能时间和/或空间上调制一或更多等离子体的衬底处理的制作方法

能时间和/或空间上调制一或更多等离子体的衬底处理
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2019年2月7日申请的美国专利申请no.62/802,528的优先权的权益，其通过引用合并于此以用于所有目的。
技术领域
2.本发明涉及衬底处理工具，尤其涉及等离子体工具，在该等离子体工具中在处理室内用于处理衬底的两种或者更多种等离子体的生成是在时间上、空间上或两者上调制。本发明也涉及衬底上的类金刚石碳(dlc)层的形成，其利用时间上和/或空间上调制等离子体以用一等离子体形成非晶碳层以及之后以另一等离子体经由离子轰击将该非晶碳层转变为dlc。


背景技术：

3.等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工具被用在各式各样的工件(例如半导体晶片、平面显示器或光伏装置)上生成高质量的薄膜。pecvd工具包含处理室。工件上所沉积的膜的类型依赖于被导入处理室内的气体的化学性质。举例而言，在半导体产业中，示例性的气体包含但不限于用于沉积多晶硅的硅烷(sih4)或三氯硅烷(sihcl3)，用于沉积二氧化硅的硅烷及氧气(o2)、二氯硅烷(h2sicl2)、一氧化二氮(n2o)和/或四乙氧基硅烷(teos)，用于沉积钨的六氟化钨(wf6)等等。此外，诸如水、乙醇或两者的组合的反应气体也经常被导入室内。当射频电位被施加时，在室内生成等离子体。在等离子体内，等离子体中的被激励的电子会离子化或“破裂”而生成化学反应性自由基。当这些自由基反应时，它们在半导体晶片上沉积并形成薄膜。各种类型的pecvd工具包括低压型(lpcvd)、超高真空型(uhvcvd)、原子层沉积(ald)、等离子体增强原子层沉积(peald)等等。
4.有了上述工具，可以一次处理一或多个晶片。就给定的处理循环而言，一或多个晶片被装入处理室，一或更多种气体被导入室且生成及维持等离子体，直到沉积的膜具有所需厚度。一旦沉积完成，对新的一批晶片就重复上述工艺。通常，在晶片或衬底的表面上的层的沉积期间，这样的pecvd工具仅依赖于单一等离子体。
5.类金刚石碳或“dlc”是一类非晶态的碳材料，其表现出类金刚石特性，包括极高的硬度、耐磨性和“光滑性”。最常见的dlc是四面体非晶碳或“ta
‑
c”，它是这种类形中最硬、最耐磨且最光滑的。由于这些特性，dlc材料普遍用作各种工件上的保护涂层，且可应用于能与真空环境兼容的几乎任何材料。
6.各种基于等离子体的沉积技术已被用来沉积ta
‑
c至诸如半导体晶片之类的衬底上。这样的技术包括质量选择离子束(msib)、滤波阴极真空电弧(fcva)、脉冲激光烧蚀(pla)和电子回旋共振(ecwr)。尽管这些基于等离子体的技术中的每一种可在实验室环境中用于在衬底上形成ta
‑
c，但对于半导体晶片的全尺寸制造并不实用。例如，msib、fcva和pla的沉积速率非常低，因为每一者都依赖于必须扫描整个晶片的基于成束的(beam
‑
based)等离子体源。结果，对于大的、工业尺寸的半导体晶片制造而言，沉积速率太慢。ecwr
在某种程度上克服了上述其他技术的低沉积速率。然而，ecwr工具非常贵，且太昂贵以至于在大的、工业规模的半导体晶片制造上不实用。上面已提及的普遍用于工业规模的半导体晶片制造的常规pecvd工具，以往无法生成单一能量离子，其对沉积ta
‑
c和其他类似dlc的材料而言是必须的。


技术实现要素：

7.在时间上、空间上或两者上调制等离子体工具，在所述等离子体工具中在处理室内生成两种或更多种用于处理衬底的等离子体。就时间上调制而言，两种等离子体在下列期间被交替活化：(a)在离散非重叠的脉冲期间或(b)在部分重叠脉冲的非重叠部分期间。就空间上调制而言，两种等离子体是在相同时间而连续地或在脉冲的重叠部分期间活化。
8.在非排他的实施方案中，两种等离子体被用于在衬底上沉积和形成各式各样的不同材料。就这样的实施方案而言，第一等离子体被用于沉积将在衬底的表面上聚集或降落的原子，而第二等离子体被用于生成轰击衬底表面的离子。
9.在另一排他的实施方案中，衬底表面上的表面电荷被两种等离子体控制以维持平衡。通过利用阳极以控制第二等离子体相对于衬底的电位，轰击衬底的离子的能量可被控制以维持平衡。
10.在又一实施方案中，衬底被用于作为相对于第二等离子体的稳定接地路径。
11.在一具体的、但非排他的实施方案中，两种等离子体的调制被用于在衬底上形成类金刚石碳(dlc)层。一等离子体被用于形成非晶碳层，而第二等离子体被用于经由离子轰击将非晶碳层转变为dlc。dlc膜由包含氢化非晶碳(a
‑
c:h)和氢化四面体非晶碳(ta
‑
c:h)以及四面体非晶碳或“ta
‑
c”的群组组成。
附图说明
12.本技术及其优点可结合附图，参照下文的描述被最好地理解，其中：
13.图1a至图1c是根据本发明的非排他实施方案的在处理室内能够在时间上、空间上或两者上生成和调制两种或者更多种等离子体的沉积工具的示图。
14.图1d和图1e显示了根据本发明的非排他实施方案的源自第一等离子体源所生成的电子的行为。
