TW201903179A - 電漿反應器中類鑽石碳的沉積或處理及電漿反應器 - Google Patents

Abstract

一種在腔室中的工件上施行類鑽石碳沉積的方法，包括以下步驟：將工件支撐在腔室中，其中該工件面向自腔室的頂板懸吊的上電極，將烴氣引入腔室中，及將第一頻率的第一RF功率施加於上電極，其在腔室中產生電漿且在該工件上產生類鑽石碳的沉積。施加RF功率的步驟產生從上電極往工件的電子束以增強烴氣的離子化。

Description

電漿反應器中類鑽石碳的沉積或處理及電漿反應器

本揭示案係關於電漿反應器，以及在工件（如半導體晶圓）上的類鑽石碳的電漿反應器中的沉積或處理。

用於處理工件的一些電漿源包括電子束源，該電子束源具有通過處理腔室的區域之束路徑，該處理腔室的區域與基板由一柵格過濾器分隔開。

類鑽石碳（DLC）已被用作各種應用（如工業工具、醫療儀器及類似應用）中的塗層。具有一些部分類鑽石碳的碳層已被用作某些半導體製造製程的蝕刻劑遮罩。類鑽石碳已由電漿所沉積。

在一個態樣中，一種在腔室中的工件上施行類鑽石碳沉積的方法，包括以下步驟：將工件支撐在腔室中，其中該工件面向自腔室的頂板懸吊的上電極，將烴氣引入腔室中，及將第一頻率的第一RF功率施加於上電極，其在腔室中產生電漿且在工件上產生類鑽石碳的沉積。施加RF功率的步驟產生從上電極往工件的電子束以增強烴氣的離子化。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

第一頻率可在100kHz至27MHz之間。第一頻率可小於12MHz的，例如，第一頻率可以是約2MHz。可以以第二頻率施加第二RF功率於支撐工件的基座中的下電極，同時將第一RF頻率施加於上電極。第一頻率可等於或小於第二頻率。

可將惰性氣體引入腔室中，這樣的電漿為烴氣和惰性氣體兩者的電漿。

在工件上沉積一類鑽石碳層之後，可從腔室中去除烴氣。在去除烴氣之後，可將惰性氣體引入腔室中，及可以以第三頻率將第三RF功率施加於上電極，其在腔室中產生惰性氣體的電漿，及產生上電極往工件的電子束，電子束撞擊鑽石碳層。以電子束撞擊類鑽石碳層可減少在層中的內應力。可以以第四頻率將第四RF功率施加於支撐工件的基座中的下電極，而同時第三RF功率施加於上電極。

在另一態樣中，一種處理工件上的類鑽石碳層的方法包括以下步驟：將工件支撐在腔室中，其中類鑽石碳層面向上電極，將惰性氣體引入腔室中，及以第一頻率將第一RF施加於上電極，其在腔室中產生電漿以及產生從上電極往工件的電子束，電子束撞擊類鑽石碳層。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

用電子束撞擊類鑽石碳層可減少層中的內應力。可以以第二頻率將第二RF功率施加於支撐工件的基座中的下電極。第一頻率可等於或小於第二頻率。惰性氣體可包括氬或氦。

在另一態樣中，一種處理工件上的類鑽石碳層的方法包括以下步驟：將工件支撐在腔室中，其中類鑽石碳層面向上電極，將惰性氣體引入腔室中，及以第一頻率將第一RF施加於上電極，使得在腔室中產生惰性氣體的電漿以及類鑽石碳層暴露於惰性氣體的電漿。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

惰性氣體可包括氬或氦。可以以第二頻率將第二RF功率施加於支撐工件的基座中的下電極。

在另一態樣中，電子束電漿反應器包括：電漿腔室，該電漿腔室具有側壁，上電極，第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極，氣體供應，該氣體供應提供烴氣，氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣輸送到該腔室，真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室，工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的工件，及控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該腔室中產生電漿以及使得該第一RF源施加RF功率，該電漿在該工件上產生類鑽石碳的沉積，該RF功率產生從上電極往該工件的電子束以增強該烴氣的離子化。

在另一態樣中，電子束電漿反應器包括：電漿腔室，該電漿腔室具有側壁，上電極，第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極，氣體供應，該氣體供應提供惰性氣體，氣體分配器，該氣體分配器將該惰性氣體輸送到該腔室，真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室，工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的工件，及控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該腔室中產生電漿以及使得該第一RF源施加RF功率，該電漿使該工件上的類鑽石碳層退火，該RF功率產生從上電極往該工件的一電子束以撞擊該類鑽石碳層。

在另一態樣中，電子束電漿反應器包括：電漿腔室，該電漿腔室具有側壁，上電極，第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極，第一氣體供應，該第一氣體供應提供烴氣，第二氣體供應，該第二氣體供應提供惰性氣體，氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣與該惰性氣體輸送到該腔室，真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室，工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的工件，及控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在以下步驟之間交替：在該工件上沉積類鑽石碳層及用來自該上電極的電子束處理該工件。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

