专利名称：等离子体处理室部件的保护性涂层及其使用方法
等离子体处理室部件的保护性涂层及其使用方法背景技术
等离子体处理装置被用于使用包括蚀刻、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积 (CVD)、离子注入和光阻(resist)去除等技术处理衬底。等离子体处理中使用的一种类型 的等离子体处理装置包括包含上下电极的反应室。在电极之间建立电场以将工艺气体激 励到等离子态以在反应室中处理衬底。发明内容
在一个实施方式中，一种涂覆射频返回带包括具有表面的弯曲金属条和粘着于 该表面的柔性涂层，该涂层包含聚合物或弹性体，其中该涂层在由等离子体产生的自由 基的环境中提供耐侵蚀性并保护该金属条免受该自由基的损害。
在第二实施方式中，提供一种等离子体处理装置，其包含用于等离子体处理其 中的半导体衬底的真空室，以及在该真空室中使用的等离子体处理总成。该总成包含由 弹性体粘合剂和硅酮基弹性体材料粘着于第二元件的第一元件，该硅酮基弹性体材料对 由等离子体产生的自由基有改善的耐侵蚀性，该硅酮基弹性体材料围绕该弹性体粘合剂 并将该第一元件的吻合表面密封到该第二元件的吻合表面以保护该弹性体粘合剂免受由 等离子体产生的自由基的损害。
第三实施方式提供一种在等离子体处理装置中处理半导体衬底的方法，其中衬 底被放在等离子体处理装置的反应室中上电极总成下方的的衬底支座上。将工艺气体 引入该反应室并在该反应室中、在该上电极总成和该衬底之间从该工艺气体产生等离子 体。用该等离子体处理该衬底，同时该涂覆射频返回带在暴露于由等离子体产生的自由 基的该室的部件间传送射频电力。
在又一个实施方式中，一种在等离子体处理装置中处理半导体衬底的方法包括 将衬底放在如第二实施方式所述的等离子体处理装置的反应室中的衬底支座上。将工艺 气体引入该反应室，在该反应室中、在该上电极总成和该衬底之间从该工艺气体产生等 离子体，并用该等离子体处理该衬底。在该衬底的处理过程中该硅酮基弹性体材料保护 该弹性体粘合剂免受由等离子体产生的自由基的损害。
图1显示了包括涂覆元件的实施方式的可调节间隙电容耦合等离子体处理室的 示意图。
图2是显示在弹性体(elastomer)涂覆试样的富含氟的等离子体中的侵蚀速率的 实验结果的柱状图。
图3是显示在弹性体涂覆试样的实施方式的富含氧的等离子体中的侵蚀速率的 实验结果的柱状图。
图4是显示涂覆元件的实施方式的照片。
图5描绘了涂覆元件的一个实施方式。
图6显示了真空处理室的一部分的横截面视图，其中硅酮基弹性体材料的一个 实施方式围绕静电卡持装置的下表面和下电极的上表面之间的弹性体粘合剂。
图7显示了平行板等离子体装置的晶圆边缘区域的横截面视图，其中硅酮基弹 性体材料的一个实施方式围绕上热边缘环的下表面和温控热边缘环总成中的陶瓷中间环 的上表面之间的弹性体粘合剂。
具体实施方式
为了实现可靠的器件并获得高成品率，在集成电路制造过程中对衬底(比如平 板显示器和半导体晶圆)表面上的微粒污染进行控制是必要的。处理设备，比如等离 子体处理装置，可能是微粒污染的来源。例如，该晶圆表面上微粒的存在可能局部干扰 光刻和蚀刻步骤过程中的图形转移。其结果是，这些微粒可能为关键特征(包括栅极 结构、金属间电介质层或金属互连线)引入缺陷，从而导致该集成电路构件的故障或失 效。
具有相对短寿命的反应器部件通常被称为“易耗品”，例如硅电极。如果该易 耗部件的寿命很短，那么拥有成本就很高。电介质蚀刻工具中使用的硅电极总成在大量 射频小时(射频电力用于产生该等离子体的过程中的时间，以小时计)后变质。易耗品 和其它部件的侵蚀在该等离子体处理室中产生微粒污染。侵蚀可能发生在直接暴露于等 离子体的部件上，或者由于暴露于由工艺气体的等离子体产生的高密度的自由基(比如 氟和/或氧自由基)而发生在该室的约束等离子体区域外的部件上。
图1显示了等离子体处理装置的可调节间隙的电容耦合等离子体(CCP)处理室 200的一个示例性实施方式。室200允许对上电极总成225的上电极224的下表面和在下 电极总成215上支撑的衬底214的上表面之间的电极间隙232进行精确的控制。在晶圆 的多步处理过程中，该间隙的高度可以改变一次或更多次以使晶圆处理条件最佳。
