专利名称：真空等离子体处理器及其操作方法
技术领域：
本发明一般涉及真空等离子体处理器，尤其涉及包括电极阵列的真空等离子体处理器，所述电极阵列具有形成等离子体处理器的底部电极和上部电极的两个以上相互绝缘的电极。
本发明的另一个方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括控制工件局部温度的温差、Peltier效应装置。
本发明的另外的方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括传感器装置和在工件和/或等离子体的不同位置处确定至少一个局部处理参数的一种方法。
本发明的又一个方面涉及一种真空等离子体处理器，用于控制等离子体处理工件的至少一个局部电参数。
本发明的又另一个方面涉及一种真空等离子体处理器，它控制耦合到工件不同位置的等离子体的至少一个局部电参数。
本发明的一个附加方面涉及一种等离子体处理器，它检测相对于具有两个以上相互绝缘电极的吸盘电极阵列的工件位置。
背景技术：
图1和2是两种类型的现有技术真空等离子体处理器的示意图。图1中示出的工件处理器包括真空等离子体处理箱组件10；用于驱动一种电抗器的第一电路12，所述电抗器用于把箱组件10中的可电离气体激励到等离子体状态；第二电路14，用于把RF(射频)偏置施加于箱组件10中的工件夹具；以及控制器配置16，它响应于与箱组件10相关联的各种参数的传感器而得到影响箱组件10中的等离子体的装置控制信号。控制器16包括响应于与箱组件10相关联的各种传感器的微处理器20、以及电路12和14、以及来自例如可以是键盘形式的操作者输入22的信号。微处理器20与包括硬盘26、随机存取存储器(RAM)28和只读存储器(ROM)30的存储器系统24耦合。微处理器20响应于提供给它的各种信号来驱动通常是一般的计算机监视器的显示器32。
硬盘26和ROM 30存储用于控制微处理器20的操作的程序以及与在箱组件10中执行的过程的不同方法相关联的预置数据。不同方法与在不同过程期间施加到箱组件10的气体种类和流动率、包括电路12和14的交流源的输出功率、施加到箱组件10内部的真空以及包括在电路12和14的匹配网络中的可变电抗器的初始值有关。
等离子体箱组件10包括箱40，箱40具有金属、非磁性圆柱形侧壁42和金属、非磁性基座44，它们两者都是电气接地的。把一般是石英的电介质窗口46固定地放置在壁42的顶部边缘。通过合适的接合垫料使壁42、基座44和窗口46相互刚性连接，使在箱40内部建立真空成为可能。例如，配置如同Ogle的美国专利4,948,458或Holland等人的美国专利5,759,280的平面等离子体激励线圈48座落在极接近窗口46的上表面上或中。线圈48，电抗器，电抗性地把通常在诸如13.56 MHz的RF频率处的交变磁场和电场提供给箱40的内部，以把箱中电离的气体激励到等离子体，通过标记号50在图1中示意地示出。在其它配置中，用平行于电极56而延伸的供电的或接地的电极55来代替线圈48，一般位于极接近箱40的窗口46中，如在图2中所示。
基座44的上表面带有夹具，即，用于工件54的夹具52，它一般是一个圆形的半导体晶片或矩形的电介质板，诸如在平板显示器中所使用的。在箱40内部的或通过合适的空中实验室(air lab)耦合到箱内部的机器人臂53对于微处理器20得到的位置控制信号作出响应，以使工件54准确地定位在夹具52上，所以工件和夹具的中心是垂直地对准的。根据用于检测工件54和夹具52的相对位置的位置传感器(例如，光电检测器)，微处理器20得到位置控制信号。夹具52一般包括形成电极(活性单元(reactive element))的金属板56。电极56含有电介质层58并座落在基座44的上表面所含有的电介质层60上。通过从一个合适的源经由电极56中的导管64和凹槽(未示出)把氦提供给电介质层58的下侧以及通过从合适的源(未示出)把液体提供给夹具52中的导管(未示出)而使工件54冷却。在工件54定位在电介质层58上时，直流源66通过开关(未示出)把合适的电压提供给电极56以把工件54箝住，即，钳位在夹具52上。夹具52可以是单极的或双极的。当夹具52是双极的并且设计成与半导体晶片一起使用时，电极56包括有不同直流电压施加在其上的两个或多个同心的、相互绝缘的圆形金属单元。
在工件54在夹具52上紧固到位时，来自一个或多个源68的一种或多种电离气体通过导管70和端口72流到箱40的内部。为了方便起见，所示出的端口72是在侧壁42中，但是可以理解，通常通过进气管(manifold)而使气体分布在箱40的顶部。为了方便起见，在图1中只示出一个气体源68，但是可以理解，通常可以有不同种类的数个气体源，例如，诸如SF6、CH4、C12、HBr之类的腐蚀剂、诸如Ar或He之类的稀释剂(dilutant)以及作为钝化气体的O2。导管70的内部包括阀74以及流速计76，分别用于控制通过端口72流入箱40的气体流速以及测量通过端口72的气体流速。阀74响应于微处理器20得到的信号，而流速计76把表示导管70中的气体流速的一个电信号提供给微处理器。对于在箱40中处理的每个工件54的每个方法步骤，存储器系统24存储表示导管70中所要求气体流速的一个信号。微处理器20响应存储器系统24对于所要求的流速存储的信号以及监测流速计76得到流速以相应地控制阀74。
通过导管80连接到箱40的基座44中的端口82的真空泵80抽空箱的内部到一个合适的压力，一般在一到一百毫托的范围。在箱40内部的压力计86把表示箱40中的真空压力的一个信号提供给微处理器20。对于特定工件处理方法的每个步骤，存储器系统24存储表示箱40内部所要求真空压力的一个信号。微处理器20响应存储器系统24对于每个方法步骤得到的所存储的要求压力信号以及来自压力计86的一个电信号，以提供驱动在导管84中的滑门阀(gate valve)(即，可变的压缩)87的一个电信号，以保持箱40中的压力处于每个方法步骤的设置点或预定值上。
