專利名稱：抑制電弧放電的對應等離子體射頻頂電極調諧的等離子體反應器的制作方法
相關申請的交叉引用本申請是2000年3月17日由Daniel Hoffman等申請的題目為“Plasma Reactor with Overhead RF Electrode Tuned to The Plasma的美國申請No.09/527342的延續(xù)部分，并且此申請已轉讓給本申請人。
背景技術：
射頻等離子體反應器用于處理半導體晶片以產生微型電子電路。反應器在包括待處理晶片的室中形成等離子體。通過使用電感或電容耦合到室中的射頻等離子體源功率來形成和維持等離子體。對于電容耦合到室中的射頻等離子體源功率，通過射頻源功率發(fā)生器驅動頂電極(overhead electrode)(面對晶片)。
在這樣的反應器中存在的一個問題是射頻發(fā)生器的輸出阻抗，典型地為50歐姆，其必須與由電極和等離子體聯(lián)合提供的負荷阻抗匹配。否則輸出到等離子體室的射頻功率將隨著等離子體負荷阻抗的波動而波動，以致不能將某些處理參數如等離子體密度維持在期望的范圍內。
等離子體負荷阻抗在處理中產生波動，因為其依賴于反應室內的情況，從而隨著處理進展動態(tài)改變。在用于電介質或金屬蝕刻工藝的最佳等離子體密度下，與射頻發(fā)生器的輸出阻抗相比負荷阻抗非常小，并能在晶片處理過程中明顯地變化。因此，必須采用阻抗匹配電路以有效地在發(fā)生器和負載之間維持阻抗匹配。這樣的有效阻抗匹配使用可變的電抗和/或可變的頻率。這樣的阻抗匹配電路存在的一個問題是它們必須充分靈敏以隨著等離子體負荷阻抗的快速變化而變化，因此它們較昂貴，并且由于他們的復雜性而能降低系統(tǒng)的可靠性。
另一個問題是匹配電路可提供阻抗匹配(“匹配空間”)的負荷阻抗的范圍是受限的。匹配空間與系統(tǒng)Q相關，這里Q＝f/f，f是系統(tǒng)的共振頻率，而f是f一邊上的帶寬，在該帶寬中共振振幅在f的峰值共振振幅的6dB以內。典型的射頻發(fā)生器在將正向傳輸功率維持在近似恒定水平上的能力是有限的，即使當等離子體阻抗波動時，有更多的射頻功率被反饋給發(fā)生器。典型地，這通過發(fā)生器司服其正向傳輸功率電平來實現，以便這樣的阻抗失配增加(因此，反射功率增加)，發(fā)生器增加其正向傳輸功率電平。當然，這種能力被發(fā)生器能夠產生的最大正向傳輸功率所限制。典型地，發(fā)生器能夠處理正向駐波電壓與反射波電壓(即電壓駐波比值或VSWR)的不超過3∶1的最大比值。阻抗中的差異增加(例如，由于在處理期間中等離子體阻抗波動)以致VSWR超過3∶1，然后射頻發(fā)生器不再能夠控制輸送功率，控制的等離子體丟失。結果，處理可能失敗。因此，在射頻發(fā)生器和通過結合線圈天線和室向射頻發(fā)生器提供的負載之間必須維持至少一個近似的阻抗匹配。這一近似的阻抗匹配必須足以將在發(fā)生器輸出的VSWR保持在等離子體阻抗波動的整個預期限定的3∶1VSWR內。典型地，該阻抗匹配空間為該匹配電路可將發(fā)生器輸出的VSWR維持在3∶1或以下的負荷阻抗范圍內。
相關的問題是負荷阻抗本身對處理參數如室壓、等離子體源功率電平、源功率頻率和等離子體密度高度靈敏。這限定了這些處理參數(工藝窗口(process window))的范圍，必須在這些范圍中操作等離子體反應器以避免不期望的阻抗失配或避免引起負荷阻抗在匹配空間外的波動。同樣地，提供一個能在相對窄的工藝窗口和工藝用途(processuse)之外的反應器，或能處理許多操作應用的反應器是困難的。
另一個相關的問題是負荷阻抗也受反應器自身結構如某些機械部件的尺寸和反應器內的某些材料的導電系數或介電常數的影響。(這些結構部件影響反應器的電特性，如雜散電容，其反過來影響負荷阻抗。)由于制造的偏差和材料的變化，這使得要在相同設計的不同反應器中保持統(tǒng)一是很困難的。結果，具有高系統(tǒng)Q和相應的小阻抗匹配空間，要產生顯示相同的工藝窗口或提供相同性能的任意兩個相同設計的反應器是困難的。
另一個問題是射頻功率源使用的無效。由于傳輸到等離子體的功率量明顯小于射頻發(fā)生器產生的功率，因此眾所周知，等離子體反應器會無效。結果，必然引起在發(fā)生器性能和可靠性權衡中的額外成本，該額外成本用于產生超過傳輸到等離子體中實際需要的功率的額外功率。
本說明書一般關于電容耦合反應器，其具有頂電極，該頂電極由VHF等離子體源功率射頻源射頻驅動，而非高頻功率源驅動。我們已經發(fā)現在VHF源功率頻率，與高頻頻率不同，調節(jié)頂電極至與等離子體共振是可行的，這可獲得迄今尚未達到的穩(wěn)定性和斜率，以及許多其它優(yōu)點。
一種將工藝氣體供給到電容耦合等離子體反應器的較好的方法是通過頂壁注入工藝氣體。在本反應器中，頂壁是源功率電極，其通過同軸短管(stub)或等同的阻抗匹配元件耦合到VHF射頻功率發(fā)生器。為了從頂壁注入工藝氣體，頂壁電極也是“噴頭”，具有一組小的氣體注入口(gas in jection port)的導電層，通過這些口注入工藝氣體。在某些情況下，等離子體放電或“電弧放電”易于在頂壁氣體注入口發(fā)生。這引起等離子體放電從氣體注入口內表面除去頂電極或噴頭材料的危險。物質，如金屬類物質因此被引入到等離子體，并可能污染晶片或工件表面，并且損傷在此制造的微電子器件。
因此，有必要降低或消除在氣體注入口激發(fā)等離子體(或本體等離子體(bulk plasma)外的任何其它地方)的傾向，特別是在具有頂電極/氣體分布噴頭組合的等離子體反應器中，該氣體分布噴頭連接到VHF等離子體源射頻電源。
頂電極可由于與等離子體接觸而遭受磨損，特別因為其既作為偏壓功率(bias power)的陽極又作為源功率的陰極，并因此遭受射頻和直流電流。如果找到一種方法避免電流直接通過頂電極，或避免電極與等離子體的直接接觸，運行反應器的成本將降低。
在等離子體反應器中常有這樣一個問題，即在等離子體外罩內的第二和第三諧波的發(fā)生。在本反應器中，當等離子體VHF源功率是頂電極施加的，等離子體偏壓功率由高頻信號施加到晶片支撐基座上。在高頻頻率，大部分射頻功率消耗在外罩內，剩余功率保持在本體等離子體中。等離子體外罩是非線性負載，且因此產生施加到晶片支撐基座的高頻偏置信號的第二和/或第三諧波。這樣的諧波的存在以這樣的方式改變等離子體行為，在該方式下，工藝性能在這樣的諧波存在下受到損傷。特別地，避免蝕刻停止或過度蝕刻的工藝控制變得更困難，且蝕刻速率減少。有必要減少影響等離子體的諧波產生。
在本反應器中，同軸調諧短管的長度和VHF源功率信號的波長相關，其覆蓋區(qū)域(footprint)比反應器余下的部分的大。因此在能夠減小該覆蓋區(qū)域而不犧牲同軸調諧短管的任何優(yōu)點這方面具有優(yōu)勢。

發(fā)明內容
用于處理半導體工件的等離子體反應器包括反應室、頂電極、包括部分室壁的電極、射頻功率發(fā)生器，該反應室具有室壁并包括用于夾持半導體工件的工件支撐件，該頂電極位于所述工件上方，射頻功率發(fā)生器用于將發(fā)生器頻率下的功率提供給頂電極并將室內的等離子體維持在期望的等離子體離子密度水平。頂電極具有電容以使頂電極和在室中形成的具有期望的等離子體密度的等離子體，在電極-等離子體共振頻率下一起共振，發(fā)生器的頻率至少接近電極-等離子體的共振頻率。反應器進一步包括形成于所述頂電極表面的絕緣層，該頂電極面對所述工件支撐件；電容性絕緣層，其位于所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極之間，以及金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極表面并且接觸該表面，該頂電極表面對并遠離工件支撐件。絕緣層提供足夠抑制在所述氣體注入口內電弧放電的電容，該電容性絕緣層具有足夠電容以阻止來自所述室內等離子體的電流流過所述頂電極，并且金屬泡沫層具有足夠厚度以抑制在所述氣體注入孔(orifice)內的軸向電場。


圖1是體現本發(fā)明的等離子體反應器的側視橫截面圖。
圖2A和2B分別是圖1同軸短管(stub)的圖解描述和用作沿同軸短管位置的電壓和電流駐波振幅的圖解描述。
圖3是在同軸短管上在輸入功率接點處的電流的減小(subtraction)以響應高等離子體負荷阻抗而在較大的匹配空間中維持更恒定的輸出VHF功率電平。
圖4是在同軸短管上在輸入功率接點處的電流的增加以響應低等離子體負荷阻抗而在較大的匹配空間中維持更恒定的輸出VHF功率電平。
圖5是描述用作圖1的實施例的頻率的低-Q反射系數的曲線圖。
圖6是描述在同軸短管上的輸入功率接點處的電流分布與沿短管長度的駐波電流和電壓的相互作用曲線圖。
圖7是圖1的同軸短管的可選實施例。
圖8表示本發(fā)明的另一個實施例。
圖9是對應圖8的放大圖。
圖10是圖9的放大圖。
圖11是圖8的另一個放大圖。
圖12表示本發(fā)明的另一個實施例。
圖13是對應圖12的俯視圖。
圖14是對應圖13的反應器的可選實施例的俯視圖。
具體實施例方式
參考圖1，等離子體反應器包括具有晶片支撐件105的反應室100，該晶片支撐件在室的底部以支撐半導體晶片110。半導體環(huán)115環(huán)繞晶片110，該半導體環(huán)115通過介電(石英)環(huán)120支撐在接地的室主體上。在一個實施例中，該介電環(huán)的厚度為10mm，介電常數為4。通過圓形導電頂電極在頂部限定室100，在距離晶片110預定間隙長度上方支撐鋁頂電極，晶片110通過介質(石英)密封件設置在接地室主體127上。頂電極125還可是在其內表面上覆蓋半金屬材料(例如，Si或SiC)的金屬(例如，鋁)，或者自身就是半金屬材料。射頻發(fā)生器150向電極125施加射頻功率。來自發(fā)生器150的射頻功率通過與發(fā)生器150匹配的同軸電纜162耦合到與電極125連接的同軸短管135。短管135具有特性阻抗、共振頻率，并提供在電極125和50歐姆同軸電纜162或50歐姆射頻功率發(fā)生器150的輸出之間的阻抗匹配，下面將作全面詳細描述。室主體連接到射頻發(fā)生器150的射頻返回(射頻接地)。從頂電極125到射頻接地間的射頻路徑受半導體環(huán)115，介電環(huán)120和介電密封件130的電容影響。晶片支撐件105，晶片110和半導體環(huán)115提供施加到電極125的射頻功率的主要射頻返回路徑。
包括電極125，介電環(huán)120和介電密封件130的頂電極組件126的電容是180皮法，該電容是相對射頻返回或地測量的。電極組件電容受電極面積，間隙長度(晶片支撐件和頂電極間的距離)的影響，并且受影響雜散電容，特別是密封件130和介電環(huán)120的介電值的因子影響，所述因子反過來受所采用的材料的介電常數和厚度的影響。更一般地，在特定的源功率頻率，等離子體密度和操作壓力下，電極組件的電容(無符號數或標量)大小等于或近似等于等離子體負電容(復數)的大小，如下面的討論。
很多影響前述關系的因子在很大程度上是預定的，這是由于反應器所要執(zhí)行的等離子體工藝要求、晶片尺寸、和在晶片上一致執(zhí)行的加工要求的現實決定的。因此，等離子體電容是等離子體密度和源功率頻率的函數，而電極電容是晶片支撐件比電極間隙(高度)、電極直徑、和組件絕緣體的介電值的函數。等離子體密度、操作壓力、間隙、和電極直徑必須滿足反應器要執(zhí)行的等離子體工藝的要求。特別是，離子密度必須在一定的范圍內。例如，硅和介電等離子體蝕刻工藝一般要求等離子體密度在109-1012離子每立方厘米的范圍內。晶片電極間隙對8英寸晶片提供最佳等離子體離子分布的一致性，例如，如果間隙大約為2英寸。電極直徑如果不比晶片直徑大，可以至少是和其一樣大。對通常的蝕刻和其它等離子體工藝，操作壓力類似地具有實用的范圍。
