用于控制等离子体处理室中的等离子体的方法和装置制造方法

用于控制等离子体处理室中的等离子体的方法和装置制造方法
【专利摘要】公开了用于控制具有至少一个电感耦合等离子体（ICP)处理室的等离子体处理系统中的等离子体的方法和装置。ICP室中至少使用第一/中心射频线圈、相对于第一/中心射频线圈同心地设置的第二/边缘射频线圈、和至少具有第三/中部射频线圈的射频线圈组，第三/中部射频线圈相对于第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈以使第三/中部射频线圈被设置在第一/中心射频线圈与第二/边缘射频线圈之间的方式同心地设置。在处理期间，在相同方向上将射频电流提供给第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈，同时在相反方向上（相对于提供给第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的电流的方向）将射频电流提供给第三/中部射频线圈。
【专利说明】用于控制等离子体处理室中的等离子体的方法和装置

【背景技术】
[0001] 等离子体已长期被应用于将衬底（例如，晶片、平板显示器、液晶显示器等）加工 成电子器件（例如，集成电路芯片）以便并入多种电子产品（例如，智能手机、计算机等）。
[0002] 在等离子体处理中，可利用具有一个或多个等离子体处理室的等离子体处理系统 来处理一个或多个衬底。在各处理室中的等离子体生成可采用电容耦合等离子体技术、电 感耦合等离子体技术、电子回旋技术、微波技术等。
[0003] 电感耦合等离子体技术易于产生适合于蚀刻高性能器件的稠密等离子体，因此得 到广泛的应用。在典型的电感耦合等离子体（ICP)系统中，将射频能量提供给天线，该天 线通常采用设置在介电窗上方的感应线圈的形式，将介电窗相应地设置在被处理衬底的上 方。在晶片的处理期间，例如，将衬底设置在工件固定器（通常是静电卡盘或另一类型的卡 盘）上，并且可将反应气体（该反应气体可使用一种气体或者多种气体的混合物）释放入 在衬底上方的等离子体处理区域。射频能量经过介电窗耦合到反应气体，以点燃并维持适 合于衬底处理的等离子体。
[0004] 然而，已发现由于感应线圈所诱导的局部高磁通分布，因而通过感应线圈所产生 的等离子体通量往往会在衬底上方呈圆环形状。因此，从衬底的中部到衬底的边缘，存在某 种程度的处理不均匀性（例如在蚀刻速率和蚀刻深度方面）。在现有技术中，利用多个同心 线圈来减小由于使用感应线圈因而固有地造成的处理不均匀性。例如，在现有技术中曾试 图使用两个同心感应线圈并获得不同程度的成功。
[0005] 为了详细说明，图IA示出了具有两个同心线圈104和106的现有技术ICP室102 的侧剖视图的简化图。线圈104和106被设置在介电窗108的上方，并且由各自的射频电 源110和112提供电力。在图IB的实例中更清楚地示出了这两个线圈104和106。
[0006] 在图IA中，用附图标记126表示等离子体云。如图IA中可见，磁通线122形成局 部的稠密磁通区域124,在该区域中点燃并维持等离子体126以便对衬底130进行处理。因 为图IA是侧剖视图，所以应当理解的是，如果从图IA的顶部看，在衬底130上方，此等离子 体126具有圆环形状。等离子体126的此圆环形状分布导致从衬底130的中部到衬底130 的边缘的处理不均匀性。
[0007] 在现有技术中，将不同的射频功率水平提供给两个线圈，以试图解决前述的处理 不均匀性问题。
[0008] 图IC示出了利用射频电源160将高射频功率提供给中心线圈162并且利用射频 电源164将低射频功率提供给边缘线圈166的效果。在这种情况下，易于在中心线圈162 的下方形成圆环形状的等离子体云168,如图所示。
[0009] 图ID示出了分别由射频电源170和174将等量的射频功率提供给中心线圈172 和边缘线圈176的效果。在这种情况下，易于在介电窗下方与这两个线圈172和176相隔 大致等距离的位置形成圆环形状的等离子体云178,如图所示。
[0010] 图IE示出了利用射频电源180将低射频功率提供给中心线圈182并且利用射频 电源184将高射频功率提供给边缘线圈186的效果。在这种情况下，易于在边缘线圈188 的下方形成圆环形状的等离子体云188,如图所示。
[0011] 如图IC-图IE中可见，尽管现有技术利用多个线圈为等离子体提供某种程度的可 调性，但处理不均匀性的问题仍然存在。在全部的这三个附图1C-1E中，从衬底中心到衬底 边缘存在等离子体通量的显著差异。
[0012] 降低ICP系统中的处理不均匀性是本发明方法和装置的实施方式的许多目的中 一个。


【发明内容】

[0013] 在一实施方式中，本发明涉及一种具有至少一个用于处理衬底的等离子体处理室 的等离子体处理系统。该等离子体处理系统包括：用于在所述处理期间件支撑所述衬底的 工件固定器和设置在所述工件固定器上方的介电窗。其包含有设置在所述介电窗上方的第 一射频线圈以及相对于所述第一射频线圈同心地设置的第二射频线圈，所述第二射频线圈 也被设置在所述介电窗的上方。其还包含有射频线圈组，该射频线圈组至少包括相对于所 述第一射频线圈和所述第二射频线圈同心地设置的第三射频线圈，所述第三射频线圈被设 置在所述第一射频线圈和所述第二射频线圈之间，其中提供给所述第一射频线圈的第一射 频电流和提供给所述第二射频线圈的第二射频电流两者均是在第一方向上，并且提供给所 述第三射频线圈的第三射频电流是在与所述第一方向相反的第二方向上。
