CN101911840B - 用于等离子体室的电极的非对称性射频驱动装置 - Google Patents
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Abstract
RF功率耦合至等离子体室的电极上的一个或多个RF驱动点,使得耦合至电极的较靠近该工件通道的半部上的RF功率值超过耦合至该电极的另一半部上多个RF驱动点(如果有的话)的RF功率值。或者,RF功率耦合至等离子体室的电极上一个或多个RF驱动点,使得这些驱动点位置的加权平均在该电极中心与该工件通道之间。该加权平均是利用耦合至该驱动点位置的RF功率的时间平均值来加权每个驱动点位置所计算而得。本发明抵消掉在邻近电极最靠近通道的末端处的等离子体密度的增加,否则在邻近电极最靠近通道的末端处将存在等离子体密度增加的现象。
Description
技术领域
本发明一般地涉及耦合一射频(RF)功率源到用于制造像是半导体、显示器及太阳能电池等电子装置的等离子体室的电极。本发明更特别地涉及通过非对称式耦合这种RF功率源到该电极以抵消腔室几何形状的非对称性,来改善在该腔室中执行等离子体处理的均匀性。
背景技术
等离子体室常用于执行制造诸如半导体、显示器及太阳能电池等电子装置的工艺。这种等离子体制造工艺包括在工件(workpiece)表面上形成半导体、导体或介电层的化学气相沉积,或是在工件表面上这些膜层部分的选择性蚀刻。
在工件表面上以高空间均匀性(spatial uniformity)来执行等离子体制造工艺是很重要的。也就是说,必须执行沉积工艺使得该工件表面上所有位置处的沉积材料皆具有均匀一致的厚度及质量。类似地,蚀刻工艺必须在所有这些位置处以均匀的速率蚀刻材料。
目前已经开发出许多可以改善等离子体制造工艺的空间均匀性的设计。许多传统的设计尝试借助最大化等离子体密度的空间均匀性来改善制造工艺的空间均匀性。其它传统的设计则尝试借助产生可随着距离工件中心的径向距离成函数变化的等离子体密度来修正从工件中心到工件边缘之间反应性物种的浓度差异。
传统设计的缺点是不能够抵消因等离子体室几何形状的不对称性而造成等离子体密度呈现非径向对称的不均匀性。
发明内容
我们发现在等离子体室中的工件通道会产生等离子体密度的非对称性。特别是,在RF供电电极为电容式地耦合至等离子体的等离子体室中,在邻 近最靠近通道的电极末端处的等离子体密度要比邻近该电极的相对末端处的等离子体密度更大。由于不对称的等离子体密度会使在工件上执行的等离子体工艺(例如沉积或蚀刻)产生相应的不对称性,因此不希望产生不对称的等离子体密度。
本发明借助非对称性地供应RF功率给等离子体室的电极来抵消(offset)这种非对称性,所以该功率的供应朝向工件通道的方向偏移。
在以下本发明的部分定义与描述中,我们使用术语“RF驱动点(RF drivepoint)”来代表在电极上用来电性连接RF功率的位置。
在本发明中,RF功率耦合至该等离子体室的电极上一个或多个RF驱动点,使得这些驱动点位置的加权平均(weighted mean)介在电极中央与工件通道之间。该加权平均是基于利用耦合至该驱动点位置的RF功率的时间平均值来加权每个驱动点位置而获得。
在本发明最简单的第一种实施方案中,RF功率耦合至电极上的多个位置处的一个或多个RF驱动点,这些RF驱动点偏离该中心而朝向工件通道。换言之,这些RF驱动点是位在该电极中心与最靠近工件通道的电极边缘之间。
在本发明第二种方案中,RF功率耦合至电极上的一个或多个RF驱动点,使得耦合至最靠近工件通道的电极半部(第一半部)上的一个或多个RF驱动点的RF功率值超过耦合至该电极另一半部(第二半部)上的RF驱动点(如果有的话)的RF功率值。
本发明第二方案包括有多个具体实施例,其中功率分配器耦合到该电极的第一半部的RF功率值高于耦合到该电极的第二半部的RF功率值。该功率分配器可以包括衰减器,较佳是无源衰减器,以建立耦合至该电极的第一半部与第二半部的RF功率的相对值。在一个具体实施例中,每个无源衰减器为一电容,而连接至该电极的第一半部的一个或多个衰减器的整体电容小于连接至该电极第二半部的这些衰减器(如果有的话)的整体电容。
在本发明第三种方案中,在电极较靠近工件通道的电极半部(第一半部)上的RF驱动点数目大于在电极另一半部(第二半部)上的RF驱动点数目(如果有的话)。
在本发明的所有方案中,耦合至每个RF驱动点的RF功率值可随时间变化,此种情况下,为了实现本发明目的的有效RF功率是时间平均RF功率(time-averaged RF power)。例如,在具有包含电容器的功率分配器的具体实施例中,这些电容器可随时间变化,在此种情况下,连接至电极的两个各自的半部的各自有效电容值是各自的时间平均电容值。
本发明是与直觉预期相悖的,因为在直觉上预期RF功率驱动点设置在更靠近工件通道处将会进一步增加邻近信道处的等离子体密度,而恶化了等离子体密度的非对称性。但是,我们发现到事实上刚好相反,并且说明如下。
附图说明
图1为具有RF驱动点偏离电极中心的等离子体室侧壁与长方形电极的等离子体室截面图。
图2为图1的等离子体室的部分示意截面顶视图。
图3类似于图2,除了图3还包括位在电极中心处的第二RF驱动点,以及与该偏离中心的RF驱动点串联的一电抗。
图4类似于图2,除了该电极具有四个RF驱动点连接至一功率分配器。
图5类似于图4,除了图5仅具有两个RF驱动点,且该功率分配器包含两个衰减器。
图6类似于图5,除了图6具有四个RF驱动点,并且每一个衰减器连接至两个RF驱动点。
图7类似于图6,除了图7具有四个衰减器。
图8类似于图4,除了图8具有与电极中心相隔不同距离的六个RF驱动点。
具体实施方式
1.等离子体室概述
图1显示包括本发明的一个具体实施例的等离子体室。在说明本发明之前,将说明该等离子体室的传统部件。
