CN1255851C - 用于等离子体形成内磁桶以控制等离子体体积的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于在处理室内处理衬底时控制等离子体体积的等离子体限定设备，包括处理室，在处理室在引发和保持用于处理的等离子体。处理室至少部分地由室壁限定，并还包括等离子体限定装置。等离子体限定装置包括围绕处理室内的等离子体区设置的多个磁元件。磁矩阵具有多个磁元件，该磁元件被围绕等离子区域设在处理室内。磁场在处理室内建立限定磁场，即一种“磁壁”。限定磁场可按预定方式移动，以改善衬底处理系统的操作，减少因等离子体与处理系统中的其他元件的相互作用引起的损害和/或清洁问题。通过移动磁矩阵中的磁元件实现限定磁场的移动。

Description

用于等离子体形成内磁桶以控制等离子体体积的设备
发明背景
本发明涉及用于处理诸如集成电路(IC)制造中用的半导体衬底或平板显示器中用的玻璃板等衬底的方法和设备。更具体地，本发明涉及等离子体处理室内的等离子体的控制方法。
等离子体处理系统已面世多年。多年以来，利用感应耦合的等离子体源、电子回旋谐振(ECR)源、电容源等的等离子体处理系统已不同程度地引用到处理半导体衬底和玻璃板。
处理过程中，通常要用多个淀积和/或刻蚀步骤。淀积过程中，多种材料淀积到诸如玻璃或半导体晶片等衬底表面。例如，可在衬底表面形成诸如SiO2的淀积层。相反地，可用刻蚀选择地，从衬底表面上的预定的区域除去材料，例如在衬底的。例如，在衬底的多个膜层中形成诸如通孔、接点或沟槽的刻蚀特征。
等离子体处理的一个特别方法用感应源产生等离子体。图1画出了一个现有的用于等离子体处理的感应等离子体处理反应器100。典型的感应等离子体反应器包括处理室102，它具有设在介质窗106上面的天线或感应线圈104。通常，天线104有效地耦合到第一RF电源108。而且，处理室102内设有气体出口110，它设置成把例如腐蚀源气体等气体源材料释放进介质窗106与衬底112之间的RF感应等离子体区。衬底112引入处理室102中并设在吸盘(chuck)114上，该吸盘114通常起下电极作用，并有效地耦合到第二RF电源116。之后，气体从处理室102底部的排气出口122排出。
为了产生等离子体，处理气体经输气口110输入处理室102。之后，用第一RF电源108给感应线圈104供电，供给的RF能量通过介质窗106并在处理室102内感应大电场。电场加速处理室内存在的少量电子，引起电子与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致离子化和产生放电或等离子体118。如众所周知的，处理气体的中性分子经这些强电场作用会失去电子，留下带正电荷的离子。结果，在等离子体118内包含带正电荷的离子、带负电荷的电子和中性的分子(和/或原子)。
一旦形成了等离子体，等离子体内的中性气体分子会向衬底表面移动。例如，扩散(即，处理室内的分子随机运动)可能是有助于中性气体分子存在于衬底表面的机理之一。因此，沿衬底112的表面通常能发现中性物质层(例如，中性气体分子层)。因此，当下电极114通电时，离子向衬底加速移动，它们在衬底与中性物质结合，引起腐蚀反应。
等离子体118主要停留在处理室的上部区域，例如有效区。但是，等离子体的很多部分会填满整个处理室。等离子体通常进入它能被维持的几乎是处理室内的任何地方。例如，如果在限定等离子体的磁场内有多个结点，等离子体会与处理室壁120和任何地方的区域接触。为满足处理目的，等离子体也会和不需要用等离子体的区域接触，例如，衬底112的下面的区域123和抽气出口122等非工作区接触。
