具有旋转微波等离子体源的工件处理腔室的制作方法

本申请要求Michael W.Stowell等人的2014年6月2日提交的题为“WORKPIECE PROCESSING CHAMBER HAVING A ROTARY MICROWAVE PLASMA SOURCE(具有旋转微波等离子体源的工件处理腔室)”的美国专利申请序列No.14/293,123的优先权。

背景

技术领域

本公开涉及用于使用微波功率处理工件(诸如半导体晶片)的腔室或反应器。

背景技术：

可例如使用电磁能(诸如RF功率或微波功率)的形式执行对工件(诸如半导体晶片)的处理。举例来说，功率可被利用以生成等离子体，以用于执行基于等离子体的工艺，诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或等离子体增强反应离子蚀刻(PERIE)。一些工艺需要极高的等离子体离子密度以及极低的等离子体离子能量。这对诸如类金刚石碳(DLC)膜的沉积之类的工艺而言是真的，其中沉积一些类型的DLC膜所需的时间可以是数小时量级，这取决于所期望的厚度及等离子体离子密度。较高的等离子体密度需要较高的源功率且通常转化成较短的沉积时间。

微波源典型地产生非常高的等离子体离子密度，同时产生低于其他源(例如，感应耦合RF等离子体源或电容耦合RF等离子体源)的等离子体离子能量的等离子体离子能量。由于这个原因，微波源将是理想的。然而，微波源不能满足跨工件的沉积速率或蚀刻速率的分配所需的严格均匀度。最小均匀度可对应于跨300mm直径工件的小于1％的工艺速率变化。微波功率经由微波天线(诸如具有面向腔室的介电窗口的槽的波导)被递送至腔室内。微波经由槽传播至腔室内。天线具有周期性功率沉积图案，该周期性功率沉积图案反映微波发射的波图案和槽布局，从而致使工艺速率分布不均匀。这阻止达到跨工件的期望的工艺速率均匀度。

对处理速率的限制是可被递送至工艺腔室而不损坏腔室的微波窗口或使该微波窗口过热的微波功率的量。当前，微波窗口(诸如石英板)可经受仅低的微波功率级别，在该低的微波功率级别下，DLC沉积工艺可能需要数小时以达到期望的DLC膜厚度。微波窗口提供腔室的真空边界且因此经受显著的机械应力，致使它易受到来自过热的损坏。

技术实现要素：

一种用于处理工件的反应器，包括：腔室，该腔室包括微波透射窗口；气体分配板；微波辐射器，该微波辐射器覆在(overlying)微波透射窗口的上面并包括微波输入端口；旋转波导耦合件，该旋转波导耦合件包括(a)静止构件，该静止构件包括微波功率接收端口；以及(b)可旋转构件，该可旋转构件耦接至微波的微波输入端口；以及旋转致动器，该旋转致动器耦接至可旋转构件。

在一个实施例中，旋转致动器包括电机和可旋转驱动齿轮，该可旋转驱动齿轮耦接至该电机，且可旋转构件包括从动齿轮，该从动齿轮紧固至该可旋转构件并与可旋转驱动齿轮啮合。在相关的实施例中，可旋转驱动齿轮在静止位置处且是可绕径向轴旋转的，且从动齿轮在相对于可旋转构件固定的位置处。

相关的实施例进一步包括轴向波导，该轴向波导连接于微波辐射器的微波输入端口与可旋转构件之间。该轴向波导可与对称轴同轴。

相关的实施例进一步包括微波产生器及柔性波导导管，该柔性波导导管连接于该微波产生器与静止构件的微波功率接收端口之间。

在进一步的实施例中，一种用于处理工件的反应器包括：(a)腔室和工件支撑件，该工件支撑件位于该腔室中，该腔室包括顶及侧壁，该顶包括微波透射窗口；(b)第一气体分配板，覆在工件支撑件的上面并包括多个气体注入孔口；工艺气体气室，该工艺气体气室覆在该第一气体分配板的上面；以及工艺气体供应导管，耦接至该工艺气体气室；(c)微波辐射器，覆在该微波透射窗口的上面并包括圆柱形中空导电外壳，该圆柱形中空导电外壳具有顶部、侧壁及底部底(bottom floor)；开口阵列，位于该底部底中；以及微波输入端口；(d)旋转波导耦合件，包括静止构件，该静止构件相对于腔室固定并具有微波功率接收端口；以及可旋转构件，该可旋转构件耦接至微波辐射器的微波输入端口并具有旋转轴，该旋转轴与圆柱形中空导电外壳的对称轴重合；以及旋转致动器，耦接至该可旋转构件，藉此微波辐射器通过该旋转致动器是可绕该对称轴旋转的。

