專利名稱：射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于大規(guī)模微電子集成電路芯片刻蝕工藝中的射頻感性耦合等離子體源技術(shù)，采用平面法拉第屏蔽抑制或降低射頻感性耦合放電中寄生的容性耦合，解決微電子芯片等離子體刻蝕工藝中介質(zhì)耦合窗口濺射、電負(fù)性放電不穩(wěn)定性、脈沖放電瞬間阻抗失配問(wèn)題。
背景技術(shù)：
射頻感性耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)源是一種重要的高密度等離子體源，在深亞微米/納米微電子集成電路芯片的等離子體刻蝕工藝中得到了大規(guī)模應(yīng)用。在ICP源的天線上，同時(shí)存在著射頻電流和射頻電壓。前者通過(guò)感性耦合方式產(chǎn)生加速電子的渦旋電場(chǎng)，其能量大小和空間分布影響等離子體密度的高低及空間分布；后者通過(guò)容性耦合方式對(duì)放電的諸多方面產(chǎn)生重要的影響(1)在天線與地之間驅(qū)動(dòng)電流，天線上的射頻電流不遵守一般串聯(lián)電路的等值傳輸規(guī)律，而是由容性耦合產(chǎn)生電流駐波效應(yīng)，耦合天線的對(duì)稱性不僅由其幾何對(duì)稱性決定，ICP源的等離子體密度均勻性也因此與容性耦合相關(guān)。強(qiáng)容性耦合天線中的電流駐波效應(yīng)嚴(yán)重，采用簡(jiǎn)單天線時(shí)ICP源的感性耦合角向均勻性差，增加了天線優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度。
(2)在介質(zhì)耦合窗口等固體表面形成射頻振蕩鞘層，由此導(dǎo)致窗口材料的離子濺射。在ICP刻蝕源中，腐蝕性自由基的存在提高了窗口的刻蝕速率，不但降低了窗口的使用壽命，而且刻槽的存在也帶來(lái)了窗口破裂的隱患。在ICP光膠灰化裝置中，由石英窗口濺射的SiO2沉積在光膠表面形成微掩膜，未刻凈的光膠對(duì)芯片將造成污染。
(3)由于容性耦合的存在，ICP源在低功率區(qū)實(shí)際上產(chǎn)生E模式放電；在高功率區(qū)才產(chǎn)生感性放電(H mode)。隨著放電參數(shù)(如放電功率等)的變化，E、H之間的模式轉(zhuǎn)換通常為突變。在E-H放電模式轉(zhuǎn)換中，等離子體阻抗經(jīng)歷由容抗變?yōu)楦锌沟拇蠓秶兓?，由此要求阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)隨之調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)射頻能量的最大傳輸效率/最低反射率。在電負(fù)性氣體(典型的刻蝕或光膠灰化氣體均為電負(fù)性氣體，如HBr、Cl2、SF6、NF3、CxHyFz、O2等)ICP源中，不但存在由電子俘獲效應(yīng)與放電模式的耦合作用所產(chǎn)生的位于E、H模式之間的不穩(wěn)定放電，而且達(dá)到穩(wěn)定H模式放電的功率增大，阻抗迅速變化區(qū)域的增寬，阻抗匹配的調(diào)節(jié)范圍隨之增加，同時(shí)失配造成的反射功率水平提高。
(4)在容性耦合作用下產(chǎn)生的電負(fù)性氣體ICP放電不穩(wěn)定性與匹配網(wǎng)絡(luò)、器壁條件等不能穩(wěn)定重復(fù)控制的外部條件密切相關(guān)，由此導(dǎo)致電負(fù)性氣體ICP放電加工的穩(wěn)定性、重復(fù)性降低。
(5)在窗口附近的射頻天線近場(chǎng)區(qū)中，源于容性耦合的靜電場(chǎng)強(qiáng)度大于源于感性耦合的渦旋電場(chǎng)強(qiáng)度，擊穿放電和低密度運(yùn)行由容性耦合產(chǎn)生和維持。當(dāng)容性耦合被減弱或消除后，需要更高的起始入射射頻功率才能實(shí)現(xiàn)擊穿放電。對(duì)于擊穿電壓高的電負(fù)性氣體，起始擊穿功率和反射功率相對(duì)較高，這對(duì)射頻電源會(huì)造成損害。
脈沖等離子體工藝增加了脈沖頻率、占空比兩個(gè)控制參數(shù)，拓寬了工藝優(yōu)化的參數(shù)空間，該技術(shù)具有一些重要的優(yōu)點(diǎn)(1)提高等離子體加工的空間均勻性；(2)提高刻蝕選擇比，降低電荷積累造成的氧化物損傷；(3)有效降低notch(局部旁刻)，提高深亞微米/納米MOS器件的線寬控制；(4)降低ARDE(Aspect Ratio Dependent Etching)效應(yīng)；(5)抑制反應(yīng)等離子體中的顆粒生長(zhǎng)，提高沉積薄膜的質(zhì)量。
