TWI680699B - 具有自諧振元件之用於電漿點火的裝置及方法 - Google Patents

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史蒂芬Ｒ 沃德爾
Steven R. Walther
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Chen Wu
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Abstract

本發明提供一種用於使一電漿室內之一處理電漿點火之方法及裝置。一或多個自諧振元件相對於一電漿室內之一電漿產生容積定位於該電漿室內。該電漿產生容積由該電漿室界定。該等自諧振元件之各者產生一點火電漿。該等點火電漿引起一點火氣體之一部分離子化。該部分離子化點火氣體允許藉由將一電場施加至該電漿產生容積而使一處理電漿點火。

Description

具有自諧振元件之用於電漿點火的裝置及方法
本發明大體上係關於使電漿點火及保持電漿以產生含有離子、自由基、原子及分子之活性氣體之領域。特定言之，自諧振元件使一處理電漿點火氣體部分離子化且相對於一電漿產生容積而定位以在存在一電場之情況下引起一電漿點火氣體點火。
電漿放電可用於激發氣體產生含有離子、自由基、原子及分子之活性氣體。活性氣體用於諸多工業及科學應用，其包含處理固體材料(諸如半導體晶圓)、粉末及其他氣體。電漿之參數及電漿曝露於被處理之材料之條件取決於應用而廣泛變動。
可以包含直流(DC)放電、射頻(RF)放電及微波放電之各種方式產生電漿。藉由將一電位施加於一氣體中之兩個電極之間而達成DC放電。藉由將能量自一電力供應器靜電地或感應地耦合至一電漿中而達成RF放電。平行板通常用於將能量靜電地耦合至一電漿中。感應線圈通常用於將電流誘導至一電漿中。藉由透過一微波傳遞窗將微波能量直接耦合至含有一氣體之一放電室中而達成微波放電。微波放電係有利的，因為其可用於支援廣泛範圍之放電條件(其包含高度離子化電子迴旋諧振(ECR)電漿)。
電容耦合RF放電及DC放電固有地產生高能離子，且因此常用於 產生用於其中被處理之材料與電漿直接接觸之應用之電漿。微波放電產生密集低離子能電漿。微波放電亦用於其中期望產生低能離子且接著使用一外加電位來使該等離子加速到達處理表面之應用。
RF感應耦合電漿尤其用於產生諸如半導體晶圓處理之應用之大面積電漿。然而，一些RF感應耦合電漿並非為純感應的，此係因為驅動電流僅微弱地耦合至電漿。因此，RF感應耦合電漿通常係無效率的且需要對驅動線圈使用高電壓。高電壓產生引起高能離子轟擊反應器表面之高靜電場。離子轟擊使反應器劣化且會污染處理室及被處理之材料。離子轟擊亦可引起被處理之材料受損。
微波及感應耦合電漿源需要昂貴且複雜之電力輸送系統。此等電漿源需要精確RF或微波電力產生器及複雜匹配網路來使產生器之阻抗與電漿源匹配。另外，通常需要精確測量儀表來確定及控制到達電漿之實際電力。
使一電漿點火亦需要能夠提供足以引起一電漿氣體離子化之一大電力之電力輸送系統。在當前系統中，使電漿點火需要供應足以引起一氣體激發至其中形成一電漿之一狀態(其由(例如)帕邢(Paschen)曲線引導)之一高電場(例如擊穿電場)。對於微波電漿、電容耦合電漿、感應耦合電漿及/或輝光放電電漿，通常施加一高電場(例如0.1kV/cm至10kV/cm)來引起氣體之一初始擊穿。
施加一高電壓來使一電漿點火可引起若干困難，例如點火窗(例如用於成功點火之壓力、氣流及/或氣體物種之標準操作範圍)外之弧擊穿及/或介電質之電擊穿(例如穿通)。額外非所要弧擊穿及介電質之電擊穿可引起電漿室及/或系統部件受損。所損部件需要頻繁更換且會較昂貴的。施加一高電壓來點火之另一困難係：通常需要針對不同類型/形狀之電漿源之一客製點火設計。
施加一高電壓來使一電漿點火之當前技術包含：使用耦合至電 漿室之一高電壓火花塞或高電壓電極。另一當前技術係：將高電壓直接施加至電漿室本身之一部分(例如塊體點火)。此等點火技術之各者亦具有除上述困難之外之困難。
歸因於(例如)用於火花塞中之繼電器，火花塞通常具有一有限壽命，因此需要頻繁更換。高電壓電極通常必須經受在處理期間曝露於電漿。此可引起電極之一有限壽命及/或電極之有限材料選擇。塊體點火產生用於電漿弧擊穿之一電位且可限制塊體材料/塗層之選擇。
因此，期望在無需弧擊穿、穿通或使部件及/或電漿室本身曝露於高電壓、離子轟擊、自由基及/或非所要弧擊穿/熱之情況下使一電漿點火。
本發明之優點包含：使弧擊穿最小化，此係因為無需高電壓來引起電漿點火。本發明之其他優點包含：降低更換部件之頻率，其歸因於實質上消除曝露於高電壓、電弧及/或穿通。
其他優點包含：降低成本，其歸因於使昂貴部件及/或一客製點火設計之需求最小化。其他優點包含：允許更廣泛範圍之腔室材料/塗層，此係因為材料不必再經受高電壓、弧擊穿及/或穿通。