该等离子体室是用来对工件10执行等离子体工艺步骤,以在该工件上制造诸如半导体装置、显示器或太阳能电池的电子装置。该工件由工件支撑 件11支撑在该等离子体室内,工件支撑件11也称为夹盘(chuck)或承接器(susceptor)。将在等离子体室内进行处理的工件10的范例包括长方形玻璃基板,用以在基板上制造平板显示器,或是圆形半导体晶片,用以在晶片上制造集成电路。
等离子体室具有腔室壁14~20,以在该腔室内部提供真空密闭空间。在所例示的具体实施例中,腔室侧壁14及腔室底壁16实施成一整合壁。腔室壁的上方包括一有铰链的盖18以及气体入口歧管背壁20。腔室侧壁14、腔室底壁16、腔室盖18及气体入口歧管背壁20皆视为该腔室壁的部分。
腔室侧壁14的一侧包括工件通道12,在处理之前,工件通过工件通道12而被加载该腔室中,并在该工件经过处理之后,工件通过工件通道12自该腔室中移除。门13典型为缝阀(slit valve),并且在工件进入或离开期间开启,以及在工件的等离子体处理期间关闭以提供等离子体室内的真空密闭。
对工件执行等离子体工艺时,一种或多种工艺气体经由气体入口歧管20~28分散到该腔室中。该气体入口歧管包括气体入口歧管背壁20、喷头22(也称为气体分配板或扩散器)及悬架(suspension)24,所有这些部件共同圈围出一体积,在此称为气体入口气室27,所述气体入口气室27构成该气体入口歧管的内部区域。为简化起见,气体入口歧管背壁20简称为“背壁(back wall)”。
该气体入口歧管包括一个或多个气体入口28,以提供气流由外部气源(未示出)流到气体入口气室27的通道。在图1的具体实施例中,气体入口28为延伸通过气体入口歧管背壁20的多个开口。气源(未示出)供应工艺气体到气体入口28,气体从气体入口28流入气体入口气室27,然后自该气体入口气室经由在喷头22中的多个气体出口通道而流入该腔室内部。为了简化图面,在图2至图8中未绘出气体入口28。
该喷头的重量由悬架24支撑,悬架24由气体入口歧管背壁20所支撑,而气体入口歧管背壁20则由腔室侧壁14所支撑。悬架24较佳是有弹性的,以当喷头温度上升及下降时,容许喷头的径向膨胀及收缩。悬架24具有一上端连接至气体入口歧管背壁20,及具有一下端连接至喷头22的周缘处该边缘(rim)。后者的连接可为固定式或滑动式。例如,可将该喷头边缘安置在该悬架的下端上来实施滑动连接。
如果喷头如同所例示的具体实施例般为长方形时,悬架24的垂直延伸部较佳是由四个弹性铝板所构成,且分别连接至长方形喷头22的四边。每个铝板垂直延伸在该长方形喷头的一侧与长方形背壁20的相应侧之间。
RF电源30在RF电源30的未接地(RF热点)输出31与RF电源30的电气接地输出32之间产生一RF电压。该RF电源的未接地输出31直接或间接地连接至该等离子体室的至少一个未接地电极。RF电源的接地输出32经由该电气接地被连接至该腔室的至少另一电极,该另一电极直接或间接地连接至电气接地。这些未接地及接地的电极则电容式地将该RF电源产生的RF功率耦合到该腔室内部,借以在该腔室内产生或维持等离子体。
直接或间接地连接至电气接地及被电容耦合至该腔室内部等离子体的等离子体室金属部件共同作为该腔室的阴极电极。这些部件的电气接地连接可有效地将它们连接至该RF电源(RF power supply)的接地输出32。该阴极电极通常包括腔室侧壁14,因为腔室侧壁14为电气接地。此外,该阴极电极通常包括工件支撑件11,因为工件支撑件11直接或间接地连接至电气接地。该工件支撑件可经由电容器(未示出)或经由第二RF电源(未示出)而间接连接至电气接地,第二RF电源的RF热点输出电气连接至该工件支撑件并且所述第二RF电源的第二输出为电气接地。
盖(cover)29电气式及机械式地连接至腔室盖18的上方,腔室盖18则电气式及机械式地连接至电气接地的腔室侧壁14。因此,盖29是电气接地的,且相对于该RF供电电极的背壁20而言作为接地平面。如图1所示,同轴传输线34的电气接地外部导体35可连接至盖29。传输线34的内部导体则通过盖29且与盖29绝缘,并且电气连接至该RF供电的电极的背壁20。
在此专利说明书中,我们使用术语“RF供电电极(RF-powered electrode)”来代表等离子体室中直接或间接连接至一RF电源的未接地输出(也就是从所述RF电源接收RF功率)的任何电极。因为该接地电极并非本发明的定义的一部分,为了简化起见,我们也使用术语“电极”来代表一RF供电的电极,除非该电极特别说明为接地。每当提到该RF电源的“该输出”而未指明所述输出是否为未接地或接地输出时,所要代表的意思是未接地(RF热点)输出31。
上述气体入口歧管20~28连接至该RF电源的未接地输出31,且借此作 为该腔室的RF供电电极。换言之,背壁20、悬架24与喷头22共同执行两种功能:气体分配功能(即分配工艺气体到该等离子体室中),以及电气功能(即耦合RF功率到等离子体)。当在内文中参照到这些部件20~28的电气功能时,以下将它们称为RF供电电极20~28的背壁20、悬架24与喷头22,而不称为该气体入口歧管的背壁、悬架及喷头。
背壁20、悬架24与喷头22由导电材料构成,较佳是铝。喷头22为RF供电电极20~28的部件,所述部件直接面向腔室内的等离子体,因此直接电容式地耦合至该等离子体。在以下段落中所述的这些部件提供从RF电源30耦合RF功率到该喷头的电气连接,该喷头从而将RF功率耦合到该等离子体。
一个或多个RF传输线34电气连接在该RF电源与该RF供电电极的背壁20之间。悬架24电气与机械式地连接至该背壁与喷头22,借以在该背壁与该喷头之间提供可靠的低阻抗电气连接。因此,RF功率自该RF电源耦合至背壁20,并经由悬架24耦合至喷头22。
阻抗匹配网络40通常连接在该RF电源与RF供电电极20~28之间。该阻抗匹配网络可包括位在不同物理位置处的电抗(即电容器与电感器)。例如,一个或多个电抗可物理地安装成邻近RF电源或位在该RF电源内,且一个或多个电抗可物理地安装成邻近或直接位在该等离子体室的RF供电电极上。
