CN101326613B - 用于去除表面层而不损失基片的中等压力等离子体系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于从半导体晶片去除光致抗蚀剂或其他有机化合物的系统和方法。非氟化的反应剂气体(O₂、H₂、H₂O、N₂等)在石英管内通过中等压力的表面波放电激活。当等离子体射流冲击在基片上时，挥发性反应产物(H₂O、CO₂或低分子量的碳氢化合物)选择性地从表面去除光致抗蚀剂。中等压力也实现了在晶片上的反应区内提供了有效的热源的高的气体温度，这提高了蚀刻速度且提供了去除植入离子的光致抗蚀剂的实用的方式。

Description

用于去除表面层而不损失基片的中等压力等离子体系统

与相关申请的交叉参考

本发明根据35U.S.C§119(e)要求了12/06/2004提交的美国临时申请No 60/633,673的优先权。

技术领域

本发明一般地涉及半导体处理，且特别地涉及在集成电路制造中从例如半导体晶片的工件选择性地去除表面层。将理解的是，虽然如下的论述针对半导体制造过程，但本发明可以应用于多种制造过程和设备，因此使得本发明不应限制于半导体制造。

背景技术

光致抗蚀剂掩模限定了集成电路(IC)的每层，从前段制程(FEOL)离子植入用于绝缘、P或N阱掺杂、阈值电压调节和源-漏触点，到后段制程(BEOL)等离子蚀刻或金属电镀和层间电介质蚀刻。当半导体器件内形成了每层后，这些涂层必须有效地且完全地去除。在此方面，抗蚀剂去除可以不同地描述为抗蚀剂灰化、抗蚀剂剥离或抗蚀剂蚀刻。虽然本讨论将进行对“蚀刻”的多种参考，但将理解的是，在本发明的上下文中，术语“蚀刻”通用地用于指灰化、剥离或蚀刻，且在合适时可以指多种其他的意思是表面层去除的过程。目前，利用下游等离子体生成设备是用于去除抗蚀剂的工业标准。在此解决方案中，一般的非反应性气体，例如O₂流过微波或射频放电，其中将其转化为等离子体，等离子体限定为受激分子、原子团、离子和电子的混合物。在等离子体内的带电种类当它们流过下游分配系统时可以再组合。然而，许多原子团可能具有充分长的寿命以达到晶片。对于使用氧作为流动气体的例子，单西格马亚稳态氧分子可能持续存在且最终与晶片表面相互作用(J.T.Jeong等，Plasma Sources Sci.Technol.7，282-285，1998)。高能离子轰击可能导致对半导体器件的部件或对晶片基片自身的有害的损坏。因此，不存在带电粒子可以防止在下游灰化工具中对集成电路(IC)的电损坏。

本说明书提供了以前在半导体制造过程中未使用过的基于表面波导放电技术的新颖的等离子体源。先前的等离子体系统的实施使用了电磁功率源来激活等离子体气体，例如由Moisson等人开发的Surfaguide器件(Moisson等人，IEEE Trans.Plasma Sci.，PS-12，203-214，1984)。然而，此设备的有限的冷却效率有力地限制了作为结果的等离子体的功率密度。先前已通常实施了油冷的等离子体源。然而，以高能量操作等离子体涉及非常高的温度。冷却油在这些条件下分解，从而在波导内的等离子体放电管的壁的外侧上沉积了碳化层。一旦初始化，则基于油的碳层随着微波暴露的增加而迅速地生长；最终，在波导内发生了灾难性的起弧且毁坏了等离子体放电管。因此，油冷系统不适合于高能等离子体放电。已报道了空气冷却的高功率等离子体系统，但它们的运行限制于大气压，即限制在高压状态中，使得作为结果的等离子体将不包含对于选择性地去除例如光致抗蚀剂的有机表面层所需的反应性种类(Y.Okamoto，High-Power Microwave-Induced Helium Plasma At Atmospheric Pressure For DeterminationOf Halogens In Aqueous Solution，Jap.Journ.Appl.Phys.38，L 338，1999)。

