在射频等离子体中控制离子能量的方法

专利名称：：在射频等离子体中控制离子能量的方法
技术领域：
：本发明涉及通过暴露给低压等离子体及气体来改进表面及材料的领域。交叉引用本申请要求于2008年3月20日的美国临时申请61/038，263的权利和优先权。此处，将美国临时申请61/038，263整体合并作为参考。
背景技术：
：众所周知，现有技术中在确定等离子体处理如何影响工件方面，离子的通量(flux)和能量是非常重要的。在等离子体处理中，已经有几种不同的调节离子能量的方法，但没有一个是可以普遍适用的。科本和凯在J.Appl.Phys43(12):4965_4971(1972)(以后简称科本)描述了一种基于几何形状的直流(DC)偏移效应(offseteffect)，其取决于施加在浸没于等离子体中且具有不同表面积的电极上的射频(RF)电压。科本的方法在半导体产业中普遍用于集成电路的制造，其通过将晶圆放置到浸没于等离子体中的电极上而实现。一般而言，真空室壁起到第二个电极的作用，且比带有晶圆的电极具有明显更大的表面积。这导致撞击晶圆的离子的平均能量增加。当工件具有非常大的表面积时，这一技术就不能适用，因为真空室壁会大得惊人。一个例子是使用薄膜制造的光伏组件。这些组件一般具有大于一平方米的表面积。目前，还开发了其它一些方法，其在一个或多个电极上施加多倍的RF电压。博伊尔、艾伦堡和特纳在J.Phy.D=Appl.Phys杂志37697-701(2004)(简称博伊尔)描述了低频如何调制离子能量，及高频如何控制等离子体的产生。博伊尔的摘要指出“在这种放电状态下，低频分量主要结合至离子，而高频分量主要结合至电子。因此，低频分量控制了离子能量，而高频分量控制了等离子体密度。很明显，并不是对于放电的任意配置，都可以达到这种理想的行为，一般而言，总会有一些不需要的离子通量及能量的耦合。博伊尔描述的方法一般用于半导体产业，但在允许对离子通量及能量的独立控制中，仅仅取得了部分成功。由于高频RF电压引起的驻波效应，博伊尔所描述的方法也难以适用于较大的工件。
发明内容本发明实施方式提供了一种方法，其能在暴露于等离子体的电极鞘层的电场中电诱导出非对称性。这种诱导出的非对称允许独立控制撞击表面的离子的能量和其通量。本发明实施方式解决了现有技术的技术缺陷。本发明实施方式能够用于等离子处理任意大表面积的基片，并且具有明确的方法来调节离子能量。通过在放电过程中施加一个或多个RF电压，能够独立地控制离子能量和离子通量。与现有技术间的不同是，在本发明实施方式中，所施加的RF电压中两个或更多的谐波分量(harmoniccomponent)互为偶次谐波，且它们具有一个可控的相对相位(relativephase)。附录提供了更多背景信息及本发明其它优点的描述；附录还提供了如何通过控制所施加的RF电压的谐波分量的相对相位，来调节直流偏压和离子能量的例子。本发明的实施方式涉及在等离子体鞘层(plasmasheath)区域的电场中形成非对称的方法。在鞘层区域中的平均电场影响离子撞击工件时具有的能量。结果，这种鞘层中的不对称使得在等离子处理过程中，工件所接收到的离子通量和离子能量可以被独立控制。本发明的实施方式是通过在放电过程中通过施加RF电压而工作。RF电压由至少两个互为偶次谐波且具有可控相对相位的谐波分量组成。如独立权利要求1所述，本发明提供了一种在等离子体操作装置中的至少一个电极前、通过施加RF电压而建立DC偏压的方法。从属权利2至27中描述了具体的实施方式。注意，为了使RF电流通过等离子体进行传导，其传导路径很明显需要两个或更多的电极。然而，在本领域，典型的说法是为了放电增加一单独的电极。在这种情况下，可以理解为第二个电极是真空室壁的一部分或另一表面，如作为电极的真空泵的一部分。这种建立DC偏压的方法是具有的优点是，能够独立地控制暴露给等离子体的工件或基片(substrate)的离子通量和离子能量。而现有的方法不允许对这两个等离子体处理参数进行如此独立地控制。特别地，本发明的方法允许对于具有较大表面积的工件的离子通量及离子能量进行控制。另一方面，本发明可以动态地控制装有工件的电极前的DC偏压。这可以通过随时间来改变组成所施加之RF电压的谐波分量的振幅、以及随时间改变这些分量间的相对相位来完成。其具有的优点是，在整个过程中能够对等离子体过程进行调节。如果将一材料放置在工件上，其性质如薄膜的表面张力、本身组成、或内部结构，都可能在等离子体过程中被改变。在蚀刻过程中，能够随着被蚀刻的表面改性，调节离子性质，以优化蚀刻过程。这对于半导体工业中使用等离子体切割很深、很窄的沟槽(trench)是有意义的。在很大程度上，这些沟槽的均勻性和平直度取决于进入沟槽的离子的数量和性质。又一方面，如果所施加的RF电压中至少两个互为偶次的谐波施加于相同的电极上，其是特别有利的。其具有的优点是，本发明的实施方式能够通过对系统仅仅增加一个电极而构建出来。对于不同类型的等离子源，本发明可以采用许多不同的实施方式，其中部分实施方式将在具体实施方式中详细说明。