高密度等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及一种用于处理等离子体的设备。更具体地，本发明涉及一种用于处理均匀的高密度等离子体片的设备。

背景技术

高密度等离子体被广泛用于工业应用中。例如，这种等离子体可用于表面清洁或制备应用，蚀刻应用，改变表面结构或密度以及薄膜沉积中。用于产生高密度等离子体的宽连续片的当前装置需要具有等离子体腔的等离子体源以产生等离子体(即，远程等离子体源)。这种等离子体源的实施例是多环形天线装置，其需要许多天线来产生宽的工作等离子体。然而，由于需要将天线调谐到精确的等效功率和频率以获得等离子体均匀性，因此控制由这种多环天线系统产生的等离子体的均匀性可能是困难的。由于产生多个等离子体，因此多环形天线装置还消耗大量功率。

发明内容

本发明涉及一种高密度等离子体处理设备，包括：包含气态介质的处理腔室，该处理腔室被分成两个分离空间：等离子体产生空间和等离子体处理空间，该处理腔室还包括：一段天线和包围天线的壳体，天线和壳体延伸穿过处理腔室的等离子体产生空间；位于处理腔室的等离子体处理空间内的处理表面；以及位于在处理腔室内的一个或多个磁体；其中，在使用中，天线激发等离子体产生空间内的气态介质以产生等离子体；该一个或多个磁体配置使得等离子体被限制为均匀高密度片到并以均匀高密度片传播到等离子体处理空间中且跨过该处理表面。

本发明的设备能够形成和限制密度大于10

出乎意料的是，对于线性高密度等离子体源来说，等离子体腔室不是必需的，也不是基本要求，因为众所周知，在等离子体被成形以用于在腔室中处理之前，需要等离子体腔室(例如，围绕放电管的线圈天线或等离子体腔室内的天线和壳体)来产生和容纳等离子体。相比之下，本设备在处理腔室的气态介质中产生并维持高密度等离子体。已经发现，仅将天线本身容纳或封装在腔室内是足够的，因此极大地简化了等离子体处理设备的设计要求。

可以使用一个或多个磁体来使在源处产生的等离子体成形并作为源自单个源或单段天线的薄等离子体片或板跨过处理腔室传播，单个源或单段天线延伸穿过处理腔室的等离子体产生空间。相比之下，在现有技术的低效率的大面积等离子体处理设备中，布置了许多天线和磁体以产生未聚焦的等离子体云或束，其可以与处理表面或目标接触。本设备的关键特征是等离子体被磁化到适当的水平，并且磁场相对于天线取向，使得由天线施加的RF功率在比其他等离子体产生系统中的惯常情况更大的空间范围内传播。令人惊讶地发现，本发明的等离子体可以在低至4.8高斯的磁场强度下进行操作，这比现有技术的工作区域(50-200高斯)小一个数量级。通过使用低得多的磁场强度来操纵等离子体允许在单个处理腔室内使用多个等离子体源，而不会产生有害或意外的交叉等离子体源干扰，从而允许在同一处理腔室内进行多个同时等离子体处理。

基于以上所述，可以说等离子体处理设备不包括等离子体腔室。换句话说，等离子体不是在分离的等离子体腔室中产生的远程等离子体。移除等离子体腔室或等离子体腔室壁的益处意味着一个等离子体源可以产生具有较大工作宽度的高密度线性等离子体。在示例中，等离子体可沿着天线在处理腔室内的整个长度产生。在这种情况下，等离子体可以由一个或多个磁体成形。存在产生等离子体片的单个等离子体源，因此等离子体沿一个天线的整个长度具有均匀密度。这与现有技术的多天线感应耦合等离子体相反，现有技术的多天线电感耦合等离子体需要多个调谐天线和磁体来执行大面积等离子处理。另外，等离子体源可以被设计成在处理腔室内占据较小的体积，从而允许更有效地利用设备内的处理空间，以及成形/定位所产生的等离子体片。

处理腔室可包括一个或多个壁，并且壳体和天线在两个壁之间延伸穿过处理腔室。壳体可以邻接或接触处理腔室的壁。处理腔室采用大体箱形的构造。在示例中，壳体和天线可以延伸跨过处理腔室的特定尺寸(即，从壁延伸到壁)，从而可以产生具有与处理腔室一样宽的期望宽度的高密度等离子体。然后可以在与天线长度正交的方向上将该等离子体成形为片，从而产生高密度等离子体片，该片整体上具有密度均匀性。

