用于磁场增强等离子体反应器中成形磁场的方法

技术领域

本发明涉及等离子体增强的半导体衬底处理系统，以及更尤其涉及一种用 于在磁性增强等离子体反应器中成形磁场的方法和装置。

背景技术

半导体晶圆处理腔室通常采用等离子体来增强用于在硅衬底或其它工件 上制造半导体器件的各种工艺的性能。该工艺包括溅射蚀刻、等离子体增强化 学蚀刻、等离子体增强化学气相沉积和离子化溅射沉积。在等离子体中的高能 量级别的反应物一般增加制造工艺的速度，并降低半导体工件必须保持以执行 工艺的温度。

磁性增强等离子体腔室(也称为反应室)采用磁场来增加等离子体中带电 颗粒的密度以进一步增加等离子体增强制造工艺的速度。增加工艺速度是非常 有利地，原因在于制造半导体器件的成本与制造所需的时间成正比。

尽管有该优点，但是许多商用的等离子体腔室不采用磁性增强，原因在于 已经发现磁性增强增加了破坏晶圆上半导体器件的可能性。该破坏由在晶圆上 的非均匀电子密度引起，原因在于磁场的空间等值线被较差地优化。

图1描述了根据现有技术适于蚀刻或化学气相沉积的磁性增强等离子体 腔室5的示意性横截面视图。图2描述了腔室5的横截面俯视图。真空腔室5 由八角侧壁12、圆形底壁14和圆形顶壁或盖16围绕。盖16和底壁14可以 为电介质或者金属。电接地的阳极18安装在盖16的底部。阳极为有孔的以用 作进气口，穿过该进气口工艺气体进入腔室。侧壁12可以为电介质或金属。 如果侧壁为金属，则该金属必须为非磁性金属，诸如阳极化铝，以不被由腔室 5外部的一组电磁线圈6、7、8和9产生的磁场干扰。如果侧壁为金属，则其 将用作部分阳极。

半导体晶圆或工件20安装在阴极22上，其反过来，安装在腔室5的下端 中。真空泵，未示出，通过排气歧管23排出来自腔室5的气体并保持腔室5 中的总气压在足够低的级别以有助于产生等离子体，通常在10毫托到20托的 范围中，通常分别利用在该范围的较低和较高端的压力进行蚀刻或CVD工艺。

RF电源24通过串联耦合的电容器26或匹配电路(未示出)连接到阴极 底座22。RF电源24在阴极底座22和接地阳极18之间提供RF电压，其将腔 室内的气体激发为等离子体状态。等离子体具有相对于阴极或阳极的时间平均 正DC电势或电压，其加速离子化的工艺气体成分以轰击阴极和阳极。

等离子体的磁性增强最通常是通过阴极和阳极之间区域中的DC磁场来 实现。磁场的方向通常与腔室5的纵轴成横向(transverse)，即，与在阴极和 阳极之间延伸的轴横向。永久磁体或电磁体的各种配置常规用于提供该横向的 磁场。一种该配置为在图1中示出的成对线圈6、7，设置在柱状腔室侧壁12 的相对侧上。图2描述了图1的腔室的横截面仰视图，其示出了相对的线圈对 6、7、8和9的方向。一般地，每个线圈的直径约等于两个线圈之间的间距。 每对相对线圈6、7、8和9串联连接并与DC电源同相位，未示出，从而它们 产生了在线圈对之间区域中附加的横向磁场。横向磁场在图1和图2中通过沿 着负X轴的向量B表示出。该磁性增强等离子体腔室的实施例在1993年6月 1日授权的共同转让的美国专利No.5,215,619中进行了描述，在此引入其 全部内容作为参考。

因为等离子体具有相对于阴极22的正时间平均电势或电压，在邻近阴极 的等离子体预鞘中的时间平均电场E从等离子体朝向阴极向下导向，从而给在 预鞘中的自由电子其时间平均值朝等离子体向上的漂移速度向量，如通过图1 中的向量Ve表示。响应DC磁场向量B，这些自由电子将主要地经受qv×B 力，导致电子和离子在一般沿磁场向量的螺旋形路径中运动。另外，电子和离 子由于螺旋运动和电场的结合而经受另一时间平均力。这通常称为E×B漂移， 其漂移方向与半导体晶圆20近似共面，并与磁场向量B正交，如通过沿Y轴 定向的E×B向量在图2中所示。

在该讨论中，术语“时间平均”指等离子体被激发的RF频率或多个频率 的一个周期中的平均值，该周期通常小于10^-7秒。由于，在一个RF周期上的 时间平均与相对于通常具有在大约0.2到4秒旋转周期的工件的磁场可选方向 的时间平均无关。电子围绕磁场向量螺旋运动的频率为f＝(qB)/2πm，其中q 为电荷，B为磁场强度(高斯)，以及f为频率(Hertz)。例如，35G的磁场 将导致围绕螺旋持续大约10e^-4秒的一个旋转。这比RF频率长，但是远远小于 0.2到4秒的磁场旋转。

一般认为自由电子的E×B漂移是传统磁性增强等离子体腔室中的主要半 导体器件破坏源。具体地，一般认为E×B漂移可不均匀分布等离子体预鞘中 的自由电子，并导致离子通量中的不一致。一般认为轰击晶圆的离子通量的空 间不均匀在晶圆中产生电流，其通常破坏晶圆上的半导体器件。

传统的磁性增强等离子体腔室试图提供相对于晶圆缓慢地旋转磁场而改 善该不均匀，通常在每秒四分之一至五个旋转的范围内的旋转频率下。在一些 设计中，晶圆20或磁体6、7、8和9为物理旋转。在其它设计中，如在图2 中所示，旋转通过提供彼此正交配置的两个线圈对6、7和8、9而电子执行。 通过接连且周期性地将DC电源连接到具有阳极性的第一线圈对6、7(2)到 具有阳极性的第二线圈对8、9；(3)到具有阴极性的第一线圈对6、7；以及 (4)到具有阴极性的第二线圈对8、9，磁场可以90°增量旋转。可选地，通 过由具有连接的正交输出的甚低频率(在0.1-10Hz的范围内)电源替代DC 电源，来向第一线圈对6、7提供与第二线圈对8、9中所提供的电流相位偏移 90°的电流，磁场可连续地旋转。

相对于晶圆旋转磁场，将极大地减小轰击晶圆的离子通量中的时间平均空 间非均匀性，并从而可提供晶圆表面上的蚀刻速度(在蚀刻腔室中)或沉积速 度(在CVD腔室中)的可接受的空间均匀性。然而，旋转磁场并不能以任何 方式改善晶圆表面上离子通量的瞬间空间均匀性，并因此不能完全地解决在磁 性增强等离子体腔室中半导体器件破坏的问题。

2000年9月5日授权的美国专利6,113,731公开了通过驱动经过相邻 的线圈对6、9和7、8的电流使得磁场梯度在整个晶圆表面上横向地产生而进 一步解决E×B漂移问题的一种方法和装置。

在图2中，由驱动穿过线圈7、8的第一电流而产生的磁场通过箭头10 表示出，而由驱动穿过线圈6、9的第二电流而产生的磁场通过箭头11表示出。 第一电流小于第二电流，从而磁场10小于磁场11，从而产生磁场梯度，即， 磁场成形。电流的比率产生梯度的特定形状。该比率对于每个工艺体系优化， 以产生几乎均匀的等离子体。对于多数工艺体系，电流比率在0.1到0.7的范 围内。通过增加原来具有低蚀刻速度的晶圆区域中的磁场量，以及通过减小原 来具有高蚀刻速度的晶圆区域中的磁场量，非均匀的磁场在腔室内产生更均匀 的离子通量。然后，磁场梯度调整至使用于每个工艺条件的离子通量均匀性最 优的形状。最优化的磁场梯度取决于用于产生磁场的硬件配置。随着晶圆上使 用的越来越小的特征尺寸，产生几乎均匀的离子通量的要求变得越来越严格， 尤其在特定的工艺体系中，以防止对形成于晶圆上的电路的破坏。最优化的梯 度可在静止位置中产生，然而当电流转换到下一个线圈对以使等离子体旋转 时，等离子体“跳”起90°。该“跳”形成等离子体工艺中非连续性，其可破 坏衬底或引起非均匀处理。

因此，在本领域中需要一种方法和装置，用于控制磁性增强等离子体腔室 内的磁场梯度。

发明内容

与现有技术有关的缺点可通过在磁性增强等离子体反应器内提供改善的 磁场梯度形状以产生均匀的等离子体的一种方法和装置克服。在本发明的一个 示例性实施方式中，提供多个重叠的主磁线圈部分并且形成一般平行于衬底支 撑构件顶表面的磁场。重叠的磁线圈产生具有比现有技术改善形状的磁场。在 本发明的另一实施方式中，子磁线圈结合主磁线圈(无论重叠或者不重叠)使 用以提供对磁场形状的更大控制。在数个实施方式中，当磁场旋转时，场控制 用于在过渡期间提供瞬时磁场的最优化形状以及几乎连续的场形状。

