由指定等离子反应室呈现的等离子体离子密度分布是反应室压强、气体 混合和扩散及源功率发射模式的函数。本发明中，该分布被磁改变成近似于 预先确定的来改善工艺均匀性的选择的或理想的分布。该磁改变的或校正的 等离子离子密度分布能改善整個晶片或工件表面的工艺均匀性。为这一目的， 依据使用者确定的需要，磁校正的等离子分布可以是非均匀的或者也可以是 均匀的。我们发现在等离子体上施加压强，平均磁场强度的分布改变成期望 的分布的效率可有效改善。依照这一发现通过增大磁场梯度的径向分量可以 获得惊人的结果。该径向被理解成是关于圆柱型室的对称轴。这样，所需要 的是一在其它方向上有大的径向梯度和小的磁场强度的磁场构型。这样的磁 场是关于其的对称轴会切(Cusp-shaped)，该对称轴恰是圆柱反应室的轴。一 种产生会切磁场(Cusp-shaped magnetic field)的方式是提供线圈于该圆柱室 的上方和下方并以相反的方向让直流电流穿过这些线圈。
依照该室设计，在晶片支垫(Pedestal)的下面提供一线圈可能是不实际 的，因此在第一情形中，对这些目的来说顶线圈就足够了。另外，所需要的 是会切磁场对给定等离子反应室所固有的等离子体离子分布(“环境”等离子 体离子分布，the“Ambient”Plasma Ion Distribution)的精确控制或调整是 可配置的(Configurable)或可调节的。由于提供在不同电容耦合反应器中的等 离子体离子分布可以大范围改变，因此在一些情形中这样的可调性可能是基 本必要的。选择磁场梯度的径向分量将改变该环境等离子分布所要求的磁压 强提供给期望的分布。例如，如果期望的分布是均匀分布，那么选择该施加 磁场来抵消因缺乏磁场而反应器呈现出的等离子密度径向分布的不均匀性。 这样，例如，如果反应器倾向具有中央高的等离子密度分布，那么选择该磁 场梯度以维持晶片支座上方的等离子密度并增强近边缘的等离子密度以获得 均匀性。
依照我们的发现通过提供至少一个不同于(例如，小于)第一线圈直径 的第二线圈，获得这样会切点型磁场的可调性。各个线圈中的直流电流是独 立可调的，这样以极其灵活的方式使会切磁场的构型(Configuration)改变实 质上(Virtually)任意环境等离子密度分布以近似于某些期望的等离子分布。 可以构想这一磁场构型选择以修改中央高或中央低等离子密度分布。
在会切磁场相对于磁场强度(如上面提到的)有一大的径向梯度因而在 等离子体上施加校正压强是高效的方面，可以实现的优点是双重的；但是， 由于磁场是不随时间变化的，因而有更少产生电弧的倾向性，所以对于更大 校正能力需要时可以采用稍微强的磁场。本说明中后面将详述，这一特征在 较高室压处可能是相当有帮助的。
图1A是提供可调节会切磁场(cusped-shaped magnetic field)的电容耦合等 离子反应器。图1A的反应器包括圆柱形的侧壁5、是气体分布板的顶板10 及支撑半导体工件20的晶片支座15。顶板10或气体分布板可以是导电的， 这样使它充当阳极或它可以有连到它上面的阳极。顶板10或气体分布板典型 地由铝制成并有内部气体歧管，在面向室的内表面上有气体注入孔。工作气 体源25提供工作气体给气体分布板10。真空泵30控制反应室内的压强。点 燃并维持反应室内等离子体的等离子源功率由RF发生器40产生，发生器40 通过阻抗匹配电路45连到晶片支座15上，这样晶片支座充当RF电极。阳极 (可以是导体材料所形成的顶板10)连到RF地以充当反电极。这一反应器 倾向于具有一极不均匀的等离子密度分布，该典型的分布是中央高的。
图1B描述一特征，其中顶板10不是直接连到如图1A的地上，而是通过 RF阻抗匹配单元11(仅示意地示出)连到VHF信号发生器12上，该信号发 生器12提供等离子源功率。这样，RF发生器40只是控制加在半导体晶片或 工件20上的RF偏压(RF阻抗匹配单元11可以是诸如例如一共轴调谐棒或 条线电路的固定调谐单元)。这一特征在本说明的后面部分更详细讨论。
为了控制等离子体离子密度分布，在顶板10的上方提供一套电感线圈。 在图1A的情形中，该套电感线圈包括内线圈60和外线圈65，二者和圆柱室 共轴且每一个构成单一的导体线圈。虽然线圈60、65在图1A以单圈说明， 它们每一个可以由垂直排列的多圈组成，例如，如图1B所示。或者，如图 1C所示，线圈60、65可以垂直和水平延伸。在图1A的情形中，内线圈60 比外线圈65位于顶板10的更上方。然而，在其它情形中，这一排列可以颠 倒，或两个线圈60、65可以在顶板10上方的同一高度。
在图1A和1B的情形中，控制器90通过控制各个独立的直流电流源70、 75，确定流到各个高架线圈60、65的电流的大小和极性，直流电流源70、75 分别连到线圈60、65上。请参见图2，说明一情形，其中控制器90支配直流 电流从直流电流源76到线圈60、65中，直流电流源76通过控制器90提供 电流，控制器90分别连到线圈60、65。在两种情形中，控制器90能使不同 极性和大小的直流电流在不同线圈60、65中流动。在图2的情形中，控制器 90包括一对分压计82a、82b和一对成组的开关84a、84b，分压计82a、82b 调整供到各个线圈60、65的直流电流，开关84a、84b单独确定供到每一线 圈60、65的直流电流的极性。诸如微处理器91的可编程器件可以包括在控 制器90中以便智能地管理分压计82a、82b和成组的开关84a、84b。
图1A、1B及1C中描述的两线圈60，65的布局提供了一定的优点，其 中内线圈60比外线圈65置于顶板10上方较大的高度。尤其是，两线圈提供 的磁场梯度的径向分量，至少差不多，和线圈半径成正比，和离开线圈的轴 向位移成反比。这样，内线圈和外线圈60、65因为它们不同尺寸和位移将完 成不同的用途：因为外线圈65较大的半径和更接近于晶片20，将支配晶片 20的整个表面，而内线圈60在晶片中央附近将具有最大的影响并可看作是用 于磁场精密调整或造型的微调线圈。对于实现这样由不同线圈形成的微差控 制，其它布局是可能的，这些不同的线圈具有不同半径并置于离开等离子体 的不同位移处。参考一定的工作举例，本说明后面将描述，通过选择在各个 高架线圈(60、65)中流动电流的不同大小以及选择电流的用于不同高架线 圈的不同极性或方向，可以得到相对于环境等离子体离子密度分布的不同改 变。
图3A描述由内线圈60产生的磁场的径向(实线)和方位(虚线)分量， 在图1A的情形中，作为晶片20上径向位置的函数。图3B描述由外线圈65 产生的磁场的径向(实线)和方位(虚线)分量，为晶片20上径向位置的函 数。晶片20直径是300mm，内线圈60的直径是12英寸并置于等离子体上方 大约10英寸处，外线圈65直径是22英寸并置于等离子上方约6英寸处，执 行上述设定可以得到图3A和3B示出的数据。图3C是由内外高架线圈60、 65产生的半会切线型磁场线模式的简化图。
图2中的控制器90可以改变施加到各个线圈60、65的电流以便调节晶 片表面的磁场因而改变等离子体离子密度的空间分布。为了说明控制器90通 过改变这些磁场可以怎样深刻地影响并改善室内的等离子体离子分布，现在 要说明的是不同的线圈60，65施加的不同磁场效应。在下面的例子中，直接 测量整個晶片表面的刻蚀率(Etch Rate)的空间分布而非等离子体离子分布。 刻蚀率分布随着等离子体离子分布的改变直接改变，因此一分布的改变另一 种分布会有所反映。