如果等离子体达到处理室壁，就会造成多处刻蚀、淀积或腐蚀，导致处理室内产生微粒污染，即，造成区域腐蚀或淀积材料剥离。因而，处理过程中要多次清洁处理室，以防止形成过多的淀积物(例如，防止在处理室壁上淀积聚合物)和刻蚀的副产品。清洁处理不利地降低衬底产量，通常生产率下降造成生产成本增加。而且，通常造成处理室部件的寿命降低。
而且，处理过程中等离子体与处理室壁的相互反应会导致等离子体中的离子与处理室壁的再结合，因此，使处理室内的等离子体的密度下降。系统中，衬底与RF源之间用更大的间隙，会造成更大的等离子体的相互作用，因此，造成颗粒损耗到处理室壁上。为了补偿这些增多的颗粒损耗，就必须用更大的功率密度，以引发和保持等离子体。这种增大功率密度导致等离子体中更高的电子温度，并因而导致衬底以及处理室的潜在损坏。
最后，处理室内用多种源气的不对称吸入，更好地控制等离子体的磁限定设备有助于对等离子体构形和补偿这种源气的不对称吸入。
考虑到上述原因，要求改善控制处理室内的等离子体的技术和设备。
发明内容
本发明的一个实施例中，涉及处理衬底的等离子体处理设备。该设备包括大致为圆柱形的处理室，其内激发和保持用于处理的等离子体。处理室至少一部分由处理室壁限定。设备还包括等离子体限定设备。等离子体限定设备包括设在处理室内的磁矩阵。磁矩阵有相对于处理室的轴径向对称地设置的多个磁元件。多个磁元件被构型成产生磁场。
磁场在处理室内建立控制场(“磁壁”的类型)。控制场可按预定的方式移动，以改善衬底处理系统的操作，减少因等离子体与处理系统的其他元件的相互作用所引起的污染和/或清洁问题。通过移动磁矩阵实现控制场移动。移动可以是连续的(即旋转或平移一个或多个磁元件)，或者递增的(即定期移动一个或多个磁元件的位置)。
本发明的另一个实施例中，涉及利用等离子体增强处理在处理室内处理衬底的方法。方法包括：用设在处理室壁内侧的磁矩阵产生在处理室壁内的磁控制场。方法还包括在处理室内建立等离子体和把等离子体限定在至少由建立的磁控制场的一部分限定的体积内。方法还包括移动构成磁矩阵的一个或多个磁元件。
附图说明
结合附图用举例方式描述发明，但是，实施例不限制发明，附图中相同的数字指示类似的元件。其中：
图1示出现有的用于等离子体处理的等离子体处理反应器；
图2示出按本发明的一个实施例的用磁矩阵的等离子体处理反应器；
图3是沿图2中3-3线切开的局部剖视图；
图4是图3所示设备有旋转的磁元件的设备示意图；
图5是可在本发明的实施例中使用的电磁系统的示意图；
图6是本发明的另一个实施例中用的感应等离子体处理反应器的示意图。
具体实施方式
现在参见附图中所示的优选实施例详细描述本发明。为了充分理解本发明，以下的描述中描述了许多具体细节。但是，对本行业技术人员而言，本发明显然不受这些具体细节中的部分或全部细节的限制。为了使本发明清楚，其他实施例中，已知的细节不再描述。
本发明的一个实施例中提供用于处理衬底的等离子体处理设备。该等离子体处理设备包括大致为圆柱形的至少由一部分壁限定的处理室，在该处理室内引发和保持衬底处理用的等离子体。该等离子体处理设备还包括在处理室内用磁矩阵构成的等离子体限定设备，它产生磁场。该磁场建立处理室壁内侧的磁壁。本发明通过保持处理室壁内侧的磁壁能提高处理设备的性能，减少处理室壁的损坏与减少等离子体的相互反应所引起的处理室壁的清洁问题。通过连续或递增地移动磁矩阵的全部或部分能使磁壁均匀。
衬底设在等离子体处理室内，同时对衬底进行等离子体处理。给输入处理室的处理气体加能量并建立等离子体。等离子体将充满整个处理室，移动到有效区域和无效区域。有效区域和等离子体接触，等离子体中的离子和电子加速向有效区域移动，它们与有效区域表面上的中性材料结合，与在有效区域上淀积的材料反应。通过给衬底加维持衬底处理的RF功率，通常能控制、增强或改善在衬底上的相互反应。在无效区中进行少量控制或不进行控制，有可能实现最佳的增强型等离子体反应，能产生相反的处理条件(例如，与诸如不希望产生淀积或刻蚀的处理室壁的一些区域的无保护的区域进行反应。