ES2882544T3 - Aparato y método para la ignición por plasma con un dispositivo autorresonante - Google Patents

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Abstract

Un método para encender un plasma de proceso, el método que comprende: hacer fluir un gas de ignición a una cámara (20) de plasma; utilizando al menos un dispositivo (15n) para formar al menos un plasma de ignición dentro de la cámara de plasma, en donde el al menos un dispositivo genera el al menos un plasma de ignición dentro de su correspondiente volumen de plasma de ignición todo dentro de la cámara (20) de plasma, y el al menos un plasma de ignición provoca al menos una ionización parcial del gas de ignición; y utilizar un transformador de potencia para acoplar inductivamente potencia a la cámara de plasma, incluso en el volumen de plasma de ignición en la cámara de plasma, para encender el plasma de proceso, caracterizado porque el al menos un dispositivo (15n) es un dispositivo autorresonante.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y método para la ignición por plasma con un dispositivo autorresonante
Campo de la invención
Esta invención se refiere en general al campo de la ignición y mantenimiento del plasma para generar gas activado que contiene iones, radicales libres, átomos, y moléculas. En particular, los dispositivos autorresonantes ionizan parcialmente un gas de ignición de plasma de proceso y se colocan con relación a un volumen de generación de plasma para hacer que un gas de ignición de plasma se encienda en presencia de un campo eléctrico.
Antecedentes de la invención
Las descargas de plasma se pueden usar para excitar gases para producir gases activados que contienen iones, radicales libres, átomos y moléculas. Los gases activados se utilizan para numerosas aplicaciones industriales y científicas, incluido el procesamiento de materiales sólidos tales como obleas semiconductoras, polvos, y otros gases. Los parámetros del plasma y las condiciones de exposición del plasma al material que se procesa varían ampliamente dependiendo de la aplicación.
Los plasmas se pueden generar de diversas formas, incluyendo descarga de DC, descarga de radiofrecuencia (RF) y descarga de microondas. Las descargas de DC se logran aplicando un potencial entre dos electrodos en un gas. Las descargas de RF se logran mediante el acoplamiento electrostático o inductivo de energía de una fuente de potencia a un plasma. Las placas paralelas se utilizan típicamente para acoplar electrostáticamente energía en un plasma. Las bobinas de inducción se utilizan típicamente para inducir corriente en un plasma. Las descargas de microondas se logran acoplando directamente la energía de microondas a través de una ventana de paso de microondas a una cámara de descarga que contiene un gas. Las descargas de microondas son ventajosas porque pueden usarse para soportar un amplio rango de condiciones de descarga, incluidos los plasmas de resonancia ciclotrónica de electrones altamente ionizados (ECR).
Las descargas de RF acopladas capacitivamente y las descargas de DC producen inherentemente iones de alta energía y, por lo tanto, se utilizan a menudo para generar plasmas para aplicaciones en las que el material que se procesa está en contacto directo con el plasma. Las descargas de microondas producen plasmas densos y de baja energía iónica. Las descargas de microondas también son útiles para aplicaciones en las que es deseable generar iones a baja energía y luego acelerar los iones hacia la superficie del proceso con un potencial aplicado.
Los plasmas de RF acoplados inductivamente son particularmente útiles para generar plasmas de área grande para aplicaciones como procesamiento de obleas semiconductoras. Sin embargo, algunos plasmas de RF acoplados inductivamente no son puramente inductivos porque las corrientes de accionamiento solo están débilmente acopladas al plasma. En consecuencia, los plasmas de RF acoplados inductivamente son a menudo ineficaces y requieren el uso de altos voltajes en las bobinas de accionamiento. Los altos voltajes producen altos campos electrostáticos que provocan un bombardeo de iones de alta energía en las superficies del reactor. El bombardeo de iones deteriora el reactor y puede contaminar la cámara de proceso y el material que se procesa. El bombardeo de iones también puede dañar el material que se está procesando.
Las fuentes de microondas y de plasma acopladas inductivamente pueden requerir sistemas de suministro de potencia costosos y complejos. Estas fuentes de plasma pueden requerir generadores de potencia de microondas o RF de precisión y redes de adaptación complejas para hacer coincidir la impedancia del generador con la fuente de plasma. Además, generalmente se requiere instrumentación de precisión para determinar y controlar la potencia real que llega al plasma.
La ignición de un plasma también puede requerir sistemas de suministro de potencia que sean capaces de proporcionar una potencia lo suficientemente grande como para provocar la ionización de un gas de plasma. En los sistemas actuales, encender el plasma puede requerir el abastecimiento de un campo eléctrico alto (por ejemplo, un campo de degradación) que sea suficiente para hacer que un gas se excite a un estado donde se forma un plasma, que está guiado por, por ejemplo, curvas de Paschen. Para los plasmas de microondas, plasmas acoplados capacitivamente, plasmas acoplados inductivamente y/o plasmas de descarga luminiscente, típicamente se aplica un campo eléctrico alto (por ejemplo, 0.1 a 10 kV/cm) para causar una degradación inicial del gas.
La aplicación de un alto voltaje para encender un plasma puede causar varias dificultades, por ejemplo, la formación de arcos fuera de la ventana de ignición (por ejemplo, los rangos de operación estándar para presión, flujo de gas y/o especies de gas para una ignición exitosa) y/o degradación eléctrica de los dieléctricos (por ejemplo, perforación). La formación de arcos eléctricos y las degradaciones eléctricas adicionales de los dieléctricos pueden provocar daños en la cámara de plasma y/o en las partes del sistema. Las partes dañadas pueden requerir un reemplazo frecuente y pueden ser costosas. Otra dificultad de aplicar un alto voltaje para encender es que típicamente se necesita un diseño de ignición personalizado para diferentes tipos/formas de fuentes de plasma.
