用于利用两层式微波空腔来动态控制径向均匀性的方法和装置与流程

1.本原理的实施例总体涉及半导体处理。


背景技术：

2.半导体工艺腔室用来将材料沉积和蚀刻到基板上，通常使用等离子体来协助对材料的沉积和蚀刻。微波等离子体系统使用微波来在半导体工艺期间产生和维持等离子体。最常用的等离子体系统将13.56mhz的射频(rf)用于激发。然而，微波系统通常在2.450ghz激发。早期的微波等离子体系统遭受频率和功率不稳定性的困扰，使得系统在生产期间难以以不良的均匀性进行激发。因为与13.56mhz的rf等离子体系统相比，基于微波的系统产生高得多的自由基密度，所以仍期望将基于微波的系统用于半导体工业中。然而，基于微波的系统中的等离子体的均匀性是个重大的问题。
3.因此，发明人已经提供了一种用于控制基于微波的半导体处理系统中的等离子体的均匀性的改进的方法和装置。


技术实现要素：

4.本文中提供了用于产生用于半导体工艺的等离子体的方法和装置。
5.在一些实施例中，一种用于产生用于半导体工艺的等离子体的系统可以包括：工艺腔室，所述工艺腔室具有至少两个上部微波空腔，所述至少两个上部微波空腔通过具有多个辐射狭槽的金属板与下部微波空腔分离；至少一个微波输入端口，所述至少一个微波输入端口连接到所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔；至少两个微波输入端口，所述至少两个微波输入端口连接到所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔；以及下部微波空腔从所述至少两个上部微波空腔中的两者接收通过金属板中的多个辐射狭槽的辐射，下部微波空腔被配置为形成电场，所述电场在工艺腔室的工艺容积中提供均匀的等离子体分布。
6.在一些实施例中，所述系统可以进一步包括：其中所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔在至少两个尺寸上是方形空腔；其中所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔是空气空腔；调谐器，所述调谐器在所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔上，调谐器被配置为调整所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔中的微波激发并充当用于中心高模式的频率的带通滤波器；其中所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔是同轴空气空腔；其中同轴空气空腔激发m＝0模式；其中同轴空气空腔具有两个不同的圆形尺寸；其中所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔是环形空腔；其中所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔是空气空腔；调谐器，所述调谐器在所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔上，调谐器被配置为调整所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔中的微波激发并充当用于边缘高模式的频率的带通滤波器；其中所述至少两个上部微波空腔中的第一上部微波空腔支持微
波激发的中心高模式，并且所述至少两个上部微波空腔中的第二上部微波空腔支持微波激发的边缘高模式；其中所述至少两个上部微波空腔被配置为在下部微波空腔中形成电场，通过调整所述至少两个上部微波空腔中的中心高模式与边缘高模式的功率比，电场产生均匀的等离子体；和/或至少一个微波监测器，所述至少一个微波监测器与所述至少两个上部微波空腔或下部微波空腔中的至少一者相互作用，以对所述至少一个微波监测器中的每一者监测单个频率或多个频率，所述至少一个微波监测器被配置为向系统控制器提供反馈以用于调整微波参数。
7.在一些实施例中，一种用于产生用于半导体工艺的等离子体的系统可以包括：第一上部微波空腔，所述第一上部微波空腔激发中心高模式；第二上部微波空腔，所述第二上部微波空腔激发边缘高模式，第二上部微波空腔环绕第一上部微波空腔；金属板，所述金属板在第一上部微波空腔和第二上部微波空腔下，金属板具有多个辐射狭槽，所述多个辐射狭槽被配置为从第一上部微波空腔辐射中心高模式和从第二上部微波空腔辐射边缘高模式；以及下部微波空腔，所述下部微波空腔接收从第一上部微波空腔辐射的中心高模式和从第二上部微波空腔辐射的边缘高模式，下部微波空腔被配置为提供电场以用于在工艺腔室中的均匀等离子体分布。
