CN1507646A - 具有多个绕组线圈的感应等离子处理器和控制等离子浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

感应的等离子处理器包括多个绕组射频线圈，该线圈有多个电并联、空间上同轴的绕组(1)有不同数量的射频电源供应给它们，和(2)排列以产生电磁场，该电磁场对室中等离子不同区域有不同的耦合，以控制投射到已处理工件上的等离子流分布。线圈由单独的射频发生器经单独的匹配网络供给能源。每个绕组的输入和输出端分别连接到输入和输出调谐电容量。在第一实现例中，把射频耦合到等离子体的最大感应位置和每个绕组中的电流幅度分别主要由输出和输入电容的值确定。通过同时调整所有输入和输出电容，一个绕组中的电流可以改变而其它绕组中的电流可以保持恒定，好象这些绕组是完全去耦和独立的。所以，这些电容可以控制不同径向和角向区域的等离子浓度。在另一实现例中，相对低的频率驱动该线圈，因此，每个绕组有相对短的电长度，产生基本上是小的驻波电流和电压改变。每个绕组的输出电容调整电流幅度，来消除对输入电容的需要，并降低操作的复杂性。

Description

具有多个绕组线圈的感应等离子 处理器和控制等离子浓度的方法
技术领域
本发明总的是关于感应等离子工件处理器，它包括射频等离子激励线圈，更确切地是，是关于这些处理器，其中线圈包括多个绕组，它们(1)有不同数量的射频电源供应，且(2)装置排列能提供有不同大小磁通量的射频磁场到等离子室中的等离子体，用来控制入射到已处理工件上的等离子束的分布，及这样操作的方法。本发明也是关于一个感应等离子件处理器，该处理器包括一个线圈，该线圈有多个并联的短绕组，连接到阻抗装置，用来控制绕组中电流的幅度。本发明也是关于制造感应等离子处理器的一种方法，其中一个线圈的一个绕组相对于该线圈的另一个绕组的位置排列是使得工件处理为最佳。
发明背景
感应等离子处理器将工件用射频等离子在真空室中处理，它包括能对射频源作出响应的一个线圈。线圈可以是平面的或球形的或者圆顶形的，由射频源驱动产生电磁场，该电磁场激励真空室里的可电离的气体以产生等离子体。通常线圈在绝缘窗口上面或邻近的地方，绝缘窗口通常在与已处理工件的水平延伸表面平行的平面方向伸张。所激励的等离子与真空室里的工件相互作用，浸蚀或者将材料沉积在上面。该工件一般是半导体薄片，有平面的圆形表面或者固体绝缘盘片，例如，在扁平面板显示器中使用的矩形玻璃衬底，或者金属盘。
美国专利4,948,458揭示了得到上述结果的多匝数螺旋形平面线圈。螺旋形，通常是阿基米德涡线型的，放射状延伸并且在它的内外端口之间的环形方向伸展，经过阻抗匹配网络连接到射频电源。线圈产生具有磁场和电场分量振荡射频电磁场，穿透绝缘窗口，激励靠近窗口的一部分等离子室中的电子和离子。靠近窗口的等离子室部分中磁场的空间分布是在线圈的每个点的由电流产生的每个磁场分量的和的函数。电场的电感分量是由时间变化的磁场产生的，而电场的电容分量是由线圈中的射频电压产生的。当电容性电场与工件垂直时，电感性电场是水平的。由于在射频源的频率上传输线影响线圈，所以在不同点的电流和电压是不同的。
如Ogle’458专利所揭示的和以此为根据的螺旋形设计，螺旋形线圈中的射频电流的分布是使得产生环状电场，在靠近窗口产生环形等离子体，能量在此被气体吸收，将气体激励到等离子体。环状磁场伴有圆环形电场，该电场产生环状等离子分布。在1.0到10毫乇范围的低压时，等离子浓度为峰值的环状区域的等离子扩散往往抹掉，等离子不均匀性，并刚好在工件中心的上方增加等离子室中心的等离子浓度。不过，仅仅扩散一般不足以补偿等离子室壁处的等离子损失，而且工件外围附近的等离子浓度不能独立地改变。在10到100毫乇范围的，中等压强范围等离子中的电子，离子，中子的气相碰撞进一步阻止了等离子带电粒子从环状区域的显著扩散。结果，在工件的似环形区域中有相对高的等离子浓度，但是在中心区域和工件的外围部分等离子浓度是低的。
这些不同的工作状态使得除在相对于等离子室的中心线不同的方位角时之外，还在环状内和环状外之间产生足够大的等离子磁通量(即等离子浓度)的变化，(该等离子室的中心线与工件支持物平面成垂直的角度(即等离子室轴))。这些等离子磁通量的变化产生显著的标准偏移，即超过射到工件的等离子磁通量的百分之六。射到工件的等离子磁通量显著的标准偏移有可能引起非均匀的工件处理，即，工件的不同部分浸蚀程度不同和/或沉积在上面的材料数量不同。
许多线圈的设计是为了提高等离子的均匀性。1998年6月2日Holland等人提出的，通常授予的美国专利5,759,280在商业实现例中揭示了一种线圈，它有12英寸直径，与一个具有14.0英寸内墙圆形直径的真空室连接着工作。线圈通过14.7英寸直径和0.8英寸均匀厚度的石英窗口将磁场和电场加到真空室内部。圆形半导体薄片位于工件支持物上，大约窗口底面之下4.7英寸，所以每个工件的中心与线圈的中心线和真空室的中心线重合。
’280专利中的线圈在工件上产生的等离子磁通量的变化比458专利中的线圈小得多。’280专利中的线圈对工作在5毫乇真空室在200mm圆片上产生的等离子磁通量的标准偏差与’458专利中工作在相同状态下的线圈的标准偏差相比较是相当大的改进。’280专利中的线圈产生磁场使得工件中央的等离子浓度大于工件的中间部分，工件的中间部分等离子浓度又超过工件外围的。’280专利中的线圈在真空室的不同部分的等离子浓度变化比’458专利中的线圈在相同工作状态下的小得多，而产生较低标准的偏差。
