专利名称：包括响应dc偏压控制的真空等离子体处理器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及真空等离子体处理器，尤其涉及包括响应DC偏压控制的等离子体处理器。
背景技术：
已经知道，将AC等离子体激发场施加到真空腔内的一区域，便可以用等离子体来加工处理工件，其中该区域配有一种气体，所加的场将该气体转变为加工处理用的等离子 体。工件通常是半导体晶片或电介质板，而等离子体则用于在该工件上形成集成电路器件。受激等离子体通常干法蚀刻工件，但在某些情况下也会使材料沉积在工件上。通常，用腔内一对间隔开的电极或者用腔内的一个电极和腔外的线圈，对上述区域施加AC等离子体激发场。(应该理解，在本文中术语“电抗”在与真空等离子体处理腔相关的情况下使用时是指用于向腔内等离子体提供AC等离子体激发场的电极或线圈。)随着器件尺寸不断减小，对等离子体加工处理工件时各种参数的精确控制提出了越来越高的要求。这些参数包括AC场的各项特征，其中电抗将该AC场耦合到等离子体。特别是，AC场的强度和形状对工件器件的本质有相当大的影响。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括用于处理工件的真空等离子体腔。该腔体包括与腔内气体电耦合的第一电极组件以及与腔内气体电耦合的第二电极组件。第一电极组件包括第一电极，而第二电极组件包括第二电极。一种AC电源装置连接到上述电极中的至少一个，该AC电源装置具有足够大的功率能将腔内气体激发成等离子体，并且包括多种频率。腔体和电极组件被安排成(a)使用于激发等离子体的AC电场线存在于第一和第二电极组件之间，该AC电场线的频率由电源装置决定；以及(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，使DC偏压逐渐形成于这些电极上。电路系统基于检测到的DC偏压示数来影响AC电场线。较佳地，AC电源装置以及第一和第二电极被安排成使第一和第二频率从电源装置分别耦合到第一和第二电极，使得第一频率的电场线在第一和第二电极之间延伸，第二频率的电场线在第二和第一电极之间延伸。上述电路系统包括连接在第一电极和基准电势之间的第一电路以及连接在第二电极和基准电势之间的第二电路。第一电路包括第一可变阻抗，第一可变阻抗基于第二电极上检测到的DC偏压示数来影响第二频率的电场线。第二电路则包括第二可变阻抗，第二可变阻抗基于第一电极上检测到的DC偏压示数来影响第一频率的电场线。
第二组件最好还包括第三电极。该腔体和电极组件被安排成(a)使第一 AC频率的第一电场线存在于第一电极以及第二和第三电极中的至少一个电极之间；以及(b)使第二 AC频率的第二电场线存在于第二和第三电极之间。该腔体、电极组件和电路系统被安排成，使该电路系统基于检测到的DC偏压示数来影响第一和第二电场线。第一组件最好还包括第四电极。该腔体和电极组件被安排成，使第一 AC频率的第三电场线存在于第一和第四电极之间。该腔体、电极组件和电路系统被安排成，使该电路系统基于检测到的第二 DC偏压示数来影响第三电场线。本发明的另一方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括用于处理工件的真空等离子体腔。该腔体包括与腔内气体电耦合的第一电极组件以及与腔内气体电耦合的第二电极组件。第一电极组件包括第一电极，而第二电极组件包括彼此间隔开的第二和第三电极。与上述电极中的至少一个电极相连的AC电源装置具有足够大的功率能将腔内气体激发成等离子体。该腔体和电极组件被安排成，(a)使用于激发等离子体的AC电场存在于第一和第二电极组件之间，该AC电场的频率由电源装置决定；以及(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，使DC偏压逐渐形成于上述电极中的至少一个电极上。电路系统被安排成 响应于DC偏压示数来控制用于激发等离子体的AC电场。响应于DC偏压示数，可以人工控制该电路系统，或者响应于检测器的输出信号，可以自动控制该电路系统。该腔体和电极组件最好被安排成(a)使上述AC频率的第一电场线存在于第一电极以及第二和第三电极中的至少一个电极之间；以及(b)使上述AC频率的第二电场线存在于第二和第三电极之间。该腔体、电极组件和电路系统被安排成，使电路系统响应于DC偏压示数来影响第一和/或第二电场线。第一组件最好还包括至少基本上围绕着第一电极的第四电极。第四电极与第一、第二和第三电极共轴，并且每一个电极都具有环形边界。第一和第四电极基本上共面。该腔体和电极组件被安排成，使上述AC频率的第三电场线存在于第一和第四电极之间。该腔体、电极组件和电路系统被安排成，使电路系统响应于DC偏压示数来影响第三电场线。该电路系统最好包括与上述电极之一相连的可变阻抗。该可变阻抗被安排成具有一个根据DC偏压示数而控制的值。较佳地，该可变阻抗连接在第二电极和基准电势之间并且就是无源元件所构成的第一分支中包括的第一串联谐振电路的第一电抗，和/或连接在第一电极和基准电势之间并且就是无源元件所构成的第二分支中包括的第二串联谐振电路的第二电抗。本发明的另一方面涉及在真空等离子体处理腔中处理工件的方法，该真空等离子体处理腔包括将AC电能耦合到腔内气体的第一电极组件以及与腔内气体电耦合的第二电极组件。第一电极组件包括第一电极，而第二电极组件包括彼此间隔开的第二和第三电极。该方法包括，通过向上述电极中的至少一个电极提供功率足够大的AC电能，将腔内气体激发成等离子体。