CN104599928A - 一种游离气体的方法 - Google Patents

Abstract

一种游离气体的方法，包括一个等离子体室，可以形成由金属材料的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组和一个变压器。该装置还包括一个或多个开关的半导体器件直接耦合到一个电源电压，并有一个输出耦合到变压器的初级绕组上。所述一个或多个开关半导体器件的驱动电流在初级绕组感应的电位腔室内，形成等离子体，其中完成了在变压器的次级电路。

Description

一种游离气体的方法

发明领域

本发明涉及化工领域，尤其是一种游离气体方法。

发明背景

可用于等离子放电激发气体产生活化气体中含有离子，自由基，原子和分子。激活的气体被用于许多工业和科学应用，包括处理的固体材料，如半导体晶片，粉末，和其他气体。等离子体的等离子体被加工的材料的曝光条件的参数的差异很大，这取决于应用程序。

例如，一些应用需要使用具有低动能的离子（即几个电子伏特），因为被加工的材料是容易损坏的。其他应用程序，如各向异性蚀刻或平面化的电介质沉积，需要使用具有高动能的离子。的其它的应用，如反应性离子束蚀刻，要求离子能量的精确控制。

某些应用程序需要被处理物料的高密度等离子体的直接照射。一个这样的应用是产生离子活化的化学反应。其他这样的应用包括蚀刻和沉积材料到高纵横比结构。其他应用程序需要屏蔽从血浆中被加工的材料，因为材料是敏感的离子所造成的损坏或由于加工过程中有高选择性的要求。

可以以各种方式，包括直流放电，射频（RF）放电，微波放电产生等离子体。直流放电通过在一种气体中的两个电极之间施加电势来实现。RF放电通过静电或感应耦合能量从电源转换为等离子体实现。平行板通常用于静电能量耦合到等离子体中。感应线圈通常用于诱导到等离子体中的电流。微波放电实现的直接耦合的微波能量通过微波通过窗口进入含有气体的排出室。微波放电是有利的，因为它们可以被用来支持广泛的放电条件下，包括高度电离的电子回旋共振（ECR）等离子体。

射频放电和直流放电本身产生高能量的离子，因此，经常被用来产生等离子体的应用中，被加工的材料是直接与等离子体接触。微波放电产生的高密度，低离子能量等离子体，因此，经常被用来产生活性气体流“下游”加工。微波放电也是有用的应用程序，它是可取的，以产生在低能量的离子，然后加速的离子与施加的电势的过程表面。

然而，微波炉和电感耦合等离子体源需要昂贵和复杂的电力输送系统。在这些等离子体源需要精密射频或微波功率发生器和复杂的匹配网络的阻抗相匹配发电机的等离子体源。此外，精密仪器，通常是必需的，以确定和控制的实际功率到达血浆。

射频电感耦合等离子体产生大面积的等离子体作为半导体晶片加工的这样的应用是特别有用的。然而，现有技术的RF电感耦合等离子体不是纯感性的，因为驱动电流只有弱耦合等离子。因此，射频电感耦合等离子体效率低，需要使用高电压的驱动线圈上。高电压产生很高的静电场导致高能离子轰击反应器表面。离子轰击劣化反应器中，可能会污染处理室和被加工的材料。离子轰击也可以被加工的材料造成损坏。

法拉第屏蔽层中使用的电感耦合等离子体源，包含高的静电场。然而，由于比较弱的耦合的驱动线圈的电流的等离子体，在屏蔽层产生大量功耗大的涡流的形式。低成本，复杂性，并减少功率效率作出使用法拉第屏蔽没有吸引力。

发明内容

本发明提供一种活性气体源使用一个高效率的RF功率耦合装置耦合功率成等离子体，无需使用常规的射频或微波发生器和阻抗匹配系统。

本发明的另一个主要目的，本发明提供一种活性气体源材料的加工中，有没有重大的高能离子轰击的过程中反应器内，在没有损坏的源和不使用化学反应的气体时，可以持续长期操作污染物的材料生产。

