CN101180418B - 用于改善表面波等离子体源和等离子体空间之间的耦合的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于改善表面波等离子体(SWP)源和等离子体空间之间的耦合的方法和系统。表面波等离子体源包括电磁波发射器，例如具有谐振片的缝隙天线，其中在谐振片和等离子体之间的等离子体表面处，利用扰模器来改善到等离子体的耦合。

Description

用于改善表面波等离子体源和等离子体空间之间的耦合的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请与以下申请有关：与本申请同日提交的题为“Surface waveplasma processing system and method of using”的律师案卷号no.YYYYYY的未决美国专利申请no.10/XXX,XXX；与本申请同日提交的题为“Plasma processing system for treating a substrate and method of using”的律师案卷号no.YYYYYY的未决美国专利申请no.10/XXX,XXX；以及与本申请同日提交的题为“Method and system for controlling uniformity in asurface wave plasma”的律师案卷号no.YYYYYY的未决美国专利申请no.10/XXX,XXX。所有这些申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及用于改善表面波等离子体(SWP)源和等离子体之间的耦合的方法和设备，更具体而言，涉及用于利用扰模器改善SWP源和等离子体之间的耦合的方法和设备。

背景技术

一般来说，在半导体处理期间，(干法)等离子体刻蚀工艺被用于去除或刻蚀沿着精细线的材料或者在图案化在半导体衬底上的过孔或触点内的材料。等离子体刻蚀工艺通常包括将具有上覆的、图案化的保护层(例如光刻胶层)的半导体衬底定位在处理室中。一旦衬底被定位在室中，可离子化的、离解的气体混合物就被以预先指定的流率引入到室中，同时真空泵被节流以获得环境处理压强。其后，当所存在的气体物质的一部分与能量化的电子碰撞之后被离子化时，形成等离子体。而且，被加热的电子用来离解某些种类的环境气体物质，并且产生适合于所暴露的表面刻蚀化学特性的反应物质。一旦形成了等离子体，就通过等离子体刻蚀衬底的任何暴露表面。调节工艺以实现最优条件，包括适当的期望反应物的浓度和离子数目，以刻蚀衬底的暴露区域中的各种特征(例如，沟槽、过孔、触点等)。这种需要刻蚀的衬底材料包括例如二氧化硅(SiO₂)、多晶硅和氮化硅。

传统上，如上所述，已经实现了各种用于将气体激发为等离子体以在半导体器件制造期间处理衬底的技术。具体而言，(“平行板”)电容耦合等离子体(CCP)处理系统、或电感耦合等离子体(ICP)处理系统已被广泛地用于等离子体激发。其他类型的等离子体源有微波等离子体源(包括那些利用电子回旋共振(ECR)的等离子体源)、表面波等离子体(SWP)源和螺旋波等离子体源。然而，许多常用的等离子体处理系统存在若干不足，包括但不限于对处理化学剂的控制(即，对化学离解的控制)、由于与能量化电子的相互作用而引起的衬底损伤以及处理均匀性。

发明内容

本发明的一个目的是减少或消除上述问题中的任何一个或全部。

本发明的另一个目的是提供一种用于提高表面波等离子体(SWP)源和等离子体之间的耦合的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供一种用于防止SWP源中期望的电磁(EM)波模式和另一个EM波模式之间的模式跳变的方法和系统。

根据一个方面，描述了一种表面波等离子体(SWP)源，包括：电磁(EM)波发射器，所述电磁波发射器被配置为通过在与等离子体相邻的等离子体表面上生成表面波来将EM能量以期望的EM波模式耦合到等离子体；功率耦合系统，所述功率耦合系统耦合到EM波发射器，并且被配置为将EM能量提供到EM波发射器以形成等离子体；以及扰模器，所述扰模器耦合到EM波发射器的等离子体表面，并且被配置为防止由于等离子体的改变而引起的期望EM波模式和另一种EM波模式之间的模式跳变。

附图说明

在附图中：

图1表示根据本发明实施例的等离子体处理系统的简化示意图；

图2表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的简化示意图；

图3表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图4表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图5表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图6表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图7表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图8表示用于图1中所示的等离子体处理系统的等离子体源的另一副简化示意图；

图9A和9B提供了介质中电磁波传播的示意图；

图10提供了根据一个实施例的处理室的一部分的分解图；

图11提供了根据另一个实施例的处理室的一部分的分解图；

图12提供了根据另一个实施例的处理室的一部分的分解图；

图13图示了根据一个实施例的气体注入栅格的俯视图；

图14图示了根据另一个实施例的气体注入栅格的俯视图；

图15提供了根据一个实施例的操作等离子体处理系统的方法；以及

图16提供了根据一个实施例的控制等离子体处理系统中的均匀性的方法。

具体实施方式

在下面的描述中，为了帮助对本发明的完全理解并且出于说明而非限制的目的，给出了特定的细节，例如等离子体处理系统的具体几何形状以及系统部件的各种描述。然而，应当理解，利用脱离了这些特定细节的其他实施例也可以实施本发明。

然而，应当意识到，尽管一般概念的创造性特性被说明，但是说明书中还包含了具有创造性特性的特征。

现在参考附图，附图中相似的标号在整个附图中指代相同或相应的部分。图1图示了根据实施例的等离子体处理系统100。等离子体处理系统100包括处理室110，处理室110具有被配置为限定等离子体空间116的上室部分112和被配置为限定处理空间118的下室部分114。在下室部分114中，处理室110包括被配置为支撑衬底125的衬底夹持器120。其中，衬底125被暴露于处理空间118中的处理化学剂。此外，等离子体处理系统100包括耦合到上室部分112并且被配置为在等离子体空间116中形成等离子体的等离子体源130。

