CN101221356B - 具有背部光传感器和蚀刻分布多频控制的等离子体反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有蚀刻参数的多频控制的等离子体反应器。该反应器包括反应室和该室内的工件支架，该室具有面向该工件支架的顶板以及感应耦合源功率施加器和电容耦合等离子体源功率施加器。一排光纤延伸穿过该工件支架的支撑表面以穿过所述工件的底面观察工件。光学传感器连接到光纤的输出端上。该反应器还包括响应光学传感器以调整通过感应耦合等离子体源功率施加器和电容耦合等离子体源功率施加器同时耦合到室中的等离子体的功率的相对量的控制器。

Description

具有背部光传感器和蚀刻分布多频控制的等离子体反应器
技术领域
本发明涉及具有背部光传感器和蚀刻分布的多频控制的掩模蚀刻等离子体反应器。
背景技术
用于超大规模集成(ULSI)电路的光刻掩模制备需要比半导体晶片处理高得多的蚀刻均匀性。单个掩模图形通常在石英掩模上占据四平方英寸的面积。掩模图形的成像集中到晶片上单个芯片的面积(一平方英寸)上，然后在整个晶片上步进，对于每一个芯片形成一个图形。在将掩模图形蚀刻成石英掩模之前，通过扫描电子束记录掩模图形，这是消耗时间的过程，使单个掩模的成本相当高。掩模蚀刻工艺在整个掩模的表面上不均匀。而且，记录光致抗蚀剂图形的电子束本身不均匀，在晶片上的特征尺寸为45nm的情形下在整个掩模上显示出2-3nm的临界尺寸(例如线宽度)变化。(这个变化例如是所有测量的线宽度的3σ偏差)。光致抗蚀剂临界尺寸的这种不均匀性将随不同的掩模来源或消费者而变化。掩模蚀刻工艺不会使这种变化的增加超过1nm，使得蚀刻掩模图形的变化不会超过3-4nm。这些严格要求是由为了在晶片上获得清晰的图形而利用衍射效应所引起的。很难用现有的技术来满足这些要求。这对于将来的可能涉及22nm晶片特征尺寸的技术甚至更难。这种困难与蚀刻偏置现象相伴，在蚀刻偏置现象中在掩模蚀刻工艺中光致抗蚀剂图形的损耗使石英掩模上的蚀刻图形的线宽度(临界尺寸)降低。由于典型的掩模材料(例如，石英、铬、硅化钼)相对于光致抗蚀剂的蚀刻选择性通常小于1，所以这些困难是掩模蚀刻工艺所固有的，使得在掩模蚀刻工艺中掩模光致抗蚀剂图形被蚀刻。
某些掩模图形需要以精确确定的深度在石英掩模中蚀刻周期性的开口，这对于在通过掩模曝光晶片的过程中获得干涉光束的非常精细的位相对齐是非常关键的。例如，在一种相移掩模中，由铬线和暴露在铬线每一侧上的细石英线确定每条线，在一侧上的石英线仅被蚀刻到给未通过未被蚀刻的石英线的光提供180度相移的精确深度。为了精确控制石英中的蚀刻深度，必须通过定时中断以测量石英中的蚀刻深度来密切监控蚀刻工艺。每次这种检查需要将掩模从掩模蚀刻反应室中移出，去除光致抗蚀剂，测量蚀刻深度，然后基于已消耗的蚀刻工艺时间估计达到目标深度的剩余蚀刻工艺时间，沉积新的光致抗蚀剂，在抗蚀剂上用电子束记录掩模图形，重新将掩模送入掩模蚀刻室并重新开始蚀刻工艺。达到预期深度的剩余蚀刻时间的估计假定蚀刻速率保持稳定并且均匀，因此是不可靠的。这种麻烦的程序的问题包括低生产率、高成本及污染或光致抗蚀剂图形中出现缺陷的可能性增加。然而，由于需要精确控制的蚀刻深度，所以看起来没有解决这种问题的方法。
小的临界尺寸变化公差需要蚀刻速率在掩模表面上非常均匀的分布。在需要石英材料的精确蚀刻深度的掩模中，有两个临界尺寸，一个是线宽度，另一个是蚀刻深度，而且两种类型的临界尺寸的均匀性都需要在整个掩模上有均匀的蚀刻速率分布。通过使用能够改变等离子体离子密度径向分布的源功率施加器，诸如由位于晶片上的内部和外部线圈天线组成的感应源功率施加器，可以将蚀刻速率分布的不均匀性降低到一定程度。然而，这种方法仅能够处理轴对称的、即中间高或中间低的蚀刻速率分布的不均匀性。实际上，蚀刻速率分布的不均匀性可能是非轴对称的，诸如在掩模的一角处具有高的蚀刻速率。更加基本的限制是掩模蚀刻工艺趋向于具有中间非常低的蚀刻速率分布，以致于可调部件诸如具有内部和外部线圈的感应功率施加器不能使蚀刻速率分布脱离中间低的形式。
非均匀蚀刻速率分布的另一个问题是蚀刻速率分布趋向于在相同设计的不同反应器之间有很大的变化，而且当关键部件或消耗性组件被替换时，诸如阴极被替换时在相同反应器内可能有很大的变化。蚀刻速率分布对被替换部件小的特征改变表现出很高的敏感性，同时对消耗性组件的替换表现出不可预知的变化。
发明内容
本发明提供了一种具有蚀刻参数多频率控制器的等离子体反应器。该反应器包括反应室和位于反应室内的工件支架，该室具有面向工件支架的顶板。感应耦合等离子体源功率施加器位于顶板之上，并将RF功率发生器连接到感应耦合源功率施加器。电容耦合等离子体源功率施加器包含设置在顶板或工件支架上的源功率电极。一排通道(an array ofpassages)从工件支撑台座的底部延伸穿过工件支撑台座并在工件支架的支撑表面中形成一排开口。一排光纤穿过通道，每条光纤具有：(a)一观察端，所述观察端穿过支撑表面上的开口且具有一视域，(b)在室外侧的输出端。将多个光学传感器连接到光纤的输出端上。反应器还包括控制器，用以响应光学传感器来调整感应耦合等离子体源功率施加器和电容耦合等离子体源功率施加器同时耦合到室内等离子体的功率相对量。
附图说明
为了获得本发明的示范实施例并使所述示范实施例被详细地理解，将参照附图中示出的实施例，给出前面概述的本发明的更加详细的描述。应该理解的是，为了不混淆本发明，这里没有讨论某些已知的过程。
图1描述了执行掩模蚀刻工艺的等离子体反应器；
图2A描述了图1中的反应器的下部；
图2B描述了在提升位置时的图1中的反应器的掩模支撑台座；
图3是图1中反应器的阴极的顶视图；
图4和图5是阴极的一个替代实施例的顶视图和侧视图；
图6和图7是阴极的另一个替代实施例的顶视图和侧视图；
图8是具有背部终点检测装置的等离子体反应器的简化图；
图9和图10是分别从掩模的前侧和后侧获得光学终点检测信号的曲线；
图11和图12是分别从掩模的前侧和后侧获得干涉条纹光学信号的曲线；
图13是在图8的反应器的一个实施例中获得多波长干涉光谱信号的曲线；
图14示出了具有基于对应图10的完全反射光强度的背部终点检测的图8的反应器的一个实施例；
图15示出了具有基于对应图12的干涉条纹计数的背部终点检测的图8的反应器的一个实施例；
图16示出了具有基于多波长干涉光谱的背部终点检测的图8的反应器的一个实施例；
图17示出了具有基于光学发射光谱(OES)的背部终点检测的图8的反应器的一个实施例；
图18示出了既具有OES又具有基于干涉的背部终点检测的工作示例；
图19和图20分别是图18的实施例的阴极和设备板的透视图；
图21是图19的阴极的截面图；
图22A和图22B示出了采用背部终点检测在石英掩模蚀刻工艺中的一系列步骤；
图23A、图23B、图23C、图23D和图23E示出了采用背部终点检测在铬-硅化钼-石英掩模蚀刻工艺中的一系列步骤；
图24A、图24B、图24C、图24D和图24E示出了采用背部终点检测在铬-石英掩模蚀刻工艺中的一系列步骤；
图25和图26分别是从掩模背部连续测量实时蚀刻速率分布的实施例的侧视图和顶视图；
图27和图28分别是具有一排独立可控的气体注入喷嘴的实施例的透视图和顶视图；
图29是使用气压阀的图27和图28的实施例的执行工艺的顶视图；
图30A到图30D是以激活图27和图28的阀阵列中的不同阀门获得的掩模上的蚀刻深度分布图；
图31示出了图27和图28的反应器的替代实施例；
图32示出了图27和图28的反应器的另一个替代实施例；
图33和图34分别是能够根据蚀刻速率分布的即时二维图像执行反应器可调元件的实时反馈控制的等离子体反应器的方框图和透视图；
图35是可以在图33和图34的反应器中执行的反馈控制工艺的方框图；
图36是根据本发明的实施例的等离子体反应器的简化方框图；
图37A和图37B共同构成描述本发明的一个实施例的方法的方框图，此后将它们共同称为“图37”；
图38A是描述典型的感应耦合等离子体的等离子体离子密度的径向分布的曲线；
图38B是描述典型的电容耦合等离子体的等离子体离子密度的径向分布的曲线；
图38C是根据本发明的方法在图36的反应器中获得的等离子体离子密度的径向分布的曲线；
图39示出了作为感应和电容耦合功率的功率级比值的函数的离子径向分布的不均匀性(偏差)；
图40示出了作为感应和电容耦合功率的脉冲占空比比值的函数的离子径向分布的不均匀性(偏差)；
图41是示出了对于感应和电容耦合功率级的每对数值的恒定等离子体离子密度线的示图；
图42是示出了对于感应和电容耦合功率脉冲占空比的每对数值的恒定等离子体离子密度线的示图；
图43示出了作为电容耦合功率的不同VHF频率的源功率级的函数的体等离子体电子密度的依存性的示图；
图44A和44B一起构成了描述本发明另一个实施例的方法的方框图，此后将它们共同称为“图44”；
图45示出电容和电感耦合功率的不同组合所获得的不同体等离子体电子能量分布函数的曲线；
图46示出了当将电容耦合功率加到电感耦合功率上时所获得不同源功率的电子能量分布函数的变化；
图47示出了对于不同程度的离解(电子能量分布)所获得的不同的光发射光谱；
图48是示出了离解度(例如自由碳或自由氟的总量)如何随着电感耦合功率与电容耦合功率比值的增加而增加的曲线；
图49是示出了离解度(例如自由碳或自由氟的总量)如何随着电感耦合功率占空比与电容耦合功率占空比比值的增加而增加的曲线；
图50A和50B分别示出了脉冲电感耦合功率和电容耦合功率的同期波形；
图51是示出了离解度如何随着电容耦合功率频率的增加而减少的曲线；
图52A、52B和52C分别是向晶片只施加低频偏置功率、只施加高频偏置功率和既施加低频又施加高频偏置功率的情形下的鞘层离子能量分布曲线；
图53示出了在图37或图44的过程中要蚀刻的多层栅极结构；
图54示出了根据第一实施例的等离子体反应器；
图55和56示出了图54的反应器中顶电极的不同实施例；
图57和58示出了图54的反应器中感应天线的不同实施例；
图59示出了根据另一个实施例的等离子体反应器；
图60示出了根据再一个实施例的等离子体反应器；
图61示出了根据又一个实施例的等离子体反应器；
图62示出了根据又一个实施例的等离子体反应器；
图63示出了根据又一个实施例的等离子体反应器。
为了便于理解，尽可能使用相同的附图标记表示附图中相同的元件。一般认为一个实施例的元件和特征有利地包括在其它实施例中，而不需要进一步的叙述。然而，应该注意，附图只解释本发明的代表性实施例，因此不认为限制本发明的范围，因为本发明可以容许其它等效的实施例。
具体实施方式
具有提高的RF均匀件的阴极
