專利名稱：改善等離子體均勻性和減少器件損傷的等離子體反應室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例一般地涉及改善等離子體分布均勻性和減少器件損傷的等離子體反應室。
背景技術：
電容耦合等離子體反應器被用于制造具有大的高寬比的半導體微電子結構。這樣的結構通常具有穿過形成在半導體襯底上的一層或者多層薄膜的窄而深的開口。電容耦合等離子體反應器被用于制造這樣的器件中的各種工藝，包括電介質刻蝕工藝、金屬刻蝕工藝、化學氣相沉積工藝等。這樣的反應器還被用于制造光刻掩模和制造半導體平板顯示器。這樣的應用依靠等離子體離子來增強或者允許所期望的工藝。在半導體工件的表面上的等離子體離子密度影響工藝參數，并且對于制造大的高寬比的微電子結構特別重要。事實上，在制造大的高寬比的微電子集成電路中的問題在于，在工件表面上的等離子體離子密度的不均勻性可以導致由于不均勻的刻蝕速率或者沉積速率引起的工藝故障。
典型的電容耦合反應器具有處在反應器室中的晶片支撐底座，以及處在晶片支撐底座上方的頂板。頂板可以包括氣體分配板，該氣體分配板將處理氣體噴灑到室中。RF功率源被施加在整個晶片支撐底座和頂板或者壁上，以激發(fā)或者維持晶片支撐底座上方的等離子體。室一般是圓筒形的，而頂板和晶片支撐底座是圓形的并且與圓筒形的室共軸以增強均勻的處理。然而，這樣的反應器具有不均勻的等離子體密度分布。通常，等離子體離子的徑向密度分布在晶片支撐底座的中心上方高，而在周緣附近低，帶來了明顯的問題。各種方法被用來控制等離子體離子密度分布，以改善晶片或者工件表面上的工藝均勻性，并且至少部分地克服該問題。
一個這樣的方法是提供一組磁性線圈，該一組磁性線圈周向間隔地圍繞反應器室的側邊，并且所有線圈都面對室的中心。相對較低頻率的正弦電流被供應到每一個線圈，在相鄰的線圈中的正弦電流偏移一定的相位，以在晶片支撐底座上方產生緩慢旋轉的磁場。該特征往往改善晶片支撐底座上方的等離子體離子密度的徑向分布。若該方法被用于反應性離子刻蝕，則其被稱為磁性增強反應性離子刻蝕(MERIE)。該方法具有某些限制。具體地，磁場的強度可能需要限制，以避免與磁場強度相關的對半導體工件上的微電子結構的器件損傷。強度必須還被限制來避免與磁場強度的變化率相關的室電弧放電。因此，總的MERIE磁場可能需要被顯著地減小，并且因此可能面臨對等離子體離子密度均勻性控制的明顯限制。
另一種方法被稱為可配置磁場(CMF)，并且使用如上所述的相同的周向間隔的多個線圈。但是，在CMF中，線圈被操作以施加從一側到另一側橫穿工件支撐底座的平面延伸的磁場。此外，磁場繞晶片支撐底座的軸旋轉，以產生徑向的時間上平均的磁場。在具有四個并排的線圈的反應器的情形中，這通過向一對相鄰的線圈提供一DC電流并且向相對的一對相鄰的線圈提供不同(或者相反)的DC電流可以全部實現。線圈被切換以旋轉該模式以使磁場旋轉，如上面提到的那樣。由于CMF磁場的突然切換，所以此方法容易受到室或者晶片電弧放電的影響，并且因此磁場強度必須被限制。結果，在某些應用中，磁場不能充分補償由反應器產生的等離子體離子密度的不均勻性。
因此，所需要的是一種更高效地(因此磁場強度可以更小)并且具有更小的(或者沒有)磁場時間波動的補償等離子體離子密度分布不均勻性的方法。

發(fā)明內容
一種用于處理工件的等離子體反應器，包括真空室，其由側壁和頂板限定；和工件支撐底座，其具有處在所述室中并且面向所述頂板的工件支撐表面，并且包括陰極電極。RF功率發(fā)生器耦合到所述陰極電極。等離子體分布由外部環(huán)形內電磁體、外部環(huán)形外電磁體和外部環(huán)形底電磁體控制，其中外部環(huán)形內電磁體處在所述工件支撐表面上方的第一平面中，外部環(huán)形外電磁體處在所述工件支撐表面上方的第二平面中，并且具有比所述內電磁體更大的直徑，外部環(huán)形底電磁體處在所述工件支撐表面下方的第三平面中。多個DC電流源分別連接到內、外和底電磁體。工件支撐底座和內、外和底電磁體一般可以是同軸的。在一個實施例中，所述第一平面在所述第二平面上方，并且所述第一平面和所述第二平面都在所述第三平面上方，所述第一平面、第二平面和第三平面與所述工件支撐表面平行。
反應器可以包括控制來自內、外和底DC電流源的DC電流的處理器。所述處理器可以以三種模式工作，即尖峰模式，其中所述DC電流導致所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面處產生相等并相反的磁場，鏡像模式，其中所述DC電流導致所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面處產生相似的磁場，和螺線管模式，其中所述DC電流導致所述電磁體中的至少一個在所述工件支撐表面處產生徑向磁場和軸向磁場。
所述處理器可以被編程，以查尋對于三個磁體的最優(yōu)的DC電流組合，來利用晶片處的徑向磁場提高等離子體離子密度分布均勻性，同時通過控制(例如減小)晶片處的軸向磁場改善器件損傷結果。


圖1A，1B和1C示出了具有用于控制等離子體離子均勻性的頂置VHF電極和頂置線圈的等離子體反應器。
圖2示出了用于控制圖1的頂置線圈的示例性裝置。
圖3A和3B是圖1的頂置線圈的磁場的圖示表示，并且圖3C是同一磁場的空間表示。
圖4A，4B，4C和4D是對于圖1的反應器的各種操作模式晶片表面上的刻蝕速率(豎軸)作為徑向位置(橫軸)的函數的視圖。
圖5A，5B，5C和5D是對于圖1的反應器的其他操作模式晶片表面上的刻蝕速率(豎軸)作為徑向位置(橫軸)的函數的視圖。
圖6是描繪刻蝕速率作為磁場的函數的視圖。
圖7和8示出了具有MERIE磁體的圖1A的反應器。
圖9描繪了操作圖1A的反應器的方法。
圖10是示出了在圖1A的反應器中磁壓強和離子或者電子密度作為晶片表面上的徑向位置的函數的比較示例的視圖。
圖11是描繪了刻蝕速率不均勻性作為線圈電流的函數的視圖。
圖12示出了在圖11的示例中在零線圈電流下的徑向離子分布。
圖13A和13B比較了在11的示例中在約11安培的線圈電流下的測量到的和預測的刻蝕速率分布。
圖14A和14B比較了在11的示例中在約35安培的線圈電流下的測量到的和預測的刻蝕速率分布。
圖15描繪了操作圖1A的反應器的另一個方法。
圖16示出了在對應于圖1A的反應器中得到的磁場分布。
圖17描繪了圖16的在晶片平面中的磁場的平方的梯度。
圖18示出了在對應于圖1A的反應器中得到的另一個磁場分布。
圖19描繪了圖18的在晶片平面中的磁場的平方的梯度。
圖20示出了在對應于圖1A的反應器中得到的另一個磁場分布。
圖21描繪了圖20的在晶片平面中的磁場的平方的梯度。
圖22描繪了操作圖1A的反應器的另一個方法。
圖23示出了用于控制圖1A的反應器的示例性微控制器操作。
圖24示出了包括圖1A的反應器中所包含的特征的等離子體反應器。
圖25示出了包括圖1A的反應器中所包含的特征的另一個等離子體反應器。
圖26，27，28，29A和29B示出了用于圖1A、24和25的反應器的氣體分配板。
圖30和31示出了在如圖26的氣體分配板中的熱控制特征。
圖32和33示出了對應于圖26的具有雙區(qū)氣流控制的氣體分配板。
圖34示出了對應于圖1A的具有雙區(qū)氣體分配板的等離子體反應器。
圖35和36示出了示例性的雙區(qū)氣流控制器。
圖37示出了對應于圖34的具有三個用于控制等離子體離子分布的頂置線圈的等離子體反應器。
圖38和39分別描繪了用于產生中心低氣流分布或者中心高氣流分布的圖26的氣體分配板中的不同氣體注入孔圖案。
圖40，41，42和43示出了用于控制等離子體離子分布的頂置線圈的不同布置。
圖44和45示出了對應于圖1A的其中頂置線圈被反應器室上方和下方的上磁性線圈和下磁性線圈代替以產生圖45中可見的尖峰形磁場的等離子體反應器。
圖46示出了如何可由可配置磁場(CMF)線圈代替圖44的上和下線圈，其中以產生圖45的尖峰形磁場的方式操作所述可配置磁場(CMF)線圈。
圖47A-47D示出了圖46的CMF線圈的產生所期望的磁場配置的操作模式。
圖48，49和50示出了圖1A的反應器中的用于防止等離子體離子進入反應器的抽吸套環(huán)的環(huán)形孔隙板。
圖51示出了用于處理矩形工件的圖1A的矩形形式的反應器。
圖52示出了對應于圖1A的具有可伸縮工件支撐底座的反應器。
圖53A和53B示出了使用兩個頂置線圈和一個下部線圈控制等離子體離子分布的不同實施例。
圖54描繪了本發(fā)明的一個實施例。
圖55A到55C描繪了在晶片平面上對應于圖54的反應器的三個模式的三個磁場。
圖56A到56C分別描繪了對應于55A到55C所施加的電磁DC電流。
圖57A和57B是分別比較了圖54的反應器的尖峰模式和模式的徑向分量和軸線分量的分布的視圖。
圖58A和58B是分別比較了圖54的反應器的螺線模式和鏡像模式的徑向分量和軸線分量的分布的視圖。
圖59是對于圖54的反應器的不同模式的等離子體離子徑向分布(從離子飽和電流推導)的視圖。
圖60是對于圖54的不同磁場或者模式刻蝕速率作為半徑的函數的視圖。
圖61描繪了通過刻蝕速率不均勻性和器件損傷來表征不同的磁場或者模式的表。
圖62描繪了用于確定三個磁體中的至少兩個的最優(yōu)DC線圈電流的基本過程。
圖63描述了可以接在圖62的過程之后用于確定所有三個磁體的DC電流的附加過程。
圖64描繪了對于圖63的過程的可選替換。
圖65是描繪了根據利用一個磁體的第一查尋對于不同磁場強度的刻蝕速率徑向部分的視圖。
圖66是描繪了根據利用另一個磁體的第二查尋對于不同磁場強度的刻蝕速率徑向部分的視圖。
圖67是描繪了由圖65和66的分布構建的數學分布函數的視圖。
圖68描繪了用于確定最優(yōu)電磁體DC電流的一個過程。
圖69描繪了用于確定最優(yōu)電磁體DC電流的另一個過程。
圖70描繪了用于確定最優(yōu)電磁體DC電流的另一個過程。
圖71A到71E描繪了在圖70的過程的后續(xù)步驟中得到的刻蝕速率分布。
具體實施例方式
特定等離子體反應室所展現出的等離子體離子密度分布是室壓強、氣體混合物和擴散、以及功率源輻射模式的函數。在本反應器中，此分布被通過磁力改變，以接近已經被預定來改善工藝均勻性的選定或者理想分布。被磁力改變或者校正的等離子體離子密度分布使得晶片或者工件表面上的工藝均勻性被改善。為此，取決于用戶所確定的需求，被磁力校正的等離子體分布可以是不均勻的，或者其可以是均勻的。我們已經發(fā)現平均的磁場強度將壓強施加于等離子體以改變其分布的效率可以得到提高。根據此發(fā)現，通過增大磁場梯度的徑向分量可以實現此令人驚奇的結果。徑向被理解為是關于圓筒形室的軸對稱的。因此，所需要的是具有大的徑向梯度并且沿其他方向的小場強的磁場配置。這樣的磁場是其對稱軸與圓筒形反應器室的軸一致的尖峰形。一種產生尖峰形磁場的方法是在圓筒形室的上方和下方提供線圈，并且使DC電流以相反的方向流過這些線圈。
取決于室的設計，在晶片底座的下方提供線圈可能是不現實的，因此在第一種情況中，頂部線圈足以實現這些目的。此外，所需要的是尖峰形磁場可配置或者可調節(jié)來精確控制或者改變給定等離子體反應器室中固有的等離子體離子分布(“環(huán)境”等離子體離子分布)。因為在不同的電容耦合反應器中所提供的等離子體離子分布可能變化很大，所以這樣的可調節(jié)性在某些情況下可能是重要的。磁場梯度的徑向分量被選擇來施加將環(huán)境分布改變?yōu)槠谕植妓璧拇艍簭?。例如，如果所期望的分布是均勻分布，則所施加的磁場被選擇為抵消在不存在磁場的情況下反應器所展現的等離子體離子密度的徑向分布的不均勻性。在此情況下，例如，如果反應器趨向于具有中心高的等離子體離子密度分布，則磁場梯度被選擇來維持晶片支撐底座的中心上方的等離子體密度，并且增強周緣附近的等離子體密度以獲得均勻性。
根據我們的發(fā)現通過提供至少一個第二頂置線圈可以實現這樣的尖峰形磁場的可調節(jié)性，其中所述第二頂置線圈具有不同于(例如小于)第一線圈的直徑。在各個線圈中的DC電流是獨立可調節(jié)的，以允許以高度靈活的方式配置尖峰形磁場，來實質改變任何環(huán)境等離子體離子密度，以便使其接近某種所期望的等離子體離子密度。這樣的場配置選擇可以被設計來改進中心高或者中心低的等離子體離子密度分布。
可以實現的一個優(yōu)點是兩方面的，因為尖峰形磁場具有相對于磁場強度的大的徑向梯度(如上所述)，因此對于對等離子體施加校正壓強是高效的；但是，因為磁場隨時間是恒定的，所以產生電弧放電的趨勢大大減小，因此當需要時可以使用更強一點的磁場，以獲得甚至更大的校正能力。如將在此說明書中稍后所描述的，此特征在較高的室壓強下可能是非常有用的。