Las técnicas actuales para aplicar un alto voltaje para encender un plasma incluyen el uso de una bujía de alto voltaje o electrodos de alto voltaje acoplados a la cámara de plasma. Otra técnica actual consiste en aplicar el alto voltaje directamente a una porción de la propia cámara de plasma (por ejemplo, bloquear la ignición). Además de las dificultades descritas anteriormente, cada una de estas técnicas de ignición tiene dificultades.
Las bujías típicamente tienen una vida útil limitada debido, por ejemplo, a los relés utilizados en la bujía, por lo que requieren un reemplazo frecuente. Los electrodos de alto voltaje normalmente tienen que resistir la exposición al plasma durante el procesamiento. Esto puede causar una vida útil limitada para los electrodos y/o opciones limitadas de material para el electrodo. La ignición del bloque crea un potencial de formación de arcos de plasma y puede limitar las opciones de materiales/recubrimientos del bloque.
Por lo tanto, es deseable encender un plasma sin formar un arco, perforar o exponer partes y/o la cámara de plasma misma a altos voltajes, bombardeos iónicos, radicales y/o formación de arcos/calor indeseables. El documento US 2005/0103623 A1 enseña un aparato de deposición de vapor físico ionizado que tiene una bobina autorresonante helicoidal. El documento WO 2006/078340 A2 divulga un reactor de plasma acoplado a transformador con medios para generar cargas libres que ayudan a la ignición del plasma. El documento DE 10 2005 043278 A1 divulga un dispositivo de ignición resonante para una fuente de plasma de microondas que opera a presión normal o alta.
Resumen de la invención
Las ventajas de la invención incluyen la minimización de la formación de arcos debido a que no son necesarios altos voltajes para provocar la ignición del plasma. Otras ventajas de la invención incluyen una reducción en la frecuencia de reemplazo de partes debido a la eliminación sustancial de la exposición a altos voltajes, arcos y/o perforaciones.
Otras ventajas incluyen una reducción de costes debido a la minimización de la necesidad de partes costosas y/o diseños de ignición personalizados. Otras ventajas incluyen permitir un rango más amplio de materiales/recubrimientos de la cámara porque el material ya no tiene que soportar altos voltajes, formación de arccos y/o perforaciones.
Otras ventajas incluyen el uso de la fuente de plasma como plasma de inicio para otras fuentes de plasma que operan en regímenes de presión y/o flujos previamente inaccesibles debido a la eliminación del requisito de un alto voltaje de ignición. Otras ventajas incluyen la capacidad de realizar procesamiento de plasma pulsado de tasa alta en cámaras de procesamiento donde las condiciones de impedancia para la ruptura inicial y las condiciones de procesamiento son muy diferentes debido a la capacidad de encenderse con el gas de proceso y evitar la conmutación de una mezcla de gas inerte que típicamente se necesita actualmente.
Otras ventajas incluyen una reducción del requisito de rango de sintonización para plasma acoplado inductivamente debido a una reducción en el campo eléctrico necesario para la ignición. Otras ventajas incluyen la electrónica simplificada debido al uso de un dispositivo autorresonante y/o la eliminación de un esquema de conmutación de ignición que de otro modo sería necesario.
En un aspecto, se proporciona un método para encender un plasma de proceso de acuerdo con la reivindicación 1.
En algunas realizaciones, el dispositivo autorresonante resuena con una frecuencia de radio o de microondas. En algunas realizaciones, el método implica colocar el al menos un dispositivo autorresonante adyacente a un volumen de generación de plasma dentro de la cámara de plasma, siendo el volumen de generación de plasma una región dentro de la cual se forma el plasma de proceso.
En algunas realizaciones, el método implica colocar un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante en una entrada de la cámara de plasma y un segundo dispositivo autorresonante en una salida de la cámara de plasma. En algunas realizaciones, el método implica colocar un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante y un segundo dispositivo autorresonante equidistantes a lo largo del canal de plasma.
En algunas realizaciones, el método implica operar el al menos un dispositivo autorresonante a una frecuencia entre 100 megahercios y 10 gigahercios. En algunas realizaciones, el método implica operar el al menos un dispositivo autorresonante a una frecuencia entre 300 megahercios y 3 gigahercios.
En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante es un resonador coaxial, resonador de anillo, resonador de anillo dividido, resonador de media onda, resonador de anillo dividido simple anular, resonador de anillo dividido anular, resonador de anillo dividido de línea de cinta, resonador de media onda con dos brechas de descarga, un resonador de anillo dividido cargado con resonador de media onda, una transmisión cargada con resonador de anillo dividido o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante es un resonador de microcinta, un resonador de línea de cinta o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el plasma de proceso se enciende con un campo promedio de aproximadamente 1 a 10 kilovoltios por metro.
En algunas realizaciones, el plasma de ignición se mantiene con un voltaje inferior a 100 Vrms. En algunas realizaciones, un voltaje pico del plasma de ignición es menor de 300 Vrms. En algunas realizaciones, el método implica abastecer al menos al un dispositivo autorresonante una potencia inferior a 50 vatios. En algunas realizaciones, la presión dentro de la cámara de plasma es inferior a 50 torr.
En un aspecto, la invención incluye una fuente de plasma para generar un plasma de acuerdo con la reivindicación 5.