图4A、4B、4C及4D说明仅使用内线圈60在低室压(30mT)实现的有益 效果。图4A说明测量的刻蚀率(垂直Z轴)作为晶片20的表面上位置(水 平X和Y轴)的函数。这样图4A说明晶片平面内刻蚀率的空间分布。图4A 中可以清楚地看出刻蚀率分布的中央高不均匀性。图4A相应于不施加磁场的 情形，因而说明反应室内在的需要校正的非均匀刻蚀率分布。在这一情形中 该刻蚀率有5.7％的标准偏离。在图4和5中，虽然径向磁场是对等离子体离 子径向分布起作用以改善均匀性的磁场能被理解，磁场强度将被描述为近晶 片中央的轴磁场。本说明中选择轴磁场因为它更容易测量。晶片边缘的径向 磁场典型地是该位置轴磁场的约三分之一。
图4B说明当内线圈60已通电产生9高斯磁场时刻蚀率分布如何改变。 该不均匀性减小到4.7％的标准偏离。
在图4C中内线圈60的磁场已经增到18高斯，可以看出中央处的峰已大 大地变小，并伴有整個晶片的刻蚀率标准偏离降到2.1％的结果。
在图4D中内线圈60的磁场已进一步减小到27高斯，这样图4A的中央 高模式几乎倒转为中央低模式。在图4D的情形中整個晶片表面的刻蚀率的标 准偏离是5.0％。
图5A、5B、5C及5D说明使用两线圈60，65在较高室压(200mT)实现的 有益效果。图5A相应于图4A并画出没有被磁场校正的反应器的中央高刻蚀 率不均匀性。在这一情形中，整個晶片刻蚀率的标准偏离是5.2％。
在图5B中，外线圈65已被通电产生22高斯磁场，该磁场稍微降低刻蚀 率分布的中央峰。这样，刻蚀率标准偏离已被降低到3.5％。
在图5C中，两外线圈60、65被通电产生一22高斯的磁场。在图5中看 到的结果是刻蚀率分布中的中央峰极大地减小，虽然边缘附近的刻蚀率增大。 整体效果是有3.2％的低标准偏离的更均匀刻蚀率分布。
在图5D中，两外线圈被通电产生一40高斯的磁场，产生一过校正 (Over-Correction)，这样整個晶片表面的刻蚀率分布已经转化为中央低分布。 在这后一情形中的刻蚀率标准偏离已稍稍(相对于图5C的情形)升到3.5％。
将在图4A-4D的低压实验中得到的结果和在图5A-5D的高压实验中得到 的结果比较，可以看出较高的室压需要更大磁场来获得刻蚀率非均匀分布的 类似校正。例如，在30mT仅使用内线圈60在18高斯得到一最佳校正，而在 300mT需要使用两个线圈60、65的24高斯的磁场来达到一最佳校正。
图6示出高架线圈的磁场极大地影响等离子体离子密度均匀性或刻蚀率 分布，但未大大地影响刻蚀率自身。这是一优点因为，虽然期望改善刻蚀率 分布的均匀性，但不改变为特定半导体工艺选择的刻蚀率是更可取的。在图6 中，菱形符号描述测量的刻蚀率(左手的垂直轴)作为磁场(水平轴)的函 数，同时方形符号描述刻蚀率的标准偏离(不均匀性)(右手的垂直轴)作为 磁场的函数。在整个示出的范围上的不均匀性的改变是大约一个数量级，刻 蚀率的改变仅约为25％。
图1A、1B和1C的高架线圈电感60，65可以和常规MERIE反应器一起 使用。图7和8描述相应于图1A具有附加特征的情形，四个常规MERIE电 磁铁92、94、96、98以及MERIE电流控制器99。电流控制器99提供一交流 电流给各个MERIE电磁铁92、94、96及98。各个电流具有相同的低频但它 们有90度的相位偏移以便以常规方式产生室内的慢旋转磁场。
用高架线圈控制等离子分布
按照本发明的方法，通过选择由高架线圈60、65产生的特定磁场，可以 以特定方式调整特定反应器中固有的整個晶片表面的等离子体离子密度分 布。例如，可以调整等离子分布产生整個晶片表面的更均匀的刻蚀率分布。 例如，通过给控制器90编程以选择高架线圈中直流电流的最佳极性和振幅， 以完成这一调整。虽然本实施例涉及到仅有两个同心高架线圈(即，线圈60 和65)的反应器，但该方法可以用多于两个线圈完成，并且用更大数目的高 架线圈可以提供更精确的结果。由控制器90调整该磁场以产生以改变整個晶 片表面的等离子体离子密度分布，该分布反过来影响刻蚀率分布。
第一步是测量在没有来自高架线圈60、65的校正磁场时整個晶片表面的 刻蚀率分布。下一步是确定等离子离子密度分布的改变，该分布能使刻蚀率 分布更均匀。最后一步是确定能产生期望的等离子体离子密度分布变化的磁 场。给定这一磁场，产生这样的磁场所必须的高架线圈60、65中的电流的振 幅和方向可以由众所周知的静磁场方式计算。
我们已经找到了，由静磁场，计算高架线圈60、65的磁场施加到等离子 体上的压强(所谓的“磁压”)的方法。这将是下面要讨论的。施加在等离子 体上的磁压产生等离子体离子密度分布的改变。这一等离子体离子密度分布 改变产生整個晶片表面的刻蚀率分布的成比例的改变，这可以直接观察到。 所以整個晶片表面的等离子体离子密度分布和刻蚀率分布至少大致由一比例 因子相关联。
起初，先于施加来自高架线圈60、65的磁场测量整個晶片表面的刻蚀率 的空间分布。由此，可以确定刻蚀率分布的期望改变(来获得均匀分布)。接 着，由每一线圈的几何形状解析确定由每一高架线圈60、65产生的磁场的空 间分布作为室内位置和线圈中电流的函数。然后，给这些线圈施加已知的一 组电流而后测量整個晶片表面的刻蚀率的相应改变，可以推导出一线性因子， 该因子将晶片表面处来自所有线圈的磁场的矢量和和晶片表面处刻蚀率分布 的改变相关联。(这一比例因子一般是等离子体中性粒子压强的函数且在高达 约500mT室压起作用。)因此，给定期望的刻蚀率分布改变或校正(以获得更 好的均匀性)，(以本说明书中后面描述的方式)可以找到需要的磁场。使用 早先解析确定的磁场空间分布函数，由此可以推导出相应的线圈电流。
对刻蚀率不均匀性的期望校正可以以多种方式建立。例如，可以从一均 匀或平均刻蚀率减去整個晶片表面的二维刻蚀率分布以产生一“差额”分布。 本方法中待校正的刻蚀率的不均匀性是反应室内多个因素的结果，包括电容 耦合源功率的非均匀应用，非均匀工作气体以及非均匀等离子体离子密度分 布。在前面的方法中，通过改变磁压造成的等离子体离子密度分布校正该不 均匀性。
也可以采用下面的方法以某些期望的方式来建立“校正的”非均匀的等 离子分布。在这一情形中，待做的校正是“校正的”或环境等离子体离子密 度分布和期望的(自身是非均匀的)分布间的差额。因此，该方法对形成均 匀的或具有特定选择密度分布模式的等离子体密度分布是有用的，该模式未 必是均匀的。
现在参考图9描述完成上述方法的一系列步骤。
第一步(图9的框910)是，对每一个高架线圈60、65，将晶片表面的 磁场解析确定为线圈中电流和晶片表面的径向位置的函数的表达式。使用柱 坐标，对Ith线圈，这一表达式可以写成Bi(r，z＝wafer，Ii)。它可以由Biot-Savart 定律直接确定。
下一步(图9的框920)在高架线圈60、65中无电流时完成。在这一步， 测量整個晶片表面的等离子离子密度空间分布。这一空间分布可以写为n(r， z＝wafer)。在这一步，可以通过测量整個实验晶片表面的刻蚀率分布间接测量 等离子离子密度分布。熟练的技术人员可以容易地从该刻蚀率分布推导出等 高子体离子密度分布。
