CN102301833A - 用于多电极电感等离子体源的无源功率分配 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的系统、方法和装置。示例性系统包括设置为在所述初级电感器被有源地施加功率时激励所述等离子体的初级电感器；至少一个次级电感器，定位于邻近于所述初级电感器，以使得通过所述次级电感器的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生。此外，至少一个端接元件耦合至所述至少一个次级电感器，所述至少一个端接元件影响通过所述至少一个次级电感器的电流，以影响所述等离子体的所述空间分布。

Description

用于多电极电感等离子体源的无源功率分配
优先权
本申请要求享有2009年2月2日递交的发明名称为“PASSIVE POWERDISTRIBUTION FOR MULTIPLE ELECTRODE INDUCTIVE PLASMASOURCE”的临时申请No.61/149,187的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及等离子体处理。具体但非限制性地，本发明涉及用于向多电极电感等离子体处理腔室施加和分配功率的系统、方法和装置。
背景技术
电感耦合的等离子体处理系统被用来执行包括蚀刻处理和化学气相沉积处理的各种处理。在许多典型的应用中，电感线圈天线缠绕在反应腔室周围并且由RF功率有源地驱动以促进腔室中等离子体的点燃(并且将等离子体维持在腔室中)。
已经开发了利用单个发生器来驱动两个线圈天线的系统。在这些系统中，发生器通常耦合(例如通过RF匹配)到第一线圈并且串联电容器将第一线圈耦合至第二线圈以使得这两个线圈一起由发生器有源地驱动(例如通过RF阻抗匹配有源地驱动)。
发明内容
以下总结附图中示出的本发明的示例性实施例。在具体实施方式部分更加充分地描述了这些和其它实施例。然而应理解，并非旨在将本发明局限于在发明内容部分或者在具体实施方式中描述的形式。本领域的普通技术人员能够意识到，存在落入如在权利要求中表述的本发明的精神和范围内的各种修改、等同物和替代构造。
本发明的一个实施例的特征在于一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的系统，该实施例中的系统包括初级电感器，所述初级电感器设置为在所述初级电感器被有源地施加功率时激励所述等离子体；至少一个次级电感器，所述至少一个次级电感器定位为邻近于所述初级电感器以使得通过所述次级电感器的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生；以及至少一个端接元件，耦合至所述至少一个次级电感器，所述至少一个端接元件影响通过所述至少一个次级电感器的电流，以影响所述等离子体的所述空间分布。
另一实施例的特征在于一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的方法，该处理腔室包括初级电感器和N个次级电感器。所述方法包括利用所述初级电感器激励所述处理腔室中的等离子体；通过所述等离子体将所述初级电感器电感耦合至N个次级电感器中的每一个次级电感器，其中N等于或者大于一；以及端接所述N个次级电感器中的每一个次级电感器，以使得通过所述N个次级电感器中的每一个次级电感器的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生，通过所述N个次级电感器中的每一个次级电感器的电流影响所述等离子体的所述空间分布。
本发明的又一实施例的特征在于一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的装置。所述装置包括配置为耦合至所述等离子体处理腔室的初级电感器并且向所述初级电感器有源地施加功率的初级端子；配置为耦合至所述等离子体处理腔室的相应的次级电感器的次级端子；以及耦合至所述次级端子的端接元件，所述端接元件设置为向流经所述次级电感部件的电流提供路径，其中通过所述次级电感器和所述端接元件的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生。
附图说明
通过参照结合附图的以下详细描述以及所附权利要求，本发明的各种目的和优点以及更加完整的理解将变得明显并且更加容易意识到，在附图中：
图1所示为本发明示例性实施例的方框图；
图2所示为本发明另一示例性实施例的方框图；
图3所示为本发明又一实施例的方框图；以及