介电衬垫19电气及机械式地将这些RF供电电极20~28与电气接地的腔室盖18隔离开来。
虽然电极20~28在所例示的具体实施例中是位在该等离子体室之内,如果该电极所邻近的腔室壁部位是介电性的,则该电极可位在腔室壁14~18外部,以允许RF功率自该电极电容式地耦合至该腔室内的等离子体。因为该电极可在该腔室壁的内部或外部,该电极在此处描述为该腔室“的”一电极,而非该腔室“内”的电极。
在这些例示的具体实施例中每一个电极20~28并未划分成多个区段。但是,如果该电极相对于该RF功率的波长而言较大时,可能需要将该电极划分成多个区段。在此种情况下,此专利说明书中所述的电极涵盖所有由多个区段共同作为单一电极。
虽然本发明主要关于将RF功率电容地耦合至该等离子体,额外的RF功率可借助其它手段耦合至该等离子体,例如借助感应线圈或微波波导。此外,在远程等离子体源中产生的等离子体可经由气体入口流入到该腔室内部。
下述图2~图8的具体实施例每一个包括上述及如图1所示的这些等离子体室部件。图2~图8的具体实施例彼此间的不同点在于它们RF驱动点50~56的位置以及尚未说明的其它部件,例如功率分配器70或衰减器41~44。
因为图2~图8每一个为该电极的背壁20的顶视图,在该背壁下方的喷头22与悬架24在图2-图8中看不见。同时如上所述,图2至图8中省略了气体入口28,以简化这些附图。
2.本发明的基本原理
如本发明的发明内容中所述,我们发现到工件通道12会使等离子体密度产生不对称性(asymmetry)。特别是,如果电极20~28是在该电极中心处或在相对于该电极中心呈对称性分布的RF驱动点50~56处连接至RF电源,邻近电极最靠近工件通道12的末端处的等离子体密度将大于邻近该电极的相反末端处的等离子体密度。
本发明借助非对称性地供应RF功率到该等离子体室的一电极来抵消由工件通道12所造成的不对称性,所以该功率的供应朝向该工件通道的方向偏移。
本发明是与直觉预期相悖的,因为直觉上会预期若使RF功率的供应更靠近工件通道12,会进一步增加邻近该信道处的等离子体密度,而恶化等离子体密度的不对称性。但是,我们发现到事实上刚好相反。
本发明并不限于任何操作原理,我们相信本发明的理论基础为阻抗不连续性会存在于RF驱动点50~56处,在电极20~28的周缘处,在承接器11的周缘处以及在等离子体的边界处。这些不连续性沿着该电极产生一驻波图案,其中该电场强度随着该电极上的位置改变。
如果仅有一个RF驱动点51,如图1及图2所示,沿着电极20~28的驻波图案产生一电场强度,在RF驱动点51附近的电场强度会小于在该电极的远程末端处的电场强度。因此,可借助将RF驱动点设置在该电极中心与该 工件通道之间,来改善朝向工件通道12处会有过高等离子体密度的情形。换言之,这种RF驱动点的配置方式可降低靠近工件信道处的等离子体密度,以抵销靠近工件信道处的等离子体密度增加的情形,否则若如同在传统等离子体室中RF功率分布为对称性时,则会存在靠近工件信道处的等离子体密度增加的情形。
较佳地是,该RF驱动点的位置,即该RF驱动点偏离该电极中心而朝向该工件通道偏移的距离,可被调整,以使等离子体密度的空间不均匀性或在工件上执行的等离子体工艺的空间不均匀性减至最小。
如果有多个RF驱动点50~56,如图3~图8所示,供应RF功率到多个RF驱动点的效果类似于供应功率到在这些RF驱动点的加权平均位置处的单一RF驱动点。该加权平均位置借助耦合至该驱动点位置的RF功率的时间平均值(time-averaged level)来加权每个驱动点位置所定义而得。因此,借助建立这些RF驱动点的位置及供应给这些RF驱动点的RF功率的相对值,使得这些RF驱动点的加权平均位置位在该电极中心与该工件通道之间,来改善在朝向工件通道处的过高等离子体密度。
较佳地,这些RF驱动点的加权平均位置可调整,使得等离子体密度的空间非均匀性或在工件上执行的等离子体工艺的空间非均匀性减至最小。换言之,可调整该加权平均位置,使在靠近工件通道12处所造成的等离子体密度降低可抵消在该区域中等离子体密度的增加,否则若如同在传统等离子体室内的RF功率分布为对称性时,在靠近工件通道12处将存在等离子体密度增加情形。
该调整可借助调整这些RF驱动点的位置或调整供应到各自RF驱动点的RF功率的各自相对值而实现。
如本发明的发明内容中所述,使用术语“RF驱动点(RF drive point)”来代表在一电极上将RF功率连接至该电极的位置。
如以上“1.等离子体室概述”的段落中所述,喷头22为电极20~28的部件,所述部件面向(因此电容耦合至)该腔室内的等离子体。移动在该电极背壁20上一RF驱动点的位置而显著地影响在喷头22上的电场空间分布,借以影响该等离子体密度的空间分布状况的方式并不寻常。我们发现到移动在背壁20上一RF驱动点的位置确实会改变该等离子体密度的空间分布,如 同在相同方向上移动直接位于喷头22上的RF驱动点位置。
本发明并不限于任何操作理论,我们相信在先前段落中所述的效果,是由于导电悬架24被电气连接在背壁20的周缘与喷头22的周缘之间所造成。如果在该背壁上一RF驱动点朝向最靠近工件通道12的背壁侧移动,RF电流自该RF驱动点流动到最靠近工件通道12的喷头末端所行经的路径会短于RF电流自该RF驱动点流动到该喷头相反末端(即离该工件通道最远的末端)所行经的路径。因此,移动在该电极背壁20上的RF驱动点位置相当于在相同方向上移动直接位于喷头22上的一RF驱动点位置。
因此,在整个专利说明书中,当我们参照电极20~28的上一个或多个RF驱动点50~56的位置时,必须了解到这些RF驱动点可位在喷头22上或在该电极的背壁20上。
类似地,必须了解到该电极可为不具有气体分配功能的传统等离子体室电极。换言之,该电极不需要是气体入口歧管的一部分,且不需要包含喷头。