在实施例中，旋转致动器包括电机及可旋转驱动齿轮，该可旋转驱动齿轮耦接至该电机，且可旋转构件包括从动齿轮，该从动齿轮紧固至该可旋转构件并与该可旋转驱动齿轮啮合。

在实施例中，该可旋转驱动齿轮在静止位置处且是可绕径向轴旋转的，且该从动齿轮在相对于可旋转构件固定的位置处。

在一个实施例中，反应器进一步包括轴向波导，该轴向波导连接于微波辐射器的微波输入端口与可旋转构件之间。在实施例中，该轴向波导与对称轴同轴。

一个实施例进一步包括微波产生器及柔性波导导管，该柔性波导导管连接于该微波产生器与静止构件的微波功率接收端口之间。

在一个实施例中，在微波辐射器的底部底中的开口阵列具有对应于微波波长的函数的周期性间隔。

实施例进一步包括第二气体分配板，该第二气体分配板位于第一气体分配板的下面并包括多个第二气体注入孔口；下面的工艺气体气室，该下面的工艺气体气室在第一气体分配板与第二气体分配板之间；以及第二工艺气体供应导管，耦接至该第二工艺气体气室。

在相关的实施例中，第一工艺气体供应导管被耦接以接收非反应工艺气体，且第二工艺供应导管被耦接以接收反应工艺气体。

一个实施例进一步包括感应耦合RF功率施加器，与微波透射窗口相邻；以及RF功率产生器，耦接至该感应耦合RF功率施加器。在一个实施例中，该感应耦合RF功率施加器耦合RF功率穿过微波透射窗口。相关的实施例进一步包括控制器，该控制器支配该RF功率产生器的输出功率级别。

附图说明

为了能够详细理解获得本发明的示例性实施例的方式，可通过参考本发明的实施例来获得上文所简要概述的本发明的更具体的描述，这些实施例在附图中示出。应理解的是，在此不讨论某些公知的工艺，以便不使本发明模糊。

图1为第一实施例的剖面正视图。

图2为图1的实施例中的微波天线的部分剖面透视图。

图2A为对应于图2的仰视图。

图3为图1的实施例的第一修改的剖面正视图。

图4为图1的实施例的第二修改的剖面正视图。

图5为第二实施例的部分剖面正视图。

图6为依据包括温度控制的微波窗口的第三实施例的部分剖面俯视图。

图7为依据包括感应耦合RF功率施加器的第四实施例的部分剖面正视图。

为了促进理解，已在可能的地方使用相同附图标记来指定各图所共有的相同元件。应构想到，一个实施例的元件和特征可有利地并入其他实施例，而无需进一步叙述。然而，应注意到，附图仅示出本发明的示例性实施例，且因此并不被视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他等效的实施例。

具体实施方式

可归因于微波天线的周期性功率沉积图案的工艺不均匀度的问题在一个实施例中通过相对于工件连续地旋转微波天线来解决。在施加微波功率期间执行或与施加微波功率同时执行旋转。旋转可绕对称轴。此对称轴可为工艺腔室、工件和/或天线的对称轴。

必须限制微波功率以避免损坏微波窗口的问题是通过提供穿过窗口的通道并使冷却剂流过通道而解决。在一个实施例中，冷却剂是不吸收微波功率(或吸收非常少的微波功率)的液体。在一个实施例中，微波窗口被提供为由通道所分隔的一对窗口层。

微波等离子体源的优点是微波等离子体源在宽范围的腔室压力(通常从高于大气压力下至10^-6Torr或更低)中有效地产生等离子体。此允许微波等离子体源在非常宽的范围的处理应用上的使用。与之相比，其他等离子体源(诸如感应耦合等离子体源或电容耦合等离子体源)可仅被用于窄得多的范围的腔室压力中，且因此在相应受限的处理应用集合中有用。