离子、电子和中性物质在反应室内与等离子体接触的有效和无效区域碰撞。在表面处这些离子、电子和中性物质流与表面相互反应引起腐蚀、淀积，更典型的是，按包括流到表面的离子流部分的组分，温度、能量等多个参数的表面和离子流体部分的复杂平衡。用于处理衬底的许多化学方法中，淀积的中性物质用等离子体碰撞接触能增加表面淀积速度。为了能清楚地论述，我们将考虑本发明的这些典型情况，即，与等离子体接触的有效区会增强等离子体淀积，而无效区只有少量或没有等离子体淀积。但这并不限制发明，其他化学方法与实际情况相反，等离子体出现导致表面腐蚀和少量的等离子体淀积。
无效区内存在等离子体会减少处理设备的效率，引起处理室污染和/或要清洁处理室的问题。因而利用本发明使处理设备更有效地工作，不用经常清洁处理室壁和减少污染。
不希望受理论约束，它认为，例如，可以把磁场构成为干扰等离子体中带负电荷的电子或离子和带正电荷的离子的带电荷离子的方向。磁场的多个区域可以配置成反射场，在该处磁力线与带电荷离子的移动线分量的方向大致平行，而且磁力线密度和磁场强度增大，并暂时俘获等离子体(磁力线周围的螺旋线)中的带电荷离子，并最终使它们按离开更强电场的方向多次改变方向。此外，如果带电荷粒子要跨过磁场，跨过磁场力，改变带电荷的离子的移动方向并转变带电荷的粒子，或抑制跨磁场的扩散。按该方式，磁场能抑制等离子体跨越由磁场限定的区域。通常在包含等离子体方面跨磁场抑制比反射场更有效。
为便于对本发明的该方案的描述，图2示出用所述内磁矩阵的等离子体处理系统的范例300。图示的等离子体处理系统的范例300作为感应耦合的等离子体反应器。但是，应注意，本发明也可用适合形成等离子体的任何等离子体反应器实施，例如，电容藕合的等离子体反应器或ECR反应器。
等离子体处理系统300包括等离子体处理室302，该室的一部分由处理室壁303限定，处理室302最好用大致垂直的处理室壁303构成大致的圆柱形。但是，应注意，本发明不限于这种处理室构形，可以用其他的处理室构形。
处理室302的外边设置天线装置304(由线圈代表)，它经匹配网307耦合到第一RF电源306。第一RF电源306构成为给天线装置304供给0.4MHz至50MHz频率范围内的RF电能。而且，天线304与衬底312之间设有耦合窗308。衬底312代表要处理的工件，它可以代表要刻蚀、淀积或要以其他方式处理的半导体衬底，或要加工成平板显示器的玻璃板。例如，在待审查的专利申请No：09/440418，METHODAND APPARATUS FOR PRODUCING PROCCESS RATES(Attorney DocketNo：LAMIP125/P0560)，更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的天线/介质窗装置。该文献在此引作参考。
气体注入器310通常设在处理室302内。最好围绕处理室302内圆周设置气体注入器310，以释放气体源材料，例如，腐蚀源气体被引到耦合窗308与衬底312之间的RF感应等离子体区域。或者，也可以从内置于处理室壁本身的出口释放气体源材料，或通过设在介质窗中的喷头释放气体源材料。例如，在待审查的专利申请No：09/470236，PLAMA PROCESSING SYSTIM WITH DYNAMIC GASDISTRIBUTION，(Attorney Dockt No：LAMIP123/p0557)更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的气体分配系统。该文献在此引作参考。
衬底312作为最主要的部件引入处理室302中并放到吸盘314上，该吸盘314构成为在处理室302中处理期间夹紧衬底。吸盘314可以代表ESC(静电)吸盘，它用静电力把衬底312固定在吸盘表面。通常，吸盘314起下电极作用，并最好用第二RF电源316加偏置电压。第二RF电源316构成为供给0.4MHz至50MHz频率范围内的RF电能。