雖然脈沖等離子體技術(shù)具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)采用ICP源進(jìn)行脈沖運(yùn)行時(shí)，其放電過(guò)程中也存在著與容性耦合相關(guān)的物理問(wèn)題。在ICP源脈沖調(diào)制波的上升沿段，E-H放電模式轉(zhuǎn)換使等離子體阻抗隨功率增加快速變化，當(dāng)采用機(jī)械傳動(dòng)的自動(dòng)阻抗匹配器，由于其慢速響應(yīng)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)匹配而造成高反射功率。另一方面，在放電達(dá)到H模式后，等離子體還存在一個(gè)建立過(guò)程，等離子體阻抗同時(shí)也應(yīng)隨之變化，要求固定式匹配網(wǎng)絡(luò)具有寬泛的匹配能力。在采用脈沖ICP源進(jìn)行加工時(shí)，需要解決與擊穿、放電模式轉(zhuǎn)換、阻抗匹配相關(guān)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低功率擊穿、無(wú)模式轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)阻抗匹配失配小等問(wèn)題。
在電負(fù)性氣體ICP放電不穩(wěn)定性的控制研究中，Lam和MKS公司的研究人員采用負(fù)反饋方法在多種情況下抑制了不穩(wěn)定振蕩[D.L.Goodmanl and N.M.P.Benjamin，J.Phys.D36Appl.Phys.2845(2003)]，但該方法存在以下缺點(diǎn)(1)控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高；(2)由于反饋電子器件的速度限制，該方法不能控制高頻振蕩和快速尖脈沖；(3)對(duì)SF6放電的穩(wěn)定效果差；(4)不能穩(wěn)定對(duì)等離子體阻抗影響小的局部不穩(wěn)定模式；(5)沒(méi)有消除容性耦合，容性耦合的不良影響仍然存在。
在阻斷了容性耦合后ICP源放電只能運(yùn)行于等離子體阻抗相對(duì)穩(wěn)定的H模式，脈沖ICP調(diào)制波形上升沿期間等離子體阻抗由此可以得到穩(wěn)定。法拉第屏蔽是阻斷容性耦合的有效途徑，但對(duì)于得到廣泛使用的平面天線耦合ICP源而言，國(guó)際上現(xiàn)有的平面法拉第屏蔽[M.H.Khatera，L.J.Overzetb，J.Vac.Sci.Technol.A19，785(2001)，L.J.Mahoney，A.E.Wendt，E.Barriro，C.J.Richards，J.L.Shohet，J.Appl.Phys.76，2041(1994)，A.Schwabedissen，E.C.Benck，R.Roberts，Pyhs.Rev.E56，5866(1997)，U.S.Pat.No.5622635]存在以下問(wèn)題(1)現(xiàn)有平面法拉第屏蔽為徑向裂縫結(jié)構(gòu)，金屬部分的寬度隨半徑增大而增加，渦流損耗和對(duì)天線磁場(chǎng)的削弱作用也隨之增大。由于結(jié)構(gòu)的限制，所加工的金屬條寬度(尤其是圓周處)難以降低，渦流損耗和磁場(chǎng)削弱效應(yīng)較大。另一方面，平面徑向裂縫式法拉第屏蔽通過(guò)閉合圓環(huán)接地，這進(jìn)一步增加了渦流損耗和磁場(chǎng)削弱作用。因此，平面徑向裂縫式法拉第屏蔽具有損耗大、磁場(chǎng)削弱大的缺點(diǎn)。
(2)為了避免射頻天線與法拉第屏蔽導(dǎo)體之間的打火，需要在兩者之間置入絕緣介質(zhì)，有此產(chǎn)生了相互矛盾的選擇(a)為了提高天線耦合效率需要在不產(chǎn)生打火的條件下盡可能地降低射頻天線與接地屏蔽導(dǎo)體間的距離(實(shí)際上為了降低天線與等離子體電子環(huán)流之間的距離，以提高互感耦合系數(shù))，但此時(shí)射頻天線與接地法拉第屏蔽之間存在強(qiáng)烈的容性耦合，天線上的電流駐波效應(yīng)因此增大，簡(jiǎn)單天線放電產(chǎn)生的等離子體角向均勻性降低[L.G.Peter et al.，J.Vac.Sci.Technol.B12，3118(1994)]；(b)當(dāng)射頻天線與接地屏蔽導(dǎo)體間的距離較小時(shí)，射頻天線上的電流中有較大部分以容性耦合形式流向接地屏蔽導(dǎo)體，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)的天線電流降低，通過(guò)降低間距也難以提高能量耦合系數(shù)；(c)增加天線與屏蔽導(dǎo)體之間的距離以減弱射頻天線電流駐波效應(yīng)，但同時(shí)降低了射頻能量耦合效率。
