CN1316547C - 等离子体反应器线圈磁体系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理工件的方法，利用等离子体处理操作期间得自于存在于等离子体处置装置等离子体室内的处理气体的等离子体执行。该装置包括周向围绕等离子体室安装的电磁体阵列。该方法包括由室内的处理气体产生等离子体并使等离子体粒子撞击工件，为电磁体选择电流信号分布，和将每个所选择的分布提供给电磁体从而在等离子体处理操作期间在等离子体上施加多于一种的磁场布局。
Description
本专利申请以美国临时专利申请No.60/318,890为基础并要求获得其利益，该专利申请于2001年9月14日提出，在这里引用其全部作为参考。
发明领域
本发明涉及等离子体处理系统，更特别地，涉及用于使用施加在等离子体上的磁场控制等离子体的特性(characteristic)以改良工件的等离子体处理的方法和装置。
发明背景
等离子体是带电粒子的集合，其可以用于从工件上去除材料或在工件上沉积材料。在集成电路(IC)制造期间，等离子体可以用于，例如，从半导体衬底上腐蚀(也就是，去除)材料或在半导体衬底上溅射(也就是，沉积)材料。等离子体可以通过向保留在等离子体室内的处理气体施加射频(RF)电源信号使气体粒子离子化而形成。RF源可以通过电容、通过电感或者同时通过电容和电感与等离子体耦合。在工件的等离子体处理期间，可以在等离子体上施加磁场以改良等离子体的特性，并借此增加对工件等离子体处理的控制。
有时在工件的等离子体处理期间使用磁场将等离子体保留在室内，或者改变等离子体处理期间等离子体的性质(properties)。磁场可以用于，例如，将等离子体保留在室内，借此减少室壁的等离子体损失，和增加等离子体密度。等离子体密度的增加了撞击工件的等离子体粒子的数目，其通过，例如，减少腐蚀工件所需的处理时间改良工件的处理。使用磁场保留等离子体还防止等离子体粒子沉积在室内的表面上，如室壁表面和电极表面。
磁场还用于增加室内等离子体分布的均匀性。等离子体室内等离子体的不均匀分布是不理想的，因为不均匀分布会导致不均匀的工件处理。不均匀分布的等离子体会，在某些情况下，导致对正在室内进行处理的工件产生由等离子体诱导的损伤。
有时使用永磁体或电磁体阵列在等离子体上施加磁场。例如可以布置(arrange)永磁体阵列从而使它们在室内部的等离子体上施加磁场，或者选择地，可以对它们加以布置和移动(例如，相对于室旋转)从而使它们在等离子体上施加旋转磁场，其能够改良等离子体的均匀性。
发明概述
本发明包括用于利用磁场控制使用等离子体处理工件的方法和装置。
附图简述
图1是用于图解本发明实例等离子体处理系统的示意图，该等离子体处理系统显示了位于等离子体处理装置等离子体室内的工件和等离子体，并显示了外部通量传导结构(outer flux conducting structure)和围绕处理室的电磁体阵列；
图2是图1中装置一部分的示意性顶视图，图2显示了处理室、下电极(lower electrode)、外部通量传导结构和围绕室的电磁体阵列，并显示了施加在室内部上的磁交叉场布局(magnetic cross fieldtopology)；
图3与图2相同，除显示了施加在室内部上的磁桶场布局(magnetic bucket field topology)以外；
图4是用于向磁体阵列提供电功率的实例电源电路的图示；
图5是用于向磁体阵列提供电功率的第二实例电源电路的图示；
图6是与图3相似的图示，除显示了由两个电磁体系统施加在处理室上的桶场布局(bucket field topology)以外；和
图7是显示在图6中装置的四个相邻电磁体内流动的电流的简图。
发明详述
图1显示了等离子体处理系统12等离子体处理装置(或反应器)10的实例的图示。该等离子体处理装置10包括等离子体室14，其提供用于保留和支持等离子体的内部区域16。多个电极可以彼此并与室14内的处理气体按等离子体发生的关系安装在室14内。给电极通电从而由室14内的处理气体产生等离子体。为了便于本发明的说明，装置10内仅包括两个电极组件。特别地，第一电极组件18安装在室14的第一侧面上(位于实例装置10内室14的内部16的上部分)。处于卡盘(chuck)电极组件形式的第二电极组件20安装在与室14的第一侧面相对的室14的第二侧面上(位于实例装置10内室内部16的下部分)，位于与第一电极组件18相间隔的位置处。
