CN103153517B - 等离子体点燃和维持的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于产生等离子体的装置，其包括等离子体产生容器以及线圈，所述线圈具有线圈长度以及第一组部分封闭的、纵向取向的导电（PELOC）指状件和第二组PELOC指状件。PELOC指状件组沿着容器的纵轴线取向，使得每个PELOC指状件组部分地封闭容器的周边。两组PELOC指状件被定向为指状件尖端朝向指状件尖端并且相隔组间距离，该组间距离小于线圈长度。
Description
背景技术
在半导体产品的制造中，诸如晶片之类的衬底经过沉积和刻蚀处理而在其上面形成特征。半导体衬底的处理通常在处理步骤之间留有残渣，诸如聚合物沉积物。已使用大气电感耦合等离子体火炬来清洁衬底以便准备进行进一步处理。
为了便于讨论，图1示出了典型的现有技术的大气电感耦合等离子体火炬100，其包括双壁筒状体102。筒状体102通常由石英或类似适合的材料形成。冷却气体入口104容许诸如例如氮气或空气等冷却气体喷射在筒状体的壁之间以便在使用过程中对双壁筒状体102进行热调节。通过采用适当的冷却气体，防止由于来自其中的等离子体的高散热对大气电感耦合等离子体火炬100造成热损伤。
线圈106被显示为缠绕到双壁筒状体102的外周上。在使用过程中，处理气体（例如，氢气或氮气）通过处理气体入口108被导入到筒状体102的内部容积中。当适当的驱动器RF信号（例如，处于40MHz）被供给到线圈106时，线圈106充当串联LC谐振电路的部分以从处理气体激发出等离子体。为了帮助在使用过程中冷却线圈106，线圈被设计为允许液体冷却剂流过其中的管。
形成在大气电感耦合等离子体火炬100内的电感耦合等离子体从开口120射出。从开口120射出的等离子体的热喷射流随后可用于在离子注入处理之后从衬底移除或清除诸如不期望的聚合物沉积物之类的材料。
如已知的，跨过线圈106的电感电压为驱动器RF信号的频率的函数。在40MHz时，典型的大气电感耦合等离子体火炬可经受线圈106的端部之间的例如高达20KV（峰间值）。在典型的大气条件下，高的感应电压是点燃等离子体所需要的。
然而，在现有技术中采用的高的RF驱动器频率（例如，40MHz或更高）呈现出成本和工程方面的难题。例如，许多处理系统已经采用低频RF源（例如，10-30MHz，诸如13.56MHz或27.12MHz）用于刻蚀和沉积。因此，用于低频子系统的设计、制造、质量管理和维护的部件和专门技术是易于以较低成本提供的。此外，当采用较低的驱动器RF频率时，提高了工具间的可重复性。
本发明涉及用于尤其在大气电感耦合等离子体火炬中以及总体在电感耦合等离子体工具中提高等离子体点燃的方法和装置。
附图说明
本发明是在附图的图中通过举例说明的方式而不是限制的方式阐述的，在附图中相似的附图标记指代相似的元件，并且其中：
为了便于讨论，图1示出了典型的现有技术的大气电感耦合等离子体火炬。
图2示出了依照本发明的实施方式的本发明的实现示例。
具体实施方式
现在将参照如附图中所示的本发明的几个实施例来详细地说明本发明。在下文的描述中，为了提供对本发明的全面理解，阐述了多个具体的细节。然而，对于本领域技术人员而言显然的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下来实施本发明。在其它实例中，为了不造成不必要地模糊本发明，未对公知的处理步骤和/结构进行详细描述。
一般而言，等离子体点燃取决于在既定气柱上施加的电场的强度。在更具体的螺线管线圈的实例中，点燃取决于螺线管内部的电场的强度。
电场通常由下面的等式1表达。
E=V/L等式1
其中，V为线圈端部之间的感应电压，E为电场的强度，并且L为线圈的长度。应当注意的是，所谓的“L，线圈长度”是指线圈螺线管的长度，而不是用于缠绕线圈的缆线的长度。
发明人在此处实现了，如果线圈的有效长度L能够减小，则对于线圈上的相同的感应电压，能够获得较强的电场E。替代地或者附加地，如果感应电压V减小（由于例如驱动器RF频率的减小），则仍可通过减小线圈的有效长度来生成能够令人满意地点燃等离子体的电场。
在一个或多个实施例中，提供了部分封闭的、纵向取向的导电（PELOC）指状件，其有效地减小线圈的有效长度。PELOC指状件，如其名称所暗示的，为由导电材料制成的导电的带或叉或齿或突起（本文中通称为“指状件”），其布置在石英筒状体的外部并且沿着大气电感耦合等离子体火炬的石英筒状体的纵轴线取向。设置有两组指状件，每组指状件与不同的线圈端部连接。每组指状件相对于筒状体纵向地布置，同时使得第一组指状件以空间分离的方式指向第二组指状件（并且反之亦然）。本发明的实施例还涉及用于制造、准备、操作和维护用于大气电感耦合等离子体火炬的这些增强件的技术。