通过上述至少一个电极提供给气体的AC电能可以(a)使用于激发等离子体的AC电场存在于第一和第二电极组件之间，该AC电场的频率由所提供的AC电能决定；以及(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，使DC偏压逐渐形成于上述电极中的至少一个电极上。用于激发等离子体的AC电场是根据DC偏压示数来控制的。较佳地，(a)上述AC频率的第一电场线存在于第一电极以及第二和第三电极中的至少一个电极之间；以及(b)上述AC频率的第二电场线存在于第二和第三电极之间。基于DC偏压示数，来影响第一和/或第二电场线。第一组件最好还包括第四电极，并且上述频率的第三电场线存在于第一和第四电极之间。基于DC偏压示数，来影响第三电场线。本发明的另一方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括用于处理工件的真空等离子体腔。该腔体与和腔内气体电耦合的电抗相关联。该腔体包括一电极组件，该电极组件具有与腔内气体电耦合的第一电极。与电抗相连的AC电源装置具有足够大的功率，能将腔内气体激发成等离子体。腔体、电抗和电极组件被安排成(a)使用于激发等离子体的AC电场存在于电抗和电极组件之间，该AC电场的频率由电源装置决定；以及(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，使DC偏压逐渐形成于该电极组件的电极上。控制用于激发等离子体的AC电场所用的电路系统包括与电极组件的电极相连的可变阻抗。该可变阻抗的值是根据DC偏压示数来控制的。该可变阻抗可以根据DC偏压示数来人工控制，或者该可变阻抗可以根据检测器的输出信号来自动控制。 本发明的另一方面涉及一种真空等离子体处理器，它包括和电抗相关联的腔，该电抗用于将AC电能耦合到腔内气体并且包括电极。电路系统连接在该电极和基准电势之间。该方法包括，通过向电抗提供功率足够大的AC电能，将腔内气体激发成等离子体。通过上述电抗而提供的AC电能可以(a)使用于激发等离子体的AC电场存在于电抗和电极之间，该AC电场的频率由所提供的AC电能决定；以及(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，DC偏压逐渐形成于上述电极上。电路系统的阻抗根据DC偏压示数而变化。我们已意识到与本申请一起转让的MacGearai It的美国专利6，677, 711。MacGearailt的专利揭示了一种真空等离子体处理器，它包括具有一对电极的腔，其中之一支撑着工件。电极之一通过由无源元件构成的电路而接地。另一电极连接到用于将腔内气体激发成等离子体的射频源。该无源电路包括一可变阻抗，该可变阻抗的值响应于电压探针并且可以输出第一和第二信号，其中第一信号是电极和接地之间的射频电压的复制品，第二信号是电极和接地之间的接线中流动的射频电流的复制品。根据探针检测到的射频电流和电压的函数，来调节可变射频阻抗，以便使电极和接地之间维持恒定、有限、非零的射频电压。可变阻抗包括四个单独的分支，它们又分别包括多个开关触点，用于将电极直接连接到接地、可变电感器、可变电容器和可变电阻器。可变电感器、可变电容器和可变电阻器的值都是根据表示电极和接地之间射频电压和电流的信号来控制的，这些信号都是探针输出的。可变电感器、可变电容器和可变电阻器可以以并联对的方式连接，或者所有这三种阻抗元件都可以并联在电极和接地之间。开关最初都设置成使可变阻抗短路。存储器存储着用于射频参数的所期望的设置点值，与电极和接地之间的接线相关联。当可变阻抗的开关闭合使得可变阻抗短路时，处理器响应于探针所输出的射频电压和电流复制品。在可变阻抗短路时，基于探针输出的电压复制品的大小以及电压复制品和电流复制品之间的相角，处理器可以计算电极和接地之间初始的复电压。处理器根据初始电压和电流来判断初始相角是否是零，或者判断是电极和接地之间的电压超前于电流，还是电流超前于电压。在处理器作出相角判断之后，处理器通过打开开关从而解除可变阻抗的短路状态。处理器控制着可变电感器、可变电容器和/或可变电阻器的接线和值，以便能够在电极和接地之间实现所希望的射频电压，或者能够在电极和接地之间实现所希望的电流。申请人:认为，检测电极的DC偏压而并不检测与该电极相关联的射频电压和电流的做法，可以使包括一对电极的真空等离子体处理器的电场控制得以改进。改进后的电场控制可以使被处理的工件器件的控制也得到改善。当参阅下文关于特定实施例的详细描述时，尤其在结合附图时，本发明的上述和其它目标、特征和优点将变得很明显。
图I是包括本发明较佳实施例的真空等离子体处理器的较佳实施例的部分框图和部分电学示意图；图2是图I所示装置根据一种排列的部分电路图；
图3是图I所示装置根据第二种排列的部分电路图；图4是图I所示装置的其它部分的电路图。
