专利名称：多频等离子体刻蚀反应器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种在真空等离子体处理舱内用等离子体对工件进行处理的方法和装置。根据本发明的一个具体方面，若干个(即三个或三个以上，但不是很多个)频率下的电能被施加给等离子体。根据本发明的另一个方面，处理舱包括中央的顶电极和底电极，以及一个外围的顶电极和/或底电极装置，其或者由RF激励，或者通过一个滤波器装置连接到参考电势，其中该滤波器装置使得等离子体激发频率的至少其中之一通过，而阻隔其它频率。
背景技术：
通过在两个不同的频率下将等离子体激发电场施加到真空舱的一个区域以用等离子体处理工件是公知的手段，其中该区域连接到一种气体，电场将该气体转换为处理等离子体。该工件通常是一个半导体晶片，或者电介质盘，而等离子体则被用于在该工件上形成某些集成电路特性。典型地，在两个不同频率下的等离子体激发场通过舱内一对间隔开的电极、或者是一个舱内的电极和一个位于舱外的、线圈形式的电抗，从而被施加到所述区域中。典型地，被激发的等离子体对工件进行干刻蚀，不过在某些情况下这会导致某些材料淀积在工件上。高频RF能量(其频率超过大约10MHz)通常可控制等离子体的密度，即等离子体通量(flux)，而频率低至中频(在100kHz到大约10MHz的范围内)的RF能量则通常可控制等离子体内的以及入射到工件上的离子的能量。
随着特征尺寸的不断减小，对于处理工件的等离子体的各种参数的精确控制的需求与日俱增。在这之中，需要加以精确控制的等离子体参数是等离子体化学性质(即离子和自由基的类型)、等离子体通量、以及入射到衬底上的等离子体的离子能量。随着集成电路制造中特征尺寸的缩小，以及新材料的使用，工件处理中涉及的窗口的尺寸也在变小，从而给当前可用的等离子体处理机，尤其是刻蚀处理机带来限制。缩小的特征尺寸以及对于新材料的需求限制了相同的反应器的使用，即无法将同一个真空处理舱用于不同的刻蚀应用。
因此，本发明的目的之一就是提供一种用于采用等离子体处理工件的新的改良的方法和装置。
本发明的另一目的是提供一种用于精确地控制用于处理工件的等离子体的若干参数的新的改良的方法和装置。
本发明的又一个目的在于提供一种用于精确地控制用于处理工件的等离子体的化学性质、密度、以及离子能量的新的改良的方法和装置。
本发明还有一个目的在于提供一种用于精确地控制用于处理工件的等离子体的两个或更多个参数的新的改良的多用途等离子体处理机。
发明内容
根据本发明的一个方面，在一个真空等离子体处理舱内，采用等离子体对工件进行处理，其中，采用不同频率的电能来激发等离子体，以使得由数个频率所致的等离子体的激发同时地导致数个不同的现象发生于等离子体内。
优选地，该方法还包括对这些频率的各种组合进行选择，从而影响等离子体密度、等离子体内离子能量、以及等离子体的分子分裂度(the degree offragmentation)的组合，即影响等离子体的化学性质。在一个优选的实施例中，第一频率在100kHz到10MHz范围内，第二频率在10MHz到150MHz范围内，而第三频率在27MHz到300MHz范围内。在一个特定的装置中，低、中、高频率分别是2MHz、27MHz、和60MHz，其具有相同的有效能量，并且被选择性地施加到特定的等离子体混合物中，频率对于气体混合物的相对影响以及产生的等离子体如表I所示。
表I
在表格I中，(√)和(-)分别表示某个特定的频率被施加或者没有被施加到等离子体上。根据表I，采用27MHz和60MHz可导致某些分子的中度分裂和其它分子的高度分裂，采用2MHz可获得高离子能量，采用60MHz可获得高等离子体密度，而频率的各种其它组合则产生这三种等离子体现象的各种组合。
本发明的另一方面涉及一种用于采用等离子体处理工件的装置，其中该装置包括用于采用等离子体处理工件的真空舱，以及用于采用电能在数个频率下激发等离子体，从而使得由数个频率所致的等离子体的激发同时地导致数个不同的现象发生在等离子体内的装置。
本发明的又一方面涉及一种包括真空舱的真空等离子体处理机，其中所述真空舱包括一个电极，并且与一个电抗相关联。所述电极和电抗被布置为将等离子体激发场耦合到舱内的气体，其中舱被布置为支承工件。一个等离子体激发源装置使得电极和电抗将处于数个频率下的电能耦合到等离子体，从而使得所述频率可以导致数个不同的现象同时地发生在等离子体内。
本发明的又一方面涉及用于工件的真空等离子体处理机，其包括一个真空舱，真空舱内有第一和第二电极，用于将等离子体激发电场提供给真空舱的一个区域，该区域适于响应被转化为等离子体以用于处理工件的气体。真空舱被布置为用于支承工件。等离子体激发源装置在数个频率下获取电能，并且包括用于选择性地使数个频率耦合到所述第一和第二电极的电路。
本发明的又一方面涉及用于处理工件的真空等离子体处理机，其包括一个真空舱，真空舱包括电极装置，其用于将等离子体激发场提供给真空舱的一个区域，该区域适于响应被转化为等离子体以用于处理工件的气体，其中所述电极装置包括分别位于所述区域的相对的第一和第二侧上的第一和第二电极，以及位于所述区域第一侧上的第三电极。第三电极在第一电极的周围，并且与其电气绝缘。用于在数个频率下获取电能的等离子体激发源装置被布置为选择性地将处于数个频率的电能耦合到第一、第二和第三电极，以使得处于数个频率的至少其中一个频率的电流流进第三电极，而不是让处于所有频率的电流都流进第三电极。
本发明的又一个方面涉及一种在真空等离子体处理机内处理工件的方法，其中真空等离子体处理机包括一个真空舱，其包括响应于被转化为处理工件的等离子体的气体将等离子体激发场提供给真空舱的一个区域的电极装置，其中所述电极装置包括分别位于所述区域的相对向的第一和第二侧上的第一和第二电极，以及位于所述区域的第一侧上的第三电极。第三电极位于第一电极的周围，并且与其电气绝缘。该方法包括将处于数个频率的能量耦合至第一、第二和第三电极，以使得处于数个频率的至少其中一个频率的电流流进第三电极，而不是所有频率下的电流都流进第三电极。
优选地，所述的电极装置包括位于所述区域的第二侧上的第四电极。第四电极在第二电极周围，并且与其电气绝缘。能量被选择性地耦合到第四电极，以使得处于数个频率的至少其中一个频率的电流流进第四电极，而不是所有频率下的电流都流进第四电极。
