CN110402009B - 等离子体发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体发生装置。该装置包括多个等离子体源，每个等离子体源包括经由相应的传输线被电耦接到公共电气端子的相应的天线线圈组件。每条传输线被配置为将射频电功率信号从所述公共电气端子传送到所述相应的天线线圈组件，并且每条传输线的长度是所述射频电功率信号的1/4波长的奇数倍。

Description

等离子体发生装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体发生装置。
背景技术
众所周知，通过使射频电流通过靠近处理腔室设置的天线，可以在低压等离子体腔室内产生等离子体。根据等离子体工艺要求，天线可以在真空容器的内部或外部。这种类型的等离子体可以被用于蚀刻、沉积或处理在等离子体附近的表面。快速变化的电流产生磁场，该磁场与腔室内的气体相互作用以产生等离子体。所谓的电感耦合等离子体通常包括每个腔室一个或多个射频(RF)电源(如果该过程需要多于一个RF频率，则甚至需要更多的RF电源)以用于在相应的天线中产生电流。通过使用RF匹配网络，每个RF电源与天线阻抗匹配。针对每个天线使用专用RF电源和匹配网络的必要性给系统设计者带来了限制。期望能够与多个天线共享在固定频率(例如13.56MHz)下运行的RF电源，以简化系统设计、节省空间并降低成本。
实际上，如图1b所示，当被用作低压处理腔室15的激励装置的两个或两个以上的RF天线10a、10b与单个RF电源20并联耦接时，产生的磁场将是异相的，并且线圈10a、10b中的一个将成为主线圈且从源获取所有电能。这表现为在主线圈的局部形成等离子体25，然而，难以预测哪个线圈将获取电能以产生等离子体。成为主线圈的线圈可以通过机械布局或气体条件的微小差异来确定，尽管这通常是随机过程。如果由单个RF电源并行驱动两个或两个以上的单独的腔室，则会出现类似的结果。
例如，在单个腔室15上紧密接近地串联运行的多个天线由于所产生的电磁场相互作用而具有有限的益处。例如，参照图1a，如果两个线圈10a、10b被紧密地放置在同一腔室15上并且以串联配置来配置，则产生的磁场将是同相的，并且等离子体将在线圈10a、10b中间稳定地形成。
发明内容
我们现在已经设计出一种改进的等离子体发生装置，该装置可以减轻至少一些上述问题。
根据本发明，提供了一种等离子体发生装置，包括多个等离子体源，每个等离子体源包括经由相应的传输线被电耦接到公共电气端子的相应的天线线圈组件，每条传输线被配置为将射频电功率信号从公共电气端子传送到相应的天线线圈组件，其中，每条传输线的长度是射频电功率信号的1/4波长的奇数倍。
等离子体发生装置使电能共享到每个等离子体源，以使得每个源可以在等离子体腔室上的相应位置处产生稳定的等离子体。
在一实施例中，每条传输线的长度基本上是所述射频电功率信号的一个波长的四分之一。
在一实施例中，每个等离子体源以并联配置被电连接在一起。
在一实施例中，所述装置的至少一条传输线包括阻抗匹配电路，以用于使所述相应的天线线圈组件的电阻抗与所述公共电气端子匹配。该阻抗匹配电路可以包括电感器和电容器。该电感器和电容器可以被配置为π形网络配置。在一实施例中，阻抗匹配电路包括四分之一波长阻抗变换器。
在一实施例中，所述装置的每条传输线包括阻抗匹配电路，以用于使所述相应的天线线圈组件的电阻抗与所述公共电气端子匹配。每个阻抗匹配电路可以包括电感器和电容器，该电感器和电容器可以被配置为π网络配置。
在一实施例中，每条传输线可以进一步包括诸如同轴电缆之类的馈线，所述馈线用于将电功率信号传送到所述相应的天线线圈组件。所述馈线可以被设置在相应的阻抗匹配电路和天线线圈组件之间。
在一实施例中，每个天线线圈组件包括天线线圈和电子谐振器电路。所述电子谐振器电路包括电容器，所述电容器以并联配置与相应的天线线圈电耦接。天线线圈可以被设置在公共等离子体腔室上，以用于在同一腔室内产生局域化到每个线圈处的单独的等离子体。可选地，天线线圈可以被设置在单独的等离子体腔室上，以用于在每个单独的腔室内产生等离子体。
在一实施例中，所述装置还包括射频电源，所述射频电源用于向所述公共电气端子提供射频电能。因此，单个电源可以用于为多个单独的等离子体源供电。
在一实施例中，所述装置还包括阻抗匹配电路，以用于将所述公共电气端子的电阻抗与所述射频电源匹配。
虽然上面已经描述了本发明，但是本发明可以扩展到上面或下面的描述中所述的任何创造性的特征组合中。尽管这里参考附图详细描述了本发明的说明性实施例，但是应该理解的是，本发明不限于这些精确的实施例。
此外，可以设想的是，单独描述的或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的部分组合，即使其他特征和实施例并没有提及该特定特征。因此，本发明还扩展到尚未描述的这种特定组合中。
附图说明
