专利名称：用于等离子体限定的晶片区域压力控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及以半导体为基础的器件的制造设备，特别涉及限定和控制等离子体处理室中等离子体的压力的改进方法。
背景技术：
以半导体为基础的器件(例如，集成电路或平板显示器)制造中，从衬底(例如，半导体晶片或玻璃板)表面开始交替淀积多层材料层并腐蚀。在现有技术中，可以用包括等离子体增强腐蚀在内的各种方法来腐蚀淀积层。在等离子体增强腐蚀中，在等离子体处理室内腐蚀衬底上的淀积层。在腐蚀中，由合适的腐蚀气体源形成等离子体来腐蚀衬底上的淀积层的没有被掩模保护的区域，留下所需的图形。
不同类型的等离子体腐蚀系统中，采用在衬底正上方限定等离子体体积的方法的系统已被证明很适合在衬底上有效地制造和/或形成不断缩小的特征。共同转让的美国专利U.S.No-5534751中公开了这些系统中的一个例子，该专利文献在本文中引作参考。尽管等离子体限定可以明显改善等离子体处理系统的性能，改善当前的实施。特别能改善被限定的等离子体的压力控制和达到衬底输送所需的等离子体处理的体积。
为便于说明，图1A显示出典型的等离子体处理室100，包括当前所用的限定环102。在等离子体处理室100中，衬底106位于下电极104上。下电极104包括用于保持衬底106的合适的衬底夹持机构(例如，静电夹、机械夹等)。反应器顶110包含与下电极104正相对设置的上电极112。上电极112，下电极104和限定环102确定被限定的等离子体体积116。用腐蚀气体源114给限定的等离子体体积116供气，用真空泵通过限定环102和排气口120从限定的等离子体体积116抽气。随着气体流动并在限定的等离子体体积中建立适当的压力，用射频源108给下电极加射频功率，而上电极112接地，在该体积中形成等离子体。或者，像现有技术一样，给下电极104和上电极112都加射频功率，或者，下电极104接地和上电极112加射频功率，也可以形成等离子体。
限定环102既可以限定等离子体体积116也可以控制等离子体的压力。等离子体体积116的限定是许多因素的函数，这些因素包括限定环102之间的间隔，限定环外侧的体积中的压力和等离子体中的压力，气体的类型和流速，以及射频功率的电平和频率。为了能有效地限定等离子体，限定环102外的压力应尽可能低，最好低于30毫乇。如果限定环102之间的间隔极小，则更容易完成等离子体限定。通常，限定所要求的间隔为0.15英寸或更小。但是，多个限定环之间的间隔也能确定等离子体的压力，且也可以通过调节间隔来达到既能获得最好的处理性能又能保持等离子体所要求的压力。
本文中引作参考的，2000年2月1日授权的专利号是U.S-6019060，属于Eric H.Lenz的发明名称是“用于在等离子体处理室内设置限定环的凸底座装置”的共同转让美国专利中指出限定环上的压力降低近似对应于公式1/(X2+Y2+Z2)，式中的X，Y和Z是限定环之间的间隔，如图1B所示。Lenz提供了一可移动环和一静止环(即图1B中所示，X＝恒定值，Y+Z＝恒定值)。正如Lenz所说的，通过移动单个可移动环来调节距离Y和Z。图2显示出通过移动单个环改变固定间距X所获得的上述公式表示的相对压力。公式预示可以获得的控制范围是67-100％，如图2所示，而实验发现可获得的范围是公式预示的该值的大约一半。很多情况下，要在同一处理系统中的各类膜和器件上获得优良的处理结果则需要更宽的等离子体压力范围。
此外，在Lenz所说的方法中，限定环102限定在上电极组件与下电极组件之间，并对进出用于衬底装载和卸载的极间空间予以限制。如图1C所示，即使限定环102升高到它的最高位置，进出极间空间也被限定到间隔W，W是极间的总间隔减去限定环的组合厚度获得的差。
需要提供增大的压力控制范围同时保持等离子体限定。还需要提供一种限定环，其更便于放置衬底和从等离子体处理系统取出衬底。
发明内容
为了达到所述的目的和其他的目的以及按照本发明的目标提供了一种等离子体处理系统。设置有排气口的真空室，与真空室流体连接的真空泵，和与真空室流体连接的气源。真空室内设置晶片区域压力控制装置，用于使晶片区域压力控制范围大于500％。
此外，本发明提供晶片区域压力控制方法。通常，衬底放在真空室内。真空室设置气源。气体还从真空室排除。至少一个环移动，以使晶片区域压力控制范围大于500％。