在某些实施例中，通过将一个具有至少一个频率的电源装置连接到第三和/或第四电极，能量被选择性地耦合到第三和/或第四电极上。在其它实施例中，通过在第三和/或第四电极和参考电势之间连接一个滤波器来选择性地将能量耦合到第三和/或第四电极上，其中滤波器使得至少一个频率通过，并阻隔至少一个频率。
在一个优选的实施例中，数个频率被同时施加到等离子体上。然而，可以理解，如果数个频率中的至少一个以脉冲形式被开关，数个不同的现象会同时产生于等离子体中。
在一个实施例中，等离子体激发源装置被布置为将数个频率施加给第一电极，并将至少一个频率施加给第二电极。
在第二实施例中，等离子体激发源装置被布置为将数个频率施加给第一电极。在此实施例中，第二电极优选地连接到一个参考电势，例如，RF和DC地电势。
优选地，等离子体激发源装置包括电路，其用于(a)在频率源和等离子体之间提供阻抗匹配(b)使与数个不同的源相关联的频率与其它的源解耦(decouple)。
等离子体激发源装置可以包括至少一个变频RF源、至少一个固定频率RF源、以及至少一个可变功率RF源。
优选地，电路和真空舱装置被布置为避免处于数个频率中的至少一个频率的大幅(substantial)电流流至第二电极。为此，电路和真空舱被布置为舱内的一个表面处于参考电势，用于使得电流以数个频率中的至少一个频率从第一电极流到其表面，并且所述电路包括一个滤波器装置，其被连接到第二电极上以用于(a)在第二电极和参考电势之间防止处于数个频率中至少一个频率的电流大幅流动，和/或(b)使得在电极和参考电势之间的处于数个频率中至少一个频率的电流大幅流动得以进行。
为了便于提供所期望的多用性，电路包括一个控制装置，用于在进行第一类型等离子体处理的第一时间期间内选择性地将第二电极连接到参考电势，还用于在进行第二类型等离子体处理的第二时间期间内选择性地将相同的频率提供给第一和第二电极。而且，控制装置被布置为在第一时间期间选择性的将第一电极连接为响应于数个频率中的每一个，从而获得更高的多用性。
为了将等离子体维持在一个小的容积内，从而能够提供快速的主动的压力控制，等离子体优选地被限制在一个离开舱的侧壁并以第一和第二对向电极为界的区域中。所得到的等离子体小容积可以降低舱内消耗性材料的成本，并且便于对舱，例如反应器，进行清洁。为了便于对区域内的等离子体进行控制，区域内等离子体的压力优选由一个反馈装置维持在一个设定点上。
舱内一对相对向的等离子体激发电极之间的距离可以变化，从而对处于不同等离子体激发频率下的进程进行优化。
优选地，改变数个频率中的至少一个频率的功率以提供更宽的窗口以利于进程优化，并产生合适的化学性质、离子通量、以及离子能量分布。
优选地，等离子体被一对相对向的电极所激发，而处于数个频率中至少一个频率的能量被耦合到至少一个电极上。在至少一个频率下被耦合到至少一个电极上的能量被耦合到RF地，从而对每个电极上的离子能量以及等离子体密度进行独立的控制。
当工件被处理时，对相对向的电极的温度加以控制，尤其是通过对光刻胶(photoresist)或者其它被等离子体所刻蚀的薄膜中的聚合体淀积进行定制(tailoring)，可以使结果得以优化。
考虑下文中的若干具体实施例的详细描述，尤其是结合附图之后，本发明的以上所述的，以及其它进一步的目的、特征、以及优点将会变得明显。
图1是根据本发明的优选实施例的一个真空等离子体处理机的局部示意图。
图2是包括在图1中的控制器中的电子电路的方块图，其结合了图1中所述的真空处理机舱的电子部分的示意性表述。
图3是根据本发明的另一个实施例的真空等离子体处理机的局部示意图。
具体实施例现在参考图1，其中描述了具有纵轴(即中线)11的等离子体处理机真空舱10，其具有导电金属壁12、底电极组件13和顶电极组件14。壁12有一个环形的内边界，与轴11同轴。壁12被接地，即处于DC和RF参考电势。真空泵9使舱10的内部在处理时维持在大约0.001到500托(torr)的真空。舱10的内部包括被限定的等离子体区域8，其处于接近底电极组件13的顶面的底边界和接近顶电极组件14的底面的顶边界之间；限定等离子体区域8的侧边界与壁12分隔开。
底电极组件13，通常称之为底电极，与轴11同轴，并且固定到绝缘环17上，其中绝缘环依次固定到舱10的金属接地基底19上。电极组件13包括环状的中央金属电极16，其与轴11同轴，并且具有一个用于安装(receive)环状工件18的上表面，典型地，所述的环状工件是一个直径大致与金属电极16相同的半导体晶片。当工件18被适当地放好时，其中心与轴11相吻合。电极16可以连接到DC夹紧(chucking)电压源(未示出)以便利用静电力将工件18夹在电极16上。通过导管21和真空管22，将氦源20连接到电极16中的一个区域(未示出)，从而以一种对于本领域人员而言公知的方法对电极16和工件18的温度加以控制，使其响应于控制器24的电信号，该信号是响应(1)由设定点源25提供给控制器的温度设定点，和(2)由从整合在电极16中的温度监视器26所获得的信号所表示的电极中温度的测量值，从而获得的。
底电极组件13还包括绝缘环28，通常由石英制成。环28被固定到绝缘环17的顶面，并且与轴11同轴，而且其内直径大致等于工件18的直径，从而当工件被适当地放置时，工件18的外边界几乎和环28的内边界相邻接。在环28外侧的环17的顶面部分以及环17的侧壁分别被绝缘环33所覆盖和接地的金属环32所覆盖。绝缘环33与金属电极环34相重叠，其中金属电极环34上可以覆盖或者镀一层(未示出)电介质材料或者导电材料。导电环34以及覆盖或者镀在其上的层是由一种不会沾污区域8内的等离子体的化学性质的材料所制成的。这种材料是一种适当的具有相对高导电性的半导体，例如，本征硅。或者，环34是覆盖有适当的非沾污性材料的金属。环34被电介质，某些情况下是绝缘环33，与接地金属环32电气绝缘，而在某些其它环境下，环34被电气连接到接地环32上。环33和34与轴11同轴，并且水平地处于底电极组件13的外边界和环28之间。
顶电极组件14包括中央电极36，其与轴11同轴，并且具有一个底面36a，其由不会沾污区域8中的等离子体的化学性质的导电本征硅制成。电极36包括内部通道(未示出)和很多喷淋头窗口(未示出)，二者都通过液体引流关系(in fluidflow relation)连接到适当的处理气体源37上，其中所述处理气体流经喷淋头窗口进入区域8，气体在该区域内被转化为处理工件18的等离子体。电极36包括一个加热和/或冷却装置45，其响应于由控制器24响应设定点信号经引线35提供给装置45的电信号，其中设定点信号是由设定点源25提供给控制器的，同时还响应于指示电极36的温度的信号，该信号由集成在组件14中的温度量计39来获得。
