用于中性粒子/离子流通量控制的双等离子体容积处理装置

摘要

一种半导体晶片处理装置包括暴露于第一等离子体产生容积的第一电极、暴露于第二等离子体产生容积的第二电极以及布置在所述第一和第二等离子体产生容积之间的气体分配单元。所述第一电极被限定为将射频(RF)功率传送到第一等离子体产生容积并且将第一等离子体处理气体分配到第一等离子体产生容积。第二电极被限定为将RF功率传送到第二等离子体容积，并且保持暴露于第二等离子体产生容积的衬底。气体分配单元包括被限定为将第一等离子体产生容积与第二等离子体产生容积流体连接的通孔布置。气体分配单元还包括被限定为将第二等离子体处理气体分配到第二等离子体产生容积的气体供给端口布置。

说明书

本申请是申请日为2011年06月22日、中国专利申请号为 201180037768.0(对应国际申请号为PCT/US2011/041524)、发明名称为 “用于中性粒子/离子流通量控制的双等离子体容积处理装置”的发明专利申 请的分案申请。

背景技术

目前用于半导体晶片制造的等离子体处理系统依赖于非常独立的 控制参数来控制输送到晶片的自由基分离、自由基流通量、离子能量和离子 流通量。例如，当前的等离子体处理系统试图通过控制在存在晶片时产生的 单等离子体来实现必要的自由基分离、自由基流通量、离子能量和离子流通 量。不幸的是，化学离解和自由基形成与离子生产和等离子体密度结合并且 通常不能协同工作以实现期望的等离子体处理条件。

例如，在当前的等离子体处理系统中难以在同一等离子体中同时 获得较高的化学离解和较低的离子密度，因为较高的化学离解需要施加较高 的功率，这进而致使产生较高的离子密度。而且，在目前的等离子体处理系 统中，控制参数的高的相互依赖性限制了较小的技术节点应用处理窗口和/或 制造能力。鉴于上述情况，对于提供自由基/中性粒子流通量相对于离子流通 量的独立控制的等离子体处理系统存在需求。

发明内容

在一个实施例中，公开了半导体晶片处理装置。所述装置包括暴 露于第一等离子体产生容积(volume)的第一电极。所述第一电极被限定为将 射频(RF)功率传送到所述第一等离子体产生容积。所述第一电极被进一步 限定为将第一等离子体处理气体分配到所述第一等离子体产生容积。所述装 置还包括暴露于第二等离子体产生容积的第二电极。所述第二电极被限定为 将RF功率传送到所述第二等离子体产生容积。所述第二电极被进一步限定 为保持暴露于所述第二等离子体产生容积的衬底。所述装置进一步包括布置 在所述第一等离子体产生容积和所述第二等离子体产生容积之间的气体分配 单元。所述气体分配单元被限定为包括各自贯通所述气体分配单元以将所述 第一等离子体产生容积与所述第二等离子体产生容积流体连接的通孔布置 (arrangement)。所述气体分配单元被进一步限定为包括被限定为将第二等离 子体处理气体分配到所述第二等离子体产生容积的气体供给端口布置。

在另一实施例中，公开了用于半导体晶片处理的系统。所述系统 包括室，所述室被限定为具有内腔和排放口，所述排放口提供所述内腔与排 放泵的流体连接。所述系统还包括布置在所述室的所述内腔内的双等离子体 处理装置。所述双等离子体处理装置包括上方等离子体室，所述上方等离子 体室包括上方等离子体产生容积。所述双等离子体处理装置还包括喷头电 极，所述喷头电极被限定在所述上方等离子体产生容积的上方以将第一等离 子体处理气体和RF功率供给到所述上方等离子体产生容积。所述双等离子 体处理装置还包括下方等离子体室，所述下方等离子体室包括下方等离子体 产生容积。所述双等离子体处理装置还包括布置在所述上方等离子体产生容 积和所述下方等离子体产生容积之间的气体分配单元。所述气体分配单元被 限定为将第二等离子体处理气体供给到所述下方等离子体产生容积。所述气 体分配单元被进一步限定为提供所述上方等离子体产生容积和所述下方等离 子体产生容积之间的受控流体连通。所述系统进一步包括卡盘，所述卡盘布 置在所述室的所述内腔内所述下方等离子体产生容积的下方。所述卡盘被限 定为保持暴露于所述下方等离子体产生容积的衬底。所述卡盘被进一步限定 为将RF功率供给到所述下方等离子体产生容积。所述上方等离子体室和所 述下方等离子体室中的每个被分别限定为将所述上方等离子体产生容积和所 述下方等离子体产生容积排放到所述室的所述内腔中。

在另一实施例中，公开了气体分配单元。所述气体分配单元包括 板，所述板被形成为将上方等离子体产生容积与所述下方等离子体产生容积 分离。所述板的上表面提供所述上方等离子体产生容积的下边界。所述板的 下表面提供所述下方等离子体产生容积的上边界。所述板包括各自从所述板 的上表面到所述板的下表面贯通所述板的通孔布置，从而将所述上方等离子 体产生容积与所述下方等离子体产生容积流体连接。所述板还包括内部气体 供给通道，所述内部气体供给通道与被限定在所述板的下表面上的气体供给 端口布置流体连接以将等离子体处理气体分配到所述下方等离子体产生容 积。

本发明的其它方案和优点将通过下面以举例的方式阐述本发明 的、结合附图进行的详述而变得更加明显。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的半导体晶片处理装置；

