專利名稱：產生電感耦合等離子體的設備及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及產生干蝕刻或薄膜沉積設備中使用的電感耦合等離子體(ICP)的設備，更具體地，涉及產生適于在腔室的側壁上形成線圈的ICP的設備和方法，以增強腔室側壁上的磁場，從而增加腔室中的等離子體密度，并提高等離子體密度的一致性。
背景技術：
設計半導體制造程序中的蝕刻方法來通過光阻圖案有選擇地移除薄膜，并分類為干蝕刻方法和濕蝕刻方法。濕蝕刻方法的不利之處是，包含在舟皿中的晶片浸入充滿蝕刻溶液的容器中，且敞開區(qū)域的薄膜與蝕刻溶液發(fā)生化學反應而移除。由此，獲得側面蝕刻的外形。
相反，干蝕刻方法已發(fā)展來形成精細圖案，且使用蝕刻氣體取代蝕刻溶液。廣泛應用于半導體制造的干蝕刻方法之一是利用等離子體的等離子蝕刻技術。
由正離子、負離子和中性粒子組成的等離子體其電和熱特性方面完全不同于常規(guī)條件下的氣體，以致于等離子體被稱為物質的第四態(tài)。就是說，等離子體包含離子化的氣體，且當施加磁場或電場時，等離子體粒子是等離子體，由此在固體的表面引起化學或物理反應。
等離子體分為兩類一種是低溫輝光放電等離子體，溫度約為幾萬攝氏度，密度為109至1010/立方厘米；另一種是超高溫核聚變等離子體，溫度超過一千萬攝氏度，密度為1013至1014/立方厘米。用于半導體蝕刻或蒸發(fā)的等離子體是低電離度的低溫輝光放電等離子體，包含約90％的中性氣體。
現在，因為隨著半導體設備集成水平的提高，對精細加工的要求是嚴格的，所以，干蝕刻方法逐漸被采用，它使用在半導體處理中產生高密度等離子體的等離子體設備。就是說，為得到亞微米水平的精細圖案，等離子體內的平均自由路徑應被加長，以獲得高密度等離子體所需的各向異性的蝕刻分段表面。
此外，隨著每個直徑超過8英寸的大尺寸晶片的不斷使用，等離子體密度的一致性的要求也在增長。尤其是，如TFT-LCD、PDP、FED等的各種類型的平面顯示器的制造過程中，使用大尺寸的基板作為測試樣本，這樣，等離子體的高密度不但在中心，而且在腔室的邊緣也保持一致是非常重要的。
高密度等離子體包括應用諧振現象的電子回旋共振(ECR)等離子體，使用螺旋或嘯聲波的螺旋等離子體(helicon plasma)，和使用高溫與低壓的電感耦合等離子體(ICP)。ECR等離子具有一個優(yōu)勢，它可在低壓下產生高密度等離子體，同時也有一個缺點，它難以形成一致的等離子體分布。螺旋等離子體的優(yōu)點是，電場和磁場的能量可被復合地激勵，這樣具有一致分布的高密度等離子體可被小規(guī)模地產生，但其缺點是難以希望在大區(qū)域內得到一致的分布。同時，ICP利用圍繞線圈形成的磁場增加電子的碰撞可能性，由此獲得高密度等離子體。
傳統(tǒng)ICP的結構和操作原理將參考圖1或2說明。
等離子體發(fā)生設備形成有包含等離子體的腔室108，且腔室108通過腔室壁與大氣隔離以保持真空狀態(tài)。腔室108包括供應反應氣體的氣體入口106、維持腔室內真空狀態(tài)以及當反應完成時用于排出反應氣體的的真空泵112和氣體出口114。
此外，腔室108包括卡盤116，用于安裝如晶片或玻璃基板的測試樣本110，以及在其上面(圖1)或在側表面(圖2)連接高頻電源100的天線102。在天線102和腔室108之間安裝有石英板104，以阻止天線102與等離子體之間的電容耦合，這樣，高頻電源100的能量只有通過電感耦合才能傳送給等離子體。
這里所述的等離子體發(fā)生設備中，真空泵112開始是從腔室108排出空氣，且產生等離子體的反應氣體從氣體入口106供給。然后對天線102施加高頻電源100。當電源接通時，產生與由天線102形成的平面正交的且隨時間變化的磁場，且變化的磁場在腔室108內產生一個感應電場。感應電場用于對腔室108內的氣體粒子加速，且加速后的氣體粒子發(fā)生碰撞以在其中產生離子和原子團。產生的等離子狀態(tài)的離子和原子團用于測試片的蝕刻和蒸發(fā)。
