用于调整电容耦合RF等离子体反应器中的电极空隙的装置

背景技术

[0001]集成电路通常是由晶片形成的，在晶片上形成有图案化 的微电子层。在基板处理过程中，经常使用等离子体在基板上沉积 薄膜或者刻蚀该薄膜上的预定部分。下一代微体电子层中缩小的特 征尺寸和新材料的应用对等离子体处理设备提出了新的要求。更小 的特征、更大的基板尺寸和新的处理技术产生了对等离子体参数的 控制的额外要求，比如等离子体密度和在整个基板上的一致性，以 达到期望的产量。

发明内容

[0002]一种等离子体处理装置的示例性实施方式包含包含围绕 内部区域并有开口的壁的室；悬臂组件，其包含：穿过该壁的该开 口延伸且具有位于该内部区域外部的外部部分的臂单元；以及基板 支架，在该臂单元上且设置于该内部区域内；致动机构，耦合于该 臂单元的该外部部分且可操作以使该悬臂组件相对于该壁运动；以 及至少一个真空隔离构件，密封由该臂单元的该外部部分和该壁部 分围绕，并与该内部区域流体连通的空间，该真空隔离构件为该空 间提供真空隔离以便该悬臂组件上的大气压负载被平衡。

[0003]一种用于处理基板的等离子体处理室的示例性实施方 式，该等离子体处理室包含围绕内部区域并具有开口的壁；延伸穿 过该该开口的悬臂组件，该悬臂组件包括在该内部区域内部的第一 末端以及在该内部区域外部的第二末端的基板支承表面；以及耦合 于该第二末端并可操作以使该悬臂组件垂直于该基板支承表面反 方向移动的致动机构。

[0004]一种用于调整电容耦合等离子体处理室中的电极间空隙 的装置，其包含上电极组件和围绕内部区域并有开口的壁，该装置 包含悬臂组件，该悬臂组件包括下电极、在第一末端和第二末端的 基板支承表面，该悬臂组件适于贯穿该开口以便该第一末端在该内 部区域内部而该第二末端在该内部区域外部；以及耦合于该第二末 端并可操作以使该悬臂组件垂直于该基板支承表面移动的致动机 构。

附图说明

[0005]图1显示了电容耦合等离子体处理室的示意图。

[0006]图2是包括悬臂(cantilever)组件的电容耦合等离子体处 理室的一个实施方式的横截面示意图。

[0007]图3显示了图2中所示的区域A的放大视图。

[0008]图4显示了图2中所示的CAM环和马达的俯视示意图。

[0009]图5显示了图2中所示的区域B的放大的示意图。

具体实施方式

[0010]图1描绘了等离子体处理装置的电容耦合等离子体处理 室100。如图所示，下电极组件包括聚焦环(focus ring)108；以及 在该室的操作过程中将基板106固定在适当的位置的卡盘104。该卡 盘104由RF电源供应110供应射频(RF)能量。在图示的室100中， 该下电极组件被固定到室壁118上。上电极组件包括上电极114、栅 板(baffle)116；以及圆柱状本体123，该上电极和栅板悬挂于其上。 在操作过程中，该上电极114可以是接地的或者是被另一个RF电源 供应120供电的。通过该栅板116和上电极114的气体供应被电性激 励，以在该空隙125中产生等离子体。该空隙125中的等离子体被约 束环(confinement rings)102约束。该等离子体中的一些气体穿过 该约束环102之间的间隔/空隙并被从该室排出。

[0011]在图示的室100中，为了调整上下电极组件之间的空隙 125，通过致动机构124升高或降低整个上电极组件。密封装置126 可用来在该圆柱状本体122和该反应器顶部112之间提供真空密封， 同时允许该上电极组件相对于该下电极组件移动。该圆柱状本体 122的一部分123被施加大气压，而该上电极组件的其它部分被施加 低气压。当该上电极组件作为一个整体移动时，在该上电极组件的 表面上的压强的总和产生向下的力，称为大气压负载(atmospheric load)。在其它类型的室中，该下电极组件可以上下移动以调整该空 隙，而该上电极可以是固定的。在这样的室中，因为该下电极组件 的顶部一侧和底部一侧分别被施加低气压和大气压，所以该下电极 组件被施加一个向上的大气压负载。