该天线可为RF发射器，并且该壳体至少部分地透过RF辐射。在示例中，在使用中，可以从工作在1MHz和1GHz之间的频率；1MHz和100MHz之间的频率；10MHz和40MHz之间的频率；或约13.56MHz或其倍数的频率的射频电源系统给天线供电。壳体可以形成为使得壳体的一部分或一区段不透过RF辐射的传输，使得等离子体仅在壳体透过的区段中产生。在实施例中，仅壳体的面向设备的一个或多个磁体的截面侧面透过RF辐射，使得RF辐射仅在处理腔室内以期望方向传输以传播等离子体。

壳体可以具有内部容积，该内部容积在使用中被保持在与处理腔室不同的压力或大气下。在这种情况下，壳体可以填充流体，该流体可以充分冷却天线以改善设备的性能。在替代实施例中，壳体可以通向处理腔室外部的大气。在该实施例中，来自处理腔室外部的空气可以穿过壳体且越过天线以进行冷却。该设备可以在更高的功率下运行，而无需用于天线的额外冷却装备。在该实施例中，天线也易于接近以便维修或更换。

一个或多个磁体中的至少一个位于处理腔室内。磁体可以定位在处理腔室内，以便减少处理腔室的占地面积。此外，可以在处理腔室的空间内操纵磁体以调节和引导等离子体的形成。因此，等离子体可被产生且成形，使得其处于处理腔室所需的正确形式。

天线与壳体的内壁之间的距离沿着天线的长度可能不是恒定的。换句话说，天线不必是延伸穿过壳体的中心的直线。例如，缆线可以以从壳体的中心线偏移的角度延伸穿过壳体，使得天线的一个部分或一端相对于天线的另一部分或另一端更靠近壳体的内壁。如果某些应用需要，这将鼓励在处理腔室的特定部分中形成等离子体。缆线的位置可以不固定，使得例如在需要间歇性等离子体产生的情况下，该缆线可以在设备操作期间进一步远离壳体的内壁移动。另外，天线可以采取弯曲路径穿过壳体的内部容积，从而产生等离子体产生热点，这对于某些应用是有用的。天线可为螺旋缠绕的缆线。提供缠绕缆线允许改善等离子体产生。

该设备可为沉积设备，该处理腔室包括处理表面，等离子体片沿与处理表面大体平行的方向通过磁场传播。

现在将参考附图通过举例的方式描述本发明的特定实施例。

附图说明

图1是在等离子体产生系统的纵向截面中示出的优选的等离子体处理设备的示意性截面，该等离子体产生系统被应用于溅射设备中；以及

图2是从图1的左手侧观察的图1中所示的示意性截面A-A′，示出了等离子体产生系统的一部分的横向截面；以及

图3是从图1的底部观察的图1所示的示意性截面B-B’。

具体实施方式

参考附图，根据本发明的方法、结构和装置的细节将随着描述变得显而易见。

等离子体处理设备1包括处理腔室2、等离子体产生系统3、目标组件4、基板组件5、具有相关电源7的磁体6以及处理气体供给系统8。

在特定实施例中，以最简单的形式，处理腔室2是密封箱，其至少包括等离子体产生系统3、目标组件4和基板组件5。在特定实施例中，等离子体产生系统3和基板组件5在处理腔室2中彼此靠近放置。由于等离子体产生系统3和基板组件5处于相同的腔空间(即，没有用于产生等离子体的单独的等离子体腔室)内，因此可以说处理腔室2被划分为局部等离子体产生区域(包括等离子体产生系统3)和处理区域(包括目标组件4和/或基板组件5中的至少一个)。在特定的组件中，处理腔室2还容纳磁体6。

等离子体产生系统3位于等离子体产生区域内的处理腔室2中，并且在图2和图3中更详细地示出。等离子体产生系统3包括天线9、壳体10和电磁体11。等离子体产生系统3连接到阻抗匹配网络12和信号发生器13。与处理腔室的现有技术示例(等离子体在所容纳的等离子体产生系统内产生然后被抽出到处理腔室中)相比，本发明的等离子体产生系统3位于与处理腔室2相同的空间内并向其敞开，其中在处理目标组件4和/或基板组件5的过程中将施加等离子体。换句话说，等离子体在处理腔室2的大气中局部地产生。

