具有响应多个rf频率的等离子体处理器的制作方法

专利名称：具有响应多个rf频率的等离子体处理器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及在等离子体处理腔中用等离子体处理工件的装置，尤其涉及具有 相连的单个电极、以响应于若干(即三个以上，但并不是很多)频率上电能的处理器。
背景技术：
众所周知，将两个不同频率的等离子体激励场施加到真空腔区域用于等离子体处 理工件，其中将该区域耦合于气体则该场转变成处理等离子体。工件通常是半导体晶片、 或电介质板，且等离子体涉及在工件上形成集成电路结构元件。高频RF功率(具有超过 约10MHz的频率)通常控制等离子体的密度，即等离子体通量，同时具有低频至中频(在 100kHz至约10MHz的范围内)的RF功率通常控制等离子体中离子的能量并入射到工件上。 这些处理器中的受激等离子体通常对工件进行干蚀刻，但是在一些情形中导致材料沉积在 工件上。通常AC等离子体激励场由腔内的一对分隔电极、或者腔内的一个电极和位于腔外 的线圈提供给该区域。(应该理解，在与真空等离子体处理腔相联系的本说明书中使用时， 术语“电抗”是指用于向腔中的等离子体提供AC等离子体激励场的电极或线圈。)2002年6月27日提交的Vahedi等人的序列号为10/180，978的共同授让、共同待 批申请公开了一种处理器，其中两个不同频率同时施加于真空等离子体处理腔的底部电极 上(即公开了在其上处理工件的电极)，同时该腔的顶部电极接地。随着结构元件尺寸的持续减小，对等离子体处理工件的各种参数的精确控制的要 求越来越高。这些需要精确控制的等离子参数是等离子体化学成分(即离子和基本核素 的种类)、等离子体通量、和入射到衬底上的等离子体的离子能量。随着在集成电路的制造 中减小形体尺寸并使用新材料，处理工件中涉及的窗口尺寸在减小，从而推动对目前可用 的等离子体处理器，特别是用于蚀刻的处理器设定限制。减小的形体尺寸和对新材料的要 求限制了相同反应器、即真空处理腔在不同蚀刻应用中的使用。Dhindsa等人的共同待批申请通过用若干频率的电能激励等离子体而提供了这些 结果，从而由若干频率对等离子体的激励同时导致在等离子体中发生若干不同的现象。通
3过用诸如约2MHz、27MHz和60MHz的三个不同频率的电能激励等离子体，提供了对用于处理 工件的等离子体的化学成分、密度、和离子能量的精确控制。在Dhindsa等人的共同待批申 请的一个实施方式中，等离子体激励源配置将若干频率施加于底部电极，而与底部电极相 对的顶部电极接地。Dhindsa等人的共同待批申请的等离子体激励源配置包括电路的广泛 公开，该电路用于(1)在频率源和等离子体之间提供阻抗匹配；以及(2)分离关联于彼此 不同的源的频率。Dhindsa等人的共同待批申请的源配置形成的等离子体包括至少一个可 变频率RF源、至少一个固定频率RF源、和至少一个可变功率RF源。

发明内容
根据本发明的一方面，工件的真空等离子体处理器包括包含电极的真空等离子体 处理腔。该腔与电抗相关联。电极和电抗被配置成将等离子激励场耦合于用来承载工件的 腔中的气体。处理器包括N个射频电功率源，其中N是至少为3的整数，且每个源被配置成 产生不同射频。处理器还包括一种电路，用于将N个频率上的电功率从N个射频电功率源提 供到电极和电抗。N个频率、N个频率的每一个上的功率、电极、电抗、和电路被配置成(a) 使等离子体被激励到N个频率的每一个，以及(b)防止功率与所述N个源的每一个在除了 关联于该源特定射频的频率之外的频率上的实质耦合。该N个频率和该电路被配置成使电 路引入至少26DB的功率衰减，以防止功率与所述N个源的每一个在除了关联于该源的特定 射频的频率之外的频率上的实质耦合。通过试验，我们发现最好提供至少26DB的功率衰减，以实现每个源与其它源的频 率的期望分离。由于等离子体的非线性，26DB的功率衰减防止谐波和互调分量(即各种不 同频率源的和频与差频)与源的输出阻抗反馈耦合。本发明的另一方面涉及工件的真空等离子体处理器，它包括包含电极的真空等离 子处理腔。该腔与电抗相关联。电极和电抗被配置成将等离子体激励场耦合于用来承载工 件的腔中的气体。处理器包括N个射频电功率源，其中N是至少为3的整数。每个源被配 置成产生不同的射频，从而源i被配置成产生射频Fi，其中i是连续的1至N的各个整数， F1小于FN，且i从1到N单调增大。处理器还包括用于将N个频率的电功率从N个射频电 功率源向电极和电抗提供的电路。N个频率、N个频率的每一个上的功率、电极、电抗、和电 路被配置成(a)使等离子体被激励至N个频率的每一个，和(b)防止功率与所述N个源的 每一个在除了关联于该源特定射频的频率之外的频率上实质耦合。该电路包括N个阻抗匹 配网络，其每一个都与这些源的每一个相关联，且被配置成(a)将在与其相关联的源的频 率上的等离子体激励功率耦合于电极，和(b)充分衰减其它源的频率上的功率，以防止在 其它源的频率上的功率与关联于匹配网络的源的实质耦合。每个阻抗匹配网络具有串联电 感。与源i相关联的阻抗匹配网络的串联电感小于阻抗匹配网络1至(i_l)的每一个的串 联电感。N个匹配网络的串联电感中的这种关系有助于提供每个源与其它源的频率的期望 分离。本发明的再一方面涉及工件的真空等离子处理器，它包括包含电极的真空等离子 体处理腔。该腔与电抗相关联。电极和电抗被配置成将等离子体激励场耦合于用来承载工 件的腔中的气体。处理器包括N个射频电功率源，其中N是至少为3的整数。各个源被配 置成产生不同射频，从而源i被配置成产生射频Fi，其中i是连续的从1至N的各个整数，
