CN107210178B - 用于利用自谐振设备的等离子体点火的装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于使等离子体腔室内的过程等离子体点火的方法和装置。一个或多个自谐振设备相对于等离子体腔室内的等离子体生成体积而定位在等离子体腔室内。等离子体生成体积由等离子体腔室限定。每一个自谐振设备生成点火等离子体。点火等离子体引起点火气体的部分电离。部分电离的点火气体允许通过向等离子体生成体积应用电场而使过程等离子体点火。

Description

用于利用自谐振设备的等离子体点火的装置和方法

技术领域

本发明大体涉及使等离子体点火并且持续以生成包含离子、自由基、原子和分子的激活气体的领域。特别地，自谐振设备部分地电离过程等离子体点火气体并且相对于等离子体生成体积定位该自谐振设备以使等离子体点火气体在电场存在的情况下点火。

背景技术

等离子体放电可以用于激发气体以产生包含离子、自由基、原子和分子的激活气体。激活气体用于许多工业和科研应用，包括处理诸如半导体晶片之类的固体材料、粉末和其它气体。等离子体的参数以及等离子体向所处理的材料的暴露的条件取决于应用而广泛地变化。

可以以各种方式生成等离子体，包括DC放电、射频（RF）放电和微波放电。通过在气体中的两个电极之间应用电势而实现DC放电。通过从电源向等离子体中静电地或者感应地耦合能量而实现RF放电。平行板典型地用于向等离子体中静电地耦合能量。感应线圈典型地用于向等离子体中感应电流。通过经由微波通过窗口向包含气体的放电腔室中直接地耦合微波能量而实现微波放电。微波放电是有利的，因为它们可以用于支持各种各样的放电条件，包括高度电离的电子回旋共振（ECR）等离子体。

电容耦合的RF放电和DC放电固有地产生高能量离子，并且因此通常用来生成等离子体以用于其中所处理的材料与等离子体直接接触的应用。微波放电产生密集、低离子能量的等离子体。微波放电对于宜在低能量下生成离子并且然后利用所应用的电势使离子加速到过程表面的应用也是有用的。

RF感应耦合的等离子体对于生成用于像半导体晶片处理这样的应用的大面积等离子体而言特别有用。然而，一些RF感应耦合的等离子体不单纯是感应的，因为驱动电流仅微弱地耦合到等离子体。因此，RF感应耦合的等离子体通常是低效的并且要求在驱动线圈上使用高电压。高电压产生高静电场，所述高静电场引起反应器表面的高能量离子轰击。离子轰击使反应器劣化并且可能污染所处理的材料和过程腔室。离子轰击还可能引起所处理的材料的损坏。

微波和感应耦合的等离子体源可能要求昂贵且复杂的功率递送系统。这些等离子体源可能要求精确的RF或微波功率发生器以及复杂的匹配网络以使发生器的阻抗与等离子体源匹配。此外，经常要求精确的仪器以确定并且控制到达等离子体的实际功率。

使等离子体点火还可以要求功率递送系统，所述功率递送系统能够提供足够大以便引起等离子体气体的电离的功率。在当前系统中，使等离子体点火可以要求供应高电场（例如，击穿场），其足以例如通过Paschen曲线来引导来引起气体激发到形成等离子体的状态。对于微波等离子体，电容耦合的等离子体、感应耦合的等离子体和/或辉光放电等离子体，典型地应用高电场（例如，0.1到10kV/cm）以便引起气体的初始击穿。

应用高电压以使等离子体点火可以引起若干困难，例如在点火窗口（例如，用于成功点火的压强、气流和/或气体种类的标准操作范围）之外电弧化和/或电介质的电击穿（例如，穿通）。附加的非期望电弧化和电介质的电击穿可能引起等离子体腔室和/或系统部件的损坏。损坏的部件可能要求频繁更换并且可能是昂贵的。应用高电压以便点火的另一困难在于，对于不同类型/形状的等离子体源通常需要定制的点火设计。

用于应用高电压以使等离子体点火的当前技术包括使用耦合到等离子体腔室的高电压电极或者高电压火花塞。另一个当前技术是直接向等离子体腔室本身的部分应用高电压（例如，块点火）。除以上描述的困难之外，这些点火技术中的每一个都具有困难。

