TWI828012B

TWI828012B - 等離子體反應器

Info

Publication number: TWI828012B
Application number: TW110143432A
Authority: TW
Inventors: 涂樂義; 如彬葉; 楊寬
Original assignee: 大陸商中微半導體設備（上海）股份有限公司
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2024-01-01
Also published as: TW202228187A; KR102693725B1; KR20220092797A; US20220208521A1; CN114695041A; US12087548B2; CN114695041B

Abstract

一種等離子體反應器包括：反應腔，反應腔內底部設有導電基座，所述導電基座通過射頻匹配網路連接到射頻電源裝置，所述導電基座上方用於放置待處理基片，反應腔內頂部包括一個上電極元件，所述導電基座和所述上電極元件之間為等離子體處理空間；一個第一導電接地環圍繞設置在導電基座的周邊；一第二導電接地環電連接在所述第一導電接地環外側壁和所述反應腔內側壁之間，所述第二導電接地環上開設有多個氣體通道，以使得所述等離子體處理空間內的氣體能夠穿過所述多個氣體通道被排出；所述導電基座與所述第一導電接地環之間包括一絕緣環，所述絕緣環的介電常數小於3.5。

Description

等離子體反應器

本發明涉及半導體加工的技術領域，具體涉及一種電容耦合等離子體反應器的技術領域。

半導體晶片被日益廣泛的應用到各種電子設備中，在半導體元件的製造過程中，等離子體蝕刻是將晶圓加工成設計圖案的關鍵製程，等離子體蝕刻製程需要用到等離子體處理器。在典型的等離子體蝕刻製程中，製程氣體(如CF₄、O₂等)在反應腔內在射頻(Radio Frequency，RF)激勵作用下形成等離子體。這些等離子體與晶圓表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而在晶圓上蝕刻出具有特定結構的晶片。

電容耦合式(CCP)等離子處理器廣泛應用於晶片製造製程中的介電材料層蝕刻步驟。隨著等離子蝕刻製程的不斷演進，半導體元件中的關鍵尺寸(criticaldimension)越來越小，現在的技術前沿已經推進到了關鍵尺寸7nm、5nm以下。在如此小的關鍵尺寸要求下，不僅等離子處理步驟大幅增加，晶片加工步驟總數可達上千步，而且等離子處理製程的均一性要求也極高，均一性要求需要在2%以下，甚至是1%以下。

習知技術的調整方法無法達到上述苛刻的指標，業內迫切需要一種新的電容耦合等離子處理器，在整個晶圓表面都具有更加均一的等離子濃度分佈。

本發明提供一種等離子體反應器，可以減少等離子反應器中大量高頻諧波對等離子處理效果均一性的嚴重干擾。所述等離子體反應器包括：反應腔，反應腔內底部設有導電基座，所述導電基座通過射頻匹配網路連接到射頻電源裝置，所述導電基座上方用於放置待處理基片，反應腔內頂部包括一個上電極元件，所述導電基座和所述上電極元件之間為等離子體處理空間；一個第一導電接地環圍繞設置在導電基座的周邊；一第二導電接地環電連接在所述第一導電接地環外側壁和所述反應腔內側壁之間，所述第二導電接地環上開設有多個氣體通道，以使得所述等離子體處理空間內的氣體能夠穿過所述多個氣體通道被排出；所述導電基座與所述第一導電接地環之間包括一絕緣環，所述絕緣環的介電常數小於3.5，所述絕緣環上方包括一耦合環，所述耦合環覆蓋絕緣環上表面和導電基座的外側部分上表面，其中耦合環由第一陶瓷材料製成，所述第一陶瓷材料的熱導率高於所述絕緣環的熱導率。通過上述設計既能使得大量諧波射頻功率流向下方射頻匹配網路，避免對等離子處理的分佈，也能防止由於選用了低介電常數的聚合物絕緣環導致等離子處理過程中絕緣環大幅膨脹，從而保證等離子蝕刻過程的長期穩定性。