4F1小于FN，且i从1到N单调增加。处理器还包括用于将N个频率的电功率从N个射频电 功率源提供给电极和电抗。N个频率、N个频率的每一个的功率、电极、电抗、和电路被配置 成(a)使等离子体激励到N个频率的每一个，和(b)防止功率与所述N个源的每一个在除 了关联于该源特定射频的频率之外的频率上的实质耦合。电路包括N个阻抗匹配网络，其 中每一个都与一个源相关联，且被配置成(a)将与其相关联的源的频率上的等离子体激 励功率耦合于电极，和(b)充分衰减在其它源的频率上的功率，以防止在其它源的频率上 的功率与关联于该匹配网络的源的实质耦合。提供电功率的电路包括在关联于频率为F1 的源的电极和阻抗匹配网络之间分流连接的串联共振电路。串联共振电路具有F1和F2之 间的频率，从而对耦合到F1以上任一频率的等离子体的源没有实质影响，却有助于提供频 率为F1的源与关联于电极的寄生阻抗的阻抗匹配。本发明的另一方面涉及工件的真空等离子体处理器，它包括包含电极的真空等离 子体处理腔。该腔与电抗相关联。电极和电抗被配置成将等离子激励场耦合于用来承载工 件的腔中的气体。处理器包括N个射频的电功率，其中N是至少为3的整数。每个源被配 置成产生不同的射频，从而源i被配置成产生射频Fi，其中i是连续的从1至N的各个整 数，F1小于FN，且i从1至N单调增大。处理器还包括将N个频率的电功率从N个射频电 功率源提供给电极和电抗。N个频率、N个频率的每一个的电功率、电极、电抗、和电路被配 置成(a)使等离子体激励到N个频率的每一个，和(b)防止功率与所述N个源的每一个在 除了关联于特定射频源的频率之外的频率实质耦合。该电路包括N个阻抗匹配网络，其中 每一个都与一个源相关联，且被配置成(a)将与其相关联的源的频率上的等离子体激励 功率耦合到电极，和(b)充分衰减在其它源的频率上的功率，以防止在其它源的频率上的 功率耦合于关联于匹配网络的源。提供电功率的电路包括分别与源2至N相关联的(N-1) 个滤波器。该(N-1)个滤波器分别被配置成用于使来自源2至N的电功率在无衰减的情况 下耦合于电极或电抗，同时显著衰减来自源1的功率，并用于防止来自源1的功率耦合于源 2至N。本发明的再一方面涉及工件的真空等离子处理器，它包括包含电极的真空等离子 处理腔。该腔与电抗相关联。电极和电抗被配置成将等离子激励场耦合于用来承载工件的 腔中的气体。处理器包括N个射频电功率源，其中N是至少为3的整数。每个源被配置成 产生不同的射频，从而源i被配置成产生射频Fi，其中i是连续的从1至N的各个整数，F1 小于FN，且i从1至N单调增大。处理器还包括将N个频率的电功率从N个射频电功率源 提供给电极和电抗的电路。N个频率、N个频率的每一个的功率、电极、电抗、和电路被配置 成(a)使等离子体激励到N个频率的每一个，和(b)防止功率与所述N个源的每一个在除 了关联于特定射频源的频率之外的频率上的实质耦合。电路包括(N+k)个阻抗匹配网络， 其中k是小于N的整数。N个匹配网络的每一个都与一个源相关联，且被配置成(a)将在 与其相关联的源的频率上的等离子体激励功率耦合于电极；和(b)充分衰减在其它源的频 率上的功率，以防止在其它源的频率上的功率耦合于关联于匹配网络的源。k个阻抗匹配网 络的每一个都与k个源之一相关联，且被配置成(a)将在与其相关联的源的频率上的等离 子体激励功率耦合于电抗；和(b)充分衰减在其它(k-1)个源的频率上的功率，以防止在其 它(k-1)个源的频率上的功率与关联于匹配网络的源的实质耦合。开关配置(1)通过N个 匹配网络从N个源向电极提供功率，或者(2) (a)通过匹配网络j从k个源中的j向电抗、和(b)通过匹配网络m从源m向电极提供功率，其中j是从1至k的任一整数，而m是从1 至(N-k)的任一整数。电路可被配置成将N个频率的至少三个提供给电极。较佳地，N = 3且存在第一、第二和第三频率(F1、F2、和F3)使F1是最低频率，F3 是最高频率，而F2在F1和F3之间。Fl、F2和F3取为所述第一、第二、和第三频率的相邻 对之间至少有一个倍频的差值，以有助于提供各个源与其它源的频率的期望分离。此外，第 二频率较佳地至少比第一频率高十倍，因为第一频率上的功率通常显著高于第二频率上的 功率。在较佳实施方式中(其中N = 3)，j = k = 1，m = 2。使用(N+k)个匹配网络优于仅使用N个匹配网络。(N+k)个匹配网络使源能通过 第一匹配网络在第一环境下驱动电极、并通过第二匹配网络在第二环境下驱动电抗。使用 这种配置，该源可比仅使用N个匹配网络更加容易和快速地匹配，且该源也可通过同一匹 配网络交替驱动电极和电抗。各个阻抗匹配网络较佳地包括电容配置、和基本上调谐至与一特定匹配网络相关 联的源的频率。特别地，各个阻抗匹配网络较佳地包括分流电容器、串联电容器和电感。与 相对较低频率的源相关联的匹配网络的电感是集总参数电感器，而与较高频率的源相关联 的匹配网络的电感通常是分布式寄生电感。在较佳实施方式中，源具有约2MHz、27MHz和60MHz的频率。这样，串联共振电路 具有约5MHz的共振频率，从而对耦合于27MHz或60MHz的等离子体的功率没有实质影响， 同时有助于提供2MHz源与关联于该电极的寄生电感的阻抗匹配。在一实施方式中，源具有相对较窄范围内的可变频率。在该实施方式中，关联阻 抗匹配网络的分流电容器在一定范围内可变，用于提供期望的工件处理结果。可变频率由 控制器控制，该控制器包括传感器，用于确定(1)与阻抗匹配网络相关联的源的输出阻抗 和(2)由该源驱动的阻抗之间的阻抗匹配程度。各源通常包括这样的一个控制器。在第二 实施方式中源具有固定频率，在该情形中相关联阻抗匹配网络的分流和串联电容器是可变 的、并由包括传感器的控制器控制，该传感器用于确定(1)与阻抗匹配网络相关联的源的 输出阻抗和(2)由源驱动的阻抗之间的阻抗匹配程度。较佳地，每个滤波器都包括关联于该滤波器的源与关联于该源的阻抗匹配网络之 间分流连接的电感器。在一较佳实施方式中，开关装置选择性地将功率从至少一个电源提供给最初提及 的电极或电抗，较佳地第二电极从该最初提及的电极隔开。本发明的以上和其它目的、特征、和优点通过参阅下文中具体实施方式