15.图2a至图2c显示了根据本发明的非排他实施方案的处理室内的两种等离子体的调制的时序图。
16.图3是根据本发明的另一非排他实施方案的在处理室内能够生成和调制两种或者更多种等离子体的另一沉积工具的示图。
17.图4a至图4c是显示根据本发明的非排他实施方案的用于在时间上和/或空间上调制由图3的沉积工具所生成的两种等离子体的各种实施方案的示图。
18.图5是显示使用类金刚石碳掩模制造半导体晶片的流程图的图示，所述类金刚石碳掩模根据本发明的沉积工具形成。
19.在附图中，相同的附图标记有时用来指定相同的结构元件。应理解的是图中的描绘是示意性的，且不必然按比例绘制。
具体实施方式
20.本技术将参考附随图示所示的一些本技术的非排他实施方案来详细描述。在下文描述中，提出了许多具体细节以便提供对本公开内容的全面理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以不在具有这些具体细节的部分或全部的情况下实施本公开内容。在其他情况下，已知的工艺步骤和/或结构没有被详细描述，以免不必要地使本公开内容难以理解。
21.参考图1a，显示了在处理室12中能够生成和调制两种或者更多种等离子体的沉积工具10的示图。如下文所详述的，沉积工具10在处理衬底时，具有生成可在时间上、空间上或两者上进行调制的两种等离子体的能力。
22.沉积工具10包括由室壁14限定的处理室12、用于选择性地生成第一等离子体16a的第一等离子体源16、用于在处理室12中选择性地活化第二等离子体20的rf源18、设置于第一等离子体源16相邻处且位于经活化的第二等离子体20上方的网格22、用于将衬底26固定在处理室12中的衬底保持器24、设置在第二等离子体20和衬底26之间的中和阻挡层28、阳极30、双向电源32、等离子体排放装置34以及控制器36。
23.限定处理室的壁14至少有部分是由非导电材料制成。在各种非排他实施方案中，非导电材料可以是陶瓷(例如(al2o3)、石英、蓝宝石或其他介电材料)。给定沉积工具10的侧壁14所用的确切材料取决于许多因素，包括与处理室12中使用的一或多种化学品的相容性。还期望在处理室12的大气侧上，在介电壁14和形成在工具10周围的射频地面屏蔽之间，建立或维持“气隙”。该“气隙”在处理室12周围提供“低电容”。结果，所设置的vhf接地回路通过衬底26而不是通过处理室12的壁14进行设置。由于对于几乎任何用于商业生产的沉积工具10而言，衬底26是最可靠的可重复表面，因此迫使vhf接地回路通过衬底26提供了可预测性且几乎完全消除了处理室12的壁14上形成的不同程度的偶然沉积材料所引起的变化。
24.第一等离子体源16被配置为生成待沉积至衬底26上的材料的第一等离子体16a。在一非排他实施方案中，第一等离子体源16是至少部分由待沉积至衬底26上的材料制成的中空阴极放电(hcd)装置。例如，如果要沉积的材料是碳原子，则hcd装置可以由诸如石墨之类的含碳材料制成。在另一非排他实施方案中，第一等离子体源16是由未沉积在衬底26上但被布置成用于容纳或接收待沉积材料的材料所制成的hcd装置。例如，hcd装置可以由铝或掺杂的硅制成，但被布置成用于容纳或以其他方式接收待沉积材料(例如，当待沉积者为碳时的石墨棒)。在又一非排他的实施方案中，第一等离子体源16是被布置成用于将衬底26上的待沉积材料的原子或其他颗粒溅射出的磁控管。再次，如果待沉积至衬底26上的材料是碳原子，则第一等离子体源16的磁控管实现方式将被布置成溅射出碳原子。在所显示的特定实施方案中，第一等离子体源16限定多个单元或室。在每个单元或室内，生成第一等离子体16a的区域。
25.连接到第一等离子体源16的rf源18用于选择性地活化处理室内的第二等离子体20。在多种实施方案中，rf源是100mhz、13mhz、27mhz或任何其他适合于在处理室12内生成第二等离子体20的rf频率。这样的合适频率可落在通常被认为是低、中或高的射频频率范围内，且范围可从400khz到5ghz。
26.当射频源18被活化时，第二等离子体20在处理室12内生成。在非排他实施方案中，第二等离子体是电容耦合等离子体(ccp)。在其他实施方案中，等离子体也可以是电感耦合
等离子体。
27.网格22设置在第一等离子体源16的下方和第二等离子体20的上方。网格22包括多个面向衬底26的孔。在该布置下，网格22允许由第一等离子体16a生成的原子或其他颗粒穿过网格的孔。当这些原子或颗粒离开网格22时，它们以相对低的能量“降落(rain down)”且沉积在衬底26上。另一方面，如下文更为详细描述的，如果第二等离子体20被活化且被激发，则一定百分比的原子或颗粒可能离子化并轰击衬底26。
28.衬底保持器24设置在处理室12中。衬底保持器24的目的是在室12内的处理过程中将衬底26固定或夹持在适当的位置。在多种实施方案中，衬底保持器24可以利用静电夹持力、机械夹持或其任意组合的方式来固定或夹持衬底26。