图2示出了根据本发明的一个实施例的喷头电极的仰视图；

图3A示出了根据本发明的一个实施例的气体分配单元的仰视图；

图3B示出了根据本发明的一个实施例的气体分配单元的俯视图；

图3C示出了根据本发明的一个实施例的气体供给端口的截面；

图3D示出了根据本发明的一个实施例的被限定为贯通气体分配单元的 通孔的截面和角度；

图4A示出了根据本发明的一个实施例的布置在气体分配单元的上表面 上的流控制板；

图4B示出了根据本发明的一个实施例的被定位成使得限定在其中的孔式 样允许流经限定在下伏的气体分配单元内的全部通孔的流控制板的俯视图；

图4C示出了根据本发明的一个实施例的被定位成使得限定在其中的孔式 样允许仅流经限定在下伏的气体分配单元内的有角通孔的流控制板的俯视 图；

图4D示出了根据本发明的一个实施例的由多个同心的可旋转流控制板 限定的流控制板组件的俯视图；以及

图5示出了根据本发明的一个实施例的具有上方等离子体和下方等离子 体的图1的室。

具体实施方式

在下面的说明中，为了提供对本发明的全面理解，阐述了多个具 体的细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以不通过这些具体 细节中的一些或全部来实施本发明。在其它情形下，为了避免不必要地使本 发明变得不清楚，未详细描述公知的处理操作。

本文公开了一种半导体晶片处理装置，其使中性物质上自由基产 生与等离子体内的离子产生能解耦，使得在半导体晶片处理过程中能够相对 于带电的离子物质独立地控制自由基/中性物质。该装置包括上方(即，下 游)等离子体产生容积，在该上方等离子体产生容积中无需涉及相关的离子 产生来产生自由基/中性物质。该装置还包括下方等离子体产生容积，在下方 等离子体产生容积内产生暴露于衬底(即，晶片)的适当离子密度的分离的 等离子体。上方等离子体产生容积内的自由基/中性物质以受控的方式流过气 体分配单元而到达下方等离子体产生容积，从而提供用于晶片处理的自由基/ 中性物质成分。

允许自由基/中性物质从上方等离子体产生容积行进通过将上方和 下方等离子体产生容积分离的气体分配单元而到达下方等离子体产生容积。 然而，通过气体分配单元来防止在上方等离子体产生容积内产生的离子行进 到下方等离子体产生容积中。因此，气体分配单元用作离子过滤器。从上方 等离子体产生容积贡献的自由基/中性物质用于下方等离子体产生容积中的晶 片处理。在下方等离子体产生容积内产生的离子表示用于晶片处理的带电物 质。

上方和下方等离子体产生容积能够独立控制，使得贡献用于晶片 处理的自由基/中性粒子流通量独立于暴露于晶片而产生的电离等离子体而产 生。因此，本文公开的装置的上方和下方等离子体产生容积提供了晶片处理 期间自由基/中性粒子流通量与离子流通量的解耦。因此，能够与离子流通量 分离地控制自由基/中性物质。

图1示出了根据本发明的一个实施例的半导体晶片处理装置。该 装置包括室100，室100由顶板100A、底板100B和壁100C形成。在一个实 施例中，壁100C形成了邻接的圆柱形壁100C。在其它实施例中，壁100C 可具有其它构造，只要室100的内腔100D能够与室100外部的外界环境隔离 即可。多个密封件139布置在室顶板100A、底板100B和壁100C之间以有 利于室100的内腔100D与外界环境的隔离。

在各个实施例中，室100的顶板100A、底板100B和壁100C可由 这样的金属形成：该金属具有良好的导热性和导电性，并且能够与在晶片处 理期间暴露于内腔100D的处理气体化学兼容。例如，在各个实施例中，诸 如铝、不锈钢等金属可用于形成室100的构件。而且，密封件139可以是弹 性密封件或可熔化的(consumable)金属密封件，或任何其它类型的密封材料， 只要密封件139能够与暴露于内腔100D的处理材料化学兼容并且密封件139 提供内腔100D与室100外部的外界环境的充分隔离即可。

应当理解的是，在其它实施例中，一个或多个额外的板或部件可 根据需要布置在顶板100A、底板100B或壁100C中的任一个或多个的外 部，以满足室100的特定部署条件或其它因素。另外，顶板100A、底板 100B和/或壁100C能够适当地紧固到这些额外的板或部件上以用于特定的实 施方式。包括顶板100A、底板100B和壁100C的室100的结构由导电材料 形成并且与基准地电位电连接。

室100包括排放口135，排放口135提供内腔100D与外部的排放 泵137之间的流体连接，使得负压能够通过排放口135施加以从内腔100D内 移除气体和/或颗粒。在一个实施例中，室100还包括闸阀102，闸阀102形 成在室壁100C的剖面内以使能将晶片113插入到内腔100D中以及相应地从 内腔100D中移除晶片113。在其闭合位置处，闸阀102被限定为保持内腔 100D与外界环境的隔离。在各个实施例中，排放泵137能够以不同的方式来 实现，只要排放泵137能够在排放口135处施加抽吸力以从室100的内腔 100D中抽出流体流即可。

双等离子体处理装置被布置在室100的内腔100D内。双等离子体 处理装置包括上方等离子体室112，上方等离子体室112包括上方等离子体 产生容积103。双等离子体粗略装置还包括下方等离子体室114，下方等离子 体室114包括下方等离子体产生容积109。上方和下方等离子体室112/114通 过气体分配单元115通过物理方式流体连接，气体分配单元115被布置成使 上方和下方等离子体产生容积103/109分离。