再一方面，如果所施加的RF电压施加到一个以上的电极上，本发明的实施方式仍将工作。重要的是，要控制互为偶次谐波的电压分量的相对相位。将所施加的电压分配给若干电极所具有的优点是，该方法能够适用于更多复杂类型的等离子体操作装置。在等离子体处理中，互为偶次谐波的谐波分量的相对相位被固定时，也能够适用该技术。另一方面，所施加的电压由其基频与二次谐波组成，其具有的优点是，离子能量随二者之间的相位角(Phaseangle)的线性函数而改变。离子能量与相位角间的清楚直白的关系，使得在制造过程中，离子能量可以容易地控制并调节至需要的值。在附录中，相位角与离子能量间的关系可以通过模拟进行分析论述。附录中所示的情况，谐波分量的振幅是相同的。另一方面，本发明的实施方式可以是几何对称、电容耦合的射频等离子体。电容耦合等离子体(CCP)—般具有两个或更多的电极暴露于等离子体中。当CCP具有两个电极、且两个电极的表面积基本相同时，就是几何对称CCP。这是该方法非常重要的应用。在半导体工业中，几何不对称的效应用于改变撞击基片的离子的能量。如果使用较大的基片，如光付板或平面电视屏幕，就不可能使用几何效应。其将需要过于较大的真空室。本发明方法可以适用于现有方法不能使用的制造过程。这也是一个非常新颖的应用。在本领域还不为人所知的是，对称CCP能够建立电子不对称。另一方面，能够通过调节所施加RF电压之谐波分量的相对相位，可以控制等离子体与电极之间的鞘层的不对称。等离子体吸收的全部能量将会影响等离子体的产量，并因此影响等离子体的密度。所施加的RF电压的均方根(RMS)值不会随谐波间的相对相位的改变而改变。其具有的优点是，由等离子体所吸收的能量随相位调节而几乎保持不变。这使得调节离子能量而不会较大地改变离子通量。另一方面，本发明的实施方式能够对等离子体操作装置增加另外的电极，其与等离子体的激发方法无关。当使用特定类型的等离子体源产生等离子体时，对于给定等离子体操作条件组，等离子体将具有特定的密度，而且对于暴露于等离子体中的基片所接收的特定离子能量而言，其也将具有特定的等离子通量。将本发明的方法适用于不同类型的等离子源所具有的优点是，在对等离子体处理过程中，可以得到离子通量与离子能量的不同组合。不同等离子源的多种实施方式将在具体实施方式中详细说明。另一方面，通过另外的电极，本发明的实施方式可以构建为带有电感耦合或微波等离子源的情况。在这些离子源中，增加另外的电极是非常普遍的，其被称作“RF晶圆吸盘(waferchuck)”。使用几何自偏压效应可以在电极前产生了DC偏压，并可用于调节离子能量。本发明的实施方式也适用于这种情况。本发明具有的优点是，离子能量更具可调节性。电场不对称将增强几何DC自偏压效应。另一方面，本发明的实施方式涉及CCP。通过施加至电极的RF电压产生并保持这些放电。将本发明方法适用于相同的建立DC偏压的RF电压所产生的等离子体的优点是，等离子体操作装置的整体设计更简单。还具有的优点是，本发明能够适用于在工业中普遍使用的等离子体操作装置。另一方面，本发明涉及对暴露于等离子体的表面的改进。这是具有优点的，因为撞击在暴露于等离子体的工件上的离子能量与离子通量，对材料的结构和组成有较大影响。当离子撞击在工件表面上时，其向表面传递了能量。例如，这种能量能够使得化学键断裂，或传递能量至原子或分子，并使得表面的物理结构发生改变。在等离子体处理过程中，控制离子能量和离子通量，可以更好地控制表面的改变。另一方面，本发明涉及在等离子体处理过程中的表面蚀刻。其是具有优点的，因为离子能量和离子通量影响蚀刻过程的控制和均勻性。特别是在半导体设备制造过程中，对介电基片或工件的蚀刻。这些过程要求在较大的区域保持均勻性，且要求精确控制等离子体，以保证在蚀刻过程中，切割均勻。另一方面，本发明涉及半导体设备、微型机电系统(MEMS)、太阳能电池(光付)板以及平板电视屏幕的制造。本发明的实施方式具有的优点是，DC偏压的精确控制及此后的离子能量的控制，允许对这些产品的制造过程进行精确控制。本发明的实施方式尤其有益于光付板及平板电视屏幕的制造。这些产品具有较大的表面积，使得其不能使用本领域目前已知的方法。具有较大表面积的基片，也无法利用几何DC偏压效应，因为其真空室需要太大空间，在实际制造过程中是不实用的。双频或多频技术不能使用，因为基片尺寸非常大，使得所施加的电压的高频分量会产生驻波问题，等离子体不会均勻。另一方面，本发明涉及用于表面溅射、气相表面改性、表面清洁、表面能的控制、生物相容性的改进、粘性的改进、纳米微粒的制造、纳米微粒的结合结构、和/或表面结构的交联的等离子体，其具有的优点是能够开发新的制备工艺。在过去离子能量与离子通量不可能的结合，现在能达到了。如上所述，撞击在暴露于等离子体的表面上的离子能量和离子通量，能够影响表面上原子和分子间的结构。如果可以得到离子能量与离子通量的新组合，就可以开发出新的工艺，使得材料或表面得以改进或具有新的性质。本发明还提供了一种等离子体操作系统，其包括电容耦合射频等离子体的放电，其能够构建成可以独立控制离子能量与离子通量，如独立权利要求28所述。