以下结合附图对本发明的详细描述中，将会更详细描述本发明的这些特征和其他特征。
用例子描述本发明，但是发明不限于这些例子，附图中相似的符号指示相似的元件。
图1是现有的等离子体处理室的示意图；图2是通过现有及时获得的相对压力的曲线图；图3是按本发明一个实施例的等离子体处理室的示意图；图4是按本发明的优选实施例的操作流程图；图5是图3所示等离子体处理室的一部分的示意图，其中，限定环位于它的最高位置；图6是图5所示等离子体处理室的示意图，其中，限定环的位置已降低；图7是图6所示等离子体处理室的示意图，其中，限定环的位置再降低，以使最低间隔减小到它的最小值；图8是图7所示等离子体处理室的示意图，其中，限定环的位置再降低，以使中间间隔减小到它的最小值；图9是图8所示等离子体处理室的示意图，其中，限定环的位置再降低，以使最上间隔减小到它的最小值；图10是压力与间隔尺寸之和的关系曲线图；图11是压力与最小间隔尺寸各个值的间隔尺寸之和的关系曲线图；图12是按本发明另一实施例的等离子体处理室的示意图；图13是按本发明另一实施例的部分示意图。
具体实施例方式
现在参见附图所示的优选实施例详细描述本发明。以下的描述中，为了充分理解本发明，因而提供了许多具体的细节。但是本行业的技术人员将会发现，即使没有这些细节中的一部分或全部，仍然可以实施本发明。在其他的例子中，为了使本发明不出现不必要的不清楚，将不再详细描述那些公知的处理步骤和/或结构。
为了便于描述，图3显示出等离子体处理室200的剖视图。处理室有顶212和底214，和从顶212延伸到底214的室壁216。从室壁的一边伸出的悬臂是下电极外壳218，其内固定有作为工件保持器的吸盘204，在腐蚀中衬底206设置在保持器上。可以用任何夹紧方法使用夹盘204，例如，用静电夹紧法，机械夹紧法，真空夹紧法等。射频功率源252可以电连接到吸盘204。反应器顶212支承上电极224，并可电连接到射频功率源。限定机构包括设置在处理室200内的第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236。保持器240用于支承第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236。连接到保持器240的控制器242控制保持器240的移动，因此，控制第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236的移动。本发明的优选实施例中，保持器240是阶梯式的，并且在每一阶上安放有限定环或限定块。多个阶提供了限定环或限定块之间的最大间隔，在本发明的优选实施例中最大间隔尺寸范围是0.09-0.15英尺(2.28-3.81mm)。各第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234固定有垫片238，垫片238确定每个限定环与限定块之间的最小间隔。在本实施例中，垫片的尺寸提供的最小间隔在0.05和0.60英寸(0.13到1.52mm)之间。腐蚀气体源250给处理室供气，压力传感器262测量衬底206上面的体积中的压力(即“晶片区域压力”或“WAP”)。处理室200有排气口260。
本实施例的操作中，如图3所示和图5详细所示的，控制器242将保持器240升高到它的最高位置。该位置使一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236提升至一高度，在该高度第一可调节限定环230的下表面与吸盘204的平面之间的间隔尺寸最小，该尺寸足够允许以机器人机构将衬底206放置到吸盘206上。优选实施例中，该间隔尺寸在0.5英寸(12mm)数量级。
