CN104641448B - 用于为等离子体处理产生并维持等离子体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装置，用于使用感应耦合RF功率来为等离子体处理产生并维持等离子体。所述装置包括：谐振电路，所述谐振电路具有谐振电容和谐振电感；激励电路，所述激励电路用于激励所述谐振电路；耦合元件，所述耦合元件用于将来自电感的RF功率耦合到等离子体腔室中。

Description

用于为等离子体处理产生并维持等离子体的装置

技术领域

本发明涉及一种用于使用感应耦合RF功率来为等离子体处理产生并维持等离子体的装置。

背景技术

已经说明了许多形式的感应耦合等离子体源，以及它们对材料处理的应用。这些设备利用布置在借助RF功率激励的真空室附近、周围或内部的至少一个感应线圈元件。在感应线圈附近的电磁场维持在等离子体腔室内的气态等离子体放电。

RF等离子体在各种应用中广泛用于实施处理操作。例如，等离子体可以用于促进化学反应。在半导体器件的生产过程中，在制造处理过程中反复使用了包括RF等离子体的蚀刻处理和包括RF等离子体的沉积处理。RF等离子体也用于半导体器件的生产中的清洁处理中。等离子体可以作为蚀刻后晶圆清洁过程的部分，用于将光致抗蚀剂材料从半导体晶圆剥离。而且，RF等离子体已经用于分解危险的或不希望有的化学化合物。

标准的感应耦合RF等离子体系统经常遇到的一个问题是难以点燃等离子体并维持等离子体。等离子体点火是不可靠的，因为难以耦合高得足以生成产生等离子体所需的能量种类的点火电压。在标准的感应耦合等离子体技术中，缺少强电场和缺少强电容耦合使得难以克服等离子体点火问题。

通常，特定点火电路仅是用于点燃等离子体。一旦已经点燃了等离子体，就必须关闭这些点火电路。

发明内容

本文所公开的实现方式可以提供一种装置，其可以用于在等离子体腔室中点燃等离子体，而无需使用特定的点火电路。该实现方式还可以提供一种可靠的装置，用于生成并维持能够以低成本产生的等离子体。

在第一方面中，公开了一种装置，用于使用感应耦合RF功率为等离子体处理产生并维持等离子体，所述装置包括：

a)谐振电路，所述谐振电路包括谐振电容和谐振电感，

b)激励电路，所述激励电路用于激励所述谐振电路，

c)耦合元件，所述耦合元件用于将来自电感的RF功率耦合到等离子体腔室中。

所述谐振电路可以是串联谐振电路。谐振电路可以是浮动的。这表示从谐振电路到地或大地没有直接连接。从谐振电路到地和大地的所有电容量可以是对称的。可以对称将谐振电路提供给地。这对于激励电路是有利的。因为如果负载对于等离子体腔室的地不对称，则激励电路就难以工作，即使激励电路在输出端不具有地连接。

另一个方面涉及一种具有激励电路和谐振电路的RF等离子体功率源系统，所述谐振电路包括谐振电容和谐振电感，其中，谐振电感的至少一部分适于或被配置为经由耦合元件将RF功率感应耦合到等离子体腔室，其中，所述谐振电路是浮动的。

谐振电路适于或被配置为位于等离子体腔室附近。

RF等离子体功率源系统适于或被配置为位于等离子体腔室附近。

谐振电路提供谐振电感，一旦点燃了等离子体，谐振电感可以用于维持等离子体。可以在点燃等离子体之前以谐振频率激励谐振电路。这导致在谐振电容上的高电压。这个电压可以用于在真空腔室中点燃等离子体。一旦点燃了等离子体，就可以以不同于谐振频率的频率驱动谐振电路，因而在谐振电容提供了较低电压。因此，不必使用并且为点燃腔室中的等离子体而提供任何单独的电路。在等离子体的点火后不必停用任何点火电路。点火电容器可以具有较小值。在点火之前，不存在任何电流或者仅有极小的电流，从而将来自谐振电容器的全电压或几乎全电压耦合到腔室壁。在点火后，相对于谐振电容，点火电容的低电容值将电流自然地限定为可忽略的程度。一旦点燃了等离子体，就可以以不同于谐振频率的频率驱动谐振电路，该频率与点火后谐振频率中的偏移相关。

激励电路可以用于以不同频率激励谐振电路，尤其是以谐振频率和不同于谐振频率的频率。一旦点燃了等离子体，就可以以高于谐振频率的频率启动谐振电路。

在进一步的方面中，提供了变压器，用于将激励电路与串联谐振电路耦合。提供变压器以便调整电压和电流比：为了借助电磁通量更好地激励等离子体，希望在次级侧的低电压和高电流。但使用变压器的第二个优点是获得电流阻断。希望在谐振电路上实现对称性，以使得在谐振电路侧不需要地连接。