控制器可經配置使得氣體分配器將來自第一氣體供應的烴氣輸送到腔室中，以及使第一RF電源以第一頻率將第一RF功率施加於上電極，以在腔室中產生電漿及在工件上產生類鑽石碳層的沉積。下電極和第二RF電源產生器可耦接下電極，且經配置以第二頻率將第二RF功率施加於上電極。控制器可經配置在工件上沉積類鑽石碳層之後，使真空泵從腔室去除烴氣。控制器可經配置在去除烴氣之後，使得氣體分配器將來自第二氣體供應的惰性氣體輸送到腔室中，以及使第一RF電源以第三頻率將第三RF功率施加於上電極，以在腔室中產生惰性氣體的電漿及產生從上電極往工件的電子束，電子束撞擊類鑽石碳層以處理工件。

在另一態樣中，在工件上形成類鑽石碳層的方法包括以下步驟：將該工件支撐在腔室中，其中該工件面向一上電極，及藉由在以下步驟之間交替而形成複數個連續的子層以形成該類鑽石碳層：在該腔室中的該工件上沉積類鑽石碳子層及用該惰性氣體的電漿或來自該上電極的電子束來處理該子層。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

在工件上沉積類鑽石碳子層的步驟包括以下步驟：將烴氣引入該腔室中及以第一頻率將第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生電漿及在該工件上產生類鑽石碳子層的沉積。施加第一RF功率的步驟可產生從上電極往工件的電子束以增強烴氣的離子化。

處理子層的步驟可包括以下步驟：將惰性氣體引入腔室中及以第二頻率將第一RF功率施加於該上電極，其在腔室中產生惰性氣體的電漿。施加第二RF功率可產生來自上電極的電子束，該電子束撞擊工件上的類鑽石碳子層。

在另一態樣中，處理腔室中的工件上的類鑽石碳層的方法，包括以下步驟：將該工件支撐在該腔室中的基座上，其中該工件面向自該腔室的頂板懸吊的上電極，將惰性氣體和/或烴氣引入該腔室中，以第一頻率將第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生惰性氣體和/或烴氣的電漿，以使該基板上的類鑽石碳層退火或在該工件上產生類鑽石碳的沉積，及以複數個離散頻率將第二RF功率同時施加於基座中的下電極，該複數個頻率包含第二頻率和高於該第二頻率的第三頻率。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

第一頻率可小於第三頻率。第一頻率可等於或小於第二頻率。第二頻率可小於2MHz。第三頻率可大於2MHz。

在另一態樣中，一種電子束電漿反應器，包括：電漿腔室，該電漿腔室具有側壁，上電極，第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極，該第一RF電源產生器經配置以第一頻率將第一RF功率施加於該上電極，第一氣體供應，該第一氣體供應提供烴氣，第二氣體供應，該第二氣體供應提供惰性氣體，氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣與該惰性氣體輸送到該腔室，真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室，工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的工件，下電極，第二RF電源產生器，該第二RF電源產生器耦接該下電極，該第二RF電源產生器經配置以複數個頻率將第二RF功率同時施加於該下電極，該複數個頻率包含第二頻率和高於該第二頻率的一第三頻率，及控制器，該控制器經配置操作該上電極、該下電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該工件上沉積類鑽石碳層或使該工件上的該類鑽石碳層退火。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

下電極可由工件支撐基座支撐。

第一頻率可小於第三頻率。第一頻率可等於或小於第二頻率。第二頻率可小於2MHz。第三頻率可大於2MHz。

實施可包括但不限於以下優點中的一個或多個。 電子束可施加於基板而不需要插入柵格過濾器（grid filter），從而提供增加的電子密度。在中等功率級下，沉積可以增加至如大於6μm/小時。電子束可以增強烴氣的離子化並增加烴密度。高能量電子的比例可以增加，且離子對中性粒子的比例可以增加。如此可以增加膜密度，例如增加到約2g/cm³ 。此外，電子束可以「固化」所沉積的類鑽石碳膜以減少膜應力。例如，膜應力可以小於500MPa。不需要加熱工件的支撐基座。

一個或多個實施的細節闡述於所附圖式及以下的說明中。本案的其他特徵、態樣和優點將由說明書、圖式以及申請專利範圍得以彰顯。

介紹

對於一些製程，當工件處於低能量電漿存在時，需要將工件暴露於電子束。一般來說，這種電子束的產生伴隨有高能量電漿。一種技術是在上腔室和下腔室之間插入柵格過濾器；自上腔室中的電極產生的次級電子可通過柵格過濾器傳遞到下腔室中，在下腔室中產生低能量電漿及夾持工件。柵格過濾器防止高能量電漿到達工件，且亦確保具有期望傳遞方向（通常垂直於工件表面）的電子進入下腔室。然而，柵格過濾器亦限制了電子束的密度。

然而，在沒有這種柵格過濾器的腔室中產生電子束也是可能的。藉由建立適當的反應器配置（如電極和工件之間的距離），電漿的能量可以在電極附近為高，以便產生提供電子束的次級電子，但電漿的能量在工件附近為低。

此外，需要增加沉積在工件（如用於製造積體電路的半導體晶圓）上的類鑽石碳膜的密度。例如，增加的膜密度可以提供優異的效能作為蝕刻停止層。薄膜密度的增加也可以減少橫跨工件上的臨界尺寸變異。不幸的是，增加膜密度可能導致膜應力增加，這可能導致類鑽石碳膜自工件剝離或導致工件彎曲。例如，密度大於2g/cm³ 、膜厚度約1μm、應力小於500MPa、工件彎曲小於200μm的類鑽石碳膜可提供優異的特性。