图4是本发明优选实施例的操作流程图。操作中，保持器升高第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236到图5所示的位置(步骤302)。用机器人机构将衬底206放到吸盘204上(步骤304)。控制器242降低保持器240到晶片区域压力控制开始点(步骤306)。晶片区域压力控制开始点可以是在处理中允许最小压降并保持充分的限定第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234和限定块236的位置。本实施例中，当第一可调节限定环230开始处在下电极外壳218上时，晶片区域压力控制开始点可以是如图6所示的位置。然后，腐蚀气体开始流动(步骤308)，将由压力传感器252测量的晶片区域中的压力与所需设置点的值进行比较(步骤310)。如果需要增大晶片区域压力(步骤312)，控制器242可以再降低保持器240(步骤316)。图7所示的处理室200中，保持器240降低到第二限定环232处在第一限定环230的垫片238上的位置。图8所示的处理室200中，保持器240再降低到第三限定环234停留在第二限定环232的垫片238上的点。图9所示的处理室200中，保持器240再降低到限定块236停留在第三限定环234的垫片238上的位置。这是最低的晶片区域控制位置，保持器240不再降低。
如果需要降低晶片区域压力，控制器242可以升高保持器240(步骤314)。一旦保持器240达到最高晶片区域压力控制位置，如图6所示，在晶片区域压力控制期间保持器240不再升高。一旦晶片区域压力等于所需设置点的值，则开始产生等离子体(步骤318)。晶片区域压力再与设置点值比较(步骤320)，并通过升或降保持器240来调节限定环位置，以达到和保持所需的压力直到确认等离子体处理完成为止(步骤330)，保持器240上升到它的最高位置时(步骤332)，用机器人机构再移去衬底(步骤334)，以重复处理。
优选实施例中，当保持器240从它的最高控制位置(如图6所示)下降到最低位置(如图9所示)时，限定环上的压降变化可改变300-800％。提供压降控制，即保持器向下移动以升高晶片区域压力，保持器向上移动以降低压力。如图9所示，限定块236有足够的厚度，使得限定块236的顶高于上电极224的最低部分，以防止气体连续不断地流过限定块236的顶部从而离开晶片区域。
可用于本实施例中的尺寸的例子中，由限定块236包围的限定块236与上电极224之间的间隔尺寸范围在0.0125到0.05英寸(0.32到1.27mm)之间。间隔在约0.025英寸(0.63mm)更好。第一可调节限定环230、第二可调节限定环232、第三可调节限定环234的厚度范围在0.045到0.18英寸(1.14到4.57mm)之间。厚度在约0.09英寸(2.29mm)更好。上电极224与下电极204之间的距离范围在0.4到3.0英寸(10mm到76.2mm)之间。距离是0.6英寸(15mm)更好。
图10是晶片区域压力与以英寸为单位的第一可调节限定环230和第二可调节限定环232之间的间隔距离；第二可调节限定环232和第三可调节限定环234之间的间隔距离；第三可调节限定环234和限定块236之间间隔距离之总和之间的关系曲线图。本例中，用标准的300cm3/分钟(sccm)的流速将氩气输入处理室200来测试压力。方形数据点902表示限定环中压力的晶片区域压力。菱形数据点904表示处理室压力。曲线段(I)对应限定环从图6所示位置移动到图7所示位置，曲线段(II)对应限定环从图7所示位置移动到图8所示位置，曲线段(III)对应限定环从图8所示位置移动到图9所示位置。
图11是晶片区域压力与以英寸为单位的间隔距离之和之间的关系曲线图，对应图10中曲线段(II)和(III)，但是，最小间隔距离的差值用垫片236设定。曲线(a)中，用垫片236设定的第一可调节限定环(230)和第二可调节限定环(232)之间的最小间隔距离是0.007英寸，用垫片236设定的第二可调节限定环(232)和第三可调节限定环(234)之间的最小间隔距离是0.007英寸。曲线(b)中，用垫片236设定的第一可调节限定环230和第二可调节限定环232之间的最小间隔距离是0.030英寸，用垫片236设定的第二可调节限定环232和第三可调节限定环234之间的最小间隔距离是0.007英寸。曲线(c)中，用垫片236设定的第一可调节限定环230和第二可调节限定环232之间的最小间隔距离是0.038英寸，用垫片236设定的第二可调节限定环232和第三可调节限定环234之间的最小间隔距离是0.030英寸。曲线(d)中，用垫片236设定的第一可调节限定环230和第二可调节限定环232之间的最小间隔距离是0.038英寸，用垫片236设定的第二可调节限定环232和第三可调节限定环234之间的最小间隔距离是0.038英寸。曲线(e)中，用垫片236设定的第一可调节限定环230和第二可调节限定环232之间的最小间隔距离是0.062英寸，用垫片236设定的第二可调节限定环232和第三可调节限定环234之间的最小间隔距离是0.062英寸。从图11中的曲线可以看出，用不同的垫片236改变最小间隔距离可以改变压力控制范围和压力控制梯度。