29.例如，如果衬底保持器24是静电夹持件(esc)，则衬底26仅为电容性接地，而不必是dc接地。由于与衬底26接触的esc卡盘表面通常是绝缘体或半导体，因此衬底26通常被认为是电性“浮动”的，意味着衬底相对于第一等离子体16a和第二等离子体20是电容性接地的(或称主动偏置的)，但不是dc接地。
30.在使用主动偏置的实施方案中，偏置可以是广范围的。举例来说，主动偏置的范围可以从负1kv到正1kv。应注意的是，主动偏置的电压值可以在大于或小于正/负1kv的范围内。
31.在又一实施方案中，衬底保持器24还具有在处理期间控制衬底26的温度的能力。例如，在衬底沉积期间，室12内的温度升高并且可以在介于室温或环境温度至约300℃的范围内。在这样的环境中，衬底保持器24通常运作以将衬底26保持在低于300℃的温度，例如低于100℃或200℃。应理解的是，上面列出的温度仅是示例性的，并且不应解释为在任何方面构成限制。处理室12内的操作范围可以为比室温或环境温度高或低的温度至约300℃，且因此，衬底26可以保持在比上面列出的温度高或低的温度。这样一来，非排他实施方案中的衬底保持器24可替代地具有将衬底的温度控制在自20℃或更低至300℃或更高温度的任何温度的能力。
32.中和阻挡层28设置在第二等离子体20和衬底26之间，其中，中和阻挡层28还包括多个面向衬底26的孔。中和阻挡层28执行至少两种功能。一种功能是在第二等离子体20和衬底26之间提供了物理屏障，实质上防止第二等离子体20与衬底26接触。在一些非排他的实施方案中，中和阻挡层28还用于帮助降低衬底26上的能量通量。在这样的实施方案中，中和阻挡层28由能够提供带电颗粒的材料制成。当带电离子或单一极性的其他颗粒穿过中和阻挡层28的孔时，它们倾向于吸引由中和阻挡层28供应的相反极性的带电颗粒。当离子或颗粒穿过中和阻挡层28时，它们的电荷在轰击衬底26之前就被中和。因此，衬底26表面上的能量通量可以经由中和阻挡层28而至少部分地进行控制或以其他方式降低。例如，如果由等离子体生成的颗粒是正带电离子时，则中和阻挡层28优选地由能够承载电子的材料(例如石墨)制成。因而带正电的离子在轰击衬底26前被电子中和。
33.在非排他实施方案中呈环形的阳极30，在处理室12中被设置在衬底26的附近或周围并处于第二等离子体20的位置之下。阳极30的功能是选择性地施加正电压至第二等离子体20，使得第二等离子体20和衬底26之间存在电压差。经由控制第二等离子体20的电压，离子化的原子或颗粒的能级可以相对于衬底26而被控制。在多种实施方案中，视工艺条件而定，由阳极30所施加至第二等离子体20的电压可以是广范围的。例如，施加至阳极30的电压
可以在从约 30ev到约 1kv的范围内的任何处调整。同样地，该范围仅是示例性的且施加至阳极30的实际电压的大小可以更大或更小。当阳极30未被开启时，电压值处于或接近接地。
34.只要阳极30的表面积足够大，第二等离子体20的电压(有时被称为“人造等离子体电位”或“边界驱动等离子体电位”)就典型地比由阳极30施加的电压稍大。例如，当阳极30的面积足够大且由阳极30施加 100v时，所得的人造等离子体电位被驱动至大于 100v的电位，例如约 110v。换句话说，等离子体20的自然电位或人造电位高于与所提供的等离子体接触的阳极30的任何表面的最高电压，只要所述表面“足够大”。
35.尽管图中描绘的阳极30是环形的，但应理解的是，阳极30可以具有各种各样的不同形状。不管所使用的形状如何，阳极的表面积相对于衬底26而言优选为“足够大”。尽管足够大的定义可因情况而异，但通常来说，阳极30的表面积应大致等于或大于衬底26的表面积。也就是说，阳极30的表面积等于或大于衬底26的表面积不是绝对要件。相反，阳极30的表面积可小于衬底26。衬底26和阳极30的相对表面积至少部分取决于等离子体20的“人造电位”或“边界驱动电位”所期望或需要的程度。
36.电源32被设置成选择地供应电力至第一等离子体源16。在非排他性实施方案中，电源是能够供应高达 /
‑
700ev或更高的电压至第一等离子体源16的脉冲式的直流dc双向( /
‑
)电源。在非排他实施方案中，电源32是matsusada amps
‑
0.6b2000型的电源。应理解的是，也可使用其他电源。
37.等离子体排放装置34设置在室12的底部或底部附近，且被设置成从处理室12排出或以其他方式移除等离子体和其他气体和/或材料。在非排他实施方案中，等离子体排放装置34依赖于真空以从室12中抽出等离子体、气体和/或其他材料。
38.控制器36用于在沉积前、中、后控制工具10的操作和工艺条件。尤其是，控制器36被设置成通过操作各种组件来管理和控制沉积工具10的整体操作，这些组件包括但不限于第一等离子体源16、rf源18、包含对衬底26所施加的任何偏置和/或控制衬底26的温度的衬底保持器24、用于控制第二等离子体的电压的阳极30、耦合到第一等离子体源16的电源32和等离子体排放装置34。
39.控制器36通常包括一或多个用于储存系统控制软件或代码的非瞬时的计算机可读取介质器件以及一或多个用于执行代码的处理器。术语“非瞬时的计算机可读取介质”通常用于指称诸如主存储器、次存储器、可移除储存器之类的介质以及诸如硬盘、闪存、磁盘驱动存储器、cd