本发明的另一个主要目的，本发明提供一种活性气体源，在其中，无论是金属，电介质，或被覆的金属（例如，阳极氧化处理）可以被用于形成源室。

本发明的一个主要发现是，开关半导体器件，可以用来有效地驱动一个电源变压器的初级绕组耦合电磁能量的等离子体，以便形成一个次级电路的变压器。这是本发明的另一个主要发现，可以构造与等离子体室的金属感应驱动的环形等离子体源。

因此，本发明的特征离解的气体的装置，其中包括一个等离子体室。等离子体腔室可以形成由金属材料如铝，或者可以形成由电介质材料（如石英）。的金属材料，也可以是难熔金属。该装置可以包括被耦合到等离子体室的处理室，并定位成接收所产生的等离子体在等离子体室中的反应性气体。

该装置还包括具有一个变压器的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组。一个或多个开关半导体器件直接耦合到电源电压，并有一个输出耦合到变压器的初级绕组上。所述一个或多个开关半导体器件的输出可被直接耦合到变压器的初级绕组上。所述一个或多个开关半导体元件的开关晶体管。的电压供给，可以是线电压供电或总线电压电源。

该装置可以包括一个自由电荷发生器，它有助于在腔室内的等离子体点火。在一个优选的实施例中，电极被定位在腔室中，以产生自由电荷。在另一个优选的实施例中，电极被电容耦合到所述腔室，以产生自由电荷。在另一个优选的实施例中，紫外光源的光耦合到所述腔室，以产生自由电荷。

该装置可以包括一个电路，用于测量电参数的初级绕组和等离子体。该电路测量参数，例如驱动电流在初级绕组，初级绕组，总线电源电压，在初级绕组的平均功率和峰值功率在初级绕组两端的电压。的功率控制电路可以被耦合到电路，用于测量电参数的初级绕组和等离子体。电源控制电路，调节流过的电流的初级绕组的初级绕组和等离子体的电特性的测量，并根据从预定的一组点代表一个所需的操作条件。

本发明还提供游离气体的方法。该方法包括提供一个含有气体的压力室。可基本上在1毫米和100毫米之间的压力。气体包括稀有气体，反应性气体，或它们的混合物中的至少一种惰性气体和至少一种反应性气体。该方法还包括提供一种变压器，其具有的磁芯周围的腔室的一部分，并具有一个初级绕组。

此外，该方法包括直接连接至电压源，它可以是一个线电压供电或总线电压电源的一个或多个开关的半导体器件。所述一个或多个开关半导体器件也耦合到变压器的初级绕组上，使他们产生电流，驱动器的初级绕组。所述一个或多个开关半导体器件可以直接连接到初级绕组的变压器。

该方法还包括诱导变压器的初级绕组中的电流在等离子体室内部的电位。的感应电势的大小依赖于由核心和开关的半导体器件工作时的频率根据法拉第电磁感应定律产生的磁场。潜在的形成等离子体，完成了在变压器的次级电路。可基本上在1-100之间V / cm的电场的等离子体。该方法可以包括提供一个初始电离室事件。的初始电离事件可以是初级绕组的电压脉冲，或定位在等离子体腔室中的电极的应用。的初始电离事件可能对腔室暴露于紫外线辐射。

该方法可以包括在初级绕组和等离子体的电气参数，包括电流驱动中的一个或多个初级绕组，在初级绕组两端的电压，母线电压，在初级绕组的平均功率测量的步骤，并在初级绕组的峰值功率。此外，该方法可以包括以下步骤：确定所述一个或多个开关半导体的初级绕组，等离子体，从预定的一组点，代表一个所需的操作条件的电气参数的测量设备的输出端。