在从属权利要求29中，描述了进一步的实施方式。与现有技术相比，本发明的等离子体操作系统所具有的优点是，其允许对在其内部进行等离子体过程的进行更大程度地控制。而且，可以理解的是，使得电流通过等离子体，需要至少两个电极，且一个电极是真空室壁和/或另一表面，如暴露于等离子体中的真空泵的一部分。如独立权利要求30所述，本发明进一步提供了一种在等离子体中独立控制(即分别控制)离子通量和离子能量的方法。在从属权利要求31至39及43中，则描述了本发明进一步的实施方式。如附录中所述，本发明的方法通过在电极鞘的电场中引起不对称来改变离子能量。为了得到特定的离子能量和离子通量，需要选择等离子体所吸收的能量。可用多种不同的方法使能量沉积在等离子体中，如电容源、微波源、电感源、中性回路放电(NLD)或螺旋放电等。为了调节离子通量和/或离子能量而施加到等离子体的RF电压，也对等离子体所吸收的总能量起作用，因此也需要考虑。然后，通过调节所施加的RF电压的谐波分量来调节离子能量。另一方面，可以通过在两个或更多的电极上施加RF电压来形成本发明的实施方式。其具有的优点是，明确界定的电极能确定出等离子体鞘层在哪发生变化，而且还可以清楚界定由施加的RF电压所诱导出的RF电流的路径。当RF电流的路径没有清楚界定时，其能够采取不同路径通过等离子体，并通过装置的不同部分。这会引起等离子体阻抗的改变而导致在等离子体处理过程中的不稳定。另一方面，本发明的实施方式可以使用工件作为电极，或者可以将工件放置在一表面上，或直接紧邻电极。其具有的优点是，工件可以从调节离子能量和/或离子通量中获得最大益处，这是因为离子通量与离子能量的改变，大多数是在临近电极或作为电极的表面的鞘层中被调节的。当工件导电且与电极相连时，则工件也可起到电极的作用。当工件由介电材料组成时，其应当放置在电极的鞘层区域，以实现其最大益处。在鞘层区域的绝缘工件可作为电容器的一部分。制造半导体的平面基片如晶圆，特别易于放置在电极的鞘层区域中。另一方面，本发明的实施方式能够通过调节所施加RF电压的互为偶次谐波的谐波分量的相对相位，来调节离子能量。所施加的RF电压的RMS值与谐波分量的相对相位无关。因此，调节相对相位将改变离子能量，而离子通量的改变可以忽略。另一方面，独立控制离子通量和离子能量的方法，能够通过限制所施加的RF电压而改进，其中，谐波分量仅仅包括基频和其二次谐波。其具有的优点是，离子能量的控制可以最大化，而且离子能量随着基频与二次谐波之间的相位的改变而线性改变。离子能量的控制取决于施加于电极的电压的暂时不对称。通过产生尽可能接近的、其频率互为偶次谐波的谐波，可以使得该效应最大化。这当然可以通过选择基频及二次谐波而进行优化。只使用两个谐波分量所具有的优点是，RF电路将不太复杂。包含另外的谐波将增加RF产生系统的复杂性及成本。附录中包含了这种情况下离子能量与相位角之间的线性关系的详细说明。另一方面，能够通过使用查表法(lookuptable)来确定对于特定离子通量和离子能量所需的RF电压的谐波分量的相位和角度，来改进独立控制离子通量和离子能量的方法。可以预期，操作者可以使用实验和/或计算的组合，来确定优选的电压。可以进行这种实验的仪器或传感器的例子将在下面讨论。计算的例子则显示在附录中。其具有的优点是，能够很快确定其本身的振幅、电压及RF电压的相位。另一方面，基于传感器和/或仪器的测量，通过调节离子通量和/或离子能量，可以改进独立控制离子通量和离子能量的方法，如权利要求37所述。仪器是一测量设备，其可以反馈某些物理性质的校准的测量。传感器与工具一样，除了结果没有进行校准之外。能提供有效测量的传感器或仪器的例子包括朗缪尔探针、离子通量探测器、法拉第杯、减速电场分析仪(用于离子能量及离子通量)、四极杆质谱仪、测量谐波分量和/或RF电压相位的传感器。其具有的优点是，在等离子体处理过程中，可以调节等离子体或工件的改变。例如，在半导体工业中，使用等离子体镀膜是很普遍的。在镀膜过程或在许多积淀过程中，材料可被沉积在真空室壁上。这会影响产生等离子体的真空室壁中的电性。使用传感器测量调节等离子体过程，将允许真空室使用更长的时间而不用清洁，并能够防止等离子体处理随时间的改变。这将较少制造成本。另一方面，本发明的实施方式允许动态改变离子通量和离子能量，如从属权利要求38所述。动态改变意味着改变随时发生。例如，如果离子能量动态改变，则在等离子体处理过程中，离子能量随时间改变。这是具有优点的，因为离子通量和离子能量能够用来在基片上沉积更加复杂的材料，或者优化基片的蚀刻。通过等离子体使薄膜沉积在基片上时，镀层随时间的推移而建立起来。如果离子通量和离子能量在沉积过程中改变，则能够调节薄膜的结构。在半导体设备的制造过程中，通常要蚀刻具有大的长宽比的沟槽。这些沟槽的轮廓很大程度上取决于进入沟槽的离子数。在切割沟槽的不同阶段，调节离子能量和离子通量可以优化该过程。另一方面，本发明的实施方式包括一种用于执行如权利要求30-38之一方法的计算机程序产品。