在一个实施方式中，一种用于在工艺腔室中旋转磁场的方法包括：形成具 有主形状(primary shape)的磁场；将所述主形状该改变为至少两个连续的过 渡形状；以及将所述过渡形状改变为旋转后的主形状。可选地，所述磁场可在 整个每个步骤中保持为大约恒定的大小。可选地，供应到一个或多个磁场产生 线圈的一支电流的最大值等于零或者具有在任何两个相邻步骤之间反转的极 性。

附图说明

因此，为了获得并能详细理解本发明的以上陈述特征，参照在附图中示出 的实施方式对以上的概述进行了对本发明更加详细的描述。

然而，应该注意附图仅示出了本发明的典型实施方式，因为不能理解为对 本发明范围的限制，因为本发明还承认其它等效的实施方式。另外，为了简洁， 简化了附图并且附图可能并没有按比例绘出。尽可能地，相同的附图标记用于 指示附图中共有的元件。

图1是传统的干刻腔室的横截面侧视图；

图2是在图1中示出的干刻腔室的磁场产生器的横截面俯视图；

图3是根据本发明的一个实施方式的具有延长宽度的磁线圈的工艺腔室 的俯视示意图；

图4A-C描述了分别由主线圈、子磁线圈以及主与子磁线圈两个所产生的 磁场的俯视示意图；

图5是根据本发明的一个实施方式的都具有延长宽度的主磁线圈和子磁 线圈的工艺腔室的俯视示意图；

图6是在图5中示出的两个主磁线圈和子磁线圈的俯视图；

图7是在图6中示出的主磁线圈部分和子磁线圈的侧视图；

图7A描述了图7的线圈配置的双线绕方案的示意电路图；

图8A-8C是根据现有技术和本发明的一个实施方式的产生磁场的过渡图；

图9-17是根据本发明的磁线圈配置的各种实施方式的俯视图；

图18A-18B描述了根据本发明的实施方式的具有水平子磁线圈的线圈配 置的透视图；

图19A-19C描述了根据本发明实施方式的具有垂直和水平子磁线圈的线 圈配置的透视图；

图20A和图20B描述了经过在图19A和19B的线圈配置的电流流动；

图21描述了根据本发明的磁线圈配置的又一透视图；

图22A-22K描述了本发明的各个实施方式的磁场模拟结果；

图23描述了4-线圈腔室的传统旋转方法；

图24描述了根据本发明的一个实施方式旋转磁场的方法的简化流程图；

图25描述了示出根据本发明的一个实施方式并适于用于具有四个线圈的 工艺腔室中的磁场旋转次序的表格；

图26描述了示出根据本发明的一个实施方式并适于用于具有四个线圈的 工艺腔室中的另一磁场旋转次序的表格；

图27A-27C描述了在整个各种旋转方法中四个线圈腔室中磁场的示意图；

图28A和图28B描述了整个各种旋转方法中相对线圈电流随时间的图；

图29描述了在八个线圈腔室中磁场的示意性俯视图；

图30A-C描述了在八个线圈腔室中旋转磁场的方法的实施方式的示意性 附图；

图31A-C描述了在整个各种旋转方法中相对线圈电流随时间的图；

图32描述了示出根据本发明的一个实施方式并适于用于具有八个线圈的 工艺腔室中的磁场旋转次序的表格；

图33描述了用于在具有八个相等尺寸线圈的腔室中旋转斜磁场的方法的 一个实施方式的示意性俯视图和曲线图；

图34描述了用于在具有八个相等尺寸线圈的腔室中旋转平磁场的方法的 一个实施方式的示意性俯视图和曲线图；

图35描述了示出根据本发明的一个实施方式并适于在具有八个相等尺寸 线圈的工艺腔室中使用的磁场旋转磁场的表格。

具体实施方式

图3是根据本发明的特定实施方式的等离子体增强腔室5的围绕侧壁12 的磁线圈配置300的实施方式的俯视图。特别地，图3描述了主磁线圈302₁、 302₂、302₃和302₄(共同地称为主磁线圈302)和主电流源306A、306B、306C 和306D。同样地，在本发明的实施方式中，四个线圈由四支独立的电流驱动， 说明性地，线圈配置300的实施方式描述为具有基本八角形的平面形式。然而， 那个描述不意欲限制本发明的范围。例如，根据本发明的线圈配置可以为围绕 具有每个线圈覆盖(或通过被覆盖)至少部分邻近线圈的腔室5的外围的任意 配置。

说明性地，每个主磁线圈302具有延长的宽度，使得每个线圈的部分重叠 (或被覆盖)邻近的主磁线圈302。尽管主磁线圈302描述为具有角落重叠， 但是该描述仅用于示意性目的。主磁线圈302可重叠大于或小于图3中的描述。 利用重叠线圈的本发明的其它实施方式将在以下参照图9-13和图21进行描 述。

在腔室中，磁场一般等值(或成形)以抗击ExB漂移，从而，在任何指 定时刻，存在高磁场角落和低磁场角落。相对易于控制位于低磁场角落(点C) 中的磁场。然而，当控制高磁场角落(点A)中的磁场时，困难产生。图3描 述了通过利用相对高电流驱动线圈302₂和302₃(箭头304)以及利用相对低的 电流驱动线圈302₁和302₄(箭头308)而产生的磁场的瞬间视图。较大的磁线 圈(具有延长的宽度的线圈)允许较强地控制高磁场(点A)的大小而不影响 在点B和C处的磁场强度。由磁线圈302环绕的较大区域提供改进的磁场梯 度。然而，主磁线圈302的尺寸由反应腔室的尺寸限制。例如，由于反应腔室 的磁场和其辅助硬件的放置，一般地，磁体不能被制得较高。然而，磁体可制 得较宽以增加线圈面积。同样，使磁体较宽产生较大的线圈面积以有利于改进 的磁场形状，例如，图3的线圈302围绕腔室5的圆周延长大于90°。图9-21D (将在以下详细描述)描述了允许更强地控制磁场形状的示意性实施方式。

主电流源306A-D通过每个主磁线圈302驱动电流。为了生成磁场，主电 流源306A和306B以相同方向电施加流到邻近的主磁线圈302₁和302₂。为了 在腔室中产生有效的磁场梯度，电流源306C和306D施加电流以流入主磁线 圈302₂和302₄。另外，由主磁线圈302₃和302₄产生的相反磁场308比由主磁 线圈302₁和302₂产生的磁场的强度(magnitude)小。示意性地，四个电流源 描述为使电流经过每个主磁线圈302流动。当驱动线圈对以在具有可配置磁场 (CMF)的反应器中产生磁场时，B-磁场在最接近邻近线圈处高，即，磁场强 度在点A处的角落中最高，并且在晶圆到点C处降低。然后，电流在线圈对 之间转换以选择磁场。使用CMF技术的反应器为由CA的Santa Clara的应用 材料有限公司制造的eMxP⁺电介质蚀刻反应器。该反应器为在2000年9月5 日授权的美国专利号6,113,731的主题，在此引入该专利的全部内容作为参 考。

在一些工艺中，相对的线圈(例如，302₁和302₃)由成对的电流驱动，以 产生在衬底上延伸的磁场。对于最佳的工艺结果，期望磁场用平行的磁力线在 腔室上均匀地延伸。然而，如在图4A中所述，当驱动线圈302₁和302₃时， 磁场400具有凸形，即，外部磁力线402向外弯曲。为了减轻该凸磁场形状， 可提供具有凹形的校正磁场。图4B描述了通过接近主磁线圈302₁、302₂、302₃和302₄放置的子磁线圈502₁、502₂、502₃和502₄产生的凹形校正磁场404。将 在以下详细讨论，子磁线圈接近主磁线圈的端部放置。如在图4C中描述，主 磁场和校正磁场的向量形成了在整个腔室上延伸的均匀磁场406。如在以下讨 论，增加该子磁线圈502₁、502₂、502₃和502₄提供大量其它优点，包括对所有 瞬间磁场的额外的磁场形状控制，以及当磁场转换以有利于磁场旋转时用于控 制磁场形状。

校正磁场的应用可推广到由多种线圈配置产生。这些配置包括以围绕腔室 的水平面、在围绕腔室的垂直面中，或者两者中产生校正磁场。利用该校正磁 场的本发明的可能实施方式的受限例子将在以下讨论。本发明意欲包括提供校 正磁场用于成形由主线圈生成的磁场的线圈的任意组合。

如在图5中描述，对于在腔室中磁场形状的更强控制，子磁线圈502₁、502₂、 502₃和502₄(共同称为子磁线圈504)在策略上接近主磁线圈302放置。说明 性地，子磁线圈504接近主磁线圈302的重叠部分放置。子磁线圈504产生磁 场并允许“调谐”在角落里(例如，在重叠部分)产生的磁场。子磁线圈504 用于控制磁场的形状。总磁场等值线可通过变化匝数、角度、宽度和分离的电 流驱动而建立。线圈的角度和宽度允许在反应器中放置多个线圈(即，较强的 磁影响)。在线圈中的更多匝数还提供较强的磁体。较强的磁体产生较强的磁 场并提供对磁场梯度的更大控制。尽管其便于在重叠部分中放置子线圈—但是 并不是必须的。在本发明的其它实施方式中，子磁线圈可邻近(即，头对头) 主磁线圈放置(参见以下的图16和17)。如将在以下详细描述的，当使用子 磁线圈时，主线圈建立磁场的初始形状，并且子磁线圈然后用于调整(或纠正) 磁场等值线以实现最优化的磁场形状。