[0012]在该实施方式中，该大气压负载依赖于几个参数，包括 该上电极114的直径、该圆柱状本体122的横截面尺寸、该空隙125 中的等离子体的压强和该顶部112中的室内气压。因为当移动该上 (或下)电极组件时，该大气压负载是存在的，且该大气压负载可 以变化，所以想要有一种可以平衡该大气压负载的电容耦合室，以 由此使得该空隙能够被更准确地控制。

[0013]图2显示了等离子体处理装置的电容耦合等离子体 (CCP)处理室200的一个示例性实施方式。该室200可以平衡该大 气压负载，以允许对该电极空隙的更精确地控制。该室200包含壁 204、设置于该壁的上电极组件202和围绕该上电极组件202的顶部 部分的室顶206。该上电极组件202包含上电极203和一个或多个包 括气体通道的栅板205以将工艺气体分配到限定在该上电极203和 该下电极组件212之间的空隙207中。为了简便起见，该上电极组件 202显示有三个元件。然而，该上电极组件可以包括另外的元件。 该壁204具有门208，基板可以通过该门208卸载/装载到该室200。

[0014]为了简便起见，图2中仅仅显示了一个气体管线。其它的 气体管线可以耦合到该上电极组件202，且气体可以通过该室壁204 和/或该室顶206的其它部分供应。

[0015]该室200包含悬臂组件210，其由致动机构228升高或降 低。该悬臂组件210包括伸出臂214、外部导体环241、该下电极组 件212和绝缘体238，以使得该外部导体环241与该下电极组件212电 性绝缘。该下电极组件212显示有一个元件。然而，该下电极组件 212可以包括其它的元件，比如下电极和用于在操作过程中将基板 固定在该下电极组件212的上表面上的适当的位置的卡盘。该卡盘 可以是静电、真空、或机械卡盘。该下电极通常由一个或多个RF 电源供应216供应RF能量。例如，该RF能量可以有2MHz到大约 27MHz的频率。该RF能量激励该工艺气体以在该空隙207中产生等 离子体。其它的合适的机构，比如用于升高该基板的起模针(lift pin) 机构、光学传感器和用于冷却该下电极组件212的冷却机构，连接 于该下电极组件212或形成该下电极组件212的一部分。设施元件 224共同地代表这些其它类型的机构。

[0016]该臂214可以有通常是圆柱管的形状。优选地，该臂214 是由导电材料形成的。当该臂214的外表面暴露于活性工艺气体中 时，该臂214可以有外部保护涂层，或者可以是由例如不锈钢等可 以抵抗工艺气体的材料形成的。该悬臂组件210还包括固定于该臂 214的上部臂支架226和下部臂支架220。在下文中，该臂214、上部 臂支架226和下部臂支架220被共同称为臂单元。当该上部臂支架 226和下部臂支架220位于该侧壁204外面时，这些元件还被称为该 臂单元的外部部分。该下部臂支架220包括形成供应管线路径222的 圆柱管部分221。设施元件224的设施供应管线，比如冷却剂导管、 压缩空气管线、传感器输入输出线路，穿过该供应管线路径222， 该供应管线路径222从该下部臂支架220的该圆柱管部分221的内部 空间延伸到该下电极组件212的下表面。该供应管线路径222在该悬 臂组件210内部形成空腔，并对大气开放。该下部臂支架220可以是 由导电材料形成的。

[0017]该上部臂支架226包括大体圆柱形的管部分227和顶板 229。该顶板229的一端固定于该致动机构228。该顶板229还支撑该 RF供应或匹配216。该上部臂支架226的该圆柱管部分227和该臂214 提供了空间，以容纳L形RF管组件218。该悬臂组件210的元件，也 就是说，该下电极组件212、臂214、RF管组件218、下部和上部臂 支架220、226、外部导体环241和绝缘体238，被致动机构228作为 一个整体上下移动，以便调整该空隙207。下面，参考图3，描述该 致动机构228的进一步的细节。