第一电极组件18可以包括多个电极段(segment)，每个段都与其它的段电绝缘，且每个段都独立地由相关RF电源供电，并被独立地提供所选择的处理气体用于以预先确定的速度向等离子体室的内部进行传输。然而为了便于本发明的说明，第一电极组件18处于单莲蓬头型(showerhead-type)电极的形式。第一电极组件18包括内室22(由图1中的虚线示意性地表示)，其通过气体供应线(gas supply line)与气体供应系统24气体地或液体地联系。一种(或多种)所选择的气体可以供应到电极组件18以便，例如，净化室14或者作为在室内部16形成等离子体的处理气体(或源气体)。处理气体通过多个气体端口(ports)(未示出)从室22发送到等离子体室14的内部16内。通过第一电极端口的气流如方向箭头G系列所示。
第一和第二电极18、20通过相关匹配网络30、32与各自的RF电源34、36电联系，RF电源分别向相关电极18、20提供电压信号VB1、VB2。匹配网络30、32可以安插在各自的RF电源34、36之间，从而使通过各自的电极组件18、20传递给等离子体的功率最大化。选择地，匹配网络30、32可以与控制系统60耦合。
每个电极组件18、20都可以独立地被液体冷却，液体从冷却系统38分别通过每个电极组件18、20内的液体室39、41(如虚线所示)进行循环，然后返回冷却系统。该等离子体处理装置10进一步包括真空系统40，其通过真空线(vacuum line)与等离子体室16气体地或液体地联系。等离子体处理装置10选择地(optionally)包括电压探头44、46，其处于一对电极的形式并电容性地与各个相关RF电源34、36和相应的各个相关电极组件18、20之间的传输线(transmissionlines)耦合。(一种实例电压探头在共同转让待批准美国专利申请60/259,862(于2001年1月8日提出申请)中有详细的说明，且在这里引用其全部作为参考。)该等离子体处理装置10选择地包括光学探头48，用于根据等离子体的光谱和光学性质确定等离子体的特性和条件。
电磁体系统或阵列51周向围绕等离子体室14地加以安装。该电磁体51是可操作的，用于在工件上进行等离子体处理操作期间在等离子体上施加一种或多种磁场。磁场的施加(imposition)改良了等离子体的条件，借此改良了工件的处理。
图2显示了多个电磁体51关于等离子体室14的布置的实例。该实例装置12包括12个电磁体，指定为51A-L。所显示的每个电磁体51处于线圈磁体的形式，其包括导电材料的线圈。每个线圈都与电源53电联系(在图1中有示意性的显示)。
具体阵列的每个线圈磁体51都可以在空气芯(air core)(未示出)上安装传导材料缠绕的线圈，或者选择地，可以在例如导磁材料(magnetically permeable material)芯55(在图1中部分可见)周围安装导电材料缠绕的线圈。每个磁芯55都可以有一圆柱形交叉部分(cylindrical cross section)(如图所示)，或者选择地，可以有一任意延长的交叉部分(在实例装置10中沿垂直方向具有更长的尺寸)。每个线圈磁体51的轴线放射状地与等离子体室14对准(align with)。也就是说，每个线圈磁体51的轴线从假想轴线放射状地延伸，该假想轴线在电极组件18、20之间(在实例反应器10内为垂直地)延伸通过等离子体室14的中心。外部通量传导结构57可以与线圈磁体51的阵列成围绕关系地安装，如图2所最佳显示的。每个线圈磁体51和每个磁芯55均与通量传导结构57磁通联系。通量传导结构57的一个实例是环壁结构(annular wall structure)。每个线圈磁体51的外壁结构57和磁芯55都可以用导磁材料，例如铁，加以构建。每个磁芯55都可以集成地在外环结构57上形成，或者可以与外壁结构57分别地形成然后再安装在外环结构57上。
从图2能够意识到，每个线圈磁体51及其相关磁芯55都沿着径向方向在外环结构57和等离子体室14的壁结构59之间延伸。在实例装置10中，壁结构59呈圆柱状且由处理室14的侧壁构成。等离子体室14的壁结构59可以用合适的电介质材料或者合适的金属材料构建。如果壁结构59用金属材料构建，则在结构中使用非磁性金属材料，从而使壁结构59不会受到由线圈磁体51施加在等离子体室14内的等离子体上的磁场的影响。
在图1中，实例装置10内的磁体阵列垂直地与等离子体对准，但是这一垂直的布置只是一个实例。磁体阵列关于处理室能够具有任意的垂直位置，且其中包含有结构(例如电极)和材料(例如工件或等离子体)。例如，能够对装置10加以构建和布置，从而使磁体阵列，例如垂直地与工件顶部对准，例如略微高于工件地与工件中心对准，例如或者与等离子体的垂心(vertical center)对准，或者略微高于或低于等离子体。