本發明還提出了另一種實施例，一種等離子體反應器包括：反應腔，反應腔內底部設有導電基座，所述導電基座通過射頻匹配網路連接到射頻電源裝置，所述導電基座上方用於放置待處理基片，反應腔內頂部包括一個上電極元件，所述導電基座和所述上電極元件之間為等離子體處理空間；一個第一導電接地環圍繞設置在導電基座的周邊；一第二導電接地環電連接在所述第一導電接地環外側壁和所述反應腔內側壁之間，所述第二導電接地環上開設有多個氣體通道，以使得所述等離子體處理空間內的氣體能夠穿過所述多個氣體通道被排出；所述導電基座與所述第一導電接地環之間包括一絕緣環；所述射頻匹配網路通過至少一個射頻電纜供應具有基礎頻率的高頻射頻功率到所述導電基座，所述基礎頻率大於等於40Mhz；所述等離子體處理空間中的等離子體產生所述基礎頻率的諧波射頻功率，所述諧波射頻功率經過所述至少一個射頻電纜流入所述射頻匹配網路，其中流入射頻匹配網路的諧波射頻功率大於所述高頻射頻功率的5%。進一步的，所述射頻匹配網路中包括第一濾波器用於使所述高頻射頻功率通過，還包括第二濾波器用於使所述諧波射頻功率通過且阻止所述高頻射頻功率通過，同時所述絕緣環的介電常數需要小於3.5。通過上述綜合設計可以使得諧波射頻功率被絕緣環阻擋，只能流向下方對諧波射頻功率阻抗交低的第二濾波器，從而將對等離子處理效果產生嚴重干擾的諧波射頻功率消耗在匹配網路中。

10:氣體噴淋頭

11:上接地環

12:導電安裝板

13:反應腔頂蓋

14:反應腔

15:移動環

17:中接地環

18:等離子約束環

19:排氣腔

2:射頻電纜

20:等離子體

21:耦合環

3:下接地環

3a,3b:下接地環的部分

4:設備板

5:導電基座

6:靜電夾盤

7:第一絕緣環

71,72,81,82:絕緣環

8:第二絕緣環

9a:聚焦環

9b:邊緣環

RF1:高頻射頻功率

RF1a:高頻射頻功率的主路徑

RF1b:高頻射頻功率的第一分支路徑

RF1c:高頻射頻功率的第二分支路徑

RF2:諧波射頻功率

RF2a,RF2b,RF2c,RF2d,RF2e:諧波射頻功率的路徑

RF2E:射頻傳播路徑

圖1為一種等離子處理器和高頻射頻功率流動路徑示意圖；圖2為一種等離子處理器和高頻諧波射頻功率流通路徑示意圖；圖3是本發明一種等離子處理器和高頻諧波射頻功率流通路徑示意圖；圖4a示出本發明與習知技術相比執行等離子處理製程A時蝕刻速率分佈圖；圖4b示出本發明與習知技術相比執行等離子處理製程B時蝕刻速率分佈圖；圖5是本發明等離子處理器的另一實施例的示意圖；以及圖6是本發明等離子處理器另一實施例中射頻匹配網路結構示意圖。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本發明所屬技術領域中具有通常知識者沒有做出具進步性改變的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是一個電容耦合等離子體反應器結構示意圖，包括：反應腔14，反應腔14底部包括一個導電基座5同時作為下電極，導電基座5的上方設置有靜電夾盤6用於固定待處理晶圓和控制晶圓溫度。導電基座5的下方還包括一塊設備板4，設備板4與導電基座5均可以是由鋁或者其它導電材料製成或者設備板4是由陶瓷材料製成，兩者互相緊密固定使得設備板4的上方與下方的大氣環境氣體密封。一個高頻(HF)射頻電源和一個低頻(LF)射頻電源通過一個射頻匹配網路和一個射頻電纜2連接到設備板4或者導電基座(下電極)5，將兩個頻率的射頻功率有效施加到等離子處理器中。靜電夾盤6的周邊設置聚焦環9a和邊緣環9b，用以調整晶圓邊緣區域的電場分佈和鞘層厚度，實現更均勻的等離子蝕刻效果。呈圓盤形的導電基座(下電極)5和設備板4的周邊還設置有接地的下接地環3，下接地環3包括包圍下電極側壁的3a部分和包圍設備板4外側壁和部分底部的3b部分。在導電基座(下電極)5、設備板4與所述下接地環3之間還設置絕緣裝置實現射頻功率輻射區(RF hot)與下接地環3之間的隔離，減少饋入導電基座(下電極)5的射頻功率的損耗。其中絕緣裝置可以包括有上下設置第一絕緣環7和第二絕緣環8，第一絕緣環7、第二絕緣環8的材料通常是石英或者氧化鋁等陶瓷製成。

