專(zhuān)利名稱(chēng)：等離子體源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用等離子體來(lái)加工待加工工件(以下稱(chēng)“加工目標(biāo)”)如半導(dǎo)體晶片或其他同類(lèi)工件的等離子體源，尤其是涉及一種帶有控制器來(lái)控制等離子體的組成粒子、如等離子體中的離子、電子、原子團(tuán)(中性活化元素)或其他同類(lèi)粒子的速度和方向(矢量控制)的等離子體源。
在半導(dǎo)體加工中利用等離子體的已知加工方法有等離子體CVD(化學(xué)蒸氣淀積)法，等離子體RIE(反應(yīng)離子蝕刻)法、濺射法等。按照這些方法，在一加工室內(nèi)產(chǎn)生預(yù)定的等離子體，并于加工室內(nèi)放置工件(半導(dǎo)體晶片)，通過(guò)如離子、電子或其他同類(lèi)粒子之類(lèi)的等離子體組成粒子的作用，在加工目標(biāo)上形成一層薄膜，或在加工目標(biāo)上進(jìn)行蝕刻處理。
上述類(lèi)型的等離子體源所實(shí)際采用的產(chǎn)生等離子體的方法至今已有多種。正如H.Hara等在“Proc.Workshop on Industrial plasmaApplications”ISPC-9，1，62～69頁(yè)(1989，意大利)中披露的，目前，有關(guān)在低加工氣壓下獲得高密度的均勻的等離子體的新型等離子體源的研究和開(kāi)發(fā)日益增多。然而，用這些等離子體源不可能對(duì)象反應(yīng)氣體、離子或其他同類(lèi)粒子之類(lèi)的等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向都進(jìn)行控制，而且這些等離子體源是以一維控制為基礎(chǔ)的。即，通過(guò)調(diào)節(jié)加工氣體的壓力、基于輸入電能的等離子體電勢(shì)、熱運(yùn)動(dòng)方向、基于偏置電場(chǎng)的在垂直于半導(dǎo)體晶片表面的方向上的粒子加速度等，來(lái)進(jìn)行晶片上的控制。也就是說(shuō)，從等離子體的矢量控制的觀點(diǎn)來(lái)看，目前的現(xiàn)有等離子體源不能進(jìn)行矢量控制。
因此，在垂直于加工目標(biāo)表面的方向上可以進(jìn)行控制，即在加工目標(biāo)表面上薄膜的厚度、蝕刻的深度等能夠得到控制，然而，在除加工目標(biāo)表面垂直方向以外的其他方向上，實(shí)施控制是困難的，所以，現(xiàn)有的等離子體源不適用于加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，常規(guī)的等離子體源不能作出足夠的控制來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)體器件中的帶錐度的溝槽、通路孔、接點(diǎn)孔之類(lèi)的加工，或進(jìn)行在溝槽內(nèi)表面覆蓋上所希望厚度的氧化膜的加工等，而這正是復(fù)雜加工工藝中的關(guān)鍵問(wèn)題。
而且，從半導(dǎo)體布線圖案的微切削加工的未來(lái)趨勢(shì)看，在布線加工中晶片表面的平整工藝日益重要。目前一種CMP(化學(xué)和機(jī)械磨光)工藝被考慮作為平整工藝。然而，今后在薄膜形成加工中將需要直接地和三維地把膜形成在窄而深的通路孔、溝槽、接點(diǎn)孔中的工藝。而按目前的情況，以CMP為基礎(chǔ)的方法有各種問(wèn)題有待解決，例如生產(chǎn)率、塵埃管理、污染、防水以及未來(lái)微切削加工。
針對(duì)上述問(wèn)題，申請(qǐng)人已發(fā)明了一種新型的等離子體加工方法，能夠在除垂直于加工目標(biāo)表面的方向以外的方向上對(duì)等離子體中的離子、電子或其它同類(lèi)粒子進(jìn)行控制，因而也能進(jìn)行復(fù)雜的蝕刻、加工和其它工作。
按照本方法，在垂直于加工目標(biāo)(半導(dǎo)體晶片)表面的方向產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，在該表面水平方向也產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，從而在垂直和水平電場(chǎng)的復(fù)合電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，控制等離子體中離子、電子或其它同類(lèi)粒子的方向。以下將參照

圖1詳細(xì)描述本方法。
如圖1所示，在加工室100中，置有上電極101和下電極102，在上下電極之間的空間中產(chǎn)生等離子體103，本方法控制等離子體中的離子或電子的移動(dòng)方向。為進(jìn)行上述的等離子體控制，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)是垂直于象半導(dǎo)體晶片或其它同類(lèi)工件之類(lèi)的加工目標(biāo)104的表面的電場(chǎng)Ev，(在下稱(chēng)為垂直電場(chǎng)Ev)，另一個(gè)是平行于(水平于)加工件104表面的電場(chǎng)EH(以下稱(chēng)為水平電場(chǎng)EH)，而且這兩個(gè)電場(chǎng)以預(yù)定的比值互相結(jié)合，產(chǎn)生一復(fù)合電場(chǎng)EC，利用復(fù)合電場(chǎng)EC來(lái)控制等離子體103中離子或電子的速度和移動(dòng)方向。