圖1A示出了能夠提供可調節(jié)尖峰形磁場的電容耦合等離子體反應器。圖1A的反應器包括圓筒形側壁5、作為氣體分配板的頂板10以及支持半導體工件20的晶片支撐底座15。頂板10或者氣體分配板可以是導電的，以使其可以充當陽極或者其可以具有安裝到其上的陽極。頂板10或者氣體分配板一般由鋁制成，并且具有內部氣體歧管并且在其面對室中的內部表面中具有氣體注入口。處理氣體源25將處理氣體供應到氣體分配板10。真空泵30控制反應器室內的壓強。用于激發(fā)和維持反應器室內的等離子體的等離子體功率源通過RF發(fā)生器40來產生，所述RF發(fā)生器40通過阻抗匹配電路45連接到晶片支撐底座15，以使晶片支撐底座充當RF電極。陽極(其可以是由導體材料形成的頂板10)被連接到RF地，以充當反電極。這樣的反應器往往具有非常不均勻的等離子體離子密度分布，該分布一般是中心高的。
圖1B示出了其中頂板10通過RF阻抗匹配元件11(僅僅示意性地示出)連接到供應等離子體功率源的VHF信號發(fā)生器12，而不是如圖1A中那樣直接連接到地的特征。在此情況下，RF發(fā)生器40僅僅控制半導體晶片或者工件20上的偏壓。(RF阻抗匹配元件11可以是諸如同軸調諧短棒或者帶線電路的固定調諧元件。)在本說明書中的后面部分中將更詳細地討論這一特征。
為了控制等離子體離子密度的分布，一組感應線圈被提供在頂板10上方。在圖1A的情形中，該組線圈包括內線圈60和外線圈65，內線圈60和外線圈65與圓筒形室同軸，并且各自包含一圈導體。雖然在圖1A中所示的線圈60，65為一匝，但是它們中的每一個可以包含垂直布置的多匝，例如如圖1B所示。或者，如圖1C所示，線圈60，65可以垂直和水平延伸。在圖1A中的情形中，內線圈60的位置比外線圈65更遠離頂板10的上方。但是，在其他情形中，此布置可以被反過來，或者兩個線圈60，65可以處在頂板10上方相同的高度上。
在圖1A和1B的情形中，控制器90通過控制分別連接到線圈60，65的各自獨立的DC電流源70，75，來確定流到各個頂置的線圈60，65的電流的大小和極性?，F在參考圖2，示出了這樣的情形，其中控制器90控制從DC電流源76到線圈60，65的DC電流，所述DC電流源76通過控制器90供應電流，控制器90被分別連接到線圈60，65中的每一個。在這兩種情形中，控制器90都能夠使得不同極性和大小的DC電流分別在線圈60，65中流動。在圖2的情形中，控制器90包括一對電位計82a、82b和一對聯動開關84a，84b，所述電位計82a、82b調節(jié)施加到各個線圈60，65的DC電流，所述聯動開關84a，84b獨立地確定施加到每一個線圈60，65的DC電流的極性。諸如微處理器91之類的可編程設備可以被包括在控制器90中，以便智能地控制電位計82a、82b和聯動開關84a，84b。
圖1A，1B和1C中所示的其中內線圈60比外線圈65布置在頂板10上方更高的高度上的兩個線圈60，65的布置，提供了某些優(yōu)點。具體地，由各個線圈提供的磁場梯度的徑向分量至少是大致與線圈的半徑成正比，與離線圈的軸向位移成反比。因此，內線圈60和外線圈65因為其不同的尺寸和位移將起到不同的作用外圈65將主導晶片20的整個表面，因為其半徑更大并且更靠近晶片20，而內線圈60將在晶片中心附近有最大的影響，并且可以被看作用于更精細調節(jié)或者調控磁場的調整線圈。其他布置也可以用于實現這樣的通過具有不同的半徑和布置在離等離子體不同的位移處的不同線圈的差別控制。如參考某些加工示例在本申請中后面所描述的，通過不僅選擇在各個頂置的線圈60，65中流動的電流的不同大小，并且通過選擇對于不同的頂置線圈60，65的電流的不同極性或者方向，獲得了對環(huán)境等離子體離子密度分布的不同改變。
圖3A示出了在圖1A的情形中，作為晶片20上的徑向位置的函數的由內線圈60產生的磁場的徑向(實線)和方位角向(虛線)分量。圖3B示出了作為晶片20上的徑向位置的函數的由外線圈65產生的磁場的徑向(實線)和方位角向(虛線)分量。在圖3A和3B中示出的數據是在其中晶片20的直徑為300mm，內線圈60的直徑為12英寸并且布置在等離子體上方10英寸處，以及外線圈65的直徑為22英寸并且布置在等離子體上方約6英寸處的實施方式中得到的。圖3C是由內頂置線圈60和外頂置線圈65產生的半尖峰形磁場線圖案的簡化圖。
圖2的控制器90可以改變施加到各個線圈60，65的電流，以便調節(jié)晶片表面上的磁場，并由此改變等離子體離子密度的空間分布?，F在將被示出的是由線圈60，65中不同一個所施加的不同磁場效應，以便說明控制器90通過改變這些磁場可以多大程度地影響和改善室中的等離子體離子密度。在下面的示例中，直接測量晶片表面上的刻蝕速率的空間分布，而不是等離子體離子分布?？涛g速率分布直接隨等離子體離子分布變化而變化，因此其中之一的變化反映了另一個的變化。
圖4A，4B，4C和4D示出了在低室壓強(30mT)下只使用內線圈60所實現的有益效果。圖4A示出了作為晶片20表面上的位置(水平X和Y軸)的函數的所測量到的刻蝕速率(垂直Z軸)。圖4A由此示出了刻蝕速率在晶片表面的平面中的空間分布。在圖4A中可清楚看到刻蝕速率分布的中心高不均勻性。圖4A對應于其中沒有施加磁場的情形，因此示出了在反應器中固有的并且需要校正的不均勻的刻蝕速率分布。在此情形中，刻蝕速率具有5.7％的標準偏差。在圖4和5中，磁場強度將被描述為在晶片中心附近的軸向場，但是應該理解，徑向場是對等離子體離子密度的徑向分布起作用以改善均勻性的磁場。在本說明書中選擇了軸向場，因為其更容易測量。在晶片邊緣處的徑向場一般是在此位置處的軸向場的1/3。
圖4B示出了當內線圈60已經被激勵以產生9高斯的磁場時刻蝕速率分布如何變化。不均勻性減小到4.7％的標準偏差。
在圖4C中，內線圈60的磁場已經增大到18高斯，并且可以看到在中心處的峰已經大大地減小，結果晶片上的刻蝕速率標準偏差減小到2.1％。
在圖4D中，內線圈60的磁場已經被進一步增大到27高斯，因此圖4A的中心高的圖案已經幾乎被反轉為中心低的圖案。在圖4D的情形中的晶片表面上的刻蝕速率標準偏差為5.0％。
圖5A，5B，5C和5D示出了在較高室壓強(200mT)下使用線圈60，65兩者的有益效果。圖5A對應于圖4A，并且描繪了沒有通過磁場校正的反應器的中心高刻蝕速率的不均勻性。在此情形中，晶片表面上的刻蝕速率的標準偏差為5.2％。
在圖5B中，外線圈65已經被激勵以產生22高斯的磁場，這在一定程度上減小了刻蝕速率分布中的中心峰。在此情形中，刻蝕速率標準偏差已經減小到3.5％。
在圖5C中，兩個線圈60，65都被激勵以產生24高斯的磁場。在圖5C中所見的結果是刻蝕速率分布中的中心峰已經明顯減小，而周緣附近的刻蝕速率已經增大?？偟男Ч蔷哂?.2％的低標準偏差的更均勻的刻蝕速率分布。
在圖5D中，兩個線圈都被激勵，以產生40高斯的磁場，發(fā)生了過校正，因此晶片表面上的刻蝕速率分布已經轉變?yōu)橹行牡头植肌Ｔ谠摵笠磺樾沃械目涛g速率標準偏差已經輕微上升(相對于圖5C的情形)到3.5％。
比較在圖4A-4D的低壓強測試中與圖5A-5D中的高壓強測試中所得到的結果，可以看到較高的室壓強需要大得多的磁場，以獲得對刻蝕速率不均勻性分布的相似校正。例如，在30mT下，僅僅使用18高斯下的內線圈60，就獲得最優(yōu)校正，而在300mT下，需要使用線圈60，65兩者的24高斯的磁場來獲得最優(yōu)校正。
圖6示出了頂置線圈的磁場明顯影響等離子體離子密度或者刻蝕速率分布的均勻性，但是不明顯影響刻蝕速率本身。這是有利的，因為雖然理想的是改善刻蝕速率分布的均勻性，但是優(yōu)選的是不改變?yōu)樘囟ò雽w工藝所選定的刻蝕速率。在圖6中，菱形符號描繪了作為磁場(水平軸)的函數的測量到的刻蝕速率(左手側豎軸)，而正方形符號描繪了作為磁場的函數的刻蝕速率的標準偏差(不均勻性)(右手側豎坐標)。在所示范圍內的不均勻性變化為約1個數量級，而刻蝕速率的變化僅為約25％。
圖1A，1B和1C的頂置線圈感應器60，65可以用于常規(guī)的MERIE反應器。圖7和8示出了對應于圖1A的具有四個常規(guī)MERIE電磁體92，94，96，98和MERIE電流控制器99的附加特征的情形。電流控制器99向各個MERIE電磁體92，94，96，98提供AC電流。各個電流具有相同的低頻，但是其相位偏移量為90度，以便以常規(guī)的方法在室內產生緩慢旋轉的磁場。
利用頂置線圈控制等離子體分布根據反應器的方法，在特定反應器中固有的晶片表面上的等離子體離子密度通過選擇由頂置線圈60，65所產生的特定磁場以特定的方式被設計。例如，等離子體分布可以被設計為在晶片表面上產生更均勻的刻蝕速率分布。例如，通過對控制器90編程以選擇在頂置線圈中流動的DC電流的最優(yōu)極性和幅值，來實現此設計。雖然本示例涉及具有僅僅兩個同心的頂置線圈(即線圈60和65)的反應器，但是該方法可以用多于兩個的線圈來實現，并且可以利用更多數量的頂置線圈提供更精確的結果。磁場被控制器90設計，以改變晶片表面上的等離子體離子密度分布，這反過來影響刻蝕速率分布。
第一步是在不存在任何來自頂置線圈60，65的校正磁場的情況下測量晶片表面上的刻蝕速率分布。下一個步驟是確定使得刻蝕速率分布更均勻的等離子體離子密度分布的變化。最后的步驟是確定將產生所期望的等離子體離子密度分布變化的磁場。在給定該磁場的情況下，產生這樣的磁場所需的頂置線圈60，65中的電流的大小和方向可以由已知的靜態(tài)磁場方程計算出。
我們已經發(fā)現由磁場計算由頂置線圈60，65施加在等離子體上的壓強(所謂的“磁壓強”)的方法。這將在下面討論。作用在等離子體上的磁壓強產生等離子體離子密度分布的變化。此等離子體離子密度分布的變化產生可以被直接觀察到的晶片表面上的刻蝕速率分布的正比變化。晶片表面上的等離子體離子密度分布和刻蝕速率分布因此通過比例因子至少大致相關。
首先，在從頂置線圈60，65施加磁場之前測量晶片表面上的刻蝕速率的空間分布。由此，可以確定所期望的刻蝕速率分布變化(以獲得均勻的分布)。接著，由各個線圈的幾何形狀解析確定作為室內的位置和線圈中流動的電流的函數的由各個頂置線圈60，65產生的磁場空間分布。然后，通過向線圈施加已知的一組電流，隨后測量晶片表面上的所得刻蝕速率分布變化，可以推導出線性比例因子，該比例因子將在晶片表面上來自所有線圈的磁場的矢量和與在晶片表面處的刻蝕速率分布變化相關聯。(此比例因子一般是等離子體的中性壓強的函數并且最高到約500mT室壓強有效。)因此，在給定所期望的刻蝕速率分布變化或者校正(以獲得更好的均勻性)的情況下，可以(以在本說明書中稍后所描述的方式)找出所需的磁場，并且由此利用先前解析確定的磁場空間分布函數可以推斷出相應的線圈電流。
所期望的刻蝕速率分布不均勻性校正可以以各種方法來確定。例如，可以從均勻或者平均刻蝕速率中減去晶片表面上的2維刻蝕速率分布，以產生“差分”分布。在此方法中將被校正的刻蝕速率分布的不均勻性為反應器室中各種因素的結果，這些因素包括電容耦合功率源的不均勻施加、不均勻的處理氣體分布以及不均勻的等離子體離子密度分布。在前述的方法中，通過由磁壓強來改變等離子體離子密度分布來校正不均勻性。
下面的方法也可以被用來確定以所期望的方式不均勻的“經校正”的等離子體分布。在此情形中，將進行的校正為“未校正”或者環(huán)境等離子體離子密度分布和所期望的分布(其本身是不均勻的)的差。因此，該方法對于產生或者更加均勻或者具有不必是均勻的特意選定的密度分布模式的等離子體密度分布是有用的。
現在將參考圖9描述用于實現前述方法的一系列步驟。
第一步(圖9的方框910)是對于頂置線圈60，65中的每一個解析確定作為線圈中流動的電流和晶片表面上的徑向位置的函數的晶片表面處的磁場的表達式。使用柱坐標，對于第i個線圈，該表達式可以被寫為Bi(r，z＝晶片，Ii)。其由畢奧一薩伐(Biot-Savart)定律以非常直接的方式確定。
下一步(圖9中的方框920)是在頂置線圈60，65中沒有電流流動的情況下進行。在此步驟中，測量晶片表面上等離子體離子密度的空間分布。此空間分布可以被寫為n(r，z＝晶片)。在此步驟中，可以通過測量測試晶片的表面上的刻蝕速率分布間接地測量等離子體離子密度分布。技術人員可以從刻蝕速率分布容易地推斷出等離子體離子密度分布。