與導電基座5相對的反應腔14頂部包括一個氣體噴淋頭10，氣體噴淋頭10同時作為上電極與下電極互相電場耦合，也作為進氣機構向下均勻輸送反應氣體到晶圓表面。氣體噴淋頭10的上方通過一導電安裝板12固定到反應腔頂蓋13。氣體噴淋頭10周邊還可以選擇設置上接地環11，調整氣體噴淋頭10的射頻電流路徑。氣體噴淋頭10的周邊可以選擇性的設置移動環15，可以上下移動的移動環15可以約束反應腔內的等離子體和氣流分佈形態。

在等離子蝕刻過程中兩個射頻功率都經過射頻匹配電網路被有效輸送導電基座(下電極)5。其中高頻射頻電源的輸出頻率可以是13.56Mhz、27Mhz或者更高頻率以使得上下電極之間產生足夠且均已分佈的等離子濃度。低頻射頻電源輸出2Mhz、400Khz等較低頻率的射頻功率，以控制晶圓以及晶圓周邊區域的等離子體鞘層厚度，其中鞘層厚度和形態直接決定了離子向下入射的能量大小和入射方向。為了改善晶圓上等離子體蝕刻處理效果的均一性，需要晶圓從中心到邊緣都具有基本一致的等離子濃度和鞘層厚度(離子入射能量和方向)。

如圖1中所示高頻射頻功率RF1在等離子處理過程中的傳遞路徑，包括主路徑RF1a：高頻射頻功率RF1從導電基座(下電極)5經過等離子體(圖中未示出)到上電極，然後依次經過反應腔頂蓋13、反應腔14側壁和中接地環17到達下接地環3接入大地。第一分支路徑RF1b：高頻射頻功率RF1經過等離子體直接耦合到位於下接地環3和反應腔14側壁之間的等離子約束環18、中接地環17，最後彙集到下接地環3。第二分支路徑RF1c：少量高頻射頻功率從導電基座(下電極)5直接穿過第一絕緣環7和第二絕緣環8到達下接地環3，最終留流入接地端。根據大量測試資料發現電容耦合等離子處理器中的等離子濃度通常為中心高邊緣低的分佈，或者中心、邊緣、中間區域濃度漸低的W形分佈。

一種改善等離子處理效果均一性的方法，包括調整主路徑RF1a上的阻抗或者第一分支路徑RF1b上的阻抗。通過上述兩個路徑的阻抗調整可以部分改善等離子濃度的均一性，研發人員在這兩個路徑上改變各個零部件的尺寸、材料組合、設置可調阻抗電路等各個方法，但是只能改善晶圓邊緣區域的等離子濃度均一性，對於晶圓中心區域的等離子濃度偏高仍然無法有效解決。

另一種方法是在導電基座內或者上電極內的不同區域設置具有不同厚度的介電材料層，以抵消因高頻射頻功率空間分佈不均帶來的等離子體不均勻性。但是這種方法只能部分抵消原始的不均勻性，而且遇到不同製程參數時需要重新設計不同的介電材料層組合，實際應用時不僅研發成本高而且使得等離子處理器可調節範圍極小，無法適應日新月異的製程需求。

發明人基於上文描述的技術問題，對習知技術中採用各種技術手段都無法使得等離子濃度均一性達到足夠的水準進行了深入研究。業內基於輸入的高頻射頻功率RF1的研究一直無法找到導致等離子濃度明顯不均的原因，而且嘗試採用各種功率分配調節手段來補償均勻性問題，都只能實現部分改善，無法徹底解決晶圓中心等離子濃度明顯偏高的問題，因此這一問題也成為多年來長期存在而無法有效解決的重大問題。