的详细描 述，特别是参看附图进行的描述会变得显而易见。


图1是包括本发明各方面的真空等离子体处理器的部分框图和部分电路图；图2是图1所示处理器的一部分的第一较佳实施方式的电路图，其中该处理器包 括三个可变频率RF源和三个匹配网络；图3是图1所示处理器的一部分的第二较佳实施方式的电路图，其中该处理器包 括三个固定频率RF源和三个匹配网络，每一个都包括两个可变电容器；以及
图4是图1的真空等离子处理器的一部分的电路图。
具体实施例方式现在参照附图中的图1，其中具有纵轴(即中心线)11的等离子体处理器真空腔 10被示为包括导电金属壁12、下电极组件13、和上电极组件14。壁12具有圆形内部表面， 与轴11共轴。壁12接地，即处于DC和RF参考电势。真空泵9在处理过程中将腔10内部 保持在0. 001至500托数量级的真空。腔10的内部包括靠近下电极组件13的上表面的下 边界、和靠近上电极组件14的下表面的上边界之间的封闭等离子体区域8 ；封闭等离子体 区域8的侧边界与壁12隔开。常常称为下电极的下电极组件13与轴11共轴，并固定在电绝缘环17上，该电绝 缘环17又固定于腔10的接地金属基底19。电极组件13包括圆形的中心金属电极16，它 与轴11共轴、并具有容纳圆形工件18的上表面，该圆形工件18通常是半径与金属电极16 的半径基本上相等的半导体晶片。当工件18在适当位置上时，其中心与轴11重合。电极 16可连接于DC夹具电压源(未示出)，用于使用静电力将工件18夹在电极16上。电极16 和工件18的温度用本领域技术人员公知的方法来控制，该方法通过导管21和阀22响应于 电信号将氦气源20连接于电极16中的一个区域(未示出)，该电信号由控制器24响应于 ⑴由设定点源25提供给控制器的温度设定点、以及⑵电极中由嵌入电极16中的温度监 控器26产生的信号所指示的温度的测量而产生。下电极组件13还包括通常由石英制成的电绝缘体环28。环28固定于绝缘体环 17的上表面，与轴11共轴，且内径与工件18的半径基本上相等，从而在工件位于适当位置 时工件18的周边几乎紧靠环28的内侧边界。环28外侧的环17的上表面的一部分和环17 的侧壁分别由绝缘体环33和接地金属环32覆盖。绝缘环33由可用电介质或导电材料层 (未示出)覆盖或涂敷的金属电极环34覆盖。导电环34和将其覆盖或涂敷的层由不会污 染区域8中等离子体的化学成分的材料制成。这种材料是适当的较高导电率的半导体，诸 如本征硅。或者，环34是被适当的无污染材料覆盖的金属。环34通过金属绳(未示出)电 连接于接地环32从而使环34接地。环33和34与轴11共轴，并在下电极组件13和环28 的外部边缘之间水平延伸。环34最好具有等于或大于电极16面积的面向区域8的面积， 以有助于使正确离子能量的等离子体入射在工件上。上电极组件14包括中心电极36，它与轴11共轴、并具有不污染区域8中等离子体 的化学成分的导电本征硅制成的下表面36a。电极36包括内部通道(未示出)和许多喷头 开孔(未示出)，它们都以流体流关系连接于适当的处理气体源37，处理气体通过喷头开孔 流入区域8，并在其中转变成处理工件18的等离子体。电极36包括对信号作出响应的加热 和/或冷却装置45，该信号是控制器响应于由设定点源25提供给控制器的设定点信号以及 由嵌入组件14的温度计39得到的表示电极36温度的信号而通过导线35向装置45提供 的电信号，。组件14还包括绝缘体环38和金属环40。环38与轴11同轴，最好由石英制成并 大致与环28对齐。环38具有紧靠中心电极36的外部边缘的内部边缘。与轴11共轴的金 属环40具有分别紧靠绝缘体环38的外部边缘和侧壁12的内部边缘的内部和外部边缘，从 而使环40处于RF和DC接地电势。金属环40的下部内表面被带有导电电极环42的电绝缘环41覆盖。电极环42用不污染区域8中的等离子体的化学成分的导电或绝缘材料的层 (未示出)涂敷或覆盖。环42通过金属绳(未示出)电连接到环40和壁12从而使环42 接地。较佳地，电极16和36面向区域8的面积相等，且接地环34和42的面积相等，所以 环42的面积等于或大于电极36的面积。电极16和36以及环34和42与轴11同轴。从上述内容中，封闭等离子体区域8具有通过(1)电极36的下表面36a，(2)绝缘 体环38的下表面，以及(3)电极环42的下表面确定的上边界，以及通过(1)工件18的上 表面(当工件在适当位置时)，(2)绝缘体环28的上表面，以及(3)电极环34的上表面确 定的下边界。电动机43通过将上电极组件14的下表面相对下电极组件13的上表面上下 移动来控制区域8的上和下边界之间的间距。电动机43响应来自控制器42的信号，以将 电极组件13和14的表面之间的间距设置成经实验确定的用于激励工件18的等离子体处 理的特定频率的最佳值。封闭等离子体区域8的侧面被有间距、垂直堆叠的百叶44包围，这些百叶44由不 污染区域8中等离子体的化学成分的材料制成。百叶44由电绝缘材料(较佳地是诸如石 英的电介质)或有些导电的材料(诸如碳化硅)制成，从而百叶通电、或电浮接、或者电接 地。百叶44使得没有大量等离子体流过百叶44之间的缝隙。然而，区域8中未离子化的 气体从百叶44之间的缝隙逸出到腔10中壁12和环32之间的区域46，并由泵9通过基底 19上的适当开口从腔10内抽吸。百叶44通过适当的间隔装置(未示出)在垂直方向上固定地相互隔开，并由电动 机47相对彼此上下驱动、并向下组件13驱动以控制封闭等离子体区域8内的压力。