[0014] 在另一实施方式中，本发明涉及一种用于处理至少具有处理所述衬底的等离子体 处理室的等离子体处理系统中的衬底的方法。该方法包括：提供用于在所述处理期间支撑 所述衬底的工件固定器以及提供被设置在所述工件固定器上方的介电窗。该方法还包括： 提供被设置在所述介电窗上方的第一射频线圈以及提供相对于所述第一射频线圈同心地 设置的第二射频线圈，所述第二射频线圈也被设置在所述介电窗上方。该方法另外包括：提 供至少包括相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈同心地设置的第三射频线圈的 射频线圈组，所述第三射频线圈被设置在所述第一射频线圈和所述第二射频线圈之间，其 中提供给所述第一射频线圈的第一射频电流和提供给所述第二射频线圈的第二射频电流 两者均是在第一方向上，并且提供给所述第三射频线圈的第三射频电流是在与所述第一方 向相反的第二方向上。该方法进一步包括：在用所述第一射频电流给所述第一射频线圈通 电、用所述第二射频电流给所述第二射频线圈通电、以及用所述第三射频电流给所述第三 射频线圈通电时处理所述衬底。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 在附图的图中，通过举例来说明本发明，但并不是通过限制方式来说明本发明，在 附图中类似的附图标记是指相似的元件，并且在附图中：
[0016] 图IA和图IB示出了具有两个同心线圈的现有技术ICP室的侧剖视图的简化图， 以便于描述。
[0017] 图IC示出了将高射频功率提供给中心线圈并且将低射频功率提供给边缘线圈的 效果。
[0018] 图ID示出了将等量的射频功率提供给中心线圈和边缘线圈的效果。
[0019] 图IE示出了将低射频功率提供给中心线圈并且将高射频功率提供给边缘线圈的 效果。
[0020] 图2A和图2B示出了具有中部线圈组的等离子体处理系统（该系统可具有相同或 不同类型的多个室）的ICP室的相关部件的侧剖视图的简化图。
[0021] 图2C以概念性的方式示出了向第三/中部射频线圈提供反向射频电流的效果，该 反向电流是在与提供给第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频电流的方向相反 的方向上。
[0022] 图3A1和图3A2示出了当提供给第三/中部射频线圈的射频功率水平与提供给第 一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频功率水平相比相对较低时等离子体的效 果。
[0023] 图3B1和图3B2示出了当提供给第三/中部射频线圈的射频功率水平处在与提供 给第一 /中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频功率水平相比大致相同的功率水平时 等离子体的效果。
[0024] 图3C1和图3C2示出了当提供给第三/中部射频线圈的射频功率水平与提供给第 一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频功率水平相比相对较高时等离子体的效 果。
[0025] 图4示出了根据一个实施方式的用于调节ICP室中的功率沉积分布的方法。
[0026] 图5示出了 ICP室的简化图，该ICP室采用反映局部离子通量的室参数的传感器 测量值作为反馈信号，以便自动地改变提供给中部射频线圈和/或中心射频线圈和/或边 缘射频线圈的射频电流。
[0027] 图6A示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈604)显著地高于中心射频线圈并 且/或者具有边缘射频线圈的一个实例。
[0028] 图6B示出了其中中部射频线圈与中心射频线圈和/或边缘射频线圈是非共面的 一个实例。
[0029] 图6C示出了其中中部射频线圈与中心射频线圈和/或与边缘射频线圈是非共面 的一个实例。
[0030] 图6D示出了其中中部射频线圈没有被设置成与中心射频线圈和/或边缘射频线 圈相隔等距离的一个实例。
[0031] 图6E示出了其中中部射频线圈与中心射频线圈和/或边缘射频线圈是非共面的， 并且在中部射频线圈与中心射频线圈和/或边缘射频线圈之间存在部分重叠的一个实例。
[0032] 图6F示出了其中中部射频线圈是圆筒形缠绕式线圈（solenoid wound coil)，同 时中心射频线圈和/或边缘射频线圈是平面线圈的一个实例。
[0033] 图6G示出了其中中部射频线圈是平面线圈，同时中心射频线圈和/或边缘射频线 圈是圆筒形缠绕式线圈的一个实例。

【具体实施方式】
[0034] 现在将参照附图中示出的一些实施方式来详细描述本发明。在以下的描述中陈述 了许多具体细节，以便提供对本发明的详尽理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的 是，可在不提供这些具体细节的部分或全部的情况下实施本发明。在其它情况下，对于众所 周知的处理步骤和/或结构未作详细描述，以免不必要地使本发明难以理解。
[0035] 在下文中描述了各种实施方式，包括方法和技术。应记住的是本发明也可以包含 制品，这些制品包括其中存储有用于执行实施本发明技术的实施方式的计算机可读指令的 计算机可读介质。计算机可读介质可以包括例如：半导体、磁性、光磁、光学、或者其它形式 的用于存储计算机可读代码的计算机可读介质。此外，本发明也可包含用于执行本发明实 施方式的装置。这种装置可包括用于执行与本发明实施方式有关的任务的专用电路和/或 可编程电路。这种装置的实例包括通用计算机和/或专用计算装置（当适当地编程时），并 且可以包括适合于执行与本发明实施方式有关的各种任务的计算机/计算装置与专用电 路/可编程电路的组合。
[0036] 本发明的实施方式涉及用于控制在具有至少一个电感耦合等离子体（ICP)处理 室的等离子体处理系统中的等离子体的方法和装置。在一个或多个实施方式中，电感耦合 等离子体处理室包括工件固定器，例如用于在等离子体处理期间支撑衬底的静电卡盘。静 电卡盘和衬底被设置在具有上介电窗的处理室中。在介电窗的上方，至少设置有第一 /中 心射频线圈、相对于第一 /中心射频线圈同心地设置的第二/边缘射频线圈、和至少具有第 三/中部射频线圈的射频线圈组，第三/中部射频线圈相对于第一 /中心射频线圈和第二 /边缘射频线圈以使得第三/中部射频线圈被设置在第一/中心射频线圈和第二/边缘射 频线圈之间的方式同心地设置。在处理期间，在相同方向上将射频电流提供给第一 /中心 射频线圈和第二/边缘射频线圈，同时在相反方向上（相对于提供给第一 /中心射频线圈 和第二/边缘射频线圈的电流方向）将射频电流提供给第三/中部射频线圈。例如，当从 室的顶部看时，提供给第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频电流会是在顺时 针方向上，同时提供给第三/中部射频线圈的射频电流会是在逆时针方向上。可替代地，当 从室的顶部看时，提供给第一 /中心射频线圈和第二/边缘射频线圈的射频电流会是在逆 时针方向上，同时提供给第三/中部射频线圈的射频电流会是在顺时针方向上。