(3)在采用法拉第屏蔽阻斷容性耦合后，ICP源的擊穿放電出現(xiàn)困難。通常的方法是在法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)中的選定部位留出提供容性耦合的空隙，這同樣帶來(lái)了相互矛盾的選擇(a)選定部位的空隙較大時(shí)，ICP源可以在低電壓(低入射功率、低反射功率)下?lián)舸┓烹?，但在放電維持期間容性耦合仍然通過(guò)空隙耦合窗口的局部濺射嚴(yán)重，同時(shí)，容性、感性耦合放電空間區(qū)域重合，兩者的非線性耦合仍然造成一定程度的E-H過(guò)渡，增加了脈沖ICP放電的阻抗失配程度。(b)采用小空隙可以缺點(diǎn)上述缺點(diǎn)，但又帶來(lái)了擊穿放電電壓大的新問(wèn)題，繼而導(dǎo)致?lián)舸┓烹娗暗母吖β史瓷洹?br> 另一方面，直接采用天線上的容性耦合進(jìn)行起始擊穿時(shí)，射頻天線電壓隨放電功率增加而提高，是增強(qiáng)窗口濺射的因素。如不采用射頻天線的容性耦合引燃，而是使用另一獨(dú)立電極，并且使引燃電極上的電壓隨放電功率增大而減小，則不僅可以減弱引燃電極介質(zhì)的濺射，還可以降低容性耦合與感性耦合的正反饋?zhàn)饔谩?br> 在電負(fù)性氣體ICP源中，放電不穩(wěn)定性由電子俘獲效應(yīng)與E、H放電模式的耦合作用產(chǎn)生。在ICP放電中抑制容性耦合后，電負(fù)性氣體ICP放電不穩(wěn)定性可望消失，由此可以獲得穩(wěn)定、重復(fù)可靠的電負(fù)性氣體ICP加工。因此，法拉第屏蔽不僅可以穩(wěn)定脈沖ICP放電阻抗，而且可以用于抑制電負(fù)性氣體ICP放電不穩(wěn)定性。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低；(2)有望消除包括高頻振蕩和快速尖脈沖在內(nèi)的所有振蕩；(3)對(duì)各種電負(fù)性氣體均具有穩(wěn)定作用；(4)能消除局部不穩(wěn)定模式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)，抑制射頻感性耦合等離子體刻蝕裝置中耦合窗口內(nèi)表面濺射，解決容性耦合阻斷后的放電擊穿困難問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上解決脈沖工藝以及電負(fù)性氣體放電時(shí)與容性耦合相關(guān)的瞬時(shí)阻抗失配、放電不穩(wěn)定性等問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，平面法拉第屏蔽系統(tǒng)由平面法拉第屏蔽和引燃擊穿兩部分組成。平面法拉第屏蔽采用兩片分立式，每片單獨(dú)接地，通過(guò)該設(shè)計(jì)切斷沿圓周的渦流路徑，降低對(duì)應(yīng)的渦流損耗。在每片屏蔽金屬中，透過(guò)交變射頻磁場(chǎng)的裂縫采用梳狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)線切割加工細(xì)密的直線裂縫，進(jìn)一步降低渦流回路大小和相應(yīng)的渦流損耗。法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)置于絕緣耦合窗口的內(nèi)側(cè)，在不增加射頻耦合天線與等離子體間距的條件下，增大了射頻耦合天線與屏蔽金屬之間的距離，由此降低耦合天線與屏蔽結(jié)構(gòu)之間的容性耦合電流。引燃擊穿采用內(nèi)置電極方式，電極由石英覆蓋絕緣。引燃放電沒(méi)有單獨(dú)的電源，而是由耦合天線上取出引燃電壓，并且通過(guò)共振網(wǎng)絡(luò)或者開關(guān)加置到引燃電極上。共振網(wǎng)絡(luò)由電感或電感和可變電容串聯(lián)組成，用于射頻感性耦合等離子體源的脈沖放電方式。在連續(xù)射頻感性耦合等離子體源放電中，采用開關(guān)控制方式。在引燃放電區(qū)，采用永久磁鋼構(gòu)成非平衡磁控位形，用以增強(qiáng)引燃放電，并將引燃放電等離子體輸運(yùn)至感性耦合放電區(qū)。