区域 8中的压力由设定点源25提供给控制器24的压力设定点、以及区域8中压力计48的输出 信号控制。控制器24响应压力设定点和压力计48的输出信号以控制电动机47，从而改变 最低百叶44的下表面和电极组件13的上表面之间的间距。因此，区域8中的压力保持在 压力设定点。百叶44被配置成百叶不响应于电动机43的激活而移动，从而封闭等离子体 区域8中的压力独立地控制电极组件13和14之间的间距。若干RF源通过电极14将若干不同频率提供给区域8。特别地，可以是固定或可变 频率的RF源50. 1. . . 50. i. . . 50. N产生分别提供给匹配网络52. 1. . . 52. i. . . 52. N的等离 子体激励功率，其中N是大于2的整数、且i是连续的从1至N的各个整数，从而i从1至N 单调增大。(在随后的描述中，有时会引用源50. 2和50. (N-1)以及与它们相关联的电路。 应该理解，源50. 2具有仅次于源50. 1的下一最高频率，而源50. (N-1)具有仅高于源50. N 的下一最低频率，即使附图中并不包括这种源和其相关电路。)组合器电路53将输出功率 匹配网络52. 1. . . 52. N相组合、并将组合功率通过导线58提供给电极14。k个RF源50. p. . . 50. N分别连接于k个匹配网络55. p. . . 55. N，其中k小于N，且 P是包括1的整数；如果P是大于1的整数，则P从其最小值至N地单调增大。匹配网络 55. p. . . 55. N向组合器电路57提供功率，该组合器电路57通过导线60向电极36提供来自 网络55. p. . . 55. N的输出功率。(在许多情形中，仅具有最高频率的源55. N向电极36提供 功率；在这种情形中，不包括组合器电路57。)通常，来自单个源的功率并不提供给两个电极14和36。为了在互斥的基础上向电 极14和36提供来自源50. p. . . 50. N的功率，开关矩阵59连接在源50. p. . . 50. N与匹配网 络52.p. 52. N和匹配网络55. p. 55. N之间。开关矩阵59包括分别关联于源50. p. 50.
8N、匹配网络52. p. . . 52.N和匹配网络55. p. . . 55. N的两个位置同轴开关59. p. 59. N。在 第一位置，矩阵59的同轴开关59. q将来自源50. q的功率提供给匹配网络52. q ；在第二位 置，同轴开关59. q将来自源50. q的功率提供给匹配网络55. 2，其中q是p. . . N的任一个。匹配网络52. 1. . . 52. i. . . 52. N和55. p. . . 55. N的每一个都包括至少一个可变电 抗。如果RF源具有固定频率，则匹配网络包括两个可变电抗。如果RF源具有可变频率，则 各个匹配网络都具有单个可变电抗。控制器24控制匹配网络52. 1. 52. N和匹配网络55. p. 55. N的可变电抗值、以 及各个源50. 1. . . 50. N的输出功率。对于可变频率实施方式，(1)各个源50. 1. . . 50. N具 有内置名义中心频率、用于检测特定源的输出阻抗之间的失配程度的电路、以及用于控制 该特定源的频率以达到匹配的电路，以及(2)控制器24以开路方式根据处理工件18的方 法设置匹配网络52. 1. . . 52.N和网络55. p. . . 55. N的可变电抗值。对于固定频率实施方式，各个匹配网络52. 1. . . 52.N和网络55. p. . . 55. N连接于 传感器电路(未在图1中示出)，用于在其以特定源的频率反射回关联于特定匹配网络的源 时检测它们之间的RF电压、电流和相位角。控制器24响应所检测的电压、电流和相位角， 以用本领域技术人员公知的方法控制各个匹配网络的可变分流和串联电容器，从而如各个 RF源在其输出终端上可见的阻抗基本上等于各个源在各个源的频率上的输出阻抗。在匹配条件下，匹配网络52. 1. ..52. i... 52. N的阻抗使这些匹配网络分别调谐 到源50. 1. . . 50. i. . . 50. N的频率，同时匹配网络55. p. 55. N分别被调谐到源50. p. 50. N的频率。匹配网络还被配置成它们引入对不直接驱动特定匹配网络的RF源功率的显著衰 减。每个匹配网络52. 1...52. i...52. N和55. p. ..55. N向RF源的频率引入至少26DB的功 率衰减，除了直接驱动匹配网络的特定RF源的频率之外。已经发现通过向不直接驱动特 定匹配网络的频率引入至少26DB的功率衰减，在反馈耦合到特定RF源的输出终端时驱动 特定匹配网络的RF源并不受来自其它源的功率的不利影响。例如，因为匹配网络52. 1将 至少26DB的功率衰减引入到各个RF源50. 2. . . 50. i. . . 50. N的输出功率，所以来自RF源 50. 2. . 50. N的功率并不会不利地影响RF50. 1源的运行。当开关矩阵59被激活使匹配网络52. r. . . 52. N(其中r是从p至N的任一整数) 的输出功率耦合于电极36时，通过闭合开关68将低通滤波器66接地，可防止提供给电 极16、并通过等离子体耦合到电极36的在源50. 1. . . 50. (r-1)的频率上的功率从电极36 反馈耦合匹配网络50. 1. . . 50. (r-1)。滤波器66具有源50. (r-1)和50. r的频率之间的 截止频率，从而来自源50. 1... 50. (r-1)的功率通过滤波器66耦合接地，并因此与匹配网 络52. 1...52. (N-1)的输出端断开，同时来自源50. r... 50. N的功率分别通过匹配网络 52. r. . . 52. N耦合于电极36。相反，开关68响应于开关55. N通过匹配网络52. N将来自源 50. N的功率耦合于电极16而打开。控制器24根据耦合于电极16和36的源改变滤波器 66的截止频率。因此，如果激活开关矩阵59使来自源50. 1. . . 50. s的功率耦合于电极16， 而来自源50. (s+1). . . 50. N的功率耦合于电极36，则控制器24会使滤波器66的截止频率 在源50. s和50. (s+1)的频率之间。通过用DC偏置电压检测器70和71检测电极16和36的DC偏置电压，提供对下组 件13与上组件14之间的电场的控制，由此提供对入射到工件18上的等离子体等的控制。 检测器70和71在DC电路中分别连接于电极16和36，并分别响应于由电极组件13和14
