CN101088139A - 电增强等离子体约束 - Google Patents

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Abstract

一种包括具有接地壁和出口的室的真空等离子体处理器。在与壁以及出口隔开的室区域中以第一RF频率激励等离子体。一结构将等离子体约束在此区域，同时使气体能够从此区域流到出口。连接到约束结构的处于第二频率的RF电源使得该约束结构处于不同于接地点的电位，从而增加等离子体与约束结构之间的鞘层的大小，并增加约束结构的有效性。此区域包括经由与第一频率串联谐振并包括鞘层电容的电路接地的电极。

Description

电增强等离子体约束
技术领域
本发明一般涉及等离子体处理器，尤其涉及包括具有电动约束结构的受约束等离子体区。
背景技术
真空等离子体处理器被用来在通常为半导体、介电和金属衬底的工件上沉积材料或从其上蚀刻材料。将气体引入其中设置有工件的真空等离子体处理室。室压通常在0.1到1000托的范围内。响应于RF电场或电磁场，气体被引燃成RF(射频)等离子体。RF场通过通常是将RF磁场和RF静电场两者与气体耦合的电极阵列或线圈的电抗性阻抗元件来提供。该电抗性阻抗元件被连接到具有第一相对较高的RF频率和充足电源的第一RF源，从而将气体引燃成等离子体。通常，通过室的顶部将气体引入到室内，并从室的底部抽取出。通常使处于室顶部的电极与一系列导流片以及进入激励区的开口相关联，以向流入激励区的气体提供喷淋头效果。工件通常安装在室内等离子体激励区底部的电极上。在一些室中，承载工件的电极是供以第一RF频率的电抗性阻抗元件，而与承载工件的电极隔开、通常处于顶部的第二电极被连接到通常为接地的基准电位。在其它室中，顶部电极被供以第二RF频率。提供这样一种具有处于例如接地的基准电位的外金属壁以及与此金属壁隔开-即处于室内部-的等离子体约束区的室是众所周知的。
等离子体约束区包括设计成防止等离子体流出此区域、并允许不带电气体分子流出此约束区的诸如环形百叶窗的结构。不带电气体分子流过约束区外围附近的彼此相对的相邻表面之间的一个或多个间隙。不带电气体从该(这些)间隙流入室内的约束区与室壁之间的区域，流向连接到真空泵的室的出口。
在约束区间隙与等离子体之间形成鞘层(sheath)，该鞘层不包括带电粒子且其厚度由等离子体密度决定。相邻环形百叶窗对之间间隙的间隔使得鞘层具有在相邻百叶窗对之间的整个间隙上延伸的厚度。结果，带电粒子不入射在室的外壁上，以便(1)提供对约束区内和此约束区外净化室中的等离子体的更佳控制，以及(2)由于等离子体不入射在室的约束区外部分上，减少了对这些部分的损坏。
然而，众所周知，在具有约束区的典型现有技术等离子体处理器中，有时会丧失等离子体约束，即室的约束区外部与室壁之间的部分出现了等离子体。等离子体约束的丧失通常是由于：(1)等离子体通过间隙直接传输；和/或(2)在环形百叶窗-即约束环-的外部生成等离子体。原因(1)和(2)通过实际上作为RF电极的泄漏等离子体而相互关联，该RF电极带有从约束区到此约束区外部与室壁之间的室区域的间隙通过的等离子体的RF电位。假定不存在通过约束结构间隙的等离子体泄漏，则约束区外部的RF电压不足以引燃约束区外部的气体以形成等离子体。
为了构建具有所需厚度的鞘层以便完全防止具有典型现有技术约束结构时等离子体约束的丧失，相邻百叶窗对之间间隙的相对表面之间的间隔常常足够窄，使得约束区内部与室的约束区外部分之间存在相当大的气流阻抗。从而，流入和流出约束区的气体的流速常常达不到最佳。
因此，本发明的一个目的是提供具有新颖的和经改进的约束区的等离子体处理器。
本发明的另一个目的是提供操作等离子体处理器以向与室壁隔开的区域提供增强等离子体约束的新颖的和经改进的方法。
本发明的又一个目的是提供具有约束区的等离子体处理器，在不对区域内的等离子体约束产生不利影响的情况下，该约束区在其内部与室的约束区外部分之间具有较低气流阻抗-即较大的气流导电率。
本发明的另一个目的是提供操作具有约束区的等离子体处理器的新颖的和经改进的方法，其中等离子体处理器用在不对区域内的等离子体约束产生不利影响的情况下约束区的内部与室的约束区外部分之间具有较低气流阻抗-即较大的气流导电率的方式操作。
本发明的再一个目的是提供具有带至少一间隙的新颖的和经改进的约束区的等离子体处理器，其中在不对区域内的等离子体约束产生不利影响的情况下，增加了间隙的彼此相对的相邻表面之间的间隔。
本发明的又一个目的是提供操作具有带至少一间隙的约束区的等离子体处理器的新颖的和经改进的方法，其中该等离子体处理器用在不对区域内的等离子体约束产生不利影响的情况下增加间隙的彼此相对的相邻表面之间的间隔的方式操作。
发明内容
根据本发明的一个方面，真空等离子体处理器包括处理室，该处理室具有(1)处于基准电位(例如接地)的一个壁；(2)出口；(3)与此壁以及出口隔开、在其中激励等离子体的区域；以及(4)用于将等离子体约束于此区域、并具有用于使气体能从此区域流到此出口的间隙的结构。连接到约束结构的电源使得此约束结构中间隙的边界处于与基准电位不同的电位。
本发明的又一个方面涉及操作真空等离子体处理器的方法，该真空等离子体处理器具有：(1)处于基准电位的一个壁；(2)出口；(3)与此壁以及出口隔开的区域；以及(4)用于将等离子体约束于此区域，同时使气体能从此区域流到此出口的结构。该方法包括在区域中激励等离子体，并且当在区域中激励等离子体时将不同于基准电位的电位施加到约束结构。
鞘层易于在等离子体与约束结构中间隙的边界之间形成。电源和约束结构较佳地设置成与在未将电源连接到约束结构的情况下形成于等离子体与约束结构间隙之间的鞘层的大小相比，约束结构间隙内鞘层的大小增大。
电源较佳地包括AC电源，它被施加于约束结构中间隙的边界，以防止约束区域中的电荷载流子形成等离子体。
为了防止间隙中的气体通过电源电离，较佳地：(1)频率是小于约4MHz的RF频率；以及(2)彼此相对的相邻间隙表面之间的间隙中的电场小于约3伏/米。