我们发现，掩模蚀刻工艺中不均匀蚀刻速度分布的一个来源是在其中进行掩模蚀刻工艺的等离子体反应器中支撑台座或夹持掩模的阴极中RF电不均匀性的存在。将RF偏置功率施加到台座上以控制在掩模表面上的等离子体离子能量，同时将RF源功率施加到例如顶部的线圈天线上以产生等离子体离子。RF偏置功率控制掩模表面上影响离子能量的电场。由于掩模表面上的离子能量影响蚀刻速率，所以台座中的RF电不均匀性在整个掩模表面上产生了蚀刻速率分布的不均匀性。我们发现，台座中的RF不均匀性有几种来源。之一是将铝台座(阴极)和铝设备板紧固在一起的钛螺丝。螺丝在整个台座表面的电场图形中产生节点(并且因此在整个掩模的表面上产生节点，因为它们的电性能与铝阴极的电性能不同)。另一个来源是阴极和设备板之间导电率的不均匀分布。设备板和阴极之间的导电主要限制在板和阴极的周边的范围内。这至少部分上是由于在等离子体处理中由真空压力造成的阴极的弯曲。由于多种因素，诸如钛螺丝的不均匀的紧固和/或围绕板或台座的周边的表面光洁度的变化，会使围绕这个周边的导电不均匀。我们通过引入提高整个台座上RF电均匀性的几个特征而解决了这些问题。首先，通过提供围住所有钛螺丝的头部的、绕阴极的顶表面的周边延伸的连续的钛环来解决由于在铝阴极中存在钛螺丝所引起的RF场的不均匀性或不连续性。通过在设备板和阴极的端面周边表面上提供导电好的镍板、以及通过在设备板和阴极之间引入压缩在它们之间的RF垫片，来解决由于表面差别或钛螺丝的不均匀紧固所引起的导电率的变化。
参照图1，用于在掩模中蚀刻图形的等离子体反应器包括由侧壁12和位于上面的顶板14所包围的真空室10，通过控制室压力的真空泵15抽真空。室10内的掩模支撑台座16支撑着掩模18。正如在本说明书中后面将要描述的那样，掩模通常由石英衬底构成，并且还可以包括在石英衬底的顶表面上的附加的掩模薄膜层，诸如铬和硅化钼。此外，存在形成图形的层，所述形成图形的层可以是光致抗蚀剂或由铬层形成的硬掩模。在其它类型的掩模中，石英衬底除了具有光致抗蚀剂图形之外没有其它的位于上面的层。
通过各自的RF阻抗匹配电路28、30由各自的RF源功率发生器24、26来驱动的位于上面的内部和外部线圈天线20、22来施加等离子体源功率。虽然侧壁12可以是接地的铝或其它金属，但是顶板14通常是使RF功率从线圈天线20、22电感耦合到室10中的绝缘材料。从气体仪表盘36中通过进气管34通过位在侧壁12的顶部中且均匀间隔开的注入管口32来注入工艺气体。气体仪表盘36可以由不同的气体供应源38构成，气体供应源38通过各自的阀门或质量流量控制器40与输出阀门或质量流量控制器42连接，输出阀门或质量流量控制器42与进气管34连接。
掩模支撑台座16由支撑在金属(例如，铝)设备板46上的金属(例如，铝)阴极44构成。阴极44具有由设备板46中的供应口和排出口(未示出)馈送和排空的内部冷却剂或加热液体流动通道(未示出)。由RF偏置功率发生器48通过RF阻抗匹配电路50将RF偏置功率施加到设备板上。将RF偏置功率传导穿过设备板46和阴极44间的界面到达阴极44的顶部表面。阴极44具有中心平台44a，在所述中心平台44a上支撑正方形石英掩模或衬底18。平台尺寸通常与掩模18的尺寸相当，然而平台44a略小一些，以便掩模***的小部分或边缘18a延伸到平台44a外较短距离，如将在后面讨论的那样。围绕平台44a的台座环52(如图2B或图7所示，在楔形或盘形部分内)分为占环52的五分之二的盖环52a和占环52的五分之三的座圈52b。座圈52b具有搁板54，可以将掩模18的边缘18a搁在搁板54中。当需要将掩模18从支撑台座16移开时，三个升降顶杆56(在图1中仅有一个可见)举起座圈52b，座圈52b通过边缘18a使掩模18升起。台座环52由层53、55构成，为层53、55选择具有不同电特征的材料以匹配石英掩模18和铝平台44a在偏置功率发生器48的频率下所表现的综合RF阻抗。(盖环和座圈52a、52b均由不同层53、55构成。)而且，座圈52b的顶部表面与掩模18的顶部表面是共面的，以便延伸到掩模18边部以外的大的均匀表面，能够在等离子体处理期间促进穿过掩模18表面的均匀的电场和表层电压。典型地，下面的环层55是石英而上面的环层53是诸如氧化铝的陶瓷就可以满足这些条件。工艺控制器60控制气体仪表盘36、RF发生器24、26、28和晶片运送装置61。晶片运送装置可以包括连接到升降顶杆56的升降伺服器62、机械叶片63和在室10的侧壁12中的狭口阀64。
一系列的等间距钛螺栓70沿阴极40和设备板46的***将它们固定在一起。由于铝阴极/设备板44、46和钛螺栓70之间的电差异，螺栓70将离解不均匀性引入到阴极44的顶部表面上的RF电场中。在阴极44的反向表面和设备板46之间的差异在阴极44和设备板46之间沿它们的***产生电导率的不均匀性，这在RF电场中引入相应的不均匀性。由于在等离子体处理期间阴极44趋向于在阴极44的中心弓起(由于室真空)，所以阴极44和设备板46之间的主要电连接是沿它们的***。为了降低阴极44和设备板46之间电导率对于(a)沿不同钛螺栓70的密闭性变化和(b)表面特征的变化的敏感性，在阴极44的底部表面44b的***上放置由诸如镍的高导电的材料制成的环形薄片72，同时将匹配的镍(例如)环形薄片74放置在设备板46的底部表面46a的***上。镍薄片72、74相互对齐，以使两个环形镍薄片72、74形成台座44和设备板46的相对连接表面，在它们之间提供电导率的高均匀分布。通过沿阴极44的底部表面44b的***配置环形凹槽76并在凹槽76内放置传导RF垫圈80可以实现均匀电导率的进一步改进。视情况需要，可以在设备板46的顶部表面内配置相似的与凹槽76相对齐的环形凹槽78。RF垫圈80可以是诸如细的金属螺旋弹簧，当将阴极44和设备板46压缩在一起并由螺栓70固定时，RF垫圈80被压缩。为了降低或消除趋于在钛螺栓70顶部发生的电场分布的点状不均匀性，在阴极44的顶部表面的***中的环形凹槽84内放置连续的钛环82。
图2A描述了掩模支撑台座16及下面的升降组件90。升降组件90包括由气动致动器或升降伺服器94驱动的升降三脚架92和在升降三脚架92上的三个升降顶杆56。在升降膜盒96内引导升降顶杆56，升降膜盒96包括用于非常平滑且几乎无摩擦运动(为了降低由磨损引起的污染)的滚球轴承98。图2B描述了带有座圈52b和处在提升位置的掩模18的阴极44。当提升掩模时由盖环和座圈52a、52b分离形成的空间允许机械叶片接近掩模18。
通过改变阴极平台44a的电性能(例如，电容率)分布可以解决整个掩模18的表面上中心蚀刻速率非常低的分布问题。在一个实施例中，这可以通过在平台44a的顶部表面上配置中心***物102和周围外部***物104来实现，两个***物与台座环52形成连续的平面，且是电性能不同的材料。例如，为了降低蚀刻速率分布变得中心非常低的趋势，中心***物102可以是导电材料(例如，铝)而外部***物104可以是绝缘材料(例如，诸如氧化铝的陶瓷)。中心***物102这种导电型式提供了RF电流的非常低的低阻抗通道，提高掩模18中心处的离子能量和蚀刻速率，而绝缘的外部***物104表现更高的阻抗，降低了掩模18***的蚀刻速率。这种结合改进了蚀刻速率分布，使所述蚀刻速率分布更接近均匀。由于这一特征，可以通过调整施加到内部和外部线圈天线20、22的相对RF功率级来执行蚀刻速率分布的细微调节。使实现均匀蚀刻速率分布所需的等离子体离子密度径向分布中的改变降低到相当小的程度，这种程度能够由为了获得均匀蚀刻速率分布而进行的在内部和外部线圈20、22之间的RF功率分配来实现。图3是内部和外部***物102、104的顶视图。在一个替代实施例中，***物102、104可以是具有不同介电常数(电容率)的绝缘体。图4、图5描述了基于这种概念的详尽细节，其中使用具有累进差别电性能的四个同心环102、104、106、108以使蚀刻速率分布更加均匀。图6和图7描述了替代实施例，提供了阴极44电性能分布的实时调节。活塞110控制可移动铝板112在阴极44中心内部的中空圆柱114内的轴向位置。铝板112与铝平台44a的剩余部分电接触。绝缘体(例如，陶瓷)顶片116能够覆盖阴极44的顶部。当推动铝板112更靠近圆柱114的顶部时，降低了通过阴极44中心区域的电阻抗，因此提高了掩模18中心的蚀刻速率。相反，当将铝板112在圆柱114内部向下运动远离掩模18时，降低了掩模中心的蚀刻速率。可以由工艺控制器60(图1)驱动控制活塞110的轴向运动的致动器118来调节蚀刻速率分布以最大化均匀性或补偿不均匀性。
通过掩模背部的蚀刻速率监控和终点检测：
使用通过阴极44和通过掩模或衬底18的背部的光传感来降低或消除周期性地中断蚀刻工艺以测量掩模上的蚀刻深度或临界尺寸的高成本。以前一直需要中断蚀刻工艺来进行这种周期性的测量，因为相对于光致抗蚀剂的蚀刻选择性差：通常，掩模材料比光致抗蚀剂蚀刻得慢。通常通过在掩模上沉积光致抗蚀剂的厚层来解决这个问题，但是抗蚀剂的高蚀刻速率致使光致抗蚀剂表面无规则地不均匀或粗糙。这种粗糙度影响通过光致抗蚀剂的光，并且因此将噪声引入到临界尺寸或蚀刻深度的任何光学测量中。因此，对于每一次周期性的测量暂时除去光致抗蚀剂来确保没有噪声的光学测量，使得需要在重新开始和中断掩模蚀刻工艺之前再次沉积光致抗蚀剂和将标线图形再次记录到光致抗蚀剂中。
图8中描绘的掩模蚀刻等离子体反应器使用设置在阴极44内的背部光学测量装置避免了这些难题，使得在掩模或衬底18留在掩模支撑台座16上的原处时，能够在整个蚀刻工艺中连续观察临界尺寸或测量蚀刻深度。光学测量装置利用通常是石英的掩模18的光透明本质。可以沉积在掩模上方的薄膜(诸如铬或硅化钼)可以是不透明的，但是可以光感应限定掩模18的标线图案的图案化开口的形成。通过阴极44在掩模背侧可以观察到这些层所反射的或通过这些层透射的光强度的变化。可以用这种观察来进行蚀刻工艺终点检测。当蚀刻石英材料时，可以感应通过阴极44在掩模背部观察到的光干涉以在蚀刻工艺中进行实时蚀刻深度测量。一个优势是从掩模背侧感应到的花样或光信号不受光致抗蚀剂噪声的影响，或者至少与试图从掩模18的顶表面(光致抗蚀剂一侧)进行这种测量相比受到的影响小。
为了这些目的，图8的反应器包括在阴极44的顶表面内的、容纳透镜122的凹部120，透镜122的光轴面向掩模或衬底18的背部。一对直径比透镜122小的光纤124、126具有靠近或接触透镜122的端部124a、126a，并且彼此相邻地对准在透镜122的光轴处。图8中描绘的每条光纤124、126实际上都可以是一小束光纤。光纤124具有与光源128连接的另一端124b。光源发出掩模18是透明的波长的光，对于石英掩模通常是可见光。在干涉深度测量的情形下，选择光源128的波长谱线，以利于在掩模18的标线图形中产生局部相干对于蚀刻掩模结构中数量级大约是45nm的周期性特征(或者低于一微米的周期性特征)，如果光源128在可见光光谱中发光，那么这个要求得到了满足。光纤126具有与光接收器130连接的另一端126b。在简化的终点检测的情形下，光接收器130会简单地检测光强度。在测量临界尺寸(例如线宽度)的情形下，光接收器130会感应透镜122视场内的蚀刻线的图形，由所述蚀刻线的图形来确定线宽度。在测量蚀刻深度的情形下，光接收器130会检测干涉花样或干涉条纹，由所述干涉花样或干涉条纹来确定蚀刻深度(即由干涉或衍射花样来推侧或通过数干涉条纹来计算)。在其它实施例中，光接收器130可以包括用来进行多波长干涉测量的分光计，由所述多波长干涉测量来推侧或计算蚀刻深度。对于这样的确定来说，工艺控制器60包括能够处理来自于光接收器的光信号的光信号处理器132。这种光信号处理器可以包括(取决于特定的实施例)下述之一：由背景光强变化来进行蚀刻工艺终点检测；由光接收器130感应的二维图形来测量临界尺寸；通过数干涉条纹来计算蚀刻深度；由多波长干涉谱线来确定蚀刻深度，在这种情形下光接收器130包括分光计。可替换地，可以采用分光计，利用等离子体发出的和透过透明衬底18的光，通过来自于晶片背部的光发射光谱来进行蚀刻工艺终点检测，并且在此情况中不使用光源128。