组件14还包括绝缘环38和金属环40。环38与轴11同轴，优选地由石英制成，并且大致和环28对准。环38有一个内边界，其与中央电极36的外边界相邻接。金属环40与轴11同轴，具有内部和外部边界，它们分别和绝缘环38的外边界以及侧壁12的内边界相邻接，从而使得环40处于RF和DC地电势。金属环40的下部内侧面被绝缘环41所覆盖，其中绝缘环41上载有一个导电电极环42。电极环42上镀有或者覆盖有一层不会沾污区域8内等离子体的化学性质的导电材料或者绝缘材料。环41，在某些情况下是环41的一个向下延伸的支持凸缘(dependingflange，未示出)使得环42与环40和壁12绝缘，而在其它情况下环42则被电气连接到环40和壁12上。
由之前所述，限定的等离子体区域8具有一个上边界，其由(1)电极36的底面36a，(2)绝缘环38的底面，以及(3)电极环42的底面所确定，区域8还具有一个低边界，其由(1)工件18的顶面(当工件就位时)，(2)绝缘环28的顶面，和(3)电极环34的顶面所确定。马达43通过使顶电极组件14的底面相对于底电极组件13的顶面上下移动，从而控制区域8的顶边界和底边界之间的距离。马达43响应于来自控制器24的信号将电极组件13和14的面之间的距离设定在一个实验确定的、针对激发用于处理工件18的等离子体的特定频率的优化值上，该值从设定点源50获得。
限定等离子体区域8的侧边被分开的、垂直堆叠的栅44所界定，其中栅44是由不会沾污区域8中的等离子体的化学性质的材料所制成。栅44由一种绝缘的(优选为电介质，比如石英)或者有些导电的(例如，硅的碳化物)材料所制成，从而使得栅被电气激励、或者电气浮空、或者电气接地。对栅44进行设置，从而使得不会有大量(substantial amount)的等离子体流经栅44之间的槽。然而，区域8内未离子化的气体从栅44之间的槽进入舱10内的在壁12和环32之间的区域46，并且经由基底19上适当的窗口被泵9从舱10的内部抽出。
栅44在垂直方向上固定地被一种间隔装置(未示出)彼此分开，并且由马达47使其相对于彼此或者相对于底组件13而上下移动，从而控制在限定等离子体区域8内的压力。区域8内的压力被设定点源25提供给控制器24的压力设定点，以及区域8内的压力量计48的输出信号所控制。控制器24响应压力设定点和压力量计48的输出信号以控制马达47，从而改变在最低的栅44的底面和电极组件13的顶面之间的距离。因此，在区域8内的压力被维持在压力恒定点。栅44被布置为使得其不响应马达43的驱动，从而使得在限定等离子体区域8内的压力独立于电极组件13和14之间的距离被加以控制。
控制器24响应设定点源50以控制处于数个不同RF频率的各种组合下的从源装置51到电极16、34、36和42的耦合。被施加到电极16、34、36和42的不同的RF频率可以具有不同的功率，并控制限定区域8中的等离子体的不同的现象。在图1的实施例中，控制器24选择性地将来自源装置51的三种频率施加给电极16、24、36和42。源装置51包括三个分离的源52、54和56，其可以是固定频率源，但是优选为低功率变频振荡器。或者，源装置51包括单个的低功率综合器，其可以获取三个被选择的频率。低功率源驱动相关联的可变功率增益RF功率放大器，该放大器具有可变的带通频段，其随着与特定放大器相关联的源的频率的改变而改变。为此，源52、54和56中的每一个都具有一个相关联的频率和功率设定58和59。典型地，源52的频率在相对低的范围内(100kHz到10MHz)，源54的频率处于中间范围(10MHz到150MHz)，而源56的频率处于相对高的范围内(27MHz到300MHz)。在一个被实际测试的装置中，源52、54和56的频率分别被设定为2MHz、27MHz和60MHz。频率的各种组合以及施加给区域8的RF能量的功率会影响等离子体密度的分布、离子能量、在限定区域8内的等离子体的DC偏置电压，以及区域8内的等离子体的化学性质。
源54和56的频率控制等离子体的化学性质，因为假设其它关键的等离子体激发参数维持恒定，当等离子体激发频率的升高时，会发生更多的等离子体分裂。具体而言，随着频率的升高，等离子体中校轻的刻蚀分子的百分比也会增加。给等离子体施加高频将导致更多的分子分裂。
通过采用来自源52、54、和56的频率和功率的各种组合来驱动电极16、34、36和42，可使得等离子体按各种目的进行定制，例如，提供对称的或非对称的等离子体密度、离子能量和分子分裂。
控制器24响应来自点设定源50的输出信号，以及源装置51的RF输出，从而以各种结合和排列的形式控制从源装置51到电极16、34、36和42的数个频率的应用。在一个特定的实施例中，设定点源50触发控制器24，从而(1)当电极34、36和42接地时，来自源52、54和56的至少一个，但最多三个频率对电极16进行驱动；(2)当电极34和42接地时，来自源52、54和56的至少两个，但最多三个频率对电极16和36进行驱动；(3)当电极34和42接地时，仅源54或56的其中之一对电极16或36进行驱动，或者仅源52对电极16进行驱动；(4)当现有的电极16、36和42具备各种到源52、54和56的连接时，电极34被源52和/或源54所驱动，或者经一个滤波器连接到地，其中滤波器具有对源52和/或源54(即频率F2和F3)的带通频段；(5)当现有的电极16、34和36具备各种到源52、54和56的连接时，电极42被源52和/或源54所驱动，或者经一个滤波器连接到地，其中滤波器具有对源52和/或源54(即频率F2和F3)的带通频段。
现在参考图2，方块图中包括控制器24的电路，其用于选择性地将源52、54和56的输出耦合到电极16、34、36和42。