此外，吸盘314最好形成大致为圆柱形，与处理设备轴向对准，使吸盘和处理设备同轴对准。但是，应注意，这不是限制，吸盘的放置应按每个等离子体处理系统的具体设计变化。吸盘314也可以构成为在用于装载的第一位置和没有装载的衬底312和用于处理衬底的第二位置(未示出)之间移动。抽气口322设在处理室壁303与吸盘314之间，并连接到涡轮分子泵(未示出)。正如本行业技术人员所公知的，涡轮分子泵能使处理室302内保持适当的压力。
而且，在半导体处理的情况下，例如刻蚀处理，必须严格控制处理室内的参量，以保证高精度的处理结果。处理室的温度就是一个这样的参数。由于刻蚀精度(和制成的以半导体为基础的器件性能)对系统中的温度波动极为敏感，所以要求精确控制温度。在待审查的专利申请No：09/439675，TEMPERATUR CONTROL SYSTEM FOR PLASMAPROCESSING APPARATUS，(Attorney Docket No：LAMP124/P0558)，中更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的温度控制系统的一个实例。该文献在此引作参考。
此外，等离子体处理中实现严格控制的一个重要要求是用于等离子体处理室的材料，例如用于诸如处理室壁的内表面的材料。另一个重要要求是用于处理衬底的气体的化学性能。已在待决的专利申请No：09/440794，MATERALS AND GAS CHEMISTERIES，FOR PLADMA，PROCESSING SYSTEMS，(Attorney Docket NO：LAMIP128/P0561-1)，中更详细描述了材料和气体的化学性能的实例，PLASMAPROCESSINGAPPARATUS，(Attorney Docket No：LAMP124/P0558)，中更详细描述了典型的等离子体处理系统中用的温度控制系统的一个实例。该文献在此引作参考。
处理气体经气体注入器310被引入处理室302，为了建立等离子体。之后，用第一R，F电源306给天线304供电，并在处理室302内产生大电场。该电场加速处理室内存在的少量电子，使它们与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致放电或等离子体320的离子化或激发。正如本行业公知的，处理气体的中性气体分子，经这些强电场作用后失去电子，留下带正电荷的离子。结果，等离子体中包含带正电荷的离子，带负电荷的电子和中性的气体分子。
一旦形成了等离子体，等离子体中的中性气体分子就会向衬底表面移动。例如，有助于在衬底存在中性气体分子的一个机理是扩散，即在处理室内分子随机运动。因此，通常能在衬底表面发现中性物质层(例如中性气体分子层)。因此，当下电极314通电时，离子向衬底加速移动，在那里它们与中性物质化合，激活衬底处理，即刻蚀、淀积等。吸盘314与构成处理室302的第一端的耦合窗308隔开。通常在耦合窗308与吸盘314之间引发和保持等离子体。
图2示出有按本发明的磁矩阵700的等离子体处理系统300。图3是沿图2中3-3线切开的局部剖视图。磁矩阵700包括多个垂直的磁元件702，它们大致从处理室302的顶部贯穿到处理室302的底部，因此几乎全部磁元件都位于衬底312上面，如图所示，壁303的径向的里面是磁矩阵700，包括许多磁元件702，该磁元件产生磁场。磁元件702垂直设置在处理室302与吸盘314之间，如图所示。磁元件702相对于处理室302的垂直室轴302A径向对称设置，最好在处理室302的周围轴向取向。优选实施例中，每个磁元件702的横截面通常为矩形，是具有多个纵向实轴的细长杆。重要的轴是图中所示的702P。