CN1809911B - 高密度等离子体反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明的高密度射频等离子体源使用特殊的天线设置以产生一定频率如13.56MHz的波。此天线的可调节性允许使射频能量与促发的等离子体有效地耦合，此促发的等离子体存在于半导体制造中的等离子处理过程中。等离子体源可以被用于下面的用途：等离子刻蚀、沉积、溅射系统、空间发动机、等离子体基消毒、等离子体消除系统。在又一个实施例中，等离子体源与也包括一排磁体和射频线圈的一个或多个处理室连接。一方面，由于反馈控制方法，这些元件可以用于等离子体密封或活化等离子体控制(等离子体自旋)，另一方面，可用于现场NMR监控或分析如等离子处理前或后的处理室内的湿度监控、或现场NMR监控晶片或其它工件。
Description
技术领域
本发明涉及用于提高等离子体源和相关过程的方法和装置。
背景技术
已知螺旋波放电可以有效地产生高密度等离子体，并且已经作为高密度等离子工具使用于半导体处理(刻蚀、沉积、溅射...)[参见Lieberman M.A.和Lichtenberg A.J.编著的《等离子体放电原理和材料处理》，由J.Wiley & Sons出版社于1994年在纽约发行]、空间发动机和基础等离子试验。等离子体通常产生在位于100～300G或更高的纵向均匀磁场中的圆柱形真空容器中。电磁能被转移到频率在1～50MHz的等离子体源，通常以13.56MHz用于等离子处理操作。借助于特殊形状的天线，在等离子柱中产生螺旋波。
用于激发螺旋波的最普通的天线是Nagoya III型天线[参见Okamura S等发表在1986年的《核聚变(Nucl.Fusion)》第26期第1491页的文章]，它的改进是Boswell的双鞍线圈[参见Boswell R.W.发表在1984年的《等离子体物理控制聚变(Plasma Phys.Control.Fusion)》的第26期第1147页的文章]。螺旋天线首先由Shoji等使用，并已经被改装为如单环天线[参见Sakawa Y.和Koshikawa N以及Shoji T发表在1996年的《应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)》第69期第1695页的文章；Carter C.和Khachan J.发表在1999年的《等离子体源科学技术(Plasma Sources Sci.Technol.)》的第8期第432页的文章]、双环天线[参见Tynan G.R.等发表在1997年的《真空科学技术A(J.Vac.Sci.Technol.A)》的第15期第2885页的文章；Degeling A.W.、Jung C.O.、Boswell R.W.、Ellingboe A.R.发表在1996年的《物理等离子体(Phys.Plasmas》第3期第2788页的文章]、螺线管天线[参见Kim J.H.、Yun S.M.和Chang H.Y.发表在1996年的《物理快报A(Phys.Lett.A)》的第221期第94页的文章]和双线旋转场天线[参见Miljak D.G.和Chen F.F.发表在1998年的《等离子体源科学技术(Plasma Source Sci.Technol.》第7期的第61页的文章]。