为了实现期望的磁场等值线，驱动电流通过每个子磁线圈504。特别地， 电流源308A和308B驱动通过子磁线圈502₁和502₂的电流，以及电流源308C 和308D驱动通过子磁线圈502₃和502₄电流。在一个实施方式中，每个子磁 线圈504可由分离的电流源驱动，从而高达八个电流源可用于驱动主和子磁线 圈。该独立的电流有利于对磁场形状的全控制。在本发明的一个实施方式中， 四个电流源可用于向主磁线圈302和子磁线圈504提供电流。在该例子中，当 使用四个电流源时，子磁线圈为具有每两个绕组连接到不同的相邻主磁线圈的 “双线绕式”。该配置使用与在以上指出的现有eMxP⁺腔室中使用一样数目的 电流。

图6是两个主磁线圈302(即，主磁线圈302₁和302₂)和子磁线圈504₁的俯视图。主磁线圈302₁具有中心部分410和重叠部分402与404。主磁线圈 302₂具有中心部分412和重叠部分406与408。尽管子线圈504₁描述为放置在 主磁线圈302的外围外部，但是该描述仅用于示意性目的。在图6和图7中描 述的实施方式中，子磁线圈504放置在重叠部分之间以及重叠部分的平面内。

图7是主磁线圈302(即，主磁线圈302₁和302₂)和子磁线圈504₁的侧 视图。图7A描述了图7的线圈配置的双线绕式的示意性电路。子磁线圈504₁为由两个线圈504_1A和504_1B线绕在单一“绕线管”上并且每个线圈504_1A和 504_1B分别串联连接到主线圈302₁和302₂。另外地，子磁线圈504_4A与主线圈 302₁和子线圈504_1A串联布线。因而，四个电流源306A、306B、306C和306D 驱动电流经过四组三个线圈的每一组。同样，每支电流提供三个串联连接的线 圈驱动，即，两个子磁线圈和一个主线圈。每个主和子磁线圈以该方式线绕并 布线以使四个电流源成形并控制腔室内的磁场。在蚀刻工艺期间，邻近的磁线 圈以预定间隔生成相对强的磁场。通过邻近的磁线圈的电流可在如箭头所示的 相同方向流动。特别地，图7和图7A描述了经过主磁线圈302₁和302₂和子 磁线圈504₁的电流流动方向。注意到经过主磁线圈302₁和302₂和子磁线圈504₁的电流以顺时针方向流动。同样，电流相加并产生比如果电流以相反方向流动 更大的磁场。

图8A-8C一起描述了用于旋转蚀刻腔室中的磁场的过渡次序。图8A描述 了磁场线圈在时间间隔(或者关于初始启动点的度数)602、604和606下的 不同磁场的现有技术应用。例如，图8A包含现有技术的磁线圈6、7、8和9； 高磁场620；和低磁场622。在时间间隔602(零度)，邻近的磁线圈8和9 生成弯曲的高磁场620。在该相同的时间间隔期间，磁线圈6和7生成弯曲的 低磁场622。当组合在一起时，这两个弯曲的磁场620和622在腔室的衬底上 方形成凹形磁场。在从一对邻近的线圈到另一对邻近的线圈的过渡期间，其有 利于磁场旋转，在蚀刻腔室中的等离子体在磁场旋转时暂时跳起。为了提供光 滑的磁场，在时间间隔604(四十五度)，高磁场624在线圈6和8之间通过 仅向线圈6和8施加电流而生成。在四十五度该高磁场624的生成有助于减少 等离子体中的跳起。在时间间隔606(九十度)，弯曲的高磁场626通过磁线 圈6和9生成，同时低磁场628通过磁线圈7和8生成。在该点，旋转完成。 然而，在时间间隔604的磁场梯度基本不同于在时间间隔602和606的梯度。

图8B描述了在时间间隔614、616和618(分别为零、四十五和九十度) 高磁场的过渡，同时根据本发明保持现有磁场梯度。例如，图8B包含主磁线 圈302₁、302₂、302₃和302₄；子磁线圈502₁、502₂、502₃和502₄；高磁场630； 和低磁场632。在时间间隔614，弯曲的高磁场630在主磁线圈302₁和302₂处生成，同时弯曲的低磁场632通过主磁线圈302₃和302₄生成。时间间隔616 提供从零到九十度较光滑的过渡，原因在于磁场梯度保持在45°位置。特别地， 电流应用到生成高磁场634的子磁线圈504₄和504₁。另外，低磁场636由子 磁线圈504₂和504₃生成。注意在时间间隔616所生成的磁场弯曲使得它们具 有与在零度时的磁场一样的形状和梯度。在蚀刻腔室内的一致、独立的弯曲磁 场在腔室内提供一致的磁场梯度。在时间间隔618(90°)，电流应用到生成 高磁场638的主磁线圈302₁和302₂。另外，低磁场640通过向磁线圈302₂和 302₃施加电流而生成。

图8C描述了根据本发明的另一实施方式使用线圈组合以在90°旋转期间 实现基本光滑的磁场旋转。该电流表示为相对于高磁场线圈电流的归一化值并 且电流的方向通过正或负表示出。例如，在时间t₀，磁场“BCD”由邻近的磁 线圈302₂和302₃生成(即，磁线圈302₃的极性与磁线圈302₂的极性相反)。 电流也经过子磁线圈504₁和504₃，以提供磁场“A”，其有助在邻近的磁线圈 302₂和302₃的端部成形磁场。注意在子磁线圈504₁中的电流极性与在子磁线 圈504₃中的电流极性相反。

在t₁，电流施加到各个线圈302和504，使得缩减的磁场“CD”由邻近的 磁线圈302₂和302₃生成。所描述的数量和相对极性表示相对的(归一化的) 强度和所施加电流的极性。例如，经过磁线圈302₁的电流具有与子磁线圈504₃相反的极性。同样，通过“A”所表示的磁场部分在504₃和302₁之间过渡。 子磁线圈504₁使由“B”表示的部分磁场在子磁线圈504₁和主磁线圈302₃处 生成。过渡过程通过增加及减小主磁线圈302和子磁线圈504之间的电流而执 行。

在t₂，电流施加到子磁线圈504₁和504₃并且电流在主磁线圈302₁处增加。 结果，由“B”所表示的磁场在主磁线圈302₁和302₃之间垂直移动。由“C” 表示的部分磁场朝向子磁线圈504₁过渡。

在t₃，没有电流施加到主磁线圈302₂，并且施加到主磁线圈302₁的电流 增加。因此，由“C”表示的部分磁场在主磁线圈302₁和302₃之间垂直流动。

在t₄，在主磁线圈302₂的电流导通，以及在302₃的电流降低。因此，由 “D”表示的部分磁场在主磁线圈302₂和子磁线圈504₁之间流动。

在t₅，在子磁线圈504₃的电流截止，在主磁线圈302₃的电流降低，并且 在主磁线圈302₂的电流增加。因此，由“A”、“B”、“C”和“D”表示的 部分磁场在所示的线圈之间流动。

最后，在t₆，电流在主磁线圈302₂处增加并且在主磁线圈302₃处截止。 因此，由“A”表示的磁场梯度在子磁线圈504₂和504₄之间流动，以及由“BCD” 表示的磁场在主磁线圈302₁和302₂之间流动，即，磁场已经旋转90°同时在过 渡期间保持梯度。

图8C应该考虑为使用本发明的实施方式用于旋转磁场的一个实施例。其 它电流组合可产生有用的磁场旋转。例如，参照以下根据本发明的实施方式用 于旋转磁场的其它方法的描述。

图9描述了围绕柱状工艺腔室701的磁线圈配置700的可选实施方式的俯 视图。该配置类似于以上图3和图5中所示的配置，除了插入主线圈之外，例 如，对于每个线圈，一端被重叠且一端重叠。磁线圈配置700包含重叠主磁线 圈702₁、702₂、702₃和702₄(共同地称为主磁线圈702)和可选的子磁线圈704₁、 704₂、704₃和704₄(共同地称为主磁线圈704)。每个主磁线圈702具有重叠 邻近主磁线圈的一端(在该处X是线圈号)和被另一邻近的主磁线圈702重 叠的主磁线圈702_X的另一端702_XA。例如，该端702_1B重叠端702_4A以及端702_1A被端702_2B重叠。注意定位每个主磁线圈702，使得任何主磁线圈702的端部 距离工艺腔室701的中心不等距。因为线圈放置在小角度，所以磁线圈可以被 制成比如果它们在共同的圆柱体上排列的大(宽)。另外，子磁线圈704可以 邻近主磁线圈702的重叠部分放置，以提供更大的磁场控制，如上关于图8B 和图8C所述。子磁线圈704可以在主线圈的平面中放置(如关于图7所讨论) 或者主线圈外部。应该理解根据本发明可以使用其它实施方式，其利用具有比 在线圈配置700中所描述的主磁线圈702的角度大或小的角度的主磁线圈。

