電極同時響應於多頻的等離子體處理器的製作方法
2023-05-28 21:40:36 4
專利名稱：電極同時響應於多頻的等離子體處理器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電極響應於多個頻率的等離子體處理器。本發明一特定方面涉及含腔室的處理器，腔室結構使多個頻率的功率通過以一對電極為界的區域具有完全不同的路徑，一根電極同時響應於多個頻率，另一電極基本上處於參考電位。本發明另一個方面涉及一種處理器方法與結構，其中通過相對於與一個頻率的功率關聯的參數改變與另一頻率的功率關聯的參數，來控制響應於多頻的電極的DC偏壓。
背景技術：
真空等離子體處理器用於在工件上澱積與蝕刻材料，工件一般是半導體、介質與金屬基片。將一種氣體導入放置了工件的真空等離子體處理室，室壓力通常為0.1～1000乇。響應於RF電場或電磁場，該氣體在激發區內被燃燒成RF等離子體。RF場由電抗性的阻抗元件提供，通常是將RF磁場與電場耦合在氣體的電極陣列或線圈。電抗性阻抗元件接第一RF源，後者具有第一較高的RF頻率和足夠的功率，將氣體燒成等離子體。第一RF源與電抗性阻抗元件通常用較長的電纜連接，電纜直接第一RF源。接在電纜與電抗阻抗元件之間的第一諧振匹配網絡一般包含一對可變電抗，後者被調成使第一RF源的阻抗匹配於正在驅動的負載。
氣體一般通過室頂部引入室，從室底部排出。室頂部的電極通常與一系列進入激發區的氣體擋板與開口關聯，對流入激發區的氣體形成噴頭(showerhead)作用。
工件一般裝在激發區底部的電極上。在有些室內，帶工件的電極(通常稱為底電極)是供有第一RF頻率的電抗阻抗元件，與帶工件電極隔開的另一電極(通常稱為頂電極)接參考電位，一般為地。這樣配置的處理器常稱為二極體，因為該室包括一有動力的電極，接地的壁結構和一接地電極。
在其它處理器中，室的頂與底電極各自用獨立的較高與較低RF頻率加動力，室壁結構接地。超過10MHz且一般為27MHz的較高頻率控制著等離子體的密度，而小於10MHz且一般為2MHz的較低頻率控制著等離子體的離子能量。獨立地控制諸電參數如第一和第二RF源的功率、電壓和/或電流，就可獨立地控制等離子體密度與離子能量。這樣配置的室常稱為三極體，也可控制建立在底電極上的DC偏壓。DC偏壓控制由接近頂底電極的等離子體與RF場之間的互作用造成，而頂底電極響應於加在其上的RF功率耦入等離子體。改變加到頂底電極的參數如電流和/或電壓或功率的相對值，底電極DC偏壓就以可控的單調方式變化，因而當高頻功率相對於低頻功率提高時，DC偏壓的幅值(為負)就增大。
已知具有上述二極體與三極體配置的室包括一種將等離子體約束在一包括電極之間的容積的約束區內(confinement region)的結構。該約束結構可防止等離子體入射室接地的金屬壁結構，從而防止嚴重損傷室壁結構並加強控制等離子體特性；如參見萊茲(Lenz)等人的美國專利5,534,751。
在另一些頂電極與室金屬壁接地(參考電位)的室中，對底電極同時加較高和較低的RF頻率功率。這種二極體配置的真空室接地的金屬壁結構，通常限定了受激等離子體存在區的外部。具體而言，萊茲在美國專利5,998,932中揭示了對具有約束結構和接地的頂電極與金屬壁的室的底電極同時提供2MHz與27MHz。庫西(Kuthi)等人的美國專利6,106,663，也揭示了對具有接地頂電極的室的底電極同時提供2MHz與27MHz。
室配置中用高低頻率同時驅動底電極的原有技術的處理器一直以這樣一種方式構成，即通過改變高低頻參數如供給底電極的功率的相對值，不能控制底電極的DC偏壓。已發現，當供給底電極的高低頻功率的相對量變化時，DC偏壓保持相對恆定。我們認為，DC偏壓保持相對恆定，原因在於室被構成為離子能量(假定主要受低頻功率控制)基本上與離子密度(假定主要受高頻功率控制)相耦合。因此，等離子體密度與等離子體容積邊緣與其附近的室表面之間的殼層寬度有耦合作用，所以改變高低頻率的相對參數值(如功率)，並不能獨立地控制等離子體離子能量與等離子體密度。因此，對底電極同時加兩種不同頻率的原有技術的二極體室，一直不能達到三極體雙頻室能達到的底電極偏壓控制程度。
發明內容
根據本發明一個方面，等離子體處理器包括真空室，該室具有(a)把氣體與該室耦合的埠，(b)向室內氣體加電場的第一電極，(c)基本上處於DC參考電位的第二電極，和(d)電極間存在等離子體的區域。處理器包括讓第一電極向等離子體同時供給多頻電場的電路。室包括使不同頻率的功率具有完全不同的通過電極間存在等離子體區域的路徑的結構。
較佳地，第一頻率(優選2MHz)主要控制等離子體能量，第二頻率(優選27MHz)主要控制等離子體離子密度。
室較佳地配置成讓大部分第一頻率的功率耦合在第一與第二電極之間，防止第二頻率的大部分功率耦合在第一與第二電極之間。