另外，等离子体处理系统100包括耦合到上室部分112和下室部分114并且位于等离子体空间116和处理空间118之间的气体注入栅格140。气体注入栅格140被配置为向等离子体空间引入第一气体142以形成等离子体并且向处理空间引入第二气体144以形成处理化学剂。第一气体供应系统150耦合到气体注入栅格140，并且被配置为提供第一气体142。而且，第二气体供应系统160耦合到气体注入栅格140，并且被配置为提供第二气体144。

另外，可以利用温度控制系统170控制气体注入栅格140的温度，并且可以利用电偏置控制系统175控制气体注入栅格140的电位。

此外，等离子体处理系统100包括泵系统180，其耦合到处理室110并且被配置为抽空处理室110以及控制处理室110内的压强。可选地，等离子体处理系统100还包括耦合到处理室110、衬底夹持器120、等离子体源130、气体注入栅格140、第一气体供应系统150、第二气体供应系统160、温度控制系统170、电偏置控制系统175和泵系统180的控制系统190。控制系统190可被配置为执行工艺流程以在等离子体处理系统100中执行刻蚀工艺和沉积工艺中的至少一种。

仍然参考图1，等离子体处理系统100可被配置为处理200mm衬底、300mm衬底或更大尺寸的衬底。事实上，等离子体处理系统可被配置为处理任何尺寸的衬底、晶片或LCD，这是本领域技术人员将想到的。因此，尽管本发明的某些方面将结合半导体衬底的处理进行描述，但是本发明并不限于此。

如上所述，处理室110被配置为促进等离子体空间116中等离子体的生成，并在处理空间118中与衬底125的表面相邻处生成处理化学剂。被引入到等离子体空间116的第一气体142包括等离子体形成气体、或可离子化气体或气体混合物。第一气体142可包括诸如稀有气体之类的惰性气体。被引入到处理空间118的第二气体144包括处理气体或处理气体混合物。例如，在刻蚀工艺中，处理气体可包括这样的分子组分，这种分子组分在离解时可以与在衬底表面上被刻蚀的材料反应。一旦在等离子体空间116中形成了等离子体，某些等离子体就可以通过气体注入栅格140扩散到处理空间118中。已经扩散到处理空间118中的被加热的电子可以与处理气体中的分子碰撞，从而导致离解并且形成反应性自由基以执行例如刻蚀工艺。因此，如上所述使用气体注入栅格140可以例如在等离子体空间中形成密集的高温(电子温度T_e)等离子体，同时在处理空间中产生较低温度的等离子体。

这样一来，第一和第二气体的分开注入方案可以减少第二气体中被用于形成处理化学剂的分子组分的离解。另外，例如，诸如氩(Ar)之类的惰性气体(第一气体)被引入到等离子体空间，形成等离子体并且加热中性的Ar原子。被加热的Ar中性原子向下扩散通过气体注入栅格140，并且进入较冷的、紧邻衬底的处理空间。这种中性气体的扩散可以消除处理气体(第二气体)中分子组分的反向扩散(back-diffusion)。

在一个示例中，等离子体源可包括表面波等离子体(SWP)源。现在参考图2，图示的等离子体源230包括诸如径向线缝隙天线(RLSA)之类的缝隙天线，带有具有内导体240、外导体242和绝缘241的同轴馈送机构238。另外，等离子体源230包括电磁(EM)波发射器243，电磁波发射器243包括慢波片244、具有缝隙248的缝隙天线246和谐振片250。缝隙数目、缝隙的几何形状、缝隙尺寸和缝隙的分布都是可以对等离子体空间116中形成的等离子体的空间均匀性产生影响的因素。例如，谐振片250的实际尺寸(即，厚度和直径)可以被数值地计算。

波发射器243包括被配置为使微波功率辐射到等离子体空间116中的微波发射器。微波发射器可以耦合到微波源，例如2.45GHz微波功率源，其中微波功率经由同轴馈送机构238耦合到微波发射器。由微波源生成的微波能量通过波导(未示出)被引导到隔离器(未示出)以吸收被反射回微波振荡器的微波能量，其后其经由同轴转换器(未示出)转换为同轴TEM模式。可以采用调谐器来进行阻抗匹配，并且改进功率传送。微波能量经由同轴馈送机构238耦合到微波发射器，其中发生另一模式改变，即从同轴馈送机构238中的TEM模式变为TM模式。

仍然参考图2，等离子体源230耦合到处理室110的上室部分112，其中利用密封装置254可以在上室壁252和等离子体源230之间形成真空密封。密封装置254可包括弹性体O形环。

通常，同轴馈送机构238的内导体240和外导体242包括诸如金属之类的导电材料，而慢波片244和谐振片250包括介电材料。在后者中，慢波片244和谐振片250包括相同材料。介电材料可例如包括石英。关于同轴馈送机构和波发射器的设计的附加细节可以在题为“Plasma processingapparatus for etching，ashing，and film-formation”的美国专利No.5,024,716中找到，该专利的全部内容通过引用结合于此。