En algunas realizaciones, la fuente de plasma incluye colocar el al menos un dispositivo autorresonante adyacente a un volumen de generación de plasma dentro de la cámara de plasma, siendo el volumen de generación de plasma una región dentro de la cual se forma el plasma de proceso.
En algunas realizaciones, un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante y un segundo dispositivo autorresonante se colocan equidistantes a lo largo del volumen de generación de plasma. En algunas realizaciones, un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante se coloca en una entrada de la cámara de plasma y un segundo dispositivo autorresonante se coloca en una salida de la cámara de plasma.
En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante opera a una frecuencia de microondas o una frecuencia de radio. En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante opera a una frecuencia entre 100 megahercios y 10 gigahercios. En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante opera a una frecuencia entre 300 megahercios y 3 gigahercios.
En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante es un resonador coaxial, un resonador de anillo o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el plasma de proceso se enciende con un campo promedio de 10 kilovoltios por metro. En algunas realizaciones, el uno o más plasmas de ignición se mantiene con un voltaje inferior a 100 Vrms.
En algunas realizaciones, un voltaje pico del plasma de ignición es menor de 300 Vrms. En algunas realizaciones, el al menos un dispositivo autorresonante se abastece con una potencia inferior a 10 vatios. En algunas realizaciones, la presión dentro de la cámara de plasma es inferior a 50 torr.
Breve descripción de los dibujos
Las ventajas de la invención descrita anteriormente, junto con otras ventajas, pueden entenderse mejor con referencia a la siguiente descripción tomada junto con los dibujos adjuntos. Los dibujos no están necesariamente a escala, sino que generalmente se hace hincapié en ilustrar los principios de la invención.
La figura 1 es una representación esquemática de una fuente de plasma para producir gases activados, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención.
La figura 2 es una representación esquemática de una cámara de plasma, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención.
La figura 3 es un diagrama de flujo de un método para encender un plasma, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención.
La figura 4 es un gráfico de la potencia de ignición en función de la presión, de acuerdo con una forma de realización ilustrativa de la invención.
La figura 5 es un gráfico del número de dispositivos autorresonantes frente al rendimiento de ignición, de acuerdo con realizaciones ilustrativas de la invención.
Descripción detallada
En general, uno o más dispositivos autorresonantes se colocan con relación a un volumen de generación de plasma que está definido por una cámara de plasma. Durante la ignición, cada dispositivo autorresonante crea su propio plasma (por ejemplo, plasma de ignición) que ioniza al menos parcialmente un gas (por ejemplo, gas de ignición) que fluye hacia el volumen de generación de plasma. La energía se acopla al volumen de generación de plasma y se enciende un plasma (por ejemplo, plasma de proceso).
La ionización parcial del gas de ignición permite que la ignición del plasma de proceso se produzca con menos energía de la necesaria para provocar la ignición del plasma de proceso sin la ionización parcial (por ejemplo, sin el uno o más dispositivos autorresonantes).
La figura 1 es una representación esquemática de una fuente 10 de plasma para producir gases activados, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención. La fuente 10 de plasma proporciona gases activados a una cámara 22 de proceso de semiconductores. La fuente 10 de plasma incluye un transformador de potencia, una cámara 20 de plasma, una entrada de gas, un primer dispositivo 15a autorresonante, un segundo dispositivo 15b autorresonante, un tercer dispositivo 15n autorresonante, en general, los dispositivos 15 autorresonantes, un abastecimiento de potencia de conmutación (abastecimiento 24 de voltaje y elemento 26 de conmutación) y un bucle 44 de retroalimentación.
El transformador de potencia incluye un núcleo 16 magnético, una bobina 18 primaria y un plasma 14 de proceso (una vez encendido). El transformador de potencia acopla la potencia recibida del abastecimiento de potencia conmutada en un volumen de generación de plasma. El volumen de generación de plasma está definido por la cámara 20 de plasma. El transformador de potencia también acopla la potencia recibida del abastecimiento de potencia de conmutación en tres volúmenes de plasma de ignición, un volumen de plasma de ignición para cada uno de los dispositivos 15 autorresonantes. El núcleo 16 magnético se envuelve alrededor la cámara 20 de plasma de manera que la cámara 20 de plasma pasa a través del núcleo 16 magnético. La bobina 18 primaria y el núcleo 16 magnético permiten que el plasma 14 de proceso que se enciende y mantiene dentro del volumen de generación de plasma forme un circuito secundario del transformador de potencia.
En diversas realizaciones, el transformador de potencia incluye dos, cuatro o cualquier número de núcleos magnéticos. En diversas realizaciones, la cámara 20 de plasma puede estar hecha de un material dieléctrico, tal como cuarzo, alúmina o zafiro, o un metal tal como el aluminio, o un metal recubierto tal como el aluminio anodizado.
En algunas realizaciones, cada uno de los dispositivos 15 autorresonantes tiene su propia fuente de potencia respectiva. Por ejemplo, cada fuente de potencia respectiva puede ser un amplificador de microondas que proporcione una potencia de aproximadamente 3 vatios de potencia. En algunas realizaciones, cada fuente de potencia respectiva es un oscilador controlado por voltaje que permite controlar la frecuencia de microondas. En algunas realizaciones, cada fuente de potencia respectiva está en un microchip con su respectivo dispositivo autorresonante. En estas realizaciones, el microchip se potencia mediante una fuente de potencia de DC de bajo voltaje. En algunas realizaciones, cada fuente de potencia, respectivamente, está alojada por separado de su respectivo dispositivo autorresonante.