接着，在框930这一步，确定对先前步骤中测量的已测量的等离子体离 子密度空间分布函数n(r，z＝wafer)的校正c(r)。可以以任意数目的适当方式确 定该校正c(r)。例如，它可以定义为最大值n(r，z＝wafer)max减去n(r，z＝wafer)。 在这一方式中，将c(r)加到n(r，z＝wafer)产生一具有等于n(r)max的均匀振幅的 “校正的”分布。当然，可以不同地定义校正函数c(r)以产生不同均匀振幅。 或着，如上简述，如果期望的分布是非均匀的，那么该校正是期望分布和n(r， z＝wafer)之差。
下一步(框940)是为每一高架线圈60、65选择一“实验”电流Ii，将 该电流施加到适当的线圈中，并测量相应的等离子分布，可以写成n(r， z＝wafer)test。通过减去在有和没有磁场时测量的离子分布得到离子分布的改变 Δn(r)：
Δn(r)≈n(r，z＝wafer)-n(r，z＝wafer)test
下一步(框950)是用计算机计算比例因子S，该因子将磁场施加的压强 梯度(即，磁压)和离子分布变化Δn(r)相关联。通过将该磁压梯度除以Δn(r) 完成这一计算。对每一线圈依据磁流体力学方程：
${▿}_{r}P\approx {-▿}_r[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]$
单独计算线圈Ith的磁场B(r，z＝wafer，Ii)的磁压梯度。
这里角标r表示径向分量。然后将每一线圈单独由此获得的结果加在一 起。因此，总的磁压梯度是：
$-{▿}_r\left\{{\Sigma }_i\right[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0\left]\right\}$
所以，比例因子是：
$S=\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}\mathrm{\Delta n}\left(r\right)$
这一除法操作可以在不同的r值和结果处完成，该结果被均分来以获得标 量形式的S。否则，比例因子S将是r的函数并以适当的方式使用。
在框950的步骤中建立的比例因子S是确定磁压的线圈电流Ii和相应的 离子分布变化间的关联。特定地，给定一组线圈电流Ii，通过将由该组Ii确定 的磁压乘以比例因子S可以计算出相应的离子分布变化n(r)：
$\mathrm{\Delta n}\left(r\right)=\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}/S$
这一事实为下列步骤(框960)提供了根据，在该步骤中计算器(诸如微 处理器91)使用前述的方程来搜寻一组线圈电流Ii，该组电流Ii产生最近似 于早先指定的或期望的等离子体离子密度分布的变化Δn(r)。在这一情形中， 期望的变化等于在930的步骤中计算机计算出的校正函数c(r)。换言之，该计 算器搜寻满足下列条件的一组线圈电流Ii：
$\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}=c\left(r\right)s$
通过众所周知的优化技术可以完成这一搜寻，该技术包括，例如，最速 下降法(steepest descents)。这样的技术熟练的技术人员能轻易地完成，这里 不必描述。
然后将该搜寻发现的该组线圈电流Ii的大小和极性送到控制器90，控制 器90反过来将这些电流Ii加到各个线圈60、65。
图10将晶片表面的磁压(实线)和等离子体离子密度分布(点线)作为 半径的函数做了比较。如上讨论，磁压是高架线圈磁场的平方的梯度。图10 表明磁压和离子密度分布存在很好的相关性。
在图11-14中说明这一方法的应用。图11说明晶片表面的刻蚀率空间分 布的不均匀性或标准偏离(垂直轴)如何随高架线圈中线圈电流而变化。在 零线圈电流处，标准偏离大约为12％，离子分布是如图12所示中央高的。
在大约17安培的线圈电流处可获得大约3％的最小不均匀性。这代表约4 倍的改善(即，12％到3％刻蚀率分布的标准偏离)。实际的或测量的刻蚀率 分布如图13A所示，同时使用图9的技术预测的刻蚀率分布如图13B所示。
在35安培的高线圈电流处，刻蚀率分布标准偏离是大约14％。测量的刻 蚀率空间分布如图14A所示，同时预测的分布如图14B所示。
再参见图13A，获得的最均匀的离子分布不一定是平的，实际上有“碗” 状，近边缘处凹近中央处凸。用更多的独立高架线圈(例如，三个或更多)， 有可能实现结果的更高分辨率和更好均匀性的优化。因此，本发明并不限于 只有两个线圈的情形。随着使用少于两个或多于两个高架线圈变化的结果可 以执行本发明。
为了控制顶板表面的等离子体离子密度分布或刻蚀率分布可以应用同样 的方法。例如，在室清洁操作期间这一方法可能是有用的。图15说明图9的 方法的变形，其中离子密度(或，刻蚀)空间分布的不均匀性被优化。图15 的步骤，即框910′，920′，930′，940′，950′和960′和图9的步骤，即框910， 920，930，940，950和960相同，除它们为顶面而非晶片平面外。
第一步(图15的框910′)是，为每一高架线圈60，65，解析确定顶板 处的磁场的表达式，该表达式为线圈中的电流的函数和晶片表面径向位置的 函数。使用圆柱坐标系，对ith线圈，这一表达式可以写成，Bi(r，z＝ceiling，Ii)。 它可以由简单的静磁场方程确定并不仅是线圈电流Ii和顶板表面径向位置r 的函数，而且是诸如线圈半径和线圈和顶板内表面间的距离，z＝ceiling，确 定常数的函数。
在高架线圈60、65中无流动的电流时完成下一步(图15的框920′)。在 这一步，测量整個顶板表面的等离子体离子密度空间分布。这一空间分布可 以写做n(r，z＝ceiling)。在这一步，等离子体离子密度分布可以用常规探针或 其它间接技术测量。
接着，在框930′的步骤中，确定对先前步骤中测量的等离子体离子密度 空间分布函数n(r，z＝ceiling)的校正c′(r)。(应当指出这里采用的符号是将图15 的计算从上述图9的计算中区分开来，并不意指在此使用的导数。)校正c′(r)可 以以任意数目的适当方式定义。例如，它可以定义为最大值n(r，z＝ceiling)max 减去n(r，z＝ceiling)。在这一方式中，给n(r，z＝ceiling)加上c′(r)产生有等于n(r)max 的均匀幅度的“校正”分布。当然，可以不同地定义校正函数c′(r)以产生不同 非均匀振幅。而且，如果期望一特殊的非均匀分布，那么该校正是未校正的 或环境等离子分布n(r，z＝ceiling)和期望的非均匀分布之差。这样，可以采用 该方法来建立有特殊非均匀模式的期望的等离子体离子密度分布或建立均匀 等离子体离子密度分布。
下一步(框940′)是为每一高架线圈60、65选择一“实验”电流Ii，把 该电流加到适当的线圈上并测量相应的等离子体离子密度分布，该分布可以 写成n(r，z＝ceiling)test。通过减去有和无磁场时测量的离子分布得到离子分布的 改变Δn(r)：
Δn′(r)＝n(r，z ＝ceiling)-n(r，z ＝ceiling)test