其他優點包含：使用電漿源作為其他電漿源之一起動電漿，使得該等其他電漿源在先前難以達到之壓力及/或流動形態下操作，其歸因於消除對一高點火電壓之需要。其他優點包含：能夠在處理室中執行高速率脈衝式電漿處理，其中初始擊穿之阻抗條件及處理條件明顯不同，其歸因於能夠使用處理氣體來點火且避免自當前通常需要之一惰性氣體混合物切換。
其他優點包含：降低一感應耦合電漿之一調諧範圍要求，其歸因於減弱點火所需之電場。其他優點包含：簡化電子器件，其歸因於使用一自諧振元件及/或消除一原本需要之點火切換方案。
在一態樣中，本發明涉及一種用於使一處理電漿點火之方法。該方法涉及：使一點火氣體流入至一電漿室中。該方法亦涉及：使用至少一自諧振元件來形成該電漿室內之至少一點火電漿，該至少一點火電漿引起該點火氣體之至少部分離子化。該方法亦涉及：藉由將電力感應地耦合至該電漿室而使該電漿室內之該處理電漿點火。
在一些實施例中，該自諧振元件依一射頻或微波頻率諧振。在一些實施例中，該方法涉及：將該至少一自諧振元件定位於該電漿室內之一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
在一些實施例中，該方法涉及：將該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處及將一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。在一些實施例中，該方法涉及：使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿電漿通道依一等距離定位。
在一些實施例中，該方法涉及：依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。在一些實施例中，該方法涉及：依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。
在一些實施例中，該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器、開環諧振器、半波諧振器、環形單開環諧振器、環形開環諧振器、帶線開環諧振器、具有兩個放電間隙之半波諧振器、負載開環諧振器之半波諧振器、負載開環諧振器之傳輸裝置或其等之任何組合。在一些實施例中，該至少一自諧振元件係一微帶諧振器、帶線諧振器或其等之任何組合。在一些實施例中，使用每米約1千伏特至10千伏特之一平均電場來使該處理電漿點火。
在一些實施例中，使用小於100Vrms之一電壓來保持高點火電漿。在一些實施例中，該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。在一 些實施例中，該方法涉及：對該至少一自諧振元件供應小於50瓦特之一電力。在一些實施例中，該電漿室內之一壓力小於50托。
在一態樣中，本發明包含一種用於產生一電漿之電漿源。該電漿源包含使一電漿點火氣體流入至一電漿室中之一電漿點火氣體源。該電漿源亦包含產生該電漿室內之至少一點火電漿之至少一自諧振元件，該至少一點火電漿引起該電漿點火氣體之至少部分離子化。該電漿源亦包含與該電漿室直接電連通以使該電漿室內之該處理電漿點火之一電源。
在一些實施例中，該電漿源包含：將該至少一自諧振元件定位於該電漿室內之一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
在一些實施例中，使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿該電漿產生容積依一等距離定位。在一些實施例中，該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處，且一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。
在一些實施例中，該至少一自諧振元件依一微波頻率或一射頻操作。在一些實施例中，該至少一自諧振元件依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作。在一些實施例中，該至少一自諧振元件依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作。
在一些實施例中，該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。在一些實施例中，使用每米10千伏特之一平均電場來使該處理電漿點火。在一些實施例中，使用小於100Vrms之一電壓來保持該一或多個點火電漿。