图2-图8显示一虚拟中心线60,所述虚拟中心线60通过背壁20的中心,代表介在较靠近工件通道12的电极第一半部61与远离该工件通道的电极第二半部62之间的区分线或边界。中心线60为一虚构几何线,而非一物理对象,因为较佳地是该电极的第一半部61与第二半部62之间没有机械性式或电性分割或不连续性。为了简化起见,较靠近及较远离该工件通道的电极20-28的两个半部分别简称为第一半部61与第二半部62。
图1至图8所示的电极20-28为长方形,因为所例示的等离子体室是用于处理长方形工件。但是,如在先前段落“1.等离子体室概述”中所述,本发明可同等地应用到具有圆形电极的等离子体室,以用于处理圆形工件。例如,几何中心线60可为圆形电极的直径,圆形电极在该直径线的相反侧上具有第一半部61与第二半部62。
3.偏离中心的RF驱动点
图1及图2的具体实施例例示本发明第一种最简单的方案,其中RF功率耦合至该电极上不同位置处的一个或多个RF驱动点,这些RF驱动点朝向该工件通道而偏离该中心。换言之,这些RF驱动点介在该电极中心与最靠近该工件通道的电极边缘之间。如图1及图2所示的具体实施例仅具有一 个RF驱动点,因此为本发明此第一种方案最简单的实施方式。
如图1及图2所示,RF电源30被连接来供应功率至在该电极背壁20上一RF驱动点51处的电极20-28。如上所述,该电路还包括连接在该RF电源输出与该RF驱动点之间的传统阻抗匹配网络40。
RF驱动点51置于背壁20的中心与工件通道12之间。如以上“2.本发明基本原理”的段落中所述,将该RF驱动点远离该中心而朝向该工件通道偏移可降低靠近工件信道处的等离子体密度。此抵消了靠近工件信道处的等离子体密度增加,否则若如同在传统等离子体室中的RF功率分布为对称分布,靠近工件通道处将会存在等离子体密度增加的情形。
该RF驱动点的位置,特别是该RF驱动点远离该电极中心而朝向该工件通道偏移的距离,较佳可建立成能使等离子体密度的空间不均匀性最小化,或是使在工件上执行的等离子体制造工艺的空间不均匀性最小化。
该RF驱动点距离该电极中心的偏移距离较佳建立成可使等离子体密度的空间非均匀性最小化,或是使在工件执行的等离子体制造工艺的空间非均匀性最小化。该RF驱动点的最佳偏移距离可由例行实验来建立,在实验中针对多种偏移距离数值对等离子体制造工艺的空间非均匀性进行测量。
为了便于调整RF驱动点的位置,该背壁可具有多个螺孔,用以栓接电气连接器(electrical connector)。可借助将一电气连接器自一螺孔移动到另一螺孔来调整RF驱动点的位置。或者,背壁可包括一轨道,该电气连接器可沿此轨道滑动来调整RF驱动点的位置。
如先前段落“2.本发明原理”中所述,一替代具体实施例将阻抗匹配网络的RF输出直接连接到喷头22上的一RF驱动点,而非连接到背壁20上的RF驱动点。另外一具体实施例则将阻抗匹配网络的RF输出连接到一不含喷头且非气体入口歧管的一部分的电极。
4.不均等的功率分布
图3至图7为本发明第二方案的多种替代具体实施例。根据本发明此第二方案,如以上在“发明内容”中所定义,耦合至该电极第一半部61(较靠近工件通道的半部)上的RF驱动点51~52的RF功率值超过耦合至电极20-28第二半部62上的RF驱动点53~54(如果有的话)的RF功率值。
图3所示的具体实施例类似于图2的具体实施例,除了图3另包括在电极中心处的第二RF驱动点50。为了本发明目的,在电极中心处的该RF驱动点并不位在该电极第一半部61或第二半部62中,所以图3具体实施例可有效地类似图2具有一RF驱动点51远离该中心而朝向工件通道12偏移的具体实施例。
换言之,图3的具体实施例在该电极第二半部62中没有RF驱动点,因此在该电极第二半部62上耦合至RF驱动点的RF功率为零。因此,图3的具体实施例可满足在先前第2段落中所述的本发明第二方案的定义,因为耦合至该电极第一半部61上的RF驱动点51的RF功率值超过耦合至该电极第二半部62的零RF功率。
图3具体实施例还包括连接至偏离中心的RF驱动点51的衰减器41。该衰减器较佳地是为无源衰减器,即一电路仅包括被动部件。为了使该衰减器中的功率耗散减至最小,该衰减器较佳是一电抗,即一电感器、一电容器、或一个或多个电感器及电容器的组合。这些电感器或电容器可为固定式或可调整式。仅由单个可调整电容构成的衰减器41由于简单且有灵活性(flexible),因而较佳。
较佳可建立或调整衰减器41的电抗值,借以使等离子体密度的空间非均匀性或在工件上执行的等离子体制造工艺的空间非均匀性最小化。最佳电抗值可由例行实验所决定,在实验中针对衰减器41的多种电抗数值,对等离子体制造工艺的空间非均匀性进行测量。
在又一种替代方式中,可借助插入一第二电抗(未示出)与中心RF驱动点50串联来修改图3的具体实施例,也就是于阻抗匹配网络40与RF驱动点50之间插入第二电抗。如果该两个电抗为可调整电容器,较佳是当该两个电抗中一个电容器的电容值降低时,另一者的电容值在必须增加相等量,以使该两个电容值的总和维持固定。当该两个电容器被调整时,将会降低呈现在该阻抗匹配网络的输出的负载阻抗改变。
图3中的虚线70表示该RF功率连接通过衰减器41到偏离中心的RF驱动点51,并且组合连接到中心的RF驱动点50(可如所示的直接连接或如先前段落中所述经由第二电抗而连接),而构成RF功率分配器70,将在以下图4的讨论中更广泛地说明。
在图4的具体实施例中,RF功率在四个RF驱动点51~54处耦合至长方形电极20-28,该四个RF驱动点51~54分别位在该电极的长方形背壁20的四个象限中。两个RF驱动点51、52在较靠近工件通道12的背壁20的第一半部61,因此位在较靠近该工件通道的电极第一半部中。其它两个RF驱动点53、54在该背壁的相反半部62中,因此位在远离该工件通道的电极第二半部中。
图4所示为连接至一传统阻抗匹配网络40的RF电源30的输出。该阻抗匹配网络的输出连接至一RF功率分配器70的输入77,RF功率分配器70具有两个输出71、72。该RF功率分配器的第一输出71连接至该电极第一半部61上的两个RF驱动点51、52。该RF功率分配器的第二输出72连接至该电极第二半部62上的两个RF驱动点53、54。