室200包含室外壳202 ；安装到室外壳202的天花板228的上电极总成225 ；安 装到室外壳202的地板205的下电极总成215，该下电极总成215与该上电极总成225的 下表面间隔开且基本上平行；围绕上电极总成225和下电极总成215之间的间隙232的 约束环总成206 ；上室壁204 ；以及封住(enclose)上电极总成225的顶部部分的室顶部 230。上电极总成225包含上电极224 ；以及一个或更多挡板226，挡板2 包括用于将 工艺气体分发到上电极2M和下电极总成215之间限定的间隙232中的气体通道。为了 简明，图中显示上电极总成225具有三个构件。然而，上电极总成225可以包括其它构 件。室外壳202有门(未示)，衬底214通过该门被卸载/装载到室200中。例如，衬 底214可以通过装载锁(load lock)进入该室，如同在共同受让的美国专利6,899,109中描 述的，通过参考将该专利的内容全部并入本文。
在一些示例性实施方式中，上电极总成225能够在上下方向上调节(图1中的箭 头A和A')以调节上下电极总成225/215之间的间隙232。上总成升高致动器256升 高或降低上电极总成225。在该图示中，从室天花板2 竖直延伸的环形延长部229以可 调节方式沿着上室壁204的柱形孔203定位。可以使用密封装置(未示)在229/203间 提供真空密封，同时允许上电极总成225相对于上室壁204和下电极总成215移动。上 柔性涂覆元件248电气耦合上电极总成225和上室壁204。上柔性涂覆元件248包含导电并且柔性的金属条(图4中的23 ，该柔性金属条涂覆有粘着于金属条233的外表面的柔 性涂层(图4中的23 。柔性涂层235通过阻止由工艺气体的等离子体产生的该金属条 与活性物质(自由基)接触而保护该金属条免于由于等离子体自由基而变质。
在一个实施方式中，柔性涂覆元件M8的基底构件是由铍铜(BeCu)组成的射 频带。然而，也可以使用其它柔性的、导电的材料。在一个实施方式中，柔性涂层235 是由弹性体或聚合物组成的。优选地，柔性涂层235是不包括导电填料微粒(比如&、 SiC、Al或类似的微粒)的交联硅氧烷(硅酮橡胶)。上柔性涂覆元件248在上电极总成 225和上室壁204之间提供导电返回路径以允许电极总成225在室200内竖直移动。该 带包括两个由弯曲部分连接的平坦末端。该弯曲部分适应上电极总成225相对于上室壁 204的移动。根据比如室的尺寸等因素，多个O、4、6、8或10个)射频返回带可以被 布置在围绕电极总成225的环形间隔开的位置。
为了简明，图1中只显示了一个连接到气体源234的气体管线236。更多气体 管线可以被耦合于上电极总成225，而气体可以通过上室壁204的其它部分和/或室顶部 230被供应。
在其它示例性实施方式中，下电极总成215可上下移动(图1中的箭头B和B') 以调整间隙232，而上电极总成225可以是固定的或可移动的。图1描绘了连接到轴沈0 的下总成升降致动器258，轴260延伸穿过室外壳202的地板(下壁)205到达支撑下电极 总成215的下导电元件沈4。根据图1中描绘的实施方式，波纹管(bellow) 262形成密封 装置的一部分以在轴260和室外壳202的地板205之间提供真空密封，同时允许当轴260 被下总成升降致动器258升高或降低时下电极总成215相对于上室壁204和上电极总成 225移动。如果需要的话，下电极总成215可以由其他装置升高或降低。例如，在共同 待定的美国专利申请公开2008/0171444中披露了一种可调节间隙的电容耦合等离子体处 理室的另一个实施方式，其中该处理室通过悬臂梁升高和降低下电极总成215，该专利申 请公开的内容通过参考全部并入本文。
如果需要的话，可移动下电极总成215可以通过至少一个下柔性涂覆元件M6 接地到该室的壁，元件246将外部导体环(接地环)222耦合于导电部件，比如室壁衬垫 252。下柔性涂覆元件246包含导电并且柔性的金属条和粘着于该柔性金属条表面的柔性 涂层，如同上面参考上柔性涂覆元件248描述的。该柔性涂层通过阻止该金属条与由工 艺气体的等离子体产生的活性物质(自由基)接触而保护该金属条免于由于等离子体自由 基而变质。下柔性涂覆元件246将外部导体环(接地环)222电气耦合于上室壁204并为 等离子体提供短射频返回路径，同时允许下电极总成215在室200内竖直移动，比如在多 步等离子体处理过程中，其中该间隙被设置为不同的高度。优选地，该金属条是柔性导 电条，比如被聚合物涂覆的铍铜条。