在一些實施例中，該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。在一些實施例中，對該至少一自諧振元件供應小於10瓦特之一電力。在一些實施例中，該電漿室內之一壓力小於50托。
10‧‧‧電漿源
12‧‧‧電力變壓器
14‧‧‧處理電漿
15a‧‧‧第一自諧振元件
15b‧‧‧第二自諧振元件
15n‧‧‧第三自諧振元件
16‧‧‧磁心
18‧‧‧初級線圈/初級繞組
20‧‧‧電漿室
22‧‧‧半導體處理室
23‧‧‧樣本支架
24‧‧‧電壓供應器
26‧‧‧切換器件/切換電路
32‧‧‧氣體入口
36‧‧‧量測電路
42‧‧‧電力控制電路
44‧‧‧回饋迴路
50‧‧‧電漿室出口
200‧‧‧電漿室
205‧‧‧入口
210‧‧‧出口
225‧‧‧入口
230a‧‧‧自諧振元件
230b‧‧‧自諧振元件
230c‧‧‧自諧振元件
230d‧‧‧自諧振元件
232a‧‧‧離子化區域
232b‧‧‧離子化區域
232c‧‧‧離子化區域
232d‧‧‧離子化區域
240a‧‧‧磁心
240b‧‧‧磁心
300‧‧‧流程圖
310‧‧‧步驟
320‧‧‧步驟
330‧‧‧步驟
400‧‧‧曲線圖
500‧‧‧曲線圖
可藉由參考結合附圖之以下描述而較佳地理解上文所描述之本發明之優點以及進一步優點。圖式未必按比例繪製，而是一般將重點放在說明本發明之原理上。
圖1係根據本發明之一繪示性實施例之用於產生活性氣體之一電漿源之一示意圖。
圖2係根據本發明之一繪示性實施例之一電漿室之一示意圖。
圖3係根據本發明之一繪示性實施例之用於使一電漿點火之一方法之一流程圖。
圖4係根據本發明之繪示性實施例之點火電力對壓力之一曲線圖。
圖5係根據本發明之繪示性實施例之自諧振元件之數目對點火效能之一曲線圖。
一般而言，使一或多個自諧振元件相對於由一電漿室界定之一電漿產生容積定位。在點火期間，各自諧振元件自身產生使流入至該電漿產生容積中之一氣體(例如點火氣體)至少部分離子化之電漿(例如點火電漿)。能量耦合至該電漿產生容量中且一電漿(例如處理電漿)點火。
點火氣體之部分離子化允許使用比在無部分離子化之情況下(例如，在無一或多個自諧振元件之情況下)引起處理電漿點火所需之能量少之能量來使處理電漿點火。
圖1係根據本發明之一繪示性實施例之用於產生活性氣體之一電漿源10之一示意圖。電漿源10將活性氣體提供至一半導體處理室22。電漿源10包含一電力變壓器12、一電漿室20、一氣體入口32、一第一自諧振元件15a、一第二自諧振元件15b、一第三自諧振元件15n(統稱為 自諧振元件15)、一切換式電力供應器(電壓供應器24及切換器件26)及一回饋迴路44。
電力變壓器包含一磁心16、一初級線圈18及一處理電漿14(已被點火)。電力變壓器將自切換式電力供應器接收之電力耦合至一電漿產生容積中。電漿產生容積由電漿室20界定。電力變壓器亦將自切換式電力供應器接收之電力耦合至三個點火電漿容積中，各點火電漿容積用於自諧振元件15之各者。磁心16環繞電漿室20，使得電漿室20穿過磁心16。初級線圈18及磁心16允許被點火且保持於電漿產生容積內之處理電漿14形成電力變壓器之一次級電路。
在各種實施例中，電力變壓器包含兩個、四個或任何數目個磁心。在各種實施例中，電漿室20可由一介電材料(諸如石英、礬土或藍寶石)或一金屬(諸如鋁)或一塗佈金屬(諸如陽極電鍍鋁)製成。
在一些實施例中，自諧振元件15之各者自身具有各自電力供應器。例如，各自電力供應器可為提供約3瓦特電力之一微波放大器。在一些實施例中，各自電力供應器係允許控制微波頻率之一電壓控制振盪器。在一些實施例中，各自電力供應器位於具有其各自自諧振元件之一微晶片上。在此等實施例中，微晶片由一低電壓DC電力供應器供應電力。在一些實施例中，收容與其各自自諧振元件分離之各自電力供應器。
在一些實施例中，切換式電力供應器可為一固態切換式供應器，例如美國專利第6,388,226號之圖7及圖8中所描述，該專利之全文以引用方式併入本文中。
自諧振元件15耦合至電漿室20。在操作期間，一點火氣體流入至電漿室20中。自諧振元件15之各者在其對應點火電漿容積內產生一點火電漿，全部點火電漿容積位於電漿室20內。由自諧振元件產生之點火電漿使點火氣體至少部分離子化。
由自諧振元件15產生之部分離子化氣體允許使用外加電場強度來擊穿用於使處理電漿點火之氣體(例如相同於用於產生點火電漿之點火氣體及/或額外氣體)，對於該外加電場強度，若無自諧振元件，則無法擊穿氣體(例如小於自帕邢曲線預期之強度的強度)。以此方式，使處理電漿點火所需之電場(例如約50伏特/米)小於在電漿室中無自諧振元件15之情況下使處理電漿點火所需之電場(例如大於300伏特/米)。
在一些實施例中，產生自諧振元件之各電漿所需之電力小於每自諧振元件10瓦特。以此方式，引起處理電漿點火所需之電力(例如每自諧振元件10瓦特)小於在無自諧振元件15之情況下引起處理電漿點火所需之電力(例如約100瓦特至約300瓦特)。