工艺控制器60对来自于光信号处理器132的工艺终点检测信息(或蚀刻深度测量信息)做出反应以控制等离子体反应器的各种元件，包括RF发生器24、26、48和晶片运送装置61。通常当达到了蚀刻工艺终点时，工艺控制器60终止蚀刻工艺并使掩模18从台座16中移开。
图9是示出了在铬蚀刻工艺(在铬蚀刻工艺中根据掩模标线图形蚀刻石英掩模表面上的铬薄膜)过程中从掩模的顶(涂覆各种抗蚀剂)侧感应到的作为时间函数的背景反射光强的示图。在图9的图中示出的强度的大波动代表由光致抗蚀剂层顶表面上的粗糙度引起的噪声。虚线代表藏在该噪声内的阶梯函数信号，该阶梯函数与铬蚀刻工艺终点相符合。图10是示出了在图8的反应器中通过阴极44由晶片背侧进行相同测量的曲线，在所述反应器中光接收器130感应反射光的强度。大大地减少了由光致抗蚀剂引起的噪声，使得限定终点的阶梯函数明确地用光数据来表示。阶梯函数的边缘表示在蚀刻工艺一达到铬薄膜的底部时反射光强就降低的转变点，在这点处铬的反射表面面积急剧减少。
图11和图12是光强度随时间变化(或者等效地随空间变化)的示图，并且在图12中，由光接收器130感应，在所述图中光强度中的周期峰对应干涉条纹，干涉条纹的间距确定了蚀刻深度或在透明石英掩模衬底18中蚀刻的紧密地周期性间隔的特征的不同表面之间的厚度差异。图11描述了通过光致抗蚀剂从掩模的顶侧感应的强度，具有削弱干涉条纹检测的光致抗蚀剂引起的大量噪声成分。图12描述了通过掩模背侧由图8的光接收器130感应的强度，在图12中基本没有光致抗蚀剂诱发噪声。
图13是描述在光接收器130由分光计构成且光源128产生不同波长光谱的情形中光强度与波长的函数关系图。图13曲线的强度光谱行为是周期性位于透明掩模18中的亚微米特征的不同深度表面反射光之间发生的干涉效应的典型情形。在较短波长下，峰是完全周期的且平均分布的，主要的光学效果是干涉。在较长波长下，掩模18中的周期特征之间的局部相干性不是很强，以至于随着波长的增加衍射效应不断增强，导致较长波长下的强度行为不再均匀分布而是更加复杂，如图13所示。图13中峰间距，特别是较短波长下，是蚀刻深度的函数，可以从峰与峰之间的距离推测蚀刻深度。
图14描述了图8的反应器的实施例，在所述实施例中光接收器130是环境光强检测器而将光信号处理器132设置成寻找全部反射光强度中的大转折(阶梯函数)，对应图10的终点检测曲线。该实施例中，光源128可以是任何适合的光源。可选择地，可以去除光源128，以使光传感器130仅响应离子穿过透明掩模或衬底18的等离子体的光。
图15描述了图8的反应器的实施例，在所述实施例中光接收器130是被透镜122有效聚焦以分辨干涉条纹的干涉条纹检测器，将光信号处理器132设置成为了计算透明石英掩模18中蚀刻深度而对于涉条纹计数(例如，由图12中描述的类型的强度与时间关系数据)。这种计算产生实质上即时的蚀刻深度，由逻辑器200将该蚀刻深度与存储在存储器202中的用户设定目标深度相比较。逻辑器200能够使用传统数字匹配或最小化程序以检测存储深度值和测量深度值之间的匹配。匹配使逻辑器200为工艺处理器60标记蚀刻终点。
图16描述了图8的反应器的实施例，所述实施例使用图13的干涉光谱技术以测量或确定透明石英掩模或衬底18中的蚀刻深度。在该情形中，光源128发射在可见光范围内的多波长或光谱(对于周期掩模特征尺寸，以几百纳米或更少的数量级)。光接收器130是分光计。组合信号调节器和模拟-数字转换器220将分光计130接收的光谱信息(与图13的曲线相对应)转换为光信号处理器132能够处理的数字信号。能够执行终点检测的一种模式是从图13所示的数据的较短波长范围内的周期峰之间的间距计算蚀刻深度，如上所述。比较逻辑器200能够将即时测量的蚀刻深度与存储在存储器202中的用户设定目标深度相比较以确定是否已经达到蚀刻工艺终点。在另一种模式中，比较逻辑器200是足够强的，能够将表示分光计130的即时输出的数字表征波长光谱(与图13的曲线对对应)与对应预期蚀刻深度的已知光谱相比较。该已知光谱可以存储在存储器202中。由比较逻辑器200检测到的测量光谱与存储光谱之间的匹配或近似匹配导致向工艺控制器发送蚀刻工艺终点标记。
图17描述了图8的反应器的实施例，在所述实施例中光接收器130是能够区分来自室中等离子体发射的光辐射的发射线的光发射分光计，以执行光发射光谱测定法(OES)。处理器132是OES处理器，被设置成能够追踪对应表征被蚀刻层中材料的物种的选择光线的强度(或检测消失)。基于预定的跃迁(例如，在铬蚀刻工艺期间OES光谱中铬波长线的消失)，处理器132向工艺控制器60发送蚀刻工艺终点检测标记。
图18描述了发明人已经构建的实施例，具有在阴极44表面的各自间隔凹槽231、233内的透镜对230、232，聚焦透镜230、232以分辨干涉条纹，由各自的面对或接触各自透镜230、232的光纤234、236传输聚焦光。光纤234、236与干涉检测器238(可以是条纹检测器或分光计)相连，检测器238具有与工艺控制器60相连的输出端。透镜230、232通过光纤242、244接收来自光源240的光。该光是从掩模18的顶部表面反射回透镜230、232并由光纤234、236传送到检测器238。另外，图18的实施例在阴极表面具有第三凹槽249，容纳通过光纤252连接到OES分光计254的输入端的第三透镜250。OES处理器256处理OES分光计254的输出以执行终点检测，并将结果传送到工艺控制器60。在图19中描述了图18的实施例的阴极44，示出了容纳各自透镜230、232、250的三个凹槽231、233、249。图20示出了在设备板46中相应的孔洞260、261、262，这些孔同用于容纳支撑透镜230、232、250的光学装置(未示出)。图21是示出将光纤连接到台座16内部透镜的剖视图。
虽然已经按照使用分光计130(图16、图17)和254(图18)来描述图16、图17和图18的反应器，但是也可以使用一个或多个调整到预定波长的光学波长滤波器来替代分光计130或254。可以将每个这种光学波长滤波器与光电倍增器相结合以强化信号幅值。
背部终点检测的掩模蚀刻工艺：
图22A和图22B描述了用于在掩模石英材料中蚀刻标线的过程。在图22A中，已经在石英掩模衬底210上覆盖了光致抗蚀剂层212，光致抗蚀剂层212具有间隔线214的周期结构和在光致抗蚀剂层212中限定的开口216。在图15或图16的反应器中，将由CHF3+CF4+Ar构成的蚀刻石英的工艺气体引入室10，由RF发生器24、26和48施加功率，在光致抗蚀剂层212中形成的开口216内蚀刻石英材料。通过从石英衬底210的蚀刻顶部表面反射的光218和从未蚀刻顶部表面反射的光219之间的干涉连续测量石英中的蚀刻深度。当达到预期蚀刻深度时立即停止蚀刻过程(图22A)。然后去除光致抗蚀剂以产生预期的掩模(图22B)。
图23A到图23E描述了蚀刻三层掩模结构的过程，三层掩模结构由下面的石英掩模衬底210、硅化钼层260(含有钼氧-硅氮化物)、铬层262、氧化铬抗反射涂层264和光致抗蚀剂层266构成，在光致抗蚀剂层266中形成开口268(图23A)。在图23B的步骤中，在等离子体反应室内使用诸如Cl2+O2+CF4的铬蚀刻工艺气体蚀刻铬层162和抗反射涂层264，等离子体反应室具有简单的反射终点检测(图14的室)或具有OES终点检测(图17的室)。去除光致抗蚀剂层266(图23C)。然后如图23D所示，使用诸如SF6+Cl2的作为硅化钼蚀刻剂的工艺气体，并将铬层262作为硬掩模来蚀刻硅化钼层260。该步骤在诸如图14或图17的室的具有简单的背景反射或OES终点检测的等离子体反应器中实现。在图23E中，使用诸如CHF3+CF4+Ar的铬蚀刻工艺气体去除铬层262和氧化铬抗反射涂层264。可以使用具有简单终点检测而没有蚀刻深度测量的图14或图17的反应器实现该步骤。这得到具有确定标线图形的硅化钼上覆层的石英掩模衬底。
图24A到图24E描述了制备二元掩模的过程，二元掩模由在外露石英周期间隔侧面的透明石英掩模上的周期铬线构成，将交替的外露石英间隔蚀刻到能够以预期角度(例如，180度)使透射光位相偏移的深度。图24A描述了由石英掩模衬底300、铬层302、氧化铬抗反射涂层304和光致抗蚀剂层306构成的原始结构。在图24B的步骤中，在诸如图14或图17的室的反应室中在Cl2+O2+CF4的工艺气体中蚀刻铬层和氧化铬层302、304。在图24C的步骤中，去除光致抗蚀剂层306，然后如图24D中所示，在CHF3+CF4+Ar的石英蚀刻工艺气体中蚀刻石英掩模衬底300的外露部分。在诸如图15或图16的室的能够感应或检测石英掩模衬底300中蚀刻深度的反应室中实现图24D的石英蚀刻步骤。在蚀刻过程中，连续监测即时蚀刻深度，当掩模300上到达目标蚀刻深度时立刻停止蚀刻过程。图24E中描述了最终结果。
穿过掩模表面的蚀刻速率分布的连续监测：
图25和图26描述了图1的晶片支撑台座16的实施例，具有在阴极44的顶部表面的背部蚀刻深度感应元件(透镜和光纤)的矩阵，在蚀刻过程中连续提供穿过掩模或衬底整个表面的蚀刻速率分布的即时图像或样本，不会中断蚀刻过程或没有其它干扰掩模衬底的过程。铝平台44a在顶部表面具有开口320的矩阵，每个开口持有面向掩模衬底300背部的透镜322。光源324通过连接到各自透镜322的输出光纤326提供光。透镜322提供有效聚焦以分辨干涉条纹。将干涉检测器328连接到与各自透镜322相连的输入光纤330，干涉检测器328可以是产生干涉计数的感应器或分光计。开关或多路转接器332允许光顺序地从每个输入光纤330到达检测器328。图25和图26的装置可以有三种运行模式。在第一模式中，从干涉条纹之间的间隔计算给定透镜322视场中的蚀刻深度。在第二模式中，检测器328是分光计从多波长干涉光谱(对应图13)的较短波长峰间隔计算给定透镜322视场中的蚀刻深度。在第三模式中，在给定时刻检测多波长干涉光谱，并将所述多波长干涉光谱与光谱库340相比较，光谱库340中光谱对应的蚀刻深度是已知的。从蚀刻深度和消耗时间计算蚀刻速率分布。该分布记录了工艺的蚀刻不均匀性，并且所述分布被馈送到工艺控制器132。控制器132能够通过调整反应器的可调特征来响应以降低蚀刻速率分布中的不均匀性。
虽然以具有在平台44a顶部表面上的蚀刻深度感应器或透镜322的3×3矩阵的形式模式了图25和图26的实施例，可以以任何行和列的形式使用这种感应器矩阵，即矩阵是m×n矩阵，这里m和n是适合的整数。
在一个实施例中，可以将工艺控制器132设置成推导(由分光计或感应器130提供的蚀刻速率分布)蚀刻速率分布是中心高还是中心低。工艺控制器60能够通过调整反应器的某些可调特征来响应该信息以降低不均匀性。例如，工艺控制器60可以改变内部和外部线圈20、22之间的RF功率分配。可选择地或额外地，工艺控制器60可以改变图6和图7的反应器中可移动铝板112的高度。平台44a中的蚀刻深度感应元件阵列或矩阵给出的反馈使工艺控制器60可以通过连续反复调整反应器可调元件来改进蚀刻速率分布的不均匀性。
实时可配置工艺气体分布：