[0037] 在一个或多个实施方式中，第一 /中心射频线圈、第二/边缘射频线圈、和第三/ 中部射频线圈彼此相对均是共面的。在一个或多个实施方式中，第一 /中心射频线圈与第 二/边缘射频线圈是共平面的，而第三/中部射频线圈相对于第一 /中心射频线圈和第二 /边缘射频线圈是非共面的。在一个或多个实施方式中，第一 /中心射频线圈与第二/边 缘射频线圈是非共面的，并且第三/中部射频线圈或与第一 /中心射频线圈或与第二/边 缘射频线圈是共面的。在一个或多个实施方式中，第一 /中心射频线圈、第二/边缘射频线 圈、和第三/中部射频线圈彼此相对均是非共面的。
[0038] 在一个或多个实施方式中，第三/中部射频线圈自身是非平面线圈。换句话说，第 三/中部射频线圈的线圈并不全部都存在于相同的空间平面中。在一个或多个实施方式 中，第三/中部射频线圈是圆筒形缠绕式线圈。在一个或多个实施方式中，第三/中部射频 线圈是平面线圈，同时第一 /中心射频线圈和/或第二/边缘射频线圈是非平面线圈。
[0039] 在一个或多个实施方式中，第三/中部射频线圈是平面线圈，同时第一 /中心射频 线圈和/或第二/边缘射频线圈是圆筒形缠绕式线圈。
[0040] 在一个或多个实施方式中，第三/中部射频线圈被设置在比第一 /中心射频线圈 和/或第二/边缘射频线圈更靠近介电窗的平面的位置。在一个或多个实施方式中，第三 /中部射频线圈被设置在比第一/中心射频线圈和/或第二/边缘射频线圈更远离介电窗 的平面的位置。
[0041] 在一个或多个实施方式中，包含第三/中部射频线圈的射频线圈组是仅由单个同 心线圈（即，第三/中部射频线圈）组成。可替代地，在一个或多个实施方式中，包含第三 /中部射频线圈的射频线圈组包括多个同心射频线圈。在一个或多个实施方式中，包含第 三/中部射频线圈的射频线圈组中的多个射频线圈均传送在相同方向上流动的射频电流。 在一个或多个实施方式中，流经包括第三/中部射频线圈的射频线圈组的一个亚组中的线 圈的电流可在与在第一和第二/边缘射频线圈中流动的射频电流的方向相同的方向上流 动，同时流经包括第三/中部射频线圈的射频线圈组的另一亚组中的线圈的电流可在与在 第一和第二/边缘射频线圈中流动的射频电流的方向相反的方向上流动。可以想到此布置 对于会要求有多个同心线圈（例如，3、4、5、6、7、8、9或更多）的非常大的衬底（例如，超过 300mm)而言是特别有利的，这些同心线圈具有交替的电流方向以便更有效地使晶片表面上 的功率沉积分布达到均衡。
[0042] 在一个或多个实施方式中，ICP室可包括传感器组，该传感器组包括构造成测量 反映在衬底上方不同位置处的局部等离子体密度的室参数的一个或多个传感器。例如，可 利用响应于局部等离子体密度的细线朗谬尔（Langmuir)探针、响应于由离子通量所产生 热能的平面型离子通量探针、或响应于局部电子密度的等离子体共振探针，来测定在衬底 上方不同位置的局部等离子体密度。传感器组可包括单个可移动传感器（例如，可垂直地 或横向地或旋转地移动），用于测量是在衬底上方不同位置等离子体密度的反映的室参数。 可替代地，传感器组可包括设置在整个室中的固定位置或者附接到或埋入各种室部件中的 多个传感器，以用于测量是在衬底上方不同位置的等离子体密度的反映的一个或多个室参 数。
[0043] 在一个或多个实施方式中，可使用传感器测量值作为反馈信号；该反馈信号是用 于改变提供给第三/中部射频线圈的射频功率、用于改变第三/中部射频线圈的相位、或者 改变第三/中部射频线圈相对于第二/边缘射频线圈和第一/中心射频线圈的位置，以便 改善功率沉积分布从而避免在一部分衬底的过度局部功率沉积，因此改善衬底表面上的处 理均匀性。可通过将适当的控制信号发送至射频电源而实现功率水平和/或相位的变化， 同时可通过将适当的信号发送至连接到射频线圈的致动器（诸如气动的、液压的、机械的、 电动的、电磁的、磁力的等）而实现位置变化。在一个或多个实施方式中，可使用传感器测 量值作为反馈信号以改变提供给各种射频线圈的射频功率、改变提供给各种线圈的功率的 相位、或者改变各种射频线圈的相对位置，以便改善功率沉积分布从而避免在一部分衬底 上的过度局部功率沉积，因此改善衬底表面上的处理均匀性。
[0044] 在一个或多个特别有利的实施方式中，自动地在原位完成射频功率、相位和/或 位置的变化（无论仅与第三/中部射频线圈有关并且/或者与包括第一/中心射频线圈和 第二/边缘射频线圈中的至少一个线圈的多个射频线圈有关）同时在相同衬底上进行衬底 处理。换句话说，最初可用具备给定的射频功率水平和/或给定的相位和/或给定的相对 于其它射频线圈和/或相对于介电窗的位置的给定射频线圈对衬底进行处理。射频功率水 平和/或相位和/或射频线圈的位置可响应于例如传感器测量值而变化，同时仍然在相同 室中进行对相同衬底的处理。
[0045] 本文中所提及的术语"自动的"或"自动地"是指响应于模拟和/或数字控制信号 而完成这种变化，该模拟和/或数字控制信号是响应于来自传感器组的测量值而由软件和 /或由专用逻辑电路通过算法产生，并且这种变化是在无需人操作者启动每次变化的情况 下完成。在一些情况下，可在实施变化之前获得人的同意，但决定是否需要和/或需要多少 变化和/或需要什么变化仍然是在无需明确的人参与的情况下完成。如前所述，一个或多 个实施方式的一个有利方面涉及响应于传感器测量值在原位实施变化以在对衬底进行处 理的同时调节等离子体。可替代地或此外，可在测试衬底上实施处理，并且可通过响应于测 试衬底上的计量学测量值改变射频功率、相位、和/或位置（无论是否仅与第三/中部射频 线圈有关和/或与包括第一/中心射频线圈和第二/边缘射频线圈中的至少一个线圈的多 个射频线圈有关）而调整室从而改善处理均匀性。