其具有的优点是，在等离子体处理过程中，可以使用复杂的模型或查表法来选择及优化离子通量和离子能量。对于手工操作来说，可能需要很多时间来计算用于控制等离子体装置的值。本发明进一步提供了如独立权利要求40所述的用于控制等离子体装置的控制器。其具有的优点是，离子通量和离子能量可以作为独立参数被控制。现有技术中，操作者设置储存在等离子体中的能量。本发明的实施方式能够允许操作者直接选择离子通量和离子能量。本发明还进一步提供了一种如独立权利要求41所述的、在鞘层中形成不对称的方法，该鞘层邻近两个或更多的暴露于等离子体的电极。在从属权利要求42及43中，则描述了本发明的进一步实施方式。其具有的优点是，在不同电极前的鞘层具有不同的物理性质，这将允许对等离子体处理进行改进和调节。在附录中描述了这种不对称。离子能量的控制及电极前的DC偏压的控制，都是这种不对称的表现。本发明的方法不仅仅在鞘层中引起电子不对称，还引起物理不对称。电极前的等离子体鞘层区域取决于贯穿鞘层的电场强度。随着DC偏压的增加，鞘层区域将变大。下面，参考附图，通过举例对本发明的优选实施方式进行更加详细的描述，其中图1显示了根据本发明一实施方式的等离子体操作装置的示意图；图2显示了本发明一实施方式中RF电压系统的示意图；图3显示了进行本发明方法一实施方式的流程图；图4显示了自动操作本发明方法之控制器的一实施方式的示意图；图5-9显示了根据本发明一实施方式等离子体操作装置的示意图。具体实施例方式图1显示了具有电容耦合等离子源的理想的等离子体操作装置的横截面图。其它显示等离子操作装置的实施方式的图，均以相同的方式进行显示。本发明实施方式使用多种等离子源，将在下面进行详细描述，以说明本发明的广泛适用性。这些图中的元件用三位数标出。相同的元件在所有图中使用相同的附图标记。如果元件相似或具有相同的功能，则最后两位数相同。如图1所示等离子操作装置，其包括真空室壁102、气体进口104、真空室出口106、供电电极(poweredelectrode)108、接地电极112及RF电压系统120。等离子体114在真空室中的供电电极108与接地电极112间产生。这是本发明实施方式的示意图。本发明通过使用RF电压系统120向供电电极108施加RF电压而工作，其中向供电电极108施加的电压包括两个互为偶次谐波的RF电压，且二者之间的相位关系是可控的。在该实施例中，如图所示基片110直接放置于供电电极108前面，然而，基片也可以放置在接地电极112前面。本发明的具体实施方式也不依附于RF电压系统120，所需要仅是，施加于供电电极108的RF电压具有至少两个谐波分量，而且具有可控的相对相位。在等离子体114与任何暴露于等离子体的表面间，会产生一个边界层或等离子体鞘层。等离子体114导电性很强，在等离子体114上的压降非常小。主要的压降是在在鞘层区域116上产生的。为了将基片暴露于等离子体中进行处理，将基片110插入到供电电极108前的等离子体中，位于供电电极108与等离子体114之间。供电电极前的鞘层区域118中的电场朝向基片110加速离子。鞘层区域的电场在离子上的作用，将在附录中讨论。本发明改进了供电电极108及接地电极112之前的电场。图2显示了本发明RF电压系统一实施方式及其与电容耦合等离子操作装置100的关系。RF电压系统包括RF电压发生器121、移相器122、倍频器123、RF放大器124、RF放大器125、低通滤波器128及高通滤波器129。该实施方式的RF电压系统产生包括一个基频和一个二次谐波的RF电压。RF电压发生器与移相器122及倍频器123二者的输入相连。移相器的目的是控制两个谐波分量的相对相位。倍频器的目的是产生二次谐波。移相器的输出连接至RF放大器124的输入，倍频器123的输出连接至RF放大器125的输入。RF放大器124的输出连接至阻抗匹配网络126的输入，阻抗匹配网络126输出进行低通滤波器128的输入。低通滤波器的目的阻止来自二次谐波的RF能量进入基频的阻抗匹配网络。RF放大器125的输出连接至阻抗匹配网络127的输入。阻抗匹配网络127的输出进行高通滤波器129的输入。高通滤波器的目的是阻止来自基频的RF能量进入二次谐波的阻抗匹配网络。低通滤波器128的输出及高通滤波器129的输出连接至电容耦合等离子体操作装置100的供电电极108。该实施方式可以按多种不同方式重新设计。移相器122可以用于基频或二次谐波之一。如果阻抗匹配网络和滤波器改变，倍频器也会由分频器代替。另一可能是，通过增加更多的移相器及倍频器或分频器，为其它谐波增加RF电压。再一可能是，设挤一只使用单一匹配网络的系统。RF电压发生器可以由产生任意波形的发生器代替。然后，这种波形将通过一单宽带的RF放大器，然后通过一单阻抗匹配网络。该阻抗匹配网络最可能需要具有非常低的Q以运作。能量转移至等离子体，虽非高效，但却可能。图3显示了本发明方法一实施方式的流程图。第一步300是选择离子能量和离子通量。下一步302是调节等离子体所吸收的总能量。等离子体吸收能量的方式取决于产生等离子体的机制。