光谱仪90通过响应于等离子体辐射的、以及通过侧壁42上的窗口92耦合到光谱仪90的光能量来监测等离子体50的光辐射。光谱仪90响应等离子体50辐射的光能量并把一个电信号提供给微处理器20。微处理器20响应光谱仪90得到的信号来检测等离子体50正在工件54上执行的过程(蚀刻或沉积)的终点。微处理器20响应光谱仪90得到的信号以及存储器系统24存储的表示与终点相关联的光谱仪输出特征的信号而向存储器提供一个适当的信号来表示已经完成方法步骤。然后，微处理器20响应来自存储器系统24的信号而停止与完成方法步骤相关联的某些活动，并启动在箱40中处理的工件上的新的方法步骤或命令夹具52放开工件54以及把新的工件传送到夹具，接着鼓动另外系列的方法处理步骤。
驱动线圈48的激励电路12包括具有恒定输出功率和一般具有13.56MHz频率的恒定频率RF源100。源100驱动具有电子功率增益控制的功率放大器102，以致放大器的响应时间的数量级为数微秒或更少，即，放大器102的输出功率在数微秒或更少的时间中从第一值变化到第二值。放大器102的输出功率在100和3000瓦之间的范围内。放大器102一般具有50欧姆的输出阻抗，整个阻抗是电阻性的，没有电抗的成分。因此，从放大器102的输出端返回看的阻抗一般通过(50+j0)欧姆来表示，而选择具有50欧姆特性阻抗的电缆106。
对于任何特定方法，存储器系统24存储放大器102的所要求输出功率的一个信号。存储器系统24通过微处理器20把放大器102的所要求输出功率提供给放大器。可以根据存储在存储器系统24中的信号以开环的方式来控制放大器102的输出功率，或放大器102的输出功率可以在闭环反馈的基础上来控制。当放大器102的输出功率改变时，等离子体50的密度相应地改变，如美国专利6,174,450中Patrick等人所揭示。
放大器102的输出功率通过电缆106和匹配网络108驱动线圈48。一般配置成“T”型的匹配网络108包括包含可变电容器112和固定电容器116的两个串联支路以及包含可变电容器114的并联支路。线圈48包括输入端子和输出端子122和124，它们分别连接到电容器112的一个电极和具有接地的第二电极的串联电容器126的第一电极。最好如上述holland等人的专利的共同设计所描述的那样来选择电容器126的值。
最好是步进电机型的电机118和120响应来自微处理器20的信号而控制电容器112和114的值以保持从放大器102的输出端子看到电缆106中的阻抗和从电缆106看到放大器102的输出端子中的阻抗之间的阻抗匹配。因此，对于上述放大器102的(50+j0)欧姆输出阻抗和电缆106的50欧姆特性阻抗，微处理器20控制电机118和120，所以从电缆106看到匹配网络108中的阻抗是尽可能接近(50+j0)欧姆的。
为了控制电机118和120以保持看到放大器132的输出端子中的、以及阻抗放大器132驱动的阻抗的匹配条件，微处理器20响应来自传统传感器装置104的、表示从电缆106看到匹配网络108中的阻抗的信号。另一方面，可以提供传感器，用于得到表示放大器102提供给它的输出端子的功率和由匹配网络108返回到电缆106的功率的信号。一般，传感器装置104包括用于电流和电压幅度和电流和电压之间的相角的检测器。微处理器20按数种已知方式中的一种方式响应传感器装置104得到的检测信号来控制电机118和120以达到匹配条件。
通过电极56把RF偏置提供给工件54的电路14具有某些方面与电路12相似的结构。电路14包括具有恒定输出功率的恒定频率RF源130。源130的输出驱动通过电子控制的可变增益功率放大器132，它实质上具有和放大器102相同的特性。放大器32的输出功率控制工件54附近的等离子体的能量，如美国专利6,174,450中Patrick等人所揭示。放大器132驱动级联的配置，该配置包括定向耦合器134、电缆136和匹配网络138。匹配网络138包括包含固定电感器140和可变电容器142的串联组合的串联支路以及包含固定电感器144和可变电容器146的并联支路。最好是步进电机的电机148和150根据来自微处理器20的信号分别改变电容器142和146的值。
匹配网络138的输出端子152通过使匹配网络138与直流源66的夹具电压隔离的串联耦合电容器154把RF偏置电压提供给电极56。把电路14提供给电极56的RF能量经由电介质层48、工件54和工件和等离子体之间的等离子体层电容性地耦合到最靠近夹具52的部分等离子体50。夹具52耦合到等离子体50的RF能量在等离子体中建立一个直流偏置；直流偏置一般具有50和1000伏之间的值。从RF能量电路14施加到电极52而产生的直流偏置使等离子体中的离子加速到达工件54。如果电极56具有双极型的偏置，则通过匹配网络138的输出端子152并联地驱动多个相互绝缘的金属单元，并且提供适当的阻断电容器，所以在金属单元之间存在直流隔离。
另一方面，RF源130是具有两个或多个源的一种源配置，这些源工作在不同的频率，诸如4.0MHz、13.56MHz和27.1MHz。源130把这些不同的频率同时通过不同的功率放大器、定向耦合器、电缆、传感器和匹配网络而提供给电极56。较低频率导致在工件54邻近处的等离子体中的离子能量增加，而较高频率导致在工件54的邻近处的等离子体中的离子密度增加。
微处理器20响应通过已知的传感器配置139得到的、表示从电缆136看到匹配网络138中的阻抗的信号，以控制电机148和150以及电容器142和146的值，其方法相似于上述关于控制匹配网络108的电容器112和116所描述的相似。
