电感耦合等离子体(ICP)反应器的动态离子自由基筛与离子自由基孔

摘要

本文描述的实施例提供使用具有可移动式孔的离子蚀刻腔室来蚀刻基板的设备及方法。离子蚀刻腔室具有腔室主体，腔室主体包围处理区域、基板支撑件、等离子体源、离子-自由基屏蔽件及可移动式孔部件。基板支撑件布置于处理区域中且具有基板接收表面。等离子体源布置于面对基板接收表面的腔室主体的壁上。离子-自由基屏蔽件布置于等离子体源与基板接收表面间。可移动式孔部件介于离子-自由基屏蔽件与基板接收表面间。可移动式孔部件通过升举组件而致动，升举组件包含升举环及自升举环至孔部件的升举支撑件。离子-自由基屏蔽件通过经由孔部件而布置的屏蔽件支撑件而支撑。孔大小、形状及/或中心轴位置可藉使用插入件而改变。

说明书

技术领域

本文描述的实施例是关于半导体的制造方法与设备。更特定言之是揭示了基 板蚀刻的方法与设备。

背景技术

图案蚀刻是一种主要的半导体制造方式。基板通常暴露于活性的离子(reactive  ion)及中性粒子的等离子体中，以便将图案蚀刻至基板表面上。此工艺典型地用于 蚀刻图案至基板上，该基板继而用于半导体基板的光刻图案化。基板通常为玻璃或 石英，且基板一侧具有一层铬及/或钼掺杂的氮化硅。该层为抗反射涂料及感光性 的抗蚀剂所覆盖，并且该层通过曝露至图案化紫外光中而形成该图案。抗蚀剂曝露 的部分溶解，下面的铬层通过等离子体蚀刻而形成图案。

在等离子体蚀刻中，等离子体通常形成于邻近基板处。由等离子体来的活性 的离子及自由基与基板表面发生反应，将材料自该表面移除。在基板表面某一位置 材料移除或蚀刻的速度，与邻近于该位置的活性物种的密度成比例。由于微负载、 深宽比变异、等离子体效应及腔室效应，跨越基板表面的活性物种的密度的一致性 常会有所变化，造成了跨越基板的蚀刻速度的变化。在许多情况下，观察到蚀刻速 度在接近基板中心处较高，邻近周边处较低。

解决蚀刻速度一致性的现有方法包括蚀刻速度控制的化学方法、控制前体温 度与等离子体热量分布的热量方法，及以电极摆放于腔室内不同位置为特色的电磁 方法。然而，依然需要以动态且可调整的方式影响等离子体密度分布的方法及设备。

发明内容

本文描述的实施例提供使用具有可移动式孔的离子蚀刻腔室以蚀刻基板的设 备及方法。该离子蚀刻腔室具有腔室主体，该腔室主体包围处理区域、基板支撑件、 等离子体源、离子-自由基屏蔽件及可移动式孔部件。该基板支撑件布置于该处理 区域且具有基板接收表面。该等离子体源布置于面对该基板接收表面的腔室主体的 壁上。该离子-自由基屏蔽件布置于该等离子体源与该基板接收表面间。该可移动 式孔部件介于该离子-自由基屏蔽件与该基板接收表面间。该可移动式孔部件通过 升举组件而致动，该升举组件包含升举环及由该升举环至该孔部件的升举支撑件。 该离子-自由基屏蔽件通过屏蔽件支撑件而支撑，该屏蔽件支撑件经由该孔部件而 布置。该孔的大小、形状，及/或中心轴位置可藉使用插入件而改变。

该升举环可通过线性的致动器致动，以移动该孔部件接近或远离布置在该基 板支撑件上的基板。本文描述的处理基板的方法包括布置孔部件于离子-自由基屏 蔽件与离子蚀刻腔室的基板接收表面间，及通过移动该孔部件接近或远离该基板接 收表面来控制邻近基板接收表面的活性物种的密度分布。