8.在一些实施例中，所述系统可以进一步包括：其中第一上部微波空腔和第二上部微波空腔是空气空腔，并且下部微波空腔是石英空腔；其中石英空腔具有穿过石英空腔的多个孔洞；其中第一上部微波空腔在至少两个尺寸上是方形空腔，并且第二上部微波空腔是环绕方形空腔的环形空腔；和/或第一调谐器，所述第一调谐器在第一上部微波空腔上，第一调谐器被配置为调整第一上部微波空腔中的微波激发并充当用于中心高模式的频率的带通滤波器；以及第二调谐器，所述第二调谐器在第二上部微波空腔上，第二调谐器被配置为调整第二上部微波空腔中的微波激发并充当用于边缘高模式的频率的带通滤波器。
9.在一些实施例中，一种用于产生用于半导体工艺的等离子体的系统可以包括：第一上部微波空腔，所述第一上部微波空腔激发中心高模式，第一上部微波空腔是方形空气空腔；第二上部微波空腔，所述第二上部微波空腔激发边缘高模式，第二上部微波空腔是环绕第一上部微波空腔的环形空气空腔；金属板，所述金属板在第一上部微波空腔和第二上部微波空腔下，金属板具有多个辐射狭槽，所述多个辐射狭槽被配置为从第一上部微波空腔辐射中心高模式和从第二上部微波空腔辐射边缘高模式；以及下部微波空腔，所述下部微波空腔接收从第一上部微波空腔辐射的中心高模式和从第二上部微波空腔辐射的边缘高模式，下部微波空腔是圆柱形石英空腔，所述圆柱形石英空腔具有穿过圆柱形石英空腔的多个孔洞，圆柱形石英空腔被配置为提供电场以用于在工艺腔室中的均匀等离子体分布。
10.在一些实施例中，所述系统可以进一步包括：第一调谐器，所述第一调谐器在第一上部微波空腔上，第一调谐器被配置为调整第一上部微波空腔中的微波激发并充当用于中心高模式的频率的带通滤波器；以及第二调谐器，所述第二调谐器在第二上部微波空腔上，第二调谐器被配置为调整第二上部微波空腔中的微波激发并充当用于边缘高模式的频率的带通滤波器；其中第一上部微波空腔和第二上部微波空腔被配置为在下部微波空腔中产生电场，通过分别调整第一上部微波空腔和第二上部微波空腔中的中心高模式与边缘高模式的功率比，电场产生均匀的等离子体。
11.下文公开了其他和进一步实施例。
附图说明
12.可以通过参照在附图中描绘的本原理的说明性实施例来理解本原理的实施例，此类实施例在上文被简要概述且在下文更详细地讨论。然而，附图仅图示本原理的典型实施例且因此不应被视为对范围的限制，因为本原理可允许其他同等有效的实施例。
13.图1描绘根据本原理的一些实施例的具有两层式(two-story)空腔的微波输入系统的等轴视图。
14.图2描绘根据本原理的一些实施例的具有两层式空腔的微波输入系统的等轴视图，所述两层式空腔具有较小的顶部半径r。
15.图3描绘根据本原理的一些实施例的具有两层式空腔的微波输入系统的等轴视图，所述两层式空腔具有顶部方形空腔。
16.图4描绘根据本原理的一些实施例的基于图3的两层式空腔的微波输入系统的侧视图。
17.图5描绘根据本原理的一些实施例的图4的微波输入系统的俯视图。
18.图6描绘根据本原理的一些实施例的图4的微波输入系统的侧视图的电场图。
19.图7描绘根据本原理的一些实施例的图4的微波输入系统的俯视图的电场图。
20.图8a描绘根据本原理的一些实施例的图示用于微波空腔的缓慢旋转微波信号输入的表格。
21.图8b描绘根据本原理的一些实施例的图示用于微波空腔的快速旋转微波信号输入的表格。
22.图9描绘根据本原理的一些实施例的图4的微波输入系统的两端口变型。
23.图10描绘根据本原理的一些实施例的具有分离的顶部环形空腔的微波输入系统的等轴视图。
24.图11描绘根据本原理的一些实施例的图示图10的微波输入系统的辐射狭槽的图案的俯视图。
25.图12描绘根据本原理的一些实施例的顶部环形空气空腔的电场图。
26.图13描绘根据本原理的一些实施例的底部圆柱形石英空腔的电场图。
27.图14描绘根据本原理的一些实施例的具有可动顶板的微波输入系统的等轴视图。
28.图15描绘根据本原理的一些实施例的共振频率图。
29.图16描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的顶部环形空气空腔中的电场的俯视图。
30.图17描绘根据本原理的一些实施例的壁柱塞调谐器(plunging tuner)移位的共振频率和电场影响的图。
31.图18描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的俯视图。
32.图19描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的等轴视图。
33.图20描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的俯视图。
34.图21描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的等轴视图。
35.图22描绘根据本原理的一些实施例的m＝1和m＝3模式的功率比的电场图。
36.图23描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的输入端口定向的变型的俯视图。
37.图24描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的横截面图。
38.图25描绘根据本原理的一些实施例的图24的微波输入系统的俯视图。