被选择用于制造慢波片244和谐振片250的材料要能相对于自由空间波长减小传播的电磁(EM)波的波长，并且选择慢波片244和谐振片250的尺寸来确保形成驻波，该驻波有效地使EM能量辐射到等离子体空间116中。

当慢波片244和谐振片250是以石英(二氧化硅)制造的时，可能出现若干问题，尤其是当等离子体处理系统被用于刻蚀工艺应用时。首先，经常选择石英以与刻蚀工艺相兼容。其次，石英谐振器和石英慢波片的临界尺寸是非常重要的，因此，导致高成本的可消耗项目。另外，驻波电场的起始必须保持与石英—等离子体界面相邻，以用于低功率等离子体处理。另外，等离子体参数的偏移在石英谐振器中导致了衰变的电场。如果介电谐振器中的电场强度不充分大于由于等离子体参数的偏移而引起的电场改变，则这种偏移可能导致电压驻波比(VSWR)跳变，或驻波模式跳变。本发明的发明人已经观察到，使用石英谐振片同时在石英—等离子体界面处形成驻波随着等离子体参数的偏移可能易于产生这种模式跳变。另外，当使用石英作为制造谐振片和慢波片的材料时，缝隙天线的设计(即，缝隙数目、其尺寸、几何形状和分布)对于等离子体空间116中等离子体空间均匀性的影响较小。因此，为形成均匀等离子体，可能需要特殊的形状。

在另一个示例中，图3中示出了等离子体源231，等离子体源231包括许多与图2所示相同的元件。然而，等离子体源231还可以包括一个或多个同心沟槽260，这一个或多个同心沟槽260被配置为提高等离子体空间116中等离子体的空间均匀性。

或者，慢波片244和谐振片250可以由高介电常数(高k)材料制造。这里，高介电常数可用于指代介电常数等于或大于二氧化硅的介电常数(约为3.9)的材料。使用高k材料可以例如减少处理化学剂中分子组分的离解，减少由于等离子体参数的偏移而引起模式跳变的风险，并且提高控制在等离子体空间116中形成的等离子体的空间均匀性的有效性。例如，高k材料可包括本征晶体硅、氧化铝陶瓷、氮化铝和蓝宝石。当谐振片250由本征晶体硅制造时，等离子体频率在45C的温度处超过了2.45GHz。因此，本征晶体硅适用于低温工艺(即，小于45C)。对于更高温度的工艺，谐振片250可以由氧化铝(Al₂O₃)或蓝宝石制造。

然而，由于等离子体空间116中等离子体的腐蚀性本质和维持谐振片250的临界尺寸的需要，盖片可用于保护更加昂贵的谐振片250。根据另一个示例，图4示出了耦合到谐振片250的下表面的盖片265。盖片的厚度被选择为足够薄，以使得其在内部不支持驻波模式(即，厚度不是电磁临界的)；然而，对于机械稳定性来说其又是足够厚的。例如，盖片265可包括厚度为1到5mm，或理想地为2到3mm的石英盖片。此外，谐振片250的下表面(或接触面)和盖片265的上表面(或接触面)可以被抛光，以确保谐振片250和盖片265之间的良好接触。而且，也可以在谐振片250的下表面上沉积薄膜并进行抛光以提供良好的接触性。例如，薄膜可包括SiO₂薄膜，并且其可包括厚达2微米的热SiO₂，或厚达6微米的物理气相沉积(PVD)SiO₂。

假定谐振片250和盖片265有简单几何界面，例如无限平板模型，如图9A所示，则电场和磁场的解析表达式可以利用齐次亥姆霍兹(Helmholtz)方程确定，即：

E_z＝Asin(k₂₅₀x)e^-jβz                (1)

$E_x=-j\frac{\mathrm{\β}}{k_{250}}A\cos \left(k_{250}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}},$ 以及(2)

$H_y=-j\frac{{\mathrm{\κ}}_{250}{k}_0{Y}_0}{k_{250}}A\cos \left(k_{250}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}...\left(3\right)$

其中x、y和z是图9A所示的笛卡尔坐标，E_z是z方向上的电场，E_x是x方向上的电场，H_y是y方向上的磁场，k₂₅₀是谐振片中的截止波数，κ₂₅₀是谐振片材料的介电常数，β是来自基本色散关系的传播常数(即，β²＝k²-k_c ²＝κ₂₅₀k₀ ²-k₂₅₀ ²＝κ₂₆₅k₀ ²+h²，其中k是介质波数，k_c是介质截止波数，h是场阻尼常数，k₀是真空波数，k₂₆₅＝jh)，并且Y₀是真空波导纳(Y₀＝(ε₀/μ₀)^1/2＝Z₀ ^-1)。例如，谐振片可以由本征晶体管制造，而盖片可以由二氧化硅制造。因此，下标“250”指本征晶体硅的材料属性，而下标“265”指二氧化硅的材料属性。

如图9A所示，主表面波存在于谐振片和盖片界面之间，并且渐逝电场的起始发生在该界面处。由k₁和k₂表示的电磁波在图9A中被示为两种示例性模式。波k_1，2和k_2，2代表该界面处的表面波，其以介于本征晶体硅中的相位速度(例如κ～12且λ_Si～1cm)和二氧化硅中的相位速度(例如κ～4且λ_SiO2～3cm)之间的相位速度传播。如果盖片的厚度远大于EM波的波长，则对于x＞s，无限平板模型场的解为：