這種室配置較佳地包括一有區域外通路的分布參數濾波器結構。區域外通路安排成將電流從第二電極耦合到處於參考電位的端子，而且基本上處於該參考電位。通路的第一頻率的電氣長度遠遠小於其第二頻率的電氣長度，故區域外通路的第一頻率的阻抗遠遠低於第二頻率的阻抗。區域外通路的結構使該通路具有第一頻率的感抗，小於第二頻率的通路感抗一個數量級。
分布參數濾波器結構較佳地配置成將第二頻率通過該區域傳到室壁的延伸部分，其中延伸部分像壁和第二電極一樣基本上處於同一DC參考電位。壁延伸部分相對第二電極更靠近第一電極。
延伸部分較佳地包括一超過第一電極外圍部分的區域。第一電極與延伸部分的電氣耦合安排成使第二頻率比第一頻率在區域中傳送得更遠。延伸部分較佳地用介質與第一電極隔開。
約束等離子體結構較佳地包括多個通氣孔，使容積內的氣體能流到區域外的室部分。通氣孔和通氣孔之間的空間較佳地用某種材料製作，且安排成使第一頻率的位移電流從第二電極流到參考電位，同時防止大量DC電流流動。
用於控制區域內等離子體壓力的控制器較佳地包括一控制通氣孔相對室內另一結構的間距的機構。
本發明另一方面涉及等離子體處理器的操作方法，處理器的一電極同時供有第一與第二頻率的功率。響應於在第一和第二頻率下供給電極的功率與電極附近等離子體之間的互作用，對該電極建立DC電壓偏置。相對於與第二頻率功率關聯的參數改變與第一頻率功率關聯的參數，就可控制該DC偏壓值。
本發明又一個方面涉及一等離子體處理器，它包括處理室裡的一根電極和同時向該電極提供第一與第二頻率的功率的電路。響應於在第一和第二頻率下供給電極的功率與電極附近等離子體之間的互作用，對該電極建立DC偏壓。配置的室和第一與第二頻率，通過相對於與第二頻率功率關聯的參數改變與第一頻率功率關聯的參數，造成可控的DC偏壓變化。
較佳地，與第一頻率功率關聯的參數是第一頻率功率量，與第二頻率功率關聯的參數是第二頻率功率量。較佳地，第一頻率(優選2MHz)主要控制等離子體的離子能量，第二頻率(優選27MHz)主要控制等離子體的離子密度。
為協助控制DC偏壓，第二頻率的功率較佳地被限於某一區域，該區域不包括處理器的室壁結構，但包括第一與第二電極間的容積。把第一頻率的功率供給一部分基本上移出該區域的室，幫助控制DC偏壓。等離子體通常被約束於對其約束第二頻率功率的區域。為幫助控制DC偏壓，還控制了等離子體在該區域內的壓力。
為更佳地控制DC偏壓，約束的第二頻率區域延伸到超過第一電極外圍部分的一區域。超出第一電極外圍部分的該區域較佳地包括(1)一種材料，優選本徵半導體，使第一與第二頻率的位移電流通過它流動，同時防止明顯的DC電流流動，和(2)超出該材料外圍部分的處於DC參考電位的表面。
約束等離子體結構較佳地包括多個通氣孔，安排成使區域內的氣體流動到該區域外的室部分。較佳地，通氣孔和通氣孔之間的空間用某種材料製作，並安排成使第一頻率的位移電流能從第二電極流到參考電位，同時防止大量DC電流流動。
本發明另一個方面涉及處理工件的等離子體處理器，其中處理器包括一真空室，具有處於參考電位的導電壁。壁的圓形內周邊與室縱軸線同軸。該室包括含圓形工件支架的第一圓電極，其中第一電極和工件支架與室縱軸線同軸。該室還包括與室縱軸線同軸的第二圓電極，其中第二電極的入口用於準備在室內轉換成等離子體的氣體。室內的約束結構把等離子體限於某一區域，該區域不讓等離子體入射壁，但包括電極之間的容積。約束結構能使氣體從該區域向外流出。室還有一使氣體從該區域向外流出的出口。約束區域的下邊界包括(1)第一電極、(2)與室縱軸線同軸的環，和(3)與室縱軸線同軸的環狀表面，其中環狀表面基本上處於參考電位。在第一電極與環狀表面之間插上該環，環由某種材料製作，使RF位移電流能流入，同時防止傳導電流大量流入。電路對第一電極同時提供多個頻率的功率。壁電氣連接第二電極和環狀表面，在第二電極與環狀表面之間的長度使壁對第一頻率設置較低的阻抗，而對第二頻率設置較高的阻抗。
較佳地，環狀表面是一種覆蓋導電件的介質，環包括本徵半導體例如矽。
在一較佳實施例中，等離子體約束結構包括多個間隔開的等離子體約束環，其內周邊表面與室縱軸同軸，而且第二電極的表面形成約束區的上邊界。各約束環的內周邊表面基本上直線對準形成邊界上區的第二電極的表面周邊，環狀表面至少延伸到與等離子體約束環內周邊表面直線對準的圓的圓周。
還配置了室和第一與第二頻率，通過相對於與第二頻率功率關聯的參數改變與第一頻率功率關聯的參數，可響應於在第一與第二頻率下供給第一電極的功率與第一電極附近等離子體之間的互作用，造成第一電極上DC偏壓的可控變化。
通過以下結合附圖對一特定實施例所作的詳述，本發明的種種目的、特徵與優點就更清楚了。
附圖簡介
圖1是本發明一較佳實施例的等離子體處理器的部分示意圖；圖2是圖1所示等離子體處理器真空室一較佳實施例的截面圖；和圖3是一曲線圖，表明DC偏壓作為供給圖2所示室底電極的兩RF頻率功率的函數是如何受控。
發明有詳細描述現參照圖1，其中具有縱軸即中心線12的等離子體處理器真空室10，被圖示成包括電導金屬壁14，而壁14的圓形內周邊與軸12同軸。壁14接地，即處於DC參考電位。