低频源52，其具有频率F1，仅驱动底电极组件13的中央电极16。为此，源52的输出经电压、电流和相位角传感器60，以及开关62和64而被耦合到匹配/可调接地网络58。网络58包括可变电抗，其电抗值是预设的，从而在源52的频率下，在源52的输出阻抗和区域8内的等离子体的期待阻抗之间提供最接近的匹配。传感器60获取表示在源52和匹配/可调接地网络58之间流动的电流、在源52的输出和地58之间电压、以及在感应电压和电流之间的相位角的输出信号。传感器60将这些电流、电压和相位角度提供给控制器66，而控制器66对其进行响应以控制源52的频率，从而以一种本领域人员熟知的方式，在源52的频率下维持源52的输出阻抗和等离子体的阻抗之间的大致精确的阻抗匹配。此外，如果源52的频率是固定的，传感器60提供这些电流、电压和相位角度信号，对其进行响应以控制匹配网络58的可变电抗，从而以一种本领域人员熟知的方式，在源52的频率下维持源52的输出阻抗和等离子体的阻抗之间的大致精确的阻抗匹配。网络58的可变电抗，当其匹配时，大致被调整为源52的频率，从而为源52的频率提供一个双向的低阻抗通路，为源54和56的频率提供一个高阻抗的通路，从而使得源54和56的频率被大致地减弱，即被网络58所拒绝。随着源52的频率响应于操作者所致的设定点的变化而变化，控制器66相应地改变网络58的电抗，从而为源52的频率维持低阻抗通路，并且在源52的频率下维持源输出阻抗和等离子体的阻抗间的大致匹配。
通常希望源52在源52的频率下驱动电极16以获取电场，以存在于电极16和36之间。为此，电极36被选择性地经开关65和带通滤波器67而接地，其中带通滤波器的中心频率等于由用户所设定的源52的标称频率。因此，处于源52的频率的电流从电极36经滤波器67流到地，其中该滤波器对源54和56的频率具有大阻抗，从而在源54和56的频率下充分地阻挡电流。在这种情况下，通常希望将电极34和42连接到DC和RF地，这一结果是由控制器24将分别连接在电极34、42以及地之间的开关69和71闭合所实现的。出于其它的目的，控制器24通过将连接在电极16和地之间的开关72闭合从而对电极16进行RF和DC接地。
在常规的操作中，当源52驱动电极16时，开关62和64依所述方式连接。然而，在其它的情况下，当源52与电极16解耦时，开关62和64则是被控制器24所激活，从而使得开关62和64分别地啮合电阻器68和70的第一端子，这两个电阻器均具有等于源52的输出阻抗的阻抗值。电阻器68和70的第二端子被接地，从而在源52与电极16解耦时，源52的输出驱动一个与源52的输出阻抗相匹配的负载。在这种情形下，网络58的输入端子跨接到电阻器70，从而使得从电极16看进网络58的输出端子的阻抗与源52耦合到电极16时的阻抗相同。此外，因为网络58被调节为接近于源58的频率，网络58提供一条从电极16起，经由网络58的可调电路，通过电阻器70接地的在源52的频率下的低阻抗通路，以及从电极16起，经由网络58的可调电路，通过电阻器70接地的在源54和56的频率下的高阻抗通路。
中频源54，其具有频率F2，可以驱动(1)仅电极16，(2)仅电极36，(3)同时驱动电极16和36，(4)仅电极34，(5)仅电极42，(6)同时驱动电极34和36，(7)同时驱动电极34和42，(8)同时驱动电极36和42。
为此，源54的输出连接到三点同轴(three position coaxial)RF开关74，该开关具有第一和第二输出端子，其被选择性地连接以便在不同的时刻驱动匹配/可调接地网络76和78。网络76和78彼此相同，并且与网络66类似，不过网络76和78为源54的频率提供匹配和可调的接地。这样，网络76和78允许在源54的频率下的电流和电压通过，但是阻隔在源52和56的频率下的电流和电压。开关74包括连接到功率分离器(splitter)80的输入端口的第三端子，其中的功率分离器具有第一和第二输出端口，从这两个端口可以获得反相的处于源54的频率的功率。在分离器80的输出端口处的功率可以相同或不同，这取决于分离器的设计和设置；分离器80的设置可以由操作者手动地设置，或者由控制器24响应控制器的存储器所存储的一个处理程序从而自动地进行设置。在分离器80的第一和第二输出端口的功率分别被同时施加给网络76和78。功率经由电压、电流和相位角度传感器82，以及开关84和86而由开关74的第一输出端子或者分离器80的第一输出端子被提供给网络76的输入端子，其中开关84和86分别地选择性地经电阻器88和90而接地。功率经由电压、电流和相位角度传感器92，以及开关94和96，而由开关74的第二输出端子或者分离器80的第二输出端子被提供给网络78的输入端子78，其中开关94和96分别地选择性地经由电阻器98和100而接地。控制器102和104与网络76和78，以及传感器82和92分别地相关联。控制器102和104响应传感器82和92的输出和操作者的输入从而以如前所述的用于控制器66的相同方式来控制网络76和78的电抗值，以及源54的频率。
三点同轴RF开关106响应来自控制器24的控制信号，从而选择性地将网络76的输出连接到电极16或者电极34，或者使网络76的输出开路。三点同轴Rf开关108响应来自控制器24的控制信号，从而选择性地将网络78的输出连接到电极36或电极42，或者使网络78的输出开路，籍此与开关106相结合而进行操作。当控制器24触发开关74以使源54的输出耦合到网络76时，控制器触发开关106以将网络76的输出连接到电极16或者34。如果控制器24使得开关74啮合其第一输出端子，从而使得网络76的输出被耦合到电极16，则控制器(1)断开开关72以避免电极16接地，并且(2)断开或闭合开关69，从而使电极34与地解耦，或者将电极34接地。如果控制器24使得开关74啮合其第一输出端子，从而使得网络76的输出被耦合到电极34，则控制器(1)断开开关69以避免电极34接地，(2)断开或者闭合开关72，以使得电极16与地解耦，或者将电极16接地。如果控制器24使得开关74啮合其第二输出端子，从而使得网络78的输出耦合到电极36，则控制器(1)断开开关110，该开关闭合时会使得电极36被RF和DC接地，和(2)或断开或闭合开关71，从而将电极42与地解耦，或者将电极42接地。如果控制器24使得开关74啮合其第二输出端子，从而使得网络78的输出耦合到电极42，则控制器(1)断开开关71，以使得地与电极42解耦，以及(2)或断开或闭合开关110，从而将电极36与地解耦，或者将电极36接地。如果控制器24触发开关74，从而使得分离器80同时向网络76和78提供功率，则控制器24触发开关69、71、72和110，从而避免与网络76和/或78的输出端子相连接的电极16、34、36或42中的任意一个接地。