典型地，晶片被加热以提高在下游等离子体灰化期间的反应速度。在用于非植入的抗蚀剂层的常规的过程中的施加时间可以在基于O₂的等离子体化学反应中在270℃时低至15秒。一旦抗蚀剂层受到离子植入，例如对于中间IC制造步骤所要求，则使用等离子体的反应机制变得更复杂。植入离子的抗蚀剂的去除比未植入离子的抗蚀剂的去除难得多，因为植入过程产生了与金属离子混合的碳化的壳，它具有极低的固有蚀刻速度，(G K.Vinogradova等人，J.Vac.Sci.Technol.B，17，1，Jan/Feb 1999；S Fujimura等人.Nucl.Instrum.Methods B39，1989，pp.809；KJOrvek等人，Nucl.Instrum.Methods B7/8，1985，P501；T.Bausum等人，″Stripping High-Dose Implanted Resist for300mm Production，″Semiconductor International，06/01/2003；J.R.Wasson等人，″Ion Absorbing Stencil Mask Coatings For IonBeam Lithography，″J.Vac.Sci.Tcchnol.B，15，2214，1997)。处理的生产量进一步由于晶片温度必须保持为低于大约120℃以防止粒子喷出而降低，该粒子喷出可能在壳在主要为NH₃的气体的压力下爆炸而发生，其响应于加热到硬烤温度以上而释出。此现象已知为爆裂，(D.Fleming等人，Manufacturing Improvements Realized throughan Optimized pre-Implant UV/Bake Process，Future FabInternational，4，1，1977，p 177)。与石墨或光致抗蚀剂不同，植入离子的抗蚀剂膜基本上是惰性的；它们不吸附大气中的氧气、氮气或水蒸气。用于使植入离子的抗蚀剂膜与原子氧起反应的激活能已报道为2.4eV，而作为对比未植入的抗蚀剂则为0.17eV，(A.Joshi等人，J.Vac.Sci.Technol.A，8，3，May/June 1990，pp.2137)。此附加的活化能解释了为何植入离子的抗蚀剂膜基本上在常规的下游等离子体内不可蚀刻。此外，射频偏置和氟化学反应已用于提高用于植入离子的膜的蚀刻速度，(KJ Orvek and C Huffman，Nucl.Instrum.Methods B7/8(1985)P501；JI.McOmber等人，Nucl.Instrum.MethodsB74(1993)pp.266-270；K.Reinhardt等人，IBM TechnicalSymposium，France October 1999)。然而，这些更具侵入性的去除方法总是导致对未保护表面的一定程度的腐蚀。在晶片表面上的这样的损失日益在经济上变得不可接受，因为随着每个新一代的IC，栅氧化物和触点的厚度持续缩小。

因此，存在对于新的蚀刻范例的重大需求，其可以去除植入离子的光致抗蚀剂层而在二氧化硅、硅或其他薄的电介质膜上方带有基本上很好的选择性，且与氟化学反应完全无关。也存在对于新的技术的需求，其提供了商业上可行的去除速度而同时维持了可以施加在涂敷有无机或有机材料的材料上(包括植入的或未植入的表面层)的低的基片温度。

发明内容

本发明通过提供用于从半导体晶片去除表面层的新的解决方案来解决前述需求。本发明提供了一种方法，其中通过中等压力表面波放电来激活反应剂气体。方法进一步涉及在等离子体气体中形成挥发性反应剂，该挥发性反应剂可从晶片表面剥离光致抗蚀剂。等离子体气体形成了冲击在基片上的反应性等离子体射流，从基片上可选择性地且因此安全地以高效率蚀刻表面层。该方法以在商业上可行的方式实行，以用于通过扫描射流前方的大晶片来剥离其上所施加的材料。

特别地，本发明的特征一般地是一种用于在制造过程中选择性地从工件去除表面层的设备，其中设备包括处理室；等离子体施加器；和冷却系统。处理室限定了亚大气环境以用于接收待处理的工件，使得可去除表面层。该等离子体施加器产生等离子体，且包含反应剂处理气体的加压供应源，与反应剂处理气体的加压供应源流体连通的等离子体放电管、用于导引电磁功率到等离子体放电管以在其内生成等离子体的电磁功率源、和位于等离子体放电管端部处以用于在向该工件的方向将该等离子体气体喷射到处理室内的喷嘴开口。最后，冷却系统包括大体上围绕等离子体放电管以用于通过其循环气态冷却剂的管道，因此绕等离子体放电管形成了冷却通道。

本发明的实施例作为用于在半导体晶片上进行中等压力(在大约10托和大约500托之间)等离子体材料去除的设备而提供。该设备提供了系统，其中例如O₂、H₂、H₂O、N₂等反应剂气体可流过由石英、蓝宝石或其它电磁不敏感材料形成的窄放电管，且其中可应用通过例如微波或射频功率源的电磁功率源所产生的表面波激活。另外，提供了使用气态冷却剂的用于放电管的冷却系统，冷却系统进一步包括放电管上的可接附到冷却通道上的整体式冷却凸缘。该设备可进一步包括排放喷嘴，来自管的气体通过该排放喷嘴且冲击在基片上，使得所导致的例如H₂O、CO₂或低分子量碳氢化合物的挥发性反应产物可选择性地从基片晶片表面上剥离材料层。该设备可进一步包括用于支承晶片卡盘的定位系统，该晶片卡盘提供了晶片的加热和定位，且提供了使用等离子体源的晶片高速扫描。