若存在由自諧振元件15產生之部分離子化點火氣體及電漿產生容積內之點火氣體，則當電力變壓器將電力耦合至電漿產生容積中時，處理電漿14點火。以此方式，處理電漿在不使用一點火電極及/或施加至電漿室20之一高電壓之情況下點火。一旦發生處理電漿14點火，則自諧振元件15停止產生點火電漿。
自諧振元件15之各者可產生一電漿，其具有比處理電漿之密度小之一密度及/或存在於比處理電漿存在於其內之容積小之一容積中。因此，需要供應至自諧振元件15之電力(例如用於電漿點火之電力)可小於保持處理電漿所需之電力。
氣體離開電漿室20且經由電漿室20之一出口而進入處理室22。在一些實施例中，電漿室20包含多個氣體入口。在各種實施例中，電漿室20具有用於各磁心之一氣體出口。在各種實施例中，電漿室20包含比磁心多之氣體出口。
在一些實施例中，點火氣體及保持電漿14時所使用之一氣體(例如處理電漿氣體)係相同的。在一些實施例中，處理氣體係NH3、 O2、H2、N2、NF3或其等之任何組合。在一些實施例中，點火氣體及處理電漿氣體係不同的。在各種實施例中，點火氣體係氦氣、氬氣、氪氣、氙氣、氖氣、氡氣、Eka氡、氫氣、氮氣或其等之任何組合。一般技術者應明白，點火氣體可為能夠使電漿點火之任何氣體。
一樣本支架23可定位於處理室22中以支撐待處理之材料。待處理之材料可相對於電漿之電位而偏壓。在一些實施例中，一噴灑頭(圖中未展示)位於電漿室出口50與樣本支架23之間，使得活性氣體實質上均勻地分佈於待處理之材料之表面上。
電漿源10亦可包含用於量測初級繞組18之電參數之一量測電路36。初級繞組18之電參數包含驅動初級繞組18之電流、橫跨初級繞組18之電壓、由電壓供應器24產生之匯流排電壓或線電壓、初級繞組18中之平均電力及初級繞組18中之峰值電力。可連續地監測初級繞組之電參數。
輸送至電漿之電力可由一回饋迴路44準確地控制，回饋迴路44包括電力控制電路42、用於量測初級繞組18之電參數之量測電路36、及含有一或多個切換式半導體元件之切換電路26。另外，回饋迴路44可包含一電壓探針及一電流探針。
可藉由監測電力量測(其係基於供給一RF區段之一DC匯流排)而準確地控制輸送至電漿之電力。
電漿源10用於處理諸多材料，諸如固體表面、粉末及氣體。電漿源10尤其用於提供半導體處理設備(諸如薄膜沈積及蝕刻系統)中之活性氣體。電漿源10亦尤其用於光阻剝離、原子層沈積、晶圓清洗及閘氧化物、處理室清洗或介電修改。
電漿源可用於蝕刻諸多材料，諸如矽、二氧化矽、氮化矽、 鋁、鉬、鎢及有機材料，如光阻劑、聚醯亞胺及其他聚合材料。電漿源10可用於諸多薄膜材料(諸如鉆石膜、二氧化矽、氮化矽及氮化鋁)之電漿增強型沈積。
另外，電漿源10可用於產生反應性氣體，諸如原子氟、原子氯、原子氫、原子溴、原子氮及原子氧。電漿源可用於產生分子基，諸如NH、NF、OH及穩定前驅物之其他分子片段。此等反應性氣體用於還原、轉換、穩定化或鈍化各種氧化物，諸如二氧化矽、氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫。特定應用包含無助熔劑焊接、自一矽表面移除二氧化矽、在晶圓處理之前鈍化矽表面、及各種金屬及介電材料(諸如銅、矽及二氧化矽)之表面清洗。
電漿源10之其他應用包含：修改聚合物、金屬、陶瓷及紙張之表面性質。另外，電漿源10可用於產生用於消毒之高通量原子氧、原子氯或原子氟。
在各種實施例中，基於應用及/或待在一特定程序期間使用之氣體化學反應而選擇電漿室之表面材料。例如，石英對氧氣電漿及氯氣電漿而言係相對穩定的，但其在氟氣電漿及氫氣電漿中會被蝕刻。為產生含氟電漿，電漿室之表面可由鋁、鎂、釔或其等之化合物製成，此係因為此等元素可具有穩定氟化物。
在各種實施例中，處理氣體之組合物可經調適以最小化電漿室表面之侵蝕。例如，含有氧化鋁(諸如藍寶石、礬土或陽極電鍍鋁)之表面可由一氫氣電漿侵蝕。氫離子首先使氧化鋁還原且隨後將其轉換成揮發性氫化鋁。將少量氧添加於氫中(呈O2或H2O之形式且在1ppm至1000ppm之範圍內)可使氧化鋁表面穩定且實質上減少其侵蝕。
由電漿源10產生之電漿14之電漿電流及電漿電流密度可經選擇以最佳化特定應用之特定氣體之離解。例如，電漿電流及電漿電流密度可經選擇以最佳化NF3離解。NF3廣泛用作為用於腔室清洗及諸多其他應用之氟源。NF3相對較昂貴。最佳化用於高NF3離解率之電漿源10改良氣體利用率且減少操作系統之總成本。另外，可期望提高NF3之離解率，此係因為其減少將危害環境氣體釋放至大氣中。