本发明还包括一种方法，用于清洗处理室。该方法包括提供一个被耦合到处理室的等离子体室。在等离子体室中包含的反应性气体的压力。提供一种变压器的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组。一个或多个开关半导体器件直接耦合，用于产生一个电流，驱动变压器的初级绕组的电压供给。

此外，该方法包括诱导与初级绕组中的电流在等离子体室内部的电位。的感应电势的大小依赖于由核心和开关的半导体器件工作时的频率根据法拉第电磁感应定律产生的磁场。潜在的形成等离子体，完成了在变压器的次级电路。该方法还包括引导到处理腔室，从而清洁处理室的等离子体室中产生的等离子体的原子，分子和自由基，如化学活性种。

本发明还包括一种用于产生反应性气体的方法。该方法包括提供一个被耦合到处理室的等离子体室。在等离子体室中包含的反应性气体的压力。提供一种变压器的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组。一个或多个开关半导体器件直接耦合，用于产生一个电流，驱动变压器的初级绕组的电压供给。

此外，该方法包括诱导与初级绕组中的电流在等离子体室内部的电位。的感应电势的大小依赖于由核心和开关的半导体器件工作时的频率根据法拉第电磁感应定律产生的磁场。潜在的形成等离子体，完成了在变压器的次级电路。该方法还包括：生成等离子体中的反应性气体。

本发明还设有一个装置，用于产生离子。该装置包括：等离子体腔室，可以形成由金属材料，如难熔金属。被定位在腔室的节流孔，用于引导由等离子体产生的离子处理室，可被耦合到在等离子体室中的节流孔，适于接收由等离子体产生的离子。加速电极可以被定位在处理室中，由等离子体产生的离子加速。

该装置包括具有一个变压器的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组。直接耦合到一个电源电压，这可能是一个线电压供电或总线电压电源，并有一个输出耦合到变压器的初级绕组的一个或多个开关半导体器件。在操作中，一个或多个开关半导体器件的驱动电流在初级绕组的变压器。当前诱导腔室内形成等离子体完成了在变压器的次级电路的电位。离子被从血浆中提取，通过节流孔。离子可以加速的加速电极。

本发明还提供另一种装置的解离气体。该仪器包括一个等离子体室，包括导电材料，例如铝和至少一个电介质区域，以防止在腔室的感应电流流。等离子体腔室可以包括多个分离的至少两个区域的等离子室的介电区域。电介质区域可以包括介电涂层上的腔室中的至少一个配合表面。等离子体室也可包括通过控制流体的腔室的温度的冷却通道。

此外，该装置包括具有一个变压器的磁芯周围的等离子体腔室的一部分，并具有一个初级绕组。该装置还包括一个电源，具有电连接到变压器的初级绕组上的输出。该电源驱动电流在初级绕组感应的电位腔室内形成等离子体完成了在变压器的次级电路。该电源可以包括一个或多个开关的半导体器件直接耦合到一个电源电压，并有一个输出耦合到变压器的初级绕组上。可以包括一个线电压的电压供给电源或总线电压供应。

该装置可以包括一个装置，用于产生自由电荷，协助在腔室内的等离子体点火。在一个优选的实施例中，电极被定位在腔室中，以产生自由电荷。在另一个优选的实施例中，电极被电容耦合到所述腔室，以产生自由电荷。在另一个优选的实施例中，紫外光源的光耦合到所述腔室，以产生自由电荷。

具体实施方法

本发明的活化气体的包括一个电源变压器，电磁能量的等离子，电源变压器，一个高导磁率的磁性体，初级线圈，和一个等离子体室，它允许在等离子体，形成一个变压器的次级电路。电力变压器可包括附加磁芯和导体的初级线圈，形成附加的二级电路。

等离子体腔室可以由金属材料如铝或难熔金属来形成，或者可以形成由电介质材料（如石英）的处理室，以允许所产生的等离子体的带电粒子，在要被处理的材料直接接触，可能会暴露在等离子体室的一个或多个侧面。甲样本保持器可被定位在处理室中，以支持在要加工的材料。要被处理的材料可能会偏向相对于等离子体的电位。