但是已經發(fā)現存在可選的獲得上述優(yōu)選關系的其它因素，特別是用于頂電極組件126的源頻率的選擇和電容的選擇。在前述施加在電極上的尺寸約束和施加在等離子體上的約束(例如，密度范圍)中，如果源功率頻率選擇為VHF頻率，并且如果電極組件126的絕緣元件的介電值選擇合適，則電極電容應可以與等離子體負電容的值匹配。這種選擇在源功率頻率和等離子體-電極共振頻率之間獲得匹配和近似匹配。
因此在一個方面，用于8英寸晶片的頂電極直徑約為11英寸，間隙約為2英寸，等離子體密度和操作壓力是典型用于上述蝕刻工藝的，用于密封件130的介電材料的介電常數為9，厚度的量級為1英寸，環(huán)115的內直徑稍微超過10英寸而外直徑約為13英寸，環(huán)120的介電常數為4，而厚度的量級為10毫米，VHF源功率頻率為210MHz(盡管其它的VHF頻率可能具有同等效力)，并且源功率頻率，等離子體電極共振頻率和短管共振頻率都是匹配或近似匹配的。
具體地，這三個頻率互相稍微偏移，在源功率頻率約為210MHz時，電極-等離子體共振頻率約為200MHz，且短管頻率約為220MHz，以獲得失諧效應，這種效應可以有利地降低系統(tǒng)Q。系統(tǒng)Q的此類降低使反應器的執(zhí)行對室內情況變化較不敏感，從而使整個工藝更穩(wěn)定并能在更寬的工藝窗口實施。
同軸短管135的特定結構設計進一步有利于整個系統(tǒng)穩(wěn)定、其寬的工藝窗口能力、以及一些其它好處。其包括內部柱狀導體140和外部同心柱狀導體145。例如，用具有相對介電常數為1的絕緣體147(圖1中用端面線表示)填充內部和外部導體140、145之間的空間。內部和外部導體140、145可用例如鍍鎳鋁形成。外部導體145的直徑可約為4英寸，而內部導體140的直徑約為1.5英寸。短管特性阻抗由內部和外部導體140、145的半徑和絕緣體147的介電常數確定。一個實施例的短管135特性阻抗為65歐姆。更廣泛地，短管特性阻抗超過源功率輸出阻抗約20％-40％，和約30％。短管135軸長約為29英寸——在220MHz的四分之一波長——以在接近220MHz具有共振以在稍微偏離VHF源功率頻率210MHz的同時，一般匹配。
在沿短管135的軸長的特定點處設置接頭160以用于將來自射頻發(fā)生器150的射頻功率施加給短管135，下面將詳細描述。發(fā)生器150的射頻功率終端150b和射頻返回終端150a在短管135上的接頭160處分別連接到內部和外部同軸短管導體140、145。以公知的方式，通過發(fā)生器到短管同軸電纜162實現這些連接，同軸電纜162具有與發(fā)生器150(典型為50歐姆)的輸出阻抗相匹配的特性阻抗。終端導體165在短管135的遠端135a處一起短路內部和外部導體140、145，以使短管135在其遠端135a被短路。在短管135的近端135b(未短路端)，外部導體145通過環(huán)形導電殼或支撐175與室的主體連接，同時內部導體140通過導電圓柱或支撐176與電極125的中心連接。介電環(huán)180被夾持在導電圓柱176和電極125之間并將兩者隔離開。
內部導體140可提供用于設施如工藝氣體和冷卻劑的管道(conduit)。不同于典型的等離子體反應器，該特征的主要優(yōu)點是，氣體管線(gas line)170和冷卻劑管線(coolant line)173不橫跨大的電勢差。因此它們可用金屬——成本較低且用于這一目的更可靠的材料制造。金屬的氣體管線170在頂電極125中或鄰近頂電極125處，向氣體入口172輸送氣體，同時金屬冷卻劑管線173在頂電極125內，向冷卻劑通道或套管(jacket)174輸送冷卻劑。
因此，通過在射頻發(fā)生器150和頂電極組件126之間這種特殊結構的短管匹配提供有效和共振阻抗轉換，并處理等離子體負載、最小化反射功率以及提供非常寬的阻抗匹配空間以適應負荷阻抗中的寬變化。這樣，提供了寬工藝窗口和工藝的靈活性，同時獲得前所未有的功率利用效率，同時最小化或避免使用典型的阻抗匹配設備。如上所述，短管共振頻率也偏移理想匹配，以進一步提高整體系統(tǒng)Q、系統(tǒng)穩(wěn)定性和工藝窗口以及多進程的能力。
匹配電極-等離子體共振頻率和VHF源功率頻率如上概述，一個主要特征是配置頂電極組件126，其用于在電極-等離子體共振頻率下與等離子體共振，以及用于匹配(或近似匹配)源功率頻率和電極-等離子體頻率。電極組件126具有主要容抗，而等離子體電抗是頻率、等離子體密度和其它參數的復變函數。(如下面將更詳細描述的，根據電抗來分析一個等離子體，該電抗是一個復變函數，該復變函數包括虛數項并一般對應負電容)。電極-等離子體共振頻率由電極組件126和等離子體的電抗確定(類似于電容器/電感器共振電路的共振頻率由電容器和電感器的電抗確定)。因此，電極-等離子體共振頻率不必為源功率頻率，而應根據等離子體密度確定。因此，問題是找到一個源功率頻率，在此頻率，等離子體電抗足以使電極-等離子體共振頻率等于或近似等于源功率頻率，假設將實際限制約束在等離子體密度和電極尺寸的特定范圍內。更困難的是，由于等離子體密度(其影響等離子體電抗)以及電極尺寸(其影響電極電容)必須滿足某種工藝約束(constraint)。具體地，用于電介質和金屬的等離子體蝕刻工藝，等離子體密度應在109-1012離子每立方厘米范圍內，其是對等離子體電抗的約束。而且，例如通過約為2英寸的晶片到電極的間隙或高度，以及與晶片直徑大小在同一數量級或更大的電極直徑，來獲得處理直徑為8英寸晶片的更均勻等離子體離子密度分布，所述間隙或高度是對電極電容的一個約束。另一方面，對于處理直徑為12英寸的晶片可采用不同的間隙長度(length)。
因此，在此實施例的一個特征中，通過匹配(或近似匹配)電極電容與等離子體負電容的大小，電極-等離子體共振頻率和源功率頻率至少近似匹配。對于上述列舉的一般金屬和介質蝕刻工藝情況(即，等離子體密度在109-1012離子每立方厘米，2英寸間隙和大約11英寸的電極直徑)，如果源功率頻率是VHF頻率則有匹配可能。其它情況(例如，不同晶片直徑、不同等離子體密度等)可使用不同的頻率范圍以在實施反應器的此特征中實現匹配。如下面將詳細描述的，在包括介質和金屬等離子體蝕刻和化學氣相淀積的幾種主要應用中，在用于處理8英寸晶片的適宜等離子工作條件下，在一種具有上面描述的等離子體密度的典型工作示例中，等離子體電容在-50和-400皮法之間。在指導性的實施例中，通過使用11英寸的電極直徑、約2英寸的間隙高度(電極到基座距離)、通過選擇介電常數為9、厚度約為1英寸的密封件130的介電材料、以及介電常數為4、厚度約為10mm的用于環(huán)120的介電材料，來實現頂電極組件126的電容與此負等離子體電容的匹配。
電極組件126和等離子體一起在電極-等離子體共振頻率共振，電極-等離子體共振頻率至少近似匹配施加到電極125的源功率頻率，假定它們的電容匹配如剛才所述的那樣。我們發(fā)現對于有利的蝕刻等離子體工藝配置、環(huán)境和等離子體，該電極-等離子體共振頻率和源功率頻率可在VHF頻率匹配或近似匹配；并且實現這樣的頻率匹配或近似匹配是非常有利的。在前面的實施例中，對應前面的等離子體負電容值的電極-等離子體共振頻率約為200MHz，如下面將詳細描述的。源功率頻率為210MHz，源功率頻率在其中近似匹配以輕微偏移上述電極-等離子體共振頻率而實現下面將論述的其它優(yōu)點。
等離子體電容是其它參數、等離子體電子密度的函數。這與等離子體離子密度有關，所述等離子體密度為提供優(yōu)良的等離子體處理條件，以將等離子體密度保持在通常的109-1012離子每立方厘米所需的范圍。這一密度與源功率頻率和其它參數一起，確定等離子體負電容，因此此選擇受期望的最優(yōu)等離子體處理條件的約束，如下面將進一步詳述的。但是頂電極組件電容受許多物理因素影響，這些因素包括例如，間隙長度(電極125和晶片之間的間隔距離)；電極125面積；用于介質密封件130的介質損耗角正切范圍；在電極125和接地的室主體127之間的介質密封件130的介電常數的選擇；在半導體環(huán)115和室主體之間的介電環(huán)120的介電常數的選擇；以及密封件130和環(huán)120的介電結構的厚度和環(huán)180的厚度和介電常數。這使得可通過選擇這些和其它影響頂電極電容的物理因子而對電極組件電容做出一些調整。我們發(fā)現此調節(jié)范圍足以獲得頂電極組件電容與負等離子體電容值的匹配度。具體地，選擇用于密封件130和環(huán)120的介電材料和尺寸以提供期望的介電常數和相應的介電值。盡管影響電極電容的一些相同的物理因素特別如間隙長度，受處理較大直徑晶片的要求的實用性的規(guī)定和限制，但仍可獲得電極電容和等離子體電容的匹配；具有在晶片的整個直徑上的優(yōu)良均勻的等離子體離子分布；具有離子密度對離子能量的良好控制。
因此，對于如上設定的對等離子體蝕刻工藝有利的等離子體離子密度范圍；和對于適合于處理8英寸晶片的室尺寸，可獲得電極組件126的電容，所述電容與-50到-400皮法的等離子體電容匹配，所述-50到-400皮法的等離子體電容通過使用直徑為11英寸的電極，約為2英寸的間隙長度，和用于密封件130的介電常數為9的材料，以及用于環(huán)120的介電常數為4的材料獲得。
給定等離子體電容以及匹配的頂電極電容的前述范圍，用于210MHz的源功率頻率的電極-等離子體共振頻率約為200MHz。
以這種方式選擇頂電極組件126的電容，然后將形成的電極-等離子體共振頻率與源功率頻率匹配的極大優(yōu)點是，電極和近似源功率頻率的等離子體的共振提供了更寬的阻抗匹配以及更寬的工藝窗口，從而對工作條件中的變化更不敏感，因此操作更加穩(wěn)定。整個處理系統(tǒng)對操作條件中的偏差，例如，等離子體阻抗中的偏移(shift)更不敏感，因此在更加可靠的同時具有更大的工藝適應范圍。如后面將在說明書中具體討論的，通過在電極-等離子體共振頻率和源功率頻率之間的輕微偏移可進一步增強該優(yōu)點。
為什么等離子體具有負電容等離子體電容由等離子體的電容率(permittivity)ε控制，ε是復數，并且根據下面公式，其是自由空間的電容率ε0、等離子體電子頻率pe、源功率頻率以及中性電子(electron-neutral)碰撞頻率en的函數ε＝ε0[1-pe2/((+ien))]其中i＝(-1)1/2(等離子體電子頻率pe是等離子體電子密度的簡單函數，并且在等離子體處理工藝的出版物中是公知常識。)在一個指導性示例中，中性物質是氬，等離子體電子頻率約為230MHz，室壓在10mT到200mT范圍的施加有充足的射頻功率以使等離子體密度在109和1012每立方厘米之間的射頻源功率頻率約為210MHz。在這些典型有利于等離子體蝕刻工藝的條件下，由于通過前面公式定義的等離子體的有效電容率為負，等離子體一般具有負電容。根據這些條件，等離子體具有-50到-400皮法的負電容。然后正如我們在上述更一般的術語中所見，等離子體電容，作為等離子體電子密度(以及源功率頻率和中性電子碰撞頻率)的函數，一般趨向于受關鍵應用的特定等離子體工藝現實條件的限制，例如，介質蝕刻，金屬蝕刻和CVD(化學氣相沉積)，趨向于到某種希望的范圍，并趨向于在VHF源功率頻率下具有負值。通過利用等離子體的這些特性，反應器的電極電容匹配以及頻率匹配特性達到前所未有的工藝窗口能力(process window capability)、靈活性以及操作穩(wěn)定性。
通過短管135提供阻抗變換(impedance transformation)短管135在射頻發(fā)生器150的50輸出阻抗和由電極組件126與室中的等離子體結合所提供的負荷阻抗之間提供阻抗變化。對于這一阻抗匹配，必須使發(fā)生器-短管連接和短管-電極連接處很少或沒有射頻功率反射(至少沒有超過射頻發(fā)生器150的VSWR限制反射)。現在將描述如何完成這些。
