專利名稱：制造等離子體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造等離子體的方法和裝置，并且進(jìn)一步涉及一 種使得等離子體一旦產(chǎn)生，例如通過使得材料沉積于其上而處理加工 表面的方法和裝置。尤其，它涉及使用微波能量通過電子回旋共振產(chǎn) 生等離子體。雖然本發(fā)明可適用于各種形式的表面處理，例如刻蝕、 化學(xué)或熱化學(xué)處理、噴射、清潔、消毒、凈化，或者產(chǎn)生通過提取等 離子體而獲得的離子束，但是下面的描述集中于沉積。特別受關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是在稱作等離子體增強(qiáng)CVD (化學(xué)汽相沉積)的工藝中， 通過硅烷前體例如SiH4的分解沉積硅薄膜。
背景技術(shù)：
在激發(fā)等離子體電子回旋共振(在下文縮寫為"ECR")的技術(shù) 領(lǐng)域中，當(dāng)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場中電子的回轉(zhuǎn)頻率等于外加加速電場的 頻率時(shí)獲得共振。對(duì)于磁場B，在以下面的關(guān)系與B相關(guān)的激發(fā)頻 率f時(shí)獲得該共振丑=2丌附//6 (1) 其中m和e是電子的質(zhì)量和電荷。當(dāng)以電子回旋共振頻率激發(fā)等離子體時(shí)，電子與電場同相旋轉(zhuǎn)， 并且連續(xù)不斷地從外部激發(fā)源獲得能量以達(dá)到電離氣體所必需的閾 能。為了滿足該條件，必要的是首先電子的回轉(zhuǎn)半徑足夠小，特別地 使得它能夠保持在共振條件存在，也就是滿足方程式(1)的電場和 磁場同時(shí)存在的空間區(qū)域內(nèi)，并且相對(duì)于靜態(tài)磁場梯度足夠小，使得 電子在它的回轉(zhuǎn)期間看到基本上恒定的磁場，以及其次回轉(zhuǎn)頻率相對(duì) 于電子與中性元素例如原子和/或分子之間的碰撞頻率保持大。換句 話說，當(dāng)氣體壓力相對(duì)低同時(shí)激發(fā)頻率f高，這也意味著磁場強(qiáng)度B必須高時(shí)，期望獲得激發(fā)等離子體電子回旋共振的最佳條件。常規(guī)ECR的主要困難在于，在大面積上產(chǎn)生密度基本上均勻的 等離子體是不可能的。這意味著它不能用來例如在大尺寸的加工表面 上沉積基本上均勻的材料層。為了解決該問題，已經(jīng)研制了一種稱作 分布式電子回旋共振(DECR)的技術(shù)，其使用一種裝置，其中多個(gè) 等離子體激發(fā)設(shè)備形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備共同地在加工表面產(chǎn)生密度基 本上均勻的等離子體。各個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備每個(gè)由微波能量的絲線 施布器構(gòu)成，其一端連接到產(chǎn)生微波能量的源，并且相對(duì)一端安裝有 產(chǎn)生具有恒定且強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于電子回旋共振的磁場的至少一個(gè)表面的至 少一個(gè)磁偶極子。偶極子以這種方式安裝在微波施布器的端部，以便 保證加速到電子回旋共振的電子在極之間振動(dòng)，從而產(chǎn)生位于遠(yuǎn)離施 布器端部的偶極子一側(cè)上的等離子體擴(kuò)散區(qū)。各個(gè)激發(fā)設(shè)備相對(duì)于彼 此分布并且位于加工表面附近，以便一起為加工表面制造均勻的等離 子體。這種DECR裝置在美國專利6，407，359號(hào)(對(duì)應(yīng)于EP 1075168)中描述，并且下面將給出這里描述的裝置的更詳細(xì)討論。但是，雖然EP-1075168中描述的DECR裝置具有優(yōu)于常規(guī) ECR裝置的優(yōu)點(diǎn)，但它仍然具有限制。 一個(gè)限制是對(duì)于給定的微波 頻率f,僅存在磁場B的一個(gè)值將滿足上面給出的方程式，反之亦 然。在EP-1075168中引用的特定值是f=2.45GHz且B-875高斯 (0.0875特斯拉)。該限制代表一個(gè)問題，因?yàn)樵谖⒉úㄗV內(nèi)僅存在 某些波段可用于工業(yè)用途，其他波段特許用于各種類型的通信。在 EP-1075168中引用的頻率2.45GHz可適用，因?yàn)樗挥诳捎貌ǘ沃?一 (2.4-2.5GHz)內(nèi)。但是，2.45GHz的使用需要的875高斯的磁場 處于當(dāng)前實(shí)用的高端。