室10包括底組件15，它包括含第一圓電極18(常稱底電極)的圓形工件支架16，工件支架16和電極18均與軸12同軸。工件20通常是一半導體晶片，利用合適的機構(未示出)放在支架16上，使它與軸12同軸，同時工件被約束於室10內區域24的等離子體22處理。工件支架16較佳地構成一個靜電吸盤，接合適的DC吸盤電壓源(未示出)。工件支架16包括普通的工件提升銷(未示出)和工件溫度控制裝置(未示出)。
室10還包括第二圓電極26，它在電氣上DC接地並與軸線12同軸。常稱為頂電極的電極26包括內通道(未示出)和各種噴頭孔(未示出)，二者都以流體流動關係接一個或多個合適的氣源28，氣體通過噴頭孔流入區域24並在這裡轉換成處理等離子體22。
等離子體22藉助於包含下組件30的約束結構被約束到區域24，下組件30包括四隻豎堆的介質(較佳為石英)圓環31～34，通過合適的轉軸(shaft)機構(未示出)相互固定連接。環31～34與軸線12同軸，包括直線對準的內周邊，內周邊的直徑與形成等離子體約束區24最上面的表面的電極26的直徑幾乎一樣。環31～34都具有相近的水平範圍，但上環31的垂直範圍明顯大於環32～34相近的垂直範圍。上環31的內周邊接觸頂電極26的周邊，底環34的下表面通常在下組件15頂面上方隔開。示電離氣體即非等離子體氣體從區域24流過通氣孔組件30和環34與底組件15之間的空間。空10外面的電機35包括一轉軸(未示出)，轉軸延伸通過室，相對於底組件15的頂面垂直地驅動環31～34。為控制等離子體約束區24內等離子體22的壓力，電機35被接成響應於控制器36的輸出信號而垂直地驅動環31～34，從而控制環34與底組件15頂面之間的間距。對於最大壓力，環34的底面置於組件15的頂面。
未電離氣體通過通氣孔組件30從區域24流入室10在環31～34外緣與壁14內周邊之間的環形容積38，被約束於區域24的等離子體被防止入射到壁14。利用接合適真空泵(未示出)的埠40，容積38裡的未電離氣體流過容積38底部的多個埠40，真空泵通常將室10內的壓力保持於1～1000毫乇。
頂電極26是一包括金屬(優選鋁)板42的組件，板42與軸線12同軸並接地，它包括垂直延伸的側緣44與徑向延伸的凸緣46，凸緣46從邊緣44上部延伸，其外徑與環31～34的外徑一樣，故凸緣與環的外周邊垂直直線對準。邊緣44的直徑與環31～34的內徑一樣，故其周邊與環31～34的內周邊垂直直線對準。與軸線12同軸且有與邊緣44相同直徑的石墨盤48拴接板42，使板42底面與盤48頂面鄰接。半導體盤50頂面與軸線12同軸，直徑與石墨盤48一樣，較佳地用本徵矽製成。盤50用合適的粘劑粘合到石墨盤48的底面。
底組件15包括頂面覆有保護性電氣絕緣的氧化物層51的電極18和較佳地用石英製作的介質圓環52。與軸線12同軸的環52具有內周邊圓壁面，當在電極18上安置工件時，其直徑與電極18和工件20直線對準的直徑幾乎一樣。電氣接地的金屬(優選鋁)塗層54覆蓋環52的外圓壁，並從環外壁向裡朝環內壁和工件20周邊表面延伸。導電塗層54的內緣為圓形，與軸線12同軸，同環52內壁隔開。介質層56(優選石英)覆蓋金屬塗層54的側上表面，利用接觸DC接地的金屬塗層54的介質層處於DC接地電位，因而金屬塗層54與介質層56被視為DC接地金屬壁14的延伸部分。
由本徵半導體(優選矽)製成的環58裝在環52頂面，其尺寸和位置做成可插在工件20的外徑與金屬塗層54和介質層56直線對準內緣之間。環58裝在環52上，使環58的外緣鄰接金屬塗層54與介質層56的內緣，在工件被正確地定位在工件支架16上時，環58與工件20的內緣幾乎觸及。由本徵半導體製成的環58為在底電極18與接地電極26之間流動的RF位移電流提供一條通路，接地電極26包括含金屬塗層54與介質層56的延伸部分。然而，環54的本徵半導體材料不為在電極18與26之間流動的DC電流提供導電通路，而且電極26包括該延伸部分，因而基本上無DC電流在金屬塗層54與電極18或工件20之間流過環58兩端。
金屬壁14包括各自徑向向內朝軸線12延伸的上下金屬部60與62，金屬上部60的內緣利用下懸的凸緣64在電氣與機械上接鋁板42，金屬下部62的內緣在電氣與機械上接金屬塗層54。包括開口或通路40的金屬環66與軸線12同軸，用高導電率非磁性金屬如銅或鋁製作。環66具有用金屬帶68接地的下表面，其上表面接金屬下部62與塗層54，故塗層54電阻性(即導電或DC)接DC地並保持與壁14幾乎一樣的DC地電位。
包括金屬上下部60與62的壁14，被視為在低RF頻率(如2MHz)下阻抗較低而在高RF頻率(如27MHz)下阻抗較高的分布參數電感器，故它被看作一個可通過低RF頻率但幾乎阻塞高RF頻率的分布參數低通濾波器。