39.图26描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的横截面图。
40.图27描绘根据本原理的一些实施例的图26的微波输入系统的俯视图。
41.图28描绘根据本原理的一些实施例的微波输入系统的横截面图。
42.图29描绘根据本原理的一些实施例的图28的微波输入系统的俯视图。
43.图30描绘根据本原理的一些实施例的具有反馈的微波输入系统的示意图。
44.图31描绘根据本原理的一些实施例的具有微波监测器的微波输入系统的等轴视图。
45.图32描绘根据本原理的一些实施例的具有微波监测器的微波输入系统的等轴视图。
46.图33是根据本原理的一些实施例的具有用于等离子体产生的微波输入的等离子体腔室的示意图。
47.为了促进理解，已尽可能使用相同的附图标记来指示附图共有的相同要素。附图并不是按比例绘制的，且可以为了清楚起见而简化。可以有益地将一个实施例的要素和特征并入其他实施例而无需进一步叙述。
具体实施方式
48.由具有辐射狭槽的金属板分离的微波空腔在本文中被称为两层式微波空腔。发明人已经发现，两层式微波空腔有利于在高压下激发等离子体。在一些实施例中，将具有突出(accentuate)基板的边缘附近的等离子体的模式的微波与具有突出基板的中心附近的等离子体的模式的微波组合以控制等离子体沉积均匀性。然而，必须通过机械调谐来解决两层式微波空腔的顶部空腔中的非理想性，这在同时激发两个模式时是困难的。本原理的方法和装置包括以下实施例：在两层式微波空腔的底部空腔中激发中心高和边缘高这两个本征模式(eigenmode)，而不会有在正常情况下在顶部空腔中同时调谐两个本征模式所遭遇的问题。
49.发明人已经发现，如果针对中心高的本征模式(例如m＝1)和边缘高的本征模式(例如m＝3)而分离两层式微波空腔的顶部空腔，则可以产生两个本征模式而不会彼此干扰。分离的顶部空腔中的每一者允许仅一个期望模式的共振。本原理的方法和装置使得连接到每个空腔中的自动调谐器能够在没有频率干扰的情况下操作，从而在不依赖操作员的技术或经验的情况下以系统性方式提供径向均匀性控制。在一些实施例中，可以调整两个本征模式(例如m＝1和m＝3)的功率比和/或场旋转以有益地提供对两层式微波空腔的底部空腔中所产生的等离子体的径向均匀性的控制。顶部空腔可以接受高功率输入，并且有利地是具有小功率损耗和低成本的空气空腔。发明人已经发现，本原理的方法和装置有利地在高压(例如大于约50托)下提供高均匀性。在一些实施例中，可以在约50托到约100托的压力下实现均匀性。在一些实施例中，可以在约50托到约200托的压力下实现均匀性。在一些实施例中，可以在诸如约0.5托到约1.0托的低压下实现均匀性。在一些实施例中，可以基于
压力来调整m＝1模式和m＝3模式的功率比以提供均匀性。
50.两层式微波空腔具有将结构分离成顶部空腔和底部空腔的辐射狭槽金属板。顶部空腔和底部空腔经由辐射狭槽金属板弱电连接。注入到顶部空腔中的微波干扰顶部空腔中的两个本征模式。而在底部空腔中，因为两个本征模式是经由具有优化的辐射狭槽图案的辐射狭槽金属板来激发的，所以消除了由输入微波引起的场干扰。作为结果，由底部空腔下的两个模式所激发的等离子体将具有理论上理想的分布(参见日本应用物理学期刊第56卷第046203号(2017年)，由y.hasegawa等人所著“microwave plasma generation by the fast and slow pulsation of resonant fields in a cylindrical cavity(通过圆柱形空腔中共振场的快速和缓慢脉动来产生微波等离子体)”；日本应用物理学期刊第56卷第116002号(2017年)由m.hotta等人所著“generation of slowly rotating microwave plasma by amplitude-modulated resonant cavity(通过调幅共振空腔来产生缓慢旋转的微波等离子体)”)。实际上，设计理论上计算出的两层式空腔是不可能的。在此类情况下，可以通过微波频率调谐来解决底部空腔中的非理想性，而顶部空腔中的非理想性必须通过机械微波调谐器来吸收。在结构中仅激发一个本征模式时，可以容易地实施机械调谐。然而，在同时激发两个模式时，需要高度精细的调谐，这对于商用产品而言是不实际的。
51.可以如图1-3中所示地分离用于中心高模式(例如m＝1)的顶部空腔。图1是具有两层式空腔160的微波输入系统100，两层式空腔160包括具有底部半径α116的底部空腔102、具有辐射狭槽108的金属板104、具有顶部半径r 114的顶部空腔106、以及具有频率fr的侧面功率输入端口112的波导110。在一些实施例中，底部空腔102填充有介电材料(例如石英)，而顶部空腔填充有空气。图1的两层式空腔160具有等于底部半径α116的顶部半径r 114(r＝α)。在图2的微波输入系统200中，示出了具有较小的顶部半径r 214的两层式空腔260(r》α)。顶部半径r 214减小，同时维持顶部圆柱形空气空腔206的圆形对称性。可以将圆形对称形式应用于顶部圆柱形空气空腔206中激发的任何模式。可以通过以90度角放置两个输入端口来旋转任何圆柱形空腔中的m＝1(te/tm