[0018]该壁204的底部耦合于真空泵单元239以从该室中排出气 体。该室200包括至少一个真空隔离构件以为该悬臂组件210提供真 空隔离。在图示实施方式中，该真空隔离构件包含两个波纹管 (bellow)230a、230b。该下部和上部臂支架220、226的外表面和 该臂214的外表面被施加由该真空泵单元239产生的低气压。将基板 作为该悬臂组件210的一部分来考虑，应该意识到，在操作过程中， 该悬臂组件210的大部分外表面是在低气压区域的。如此，该悬臂 组件210上的大气压负载，也就是说，围绕该悬臂组件210的外表面 的总的气压是不重要的，也就是说，该大气压负载是平衡的。因为 在该实施方式中，该大气压负载是平衡的，该悬臂组件210向该致 动机构228传递一个减小的负载。

[0019]注入该空隙207的工艺气体被激励以产生等离子体以处 理该基板，穿过该约束环组件246，并停留在围绕该下部臂支架220、 上部臂支架226和臂214的外表面的空间中，直到被该真空泵单元 239排出。当该上部和下部臂支架220、226在操作过程中被暴露于 活性工艺气体中时，他们是由可以抵抗该工艺气体的材料，比如不 锈钢形成的，或者有保护涂层。同样地，该波纹管230a、230b由例 如不锈钢等可以抵抗该化学物质的材料形成的。该波纹管230a、 230b的直径可以根据设计要求变化，并且例如，可以是大约1.6厘米 到大约3.6厘米。

[0020]该悬臂组件210被升高或降低以调整该上电极组件202和 设置在该下电极组件212上的基板之间的空隙207。为了减少该空隙 207，该悬臂组件210被升高以压缩该上部波纹管230a和拉长该下部 波纹管230b。同样地，为了增加该空隙207，该悬臂组件210被降低 以拉长该上部波纹管230a和压缩该下部波纹管230b。

[0021]在该实施方式中，在该悬臂组件210的垂直运动过程中， 在真空气压下的该室200的区域的体积大体上不变，其全部在由该 壁204的内表面、该悬臂组件210的外表面和波纹管230a、230b限定 的体积之内。该体积可以大体上保持恒定，因为当该悬臂组件210 向上移动时，波纹管230a伸长而波纹管230b收缩，由此在该真空区 域内保持大体上相同的体积。如图2所示，尽管该波纹管230a、230b 相对于其纵轴是稍微中心错位的，通过使该室200的内部体积在该 悬臂组件210的各种竖直位置上保持大体恒定，双波纹管平衡了该 大气压负载。用这种方法，大气压在该室200上方的悬臂组件顶部， 和大气压在供应管线路径222内部的作用力相等。因为在间隙调整 过程中体积变化是很小的，室内气压和等离子体压强的变动都被减 小。该大气压负载不会波动并导致该室200内的处理条件的潜在变 化。

[0022]如上所述，该设施供应管线穿过该供应管线路径222。该 供应管线路径222从该下部臂支架220的该圆柱管部分221穿过该臂 214延伸到位于该下电极组件212下方的该设施元件224。该供应管 线路径222对大气开放。然而，当该路径222在该悬臂组件210中形 成空腔时，在该空腔表面上的大气压的总和不产生任何的大气压负 载。

[0023]在操作过程中，该RF供应216供应RF能量至该下电极组 件212。该RF供应216通过该L形RF管组件218发送RF能量。该RF管 组件218的上段218a位于该上部臂支架226的圆柱状部分227的内 部，而下段218b位于该臂214的内部。该上段218a的底部部分耦合 于该下段218b的开放端，以形成RF传输的空腔。该RF管组件218是 由合适的导电材料形成的。位于该下段218b的闭合端附近的RF导体 240收集通过该RF管组件218传输的RF能量并将收集到的能量发送 到该下电极组件212。