火花塞典型地由于例如在火花塞中使用的继电器而具有有限寿命，由此要求频繁更换。高电压电极典型地必须抵挡在处理期间暴露于等离子体。这可能引起针对电极的有限寿命和/或针对电极的有限材料选择。块点火创建了用于等离子体电弧化的电势并且可能限制针对块材料/涂层的选择。

因此，合期望的是，在没有电弧化、穿通或者使部件和/或等离子体腔室本身暴露于高电压、离子轰击、基团和/或不合期望的电弧化/热量的情况下使等离子体点火。

发明内容

本发明的优点包括使电弧化最小，因为不一定需要高电压以引起等离子体点火。本发明的其它优点包括由于向高电压的暴露、电弧和/或穿通的大幅消除所致的更换部件频率方面的减少。

其它优点包括由于昂贵部件和/或定制点火设计的必要性的最小化所致的成本的降低。其它优点包括允许更大范围的腔室材料/涂层，因为材料不再必须抵挡高电压、电弧化和/或穿通。

其它优点包括由于针对高点火电压的要求的消除而使用等离子体源作为用于其它等离子体源的引子等离子体，所述其它等离子体源在之前难以达到的压强和/或流环境中操作。其它优点包括由于利用过程气体进行点火并且避免从典型地当前需要的惰性气体混合物进行开关的能力而在处理腔室中执行高速率脉冲化等离子体处理的能力，其中用于初始击穿的阻抗条件和处理条件非常不同。

其它优点包括由于点火所需要的电场的降低所致的针对感应耦合的等离子体的调谐范围要求的降低。其它优点包括由于使用自谐振设备和/或消除原本所需要的点火开关方案所致的简化电子器件。

在一个方面中，本发明牵涉一种用于使过程等离子体点火的方法。该方法牵涉使点火气体流到等离子体腔室中。该方法还牵涉使用至少一个自谐振设备以在等离子体腔室内形成至少一个点火等离子体，所述至少一个点火等离子体引起点火气体的至少部分电离。方法还牵涉通过向等离子体腔室感应地耦合功率而使等离子体腔室内的过程等离子体点火。

在一些实施例中，自谐振设备以射频或者微波频率谐振。在一些实施例中，该方法牵涉将所述至少一个自谐振设备定位成邻近等离子体腔室内的等离子体生成体积，所述等离子体生成体积是在其内形成过程等离子体的区。

在一些实施例中，该方法牵涉将所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备定位在等离子体腔室的入口处并且将第二自谐振设备定位在等离子体腔室的出口处。在一些实施例中，该方法牵涉将第二自谐振设备和所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备定位在沿等离子体通道的等距离处。

在一些实施例中，该方法牵涉在100兆赫兹和10千兆赫兹之间的频率下操作所述至少一个自谐振设备。在一些实施例中，该方法牵涉在300兆赫兹和3千兆赫兹之间的频率下操作所述至少一个自谐振设备。

在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备是同轴谐振器、环形谐振器、分裂环形谐振器、半波谐振器、环状单分裂环形谐振器、环状分裂环形谐振器、带状线分裂环形谐振器、具有两个放电隙的半波谐振器、分裂环形谐振器加载的半波谐振器、分裂环形谐振器加载的传输或其任何组合。在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备是微带谐振器、带状线谐振器或其任何组合。在一些实施例中，过程等离子体利用每米大概1到10千伏特的平均场进行点火。

在一些实施例中，点火等离子体利用小于100Vrms的电压而持续。在一些实施例中，点火等离子体的峰值电压小于300Vrms。在一些实施例中，该方法牵涉为所述至少一个自谐振设备供应小于50瓦特的功率。在一些实施例中，等离子体腔室内的压强小于50托。

在一个方面中，本发明包括一种用于生成等离子体的等离子体源。等离子体源包括使等离子体点火气体流到等离子体腔室中的等离子体点火气体源。等离子体源还包括在等离子体腔室内生成至少一个点火等离子体的至少一个自谐振设备，所述至少一个点火等离子体引起等离子体点火气体的至少部分电离。等离子体源还包括与等离子体腔室直接电气通信的电源以便使等离子体腔室内的过程等离子体点火。