具体实施例方式现在参照图1，其中示出了具有纵轴(即中心线)11的等离子体处理器真空腔10，它包括导电金属壁12、下电极组件13和上电极组件14。壁12具有环形内边界，与轴11共轴。壁12接地，即处于DC和RF基准电势。在加工处理过程中，真空泵9使腔10的内部保持量级为O. 001到500托的真空度。腔10的内部包括在下边界(与下电极组件13的顶面接近)和上边界(与上电极组件14的底面接近)之间受限的等离子体区域8;受限的等离子体区域8的侧边界与壁12有一段间隔。下电极组件13常常被称为下电极，它与轴11共轴并且被固定到电绝缘环17上，电绝缘环17则被固定到腔10的金属接地基座19上。电极组件13包括与轴11共轴的圆形中心金属电极16，并且具有用于接收圆形工件18的上表面，圆形工件18通常是半导体晶片，其直径基本上等于金属电极16的直径。当工件18放置恰当时，其中心与轴11共轴。电极16可以连接到DC夹具式电压源(未示出)，以便用静电力将工件18夹在电极16上。本领域的技术人员以一种已知的方式通过导管21和阀22将氦源20连接到电极16中某一区域(未示出)，从而控制电极16和工件18的温度，其中阀22响应于控制器24根据(I)由设置点源25向控制器提供的温度设置点以及(2)电极中的温度测量值(由电极16中所嵌入的温度监控器26所输出的信号表不该测量值)所输出的电信号。下电极组件13还包括电绝缘环28，通常由石英制成。环28被固定到绝缘环17的顶面，与轴11共轴，并且内直径基本上等于工件18的直径，所以当工件安放恰当时，工件18的边界几乎与环28的内边界相邻。环17的顶面在环28外的那部分以及环17的侧壁分别被绝缘环33和接地金属环32覆盖。绝缘环33被金属电极环34覆盖，金属电极环34可以用一层电介质材料或导电材料(未示出)覆盖或涂敷。导电环34及其覆盖或涂敷层是由并不破坏区域8中等离子体的化学特性的材料制成。这种材料是电导率相对高的适宜半导体，例如本征硅。或者，环34是用合适的没污染材料覆盖的金属。环34通过金属带(未示出)电连接到接地的环32，所以环34也接地。环33和34与轴11共轴，并且在下电极组件13的外边界和环28之间水平延伸。环34正对区域8的面积最好等于或大于电极16的面积，以便帮助使入射到工件上的等离子体具有恰当的离子能。上电极组件14包括中心电极36，与轴11共轴，其底面36a由导电的本征硅制成，并且不会破坏区域8中等离子体的化学特性。电极36包括内部通道(未示出)和大量的淋浴头式的开口(未示出)，两者以流体流动方式连接到合适的处理气源37，处理气体通过淋浴头式开口流入区域8，在区域8中气体转变为用于处理工件18的等离子体。电极36包括加热和/或冷却装置45，装置45响应于控制器24通过导线35提供给装置45的电信号，其中控制器24是根据设置点源25提供给该控制器的设置点信号以及电极36的温度信号(由嵌入组件14中的温度规39输出该温度信号)向装置45提供电信号的。组件14还包括绝缘环38和金属环40。环38与轴11共轴，最好由石英制成，并且大致与环28对齐。环38的内边界与中心电极36的外边界相邻。金属环40与轴11共轴，其内外边界分别与绝缘环38的外边界和侧壁12的内边界相邻，所以环40处于RF和DC接地电势。金属环40下面的内表面被电绝缘环41覆盖，电绝缘环41携带着导电电极环42。电极环42是用一层导电或绝缘材料(未示出)覆盖或涂敷的，该材料不破坏区域8中等离子体的化学特性。环42通过金属带(未示出)电连接到环40和壁42，所以，环42也接地。 较佳地，电极16和36正对区域8的面积相同，并且接地环34和42的面积也相同，这样环42的面积就等于或大于电极36的面积。电极16和36以及环34和42都与轴11共轴。从上文中看出，受限的等离子体区域8具有上边界和下边界，其中上边界由(I)电极36的底面36a、(2)绝缘环38的底面以及(3)电极环42的底面共同确定，而下边界由
(I)工件18的顶面(当工件处于平面中时)、(2)绝缘环28的顶面以及(3)电极环34的顶面共同确定。通过使上电极组件14的底面相对于下电极组件13的顶面上下移动，马达43控制着区域8上下边界之间的间隔。马达43响应于来自控制器24的信号，将电极组件13和14的表面之间的间隔设定为最佳值，该最佳值是针对激发等离子体的特定频率通过实验而确定的。受限的等离子体区域8的侧面是以有间隔的垂直堆叠的百叶窗式放气孔44为边界的，并且用并不破坏区域8内等离子体的化学特性的材料制成。百叶窗式放气孔44的构成材料是电绝缘的(最好是电介质，比如石英)或有点导电的(比如碳化硅)，使得百叶窗式放气孔是带电的，或电漂移，或电接地。百叶窗式放气孔44只让很少量的等离子体流过百叶窗式放气孔44之间的狭缝。然而，区域8中未离子化的气体会通过百叶窗式放气孔44之间的狭缝逃逸到腔10中壁12和环32之间的区域46，并且通过基座19中合适的开口从腔10内部被抽出。合适的间隔装置(未示出)使百叶窗式放气孔44在垂直方向上彼此固定地间隔开，马达47驱动百叶窗式放气孔44，使它们彼此相对地上下移动且相对于下组件13上下移动，从而控制受限等离子体区域8中的气压。设置点源25提供给控制器24的气压设置点以及区域8中的气压规48的输出信号控制着区域8中的气压。控制器24响应于气压设置点和气压规48的输出信号，以便控制马达47，由此改变最低的百叶窗式放气孔44的底面与电极组件13的顶面之间的间距。结果，区域8中的气压维持在气压设置点。百叶窗式放气孔44被安排成并不随马达43的启动而移动，所以受限等离子体区域8中的气压由电极组件13和14之间的间距单独控制。若干射频源通过电极14向区域8提供若干不同的频率。特别是，射频源50. 1...50. L..50.N(可以是固定频率或可变频率)获得被分别提供给匹配网络52. I. . .52. i... 52. N的等离子体激发能，其中N是大于2的整数，i是按顺序从I到N单调增大的每一个整数。(在下面的描述中，有时会提到源50. 2和50. (N-I)及其相关电路。应该理解，源50. 2的频率仅比50. I低，源50. (N-I)仅比源50. N高，尽管图中并不包括这些源和相关电路)。组合电路53将输出功率匹配网络52. I... 52. i. .. 52. N组合起来，并且通过导线58将组合后的功率提供给电极14。