而且，施加于电极的RF能量也对等离子体吸收能量的有贡献。在确定离子通量的时候，应当考虑由电极所贡献的另外的能量。大体上讲，等离子体所吸收的能量决定了离子通量。然后，在步骤304中，选择用于调节离子能量的射频电压。改变两个偶次谐波间的相位或相对相位可以改变离子能量。改变谐波分量的振幅可以改变离子能量和离子通量二者。在某些情况下，在等离子体处理中，功率和射频电压将保持不变。然而，在某些情况下，等离子体处理所需的条件将随时间而变化。在此情况下，可以使用传感器测量等离子体的一些性质，以动态调节离子通量和离子能量。在这种情况下，下一步306将是进行传感器或仪器测量。然后在步骤308中，操作者或控制器将确定传感器的测量值是否在规定的允许范围内。如果测量值在允许范围内，则继续进行等离子体处理；如果不在，然后，将有循环返回步骤302，调节等离子体吸收的能量，而且该循环反复进行，直到测量值在允许范围内。然后，在步骤310中，进行等离子体处理。图4显示了自动操作本发明方法的控制器一实施方式的示意图。该图显示了控制器400、等离子体发生器410、控制施加于电极之电压的射频电压控制单元420、反馈测量值的等离子体传感器430、及显示离子能量和离子通量之控制的对话框440。控制系统400包括硬件接口402、微处理器404、计算机程序产品406及用户界面408，该计算机程序产品由微处理器404执行。微处理器可以是计算机系统。微处理器404连接至硬件接口402。硬件接口402连接至等离子体发生器410，控制等离子体所吸收的能量总量。硬件接口还连接至射频电压控制单元420的电极，用于控制施加在电极上的电压。等离子体传感器430的输出也连接至硬件接口402，其数据被微处理器404用于调节离子通量和离子能量。微处理器404也连接至用户界面408。用户界面408使得用户能够控制离子能量和/或离子通量。对话框440是用户界面408的一种可能的实施方式。在该实施方式中，能以两种模式操作系统动态模式或静态模式。在静态模式中，设置整个等离子体处理期间的离子能量与离子通量。在动态模式中，离子能量与离子通量中的一个或全部随时间改变。对话框分成三个区域，第一区域是选择操作模式的区域442，第二区域是在静态模式操作下控制离子能量计离子通量的区域446，第三区域是在动态模式下控制离子能量及离子通量的区域。在选择操作模式的区域，有两个单选按钮444。通过这些按钮，用户可选择动态模式或静态模式。在静态模式控制离子能量和离子通量的区域中446，有两个文本输入框448。在此用户能够输入离子通量及离子能量。在动态控制离子能量及离子通量的区域450，有两个输入栏454。这些输入栏454用于根据时间设置离子能量和/或离子通量。这可通过用户点击并拖动用户可调控制器452来完成。一般地，当用户操作等离子体操作装置时，用户可以设置如等离子体吸收的能量的值或施加于电极的电压。这有一个缺陷，即这些参数并不与工件的等离子体处理效果直接相关。本发明系统的优点是，用户能够直接控制离子能量与离子通量，而它们与工件的等离子体处理效果直接相关。图5显示了具有两个电容耦合等离子源的等离子体操作装置500，其与图1所示的等离子体装置非常相似。不同的是，接地电极连接至其本身的RF电压系统530，其被称作第二RF电压系统530，其本质区别在于系统增加了另外的供电电极。RF电压系统520连接至供电电极508，基片或工件放置在供电电极508前面。基片也可以放置在第二供电电极512前面，第二供电电极连接至第二RF电压系统530。可以多种方式构建RF电压系统520及第二RF电压系统530的实施方式。其本质要素是所施加的RF电压包括至少两个互为偶次谐波的谐波分量，且在两者之间有可控的相对相位。这可以通过使得这些谐波分量都在RF电压发生器520上或都第二RF电压530上来完成。RF电压系统520还可以在与第二RF电压系统530没有相位锁定或有相位锁定的模式下操作。图6显示了具有DC/RF三极等离子源的等离子体操作装置600，其与图5所示的电容耦合等离子源非常相似，除了另外增加的DC电极632。电极632连接至DC电源634。在该图中，RF电压系统620连接至供电电极608，第二RF发生器630连接至第二供电电极612。如图所示，基片110可放置在供电电极608前，也可放置在第二供电电极612前，或甚至放置在连接于DC电源634的电极632前。RF电压系统620及第二RF电压系统630也可以具有多种不同的实施方式。能够通过RF电压系统620或RF电压系统630施加全部两个所施加电压的可控相位的偶次谐波，或者能够在相位锁定的方式下操作两个RF电压系统。图7显示了电感耦合等离子源的等离子体操作装置700。等离子室的基本结构与上述实施方式相同，然而，等离子体结合能量的方法及产生等离子体的主要方法不同。在该实施方式中，RF发生器720连接至供电电极708。基片放置在供电电极708前，真空室壁102作为第二电极。RF电流从供电电极708流至真空室壁102。第二RF电压系统736连接至线圈738，如图所示该线圈绕在介电管740上，该介电管一端封闭，另一端与真空室壁102开口相连。