每个磁元件有用磁轴702m连接的用北极(N)和南极(S)确定的磁取向。在优选实施例中，磁轴702m是沿矩形横截面的长轴。在优选实施例中，沿细长杆702p的实轴和磁轴702m在每个磁元件702中相互垂直。更优选的是，磁元件702沿处理室的周边轴向取向，它的极点，例如N或S，指向处理室302的室轴302A，如图3所示，即，磁轴702m大致按处理室的径向。更优选的是，每个磁元件702的实轴702P大致平行于处理室302的室轴302A。磁力线组在一起处形成邻近磁元件的交点(cusp)708，即，磁元件的南端或北端。而且，磁元件702沿处理室周围空间位移，以在每个磁元件702之间形成大致等于矩形横截面的长度的间隔。要知道，间隔的大小可接每个处理系统的具体设计变化。最好是，磁元件702被设在吸盘314与介质窗308之间的通常引发与保持等离子体的区域周围，在此，磁元件702和实轴702P沿等离子体区延伸，该区域基本上从吸盘314延伸到介质窗308，如图2和3所示。
在处理室302内设置用于产生磁控制场(“磁壁”的类型)的磁铁来增强磁场限定装置的性能。确定磁场704的磁力线706的会聚和聚集建立多个结点或交点708。
磁元件702的总数量最好等于32，以使处理室足够大以处理300mm的衬底。但是，每个处理室的磁元件的实际数量可按每个处理系统的具体设计改变。通常，磁元件的数量应足够大，以保证有足够强的等离子体限定磁场来有效限定等离子体。磁元件的数量太少会在等离子体限定磁场中产生低点，这将造成允许等离子体还会进入不希望的区域。但是，磁元件的数量太多有损密度增加，因为沿磁力线的交点处的损失通常最大。正如本行业技术人员所公知的，在磁力线组在一起处形成邻近磁元件的交点708，即，磁元件的南端或北端。每个磁元件702最好有较小的横截面，为1/2至1英寸的数量级，在交点有磁通量问在100至1000高斯数量级的大功率。以下将会更详细解释，磁元件702(和使用的涂层或套筒)较小的横截面积会减少等离子体控制系统的表面积，这可能在处理过程中潜在地受等离子体影响。
最好是，但不是必需是，磁元件702要构成为尺寸相同和磁通量相同的永磁铁。但不限于相同的尺寸和相同的磁通量，有些结构中要求有不同尺寸和不同磁通量的磁元件。例如，50至1500高斯的磁通量适合产生有抑制等离子体移动的足够强度的等离子体限定磁场。影响必需的磁通量和磁铁尺寸的一些因素是气体的化学性能、电功率、等离子体的密度等。永磁铁最好用有足够强的永磁材料构成，例如磁性材料系列NdFeB(钕铁硼)或SmCo(钴酸钐)中的一种制成，在一些小的处理室中用AlNiCo(铝、镍、钴和铁)也可很好地工作。
除选择制造磁元件702的材料外，每个磁元件702最好也可涂覆或包含适当的材料，以使磁性材料与等离子体本身隔绝。必须用保护材料以隔绝磁元件702，而且，容易清洁和更换。优选实施例中，用SiC套703包封磁元件702。每个磁元件702也可涂SiC，或者，用SiC板粘接到磁铁上。但是用SiC套703可按需要加到磁性材料上，也允许磁元件702在SiC套703中移动。而且，用SiC套703允许用冷却流体或其他专用的方式对磁元件702进行温度控制。
尽管用永磁铁构成等离子体限定装置，但也可以用电磁铁构成等离子体限定装置。电磁铁具有能控制磁通量的优点，因此能实现更好的处理控制。但是，电磁铁可以使系统的可制造性复杂，因此可能不实际。正如以下要详细描述的，电磁铁可按需要容易移动磁场。
大多数情况下，还要求磁元件702有高的磁通量，以能远离磁铁产生显著的磁场强度。如果选择的磁通量太小，会在等离子体限定磁场中产生更大的低场区，因此，减小了磁场的控制效率。因此，最好等离子体限定磁场是最大磁场，它的磁场强度能有效防止等离子体穿过等离子体限定磁场。更具体地说等离子体限定磁场的磁通量范围应在约15至1500高斯，在大约50至1250高斯更好，在大约750至1000高斯最好。