接著，在方框930的步驟中，確定對在前面的步驟中所測量到的測量等離子體離子密度空間分布函數n(r，z＝晶片)的校正c(r)。校正c(r)可以以任何合適方式定義。例如，其可以被定義為最大值n(r，z＝晶片)max減去n(r，z＝晶片)。在此方式中，將c(r)加到n(r，z＝晶片)產生“經校正”的分布，其具有等于n(r)max的均勻幅值。當然，可以定義不同的校正函數c(r)，以產生不同的均勻幅值?；蛘?，如上面簡要提及的，如果所期望的分布是不均勻的，則該校正為所期望的分布和n(r，z＝晶片)之間的差。
下一步(方框940)是為頂置線圈60，65中的每一個選擇“測試”電流Ii，并且將該電流施加到相應的線圈，并測量所得的等離子體離子分布，其可以被寫為n(r，z＝晶片)test。通過將在具有和沒有磁場情況下測量到的離子分布相減，得到離子分布變化Δn(r)Δn(r)≈n(r，z＝晶片)-n(r，z＝晶片)test下一步(方框950)是計算將由磁場施加的壓強(即，磁壓強)梯度與離子分布變化Δn(r)相關聯的比例因子S。此計算通過將磁壓強梯度除以Δn(r)來完成。根據下面的磁-流體動力學方程，對于每一個線圈分別計算第i個線圈的磁場B(r，z＝晶片，Ii)的磁壓強梯度rP≈-r[B(r，z＝晶片，Ii)2/2μ0]其中，下標r表示徑向分量。對于每一個線圈分別如此得到的結果然后被加和起來。因此，總的磁壓強梯度為-r{Σi[B(r，z＝晶片，Ii)2/2μ0]}因此，比例因子S為S＝{-r{Σi[B(r，z＝晶片，Ii)2/2μ0]}}/Δn(r)此除法操作可以在r的不同值處執(zhí)行并且結果被平均以獲得標量形式的S。否則，比例因子S將是r的函數并且以適當的方式被使用。
在方框940的步驟中得到的比例因子S是確定磁壓強的線圈電流Ii和離子分布中的所得變化之間的聯系量。特別地，在給定一組線圈電流Ii的情況下，通過將從該組Ii確定的磁壓強除以比例因子S可以計算出離子分布n(r)中的相應變化
Δn(r)＝{-r{Σi[B(r，z＝晶片，Ii)2/2μ0]}}/S此事實提供了后續(xù)步驟(方框960)的基礎，在后續(xù)步驟中計算機(例如微處理器91)使用上述等式來查尋對等離子體離子密度分布的上述指定或期望變化Δn(r)產生最優(yōu)近似的一組線圈電流Ii。在此情況下，期望變化等于在方框930的步驟中計算的校正函數c(r)。換言之，計算機查尋滿足以下條件的一組線圈電流Ii{-r{Σi[B(r，z＝晶片，Ii)2/2μ0}}＝c(r)S此查尋可以通過包括例如最速下降法的公知最優(yōu)化技術來實現。本領域技術人員容易實施該技術，并且無需在此描述。
然后將由查尋發(fā)現的該組電流Ii的大小和極性發(fā)送到控制器90，控制器90反過來將這些電流施加到各個線圈60，65。
圖10比較了磁壓強(實線)與測量到的等離子體離子分布(其作為晶片表面上的徑向位置的函數)的變化(虛線)。如上所討論的，磁壓強是頂置線圈的磁場的平方的梯度。圖10表明在磁壓強和離子密度分布的變化之間存在良好的相關性。
在圖11-14中示出了這樣的方法的應用。圖11示出了在晶片表面處的刻蝕速率空間分布的不均勻性或者標準偏差(豎軸)如何隨頂置線圈之一中的線圈電流變化。在零線圈電流下，標準偏差為約12％，并且離子分布為中心高的分布，如圖12所示。
在約17安培的線圈電流下，獲得約3％的最小不均勻性。這表示改善了約4倍(即，刻蝕速率分布的12％改善到3％的標準偏差)。實際或者測量到的刻蝕速率分布如圖13A所示，而使用圖9的技術所預測的刻蝕速率分布如圖13B所示。
在35安培的高線圈電流下，刻蝕速率分布標準偏差為約14％。所測量到的刻蝕速率空間分布被示于圖14A中，而預測的分布如圖14B所示。
再次參考圖13A，所獲得的最均勻的離子分布肯定不是平坦的，并且事實上具有“碗狀”形狀，其在周緣附近是凹入的并在中心附近是凸起的。利用更多數量的獨立頂置線圈(例如，三個或者更多個)、以更大分辨率和更好均勻性的結果進行電流最優(yōu)化是可以的。因此，反應器不限于具有僅僅兩個線圈的情形。可以利用小于或者大于兩個的頂置線圈以不同的結果來實現反應器。
可以應用相同的方法以便控制在頂板表面處的等離子體離子密度分布或者刻蝕速率分布。例如，這樣的方法在室清潔操作過程中可能是有用的。圖15示出了圖9的方法的一個方案，其中離子密度(或者刻蝕速率)的空間分布的均勻性被最優(yōu)化。圖15的步驟，即方框910’，920’，930’，940’，950’和960’與圖9的步驟，即方框方框910，920，930，940，950和960相同，不同之處在于圖15的步驟是針對頂板平面而不是晶片平面進行的第一步(圖15的方框910’)是對于頂置線圈60，65中的每一個解析確定作為線圈中流動的電流和晶片表面上的徑向位置的函數的頂板表面處的磁場的表達式。使用柱坐標，對于第i個線圈，該表達式可以被寫為Bi(r，z＝頂板，Ii)。其由簡單的靜態(tài)磁場方程確定，并且不僅是線圈電流Ii和頂板表面上的徑向位置r的函數而且是某些常數諸如線圈的半徑和線圈和頂板內表面之間的距離，z＝頂板的函數。
下一步(圖15中的方框920’)是在頂置線圈60，65中沒有電流流動的情況下進行。在此步驟中，測量頂板表面上等離子體離子密度的空間分布。此空間分布可以被寫為n(r，z＝頂板)。在此步驟中，可以通過常規(guī)的探測或者其他間接的技術測量等離子體離子密度分布。
接著，在方框930’的步驟中，確定對在前面的步驟中所測量到的測量等離子體離子密度空間分布函數n(r，z＝頂板)的校正c’(r)。(應該注意在此使用撇號’來區(qū)分圖15的計算與上述圖9的計算，并且該撇號’不表示在本文中所使用的導數。)校正c’(r)可以以任何合適方式定義。例如，其可以被定義為最大值n(r，z＝頂板)max減去n(r，z＝頂板)。在此方式中，將c’(r)加到n(r，z＝頂板)產生“經校正”的分布，其具有等于n(r)max的均勻幅值。當然，可以定義不同的校正函數c’(r)，以產生不同的均勻幅值。同樣，如果期望特定的不均勻分布，則該校正為未校正或者環(huán)境等離子體分布n(r，z＝頂板)和所期望的不均勻分布之間的差。這樣，該方法可以用于建立或者所期望的具有特定不均勻圖案的等離子體離子分布或者建立均勻等離子體離子密度分布。
下一步(方框940’)是為頂置線圈60，65中的每一個選擇“測試”電流Ii，并且將該電流施加到相應的線圈，并測量所得的等離子體離子分布，其可以被寫為n(r，z＝頂板)test。通過將在具有和沒有磁場情況下測量到的離子分布相減，得到離子分布變化Δn’(r)Δn’(r)＝n(r，z＝頂板)-n(r，z＝頂板)test下一步(方框950’)是計算將由磁場施加的壓強(即，磁壓強)梯度與離子分布變化Δn’(r)相關聯的比例因子S’。此計算通過將磁壓強梯度除以Δn’(r)來完成。根據磁-流體動力學方程，對于每一個線圈分別計算第i個線圈的磁場B(r，z＝頂板，Ii)的磁壓強梯度rP＝-r[B(r，z＝頂板，Ii)2/2μ0]其中，下標r表示徑向分量。對于每一個線圈分別如此得到的結果然后被加和起來。因此，總的磁壓強梯度為-r{Σi[B(r，z＝頂板，Ii)2/2μ0]}因此，比例因子S為S’＝{-r{Σi[B(r，z＝頂板，Ii)2/2μ0]}}/Δn’(r)在方框950’的步驟中找出的比例因子S’是確定磁壓強的線圈電流Ii和所得的離子分布變化之間的聯系量。具體來說，在給定一組線圈電流Ii的情況下，相應的離子分布的變化Δn’(r)可以通過將由該組電流Ii所確定的磁壓強除以比例因子S’計算出Δn’(r)＝{-r{Σi[B(r，z＝頂板，Ii)2/2μ0]}}/S’該事實為下面的步驟(方框960’)提供了基礎，在該步驟中，計算機(例如微處理器91)使用前述的方程查尋一組線圈電流Ii，該組線圈電流Ii對于先前指定的或者所期望的等離子體離子密度分布的變化Δn’(r)產生最優(yōu)近似。在此情況下，所期望的變化等于在方框930’的步驟中計算出的校正函數c’(r)。換句話說，計算機查尋一組滿足下面的條件的線圈電流Ii{-r{Σi[B(r，z＝頂板，Ii)2/2μ0]}}＝c’(r)S’此查尋可以通過包括例如最速下降法的公知最優(yōu)化技術來實現。本領域技術人員容易實施該技術，并且無需在此描述。
然后將由查尋發(fā)現的該組電流Ii的大小和極性發(fā)送到控制器90，控制器90反過來將這些電流施加到各個線圈60，65。
利用僅僅一個頂置線圈，該裝置可以被用來最優(yōu)化或者晶片或者頂板處(但不是同時進行)的等離子體離子分布均勻性。利用至少兩個頂置線圈(例如頂置線圈60，65)，等離子體離子分布均勻性可以在晶片和頂板兩處被同時至少大致最優(yōu)化。
利用頂置線圈操縱等離子體我們已經發(fā)現可以以操縱等離子體朝向頂板和/或側壁或者操縱等離子體朝向晶片表面的方式來選擇線圈電流Ii。線圈電流Ii也可以被選擇來以與圖9的方法相似的方式改善頂板表面處的等離子體密度分布的均勻性。結果，等離子體可以在處理過程中集中在晶片上，然后在清潔過程中可以集中在頂板和/或側壁上。通過這樣將等離子體集中在頂板上，可以縮短清潔時間。
在一個實施例中，通過由控制器90向內線圈60施加-17.5安培的電流并且向外線圈65施加+12.5安培的電流，將等離子體操縱朝向室的側壁。圖16示出了室內部沿著水平軸從零半徑延伸到室的周緣并且沿著豎軸從晶片表面延伸到頂板的徑向部分。圖16中的小箭頭表示當等離子體通過由控制器90向內線圈60施加-17.5安培的電流并且向外線圈65施加+12.5安培的電流被朝向側壁操縱時，在室中的各個位置上的磁場的大小和方向。圖17示出了作為徑向位置的函數的在晶片表面處的磁場的平方的相應梯度。
在另一個實施例中，通過由控制器90向內線圈60施加-12.5安培的電流并且向外線圈65施加+5安培的電流，將等離子體操縱朝向頂板。圖18示出了室內部沿著水平軸從零半徑延伸到室的周緣并且沿著豎軸從晶片表面延伸到頂板的徑向部分。圖18中的小箭頭表示當等離子體通過由控制器90向內線圈60施加-12.5安培的電流并且向外線圈65施加+5安培的電流被朝向頂壁操縱時，在室中的各個位置上的磁場的大小和方向。圖19示出了作為徑向位置的函數的在晶片表面處的磁場的平方的相應梯度。
在另一個實施例中，通過由控制器90向內線圈60施加-25安培的電流并且向外線圈65施加+2.75安培的電流，將等離子體沿著從頂板的中心向側壁延伸的場線操縱。圖20示出了室內部沿著水平軸從零半徑延伸到室的周緣并且沿著豎軸從晶片表面延伸到頂板的徑向部分。圖20中的小箭頭表示當等離子體通過由控制器90向內線圈60施加-25安培的電流并且向外線圈65施加+2.5安培的電流被朝向側壁操縱時，在室中的各個位置上的磁場的大小和方向。圖21示出了作為徑向位置的函數的在晶片表面處的磁場的平方的相應梯度。
圖17示出了當等離子體被朝向室的邊緣操縱時，對于等離子體的高的正磁壓強被施加在邊緣附近。圖19示出了當等離子體被朝向頂板的邊緣操縱時，對于等離子體的低的磁壓強被施加在室的邊緣附近。圖21示出了當場線從頂板向邊緣延伸時，高的負壓強出現在室邊緣附近。
因此，頂置線圈60，65中的電流可以被選擇來將等離子體引導向室中的可能需要清潔的各種位置，諸如頂板和側壁?；蛘撸入x子體可以更多地集中在晶片附近。為了朝向晶片或頂板操縱等離子體，或者為了根據某一操縱比SR在晶片和頂板之間分配等離子體，可以進行諸如圖22所示的方法。
現在參考圖22，第一步(圖22的方框2210)為定義作為頂置線圈(例如，線圈60，65對)中的所有線圈電流的函數的室內部磁場的解析模型。這通過本領域技術人員使用靜態(tài)磁場方程容易實現，并且在此無需描述。該磁場是來自每一個線圈的單個磁場的總和。每個單個磁場是各個線圈的直徑、線圈中流動的電流和室中的位置的函數。因此，由第i個線圈產生的磁場可以被寫作B(x，y，z，Ii)因而總的磁場為Σi{B(x，y，z，Ii)}下一步(方框2220)是選擇實現一組所期望的工藝條件的一組磁場。例如，為了將等離子體朝向頂板操縱，選擇這樣的磁場，該磁場產生將等離子體朝向頂板推動的對等離子體的磁壓強，如圖18中的示例所示的。為了將等離子體朝向側壁操縱，選擇這樣的磁場，該磁場產生將等離子體朝向周緣推動的對等離子體的磁壓強，如圖16中的示例所示的。
對于實現特定條件的上述方框2220的步驟中所定義的每一個磁場，計算機為在方框2210的步驟中所定義的模型查尋一組產生所期望的磁場的線圈電流。這是方框2230中的下一步驟。在方框2230的步驟中找出的每組電流與相應條件的名稱一起被儲存在與該相應的工藝條件相關的存儲位置(圖22的方框2240)。只要特定的工藝條件被選定(例如，朝向頂板操縱等離子體)時，微處理器91就從相應的存儲位置取回該組電流值(方框2250)，并且使得相應的電流被施加到合適的線圈(方框2260)。