雖然不可以使用非常低的磁場而沒有不期望地 減小等離子體約束的程度，能夠使用略微較低的磁場從實(shí)用的觀點(diǎn)是 可能且期望的。但是，這樣做的任何嘗試由在較低磁場下，上面方程 式需要的頻率可能工業(yè)不可用的事實(shí)所限制。相反地，使用顯著高于 2.45GHz的頻率，以便進(jìn)一步增加等離子體密度可能是期望的。但是，上面的方程式然后將需要相應(yīng)高的磁場，即使工業(yè)可用，產(chǎn)生它 也將至少是困難且昂貴的，從而實(shí)際上可能不可能。到目前為止使用的DECR裝置的第二個(gè)限制是，雖然當(dāng)用于在 襯底上沉積薄膜時(shí)，它們可以在大尺寸上產(chǎn)生具有均勻性的薄膜，這 對(duì)于一些目的是可接受的，但是均勻性仍然還有許多待改進(jìn)之處。因 此，使用該技術(shù)沉積的薄膜在每個(gè)單獨(dú)的天線位置下面顯示不均勻性 (在厚度且更可能地在薄膜結(jié)構(gòu)方面)。本發(fā)明者已經(jīng)能夠通過產(chǎn)生 千涉條紋觀察到在天線位置下面可見的這些不均勻性。不希望受該說 明限制，本發(fā)明者將這些不均勻性歸因于延伸到正在涂敷的襯底表面 的靜態(tài)磁場線。在薄膜沉積期間，可以觀察到明亮的外殼，圍繞每個(gè) 單獨(dú)的天線并且向下延伸到襯底表面。在這些外殼內(nèi)發(fā)射的光比等離 子體容量的剩余部分中強(qiáng)得多，這指示外殼內(nèi)更高級(jí)別的種類激發(fā) (經(jīng)由發(fā)光去激發(fā))。這也非?？赡芘c更大程度的薄膜前體分解相 關(guān)，解釋薄膜沉積的不均勻性。解決不均勻性問題的顯著方法將是增加天線與襯底之間的距離從 而防止高等離子體密度外殼位于襯底附近并且也允許更多種類擴(kuò)散。 但是，這將由沉積效率的顯著損失以及由此沉積速率的顯著降低實(shí) 現(xiàn)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供有一種為加工表面產(chǎn)生等離子體的裝置，該裝置包括適合于包含可電離氣體的外殼；多個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備，每個(gè) 布置成使得微波能夠從其第一端傳播到第二端并從其輻射到所述氣體 中，以及每個(gè)具有用于在它的第二端的區(qū)域中的氣體中產(chǎn)生磁場的裝 置；以及連接以將微波供給到激發(fā)設(shè)備的第一端的微波源；其中所述磁場具有值B,并且微波具有頻率f，以便基本上滿足關(guān)系5-;r附/7e (2) 其中m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷，以及其中在使用中，區(qū)域存 在于微波的波傳播矢量的方向與磁場線不平行的所述氣體內(nèi)。常規(guī)ECR在大致正確的假設(shè)上進(jìn)行，即微波正在傳播且等離子 體正在制造的區(qū)域中的磁場線與微波傳播的方向基本上平行。在這些 條件下，僅當(dāng)上面的方程式(1)基本上滿足時(shí)，將期望阻尼，也就 是微波能量的吸收，因此等離子體制造發(fā)生，并且當(dāng)方程式(2)基 本上滿足時(shí)將不期望這些發(fā)生。本發(fā)明基于實(shí)現(xiàn)，即在DECR裝置 中，在氣體中存在微波傳播的方向與磁場線的方向之間的角度基本上 從零偏離，換句話說，微波傳播的方向具有垂直于磁場線的分量的顯 著區(qū)域?？梢员砻?，在這種情況下，微波的阻尼將在基本上滿足方程 式(2)的頻率和磁場的組合下發(fā)生。應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充，當(dāng)?shù)入x子體由常規(guī)ECR產(chǎn)生時(shí)，除了電子回旋共振 自身之外，好像涉及其他阻尼機(jī)制。類似地，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生等離 子體時(shí)，除了由方程式(2)表示的修改形式的電子回旋共振之外， 好像涉及其他阻尼機(jī)制。本發(fā)明者知道在本發(fā)明中使用的頻率下特殊等離子體行為的現(xiàn)有 技術(shù)的報(bào)告。這在Oleg A. Popov, Sergei Y. Shapoval和Merle D. Yoder Jr.的標(biāo)題為"2.45GHz microwave plasmas at magnetic fields below ECR ( ECR下面的磁場下2.45GHz微波等離子體)"，等離子 體服務(wù)科學(xué)技術(shù)，1 ( 1992) , pp7-12的文章中。