天线9被示为单环导线，其在两个笔直区段14、15中延伸穿过处理腔室2，这两个笔直区段通过处理腔室2外部的弯曲部分16连接起来。该笔直区段14，15在处理腔室2中偏移以在天线9的笔直区段14，15之间的区域中引起等离子体激发。天线9由成形的金属管(例如铜管)构成，但是还可以使用替代的导电材料，例如黄铜、铝或石墨，截面形状可以不同，例如杆、带、线或组合的组件。在特定实施例中，选择天线9以使其可以在处理腔室2中传送RF频率。

壳体10包围天线9，并使天线与处理腔室2隔离开。壳体10包括具有限定的内部空间或内部容积的细长管。壳体10延伸穿过处理腔室2，使得管与处理腔室2的壁连接。壳体10在壳体10的端部和处理腔室2的壁周围设有合适的真空密封件，使得内部容积在一个或两个端部处通向大气，如图2和3所示。为了清晰起见，在图中省略了支撑以及实现真空密封和空气冷却的器件。

壳体10至少部分地透过从天线9发射的辐射频率。壳体10的透过性允许在处理腔室2内产生等离子体。

壳体10是石英管，其壁厚通常为2-3mm。壳体10具有足够的厚度，以使内部容积通向大气空气，或者流体流可以穿过内部容积以帮助冷却天线。然而，在替代实施例中，壳体10的壁可以更薄，并且因此不能支撑处理腔室2与壳体10的内部容积之间的显著压差。在该替代实施例中，可能需要抽空壳体10以平衡处理腔室2内的压力和壳体的内部容积内的压力之间的差异。应当理解，需要将真空泵系统安装或附接到壳体10，以将天线9所处的内部容积抽空至一压力，该压力还抑制壳体10的内部容积内的等离子体产生而不是在处理腔室2内产生等离子体。

电磁体11位于天线9和壳体10附近，当由其相关的电源11a供电时，能够产生4.8高斯至500高斯的轴向磁场强度。电磁体11在处理腔室2内提供磁场，以将由等离子体产生系统3产生的等离子体从等离子体产生区域传播到处理腔室2的处理区域并穿过处理腔室2的处理区域。

等离子体产生系统3还包括在处理腔室2内支撑、对准和定位天线9、壳体10和电磁体11的器件，以能够调节等离子体产生和传播。另外，可以将阻抗匹配网络12和信号发生器13供电至特定频率，以更有效地产生等离子体。

目标组件4位于处理腔室2的处理区域内，并且包括将冷却水和电力供给到安装组件18的处理腔室馈通部17，该目标组件4能够被水冷却，并由处理腔室2的外部的电源19施加电压。目标材料20被安装到安装组件18的面向基板组件5的表面上，从而通过众所周知的方式确保良好的电接触和热接触，例如与负载银的环氧树脂结合。另外，为了防止安装组件18的溅射，在该安装组件周围设置了电接地的防护件21，从而仅允许目标材料19直接暴露于等离子体。

基板组件5实质上提供了一种用于定位和保持一个或多个基板22的器件，一个或多个基板在处理腔室2内被涂覆。基板组件5可以是水冷的或包括加热器以控制基板22的温度，能够对其施加电压以辅助控制沉积膜的性能，包括旋转和/或倾斜基板22以改善涂层厚度均匀性的器件，并且本身能够在处理腔室2中移动和/或旋转。提供可移动的挡板组件23，使得在“闭合”位置中，可以进行目标溅射而无需涂覆基板22。可以用固定的一组防护件代替可移动的挡板组件23，该固定的一组防护件限定了涂覆孔，基板组件5在该涂覆孔下平移以便涂覆基板22。对于合适的基板类型和材料，可能不需要基板组件8。