可以使用兩種技術來改善類鑽石碳薄膜的製造。首先，在沉積期間，可以使用高能量電子束來增強烴氣的離子化；這些烴離子注入生長膜中以增加膜密度。其次，在沉積期間或之後，類鑽石膜可以暴露於高能量電子束；如此「固化」（或退火）類鑽石碳膜並減少膜應力。不受限於任何特定理論，如此固化或退火可以改變碳膜的鍵結結構，如減少懸鍵及增加交聯。 系統

參考圖1，電子束電漿反應器具有界定腔室100的真空腔室主體，腔室100包括圓柱形的側壁102。頂板106覆蓋腔室100，以及支撐上電極108。上電極108可以以與製程相容的材料形成，如矽、碳、矽碳化合物或氧化矽化合物，或由金屬氧化物形成，如氧化鋁、氧化釔或氧化鋯。頂板106和上電極108可以是盤形的。在一些實施中，絕緣體或介電環109圍繞上電極108。

用於支撐工件111的工件支撐基座110定位於腔室100中。基座110具有面向上電極108的工件支撐表面110a，且可以藉由升降伺服裝置112在軸向方向上移動。在一些實施中，工件支撐基座110包括形成工件支撐表面110a的絕緣圓盤302、絕緣圓盤302內的工件電極304以及連接到工件電極304的夾持電壓供應305。此外，絕緣圓盤302下方的基底層306具有用於使來自循環供應310的熱介質（如液體）循環的內部通道308。循環供應310可用作散熱器或者作為熱源。

具有VHF頻率（如160MHz）的RF功率產生器120以及具有低於VHF範圍或低於HF範圍（如在MF或LF範圍中，例如2MHz）的頻率的較低頻率RF功率產生器122經由RF饋電導體123通過阻抗匹配124耦接至上電極108。阻抗匹配124可以適於在RF功率產生器120和122的不同頻率提供阻抗匹配，以及過濾以將功率產生器彼此隔離。RF產生器120、122的輸出功率級由控制器126獨立控制。如將在下面詳細描述，來自RF功率產生器120、122的功率耦接至上電極108。

在一些實施中，頂板106可以是導電的且與上電極108電接觸，且來自阻抗匹配124的功率可以透過頂板106傳導至上電極108。側壁102可以由金屬形成且接地。腔室100內部的接地內表面的表面積可以是上電極108的表面積的至少兩倍。腔室100內部的接地內表面可以用製程相容材料塗覆（如矽、碳、矽碳化合物或氧化矽化合物）或用諸如氧化鋁、氧化釔或氧化鋯的材料塗覆。

在一些實施中，頂板106是用於上電極108的支撐件且包括絕緣層150，絕緣層150含有面向上電極108的夾持電極152。直流夾持電壓供應154經由饋電導體155耦接至夾持電極152，夾持電極152用於將上電極108靜電夾持於頂板106。直流電容器156可與阻抗匹配124的輸出串聯連接。控制器126可控制直流夾持電壓供應154。來自阻抗匹配124的RF饋電導體123可以連接到電極支撐件或頂板106，而不是直接連接到上電極108。在這樣的實施例中，來自RF饋電導體123的RF功率可以從電極支撐件電容耦接至上電極108。

在一個實施例中，氣體注入器130透過閥132和/或閥134將一個或多個處理氣體提供到腔室100中。可以使用真空泵320來抽空腔室100。

可以藉由各種容積和表面製程（包括電子發射上電極108的內表面的高能離子撞擊）在腔室100中產生電漿。上電極108的離子撞擊能量和電漿密度是RF產生器120和122兩者的函數。上電極108的離子撞擊能量可以實質由來自RF功率產生器122的較低頻率功率控制，且腔室100中的電漿密度可以實質由來自RF功率產生器120的VHF功率控制（增強）。高能次級電子可從上電極108的內表面發射。來自發射表面的高能電子的通量可包括電子束，且可以具有實質垂直於上電極108的內表面的方向和大致為上電極108的離子撞擊能量的束能量（通常可以在約10eV至5000eV的範圍內）。 用於不同製程的碰撞截面取決於電子能量。 在低能量下，用於激發（和分子氣體中的解離）的截面大於用於離子化的截面，而在高能量時則相反。可為目標各種非彈性電子碰撞過程有利地選擇RF功率級。

在一些實施中，腔室100中的電漿密度可以由來自可選RF功率產生器174和線圈天線172的RF功率實質控制（增強）。

（由於電極表面的高能離子撞擊而從上電極108發射的次級電子通量組成的）電子束的至少一部分通過腔室100傳遞，而產生低電子溫度電漿，其中電漿密度取決於束能量和通量以及其他因素（如壓力和氣體組成）。 電子束具有實質垂直於上電極108的表面且實質垂直於工件表面的束傳遞方向。高能束電子也可以撞擊工件111或工件支撐基座110。 留下的電漿可能容易地釋放由電子束通量引起的任何所產生的表面電荷。