垂直電場(chǎng)EV包括一個(gè)在加工目標(biāo)104表面上自然產(chǎn)生的等離子體殼層電場(chǎng)、一個(gè)由作用于下電極102的直流偏壓產(chǎn)生的直流偏壓電場(chǎng)和一個(gè)由例如13.56MHZ的射頻偏壓106產(chǎn)生的射頻偏電場(chǎng)。而且，水平電場(chǎng)Eh包括一個(gè)感應(yīng)電場(chǎng)，例如，在加工目標(biāo)104的兩側(cè)放一對(duì)對(duì)應(yīng)的線圈，從一個(gè)單相交流電源向線圈中供應(yīng)具有預(yù)定周期的交流電流，以產(chǎn)生一個(gè)方向平行于(水平于)加工目標(biāo)104的表面的磁場(chǎng)，并周期地反轉(zhuǎn)該磁場(chǎng)的方向，便產(chǎn)生該感應(yīng)電場(chǎng)，圍繞著磁場(chǎng)。
如上所述，按照上述等離子體控制方法，通過(guò)利用由垂直電場(chǎng)EV和水平電場(chǎng)EH組成的復(fù)合電場(chǎng)EC，可以控制等離子體103中的離子、電子等同類(lèi)粒子的移動(dòng)方向。然而，在該方法中，垂直電場(chǎng)仍比水平電場(chǎng)大一些，這是因?yàn)榇怪彪妶?chǎng)是由直流偏壓105或射頻偏壓106產(chǎn)生于加工目標(biāo)104表面上的。所以，獲得足夠大的水平電場(chǎng)EH是困難的，以致不能充分實(shí)現(xiàn)該復(fù)合電場(chǎng)的控制能力，即對(duì)離子、電子或其它同類(lèi)粒子的速度和方向的控制能力。
本發(fā)明的目的是提供一種等離子體源，它能在加工目標(biāo)表面上提供一個(gè)足夠大的水平電場(chǎng)，從而高精度地控制等離子體中的離子、電子或其它同類(lèi)的等離子體組成粒子的速度和方向，使得容易利用等離子體進(jìn)行復(fù)雜加工。
本發(fā)明的等離子體源包括等離子體發(fā)生器、水平電場(chǎng)發(fā)生器和控制器。等離子體發(fā)生器從一個(gè)進(jìn)行等離子體處理的加工室的外面產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)入該加工室內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)，從而產(chǎn)生等離子體。水平電場(chǎng)發(fā)生器在由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體中產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)?？刂破骺刂朴伤诫妶?chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的水平電場(chǎng)，以控制等離子體中等離子體組成粒子的速度和方向。
按照該等離子體源，從加工室外穿入加工室內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)是通過(guò)等離子體發(fā)生器的無(wú)電極放電過(guò)程產(chǎn)生的，由此在加工室中產(chǎn)生等離子體。方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)是通過(guò)水平電場(chǎng)發(fā)生器在由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體氣氛下產(chǎn)生的?？刂破骺刂朴伤诫妶?chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的水平電場(chǎng)，以改變由水平電場(chǎng)和方向垂直于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)(等離子體殼層電場(chǎng))組成的復(fù)合電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，從而能夠控制等離子體中離子等等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向。在這里，方向垂直于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)(即垂直電場(chǎng))僅僅由等離子體本身在與加工目標(biāo)的界面產(chǎn)生的等離子體殼層電場(chǎng)構(gòu)成。所以，水平電場(chǎng)強(qiáng)度與垂直電場(chǎng)強(qiáng)度的比率增大了。
按照本發(fā)明的等離子體源，通過(guò)無(wú)電極放電產(chǎn)生從加工室外指向加工室內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)，而且是在等離子體中加工目標(biāo)表面上產(chǎn)生水平電場(chǎng)。通過(guò)控制該水平電場(chǎng)來(lái)控制離子等等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向，方向垂直于加工目標(biāo)的電場(chǎng)僅由通過(guò)無(wú)極放電所產(chǎn)生的等離子體本身在與加工目標(biāo)的界面上產(chǎn)生的等離子體殼層電場(chǎng)構(gòu)成。所以，水平水電場(chǎng)可獲得相對(duì)較大的強(qiáng)度。相應(yīng)地，水平電場(chǎng)和垂直電場(chǎng)的復(fù)合電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，也就是說(shuō)，等離子體中的離子等等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向，能夠得到高精度控制。尤其是，本發(fā)明可更有效地和精確地適用于半導(dǎo)體晶片表面的平整加工，膜形成加工，溝槽、通路孔或接點(diǎn)孔的蝕刻加工，溝槽內(nèi)壁的角度控制加工等的矢量控制。所以，本發(fā)明能夠完成復(fù)雜加工工作，滿足半導(dǎo)體器件微切削加工的需要。