上方等离子体室112部分地由外结构部件104形成，外结构部件 104围绕上方等离子体室112的周边限定并且与顶板100A连接。上方等离子 体室112还包括喷头电极101，喷头电极101被布置在外结构部件104内上方 等离子体产生容积103的上方。喷头电极101通过绝缘部件141紧固到顶板 100A上。绝缘部件141被限定为提供电绝缘。然而，绝缘部件141还被限定 为提供喷头电极101和与绝缘部件141相接的其它构件之间的热传导。

在操作过程中，射频(RF)功率从RF功率源105传送到喷头电 极101。在一个实施例中，RF功率源105被限定为提供多个频率的RF功 率。在一个实施例中，RF功率源105的频率被设定在从1kHz延伸到 100MHz的范围内。在另一实施例中，RF功率源105的频率被设定在从 400kHz延伸到60MHz的范围内。主要是通过RF功率源105来控制等离子体 密度。

另外，在一个实施例中，喷头电极101连接至DC偏压源120以 使能独立于等离子体密度来控制上方等离子体产生容积103内的等离子体电 位。DC偏压源120被限定为在从接地向上延伸的各种电压设定处控制喷头电 极101的偏压。在一个实施例中，喷头电极101的DC偏压源120能够被限 定为以脉冲方式工作以使上方等离子体产生容积103中的等离子体与下方等 离子体产生容积109中的等离子体同步。更具体地，DC偏压源120的该脉冲 控制能够用于控制上方和下方等离子体产生容积103和109中的等离子体之 间的时间相关的电压差。

加热器143被布置在绝缘部件141和外结构部件104的上方并且与 绝缘部件141和外结构部件104两者相接触。加热器143也紧固到顶板 100A。另外，多个冷却通道145被限定在顶板100A内。冷却剂流体流经冷 却通道145以将热从顶板100A吸走。在一个实施例中，冷却剂流体为水。 然而，其它实施例可以使用除了水以外的冷却剂流体，只要冷却剂流体能够 与顶板100A的材料化学兼容即可。在一个实施例中，从室100的各个部分 通过热电偶测量到的温度反馈用来经由加热器143和冷却通道145控制顶板 100A的温度。通过加热器143和冷却通道145，能够控制喷头电极101的温 度以及因此控制上方等离子体产生容积103。

喷头电极101通过绝缘环147与外结构部件104电隔离。在一个 实施例中，绝缘环147和/或绝缘部件141由石英形成。在其它实施例中，绝 缘环147和/或绝缘部件141可由除了石英以外的材料形成，只要该材料在提 供热传导的同时也提供电绝缘即可。

图2示出了根据本发明的一个实施例的喷头电极101的仰视图。 喷头电极101包括被限定为将等离子体处理气体供给到上方等离子体产生容 积101的气体供给端口121的布置。等离子体处理气体从一个或多个等离子 体处理气体供给源116供给到喷头电极101。应当理解的是，在一些实施例 中，气体供给源116表示提供流经喷头电极101的适当气体和/或气体混合物 的选择的多个气体供给源和/或气体盒。喷头电极101被限定为：随着第一等 离子体处理气体流经喷头电极101而到达气体供给端口121的布置以便分配 给上方等离子体产生容积103，将RF功率传送到第一等离子体处理气体。

在各个实施例中，喷头电极101可由这样的金属形成：这种金属 是良好的导电体和导热体，并且与在上方等离子体产生容积103中进行的处 理化学兼容，诸如铝、不锈钢等。在一个实施例中，喷头电极101的暴露于 上方等离子体产生容积103的等离子体的部分受到耐等离子体材料覆盖物的 保护。在一个实施例中，耐等离子体材料形成为涂层。在另一实施例中，耐 等离子体材料形成为保护结构，例如板，其保形地覆盖喷头电极101。在这 些实施例中的任一实施例中，耐等离子体材料被紧固到喷头电极101以确保 耐等离子体材料和喷头电极101之间的充分的电传导和热传导。在各个实施 例中，用于保护喷头电极101的耐等离子体涂层/覆盖物可由硅、碳化硅、氧 化硅、氧化钇等形成。

在一个实施例中，诸如图2中所描绘的，喷头电极101的气体供 给端口121被设置在朝向上方等离子体产生容积103的多个同心径向区 101A、101B、101C中。每个同心径向区101A、101B、101C内的气体供给 端口121与相应的气流控制装置201A、201B、201C接通，使得能够独立地 控制等离子体处理气体供给到每个同心径向区101A、101B、101C。应当理 解的是，独立控制到喷头电极101的多个同心气体供给区101A、101B、 101C的等离子体处理气体供给提供了增强的中央到边缘的等离子体均匀性控 制。尽管图2的示例性实施例示出了三个同心气体供给区101A、101B、 101C，但是应当理解的是，喷头电极101可被限定为包括更多或更少的独立 可控的气体供给区。例如，在另一实施例中，喷头电极101被限定为包括两 个独立可控的同心气体供给区。

如前面所讨论的，喷头电极101形成了上方等离子体产生容积103 的上表面，气体分配单元115形成了上方等离子体产生容积103的下表面。 在一个实施例中，气体分配单元115提供了用于上方等离子体产生容积103 的接地电极。在一个实施例中，喷头电极101和气体分配单元115形成了适 当的一对一的电源到地的表面区域。