图1进一步显示了约束环总成206的一个实施方式，该约束环总成206用于约束 临近衬底214的等离子体量并最小化与等离子体相互作用的表面面积。在一个实施方式 中，约束环总成206连接于升降致动器208从而约束环总成206能够在竖直方向上(箭头 C-C')移动，意味着约束环总成206可以相对于上下电极总成225/215和室200被手动 或自动升高或降低。该约束环总成不受特别限制，合适的约束环总成206的细节在共同 受让的美国专利6,019,060和美国专利申请公开2006/00273 中有所描述，其内容全部通6过参考并入本文。
约束环总成206可以通过至少一个柔性涂覆元件250接地到该室的壁，该元件 250将约束环总成206电气耦合到导电部件，比如上室壁204。图1显示了由水平延长部 2M支撑的导电室壁衬垫252。涂覆的柔性元件250优选地包含多个金属条，这些金属条 通过将约束环总成206电气耦合到上室壁204而提供短射频返回路径。涂覆的射频返回 带包含柔性且导电的金属条和保护性的且柔性的涂层，如同上面参考上柔性涂覆元件248 所述的。柔性涂覆元件250可在室200内的约束环总成206的各个竖直位置上在约束环 总成206和上室壁204之间提供导电路径。
在图1中显示的实施方式中，下导电元件沈4电气连接于围绕电介质耦合环220 的外部导体环(接地环)222，该电介质耦合环220将外部导体环222与下电极总成215电 气绝缘。下电极总成215包括卡盘212、聚焦环总成216和下电极210。然而，下电极 总成215可以包括其他元件，比如用于升降衬底的升降销(Iiftpin)机构、光学传感器和用 于冷却下电极总成215的冷却机构(连接于下电极总成215或形成下电极总成215的一部 分)。在操作过程中，卡盘212将衬底214卡持在下电极总成215的上表面上的合适的位 置。卡盘212可能是静电、真空或机械卡盘。
通常从通过阻抗匹配网络238耦合于下电极210的一个或更多射频电力供应240 向下电极210提供射频电力。该射频电力可以以一个或更多频率供应，例如，2MHz、 27MHz和60MHz。该射频电力激励该工艺气体以在间隙232内产生等离子体。在一些 实施方式中，上电极2M和室外壳202电气耦合于地。在其它实施方式中，上电极224 与室外壳202绝缘并由射频供应通过阻抗匹配网络供应射频电力。
上室壁204的底部耦合于真空泵单元M4以从室200排出气体。优选地，约束 环总成206基本上终止在间隙232内形成的电场并阻止该电场穿透外部室容积沈8。
被注入间隙232的工艺气体被激励以产生用于处理衬底214的等离子体，穿过约 束环总成206并进入外部室容积沈8，直到由真空泵单元244排出。因为在操作过程中外 部室容积沈8中的反应器室部件可能暴露于活性工艺气体(自由基、活性物质)，它们优 选地是由能够抵抗工艺气体的材料(比如不锈钢)形成的或具有保护性涂层。同样地， 波纹管262优选地是由能够抵抗工艺气体化学物质的材料比如不锈钢形成的。
在一个在操作过程中射频电力供应MO向下电极总成215供应射频电力的实施方 式中，射频电力供应240经由轴260将射频能量供应到下电极210。间隙232中的工艺气 体被输送到下电极210的射频电力电气激励以产生等离子体。
在室200中，柔性涂覆元件M6/M8/250可以是射频返回带以在室壁衬垫252或 上室壁204和外部导体环(接地环)222、约束环总成206和/或上电极总成225之间提供 如上所述的可靠的电气连接。在晶片处理过程中，上下电极225/215之间的间隙232可以 被调整而该射频返回带在这种空隙调整过程中经历弯曲。与包含室200的上室壁204的 射频返回路径相比，这些涂覆元件为该等离子体创建替代的和更短的射频返回路径。例 如，外部导体环222是由导电材料形成的并被电介质耦合环220与下电极总成215电气绝 缘。该返回路径是通过上电极总成225、柔性涂覆元件M8、上室壁204、柔性涂覆元件 246,外部导体环222、壁或轴沈0的罩，到达匹配网络238。波纹管262优选地不是该 返回路径的一部分。该返回路径还可能穿过从下导电元件264延伸到地的一个或更多柔性涂覆元件(图1中未示)；和/或穿过从地(底部壁)205延伸到轴沈0的一个或更多 柔性涂覆元件(图1中未示)。