RF功率分配器70建构或调整成提供到第一输出71的RF功率值高于提供到第二输出72的RF功率值。因此,耦合至较靠近该工件通道的该电极半部上的RF驱动点51、52的RF功率值超过耦合至该电极另一半部上的RF驱动点53、54的RF功率值。
如以上在“2.本发明基本原理”的段落中所述,此种RF功率的不均等分布会降低邻近该电极第一半部61的等离子体密度,并增加邻近该电极第二半部62的等离子体密度。此会抵消该工件通道的效应,但如果该RF功率分布如同传统等离子体室为对称分布时,则将产生的等离子体密度在邻近第一半部61处要大于该第二半部62处。
较佳地,可建立出该RF功率分配器的第一与第二输出的功率值之间的差异,借以最小化该等离子体密度的空间非均匀性,或是最小化在该工件上执行的等离子体制造工艺的空间非均匀性。可借助例行实验来建立RF功率值差异的最佳值,在实验中可针对多种功率差异数值对该等离子体制造工艺的空间非均匀性进行测量。
5.无源衰减器作为功率分配器
图5显示另一具体实施例,其中功率分配器70被实施成第一与第二衰减器41、43。衰减器41、43的这些输入被连接在一起,借以构成该功率分配器的输入77。每个各自衰减器的输出构成该功率分配器的各自输出。
RF电源30的输出连接至一阻抗匹配网络40的输入,阻抗匹配网络40的输出连接至该功率分配器的输入77,即衰减器41、43的共同输入。第一与第二衰减器41、43的各自输出分别连接至第一与第二RF驱动点51、53。
每个衰减器较佳是一无源衰减器,即仅包括被动部件的电路。为了使在该衰减器的功率耗散最小化,每个衰减器较佳是一电抗,即一电感器、一电容器、或一个或多个电感器及电容器的组合。这些电感器或电容器可为固定式或可调整式。
如图4的具体实施例,功率分配器70(包含衰减器41、43)供应到该电极第一半部61上的一个或多个RF驱动点(在图5具体实施例中为第一RF驱动点51)的RF功率值超过耦合至在该电极第二半部62上这些RF驱动点(如果有的话)的RF功率值,在电极第二半部62上的RF驱动点在图5具体实施例中为第二RF驱动点53。如图4的具体实施例,第一与第二半部61、62分别代表电极20~28较靠近与较远离工件通道12的半部。
更明确而言,可建立或调整第一与第二衰减器41、43的各自电阻抗,使得从功率分配器输入77经由第一衰减器41耦合到该电极第一半部上的RF驱动点51的RF功率值大于从功率分配器输入77经由第二衰减器43耦合到该电极第二半部上的RF驱动点53的RF功率值。
耦合通过各自RF驱动点51、53的各自RF功率值与从功率分配器输入77通过各自衰减器41和43、通过各自RF驱动点51和53以及通过等离子体而到阴极电极或电气接地的RF电流路径的整体阻抗成反比。每个这种各自整体阻抗为各自RF驱动点51、53与电气接地之间各自衰减器41、43的阻抗与该复负载阻抗(complex load impedance)的复总和(complex sum)。这种负载阻抗因可有效串联连接故而加入,包括以下的复阻抗(complex impedance):等离子体本体的阻抗、该等离子体鞘的阻抗、等离子体鞘与阴极电极之间的电容值、等离子体鞘与喷头22之间的电容值及各自RF驱动点与面向等离子体鞘的喷头表面之间RF电流路径的阻抗。
我们发现到每个各自RF驱动点51、53与电气接地之间的负载阻抗以上述最后一项最为主要,在电极内从每个各自RF驱动点到面向等离子体鞘的喷头22表面(即该喷头的下表面)的RF电流路径的阻抗。除非这些RF驱动点非常靠近背壁20的周缘,否则此阻抗为感应式,因为从每个各自RF驱动 点开始的RF电流路径形成一循环,其中电流从这些RF驱动点51、53径向向外流经背壁而到该背壁的周缘,然后向下到悬架24到喷头22的周缘,接着在朝向该下表面的中心于径向向内方向上通过该喷头的下表面。
较佳地,衰减器41、43为电容器,因为能够以低功率损失来处理高电压与高功率的电容器会比电感器要更小,且可调整式电容器会比可调整式电感器更容易实施。电感的复阻抗为正电抗,且电容的复阻抗为负电抗。因此,该RF电流路径(在先前第2段中定义)通过每个各自驱动点51、53的整体阻抗为一电抗,所述电抗等于在该RF驱动点(在先前段落中所述)处的感应负载阻抗大小减去各自衰减器41、43的电容式电抗的大小。较佳地,每个各自衰减器必须具有一电容性电抗,所述电容性电抗大小会小于在所述各自衰减器的各自RF驱动点处的感应式负载阻抗,所以前述的减除结果为正,因此前述的整体阻抗为感应式。此好处在于若阻抗匹配网络40的输出连接至一感应式负载时,阻抗匹配网络40不需要任何电感器。
总而言之,当整体阻抗为所述的感应式,在各自RF驱动点51、53处与负载阻抗串联的每个衰减器41、43的整体阻抗会随着各自衰减器的电容式电抗增加而降低。因此,如果第一衰减器41比第二衰减器43要具有更大的电容式电抗(即,较小的电容值)时,供应至该电极第一半部61中的RF驱动点51的RF电流将大于供应至第二半部62中的RF驱动点53的RF电流。此满足在靠近先前段落“4.不均等的功率分布”开头处所定义的本发明“第二方案”的要求。
换言之,连接至该电极第一半部61的第一衰减器41的电容值必须小于连接至第二半部62的第二衰减器43的电容值。
如果各自衰减器41、43包括各自的可调整电容器,较佳是将它们的各自电容值在相反方向上调整相等的量,以使该两个电容值的总和维持固定。换言之,如果所述两个电容值中一个的电容值增加,另一个的电容值必须减少相等的量。这种等量但相反的调整的好处在于功率分配器70的输入77处的整体阻抗将维持大致固定,从而使得需要阻抗匹配网络来匹配在调整这些电容器时的不同阻抗的需求降至最低。