以提高入射到工件上的等离子浓度的均匀性为目的的其它安排，也集中在几何原理上，通常是关于线圈几何原理。例如见美国专利5,304,279；5,277,751；5,226,967；5,368,710；5,800,619；5,401,350；5,558,722；5,795,429；5,847,074和6,028,395。不过，一般线圈设计成能提供已改进的径向等离子磁通量均匀性，且在很大程度上已忽视了角向等离子磁通量均匀性。另外，这些线圈的固定几何尺寸不允许等离子磁通量分布因为不同的处理方法而改变。当我们认识到通常所指的1999年6月30日提出待审批的John Holland的美国申请“带有对幅度可变化的射频包络作出响应的线圈的等离子处理器”序列号09/343,246和Gates美国专利5,731,565揭示了对不同处理方法下的随意控制等离子磁通量均匀性的电子排列时，Holland和Gates的发明主要关心径向的而不是角向的等离子磁通量均匀性。在Holland发明中，等离子磁通量均匀性的控制是通过控制加到线圈的射频激励源的可变幅度包络而实现的。在Gates的发明中，一开关或电容器将螺旋样的射频等离子激励线圈的内部部分旁路。
驱动线圈的射频电源的频率(典型的是13.56MHz)，也就是波长的倒数和线圈的长度是使得沿着特定绕组的长度有显著的驻波电流和电压变化。电压幅度可以从约1,000伏(rms)到接近零伏之间变化，而驻波电流可以变化将近50％。因此，沿着每个绕组的长度的某处具有峰值电压和电流。不过，我们想到了已知技术包括射频电源，它驱动电短路等离子激励线圈。
我们的美国专利6,164,241，题为“电感耦合等离子发生系统的多线圈天线”，揭示了另一种线圈，它包括两个同心的电路上并联的绕组，每个绕组有第一个和第二个接线端，可考虑作为每个绕组的输入和输出接线端。每个绕组的第一个接线端经过第一串联的电容连接到由射频电源驱动的匹配网络的输出端。每个绕组的第二个接线端经过第二串联的电容连接匹配网络和射频电源的公共接地端。每个绕组可以包括以相对于两个绕组的公共轴在类似螺旋的方式下环形地和径向地延伸的一匝或多匝。每个绕组可以是平面或三维的(即球形的或圆顶的)或者单个绕组的个别匝数能被互相堆叠，以增加被某一绕组耦合到等离子体的磁通量的数量。
在每个绕组的第二个接线端和地之间连接的第二个电容的值设置了电压和电流极限值(即最大和最小)的定位，这是在Holland以及其它人的美国专利5,759,280中揭示的，与本发明一起提出来的。控制每个绕组的第二个电容值可以控制由线圈产生的到等离子体的磁通量分布和投射到工件的等离子流，因为该电容值确定了每个绕组中射频驻波电流和电压的最大值的位置。第一个电容值确定了电流和电压驻波在每个绕组中的最大幅度。将第一个电容值也调整到能帮助保持射频电源和它所驱动的负载之间的良好状态，该负载主要是线圈和耦合到线圈的等离子负载。调整每个绕组中驻波电流的最大幅度和位置可以控制等离子室的不同径向和角向等离子浓度。
在某些情形下，需要在改变线圈的其余绕组的电流时而保持其中一个绕组中的电流相对恒定。射频电流产生磁场，在自由空间中随时间变化的磁场产生感应电场，该电场又产生等离子体并感应一等离子“映像”电流，它是驱动射频电流的镜像。通过保持其中一个绕组中的电流相对恒定，由该绕组产生的并提供给等离子室中等离子的电场保持相对恒定，而不论由线圈中的其它绕组产生的并提供给等离子体的电场怎样变化。保持中一个绕组产生的电场相对恒定，而改变其它绕组产生的并提供给等离子体的电场，能提供对投射到工件的等离子浓度的实际控制。这种控制尤其当与用不同处理方法工作的处理室相连时很有利，不用打开真空室就能完成工作。这种室在不同的状态下在不同时间工作。不同的状态的例子是不同的处理气体、不同的压力和不同的工件。
考虑一个线圈，它有第一个和第二个并联、同轴的绕组，分别靠近(1)室的边缘和(2)室的轴。第一个和第二个绕组分别将环形电场耦合到室的外围部分(靠近室壁)和室的中心。在某些情形下，需要时时保持外层绕组电流基本恒定，而使内层电流不同。这使得外层绕组在室的外围部分产生基本恒定的电场，而内层绕组在室的中央区域产生不同的电场。这种结果是通过同时调整每个绕组的总的阻抗和总的功率而获得的，因为这些绕组很紧密地耦合到两个绕组。由于这些绕组很紧密地耦合，所以每个绕组中总阻抗的改变使得这些绕组之间的除了功率分流变化之外，电流分流也产生变化。当任一绕组中的阻抗改变时，每个绕组中的电流改变。所以，为了维持一个绕组中电流恒定，该绕组中的电流可以通过改变总的功率而得到补偿。在室的外围部分保持恒定电场的能力使得产生一个附加的处理控制按钮，以保持恒定的功率在那个区域的覆盖并进一步保持工件外围部分上恒定的处理结果(例如蚀刻率或沉积率)。这种处理控制对补偿由于处理状态而引起的变化尤其有用。在其它情形下，特别是对其它压力，如以上讨论的，需要在室的外围部分的电场幅度改变时，时时地保持室中央的电场基本上恒定。这个处理控制能力对室壁的等离子损失的补偿和电耦合到室壁的接地部分特别有用。
因此，本发明的一个目标是提供一新的和改进的真空等离子处理器和处理的方法，其中投射到工件上的等离子浓度可以随意控制。
本发明的另一个目标是提供一新的和改进的真空等离子处理器和处理的方法，其中投射到工件上的等离子浓度有相对较高的均匀性。
本发明的另一个目标是提供一新的和改进的真空等离子处理器和处理的方法，其中投射到工件上的等离子浓度有相对较高的角向均匀性。
本发明的进一步的目标是提供一新的和改进的真空等离子处理器，它包括具有多个并联绕组的一个线圈，由一个射频电源经过一个匹配网络驱动，并已改进了对线圈产生的并且耦合到室中等离子体的电场和磁场的控制。
发明摘要
根据本发明的一个方面，对由等离子激励线圈耦合到用来处理工件的真空等离子处理器的等离子体的电磁场的分布有改进的控制方法和装置，其中线圈包括多个并联绕组，用来将感应电场耦合到室中的等离子体。在该方法和装置中，(a)控制施加在多个绕组的射频功率的总量，使得对多个绕组施加不同分布的电磁场、不同数量的总的射频功率和(b)控制施加到多个绕组的射频电流的数量，使得对电磁场的不同的分布，把不同量的射频电流施加到各个绕组上。