变压器的初级可以是激励电路的一部分，且变压器的次级可以是谐振电路的一部分。变压器，尤其是功率变压器，与谐振电路的耦合可以导致谐振电路中的高电流。这再次要求良好的冷却、良好的磁耦合与短的电连接。如果谐振电路的电感与至少一部分谐振电流导体体现为导电冷却管，就可以实现良好的磁耦合、良好的冷却与短的电连接。具体而言，冷却管可以是流体冷却的或具体地是水冷却的铜管。

根据进一步的方面，谐振电路导体可以构成变压器的次级。可以使用环形变压器类型。这个次级可以仅是通过环形的导体。次级导体可以是流体冷却的管，它在没有变压器的任何绕组和磁芯的情况下还为初级侧实现了良好冷却。在谐振电路中，谐振电容和谐振电感由谐振电路导体相连。这个导体的部分可以用作变压器的次级绕组。因此，不必为获得变压器的次级绕组而提供任何单独的元件。谐振电路导体可以是导电冷却管的部分。

耦合元件可以是铁氧体磁芯元件，延伸到等离子体腔室中并耦合到谐振电路电感。因此，铁氧体磁芯可以用于将RF功率耦合到等离子体腔室中。谐振电感的一个或几个弯曲可以缠绕铁氧体磁芯，以便提供良好的电感耦合。

谐振电感可以包括两个部分，其中，每一部分都在等离子体腔室的任一侧缠绕铁氧体磁芯元件的一端。因此，铁氧体磁芯元件备不仅延伸到等离子体腔室中，还通过了等离子体腔室。

该装置可以包括等离子体腔室，等离子体腔室包括至少一个板，所述板经由点火电容连接到谐振电路。至少一个板可以限定在等离子体腔室内点燃等离子体的空间。如果在等离子体腔室内部或外部提供了两个相对的板，就可以在两个板之间施加足以点燃等离子体的电压。为了在两个板上产生电压，可以驱动谐振电路，以使得在谐振电容上出现高电压。如果在谐振电容的任一侧上将点火电容连接到各自的板，在板上也出现高电压，因而可以点燃等离子体。一旦等离子体点燃，在板之间就存在导电连接。这导致在板上的低电压，从而导致通过谐振电容的高电流。在此情况下，点火电容和谐振电容并联。如果点火电容的电容值比谐振电容低得多，就仅由低电流流过点火电容，因此点火电容不会影响等离子体。因此，在等离子体点火后，不必停用点火电容。

在等离子体腔室中，可以提供另外的板，其连接到地。可以在连接到点火电容的板与连接到地的板之间点燃等离子体。

谐振电路可以具有分布式谐振电感和分布式谐振电容。这个设置允许在不必使用用于点燃等离子体的额外辅助电路的情况下点燃等离子体。

谐振电路可以具有对称结构，该对称结构包括两个相同的谐振电容器和两个相同的谐振线圈，每一个电容器都构成谐振电容的一半，每一个线圈都构成谐振电感的一半。谐振线圈可以与每一个耦合元件的一端耦合。

如上所述，可以提供两个点火电容，所述两个点火电容各自连接到在一个谐振电容器与一个谐振线圈之间的连接点，并且所述两个点火电容各自连接到点火板。

一个谐振电容器可以位于冷却管的冷却液入口，一个谐振电容器可以位于冷却管的冷却液出口。因而可以使得冷却液入口和冷却液出口的电位成为相似的电位，具体而言是地电位。这有助于减少关于冷却液污染的要求。

冷却液入口和冷却液出口可以被布置为彼此紧邻。

冷却液入口与冷却液出口可以在相似的电位，具体而言，都可以在地电位或者至少与地电位极为接近。因而，对于冷却液的污染要求较低，因此不存在流入冷却液中的可以导致电解的任何直流分量。如果功率源不是完全对称的，例如由于不对称的有功功率因数校正电路(PFC)或者由于不对称的干线(三角形接地)，这也是有利的。对称的谐振电路也是有利的。