在另一实施例里，当孔部件由固定部件所支撑时，升举环可被耦接至该离子- 自由基屏蔽件，以移动该离子-自由基屏蔽件接近或远离该孔部件。

附图说明

简略综述如上的本发明的更特定的描述可参照实施例而取得，该等实施例中 的某些实施例示出于附图中。如此，本发明以上节录的特征可被详尽地理解。然而， 必须指出，该附图仅示出本发明典型的实施例而不限定本发明实施例的范围，本发 明可接纳其他均等效力的实施例。

图1为依照一实施例的处理腔室的示意剖面侧视图。

图2为依照一实施例的孔组件的局部透视图。

图3A至3C为展示孔组件在不同处理位置的剖面侧视图。

图4A为依照一实施例的孔部件的俯视图。

图4B为依照另一实施例的孔部件的剖面侧视图。

图5为依照另一实施例的处理腔室的剖面侧视图。

为了便于理解，相同的附图标记，若可能，被用于指定各附图中的相同元件。 可预期揭露于一实施例里的元件可受益地被用于其他实施例而无须特定详述。

具体实施方式

本文描述的实施例提供使用可移动式孔部件来蚀刻基板的方法及设备。图1 是依照一实施例的处理腔室100的示意剖面侧视图。适用于本文揭示内容的合适的 处理腔室包括，例如去耦的等离子体源()II反应器或Tetra^TM基板蚀刻系统家 族，全部皆可自加州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)取得。本 文提供的处理腔室100的特定实施例乃是提供于说明之用且不应用以限制本发明 的范围。可以预期的是本发明可利用于其他等离子体处理腔室，包括其他制造商所 制造的等离子体处理腔室。

处理腔室100通常包括处理空间106，该处理空间106通过腔室壁102及腔室 盖104而界定。该处理腔室100包括等离子体源122，该等离子体源122用以在处 理空间106内供应或产生等离子体。等离子体源122可包括天线110，该天线110 布置在腔室盖104上以在处理空间106内产生电感耦合等离子体。天线110可包括 一或多个同轴线圈110a、110b。天线110可经由匹配网路114耦接至等离子体功 率源112。

支撑组件108布置于处理空间106内以支撑基板1，该基板1在抬高部130 上被处理。抬高部130可用作座台，以便将基板1定位于处理空间106内的所需位 置。抬高部130的顶面182用作基板接收表面。该支撑组件108可包括静电卡盘 116，该静电卡盘116具有至少一个夹合电极118，该夹合电极118通过电连接128 连接至夹具电源126。支撑组件108可包括其他基板保持机构，例如基座钳环、机 械夹具、真空吸盘，诸如此类。该支撑组件108可包括电阻加热器124，该电阻加 热器124耦接至加热器电源120与散热器129以进行温度控制。

在一些实施例里，夹具电源126可为射频产生器，如此阻抗匹配电路127便 可插设于该夹具电源126与夹合电极118间。来自夹具电源126的偏压电力或来自 等离子体功率源112的电源电力或两者可为脉冲性的或连续性的。该夹具电源126 及/或等离子体功率源112可用于提供脉冲射频电力，该电力具有介于约1kHz与约 10kHz间的频率、介于约10%与约90%间的占空比(duty cycle)及约10微秒的最小 脉冲持续时间。匹配电路114及/或匹配电路127可用于以约50欧姆的负载提供稳 定等离子体。

该支撑组件108也包括转接器134以于在抬高部130与外部转移设备(比如外 部机器人)间移转该基板1。该转接器134布置在静电卡盘116上且该转接器134 可有开口136，该开口136允许抬高部130经由该开口136而延伸。转接器134可 自静电卡盘116，通过耦接至升举机构138的数个升举销140而举起。示例性的转 接器描述于第7,128,806号美国专利里，该专利标题为“Mask Etch Processing  Apparatus(掩膜蚀刻处理设备)”。