k个射频源50. p. . . 50. N分别连接到k个匹配网络55. p. . . 55. N，其中k小于N，并且P是包括I的整数；如果P是大于I的整数，则P从其最小值单调增大到N。匹配网络55. p. . . 55. N向组合电路57提供电能，组合电路57通过导线60将网络55. p. . . 55. N的输出功率提供给电极36。(在许多情况下，只有频率最高的源50. N向电极36提供电能；在这种情况下，组合电路57被排除在外。)通常，并不将单个源的电能同时提供给电极14和36。为了以两者只能择其一的方式向电极14和36提供来自源50. P. . . 50. N的电能，开关矩阵59连接在源50. p. . . 50.N以及匹配网络52. p. . . 50. N和匹配网络55. p. . . 55. N之间。开关矩阵59包括双位置共轴开关59. p. . . 59. N，它们分别与源50. p. . . 50. N、匹配网络52. p. . . 52. N以及匹配网络55. p. ..55. N相关联。在第一位置，矩阵59的共轴开关59. q将来自源50. q的电能提供给匹配网络52. q ;在第二位置，共轴开关59. q将来自源50. q的电能提供给匹配网络55. 2，其中q是P. . .N中的任一个。匹配网络52. I. . . 52. i. . . 52. N以及55. p. . . 55. N中的每一个都包括至少一个可变电抗。如果射频源具有固定的频率，则匹配网络包括两个可变电抗。如果射频源具有可变的频率，则每一个匹配网络都具有单个可变的电抗。控制器24控制着匹配网络52. I. . . 52. N以及匹配网络55. p. . . 55. N的可变电抗的值，还控制着每一个源50. I. . . 50. N的输出功率。对于可变频率的实施例，(I)每一个源50. I. . . 50. N都具有内部的标称中心频率以及用于检测特定源的输出阻抗和控制该特定源频率以实现匹配的电路之间的失配度的电路系统；以及(2)控制器24基于用于处理工件18的参数，以开环方式设置匹配网络52. I. . . 52. N和网络55. p. . . 55. N的可变电抗的值。对于频率固定的实施例，匹配网络52. I. . . 52. N和网络55. p. . . 55. N中的每一个都连接到传感器电路(图I中未示出)，传感器电路用于检测射频电压、电流和各网络之间的相角，并将检测到的情况反馈到与特定的匹配网络相关联的源且频率由该特定的源决定。控制器24以本领域技术人员所熟知的方式响应于检测到的电压、电流和相角，以便控制每一个匹配网络的可变分流器和串联电容器，所以每一个射频源在其输出端所看到的阻抗基本上等于每一个源的输出阻抗，其频率为该源决定。在匹配条件下，匹配网络52. I. . . 52. i. . . 52. N的阻抗可使得，这些匹配网络被分别调谐到源50. I. . . 50. i. . . 50. N的频率，而匹配网络55. p. . . 55. N则被分别调谐到源50. p. . . 50. N的频率。这些匹配网络还被安排成，为那些不直接驱动特定匹配网络的射频源引入相当大的功率衰减。除了直接驱动匹配网络的特定射频源的频率以外，对于这些射频源的频率，每一个匹配网络52. I. . . 52. i. . . 52. N和55. p. · · 55. N都引入了至少26DB的功率衰减。已经发现，通过为那些不直接驱动特定匹配网络的频率引入至少26DB的功率衰减，驱动特定匹配网络的射频源并没有受到其它源的功率的不利影响，其它源的功率可能会反馈耦合到特定射频源的输出终端。例如，因为匹配网络52. I对每一个射频源50. 2. . . 50. i. . . 50. N的输出功率引入了至少26DB的功率衰减，所以来自射频源50. 2-50. N的功率并不对射频源50. I的操作带来不利的影响。当开关矩阵59被激活使得匹配网络52. r_52. N(其中r是p到N中的任一整数)的输出功率耦合到电极36时，通过关闭开关68将低通滤波器66接地，可防止被提供给电极16并通过等离子体耦合到电极36的电能(其频率由源50. 1-50. (r-Ι)决定)从电极36反馈耦合到匹配网络50. 1-50. (r-Ι)。滤波器66的截止频率位于源50. (r_l)和50. r的频率之间，所以来自源50. 1-50. (r-Ι)的电能通过滤波器66耦合到接地，因此与匹配网络52. 1-52. (N-I)的输出端分离，而来自源50. r-50. N的电能则分别通过匹配网络52. r-52.N耦合到电极36。相反地，响应于开关55. N通过匹配网络52. N将源50. N的电能耦合到电极16的过程，打开开关68。根据耦合到电极16和36的源，控制器24改变滤波器66的截止频率。因此，如果激活开关矩阵59使得来自源50. 1-50. S的电能耦合到电极16且来自源50. (8+1)-50. N的电能耦合到电极36，则控制器24使滤波器66的截止频率位于源50. s和50. (sfl)两频率之间。·