在一些实施例中，等离子体源包括将所述至少一个自谐振设备定位成邻近等离子体腔室内部的等离子体生成体积，所述等离子体生成体积是在其内形成过程等离子体的区。

在一些实施例中，第二自谐振设备和所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备沿等离子体生成体积等距离定位。在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备定位在等离子体腔室的入口处，并且第二自谐振设备定位在等离子体腔室的出口处。

在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备在微波频率或者射频下操作。在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备在100兆赫兹和10千兆赫兹之间的频率下操作。在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备在300兆赫兹和3千兆赫兹之间的频率下操作。

在一些实施例中，所述至少一个自谐振设备是同轴谐振器、环形谐振器或其任何组合。在一些实施例中，过程等离子体利用每米10千伏特的平均场进行点火。在一些实施例中，所述一个或多个点火等离子体利用小于100Vrms的电压而持续。

在一些实施例中，点火等离子体的峰值电压小于300Vrms。在一些实施例中，为所述至少一个自谐振设备供应小于10瓦特的功率。在一些实施例中，等离子体腔室内的压强小于50托。

附图说明

以上描述的本发明的优点连同另外的优点，可以通过参考结合附图考虑的以下描述而更好地理解。附图未必按照比例，相反地一般将重点放在说明本发明的原理上。

图1是根据本发明的说明性实施例的用于产生激活气体的等离子体源的示意性表示。

图2是根据本发明的说明性实施例的等离子体腔室的示意性表示。

图3是根据本发明的说明性实施例的用于使等离子体点火的方法的流程图。

图4是根据本发明的说明性实施例的点火功率相对压强的图形。

图5是根据本发明的说明性实施例的自谐振设备的数目相对点火性能的图形。

具体实施方式

一般地，一个或多个自谐振设备相对于由等离子体腔室限定的等离子体生成体积来定位。在点火期间，每一个自谐振设备创建其自身的等离子体（例如，点火等离子体），所述等离子体部分地电离流到等离子体生成体积中的气体（例如，点火气体）。能量耦合到等离子体生成体积中并且等离子体（例如，过程等离子体）点火。

点火气体的部分电离允许过程等离子体的点火以比没有部分电离的情况下（例如，在没有所述一个或多个自谐振设备的情况下）引起过程等离子体的点火所要求的能量更低的能量而发生。

图1是根据本发明的说明性实施例的用于产生激活气体的等离子体源10的示意性表示。等离子体源10向半导体过程腔室22提供激活气体。等离子体源10包括功率变换器、等离子体腔室20、气体入口32、第一自谐振设备15a、第二自谐振设备15b、第三自谐振设备15n（一般地，自谐振设备15）、开关电源（电压供应24和开关元件26）以及反馈回路44。

功率变换器包括磁芯16、初级线圈18和过程等离子体14（一旦点火的话）。功率变换器将从开关电源所接收的功率耦合到等离子体生成体积中。等离子体生成体积由等离子体腔室20限定。功率变换器还将从开关电源所接收的功率耦合到三个点火等离子体体积中，每一个自谐振设备15一个点火等离子体体积。磁芯16缠绕在等离子体腔室20周围，使得等离子体腔室20穿过磁芯16。初级线圈18和磁芯16允许在等离子体生成体积内的点火和持续的过程等离子体14形成功率变换器的次级线圈。

在各种实施例中，功率变换器包括两个、四个或者任何数目的磁芯。在各种实施例中，等离子体腔室20可以由电介质材料或者金属或者经涂敷的金属制成，所述电介质材料诸如石英、氧化铝或蓝宝石，所述金属诸如铝，所述经涂敷的金属诸如阳极化铝。

在一些实施例中，每一个自谐振设备15具有其自身相应的电源。例如，每一个相应的电源可以是提供大概3瓦特功率的微波放大器。在一些实施例中，每一个相应的电源是电压控制的振荡器，其允许控制微波频率。在一些实施例中，每一个相应的电源处在具有其相应自谐振设备的微芯片上。在这些实施例中，由低电压DC电源为微芯片供应功率。在一些实施例中，每一个相应的电源与其相应的自谐振设备分离地安放。

