用于等离子体机械限制的磁性增强

摘要

提供了一种用于处理衬底的等离子体处理装置。提供了具有室壁的等离子体处理室。在室壁内提供了衬底支架。提供了至少一个限制环，其中限制环和衬底支架定义了一个等离子体容积。提供了用于产生磁场的磁源，以磁性增强所述至少一个限制环所提供的物理限制。

说明书

发明背景

本发明涉及使用限制环的等离子处理室。

名称为“用于在等离子体处理室中定位限制环的基于凸轮的布 置”(Cam-Based Arrangement For Positioning Confinement Rings In A Plasma Processing Chamber)，授予Eric H.Lenz并于2000 年2月1日公布的美国专利No.6019060公开了一种使用限制环将等 离子体限制在容积内的等离子体处理刻蚀室。限制环被放置在等离子 体室壁内，可以有助于减少到达室壁的等离子体和其它气体数量，保 持限制环内的压力并控制经过限制环的气流。

在各种等离子体处理期间，期望的是增加经过限制环的气流，同 时使得到达室壁的等离子体和其它气体数量最小。

发明内容

为实现以上所述目标，根据本发明的目的提供了一种用于处理衬 底的方法。该衬底放置在处理室中。从气体源向处理室提供气体。在 处理室中从所述气体中产生等离子体。气体流经与至少一个限制环相 邻的间隙，以提供等离子体的物理限制。提供等离子体的磁性限制以 增强等离子体的物理限制。

在本发明的另一实施例中，提供了一种用于处理衬底的等离子体 处理装置。提供了具有室壁的等离子体处理室。在室壁内提供了衬底 支架。提供了至少一个限制环，其中限制环和衬底支架定义了一个等 离子体容积。提供了用于产生磁场的磁源，以磁性增强所述至少一个 限制环所提供的物理限制。

下面将结合附图在本发明的具体实施方式中更加详细地描述本发 明的这些特征和其它特征。

附图说明

在附图中，通过实例对本发明进行说明，而不是以限定的方式说 明本发明，在附图中相同附图标记指代相同元件，其中：

图1示出了可以在本发明的实施例中使用的等离子体处理室的示 意图；

图2示出了图1所示实施例中的顶部磁体和限制环的顶部示意 图；

图3示出了具有第一磁体对的部分限制环的放大图；

图4为部分限制环的顶视图；

图5为本发明另一实施例的顶视图；

图6为本发明另一实施例的横截面示意图；

图7示出了图6所示实施例中的顶部磁体环和限制环的顶部示意 图；

图8示出了处理室的示意图，所述处理室使用磁场以提高限制环 (增强物理限制)附近的电子温度和/或局部等离子体密度，从而降低 限制环处等离子体的密度。

具体实施方式

现在将参考附图所示的本发明的几个优选实施例对本发明进行详 细描述。在下面的描述中，阐述了几个具体细节以提供对本发明的全 面了解。然而，对于本领域技术人员很清楚的是，在没有某些具体细 节或者全部没有这些具体细节的情况下，也可以实施本发明。在其它 实例中，为了避免使本发明不清楚，没有描述公知的处理步骤和/或结 构。

为了方便理解，图1示出了可以在本发明的一个实施例中使用的 等离子体处理室100的示意图。等离子体处理室100包括限制环102、 上电极104、下电极108、气源110以及排气泵120。在等离子体处理 室100内部，晶片180定位在下电极108上，该下电极108构成了晶 体支架。下电极108包括适合的衬底夹卡机构(例如电子或机械钳位 (clamping)等)以支撑晶片180。反应器顶部128包括与下电极108 直接相对布置的上电极104。室容积由室壁152、室顶108和室底109 定义。在室容积内，上电极104、下电极108和限制环102定义了被 限制的等离子体容积140。