为了有助于防止等离子体逸出约束结构，特定实施例中施加到约束结构的AC电源具有多个相，从而施加到约束结构的电压总是包括其值不同于基准电位的分量。施加到约束结构的电源较佳地包括相隔90度的两个相，或者相隔120度的三个相。
约束结构较佳地包括围绕适于激励等离子体的区域并与此区域同轴的绝缘元件。此元件较佳地承载与此区域同轴的三个或四个导体。在两相实施例中有三个导体，导体之一围绕其余导体并且连接到基准电位。其余导体相连以对电源的两个不同相作出响应。在三相实施例中有四个导体，导体之一连接到基准电位，其余三个导体各自电连接到三个相的不同相。为了在导体与等离子体之间以及导体与室内其它结构之间提供必要的电绝缘，导体承载元件由电介质制成，并且用电介质覆盖这些导体。
约束结构一般包括叠层的多个百叶窗。百叶窗各自围绕适合激励等离子体的区域并与此区域同轴。在特定实施例中，百叶窗承载连接到AC电源的环形电极，该AC电源可向百叶窗上的电极提供单个或多个相。
激励等离子体的区域包括由具有与施加到约束结构的AC频率不同的第一频率的AC电源驱动的第一电极。该第一电极将第一频率电耦合到区域中的等离子体。串联谐振电路较佳地电连接在(1)面向第一电极的第二电极与(2)处于基准电位的端子之间。第二电极与谐振电路被配置成使得约束结构与等离子体之间的鞘层的电容被包括在谐振电路中。因为谐振电路是串联型的，并且具有近似等于第一频率的谐振频率，所以此谐振电路对第一频率具有较低阻抗。这种配置有助于防止第一频率逸出约束区，以便有助于进一步防止等离子体在室壁与约束结构之间形成。
施加到约束结构的电压较佳地响应于约束结构间隙的宽度来进行控制。
本发明的又一个方面涉及真空等离子体处理器及其操作方法，其中该处理器包括处理室，此处理室具有：(1)处于基准电位的一个壁；(2)出口；(3)与此壁以及出口隔开、其中适合激励等离子体的区域；以及(4)用于将等离子体约束于此区域，同时使气体能从此区域流到此出口的结构。其中激励等离子体的该区域包括与区域中的等离子体电耦合的第一和第二电极。耦合到第一电极的电源将等离子体激励至AC频率。谐振电路电连接于第二电极与处于基准电位的端子之间。第二电极和谐振电路使得等离子体与第二电极之间的鞘层的电容被包括谐振电路中，该谐振电路的谐振频率近似地等于电源的AC频率。
附图说明
图1是包括本发明优选实施例的特性的等离子体处理器的示意性横截面示图，其中对固定结构上的多个环形电极提供多个RF相位；
图2是图1真空处理器室中的电极的一个实施例的俯视图；
图3是图1所示真空处理器室中的电极的第二实施例的俯视图；
图4是包括本发明另一个实施例的特性的等离子体处理器的示意性横截面示图，其中对第一百叶窗上的第一环形电极提供RF，并且将第二百叶窗上的第二环形电极接地；
图5是包括本发明又一个实施例的特性的等离子体处理器的示意性横截面示图，其中(1)第一百叶窗上的第一和第二环形电极分别连接到RF和接地点，并且(2)第二百叶窗上的第三和第四环形电极分别连接到RF和接地点；以及
图6是包括本发明另一个实施例的特性的等离子体处理器的示意性横截面示图，其中环形电极通过三个(即若干)百叶窗承载，并且一些电极接地而其它电极由具有不同相位的RF驱动。
具体实施方式
现在参看附图中的图1，其中等离子体处理器10被示为包括真空室12，该真空室12较佳地具有圆柱形配置使此室相对于其中心纵轴13对称。室12包括保持为RF和DC基准电位(例如接地)的高导电性圆柱形金属侧壁14、以及圆形顶板16和圆形底座18。顶板16包括在其下表面承载高导电环21的环形高导电性金属外板20。板20和环21都电连接且机械连接到壁14，从而板20和环21也处于RF和DC接地电位。顶板16也包括圆形电极22和将电极22与板20隔开并使它们电绝缘的环形电绝缘体24。板20、环21、电极22和绝缘体24都与轴13同轴。
底座18包括电连接并机械连接到壁14的环形金属外板26，从而使该板26也处于RF和DC接地电位。板26承载高导电性金属环28，该金属环凸入室12内并且机械连接和电连接到板26，从而此环也处于RF和DC接地电位。环28承载高导电性法兰29，该法兰向室12的内部径向延伸，从而此法兰平行于底板26，并且处于RF和DC接地电位。板26也承载具有与环28的内侧壁接触的外侧壁和支承法兰29下表面的上表面的管状电绝缘体30。绝缘体30的上表面也承载电绝缘环32和用于承载工件36的圆形电极34，该工件36较佳地是半导体晶片，但也可以是介电或金属衬底。环32依靠其内边缘和外边缘分别与法兰29的内边缘和电极34的外边缘邻接的法兰使得电极34与法兰29电绝缘。电极34通常被配置成连接到DC卡紧电压源(未示出)的静电卡盘，在此情况下电极34包括在通过室12内的等离子体处理工件时用于冷却工件36的装置(未示出)。环28和法兰29共面的上表面承载较佳地由石英制成的绝缘环37。环37从环32的外周边延伸到环28的外周边，并且其上表面在将工件夹紧到电极34时略低于工件36的上表面。板26、环28、法兰29、绝缘体30、环32、电极34和环37都与轴13同轴，并且具有圆形周边；当工件36适当地置于电极34上时，该工件也与轴13同轴。
来自适当源(未示出)的工艺气体通过电极22引入到等离子体激励区38，该电极包括一系列隔板和开口使工艺气体以喷淋头效果流入区域38。在等离子体激励区38，工艺气体被转换成处理工件36的等离子体。响应于分别在相对较高和较低频率下耦合到激励区的电极22和34的电场，工艺气体被转换成等离子体；在优选实施例中，高频和低频分别为约27MHz和4.0MHz。以高频向电极22提供的功率的量主要控制激励区38中等离子体的密度，而以低频向电极34提供的功率的量主要控制等离子体中的离子能量。虽然低频和高频较佳地为4.0MHz和27MHz，但是可以理解，可采用其它或者两个以上的适当频率来控制等离子体密度和离子能量，并可采用等离子体的其它参数。
与轴13同轴的等离子体激励区38通过包括百叶窗装置40的区域来与侧壁14隔开。在一个实施例中，百叶窗装置40DC和RF接地，并且包括三个垂直叠加、具有高导电性的电接地圆环41-43。接地环41-43以及环21和29较佳地由碳化硅掺杂制成，以具有2X103欧姆-厘米数量级的高导电性，并且能经受区域39中等离子体的恶劣环境。接地环41-43可由例如铝或石墨的其它具有高导电性的材料制成。接地环41-43通过金属柱46电连接并机械连接到接地金属板20。与轴13同轴并相对彼此固定定位的接地环41-43具有在环28的外周边外部的对齐外边缘，以及在环28的外周边内部的对齐内边缘。