根据进一步的方面，谐振电容的电容值可以比点火电容的电容值高。因而，可以确保一旦点燃了等离子体，点火电容对于等离子体就没有或仅有极小的影响。通过将点火电容的电容值选定为比谐振电容的电容值低得多，典型地可以确保一旦点燃了等离子体，大部分谐振电流经由谐振电容流动。优良值是将谐振电容的电容值选定为比点火电容的电容值至少高十倍。在等离子体腔室具有绝缘壁且点火板在等离子体腔室外的情况下，点火板与等离子体静电耦合，以使得可以将具有绝缘体壁的点火板认为是电容器，其具有实际上极小的电容值－ca.10..100pF。点火电容器可以设计为具有比这些大得多的电容值，以避免降落过多的电压。可以使用在1nF(串联的2x 2nF)范围中的电容器。这比谐振电容器低得多，谐振电容器在85nF(串联的2x 170nF)范围中，所以可以将残余的点火后电流认为是可忽略的。

激励电路可以包括全桥振荡器。全桥振荡器可以用于以不同频率激励谐振电路。具体而言，全桥振荡器可以用于以谐振电路的谐振频率产生RF信号(RF功率)来点燃等离子体，在点燃了等离子体后，全桥振荡器可以产生与谐振频率存在频率差的RF信号，具体而言，高于谐振频率。而且，全桥振荡器可以用于调整提供给谐振电路及因而提供给等离子体腔室的RF功率。

如果将对称布置用于谐振电路，具体而言，是相对于谐振电路的中心面对称的布置，就可以使用全桥振荡器，如果使用了不对称的谐振电路结构，就难以使用全桥振荡器。

如上所述，如果全桥振荡器能够以不同频率提供RF功率是有利的。

在一个方面中，激励电路可以包括变流器，例如桥式或全桥逆变器，其具有快速频率控制和快速电压控制，这表示在转换器的上游连接了降压或升压转换器。控制装置监视变压器的初级侧的电压和电流。它由电流与电压之间的相位来识别是否点燃等离子体。它在识别了点火后极快地调节频率，本文中的极快表示在小于10μs或小于RF频率的20个周期内。控制还调节在逆变器上游的电容器的DC链路电压。这可以快速进行，但也可以不与频率变化一样快。它可以以减小或增大DC电压的斜坡形式进行。稍后进行更详细地说明。

另一个方面涉及一种使用借助上述的装置或功率源的感应耦合RF功率来为等离子体处理产生并维持等离子体的方法。

该方法可以包括测量等离子体功率源的电压和电流。

该方法可以包括由等离子体功率的电压和电流测量求得相位差的值。

该方法可以包括由在电压与电流之间的相位差检测等离子体点火。

该方法可以包括连续减小等离子体源的频率和升高等离子体源的电压以便点燃等离子体。

该方法可以包括在检测到点火后，在小于20μs内将频率从410到490kHz迅速增大超过10％。

附图说明

尤其是在结合附图考虑了以下具体实施例的详细说明后，以上及更进一步的特征和优点将会变得显而易见。

图1是实施例的示意图；

图2是具有进一步附加特征的实施例的示意图；

图3是具有进一步附加特征的实施例的示意图；

图4显示了示例性等离子体源腔室结构；

图5显示了示例性等离子体源腔室结构；

图6显示了示例性等离子体源腔室结构；

图7是实施例的组合附图与示意图；

图8是实施例的组合附图与示意图；

图9是实施例的组合附图与示意图；

图10是实施例的组合附图与示意图；以及

图11至图16显示了点火过程的图示。

具体实施方式

图1显示了用于为等离子体处理产生并维持等离子体的装置10。谐振电路11包括谐振电感，谐振电感可以包括两个谐振线圈12、13。两个线圈可以是相同的。两个线圈中的每一个都可以具有少量弯曲(例如从1至5个弯曲)。可以借助每一个线圈两个弯曲来获得良好的结果。电感的优良值在每一个线圈为0.5与5μH之间。而且，谐振电路11包括谐振电容，谐振电容可以包括两个谐振电容器14、15。如同本领域技术人员会理解的，电容器14、15每一个都可以由几个分离的电容器的适合结构来实现。每一个电容的优良值在30与300nF之间。可以借助每一个电容器的在100与200nF之间的电容值来获得极佳的结果。

谐振线圈12、13与耦合元件16耦合，耦合元件16是铁氧体元件。耦合元件16延伸到等离子体腔室17中并通过它。耦合元件16可以是开环或闭环的。

在图2中显示了在等离子体腔室17内部的侧板18，侧板连接到点火电容20。点火电容20连接到在谐振线圈12与谐振电容器14之间的连接点22。

在图3中提供了两个侧板18、19，分别连接到点火电容20、21。点火电容21连接到在谐振电容器15与谐振电感13之间的连接点23。

在等离子体腔室17中，提供了另外的板24，板24连接到以27表示的地。

可以选择具有低电容量的另外的点火电容20与21。具体而言，可以选择点火电容20和21的电容值比谐振电容低超过10倍。每一个点火电容20与21的极佳的值在1至5nF之间。借助这种低电容值，元件比本领域中公知的点火电路便宜得多。不必用冷却液冷却它们。这种低电容值的另外优点在于在点燃等离子体时，通过这些电容的电流受限，因为主要电流会流过具有高得多的电容值的谐振电容。