然而，產生于腔室內的等離子狀態(tài)的離子和原子團有一個缺點，它們與反應腔室的側壁碰撞而消失，這樣不可能獲得高密度的、高一致性的超過預定量的等離子體。
傳統(tǒng)上，為克服上述問題，永久磁鐵200安裝在反應腔室108的外壁上，在此，通過永久磁鐵200形成的磁場防止腔室內的離子或電子與反應腔室的側壁發(fā)生碰撞，由此如圖3所示，以獲得高密度的等離子體。
以上方法在腔室內所形成的離子或電子可保持在等離子體中。結果，在等離子體內離子和電子碰撞更頻繁，增加了等離子體的密度。
然而，在所述結構有一個缺點，即永久磁鐵是另外安裝的，使結構復雜化，而當根據處理的特性需要調節(jié)等離子體的密度和一致性時，永久磁鐵不能輕易更換，由此在嘗試其它過程或研發(fā)新過程時受到許多限制。

發(fā)明內容
公開本發(fā)明的實施例是為了解決上述問題。本發(fā)明的目標是提供產生等離子體的設備，如在一個簡單的結構中構造的電容耦合等離子體和電感耦合等離子體，而沒有在腔室的側壁上安裝的永久磁鐵，以防止等離子體中的帶電粒子與腔室內側壁發(fā)生碰撞，并產生高密度等離子體。
本發(fā)明的另一個目標是提供產生等離子體的設備，如用安裝并一致地分布在腔室的側壁上的線圈配置成電容耦合等離子體和電感耦合等離子體以使得等離子體不管在腔室內部的位置如何，其密度保持一致。
本發(fā)明的另一個目的是提供產生等離子體的設備，如用一致排列在腔室側壁上的電感耦合線圈配置成電容耦合等離子體和電感耦合等離子體，以允許施加到電感耦合線圈的電源可以調節(jié)，因而可提高蝕刻或沉積處理的靈活性。
本發(fā)明的另一個目的是提供產生諸如電容耦合等離子體和電感耦合等離子體的等離子體設備，以配置來使位于腔室上面的天線連接到分布在腔室內側壁的線圈，以允許二者被一單電源驅動，由此簡化了機構，并產生更高密度的等離子體。
本發(fā)明的再一個目標是提供產生高密度與高一致性的如電容耦合等離子體和電感耦合等離子體的等離子體的方法。
本發(fā)明的再一個目標是提供產生等離子體的方法，如電容耦合等離子體和電感耦合等離子體，配置來調節(jié)腔室內等離子體的密度或一致性，由此，可對使用等離子體的蝕刻和沉積處理提供靈活性。
根據本發(fā)明的這些目標，提供產生電感耦合等離子體的設備，該設備包括一個高頻電源；從高頻電源接收高頻能量的天線；包含由天線產生的電磁場而產生的等離子體的腔室；沿腔室的側壁一致且分散分布的線圈；以及將能量提供給線圈的一個線圈電源，其中線圈產生電磁場把等離子體與腔室的側壁分離。
根據本發(fā)明，線圈一致且分散地分布在腔室的側壁上，線圈電源施加到線圈以產生電磁場，由此等離子體中的帶電粒子被束縛而不會通過與腔室碰撞而消失，由此產生高密度等離子體。
特別是，這里有一個優(yōu)點，即線圈一致且分散地延腔室的側壁分布，使線圈的分布形狀在等離子體的一致性上的影響所造成的不好后果最小化，這樣可避免等離子體密度的減小和靠近腔室側壁的非一致性，由此使等離子體密度更加一致。


為更充分理解本發(fā)明的性質和目標，結合附圖參見下文中的詳細說明圖1是根據現有技術產生電感耦合等離子體的設備的示意性結構圖；圖2是根據現有技術產生電感耦合等離子體的設備的示意性結構圖；圖3是根據現有技術利用永久磁鐵產生電感耦合等離子體的設備的示意性結構圖；圖4是根據本發(fā)明實施例的產生電感耦合等離子體的設備的示意性結構圖；圖5是表示圖4中所示線圈周圍形成的磁場的方向的示意圖；
圖6是表示根據本發(fā)明實施例的產生電感耦合等離子體的設備的示意圖；圖7是表示根據本發(fā)明實施例的一種形式的線圈的圖示；圖8是用來顯示根據本發(fā)明實施例產生電感耦合等離子體的設備的示意圖，該設備被線圈多次纏繞。
具體實施例方式