环41-43的电接地有助于将等离子体约束在百叶窗内的区域38中。环41-43的机械关系也有助于约束等离子体，同时使得区域38中不再电离或未电离的气体通常在水平方向上流过环之间的开口。气体通过环41-43之间的间隔流入环形通道48，该通道与轴13同轴并包括由环28的外壁和壁14的内部分别限定的内壁和外壁。因此，区域38可被认为与室壁14隔开的等离子体约束区。
通道48的底部通过板26中的开口49连接到管道(未示出)，进而连接到泵(未示出)，该泵从室12的内部吸出气体并使区域38外的室内保持真空-一般压力小于50毫托，并且较佳为地约5到10毫托。区域38内的压力通常相当高-例如20到500毫托。
为了有助于向所需等离子体约束提供在区域38与室的其余部分之间-即从区域38内部到区域38外部-的不同压力和气流条件，环37和41的相对表面之间的间隔通过电动机47来改变。环37与41之间可通过耦合于电动机47与百叶窗装置40之间的常规机械机构实现的可变间隔有助于确定区域38中的气压、以及从区域38到通道48的气流速率，从而调节间隔有助于控制约束区压力、等离子体约束的程度和气流速度。电动机47通过控制器49的输出信号来驱动，进而响应于来自设定源51的流速设定信号。
等离子体激励区38以电极22和34、导电环21和29以及绝缘环24和34与百叶窗环41-43为界。激活区38中的等离子体受中性粒子的鞘层限制，该鞘层在等离子体之间形成电容。该等离子体一般可被视为电极22和34、以及限定区域38的边界的表面上的电阻性负载。跨越鞘层的DC偏压主要根据在提供给电极22和34的频率下的功率总和来控制。
DC偏压以及因此与电极34相关联的鞘层电容可通过包括用于监视电极22与等离子体之间的DC电压的DC电压探针(未示出)来有效地控制。这种DC电压探针是鞘层厚度监视器和电容控制器70的一部分，该控制器控制包括感应器76的串联谐振电路74的可变电容器72的值。电压探针也使得控制器70获得用于控制提供给电极34的功率的信号，从而在等离子体激励区内的所有表面上保持相对较高的DC偏压。
电路50和52分别向电极22和34提供约27MHz和4.0MHz的激励。电路50包括27MHz电源54，该电源具有足以使电极22通电的功率，以便将区域38中的气体激励至等离子体状态并向等离子体提供所需密度。电路52包括4.0MHz电源60，该电源具有足以使电极34通电的功率，以便在电极34上建立相当的DC偏压，并在激励区38的等离子体中建立所需离子能量。
RF源54和60分别驱动包括电抗(未示出)的匹配网络56和62，这些电抗在(1)源54的输出阻抗和其驱动的负载-包括电极22与区域38中的等离子体-之间、以及(2)源60的输出阻抗与其驱动的负载-包括电极34与区域36中的等离子体-之间提供阻抗匹配。网络56和62可包括可变电抗，这些电抗可加以控制以实现匹配电抗或固定电抗，在这种情况下控制源54和60的频率以实现匹配。
鞘层厚度监视器和电容控制器70响应由电极22上或与其相邻的DC偏压监视探针获得的电压。控制器70将由探针获得的DC电压转换成表示由探针监视的鞘层电容的信号。响应于表示所监视鞘层电容的信号，控制器70获得表示电容器72的值中对在4MHz源60的频率上实现串联谐振所需的电容变化的信号。如果源60是可变频率类型，则控制器70响应于表示由源60获得的精确频率的信号(未示出)。控制器70包括诸如电动机适当的致动器，以便根据所获得的表示电容器72的值中所需的电容变化的信号来控制电容器72的值。
通过控制电容器72使得处于激励区38与接地之间的电路74实现在源60频率上的串联谐振，并且通过电极22与接地之间的电路74提供对源60频率的低阻抗。电极22与接地之间的电路74对源60频率的串联阻抗通常显著小于激励区域38与室12的壁之间对源60频率的阻抗。因此，来自源60的相当部分电流并不通过百叶窗装置40的百叶窗之间、以及百叶窗41的下表面与绝缘环37的上表面之间的气体从激励区38流到室12的壁。这使得等离子体中4MHz的能量基本上被约束在区域38中。
可以理解：通过监视电极34上或与之相邻的鞘层厚度、并连接第二串联谐振电路可获得类似结果，其中该第二串联谐振电路的谐振频率与电极34和接地之间的27MHz源54的频率相等。第二串联谐振电路可包括其值由类似于控制器70的控制器控制的可变电容器。也可以理解：串联谐振电路可通过与电路74的各个元件等价的电路元件来实现。
在不导致约束区38之外的等离子体燃烧的情况下，百叶窗41-43的相对表面之间、以及百叶窗41的下表面与环37的上表面之间的距离的显著增加可通过对这些表面之间的间隔(即间隙)施加电源来实现。具体地，施加非零且频率在400kHz与4MHz之间的RF场使得相对表面之间的距离在不用施加这种电源的情况下也能显著增加。间隙长度的增加提供了非电离气体从激励区38通过百叶窗41-43与环37的相对表面之间的间隔的大得多的流速，以及工艺气体通过电极22进入区域38的增加流速。应当相信：施加这种电场增加了百叶窗41-43的相对表面之间、以及百叶窗41的下表面与环37的上表面之间的鞘层的厚度和长度。鞘层的厚度和长度的增加看起来降低了等离子体通过表面之间的间隙逸出激励区38的趋势。
电场通过以固定方式机械连接到夹持工件36的结构的电极阵列80来获得。具体地，阵列80被定位于环37的上表面上并与其外边缘相邻，从而使其位于各个百叶窗41-43的中心与内边缘之间。电极阵列80包括多层同轴圆形电线(即导体或电极)，这些电线与轴13同轴并由适当的电介质覆盖，以防止由可能入射在电极阵列上的等离子体引起的电极污染。阵列80的引线之一接地，而其余引线通过电缆82连接到多相RF源84。电缆82包括其数量与阵列80中的电线数量相等的引线。电缆82具有包括与电缆的引线接触的第一侧，和与(1)环28的外表面、(2)板26的上方内表面以及(3)壁14的内侧的每一个接触的第二侧的绝缘体，从而电缆82中的引线紧靠环28、板26以及壁14，但与它们的接地电位电绝缘。这种配置有助于防止电缆82中的引线拾取杂散电压。