图4、5和6显示了示例性等离子体源腔室结构。腔室300包括四个电介质裂口、激励变压器130与135、和点火输入370与375。等离子体腔室的部分300与310连接到地。命名为点火芯部的部分320与330借助电介质裂口与地电绝缘。

根据一个实施例，点火输入370与375分别连接到点火芯部320与330。根据另一个实施例，点火输入370与375连接到与腔室电绝缘的电极。在图4中，等离子体340流入等离子体回路，它是在点火电路产生足以发起感应耦合放电的自由电荷后在等离子体腔室内建立的。磁芯316完全在等离子体外部。在图5和6中，磁芯部分在等离子体腔室内部且部分在外部。点火输入370与375从点火电路接收高电压，点火电路在现有技术中被说明为具有变压器上的额外绕组的复杂电路。

图7至图10显示了如何将本文所述的实现方式提供给图4至6的等离子体腔室结构。

在等离子体腔室17中，提供了另外的板24、25，板24、25连接到以26、27表示的地。气体或点火后的等离子体气体34在箭头方向上流入等离子体腔室17中。

而且，装置10包括具有入口31与出口32的导电冷却管30。在实施例中，由导电冷却管30来构成谐振线圈12、13和连接谐振线圈12、13的谐振电路导体33。

谐振电路导体33还构成变压器35的次级绕组。变压器35用于将激励电路36耦合到谐振电路11，以便激励谐振电路11。变压器35的初级绕组37耦合到全桥振荡器38。全桥振荡器38包括四个开关元件39、40、41、42。开关元件39、40串联连接，构成一个半桥，开关元件41、42也串联连接，同样构成一个半桥。半桥的中点43、44连接到初级绕组37。

变压器35可以具有环形变压器的几何形状。次级“绕组”可以仅是单个直导体。这个导体也可以是金属构成的管，金属优选地是铜，管中具有冷却液。变压器可以借助邻近的初级与次级绕组来构造变压器，以使得初级也可以借助次级“绕组”来冷却。变压器在次级“绕组”方向上的长度可以比图9中所示的宽度长。变压器还包括构成为管状设置的三到十个铁氧体环。在初级绕组与次级绕组之间的电容耦合在这个特定对称设置中是可以接受的，而在其他设置中是不利的，这至少部分地由于谐振电路及其几乎对称的结构的补偿。

通过电压控制45来为全桥振荡器38提供电压，在此情况下，电压控制由电容器来代表。

为了在等离子体腔室17内点燃等离子体，抽空等离子体腔室17，并将等离子体气体提供给等离子体腔室17。操作全桥振荡器38，以特定频率提供RF功率，具体而言，是串联谐振电路11的谐振频率。RF功率耦合到谐振电路11，从而激励谐振电路11。如果接近或在其谐振频率操作谐振电路11，就在谐振电容器14、15上出现高电压。这个高电压经由点火电容20、21耦合到板18、19，从而在板18、19之间提供大电压。这电压导致等离子体腔室17内的等离子体点火。一旦等离子体点燃，板18、19就处于相似的电位，因为等离子体导电。这导致在点火电容20、21上出现的高电压，电容器14与电容21、以及电容器15与电容21现在并联或几乎并联(例如实质上并联)。结果，大谐振电流经由电容器14、15流动。点火电容20、21对等离子体腔室17内的等离子体仅具有可忽略的影响。因此，在激励了等离子体后不必停用点火电路。由于在冷却液入口31和冷却液出口32附近提供了谐振电容器14、15，入口31与出口32处于相似的电位。具体而言，它们接近于地电位。

在已经点燃了等离子体后，可以操作全桥振荡器38，以不同于谐振电路11的谐振频率的频率提供RF功率。具体而言，该频率可以高于谐振频率。

依据对装置10的说明，清楚的是谐振电路11具有对称结构，其中，线圈12、13分别提供一半的谐振电感，电容器14、15分别提供一半的谐振电容。此外，入口31与出口32以及电容20、21对称布置到该结构的中心板。

图9显示了装置10的至少部分的透视图。相似的参考标记用于与参考图1已经说明的元件相对应的元件。

依据图9，清楚的是线圈12具有四个弯曲，将它们提供为围绕耦合元件16的一端。在等离子体腔室17的相对侧提供相似的结构，在图9中未示出。借助每一端上的两个弯曲和开放的铁氧体芯实现了良好的结果。