[0046] 参照下面的附图和论述，可以更好地理解本发明实施方式的特征和优点。图2A示 出了等离子体处理系统（该系统可具有多个相同或不同类型的室）的ICP室202的相关部 件的侧剖视图的简化图。在图2A中示出了通常被设置在衬底206(见图2B)上方的介电窗 204,同时衬底被工件固定器208支撑。
[0047] 图中示出了被设置在介电窗204上方的第一 /中心射频线圈210,该第一 /中心射 频线圈与也被设置在介电窗204上方的第二/边缘射频线圈212是同心的。第三/中部射 频线圈214与在介电窗204上方的线圈210/212是同心地设置，并且被设置在第一 /中心 射频线圈210和第二/边缘射频线圈212之间。如果被设置在平行于介电窗204的平面的 x_y平面中、在第二（外）射频线圈212的外半径220与第一（内）射频线圈210的内半径 222之间，则认为第三/中部射频线圈214是在第一 /中心射频线圈210与第二/边缘射频 线圈212的本文中所使用术语"之间"。术语"在一之间"包含其中当第三/中部射频线 圈214突出在前述x-y平面上面时第三/中部射频线圈214与第一 /中心射频线圈210和 第二/边缘射频线圈212中的一个或两个重叠以及其中当第三/中部射频线圈214突出在 前述x-y平面上面时第三/中部射频线圈214不与第一 /中心射频线圈210也不与第二/ 边缘射频线圈212中的任一个线圈重叠这两种情况。另外，正如将在下文中所描述的，不要 求第三/中部射频线圈214与第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈214中的一 个或两个线圈是共面的（尽管这种实施方式是可能的并且包含在本文中）。
[0048] 在本发明的一个或多个实施方式中，当从室202的顶部看时由射频电源230和232 提供给第一 /中心和第二/边缘射频线圈210和212的射频电流是顺时针方向的，同时由 射频电源234提供给第三/中部射频线圈214的射频电流是逆时针方向的。可替代地，当 从室202的顶部看时提供给第一 /中心线圈210和第二/边缘射频线圈212的射频电流是 逆时针方向的，同时提供给第三/中部射频线圈214的射频电流是顺时针方向的。例如，射 频电源230和232也可作为具有分路器的单个射频电源设置。此外，射频电源230、232和 234例如可作为单个电源设置，该单个电源具有用于使输出射频电流分开并且反转和/或 改变被分开的输出射频电流中的一个电流的相位的电路。
[0049] 另外，图中显示在图2A的实例中，只有单个线圈214被设置在第一 /中心射频线 圈210和第二/边缘射频线圈212之间。在一个或多个实施方式中，可将包括两个同心射频 线圈的射频线圈组设置在第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212之间，并且在 这两个同心线圈中的射频电流是在相同方向上，但该方向与在第一 /中心射频线圈210和 第二/边缘射频线圈212中的射频电流的方向是相反的。在一个或多个实施方式中，可将 两个同心射频线圈设置在第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212之间，并且 这两个同心线圈中的射频电流在相同方向上流动，但该方向与在第一 /中心射频线圈210 和第二/边缘射频线圈212中的射频电流的方向是相反的。
[0050] 在一个或多个实施方式中，可将包括三个同心射频线圈的射频线圈组设置在第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212之间，并且在这三个同心线圈中的射频电 流在交替的方向上流动。在一个或多个实施方式中，可将包括四个同心射频线圈的射频线 圈组设置在第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212之间，其中线圈组的两个 相邻射频线圈中的射频电流沿一个方向流动，并且在线圈组的另两个相邻射频线圈中的射 频电流是沿相反方向流动，该方向优选地与在第一 /中心射频线圈210或第二/边缘射频 线圈212中流动的射频电流方向相反，前提是它们相邻。在一个或多个实施方式中，可将包 括多个同心射频线圈的射频线圈组设置在第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈 212之间，其中在这多个同心线圈中的射频电流是沿交替的方向以交错的方式流动。在线圈 组的线圈中的射频电流的点被配置成减小或者平面化或伸展由于来自第一/中心射频线 圈210和第二/边缘射频线圈212的磁通线的相加效果所形成的功率分布，第一和第二线 圈两者都具有在相同方向上流动的射频电流。
[0051] 图2C以概念性的方式示出了向第三/中部射频线圈214提供反向射频电流的效 果，该反向射频电流的方向与提供给第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212 的射频电流的方向相反。在第三/中部射频线圈214及其反向电流不存在的情况下，来自 第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212中的相同方向的射频电流的功率沉积 分布是相加的。因此，区域244中的等离子体密度（离子密度）将会至少与在第一 /中心 射频线圈210下方的区域240中的离子密度、或者在第二/边缘射频线圈212下方的区域 242中的离子密度同样地大。相反，第三/中部射频线圈214存在于第一 /中心射频线圈 210与第三/中部射频线圈214之间，导致来自第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频 线圈212的等离子体通量变得较少耦合（或更加去耦合），从而有效地使等离子体流在平行 于衬底平面的x-y平面中的更大面积上铺展开。从概念上讲，使图IA现有技术的圆环形状 的等离子体云在z方向上平面化并且使其在x-y平面中更大程度地铺展开，由此有效地减 小由于在衬底各部分上方过度的局部等离子体所导致的处理不均匀性。