‑
rom之类的储存组件和其他形式的持久性存储器，但不是诸如载波或信号之类的过渡性目标物。处理器可包括cpu或计算器、多个cpu或计算器、模拟和/或数字的输入/输出连接、电动机控制器板等。
40.在某些实施方案中，运行或执行系统软件或代码的控制器36控制工具10的全部或至少大部分的活动，包括诸如控制rf产生器18的处理运作的时序、频率和运作功率、处理室12内的压力、进入处理室12的任何气体的流速、浓度和温度以及和它们相关的混合、由衬底保持器24所支撑的衬底26的温度等等。
41.控制器36还可以包括用户界面(未示出)。用户界面可以包括显示屏幕、指示工具10的操作参数和/或工艺条件的图形化软件显示器、以及诸如指向组件、键盘、触控屏幕、麦克风等等之类的允许人类操作者与工具10互动的用户输入装置。
42.在控制器36和工具10的上面所列各种组件之间所传递的信息可以呈信号形式，例
如电子、电磁、光学或其他能够经由任何通信线路而被发送和/或接收的信号，该通信线路承载信号且可使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝式电话线路、射频线路和/或其他通信通道来实现。等离子体调制
43.在控制器36控制下的工具10能够在时间上、空间上、或时间上和空间上一起地调制第一等离子体16a和第二等离子体20。
44.参考图1b和图1c，其显示了第一等离子体16a和第二等离子体20的时间上调制的图。通过脉冲式开启两种等离子体中的一者，同时脉冲式关断另一等离子体，将两种等离子体16a和20在时间上进行调制。在下文的讨论中，第一模式被定义为当第一等离子体16a被活化，而第二等离子体20被去活化。第二模式被定义为第一模式的互补模式，意味着第二等离子体20被活化，而第一等离子体16a被去活化。
45.在第一模式中，如图1b所示，控制器36操作以(a)引导电源32向第一等离子体源16施加负电压，(b)关闭rf源18，以及(c)将阳极30接地。结果，第一等离子体16a在第一等离子体源16的单元内被活化，而第二等离子体20被去活化。在该第一组条件下，由第一等离子体源16生成的颗粒或原子“a”穿过网格22的孔落下并且“降落”和沉积在衬底26上。
46.在第二模式中，如图1c所示，控制器36操作以(a)引导电源32向第一等离子体源16施加零电压，(b)开启rf源18，以及(c)活化阳极30。结果，第一等离子体16a被去活化，而第二等离子体20被活化且相对于衬底26保持在阳极30的正电压下。在该第二组条件下，先前由第一等离子体16a生成并穿过网格孔22的特定百分比的颗粒或原子被等离子体离子化“i”且具有与阳极30的电压相同的能级。因此，带正电离子加速并轰击维持在接地或偏压的衬底26。
47.时间调制因而涉及将往晶片上的原子a的喷出(热)通量与往衬底26上的高能离子(100ev c )适时交替。在多种实施方案中，可以用下列方式中的一种在时间上调制两种等离子体16a和20：(a)以离散的、不重叠的脉冲交替第一等离子体16a和第二等离子体20的活化；或者(b)以部分重叠的脉冲交替第一等离子体16a和第二等离子体20的活化。在脉冲不重叠的范围内，两种等离子体在时间上进行调制。
48.当两种等离子体16a和20同时被活化时发生空间上调制。在两种等离子体被活化的情况下，往晶片上的原子a的喷出(热)通量与往衬底上的高能离子(100ev c )同时发生。换句话说，衬底26表面的某些离散部分接收原子的热通量，且衬底表面的某些离散部分同时地被离子轰击。因此，在两种等离子体16a、20同时被活化的范围内，在部分重叠脉冲期间或连续地，空间上调制正在发生。
49.图1d及1e分别显示了源自第一等离子体源的电子在第一模式和第二模式中的行为。
50.在第一等离子体源16的中空阴极内，自由电子沿多个方向行进。如箭头70所示，实质上水平行进的电子将撞击第一等离子体源16内部的表面。结果，这些电子将不通过网格22的孔22a。另一方面，如垂直箭头72所示，沿着几乎垂直于孔22a的方向行进的电子将穿过网格22并朝着衬底26行进。这些“逃逸”电子的行为根据操作模式而有所不同。
51.在第一模式中，第二等离子体20不被活化。由于衬底26是接地的或被施加偏置的，因此电子将朝向衬底行进。另一方面，在第二模式中，带正电的等离子体20被活化且其鞘层
至少部分地扩展到由第一等离子体源16所占据的区域中。结果，逸出的电子“弹道化(goballistic)”，意味着等离子体20的正电压造成电子以与在没有鞘层的影响下所发生相比更高的速度向衬底26加速。调制示例
52.参照图2a，显示了两种等离子体16a、20于一段时间内的离散脉冲下的时间上调制的时序图40。
53.在该图中，多个电压值被绘制在垂直轴上，包括从上到下的(a)被施加至阳极30的用于控制第二等离子体20的电压的正电压、(b)在第二模式操作期间被选择性地施加至第一等离子体源16的负偏置电位、以及(c)在第一模式操作期间被电源32施加至第一等离子体源16的负电压。时间沿着水平轴绘制。如下所述，多个用于活化两种等离子体16a和20的定时、不重叠的脉冲沿着水平轴依时间顺序发生。