1xx
)和m＝3(te/tm
3xx
)模式(参见于2019年8月9日公布的标题为“systems and methods for radial and azimuthal control of plasma uniformity(用于等离子体均匀性的径向和方位角控制的系统和方法)”的美国专利申请公开序列号第2018/0226230号和于2019年6月20日公开的标题为“methods and apparatus for dynamical control of radial uniformity in microwave chambers(用于微波腔室中的径向均匀性的动态控制的方法和装置)”的美国专利申请公开序列号第2019/0189399号)。在图3的微波输入系统300中，两层式空腔360示出为具有顶部方形空腔306的。方形空腔被定义为具有至少两个近似相等的尺寸的空腔，并且还将包括具有较长的第三尺寸的矩形空腔。与圆柱形空腔相比，顶部方形空腔306较容易制造和维护。在其他模式(例如m＝2te/tm
2xx
)的情况下，图3的顶部方形空腔306的矩形形式或其他的多面形状必须与根据如前所述的“systems and methods for radial and azimuthal control of plasma uniformity(用于等离子体均匀性的径向和方位角控制的系统和方法)”计算出的输入角(对于一个模式可能有几种选择，例如m＝2模式为135度)一起使用。仅出于说明的目的，图1-3中所示的两层式空腔示例具有被安装为激发磁场分量hz的波导，但任何输入配置都是可能的。
52.图4是基于图3的两层式空腔360的微波输入系统400的侧视图。图5是图4的微波输
入系统400的俯视图500。具有矩形形状且填充有空气的顶部方形空气空腔406经由金属板404中的至少一个辐射狭槽508连接到底部圆柱形石英空腔402。为了简洁起见，但不以任何方式限制，将在后续的示例中使用te
101
或te
111
以代替m＝1(即te/tm
1xx
)，并且使用tm
310
或te
311
以代替m＝3(即te/tm
3xx
)。在2.417ghz使用图4的微波输入系统400时，顶部方形空气空腔406中的te
101
经由至少一个辐射狭槽508在底部圆柱形石英空腔402中激发中心高te
111
模式，如图6的绘图600和图7的绘图700中所图示的。
53.在如前所述的“methods and apparatus for dynamical control of radial uniformity in microwave chambers(用于微波腔室中的径向均匀性的动态控制的方法和装置)”中，系统配置同时旋转中心高(例如m＝1模式或te/tm
1xx
)和边缘高(例如m＝3模式或te/tm
3xx
)电场分布这两个模式，从而使得等离子体具有高均匀性。在采用幅度调制以缓慢的旋转频率ωi/2π＝1hz到10,000hz旋转场时，四个端口p、q、p'和q'(参见同一文献)的操作电气参数示出在图8a的表格800a中。此外，在与载波频率相同的旋转频率(例如ωi/2π＝2.45ghz)下的快速旋转被总结在图8b的表格800b中。此后，为了简洁而不意味着限制，将使用图8a的表格800a中定义的缓慢旋转。为了旋转图4的底部圆柱形石英空腔402中的te
111
，如图9中所示地实施两个正交的功率输入(端口p 910和端口q 912)，其电气参数设定在图8a的表格800a中。发明人已经在对图9的微波输入系统900进行建模的期间实现了在ω/2π的旋转频率下完美旋转的结果。
54.可以如图10的微波输入系统1000中所示地分离用于边缘高模式(例如m＝3)的顶部空腔。图10示出组合空腔(顶部环形空气空腔1006和底部圆柱形石英空腔1002)，所述组合空腔经由金属板1004中的辐射狭槽1108(参见图11的俯视图1100)来连接。出于说明的目的，输入1012进入被安装为激发磁场分量hr的波导1010，但可以利用任何配置。因为顶部环形空气空腔1006被设计为激发tm
310
(也参见图12)，其与空腔的高度无关，所以任意选择顶部环形空气空腔1006的高度，从而允许较大的设计灵活性。如图11中所示的金属板1004中的辐射狭槽1108的图案是一个示例。也可以使用其他的辐射狭槽图案。图12和图13是使用2.474ghz输入的结果。在顶部环形空气空腔1006中，激发tm
310
模式(如图12的电场图1200中所示)，其功率经由金属板1004中的辐射狭槽1108传送到底部圆柱形石英空腔1002，从而如图13的电场图1300中所示地在底部圆柱形石英空腔1002中激发te
311
模式。