由NF3分子與電漿中之電子及熱氣體之間之碰撞引起NF3之離解。電漿源中之電子之密度與電漿電流密度大致成比例。存在使NF3分子之離解最大化之電漿電流密度之一最佳範圍。在一實施例中，若一環形電漿14具有約40cm至約60cm之一長度，則用於有效率地離解NF3氣體之最佳電漿電流密度係介於5A/cm2至20A/cm2之間。在一實施例中，若一環形電漿14具有3cm2至10cm2之一橫截面積，則此電流密度範圍對應於約20A至約200A範圍內之一總環形電漿電流。
尤其當電漿源將用於產生化學反應性物種時，需仔細地選擇用於電漿室20之內表面中之材料及將電漿室20之輸出連接至處理室22之器件。材料可經選擇以滿足若干要求。對材料之一要求係：應最低限度地產生起因於由材料與處理氣體之相互作用引起之材料之腐蝕或劣化之污染物。對材料之另一要求係：其在曝露於處理氣體時具有最小侵蝕。對材料之另一要求係：其應最小化反應性氣體之復合及失活以因此最大化輸送至處理室之反應物。
陽極電鍍鋁具有用於半導體處理應用之一些優點。一優點係：陽極電鍍鋁可透過一電解程序而直接生長於一下伏鋁基底上。所得膜具有極佳黏著性質。另一優點係：陽極電鍍鋁具有比石英之熱導率大約15倍之一熱導率。因此，即使具有可觀入射電力密度，但由陽極電鍍鋁形成之電漿室之內表面將保持相對較冷。
另一優點係：只要不存在離子轟擊或僅存在低能離子轟擊，則 陽極電鍍鋁不易與諸多原子物種(F、O、Cl等等)發生化學反應。陽極電鍍鋁尤其有利於氟化學反應，此係因為其具有一低原子氟復合係數。此外，陽極電鍍鋁係常用於半導體材料處理應用且被半導體材料處理應用接受之一材料。
石英亦具有用於半導體處理應用之一些優點。可取得極高純度之石英，且石英常用於半導體工業中且被半導體工業接受。此外，石英相對於包含O、H、N、Cl及Br之諸多反應物種而言係穩定的。特定言之，石英具有用於原子氧及氫之一低表面復合係數。此外，石英具有一低熱膨脹係數且具有相對較高之抗熱衝擊性。另外，石英具有一高軟熔點，因此，易於由石英形成一處理室。
含氟聚合物亦具有用於半導體處理應用之一些優點。一些含氟聚合物之實例係PTFE、PFE、PFA、FEP及TeflonTM。諸多含氟聚合物之復合率相對較低。含氟聚合物較不易於與包含原子氟及原子氧之大多數原子物種發生反應。另外，含氟聚合物之純度相對較高且可取得呈塊體形狀(管、薄板等等)及薄膜形狀兩者之含氟聚合物。
然而，在一些實施例中，含氟聚合物會由電漿中之離子侵蝕。此外，含氟聚合物可忍受之最大操作溫度顯著小於石英可忍受之最大溫度。另外，含氟聚合物之熱導率相對較低。因此，在一些實施例中，含氟聚合物主要用於建構電漿室外之透明區段。
一般技術者應明白，上文圖1中所展示之電漿源係一電漿源(其之一處理電漿可被點火且保持於一電漿產生容積內)之一例示性構形，且一電漿源之諸多可能構形係可行的且可應用於本發明。在各種實施例中，此項技術中已知之其他電漿源構形經修改以允許自諧振元件激發電漿產生容積內之氣體以允許使用低於一中性點火氣體所需之電場強度的電場強度來使一處理電漿點火。
圖2係根據本發明之一繪示性實施例之一電漿室200之一示意 圖。電漿室200係一環形形狀且包含由電漿室界定之一電漿產生容積。電漿室200亦包含四個自諧振元件230a、230b、230c及230d(統稱為自諧振元件230)、一入口205及一出口210。電漿室200由磁心240a及240b環繞。
在各種實施例中，自諧振元件230之一或多者之各者係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。在各種實施例中，自諧振元件230之一或多者之各者係一微帶諧振器、帶線諧振器或其等之任何組合。在一些實施例中，一或多個自諧振元件之各者係此係技術中已知之自諧振元件，例如David M.Pozar、Wileys及Sons(2011)之著作「Microwave Engineering」之第6章中所描述之自諧振元件，該著作以引用方式併入本文中。
在各種實施例中，存在更多或更少自諧振元件230。在各種實施例中，存在一個、兩個、三個、五個、六個或任何數目個自諧振元件。在各種實施例中，自諧振元件之數目取決於電漿室200之大小、點火參數(例如物種混合物、氣體壓力及/或氣體流速)之所要範圍。在一些實施例中，自諧振元件之數目取決於氣流中或電漿室之表面上之污染物之一所要容限。例如，自諧振元件之數目越高，可允許之污染物容限越大。
在一些實施例中，在電漿室200之入口225處存在一自諧振元件且在電漿室200之出口處存在一自諧振元件。在一些實施例中，使自諧振元件230沿電漿通道依等距離定位。在一些實施例中，各自諧振元件230定位於電漿產生容積相鄰處。
在一些實施例中，自諧振元件230依一微波頻率諧振。在一些實施例中，自諧振元件230依一射頻諧振。在一些實施例中，自諧振元件230依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率諧振。在一些實施例中，自諧振元件230依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率諧振。