如圖1所示，在上電極108和工件支撐表面110a之間沒有柵格過濾器或類似的阻隔物。然而，上電極108和工件支撐表面110a之間的距離可以在電漿中建立垂直穿過腔室100的溫度梯度。特別來說，距離（及其他腔室配置特徵，如磁鐵和線圈天線的位置）可以足夠大，如約5cm或更大，以使得電漿在靠近上電極108的區域中（如在腔室100的上部分100a中）足夠熱以產生來自上電極108的次級電子通量，但電漿在工件111附近的區域中（如在下部分100b中）足夠冷以與低溫電漿製程相容。此外，上電極108和工件支撐表面110a之間的距離可以足夠大，以使得到達工件的次級電子具有有限的角度分佈且仍然可以視為「束（beam）」。

實質平行於電子束的實質軸向定向的磁場可以可選地用於幫助引導電子束，改善通過腔室100的束傳輸。 低頻偏壓電壓或低重複頻率的任意波形可施加於在工件支撐基座110上或在其中的下電極114。下電極114可以由工件電極304提供，或者可以是在基座110中或在基座110上的單獨電極。低頻偏壓電壓或波形可以選擇性地或交替地從電漿中提取正離子和/或負離子，並以所需的功率級加速這些離子以碰撞（impact）工件111的表面以用於蝕刻、清洗、沉積或其他材料改質。

在一些實施中，RF偏壓功率產生器142透過阻抗匹配144耦接至工件支撐基座110的工件電極304。

在一些實施中，磁鐵160圍繞腔室100。磁鐵可以包括分別與腔室100的上腔室部分100a和下腔室部分100b相鄰的一對磁鐵160-1、160-2。該對磁鐵160-1、160-2可以提供適合於限制從上腔室部分100a往下腔室部分100b傳遞的電子束的軸向磁場。

在一些實施中，側壁102中的側窗170到腔室100由RF功率可電感耦合的材料（如石英或氧化鋁）形成。感應線圈天線172圍繞側窗170且透過阻抗匹配176由RF功率產生器174驅動。如圖所示，窗170可以比工件支撐表面110a明顯更靠近上電極108，例如在腔室100的上面25%中。遠端電漿源280可將電漿物質引入下腔室100b中。

在一些實施中，用於在頂板106內部傳導導熱液體或介質的內通道178連接到熱介質循環供應180。 熱介質循環供應180用作散熱器或熱源。上電極108和頂板106之間的機械接觸足以維持上電極108和頂板106之間的高導熱率。在圖1的實施例中，機械接觸的力由直流夾持電壓供應154提供的靜電夾持力來調節。

在替代實施例中，可在頂板106上方提供RF驅動的線圈天線290。

主控制器128（如通用可程式化電腦）連接到電漿反應器的各種部件中的部分或全部（如RF電源供應120、122、142、154、174、350，泵和閥132、136、140、320，致動器112和循環供應180、310）且可操作以控制電漿反應器的各種部件中的部分或全部。

圖2繪示圖1的實施例的變體，其中（來自RF產生器120的）RF功率和（來自RF產生器122的）較低頻率的RF功率透過各自的路徑被傳送到上電極108。在圖2的實施例中，RF產生器120透過覆蓋在上電極108的邊緣上的折疊式共振器195耦接至上電極108。較低頻率的RF產生器122通過RF阻抗匹配194經由RF饋電導體123耦接到上電極108。直流夾持電壓供應154透過延伸通過頂板106中的通道的饋電導體155耦接至夾持電極152。

對於一些製程，烴氣被提供到腔室100中，及RF功率施加於上電極108，RF功率可選地施加於線圈天線172且RPS功率可選地施加於遠端電漿源（RPS）280。可選地，惰性氣體也可提供到腔室中。在上腔室100中產生電漿以及在相對於地面且相對於電漿的上電極108上發展加速電壓。上電極108所產生的高能離子撞擊產生來自電極表面的次級電子發射，其構成來自電極表面的電子束通量。該電子束通量提供增強烴氣離子化的電子束。

對於一些製程，惰性氣體被提供到腔室100中，及RF功率施加於上電極108，RF功率可選地施加於線圈天線172且RPS功率可選地施加於遠端電漿源（RPS）280。在上腔室100中產生電漿以及在相對於地面且相對於電漿的上電極108上發展加速電壓。上電極108所產生的高能離子撞擊產生來自電極表面的次級電子發射，其構成來自電極表面的電子束通量。該電子束通量提供增強烴氣離子化的電子束。

上述電子束電漿反應器中的任何一個都可用於執行以下在電子束電漿反應器中處理工件的方法。

現在參照圖3，氣體供應到腔室100（610）。如下面所討論的，氣體可以是烴氣和/或惰性氣體，其取決於製程，如沉積或「固化」。將RF功率施加於上電極108以產生包括束電子（620）的電漿。束電子提供具有實質垂直於上電極108的表面且實質垂直於工件111表面的束傳遞方向的電子束。該方法可以可選地包括將RF功率施加於下電極114（630）。該方法可以進一步包括將偏壓電壓耦接至工件111（640）。

在氣體包括烴氣的情況下，施加到上電極108的RF功率可以使烴氣離子化和解離。施加到下電極的RF功率可以加速烴離子注入到正在生長的膜中，但也可以使烴氣離子化和解離。此外，束電子也可以使烴氣離子化和解離。