在较佳实现例中，排列绕组，使得(a)其中一个绕组是位于外层的绕组，这样一来它产生的电磁场接近室的外围壁，(b)线圈的其余绕组产生的电磁场离开室的外围壁是很远的。控制加到外层绕组的射频电流，这样在一种排列中，外层绕组产生的电磁场超过了线圈的其余绕组产生的电磁场。在第二种排列中，由外层绕组产生的电磁场小于线圈的其余绕组产生的电磁场。在另一个排列中，会在工件上产生非常近于均匀的等离子浓度，加到外层绕组和线圈的其余绕组的射频电流是有点相等的。
通过控制电流，对不同的电磁场分布，耦合到其中一个绕组的射频功率基本上保持恒定，而对这不同的分布，耦合到另一个绕组的射频功率改变了。功率保持和功率改变的操作最好通过控制与个别绕组和加到线圈的总功率有关的阻抗值来实现。在一个实现例中，多个绕组的每个包括第一个和第二个接线端，第一个接线端经过第一串联电容器连接到由射频功率源驱动的匹配网络的输出端，第二个接线端经过第二串联电容器连接到匹配网络的公共接地端。阻抗值是通过控制与每个绕组相关的至少一个电容的电容量来控制的。
在一个实现例中，射频源有一个频率，绕组有长度，使得沿着各别的绕组长度有显著的驻波电流变化。在这样一种构造中，调整与每个绕组有关的至少一个电容器的值，使得临近的几个绕组有驻波电流最大值彼此径向反相。
在本发明的另一个方面，射频源有一个频率，绕组有长度，使得沿着各别的绕组长度没有显著的驻波电流变化。在这样一种构造中，仅有一个电容需要与每个绕组有关，调整它的电容值以控制绕组中流动的电流幅度。
本发明的更进一步的方面包括将线圈的外层绕组相对于线圈的其余绕组定位，使得在工件上获得显著均匀的等离子浓度。特别是，绕着线圈的轴相对于线圈的其余部分转动外层绕组，线圈的其余部分基本上是同轴的、位于外层绕组的内部。
考虑到以下几个特殊实现例的详细描述，特别是与附图联系起来，本发明的上述和进一步的目标、特征和优势是显而易见的。
附图简述
图1使用与本发明有联系的类型的真空等离子处理器的示意图；
图2是包括在图1的处理器中的一个线圈的电示意图，包括射频源、匹配网络、驱动线圈和控制(1)连接到线圈的可变电容的电容值和(2)供给线圈的总功率的电控制电路；
图3包括计算得到的图2中举例的线圈的绕组中在1 3.56MHz和4.0MHz激励下驻波电流的幅度；
图4是匹配网络的电路图，该匹配网络具有驱动图2中线圈的电流传感器。
图5是使用图1、2和4的装置得到的溅射率等值图。
附图详述
图1的真空等离子工件处理器包括真空室10，形状为圆柱体、有接地金属墙12，金属底盘14，包括从中央到边缘都有相同厚度的绝缘窗结构19的圆形顶盘构造18。真空室10的密封是用传统的密封垫(未显示)提供的。图1的处理器可以用来腐蚀半导体、电介质或金属基质或在这种基质上沉积物质，
可以激励到等离子状态的合适的气体从一气源(未显示)经过侧壁12内的端口20提供到室10的内部，并通过气体分配装置(未显示)进一步均匀地分布。室的内部通过连接到底盘14中的端口22的真空泵(未显示)保持在压力可在1-1000毫乇范围内变化的真空状态。
室10中的气体通过合适的电源激励到等离子体，该等离子体具有可以控制的空间浓度。电源包括平面或球形或圆顶样的线圈24，安装在紧靠窗  19的上方，并由可变功率射频发生器26激励，典型的是它有13.56MHz的固定频率。
阻抗匹配网络28，连接在射频发生器26的输出端和线圈24的激励端之间，将来自发生器的射频功率耦合到线圈。阻抗匹配网络28包括可变电抗，控制器29以已知的方式根据由探测器43所检测到的，反射到匹配网络输入端的电压幅度和相位角读数作出变化。控制器29改变网络28的电抗值，以获得源26和一包括线圈24和线圈所驱动的等离子负载之间的阻抗匹配。
控制器29对输入装置41作出反应以控制耦合到线圈24的可变电抗。输入装置41也可以是手动装置，例如，对工件32的不同处理方式下是电位器或键盘的按键，或者对储存在计算机存储器中的信号作出反应的微处理器。处理方式的变化包括(1)各种气体从端口20流入室10，(2)由连接到端口22的真空泵控制的室10中压力，(3)射频源26总的输出功率，基本上等于提供给线圈24的功率，和(4)连接到线圈24的电容值。
工件32在室10中固定地安装到工件支持物(即工作台或夹盘)30的表面；工件32的支持物30的表面与窗口19的表面平行。通常由直流电源(未示出)加到支持物30的夹头电极(未示出)的直流电压将工件32用静电箝到支持物30的表面。射频电源45将射频电磁波供给阻抗匹配网络47，它包括可变电抗(未示出)。匹配网络47将源45的输出耦合到支持物30。控制器29对信号作出反应，幅度和相位检测器49控制匹配网络47的可变电抗，使得将源45的阻抗与支持物30的电极(未示出)的阻抗相匹配。耦合到支持物30的电极的负载主要是室10中的等离子体。正如大家所知道的，射频电源45将施加到支持物30的电极上的射频电源45，与等离子的带电颗粒相互作用，以使在工件32上产生直流偏压。
围绕线圈24并延伸在顶端盘18上方的是一个金属管或者罐头样的屏蔽罩34，它内径稍微大于壁12的内径。屏蔽罩34将线圈24中产生的电磁场与周围的环境隔绝。圆柱形的室10的直径规定了线圈24产生的电磁场的边界。绝缘窗口结构19的直径大于室10的直径的程度是室10的整个上表面由绝缘窗口结构19组成。
选择工件32的受处理表面和绝缘窗口结构19底面之间的距离，使得在工件的暴露和受处理的表面上提供有最均匀的等离子磁通量。对本发明的较佳实现例中，工件受处理表面和绝缘窗口结构底部之间的距离大约是室10的直径的约0.2到0.4倍。
线圈24包括多个并绕的绕组，其中每一个在源26为13.56MHz频率时，在电学上来说，能作为传输线起作用已是足够长的，总的电长度为约30到45°时沿着绕组长度能产生驻波图形。驻波图形结果会使得沿着绕组的长度，驻波射频电压和电流值产生变化。由绕组所产生的磁通量与这些射频电流的值的依赖关系会产生不同的等离子浓度，这不同的等离子浓度正由在线圈24不同绕组之下室10的不同部分产生。