高频源56，具有频率F3，可以驱动(1)仅电极16，(2)仅电极36，(3)同时驱动电极16和36，(4)仅电极34，(5)仅电极42，(6)同时驱动电极34和36，(7)同时驱动电极34和42，(8)同时驱动电极36和42。
为此，源56的输出驱动与源54驱动的电路相同的电路，但是与源56相关联的匹配/可调接地网络112和114被预设为调节至源56的标称频率，从而使得网络112和114传送来自源56的电流和电压，但阻隔源52和54的电流和电压。所以，源56的输出被耦合到三点同轴RF开关116，该开关具有第一、第二和第三输出端子，其分别地被连接以用于驱动网络112、114和分离器118，分离器118具有第一和第二输出端子，其被连接以用于驱动网络112和114的输入端子。开关116和分离器118的第一输出端子经由电压、电流和相位角度传感器120，以及开关122和124被选择性地连接到匹配网络112的输入端子，而开关116和分离器118的第二输出端子经由电压、电流和相位角度传感器126，以及开关128和130被选择性地连接到匹配网络114的输入端子。开关122、124、128和130分别被选择性地通过电阻器131-134接地，各个电阻的阻抗值等于源56的输出阻抗。控制器136和138分别地与网络112和114，以及传感器120和126相关联，从而控制网络112和114，以及源56的频率。
控制器24触发(1)三点同轴开关140以便选择性地将网络112的输出连接到电极16或电极34，或者既非电极16也非电极34，并且(2)三点同轴开关142以便选择性地将匹配网络114的输出连接到电极36或电极42，或者既非电极36也非电极42。控制器42，与开关116和142的触发相结合，对开关69、72以及110进行触发，以避免连接到网络112和114的输出端子的电极16、34、36或42的任意一个接地，如之前对于与源54相关联的电路所描述的情况一样。
控制器24触发图2的各种开关，从而给可被施加于电极16、34、36和42的数个频率的各种组合及置换带来了很大的多用性。例如，当开关69、71和110被闭合以使电极34、36和42接地时，源52、54和56的低、中和高频率可以被同时地施加给电极16。在这些情况下，在等离子体限定区域8内，在源52、54和56的各自频率下的能量的不同部分被分流接地，这是由从电极16耦合到电极34、36和42的接地电势的电场所致的。在各个频率F1、F2和F3下从电极16耦合到电极34、36和42的接地电势的能量数量是以下因素的函数(1)与三个频率中每一个相关联的波长，(2)在电极16和36之间的距离，(3)在电极16和34之间的距离，和(4)在电极36和42之间的距离。在舱10内的电极的各种组合之间的距离是由电极的几何形状、马达47、以及其它事情所决定的。
第二示例情况涉及将低频和中频施加给底电极16，而将高频施加给顶电极36，将电极34和42接地，并且闭合开关65，从而通过仅让低频通过的带通滤波器67在电极36到地之间提供一个低阻抗通路。此外，开关96和142被触发，从而使电极36连接到网络78输出端子和网络78的输入端子，从而经电阻器100接地，产生一个针对源54的中频的，从电极36经网络78到地的低阻抗通道。因为源56的频率高，并且电极36和42之间的距离相对较近，所以高频下的电场趋向于主要存在于区域8的上部，从而提供相对较大的电场密度以用于分裂从源37流进区域8的气体。在高频下的电场不会趋向于与电极16相耦合，因为在高频下，缺少一条从电极16到地的低阻抗通路。网络58和76实际上是低频和中频的带通滤波器，而拒绝高频电流。由于网络58和76相对于高频具有高阻抗，所以网络58和76将高频与电极16解耦。
和与高频F3关联的电场不同，与源52的低频F1相关联的电场从电极16延伸到(1)电极34，(2)电极36和(3)电极42。频率F1下产生的电极36中的电流流经滤波器67的低阻抗通路到地。因此，与频率F1关联的电场在整个区域8内影响离子能量。
与源54的中频F2相关联的电场主要从电极16延伸到电极34和电极36，较少地延伸到电极42。频率F2下产生的电极36中的电流流经网络78的低阻抗通路，经开关108和96以及电阻器100而接地。
第三示例情况涉及将低频和高频施加到底电极16，将中频施加给顶电极36，而电极34和42接地，开关65闭合，从而提供一个仅让低频通过的，从电极36通过带通滤波器67接地的低阻抗通路。因此，依照如前所述的用于第二示例情况的方法，源52的低频被耦合到区域8内的等离子体。源56的高频不是第三示例情况的一个因子，因为控制器24使得开关140和142啮合其开路端子。开关74啮合其第三输出端子，使得源54的中频被耦合到电极16和36，这使得分离器80响应来自源54的功率。控制器24触发开关106和108，从而使得网络76和78的输出分别地驱动电极16和36。所以，处于中频的电场被耦合在(1)电极16和36，(2)电极16和34，以及(3)电极36和42之间。结果，处于中频的电场影响整个区域8内的离子能量、等离子体密度和分子分裂。
第四示例情况涉及将低频施加给电极16，将中频和高频施加给电极36，而电极36和42接地。在此情况下，控制器24(1)触发开关74和116至其第二位置，(2)触发开关108和142使得网络78和114的输出端子连接到电极36，(3)触发开关94和96的使得网络78的输入端子连接到传感器92，(4)触发开关128和130使得网络114的输入端子连接到传感器126，(5)触发开关106和140使得网络76和112的输出端子分别连接到电极16和被开路，以及(6)触发开关86和124以使得网络76和112的输入端子分别经电阻器90和132接地。因此，源52的低频具有一个从电极36经带通滤波器67接地的低阻抗通路，但是源54和56的频率没有这样一条从电极36到地的低阻抗通路。结果，依照与前述的第二示例性情况相同的方式，源52的低频耦合到区域8内的等离子体。低阻抗通路自网络78的输出端子，经开关108到电极36，然后从区域8内的等离子体到(1)电极16，从而经网络76、开关86和电阻器98而接地，(2)电极42，从而接地。因此，处在中频的大体电场处于在电极36和42，以及电极16和36之间的区域8内。结果，对离子分布的主要控制在于区域8的上部，也包括在电极16和36之间的区域8的中心位置。在此情况下，源56的高频下仅有的低阻抗通路在电极36和42之间。在源56的高频下，在电极16和36之间没有低阻抗通路，因为由于开关140被开路，电极16与网络112的输出端子解耦。源56的高频下，在电极36和34之间的距离被设置为使得在高频下在电极34和36之间经等离子体的阻抗大致上高于电极36和42之间的阻抗。因此，依照与前述的第二示例情况类似的方式，源56的高频影响区域8内的等离子体。