在發(fā)生器150需要的VHF頻率下，以及在適于等離子體蝕刻工藝的等離子體密度和室壓下(即，分別為109-1012離子每立方厘米和10mT-200mT)，等離子體自身的阻抗約為(0.3+(i)7)，這里0.3是等離子體阻抗的實數部分，i＝(-1)1/2，而7是等離子體阻抗的虛數部分。由電極-等離子體聯(lián)合提供的負荷阻抗是等離子體阻抗和電極組件126電容的函數。如上所述，選擇電極組件126的電容以在電極組件126和具有約200MHz的電極-等離子體共振頻率的等離子體之間實現共振。由于短管135的共振頻率被設定為電極-等離子體共振頻率或接近電極-等離子體共振頻率以使兩者一起至少近似共振，因此在短管-電極界面處的射頻功率反射為最小或被避免。
同時，由于沿短管135的軸向長度方向設置接頭160以使在接頭160處，在短管135中駐波電壓與駐波電流的比值接近發(fā)生器150的輸出阻抗或電纜162的特性阻抗(都約是50)，因此在發(fā)生器-短管界面處的射頻功率反射為最小或被避免。是如何設置接頭160并達到這一點的下面將進行論述。
短管的接頭160的軸向定位優(yōu)選同軸短管135的軸向長度可以是“短管”頻率(例如，220MHz)的1/4波長的整數倍，該“短管”頻率如上所述為近似電極-等離子體共振頻率。在一個實施例中，此倍數為2，以使同軸短管長度約為“短管”頻率的1/2波長，或約為29英寸。
接頭160沿短管135的長度特定軸向位置定位。在此位置，處于發(fā)生器150的輸出頻率的射頻信號的駐波電壓振幅與駐波電流之間的比值與匹配射頻發(fā)生器150的輸出阻抗的輸入阻抗對應(例如，50歐姆)。這在圖2A和2B中進行了描述，在此兩圖中，在短路外側短管端135a，短管135中的電壓和電流駐波分別具有零位和峰值。對于接頭160期望的位置是在向內距離短路端一個A距離處，這里駐波電壓與電流的比值相當于50歐姆。此位置已經為所屬技術領域的技術人員使用，并且憑經驗確定那里的駐波比值為50歐姆。提供與射頻發(fā)生器輸出阻抗(50)匹配的接頭160的距離或位置A是短管135的特性阻抗的函數，稍后將在實施例中描述。當接頭160被精確設置在距離A處，如果射頻發(fā)生器是可維持不變的超過3∶1電壓駐波比值(VSWR)功率傳送的典型類型，則在負荷阻抗的實數部分中阻抗匹配空間容許9∶1的變化。
阻抗匹配空間可以極大地擴展以在負荷阻抗的實數部分中可容許接近60∶1的變化。該顯著的效果是通過將接頭160從位置A的精確的50W點處向同軸短管135的短路外端135a稍微偏移動來實現的。這一偏移的量可以，如為波長的5％(即，約為1.5英寸)。我們發(fā)現反應器中，在此輕微移動接頭位置中，在接頭160處的射頻電流分布減小或增大了短管中的電流，使其更加適合補償等離子體負荷阻抗的變動，如將參考圖3和4進行的描述。這樣的補償足以將匹配空間從在負荷阻抗的實數部分中容許9∶1的振幅增加到容許60∶1的振幅。
當接點從A處的“匹配”位置移開時，認為此行為由于短管135中的駐波電流的相位的變化而變得對與電極-等離子體負荷阻抗的阻抗失配更加敏感。如上所述，在名義工作條件下，電極組件126與等離子體負電容匹配。此電容在VHF源功率頻率(210MHz)下是-50到-400皮法。在此電容下，等離子體顯示的等離子體阻抗為(0.3+i7)歐姆。因此，0.3歐姆是系統(tǒng)調諧等離子體阻抗的實數部分。當等離子體條件發(fā)生變化時，等離子體電容和阻抗變離它們的名義值。當等離子體電容變離電極125匹配的電容時，電極-等離子體共振的相發(fā)生變化，其影響短管135中的電流相位。當短管的駐波電流相位因此移動時，根據相位移動的方向，提供給接頭160的射頻發(fā)生器電流將增大或減小短管的駐波電流。接頭160從在A的50位置處的位移被限定在波長的小比數范圍內(例如，5％)。
圖3描述當等離子體阻抗的實數部分由于等離子體變動而增加時在短管135中的駐波電流。在圖3中，電流駐波的振幅被描述為沿短管135的軸向位置的函數。在駐波電流振幅中在水平軸上的位置0.1處的不連續(xù)對應于接頭160的位置。在圖3的曲線圖中，由于等離子體阻抗的實數部分高于系統(tǒng)用于調諧(即，電極電容匹配負等離子體電容)的名義上的等離子體阻抗，因此發(fā)生阻抗失配。在這種情況下，在接頭160處的電流減去短管135中的駐波電流。這種減小引起圖3的曲線圖中的不連續(xù)或零位，并減小了輸送功率而抵消了增加的負載。這避免了由于較高負載(R)引起的輸出功率(I2R)的相應增加。
圖4描述了當等離子體阻抗的實數部分減小時，短管135中的駐波電流。在圖4中，電流駐波振幅是作為沿短管135的軸向位置的函數繪出。在位置0.1處，在駐波電流振幅中的不連續(xù)標記了接頭160的位置。在圖4的曲線圖中，等離子體阻抗的實數部分低于用于系統(tǒng)調諧的名義等離子體阻抗。在這種情況下，在接頭160處的電流加到短管135中的駐波電流。這種增加提高輸出功率并補償了減小的負載，以避免由于減小負載(R)，在輸送功率I2R的相應減小，有了這種補償，即可在負荷阻抗中容許更大的變化以使匹配空間顯著地增加。
這種在負荷阻抗的實數部分中可容許60∶1的匹配空間的振幅的擴展增強了工藝窗口和反應器的可靠性。這是由于在特定工藝或應用中當工作條件變化時，或當反應器在用于不同應用的不同操作配方(operating recipe)下工作時，等離子體阻抗將變化，特別是阻抗的實數部分。在現有技術中，這種變化會很容易超過系統(tǒng)中使用的常規(guī)匹配電路的范圍，以致無法再有效地控制輸出功率以支持可行的工藝，并且可能導致工藝失敗。在本發(fā)明的反應器中，可將輸出功率維持在期望水平的負荷阻抗的實數部分的范圍增大很多，以致原來會導致工藝失敗的等離子體阻抗變化對實施這一方式的反應器沒有影響或影響很小。因此，在特定工藝和應用過程中，本發(fā)明使反應器能夠承受工作條件中的更大變化?？蛇x地，本發(fā)明可使反應器用于包括更寬范圍的工作條件的許多不同應用中并具有明顯優(yōu)點。
作為本發(fā)明的另一個優(yōu)點，提供此擴展阻抗匹配的同軸短管135是不具有“活動件”的簡單被動器件，所謂的“活動件”如常規(guī)阻抗匹配設備的可變電容/伺服系統(tǒng)或可變頻率/伺服系統(tǒng)。因此其不貴并且比其替換的阻抗匹配設備要可靠得多。
解諧操作和共振頻率以展寬工藝窗口根據另一方式，通過相互稍微偏移短管的共振頻率、電極-等離子體共振頻率和等離子體源功率頻率降低系統(tǒng)Q以展寬工藝窗口。如上所述，短管共振頻率為短管135的軸長為半波長的頻率，電極-等離子體共振頻率是電極組件12和等離子體一起共振的頻率。在一個實施例中，短管135被截取為其共振頻率為220MHz的長度，射頻源功率發(fā)生器150選擇為在210MHz下工作并且形成的電極-等離子體共振頻率約為200MHz。
通過選擇用于等離子體共振、短管共振以及源功率頻率的這樣三個不同頻率，而不是三個一樣的頻率，系統(tǒng)有點“失諧”。因此具有較低的“Q”。使用較高VHF源功率頻率同樣按比例降低Q(除了根據適宜蝕刻的工作條件利用電極和等離子體電容的匹配)。
降低的系統(tǒng)Q展寬系統(tǒng)的阻抗匹配空間，以使其操作不易受等離子體條件變化或制造公差的偏差的影響。例如，電極-等離子體共振由于等離子體條件的變化而變化。Q較小，在短管135和對于阻抗匹配(在該實施例中前面描述的)所必須的電極-等離子體組合之間的共振隨等離子體-電極共振中的給定變化的變化較小。結果，等離子體條件中的變化對阻抗匹配影響較小。特別是，等離子體操作條件中的給定偏差在射頻發(fā)生器150的輸出的VSWR中產生較小的增加。因此，可在等離子體工作條件更寬的窗口(壓力、源功率電平、源功率頻率、等離子體密度等)中操作反應器。而且，制造公差可放松可節(jié)約成本并在實現相同模式設計的反應器中實現統(tǒng)一的操作，這是明顯優(yōu)點。相關的優(yōu)點在于相同的反應器具有足夠寬的工藝窗口以用于執(zhí)行不同的工藝配置以及不同的應用，如金屬蝕刻、介質蝕刻和/或化學氣相淀積。
最小化短管特性阻抗以展寬工藝窗口展寬調諧空間或降低系統(tǒng)Q的另一個選擇是降低短管135的特性阻抗。然而，短管特性阻抗可以超過發(fā)生器輸出阻抗，以保留足夠的匹配空間。因此，系統(tǒng)Q可以減小到使短管135的特性阻抗超過信號發(fā)生器150的輸出阻抗的量減小的程度。
同軸短管135的特性阻抗是內部導體140、外部導體145的半徑和導體之間的絕緣體147的介電常數的函數。選擇短管特性阻抗以在等離子體功率源150的輸出阻抗和電極135的輸入阻抗之間提供必需的阻抗變換。此特性阻抗處于最小特性阻抗和最大特性阻抗之間。改變短管135的特性阻抗來改變圖2的波形，并因此改變接頭160的期望的位置(即，它從短管135的最遠端的位移A處)。短管135允許的最小化特性阻抗是圖2的距離A為0時的值，以便接頭160必須定位在與電極125相對的同軸短管135的最遠端135a，以便在駐波電流和電壓之間見到(see)50歐姆比值。該短管135允許的最大特性阻抗是圖2的距離A等于短管135的長度時的值，以便接頭160必須選擇在鄰近電極125的同軸短管135的近端135b處，以便在駐波電流和電壓之間見到50歐姆比值。
在初始實施例中，同軸短管特性阻抗被選擇大于(約30％)射頻發(fā)生器150的輸出阻抗，以提供足夠的匹配空間。由于阻抗匹配條件通過選擇接頭點160位置獲得，以滿足下面方程，因此短管阻抗必須超過射頻發(fā)生器輸出阻抗Zgen＝a2[Zstub2/Γplasma]這里通過定位接頭點確定a，并且a在0和1之間。(對應在遠端135b和接頭160之間的小部分短管135的電感與整個短管135的電感的比值。)由于a不能超過1，因此短管的特性阻抗必須超過發(fā)生器輸出阻抗以找到前述方程的解。然而，由于系統(tǒng)Q直接與短管特性阻抗成比例，因此短管特性阻抗超過發(fā)生器特性阻抗的數值可以在某種程度上最小化，以保持實用的低Q。在示例性實施例中，短管的特性阻抗只超過發(fā)生器輸出阻抗約15。
然而，在另一個實施例中，同軸短管特性阻抗可選擇為小于等離子體功率源(發(fā)生器)輸出阻抗以獲得更大的功率效率，其中阻抗匹配有些降低。
通過短管的阻抗變換獲得提高的功率效率如在本說明書中開始討論的，適合等離子體蝕刻工藝的等離子體工作條件(例如，等離子體密度)導致具有極小實數(有功)部分(例如，小于3歐姆)和小虛數(無功)部分(例如，7歐姆)的等離子體阻抗。由于電極電容是使功率流入反應器那部分的主要阻抗，因此電容損耗在系統(tǒng)結合的電極-等離子體區(qū)域占主要部分。因此，在電極-等離子體結合中的功率損耗與在電極-等離子體結合上的電壓成比例。相反，電感和電阻損耗在短管135占主要部分，這是因為短管135的電感和電阻是流入短管135的功率的阻抗的主要因素。因此短管135中的功率損耗與短管中的電流成比例。短管特性阻抗比由電極-等離子體結合提供的阻抗的實數部分大得多。因此，在較高的阻抗短管135中的電壓將高于在較低的阻抗等離子體中的電壓，而在較高的阻抗短管135中的電流將低于在較低的阻抗等離子體中的電流，其中電流高的電壓低。因此，在短管135和等離子體-電極結合之間的阻抗變化在短管135中產生較高電壓和較低電流(這里電阻和電感損耗是主要的并且這里這些損耗都被最小化)并且在等離子體/電極處產生對應的較低電壓和較高電流(這里電容損耗是主要的并且這里這些損耗現在為最小)。以這種方式，系統(tǒng)中的整體功率損耗被最小化從而極大地提高了功率效率，一個明顯的優(yōu)點。在前面的實施例中，功率效率為95％或更高。
因此，結構如上描述的短管135不僅用于提供在很寬范圍或窗口的工作條件下的阻抗匹配或在發(fā)生器和電極-等離子體阻抗之間的變換，而且還提供功率效率上的顯著改進。
交叉接地在晶片表面處的離子能量可獨立于等離子體密度/頂電極功率而控制。這樣的離子能量的獨立控制通過對晶片施加高頻頻率偏壓功率源來實現。此頻率(典型為13.56MHz)明顯低于對控制等離子體密度的頂電極施加的VHF功率。通過常規(guī)阻抗匹配電路210耦合到晶片支撐件105的偏壓功率高頻信號發(fā)生器210，對晶片施加偏壓功率。偏壓發(fā)生器200的功率電平控制接近晶片表面處的離子能量，并一般是等離子體源功率發(fā)生器150的功率電平的一部分。