多相RF源84具有400kHz与4kHz之间的频率；源84的频率必须显著不同于源68或54的频率。在一优选实施例中，源84具有2.0MHz的频率。如果源84的频率小于400kHz，则与阵列80以及电缆82的电线相关联的容抗可能过高，从而导致电极电压超出百叶窗41-43之间、以及绝缘环37的上表面与百叶窗41之间的鞘层的电压。这种情况会导致通过百叶窗结构的气体被引燃，由此使电场的用途失效。如果源的频率超出4MHz，则遭受阵列80的接地引线的传输线效应，从而阵列80的接地引线不再被视为是一个等电位结构-即不接地。如果阵列80的接地引线不是等电位结构，则也可能引燃百叶窗41-43之间、以及绝缘环37的上表面与百叶窗41之间流过的气体。
多相RF源84的相位使得阵列80施加到环37与41-43之间间隙的电场不为零，即施加到约束结构的阵列80的电压总是具有其值不同于基准接地电位的分量。在一个实施例中，RF源84获得彼此错开90度、并被施加到阵列80的一对内部引线或电线的一对正弦波。在此实施例中，阵列80包括接地并处于由源84供电的两条引线外部的一条附加引线，并且电缆82包括连接于源84与阵列80的电线之间的三条引线。在第二实施例中，RF源84获得彼此错开120度、并被施加到阵列80的三条内部电线的三个正弦波。在此第二实施例中，阵列82包括接地并处于由源84供电的三条引线外部的第四电线，并且电缆82包括连接于源84与阵列80的电线之间的四条引线。这种三相配置赋予等离子体动量，使得动量的方向取决于瞬时施加到阵列80的电线的相位序列。
RF源84具有可变电压振幅，控制器49响应于百叶窗41的下表面与环37的上表面之间间隔的指示改变该振幅。源84电压的控制可直接响应于信号控制器49，并且响应于源51向此控制器提供的流速设定值获得。或者，可监视百叶窗41的下表面与环37的上表面之间的间隔以便控制源84的电压。随着百叶窗41的下表面与环37的上表面之间间隔的增加，源84的电压也增加，从而向环37与41-43之间的间隙提供振幅更大的电场。然而，源84的电压不能过高，因为由源的高电压产生的电场会导致在环37与41-43之间的间隙中将气体引燃成等离子体。在一个实施例中，源84可施加到阵列80的通电(即非接地)电线的最大电压和功率分别为300伏和50瓦，以防止引燃。
两相实施例在图2中被示为包括形成电极阵列80的三条同轴的电镀有铜的电线，即导体或电极91、92和93。电极91-93沉积在环37的靠近其外边缘94的上表面之上(为简化附图起见未示出环37的内边缘)。电极91-93与轴13同轴，并且分别处于百叶窗41下表面的内边缘96与外边缘98之间，这样与外边缘相比这些电极更靠近内边缘，从而提供增强等离子体约束。在一个具体实施例中，电极91、92和93的每一个都具有约3mm的径向长度，并且相邻电极对之间的径向间隙约为1.5mm。在此具体实施例中，电极91-93用绝缘体覆盖，此绝缘体是厚度为约0.5mm的Kapton(聚酰亚胺薄膜)型。
外部电极91被连接到电缆82的接地引线100，同时内部电极92和93分别连接到电缆82的引线101和102。环37包括在围绕电极91-93周边的相同角位置上的电镀通孔(未示出)。这些电镀通孔被连接到引线100-102。
引线100和102被连接到向内部电极92和93提供其相位彼此错开90度的两个RF正弦波电压的多相RF源84。在此具体实施例中，RF源84包括驱动常规设计分相器106的2MHz发生器104。分相器106响应2MHz发生器104的输出以向引线101和102提供其相位彼此错开90度并且处于发生器104的频率下的相等振幅电压。分相器106包括连接到引线100的接地输出端子。由于电极92和93的两相激励以及电极91的接地状态，彼此错开90度相位并且处于发生器104的频率下的两相AC电场被耦合到环37与41-43之间的间隙。因此，耦合到环37与41-43之间间隙的两相AC电场的组合值从不为零值，从而最小化等离子体通过间隙逸出的可能性。
三相实施例在图3中示为包括形成电极阵列80的四条同轴的电镀有铜的电线，即导体或电极110-113。电极110-113沉积在环37的靠近其外边缘94的上表面之上(为简化附图起见未示出环37的内边缘)。电极110-113与轴13同轴，并且分别处于百叶窗41下表面的内边缘96与外边缘98之间，这样与外边缘相比这些电极更靠近内边缘，从而提供增强等离子体约束。在一个具体实施例中，电极110-113的每一个都具有约3mm的径向长度，并且相邻电极对之间的径向间隙约为1.5mm。在此具体实施例中，电极110-113用绝缘体覆盖，此绝缘体是厚度约为0.5mm的Kapton(聚酰亚胺薄膜)型。
外部电极110被连接到电缆82的接地引线116，同时内部电极111、112和113被分别连接到电缆82的引线117、118和119。环37包括在围绕电极110-113周边的相同角位置上的电镀通孔(未示出)。这些电镀通孔被连接到引线116-119。
引线117-119被连接到向内部电极111、112和113提供其相位彼此错开120度的三个RF正弦波电压的多相RF源84。在此具体实施例中，RF源84包括驱动常规设计分相器122的2MHz发生器104。分相器122响应2MHz发生器104的输出以向引线117-119提供其相位彼此错开120度、并且处于发生器104的频率下的相等振幅电压。分相器122包括连接到引线116的接地输出端子。由于电极111-113的三相激励以及电极110的接地状态，彼此错开120度相位并且处于发生器104的频率下的三相AC电场被耦合到环37与41-43之间的间隙。因此，耦合到环37与41-43之间间隙的三相AC电场的组合值从不为零值，从而最小化等离子体通过间隙逸出的可能性。