使用表面波放电的独特的优点是能导引从施加激励功率的点到使用其的晶片处的放电。同时，提供表面波放电的方法可在大的压力范围上实行而不显著地改变电磁功率系统。

本发明的理想的运行压力范围处于中等压力状态内(大于约10托，但小于大约500托)。中等压力等离子体具有非常高的电子-离子再组合率的优点，且能量粒子热化可消除低压等离子体内存在的高能带电种类。消除了这些高能种类则消除了潜在地损伤基片的电流和溅射侵蚀的可能性。进一步地，处于中等压力状态中的等离子体气体温度与低压等离子体相比极高。更高的等离子体气体温度在晶片上的反应区内提供了额外的热源，特别是在最要求热源之处。此聚集的热能对有机材料的反应性去除有正面贡献，其中材料去除的反应速度得以增加，因此增加了处理速度(以及商业上的可行性)。相对地，可能不希望对于该等离子体射流系统使用低的压力(小于约10托)，因为压力降低则等离子体射流的几何形状可能外展，因此使得“点尺寸”更不可控。高压(大于约500托)的使用可能不是有利的，因为表面去除所需的反应性种类在到达晶片前再组合，因此降低了用于高度选择性去除的等离子体有效性。然而，本发明在宽广的压力范围内的运行可实现大气中的晶片互换，而等离子体源仍运行。因为点燃等离子体一般需要低压力(接近1托)，所以如果可在晶片互换期间将功率源维持在大约760托(大气压力)，则可避免使该处理压力发生循环。这可避免另外必须真空抽气来降低用于等离子体点燃的压力，且然后重新加压到用于处理每个半导体晶片的中等压力，因此在工业设定中进一步节省可贵的处理时间。

以上描述已相当广泛地概述了本发明的特征及技术优点，以更好地理解后文中的本发明的详细说明。本发明的另外的特征和优点将在下文中描述，这形成了本发明的权利要求的主题。

附图说明

为更完全地理解本发明及其优点，现在结合附图参考如下的描述，各图为：

图1图示了根据本发明的实施例的等离子体去除系统的截面图；

图2是根据本发明的实施例的运行等离子体去除系统的照片；

图3至图7图示了在本发明的实施例中收集的经验数据；

图8示意性地图示了在本发明的实施例中的扫描图案；

图9示意性地图示了在本发明的实施例中的热流；

图10至图17是使用本发明的实施例处理的样本的显微照片；和

图18至图19图示了在本发明的实施例的流程图形式中的方法步骤。

具体实施方式

在如下的说明中，阐明了例如特定处理值或参数等许多特定细节，以提供对本发明的彻底的理解。然而，对于本领域一般技术人员显见的是，可在没有这样的特定细节下实行本发明。在其它情形中，熟知的部件以方块图形式示出，以免不必要细节使本发明含糊不清。对于大部分而言，涉及特定的半导体产品应用等的细节被省略，因为这样的细节对于相关领域一般技术人员获得对本发明的彻底理解是不需要的，且在相关领域一般技术人员的技术范围内。

现在参考附图，其中所描绘的元件不必需地按比例示出，且其中在几附图中的相同或类似元件以相同参考数字标示。

图1图示了等离子体施加器101、处理室102和高速晶片扫描台103的示意性表示。等离子体施加器101可被安装在包括处理室102的半导体处理工具的室壁104上，其中室限定了用于处理其中希望去除表面层的晶片或任何其他工件的亚大气环境。电磁功率源将功率105通过波导111的高度降低的部分内的薄壁联接缝隙110送给到等离子体放电管106。在一个实施例中，将2.45GHz的微波功率施加到6mm直径的石英等离子体放电管。虽然沿等离子体放电管106和等离子体108之间的界面在两个方向上发出表面波，处理气体114的定向流动112有效地抑制了在波导111的上游侧上的放电。相同的流动112与下游表面波结合产生了等离子体射流108，该射流108来自基部凸缘118内的喷嘴开口119，基部凸缘118接附到等离子体放电管106。在此上下文中，等离子体射流指来自等离子体施加器101的加压等离子体气体流。在一个例子中，等离子体射流导致激活的处理气体冲击在2mm距离处的半导体晶片上。在另一个例子中，晶片距离等离子体射流的距离大至大约20mm。

高速晶片扫描台包括带有夹紧了晶片的晶片保持器的卡盘130。晶片保持器可以通过真空力、室压力或静电而运行。晶片保持器可以以导热或绝热的材料接触晶片，这取决于晶片希望的接触热导的程度。在一个例子中，在晶片和晶片保持器之间引入绝热材料层，以降低接触热导，因此通过阻止热消散而升高晶片的温度。相反地，在一个例子中，在晶片和晶片保持器之间引入导热的材料层，以增加接触热导，因此通过促进热消散而降低晶片温度。进一步地，卡盘130可以通过联接件133连接到功率源以加热晶片，或通过联接件132连接到主动冷却供给源(例如水)，以用于冷却晶片。卡盘也可以通过联接件135装配有热电偶传感器或其他温度传感器，以用于监测卡盘的温度。