55.在底部空腔中同时激发两个模式时，通过分别从顶部方形空腔和顶部环形空腔引入中心高(例如m＝1)和边缘高(例如m＝3)模式，并且如果存在相对于理论的非理想性，则可能需要精密调谐。在底部空腔中，频率调谐可以解决非理想问题，而在两个顶部空腔中，应采用机械调谐。两个顶部空腔被设计为使得每个顶部空腔允许仅针对一个期望模式的共振。例如，方形空腔应允许激发中心高模式的频率(例如2.417ghz，te
101
)，并且环形空腔应允许激发边缘高模式的频率(例如2.474ghz tm
310
)。
56.对于中心高模式(例如m＝1模式)，在一些实施例中，调谐是如图14的视图1400中所示的与柱塞调谐器类似的可动顶板1420。在针对宽度w1424的固定参数调整高度h 1422时，te
101
的共振频率的频移被绘制在图15的图表1500中。在改变宽度w 1424的参数时，确定可用频率范围。对于边缘高模式(m＝3模式)，在一些实施例中，调谐是如图16中的俯视图1600所示的侧壁柱塞调谐器1630。使用壁扰动来在顶部环形空气空腔1006中精确地激发tm
310
(m＝3)模式，从而最终在底部圆柱形石英空腔1002中激发te
311
。通过选定整数n乘以π
除以4来确定波导1010与侧壁柱塞调谐器1630之间的角度θ1640(θ＝n
×
(π/4))。在图16的示例中，n＝3。侧壁柱塞调谐器1630可以位于满足θ＝n
×
(π/4)的任何角度。
57.在使用两个功率输入p和q时，如图20的视图2000中将示出的，可以实施两个相同的柱塞调谐器(侧壁柱塞调谐器a 2040和侧壁柱塞调谐器b2042)以保持相同的功率输入条件。也可以将侧壁柱塞调谐器a 2040、侧壁柱塞调谐器b 2042应用于图14中的顶部方形空气空腔406以用于te
101
(m＝1)模式。相反地，可以将可动顶板1420的概念应用于图16中的顶部环形空气空腔1006以用于m＝3模式，特别是在顶部环形空腔中激发高度相关模式(诸如tm/te
3x1
)时。然而，因为顶部环形空气空腔1006比图14中的顶部方形空气空腔406大得多，所以顶部环形空气空腔1006上的可动顶板将变得笨重且难以控制。在图17的图表1700a中，对于固定的宽度w，将频移绘制为扰动壁移位δr的函数。在图17的图表1700b中，图示了顶部空气空腔中的电场分布中(在图16中的点a 1632处)出现的调谐效果。在此示例中，柱塞调谐器附近的电场被弱化，然而相对于理想的tm
310
分布，并没有那么强烈的扰动。因此，顶部空气空腔中轻微干扰的电场在底部圆柱形石英空腔中产生理想的te
311
分布。
58.除了精确地调谐顶部空腔来在顶部空腔和底部空腔中激发期望的模式以外，机械柱塞调谐器还具有附加的功能。图18的微波输入系统1800的俯视图示出实施到上述的两个顶部空腔(用于m＝1模式的顶部方形空气空腔1808和用于m＝3模式的顶部环形空气空腔1806)上的微波部件的设置。也实施了分别用于m＝1和m＝3的柱塞调谐器1820、1822。图18的示例中的柱塞调谐器1822的位置不意味着以任何方式进行限制。为了避免反射波经由波导/同轴电缆1828、1830在2.450ghz频带中返回微波发生器，可以在顶部空腔中的每一者附近实施用于m＝1模式的自动/手动短截线调谐器1824和用于m＝3的自动/手动短截线调谐器1826。如图15的图表1500中所示，微波短截线调谐器一般可以控制2.410ghz到2.490ghz的频带。如果同时激发在2.417ghz的m＝1模式和在2.474ghz的m＝3模式，则这两个频率都在微波短截线调谐器的控制频带中，无法彼此区分，从而导致微波短截线调谐器的意外(unintentional)操作。然而，如下文中所示，具有机械柱塞调谐器的顶部空腔将用作实用的带通滤波器。在图15的图表1500中，微波短截线调谐器频带被分成两半，第一频带1502和第二频带1504分别被分配到m＝1模式和m＝3模式。在选择w1的方形宽度w和h
min
与h
max
之间的柱塞调谐器的可调整高度时，允许顶部方形空气空腔仅在第一频带1502中共振m＝1(te
101
)模式。
59.用类似的方式，在图17的图表1700a中，在选择w＝w2处的壁柱塞调谐器的宽度w和从δr
min
到δr
max
的可调整柱塞调谐器移位时，环形空气空腔中的m＝3(tm
310
)模式的共振频率被限制在图15的图表1500中的短截线调谐器频带1506的第二频带1504内。在图18中的柱塞调谐器1820、1822的这些设置下，在底部石英空腔(在俯视图中不可见)中同时激发两个模式在2.417ghz的m＝1(te
111
)和在2.474ghz的m＝3(tm
311
)时，顶部方形空气空腔1808和顶部环形空气空腔1806分别仅允许2.417ghz和2.474ghz传递到内部。因此，每个自动/手动短截线调谐器1824、1826将仅针对自动/手动短截线调谐器1824、1826的分配频率工作，从而避免频率干扰和伴随的故障。微波输入系统1800的可调整性和带宽过滤是极为有益的，从而减少复杂度、维护和成本。为了在底部空腔中旋转te
311