圖1是申請(qǐng)人以前發(fā)明的等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的等離子體源功能結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示的等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3所示的等離子體源的一個(gè)主要部件結(jié)構(gòu)透視圖，部分剖開(kāi)顯示；圖5是圖3所示的等離子體源中所用天線結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖6是圖3所示的等離子體源電場(chǎng)產(chǎn)生的示意圖；圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例的等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的等離子體源的一個(gè)主要部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明第四實(shí)施例的等離子體源的一個(gè)主要部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明第五實(shí)施例的等離子體源的一個(gè)主要部件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是圖9所示的等離子體源中水平電場(chǎng)產(chǎn)生的示意圖。
以下參照附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
圖2顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例的等離子體源10的功能結(jié)構(gòu)。該等離子體源由加工室1、等離子體發(fā)生器2、水平電場(chǎng)發(fā)生器3和控制器4組成。加工室1中安置加工目標(biāo)(要被加工的工件)，等離子體發(fā)生器2用于從加工室1外在加工室內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生等離子體，水平電場(chǎng)發(fā)生器3用于在等離子體發(fā)生器2所產(chǎn)生的等離子體中產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)，控制器用于控制水平電場(chǎng)發(fā)生器3所產(chǎn)生的水平電場(chǎng)，以控制該水平電場(chǎng)和方向垂直于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)的復(fù)合電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，從而控制等離子體中離子之類(lèi)的等離子體組成粒子的速度和方向。
第一實(shí)施例利用放電裝置(天線)作為等離子體發(fā)生器2，通過(guò)無(wú)電極放電過(guò)程產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，水平電場(chǎng)發(fā)生器3用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，控制器4控制旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率。
圖3顯示了等離子體源10的結(jié)構(gòu)，圖4顯示了等離子體源10的一主要部件的形狀，并作了部分剖視。
該實(shí)施例的等離子體源10有一個(gè)石英制成的圓筒形室(反應(yīng)容器)11作為加工室1。室11的內(nèi)部被抽氣裝置(泵)(未示出)抽空并保持在高真空狀態(tài)下。在室11中配有供應(yīng)加工氣體的氣體環(huán)11a。在室11中還配備有晶片支座12，半導(dǎo)體晶片13作為加工目標(biāo)安置在晶片支座12上。
而且，在加工室11外配有一加工氣體瓶11b，該氣瓶與室11內(nèi)的氣體環(huán)11a連接，通過(guò)氣體環(huán)11a將加工氣體瓶11b中的加工氣輸入加工室11。此外，圍繞加工室11安置有一天線14。天線14由銅或其它材料制成，并設(shè)計(jì)成環(huán)狀，沿著加工室的圓形殼體外放置。天線14上開(kāi)有長(zhǎng)口14a，用作如下所述的磁場(chǎng)通道，該開(kāi)口沿天線的縱向形成，如圖5所示。天線14通過(guò)一匹配電路(匹配盒)15與一射頻電源(例如頻率13.56MHz)16連接。由射頻電源16給該天線提供電能，以便從加工室11外對(duì)加工室內(nèi)感應(yīng)放電，從而在加工室內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，以產(chǎn)生等離子體P。天線14、匹配電路15和射頻電源16組成圖2所示的等離子體發(fā)生器。