下一步(框950′)是计算比例因子S′，该因子将磁场(即，磁压)施加 的压强梯度和离子分布变化Δn′(r)相联系。将该磁压梯度除以Δn′(r)完成该计 算。根据磁流体动力学方程为每一线圈计算Ith线圈的磁场B(r，z＝ceiling)的磁 压梯度单独计算：
${▿}_{r}P=-{▿}_r[B{(r,z=\mathrm{ceiling},I_i)}^2/2{\mu }_c$
此处角标r表示径向分量。然后将每一线圈单独由此获得的结果加在一 起。因此，总的磁压梯度是：
$-{▿}_r\left\{{\Sigma }_i\right[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0\left]\right\}$
因此，比例因子S是：
$s^{,}=\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}/\Delta n^{,}\left(r\right)$
在框950′的步骤中建立的比例因子S′是确定磁压的线圈电流Ii和相应的 离子分布变化间的关联。特定地，给定一组线圈电流Ii，通过将由该组Ii确定 的磁压乘以比例因子S′可以计算出相应的离子分布n′(r)的变化：
$\Delta n^{,}\left(r\right)=\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}/s^{,}$
这一事实为下列步骤(框960′)提供了依据，步骤(框960)中计算器 (如微处理器91)使用前面的方程来搜寻一组线圈电流Ii，该电流产生早先 特定的或期望的等离子体离子密度分布的变化最佳近似Δn′(r)。在这一情形 中，期望的变化等于框930′的步骤中计算的校正函数c′(r)的校正。换言之， 该计算器搜寻一组满足下列条件的线圈电流Ii
$\{-{▿}_r\{{\Sigma }_i[B{(r,z=\mathrm{wafer},I_i)}^2/2{\mu }_0]\left\}\right\}=c^{\prime }\left(r\right)S^{\prime }$
通过众所周知的包括，例如，最速下降法的优化技术可以完成这一搜寻。 这样的技术可以由本领域中熟练的技术人员很容易完成在此不必描述。
然后该搜寻发现的该组线圈电流Ii的大小和极性被送到控制器90，控制 器反过来将这些电流施加到各自线圈60、65。
仅借助单一高架线圈，可以使用该设备来优化晶片处顶板处等离子体离 子分布均匀性，但两者不能同时优化。借助于至少两个高架线圈(例如，高 架线圈60和65)，至少可以在晶片处和顶板处同时近似优化等离子体离子分 布均匀性。
用高架线圈操纵等离子体
我们已经发现可以以操纵等离子体朝向顶板和/或侧壁或操纵它朝向晶片 表面的方式选择线圈电流Ii。也可以以类似于图9的方式选择线圈电流Ii来改 善顶板表面处的等离子体密度分布的均匀性。结果，在处理期间可以聚集等 离子体于晶片上，然后在清洁期间也可以聚集等离子于顶板和/或侧壁上。这 样通过将等离子聚集在顶板上，可以减少清洁时间。
在一个例子中，控制器90通过将-17.5安培的电流施加到内线圈60同时 将+12.5安培的电流施加到外线圈65上，操纵等离子体到室侧壁上。图16描 述室内部的径向部分，该部分沿水平轴从零半径到室的边缘，沿垂直轴从晶 片表面到顶板。图16中的小箭头表示当控制器90通过将-17.5安培的电流施 加到内线圈60同时将+12.5安培的电流施加到外线圈65上，操纵等离子体到 室侧壁上时，室内不同位置处的磁场的大小和方向。图17描述晶片表面处相 应的磁场平方的梯度作为径向位置的函数。
在另一个例子中，控制器90通过将-12.5安培的电流施加到内线圈60同 时将+5安培的电流施加到外线圈65上，操纵等离子体到室顶板上。图18描 述室内部的径向部分，该部分沿水平轴从零半径到室的边缘，沿垂直轴从晶 片表面到顶板。图18中的小箭头表示当控制器90通过将-12.5安培的电流施 加到内线圈60同时将+5安培的电流施加到外线圈65上，操纵等离子体到室 侧壁上时，室内不同位置处的磁场的大小和方向。图19描述晶片表面处相应 的磁场平方的梯度作为径向位置的函数。
在又一个例子中，控制器90通过将-25安培的电流施加到内线圈60同时 将+2.75安培的电流施加到外线圈65上，使等离子体沿场线(Field lines)从 顶板中心延伸到侧壁。图20描述室内部的径向部分，该部分沿水平轴从零半 径到室的边缘，沿垂直轴从晶片表面到顶板。图20中的小箭头表示当控制器 90通过将-25安培的电流施加到内线圈60同时将+2.5安培的电流施加到外线 圈65上，操纵等离子体到室侧壁上时，室内不同位置处的磁场的大小和方向。 图21描述晶片表面处相应的磁场平方的梯度作为径向位置的函数。
图17示出当等离子体被操纵到边上时室边缘附近高的正磁压施加在等离 子体上。图19示出当等离子体被定向到顶板的边上时室边缘附近低的磁压施 加在等离子体上。图21示出当磁场线从顶板延伸到边上时，室边缘附近存在 高的负压。
这样，可以选择高架线圈60、65中的电流来将等离子体指定到室内的可 能需要清洁的不同区域，诸如顶板和侧壁。或者，可以将等离子体更多地集 中在晶片附近。为了操纵等离子体既到晶片也到顶板，或按照某操纵比率SR 将等离子体分配在晶片和顶板之间，可以用如图22描述的方法实现。
参考图22，第一步(图22的框2210)是确定室内磁场的解析模型，作 为高架线圈内(例如，线圈对60，65)所有线圈电流函数。这可以由本领域 中熟练的技术人员使用静磁场方程轻易地完成，在此不必描述。该磁场是来 自每一线圈的单独磁场之和。每一单独磁场是该线圈直径、该线圈位置、该 线圈中的电流和室内位置的函数。因此，由Ith线圈产生的磁场可以写做： B(x，y，z，Ii)
这样总磁场是
∑i{B(x，y，z，Ii)}
下一步(框2220)是选择一组磁场，该磁场满足期望的工艺条件。例如， 为了操纵等离子体到顶板，选择磁场在等离子体上产生磁压，推动等离子体 朝向顶板，如图18的例子所描述。为了操纵等离子体朝向侧壁，选择磁场在 等离子体上产生磁压，推动等离子体朝向边缘，如图16所描述。
对于上面框2220的步骤中确定的每一磁场满足一个特定的条件，计算机 为一组产生期望磁场的线圈电流搜寻框2210步骤中定义的模型。这是框2230 的下一步。在框2230中找到的每组电流在存储器位置中和相应条件的名字一 起储存。该位置和相应的工艺条件相联系(图22的框2240)。无论何时选择 特定的工艺条件(例如，操纵等离子体到顶板)，微处理器91从相应的存储 位置(框2250)取出该组电流值并使相应的电流施加到适当线圈上(框2260)。
图23示出如何将微处理器91编程来响应用户输入信息。首先确定该处 理是否包括晶片表面的刻蚀(框2310)以及该处理是否包括清洁(刻蚀)顶 板(框2320)。如果只刻蚀晶片，那么操纵等离子体到晶片(框2330)并且 使用图9的方法优化晶片表面处的等离子体分布的均匀性(框2350)。如果刻 蚀晶片同时清洁顶板，那么等离子体密度是被分配在顶板和晶片之间(框 2360)且在晶片表面处和图9一样在顶板处和图15一样优化等离子体密度的 均匀性。如果仅清洁顶板，那么操纵等离子体到顶板(框2380)且顶板处等 离子体密度的均匀性被优化(框2390)。
使用VHF高架电极