電路70向電極18同時提供多個RF頻率的功率，RF頻率較佳為2MHz與27MHz，各自主控等離子體20內離子的能量與密度。因此，改變2MHz的功率量可改變等離子體22的離子能量，而改變27MHz的功率量可改變等離子體22的密度。由於室10的配置，相對於27MHz的功率改變2MHz的功率或者與之相反，作為等離子體與2MHz、27MHz電場之間互作用的結果(電極18響應於電路20向其提供的2與27MHz功率而耦入等離子體)，使電極18上建立的DC偏壓產生可控的變化。我們發現，室10的結構能在2和27MHz的相對功率量與電極18的DC偏壓之間實現單調的關係，當2MHz功率量相對於27MHz功率量增大時，電極18的負DC偏壓就增大。因此，控制供給圖1中二極體結構的電極18的2和27MHz的相對功率量，可得出有關類似於三極體結構的結果，而在三極體結構中，在不同的頻率下對頂、底電極分開供動力，室壁接地。
圖1的二極體結構不同於用2與27MHz的功率同時驅動底電極的一般原有技術的二極體結構。在圖1的二極體室10中，向電極18施加的大部分高頻27MHz功率的通路包括電極18和形成金屬塗層54的接地延伸部分，但不包括電極26。與之對照，加給電極18的大部分低頻2MHz功率的通路包括電極18和接地電極26，但不包括金屬塗層54。由於壁在27MHz下有明顯的感抗，故壁14防止了大量27MHz功率到達電極26。壁14的感抗在2MHz時比在27MHz時要小一個數量級以上，故2MHz功率基本上通過壁而循環。電極26與塗層54之間的壁14長度，使壁14在27MHz時的電氣長度為一個波長，在2MHz時的電氣長度小于波長的1/10。
室10對通過等離子體22與半導體環58和介質環52頂面與外側壁上接地塗層54而從電極18耦合到地的2MHz功率，比對通過同一路徑即通過等離子體22、半導體環58與金屬塗層54的路徑而耦合的27MHz功率具有高得多的容抗。可將環58視為具有電容與電阻分量的分布阻抗元件，而等離子體22可被視為主要是分布電阻。等離子體22與約束區24的表面(即工件20頂面、環31～34表面、半導體盤50底面、介質層56頂面與半導體環58頂面)之間有一殼層。電極18的DC偏壓的變化，改變了殼層厚度和與之關聯的電容。可將殼層看作分布阻抗，主要含電容分量。因此，從供電的底電極18流到接地金屬帶68的RF電流，開始通過直接位於底組件15上方的殼層的容抗，再通過電阻性等離子體22。
RF電流流過等離子體22的第一路徑通過直接位於頂電極組件26下面的殼層的容抗，再通過壁14與環66到接地帶68。RF電流流過等離子體22的第二路徑通過底電極18上方的殼層容抗進入電容性與電阻性半導體環58，再經導電層54到帶68。RF電流流過等離子體22的第三路徑通過底組件15上方的殼層容抗進入層56的容抗，再經導電塗層54到帶68。殼層、層56和環58的容抗，對從底電極18流到接地帶68的27MHz電流比對2MHz電流小一個數量級。第三路徑對27MHz激發的阻抗也比對2MHz激發的低，因為環52頂面上導電塗層54區域的作用類似於電容器電極。由於電容器值直接正比於電容器的電極面積，而電容器阻抗反比於加給電容器的頻率與電容器值的乘積，故環52對27MHz比對2MHz具有低得多的阻抗。在27MHz，通過等離子體22、介質環52頂面金屬塗層54與半導體環58從電極18到接地帶68的阻抗，比通過等離子體22、電極26與壁14從電極18到接地帶68的路徑的阻抗低得多。
從實際的試驗中發現，相對於供電電極18的面積增大基本上以約束區24為界的接地電極面積(包括電極26及其含介質環52頂面的金屬塗層54的延伸部分)，由於改變了在2MHz與27MHz下供給電極18的相對功率，明顯增大了DC偏壓控制量。在圖2的實施例中，接地電極與供電電極的面積比為2.7∶1。
在圖示實施例中，電路70包括可變功率2MHz源72和可變功率27MHz源74，它們各自驅動匹配網絡76與78，分別調諧到2MHz與27MHz。混合耦合器80的第一和第二輸入端分別接成響應於匹配網絡76與78的RF輸出，因而耦合器產生的輸出是匹配網絡輸出的線性組合。耦合器80的輸出經耦合電容器82供給電極18，故該電極同時受2MHz與27MHz功率驅動。
匹配網絡76和78各自包括一對可變電抗，其值受控制器36控制。控制器36對探頭(未示出)導出的指示2MHz能量的電壓、電流與相角的信號作出響應，匹配網絡76反射回2MHz源72來控制匹配網絡76的電抗。控制器36對探頭(未示出)導出的指示27MHz能量的電壓、電流與相角的信號作出響應，匹配網絡78反射回27MHz源74來控制匹配網絡78的電抗。網絡76與78和RF源72與74具有足夠高的Qs(品質因數)，可防止可能損傷的27MHz功率對2MHz源72的耦合，並防止可能損傷的2MHz功率對27MHz源74的耦合。RF源72與74供給電極18的相對功率經控制，可獨立地控制等離子體的離子能量和等離子體的離子密度，並控制底電極18的DC偏壓。
現參照圖2，圖示為圖1結構的機械剖視圖。為了稍微增大約束區24內接地上電極26的表面積，石墨盤48與半導體盤50的下表面包括從電極26的中心與外圍部分分別向下伸入區域24的錐形表面80與82，盤48與50包括在錐形表面80與82之間平行於底電極16上表面延伸的平坦表面84。
