CN1833296B - 用于产生均匀处理速率的天线 - Google Patents

Abstract

一种用于通过窗口在处理腔室中产生电场的天线装置。一般地，天线装置包括外环，该外环包括围绕天线轴布置的第一外环圈；内环，其包括围绕天线轴布置的第一内环圈，其中内环在每个方位方向比起外环更靠近天线轴；以及径向连接器，其径向地将所述外环电连接到所述内环，其中径向连接器被安置成离窗口距离大。

Description

用于产生均匀处理速率的天线

技术领域

本发明涉及用于处理诸如在IC制造时使用的半导体基底或在平板显示应用中使用的玻璃板那样的基底的设备和方法。更具体地，本发明涉及一改进的等离子体处理系统，其能够在基底表面上以高度的处理均匀性处理基底。

背景技术

等离子体处理系统存在已有一定的时间。这些年来，已经引入并且在不同程度上使用利用电感耦合的等离子体源、电子回旋共振(ECR)源、电容源等的等离子处理系统来处理半导体基底和玻璃板。

在处理期间，典型地采用了多个沉积和/或蚀刻步骤。在沉积期间，材料被沉积在基底表面(诸如玻璃板或晶片的表面)上。例如，诸如硅、氧化硅、氮化硅、金属等的各种形式的沉积层可被形成在基底表面上。相反，蚀刻可被使用来选择地从基底表面上的预定区域去除材料。例如，在基底的层上可以形成诸如孔、触点、或沟槽那样的蚀刻的特征。

等离子体处理的一个具体的方法使用了感应源来产生等离子体。图1显示现有技术的、用于等离子体处理的电感性等离子体处理反应器100。典型的电感性等离子体处理反应体包括腔室102，其具有被布置在电介质窗106上面的天线或电感线圈104。典型地，天线104被可操作地耦合到第一RF(射频)功率源108。而且，在腔室102内提供气体端口110，它被安排用来把气体源材料--例如蚀刻剂源气体--释放到在电介质窗106与基底112之间的RF感应等离子体区域。基底112被引入到腔室102中并且被放置在夹盘114上，该夹盘通常起到电极的作用以及被可操作地耦合到第二RF功率源116上。

为了产生等离子体，把处理气体通过气体端口110输入到腔室102。然后通过使用第一RF功率源108把功率加到电感线圈104。供给的RF能量耦合到电介质窗106，以及把大的电场感应到腔室102中。更具体地，响应于电场，在腔室102中感应出环状的电流。电场将腔室中存在的少量电子加速，使得它们与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致电离以及启动放电或等离子体118。正如技术上熟知的，处理气体的中性气体分子在受到这些强电场时失去电子，以及留下带正电的离子。结果，在等离子体118中包含带正电的离子、带负电的电子和中性气体分子(和/或原子)。只要自由电子的产生速率超过它们的消失速率，那么等离子体就点火。

一旦等离子体形成，在等离子体中的中性气体分子势必朝向基底的表面。作为例子，促成基底上中性气体分子的存在的一个机制可以是扩散(即，在腔室中分子的随机运动)。因此，典型地可以沿基底112的表面发现中性物质层(例如，中性气体分子)。相应地，当底部电极114被供电时，离子势必朝向基底加速，在基底上这些离子与中性物质相组合，激发蚀刻反应。

诸如上述的那样的电感性等离子体系统遇到的一个问题是在基底上蚀刻性能的变化，例如，非均匀的蚀刻速率。也就是，基底的一个区域受到与另一个区域不同的蚀刻。结果，极难控制与集成电路有关的参数，即，临界尺寸、长宽比等。另外，非均匀蚀刻速率可能导致半导体电路中的器件故障，这典型地转换成制造商的更高的成本。而且，还存在其它关心的问题，诸如总的蚀刻速率、蚀刻剖面图、微装载、选择性等。

近年来，发现这些非均匀蚀刻速率可能是在基底表面上等离子体密度变化的结果，即，具有或多或少的反应物质(例如，带正电的离子)的区域的等离子体。虽然不希望受理论束缚，但我们相信等离子体密度的变化是由于在功率耦合--例如天线、电介质窗、和/或等离子体--的功率传输特性中发现的非对称性造成的。如果功率耦合是非对称的，则显然，感应电场的环行电流将是非对称性的，所以，等离子体的电离和启动将是非对称的。结果，将发生等离子体密度的变化。例如，某些天线装置在线圈中心感应强的电流，在线圈的外径处感应弱的电流。相应地，等离子体势必朝着处理腔室的中心聚集(如图1的等离子体118所示)。

用于克服非对称功率耦合的标准技术是补偿或平衡，以消除非对称性。例如，使用一对平面天线来提高在弱电流区域处的电流密度；在螺旋天线上连接上径向部件，以形成具有不同的半径的多个圆环；改变电介质窗的厚度以减小在强电流区域处的电流密度。然而，这些平衡技术往往不能提供方位上的对称功率耦合。也就是，它们势必仍旧造成方位上的变化，这导致等离子体的变化，使得很难得到蚀刻均匀性。

而且，今天使用的大多数天线装置形成在天线与等离子体之间的某种类型的电容性耦合。电容耦合是由于在天线与等离子体之间的电压降造成的。电压降典型地在耦合窗处或其附近形成外壳电压。对于大多数部分，外壳电压势必起到底部电极(通上电的)的作用。也就是，等离子体中的离子趋于围绕外壳加速，所以，势必朝向带负电荷的耦合窗加速。结果，加速的离子势必轰击耦合窗的表面。

这些轰击的离子对于耦合窗基本上具有与它们对于基底的相同的影响，即，它们在耦合窗表面上或者蚀刻或者沉积材料。这可产生不想要的和/或不可预期的结果。例如，沉积的材料可以积累在耦合窗上，以及特别是当材料从基底表面上剥落时，变为有害的粒子源。从耦合窗去除材料，将具有类似的影响。最终，厚度的增加或减小例如在功率耦合(例如，天线、电介质窗、等离子体)的功率传输特性中将造成处理变化。如上所述，处理变化可导致非均匀处理，这导致半导体电路中的器件故障。

从上述的内容看来，希望有一种用于在基底表面上产生均匀处理的改进的方法和设备。

发明内容

本发明在一个实施例中涉及用于通过窗口产生在处理腔室中的电场的天线装置。一般地，该天线装置包括外环，其包括围绕天线轴布置的第一外环圈；内环，其包括围绕天线轴布置的第一内环圈，其中内环在每个方位方向比起外环更靠近天线轴；以及径向连接器，径向地电将所述外环连接到所述内环，其中径向连接器被安置成离窗口很大的距离。

本发明在另一个实施例中涉及用于处理基底的等离子体处理设备。通常情况下，提供有一处理腔室，在该处理腔室中等离子体被点火和被维持以用于所述处理。一窗口形成所述处理腔室的一侧，它被配置成允许所述RF能量传送到所述处理腔室。一多层天线与所述窗口相邻以及被配置成经由RF能量在所述处理腔室中产生电场。多层天线包括：外环，其包括围绕天线轴布置的第一外环圈；内环，其包括围绕天线轴布置的第一内环圈，其中内环在每个方位方向上比起外环更靠近天线轴；以及径向连接器，其径向地电将所述外环连接到所述内环，其中径向连接器被安置成离窗口很大的距离。

附图说明

在附图中，通过示例的方式，但不作为限制，对本发明进行说明，，其中图上相同的参考数字表示类似的单元，以及其中：

图1显示用于等离子体处理的电感性等离子体处理反应器。

图2显示按照本发明的一个实施例的、包括天线装置和耦合窗装置的等离子体处理系统。

图3是带有间隙的局部天线圈的示意图。

图4是多圈天线装置的示意图。

图5显示按照本发明的一个实施例的多圈天线装置。

图6是多圈天线装置的截面侧视图。

图7是按照本发明的一个实施例的多层耦合窗的截面侧视图。

图8是本发明的实施例的多圈天线的透视图。

图9是图8的多圈天线的放大部分。

图10是第三圈的顶视图。

图11是第四圈的顶视图。

图12是在第四圈上面的上部连接器的顶视图。

图13是第二圈的顶视图。

图14是第一圈的顶视图。

图15是在第一圈上面的第二上部连接器的顶视图。

图16是带有被放置在各圈之间的绝缘体的圈的截面图。

图17是在本发明的另一个实施例中使用的第三圈与第四圈的部分的截面图。

图18是具有无源天线的如图17所示的器件的视图。

图19是法拉第屏蔽的顶视图。

图20是本发明的另一个实施例的示意图。

优选实施例的详细描述

现在参照本发明的和如附图显示的优选实施例详细地描述本发明。在以下的说明中，阐述多种具体的细节，以便提供对于本发明的透彻的了解。然而，本领域技术人员将会看到，可以不用某些或全部这些具体的细节来实践本发明。在其它事例中，没有详细地描述熟知的处理步骤，以免不必要地遮蔽本发明。