处理腔室100也可包括离子-自由基屏蔽件142，该离子-自由基屏蔽件142布 置在支撑组件108上。离子-自由基屏蔽件142可与腔室壁102和支撑组件108电 绝缘。该离子-自由基屏蔽件142包括实质上平坦板材146及数个屏蔽件支撑件150。 该平坦板材146具有数个通孔148，该数个屏蔽件支撑件150支撑该平坦板材146 且该数个屏蔽件支撑件150定位该平坦板材146于支撑组件108上方一段距离。该 数个屏蔽件支撑件150可被布置在静电卡盘116、转接器134或隔板156上。数个 通孔148可被局限在平坦板材146的开放区域152里。开放区域152控制从处理空 间106的上空间154中形成的等离子体通过而至下空间144的离子量，前述下空间 144位于离子-自由基屏蔽件142与支撑组件108之间。该通孔148覆盖的面积范 围(areal extent)可大于顶面182的面积范围。示例性的离子-自由基屏蔽件可于第 7,909,961号美国专利内找到，该专利标题为“Method and Apparatus for Substrate  Plasma Etching(用于基板等离子体蚀刻的方法与设备)”。

气体面板158连接至入口160以向该处理空间106供应一种或多种处理气体。 真空泵164经由节流阀162耦接至该处理空间106。该隔板156可被布置于节流阀 162上游的支撑组件108周围，以使流体分布均匀及补偿处理空间106里的电导不 对称。

孔组件166包括了孔部件168，该孔部件168在离子-自由基屏蔽件142与支 撑组件108间被数个升举支撑件170(可为支撑销)所支撑，该升举支撑件170耦接 至升举环172。孔部件168将下空间144与处理区域145分离开，该处理区域145 介于孔部件168与抬高部130的顶面182间。致动器176，比如线性致动器(举例 而言液压缸、气缸或电驱动螺杆致动器)，经由轴杆174耦接至该升举环172，该 致动器176移动孔部件168使得孔部件168接近或远离该支撑组件108。移动该孔 部件168调整了在支撑组件108上的基板附近的活性物种的分布。

边缘屏蔽件188可耦接至孔部件168。该边缘屏蔽件188通常是环形部件，该 环形部件在孔部件168外具有向支撑组件108的延伸段。该边缘屏蔽件188的延伸 段防止处理气体自孔部件168附近流至支撑组件108与任何布置于该支撑组件108 上的基板。

孔部件168具有孔178，该孔178形成于孔部件168的中央区域。处理气体流 经孔部件168以接触基板1。展示于图1的孔的尺寸大于基板1的对应尺寸，但某 些实施例中，孔的尺寸可小于或约略相同于基板1的对应尺寸。孔的尺寸及该孔邻 近基板影响了跨越基板表面的活性物种的分布。在一些实施例中，该孔部件168 可为聚焦板材，该聚焦板材聚焦活性的物种以于该抬高部130的顶面182达到所需 的分布。

升举环172布置于处理空间106内，并且自支撑组件108径向地向外展伸。 该升举环172以实质上水平的方向安装于轴杆174上。该轴杆174通过致动器176 驱动以在处理空间106内垂直地移动升举环172。三个或三个以上升举支撑件170 自升举环172向上延伸，并且将孔部件168定位于支撑组件108上。该三个或三个 以上升举支撑件170将该孔部件168固定地连附至升举环172。该孔部件168随着 升举环172在处理空间106内垂直地移动，以便孔部件168能被定位于基板1上所 需的距离，及/或外部基板处理设备能进入位于孔部件168与支撑组件108间的处 理空间106以传递该基板1。

该三个或三个以上升举支撑件170可被定位以允许基板1传递进出处理腔室 100。在一实施例中，该三个或三个以上升举支撑件170中的每一个可被定位接近 于支撑离子-自由基屏蔽件的该数个屏蔽件支撑件150之一，以最大化至基板1的 入径(access)。