圖1所示接地電極靠近環52上表面金屬塗層54的延伸部分，在圖2中由粘合於石英環52頂面的金屬(如鋁或銅)環86提供。環86利用若干金屬(如鋁或銅)接線柱88與激發電路70的接地端子電氣連接。接線柱88穿過石英環52中的垂直圓柱，繞環52每隔幾度等距隔開。各接線柱88的上表面在機械與電氣上例如通過焊接與環86下表面接合。各接線柱88的下端在石英環52下表面的下面延伸成接地金屬(如鋁或銅)電氣接觸環90的圓柱側壁呈機械與電氣嚙合，激發電路90的接地端子與電氣接觸環90連接，因而接線柱88與環90起到圖1中環52和金屬帶68上層54的側壁同樣的作用。環90與接線柱88在機械與電氣上連接室壁14水平延伸的金屬板92，金屬板92是圖1的下壁部62與環66的等效物。
半導體環58插在低部供電電極18的外圍與環86內周邊之間，包括兩個互配合的脊段92與94，它們相對徑向隔開而允許熱膨脹。
如圖2所示，壁14包括視窗95。金屬環98在機械與電氣上接壁14與板42，起到圖1中上壁部60的作用。
在一實際構制的具有圖2結構的室10中，盤50的直徑為11.5″，電極51在其鄰接半導體段92的邊緣之間的直徑為7.25″，環86在其內外徑之間的間隔為1″，環58形成的段92與94在其內外徑之間的間隔為0.75″，壁14在窗96處的直徑為12.75″，在電極16與26的平表面之間沿軸線12的間隔為0.375″。這些尺度在約束區域24內得出接地電極與供電電極的面積比為2.7∶1。接地電極面積包括矽盤50底面與金屬環86上表面，供電電極面積包括電極18上表面。
現參照圖3，圖中一系列曲線表示圖2結構相對其它裝置的特性曲線。圖3中，與電極18關聯的DC偏壓是相對電路70供給電極16的27MHz與27MHz功率之比繪製的。
曲線100相對於加到原有技術三極體室的功率比是DC偏壓的單調函數，其中2MHz功率加到底電極，27MHz功率加到頂電極，室壁接地。曲線100有一較大的負斜率，說明通過改變加到頂電極與底電極的功率比，能有效地控制底電極的DC偏壓。換言之，相對於加到頂電極的27MHz功率改變加到底電極的2MHz功率的比率，可有效地改變底電極的DC偏壓。
與之對照，曲線102表示一般原有技術二極體室的性能，其中對底電極同時加2MHz與27MHz功率，頂電極與室壁都接地。曲線102不呈單調，具有極小的斜率，對功率比為負值，其中27MHz功率至少為2MHz功率的二倍。對於27MHz功率量比2MHz功率小二倍的功率比，曲線102具有正斜率。因此，被配置成產生曲線102所示結果的室，不能實現有效的底電極DC偏壓控制。
曲線104和106分別對120毫乇與67毫乇的壓力下圖2中所示室的特性曲線。曲線104與106都是負斜率的單調函數，響應於加到底電極相對的2MHz與27MHz的功率量的變化，足以控制底電極18的DC偏壓。例如，曲線104表明，若對電極18不加2MHz功率而加27MHz的1000瓦，則底電極18的DC偏壓為-590伏。當2MHz功率增大時，使2MHz與27MHz的功率都為1000瓦，則電極18的DC偏壓近-630伏。若2MHz功率再增大，使2MHz功率為2000瓦而27MHz功率為1000瓦，則電極18的DC偏壓再減至近-670伏。當2MHz功率為4000瓦而27MHz功率為1000瓦時，底電極18的DC偏壓就再減至約-725伏。因此，對於具有圖2結構的室，改變在2MHz與27MHz下加到底電極18相對功率量，基本上控制了底電極的DC偏壓，故可獨立地控制等離子體密度與離子能量。對於曲線106所示的67毫乇壓力，結果也相似。
雖已描述和圖示了本發明一特定實施例，但很清楚，可對特定圖示與描述的該實施例的細節作出變化而不違背附如權利要求書所規定的本發明的實際精神與範圍。
權利要求
1.一種等離子體處理器，其特徵在於包括一真空室，所述真空室具有(a)將氣體耦合到該室的埠，(b)對室內氣體加電場的第一電極，(c)與第一電極隔開的第二電極，第二電極處於一DC參考電位，室安排成使氣體在包括電極之間容積的區域內被激發為等離子體；使第一電極對等離子體同時供給不同頻率的電場的電路；該室包括一使不同頻率的功率取完全不同的路徑通過所述區域的結構。
2.如權利要求1所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室結構安排成使大部分第一頻率的功率耦合在第一與第二電極之間，而且防止大部分第二頻率的功率耦合在第一與第二電極之間。
3.如權利要求2所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
4.如權利要求3所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一與第二頻率分別為2MHz與27MHz。
5.如權利要求2所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室結構安排成使大部分第一頻率的功率耦合在第一與第二電極之間，並防止大部分第二頻率的功率耦合在第一與第二電極之間。