E_z＝A sin(k₂₅₀s)e^-hxe^hse^-jβz             (4)

$E_x=-j\frac{\mathrm{\β}}{h}\sin \left(k_{250}s\right)e^{-\mathrm{hx}}{e}^{\mathrm{hs}}{e}^{-\mathrm{j\βz}},$ 以及                   (5)

$H_y=-j\frac{{\mathrm{\κ}}_{265}{k}_0{Y}_0}{h}A\sin \left(k_{250}s\right)e^{-\mathrm{hx}}{e}^{\mathrm{hs}}{e}^{-\mathrm{j\βz}}...\left(6\right)$

(其中当在真空中时kY＝k₀Y₀；并且对于盖片中的表面波，kY＝κ₂₆₅k₀Y₀)但是，由于盖片厚度只是波长的某个分数并且因此只是电场的衰减深度的某个更小的分数，因此上述解的集是不完全的。例如，在盖片和等离子体之间的界面处将发生额外的反射，并且对于x＞q将存在不同的衰减常数。由于传播常数对于谐振片、盖片和等离子体必须是相同的，因此将会存在新的β。更重要的是，该新的β造成了跨越谐振片、盖片和等离子体中的相位速度的新相位速度。因此，由于有了盖片，所以可能由于等离子体参数的偏移而发生等离子体不稳定。虽然对于很宽范围的等离子体参数来说等离子体的介电常数都约等于值1，但是EM波色散却受电子密度(n_e)、电子温度(T_e)等的强烈影响。当等离子体中的色散关系改变时，表面波传播常数也会改变。因此，场的解也会改变。直接结果可包括VSWR的增大以及可能的模式跳变，

因此，为了减轻模式跳变的影响，可将一个扰模器耦合到等离子体源。波发射器243中的腔模式(cavity mode)可能取决于波发射器腔的几何形状和波发射器腔的材料属性，以及等离子体参数。扰模器的使用减少了等离子体参数的变化对所造成的腔模式的影响。根据另一个示例，图5示出了耦合到等离子体源233中的谐振片250的下表面的扰模器270。这里，扰模器270包括耦合到一个或多个气体正压室272的一个或多个气孔274。这一个或多个气体正压室272和一个或多个气孔274被配置为引入气体，例如第一气体或惰性气体。尽管这一个或多个气孔274被示为耦合到一个或多个气体正压室272(其中其被配置为引入气体)，但是这一个或多个气孔274中的一个或多个可以不耦合到一个或多个气体正压室272中的一个或多个。或者，一个或多个气孔274中的一个或多个可被抽空。

仍然参考图5，等离子体源233耦合到处理室110的上室部分112，其中，可利用密封装置254在上室壁252和等离子体源230之间形成真空密封。密封装置254可包括弹性体O形环。此外，第二和第三密封装置255A和255B被用于在同轴馈送机构238中提供真空密封。

根据另一个示例，图6示出了耦合到等离子体源233中的谐振片250的下表面的扰模器270。这里，扰模器270包括一个或多个盲孔276。如图9B所示，由k₁、k₂和k₃表示的电磁波被示为三种示例性模式。表面波k_1，2(k_1，3)和k_2，2(k_2，3)代表到等离子体空间116中的等离子体的能量的有效耦合。但是，波k₃不对等离子体加热作出贡献，并且它被等离子体反射。

可以选择一个或多个盲孔276的数目、几何形状、分布和尺寸，以在等离子体空间116中提供均匀的等离子体。另外，这一个或多个盲孔276可对等离子体空间116开放。但是，每个盲孔的尺寸(例如每个孔的直径)应当足够小，以避免在孔中形成等离子体。例如，对于小于100mTorr的处理压强，每个盲孔的直径可以小于或等于2mm。随着压强增大，盲孔的尺寸应当减小，以防止在其中形成等离子体(例如，当p＝200mTorr时，直径应当小于或等于1mm)。另外，例如，对于λ_Si～1cm的情形，小于1mm的盲孔直径对于扰乱腔模式可能是有效的。

这一个或多个盲孔可利用钻孔或铣削技术、声波铣削、激光铣削或刻蚀工艺或其任何组合制造。刻蚀工艺可包括可用于在谐振片250中形成盲孔的干法或湿法刻蚀工艺。另外，SiO₂薄层(例如2微米的热SiO₂层或6微米的物理气相沉积(PVD)SiO₂层)可被沉积在谐振片250的下表面上。然后，可利用例如刻蚀工艺对SiO₂薄层进行图案化，并且可利用刻蚀工艺将图案转移到谐振片250中，由此SiO₂薄层充当硬掩模，并且限定一个或多个盲孔的几何形状。另外，剩余的SiO₂薄层可用来确保谐振片250和盖片265之间有良好的界面。