沿天線14的圓形部分，還配備有多塊多相交流磁鐵17，用于在加工室11中產(chǎn)生一個(gè)方向平行于(水平于)半導(dǎo)體晶片13表面的電場(chǎng)。每塊多相交流磁鐵17都開(kāi)有口17a，用作如下所述的磁場(chǎng)通道，所以磁鐵上的開(kāi)口面對(duì)天線14的長(zhǎng)口14a。多相交流磁鐵17與一個(gè)多相交流倒相電源18連接，以便多相(例如三相)交流電流入磁鐵17。多相交流磁鐵17和多相倒相器電源18構(gòu)成圖2所示的水平電場(chǎng)發(fā)生器3。即通過(guò)把交流電供入多相交流磁鐵17，在半導(dǎo)體晶片表面上便產(chǎn)生一個(gè)水平方向的贗磁場(chǎng)(磁通量密度B)，然后通過(guò)使該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。即通過(guò)該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生水平的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
以下將描述本實(shí)施例的等離子體源10的運(yùn)行。
首先，等離子體發(fā)生器2利用天線14，在加工室11內(nèi)產(chǎn)生等離子體P。天線14的電感用Li(亨)表示，天線電流用Icosωt(ω角頻率)表示，一個(gè)ωLiIcosωt的電壓施給天線14，從而在加工室中產(chǎn)生準(zhǔn)靜電感應(yīng)電場(chǎng)EPS，以產(chǎn)生稀有等離子體。而且，在感應(yīng)電場(chǎng)EPS的幫助下，可高效率地由天線向等離子體注入電能，所以能在加工室11中大面積地產(chǎn)生高密度等離子體。
其次，水平電場(chǎng)發(fā)生器3在等離子體P中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)圍繞垂直于半導(dǎo)體晶片13的表面的軸線作水平方向的旋轉(zhuǎn)。多相交流倒相器18的頻率設(shè)定為約幾十HZ到幾十KHZ，向多相交流磁鐵17供以交流電。在這種情況下，如圖6示意顯示的，磁場(chǎng)(磁通量密度B)在半導(dǎo)體晶片13上以水平方向產(chǎn)生。在這里假定半導(dǎo)體晶片13的右側(cè)定為磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向的前方，半導(dǎo)體晶片13的左側(cè)定為磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向的后方。在這種情況下，磁通量密度B在磁場(chǎng)前方密，而在磁場(chǎng)后方疏。然而根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁通量被改變，以減少磁場(chǎng)前方的磁通量密度，增加磁場(chǎng)后方的磁通量密度。即在磁場(chǎng)前后方之間，磁通量的增加/減少方向是不同的，在這種狀態(tài)下，磁場(chǎng)按照在多相倒相器電源18中設(shè)定的頻率圍繞垂直于半導(dǎo)體晶片13表面的軸線13a旋轉(zhuǎn)。
再者，根據(jù)以下麥克斯韋方程(1)，在等離子體P中產(chǎn)生大量的渦電流19，來(lái)圍繞在等離子體中穿過(guò)的許多磁通量。在等離子體P中彼此鄰近的渦電流互相抵消，因?yàn)殡娏鞣较蛟诖吮舜讼喾?，所以，總的電流只是沿等離子體P的周邊流動(dòng)，以至從總體上產(chǎn)生一個(gè)沿一個(gè)方向的電場(chǎng)。也就是說(shuō)，在磁場(chǎng)的前方和后方，分別以不同方向產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)E，圍繞著磁場(chǎng)。而且感應(yīng)電場(chǎng)E象磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)一樣，圍繞垂直于半導(dǎo)體晶片13表面的軸線13a旋轉(zhuǎn)，從而在半導(dǎo)體晶片13表面上，產(chǎn)生水平方向的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG。相應(yīng)地，在半導(dǎo)體晶片13的表面區(qū)域，產(chǎn)生垂直方向的電場(chǎng)EV(等離子殼層電場(chǎng)Esheath)，而在水平方向產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)EH，電場(chǎng)EH由旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG和天線感應(yīng)電場(chǎng)EPS組成。從而，電場(chǎng)EH和電場(chǎng)EV的復(fù)合電場(chǎng)EC的方向可以與半導(dǎo)體晶片13的表面成一預(yù)定的角度。
rotE＝- B/ t…(1)如上所述，按照本實(shí)施例的等離子體源10，放電是由等離子體發(fā)生器2利用天線14、匹配電路15和射頻電源16來(lái)進(jìn)行的，從而能夠在室11中的大區(qū)域產(chǎn)生高密度等離子體P。