圖23示出了微處理器91可以如何被編程來響應用戶輸入。首先判定處理是否包括刻蝕晶片表面(方框2310)以及處理是否包括清潔(刻蝕)頂板(方框2320)。如果僅僅是晶片將被刻蝕，則等離子體被朝向晶片操縱(方框2330)，并且使用圖9的方法將晶片表面處的等離子體分布均勻性最優(yōu)化(方框2350)。如果晶片將被刻蝕同時頂板將被清潔，則等離子體密度被在頂板和晶片之間分配(方框2360)，并且如圖9最優(yōu)化晶片表面處的等離子體密度均勻性和如圖15最優(yōu)化頂板處的等離子體密度均勻性(方框2370)。如果僅僅是頂板將被清潔，則等離子體被朝向頂板操縱(方框2380)，并且將頂板表面處的等離子體密度均勻性最優(yōu)化(方框2390)。
使用VHF頂置電極圖24示出了如何可以將內線圈60和外線圈65與電容耦合反應器結合，所述電容耦合反應器具有通過固定調諧短棒連接到VHF等離子體功率源發(fā)生器的頂置電極。這樣的反應器在2001年12月19日提交的DanielHoffman等的題目為“Plasma Reactor with Overhead RF Electrode Tuned tothe Plasma”的并被轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請No.10/028,922中有描述，該申請的公開內容通過引用被包含在本文中。
參考圖24，等離子體反應器包括反應器室100，該反應器室100在室底部具有用于支撐半導體晶片110的晶片支撐件105。在示例性的實施方式中，工藝配件可以包括接地的室體127上的電介質環(huán)120支撐的導電或半導電環(huán)115。室100在頂部由圓盤狀的頂置導電電極125界定，所述導電電極125由電介質密封件以晶片110上方的一定的間距長度支撐在接地的室體127上。在一個實施方式中，晶片支撐件105可沿豎直方向移動，因此所述間距長度可以變化。在其他實施方式中，間距長度可以是固定的預定長度。頂置電極125可以是在其內表面上覆有半金屬材料(例如Si或者SiC)的金屬(例如鋁)，或者其可以本身是半金屬材料。RF發(fā)生器150將RF功率施加到電極125。來自發(fā)生器150的RF功率通過匹配到發(fā)生器150并且進入連接電極125的同軸短棒135的同軸電纜162耦合。如將在下面所更充分描述的，短棒135具有特征阻抗，具有諧振頻率，并且提供電極125和同軸電纜162或RF功率發(fā)生器150的輸出之間的阻抗匹配。室體被連接到RF發(fā)生器150的RF回路(RF接地)。從頂置電極125到RF接地的RF通路受到電介質密封件120的電容和電介質密封件130的電容的影響。晶片支撐件105、晶片110以及工藝配件導電或者半導電環(huán)115提供對于施加到電極125的RF功率的主要RF回路。
如圖1A中的情形，內線圈60的直徑比外線圈65的直徑小一半，并且處在比外線圈65更遠離室的平面中。外線圈65位于或者靠近電極125的頂部平面，而內線圈60位于電極125的較上方。如圖1中的情形，線圈60，65中的DC電流由控制線圈60，65的電流源70，75的等離子體操縱控制器90控制。
在一個示例性情形中，包括電極125、工藝配件115，120和電介質密封件130的頂置電極組件126相對于RF回路或者接地所測量的電容為180皮法。電極組件電容受到電極面積、間距長度(晶片支撐件和頂置電極之間的距離)的影響，并且受到影響寄生電容的因素，尤其是密封件130和電介質環(huán)120的介電值的影響，而所述密封件130和電介質環(huán)120的介電值又受到所使用的材料的介電常數和厚度的影響。更一般的，如將在下面討論的，電極組件126的電容(無符號數或者標量)在大小上等于或者近似等于在特定功率源頻率、等離子體密度和工作壓強下的等離子體的負電容(復數)。
由于通過反應器執(zhí)行所需的等離子體工藝要求的現實、晶片的尺寸、和在晶片上均勻地進行處理的要求，影響前述關系的因素中的許多因素大部分是預定的。因此，等離子體電容是等離子體密度和功率源頻率的函數，而電極電容是晶片支撐件到電極間距(高度)、電極直徑和組件的絕緣體的介電值的函數。等離子體密度、工作壓強、間距和電極直徑必須滿足將通過反應室執(zhí)行的等離子體工藝的要求。具體地，離子密度必須處在某一范圍內。例如，硅和電介質等離子體刻蝕工藝一般要求等離子體離子密度處在109到1012離子/cc的范圍內。例如，如果晶片電極間距為約2英寸，則該間距為8英寸的晶片提供了最優(yōu)的等離子體離子分布均勻性。電極直徑優(yōu)選至少和晶片的直徑一樣大(如果不大于的話)。工作壓強類似地具有對于典型刻蝕和其他等離子體工藝的實用范圍。
但是已經發(fā)現仍然存在可被選擇來獲得上述優(yōu)選的關系的其他因素，特別是源頻率的選擇和頂置電極組件126的電容的選擇。在對電極所加的前述尺寸約束和對等離子體所加的約束(例如密度范圍)內，電極電容可以匹配于等離子體的負電容的大小，如果功率源頻率被選擇為VHF頻率并且如果電極組件126的絕緣體部件的介電值被適當地選擇的話。這樣的選擇可以實現功率源頻率和等離子體電極諧振頻率之間的匹配或者大致匹配。
因此在一個示例性情形中，對于8英寸的晶片，頂置電極直徑大致為11英寸，間距為約2英寸，等離子體密度和工作壓強為如上所述的刻蝕工藝的典型值，VHF功率源頻率為210MHz(但是其他VHF頻率可能有相同的效果)，并且功率源頻率、等離子體電極諧振頻率和短棒諧振頻率都是匹配的或者大致匹配的。
更具體地，這三個頻率相互稍微地偏離，其中功率源頻率為210MHz，電極-等離子體諧振頻率為大致200MHz，短棒頻率為約220MHz，以便實現有利地減小了系統(tǒng)Q值的解諧作用。這樣的系統(tǒng)Q值的減小使得反應器性能不那么容易在室內部的各種條件下變化，因此整個工藝更加穩(wěn)定，并且可以在寬得多的工藝范圍內進行。
現在優(yōu)選的方式具有適合于容納12英寸直徑的晶片的室和底座直徑，約1.25英寸的晶片到頂板間距以及162MHz(而不是上面提到的210MHz)的VHF功率源頻率。
同軸短棒135是特別配置的設計，其進一步有助于整體系統(tǒng)穩(wěn)定性、其寬的工藝范圍能力以及許多其他有價值的優(yōu)點。其包括內圓筒形導體140和外同心圓筒形導體145。具有例如1的相對介電常數的絕緣體147(由圖24中的剖面線表示)填充內導體140和外導體145之間的空間。內導體140和外導體145可以例如由涂鎳的鋁形成。在示例性情形中，外導體145具有約4英寸的直徑，并且內導體140具有約1.5英寸的直徑。短棒的特征阻抗由內導體140和外導體145的半徑和絕緣體147的介電常數確定。上述情形的短棒135具有65的特征阻抗。更一般地，短棒特征阻抗超出功率源輸出阻抗約20％-40％，優(yōu)選超出約30％。短棒135具有約29英寸的軸向長度(在220MHz下的半波長)，以便在220MHz附近發(fā)生諧振，來大致匹配同時稍微偏離210MHz的VHF功率源頻率。
接頭160被設置在沿著短棒135的軸向長度的特定點上，用于將來自RF發(fā)生器150的RF功率施加到短棒135，如將在下面所討論的。發(fā)生器150的RF功率端子150b和RF回路端子150a在短棒135的接頭160處被分別連接到內同軸短棒導體140和外同軸短棒導體145。這些連接通過發(fā)生器到短棒的同軸電纜162以公知方式完成，所述同軸電纜162具有與發(fā)生器150的輸出阻抗(一般為50)匹配的特征阻抗。在短棒135的遠端135a處的封端導體165將內導體140和外導體145短接在一起，于是短棒135在其遠端135a被短接。在短棒135的近端135b(未短接端)，外導體145通過環(huán)形導電殼體或者支撐件175被連接到室體，而內導體140通過導電圓筒或者支撐件176被連接到電極125的中心。電介質環(huán)180被保持在導電圓筒176和電極125之間并且分離導電圓筒176和電極125。
內導體140提供了用于諸如處理氣體和冷卻劑的應用的管道。此特征的主要優(yōu)點在于，不像一般的等離子體反應器，氣體管線170和冷卻劑管線173不會橫跨大的電勢差。因此，其可以由作為用于此目的的較便宜并且更可靠的材料的金屬構造。金屬氣體管線170供料給頂置電極125中或者附近的氣體出口172，而金屬冷卻劑管線173供料給頂置電極125內的冷卻劑通道或者套174。
由此通過RF發(fā)生器150同頂置電極組件126和處理等離子負載之間的特別構造的短棒匹配而提供了動態(tài)諧振阻抗變換，從而使反射功率最小并提供了允許負載阻抗寬范圍變化的非常寬的阻抗匹配空間。結果，提供了寬工藝范圍和工藝靈活性以及前面不可得到的功率使用效率，在所有這些的同時最小化或避免對一般阻抗匹配裝置的需求。如上所述，短棒諧振頻率也從理想匹配偏離，以進一步提高整體的系統(tǒng)Q、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及工藝范圍和多工藝能力。
匹配電極-等離子諧振頻率和VHF功率源頻率如上所概述的，主要的特征在于構造頂置電極組件126以在電極-等離子體諧振頻率處與等離子體諧振且用于匹配(或近似匹配)功率源頻率和電極-等離子體頻率。電極組件126具有主要為電容性的電抗，而等離子體電抗是頻率、等離子體密度和其他參數的復函數。(如下面將更詳細描述的，按照電抗來分析等離子體，其中電抗是包括虛部的復函數并且大致對應于負電容。)電極-等離子體諧振頻率由電極組件126和等離子體的電抗確定(類似于電容器/電感器諧振電路的諧振頻率由電容器和電感器的電抗確定)。于是電極-等離子體諧振頻率可以不一定是功率源頻率，這依賴于等離子體密度。因此，問題在于找到這樣的功率源頻率，在該功率源頻率下，給定對等離子體密度和電極尺寸的特定范圍的實際限制的約束時，等離子體電抗使得電極-等離子體諧振頻率等于或近似等于該功率源頻率。該問題甚至更加困難，因為等離子體密度(其影響等離子體電抗)和電極尺寸(其影響電極電容)必須滿足某些工藝約束。具體而言，對于電介質和導體等離子體刻蝕工藝，等離子體密度應該在109至1012離子/cc的范圍內，這是對等離子體電抗的約束。而且，通過約2英寸的晶片-電極間距或高度以及在晶片直徑量級上或更大的電極直徑(這是對電極電容的約束)，來實現例如用于處理8英寸直徑晶片的更均勻等離子體離子密度分布。另一方面，對于12英寸直徑的晶片可以使用不同的間距。
因此，通過將電極電容匹配(或近似匹配)等離子體的負電容的大小，至少近似匹配電極-等離子體諧振頻率和功率源頻率。對于以上列舉的一般導體和電介質刻蝕工藝條件(即109至1012離子/cc之間的等離子體密度、2英寸的間距和在大約11英寸量級上的電極直徑)，如果功率源頻率是VHF頻率則匹配是可能的。其他條件(例如不同的晶片直徑、不同的等離子體密度等)可以規(guī)定不同的頻率范圍以在完成反應器的該特征時實現這樣一種匹配。如下面將詳述的，在包括電介質和金屬等離子體刻蝕以及化學氣相沉積在內的幾種主要應用中處理8英寸晶片的有利等離子體處理條件下，在具有如上所述等離子體密度的一種典型加工示例中的等離子體電容在-50和-400皮法之間。在示例性情形中，通過使用11英寸的電極直徑、約2英寸的間距長度(電極到底座間距)，選擇介電常數為9且厚度在1英寸量級的電介質材料作為密封件130、以及介電常數為4且厚度在10mm量級的電介質材料作為環(huán)120，而使頂置電極組件126的電容匹配該負等離子體電容的大小。
在假定其電容如剛才所述地匹配的情況下，電極組件126與等離子體的組合在至少近似匹配施加到電極125的功率源頻率的電極-等離子體諧振頻率下諧振。我們已經發(fā)現對于有利的刻蝕等離子體處理方案、環(huán)境和等離子體，該電極-等離子體諧振頻率和功率源頻率可以在VHF頻率下匹配或近似匹配；并且實現這樣的頻率匹配或近似匹配是非常有利的。在示例性情形中，如將在下面詳細描述的，與以上值的等離子體負電容相對應的電極-等離子體諧振頻率接近200MHz。功率源頻率是210MHz，在此近似匹配中功率源頻率稍稍高于電極-等離子體諧振頻率而偏離以實現下述其他優(yōu)點。