54.最初，在附图标记42指示的时间区段内，第二等离子体20经由活化rf源18而开启及“预热”。预热期间让rf源18(由振荡波44指示)及所产生的第二等离子体20稳定。
55.接着，在时间脉冲46内，第一等离子体源16经由开启电源32而活化。结果是，生成第一等离子体16a并给予其时间稳定。在此期间，第一等离子体16a和第二等离子体20两者被活化足够的时间以稳定。
56.在时间区段48内，第一等离子体16a和第二等离子体20两者在稳定后被关断一短暂时间(例如15微秒)。第一等离子体16a经由关闭电源32而去活化，而rf源18被关断以将第二等离子体20去活化。调制的顺序现在准备开始。
57.从时间脉冲50开始，第一等离子体16a通过电源32脉冲式开启(模式1)持续该脉冲的持续时间，而rf源18保持关断。随着第一等离子体16a的活化，生成低能量的均质化的热颗粒或原子。这些颗粒或原子中的一些穿过网格22并进入处理室12的主腔、掉落或降落到衬底26上。当时间脉冲50到期时，电源32使第一等离子体16a去活化。
58.在时间区段52，重新开启rf功率源18并给其时间(例如15微秒)以稳定。时间区段52应足够长以使第二等离子体20稳定并成为电容性耦合。在100mhz时，稳定和耦合相对快，通常发生在1到10微秒的范围内。
59.从时间脉冲54开始，第二等离子体20响应于rf功率源18而被活化(模式2)。当被活化时，来自第一等离子体源16穿过网格22的一定百分比的颗粒或原子在第二等离子体20中变成离子化且具有通过(a)由阳极30确定的等离子体20的电压和(b)接地或在偏压下的衬底26的电压之间的电压差测得的高能量。当脉冲54到期时，将rf源关闭且将等离子体20去活化。
60.脉冲56在很大程度上与时间脉冲54重叠。在时间脉冲56期间，电源32向第一等离子体源16提供负电压。在该脉冲期间(模式2)被施加至第一等离子体源16的负电压的大小通常小于时间脉冲50(模式1)的电压大小。在该时间脉冲56中，第一等离子体源16生成原子或颗粒，尽管其速率低于时间脉冲50中的原子或颗粒的速率。此外，也生成了“弹道化”电子。在该时间脉冲56期间生成的原子的一定百分比在等离子体20中被离子化。当这些离子轰击衬底26时，正的表面电荷累积。然而，弹道化电子具有抵消正电荷累积的作用，这有助于中和衬底26上的表面电荷。
61.时间脉冲50、时间区段52和时间脉冲54、56的顺序可以无限地重复。在每个循环
中，(a)颗粒或原子在第一等离子体16a中生成并沉积在衬底26上，且(b)第二等离子体将原子或颗粒离子化，造成衬底的轰击。
62.脉冲50、54、56的持续时间以及脉冲之间的时间区段52可广泛地变化。在一个特定但非排他的实施方案中，时间脉冲50的范围为70至90微秒，时间区段52为约(15微秒)，且时间脉冲54、56的范围为90至95微秒。应当理解的是，这些时间值是示例性的且不应被解释为限制性的。相反，时间脉冲50、时间区段52、时间脉冲54和56的持续时间可各自广泛变动并取决于多个因素，例如对于给定的沉积层工艺而言，所沉积的一或多数膜、沉积原子或颗粒于衬底26上的期望持续时间、轰击衬底26的期望持续时间，两种等离子体16a和20达到稳定所需时间区段和/或第二等离子体源达到人造电位或边界驱动电位的时间。这些只是可用于决定各种脉冲的时间值以及脉冲之间的时间区段的因素中的一些。因此，在替代的实施方案中，时间脉冲50可广泛地变化而具有比这里提出示例中的持续时间更长或更短的时间宽度。
63.在图2a提出的实施方案中，时间脉冲50和54是离散且不重叠的。时间脉冲50和54也可被配置成重叠或连续。
64.参照图2b，显示了用于活化第一等离子体16a和第二等离子体20的重叠脉冲的实施方案。在该时序图中显而易见的是，电源32和rf源18大约在同一时间重复脉冲。结果，脉冲50和56实质上重叠。
65.参照图2c，显示了连续时间脉冲50和54的实施方案。如在此时序图中显而易见的是，在两种等离子体16a、20稳定后，电源32和rf源18连续地脉冲开启。结果，时间脉冲50和56在第一等离子体16a和第二等离子体20被活化时是连续的。
66.如图2a所示，第一等离子体16a相对于第二等离子体20的离散脉冲造成两种等离子体相对于彼此的时间调制。如前所述，这造成将往晶片上的原子a的喷出(热)通量与往衬底26上的高能离子(100ev c )的适时交替。
67.当第一等离子体16a和第二等离子体20两者通过重叠脉冲或连续脉冲而同时活化时，两种等离子体在空间上调制。换句话说，衬底26表面的某些离散部分接收原子的热通量，而同时衬底表面的某些离散部分受到离子轰击。
68.因此，上述过程提供了用于之前不可能的方式选择性地和可控制地(a)选择待沉积的物质和(2)调节沉积工具10的处理室12内的离子分布的能力。类金刚石碳(dcl)类层的形成
69.如前所述，类金刚石碳或“dlc”是一类非晶态的碳材料，其表现出类金刚石特性，包括极高的硬度、耐磨性和“光滑性”。常见的dlc材料包括氢化非晶碳(a
‑
c:h)和氢化四面体非晶碳(ta
‑
c:h)和四面体非晶碳或“ta
‑