通过检测带DC偏压检测器70和71的电极16和36的DC偏压，便可以控制下电极组件13和上电极组件14之间的电场，由此控制入射到工件18上的等离子体。检测器70和71通过DC电路分别连接到电极16和36，并且分别检测电极16和36上感应出的DC偏压，该DC偏压是响应于电极组件13和14将射频电场耦合到区域8内的等离子体的过程而感应出的。检测器70和71向控制器24提供分别表示电极16和36的DC偏压的信号。控制器24响应于DC偏压检测器70和71获得的信号，以便分别控制接地电路72和73的可变阻抗。每一个接地电路72和73包括单独的谐振电路，其谐振频率标称基本上等于一个射频源的频率，该射频源用于驱动与接地电路相连的电极相对的那个电极；例如，如果源50. N驱动电极36，则连接到电极16的接地网络70的标称谐振频率等于源50. N的频率。控制器24响应于(1)检测器70和71获得的DC偏压示数；以及(2) DC偏压设置点，用于控制每一个接地电路72和73的串联谐振电路的可变电抗(或阻抗或电容器)。由此可以控制电极组件13和14之间电场线的强度和形状以及入射到工件18上的等离子体的特性。特别是，响应于检测器70和71检测到的DC偏压以及用于这些DC偏压的DC偏压设置点，可以控制电极16和26之间、电极16和42之间以及电极16和34之间的电场线。为了针对没有从特定射频源中获得的频率提供所希望的衰减度，射频源50. 2-50.N的输出端分别连接到分流电感器80. 2-80. N。电感器80. 2-80. N充当低通滤波器，所以每一个电感器80. 2-80. N将频率最低的射频源50. I分流到接地。因此，可以防止来自源50. I的任何电能(通过匹配网络52. 2-52. N耦合)对射频源50. 2-50. N分别带来不利的影响。相似的是，电感器80. 3-80. N将来自射频源50. I和50. 2的电能耦合到接地，并且可以防止射频源50. 3-50. N的输出端将源50. I和50. 2的电能耦合到自身。在典型的真空等离子体处理腔中，在下组件13的电极16和接地之间有相当大的分布电容器量。已经发现，电极16和接地之间的分布电容器对频率最低的源50. I. . . 50.t的输出阻抗匹配过程有不利的影响。串联谐振电路82. l，82.t连接在接地和匹配网络52. 1-52. t的输出之间的分路中，可以帮助实现源50. 1-50. t的输出端与反馈到这些源的阻抗相匹配的过程。串联谐振电路82. 1-82. t分别包括固定的电感器84. 1-84. t和固定的电容器86. 1-86. t0电路82. u的谐振频率位于射频源50. u和50. (u+Ι)的两个频率之间。在一个示例中，射频源50. I和50. 2的频率是2. OMHz和27MHz。为了实现恰当的阻抗匹配而有不对匹配网络52. I和52. 2的输出功率带来不利影响，在上述示例中，电感器84. I的电容器86. I的值在大约5. OMHz的频率处谐振。电感器84. I. . . 84. μ的品质因数(Q)足够高，使得分流谐振电路82. 1-82. U不对匹配网络52. 1-52. t分别向电极16提供的电能造成任何功率衰减。当开关矩阵59被激活使得源50. N通过匹配网络52. N向电极36提供电能时，通过关闭开关68将低通滤波器66接地，可以防止输入到电极36上的电能(其频率由源50. 1-50. (N-I)决定)反馈耦合到组合电路56和匹配网络50. 1-50. N。滤波器66 (其截止频率位于源50. (N-I)和50. N的两个频率之间)与电路56分开，而来自源50. N的电能则从电路56耦合到电极36。开关68与开关59. N组合起来，使得响应于开关59. N将源50. N的电能耦合到匹配网络52. N的过程，使开关68处于开路状态。相反，响应于开关59. N将源50. N的电能耦合到匹配网络55. N的过程，使开关68处于关闭状态。
现在参照图2，示出了用于将电能提供给电极16或电极16和36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并且有三个可变频率射频源91、92和93，它们的中心频率分别是2MHz、27MHz和60MHz。源91、92和93包括用于改变其频率的电路，这种改变是从其中心频率起变化约±5%。源91、92和93通过检测这些源的输出阻抗和这些源驱动的那些阻抗之间的阻抗失配，来控制这些源的频率。源91和92的输出功率通过直接连接分布加到匹配网络101和102。通过共轴开关105将源93的输出功率选择性地提供给匹配网络103或104。组合电路118将匹配网络101、102和103的输出端处的电能组合起来，并且通过导线58将组合后的电能提供给电极16，所以电极16由电源91、92和93驱动，以响应于控制器24激活开关105将源93的电能提供给匹配网络103的过程。在这些条件下，源91、92和93以及匹配网络101、102和103并不直接向电极36供电。响应于控制器24激活开关105从而将源93的电能提供给匹配网络104(同时将网络103排除在外)，源93的电能通过网络104驱动电极36，同时源91和92通过网络101和102以及组合电路118驱动电极16。匹配网络101，102，103和104分别向导线106，107，108和109提供电能，其频率由源91，92，93和93决定。基于上文，每一条导线106，107和108上的电能(频率由源91，92和93决定)在第一情形下仅被提供给电极16 ;或者在第二情形下导线106和107上的电能被提供给电极16，而导线109上的电能被提供给电极36。控制器24响应于存储器(未示出)中所存储的信号。所存储的信号取决于工件18的预期特性，以便以开环方式控制匹配网络101，102和103的可变分流电容器。为了实现26DB功率衰减(此衰减所针对的电能与用于驱动特定匹配网络的电能相比频率不同)，每一个匹配网络101，102，103和104包括可变的分流电容器、固定的串联电容器以及固定的电感器。