该波的衰减可由碰撞理论解释[参见Chen F.F.、Sudit I.D.和Light M.发表在1996年的《等离子体源科学技术》第5期第173页的文章]，但是螺旋波的无碰撞(Landau)衰减和称作Trivelpiece-Gould模式的、通过在室边界激发其他波的螺旋波传递也已经被讨论过[参见Chen F.F.编著的《工业射频等离子体源的物理机理(Physicalmechanisms in industrial RF plasma sources)》，由LTP-104出版社于2001年在加州大学洛杉矶分校(UCLA)发行]。该放电类型实现了在0.1帕压力范围高达1012～1013cm-3的电子密度。
形成正确的天线结构以激发产生等离子体的螺旋波的主要特征是：
激发频率：激发频率应当使波满足：ωci＜ω＜ωc(ωci为离子回旋频率，ωc为电子回旋频率)。工业标准频率如13.56MHz通常用于半导体制造行业。
波模：电磁场产生的波的模式结构使天线的布置可以最佳地被设计为有效地使射频功率与波的激发耦合。两个最低的模式是m＝0和m＝1模式。激发m＝0模式的最佳途径是分开半个波长距离的两个环。对于m＝1模式，当波沿主轴传播时，对于电场矢量和磁场矢量有一自然的螺距。对于本领域的情况，激发此模式的现有途径是螺旋形天线。
射频功率与等离子体耦合的效率：等离子体生产的效率取决于射频能量与等离子体的耦合。射频能量衰减的重要机理是Landau衰减。螺旋波的相速率由ω/kz给出，其中kz由频散关系给出和它依靠等离子体密度和磁场强度。理想地，波的相速率应当位于希望电离的气体的电离电势的最大值附近。kz值越高，密度越高。但是如果kz过高，那么电子能可能降低到电离电势之下。因此为了能够增加密度和控制电子温度，控制kz非常重要。
已知以包含四对电极(参见专利USN05146137，发明人为K-HKretschmer等，申请目为1992年9月8日)的装置产生螺旋波。第一对电极与第一电压相连。第二对电极与第二电压相连。第一电压的相相对于第二电压相移90°。第一和第二对电极安装在容器的第一区。然后将第三对电极和第四对电极安装在与容器第一区分开的容器第二区。容器的第三和第四区与移相电压相连，其方式类似于第一和第二对电极。在一替代实例中，通过电磁能从外部穿过容器壁与等离子体，耦合装置利用圆偏振波在容器内部产生等离子体：装置包括四个线圈。第一线圈与第一电压相连。第二线圈与第二电压相连。第一电压的相相对于第二电压相移90°。第三和第四线圈与移相电压相连，其方式类似于第一和第二线圈。在第三形式中，装置包含四对线圈。第一线圈与第一电压相连。第二线圈与第二电压相连。第一电压的相相对于第二电压相移90°。第一和第二对线圈安装在容器的第一区。然后第三对和第四对线圈安装在离开容器第一区的容器第二区。第三和第四对线圈与移相电压相连，其方式类似于第一和第二对线圈。
先前的装置和我们的发明之间的主要差别是，我们的天线存在包含电容元件的一个线圈(导电环和轴向段相连)，反之先前的装置包括未与电容元件相连的四个独立的电极或线圈。而且，我们的发明是谐振天线，其中有作为方位角函数的正弦曲线电流分布，而先前的装置不是这样。
已知等离子体源与处理室连接，在处理室中定位工件以向工件沉积或刻蚀膜或溅射沉积膜。特别地，为用作现场核磁共振，此处理系统包括外部磁场组件和射频线圈。使用核磁共振(NMR)进行物理、化学和生物学的研究进展地深入且非常成功[参见P.J.Hore编著的《核磁共振》，由牛津大学出版社于1995年在英国牛津发行]。最近对于Tokamak试验已经开始将NMR用于等离子体诊断技术[参见ZwebenS.J.等发表在2003年的《科学工业评述(Rev.Sci.Inst.》的第74期第1460页的文章]。为减少设备的故障检修时间和提高所制造器件的质量，在低压和/或低温等离子体处理中使用NMR，尤其对于湿度监控、污染监控、处理室的表征，仍然是非常新颖的。
发明内容