图24描述了内外线圈60，65如何和电容耦合反应器结合，该反应器有 一个通过固定调谐短截线连到VHF等离子体源功率发生器的高架电极。这一 反应器在美国专利申请序列号10/028,922中描述，该申请由Daniel Hoffman 等于2001年12月19日提交，题目为“具有使等离子和谐的高架RF电极的 等离子反应器”，转让给本受让人，在此引入其中的内容作为参考。
参见图24，等离子体反应器包括一个反应室100，在该室的底部具有一 个晶片支座105，支撑半导体晶片110。工序配套元件可能包括，在一个示范 性的实施中，导体或半导体环115，该环被在接地室体127上的绝缘环120所 支撑。室100在顶部被一圆盘型的高架导体电极125所限定，导体电极125 以在接地室体127上的晶片110之上的一缝隙长度由绝缘密封体支撑。在一 实施例中，晶片支座105在垂直方向是可移动的，使得间隙长度可以改变。 在另一实施例中，该间隙长度可以是一固定的预先确定的长度。高架电极125 可以是金属(例如，铝)，半金属材料(例如，硅或碳化硅)覆盖在它的内表 面上，或它自身是半金属材料。RF发生器150将RF功率施加到电极125上。 来自发生器150的RF功率穿过和发生器150匹配的同轴电缆162耦合进入连 到电极125的同轴截线135。截线135有特定阻抗，有一谐振频率，并在电极 125和同轴电缆162或RF功率发生器150的输出间提供阻抗匹配，下面将更 充分地描述。室体被连接到RF发生器150的RF的回路(RF地)上。绝缘 密封体120的容抗和绝缘密封体130的容抗影响从高架电极125到RF地的 RF路径。晶片支座105，晶片110和工序配套导体或半导体环115为施加到 电极125上的RF功率提供了主要的RF返回路径。
如图1A的情形，内线圈60小于外线圈65的直径的一半且其处的平面比 外线圈65更远离室。该外线圈65位于或接近于电极125的顶平面，而内线 圈60位于电极125的更上方。如图1的情形，线圈60、65中的直流电流被 操纵控制器90的等离子体控制，控制器90支配线圈60、65的电流源70、75。
对RF回路或地测量的高架电极组件126的电容，在一个示范情形中，是 180皮法拉，该组件包括电极125、工艺套件115、120和绝缘密封部分130。 电极组件电容受电极面积，间隙长度(晶片支座和高架电极间距离)，以及受 寄生电容因素的影响，尤其是密封部分130和绝缘环120的介电值的影响， 这些因素反过来受介电常数和采用的材料厚度的影响。更一般地，电极组件 126的电容(未标明的数字或数量)大小在特定源功率频率，等离子体密度和 工作压强处等于或几乎等于等离子体的负电容(一个复数)，这些下面将讨论。
由于反应室执行所需要的等离子体工艺要求，晶片尺寸，在晶片之上均 匀地完成工艺的要求之关系，影响前述关系的许多因素很大程度上预先确定。 因此，等离子体电容是等离子体密度和源功率频率的函数，而电极电容是晶 片支座到电极间隙(高度)，电极直径，组件绝缘体的介电值的函数。等离子 体密度、工作压强、间隙及电极直径必须满足反应室要执行的等离子体工艺 的要求。尤其是，等离子体密度必须在一个特定范围内。例如，硅和介电等 离子刻蚀工艺一般要求等离子体离子密度在109到1012离子/cc范围内。对8 英寸的晶片，例如，如果该间隙是大约2英寸，晶片电极间隙提供一个最佳 等离子体离子分布。如果不大于晶片直径，电极直径优选地尽可能大。类似 地工作压强对典型刻蚀和其它等离子体工艺有实际范围。
但是业已发现其它因素保持不变，可以选择这些因素来达到上述优选的 关系，尤其是对高架电极组件126源频率的选择和电容的选择。在上述施加 到电极上的量纲常数和施加到等离子体上的常数(例如，密度范围)内，如 果将源功率频率选择为VHF频率，且如果适当选择电极组件126的绝缘单元 的介电值，可以将电极电容匹配为等离子体负电容的量值。这样的选择可以 获得源功率频率和等离子体-电极共振频率间的匹配和近似匹配。
相应地在一个示范性情形中，对8英寸晶片高架电极直径大约是11英寸， 间隙大约是2英寸，等离子体密度和工作压强对刻蚀过程如上述是典型的， VHF源功率频率是210MHz(虽然其它VHF频率可以同样有效)，源功率频 率，等离子体电极共振频率和截线共振频率完全匹配或几乎匹配。
更特别地，为了获得有利地降低系统Q的从属调谐效应，这三个频率相 互间有稍微的偏移，源功率频率是210MHz，电极-等离子体电极共振频率约 是200MHz，截线频率约是220MHz。这种系统Q的降低使反应室性能不受室 内条件变化的影响，这样整个工艺更稳定且可以在更宽的工艺窗口上完成。
当前优选的模式有，适宜容纳12英寸直径晶片，约1.25英寸的晶片-顶 板间隙以及162MHz(而非上面提到的210MHz)的VHF源功率频率的，室 和底座直径。
轴截线135是一特定构型，该构型进一步促成整个系统稳定性，它的宽 工作窗口性能，以及许多其它有价值的优点。它包括内圆柱型导体140和外 同心圆柱导体145。绝缘体147(图24中用交叉阴影线标示)，例如有相对介 电常数1，充满内外导体140、145之间的空间。内外导体140、145可以形成， 例如，由涂镍的铝制成。在一个示范性情形中，外导体145有约4英寸的直 径，内导体140有约1.5英寸的直径。截线特征阻抗由内外导体140，145的 半径和绝缘体147的介电常数确定。上述情形的截线135有65Ω的特征阻抗。 更一般地，截线特征阻抗超出源功率输出阻抗约20％-40％，优选地约30％。 为了当稍微偏离210Hz的VHF源功率频率时，使220Hz附近的共振通常地匹 配，截线135有约29英寸的轴长(在220Hz的半波长)。
活栓160配备在沿截线135的轴长的特定点为了将RF功率从RF发生器 150供给到截线135，下面将讨论。发生器150的RF功率端子150b和RF回 路端子150a在截线135上的活栓160处分别被连接到内外共轴截线导体140、 145上。这些连接经由发生器到截线共轴电缆162以熟知的方式完成，该电缆 具有匹配发生器150的输出阻抗(典型地，50Ω)的特征阻抗。截线135远 端135a的有终止的导体165将内外导体140、145短接在一起，这样截线135 在它的远端135a短路。在截线135的近端135b(未短路的端)，外导体145 经由环形导体机盖或支座175被连接到室体上，同时内导体140经由导电圆 柱或支撑座176连接到电极125的中心。绝缘环180位于导电圆柱176和电 极125之间并将二者分离。
内导体140为诸如工作气体和冷却液的使用提供一个管道。这一特征的 主要优越性是，不像典型的等离子反应器，气体线路170和冷却液线路173 不具有过大的电势差。因此为这一目的它们可以是金属导电，不太贵和更可 靠的材料。金属性气体线170向高架电极125内或邻近高架线圈125的气体 出口172送气而金属性冷却液线173向高架电极125内的冷却液通道或套输 送冷却液。
因此RF发生器150，和高架电极组件126以及工作等离子体负载间的这 一特定构型截线匹配提供了有源共振阻抗转换，将发射功率最小化并提供一 个适应负载阻抗宽变化的非常宽的阻抗匹配空间。由此，提供了宽的工艺窗 口和工艺适应性，以及先前未得到的功率使用上的效率，所有这些同时最小 化或避免了需要典型阻抗匹配装置。如上指出，截线共振频率也偏离理想的 匹配来进一步增大整个系统的Q，系统稳定性和工艺窗口以及多处理性能。