旋转的微波源：

现参照图1，工件处理反应器包括腔室100，腔室100包含工件支撑件102。腔室100由侧壁104和由微波透明材料(诸如介电材料)形成的顶106所封围。顶106可被实现为以平行板的形状形成的一对介电窗口108及110。微波天线114覆在该对介电窗口108、110的上面。微波天线114由导电屏蔽件122所封围，该导电屏蔽件122由圆柱形侧壁124和盘形帽126构成。在图2中所描绘的一个实施例中，微波天线114是盘形的。

如图1中所示，微波天线114由轴向波导116馈送。轴向波导116通过上覆的旋转微波耦合件118耦接至微波馈送件120。旋转耦合件118包括静止构件118-1和可旋转构件118-2。静止构件118-1相对于腔室100是静止的且被连接至微波馈送件120。可旋转构件118-2被连接至轴向波导116并且具有与微波天线114的对称轴114a重合的旋转轴。旋转微波耦合件118允许微波能量以可以忽略的损失或泄漏从静止构件118-1流至可旋转构件118-2。作为一个可能的例子，滑动环RF密封件(未示出)可被放置于静止构件118-1与可旋转构件118-2之间的界面处。

旋转致动器140相对于腔室100是静止的且包括旋转电机140-1和旋转驱动齿轮140-2，旋转驱动齿轮140-2由旋转电机140-1驱动。结合(bond)或紧固至可旋转构件118-2的从动齿轮180-3与驱动齿轮140-2啮合，使得电机140-1使可旋转构件118-2绕对称轴114a旋转。举例来说，从动齿轮118-3可被实现为可旋转构件118-2的底表面上的圆形齿阵列。

在图1及2的实施例中，微波天线114是包括盘形底130、盘形顶132及圆柱形侧壁134的中空导电波导。底130面向顶106并具有影响天线辐射图案的槽136的阵列(最佳地见于图2A)。顶132包括中央开口132a，轴向波导116延伸到该中央开口132a中。槽之间的间隔可被选择为馈送至微波天线114的微波功率的波长的函数，且槽图案和形状不一定符合图2A中所描绘的图案。

在图1及3中所描绘的一个实施例中，气体分配板(GDP)144被设置于顶106之下，并具有气体注入孔口145的阵列，该气体注入孔口145的阵列延伸穿过气体分配板144，以提供气体流动路径至腔室100的内部。气体供应气室146覆在GDP 144上面并从工艺气体供应器147接收工艺气体。在图4中所描绘的进一步实施例中，GDP 144由上GDP 144-1及下GDP144-2所组成，上GDP 144-1及下GDP 144-2通过各自的上气体供应气室及下气体供应气室146-1和146-2而馈送有各自的工艺气体，上气体供应气室及下气体供应气室146-1和146-2从各自的上气体供应器及下气体供应器147-1和147-2接收工艺气体。举例来说，上气体供应器147-1可提供非反应气体或惰性气体，而下气体供应器147-2可提供反应工艺气体(诸如含氟气体)。

如图5中所示，远程微波产生器150通过微波馈送件120而耦接至旋转耦合件118。在图5的实施例中，微波馈送件120为长柔性波导的形式。微波馈送件120可具有足够的长度，以适应远程微波产生器150与腔室100之间的(举例来说)几米或以上的间隔。腔室100与微波产生器150之间的这种间隔允许微波产生器150具有用于高功率的大尺寸而不影响腔室100的尺寸或占地面积。微波馈送件120可具有由波纹金属形成的市售类型，该波纹金属使得微波馈送件120能够被弯曲，同时保持微波馈送件120的横截面形状和波导特性。