En algunas realizaciones, la fuente de potencia de conmutación puede ser una fuente de conmutación de estado sólido, como se describe, por ejemplo, en la figura 7 y figura 8 de la patente de U.S. No. 6,388,226.
Los dispositivos 15 autorresonantes están acoplados a la cámara 20 de plasma. Durante la operación, un gas de ignición fluye hacia la cámara 20 de plasma. Cada uno de los dispositivos 15 autorresonantes genera un plasma de ignición dentro de su volumen de plasma de ignición correspondiente, todo dentro de la cámara 20 de plasma. El plasma de ignición generado por los dispositivos autorresonantes ioniza al menos parcialmente el gas de ignición.
El gas parcialmente ionizado creado por los dispositivos 15 autorresonantes permite la degradación del gas utilizado para encender el plasma de proceso (por ejemplo, el mismo gas de ignición que se utiliza para generar el plasma de ignición y/o gases adicionales) con intensidades de campo eléctrico aplicadas para las que no es posible la degradación sin los dispositivos autorresonantes (por ejemplo, una intensidad que es menor que la esperada de las curvas de Paschen). De esta manera, el campo eléctrico requerido para encender el plasma de proceso (por ejemplo, aproximadamente 50 voltios/metro) es menor que el campo eléctrico requerido para encender el plasma de proceso sin los dispositivos 15 autorresonantes en la cámara de plasma (por ejemplo, mayor que 300 voltios/metro).
En algunas realizaciones, la potencia requerida para generar cada plasma de los dispositivos autorresonantes es inferior a 10 vatios por dispositivo autorresonante. De esta manera, la potencia requerida para provocar la ignición del plasma de proceso (por ejemplo, 10 vatios por dispositivo autorresonante) es menor que la potencia necesaria para provocar la ignición del plasma de proceso (por ejemplo, aproximadamente de 100 a 300 vatios) sin los dispositivos 15 autorresonantes.
Con gas de ignición parcialmente ionizado creado por los dispositivos 15 autorresonantes y gas de ignición dentro del volumen de generación de plasma, cuando el transformador de potencia acopla la potencia al volumen de generación de plasma, el plasma 14 de proceso se enciende. De esta manera, el plasma de proceso se enciende sin el uso de un electrodo de ignición y/o un alto voltaje aplicado a la cámara 20 de plasma. Una vez que se produce la ignición del plasma 14 de proceso, los dispositivos 15 autorresonantes dejan de generar el plasma de ignición.
Cada uno de los dispositivos 15 autorresonantes puede generar un plasma que tiene una densidad menor que la densidad del plasma de proceso y/o existe en un volumen menor que el volumen en el que existe el plasma de proceso. Por tanto, la potencia requerida para abastecer a los dispositivos 15 autorresonantes (por ejemplo, potencia para la ignición del plasma) puede ser menor que la potencia requerida para mantener el plasma de proceso.
Los gases salen de la cámara 20 de plasma y entran en la cámara 22 de proceso a través de una salida de la cámara 20 de plasma. En algunas realizaciones, la cámara 20 de plasma incluye múltiples entradas de gas. En diversas realizaciones, la cámara 20 de plasma tiene una salida de gas para cada núcleo magnético. En diversas realizaciones, la cámara 20 de plasma incluye más salidas de gas que núcleos magnéticos.
En algunas realizaciones, el gas de ignición y un gas usado mientras se mantiene el plasma 14 (por ejemplo, gas de plasma de proceso) son los mismos. En algunas realizaciones, el gas de proceso es NH3, O2, H2, N2, NF3 o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, el gas de ignición y el gas de plasma de proceso son diferentes. En diversas realizaciones, el gas de ignición es helio, argón, criptón, xenón, neón, radón, ununoctio, hidrógeno, nitrógeno o cualquier combinación de los mismos. Es evidente para un experto en la técnica que el gas de ignición puede ser cualquier gas capaz de encenderse en plasma.
Se puede colocar un portamuestras 23 en la cámara 22 de proceso para soportar el material a procesar. El material a procesar puede estar sesgado en relación con el potencial del plasma. En algunas realizaciones, se coloca un cabezal de ducha (no mostrado) entre las salidas de la cámara de plasma y el portamuestras 23, de manera que el gas activado se distribuye de manera sustancialmente uniforme sobre la superficie del material a procesar.
La fuente 10 de plasma también puede incluir un circuito 36 de medición para medir parámetros eléctricos del devanado 18 primario. Los parámetros eléctricos del devanado 18 primario incluyen la corriente que acciona el devanado 18 primario, el voltaje a través del devanado 18 primario, el bus o voltaje de línea que es generado por el abastecimiento 24 de voltaje, la potencia promedio en el devanado 18 primario y la potencia pico en el devanado 18 primario. Los parámetros eléctricos del devanado primario se pueden monitorizar continuamente.
La potencia suministrada al plasma se puede controlar con precisión mediante un bucle 44 de retroalimentación que comprende el circuito 42 de control de potencia, el circuito 36 de medición para medir los parámetros eléctricos del devanado 18 primario y el circuito 26 de conmutación que contiene uno o más dispositivos semiconductores de conmutación. Además, el bucle 44 de retroalimentación puede incluir una sonda de voltaje y una sonda de corriente.
La fuente 10 de plasma también puede incluir un circuito 36 de medición para medir parámetros eléctricos del devanado 18 primario. Los parámetros eléctricos del devanado 18 primario incluyen la corriente que acciona el devanado 18 primario, el voltaje a través del devanado 18 primario, el bus o voltaje de línea que es generado por el abastecimiento 24 de voltaje, la potencia promedio en el devanado 18 primario y la potencia pico en el devanado 18 primario. Los parámetros eléctricos del devanado primario se pueden monitorizar continuamente.