图2示出了依照本发明的实施例的示例配置，其中PELOC指状件组202的导电指状件相对于筒状体210的纵轴线220纵向地布置。同样，PELOC指状件组204的导电指状件相对于筒状体210的纵轴线220纵向地布置。PELOC指状件组202和PELOC指状件组204被布置成使得PELOC指状件组202的指状件尖端指向朝向PELOC指状件组204的指状件尖端的方向。可以看出，PELOC指状件组202的导电指状件和PELOC指状件组204的导电指状件在空间上沿着筒状体210的纵轴线220相隔组到组的间隙A。
PELOC指状件组202的导电指状件仅部分地封闭筒状体210的周边，得到如图所示的组内间隙B。同样，PELOC指状件组204的导电指状件仅部分地封闭筒状体210的周边，得到如图所示的组内间隙C。下文中将更加详细地讨论这些特征和间隙。
通过以本文描述的方式使用纵向取向的导电指状件，允许从线圈发出的磁场线进一步向内前进并且穿透石英管210以在火炬内部感应出维持等离子体的循环电流。因为上述指状件主要平行于磁场线的方向取向，所以这是可能的。组内间隙B实质上减少了PELOC指状件的基部中的循环电流的出现，这将不必要地消耗电力，因为其将产生加热PELOC指状件的内部的电流。如果每个指状件组的纵向取向的导电指状件已由相同尺寸的固体导电带替代，则不期望的循环电流将形成在固体导电带中。此外，以本文所述的方式使用纵向取向的导电指状件将线圈电压下降的物理距离从线圈长度L减小至组间间隙A。对于既定的感应电压，长度的该减小按近似比率L/A增加了电场强度增强。由于该原因，可通过跨过线圈的较小的感应电压来实现等离子体点燃。
如上所述，每组PELOC指状件与不同的线圈端部联接（经由例如图2中的导线230和232），并且与线圈长度L相比而言指状件尖端彼此较大的紧邻度A是用于减小线圈电压下降的物理距离（作为示例，在图2中示出了五匝式线圈长度L）。再有，因为PELOC指状件组以部分封闭的方式一起较靠近地布置在筒状体的外部，所以存在这种情况。组到组间隙A（术语“组到组”或“组间”表示沿着筒状体的纵轴线从一组指状件到另一组指状件的指状件尖端到指状件尖端的间隙）优选地尽可能小以使该有效的线圈长度最小。然而，一般而言，组到组间隙A不应如此小以至于在PELOC指状件组202的指状件和PELOC指状件组204的指状件之间发生电弧放电。此外，组到组间隙A也不应如此小以至于使得在PELOC指状件组202的指状件和PELOC指状件组204的指状件之间发生不期望的筒状体外部的等离子体形成。
在实施例中，对于特定的火炬，采用经验方法来确定组到组间隙A。首先，将两个PELOC指状件组部分地缠绕到筒状体上并且沿着筒状体的纵轴线排列。在这点上，指状件组被定位成使得它们彼此远离，而仍满足由筒状体的尺寸所施加的形状因数约束且仍能够在筒状体的内部点燃等离子体（但是在该间隙距离处的线圈的较大的有效长度将要求相当高的线圈电压来产生点燃等离子体的必要的E场）。这对组到组间隙A的尺寸施加了上限。
然后，PELOC指状件组沿着腔室的纵轴线朝向彼此渐进地移动。在某点处，组到组间隙A变得如此小以至于发生电弧放电或者发生电弧放电的可能性变得不可接受地高。此外，由于使得组到组间隙A较小，所以存在如下风险：如果组到组间隙A中建立的电场足够高，则可能发生环境空气的等离子体点燃。在筒状体外部的这种非可控的环境空气的等离子体点燃是不期望发生的。不允许电弧放电或者不期望的环境空气点燃发生的最小的组到组间隙A确立了组到组间隙A的尺寸的下界。
所确立的组到组间隙A的上界和下界之间的窗是适合的工作窗。在优选的实施例中，组到组间隙A被设定为尽可能小，只要防止电弧放电或不期望的筒状体外部等离子体点燃即可。该用于组到组间隙A的最小间隙距离确保了线圈的有效长度保持为最小，同时确保不发生电弧放电或不期望的等离子体点燃。
优选地，任一组PELOC指状件的所有指状件彼此电联接。对于每组PELOC指状件，各个指状件在相互电连接的同时沿着筒状体的纵轴线纵向地对准，如之前所讨论的。设置组内间隙B（见图2），使得每个PELOC指状件组的指状件仅部分地封闭筒状体的外圆周或外周边（例如，如果筒状体不是圆形）。该间隙在本文中被称为“组内”间隙，其规定了为实现“部分封闭”特征而在PELOC指状件组的电连接的指状件之间进行的间断的尺寸。
组内间隙B的存在确保在每组PELOC指状件的指状件之间循环电流最小。根据与组到组间隙A的设计类似的考虑（例如，电弧放电避免）来设计组内间隙B的尺寸。在一个或多个实施例中，组内间隙B优选地尽可能小以使所产生的电场和所感应的磁场的非均匀度最小化。在本发明的一个或多个实施例中，这种非均匀度可能影响所产生的等离子体的均匀度并且尽可能地最小化。