本发明可以以各种方式并且仅通过示例来执行，现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1是已知的等离子体发生装置的示意图，该已知的等离子体发生装置包括用于在等离子体腔室内产生等离子体的两个天线线圈，天线以(a)串联配置和(b)并联配置来布置；
图2是根据本发明实施例的等离子体发生装置的示意图；
图3是示出图1所示实施例的等离子体腔室被移除的电气部件的电路图；
图4a是仪器显示器示出在等离子体点火期间每个等离子体源上的电压随时间的变化的视图，其中，时间标线表示20ms的划分；以及
图4b是仪器显示器示出在等离子体点火期间每个等离子体源上的电压随时间的变化的视图，其中，时间标线表示1ms的划分。
具体实施方式
参照附图的图2，提供了根据本发明实施例的等离子体发生装置100的示意图。所示装置包括两个等离子体源110、120，每个等离子体源与单独的等离子体腔室130相联接，该等离子体腔室例如为包含诸如氮气之类的气体的等离子体管。然而，每个等离子体源可以替代地与公共等离子体腔室相联接。此外，尽管所示实施例仅包括两个等离子体源，但是应当理解的是，该装置可以扩充至包括以单个RF电源运行的其他等离子体源。
等离子体源110、120经由相应的传输线140、150以并联配置被电耦接。每条传输线140、150的一端被电连接到公共电气端子160或节点，另一端被电连接到相应的天线线圈组件170、180，每个天线线圈组件170、180被设置成在线圈170、180的位置处的腔室130内电磁感应等离子体200。等离子体源110、120以及天线线圈组件170、180使用射频(RF)电源190来供电，该射频电源190被电耦接到公共节点160。在这方面，单个RF电源190被配置为向多个等离子体源110、120供电。
将天线线圈组件170、180耦接到公共节点160的传输线140、150的尺寸被设置为对应于来自RF源190的电功率信号的1/4波长的奇数倍，并且在优选实施例中，每条传输线140、150包括有效路径长度，该有效路径长度基本上是电功率信号的一个波长的四分之一，以在穿过传输线140、150时产生π/2弧度的相位变化。通常，等离子体源具有负电阻特性，因此，如果等离子体源以并联配置放置，则正反馈导致以牺牲其他线圈为代价使线圈中的一个线圈接收所有电能并成为主线圈。然而，通过将每个天线线圈组件170、180电耦接到公共电节点160以使得每个组件170、180是来自节点160的一个波长的四分之一，这有效地使线圈170、180表现得好像被布置在电串联配置中。在这种情况下，传输线140、150的有效输入阻抗(Z)可以表示为Z＝Z0 2/ZL，其中，Z0是传输线的特性阻抗，ZL是相应的天线线圈组件170、180的阻抗。因此，如果与该装置的特定等离子体源110、120相联接的等离子体开始灭火，则ZL将开始增大，从而使得传输线140、150的有效阻抗减小。减小的阻抗使得电能从其他等离子体源中被吸走以维持等离子体，从而提供稳定的负反馈。
为了最大程度的将传输线140、150的电力电耦接到相应的天线线圈组件170、180，传输线140、150的阻抗必须与相应的天线线圈组件170、180的阻抗相匹配。同轴电缆传输线的特性阻抗通常为50Ω，因此如果天线线圈组件170、180包括相似的阻抗，则在相应的天线线圈组件170、180的耦接处反射的电功率将被最小化。在等离子体反应器中所使用的公共RF频率13.56MHz处，1/4波长约为4m。然而，如果天线线圈组件170、180包括与传输线140、150明显不同的阻抗或者需要较短的电缆长度，则较短的电缆可以与使用低通π形网络或电路的同轴电缆的“集总”等效电路组合(如图3所示)，以便定制传输线的阻抗。
例如，参考附图的图3，每条传输线140、150包括串联配置的π形网络141、151和馈线142、152(诸如同轴电缆)，所述馈线用于将来自公共节点160的电能耦接到相应的天线线圈组件170、180。π形网络141、151包括：与馈线142、152串联设置的电感器143、153，以及在电感器143、153的任一侧分别被设置成并联配置的两个电容器144、154。在天线线圈组件170、180包括与传输线140、150不匹配的阻抗的情况下，传输线140、150的有效阻抗(即，π形网络141、151和馈线142、152的组合阻抗)可以通过分别为电感器143、153和电容器144、154选择适当的电感值和电容值来选择。
每个天线线圈组件170、180包括耦接线圈171、181，该耦接线圈紧邻诸如等离子体管之类的等离子体腔室130延伸，或者该耦接线可以设置在腔室130上并且可以通过相联接的电谐振器电路173、183的相应的电容器172、182被调谐到并联谐振。四分之一波长传输线140、150由相应的π形网络141、151和馈线142、152形成，并且被设置成在线路上产生π/2弧度的相移。馈线142、152上的相移被定义为长度/(波长×馈线速度因子)。对于诸如RG213之类的典型的馈线，速度因子Vp为0.66。因此，在13.56MHz的频率(f)处支持电信号的长1m的RG213馈线将产生24°(大约2π/15弧度)的相移。因此，产生90°移位需要π形网络的剩余相移是66°。