[0052] 图3A1和图3A2示出了当提供给第三/中部射频线圈214的射频功率水平与提供 给第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212的射频功率水平相比相对较低时等 离子体的效果。在这种情况下，由第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212所 导致的等离子体302是相加的并且高度地耦合。从衬底中心到衬底边缘的较高程度的处理 不均匀性是有可能的。在图3A2中用图形表示了这种情况，在该图中绘出了在衬底上的离 子密度。在图3A2中，等离子体密度在半径中部（在衬底中心和衬底边缘之间）较大并且 在衬底中心和边缘处较小。
[0053] 图3B1和图3B2示出了当提供给第三/中部射频线圈214的射频功率水平处在与 提供给第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212的射频功率水平大致相同的功 率水平时等离子体的效果。在这种情况下，由第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线 圈212所导致的等离子体304较大程度地去耦合，等离子体云在x-y方向上的较大面积上 铺展开并且在衬底的半径中部具有较小的局部浓度。在图3B2中用图形表示了这种情况， 该图中绘出了在衬底上的离子密度。
[0054] 图3C1和图3C2示出了当提供给第三/中部射频线圈214的射频功率水平与提供 给第一 /中心射频线圈210和第二/边缘射频线圈212的射频功率水平相比相对较高时等 离子体的效果。在这种情况下，由第一 /中心射频线圈210所导致的等离子体306与第二 /边缘射频线圈212所导致的等离子体306高度地去耦合。在图3C2中用图形表示了这种 情况，该图中绘出了在衬底上的离子密度。在图3C2中，等离子体密度在半径中部（在中部 衬底和衬底的边缘之间）较小并且在衬底的中心和边缘处较大。
[0055] 正如在图3A1、图3A2、图3B1、图3B2、图3C1和图3C2中可见，对提供给第三/中 部射频线圈214的反向电流射频功率水平进行调节对于功率沉积分布具有深刻的影响。应 当指出的是，可替代地或此外，视需要可以调节提供给第一 /中心射频线圈210或第二/边 缘射频线圈212的射频功率水平以调整等离子体沉积分布，从而实现在衬底表面上的期望 的处理均匀性。
[0056] 图4示出了根据一个实施方式的用于调节ICP室中的功率沉积分布的方法。在 一个或多个实施方式中，可以响应于如前所述的传感器测量值自动地原位调节功率沉积分 布。在其它实施方式中，可以响应于在测试衬底上完成的计量学测量在设施中调节功率沉 积分布并且可以调节功率沉积分布以符合期望的生产配方。
[0057] 在步骤402中，开启电源。在步骤404中，利用传感器测量离子通量参数并且/或 者基于来自传感器的室参数测量值获得离子通量参数。举例而言，可使用对由从等离子体 被加速到晶片表面的离子所产生的热能或射频电流作出反应的传感器（诸如平面型离子 通量探针）。然后，在步骤404中确定局部离子通量。
[0058] 在步骤406中，对在中心射频线圈（第一射频线圈210)下方的离子通量与在边缘 射频线圈（第二射频线圈212)下方的离子通量进行了比较。重复执行步骤406、408、410和 412,增加提供给中心射频线圈（第一射频线圈210)或边缘射频线圈（第二射频线圈212) 的射频电流直到在步骤406中确定在这些线圈下方的离子通量是相等的。
[0059] -旦在中心射频线圈（第一射频线圈210)下方的离子通量与在边缘射频线圈 (第二射频线圈212)下方的离子通量被认为是相等的，则所述方法进入步骤420,对在中心 射频线圈（第一射频线圈210)下方的离子通量与在中部射频线圈（第三射频线圈214)下 方的离子通量进行比较。
[0060] 重复执行步骤420、422、424和426,增加或减小提供给中部射频线圈（第三射频线 圈214)的射频电流，直到在步骤420中确定在中心射频线圈（第一射频线圈210)下方的 离子通量与在中部射频线圈（第三射频线圈214)下方的离子通量是相等的。
[0061] 一旦在中心射频线圈（第一射频线圈210)下方的离子通量与在中部射频线圈 (第三射频线圈214)下方的离子通量被认为是相等，则所述方法进入步骤430,对在中部射 频线圈（第三射频线圈214)下方的离子通量与目标离子通量进行比较。反复执行步骤430 和432,增加或减小提供给所有射频电源的射频功率直到在中部射频线圈（第三射频线圈 214)下方的离子通量被认为是与预定的目标离子通量相等（步骤430)，在这种情况下认为 图4的调节周期结束（步骤440)。
[0062] 图5示出了采用反映局部离子通量的室参数的传感器测量值作为反馈信号以便 自动地改变提供给中部射频线圈（第三射频线圈214)和/或中心射频线圈（第一射频线 圈210)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈212)的射频电流的ICP室的简化图。在图5 中显示三个传感器510、512和514被设置在不同位置以便测量参数，然后可将这些参数用 于获得或逼近衬底上的离子通量。利用传感器电路520采集这些测量值，然后将测量值提 供给控制器530以控制射频电源230、232和/或234,从而调整功率沉积分布。
[0063] 尽管到目前为止在实例中对提供给中部射频线圈（第三射频线圈214)和/或中 心射频线圈（第一射频线圈210)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈212)的射频电流功 率水平进行调节已被描述为用于调整功率沉积分布以及改善处理均匀性的手段，但应当指 出的是，可替代地或此外，在一个或多个实施方式中，可以改变提供给中部射频线圈（第三 射频线圈214)和/或中心射频线圈（第一射频线圈210)和/或边缘射频线圈（第二射频 线圈212)的射频电流相位，以此作为用于调整功率沉积分布并改善处理均匀性的手段和 方法。同样地，可替代地或此外，在一个或多个实施方式中，可以改变提供给中部射频线圈 (第三射频线圈214)和/或中心射频线圈（第一射频线圈210)和/或边缘射频线圈（第 二射频线圈212)的射频频率，以此作为用于调整功率沉积分布并改善处理均匀性的方法 和手段。