匹配电极-等离子体共振频率和VHF源功率频率
如上概述，基本特征是配置高架电极组件126在电极-等离子体共振频率 和等离子体共振以及匹配(或近匹配)源功率频率和电极-等离子体频率。电 极组件126有一占主导地位的容性阻抗而等离子体阻抗是频率，等离子密度 和其它参数的复杂函数。(下面将详细描述，就阻抗而论分析等离子体，该阻 抗是一包含虚构项的复杂函数一般相应于负电容)。电极-等离子共振频率由电 极组件126和等离子体阻抗确定(类似于由电容器和电感器的阻抗确定的电 容器/电感器共振电路的共振频率)。这样电极-等离子体共振频率可以不必是 源功率频率，如它工作时那样依赖于等离子密度。因此，问题是找到一个源 功率频率，在该频率处等离子阻抗是使得电极-等离子体共振频率等于或近似 等于源功率频率，给定对等离子体密度和电极尺寸的特定范围的实际限制的 约束。因为等离子体密度(它影响等离子阻抗)和电极尺寸(它影响电极电 容)必须满足一定工艺约束，所以该问题甚至更困难。特定地，对绝缘和导 体等离子刻蚀工艺，等离子体密度应该在109-1012个离子/cc，是等离子体阻抗 的约束。而且，例如处理8英寸直径的晶片的更均匀的等离子体离子密度分 布，通过约2英寸的晶片到电极间隙或高度以及与晶片直径相似的电极直径， 或更大，实现，是电极电容的约束。另一方面，对12英寸直径晶片可以实现 不同的间隙。
相应地，通过对等离子体负容抗的大小的匹配(或近似匹配)该电极电 容，电极-等离子体共振频率和源功率频率至少几乎匹配。对上面列举的一般 导体和绝缘体刻蚀工艺条件(例如，在109-1012个离子/cc之间的等离子体密 度，2英寸间隙和大约11英寸量级的电极直径)，如果源功率频率是VHF频 率该匹配是可能的。其它条件(例如不同晶片直径、不同等离子体密度等) 可以规定不同频率范围以实现完成该反应室的这一特征的这一匹配。下面将 详述，在几个基本应用中的处理8英寸晶片的有利等离子工艺条件下，这些 应用包括绝缘体和金属等离子体刻蚀和化学气相沉积，有上述等离子密度一 个典型工作例中的等离子体电容是-50到-400皮法拉。在一个示范性情形中， 通过使用11英寸的电极直径约2英寸的间隙长度(电极到支撑垫空间)，为 密封体130选择具有9的绝缘常数，和大约1英寸的厚度的绝缘材料，为环 120选择具有4的绝缘常数，和大约10mm的厚度的绝缘材料，高架电极组件 126的电容被匹配至这个负等离子体电容的量值。
电极组件126的组合和等离子体在电极-等离子体共振频率共振，该频率 至少几乎和施加到电极125上的源功率频率相配，假定它们的电容的匹配正 好如上所述。我们已经发现对有利的刻蚀等离子体工艺方法，环境和等离子 体，可以在VHF频率处匹配或几乎匹配这一电极-等离子体共振频率和源功率 频率；执行这一频率的匹配或近似匹配是极其有利的。在一个示范性情形中 相应于前面的等离子体负电容值的电极-等离子体共振频率大约是200MHz， 下面将详述。为了实现下面将讨论的其它优点，源功率频率是210MHz，一个 近似匹配，其中源功率频率在电极-等离子体共振频率之上稍稍偏移。
等离子体电容除了别的以外还是等离子电子密度的函数。这和等离子体 离子密度相联系，为了提供好的等离子体工艺条件，等离子体密度需要保持 在大概是109-1012个离子/cc范围内。这一密度，和源功率频率和其它参数一 起，确定等离子体负电容，因此负电容的选择由优化等离子体工艺条件的需 要所限制，下面将进一步详细描述。但许多物理参数，例如间隙(电极125 和晶片之间的间隔)，电极125的面积，绝缘密封体130的绝缘损耗正切范围， 电极125和接地室体127间的绝缘密封体130的介电常数的选择，工艺套元 件绝缘密封体130的介电常数的选择，绝缘密封体130和120的厚度以及环 180的厚度和介电常数，影响高架电极组件电容。
这使得通过在影响高架电极电容的这些和其它物理参数间做出的选择， 对电极组件电容做出某些调整。我们已经发现这一调整的范围足以获得高架 电极组件电容对负等离子体电容大小匹配的必要程度。尤其是，可以选择密 封体130和环120的绝缘材料和尺寸以提供期望的介电常数和因而产生的介 电值。尽管影响电极电容，尤其是间隙长度的一些相同物理参数将由下列实 用性：操作大直径晶片的需要；在具有整个晶片直径上的等离子体密度的分 布的好的均匀性情况下去做这些；有等离子体密度对离子能量的好的控制， 所规定或限制，但可以获得电极电容和等离子体电容的匹配。
给定等离子电容和匹配高架电容的前述范围，电极-等离子体共振频率对 一个210MHz源功率频率近似是200MHz。
以这一方式选择电极组件126的电容，然后匹配合成电极-等离子体共振 频率和源功率频率的一大优点是源功率频率附近的电极和等离子体的共振提 供了宽的阻抗匹配和宽的工艺窗口，相应的更大的对工艺条件变化的抗扰性， 因此具有更大的性能稳定性。致使整个工艺系统对工作条件的变化更不敏感， 例如，等离子体阻抗的漂移，因此整个系统更可靠并具有工艺适应性的更大 范围。本说明后面将讨论，这一优势被电极-等离子体共振频率和源功率频率 间的微小偏离进一步加强。
图25描述内外线圈60、65如何和电容耦合反应器结合，该反应器具有 一个通过固定调谐截线连接到VHF等离子体源功率发生器上的高架电极，有 环绕它的边缘的MERIE电磁铁。这一个反应器在美国专利申请序列号10/028, 922中描述，该申请由Daniel Hoffman等于2001年12月19日提交，题目为 “具有调谐等离子的高架RF电极的等离子反应器”，转让给本受让人，在此 引入其中的内容作为参考。
参见图25，一个VHF电容耦合等离子体反应器包括在图1A的反应器中 看到的下列元件：具有一个晶片支座105的反应室100，支座105在室底部支 撑半导体晶片110。图示情形中的套件由半导体或导体环115组成，该环被位 于接地室体127的绝缘环120所支撑。室100在顶部被一个圆盘型高架铝电 极125所界定，电极125在位于接地室体127上的晶片110的上方以一预定 间隙长度被绝缘密封体130所支撑。高架电极125也可能是金属(例如，铝)， 它可以被半导体-金属材料(例如Si或SiC)覆盖内表面，或它自身可以是半 金属材料。一个RF发生器150施加RF功率给电极125。来自RF发生器150 的RF功率通过耦合到发生器150的共轴电缆162耦合进入和电极125相连的 共轴截线135。截线135有一个特定阻抗，共振频率，且提供电极125和共轴 电缆162/RF功率发生器150间的阻抗匹配，下面将更充分地描述。室体连接 到RF发生器150的RF回路(RF地)上。从高架电极125到RF地的RF路 径受工艺套件绝缘环120和绝缘密封体130的电容的影响。晶片支座105、晶 片110和工艺套件半导体(或导体)环115为施加到电极125上的RF功率提 供主要RF返回路径。
如图1A的情形，内线圈60小于外线圈65的直径的一半，且平面上比外 线圈65更远离室。外线圈65位于或接近于电极125的顶平面，而内线圈60 位于电极125的正上方。如图1A的情形，线圈60、65中的直流电被等离子 体操纵控制器90所控制，该控制器支配着线圈60、65的电流源70、75。