在图4及图5的范例中,该功率分配器或每个衰减器的各个输出被连接至一RF驱动点。或者,该功率分配器或每个衰减器的每个输出可被连接以 供应RF功率到两个或两个以上的RF驱动点。例如,图6所示具体实施例类似于图5具体实施例,除了该电极的背壁20具有四个RF驱动点,两个RF驱动点连接至该功率分配器的各输出71、72。在该电极的第一半部61上的两个RF驱动点51、52连接至该功率分配器的第一输出71(即连接至第一衰减器41的输出),而该电极的第二半部62上的两个RF驱动点53、53连接至该功率分配器的第二输出72(即连接至第二衰减器43的输出)。
在图6中,两个衰减器41、43的相对阻抗与两个功率分配器输出71、72所供应的RF功率相对值的设计原理,与以上参照图5所述的相同。
图7所示具体实施例类似于图6的具体实施例,除了每个RF驱动点51-54分别连接至不同的衰减器41~44。特别是,该RF功率的第一部分分别经由衰减器41及42耦合至该电极第一半部61上的RF驱动点51及52。该RF功率的其余部分则分别经由衰减器43及43耦合至该电极第二半部62上的RF驱动点53及54。
可建立或调整衰减器41~44的各自电气阻抗,使得经由衰减器41及42耦合至该电极第一半部上的RF驱动点51及52的RF功率整体值大于经由衰减器43及44耦合至该电极第二半部上的RF驱动点53及54的RF功率整体值。
如果衰减器41~44为电容器,若连接在功率分配器输入77与该电极第一半部61之间的整体电容值小于连接在功率分配器输入77与第二半部62之间的整体电容值时,即可达到先前段落中定义的相对功率值。如先前图5的说明中所述,假设于该功率分配器输入处的阻抗为感应式,当如果每个衰减器41-44具有足够大的电容值,使得衰减器的电容式电抗的大小会小于在衰减器的各自RF驱动点51-54处的感应式负载阻抗大小时,该假设成立。
连接在该功率分配器输入77与该电极第一半部61之间的整体电容值为连接至该电极第一半部上RF驱动点51与52的衰减器41及42的电容值总和。类似地,连接在该功率分配器输入77与该电极的第二半部62之间的整体电容值为连接至该电极第二半部上RF驱动点53与54的衰减器43及44的电容值总和。
因此,耦合至该电极第一半部61的衰减器41及42的电容值总和必须小于耦合至该电极第二半部62的衰减器43及44的电容值总和。
上述这些衰减器可达到在先前段落“2.本发明基本原理”中所说明的本发明益处。特别是,供应到该电极第一半部61的RF功率高于供应到第二半部62的RF功率时,会降低邻近该电极第一半部61的等离子体密度,并增加邻近该电极第二半部62的等离子体密度。此会抵消了工件通道的效应,如果该RF功率分布如同传统等离子体室为对称性时,将会产生在邻近第一半部61处大于该第二半部62处的等离子体密度。
较佳地,建立出连接至该电极第一半部的衰减器41、42的组合阻抗与连接至第二半部62的衰减器43、44的组合阻抗之间的差异,以使等离子体密度的空间非均匀性或是在该工件上执行的等离子体制造工艺的空间非均匀性最小化。此阻抗差异的最佳值可借助例行实验来建立,在实验中,针对此阻抗差异的多个数值对该等离子体制造工艺的空间非均匀性进行测量。
为了便于调整前述阻抗差异,衰减器41~44可一部分或全部为可调整电抗,例如传统的可调整电容器或可调整电感器。或者,这些衰减器可为固定式电抗,并且借助先前段落中所述的实验来建立所述固定式电抗值。
这些RF驱动点中部分的RF驱动点可直接连接至功率分配器输入77,而无中介的衰减器。此可同等于为了决定前述阻抗中的差异而将这些RF驱动点连接至零阻抗的衰减器。
相反地,不需要有任何RF功率连接至该电极第二半部62,即离工件通道较远的半部。此将相当于图2中具有朝向该工件信道偏移的RF驱动点的具体实施例。
如以下“8.时间平均化(Time Averaging)”的段落中所述,每个衰减器41~44的阻抗可随时间变化,使得耦合至每个RF驱动点的RF功率值为随时间变化。在该例中,供应至该电极的各自半部的有效RF功率为供应至该电极半部的时间平均RF功率(time-averaged RF power)。如果衰减器41~44为电容器,这些电容器可随时间变化,其中每个电容器的有效电容值将是所述电容器的电容值的时间平均值。
如果衰减器41~44的阻抗为可调整或随时间变化,较佳是相反向地改变两个或两个以上的阻抗,使得这些多个衰减器的整体阻抗维持大致固定,即使得在功率分配器70的输入77处的整体阻抗维持大致固定。此好处在于,使用阻抗匹配网络40来匹配当这些衰减器被调整时的不同阻抗的需求减至 最小。
更明确而言,如果衰减器41~44为可调整式电容器,较佳是相反方向地改变两个或两个以上的这些电容值,使得该多个衰减器的整体电容值维持大致固定。例如,较佳是当连接至第二半部62的衰减器43、44的电容值降低时,连接至该电极第一半部61的衰减器41、42的电容值必须同时增加,反之亦然。
6.RF驱动点的数目不相等
图8所示为本发明一具体实施例,其中如在图2及图3的具体实施例中所示,电极20~28的第一半部61上的RF驱动点51、52、55、56数目大于在该电极第二半部62上的RF驱动点53、54的数目。
特别是,图8的具体实施例包括如同图4、图6及图7实施例中所示四个对称放置的RF驱动点51-54,加上位在背壁20的第一半部61但较靠近该背壁虚拟中心线60(代表第一与第二半部61、62之间的边界)的两个额外RF驱动点55、56。
RF电源30的输出连接至阻抗匹配网络40,阻抗匹配网络40输出连接至功率分配器70。功率分配器70具有三个输出71~73:第一分离器输出71连接至该背壁第一半部61(即,较靠近于工件通道的半部)中的RF驱动点51、52;第二分离器输出72连接至该背壁第二半部上的RF驱动点53、54;及第三分离器输出73连接至在第一半部61中但仅略微偏离于虚拟中心线60的RF驱动点55、56。
如果功率分配器70供应大致相等值的RF功率到每个RF驱动点51~56,则供应至该电极第一半部的RF功率值将大于供应至该第二半部的值,从而满足在以上段落“4.不均等的功率分布”开头处所定义的本发明“第二方案”的要求。