在图1的具有喷头电极101的实施例中，上方等离子体室112为 电容耦合等离子体室。在该实施例中，跨过上方等离子体产生容积103的垂 直距离(在喷头电极101的下表面和气体分配单元115的上表面之间垂直地 测量到的)被设定在从大约1cm延伸到大约5cm的范围内。在一个实施例 中，跨过上方等离子体产生容积103的垂直距离为大约2cm。在另一实施例 中，喷头电极101在功能上可由感应线圈替代，使得上方等离子体室112为 感应耦合等离子体室。在该实施例中，跨过上方等离子体产生容积103的垂 直距离可以长达大约12cm。

下方等离子体室114部分地由围绕下方等离子体室114的周边限 定的外结构部件106形成。在一个实施例中，下方等离子体室114的外结构 部件106通过多个结构连接部件刚性地连接到上方等离子体室112的外结构 部件104，使得下方等离子体室114的外结构部件106借助于上方等离子体 室112的外结构部件104从顶板100A有效地悬挂。在该实施例中，结构连接 部件能够延伸贯通排放通道125，但是被限定为避免流体流经排放通道125 的不利中断。

气体分配单元115被布置在上方等离子体产生容积103和下方等 离子体产生容积109之间。气体分配单元115被限定为形成为将上方等离子 体产生容积103与下方等离子体产生容积109分离的板，使得气体分配单元 115的板的上表面提供上方等离子体产生容积103的下边界，并且使得气体 分配单元115的板的下表面提供下方等离子体产生容积109的上边界。

气体分配单元115被下方等离子体室114的外结构部件106保持 在固定位置上。气体分配单元115被限定为通过气体供给端口119的布置将 等离子体处理气体供给到下方等离子体产生容积109。气体分配单元115被 进一步限定为包括提供上方等离子体产生容积103和下方等离子体产生容积 109之间的受控流体连通的通孔117的布置。通孔117中的每个均延伸贯通气 体分配单元115的板，从其上表面贯通到其下表面。

图3A示出了根据本发明的一个实施例的气体分配单元115的仰视 图。气体供给端口119和通孔117中的每个均被限定为通过气体分配单元 115的下表面开放式流体连通。气体供给端口119的布置散布在通孔117的布 置之间。气体供给端口119通过气体分配单元115与一个或多个等离子体处 理气体供给源118接通，使得在气体供给端口119和气体分配单元115内的 通孔117之间不存在直接的流体连通。

图3B示出了根据本发明的一个实施例的气体分配单元115的俯视 图。通孔117中的每个均被限定为通过气体分配单元115的上表面开放式流 体连通。然而，气体供给端口119不通过气体分配单元115的上表面流体暴 露。因此，气体供给端口119被限定为使等离子体处理气体仅流入下方等离 子体产生容积109。相反，通孔117被限定为使能上方和下方等离子体产生 容积103/109之间的流体连通。流体流经气体分配单元115的通孔117主要 是通过上方等离子体产生容积103和下方等离子体产生容积109之间的压差 来控制的。

应当理解的是，气体分配单元115充当RF回路电极、等离子体处 理气体歧管、流体流动挡板和离子过滤器。在各个实施例中，气体分配单元 115可由这样的金属形成：这种金属为良好的导电体和导热体，并且与在上 方和下方等离子体产生容积103/109中进行的处理化学兼容，诸如铝、不锈 钢、硅、碳化硅、氧化硅、氧化钇或基本上任何其它材料，该任何其它材料 针对向其暴露的等离子体处理提供充分的等离子体耐受性、电传导和热传 导。

在各个实施例中，气体分配单元115连接至其自身的DC偏压源 124和/或RF功率源122以使气体分配单元115能够提供用于RF功率源105 和111的适当的接地回路，同时还提供影响在上方等离子体产生容积103中 产生的离子的适当的偏压。RF功率源122还可被限定为提供多个频率的RF 功率。另外，在一个实施例中，电极130嵌置到气体分配单元115内并且连 接至DC偏压源124以提供用于影响在上方等离子体产生容积103中产生的 离子的偏压。在一个实施例中，嵌置在气体分配单元115内的电极130被限 定在通孔117的周围，使得施加到嵌置电极130上的偏压能够用于使通过通 孔117的离子加速或减速。而且，在一个实施例中，嵌置到气体分配单元 115内的电极130被限定在多个单独可控的区中，每个区连接至其自身的DC 偏压源124。该实施例使得能形成跨过气体分配单元115的独立的区域性偏 压，以提供跨过气体分配单元115的独立区域性离子控制。

在一个实施例中，气体分配单元115的暴露于上方或下方等离子体 产生容积103/109中的等离子体的部分受到耐等离子体材料覆盖物的保护。 在一个实施例中，耐等离子体材料形成为涂层。在另一实施例中，耐等离子 体材料形成为保护结构，例如板，其保形地覆盖气体分配单元115。在这些 实施例中的任一实施例中，耐等离子体材料被紧固到气体分配单元115以确 保耐等离子体材料和气体分配单元115之间的充分的电传导和热传导。在耐 等离子体保护结构的实施例中，保护结构可通过上方和下方等离子体产生容 积103/109之间的压差、通过数个紧固件或它们的组合而紧固到气体分配单 元115上。在各个实施例中，用于保护气体分配单元115的耐等离子体涂层/ 保护结构可由硅、碳化硅、氧化硅、氧化钇或基本上任何其它材料形成，该 任何其它的材料针对向其暴露的等离子体处理提供充分的等离子体耐受性、 电传导和热传导。