在处理基底时，工艺工程师努力要改进的最重要的参数之一就是处理均匀性。正如这里采用的术语，蚀刻均匀性是指在基底表面上整个蚀刻处理的均匀性，包括蚀刻速率、微负载、掩膜选择性、底层选择性、临界尺寸控制、和型面特性，如侧壁角度和粗糙度。例如，如果蚀刻是高度均匀的，则预期在基底上不同点处的蚀刻速率势必是基本上相等的。在这种情形下，很少可能，基底的一个区域被过度地蚀刻而同时其它区域保持不充分的蚀刻。

本发明提供能够产生均匀蚀刻的、用于处理基底的等离子体处理系统。等离子体处理系统包括RF功率源和处理腔室。等离子体处理系统还包括基本上圆形的天线，可操作地被耦合到RF功率源以及当基底被布置在用于处理的处理腔室时，天线被布置在由基底限定的平面上面。基本上圆形的天线被配置成在处理腔室中用由RF功率源产生的RF能量感应电场。基本上圆形的天线至少具有在第一面上的第一对同心圆环。在第二面上的第二对同心圆环相对于第一对同心圆环放置。第一对同心圆环和第二对同心圆环基本上是一致的和沿公共轴互相对称地对准。需要在所有的环中的相同的方向上的驱动电流的在每个环中的同心的圆圈之间的径向连接器被安置成离窗口和同心圆环很大的距离。优选地，径向连接器被安置成远离窗口和彼此靠近，以便提供相反的电流和最终的场的某些抵销。

等离子体处理系统还包括被布置在天线与处理腔室之间的耦合窗。耦合窗被配置成允许把来自天线的RF能量传送到处理腔室的内部。进一步，耦合窗具有第一层和第二层。第二层被配置成通过吸收传送到耦合窗的至少一部分电压而减小在窗口与等离子体之间形成的电压降。基本上圆形的天线和所述耦合窗被安排在一起工作，以形成在处理腔室中方位上对称的等离子体，这就产生了在基底表面上基本上均匀的处理速率。

按照本发明的一个方面，通过提供被配置成用来产生均匀的等离子体的改进的天线装置，获得在基底表面上的处理均匀性。如上所述，给天线供电，以便通过感应产生电场以及由此通过感应产生在处理腔室中的循环电流。相应地，电场将处理腔室中的电子加速，使得它们与处理气体的气体分子碰撞，结果，电离和起燃等离子体。

在等离子体产生后，把功率加到下部电极以及加速离子使其走向基底。在基底表面上的被加速的离子和中性试剂与被布置在基底表面上的材料起反应，所以处理基底。一般地，当等离子体的密度在基底的一个区域中是较大时，将产生非均匀处理速率。因此，改进的天线装置被配置成通过感应方位上对称的电场而减小这些等离子体变化，并且因此产生更均匀的处理速率。

本发明提供被构建成最好地满足以下的法则的天线：(1)用被安置成尽可能接近缺少的段或间隙的方位方向的电流补偿在每个圈中所有缺少的方位方向的电流。(2)用尽可能接近地放置的相反的电流抵销所有的非方位方向的电流。(3)保持具有它们的专用通量的非方位方向的非对称电流单元远离窗口，即使它们在附近被补偿。

在一个实施例中，改进的天线被配置成产生在方位上对称的循环电流。虽然不希望受理论束缚，但我们相信，功率耦合的传输线特性响应于感应的电场而产生循环电流的方位上的变化。这些传输线特性势必产生驻波，它形成沿天线长度的高电压和低电压的起伏区域，结果形成感应的电场的高的和低的电流密度的起伏区域，即，当电压是高时，电流是低的，以及当电压是低时，电流是高的。正如本领域技术人员熟知的，等离子体的功率淀积取决于电流密度。例如，在电流密度高的地方，等离子体密度势必是高的，以及在电流密度低的地方，等离子体密度势必是低的。因此，当电流密度具有高的和低的电流的起伏区域时典型地产生方位上非对称的等离子体。

更具体地，当RF能量的波长小于天线长度时，在驻波分布图上将出现更多的节点。通常，驻波由以下方程决定：

天线电学长度＝1/2(波长)×n，其中n＝节点数目。大多数天线装置长度约为1.5到2.5的波长，结果，产生约3到5个节点。这些节点相应于上述的低电压。

改进的天线通过把它配置成在功率传递系统中起到集总电路元件的作用而不是传输线作用来克服这个缺点。也就是，改进的天线被配置成具有小于在工作频率下RF能量的波长的视在长度。结果，节点数量被减小，所以，感应电流的方位变化基本上被消除，以及传输线类比不再成立。

在一个实施例中，改进的天线装置是其作用呈现为单圈天线的多圈天线。多圈天线实际上是包括多个环的单个导电元件，这些环紧密地缠绕和堆叠在一起。通过将环紧密地缠绕和堆叠在一起，天线的总的尺寸(或外径)可被做得更小，而不影响感应的循环电流的长度。而且，通过减小天线的尺寸，天线的总的尺寸可被做得更小，结果，减小天线的传输线特性。再者，因为这些环互相靠近地放置，典型地在这些圈之间发现的径向变化也可被减小。相应地，改进的天线装置有利地感应在方位上对称的循环电流。因此，方位上对称的循环电流势必形成方位上对称的等离子体，结果，势必在基底表面处产生均匀等离子体处理。

多圈堆叠天线装置的另一方面是自屏蔽特性，即，由与窗口相邻的圈来保护等离子体不受天线端电压影响。这导致电容耦合的重大的减小以及以后的窗腐蚀，这二者将在下面更详细地讨论。

按照本发明的另一方面，改进的耦合窗被配置成减小在天线与等离子体之间出现的电容性耦合。大多数功率耦合装置(例如，天线、耦合窗、和等离子体)产生在天线与等离子体之间的某些电容性耦合。电容性耦合是通过在天线与等离子体之间出现的电压降而产生的。这个电压降典型地产生靠近耦合窗的外壳电压。正如本领域技术人员熟知的，外壳电压可导致等离子体的附加变化，外壳电压可以推动等离子体远离窗口，从而引起电感耦合系数减小。另外，由于离子轰击耦合窗，外壳电压甚至可产生重大的粒子污染。而且，通过离子轰击窗口而被用完的任何功率典型地对于等离子体产生是无用的，这相应地对于给定的功率造成较低的等离子体密度。

为了减小在天线与等离子体之间的电容性耦合，改进的耦合窗被配置成包括被放置在一起的电介质层和屏蔽层。屏蔽层是被放置在处理腔室内的层，优选地，它被配置成用作为静电屏，把电压引导到远离耦合窗的表面。屏蔽层实际上抑制与等离子体的电容性耦合。而且，屏蔽层被配置成消除电容性(静电的，电位梯度的)电场，而使得电感性(旋度B，梯度F＝0类型的)电场基本上保持不变。也就是，耦合窗被配置成阻挡直接电容性耦合通过耦合窗，而允许天线电感应地形成等离子体(对屏蔽层基本上不损失)。

更具体地，屏蔽层是电绝缘的，它由导电的或半导电的材料制成。所以，通常在天线与等离子体之间出现的电压降，现在出现在天线与屏蔽层之间。因此，在耦合窗表面附近的外壳电压被充分地减小，结果，这增加电感性耦合系数和减小由于耦合窗的没有结果的离子轰击造成的功率损耗。

而且，非接地的静电场将产生均匀的静电场，只屏蔽在屏蔽区域上静电场的变化。这个最后的特性可被使用来使得易于触发等离子体。另外，因为屏蔽层被暴露在处理腔室的内部，因此屏蔽层优选地由可抵抗等离子体处理的热的、化学的、和物理影响的材料形成。

参照附图和以下的讨论可以更好地了解本发明的特性和优点。

图2显示按照本发明的一个实施例的等离子体处理系统200，包括处理腔室202，在该处理腔室内等离子体204被点火和维持，用于处理基底206。基底206代表要被处理的工件，它例如可代表要被蚀刻、沉积、或被其他方式的处理的半导体基底，或要被处理成平板显示器的玻璃板。另外，处理腔室202优选地被安排成基本上圆柱的形状，以及具有基本上垂直的腔室壁208。然而，应当指出，本发明不限于以上的情形，以及可以使用处理腔室的各种不同的配置。