图9A描述了在图9中的一个主磁线圈(线圈7024)的透视图。主磁线圈 702₄包含端702_4A和702_4B、顶部分708₁、底部分708₂和内部区域710。顶部 分708₁和底部分708₂弯曲并彼此基本平行。顶部分708₁和底部分708₂经由端 部702_4A和702_4B连接。端702_4A和702_4B基本彼此平行。主磁线圈702₄包含由 端702_4A和702_4B形成的内部区域710、顶部分708₁和底部分708₂。

图10描述了围绕柱状工艺腔室701的磁线圈配置800的另一实施方式的 俯视图。该配置与在图3和图5中所示的配置类似，除了现在腔室701是柱状 而不是八角形之外。磁线圈800包含主磁线圈802₁和802₂(共同地称为主磁 线圈802)、主磁线圈804₁和804₂(共同地称为主磁线圈804)，和可选的子 磁线圈806₁、806₂、806₃和806₄(共同地称为子磁线圈806)。主磁线圈802 彼此相对设置，并且朝向彼此稍微弯曲，以部分围绕工艺腔室701。每个主磁 线圈802覆盖腔室701的圆周的约90°。主磁线圈804放置在主磁线圈802的 外部并且偏移主磁线圈802约90°。每个主磁线圈802、804具有两端。特别 地，主磁线圈802_X(其中X为线圈号)具有端802_XA和802_XB，以及主磁线圈 804_X具有804_XA和804_XB。主磁线圈804彼此相对放置并且朝向彼此稍微弯曲， 以部分围绕工艺腔室701。另外，主磁线圈804重叠主磁线圈802。例如，主 磁端802_1A和802_2B分别被端804_1B和804_1A重叠。另外，子磁线圈806可放置 在主磁线圈802和804的重叠部分中或附近或者主磁线圈802和804的外部。

图11描述了围绕柱状工艺腔室701的磁线圈配置900的另一实施方式。 该配置类似于图10的配置，除了每个主线圈覆盖腔室圆周的约180°以及子磁 线圈与主线圈中心对齐。磁线圈配置900包含主磁线圈902₁和902₂(共同地 称为主磁线圈902)、主磁线圈904₁和904₂(共同地称为主磁线圈904)，和 可选的子磁线圈906₁、906₂、906₃和906₄(共同地称为子磁线圈906)。主磁 线圈902₁和902₂彼此相对设置，并且朝向彼此稍微弯曲，以部分围绕工艺腔 室701。空间908在主磁线圈902的邻近端之间形成。另外，每个主磁线圈902 覆盖工艺腔室701的约180°圆周。主磁线圈904₁和904₂放置在主磁线圈902 外部，并向内弯曲，并且彼此相对放置。空间910在主磁线圈904的邻近端之 间形成。另外，主磁线圈904从主磁线圈902偏移约90°。每个主磁线圈904 覆盖工艺腔室801的约180°圆周。线圈配置900类似于线圈配置800，除了在 线圈配置900中主磁线圈重叠比在线圈配置800中重叠更大部分之外。另外， 可选的子磁线圈906分别与主磁线圈902和904的空间908和910并列。在该 配置中，子磁线圈906的中心与各个主磁线圈902和904的中心对齐。一般地， 180度主磁线圈902和904在产生磁场梯度中不是非常有效。子磁线圈906的 添加改善了线圈配置产生磁场梯度的能力。如果线圈由八支独立的电流驱动， 则该配置提供磁场形状的充分控制。可选地，该配置还可通过串联布线以下线 圈对：904₁和906₁；902₁和906₂；904₂和906₃以及902₂和906₄利用四支电流 操作。

图12描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1000的俯视图的另一实施方 式。磁线圈配置1000包含主磁线圈1002₁-1002₈，(共同地称为主磁线圈1002)。 每个主磁线圈1002弯曲。每个主磁线圈1002具有重叠邻近的磁线圈1002_X(其 中X为线圈号)的一端1002_XA和被邻近的另一磁线圈1002_X重叠的一端 1002_XB。另外，每个主磁线圈1002覆盖大约45°以围绕工艺腔室701。尽管图 12描述了具有八个线圈的磁线圈配置1000，但是也可以使用其它实施方式(例 如，十六个磁线圈)。在使用十六个线圈的实施方式中，每个线圈覆盖约22.5° 以围绕工艺腔室701。一般地，可使用任何号的重叠线圈。注意使用N个线圈 (其中N为大约1的整数，其中每个线圈具有覆盖大于360/N度的宽度)， 则相对于具有不重叠的N个线圈的线圈配置，腔室中磁场的形状改善，即， 较宽的线圈改善磁场形状。

图13描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1100的另一实施方式的俯视 图。线圈配置1100包含主磁线圈1102₁、1102₂、1102₃和1102₄(共同地称为 主磁线圈1102)，以及主磁线圈1104₁、1104₂、1104₃和1104₄(共同地称为 主磁线圈1104)。每个主磁线圈1102覆盖约90°以围绕工艺腔室701并具有 邻近的主磁线圈1102。在每个邻近的主磁线圈1102之间形成空间1108。主线 圈1104_X弯曲并放置在主磁线圈1102_X外部，使得主磁线圈1104的每端重叠 两个邻近的主磁线圈1102的端部(其中X为线圈号)。例如，主磁线圈端1104_2A和1104_2B分别重叠主磁线圈端1102_2A和1102_1B。每个主磁线圈1104覆盖约90° 以围绕工艺腔室701。在邻近的主磁线圈1104间形成空间1140。另外，主磁 线圈1104从主磁线圈1102偏移约90°。

图14描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1200的另一实施方式的俯视 图。该配置类似于图3和图5的配置，除了主线圈不重叠之外。该磁线圈配置 1200包含主磁线圈1202₁、1202₂、1202₃和1202₄(共同地称为主磁线圈1202) 和子磁线圈1204₁、1204₂、1204₃和1204₄(共同地称为子磁线圈1204)。每 个主磁线圈1202向内弯曲以围绕工艺腔室701并覆盖工艺腔室701的约90° 圆周。每个主磁线圈1202邻近另外两个主磁线圈1202。邻近的主磁线圈1202 端对端放置，使得在每个主磁线圈1202的邻近端之间形成空间1206。

子磁线圈1204与在邻近的主磁线圈1202之间形成的空间1206相邻放置。 子磁线圈具有从主磁线圈的中心偏移45度放置的中心。子磁线圈1204改善了 腔室内产生的磁场形状。如果线圈由八支独立的电流驱动，则该配置提供对在 腔室中产生的磁场形状显著改善的控制。说明性地，子磁线圈1204描述为位 于主磁线圈1204的外周边。

在操作中，磁场梯度可在腔室中通过激励三个线圈对而产生，例如，施加 高电流到线圈1202₂和1202₃，中间值电流到线圈1204₂和1204₄，以及低电流 到线圈1202₁和1202₄。所述主磁线圈对形成凹磁场并且子磁线圈对形成凸磁 场。这些磁场的增加向量在整个衬底上产生具有改善的平行磁力线的磁场。

图15描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1300的另一实施方式的俯视 图。磁线圈配置1300包含主磁线圈1202₁、1202₂、1202₃和1202₄(共同地称 为主磁线圈1202)和子磁线圈1204₁、1204₂、1204₃和1204₄(共同地称为子 磁线圈1204)；和子磁线圈1304₁、1304₂、1304₃和1304₄(共同地称为子磁 线圈1304)。每个主磁线圈1202向内弯曲以围绕工艺腔室701并覆盖工艺腔 室701的约90°圆周。每个主磁线圈1202与另外两个主磁线圈1202邻近。邻 近的主磁线圈1202端对端放置，使得在每个主磁线圈1202的邻近端直接形成 空间1206。子磁线圈1304与子磁线圈1204并列。子磁线圈1304增加了在主 磁线圈1204之间的空间1206附近线绕式放置的线圈数量。子磁线圈1304的 添加提供了附加到由主磁线圈1202和子磁线圈1204所产生磁场的磁场。在该 实施方式中，可施加十二支电流以实现磁场形状控制中的显著改善。可选地， 子磁线圈可与邻近的主线圈串联布线，如关于图7A所述，使得仅四支电流源 用于驱动配置。

图16描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1400的另一实施方式的俯视 图。磁线圈配置1400包含主磁线圈1402₁、1402₂、1402₃和1402₄(共同地称 为主磁线圈1402)；和子磁线圈1404₁、1404₂、1404₃和1404₄(共同地称为 子磁线圈1404)。每个主磁线圈1402和子磁线圈1404弯曲，在同一平面中， 并且端对端交替放置。空间1406在每个交替放置的主磁线圈1402和子磁线圈 1404之间形成。由主磁线圈1402和子磁线圈1404覆盖的区域为工艺腔室701 的大约90°圆周。