图27和图28描述了图1的等离子体反应器的实施例，具有一排独立可控气体注入孔或喷嘴32。通过单独控制不同喷嘴32，可以改变室10中的气体分布以校正穿过工件或掩模18的蚀刻速率的不均匀分布。在描述的实施例中，气体注入喷嘴32阵列位于靠近顶板14的侧壁12上。为了该目的，反应器包括顶环338，顶环338被夹持在侧壁12的顶部和底部表面构成顶板14的可抽取盖342之间。顶环338底部表面的外部台肩344被搁在侧壁12的顶部表面上。环顶部表面的内部台肩346承受盖342的边缘。在盖342底部表面配置了外部台肩348，所述盖342被搁在环338的内部台肩346内。在环338的垂直内表面349中形成气体注入孔或喷嘴32。由单独的阀门350独立控制流到每个注入喷嘴32的气体，一个阀门350对应一个喷嘴32。由气体仪表盘36提供的工艺气体流过气体供应线路352，气体供应线路352与在环338上形成的输入端口354相连。在环338上形成的气体供应出口356-1、356-2输出在输入端口354接收的工艺气体。一系列的可卸气体流动线路358在环338的周围之外形成串联连接线路，从每个气体供应出口或端口356到相应的一组阀门350传输气体。
在优选实施例中，每个阀门350由气动控制，具有输入流通端口350a和输出流通端口350b，受控气体出口端口350c和气压控制输入端口350d。出口端口350c为相应的一个喷嘴32提供受控工艺气体流。工艺气体从输入流通端口350a自由地流向输出流通端口350b。控制输入部分350d处的压缩空气压力决定是否将流过流通端口350a、350b的任何工艺气体传送到气体出口端口350c。这种气动控制阀门是已知的，因此这里不需要公开它们的内部结构。将气体流动线路358-1和358-2从气体供应出口356-1、356-2连接到阀门350-1、350-2的输入流通端口350a。将剩余的每个气体流动线路358从一个阀门350的输出流通端口350a连接到下一个阀门350的输入流通端口350b。因此，在图28的附图的左侧的系列阀门350中气体流动方向是逆时针的，而在图28的附图的右侧的系列阀门350中气体流动方向是顺时针的。
从每个输出端口356流向与所述每个输出端口356相连的系列阀门350的气体流没有被串联中的任何中间阀门350所防碍。不需要开启或关闭任何其它阀门350就可以“开启”每个阀门350，以向相应的气体注入孔32提供气体流，并可以“关闭”每个阀门350以取消流向该注入孔的气体流。阀门配置处理器360控制全部的阀门350，并可以通过阀门控制线路362开启或关闭阀门350的任何组合。如上所述，在优选实施例中，为了避免在线圈天线20、22附近存在电导体，阀门350是气动阀门，控制线路362是气动(空气)导管。在图28的实施例中，压缩机364为一排磁控(即电控制的)阀门365提供加压空气，以控制施加给各自气动阀门350的气动控制输入端350a加压空气。阀门配置处理器360通过远离线圈天线20、22的电线路控制磁控阀门365。
图29描述了图28的实施例的更改，在图29中阀门350是单独电控制的而不是气动控制的。在图29中，每个控制线路362是直接从控制器360延伸到各自的阀门350的电线，去除了压缩机364和一排加压空气磁控阀门365。
再次参照图27和图28，从穿过环338的径向圆柱形通道366形成每个孔32。在通道366内具有中空圆柱形套筒368，套筒368的顶部368a形成气体注入孔。例如，顶部368a的注入孔直径尺寸量级为0.030英寸。每个套筒368可以由陶瓷材料构成且可以是可移动的。通过短气体供应线路370将每个阀门350的受控气体出口部分350c连接到相应的径向通道366的外部末端。整个气体分布组件是模块化的，可以通过每个外部气体供应线路358和短气体供应线路370之间的连接(或断开)来快速分解，套筒368从开口366是分别可移动的。在这种方式中，可以容易地将支撑在环338上的气体分布组分和组件放置在独立基座上，不需要去除或置换反应器的更加昂贵的组分，例如诸如环338。
图30A到图30D是掩模18上的蚀刻深度分布曲线，是在对于不同阀门配置在图27和图28的反应器中实现的蚀刻过程的固定时间周期内获得的。图30A的蚀刻分布是在全部阀门350开启时获得的，是一般的中心低蚀刻分布，具有穿过掩模表面为0.51％的高不均匀性或偏差。图30B的蚀刻分布是在一对临近阀门350a、350b关闭、其余阀门350开启时获得的，更加接近均匀分布，仅具有为0.38％的不均匀性或偏差。图30C是将阀门配置返回到全部350开启的状态时获得的。图30C的分布更加中心低。图30D的分布将一对不同的临近阀门350c、350d关闭获得的。获得的分布更加均匀和中心低分布程度更轻，仅具有为0.40％的偏差。
图31描述了替代实施例，在所述替代实施例中气体注入喷嘴32位于环338中的锯齿形或“W”图形中。每个喷嘴与前面的实施例相同是独立控制的。通过仅激活喷嘴的顶排32a或底排32b可以相对顶板移动注入图形。通过仅激活所选喷嘴32(例如，每三个喷嘴或每四个喷嘴)可以改变喷嘴之间的距离。图32是环338一部分的剖视图，描述了如何配置喷嘴32以在不同方向喷射。例如，通过阀门配置控制器360仅开启那些朝向特定方向的喷嘴32来获得气体分布的大变化。例如，可以同时开启朝向图32视图中右侧倾斜的全部喷嘴32c以排除全部其它喷嘴。例如，通过开启朝向左侧倾斜的全部喷嘴32d同时关闭其它包括朝向右侧倾斜的全部喷嘴32c的全部其它喷嘴可以获得大的变化或校正。
用来自背部蚀刻深度测量传感器的反馈控制可调反应器元件
现在参照图33和图34，提供了使用图25和图26的背部蚀刻深度传感器二维阵列的输出的掩模蚀刻等离子体反应器的可调元件的反馈控制。可调元件或元件组可以包括图27和图28的单独受控气体注入喷嘴32的阵列。可选择地，或额外地，以这种反馈电路控制的可调元件可以包括在内部和外部线圈20、22之间的RF功率分配或图6和图7的反应器中可移动铝板112的高度。
来自图25和图26的蚀刻深度感应元件130的阵列或矩阵的反馈使工艺控制器60可以通过连续反复调整反应器可调元件来改进蚀刻速率分布的均匀性。在图33中，反馈电路从图25和图26的背部蚀刻深度传感器130的阵列400开始。工艺控制器60被设置成使用穿过掩模18的即时蚀刻深度测量图像来推断掩模18上的蚀刻速率不均匀性的位置和幅度，并推测能够降低或消除这种不均匀性的反应器特定可调元件的可能变化。由处理器60将这种信息转换成一个指令(或多个指令)，以传送到反应器可调元件的任何一个或多个或全部。因此，图33示出了从工艺控制器60到后面的反应器中存在的任何一个或全部可调元件的输出信号路径：内部和外部天线RF功率发生器24、26(用于内部和外部RF功率分配)；用于可移动铝板112的传动装置118；可控喷嘴32阵列的喷嘴阵列控制器360。
在整个掩模蚀刻过程中可以连续运行反馈电路，以便通过降低由处理器60从穿过掩模18的蚀刻速率分布“图像”中察觉的不均匀性，改进穿过掩模18的蚀刻速率分布的均匀性。可以通过用于执行反复校正的处理器60中的软件管理反馈。可选择地，处理器60中的软件可以整合商业上可用的神经训练和反馈学习技术，以使控制器60能够更加聪明地对感觉到的蚀刻速率分布中的不均匀性做出反应。这种软件技术不构成本发明的任何部分。
在一个实施例中，可以产生给予可调元件(或多个元件)的反馈指令以降低蚀刻深度传感器阵列之间的变化。在另一实施例中，可以选择反馈以专注于特定不均匀性。例如，由传感器130阵列感应的蚀刻速率分布可能在掩模18的某个四分体或角落中非常高，在这种情形中指示阀门配置处理器以有限(试验)数量降低该四分体处的气体流。如果根据从背部传感器130获得的蚀刻速率分布后续图像，这种对策获得有限成功，然后可以增加气体流动分布中的这种调整。可能持续这种调整和校正循环，直到不需要对蚀刻速率分布进行进一步的改进。
在第一个不均匀性已经被校正后可以在类似基础上处理其它的不均匀性。例如，在不同区域中的蚀刻速率可能非常高，在这种情形中，在该不均匀性的某种降低的这种结果在来自背部传感器130阵列的蚀刻速率分布“图像”的多个示例之上的同时降低流向那个区域的气体流。
在蚀刻速率分布不均匀性是对称(例如，中心高或中心低分布)的情形中，可以通过处理器60使用诸如铝板112的高度或内部和外部线圈20、22之间的RF功率分配的对称可调元件以使用反馈控制电路来降低不均匀性。例如，由处理器60通过提升铝板112或增加给内部线圈20的RF功率分配(相对外部线圈22)来增加掩模18的中心蚀刻速率，可以补偿中心低蚀刻速率分布为较轻的不均匀。在反馈电路中，最初这种变化可以是较小的，当来自背部传感器130阵列的蚀刻速率分布图像在均匀性方面得到改进时，可以进一步增加铝板的位置或分配给内部线圈20的功率。该循环可以持续，直到没有观察到进一步的改进。可以将前述的全部技术整合在由工艺控制器60执行的软件中。
图35描述了图33和图34实施例中由工艺控制器60执行的反馈循环的一个可能示例。首先，处理器60从背部传感器130阵列(图35的方框380)获得穿过掩模表面的蚀刻速率的最新二维图像。从这个图像，处理器60推测蚀刻速率分布不均匀性图形(方框382)并从能够降低不均匀性的选项列表中选择反应器一个可调元件的调整(方框384)。在进行该调整(方框386)后，处理器60获得最新蚀刻速率分布图像(方框388)并将所述最新蚀刻速率分布图像与调整前获得的先前图像比较。如果存在改进(不均匀性的减轻)，处理器60重复同一循环，可能导致同一后续调整的进一步增加。如果没有改进(没有方框390的分枝)，因此将所选调整从选项列表中删除(方框392)，回到方框384步骤选择不同的调整。
图36描述了用于处理工件1102的等离子体反应器，工件1102可以是半导体晶片，支撑在工件台座1103上，由升降伺服器1105提升或降低。反应器由被室侧壁1106和顶板1108所包围的室1104构成。顶板1108可以包含在顶板1108的内表面具有小的气体注入孔1110的气体分布喷头1109，喷头1109从工艺气体源1112接收工艺气体。另外，可以通过气体注入喷嘴1113引入工艺气体。反应器包括感应耦合RF等离子体源功率施加器1114和电容耦合RF等离子体源功率施加器1116。感应耦合RF等离子体源功率施加器1114可以是在顶板1108之上的感应天线或线圈。为了能够感应耦合到室1104中，气体分布喷头1109可以由诸如陶瓷的绝缘材料构成。VHF电容耦合RF等离子体源功率施加器1116是电极，可以位于顶板1108内或位于工件台座1103内。在替代实施例中，电容耦合源功率施加器1116可以由顶板1108内的电极和工件台座1103内的电极构成，以使RF源功率可以与顶板1108和工件台座1103两者电容耦合。(如果电极在顶板1108内，所述电极可以具有多个槽缝以便从顶部线圈天线电感耦合到室1104中。)RF功率发生器1118能够通过任意阻抗匹配元件1120为感应耦合源功率施加器1114提供高频(HF)功率(例如，在大约10MHz到27MHz范围内)。另一RF功率发生器1122通过任意阻抗匹配元件(Z)1124为电容耦合源功率施加器1116提供甚高频(VHF)功率(例如，在大约27MHz到200MHz范围内)。当VHF频率提高时电容耦合源功率施加器1116产生等离子体离子的效率提高，为了有效发生电容耦合频率范围优选位于VHF区域。如在图36中象征性地表示的那样，将来自RF功率施加器1114、1116的功率耦合到室1104中在工件台座1103上形成的体等离子体1126。将来自RF偏置功率源的RF等离子体偏置功率耦合到工件1102，RF偏置功率源与(例如)位于工件台座中且在晶片1102下面的电极1130相连。RF偏置功率源可以包括低频(LF)RF功率发生器1132和可以是中频(MF)或高频(HF)RF功率发生器的另一RF功率发生器1134。阻抗匹配元件1136连接在RF功率发生器1132、1134和工件台座电极1130之间。真空泵1160通过阀门1162从室1104中排出工艺气体，阀门1162可以用于调节排气速率。通过阀门1162的排气速率和通过气体分布喷头1109的引入气体流动速率决定了室压力和工艺气体在室内的驻留时间。