RF能量电感耦合至等离子体114。为了电感耦合源的运作，仅需将一个变化着的磁场连接至等离子体114。介电管740能够用圆顶状表面或平面表面代替。本发明的优点是晶圆或基片可以放置在等离子室壁102的附近。该图的目的是显示本发明如何在任意不同类型的等离子体操作装置中实施。使用不同类型的等离子源的优点是，可以获得离子通量与离子能量的不同组合。本实施例的RF电压系统720与图1所示的RF电压系统120几乎相同。也可以在该系统中增加另外的电极。图8显示了具有电子回旋共振(ECR)等离子源的等离子体操作装置800。除了产生等离子体的主要方法不同之外，真空室壁的基本结构与上述的实施方式非常相似。RF电压系统820连接至供电电极808。RF电压系统820的实施方式与图1所示的RF电压系统120的实施方式非常相似。通过将微波源840引向介电管844而产生等离子体。通过缠绕在介电管844上的线圈842形成磁场。介电管一端封闭，另一端与真空室开口相连。等离子体在介电管844中产生，并流入等离子室。基片可以放置在真空室壁102附近，来代替放置在供电电极108前。图9显示了磁加强的电容耦合等离子源的等离子体操作装置900。该实施方式与图1所示的实施方式几乎相同。不同的是，若干磁体放置在真空室壁的外面紧邻供电电极908处。这些磁体的目的是减慢电子向电极的扩散，并增加真空室中的等离子体密度。RF电压系统920连接至供电电极908。基片放置在供电电极908前；基片或工件也可以放置在接地电极912前。接地电极连接至地面。磁体946放置在真空室壁102外面、并邻近供电电极908。这是另一个显示本发明可以适用于传统等离子体操作装置的例子。RF发生器920可以具有与图1所示实施方式近似或相同的实施方式。图1及图5至图9所示的实施方式论证了本发明的广泛适用性。本发明的实施方式也可以在其它此处没有描述的放电类型中应用。特别地，本发明还可以适用于中性循环放电(NLD)或螺旋波放电(helicondischarges)。附图标记清单100具有电容耦合等离子源的等离子体操作装置102真空室壁104气体进口106真空泵出口108供电电极110基片或工件112接地电极114等离子体116等离子体鞘层118基片上的等离子体鞘层120RF电压系统121RF电压发生器122移相器123倍频器124RF放大器125RF放大器126阻抗匹配网络127阻抗匹配网络128低通滤波器129高通滤波器400控制系统402硬件接口404微处理器0085]406计算机程序产品0086]408用户界面0087]410等离子体产生系统0088]420RF电压系统的控制单元0089]430等离子体传感器0090]440控制离子能量与离子通量的对话框0091]442选择操作模式的区域0092]444射频按钮0093]446静态模式下控制离子能量与离子通量的区域0094]448文本输入框0095]450动态控制离子能量与离子通量的区域0096]452用户调节的控制器0097]454输入栏0098]500具有两个电容耦合等离子源的等离子体操作装置0099]508供电电极0100]512第二供电电极0101]520RF电压系统0102]530第二RF电压系统0103]600带有DC/RF三级源的等离子体操作装置0104]608供电电极0105]612第二供电电极0106]620RF电压系统0107]630第二RF电压系统0108]632电极0109]634DC电压源0110]700具有电感耦合等离子源的等离子体操作装置0111]708供电电极0112]720RF电压系统0113]736第二RF电压系统0114]738线圈0115]740介电管0116]800具有ERC等离子源的等离子体操作装置0117]808供电电极0118]820RF电压系统0119]840微波源0120]842产生磁场的线圈0121]844介电管0122]900具有ME电容耦合等离子源的等离子体操作装置0123]908供电电极912接地电极920RF电压系统946磁体附录1、引言射频电容耦合等离子源(RF-CCP)在工业中广泛适用于各种不同的工艺，如半导体制造或大面积的太阳能电池板的生产。在两个电极间进行放电，在此一般对一个电极施加RF电压，且对应电极与室壁在相同电位上，也就是接地电位。所施加的电压主要分布在所谓的鞘层中，即在准中性等离子体与电极/壁之间的边界区域。在鞘层中，等离子体中的离子被加速朝向电极。因此，通过鞘层电压确定了碰撞能量。一般而言，大量的离子及相关的惯性导致了加速度，其仅由贯穿鞘层的RF周期平均电压决定，即所谓的RF偏压。离子能量对于蚀刻、沉积及溅射是关键因素的。在加速离子的同时，鞘层电压的时空振荡还会导致加速度及相关的加热电子。因此，等离子体的产量与RF电压振荡的频率和振幅直接相关。较高的频率和振幅直接导致较高的电子速度及较高效率的等离子体产量。另外，通过施加较高的RF频率可减小RF自偏压。