在线圈不同绕组里流的射频电流值的变化在空间上平均，以帮助控制等离子体的空间分布。在线圈不同绕组里的这些不同的电流值在空间上均分可以实际上防止等离子浓度的角向非对称，尤其是在绕组中射频电流很低的区域中。还有一种替代办法，发生器26的频率是4.0MHz，在这种情况下，线圈24的绕组是电短路，约10°到15°，使得绕组中的驻波电流和电压大体上恒定。
控制器29包括微处理器33(图2)，对以下作出响应(1)输入控制41，(2)检测器31产生的电压幅度和相位角信号，和(3)存储器系统35，它除了储存用来控制连接到线圈24的可变电容值和射频发生器26的输出功率的信号外还储存控制微处理器33的程序。在存储系统35所存储的程序中有关于将网络28和47匹配的可变电抗的值的控制程序。当处理器制造或安装时，也可以预置电源26的输出功率和连接到线圈24的电容值，尤其是如果处理器是专门用作单一的处理方法时。
如图2所示，线圈24包括两个并联的绕组40和42，这两个基本上与中央线圈轴44是同轴的，并包括多个螺旋样的匝圈，相对于轴44的径向和环形方向延伸。内绕组40整个位于外绕组42内，使得绕组42完全包围了绕组40。绕组40包括内接线端46和外接线端48，而绕组42包括外部接线端50和内部接线端52。
内部绕组40包括三个同轴匝54、56和58，除了有两个直线段60和62之外。还有不同的半径。匝圈54、56和58的每一个是在轴44上为中心的片段，有大约340°的角度延伸。匝圈54和56的相邻端互相通过直的一段60连接，而直线段62与匝圈56和58的相邻端互相连接。直线段60和62沿着基本上平行的路径径向和环形方向延伸。
外层绕组42包括两个同轴匝圈64和66，除了具有直线段68之外。还有不同的半径匝圈64和66每个都是圆周的片段，位于轴44的中心并有约340°的角度延伸。直片段68径向和环形方向延伸以互相连接匝圈64和66的相邻端。
绕组40的匝圈54、56和58和部段60和62的长度之和大约等于绕组42的匝圈64、66和部段68的长度之和。因为绕组40和42有基本上相同的长度，所以，与发生器26施加给它们的频率无关，沿着它们的长度方向有基本上相同的驻波电压和电流变化。
线圈24的绕组40和42由单一固定频率射频发生器26产生的射频电流并联驱动，该发生器有可以控制的可变输出功率。如下所述，在发生器26的低频(例如4.0MHz)或高频(例如13.56MHz)时，在绕组40和42中的每一个都有单一的电流最大值。在高频时，电流最大值是在每个绕组的接线端之间大约一半的位置处。发生器26对绕组40和42的射频激励产生的结果是电流最大值发生在绕组40和42相对于轴44的径向相反点，以给环行状电场提供近似的方位角对称。
绕组40和42分别在单独的并联电路分支81和83中。分支81包括串联连接的绕组40和可变电容80和84，而分支83包括包括串联连接的绕组42和可变电容82和86。线圈24的绕组40和42的匝数的排列是使得由匹配网络28的输出端功率并联驱动的输入端46和50，位于线圈轴44的相反端，这样电流以相同方向从接线端46和50流入绕组40和42的其余部分。接线端46在线圈24的最小半径第54匝，接线端58在最大半径匝圈66。接线端46和50分别由串联可变电容80和82连接至匹配网络28的输出端。
线圈24的输出端48和52，相对于轴44沿直径方向互相相反，经过串联可变电容84和86连接到接地公共端。
对源26的高频输出，电容84和86的值的设置使得绕组40和42中的驻波电流在绕组40的输入和输出端46和48处和绕组42的接线端50和52处有最小的幅度，而驻波电压是最大值。绕组40和42的驻波电流在绕组40和42的径向相反点有最大值，驻波电压是最小值，该结果是通过调整电容84和86的值而获得的。驻波电流最大值可以通过监视驻波电压而定位。电流最大值发生在电压是最小值的地方(接近为零伏)。将绕组40和42的驻波电流最大值定位为彼此径向相反能帮助提供方位角对称的等离子浓度。
电容80和82的值帮助将绕组40和42中的每一个绕组的阻抗调整到匹配网络28。绕组40和42中的驻波电流的最大幅度分别由电容80和82的值来控制。绕组40和42的物理构造和接线端46、48、50和52的位置影响绕组40和42中最大驻波电流的位置。
不仅要控制发生器26的总输出功率，即发生器26并联加到绕组40和42的功率，而且要恰当地控制电容80、82、84和86的值使得绕组40或42中的一个的电流基本上保持恒定，而其它绕组中的电流变化。绕组40和42中的一个电流基本上保持恒定而改变总功率的能力，基本上能对绕组的激励产生的电磁场分布予以控制。通过保持40和42中的一个绕组的电流基本上恒定，使得该绕组产生的提供给室10中的等离子体的电磁场保持相对稳定。改变40或42中另一个绕组的电流使得该绕组提供给室10中的等离子体的电磁场变化。如上所述，不同的工件处理方法需要绕组40存放的电磁功率保持基本上恒定而耦合到等离子体的绕组42的功率变化。对其它的处理方法，需要进行功率分配，绕组42提供给室10中的等离子体的功率保持恒定，而分支40提供给室10中的等离子体的功率变化。
电容80、82、84和86的值及发生器26的输出功率在不同的处理方法下由对这些部件手动调节来控制，或者根据由微处理器33读出存储在存储系统35中的信号来对输入控制器41的方法信号作出响应予以自动调整。也可以这样，如果某一线圈总是与以相同方法工作的处理器一起工作，电容80、82、84和86的值及发生器26的输出功率可以在处理器制造时或在处理器安装时在工厂设置。
假设40和42中每个绕组典型的有6欧姆电阻，使得绕组42中RMS(均方根)电流基本上恒定而绕组40中的RMS电流通过调整发生器26的输出功率而变化而分支81和83的总电抗(X1)和(X2)应与表I一致。
                                 表I(R1＝R2＝6Ω)
    ↓情形   Ptot(W)   X1(Ω)   X2(Ω)   I1(A)   I2(A)