如圖2所示，在過去使用的采用表面波等離子體的等離子體發(fā)生設備公開在Smullin and Chorney(1958)與Trivelpiece and Gould(1959)。Moisan and Zakrzewski(1991)利用該設備在天線頻率為1MHz至10GHz產生等離子體。這些發(fā)明人利用一個與本發(fā)明的側面線圈相似形狀的線圈來產生等離子體。然而，因為這些設備對此是不適合的，所以在此所述的等離子體發(fā)生設備并不用在半導體加工中。
原因在于當等離子體發(fā)生設備用于通過表面波等離子體產生等離子體時，L/R比率[R(腔室半徑)與L(側壁的垂直長度)的比率]應足夠大，以使能量被等離子體適當吸收(參見Libermann的13章，Principlesof plasma discharges and materials and processing(等離子電荷、材料和加工的原理))，且這樣腔室應是很長的使得等離子體發(fā)生設備十分龐大。
為對比起見，本發(fā)明中的大的L/R比率并不必要，由此消除了上述問題，因為本發(fā)明的主要目標不是為側面線圈施加電源和在腔室內產生等離子體。本發(fā)明的主要目標是通過側面線圈形成一個位于側壁的磁場，利用磁場防止腔室內形成的等離子態(tài)的電子和離子與腔室的側壁發(fā)生碰撞而消失，由此提高等離子體的密度和一致性。
此外，當低頻直流電DC或AC用作施加到線圈的電源時，反射能源沒有引起任何問題，因為側面線圈產生的電抗(ωL)較小，且與施加到腔室內上部線圈的電源也沒有發(fā)生耦合的問題。
也就是說，在本發(fā)明中，通過施加高頻電源的腔室內的上部天線產生等離子體，而腔室內產生的等離子體的一致性由腔室內的側面線圈來調節(jié)。尤其，隨著晶片尺寸變大，等離子體的一致性得到更多的關注和重視，這樣本發(fā)明在這方面可帶來十分有用的結果。
同時，磁場強度與距導體，如線圈的距離成反比降低，這樣，帶電粒子的方法極大地限制在靠近線圈的腔室側壁上。但是，帶電粒子相對容易地與沒有放置線圈的腔室側壁相碰撞而消失。結果，等離子體的密度相對于這些位置沒有一致形成。為了防止以上問題，線圈纏繞成矩形、圓形、三角形或正弦波形樣式，以增強線圈周圍的受到削弱的磁場強度，這樣不論位置如何，可形成一致強度的等離子體。
然后，參考圖4和5，詳細描述本發(fā)明的構造和操作。圖4與圖1的構造相同，除了有電源300和線圈302，這樣省略掉同樣構造的說明，只描述電源300和和線圈302。
由高頻電源100和天線102在腔室108內的產生的等離子體通過擴散與腔室108的側壁碰撞。然而，當對線圈302施加電源時，形成如圖5所示的磁場，且具有正和負電傾向的等離子體內的帶電粒子受磁場的影響而與腔室108的側壁隔離。尤其是，當電流流過沒有放置線圈302的域400，以對應施加的按圖5中指出的方向的電源，因為域400的磁場由于加入由作為線圈302的一部分的導體(A)和另一個導體(B)所產生的磁場而增強，所以即使遠離線圈302，其磁場的強度也沒有被削弱。由于在此提到的原因，腔室內的等離子體可維持高密度和高一致性。
此外，在本發(fā)明中，可以調節(jié)施加到線圈的電源強度和頻率，這樣，等離子體的強度和一致性可相對于使用等離子體的蝕刻或沉積處理特點而調節(jié)。由于等離子體的強度和一致性的可調節(jié)性，本發(fā)明的優(yōu)點在于可容易地達到新處理的設計，而不用考慮處理腔室的配置。尤其是，這一優(yōu)點可具有用永久磁鐵的傳統(tǒng)技術不能體現出來的特殊效果。
同時，根據本發(fā)明產生電感耦合等離子體的設備，可以通過使用圖6所示的相同電源100驅動線圈302和天線102以在其構造上進一步簡化。