但是，Popov文章 中描述的工作使用常規(guī)ECR裝置，其中微波正在傳播且等離子體正 在制造的區(qū)域中的磁場線與微波傳播的方向基本上平行。如上所述， 在該區(qū)域中，可能期望存在的唯一阻尼機(jī)制將是經(jīng)典ECR阻尼，并 且僅在方程式(1)滿足時(shí)生效。因此，閱讀Popov的本領(lǐng)域才支術(shù)人 員不會(huì)認(rèn)為，除了由方程式(1)限定的頻率之外的頻率將可能給出 良好的性能，并且實(shí)際上，本發(fā)明者相信它將不會(huì)這樣。作為實(shí)例，本發(fā)明的方法可以使用在上迷現(xiàn)有技術(shù)中使用的 2.45GHz的頻率，但是僅437.5高斯的磁場，即875高斯的現(xiàn)有技術(shù) 值的一半。另一種可能性將是使用1035高斯的磁場，其雖然高于 875高斯但仍然可行，以及5.8GHz的微波頻率，其位于可用于工業(yè) 用途的微波波鐠的波段內(nèi)。后者將在產(chǎn)生高密度等離子體方面有利，雖然不像前者，它不會(huì)解決從等離子體沉積的薄膜中不均勻性的問 題。


下面參考附隨附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中 圖1是顯示如EP-1075168中描述并顯示的等離子體產(chǎn)生裝置的 圖解立視圖；圖2是圖1的裝置的平面圖；圖3是在圖1和2的裝置中使用的各個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備的一個(gè) 的實(shí)施方案的更詳細(xì)視圖；圖4顯示由可以在本發(fā)明中使用的磁體的一種布置產(chǎn)生的磁場 線；以及圖5顯示由可以在本發(fā)明中使用的磁體的另一種布置產(chǎn)生的磁場線。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明可以使用圖1-3中顯示的現(xiàn)有技術(shù)裝置來實(shí)踐(但是決定 性的改變?cè)谟诒景l(fā)明需要的B和f之間的關(guān)系)，并且現(xiàn)在將基于 EP-1075168中給出的描述來給出該裝置的描述。但是應(yīng)當(dāng)理解，該 裝置可以代替地釆取許多其他形式，只要存在微波傳播的方向與磁場 線不平行的等離子體產(chǎn)生區(qū)域。圖1和2顯示相對(duì)于加工表面Su (廣義的"加工，，)產(chǎn)生等離子 體的裝置I，其可以例如由適合于接收各種表面處理的表面構(gòu)成。常 規(guī)地，裝置I包括圖解表示的密封外殼1,并且安裝有允許氣體進(jìn)入 和將氣體泵出的設(shè)備，沒有顯示但是本身已知，其使得待電離氣體的 壓力能夠維持在期望值，例如可以大約10—2至2xl0"帕斯卡，取決于 氣體的性質(zhì)和激發(fā)頻率。但是，可以使用小于l(T2 Pa (比方說低至 例如10"Pa),或者大于2xlO"Pa (比方說高達(dá)5xl(T1 Pa，或者甚 至1Pa或更多)的氣體壓力。氣體例如可以包括SiH4或Hz作為活性氣體，以及非活性氣體例如He、 Ne或Ar。氣體供給系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)根據(jù) 工藝規(guī)程保證進(jìn)入反應(yīng)器中的適當(dāng)氣體流，其典型地在從1至1000 sccm (每秒標(biāo)準(zhǔn)立方分米)的范圍內(nèi)變化。等離子體室裝配有襯底支架，其功能是將襯底Su固定在處于適 當(dāng)操作條件下的等離子體室中。這典型地為了將襯底加熱到典型地在 室溫與600。C之間的所需沉積溫度。這可以通過使熱流體在襯底支架 內(nèi)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，但是也可以由嵌入于襯底支架中的電加熱電阻器實(shí) 現(xiàn)。襯底支架的另一個(gè)功能是允許襯底的極化以便控制離子能量朝向 襯底。極化可以是RF或DC并且需要襯底支架電絕緣。在RF極化 的情況下，極化通過使用適當(dāng)匹配電路將電絕緣的襯底支架連接到適 當(dāng)RF或DC發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。等離子體產(chǎn)生裝置I具有彼此間隔且位于加工表面Su附近以便 一起操作從而為加工表面Su制造均勻等離子體的一系列單獨(dú)的等離 子體激發(fā)設(shè)備3。每個(gè)單獨(dú)的等離子體激發(fā)設(shè)備3由以絲線(wire) 形式實(shí)現(xiàn)，也就是伸長的微波能量施布器(applicator) 4構(gòu)成。