围绕限制环102布置了多个磁体112、114、116、118以在限制环 102的区域中形成磁场。放置磁体112、114、116、118以在限制环的 区域中提供磁场。在该实施例中，通过提供成对磁体实现在限制环区 域提供磁场。第一磁体对112和114相互间隔放置在限制环102的相 对位置，如图所示。第二磁体对116和118相互间隔放置在限制环102 的相对位置上。图2是限制环102和顶部磁体112、116和204的顶部 示意图。第一磁体对112的顶部磁体如图所示位于限制环102的圆周 部分上。所示第二磁体对116的顶部磁体位于限制环102的圆周部分 之上，该圆周部分位于从第二磁体对112的顶部磁体延伸的限制环102 的直径的相对侧。附加顶部磁体204在所示限制环102的圆周上形成 了的圆形。在该实施例中，顶部磁体的所有顶部磁极都是北极，所以 磁体没有在邻近磁体之间交替。限制环102具有内径D1和外径D2。由 顶部磁体112、116、204形成的环具有直径D3。在该实施例中，由顶 部磁体112、116、204形成的环D3小于限制环102的外径D2，大于 限制环的内径D1。

通过气体源110向被限制的等离子体容积提供气体，并且该气体 经过限制环102从被限制的等离子体容积经排气泵120排气至排气 口。第一RF源144电连接至上电极104。第二RF源148电连接至下 电极108。第一RF源144和第二RF源148都可以包括27MHz功率源 和2MHz功率源。可能存在将RF源连接至电极的不同结合。在使用附 加磁体调制的California，Fremont的LAM Research Corporation” 公司生产的Exlan HP(可以应用于本发明的优选实施例)的情况下， 两个RF源都连接至下电极，上电极接地。控制器149可以可控地连接 至气源110，第一和第二RF功率源144、148、限制环102和排气泵 120。

在操作中，在期望高气体流率的地方使用刻蚀。调节限制环102 以在限制环之间提供大间隙(Gap)，进而减小由于限制环102引起的 流动阻力，这样增加了经过限制环102至排气泵120的气体流率。随 着经过限制环的气流的增加，可以流经限制环而污染室壁152的杂质 和离子增加。

磁体的目的是与限制环协同工作以增加带电颗粒(离子和/或电 子)的限制，同时使得中性气体高流率。在该实例中，通过使用磁场增 加与限制环碰撞的带电颗粒的百分比来实现增加的限制。

图3示出了具有第一磁体对112、114的限制环102部分的放大图 以示出本发明实施例的通常工作情况。稍后将提供关于本发明原理的 更加精确的描述。图中示出了磁体112和114之间的磁力线112和 114。磁力线304穿过限制环102。

图中示出了带电颗粒轨迹的各种实例。第一带电颗粒轨迹320直 接碰撞至下限制环102。在这种情况下，在这种颗粒的限制中不需要磁 场304辅助。通过限制环(物理限制)单独提供阻止等离子体经过限 制环。第二颗粒轨迹324并不在颗粒经过限制环之间的常规路径长度 内直接与限制环102碰撞，也不与限制环102平行，因此颗粒接近限 制环之一。因而，颗粒经过磁场304，颗粒路径的轨迹被弯曲。在该实 施例中，使轨迹弯曲以增加限制环102之间的颗粒路径长度。增加的 路径长度使得颗粒足够接近限制环，从而使颗粒与限制环碰撞。因此， 通过磁场阻止这些带电颗粒在限制环之间通过被增强。第三带电颗粒 轨迹328几乎与限制环102平行。因而，颗粒经过磁场304，颗粒路 径的轨迹被弯曲。使轨迹弯曲以增加限制环102之间的颗粒路径长度。 这些颗粒与限制环102足够平行，使得即使在路径长度增加的情况下， 这些颗粒也不与限制环碰撞。因此限制环的物理限制和磁场增强不能 使得这些颗粒与限制环碰撞。这些颗粒可以与其它颗粒碰撞，使得它 们的轨迹改变，这将使得它们与限制环102碰撞。

在各种状态下，物理限制是充分的，由于保持限制环足够接近， 因此使得足够数量的带电颗粒与限制环碰撞。然而，已经发现的是在 一些过程中，希望高流率的中性气体。在这种情况下，分开限制环以 形成一个较大间隙从而在间隙内允许较高流率的中性气体流到排气泵 120。较大间隙也使得与限制环碰撞的带电颗粒的比例较小。磁场的存 在增加了与限制环碰撞的带电颗粒的比例。等离子体消失线332是等 离子体消失的边界。如图所示，等离子体在限制环102之间消失，因 此并没有超出限制环102，并且没有到达等离子体室壁，这样就阻止了 等离子体损坏或者污染等离子体室壁。已经发现的是，等离子体的限 制导致了聚合物沉积的限制。当与限制环102碰撞的带电颗粒的比例 增加，则认为对于使用聚合物气体的过程，形成在限制环336上的聚 合物的比例增加，形成在等离子体室壁上的聚合物的比例减少。降低 室壁的污染量正是所期望的。