然而，在這種情況下，施加到天線102的電源100應該由高頻電源構成。這是因為天線102不能連接到DC電源。因此，同樣的高頻電源應施加到天線102。換句話說，如果天線102和線圈302由分離的電源來驅動，施加到線圈302的電源可以是AC或DC，但當線圈302由相同電源驅動時，線圈302只能使用AC電源。
如圖7所示，線圈可形成為各種形式，如矩形、圓形、三角形或正弦波形。這些形狀的線圈可帶來如圖5所示的域400內的磁場增強效果的同樣效果，且線圈繞線的尺寸和數量可由處理條件、腔室的大小等決定。圖8顯示根據處理條件或腔室尺寸的多次纏繞的線圈。
盡管本發(fā)明是由優(yōu)選實施例來描述的，本發(fā)明可在不偏離其基本特性的精神的條件下，體現為多種其它的形式，且因為本領域技術人員將認識到在所附權利要求的精神和范圍內的顯著改進，所以這些實施例是說明性的，而不是限制性的。
本發(fā)明這樣布置線圈以允許在域400內相互增強其磁場，而替代現有技術中使用的永久磁鐵。結果，可以省掉用于在傳統(tǒng)設備中產生電感耦合等離子體的永久磁鐵，而由線圈提高等離子體的密度和一致性。
此外，形成在線圈周圍的磁場可隨著施加到線圈的電源300的強度和頻率的變化而改變，這樣，蝕刻或沉積設備處理條件的變化導致的等離子體的變化可以容易地處理，且提高了蝕刻或沉積處理的靈活性。
應指出的是放置在用于產生電感耦合等離子體的傳統(tǒng)設備內的腔室上面的線圈和側壁的線圈可以連接為聯合的并制成一個線圈，這樣簡化了等離子體發(fā)生設備的結構。
權利要求
1.一種產生等離子體的設備，該設備包括一個高頻電源；從所述高頻電源接收高頻能量的一個天線；包含由所述天線制造的電磁場而產生的等離子體的一個腔室；沿所述腔室的側壁一致且分散排列的一個線圈；給所述線圈提供電能的線圈電源，其中所述線圈產生電磁場用于從所述腔室的側壁分隔所述等離子體，防止在所述腔室內產生的等離子體與所述腔室的側壁發(fā)生反應。
2.如權利要求1的所述設備，其中所述線圈可沿所述腔室的側壁纏繞成矩形、圓形、三角形或正弦波形，以增強所述線圈之間的磁場。
3.如權利要求1或2的所述設備，其中所述線圈電源是DC或AC電源，且其強度和頻率可根據使用所述等離子體的蝕刻或沉積處理中的處理特性而調節(jié)。
4.如權利要求1或2的所述設備，其中所述線圈在所述腔室外壁上纏繞至少超過一次。
5.如權利要求1或2的所述設備，其中所述天線和所述線圈由相同電源驅動。
6.一種產生等離子體的方法，該方法包括步驟激勵真空泵以排出所述腔室內的氣體，使所述腔室成為真空；將反應氣體供應到氣體入口；對位于所述腔室上面的天線施加高頻電源，以在所述腔室內產生等離子體；以及對沿所述腔室的側壁分散且一致排列的所述線圈施加線圈電源，以允許所述等離子體與所述腔室的側壁隔離。
7.如權利要求6的所述方法，其中所述線圈電源是DC或AC電源，且其強度和頻率可根據使用所述等離子體的蝕刻或沉積處理的處理特點而調節(jié)。
8.如權利要求6或7的所述方法，其中所述天線和所述線圈由相同電源驅動。
全文摘要
產生電感耦合等離子體的設備及其方法，其中線圈一致且分散地排列在一個腔室的側壁上，替代在現有設備中的安裝在腔室的一個外壁上的永久磁鐵，這樣放置線圈以允許線圈形成的磁場在線圈的中心部分互相增強，這樣腔室內產生的帶電粒子相對腔室的側壁有效分隔，由此可以產生高密度和高一致性的等離子體。施加到線圈的電源的強度和頻率可以調節(jié)使得能夠根據使用等離子體的蝕刻或沉積處理中所需的處理特性，調整腔室內產生的等離子體的密度和一致性，這樣，為使用等離子體的處理提供了靈活性，且新方法的設計可不受處理腔室配置的限制。由于省掉了永久磁鐵，本發(fā)明在結構上進行了簡化，因此極大地降低了制造成本。
文檔編號H01J37/32GK1630936SQ03803544
公開日2005年6月22日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權日2002年2月8日
發(fā)明者權光虎, 沈載琦 申請人:權光虎