等离子体处理装置10的控制系统60与装置10的各个元件联系以监视和/或控制它们。控制系统60与气体供应系统24、真空系统40、冷却系统38、电压探头44、46、光学探头48、每个RF电源34、36和电源53电联系，或者可以被编程以控制它们的操作。控制系统60可以向探头44、46、48和系统元件24、34、36、38、40、53发送控制信号和接收来自它们的输入信号(例如反馈信号)。控制系统60可以监视和控制工件的等离子体处理。通过控制电源53，控制系统60能够控制电功率向每个由线圈磁体51阵列构成的线圈磁体的传递，借此控制施加在等离子体上的磁场的性质。
控制系统60可以安装计算机系统，其包括处理器，可以被处理器访问的计算机存储器(其中该存储器适合于存储指令和数据，并可以包括例如主存储器，如随机存取存储器，和辅助存贮器，如磁盘驱动器)和能够与处理器联系的数据输入和输出。
本发明的方法通过参考实例等离子体处理系统12加以例证。等离子体处理系统12的操作能够通过参考图1加以理解。待处理的工件(或衬底)62放置在由卡盘(chuck)组件20提供的支持面上。控制系统60起动真空系统40，其开始降低等离子体室14内部16的压力到基础压力(base pressure)(典型地为10-7至10-4托)，从而为室14保证真空整体性(integrity)和清洁度。然后控制系统60提高室压到适合于形成等离子体及用等离子体处理工件62的水平(合适的内部压力可以是例如大约1毫托至大约1000毫托)。为了在室内部16内建立合适的压力，控制系统60起动气体供应系统24，从而通过气体进口线以预先确定的处理流速供应处理气体到室内部16，并且如果需要的话，用闸门阀(未示出)节流真空系统40。处理气体可以流过第一电极组件内的端口，如图1中箭头G所示。
气体供应系统24内包含的具体气体或多种气体取决于具体的等离子体处理应用。例如对于等离子体腐蚀应用，气体供应系统24可以供应氯、氯化氢、八氟环丁烷(octafluorocyclobutane)或各种其它的气体碳氟化合物；对于化学气相沉积应用，系统24可以供应硅烷、氨、四氯化钨、四氯化钛或类似的气体。等离子体也可以用在化学气相沉积(CVD)中以便在半导体晶片上形成金属、半导体或绝缘体(也就是导电、半导电或绝缘材料)薄膜。等离子体增强CVD使用等离子体为所期望材料的沉积提供所需的反应能。
然后控制系统60起动与第一和第二电极组件18、20相关的RF电源34、36。RF电源34、36可以以选择的频率为相关电极18、20提供电压。在等离子体处理操作期间，控制系统60可以独立地控制RF电源34、36以调节例如电压的频率和/或振幅，每个电源34、36用其驱动相关电极组件18、20。
RF电源34、36可以被操作从而将低压处理气体转变为等离子体。电源34、36可以被操作从而导致例如在第一和第二电极18、20之间产生交变电场，其诱导电子在电极18、20之间流动。例如电子在该电场内被加速，且该场内被加热的电子流通过电子与气体原子和分子之间的多次碰撞向其传递动能，使处理气体的各个原子和分子离子化。这一处理产生了被约束和支持在室14内的等离子体54。
因为每个RF电源34、36由控制系统60独立地加以控制，所以任何一个电源都可以被操作为具有相对低的频率(也就是低于550KHz的频率)、中等的频率(也就是大约13.56MHz的频率)或者相对高的频率，大约60至150MHz。在腐蚀反应器的实例中，用于第一电极组件18的RF电源34能够在60MHz的频率下加以驱动，而用于第二电极组件20的RF电源36能够在2MHz的频率下加以驱动。为了改良前述反应器，或者更一般地，具有一个或多个在一种或多种频率下驱动的电极的等离子体处理器件的性能，控制系统60能够被编程和操作从而在工件处理期间在等离子体上施加一个或多个磁场以控制磁场的特性(诸如，例如，磁场布局和方向、磁场强度、磁场持续时间等)。
本发明允许用不具有移动部件的磁体51单阵列产生大量可能的磁场布局。图2和3显示了两种磁场布局，其能够用该磁体系统施加在等离子体54上(只有图1示意性显示的等离子体54)。图2显示了交叉场布局(cross field topology)，图3显示了磁桶场布局(magneticbucket field topology)。
图示的交叉场布局具有非线性(也就是弓形)的磁场线。交叉场布局可以用于改良等离子体的均匀性。等离子体均匀性的提高既增加了单衬底62的处理均匀性，又增加了由装置10连续处理的多个衬底之间的处理均匀性。磁体51阵列可以操作为按照下述方式旋转交叉场布局。磁桶布局(图3)可以施加在等离子体上以减少等离子体壁损失以及增加等离子体的密度。