  a)40和42中电流相等   1000   40   40   9.13   9.13
  b)40和42中较大电流   1570   20   30   13.36   9.12
  c)40和42中较小电流   850   60   50   7.63   9.14
类似地，如果需要内部绕组40中电流基本上恒定而外层绕组42中的电流可变，则按照表II调整分支81(X1)和分支82(X2)的电抗和发生器26的输出功率。
                                  表II(R1＝R2＝6Ω)
    ↓情形   Ptot(W)   X1(Ω)   X2(Ω)     I1(A)     I2(A)
    a)40和42中电流相等   1000     40     40     9.13     9.13
    b)40和42中较大电流   1570     30     20     9.12     13.36
    c)40和42中较小电流   850     50     60     9.14     7.63
通过改变电容80、82、84和86的值及源26的功率，能获得对投射到工件上在方位角和径向坐标这两个方向上等离子浓度的控制。
以下对分支81和83的分析能让我们对推算与分支有关的阻抗的恰当值有深入的定量的了解。
假设分支81的电流和阻抗分别为I1和Z1，分支83分别为I2和Z2。由于每个分支由输入电容、一个绕组、和输出电容串联组成，所以对分支81或分支83的阻抗Z1或Z2是输入(C1或C2)和输出(C3或C4)电容和绕组(L1或L2)所有阻抗的总和。这样Z1＝R1+j[ωL1-1/(ωC1)-1/(ωC3)]＝R1+jX1，其中R1和X1＝ωL1-1/(ωC1)-1/(ωC3)分别代表阻抗Z1的实数(电阻)和虚数(电抗)部分。同样，Z2＝R2+jX2其中R2和X2＝ωL2-1/(ωC2)-1/(ωC4)分别代表阻抗Z2的电阻和电抗部分。V是在两个分支的射频电压；I是供给分支81和83的总电流；Ptot是两个分支中的消耗总功率，即源26的输出功率；Z是两个分支的总阻抗。由于分支81和83并联，
z = z 1 z 2 z 1 + z 2 = ( R 1 + j X 1 ) ( R 2 + j X 2 ) ( R 1 + R 2 ) + j ( X 1 + X 2 ) - - ( 1 )
等式(1)给出的阻抗可以重写为z＝|z|ej＝R+jX，其中R是线圈24总的实数分量，即绕组40和42互相并联并可从等式(1)中获得：
R = ( R 1 + R 2 ) ( R 1 R 2 - X 1 X 2 ) + ( X 1 + X 2 ) ( R 1 X 2 + R 2 X 1 ) ( R 1 + R 2 ) 2 + ( X 1 + X 2 ) 2 - - ( 2 )
= R 1 ( R 2 2 + X 2 2 ) + R 2 ( R 1 2 + X 1 2 ) ( R 1 + R 2 ) 2 + ( X 1 + X 2 ) 2 - - ( 2 a )
从等式2(a)，R对R1和R2的变化比对X1和X2的变化更灵敏。这样Ptot由公式(3)给出。
Figure A0280935300164
其中V0和I0分别是匹配网络28加到线圈24的电压和电流的峰值幅度，Irms是匹配网络28加到线圈24的均方根电流，Φ是匹配网络28加到线圈24电压和电流之间的相位差，因为V/I＝z＝|z|ej。另外
V 0 = I 0 | z | and I rms = I 0 / 2
分支81的电流I1可以从等式(1)和(3)中计算出，
I 1 = V z 1 = Iz z 1 = z 2 z 1 + z 2 I - - ( 4 )
I1的RMS值可以将等式(2)和(3)代入(4)而得到。
I 1 ( rms ) = | z 2 z 1 + z 2 | I rms = R 2 2 + X 2 2 ( R 1 + R 2 ) 2 + ( X 1 + X 2 ) 2 · P tot R - - ( 5 )
类似地
I 2 ( rms ) = | z 1 z 1 + z 2 | I rms = R 1 2 + X 1 2 ( R 1 + R 2 ) 2 + ( X 1 + X 2 ) 2 · P tot R - - ( 6 )
等式(5)和(6)清楚地显示分路81和83、绕组40和42是耦合的。对源26给定的恒定总功率P，当X1增加(通过降低分路81中输入电容80的值)，I1降低，而I2增加。由于当X1或X2变化时，R(从等式2(a))的改变非常小，此处讨论时，R可以近似作为恒定值。
为简化起见，假设射频源26的频率是13.56MHz，分路40和42的每一路的电长度是在13.56MHz时为77°，适当调整电容80、82、84和86的值，这样在绕组40和42中有相等的电流。这种情况下，沿着40和42的每个绕组的驻波电流幅度在图3中由曲线90画出。曲线90在40和42的每个绕组输入和输出端之间有类似正弦的变化。曲线90在曲线的中点即38°处有大约14.5安培RMS的峰值，在绕组40和42的输入和输出端有大约10.7安培的最小相等值。这样，40和42的每个绕组中最大驻波电流超过最小驻波电流约3.8安培RMS即约为21％。
在13.56MHz频率处按图2排列来工作所产生的一个问题是电容80、82、84和86将必须同时调整或以反复的方式来保持绕组40和42产生的电磁场分布所需的关系。例如，为了保持工件上的方位对称浓度，需要每个线圈中最大电流在相对于轴44径向上互相相反的位置上。这要通过调整连接在绕组40和42的输出端和接地之间的电容84和86的值来获得。调整电容84和86的值将需要调整80和82的电容以提供所需的常驻电流值来获得表I和II中标明的值。不过，由此电流驻波图样的最大值相对于线圈轴44再也不是径向相反，调整电容80和82的值将使得绕组40和42中电流驻波图样进一步漂移。如果电流驻波最大值以此种方式漂移，进一步调整电容84和86的值将是必要的。