在特定实施例中，目标组件4和基板组件5在处理腔室2内定位并布置在两个平行平面中。这些平面与天线9和壳体10穿过处理腔室2的延伸方向相同。

在目标组件4的替代实施例中，目标材料20和安装组件18被构造为圆形或大体圆形的外部截面，例如六边形，优选地具有用于使目标材料或组件绕安装组件的中心纵向轴线旋转的器件。这可能比上述实施例的平面几何形状更优选，以便例如通过基本上提供增加的要溅射的表面区域来最大化目标材料20的寿命。单个目标材料20还可以由两种或更多种不同的目标材料代替，使得在适当的快速旋转(例如100rpm)下，在基板22上形成材料涂层，该材料涂层是不同的单独材料的复合混合物、合金或化合物。替代地，可以使用旋转来允许将不同的材料依次和/或交替地放置在将要溅射的位置，从而为将不同的薄膜材料依次沉积在基板22上提供基础。两种或更多种不同目标材料的部分和受控旋转定位也可用于在沉积期间改变涂层混合物，以允许实现可变组成的薄膜涂层。另外，目标组件4可以被设计成允许单独的目标材料被单独地电偏置；这在一个或多个目标被射频(RF)功率器件偏置的情况下特别有用，并且希望防止射频功率引起的低强度等离子体的产生和其他可能污染工艺的目标材料的溅射。在替代布置中，目标组件4可以通过脉冲DC&DC偏置被单独地电偏置。

在目标组件4的另一替代实施例中，目标防护件21延伸成覆盖目标材料20和安装组件18的整个长度，并且包括孔，从而仅允许等离子体与目标材料20在那些位置相互作用并在那些位置处溅射目标材料20，从而限制和定义要溅射的目标区域。当与包括如前所述的几种目标材料20的目标和旋转器件组合时，该实施例特别有用，因为它能够减少材料在基板上的交叉污染。

磁体6被放置在目标组件4和基板组件5附近并且在处理腔室2的处理区域内。磁体6被布置为远离等离子体产生系统3，并且可以说被布置为相对于目标组件4和基板组件5与等离子体产生系统3相对。磁体6和电磁体11可以由它们各自的电源7和11a供电，以在它们之间以及在跨过处理腔室2产生大约4.8高斯且高达500高斯的强度的磁场。

处理气体供给系统8包括用于一种或多种处理气体或处理气体混合物的一个或多个气体入口，例如，使用商用质量流量控制器可控制每种气体流量，并且可选地包括在真空腔内的气体混合歧管和/或气体分配系统。在该实施例中，将单个气体入口提供到真空腔，然后通过正常的低压扩散过程或定向管道将处理气体分配到处理腔室2的所有部分。

不影响等离子体处理设备1的使用的改变在所描述的实施例的范围内。例如，磁体6和电磁体11互换、由其他磁性器件(例如，附加的永磁体或电磁体)补充或甚至替换，以便更好地控制和引导等离子体。例如，当要溅射铁磁目标材料且需要附加的场整形以防止等离子体被引导到目标组件从而熄灭时，这可能被需要。作为另一示例，尽管大多数用于等离子体处理的射频功率系统以13.56MHz操作，但这是分配给工业使用的频率，因此不太容易对其他射频用户造成干扰，因此更容易实现替代射频，例如40MHz或13.56MHz的谐波，可以用于以适当的RF防护和抑制来给天线9供电或给目标组件4供电。

在等离子体产生系统3的替代实施例中，壳体10由材料组件构成。壳体10可以包括并排放置以包围多匝天线9的多个管，例如2-3mm厚的石英。壳体10可以被构造成在大气压下容纳天线9，使得可以使用简单的空气流容易地冷却天线，从而允许等离子体产生系统3能够以比其他情况更高的RF功率进行操作。

在使用中，等离子体处理设备1在处理腔室2内产生并传播均匀的等离子体片24，而无需单独的或封闭的等离子体腔室。现在将参考图1描述上述系统的操作的示例。

RF天线9连接到处理腔室2外部的阻抗匹配网络12和13.56MHz RF发生器13，并由阻抗匹配网络和13.56MHz RF发生器供电，DC电源11a电连接到能够产生高达500高斯的轴向磁场强度的电磁体11。

待涂覆的基板22被装载到基板组件5上，并且挡板组件23设置到关闭位置。然后通过泵送系统25将处理腔室2泵送到适合于该处理的真空压力，例如小于1×10

通过从发生器13经由匹配网络12向天线9施加RF功率(例如2kW)，在处理腔室2中产生局部的远程等离子体24。结合如上所述产生的磁场，这些会导致由等离子体产生系统3跨过腔室并在目标组件4下方产生高密度等离子体，如图1和3中的区域24大致所示。通过磁场提供容纳和成形等离子体24的功能。沿处理腔室2中的天线9和壳体10的长度产生局部等离子体24。磁体6和电磁体11跨过腔室提供磁场，该磁场与等离子体24相互作用。磁体6和电磁体11被布置为使得等离子体在相对于天线9的穿过处理腔室2的长度的正交平面中被激发并传播。等离子体24传播的正交平面大体平行于处理腔室2内的目标组件4和基板组件5的两个平行平面延伸。另外，由磁体6和电磁体11提供的磁场限制等离子体在相对于天线9的穿过处理腔室2的长度的其他平面和方向中的激发。换句话说，由磁体6和电磁体11提供的磁场限制等离子体在两个正交方向中的激发，同时在第三正交方向中传播等离子体，而无需等离子体腔室来容纳等离子体。