由感应耦合功率施加器1114或VHF电容耦合功率施加器1116施加的功率增加时，等离子体离子密度提高。然而，它们的作用不同，感应耦合功率使体等离子体中的离子和自由基更加离解，导致中心低的径向离子密度分布。相反，VHF电容耦合功率导致较低离解和中心高的径向离子密度分布，而且当所述VHF电容耦合功率的VHF频率提高时提供更高的离子密度。
取决于工艺需要，可以组合或独立使用感应和电容耦合功率施加器。通常，当组合使用时，感应耦合RF功率施加器1114和电容耦合VHF功率施加器1116同为等离子体提供功率，同时LF和HF偏置功率发生器同时为晶片支撑电极1130提供偏置功率。如将在下面讨论的那样，这些源的同时运行使能够独立调节更加重要的等离子体处理参数，诸如等离子体离子密度、等离子体离子径向分布(均匀性)、等离子体的离解或物种含量、鞘层离子能量和离子能量分布(宽度)。为了该目的，源功率控制器1140彼此独立地调节源功率发生器1118、1122(例如，控制它们的功率比)以控制体等离子体离子密度、等离子体离子密度径向分布和等离子体中自由基和离子的离解，如将在本说明书的后面部分中描述的那样。控制器1140能够独立控制每个RF发生器1118、1122的输出功率级。另外，或可选择地，控制器1140能够脉冲调节RF发生器1118、1122中的一个或两个的RF输出并独立控制每个的占空比，或控制VHF发生器1122的频率、视需要控制HF发生器1118的频率。另外，偏置功率控制器1142独立控制每个偏置功率发生器1132、1134的输出功率级以控制离子能量级和离子能量分布宽度，如将在下面描述的那样。运行控制器1140、1142以实现本发明的不同方法。
根据图37中描述的本发明的第一方法，彼此独立地控制等离子体离子密度、等离子体离子密度均匀性、鞘层离子能量和离子能量分布(宽度)。图37的方法包括引入工艺气体，优选通过顶板气体分布喷头1109(图37的方框1202)。该方法继续将VHF源功率电容耦合到体等离子体(方框1204)同时将RF源功率感应耦合到体等离子体(方框1206)。用户参照特定工艺步骤设定某个等离子体离子密度。通过将VHF电容耦合源功率和感应耦合源功率的总值维持在提供要进行的工艺步骤所需要的等离子体离子密度的水平上来实现这一过程(方框1208)。同时，在维持预期等离子体离子密度的同时，确定晶片表面的等离子体离子密度的径向分布(例如，使所述离子体离子密度的径向分布尽可能的均匀)。通过调整VHF电容耦合源功率和感应耦合源功率的数量之间的比值来实现这一过程(方框1210)。这一过程在由感应耦合源功率引起的中心低分布和由电容耦合源功率引起的中心高分布之间分配径向离子分布。如将在本说明书后面中描述的那样，可以通过将全部RF功率基本维持恒定同时仅改变由HF和VHF发生器1118、1122发送的功率之间的比值来实现这一过程，而不扰乱离子密度。
可以通过下面步骤中的任何一个(或组合)实现步骤1210的调整：调整的第一类型由调整感应和电容耦合功率源1118、1122的RF发生器功率级构成(图37的方框1210a)。另一类型由脉冲调节感应和电容耦合功率源1118、1122中的至少一个或两个并调整一个相对另一个的占空比构成(图37的方框1210b)。第三类型由调整电容耦合功率VHF发生器1122的有效频率构成(图37的方框1210c)，在所述第三类型中当提高VHF频率时等离子体离子密度增加。在一个优选实施例中可以通过提供两个VHF发生器1122a、1122b实现电容耦合等离子体源功率的有效VHF频率的调整，VHF发生器1122a、1122b具有固定但不同的VHF频率(即，由发生器1122a输出上VHF频率f1而由发生器1122b输出下VHF频率f2)，将两者的综合输出经由阻抗匹配电路1124a与1124b施加到电容功率施加器上。通过改变两个发生器1122a、1122b的输出功率级a1、a2之间的比值实现在由上、下频率f1、f2确定的范围内改变有效VHF频率feff。可以将有效频率feff一阶近似为两个VHF发生器1122a、1122b各自的频率f1和f2及它们各自的可调输出功率级a1和a2的如下函数：feff＝(a1f1+f2a2)/(a1+a2)。虽然前面的示例涉及两个VHF发生器，但是如果需要可以使用更多的数量。
VHF电容源能够有效产生等离子体密度而不会在等离子体中产生高RF电压，这点与感应耦合等离子体(ICP)源相似。相反地，LF和HF偏置源可有效在等离子体中产生高RF电压，对等离子体密度没有贡献。因此，VHF源(或多个VHF源)与ICP源的组合能够产生等离子体而没有在等离子体内产生大RF电压的副作用。结果是，由LF或HF源产生的施加到晶片台座上的RF电压可以与等离子体密度产生源相独立地运行。可以将VHF源独立于ICP源运行，且具有与ICP结合产生等离子体密度的能力(然而传统ICP源使用连接到晶片台座上的HF或LF电容耦合功率源以仅在晶片上产生RF电压)。
该方法进一步包括将独立可调的LF偏置功率和HF偏置功率源施加到工件上(方框1212)。控制器1142通过同时调整两个RF偏置功率发生器1132、1134来调整工件表面上的离子能级和离子能量分布(宽度或光谱)(方框1214)。由下面方法的任何一种来实现该步骤：一种方式是调整HF和LF偏置功率源1132、1134功率级之间的比值(图37的方框1214a)。另一种方式(不太实用)是调整或选择LF和HF偏置功率源的频率(图37的方框1214b)。在第一实施例中，将LF和HF频率施加到静电卡盘(ESC)电极1130上，同时ICP施加器1114位于喷头1110之上，将VHF源功率施加到气体分布喷头1110上(在这种情形中喷头1110是CCP施加器1116)。在第二实施例中，ICP功率施加器1114位于喷头1110之上，将VHF源功率与HF和LF偏置频率一起施加到ESC电极1130上。
如果将该方法用于蚀刻多层结构的连续的不同材料层的蚀刻过程，可以确定用于蚀刻每层的等离子体处理为完全不同的过程。例如，可以使用高度离解的离子和自由基物种蚀刻一层，同时在密度比其它层高的等离子体中蚀刻另一层。另外，如果在步骤间改变室压，可以补偿这种改变对径向离子密度分布上的影响以维持均匀分布。全部这一过程是通过在多层结构露出的连续层上重复前述调整步骤来实现的(方框1216)。
在方框1210步骤中获得的等离子体离子径向分布的较好的均匀性使得不需要在晶片上提供大的室容积。因此，可以降低晶片与等离子体源之间的距离而不危及均匀性。可以在构建反应器时实现该过程，或(优选地)能够相对顶板1108提升或降低晶片台座1103的位置以改变顶板到晶片的距离。通过由此降低室容积，减少了工艺气体滞留时间，可以独立控制离解和等离子体物种含量。同样，减少顶板到晶片的距离使气体分布喷头1109的气体分布效果在被扩散遮掩之前到达晶片表面成为明显的优势。由此，方法的其它步骤由限制顶板到晶片的距离以(a)限制滞留时间或(b)防止喷头气体分布图形在晶片表面被扩散效果所遮掩(图37的方框1218)。一个优势是选择可以使用感应耦合而不需要大的顶板到晶片的距离以补偿感应耦合源的中心低的离子分布特征。实际上，顶板到晶片的距离可以非常的小以使顶部气体分布喷头能够影响或改进晶片表面的工艺均匀性。
在图37的方框1220的步骤中，可以通过调整等离子体的离解度，独立于前述的调整(例如独立于方框1210的步骤的径向离子密度分布的调整)对等离子体的物种含量进行调整或控制。可以通过调整真空泵1160对室1104抽真空的速率来进行这个步骤(图37的方框1220a)，例如通过控制阀1162来改变工艺气体在室中的滞留时间。(离解度随着滞留时间和室体积的增加而增加)。可替换地(或另外地)，可以通过调整顶板到晶片的距离以改变工艺气体在室中的滞留时间来进行离解度的调整(图37的方框1220b)。这可以通过提高或降低图36的工件支架1103来实现。前述用于调整等离子体离解度的测量不会显著影响为了调整离子分布或均匀性而在方框1210的步骤中建立的电感和电容耦合的比值。从而使步骤1220的离解或物种含量的调整基本上独立于步骤1210的等离子体离子密度分布的调整。
在可替换的实施例中，电容耦合的源功率施加器1116包括顶板1108和工件支架1103中的电极，通过顶板1108和工件支架1103中的电极同时施加VHF功率。这个特征的优点在于：顶板上的VHF电压(或电流)的相位可以与工件支架上的相位不同，并且改变这个相位差改变了室1104中的等离子体离子密度的径向分布。因此，用于调整等离子体离子密度的径向分布的额外步骤是调整工件支架1103上的VHF电压(或电流)和顶板1108上的VHF电压(或电流)之间的相位差。这在图37的方框1230中说明了。这种调整可能需要或不需要改变在方框1210的步骤中选择的电容和感应耦合的比值。
图38A、38B和38C示出了中心低或“M”型感应耦合等离子体离子密度分布(图38A)和中心高的电容耦合等离子体离子密度分布(图38B)的组合如何致使与图38A和38B的分布的叠加相对应的更理想或更接近均匀的等离子体离子密度分布(图38C)。图38C的理想分布是通过仔细调整图36的两个源1118、1122的电感和电容耦合的数量来实现的。电容耦合功率的高比率导致中心更高的分布，而感应耦合的高比率导致中心更低的分布。在不同的室压力下不同的比率将产生理想的分布。分配电感和电容耦合的一种方法是分配两个发生器1118、1122的RF功率的数量。图39示出了发生器1118、1122的输出功率级之间的比值如何影响径向离子分布。图39的曲线中的最低点或下沉点与离子分布的不均匀性或偏差最小的理想功率比率相对应。在电感和电容耦合功率之间进行分配的另一种方法是脉冲调节两个发生器1118、1122中的至少一个，然后控制脉冲占空比。例如，可以脉冲调节它们之中的一个(电感源1118)而另一个(电容源1122)可以连续，然后通过调整电容耦合源1122的占空比来平衡二者。可选择地，可以对两个都进行脉冲调节，通过控制两个源的占空比的比值来进行分配。结果在图40中示出，在图40中感应耦合比电容耦合占空比的高比值使更多的感应耦合功率到达等离子体，产生了中心更低的分布，电容耦合功率比感应耦合功率的高比值使得等离子体中有更多的电容耦合功率，提供了中心高的分布。
可以进行前述对离子密度分布的调整而不改变等离子体密度。图41示出了这在通过调整RF发生器输出功率来进行均匀性调整的图39的实施例中是如何实现的。图41示出了对于感应耦合功率(纵轴)和电容耦合功率(横轴)的不同组合的恒定离子密度线。只要将来自于发生器1118、1122的感应和电容耦合功率的数值分别限制为沿着恒定密度线的特定一个，就可以将电感-电容功率的比值设定为任何需要的数值(为了控制均匀性)而不改变等离子体离子密度。通过常规的试验可以推导出任何给定反应器的恒定密度线。图42示出了这在通过调整RF发生器脉冲占空比进行均匀性调整的图40的实施例中是如何实现的。图42示出了对于感应耦合占空比(纵轴)和电容耦合占空比(横轴)的不同组合的恒定离子密度线。只要将来自于发生器1118、1122的感应和电容耦合占空比的数值分别限制为沿着恒定密度线的特定一个，就可以将电感-电容功率的比值设定为任何需要的数值(为了控制均匀性)而不改变等离子体离子密度。通过常规的试验可以推导出任何给定反应器的恒定密度线。