9耦合于区域8中等离子体的RF电场而检测引入到电极16和36上的DC偏置电压。检测器70和71分别向控制器24提供表示电极16和36的DC偏置电压的信号。 控制器24响应DC偏置检测器70和71所产生的信号，以分别控制接地电路72和73的可 变阻抗。各个接地电路72和73包括单个串联共振电路，其共振频率名义上基本等于驱动 与连接接地电路的电极相对的电极的RF源之一的频率；例如，如果源50. N驱动电极36，则 连接于电极16的接地网络70的名义共振频率等于源50. N的频率。控制器24响应(1)检 测器70和71产生的DC偏置电压的指示，以及⑵DC偏置电压的设定点以控制各个接地电 路72和73中串联共振电路的可变电抗(电感或电容器)。由此，组件13和14的电极之间 的电场线的强度和形状、以及入射到工件18上的等离子体的特征得到控制。特别地，响应 于检测器70和71测得的DC偏置电压和这些DC偏置电压的DC偏置电压设定点来控制电 极16和36之间、电极16和42之间、以及电极16和34之间的电场线。为了有助于对非特定RF源产生的频率提供期望程度的衰减，RF源50. 2. . . 50. N的 输出终端分别连接于分流电感器80. 2. . . 80. N。电感器80. 2. . . 80. N用作低通滤波器，从而 各个电感器80. 2. . . 80. N将功率从最低频率RF源50. 1分流至接地。因此，可防止任何通 过匹配网络52. 2. 52. N耦合的来自源50. 1的功率分别影响RF源50. 2. 50. N。类似地， 电感器80. 3. . . 80. N将功率从RF源50. 1和50. 2耦合至接地，并可防止RF源50. 3. 50. N的输出终端具有从源50. 1和50. 2耦合到它们的功率。在典型的真空等离子体处理腔中，在下组件13的电极16和接地之间存在大 量分布式电容。已经发现电极16和接地之间的分布式电容对匹配具有最低频率的源 50. 1. . . 50. t的输出阻抗具有反作用。在接地和匹配网络52. 1. . . 52. t的输出之间分流连 接的串联共振电路82. 1. . . 82. t有助于实现源50. 1. . . 50. t的输出终端与反射回源的阻 抗的匹配。串联共振电路82. 1. . . 82. t分别包括固定电感器84. 1. . . 84. t和固定电容器 86. 1. . . 86. t0电路82. u具有在RF源50. u和50. (u+1)的频率之间的共振频率。在一个 示例中，RF源50. 1和50. 2具有2. 0MHz和27MHz的频率。为了在不会不利地影响匹配网 络52. 1和52. 2的输出功率的情况下实现适当的阻抗匹配，电感器84. 1和电容器86. 1的 值使它们在以上示例中约5. 0MHz的频率处共振。电感器84. 1. . . 84. u的品质因子(Q)足 够高，从而使分流共振电路82. 1. ,.82.u不会导致匹配网络52. 1. . . 52. t分别提供给电极 16的功率的任何显著衰减。当激活开关矩阵59使源50. N通过匹配网络52. N向电极36提供功率时，通过闭 合开关68将低通滤波器66接地，可防止入射到电极36上的在源50. 1... 50. (N-1)频率上 的功率反馈耦合到组合器电路56和匹配网络50. 1. . . 50. N。具有在源50. (N-1)和50. N的 频率之间截止频率的滤波器66与电路56分离，同时来自源50. N的功率从电路56耦合到 电极36。开关68与开关59. N联动，从而响应于开关59. N将来自源50. N的功率耦合于匹 配网络52. N,开关68开路。相反，响应于开关59. N将来自源50. N的功率耦合于匹配网络 55. N，开关68闭合。现在参照附图中的图2，它是用于向电极16或电极16和36提供功率的特定电路 的部分框图和部分电路图。在图2的电路中，N = 3且有三个分别中心频率为2MHz、27MHz 和60MHz的三个可变频率RF源91、92和93。源91、92和93包括用于将其频率从其中心频 率改变士5%的电路。源91、92和93通过探测源的输出阻抗与源驱动的阻抗之间的阻抗失