对于每个过程方法步骤，存储器系统24存储通过定向耦合器134耦合到电缆136的净功率的设置点信号。通过定向耦合器134耦合到电缆136的净功率等于放大器132的输出功率减去从负载和匹配网络138通过电缆136反射回连接到电缆136的定向耦合器134的端子的功率。存储器系统24把与电路14相关联的净功率设置点信号提供给微处理器20。微处理器20还响应定向耦合器134提供给功率传感器配置141的输出信号。传感器配置141得到表示放大器132的输出功率和通过电缆136向放大器132的输出端子反射回来的功率。
微处理器20响应设置点和传感器配置141得到的测量信号(所述测量信号表示放大器132的输出功率和反射回放大器132的功率)以控制放大器132的功率增益以及等离子体能量。也动态地改变放大器132的输出功率，当通过存储器系统24的命令在一种方法中改变时，作为时间的函数。把输出功率中的动态变化存储在存储器系统24中，并控制放大器132的功率增益。
一般是只读存储器的存储器系统24的单元中之一存储预编程的值，用于在等离子体50处理工件54的一个方法步骤期间控制放大器102和/或132的输出功率。从而预编程的值控制线圈48和/或电极56提供给箱40中的等离子体50的功率量，使线圈48和/或电极56提供给等离子体的功率根据预编程的预定功能作为时间的函数而变化。
在现有技术中，处理器的一个问题是在邻近工件54处的等离子体中的离子在工件的不同局部位置处具有不同的能量和密度。此外，工件的不同局部位置处经常会有温度变化。因此，当为了蚀刻目的而使用现有技术处理器时，工件54的不同部分的蚀刻是不同的，以及当为了沉积的目的而使用处理器时，在工件的不同部分所沉积的材料量是不同的。在处理工件的不同局部部分中，当在减少处理的不同变化的方面已经作出相当大的改进时，仍存在问题。
Dhindsa的美国专利5,740,016揭示一种配置，其中在等离子体处理箱中的工件涉及工件的不同局部部分具有不同温度的问题。‘016专利通过提供多个Peltier效应型的热电模块与在真空处理箱中的工件夹具进行热传导接触来对付这个问题。连接到多个热电模块的电源(current supply)接口把控制电流提供给模块以控制工件夹具的温度以及在工件处理期间在工件上提供所要求的温度分布。‘016专利假定工件的不同部分始终具有相同的相对温度分布。控制器存储表示不同工件部分的相对温度分布的信号。用于整个工件温度控制的单个传感器控制控制器提供给热电模块的信号的电平。因此，如果对于一个特定情况，工件的不同部分始终具有相同的相对温度分布的假定是不正确的，则‘16专利揭示的方法不可能提供工件的最优化温度控制。
因此，本发明的目的是提供一种新的和改进的等离子体处理器和操作等离子体处理器的方法。
本发明的另一个目的是提供一种新的和改进的等离子体处理器设备和方法，用于对耦合到正在处理的工件的等离子体的离子能量和/或离子密度提供更大的均匀性。
本发明的另外的目的是提供一种新的和改进的、用于等离子体处理器的电极装置，它使工件能按如此的方式进行处理，即耦合到正在处理的工件的等离子体的离子能量和/或离子密度具有更大的均匀性。
本发明的又一个目的是提供一种新的和改进的等离子体处理器设备和方法，用于检测和控制与正在处理的工件有关的局部温度。
本发明的再另外的目的是提供一种新的和改进的等离子体处理器设备和方法，用于对耦合到正在处理的工件的等离子体的离子能量和/或离子密度提供较大的均匀性，同时对所处理的工件提供较大温度均匀性。
本发明的再又一个目的是提供一种新的和改进的、用于等离子体处理器的电极装置，它使工件能按如此的方式进行处理，即，所处理的工件具有较大的温度均匀性。
本发明的再另一个目的是提供一种新的和改进的、用于等离子体处理器的电极装置，所述电极装置使耦合到正在处理的工件的等离子体的离子能量和/或离子密度有较大的均匀性，同时对所处理的工件提供较大温度均匀性。
本发明的再另一个目的是提供一种新的和改进的等离子体处理器设备和方法，用于使工件定位在工件夹具上而无需使用专用的位置传感器(transducer)。
发明概要根据本发明的一个方面，传感器装置检测真空等离子体处理器的AC(交流)等离子体的不同局部部分的电特性，其中处理器包括用于把真空箱中的气体激励到AC等离子体的一个电抗器。传感器装置得到表示所检测电特性的信号。
根据本发明的另一个方面，控制真空等离子体处理器的AC等离子体的不同的局部电特性。所控制的电特性一般是等离子体密度、等离子体能量和/或耦合到电极阵列的等离子体阻抗。在一个较佳实施例中，根据传感器装置得到的、表示所检测电特性的信号来控制AC等离子体的不同的局部电特性。在本发明的另一个实施例中，根据存储器存储的信号进行这种控制，其中在通过受控制的等离子体处理当前处理的工件之前收集存储器存储的信号。
根据本发明的又一个方面，通过检测工件上不同的局部部分的温度来控制在箱中的工件夹具上的工件的不同的局部部分的温度特性。最好根据在工件的不同的局部区域所检测的温度通过Peltier效应型的独立的热电装置来提供工件不同的局部部分的温度特性控制。
在较佳实施例中，相互电气绝缘的电极阵列作为手段来提供等离子体电特性和/或工件温度的控制。可以在工件夹具中提供这种电极阵列，或作为在用于把AC等离子体激励能量耦合到箱中的气体的箱的顶部处的一个电抗器来提供这种电极阵列。当工件夹具中包括电极时，电极把AC功率提供给等离子体，并且可以安排成提供对于工件的静电夹持和/或形成每个热电装置的一部分，和/或相对于工件夹具的工件位置传感器的一部分。最好AC源装置驱动电极中的每一个，以致用具有不同频率和/或幅度的AC功率来向阵列中的不同电极供电。最好把阻抗匹配网络连接在每个电极和AC源装置的AC源之间。根据AC源和特定阻抗匹配网络驱动的负载(即，连接到阻抗匹配网络的电极和该电极驱动的等离子体负载)之间的阻抗匹配程度的指示来控制匹配网络的电抗。驱动特定电极的AC功率的频率和/或幅度受到等离子体中的功率和/或该电极的负载阻抗控制。