还应当注意的是，磁场可以增加与等离子体室的底板109和内顶 107碰撞的离子或者电子的百分比。通过在这些实施例中提供三个间隙 (内顶107和限制环的顶部表面之间的第一间隙、限制环102之间的 第二间隙以及底板109和限制环的底部表面之间的第三间隙)，内顶 107和底板109连同限制环102形成了物理限制系统，通过所述三个 间隙排除气体。最宽的间隙位于限制环102之间。

其中可以使用附加磁体实施本发明装置的实例是California， Fremont的LAM Research Corporation^TM公司生产的Exlan HP。对 于这种装置，流率优选在100至300sccm之间。

上述磁轨迹延伸(Magnetic)-(MTE)的原理依赖于这种思想，由 于在限制环之间等离子体消失，因此限制很大。这种思想意味着，使 用固定的限制环间隙，如果延伸限制环的有效长度，将提高限制。这 是由于离子和电子与环表面碰撞因而具有更大的机会丢失。当等离子 体在环之间传送时，损失最终变得很大，使得等离子体最终消失。如 果该行程能够被延长，那么将期望该限制可以得到增强。这种思想使 用通过磁体产生的磁场，如上所述，以有效地延长离子和电子的轨迹， 从而使环之间等离子体损失的机会提高。这些磁体产生磁场，这样将 导致离子和电子沿着半径为ρ(即“拉莫尔”半径ρ)弯曲的轨迹行进， 如图4所示。图4示出了部分限制环102的顶视图。磁力线304从书 页中伸出，如图所示。磁场导致具有轨迹路径408的颗粒沿着圆412 的路径以弯曲轨迹行进。轨迹416是如果没有磁场存在时将产生的轨 迹。可以看出，源自磁场的沿着圆412的轨迹的路径大于假如没有磁 场存在时的轨迹416。这致使延长了离子或电子穿过限制环所需要的时 间。在该实例中，其目标不是要真实地机械限制等离子体。如果半径ρ 几乎等于限制环长度，那么就可以期望得到限制环通过时间(或者有 效限制环长度)的显著增强。

为了证明的目的，假设限制环为0.06m宽，该宽度为限制环的内 径和外径之差。假设离子具有450°K的温度。假设离子平均以离子热速 度进入限制环区域。在450°K的温度，离子热速度为：

所需最小磁场由下式给出：

此处，ρ_i为轨道半径，e为离子的电荷(假设为单电离)。为了证明计 算的目的，假设为氩。氩具有40*1.67×10^-17kg的质量。

应当注意的是，相同磁场将同样影响电子。考虑到电子性能，假 设电子平均以电子热速度进入限制环区域。假设电子具有4eV (46,400°K)的温度。在4eV的温度，电子的热速度为：

在30高斯，电子轨迹的曲率半径ρ_e由下式给出：

这比0.06m离子半径小得多。这只是电子质量较小事实的结果。 此外，电子以更高的速度进入限制环区域，因此经受了更大的磁场力。 通过上述结果的观察，非常清楚的是，如果离子轨迹被充分弯曲以增 强限制，那么电子轨迹将更加弯曲。因此，对于讨论的结果来讲，将 仅考虑对于离子限制增强所需的磁场。

应当注意的是，上面确定的磁值，对于离子限制增强来讲在技术 上是容易实现的。例如，找出报出2000高斯场的钐钴磁体是很普通的。 该应用需要的磁场小意味着额外优势。当考虑到所有磁场限制的思想 时，通常要求布置磁场以使晶片上的磁场与地球磁场具有相同的数量 级。地球的磁场为0.6高斯。假如开始使用小磁场，那么达到这个要 求的难度就减小了。

所使用的永磁体基本按磁偶极子布置。这种磁场将具有一个相同 特性的偶极子。因此，期望B场以距离磁体中心线距离的三分之一次 幂衰减。使用这种变量，可以通过使用下面给出的关系式评估空间衰 减。