孔部件168可为平坦的板材，具有实质上相似于腔室壁102的内部尺寸的大 小，以便该孔部件168能阻挡处理空间106里的处理气体或等离子体向下流动。在 一实施例中，腔室壁102是圆柱体且孔部件168可为具有比腔室壁102内直径略小 的外直径的一个圆盘。孔178对齐静电卡盘116的抬高部130，而且孔178可被定 位成实质平行于基板1。孔178向处理气体，或活性物种，提供一个限制的路径以 向下流动至抬高部130，从而控制基板1的等离子体曝露情况，前述基板1被定位 于抬高部130处。

孔部件168的孔178具有边缘179，该边缘179可依轮廓成形而用以支撑第二 部件，例如插入件，参照图5来更详细地描述该第二部件。该轮廓的横截面形状可 为有斜面的、弯曲的或呈阶梯状的其中之一。边缘179的轮廓面对该离子-自由基 屏蔽件142，如此一来，可以与孔部件168实质上平行关系地在孔178内支撑第二 部件。在一实施例里，其中该边缘179具有斜面，该斜面可为直斜面，由机器加工 成与孔部件168的平面呈高达约75°的任何角度。在其他的实施例里，若是所需要 的，斜面可以是弯曲的或呈刻面状的(faceted)。在一些实施例里，边缘179可为部 分有斜面的，且边缘179具有一斜面的部分与一直的部分。举例而言，边缘179 的与面对该离子-自由基屏蔽件142的孔部件168的表面相接近的第一部分可以是 斜面的，边缘179的与面对抬高部130的顶面182的孔部件168的表面相接近的第 二部分可以是直的(即，实质垂直于顶面182)。该部分有斜面的边缘可改良与孔部 件168嵌套的尺寸调整插入件的稳定性。

孔178可被塑形成实质相似于被处理的基板1的形状。该孔178可以略大于 基板1的顶面112，以提供适合的处理窗口，用来影响跨越基板1表面的活性物种 的分布。例如，孔178可大于约6英寸x6英寸。可以调整孔部件168与抬高部130 的顶面182间的距离180以达成所需的基板1的等离子体曝露情况。

通过操作升举环172，孔部件168可移动地定位在离子-自由基屏蔽件142之 下及支撑组件108之上。孔部件168可有数个开口184以容纳该数个屏蔽件支撑件 150，该数个屏蔽件支撑件150支撑离子-自由基屏蔽件142的平坦板材146。开口 184可以是通孔、裁切、切口或其他类型的开口，该开口184形成以允许孔部件168 自由地移动而不会影响该屏蔽件支撑件150。

在处理过程中，等离子体通常于处理空间106内形成。等离子体里的物种， 如自由基及离子，穿越平坦板材146与孔部件168的孔178后到达基板1。通过开 创供自由基及离子自下空间144至处理区域145的流动通路，孔部件168控制基板 1上表面附近的自由基及离子的分布。孔178也可被塑型及/或定位，以便穿越孔 178的物种不会到达该基板1的边缘及/或侧边。孔178也可被塑型、定大小尺寸及 /或定位以控制跨越基板1的活性物种的密度。在一实施例中，通过将孔部件168 定位成更靠近离子-自由基屏蔽件142而非靠近基板1，基板1中央区域附近的活 性物种的密度可能减少，基板1的周边区域附近的活性物种的密度增加。

该孔部件168可由兼容于处理的化学过程的材料而形成。在一实施例中，孔 部件168可由石英或陶瓷所形成，该陶瓷如氧化铝、氧化钇(钇的氧化物)及K140(一 种京瓷公司专有的材料)，及其他材料，包括了上述材料的组合与合金。在某些实 施例中，孔部件168可被涂覆。涂覆金属材料的陶瓷可能是有用的，举例来说，阳 极氧化铝或涂覆有一种沉积式或喷涂式的陶瓷涂料的铝，例如氧化铝(Al₂O₃)或氧化 钇(Y₂O₃)。