10配来控制源的频率。源91和92的输出功率分别通过直接相连施加给匹配网络101和102。 源93的输出功率通过同轴开关105选择性地提供给匹配网络103或104。组合器电路118 组合匹配网络101、102和103输出端处的功率，并通过导线58将经组合的功率提供给电极 16，使电极16由功率源91、92和93响应于控制器24激活开关105将来自源93的功率提 供给匹配网络103而驱动。在这些条件下，源91、92和93以及匹配网络101、102和103不 直接向电极36提供功率。响应于控制器24激活开关105从而来自源93的功率被提供给 匹配网络104而非网络103，电极36通过网络104由来自源93的功率驱动，而源91和92 分别通过网络101和102以及组合器118驱动电极16。匹配网络101、102、103和104分别在源91、92、93和93的频率上向导线106,107, 108和109提供功率。根据以上内容，在第一种情况中，导线106、107和108的每一个上的 功率在源91、92和93的频率上仅提供给电极16 ；或者，在第二种情况中，导线106和107上 的功率提供给电极16而导线109上的功率提供给电极36。控制器24响应存储器(未示出)中存储的信号。所存储的信号取决于工件18的 期望特性来以开路方式控制匹配网络101、102和103的可变分流电容器。为了实现与驱动特定匹配网络的能量不在相同频率上的能量的26DB的功率衰 减，匹配网络101、102、103和104的每一个包括可变分流电容器、固定串联电容器和固定电 感器。匹配网络101包括连接在固定串联电容器122和固定串联电感器126之间的可变分 流电容器124。匹配网络102包括连接在分流电容器128和固定串联电感器132之间的固 定串联电容器130。匹配网络103包括可变分流电容器134、固定串联电容器136和图2中 由串联电感器138表示的分布式电感形式的固定已知量的串联电感。匹配网络104包括可 变分流电容器135、固定串联电容器137和图2中由串联电感器139表示的分布式电感形式 的固定已知量串联电感。控制器24响应所存储的方法确定信号，以控制可变分流电容器124、128和134的 值。应该理解，DC电动机(未示出)通常用于改变电容器124、128、134和135的值，或者 每个可变电容器可具有许多通过开关连入电路的固定值。控制器24改变电容器124、128、 134和135的值，以有助于分别实现源91、92、93和93的阻抗匹配。电容器122、130、136和137的典型值分别是600皮法、110皮法、40皮法和100皮 法。固定电感器126的典型值在15-20微亨的范围内，而电感器132的典型值在50-100纳 亨的范围内，且如电感器138和139表示的，各个匹配网络103和104的典型分布式电感小 于50纳亨。应该理解，如果所需匹配效果不能用其它方式实现，则电感器126和132可以 是可变电感器。可变分流电容器124的典型值在300-600皮法范围内；可变分流电容器128 的典型值在50-1000皮法范围内；可变分流电容器134的典型值在20-330皮法范围内；而 可变分流电容器135的典型值在20-300皮法范围内。匹配网络101、102、103和104的部 件的上述值使得匹配网络能够提供期望的功率衰减，以防止不期望的频率被反馈耦合到驱 动特定匹配网络的源。此外，上述值使匹配网络101、102、103和104的每一个都分别大致 调谐(即共振)到源91、92和93的频率。因此，匹配网络101、102、103和104分别具有对 源91、92、93和93的频率的低阻抗。然而，匹配网络101向源92和93的频率引入至少26 DB的功率衰减，匹配网络102向源91和93的频率引入至少26DB的的功率衰减，而且匹配 网络103和104的每一个向源91和92的频率引入至少26DB的功率衰减。
为了防止低频率源91的相对较高功率被反馈耦合到源92和93的输出端，分流电 感器140和142分别连接在源92和93的输出端上。电感器140和142对源92和93的频 率具有较高阻抗，但对源91的频率具有较低阻抗。因此，可能通过匹配网络102、103和104 分别耦合到源92、93和93的任何来自源91的功率都通过分流电感器140和142而被防止 到达这些源。因为分流电感器140和142在源92和93的频率处具有较高阻抗，实际上没 有来自源92和93的功率分别通过电感器140和142耦合接地。下电极16具有接地的显著寄生电容，即分布式电容。为了有助于提供源91与电 极16的阻抗之间的阻抗匹配，串联共振电路144连接于导线104和接地之间。电路144包 括串联连接电感器146和电容器148。电路144具有约5MHz的共振频率，即源91的频率之 上约一个倍频，且低于源92的频率约2. 5个倍频。电感器146具有相对较高的Q，从而串联 共振电路144具有相对较窄的带宽，并且不将大量来自源91或92的功率分流接地。图2电路的总效果是向驱动电极16或电极16和36的源91、92和93提供期望的 较低阻抗，同时引入足够的衰减以防止对源91、92、和93的损害并达到期望的阻抗匹配。现在参照附图中的图3，它是用于驱动电极16和36的电路框图，其中源91、92和 93分别具有固定频率2MHz、27MHz和60MHz，且阻抗匹配通过将固定电容器122、130和136 变成可变电容器来实现。图3的电路包括分别直接连接于源91、92和93的输出端的传感器 111、112和113。传感器111、112和113分别检测反射回源91、92和93的电压和电流的大 小(在直接驱动特定传感器的特定源的频率上)，以及反射回的电压和电流之间的相位角。 控制器24响应来自检测器111、112和113的信号，来控制可变串联电容器122、130、136和 137的值以达到期望的阻抗匹配。为了达到期望的阻抗匹配，电容器122 —般具有50-1000 皮法范围内的值，电容器130 —般具有50-1000皮法范围内的值，以及电容器136和137的 每一个一般具有20-330皮法范围内的值。电动机(未示出)响应来自控制器24的信号来 改变电容器122、130、136和137的值。电容器122、130、136和137的值的所述范围使阻抗 匹配能够实现。此外，匹配网络101、102、103和104分别具有约等于源9 1、92、93和93的 频率的共振频率。匹配网络101、102、103和104还提供对不直接驱动匹配网络的频率的期 望衰减。