对于低通π形网络，电感(L)被定义为(Z0sinθ)/ω，其中，ω＝2πf是角频率，每个电容器的电容(C)为(1-Cosθ)/ωZ0sinθ。因此，为了产生66°的进一步的相移，分别计算电感器和电容器所需的电感值和电容值为532nH和150pF。
RF电源190还经由相应的阻抗匹配电路191与公共节点160阻抗匹配，该阻抗匹配电路191包括电感器192和电容器193。电感器192以串联配置耦接在RF电源190和公共节点160之间，而电容器193以并联配置被耦接在并联配置的RF源190和电感器192之间的。
在实践中使用由Al2O3制成的具有相似的多匝线圈天线的2个平行圆柱形水冷等离子管来测试本发明。该结构在图2中被示意性地示出。两个等离子体源110、120均由单个13.56MHz的电源供电，该电源使用普通泵在4Torr的N2压力下以～2kW运行。使用示波器监测电压。
参照附图的图4，示出了仪器显示器300，该仪器显示器300示出了每个等离子体源上的电压随时间的变化。图4a和4b示出了在等离子体点火序列期间每个等离子体源110、120两端的电压。图4a示出了相对过程时标(20ms/div)上的电压变化，并且根据该图可以看出，两个等离子体源110、120几乎同时产生相应的等离子体，如电压的突然下降所示。图4b使用相对较小的时标(1ms/div)来更仔细地检查点火点处的电压变化。在这个标度上，显然第二等离子体源120上的电压(图4a和图4b中的下部迹线)下降，而第一等离子体源110上的电压上升，因为第二源120首先点火等离子体。在第二源120点火等离子体之后不久，第一源110上的电压上升，直到第一源110附近的等离子体也被点火，从而证明使用单个电源190产生两个稳定的等离子体(在同一腔室130中或在分离的腔室中)。
因此，从上述内容可以明显看出，等离子体发生装置提供了一种用于由单个电源产生多个等离子体的简单而有效的装置。

Claims (15)

1.一种等离子体发生装置，包括多个等离子体源，每个等离子体源包括经由相应的传输线被电耦接到公共电气端子的相应的天线线圈组件，其中，每条传输线被配置为将射频电功率信号从所述公共电气端子传送到所述相应的天线线圈组件，使得每个等离子体源被同时供电，其中，每条传输线的长度是所述射频电功率信号的1/4波长的奇数倍。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其中，每条传输线的长度基本上是所述射频电功率信号的一个波长的四分之一。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体发生装置，其中，各个等离子体源以并联配置被电连接在一起。
4.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其中，所述装置的至少一条传输线包括阻抗匹配电路以用于使所述相应的天线线圈组件的电阻抗与所述公共电气端子匹配。
5.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其中，所述装置的每条传输线包括阻抗匹配电路以用于使所述相应的天线线圈组件的电阻抗与所述公共电气端子匹配。
6.根据权利要求4或5所述的等离子体发生装置，其中，至少一个阻抗匹配电路或每个阻抗匹配电路包括电感器和电容器。
7.根据权利要求6所述的等离子体发生装置，其中，所述电感器和所述电容器被配置为π形网络配置。
8.根据权利要求1、2、4或5所述的等离子体发生装置，其中，每条传输线进一步包括馈线，所述馈线用于将所述电功率信号传送到所述相应的天线线圈组件。
9.根据权利要求8所述的等离子体发生装置，其中，所述馈线被设置在相应的阻抗匹配电路和所述相应的天线线圈组件之间。
10.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其中，每个天线线圈组件包括天线线圈和电子谐振器电路。
11.根据权利要求10所述的等离子体发生装置，其中，所述电子谐振器电路包括电容器，所述电容器以并联配置与相应的天线线圈电耦接。
12.根据权利要求10或11所述的等离子体发生装置，还包括等离子体腔室，其中，每个天线线圈被设置在所述等离子体腔室上，以用于在所述腔室内产生局域化到每个线圈处的单独的等离子体。
13.根据权利要求10或11所述的等离子体发生装置，还包括多个等离子体腔室，其中，每个天线线圈被设置在相应的等离子体腔室上，以用于在每个腔室内产生等离子体。
14.根据权利要求1、2、4、5、10或11所述的等离子体发生装置，其中，所述等离子体发生装置还包括射频电源，所述射频电源用于向所述公共电气端子提供射频电功率。
15.根据权利要求14所述的等离子体发生装置，还包括阻抗匹配电路，以用于将所述公共电气端子的电阻抗与所述射频电源匹配。
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