或者，根据另一个示例，图6中所示的具有一个或多个盲孔276的扰模器270可以填充以某种材料以防止形成等离子体。例如，参考图7，涂层278可被施加于谐振片250的下表面，以填充一个或多个盲孔276。涂层278包括介电常数小于谐振片250的介电常数的材料。例如，涂层可包括介电常数约为4的SiO₂。或者，涂层可包括介电常数小于SiO₂的介电常数的低介电常数(低k)材料。或者，涂层278可包括这样的低k材料，这种低k材料的热膨胀系数与谐振片的膨胀系数兼容。例如，低k材料可包括有机、无机和无机—有机混杂材料中的至少一种。此外，低k材料可包括多孔或非多孔涂层。另外，例如，涂层278可包括无机的、基于硅酸盐的材料，例如利用CVD技术沉积的氧化有机硅烷(或有机硅氧烷)。这种涂层的示例包括可从Applied Materials Inc.购得的Black Diamond^TMCVD有机硅酸盐玻璃(OSG)膜或可从Novellus Systems购得的Coral^TMCVD膜。另外，例如，涂层278可包括单相材料，例如具有CH₃键的基于二氧化硅的基体，所述CH₃键在固化工艺期间断裂以产生小的空洞(或孔)。另外，例如，涂层278可包括双相材料，例如具有有机材料(例如，孔生物质)孔的基于二氧化硅的基体，这种有机材料在固化工艺期间被蒸发。或者，涂层278可包括无机的、基于硅酸盐的材料，例如利用SOD技术沉积的氢硅倍半氧烷(HSQ)或甲基硅倍半氧烷(MSQ)。这种涂层的示例包括可从Dow Corning购得的FOx HSQ、可从Dow Corning购得的XLK多孔HSQ以及可从JSR Microelectronics购得的JSR LKD-5109。或者，涂层278可包括利用SOD技术沉积的有机材料。这种涂层的示例包括可从Dow Chemical购得的SiLK-I、SiLK-J、SiLK-H、SiLK-D和多孔SiLK半导体介电树脂以及可从Honeywell购得的Nano-glass和FLARE^TM。

另外，例如，涂层278可以利用化学气相沉积(CVD)技术或旋涂电介质(SOD)技术形成，例如在可从Tokyo Electron Limited(TEL)购得的Clean Track ACT 8 SOD和ACT 12 SOD涂覆系统中提供的那些技术。Clean Track ACT 8(200mm)和ACT 12(300mm)涂覆系统提供了用于SOD材料的涂覆、烘烤和固化工具。均胶机系统(track system)可被配置用于处理100mm、200mm、300mm以及更大尺寸的衬底。其他的用于在衬底上形成涂层的系统和方法对于旋涂技术和气相沉积技术领域的技术人员来说是公知的。一旦施加了涂层278，其就可以被抛光，以例如提供与盖片265的改进界面。抛光工艺可例如包括化学机械抛光(CMP)。

或者，根据另一个示例，图6中所示的具有一个或多个盲孔276的扰模器270可被填充以等离子体拦阻材料以防止形成等离子体。例如，参考图8，这一个或多个盲孔276被填充以球形球粒280。球形球粒280可例如包括SiO₂或低k材料，如上所述。一旦这一个或多个盲孔被加载以球形球粒280，就通过将每个球粒压配合到每个盲孔中，或者通过将盖片265耦合到谐振片250而使每个球粒保持在盲孔中，来固定每个球粒。球粒的物理存在减少了被加速的自由电子程(电子碰撞到球粒中)，从而禁止了雪崩离子化。在一个示例中，每个盲孔276可包括2mm直径和2mm深度，并且每个球粒280可以具有2mm以及更小(以使得其足够小到能够安装到盲孔中)的直径。另外，为了确保谐振片250和盖片265之间的良好界面，可以在谐振片250的接触面上沉积SiO₂薄层，例如2微米的热SiO₂层或6微米的物理气相沉积(PVD)SiO₂层。

现在参考图10，图10图示了处理系统的一部分。图示的处理室310包括包围等离子体空间316的上室部分312和包围处理区域318的下室部分314。诸如上述的表面波等离子体源之类的等离子体源330耦合到上室部分312，并且被配置为在等离子体空间316中形成等离子体。气体注入栅格340耦合到上室部分312和下室部分314，并且位于等离子体空间316和处理空间318之间。如图10所示，气体注入栅格340耦合到上室部分312，并且其被利用上密封装置344(例如弹性体O形环)密封以用于真空。另外，如图10所示，气体注入栅格340耦合到下室部分314，并且其被利用下密封装置346(例如弹性体O形环)密封以用在真空中。

气体注入栅格340包括将等离子体空间316耦合到处理空间318的一个或多个通路342。另外，气体注入栅格340被配置为通过耦合到第一气体通道阵列356的一个或多个气体注入孔(未示出)将第一气体引入到等离子体空间316。第一气体通道阵列356可包括耦合到第一气体供应系统的一个气体通道，或者在气体注入栅格340中形成多个区的多个气体通道，这多个气体通道独立耦合到第一气体供应系统。在后者中，第一气体的组分、或第一气体的流率或这两者都可以随气体通道而不同。另外，气体注入栅格340被配置为通过耦合到第二气体通道阵列366的一个或多个气体注入孔(未示出)将第二气体引入到处理空间318。第二气体通道阵列366可包括耦合到第二气体供应系统的一个气体通道，或者独立耦合到第二气体供应系统的多个气体通道。在后者中，第二气体的组分、或第二气体的流率或这两者可以随气体通道而不同。此外，气体注入栅格340的温度可以通过使传热流体循环经过流体通道阵列376来加以控制，以在冷却时将热从气体注入栅格340传到热交换器(未示出)，或者在加热时将热从热交换器传到气体注入栅格340。流体通道阵列376可包括耦合到温度控制系统的一个流体通道，或者独立耦合到温度控制系统的多个流体通道。在后者中，传热流体的组分、或传热流体的温度、或传热流体的流率或其组合可以随流体通道而不同。