特别，在连同附图研究本发明的特定实施例的下述的详细说明之后，本发明的上述的和再进一步的目的、特征和优点将更为明了。
附图简述如上所述，图1和2是分别包括等离子体激励线圈和顶部等离子体激励电极的现有技术等离子处理器的示意图；图3是根据本发明的较佳实施例的电极阵列的一个实施例的正视图，其中阵列包括三个相互绝缘的、同心的圆形电极，它们可以代替图1的电极56或图2的电极55；图4是用于驱动图3的阵列的装置的部分示意性电气图，并且示意地包括用于控制工件的局部温度的热电装置的模型；图5是根据本发明的较佳实施例的电极阵列的第二实施例的正视图，其中阵列包括具有安排成相互以直角延伸的一对条子的矩形形状的电极，其中在与工件夹具中心对准的一个点上，所述条子相交；以及图6是根据本发明的较佳实施例的电极阵列的第三实施例的正视图，其中电极具有矩形形状，而且安排成行和列的矩阵。
较佳实施例的详述现在参考附图中的图3，其中所示出的电极阵列200包括相互绝缘的电极202、204和206。电极202、204和206中的每一个与电极阵列200的中心208是同心的，并具有圆形的外围，以致电极202的形状如同一个圆，而电极204和206中的每一个的形状是一个环。形状为环的电绝缘物210把电极202的外围连接到电极204的内圆周，而环形的电绝缘物212把电极204的外围连接到电极206的内圆周。一般的电极202和204的半径分别是电极206外部半径的三分之一和三分之二。
与箱40一起使用圆形外形的电极阵列200来处理诸如半导体晶片之类的圆形工件。如果使用箱40来处理诸如用于平板显示器的玻璃衬底之类的具有矩形外形的工件，则在该情况下，箱具有矩形的而不是圆形的外形，用具有矩形形状的阵列来代替圆形阵列200。
可以使用电极阵列200作为图2的顶部电极55，和/或作为图1和2的底部电极56。当使用电极阵列200作为顶部电极55时，(1)电极206的外圆周的尺寸比箱40的内部尺寸稍小；(2)通过具有不同幅度和/或频率的AC功率来驱动电极202、204和206；以及(3)由诸如铜或铝之类的金属或半导体材料来形成电极，如Collins等人的美国专利6,077,384，或共同受让的、Ni等人2000年10月13日提出的未定申请，S.N.09/689,616，“Etch Chamber WithHybrid Plasma Source”所揭示。
当使用电极阵列200作为底部电极56时，外圆周206的尺寸和工件54的外围尺寸相同，而电极202、204和206中的每一个都由金属(最好是铜)构成。当把工件54正确地定位在夹具56上时，对准阵列200和工件的中心。底部电极56的电极202、204和206形成双极型静电夹具，因此通过具有足够幅度的直流电压来驱动，以把工件54钳位在工件夹具52上。底部电极56的电极202、204和206还通过可以具有不同幅度和/或频率以在底部电极上建立直流偏置电压的AC功率来驱动。此外，底部电极56的电极202、204和206可以是Peltier效应型的热电装置的一部分。在这种情况中，电极202、204和206的每一个包括至少一个径向延伸的缝(未示出)，以致使每个缝的平行的、拉长的对立的边缘为了直流的目的而相互电气绝缘。在每个峰的边缘处的每个电极202、204和206的部分包含诸如碲化铋之类的半导体，当连接到形成电极的金属时展现出热电特性。
现在参考附图的图4，当夹具52中包括阵列200时用于驱动电极202、204和206的电路的示意图。为了便于表示，图4中示出的电极202、204和206是矩形板，但是可以理解，可以如上联系图3所讨论那样来配置电极。为了提供与图1的一致性，电极202、204和206紧接在电气绝缘板58之下，电气绝缘板58具有足够高的热传导率，所以板上实质上存在恒定的温度，该板最好是由云母制成以得到这个结果。通过所连接的直流电源214和216的效力，电极202、204和206通过静电把工件54钳位在电气绝缘板58的上表面上的位置上，以致电源214的负电极和正电极分别连接到电极202和204，而电源216的负电极和正电极分别连接到电极204和206。把直流电压表217和219连接在电极202、204和206之间，致使电压表217连接在电极202和204之间，而电压表219连接在电极204和206之间。电压表217和219有效地监测电极202、204和206分别施加于电极上的工件54的区域中的静电钳位力。因为箱40、夹具52和工件54的对称特性，所以表217和219监测到的电压差表示工件54相对于电极202、204和206的相对位置。表217和129把表示表所检测到的电压的信号提供给微处理器20。微处理器20响应这些电压以得到表示工件相对于工件夹具(即，夹具)52的位置的信号。
微处理器20响应位置表示信号来驱动机器人臂53以对工件54的中心定位使之垂直对准夹具52的中心。因为定位操作分辨率是夹具52的阵列中的电极数目的函数，所以诸如图5和6所示的、比图3的三电极阵列包括更多电极的阵列使工件以更大的准确度定位而不需要特殊的位置传感器。在某些情况中，可能不必要以较大的准确度来对件57进行定位，因为直流电压表使微处理器20能够确定工件位置。根据高分辨率位置微处理器20从图6阵列的输出的检测，可以通过对在工件夹具52的阵列中的、或箱40的顶部阵列中的电极进行合适的加电，来提供工件上的局部等离子体参数的控制。直流电压表得到的信号促进电子机器的维修和设置，因为系统可以教导它自己工件在哪里，因此不需要服务工程师化费宝贵的停机时间来执行定标测试。在具有低平均维修时间要求的高容量处理器设施中，这是优点。