如上所述，同軸短管135包括在外側短管端，并在內部同軸短管導體140和外部同軸短管導體145之間提供短路的短路導體165。如圖2中所示該短路導體165確定VHF駐波電流峰值和VHF駐波電壓零位的位置。然而，由于短管共振和等離子體/電極共振的耦合，二者都處于或近似處于VHF源功率頻率，因此短路導體165不會短路VHF施加功率。導體165確實表現為用于其它頻率的接地短路，如施加到晶片的高頻偏壓功率源(從高頻偏壓發(fā)生器200)。其還短路掉(short out)較高的頻率，例如在等離子體殼層中產生的VHF源功率頻率的諧波(harmonics)。
晶片110和晶片支撐件105的結合，以及高頻阻抗匹配電路210與匹配電路210連接的高頻偏壓功率源200提供非常低的阻抗或施加到頂電極125的VHF功率的近似接地短路。結果，系統(tǒng)交叉接地，通過頂電極125和短路同軸短管135，高頻偏壓信號返回地面，并且，通過穿過晶片的低阻抗路徑(用于VHF)，高頻偏壓阻抗匹配210與高頻偏壓功率發(fā)生器200，在頂電極135上的VHF功率信號被返回地面。
由于頂電極125的面積大，以及相對窄的電極到晶片間隙，在晶片平面和頂電極125平面之間的室側壁的暴露部分，對施加到頂電極125的VHF功率的直接返回路徑起到的作用很小或不起作用。實際上，室側壁可通過使用磁隔離(magnetic isolation)或介質涂覆(dielectriccoating)或環(huán)形介質插入(dielectric insert)或可移動襯套(liner)與等離子體隔離。
為限定在垂直的電極到基座路徑中以及遠離室100其它部件如側壁的來自頂電極125的VHF等離子體源功率的電流流動，有效的接地或在晶片110平面中的返回電極面積被擴大到超過晶片或晶片支撐件105的物理面積，以致其超過頂電極125的面積。這通過提供環(huán)狀的半導體環(huán)115而實現，該半導體環(huán)115一般與晶片110共平面并圍繞晶片110。半導體環(huán)115提供雜散電容至接地的室主體，并對來自頂電極的VHF功率信號，在晶片110的平面內，延伸“返回”電極的有效半徑。半導體環(huán)115與接地的室主體通過介電環(huán)120絕緣。選擇環(huán)120的厚度和介電常數以達到所需的通過晶片110與通過半導體環(huán)115的VHF接地電流比值。在一個實施例中，介電環(huán)120是石英，其介電常數為9，厚度為10毫米。
為限定來自偏壓發(fā)生器200的高頻等離子體偏壓功率在晶片表面和電極125之間的垂直路徑中的電流流動，并避免電流流到室的其它部位(例如，側壁)，頂電極135提供顯著大于晶片區(qū)域或晶片支撐件105的有效的高頻返回路徑面積。在晶片支撐件105平面內的半導體環(huán)115在將高頻偏壓功率耦合到室中不起重要作用，以便用于耦合高頻偏壓功率的有效電極面積基本限定在晶片和晶片支撐件的面積。
等離子體穩(wěn)定性的增強通過消除將等離子體耦合到短路導體165的直流來增強等離子體的穩(wěn)定性，短路導體165在短管135的背面穿過并連接內部和外部導體140、145。這是通過在同軸短管內部導體140和電極125之間提供薄電容環(huán)180來實現的。在圖1的實施例中，環(huán)180夾在下部的電極125和導電環(huán)形內殼支撐176之間。在此處描述的示例性實施例中，電容環(huán)180的電容約為180皮法，根據選擇的偏壓頻率，頻率約為13MHz。具有電容值，電容環(huán)180不會阻礙上述交叉接地特性。在交叉接地特征中，在晶片基座上的高頻偏壓信號通過短管135返回到高頻偏壓發(fā)生器150的射頻返回端，同時VHF來自電極125的源功率信號通過晶片基座被返回到VHF源功率發(fā)生器150的射頻返回端。
圖5是描述在VHF功率源和頂電極125之間作為頻率函數的反射系數的曲線圖。該圖描述了反射系數在6dB下的很寬頻率能帶的存在，其是上面討論的具有極大優(yōu)點的低系統(tǒng)Q的表示。
圖6描述作為沿同軸短管135的位置的函數的駐波電流(實線)，其中接頭160被設置在圖2B中距離短管短路端距離A處。
圖7描述反應器的可選實施例，其中同軸短管135的內部導體140是錐形的，其在鄰近頂電極125的近短管端135b處的半徑較大，而在遠短管端135a的半徑較小。此特征在由同軸短管135在接頭160處的提供的低阻抗(例如，50)和由同軸短管135在頂電極125處提供的較高阻抗(例如，64)之間提供轉換(transition)。同樣，如圖7所示，短管135不必是彎曲的但可以是直的。
期望工藝氣體通過頂VHF源功率電極引入。為達到此目的，通過提供穿過頂電極的一排氣體注入嘴(injection nozzle)或注入口，頂電極被賦予氣體分布噴頭的功能。因為中心導體被耦合到頂電極，工藝氣體供給完全被從等離子體和電場保護起來。
在通過組合特征保持所有上述優(yōu)點的同時，也避免了電弧放電和其它的電勢問題，這些組合特征中的一個就是通過將頂電極電容性地與VHF調諧短管隔離，而使頂電極處于浮動直流電勢狀態(tài)。這是通過將介電膜放置在同軸調諧短管和頂電極之間實現的。此特征防止直流等離子體電流通過頂電極經調諧短管返回，也因此減少在頂電極內的氣體注入孔中的電弧放電。
另一個減少電弧放電的特征是在等離子體和頂電極之間提供電容。為了這個目的，在頂電極的電極表面形成介電層，其面對等離子體。這可通過陽極化此類電極的表面實現，特別是電極中氣體注入口的內表面。這個特征幫助消除等離子體在頂電極的氣體注入口中的電弧放電。原因之一是陽極化的電極表面的電容提供電荷存儲能力，其允許來自等離子體的射頻電流的部分電荷被存儲，而不是聚集到電極表面。在一定程度上，電荷因此偏離頂電極的氣體注入口的表面，所以此處的等離子體激發(fā)得到避免。
除了避免等離子體在頂電極的氣體注入口內電弧放電，電容性隔離頂電極的特征延長了電極的可使用壽命，這是因為在等離子體和電極之間其不產生凈的直流電流，這是一個重要的優(yōu)點。
為進一步減少等離子體在氣體注入口電弧放電的危險，引入另一個特征，也就是在同軸調諧短管和電容層間的金屬“泡沫”層，該電容層位于電極和同軸調諧短管之間。在一個實施例中，金屬泡沫層的直徑一般可與頂電極一起延伸。金屬泡沫層是本領域內公知的商業(yè)上可得到的類型，其一般由具有隨機微孔結構的鋁基體構成。金屬泡沫層的優(yōu)點是其抑制電極附近的電場(即，在頂電極上方的高壓罩(plenum)內)，并因此減少頂電極上氣體注入口內等離子體電放電的傾向。
金屬泡沫層也用于阻擋引入的工藝氣體以獲得頂電極中的整個氣體注入口陣列的均勻氣體分布。頂壁中的氣體注孔或口被分成徑向內組和徑向外組。一層金屬泡沫層在第一氣體源和口的外組之間阻擋氣體，而另一層金屬泡沫層在第二氣體源和口的內組之間阻擋氣體。工藝氣體的徑向分布流可通過獨立調整兩個氣體源的氣體流量來調整。
同軸調諧短管和頂電極提供用于施加到晶片支撐基座的高頻偏壓功率的接地低阻抗射頻返回路徑。然而，已經發(fā)現在同軸調諧短管和頂電極之間插入的新電容介電層可用于調整通過頂電極到特定高頻頻率的返回高頻路徑。選擇VHF源功率頻率(在頂電極上)的一個優(yōu)點是如果調為高頻頻率，由于電容層(在頂電極和調諧短管之間的)是用于VHF頻率的寬帶的電短路，因此不會影響施加到頂電極的VHF信號。
起初，射頻返回路徑通過增加的電容層被調諧的窄高頻頻率通路集中在施加到晶片支撐基座的高頻偏壓源功率的頻率。然而，通過選擇該電容可解決外層產生諧波問題以調諧通過從頂電極到高頻偏壓功率信號的第二諧波高頻返回路徑。該選擇的結果是在高頻第二諧波顯著影響本體等離子體之前，在接近頂電極的等離子體殼層中產生的高頻第二諧波通過頂電極被分流到地。在一個實施例中通過此部件將蝕刻速率提高10％到15％。在該情況下，相信高頻偏壓信號的基頻通過其它有效射頻路徑如室側壁，返回到地。
如下面將詳細描述的，選擇用于在選擇的高頻頻率下共振的該附加電容層(在頂電極和調諧短管之間)的電容不僅必須考慮在頂電極處的薄等離子體殼層而且還要考慮在晶片支撐基座處的厚等離子體殼層。
本發(fā)明的高效VHF等離子體源能保持足夠高密度的等離子體以便其可用于周期性地徹底干洗室內部。如在說明書中采用的，術語“干洗”指不應用液態(tài)化學試劑而是應用等離子體的清潔工藝，以便真空外殼不必打開。由于用這種方法可徹底清除室的聚合物殘余物，所以在晶片處理中，應將室表面保持在足夠高的溫度下以持續(xù)地蒸發(fā)其上淀積的任何聚合物沉積，以在整個處理過程中，保持室至少接近沒有聚合物沉積。(相反，對于不能徹底清潔的反應器，必須控制等離子體條件以使沉積在室壁表面的聚合物連續(xù)粘附而不是將其清除，以避免污染工藝。)為了該目的，頂電極組件包括用于引入加熱或冷卻頂電極的液體的液體通路，及其外表面的溫度控制。在處理過程中，等離子體條件(離子能量、壁溫等)優(yōu)選使室表面上無聚合物聚集。在清潔過程中，任何微小的聚集都被徹底地清除。
此類特征的一個優(yōu)點是在在頂電極上或相鄰頂電極上提供光學窗口，因為在處理期間，頂電極保持干凈或沒有聚合物淀積。因此，反應器性能可進行光學監(jiān)視。因此，可選地頂電極包括接近其中心的光學窗口，并具有用于連接室外傳感器的向上延伸的光纖線纜。等離子體工藝的光學監(jiān)視器(optical monitor)可以用于執(zhí)行終點(end-point)探測，例如，利用常規(guī)光測量技術，光學監(jiān)視器可測量在等離子體蝕刻工藝中減小的層厚或在等離子體輔助(plasma assisted)化學氣相沉積工藝中增加的層厚。
為解決從頂電極外露表面的材料進入等離子體并最終到達晶片或工件的污染問題，附加的外層被設置在頂電極下(等離子體面對的)表面上。該附加外層由與特定工藝相適應的材料構成。例如，在二氧化硅蝕刻工藝中，頂電極上的外層可為硅或碳化硅。一般地，在該外層設置前，頂電極等離子體面對的表面被陽極化，如上面提到的。
本發(fā)明另一發(fā)現是等離子體可顯示比早先期望更大的電阻負荷阻抗變化和更小的電抗性負荷阻抗變化。特別是電阻負荷阻抗可變化到100∶1(而不是60∶1)，而電抗負荷阻抗可僅僅變化20％(而不是35％)。該差異使同軸調諧短管的特性阻抗從65歐姆(高于射頻發(fā)生器的50歐姆輸出阻抗)減小到30歐姆(低于射頻發(fā)生器的輸出阻抗)。此減小在很小的效率變化下，獲得了成比例增加的調諧空間。特別是，由于同軸短管特性阻抗的減小，在可通過調諧短管匹配的等離子體電阻負荷阻抗中的變化范圍從60∶1增加到100∶1。同軸短管的特性阻抗通過其內導體和外導體半徑確定。
為減小同軸調諧短管的覆蓋區(qū)，用等效條線電路替代。同軸調諧短管的外導體成為作為覆蓋反應器的金屬蓋的接地面，同時同軸調諧短管的中心導線成為條線導體。通過調整在條線導體和接地面(該蓋)之間的距離來調整條線導體的特性阻抗。調諧器件(tuning device)的覆蓋區(qū)被減小，由于，在同軸調諧短管沿直線延伸時，條線導體可在蓋內側環(huán)形卷繞，以此減小面積或覆蓋區(qū)。同軸調諧短管的所有這些部件都保留在條線電路中。因此，以與上述的同軸調諧短管的長度的相同方式確定條線導體的長度。同樣，沿條線導體長度用于提供連接VHF發(fā)生器的點或接頭的位置與同軸調諧短管的接頭一樣。同樣，條線導體是中空的并且各種設施(utilities)以與穿過同軸調諧短管中心導線的相同方式穿過條線導體提供。