6.如權利要求5所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室結構包括一具有區域外通路的分布參數濾波器結構，區域外通路安排成將電流從第二電極耦合到處於參考電位的端子，區域外通路基本上處於DC參考電位，其第一頻率的電氣長度遠遠小於其第二頻率的電氣長度，使區域外通路的第一頻率的阻抗遠遠低於第二頻率的阻抗。
7.如權利要求6所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述區域外通路在第一頻率下的電氣長度是第一頻率波長的幾分之一，區域外通路在第二頻率下的電氣長度接近第二頻率的波長。
8.如權利要求6所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述區域外通路的結構使通路在第一頻率下具有感抗，小於通路在第二頻率下的感抗約一個數量級。
9.如權利要求6所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述分布參數濾波器結構還安排成通過所述區域把第二頻率傳到通路的延伸部分，延伸部分基本上處於DC參考電位，而且相對第二電極更靠近第一電極。
10.如權利要求9所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸部分包括超出第一電極外圍部分的區域，從第一電極到超出外圍部分的區域的電氣耦合安排成讓第二頻率在所述區域內比第一頻率傳得更遠。
11.如權利要求10所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸部分與第一電極用一介質隔開。
12.如權利要求2所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室結構包括基本上處於DC參考電位的延伸結構，第一與第二電極和延伸結構安排成使在第一頻率下加到第一電極的大部分功率不耦合到延伸結構，而使在第二頻率下加到第一電極的大部分功率耦合到延伸結構。
13.如權利要求12所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一與第二電極和延伸結構安排成使大部分第一頻率的功率耦合到第二電極。
14.如權利要求12所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸結構相對第二電極更接近第一電極。
15.如權利要求12所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸結構包括超出第一電極外圍部分的區域，從第一電極到超出外圍部分區域的電氣耦合安排成讓第二頻率在所述區域中比第一頻率傳得更遠。
16.如權利要求12所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸結構與第一電極用介質隔開。
17.如權利要求1所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室結構包括將等離子體基本上約束到所述區域的結構。
18.如權利要求17所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述區域延伸到超出第一電極外圍部分的容積。
19.如權利要求18所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述超出第一電極外圍部分的容積包括(a)允許位移電流流過而防止大量DC電流流動的材料，和(b)超出該材料的外圍部分基本上處於一參考電位的表面。
20.如權利要求19所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述材料包括一本徵半導體。
21.如權利要求19所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述約束等離子體的結構包括多個通氣孔，通氣孔安排成使容積內的氣體能流到區域外的室部分。
22.如權利要求21所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述通氣孔與通氣孔之間的空間由某種材料製作，並排列成使位移電流能從第二電極流到參考電位而防止大量DC電流流動。
23.如權利要求22所述的等離子體處理器，其特徵在，還包括用於控制區域內等離子體壓力的控制器。
24.如權利要求1所述的等離子體，其特徵在於，所述區域延伸到超出第一電極外圍部分的容積。