c”，它是该群组中最硬、最耐磨和最光滑的。
70.dlc材料的使用在许多应用中是被期望的，例如在半导体晶片制造中用于形成硬掩模。硬掩模优选被使用在半导体工业中作为蚀刻掩模，以取代诸如聚合物抗蚀剂之类的其他“软的”有机材料。使用等离子体蚀刻中所用的常用蚀刻剂气体，例如氟，氯等，“软的”聚合物掩模易遭受降解。结果，半导体晶片上的蚀刻特征较不精确。另一方面，非晶碳dlc掩模，例如ta
‑
c，是显著更稳定的，具有非常低但可预测的蚀刻速率。因此，相比于聚合物树脂，当ta
‑
c硬掩模暴露于氟和/或氯的蚀刻化学品时，具有显著较低的降解，从而造成更精确的蚀刻、更精细的几何形状以及更少的处理缺陷。
71.上述等离子体调制技术可以利用现有的pecvd工具在具有微小变更至没有变更的情况下实施。结果，这样的pecvd工具可用于沉积并且形成在半导体晶片上被用来作为硬掩模的dlc层，其生产量足以支持大规模的工业生产。
72.参照图3，显示了能够沉积诸如ta
‑
c之类的dlc层的沉积工具60的图。沉积工具60包括由室壁14限定的处理室12、用于生成第一等离子体16a的第一等离子体源62、用于在处理室12内选择性地活化第二等离子体20的rf源18、设置在第一等离子体源16下方及第二等离子体源12上方的网格22、用于将衬底26固定在处理室12中的衬底保持器24、设置在第二等离子体20和衬底26之间的中和阻挡层28、阳极30、电源32、等离子体排放装置34以及控制器36(未示出)。上面所列出的具有与前面提到的那些附图标记相同的附图标记的元件本质上是相同的，并且为了简洁起见在此不再赘述。此外，沉积工具60包括先前未描述的数个附加元件和特征。
73.第一等离子体源62是用于生成碳原子的中空阴极。在非排他实施方案中，中空阴极由非含碳材料制成，例如铝或掺杂的硅。为了生成所需的碳原子，中空阴极被配置为接收含碳材料。在所示的特定实施方案中，这是经由将石墨棒64引入第一等离子体源62的中空阴极内所限定的单个单元中来实现的。
74.当碳的第一等离子体16a待生成时，开始下列顺序：(a)第一等离子体源的单元充满诸如氦气或氩气之类的点燃气体；(b)电源32施加负电压(例如
‑
400ev)至第一等离子体源62。结果，在各个单元中生成点燃气体的等离子体；以及(c)以由电压源65提供的dc电压施加偏置的石墨棒64被插入各个单元内的等离子体中。在不同的实施方案中，石墨棒64可以是负偏置的或正偏置的。在负偏置操作中，石墨被第一等离子体源16或hcd内生成的离子溅射。在正偏置操作中，从 100至 500伏特的范围内的电压被施加至石墨棒。在该范围内，hcd中的电子轰击石墨棒64。所得的高电子电流使石墨棒64加热到碳升华开始的温度(例如>2000℃；石墨在大气中在>4000℃升华且该值在真空中大大地降为2000℃或更低)。一旦碳原子生成经由升华达到稳定状态，点燃气体的来源就减弱，并且最终完全关闭。最终结果是均质的、热的碳原子的实质纯净等离子体。应注意的是，石墨棒64仅仅是可被使用的碳源的一种类型。
75.所得的碳原子之后穿过网格22并且进入第二等离子体20所占据的区域。在非排他实施方案中，网格22是具有透明性的德拜出口板，其透明性由具有明显大于第一等离子体16a的德拜(debye)长度的直径的孔限定。在这种布置下，第一等离子体16a限定了高度均匀的碳原子的来源。当这些原子离开超级德拜(super
‑
debye)板时，一定程度的碳原子被热化。离开网格的被高度热化的c原子“密云(soup)”使非晶碳层更均匀地沉积到衬底26的表面上，等待着通过高能碳离子的次植入转变为ta
‑
c。
76.在非排他的实施方案中，第二等离子体20是高频(例如100mhz)的电容耦合等离子体。在较高频率例如100mhz左右的频率下，第二等离子体20的存在不论是紧跟在100mhz
‑
ccp的余辉后，还是在100mhz
‑
ccp稳定后的几微秒，都有助于第一等离子体源16中的第一等离子体16a的点燃。
77.在图3所示的工具60的布置的情况下，衬底26有效地提供涉及rf源18的高度稳定且可靠的rf接地回路路径。第一等离子体源62(或hcd)以100mhz的频率耦合到rf源18。hcd
的位于处理室12内的部分保持真空，而外侧部分是在大气中。由于处理室12的壁14由介电材料制成，100mhz的射频辐射穿过，但被接地屏蔽66阻挡。表示为68的杂散电容是处理室12相对于由接地屏蔽66所定义的“实际接地”的电容。由于大气(例如空气)具有低介电常数，因此电容68通常非常小。结果，在100mhz的rf的hcd观察到相对于接地屏蔽66的非常高的阻抗。另一方面，根据所使用的卡盘类型，衬底26处于直流接地或电抗接地。无论哪种方式，衬底26和衬底保持器24提供稳定的接地回路路径。因此，以衬底26用作vhf接地回路提供高度可靠且可重复的回路路径。
78.第一等离子体16a和第二等离子体20的调制被用于生成dlc层，例如ta
‑
c。
79.在第一模式中，碳等离子体通过第一等离子体源62以上述方式生成。结果，生成均质的、低或热能的、非晶的碳原子。当这些非晶碳原子穿过网格22时，它们降落并沉积在衬底26上，形成主要具有sp2键的非晶碳层。