等离子体处理系统200还包括天线装置210和耦合窗装置212，它们被配置成把功率耦合到等离子体204。天线装置210被耦合到第一RF功率源214，该第一RF功率源被配置成用具有在约0.4MHz到约50MHz的范围的频率的RF能量给天线装置210供电。耦合窗212被配置成允许第一RF能量从天线装置210传送到所述处理腔室内部。优选地，耦合窗被布置在基底206与天线装置210之间。

而且，天线装置210应当足够靠近耦合窗，以便于形成等离子体204。也就是，天线装置越靠近耦合窗，在腔室内产生的电流的强度越大。再者，天线装置210优选地被安排成与处理腔室202和基底206是同轴的。应当理解，天线装置的对称放置可以增强在基底表面上等离子体的均匀性，然而，它对于所有的处理可能是不需要的。下面将更详细地讨论天线装置210和耦合窗212。

气体喷嘴215典型地被提供在腔室202内。气体喷嘴215优选地被布置在腔室202的内周界的周围，以及被安排来把气体源材料，例如蚀刻剂气体释放到在耦合窗212与基底206之间的RF感应的等离子体区域。替换地，气体源材料也可以从被构建在腔室本身的壁上的端口或通过被安排在电介质窗中的淋浴喷嘴被释放。应当理解，气体的对称的分布可以增强在基底表面上的等离子体均匀性，虽然它对于所有的处理过程可能是不需要的。可以在示例性等离子体处理系统中使用的气体分布系统的例子，在标题为“PLASMA PROCESSING SYSTEMWITH DYNAMIC GAS DISTRIBUTION CONTROL”的共同待决的专利申请中更详细地描述；这是在1999年11月15日提交的美国专利申请No.09/470,236，在此引用该申请以供参考。

对于大多数部分，基底206被引入到腔室202，以及被布置在夹盘216上，夹盘被配置成在处理期间握住基底。夹盘216例如可以代表ESC(静电)夹盘，它通过静电力把基底206固定在夹盘表面。典型地，夹盘216起到底部电极的作用，并且最好通过第二RF功率源218对其加偏压。另外，夹盘216优选地被安排成基本上圆柱的形状，以及轴向地对准处理腔室202，以使得处理腔室和夹盘是圆柱对称的。夹盘216也可以被配置成在用于装载和拆卸基底206的第一位置(未示出)与用于处理基底的第二位置(未示出)之间移动。

仍旧参照图2，排气孔220被布置在腔室壁202与夹盘216之间。然而，排气孔的实际的放置可以根据每个等离子体处理系统的具体的设计而改变。然而，在高度均匀性是关键的情形下，圆柱形对称的排气孔可以是相当有利的。优选地，排气孔220被配置成用于排出在处理期间形成的副产品气体。而且，排气孔220被耦合到典型地位于腔室202的外面的涡轮分子泵(未示出)。正如本领域技术人员熟知的，涡轮分子泵保持腔室202内适当的压力。

而且，在诸如蚀刻处理那样的半导体处理的情形下，处理腔室内的多个参数需要得到严格地控制，保持高的公差结果。处理腔室的温度就是一个这样的参数。由于蚀刻公差(和最终得到的基于半导体的器件性能)对于系统中部件的温度起伏是非常敏感的，所以需要精确的控制。作为例子，可以在用于达到温度控制的示例性等离子体处理系统中使用的温度管理系统在标题为“TEMPERATURE CONTROLSYSTEM FOR PLASMA PROCESSING APPARATUS”的共同待决的专利申请中更详细地描述；这是在2001年10月16日公布的美国专利No.6,302,966，以及在此结合该申请作为参考。

另外，在达到对于等离子体处理的紧密的控制时的另一个重要的考虑是等离子体处理腔室所利用的材料，例如，诸如腔室壁的内部表面。再一个重要的考虑是被使用来处理基底的气体化学特性。作为例子，可以在示例性等离子体处理系统中使用的材料和气体化学特性在标题为“MATERIALS AND GAS CHEMISTRIES FOR PLASMA PROCESSINGSYSTEMS”的共同待决的专利申请中更详细地描述；这是在1999年11月15日提交的美国专利申请No.09/440,794，以及在此结合该申请作为参考。

为了产生等离子体，把处理气体通过气体喷嘴215输入到腔室202。然后通过使用第一RF功率源214把功率加到天线装置210，以及通过耦合窗212在腔室202内感应大的电场。电场加速在腔室内存在的少量电子，使得它们与处理气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致电离和激发放电或等离子体204。正如本领域技术人员熟知的，处理气体的中性气体分子在受到这些强电场时失去电子，以及留下带正电荷的离子。结果，在等离子体204内包含带正电荷的离子、带负电荷的电子和中性气体分子。

一旦形成等离子体，在等离子体内的中性气体分子势必向着基底表面。作为例子，对于在基底上中性气体分子的存在产生影响的一个机制可以是扩散(即，在腔室中分子的随机运动)。因此，典型地可以沿基底206的表面发现中性物质层(即，中性气体分子)。相应地，当底部电极216被供电时，离子势必朝向基底加速，在该基底上这些离子与中性物质相组合，激发基底处理，即，蚀刻、沉积和/或类似处理。

对于大多数情形，等离子体204主要停留在腔室的上部区域(例如，工作区域)，然而，部分等离子体可能势必填充整个腔室。等离子体通常达到它可被维持的地方，这几乎在腔室中的所有的地方。作为例子，等离子体可以填充基底下面的区域，诸如泵装置的下部(例如，非工作区域)。如果等离子体到达这些区域，则接着发生该区域的蚀刻、沉积和/或腐蚀，这可导致在处理腔室内的粒子污染，即，通过蚀刻区域或沉积的材料的剥落。

而且，无约束的等离子体势必形成非均匀的等离子体，这可导致处理性能--即，蚀刻均匀性、总的蚀刻速率、蚀刻断面图、微装载、选择性等--的变化。为了减小上述的影响，等离子体约束装置可被使用来约束等离子体。作为例子，可以在用于约束等离子体的示例性等离子体处理系统中使用的等离子体约束装置在标题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR CONTROLLING THE VOLUME OF PLASMA”的共同待决的专利申请中更详细地描述；这是在2001年11月27日公布的美国专利No.6,322,661，以及在此结合该申请作为参考。

按照本发明的一个方面，等离子体处理系统配备有多圈天线装置，这样，在等离子体处理设备的处理腔室内感应出在方位上对称的电场。

随着临界尺寸不断减小，对于等离子体的、方位上不对称的公差也减小。天线圈是不完整的，以及在天线环的末端之间提供间隙，以防止短路。这样的间隙可能妨碍等离子体方位的对称性。图3是带有间隙308的局部天线圈304的示意图。由第一角度316限定的第一方位扇区312包含间隙308。由第二角度324限定的第二方位扇区320不包含间隙308。间隙308使得在第一方位扇区312中的RF功率小于在第二方位扇区320中的RF功率。各种不同的电流承载单元被使用来桥接间隙。这样的桥接单元的非对称性会使得这样的单元不能提供理想的均匀性。

图4是分别带有间隙406、410的两个局部天线圈404、408的示意图。桥接部414被提供来补偿间隙406、410。径向脚416提供在局部天线圈404、408与桥接部414之间的电连接，以便提供在两个局部天线圈404、408之间的完整的电流路径。虽然径向电流分量可以是小的以及通过一对线圈以另一个电平进行局部补偿，但已经发现，该径向电流提供重要的非对称性。由于这些脚是处在与部分天线圈404、408相同的平面上，所以径向电流路径“紧靠”窗口。在本技术说明书和权利要求中，如果作为最远的天线圈，径向电流路径至少是离窗口的距离的三倍，则径向电流路径被限定为远离窗口。作为方位上非对称电流部分的径向电流，感应出与天线本身类似的附近电流部分可比较的电场。电场与径向电流部分的长度除以距离的平方成比例地降低。为了大大地减小这种与想要的对称天线贡献可比较的、在窗口的等离子体一侧出现的这个非对称分量，在天线与窗口的等离子体侧(d1)和新的径向部分位置(d2)之间的距离的比值应当小于10，即，(d1/d2)²＜10，这大约是d2≥3×d1。

图5和6显示按照本发明的一个实施例的多圈天线装置600。多圈天线装置600包括多圈天线602，该多圈天线可操作地被耦合到RF功率源604，它们例如分别相应于如图2所示的天线210和RF功率源214。