在一些实施例中，开关电源可以是固态开关电源，如在例如美国专利号6,388,226的图7和图8中描述，该美国专利以其整体通过引用并入本文。

自谐振设备15耦合到等离子体腔室20。在操作期间，点火气体流到等离子体腔室20中。每一个自谐振设备15在其对应的点火等离子体体积内生成点火等离子体，其全部处在等离子体腔室20内。由自谐振设备生成的点火等离子体至少部分地电离点火气体。

由自谐振设备15创建的部分电离的气体允许用于利用所应用的电场强度而使过程等离子体点火的气体（例如，如用于生成点火等离子体的相同点火气体和/或附加气体）的击穿，对于所应用的电场强度，在没有自谐振设备的情况下的击穿是不可能的（例如，比从Paschen曲线所预期的更小的强度）。以该方式，使过程等离子体点火所要求的电场（例如，大概50伏特/米）小于使过程等离子体在没有等离子体腔室中的自谐振设备15的情况下点火所要求的电场（例如，大于300伏特/米）。

在一些实施例中，生成自谐振设备的每一个等离子体所要求的功率小于每一自谐振设备10瓦特。以该方式，引起过程等离子体的点火所要求的功率（例如，每一自谐振设备10瓦特）小于在没有自谐振设备15的情况下引起过程等离子体的点火所要求的功率（例如，大概100到300瓦特）。

利用等离子体生成体积内的点火气体以及由自谐振设备15创建的部分电离的点火气体，当功率变换器将功率耦合到等离子体生成体积时，过程等离子体14点火。以该方式，过程等离子体在没有使用应用于等离子体腔室20的高电压和/或点火电极的情况下点火。一旦过程等离子体14的点火发生，自谐振设备15就停止生成点火等离子体。

每一个自谐振设备15可以生成等离子体，所述等离子体具有比过程等离子体的密度小的密度和/或以比过程等离子体所存在的体积小的体积而存在。因而，要求向自谐振设备15供应的功率（例如，用于等离子体点火的功率）可以小于使过程等离子体持续所要求的功率。

经由等离子体腔室20的出口，气体离开等离子体腔室20并且进入过程腔室22。在一些实施例中，等离子体腔室20包括多个气体入口。在各种实施例中，等离子体腔室20具有用于每一个磁芯的一个气体出口。在各种实施例中，等离子体腔室20包括比磁芯多的气体出口。

在一些实施例中，点火气体与等离子体14持续时使用的气体（例如，过程等离子体气体）相同。在一些实施例中，过程气体是NH3、O2、H2、N2、NF3或其任何组合。在一些实施例中，点火气体和过程等离子体气体不同。在各种实施例中，点火气体是氦、氩、氪、氙、氖、氡、118元素（ununoctium）、氢、氮或其任何组合。普通技术人员将显而易见的是，点火气体可以是能够向等离子体中点火的任何气体。

样本夹具23可以定位在过程腔室22中以支持要处理的材料。要处理的材料可以相对于等离子体的电势偏压。在一些实施例中，喷淋头（未示出）位于等离子体腔室出口50与样本夹具23之间，使得激活气体基本上在要处理的材料的表面之上均匀地分布。

等离子体源10还可以包括用于测量初级绕组18的电气参数的测量电路36。初级绕组18的电气参数包括驱动初级绕组18的电流、跨初级绕组18的电压、由电压供应24生成的总线或干线电压、初级绕组18中的平均功率、以及初级绕组18中的峰值功率。可以连续地监测初级绕组的电参数。

递送到等离子体的功率可以由反馈回路44准确地控制，所述反馈回路44包括功率控制电路42、用于测量初级绕组18的电气参数的测量电路36、以及包含一个或多个开关半导体器件的开关电路26。此外，反馈回路44可以包括电压探针和电流探针。

等离子体源10还可以包括用于测量初级绕组18的电气参数的测量电路36。初级绕组18的电气参数包括驱动初级绕组18的电流、跨初级绕组18的电压、由电压供应24生成的总线或干线电压、初级绕组18中的平均功率、以及初级绕组18中的峰值功率。可以连续地监测初级绕组的电参数。