在优选实施例中，通常忽略淀积在处理室壁303上的材料。但是，为减少损坏或需要清洁的频率可以在处理室壁303与磁矩阵700之间用可淀积的内衬。这种内衬可在预定的处理周期数量中使用，之后，设置和更换新的内衬，因此，能避免清洁处理室壁303。处理中，衬套(或有涂层的磁元件702)将在处理中作为屏蔽套出现，能用常规的处理室清洁方法清洁。而且，由于磁元件702的受影响的表面积大致小于常规处理室中的处理室壁，因而，减少了清洁。关于使用的磁场，在衬底附近的磁场最好为零或接近零。靠近衬底表明的磁通量对处理的均匀性有负面。因而，在衬底上面的控制磁场最好构成为产生大致为零的磁场。而且，在抽气出口322附近最好用一个或多个附加的磁限制矩阵，以进一步增强对处理室302内的等离子体限定。在待审查的专利申请NO：09/439759，METHOD AND APPARATUS FORCONTROLLING THE VOLUME OF A PLASMA，(Attorney Docket No：LAM1P129/P0561)，中更详细描述了抽气出口限定磁矩阵装置的一个实例。该文献在此引作参考。
按本发明的另一方案，还能设置多个磁通量板以控制等离子体限定装置的磁元件产生的任何随机磁场。磁通量板构成为短路不要的区域中的磁场，例如，通常突出在磁元件的不用的一边的磁场。而且，磁通量板能改变一些磁场的方向，因而能使更强的磁场引导到需要的区域中。最好是磁通量板使衬底区域中的磁场强度达到最小。结果磁元件能更靠近衬底放置。因而，能实现衬底表面附近的磁场为零或接近零。
注意，尽管优选实施例想要使产生的磁场有限定等离子体的足够的强度，而不用把等离子体屏栅引入处理室，它可以用本发明与一个或多个等离子态屏栅增加等离子体限定。例如，磁场可用作限定等离子体的第一装置，而等离子体屏栅和泵出口322中的穿孔栅可用做等离子体的第二限定装置。
处理室壁303最好用基本上能抗等离子体环境的非磁性材料制造。例如，可以用SiC，SiN，石英，阳极化铝，氮化硼，碳化硼等构成处理室壁303。
磁矩阵700和磁元件702被构型成通过在处理室壁303内以磁场704的形式产生磁壁，迫使大多数等离子体密度梯度离开衬底聚集。按该方式，随着在衬底312上的等离子体的密度梯度变化达到最小而进一步增强了均匀性。与许多可能等离子体处理系统相比，经改进的等离子体处理系统的处理均匀性能达到最大程度。在待审查的专利申请NO：09/439661。IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEM AND METHODSTHEREFOR，(Attorney Docket No：LAM1P/P0527)。更详细描述了靠近耦合窗和天线的磁矩阵装置的实例，该文献在此引作参考。
通常磁场能抑制带电荷的粒子经磁场704的部分710A渗透，该磁场大致垂直等离子体移动到处理室壁的移动线，因为磁场趋于抑制带电粒子跨磁场的扩散，有助于控制在诸如向处理室壁303的点710A处的等离子体。磁场的大致平行于等离子体移动到处理室壁303的移动线的点是交点708A，此处的磁力线变的更密。该磁力线密度的增加引起也反射等离子体的磁镜作用，但它不能像在保持等离子体中那样有效抑制等离子体跨磁场。尽管描述了覆盖处理室302中特定的区域和深度时磁矩阵700产生的磁场704，但应了解，等离子体控制场的位置是可以改变的。例如可按一种常规技术选择磁场强度，以满足处理衬底的其他性能标准。交点708的存在会导致套筒703上淀积更多的不希望有的材料。而且，在处理过程中，等离子体与套筒材料的相互反应会导致等离子体中的离子再结合，使处理室302内的等离子体密度减少。用本发明的系统中，磁控制场的移动是有帮助的。待审查的专利申请，发明名称为：METHOD AND APPARATUS FOR VARYING AMAGNETIC FIELD TO CONTROL A VOLUME OF APLASMA美国专利申请号为No：09/536000(Attorney DocketNo：LAMIP130/P0566)，中更详细描述了非静止的磁限制装置的实例。该文献在此引作参考。