卡盘和晶片保持器可以安装在机械定位系统上以用于扫描晶片。在此点上，扫描晶片指动态地定位晶片，同时通过等离子体射流冲击晶片，以将晶片的区域暴露于等离子体处理。通过扫描的暴露可以在晶片上的整个区域上是均匀的，或可以涉及选择性地处理晶片的部分以受到等离子体的不同的暴露水平。在图1中，在示例性实施例中图示了双轴正交定位系统，包括X轴线性驱动器136和Y轴线性驱动器134。用于机械定位的其他构造，例如安装了具有安装在径向线性驱动器上的旋转轴的极坐标设备，也可以在本发明中实行。在一个例子中，机械定位系统包括两个正交的马达驱动的平移台，它们具有超过2.5倍重力加速度的加速度，且具有大于100cm/s的扫描速度。在一个实施例中，本发明可以在计算机控制下执行扫描图案，使得晶片的每点在射流的覆盖区内通过，所述的覆盖区的直径等于大约蚀刻轨道的侧向等离子体射流轮廓的半最大全宽。在一个特定的例子中，本发明可以在计算机控制下执行扫描图案，从而在晶片的边缘上提供了较低的扫描速度以增加晶片温度且补偿由于边缘效应而降低的蚀刻速度。

本发明利用了使用气态冷却剂的冷却系统。在与等离子体气体114相对的方向113上流动的高速气体用于冷却等离子体放电管，由此使得等离子体施加器101可以以高得多的功率耗散运行。在一个例子中，由同心外管116限制的干空气或氮气冷却剂气体冷却了等离子体放电管106。如在图1中示出，等离子体放电管106合并了整体的基部凸缘118以便于安装到施加器主体。基部凸缘118的重要的功能是使O型圈密封件140从直接靠近等离子体放电管106移开，该等离子体放电管106可能是极热的。O型圈密封件140具有相对地低的熔点，且可能容易受到过度的热负荷的破坏。与等离子体放电管106的下游侧直接接触的O型圈将不可避免地熔化。本发明的冷却系统的构造和设计提供了跨过基部凸缘118的足够大的温度梯度，使得来自基部凸缘118的中心喷嘴119的热的等离子体不导致基部凸缘118的边沿上的O型圈密封件140的退化。在一个示例的实施例中，铝的间隔器142将放电管凸缘118与外冷却管道116上的相应的冷却凸缘117分开。在图1中描绘的本发明的实施例依赖于冷却系统的同心圆形的共轴截面几何形状。由冷却管道围绕的等离子体放电管的其他截面几何形状可以在本发明的范围内实行，例如矩形、正方形、卵形或偏心布置。多种利用液体或气态冷却剂的冷却系统也可以在本发明的实施例中实施，它们提供了相同的冷却性能以实现在本发明中实行的功率方案。

本发明可以进一步包括合并在内管凸缘下方的捕集器120以消除电磁功率到处理室内的泄漏。在一个例子中，使用了基于1/4λ变换器的微波捕集器。气态冷却剂可以径向向内地向着等离子体放电管106流动通过捕集器120的下表面内的通道，且进入等离子体放电管和外部冷却管道116之间的狭窄空间。冷却剂气体当进入此区域时其速度大体上增加，因为流动截面被降低。结果是对等离子体放电管106的显著提高的冷却，特别是在波导110内的极热的区内。在一个示例性实施例中，在等离子体放电管和冷却管道之间的1mm宽的间隙导致冷却剂气体速度接近马赫数1，因此可以连续地维持接近2.5kW的高微波功率水平。与油基冷却系统不同，本发明的空气冷却不在放电管上遗留沉积物，且即使在等离子体射流以高功率水平的延长的、连续的运行后也不导致对等离子体放电管的损坏。

图2是本发明的实施例中的运行等离子体去除系统的照片。可见的等离子体射流的长度大约为20cm，且是发光的。在图2中示出的此示例性实施例中使用的处理气体是比例为大约9∶1的反应性O₂∶N₂的混合物，其中以大约2slpm的流量供给大约80托的压力。电磁放电功率大约为1kW。

等离子体射流的热功率提供了局部加热晶片的能力，因此通过增加反应速度而增加了蚀刻速度，同时输送反应种类以供给有机表面层的蚀刻反应。从冲击等离子体射流输送到基片的总热功率P通过测量放置在射流下方的绝热的铝块的温度T对于时间t的升高速度dT/dt通过下式确定：