在实施例中，导电材料条或导电“棘状突起”被设置以按电气方式和在结构上将每组PELOC指状件的指状件连接到一起。两个“棘状突起”中的每个随后与线圈端部（在图2中标示为230和232）中的一个连接。在该配置中，指状件与梳的齿类似。当围绕大气电感耦合等离子体火炬的筒状体布置时，在该配置中可以看到两组PELOC指状件，因为两个梳的齿面向彼此并且齿尖端到齿尖端相隔组到组间隙。每个“梳”部分地缠绕到大气电感耦合等离子体火炬的筒状体上，使得存在组内间隙，其中梳的两个梳端由于部分封闭特征不汇合，而是相隔间隙B。例如可在图2中看到梳的实现示例。
一般而言，指状件可被制成为细长的或者根据需要或长/或短，因为相邻指状件之间的间隙允许感应磁场穿透筒状体而到达其中的等离子体。导电指状件材料可以为铜、铜合金或类似适合的材料。用于产生电磁场的线圈可以布置在指状件的外部（即，在距筒状体的中心纵轴线较大的径向距离处）。足够数量的指状件应当设置在每个“梳”中并且围绕石英筒状体的圆周隔开相等的距离以避免施加的电磁场的方位非均匀性。导电的指状件需要足够宽以便从机械角度而言是稳固的，但是一般而言，应当保持比指状件之间的间隙的宽度窄以允许来自线圈的尽可能多的磁场线前进到石英筒状体的内部（金属指状件本身将不传导随时间变化的磁场，仅仅是间隙允许场进一步向内前进。从线圈发出的磁场线用于维持石英管内部的等离子体）。一般而言，PELOC指状件被认为主要有助于等离子体点燃。维持等离子体被认为是主要由线圈驱动。结果，等离子体均匀度趋于取决于线圈的绕组节距如何均匀以及线圈与石英筒状体同轴对准的程度如何好。
在一个或多个实施例中，如果期望极低的RF驱动器频率或者如果期望极低的感应线圈电压，则本文所公开的技术和装置可与由发明人于与本申请相同日期递交且为所有目的通过引用合并于本文中的名称为“METHODSANDAPPARATUSFORIGNITINGANDSUSTAININGPLASMA”的共同拥有的未决专利申请（律师档案号为LMRX-P0208/P2121）中的新颖的线圈绕组技术和装置相结合。
通过将缩短线圈的有效长度的当前的技术/装置与经由线圈匝数的增加来提高线圈的电感的技术/装置相结合，可以生成能够以极低的RF驱动器频率和/或以极低的感应线圈电压在筒状体内部点燃等离子体的电场。可预想的是，在一些实施例中，在几千伏特范围内的感应线圈电压可以足以在筒状体内部点燃等离子体。这两种技术有利地在大气电感耦合等离子体火炬中控制用于电场产生的不同的机制并且彼此不妨碍。在一个或多个实施例中，组合的技术和装置代表独特的创新。
从前面的描述可以理解到，本发明的实施例提高了等离子体点燃电磁场在大气电感耦合等离子体火炬中的利用率。通过本文公开的技术和装置，在大气电感耦合等离子体火炬中的等离子体点燃是可能的，即使感应线圈电压下降（例如，由于例如驱动器RF频率的下降）也如此。当所要求的感应线圈电压和/或驱动器RF频率减小时，RF生成器以及用于大气电感耦合等离子体火炬的构件可更加廉价地制造并且可以更易于在系统间进行匹配，有助于降低半导体产品的制造成本。
应当牢记的是，尽管这些技术/装置是结合大气电感耦合等离子体火炬进行讨论的，可构思的是，相同的技术和装置可用于在其它电感耦合等离子体工具和腔室中改善等离子体点燃和维持。已经公开了示例性的实施例和最佳方式，可对所公开的实施例进行修改和变型，同时仍在如随附的权利要求书限定的本发明的主题和主旨内。
Claims (18)
1.一种用于产生等离子体的装置，其包括：
容器，在所述容器内产生所述等离子体；以及
线圈，其被配置为接收RF驱动器信号以至少维持所述等离子体，所述线圈具有线圈长度；
第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件，其通过棘状突起以电气方式和在结构上连接并沿着所述容器的纵轴线取向并且部分地封闭所述容器的周边，所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件与所述线圈的第一端电联接；以及
第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件，其通过棘状突起以电气方式和在结构上连接并沿着所述容器的所述纵轴线取向并且部分地封闭所述容器的所述周边，所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件与所述线圈的第二端电联接，其中所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件和所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件被定向为使得所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的指状件尖端指向朝向所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的指状件尖端的方向并且沿所述纵轴线相隔小于所述线圈长度的组间距离。