通過頂電極引入工藝氣體現參考圖8和圖9，頂電極125是氣體分布噴頭，因此在其面對工件支撐件105的下表面125a中，有大量氣體注入口或小孔300。在示例性實施例中，口300的直徑為0.01和0.03英寸之間并且他們的中心均勻間隔開約3/8英寸。在圖8描述的實施例中，錐形金屬外殼(conicalmetal housig)290的環(huán)形頂290a支撐同軸短管內導體140的近端140a，并且其環(huán)形底290b設置在鋁頂電極125上。外殼290的錐形在頂電極125上方形成一大開放通風間(plenum)，在開口中，各種用料可從中空同軸內導體140提供到頂電極125。如下面將更詳細描述的，錐形外殼底290b鄰近頂電極125的外周圍，這使頂電極125的幾乎所有上表面都可接近。
一般，口300由直徑0.020的徑向外組口302和直徑0.010的徑向內組口304組成。一般地，外組口302可延伸到晶片圓周外大約半個晶片直徑，以保證在晶片邊緣處的均勻氣體流動。該特征的一個優(yōu)點是工藝氣體流的徑向分布可以以這樣的方式調整，以補償圖1-7的VHF電容耦合反應器產生大于晶片中心上和小于晶片邊緣上的等離子體密度的趨勢。在頂電極中的徑向外金屬泡沫層310覆蓋孔302。覆蓋外泡沫層310的徑向外氣體分布集管(manifold)或送氣管(plenum)315經過軸向氣體通道320，通過同軸調諧短管135的內導體140，耦合到氣體供給線325。在頂電極125中的徑向內鋁泡沫層330覆蓋口304。覆蓋內泡沫層330的徑向內氣體分布集管或送氣管335經過軸向氣體通道340，通過同軸調諧短管135的內導體140，耦合到氣體供給線345。該鋁泡沫層310和330阻礙進入的工藝氣體。工藝氣體流量的徑向分布通過單獨選擇在每一氣體供給線325和345中的工藝氣體流量來調整。
氣體注入口中的電弧放電的抑制作為減少電弧放電一種方式，為在等離子體和頂電極之間提供一定的電容，頂電極下表面125a涂覆介電層。例如，頂電極125為鋁并通過陽極化電極底面125a形成介電涂層。這樣的陽極化不只在平坦的底表面125a形成非常薄的介電涂層而且還在氣體注入口300的內表面上形成非常薄的介電涂層。該特征趨于通過提供電荷存儲能力抑制在氣體注入口中的電弧放電，該電荷存儲能力可補償流到頂電極125的射頻等離子體電流。圖10是對應圖8的顯示臨近一個氣體入口300所形成的精密結構的局部放大視圖。特別地，通過陽極化形成的鋁氧化層350覆蓋電極底表面125a并覆蓋氣體注入口300的內表面。
為抑制接近頂電極125的電場，頂電極125的頂表面125b覆蓋有較厚(0.25英寸)的鋁泡沫層355。該厚鋁泡沫層355易于在軸向(垂直)將電勢保持在頂電極恒量附近，由此抑制導致在氣體注入口300附近等離子體電弧放電的電場。
為防止D.C等離子體電流通過頂電極流到同軸短管中心導線140，在頂電極125和導電外殼290的底290b之間設置薄絕緣層360，導電殼290將頂電極125連接到同軸中心導線140。該特征使頂電極的D.C電勢浮動。由此在頂電極125和導電外殼底290b之間形成電容器。通過底290b的面積和厚度以及薄絕緣層360的介電常數確定該電容器的電容。選擇此電容器的電容以在特定高頻頻率下提供窄共振或低阻抗路徑，同時提供穿過整個VHF帶的射頻短路。在該方式中，頂電極125提供用于施加到晶片支撐基座105的高頻偏壓功率的返回路徑，但不影響頂電極125在VHF源功率頻率下的行為。由此，阻止將流到頂電極的D.C等離子體電流，由于此D.C電流有利于電弧放電，因此在氣體注入口300中的等離子體電弧放電被抑制。
總之，通過在頂電極125的底部或氣體注入口300的內表面形成介電涂層350，通過在頂電極125的頂部提供鋁泡沫層355，以及通過在頂電極125和導電殼290之間放置一薄的絕緣層360，在氣體注入口300內的等離子體電弧放電被抑制。
抑制等離子體殼層產生諧波薄絕緣層360可以起到抑制施加到晶片支撐基座105的高頻偏壓信號的等離子體外層產生諧波的作用。諧波的出現降低工藝性能，特別是降低蝕刻速率。通過選擇絕緣層360的電容確定(capacitance-determing)特性(即，介電常數和厚度)，從穿過頂電極125和同軸內導體140的等離子體的返回路徑被調整為在特定高頻頻率下共振(因此具有很高容差)。同時用于該共振頻率的一個選擇是施加到晶片支撐基座105的高頻偏壓信號的基頻，本發(fā)明發(fā)現，通過選擇此共振為偏壓信號的第二諧波可將蝕刻速率提高10％到15％。獲得這樣有利的結果是由于通過等離子體殼層提供的非線性負載產生的諧波通過由頂電極和同軸中心導線140提供的低阻抗通過電容層360快速返回到地。
選擇電容器層360的厚度以調整通過頂電極125到特定高頻頻率的返回路徑，該選擇受多個因素影響，包括在頂電極125處的薄等離子體殼層的電容、在晶片支撐基座105處的厚等離子體外殼層的電容以及等離子體自身的電容。如果給出特定等離子體工作條件，包括試驗和誤差，技術人員可采用多種常規(guī)技術以找到電容器層360的正確厚度以獲得在選擇高頻頻率的共振。
電極表面的溫度控制在氧化物蝕刻反應器中，聚合物淀積是嚴重問題，因為工藝氣體必須能在包括工件上的含非氧化物的表面上，形成聚合物層，以獲得在二氧化硅材料和不會被蝕刻的其它材料之間的合適的蝕刻選擇性。在使用碳氟化合物氣體的等離子體處理中，較簡單的氟離子和氟基執(zhí)行蝕刻，而在工件以及所有反應器室壁上，富碳物質淀積所有不含氧材料以外的聚合物。為避免工件被從室內表面落到等離子體中的聚合物顆粒的污染，這些表面必須保持足夠低的溫度，并且等離子體電子能量必須保持足夠低以避免破壞室內表面的這種沉積?？蛇x地，必須破壞室真空并執(zhí)行化學清洗步驟以除去這種沉積，此步驟極大地降低了反應器生產率。
參照圖1描述的電容耦合VHF源為高效的，因此可在非化學清洗步驟中，產生足夠高的等離子體密度以徹底清除在晶片處理過程中室內表面沉積的任何聚合物殘余物。在此清洗步驟中，通常的等離子體工藝氣體可被更易揮發(fā)的氣體(例如，易于產生具有非常高的游離的氟成分的等離子體)取代。由于沒有液態(tài)化學試劑需要引入到室內，該室可保持封閉以便快速經常性地執(zhí)行清洗步驟以保持室中沒有聚合物沉積。因此，圖8的反應器的一個工作模式是室表面溫度和等離子體離子能量足夠大以避免在室內表面上的聚合物聚集的工作模式。
出于該目的，圖8的反應器包括在頂電極125上的通道670(用于熱傳導流體)。在圖8的實施中，流體通道670在上鋁泡沫層355和頂電極125的上表面之間形成。可選地，該通道可完全在頂電極125中內部形成。溫度控制流體或氣體從穿過中空的內部同軸導體140的流體供給線675提供給流體通道670。因此，頂電極125的溫度可準確控制。通過這種電極溫度的準確控制和控制其它等離子體處理參數，例如，等離子體離子能量，反應器可以沉積模式(deposition mode)(其中表面足夠冷以聚集聚合物)或以耗盡模式(depletion mode)(其中表面足夠熱以使等離子體離子從表面撕裂聚合物由此避免聚合物聚集)工作。一種希望的模式是耗盡模式，因為該耗盡模式較好地避免了顆粒污染。
等離子體工藝的光學監(jiān)視由于可操作圖8的反應器以使室內表面上沒有聚合物沉積，可在頂電極125的底表面提供光學窗口680。光通道如光纖或光導管(lightpipe)685連接到光學窗口680的一端并穿過中空的內部同軸導體140。導光管685連接到在外端的常規(guī)光探測器。
借助此特征，終點檢測和其它測試可使用這樣的光學探測器執(zhí)行。特別是探測器687使用公知的光學技術，測試工件或半導體晶片110上選擇的層。在蝕刻工藝中，例如，在被蝕刻的材料厚度減小到，通過探測器687測定的預定厚度后，工藝停止。
防止污染由于室內表面可保持沒有聚合物沉積，它們始終暴露在等離子體下。特別是，鋁頂電極125的下表面連續(xù)地受到等離子體的攻擊，因此容易將鋁摻雜到等離子體中，導致工件污染并因此使工藝失敗。為防止這種問題，頂電極125被陽極化的底表面，涂覆有與工藝相容的材料如硅或碳化硅。因此，如圖10和11A所示，薄的碳化硅薄膜覆蓋鋁頂電極125的陽極化的底表面。薄的硅和碳化硅薄膜690防止等離子體攻擊電極125的鋁材料。等離子體清除來自含硅薄膜690的材料，因此由于該物質(硅或碳)已存在等離子體和/或工件中能與工藝相容，所以引入到等離子體中的該物質不會污染工藝。在等離子體中提供硅，其中碳化硅已被蝕刻。碳在等離子體中，其中碳氟化合物氣體被用作工藝蝕刻氣體。
在可選實施例中，頂電極不被陽極化，并且碳化硅薄膜690形成在頂電極125的純鋁表面上。
增加同軸調諧短管的調諧空間等離子體可展示更大的電阻性負荷阻抗變化和更小的電抗性負荷阻抗變化。特別是電阻負荷阻抗可變化到100∶1(而不是60∶1)，而電抗負荷阻抗可僅僅變化20％(而不是35％)。該差異使同軸調諧短管的特性阻抗從65歐姆(高于射頻發(fā)生器的50歐姆輸出阻抗)減小到30歐姆(低于射頻發(fā)生器的輸出阻抗)。此減小在很小的效率變化下，獲得了成比例增加的調諧空間。特別是，由于同軸短管特性阻抗的減小，在可通過調諧短管匹配的等離子體電阻負荷阻抗中的變化范圍從60∶1增加到100∶1。同軸短管的特性阻抗通過其內導體和外導體的半徑確定。
結果因此，本發(fā)明提供一種等離子體反應器，該反應器對工作條件的變化和/或制造公差的變化較不敏感。相信這些主要優(yōu)點包括對工作條件的不敏感-即用于阻抗匹配的寬調諧或寬頻率空間-歸結于結合工作的多個反應器部件特征，其中包括具有在最期望的等離子體工藝密度下，具有等離子體負電容數值的匹配或近似匹配的頂反應電極，VHF源功率頻率匹配或近似匹配等離子體-電極共振頻率的使用；VHF源功率頻率、等離子體-電極共振頻率和短管共振頻率之間的接近關系(close relationship)；等離子體-電極共振頻率、短管共振頻率、和源功率頻率互相偏移；以及共振短管匹配以將源功率耦合到頂電極的使用，例如，源功率輸入接頭160稍微偏離理想匹配位置。
偏移等離子體、短管和源功率頻率通過實際上解諧系統(tǒng)來拓寬系統(tǒng)的調諧空間。使用短管匹配通過與更寬的頻率范圍匹配來拓寬調諧空間。使調諧短管接頭點160偏移理想匹配點進一步優(yōu)化系統(tǒng)以拓寬調諧空間，由于這個特征具有當輸出功率下降時增加(add)電流，當輸出功率增加時減小(subtract)電流的效果。用更高(VHF)源功率頻率使系統(tǒng)Q減小或使調諧空間與源功率頻率成比例地增加。更重要的是，該選擇使電極-等離子體共振與源功率頻率在適合蝕刻工藝的等離子體密度下匹配。
由于本發(fā)明使反應器在更寬工藝窗口的工作條件基本保持不變，其提供反應器的三種優(yōu)點，此三種優(yōu)點是(a)在工藝條件偏差的更寬范圍的可操作性，(b)在更寬范圍應用(不同工藝配方(process recipe))的適應性，以及(c)在更寬范圍內，其性能實質上不受制造公差的影響，以便反應器-到反應器的特性是一致的。
因此，已經獲得更好的結果。特別是，系統(tǒng)Q在一些情況下，最小化至約5，以在相同模式的不同反應器中保持特征和性能的更高度的一致性，以改進工藝窗口。與只有2kW的源功率一致，獲得1012離子每立方厘米數量級的高等離子體密度。系統(tǒng)支持源功率電平最低為10W的無變換的壓力范圍在10mT到200mT的等離子體。該匹配同軸短管的短路阻抗，短路掉寄生VHF等離子體殼層諧波，同時獲得高于95％的功率效率，同軸短管與VHF等離子體和源功率頻率近似而共振。該系統(tǒng)容許等離子體60∶1的電阻負載變化和1.3到0.75的電抗負載變化，同時將源功率SWR保持在小于3∶1。
相信這提高了容許負載變化的能力，因此拓寬了工藝窗口，這主要因為(a)通過在電極125和其導電支撐的介電值(dielectric value)的合適選擇，以及VHF源功率頻率的合適選擇，實現了在上述設計的工作條件下的電極和等離子體電容的匹配；并且(b)具有最優(yōu)接點定位的特別結構的同軸短管，通過在低負載情況下將接點電流增加進短管電流，而在高負載情況下從短管電流中分出。相信極高功率效率主要由于通過同軸短管提供的阻抗變化獲得，這最小化了在發(fā)生器連接處和電極連接處的反射損耗，這是由于在短管共振頻率和電極-等離子體共振頻率之間獲得了匹配，以及為在電阻損耗占主導地位的同軸短管中實現低電流和高電壓，在電容損耗占主導地位的電極/等離子體處實現高電流低電壓的最優(yōu)接點定位。在避免或最小化常規(guī)阻抗匹配設備的需要的同時，可獲得所有這些好處。