根据本发明，提供一种如权利要求1所述的等离子体源装置。
本发明使用一个或多个等离子体源连同一个或多个处理室以在处理室内部的大面积上提供较高和均匀的密度。
在又一个实施例中，调节天线的电容元件和/或可移动轴向导电元件以提高射频能和等离子体之间的耦合，形成有源天线。
在又一个实施例中，等离子体源或处理室中的主要组件可以用作在处理室内部(基于NMR原理)现场监控环境或现场监控工件(如作为半导体加工部件的晶片)。
附图说明
图1是根据本发明的天线设置的示意图
图2是又一个实施例的天线设置的示意图
图3是等离子体源的基础配置的示意图
图4是天线配制的示意图，其中轴向导电元件扭曲
图5是包括位于反应器内部和外部的天线的等离子体反应器的配置和单元磁体的排列的示意图
图6是根据本发明、具有开放的导电环的天线排列的示意图
图7是在又一实施例中的天线设置的示意图
图8是根据本发明的天线网络的示意图
定义
流体：此术语包括气体、双相液体或超临界气体
导电环：一种导电元件，可以闭合或开放，其形状可以为环形、椭圆形或具有直角。
射频发生器：以一种或多种频率提供连续或脉冲射频功率的器件。
处理室：在其中发生等离子体处理如刻蚀、沉积、溅射、离子产生、杀菌的室；或其中放置一个或几个工件(晶片)用于传递、调节、储存操作的室。
具体实施方式
从图1，2，4，6和7可以看到，本发明的第一主要结构是天线设置：
射频电流流过至少一对导电环(具有任何布局)2和轴向导电元件1。以此种方式电流流过根据5的图2的设置。从射频电源4提供射频电压。
线圈的一个特征与激发有关。射频线圈的单激发点激发导致线性极化磁场B。使用一个可能的设置(参见图1)中所描述的线圈以直接方式实现90度相移激发。通过在两个输入电容器3激发线圈可以完成90度相移激发，两个输入电容器3沿一个导电环元件2的圆周彼此成直角放置。另外，为了实现希望的圆偏振，用于在两点激发线圈的射频源必须在电路上彼此有90度相位差。这样，如上所示的具有大致均匀横向场的两种模式被激发。
利用多射频放大器来激发天线可以实现天线的进一步特点。各放大器与不同的输入电容器连接，通过各放大器的信号被正确地定相以产生所希望的射频激发。这样，与驱动具有一个或两个放大器的天线的功率需求相比，来自各放大器的功率需求降低了。
天线可以用实心圆线如铜线制造或以包括扭绞或编结在一起的多股分开的绝缘束的导体制造。由于各股导线倾向于占据整个导体的横截面的所有可能位置，这种设计使得电流在整个导体均匀扩展的单股导线的磁链和电抗相等。主要的好处是减小AC损失。已知的此种构造的例子为绞合线(Litz)导线。
应当认识到，上面描述的多个放大器设置仅是示例性的，和利用四个或多个放大器的许多其它组合也是可能的。
图3示出了等离子体源的基础配置。具有Pyrex等离子体发生室6被放在通常为PVC管上的磁场发生器8环绕。射频功率10通过匹配网络9向天线提供能量。
此天线的主要优点是，对于m≠±1的各模式，电流分布显然等于零。在这两种模式中所有的天线功率将被集中。从试验上看，对于以螺旋波等离子体加热，m＝1的模式显然是最有效的。另一个优点是，处理室内高度均匀的等离子体可以极大地减少对集成电路的损害，提高制造产率。
尤其在处理等离子体时，由于不仅与工件作用而且还与整个处理室作用，主要特征(密度、电子温度、离子温度、分压种类...)依赖于处理时间。这就是调整射频能和激发的等离子体之间耦合的可能性允许提高设备的处理效果和正常运行时间的原因。根据本发明形成有源天线的另一个实施例中，我们提出：其中至少一个电容器是可调的和/或至少一个导电环的位置可移动，和/或至少一个旋转的导电环(扭转天线)是可移动的，该旋转的导电环使位于第一上环上的轴向导电元件连接和位于第一下环上的轴向导电元件连接之间形成非零角。另一个配制包括根据用作诊断技术(磁探针、光探针、Langmuir探针、Hall探针...)的传感器反馈控制有源天线。