图4中示意性显示了电路68的实例，其用于实现为线圈磁体51A-L供电的电源53以便产生理想的磁场布局。特别地，任意波形发生器系列70A-L的每一个都可以通过相关放大器71A-L与电磁体系统的各个线圈磁体51A-L(图4中未示出)电联系。
每一个任意波形发生器70A-L都可以与控制系统60电联系(通过图4中未显示的电连接)。控制系统60能够被编程以独立地控制每个任意波形发生器70A-L，它们彼此从每一个产生具有任意形状、大小(magnitude)和相的电流波形，其用于传输给相关的线圈磁体51A-L使之极化和产生施加在等离子体上的磁场。所有的任意波形发生器70都可以被锁相于(phase locked to)一个单一低功率参考信号源72。每个发生器70都能够相对于来自72的参考信号移动自身输出的相。
图4的电源布置使控制系统60(通过任意波形发生器70A-L系列起作用)能够向每个线圈磁体51供应电流波形，其具有与由系列中所有其它任意波形发生器产生的电流波形相独立的波形、振幅、相和周期。这样，来自参考信号源72的参考信号用于使从任意波形发生器系统发射到线圈磁体51的电流波形同步化。控制系统60能够独立地为每个任意波形发生器70编程以产生不同的波形，其具有锁定于来自源72的参考信号的起始相。这一布置在向等离子体上施加例如两种或更多种磁场布局时提供了巨大的灵活性。这一布置允许控制系统60在等离子体处理操作期间在具体衬底上彼此连续施加例如两种磁场布局。这两种布局能够彼此相同或者能够彼此不同。布局可以是静止的或者可以是旋转的。
例如，这一布置(也就是，为每个线圈磁体使用分开的任意波形发生器)允许操作者为控制系统60编程，从而在处理操作期间在等离子体上施加静磁场布局(例如，方位地)和旋转磁场布局。所施加的每种场布局都能够被选择从而实现等离子体内的特殊变化。例如，可以提供旋转交叉场布局以改良等离子体的均匀性。作为另一个实例，这一布置还允许产生波形，使得即使所施加的磁场正在旋转，在处理室内的特殊位置处也施加有局部化的场(例如低或高场区域)。这一局部化场可以用于修正由于例如非轴对称气体注入(non-axisymmetricgas injection)和等离子体抽运(pumping)等造成的等离子体性质的方位角变化。
另一种能够用作电源53的电路76如图5示意性地显示。单一任意波形发生器77驱动放大器系列71A-L，其每一个都向相关线圈磁体(图5中未示出)供应电流。相延迟电路78耦合在任意波形发生器和除一个之外的所有放大器(all but one of the amplifiers)之间。基本上，向每个线圈磁体51A-L发送相同的信号，唯一的不同在于该信号由于相延迟电路的存在而彼此异相。从而，电路76能够用在如下场合中，其中待施加到线圈磁体51的电流波形具有相同的波形和周期，但彼此的相不同。电源电路76能够提供旋转磁场布局或角取向改变的磁场布局。由电源电路76产生和旋转的场布局取决于多种因素，包括发射到线圈磁体的电流波形的形状，线圈磁体系统中线圈磁体相对位置的数目，每个线圈磁体51的相对场强和电流波形信号之间的相差。控制系统60能够被编程以控制电路76的任意波形发生器70产生例如具有非线性(例如弓形)场线的旋转交叉场布局。
操作
控制系统60能够(使用例如电源电路68)在任一(或者全部)线圈磁体51内产生稳定的电流或者能够在任一(或者全部)线圈磁体51A-L内产生时间变化电流(time changing current)。通过线圈磁体51的稳定和/或时变(time-varying)电流的分布确定了施加在等离子体上的磁场的布局并确定了磁场布局的即时(in time)改变。合适的电流波形能够被发送到线圈磁体51从而导致例如施加在等离子体上的磁场旋转。
提供给每个线圈磁体51A-L的电流波形径向地极化每个线圈。在径向极化期间，每个线圈磁体的相对端确保了各自的N和S磁极化。大体上，磁场线在线圈磁体51的相对极之间延伸。在每个线圈内流动的电流的方向确定了每个线圈磁体的极化。流过线圈磁体的电流的大小确定了由每个线圈磁体产生的磁场的强度，从而确定了施加在等离子体上的磁场的强度。
磁体阵列的其它布置也有可能。例如，尽管在实例反应器10中每个线圈磁体51的轴线从在电极组件18、20之间延伸的假想轴线径向延伸，其它的布置也有可能。例如，每个线圈磁体51能够被定向从而使它的轴线与反应器10“相切”。每个切向定向的线圈能够是空气线圈(air coil)或者能够是围绕磁芯材料缠绕(wound)。当每个线圈都围绕材料磁芯缠绕时，每个磁芯都能够是隔离的结构或者形成连续结构，例如环或轭(yoke)，的一部分。