如上所述，如果天线长度相对于波长是小的，则功率耦合的传输线说明不再是适当的，以及功率耦合开始表现为集总电路元件。所以，多圈天线602被配置成具有小于所发送能量的波长的长度。通过减小天线的长度，在驻波分布图上产生较少的节点，结果，在天线的方位方向上高电压和低电压区域被大大地减小。

多圈天线优选地被配置成具有多个圈，多个圈被紧密地布置在一起，以使得所产生的电磁场好像是来自单圈天线。更具体地，通过把圈更紧密地放置在一起，使得天线的产生电流的电容增加。例如，如果天线由互相靠近的四圈形成，则流过等离子体的电流势必与约为天线中电流的四倍一样强。相应地，这个集中的电流带来更均匀的集中的等离子体。结果，天线的直径可以做得相对于处理腔室的直径更小，这又减小天线的长度。下面将更详细地描述天线的实际的尺寸。

多圈天线602基本上是圆形的，以及至少包括在第一面上第一对同心圆环606和在第二面上第二对同心圆环610。优选地，第一对同心圆环606和第二对同心圆环610基本上是相同的，以及沿天线轴614互相对称地对准。应当指出，基本上圆形的天线将产生基本上圆形的电场，结果，将产生基本上圆形的等离子体。因此，因为处理腔室和基底是圆形的，理所当然的是，基本上圆形的等离子体势必产生在基底表面处更均匀的处理。

虽然本发明被显示和描述为基本上圆形的，但应当理解，可以使用用于需要不同的形状的基底的应用的另外的形状，诸如用于显示器或用于补偿腔室设计的某些非对称性。作为例子，遵循以上阐述的相同的原理的椭圆形状或具有圆角的长方形状也是可行的。

而且，第一对同心圆环606优选地被堆叠在第二对同心圆环610上面。单平面天线典型地产生增加的电容耦合量，因为端电压和所有的电压节点是在极其接近于窗口之处。然而，因为堆叠的天线以及在第一对同心圆环与第二对同心圆环之间对称的对准，高的端电压有利地被第二对同心圆环屏蔽。更具体地，在第一对同心圆环与等离子体之间典型地出现的电压降(例如，电容耦合)被基本上减小，因为第二对同心圆环提供用于电压降的导电路径，所以，电压降将不与等离子体互相作用。

另外，第一对同心圆环606优选地包括第一圈616和第四圈622，以及第二对同心圆环610优选地包括第二圈618和第三圈620。而且，第一圈616基本上等同于第二圈618和被放置在第二圈618的上面，以及第四圈622基本上等同于第三圈620和被放置在第三圈620的上面。

第一圈616可操作地被耦合到第二圈618，第二圈618可操作地被耦合到第三圈620，以及第三圈620可操作地被耦合到第四圈622，每圈被安排成使得电流流动是围绕天线轴614的相同的方向。在一个实施例中，多圈天线是由单个导电单元形成的。然而，应当指出，这不是限制，以及多圈天线可以由结构上分开的和被电学地耦合在一起的部件形成。另外，多圈天线602包括输入引线624和输出引线626，它们经由引线680被连接到RF功率源604。

在这个实施例中，输入引线624可操作地被耦合到第一圈616的第一端。第一圈的第二端可操作地被耦合到第一连接器640的第一端。第一连接器的第二端可操作地被耦合到第二圈618的第一端。第二圈618的第二端可操作地被耦合到径向连接的第一脚632。径向连接的第二脚636可操作地被耦合到第三圈620的第一端。至少在第一和第二脚接近(而不是远离)窗口的情形下，第一脚632和第二脚636基本上垂直于由圈616、618、620、622限定的面。更优选地，第一和第二脚垂直于由基本上沿着第一和第二脚的整个长度的圈限定的面。径向连接的径向连接器682从第一脚632延伸到第二脚636，以及可以基本上平行于由所述圈限定的面。第三圈620的第二端可操作地耦合到第二连接器644的第一端。第二连接器644的第二端可操作地被耦合到第四圈622的第一端。第四圈622的第二端可操作地被耦合到输出引线626。电流可以从输入引线624流过第一圈616，流过第一连接器640，流过第二圈618，流过径向连接的第一脚632，流过径向连接的第二脚636，流过第三圈620，流过第二连接器644，流过第四圈622，和流到输出引线626。这个电流由箭头表示。因此，通过在输入引线624与输出引线626之间加上RF电压，造成流过多圈天线602的RF电流。

再参照图5和6，第四圈622具有比起第一圈616更大的直径，以及第三圈620具有比起第二圈618更大的直径。虽然外部圈(例如，第三和第四圈)具有更大的直径，但它们优选地被布置在内部圈(例如，第一和第二圈)附近。也就是，第四圈622优选地被安排成靠近第一圈616，以及第三圈620优选地被安排成靠近第二圈618。由于它们靠近的结果，多圈天线看起来和起到类似单圈天线的作用(例如，在圈之间基本上没有空间)。因此，在径向方向的高的或低的电流区域被大大地减小。为了推广到其它天线形状，诸如椭圆形、圆形、和方形天线，第三和第四圈具有比起第一和第二圈更大的宽度(直径)。当第一圈处在第四圈内时，第一圈比起第四圈在所有的方位方向更接近天线轴。

代替使用靠近在圈平面上或在圈平面之间的间隙的、具有径向脚416的桥接部414，图5和6的天线提供在圈之间的离窗口212距离大的径向连接器。距离d1是多圈天线602的圈616、618、620、622的最远的部分与窗口212的等离子体侧之间的距离。距离d2是径向连接的径向连接器682与窗口212的等离子体侧之间的距离。窗口与径向连接的径向连接器682之间的最大距离意味着窗口与径向连接器682之间的距离d2至少是窗口与天线的圈的最远部分之间的距离d1的三倍。更优选地，窗口与径向连接的径向连接器682之间的距离尽可能的远。遵循本发明的均匀性的改进是通过在方位上非对称径向部分之间的距离的任何增加与正好在窗口下面而达到的，虽然为了得到显著的改进至少需要与窗口宽度或天线宽度的最小者同类的增加。在本实施例的例子中，大的距离是至少4英寸。为了提供这样大的距离，间隙的桥接对于方位上非对称性不能提供与使用带有径向脚的桥接部时相同的校正，但已经发现，由小的径向电流造成的方位上非对称性比起由方位电流的偏差造成的方位上非对称性，可以引起晶片处理中的更大的非均匀性。另外，径向连接器682优选地被安置成平行于和接近于输出引线626的径向线680，这样，电流反向平行地流动，以进一步减小由径向电流引起的方位上的非对称性。

正如本领域技术人员熟知的，在两个导体之间的小的间隔将典型地在这两个导体之产生电弧。所以，在外圈与内圈之间的间隔由消除电弧的距离限制。然而，在本发明的一个实施方案中，该间隔被填充以电介质材料，允许内圈与外圈互相放置得尽可能接近，而基本上消除在内圈与外圈之间的电弧放电。作为例子，具有约0.2到约1cm之间的间隔的特氟纶(Teflon)或陶瓷材料可以很好地工作。

而且，多圈天线通常由铜制成。在一个实施方案中，多圈天线由镀银的铜制成。然而，应当指出，多圈天线不限于由铜或由镀银的铜制成，以及可以使用任何适当的导电材料。在一个实施例中，天线环的截面是矩形，便于实现每个环相对于窗口和每个其它环的可重复的位置。然而，应当指出，这并不是限制，而是可以使用其它截面形状和尺寸。替换地，天线环可以由空心导体制成，便于实行温度控制(即，其中流过流体)。

对于多圈天线的总的尺寸，即外径，通常宁可(但不是绝对必须)把天线尺寸做得比处理腔室的截面小，以便保持等离子体集中在基底上面的区域和避免不适当的等离子体扩散到腔室壁，因为不适当的扩散不利地需要更多的功率来运行等离子体处理系统和增加壁腐蚀。而且，要产生的等离子体的尺寸通常相应于所使用的天线的尺寸，所以，多圈天线应当具有基本上类似于基底的直径的外径，以便产生均匀的蚀刻速率。作为例子，基底的尺寸典型地是在约6到约12英寸之间，所以在一个实施例中，多圈天线具有在约6到约12英寸之间的外径。