自諧振元件230可各產生足以引起一氣體部分離子化之一電漿(例如一點火電漿)。用於產生氣體之部分離子化之電漿可具有比處理電漿之密度小之一密度。因此，產生氣體之部分離子化所需之電力可小於保持處理電漿所需之電力。例如，使氣體部分離子化所需之電力可為數瓦特至數十瓦特，而用於保持電漿之電力可大於1千瓦特。
在一些實施例中，電漿室200包含一或多個額外氣體入口來將氣體提供至自諧振元件230。例如，對於各自諧振元件230，電漿室200可包含一對應氣體入口以在自諧振元件230之各者附近之位置處注入氣體。以此方式，自諧振元件230之各者可自身具有氣體源來使其對應電漿點火。
在一些實施例中，由自諧振元件230之各者用於使電漿點火之氣體係不同於用於使處理電漿點火之點火氣體的一類型之氣體。例如，點火氣體可為氬氣、氦氣或其等之任何組合。在此等實施例中，一旦各自諧振元件230使一電漿點火，則使點火氣體流入至電漿室200中，使得自諧振元件230之各者之電漿可使點火氣體至少部分離子化。
在圖2中，在操作期間，使一點火氣體流動通過電漿室200之入口225。點火氣體流動通過電漿室200且自諧振元件230之各者使其自身點火電漿點火。各點火電漿引起點火氣體至少部分離子化。在電漿室200內，可在位於自諧振元件230之各者附近之離子化區域232內發現點火氣體之部分離子化。例如，自諧振元件230a具有對應離子化區域232a，自諧振元件230b具有對應離子化區域232b，自諧振元件230c具有對應離子化區域232c，且自諧振元件230d具有對應離子化區域232d。
離子化區域之各者中所產生之部分離子化氣體之至少一部分流入至電漿產生容積中。一電場經由磁心240a及240b而施加至電漿產生容積且處理電漿在電漿產生容積內點火。
在各種實施例中，電漿室200係一感應耦合電漿源、一電容耦合電漿源、一中空陰極、一微波放電電漿源或一輝光放電電漿源之部分。
圖3係用於使一電漿室(例如上文圖2中所展示之電漿室200)內之一處理電漿點火之一方法之一流程圖300。
該方法涉及：使一點火氣體流入至一電漿室中(步驟310)。該方法亦涉及：使用至少一自諧振元件(例如上文圖2中所描述之自諧振元件230)。各自諧振元件使至少一對應點火電漿形成於電漿室內(步驟320)。各點火電漿引起點火氣體之至少部分離子化。當電力直接耦合至電漿室時，一處理電漿可藉由使點火氣體部分離子化而點火。處理電漿可藉由施加比在無部分離子化氣體之情況下使處理電漿點火所需之電力(例如1千瓦特)小之電力(例如小於10瓦特)而點火。
該方法亦涉及：藉由將電力感應地耦合至電漿室而使電漿室內之處理電漿點火(步驟330)。
在一些實施例中，經部分離子化之氣體之一百分比係基於一預定點火電壓。例如，當由自諧振元件達成較高程度之點火離子化時，可減少使處理電漿點火所需之電力。
圖4係根據本發明之繪示性實施例之點火電力對電漿室壓力之一曲線圖400。對於包含自諧振元件之一電漿室(例如上文圖2中所展示之電漿室200)，使一處理電漿點火所需之電力具有針對約0.25托至約2.25托之間之電漿室壓力的約1瓦特至約7瓦特之一範圍。
圖5係根據本發明之繪示性實施例之自諧振元件之數目對點火效能之一曲線圖500。對於12W之一外加電力，包含四個自諧振元件之一電漿室(例如上文圖2中所展示之電漿室200)具有比包含三個自諧振元件之一電漿室高之一點火效能。
雖然已參考特定實施例來具體展示及描述本發明，但熟悉技術 者應瞭解，可在不背離由隨附申請專利範圍界定之本發明之精神及範疇之情況下對本文之形式及細節作出各種改變。

Claims (56)

  1. 一種用於使一處理電漿點火之方法，該方法包括：使一點火氣體流入至一電漿室中；在該電漿室中及耦合至該電漿室之一電力變壓器中提供至少一自諧振元件；使用該至少一自諧振元件來使至少一點火電漿形成於該電漿室內，該至少一點火電漿引起該點火氣體之至少部分離子化；及使用該電力變壓器以將電力感應地耦合至該電漿室，包含至該電漿室內之該至少一點火電漿，且在該電漿室內使該處理電漿點火，其中該至少一自諧振元件使得在該處理電漿之點火期間使用減少的電力即可達成該點火氣體之部分離子化。
  2. 如請求項1之方法，其中該自諧振元件依一射頻或微波頻率諧振。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括：將該至少一自諧振元件定位於該電漿室內之一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
  4. 如請求項3之方法，其進一步包括：將該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處且將一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。