这一切向的布置具有一些缺点(相对于实例反应器10内的径向对准(alignment))。例如，当使用电磁体的径向延伸阵列产生磁场时，大多数的磁通线进入室内。然而当使用切向布置时，大多数磁通场线趋向于围绕等离子体室14的外部流动，特别是当线圈围绕包围室的轭(yoke)缠绕时，相对较小的量会“泄漏”或“弥散”(fringe)出每个切向布置线圈的侧面并进入等离子体室14。这样，切向布置依靠每个切向线圈一侧上的弥散场(fringing field)在室内的等离子体上施加磁场。因为利用线圈切向布置的磁体系统依靠弥散场在等离子体上施加磁场，所以需要更多的功率以产生相对于使用径向布置时具有特殊场强的具体布局，以产生具有相同强度的相同场布局。径向布置的磁体系统使用比相当的切向布置的磁体系统所需要的更少的电流。因为切向布置依靠从每个线圈的侧面发出(emerging)的场线，所以每个线圈都发射朝向室的场线和例如从相对侧离开室的场线。还需要一个外部围绕结构以便将围绕等离子体处理装置的区域和磁场屏蔽(shield)开。例如，当切向定向的电磁体围绕轭缠绕时，如果要将围绕该装置的区域和磁场屏蔽开，就需要第二导磁屏蔽(permeable shield)。第二导磁屏蔽或者其它的通量屏蔽结构(flux shielding structure)在例如图1和2中显示的实例布置中是不需要的，因为结构57既执行通量发射功能又执行屏蔽功能。
图2、3和6图解了能够用线圈磁体51A-L施加在等离子体上的磁场布局的实例。在图2、3和6中，流过每个线圈磁体51A-L的电流的方向用方向箭头表示。在图2、3和6中，每个线圈磁体内电流的相对大小用方向箭头的相对尺寸粗略地表示。方向箭头的缺失表示相关线圈磁体51内大小为零的瞬时电流。铁环结构57为每个布局封闭磁场线。
旋转交叉场布局能够利用例如电源电路68或76施加在等离子体上。例如，复合的电流波形能够反馈给每个线圈磁体51，其相对于先前线圈沿着与磁场布局旋转方向相反的旋转方向移相。这一方法允许交叉场布局无需机械地移动任何线圈磁体地加以旋转。
图2显示了特殊瞬时处的旋转交叉场布局。在该瞬间，线圈磁体51A和51B具有彼此导向相反且大小相对高的电流，线圈磁体51L和51C具有彼此导向相反且大小比线圈磁体51A和51B内的电流低的电流，而线圈磁体对51K和51D、51J和51E以及51I和51F具有导向相反、大小相继变小的电流(如方向箭头的相对尺寸所示)。非线性磁场线基本上在每对线圈磁体的线圈之间延伸，如处理室14内的弓形箭头所示。线圈磁体51H和51G可以具有大小为零的瞬时电流(取决于例如所试图施加的确切场(exact field))。
从图2中还应当意识到，磁场线基本上从室的一个侧面上的线圈磁体51A、51L、51K、51J和51I向室的相对侧面上的各自相关线圈磁体51B、51C、51D、51E和51F延伸。电流大小的降低(室的相对侧面上)实际上产生了强度从大约11点方位位置向大约5点方位位置增高的磁场梯度。这一梯度能够帮助补偿ExB漂移。如果均匀场与和工件平行的等离子体室14交叉，而在室内存在与工件垂直的电场的话，就会出现ExB漂移。这些电磁场的矢积与工件平行并与两个场线系列都垂直。这导致电子被沿着矢积方向(也就是“优选”方向)导向，其导致等离子体在等离子体室的一个区域(或者“角落”)内更密集。这导致工件处理的不均匀，这是不理想的。要修正该ExB漂移，就要旋转磁场布局。然而如果磁场布局是均匀的，那么旋转场仅仅导致“热点”(电子密度相对高的区域)围绕等离子体的外围旋转。要修正这一效应，就要使磁场布局的场线弯曲，其导致电子充分地“扇出”以减少热点效应。
图3显示了桶型场布局(或者桶场布局)，其形成围绕室14的壁的磁“桶”。这一布局产生了向室中央延伸的磁场线的弓形波瓣(lobe)。这些波瓣趋向于将等离子体聚集在室的中央。这具有许多益处，包括例如趋向于减少撞击室的侧壁和室14内其它表面的等离子体粒子的数目和增加等离子体的密度(通过将其限定在更小的空间体积内)。等离子体密度越大，例如腐蚀或沉积的速度越快。更快速的工件处理能提高例如半导体制造期间的商业生产率。
如图3所示，桶场布局能够通过传导相等的极性相反的电流(也就是方向相反的电流)到阵列的一对相邻线圈磁体51而获得。反应器12还可以构建成提供具有旋转或振荡桶布局的磁场线。
图6显示了用于在等离子体上施加旋转桶场布局的装置80的示意图。装置80与装置12相同，除了围绕其室14安装的线圈磁体的数目不同以外。两个实施例12和80之间相同的结构用相同的指代数字辨别且不再进一步评注。围绕室14安装的线圈磁体的数目决定了由磁体系统产生的磁场的分辨率(resolution)。也就是说，周向围绕室定位的线圈磁体越多，桶场布局覆盖室壁内部越“精细”。为了更好地控制“外围”磁场(也就是，与壁相邻的磁场部分)，要围绕装置80的室14安装相对更大数目的相对较小的线圈。当需要高分辨率场时，相邻线圈磁体51芯的内末端几乎彼此接触，如图6所示。因为相对于装置12，装置80具有例如两倍数量的围绕其室安装的线圈磁体51，所以装置80能够被操作以获得比用装置12获得的桶场布局分辨率更精细的桶场布局。所使用的线圈数目取决于所需要的场分辨率。大体上，磁体数目越大，场分辨率越精细。