递送给等离子体的功率可以通过监测功率测量结果来准确地控制，所述功率测量结果是基于馈给RF区段的DC总线。

等离子体源10对于处理众多材料是有用的，所述材料诸如固体表面、粉末和气体。等离子体源10对于在半导体处理装备中提供激活气体特别有用，所述半导体处理装备诸如薄膜沉积和蚀刻系统。等离子体源10对于光刻脱模、原子层沉积、晶片清洁、以及栅极氧化、过程腔室清洁或者电介质改性也是特别有用的。

等离子体源可以用于蚀刻众多材料，诸如硅、二氧化硅、氮化硅、铝、钼、钨和有机材料，比如光刻胶、聚酰亚胺和其它聚合材料。等离子体源10可以用于众多薄膜材料的等离子体增强沉积，所述薄膜材料诸如金刚石膜、二氧化硅、氮化硅和氮化铝。

此外，等离子体源10可以用于生成反应气体，诸如原子氟、原子氯、原子氢、原子溴、原子氮和原子氧。等离子体源可以用于生成分子基团，诸如NH、NF、OH以及稳定前驱体的其它分子片段。这样的反应气体对于减少、转化、稳定化或钝化各种氧化物是有用的，所述氧化物诸如二氧化硅、氧化锡、氧化锌和氧化铟锡。具体应用包括无焊剂（flux-less）焊接、二氧化硅从硅表面的移除、晶片处理之前对硅表面的钝化、以及各种金属和电介质材料（诸如铜、硅和氧化硅）的表面清洁。

等离子体源10的其它应用包括聚合物、金属、陶瓷和纸的表面性质的改性。此外，等离子体源10可以用于生成高通量的原子氧、原子氯或者原子氟以用于杀菌。

在各种实施例中，基于要在特定过程期间使用的气体化学组成和/或应用来选择等离子体腔室的表面材料。例如，石英对于氧和氯等离子体相对稳定，但是可以在氟和氢等离子体中蚀刻。为了生成包含氟的等离子体，等离子体腔室的表面可以由铝、锰、钇或其化合物来制成，因为这些元素可以具有稳定的氟化物。

在各种实施例中，可以裁剪过程气体的组成以最小化等离子体腔室表面的腐蚀。例如，包含氧化铝（诸如蓝宝石、铝或阳极化的铝）的表面可以受氢等离子体腐蚀。氢离子首先使氧化铝还原并且随后将它转换成挥发性的氢化铝。以O2或H2O的形式并且1-1000ppm范围的少量氧在氢中的添加可以使氧化铝表面稳定并且显著减少其腐蚀。

由等离子体源10生成的等离子体14的等离子体电流以及等离子体电流密度可以选择为优化用于特定应用的特定气体的解离。例如，等离子体电流和等离子体电流密度可以选择为优化NF3解离。NF3广泛用作用于腔室清洁和众多其它应用的氟源。NF3相对昂贵。针对高NF3解离率而优化等离子体源10改进了气体利用率并且减少了操作系统的总成本。此外，增加NF3的解离率是合期望的，因为其减少了环境有害的气体向大气中的释放。

NF3的解离由NF3分子与等离子体中的电子和热气体之间的碰撞引起。等离子体源中的电子密度与等离子体电流密度大概成比例。存在最优范围的等离子体电流密度，其最大化NF3分子的解离。在一个实施例中，具有约40-60cm长度的环行等离子体14，用于有效解离NF3气体的最佳等离子体电流密度在5-20A/cm²之间。在一个实施例中，具有横截面积3-10cm²的环行等离子体14，该电流密度范围对应于在大概20-200A范围中的总环行等离子体电流。

可以仔细选择在等离子体腔室20的内表面以及将等离子体腔室20的输出连接到过程腔室22的元件中使用的材料，尤其是在等离子体源将用于生成化学反应组分的情况下。材料可以选择为满足若干要求。材料的一个要求是源自于由材料与过程气体的相互作用所引起的材料的侵蚀或劣化的污染的创建应当最小化。材料的另一个要求在于，它们在暴露于过程气体时具有最小腐蚀。材料的另一个要求在于，它们应当最小化反应气体的重组和去激活，由此最大化向过程腔室的反应物递送。

