[发明专利]将放电约束在互作用空间内的约束装置

说明书

本发明涉及等离子体蚀刻装置，更具体地说，涉及将等离子体基本上约束在与待蚀刻的工件(例如，半导体晶片)宽度相当的宽度区域内的等离子体蚀刻装置。

等离子体蚀刻已成为集成电路制造上人们乐于用来在不同的层上蚀刻图案用的技术。这种蚀刻用的设备一般包括一个蚀刻室，内装一对基本上是平面的电极，它们相隔一段距离，彼此平行，其间围出一个互作用空间。在该电极中的第一个，放着准备加工的半导体晶片。为了进行这样的处理，将适当的气态介质引入蚀刻室，然后在这对电极之间，加上一个或多个适当的射频高压，以产生放电，形成等离子体，对晶片适当地暴露的区域进行蚀刻。

不论对于效率还是均匀性来说，基本上将等离子体约束在该两电极之间的互作用空间之内，变得越来越重要了。为此目的，已经有人提出，在一个或两个电极的圆周加入绝缘材料做的环形元件，把放电约束在互作用空间内(例如，见1995年五月公布的美国专利No.5,413,675)。作为另一方案，有人提出，加入一个圆筒形的经过阳极化处理的铝屏蔽壳，包围该两电极之间的互作用空间，该屏蔽壳钻有孔，让用过的气体从被包围的互作用空间排出。这个导电的屏蔽壳在电气上一般连接到两个电极中接地电位的电极上。该屏蔽壳用来有效地把地电位带到靠近另一电极的地方。这往往可以把放电约束在两电极之间的互作用空间之内，因为，放电的任何带电粒子，接触屏蔽壳时都会迅速地变成地电位。

在处理工件时控制气体在两电极之间的互作用空间内的停留时间是很重要的。从历史上看，气体流动迅速，停留时间短时，往往出现在约束件(元件)所包围的空间以外放电的情况。这降低了操作的可控制性，并导致蚀刻室壁上有害地形成不同的沉积物。

对于现代的设备几何形状及尺寸来说，等离子体蚀刻装置的放电最好维持在互作用空间以内，而用过的气体又能较快地离开装置，以增强对诸如轮廓控制和蚀刻选择性等蚀刻参数的控制。这缩短了处理时间，进而降低在该半导体晶片上制造的集成电路的总成本。另外，它还限制了蚀刻室壁上有害沉淀物的形成。

我们发现，造成互作用空间以外出现有害放电的一个重要因素是，在互作用空间之外存在足够多的由带有电荷的已离子化的气体颗粒组成的气体，如果采取措施，当用过的气体离开互作用空间时，将其中的电荷中和，则在互作用空间以外放电的趋势将大大减小。

为此目的，本发明涉及用约束部件包围互作用空间，约束部件限定了许多穿过约束部件而从内表面延伸到外表面的通道，通道的尺寸设计得能使在等离子体中产生的带电粒子穿过通道时被中和，从而将等离子体的放电约束在该两电极之间的互作用空间以内。在极端的情况下，约束部件可以由单一的共轴介质圆环组成，形成两个各别的平行的狭缝，一个在其上，一个在其下。在比较一般的情况下，约束部件包括一叠至少三个介质圆环，介质圆环彼此以这样的方式隔开，使得形成一个圆柱体，除了在其上、下各有一个狭缝以外，至少还有一对圆周狭缝(通道、开孔)。在一个典型的实施例中，采用六个圆环，除了上、下各一条狭缝外，它们之间还形成各自独立的平行的圆周狭缝。另外，形成的狭缝尺寸适当配合，使来自等离子体的带电粒子在离开时，必须移动的距离远远长于该粒子的平均自由程，使得大部分存在的粒子至少要与狭缝壁碰撞一次。与狭缝壁的这些碰撞将粒子上的电荷中和，使得离开的粒子都是中性的。从而基本上消除互作用空间以外的放电现象。

除了约束等离子体以外，由该叠圆环形成的圆筒形约束部件还用来把等离子体蚀刻过程中往往都要发生的聚合物结皮现象约束在约束圆环本身，而不发生在蚀刻室的壁部。因为约束部件被镀敷，所以将屏蔽设计得易于拆卸、易于清洗和易于替换是很重要的。使用圆环作为约束部件，满足了这些要求。

另外，一般都把外壳或室壁用作任何一个产生等离子体用的射频电源的回路或地，加入约束部件还可以减轻外壳或室壁的这种作用。结果，这种设计使得该装置特别适用于多频操作。采用这种操作方法时，频率较低的第一电压加在支持工件(例如，半导体晶片)的第一电极上，而频率较高的第二电压加在第二电极上。低频电压源最好具有回到地的低通通道，而高频电压源最好具有回到地的高通通道。这样做的结果是，这两个电源在电气上被有效地彼此隔离了。本发明的最佳实施例同时采用约束装置和双频操作，虽然这两个特点中的每一个都可以单独使用。

更具体地说，我们相信，精心选择这两个频率，加在支持工件的电极上的电压频率约为2兆赫，低于离子过渡频率，而加在另一个电极上的频率约为27.12兆赫，高于第一频率(2兆赫)的十倍以上，这构成了我们的发明的一个单独的特点。