现在参看附图中的图4-它是图1所示装置的经改进方案的分解图，其中电绝缘的固定百叶窗约束环131和132取代约束环41-43。百叶窗环131和132被定位成相对于轴13径向对齐，并且以与图1中百叶窗41-43相对于环28和顶板16定位相同的方式在环28的上表面与顶板16之间彼此垂直地分隔开。百叶窗131和132包括分别承载圆形、垂直对齐的电极135和136的相对表面，这些电极被定位成其外边缘在垂直方向上与环28的垂直延伸外壁大致对齐。电极135和136的内边缘在环28的外壁之内。电极135和136由电绝缘体以与覆盖阵列80的电极相同的方式进行覆盖。在此图4的实施例中，环37上的阵列80(图1)的电极替换成百叶窗131和132上的电极135和136。
电极135依靠其通过导电引线138与接地壁14的连接来电接地。电极136被连接到引线140的延伸穿过壁14并与该壁电绝缘的一端部。引线140与电极136相反的端部被连接到包括单相RF发生器144的RF源142，该发生器经由匹配网络146驱动引线140和电极136。在一个实际构建的实施例中，发生器144具有400KHz的频率。匹配网络146在许多实例中可包括固定元件；或者，匹配网络146可包括可变元件，该元件的值响应于常规特性的适当匹配阻抗检测器电路(未示出)而变化。
在工作时，由通过源14激励的电极136产生的RF电场被耦合到接地电极135和顶板14。构建在(1)电极135与136之间，以及(2)电极136与顶板14之间的RF场具有足够的强度以增加百叶窗131与132之间、以及百叶窗132与顶板16之间的鞘层效应。然而，此电场强度并不足以引起百叶窗131与132之间、以及百叶窗132与顶板16之间的区域中的等离子体激励。
在用图4装置实际执行的测试中，发现：与电极135和136不通电的情况下百叶窗131和132的约束效果相比，响应于电极135和136分别连接到接地点和400KHz发生器144，将获得经改进的约束。
现在参看包括百叶窗131和132的图5-图4变体的示例。在此图5实施例中，百叶窗131和132分别承载分别定位成与电极135和136相同的电极151和152。在此图5的实施例中，百叶窗131和132的相对表面分别包括第二组圆形电极154和155。电极154和155彼此垂直对齐，并且在径向上比垂直对齐的电极151和152更远离轴13。这样，圆形电极154和155的内边缘在环28外壁的外部，但在顶板16的外边缘的内部。
电极152和154依靠电极152和154经由引线156与接地壁14之间的连接进行电接地。电极152和154通过RF源142的输出来并行驱动，该源经由引线158连接到电极152和154，这些引线之一延伸穿过壁14并与其电绝缘。在工作时，通过源142施加到电极152的RF激励使得RF电场位于受激电极152与接地电极151之间。另外，RF电场在受激电极152与顶板16的接地表面之间建立。RF电场也构建在受激电极154与接地电极155、以及受激电极154与金属环28的接地表面之间。这些RF电场增强了百叶窗131和132与环28、以及顶板16之间的鞘层效应，从而增强约束效果。然而，此RF电场强度必须足够低以便防止在承载和靠近电极151、152、154和155的各个表面之间形成等离子体。
应当理解：电极151、152、154和155也可连接到接地点和多相RF源，从而在电极151、152、154和155之间不存在零电场。例如，电极151和155可接地，并且可将相位彼此错开90°的RF电压可被提供给电极152和154。或者，电极154可接地，并且相位彼此错开120°的RF电压可分别连接到电极151、152和155。
现在参看图6，其中图1所示的实施例被更改成移除绝缘环28上阵列80的环电极，并且在绝缘百叶窗环41-43的水平表面上承载圆形环电极160、162、164和166。环电极160和162分别由绝缘百叶窗环41和42的上表面和下表面来承载，而环电极164和166分别由绝缘百叶窗环42和43的上表面和下表面来承载。电极环160和162垂直对齐，从而它们的外边缘近似与环28的垂直延伸外壁对齐，并且它们的内边缘被定位成比环28的外壁更靠近中心轴13。环电极164和166垂直对齐，从而它们的内边缘在环28外壁的外部。环电极164和166的外边缘比电极164和166的内边缘更远离中心轴13。
包括400KHz发生器170和90°移相器或分相器172的RF源168向百叶窗41-43的电极提供RF能量。在不使等离子体存在于百叶窗之间、以及室的邻近电极的各部分之间的情况下，RF能量使得与百叶窗41-43相关联的鞘层厚度得到增加。分相器172被配置成向电缆174的第一和第二引线提供具有发生器170的频率的第一和第二90°相移电压。分相器172也包括接地输出引线。分相器172的相移和接地输出被提供给电缆174，该电缆延伸穿过壁14进入到室12的内部，以便连接到环电极160、162、164和166。具体地，电缆174的接地引线被连接到环电极160和166，同时电缆174的承载两个相移电压的引线被分别连接到环电极162和164。因此，电极160与162之间的电场与电极164与166之间的电场相移90°。因此，百叶窗环41、42和43之间的区域中不存在零电场，从而增强等离子体约束。
虽然已描述并示出了本发明的具体实施例，但应当明白，可对具体示出和描述的实施例的细节做出变化而不背离如附加权利要求中所限定的本发明的真正精神和范围。例如，百叶窗与其它结构之间的间隔可以是固定的。

Claims (61)

1.一种等离子体处理器，包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室；与所述壁和出口隔开，其中适合激励等离子体的区域；用于基本上将所述等离子体约束在所述区域的结构，所述结构包括用于使气体能从所述区域流到所述出口的间隙；以及电源，用于同时将基本上不同的电压耦合到所述结构上不同的彼此隔开的电导体，以便使电场存在于所述导体之间的间隙中，所述电场使得与在不使用从所述源向所述等离子体约束结构上的所述导体的电耦合的情况下所能达到的相比，更大地将所述等离子体约束在所述区域。