等離子體電容除其他之外還是等離子體電子密度的函數。這與等離子體離子密度相關，其中為了提供良好的等離子體處理條件，等離子體離子密度需要保持在一般109至1012離子/cc的范圍中。該密度與功率源頻率和其他參數一起確定了等離子體負電容，因此該等離子體負電容的選擇受到最優(yōu)化等離子體處理條件的需要的約束，這將在下面進一步詳述。但是頂置電極組件電容受到許多物理因素的影響，例如間距長度(電極125和晶片之間的間距)、電極125的面積、電介質密封件130的介電損耗正切的范圍；電極125和接地的室體127之間的電介質密封件130的介電常數的選擇、工藝配件電介質密封件120的介電常數的選擇；以及電介質密封件130和環(huán)120的厚度與環(huán)180的厚度和介電常數。這允許通過在影響頂置電極電容的這些和其他物理因素之中進行選擇來對電極組件電容進行某種調節(jié)。我們已經發(fā)現該調節(jié)的范圍足以實現將頂置電極組件電容匹配到負等離子體電容大小的必要程度。具體而言，選擇密封件130和環(huán)120的電介質材料和尺寸，以提供所期望的介電常數和所得到的介電值。于是可以實現電極電容和等離子體電容的匹配，盡管影響電極電容的這些物理因素中的某些(特別是間隙長度)將由以下實際情況規(guī)定或限制處理更大直徑晶片的需要、在晶片的整個直徑上具有良好均勻性的等離子體離子密度分布、以及對離子密度與離子能量的關系具有良好控制。
給定等離子體電容和匹配的頂置電極電容的以上范圍，對于210MHz的功率源頻率，電極-等離子體諧振頻率為約200MHz。
這樣選擇電極組件126的電容并隨后匹配所得到的電極-等離子體諧振頻率和功率源頻率的很大的優(yōu)點在于，電極和等離子體在功率源頻率附近的諧振提供了更寬的阻抗匹配和更寬的工藝范圍，從而對工藝條件的變化提供了更高的不敏感性，由此提供了更大的性能穩(wěn)定性。使整個處理系統(tǒng)對例如等離子體阻抗漂移的工作條件變化更不敏感，從而使其在具有更大范圍的工藝可應用性的同時更加可靠。如說明書后面將描述的，通過電極-等離子體諧振頻率和功率源頻率之間的小偏差進一步加強了該優(yōu)點。
圖25示出了如何可以將內線圈60和外線圈65與電容耦合反應器結合，其中該反應器具有通過固定的調諧短棒連接到VHF等離子體功率源發(fā)生器的頂置電極，并且具有圍繞其周緣的MERIE電磁體。這樣的反應器在2001年12月19日提交的Daniel Hoffman等的題目為“PlasmaReactor with Overhead RF Electrode Tuned to the Plasma”的并被轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請No.10/028,922中有描述，該申請的公開內容通過引用被包含在本文中。
參考圖25，VHF電容耦合等離子體反應器包括在圖1A的反應器中可找到的如下元件反應器室100，該反應器室100在室底部具有用于支撐半導體晶片110的晶片支撐件105。在所示的情形中，工藝配件包括接地的室體127上的電介質環(huán)120支撐的導電或半導電環(huán)115。室100在頂部由圓盤狀的頂置鋁電極125界定，所述鋁電極125由電介質密封件130以離晶片110上方一定的間距長度支撐在接地的室體127上。頂置電極125也可以是在其內表面上覆有半金屬材料(例如Si或者SiC)的金屬(例如鋁)，或者其可以本身是半金屬材料。RF發(fā)生器150將RF功率施加到電極125。來自發(fā)生器150的RF功率通過匹配到發(fā)生器150并且進入連接電極125的同軸短棒135的同軸電纜162耦合。如將在下面所更充分描述的，短棒135具有特征阻抗，諧振頻率，并且提供電極125和同軸電纜162/RF功率發(fā)生器150之間的阻抗匹配。室體被連接到RF發(fā)生器150的RF回路(RF接地)。從頂置電極125到RF接地的RF通路受到工藝配件電介質環(huán)120和電介質密封件130的電容的影響。晶片支撐件105、晶片110以及工藝配件半導電(或者導電)環(huán)115提供對于施加到電極125的RF功率的主要RF回路。
如圖1A中的情形，內線圈60的直徑比外線圈65的直徑小一半，并且處在比外線圈65更遠離室的平面中。外線圈65位于或者靠近電極125的頂部平面，而內線圈60位于電極125的上方很多。如圖1中的情形，線圈60，65中的DC電流由控制線圈60，65的電流源70，75的等離子體操縱控制器90控制。
通過引入一組圍繞晶片支撐底座的周緣和反應器室的外側均勻間隔的MERIE電磁體902(如圖7和8中所示的那些)，實現了等離子體密度分布均勻性的提高。這些MERIE磁體適用于產生一般在晶片支撐底座的表面上圍繞圓筒室的對稱軸緩慢旋轉的磁場。在一個情形中，該特征通過如下的多個MERIE磁體902來實現，所述多個MERIE磁體902具有繞與晶片支撐底座的周邊相切的各個軸纏繞的電磁體繞組。在此情形中，MERIE電流控制器904控制到每一個MERIE磁體的各個電流。通過由控制器904向各個磁體繞組中的每一個分別提供具有相同頻率但是相位相差90度(或者相差360除以MERIE磁體數量的度數)的各個AC電流，在工件支撐件的平面中產生旋轉的磁場。在另一個可選的情形中，通過支撐所有MERIE磁體的支撐框1020(虛線)來實現旋轉磁場的特征，其中所述支撐框1020通過轉子1025(虛線)繞對稱軸旋轉。在此可選情形中，MERIE磁體是永磁體。
還可以設置第二陣列的MERIE磁體906(以虛線示出)，所述第二陣列的MERIE磁體906圍繞工件或者晶片支撐底座均勻間隔，但是處在比第一陣列的MERIE磁體902更高的平面中。兩組磁體分別處在工件支撐件的平面附近的相應平面中。
控制器910將低頻(0.5-10Hz)AC電流施加到電磁體902，906中的每一個，施加到相鄰磁體的電流的相位如上所述的相差90度。結果，磁場在AC電流的低頻下繞工件支撐件的對稱軸旋轉。該磁場導致等離子體被吸向工件表面附近的磁場，并且隨著磁場旋轉。這攪動了等離子體，使得其密度分布變得更加均勻。結果，反應器性能明顯被改善，因為在晶片的整個表面上獲得了更均勻的刻蝕結果。
結合頂置電極和氣體分配板理想的是，從頂置頂板供料處理氣體，以改善室內的氣體分布的均勻性。為此，在圖24和25的情形中的頂置電極125可以是氣體分配噴頭，并因此在其面向工件支撐件105的底表面上具有大量的氣體注入端口或者小孔300。在示例性情形中，孔300的直徑在0.01到0.03英寸之間，并且其中心均勻地間隔約3/8英寸。
頂置電極/氣體分配板125(此后稱為氣體分配板125)具有提高的抗電弧性。這是因為將處理氣體和/或等離子體從每一個開口或者孔300的中心排除的電弧抑制特征的引入。此電弧抑制特征是一組中心塊或者盤302，所述中心塊或者盤302處在孔300的中心，并且在各個圓柱指狀物或者細桿303的端部被支撐，如圖26的橫截面圖和圖27的放大的橫截面中所示。一般的氣體分配板中的電弧往往發(fā)生在氣體注入孔的中心附近。因此，將中心塊302放置在每一個孔300的中心防止了處理氣體到達每一個孔300的中心，并因此減少了電弧的發(fā)生。如圖28的平面圖所示，在孔300中中心塊302的引入將要不然是圓形的開口或者孔300轉變?yōu)榄h(huán)形開口。
參考圖29A，具有改善的電弧抑制性的氣體分配板125包括蓋體1402和基部1404。基部1404是由具有內部臺肩1410的環(huán)形壁環(huán)繞的圓盤狀板1406，所述圓盤狀板1406具有穿過其形成的氣體注入開口。蓋體1402也是圓盤狀板。盤302是圓柱指狀物303的端截面，所述指狀物303附接到蓋體1402的底表面并且從底表面向下延伸。蓋體1402的外緣坐放在基部1404的臺肩1410上，以在蓋體1402和基部1404之間形成氣體歧管(圖26)。處理氣體從蓋體1402的中心處的氣體入口1416流入到歧管1414。
氣體分配板125的接觸室中的處理氣體或者等離子體的部分可以由諸如涂有如碳化硅的半導體處理兼容材料的鋁之類的金屬形成。在此示例中，氣體分配板的所有表面，除了蓋體1402的頂表面之外，覆有碳化硅涂層1502，如在圖29B的放大的局部橫截面圖所示的。如圖30所示，蓋體1402的鋁頂表面與溫度受控的部件1520接觸，該溫度受控的部件1520可以通過水套1522由通過熱交換器1524循環(huán)的冷卻劑進行水冷卻，因此氣體分配板125的導熱鋁材料具有受控的溫度?；蛘?，如圖31所示，水套可以處在氣體分配板125內。
但是，為了使碳化硅涂層1502具有相同的受控溫度，在碳化硅涂層和鋁之間必須存在導熱連接。否則，碳化硅涂層的溫度可能不可控制地波動。為了獲得氣體分配板125的鋁材料和碳化硅涂層之間的良好的導熱性，聚合物接合層1504被形成在鋁氣體分配板和碳化硅涂層1502之間，如圖29A所示。圖29A示出了聚合物接合層1504處在碳化硅涂層1502和鋁基部1404之間。聚合物接合層提供了良好的鋁和碳化硅涂層1502之間的導熱性，因此涂層1502的溫度由熱交換器1524控制。
圖32，33和34示出了如何可以將圖29A的氣體分配板125改進來提供雙區(qū)氣流控制。這樣的特征可以被用于通過選擇互補性的處理氣體分布，來幫助校正或者是中心高的或者是中心低的刻蝕速率或者沉積速率空間分布。具體地，環(huán)形分隔或者壁1602將氣體歧管1414分成中心歧管1414a和外歧管1414b。除了向中心歧管1414a供料的中心氣體供料口1416之外，氣體分配板125的中心和周緣之間的另一個氣體供料口1418向外歧管1414b供料。雙區(qū)控制器1610在內氣體供料口1416和外氣體工料口1418之間分配來自處理氣體源1612的氣流。圖35示出了閥1610的一個實施方式，在閥1610中，鉸接葉片1618控制到氣體分配板的內歧管1414a和外歧管1414b的相對氣流量。智能流量控制器1640控制葉片1618的位置。在圖36所示的另一個實施方式中，一對閥1651，1652執(zhí)行對室的各個徑向區(qū)域的分別的氣流控制。
圖37示出了這樣的情形，其中氣體分配板125具有三個氣流區(qū)域，歧管1414被內環(huán)形分隔1604和外環(huán)形分隔1606分成三個歧管1414a，1414b和1414c。三個相應的氣體供料口1416，1418，1420向相應的歧管1414a，1414b和1414c分別提供氣流。
雖然在本說明書上文中已經將各種情形描述為具有一對頂置線圈60，65的情形，但是圖37示出了可以存在多于兩個的頂置線圈。事實上，圖37的情形被示為具有三個同軸頂置線圈或者線圈60，64和65。通過增加獨立受控的頂置線圈的數量，可以認為對處理不均勻性的校正的分辨率增大了。
圖34和37的多區(qū)域氣體分配板具有靈活控制工件的內和外處理區(qū)域之間的氣體分配的優(yōu)點。但是，另一種定制氣流的方法是通過在氣體分配板125的不同半徑處設置不同的氣體注入孔尺寸而固定地定制。例如，如果反應器往往表現出中心高的空間刻蝕速率分布，則通過在中心處使用較小的氣體注入孔300并且在周緣附近使用較大的孔300，室的中心附近將供應較少的氣體，并且在室周緣將供應更多的氣體。這樣的氣體分配板被示于圖38的平面圖中。對于中心低的刻蝕分布，將使用如圖39所示的相反的孔布置。
在圖9中的反應器中的等離子體操縱在圖9的情形中進行參考圖11-14在上文所述的等離子體操縱。通過將-13安培的電流施加到內線圈60并且將+1.4安培的電流施加到外線圈65，產生指向側壁的磁場。通過將-13安培的電流施加到內線圈60并且將+5.2安培的電流施加到外線圈65，產生指向頂板或者電極125的周緣的磁場。通過將-13安培的電流施加到內線圈60并且將+9.2安培的電流施加到外線圈65，產生側壁處的稠密磁場。我們發(fā)現通過以上述方式施加指向頂板或者電極125的周緣的磁場，在清潔過程中室表面的刻蝕速率提高了40％之多。
線圈配置雖然已經針對內線圈60和外線圈65描述了前面的情形，但是可以使用更大數量的線圈。例如，圖40的情形具有五個頂置線圈4060，4062，4064，4066，4068，它們中的每一個自身的電流分別由控制器90控制。線圈4060，4062，4064，4066，4068可以處在頂板125上方相同的高度處(如圖40中)或者不同的高度處。圖41示出了其中頂置線圈60，65處在相同的高度的情形。在圖41中，每一個線圈60，65中的繞組被沿垂直方向和徑向兩個方向堆疊。圖42和43示出了其中線圈60，65具有沿垂直方向和沿徑向延伸的繞組的不同情形。
如參考圖1A在本說明書前文中所討論的，用于校正不均勻分布的對等離子體的磁壓強與磁場的平方的梯度的徑向分量成正比。因此，最高效的方法是使用具有大的徑向梯度的磁場，如尖峰形磁場。如在上面所進一步討論的，尖峰形磁場的更高的效率減小了對于給定量的磁壓強所需的磁場強度，由此減小或者消除了與強的磁場相關聯的器件損傷。圖44示出了其中通過一對分別位于室上方和下方的線圈4420，4440產生完全尖峰形磁場的情形。頂線圈4420和底線圈4440中的電流分別是順時鐘和逆時鐘的。圖45是由該對線圈4420，4440產生的完全尖峰形磁場的磁場線圖案的簡化示圖。