經過發明人研究最終發現，導致這一長期未解決的問題根源並不是傳統認為的由於基礎頻率(40Mhz、60Mhz等)在反應腔內不同路徑的功率分配比例不同造成的，而是由於基礎高頻射頻訊號衍生出的諧波射頻功率在反應腔內迴圈積累導致的。

圖2是一種等離子處理器和相應的高頻諧波射頻功率流通路徑示意圖。具有基礎頻率(如60Mhz)的高頻射頻功率RF1被輸送入導電基座(下電極)5之後，在上下電極之間產生了等離子體20，由於等離子體20是非線性阻抗，基礎頻率(60Mhz)會衍生出較大功率的諧波射頻功率RF2(120Mhz、180Mhz等)。這些諧波射頻功率RF2從等離子體20中向周圍各個傳輸路徑擴散，包括最大功率比例的路徑RF2a，經過氣體噴淋頭(上電極)10、導電安裝板12、反應腔頂蓋13、反應腔14側壁、中接地環17，到達下接地環3之後，大量諧波射頻功率RF2並不是如預期的那樣向下流入接地端，而是有大量諧波射頻功率RF2耦合越過第一絕緣環7、第二絕緣環8到達導電基座(下電極)5，並繼續在上述回路中持續迴圈。對於諧波射頻功率RF2來說，極高的射頻頻率導致下接地環3到導電基座(下電極)5之間的等效電容Ch很大，相應的等效阻抗很小。下接地環3從與中接地環17連接處沿下接地環17側壁向下接入射頻匹配網路的接地端。對於上述諧波頻率RF2的射頻訊號來說，RF2e路徑上的等效電感Lh產生的阻抗會大於RF2d路徑上等效電容Ch產生的阻抗。因此大量諧波頻率的射頻功率會經過路徑RF2d參與迴圈，只有少量射頻功率經過路徑RF2e向下流入接地端。此外從等離子體20經過路徑RF2b耦合到中接地環17的部分諧波射頻功率也會由於阻抗分配的原因，主要能量會在路徑RF2a-RF2d中迴圈。同樣的道理，從等離子體20向下經過路徑RF2d-RF2a的反向的諧波射頻電流也會在整個迴圈中持續進行。部分諧波射頻功率從等離子體20向下經過導電基座(下電極)5、設備板4和射頻電纜2向下流入射頻匹配網路甚至更遠端的射頻電源，這一部分流動路徑構成了另一個射頻傳播路徑RF2E，由於射頻匹配網路中存在濾波器和其它電感性元件，所以頻率極高的諧波射頻功率會在匹配網路中變成熱能等其它能量消耗掉，不再返回上方的上下電極之間的晶圓處理區域。由於射頻匹配網路存在電感的元元件，所以對諧波射頻頻率的訊號阻抗較大，遠大於上述諧波射頻迴圈路徑RF2a-RF2d上的等效阻抗，所以只有少數射頻電流會向下流入路徑RF2E並被消耗掉。從上述各個路徑的阻抗比例就可以發現，從等離子體20產生的極高頻率的諧波射頻功率RF2，除了少數功率經過路徑RF2e和路徑RF2E流出反應腔14外，大部分都是在路徑RF2a-RF2d共同構成的回路中迴圈疊加，持續輸入反應腔14的具有基礎頻率的高頻射頻功率RF1中的一部分功率會轉換為諧波射頻功率RF2，根據射頻頻率和製程參數的不同，諧波射頻功率RF2的數值約為輸入基礎頻率的高頻射頻功率RF1的10~50%左右，在持續的迴圈過程中由於大部分諧波射頻功率RF2持續積累達到一個很可觀的功率，最終達到一個平衡狀態。與之相反的是，持續輸入基礎頻率的高頻射頻功率RF1卻會沿著圖1所述下接地環3向下流入接地端，不會形成長期積累。這種基礎頻率的高頻射頻功率RF1在反應腔14內持續流出，而諧波射頻功率RF2不斷積累的過程，最終導致原本遠小於輸入基礎頻率的高頻射頻功率RF1的諧波射頻功率RF2對反應腔14內的等離子濃度產生的遠超預期的影響。