图43是示出了在图37的方框1210c的步骤中，选择VHF电容耦合功率源1122的频率对离子密度的影响。图43示出了离子密度(并且因此功率耦合)随着频率的增加(例如从27MHz到60MHz，然后到200MHz)，以更高的速率随施加的源功率而增加。从而，影响等离子体离子密度和电容与感应耦合功率之间的平衡的一种方法是选择或控制电容耦合源RF发生器1122的VHF频率。
图44示出了维持需要的等离子体离子密度，同时利用上面讨论的感应与电容耦合的比值来实现等离子体的希望的离解度或物种含量的图37的方法的变形。图44的方法包括注入工艺气体，有效通过顶部气体分布喷头1109(图44的方框1302)。该方法然后将RF源功率电容耦合到体等离子体上(方框1304)，同时将RF源功率感应耦合到体等离子体上(方框1306)。使用者根据特定的工艺步骤确定一定的等离子体离子密度。这通过将电容耦合功率和感应耦合功率的总和维持在能够提供对于要执行的工艺步骤所需要的等离子体离子密度的水平上来实现(方框1308)。同时，在维持需要的等离子体离子密度的同时，确定体等离子体中的离解度(例如满足特定的工艺要求)。这通过调整VHF电容耦合功率和感应耦合功率的值之间的比值来实现(方框1310)。这将离解(体等离子体中的运动电子能)固定在感应耦合等离子体所特有的很高程度和VHF电容耦合等离子体所特有的低程度之间。根据上面参照图41和(或)图42所描述的方法，可以通过维持总RF功率接近恒定同时只改变HF和VHF发生器1118、1122发出的功率之间的比值，来实现这种分配而不扰动离子密度。步骤1310的调整可以通过下面步骤中的任何一个(或组合)来进行：第一种类型的调整包括调整感应和电容耦合功率源1118、1122的RF发生器功率级(图44的方框1310a)。另一种类型的调整包括脉冲调节感应和电容耦合RF功率发生器1118、1122中的至少一个或两个，然后调整其中一个相对于另一个的占空比(图44的方框1310b)。第三种类型包括调整电容耦合功率VHF发生器1122的有效频率(图44的方框1310c)，在所述第三种类型中等离子体离子密度随VHF频率的增加而增加。可以通过提供具有各自频率的一对固定频率VHF发生器1122a、1122b和调整它们的输出功率级之间的比值来改变有效VHF频率。
该方法还包括将独立可调的LF偏置功率和HF偏置功率电源连接到工件上(方框1312)。控制器1142通过两个RF偏置功率发生器1132、1134的同时调整来调整工件表面上的离子能级和离子能量分布(宽度或频谱)(方框1314)。这个步骤可以通过下面的任何一个来进行：一种方法是调整HF和LF偏置功率源1132、1134的功率级之间的比值(图44的方框1314a)。另一种方法是调整或选择LF和HF偏置功率源的频率(图44的方框1314b)。
该方法用于执行等离子体增强蚀刻工艺、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、物理气相沉积工艺和掩模工艺中。如果该方法用在蚀刻多层结构的不同材料的连续层的蚀刻工艺中，那么可见将用来蚀刻每一层的等离子体处理定制为完全不同的处理。例如可以用高度离解的离子和自由基物种来蚀刻一层，而另一层可以用比其它层密度高的等离子体来蚀刻。而且，如果室压力在不同的步骤中变化，那么为了维持均匀的分布，这种变化对径向离子密度分布的影响应得到补偿。所有这些通过一露出多层结构的连续层就重复前述的调整步骤来实现。
通过组合感应耦合源功率和VHF电容耦合源功率所获得的等离子体离子径向分布的超均匀性使得不需要提供大的顶板到晶片的距离。因此，可以减小顶板到晶片的距离而不降低均匀性。这可以在构造反应器时，或者(优选)在晶片支撑1103能够相对于顶板1108被提起或降低以改变顶板到晶片的距离时进行。通过这样减小室的体积，工艺气体滞留时间降低了，提供了对离解和等离子体物种含量的独立控制。而且，降低顶板到晶片的距离使得气体分布喷头1109的气体分布效应在由于扩散在晶片表面被掩盖住之前达到晶片表面，这是显著的优点。从而，该方法的另一个步骤包括限制顶板到晶片的距离以(a)限制滞留时间或(b)防止由于扩散效应喷头气体分布图形在晶片表面上被掩盖住(图44的方框1318)。
在图44的方框1320的步骤中，可以通过调整室中的工艺气体滞留时间，独立于前述的调整来调整或控制等离子体的物种含量。这个步骤可以通过调整真空泵1160对室1104抽真空的速率来进行(图44的方框1320a)，例如通过控制阀1162来改变气体在室中滞留时间。(离解度随着滞留时间的增加而增加)。可替换地(或另外地)，可以通过调整顶板到晶片的距离以改变工艺气体在室中的滞留时间来进行离解度的调整(图44的方框1320b)。这可以通过提高或降低图36的工件支架1102来实现。前述用于调整等离子体离解度的测量不会显著影响在方框1310的步骤中建立的电感和电容耦合的比值。从而使步骤1320的离解或物种含量的调整基本上独立于步骤1210的离解调整(或者除了步骤1210的离解调整之外还包括步骤1320的离解或物种含量的调整)。
在可替换的实施例中，电容耦合的源功率施加器1116包括顶板1108和工件支架1103中的电极，通过顶板1108和工件支架1103中的电极同时施加VHF功率。这个特征的优点在于：顶板上的VHF电压(或电流)的相位可以与工件支架上的相位不同，并且改变这个相位差改变了室1104中的等离子体离子密度的径向分布。因此，可以通过调整工件支架1103上的VHF电压(或电流)和顶板1108上的VHF电压(或电流)之间的相位差以独立于离解(即不改变在方框1310的步骤中选择的电容与感应耦合的比值)来调整等离子体离子密度的径向分布。这在图44的方框1330中说明。
图45是示出了在方框1308的步骤中感应和电容耦合的比值如何控制体等离子体的离解的曲线。体等离子体内的电子能量的增加促进了离解，图45示出了四个不同操作状态的电子能量分布函数。
用1410表示的曲线示出了只给晶片施加HF偏置功率而不施加源功率的情形下的电子能量分布函数。在这种情形下，电子全部限制在低能能谱内，远低于通常的离解反应(用曲线1420来表示)的曲线具有可观的量值的能量。因此，发生很少的离解(如果有的话)。
用1430表示的曲线示出了给电容耦合源功率施加器1116施加VHF功率而不给任何其它施加器施加功率的情形下的电子能量分布函数。在这种情形下，电子中有一小部分恰好与碰撞曲线1420相一致，因此发生少量的离解。
用1440表示的曲线示出了给感应耦合源功率施加器1114施加HF功率而不给其它施加器施加功率的情形下的电子能量分布函数。在这种情形下，电子中有一部分恰好与与碰撞曲线1420相一致，因此在体等离子体中发生很高程度的离解。
用1450表示的曲线示出了在电容和感应耦合施加器1116、1114之间分配RF功率的情形下的电子能量分布函数。在这种情形下，所获得的电子能量分布函数是两个函数1430、1440的混合，并位于二者之间，使得在体等离子体中发生更少量的离子离解。表示混合情形的曲线1450在碰撞曲线1420具有显著量值的能量处或之上具有稍微少些的电子数量，使得离解的程度更小。通过改变电容和感应耦合功率的量之间的比值可以将混合情形的曲线1450朝着更大或更小能级偏移。这在图46中示出了，在图46中每一条实线曲线与特定功率级的纯感应耦合功率的电子数量分布函数相对应。从实线曲线延伸的虚线曲线表示当更多的功率从感应耦合转移而施加到电容耦合上时，那些曲线的变形。本质上，这使得电子向低能级偏移，由此减少离解。
图47示出了不同的离解程度与等离子体的化学含量的关系。纵轴表示光发射光谱强度，横轴表示波长。不同的峰与一定的基或离子的存在相对应，峰的大小与特定种类的等离子体粒子的数或发生率相对应。实线曲线与低离解度(电容耦合占优势)相对应，在所述低离解度中更大的分子种类以更大的数量存在。虚线曲线与高离解度(感应耦合占优势)相对应，在所述高离解度中更小的(更有活性的)物种以更大的数量存在(取决于母体分子)。在图47中示出的例子中，在电容耦合占优势的方式中具有高发生率的分子量大的物种是CF2，而在感应耦合占优势的方式中具有高发生率的分子量低的物种是自由碳C。在一些情形下，C(自由碳)的存在表示很轻和高活性的物种诸如自由氟的存在，这在需要高蚀刻速率时是优选的。诸如CF2的更大物种的存在表示离解少和没有更活性的物种，这例如在需要高蚀刻选择性的等离子体蚀刻工艺中是优选的。
图48是示出了执行图44的方框1310a的步骤的一种方法的图。图48的纵轴与体等离子体中的离解度相对应，可以表示高度离解的物种诸如图47中的自由碳的光发射光谱强度。横轴是感应耦合等离子体(ICP)功率与电容耦合等离子体(CCP)功率的比值(图36的ICP和CCP发生器1118、1122的功率级)。图48表示离解通常是这个比值的递增函数，然而它可能不是图48中示出的简单线性函数。
图49是示出了执行图44的方框1310b的步骤的一种方法的图。图49的纵轴与体等离子体中的离解度相对应，可以表示高度离解的物种诸如图47中的自由碳的光发射光谱强度。横轴是感应耦合等离子体(ICP)脉冲占空比与电容耦合等离子体(CCP)脉冲占空比的比值(图36的ICP和CCP发生器1118、1122的脉冲占空比)。图49表示离解通常是这个比值的递增函数，然而它可能不是图49中示出的简单线性函数。可以不对CCP发生器1122进行脉冲调节，在这种情形下它的占空比是100％，而只改变ICP占空比以施加控制。图50A和50B示出了脉冲ICP发生器输出和脉冲CCP发生器输出同期波形的一个可能例子。在这个图示的例子中，CCP发生器1122具有比ICP发生器1118高的占空比，使得等离子体可能表现出更多电容耦合等离子体的特征，诸如低离解度。电容和感应耦合功率源的占空比之间的比值以下面方式影响等离子体中感应和电容耦合功率的比例。首先，感应耦合功率源的占空比越短，RF感应功率的脉冲群之间的空载时间越长。在空载时间内，体等离子体中最高能量的电子比其它低能量的电子更快地失去它们的能量，使得电子能量分布函数(图45)的能量向下(即向图45的左方)偏移。这在每一个空载时间内产生更多的类电容耦合等离子体(即，较少离解)。这种效应随着占空比的减少而增加，使得等离子体具有(在许多循环上取平均)更少的高能量电子，结果产生更少的离解。在空载时间内，更高能量电子的分布衰减，并且(除此之外)更高能量电子的空间分布具有通过扩散展开的良机，从而根据感应耦合功率占空比的降低将工艺均匀性提高到一定程度。
图51是示出了执行图44的方框1310c的步骤的一种方法的图。图51的纵轴与体等离子体中的离解度相对应，可以表示高度离解的物种诸如图47中的自由碳的光发射光谱强度。横轴是图36的电容耦合等离子体(CCP)发生器1122的频率。图51与如在前面的实施例中的同时施加CCP和ICP功率的情形相对应，并且增加CCP功率发生器1122的频率。对于固定的ICP功率级和固定的CCP功率级，增加有效VHF频率增加了等离子体的离解，这在图51中示出了。这种离解行为可能不是图51中示出的简单线性函数。