热电型的(即Peltier效应型的)温度控制器220、222和224分别对在电极202、204和206上的工件区域中的工件54提供局部温度控制。温度控制器220、222和224中的每一个包括P-型半导体结构226和N-型半导体结构228，把它们安装在电极202、204和206上，或安装在邻近每个缝边缘处，如上所述。可以由诸如碲化铋、锑化铟、铟砷化镓之类任何合适的材料构成半导体结构226和228。温度控制器220、222和224的半导体结构226和228以及电极202、204和206分别通过热连接到紧接在电极202、204和206上的工件54的局部部分；即，在温度控制器和紧接在每个温度控制器的电极上的工件之间存在热传递的关系。
每个温度控制器220、222和224包括直流电源230和响应温度传感器234得到的、表示温度的电压的直流电压控制器232。温度传感器234响应与包括特定温度传感器的温度控制器相关联的电极202、204和206直接上面的工件54部分的局部温度。温度传感器234可以是嵌入绝缘板58中的热敏感单元，或可以包括有一端嵌入板58中的光纤单元和耦合到光纤单元的另一端的热辐射敏感单元的组合。
可以是独立单元或可以包括在微处理器20中的电压控制器232响应温度传感器234得到的信号以控制施加在半导体结构226和228上的直流电压的幅度和极性。如果希望把工件54的局部温度控制到与每个温度控制器220、222和224相关联的设置点值，则电压控制器232响应设置点值以及温度传感器234指示的温度，以改变施加在半导体结构226和228上的直流电压的幅度和极性。例如，如果特定温度传感器234指示的温度超过设置点，则电压控制器232使正电流流入P-型结构226，使邻近该特定传感器的工件54部分冷却。相反，如果特定温度传感器234指示的温度小于设置点，则电压控制器232使正电流流入N-型结构228，使邻近该特定传感器的工件54部分加热。
如果在微处理器20中包括控制功能，则把温度传感器234得到的信号提供给微处理器。在这种情况中，微处理器20控制直流电源230提供给半导体结构226和228的电压。微处理器响应来自温度控制器220、222和224的温度传感器234的信号，并可以把它们组合而得到在温度传感器所监测的工件的三个局部部分处的工件54的温度的平均值。微处理器响应平均温度值和与每个温度控制器220、222和224相关联的传感器指示的温度值，以控制电压控制器232提供给独立的热电装置的半导体结构226和228的直流电压的幅度和极性。
在图4中示出的剩余的电路是关于在工件的整个区域上使工件54的等离子体处理实质上保持均匀。为了这个目的，当阵列200是夹具52的一部分时，在图4中示出的剩余电路，结合通过微处理器20的处理以及存储在存储器系统24中的信号，有效地控制等离子体50的电特性，所述等离子体50是邻近分别在电极202、204和206上面的工件54的局部部分的。当阵列200代替图2的顶部电极55时，也可以使用图4中示出的剩余电路来驱动电极阵列200。在这种情况中，在图4中示出的剩余电路提供对于等离子体50的不同部分的局部控制，所述等离子体50是邻近分别在电极202、204和206下面的顶部电极55的局部部分的。
在图4中示出的剩余电路包括包含两个或多个RF源的AC源装置240，尤其是4.0MHz源242、13.56MHz源244和27.1MHz源246。源242、244和246的输出驱动具有微处理器20得到的控制输入信号的开关阵列248。来自微处理器20的控制信号激励开关阵列248，以致把源242、244和246的输出选择地施加于最终驱动电极202、204和206的网络。微处理器20响应表示等离子体阻抗和每个电极202、204和206的独立的等离子体功率负载的信号，以确定在独立耦合到每个电极的等离子体负载的离子中的密度和能量。另一方面，存储器系统24的ROM 30和/或硬盘26存储(1)对于在工件54上通过等离子体50执行的特定方法步骤，表示每个电极202、204和206的独立负载的阻抗的信号，或(2)表示等离子体的不同局部区域中所要求能量的信号。在两种情况中，微处理器20响应所存储的信号来控制独立耦合到每个电极202、204和206的等离子体负载的离子中所要求的密度和能量。
微处理器20响应独立耦合到每个电极202、204和206的等离子体的离子中所确定和所要求的密度和/或能量来得到用于控制开关阵列248信号。如果希望与阵列200的电极中的一个特定电极耦合的等离子体具有高能量，则微处理器20激励开关阵列248，以把4.0MHz源242的输出提供给如此的一个电极。如果希望与阵列200的电极中的另一个电极耦合的等离子体具有低能量，则微处理器20激励开关阵列248，以把13.56MHz源244或27.1MHz源246的输出提供给如此的一个电极。因此，微处理器20可以激励开关阵列248以致把来自源装置240的不同频率同时提供给阵列200的不同电极。因此，例如，具有4.0MHz和13.56MHz频率的RF功率分别同时驱动电极202和204。这使耦合到工件54的不同局部部分的等离子体能量的局部控制成为可能。
如果在箱40的不同部分中的等离子体具有会有不同能量的一种趋势，以及要求耦合到工件54不同部分的等离子体具有实质上相同的能量，则微处理器20控制开关阵列248来得到这种结果。另一方面，如果要求耦合到工件54不同部分的等离子体具有实质上不同的能量，则微处理器20控制开关阵列248来得到这种结果。
微处理器20还可以控制开关阵列248来控制同时耦合到工件54的不同局部部分的等离子体的密度。如果要求耦合到阵列200的电极中的第一电极上面的工件54的第一部分的等离子体密度大于耦合到阵列200的电极中的第二电极上面的工件54的第二部分的等离子体密度，则微处理器20激励开关阵列248，以致来自13.56MHz源224或27.1MHz源246的相当高的频率驱动第一电极，而来自4.0MHz源242的低频率驱动第二电极。