尽管这个式子可能是实际的磁场空间衰减的近似，但是该分析反 映出了本发明的整体工作。

另外关注的是离子-中性物的碰撞率。离子-中性物碰撞率具有为 使用此处所概述思想的系统设置压力上限的作用。如果偏转离子在完 成其偏转轨迹重要部分之前遭受了与许多中性物的碰撞，那么该离子 是否沿着上述假设的弯曲轨道将是疑问。预期的效果是减小或者消 失。该效果可以通过假设中性物-中性物碰撞的平均自由路径最能评 估评估离子-中性物碰撞的自由路径。假设工作气体为氩，压力为 50mT。离子-中性物碰撞的平均自由路径被评估为：

${\lambda }_{i-n}=\frac{1}{N_o\left(P\right){\sigma }_{\mathrm{hardsphere}}}=\frac{\mathrm{KT}}{(9.73\times {10}^{-16})}{\Rightarrow \lambda }_{i-n}\left(50\mathrm{mT}\right)=0.62\mathrm{cm}$

假设σ_hardsphere：的硬球横截面＝9.73×10^-16cm²。假设限制环6cm宽， 在穿过限制环的过程中期望碰撞10次。这是一个相当大的数字，这表 明在压力50mT以上，将显著削弱磁场增强的效果。通过增加磁场，从 而使得拉莫尔半径大约等于碰撞长度，使该效果减小。对于50mT的情 况，可以使用0.6cm的拉莫尔半径。为实现该曲率半径，将需要210 高斯的B场。

图5是本发明的另一实施例的顶视图。图5可以使用如图1至4 所示的相同的处理室，只是使用位于限制环102上的上环形磁体504 替代了多个磁体112，114，116，118，204，而下环形磁体放置在限 制环下面。上环形磁体504将穿过前述实施例的上磁体区域。下环形 磁体将穿过前述实施例中的下磁体。这种结构可以提供更加均匀的磁 场。

图6是本发明的另一实施例的横截面示意图。在该实施例中的处 理室600可以与图1中的处理室相同，只是提供了有角度(canted) 的磁场。因此在本实施例中，多个磁体包括环形形状顶部磁体612和 环形底部磁体614，此处顶部磁体612的直径大于底部磁体614的直 径。其结果是，在上磁体612和下磁体614之间产生了磁力线608， 该磁力线608与限制环102的最大表面成角度(不垂直)。

图7为顶部磁体环612和限制环102的顶部示意图。图中示出了 顶部磁体环612位于限制环102圆周部分之上。在该实施例中，顶部 磁体环612接近限制环102的内部边缘而底部磁体环614更加接近限 制环102的外部边缘。这种思想不仅依赖于增加限制环102之间行进 的距离，而且通过将带电颗粒偏转至限制环102也增强了进入环内的 带电颗粒的碰撞率。

为了进行初步分析的目的，假设可以定位磁体使得B场同由限制 环形成的平面形成45°角。此外，假设限制环之间的间隙间隔为1.12cm (大约1/2英寸)，这是一个非常大的间隙间隔并且比商业典型应用的 间隔大的多。

首先注意，通过在与限制环平面正交的方向上需要大约0.5cm的 拉莫尔半径开始所需磁场的计算。再次假设450°K的温度。同样假设离 子平均以等于离子热速度的平均速度进入限制环区域。在450°K的温 度，离子热速度为：

因此，所需最小磁场(将0.5cm转换为米)为：

ρ_i为轨道半径，e为离子的电荷(假设为单电离)。为了证明计算的目 的，假设为氩，氩具有40*1.67×10^-27kg的质量。

假设的拉莫尔半径小于上述对于50mT中性压力计算的离子-中性 物碰撞的长度。根据这些值，可以推断出对于达到50mT的压力，碰撞 并没有显著影响该趋近。在100mT，离子-中性碰撞长度可以减小到 大约值0.3cm。因此在100mT，在与限制环碰撞之前，能够期望仅得到 一或两次碰撞。应相信的是，该碰撞率仅或许或多或少地影响磁场偏 转性能，但是仍然可以观察到增强的限制。