然后，DC电源19用于向目标组件4施加负极性电压。这导致来自目标组件4附近的等离子体24的离子被吸引到目标材料20，并且如果电压高于目标材料20的溅射阈值(通常超过65伏)，则溅射目标材料20将发生。由于本示例系统的溅射速率与高于此阈值的电压大致成比例，因此通常会施加400伏或更高的电压；对于极高速率的应用，可以使用更高的电压，例如1200伏。

在允许清洁和稳定目标材料20的表面的可选时间延迟(例如5分钟)之后，将挡板组件23设置到打开位置，以将基板22的面向目标组件的表面暴露于被溅射材料，从而用目标材料20的膜涂覆基板表面。在由所需的膜厚度和在基板22的表面上的沉积速率确定的时间之后，将挡板组件23设置到关闭位置，并且停止在基板22上的沉积。

大体如图1所示并如上所述地构造了包含等离子体产生系统3的等离子体产生系统1，省去了溅射目标、基板和挡板组件。尺寸与天线9相同的平面永磁体和电磁体均被安装在处理腔室2内，其位置如下所述改变。天线9由直径为6mm的铜管构成，具有穿过管状壳体10的两个线性区段，两个线性区段被成形为从所示外壳中心轴线偏移，并利用直径为6mm的铜管的另一区段和黄铜连接器在一个端部处连接起来以形成延伸的近似“U”形环。壳体10包括两个相同的石英管，它们的壁厚为3mm，行进穿过处理腔室2并穿过腔2的壁，在一些点处被真空密封，使得壳体10的内部通向大气以用于冷却目的并避免在壳体10内产生等离子体。

等离子体产生系统3沿处理腔室2内的天线9和壳体10的长度产生基于氩气的等离子体。然后，源自细长天线9和壳体10的等离子体在相对于细长天线9和壳体10的长度的一个正交平面中被引导且成形为均匀片24，以便在目标材料20和基板22之间完全通过。因此，等离子体24覆盖整个目标材料表面20，而没有等离子体密度的可见损失或非均匀性。应注意，目标材料20的存在对等离子体24没有有害影响，无论是否对目标材料20施加负偏压。此外，尽管被放置在等离子体24附近，目标组件4基本上没有加热，即使在没有水冷的情况下也如此。观察到，可见等离子体24的轮廓遵循预期的磁场轮廓，并且在再次到磁体6变窄之前在距电磁体11的处理腔室2中点处的两个截面维度中均扩大了约60mm。

因此，根据该实施例或替代方案构建的细长等离子体产生系统3已经产生了大于10

基本上根据上面的实施例来操作溅射沉积系统，除了沉积时间由基板在涂层孔下方平移的时间确定。获得了以下观察和结果。

处理条件设置如下：氩气流量为180sccm，处理腔室中产生的真空压力约为4x10

本发明还可以用于反应性溅射工艺中，该工艺是其中通过气体供给系统8引入反应性气体或蒸气以与溅射的目标材料20或多种材料相互作用从而在基板21上沉积化合物薄膜的工艺。例如，可以利用前述的任何实施例将氧气引入溅射工艺中，以沉积氧化物薄膜，例如通过在氧气存在下通过溅射铝目标来沉积氧化铝或在氧气存在下通过溅射硅目标来沉积二氧化硅。

细长等离子体产生系统3可以独立于任何溅射目标而操作，从而允许实现进一步的应用。因此，上述细长的等离子体产生系统3可以用作具有特殊用途的基板清洁、表面改性或蚀刻工具，其中大尺寸的基板将以高吞吐率进行处理，例如以卷对卷(“网”)涂覆。

细长等离子体产生系统3还可以用作其他涂覆过程的“等离子体辅助”工具，如通常在蒸发涂覆处理工具中使用的那样。

细长等离子体产生系统3还可以基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术而应用于涂覆工艺。

由于具有在很长的长度和宽度上产生均匀的高密度等离子体的固有能力，因此所公开的细长等离子体产生系统3在所有这些处理中特别有用，从而允许其与大尺寸的基板一起使用。