为了进一步精心制作，因为增加的电流容量，即，像单圈那样起作用的多圈天线，多圈天线可被配置成小于基底。也就是，电流的更高的集中势必产生足以处理基底的等离子体。然而，应当看到，较小的天线的使用不一定是对于所有的处理所需要的，即，天线可被配置成大于基底。然而，如果高度均匀性是关键的，则较小的天线的使用可以是相当有益的。作为例子，天线的直径可被配置成在约6英寸到约15英寸之间，优选地在约7英寸到约11英寸之间，以便处理12英寸的基底。然而，应当指出，这并不是限制，天线的实际尺寸可以按照基底的具体尺寸(例如，当牵涉到更小的或更大的基底时，天线尺寸可以按需要缩放)和每个等离子体处理系统的具体设计进行变化。

对于所采用的RF频率，作为一般的准则，较低的RF频率(例如，小于13MHz)通过减小驻波效应而势必减小功率耦合的传输线特性的影响。也就是，较低的频率势必使得天线的任何固有的方位非对称性耦合特性不太显著。而且，在较低的RF频率，在天线与等离子体之间的电容性耦合也不太显著，所以耦合窗的离子轰击被减小。所以，RF功率源的频率通常被配置成小于或等于约13MHz，优选地在约0.4MHz与13MHz之间，以及更优选地约为4MHz。应当看到，较低频率的使用不一定是对于所有的处理需要的。然而，如果高度均匀性是关键的，则低频率的使用可以是相当有益的。

正如可以从上述内容看到的，本发明的第一方面的优点是非常多的。不同的实施例或实施方案可以具有一个或多个以下的优点。本发明的一个优点在于，在处理腔室内产生方位对称的等离子体。结果，达到增加的处理均匀性，这增加基底生产量、减少器件故障、和提高被处理的基底的总的生产率。本发明的另一个优点在于，本发明的天线装置是自屏蔽的，所以，减小在天线与等离子体之间的电容性耦合。相应地，减小耦合窗的离子轰击，所以耦合窗的寿命增加，以及减小与离子轰击有关的粒子污染。

按照本发明的实施例，等离子体处理设备配备有多层耦合窗装置，用来充分地减小在天线与等离子体之间的电容性耦合。为了便于讨论，图7显示按照本发明的一个实施例的多层耦合窗装置700。多层耦合窗装置700可以分别相应于如图2所示的耦合窗212。多层耦合窗装置700至少包括第一层704和第二层706。优选地，第一层704被粘合到第二层706。在一个实施方案中，这两层被热粘合在一起。然而，应当看到，这并不是限制以及可以使用其它粘合处理。替换地，应当指出，可以在层之间布置一个间隙，即，真空间隙或允许在层之间有气体流的间隙，而仍旧得到所描述的好处。而且，第二层706优选地形成处理腔室的部分内部周围表面。

首先参照第二层，第二层被配置成起到静电屏蔽的作用，减小在它的表面上的电位差。而且，第二层被配置成电隔离的，以及优选地由导电或半导电的材料制成，该半导电材料可以便于使得感应的RF能量从天线传播到等离子体。另外，因为第二层暴露在处理腔室内等离子体中，所以第二层优选地由基本上阻止等离子体的材料制成。在优选实施例中，第二层由碳化硅(SiC)制成。对于大多数部分，SiC可以耐得住等离子体处理的热的、化学的、和物理的效应。另外，SiC通常被归类为电介质，它产生阻止电流流动的某些电阻。电阻特性正是产生屏蔽效应的因素，而电介质特性是允许感应耦合的因素。

第二层的电阻率是保证该层起到静电屏蔽作用而同时不影响感应电场的重要的参数。对于大多数部分，本发明中要被使用的特定的电阻率范围取决于使用耦合窗的天线的真实尺寸、功率耦合的工作频率、和第二层的厚度。作为例子，从约100欧姆-厘米到约10千欧姆-厘米的电阻率可以很好地工作。然而，应当看到，如果想要的话，电阻率可被配置成大于10⁶欧姆-厘米，以使得第二层(例如，SiC)起到更像电介质层的作用。

虽然不希望受理论束缚，但我们相信第二层的电阻对于被使用来形成等离子体的处理气体来说呈现为等位面。例如，在等离子体点火后，在第二层上的电位由于等离子体靠近第二层而被充分地减小。而且，电容性分压器通常被形成为，例如，上面部分，其由具有恒定的电容值的电介质第一层形成；和下面部分，其在点火前由导电第二层和腔室壁以及在点火后由导电第二层和等离子体形成。在点火前，下面部分具有小的电容量，所以有大的电压辅助点火(例如，为了激发放电，典型地必须有电容性电场)。在点火后，下面部分具有大的电容量，以使得电压被充分地减小，所以不会导致很大的电容性功率耦合。

现在参照第一层，第一层优选地是由电介质材料制成，电介质材料可以便于把感应的RF能量从天线传播到等离子体。而且，第一层被配置成足够强，使得在结构上能够保持真空，以及足够结实，使得在腔室的周期性清洗期间很容易操控。另外，第一层通常由具有超级热特性的电介质材料制成，以使得能够进行窗口的温度控制。作为例子，由氮化硅(SiN)或氮化铝(AlN)形成的电介质材料可很好地工作。然而，应当看到，这并不是限制，还可以使用其它材料。例如，铝土和石英也可以很好地工作。

多层耦合窗700的总厚度被做得足够薄，以便有效地发送天线RF能量到等离子体，而同时足以承受在处理期间产生的压力和热量。优选地，多层耦合窗的厚度是在约0.5英寸和约1英寸之间。而且，第一层704应当具有比第二层706的厚度大的厚度。优选地，第一层的厚度是在约0.5英寸和约1英寸之间。而且，第二层的厚度优选地是在约0.1英寸和约0.5英寸之间。应当看到，这些层的厚度可以随每层所选择的具体材料而变化。

应当指出，不需要耦合窗的尺寸等于等离子体处理腔室的尺寸。然而，通常，小的耦合窗可以降低成本，特别是当采用诸如SiC那样的昂贵的材料时。在一个实施例中，耦合窗的形状被做成与天线装置的形状一致，所以耦合窗被做成基本上圆形的。在另一个实施例中，耦合窗的外部尺寸可被配置成扩展到超过天线的外部尺寸很小的距离，以便减小与可以环绕天线的导电单元的任何耦合。在一个例子中，耦合窗的外部尺寸被配置成扩展为超过天线的外部尺寸约1英寸。在另一个实施例中，耦合窗可以具有与天线基本上相同的形状，即，环状。

对于所采用的电介质特性(例如，介电常数)，作为一般准则，较低的介电常数，例如小于约10，通过减小驻波效应而势必减小功率耦合的传输线特性的效应。更具体地，较低的介电常数势必使得发送的能量的波长更长，这使得天线看起来更短，所以在驻波图上产生较少的节点。因此，较低的介电常数势必使得天线的任何固有的方位非对称的耦合特性不太明显。

而且，设想可以采用附加单元，连同上述的多圈天线和多层耦合窗一起，以便进一步增强等离子体处理系统中基底的均匀处理。作为例子，可以将磁性装置与多圈天线一起设置来控制在耦合窗和多圈天线附近的区域中处理腔室内静磁场的径向变化。这样的磁性装置的例子可以在标题为“IMPROVED PLASMA PROCESSING SYSTEMS AND METHODSTHEREFOR”的共同待决的专利申请中找到；这是在2002年1月29日公布的美国专利No.6,341,574，在此结合进来作为参考。

图8是由本发明的实施例提供的多圈天线800的透视图。由于图8的多圈天线800可以是图6的示意图的实施方案，相同的附图标记被使用于相同的零件。多圈天线800包括第一圈616、第二圈618、第三圈620、和第四圈622。每圈限定一个穿过圈的周界的平面。这些平面或者基本上互相平行或者互相共面。输入总线624被连接到第一圈616的第一端。第一圈616的第二端被连接到第一连接器640的第一端。第一连接器的第二端被连接到第二圈618的第一端。横跨第一圈616与第二圈618之间的第一连接器的一部分基本上垂直于由第一圈616与第二圈618限定的平面。第二圈618的第二端被连接到径向连接的第一脚632。径向连接的第二脚636被连接到第三圈620的第一端。第一脚632与第二脚636基本上垂直于由圈616、618、620、622限定的平面。径向连接的径向连接器682从第一脚632延伸到第二脚636，以及可以具有一个长度，并且其基本上平行于由这些圈限定的平面。第三圈620的第二端被连接到第二连接器644的第一端。第二连接器644的第二端被连接到第四圈622的第一端。横跨第三圈620与第四圈622之间的第二连接器644的一部分基本上垂直于由第三圈620与第四圈622限定的平面。第四圈622的第二端被连接到输出总线626。图9是图8的切割部分830的放大的示意顶视图，图上显示第三圈620、第四圈622、第二脚636、第二连接器644、和输出总线626的一部分。因为由圈616、618、620、622限定的平面是水平的，第一脚632、第二脚636、第一连接器640、和第二连接器644的长度基本上是垂向的，而径向连接的径向连接器基本上是水平的。

