CN1208814C - 一种带有导热套管的rf探头 - Google Patents

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Abstract

用于RF探头的探测界面改进由RF功率产生的热量散失。该界面包括用于把RF功率输送到等离子室的导线，和用于产生基于RF功率的模拟信号的检测板。一种电绝缘套管被配置在导线和检测板之间，套管是导热的，使套管散失由RF功率产生的热量。通过使用导热套管能够减少热的不稳定性和增加总的RF功率输送能力。

Description

一种带有导热套管的RF探头
技术领域
本发明一般地涉及半导体等离子蚀刻。更详细地是，发明涉及探测界面和用于测量输送到等离子室的射频(RF)功率而改进由RF功产生的热量的散失的方法。
背景技术
在半导体业，等离子蚀刻已成为半导体电路制造所必要的部分。利用电场加速离子的等离子蚀刻有助于只蚀刻水平露出的表面而所以避免凹蚀。典型的等离子蚀刻系统将包括等离子室(装要蚀刻的硅片)、功率输出装置和用于提供输送到等离子室的RF功率的闭环控制的反馈装置。反馈装置一般包括根据流过导线的RF功率而产生模拟信号的探头和把模拟信号处理成像电压幅度数字数据，电流幅度数字数据和相关相位数字数据之类的有效数据的探测分析装置。
注意在尺寸上与等离子室和功率输送装置比较起来探头是比较小的，这一点是重要的。探头的共同之处是包括装有探测“界面”的外壳，在外壳上由导线，检测板和电绝缘套管组成探测界面。使导线与在功率输出装置和等离子室之间连接的功率输送线串联。因此，导线参与向等离子室输送RF功率。检测板一般包括用于根据流过导线的RF功率产生电压模拟信号和电流模拟信号的电压拾取板和电流拾取板。
为了防止人触摸腔体而被电击，把套管套在导线上并且套管是电绝缘的，套管也有助于使电损耗减到最低程度。为了达到这个目的，常规的套管是用介电常数接近2.85的聚四氟乙烯(PTFE——市场上称为特氟隆Teflon)制成。因此，比较低的介电常数(即，高的介质强度)使套管才能是导线和检测板之间的电绝缘体。
虽然在过去上述的探测界面是有成效的，但是尚有相当大的改进余地。例如，随着硅片的尺寸增大(RF功率的频率也增大)，所需要的RF功率值也增大。与功率有关联的电流在导线中产生热量。从另一方面来说，半导体工业也要求小的探头。因此，不能以计算出电流中的增量的尺寸来增大导线。结果常常是出现比较显著的热不稳定和限制功率输送能力。实际上，特氟隆具有每米每度开尔文大约0.41瓦的比较低的导热率而使套管对导线起热隔离器的作用。在“Thermal Conductivity of PTFE and PTFEComposites”，D.M.Price et al.，Proceedings of the 28th Conference of theNorth American Thermal Analysis Society，October4-6，2000，PP.579-584(“PTFE和PTFE复合物的导热率”D.M.Price等人，北美热分析学会第28届会议会志，2000年10月4-6日，579-584页)中比较详细地讨论特氟隆的热特性。
发明内容
所以最理想的是提供一种能够更有效地使由RF功率产生的热量散失的探测界面套管。
通过用于根据本发明的探头的探测界面达到上述和其他的目的。该界面包括用于把RF功率输送到等离子室的导线和用于根据RF功率产生模拟信号的检测板。电绝缘套管被配置在导线和检测板之间，在那里该套管是导热的，以致该套管散失由RF功率产生的热量。通过使套管能够导热来减小热不稳定性并且总的RF功率输送能力增大。
进一步根据本发明，设置用于RF探头界面的电绝缘套管。该套管包含导热的材料和分散在整个导热材料中的粘合剂材料。这些材料融合而达到预定的导热率值。在最佳实施例中，导热材料包括像氮化硼这样的陶瓷材料。粘合剂材料包括硼酸钙。
在发明的另一状况中，提供用于测量输出到等离子室的RF功率的方法。该方法包括把RF功率经由导线输送到等离子室的步骤。检测板用来产生基于RF功率的模拟信号。该方法进一步规定在导线和检测板之间配置电绝缘套管，该套管是导热的，以致套管散失由RF功率产生的热量。
不言而喻，前面的一般描述和后面的详细描述都仅仅是发明的示范，而且意在按照权利要求提供用来了解发明的实质和特点的概观和框架。为了提供对发明进一步的了解，包括附图，并且附图被引用而构成本说明书的组成部分。这些附图说明发明的各种特点和实施例，并且与描述部分一起用来阐明发明的原理和操作。