在已經對適于硅和金屬蝕刻的本發(fā)明實施例進行了詳細描述的同時，反應器也有利于等離子體工作條件的選擇，而不僅僅是上面描述的那些，這些工作條件包括不同離子密度、不同等離子體源功率電平、不同室壓。這些變化將產生等離子體電容，需要不同的電極電容和不同的電極-等離子體共振頻率，因此需要不同于上面描述的不同等離子體源功率頻率和短管共振頻率。同樣，不同晶片直徑和不同等離子體工藝如化學氣相淀積，可以具有用于源功率和室壓的不同操作模式。然而相信在這些不同的應用中，反應器一般將增強工藝窗口和穩(wěn)定性，正如上面的實施例描述的那樣。
緊湊VHF固定調諧元件參考關于圖1-7的描述，圖1和8的同軸調諧短管是在較大的調諧空間上提供阻抗匹配的固定調諧元件。然而，由于其延長的線性設計，其覆蓋區(qū)實際上大于等離子體反應器室。在其中這方面不適合的那些位置，圖1和8的同軸調諧短管被等同的條線電路取代，如圖12、13、14中描述。VHF發(fā)生器50歐姆的同軸輸出連接器(connector)的外部導體連接到覆蓋反應器頂的外殼715的金屬頂壁710。該導電頂壁710用作條線導體700面對的接地面(ground plane)。條線導體700的截面一般為橢圓，其較寬的側面面對接地平頂(ground plane ceiling)710。條線導體的特性阻抗由其離接地平頂710的距離確定。條線導體700沿其整個長度距離接地平頂710的距離是均勻的。
在示例性實施例中，條線導體0.125英寸高、2.5英寸寬并設置在離接地平頂710下0.5英寸處。通過使條線導體700的較寬(2.5英寸)側面面向接地平頂710，電流在條線導體700的整個2.5英寸寬度的分布更分散(distributed)，由此減少在大部分電流出現的外表面中的電阻損耗。條線導體700的長度以與上面參照圖1描述的確定同軸調諧短管135的長度的相同方式確定。而且，沿條線導體700的長度的射頻接點160的設置也與上面參照圖1描述的沿同軸調諧短管135的長度的設置射頻接點的相同方式設置。最后，離頂電極125最遠的圖12的條線導體的端部短路接地，與圖1的同軸短管內導體140的對應端一樣。在條線導體700的情況，通過將遠端700a連接到接地平頂710，實現短路接地，如圖13中所示。
與圖1-8的同軸調諧短管135相同、條線導體700的長度等于固定的調諧元件的共振頻率的1/4波長，在這種情況下，條線電路包括條線導體700和接地平頂。因此，條線導體700的長度選擇如上面參考圖1-7描述的同軸調諧短管135長度的選擇完全一樣。在一個實施例中，該長度約為29英寸。圖12的射頻接點160在沿條線導體700長度上的特定點處將VHF發(fā)生器連接到條線電路，正如圖1中的射頻接點160獲得沿同軸調諧短管135的對應連接一樣。在圖12的情況下，VHF發(fā)生器輸出同軸連接器的中心導線在連接點160處被連接到條線導體，同時VHF發(fā)生器輸出同軸導體的外部導體在上覆接頭點的點，連接到接地平頂，接點連接到條線導體。確定沿條線導體700長度的圖12的接頭點160的位置與確定同軸短管的圖1的接頭的位置的方式相同，如上述參考圖1詳細描述的。有了此特征，包括條線導體70和接地平頂的條線電路以與圖1的同軸調諧短管的相同方式工作，包括圖1中描述的特征，其中通過將接頭點160稍微偏離理論最優(yōu)位置，阻抗匹配空間可容許100∶1的負荷阻抗變化。如上面圖1的描述，接頭160的理論最優(yōu)位置是在沿調諧短管135長度(或，等同地，沿圖12的條線導體700的長度)的一點處，在此處駐波電壓和電流的比值等于VHF發(fā)生器的輸出阻抗或其間連接的同軸電纜的特性阻抗。此發(fā)現參考圖1的描述是通過將接頭160偏離理論最優(yōu)位置處約5％，阻抗匹配空間獲得很大的擴展。因此，圖12的條線導體電路提供圖1的同軸調諧短管的所有優(yōu)點和功能，并且進一步增加了緊湊的優(yōu)點。
與圖8的同軸短管的內導體140相同，圖12的條線導體700是中空的以容納連接到電極125的設施管線(utility line)，并連接到錐形外殼290的頂表面290a。條線導體700(優(yōu)于圖1和8的同軸調諧短管)的優(yōu)點是條線導體700可在外殼715中以環(huán)形方式延伸以在不延伸超過反應器室的“覆蓋區(qū)”下實現其必須的長度。
確定條線導體的長度的方式與上面參考圖1描述的確定同軸調諧短管的長度的方式一樣。通過調整條線導體700離接地平頂710的位移確定條線導體700的阻抗。如上所述，此阻抗最好選擇約為30歐姆，或小于VHF發(fā)生器的輸出阻抗。沿條線導體700的長度接頭160距離VHF發(fā)生器150的定位與上面參考圖1描述的同軸調諧短管上的射頻接頭160的定位一樣。條線導體700結合接地平頂710執(zhí)行圖1和8中的同軸調諧短管的相同的功能，并提供如上面參考圖1描述的相同的性能優(yōu)勢。
雖然圖13的俯視圖顯示的實施例的條線導體700是沿近似正方形的路徑(具有圓形中心)卷繞的，圖14描述的另一個實施例中，條線導體700是環(huán)形卷繞的。
通過調諧元件提供的設施(utilities)如上面參照圖8和12的描述，圖8的同軸調諧短管內導體140和圖12的條線導體700都是中空的以容納頂電極的各種設施的線路，如圖8和12中顯示的，外部氣體供給線325連接到外部氣流控制器800，內部氣體供給線345連接到內部氣流控制器810，光纖或光導管685連接到光探測器687，并且加熱/冷卻線675連接到加熱/冷卻源控制器830。
固定的調諧元件135或者是同軸調諧短管(如圖1和8的實施例中)或者是條線電路(如圖12和14的實施例中)。天線設計者(antennadesigner)將認可兩個實施例中的固定調諧元件提供的阻抗匹配具有相同功能，該阻抗匹配是在射頻發(fā)生器的特性輸出阻抗和電極/等離子體結合的阻抗之間匹配。兩個實施例的固定調諧元件(或，等同地，固定阻抗匹配元件)共享共有的結構特征，包括使用中心導線(圖12中的條線導體或圖8中的內部同軸導體)和接地導體(圖21中的接地平頂或圖8的接地外部同軸導體)。在兩種情況下，阻抗匹配元件的特性阻抗通過兩個導體之間的距離確定，而阻抗匹配元件的輸出阻抗通過沿中心導線到射頻發(fā)生器的連接的位置來確定。同樣，中心導線是中空的，因此用作用于氣體供給線和熱導流體(heat-conductive fluid)供給線的射頻屏蔽導管。最重要的公有特征是兩個實施例的阻抗匹配元件在結構上都是物理固定的，因此需要不移動部件或智能控制器，這是顯著的優(yōu)點。其它相關優(yōu)點已經描述。因此，兩個實施例的固定阻抗匹配元件可通稱為具有空心的中心導線的固定雙導體阻抗匹配元件。
雖然參照多個優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，應該理解在不偏離本發(fā)明真實精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明做各種改變和改進。
權利要求
1.處理半導體工件的等離子體反應器，包括反應室，其具有室壁并包括用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件的上方，所述電極包括所述室壁的一部分，所述電極中具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器，用于在所述發(fā)生器的頻率下向所述頂電極提供功率并能在所述室中將等離子體維持在期望的等離子體離子密度水平；所述頂電極，具有同等離子體在電極—等離子體共振頻率下形成共振的電抗，所述電極—等離子體共振頻率是所述發(fā)生器的所述頻率或接近所述發(fā)生器的所述頻率；絕緣層，其在所述頂電極表面形成，所述頂電極面對所述工件支撐件。
2.如權利要求1所述的反應器，進一步包括在所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極間的電容性絕緣層。
3.如權利要求2所述的反應器，進一步包括金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極表面且與其接觸，所述頂電極面對并遠離所述工件支撐件。
4.如權利要求1所述的反應器，進一步包括含硅涂層，其覆蓋在所述絕緣層上。
5.如權利要求4所述的反應器，其中所述含硅涂層包括硅或碳化硅中的一種。
6.如權利要求3所述的反應器，其中所述絕緣層提供的電容足夠抑制所述氣體注入口內的電弧放電。
7.如權利要求6所述的反應器，其中所述電容性絕緣層具有足夠大的電容以阻擋來自所述室內等離子體直流電流流過所述頂電極。
8.如權利要求7所述的反應器，其中所述金屬泡沫層具有足夠厚度以抑制所述氣體注入孔內的軸向電場。
9.如權利要求1所述的反應器，其中所述頂電極包括鋁，且所述絕緣層是由陽極氧化形成的。
10.如權利要求2所述的反應器，其中所述電容性絕緣層形成電容，其提供用于等離子體殼層生成諧波的通過所述頂電極的低阻抗接地路徑。
11.如權利要求1所述的反應器，進一步包括所述頂電極的氣體入口；在所述氣體入口和至少第一套所述氣體注入孔之間的所述頂電極內的氣體阻擋層。
12.如權利要求11所述的反應器，其中所述氣體阻擋層包括金屬泡沫層。
13.如權利要求9所述的反應器，進一步包括在所述頂電極內的熱控制流體通道。
14.如權利要求13所述的反應器，進一步包括光學窗口，其在一般面對所述晶片支撐件的所述頂電極中，以及光載介質，其耦合到所述窗口并延伸通過所述頂電極。
15.如權利要求1所述的反應器，其中所述等離子體具有電抗并且所述電極的電抗對應所述等離子體的電抗。
16.如權利要求15所述的反應器，其中所述電極的電抗與所述等離子體的電抗共軛。
17.如權利要求15所述的反應器，其中所述等離子體的電抗包括負電容，并且其中所述電極的電容與所述等離子體的所述負電容量級相同。
18.如權利要求1所述的反應器，其中所述射頻發(fā)生器的所述頻率和所述電極—等離子體的共振頻率是VHF頻率。
19.如權利要求18所述的反應器，其中所述等離子體電抗是所述等離子體離子密度的函數，并且所述等離子體離子密度支持所述反應器選擇的等離子體工藝。
20.如權利要求19所述的反應器，其中所述等離子體工藝是等離子體蝕刻工藝，并且其中所述等離子體離子密度在約109離子每立方厘米到約1012離子每立方厘米的范圍。
21.如權利要求1所述的反應器，進一步包括固定阻抗匹配元件，其連接在所述發(fā)生器和所述頂電極之間，所述固定阻抗匹配元件具有匹配元件共振頻率。
22.如權利要求21所述的反應器，其中所述匹配元件共振頻率和所述電極—等離子體共振頻率互相偏移，并且所述發(fā)生器的頻率處于所述電極—等離子體共振頻率和所述匹配元件共振頻率之間。
23.如權利要求22所述的反應器，其中所述發(fā)生器的所述頻率，所述等離子體頻率和所述匹配元件共振頻率都是VHF頻率。
24.如權利要求21所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括條線電路，其具有臨近所述頂電極的近端，所述近端用于將所述射頻功率發(fā)生器的功率耦合到所述頂電極，并且提供它們之間阻抗轉換，所述條線電路包括條線導體，其一般在所述頂電極上方并且連接到所述頂電極的近端；接地面導體，其在所述頂電極上方沿其長度方向與所述內導體間隔開，并且連接到所述射頻功率發(fā)生器的射頻返回電勢；接頭，其沿所述條線導體長度處于一個選擇位置，所述接頭包括在所述條線導體和所述射頻功率發(fā)生器的輸出端之間的連接。
25.如權利要求24所述的反應器，其中所述接地面導體包括上覆所述頂電極的外殼的頂壁，在所述外殼中并且所述頂壁下沿環(huán)繞路徑形成的所述條線導體。