在氣體純粹是惰性氣體的情況下，束電子也可以使惰性氣體離子化和解離，且可以穿過並撞擊工件。

控制器（如控制器126和/或128）可以以數位電子電路或以電腦軟體、韌體或硬體或其組合的方式來實施。控制器可以包括一個或多個電腦程式產品，即有形地於資訊載體中體現的一個或多個電腦程式，如在非暫態機器可讀儲存媒介中或者在傳遞信號中，以供資料處理設備（如可程式化處理器、電腦或者多個處理器或電腦）執行或控制資料處理設備的操作。電腦程式（也稱為程式、軟體、軟體應用程式或程式碼）可以用任何形式的程式語言（包括編譯或解譯語言）編寫，且可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、組件、子程式或適用於計算環境的其他單元。電腦程式可以經部署在一台電腦上或在一個站點上或分佈在多個站點上並由通信網路互連的多台電腦上執行。

本說明書中描述的製程和邏輯流程可以由執行一個或多個電腦程式的一個或多個可程式化處理器施行，以藉由在輸入資料上操作並生成輸出來施行功能。製程和邏輯流程也可以由專用邏輯電路（如FPGA（現場可程式閘陣列）或ASIC（特定應用積體電路））來施行，且裝置也可以被實行為專用邏輯電路。

例如，控制器128可以經程式化而產生控制信號，該控制信號使電漿反應器的部件來執行下面描述的製程。 類鑽石碳的沉積或處理

圖1或圖2的反應器可用於施行類鑽石碳膜的沉積或處理。在一個實例中，工件111包括類鑽石碳膜待沉積於其上的半導體塊體層（如單晶矽）。

在類鑽石碳的沉積製程中，藉由氣體供應138將原料氣體供應到腔室100。原料氣體包括至少一個烴化合物，例如C₂ H₂ 、CH₂ H₂ 、C₃ H₆ 、二環庚二烯（norbornadinene）等。

惰性氣體（如氬或氦）也可以被供應到腔室100。惰性氣體可以用來稀釋原料氣體；如此可以增加電漿密度。在惰性氣體被輸送到腔室100中之前，惰性氣體可以與原料氣體混合，或者惰性氣體可以由個別的噴嘴130、134輸送以及在腔室中混合。在一些實施中，氣體供應可以建立2至mTorr的總壓力（原料和惰性氣體）。

以第一頻率將RF功率施加於上電極108。第一頻率通常是「低頻」，如100kHz至27MHz。第一頻率可以小於13MHz，如第一頻率可以是2MHz。

亦以第二頻率將RF功率施加於下電極114。第二頻率通常是「低頻」，如100kHz至27MHz。 在一些實施中，第一和第二頻率可以是相同的頻率。在一些實施中，第二頻率高於第一頻率。例如，第二頻率可以大於2MHz，如第二頻率可以是約13MHz。

將RF功率施加於上電極108將點燃（ignite）腔室100中的電漿。僅僅存在有電漿，將會產生一些烴離子（以及惰性氣體的離子），其可以沉積在工件上以生長類鑽石碳膜。

此外，上電極108被鞘加速離子撞擊，而導致上電極108發射次級電子。次級電子由電漿鞘層電壓加速到數百到數千級的電子伏特的能量，從而提供來自上電極108的次級電子束，次級電子束往工件111傳遞。

不受任何特定理論的限制，次級電子束的一部分可以使腔室100中的烴原料氣體離子化，從而增加電漿中的烴離子密度。藉由施加到下電極114的偏壓功率，電漿中的烴離子可被加速往工件111。這可能導致烴離子在其沉積時注入類鑽石碳膜中，從而增加膜密度。實際上，該膜可以以離子注入的方式生長。

仍不受任何特定理論的限制，與電極由RF場加熱以使背景氣體解離及離子化的傳統電漿相比，這種處理技術可以提供較高的高能量電子比低能量電子的比例。因此，與傳統電漿相比，這種處理技術可以增加離子對中性粒子的比例。

這種沉積製程可以在相對較低的溫度（如10-60℃）下與工件一起施行。因此，支撐工件111的基座110不需要被加熱。在一些實施中，基座110被冷卻。冷卻劑氣體（如氦）可以在基座110和工件111的背側之間流動，以改善工件111和基座110之間的熱傳遞。工件111可以被靜電夾持到基座110，如藉由將夾持電壓施加於電極304。

可以進行沉積製程達如5至100秒。根據上述準則選擇適當的功率級和其他處理條件可以提供大於6μm/小時的沉積速率。另外，所得的類鑽石碳膜可以具有大於2g/cm³ 的密度。

對於沉積，上電極108可以由碳形成。除了產生次級電子束之外，濺射的碳原子亦可以再沉積在工件上，從而有助於烴電漿DLC沉積。由於濺射的碳原子不具有與它們鍵接的氫原子，所以這種濺射沉積成分傾向於增加膜密度。因此，可以使用碳電極來增加膜密度並調節膜應力。

類鑽石碳膜的「固化」製程從已經形成在基板上的類鑽石碳膜開始。類鑽石碳的膜可以根據上述的製程形成，或藉由不同的製程來形成。此外，類鑽石碳膜可以在用於沉積類鑽石碳膜的相同腔室中或在不同的腔室中固化。如果固化發生在相同腔室中，則工件不需要在沉積和固化步驟之間從腔室中移出。

在「固化」製程中，將惰性氣體（如氬或氦）供應到腔室100（在該製程中不供應原料氣體）。氣體供應可以建立10至200mTorr的壓力。

如上所述，RF電力被提供給上電極108和下電極114。在一些實施中，用於固化的頻率可以與用於沉積的頻率相同。在一些實施中，用於固化的頻率與用於沉積的頻率不同。頻率可以在100KHz至80MHz的範圍內。