等离子体密度分布均匀性的改善通过引入一组MERIE电磁体902达到， 电磁体902在晶片支座的边缘和反应器室体的外侧相等地隔开(像图7和8 示出的那样)。调整这些MERIE磁体以产生关于圆柱室的对称轴缓慢旋转的 磁场，该磁场一般地穿过晶片支座的表面。在一种情形中这一个特征由MERIE 电磁体902实现，该磁体有关于各个轴切线绕到晶片支座的外围上的电磁绕 组。在这一种情形中，MERIE电流控制器904控制各个电流到每一个MERIE 磁体。控制器904在工件支座平面内产生一个循环磁场，控制器904提供单 个AC电流给相同频率的每一单个磁绕组，但在相位上偏离90度(或360度 被MERIE磁体数目分开)。在另一种情形中，旋转磁场的特征由支撑架1020 (虚线)实现，该架支撑所有的MERIE磁体，这些磁体绕对称轴由马达1025 (虚线)旋转。在另一情形中，MERIE磁体是用永久磁体。
也可以提供第二MERIE磁体阵列906(以虚线示出)，这些磁体对于工件 或晶片支座同样隔开但比第一组磁体阵列902处的平面高。两组磁体位于工 件支座平面附近的各自平面。
控制器910提供低频(0.5-10Hz)AC电流给每一个电磁体902、906，施加 到相邻磁体上的电流相位如上所述偏移90度。结果是磁场关于工件支座的对 称轴以AC电流的低频旋转。该磁场使得等离子体被拉向工件表面附近的磁场 并同该磁场一同传播。这会激励等离子体使得它的密度分布变得更均匀。结 果，因为整个晶片表面得到了更均匀的刻蚀结果，极大地改善了反应器的性 能。
高架电极和气体分布板的组合
从来自高架顶板供给工作气体来改善室内气体分布的均匀性是理想的。 为此目的，在图24和25的情形中的高架电极125可以是气体分布喷嘴，因 此在它的面向工件支座105的底表面有大量的气体注入口或小孔300。在一个 示范性情形中，孔300的直径在0.01和0.03英寸之间且它们的中心均匀相隔 约3/8英寸。
高架电极/气体分布板125(以下称为气体分布板125)提高了放电阻抗。 这是由于引入了放电抑制部件，该部件排除工作气体和/或等离子体进入每一 个口或孔300的中央。这个放电抑制部件是一组孔300中央内的中央工件或 圆盘302，孔300被支撑在各个圆柱销或细杆303，示于图26的横截面图和 图27的放大的横截面图。典型的气体分布板内的放电倾向于出现在气体注入 孔的中央附近。所以，将中央工件302置于每一孔300的中心避免了工作气 体到达每一孔300的中央且因此减少了放电的出现。如图28的平面图所示， 在孔300内引入中央工件302将另外的圆柱口或孔300转变为环形口。
见图29A，具有改善的放电抑制的气体分布板125包括一个盖1402和一 个底部1404。底部1404是一个有气体注入孔的盘状的板1406，该板通过这 种方式形成：被一有内侧翼1410的环状壁1408所环绕。盖1402也是盘状板。 圆盘302是圆柱型突起303的末端部分，这些部分连到盖1402的底表面且从 盖1402的底表面向下延伸。盖1402的外边缘位于底部1404的侧翼1410上 以在盖1402和底部1404之间形成气体歧管1414(图26)。工作气体从盖1402 中央的气体注入口1416流入歧管1414。
室内接触工作气体或等离子体的气体分布板125的部分可以由诸如涂附 有诸如碳化硅的半导体工艺兼容材料的铝的金属形成。在这一个例子中，气 体分布板的全部表面，除盖1402的顶表面之外，由碳化硅涂层1502覆盖， 如图29B的放大的局部横截面图所示。如图30所示，盖1402的铝顶表面和 温度控制部件1520接触，部件1520可以被水套1522水冷，水套1522具有 被热交换器1524所循环的冷却液，这样气体分布板125的热导铝材料有一被 控制的温度。另外，如图31所示，水套可以在气体分布板之内。
然而，为了使碳化硅涂层1502具有相同控制温度，在碳化硅涂层和铝间 必须有热导结合。另外，碳化硅涂层的温度可能失控地波动。为了获得气体 分布板125的铝材料和碳化硅涂层间良好的热导，在气体分布板和碳化硅涂 层间形成一个聚合物结合层1504，如图29A所示。图29A示出聚合物结合层 1504在碳化硅涂层1502和铝基部1404之间。聚合物结合层提供铝和碳化硅 涂层1502间良好的热导，这样涂层1502的温度被热交换器所控制。
图32，33和34描述图29A的气体分布板125如何改装以提供双重环气 体流控制。可以采用这一特征通过选择互补的工作气体分布来帮助校正刻蚀 率或沉积率局部分布，该局部分布是中央高的或中央低的。特定地，一个环 隔离物或壁1602将气体歧管1414分成一个中央歧管1414a和外歧管1414b。 除供给中央歧管1414a气体的中央气体进气管1416之外，气体分布板125中 央和边缘的另一气体进气管1418供给外歧管1414b。一个双域控制器1610分 配来自工作气体源1612的气体流在内外气体进气管1416、1418之间。图35 描述一个阀1610的执行，其中发声叶片1618控制气体流到气体分布板的内 外歧管1414a和1414b的相应的气体流量。一个智能流控制器1640支配叶片 1618的位置。在图36描述的另一执行中，一对阀1651、1652对室的各个径 向区域执行单独的气体流控制。
图37描述一种情形，其中气体分布板125有三个气体流区域，歧管1414 被内外环隔离物1604、1606分离成三个歧管1414a、1414b及1414c。三个单 独的气体进入装置1416、1418及1420给各个歧管1414a、b及c提供气体流。
虽然本说明中上面将各种各样的情形描述为有一对高架线圈60、65，图 37示出了可以有多于两个高架线圈的情况。事实上，图37的情形被描述为有 三个同心高架线圈或线圈60，64和65。通过增加独立控制的高架线圈的数目， 可以感到以其校正的工艺不均匀性的精度增大。
图34和37的多重域气体分布板享有对件的内外处理区域间气体分配的 灵活控制的优点。然而，用户化气体流的另一方式是通过在气体分布板125 的不同半径处提供不同气体注入孔来永久地做这些。例如，如果反应器倾向 于表现出中央高的局部刻蚀率分布，那么可以通过在中央使用较小的气体注 入孔300在近边缘使用较大的气体诸如孔，在室中央附近供给较少的气体， 在室边缘供给较多的气体。这个气体分布板在图38中以平面图描述。对中心 低的刻蚀分布，将采用相反的孔排列，如图39所描述。
图9的反应室的等离子体操纵
上面参考图11-14的描述的等离子体操纵，执行在图9的情形中。指向侧 壁的磁场通过将-13安培的电流施加到内线圈，同时将+1.4安培的电流施加到 外线圈65而产生。指向顶板边缘或电极125的磁场通过将-13安培的电流施 加到内线圈，同时将+5.2安培的电流施加到外线圈65而产生。侧壁处的密集 磁场通过将-13安培的电流施加到内线圈，同时将+9.2安培的电流施加到外线 圈65而产生。我们发现通过以上述方式施加指向顶板边缘或电极125的磁场 清洁期间室表面的刻蚀率提高了差不多40％。
线圈构型