阳极化铝具有用于半导体处理应用的一些优点。一个优点在于，阳极化铝可以通过电解过程直接生长在底层铝基底上。所得膜具有卓越的粘合性质。另一个优点在于，阳极化铝具有的导热性大概是石英的导热性的15倍。因此，利用阳极化铝形成的等离子体腔室的内表面将保持相对冷，即使在具有显著入射功率密度的情况下。

另一个优点在于，阳极化铝对于许多原子种类（F、O、Cl等）是化学惰性的，只要不存在离子轰击或者仅存在低能量的离子轰击。阳极化铝对于氟化学组成特别有利，因为它具有用于原子氟的低重组系数。而且，阳极化铝是对于半导体材料处理应用而言通常使用并且接受的材料。

石英对于半导体处理应用也具有一些优点。可获得并且在半导体产业中通常使用和接受极其高纯度的石英。而且，石英对于众多反应组分是稳定的，包括O、H、N、Cl和Br。特别地，石英具有用于原子氧和氢的低表面重组系数。而且，石英具有低热膨胀系数并且对热冲击具有相对高的阻性。此外，石英具有高软化和熔化点，并且因此，从石英形成过程腔室相对容易。

含氟聚合物对于半导体处理应用也具有一些优点。一些含氟聚合物的示例为PTFE、PFE、PFA、FEP和Teflon^TM。用于许多含氟聚合物的重组率相对低。含氟聚合物对于大多数原子种类（包括原子氟和原子氧）也是相对惰性的。此外，含氟聚合物的纯度相对高，并且可获得以块状形式（管、片等）和薄膜形式二者的含氟聚合物。

然而，在一些实施例中，含氟聚合物可以受等离子体中离子的腐蚀。而且，含氟聚合物可以容忍的最大操作温度显著小于石英可以容忍的最大温度。此外，含氟聚合物的导热性相对低。因此，在一些实施例中，含氟聚合物对于在等离子体腔室之外构造输运区段最有用。

普通技术人员将显而易见的是，以上在图1中示出的等离子体源是用于过程等离子体可以针对其在等离子体生成体积内部点火和持续的等离子体源的一个示例性配置，并且用于等离子体源的许多可能的配置是可能的且适用于本发明。在各种实施例中，修改本领域中已知的其它等离子体源配置以便允许自谐振设备在等离子体生成体积内激发气体来允许过程等离子体利用比中性点火气体所要求的场密度低的场密度进行点火。

图2是根据本发明的说明性实施例的等离子体腔室200的示意性表示。等离子体腔室200是环行形状并且包括由等离子体腔室限定的等离子体生成体积。等离子体腔室200还包括四个自谐振设备230a、230b、230c和230d（统称为自谐振设备230），入口205和出口210。等离子体腔室200由磁芯240a和240b围绕。

在各种实施例中，自谐振设备230中的所述一个或多个中的每一个是同轴谐振器、环形谐振器或其任何组合。在各种实施例中，自谐振设备230中的所述一个或多个中的每一个是微带谐振器、带状线谐振器或其任何组合。在一些实施例中，所述一个或多个自谐振设备中的每一个是本领域中已知的自谐振设备。例如，如在David M. Pozar的书籍“Microwave Engineering”Wileys & Sons（2011）第6章中描述的自谐振设备，该书籍通过引用并入本文。

在各种实施例中，存在更多或更少的自谐振设备230。在各种实施例中，存在一个、两个、三个、五个、六个或任何数目的自谐振设备。在各种实施例中，自谐振设备的数目取决于等离子体腔室200的大小、点火参数的期望范围（例如，种类混合、气体压强和/或气流速度）。在一些实施例中，自谐振设备的数目取决于针对气流中或者等离子体腔室的表面上的污染物的期望容忍性。例如，较高数目的自谐振设备可以允许针对污染物的较大容忍性。

在一些实施例中，在等离子体腔室200的入口225处存在一个自谐振设备以及在等离子体腔室200的出口处存在一个自谐振设备。在一些实施例中，自谐振设备230沿等离子体通道等距离定位。在一些实施例中，每一个自谐振设备230定位成邻近等离子体生成体积。

