[发明专利]用于在等离子体工艺中顺序交替以优化衬底的方法和装置

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及衬底制造技术，具体地，涉及用于在等离子体工艺之间顺序交替以优化衬底的方法和装置。

背景技术

在诸如使用在平板显示器制造中的衬底(例如，半导体片或玻璃板)的处理中，经常使用等离子体。例如，作为衬底处理的一部分，将衬底分成多个管芯(die)或矩形区域，每个管芯或矩形区域都将成为集成电路。接着，通过一系列步骤处理衬底，其中，选择性地去除(蚀刻)和沉积材料。

通常，为了主要可接受诸如蚀刻速率、均匀性、选择性、蚀刻轮廓等的等离子体工艺特性，经常会调节工艺变量。蚀刻速率是在蚀刻工艺中材料被多快去除的测量值。这是工艺的重要特性，因为它直接影响蚀刻工艺的生产量。可以通过测量蚀刻工艺之前和之后的膜厚并将厚度差除以蚀刻时间来计算蚀刻速率。

均匀性是衬底表面上的蚀刻速率一致性的程度。其一般通过在蚀刻工艺之前或之后某些点的厚度并计算这些点处的蚀刻速率来测量。选择性是不同材料(尤其是与不应去除的材料相比而必须蚀刻的材料)之间的蚀刻速率之比。轮廓是蚀刻的垂直程度。通常，特征壁的表面均匀性越大，轮廓就越好。

在这组工艺变量中，可以调节的工艺变量是工艺时间、RF功率、室压、气体成分、气流、衬底偏压、RF频率等。然而，虽然理论上优化每个等离子体工艺特性的每个变量都是有益的，但实际上通常难以实现。一般，仅能够在窄参数窗内维持最佳的工艺条件，因此，从可制造性的观点来看是不实际的。通过调节一个变量来改进一个特性，可能会劣化另一个特性。

通常，存在三种类型的用于蚀刻衬底上各层的蚀刻工艺：纯化学蚀刻、纯物理蚀刻、和反应离子蚀刻。

纯化学蚀刻通常不包括物理轰击，而是中性分子(中性物)与衬底上的材料(例如，Al等)的化学反应。随后，取决于工艺，化学反应速率可以非常快或非常慢。例如，基于氟的分子易于与衬底上的介电材料进行化学反应，其中，基于氧的分子易于与衬底上的有机材料(例如，光刻胶)进行化学反应。

通常称作溅射的纯离子蚀刻被用于从衬底移除材料(例如，氧化物等)。通常，诸如氩的惰性气体在等离子体中被电离，然后朝向带负电的衬底加速。纯离子蚀刻是各向异性(即，主要沿一个方向)且非选择性的。即，由于大多数材料的溅射速率类似，所以对特定材料的选择性非常差。另外，纯离子蚀刻的蚀刻速率一般很低，这通常取决于离子轰击的通量和能量。

还被称作离子增强蚀刻的反应离子蚀刻(RIE)结合了化学和离子工艺，以从衬底上去除材料(例如，光刻胶、BARC、TiN、氧化物等)。一般地，等离子体中的离子通过撞击衬底表面来增强化学工艺，然后使表面上原子的化学键断裂，以使它们更易于与化学工艺的分子发生反应。由于离子蚀刻主要是垂直的，而化学蚀刻既是垂直的又是水平的，所以垂直方向的蚀刻速率将比水平方向的蚀刻速率快很多。另外，RIE倾向于具有各向异性的轮廓。

然而，纯化学蚀刻和RIE蚀刻都遇到的一个问题为不均匀的蚀刻速率。蚀刻速率通常是在蚀刻工艺中材料被多快去除的测量值。通常，通过测量蚀刻工艺之前和之后的厚度并将厚度差除以蚀刻时间来计算蚀刻速率。

一般地，在局部蚀刻速率可由表面处的化学反应或由传送到衬底表面的有限蚀刻剂主导的情况下，衬底边缘处的蚀刻速率一般较高。即，由于对于给定量的蚀刻剂，很少的衬底表面区域可用于给定量的蚀刻剂的蚀刻，所以易于导致更大的蚀刻速率。

现在参照图1，示出了等离子体处理系统部件的简化图。通常，一组适当的气体从气体分配系统122通过入口109流进室102。这些等离子体处理气体可随后在喷射器108处被电离以形成等离子体110，从而处理(例如，蚀刻或沉积)用边缘环(edge ring)115定位在静电卡盘116上的衬底114(例如，半导体衬底或玻璃板)的暴露区域。此外，衬里117在等离子体和等离子体处理室之间提供了阻热层，也有助于在衬底114上优化等离子体110。

感应线圈131通过介电窗104与等离子体分隔，并且通常在等离子体处理气体中感应出随时间变化的电流，以产生等离子体110。该窗既保护感应线圈免受等离子体110的影响，又可以使生成的RF场透入等离子体处理室。匹配网络132除了在导线130a和130b处与感应线圈131连接以外，还可以与RF发生器138连接。匹配网络132试图将通常运行于13.56MHz及50ohms的RF发生器138的阻抗与等离子体110的阻抗相匹配。