圖46示出了其中常規(guī)MERIE反應器4650的四個電磁體4610，4620，4630，4640被用于產生圖45的完全尖峰形磁場的情形。控制電磁體4610，4620，4630，4640中的每一個的電流的電流控制器4660被編程，來在所有的電磁體4610，4620，4630，4640中施加以相同(例如，順時鐘)方向流動的DC電流，如圖46中的箭頭所示。這樣，在頂部導體4610a，4620a，4630a，4640a中的DC電流形成順時鐘電流環(huán)，底部導體4610b，4620b，4630b，4640b中的DC電流形成逆時鐘電流環(huán)，同時在該陣列的每一個角部，相鄰電磁體的垂直導體(例如，垂直導體4620c和4630d對)中的電流抵消了在晶片表面處的彼此的磁場。凈效應為在室的頂部和底部分別產生順時鐘和逆時鐘的電流環(huán)，這類似于圖44的情形，具有圖45所示的相同的所得的完全尖峰形磁場。圖46的反應器以如下三種模式中的任一種工作磁壓強模式，其中產生尖峰形磁場；正弦波模式，其中四個正弦波電流以正交方式被施加到四個電磁體4610，4620，4630，4640，以在晶片表面上方產生緩慢旋轉的磁場。
可配置磁場(CMF)模式，其中四個電磁體4610，4620，4630，4640被分組成相對的相鄰對的組，一對具有一DC電流，另一對具有相反的DC電流，以產生大致直線的磁場線，所述磁場線相對于四個電磁體4610，4620，4630，4640的取向沿對角方向橫穿晶片表面延伸。通過切換電流旋轉該分組，以使磁場通過四個對角取向旋轉。這些取向的時序被示于圖47A，47B，47C和47D中。
在圖47A中，電磁體4610，4620具有正的DC電流，而電磁體4630，4640具有負的DC電流，并且所得到的平均磁場方向一般是從圖的左上角到右下角。在圖47B中，分組已經被切換，以使電磁體4620，4630具有正的電流，而電磁體4610，4640具有負的電流，并且平均磁場已經順時鐘旋轉了90度。圖47C和47D完成了一個循環(huán)。磁場線的強度由所施加的正負DC電流的大小差來確定，并且可以由根據需要對控制器4650進行編程來調節(jié)。
圖9的方法可以用于CMF模式，以精確地選擇四個電磁體4610，4620，4630，4640的DC電流，來產生對于不均勻的刻蝕速率或者等離子體離子密度分布的最優(yōu)校正。在將圖9的方法應用于圖47A-47D的CMF模式時，電磁體或者線圈4610，4620，4630，4640中的每一個的線圈替換了頂置線圈60，65，并且根據此替換執(zhí)行圖9的所有步驟。僅有的差別在于，來自每一個線圈的磁場的計算被計算為對應于圖47A-47D的四個時間段上的平均值。
圖48示出了包括插入在抽吸套環(huán)上方的特殊柵格4810的反應器。柵格4810由諸如碳化硅的半導體材料或者由諸如鋁的導電材料形成，并且具有開口4820，用于允許氣體通過抽吸套環(huán)被從室抽空。特殊柵格4810使等離子體不能進入抽吸套環(huán)，提供了所需的保護和工藝控制。為此，每個開口4820在徑向平面中的橫跨內部的距離不大于等離子體殼層厚度的兩倍。這樣，等離子體很難(如果不是不可能的話)穿透柵格4810。這減小或者消除了在抽吸套環(huán)內等離子體與室表面的相互作用。
圖49和50示出了一體形成的可拆卸室襯套4910，該襯套4910包括了圖48的等離子體限制柵格4810。襯套4910覆蓋室的在電極125下方和晶片110上方的區(qū)域的徑向外側的部分。因此，襯套4910包括上水平部分4920，其覆蓋室頂板的外周緣；豎直部分4930，其覆蓋室側壁；以及下水平部分4940，其包括等離子體限制柵格4810并且覆蓋抽吸套環(huán)和緊鄰晶片110的環(huán)形表面。在一個情形中，這些部分4920，4930，4940中的每一個被形成在一起，作為單塊的碳化硅件4950。襯套4910還包括位于碳化硅件4950的下水平部分4940下方的鋁基部4960，并且被接合到其上。鋁基部4960包括一對向下延伸的環(huán)形軌道4962，4964，該環(huán)形軌道4962，4964相對較長并較薄，并且提供到晶片支撐底座105下方的室接地結構元件的良好的導電性。
反應器可以具有與向下延伸的環(huán)形軌道4962，4964熱接觸的溫度控制元件4972，4974，以及與豎直側部分4930熱接觸的溫度控制元件4976。溫度控制元件4972，4974，4976中的每一個可以包括冷卻裝置和加熱裝置，所述冷卻裝置包括冷卻劑通道而所述加熱裝置包括電加熱器?？赡芾硐氲氖牵瑢⒁r套4910維持在足夠高的溫度(例如高至120°F)，以最小化或者防止聚合物或者碳氟化合物在襯套4910的內表面上的沉積。
襯套4910提高了工藝穩(wěn)定性，因為其提供了良好的接地回路。這是由于如下的事實，即電勢沿著碳化硅件4950的內表面(包括上水平部分4920、豎直部分4930和下水平部分4940的向內表面)是均勻的。結果，襯套4910在其所有向內表面上為或者從頂置電極125或者從晶片底座105傳送的功率提供了均勻的RF回路。一個優(yōu)點是，因為等離子體波動驅動RF回路電流分布以在襯套4910內表面的不同部分上集中，所以對于該電流的阻抗保持相當的恒定。該特征促進了工藝穩(wěn)定性。
圖51示出了圖7的情形的改進，其中頂置螺線管60，65限定出與MERIE磁體92，94，96，98的方形圖案相對稱方形圖案，并且特別適于對諸如光刻掩模的方形半導體或者電介質工件4910的均勻處理。
圖52示出了圖24的反應器的方案，其中晶片支撐底座105可以被上下移動。除了用于控制等離子體離子徑向分布的兩個頂置線圈60，65，還存在晶片支撐底座105平面的下方的底線圈5210。此外，存在處在室周緣的外線圈5220。外頂置線圈65和底線圈5210可以具有相反的DC電流，以在室內形成完全尖峰磁場。
雖然已經結合具有充當頂置功率源電極和氣體分配板兩者的頂置頂板的反應器描述了頂置線圈60，65，但是頂板可以是不作為氣體分配板的類型，而處理氣體以另一種傳統(tǒng)方式被引入(例如，通過側壁)。而且，線圈60，65可以被用于如下反應器中，在該反應器中，功率源不是通過頂板電極電容耦合的。并且，用于頂置電極的阻抗匹配元件已經被描述為諸如同軸調諧短棒的固定元件。但是，阻抗匹配元件可以是任何適合的或者常規(guī)的諸如常規(guī)動態(tài)阻抗匹配電路之類的阻抗匹配設備。
三個磁體三個模式等離子體分布控制在諸如等離子體增強反應離子刻蝕的等離子體工藝中，磁場被用于改善半導體晶片上的刻蝕速率的徑向分布均勻性。在大多數情形中，等離子體離子密度在晶片中心較大，在晶片的其他地方較小，因此刻蝕速率往往在晶片中心較高并且在晶片周緣較低?？梢酝ㄟ^內磁體60和外磁體65產生磁場來改變等離子體離子密度的徑向分布。通常，所期望的效果是減小中心處的等離子體離子密度，并且增大晶片周緣處的等離子體離子密度。內和外電磁體(圖1B)可以被用于完成這樣的對等離子體離子密度分布均勻性的改進。它們一同產生的磁場可以通過將其分解為兩個分量來進行解析，所述兩個分量諸如為徑向分量Br(其磁通線平行于平坦晶片表面)和軸向分量Bz(其磁通線垂直于平坦晶片表面)。磁場的徑向分量Br對于改變或者校正等離子體離子密度的徑向分布(例如實現刻蝕工藝中的刻蝕速率或者CVD工藝中的沉積速率的均勻徑向分布)是最有效的。但是，僅僅使用內電磁體60和外電磁體65來改變徑向分量Br必須以徑向分量Br的變化所規(guī)定的方式改變磁場的軸向分量Bz。例如，Br的增大一般將導致Bz不可避免的增大。這樣的Bz的增大過去沒有被探究，并且可能不是所期望的。我們已經發(fā)現對軸向分量Bz的控制與減小晶片上的器件損傷(例如，由于電荷積累、高電場、高感應電流或電壓)緊密相連。在許多情形中，我們優(yōu)選將徑向分量Br最優(yōu)化(例如增大)到所期望的程度，同時最小化軸向分量Bz。
參考圖53A，圖1B的內磁體60和外磁體65由晶片平面下方的低電磁體401增補。由控制器90控制的DC電流源403將DC電流供應到底電磁體401，同時由控制器90控制的電流源70，75將電流供應到內電磁體60和外電磁體65。雖然圖53A中的每一個電磁體60，65，401由一個導體繞組組成，但是其可以由多個豎直排列的繞組組成，如圖53B所示。圖54示出了如何可以將三個電磁體60，65，401布置在圖24的反應器中。如在本說明書的前面所描述的，圖24的反應器具有頂置VHF電極，所述VHF電極由VHF等離子體功率源通過固定的阻抗匹配元件以電極和等離子體諧振的頻率驅動。
磁體60，65，401可以被用于產生如下三種類型的磁場中的任意一種(或者組合)(1)螺線管磁場(圖55A)，其中在晶片20的表面上Br和Bz兩者都很強。這樣的螺線管磁場可以通過向三個電磁體60，65，401中的僅僅一個施加電流來產生。圖56A示出了其中電流被施加到外電磁體65以產生螺線管磁場的示例。(2)尖峰磁場(圖55B)，其中在晶片的表面上僅僅Br很強而Bz可以很弱或者為零。這樣的尖峰磁場可以通過生成來自底電磁體401的以及來自內和外電磁體60，65中的任一個的相等和相反的磁場來產生。圖56B示出了其中相反的電流被施加到底電磁體401和外電磁體65以產生尖峰磁場的示例。在此示例中，假定每一個磁體65，401中的線圈繞組是沿相同方向(順時鐘方向或者逆時鐘方向)纏繞的。但是，在優(yōu)選的實施例中，它們可以沿相反的方向纏繞，在此情形中，所施加電流的極性可以由圖56所示的情形進行適當的修改。(3)鏡像磁場(圖55C)，其可以通過在底電磁體401中以及在內或外電磁體60，65中的任一個中產生相等和同向的磁場來產生。圖56C示出了其中相等的電流被施加到底電磁體401和外電磁體65以產生鏡像磁場的示例。
圖57A，57B和圖58A，58B將尖峰磁場和鏡像磁場的徑向場分量Br(r)和軸向場分量Bz(r)與螺線管磁場的徑向場分量Br(r)和軸向場分量Bz(r)進行了比較，測量在圖53A的反應器中的晶片20的平面上進行。圖57A比較了螺線管磁場和尖峰磁場的徑向分量Br(r)，而圖57B比較了螺線管磁場和尖峰磁場的軸向分量Bz(r)。圖58A比較了螺線管磁場和鏡像磁場的徑向分量Br(r)，而圖58B比較了螺線管磁場和鏡像磁場的軸向分量Bz(r)。如果需要的話，可以使得螺線管磁場和尖峰磁場的徑向場分量近似相同(圖57A)，而使得尖峰磁場的軸向分量近似(但不是實際)為零，或者遠小于螺線管磁場的軸向分量(圖57B)。如果需要的話，可以使得鏡像磁場的徑向場分量近似為零，或者遠小于螺線管磁場的徑向分量(圖57A)?？梢允沟苗R像磁場的軸向分量與螺線管磁場的近似相同(圖58B)。
從圖57A和58A可以看出，徑向場似乎對于校正中心高的等離子體離子分布是理想的，因為徑向場從從晶片中心增大到晶片周緣處的最大強度。這在圖59的圖線中所描繪的數據中被確認，其中，由等離子體離子飽和電流表示的等離子體離子密度(豎軸)作為晶片表面上的半徑(水平軸)的函數被作圖。標記“零電流”的曲線對應于零磁場，并且示出了對于中心高的等離子體離子分布的最不優(yōu)的布置。對于中心高的等離子體離子分布的最優(yōu)校正是通過外電磁體65中或者5安培或者10安培產生的兩個螺線管磁場(分別標記為“5A螺線管”和“10A螺線管”)。根據圖59的圖線，螺線管磁場從晶片中心到邊緣增大最大。
圖60是通過對于不同的磁場測量作為200mm硅晶片的晶片表面上的徑向位置的函數的刻蝕速率，所得到的數據的圖線。鏡像磁場產生刻蝕速率分布的最優(yōu)均勻性或者最低偏差(1.7％偏差率，其中偏差率被定義為標準偏差除以晶片上的平均刻蝕速率)。次佳均勻性由螺線管磁場獲得，其產生了約2％的偏差率。尖峰磁場(標記為“100％尖峰”)僅僅是第三佳的，偏差率為約7.9％。但是，晶片上器件損傷(由于電荷積累、放電或者局部高的電流或者電壓條件)的測量產生了相反的結果，其中，最均勻的情形(鏡像磁場)具有最大的器件損傷，并且次佳均勻的情形(螺線管磁場)具有次最大的器件損傷，而尖峰磁場幾乎沒有損傷。這些結果將在下面參考圖61進行討論。