在本发明中，各个磁元件702能在它们各自的套筒703内转动，以减缓静止磁控制场的明显负面状态。如箭头712所示，任何一个其他的磁元件702按顺时针方向绕其实轴702P旋转。其余的磁元件702按反时针方向旋转，也如箭头712所示。图4示出磁元件702转动90°后的另一个磁场。磁元件从图3所示位置转动到图4所示位置的过程中，磁场704B的交点从708磁元件702的中心附近位置移动到磁元件702的侧边附近的位置。这引起大多数等离子体淀积从磁元件702的中心附近的区域移动到磁元件702的侧边附近的区域。磁元件转另一90°后，再位于与图3所示位置相似的位置中，尽管每个磁元件702已转动了180°，其中，磁元件702使磁场704重新稳定在与它的起始位置等效的位置。磁场的交点708从磁元件702的侧边附近的区域移动到磁元件702的中心。这就导致大多数在室壁303上等离子体的淀积从靠近磁元件702的侧面位置移动到靠近磁元件702的中心位置。磁元件702连续旋转直到它们回到图3所示的它们的原始位置为止，完成一次循环。磁元件702连续经过另一循环直到等离子体熄灭为止。磁元件702的周期性旋转使交点周期性移动，以提供更均匀的控制。或者，套筒703旋转，以在套筒的整个表面上均匀分布等离子体淀积。
第二“磁桶”位于处理室外(集中到内磁矩阵700)，以辅助限定等离子体。第二磁桶的磁元件可以放在处理室壁的外周边，以进一步减少处理室壁303上的等离子体淀积。
如图3所示，优选实施例中的磁元件也可以交替极取向。即每个连续的磁元件702向内指的极交替。N-S-N-S-N-S-N-S以建立磁场704。除图3和图4所示的结构外，本发明的实践中也可以用其它的磁元件取向，只要生成的磁场有方位角对称的径向梯度即可，即N-S磁轴702m都不按同一方向对准，但是，取代建立多个交点图形并使衬底处的磁场最小。磁元件旋转过程中最好是有时全部磁轴702m都平行于它们所处的半径。例如，构成的径向极直线(N-N-N-N-N-N或S-S-S-S-S-S)也能用于产生不同的初始静态磁场。这些磁取向中的每一个产生不同的控制磁场，本行业的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以按具体应用选择最合适的结构。
如上所述，本发明具有许多现有技术所没有的优点。例如，本发明提供了限定等离子体的更接近的磁控制场。此外，本发明有对等离子体的几乎全部的磁控制。因此减少了对处理室壁的磨损和划伤和频繁清洁处理室壁。因此，磁场能更有效地防止等离子体移动到处理室的无效区。更重要的是等离子体能更好地被控制到特定的体积和处理室内特定的区域内，同时，增加抽气传导率以改善供给的源气流可操作的系统的压力范围。磁场对处理室内的中性分布没有大的影响，可选择外壁303以获得最佳的中性均匀性。同时能单独选择控制等离子体均匀性的磁桶。按该方式，获得更均匀的等离子体密度和中性密度。结果，能进行更均匀的处理，即，在刻蚀过程中衬底的中心和边缘有相同的刻蚀速度，而不需要频繁清洁和/或维修处理室。
图5示出可用作图2-4中的磁元件702的电磁系统904。该电磁系统904包括第一电磁铁908，第二电磁铁912和电控制器916。第一电磁铁908和第二电磁铁912每个至少包括一个电流回路，为了显示清楚团中只画了一个电流回路。操作中，电控制器916在第一电磁铁908中提供第一电流800，以建立第一磁场806；在第二电磁铁912中提供第二电流802，以建立第二磁场804。用电控制器916随时改变第一和第二电流800和802的大小和方向，生成的第一和第二磁场806，804之和产生与图2-4中用磁元件702产生的旋转磁场相同的旋转磁场。本实施例表明，用是电磁铁的磁元件702能控制磁场移动。电磁铁有控制磁通量的优点，因此能达到更好的处理控制。但是，电磁铁使系统的制造更复杂。按本实施例供给磁矩阵700的电流能控制磁场的强度和取向。当然，电磁的磁元件702也能按与永磁铁相同的方式进行实际操作，以在磁场中进行所需的调制。