附图说明
根据详细的描述和附图将更透彻地了解本发明，其中：
图1是等离子蚀刻系统的方框图，对了解发明有帮助；
图2是根据本发明的原理的探测界面的部件分解透视图；
图3是表示薄片尺寸和所需要的RF功率之间关系的曲线图，对了解发明有帮助；
图4是表示常规套管和根据本发明套管的RF功率与导线温度间关系的曲线图；
图5是说明常规套管和根据本发明套管的导热率的示意图；
图6是说明使用常规套管时热流动的探测界面截面图；和
图7是说明使用根据本发明的套管时热流动的探测界面截面图。
具体实施方式
下面的最佳实施例描述实质上仅仅是示范性的并且决不是想要限定发明，发明的应用或使用。
参见图1，一般以10表示等离子蚀刻系统的方框图。等离子蚀刻系统10将能蚀刻在等离子室14内装有的硅片和工件(未表示出)。可以看到蚀刻系统工程10具有以预先说明的频率(例如13.56兆赫兹)以预定的功率值(例如1千瓦)产生RF功率的射频(RF)功率输出装置12。输出装置12的输出端通过功率导线管与等离子14的输入端联接。为了更有效地控制输出装置12的输出，采用探头16和探测分析装置18。探头根据流过探头16内装有的导线的RF功率产生模拟信号。探测分析装置18把模拟信号处理成像电压幅度数字数据，电流幅度数字数据和相应相位数字数据之类的有用数据。输出装置12能够用这样的数字数据作反馈。
应该指出，虽然将基本上相对于等离子蚀刻描述本发明，但是发明不受这样限制。事实上，任何使用RF功率的系统都能够从发明的优点中得到好处。所以具体实例仅仅是为了讨论问题而采用的。
现在参考图2，比较详细地表示出许多探测界面。可以看到最佳实施例通常具有电流探测界面20和电压探测界面22，但是不要求二个界面。准确地说，电流探测界面20包括用于把RF功率26输送到等离子室14(图1)内的导线(导体)24。像电流拾取板28之类的检测(读出)板根据RF功率26产生模拟信号。可以进一步看到电绝缘套管30配置在导线24和电流拾取板28之间。套管30是导热的以致套管30散失由RF功率26产生的热量32。与导线24内含有热量32不同通过用导热套管30散热32，大大地改进热稳定性和总的功率输送能力。
同样，由导线24、电压拾取板29和套管30构成电压探测界面22。电压拾取板也根据RF功率26产生模拟信号。能够以包括磁路和/或电容电路的任何方法实现模拟信号的形成。在本说明书内参考文献引用的Gerrish等人的U.S.Patent No.5,770,922比较详细地描述信号产生和数据处理的一种典型方法。
现在参见图3，曲线44说明根据生产要求和技术进步在所需的RF功率上随着薄片尺寸增大而逐渐增加。图4用曲线46说明本发明能够使导线温度方面得到改进。准确地说，特氟隆曲线48表示在导线温度上随着RF功率增加而迅速增高。相反，陶瓷曲线50随着增加RF功率而大大偏离特氟隆曲线48。应该指出氮化硼介电常数为4，比较接近特氟隆的介电常数。因此，本发明为了得到相当大的与导热率有关联的好处，在电绝缘方面损失非常小。
图6和图7比较详细地说明发明的有效性。具体地说，图6表示把具有像特氟隆之类材料的热隔离套管36配置在导线24和电流拾取板28之间的常规界面34。在这样的情况下，由于套管36的绝热性能而使热量32基本上包含在导线24内。随着RF频率和电流增大，导线24会接近热不稳定性开始影响电流拾取板28进行的测量的温度阈值。相反，图7说明本发明的改进了的方法，其中套管30包括导热材料38和分散在整个导热材料38中的粘合剂材料40。使材料38、40融合而达到预定的导热率值。结果是热量32向离开导线24的方向散失。
图5用于示意图42说明在导热率上的相当大的差别。具体地说，可以看出目前最好的陶瓷氮化硼具有每米每度开尔文大约27.37瓦的导热率，而特氟隆具有每米每度开尔文大约0.41瓦的导热率。
着重指出，虽然在本说明书中已讨论像氮化硼之类的陶瓷材料，但是可以使用具有相同的导热率，介质强度和介电常数的任何固体材料。尽管已证明陶瓷材料在半导体业的输送较高频率和电流要求上是很有成效的。
精通技术的人现在能够从前面的描述意识到可以以各种各样的方式实施本发明的公开讲授内容。所以，虽然能够结合发明的具体实施例描述本发明，但是由于在研究附图、说明书和下面的权利要求书时别的一些变换对于熟练老手来说将是显而易见的，因此发明的真正范围不应受此限制。