图10是第三圈620的顶视图。第三圈620具有第一端1004和第二端1008，其中第三圈620的第一端1004和第二端1008被第三圈间隙1012分隔开。径向连接的第二脚636被连接到第三圈620的第一端1004。第二连接器644被连接到第三圈620的第二端1008。第三圈620的第一端1004和第二端1008形成凹槽1020、1024。第一凹槽1020形成第一端1004的变窄的悬臂部分1030。第二凹槽1024形成第二端1008的变窄的悬臂部分1034。凹槽1020、1024和变窄的悬臂部分1030、1034允许变窄的悬臂部分1030、1034沿相同的径向方向放置，这允许第二连接器644和第二脚636沿圈的相同的径向方向放置，这可以形成基本上完整的圈。完整的开凹槽的圈是如图10所示的圈，它具有开凹槽的第一端和第二端，以形成悬臂部分，其中第一端和第二端的悬臂部分的零件沿相同的径向方向放置，这样，被连接到第一端的电连接器和被连接到第二端的第二电连接器一样，沿通过天线轴的相同的半径放置。

图11是第四圈622的顶视图。第四圈622具有第一端1104和第二端1108，它们被间隙1112分隔开。第二连接器644被连接到第一端1104的底侧。第三连接器1116被连接到第四圈622的第二端1108。凹槽1120被形成在第四圈622的第一端1104，以形成第一端1004的变窄的悬臂部分1030。凹槽1120提供用于径向连接的第二脚636的穿过而不会短路的空间。由于为第二脚636提供一个空间，第一端1104和第二端1108沿半径不重叠。可代替的是，第四圈622是不完整的。

图12是在第四圈622上面的上部连接器1204的顶视图。上部连接器1204具有被连接到第三连接器1116的第一端和被连接到输出引线626的第二端。如图9所示，第三连接器1116从第四圈622向上延伸到上部连接器1204，以及上部连接器1204在第四圈622的第一端上方延伸，以使得第四圈622和上部连接器1204组成基本上完整的圈。如果在第四圈中的间隙由在第四圈622的平面上的桥接部和不同于第四圈的半径的径向长度被补偿，则需要径向分量来把桥接部连接到第四圈，产生造成方位上非对称的径向电流。可代替的，上部连接器1204沿与第四圈622相同的径向长度、但在第四圈622的上方桥接所述间隙。

图13是第二圈618的顶视图。第二圈618具有第一端和第二端，其中第二圈618的第一端和第二端被第二圈间隙1312分隔开。第一连接器640被连接到第二圈618的第一端。径向连接的第一脚632被连接到第二圈618的第二端。第二圈618的第一端和第二端形成凹槽。第一凹槽形成第一端的变窄的悬臂部分1330。第二凹槽形成第二端的变窄的悬臂部分1334。凹槽和变窄的悬臂部分1330、1334允许变窄的悬臂部分1330、1334沿相同的径向方向放置，这允许第一连接器640和第一脚632沿相同的径向方向放置，这可以形成基本上完整的圈。

图14是第一圈616的顶视图。第一圈616具有第一端和第二端，它们被间隙1412分隔开。第一连接器640被连接到第一端的底侧。第四连接器1416被连接到第一圈616的第二端。凹槽1420被形成在第一圈616的第一端，以形成第一端的变窄的悬臂部分1430。凹槽1420提供用于径向连接的第一脚632穿过而不会短路的空间。由于为第一脚632提供了一个空间，第一端和第二端沿径向方向不重叠。可代替的，第一圈616是不完整的。

图15是在第一圈616上面的第二上部连接器1504的顶视图。第二上部连接器1504具有被连接到第四连接器1416的第一端和被连接到输出引线624的第二端。第四连接器1416从第一圈616向上延伸到第二上部连接器1504，以及第二上部连接器1504在第一圈616的第一端上方延伸，以使得第一圈616和第二上部连接器1504组成基本上完整的圈。如果在第一圈中的间隙由在第一圈616的平面上的桥接部和以与第一圈的半径不同的径向长度被补偿，则需要径向分量来把桥接部连接到第一圈，引起可造成方位上非对称性的径向电流。可代替的，第二上部连接器1504沿与第一圈616相同的径向长度、但在第一圈616的上方桥接间隙。

如上所述，电介质材料可被放置在圈616、618、620、622之间，以允许把这些圈互相尽可能接近地放置，而同时基本上消除在内圈与外圈之间的电弧。图16是其间放置有在其间设置的这样的绝缘物的圈616、618、620、622的截面图。如图所示，第一、第二、第三、和第四圈616、618、620、622围绕中心绝缘体1604被安装，以形成一个组件。中心绝缘体形成底部隆起环1608。该组件被放置在底部绝缘体1612上。中心绝缘体1604的底部隆起环1608被安装在底部绝缘体1612的中心凹槽中。顶部隆起环1616在第一圈616和第四圈622上方延伸，以使得从第一圈616到第四圈622沿顶部隆起环1616的表面的距离大于阻止电弧所需要的最小距离。底部绝缘体1612可被放置在法拉第屏蔽1620上，法拉第屏蔽1620可被放置在电介质窗212上。

图19是法拉第屏蔽1620的顶视图。可提供法拉第屏蔽1620来进一步最小化耦合的方位上变化以及控制电容性耦合的程度。这可以通过把法拉第屏蔽1620接地、把规定的电压加到法拉第屏蔽或允许法拉第屏蔽浮动来实现。由于天线的覆盖范围是环的形状，因此法拉第屏蔽1620可以是与天线的覆盖范围匹配的环的形状。在优选实施例中，法拉第屏蔽1620是环形导电材料，它稍微大于天线的覆盖范围以及带有至少一个横跨环的一部分的径向槽1904。在另一个优选实施例中，提供一个以上的槽。

在本实施例的例子中，圈616、618、620、622约为1厘米厚。中心绝缘体1604把这些圈616、618、620、622间隔开一个距离，约0.5厘米的距离。法拉第屏蔽具有约0.15厘米的厚度。所以，在电介质窗212的顶部与圈的最远部分(它是第一圈或第四圈616、622的顶部)之间的距离约为3厘米。所以，在本实施例中，希望把径向连接器682安置成大于从电介质窗212到圈的最远的部分的距离的三倍，为9厘米。

至少在第一脚632接近于(不是远离于)窗口的区域，第一脚632基本垂直于由圈限定的平面，以及它被安置成接近输入引线624和第一连接器624，以使得由第一脚632、输入引线624和第一连接器640引起的非对称性最小化。第一连接器640和输入引线624提供抵销磁场，该磁场基本上在第一脚632的整个长度上。至少在第二脚接近于窗口的区域，第二脚636基本垂直于由圈限定的平面，以及它被安置成接近输出引线626和第二连接器644，以使得由第二脚636、输出引线626和第二连接器644引起的非对称性最小化。

通过将连接器集中放置在不同的方位位置上，诸如在环的相对的两侧，由于连接的非完美性产生的非方位上扰动被分隔开，这改进方位上的均匀性。通过把这样的连接放置在圈的相对的两侧，由连接所引起的剩余偶极子可被做成互相相反的。虽然由连接引起的剩余偶极子被放置在圈的相对的两侧，但本实施例使得它们互相相对，而不是把它们放置在圈的同一侧和使得它们在同一方向。

已经发现本发明天线在晶片结果的测量出的方位非对称性方面提供约2-3倍的减小。

图17是在本发明的另一个实施例中使用的第三圈620和第四圈622的部分的截面图。第三圈620具有第一端1704和第二端1708，其中第三圈620的第一端1704和第二端1708被第三圈间隙1712分隔开。径向连接的第二脚636被连接到第三圈620的第一端1704。第二连接器644被连接到第三圈620的第二端1708。间隙1712使得第三圈620形成非完整的环。

第四圈622具有第一端1724和第二端1728，它们被间隙1732分隔开。第二连接器644被连接到第四圈622的第一端1724。第三连接器1736被连接到第四圈622的第二端1728。间隙1732使得第四圈622形成非完整的环。

上部连接器1744具有被连接到第三连接器1736的第一端和被连接到输出引线626的第二端。第三连接器1736从第四圈622向上延伸到上部连接器1744，以及上部连接器1744在第四圈622的第一端上方延伸，以使得上部连接器1744桥接间隙1712、1732。这导致上部连接器1744、第三圈620、和第四圈622形成两个基本上完整的圈。