[0024]该RF供应216和RF导体240之间的RF匹配水平依赖于该 RF管组件218的尺寸。优选地，该RF管组件218的上下两端218a、 218b的长度和直径具有最佳值，以便通过该管组件218传送的该RF 能量在宽RF频率范围内是最优化的。在图示实施方式中，在空隙调 整过程中，该RF管组件218的上段218a和下段218b两者都随着该RF 供应216移动。因此，一旦该RF管组件218被设置为其最佳配置，该 配置可以被保持，无需进一步调整，从而带来该室200在很宽的RF 频率范围内的性能提升。

[0025]在该实施方式中，该悬臂组件210的垂直运动(也就是说， 垂直于该臂214上提供的基板支承表面)可以在无需在该室200内部 提供滑动部件的情况下完成。作为结果，该悬臂组件210减少了空 隙调整过程中产生微粒的可能性。例如，因为该水平臂214的一端 的上端是位于该室外部的，该水平臂214和基板支架可以被作为一 个整体升高和降低，而不必在该室内部使用垂直驱动机构或滑动部 件以适应下电极组件的伸展。同样地，因为用来控制该下电极的RF 能量供应的软件与该水平臂和基板支架作为一个整体移动，该RF 供应管线可以是由预置长度的刚性导电材料制造的，因为不需要适 应该下电极和该RF供应之间的移动，而这在该软件位于等离子体室 外部的固定表面时会发生。

[0026]空隙207中的气体被传递至该下电极组件212的RF能量 电性激励以产生等离子体。返回电流，即从该下电极组件212通过 该等离子体流向该上电极组件202的电流，需要回到该RF供应216 以完成电流回路。在该室200中，使用若干挠性(flexible)接触 (contact)或条(strip)234以在该壁204和该外部导体环241之间实 现可靠的电连接，该外部导体环214电性耦合于该臂214。该外部导 体环241是由导电材料形成的，并被该绝缘体238从该下电极组件 212电性隔离。通过从该上电极组件202通过该壁204、挠性接触234、 外部导体环241、臂214、该RF管组件218的壁或罩，到该RF供应216 的流动，该返回电流完成了该回路。该波纹管230a、230b没有形成 该返回电流的回路的一部分。导体元件236被用于将该臂214电性连 接到RF管组件218的壁，以提供该返回电流的一种另外的路径。

[0027]当在空隙控制或基板装载/卸载过程中，该外部导体环 241相对于该壁204移动时，该接触234足够灵活(flexible)以适应 该相对运动。优选地，该挠性接触234是由金属合金形成的，比如 铍铜(BeCu)。可选地，该接触234可以有等离子体抵抗涂层，以保 护其免受活性工艺气体的影响。该挠性接触234被该壁204和导体环 241之间的相对运动拉长或压缩。该接触234可具有弯曲的形状以消 除应力。

[0028]如上所述，工艺气体被激励以在该空隙207内产生等离子 体。一旦等离子体在该空隙207内产生，该约束环组件246是可操作 的，以在不同的压强和气流条件下约束该等离子体。在该实施方式 中，该约束环组件246是由CAM环/活塞组件250驱动的。该CAM环/ 活塞组件250包括CAM环242、用于旋转该CAM环242的马达244和 耦合于该CAM环242和约束环组件246的活塞组件。下面结合图4和 图5，对该约束环组件246和CAM环/活塞组件250的进一步的细节进 行描述。

[0029]通常，在基板上图案化微电子层的操作包括若干刻蚀/沉 积步骤。在该若干步骤过程中，连续的副产品层被沉积到该上下电 极组件的表面上。当该副产品层和该组件表面的粘合最终减弱时， 该副产品层可能从该表面剥落或脱落从而污染该基板。在该室200 中，该上电极组件202保持固定而该悬臂组件210在垂直方向上移动 以调整该下部和上部电极组件212、202之间的空隙207。如此，在 这些步骤或装载/卸载基板之间的转换过程中，大多数的薄片可能从 该悬臂组件210脱落。因为基板是位于该悬臂组件210顶部的，也就 是说，该基板是位于该污染区域上方的，该副产品污染物可以被显 著减少，从而提高生产产量。