图17描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1500的另一实施方式的俯视 图。磁线圈配置1500包含主磁线圈1402₁、1402₂、1402₃和1402₄(共同地称 为主磁线圈1402)；子磁线圈1404₁、1404₂、1404₃和1404₄(共同地称为子 磁线圈1404)；和子磁线圈1502₁、1502₂、1502₃和1502₄(共同地称为子磁 线圈1502)。每个主磁线圈1402和子磁线圈1404弯曲，在同一平面中，并 且端对端交替放置。空间1406在每个交替放置的主磁线圈1402和子磁线圈 1404之间形成。子磁线圈1502与子磁线圈1404并列(即，基本平行)。由 主磁线圈1402和子磁线圈1404覆盖的区域为工艺腔室701的大约90°圆周。 子磁线圈1502的添加通过提供磁场附加到由子磁线圈1404所提供的磁场而增 加磁场。在该实施方式中，可施加十二支电流以实现磁场形状控制中的改善。 可选地，子磁线圈可与邻近的主线圈串联布线，如关于图7A所述，使得仅有 四支电流供应用于驱动该配置。

图18A描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1600A的另一实施方式的 透视图。磁线圈配置1600包含磁线圈配置1600包含主磁线圈1604₁、1604₂、 1604₃和1604₄(共同地称为主磁线圈1604)和子磁线圈对1602₁、1602₂、1602₃和1602₄(共同地称为子磁线圈1602)。在该实施方式中，子磁线圈对1602 可与相关的主线圈1604的中心对齐。子磁线圈对1602可位于相关的主线圈顶 部和底部附近。子磁线圈1602₁、1602₂、1602₃和1602₄提供校正的磁场以改善 腔室中磁场的形状。主磁线圈可重叠，如在之前在此所述讨论的实施方式中所 示。

图18B是具有线圈配置1600B的本发明的实施方式的透视图，该配置类 似与图18A的配置，除了水平的子磁线圈1602放置在由主磁线圈1604围绕 的区域外部。

图19A描述了围绕工艺腔室701的磁线圈配置1700A的另一实施方式的 透视图。磁线圈配置1700包含磁线圈配置1600包含主磁线圈1604₁、1604₂、 1604₃和1604₄(共同地称为主磁线圈1604)；和垂直与水平的子磁线圈组1702₁、 1702₂、1702₃和1702₄(共同地称为子磁线圈1702)。每个线圈组设置，例如， 包含两个水平的线圈(例如，线圈1702_1B和1702_1D)和两个垂直的线圈(例 如，1702_1A和1702_1C)。通过利用分离的电流驱动这些二十个线圈的每一个提 供对腔室中产生的磁场形状的充分控制。二十个线圈还提供产生可最优化衬底 处理的磁场形状的适应性。可选地，可通过连接串联子组线圈使用小于二十支 电流，诸如在图7A中所示。另外，可选地，主线圈可重叠，如在之前的实施 方式中在此讨论所示。

图19B示出了具有线圈配置1700B的另一实施方式的透视图，该配置类 似与图19A的配置，除了垂直和水平的子磁线圈1704放置在由主磁线圈1604 围绕的区域外部之外。在未示出的另一实施方式中，还可考虑主线圈内和主线 圈外部的线圈组合。

图19C描述了具有组合图5和图18A的特征的线圈配置1700C的本发明 的实施方式的透视图。特别地，配置1700C包含腔室701，该腔室701由四个 主磁线圈302₁、302₂、302₃、302₄，四个垂直的子磁线圈604₁、604₂、604₃和 604₄，以及八个水平的子磁线圈1602₁、1602₂、1602₃和1602₄围绕。四个垂直 子磁线圈504₁、504₂、504₃和504₄的每个都邻近主磁线圈302₁、302₂、302₃、 302₄的重叠设置。水平子磁线圈1602₁、1602₂、1602₃、1602₄作为线圈对放置， 其中在线圈对中的一个线圈放置在主线圈的顶部附近以及在线圈对中的一个 线圈放置在主线圈底部附近。十六支电流可用于独立地驱动每个线圈。可选地， 该配置可利用与四支电流一样少的电流驱动。为了完成四支电流系统，垂直的 子磁线圈504₁、504₂、504₃和504₄双缠绕，并且五个线圈串联布线以被单一线 圈驱动。例如，一半双绕组缠绕线圈604₂和604₃与线圈对1602₁和主线圈302₃串联连接。在每个子线圈对的匝数预定为最好地成形由主磁线圈产生的磁场。

图20A描述了图19A的实施方式的侧视图，其中子磁线圈1702放置在主 线圈1604内部。同样，在子磁线圈1702中的电流(以箭头示出)以与主线圈 1604中的电流一样的方向流动，意味着独立线圈的全部电流示为以顺时针方 向流动。因而，由这五个线圈所产生的所有磁场指向相同方向，其为指向纸面 中，并且从而向量相加。另外，在直接邻近所描述的单一主线圈的每个子线圈 部分内，电流流动方向与主线圈的方向相同。相反，图20B描述了在图19B 中所描述的实施方式的侧视图，其中子磁线圈1704₁位于主磁线圈1604₁的外 部。如在图20A中所示，在子磁线圈1702中的电流以与主线圈1604中的电 流一样的方向流动，指所示出的独立线圈的所有电流以顺时针方向移动。因而， 由这五个线圈所产生的所有磁场指向相同方向，其指向纸面，并从而向量相加。 然而，由于子线圈位于主线圈外部，位于直接邻近所描述的单一主线圈的每个 子线圈部分内，电流流动的方向与主线圈的电流流动方向相反。从视图的设计 点，这指，为了在工件上产生相同校正的磁场，需要与图19B的实施方式的 子磁线圈1704相比较少匝数的线以产生图19A的实施方式的子磁线圈1604。

图21描述了本发明的另一实施方式的透视图。在该实施方式中，子磁线 圈2100分为在腔室701的四侧上垂直堆叠的两个线圈2100A和2100B。该实 施方式描述了主磁线圈2102，其覆盖180度的腔室圆周并具有主和子磁线圈 排列的中心。子磁线圈2100分成两部分使十二支电流能用于建立磁场形状。 也可使用在此所讨论的其它主磁线圈的配置。在该实施方式中，可施加十二支 电流以实现磁场形状控制的显著改善。可选地，子磁线圈可与邻近的主线圈串 联布线，使得仅四支电流供应用于驱动配置，例如，将直接在彼此之上和之下 的子线圈对与相邻且共有相同的线圈中心的一个主线圈缠绕。

多个模拟可关于以上所讨论的各个实施方式执行。图22A-22K每个描述 了由现有技术以及前述本发明的实施方式所产生的磁场梯度。图22A描述了 两个邻近的主线圈被激励的图2的实施方式产生的磁场梯度。注意磁场梯度从 85G到10G倾斜。图22B描述了由当两个邻近的线圈被激励时图3的实施方 式产生的磁场梯度。这里，延伸宽度的线圈将高的磁场强度侧降低到75G，保 持中心磁场强度在35G，以及将低磁场强度侧增加到12G。同样，延伸的线圈 “展平”了磁场的梯度。

图22C描述了由图5的实施方式产生的磁场，其中两个邻近的主线圈和 两个相对的子磁线圈被激励。这里，梯度进一步展平以及高磁场侧具有可应用 子磁线圈的电流强度可调整的强度。图22D描述了由具有两个邻近的主线圈 和两个邻近的子磁线圈激励的图11的实施方式产生的场强。该实施方式产生 了具有可应用子磁线圈电流调整的高磁场值的基本一致的磁场。图22E描述了 由具有两个邻近的主磁场线圈和四个上下子磁线圈以及两个相对的角落线圈 被激励的图19C的实施方式所产生的磁场。该磁场具有明确的梯度并且高值 侧可利用子磁线圈电流控制。因而，从图22A到图22B，到图22C到图22E 的级数示出了主线圈加上角落线圈的总和加上上下线圈的总和的叠加修整了 从85G降到60G的高场端，同时在工件的中心保持为相同的35G，并且同时 保持较低场强在10G和15G之间。已经示出在高场端的场强中的降低，以改 善瞬时蚀刻速度均匀性和时间平均(磁场旋转的)蚀刻速度均匀性。在低场端 处磁场的进一步控制通过使用第二对主线圈中的电流来实现。另外，通过控制 在每个线圈中的相对电流，在工件的高场端处的磁场值完全可控(例如，85G、 70G、60G、55G等)，以实现期望的磁场形状。

图22F描述了通过图2的现有技术所产生的磁场，其中两个相对的线圈被 激励。注意磁场强度在整个衬底上不是非常均匀，即，磁场强度从79G到39G 变化，对于衬底中心50G的磁场强度为40G的变化范围。图22G描述了由图 3的实施方式所产生的磁场，其中两个相对的延伸宽度的线圈被激励。在图22F 的磁场改善了磁场的均匀性。图22H描述了由图5的实施方式所产生的磁场， 其中具有两个相对的主线圈和四个子磁线圈被激励。结果为改善了磁场的均匀 性。当如在图19C的实施方式中添加上下线圈并且这些线圈被激励时，结果 为图22I的磁场。现在磁场几乎完全均匀。因而，从图22F到图22G到图22H 到图22I的级数(progression)示出了主线圈加上角落线圈的总和加上上下线 圈的总和的叠加改善了磁场强度的均匀性，都用于50G的中心磁场强度，均 匀性从40G的变化范围提高到6G的变化范围。对该结果的进一步改善可通过 每个线圈的形状和位置的进一步修整而获得，多个线圈的添加，和激励所有适 当线圈的电流的精调整。