在一些实施例中，自谐振设备230以微波频率谐振。在一些实施例中，自谐振设备230以射频谐振。在一些实施例中，自谐振设备230在100兆赫兹和10千兆赫兹之间的频率下谐振。在一些实施例中，自谐振设备230在300兆赫兹和3千兆赫兹之间的频率下谐振。

各自谐振设备230可以各自生成足以引起气体的部分电离的等离子体（例如，点火等离子体）。用于生成气体的部分电离的等离子体可以具有比过程等离子体的密度小的密度。因而，生成气体的部分电离所要求的功率可以小于使过程等离子体持续所要求的功率。例如，为了部分地电离气体，所要求的功率可以为几个瓦特到10瓦特，而使等离子体持续的功率可以大于1千瓦特。

在一些实施例中，等离子体腔室200包括一个或多个附加气体入口以便向自谐振设备230提供气体。例如，对于每一个自谐振设备230，等离子体腔室200可以包括对应气体入口以便在每一个自谐振设备230附近的位置处注入气体。以该方式，每一个自谐振设备230可以具有其自身的气体源以用于其对应等离子体的点火。

在一些实施例中，由每一个自谐振设备230使用以使等离子体点火的气体与用于使过程等离子体点火的点火气体相比是不同类型的气体。例如，该点火气体可以是氩、氦或其任何组合。在这些实施例中，一旦每一个自谐振设备230使等离子体点火，点火气体就流到等离子体腔室200中，使得每一个自谐振设备230的等离子体可以至少部分地电离点火气体。

在图2中，在操作期间，点火气体流过等离子体腔室200的入口225。点火气体流过等离子体腔室200并且每一个自谐振设备230使其自身的点火等离子体点火。每一个点火等离子体使点火气体至少部分电离。可以在位于每一个自谐振设备230附近的电离区232内在等离子体腔室200内发现点火气体的部分电离。例如，自谐振设备230a具有对应的电离区232a，自谐振设备230b具有对应的电离区232b，自谐振设备230c具有对应的电离区232c，并且自谐振设备230d具有对应的电离区232d。

在每一个电离区中生成的部分电离气体的至少部分流到等离子体生成体积中。经由磁芯240a和240b向等离子体生成体积应用电场，并且过程等离子体在等离子体生成体积内点火。

在各种实施例中，等离子体腔室200是感应耦合的等离子体源、电容耦合的等离子体源、中空阴极、微波放电等离子体源或者辉光放电等离子体源的部分。

图3是用于使等离子体腔室（例如，如上文在图2中示出的等离子体腔室200）内的过程等离子体点火的方法的流程图300。

该方法牵涉使点火气体流到等离子体腔室中（步骤310）。该方法还牵涉使用至少一个自谐振设备（例如，如上文在图2中描述的自谐振设备230）。每一个自谐振设备在等离子体腔室内形成至少一个对应点火等离子体（步骤320）。每一个点火等离子体引起点火气体的至少部分电离。通过部分地电离点火气体，当直接将功率耦合到等离子体腔室中时，过程等离子体可以点火。可以通过应用比在没有部分电离的气体的情况下使过程等离子体点火所要求的功率（例如，1千瓦特）小的功率（例如，小于10瓦特）而使过程等离子体点火。

该方法还牵涉通过向等离子体腔室感应地耦合功率而使等离子体腔室内的过程等离子体点火（步骤330）。

在一些实施例中，部分电离的气体百分比是基于预确定的点火电压。例如，当通过自谐振设备实现了较高程度的点火电离时，使过程等离子体点火所要求的功率可以降低。

图4是根据本发明的说明性实施例的点火功率相对等离子体腔室压强的图形400。对于包括自谐振设备的等离子体腔室（例如，如在上文图2中示出的等离子体腔室200），针对约0.25和2.25托之间的等离子体腔室压强，使过程等离子体点火所要求的功率具有约1-7瓦特的范围。

图5是根据本发明的说明性实施例的自谐振设备数目相对点火性能的曲线图500。对于所应用的功率12W，包括四个自谐振设备的等离子体腔室（例如，如上文在图2中示出的等离子体腔室200）具有比包括三个自谐振设备的等离子体腔室高的点火性能。