，如图19和图20中所示地实施两个正交的功率输入(端口p 1902和端口q 1904)，其电气参数以与图8a的表格800a中所示的方式相同的方式设定。发明人发现，测试结果显示在ω/2π的旋转频率的完美旋转。
60.如图21的微波输入系统2100中所示地将图9的微波输入系统900与图19的微波输入系统1900组合，中心高模式(m＝1，例如在2.417ghz的te
111
)和边缘高模式(m＝3，例如在2.474ghz的te
311
)可以与图8a的表格800a中定义的电气参数一起在底部圆柱形石英空腔402中同时旋转。在一些实施例中，自动调谐器被安装在四个波导2102-2108上以用于良好的旋转。因为图14和图16的调谐器被实施在两个顶部空腔上，所以顶部方形空气空腔406和顶部环形空气空腔1006分别仅允许te
111
和te
311
的共振。因此，即使安装了具有2.41-2.49ghz的带宽的自动调谐器，也可以在自动调谐器上避免te
111
模式与te
311
模式之间的频率干扰，从而提供近似完美的调谐。图22的绘图2200图示m＝1(在2.417ghz的te
111
)与m＝3(在2.474ghz的te
311
)之间的功率比α:β如何在没有场旋转的情况下改变底部圆柱形石英空腔中的电场分布。在旋转电场时，方位角对称分布将被实现为时间平均值，特别是对于超过1khz的高旋转频率。具有近似比率α:β＝0.33:0.67的分布接近优化的均匀性，从而在方位角方向和径向方向两者上产生均匀的等离子体。在一些实施例中，为了进一步稳定和均匀地产生等离子体，可以在底部圆柱形石英空腔402的整个底部内形成数百个孔洞(如日本应用物理学期刊第43卷第l1039号(2007年)由s.nakao和h.sugai所著的“multi-hollow plasma production along dielectric plate in microwave discharge(在微波放电中沿着介电板产生多空心等离子体)”和等离子体工艺的工业应用(industrial application of plasma process)期刊第3卷第61页(2010年)由i.liang等人所著的“control of microwave plasma with use of multi-hollow dielectric plate(使用多空心等离子体控制微波等离子体)”中描述)，以供在不激发等离子体表面波的情况下实现容易的等离子体点燃和后续的稳定化。多空心石英使等离子体稳定，特别是在高压(例如约50托到约100托)下。
61.图23的微波输入系统2300a-2300c示出三个变型的俯视图，其中在一些实施例中使用了顶部功率输入和侧面功率输入。在微波输入系统2300a中，在底部圆柱形石英空腔上方在用于m＝3模式的第一顶部圆柱形空气空腔2306与用于m＝1模式的第三顶部圆柱形空气空腔2310之间实施用于m＝2模式的第二顶部环形空气空腔2308。第一顶部圆柱形空气空腔2306具有顶部输入端口p
3 2320和顶部输入端口q
3 2322。第二顶部圆柱形空气空腔2308具有顶部输入端口p
2 2324和顶部输入端口q
2 2326。第三顶部圆柱形空气空腔2310具有顶部输入端口p
1 2328和顶部输入端口q
1 2330。采用到用于m＝1模式的第三顶部圆柱形空气空腔2310中的顶部输入端口2328、2330以分别代替图2的微波输入系统200和图3的微波输入系统300的侧面输入来激发磁场的方位角h
θ
分量。为了旋转电场，将用于m＝1模式和m＝3模式的微波输入分开90度，而用于m＝2模式的微波输入间隔开135度，如根据如前所述的“systems and methods for radial and azimuthal control of plasma uniformity(用于等离子体均匀性的径向和方位角控制的系统和方法)”所确定的。微波输入系统2300b是微波输入系统2300a的变型。将用于m＝3模式的微波输入改变为侧面输入端口p
3 2332和侧面输入端口q32334以激发磁场的轴向hz分量(仅用于说明的目的)。在一些实施例中，如图23的微波输入系统2300c中所示，用顶部方形空腔2336替换微波输入系统2300a的用于m＝1模式的第三顶部圆柱形空气空腔2310，且用侧面输入端口p
1 2338和侧面输入端口q
1 2340替换顶部输入端口p
1 2328和顶部输入端口q12330。在一些实施例中，允许空腔形状与微波输入定向的任何组合。
62.发明人已经发现，因为m＝0(例如tm
011
)是圆形对称的，所以对于激发m＝0模式特别感兴趣。对于tm
011
，不需要旋转来给予具有圆形对称性的中心高的电场。在一些实施例中，如图24的微波输入系统2400中所图示，顶部空腔的简化实施方式是顶部同轴空气空腔2404和具有侧面柱塞调谐器2414的顶部环形空气空腔2412。金属板2416中的辐射狭槽2424将微波传递到底部圆柱形石英空腔2418中，底部圆柱形石英空腔2418在工艺容积2422中产生等离子体2420。微波输入系统2400还具有可动顶板2402以用于在顶部同轴空气空腔2404上进行调谐。调谐条件由(n