还可以通过改变施加到阵列200的电极中的每个电极的RF功率来控制等离子体的不同局部部分中的等离子体能量。为了这个目的，把RF提供给电极202、204和206的开关阵列248的三根输出引线分别驱动可变功率增益放大器250、252和254。微处理器20根据存储器系统24的ROM 30或硬盘26提供给微处理器的信号或根据提供给微处理器的表示等离子体各个负载电极202、204和206中的功率的信号来控制功率放大器250、252和254的增益。微处理器20对表示与电极202、204和206中的每个电极相关联的信号的功率在时间上积分，以提供每个独立的电极分别负载的等离子体中的能量的量度。
功率放大器250、252和254得到分别通过电路256、258和260施加到电极202、204和206的RF输出功率。因为电路256、258和260中的每一个是相同的，所以只描述电路256就足够了。
电路256包括具有一个输出端的定向耦合器262，该输出通过电路266和传感器装置268驱动匹配网络264。传感器装置268响应通过匹配网络264反射回放大器250的电流和电压而得到表示所反射电压和电流的幅度以及所反射电压和电流之间的相角的信号。定向耦合器262具有第二输出端，该输出驱动传感器装置270。传感器装置270响应放大器250的输出端处的电流和电压，以得到表示在放大器的输出端处的电压和电流的幅度以及在放大器的输出端处的电压和电流之间的相角的信号。
传感器装置268和270把它们得到的信号提供给微处理器20，微处理器20响应传感器的输出信号以及存储器系统24存储的信号，以得到表示等离子体负载电极202的电参数的信号、耦合到电极202的等离子体的反射功率以及用于匹配网络264中的可变电抗的值的控制信号。等离子体负载电极202的电参数一般是电极电压、电极电流的幅度以及电极电压和电流之间的相角的量值。微处理器20还响应传感器装置268和270的输出信号以及存储器系统24存储的信号以得到表示放大器250的输出阻抗和耦合到电极202的负载之间的阻抗匹配程度的信号。表示放大器250的输出阻抗和耦合到电极202的负载之间的阻抗匹配程度的信号使微处理器20能够得到用于匹配网络264中的可变电抗的值的控制信号。以与图1中电机148和150控制匹配网络138的电容器142和146相似的方式，把用于匹配网络264中的可变电抗的值的控制信号提供给控制匹配网络264的可变电抗的电机272和270。
微处理器20响应传感器装置268和270的输出信号以确定等离子体负载电极202的功率(P)和阻抗(Z)，根据P＝|V|·|I|cosφ (公式1)以及Z=|V||I|tan-1φ]]>(公式2)其中|V|＝所检测电压的幅度；|I|＝所检测电流的幅度；φ＝所检测电压和电流之间的相角微处理器20对通过公式1确定的功率值进行积分以确定等离子体负载电极202的能量，根据1T2-T1∫T1T2Pdt]]>(公式3)其中T1和T2是每个积分周期的边界。
微处理器20响应根据公式1、2和3确定的功率、阻抗和能量值来控制增益，因此而控制了放大器250的输出功率和/或通过开关阵列248提供的RF源242、244和246以及电极202之间的连接。
匹配网络264的输出通过阻断电容器271而驱动电极202。电容器271阻止夹具电源214和216的直流电压以及热电控制器220、222和224的电源230的直流电压耦合到匹配网络264。
可以使用与AC源装置240、开关阵列248和放大器250、252和254组合的网络256、258和260作为如上所述的闭环控制，或可以用于收集存储在存储器系统24的ROM 30和硬盘26中的数据，用于放大器的增益和开关阵列的接着的开环控制。当网络256、258和260收集用于接着的开环控制的数据时，对于通过开口72流入箱40的气体以及施加于箱40的真空的物质和流速存在极精确的控制。收集在这些条件下的许多工件54的数据。对数据进行统计分析以确定开关阵列的适当的连接以及放大器250、252和254的增益，在相应于当气体中和泵80施加于箱40的真空中的物质和流速存在极精确控制的条件下，用于接着的开环操作。
图5是根据本发明的电极阵列的第二较佳实施例的电极阵列300的顶视图。电极阵列300的特定的示意实施例是用于与圆形工件的连接的，但是应该理解，可以把相似的原理应用于矩形工件。
阵列300包括相互电气绝缘的独立电极的两个直条子302和304，致使条子302和304分别包括电极311-316和321-326，而电极328是两个条子公用的。条子302和304相互成直角，并在阵列的中心点306处相交，当把工件正确地定位在夹具52上时，该中心点与工件的中心对准。条子302和304的电极具有矩形形状，并且与工件54的相应的模子(die)对准，以致电极在模子的直接下面。工件54的模子是要切割以形成集成电路芯片的工件区域。
阵列300还包括电极331、332、333和334，每个电极的形状为园的一个扇区，所述园的直径等于工件54的直径，并且当把工件正确地定位在夹具52上时，中心336与工件的中心对准。每个电极331、332、333和334包括相互成直角以及平行延伸到条子302和304的边缘的一对边缘，致使，例如，扇区331的边缘平行于电极311-313的边缘，以及电极321-323的边缘。电介质条子338提供阵列300中的相邻电极对之间的相互电气绝缘。