La potencia suministrada al plasma se puede controlar con precisión mediante la monitorización de las medidas de potencia que se basan en un bus de DC que alimenta una sección de RF.
La fuente 10 de plasma es útil para procesar numerosos materiales, tales como superficies sólidas, polvos y gases. La fuente 10 de plasma es particularmente útil para proporcionar gases activados en equipos de procesamiento de semiconductores, tales como sistemas de deposición y grabado de películas delgadas. La fuente 10 de plasma también es particularmente útil para la eliminación de material fotorresistente, la deposición de la capa atómica, la limpieza de obleas y el óxido de compuerta, la limpieza de la cámara de proceso o la modificación dieléctrica.
La fuente de plasma se puede usar para grabar numerosos materiales, tales como silicio, dióxido de silicio, nitruro de silicio, aluminio, molibdeno, tungsteno y materiales orgánicos como fotorresistentes, poliimidas y otros materiales poliméricos. La fuente 10 de plasma puede usarse para la deposición mejorada por plasma de numerosos materiales de películas delgadas, tales como películas de diamante, dióxido de silicio, nitruro de silicio y nitruro de aluminio.
Además, la fuente 10 de plasma puede usarse para generar gases reactivos, tales como flúor atómico, cloro atómico, hidrógeno atómico, bromo atómico, nitrógeno atómico y oxígeno atómico. La fuente de plasma se puede utilizar para generar radicales moleculares, tales como NH, NF, OH y otros fragmentos moleculares de precursores estables. Tales gases reactivos son útiles para reducir, convertir, estabilizar o pasivar diversos óxidos, tales como dióxido de silicio, óxido de estaño, óxido de zinc y óxido de indio estaño. Las aplicaciones específicas incluyen soldadura sin fundente, eliminación de dióxido de silicio de una superficie de silicio, pasivación de superficies de silicio antes del procesamiento de obleas y limpieza de superficies de diversos metales y materiales dieléctricos tales como cobre, silicio y óxidos de silicio.
Otras aplicaciones de la fuente 10 de plasma incluyen la modificación de las propiedades superficiales de polímeros, metales, cerámicas y papeles. Además, la fuente 10 de plasma puede usarse para generar altos flujos de oxígeno atómico, cloro atómico o flúor atómico para esterilización.
En diversas realizaciones, el material de la superficie de la cámara de plasma se selecciona con base en las aplicaciones y/o la química del gas que se utilizará durante un proceso particular. Por ejemplo, el cuarzo es relativamente estable a los plasmas de oxígeno y cloro, pero se puede grabar en plasmas de flúor e hidrógeno. Para generar plasmas que contienen flúor, la superficie de la cámara de plasma puede estar hecha de aluminio, magnesio, itrio o sus compuestos porque estos elementos pueden tener fluoruros estables.
En diversas realizaciones, la composición de los gases de proceso se puede adaptar para minimizar la erosión de la superficie de la cámara de plasma. Por ejemplo, las superficies que contienen óxido de aluminio, tal como zafiro, alúmina o aluminio anodizado, pueden erosionarse con un plasma de hidrógeno. Los iones de hidrógeno primero reducen el óxido de aluminio y luego lo convierten en hidruro de aluminio volátil. La adición de una pequeña cantidad de oxígeno en hidrógeno, en forma de O2 o H2O y en el rango de 1-1000 ppm, puede estabilizar la superficie de óxido de aluminio y reducir sustancialmente su erosión.
La corriente de plasma y la densidad de corriente de plasma del plasma 14 generado por la fuente 10 de plasma pueden seleccionarse para optimizar la disociación de gases particulares para aplicaciones particulares. Por ejemplo, la corriente de plasma y la densidad de corriente de plasma pueden seleccionarse para optimizar la disociación de NF3. El NF3 se usa ampliamente como fuente de flúor para la limpieza de cámaras y muchas otras aplicaciones. El NF3 es relativamente costoso. La optimización de la fuente 10 de plasma para altas tasas de disociación de NF3 mejora la tasa de utilización de gas y reduce el coste total de operación del sistema. Además, es deseable aumentar la tasa de disociación del NF3 porque reduce la liberación de gases peligrosos para el medio ambiente a la atmósfera.
La disociación de NF3 es causada por colisiones entre las moléculas de NF3 y los electrones y gases calientes en el plasma. La densidad de electrones en la fuente de plasma es aproximadamente proporcional a la densidad de corriente del plasma. Existe un rango óptimo de densidades de corriente de plasma que maximizan la disociación de moléculas de NF3. En una realización, un plasma 14 toroidal que tiene una longitud de aproximadamente 40-60 cm, la densidad de corriente de plasma óptima para disociar eficientemente el gas NF3 está entre 5-20 A/cm2 En una realización, un plasma 14 toroidal que tiene un área de sección transversal de 3-10 cm2, este rango de densidad de corriente corresponde a una corriente de plasma toroidal total en el rango de aproximadamente 20-200 A.
Los materiales utilizados en la superficie interna de la cámara 20 de plasma y los elementos que conectan la salida de la cámara 20 de plasma a la cámara 22 de proceso pueden elegirse cuidadosamente, especialmente si la fuente de plasma se utilizará para generar especies químicamente reactivas. Los materiales se pueden seleccionar para cumplir con varios requisitos. Un requisito de los materiales es que se debe minimizar la creación de contaminación que resulta de la corrosión o el deterioro del material causado por la interacción de los materiales con los gases de proceso. Otro requisito de los materiales es que tengan una erosión mínima cuando se exponen a gases de proceso. Otro requisito de los materiales es que deben minimizar la recombinación y desactivación del gas reactivo, maximizando así el suministro de reactivo a la cámara de proceso.