在第五示例情况下，源52和54的低频和中频被施加给底电极16，而电极34、36和42则接地。为此，控制器触发开关106从而将网络76的输出连接到电极16，而将开关69、71和110闭合。依照前述的用于第一示例情况的低频和中频的方式，在区域8内的等离子体从而受到源52和54的低频和中频的影响。区域8内的等离子体不会受到源56的高频的影响，其理由与第三示例情况中所阐述的相同。
在其它示例性情况下，控制器24可以控制图2的各种开关，从而使得仅有源52的低频被连接到电极16，而源54和56均不连接到任何电极。在这种情况下，控制器24闭合开关110，而舱10以一种相对简单的方式来处理工件。或者，控制器24可以将源54和56的输出的其中之一或二者连接到电极16、34、36和42中的任何电极。例如，有可能希望将源56的高频耦合在电极16和36之间，而将源54的中频耦合在电极36和34之间。这样，控制器24(1)断开开关69、71、72和110，(2)触发开关74、94和96以及开关116、128和130，以使得源54和56的输出分别施加到网络78和114的输入端子，(3)触发开关108和142以使得网络78和114的输出连接到电极36，(4)触发开关106和86以使得从电极34经网络76和电阻器94接地有一条源54的中频的低阻抗通路，和(5)触发开关140和124以使得从电极16经网络112和电阻器132接地有一条源56的高频的低阻抗通路。因此，在区域8(1)仅对应源56的高频在电极16和36之间建立电场和(2)仅对应源54的中频在电极34和36之间建立电场。由于对于源54的中频，没有一条从电极16到地的低阻抗通路，所以没有实质电场对应于中频而建立于电极16和36之间的区域8内。由于对于源56的高频，没有一条从电极34到地的低阻抗通路，所以没有实质电场对应于高频而建立于电极34和36之间的区域8内。而且，应该理解的是，与此处所述类似的适当的带通滤波器电路可以被用于提供一个在电极36和42之间的仅用于源56的高频的低阻抗通路。
现在参考图3，其为一个舱10的第二实施例的示意图。图3的实施例类似于图1，不过图3的实施例具有更大容积的等离子体限定区域，其延伸到了舱壁12和基底19。所以，图3的实施例不包括栅44，等离子体处理工件18的压力是专门通过对真空泵9的压力控制来进行的。在图3的实施例中，金属环40的整个底面、环32的侧壁、以及侧壁12的内表面都被接地，并且定义等离子体限定区域的边界的各部分。为了避免等离子体沾污金属环40的底面，环32的侧壁或者侧壁12的内表面，所有这些表面上都覆盖有不会沾污区域8内的等离子体的化学性质的盘片100，其中盘片由导电材料或者诸如本征硅的电介质材料所制成的。因为在图3的实施例中，侧壁12是等离子体限定区域的一部分，因此控制侧壁的温度，控制方式与对图1实施例中电极组件14的控制方式类似。
在图3的实施例中的电极响应于数个RF频率，并且依照如之前图1和图2所述的那样被控制。由于图3实施例中的等离子体限定区域的大容积和复杂的形状，使得在图3的舱内的电场与图1中的舱内的电场有相当程度的不同。不过，图3的实施例中的电场对于等离子体的效果则与结合图1和图2的实施例所述的情况多少有点相似。
虽然在本发明的实施例中描述了具体的实施例，但是应该清楚的是，可以在不背离在所附的权利要求中的本发明的精神和范围的前提下，对于此处所专门描述的实施例的细节作出各种变化。例如，当图2的电路表明源52、54和56的输出在工件处理期间被同时地持续地施加给电极16和/或36时，可以理解到源52、54和/或56的至少一个可以被以脉冲形式而开关。
权利要求
1.一种在真空等离子体处理舱内采用等离子体处理工件的方法包括采用处于数个频率下的电能来激发等离子体，从而使得由数个频率所引起的等离子体的激发同时地导致数个不同的现象发生在等离子体中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数个频率为3个。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，包括选择频率以影响等离子体的密度、等离子体的离子能量、以及等离子体的化学性质，并且将选中的频率施加到等离子体上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述数个频率同时地激发等离子体。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一频率在100kHz到10MHz范围内，第二频率在10MHz到150MHz范围内，而第三频率在27MHz到300MHz范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，数个频率的各种组合会影响(a)等离子体的密度，(b)离子的能量，和(c)等离子体的化学性质。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数个频率同时地激发等离子体。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，数个频率中的第一个在100kHz到10MHz范围内，数个频率中的第二个在10MHz到150MHz范围内，而数个频率中的第三个在27MHz到300MHz范围内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将等离子体限定在一个远离舱的侧壁的区域内。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，还包括在所述区域内控制等离子体的压强。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括改变舱内的一对电极之间的距离，其中等离子体就是在该对电极间被激发的。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括改变处于数个频率中的至少一个频率上的功率。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用一对相对的电极激发等离子体，将处于数个频率中的至少一个频率的功率耦合到至少其中一个电极上，并且选择性地将处于数个频率中的一个频率的功率由其中一个电极耦合到RF地。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用一对相对的电极激发等离子体，并且当工件被处理时，控制相对的电极的温度。