优选地，外部导体环222通过三到十二个柔性涂覆元件M6电气连接于室壁衬 垫252。更优选地，八个被聚合物涂覆的射频带将外部导体环222电气连接到室壁衬垫 252。
当在间隙控制以便于晶圆处理或衬底装载/卸载过程中外部导体环222相对于上 室壁204移动时，柔性涂覆元件246能够充分变形以适合该相对运动。柔性涂覆元件M6 优选地是由金属合金形成的，比如半导体级铍铜(BeCu)。优选地，该柔性涂覆元件对6 上的涂层对活性工艺气体是有抵抗力的。柔性涂覆元件M6/M8/250的弯曲部分别由于 上室壁204或壁衬垫252和导体环222/上电极总成225/约束环总成206之间的相对运动 而被拉长或压缩。柔性涂覆元件246/248/250可具有一个或更多弯曲部分以适合该间隙 调整。
将未被涂覆的导电柔性金属条暴露于该室外壳202内工艺气体和/或等离子体产 生的自由基可能因该柔性条的暴露金属的侵蚀而产生污染。等离子体产生的自由基还可 能因为移动穿过约束环总成206的自由基而侵蚀外部室容积沈8中的支座和构件。除了 由于该条的侵蚀带来的微粒和/或金属污染之外，该真空室中未被涂覆的条可能需要比 预定的室维护更快地被更换。暴露于等离子体产生的自由基的金属构件(比如导电柔性 条)的聚合物或弹性体涂层显著增加了该构件的寿命并减少了该等离子体室中不想要的 微粒和/或金属污染。
为了测试各种涂层，将被弹性体和聚合物涂覆的试样在等离子体室(比如等 离子体蚀亥Ij 室，如由 Lam Research Corporation (www.lamrc.com)提供的 Lam Research 2300Exelan Flex等离子体处理系统)中暴露于等离子体产生的氟自由基。这些实验的 结果在图2中用柱状图显示，并呈现在表1中。为了测试对氧自由基的抵抗力，以类似 对于暴露于氟自由基的试样描述的方式，将试样上的弹性体和聚合物涂层暴露于等离子 体产生的氧自由基。在氧自由基中这些实验的结果在图2中作为柱状图显示并呈现在表 1中。
表1.弹性体和聚合物柔性涂层在氟或氧活性物质(自由基)中的侵蚀的实验测试 结果
权利要求
1.一种在用于半导体衬底处理的等离子体处理装置中使用的射频返回带，所述射频 返回带包含具有表面的弯曲金属条；以及粘着于所述表面的柔性涂层，所述涂层包含聚合物或弹性体，其中所述涂层在由等 离子体产生的自由基的环境中有更好的耐侵蚀性并保护所述金属条免受所述自由基的损害。
2.根据权利要求1所述的射频返回带，其中所述涂层包含原地固化的氟化弹性体、环 氧树脂、硅酮或其组合。
3.根据权利要求1所述的射频返回带，其中所述涂层包含未填充的原地固化的交联硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的射频返回带，其中所述金属条包括由弯曲部分连接的两个 平坦部分，所述平坦部分能够被固定于可调节间隙的电容耦合等离子体室中的电极和室壁。
5.根据权利要求4所述的射频返回带，其中所述金属条是由铍铜材料制成的条。
6.根据权利要求4所述的射频返回带，其中所述电极是下电极。
7.根据权利要求1所述的射频返回带，其中所述自由基包含氟和/或氧。
8.—种等离子体处理装置，包含真空室，其用于等离子体处理其中的半导体衬底；在所述真空室中使用的等离子体处理总成，其包含由弹性体粘合剂和硅酮基弹性体 材料粘着于第二元件的第一元件，所述硅酮基弹性体材料对由等离子体产生的自由基有 更好的耐侵蚀性，所述硅酮基弹性体材料围绕所述弹性体粘合剂并将所述第一元件的吻 合表面密封到所述第二元件的吻合表面以保护所述弹性体粘合剂免受由等离子体产生的 自由基的损害。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体处理总成包含围绕位于所述真空室的下部分中的衬底支座的温控热边 缘环总成；所述第一元件包含覆盖下部环的陶瓷中间环，所述中间环经由所述下部环固定于结 合在所述衬底支座中的射频电极；所述第二元件包含覆盖所述中间环的上部环，其中所述上部环具有暴露于所述真空 室的内部的上表面和经由所述弹性体粘合剂粘着于所述中间环的上表面的下表面；以及 所述硅酮基弹性体材料围绕所述弹性体粘合剂并将所述中间环的上表面密封到所述 上部环的下表面以保护所述弹性体粘合剂免受由等离子体产生的自由基的损害。