在根据本发明的又一个实施例中，磁体能传递作为时间和/或空间函数的磁化幅值以使蠕变磁体作用于形成在等离子体产生器的高密度与低密度的连续区中的等离子体。这种模式可以产生多个双层，它们是由具有相反信号的两个相邻电荷外层构成的结构，这两个外层通过单一空间电势分布连接不同的等离子体电势值。
在根据本发明的又一个实施例中，为了提高等离子体源的性能，能够邻近它增加互补的源作为电子回旋谐振源、离子回旋谐振源或电子Bernstein波。
在根据本发明的又一个实施例中，其中通过在射频线圈的纵向轴线周围机械移动同中心的射频屏蔽，实现频率调谐。在射频线圈周围移动屏蔽有效地改变系统的互感，提供调节谐振频率的机理。
根据本发明的又一个实施例中，等离子体源与处理室(参见图5)连接，处理室5包括一排磁体14、一排位于室壁外面的射频线圈15和一排位于室内的射频线圈16。射频线圈可以设计为一个等离子体源，也就是说带有多个电容器。线圈的一部分用作反馈线圈和其它部分用作传感器线圈。通过获得线圈传感器信号和处理后施加方便的电流来提高等离子体的行为可以控制等离子体稳定性。此传感器线圈可以被其它类型的传感器(光探针、Hall探针...)代替。
根据本发明的又一个实施例中，在处理室内增加其上通常为振荡电压的电极系列。此作用允许限制等离子体和/或颗粒。此陷阱中的四极电场向带电粒子施加径向力，它类似于周期性聚焦的四级磁场向带电粒子所施加的径向力。
根据本发明的又一个实施例中，我们使用处理室的组件(磁体阵列和射频线圈阵列)以通过核磁共振进行现场监控。实际上，我们可以通过一个或多个线圈施加射频场的一个瞬时脉冲。在关闭脉冲后，检查发射能量作为在同一线圈中感应的交变电压。NMR信号的幅值与观测物(室壁，工件...)中谐振自旋的数量成正比。但是由于自旋和它们的原子和分子环境之间的相互作用以及由于自旋-自旋之间的相互作用，吸收的多余能量也发生耗散。通过引发两个驰豫过程的分子运动及时调节这些相互作用。它导致了，如化学结合水可以从物理结合在固体表面的水和呈散装液态的水中分离。能够提高对磁场强度的监控，磁场强度沿特定方向形成了梯度。
这些NMR监控允许显著地提高处理过程(等离子体处理前或后，或定期维护后，可以控制气氛的质量，尤其是耗水率)，使设备的正常运行时间和由此带来的所制造器件的产率最佳化。
根据本发明的又一个实施例中，等离子体源与光谐振器连接以通过射频等离子体实现气体激光器系统。此器件包括由石英制造以形成光谐振器的两个平坦的半透明镜子密封的气体放电管、用于激发射频放电的磁体中的本发明的天线。一个镜子可以安装在压电式换能器上。排列这些镜子以提供光波的多重反射。
根据本发明的又一个实施例中，等离子体源与产生声空化气泡的装置连接，此气泡作为点燃和保持等离子体的核心。因为等离子体形成在液态环境中，有可能在较以前更低的等离子化温度获得更高的膜沉积速率或刻蚀速率(它取决于所涉及的化学物类)。此外，可以在正常的温度和压力下进行此过程。先前的超声波和微波辐射的组合参见S.Nomura和H.Toyota发表在2003年的《应用物理快报》笫83期第4503页的文章，另一方面，辉光放电由Dow Corning等离子体产生。这里我们提出将超声波与射频等离子体类型结合。
本发明相关的主要应用有：等离子体处理(半导体制造、微米技术、纳米技术)、等离子体焊接、等离子体基消毒、等离子体切割、空间发动机、等离子体消除系统、学术研究...