2.一种真空等离子体处理器，包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室；与所述壁和出口隔开，其中适合激励等离子体的区域；用于基本上将所述等离子体约束在所述区域的结构；连接到所述约束结构的电源；以及倾向于在所述等离子体与所述约束结构之间形成的鞘层，所述电源和所述约束结构被配置成用于向所述约束结构提供电场，与所述电源不连接到所述约束结构的情况下形成于所述等离子体与所述约束结构之间的所述鞘层的大小相比，所述电场足以增大所述约束结构内所述鞘层的大小，配置成施加到所述约束结构的所述电源具有多个相位，从而配置成施加到所述约束结构的所述电压总是包括其值不同于所述基准电位的分量。
3.如权利要求2所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电源包括AC源，所述AC源具有配置成施加到所述约束结构以便基本上防止所述约束结构与所述壁之间的电荷载流子形成等离子体的频率和功率级。
4.如权利要求3所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述频率是小于4.0MHz的RF频率。
5.如权利要求2所述的真空等离子体处理器，其特征在于，被配置成施加到所述约束结构的所述电源包括相隔90度的两个相位。
6.如权利要求2所述的真空等离子体处理器，其特征在于，被配置成施加到所述约束结构的所述电源包括相隔120度的三个相位。
7.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述结构包括至少三个不同导体，被配置成施加到所述约束结构的所述电源是RF的，并且包括相隔120度的三个相位，所述电源被配置成将所述三个相位同时施加到所述结构上的所述至少三个不同的电导体。
8.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述结构包括至少两个不同的导体，被配置成施加到所述约束结构的所述电源是RF的，并且包括相隔90度的两个相位，所述电源被配置成将所述两个相位同时施加到所述结构上的所述至少两个不同的电导体。
9.如权利要求8所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述约束结构包括围绕其中适合激励等离子体的区域并与其同轴的元件，所述元件承载与所述区域同轴的第一、第二和第三导体，所述第三导体围绕所述第一和第二导体并且连接到所述基准电位，所述第一和第二导体相连以对两个相位作出响应。
10.如权利要求9所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述元件包括电介质，并且所述导体由电介质来覆盖。
11.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述约束结构包括与承载所述导体的至少之一的一个元件层叠的至少一个百叶窗，所述百叶窗的每一个都围绕其中适合激励等离子体的所述区域并与其同轴。
12.如权利要求11所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述元件和所述百叶窗包括与所述区域同轴的环。
13.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电源包括AC电源，而所述约束结构包括围绕其中适合激励等离子体的所述区域的至少一个元件；所述至少一个元件承载围绕所述区域的第一、第二、第三和第四电导体；所述第四导体围绕所述第一、第二和第三导体并且连接到所述基准电位；而所述第一、第二和第三导体相连以对所述AC源的三个相位作出响应。
14.如权利要求13所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述元件包括电介质，并且所述导体使用电介质来覆盖。
15.如权利要求13所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述约束结构包括与所述元件叠层的一个百叶窗，所述百叶窗围绕其中适合激励等离子体的所述区域，并且所述百叶窗的至少一部分与所述第一、第二和第三电导体电容耦合。
16.如权利要求14所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述元件和所述百叶窗包括与所述区域同轴的环。
17.如权利要求13所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述元件和所述百叶窗都与所述区域同轴。
18.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，(a)其中适合激励等离子体的所述区域包括被配置成电耦合到所述区域中的所述等离子体的第一和第二电极，以及(b)所述区域和所述约束结构被配置成使得鞘层处于所述约束结构与所述等离子体之间，所述鞘层具有电容，并且还包括：
连接到所述第一电极以便将所述等离子体激励至AC频率的又一源，以及
电连接于所述第二电极与处于基准电位的端子之间的串联谐振电路；所述电极和所述谐振电路被配置成所述第二电极结构与所述等离子体之间的所述鞘层的所述电容被包括在所述谐振电路中，所述谐振电路具有近似地等于所述AC频率的谐振频率。
19.一种真空等离子体处理器，包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室；与所述壁和出口隔开、其中适合激励等离子体的区域；用于将所述等离子体约束在所述区域的结构，所述结构包括用于使气体从所述区域流到所述开口的间隙；连接到所述约束结构用于使电场存在于所述间隙中的电源；用于有效地监视所述约束结构的所述等离子体约束范围的装置；以及控制器，它被用来基于所述约束结构的所述等离子体约束范围的指示控制施加到所述约束结构的所述电源的参数。
20.如权利要求19所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述间隙的所述长度可变化，用于控制从其中适合激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体。