为了克服这个问题，我们注意到，如果沿着绕组40和42的电流变化基本上可以减少，这样驻波电流在绕组40和42的最大值的位置要求不是严格的，即最大值不是必须在线圈轴44的径向相反边，只要有一个可变电容需要连接到40和42中的每个绕组上。换句话说，可以避免同时或反复调整所有四个电容80、82、84和86。
所以，本发明的实现例包括降低射频源26的频率，这样绕组40和42的传输线效应基本上降低了。如果40和42的每个绕组的电长度大约少于约45°，驻波电流的最大和最小值的百分比有足够的降低，使得仅仅只要一个可变电容84和86分别串联连接在绕组40和42之间，就可以避免把任何电容连接在每个绕组输入端和匹配网络28的功率输出端之间的需要。
如上所述，在一个较佳实现例中，射频源26的频率从13.56MHz降低到4.0MHz，绕组40和42的电长度降低到原来的3.4分之一。图3中曲线92代表电容器84和86正如此调整到与绕组40和42中的驻波电流相等。在13.56MHz(曲线90中示出)处分析的相同的物理绕组在4.0MHz(曲线92中示出)处重新分析。40和42的每一个分路的电长度变为22.6°(即77°/3.4)。曲线92在绕组40和42的输入端和输出端有约25.7安培RMS的驻波电流最小值，在绕组的中央处有约26安培RMS的最大驻波电流。尽管对曲线92的短的传输线情况下绕组40和42中电流比曲线90的长传输线情况下电流要显著地大，但源24的输出功率是相同的，两种情况下都是2400瓦。对图3范例中相等的电流曲线90和92，电容84和86的电容值互相相等，对源26的13.56MHz频率有137皮法拉(pF)值，而对源26的4.0MHz激励，电容84和86的电容值为1808皮法拉(pF)。
曲线92的最大值和最大驻波电流之间的百分比改变大约为2％，和曲线90的2 1％改变形成对比。因为激励源26的相对低的频率会在绕组40和42的最小值和最大驻波电流产生相对较小的改变，所以，40和42的每个绕组产生比较均匀方位角的电场至室10中的等离子体。结果，包括电容器80和82用来调整绕组40和42中最大驻波电流的位置的需要不存在了。表I和II分别提供低频激励来调整电容器84和86的电容值所需要的信息及提供射频电源26的输出功率来获得线圈40和42中的恒定电流所需要的信息。
对源26的4.0MHz激励功率，绕组40和42中最大驻波电流的比(I1/I2)可以连续地从20∶1变到1∶1，然后从1∶1变到1∶10，通过调整电容器84的值，而保持电容器86的值恒定，然后通过调整电容器86的值，而保持电容器84的值恒定，其中I1是绕组40中最大驻波电流，而I2是绕组42中最大驻波电流。当电容84和86的值改变时，改变源26的输出功率来得到如表I和II中相同的效果。
为了控制电容80、82、84和86的值，根据微处理器33的输出信号，每个电容由不同的直流马达87中的一个驱动。马达87中的每一个对微处理器33的不同输出信号作出响应。微处理器33提供给马达87的信号具有与某个量相当的值，它是马达输出轴的要被转换来获得所需要的电容80、82、84和86的电容值的量。匹配网络28包括可变电抗(较佳的是电容，图4)，由马达88驱动。微处理器33对来自储存在存储器系统35和检测器43中的程序的信号作出响应，马达88对不同的信号作出响应。检测器43产生信号，代表(1)匹配网络28反射到发生器26的电压幅度和(2)该反射电压和电流之间的相位差。微处理器33将合适的直流信号提供给发生器26来控制发生器输出功率。微处理器33不仅对对信号在分路81和83的输出端48和52处的驻波电流表示出来的信号作出响应，对用来并联加到分路81和83的电压、来自射频电源26和匹配网络28的一些表示出来的信号作出响应，如结合图4中描述的电路所得到的。
现在参考图纸中的图4，是与线圈24的4.0MHz驱动相关的电路的较佳实现例。射频电源26经过相位和幅度检测器43和固定的串联电容器100来驱动匹配电路28，较佳的是有2000pF电容。匹配网络28包括可变旁路电容102和可变串联电容104，它的电容值由马达88改变。
匹配电路28的输出功率经过串联的电感106、射频电压检测器108和相位检测器109并联耦合到分路81和83。射频电压检测器108产生直流电压，表示在分路81和83的共同输入端的射频电压峰值幅度，相位检测器109产生直流电压，表示在分路81和83的共同输入端的射频电压和电流之间的相位差。检测器108和109的输出电压反馈到微处理器33，它再控制马达87和发生器26的输出功率以获得先前讨论的结果。流经支路81和83的电流分别经过可变电容84和86耦合到地。
支路81和83输出端的驻波电流的幅度分别被电流幅度传感器110和112所检测，并分别感应耦合到连接在电容器84和86的低压电极和接地之间的接线头111和113。110和112中每一个电流传感器有电流转换器，该转换器有螺旋管形线圈109，该线圈中央有开口，通过此口接线头111和113延伸来提供感应耦合。电流传感器110和112都包括一个整流器和低通滤波器，用来给微处理器33提供表示分别流经端口48和52电流的直流电流。