匹配网络101包括可变的分流电容器124，它连接在固定的串联电容器122和固定的电感器126之间。匹配网络102包括固定的串联电容器130，它连接在可变的分流电容器128和固定的串联电感器132之间。匹配网络103包括可变的分流电容器134、固定的串联电容器136以及固定已知量的串联电感器，其形式为分布电感器，在图2中由串联电感器138表示。匹配网络104包括可变分流电容器135、固定的串联电容器137以及固定已知量的串联电感器，其形式为分布电感器，在图2中由串联电感器139表示。控制器24响应于所存储的指令确定信号，控制着可变分流电容器124，128和134的值。应该理解，DC马达(未示出)通常用于改变电容器器124，128，134和135的值，或者每一个可变电容器器可以具有许多固定的值，它们通过开关连接到电路中。控制器24改变电容器124，128，134和135的值，以帮助实现源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。固定的电感器126的典型值介于15-20微亨，而电感器132的典型值介于50-100纳亨，匹配网络103和104典型的分布电感器(由电感器138和139)小于50纳亨。应该理解，如果所需的匹配效果无法以别的方式实现，则电感器126和132可以是可变电感器。可变分流电容器124的典型值介于300-600皮法之间；可变分流电容器128的典型值介于50-1000皮法之间；可变分流电容器134的典型值介于20-330皮法之间；可变分流电容器135的典 型值介于20-300皮法之间。匹配网络101，102，103和104中各组件的上述值能使匹配网络提供所希望的功率衰减，从而防止不想要的频率反馈耦合到驱动特定匹配网络的源。另夕卜，上述的值能使每一个匹配网络101，102，103和104分别大致调谐到(谐振)源91，92和93的频率。因此，对于源91，92，93和93的各个频率而言，匹配网络101，102，103和104各自具有低阻抗。然而，匹配网络101针对源92和93的频率插入至少26DB的功率衰减，匹配网络102针对源91和93的频率插入至少26DB的功率衰减，每一个匹配网络103和104针对源91和92的频率插入至少26DB的功率衰减。为了防止低频源91相对高的功率反馈耦合到源92和93的输出端，分流电感器140和142分别连接到源92和93的输出端。对于源92和93的频率而言电感器140和142具有高阻抗，但对于源91的频率而言电感器140和142具有低阻抗。因此，源91可能通过匹配网络102，103和104朝着源92，93和93耦合的任何电能都被分流电感器140和142阻隔无法到达这些源。因为分流电感器140和142在源92和93的频率下具有高阻抗，所以基本上没有来自源92和93的电能通过电感器140和142耦合到接地。下电极16具有相当大的到接地的寄生电容器即分布电容器。为了帮助在源91和电极16的阻抗之间提供阻抗匹配，串联谐振电路144连接在导线104接地之间。电路144包括串联的电感器146和电容器148。电路144的谐振频率约为5MHz即大约比源91的频率高一个倍频程且大约比源92的频率低两个半倍频程。电感器146具有相当高的Q值，所以串联谐振电路144具有相当窄的带宽，且并不将太多来自源91或源92的电能分流到接地。图2所示电路的整体效果是为驱动电极16或电极16和36的源91、92和93提供所希望的低阻抗，同时又引入了足够的衰减以防止对源91、92和93造成损害并且获得期望的阻抗匹配。现在参照图3，示出了用于驱动电极16和36的电路框图，其中源91、92和93分别具有固定的频率2MHz、27MHz和60MHz，并通过将固定的电容器122、130和136改为可变电容器，来实现阻抗匹配。图3所示的电路包括传感器111、112和113，分别直接连接到源91、92和93的输出端。传感器111、112和113检测反馈到源91、92和93的电压和电流大小(频率由特定的源决定)以及反馈的电压和电流之间的相角。控制器24响应于来自检测器111、112和113的信号以便控制可变串联电容器122、130、136和137的值，从而实现所希望的阻抗匹配。为实现所希望的阻抗匹配，电容器122的值通常介于50-1，000皮法之间，电容器130的值通常介于50-1，000皮法之间，电容器136和137的值通常介于20-330皮法之间。马达(未示出)响应于来自控制器24的信号，以改变电容器122、130、136和137的值。电容器122、130、136和137的上述取值范围能够实现阻抗匹配。另外，匹配网络101、102、103和104的谐振频率分别大约等于源91、92、93和93的频率。匹配网络101、102、103和104还对不直接驱动匹配网络的频率提供所希望的衰减。现在参照图4，它是用于控制真空等离子体处理腔10内电极16、34、36和42a之间的电场线的电路示意图，其中包括百叶窗式放起孔44。图4所示电路由图3所示的源来驱动。如图4所示，电极16和36是中心电极，其中电极16用于支撑工件。电极16和36彼此共轴且位于腔10的中心，而电极34则形成一个环，围绕着电极16且与电极16的边界间隔开。电极16和34的顶面是共面的。电极36的直径大约比电极16的直径大1/3，并且被环形电极42围绕着且与环形电极42间隔开。电极34和42是接地的。因为有相当大的寄生电容器和电极36相关，所以很难使电极36接地，尤其是在源92的频率下。因为有相当 大的寄生电容器与电极16相关，所以针对源93的频率很难将电极16接地。