[0030]图3是图2中所示的区域A的放大的示意图，描绘了用于 移动该悬臂组件210的致动机构228(图2)。如图所示，该上部臂支 架226的末端部分可旋转地固定于导引螺杆(lead screw)或滚珠螺 杆(ball screw)306的顶端。固定于承托架(support bracket)302 的马达304通过带子(belt)308或其它合适的运动传动机构驱动该 导引螺杆306。该螺杆306的底部可旋转地固定于该支架302。导向 装置(guide)310具有内螺纹孔(female threaded hole)，其可与导 引螺杆306啮合。因为该导向装置310被固定于壁300，所以该导引 螺杆306的旋转运动导致该上部臂支架226、承托架302和马达304的 垂直运动。马达304的类型和螺杆306中形成的螺纹的节距(pitch) 影响空隙207的调整精度，优选地，该精度为微米的十分之几。该 马达304是由马达控制系统312控制的。该马达控制系统312可被耦 合于用于测量空隙207尺寸的传感器，以便对空隙的控制可以以反 馈控制的模式进行。各种类型的本地(in-situ)检测器，例如激光 的、电感的、电容的、声学的、线性差动变换器(LDVT)传感器， 可被用作空隙传感器，而且根据传感器的类型，可位于该壁204的 内部或外部。

[0031]图4是图2中所示的该CAM环242和马达244的俯视示意 图。如图所示，该马达244通过带子404被耦合于该CAM环242。该 带子404在点406和408连接于该CAM环242。在一个替代实施方式 中，该带子404可以卷绕该CAM环242。张力装置(tensioning arrangement)410拉紧(take up)带子404的松弛部分(slack)并朝 马达244拉动该CAM环242，以促使该CAM环242的内表面与滚筒 (roller)412和414滚动接触。三个活塞组件250被耦合到该CAM环 242。该活塞组件250驱动该约束环组件246，如下面结合图5所述。 该马达244由马达控制单元420控制。

[0032]该室200可以包括一个或多个压强传感器，以测量该空隙 207中以及该室壁204和该悬臂组件210之间的空间270中的压强。来 自该一个或多个传感器的信号被发送到该马达控制单元420。该马 达控制单元420被耦合于该压强传感器，这样来自该一个或多个传 感器的信号被发送到该马达控制单元420。因为该室的压强部分是 由该约束环组件246控制的，该马达控制单元420和压强传感器可以 以反馈控制模式运作。

[0033]另外的滚筒被用来限定该CAM环242的转动中心。显示 了三个活塞组件250被设置在该CAM环242周围。然而，其它的实施 方式可以包括不同数量的活塞组件。

[0034]图5是图2中所示的区域B的放大的示意图。如图所示，该 活塞组件250包括轮502，其与该CAM环242滚动接触；和支撑板506， 该轮502通过合适的机构比如插销(bolt)和插槽(slot)的布置被 可调整地设置于该支撑板506上。该支撑板506被设置在该室顶206 (图2)，且相对于该室顶206基本静止。

[0035]该组件250还包括活塞504和设置在该活塞504上的CAM 随动件508。该活塞504和CAM随动件508被弹簧510朝该CAM环242 的下表面512推动。该CAM随动件508与该下表面512保持接触以允 许该活塞504随着该下表面512中的轮廓(contour)升高或降低。该 活塞504在方向540上上下移动，该方向540与由WAP环532和约束环 534定义的平面正交。

[0036]一对设置于在该上电极组件202中形成的凹槽中的密封 (seal)507使得，当活塞504随着该CAM环242的下表面512的轮廓 上下移动时，该室内的较低压强能够保持。尽管显示的是两个密封 507，也可以依照要求使用其它合适数量的密封。