El aluminio anodizado tiene algunas ventajas para las aplicaciones de procesamiento de semiconductores. Una ventaja es que el aluminio anodizado se puede cultivar directamente sobre una base de aluminio subyacente mediante un proceso electrolítico. La película resultante tiene excelentes propiedades de adherencia. Otra ventaja es que el aluminio anodizado tiene una conductividad térmica que es aproximadamente 15 veces mayor que la conductividad térmica del cuarzo. Por lo tanto, la superficie interior de las cámaras de plasma formadas con aluminio anodizado permanecerá relativamente fría, incluso con una densidad de potencia incidente significativa.
Otra ventaja es que el aluminio anodizado es químicamente inerte para muchas especies atómicas (F, O, Cl, etc.) siempre que haya presente bombardeo iónico de baja energía o solo esté. El aluminio anodizado es particularmente ventajoso para las químicas del flúor porque tiene un bajo coeficiente de recombinación para el flúor atómico. Además, el aluminio anodizado es un material que se usa y acepta comúnmente para aplicaciones de procesamiento de materiales semiconductores.
El cuarzo también tiene algunas ventajas para las aplicaciones de procesamiento de semiconductores. El cuarzo está disponible en una pureza extremadamente alta y se usa y acepta comúnmente en la industria de semiconductores. Además, el cuarzo es estable con numerosas especies reactivas que incluyen O, H, N, Cl y Br. En particular, el cuarzo tiene un coeficiente de recombinación de superficie bajo para el oxígeno atómico y el hidrógeno. Además, el cuarzo tiene un bajo coeficiente de expansión térmica y una resistencia relativamente alta al choque térmico. Además, el cuarzo tiene un alto punto de ablandamiento y fusión y, por lo tanto, es relativamente fácil formar una cámara de proceso a partir de cuarzo.
Los fluoropolímeros también tienen algunas ventajas para aplicaciones de procesamiento de semiconductores. Algunos ejemplos de fluoropolímeros son PTFE, PFE, PFA, f Ep y Teflon™. La tasa de recombinación de muchos fluoropolímeros es relativamente baja. Los fluoropolímeros también son relativamente inertes para la mayoría de las especies atómicas, incluidos el flúor atómico y el oxígeno atómico. Además, la pureza de los fluoropolímeros es relativamente alta y los fluoropolímeros están disponibles tanto a granel (tubo, lámina, etc.) como en forma de película delgada.
En algunas realizaciones, los fluoropolímeros, sin embargo, pueden ser erosionados por iones en el plasma. Además, la temperatura máxima de operación que pueden tolerar los fluoropolímeros es significativamente menor que la temperatura máxima que puede tolerar el cuarzo. Además, la conductividad térmica de los fluoropolímeros es relativamente baja. Por lo tanto, en algunas realizaciones, los fluoropolímeros son más útiles para construir las secciones de transporte fuera de la cámara de plasma.
Es evidente para un experto en la técnica que la fuente de plasma mostrada anteriormente en la figura 1 es una configuración de ejemplo para una fuente de plasma para la cual un plasma de proceso puede encenderse y mantenerse dentro de un volumen de generación de plasma y que muchas configuraciones posibles para una fuente de plasma son posibles y aplicables dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas. En diversas realizaciones, otras configuraciones de fuente de plasma conocidas en la técnica se modifican para permitir que los dispositivos autorresonantes exciten los gases dentro del volumen de generación de plasma para permitir que un plasma de proceso se encienda con intensidades de campo que son más bajas que las intensidades de campo requeridas para un gas de ignición neutro.
La figura 2 es una representación esquemática de una cámara 200 de plasma, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención. La cámara 200 de plasma tiene forma toroidal e incluye un volumen de generación de plasma que está definido por la cámara de plasma. La cámara 200 de plasma también incluye cuatro dispositivos, 230a, 230b, 230c y 230d autorresonantes, generalmente dispositivos 230 autorresonantes, una entrada 205 y una salida 210. La cámara 200 de plasma está rodeada por núcleos 240a y 240b magnéticos.
En diversas realizaciones, cada uno de los uno o más de los dispositivos 230 autorresonantes es un resonador coaxial, un resonador de anillo o cualquier combinación de los mismos. En diversas realizaciones, cada uno de los uno o más de los dispositivos 230 autorresonantes es un resonador de microcinta, un resonador de línea de cinta o cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, cada uno de los uno o más dispositivos autorresonantes son dispositivos autorresonantes conocidos en la técnica. Por ejemplo, dispositivos autorresonantes como se describe en el capítulo 6 del libro, "Microwave Engineering," de David M. Pozar, Wileys & Sons (2011).
En diversas realizaciones, hay dispositivos 230 más o menos autorresonantes. En diversas realizaciones, hay uno, dos, tres, cinco, seis o cualquier número de dispositivos autorresonantes. En diversas realizaciones, el número de dispositivos autorresonantes depende del tamaño de la cámara 200 de plasma, rango deseado de parámetros de ignición (por ejemplo, mezcla de especies, presión de gas y/o tasa de flujo de gas). En algunas realizaciones, el número de dispositivos autorresonantes depende de la tolerancia deseada para los contaminantes en el flujo de gas o en la superficie de la cámara de plasma. Por ejemplo, un mayor número de dispositivos autorresonantes puede permitir una mayor tolerancia a los contaminantes.