孔部件168可与腔室电绝缘，或孔部件168可带电以根据需要提供偏压，或 移除由曝露至等离子体处理时累积的电压。电连接181可配备有接地路径，譬如接 至腔室壁102，以移除累积的电压。可以提供如开关(未示出)的控制元件。通过将 电源耦合至该电连接181，偏压可适用于孔部件168。射频信号源177展示于图1， 该射频信号源177具有滤波电路183，该滤波电路183可以是阻抗匹配电路或者可 以包括阻抗匹配电路。关于施偏压于孔部件168，若孔部件168是涂覆有陶瓷的金 属部件，则该电连接181通常耦接至孔部件168的导电部分，譬如金属部分。

图2是依照一实施例的孔组件266的局部透视图，其中腔室盖104、腔室壁 102与支撑组件108被移除。

该数个升举支撑件170贯穿隔板156以于隔板156与平坦板材146间定位该 孔部件168。数个通孔184容纳屏蔽件支撑件150，该等屏蔽件支撑件150支撑平 坦板材146于隔板156上。屏蔽件支撑件150与升举支撑件170交错排列以允许孔 部件168独立于隔板156与平坦板材146而移动。

孔部件168通过升举环172垂直地移动。该升举环172可包括具有侧延伸部 202的环形主体204。环形主体204有内开口206，该内开口206大到足以围绕该 支撑组件108(图1)。侧延伸部202位于自环形主体204径向向外处。该侧延伸部 202允许该升举环172由侧边连接至致动器。该侧边驱动的布局使升举环172与孔 部件168能有与隔板156和离子-自由基屏蔽件142的平坦板材146分开的驱动机 构，从而改良处理腔室100的处理灵活性。

该孔部件168可被定位在支撑组件108(图1)上方不同距离处，藉以控制跨越 基板1表面的活性物种的分布及/或使基板1及其他腔室元件能够移动。

图3A为展示孔部件168位于下处理位置的剖面侧视图。下表面306被定位在 支撑组件108的抬高部130上方一距离302处。在该下处理位置，距离302短于约 1.0英寸，比如介于约0.4英寸与约0.6英寸间，举例而言约0.42英寸，将孔部件 168置于靠近该被处理的基板1。在该下处理位置，孔部件168限制流过孔178的 自由基及离子横向传播，造成了跨越该基板1的活性物种的相对均匀的密度。

图3B为展示该孔部件168于上处理位置的剖面侧视图。下表面306被定位在 支撑组件108的抬高部130上方一距离304处。在该上处理位置，孔部件168允许 流过孔178的自由基及离子在接触该基板1前横向散播。当该自由基及离子横向散 播时，基板1的周边部分附近的活性物种的密度变得较基板1中央部分附近的活性 物种的密度来得低。因此，调整孔部件168与基板1间的距离可控制基板1附近活 性物种的密度分布。在该上处理位置，距离302可以是最小约1.5英寸，比如介于 约1.6英寸与约2.2英寸间，举例而言约2.1英寸。

图3C为一剖面侧视图，该剖面侧视图展示该孔部件168在移转位置，以便该 基板1能被传递至支撑组件108或者自支撑组件108传递。升举环172与孔部件 168被举起以便在孔部件168与抬高部130间产生空间用以移转基板。

此外，在连续基板的处理过程中或者在处理过程之间，可以动态地调整孔部 件168与抬高部130间的距离以达成每一基板的最佳活性物种一致性。当孔部件 168与抬高部130间的距离最大时，中心蚀刻速度与周边蚀刻速度之差将最大，而 当该距离是最小时，蚀刻速度之差将变为最小。该特征可被用以补偿蚀刻速度一致 性的图案效应。