气体分配单元115被限定为可替换构件。不同版式/构造的气体分 配单元115可被限定为具有不同的气体供给端口119和通孔117的布置。另 外，在等离子体使气体分配单元115或其功能劣化的情形下，可以更换气体 分配单元115。

气体供给端口119和通孔117中的每个均被限定为使通过其中的 流体流最优化，同时防止等离子体不利地侵入到其中。经气体供给端口119 和通孔117中的每个的流体流率以及到气体供给端口119和通孔117中的每 个的等离子体侵入率与其尺寸成正比。因此，需要限定气体供给端口119和 通孔117中的每个以使其尺寸足够小从而防止等离子体不利地侵入到其中， 同时保持足够大从而提供足够的通过其中的流体流。在各个实施例中，气体 供给端口119的直径的尺寸在从大约0.1mm延伸到大约3mm的范围内。在 各个实施例中，通孔117的直径的尺寸在从大约0.5mm延伸到大约5mm的 范围内。然而，应当理解的是，在各个实施例中，气体供给端口119和通孔 117可分别被限定为具有基本上任何直径尺寸，只要直径尺寸在提供充分抑 制等离子体侵入其中的同时提供足够的通过其中的流体流即可。

因为通往气体供给端口119的流体流压力直接可控，所以可以将气 体供给端口119限定为具有足够小的尺寸以基本上防止等离子体侵入到气体 供给端口119中。然而，正确的是避免将气体供给端口119限定为如此小以 至于导致通过气体供给端口119的超声波流体流。为了避免来自气体供给端 口119的超声波流体流，气体供给端口119可被限定为其在气体分配单元 115的下表面的出口处具有扩散器的形状。图3C示出了根据本发明的一个实 施例的气体供给端口119的截面。气体供给端口119被显示为在其从气体分 配单元115的出口位置处具有扩散器形状307。

气体分配单元115包括与气体供给端口119的布置流体连接的内部 气体供给通道。这些内部气体供给通道与一个或多个等离子体处理气体供给 源118流体连接。应当理解的是，内部气体供给通道和相关的气体供给端口 119被限定在通孔117的布置之间，使得等离子体处理气体被分配到下方等 离子体产生容积109而不分配到上方等离子体产生容积103。在一个实施例 中，用于下方等离子体产生容积109的等离子体处理气体供给源118与用于 上方等离子体产生容积103的等离子体处理气体供给源116分离，从而能够 独立地控制等离子体处理气体到上方和下方等离子体产生容积103/109的流 率。在一个实施例中，一个或多个共用的等离子体处理气体供给源能够用于 上方和下方等离子体产生容积103/109。然而，在该实施例中，对于上方和下 方等离子体产生容积103/109中的每个分别单独控制来自每个共用的等离子 体处理气体供给源的等离子体处理气体流。而且，应当理解的是，在一些实 施例中，气体供给源118表示提供流经气体分配单元115的适当的气体和/或 气体混合物的选择的多个气体供给源和/或气体盒。

在一个实施例中，诸如图3A中所描绘的，气体分配单元115内的 内部气体供给通道被限定为跨越气体分配单元115的下表面将气体供给端口 119的布置流体分离成多个同心区域/区115A、115B、115C，使得能够单独 地控制等离子体处理气体到多个同心区域/区115A、115B、115C中的每个内 的气体供给端口119的流率。在一个实施例中，每个同心径向区域/区 115A、115B、115C内的气体供给端口119与相应的气流控制装置305A、 305B、305C接通，使得能够独立地控制到每个同心径向区域/区115A、 115B、115C的等离子体处理气体的供给。

将气体供给端口119分离成独立可控的多个同心区域/区115A、 115B、115C提供了下方等离子体产生容积109内的中央到边缘的气体供给控 制，这进而有利于下方等离子体产生容积109内的中央到边缘的等离子体均 匀性控制。尽管图3A的示例性实施例示出了三个同心的气体供给区域/区 115A、115B、115C，但是应当理解的是，气体分配单元115可被限定为包括 更多或更少的独立可控的气体供给区域/区。例如，在另一实施例中，气体分 配单元115被限定为包括两个独立可控的同心的气体供给区域/区。

在一个实施例中，通孔117的数量大于气体供给端口119的数量， 以提供从上方等离子体产生容积103到下方等离子体产生容积109的足够的 自由基/中性粒子流。而且，通孔117可被限定为具有比气体供给端口119大 的尺寸，以提供从上方等离子体产生容积103到下方等离子体产生容积109 的足够的自由基/中性粒子流。然而，如之前所讨论的，通孔117的尺寸被限 定以防止等离子体从上方或下方等离子体产生容积103/109中的任一个不利 地侵入到通孔117中。

在一个实施例中，通孔117中的一些或全部被限定以成角度地贯通 气体分配单元。图3D示出了根据本发明的一个实施例的被限定以贯通气体 分配单元115的通孔117的截面和角度303。通孔117被限定为以偏离于在气 体分配单元115的上下表面302/304之间垂直延伸的基准方向301的角度303 从气体分配单元115的上表面302延伸到气体分配单元115的下表面304

通孔117有角度以增加上方等离子体产生容积103内的带电成分 (即，离子)在穿过通孔117时将遇到电接地的气体分配单元115的可能 性，从而通过通孔117从穿过气体分配单元117的自由基/中性粒子流通量中 移除该带电成分。在一个实施例中，角度303足够大以防止沿基准方向301 通过气体分配单元115的通孔117内的不间断视线。