图22J描述了图11的实施方式所产生的磁场，其中所有四个180度主线 圈被激励。该实施方式示出了对现有技术(图22F)磁场的改善。当子磁线圈 也被激励时，磁场均匀性进一步改善为图22K中所示。

磁场旋转

在半导体腔室中，执行蚀刻和/或沉积工艺的等离子体由中性物质和带电 物质形成。带电物质受在短于微秒的时间量程上发生的磁力作用。在半导体工 业中的RF产生器通常使用RF频率以激励在1MHz到200MHz频率范围中的 等离子体，其给出在5纳秒到1微秒的范围中振荡的周期。然而，磁场旋转的 总周期一般非常长。例如，在一个实施方式中，磁场旋转的总周期可以为大约 4秒。跟随电流供应的控制信号中的变化，在毫秒的数量级上测量流经电磁线 圈的电流变化。RF匹配电路中(或者调谐-匹配-固定频率或者调谐-频率固定 的匹配)的变化为100微秒的数量级，之后等离子体阻抗发生变化。用于实现 旋转的磁场形状变化可在微秒内发生，但是RF调谐电路起作用超过100毫秒。 同样，在100毫秒数量级上的时间周期，等离子体阻抗和RF调谐电路将失谐， 同时RF调谐控制电路起作用并确定适当的新匹配控制设置。

在等离子体阻抗和RF调谐电路之间的失谐导致反射功率增加。另外，给 出四个第二旋转方案，已经发现在高于期望的反射功率下RF调谐电路将消耗 大于10％的时间，从而显著地降低了在每个磁场旋转周期传送到等离子体的总 能量。而且，对于具有调谐匹配固定频率配置的电路，如果积累的失谐时间和 强度较大时，调谐匹配的机械部分可能消磨的更快。

因此，不仅选择磁场的适当形状对于改善蚀刻速度均匀性是关键的，而且 选择磁场的适当过渡对最小化磁场旋转对RF匹配的影响也很重要，并从而最 大化在每个磁场旋转周期传输到等离子体的总能量。因此，在磁场旋转期间， 可控制流经电磁体的DC电流波形以有助于RF调谐电路更快地调整至由旋转 磁场所引起的等离子体阻抗中的变化。

在此公开的旋转磁场的方法将磁场控制限定为两个基本组分：(1)磁场 形状，其中磁场通常消耗大部分时间(以下称为“形状”或“主要形状”)和 (2)到下一个磁场形状的过渡(或多个过渡)(以下称为“过渡”)。例如， 在具有四个磁线圈或简化为实质上四个磁线圈对称的实施方式中(诸如在图 1、图2、图3、图4A、图8A、图11、图18A、图18B和图21中所示)，主 磁场形状在任意方向开始，说明性的称为0度。硬件的控制提供过渡的磁场形 状，之后再次为主磁场形状，旋转90度。同样，完整的控制可以简写成：

形状(0°)→过渡(0-90°)→形状(90°)→过渡(90-180°)→ 形状(180°)→过渡(180-270°)→形状(270°)→过渡(270-0°)→返回至形状(0°) 因此，通过在0度限定形状以及通过从0度到90度限定过渡，描述了整个旋 转。应该理解旋转可顺时针或逆时针控制并且多数过渡可以在主磁场形状之间 提供。

如在此使用，在实施方式中所指的线圈号可以由方位角确定，在该方位角 处线圈的中心点关于整个线圈配置的中心内部位置设置(例如，围绕其设置线 圈的工艺腔室中心)。例如，在图3中所描述的四个线圈配置中，线圈302_1-4的中心点可限定为关于工艺腔室中心的0、90、180和270度。另外，尽管图 11的实施方式，描述了八个线圈(902_1-4和906_1-4)，每个各个线圈902和906 具有沿着关于工艺腔室中心的相同角度的中心点。因此，线圈902_1-4和相应的 线圈906_1-4的中心点还可限定为在0、90、180和270度。因而，这将考虑四 线圈实施方式，如在此使用的将使用四线圈旋转方案。然而，八个线圈实施方 式诸如在图5中所描述的具有关于腔室中心的0、45、90、135、180、225、 270和315度的中心点。从旋转它们的电流驱动器看它们，这将为八线圈配置 且使用八线圈旋转方案。

为了便于理解，利用简化的符号讨论供应到线圈的较高和较低电流，较高 电流归一化为+/-1并且较低电流描述为较高电流的百分数(即，小于1的数)。 因而，可通过参照供应到线圈的电流来描述磁场的形状。例如，在具有四个线 圈的腔室中，或四个线圈对称性，磁场的形状可描述为[+1，-1，-R，+R]，分 别表示在[线圈#1，线圈#2，线圈#3，线圈#4]中的相对电流。正/负号示出磁场 方向。对于特定线圈，正电流指磁场从线圈指向半导体处理腔室，而负电流表 示磁场指出腔室(例如，如果磁罗盘放置在腔室中心的底座上，其指针在正常 环境下指向北，则正电流使该指针朝远离单一激励线圈指向，而负电流可使指 针朝向线圈指向)。关于线圈配置，在如从腔室的顶部看的顺时针方向对线圈 编号。

由于以上的段落仅为记号系统，用于方便指在此所讨论的方法，将预期其 它记号系统或以上各种系统的变化还可用于描述本发明的磁场旋转方法(诸如 以下关于图32和图35所使用的)。例如，R值大于1，或者电流不需要归一 化，线圈可以任意形式编号，并且特定线圈可线绕，使得正电流使磁场指出工 艺腔室等，或其任何组合。

例如，对于现有技术的原始4-线圈实施方式，如在图2中所示，四个线圈 通常具有在较高电流处的两个邻近线圈对(例如，线圈6、8)，以及在较低 电流处的其它两个邻近线圈对(例如，线圈7、9)来操作。图23描述了类似 于图2中所述的一种腔室的传统4-线圈腔室的标准旋转方法。在产生任意形状 中，指出腔室的B-场量为全部负数的总和。在图23中所描述的实施方式中， 指向腔室的B-场量为1+R(对于线圈#1为+1加上对于线圈#4的+R)。类似 地，指出腔室的B-场量为-(1+R)。在过渡步骤中，指向腔室的B-场量为+1 (对于线圈#1为+1加上对于线圈#4的零)，以及指出腔室的B-场量为-1。随 着R值增加，在形状和过渡之间磁场强度的差别也增大。因此，在过渡步骤 期间以及紧跟过渡步骤之后，在历史上已经观察到对RF调谐电路失谐的影响， 由于通过电路设置中的变化和通过在形状(1+R)和过渡(1)之间所产生的 总磁场中的差别所导致，随着R值增加而变得越来越严重。

因此，在此提供旋转磁场的方法，其克服了现有技术的以上涉及的问题。 特别地，图24描述了用于旋转半导体工艺腔室中磁场的方法2400的一个实施 方式的简化流程图。该方法2400在步骤2402开始，其中主磁场形状被限定。 接下来，在步骤2404，磁场变化为第一过渡磁场形状。在一个实施方式中， 到第一过渡磁场形状的变化通过改变施加到腔室各个线圈的电流来完成。在步 骤2406，磁场改变为第二过渡磁场形状。可选地，在步骤2408，磁场可改变 为另外的过渡磁场形状直到最终，在步骤2410，磁场改变为旋转的主磁场形 状。在一个实施方式中，旋转的主磁场形状可以为旋转90度的主磁场形状， 由于腔室和线圈的四个折叠对称性。预期旋转的主磁场形状可以不同于旋转 90度的主磁场形状。在步骤2412，步骤2404至2410可随需要重复以继续旋 转磁场。通过提供在每个主磁场形状之间的多个过渡步骤，方法2400有利地 使得RF调谐电路有时间与由在磁场中下一个变化前磁场中的变化所引起的新 等离子体阻抗匹配。因此，RF调谐电路在失谐条件下消耗较少时间，并且， 对于具有机械调谐部件的RF调谐电路，具有减小的磨损。

可选地，在整个方法中指向或指出腔室的总磁场强度可通过选择施加到各 个线圈的电流而保持恒定。通过在整个过渡的每个步骤中，保持基本恒定的磁 场强度，将使磁场强度变化对等离子体的影响最小化，进一步降低了RF调谐 电路的应变(strain)。可选地或者组合地，方法2400可仅为单一线圈提供在 任意随后步骤之间通过零电流点(即，从正到负电流过渡或反之亦然)移动。 通过控制经过零电流的线圈以具有它们时间交错的零电流力矩，磁场变化的值 和对等离子体的影响进一步降低。

以上方法2400反映了用于旋转工艺腔室中的磁场的两个有利准则。首先， 在任意时间指入(和指出)腔室的磁场量大约相同。因而，在蚀刻步骤期间， 磁场的每个主形状和在主形状之间的过渡具有大约相同的磁场强度。第二，每 个大线圈(例如，所有四-线圈腔室的四个线圈和八-线圈腔室的四个大线圈) 不同时经过零电流过渡，指在相同的两个步骤之间。因而，方法2400有利地 最小化磁场强度的变化和这些变化对等离子体的影响。可选地，在一些实施方 式中，在旋转期间，磁场的强度可控制为在所施加的最大强度的20％内，或在 一些实施方式中，在10％内。如以上所讨论，使磁场的强度变化最小方便地有 助于使对等离子体以及对由工艺腔室所采用的RF电路的影响最小。