25.如權利要求24所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述超出第一電極外圍部分的容積包括(a)允許第一與第二頻率下的位移電流流過而防止大量DC電流流動的材料，和(b)超出所述材料的外圍部分處於參考電位的表面。
26.一種操作帶第一電極的等離子體處理器的方法，其特徵在於，包括步驟向第一電極同時提供第一與第二頻率的功率，響應於在第一與第二頻率下供給電極的功率與第一電極附近等離子體之間的互作用而在第一電極上建立一DC偏壓，並通過相對於與一所述頻率的功率關聯的參數改變與另一所述頻率的功率關聯的參數，控制DC偏壓值。
27.如權利要求26所述的方法，其特徵在於，所述與一個所述頻率的功率關聯的參數是在所述第一頻率下供給第一電極的功率量，與第二頻率的功率關聯的參數是第二頻率的功率量。
28.如權利要求27所述的方法，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
29.如權利要求28所述的方法，其特徵在於，所述第一與第二頻率分別為2MHz與27MHz。
30.如權利要求27的方法，其特徵在於，所述處理器包括第二電極，還包括將第一與第二頻率的功率基本上約束到包括第一與第二電極之間的容積的區域，並使加到第一電極的大部分第一與第二頻率的功率在所述區域內具有完全不同的通路。
31.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，所述第一頻率的通路包括第一與第二電極，第二頻率的通路不包括第二電極。
32.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述處理器包括基本上處於與第二電極相同的DC電位且相對第二電極更靠近第一電極的延伸部分，第二頻率的通路包括第一電極與該延伸部分。
33.如權利要求30所述的方法，其特徵在於還包括將等離子體約束到所述區域。
34.如權利要求33所述的方法，其特徵在於還包括控制區域內的等離子體壓力。
35.一種等離子體處理器，其特徵在於包括處理室裡的第一電極；對第一電極同時提供第一與第二頻率的功率的電路，響應於對電極提供的第一與第二頻率的功率與電極附近等離子體之間的互作用而在第一電極上建立的DC偏壓，室和第一與第二頻率經配置，通過相對於與第二頻率的功率關聯的參數改變與第一頻率的功率關聯的參數，造成DC偏壓可控的變化。
36.如權利要求35所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述與第一頻率的功率關聯的參數是所述一個頻率的功率量，與第二頻率的功率關聯的參數是第一頻率的功率量。
37.如權利要求36所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
38.如權利要求37所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一與第二頻率分別為2MHz與27MHz。
39.如權利要求36所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室包括第二電極，並配置成將第一與第二頻率的功率基本上約束到包括第一與第二電極之間一容積的區域，使加到第一電極的大部分第一與第二頻率的功率在所述區域內具有完全不同的通路。
40.如權利要求39所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室(a)包括安排成基本上處於與第二電極相同的DC電壓的延伸部分，和(b)配置成使第二頻率的通路包括該延伸部分。
41.如權利要求39所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述室包括把等離子體約束到包括所述容積的區域的結構。
42.如權利要求41的等離子體處理器，其特徵在於，所述室包括控制區域內等離子體壓力的控制器。
43.如權利要求40所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述延伸部分(a)相對第二電極更接近第一電極，(b)超出第一電極的外圍部分。
44.如權利要求43所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一電極和延伸部分相互用某種材料隔開，該材料能使位移電流通過它，同時防止大量DC電流流動。
45.如權利要求44所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述材料包括本徵半導體。
46.如權利要求41所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述等離子體約束結構包括多個通氣孔，所述通氣孔安排成使區域內未電離氣體流向區域外的室部分。
47.如權利要求46所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述通氣孔和通氣孔之間的空間由某種材料構成，並安排成使位移電流從第二電極流向參考電位而防止大量DC電流流動。