通过相似于网络256、258和260的网络把条子302和304的电极中的每一个电极连接到相似于源装置240的AC源装置、连接到相似于开关阵列248的开关阵列、以及连接到相似于功率放大器250、252和254的独立的放大器。此外，最好使条子302和304的电极中的每一个电极与相似于温度传感器234的温度传感器和相似于热电温度控制器220、222和224的热电温度控制器相关联。由于相对于阵列200的电极面积，条子302和304的电极面积较小，所以对于耦合到工件54的等离子体能量和密度以及工件温度，阵列300可以提供比阵列200可以得到的更准确的控制。
微处理器20响应电压、电流和相角传感器得到的条子302和304的电极的信号，以确定相似于AC源装置240的源装置施加到电极331-334的功率和频率的适当的值。此外，可以使用相似于控制器220、222和224的热电控制器来控制电极331-334的温度。
图6的电极阵列400包括相互电气绝缘的电极402的行和列的矩阵。电介质条子404延伸在电极402的相邻对的边缘之间，以提供电极之间的电气绝缘。阵列400的各个电极具有与工件54的模子对应的大小和形状。当把工件54正确地定位在夹具52上以致工件的中心与阵列400的中心对准时，阵列400中的各个电极与工件的模子对准。另一方面，电极402可以具有与工件54的子模子对应的大小。
微处理器20响应电压、电流和相角传感器得到的电极402的信号，以确定相似于AC源装置240的源装置施加到电极402的功率和频率的适当的值。此外，可以使用相似于控制器220、222和224的热电控制器来控制电极402的温度。
在这里已经描述和示出本发明的特定实施例时，可以清楚，可以作出对于特别示出和描述的实施例的细则中的改变而不偏离所附的权利要求书中定义的本发明的真正精神和范围。例如，因为箱40以及箱40中的等离子体的对称特性，通常可以假定耦合到工件54的一个象限的等离子体与耦合到工件的其余象限的等离子体相似。因此，一旦微处理器20确定用于驱动图5的扇区331的正确信息，就可以使用相同的信息来驱动扇区332、333和334。由于在工件处理期间得到的详细信息，特别是用电极阵列300或400，免除了再蚀刻以从工件慢蚀刻区域清除桁条(stringer)的必要；桁条是本技术领域经常使用的术语，用于表明没有恰当蚀刻的极窄的线条。
权利要求
1.在保持真空和供给电离而形成等离子体的处理气体的箱中，使工件保持在箱中的工件夹具上而用等离子体处理工件的一种方法，所述方法包括检测等离子体的不同局部部分的至少一个电特性，以及得到表示在等离子体的不同局部部分处检测到的至少一个电特性的信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据得到的信号控制所述等离子体不同局部部分处的等离子体的特性。
3.在保持真空和供给激励而形成等离子体的处理气体的箱中，使工件保持在箱中的工件夹具上而用等离子体处理工件的一种方法，所述方法包括控制等离子体的不同局部部分的至少一个电特性。
4.在保持真空和供给电离而形成等离子体的处理气体的箱中，使工件保持在箱中的工件夹具上而用等离子体处理工件的一种方法，所述方法包括检测工件的不同局部区域处的温度，以及响应工件的不同局部区域处的温度来独立地控制工件的不同部分处的温度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括控制所述等离子体的不同局部部分的至少一个电特性。
6.如权利要求1-5中任何一条所述的方法，其特征在于，把所述所检测的和/或所控制的特性与夹具上的所述工件的不同局部部分相耦合。
7.如权利要求1-3、5或6中任何一条所述的方法，其特征在于，所述所检测的电特性是等离子体的阻抗和/或功率。
8.如权利要求1-3或5-7中任何一条所述的方法，其特征在于，所述电特性是离子能量。
9.如权利要求1-3或5-8中任何一条所述的方法，其特征在于，通过同时把不同量的AC电功率施加于所述等离子体的不同局部部分来控制所述电特性。
10.如权利要求1-3或5-9中任何一条所述的方法，其特征在于，通过同时把不同频率的AC电功率施加于所述等离子体的不同局部部分来控制所述电特性。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，从一个源装置得到所述AC电功率，并且进一步包括建立所述源装置和所述等离子体的不同局部部分之间的阻抗匹配。
12.如权利要求1-11中任何一条所述的方法，其特征在于，所述箱包括电极和/或检测器的阵列，控制和/或检测步骤是连同所述电极和/或检测器的阵列一起执行的。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，通过检测所述电极和/或检测的负载来检测和/或控制权利要求1-3和5-11中任何一条的特性。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括根据所述所检测的电特性来控制同时提供给阵列的所述不同电极的所述不同量的AC功率。
15.一种真空等离子体处理器包括用于执行权利要求1-14中任何一条的过程的装置。
16.用于处理工件的一种真空等离子体处理器包括真空箱，所述真空箱具有气体输入端口、真空端口、工件夹具、把箱中气体激励成等离子体的电抗器、工件夹具包括相互电气绝缘的电极的阵列，用于把电场提供给夹具上的工件，与绝缘电极耦合的传感器装置根据提供给工件的电场来检测工件相对于工件夹具的位置。
17.用于处理工件的一种真空等离子体处理器包括真空箱，所述真空箱具有气体输入端口、真空端口、工件夹具、把箱中气体激励成等离子体的电抗器、工件夹具包括相互电气绝缘的用于把电场提供给等离子体的电极阵列，AC源装置，以及用于使AC源装置把不同功率施加于阵列中的独立电极的电路。
18.如权利要求17所述的真空等离子体处理器，其特征在于，电极把电场提供给工件夹具上的工件，与绝缘电极耦合的传感器装置根据提供给工件的电场检测工件相对于工件夹具的位置。