[0064] 在一个或多个实施方式中，可改变射频线圈的构造和/或相对位置，以调整功率 沉积分布并改善晶片上的处理均匀性。图6A示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈604) 显著地高于中心射频线圈和/或边缘射频线圈的一个实例。使用不同高宽比（匝的高度相 对于匝间间隔的比率）线圈的优点包括能够使得在中心线圈与边缘线圈之间的区域中由 中部射频线圈所产生的磁通线变得集中。在这种情况下，图中显示中部射频线圈（第三射 频线圈604)与中心射频线圈（第一射频线圈600)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈 602)是共面的，但在一些室中此共面性不是绝对要求有的。
[0065] 图6B示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈614)与中心射频线圈（第一射频 线圈610)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈612)是非共面的一个实例。另外，中部射频 线圈（第三射频线圈614)与中心射频线圈（第一射频线圈610)和/或边缘射频线圈（第 二射频线圈612)相比较低（更靠近介电窗616的平面）。在图6B中，中心射频线圈（第一 射频线圈610)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈612)是共面的，但在一些室中此共面 性不是绝对要求有的。
[0066] 图6C示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈624)与中心射频线圈（第一射频 线圈620)和/或与边缘射频线圈（第二射频线圈622)是非共面的一个实例。另外，中部 射频线圈（第三射频线圈624)比中心射频线圈（第一射频线圈620)和/或边缘射频线圈 (第二射频线圈622)高（更远离远离介电窗626的平面）。在图6C中，中心射频线圈（第 一射频线圈620)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈622)是共面的，但在一些室中此共 面性不是绝对要求有的。
[0067] 图6D示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈634)没有被设置成与中心射频线 圈（第一射频线圈630)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈632)等距离的一个实例。在 此图6D中，使中部射频线圈（第三射频线圈634)的匝636移动到更靠近边缘射频线圈（第 二射频线圈632)同时使中部射频线圈（第三射频线圈634)的匝638移动更靠近中心射频 线圈（第一射频线圈630)。在这种情况下，图中显示中部射频线圈（第三射频线圈634)与 中心射频线圈（第一射频线圈630)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈632)是共面的， 但在一些室中此共面性不是绝对要求有的。
[0068] 图6E示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈644)与中心射频线圈（第一射 频线圈640)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈642)是非共面的，并且在中部射频线圈 (第三射频线圈644)与中心射频线圈（第一射频线圈640)和/或与边缘射频线圈（第二 射频线圈642)之间存在某些重叠的一个实例。另外，中部射频线圈（第三射频线圈644) 比中心射频线圈（第一射频线圈640)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈642)高（更远 离介电窗646的平面）。作为图6E的一个替代实施方式，可将中部射频线圈（第三射频线 圈644)设置成比中心射频线圈（第一射频线圈640)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈 642)低（更靠近介电窗646的平面）。在图6E中，中心射频线圈（第一射频线圈640)和 /或边缘射频线圈（第二射频线圈642)是共面的，但在一些室中此共面性不是绝对要求有 的。
[0069] 图6F示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈634)是圆筒形缠绕式线圈同时中 心射频线圈（第一射频线圈630)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈632)是平面线圈的 一个实例。此外，图6F的射频线圈中的共面性不是绝对要求有的，但必要时可以实施。
[0070] 图6G示出了其中中部射频线圈（第三射频线圈634)是平面线圈同时中心射频线 圈（第一射频线圈630)和/或边缘射频线圈（第二射频线圈632)是圆筒形缠绕式线圈的 一个实例。此外，图6G的射频线圈中的共面性不是绝对要求有的，但必要时可以实施。
[0071] 射频线圈的替代的形状和/或位置也是可能的。例如，可以想到在一个或多个实 施方式中，第三/中部射频线圈可以是非平面的并且可以呈帽子形状或者具有截顶锥的形 状（正面朝上或者相反）。可替代地或此外，在一个或多个实施方式中可将部分或整个的第 三/中部射频线圈埋入介电窗中。此外，可将非平面形状或者凹腔并入介电窗，以便适应非 平面布置或者射频线圈的相对位置同时保持线圈与等离子体之间的期望的距离。