如图10所示，第一气体经由第一气体管线阵列354耦合到第一气体通道阵列356。第一气体通过第一气体适配器阵列352耦合到第一气体管线阵列354，第一气体适配器阵列352提供了用于耦合第一气体供应系统(例如图1中所示的第一气体供应系统150)的点。例如，第一气体适配器阵列352可以位于上室部分312中，而第一气体管线阵列354可以通过上室部分312进入到气体注入栅格340中，其中第一气体密封装置阵列358被用于防止第一气体的泄漏。例如，第一气体密封装置阵列358可包括一个或多个弹性体O形环。

如图11所示，第二气体经由第二气体管线阵列364耦合到第二气体通道阵列366。第二气体通过第二气体适配器阵列362耦合到第二气体管线阵列364，第二气体适配器阵列362提供用于耦合第二气体供应系统(例如图1中所示的第二气体供应系统160)的点。例如，第二气体适配器阵列362可以位于上室部分312中，而第二气体管线阵列364可以通过上室部分312进入到气体注入栅格340中，其中第二气体密封装置阵列368被用于防止第二气体的泄漏。例如，第二气体密封装置阵列368可包括一个或多个弹性体O形环。

另外，如图12所示，传热流体经由流体管线阵列374耦合到流体通道阵列376。传热流体通过流体适配器阵列372耦合到流体管线阵列374，流体适配器阵列372提供了用于耦合温度控制系统(例如图1中所示的温度控制系统170)的点。例如，流体适配器阵列372可以位于上室部分312中，而流体管线阵列374可以通过上室部分312进入到气体注入栅格340中，其中流体密封装置阵列378被用于防止传热流体的泄漏。例如，流体密封装置阵列378可包括一个或多个弹性体O形环。

现在参考图13和14，图13和14示出了气体注入栅格的俯视图。在图13中，示出了气体注入栅格340A，其中气体注入栅格包括矩形分布的通路342A。例如，如图13所示，第一气体经由三个分别的气体管线354A、354B和354C独立耦合到三个气体通道356A、356B和356C。尽管未示出，但是分别的质量流量控制器，或者分别的质量流量控制器阵列可以耦合到每个气体管线。

在图14中，示出了气体注入栅格340B，其中气体注入栅格包括圆形分布的通路342B。例如，如图14所示，第一气体经由三个分别的气体管线354A、354B和354C独立耦合到三个气体通道356A、356B和356C。尽管未示出，但是分别的质量流量控制器，或者分别的质量流量控制器阵列可以耦合到每个气体管线。

第一气体包括等离子体形成气体或可离子化气体。例如，第一气体可包括惰性气体，例如稀有气体(即，氦、氩、氙、氪、氖)。第二气体包括处理气体。例如，第二气体可包括含卤素气体，例如Cl₂、HBr、SF₆、NF₃等。另外，例如，第二气体可包括含C_xF_y气体，例如CF₄、C₄F₆、C₄F₈、C₅F₈，其中x和y是大于或等于1的整数。

图10到14中所示的气体注入栅格340(340A、340B)可以由金属(例如铝)或陶瓷(例如氧化铝)制造。或者，气体注入栅格340可以由石英、硅、碳化硅、氮化硅、氮化铝或碳制造。另外，气体注入栅格340可以用涂层保护。例如，涂层可包括表面阳极化、利用等离子体电解氧化形成的涂层或诸如热喷射涂层之类的喷射涂层中的一种。在一个示例中，涂层可包括Al₂O₃和Y₂O₃中的至少一种。在另一示例中，涂层包括III B族元素(周期表的第III副族)和镧系元素中的至少一种。在另一示例中，III B族元素包括钇、钪和镧中的至少一种。在另一个示例中，镧系元素包括铈、镝和铕中的至少一种。在另一个实施例中，形成涂层的化合物包括氧化钇(Y₂O₃)、Sc₂O₃、Sc₂F₃、YF₃、La₂O₃、CeO₂、Eu₂O₃和DyO₃中的至少一种。在另一个示例中，涂层可包括Keronite(表面涂层处理剂，可以从Keronite Limited，Advanced Surface Technology，PO Box 700，Granta Park，Great Abington，Cambridge CB1 6ZY，UK购得)。在另一个示例中，涂层可包括硅、碳化硅、氧化铝、聚四氟乙烯、Vespel或Kapton中的至少一种。

再参考图1，衬底125可以经由机械夹紧系统或电夹紧系统(例如静电夹紧系统)固定到衬底夹持器120。此外，衬底夹持器120还可以包括包含再循环冷却剂流的冷却系统，再循环冷却剂流从衬底夹持器120接收热，并且将热传到热交换器系统(未示出)，或者在加热时传送来自热交换器系统的热。而且，气体可以经由背面气体系统传递到衬底125的背面以提高衬底125和衬底夹持器120之间的气体间隙热导。这种系统可以用在当需要在升高或降低的温度下对衬底进行温度控制时。例如，背面气体系统可包括两区气体分布系统，其中氦气体间隙压强可以在衬底125的中心和边缘之间独立变化。在其他实施例中，诸如电阻加热元件之类的加热/冷却元件或热电加热器/冷却器可被包括在衬底夹持器120中，以及处理室110的室壁和等离子体处理系统100内的任何其他部件中。