基於上述發現，發明人提出了一種等離子體處理器，包括：反應腔14，其內底部設有導電基座5，所述導電基座5通過射頻匹配網路電路連接到射頻電源裝置，所述導電基座5上設有靜電夾盤6，所述靜電夾盤6的上表面用於吸附待處理基片，所述待處理基片上方包括與導電基座5相對的上電極和反應腔頂蓋13；設備板4，位於所述導電基座5的下方；一下接地環3圍繞導電基座5和設備板4的側面和部分底面，一個或多個絕緣環71、81設置於導電基座5、設備板4與下接地環3之間；一個中接地環17電連接於下接地環3和反應腔14內壁之間；一個高頻射頻電源和一個低頻射頻電源通過射頻匹配網路輸送射頻功率到導電基座。其中絕緣環71、81由有機聚合物製成，特別是介電常數小於3.5的各種樹脂材料，如PTFE、聚醯亞胺等。圖3是本發明採用特殊材料製成的絕緣環後，諧波射頻功率RF2在各個路徑中的功率比例描述。絕緣環71、81由於選用了低介電常數的材料，所以其等效電容Ch也變小，對諧波射頻訊號的阻抗也大幅增加。經過測算，圖1中的絕緣環7、8上對諧波射頻訊號的阻抗只有3歐姆，變換為低介電材料絕緣環71、81後其阻抗值增加到十幾歐姆，再加上諧波射頻迴圈路徑(RF2a-RF2d)中其它零部件的阻抗，最終使得諧波射頻迴圈路徑的綜合阻抗與經過射頻匹配網路接地電路的阻抗接近甚至更大。從圖3中可以看到，這樣的阻抗比例下，流經射頻匹配網路的路徑RF2E和RF2e的射頻功率會大於經過絕緣環71、81耦合路徑RF2d傳播的諧波射頻功率。這樣參與諧波射頻迴圈路(經過RF2d路徑)的射頻功率大幅減少，在RF2E路徑上被消耗掉或者經RF2e路徑匯出的諧波射頻功RF2率占大多數。由於大量諧波射頻功率RF2不再參與迴圈積累，而諧波射頻功率RF2本身只占輸入基礎頻率的高頻射頻功率的一小部分，所以諧波射頻功率RF2不再對晶圓上方的等離子濃度分佈產生重要影響。

如圖4a所示為本發明與習知技術相比執行等離子處理製程A時蝕刻速率分佈圖，從圖中可見採用陶瓷材料的絕緣環時其蝕刻率從晶圓中心到晶圓邊緣形成一個W形分佈，蝕刻率最高的中心位置達到4200A/min，蝕刻率最低的中間區域約為3800A/min，兩者的蝕刻率差距達到10%左右。如此大的差距即使採用其它各種補償手段也很難達到1-2%的蝕刻速率均一性要求。本發明的技術方案中絕緣環採用Ultem材料製成，此時的中心位置最高蝕刻率為3739A/min，晶圓上最低蝕刻率也達到3692A/min，兩者的差距只有1%左右，極大的提高了蝕刻均一性。採用本發明技術方案後由於等離子濃度均一性問題得到極大改善，所以可以在反應腔內有限的空間內將各種技術調節手段用於改善其它指標(如溫度均一性、氣流分佈等)，節省大量研發成本和內部空間。

本發明的技術方案在各種等離子處理製程中均能取得顯著的效果，圖4b是本發明與習知技術相比執行等離子處理製程B時的蝕刻速率分佈圖。圖中可以看到習知技術等離子處理器在進行製程B處理時，蝕刻速率分佈呈現從中心到邊緣逐漸降低的形態。其中中心最高點蝕刻速率可以達到6146A/min，邊緣區域最低點只有5564A/min，兩者的差距也是10%左右。採用本發明的等離子處理器後器蝕刻速率分佈曲線明顯改善，最高蝕刻率和最低蝕刻率的比值4990：4945，兩者的差距也在1%以內。