前面的結果證實了我們的發(fā)現，即相對于徑向分量Br(r)對磁場軸向分量Bz(r)的控制與改善晶片上的器件損傷結果緊密相連。尖峰磁場產生很少或者不產生器件損傷。但是，我們認為隨著半徑增大的圖57A和58A所示的徑向分量Br(r)的行為提供了比軸向分量Bz(r)更好的實現均勻性的前景。因此，下面的方法被進行調整尖峰磁場，使得晶片邊緣處的徑向分量Br與圖60的螺線管磁場中的產生如此好的結果的徑向分量Br相同(即，在晶片邊緣為22高斯)。然后，尖峰磁場的大小被增大(增大Br(r)，同時使Bz最小化或者為零)，直到獲得接近由螺線管磁場獲得的理想結果的均勻性結果。我們發(fā)現這要求增大尖峰磁場的大小，直到在晶片邊緣處的Br從22高斯增大到32高斯(或者約160％)。這產生圖60的圖線中的標記為“尖峰160％”的刻蝕速率分布曲線。在此時，刻蝕速率的偏差率減小到2.4％。尖峰磁場繼續(xù)導致很小或者沒有器件損傷，盡管其強度顯著增大。
前面的結果被總結在圖61的表中。左側的列記載了磁場類型，并且以高斯為單位列出了該磁場在晶片中心處的Bz和在晶片邊緣處的Br。中間的列列出了相應的刻蝕速率的偏差率(不均勻性)，并且右側的列提供了對器件損傷的評價(“好”或者“差”)，并且列出了感應器件電流(單位為毫安)和電壓(單位為伏特)。圖61的表示出了利用螺線管磁場和鏡像磁場獲得了好的均勻性和差的器件損傷結果，并且利用具有與螺線管磁場相當的晶片邊緣處的Br的尖峰磁場獲得了差的均勻性和好的器件損傷結果。表的最后一行示出了當尖峰磁場(在其他磁場實際不存在的情況下)被增大到其先前水平的160％時獲得了好的均勻性和好的器件損傷結果。
前面的方法在圖62所示的方法中被應用。第一步(圖62的方框415)是找出刻蝕速率徑向分布不均勻性被最小化的螺線管磁場強度。這對應于圖60的在晶片邊緣處具有22高斯的徑向分量強度的螺線管磁場。實際的值可以依賴于具體工藝而變化。在選定半徑處(例如，晶片邊緣)的徑向分量值被記錄(方框417)。然后，建立尖峰磁場，而其他磁場不存在或者可忽略不計，該尖峰磁場在選定的半徑處具有與在方框417的步驟所記錄的相同的徑向分量場(方框419)。最后，增大尖峰磁場強度，直到刻蝕速率徑向分布不均勻性被最小化(方框421)。此步驟對應于將尖峰徑向分量從22高斯增大到32高斯，但是這些值可以依賴于所進行的工藝而變化。
在圖62的方法中的尖峰磁場利用外電磁體65和底電磁體401來建立。一旦所期望的徑向分量Br(r)根據圖62的方法被建立，可以通過將相對較小的電流施加到內電磁體60來進行進一步修飾或者校正。內電磁體電流可以被選擇來進一步提高均勻性或者來控制或者減小軸向分量Bz(r)以改善器件損傷結果(即，減小器件損傷)。此方法在圖63的方法中被實現，其中，第一步(方框423)是例如利用圖62的方法建立所期望的徑向分量強度Br(r)。然后，通過將相對較小的電流供應到內電磁體60，來將條件最優(yōu)化(或者進一步改善均勻性或者消除Bz)(圖63的方框425)。
在圖64所示的此工藝的改進中，利用內磁體60和外磁體65來建立所期望的磁場(例如，理想的Br(r))，而底磁體是停止的(圖64的方框431)。然后，在圖64的方框433中，通過增大通過底磁體401的電流來修飾磁場(例如，如果需要的話增大Br)，直到獲得所期望的結果。在一些實施例中，可以是通過實際上添加來自內磁體60的非常小的軸向磁場Bz而不引起器件損傷的不可接受的增大，來獲得經改善的等離子體離子密度分布均勻性。
在進行圖64的工藝中，可以為最小的刻蝕速率分布不均勻性找出所期望的一組用于內電磁體60和外電磁體65的DC電流值。這可以通過測量當內磁體60和外磁體65中的一個具有零電流時，對于另一個中的每個電流的值所獲得的刻蝕速率徑向分布來獲得。例如，圖65是包含代表對于供應給內磁體60的DC電流的處在選定范圍內(0安培到25安培)的不同值的刻蝕速率徑向分布數據的曲線的圖線。圖66是包含代表對于供應給外磁體65的DC電流的處在選定范圍內(0安培到25安培)的不同值的刻蝕速率徑向分布數據的曲線的圖線。來自圖65和66的不同對的刻蝕速率分布曲線可以被疊加以模擬對于給定的內磁體電流值Ii和外磁體電流值Io對的合成刻蝕速率分布，直到多數或者全部可能的對已經被并列并且通過疊加獲得相應的刻蝕速率徑向分布E(r)Ii，Io。然后，每一個刻蝕速率分布被處理以計算相應的不均勻性(例如偏差率D，其在本文前面已經被定義)。這產生了一組偏差D(Ii，Io)，其可以被表示為圖67所示的單個面?？梢岳贸Ｒ?guī)的技術檢察該面或者函數，以找出使偏差率D(圖67的豎軸)最小的Ii，Io的值或者值組。這些是由控制器90為內磁體電流和外磁體電流選擇的值。
前面的方法在圖68中所示的方法中實現了。首先，底磁體電流被設為零(方框435)。對于不同的內磁體電流測量刻蝕速率徑向分布，以獲得一組分布E(r)Ii(方框437)，對于不同的外磁體電流測量刻蝕速率徑向分布，以獲得一組分布E(r)Io(方框439)。兩個分布的相應的對被疊加以形成不同的刻蝕速率分布E(r)Ii，Io(方框441)，從其計算相應的偏差D(Ii，Io)(方框443)。由面(圖67)表示偏差D(Ii，Io)的組，對該面進行查尋，得到產生最小偏差率D的(Ii，Io)的值的組(方框445)。
對圖67的三維面D(Ii，Io)的檢察揭示了對應于一系列或者一序列的D(豎軸)最小的連續(xù)最優(yōu)對(Ii，Io)的狹長低谷(由虛線標出)。此低谷可以通過常規(guī)的查尋找出。為了使第三磁體(即，底磁體401)的使用最優(yōu)化，最優(yōu)對(Ii，Io)中的每一個可以與處在預定范圍中的底磁體電流Ib的一系列值組合，并且三個電流(Ii，Io，Ib)的每一個組合被施加到反應器并且測量刻蝕速率偏差。此最后的操作為圖68的方框447中的步驟。結果可以進行插值(方框449)，以產生一組偏差值D(Ii，Io，Ib)。這些值的組可以由4維面表示，其中，使用常規(guī)技術對該4維面進行查尋(方框451)，以獲得使D最小化的一組值(Ii，Io，Ib)。此最小化可以提供對在僅僅使用兩個磁體的方框445的步驟中得到的最小化的改進。在處理產品晶片的過程中，最終的(Ii，Io，Ib)最優(yōu)值或者多個最優(yōu)值被施加到各個電磁體60，65，401，用于得到最優(yōu)的工藝均勻性。
圖68的工藝可以被總結如下首先，三個磁體中的僅僅一對，例如內磁體60和外磁體65被標定。然后，該磁體對被看作一個整體并且與第三磁體，例如底磁體401進行標定，由此三個磁體的同時使用被最優(yōu)化。但是，對三個磁體的標定存在三種可能的次序。一種是圖68中所給出的示例。在第二種中，標定的初始磁體對是外磁體65和底磁體401，并且第三磁體是內磁體60。在第三種中，標定的初始磁體對是內磁體60和底磁體401，并且第三磁體是外磁體65。
圖69示出了該工藝的第二種方案，其中，初始磁體對是外磁體65和底磁體401，并且第三磁體是內磁體60。在圖69的第一步中，內磁體電流被設為零(方框435-1)。對于不同的底磁體電流測量刻蝕速率徑向分布，以獲得一組分布E(r)Ib(方框437-1)，對于不同的外磁體電流測量刻蝕速率徑向分布，以獲得一組分布E(r)Io(方框439-1)。兩個分布的相應的對被疊加以形成不同的刻蝕速率分布E(r)Ib，Io，(方框441-1)。由此計算出相應的偏差D(Ib，Io)(步驟方框443-1)。該偏差D(Ib，Io)的組由一個面(類似于圖67的)表示，對該面進行查尋，得到產生最小偏差或最小偏差率D的(Ii，Io)的值的組(方框445-1)。
為了使第三磁體(即，底磁體401)的使用最優(yōu)化，最優(yōu)對(Ii，Io)中的每一個可以與處在預定范圍中的底磁體電流Ib的一系列值組合，并且三個電流(Ii，Io，Ib)的每一個組合被施加到反應器并且測量刻蝕速率偏差。此最后的操作為圖69的方框447-1中的步驟。結果可以進行插值(方框449-1)，以產生一組偏差值D(Ii，Io，Ib)。這些值的組可以由矩陣(或者4維面)表示，其中，使用常規(guī)技術對該矩陣進行查尋(方框451-1)，以獲得使偏差或者偏差率D最小化的一組值(Ii，Io，Ib)。根據該最終的值的組，確立施加到三個磁體60，65，401的DC電流。
圖70是示出了用于利用三個電磁體60，65，401獲得均勻的等離子體或者刻蝕速率分布的另一種方法的流程圖。首先，在沒有電流被施加到電磁體60，65，401時，測量額定(未校正的)刻蝕速率分布ER(r)(方框461)。然后，對于多個不同的Ii值，測量由內線圈電流Ii起的刻蝕速率徑向分布的變化，即ΔER(r，Ii)(方框463)。對于多個不同的Io值，測量由外線圈電流Io引起的刻蝕速率徑向分布的變化，即ΔER(r，Io)(方框465)。對于多個不同的Ib值，測量由底線圈電流Ib引起的刻蝕速率徑向分布的變化，即ΔER(r，Ib)(方框467)。然后對于不同的Ii，Io，Ib值的每一個組合，刻蝕速率分布按如下計算(方框469)ER(r，Ii，Io，Ib)＝ER(r)+ΔER(r，Ii)+ΔER(r，Io)+ΔER(r，Ib)計算這些分布中的每一個的不均勻性或者偏差或者偏差率D(Ii，Io，Ib)(方框471)。矩陣D(Ii，Io，Ib)可以進行插值，以提供光滑的函數，然后對該函數進行查尋(方框473)，以獲得使D最小的一組或者多組值(Ii，Io，Ib)。這樣所找出的DC電流(Ii，Io，Ib)的最優(yōu)組被施加到三個磁體60，65，401(方框475)。
圖71A到71E圖示說明了刻蝕速率分布ER(r，Ii，Io，Ib)中的單個分布的計算的指導示例。額定刻蝕速率分布ER(r)被描繪在圖71A的圖線中。由將5安培DC電流施加到內電磁體60所導致的從額定分布的變化ΔER(r，Ii)被描繪在圖71B中。由將1安培DC電流施加到外電磁體65所導致的從額定分布的變化ΔER(r，Io)被描繪在圖71C中。由將2安培DC電流施加到底電磁體所導致的從額定分布的變化ΔER(r，Ib)被描繪在圖71D中。圖71A到71D的刻蝕速率分布的加和被描繪在圖71E中，并且為刻蝕速率分布ER(r，Ii＝5，Io＝1，Ib＝2)。
確定三個磁體的最優(yōu)電流(Ii，Io，Ib)的另一個方法是對于(Ii，Io，Ib)值的多種不同組合直接測量刻蝕速率分布ER(r，Ii，Io，Ib)。此方法需要大量的測量，并且代替了圖70的方框461-469的步驟。一旦這樣測量了足夠數量的不同ER(r，Ii，Io，Ib)，就進行圖70的方框471，473和475的步驟。
在前面的工藝中，參考在反應器中被刻蝕的晶片上的刻蝕速率的徑向分布定義了均勻性。但是，更一般的說，工藝均勻性可以被定義為對于任何工藝(包括刻蝕工藝或沉積工藝)的晶片表面上的等離子體離子密度的徑向分布的均勻性。在刻蝕反應器中，等離子體離子密度分布由在反應器中所進行的等離子體增強反應離子刻蝕工藝中被處理的晶片上所測量的刻蝕速率徑向分布來推導。
雖然通過具體參考優(yōu)選實施例詳細描述了反應器，但是應該理解，在不偏離反應器的真實精神和范圍的情況下可以對其進行變化和修改。
此申請是由Daniel Hoffman等人于2004年5月7日遞交、標題為CAPACITIVELY COUPLED PLASMA REACTOR WITH MAGNETICPLASMA CONTROL的美國專利申請No.10/841,116的部分接續(xù)案，該申請是由Daniel Hoffman等人于2002年7月9日遞交、標題為CAPACITIVELY COUPLED PLASMA REACTOR WITH MAGNETICPLASMA CONTROL的美國專利申請No.10/192,271的分案申請，這些申請全部轉讓給本申請受讓人。
權利要求
1.一種用于處理工件的等離子體反應器，包括真空室，其包括側壁和頂板；工件支撐底座，其具有處在所述室中并且面向所述頂板的工件支撐表面，并且包括陰極電極；RF功率發(fā)生器，其耦合至所述陰極電極；外部環(huán)形內電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第一平面中；外部環(huán)形外電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第二平面中，并且具有比所述內電磁體更大的直徑；外部環(huán)形底電磁體，其處在所述工件支撐表面下方的第三平面中；和內DC電流源、外DC電流源和底DC電流源，其分別連接到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體。
2.如權利要求1所述的反應器，其中，所述工件支撐底座和所述內、外和底磁體大致同軸。
3.如權利要求2所述的反應器，其中，所述第一平面在所述第二平面上方，并且所述第一平面和所述第二平面都在所述第三平面上方。
4.如權利要求3所述的反應器，其中，所述第一平面、第二平面和第三平面與所述工件支撐表面平行。
5.如權利要求1所述的反應器，還包括處理器，所述處理器控制來自所述內DC電流源、外DC電流源和底DC電流源的DC電流。