此外，衬底夹持器120可包括电极，射频(RF)功率通过电极耦合到处理空间118中的处理等离子体。例如，衬底夹持器120可以经由从RF发生器(未示出)通过阻抗匹配网络(未示出)传输到衬底夹持器120的RF功率电偏置在某一RF电压处。RF偏置的一般频率范围可以从约0.1MHz到约100MHz。用于等离子体处理的RF偏置系统对于本领域技术人员来说是公知的。

或者，RF功率被以多个频率施加到衬底夹持器电极。此外，阻抗匹配网络用于通过减少反射功率来改善RF功率到等离子体处理室110中的等离子体的传送。匹配网络拓扑(例如，L型、π型、T型等)和自动控制方法对于本领域技术人员来说是公知的。

温度控制系统170可包括用于控制气体注入栅格130的温度所必需的部件。例如，温度控制系统170可包括用于控制传热流体的温度的热交换器、用于将传热流体传递到气体注入栅格130中的一个或多个通道并控制传热流体的流率的泵和质量流量控制器、温度传感装置、控制器等。

电偏置控制系统175可包括用于电偏置气体注入栅格130所必需的部件。电偏置可包括直流(DC)电偏置、交流(AC)电偏置或其组合。例如，电偏置可包括射频(RF)电偏置。电偏置控制系统175可包括电压/电流源或功率源、电压或电流或阻抗测量装置、控制器等。

泵系统180可包括泵速能高达约5000公升每秒(以及更大)的涡轮分子真空泵(TMP)和用于节流室压强的门阀。在用于干法等离子体刻蚀的传统等离子体处理设备中，通常采用1000到3000公升每秒的TMP。而且，用于监视室压强的装置(未示出)可以耦合到处理室110。压强测量装置可以例如是可以从MKS Instruments Inc.(Andover，MA)购得的628B型Baratron绝对电容压力计。

仍然参考图1，控制系统190可包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端口，该控制电压足以传输并激活到等离子体处理系统100的输入以及监视来自等离子体处理系统100的输出。而且，控制器190可以耦合到处理室110、衬底夹持器120、等离子体源130、气体注入栅格140、第一气体供应150、第二气体供应160、温度控制系统170、电偏置控制系统175和泵系统180，并与之交换信息。例如，存储在存储器中的程序可用于根据工艺流程激活到等离子体处理系统100的前述部件的输入以执行刻蚀工艺或沉积工艺。控制器190的一个示例是可以从DellCorporation，Austin，Texas购得的DELL PRECISION WORKSTATION610^TM。

控制器190可以相对于等离子体处理系统100位于本地，或者可以相对于等离子体处理系统100位于远处。例如，控制器190可以利用直接连接、内联网、因特网和无线连接中的至少一种与等离子体处理系统100交换数据。控制器190可以耦合到例如在客户位置(即，器件制造者等)处的内联网，或者可以耦合到例如在供应商位置(即，设备制造商)处的内联网。另外，例如，控制器190可以耦合到因特网。此外，另一个计算机(即，控制器、服务器等)可以经由直接连接、内联网和因特网中的至少一种访问例如控制器190以交换数据。另外，如本领域技术人员将会意识到的，控制器190可以经由无线连接与等离子体处理系统100交换数据。

现在参考图15，图15描述了一种操作等离子体处理系统的方法。该方法包括流程图500，流程图500开始于510，在510将衬底放置于等离子体处理系统(例如在图1到14中描述的等离子体处理系统)中。例如，衬底可被放置于具有被配置为限定等离子体空间的上室部分和被配置为限定处理空间的下室部分的处理室中。

在520中，第一气体被从位于上室部分和下室部分之间的气体注入栅格引入到等离子体空间。在530中，第二气体被从气体注入栅格引入到处理空间。

在540中，利用耦合到上室部分的等离子体源由第一气体在等离子体空间中形成等离子体。在550中，通过利用气体注入栅格将处理空间耦合到等离子体空间，来在处理空间中形成处理化学剂以处理衬底。

现在参考图16，图16提供了根据实施例的控制等离子体处理系统中的均匀性的方法。该方法包括流程图600，流程图600开始于610，在610将衬底放置于等离子体处理系统(例如在图1到14中描述的等离子体处理系统)中。例如，衬底可被放置于具有被配置为限定等离子体空间的上室部分和被配置为限定处理空间的下室部分的处理室中。

在620中，第一气体被从位于上室部分和下室部分之间的气体注入栅格引入到等离子体空间。将第一气体引入到等离子体空间中的操作是从在气体注入栅格中形成的多个区发生的，如上所述。用于引入第一气体的每个区包括具有一个或多个注入孔的在气体注入栅格中形成的气体通道，并且气体通道独立耦合到第一气体供应系统。每个区可以例如沿径向方向形成，如图13和14所示。

在630中，第二气体被从气体注入栅格引入到处理空间。可选地，将第二气体引入到处理空间中的操作是从在气体注入栅格中形成的多个区发生的，如上所述。用于引入第二气体的每个区包括具有一个或多个注入孔的、在气体注入栅格中形成的气体通道，并且气体通道独立耦合到第二气体供应系统。与图13和14中针对第一气体所示的方案类似，每个区可以例如沿径向方向形成。