而且，按照本實(shí)施例的等離子體源10，能在室11中不用電極地產(chǎn)生等離子體，即通過(guò)無(wú)電極放電。相應(yīng)地，垂直于半導(dǎo)體晶片表面的電場(chǎng)EV僅由等離子體殼層電場(chǎng)Esheath構(gòu)成，等離子體殼層電場(chǎng)Esheath是由無(wú)電極放電產(chǎn)生的等離子體本身在半導(dǎo)體晶片13的界面上產(chǎn)生的。等離子體殼層電場(chǎng)Esheath仍小于直流或交流偏置電場(chǎng)，而由水平電場(chǎng)發(fā)生器3可獲得比常規(guī)大的水平旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG，水平電場(chǎng)發(fā)生器3由多相交流磁鐵17和多相交流倒相器電源18組成，以便增加水平電場(chǎng)EH與垂直電場(chǎng)EV的比值。相應(yīng)地，水平感應(yīng)電場(chǎng)EH和垂直電場(chǎng)EV(即等離子體殼層電場(chǎng)Esheath)的復(fù)合電場(chǎng)EC的強(qiáng)度和方向可更容易由控制器4進(jìn)行控制，等離子體中的離子的速度和方向能夠被高精度控制。離子的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了等離子體中其他等離子體組成粒子諸如反應(yīng)氣體、電子、原子團(tuán)等的運(yùn)動(dòng)，而這有利于半導(dǎo)體晶片13表面的平整加工、膜形成和溝槽、通路孔和接點(diǎn)孔的蝕刻加工以及溝槽的角度控制等。
下面將更詳細(xì)地描述等離子體中的離子等等離子體組成粒子的速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制方法。
總的來(lái)說(shuō)，在等離子體P的殼層界面，作用于離子的電場(chǎng)被看作是上述的指向半導(dǎo)體晶片13表面的垂直和水平電場(chǎng)的復(fù)合電場(chǎng)。由于電子質(zhì)量小于離子質(zhì)量，為簡(jiǎn)明描述起見(jiàn)，可假設(shè)電子的運(yùn)動(dòng)完全獨(dú)立于電磁波的頻率。在本實(shí)施例中，僅是等離子體殼層電場(chǎng)Esheath對(duì)復(fù)合電場(chǎng)中垂直于半導(dǎo)體晶片13表面的電場(chǎng)作出貢獻(xiàn)。另一方面，考慮到時(shí)間的變化，由水平地施于半導(dǎo)體晶片13表面的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)生成的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAGcosωMAGt和由置于室11外面的天線產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)EPScosωrft都對(duì)水平于(平行于)半導(dǎo)體晶片13表面的電場(chǎng)作出貢獻(xiàn)。旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的角頻率定到2π×400Hz。
垂直電場(chǎng)EV＝Esheath水平電場(chǎng)EH＝EPScosωrft+EMAGcosωMAGt(ωrf＝2π×13.56MHz，ωMAG＝2π×400MHz)復(fù)合電場(chǎng)EC＝EV+EH＝Esheath+EMAGcosωMAGt+EPScosωrft……(2)
在這里，由于等離子體中離子的質(zhì)量大于電子的質(zhì)量，處于由天線14感生的射頻電場(chǎng)EPS(13.56MHz)下的離子的移動(dòng)距離要比處于由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG下的移動(dòng)距離短得多。更具體地考慮這個(gè)情況，由天線14感生的射頻電場(chǎng)EPS的強(qiáng)度在等離子體殼層中(寬度0.5mm)約等于10V/5mm，而由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感生的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的強(qiáng)度約等于0.375V/mm。根據(jù)離子處于電場(chǎng)下受到的作用力F，可以算出離子在每種電場(chǎng)下移動(dòng)的距離，作用于離子的力F可以作為電荷量和電場(chǎng)強(qiáng)度E的乘積算出，如下式(3)所示。而且，作用于離子的力F也等于分子重量和加速度α的乘積F＝qE＝Mα……(3)再者，根據(jù)上式，在時(shí)間t(旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的半周期)內(nèi)離子在水平方向的移動(dòng)距離表示如下LH＝(1/2)·αt2＝(1/2)(qE/M)t2……(4)在這里，對(duì)于射頻電場(chǎng)EPS(13.56MHz)，時(shí)間t等于(1/2)(1/13.56MHz)秒，對(duì)于基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG(400Hz)，時(shí)間t等于(1/2)(1/400MHz)。根據(jù)公式(4)，例如，以射頻電場(chǎng)頻率和旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)頻率在水平方向上CF4+離子的移動(dòng)距離LHRf、LHMAG分別等于1.49×10-6m和464.98m。也就是說(shuō)，在射頻電場(chǎng)下，CF+離子移動(dòng)的距離是微米數(shù)量級(jí)的，然而，在約400Hz的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)下，其移動(dòng)的距離是米數(shù)量級(jí)的。這是因?yàn)殡x子的質(zhì)量大于電子質(zhì)量，所以，如果電場(chǎng)頻率較高，離子的響應(yīng)性較低。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)離子在移動(dòng)期間不與其它分子和離子碰撞，而且CF4離子的分子重量定到1.462×10-25kg。