  5. 如請求項3之方法，其進一步包括：使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿電漿通道依一等距離定位。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包括：依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包括：依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。
  8. 如請求項1之方法，其中該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。
  9. 如請求項1之方法，其中該至少一自諧振元件係一微帶諧振器、帶線諧振器或其等之任何組合。
  10. 如請求項1之方法，其中使用每米約1千伏特至10千伏特之間之一平均電場來使該處理電漿點火。
  11. 如請求項1之方法，其中使用小於100Vrms之一電壓來保持該點火電漿。
  12. 如請求項1之方法，其中該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包括：對該至少一自諧振元件供應小於50瓦特之一電力。
  14. 如請求項1之方法，其中該電漿室內之一壓力小於50托。
  15. 一種用於產生一電漿之電漿源，該電漿源包括：一電漿點火氣體源，其使一電漿點火氣體流入至一電漿室中；該電漿室中之至少一自諧振元件，其在該電漿室內產生至少一點火電漿，該至少一點火電漿引起該電漿點火氣體之至少部分離子化；一電源，其與該電漿室直接電連通；及一電力變壓器，其耦合至該電漿室，其經構形以藉由將電力自該電源耦合至該電漿室，包含至該電漿室內之該至少一點火電漿，以在該電漿室中將該處理電漿點火，其中該至少一自諧振元件使得在該處理電漿之點火期間使用減少的電力即可達成該點火氣體之部分離子化。
  16. 如請求項15之電漿源，其進一步包括：將該至少一自諧振元件定位於該電漿室內之一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
  17. 如請求項16之電漿源，其中使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿該電漿產生容積依一等距離定位。
  18. 如請求項16之電漿源，其中該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處且一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。
  19. 如請求項15之電漿源，其中該至少一自諧振元件依一微波頻率或一射頻操作。
  20. 如請求項15之電漿源，其中該至少一自諧振元件依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作。
  21. 如請求項15之電漿源，其中該至少一自諧振元件依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作。
  22. 如請求項15之電漿源，其中該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。
  23. 如請求項15之電漿源，其中使用每米10千伏特之一平均電場來使該處理電漿點火。
  24. 如請求項15之電漿源，其中使用小於100Vrms之一電壓來保持該一或多個點火電漿。
  25. 如請求項15之電漿源，其中該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。
  26. 如請求項16之電漿源，其中對該至少一自諧振元件供應小於50瓦特之一電力。
  27. 如請求項16之電漿源，其中該電漿室內之一壓力小於50托。
  28. 一種用於使一處理電漿點火之方法，該方法包括：使一點火氣體流入至一電漿室中；提供至少一自諧振元件，其相對於該電漿室及耦合至該電漿室之一電力變壓器配置；使用該至少一自諧振元件來使至少一點火電漿形成於該電漿室內，該至少一點火電漿引起該點火氣體之至少部分離子化；及使用該電力變壓器以將電力感應地耦合至該電漿室，包含至該電漿室內之該至少一點火電漿，且在該電漿室內使該處理電漿點火，其中該至少一自諧振元件使得在該處理電漿之點火期間使用減少的電力即可達成該點火氣體之該部分離子化。
  29. 如請求項28之方法，其中該自諧振元件依一射頻或微波頻率諧振。