波瓣长度能够通过成对地、成三地等操作磁体而增加。也就是说，当电磁体51被成“对”地操作产生桶场布局时，在每个瞬时，线圈51A和B内电流的大小和方向彼此相同。类似地，线圈51C和D内电流的大小和方向彼此相同。这样，线圈51A和B(以及线圈51C和D等)实际上发挥单一线圈的功能。延伸进入室内的桶场布局的波瓣越长，“挤压”进等离子体室14中央的等离子体越多，借此提高等离子体的密度和反应速度。
装置80也能够被操作(例如使用图5的电路76)产生“旋转”或振荡桶场布局，其具有与图3中图解的非旋转桶场布局相同的分辨率，但产生一系列趋向于更均匀地“挤压”等离子体(相对于图3的磁场布局)的重叠波瓣图(overlappling lobe pattern)。根据下述实例方法产生的桶场布局还具有一些优点，因为在所有时间至少有一些区域具有非零的瞬时场强度。也就是说，在每个时间点处(at each point intime)，所施加的场总是在处理室内的某些区域处非零。振荡或旋转该桶场是有利的，因为它能够防止磁场线一直撞击处理室一个壁(或多个壁)的相同位置(或多个位置)。如果桶磁场线不加以旋转结果撞击某个壁的例如相同的位置，就会导致等离子体粒子被沿着场线导向到壁的这些位置处，其能够导致这些位置处壁材料降解(degradation)。这一得自于静桶磁场的壁材料的局部降解能够发生在，例如，波瓣之间的位置处，在该处来自相邻波瓣的场线一起进入室壁14。这样，能够理解，尽管所施加的桶磁场能够制为静态，能够制为振荡或者能够制为旋转，但是在等离子体上长时间施加静态(或其它类型)的桶磁场是不理想的，因为这会导致处理室壁的局部损坏。图6显示了当装置80被操作产生旋转桶场布局时装置80内电流和磁场的瞬时图。图7显示了当正在产生实例旋转桶场布局时，随时间(over time)流过四个线圈磁体51的电流大小的图示。装置80内的旋转桶场布局具有与用装置12所施加的基本上相同的场分辨率。
线圈磁体51A-X基本上被操作成两个隔离的磁体系统，其每一个都独立于另一个磁体系统地提供桶场布局。第一磁体系统包括51A、51C、51E、51G、51I、51K、51M、51O、51Q、51S、51U和51W，而第二磁体系统包括剩余的线圈磁体51。图7的简图显示了通过线圈磁体51A-D的电流。能够意识到，相邻线圈磁体(例如51A和51B)内的电流波形彼此相差为90度。相间线圈磁体(例如线圈磁体51A和C)内的电流彼此相差为180度。
图6显示了在时间(time)＝tx时出现的磁场线。时间tx也表示在图7的简图上。在时间tx处，一系列线圈磁体(包括51B和51D的系列)每一个都具有最大电流，而另一系列线圈磁体(包括51A和51B的系列)每一个都具有大小为零的电流。每个系列(例如51B和51D)中相邻的线圈具有导向相反的电流，如图6和图7中相反导向的电流方向箭头所示。从图7中能够意识到，每个电流波形都是正弦曲线。从图7的简图中还能够意识到，在等离子体处理操作期间由旋转(或振荡)桶场布局产生的磁场在任何点处均不会消失，因为电流在任何瞬间在所有线圈磁体51A-X内均永远不会为零。
装置80的结构和操作只是一个实例。我们预期构建出包括三个或多个独立磁系的装置，以产生例如三种或多种旋转磁场布局。
在具体工件(作为实例，例如半导体)处理质量和产量的处理期间，在等离子体上能够施加一种或多种磁场布局。例如，在腐蚀操作(或者选择地，沉积操作)期间，其中在半导体材料晶片的表面上对图进行腐蚀，能够在等离子体上施加所选择的磁场布局。因为任意波形发生器和线圈磁体51的系统可以用于产生磁场，并因为任意波形发生器能够由控制系统60加以控制，所以制造者能够为具体的半导体材料和具体的半导体腐蚀(或沉积)应用选择一个合适的磁场布局(或多个磁场布局)。为具体应用确定磁场布局的优化组合可以经验地加以执行。也就是说，在具体类型晶片的处理期间，具体的电流波形能够反馈给一个或多个磁体系统的所选择线圈磁体并检验该结果。腐蚀/沉积结果的质量能够根据腐蚀/沉积处理中所使用的磁场布局加以修正或检验。如果出现了例如工件的损伤，或者如果处理结果不均匀，则能够改变(通过重新编程控制系统60)反馈给线圈磁体51的电流波形的分布，以便例如改变施加在等离子体上的磁场布局的布局(或多个布局)、强度、梯度、周期等。