图52A、52B和52C示出了如何执行图37的方框1214的步骤(所述步骤与图44的方框1314的步骤相对应或相同)。图52A、52B、52C的每一条曲线表示是离子能量的函数的等离子体鞘层上(工件表面上)的离子数，或鞘层离子能量分布。
图52A示出了在只施加给晶片的偏置功率是低频(例如1MHz)偏置电压或电流的情形下的离子能量分布。(在图36中，这与只有LF偏置功率发生器1132施加偏置功率的情形相对应。)这个频率显著低于鞘层离子跃迁频率，鞘层离子跃迁频率是鞘层离子能随着鞘层电场的振荡的最高频率。因此，在图52A的例子中的鞘层离子能跟上偏置功率所施加的鞘层电场的由极大到极小的振荡。这产生了与RF偏置功率的由极大到极小的电压相一致的峰离子能量(图52A中的eVp-p)。如在图52A的曲线中所示出的，离子能量分布是双模态，在低得多的能量处具有第二个峰。这两个峰之间的离子分布相对低。
图52B示出了在偏置功率只包括高频(HF)成分(例如13.56MHz)的情形下的离子能量分布。(在图36中，这与只有HF偏置功率发生器1134施加偏置功率的情形相对应。)这个频率远高于鞘层离子跃迁频率，因此鞘层离子不能跟上由极大到极小的表层电场振荡。结果是，图52B的离子能量分布限制在以表层的由极大到极小的电压的一半为中心的窄能带中。可以将图52A和52B的离子能量分布看做是有点相互补充，一种分布(图52B)在中间频带中多，而另一种(图52A)在两个极值处出现峰，具有中间频率处有点耗尽了的宽分布。
图52C示出了通过同时施加LF和HF偏置功率(通过使图36的两个偏置功率发生器1132、1134工作)实现的离子能量分布的例子。这产生的离子能量分布实际上是图52A和52B的两个极端分布的叠加。图52C的“组合”离子能量分布因此可通过调整LF和HF偏置功率的相对量进行调整。这可以通过分配LF和HF偏置功率发生器1132、1134的功率级(如图37的步骤1214a)和对它门中的一个或两个进行脉冲调节并且分配它们的占空比来实现(如图37的步骤1214b)。可选择地，或者作为附加步骤，可以改变HF或LF偏置功率的频率。例如，可以将LF偏置功率的频率增加到更接近鞘层离子跃迁频率的数值，这将减少图52C的最大能量(eVp-p)附近的离子能量分布数(由此如图52C的点线所示使离子能量分布变窄)。作为另一个例子，可以将HF偏置功率的频率降低到更接近鞘层离子跃迁频率的数值，这将降低图52C的中间能量处的分布峰(由此如图52C的短划线所示使中间频率的离子能量分布变宽)。
图53示出了典型场效应晶体管(FET)的典型栅极的多层薄膜结构。这些层包括位于半导体衬底1604上的高介电常数二氧化硅层1602、氧化物层1602上的多晶硅导电层1606、导电层1606上的硅化钛层1608、硅化物层1608上的硬掩模层1610、硬掩模层1610上的抗反射(AR)涂层1612和AR涂层1612上的光致抗蚀剂层1614。在蚀刻这种结构的等离子体蚀刻工艺中，最好在不同的蚀刻工艺中蚀刻每一层1602-1614的不同材料。一些层(例如光致抗蚀剂层1614和多晶硅导电层1606)最好在感应耦合比电容耦合多的等离子体中蚀刻，而其它层(例如硬掩模层1610)最好在电容耦合比感应耦合多的等离子体中蚀刻。使用图37或图44的方法，用对于特定层来说最理想的等离子体工艺条件类型，通过改变工艺条件，包括源功率耦合(即改变感应和电容耦合源功率之间的比值)，来工艺(例如蚀刻)每一个不同的层。从而，在蚀刻工艺中，当暴露每一个连续层1602-1614时，重复进行参照图36和44描述的调整来改变工艺参数以适应每一层的工艺。这分别是图37和44的方框1216和1316的步骤的目的。在进行这种改变时，可以改变其它工艺参数。例如，可以将用来蚀刻多晶硅层1606的感应耦合占优势的等离子体类型更好地维持在低室压力(例如几毫托)下，而将电容耦合占优势的等离子体更好地维持在高室压力(例如几十毫托)下。可以在位于电容耦合等离子体的更高的室压力范围和感应耦合等离子体的低压力范围中间的室压力下操作具有几乎相同量的感应和电容耦合功率的等离子体。而且，可以用图36或44的方框1214或1314的步骤进行调整，采用不同的偏置功率级和离子能量分布来蚀刻层1602-1614中的不同层。
优点：
同时将VHF电容耦合功率和感应耦合功率施加到等离子体上使使用者能够独立控制等离子体离子密度以及等离子体均匀性或离解(或等离子体的物种含量)。常规的反应器通过采用高的顶板到晶片的距离、从顶板施加功率，使得扩散效应在晶片上产生均匀的等离子体离子分布，来补偿感应耦合等离子体中心低的离子密度分布。然而，这种大的顶板到晶片的距离会掩盖顶部气体分布喷头在晶片表面上的预期效果，使得在感应耦合反应器中不能实现顶部气体分布喷头的益处。另一个问题是大的顶板到晶片的距离使室体积很大，使得工艺气体滞留时间相应地变大(除非非常高容量的真空泵给室抽真空)，使得难以将体等离子体中的离解控制在最低水平以下。这使最低化或解决诸如蚀刻微负载或缺少蚀刻选择性的蚀刻工艺问题变得更难。这些问题在本发明中都得到了解决。通过引入理想数量的电容耦合功率使离子在离子发生区域中均匀分布，解决了看起来不能采用顶部气体喷头来改善晶片表面上的工艺均匀性的问题。这使得顶板到晶片的距离可以大大降低到顶部气体喷头在晶片表面上控制工艺均匀性的程度。通过减小的顶板到晶片的距离实现的更小的室体积的减少的气体滞留时间，减少了等离子体中的离解，由此改善了蚀刻选择性和减少了蚀刻微负载。此外，可以通过提高产生需要的化学物种的离解的程度，来选择需要的等离子体的化学含量的独立手段解决蚀刻微负载的问题。某些化学物种会抑制蚀刻微负载的效应，并且通过调整电容耦合功率与感应耦合功率的比值，可以将离解改变为使等离子体中存在的需要物种的量最大化。另一个优点是所有这些可以在将总的等离子体离子密度维持为需要的水平上的同时来进行，或者可以独立于调整等离子体离子密度来进行。
装置:
图54示出了用于处理工件1102的本发明的等离子体反应器的第一实施例，工件1102可以是支撑在反应室1104内的工件支架1103上的半导体晶片。升降伺服器1105可以任意升高或降低工件支架1103。室1104由室侧壁1106和顶板1108所限制。顶板1108可以包括在顶板1108的内表面中具有小的气体注入孔1110的气体分布喷头1109，喷头1109从工艺气体供应源1112接收工艺气体。反应器包括感应耦合RF等离子体源功率施加器1114。如图57中所示，该感应耦合功率施加器可以由螺旋缠绕并且位于顶板1108上方、位于平行于顶板1108的平面中的导电线圈1114a构成。可选择地，如图58所示，导电线圈可以由平行的螺旋缠绕导体1114b、1114c、1114d构成。在一个实施例中，电容耦合RF等离子体源功率施加器1116是在气体分布喷头之上的顶板中的电极1116a。在另一实施例中，电容耦合等离子体源功率施加器1116是工件支架1103中的电极1130。为了允许从线圈天线1114a感应耦合到室1104中，气体分布喷头1109可以用诸如陶瓷的绝缘材料构成。如图55所示，顶板电极1116a优选具有多个径向缝隙1115以允许从顶部线圈天线1114a感应耦合到室1104中。可选择地，可以使用如图56所示的顶板电极1116b，所述顶板电极1116b没有缝隙，而是由作为电极且同时允许从顶部线圈天线1114感应耦合RF功率的材料构成。这种材料的一个示例是掺杂半导体。
在替代实施例中，电容耦合源功率施加器1116可以同时包括顶板1108中的电极1116a和工件支架1103中的电极1130，以使可以同时从顶板1108和工件支架1103电容耦合RF源功率。在另一替代实施例中，电极1116a和1130同时存在，但仅将VHF源功率施加到所述电极1116a和1130中的一个而另一个则作为VHF回路或计数电极。
RF功率发生器1118通过阻抗匹配元件1120为感应耦合线圈天线1114a提供高频(HF)功率(例如，在大约10MHz到27MHz范围内)。在一个实施例中，其中顶板电极1116a是电容耦合源功率施加器，RF功率发生器1122通过阻抗匹配元件1124为电容耦合功率施加器1116提供甚高频(VHF)功率(例如，在大约27MHz到200MHz范围内)。在另一实施例中，其中底部(工件支架)电极1130是电容耦合源功率施加器，RF功率发生器1123通过阻抗匹配元件1125为底部电极1130提供VHF功率。在第三实施例中，顶板和底部电极1116a、1130均包含电容耦合源功率施加器，所以VHF发生器1122、1123同时存在。在第四实施例中，电极1116a、1130同时存在，但仅将VHF等离子体源功率施加到所述电极1116a、1130中的一个，而将另一个连接到VHF回路电压(例如，接地)以作为用于其它的计数电极。
当VHF频率增加时，电容耦合源功率施加器1116a产生等离子体离子的效率增加，频率范围优选在可以发生显著电容耦合的VHF区域内。在室1104内将来自两个RF功率施加器1114、1116的功率耦合到在工件支架1103上形成的体等离子体1126。
将RF等离子体偏置功率从与位于工件支架内且在晶片1102下面的电极1130相连的RF偏置功率源连接到工件1102。RF偏置功率源可以包括低频(LF)RF功率发生器1132(100kHz到4MHz)和可以是高频(HF)RF功率发生器(4MHz到27MHz)的另一个RF功率发生器1134。阻抗匹配元件1136连接在偏置功率发生器1132、1134和工件支撑电极1130之间。真空泵1160通过阀门1162从室1104中排出工艺气体，阀门1162可以用于调节排气速率。通过阀门1162的排气速率和通过气体分布喷头1109的引入气体流动速率决定了室压力和工艺气体在室内的驻留时间。如果工件支架1103是静电卡盘，那么使D.C.卡紧电压源1170与电极1130相连。电容1172使RF发生器1123、1132、1134与D.C.电压源1170绝缘。
在第一实施例中，仅将VHF功率施加到顶板电极1116a上。在这种情形中，可以预期工件支撑电极1130作为施加到顶板电极1116a上的VHF功率的回路路径而顶板电极作为施加到工件支撑电极1130上的HF功率的回路路径。出于这种目的，可以通过LF/HF带通滤波器1180将顶板电极1116a接地。带通滤波器1180防止来自发生器1122的VHF功率被从顶板电极1116a传送到地面。相似地，可以通过VHF带通滤波器1186将晶片支撑电极1130接地(通过RF绝缘电容1172)。VHF带通滤波器1186防止来自发生器1132、1134的LF和HF功率从电极1130传送到地面。
在第二实施例中，仅将VHF功率施加到晶片支撑电极1130上。在这种情形中，不将晶片支撑电极1130接地，而是将所述晶片支撑电极1130连接到VHF发生器1123(通过匹配1125)，以取消VHF带通滤波器1186。相似地，可以忽略(或取消)LF/HF带通滤波器1180，而将顶板电极1116a直接接地。图54中的开关1184、1188象征性地示出了前述选项。应该理解的是可以根据第一或第二实施例永久设置反应器而不是可以将所述反应器配置成两个实施例的形式(通过开关1184、1188)，因此将仅存在VHF发生器1122、1123中的一个，在这种情形中不需要开关1184、1188。