以上方法的实施方式，和采用一个或多个以上准则的变量，可在传统工艺 腔室以及在此所公开或具有在此讨论的电磁体的未来开发的工艺腔室中使用。 被控制和旋转的磁场可以为均匀的、倾斜的或不均匀的。对于具有四个主磁线 圈和有效使用四个线圈过渡的配置的腔室，在过渡方案之后的逻辑(在过渡期 间RF电路调谐的时间，增加步骤、零交叉，B-场强度等)和以上所公开准则 的使用组成磁场旋转方法，其克服了传统旋转方法的问题。主磁场形状可使用 以上所述的准则和符号限定。之后提供了以上方法2400的特定实施方式的少 数几个说明性实施例。

图25描述了示出适于在具有四个线圈或有效地四个线圈的工艺腔室中使 用的磁场旋转次序2500的表格，诸如，但是不限于，在图1、图2、图3、图 4A、图8A、图11、图18A、图18A和图21中所描述的腔室。在次序2500 中的每个磁场形状或过渡由施加到工艺腔室的四个线圈(或线圈组)(在图 25中识别的线圈#1、#2、#3和#4)的电流限定。如上所述，电流以归一化符 号示出，使用数字1表示最高电流以及字母R用于关于主磁场形状(在图25 中示为形状0度，90度、180度和270度)的较低电流与较高电流的百分数。

次序2500包含在磁场的每个主形状之间的两个过渡(标记为每个主形状 的过渡A、B)。另外，经过零电流的任意线圈的过渡(即，从施加到线圈的 正电流到施加到相同线圈的负电流，或反之亦然)在整个次序中交错以避免任 意两个线圈同时经过零电流。例如，从第1行到第2行(形状0度到过渡A、 0度)，线圈#4是经过零电流的唯一线圈(从第1行的+R到第2行的-(0.5*R))。 当从第2行到第3行继续时，线圈#2是在第2行到第3行中的+R中经过零电 流(从-(0.5*R))的唯一线圈。因而，从经过零电流的线圈对磁场的影响通 过每次仅允许一个线圈在整个次序2500中经过零电流而最小化。

另外，所施加的以形成主形状或过渡的正电流的总和和负电流的总和保持 恒定。例如，在次序2500的任何给定行中(即，任意形状或过渡)，正电流 的总和为(1+R)以及负电流的总和为-(1+R)。因而，指向和指出腔室的磁 场强度对于任何给定行是相等的。而且，由于在每行所应用的电流大小等于+/- (1+R)，所以在整个旋转次序2500中电流强度也为恒定。因而，指入和指 出腔室的磁场强度几乎保持恒定。

在图25中所述的实施方式中，对用于形成磁场的主形状的电流每个提供 0.9秒，每个过渡具有0.05秒的持续时间。这些时间仅是说明性的并且预期也 可使用其它时间。例如，过渡时间应该至少足够长以允许在每个过渡步骤之后 RF调谐电路完全调整至新的条件。如果在工艺腔室上的特定匹配网络较快地 响应，则可使用较短时间。相反，如果响应较慢，则需要较长的时间以完全实 现在此所述的旋转方法的优点。

预期还可使用遵循在此所公开的旋转方法准则的其它过渡方案。例如，图 26描述了示出适于在具有四个线圈或四-线圈对称的工艺腔室中使用的磁场旋 转次序2600的磁场的表格。在图26中所述的表格类似于以上在图25中所述 的表格，除了在主形状之间所提供的额外过渡之外(如通过在每个主形状之间 的过渡A、B、C、D和E指出)。在以上所述的任何旋转次序中，或者遵循 以上所公开准则的任何其它旋转次序中，预期可提供其它数量的过渡、主形状 和过渡的其它时间周期，其它R值，和/或其它相对电流值，同时仍然遵循以 上概括的一般准则。

图27A-C分别描述了关于图23、图25和图26在以上所述的整个旋转方 法中四个线圈腔室中磁场的示意图。特别地，图27A描述了类似于在图23中 所示的传统磁场旋转次序(经过四分之一，或90度旋转)。如在图27中所述， 第一主形状2702经过单一过渡2704旋转90度值至旋转后的主形状2706。图 27B描述了根据本发明的磁场旋转次序(经过四分之一，或90度旋转)，其 类似于在图25中所示的方法。如在图27B中所述，第一主形状2712经过两 个过渡2714_A和2714_B旋转90度至旋转后的主形状2716。图27C描述了根据 本发明的磁场旋转次序(经过四分之一，或90度旋转)，其类似于在图26 中所示的方法。如在图27C中所述，第一主形状2722经过五个过渡2724_A、 2724_B、2724_C、2724_D和2724_E旋转90度至旋转后的主形状2726。在图中，点 线表示较小强度的磁场并且仅说明性以示出被施加的磁场的相对强度。

图28A和图28B描述了比较在图23、图25和图26中所描述的每个旋转 次序的单一旋转次序的相对线圈电流随时间的曲线图。在图28A中的曲线图 比较在图23、图25和图26中所描述的旋转次序，其中使用低值R(R＝0.33)。 在图28B中的曲线图比较在图23、图25和图26中所描述的旋转次序，其中 使用低值R(R＝1)。如可以从图28A和图28B中所见，可增加在主磁场形状 之间的过渡数量以有助于减小磁场中每个变化的强度，另外，可调整所施加的 电流以最小化在旋转次序期间磁场强度的变化，而且，可增加和/或调整进行 过渡的时间总量以有助于允许直接或间接地受磁场变化影响的调谐电路和/或 其它组件适应所述变化。每个这些准则，单一地或组合，从而有利地改善在整 个旋转循环中腔室中等离子体的稳定性。

磁场的形状可进一步由施加到线圈的相对电流控制(例如，通过控制R 值)。例如，通过提供低值的R，诸如小于或等于约0.33，可产生倾斜的磁场 并使用以上所公开的任何本发明的旋转次序旋转。可选地，提供提供高值的R， 诸如约1，可产生平磁场并且可使用以上所公开的任何本发明的旋转次序旋 转。旋转用于指定工艺的特定R值可取决于多个因素，诸如工艺压力、在阴 极上RF功率、工艺气体选择、紧接晶圆边缘的工艺套件的设计等等。在2000 年9月5日授权给Shan等人的美国专利No.6,113,731中公开了关于选择和 使用特定R值的其它细节，在此引入其全部内容作为参考。

本发明的控制磁场过渡的方法还可应用于具有在其它配置中排列的磁线 圈的工艺腔室(如在图4B-C、图5-7、图8B-C、图9-10、图12-17和图19A-C 或其它配置)中。在一个实施方式中，在0度的形状可包含经过所有八个线圈 的电流。可选地，对于其中期望更大对称的实施方式，在0度的形状可包括在 八个线圈的子集中流动的电流。例如，图29描述了具有围绕具有四折叠对称 性的衬底支撑底座2920设置的八个磁线圈2910的处理腔室2900的示意性俯 视图(例如，四个大侧线圈和四个较小的角落线圈)。线2930、2932和2934 描述了由八个线圈2910的六个线圈所产生的磁场的方向和相对强度。如之前 所述，对晶圆性能、蚀刻速度均匀性的一个优点在于可通过降低点A处磁场 强度同时保持在点B和C处几乎相同的强度来获得。这可通过降低大侧线圈 (例如，图29中的线圈2912和2914)中的较高电流同时补偿角落线圈(例 如，图29中的线圈2916和2918)中的增加来完成。

当由八个线圈配置过渡时，可确定遵循以上指定准则的多个旋转方案。关 于保持指向和指出腔室的磁场量保持大约一致的准则，现在有更多线圈供选 择。关于当每个大线圈经过零电流时交错时间的原则，现在再次存在多个选项 关于如何实现。不同旋转方案可基于在特定半导体蚀刻和/或沉积设备以及特 定电流源、线圈、计算机控制电路、RF等离子体制度、等离子体化学性质、 RF功率级别、压力、RF调谐电路等等上它们的性能来评定。对于一组工艺条 件和硬件的期望旋转方案不需要为另一组工艺条件和硬件的期望旋转方案。

在接下来的实施方式中，大多数时间可以使用相同的主磁场形状，仅具有 应用于过渡步骤的变化。在这些方案中的主要差别为在每个各个过渡中的步骤 的配置。预期遵循以上教导可使用具有其它差别诸如过渡步骤数量、所施加的 电流值、在施加到不同线圈之间的关系等等的其它旋转方案。