因此,本发明另一种定义为电极20~28在电极第一半部(即较靠近该工件通道的半部)上的RF驱动点51、52、55、56的数目大于在该电极第二半部上的RF驱动点53、54的数目。
7.RF驱动点位置的加权平均
另外,图8的功率分配器70可以在功率分配器70的输出71~72处提供不均等的RF功率值,其中图8例示本发明的更为复杂的具体实施例。
RF驱动点51-56结合产生的等离子体密度空间分布类似于由单一RF驱动点所产生的,该单一RF驱动点在电极上的位置为实际RF驱动点51-56的位置的加权平均。因此,这些实际RF驱动点的位置的加权平均可视为一“虚拟”RF驱动点位置。该加权平均是基于利用耦合至该驱动点位置的RF功率的时间平均值来加权每个驱动点位置而获得。
为了例示加权平均位置的定义,考虑在图8中参照x-y坐标系统的这些RF驱动点位置,x-y坐标系统的x轴为先前定义的虚拟中心线60,而y轴由背壁20的中心朝向该工件通道的正方向延伸。假设每个RF驱动点51~56的位置的y坐标以对应的变量Y1~Y6来表示。假设RF功率分配器供应到每个RF驱动点的RF功率值以对应的变量P1~P6来表示。因此这些RF驱动点的加权平均位置的y坐标为[(P1 Y1)+(P3 Y3)+(P5 Y5)]/(P1+P3+P5)。这些偶数的变量可自此等式中省略,因为所述驱动点及功率值相对于y轴成对称性,即P1=P2、P3=P4、P5=P6、Y1=Y2、Y3=Y4及Y5=Y6。同时,相对于y轴的对称性代表该加权平均位置的x坐标将为零,且因此可被忽略。
如更实际的例子,假设RF驱动点的位置的y坐标如下:点51、52(Y1)为+1000mm;点53、54(Y3)为-800mm;而点55、56(Y5)为+50mm。Y3为负值,因为在该电极第二半部62上的位置是在y轴的负方向上。假设RF功率分配器输出71~73所供应的时间平均功率值分别为P1=5000W、P2=4000W及P3=3000W。因此,这些RF驱动点的加权平均位置的y坐标为:[(1000×5000)-(800×4000)+(50×3000)]/(5000+4000+3000)=+162.5mm。也就是说,这些RF驱动点的加权平均位置是位在朝向工件通道的方向上距离虚拟中心线60的162.5mm处。
在本发明中,这些RF驱动点的加权平均位置是位在该电极中心与该工件通道之间,即,所述加权平均位置位于该电极第一半部61中。如以上在段落“3.偏离中心的RF驱动点”中关于单一RF驱动点所述,此会降低靠近工件信道处的等离子体密度。此抵消了靠近工件信道处的等离子体密度的增加,否则若如同传统等离子体室中的RF功率分布为对称式时,在靠近工件通道处将会存在等离子体密度增加的情形。
该RF驱动点的加权平均位置,特别是该加权平均位置偏离该电极中心而朝向工件通道偏移的距离,较佳是建立成可使等离子体密度的空间不均匀性最小化,或是可使在工件上执行的等离子体制造工艺的空间不均匀性最小化。可借助调整该RF功率分配器的输出71-73的相对功率值,借助调整RF驱动点51-56的位置,或两者皆调整而使这种非均匀性最小化。同时调整功率值与位置必须能够比仅调整一个或另一个能实现更佳的空间均匀性。
8.时间平均化
供应至不同RF驱动点的RF功率值的差异可以是时间平均差异(time-averaged difference),而非一连续差异。
例如,在具有一RF功率分配器70的任何具体实施例中,取代连续在所述RF功率分配器70的输出处产生不同的RF功率值,该RF功率分配器可以时分多路复用输出,所以该RF功率分配器可连续地且定期地耦合来自RF电源30的完整输出值到不同的输出。
例如,考虑图4的具体实施例,其中RF功率分配器70的一输出71连接至该电极第一半部61上的多个RF驱动点,而另一输出72连接至该电极第二半部62。第一时序期间T1必须大于第二时序期间T2,以使供应至电极第一半部61的时间平均功率值大于供应至该电极第二半部62的时间平均功率值。为了使等离子体密度的空间非均匀性或在工件上执行的等离子体制造工艺的空间非均匀性最小化,较佳可借助与建立上述两功率值间的差异相同的方式,利用例行实验来建立两个时序期间T1与T2之间的比例。
在一更复杂的范例中,考虑图8的功率分配器70具有三个输出71、72、73。该功率分配器可将来自RF电源30的完整输出功率耦合到第一功率分配器输出71持续第一时序期间T1,然后耦合相同的输出值至第二功率分配器输出72持续第二时序期间T2,然后耦合相同的输出值至第三功率分配器输出73持续第三时序期间T3。该功率分配器的每个输出所供应的有效RF功率值为该完整输出值乘以该各自输出启动(即开启)的时间分量(fraction of time)。例如,第一输出71供应的有效RF功率值为该完整输出功率值乘以T1/(T1+T2+T3)。
或者,在图2至图8的任何具体实施例中,RF功率分配器70可在各自T1、T2、T3时序期间输出不同的非零功率值,而非在一输出是完整功率及另一输出则为零功率之间交替变化。例如,在具有衰减器的任何具体实施例中(图5至图7),衰减器41~44可为随时间变化的阻抗,例如随时间变化的电容器,如以上在段落中所述。在该例中,每个衰减器提供的RF输出值将 为在非零的RF功率值范围内随时间变化。如在以上段落中所述,较佳是相反方向地改变两个或两个以上的阻抗,使得这些多个衰减器的整体阻抗维持大致固定,即,使得在功率分配器70的输入77处的整体阻抗维持大致固定。此好处在于,使用阻抗匹配网络40来匹配衰减器调整不同阻抗的需求最小化。
在又一种替代方法中,可使用多个RF电源来取代该连接至一RF功率分配器的例示单一RF电源,其中每个RF电源连接至由一个或多个RF驱动点构成的不同群组。
9.多个RF电源
在具有多个RF驱动点的任何具体实施例中,这些例示的RF功率分配器或衰减器结合单一RF电源可以多个RF电源来取代,使得每个RF电源连接至一个或多个RF驱动点的不同群组。连接至这些RF电源的控制器控制这些RF电源连续性或周期性地输出不同的功率值。在任何事件中,为了决定如上所定义的这些RF驱动点的加权平均位置的目的,供应至各自RF驱动点的有效RF功率将是供应至该各自RF驱动点的时间平均RF功率。