2.如权利要求1所述的装置，其中，相比于所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件，所述线圈布置在距所述容器的所述纵轴线的更大的半径处。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述线圈的所述第一端和所述线圈的所述第二端中的一个接地。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件中的指状件与当所述RF驱动器信号激励所述线圈时所产生的磁场线平行地布置。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件中的指状件与所述磁场线平行地布置。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述容器表示大气电感耦合等离子体火炬的等离子体产生容器。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述线圈是由管中管构造和并排管道构造中的一种来实现的。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述线圈的第一端接地，所述第一端还表示用于喷射和提取冷却流体的端。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述RF驱动器信号具有在大约10MHz至大约100MHz之间的频率。
10.一种用于产生等离子体的装置，其包括：
筒状体，在所述筒状体内产生所述等离子体；以及
线圈，其被配置为接收RF驱动器信号，所述线圈具有线圈长度并且布置在距所述筒状体的中心纵轴线的第一径向距离处；
第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件，其通过棘状突起以电气方式和在结构上连接并沿着所述筒状体的所述中心纵轴线取向并且部分地封闭所述筒状体的圆周，所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件与所述线圈的第一端电联接并且布置在距所述筒状体的所述中心纵轴线的第二径向距离处；以及
第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件，其通过棘状突起以电气方式和在结构上连接并沿着所述筒状体的所述中心纵轴线取向并且部分地封闭所述筒状体的所述圆周，所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件与所述线圈的第二端电联接并且布置在距所述筒状体的所述中心纵轴线的第三径向距离处，其中所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件和所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件被定向为使得所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的指状件尖端指向朝向所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的指状件尖端的方向并且沿所述中心纵轴线相隔小于所述线圈长度的组间距离，并且其中，所述第一径向距离大于所述第二径向距离和所述第三径向距离中的任一个。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的至少部分以及所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件的部分被布置在所述筒状体的外表面和所述线圈之间。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述线圈的所述第一端和所述线圈的所述第二端中的一个接地。
13.如权利要求10所述的装置，其中，所述第一组部分封闭的、纵向取向的导电指状件中的指状件与当通过所述RF驱动器信号激励所述线圈时所产生的磁场线平行地布置。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述第二组部分封闭的、纵向取向的导电指状件中的指状件与所述磁场线平行地布置。
15.如权利要求10所述的装置，其中，所述筒状体表示大气电感耦合等离子体火炬的等离子体产生容器。
16.如权利要求10所述的装置，其中，所述线圈是由管中管构造和并排管道构造中的一种来实现的。
17.如权利要求10所述的装置，其中，所述线圈的第一端接地，所述第一端还表示用于喷射和提取冷却流体的端。
18.如权利要求10所述的装置，其中，所述RF驱动器信号具有在约10MHz至约100MHz之间的频率。
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