如上所述，很好理解，與射頻電場(chǎng)EPS的作用相比，旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG對(duì)離子移動(dòng)的作用更主要地影響等離子體中離子的移動(dòng)距離。結(jié)果，通過(guò)在如圖2所示的控制器中適當(dāng)?shù)卦O(shè)定感生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，就能高精度地控制水平電場(chǎng)EH和垂直電場(chǎng)EV(等離子體殼層電場(chǎng)Esheath)的復(fù)合電場(chǎng)EC的強(qiáng)度和方向。即高精度地控制等離子體中離子的速度和方向。因此，離子、電子或類(lèi)似粒子對(duì)半導(dǎo)體晶片13的入射角可隨意控制。
下面將描述本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。
圖7顯示了本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的等離子體源20的結(jié)構(gòu)。根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，作為等離子體發(fā)生器2，感應(yīng)電場(chǎng)是通過(guò)利用微波無(wú)電極放電產(chǎn)生的，而等離子體是通過(guò)感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生的。圖3所示的元件和標(biāo)號(hào)相同。在此不再?gòu)?fù)述。
本實(shí)施例的等離子體源20包括一個(gè)磁控管21，它置于室11外，用于產(chǎn)生微波(頻率2.45GHZ)，一個(gè)波導(dǎo)22，用于導(dǎo)引由磁控管21產(chǎn)生的微波進(jìn)入室11，其它構(gòu)件與第一個(gè)實(shí)施例的相同，在此不再?gòu)?fù)述。
用等離子體源20，通過(guò)磁控管21產(chǎn)生的微波，也能在室11中產(chǎn)生與第一個(gè)實(shí)施例的等離子體源10的情況相同的高密度等離子體P。而且，如同第一實(shí)施例，通過(guò)由多相磁鐵17和多相交流倒相器電源18組成的水平電場(chǎng)發(fā)生器3(見(jiàn)圖2)在半導(dǎo)體晶片13的表面產(chǎn)生水平磁場(chǎng)，使所產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)生成水平旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)EMAG，所以作用與第一個(gè)實(shí)施例相同。
在第二個(gè)實(shí)施例中，由于基于安置在室11外的多相交流磁鐵17的磁場(chǎng)在等離子體中產(chǎn)生，導(dǎo)致電子回旋共振現(xiàn)象(ECR)，即電子在等離子體中作圓周運(yùn)動(dòng)。通過(guò)利用這一現(xiàn)象，離子化效率進(jìn)一步提高，與前面的實(shí)施方式相比，可獲得更高密度的等離子體。
圖8顯示了本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的等離子體源30的主要部件構(gòu)造。在本實(shí)施例中，通過(guò)反向磁場(chǎng)感生水平電場(chǎng)的方法與圖2所示的水平電場(chǎng)發(fā)生器3所用的相同，而且，所設(shè)計(jì)的控制器4可控制由反向磁場(chǎng)感生的反向電場(chǎng)的反向周期。在圖3中示出的相同元件用相同標(biāo)號(hào)表示，在此不再?gòu)?fù)述。
本實(shí)施例的等離子體源30包括一對(duì)線圈31a、31b，它們置于室11外面，彼此相對(duì)；一個(gè)單相交流電源32，用于向線圈31a、31b提供預(yù)定周期(幾十Hz至若干KHz)的交流電。本實(shí)施例的其它結(jié)構(gòu)與第一個(gè)實(shí)施例相同。
在如此構(gòu)成的等離子體源30中，當(dāng)線圈31a、31b通以交流電流(幾十Hz至若干KHz)時(shí)，在等離子體P中產(chǎn)生一個(gè)水平于(平行于)半導(dǎo)體晶片13表面的磁場(chǎng)(磁通量密度B)，而且如此產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向是周期反向的。而且，該磁場(chǎng)產(chǎn)生一感生電場(chǎng)E，感生電場(chǎng)也是與該磁場(chǎng)的反向同步反向的。從而，水平電場(chǎng)ETO在半導(dǎo)體晶片13的表面周期反向。因此，通過(guò)垂直電場(chǎng)EV(等離子體殼層電場(chǎng))與由電場(chǎng)ETO和天線14所產(chǎn)生的射頻電場(chǎng)EPS組成的水平電場(chǎng)EH(EPS+ETO)組合，復(fù)合電場(chǎng)EC(見(jiàn)圖3)的方向可以按所希望的角度反轉(zhuǎn)。從而在本實(shí)施例中可獲得與第一個(gè)實(shí)施例相同的效果。