Claims (16)
1.一种耦合RF功率至等离子体室的装置,该装置包含:
等离子体室,具有工件通道;
电极,设置成将来自该电极的电功率耦合到该等离子体室内的等离子体,其中该电极的第一半部比该电极的第二半部更靠近该工件通道;以及
一个或多个RF电源,连接以供应RF功率到该电极;
其中该一个或多个RF电源一起供应第一RF功率的时间平均值给该电极的第一半部,以及供应第二RF功率的时间平均值给该电极的第二半部;
其中该第二RF功率的时间平均值大于或等于零;并且
其中该第一RF功率的时间平均值大于该第二RF功率的时间平均值。
2.如权利要求1所述的装置,所述装置还包含:
多个电容器;
其中:
该电极还包括在该电极的第一半部上的一个或多个RF驱动点与在该电极的第二半部上的一个或多个RF驱动点;
这些电容器中至少一个电容器连接在该一个或多个RF电源之一与该电极的第一半部上的这些RF驱动点的一个或多个之间;
这些电容器中至少一个电容器连接在该一个或多个RF电源之一与该电极的第二半部上的这些RF驱动点的一个或多个之间;以及
与该电极的第一半部上的RF驱动点连接的这些电容器的电容值总和小于与该电极的第二半部上的RF驱动点连接的这些电容器的电容值总和。
3.如权利要求2所述的装置,其中:
这些电容器中的两个或更多个电容器为随时间变化;以及
当这些随时间变化的电容器中的至少第二电容器的电容值降低时,这些随时间变化电容器中的至少第一电容器的电容值增加,使得这些随时间变化的电容器的整体电容值维持固定。
4.如权利要求2所述的装置,其中:
这些电容器的每一个共同连接在一输入,这些电容器的每一个在该输入处接收该RF功率;
这些电容器中的两个或更多个会随时间变化;以及
当这些随时间变化的电容器中的至少第二电容器的电容值降低时,这些随时间变化的电容器中的至少第一电容器的电容值增加,使得该输入和该电极之间的整体电容值维持固定。
5.如权利要求1所述的装置,所述装置还包含:
功率分配器,具有一输入与多个输出;
其中:
该电极还包括在该电极的第一半部上的一个或多个RF驱动点与在该电极的第二半部上的一数目的RF驱动点,所述数目为零个或多个;
该功率分配器的输入被连接以从该一个或多个RF电源之一接收RF功率;
该功率分配器的每个输出被连接以供应RF功率到这些RF驱动点中的一个或多个;以及
该功率分配器供应到该电极的第一半部上的这些RF驱动点的RF功率值大于供应到该电极的第二半部上的所述数目的RF驱动点的RF功率值。
6.如权利要求5所述的装置,其中:
该功率分配器包含一个或多个衰减器,使得每个衰减器连接在该功率分配器的输入与该功率分配器的这些输出的之一之间。
7.如权利要求6所述的装置,其中:
这些衰减器中的多个衰减器具有随时间变化的电抗,使得这些衰减器中的至少第二衰减器的电抗降低时,这些衰减器中的至少第一衰减器的电抗增加,因而连接在该功率分配器的输入与该电极之间的这些衰减器的整体电抗维持固定。
8.如权利要求1所述的装置,所述装置还包含:
一个或多个衰减器;
其中每个衰减器连接在所述一个或多个RF电源之一与该电极上的一个或多个RF驱动点之间。
9.如权利要求1所述的装置,其中该电极包含:
后壁,具有一个或多个RF驱动点;
喷头;以及
悬架,连接在该喷头与该后壁之间;
其中所述一个或多个RF电源被连接以供应RF功率到该后壁上的这些RF驱动点。
10.一种耦合RF功率至等离子体室的装置,该装置包含:
等离子体室,具有工件通道;
电极,设置成将来自该电极的电功率耦合到该等离子体室内的等离子体,其中该电极的第一半部比该电极的第二半部更靠近该工件通道;以及
一个或多个RF电源;
其中该电极的第一半部包括一个或多个RF驱动点,所述一个或多个RF驱动点被连接以从所述一个或多个RF电源接收RF功率;以及
其中该电极的第二半部未包括有被连接以接收RF功率的RF驱动点。
11.如权利要求10所述的装置,其中该电极还包含:
RF驱动点,位于该电极的中心处,并且连接以从所述一个或多个RF电源接收RF功率。
12.如权利要求10所述的装置,其中该电极还包含:
被连接以从所述一个或多个RF电源接收RF功率,且设置在该电极的第一半部与第二半部之间的几何边界上的一个或多个RF驱动点。
13.如权利要求10所述的装置,其中该电极包含:
后壁;
喷头;以及
悬架,该悬架连接在该喷头与该后壁之间;
其中这些RF驱动点位于该后壁上。
14.一种耦合RF功率至等离子体室的装置,该装置包含:
等离子体室,具有工件通道;
电极,具有一个或多个RF驱动点,其中该电极设置成将来自该电极的电功率耦合到该等离子体室内的等离子体,且其中该电极的第一半部比该电极的第二半部更靠近该工件通道;以及
至少一个RF电源,连接以供应RF功率到该电极的第一半部上的第一数目的RF驱动点,且供应RF功率到该电极的第二半部上的第二数目的RF驱动点;
其中该第一数目至少为一,第二数目至少为零,且该第一数目大于该第二数目,并且其中供应到所述电极的第一半部上的RF功率值大于供应到该电极的第二半部上的RF功率值。
15.一种耦合RF功率至等离子体室的装置,该装置包含:
等离子体室,具有工件通道;
电极,设置成将来自该电极的电功率耦合到该等离子体室内的等离子体;以及
一个或多个RF电源,连接以供应RF功率到该电极上的多个RF驱动点;
其中利用耦合至该驱动点位置的RF功率的时间平均值来加权每个驱动点位置,获得这些RF驱动点的加权平均位置在该电极中心与该工件通道之间。
16.如权利要求15所述的装置,其中该电极包含:
后壁;
喷头;以及
悬架,连接在该喷头与该后壁之间;
其中这些RF驱动点在该后壁上。
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