本發(fā)明的效果和益處是，所提出的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)具有渦流損耗低、射頻能量傳輸效率高、天線電流駐波效應(yīng)小、等離子體密度角向均勻好、易于起始擊穿、脈沖放電方式下引燃電極濺射污染小的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的法拉第屏蔽系統(tǒng)能提高等離子體刻蝕機(jī)耦合介質(zhì)窗口的使用壽命，降低刻蝕工藝中的基片污染，提高刻蝕指標(biāo)及刻蝕工藝穩(wěn)定性。


在本發(fā)明涉及的

如下
圖1采用法拉第屏蔽系統(tǒng)的射頻感性耦合等離子體源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a感性耦合放電的Γ型阻抗匹配器示意圖；圖2b感性耦合放電的π型阻抗匹配器示意圖，圖3分立式梳狀法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)示意圖；圖4基片射頻偏置電源的阻抗匹配器示意圖；圖5a用于引燃放電的電感共振調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)；圖5b用于引燃放電的電感、串聯(lián)可變電容共振調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)；圖5c用于引燃放電的開關(guān)控制示意圖；圖6內(nèi)置引燃放電的非平衡磁控增強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中使用的標(biāo)記如下1感性耦合射頻電源；2感性耦合放電的阻抗匹配器；3射頻耦合天線；4介質(zhì)耦合窗口；5內(nèi)置分立式法拉第屏蔽；6等離子體真空室；7基片電極偏置系統(tǒng)；8射頻偏置電源；9射頻偏置電源阻抗匹配器；10基片臺(tái)；11基片；12內(nèi)置引燃放電系統(tǒng)；13放電電極外導(dǎo)體；14引燃電極同軸電纜；15引燃電極共振網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制；16同軸電纜插座；17永久磁鋼；18石英絕緣體；19抽氣；20進(jìn)氣、21法拉第屏蔽的裂縫部分；22法拉第屏蔽的金屬部分。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和

詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
如圖1所示，由射頻電源1產(chǎn)生的能量經(jīng)阻抗匹配器2到達(dá)射頻耦合天線3，調(diào)節(jié)可變電容C1、C2(圖2a)和C3使反射功率取得最小值。法拉第屏蔽5接地(圖3)，射頻天線電壓驅(qū)動(dòng)的容性耦合電流由法拉第屏蔽5到達(dá)地，等離子體內(nèi)部的容性耦合被阻斷。法拉第屏蔽采用裂縫結(jié)構(gòu)，射頻天線電流可以透過(guò)裂縫在真空室內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦旋電場(chǎng)加速電子電離中性粒子放電。
本發(fā)明中的法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)(圖3)采用兩片獨(dú)立的半圓形鋁金屬片，每片分別接地，不形成傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的大渦流閉環(huán)，渦流損耗相應(yīng)降低。在每個(gè)半圓形屏蔽結(jié)構(gòu)中制作梳狀直線裂縫，不受傳統(tǒng)徑向裂縫制作的限制，可以通過(guò)線切割方式制作細(xì)密的線(圖3中21)、縫(圖3中22)結(jié)構(gòu)，降低渦流回路大小和對(duì)應(yīng)的渦流損耗。內(nèi)置法拉第屏蔽放入真空室內(nèi)，緊靠射頻耦合窗口的下端面，在圓周邊緣處進(jìn)行夾固。在面向耦合石英窗的一面鍍銀，另一面進(jìn)行陽(yáng)極氧化，以降低能量損耗和降低雜質(zhì)污染。內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)與射頻天線間的距離比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)間距大，由天線流向與接地屏蔽金屬的容性電流小。內(nèi)置法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)不僅降低了天線電流的駐波效應(yīng)，提高了等離子體密度角向均勻性。不追求更大的天線/屏蔽間距，以獲得高能量耦合效率。