现在参照附图中的图4，它是用于控制包括百叶44的真空等离子处理腔10中电极 16、34、36和42之间的电场线的电路图。图4的电路由图2或图3的源驱动。如图4说明 性所示，电极16和36是中心电极，且电极16被配置成承载工件。电极16和36彼此同轴 且居中置于腔10中，而电极34形成为环，围绕电极16的周边并与该周边有间隔。电极16 和34的上表面共面。电极36的直径比电极16的大约三分之一，并被环电极42包围并与 之隔开。电极34和42接地。由于与电极36相关联的显著寄生电容，很难将电极36接地， 特别是对于源92的频率。由于与电极16相关联的显著寄生电容，很难对源93的频率将电 极16接地。在作为源93通过开关105连接以驱动匹配网络104的结果源93直接驱动电 极36时，常常需要对源93的频率将电极16接地。接地电路72响应电极16的因通过DC偏置检测器70耦合于控制器24的DC偏置 电压。接地电路72包括可变阻抗，它通过电极16的DC偏置电压控制以控制电极16、34、36 和42之间60 MHz上的电场。特别地，电路72包括使可变共振频率置中于约60MHz的串联 共振电路。该串联共振电路连接于电极16和接地之间。
接地电路73响应电极36的因通过DC偏置检测器71耦合于控制器24的DC偏置 电压。接地电路73包括可变阻抗，它通过电极16的DC偏置电压控制以控制电极36、34、16 和42之间27MHz上的电场。特别地，电路73包括使可变共振频率置中于约27MHz的串联 共振电路。该串联共振电路连接于电极36和接地之间。DC偏置检测器70包括电阻分压器，它包括通常电阻值分别为10兆欧姆和10千欧 姆的电阻162和164。电阻162和164之间的抽头166通过电容器168接地，该电容器通常 具有约一微发的值，从而使抽头166处的电压不包括基本AC分量，并且是响应于区域8中 封闭等离子体的激励而在电极16处产生的DC偏置电压的准确指示。抽头166处的DC电 压耦合于控制器24。接地电路72包括连接于电极16和接地之间的分流电路170。分流电路170由无 源元件组成，并包括彼此串联连接的固定电感器172、固定电容器174和可变电容器176。电 感器172与电容器174和176的值使电路170具有对源91和92的2MHz和27MHz频率相 对固定的阻抗，但对源93的60MHz频率则具有可变阻抗。通常，电容器174具有约100皮 法的值，而取决于抽头166处的DC偏置电压和该DC偏置电压的设定点值，电容器176具有 在20-400皮法范围内的值。控制器24响应于抽头166处的电压来改变电容器176的值以 使DC偏置电压的设定点值能够获得。控制器24驱动电动机(未示出)以改变电容器176 的值。DC偏置电压的设定点值根据电极16、34、36和42之间的电场线的期望关系确定。 如果需要60MHz上的电场线主要在电极16和36之间，则DC偏置设定点使电路170成为共 振频率等于60MHz的串联共振电路。由此，在电极16和接地之间存在极低的阻抗，且较大 百分比的60MHz上的电流从电极36流向电极16，因此通过电路170接地，且在电极36和 16之间存在较强的60MHz电场线。在此条件下，电极16和42之间、以及电极16和34之 间存在相对较弱的60MHz的电场线，而在电极36和34之间存在稍微强一些的60MHz电场 线。然而，如果电极36和42之间的60MHz电场线需要强于电极36和16之间的电场线，则 DC偏置电压的预设定点处于某一值，该值使电容器改变、从而与电路170在源93的60MHz 频率共振时电路170的阻抗相比，60MHz上的电路170的阻抗相对较高。响应于电容器176 被驱动、从而其值使电路170对源93的60MHz输出具有较高阻抗，电极36和16之间的电 场线相对较弱，而电极36和电极34之间的电场线相对较强。DC偏置检测器71包括电阻分压器161，它包括通常电阻值分别为10兆欧姆和10 千欧姆的电阻163和165。电阻163和165之间的抽头通过电容器169接地，该电容器169 通常具有约一微发的值使抽头167处的电压不包括基本AC分量，并且是响应于区域8中封 闭等离子体的激励而在电极36处产生的DC偏置电压的指示。抽头167处的DC电压耦合 于控制器24。接地电路73包括连接于电极36和接地之间的分流电路171。分流电路171由无 源元件组成、并包括彼此串联连接的固定电感器173、固定电容器175和可变电容器177。电 感器173和电容器175和177的值使电路171对源91和93的2MHz和60MHz的频率具有 相对固定的阻抗，而对源92的27MHz的频率则具有可变阻抗。通常，电容器175具有约120 皮法的值，而取决于抽头167处的DC偏置电压和DC偏置电压的设定点值，电容器177具有 在50-1000皮法范围内的值。控制器24响应抽头167处的电压来改变电容器177的值以使DC偏置电压的设定点值能够达到。控制器24驱动电动机(未示出)来改变电容器167 的值。DC偏置电压的预定值根据电极36、34、16和42之间的电场线的期望关系确定。如 果27MHz的电场线需要主要在电极36和16之间，则DC偏置设定点使电路171成为共振频 率等于27MHz的串联共振电路。因此，电极36和接地之间存在极低的阻抗，且较大百分比 的27MHz的电流从电极16流向电极36，因而通过电路171接地，且电极16和36之间存在 较强的27MHz电场线。在此条件下，电极36和42之间、以及电极36和34之间存在相对较 弱的27MHz电场线，而电极16和34之间存在稍微强一些的27MHz电场线。然而，如果电极 16和42之间的27MHz电场线需要强于电极16和36之间的电场线，则DC偏置电压的设定 点处于一值，该值使电容器177改变从而与电路171在源92的27MHz频率上共振时电路 171的阻抗相比，27MHz上的电路171的阻抗相对较高。