21.如权利要求19所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述监视装置被配置成获得所述间隙的所述长度的指示。
22.如权利要求19所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述控制器被配置成对所述监视装置作出响应。
23.如权利要求19所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述参数包括电压，所述第一和第二元件之间的所述间隔可变化，用于控制从其中适合激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体。
24.一种真空等离子体处理器，包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室；与所述壁和出口隔开，其中适合激励等离子体的区域；用于将所述等离子体约束在所述区域的结构，所述结构包括用于使气体从所述区域流到所述开口的间隙；以及连接到所述约束结构用于使电场存在于所述间隙中的电源，
所述间隙的所述长度可变化，用于控制从其中适合激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体；
用于获得所述间隙的长度指示的源；以及
控制器，它被用来基于所述间隙的长度指示控制施加到所述约束结构的所述电源的参数。
25.如权利要求24所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述控制器被设置成对所述间隙的长度指示作出响应。
26.如权利要求24所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述参数包括电压。
27.如权利要求1所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述电源包括AC电源，并且所述约束结构围绕其中适合激励所述等离子体的所述区域，所述元件承载所述电导体的至少之一，所述至少一个导体围绕所述区域。
28.如权利要求27所述的真空等离子体处理器，其特征在于，多个电导体围绕所述区域，所述多个导体的至少另一个处于基准电位。
29.如权利要求28所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述至少一个导体与所述导体的另一个由所述同一元件承载。
30.如权利要求29所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述同一元件以固定方式机械连接到所述壁。
31.如权利要求29所述的真空等离子体处理器，其特征在于，还包括用于夹持所述工件的结构，所述同一元件以固定方式机械连接到用于夹持所述工件的所述结构。
32.如权利要求29所述的真空等离子体处理器，其特征在于，还包括用于夹持所述工件的结构，所述同一元件位于百叶窗上，所述百叶窗与所述工件保持结构隔开并在其之上。
33.如权利要求28所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述至少一个导体和所述导体的另一个分别处于第一和第二不同元件上。
34.如权利要求33所述的真空等离子体处理器，其特征在于，还包括用于夹持所述工件的结构，所述第一和第二不同元件分别是所述工件夹持结构之上分隔开不同距离的第一和第二不同等离子体约束百叶窗。
35.如权利要求34所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一和第二导体在径向方向上与所述区域的中心轴大致对齐。
36.如权利要求35所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一和第二导体相连，以对所述AC源的第一和第二输出端上的电压作出响应。
37.如权利要求36所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第二导体和第二端子处于所述基准电位。
38.如权利要求36所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一导体和第一端子相连以对AC电源的第一相位作出响应，而所述第二导体和第二端子相连以对AC源的第二相位作出响应。
39.如权利要求38所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一百叶窗包括包围所述第一导体的第三导体，而所述第二百叶窗包括包围所述第二导体的第四导体，所述第三和第四导体连接到所述基准电位。
40.如权利要求28所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述至少一个导体和所述至少另一个导体由第一、第二和第三不同元件承载。
41.如权利要求40所述的真空等离子体处理器，其特征在于，还包括用于夹持所述工件的结构，所述第一、第二和第三不同元件分别是与所述工件夹持结构分隔开不同距离的第一、第二和第三不同等离子体约束百叶窗。
42.如权利要求41所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一、第二和第三百叶窗分别包括分别包围所述第一、第二和第三导体的第四、第五和第六导体。
43.如权利要求42所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述第一、第二和第三导体分别相连以对AC电源作出响应，而所述第四、第五和第六导体处于所述基准电位。
44.一种真空等离子体处理器，包括：
具有处于基准电位的壁和出口的处理室；