在640中，调节进入等离子体空间中的第一气体流，以提供空间均匀的衬底处理。进入等离子体空间中的第一气体的局部流率可以升高或降低局部等离子体密度。例如，在等离子体源的高功率操作期间，热等离子体可能过热，因此流率的增大可能导致第一气体的离子化过量(即，等离子体密度增大)。或者，例如，在等离子体源的低功率操作期间，热等离子体维持其自身，并且流率的增大可能导致电子温度的猝灭(即，中子和电子之间的碰撞猝灭)，从而导致等离子体密度的减小。在一个示例中，如上所述，气体注入栅格可包括用于将第一气体引入到等离子体空间中的多个区。对于刻蚀或沉积工艺，在工艺流程中可以利用每个区的流率，以对于特定工艺在等离子体空间中实现等离子体密度的最优空间分布。例如，可以执行实验设计(DOE)以确定每个区的流率的最优集合，从而产生最优结果。

可选地，调节进入处理空间中的第二气体流以提供空间均匀的衬底处理。

在640中，利用耦合到上室部分的等离子体源由第一气体在等离子体空间中形成等离子体。在650中，通过利用气体注入栅格将处理空间耦合到等离子体空间，而在处理空间中形成处理化学剂以处理衬底。

尽管以上只是详细描述了本发明的某些示例性实施例，但是本领域技术人员将很容易意识到，可以在示例性实施例中进行许多修改，而实质上不脱离本发明的新型教导和优点。因此，所有这些修改都应当包括在本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种表面波等离子体(SWP)源，包括：

电磁(EM)波发射器，所述电磁波发射器被配置为通过在与等离子体相邻的所述EM波发射器的等离子体表面上生成表面波来将EM能量以期望的EM波模式耦合到所述等离子体；

功率耦合系统，所述功率耦合系统耦合到所述EM波发射器，并且被配置为将所述EM能量提供到所述EM波发射器以形成所述等离子体；以及

扰模器，所述扰模器耦合到所述EM波发射器的所述等离子体表面，并且被配置为减少所述期望的EM波模式和另一种EM波模式之间的模式跳变，

其中所述扰模器包括耦合到所述EM波发射器的所述等离子体表面的一个或多个孔，其中所述一个或多个孔包括被配置为使气体流经其中的一个或多个气孔。

2.如权利要求1所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述EM波发射器被配置为耦合所述期望EM波模式作为TM₀₁模式。

3.如权利要求1所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个孔包括一个或多个盲孔。

4.如权利要求3所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔的尺寸、几何形状、数目或分布中的至少一种被选择来产生空间受控的等离子体。

5.如权利要求3所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔的所述宽度和所述一个或多个盲孔的所述深度是基本相等的。

6.如权利要求4所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔的所述宽度和所述一个或多个盲孔的所述深度小于或等于1mm。

7.如权利要求3所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔被填充以包括SiO₂的材料。

8.如权利要求3所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔被填充以包括低介电常数材料的材料，所述低介电常数材料的介电常数小于SiO₂的介电常数。

9.如权利要求3所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述一个或多个盲孔被填充以等离子体拦阻材料。

10.如权利要求9所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述等离子体拦阻材料包括球形球粒。

11.如权利要求10所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述球形球粒包括SiO₂或介电常数小于SiO₂的介电常数的低介电常数材料。

12.如权利要求1所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述功率耦合系统包括射频(RF)功率耦合系统。

13.如权利要求1所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述功率耦合系统包括微波功率耦合系统。

14.如权利要求13所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述微波功率耦合系统包括：

被配置为产生2.45GHz的微波能量的微波源；

耦合到所述微波源的出口的波导；

耦合到所述波导并且被配置为防止微波能量传播回所述微波源的隔离器；以及

耦合到所述隔离器并且被配置为将所述微波能量耦合到同轴馈送机构的同轴转换器，其中所述同轴馈送机构还耦合到所述EM波发射器。

15.如权利要求14所述的表面波等离子体(SWP)源，其中：

所述功率耦合系统包括用于将EM能量耦合到所述EM波发射器的同轴馈送机构，

所述EM波发射器包括缝隙天线，所述缝隙天线的一端耦合到所述同轴馈送机构的内导体，另一端耦合到所述同轴馈送机构的外导体，并且

所述缝隙天线包括一个或多个缝隙，所述一个或多个缝隙被配置为将所述EM能量从高于所述内导体和所述外导体之间的所述缝隙天线的第一区域耦合到低于所述缝隙天线的第二区域。

16.如权利要求15所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述EM波发射器还包括：

慢波片，所述慢波片位于所述第一区域中，并且被配置为相对于自由空间波长减小所述EM能量的有效波长；以及

谐振片，所述谐振片位于所述第二区域中，并且具有包括所述EM波发射器的所述等离子体表面的下表面。

17.如权利要求16所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述慢波片和所述谐振片包括相同的材料组分。

18.如权利要求16所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述慢波片和所述谐振片包括不同的材料组分。

19.如权利要求17所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述慢波片和所述谐振片主要由石英构成。

20.如权利要求19所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述谐振片包括被配置为提高等离子体的空间均匀性的至少一个同心沟槽。

21.如权利要求16所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述谐振片包括高介电常数材料，所述高介电常数材料具有大于4的介电常数。

22.如权利要求16所述的表面波等离子体(SWP)源，其中所述谐振片包括石英、本征晶体硅、氧化铝和蓝宝石中的一种或多种。

23.如权利要求1所述的表面波等离子体(SWP)源，还包括盖片，所述盖片附着到所述EM波发射器，并且被配置为减少所述SWP源的腐蚀。

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