每 個(gè)絲線施布器4其一端連接到源位于外殼1外部的微波能量源E (優(yōu) 選地經(jīng)由同軸結(jié)構(gòu)4，)。作為選擇，但是，單個(gè)微波能量源可以供給 微波到所有施布器4，或者可以存在數(shù)目少于施布器數(shù)目的多個(gè)能量 源。每個(gè)絲線施布器4有利地是由同軸管4'包圍的管的形式，從而使 得微波能量能夠傳播到其自由端A同時(shí)避免輻射微波和避免施布器 之間的微波耦合。為了保證微波能量到等離子體中的適當(dāng)傳送，供給 等離子體激發(fā)設(shè)備的每個(gè)微波絲線優(yōu)選地裝配有最小化，或者至少減 小來自等離子體激發(fā)設(shè)備的反射能量的匹配設(shè)備。如圖3中更詳細(xì)顯 示的，每個(gè)微波施布器4設(shè)計(jì)成具有連接到至少一個(gè)永久磁體5的自 由端41(>在圖3中，磁體顯示為其磁軸平行于磁體本身的長軸，對(duì) 應(yīng)于下面參考圖5進(jìn)一步描述的情況。在該方案的一種特殊形式中， 所有等離子體激發(fā)設(shè)備的磁體定向于相同方向上(單極配置)，也就 是所有它們的北極位于頂部且所有它們的南極位于底部，反之亦然。 在另一種中，每個(gè)極的一些位于頂部且每個(gè)極的一些位于底部(多極配置)。后者的實(shí)例是陣列，其中如圖2中從一端并且沿著設(shè)備的任 何給定行或列觀看，接連遇到具有交替極性的極。另一個(gè)實(shí)例是給定 行(或列)中所有磁體具有相同極性，但是多列(多行)具有交替極性的情況a但是，也可以使用磁體的磁軸與磁體本身的長軸不平行的 方案，如下面將進(jìn)一步說明的。如果磁體是固體，電子軌跡的至少一小部分將遇到絲線施布器4，使得一小部分電子因此將由絲線施布器4收集，從而引起電子的 損失。該缺點(diǎn)可以通過使用中心鉆孔8位于它的磁化軸上的軸向磁化 圓柱磁體5來避免，如圖3中所示。在該實(shí)施方案中，磁場線的一小 部分7'沿著磁體的中心鉆孔8而過。此外，磁極不再是點(diǎn)，而是描述 位于磁體旋轉(zhuǎn)軸的中心并且磁場線7和7，朝向其匯聚的圓。因此，如 果施布器4的外部外殼的直徑等于由磁極描述的圓的直徑，由電子回 旋共振加速的電子不能描述沿著磁場線7'的軌跡。結(jié)果，絲線施布器 的端部A不會(huì)經(jīng)過磁極。因此唯一可用的/f茲場線是位于磁體外部的 磁場線7，從而沒有電子軌跡遇到兩個(gè)鏡面點(diǎn)Pi和P2之間的絲線施 布器4。結(jié)果，沒有電子損失，并且可以獲得能量效率方面的最佳性 能。每個(gè)軸向鉆孔8可以用來使得冷卻流體供給管道9能夠被安裝， 其有利地也用作磁體5安裝于其上的支撐。該管道9以端部與限定在 磁體和圍繞磁體且相距一 定距離的護(hù)套12之間的外殼11連通的管的 形式實(shí)現(xiàn)。外殼11展開到限定在供給管道9和由管構(gòu)成的絲線施布 器4之間的冷卻流體返回管道13中。磁體4從而由使得冷卻流體能 夠圍繞磁體循環(huán)的保護(hù)套12密封。作為實(shí)例，磁體密封于其中的材 料和構(gòu)成絲線施布器的材料是作為良好導(dǎo)體的非磁性材料(非磁性金 屬)。但是為了污染原因，它們也可以由電介質(zhì)材料包圍而不擾亂設(shè) 備的適當(dāng)操作。圖4和5作為實(shí)例顯示磁體的兩種可能布置以及產(chǎn)生的磁場。在 圖4中，磁體處于多極排列中， 一個(gè)磁體的北極面向它的鄰居的南 極。磁軸垂直于磁體的長軸，因此垂直于其傳播方向在圖4中所示的微波的電矢量。作為實(shí)例，磁體的每個(gè)是場強(qiáng)為2000高斯，長度為 8cm且直徑為4cm的圓柱磁體。線L在圖4中標(biāo)記，位置距離磁體端部大約4cm，并且可以看 出，與由微波產(chǎn)生的電場垂直的該線長度上的磁場基本上恒定并且具 有大約437.5G的值。沿著線L的磁場強(qiáng)度基本上是根據(jù)本發(fā)明在第 一諧波使用2.45GHz微波提供阻尼所需的磁場強(qiáng)度。另一個(gè)實(shí)例在圖5中顯示，磁軸現(xiàn)在垂直于磁體的長軸(其自身 將平行于電矢量)。磁體也處于多極排列中， 一個(gè)磁體的北極與它的 鄰居的南極位于同一側(cè)，但是這里磁軸平行于磁體的長軸。磁體的每 個(gè)具有與圖4中相同的尺寸，但是場強(qiáng)為1000高斯。再次，沿著附圖中所示的線L的磁場基本上恒定，強(qiáng)度為 437.5G，并且滿足使用2.45GHz微波在第一諧波阻尼的需求。
權(quán)利要求