P＝CρV(dT/dt)

其中热容为C＝0.9J/Kg，密度为ρ＝2.7g/cm³，且体积为V＝104.04cm³。测量结果在图3的数据图中图示，该图示出了对于绝热铝块的温度与时间的关系。在此例子中，通过以80托的压力和3slpm的流量供给的O₂∶N₂＝9∶1的反应气体将块加热，施加1.8kW的微波功率以造成在距铝块3cm的距离处冲击的等离子体射流，铝块的初始温度为25℃。图3的曲线图示出了温度和时间之间的线性关系，其中dT/dt是线的斜率。在此例子中，总热功率为P＝312W。此测量可以在不同的微波功率、气体成分和基片距离下重复，以验证本发明的提高的热性能。

图4图示了在另外地与图3中示出的例子的相同的处理条件下的等离子体射流功率相对于施加的微波功率的测量的数据图。如在图4中示出，等离子体射流功率线性地取决于微波功率。在此例子中，当从喷嘴开口119处测量目标(半导体晶片)分别与等离子体源分开0.9cm和2.9cm时，转换效率大约为19％和21％，如通过测量数据点的线性差值的斜率测量到。

图5图示了在另外地与图3中示出的例子的相同的处理条件下的等离子体射流功率相对于距等离子体源的距离的测量数据图。如在图5中示出，当距源的距离从大约1cm增加到大约5cm时，射流功率降低。这可能是通过与处理室102内的环境温度气体的混合导致的等离子体射流的冷却的结果。

图6图示了在另外地与图3中示出的例子的相同的处理条件下在距等离子体源2.9cm的目标距离处的等离子体射流功率相对于O₂浓度的测量数据图。图6示出了随大约20％至大约90％的O₂浓度的相对地恒定的等离子体射流功率。此结果示出了等离子体射流功率基本上与O₂/N₂气体组成无关。

图7图示了接触热导相对于晶片和卡盘之间的空间的测量的数据图。在通过等离子体射流扫描期间在动态条件下控制晶片温度的能力可以决定灰化处理的成功。控制晶片温度由晶片和卡盘之间的接触热导(K)约束。对于晶片和卡盘之间的多种间隙通过确定安装在恒温卡盘上的铝块的稳态温度来测量K值。块和卡盘之间的间隔以薄的云母间隔器维持。K值通过如下公式给出：

K＝A(T-T₀)/P

其中，A是块和卡盘之间的接触面积，T₀是卡盘温度，且P是功率。当卡盘和块处于紧密接触时，得到的热导的测量值为K＝55mW/cm²K，这与其他报告的值很好地符合。如在图8中示出，热导随着晶片和卡盘之间的间隙的增加而显著降低。用于在卡盘和晶片之间的热传递的时间常数τ由下式给出：

τ＝C/K

其中C是晶片的每单位面积热容。对于300mm的硅晶片，在与卡盘紧密接触时时间常数大约为2秒，对于0.01″的间隙，增加为大约10秒。接触热导且因此时间常数的强变化要求非常精确的间隙控制，这意味着需要将晶片在卡盘上静电夹紧或真空夹紧。因此，可在中等压力状态中运行的本发明相对于常规的低压系统的另一个益处是能允许使用晶片在卡盘上的真空夹紧而非要求静电夹紧。

为完全地移除抗蚀剂，晶片可以以蜿蜒的光栅图案1014扫描，如在图8中示出。在图8中，沿x轴1010的线扫描104在短的平移(即沿y轴1012的轨迹间隔)之间在每个方向上相对于半导体晶片1016交替。对于这样的图案，轨迹间隔可以小于射流的直径，以提供跨过晶片的均匀的蚀刻轮廓。在本发明的一个示例性实施例中，轨迹间隔设定为0.7cm。对于0.7cm的轨迹间隔，在轨迹中心和轨迹之间的中点之间的蚀刻深度的变化小于最初抗蚀剂厚度的2％。

在本发明的实施例中使用扫描等离子体射流1521的光致抗蚀剂去除中涉及的热处理在图9中图示。等离子体射流1521在涂敷有有机抗蚀剂的表面层1531的半导体晶片基片1530上方扫描。当以高速度在x方向1511上扫描晶片时，来自等离子体源1520的在晶片1530的方向1523上在中等压力下带有高能量的等离子体射流1521造成了加热的轨迹1522，该轨迹1522在侧向上由通过晶片的热传导冷却，且在垂向上通过到例如卡盘的晶片保持器的接触热导冷却。相关的热流，即F_lateral1524和F_vertical1526分别对应于侧向热流和垂向传导。