·
λ)/2所确定，其中n是整数，并且λ是顶部同轴空气空腔2404的波长。因为m＝0模式不需要旋转，所以m＝0中心高模式仅需要一个侧面输入端口2406。而如图25的微波输入系统2500中所图示的，微波输入系统2400中的边缘高模式(例如m＝3模式)需要分离90度的两个顶部输入端口p 2408和顶部输入端口q 2410，这两个顶部输入端口将微波注入到顶部环形空腔2412中。在一些实施例中，可以将侧面输入和顶部输入的任何配置用于m＝0模式和m＝3模式。发明人已经发现，通过使用m＝0模式，可以减少输入端口的数量，这意味着至少减少了一个功率发生器并减少了一个调谐器，从而减少成本和减少操作复杂度。
63.在一些实施例中，利用了用于m＝0模式激发和m＝3模式激发的图26的微波输入系统2600，微波输入系统2600是图24的微波输入系统2400的变型。顶部同轴空气空腔2602包括具有直径d
1 2604的第一圆柱体2612和具有直径d
2 2606的第二圆柱体2614。微波输入系统2400包括第一圆柱体2612的用于m＝0模式的第一侧壁柱塞调谐器2610和顶部环形空气空腔2412的用于m＝3模式的第二侧壁柱塞调谐器2608。将微波输入系统2400的用于m＝3模式的顶部输入端口改变为侧面输入端口2618、2720以用于微波输入系统2600。在一些实施例中，允许d
1 2604和d
2 2606的任何组合(包括d1＝d2)。在d1≠d2的情况下，因为由在两个同轴空腔的连接部分2616附近的直径从d1到d2的突然改变引起的小扰动，将用于图26的微波输入系统2600的组合的第一圆柱体2612和第二圆柱体2614的调谐高度改变为～(n
·
λ)/2。图27的微波输入系统2700图示用于图26的微波输入系统2600的示例端口布置。m＝0模式具有单个侧面输入端口p
1 2406，并且m＝3模式具有侧面输入端口p
3 2720和侧面输入端口q
3 2618以提供电场旋转。
64.在一些实施例中，也可以通过使用顶部圆柱形空气空腔206代替微波输入系统2400和微波输入系统2600中的同轴空腔来激发中心高模式(即m＝0)。顶部圆柱形空气空腔206的使用是图2的微波输入系统200的变型，且图示在图28的微波输入系统2800中。还实施了用于m＝0模式的侧面输入端口2406和可动顶板2402。在一些实施例中，也可以将顶部输入端口或壁扰动调谐器用于m＝0模式。图29的微波输入系统2900图示用于图27的微波输入系统2700的示例端口布置。m＝0模式具有单个侧面输入端口p
1 2406，并且m＝3模式具有顶部输入端口p
3 2410和顶部输入端口q
3 2408以提供电场旋转。
65.在图30中，示出了根据一些实施例的具有反馈控制器3006的微波输入系统3000。微波输入系统3000包括用户接口3020、短截线调谐器3028、3030、以及圆柱形空腔3008。微波监测器3002、3004向反馈控制器3006提供微波信号，接着将所述微波信号馈送到微波信号(相位和幅度)发生器3010中。微波信号(相位和幅度)发生器3010向两个放大器3016、3018(例如固态放大器或电子管放大器)发送两个种子信号3012、3014。将这些放大的微波输入供应到在空间上分离90度的端口p和端口q。在图30中所示的示例系统中，与反馈控制
器3006一起实施两个微波监测器3002、3004。如果在微波信号(相位和幅度)发生器3010内部实施诸如高频fpga(现场可编程门阵列)之类的精确数字控制器，则可以从微波输入系统3000移除微波监测器3002、3004和反馈控制器3006。
66.在一些实施例中，可以使用反馈来控制两层式微波空腔。图30是微波输入系统的示例，其中对相位和幅度的反馈控制由两个微波监测器3002、3004和反馈控制器3006执行。一般将两个微波监测器3002、3004放置在用于m＝1模式和m＝3模式的彼此成对的正交位置处。在图30的微波输入系统3000中，仅出于说明的目的而假定圆柱形空腔3008。一些实施例可以具有任何形状并且可由任何材料构成，包括方形和/或环形的空腔。本文中已经描述了一些实施例，其包括三种空腔类型：底部圆柱形石英空腔、顶部方形空气空腔、以及顶部环形空气空腔。作为结果，可以如图31的微波输入系统3100中所示地利用六个不同监测器位置中的至少一者。微波输入系统3100具有用于m＝1频率(例如2.417ghz)的第一输入端口p 3110和第一输入端口q 3112以及用于m＝3频率(例如2.474ghz)的第二输入端口p 3114和第二输入端口q3116。因为m＝1模式和m＝3模式，所以每一对微波监测器3102-3108布置在彼此成对的正交位置。可以选择任何类型的微波监测器，诸如拾取线圈检测器和/或晶体微波监测器等等。在一些实施例中，第一组微波监测器3102检测用于m＝1模式的顶部方形空气空腔406中的微波。在一些实施例中，第二组微波监测器3108检测用于m＝3模式的顶部环形空气空腔3120中的微波。在底部圆柱形石英空腔3118中，在一些实施例中，可以通过单个微波监测器来测量两个频率(参见例如第三组微波监测器3106检测底部圆柱形石英空腔3118中的微波)。在单个微波监测器的情况下，对每个微波监测器完成两个频率处理(例如针对第三组微波监测器3106的m＝1模式频率和m＝3模式频率)。在一些实施例中，替代地，对如图32的微波输入系统3200中所图示的每个微波监测器(参见例如监测器3202、3204)处理单个频率。在一些实施例中，可以变化微波监测器的数量和微波监测器的位置。