图6示出本发明的另一实施例。在图6中处理室502的壁503包围多个环形磁元件550，其中，每个环形磁元件550包围处理室壁503的周边。多个环形磁元件550的极交替，一些环形磁元件551的北极在环的里边，南极在环的外边；一些环形磁元件552的北极在环的外边，南极在环的里边。磁通量板556构成包围环形磁元件550的多个部份。衬底512放在吸盘514上。RF电源506给天线装置504供电，它给腐蚀气体通电，以形成等离子体520。沿吸盘与处理室的第一端之间的等离子体区设置多个磁元件550，以建立图示的有交点图形的磁场560。本实施例中的交点图形不是主要平行于室轴，而是大致垂直于室轴。本实施例中，如箭头580所示，磁通量板556径向位移。磁通量板556的位移引起磁场560位移。
已用几个优选实施例描述了本发明，在本发明范围内还有一些替换、变更和等效物。注意，还有许多实施本发明方法和设备的其他方式。这些替换、变更和等效物均落入后附的权利要求书界定的发明构思和发明范围内。

Claims (20)

1、一种用于处理衬底的等离子体处理设备，包括：
处理室，它包括：
确定处理室的一部分的室壁；和
用于在处理室内引发和保持用于所述处理的等离子体的装置；
等离子体限定装置，包括：具有设在所述处理室内的多个磁元件的磁矩阵，所述室壁围绕着所述磁元件和等离子体区，其中所述多个磁元件被设于等离子体区周围并沿着该等离子体区延伸，使得所述多个磁元件产生能减小对室壁损坏的磁场。
2、按权利要求1所述的设备，其中，所述多个磁元件的每个从所述处理室的一端延伸到设于所述处理室相对端的吸盘。
3、按权利要求2所述的设备，其中，所述磁场有方位角对称的径向梯度。
4、按权利要求3所述的设备，其中，每个磁元件具有沿等离子体区的纵向延伸的实轴。
5、按权利要求4所述的设备，其中，每个磁元件具有垂直于实轴的磁轴。
6、按权利要求4所述的设备，其中，所述磁元件是永磁铁。
7、按权利要求4所述的设备，其中，所述磁元件单独地容纳在套筒中。
8、按权利要求4所述的设备，其中至少一个所述磁元件被移动，从而使所述磁场随时间改变。
9、按权利要求4所述的设备，其中所述磁元件被旋转。
10、按权利要求1所述的设备，其中所述磁元件是永磁铁。
11、按权利要求7所述的设备，其中所述套筒为所述磁元件遮挡等离子体。
12、按权利要求1所述的设备，其中所述磁元件单独地容纳在套筒内。
13、按权利要求1所述的设备，其中至少一个所述磁元件被移动，从而使所述磁场随时间改变。
14、按权利要求1所述的设备，其中至少一个磁元件从所述处理室的一端延伸到设于所述处理室相对端的吸盘。
15、按权利要求14所述的设备，其中所述多个磁元件围绕衬底的周边设置。
16、按权利要求14所述的设备，其中所述磁元件被设置成在衬底处产生的磁场比在所述处理室内其余位置产生的磁场小。
17、按权利要求1所述的设备，其中等离子体能够填充设有磁元件的整个处理室。
18、按权利要求1所述的设备，其中处理室是圆柱形，所述室壁形成圆柱形的侧面，还包括位于圆柱形底部的吸盘，其中所述室壁从圆柱形的顶部延伸到圆柱形的底部。
19、按权利要求18所述的设备，其中所述多个磁元件的每个从圆柱形的顶部延伸到圆柱形的底部。
20、按权利要求19所述的设备，还包括位于圆柱形的顶部的介质窗口。
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