一个电压电源，这可能是一个线电压供电或总线电压电源，直接连接到含有一个或多个开关半导体器件的电路。所述一个或多个开关半导体元件的开关晶体管。电路可能是一个固态开关电源。电路的输出端可以直接连接到初级绕组的变压器。

环向低场等离子体源包括一个装置，用于产生自由电荷提供了一个初始的，点燃等离子体室中的等离子体的电离事件。的初始电离事件可以是一个短的，高电压脉冲被施加到等离子体室。该脉冲可以具有约500-10,000伏的电压，并可能大约为0.1至10微秒长。甲惰性气体如氩气可被插入到等离子体室中，以减少所需的电压来点燃的等离子体。紫外线照射也可以被用来产生在等离子体室提供的初始电离事件点燃等离子体在等离子体室的自由电荷。

在一个优选的实施例中，短期，高电压电脉冲直接施加至初级线圈提供的初始电离事件。在另一个优选的实施例中，短的，高电压电脉冲被施加到定位在等离子体腔室中的电极。在另一个优选的实施例中，短的，高电压的电脉冲被施加到电容耦合到等离子体室通过电介质的电极。在另一个优选的实施方案中，在等离子体室暴露于紫外线辐射发射从紫外光源是光耦合到等离子体室。紫外线照射引起的初始电离事件点燃等离子体。

环向低场等离子体源还可以包括用于测量电气参数的初级绕组的电路。的初级绕组的电气参数包括驱动的初级绕组的电流，两端的电压的初级绕组，总线或线路电压供应所产生的电压的电源，在初级绕组的平均功率和峰值功率在初级绕组。

此外，等离子源可以包括一个装置，用于测量有关的电气参数的等离子体。等离子体的相关电气参数包括等离子体的电流和功率。例如，一个电流探头的位置周围的等离子体室，测量等离子体电流流过变压器二次。等离子源还可以包括用于测量从等离子体中的光发射的光检测器。此外，等离子源可以包括电源控制电路，它接受从一个或多个电流探头，功率检测器，与电路的数据，然后在等离子体中的电流通过调整调整功率初级绕组。

在操作中，气体进入等离子体室中放出，直至压力达到1毫米和100米之间大幅。气体包括稀有气体，反应性气体，或它们的混合物中的至少一种惰性气体和至少一种反应性气体。包含开关半导体器件的电路提供一个电流的初级绕组中感应的电位的等离子体室内部。的感应电势的大小依赖于由核心和开关的半导体器件工作时的频率根据法拉第电磁感应定律产生的磁场。电离形成等离子体的事件，可以启动的内室里。电离事件可能是应用程序的初级绕组的电压脉冲，或在腔室中的电极。另外，电离事件可能会被紫外线辐射暴露在腔室。

一旦气体被电离，形成等离子体，完成了在变压器的次级电路。可基本上在1-100之间V / cm的电场的等离子体。如果只稀有气体在等离子体室，等离子体中的电场可能会低至1伏/厘米。然而，如果存在于腔室中的电负性气体，等离子体中的电场是相当高的。操作等离子体源与等离子体室中的低电场是可取的，因为一个低的血浆和腔室之间的电位差将大大减少由高能离子侵蚀的腔室产生的污染，被加工的材料。

可以精确地控制传送到等离子体的功率通过反馈回路44，包括电源控制电路，电路，用于测量电参数的初级绕组和电路，含一个或多个开关半导体器件。此外，可包括反馈环路的电流探头和光检测器。

在优选实施例中，功率控制电路测量的，使用的电路，用于测量电气参数的初级绕组中的等离子电源。电源控制电路进行比较，在测量到规定的设定值所需的操作条件，并调整电路的一个或多个参数，来控制电源提供给等离子体。电路的一个或多个参数包括脉冲幅度，频率，脉冲宽度，和所述一个或多个开关半导体器件的驱动脉冲的相对相位。