48.一種加工工件的等離子體處理器，其特徵在於，包括導電壁處於DC參考電位的真空室，所述壁的圓形內周邊與室縱軸線同軸，室包括(a)包含圓形工件支架的第一圓電極，第一電極和工件支架與室縱軸線同軸；(b)與室縱軸線同軸的第二圓電極，第二電極包括氣體在室內轉換成等離子體的入口；(c)把等離子體約束到一區域的結構，所述區域包括電極之間容積，並使氣體從該區域向外流出，所述結構安排成基本上防止等離子體入射所述壁；(d)供氣體從所述區域向外流出的出口；所述區域的下邊界包括(i)第一電極，(ii)與室縱軸線同軸的環，和(iii)與室縱軸線同軸的環狀表面，該環狀表面基本上處於DC參考電位；環插在第一電極與環狀表面之間，由某種材料構制，使RF位移電流能在其內流動同時防止導電電流在其內大量流動；和向第一電極同時提供多頻功率的電路；壁導電連接第二電極和環狀表面，在第二電極與環狀表面之間有一長度和電感，使壁對第一頻率設置較低的阻抗而對第二頻率設置較高的阻抗，第二頻率遠遠高於第一頻率。
49.如權利要求48所述的處理器，其特徵在於，所述環狀表面是覆蓋導電件的介質。
50.如權利要求49所述的處理器，其特徵在於，所述環包括本徵半導體。
51.如權利要求50所述的處理器，其特徵在於，所述約束等離子體結構包括多個間隔開的其內周表面與室縱軸線同軸的等離子體約束環，第二電極的一表面形成所述區域的上邊界，各約束環的內周表面基本上直線對準第二電極形成邊界上區域的表面周邊，環狀表面至少延伸到直線對準等離子體約束環內周表面的圓的圓周。
52.如權利要求51所述的處理器，其特徵在於，所述多個間隔的等離子體約束環包括一介質。
53.如權利要求52所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
54.如權利要求53所述的等離子體處理器，其特徵在於，所述第一與第二頻率分別為2MHz與27MHz。
55.如權利要求51所述的處理器，其特徵在於包括一控制器，用於改變約束環的位置，從而改變區域內的等離子體壓力。
56.如權利要求48所述的處理器，其特徵在於，所述室的配置和第一與第二頻率的設置，可相對於與一個所述頻率的功率關聯的參數改變與另一所述頻率的功率關聯的參數，從而響應於在第一與第二頻率下供給第一電極的功率與第一電極附近等離子體之間的互作用，造成建立在第一電極上的DC偏壓的可控變化。
57.如權利要求56所述的處理器，其特徵在於，與所述第一頻率的功率關聯的參數是所述第一頻率的功率量，與所述第二頻率的功率關聯的參數是第二頻率的功率量。
58.如權利要求57所述的處理器，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
59.一種加工工件的等離子體處理器，其特徵在於包括有導電壁的真空室，導電壁的環形內周邊與室縱軸線同軸，該室包括(a)含圓形工件支架的第一圓電極；第一電極和工件支架與室縱軸線同軸；(b)與室縱軸線同軸並與壁第一端導電連接的第二圓電極，第二電極包括讓氣體在室內轉換為等離子體的入口；(c)將等離子體約束到包括電極之間容積的區域並使未電離氣體從該區域向外流出的結構，該結構安排成基本上防止等離子體入射壁；和(d)供氣體從區域向外流出的出口；該區域下邊界包括(i)第一電極，(ii)與室縱軸線同軸的環，和(iii)與室縱軸線同軸的環狀表面，環狀表面與壁第二端導電連接；環插在第一電極與環狀表面之間並由某一材料構成，使RF位移電流在其內流動同時防止導電電流在其內大量流動；和向第一電極同時提供多頻功率的電路；室的配置和所述第一與第二頻率的設置，可相對於與所述第二頻率的功率關聯的參數改變與所述第一頻率的功率關聯的參數，響應於在第一與第二頻率下供給第一電極的功率與第一電極附近等離子體之間的互作用，造成建立在第一電極上的DC偏壓可控的變化。
60.如權利要求59所述的處理器，其特徵在於，與所述第一頻率的功率關聯的參數是所述第一頻率的功率量，與所述第二頻率的功率關聯的參數是第二頻率的功率量。
61.如權利要求60所述的處理器，其特徵在於，所述第一頻率主控等離子體的離子能量，第二頻率主控等離子體的離子密度。
全文摘要
在加工工件的真空室內，等離子體以等離子體約束容積為界，包括同時響應於第一和第二RF頻率功率的第一電極與DC接地第二電極之間的區域。DC接地延伸部分基本上直線對準第一電極。大部分第一頻率功率耦合到包括第一與第二電極但不包括延伸部分的通路，大部分第二頻率功率耦合到包括第一電極和延伸部分但不包括第二電極的通路。改變加到第一電極的第一與第二頻率的相對功率，可控制第一電極的DC偏壓。
文檔編號H05H1/46GK1675737SQ03818710
公開日2005年9月28日 申請日期2003年6月20日 優先權日2002年6月27日
發明者V·瓦荷迪, P·羅文哈德特, B·艾林伯, A·庫西, A·菲謝爾 申請人:拉姆研究有限公司