可以加热卡盘以增加晶片上的抗蚀剂蚀刻速率。卡盘也可以耗散由等离子体射流施加的过多的热。射流的热迅速地通过晶片扩散，甚至对于最高的扫描速度，对应于射流的驻留时间的扩散长度也大于晶片的厚度。在本发明的一个例子中，在大约0.2至0.4秒的轨迹扫描时间期间，侧向扩散长度仅为0.5cm，增加了被加热区的宽度大约50％。因此，就第一近似而言，高速扫描可被理解为在热力学上等效于在垂直于该高速扫描方向的y方向1510上移动过晶片的线加热器。在一个例子中，垂直热流对于硅基片是带有2至10秒的时间常数的慢过程，且在扫描单一的轨迹所要求的时间期间可忽略。然而，可以存在其中当已扫描数个轨迹后垂直热流变成重要的热因素的情形。

射流功率、扫描速度和垂直热流之间的平衡可确定特定的灰化处理的效力。为了最大化生产量，本发明的实施例使用高水平电磁功率运行，以激活该等离子体射流，这直接转换为较高的蚀刻速度。增加的功率也最大化了等离子体中的反应性气体的生成，且提供了用于激活抗蚀剂与蚀刻气体之间的灰化反应的热。

在植入离子的抗蚀剂的情况中，初始卡盘温度可被设定为刚好低于抗蚀剂的硬烤温度。在一个例子中，初始卡盘温度被设定为大约低于抗蚀剂的硬烤温度10℃，该硬烤温度可大约为125℃。抗蚀剂在此温度下是稳定且不会发生爆裂现象。晶片及卡盘之间的接触热导可被最大化，例如，对于给定的输入功率密度，可利用氦气背侧冷却方式来最小化晶片温度。最后，可增加扫描速度，以此将该晶片内的有效功率密度降低至可无限制地扫描该晶片而无爆裂现象的点。所需的速度可显著地大于1米/秒。随着扫描进行，晶片温度逐步上升且该扫描等离子体射流在已植入的光致抗蚀剂壳中造成微小的洞，使得由基底抗蚀剂释放出来的气体可渗透壳。一旦实现渗透性，则可通过降低扫描速度或降低晶片保持器与卡盘之间的接触热导而允许该温度升高，因此降低了通过晶片保持器耗散的热量。用于渗透光致抗蚀剂壳的预先扫描处理的结果可在次级扫描操作期间快速地从晶片表面去除抗蚀剂。

蚀刻未植入的抗蚀剂涉及较少的热约束；初始卡盘温度可以较高，在一个例子中约为200-350℃，且接触热导和扫描速度可设定得低得多，这都导致较高的晶片温度，且因此导致较高的蚀刻速度。在未植入的抗蚀剂的情况中，接触热导可能显著地降低。在一个例子中，晶片可以升离卡盘大约几万分之一英寸。

由于前述情况，高剂量的植入离子的光致抗蚀剂的灰化可作为两步过程，其中先利用低温预处理过程使得壳可渗透，然后利用高温抗蚀剂去除过程。该预处理过程可使用低于该抗蚀剂烘烤温度的卡盘温度来进行，在一个情形中，该温度为120℃。要求此相对低的温度以防止在碳化壳未被去除/穿刺的情况中，当因热分解该抗蚀剂而释出的气体导致的壳爆裂时喷出微粒，也已知为爆裂的过程。一旦光致抗蚀剂壳通过本发明的预处理扫描而使得对气体可渗透，则晶片温度可安全地升高以提高抗蚀剂的去除速度。测量确立且验证了预处理情况和在重度植入(P，40keV，5×10¹⁵/cm²)的I线光致抗蚀剂的扫描等离子体射流灰化中从硅晶片的抗蚀剂去除。

图10至图17是通过本发明的实施例处理的具有光致抗蚀剂表面层的样本半导体晶片的显微照片。图10示出了由15cm/s的1kW等离子体射流的热形成的细小的充气泡网络。在图11中，在基片被剖开时破裂的泡显示释出的气体的压力将壳从位于下方的未植入的抗蚀剂基底脱层。在此例子中，泡高度是原抗蚀剂厚度的3至4倍。起泡效应涉及但有别于爆裂现象，以此壳的大片从表面被吹离。然而，在一些情形中，起泡是可接受的，以此不生成微粒碎屑。一旦泡形成，则从壳至基片的热传导显著降低，而其温度可升高超过基片温度数百摄氏度。因脱层导致的局部高温加速了对壳的蚀刻，如图12所示出。当这些开口出现在壳1901内时，基底抗蚀剂暴露于射流且侧向蚀刻1902在壳下发生，如图13所示出。图14示出了较后期的蚀刻阶段，其中壳2011的大部分已去除且泡2010已合并。