80.在第二模式中，第二等离子体20经由开启rf电源18来活化。rf电源使处理室12中的一定百分比的碳原子在非常快的一段时间(例如约10微秒)内离子化。结果，在衬底26的上方建立包含碳离子的等离子体鞘层。
81.阳极30施加正电压至等离子体20，这使碳离子相对于衬底26带正电，衬底26保持接地或选择性偏置。结果，这些单能碳离子加速朝向衬底26并轰击衬底26。
82.阳极30在控制衬底26表面相关的等离子体20的电位或电压方面起到独特的作用。例如，阳极30可以在很短的一段时间，从1到10微秒的范围且通常在1或2微秒内，将自然等离子体电位提升到边界驱动等离子体电位。当边界驱动等离子体电位被建立时，形成强的等离子体鞘层，且碳离子具有的能量比在自然等离子体电位下产生的能量更多。当正的碳离子轰击衬底26的表面时，其浮动表面电压可能向上漂移，意味着边界驱动等离子体电位下降。但经由增加阳极30的电位，可增加边界驱动等离子体电位。此外，第一等离子体16a可被微弱地开启，造成击打衬底表面的电子注入。结果，衬底26上的电荷可被进一步控制，这又意味着离子轰击的持续时间可被延长。该方法不同于将衬底26的电位降低以增加等离子体电位的正常情况。
83.通过单能碳离子轰击非晶碳层造成sp3键通过被称为次植入的过程而自发形成。sp3键继而造成非晶碳层转变为类金刚石ta
‑
c层。因此，在衬底26上的ta
‑
c层经由：(a)由纯碳源将非晶碳层形成于衬底26上以及(b)控制碳离子的轰击能量来实现。
84.用于生成碳原子的第一等离子体和用于使碳原子离子化的第二等离子体可以在时间上、空间上或两者上进行调制。这可经由以(a)离散时间间隔、(b)重叠的时间间隔或(c)两者的方式连续实施上述两种模式来实现。特别是：
85.图4a显示了第一等离子体和第二等离子体在离散的、不重叠的时间脉冲50和重叠的时间脉冲54/56二者中的活化。在脉冲50期间，电源32提供
‑
700ev的负电压至第一等离子体源16。结果，生成热能的非晶碳原子。在重叠的时间脉冲54和56的情况向下，(a)射频源18被开启，从而活化第二等离子体，(b)阳极30将第二等离子体20充电达120ev，以及(c)电源32施加
‑
200ev的负电压至第一等离子体源16。
86.当第一等离子体源16被活化时，产生了非晶碳原子的来源。这些碳原子降落并在衬底26上形成非晶层。当第二等离子体20被活化时，一定百分比的非晶碳原子离子化。离子化的碳离子轰击衬底，造成通过次植入的sp3键的自发形成。未离子化的碳原子继续沉积在
衬底26的表面上，从而增加至非晶碳层上。
87.上述两种等离子体的时间上调制定义出形成ta
‑
c的两步骤工艺：(1)非晶碳层于衬底表面上的沉积；以及(2)非晶碳层经由离子轰击转变为ta
‑
c。
88.在ta
‑
c的转变期间，带正电离子的轰击产生正电荷的堆积和离子能量分布函数(iedf)的放宽，这可能会妨碍ta
‑
c的转变。为了抵消这种堆积，使用了两种等离子体的调制。经由将第一等离子体与第二等离子体重叠(时间脉冲54、56)，不仅生成了非晶碳原子，且弹道化电子如上关于图1e所描述的那样冲向衬底26的表面。这些电子在一定程度上中和了由离子轰击导致的衬底26的二维表面上的正电荷堆积。结果，电荷堆积可被减少或以其他方式被控制。类似地，两种等离子体16a和20的连续活化也可被用来控制衬底26表面上的电荷堆积。
89.该两步骤工艺不同于原子层沉积法，因为两步骤中的每个步骤的时间非常短，范围通常小于100微秒，且离子转变率比较小(小于0.01％)。
90.图4b显示了第一等离子体和第二等离子体在重叠脉冲下的活化。
91.图4c显示了连续的第一等离子体和第二等离子体活化。
92.在图4b和图4c的两个实施方案中，ta
‑
c的转变发生方式实质上相同于上述的两步骤工艺。换言之，当第一等离子体16被活化时，(a)非晶碳原子被生成且沉积在衬底26的表面上，且(b)电子被生成以用于表面电荷控制。当第二等离子体20被活化时，一定百分比的碳原子离子化并轰击衬底，从而造成ta
‑
ca转化。在图4b中，脉冲54和56重叠。在图4c中，时间脉冲54和56是连续的。
93.因此，上述工艺提供了以下能力：选择性地和可控制地(1)沉积非晶碳于衬底上，以及(2)调节处理室12内的离子分布，以及(3)以先前不可能的方式控制表面电荷堆积。经由在时间上控制两种等离子体的活化，可跨越整个晶片表面在二维空间上控制非晶碳层的沉积、离子植入和表面电荷。结果，通过经由次植入的sp3键的自发形成，非晶碳层可被转变为dlc。
94.由于上述工艺可在常规的pecvd工具中进行，它可被容易地扩展为用于某些类型衬底，例如半导体芯片、平板显示器和/或光伏装置的工业生产。ta
‑
c转化
95.在第一等离子体16a的活化期间，碳原子被沉积在衬底26的表面上，形成非常薄的非晶碳原子单碳层("c)，其厚度可能仅为2
‑