En algunas realizaciones, hay un dispositivo autorresonante en la entrada 225 de la cámara 200 de plasma y un dispositivo autorresonante en la salida de la cámara 200 de plasma. En algunas realizaciones, los dispositivos 230 autorresonantes están colocados equidistantes a lo largo del canal de plasma. En algunas realizaciones, cada dispositivo 230 autorresonante se coloca adyacente al volumen de generación de plasma.
En algunas realizaciones, los dispositivos 230 autorresonantes resuenan con una frecuencia de microondas. En algunas realizaciones, los dispositivos 230 autorresonantes resuenan con una radiofrecuencia. En algunas realizaciones, los dispositivos 230 autorresonantes resuenan a una frecuencia entre 100 megahercios y 10 gigahercios. En algunas realizaciones, los dispositivos 230 autorresonantes resuenan a una frecuencia entre 300 megahercios y 3 gigahercios.
Cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes puede generar un plasma (por ejemplo, un plasma de ignición) suficiente para provocar la ionización parcial de un gas. El plasma utilizado para generar la ionización parcial del gas puede tener una densidad menor que la densidad del plasma de proceso. Por tanto, la potencia necesaria para generar la ionización parcial del gas puede ser menor que la potencia necesaria para sustentar el plasma de proceso. Por ejemplo, para ionizar parcialmente el gas, la potencia requerida puede ser de unos pocos vatios a 10 vatios, mientras que la potencia para sostener el plasma puede ser superior a 1 kilovatio.
En algunas realizaciones, la cámara 200 de plasma incluye una o más entradas de gas adicionales para proporcionar gas a los dispositivos 230 autorresonantes. Por ejemplo, para cada dispositivo 230 autorresonante, la cámara 200 de plasma puede incluir una entrada de gas correspondiente para inyectar gas en un lugar cerca de cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes. De esta manera, cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes puede tener su propia fuente de gas para la ignición de su plasma correspondiente.
En algunas realizaciones, el gas usado por cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes para encender el plasma es un tipo de gas diferente al gas de ignición usado para encender el plasma de proceso. Por ejemplo, el gas de ignición puede ser argón, helio o cualquier combinación de los mismos. En estas realizaciones, una vez que cada dispositivo 230 autorresonante enciende un plasma, el gas de ignición fluye hacia la cámara 200 de plasma de manera que el plasma de cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes puede ionizar al menos parcialmente el gas de ignición.
En la figura 2, durante la operación, un gas de ignición fluye a través de la entrada 225 de la cámara 200 de plasma. El gas de ignición fluye a través de la cámara 200 de plasma y cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes enciende su propio plasma de ignición. Cada plasma de ignición hace que el gas de ignición se ionice al menos parcialmente. La ionización parcial del gas de ignición se puede encontrar dentro de la cámara 200 de plasma dentro de las regiones 232 de ionización ubicadas cerca de cada uno de los dispositivos 230 autorresonantes. Por ejemplo, el dispositivo 230a autorresonante tiene la región 232a de ionización correspondiente, el dispositivo 230b autorresonante tiene la región 232b de ionización correspondiente, el dispositivo 230c autorresonante tiene la región 232c de ionización correspondiente, y el dispositivo 230d autorresonante tiene la región 232d de ionización correspondiente.
Al menos una porción del gas parcialmente ionizado generado en cada una de las regiones de ionización fluye hacia el volumen de generación de plasma. Se aplica un campo eléctrico al volumen de generación de plasma a través de los núcleos 240a y 240b magnéticos y el plasma de proceso se enciende dentro del volumen de generación de plasma.
En diversas realizaciones, la cámara 200 de plasma es parte de una fuente de plasma acoplada inductivamente, una fuente de plasma acoplada capacitivamente, un cátodo hueco, una fuente de plasma de descarga de microondas o una fuente de plasma de descarga luminiscente.
La figura 3 es un diagrama de flujo 300 de un método para encender un plasma de proceso dentro de una cámara de plasma (por ejemplo, la cámara 200 de plasma como se muestra arriba en la figura 2).
El método implica hacer fluir un gas de ignición en una cámara de plasma (paso 310). El método también implica el uso de al menos un dispositivo autorresonante (por ejemplo, dispositivos 230 autorresonantes, como se describe anteriormente en la figura 2). Cada dispositivo autorresonante forma al menos un plasma de ignición correspondiente dentro de la cámara de plasma (paso 320). Cada plasma de ignición provoca al menos una ionización parcial del gas de ignición. Al ionizar parcialmente el gas de ignición, cuando la potencia se acopla directamente a la cámara de plasma, un plasma de proceso puede encenderse. El plasma de proceso puede encenderse aplicando potencia (por ejemplo, menos de 10 vatios) que es menor que la potencia requerida para encender el plasma de proceso sin el gas parcialmente ionizado (por ejemplo, 1 kilovatio).
El método también implica encender el plasma de proceso dentro de la cámara de plasma mediante el acoplamiento inductivo de potencia a la cámara de plasma (paso 330).
En algunas realizaciones, un porcentaje del gas que está parcialmente ionizado se basa en un voltaje de ignición predeterminado. Por ejemplo, cuando se logra un mayor grado de ionización por ignición, mediante los dispositivos autorresonantes, se puede reducir la potencia requerida para encender el plasma de proceso.
La figura 4 es un gráfico 400 de potencia de ignición frente a la presión de la cámara de plasma, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención. Para una cámara de plasma que incluye dispositivos autorresonantes (por ejemplo, la cámara 200 de plasma, como se muestra arriba en la figura 2), la potencia requerida para encender un plasma de proceso tiene un rango de ~1 - 7 vatios para presiones de la cámara de plasma entre ~ 0.25 y 2.25 Torr.