在冷却板50上提供谐振电容器14、15。可以通过冷却板50传送冷却液。依据图9可以推导出，在等离子体腔室17的一侧上可以提供谐振电路11。因而，可以实现具有几个组件的极为紧凑的布置。

可以将激励电路36安装为远离谐振电路11和等离子体腔室17。变压器应放置在等离子体腔室附近以便保持低损耗。

激励电路36也可以安装在谐振电路11和等离子体腔室17附近。这会将损耗保持得更低。

谐振电容器14、15和点火电容20、21额定为高于1000Vrms的高电压。

谐振线圈12、13都必须承受高于200A的电流。

在一些实施例中，变压器在次级绕组上具有一个弯曲，在初级绕组上具有六个到十个弯曲。因为在初级绕组上的电流比在次级绕组上的电流低得多。

激励电路在150到600kHz之间操作。电压和频率可以由控制来完全控制。

在图11到图16中显示了解释控制的方法的图示。所有图示都范围具有400μs的时间比例的上部和具有放大视图的下部，放大视图具有2μs的时间比例。矩形波形是电压，更类似正弦的波形是在变压器的初级侧上的电流。测量设备计算并显示测量的频率。图11到16的图示的上部除了时间线11的位置以外都相同。在图示的上部，在图11到16的每一个中显示了时间线111。它显示了时间间隔，它是下部图中的放大图在上部图中的位置。所以六个图示是感兴趣的连续不同间隔。

图11显示了具有约440kHz和约100V的开始时间间隔。还没有点燃等离子体。

图12显示了若干μs后的时间间隔。电压略微增大到约440V，且频率缓慢减小到约420kHz。仍没有点燃等离子体。

图13显示了若干μs后的时间间隔。电压现在进一步增大到500V，且频率缓慢减小到约410kHz。仍没有点燃等离子体。

图14显示了仅几μs后的时间间隔。现在点燃等离子体。电压没有显著变化，但频率迅速增大到约480kHz。

图15显示了仅几μs后的时间间隔。仍点燃等离子体。电压没有显著变化，但频率迅速增大到约490kHz。

图16显示了几百μs后的时间间隔。仍旧点燃等离子体。电压现在减小，频率也减小到约460kHz。

以此方式，能够以稳定的方式控制上述的谐振电路。

Claims (17)

1.一种用于为等离子体处理产生并维持等离子体的装置，包括：

a.谐振电路，所述谐振电路包括谐振电容和谐振电感；

b.激励电路，所述激励电路用于激励所述谐振电路；以及

c.耦合元件，所述耦合元件用于将来自所述谐振电感的RF功率耦合到等离子体腔室中，

其中，所述装置被配置为使用感应耦合的RF功率来为进行等离子体处理产生并维持等离子体，并且

其中，所述谐振电路具有对称结构，所述对称结构包括两个相同的谐振电容器和两个相同的谐振线圈，其中，所述两个相同的谐振电容器各自构成所述谐振电容的一半，所述两个相同的谐振线圈各自构成所述谐振电感的一半。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，提供变压器，以将所述激励电路与所述谐振电路耦合。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述变压器的初级是所述激励电路的一部分，而所述变压器的次级是所述谐振电路的一部分。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述谐振电路的谐振电感和谐振电流导体的至少一部分包括导电冷却管。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述冷却管是铜管。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，谐振电路导体构成所述变压器的次级绕组。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，所述耦合元件是延伸到等离子体腔室中并与所述谐振电感相耦合的铁氧体磁芯元件。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，所述装置包括等离子体腔室，所述等离子体腔室包括经由点火电容连接到所述谐振电路的至少一个板。

9.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，在所述等离子体腔室中提供至少第二板，所述第二板连接到地。

10.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，所述谐振电路具有分布式谐振电感和分布式谐振电容。

11.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，提供两个点火电容，所述两个点火电容各自连接到位于所述谐振电容器中的一个与所述谐振线圈中的一个之间的连接点，并且所述两个点火电容各自连接到所述等离子体腔室中的板。

12.根据权利要求4所述的装置，其中，谐振电容器中的一个位于冷却液入口，且所述谐振电容器中的一个位于所述冷却管的冷却液出口。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述冷却液入口和所述冷却液出口被布置为彼此相邻。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述冷却液入口和所述冷却液出口处于相近似的电位。

15.根据权利要求8所述的装置，其中，所述谐振电容的所述电容的电容值比所述点火电容的电容值大。

16.根据权利要求1-3中任意一项所述的装置，其中，所述激励电路包括全桥振荡器。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述全桥振荡器能够以不同频率提供RF功率。