26.如權利要求25所述的反應器，其中所述條線導體是中空的，所述反應器進一步包括氣體供給管線，其延伸通過所述中空條線導體，用于向所述頂電極中的氣體注入孔供應工藝氣體。
27.如權利要求26所述的反應器，進一步包括流體通道，其位于所述頂電極內或其上，用于容納熱導流體；流體供應線，其延伸通過所述中空條線狀導體，用于供應熱導流體到所述流體通道。
28.如權利要求24所述的反應器，進一步包括短路導體，其將所述條線狀導體遠端連到所述接地面導體。
29.如權利要求25所述的反應器，其中在所述近端和遠端之間的所述條線狀導體的長度等于所述條線狀電路的所述匹配元件共振頻率的四分之一波長的整數倍。
30.如權利要求29所述的反應器，其中所述整數倍是兩倍，由此，所述條線狀導體的所述長度是所述匹配元件共振頻率的半波長。
31.如權利要求30所述的反應器，其中所述射頻功率發(fā)生器的所述頻率、所述匹配元件共振頻率和所述電極—等離子體共振頻率都是VHF頻率，它們互相偏移。
32.如權利要求25所述的反應器，其中所述選擇的位置是沿所述條線狀導體長度方向上的位置，在此位置，在所述條線狀電路中的駐波電壓與駐波電流的比值至少約等于所述射頻功率發(fā)生器的輸出阻抗。
33.如權利要求25所述的反應器，其中所述接頭的所選的位置偏離理想位置，在此位置，所述比值等于所述輸出阻抗，只要在所述頂電極的所述負荷阻抗降到標稱水平以下，所述偏離足夠實現在所述接頭中的電流的增加，并且只要在所述頂電極的所述負荷阻抗增加超過標稱水平，所述偏離足夠實現在所述接頭中的電流的減少。
34.如權利要求33所述的反應器，其中所述對理想位置的偏離量約為所述射頻發(fā)生器的VHF頻率的5％。
35.如權利要求34所述的反應器，其中所述對理想位置的偏離量足以使在電阻性匹配空間中至少實現6∶1的增加。
36.如權利要求24所述的反應器，其中所述條線狀電路所述特性阻抗，比所述射頻功率發(fā)生器的所述輸出阻抗約小30％。
37.如權利要求21所述的反應器，其中所述條線狀電路具有特性阻抗，其比所述射頻功率發(fā)生器的輸出阻抗小。
38.如權利要求21所述的反應器，進一步包括絕緣密封件，其在所述頂電極和所述室壁余下部分之間，所述絕緣密封件的介電常數和所述頂電極的面積的值足以使在所述室內的等離子體與所述頂電極在所述電極—等離子體共振頻率，共振。
39.如權利要求25所述的反應器，其中所述條線狀導體具有橢圓形的橫截面，所述條線狀導體的所述橢圓形主表面面對所述接地面導體。
40.如權利要求21所述的反應器，進一步包括高頻偏壓功率發(fā)生器和連接在所述高頻偏壓功率發(fā)生器和所述晶片支撐件之間的阻抗匹配電路，其中連到所述電極的所述射頻功率發(fā)生器的頻率、所述電極—等離子體共振頻率和所述匹配元件共振頻率是VHF頻率。
41.如權利要求40所述的反應器，其中所述晶片支撐件為VHF功率提供射頻返回路徑，所述VHF功率從所述頂電極耦合到所述室。
42.如權利要求40所述的反應器，進一步包括薄絕緣層，其在所述頂電極和所述條線狀導體間，所述薄絕緣層提供足夠大電容以阻擋直流電流從所述室內的等離子體流過所述頂電極。
43.如權利要求42所述的反應器，其中由所述薄絕緣層提供的所述電容在選擇的高頻，形成一個共振，以便電流從所述室經過所述頂電極流到所述條線狀導體。
44.如權利要求43所述的反應器，其中所述共振的所述選擇的高頻等于所述高頻偏壓功率發(fā)生器的基頻的等離子體殼層產生的諧波。
45.如權利要求22所述的反應器，進一步包括半導性環(huán)狀環(huán)，所述環(huán)狀環(huán)圍繞所述晶片的周邊，所述環(huán)延伸提供給從所述頂電極耦合到所述室的VHF功率有效的返回電極面積。
46.如權利要求45所述的反應器，進一步包括支撐所述環(huán)并將所述環(huán)與所述室壁絕緣的絕緣環(huán)面，所述環(huán)的介電常數決定VHF功率返回電流在所述晶片支撐件和所述半導體環(huán)間的分配。
47.如權利要求46所述的反應器，其中用于VHF功率從所述頂電極耦合到所述室的有效返回電極面積超出所述頂電極的面積。
48.如權利要求25所述的反應器，其中所述頂電極和所述條線狀電路的組合為從所述晶片支撐件耦合到所述室的高頻功率提供射頻返回路徑，所述頂電極具有大于所述晶片支撐件的面積。
49.如權利要求48所述的反應器，進一步包括電容性元件，其在所述頂電極和所述固定阻抗匹配元件之間，所述電容性元件具有足夠電容以在所述等離子體和所述固定阻抗匹配元件之間提供直流隔離。
50.如權利要求49所述的反應器，其中所述電容元件的電容使所述射頻返回路徑在選擇的高頻共振。
51.如權利要求50所述的反應器，其中所述頻率是偏壓功率發(fā)生器基頻的諧波。
52.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁并包括用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件的上方，所述電極包括所述室壁的一部分；射頻功率發(fā)生器，其在所述發(fā)生器的頻率，向所述頂電極供應功率，并且能夠將室內的等離子體保持在期望的等離子體離子密度水平；所述頂電極具有電容，以便所述頂電極和形成在所述室中的等離子體在期望的等離子體離子密度，在電極共振頻率共振，所述發(fā)生器的所述頻率至少在所述電極—等離子體共振頻率附近；絕緣層，其形成于所述頂電極表面，所述頂電極面對所述工件支撐件；電容性絕緣層，其在所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極之間；金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極且與其接觸，面對并遠離工件支撐件。
53.如權利要求52所述的反應器，其中所述絕緣層提供的電容足夠抑制所述氣體注入口內的電弧放電；所述電容性絕緣層具有足夠大的電容以阻擋直流電流從所述室內的等離子體流過所述頂電極；以及所述金屬泡沫層具有足夠的厚度以抑制所述氣體注入孔內的軸向電場。
54.如權利要求53所述的反應器，進一步包括覆蓋在所述絕緣層上的含硅涂層。
55.如權利要求54所述的反應器，其中所述含硅涂層包括硅或碳化硅中的一種。
56.如權利要求53所述的等離子反應器，進一步包括固定阻抗匹配元件，其連接在所述發(fā)生器和所述頂電極之間，所述固定阻抗匹配元件具有匹配元件共振頻率。
57.如權利要求56所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括條線狀電路。
58.如權利要求56所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括同軸調諧短管。
59.如權利要求56所述的等離子體反應器，其中所述發(fā)生器的所述頻率位于所述電極—等離子體共振頻率和所述匹配元件共振頻率之間。
60.如權利要求39所述的等離子體反應器，其中每個所述的頻率是VHF頻率。
61.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁，并且包括用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極包括所述室壁的一部分；射頻功率發(fā)生器，其能夠供應功率至所述頂電極以保持室內等離子體在期望的等離子體離子密度；條線狀電路，其具有鄰近所述頂電極的近端，以便耦合來自射頻功率發(fā)生器的功率至所述頂電極，并提供其間的阻抗轉換，所述條線狀電路包括條線狀導體，其一般在所述頂電極上方，其在近端連接至所述頂電極；接地面導體，其在所述頂電極上方，其沿長度方向與所述內部導體隔開，并且連到所述射頻功率發(fā)生器的射頻返回電勢；接頭，其位于沿所述條線狀導體長度方向上的所選位置處，所述接頭包括在所述條線狀導體和所述射頻功率發(fā)生器的輸出端點之間的連接。
62.如權利要求61所述的反應器，進一步包括短路導體，其在所述條線狀導體的遠端連接至所述接地面導體，由此，所述條線狀電路的遠端是電短路的。
63.如權利要求62所述的反應器，其中所述條線狀電路具有條線狀電路共振頻率，并且在所述近端和遠端之間的所述條線狀導體的長度等于所述條線狀共振頻率的波長的四分之一的整數倍。
64.如權利要求63所述的反應器，其中所述整數倍是兩倍，由此，所述條線狀導體的所述長度等于所述條線狀電路共振頻率的半波長。
65.如權利要求63所述的反應器，其中所述射頻功率發(fā)生器在VHF頻率，產生VHF功率信號，所述條線狀電路共振頻率是VHF頻率，其偏離所述發(fā)生器的VHF頻率。
66.如權利要求65所述的反應器，其中所述頂電極具有電容，以便所述電極和所述等離子體在所選的等離子體離子密度，在VHF電極—等離子體共振頻率，共振，所述發(fā)生器的VHF頻率在所述電極—等離子體共振頻率和所述條線狀電路共振頻率之間。
67.如權利要求61所述的反應器，其中所述所選位置是這樣的位置，在此位置處，在所述條線狀電路中的駐波電壓與電流的比值至少近似等于所述射頻功率發(fā)生器的輸出阻抗。
68.如權利要求67所述的反應器，其中所述接頭的所述所選位置偏離理想位置，在此位置，所述比值等于所述輸出阻抗，只要在所述頂電極的負荷阻抗減小到標稱水平以下，所述偏離足夠實現在所述接頭處電流的增加，只要在所述頂電極處負荷阻抗增加至標稱水平以上，所述偏離也足夠實現在所述接頭處的電流減小。
69.如權利要求68所述的反應器，其中所述偏離所述理想位置的距離約為條線狀電路共振頻率一個波長的5％。
70.如權利要求68所述的反應器，其中所述偏離所述理想位置的距離，足以使在阻抗匹配空間上實現至少6∶1的增加。
71.如權利要求61所述的反應器，其中所述條線狀電路的特性阻抗約比所述射頻功率發(fā)生器的輸出阻抗少30％。
72.如權利要求61所述的反應器，其中所述條線狀電路具有特性阻抗，其比所述射頻功率發(fā)生器的輸出阻抗小。
73.如權利要求61所述的反應器，進一步包括在所述頂電極和所述室壁的余下部分之間的絕緣密封件，所述絕緣密封件的介電常數和所述頂電極的面積的值，足以使在所述所選等離子體離子密度的等離子體和所述頂電極，在VHF電極—等離子體共振頻率，共振。
74.如權利要求61所述的反應器，進一步包括高頻偏壓功率發(fā)生器和連接在所述高頻偏壓功率發(fā)生器與所述晶片支撐件之間的阻抗匹配電路。
75.如權利要求74所述的反應器，其中所述晶片支撐件為從所述頂電極耦合到所述室的VHF功率提供射頻返回路徑。
76.如權利要求75所述的反應器，進一步包括半導電性環(huán)狀環(huán)，其圍繞所述晶片外圍，所述環(huán)延伸提供給從所述頂電極耦合到所述室的VHF功率的有效返回電極面積。
77.如權利要求76所述的反應器，進一步包括支撐所述環(huán)的絕緣環(huán)面，其將所述環(huán)與所述室壁絕緣，所述環(huán)的介電常數決定VHF功率返回電流在所述晶片支撐件和所述半導體環(huán)之間的分配。
78.如權利要求76所述的反應器，其中，提供給從所述頂電極耦合到所述室的VHF功率的所述有效返回電極面積超出所述頂電極的面積。
79.如權利要求61所述的反應器，其中所述頂電極與所述條線狀電路一起為高頻功率提供射頻返回路徑，所述高頻功率從所述晶片支撐件耦合到所述室，所述頂電極具有大于所述晶片支撐件的面積。
80.如權利要求79所述的反應器，進一步包括在所述條線狀導體和所述頂電極之間的隔離電容器絕緣體，所述電容器在所述射頻返回路徑中提供高頻共振以及在VHF頻率下的短路。
81.如權利要求80所述的反應器，其中所述高頻共振發(fā)生在所述射頻功率反應器的基頻。
82.如權利要求80所述的反應器，其中所述高頻共振發(fā)生在所述射頻偏壓功率發(fā)生器的基頻的等離子體殼層產生的諧波。
83.如權利要求80所述的反應器，其中所述諧波是第二諧波。