1.一種為加工表面產(chǎn)生等離子體的裝置，該裝置包括適合于包含可電離氣體的外殼；多個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備，每個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備布置成使得微波能夠從其第一端傳播到第二端并從其輻射到所述氣體中；用于在氣體中產(chǎn)生磁場的裝置；以及被連接以將微波供給到激發(fā)設(shè)備的第一端的微波源；其中所述磁場具有值B，并且微波具有頻率f，使得基本上滿足關(guān)系B＝πmf/e其中m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷，以及其中在使用中，在所述氣體內(nèi)存在這樣的各個(gè)區(qū)域，在這些區(qū)域中微波的波傳播矢量的方向與磁場線不平行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中每個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備與各自 的/f茲體相關(guān)聯(lián)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中具有各自磁體的等離子體激發(fā) 設(shè)備布置在限定多行和多列設(shè)備的陣列中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中陣列是矩形陣列。
5. 根據(jù)任何一個(gè)前面權(quán)利要求的裝置，其中磁體被布置成它們 的磁軸大致平行于微波傳播的方向。
6. 根據(jù)任何一個(gè)前面權(quán)利要求的裝置，其中磁體被布置成它們 的磁軸大致垂直于微波傳播的方向。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的裝置，其中在每行和每列內(nèi)，交替磁 體定向于彼此相反的方向上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的裝置，其中磁體全部定向于彼此相同 的方向上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的裝置，其中在每行內(nèi)交替磁體定向于 彼此相同的方向上，并且在每列內(nèi)交替磁體定向于彼此相反的方向上。
10. 根據(jù)任何一個(gè)前面權(quán)利要求的裝置，其中連接公共微波源以供給微波到所有激發(fā)設(shè)備。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-9的任何一個(gè)的裝置，其中微波源包括多個(gè) 子源，每個(gè)子源供給激發(fā)設(shè)備的至少一個(gè)。
12. —種為加工表面產(chǎn)生等離子體的方法，包括 提供可電離氣體到用于該氣體的外殼；將來自其源的微波供給到多個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備的各自第一端， 使得微波從其第一端傳播到第二端并從其輻射到所述氣體中； 以及在氣體中產(chǎn)生磁場；其中所述磁場具有值B，并且微波具有頻率f,使得基本上滿足 關(guān)系B = 7T附/ / C其中m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷，以及其中在所述氣體內(nèi)存在這樣的各個(gè)區(qū)域，在這些區(qū)域中微波的波 傳播矢量的方向與磁場線不平行。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，使用根據(jù)權(quán)利要求2-11的任何一 個(gè)的裝置來執(zhí)行。
全文摘要
提供一種為加工表面產(chǎn)生等離子體例如以在其上沉積材料的裝置。該裝置包括包含可電離氣體的外殼，多個(gè)等離子體激發(fā)設(shè)備，每個(gè)布置成使得微波能夠從其第一端傳播到第二端并從其輻射到所述氣體中，以及用于在氣體中產(chǎn)生磁場的裝置。微波源將微波供給到激發(fā)設(shè)備的第一端。在使用中，區(qū)域存在于微波的電矢量的方向與磁場線不平行的所述氣體內(nèi)，并且磁場具有值B且微波具有頻率f，以便基本上滿足關(guān)系B＝πmf/e，其中m和e分別是電子的質(zhì)量和電荷。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101248707SQ200680030726
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者帕特里克·里姆波爾, 皮埃爾·德斯坎普斯 申請(qǐng)人:陶氏康寧公司