响应于电容器177被驱动而其值使 电路171对源92的27MHz输出具有较高阻抗，电极16和36之间的电场线相对较弱，而电 极16和电极34之间的电场线相对较强。为了进一步有助于在开关和组合器电路118被激活而使源92的60MHz输出耦合 于电极36时使入射到电极36上的2MHz和27MHz的能量分离，滤波器66通过与电极36分 流的继电器68连接。如图4所示，滤波器66包括电感器180，该电感器连接于随着激活电 路118的开关的同时控制器24所激活的电极36，从而高频率源93的输出通过导线60耦合 于电极36。电感器180在源93的60MHz频率处具有足够高的值和足够大的阻抗，以防止 60MHz的能量耦合接地。然而，电感器180的值使得对源91和92的2MHz和27MHz呈现相 对较低的阻抗，以防止将入射到电极36上的2MHz和27MHz的能量反馈耦合到电路118。虽然本文描述和说明了本发明的具体实施方式
，但是显而易见的是在不背离如 所附权利要求书所限定的本发明的真正精神和范围的情况下，可改变具体说明和描述的实 施方式的细节。
权利要求
一种用于处理工件的真空等离子体处理器，包括包含电极的真空等离子体处理腔，所述腔与电抗相关联，所述电极和所述电抗被配置成将等离子体激励场耦合于所述腔中的气体，所述腔被配置成承载所述工件，N个射频电功率源，其中N是至少为3的整数，各个所述源被配置成产生不同的射频，从而源i被配置成产生射频Fi，其中i是连续地从1至N的各个整数，频率F1是最低频率，频率FN是最高频率，且所述频率从F1至FN依次增大，以及将N个频率的电功率从所述N个射频电功率源提供给所述电极和所述电抗的电路，所述N个频率、在所述N个频率的每一个上的功率、所述电极、所述电抗、和所述电路被配置成(a)使等离子体激励至所述N个频率的每一个，以及(b)防止功率与所述N个源的每一个在除了关联于特定源的射频的频率之外的频率的实质耦合，所述电路包括N个阻抗匹配网络，每个阻抗匹配网络与所述源之一相关联并被配置成(a)将在与其相关联的源的频率上的等离子体激励功率耦合于所述电极，以及(b)充分衰减在其它源的频率上的功率，以防止在所述其它源频率上的功率与所述关联于匹配网络的源的实质耦合，各个阻抗匹配网络包括串联电感，与源i相关联的阻抗匹配网络的串联电感小于阻抗匹配网络1至(i-1)的每一个的串联电感。
2.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，提供电功率的所述电路包括 在与具有频率F1的源相关联的阻抗匹配网络和所述电极之间分流连接的串联共振电路，所 述串联共振电路具有在F1和F2之间的频率以对在大于F1的任何频率上耦合于的等离子体 的功率没有显著影响，同时有助于提供F1与关联于所述电极的寄生阻抗的阻抗匹配。
3.如权利要求2所述的真空等离子体处理器，其特征在于，各个所述阻抗匹配网络包 括串联电容器和分流电容器。
4.如权利要求3所述的真空等离子体处理器，其特征在于，提供电功率的所述电路包 括分别与源2至N相关联的(N-1)个滤波器，所述(N-1)个滤波器分别被配置成使来自所 述源2至N的电功率不带显著衰减地耦合于所述电极或电抗，同时显著衰减来自源1的功 率并防止来自所述源1的功率耦合于源2至N。
5.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，提供电功率的所述电路包 括分别与源2至N相关联的(N-1)个滤波器，所述(N-1)个滤波器分别被配置成使来自所 述源2至N的电功率不带显著衰减地耦合于电极或电抗，同时显著衰减来自源1的功率并 防止来自所述源1的功率耦合于源2至N。
6.如权利要求5所述的真空等离子体处理器，其特征在于，各个所述滤波器包括在与 所述滤波器相关联的源和与所述源相关联的所述阻抗匹配网络之间分流连接的电感器。
7.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电抗包括与第一指定 电极分隔开的第二电极，所述电路包括开关装置，用来选择性地将来自所述源的至少一个 的功率提供给所述第一指定电极或所述第二电极。
8.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，提供电功率的所述电路包 括在关联于最低频率源的阻抗匹配网络与所述电极之间分流连接的串联共振电路，所述串 联共振电路具有在所述最低和次最低频率之间的共振频率，以对在高于所述最低频率的任 何频率上耦合于等离子体的功率没有显著影响，同时有助于提供所述最低频率与关联于所 述电极的寄生阻抗的阻抗匹配。
全文摘要
一种处理工件的等离子体处理器包括具有频率2MHz、27MHz和60MHz的源，它们由三个匹配网络施加于包含工件的真空腔中的电极。可选择地由第四匹配网络将60MHz施加于第二电极。基本上调谐到驱动其的源的频率的匹配网络包括串联电感，所以2MHz电感超过27MHz网络电感，且27MHz网络电感超过60MHz网络电感。匹配网络将驱动其的源的频率衰减至少26DB。在27和60MHz源之间的分流电感器将2MHz从27和60MHz源分隔开。串联共振电路(共振于约5MHz)分流2MHz网络和电极以帮助2MHz源匹配于电极。
文档编号H01J37/32GK101866808SQ20101018886
公开日2010年10月20日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年5月28日
发明者D·特拉塞尔, F·科扎克维奇, R·季米萨 申请人:拉姆研究有限公司