本發明中的絕緣環71、81的形狀可以有多種選擇，比如絕緣環71可以進一步包括一些向內側延伸的部分或者向上或者向下延伸的部分，或者絕緣環71、81可以分割為更多個環狀部件的組合，或者可以集成為一個零部件，只要這種絕緣環元件能夠實現導電基座(下電極)5 與下接地環3之間的電隔離，使兩者之間的等效電容明顯小於習知技術中的等效電容。絕緣環71、81除了是固體的樹脂材料製成，也可以由一個固體環和一個環狀的介電係數調節腔組合而成，其仲介電係數調節腔中充入介電材料液體，通過改變介電液體的液位高度和液體種類也能實現絕緣環中整體介電常數的可調。介電常數可調後，等效電容Ch以及流過路徑RF2d的諧波射頻功率比例也可調節了。

本發明中的中接地環17電連接在下接地環3的側壁的部分3a與反應腔14內壁之間，實現基礎頻率的高頻射頻功率RF1和諧波射頻功率RF2的回流。中接地環17可以是多個放射狀的輻條，這些輻條一端連接到下接地環3的側壁的部分3a另一端連接到反應腔14內壁。中接地環17也可以是一個導電的板，板上開設大量氣體通孔，使得經過上方等離子約束環18向下流動的氣體能夠穿過上述通孔到達下方的排氣腔19。排氣腔19進一步連接到包括抽氣泵、閥板在內的排氣系統，排出反應副產物氣體並控制反應腔14內壓力大小。中接地環17的內外側可以通過機械方式分別與下接地環3的側壁的部分3a的導電面或者反應腔14內壁的導電固定機構互相壓緊，實現良好的導電能力。中接地環17的一側，比如靠近反應腔14內壁的外側可以不與反應腔14內壁緊貼，而是通過一個額外的導電部件與反應腔14內壁電連接，該導電部件可以是具有足夠彈性的導電連接部，或者導電部件上可以串聯一個特殊設計的阻抗裝置或者一個可變阻抗裝置，如一個可變電容等。這個阻抗裝置不僅可以改變諧波射頻功率的分配還能調節基礎頻率的高頻射頻功率路徑分配。通過絕緣環71、81與上述阻抗裝置的共同作用可以更好的調節等離子體的分佈均一性。

本發明還提供另一實施例，如圖5所示，其中絕緣環72的厚度可以包圍下電極(導電基座)和設備板的外周圍，絕緣環82設置在設備板下方只隔離設備板與下接地環3的部分3b。其中本發明由於絕緣環72、 82採用了有機聚合物，比採用的陶瓷材料具有更低的熱導率和更大的熱膨脹係數，所以在同樣的處理環境下，溫升導致的絕緣環膨脹會劇烈。導電基座5中通常還設置有冷卻液管路，通過冷卻液流通控制下電極的溫度基本穩定，但是等離子體產生的大量熱量卻會經過絕緣環72上方的聚焦環9a、邊緣環9b向下傳遞導致絕緣環體膨脹。大幅膨脹會導致絕緣環72周圍的聚焦環9a、邊緣環9b會被破抬升，外側的下接地環3的部分3a向外擴展，這會導致等離子處理器的很多參數發生偏移。另一方面等離子處理結束後，溫度恢復到初始值，這些零部件發生的形變和位移並不能保證恢復到初始狀態，所以這些變形會導致零部件永久性的損壞。為了解決這一問題，本發明在絕緣環72上方設置一個陶瓷(Al₂O₃)耦合環21，耦合環21覆蓋絕緣環72上表面，且耦合環21位於內側的底面與導電基座5緊密接觸實現大量熱傳導，所以上方等離子體的熱量被有效傳導到溫度穩定的導電基座5。從上方等離子流入絕緣環72的熱量也大量減少，避免了因樹脂材料絕緣環熱膨脹係數過高導致的對等離子處理製程的干擾。上述耦合環21可以是一個整體環覆蓋導電基座5外側部分上表面和絕緣環72的上表面，也可以是多個環的組合，只要能阻止熱量向下流入絕緣環72的環狀結構均屬於本發明定義的耦合環。其中耦合環21只要能覆蓋絕緣環大部分表面就能實現防止其大幅升溫，不必是完全覆蓋也能實現本發明目的。