圖9顯示了本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的等離子體源40的主要部件的結(jié)構(gòu)。
與第一個(gè)實(shí)施例利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)感生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)不同的是，本實(shí)施例使用一種如圖3所示的水平電場(chǎng)發(fā)生器3不用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)便直接感應(yīng)產(chǎn)生水平旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的方法。而且，所設(shè)計(jì)的控制器4直接控制旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)周期。如圖3所示的相同部件用相同的標(biāo)號(hào)表示。在此不再?gòu)?fù)述。
按照本實(shí)施例的等離子體源40，水平電場(chǎng)發(fā)生器3由三個(gè)波導(dǎo)41、42、43和一個(gè)三相磁控管44構(gòu)成，三個(gè)波導(dǎo)41、42、43以預(yù)定的間隔沿室11的圓形外殼放置，三相磁控管44通過(guò)波導(dǎo)41、42、43提供頻率相同但相位不同(例如，相位相差120度)的微波。
在本實(shí)施例的等離子體源40中，由三相磁控管44通過(guò)相應(yīng)的波導(dǎo)41、42、43提供相同頻率、但彼此相位不同的微波，從而在室11中的等離子體中產(chǎn)生一個(gè)水平于(平行于)半導(dǎo)體晶片13表面的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)E(EDR)，如圖11所示，相應(yīng)地，垂直電場(chǎng)EV(等離子體殼層電場(chǎng))與由電場(chǎng)EDR和天線14所產(chǎn)生的射頻電場(chǎng)EPS相加獲得的水平電場(chǎng)EH(EDR+EPS)的組合，復(fù)合電場(chǎng)EC的方向能夠以所希望的角度旋轉(zhuǎn)。
本實(shí)施例中，控制器4可直接控制該旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，因而可獲得與第一實(shí)施例相同的效果。
圖10顯示了第五個(gè)實(shí)施例的等離子體源的主要部件的結(jié)構(gòu)。按照本實(shí)施例，采用一個(gè)使輸出電壓頻率相變的高頻電源來(lái)代替如圖9所示的三相磁控管44。
在本實(shí)施例的等離子體源50中，如圖2所示的水平電場(chǎng)發(fā)生器3由多個(gè)(如3個(gè))電極51、52、53和一個(gè)高頻電源(如頻率為13.56MHz)54組成，電極51、52、53以預(yù)定的間隔沿室11的圓形外殼放置，高頻電源54向每個(gè)電極提供高頻電能，每個(gè)電極上的高頻電能的頻率不變(即向三個(gè)電極51、52、53提供相同頻率的高頻電能)，但三個(gè)電極51、52、53中的相位可變(例如，供給每個(gè)電極的電能相位相差120度)。高頻電源54的三個(gè)端子54a、54b、54c分別與圍繞室11放置的三個(gè)電極51、52、53的端子51a、52a、53a連接。
在上述的等離子體源50中，由高頻電源54向相應(yīng)的電極51、52、53提供頻率不變，但電極之間相位改變的高頻電能，從而在室11中的等離子體P中產(chǎn)生一個(gè)方向水平于半導(dǎo)體晶片13表面的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)E(EDR)，如圖11所示。相應(yīng)地，通過(guò)垂直電場(chǎng)EV(等離子體殼層電場(chǎng))與由電場(chǎng)EDR和天線14所產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)EPS相加所得的水平電場(chǎng)EH(EDR+EPS)組合，復(fù)合電場(chǎng)EC的方向可以所希望的角度旋轉(zhuǎn)，如同第四個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，對(duì)上述實(shí)施例可作出各種處于本發(fā)明等同范圍內(nèi)的改動(dòng)。例如，可采用與上述相異的方法來(lái)構(gòu)造等離子體發(fā)生器2和水平電場(chǎng)發(fā)生器3。
權(quán)利要求