在第三实施例中，由VHF发生器1122、1123同时驱动电极1116a、1130，以使它们均不是VHF接地的。然而，可以通过LF/HF带通滤波器1180将顶板电极1116a接地以使所述顶板电极1116a成为施加到晶片支撑电极1130上的LF/HF偏置功率的计数电极或回路。在该实施例中，侧壁1106可以提供VHF功率的接地回路。如果两个电极1130、1116a之间的VHF位相是不同的，那么每个电极可以为每个RF循环的至少一部分提供某种参考电压。例如，两个电极1116a、1130之间的VHF位相差异是180度，那么在每个RF循环的整体内每个电极1116a、1130可以作为另一个电极的计数电极。可以在单个VHF发生器中实现两个VHF发生器1122、1123，用源功率控制器1140控制由单个发生器发送给各自电极1116b、1130的VHF电压或VHF电流之间的位相差异。
源功率控制器1140彼此独立地调节源功率发生器1118、1122以控制体等离子体离子密度、等离子体密度的径向分布和等离子体中自由基和离子的离解。控制器1140能够独立控制每个RF发生器1118、1122的输出功率级。另外，或可选择地，控制器1140能够脉冲调节RF发生器1118、1122中的一个或两个的RF输出并独立控制每个的占空比，或控制VHF发生器1122的频率、视需要控制HF发生器1118的频率。控制器1140也可以控制真空泵1160的抽真空速率和/或排气阀1162的开口尺寸。另外，偏置功率控制器1142独立控制每个偏置电压发生器1132、1134的输出功率级。运行控制器1140、1142以实现前面描述的本发明的不同方法。
图59示出了图54的实施例的另一种变形，其中线圈天线1114a包括一个(或多个)螺旋导线绕组1190、1192，螺旋导线绕组1190、1192由各自的RF发生器1194a、1194b通过各自的阻抗匹配1196a、1196b馈送。在这种情形中，顶板1108和喷头1109可以是平的(实线)或圆顶状的(点线)。图60描述了图54的实施例的变形，其中顶板1108和气体分布喷头1109具有中心高的阶梯形状。在这种情形中，线圈天线1114a的形状可以是平的(点线)或如图60中实线所示的半球状的(圆顶状的)。图61描述了图54的实施例的另一种变形，其中顶板1108和气体分布喷头1109是半球状的或圆顶状的。再次，线圈天线1114a的形状可以是平的(点线)或圆顶状的(实线)。
图62描述了另一个实施例，其中感应耦合源功率施加器1114是螺旋管形的而不是感应天线。螺旋管形源由外部中空重入式电路1402构成，电路1402连接到室表层中被工艺区域的直径分隔的一对开口1404、1406上。例如，在图62的实施中，开口1404、1406穿过顶板1108并位于室的边缘，以便它们被晶片支撑1103的直径分隔。通过具有缠绕磁芯1408一部分的导电绕组1409的磁性(例如，铁)环形磁芯1408，将RF功率耦合到电路1402内部。通过匹配1120将RF发生器1118连接到绕组1409。该环形源在通过电路1402和通过晶片1102上面的工艺区域的圆形路径中形成等离子体电流。该等离子体电流以RF发生器1118的频率振荡。图63描述了图62的反应器的变形，其中顶板1108和喷头1109可以是中心高的阶梯状的(实线)或圆顶状的(点线)。图27和图28的环形等离子体源的一个优势是不通过气体分布喷头1109或顶板电极1116a直接将RF功率感应耦合。因此，喷头1109可以是金属的，而顶板电极1116a可以是实心的(没有图55中的缝隙1115)，或者可以取消顶板电极而直接降VHF功率耦合到金属气体分布喷头1109以使金属喷头1109作为顶板电极。
图54-61中的每个反应器将VHF源功率电容耦合到室内，同时将HF源功率感应耦合到室内。图62-63中的反应器将VHF源功率电容耦合到室内而将HF源功率感应耦合到通过室内的工艺区域的振荡环形等离子体电流。该感应耦合元件面临振荡环形等离子体电流的外部部分。在图54-61的实施例中，将电容耦合功率施加到顶板电极1116a或施加到晶片支撑电极1116b，在图62-63的实施例中，将电容耦合功率施加到喷头1109的导电部分(或施加到晶片支撑电极1116b)。由于电容耦合功率处于VHF频率范围(27-200MHz)，电容耦合功率在体等离子体中产生离子。在该频率范围内，体等离子体中的运动电子跟随电容耦合RF场振荡并因此需要足够的能量以用于离子产生。在该范围以下，电容耦合功率将更加有利于等离子体鞘层中的离子能量而不是有利于在体等离子体中的离子产生。因此，为了提供等离子体源功率(即，用于在体等离子体中产生离子的功率)，连接到电极1116a(或1130)上的RF发生器1122(或1123)提供VHF功率。
虽然已经以由两个控制器1140、1142实现的形式描述了对全部工艺参数的控制，但是应该理解可以在控制全部工艺参数和调整的单个控制器内实现这些控制器。
可以在同一等离子体反应器中用下列特征中的一个或全部与图36和图54到图61的多频率等离子体反应器元件相结合：(a)图1-5中具有高均匀分布电性能的阴极，(b)图6和图7的阴极中的可调整电元件，(c)图8、图14-21和图25的背部光学检测装置，(d)图27、图28、图31和图32的模块化独立阀动注入喷嘴的阵列。另外，图36的控制器140(控制有效VHF频率和感应和电容耦合功率级之间的比值)可以是参照图26中的可调反应器元件中的一种。在这种配置中，可以使用图26的背部光学传感器阵列300在反馈控制电路中控制有效VHF频率和/或感应和电容耦合功率级之间的比值。可以使用传感器阵列300以感应蚀刻深度的不均匀性或实时蚀刻速率分布，反馈控制电路可以用于在工艺期间降低不均匀性。
虽然前述内容用于本发明的实施例，但是在不偏离本发明的基本范围的条件下，可以设计本发明的其它和进一步的实施例，本发明的范围由后面的权利要求来确定。

Claims (16)

1.一种用于处理工件的等离子体反应器，所述等离子体反应器包括：
反应室和所述反应室内的工件支架，所述反应室具有面向所述工件支架的顶板；
位于所述顶板上方的感应耦合等离子体源功率施加器和连接到所述感应耦合源功率施加器上的RF功率发生器；
电容耦合等离子体源功率施加器，包括位于所述顶板和所述工件支架中的一个上的源功率电极；
一排通道，从所述工件支撑台座的底部延伸穿过所述工件支撑台座，并在所述工件支撑的支撑表面中形成一排开口；
一排光纤，每条光纤分别延伸穿过所述通道中的一个，每条光纤具有：一观察端，穿过所述支撑表面上的开口而具有一视域，和在所述反应室外侧的输出端；
光学传感器，连接到所述光纤的输出端上；以及
一控制器响应所述光学传感器来调整通过所述感应耦合等离子体源功率施加器和所述电容耦合等离子体源功率施加器同时耦合到所述反应室内的等离子体的功率相对量。
2.根据权利要求1的所述反应器，其特征在于，来自于所述光学传感器的信号表示整个工件表面上蚀刻深度分布的即时图像，并且其中给所述控制器输入程序以调整功率的相对量，从而提高蚀刻深度分布的均匀性。
3.一种用于处理工件的等离子体反应器，所述等离子体反应器包括：
反应室和位在所述反应室内的工件支架，所述反应室具有面向所述工件支架的顶板；
电容耦合等离子体源功率施加器，包括位在所述顶板和所述工件支架中的一个上的源功率电极；
不同固定频率的多个VHF功率发生器，连接到所述电容耦合等离子体源功率施加器上；
一排通道，从所述工件支撑台座的底部延伸穿过所述工件支撑台座，并在所述工件支架的支撑表面上形成一排开口；
一排光纤，每条光纤分别延伸穿过所述通道中的一个，每条光纤具有：一观察端，穿过所述支撑表面上的开口而具有一视域，和在所述反应室外侧的输出端；
光学传感器，连接到所述光纤的输出端上；以及
控制器，响应所述光学传感器以独立地控制所述多个VHF功率发生器的功率输出量，从而控制施加到所述源功率电极上的有效VHF频率。
4.根据权利要求3的所述反应器，其特征在于，来自于所述光学传感器的信号表示整个工件表面上蚀刻深度分布的即时图像，并且其中给所述控制器输入程序以调整功率的相对量，从而提高蚀刻深度分布的均匀性。
5.根据权利要求3的所述反应器，其特征在于，所述等离子体反应器还包括：
等离子体偏置功率施加器，包括位在所述工件支架中的偏置功率电极；
不同固定频率的多个RF功率发生器，连接到所述等离子体偏置功率施加器上；以及
控制器，响应所述光学传感器以独立地控制所述多个RF功率发生器的功率输出量，从而控制施加到所述等离子体偏置功率施加器上的有效RF频率。
6.根据权利要求3的所述反应器，其特征在于，所述等离子体反应器还包括：在所述工件支架内的可调元件，和连接到所述可调元件上的控制元件，所述控制元件响应所述光学传感器。
7.一种等离子体反应器，用于处理至少在一波长范围内是可穿透的工件，所述等离子体反应器包括：
真空室，具有侧壁和顶板；
工件支撑台座，具有面向所述顶板的支撑表面并且位于所述真空室内用于支撑工件；
通道，从所述工件支撑台座的底部延伸穿过所述工件支撑台座，并穿过所述支撑表面形成开口；
电容耦合等离子体源功率施加器，包括位于所述顶板和所述工件支架中的一个上的源功率电极；
光纤，延伸穿过所述通道并且具有：一观察端，穿过所述支撑表面中的开口且具有一视域，和在所述真空室外侧的输出端；以及
光学传感器，连接到所述光纤的所述输出端上并且在所述的波长范围内会响应。
8.根据权利要求7的所述反应器，其特征在于，所述等离子体反应器还包括一透镜，所述透镜位于所述通道中且至少邻近所述支撑表面，并且具有延伸穿过所述支撑表面中的所述开口的光轴，所述光纤的所述观察端在所述光轴上或附近并且面向所述透镜。
9.根据权利要求8的所述反应器，其特征在于，所述光纤的观察端在所述光轴上连接到所述透镜上。
10.根据权利要求8的所述反应器，其特征在于，所述等离子体反应器还包括：
光源；以及
第二光纤，具有位于所述真空室外并且连接用以接收来自所述光源的光线的一个端部和连接到所述透镜上的另一个端部。
11.根据权利要求8的所述反应器，其特征在于，所述透镜具有足够的能力来消除在所述工件支架上支撑的工件上周期性间隔且尺寸小于一微米的光学特征所产生的干涉条纹。
12.根据权利要求7的所述反应器，其特征在于，所述等离子体反应器还包括连接到所述光学传感器上的光学信号处理器。
13.根据权利要求12的所述反应器，其特征在于，所述光学传感器能够感应背景反射光的级别，并且给所述光学信号处理器输入程序以响应表示蚀刻过程终点的背景反射光级别中的大偏移。
14.根据权利要求12的所述反应器，其特征在于，所述光学传感器能够感应个别干涉条纹，并且给所述光学信号处理器输入程序以数出在所述反应器中的蚀刻工艺过程中，支撑在所述台座上的工件上产生的干涉条纹。
15.根据权利要求12的所述反应器，其特征在于，所述光学传感器是分光计，并且给所述光学信号处理器输入程序以进行下述操作之一：
(a)将多波长干涉光谱与已知光谱相比较；
(b)由所述分光计产生的光谱中光谱峰之间的间距计算出蚀刻深度；
(c)将由所述光学传感器产生的多波长干涉光谱与已知蚀刻深度的光谱相比较，以确定当前工艺的蚀刻深度。
16.根据权利要求12的所述反应器，其特征在于，所述光学传感器是光发射分光计，并且给所述光学信号处理器输入程序以追踪用来检测蚀刻工艺终点的所选光谱线。
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