为了最大化使用本发明实施例进行材料去除的生产速度，等离子体射流可以以能施加的最大可能的电磁功率来运行。为防止预处理过程期间的爆裂，则可能必需快速扫描射流，快到足以防止过度的温度上升。在一个典型的情形中，可能需要多重预处理扫描以实现足够的渗透性，以在抗蚀剂去除步骤期间防止爆裂。在本发明一个示例性实施例中，抗蚀剂可在以50至100cm/s量级的速度的单一的扫描中完全去除，而不改变基片的温度。可使用过程参数的其它设定，以在不同但相关的本发明实施例中获得类似结果。

除泡形成外，其它过程可导致植入离子的光致抗蚀剂中的壳渗透性。例如，图15示出了可在预处理过程早期阶段期间形成的网状抗蚀剂表面。如图16中所示，此表面在预处理步骤的后期阶段中变成可渗透的。

在用于实行本发明的图示的示例性实施例中开发了最优的过程，以多重预处理扫描(微波功率＝2.15kW，基片温度＝100℃，扫描速度＝105cm/s，O₂∶N₂＝9∶1，流量＝3slpm，压力＝80T)用于植入的I线光致抗蚀剂(1.2微米I线基底抗蚀剂，以120℃硬烤，然后在40keV的能量下且以5×10¹⁵/cm²的重度植入密度植入磷)。此预处理接下来以2.5kW和40cm/s(而其它条件保持与预处理的条件相同)进行随后的抗蚀剂去除扫描。所有的壳和基底抗蚀剂从晶片被去除，且如图17中清晰地示出，在扫描电子显微镜下观察时无残留物。

图18以流程图形式示出了用于实行本发明的方法2401。方法可始于将晶片引入装配有如图1所示的等离子体施加器设备的处理室内的步骤2402。如果等离子体先前已在低温下被点燃，则可执行步骤2402，而同时等离子体在环境压力下被激活。在步骤2404中，晶片和晶片保持器之间的夹紧界面可调整以用于希望的热传导率，用于高或低的热导。在步骤2406中，半导体晶片可使用大气或真空力或以静电方式而夹在卡盘内。在步骤2408中，可初始化如前所述用于冷却等离子体放电管的冷却系统的运行。然后，反应剂处理气体的激活可在步骤2410中初始。在激活等离子体后，在步骤2412中晶片表面可由冲击等离子体射流进行处理。在步骤2414中，可由等离子体射流束扫描晶片。注意到方法2401图示了本发明的一个实施例，且可等同地利用所示出的处理步骤的多种结合、省略某些步骤或与所给出的不同的次序来实现，这取决于处理和装备的要求。例如，在方法2401的一个实施例中，执行了植入离子的抗蚀剂的预处理，以使抗蚀剂壳对气体可渗透。在方法2401的另一个实施例中，未植入的或预处理后的植入离子的抗蚀剂仅处理为选择性灰化及去除光致抗蚀剂层。

图19示出了用于实现图18所示的方法步骤2410的一个典型方法2501。首先，如前述的电磁功率源可在步骤2502中被激活。在步骤2504中，该电磁辐射通过波导被传送到等离子体放电管。在步骤2506中，电磁功率被包含在捕集器内以用于保护晶片不受非受控辐射的损害。

虽然本发明及其优点已详述，但应了解的是可在此产生多种改变、替代和变化，而不偏离由附带的权利要求书所限定的本发明精神和范围。

Claims (30)

1.一种用于在制造过程中选择性地从工件去除表面层的设备，包括：

用于限定大气至亚大气环境且其内接收工件的处理室；

用于生成等离子体的等离子体施加器，等离子体施加器包括：

反应剂处理气体加压供应源；

与所述的反应剂处理气体加压供应源流体连通的等离子体放电管；

用于将电磁功率引导向所述的等离子体放电管以在其内生成等离子体的电磁功率源；和

位于所述的等离子体放电管端部处以用于在向该工件的方向将该等离子体气体喷射到所述的处理室内的喷嘴开口；和

包括管道的冷却系统，该管道围绕所述的等离子体放电管以用于通过该等离子体放电管循环气态冷却剂，因此该管道绕所述的等离子体放电管形成了冷却通道，

机械定位系统，所述的机械定位系统包括用于将工件接收和维持在其上的卡盘，以便该卡盘相对于所述的喷嘴扫描所述工件，使得所述的工件的表面层暴露于所述的等离子体，

其中所述的机械定位系统包括多个用于扫描所述的工件表面的机电式平移台，所述的平移台可运行使得所述的卡盘可以以大于2.5倍重力加速度的加速度而加速，且以大于100cm/s的线性速度定位。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于将电磁功率传送到所述的等离子体放电管的波导。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括用于将电磁功率包含在所述的等离子体施加器内的微波捕集器。