[0072] 此外，如上所述，可以响应于传感器测量值，利用适当的致动器机构自动地改变各 种射频线圈的位置特别是第三/中部射频线圈相对于其它射频线圈的位置，以实现功率沉 积分布的原位调整，从而改善衬底上的处理均匀性。例如，可将致动器连接到中部/第三射 频线圈，以改变中部/第三射频线圈相对于第一/中心射频线圈和/或相对于第二/边缘 射频线圈的位置。可替代地或此外，可将致动器连接到第一 /中心射频线圈，以改变第一 / 中心射频线圈相对于中部/第三射频线圈和/或相对于第二/边缘射频线圈的位置。可替 代地或此外，可将致动器连接到第二/边缘射频线圈，以改变第二/边缘射频线圈相对于中 部/第三射频线圈和/或相对于第一/中心射频线圈的位置。
[0073] 正如基于前面的描述可以理解的，本发明的实施方式通过提供用于调整射频功率 从各种射频线圈到等离子体的功率沉积分布的多个其它控制手段而有利地改善处理均匀 性。通过提供在第一/中心射频线圈与第二/边缘射频线圈之间的同心射频线圈组并且提 供在射频线圈组（该线圈组可包括一个或多个同心射频线圈并且可沿不同方向传送电流 但具有至少一个传送反向电流的射频线圈）中的反向电流，从而减小来自第一 /中心射频 线圈的磁通量与第二/边缘射频线圈的磁通量的相加效果并且使它们的等离子体通量去 耦合，以获得在晶片上更均匀的离子密度分布。改变射频相位和/或射频线圈位置是可另 外或可替代地提供来调整功率沉积分布并改善衬底上的处理均匀性的其它控制手段。
[0074] 尽管已利用所述装置描述了一些实施方式，但本发明在其各种实施方式中还包括 用于制造和/或操作所述装置的方法。虽然在不同实施方式中描述了不同的特征以易于理 解，但并不表示在所有情况下这些特征是相互排斥的。尽管容许处理室可仅具有公开特征 中的一种特征，但可将本文中各种实施方式中所公开特征的不同组合相互结合在单个室或 者等离子体处理系统中以便有利地改进等离子体处理。
[0075] 虽然已利用若干优选实施方式描述了本发明，但存在落在本发明范围内的修改、 变更和等同物。尽管本文中提供了各种实例，但意图是这些实例只是说明性的而不是限制 本发明。另外，本文中提供的名称和
【发明内容】
是为了方便的目的而不应被用来解释权利要 求的范围。此外，摘要是以高度简略的方式写出并且在本文中是为了方便的目的而给出，因 此不应被用来解释或限制在权利要求中所表示的整个发明。如果本文中使用术语"组"，该 术语意图具有其通常所理解的数学含义，包括零、一、或多于一个的构件。还应指出的是，存 在用于实施本发明方法和装置的许多替代方式。因此，意图是下面所附权利要求被解释成 包括落在本发明的真实精神和范围内的全部的这种修改、变更和等同方案。
【权利要求】
1. 一种至少具有用于处理衬底的等离子体处理室的等离子体处理系统，其包括： 用于在所述处理期间件支撑所述衬底的工件固定器； 设置在所述工件固定器上方的介电窗； 设置在所述介电窗上方的第一射频线圈； 相对于所述第一射频线圈同心地设置的第二射频线圈，所述第二射频线圈也被设置在 所述介电窗的上方；和 射频线圈组，其至少包括相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈同心地设置的 第三射频线圈，所述第三射频线圈被设置在所述第一射频线圈和所述第二射频线圈之间， 其中提供给所述第一射频线圈的第一射频电流和提供给所述第二射频线圈的第二射频电 流两者均是在第一方向上，并且提供给所述第三射频线圈的第三射频电流是在与所述第一 方向相反的第二方向上。
2. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一射频线圈与所述第二射频线 圈是共面的，并且其中所述第三射频线圈相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈是 非共面的。
3. 如权利要求2所述的等离子体处理系统，其中所述第三射频线圈被设置成比所述第 一射频线圈离所述介电窗的平面近。
4. 如权利要求2所述的等离子体处理系统，其中所述第三射频线圈被设置成比所述第 一射频线圈离所述介电窗的平面远。
5. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述射频线圈组还包括也相对于所述 第一射频线圈和所述第二射频线圈同心地设置的第四射频线圈，所述第四射频线圈被设置 在所述第一射频线圈和所述第二射频线圈之间，并且提供给所述第四射频线圈的第四射频 电流是在与所述第一方向相反的所述第二方向上。
6. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第三射频线圈是非平面线圈。
7. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一射频线圈与所述第二射频线 圈是非共面的，并且其中所述第三射频线圈相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈 是非共面的。
8. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括： 传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个或多 个室参数的至少一个传感器； 装置，其用于当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组 的测量值自动地改变提供给所述第三射频线圈的射频功率、提供给所述第三射频线圈的所 述第三射频电流的射频相位、和所述第三射频线圈相对于所述第一射频线圈和第二射频线 圈中的一个的位置中的至少一个。
9. 如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中所述传感器组包括多个固定的传感 器。
10. 如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中所述传感器组包括至少一个可移动 传感器。
11. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括单个射频电源，所述单个射频电源 被连接以便将所述第一射频电流、所述第二射频电流、和所述第三射频电流分别提供给所 述第一射频线圈、所述第二射频线圈、和所述第三射频线圈。
12. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中用于改变的所述装置包括用于使所 述第三射频线圈沿垂直于所述介电窗的平面的方向移动的致动器。
13. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括： 传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个或多 个室参数的至少一个传感器； 装置，其用于当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组 的测量值自动地改变所述第一射频电流、第二射频电流、和第三射频电流中的至少一个射 频电流的射频功率水平。
14. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括： 传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个或多 个室参数的至少一个传感器； 装置，其用于当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组 的测量值自动地改变所述第一射频电流、第二射频电流、和第三射频电流中的至少一个射 频电流的相位。
15. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中提供给所述第一射频线圈的所述第 一射频电流和提供给所述第二射频线圈的所述第二射频电流是由单个射频电源经过分路 器而提供。
16. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括： 传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个或多 个室参数的至少一个传感器； 装置，其用于当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组 的测量值自动地改变所述第一射频电流、第二射频电流、和第三射频电流中的至少一个射 频电流的频率。
17. 如权利要求1所述的等离子体处理系统，还包括：第一射频电源，其被连接以将所 述第一射频电流提供给所述第一射频线圈；第二射频电源，其被连接以将所述第二射频电 流提供给所述第二射频线圈；和第三射频电源，其被连接以将所述第三射频电流提供给所 述第三射频线圈。
18. -种用于处理等离子体处理系统中的衬底的方法，所述等离子体处理系统至少具 有用于处理所述衬底的等离子体处理室，所述方法包括： 提供用于在所述处理期间支撑所述衬底的工件固定器； 提供被设置在所述工件固定器上方的介电窗； 提供被设置在所述介电窗上方的第一射频线圈； 提供相对于所述第一射频线圈同心地设置的第二射频线圈，所述第二射频线圈也被设 置在所述介电窗上方；以及 提供至少包括相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈同心地设置的第三射频 线圈的射频线圈组，所述第三射频线圈被设置在所述第一射频线圈和所述第二射频线圈之 间，其中提供给所述第一射频线圈的第一射频电流和提供给所述第二射频线圈的第二射频 电流两者均是在第一方向上，并且提供给所述第三射频线圈的第三射频电流是在与所述第 一方向相反的第二方向上； 在用所述第一射频电流给所述第一射频线圈通电、用所述第二射频电流给所述第二射 频线圈通电、以及用所述第三射频电流给所述第三射频线圈通电时处理所述衬底。
19. 如权利要求18所述的方法，其中所述第一射频线圈和所述第二射频线圈是共面 的，并且其中所述第三射频线圈相对于所述第一射频线圈和所述第二射频线圈是非共面 的。
20. 如权利要求18所述的方法，其中所述射频线圈组还包括也相对于所述第一射频线 圈和所述第二射频线圈同心地设置的第四射频线圈，所述第四射频线圈被设置在所述第一 射频线圈和所述第二射频线圈之间，并且提供给所述第四射频线圈的第四射频电流是在与 所述第一方向相反的所述第二方向上。
21. 如权利要求18所述的方法，还包括： 提供传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个 或多个室参数的至少一个传感器； 当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组的测量值自动 地改变提供给所述第三射频线圈的射频功率、提供给所述第三射频线圈的所述第三射频电 流的射频相位、和所述第三射频线圈相对于所述第一射频线圈和第二射频线圈中的一个的 位置中的至少一个。
22. 如权利要求18所述的方法，还包括： 提供传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个 或多个室参数的至少一个传感器； 当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组的测量值自动 地改变所述第一射频电流、第二射频电流、和第三射频电流中的至少一个射频电流的射频 功率水平。
23. 如权利要求18所述的方法，还包括： 提供传感器组，所述传感器组具有用于检测反映所述等离子体的局部离子密度的一个 或多个室参数的至少一个传感器； 用于当所述衬底是在原位时并且在所述处理期间，响应于来自所述传感器组的测量值 自动地改变所述第一射频电流、第二射频电流、和第三射频电流中的至少一个射频电流的 相位的装置。
【文档编号】C23C16/455GK104220636SQ201380018698
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年4月3日
【发明者】西奥多罗斯·帕纳戈普路斯, 约翰·霍兰亚历克斯·帕特森 申请人:朗姆研究公司