10.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其中所述等离子体处理总成包含位于所述真空室的下部分中的衬底支座； 所述第一元件包含耦合于射频(RF)电力供应的下电极总成； 所述第二元件包含位于所述下电极总成的上表面上的静电卡持元件，所述静电卡持 元件具有接收衬底的上表面和由所述弹性体粘合剂粘着于所述下电极总成的上表面的下 表面；以及所述硅酮基弹性体材料围绕所述弹性体粘合剂并将所述下电极的上表面密封到所述静电卡持元件的下表面以保护所述弹性体粘合剂免受由等离子体产生的自由基的损害。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其中所述硅酮基弹性体材料是O形环 形状的。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理装置，其中所述O形环形状的硅酮基弹性体 材料具有多边形横截面形状。
13.—种在等离子体处理装置中处理半导体衬底的方法，所述方法包含 将衬底放在等离子体处理装置的反应室中上电极总成下方的衬底支座上； 将工艺气体引入所述反应室；在所述反应室中、在所述上电极总成和所述衬底之间从所述工艺气体产生等离子体；用所述等离子体处理所述衬底；以及经由如权利要求1所述的射频返回带在所述室的部件间传送射频电力。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述处理包含蚀刻所述衬底。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述衬底支座能够竖直移动且所述射频带在所 述衬底支座和所述室的内壁之间提供电流路径。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述上电极能够竖直移动且所述射频带在所述 上电极和所述室的内壁之间提供电流路径。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述处理包括使用包含氟自由基的等离子体的 第一步骤和使用包含氧自由基的等离子体的第二步骤。
18.—种在等离子体处理装置中处理半导体衬底的方法，所述方法包含将衬底放在如权利要求8所述的等离子体处理装置的反应室中的衬底支座上； 将工艺气体引入所述反应室；在所述反应室中、在所述上电极总成和所述衬底之间从所述工艺气体产生等离子体；用所述等离子体处理所述衬底。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述处理包含蚀刻所述衬底。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述处理包括使用包含氟自由基的等离子体的 第一步骤和使用包含氧自由基的等离子体的第二步骤。
全文摘要
一种在等离子体室中使用的柔性聚合物或弹性体涂覆的射频返回带，以保护该射频带免受等离子体产生的自由基(比如氟和氧自由基)的损害，以及一种处理半导体衬底，同时减少等离子体处理装置中的微粒污染的方法。该涂覆射频带最小化微粒的产生并比未涂覆基底构件呈现出更低的侵蚀速率。在导电的柔性基底构件上具有柔性涂层的这种涂覆元件提供了射频地返回，其被配置为允许可调节间隙的电容耦合等离子体反应室中的一个或更多电极的移动。
文档编号H01L21/00GK102027574SQ200980112463
公开日2011年4月20日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月8日
发明者乔恩·麦克切斯尼, 埃里克·佩普, 拉金德尔·德辛德萨, 鲍比·卡德霍达彦 申请人:朗姆研究公司