在一个实施例中，气体分配单元115内的全部通孔117有角度以确 保在上方等离子体产生容积103内产生的离子基本上均不被允许通过气体分 配单元115而到达下方等离子体产生容积109。该实施例借助于通孔117提 供了进入下方等离子体产生容积109的基本上纯的自由基/中性粒子流通量导 入。在另一实施例中，通孔117的部分有角度，而通孔117的其余部分被限 定为以与基准方向301一致的大致笔直方式延伸。该实施例提供了一些离子 以使其与从上方等离子体产生容积103流到下方等离子体产生容积109的自 由基/中性粒子流通量混合。在该实施例中，笔直的通孔117相对于有角度的 通孔117的数量和分布可被限定为实现自由基/中性粒子流通量内的期望离子 浓度。

在一个实施例中，流控制板被布置在气体分配单元115的上表面上 以控制哪个通孔117暴露于上方等离子体产生容积103。图4A示出了根据本 发明的一个实施例的布置在气体分配单元115的上表面302上的流控制板 401。在一个实施例中，流控制板401被限定为具有在从大约3mm延伸至大 约6mm的范围内的厚度403的盘。流控制板401盘被限定为具有足以覆盖通 孔117以控制通过通孔117的流的直径。在一个实施例中，流控制板401盘 被限定为具有覆盖气体分配单元115的上表面以保持将上方等离子体产生容 积103中的等离子体均匀地暴露于由气体分配单元115提供的RF回路的直 径。

在一个实施例中，流控制板401由导电且导热材料形成，并且被紧 固到气体分配单元115以确保流控制板401和气体分配单元115之间充分的 电传导和热传导。在一个实施例中，流控制板401可通过上方和下方等离子 体产生容积103/109之间的压差、通过多个紧固件或者通过它们的组合而被 紧固到气体分配单元115。而且，在各个实施例中，流控制板401可由诸如 上文针对气体分配单元115所讨论的耐等离子体涂层覆盖并保护。

在一个实施例中，多种式样的孔被限定为贯通流控制板401。流控 制板401内的多种式样的孔中的每个与气体分配单元115内的不同组通孔 117对准。流控制板401在气体分配单元115的上表面上在流控制板401相对 于气体分配单元115的上表面的特定旋转位置处的布置对应于流控制板401 内的多种式样的孔中的特定一个与气体分配单元115内的其相应组通孔117 的对准。延伸贯通流控制板401的多种式样的孔中的每个被限定为暴露气体 分配单元115内的不同数量或不同空间式样的通孔117。因此，能够通过将 流控制板401设定在相对于气体分配单元115的上表面的特定旋转位置处来 控制通过流控制板401并且因此通过气体分配单元115的自由基/中性粒子 流。

在一个实施例中，流控制板401被限定为包括提供沿基准方向301 径直贯通气体分配单元115的通孔117的关闭的孔式样，从而使能关断通过 气体分配单元115的离子流。图4B示出了根据本发明的一个实施例的被定位 成使得限定于其中的孔405能让流通过限定在下伏的气体分配单元115内的 全部通孔117的流控制板401的俯视图。图4C示出了根据本发明的一个实施 例的被定位成使得限定于其中的孔405仅能让流通过限定在下伏的气体分配 单元115内的有角度通孔117的流控制板401的俯视图。而且，在其它实施 例中，流控制板401中的多种式样的孔405被限定为提供通过气体分配单元 115的不同空间式样的自由基/中性粒子流。

图4D示出了根据本发明的一个实施例的由多个同心可旋转流控制 板407A、407B、407C限定的流控制板组件401A的俯视图。每个同心可旋 转流控制板407A、407B、407C能够被独立地设定以提供中央到边缘的控 制，通过中央到边缘的控制使得气体分配单元117内的通孔117打开或关 闭。具体地，流控制板组件401A包括中央盘407A和多个同心环 407B/407C，多个同心环407B/407C以同心方式布置在气体分配单元115的 上表面上。应当理解的是，图4D的特定构造是通过举例的方式提供的。其 它实施例可以包括与图4D所示不同的多个同心可旋转流控制板。

中央盘407A和多个同心环407B/407C中的每个分别包括贯通其中 的多种式样的孔405A/405B/405C。多种式样的孔405A/405B/405C中的每个 与气体分配单元115内的不同组通孔117对准，使得中央盘407A和同心环 407B/407C中的每个在气体分配单元115的上表面上相对于气体分配单元115 的上表面的特定旋转位置处的布置对应于多种式样的孔405A/405B/405C中的 特定一个与气体分配单元115内的其相应组通孔117的对准。贯通中央盘 407A和同心环407B/407C的多种式样的孔405A/405B/405C中的每个被限定 为暴露气体分配单元115内的不同数量或不同空间式样的通孔117。

再次参照图1，卡盘107被布置在室100的内腔100D内且在下方 等离子体产生容积109的下方。在一个实施例中，卡盘107从室100的壁 100C悬臂式连接。在一个实施例中，卡盘107为静电卡盘并且提供用于将 RF功率传送到下方等离子体产生容积109的电极。卡盘107被限定为保持暴 露于下方等离子体产生容积109的衬底113(即，晶片113)。在一个实施例 中，晶片边缘环149被布置在卡盘107上且位于卡盘107上的衬底113接纳/ 保持区域的周边周围。在各个实施例中，晶片边缘环由石英或硅形成。而 且，在一个实施例中，导体148被布置在晶片边缘环149的下方，并且通过 晶片边缘环149连接至驱动DC偏压。卡盘107也被限定为包括冷却通道和/ 或加热元件的构造，从而使能进行衬底113和下方等离子体产生容积109的 温度控制。