67.图33是根据一些实施例的具有用于等离子体产生的等离子体腔室3320和微波输入的工艺腔室3302的示意图3300。工艺腔室3302具有与微波源3304、真空源3310、气体源3312、电源3314、以及基板接口3316的接口。微波控制器3306与微波源3304对接以控制边缘高微波模式输入和中心高微波模式输入，以控制等离子体腔室3320中的等离子体均匀性。微波控制器3306也可以与工艺腔室3302或等离子体腔室3320对接以从微波输入和/或从处理的结果参数(例如膜均匀性等等)接收反馈。微波控制器3306可以与系统控制器3322(在下文描述)通信或者甚至是系统控制器3322的一部分。
68.微波控制器3306也可以与外部设备和/或工艺对接以接收关于等离子体腔室3320的工艺的均匀性的外部反馈3318。微波控制器3306也可以具有用户接口3308以接收关于参数的输入或关于微波输入的其他处理改变。微波控制器3306也可以针对工艺腔室3302的随时间变化的不同工艺、气体、压力、和/或物理改变(沉积物累积等等)来补偿功率比。微波控制器3306也可以调整功率比以补偿涉及递送微波输入的部件(诸如调谐器、放大器、传输线、波导、和/或功率组合器等等)的性能。微波控制器3306可以用操作员的输入来手动操作和/或基于设定或反馈来自动操作。基板接口3316允许将基板/晶片装载进出等离子体腔室3320。当在处理期间需要时，真空源3310允许抽出工艺气体且允许减少压力。气体源3312提供工艺气体和用于处理或对等离子体腔室3320进行清洁/排气的其他气体。电源3314可以根据工艺需要而包括射频(rf)偏压电源等等。
69.工艺腔室3302也可以包括系统控制器3322。系统控制器3322包括与存储器3324和大容量存储设备可操作的可编程中央处理单元(cpu)3328、输入控制单元、以及显示单元(未示出)，诸如耦接到处理系统的各种部件以促进控制基板处理的电源、时钟、高速缓存、输入/输出(i/o)电路以及衬垫。为了促进控制上述的工艺腔室3302，cpu 3328可以是可以用在工业环境中的任何形式的通用计算机处理器(诸如可编程逻辑控制器(plc))中的一者以用于控制各种腔室和子处理器。存储器3324耦接到cpu 3328，且存储器3324为非暂时性的，并且可以是随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、软盘驱动器、硬盘、或任何其他形式的本地或远程的数字存储中的一者或多者。支持电路3326耦接到cpu 3328以用于支持处理器。用于带电物质产生、加热、以及其他工艺的应用或程序通常存储在存储器3324中(一般作为软件例程)。也可以由第二cpu(未示出)存储和/或执行软件例程，第二cpu相对于由cpu 3328控制的工艺腔室3302位于远程。
70.存储器3324是包含指令的计算机可读存储介质的形式，所述指令在由cpu 3328执行时促进工艺腔室3302的操作。存储器3324中的指令是程序产品(诸如实施本公开内容的方法的程序)的形式。程序代码可以符合多种不同编程语言中的任何一者。在一个示例中，可以将本公开内容实施为存储在计算机可读存储介质上以供与计算机系统一起使用的程序产品。程序产品的(多个)程序定义各方面的功能(包括本文中所述的方法)。说明性的计算机可读存储介质包括但不限于：信息可以永久存储在其上的非可写存储介质(例如计算机内的只读存储器设备，诸如由cd-rom驱动器可读的cd-rom盘、闪存存储器、rom芯片、或任何类型的固态非易失性半导体存储器)；以及可变更的信息存储在其上的可写存储介质(例如磁盘驱动器内的软盘、或硬盘驱动器、或任何类型的固态随机存取半导体存储器)。在携载引导本文中所述的方法的功能的计算机可读指令时，此类计算机可读存储介质是本公开内容的各方面。
71.根据本原理的实施例可以在硬件、固件、软件或以上各项的任何组合实施。实施例也可以实施为使用一个或多个计算机可读介质来存储的指令，所述指令可以由一个或多个处理器(诸如微波控制器3306)读取和执行。计算机可读介质可以包括用于以机器(例如计算平台或运行在一个或多个计算平台上的“虚拟机”)可读的形式存储或传送信息的任何机构。例如，计算机可读介质可以包括任何合适形式的易失性或非易失性存储器。在一些实施例中，计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质。
72.虽然前述内容针对本原理的实施例，但可以在不脱离本原理的基本范围的情况下设计本原理的其他和进一步实施例。