接地电磁屏蔽器114和116分别穿插在电流传感器110和112以及电容84和86之间，把来自其余仪器的射频场电磁干扰减为最小，尤其是来自40和42绕组的。屏蔽器114和116由环形金属盘119和屏蔽器121组成。屏蔽器119有开口可以让接线头111或113穿过。屏蔽器121是金属圆柱体，水平装入传感器110或112和接线头111或113。与屏蔽器119和盘115一起，垂直夹住传感器，传感器110和112以及接线头111或113。与垂直地把传感器夹在中间的屏蔽器119和盘115一起，把传感器110和112以及接线头111或113完全屏蔽了周围的射频场，所以极大地提高了电流传感器的精确度。屏蔽119和121较佳的是用镀银铜来制作。屏蔽121在机械上和电学上仅仅与盘115相连。在绕组40和42的输出端的所有电压是加在电容84和86之间，所以连接到接线头111和113的电容的末端的盘142是虚拟接地的。屏蔽器114和116以及电流检测器110和112与检测器43和电容100、102和104、线圈106和检测器108和109一起排列在金属罩壳117中。电流传感器110和112和屏蔽器114和116的详细细节在我们待审批的申请，题为“包括电流传感器用作等离子激励线圈的感应等离子处理器”(Lowe Hauptman Gilman和BernerDocket编号2328-051)中予以描述。
每个电容84、86、100、102和104是真空电容器，能处理从射频电源26到绕组40和42的相对较大的电流。因为在4MHz处40和42的每个绕组的电长度相对较短，对电容84和86来说需要相对大的电容值，电容典型的最大值为2500pF。旁路负载电容102有相对较大的最大值1400 pF以匹配并联分路81和83的低阻抗。串联电容104是相对大的电容，有1500pF的最大值来调整并联分路81和83的低感应电抗。
固定的输入串联电容100，较佳的是有200pF的值，能提供在源26和线圈24的并联绕组40和42之间的部分阻抗转换。还包括电容100使能旁路、负载电容102有更合理的值；否则，电容102将会有比电容具有1400pF最大值相关的值高得多的电容值。固定的电容100也具有更好的调谐分辨率，以获得匹配电路28与线圈24的并联绕组40和42的更佳的谐振调谐。
固定的感应器106，较佳的是有3.5微亨利的相对大的值，在匹配网络28的调协范围内延伸。感应器110在罩壳117的外面可选择连接到内部绕组40，可以用来提供与绕组40和42有关的与并联分路81和83基本上相等的阻抗。如果绕组42的感应系数大于绕组40的感应系数，则使用感应器110。
电压检测器108和电流传感器110和112提供信号给微处理器33。微处理器33对来自电压检测器108、电流传感器110和112和相位指示检测器109的信号作出响应，并产生总的输出功率射频电源26。总功率的指示是用来控制射频发生器26的输出功率，以获得表I和II中标出的功率。微处理器33使用由电流传感器产生的信号来控制诸马达，这些马达改变电容器84和86的电容以确保正确的电流在线绕组40和42中流过而获得在表I和II所规定的电流。
图5是在均匀覆盖氧化层的8英寸半导体圆片上的溅射的等值线图表。该图表是由使用图2所示的绕组40和42的感应放电而引起的。绕组40和42由发生器26在4MHz的频率处的1500瓦输出所驱动。夹具30中的电极由电源45在4MHz的频率处的1400瓦输出所驱动，在氩的85sccm(cm3/minute)和02的100sccm总压强为5mTorr的化学环境下产生-375V直流偏压。电容80和82省略，调整电容84和86，这样内层绕组40(I1)与外层绕组42(I2)中的驻波最大电流之比固定在I1/I2＝1.4∶1.9。在内层绕组和外层绕组中消耗的功率大体上平衡。溅射率的等值线图表指示了均匀的等离子浓度。线170表示的空间平均溅射率是1211埃/分钟和标准的偏差是3.2％。图5中的“+”符号表示溅射率高于平均值，而“-”符号表示溅射率低于平均值。产生图5的等值线图表的设备能为蚀刻的材料每50埃产生等值线图表。由于在图5中只有一条等值线，蚀刻是在平均等值线170的±50埃范围内。通过改变内外层绕组40和42的电流比(I1/I2)使它高于1、大约为1和小于1，投射到工件上的等离子浓度是从中央的浓厚，到均匀一致，和到外层边缘浓厚径向地改变的。
当处理器正在制造时，相对于外层绕组42调整内层绕组40，以帮助控制方位角电场分布和方位角等离子浓度分布。绕轴44调整绕组40，使得接线端46和48相对于接线端50和52位于不同的位置。换句话说，接线端46和48的位置可以与图2中示出的位置不同。如果相同型号的处理器有一致的径向电场和等离子浓度分布，则可把绕组40调整到一预定的位置。不过，如果相同型号的不同处理器个个都有不同的径向电场和等离子浓度分布，则按绕组42调整绕组40直到测试表明在每个特定的处理器中获得了最佳的均匀等离子分布。
当描述和图解了本发明的特殊实现例时，很显然对实现例的细节作特殊的图示和描述并不偏离附属的权利要求书中规定的本发明的真正意义和发明范围。例如，本发明的许多原理并不限于有两个同轴绕组的线圈，而是也适用有三个或几个绕组的线圈。

Claims (20)

1.一种控制电磁场分布的方法，该电磁场是激励线圈为激励用以处理一工件真空等离子处理器中的等离子体而产生的，该线圈包括多个并联绕组，用来将电磁场耦合到室中的等离子体，其特征在于，该方法包括控制(a)施加到多个绕组的功率的总量，这样对不同的电磁场分布，有不同数量的总功率施加到多个绕组，和(b)施加到个别的多个绕组的电流的数量，这样对不同的电磁场分布，将不同数量的电流加到个别的绕组；
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，绕组是这样排列的这样(a)绕组中的一个是如此放置的外层绕组，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，和(b)由线圈的其余绕组产生的电磁场离开室的外围壁很远，并控制加到外层绕组的电流，这样，由外层绕组产生的电磁场超过由线圈的其余绕组产生的电磁场。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，绕组是这样排列的这样(a)绕组中的一个是如此放置的外层绕组，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，和(b)由线圈的其余绕组产生的电磁场离开室的外围壁很远，并控制加到外层绕组的电流，这样，由外层绕组产生的电磁场小于由线圈的其余绕组产生的电磁场。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，绕组是这样排列的这样(a)绕组中的一个是如此放置的外层绕组，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，和(b)由线圈的其余绕组产生的电磁场离开室的外围壁很远，并控制加到外层绕组的电流，这样，由外层绕组产生的电磁场与由线圈的其余绕组产生的电磁场大致相同；