在另一个优选的实施例中，功率控制电路测定在血浆中的电源使用的电流探头或者光检测器。电源控制电路进行比较，在测量到规定的设定值所需的操作条件，并调整电路的一个或多个参数，来控制电源提供给等离子体。

等离子源是有利的，因为它的转换效率的等离子体吸收到电源线的功率是非常高的，比现有技术的等离子源。这是因为电路包含一个或多个开关的半导体器件的电流供应到初级绕组是高效的。转换效率可能会显着地大于90％。等离子体源也是有利的，因为它不要求使用传统的阻抗匹配网络或传统的RF功率发生器。这大大降低了成本，增加了可靠性的等离子体源。

此外，等离子源是有利的，因为它的工作，在等离子体室中的低电场。低电场是可取的，因为低的血浆和腔室之间的电位差将大大减少在等离子体室内的高能离子轰击。减少在等离子体室中的高能离子轰击是可取的，因为它最大限度地减少在等离子体室内的污染材料的生产，特别是当使用化学反应的气体。例如，当氟基气体如NF3和CF4/02的被用于在本发明的等离子源，包括从耐氟材料形成的等离子体室中，没有或最小的腔室的侵蚀后观察到长期暴露在离子温度低氟等离子。

等离子源是用于处理大量的材料，如固体表面，粉末和气体。等离子源的清洗过程中的腔室，在半导体加工设备如薄膜沉积和蚀刻系统是特别有用的。等离子源还提供用于离子注入的离子源和离子铣削系统特别有用。

此外，等离子源是用于提供一个源的蚀刻系统用于蚀刻众多的材料用于制造半导体器件，例如硅，二氧化硅，氮化硅，氮化铝，钼，钨和有机材料，如光致抗蚀剂和其它聚合材料。提供众多的薄膜的材料，如金刚石薄膜，二氧化硅，氮化硅，氮化铝等离子增强沉积的源，等离子源也是有用的。

等离子源也可用于产生反应性气体，如氟原子，氯原子，氧原子。这样的反应性气体是有用的减少，转换，稳定或钝化的各种氧化物，如二氧化硅，氧化锡，氧化锌和铟 - 锡氧化物。应用范围包括无助焊剂焊接，去除二氧化硅，硅表面的硅表面钝化晶圆加工之前。

等离子源的其他应用包括修改表面性质的聚合物，金属，陶瓷和论文。等离子源也可以用于减少对环境有害的气体，包括含氟化合物，如CF4，NF3，C2F6，CHF3，SF6，以及有机化合物如二恶英和呋喃等挥发性有机物的。此外，等离子源可以被用来产生高通量的氧原子，氯原子或氟原子灭菌。等离子源也可以用于在一个大气压火炬。

作为三氟化氮的进料气体的流速用环形低场，体现本发明的等离子源的函数的热二氧化硅的刻蚀速率的曲线图。环形低磁场的等离子体源10配置作为下游的氟原子源功率约3.5千瓦。

申请人已发现，感应驱动的环形低场的等离子源，可与等离子体室的金属。之前的艺术电感耦合等离子源使用从介电材料形成，以防止感应电流流从等离子体室本身形成的等离子腔。本发明的等离子体腔室包括至少一个电绝缘的电介质区域，等离子体腔室的一部分，所以，通过等离子体室的电连续性被打破。电气隔离，防止感应电流流形成的等离子腔本身。

金属或被覆的金属环向低场的等离子源腔室中的使用是有利的，因为某些金属更具有很高的耐目标中常用的等离子处理的化学品，如氟基气体。此外，金属或被覆的金属腔可以具有更高的热导率，在更高的温度比电介质腔室，因此，可以产生更高的功率的等离子体。