  30. 如請求項28之方法，其進一步包括：將該至少一自諧振元件定位於一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
  31. 如請求項30之方法，其進一步包括：將該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處且將一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。
  32. 如請求項30之方法，其進一步包括：使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿電漿通道依一等距離定位。
  33. 如請求項28之方法，其進一步包括：依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。
  34. 如請求項28之方法，其進一步包括：依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作該至少一自諧振元件。
  35. 如請求項28之方法，其中該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。
  36. 如請求項28之方法，其中該至少一自諧振元件係一微帶諧振器、帶線諧振器或其等之任何組合。
  37. 如請求項28之方法，其中使用每米約1千伏特至10千伏特之間之一平均電場來使該處理電漿點火。
  38. 如請求項28之方法，其中使用小於100Vrms之一電壓來保持該點火電漿。
  39. 如請求項28之方法，其中該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。
  40. 如請求項28之方法，其進一步包括：對該至少一自諧振元件供應小於50瓦特之一電力。
  41. 如請求項28之方法，其中該電漿室內之一壓力小於50托。
  42. 如請求項28之方法，其進一步包括：將該至少一自諧振元件定位於該電漿室內或定位於該電漿室相鄰處。
  43. 一種用於產生一電漿之電漿源，該電漿源包括：一電漿點火氣體源，其使一電漿點火氣體流入至一電漿室中；相對於該電漿室配置之至少一自諧振元件，該至少一自諧振元件產生至少一點火電漿於該電漿室內，該至少一點火電漿引起該電漿點火氣體之至少部分離子化；一電源，其與該電漿室直接電連通；及一電力變壓器，其耦合至該電漿室，其經構形以藉由將電力自該電源耦合至該電漿室，包含至該電漿室內之該至少一點火電漿，以在該電漿室中將該處理電漿點火，其中該至少一自諧振元件使得在該處理電漿之點火期間使用減少的電力即可使該點火氣體之該至少部分離子化。
  44. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件定位於一電漿產生容積相鄰處，該電漿產生容積係該處理電漿形成於其內之一區域。
  45. 如請求項44之電漿源，其中使該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件及一第二自諧振元件沿該電漿產生容積依一等距離定位。
  46. 如請求項44之電漿源，其中該至少一自諧振元件之一第一自諧振元件定位於該電漿室之一入口處且一第二自諧振元件定位於該電漿室之一出口處。
  47. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件依一微波頻率或一射頻操作。
  48. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件依100兆赫至10千兆赫之間之一頻率操作。
  49. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件依300兆赫至3千兆赫之間之一頻率操作。
  50. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件係一同軸諧振器、環形諧振器或其等之任何組合。
  51. 如請求項43之電漿源，其中使用每米10千伏特之一平均電場來使該處理電漿點火。
  52. 如請求項43之電漿源，其中使用小於100Vrms之一電壓來保持該一或多個點火電漿。
  53. 如請求項43之電漿源，其中該點火電漿之一峰值電壓小於300Vrms。
  54. 如請求項44之電漿源，其中對該至少一自諧振元件供應小於50瓦特之一電力。
  55. 如請求項44之電漿源，其中該電漿室內之一壓力小於50托。
  56. 如請求項43之電漿源，其中該至少一自諧振元件設置於該電漿室內或設置於該電漿室相鄰處。
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