15.一种用等离子体处理工件的装置，包括用于用等离子体处理工件的真空舱，以及用于用处于数个频率的电能激发等离子体，从而使得由数个频率所致的等离子体激发同时地导致数个不同的现象发生于等离子体内的装置。
16.一种真空等离子体处理机，包括含有电极的真空舱，该舱与电抗相关联，所述电极和电抗被布置为用于将等离子体激发场耦合到舱内的气体，所述舱被布置为用于支承工件，还包括等离子体激发源装置，其用于使电极和电抗将处于数个频率的电能耦合到等离子体。
17.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为使得数个频率同时地被施加到等离子体上。
18.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述用于支承工件的电极包括舱内的第一电极，而所述电抗包括舱内的第二电极。
19.如权利要求18所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为用于将数个频率中的多个施加到第一电极，而将数个频率中的至少一个施加给第二电极。
20.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为用于将数个频率施加给电极。
21.如权利要求18所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述第一和第二电极，以及源装置被布置为使得第二电极处于参考电势，并同时地使源装置将数个频率施加给第一电极。
22.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括至少一变频RF源。
23.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括电路，该电路用于(a)在频率源和等离子体之间提供阻抗匹配，和(b)将与不同源相关联的频率和各个其它的源解耦。
24.如权利要求16所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述激发源装置被布置，而频率的值使得数个不同现象同时地发生于等离子体内。
25.一种用于工件的真空等离子体处理机，包括真空舱，真空舱具有第一和第二电极，其用于将等离子体激发场提供给舱的一个区域，该区域适于响应适于被转换为等离子体以用于处理工件的气体，该舱被布置为用于支承工件，还包括等离子体激发源装置，用于在不同的频率下获取电能，该等离子体激发源装置包括电路，用于选择性地将数个频率耦合到第一和第二电极的至少其中之一，以用于将处于数个频率下的等离子体激发电场耦合到等离子体。
26.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路被布置为用于将数个频率中的多个频率耦合到第一电极，而将数个频率中的至少一个耦合到第二电极。
27.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路被布置为用于(a)在频率源和等离子体之间提供阻抗匹配，和(b)将与不同的源相关联的频率与各个其它源解耦。
28.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括数个不同的频率源。
29.如权利要求28所述的处理机，其特征在于，至少一个源具有可变频率。
30.如权利要求28所述的处理机，其特征在于，至少一个源具有固定频率。
31.如权利要求28所述的处理机，其特征在于，数个频率的各种组合影响(a)等离子体的密度(b)等离子体中的离子能量(c)等离子体的化学性质。
32.如权利要求28所述的处理机，其特征在于，至少一个源具有可变输出功率。
33.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路和舱被布置为用于避免大幅电流在多个频率中的至少一个频率下流到第二电极。
34.如权利要求33所述的处理机，其特征在于，所述的用于避免大幅电流在多个频率中的至少一个频率下流到第二电极的电路和舱装置包括(a)舱内的一个处于参考电势的表面，用于使电流在多个频率中的至少一个频率下从第一电极流到表面(b)电路的滤波器装置，该滤波器装置连接到第二电极，用于避免大幅电流在多个频率中的至少一个频率下在第二电极和参考电势之间流动。
35.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路被布置为将第二电极连接到参考电势，并将数个频率提供给第一电极。
36.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路被布置为将相同的频率提供给第一和第二电极。
37.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述等离子体源装置电路被布置为用于同时地将数个频率和电极相耦合。
38.如权利要求25所述的处理机，其特征在于，所述电路包括控制器，用于在第一工件处理时间期间选择性地将第二电极连接到参考电势，还用于在第二工件处理时间期间选择性地将同一频率提供给第一和第二电极。
39.如权利要求37所述的处理机，其特征在于，所述控制器被布置为用于在第一时间期间间隔内选择性地将第一电极连接为响应于数个频率中的每一个。
40.如权利要求25所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为用于将数个频率施加给第一电极。