工件可以經受這些條件達如2秒至5分鐘。

不受任何特定理論的限制，次級電子束的一部分可以穿過惰性氣體的電漿並直接撞擊工件111上的層。這些電子可以從層中驅除氫，以及可以減少懸鍵並增加交聯。如此一來，可以減少沉積層中的應力。

用於「固化」類鑽石碳膜的的替代製程作為上述製程（如用惰性氣體電漿）施行，但施加於上電極108和下電極114的功率和頻率為使得次級電子束不會產生的功率和頻率。因此，工件簡單地暴露於惰性氣體的電漿。

在一些實施中，可以藉由重複地交替沉積和「固化」製程來生長類鑽石碳的膜。相同腔室可以用於兩個製程；製程之間不需要移除工件。例如，在沉積初始類鑽石碳層之後，原料氣體可以從腔室100中排出以及腔室100重新填充惰性氣體。此惰性氣體接著被用於施行「固化」製程。在固化製程之後，將原料氣體重新引入腔室100中，以及重複沉積製程以在初始層上形成另一類鑽石碳層。接著可以使第二類鑽石碳層經受「固化」製程。參考圖4，可以迭代（670）沉積步驟（650）和「固化」步驟（660），從而將連續層沉積並處理到工件上，直到形成所需厚度的膜。

在一些實施中，偏壓功率的多個頻率可以同時施加於相同的電極，如施加於下電極114。使用多個頻率的偏壓功率可以提高膜密度並減少膜應力。較低頻率的RF功率可以提高離子撞擊能量，以及同時施加較高頻率的RF功率可以增加離子通量。每個頻率可以在100KHz至80MHz的範圍內。較低的頻率可以在2MHz或以下，然而較高的頻率可以在2MHz以上。例如，2MHz和13MHz或者400KHz和13MHz組合等可以施加於下電極114。此外，可以施加三個或更多個頻率。

雖然前述內容係關於各種實施，但可以設計在以下專利申請範圍內的其他實施。

100‧‧‧腔室

100a‧‧‧上部分

102‧‧‧側壁

106‧‧‧頂板

108‧‧‧上電極

109‧‧‧絕緣體或介電環

110‧‧‧基座

111‧‧‧工件

112‧‧‧升降伺服裝置

114‧‧‧下電極

120‧‧‧RF功率產生器

122‧‧‧較低頻率RF功率產生器

123‧‧‧RF饋電導體

124‧‧‧阻抗匹配

126‧‧‧控制器

128‧‧‧主控制器

130‧‧‧氣體注入器

132‧‧‧閥

134‧‧‧閥

136‧‧‧泵和閥

138‧‧‧氣體供應

140‧‧‧泵和閥

142‧‧‧RF電源供應

144‧‧‧阻抗匹配

150‧‧‧絕緣層

152‧‧‧夾持電極

154‧‧‧直流夾持電壓供應

155‧‧‧饋電導體

156‧‧‧直流電容器

160‧‧‧磁鐵

170‧‧‧側窗

172‧‧‧感應線圈天線

174‧‧‧RF電源供應

176‧‧‧阻抗匹配

178‧‧‧內通道

180‧‧‧循環供應

194‧‧‧RF阻抗匹配

195‧‧‧折疊式共振器

280‧‧‧遠端電漿源

302‧‧‧絕緣圓盤

304‧‧‧工件電極

305‧‧‧電壓供應

306‧‧‧基底層

308‧‧‧內部通道

310‧‧‧循環供應

320‧‧‧真空泵

610‧‧‧框

620‧‧‧框

630‧‧‧框

640‧‧‧框

650‧‧‧框

660‧‧‧框

670‧‧‧框

100a‧‧‧上腔室部分

110a‧‧‧工件支撐表面

160-1‧‧‧磁鐵

160-2‧‧‧磁鐵

圖1繪示電漿反應器。

圖2繪示根據第二實施例的電漿反應器的另一實施。

圖3是繪示沉積類鑽石碳膜的方法的方塊流程圖。

圖4是繪示處理類鑽石碳薄膜的方法的方塊流程圖。

在各個圖示中相同的數字編號和標記表示相同的元件。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (50)