19.如权利要求16或18所述的真空等离子体处理器，其特征在于，进一步包括一种机构，用于使工件定位在连接成响应于传感器装置的工件夹具上。
20.用于处理工件的一种真空等离子体处理器包括真空箱，所述真空箱具有气体输入端口、真空端口、把箱中气体激励成等离子体的电抗器、工件夹具、工件夹具包括安排成与等离子体耦合的、相互电气绝缘的电极的阵列，以及与所述电极中的不同电极存在热传递关系的独立的热电装置。
21.如权利要求16-20中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电极是相互同心的。
22.如权利要求21所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电极具有是同心圆的外围边缘。
23.如权利要求16-20所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电极具有矩形形状，并包括相互成直角而延伸的一对条子，所述条子在与工件夹具的中心对准的区域处相交。
24.如权利要求23所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述条子是包括在行和列的矩阵中的。
25.如权利要求16-24中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，当处理时，所述工件包括多个模子，当使所述工件恰当地定位在所述工件夹具上时，把所述电极安排成与所述工件的多个模子个别地对准或集中地对准。
26.如权利要求20所述的真空等离子体处理器，其特征在于，进一步包括控制器，用于与所述电极中的不同电极存在热传递关系的独立的热电装置，所述控制器包括温度传感器，用于工件夹具上的工件的不同局部区域。
27.如权利要求20或26所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述热电装置包括金属部分，至少某些所述电极包括所述热电装置的金属部分。
28.如权利要求16-27中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，安排至少某些所述电极用于提供钳位工件使之在工件夹具上定位的静电力，以及直流电源装置，用于把直流钳位电压施加于安排成提供钳位所述工件的静电力的所述电极。
29.如权利要求20或26-28中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，进一步包括AC源装置以及耦合在AC源装置和所述电极之间的电路，用于把所述功率从所述AC源装置提供给所述电极。
30.如权利要求17-29中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电路包括多个匹配网络，安排所述多个匹配网络中的各个匹配网络，用于把来自AC源装置的功率耦合到所述电极中的独立的电极，以致安排成使功率从AC源装置通过匹配网络中的第一网络耦合到所述电极中的第一电极，以及通过匹配网络中的第二网络耦合到所述电极中的第二电极。
31.如权利要求30所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述匹配网络的每一个包括多个可变电抗器，并且进一步包括用于匹配网络的所述电抗器的控制器，安排所述控制器用于调节所述匹配网络的电抗器，使AC源装置的RF源和与包括通过匹配网络驱动的电极的、匹配网络耦合的负载之间的阻抗匹配。
32.如权利要求16-31中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述控制器包括用于耦合到阵列中的各个电极的局部等离子体的电参数的传感器装置。
33.如权利要求17-32中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，安排AC源装置，用于同时得到不同的频率，安排所述电路，用于同时从AC源装置把不同的频率耦合到所述阵列中的独立的电极，以致所述阵列中的第一电极只响应于所述源装置的第一频率，而所述阵列中的第二电极只响应于所述源装置的第二频率。
34.如权利要求33所述的真空等离子体处理器，其特征在于，安排所述电路，用于同时从AC源装置把不同量的AC功率耦合到所述阵列中的独立的电极。
35.如权利要求17-34中任何一条所述的真空等离子体处理器，其特征在于，进一步包括控制器，用于把AC源装置的频率和/或功率量提供给所述阵列中的电极，所述控制器包括传感器装置，用于把AC等离子体的电特性独立地耦合到所述电极中的每一个电极，安排所述控制器响应传感器装置，以致通过传感器装置检测到的AC等离子体的电特性来确定独立地耦合到所述电极的频率和AC功率量。
全文摘要
真空等离子体处理器包括形成等离子体处理器的底部电极或顶部电极的具有多个相互绝缘的电极的电极阵列。当电极阵列是底部电极的一部分时，阵列中的电极是响应于局部温度传感器的、热电的、Peltier效应型装置的部分以及是静电夹具的部分。热电装置控制工件的局部温度和钳位电压，所述钳位电压表示工件相对于包括电极的工件夹具的位置。把阵列中的电极耦合到电路，用于确定和/或控制在工件和/或等离子体的不同位置处的至少一个局部等离子体电参数。电路同时把具有不同频率日功率电平的RF功率提供给阵列中的不同电极，并包括连接到阵列中的不同电极的独立的匹配网络。
文档编号H01J37/32GK1608317SQ02809654
公开日2005年4月20日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年3月30日
发明者G·恩尼斯 申请人:拉姆研究有限公司