取决于等离子室的设计，即室壁面积是大大地大于电极面积(不对称放电)或其面积实际上基本相同(对称放电)。在后者的情况下，电极与其相对电极间(接地电位)间的缝隙大大小于电极半径，其对外边缘的影响可以忽略。由于比较快的气体交换时间，对称放电允许叫小的空间就能提供较好的等离子体化学控制。在大面积的情况下，如太阳能电池板，对于对称条件没有有效的替代方式。然而，在不对称放电中，所施加的电压的大部分分布在小电极前的鞘层中，在对称放电中，电压分布也是对称的。由于电压还控制等离子体的产量，所以不能实现离子密度和离子能量的独立控制。为了克服这个两难困境，近年来广泛应用了所谓的双频放电，尤其是在半导体工业。其中，施加一个高频RF电压(一般是数十兆赫)和一个低频RF电压(一般是几兆赫)。尽管等离子体产量主要归因于高频电压，但低频电压主要用于设置偏压。这两种频率能同时施加于同一电极或分别施加于两个电极。然而，在对称放电中，在这两个电极前的鞘层上的效果还是一样的。权利要求一种在等离子体操作装置(100、500、600、700、800或900)中至少一个电极(102、106、108、112、508、512、608、612、632、708、808、908或912)前建立DC偏压的方法，该方法是通过施加具有至少两个谐波分量、且谐波分量之间具有可控的相对相位的RF电压而实现的，其中，具有较高频率之分量中的至少一个是具有较低频率之分量的偶次谐波。2.如权利要求1所述的方法，其中，通过改变所施加电压的谐波分量之间的相对相位和/或改变所述谐波分量的振幅，而动态地控制所述的DC偏压。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所施加电压的谐波分量之间的相对相位是固定的。4.如权利要求1或3所述的方法，其中，所施加电压的谐波分量的振幅是固定的。5.如前述权利要求之一所述的方法，其中，至少两个谐波分量之间具有可控的相对相位的RF电压被施加至一个电极。6.如权利要求5所述的方法，其中，所施加电压的谐波分量之间的相对相位是固定的。7.如权利要求1-4之一所述的方法，其中，至少两个谐波分量之间具有可控的相对相位的RF电压被施加至一个以上的电极。8.如权利要求7所述的方法，其中，所施加电压的谐波分量之间的相对相位是固定的。9.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所施加电压的至少两个频率分量具有几乎相同的振幅。10.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所施加电压中具有较高频率之分量中的一个是具有较低频率之分量的二次谐波。11.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的相对相位是如此调节的，使得两个电极上的离子能量的比率接近于1。12.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的相对相位是如此调节的，使得两个电极上的离子能量的比率不等于1。13.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的相对相位是如此调节的，使得两个电极上的离子能量的比率大于2或小于0.5。14.如前述权利要求之一所述的方法，其中，电容耦合射频等离子体的放电是几何对称的。15.如前述权利要求之一所述的方法，其中，通过调节所述的至少两个频率间的相对相位，而调节两个电极上的离子能量的比率。16.如前述权利要求之一所述的方法，其中，采用所述相对相位控制所述等离子体与电极间的鞘层的不对称程度，以增加或减少离子能量。17.如前述权利要求之一所述的方法，其中，通过调节所述相对相位而线性调节所述等离子体与电极间的鞘层的DC自偏压。18.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的至少一个电极(708或808)被加至等离子体装置中，而与等离子体的激发方法无关。19.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的等离子体是通过电磁或辐射产生的，如通过电容耦合等离子源(100、500、600或900)、电感耦合等离子源(700)或通过微波产生手段(800)。20.如上述权利要求1-17之一所述的方法，其中，所述的等离子体是通过RF电压产生的，该RF电压还建立了所述的DC偏压(100、500、600或900)。21.如前述权利要求之一所述的方法，其中，待改性的基片(110)放置在电极(108、508、708、808或908)顶部。22.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的等离子体用于表面改性。23.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的等离子体用于薄膜沉积。24.