1. 一種電子束電漿反應器，包括： 一電漿腔室，該電漿腔室具有一側壁； 一上電極； 一工件支撐件，該工件支撐件夾持面向該上電極的一工件，其中該支撐件上的該工件具有該上電極的一清晰視野； 一第一RF電源，該第一RF電源耦接該上電極； 一氣體供應； 一真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室； 一控制器，該控制器經配置操作該第一RF電源以向上電極施加一RF功率，以及操作該氣體分配器和真空泵，以便在該腔室的一上部分中產生一電漿以及在該腔室的一下部分中產生一較低電子溫度的電漿，該腔室的該上部分中的該電漿產生從該上部分往該工件的一電子束，該腔室的該下部分包含該工件。
2. 如請求項1所述之反應器，其中該控制器經配置操作該第一RF電源，使得從該上電極發射的該電子束的該至少一部分產生該低電子溫度的電漿。
3. 如請求項1所述之反應器，包括一偏壓電壓產生器，該偏壓電壓產生器耦接該工件支撐件。
4. 如請求項1所述之反應器，其中該頂部電極包括以下各者中的一個：矽、碳、碳化矽、氧化矽、氧化鋁、氧化釔或氧化鋯。
5. 如請求項1所述之反應器，包括一第一電磁鐵或永久磁鐵以及一第二電磁鐵或永久磁鐵，該第一電磁鐵或永久磁鐵鄰近該腔室的該上部分且圍繞該腔室的該上部分，該第二電磁鐵或永久磁鐵鄰近該腔室的該下部分且圍繞該腔室的該下部分。
6. 如請求項1所述之反應器，包括一窗、一線圈天線及一RF產生器，該窗在該腔室的該上部分中的該側壁中，該線圈天線圍繞該窗，該RF產生器耦接該線圈天線。
7. 如請求項1所述之反應器，其中該氣體供應經配置向該腔室供應一惰性氣體。
8. 如請求項1所述之反應器，其中該氣體供應經配置向該腔室供應一處理氣體。
9. 如請求項1所述之反應器，其中該上電極與該工件支撐件之間的一距離足夠大以在該電漿中建立垂直穿過該腔室的一溫度梯度。
10. 如請求項1所述之反應器，其中該腔室的該下部分中的該較低電子溫度的電漿具有等於或低於用於沉積或退火一類鑽石碳層的一電子溫度之一電子溫度。
11. 一種在一工件上施行類鑽石碳沉積的方法，包括以下步驟： 將該工件支撐在一腔室中，其中該工件面向一上電極； 將烴氣引入該腔室中；及 以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生一電漿且在該工件上產生一類鑽石碳的沉積，其中施加該RF功率產生從上電極往該工件的一電子束以增強該烴氣的離子化。
12. 如請求項11所述之方法，其中該第一頻率在100kHz至27MHz之間。
13. 如請求項12所述之方法，其中該第一頻率小於12MHz。
14. 如請求項13所述之方法，其中該第一頻率為約2MHz。
15. 如請求項11所述之方法，包括以下步驟：以一第二頻率將一第二RF功率施加於支撐該工件的一基座中的一下電極，同時將該第一RF頻率施加於該上電極。
16. 如請求項15所述之方法，其中該第一頻率小於或等於該第二頻率。
17. 如請求項11所述之方法，包括以下步驟：將一惰性氣體引入該腔室中，這樣的該電漿是該烴氣和該惰性氣體兩者的電漿。
18. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟： 在該工件上沉積了一類鑽石碳層之後，從該腔室去除該烴氣； 在去除該烴氣之後，將一惰性氣體引入該腔室中；及 以一第三頻率將一第三RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生該惰性氣體的一電漿且產生從該上電極往該工件的一電子束，該電子束撞擊該類鑽石碳層。
19. 如請求項18所述之方法，其中用該電子束撞擊該類鑽石碳層減少該層中的內應力。
20. 如請求項18所述之方法，包括以下步驟：將一第四頻率的一第四RF功率施加於支撐該工件的一基座中的一下電極，同時將該第三RF頻率施加於該上電極。
21. 一種處理一工件上的一類鑽石碳層的方法，包括以下步驟： 將該工件支撐在一腔室中，其中該類鑽石碳層面向一上電極； 將一惰性氣體引入該腔室中；及 以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生一電漿且產生從該上電極往該工件的一電子束，該電子束撞擊該類鑽石碳層。
22. 如請求項21所述之方法，其中用該電子束撞擊該類鑽石碳層減少該層中的內應力。
23. 如請求項21所述之方法，包括以下步驟：以一第二頻率將一第二RF功率施加於支撐該工件的一基座中的一下電極。
24. 如請求項23所述之方法，其中該第一頻率小於或等於該第二頻率。
25. 如請求項21所述之方法，其中該惰性氣體包括氬或氦。
26. 一種處理一工件上的一類鑽石碳層的方法，包括以下步驟： 將該工件支撐在一腔室中，其中該類鑽石碳層面向一上電極； 將一惰性氣體引入該腔室中；及 以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，使得在該腔室中產生該惰性氣體的一電漿，以及該類鑽石碳層暴露於該惰性氣體的該電漿。
27. 如請求項26所述之方法，其中該惰性氣體包括氬或氦。
28. 如請求項26所述之方法，包括以下步驟：以一第二頻率將一第二RF功率施加於支撐該工件的一基座中的一下電極。
29. 一種電子束電漿反應器，包括： 一電漿腔室，該電漿腔室具有一側壁； 一上電極； 一第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極； 一氣體供應，該氣體供應提供烴氣； 一氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣輸送到該腔室； 一真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室； 一工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的一工件；及 一控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該腔室中產生一電漿以及使得該第一RF源施加一RF功率，該電漿在該工件上產生一類鑽石碳的沉積，該RF功率產生從上電極往該工件的一電子束以增強該烴氣的離子化。