[0037]该活塞504的垂直运动是由该CAM环242的下表面512的 轮廓控制的。如图5所示，该下表面512包括CAM区域522。优选地， 对每个活塞组件250均有一个CAM区域。优选地，该CAM区域522 包括上倾(inclining)表面526，其导致该CAM环242在箭头518方向 旋转时，该活塞504向下移动。替换地，不使用该下倾(declining) 表面528控制该活塞504。替代地，在该CAM环242来回旋转且该 CAM随动件508跟随该倾向表面526的轮廓时，通过仅使用该上倾表 面526来上下移动该活塞504。

[0038]该上倾表面526可以有具有两个不同斜率的两个单独的 区域。如图所示，第一斜率530比第二斜率524更陡，以使得该CAM 环242每旋转一度，该活塞504可以上下移动更大的距离。该斜率530 可被用来进行粗略控制而该斜率524可被用于对该活塞504进行精 确控制。替换地，该上倾表面526可以具有一个连续的斜率。

[0039]该活塞504被耦合于该约束环组件246。更准确地说，该 每个活塞504的底端被耦合于该WAP环532和多个约束环534a、 534b、534c(在这里一起被称为约束环534)。该活塞504在箭头540 的方向移动并由此控制该环532、534和该环532、534之间的该空隙 536a、536b、536c、536d(在这里一起被称为空隙536)的位置。 工艺气体通过该上电极组件202被引入该空隙207，该上电极组件 202可包括一个或多个栅板，以便该工艺气体在该区域207中流动并 产生喷淋头效果。在该空隙207中，该工艺气体被激励以产生等离 子体以处理设置于该下电极组件212的顶部支撑面上的基板。

[0040]该空隙207，其与该基板的中心轴是同轴的，被包括该约 束环组件246的区域从该壁246间隔开。该WAP环532被耦合于活塞 504的两端且环534通过柱(post)538悬挂于该WAP环532。环532、 534具有百叶窗形布置且环之间的空隙536被控制以在该空隙207的 很宽的范围内约束该等离子体。当该活塞504向上移动时，环532、 534彼此分开。当该活塞504向下移动或该悬臂组件210向上移动时， 该底部环534a与该外部导体环242的肩部接触。当该悬臂组件210进 一步向上移动时，该空隙536b-536d连续地减小到0。替换地，可以 在每一空隙536之间插入垫片以限制两个相邻环534之间的最小间 隔。该约束环组件246的更详细的资料可以在共同持有的专利号为 6,019,060的美国专利中找到，其内容完整引入作为参考。优选地， 环532、534是由具有高电导率的材料形成的，比如具有大约为2000 Ω-cm的高电导率并能承受该空隙207中的恶劣的操作环境的碳化 硅。环532、534可以是由其它合适的导电材料形成的，比如铝或石 墨。该柱538可以是由金属形成的。

[0041]该约束环组件246协助将该等离子体约束到被该上下电 极组件202、212和环532、534围绕的空间中，同时允许该空隙207 中的中性气体成分以大体水平的方向穿过该空隙536。然后，中性 气体成分流入被该壁204的内表面、该悬臂组件210的外表面和该波 纹管230围绕的空间550。该空间550中的气压是由连接于该壁204的 底部的该真空泵单元239控制的。如此，该约束环组件246将该空隙 或等离子体激活区域207从该空间550分隔。通常，该空隙区域207 的体积相对于该空间550的体积较小。因为该基板的刻蚀速率直接 受该空隙207中的该等离子体的影响，该组件246使得在该空隙207 的整个范围内进行小体积气压控制和等离子体约束，而不必对该室 的硬件做出重大的物理改变。而且，因为该空隙207的体积很小， 可以更快更准确地控制该等离子体条件。

[0042]通过重复使用该上电极组件202和下电极组件212，面对 该等离子体的该电极表面逐渐被该等离子体侵蚀。该空隙207可以 被调整以补偿该电极的磨损，以便该处理的可重复性得以保持，并 由此延长该电极的使用期限并降低消耗品的成本。

[0043]尽管本发明是参考其具体实施方式进行详细描述的，然 而，显然，对本领域的技术人员来说，可以在不悖离所附权利要求 的范围的基础上，对本发明作出变更和修改，以及使用等同物。