图4所示为可以结合参照图1-3描述的实施例一起实施的方法的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，其中在附图中使用相同的附图标记指代相同或者类似的元件，并且具体参照图1，示出了电感耦合等离子体处理系统100，其包括由发生器104(经由匹配106)有源驱动的初级线圈102，用以在等离子体处理腔室110中点燃和维持等离子体108。如图所示，该示例性系统100包括电感耦合至等离子体108的N个次级线圈L1-N，并且等离子体108电感耦合至初级线圈102。因此，次级线圈L1-N经由等离子体108电感耦合至初级线圈102，从而通过等离子体108向次级线圈L1-N施加功率。
如所描绘的，N个无源元件1121-N中的每一个耦合至N个次级线圈L1-N的相应一个，该N个无源元件1121-N无源端接N个次级线圈L1-N中的每一个。这一架构与依赖于有源驱动每一个线圈L1-N的已知技术(例如上面描述的)非常不同。有益的是，由于次级电感器不是有源驱动的，因此次级线圈可以更加容易地放置在腔室110周围并且由于次级电感器L1-N是通过经由等离子体108到初级线圈102的互耦来驱动的，因此更加方便地实现等离子体空间均匀性控制，并且因此，不需要直接功率馈送。以这一方式能够增加多个次级线圈，由于额外供电馈送的内在复杂性和成本，增加多个直接供电的次级线圈的方式是不实用的。因而，能够以更加成本有效的方式来操控等离子体密度。
在操作中，通过匹配106向初级线圈102施加功率，这有效地将功率施加至腔室110，并且一旦点燃，等离子体108有效地作为变压器的次级来操作，并且在等离子体108中感生出的电流在次级线圈L1-N中感生出电流。反过来，在次级线圈L1-N中感生出的电流在等离子体108中感生出电流并且影响邻近每一个次级线圈L1-N的区域中的等离子体108的密度。
在该示例性实施例中，所示为可变电容器的N个无源元件1121-N能够调节通过N个线圈L1-N中的每一个的电流；因而能够调节初级线圈102和N个次级线圈L1-N之间的电流比。结果，可以调节在邻近初级线圈102和次级线圈L1-N中的每一个的区域中的等离子体密度。
发生器104可以是13.56MHz发生器，但是这不是必需的并且当然可以设计其它频率。而且可以通过各种匹配网络架构来实现匹配106。本领域的普通技术人员将意识到，匹配106用于将等离子体108的负载匹配到发生器104。通过正确设计匹配网络106(或者在发生器的内部或者如图1所述在外部)，能够将负载的阻抗转换到接近发生器的期望负载阻抗的值。
接下来参照图2，示出了无源元件(例如可变电容器)和匹配均位于相同壳体220内的示例性实施例。如图所示，初级端子221位于壳体220上或者附近，该初级端子221耦合至第一输出导体222，该第一输出导体222将发生器204(通过匹配206和初级端子221)耦合至初级线圈202。并且位于壳体220上或者附近的次级端子223耦合至第二输出导体224，该第二输出导体224将无源端接元件212和次级端子223耦合至次级线圈213。此外，控制部分226(再次也被称为控制器)设置为分别从第一和第二传感器232，234(例如电流换能器)接收指示第一和第二输出导体222，224中的电流水平(其指示临近线圈202，213的区域中等离子体108的密度)。并且控制部分226还设置为控制无源元件212(例如可变电容器)的值(例如电容)。
在图2所示的实施例的变型中，代替电流传感器232，234(或者除了电流传感器232，234)，可以使用其它感测部件(或者位于壳体220内或者位于壳体220外部)以提供对临近线圈213的等离子体密度的指示。例如，可以使用光学传感器来感测等离子体属性(例如等离子体密度)。
应该理解，图2中所示的部件是逻辑性的而不是硬件图。例如，控制部分226和传感器232，234可以分别由分布式部件实现，并且可以通过硬件、固件、软件或者其组合实现。在图2所示的实施例的许多变型中，将所感测的电流水平转换为数字表示，并且控制器226使用电流信号228，230的数字表示来生成控制信号235，用以驱动无源元件212。此外，匹配206可以由控制部分226控制或者可以单独控制。
还应该理解，为了简化，仅示出一个次级线圈213和一个无源端接元件212，但是当然可以设计结合两个或者更多无源端接元件212来实现两个或者更多次级线圈213(例如容纳有匹配的两个或者更多无源端接元件)。