4.根据权利要求1所述的设备，其中反应剂处理气体包括O₂、H₂、H₂O、N₂或它们的组合。

5.根据权利要求1所述的设备，其中反应剂处理气体包括O₂、H₂、H₂O、N₂或它们的组合，且其中所述的反应剂处理气体不包括氟。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述的等离子体放电管由石英或其他电磁不敏感的陶瓷材料制成。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述的冷却系统具有为所述的电磁功率源在至少2.5kW的功率消耗或至少1.5kW/cm³的功率密度下的运行提供的热力学性能。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述的电磁功率源以100kHz至2.45GHz之间的频率运行。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述的喷嘴和工件之间的距离大于2mm且小于20mm。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述的多个机电式平移台布置为根据笛卡尔坐标或极坐标来定位。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述的卡盘进一步包括在其表面上的热学材料层，所述的热学材料层具有绝热或导热的特征，以修改所述的卡盘和工件之间的接触热导。

12.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

用于去除工件和将工件引入到所述的卡盘上的装置，其中所述的处理室内的压力相对于环境压力处于升高的状态，而所述的等离子体施加器维持运行，因此消除了对于为所述的处理室内的每个待处理的工件熄灭和再点燃等离子体的需要。

13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

用于通过由处理氛围或真空施加的力或通过静电力而将工件夹紧在所述的卡盘上的装置。

14.一种用于在半导体制造过程中从晶片选择性地去除表面层的方法，包括如下步骤：

将晶片引入到限定了大气到亚大气处理环境的处理室内；

将流过等离子体放电管的反应剂处理气体暴露于由电磁功率源提供的表面波放电，以生成流过所述的等离子体放电管的激活的反应剂气体；

将激活的反应剂气体喷射到所述的室内和晶片的表面上，以此选择性地去除了晶片的表面层而大体上不损失基片材料；

通过晶片相对于喷射的反应剂气体以第一速度的相对运动来扫描晶片，由此使得植入的光致抗蚀剂壳对气体可渗透。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过绕所述的等离子体放电管形成冷却通道且使气态冷却剂循环通过所述的冷却通道来对所述的等离子体放电管进行冷却的步骤。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述的反应剂处理气体包括O₂、H₂、H₂O、N₂或它们的组合。

17.根据权利要求14所述的方法，其中表面层包括未植入的光致抗蚀剂或其他有机或无机材料。

18.根据权利要求14所述的方法，其中表面层包括植入离子的光致抗蚀剂材料或其他有机或无机材料。

19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括如下步骤：

通过晶片相对于喷射的反应剂气体以第二速度的相对运动来扫描晶片，以此从晶片去除光致抗蚀剂和/或光致抗蚀剂壳。

20.根据权利要求14所述的方法，进一步包括如下步骤：

将反应剂气体暴露于第一功率水平下的表面波放电，以此使植入的光致抗蚀剂壳对于气体可渗透。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括如下步骤：

将反应剂气体暴露于第二功率水平下的表面波放电，以此从晶片去除光致抗蚀剂和/或光致抗蚀剂壳。

22.根据权利要求14所述的方法，进一步包括如下步骤：

通过晶片相对于处于第一温度的喷射的反应剂气体的相对运动扫描晶片，以此使植入的光致抗蚀剂壳对于气体可渗透。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括如下步骤：

通过晶片相对于处于第二温度的喷射的反应剂气体的相对运动扫描晶片，以此从晶片去除光致抗蚀剂和/或光致抗蚀剂壳。

24.根据权利要求14所述的方法，其中所述的激活步骤进一步包括：

激励电磁功率源以用于在所述的等离子体放电管上生成表面波；

将电磁功率通过接合到所述的等离子体放电管的波导传送到所述的等离子体放电管；和

使用所述的等离子体施加器内的捕集器包含电磁辐射。

25.根据权利要求14所述的方法，其中所述的电磁功率源以100kHz至2.45GHz之间的频率运行。

26.根据权利要求14所述的方法，进一步包括如下步骤：

将晶片放置在卡盘上；和

通过安装到所述的卡盘的机械定位系统相对于喷射的反应剂气体扫描卡盘，以此将其上放置了晶片的卡盘定位为使得晶片的表面层暴露于喷射的反应剂气体。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述的机械定位系统的运行使得所述的卡盘可以以大于2.5倍重力加速度的加速度加速，且以大于100cm/s的线性速度定位。

28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括如下步骤：通过位于晶片和安装在所述卡盘上的晶片保持器之间的一层绝热或者导热材料来改变晶片的温度，由此修改所述晶片保持器和晶片之间的热接触热导。

29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括：当所述处理室内的压力处于环境压力下时，去除晶片和引入晶片到所述卡盘上，由此消除了对于在所述处理室中处理的每个晶片点燃激活的反应气体的需要。

30.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：通过由处理氛围或真空提供的力或通过静电力而将半导体晶片夹紧在所述的卡盘上。

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