热控制窗口：

再次参照图1，顶106可由一对介电窗口108、110所组成，该对介电窗口108、110彼此大体平行并在它们之间封围空隙或通道112。通道112沿着径向平面设置，该径向平面正交于微波传输天线的对称轴114a。冷却剂循环源160泵送热交换介质(诸如液体或气体冷却剂)通过介电窗口108和110之间的通道112。冷却剂循环源可为用于冷却热交换介质的热交换器。在一个实施例中，热交换介质为不吸收微波能量的液体。这种流体公开于美国专利案第5,235,251号中。以此方式，介电窗口108和110被冷却以便经受非常高的微波功率级别。这进而移除对微波功率的限制，使得能够使用高微波功率级别来提供高处理速率。举例来说，在DLC膜的PECVD形成中，可使用用于连续波模式的处于千瓦范围的微波功率或用于脉冲模式的处于兆瓦范围的微波功率来实现非常高的沉积速率，从而将工艺时间缩短至当前所需的工艺时间的一小部分。

参照图6，在一个实施例中，至通道112的径向入口112a的半圆形阵列由入口气室113a馈送。径向入口112a穿过内部环形屏障125a而形成。此外，从通道112的出口112b的半圆形阵列由出口气室113b排出。入口气室和出口气室113a、113b通过各自的端口115a、115b而分别耦接至冷却剂循环源160的输出端口和返回端口。各自的端口115a和115b形成于外部环形屏障125b中。

如图7中的虚线所描绘的，在一个实施例中，冷却源162注入热交换介质(诸如冷却气体(冷却的空气或氮，举例来说))通过轴向波导116进入微波天线114的内部。此气体朝向介电窗口108通过波导槽136(图2及2A)离开微波天线114。为此目的，例如，冷却源162通过旋转耦合件118耦接至轴向波导116的内部。气体返回导管164可穿过屏蔽件122而被耦接至冷却源162的返回端口，以便将气体返回至冷却源以供冷却和再循环。冷却源162可包括制冷单元，以再冷却从气体返回导管接收的气体。

具有用于膜沉积期间的晶格缺陷修复的可控离子能量的微波源：

在PECVD工艺中膜的沉积期间，被沉积的层可能具有一些空的原子晶格结点(site)。当附加的层被沉积时，附加的层覆盖空的晶格结点，因此在所沉积材料的晶体结构中形成空隙。这些空隙是晶格缺陷并损害所沉积材料的品质。微波源(诸如应用于图1的实施例中的微波源)产生具有非常低的离子能量的等离子体，使得该等离子体不会扰乱所沉积材料的晶格结构，包括晶格缺陷。这种微波源可具有2.45GHz的频率，该频率产生具有可以忽略的离子能量级别的等离子体。在一个实施例中，通过以感应耦合等离子体(ICP)源补充微波源来解决晶格缺陷的问题。这种结合描绘于图7中，其中ICP源为顶上的线圈天线170。在微波源产生执行PECVD工艺的等离子体的时间期间，功率从RF产生器172经过RF阻抗匹配174而施加至线圈天线170。来自RF产生器172的RF功率的级别被选择为处于移除(溅射)在PECVD工艺期间所沉积的小量的原子所需的最小级别处。来自RF产生器172的RF功率的级别可被设定成稍高于此最小级别。这种溅射原子的一小部分往往在PECVD工艺期间再沉积于上文所称的的空隙中。因此，防止在所沉积材料中的晶格缺陷或空隙的形成。为此目的，提供控制器176，该控制器使得使用者(或工艺管理系统)能够选择RF产生器172的理想的功率级别。

在图7的实施例中，介电窗口108和110中的每一者在其边缘处具有凹陷的环形物，以在微波天线114的平面下方形成线圈天线170被接收至其中的环形袋600。为此目的，介电窗口108具有盘形主要部分108a、环形凹陷边缘部分108b及轴向圆柱形部分108c，该轴向圆柱形部分108c接合主要部分108a和凹陷边缘部分108b。类似地，介电窗口110具有盘形主要部分110a、环形凹陷边缘部分110b及轴向圆柱形部分110c，该轴向圆柱形部分110c接合主要部分110a和凹陷边缘部分110b。环形袋600被限定在轴向圆柱形部分108c与屏蔽件122的侧壁124之间。环形袋600是足够深的以将整个线圈天线170保持在微波天线114的平面下方。

虽然前述内容是针对本发明的实施例，但可设计本发明的其他和进一步的实施例而不背离本发明的基本范围，且本发明的范围是由所附的权利要求书所决定。