84.一種在等離子體反應器室中處理半導體晶片的方法，其包括提供具有電極電容和VHF功率發(fā)生器的頂電極；通過一阻抗，將所述VHF功率發(fā)生器耦合至所述頂電極，所述阻抗匹配具有條線狀導體長度的條線狀電路，所述條線狀導體長度是VHF條線狀電路頻率的四分之一的整數倍，并且所述導體一端連接到所述頂電極和接頭點，所述接頭點沿著所述VHF功率發(fā)生器；從所述VHF功率發(fā)生器，施加一定量的功率至所述頂電極，以維持等離子體密度，在此等離子體密度，所述等離子體和電極傾向于在VHF頻率共振，所述頻率至少在所述VHF功率發(fā)生器的VHF頻率附近。
85.如權利要求84所述的方法，其中所述等離子體密度在109到1012離子每立方厘米的范圍內。
86.如權利要求84所述的方法，其中，施加功率的步驟中，將等離子體負電容與電極電容匹配。
87.如權利要求84所述的方法，進一步包括至少在沿所述條線狀電路的長度上的軸向位置附近，定位所述接頭，在此位置，駐波電壓和駐波電流的比值等于所述VHF發(fā)生器的輸出阻抗。
88.如權利要求87所述的方法，其中所述定位包括將所述接頭定位在從所述軸向位置稍微偏離的位置，其偏離的距離大小足以實現由所述條線狀電路提供的阻抗匹配的電阻性匹配空間的顯著增加。
89.如權利要求88所述的方法，其中所述顯著增加的量級為6∶1。
90.如權利要求89所述的方法，其中所述位置偏離約為所述VHF發(fā)生器的波長的5％。
91.如權利要求84所述的方法，其中所述VHF發(fā)生器的VHF頻率在所述等離子體VHF頻率和所述條線狀電路VHF頻率之間。
92.如權利要求84所述的方法，其中所述整數倍是兩倍，由此所述條線狀電路的長度約為所述調諧短管頻率的半波長。
93.一種處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁，并包括用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件之上；射頻功率發(fā)生器和耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間的阻抗匹配元件；絕緣層，其形成在所述頂電極表面，所述頂電極面對所述工件支撐件；電容性絕緣層，其在所述阻抗匹配元件和所述頂電極之間；金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極并與其接觸，所述頂電極面對并遠離所述工件支撐件。
94.如權利要求93所述的反應器，其中所述絕緣層提供的電容足夠抑制在所述氣體注入口內的電弧放電；所述電容性絕緣層具有足夠的電容以阻擋直流電流從所述室內的等離子體流過所述頂電極，同時，在所述射頻功率發(fā)生器的頻率，提供低阻抗路徑；以及所述金屬泡沫層具有足夠的厚度以抑制所述氣體注入孔內的軸向電場。
95.如權利要求93所述的反應器，進一步包括含硅涂層，其覆蓋所述絕緣層。
96.如權利要求95所述的反應器，其中所述含硅涂層包括硅或碳化硅中的一種。
97.如權利要求93所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括條線狀電路。
98.如權利要求93所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括同軸調諧短管。
99.如權利要求97所述的反應器，其中所述條線狀電路包括中空條線狀導體，所述條線狀導體連到所述射頻功率發(fā)生器并延伸至在所述頂電極上的所述電容性絕緣層，所述反應器進一步包括至少一條氣體供給管線，所述氣體供給管線延伸通過所述中空條線狀導體，并且被耦合到所述頂電極的所述氣體注入孔。
100.如權利要求98所述的反應器，其中所述同軸調諧短管包括中空內部導體，所述內部導體連到所述射頻功率發(fā)生器并延伸至在所述頂電極上的所述電容性絕緣層，所述反應器進一步包括至少一個氣體供給管線延伸通過所述中空內部導體并被耦合到所述頂電極的所述氣體注入孔。
101.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極中具有多個氣體注入孔，所述多個氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間，所述阻抗匹配元件具有中空中心導體，其連接到所述射頻功率發(fā)生器并耦合到所述頂電極；以及至少一個耦合到所述多個氣體注入孔的氣體供給管線，所述氣體供給管線延伸通過所述中空中心導體，由此，所述氣體供給管線被所述中空中心導體電屏蔽。
102.如權利要求101所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括條線狀電路和包括條線狀導體的所述中空中心導體。
103.如權利要求101所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括同軸調諧短管，并且所述中空中心導體包括內部同軸導體。
104.如權利要求101所述的反應器，進一步包括光學窗口，其在所述頂電極中；光學導管，其一端連接至所述窗口，并延伸穿過所述阻抗匹配元件的所述中空中心導體。
105.如權利要求104所述的反應器，進一步包括光學探測器，其連接至所述光學導管另一端。
106.如權利要求104所述的反應器，其中所述光學導管包括光纖。
107.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間，所述阻抗匹配元件具有中空中心導體，其連接到所述射頻功率發(fā)生器并耦合到所述頂電極；光學窗口，其在所述頂電極中；光學導管，其一端連接至所述窗口，并延伸通過所述阻抗匹配元件的所述中空中心導體。
108.如權利要求107所述的反應器，進一步包括連接至所述光學導管另一端的光學探測器。
109.如權利要求108所述的反應器，其中所述光學導管包括光纖。
110.如權利要求107所述的反應器，其中所述阻抗匹配元件包括條線狀電路，并且所述中空中心導體包括條線狀導體。
111.如權利要求107所述的反應器，其中所述阻抗匹配元件包括同軸調諧短管，并且所述中空中心導體包括內部同軸導體。
112.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間，所述阻抗匹配元件具有中空中心導體，其連接到所述射頻功率發(fā)生器并耦合到所述頂電極；金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極；電容性絕緣層，其在所述中心導體和所述頂電極之間。
113.如權利要求112所述的反應器，其中所述電容性絕緣層具有足夠的電容阻擋來自所述等離子體的直流電流。
114.如權利要求112所述的反應器，進一步包括在所述頂電極內的熱控制流體通道。
115.如權利要求112所述的反應器，進一步包括光學窗口和光載介質，所述光學窗口在所述頂電極中，所述頂電極一般面對所述晶片支撐件，并且所述光載介質耦合到所述窗口并延伸通過所述頂電極。
116.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間；絕緣層，其在所述頂電極表面上形成，所述頂電極面對所述工件支撐件；電容性絕緣層，其在所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極之間，因此，所述頂電極從所述等離子體和射頻功率發(fā)生器電容性地隔離。
117.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；VHF功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間；高頻偏壓功率發(fā)生器，其耦合至所述工件支撐件；電容性絕緣層，其在所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極之間，其具有電容，所述電容提供從所述等離子體至所述頂電極的射頻返回路徑，所述頂電極至少在所述高頻偏壓功率發(fā)生器附近共振，且在VHF頻率具有可忽略的阻抗。
118.如權利要求117所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括條線狀電路和所述中空中心導體，所述中空中心導體包括條線狀導體。
119.如權利要求118所述的反應器，其中所述固定阻抗匹配元件包括同軸調諧短管，并且所述中空中心導體包括內部同軸導體。
120.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件，所述孔包括徑向分布的內部組和徑向分布的外部組；射頻功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件耦合在所述頂電極和所述射頻功率發(fā)生器之間；徑向分布的內部氣體阻擋層和外部氣體阻擋層，所述內部和外部氣體阻擋層在所述頂電極內，并且分別耦合到徑向分布的內部孔組和外部孔組；第一和第二氣體供給管線，其分別耦合到所述徑向分布的內部和外部阻擋層，所述第一和第二氣體供給管線可連接到可獨立調節(jié)的工藝氣體源，以便分別調節(jié)在徑向分布的內部和外部位置的氣流速率。
121.如權利要求120所述的反應器，其中所述阻抗匹配元件包括中空中心導體，其一端連接至所述射頻功率發(fā)生器，并且其相對端耦合至所述頂電極，所述第一和第二氣體供給管線通過所述中空中心導體。
122.如權利要求121所述的反應器，其中所述阻抗匹配元件包括同軸調諧短管，且其中所述中心導體包括徑向分布的內部同軸導體。
123.如權利要求121所述的反應器，其中所述阻抗匹配元件包括條線狀電路，并且其中所述中心導體包括條線狀導體。
124.如權利要求120所述的反應器，其中所述徑向分布的內部和外部氣體阻擋層包括金屬泡沫材料。
125.一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，其包括反應室，其具有室壁和用于夾持所述半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極具有絕緣表面和多個氣體注入孔，所述氣體注入孔一般面對所述工件支撐件；射頻功率發(fā)生器，其用于在所述發(fā)生器頻率，供應功率至所述頂電極，并且能夠在期望的等離子體離子密度水平，將等離子體維持在所述室內；固定阻抗匹配元件，其連接在所述發(fā)生器和頂電極之間；電容性絕緣層，其在所述匹配元件和所述頂電極之間；金屬泡沫層，其覆蓋所述頂電極并且與其接觸，所述頂電極面對并遠離所述工件支撐件。
全文摘要
一種用于處理半導體工件的等離子體反應器，包括反應室，其所述反應室具有室壁和用于夾持半導體工件的工件支撐件；頂電極，其在所述工件支撐件上方，所述電極包括所述室壁的一部分；射頻功率發(fā)生器，其用于在所述發(fā)生器的頻率，供應功率至所述頂電極，并且能夠將等離子體載所述室內，保持期望的等離子體離子密度水平。頂電極具有電容，以便所述頂電極，與在所述室內的以期望的等離子體離子密度形成的等離子體，在電極－等離子體共振頻率，共振，所述發(fā)生器的所述頻率至少在所述電極等離子體共振頻率附近。所述反應器進一步包括在所述頂電極上形成的絕緣層，所述頂電極面對所述工件支撐件；在所述射頻功率發(fā)生器和所述頂電極之間的電容性絕緣層；以及覆蓋所述頂電極表面并與其接觸的金屬泡沫層，所述頂電極面對并遠離所述工件支撐件。
文檔編號H01L21/3065GK1606794SQ02825528
公開日2005年4月13日 申請日期2002年9月25日 優(yōu)先權日2001年12月19日
發(fā)明者D·J·霍夫曼, G·Z·殷, Y·葉, D·凱茲, D·A·小布赫貝格爾, X·趙, K－L·姜, R·B·哈根, M·L·米勒 申請人:應用材料有限公司