大规模分离的磁铁可定位的路径加速离子以选择所需的离子种。加速电极的第二组可用于加速所需的预定的高能量的离子种。离子透镜可以用来聚焦的高能量的离子束。也可以使用一个垂直的和水平轴扫描器扫描的离子束在样品。甲偏转器可以被用来从任何中性粒子分离的离子束，使离子束的影响样品和中性粒子的影响的中性陷阱。

申请人已发现，可以被用来驱动一个电源变压器的初级绕组耦合电磁能量的等离子体，以便形成一个在变压器的次级电路的开关半导体器件。

环向低场等离子体源中的一个开关电源使用是有利的，因为开关电源供应器是便宜得多的体积要小的体积和更轻的重量比现有技术的射频和微波电源使用功率等离子源。这是因为开关电源供应器不需要的线路隔离电路或一个阻抗匹配网络。

本发明可以使用任何开关电源驱动电流在初级绕组的配置。例如，在开关电源可以包括一个过滤器和耦合到线电压电源的整流电路。滤波器和整流电路的输出端产生的直流电压，这是典型的几百伏。被耦合到​​一个电流模式控制电路的输出端。

电流模式控制电路被耦合到第一和第二隔离驱动器。第二隔离驱动器，驱动器的第一和第二对开关晶体管。开关晶体管可以是IGBT或FET器件。的第位的输出和所述第二对开关晶体管可以有众多的波形包括正弦波形。开关晶体管的输出耦合的初级绕组和磁芯形成变压器的次级环形等离子体。

虽然本发明已经被具体地示出和描述，参考具体的优选实施例，本领域技术人员应当理解，可以在其中进行在形式和细节上的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围内所定义的在本领域中所附的权利的要求。

Claims (9)

1.一种游离气体的方法，包括：a）限定的一个等离子体腔室中的气体的压力；b）提供具有的磁芯周围的腔室的一部分，并具有初级绕组的变压器；c）产生的交流电流的使用固体的状态的AC开关电源，它包括一个或多个开关半导体器件，具有一个输出端耦合，而不需要一个阻抗匹配网络，到初级绕组的变压器以及d）诱导等离子体室内部的交流电位通过供给电流，而不需要匹配网络的阻抗，在变压器的初级绕组中的AC电位形成完成变压器的一个次级电路，而离解的气体的环形等离子体。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：产生电流使用固态AC开关电源的开关晶体管包括一个或多个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流开关电源输出的耦合，不使用阻抗匹配网络的初级绕组的变压器，其特征在于，AC开关电源供应，不使用阻抗匹配网络中的电流初级绕组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交流开关电源输出的耦合，而无需常规的阻抗匹配网络，到初级绕组的变压器，其特征在于，所述交流开关电源供应，而不需要常规的阻抗匹配网络，电流在初级绕组。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述交流开关电源输出的耦合，不使用传统的阻抗匹配网络，在变压器的初级绕组，其特征在于，所述交流开关电源供应的情况下，不使用传统的阻抗匹配网络的情况下，电流在初级绕组。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括测量的初级绕组供给的电流;比较，测得的电流的预定的设定值所需的操作条件的代表，以及调整的交流开关电源的一个或多个电参数来控制电流供给到在变压器的初级绕组上。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述一个或多个电参数包括脉冲幅度，频率，脉冲宽度和相位。

8.根据权利要求1所述的等离子体中的功率测量，比较测得的功率，以一预定的设定值所需的操作条件的代表，以及调整频率的AC开关电源来控制传送到等离子体的功率的方法。

9. 离解的气体的方法，该方法包括：a）在等离子室的气体局限于一个大气压；b）产生的交流电流的使用固态AC开关电源包括一个或多个开关半导体器件，具有一个输出端被耦合，诱导的交流电位的等离子体腔室的内部通过供给电流，而无需阻抗匹配网络，而不需要一个阻抗匹配网络，具有围绕等离子腔的一部分的磁芯的变压器的初级绕组和c）在变压器的初级绕组，感应交流直接电位形成完成变压器的一个次级电路，而离解的气体的环形等离子体。