虽然已经描述了关于内外线圈60、65的前述情形，但可以采用更大数目 的线圈。例如，图40的情形有5个高架线圈4060、4062、4064、4066及4068， 每一个有自己的，且分别由控制器90控制的电流。线圈4060、4062、4064、 4066及4068可以位于顶板125之上的同样高度(如图40所示)或不同高度。 图41说明其中高架线圈60、65在同一高度的情形。在图41中每一线圈60、 65中的绕组在垂直和径向层叠。图42和43说明不同情形，其中线圈60、65 有在垂直方向和径向延伸的绕组。
如本说明中参考图1A早先讨论的那样，作用在等离子体上用于校正非均 匀分布的磁压和磁场平方的梯度的径向分量成正比。这样，最有效的方法是 采用有大半径梯度的磁场，如会切磁场。如上进一步的描述，对于给定量的 磁压该会切磁场的更大的效率减小了所要求的磁场强度，因此减小或消除和 高磁场相联系的器件损伤。图44说明一种情形，其中一个完全会切磁场由一 对分别位于室上方和下方的线圈4420、4440产生。顶线圈和底线圈4420、4440 中的电流分别是顺时针和逆时针的。图45是由该对线圈4420、4440产生的 完全会切磁场的磁场线模式的简化描述。
图46说明一种情形，其中采用常规MERIE反应室4650的4个电磁体 4610、4620、4630、4640来产生图45的完全会切磁场。控制每一个电磁体 4610、4620、4630、4640电流的电流控制器4660被编程以提供同一方向(例 如，顺时针方向)流动的直流电流在所有电磁体4610、4620、4630、4640中， 如图46中的箭头所指示的那样。以这一方式顶导体4610a、4620a、4630a、 4640a中的直流电流形成顺时针电流环路，底导体4610b、4620b、4630b、4640b 中的直流电流形成逆时针电流环路，同时在该阵列的每一角，相邻电磁体(例 如，垂直导体4620c和4630d对)的垂直导体中的电流晶片表面处抵消了彼 此的磁场。净效果是分别在室的顶部和底部产生顺时针和逆时针电流环路， 类似于图44的情况，有图45说明的同样的相应的完全会切磁场。图46的反 应器以三种模式中的任一模式工作：
(1)磁压模式，其中产生会切磁场；
(2)正弦波模式，其中四个正弦波电流和四个电磁体4610、4620、4630、 4640正交施加来产生晶片表面之上的慢旋转磁场；
(3)结构磁场模式(CMF)，其中四个电磁体4610、4620、4630、4640被 分为邻近对的反向组，一对有一直流电流，相反的一对有相反的直流电流， 来产生大体直的磁场线，该线以相对于四个电磁体4610、4620、4630、4640 的方位的对角线方向整個晶片表面延伸。通过转换电流轮换这一分组以使磁 场穿过对角方向轮换。这些方向的时间顺序描述在图47A、47B、47C及47D 中。
在图47A中，电磁体4610、4620有一正直流电流而电磁体4630、4640 有负的直流电流，相应的磁场方向通常是图的左上到右下方向。在图47B中 这些分组已被轮换以使电磁体4620、4630有正电流而4640、4610有负电流， 平均磁场被逆时针旋转90度。图47C和47D完成该循环。磁场线的强度由如 此施加的正负电流的强度差确定，并可以如期望的通过对控制器4650编程调 整。
在CMF模式中可以采用图9的方法来准确选择四个电磁体4610、4620、 4630、4640的直流电流，以产生对非均匀刻蚀率或等离子体离子密度分布的 最佳校正。在将图9的方法应用到图47A-D的CMF模式中，每一个电磁体的 线圈或线圈4610、4620、4630、4640被代替为高架线圈60、65，且图9的所 有步骤按该替代执行。唯一的区别是来自每一线圈的磁场被计算为相应于图 47A-D的四个时间段的平均值。
图48描述了一个反应室，该反应室包括一个插在泵扑盘之上的特殊格栅 4810。格栅4810由诸如碳化硅的半导体材料或诸如铝的导体材料制成并有孔 4820，使气体穿过泵扑盘从室中抽出。特殊格栅4810从泵扑盘排除等离子体， 提供必须的保护和工艺控制。为此目的，在半径平面内通过每一孔4820内部 的距离不大于等离子鞘厚度的两倍。这样如果等离子体可能穿透格栅4810是 非常困难的。这样，可以减小或消除泵环内的室表面与等离子体的交互。
图49和50描述了整体形成的可移动室套4910，该室套并入图48的等离 子体限制格栅。室套4910覆盖室的部分，这些部分是在半径上电极125之下 晶片110之上的区域的外部。这样，室套4910包括水平部分4920和垂直部 分4930，较低的水平部分4940，水平部分4920覆盖室顶板外边缘，垂直部 分4930覆盖室侧壁。较低的水平部分4940包括等离子体限制格栅并覆盖泵 盘以及和晶片110相邻的环形表面。在一种情形中，每一部分4920、4930， 4940形成在一起作为单片碳化硅片4950。室套4910进一步包括铝基部4960， 基部4960位于碳化硅片4950的较低水平部分4940之下并和其粘合。铝基部 4960包括一对向下延伸的比较长而细的环形栏杆4962、4964，对晶片支座105 下面的接地的室体结构单元提供好的导电性。
该室体可以有和向下延伸的环形栏杆4962，4964热接触的温度控制单元 4972，4974以及和垂直侧部4930热接触的温度控制单元4976。每一个热控 制单元的4972，4974，4976可以包括含有冷却液通道的冷却装置和含有电加 热器的加热装置。维持室套4910在足够高的温度(例如，120华氏度高)来 最小化或阻止聚合体或碳氟化合物沉积在室套的内表面。
室套4910增强了工艺稳定性，因为它提供了一个好的地返回路径。这是 由于沿碳化硅片4950的内表面(包括上面的水平部分4920、垂直部分4930 和下面的水平部分4940的内-饰面)电势是均匀的。结果，室套4910为从高 架电极125或晶片支座105传送的功率在它的所有内-饰面上提供了均匀的RF 返回路径。一个优点是当等离子体波动移动RF返回电流分布集中在套4910 的内表面的不同部分时，呈现在那个电流上的阻抗位置大体恒定。这一特征 促进了工艺稳定性。
图51描述图7的情形的变型，其中高架螺线管60，65定义了一对称于 MERIE磁体92、94、96及98的正方模式，并特别适于正方半导体或绝缘体 工件4910，诸如光刻掩膜的均匀处理。
图52描述了图24的反应器的一个变体，其中晶片支座105可以上下移 动。除控制等离子体径向分布的两个高架线圈60、65之外，在晶片支座105 的平面的下面还有一个底线圈5210。另外，在室的边缘有一个外线圈5220。 外高架线圈65和底线圈5210，可以有相反的直流电流以在室内形成完全会切 磁场。
虽然结合具有即当高架源功率电极又当气体分布板的高架线圈的反应室 描述了高架线圈60、65，但该高架板可以属于不是气体分布板的类型，以另 一常规(例如通过室壁)方式引入工作气体。进而，在一个反应室中可以采 用线圈60、65，在该反应室中源功率不是被顶板电极电容耦合。还有，已经 将高架电极的阻抗匹配元件描述为诸如共轴调谐截线的固定元件。然而，该 阻抗匹配元件可以是任意合适的或常规阻抗匹配器件，诸如常规动态阻抗匹 配电路。
虽然特别参考优选情形详细描述了本发明，但在不背离本发明真实精神 和范围的情况下可以做出本发明的变化和改进。
本申请要求序列号60/383,194的美国临时申请的优先权，该申请由丹尼 尔.霍夫曼(Daniel Hoffman)等人于2002年5月22日提交，名称为“磁等离 子体控制电容耦合等离子体反应器。”