3个原子。当第二等离子体20被活化时，约100ev的碳离子(" c")具有足够的能量贯穿到衬底26表面上的顶部非晶、单碳层的下方。当碳离子c 贯穿时，它们由于碰撞而开始失去能量。在不到一皮秒的数量级内，c 离子由于碰撞(即，可能在2至5次之间的碰撞)而损失足够的能量，从而到达低得多的能级，可能仅有几个ev。这时，碳原子和碳离子c 之间形成sp3键。换言之，碳离子c 变成“被笼罩”成亚稳态，从而导致sp3键的形成。
96.以上的转变工艺可用一示例来说明。考虑下列情况：(1)将大约
‑
150v施加至hcd以生成碳原子，以及(2)将 100v施加至阳极环30。结果，边界驱动等离子体电位大约为100v。一开始，形成100v的等离子体20的鞘层且离子并且开始以大约100ev的能量轰击表面。随着带有约
‑
150ev的电子同时注入到衬底26上，入射电子将开始抵销经由正c离子轰击的荷正
电(positive charging)。现在，如果电子通量(不是单一能量而是有着分布的iedf，其峰值能量在约150ev附近)高于正c离子通量，则vf(衬底表面浮置电位)可能实际上往负向下漂移。现在，取决于iedf的确切功能，最终的vf可能是例如
‑
100v。由于阳极30保持在 100v，造成200v的动态平衡鞘层，且大约200ev的连续 离子能量正撞击衬底26的表面，在相等数量的电子撞击该表面之情况下，维持了动态平衡。此时，阳极30的电压可被调节至 50v以维持动态平衡，并且将边界驱动等离子体电位复位至大约 50v。这造成大约 150v的动态平衡鞘层。因此，经由动态地调整阳极的电压，离子和电子的表面平衡可以随着工艺条件的改变而得到维持和控制。结果，两种等离子体16a和20可被连续地和同时地活化。
97.在替代的实施方案中，衬底26的表面平衡可经由两种等离子体16a和20的时间调制来达成。脉冲时序
98.脉冲宽度是54和56且被指定用于控制v
f
向上漂移，其被定义为c 离子的轰击造成的衬底26表面的向上漂移。在一实施方案中，如果可以在脉冲54和56的周期中消除vf漂移，则可在如图4c所示的连续模式下执行“ta
‑
c转化”操作。当不在连续的ta
‑
c转化模式下操作时，时间脉冲54和56的宽度范围可以很广。
99.54和56之间的起始时间差也很关键。当54脉冲开启时，第二等离子体20的电位增加到高于阳极30的电压的人造电位或边界驱动电位。安全裕度是将花费约一微秒的时间来设定人造或边界驱动电位。因此，经由在脉冲56之前大约5至15微秒启动时间脉冲54，提供了比适当更多的时间使等离子体20在其人造或边界驱动电位处稳定。超过十(10)到十五(15)微秒，vf可能会由于离子轰击衬底26的表面而开始向上漂移。考虑到这一点，脉冲54和56之间的时间间隔优选为5到10微秒左右，并且应该不超过15微秒。此外，经由防止vf漂移过大，碳离子c 的能量保持在所需的能级。如果vf漂移太高，则处于人造电位或边界驱动电位下的等离子体20与衬底26之间的电压差减小，从而造成具有较少的轰击能量的碳离子c 。附加的衬底表面电荷控制
100.在某些非排他实施方案中，中和阻挡层28也可以用于控制衬底26上的表面电荷。经由以含电子的材料(例如带孔的石墨板)来制作中和阻挡层28，可用的电子被吸引到在轰击衬底26时通过的带正电离子。结果，离子的电荷变得有点中和，且衬底26表面上的能量通量可被减少。中和阻挡层及弹道化电子的使用，可以一起也可以分开，以控制衬底26的表面上的能量通量。大规模半导体晶片制造
101.在常规的pecvd工具中形成dlc层(诸如ta
‑
c)的能力开启了半导体晶片的大规模工业生产的可能性。
102.参照图5，显示了半导体晶片的大规模、工业的制造过程中利用dlc层作为硬掩模的流程图80。
103.在初始步骤82中，形成任何要被图案化和/或掺杂到半导体晶片上的层。这样的层可以包括但不限于硅层、多晶硅层、诸如铝、铜、钨等的金属层、绝缘层、氧化物层等。
104.在步骤84中，dlc硬掩模层形成于这里所述的半导体晶片上。该dlc层可以是任何前面提到的类金刚石材料，其包含ta
‑
c。
105.在步骤86中，dlc硬掩模层经图案化以暴露特定区域同时覆盖其他区域。
106.在步骤88中，半导体晶片上的暴露区域被蚀刻、掺杂或两者。半导体晶片的仍然被dlc层覆盖的区域保持被保护，且未被蚀刻和/或被掺杂。
107.在判断90中，判断在半导体晶片上额外的层是否需要形成、蚀刻和/或掺杂。如果是，则重复操作82
‑
88。如果不是，则该工艺完成，但晶片通常将经历其他工艺步骤直到制造完成，就如半导体技术领域中所已知的。
108.同样，由于dlc层可以在常规的pecvd工具中形成和/或图案化，上述工艺可以大的工业规模实施。
109.应理解的是，尽管这里所述的实施方案大部分与沉积工具有关，但这绝不应当解释为限制性的。相反，不管工件的类型或工件的处理方式如何，这里所述的目标可以与任何类型的工件处理工具(包括等离子体蚀刻工具)一起使用。
110.应理解的是，这里所提出的实施方案仅仅是示例性的且不应被解释成在各方面构成限制。尽管只有一些实施方案已被具体地描述，应理解的是，本技术可在不背离本文所提供的公开内容的精神或范围内以许多其他形式实施。因此，本发明实施方案应该被解释为说明性的且非限制性的，并且不限于本文所给出的细节，而是可在所附权利要求的范围和等效范围内进行修改。