例如，图30A-C图解地示出了使用八个线圈和八支电流的磁场旋转的示 例性方法。特别地，图30A-C分别示出了主形状3002、3012和3022经过过 渡3004_A-E、3014_A-E和3024_A-E旋转至旋转后的主形状3006、3016和3026。然 而，在图27A中所描述的中间步骤(称为传统的四个线圈旋转方法)为均匀 场，在图30A-C中的所有中间步骤为倾斜的，正好如主磁场为倾斜的。尽管 图30A-C示出了在标准磁场形状之间的五个过渡步骤，但是可调整每个主磁 场形状的过渡数量以视需要控制等离子体稳定性，如以上所讨论。图31A-C 分别描述了对应于图30A-C的旋转方案的相对侧线圈和角落线圈电流的曲线 图，并具有对应其上表示旋转次序的时间，该旋转次序通过对应各个主形状、 过渡或旋转后的主形状的附图标记表示。

图32描述了具有使用四个主线圈和四个角落线圈(诸如在图29中所示以 及分别由图30A-C图解表示)的8-线圈配置的工艺腔室的不同旋转方案的步 骤的电流和示例性持续时间的表格。对于每个方案，所提供的数据是用于主， 或侧线圈和相应的角落线圈。对于四-折叠-对称旋转方案，整个方案可通过将 该方案划分为四个部分而外推。在剩余线圈2、3和4中的电流可通过随时间 移动四分之一电流来描述。类似地，对于八-相等-线圈的方案，你可以将该方 案划分为八个部分。为了简便，该线圈可顺时针编号，如从顶部看。另外，每 个旋转方案可通过因子A、B和C来表示，其限定了主磁场形状，并通过进一 步精调谐该方案的因子D(在方案V中)以及因子D和E(在方案W和X中) 来表示。对于方案V，0≤D≤1；对于方案W，0≤D≤0.5且0≤E≤0.5；并 且对于方案X，0≤D≤1.0且0≤E≤0.5。在等离子体稳定性持续时间(以 下将进一步讨论)内，发现因子D和E进一步有利地提供对于等离子体稳定 性的控制。

以上的方案进一步示出了比传统旋转方案改进的提出的磁场旋转方案中 的适应性。例如，在过渡期间(例如，通过图27A中的附图标记2704所述)， 传统的旋转方案具有均匀的(即，平)磁场形状，而方案V、W和X有利地 提供了倾斜的磁场(例如，分别通过图30A-E中的附图标记3004_A-E、3014_A-E、 3024_A-E所描述)。倾斜的磁场是优选的，原因在于主磁场形状为倾斜的(例 如，如在图27A-C和图30A-C中所描述的)。

另外，在此所公开的旋转方案是在它们可利用一个或多个以上所讨论准原 理(即，在整个过渡中均匀的磁场强度、增加的过渡步骤数、经过零电流的每 个线圈的交错时间等等)的方案中是灵活的，以提供优于传统旋转方案的优点。 例如，旋转方案V和W具有增加的过渡步骤数，但是同时减少了两个侧线圈。 方案X具有增加的过渡步骤，并且在其侧部线圈经过零电流时交错时间。 等离子体稳定性同时利用在此所公开的旋转方案在可从California的 Santa Clara的应用材料有限公司购得的300mm eMAX CT Plus腔室上进行评 价一具有经过内置数据获取能力的8-线圈硬件(如在图5中所排列的)。可选 择高功率菜单用于评估并且磁场可在大约40G进行操作。在与等效的4-线圈 结果进行比较之后，发现产生高达10倍的数个不同的8-线圈旋转方案增加了 优于4-线圈标准旋转的等离子体稳定性(如通过VRF变化的标准偏差所测量 的)，原因在于可配置的磁场(CMF)比率大约等于1。因而，8-线圈配置可 有利地提供与传统的4-线圈配置相比更平滑的等离子体属性。而且，以上优点 适应于具有其它值的CMF比率的磁场。

除了具有四-折叠对称的八个线圈配置外，以上磁场旋转原理可有利地用 于具有八个相等尺寸的线圈中(如在图12-13中所示)。例如，图33描述了 旋转具有八个相等磁场线圈的腔室中倾斜磁场的次序3300。该次序从主形状 3302开始，说明性地经过四个过渡3304_A-D旋转到与主形状3302成45度顺时 针的旋转后的主形状3306。曲线图3310示出了旋转方案的相对线圈电流，该 方案具有以上通过对应于各个主形状、过渡或旋转后主形状的附图标记所表示 的相应旋转次序的时间。作为另一实施例，图34描述了在具有八个相等尺寸 线圈的腔室中旋转倾斜磁场的次序3400，其从主形状3402开始以及经过四个 过渡3404_A-D说明性地旋转到与主形状3402成45度顺时针的旋转后主形状 3406。曲线图3410示出了旋转方案的相对线圈电流，该方案具有相应于由对 应于以上各个主形状、过渡或旋转后主形状的附图标记所表示的相应旋转次序 的时间。

图35描述了具有八个相等尺寸线圈配置的工艺腔室的倾斜旋转方案的步 骤的电流和示例性持续时间的表格(诸如在图33中所示)。所提供的数据是 用于一个线圈并且整个方案可提供将该方案划分为八个部分来外推。在剩余线 圈中的电流可通过随时间移动八分之一电流来描述。为了简便，线圈可顺时针 编号，如从顶部看出。另外，旋转方案由因数A、B和C表示，其限定了基本 的磁场形状。

尽管以上所述的过渡磁场的方法涉及在单独工艺菜单步骤中旋转磁场，但 是以上的教导也可在多步等离子体辅助工艺(诸如，初步蚀刻、主或体蚀刻， 和过蚀刻步骤)的步骤之间或在以任何顺序步骤使用等离子体的多步工艺(诸 如使用第一组工艺化学物质和/或条件蚀刻第一层以及使用第二组工艺化学物 质和/或条件蚀刻第二层)的步骤之间应用以过渡磁场。例如，当改变磁场强 度的(即，影响等离子体的任何工艺参数)偏置功率、源功率、腔室压力、工 艺气体或多种气体中的一个或多个时，使用类似于以上所述实施方式的其中之 一以及使用考虑工艺参数中的相关变化的算法，可调整磁场过渡以提供RF调 谐电路给出最优化的响应。以这种方式在工艺步骤之间使用磁场过渡可结合在 2006年3月10日提交的美国专利申请序列号No.11/372,752中所公开的原理 使用，在此引入该专利的全部内容作为参考。

如以上所讨论的，过渡磁场的发明方法有利地提供了更稳定的等离子体和 在衬底上更均匀的蚀刻速度。另外，还发现发明方法进一步有利地减小了对衬 底和处理腔室的破坏，原因在于对等离子体稳定性的改善，从而降低了可能在 等离子体中发生的任何大瞬时现象的可能性。例如，在等离子体中的大瞬时可 能导致设置在衬底上的部分连接的晶体管中的不期望电流，其可破坏衬底。

另外，磁场导致在腔室周界以及衬底上方增加的等离子体密度，从而增加 了腔室内表面的腐蚀。这些表面通常由诸如阳极化铝、硅、硅碳化物、石英、 铝氧化物、铝氮化物和/或钇氧化物等组成。腔室表面中的不规则可加剧那些 表面的侵蚀速度，诸如由于在这些不规则腔室表面周围修正的等离子体鞘属性 而使在表面涂层变薄或等离子体密度局部较高处的入口附近。与使用现有技术 的四个线圈硬件的等效工艺条件相比，使用八个线圈硬件和在此所述的旋转方 法降低了腔室周界以及指定蚀刻工艺条件的衬底处的最大磁场强度。因此，使 用在此公开的本发明的八个线圈的旋转方法降低了腔室周界处的等离子体密 度，并从而降低了涂敷内腔室周界的表面的侵蚀速度。对于最差的侵蚀速度位 置(例如，在内部腔室表面中近似不规则)，侵蚀速度可降低高达50％，从而 有利地有助于使用减薄的腔室涂层和/或这些腔室涂层的较不昂贵的制造方 法。

因而，在此提供的旋转磁场的方法克服了现有技术的问题。特别地，本发 明的旋转方法提供了磁场过渡，其有利地允许RF调谐电路有时间与由在磁场 中下一个变化之前的磁场中的变化所导致的新等离子体阻抗匹配。另外，还可 控制在主形状之间的过渡，以保持在整个每个过渡步骤中恒定的磁场强度，从 而使磁场强度中的变化对等离子体的影响最小。而且，可进一步控制过渡，以 确保经过零电流的任何线圈具有交错时间的零电流的力矩，从而降低磁场变化 的值和对等离子体的影响。因而，通过最小化等离子体阻抗的变化以及通过为 RF调谐电路提供时间来匹配当旋转磁场时磁场中的变化所导致的新等离子体 阻抗，本发明的磁场旋转方法有利地有助于RF调谐电路适应由磁场旋转所导 致的等离子体阻抗变化。

因而，从这些模拟，使用延伸宽度的线圈改善了在腔室中产生的磁场形状。 为了进一步改善磁场形状，可使用提供校正场的额外线圈。

另外，虽然在以上实施方式中半导体晶圆处理腔室为干刻腔室，但是本发 明可应用于其它类型的半导体晶圆处理腔室，诸如其中提供使用电磁体激励等 离子体形成的CVD腔室。

虽然前述涉及本发明的各种实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围 下，本发明可设计其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由以下的权利 要求书所确定。