41.如权利要求25所述的真空等离子体处理机，其特征在于，所述第一和第二电极以及源装置被布置为使得第二电极处于参考电势，并用于同时地使得源装置将数个频率施加给第一电极。
42.一种用于处理工件的真空等离子体处理机，包括真空舱，真空舱具有电极装置，用于将等离子体激发场提供给舱的一个区域，该区域适于响应于适于被转换为等离子体以用于处理工件的气体，该电极装置包括分别位于所述区域的相对的第一和第二侧上的第一和第二电极，和位于所述区域的所述第一侧的第三电极，所述第三电极在第一电极周围并且与其绝缘，还包括等离子体激发源装置，用于在数个频率下激发电能，该等离子体激发源装置被布置为选择性地将处于数个频率下的能量耦合到第一、第二和第三电极，从而使得处于数个频率中的至少一个频率的电流流入第三电极，而不是处于所有频率下的电流都流经第三电极。
43.如权利要求42所述的处理机，其特征在于，所述电极装置包括在所述区域的所述第二侧上的第四电极，该第四电极在第二电极周围，并且与其绝缘，等离子体源装置被布置为选择性地将能量耦合到第四电极，从而使得处于数个频率中的至少一个频率的电流流入第四电极，而不是处于所有频率下的电流都流经第四电极。
44.如权利要求43所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为将至少一个频率的能量施加给第三电极。
45.如权利要求43所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为将至少一个频率的能量施加给第四电极。
46.如权利要求43所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为将至少一个频率的能量施加给第三和第四电极。
47.如权利要求43所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括滤波器装置，用于使得处于至少一个频率的电流在第三电极和参考电势之间流动，并避免处于至少一个频率下的电流在第三电极和参考电势之间流动。
48.如权利要求43所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括滤波器装置，用于使得处于至少一个频率的电流在第四电极和参考电势之间流动，并避免处于至少一个频率下的电流在第四电极和参考电势之间流动。
49.如权利要求48所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括滤波器装置，用于使得处于至少一个频率的电流在第三电极和参考电势之间流动，并避免处于至少一个频率下的电流在第三电极和参考电势之间流动。
50.如权利要求42所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置被布置为将处于至少一个频率的能量施加给第三电极。
51.如权利要求42所述的处理机，其特征在于，所述等离子体激发源装置包括滤波器装置，用于使得处于至少一个频率的电流在第三电极和参考电势之间流动，并避免处于至少一个频率下的电流在第三电极和参考电势之间流动。
52.一种在真空等离子体处理机内处理工件的方法，其中处理机具有真空舱，真空舱具有电极装置，用于将等离子体激发场提供给舱的一个区域，该区域适于响应于适于被转换为等离子体以用于处理工件的气体，该电极装置包括分别位于所述区域的相对的第一和第二侧上的第一和第二电极，和位于所述区域的所述第一侧的第三电极，所述第三电极在第一电极周围并且与其绝缘，所述方法将处于数个频率下的能量耦合到第一、第二和第三电极，从而用于使得处于数个频率中的至少一个频率的电流流入第三电极，而不是处于所有频率下的电流都流经第三电极。
53.如权利52所述的方法，其特征在于，所述电极装置包括位于所述区域的所述第二侧上的第四电极，该第四电极在第二电极周围并与其绝缘，该方法还包括选择性地将能量耦合到第四电极，从而使处于数个频率中的至少一个频率的电流流入第四电极，而不是处于所有频率下的电流均流过第四电极。
54.如权利53所述的方法，其特征在于，通过将具有至少一个频率的电源装置连接到第三电极，使得能量被耦合到第三电极。
55.如权利54所述的方法，其特征在于，通过将具有至少一个频率的电源装置连接到第四电极，使得能量被耦合到第四电极。
56.如权利55所述的方法，其特征在于，通过将具有至少一个频率的电源装置连接到第三电极，使得能量被耦合到第三电极。
57.如权利53所述的方法，其特征在于，通过在第三电极和参考电势之间连接一个可以使得至少一个频率通过而阻隔至少一个频率的滤波器装置，使得能量被耦合到第三电极。
58.如权利53所述的方法，其特征在于，通过在第四电极和参考电势之间连接一个可以使得至少一个频率通过而阻隔至少一个频率的滤波器装置，使得能量被耦合到第四电极。
59.如权利58所述的方法，其特征在于，通过在第三电极和参考电势之间连接一个可以使得至少一个频率通过而阻隔至少一个频率的滤波器装置，使得能量被耦合到第三电极。
60.如权利52所述的方法，其特征在于，通过将具有至少一个频率的电源装置连接到第三电极，使得能量被耦合到第三电极。
61.如权利52所述的方法，其特征在于，通过在第三电极和参考电势之间连接一个可以使得至少一个频率通过而阻隔至少一个频率的滤波器装置，使得能量被耦合到第三电极。
全文摘要
在一个真空等离子体处理舱内，通过在数个频率下激发等离子体，从而使得由数个频率所致的等离子体激发同时地导致数个不同的现象发生于等离子体中，由此用等离子体对工件进行处理。所述舱包括中央的顶电极和底电极，以及一个周围的顶电极和/或底电极装置，其或者由RF激励，或者由一个滤波器装置连接到一个参考电势上，其中该滤波器装置使得至少一个等离子体激发频率通过，但阻隔其它频率。
文档编号H05H1/46GK1973364SQ200480023943
公开日2007年5月30日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年8月22日
发明者R·丁德萨, S·M·R·萨德贾迪, F·考萨科维奇, D·特鲁瑟尔, L·李, E·伦兹, C·卢稣, M·斯利尼瓦萨恩, A·艾普勒, J·蒂兹, J·马克斯 申请人:拉姆研究有限公司