在操作中，发生器204通过匹配206向初级线圈202施加功率并且初级线圈202中的电流(由第一传感器232感测)在等离子体108中感生出电流，该电流接着在次级线圈213中感生出电流。并且由第二传感器234感测流经次级线圈213，并且因而流经第二输出导体224和次级端子223的电流。如参照图1所讨论的，与现有技术的实施方式不同，通过次级线圈213施加到等离子体108的功率是从流经初级线圈202的电流得出的。更具体地说，次级线圈212通过等离子体108从初级线圈202获得功率。
控制部分226、传感器232，234和无源元件212共同形成控制系统，用以控制等离子体的各个方面(例如等离子体的空间分布)。在该实施例中，控制部分226配置为响应于初级和次级线圈202，213中的相对电流水平，以改变无源元件212(例如可变电容器)的值(例如电容)，从而使得初级和次级线圈202，213之间的电流比是与腔室210内的期望等离子体密度分布(profile)相对应的值。尽管未示出，控制部分226可以包括人机界面(例如显示和输入控制)以使得用户能够接收反馈并且方便等离子体108的控制。
接下来参照图3，示出了在邻近腔室的单独壳体(与匹配和控制器分开)中实现的无源端接元件。当前实施例中的部件以与图2所示的部件实质上类似的方式操作，但是也可以将无源元件312实现为单独的设备或者可以与腔室310集成。
接下来参照图4，其是示出可以在参照图1-3描述的实施例中实施的用于控制处理腔室(例如腔室110，210)中等离子体的空间分布的步骤的流程图。如图所示，在向初级电感器(例如初级线圈102，202)施加功率(例如通过发生器104，204经由匹配直接施加)时，腔室中的等离子体被激发(方框402)。此外，初级电感器通过等离子体电感耦合至N(N等于或者大于一)个次级导体(例如次级线圈L1-N，213)中的每一个(方框404)，并且端接N个次级电感器中的每一个，以使得通过N个次级电感器的每一个的实质上全部电流由等离子体与初级电感器的互感产生(方框406)。如前面所讨论的，通过N个次级电感器中的每一个的电流影响等离子体的空间分布。虽然并不需要，但是在一些变型中，可调节通过N个次级电感器的电流以调节等离子体的空间分布(方框408)。
总之，本发明提供能够使用有源驱动的线圈和一个或者多个无源端接的电感器实现可控的等离子体密度的方法、系统和装置等。本领域的普通技术人员能够容易地意识到，可以对本发明、其用途以及其配置做出各种变型和替代来实现如由在此描述的实施例实现的相同结果。因此，并不旨在将本发明限制到所公开的示例性形式。许多修改、变型和替代构造落入所公开的本发明的范围和精神内。

Claims (22)

1.一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的系统，包括：
初级电感器，设置为在所述初级电感器被有源地施加功率时激励所述等离子体；
至少一个次级电感器，定位为邻近于所述初级电感器，以使得通过所述次级电感器的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生；以及
至少一个端接元件，耦合至所述至少一个次级电感器，所述至少一个端接元件影响通过所述至少一个次级电感器的电流，以影响所述等离子体的所述空间分布。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个端接元件包括阻抗可调节的无源端接元件，以使得通过所述至少一个次级电感器的所述电流能够被调节。
3.如权利要求1所述的系统，包括控制器，所述控制器配置为响应于指示所述等离子体的所述空间分布的信号，来调节所述阻抗可调节的无源端接元件的阻抗。
3、如权利要求1所述的系统，包括N个次级电感器和N个端接元件，其中N等于或者大于一，所述N个次级电感器中的每一个次级电感器耦合至所述N个端接元件中的相应一个端接元件。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述N个端接元件中的每一个端接元件包括阻抗可调节的无功端接元件。
5.如权利要求4所述的系统，包括：
N个传感器，所述N个传感器中的每一个传感器提供N个信号中的相应一个信号，所述N个信号中的每一个信号指示邻近于所述N个次级电感器中的相应一个次级电感器的等离子体区域中的等离子体密度；以及
耦合至所述N个传感器和所述N个端接元件的控制器，所述控制器适于响应于所述N个信号来调节通过所述N个端接元件中的每一个端接元件的电流，以调节邻近于所述N个次级电感器的所述等离子体区域中的每一个等离子体区域中的所述等离子体密度。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述N个传感器中的至少一些传感器包括电流传感器，所述电流传感器配置为提供指示通过所述N个次级电感器中的至少一些次级电感器中的相应一个次级电感器的电流的信号，并且其中所述阻抗可调节的无功端接元件中的至少一些阻抗可调节的无功端接元件包括可变电容器。