保持器可以是允许一个或多个控制器使限定环和限定块上下移动的任何装置，其中，在升高位置保持器使限定环与限定块之间保持最大间隔，在下降位置保持器使限定环与限定块之间形成最小间隔。同时，保持器最好一次允许一个间隔减小，直到间隔达到最小为止。一旦一个间隔达到最小，另一个间隔也减小。图5中，由于保持器240在控制器242下面，所以保持器240是悬臂式夹。另一实施例中，限定环240可以构成为在控制器242上面，现在的保持器240是平板形。
尽管在优选实施例中显示出3个限定环和一个限定块，但是也可以用其他数量的限定环和限定块。在一优选实施例中，限定环和限定块的数量和间隔应设置成在最高位置最低限定环的至少一部分高于上电极的最低部分，在晶片区域压力控制的开始点最低的限定环与下电极处在共同的平面上，部分限定块低于上电极。本实施例有助于避免会引起淀积聚合物膜的累积的停滞点。
另一实施例中，保持器可以包括多个悬臂，用各个悬臂支承不同的限定环。图12显示出第一可调节限定环1204、第二可调节限定环1208、第三可调节限定环1212和限定块1216的一部分。第一悬臂1220从控制器1224悬伸出。限定块1216从第一悬臂1220悬伸出，第二悬臂1228、第三悬臂1232和第四悬臂1236从限定环块1216悬伸出。第二悬臂1228支承第三可调节限定环1212，第三悬臂1232支承第二可调节限定环1208。第四悬臂1236支承第一可调节限定环1204，如上述的实施例中，当第一、第二和第三限定环达到它们的最低点时，第二、第三和第四悬臂允许第一、第二和第三限定环停止移动。
另一实施例中，限定环的外形复杂。图13显示出第一可调节限定环1330、第二可调节限定环1332、第三可调节限定环1334和限定块1336的一部分。保持器1340可用于支承第一可调节限定环1330、第二可调节限定环1332、第三可调节限定环1334和限定块1336。连接到保持器1340的控制器1342控制保持器1340的移动，因此控制第一可调节限定环1330、第二可调节限定环1332、第三可调节限定环1334和限定块1336的移动。保持器1340随限定环或限定块阶跃停留在每一阶上。多个阶确定限定环或限定块之间的最大间隔。第一可调节限定环1330、第二可调节限定环1332和第三可调节限定环1334用确定相邻限定环用垫片1338固定，垫片限定可调节限定环之间的最小间隔。限定环1330、1332、1334和限定块1336的配合表面不平，而是可以具有一定“外形”，从而使得在最大间隔处间隔是“光学稠密的”，即它们不能提供直接的视线，这样通过使经间隔进入限定环外边的空间的、来自等离子体的带电荷的粒子流束减到最小来改善等离子体的限定。图13显示出这种“外形”的一个实施例，它由幅度大于最大间隔的一半的每个配合表面的垂直偏移部分1344组成。每个配合表面中的偏移部分径向交错排列，以允许每个配合表面极接近下一个配合表面。
已用几个实施例描述了本发明，但是，在本发明的范围内有各种改变、修改和替代等效物。注意，有各种实施本发明方法和本发明设备的替代方式。因而所附的权利要求书应被理解为包括本发明的精神和范围内的全部改变、修改和替代等效物。
权利要求
1.一种用于控制压力的设备，包括真空室；流体连接到真空室的排气口；流体连接到真空室的气体源；和晶片区域压力控制装置，其中，所述晶片区域压力控制装置包括在真空室内的第一可调节限定环；在真空室内的第二可调节限定环；在真空室内的可调节限定块；和控制第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块的升降的控制器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，晶片区域压力控制装置还包括至少一个连接在控制器与第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块之间的保持器。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个保持器移动第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块。