基片射頻偏置通過(guò)容性耦合方式實(shí)現(xiàn)，阻抗匹配采用如圖4所的結(jié)構(gòu)，電感取固定值，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容C4、C5使偏置射頻電源的反射功率取得最小值。
引燃放電沒(méi)有單獨(dú)的射頻電源供電，而是通過(guò)同軸電纜引線14從射頻天線上取出射頻電壓，天線上的最佳接線位置由擊穿時(shí)電源1的反射功率大小決定。在典型的脈沖放電條件下，每個(gè)脈沖放電均需要起始引燃擊穿，要求引燃電壓持續(xù)加置。為了優(yōu)化引燃特性，擊穿電壓通過(guò)電感或LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后與引燃電極相連(圖5a、b)，以實(shí)現(xiàn)共振擊穿。在圖5a中選擇L的數(shù)值使之與引燃電極等離子體鞘層電容在低等離子體密度區(qū)達(dá)到串聯(lián)共振，以利于低電壓擊穿。在引燃放電后的高等離子體密度區(qū)(電極鞘層電容大)，引燃電極分支處于阻抗相對(duì)高的感抗區(qū)，引燃電極的電壓相應(yīng)降低，由此抑制濺射污染。當(dāng)采用圖5b所示的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)節(jié)C6可以改變引燃放電分支的共振點(diǎn)，在不同的條件下獲得最佳的引燃放電。
內(nèi)引燃電極表面覆以石英，采用永久磁鋼17構(gòu)成非平衡磁控放電位形(圖6)，磁約束作用降低引燃電壓并易于低氣壓擊穿。非平衡磁位形的磁場(chǎng)梯度力驅(qū)動(dòng)引燃放電產(chǎn)生的電子、離子運(yùn)動(dòng)至射頻天線邊緣的渦旋電場(chǎng)區(qū)，進(jìn)一步降低感性耦合主放電的起始電壓和反射功率水平。在連續(xù)放電時(shí)，采用圖5c中的結(jié)構(gòu)，引燃放電完成后關(guān)斷引燃電路，降低濺射污染。
在脈沖放電中，采用如圖2b所示的阻抗匹配能力強(qiáng)的寬頻匹配器，連同法拉第屏蔽對(duì)放電阻抗的穩(wěn)定作用，進(jìn)一步降低感性等離子體建立階段的阻抗失配程度和反射功率水平。
權(quán)利要求
1.一種射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)，由屏蔽和引燃放電兩部分組成，其特征是屏蔽部分采用內(nèi)置方式，由兩個(gè)分立的半圓形鋁金屬片組成，每個(gè)圓片分別接地，金屬裂縫為梳狀結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)，金屬裂縫采用線切割方式加工，在面向石英窗的一面鍍銀，另一面進(jìn)行陽(yáng)極氧化。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)，其特征是引燃電極置于真空室內(nèi)，用石英覆蓋絕緣，引燃放電的射頻電壓取自感性耦合天線，引燃放電采用永久磁鋼構(gòu)成的非平衡磁控位形增強(qiáng)；在脈沖射頻感性耦合放電時(shí)，引燃電壓通過(guò)電感和可變電容組成的共振網(wǎng)絡(luò)加置在引燃電極；在連續(xù)射頻感性耦合放電時(shí)，引燃電壓通過(guò)開關(guān)控制加置在引燃電極上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于射頻感性耦合等離子體源的平面法拉第屏蔽系統(tǒng)，用于抑制射頻感性耦合放電中的寄生容性耦合，解決脈沖工藝以及電負(fù)性氣體放電時(shí)與容性耦合相關(guān)的瞬時(shí)阻抗匹配、放電不穩(wěn)定性等問(wèn)題。本發(fā)明的特征是法拉第屏蔽系統(tǒng)由內(nèi)置平面法拉第屏蔽和內(nèi)置引燃擊穿兩部分組成。法拉第屏蔽采用兩片分立式，每片金屬中的裂縫為梳狀結(jié)構(gòu)。引燃擊穿電壓由感性耦合天線取出，通過(guò)射頻共振、控制網(wǎng)絡(luò)加置在引燃電極上。一組永久磁鋼構(gòu)成的非平衡磁控位形增強(qiáng)引燃放電，并將引燃放電等離子體輸運(yùn)至感性耦合放電區(qū)。本發(fā)明提出的法拉第屏蔽系統(tǒng)具有能量效率高、耦合電流駐波效應(yīng)小、等離子體密度角向均勻性好、易于起始擊穿的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05H1/24GK1905777SQ200610200529
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者丁振峰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)