6.如權利要求5所述的反應器，其中，所述處理器可以三種模式工作，所述三種模式包括(a)尖峰模式，其中所述DC電流導致所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面處產生相等并相反的磁場，(b)鏡像模式，其中所述DC電流導致所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面處產生相似的磁場，和(c)螺線模式，其中所述DC電流導致所述電磁體中的至少一個在所述工件支撐表面處產生徑向磁場和軸向磁場。
7.如權利要求6所述的反應器，其中，所述處理器在同一時間僅可以所述三種模式中的一個工作。
8.如權利要求6所述的反應器，其中，所述處理器可以所述三種模式中選定的一個工作。
9.如權利要求5所述的反應器，其中，所述處理器可以三種模式工作，所述三種模式包括(a)尖峰模式，其中所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體產生主要為徑向的DC磁場，(b)鏡像模式，其中所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體產生主要為軸向的磁場，和(c)螺線管模式，其中所述電磁體中的至少一個產生軸向磁場和徑向磁場。
10.如權利要求9所述的反應器，其中，所述處理器可以所述三種模式中選定的一個工作。
11.如權利要求9所述的反應器，其中，所述處理器可以操作來同時產生所述三種模式的分量。
12.一種在等離子體反應器中改善等離子體離子密度分布的均勻性的方法，所述等離子體反應器具有處在工件支撐表面上方的第一平面中的外部環(huán)形內電磁體；處在所述工件支撐表面上方的第二平面中的并且具有比所述內電磁體更大的直徑的外部環(huán)形外電磁體；和處在所述工件支撐表面下方的第三平面中的外部環(huán)形底電磁體，所述方法包括從所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面上產生徑向磁場，所述徑向磁場具有足夠的磁場強度以相對于所述工件支撐表面中心處的等離子體離子密度增大所述工件支撐表面周緣附近的等離子體離子密度。
13.如權利要求12所述的方法，還包括通過使用所述內和外電磁體中的另一個產生附加的磁場分量，進一步增大所述周緣處的等離子體離子密度。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述附加的磁場分量包括在所述工件支撐表面處的軸向磁場。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述軸向磁場具有比在所述工件支撐表面處的所述徑向磁場更小的磁場強度。
16.如權利要求12所述的方法，還包括在處理產品工件之前，找出產生所期望的等離子體離子密度徑向分布均勻性的螺線管磁場，并且確定所述螺線管磁場的徑向分量；以及其中，產生所述徑向磁場的步驟包括將所述徑向磁場增大超過所述螺線管磁場的所述徑向分量的強度，直到等離子體離子密度徑向分布均勻性至少近似達到由所述螺線管磁場產生的所述期望的均勻性。
17.一種在等離子體反應器中控制等離子體離子密度分布的方法，所述等離子體反應器具有處在工件支撐表面上方的第一平面中的外部環(huán)形內電磁體；處在所述工件支撐表面上方的第二平面中的并且具有比所述內電磁體更大的直徑的外部環(huán)形外電磁體；和處在所述工件支撐表面下方的第三平面中的外部環(huán)形底電磁體，所述方法包括從所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體在所述工件支撐表面上產生徑向磁場，所述徑向磁場具有足夠的磁場強度以相對于所述工件支撐表面中心處的等離子體離子密度增大所述工件支撐表面周緣附近的等離子體離子密度；和從所述內和外電磁體中的另一個在所述工件支撐表面處產生軸向磁場，所述軸向磁場具有獲得更均勻的等離子體離子密度徑向分布的最小強度。
18.如權利要求17所述的方法，其中，通過在所述工件支撐表面處被處理的產品晶片上的刻蝕速率徑向分布確定等離子體離子密度。
19.一種在等離子體反應器中控制等離子體離子密度分布的方法，所述等離子體反應器具有處在工件支撐表面上方的第一平面中的外部環(huán)形內電磁體；處在所述工件支撐表面上方的第二平面中的并且具有比所述內電磁體更大的直徑的外部環(huán)形外電磁體；和處在所述工件支撐表面下方的第三平面中的外部環(huán)形底電磁體，所述方法包括找出施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的一對的一組DC電流對，所述一組DC電流對趨向使等離子體離子密度分布不均勻性最小；對于所述組的所述DC電流對中的每一對，找出施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的另一個的DC電流，所述DC電流趨向使等離子體離子密度分布不均勻性最小，以確立對應于所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的一組DC電流三元組；以及將所述DC電流三元組中之一施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的所述對包括所述內和外電磁體之一以及所述底電磁體，由此所述電磁體對在所述工件支撐表面處建立了主要為徑向的磁場并且所述另一個電磁體建立了較小的軸向磁場。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的所述對包括所述底電磁體和所述外電磁體，并且所述另一個電磁體包括所述內電磁體。
22.如權利要求19所述的方法，其中，等離子體離子密度分布由在所述工件支撐表面處被處理的半導體晶片上的所測量到的刻蝕速率徑向分布推導出。
23.一種在等離子體反應器中控制等離子體離子密度分布的方法，所述等離子體反應器具有處在工件支撐表面上方的第一平面中的外部環(huán)形內電磁體；處在所述工件支撐表面上方的第二平面中的并且具有比所述內電磁體更大的直徑的外部環(huán)形外電磁體；和處在所述工件支撐表面下方的第三平面中的外部環(huán)形底電磁體，所述方法包括確定所述工件支撐表面處的未校正的等離子體離子密度分布；確定作為分別單獨施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中每一個的DC電流的函數的等離子體離子密度分布變化；對于施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的DC電流的不同組合，將所述函數疊加到所述未校正的等離子體分布上，以獲得多個試算等離子體離子密度分布；查尋所述試算等離子體離子密度分布，以得到至少一個具有高的等離子體離子密度分布均勻性的所述試算等離子體離子密度分布，并且確定對應于其的最優(yōu)電流組；以及將所述最優(yōu)電流組分別施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的每一個。
24.如權利要求23所述的方法，其中，確定等離子體離子密度分布的步驟包括從在所述工件支撐表面處被處理的半導體晶片上的所測量到的刻蝕速率分布推導所述等離子體離子密度分布。
25.一種等離子體反應器，用于處理反應器室內的工件支撐表面上的工件，所述等離子體反應器包括外部環(huán)形內電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第一平面中；外部環(huán)形外電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第二平面中，并且具有比所述內電磁體更大的直徑；外部環(huán)形底電磁體，其處在所述工件支撐表面下方的第三平面中；處理器，用于控制施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的每一個的DC電流；以及所述處理器可訪問的存儲器，所述存儲器存儲分別用于所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中每一個的DC電流值，所述電流已經由包括如下步驟的方法確定找出施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的一對的一組DC電流對，所述一組DC電流對趨向使等離子體離子密度分布不均勻性最?。粚τ谒鼋M的所述DC電流對中的每一對，找出施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的另一個的DC電流，所述DC電流趨向使等離子體離子密度分布不均勻性最小，以確立對應于所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的一組DC電流三元組。
26.如權利要求25所述的反應器，其中，等離子體離子密度分布由在所述工件支撐表面處被處理的晶片上所測量到的刻蝕速率分布推導出。
27.一種等離子體反應器，用于處理反應器室內的工件支撐表面上的工件，所述等離子體反應器包括外部環(huán)形內電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第一平面中；外部環(huán)形外電磁體，其處在所述工件支撐表面上方的第二平面中，并且具有比所述內電磁體更大的直徑；外部環(huán)形底電磁體，其處在所述工件支撐表面下方的第三平面中；處理器，用于控制施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中的每一個的DC電流；以及所述處理器可訪問的存儲器，所述存儲器存儲分別用于所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中每一個的DC電流值，所述電流已經由包括如下步驟的方法確定確定所述工件支撐表面處的未校正的等離子體離子密度分布；確定作為分別單獨施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體中每一個的DC電流的函數的等離子體離子密度分布變化；對于施加到所述內電磁體、外電磁體和底電磁體的DC電流的不同組合，將所述函數疊加到所述未校正的等離子體分布上，以獲得多個試算等離子體離子密度分布；查尋所述試算等離子體離子密度分布，以得到至少一個具有高的等離子體離子密度分布均勻性的所述試算等離子體離子密度分布，并且確定對應于其的最優(yōu)電流組。
28.如權利要求27所述的反應器，其中，等離子體離子密度分布由在所述工件支撐表面處被處理的晶片上所測量到的刻蝕速率徑向分布推導出。
29.如權利要求1所述的反應器，其中，頂板包括電容耦合的頂置電極，所述反應器還包括VHF等離子體功率源發(fā)生器；固定調諧元件，其將所述VHF等離子體功率源發(fā)生器耦合到所述頂置電極；以及所述電極與所述室中的等離子體進行諧振，其諧振頻率處于或者接近所述VHF等離子體功率源發(fā)生器的頻率。
30.如權利要求29所述的反應器，其中，所述固定調諧元件包括同軸調諧短棒，所述短棒具有處在或接近所述諧振頻率的短棒諧振頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于處理工件的等離子體反應器，包括真空室，其由側壁和頂板限定；和工件支撐底座，其具有處在所述室中并且面向所述頂板的工件支撐表面，并且包括陰極電極。RF功率發(fā)生器耦合到所述陰極電極。等離子體分布由外部環(huán)形內電磁體、外部環(huán)形外電磁體和外部環(huán)形底電磁體控制，其中外部環(huán)形內電磁體處在所述工件支撐表面上方的第一平面中，外部環(huán)形外電磁體處在所述工件支撐表面上方的第二平面中，并且具有比所述內電磁體更大的直徑，外部環(huán)形底電磁體處在所述工件支撐表面下方的第三平面中。多個DC電流源分別連接到內、外和底電磁體。
文檔編號H01J37/32GK1812683SQ20061000302
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月26日 優(yōu)先權日2005年1月28日
發(fā)明者丹尼爾·J·霍夫曼, 羅杰·A·蘭德雷, 邁克爾·C·庫特內, 馬丁·J·薩里納斯, 哈米德·F·塔瓦索里, 堀岡啟治, 道格拉斯·A·小布什伯格 申請人:應用材料公司