如上述权利要求1-22之一所述的方法，其中，所述的等离子体用于等离子体蚀刻。25.如权利要求24所述的方法，其中，所述的等离子体用于介电基片的等离子体蚀刻。26.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的等离子体用于制造半导体设备、微型机电系统、太阳能电池(光付)板或平板电视屏幕。27.如前述权利要求之一所述的方法，其中，所述的等离子提用于表面溅射、气态表面改性、表面清洁、控制表面能量、改进生物相容性、改进粘附性、纳米微粒制造、将纳米微粒装配到结构或设备中、和/或聚合物的表面交联。28.—种等离子体操作系统(100、500、600、700、800或900)，其包括用于电容耦合射频等离子体放电的等离子体操作装置，其中，具有至少两个谐波分量、且具有可控的相对相位的电压被施加至电极(108、508、512、608、708、808或908)，其中，至少一个较高频率是较低频率的偶次谐波。29.如权利要求28所述的装置，其中，所述的相对相位是固定的。30.一种在等离子体处理中独立控制工件(110)所接收的离子通量与离子能量的方法，其中，所述的工件定位在等离子体鞘层区域中或临近鞘层区域(116或118)，所述的方法包括-通过控制等离子体所吸收的能量来控制所述工件所接收的离子通量(302)；-通过控制施加至等离子体的RF电压来控制离子通量和离子能量(304)；其中，所述RF电压的谐波分量的至少一个是第二谐波分量的偶次谐波，且该至少一个的偶次谐波相对于所述第二谐波分量具有可控的相对相位。31.如权利要求30所述的方法，其中，所述的RF电压施加于两个或更多的暴露于等离子体中的电极(508、512、608、612、708、808、908、912)。32.如权利要求31所述的方法，其中，所述的工件起到电极的作用，或放置在电极表面上或紧邻电极处。33.如权利要求30-32之一所述的方法，其中，通过改变所述RF电压的谐波分量的相对相位而调节所述的离子通量，所述的RF电压具有互为偶次谐波的频率。34.如权利要求30-33之一所述的方法，其中，通过改变所述RF电压中一个或多个谐波分量的振幅而使所述的离子通量与离子能量均得到调节。35.如权利要求30-34之一所述的方法，其中，所述的RF电压的谐波分量仅包括所述RF电压的基频及其二次谐波。36.如权利要求30-35之一所述的方法，其中，所述的RF电压是通过使用查表法确定的(304)。37.如权利要求30-36之一所述的方法，其进一步包括_在等离子体处理过程中，用传感器或仪器测量等离子体的性质(306)；-将所述传感或仪器的测量结果与用户的选定值进行比较(308)；-确定所述测量结果是否在用户所指定的范围内(308)；-调节等离子体所吸收的能量(302)、RF电压的谐波分量的振幅(304)、和/或所施加电压的谐波分量的相对相位(304)，使得所述传感器或仪器测量的值在用户指定的范围内(306)。38.如权利要求30-37之一所述的方法，其中，在工件的等离子体处理过程中，动态地改变所述的等离子体所吸收的能量、RF电压的振幅、和/或RF电压的谐波分量的相对相位，使得在等离子体处理过程中，所述等离子体的离子能量和/或离子通量随时间而改变。39.一种用于执行如权利要求30-38之一所述方法的计算机程序产品(406)。40.一种用于控制等离子体装置的控制器，其包括-输入工件(110)所需离子能量和/或离子通量的手段(440)；-控制等离子体所吸收能量的手段(410)；-确定电压的谐波分量的振幅和/或相对相位、以控制等离子体的离子能量和/或离子通量的手段(406)，其中，该电压被施加至暴露于等离子体的两个或更多的电极；-在等离子体处理过程中，控制RF电压的振幅和/或相对相位的手段(420)，其中，该RF电压被施加至暴露于等离子体的两个或更多的电极。41.一种在等离子体鞘层区域(116或118)引起不对称的方法，其包括-将两个或更多的电极(508、512、608、612、708、808、908或912)暴露于等离子体中；_在该两个或更多的电极施加RF电压，其中，所述电压的至少两个谐波分量具有可控的相对相位，而且这些具有可控相对相位的谐波分量中至少有两个互为偶次谐波。42.如权利要求41所述的方法，其中，所述的等离子体鞘层区域(118)临近所述电极之一。43.如权利要求31-39、41及42之一所述的方法，其中，所述的两个或更多的电极中的一个是真空室壁(112)和/或真空泵(108)的一部分。全文摘要本发明公开了一种通过施加带有至少两个谐波分量且谐波分量间具有可控相对相位的RF电压、在等离子体操作装置中至少一个电极前建立DC偏压的方法，其中，至少一个较高频率分量是较低频率分量的偶次谐波。文档编号H01J37/32GK101978461SQ200880128271公开日2011年2月16日申请日期2008年7月11日优先权日2008年3月20日发明者乌韦·沙恩斯基,布莱恩·乔治·休尔,托马斯·曼圣布拉克,拉尔夫·皮特·布林克曼申请人:波鸿-鲁尔大学