30. 一種電子束電漿反應器，包括： 一電漿腔室，該電漿腔室具有一側壁； 一上電極； 一第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極； 一氣體供應，該氣體供應提供一惰性氣體； 一氣體分配器，該氣體分配器將該惰性氣體輸送到該腔室； 一真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室； 一工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的一工件；及 一控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該腔室中產生一電漿以及使得該第一RF源施加一RF功率，該電漿使該工件上的一類鑽石碳層退火，該RF功率產生從上電極往該工件的一電子束以撞擊該類鑽石碳層。
31. 一種電子束電漿反應器，包括： 一電漿腔室，該電漿腔室具有一側壁； 一上電極； 一第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極； 一第一氣體供應，該第一氣體供應提供烴氣； 一第二氣體供應，該第二氣體供應提供一惰性氣體； 一氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣與該惰性氣體輸送到該腔室； 一真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室； 一工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的一工件；及 一控制器，該控制器經配置操作該上電極、該氣體分配器和該真空泵，以在以下步驟之間交替：在該工件上沉積一類鑽石碳層及用來自該上電極的一電子束處理該工件。
32. 如請求項31所述之反應器，其中該控制器經配置： 使該氣體分配器將來自該第一氣體供應的該烴氣輸送到該腔室中， 使該第一RF電源以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，以在該腔室中產生一電漿以及在該工件上產生該類鑽石碳層的沉積。
33. 如請求項32所述之反應器，包括一下電極和一第二RF電源產生器，該第二RF電源產生器耦接該下電極且經配置以一第二頻率將一第二RF功率施加於該上電極。
34. 如請求項32所述之反應器，其中該控制器經配置在該工件上沉積該類鑽石碳層之後，使該真空泵從該腔室去除該烴氣。
35. 如請求項34所述之反應器，其中該控制器經配置： 在去除該烴氣之後，使該氣體分配器將來自該第二氣體供應的該惰性氣體輸送到該腔室中，及 使該第一RF電源以一第三頻率將一第三RF功率施加於該上電極，以在該腔室中產生該惰性氣體的一電漿以及產生從該上電極往該工件的一電子束，該電子束撞擊該類鑽石碳層以處理該工件。
36. 一種在一工件上形成一類鑽石碳層的方法，包括以下步驟： 將該工件支撐在一腔室中，其中該工件面向一上電極；及 藉由在以下步驟之間交替而形成複數個連續的子層以形成該類鑽石碳層的層：在該腔室中的該工件上沉積一類鑽石碳子層及用該惰性氣體的一電漿或來自該上電極的一電子束來處理該子層。
37. 如請求項36所述之方法，其中在該工件上沉積一類鑽石碳子層的步驟包括以下步驟：將烴氣引入該腔室中及以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生一電漿及在該工件上產生該類鑽石碳子層的一沉積。
38. 如請求項37所述之方法，其中施加該第一RF功率的步驟產生從該上電極往該工件的一電子束以增強該烴氣的離子化。
39. 如請求項36所述之方法，其中處理該子層的步驟包括以下步驟：將一惰性氣體引入該腔室中及以一第二頻率將一第一RF功率施加於該上電極，該上電極在該腔室中產生該惰性氣體的一電漿。
40. 如請求項39所述之方法，其中施加該第二RF功率產生來自該上電極的一電子束，該電子束撞擊該工件上的該類鑽石碳子層。
41. 一種處理一腔室中的一工件上的一類鑽石碳層的方法，包括以下步驟： 將該工件支撐在該腔室中的一基座上，其中該工件面向自該腔室的一頂板懸吊的一上電極； 將惰性氣體和/或烴氣引入該腔室中； 以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極，其在該腔室中產生一惰性氣體和/或烴氣的一電漿，以使該基板上的一類鑽石碳層退火或在該工件上產生一類鑽石碳的沉積；及 以複數個離散頻率將第二RF功率同時施加於該基座中的一下電極，該複數個頻率包含第二頻率和高於該第一頻率的一第三頻率。
42. 如請求項41所述之方法，其中該第一頻率小於該第三頻率。
43. 如請求項42所述之方法，其中該第一頻率等於或小於該第二頻率。
44. 如請求項41所述之方法，其中該第二頻率小於2MHz。
45. 如請求項44所述之方法，其中該第三頻率大於2MHz。
46. 一種電子束電漿反應器，包括： 一電漿腔室，該電漿腔室具有一側壁； 一上電極； 一第一RF電源產生器，該第一RF電源產生器耦接該上電極，該第一RF電源產生器經配置以一第一頻率將一第一RF功率施加於該上電極； 一第一氣體供應，該第一氣體供應提供烴氣； 一第二氣體供應，該第二氣體供應提供一惰性氣體； 一氣體分配器，該氣體分配器將該烴氣與該惰性氣體輸送到該腔室； 一真空泵，該真空泵耦接該腔室以抽空該腔室； 一工件支撐基座，該工件支撐基座夾持面向該上電極的一工件； 一下電極； 一第二RF電源產生器，該第二RF電源產生器耦接該下電極，該第二RF電源產生器經配置以複數個頻率將第二RF功率同時施加於該下電極，該複數個頻率包含第二頻率和高於該第一頻率的一第三頻率；及 一控制器，該控制器經配置操作該上電極、該下電極、該氣體分配器和該真空泵，以在該工件上沉積一類鑽石碳層或使該工件上的該類鑽石碳層退火。
47. 如請求項46所述之電漿反應器，其中該下電極由該工件支撐基座支撐。
48. 如請求項47所述之電漿反應器，其中該第一頻率小於該第三頻率。
49. 如請求項48所述之電漿反應器，其中該第一頻率等於或小於該第二頻率。
50. 如請求項46所述之電漿反應器，其中該第二頻率小於2MHz且該第三頻率大於2MHz。