与所述壁和出口隔开、其中适合激励等离子体的区域；用于将所述等离子体约束在所述区域，同时使气体能从所述区域流到所述出口的结构，其中适合激励所述等离子体的所述区域包括被配置成与所述区域中的所述等离子体电耦合的第一和第二电极，所述约束结构和其中适合激励所述等离子体的所述区域被配置成使鞘层处于所述约束结构与所述等离子体之间，所述鞘层具有电容；
连接到所述第一电极以便将所述等离子体激励至AC频率的源；以及
电连接于所述第二电极与处于基准电位的端子之间的串联谐振电路，所述约束结构、所述电极，和所述谐振电路被配置成使所述约束结构与所述等离子体之间的所述鞘层的所述电容被包括在所述谐振电路中，所述谐振电路具有近似等于所述源的AC频率的谐振频率。
45.如权利要求44所述的真空等离子体处理器，其特征在于，所述谐振电路包括在所述第二电极与处于所述基准电位的所述端子之间彼此串联的电感器和电容器。
46.一种操作真空等离子体处理器的方法，所述处理器包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室，所述室包括与所述壁和出口隔开的区域，以及用于将所述等离子体约束在所述区域，同时使气体能够从所述区域流到所述出口的结构；倾向于在所述等离子体与所述约束结构之间形成的鞘层，所述方法包括：激励所述区域内的等离子体，并且将不同于所述基准电位的电位施加到所述约束区，同时在所述区域中的所述等离子体被激励，并且气体从所述区域流到所述出口，施加到所述约束结构的所述电位使得电场在所述约束结构中建立，与不将所述电源连接到所述约束结构的情况下在所述等离子体与所述约束结构之间形成的所述鞘层的大小相比，所述电场足以使所述约束结构内的所述鞘层的大小增大，从而与响应于未将电位施加到所述约束结构相比，能响应于将所述电位施加到所述约束结构更大地约束所述等离子体。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述电场通过将具有基本上防止所述约束区域与所述壁之间的电荷载流子形成等离子体的频率和功率级的AC施加到所述约束结构来获得。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述频率是小于4MHz并且至少为400KHz的RF频率，施加到所述约束区的所述AC的功率小于约50瓦，而施加到所述约束区的所述AC电压小于约300伏。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源具有多个相位，从而施加到所述约束区的所述电压总是具有其值不同于所述基准电位的成分。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源包括相隔90度的两个相位。
51.如权利要求49所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源包括相隔120度的三个相位。
52.如权利要求46所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源具有多个相位，从而施加到所述约束结构的所述电压总是包括其值不同于所述基准电位的成分。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源包括相隔90度的两个相位。
54.如权利要求52所述的方法，其特征在于，施加到所述约束结构的所述电源包括相隔120度的三个相位。
55.如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述约束结构包括在连接到电压源的元件之上叠层的多个百叶窗，所述电压源对所述约束结构施加所述电源，并且施加从所述元件到所述百叶窗的电容耦合电场。
56.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述约束结构包括基本上约束所述等离子体的第一和第二分隔开的元件，并且基于所述约束结构对等离子体约束的范围指示通过改变所述第一和第二元件之间的间隔来控制从其中激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述控制步骤包括基于所述约束结构的等离子体约束的范围指示改变施加到所述约束结构的所述电源的参数。
58.如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述等离子体约束的范围指示是所述第一和第二元件之间的所述间隔。
59.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述约束结构包括约束所述等离子体的第一和第二分隔开的元件，并且基于所述第一和第二元件之间的间隔指示通过改变所述第一和第二元件之间的电压来控制从其中激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体。
60.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述约束结构包括约束所述等离子体的第一和第二分隔开的元件，并且通过改变施加到所述约束结构的所述电压来控制从其中激励所述等离子体的所述区域流到所述出口的流体。
61.一种操作真空等离子体处理器的方法，所述处理器包括：具有处于基准电位的壁和出口的处理室；与所述壁和出口隔开，其中激励等离子体的区域；将所述等离子体约束在所述区域，同时使气体能从所述区域流到所述出口的结构，其中激励所述等离子体的所述区域包括与所述区域中的所述等离子体电耦合的第一和第二电极，所述约束结构和其中激励所述等离子体的区域使得鞘层在所述约束区域与所述等离子体之间形成，所述鞘层具有电容；连接到所述第一电极并将所述等离子体激励至AC频率的源；电连接于所述第二电极与处于基准电位的端子之间的串联谐振电路；所述约束结构、所述电极，和所述谐振电路被配置成使所述第二电极结构与所述等离子体之间的所述鞘层的电容被包括在所述谐振电路中，所述方法包括：
使所述谐振电路具有近似等于所述源的AC频率的谐振频率。
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