5.如权利要求1-4所述的方法，其特征在于，每个绕组包括第一个和第二个接线端，第一个接线端经过第一个串联电容连接到由功率源驱动的匹配网络的输出端，第二个接线端经过第二个串联电容连接到接地端，控制个别的绕组的电流的步骤是由控制至少一个电容的值来进行的，该电容值与每个个别的绕组和几个绕组中的总功率有关；
6.如权利要求1-5所述的方法，其特征在于，还包括对不同的分布保持耦合到绕组中的一个的功率基本上恒定，和对该不同的分布改变耦合到绕组中的另一个的功率；
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，保持和改变的步骤通过控制阻抗的值来进行，该值与个别的绕组和加到线圈的总功率有关；
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个绕组包括第一个和第二个接线端，第一个接线端经过第一个串联电容连接到由功率源驱动的匹配网络的输出端，第二个接线端经过第二个串联电容连接到接地端，和通过控制与每个个别的绕组有关的至少一个电容的值来控制阻抗值；
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过调整与每个绕组有关的至少一个电容器的值，使得邻近的绕组有径向互相相反的驻波射频电流最大值，使得在相对高的射频频率、沿着个别的绕组的长度、由于显著的驻波电流变化而引起的效应变得最小。
10.如权利要求1-8中任一个所述的方法，其特征在于，功率是有一个频率的射频，绕组具有长度是使得沿着个别的绕组的长度方向没有显著的驻波电流变化，并且调整与每个绕组耦合的阻抗值，使得在工件上有基本上均匀的等离子浓度分布；
11.一种用来处理一工件的感应等离子处理器，其特征在于，它包括等离子激励线圈，该线圈包括多个并联的绕组，一个提供能量给多个并联绕组的电源，分别与并联绕组耦合的可变阻抗排列，用来控制从电源流到每个绕组的电流，及控制器，用来如权利要求1-10中任一个所述的方法，控制电源供给并联绕组和可变阻抗排列元件的总功率；
12.一种用来处理一工件的感应等离子处理器，其特征在于，它包括等离子激励线圈，该线圈包括多个并联绕组，一个提供能量给多个并联绕组的电源，分别与并联绕组耦合的阻抗排列，电源的功率和阻抗排列的电抗值是这样的，使得(a)绕组中的一个绕组中的驻波电流的最大幅度与线圈的其余绕组中的驻波电流的最大幅度不同(b)邻近的绕组有驻波电流的最大值是径向互相相反的；
13.如权利要求12所述的处理器，其特征在于，其中每个绕组的排列是为了将电磁场耦合到室中的等离子体，绕组中的一个是这样放置的外层绕组，这样，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，线圈的其余绕组的排列是使得由线圈的其余绕组产生的电磁场远离室的外围壁，电源提供给线圈的总功率值和电抗值是使得，由外层绕组产生的电磁场超过由线圈的其余绕组产生的电磁场；
14.如权利要求12所述的处理器，其特征在于，其中每个绕组的排列是为了将电磁场耦合到室中的等离子体，绕组中的一个是这样放置的外层绕组，这样，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，线圈的其余绕组的排列是使得由线圈的其余绕组产生的电磁场远离室的外围壁，电源提供给线圈的总功率值和电抗值是使得，由外层绕组产生的电磁场小于由线圈的其余绕组产生的电磁场；
15.如权利要求12所述的处理器，其特征在于，其中每个绕组的排列是为了将电磁场耦合到室中的等离子体，绕组中的一个是这样放置的外层绕组，这样，由它产生的电磁场是在室的外围壁的附近，线圈的其余绕组的排列是使得由线圈的其余绕组产生的电磁场远离室的外围壁，电源提供给线圈的总功率值和电抗值是使得，由外层绕组产生的电磁场与由线圈的其余绕组产生的电磁场大致相同；
16.一种用来处理一工件的感应等离子处理器，其特征在于，它包括等离子激励线圈，该线圈包括至少一个绕组，一个提供能量给至少一个绕组的电源，电源频率和至少一个绕组的长度是这样的，使得沿着至少一个绕组的长度方向没有显著的驻波电流变化；
17.如权利要求11-16所述的任一个的处理器，其特征在于，其中线圈包括多个并联绕组，具有长度的每一个是使得沿着其长度方向没有显著的驻波电流变化，并且还包括分别与并联绕组耦合的阻抗排列，与每个绕组耦合的阻抗排列，是排列成为了控制在相应绕组中驻波电流值；
18.如权利要求16所述的处理器，其特征在于，还包括与至少一个绕组耦合的阻抗排列，用来控制至少一个绕组中的电流值；
19.一种在感应等离子处理器工件上的控制等离子磁通量分布的方法，该处理器包括等离子激励线圈，它有中央轴和适用于由激励电源驱动的多个并联绕组，该多个绕组与轴同轴，使得线圈的外层绕组围绕线圈的其余绕组，其特征在于，该方法包括将外层绕组相对于线圈的其余绕组予以定位，这样投射到工件上的等离子浓度具有预定的所需要的关系；
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，定位步骤包括将外层绕组和线圈的另一绕组互相相对地绕着该轴旋转。
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