尽管已经参照具体实施例特别地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解到，可以在其中做出形式和细节方面的各种改变而不脱离如由随附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (29)

1.一种用于使过程等离子体点火的方法，所述方法包括：

使点火气体流到等离子体腔室中；

使用至少一个自谐振设备在等离子体腔室内形成至少一个点火等离子体，所述至少一个点火等离子体引起点火气体的至少部分电离；以及

使用功率变换器来将功率感应地耦合到等离子体腔室，包括耦合到所述等离子腔室中的所述至少一个点火等离子体，并且使等离子体腔室内的过程等离子体点火。

2.权利要求1所述的方法，其中自谐振设备以射频频率谐振。

3.权利要求1所述的方法，其中自谐振设备以微波频率谐振。

4.权利要求1所述的方法，还包括将所述至少一个自谐振设备定位成邻近等离子体腔室内的等离子体生成体积，所述等离子体生成体积是在其内形成过程等离子体的区。

5.权利要求4所述的方法，还包括将所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备定位在等离子体腔室的入口处并且将第二自谐振设备定位在等离子体腔室的出口处。

6.权利要求4所述的方法，还包括使第二自谐振设备和所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备沿等离子体通道等距离定位。

7.权利要求1所述的方法，还包括在100兆赫兹和10千兆赫兹之间的频率下操作所述至少一个自谐振设备。

8.权利要求1所述的方法，还包括在300兆赫兹和3千兆赫兹之间的频率下操作所述至少一个自谐振设备。

9.权利要求1所述的方法，其中所述至少一个自谐振设备是同轴谐振器、环形谐振器或其任何组合。

10.权利要求1所述的方法，其中所述至少一个自谐振设备是微带谐振器、带状线谐振器或其任何组合。

11.权利要求1所述的方法，其中过程等离子体利用每米1千伏特到每米10千伏特之间的平均场而点火。

12.权利要求1所述的方法，其中点火等离子体利用小于100Vrms的电压而持续。

13.权利要求1所述的方法，其中点火等离子体的峰值电压小于300Vrms。

14.权利要求1所述的方法，还包括为所述至少一个自谐振设备供应小于50瓦特的功率。

15.权利要求1所述的方法，其中等离子体腔室内的压强小于50托。

16.一种用于生成等离子体的等离子体源，所述等离子体源包括：

使等离子体点火气体流到等离子体腔室中的等离子体点火气体源；

在等离子体腔室内生成至少一个点火等离子体的至少一个自谐振设备，所述至少一个点火等离子体引起等离子体点火气体的至少部分电离；

与等离子体腔室直接电气通信的电源；以及

功率变换器，其配置成通过将功率从电源感应地耦合到等离子体腔室而使等离子体腔室内的过程等离子体点火，包括耦合到所述等离子腔室中的所述至少一个点火等离子体。

17.权利要求16所述的等离子体源，还包括使所述至少一个自谐振设备定位成邻近等离子体腔室内部的等离子体生成体积，所述等离子体生成体积是在其内形成过程等离子体的区。

18.权利要求17所述的等离子体源，其中第二自谐振设备和所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备沿等离子体生成体积等距离定位。

19.权利要求17所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备中的第一自谐振设备定位在等离子体腔室的入口处，并且第二自谐振设备定位在等离子体腔室的出口处。

20.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备在射频下操作。

21.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备在微波频率下操作。

22.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备在100兆赫兹和10千兆赫兹之间的频率下操作。

23.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备在300兆赫兹和3千兆赫兹之间的频率下操作。

24.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个自谐振设备是同轴谐振器、环形谐振器或其任何组合。

25.权利要求16所述的等离子体源，其中过程等离子体利用每米10千瓦特的平均场而点火。

26.权利要求16所述的等离子体源，其中所述至少一个点火等离子体利用小于100Vrms的电压而持续。

27.权利要求16所述的等离子体源，其中点火等离子体的峰值电压小于300Vrms。

28.权利要求17所述的等离子体源，其中为所述至少一个自谐振设备供应小于50瓦特的功率。

29.权利要求17所述的等离子体源，其中等离子体腔室内的压强小于50托。

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