尽管本发明已经被特定地描述和图解，但本发明意欲解释优选的实施例。可以理解，仅通过实例进行了公开。本领域技术人员可以在部件、步骤和特征的组合和排列方面进行多种改变而没有脱离本发明的精神和附带的权利要求书的保护范围。
Claims (31)
1.一种等离子体源装置，包括：
谐振天线，
在所述天线附近的等离子体发生室，
用于将至少一种流体引入等离子体发生室的流体注射器，
具有连续的或脉冲射频电源的射频发生器，
其特征在于，所述离子体源装置包括布置在天线周围的磁场发生器，所述天线包括环绕并且沿一共同的纵轴隔开的至少两个导电环元件和使所述导电环元件彼此电连接的至少两个轴向导电段，每个所述导电环元件和/或所述轴向导电段包括至少一个电容元件。
2.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于只有所述导电环元件包括至少一个电容元件。
3.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于只有所述轴向导电段包括至少一个电容元件。
4.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于所述导电环元件和所述轴向导电段包括至少一个电容元件。
5.如权利要求1的等离子体源装置，它包括天线冷却装置。
6.如权利要求5的等离子体源装置，其中所述天线冷却装置包括冷却器、热管或珀尔贴器件。
7.如权利要求5的等离子体源装置，其中所述天线冷却装置包括低温冷却器。
8.如权利要求1的等离子体源装置，它包括等离子体发生室的热控制装置以避免在等离子体点燃过程中等离子体发生室的内部和外部之间的热冲击。
9.如权利要求1的等离子体源装置，它包括以有助于射频能量从射频发生器到天线的最佳传递的方式将射频发生器和天线互连的匹配网络。
10.如权利要求1的等离子体源装置，它包括一个固定的或可移动的屏蔽，该屏蔽包围天线但不与天线连接，并适于形成或实时调整天线和等离子体之间的最佳电磁耦合。
11.如权利要求10所述的等离子体源装置，其特征在于轴向导电段通过电容元件与屏蔽直接相连。
12.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于至少一个所述电容元件是可调节的。
13.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于至少一个所述轴向导电段是扭绞的。
14.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于至少一个所述导电环元件是可移动的。
15.如权利要求1的等离子体源装置，它与一光谐振器连接，所述光谐振器包括放在等离子体发生室范围内的至少两个镜子，这些镜子排列成用以提供光波的多重反射。
16.如权利要求15的等离子体源装置，其中所述至少两个镜子中的一个是部分反射的。
17.如权利要求1的等离子体源装置，它与通过超声波产生声空化气泡的装置连接；然后射频能量被引入声空化气泡内部，所述声空化气泡作为等离子体点燃和保持的核心；等离子体发生室适于包含从中产生所述声空化气泡的液体。
18.如权利要求1的等离子体源装置，它与一互补的等离子体源连接，所述互补等离子体源是电子回旋谐振源或离子回旋谐振源。
19.如权利要求1的等离子体源装置，它连接有互补天线，所述互补天线处于等离子体发生室内部或外部。
20.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于所述谐振天线也适于用作接收系统以对放在处理室内的流体或工件进行核磁共振NMR监控或分析。
21.如权利要求1的等离子体源装置，其特征在于所述轴向导电段和/或所述导电环元件的每一个由体导线、编结导线或管状线制造。
22.如权利要求1的等离子体源装置，它包括谐振天线的网络，其中在每个谐振天线中包括的两个导电环元件是成对的，并且相邻的导电环元件对具有至少一个共同的轴向导电段。
23.一种处理系统，包括：
一个或多个如权利要求1-22中任一项所述的等离子体源装置，以及
一个或多个处理室，
所述一个或多个等离子体源装置与所述一个或多个处理室连接。
24.根据权利要求23的处理系统，其中各等离子体源装置协同连接到至少一个处理室。
25.根据权利要求23的处理系统，还包括多个射频线圈，所述射频线圈靠近所述处理室环形布置。
26.根据权利要求25的处理系统，其特征在于至少一个射频线圈包括电容元件。
27.根据权利要求23的处理系统，还包括多个磁体，该磁体设置成靠近所述处理室环形布置。
28.根据权利要求23的处理系统，还包括多个电极，这些电极形成被施加振荡电压的鲍尔陷阱型或配宁陷阱型。
29.根据权利要求1-22中任一项的等离子体源装置，它用于现场对湿度进行NMR监控或对处理室进行现场NMR监控，或对处理室内的工件进行现场NMR分析。
30.根据权利要求1-22中任一项的等离子体源装置的用途，其特征在于射频激发被同时施加到所述谐振天线的一个或多个端口上。
31.根据权利要求30的等离子体源装置的用途，其特征在于射频激发被同时施加到所述谐振天线的两个端口上，其中两个端口之间存在输入激发上的90度相移。
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