卡盘107被限定为在内腔100D内垂直地移动，如箭头123所指 示。通过这种方式，卡盘107能够被降低以通过闸阀102来接受/提供衬底 113，并且能够被提升以形成下方等离子体产生容积109的下表面。而且，能 够通过控制卡盘107的垂直位置来设定和控制跨过下方等离子体产生容积 109的垂直距离，垂直于卡盘107和气体分配单元115测量得到该垂直距离。 跨过下方等离子体产生容积109的垂直距离能够被设定以实现充分的中央到 边缘的等离子体均匀性和密度，并且还能够被设定以避免通过流自气体供给 端口119和/或通孔117的气体射流打印到晶片113上。在各个实施例中，跨 过下方等离子体产生容积109的垂直距离能够被设定在从大约1cm延伸到大 约5cm或者从大约2cm延伸到大约3.6cm的范围内。

卡盘107被进一步限定为将RF功率从RF功率源111供给到下方 等离子体产生容积109，使得卡盘107用作下方等离子体产生容积109的电 极。应当理解的是，下方等离子体室的RF功率源111与上方等离子体室的 RF功率源105分离且独立。因此，能够单独且独立地控制供给到上方和下方 等离子体产生容积103/109的RF功率。在一个实施例中，RF功率源111被 限定为提供RF功率和多个频率。例如，RF功率源111能够被限定为以2 MHz、27MHz和60MHz的频率提供RF功率。应当理解的是，上方和下方等 离子体室112/114的RF功率源105/111中的每个分别通过其自身的匹配网络 连接以使能分别将RF功率传送到喷头电极101和卡盘107。如之前所讨论 的，在一个实施例中，气体分配单元115用作上方和下方等离子体产生容积 103/109两者的RF功率回路中的基准接地电极。

上方等离子体室被限定为包括排放通道125，上方等离子体产生容 积103内的气体通过排放通道125排放到室100的内腔100D中。排放通道 125被限定为在喷头电极101的径向周边外部和气体分配单元115的径向周边 外部环绕上方等离子体产生容积103。在该构造中，排放通道125沿径向在 上方等离子体室的外结构部件104的下表面与下方等离子体室的气体分配单 元115和外结构部件106两者的上表面之间延伸。

压力节气环127被限定为在排放通道125内移动以调节从上方等离 子体产生容积103通过排放通道125到达室100的内腔100D的流体流(即， 气流)。在一个实施例中，压力节气环127被限定为在上方等离子体室112 的外结构部件104内的保形限定的凹部区域内垂直地移动。在该实施例中， 压力节气环127能够以受控的方式下移到排放通道125中以减少通过排放通 道125的流动区域并且因此调节来自上方等离子体产生容积103的流体流。 在一个实施例中，压力节气环127被限定为使能完全截断从上方等离子体产 生容积103通过排放通道125而进入室100的内腔100D中的流。

应当理解的是，图1中所描绘的压力节气环127的构造是其实现的 一个示例性实施例。在其它实施例中，能够以不同的方式来实现压力节气环 127，只要压力节气环127提供通过对排放通道125的流体流的控制即可。在 一个实施例中，测压计还被布置以测量上方等离子体产生容积103内的压 力。在该实施例中，上方等离子体产生容积103内的该测量压力用于产生控 制压力节气环127的位置的反馈信号，反馈信号进而提供对上方等离子体产 生容积103内的压力的主动控制。

下方等离子体室被限定为包括成组的带槽排放通道129，下方等离 子体产生容积109内的气体通过带槽排放通道129排放到室100的内腔100D 中。成组的带槽排放通道129被限定为在卡盘107的径向周边外部和气体分 配单元115的径向周边外部环绕下方等离子体产生容积109。在一个实施例 中，如图1所示，成组的带槽排放通道129被限定在位于靠近保持有衬底 113的卡盘107的顶面的垂直位置处的下方等离子体室114的外结构部件106 的水平取向部分中。在该实施例中，成组的带槽排放通道129垂直地延伸通 过下方等离子体室114的外结构部件106的水平取向部分。

压力控制环131被限定为朝向和远离成组的带槽排放通道129移动 以调节从下方等离子体产生容积109通过成组的带槽排放通道129而进入室 100的内腔100D中的流体流(即，气流)。在一个实施例中，压力控制环 131被限定为能够沿垂直方向朝向和远离成组的带槽排放通道129的水平取 向的环状盘。压力控制环131被限定为当抵靠成组的带槽排放通道129放置 时(即，当抵靠外结构部件106的形成有成组的带槽排放通道129的水平取 向部分的下表面放置时)覆盖成组的带槽排放通道129(在内腔100D侧)

能够通过压力控制环131朝向和远离成组的带槽排放通道129的垂 直运动来调节(即，控制)从下方等离子体产生容积109通过成组的带槽排 放通道129到达室100的内腔100D的流体流。在一个实施例中，压力控制环 131被限定为使能完全截断从下方等离子体产生容积109通过成组的带槽排 放通道129而进入室100的内腔100D的流。在一个实施例中，测压计还被布 置为测量下方等离子体产生容积109内的压力。在该实施例中，下方等离子 体产生容积109内的该测量压力用于产生控制压力控制环131的位置的反馈 信号，反馈信号进而提供下方等离子体产生容积109内的压力的主动控制。