当半导体在等离子体室内进行处理时，半导体容易被损伤，这是由于等离子体中电子的不均匀浓集(无论是高浓度还是低浓度区域)所导致的。大多数由于等离子体浓度的不均匀出现的损伤在接近处理操作的结束时出现。在工件(例如半导体)处理期间能够使用两种或更多种磁场布局，以减轻可能由于等离子体的不均匀而出现的损伤。在处理操作的第一部分期间，当工件相对不容易由于等离子体密度的不均匀而损伤时，可以在等离子体上施加一种或多种桶场布局以增加等离子体的密度，借此增加处理速度。通过在处理操作的早期增加等离子体的密度，因此能够例如更快地将材料从工件上腐蚀掉，然后接近处理结束时，当以如此高的处理速度进行变得有危险时，能够在处理室上施加另外一种磁场或多种磁场以改良处理操作的最终临界期(critical stage)等离子体的均匀性。作为另一个实例，在处理的开始阶段，能够在等离子体上施加具有相对较大波瓣的桶场布局，然后在等离子体上施加具有中等尺寸波瓣的桶场布局，再后在等离子体上施加具有相对较小波瓣的桶场布局。在处理操作期间，通过减小桶场布局波瓣的尺寸(分步地或者随时间连续地)，等离子体的密度能够随着处理的进行逐渐减小。在等离子体处理的最终临界期，能够在等离子体上施加具有弯曲场线的旋转交叉场布局以增加处理最终临界期等离子体的均匀性。
局部的不均匀能够由于多种已知的原因在等离子体内出现，这些原因包括例如由于不均匀气体注射、施加在等离子体上的不均匀RF激励场、等离子体室内的不均匀抽运等。因为每个线圈磁体能够由独立的任意波形发生器加以驱动，所以控制器能够被编程控制发送到磁体阵列的电流的分布以补偿等离子体内的局部不均匀。这样，控制器能够被编程产生旋转场，其在所施加磁场内提供局部化的不均匀以补偿等离子体内出现的密度的不均匀。
应当理解，尽管等离子体室的电极描述为每个都由相关电压源驱动，这并非意味着每个电极必须由相关电压源驱动。这样，例如，系统10的一对电极18、20的一个或另一个在处理期间就可能恒定地处于接地水平或者任何其它的静态(也就是不变的)电压水平。
本发明的许多特点和优点从详细的专利说明中能够显而易见，因此附加权利要求意图涵盖所说明方法的全部这些特点和优点，其遵从本发明真正的精神和范围。进一步，因为本领域技术人员可以容易地进行各种修饰和改变，所以并不期望将本发明限制为所图解和说明的确切的结构和操作。而且，本发明的方法和装置，类似于半导体技术中使用的本质上复杂的相关装置和方法，通常要通过经验性地确定操作参数的合适数值而最佳地加以执行，或者通过进行计算机模拟为给定的应用实现最佳的设计。因此，应当考虑所有合适的修正和等价，且仍处于本发明的精神和范围之内。
Claims (38)
1.一种用等离子体处理工件的方法，该等离子体在等离子体处理操作期间得自于等离子体处理装置的等离子体室内的处理气体，该装置包括周向围绕等离子体室安装的电磁体阵列，该方法包括：
由室内的处理气体产生等离子体并使等离子体粒子撞击工件；
为所述电磁体选择电流信号分布；和
在等离子体处理操作期间将每个所述选择分布施加到所述电磁体从而在等离子体上施加多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局，以在多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局中提供局部不均匀性，其中不同磁场布局中的至少一个磁场布局包括非旋转布局或者旋转布局。
2.权利要求1的方法，其中至少一种磁场布局是非旋转磁场布局。
3.权利要求1的方法，其中至少一种磁场布局是旋转磁场布局。
4.权利要求3的方法，其中当所述至少一种旋转磁场布局施加在所述等离子体上时，该至少一种旋转磁场布局修正所述等离子体的等离子体密度的不均匀性。
5.权利要求4的方法，其中至少一种旋转磁场布局是交叉场布局。
6.权利要求5的方法，其中交叉场布局的磁场线是非线性的。
7.权利要求2的方法，其中至少一种非旋转磁场布局是桶场布局。
8.权利要求1的方法，其中该多于一种的磁场布局包括交叉场布局和桶场布局。
9.权利要求1的方法，其中所述施加包括提供电流信号，从而在等离子体处理操作的第一部分期间在等离子体上施加桶场布局，在等离子体处理操作的第二部分期间在等离子体上施加交叉场布局。
10.权利要求9的方法，其中在等离子体处理操作的第一部分期间在等离子体上施加多种桶场布局以便以预先确定的速率增加等离子体的密度。
11.权利要求10的方法，其中交叉场布局的磁场线是非线性的。
12.权利要求11的方法，其中交叉场布局修正所述等离子体的非均匀性。