1.一種等離子體源，它包括一個(gè)安置加工目標(biāo)的加工室；用于從該加工室外面在該加工室中產(chǎn)生一感生電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生器；用于在由該等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體中產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)的水平電場(chǎng)發(fā)生器；用于控制由該水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的水平電場(chǎng)的控制器，以控制等離子體中等離子體組成粒子的速度和運(yùn)動(dòng)方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的等離子體發(fā)生器包括放電器和高頻電源，放電器置于加工室外面，用于加工室中的感應(yīng)放電，以產(chǎn)生感生電場(chǎng)，高頻電源用于給該放電器供應(yīng)高頻電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的等離子體發(fā)生器包括置于加工室外面的微波發(fā)生器和波導(dǎo)，波導(dǎo)用于將該微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波導(dǎo)入加工室，以便在加工室中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的磁場(chǎng)；而且改變?cè)摯艌?chǎng)以產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的磁場(chǎng)，并且使該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生一個(gè)基于該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，從而產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的水平電場(chǎng)發(fā)生器包括一個(gè)多相交流電源和多個(gè)多相交流磁鐵，多相交流磁鐵沿加工室的圓形殼體外放置，由該多相交流電源供電，以產(chǎn)生一個(gè)在圍繞置于加工室內(nèi)的加工目標(biāo)表面的垂直軸線的水平方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體源，其特征在于，水平電場(chǎng)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的磁場(chǎng)，而且周期地使該磁場(chǎng)的方向反向，以產(chǎn)生一個(gè)方向水平于加工目標(biāo)表面的電場(chǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的水平電場(chǎng)發(fā)生器包括多個(gè)電極和一個(gè)高頻電源，多個(gè)電極以預(yù)定的間隔沿加工室的圓形殼體外放置，高頻電源給每個(gè)電極提供頻率不變但電極之間相位改變的高頻電能，從而在加工室中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的控制器控制由所說(shuō)的水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的、方向水平于加工目標(biāo)表面的磁場(chǎng)的時(shí)間變化率，從而控制疊加上垂直電場(chǎng)而成的復(fù)合電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，即控制等離子體中的等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的控制器控制由水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的、方向沿加工目標(biāo)表面的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的等離子體源，其特征在于，所說(shuō)的控制器控制由水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的、方向水平于加工目標(biāo)表面的磁場(chǎng)的反向頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的等離子體源，其特征在于，控制器控制由水平電場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的、方向水平于加工目標(biāo)表面的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，由此控制疊加上垂直電場(chǎng)而成的復(fù)合電場(chǎng)的強(qiáng)度的方向，從而控制等離子體中的等離子體組成粒子的速度和移動(dòng)方向。
全文摘要
按照本發(fā)明，當(dāng)一高頻電源向天線14供電時(shí)，便在加工室11產(chǎn)生一準(zhǔn)靜電感應(yīng)電場(chǎng)E
文檔編號(hào)C23C14/35GK1169094SQ97110548
公開(kāi)日1997年12月31日 申請(qǐng)日期1997年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月18日
發(fā)明者河利孝 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社