如果希望在高压得到改善的限制性能，更大磁场或许不一定能够 有帮助，这是由于我们不期望拉莫尔半径小于要求的限制环间隔的 1/2。

在图1至图6所示的实施例中，磁场穿过限制环102，在该处，磁 场与限制环交叉。此外，这些实施例使用磁场以增加与限制环碰撞的 带电离子或者电子的百分比。可以使用各种其它磁性结构以增加与限 制环碰撞的离子或者电子的百分比。例如，相邻的磁体可以具有交替 磁场，或者形成磁体对磁体可以以相对方向放置它们的磁极。在这些 实施例中，不论是使用磁体环或者多个磁极，可取的是磁体径向对称。 在这些实施例中，磁体可以放置在限制环上面和下面。这通过以环形 形成磁体就可以完成，要么是实心环，要么是以环形布置的较小磁体。 磁体形成的环形形状的直径小于限制环的外径，大于限制环的内径。

图8示出了处理室800的示意图，该处理室使用磁场以提高限制 环附近的电子温度和/或局部等离子体密度，从而降低限制环处的等离 子体的密度，这样就增强物理限制。在该实施例中，磁体812、814移 动至限制环内部区域的上面或者下面的位置，如图8所示。这种思想 可以具有两种效果中的任一个。磁体附近密度的局部增强可以导致磁 体和限制环之间的等离子体衰减比没有局部增强时所存在的衰减更加 快速，致使在环前部的密度减小。可替代地，该方法还可以增强磁体 位置处的等离子体电势。这是由于热电子的优先限制，这将提升局部 等离子体电子温度。局部等离子体电子温度的升高将导致“正”(离子 限制)方向等离子体电势的局部增加。“正”方向等离子体电势的局部 增加然后可以辅助等离子体限制。为完成电子温度和/或等离子体密度 的局部增强，电子轨迹必须具有小于寻求获得增强的区域的标度尺寸 的曲率半径(即“拉莫尔”半径)。那么期望的是，在这种电子消失之 前将完成几个陀螺轨道，并因此增强中性气体的局部电离。

在该实施例的实例中，先前示出的是期望21高斯场提供0.23cm 的电子拉莫尔半径。在该实例中，要求其上等离子体增强的区域的范 围在1.5至2.0cm。因此，21高斯的磁场是足够的。

在磁场穿过形成在限制环中的孔径的该实施例中，以及磁场穿过 限制环的前述实施例中，磁场通常可以定义为穿过限制环区域。

在该实施例中，不管使用磁体环或者多个磁体，可取的是磁场径 向对称。在该实施例中，磁场放置在限制环的上面和下面。这可以通 过形成环形磁体实现，该环形磁体作为实心环或者放置成环形形状的 较小磁体。通过磁体形成的环形形状的直径小于限制环的内径。由于 室可以以各种方向放置，因此磁体的放置更通常描述为位于限制环的 第一侧和与所述第一侧相对的限制环的第二侧，此处将磁体放置在限 制环的上面和下面是这种放置的一个实例。

通常，等离子室具有高的晶片直径与电子间隙比。典型的晶片尺 寸300mm。通常下电极与晶片尺寸相同，因此下电极尺寸大约300mm。 对于这样一个晶片直径，典型的电极间隙为2cm。因此，在该实例中晶 片或者下电极直径与电子间隙比为300∶20或者15∶1。典型的晶片直 径与电极间隙比将是从6∶1至60∶1。

由于磁场增强了物理限制，但是没有提供物理限制，因此优选磁 体不延伸进入限制环之间的间隙，或者并不与限制环之间的间隙交 叉。更加优选的是，使磁体没有延伸进入室中，以使顶部磁体没有在 室顶下延伸，底部磁体没有在室底上延伸，如各个实施例所示。

本发明的其它实施例可以具有使用限制环向物理限制提供附加磁 性限制的其它磁体结构。如上所述，可以定位磁体以提供交替的磁场。 交替磁场可以产生平行于限制环表面的磁力线，该磁场将直接将带电 颗粒引导至限制环表面。

可以提供其它限制环结构。例如可以使用其它个数的限制环，诸 如单个限制环或三个限制环。优选地，至少一个限制环可以移动以允 许改变处理压力。一些限制环结构还可以包括单个可移动限制环。

尽管本发明已经利用几个优选实施例进行了描述，但是还存在变 更、置换和各种替代等效，这些都在本发明的范围之内。应当注意的 是，还存在许多实现本发明装置和方法的替代方式。因此，其用意是， 下面的附属权利要求书应当理解为包括所有这些在本发明精神和范围 内的变更、置换和各种替代的等效表述。