图4A图是孔部件168的俯视图。图4B是孔部件168的剖面侧视图。孔部件 168具有平坦的圆盘形主体402。该平坦的圆盘形主体402可为圆形的，供使用于 具有圆柱形侧壁的处理腔室。该孔178穿越该平坦的圆盘形主体402的中央区域而 形成。孔178可为方形的而用以处理方形基板1。通常孔跟随着要在等离子体腔室 内处理的基板的形状而被塑形。孔178被内壁404限定，该内壁404在本文描述的 实施例中是有斜面的，但该内壁404在其他实施例里可以是实质地垂直的。在一实 施例中，孔178的大小可以稍微大于基板1的大小，如此基板1经由图4A的孔178 可以被看到。举例而言，孔178的尺寸可以略大于约6英寸x6英寸。在处理过程 中，孔178被配置以同轴对齐基板1，以提供基板1的均匀处理。应当注意到，若 是所需的话，该孔178可偏离基板1的中心轴，以达成不对称基板1中心的密度分 布。

在一实施例里，三个或三个以上通孔184沿着该平坦的圆盘形主体402的周 边形成。该通孔184配置以容纳用于该离子-自由基屏蔽件142的屏蔽件支撑件150。 支撑特征结构，比如升举支撑件170，可连附于位于位置406的平坦的圆盘形主体 402。或者，位置406可以是适于容纳支撑部件（比如升举支撑件170）的凹陷部。 位置406可被定位靠近该通孔184以便基板1可经过介于相邻的升举支撑件170 间的空间而转移。

应当注意到，该孔部件168与孔178根据腔室形状与基板形状，可各自具有 不同的形状。

参考图4B，一个或多个环形插入件408可与孔部件168一同使用。该插入件 408具有略大于孔178的尺寸的外尺寸，且具有一外边缘，该外边缘依轮廓成形以 匹配孔178的轮廓成形壁179，如此一来当插入件408与孔部件168在平行配对方 向时，插入件408无法通过该孔178。插入件408靠在孔178的轮廓成形边缘179， 减少该孔178的尺寸并潜在改变孔178的形状及/或中心轴位置。

不同的插入件408可具有不同尺寸的孔，且在所需的情形下可以使用多个插 入件408来改变孔的尺寸、形状及/或中心轴位置。举例而言，第一插入件可具有 第一孔，该第一孔的尺寸介于约1/8英寸与约1/4英寸间，小于孔部件168的孔178 的尺寸。第二插入件可具有第二孔，该第二孔的尺寸介于约1/8英寸与约1/4英寸 间，小于第一孔的尺寸，且该第二孔可嵌套于该第一孔内。若是所需的，孔部件 178的孔168中可以嵌套多达约五个插入件以便使孔的尺寸减少多达约3英寸。藉 使用一或多个插入件变换孔的开口面积增加一种控制方法。该控制方法可被用于针 对不同的基板与腔室调整孔部件168的性能，而无须停止腔室的运作以更换主要腔 室元件。

图5为依照另一实施例的处理腔室500的示意剖面侧视图。图5的实施例通 常类似图1的实施例，但图5的孔部件568具有小于基板1的孔578，且图1的升 举支撑件170与屏蔽件支撑件184在图5交换为升举支撑件570与孔支撑件584。 升举支撑件570将离子-自由基屏蔽件146耦接至升举环172，而孔支撑件584由 转接器134处支撑孔部件568。在图5的实施例里，当孔部件568相对于基板1而 言保持固定时，该离子-自由基屏蔽件146可被移动接近或远离基板1。

图5的实施例结合控制跨越基板1表面的活性物种的分布的另一种方法。当 离子-自由基屏蔽件142相对于孔部件568移动时，穿越孔578的活性物种的密度 分布改变，造成基板1上密度分布改变。应当注意到，设想该孔部件568与离子- 自由基屏蔽件146两者可以致动的实施例。

虽然上述内容指示本发明的实施例，但其他及更进一步的本发明的实施例也 可在不偏离上述基本范围下设计实施。