如圖6所示，本發明中的射頻匹配網路可以包括兩個匹配電路，分別實現對上述高頻射頻功率和低頻射頻功率的匹配，還可以包括至少兩個濾波電路分別只允許高頻射頻頻率和低頻射頻頻率的功率通過，防止其它頻率的訊號反向通過倒流入下方的射頻電源。進一步的，根據本發明揭露的導致晶圓上等離子分佈不均一的原因為諧波射頻功率無法被快速消耗，而是在反應腔內迴圈積累現象，本發明的射頻匹配網路中可以設置一個諧波濾波器，對上述諧波射頻功率RF2(120Mhz、180Mhz) 具有較底阻抗，同時阻止從HF射頻功率源輸入反應腔的功率(60Mhz)從該諧波濾波器流出。如圖6中所示，諧波濾波器連接在高頻濾波器兩端，也可以是並聯在低頻濾波器兩端。通過諧波濾波器的設置可以進一步降低射頻匹配網路對諧波射頻訊號的阻抗，結合較低的等效電容Ch最終使得更多的諧波射頻功率通過連到下電極的射頻電纜向下進入射頻匹配網路並被消耗掉，不再進入上述諧波射頻迴圈路徑。其中諧波濾波器中可以包括一個可變電容或者可變電感，使得諧波濾波器對基礎頻率和諧波頻率的阻抗比值可調，這樣就能調節諧波射頻功率流入射頻匹配網路的功率，也就能調節晶圓上等離子濃度分佈。對於部分等離子處理製程來說，需要中心的等離子濃度略高以補償其它參數的不均衡，採用阻抗可調的諧波濾波器就可以在保證晶圓上大致等離子濃度均勻的基礎上，微量調整濃度分佈，實現更好的等離子處理效果。

本發明中通過改變絕緣環的材料選擇，可以使得電容耦合等離子處理器中產生的諧波射頻功率更多的沿著頻電纜流入射頻匹配網路被消耗掉。進一步的可以通過在射頻匹配網路或者射頻電纜的任意位置處設置上述諧波濾波器，將諧波射頻功率有效匯出。只要輸入的基礎頻率足夠高(40Mhz、60Mhz、100Mhz等)，都會在反應腔內產生大量諧波射頻功率，根據頻率和具體製程參數的不同，其中10-50%的輸入射頻功率轉變為諧波射頻功率。本發明通過上述多種材料的絕緣環或者電路設計，使得輸入反應腔產生的諧波射頻功率大部分功率(50%)，也就是輸入高頻射頻功率RF1中的5-25%以上，或者以上較佳的10%以上，經過射頻電纜向下導入射頻匹配網路，不再進入諧波射頻迴圈路徑，也就能大幅改善等離子處理效果的均一性。

本發明所述等離子處理不限於等離子蝕刻，也可以是等離子輔助化學氣相沉積(PECVD)等，只要是需要輸入高頻(40Mhz以上)射頻功率，利用該高頻射頻功率產生的等離子進行加工的等離子處理設備均可以採用本發明提供的技術方案。在PECVD之類等離子處理領域由於不需要向下蝕刻，所以低頻射頻功率不再需要，只要輸入高頻射頻功率到安裝基片的導電基座就可以。本發明揭示了高頻射頻功率應用到電容耦合等離子處理腔時產生等離子濃度分佈不均的根本原因，提出了選擇低介電常數絕緣環或者改變射頻匹配網路對諧波射頻訊號的阻抗等多種方法，引導更多諧波射頻功率流入射頻匹配網路，減少諧波射頻功率進入迴圈路徑的功率比例。使得諧波射頻功率對等離子分佈的均一性的干擾最小化。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。