当用开关105连接源93驱动匹配网络104从而使源93直接驱动电极36时，常常期望在源93的频率下将电极16接地。接地电路72响应于电极16的DC偏压，像是被DC偏压检测器70耦合到控制器24那样。接地电路72包括可变阻抗，该可变阻抗受电极16的DC偏压控制从而将电极16、34、36和42之间的电场控制在60MHz。特别是，电路72具有串联谐振电路，其可变谐振频率大约以60MHz为中心。该串联谐振电路连接在电极16和接地之间。接地电路73响应于电极36的DC偏压，就像被DC偏压检测器71耦合到控制器24那样。接地电路73包括可变阻抗，该可变阻抗受电极16的DC偏压控制，以便将电极36、34、16和42之间的电场控制27MHz。特别是，电路73具有串联谐振电路，其可变谐振频率大约以27MHz为中心。该串联谐振电路连接在电极36和接地之间。DC偏压检测器70包括电阻器式分压器160，其中包括电阻器162和164，其值通常是10兆欧和10千欧。电阻器162和164之间的抽头166通过电容器168接地，该电容器的值通常约为I微法，所以抽头166处的电压不包括AC分量并且是电极16上逐渐形成的DC偏压的精确表示(该DC偏压的逐步形成响应于区域8内受限的等离子体的激发过程)。抽头166处的DC电压耦合到控制器24。接地电路72包括连接在电极16和接地之间的分流电路170。分流电路170由无源组件构成，并且包括固定的电感器172、固定的电容器174以及可变的电容器176，所有这些都彼此串联。电感器172以及电容器174和176的值使电路170在源91和92的频率2MHz和27MHz下具有相对固定的阻抗，但在源93的频率60MHz下具有可变的阻抗。通常，电容器174的值约为100皮法，而电容器176的值则介于20-400皮法的范围中，这取决于抽头166处的DC偏压和用于该DC偏压的设置点值。控制器24响应于抽头166处的电压，以改变电容器176的DC偏压，从而能够实现用于该DC偏压的设置点值。控制器24驱动马达(未示出)改变电容器176的值。用于DC偏压的设置点值是由电极16、34、36和42之间电场线的预期关系来决定的。如果希望在电极16和36之间主要有60MHz的电场线，则DC偏压设置点使电路170是一个其谐振频率等于60MHz的串联谐振电路。因此，非常低的阻抗存在于电极16和接地之间，并且在60MHz的电流中有相当大的百分比从电极36流到电极16，由此通过电路170流到接地，并且60MHz的强电场线存在于电极36和16之间。在这些条件下，有相对弱的60MHz电场线存在于电极16和42以及电极16和34之间，并且稍微更强的60MHz电场线存在于电极36和34之间。然而，如果希望电极36和42之间的60MHz电场线大于电极36和16之间的电场线，则用于DC偏压的设置点位于一个使电容器176变化的值，这样当电路170与源93的60MHz频率相谐振时，电路170在60MHz下的阻抗比电路170的阻抗相对高一点。响应于电容器176被驱动从而其值使电路170针对源93的60MHz输出具有较高的阻抗，电极36和16之间的电场线相对较弱，而电极36和34之间的电场线相对较强。DC偏压检测器71包括电阻分压器161，其中包括电阻器163和165，其值通常是10兆欧和10千欧。电阻器163和165之间的抽头167通过电容器169接地，该电容器的值通常约为I微法，所以抽头167处的电压不包括AC成分，并且是电极36上逐步形成的DC偏压的精确表示(该DC偏压的逐步形成响应于区域8内受限等离子体的激发过程)。抽头 167处的DC偏压耦合到控制器24。接地电路73包括连接在电极36和接地之间的分流电路171。分流电路171由无源组件构成，并且包括固定的电感器173、固定的电容器175和可变的电容器177，所有这些彼此串联。电感器173以及电容器175和177的值使电路171在源91和93的频率2MHz和60MHz下具有相对固定的阻抗，但在源92的频率27MHz下则具有可变的阻抗。通常，电容器175的值约120皮法，而电容器177的值则介于50-1000皮法的范围中，这取决于抽头167处的DC偏压以及用于该DC偏压的设置点值。控制器24响应于抽头167处的电压，以改变电容器177的值，从而能够实现用于该DC偏压的设置点值。控制器24驱动马达(未示出)以改变电容器167的值。用于DC偏压的设置点值是由电极36、34、16和42之间电场线的预期关系来决定的。如果希望在电极36和16之间主要有27MHz的电场线，则DC偏压设置点使电路171是一个其谐振频率等于27MHz的串联谐振电路。因此，非常低的阻抗存在于电极36和接地之间，并且在27MHz的电流中有相当大的百分比从电极16流到电极36，由此通过电路171流到接地，并且27MHz的强电场线存在于电极16和36之间。在这些条件下，有相对弱的27MHz电场线存在于电极36和42以及电极36和34之间，并且稍微更强的27MHz电场线存在于电极16和34之间。然而，如果希望电极16和42之间的27MHz电场线大于电极16和36之间的电场线，则用于DC偏压的设置点位于一个使电容器177变化的值，这样当电路171与源92的27MHz频率相谐振时，电路171在27MHz下的阻抗比电路171的阻抗相对高一点。响应于电容器177被驱动从而其值使电路171针对源92的27MHz输出具有较高的阻抗，电极16和36之间的电场线相对较弱，而电极16和34之间的电场线相对较强。为了进一步帮助使2MHz和27MHz能量(该能量入射到电极36)去耦合而同时开关和组合电路118被激活使得源92的60MHz输出耦合到电极36，滤波器66通过分路中的继电器68与电极36相连。如图4所示，滤波器66包括连接到电极36的电感器180，控制器24在激活电路118的开关的同时还激活电极36，使得高频源93的输出通过导线60耦合到电极36。电感器180具有足够高的值，并且在源93的频率60MHz下具有很大的阻抗，以便防止60MHz能量耦合到接地。然而，电感器180的值在源91和92的2MHz和27MHz的频率下具有相对较低的阻抗，以便防止入射到电极36上的2MHz和27MHz能量反馈耦合到电路 118。尽管已描述并示出本发明的特定实施例，但是很明 显，在不背离所附权利要求书所界定的本发明的真实精神和范围的情况下，可以对已描述和示出的实施例细节作出改变。