La figura 5 es un gráfico 500 del número de dispositivos autorresonantes frente al rendimiento de ignición, de acuerdo con realizaciones ilustrativas de la invención. Para una potencia aplicada de 12W, una cámara de plasma que incluye cuatro dispositivos autorresonantes (por ejemplo, la cámara 200 de plasma, como se muestra arriba en la figura 2) tiene un rendimiento de ignición más alto que una cámara de plasma que incluye tres dispositivos autorresonantes.
Si bien la invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a realizaciones específicas, los expertos en la técnica deben entender que se pueden realizar diversos cambios en la forma y los detalles sin apartarse del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para encender un plasma de proceso, el método que comprende:
hacer fluir un gas de ignición a una cámara (20) de plasma;
utilizando al menos un dispositivo (15n) para formar al menos un plasma de ignición dentro de la cámara de plasma, en donde el al menos un dispositivo genera el al menos un plasma de ignición dentro de su correspondiente volumen de plasma de ignición todo dentro de la cámara (20) de plasma, y el al menos un plasma de ignición provoca al menos una ionización parcial del gas de ignición; y
utilizar un transformador de potencia para acoplar inductivamente potencia a la cámara de plasma, incluso en el volumen de plasma de ignición en la cámara de plasma, para encender el plasma de proceso, caracterizado porque el al menos un dispositivo (15n) es un dispositivo autorresonante.
2. El método de la reivindicación 1, en donde el dispositivo (15n) autorresonante resuena con una frecuencia de radio o frecuencia de microondas.
3. El método de la reivindicación 1, que comprende además colocar el al menos un dispositivo (15n) autorresonante adyacente a un volumen de generación de plasma dentro de la cámara (20) de plasma, siendo el volumen de generación de plasma una región dentro de la cual se forma el plasma de proceso y opcionalmente en donde el método comprende además colocar un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante en una entrada de la cámara de plasma y un segundo dispositivo autorresonante en una salida de la cámara de plasma y/o colocar un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante y un segundo dispositivo autorresonante equidistantes a lo largo del canal de plasma.
4. El método de la reivindicación 1, que comprende además operar el al menos un dispositivo (15n) autorresonante a una frecuencia entre 100 megahercios y 10 gigahercios, y preferiblemente operar el al menos un dispositivo autorresonante a una frecuencia entre 300 megahercios y 3 gigahercios.
5. Una fuente (10) de plasma para generar un plasma, la fuente de plasma que comprende:
una fuente de gas de ignición por plasma configurada para hacer fluir un gas de ignición del plasma a una cámara (20) de plasma;
al menos un dispositivo (15n) configurado para generar al menos un plasma de ignición dentro de su volumen de plasma de ignición correspondiente todo dentro de la cámara (20) de plasma, el al menos un plasma de ignición, en uso, provoca al menos una ionización parcial del gas de ignición del plasma; y
una fuente (24) de potencia en comunicación eléctrica directa con la cámara (20) de plasma; y un transformador de potencia configurado para encender el plasma de proceso dentro de la cámara (20) de plasma mediante el acoplamiento inductivo de potencia desde la fuente de potencia a la cámara (20) de plasma, incluso en el volumen de plasma de ignición en la cámara de plasma, caracterizado porque al menos un dispositivo (15n) es un dispositivo autorresonante.
6. La fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde el al menos un dispositivo (15n) autorresonante se coloca adyacente a un volumen de generación de plasma dentro de la cámara (20) de plasma, siendo el volumen de generación de plasma una región dentro de la cual se forma el plasma de proceso, y opcionalmente, en donde un primer dispositivo autorresonante del al menos un dispositivo autorresonante y un segundo dispositivo autorresonante se colocan equidistantes a lo largo del volumen de generación de plasma.
7. La fuente de plasma de la reivindicación 6, en donde un primer dispositivo (15a) autorresonante del al menos un dispositivo (15n) autorresonante está posicionado en una entrada (205) de la cámara (20) de plasma y un segundo dispositivo (15b) autorresonante está posicionado en una salida (210) de la cámara de plasma.
8. La fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde el al menos un dispositivo (15n) autorresonante opera a una frecuencia de microondas o una frecuencia de radio.
9. La fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde el al menos un dispositivo (15n) autorresonante opera a una frecuencia entre 100 megahercios y 10 gigahercios, y preferiblemente en donde el al menos un dispositivo autorresonante opera a una frecuencia entre 300 megahercios y 3 gigahercios.
10. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde el al menos un dispositivo (15n) autorresonante es un resonador coaxial, un resonador de anillo o cualquier combinación de los mismos o en donde el al menos un dispositivo autorresonante es un resonador de microcinta, resonador de línea de cinta o cualquier combinación de los mismos.
11. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde, en uso, el plasma de proceso se enciende con un campo promedio de 10 kilovoltios por metro.
12. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde, en uso, el uno o más plasmas de ignición se mantienen con un voltaje inferior a 100 Vrms.
13. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 5, en donde, en uso, un voltaje pico del plasma de ignición es menor de 300 Vrms.
14. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 6, en donde, en uso, el al menos un dispositivo (15n) autorresonante se abastece a una potencia inferior a 50 vatios.
15. El método de la reivindicación 1 o la fuente de plasma de la reivindicación 6, en donde, en uso, la presión dentro de la cámara (20) de plasma es menor de 50 torr.
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