13.权利要求1的方法，其中在处理期间至少一种磁场布局改变角度方位。
14.权利要求13的方法，其中在处理期间改变角度方位的所述至少一种磁场布局通过旋转改变角度方位。
15.一种用等离子体处理工件的方法，该等离子体在等离子体处理操作期间得自于等离子体处理装置的等离子体室内的处理气体，该装置包括周向围绕等离子体室安装的电磁体阵列，该方法包括：
由室内的处理气体产生等离子体并使等离子体粒子撞击工件；和
为所述电磁体提供电流信号分布，从而在等离子体处理操作期间所述电磁体在等离子体上施加旋转的桶磁场布局，从而所述电磁体在所述旋转桶磁场布局中提供局部不均匀性。
16.权利要求15的方法，其中该电磁体阵列包括电磁体第一系统和电磁体第二系统，每个系统的每个电磁体定位在另一系统的一对电磁体之间。
17.权利要求16的方法，其中至少一个电磁体系统内的电流信号在所述场旋转的每一个瞬时具有非零的大小。
18.一种用于处理工件的等离子体处理装置，该等离子体处理装置包括：
等离子体室，其包括用于支持等离子体的内部区域；
等离子体发生源；
真空系统，其与等离子体室的内部区域流体联通；
气体供应系统，其与等离子体室的内部区域流体联通；
多个线圈磁体，其周向围绕等离子体室加以安装，每个线圈磁体具有从等离子体室的轴线径向延伸的轴线；
多个任意波形发生器，每一个均与多个线圈磁体中相关的一个电联系；
控制系统，其与气体供应系统、真空系统、冷却系统以及多个任意波形发生器电耦合，该控制系统设定为操作该任意波形发生器，从而使该线圈磁体在处理工件期间在等离子体上施加多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局以在多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局中提供局部不均匀性，其中多个磁场布局中的至少一个磁场布局包括静态布局或者旋转布局。
19.权利要求18的等离子体处理装置，所述等离子体发生源包括一个或多个安装在室内的电极组件，和一个或多个RF电源，RF电源的每一个均与相关电极组件电耦合。
20.权利要求19的等离子体处理装置，其中每个线圈磁体是空气线圈。
21.权利要求19的等离子体处理装置，其中每个线圈磁体具有导磁材料芯。
22.权利要求21的等离子体处理装置，进一步包括围绕线圈磁体阵列安装的外部通量传导结构，每个线圈磁体和每个芯均与通量传导结构磁通联系。
23.权利要求22的等离子体处理装置，其中通量传导结构是环壁结构。
24.权利要求23的等离子体处理装置，其中该环壁结构用导磁材料构建。
25.权利要求24的等离子体处理装置，其中每个芯均安装在环壁结构上。
26.权利要求18的等离子体处理装置，其中所述多个任意波形发生器的每一个均通过多个放大器中的相关一个与多个线圈磁体中的相关一个电耦合。
27、权利要求18的等离子体处理装置，其中多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局包括第一静态布局或者第二静态布局，其中第二静态布局与第一静态布局不同。
28、权利要求18的等离子体处理装置，其中多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局包括第一旋转布局或者第二旋转布局，其中第二旋转布局与第一旋转布局不同。
29、权利要求18的等离子体处理装置，多个不同磁场布局中的至少一个磁场布局包括两个或者更多个磁场布局，磁场布局可以是静态的或者旋转的。
30、权利要求29的等离子体处理装置，其中所述两个或者更多个磁场布局连续施加。
31、权利要求30的等离子体处理装置，其中两个或者更多个磁场布局同时施加。
32、权利要求30的等离子体处理装置，其中静态和旋转磁场布局连续施加。
33、权利要求30的等离子体处理装置，其中静态和旋转磁场布局同时施加。
34、权利要求18的等离子体处理装置，其中控制系统通过控制从一个组中选出的特性来控制磁场布局的特性，所述组包括方向、磁场强度、磁场持续时间、局部场强度、磁场梯度和磁场周期。
35、权利要求18的等离子体处理装置，其中至少两种磁场布局从一个组中选出，所述组包括桶场布局、交叉场布局和非线性交叉场布局。
36、权利要求26的等离子体处理装置，进一步包括至少一个与多个线圈磁体连接的电源。
37、权利要求36的等离子体处理装置，其中至少一个电源包括多个电源，每一电源向多个线圈磁体中的一个线圈磁体供电。
38、权利要求18的等离子体处理装置，其中多个任意波形发生器由控制系统调整。
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