应当理解的是，上方等离子体室112和下方等离子体室114两者均 封闭各自的约束等离子体。约束等离子体的有益之处在于，能够通过控制等 离子体区域内(即，上方和下方等离子体产生容积103/109内)的容积、压 力和流动来控制其驻留时间。等离子体驻留时间影响离解过程，其为自由基/ 中性粒子形成的因素。上方和下方等离子体产生容积103/109小且其压力和 温度可被很好地控制。

如之前所讨论的，上方和下方等离子体室112/114具有其自身相应 的RF功率源/控制、压力控制、温度控制、等离子体处理气体源/控制和气流 控制。在各个实施例中，上方等离子体处理容积103内的压强能够被控制在 从大约100mTorr延伸到大约1Torr或者从大约200mTorr延伸到大约600 mTorr的范围内。在各个实施例中，下方等离子体处理容积109内的压强能 够被控制在从大约5mTorr延伸到大约100mTorr或者从大约10mTorr延伸 到大约30mTorr的范围内。

图5示出了根据本发明的一个实施例的图1的具有上方等离子体 501和下方等离子体503的室100。来自上方等离子体501的处理气体从上方 等离子体产生容积103通过排放通道125排放到室100的内腔100D中，如箭 头505所指示的。来自下方等离子体503的处理气体从下方等离子体产生容 积109通过成组的带槽排放通道129排放到室100的内腔100D中，如箭头 507所指示的。处理气体通过排放口135从室100的内腔100D中排出，如箭 头509所指示。

应当理解的是，对上方和下方等离子体室112/114的独立控制提供 了对于晶片处理配方的广泛的可能性，尤其是关于自由基/中性粒子流通量相 对于离子流通量的独立控制。下面提供了几个示例性的晶片处理。然而，应 当理解的是，本文所公开的示例性的晶片处理仅作为示例提供，绝不表示对 本文公开的双等离子体处理室100的使用的任何限制。

在一个示例性实施例中，室100用于执行使用在晶片处理等离子体 中具有低离解度的CxFy(C4F8、C4F6等)的高氟自由基/中性粒子流通量的 晶片处理。在该示例性实施例中，Ar和NF3的混合物作为等离子体处理气体 被供给到上方等离子体产生容积103。上方等离子体产生容积103在高压和 高的RF频率(60MHz)下工作。高氟自由基/中性粒子流通量产生于上方等 离子体室103中并且流经气体分配单元115的通孔117。产生于上方等离子 体处理容积103中的离子由气体分配单元115过滤。

此外，在该示例性实施例中，Ar和CxFy气体的混合物作为等离子 体处理气体被供给到下方等离子体产生容积109。下方等离子体产生容积109 在低压和低到中等的RF频率(2MHz和27MHz)下工作。下方等离子体产 生容积109的低的RF频率对应于暴露于晶片113的等离子体中的CxFy的低 离解度。应当理解的是，上方等离子体产生容积103中产生必需的氟自由基/ 中性粒子流通量所要求的高功率将导致施加到下方等离子体产生容积109的 CxFy的高离解度。因此，双等离子体室100使能实现上述处理的性能。

在另一示例性实施例中，室100用于执行利用高压容积中的高离解 度的CxFy(C4F8、C4F6等)以及低压容积中的高密度Ar等离子体的晶片 处理。在该示例性实施例中，CxFy和Ar的混合物作为等离子体处理气体被 供给到上方等离子体产生容积103。上方等离子体产生容积103在高压和高 的RF频率(60MHz)下工作以造成CxFy的高离解度。产生于上方等离子 体室103中的高离解度的CxFy流经气体分配单元115的通孔117。产生于上 方等离子体处理容积103中的离子由气体分配单元115过滤。此外，在该示 例性实施例中，Ar气体作为等离子体处理气体被供给到下方等离子体产生容 积109。下方等离子体产生容积109在低压以及低到中等的RF频率(2MHz 和27MHz)下工作以产生具有高离子流通量的高密度Ar等离子体。

在一个操作实施例中，下方等离子体室114的压力控制环131关 闭，并且上方等离子体室112被设定为仅排放构造。在该实施例中，在上方 等离子体产生容积103中不产生等离子体。在该实施例中，等离子体处理气 体流经气体分配单元115的气体供给端口119而进入下方等离子体产生容积 109。此外，在该实施例中，等离子体处理气体从下方等离子体产生容积109 通过气体分配单元115的通孔117而排放到上方等离子体产生容积103中， 并且然后从排放通道125中排出而进入室100的内腔100D中。

该操作实施例提供了等离子体处理气体沿轴向泵入/泵出下方等离 子体产生容积109。在该实施例中，因为气体被垂直(与径向相对)地泵 出，所以能够在晶片113上实现精确的压力均匀性控制。应当理解的是，排 放气体的径向泵出导致晶片113上的径向压力分配。该实施例还使得能在要 求短的等离子体驻留时间(例如小于一毫秒)的低流动应用(诸如原子层沉 积或原子层蚀刻)中对驻留时间进行精确控制。

应当理解的是，双等离子体室100被限定将自由基/中性粒子流通 量产生/应用与离子等离子体产生/应用分离。此外，在一个实施例中，下方等 离子体室114可以是非活跃的(即，仅排放)，使得来自上方等离子体室 112的自由基/中性粒子流通量能够施加到晶片113上而不会将晶片113暴露 于等离子体。

尽管已经参照多个实施例对本发明进行了说明，应理解的是，本 领域技术人员在阅读前面的说明书并研究附图时将实现其各种改动、添加、 替换和等同方案。因此，本发明旨在包含落在本发明的真正主旨和范围内的 所有这样的改动、添加、替换和等同方案。