权利要求
1.一种真空等离子体处理器，包括 用于处理工件的真空等离子体腔，所述腔体包括与腔内气体电耦合的第一电极组件和与腔内气体电耦合的第二电极组件，所述第一电极组件包括第一电极，所述第二电极组件包括彼此分隔开的第二和第三电极； 连接到所述电极中的至少一个电极的AC电源装置，所述AC电源装置具有足够大的功率，可以将腔内气体激发成等离子体； 所述腔体和所述电极组件被安排成，Ca)使等离子体激发AC电场存在于所述第一和所述第二电极组件之间，所述AC电场的频率就是所述电源装置的频率，(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，在所述电极之一上逐渐形成DC偏压； 用于所述DC偏压的检测器；以及 用于控制所述等离子体激发AC电场的电路系统； 其中，所述腔体和所述电极组件被安排成，Ca)使处于所述频率的第一电场线存在于 所述第一电极以及所述第二和所述第三电极中的至少一个电极之间，以及(b) 使处于所述AC电场的频率的第二电场线存在于所述第二和第三电极之间；所述腔体、所述电极组件和所述电路系统被安排成使所述电路系统基于所述检测到的DC偏压示数来影响所述第一和所述第二电场线；以及 所述腔体和所述电极组件被安排成，Ca)使处于所述电源装置的频率的等离子体激发AC电场存在于所述第一和所述第二电极组件之间，(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，在至少一个所述电极上逐渐形成DC偏压，且所述检测器包括在用于所述DC偏压的检测装置中；以及基于所述在至少一个所述电极上检测到的DC偏压示数来影响所述AC电场线的电路系统。
2.一种真空等离子体处理器，包括 用于处理工件的真空等离子体腔，所述腔体和与腔内气体电耦合的电抗相关联，所述腔体包括与腔内气体电耦合的电极组件，所述电极组件包括第一电极； 连接到所述电抗的AC电源装置，所述AC电源装置具有足够大的功率，可以将腔内气体激发成等离子体； 所述腔体、所述电抗和所述电极组件被安排成，Ca)使等离子体激发AC电场存在于所述电抗和电极组件之间，所述AC电场的频率就是所述电源装置的频率，和(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，在所述电极组件的电极上逐渐形成DC偏压； 用于所述DC偏压的检测器；以及 连接成响应于所述检测器以便控制所述等离子体激发AC电场的电路系统所述电路系统包括连接到所述电极组件的电极的可变阻抗，所述可变阻抗被安排成具有响应于所述检测到的DC偏压来控制的值，所述可变阻抗是串联谐振电路的电抗， 其特征在于，所述腔体和所述电极组件被安排成，(a)使处于所述电源装置的频率的等离子体激发AC电场存在于所述第一和所述第二电极组件之间，(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，在至少一个所述电极上逐渐形成DC偏压，且所述检测器包括在用于所述DC偏压的检测装置中；以及基于所述在至少一个所述电极上检测到的DC偏压示数来影响所述AC电场线的电路系统。
3.一种在真空等离子体处理腔中处理工件的方法，所述腔体与将AC电能耦合到腔内气体的电抗相关联，所述腔体包括电极、连接在所述电极和基准电势之间的电路系统；所述方法包括 通过将处于多个频率的AC电能提供给所述电极和/或所述电抗，将腔内气体激发成等离子体，通过所述电极和/或所述电抗提供给所述气体的AC电能可以(a)使等离子体激发AC电场存在于所述电抗和所述电极之间，所述AC电场的频率就是所提供的AC电能的频率，和(b)响应于腔内气体被激发成等离子体的过程，在所述电极上逐渐形成DC偏压以及 响应于所述DC偏压示数，改变所述电路系统的阻抗。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电抗为另一电极，从而在所述另一电极上形成DC偏压，且进一步包括通过控制提供给所述等离子体的处于所述多个频率的所述AC电能响应在所述另一电极上形成的DC偏压。
全文摘要
一种等离子体处理腔包括下电极和上电极组件，该组件具有被接地电极围绕着的中心电极。各电极之间射频激发的等离子体在这些电极上感应出DC偏压。下电极DC偏压量控制着连接在中心电极和接地之间的第一串联谐振电路的电容器。中心电极DC偏压量控制着连接在下电极和接地之间的第二串联谐振电路的电容器。
文档编号H01J37/32GK102867727SQ201210349459
公开日2013年1月9日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年5月28日
发明者R·季米萨, F·科扎克维奇, D·特拉塞尔 申请人:拉姆研究有限公司