Claims (20)

1.一种用于射频RF探头的探测界面，界面组件包括：
用于把RF功率输送到等离子室的导线；
用于根据RF功率产生模拟信号的检测板；和
配置在导线和检测板之间的电绝缘套管，其特征在于所述电绝缘套管是导热的，使该套管消散由RF功率产生的热量。
2.根据权利要求1的界面，其中套管包括：
导热材料；和
分散在整个导热材料中的粘合剂材料。
3.根据权利要求2的界面，其中导热材料包括陶瓷材料。
4.根据权利要求3的界面，其中陶瓷材料包括氮化硼。
5.根据权利要求2的界面，其中粘合剂材料包括硼酸钙。
6.根据权利要求2的界面，其中所述导热材料和粘合剂材料融合产生大约为每米每度开尔文27瓦特的导热率。
7.根据权利要求2的界面，其中所述导热材料和粘合剂材料进一步融合达到约为4的介电常数。
8.根据权利要求1的界面，其中检测板是一种电压拾取板以使模拟信号表征RF功率的电压。
9.根据权利要求1的界面，其中检测板是一种电流拾取板以使模拟信号表征RF功率的电流。
10.根据权利要求1的界面，其中在RF功率输送到等离子室过程中热量散失能够增大。
11.用于射频RF探头界面的一种套管，该套管包括：
导热材料；和
分散在整个导热材料中的粘合剂材料。
12.根据权利要求11的套管，其中导热材料包括陶瓷材料。
13.根据权利要求12的套管，其中陶瓷材料包括氮化硼。
14.根据权利要求11的套管，其中粘合剂材料包括硼酸钙。
15.根据权利要求11的套管，其中所述导热材料和粘合剂材料融合产生大约为每米每度开尔文27瓦特的导热率。
16.根据权利要求11的套管，其中所述导热材料和粘合剂材料进一步融合提供约为4的介电常数。
17.用于测量输送到等离子室的射频RF功率的一种方法，该方法包括步骤为：
把RF功率经由导线输送到等离子室；和
用检测板来产生基于RF功率的模拟信号；
把电绝缘套管配置在导线和检测板之间，其特征在于所述电绝缘套管是导热的，使得套管散失由RF功率产生的热量。
18.根据权利要求17的方法进一步包括步骤为：
提供导热材料；
把粘合剂材料分散在整个导热材料中；和
使这些材粘结在一起以使这些材料融合提供大约为每米每度开尔文27瓦特的导热率。
19.根据权利要求17的方法进一步包括用陶瓷材料作导热材料的步骤。
20.根据权利要求17的方法进一步包括用氮化硼作陶瓷材料的步骤。
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