在本实施例中，代替使用凹槽来允许诸如第二脚636的连接器旁路第四圈622，第二脚636可以穿过第四圈622、上部连接器1744、和输出引线626。开孔1760被安置成穿过第四圈622，以及开孔1764被安置成穿过第二脚636和上部连接器1744，以便提供足够的空间，让第二脚636穿过而不会产生电弧放电。在开孔中可以放置一个包围第二脚636的绝缘体，以便进一步防止电弧放电。虽然在每个圈中的间隙没有在与圈相同的平面上被桥接，但径向连接器已经从窗口移动了很大的距离。通过在与圈相同的径向距离上而不是在与圈相同的平面上桥接间隙而造成的方位非对称性，没有由在径向连接器被放置在靠近窗口时引起的径向电流造成的方位非对称性那样大。

通过把第二脚636做成与输出引线626同轴，使得由第二脚636和输出引线626产生的磁场能够互相更好地抵销。另外，第二连接器644被安置成接近第二脚636，以提供进一步抵销。

图18是图17所示的装置的截面图，其中无源天线1804被安置成靠近第三圈620和第四圈622。这样的无源天线是在由Howald等在2002年9月22日提交的、标题为“Methods and Apparatus ForProducing Uniform Processing Rates”的美国专利申请序列号10/200,833中进行了讨论，以及在此结合该专利申请以供所有目的的参考。无源天线1804可被使用来减小方位上非对称性。这种通过设计考虑到无源天线的无阻碍设计(clear design)，这有助于把电流重新引导回想要的方位的电流路径。

在具有第一、第二、第三和第四圈616、618、620、622的以前的实施例中，第一和第二圈616、618可被看作为内环以及第三和第四圈620、622可被看作为外环，脚和径向连接器连接内环与外环。在这些实施例中，内环是与外环同心的，其中外环具有比起内环更大的直径。

虽然在以前的实施例中，天线由第一环和第二环形成，其中第一环和第二环具有相同的几何形状以及是同轴的，其中一个环放置在另一个环上面，但也可以使用其它类型的天线装置。这样的其它天线装置可以使用两个单环或可以提供第二环具有与第一环不同的几何形状。环可以具有两个以上的圈。优选地，在包括环的圈中的方位角间隙被最小化，以使得间隙造成小于3°的径向角度并且使得与间隙相邻的圈的末端的半径是相同的。另外，输入和输出馈电器在它们的长度部分可以是同轴的，以此来作为减小它们的偶极子效应的另一个方法。在本实施例中，圈间隙优选地是约为1/8英寸。更优选地，通过使得定向的悬臂部分在与图10和13描述的相同的径向距离上适配于凹槽，来补偿圈间隙。当这样的定向的悬臂和凹槽设计是不实际时，本发明最好遵循这样的原理：通过在平行于其它圈平面的平面上加上具有接近等于在相同的径向位置处缺少的方位角间隙的长度的附加的局部天线圈以形成整数个基本上完整的圈来补偿方位电流中的间隙。

这样的其它装置可以使用两个单环或可以提供具有与第一环不同的几何形状的第二环。可以有两个以上的环。这些环可以具有一个圈。为了得到更高的耦合场，这些环可以具有多个环圈。优选地，使用两个环圈，以使得补偿方位电流长度的局部圈(见图12的1204、图15的1504、图17的1744)约等于方位角间隙，以及同时把两个环引线靠近的放置以用于场抵销。许多环圈的结构优选地需要垂直连接脚与相关的方位角间隙的均匀的方位上间隔，以使得达到大约整数个环圈，而同时提供靠近的环引线，以用于场抵销。

在本发明中，通过将环之间的径向连接器远离窗口，改进的发明的天线可以用由具有在同一个半径上方位电流补偿的单个或多个环圈组成的多个环来构建(见图10-11)。为了做到改进的方位对称的场，去除对于把环做成径向靠近的限制条件。最好是各个环与通过天线发送的能量的波长相比较在电学上是短的。优选地，这些环是紧密地在一起的，以使得环具有的组合长度小于通过天线装置发送的能量的波长。

图20是按照本发明的一个实施例的多圈天线装置2000的实施例的示意图，在该天线装置中只提供两个圈。多圈天线装置2000包括多圈天线，它可操作地被耦合到RF功率源2004，它们例如分别相应于图2所示的天线210和RF功率源214。

多圈天线基本上是圆形的，以及至少包括第一圈2016和第二圈2022。在本实施例中，输入引线2024可操作地被耦合到第一圈2016的第一端。第一圈2016的第二端可操作地被耦合到径向连接的第一脚2032。径向连接的第一脚2032可操作地被耦合到第二圈2022的第一端。至少在窗口附近，第一脚2032和第二脚2036基本上垂直于圈2016、2022的直径。径向连接的径向连接器2082从第一脚2032延伸到第二脚2036，以及可以是基本上平行于圈的直径。第二圈2022的第二端可操作地被耦合到输出引线2026。电流可以从输入引线2024流过第一圈2016、流过径向连接的第一脚2032、流过径向连接的第二脚2036、流过第二圈2022、以及流到输出引线2026。这个电流流动用箭头表示。因此，通过在输入引线2024与输出引线2026之间加上RF电压，造成RF电流流过多圈天线2006。

仍旧参照图20，第二圈2022具有比起第一圈2016更大的直径。虽然外圈(例如，第二圈)具有较大的直径，但它们优选地被安置成靠近内圈(例如，第一圈)。也就是，第二圈2022优选地被安排成靠近第一圈2016。由于它们紧密地靠近的结果，多圈天线看起来和起到类似单圈天线的作用(例如，在圈之间基本上没有间隔)。因此，在径向方向上高的或低的电流区域被充分地减小。

正如在其它实施例中那样，代替使用通过靠近间隙的径向脚的桥接，本实施例的天线提供在圈之间的径向连接器离窗口212很大的距离。在窗口与径向连接的径向连接器2082之间的大的距离意味着在窗口与径向连接器2082之间的距离至少是在窗口与天线的圈的最远的部分之间的距离的三倍。更优选地，在窗口与径向连接的径向连接器2082之间的距离至少是在窗口与天线的圈的最远的部分之间的距离的四倍。另外，径向连接器2082可以被安置成平行于和靠近输出引线2026的径向线2080，这样，电流反向平行地流动，以进一步减小由径向电流产生的方位非对称性。

在本实施例中，第一圈2016比起第二圈2022具有更小的直径，这样，第二圈2022设置成在径向上与第一圈2016分离开。在本例中，第一圈2016形成内环以及第二圈2022形成外环，这样，第一圈2016在每个方位方向上比第二圈2022更接近天线轴。因为这些圈具有不同的直径，必须使用径向连接器来连接第一圈2016与第二圈。径向连接器被放置在离窗口很大的距离。优选地，第一圈限定第一平面，使得第一平面穿过第一圈的整个周界，以及第二圈限定第二平面，使得第二平面穿过第二圈的整个周界，其中第一平面与第二平面是基本上平行的。该径向连接器具有一个长度，该长度基本上平行于由第一圈和第二圈限定的平面。更优选地，第一圈和第二圈是同心的和共面的。在图20所示的例子中，第一圈和第二圈是共面的，这样，第一平面和第二平面是同一个平面2090。优选地，第一圈和第二圈围绕其布置的天线轴2014基本上垂直于第一平面和第二平面。优选地，第一脚2032、第二脚2036、输入引线2024和靠近窗口的输出引线2026基本上垂直于第一和第二平面2090。通过把输入引线放置在接近于第一脚2032和使得它们基本上垂直于由靠近窗口的圈限定的平面，来最小化由输入引线2024和第一脚2032引起的方位非对称性。

在其它实施例中，脚、连接器和引线仅仅基本上垂直于圈并且被紧密地放置在一起，以便脚、连接器和引线的部分靠近圈或窗口。脚、连接器和引线基本上不垂直或紧密地在一起远离圈或窗口。另外，在其它实施例中，本发明的天线可被使用于电容性耦合等离子体和其它装置。

虽然本发明是按照几个优选实施例进行描述的，但可以在本发明的范围内作出改变、各种修正方案、置换和替换等价物。还应当指出，有许多实施本发明的方法和设备的替换方法。所以以下所附权利要求解释包括属于本发明的范围的所有的这样的改变、各种修正方案、置换和替换等价物。

Claims (35)