4.如权利要求2和3所述的设备，还包括上电极，其中，至少一个固定器可将第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块的至少一部分移动到高于上电极的下表面的位置。
5.如按权利要求2-4任一项所述的设备，其中，至少一个保持器可将第一可调节限定环移动到处于与衬底平面一致或低于衬底平面的表面上。
6.如权利要求1-5任一项所述的设备，还包括在第一可调节限定环和第二可调节限定环之间的垫片。
7.如权利要求2-6任一项所述的设备，其中，至少一个保持器能够将第二可调节限定环从与第一可调节限定环隔开从而形成最大间隔的位置移动到第二可调节限定环处在第一可调节限定环上并通过垫片隔开的位置。
8.如权利要求1-7任一项所述的设备，其中，晶片区域压力控制装置还包括位于第二可调节限定环与可调节限定块之间并连接到保持器的第三可调节限定环。
9.一种用于控制压力的设备，包括真空室；流体连接到真空室的排气口；流体连接到真空室的气体源；和晶片区域压力控制装置，其中，所述晶片区域压力控制装置包括至少一个环；与该至少一个环相邻的多个间隔；用于移动所述至少一个环以减小多个间隔的区域的控制器。
10.一种控制晶片区域压力的方法，包括将衬底放入真空室内；给真空室提供气体源；从真空室排气；移动至少一个环，以提供大于100％的晶片区域压力的控制范围。
11.如权利要求10所述的方法，其中，移动至少一个环包括将第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块降低到晶片区域压力控制开始点，在该点第一可调节限定环位于真空室的底部上，第二可调节限定环与第一可调节限定环隔开一个使它们分开的最大距离，第二可调节限定环与可调节限定块隔开一个使它们分开的最大距离；和降低第二可调节限定环与可调节限定块，直到第二可调节限定环处在第一可调节限定环上为止，并且第二可调节限定环通过垫片与第一可调节限定环隔开，其中，第二可调节限定环与可调节限定块隔开一个使它们分开的最大距离。
12.如权利要求11所述的方法，其中，移动至少一个环还包括降低限定块，以使限定块处在第二可调节限定环上。
13.如权利要求11所述的方法，其中，降低第一可调节限定环、第二可调节限定环和可调节限定块还包括降低第二可调节限定环和可调节限定块之间的第三可调节限定环，其中，第三可调节限定环与第二可调节限定环隔开一个使它们分开的最大距离，可调节限定块与第三可调节限定环隔开一个使它们分开间的最大距离，其中，降低第二可调节限定环和可调节限定块还降低了第三可调节限定环，其中，第三可调节限定环与可调节限定块隔开一个使它们分开的最大距离，且第三可调节限定环与第二可调节限定环隔开一个使它们分开的最大距离。
14.如权利要求11所述的方法，其中，移动至少一个环还包括降低第三可调节限定环与可调节限定块，直到第三可调节限定环处在通过垫片与之隔开的第二可调节限定环上为止，且可调节限定块与第三可调节限定环隔开一个使它们分开的最大距离。
15.如权利要求14所述的方法，其中，移动至少一个环还包括降低限定块，直到限定块处在第三可调节限定环上为止。
全文摘要
本发明提供一种等离子体处理室，它可提供改进的晶片区域压力控制器。等离子体处理室是与用于产生和保持等离子体的装置连接的真空室，该装置的一部分是腐蚀气体源和排气口。限定环限定晶片上方的一定区域，晶片区域压力与限定环上的压降有关。限定环是晶片区域压力控制装置的一部分，它提供大于100％的晶片区压力控制范围。该晶片区域压力控制装置可以是在保持器上的3个可调节限定环和限定块，可以用于提供所需的晶片区域压力控制。
文档编号B01J3/02GK1479936SQ01820053
公开日2004年3月3日 申请日期2001年9月26日 优先权日2000年10月4日
发明者H·泰荣, D·W·本青, A·R·埃林贝, H 泰荣, 埃林贝, 本青 申请人:兰姆研究有限公司