7.一种用于控制处理腔室中的等离子体的空间分布的方法，所述处理腔室包括初级电感器和N个次级电感器，所述方法包括：
利用所述初级电感器来激励所述处理腔室中的等离子体；
通过所述等离子体将所述初级电感器电感耦合至N个次级电感器中的每一个次级电感器，其中N等于或者大于一；以及
端接所述N个次级电感器中的每一个次级电感器，以使得通过所述N个次级电感器中的每一个次级电感器的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生，通过所述N个次级电感器中的每一个次级电感器的所述电流影响所述等离子体的所述空间分布。
8.如权利要求7所述的方法，其中端接所述N个次级电感器中的每一个次级电感器包括无源地端接所述N个次级电感器中的每一个次级电感器。
9.如权利要求7所述的方法，包括调节通过所述N个次级电感器的电流，以调节所述等离子体的所述空间分布。
10.如权利要求9所述的方法，其中端接包括：将所述N个次级电感器中的每一个次级电感器与阻抗可调节的端接元件端接，并且调节通过所述N个次级电感器的电流包括：通过调节所述阻抗可调节的端接元件中的每一个阻抗可调节的端接元件的阻抗来调节所述电流。
11.如权利要求10所述的方法，包括：
感测指示邻近于所述N个次级电感器的区域中的等离子体密度的至少一个参数，并且响应于所述感测来调节所述阻抗可调节的端接元件的阻抗。
12.如权利要求11所述的方法，包括感测所述N个次级电感器中的每一个次级电感器中的电流，并且通过调节所述阻抗可调节的端接元件的电容来调节所述阻抗可调节的端接元件的阻抗。
13.一种用于控制处理腔室中等离子体的空间分布的装置，包括：
初级端子，配置为耦合至所述等离子体处理腔室的初级电感器并且向所述初级电感器有源地施加功率；
次级端子，配置为耦合至所述等离子体处理腔室的相应的次级电感器；以及
耦合至所述次级端子的端接元件，所述端接元件设置为向流经所述次级电感部件的电流提供路径，其中通过所述次级电感器和所述端接元件的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述端接元件是阻抗可调节的无源端接元件。
15.如权利要求14所述的装置，包括：
控制器，用于响应于指示所述等离子体的所述空间分布的至少一个信号，来控制所述阻抗可调节的无源端接元件的阻抗。
16.如权利要求13所述的装置，其中所述端接元件包括可变电容器。
17.如权利要求13所述的装置，包括：
N个次级端子，配置为耦合至所述等离子体处理腔室的N个次级电感器中的相应一个次级电感器；以及
N个端接元件，所述N个端接元件中的每一个端接元件耦合至所述N个次级端子中的相应一个次级端子，其中N等于或者大于一，并且其中通过所述N个次级电感器和所述N个端接元件的基本全部电流由所述等离子体与所述初级电感器的互感产生。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述N个端接元件中的每一个端接元件包括阻抗可调节的无功端接元件，所述装置包括：
控制器，所述控制器配置为响应于N个信号来调节所述N个阻抗可调节的无功端接元件中的每一个阻抗可调节的无功端接元件的阻抗，所述N个信号中的每一个信号指示所述等离子体的区域的等离子体密度，以使得能够响应于所述N个信号来调节通过所述N个次级电感器和所述N个端接元件的所述电流。
19.如权利要求18所述的装置，包括耦合至所述控制器并配置为提供所述N个信号的N个电流传感器。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述N个电流传感器、所述N个端接元件以及所述控制器位于相同的壳体内。
21.如权利要求19所述的装置，其中所述N个电流传感器、N个端接元件以及所述控制器位于分离的壳体中。
22.如权利要求19所述的装置，包括初级传感器，所述初级传感器用于感测有源地施加到所述等离子体处理腔室的所述初级电感器的功率的电流，其中所述控制器配置为响应于所述初级电感器和所述N个次级电感器中的每一个次级电感器中的相对电流水平来改变所述N个端接元件的阻抗，以使得所述初级电感器和所述N个次级电感器中的每一个次级电感器之间的电流比是与期望的等离子体密度分布相对应的值。
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