1.一种用于通过窗口在处理腔室内产生电场的天线装置，所述天线装置包括：

外环，其包括围绕天线轴放置的第一外环圈；

内环，其包括围绕该天线轴放置的第一内环圈，其中内环圈在每个方位方向上比起外环圈更靠近该天线轴；以及

径向连接器，其在径向上电连接外环和内环，其中天线的圈的最远部分距离窗口的距离为第一距离，径向连接器距离窗口的距离为第二距离，其中第二距离至少是第一距离的三倍。

2.如权利要求1所述的天线装置，其中第一外环圈限定第一平面，以及第一内环圈限定第二平面，还包括从外环延伸的第一脚和从内环延伸的第二脚，其中径向连接器被连接在第一脚与第二脚之间。

3.如权利要求2所述的天线装置，其中该第一脚基本上垂直于与外环相邻的该第一平面，该第二脚基本上垂直于与内环相邻的该第二平面。

4.如权利要求1所述的天线装置，其中内环是与外环同轴的和共面的。

5.如权利要求4所述的天线装置，还包括电介质，其被放置在内环与外环之间，以消除在它们之间的电弧放电。

6.如权利要求1所述的天线装置，其中内环和外环具有的组合长度小于通过天线装置发送的能量的波长。

7.如权利要求4所述的天线装置，其中外环还包括围绕天线轴放置的第二外环圈，内环还包括围绕天线轴放置的第二内环圈。

8.如权利要求7所述的天线装置，其中第二外环圈被放置在第一外环圈的上方，第二内环圈被放置在第一内环圈的上方，第一外环圈和第一内环圈有效地屏蔽第二外环圈和第二内环圈的端电压。

9.如权利要求7所述的天线装置，还包括电介质，其被放置在外环圈和内环圈之间，以消除在它们之间的电弧放电。

10.如权利要求4所述的天线装置，还包括射频功率源，其被耦合到内环和外环。

11.如权利要求10所述的天线装置，其中内环和外环共同作用，以通过由射频功率源产生的射频能量形成在处理腔室内的方位上对称的电场，其中该方位上对称的电场形成基本上方位上对称的等离子体，这在被放置在处理腔室内的基底表面上产生基本上均匀的处理速率。

12.如权利要求4所述的天线装置，还包括被电连接到内环的第一引线，以及被电连接到外环的第二引线。

13.如权利要求1所述的天线装置，其中天线的圈的最远部分距离窗口的距离为第一距离，径向连接器距离窗口的距离为第二距离，其中第二距离至少是第一距离的三倍。

14.如权利要求1所述的天线装置，其中第一外环圈和第一内环圈中的至少一个是完整的开凹槽的圈。

15.如权利要求14所述的天线装置，其中第一外环圈和第一内环圈中的至少一个具有离天线轴一个径向距离的方位角间隙，还包括局部圈以横跨该方位角间隙，其中局部圈位于离天线轴一个径向距离处，该径向距离等于该方位角间隙离天线轴的径向距离。

16.一种用于处理基底的等离子体处理设备，包括：

处理腔室，在其中等离子体被点火和维持，以便进行所述处理；

形成处理腔室的一侧的窗口，其被配置成允许把射频能量传送到处理腔室；以及

与窗口相邻的多层天线，其被配置成经由在所述处理腔室内的射频能量产生电场，包括：

外环，其包括围绕天线轴放置的第一外环圈；

内环，其包括围绕该天线轴放置的第一内环圈，其中内环比起外环在每个方位方向上更接近于该天线轴；以及

径向连接器，其在径向上电连接外环与内环，其中天线的圈的最远部分距窗口的距离为第一距离，径向连接器距离窗口的距离为第二距离，其中第二距离至少是第一距离的三倍。

17.一种用于形成天线的圈，其包括：

完整的开凹槽的圈，其包括围绕天线轴形成的并具有第一端和第二端的圈，其中第一端被开凹槽形成第一悬臂部分，第二端被开凹槽形成第二悬臂部分；

第一电连接器，其被连接到第一悬臂部分；以及

第二电连接器，其被连接到第二悬臂部分，其中第一电连接器和第二电连接器沿通过天线轴的相同的半径放置。

18.一种用于处理基底的方法，包括：

把基底放置在处理腔室中，其中处理腔室包括在处理腔室内的基底夹持器和形成处理腔室的一侧的电介质窗，其中天线被放置在腔室外与电介质窗相邻；

把处理气体提供到腔室中；

使用天线来产生方位上对称的电场，其中该天线包括：

外环，其包括围绕天线轴放置的第一外环圈；内环，其包括围绕该天线轴放置的第一内环圈，其中所述内环圈在每个方位方向上比起所述第一外环圈更靠近该天线轴；和径向连接器，其在径向上电连接外环和内环，其中天线的圈的最远部分距离窗口的距离为第一距离，径向连接器距离窗口的距离为第二距离，其中第二距离至少是第一距离的三倍，以提供更均匀的电场；

使用方位上对称的电场用处理气体形成基本上方位上对称的等离子体；以及

在基底表面上产生基本均匀的处理速率。

19.如权利要求18所述的方法，其中第一外环圈限定第一平面，以及第一内环圈限定第二平面，还包括从外环延伸的第一脚和从内环延伸的第二脚，其中径向连接器被连接在第一脚与第二脚之间。

20.如权利要求19所述的方法，其中该第一脚基本上垂直于与外环相邻的该第一平面，该第二脚基本上垂直于与内环相邻的该第二平面。

21.如权利要求18所述的方法，其中内环是与外环同轴的和共面的。

22.如权利要求18所述的方法，其中电介质被放置在内环与外环之间，以消除在它们之间的电弧放电。

23.如权利要求18所述的方法，其中外环还包括围绕天线轴放置的第二外环圈，内环还包括围绕天线轴放置的第二内环圈。

24.如权利要求23所述的方法，其中第二外环圈被放置在第一外环圈的上方，第二内环圈被放置在第一内环圈的上方，以及还包括用第一外环圈和第一内环圈屏蔽第二外环圈和第二内环圈的端电压。

25.如权利要求18所述的方法，还包括以等于射频的频率来变化通过天线的电流。

26.如权利要求25所述的方法，其中内环和外环的组合长度小于所述频率对应的波长。

27.如权利要求18所述的方法，其中所述第一外环圈和所述第一内环圈中的至少一个是完整的开凹槽的圈。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述第一外环圈和所述第一内环圈中的至少一个具有离天线轴一个径向距离的方位角间隙，还包括局部圈以横跨该方位角间隙，其中所述局部圈位于离天线轴一个径向距离处，该径向距离等于该方位角间隙离天线轴的径向距离。

29.一种用于处理基底的方法，包括：

将基底放置在处理腔室中，其中处理腔室包括在处理腔室内的基底夹持器和形成处理腔室的一侧的电介质窗，其中天线被放置在腔室外与电介质窗相邻；

将处理气体提供到腔室中；

提供电流通过天线，其中电流从一输入脚经第一环、第一连接脚、径向连接器、第二连接脚、第二环传送到输出脚，其中第一环围绕天线轴放置，以及第二环是与围绕该天线轴的第一环同轴的，其中输入脚、第一连接脚、第二连接脚、和输出脚是平行的，其中径向连接器距离窗口的距离至少是第一环距离窗口的距离的三倍，电流以围绕该天线轴的相同的方向流过第一环和第二环；以及

使用通过天线的电流以将处理气体变换成等离于体。

30.如权利要求29所述的方法，其中第一环和第二环是围绕天线轴同圆心的。

31.如权利要求30所述的方法，其中第一环包括第一圈和第二圈，其中第一圈限定第一平面和第二圈限定第二平面，其中第一平面与第二平面分隔开，以及第二环包括在第二平面上的第三圈和在第一平面上的第四圈。

32.如权利要求31所述的方法，其中第一平面距离电介质窗的距离为第一距离，第二平面距离电介质窗的距离为第二距离，径向连接器距离电介质窗的距离为第三距离，其中第三距离至少是第一距离的三倍，第三距离至少是第二距离的三倍。

33.如权利要求29所述的方法，还包括以等于射频的频率来变化通过天线的电流。

34.如权利要求33所述的方法，其中内环和外环的组合的长度小于所述频率对应的波长，以使得通过天线的电流流经的距离小于所述波长。

35.如权利要求29所述的方法，其中第一环和第二环合作，以使得提供通过天线的电流用射频能量在处理腔室内形成方位上对称的电场，还包括：

从所述方位上对称的电场形成基本上方位上对称的等离子体；以及

在被布置在处理腔室内的基底的表面上产生基本上均匀的处理速率。

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