專利名稱：等離子體點燃和維持的方法及裝置的制作方法
等離子體點燃和維持的方法及裝置
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造中，諸如晶片之類的襯底經(jīng)過沉積和刻蝕處理而在其上面形成特征。半導(dǎo)體襯底的處理通常在處理步驟之間留有殘渣，諸如聚合物沉積物。已使用大氣電感耦合等離子體火炬來清潔襯底以便準(zhǔn)備進行進一步處理。為了便于討論，圖1示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的大氣電感耦合等離子體火炬100，其包括雙壁筒狀體102。筒狀體102通常由石英或類似適合的材料形成。冷卻氣體入口 104容許諸如例如氮氣或空氣等冷卻氣體噴射在筒狀體的壁之間以便在使用過程中對雙壁筒狀體102進行熱調(diào)節(jié)。通過采用適當(dāng)?shù)睦鋮s氣體，防止由于來自其中的等離子體的高散熱對大氣電感耦合等離子體火炬100造成熱損傷。線圈106被顯示為纏繞到雙壁筒狀體102的外周上。在使用過程中，處理氣體(例如，氫氣或氮氣)通過處理氣體入口 108被導(dǎo)入到筒狀體102的內(nèi)部容積中。當(dāng)適當(dāng)?shù)尿?qū)動器RF信號(例如，處于40MHz)被供給到線圈106時，線圈106充當(dāng)串聯(lián)LC諧振電路的部分以從處理氣體激發(fā)出等離子體。為了幫助在使用過程中冷卻線圈106，線圈被設(shè)計為允許液體冷卻劑流過其中的管。形成在大氣電感耦合等離子體火炬100內(nèi)的電感耦合等離子體從開口 120射出。從開口 120射出的等離子體的熱噴射流隨后可用于在離子注入處理之后從襯底移除或清除諸如不期望的聚合物沉積物之類的材料。如已知的，跨過線圈106的電感電壓為驅(qū)動器RF信號的頻率的函數(shù)。在40MHz時，典型的大氣電感耦合等離子體火炬可經(jīng)受線圈106的端部之間的例如高達20KV(峰間值)。在典型的大氣條件下，高的感應(yīng)電壓是點燃等離子體所需要的。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中采用的高的RF驅(qū)動器頻率(例如，40MHz或更高)呈現(xiàn)出成本和工程方面的難題。例如，許多處理系統(tǒng)已經(jīng)采用低頻RF源(例如，10-30MHZ，諸如13.56MHz或27.12MHz)用于刻蝕和沉積。因此，用于低頻子系統(tǒng)的設(shè)計、制造、質(zhì)量管理和維護的部件和專門技術(shù)是易于以較低成本提供的。此外，當(dāng)采用較低的驅(qū)動器RF頻率時，提高了工具間的可重復(fù)性。本發(fā)明涉及用于尤其在大氣電感耦合等離子體火炬中以及總體在電感耦合等離子體工具中提高等離子體點燃的方法和裝置。


本發(fā)明是在附圖的圖中通過舉例說明的方式而不是限制的方式闡述的，在附圖中相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件，并且其中:為了便于討論，圖1示出了典型的現(xiàn)有技術(shù)的大氣電感耦合等離子體火炬。圖2示出了依照本發(fā)明的實施方式的本發(fā)明的實現(xiàn)示例。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照如附圖中所示的本發(fā)明的幾個實施例來詳細地說明本發(fā)明。在下文的描述中，為了提供對本發(fā)明的全面理解，闡述了多個具體的細節(jié)。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然的是，可以在沒有這些具體細節(jié)中的一些或全部的情況下來實施本發(fā)明。在其它實例中，為了不造成不必要地模糊本發(fā)明，未對公知的處理步驟和/結(jié)構(gòu)進行詳細描述。一般而言，等離子體點燃取決于在既定氣柱上施加的電場的強度。在更具體的螺線管線圈的實例中，點燃取決于螺線管內(nèi)部的電場的強度。電場通常由下面的等式I表達。E=V/L 等式 I其中，V為線圈端部之間的感應(yīng)電壓，E為電場的強度，并且L為線圈的長度。應(yīng)當(dāng)注意的是，所謂的“L，線圈長度”是指線圈螺線管的長度，而不是用于纏繞線圈的纜線的長度。發(fā)明人在此處實現(xiàn)了，如果線圈的有效長度L能夠減小，則對于線圈上的相同的感應(yīng)電壓，能夠獲得較強的電場E。替代地或者附加地，如果感應(yīng)電壓V減小(由于例如驅(qū)動器RF頻率的減小)，則仍可通過減小線圈的有效長度來生成能夠令人滿意地點燃等離子體的電場。在一個或多個實施例中，提供了部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件，其有效地減小線圈的有效長度。PELOC指狀件，如其名稱所暗示的，為由導(dǎo)電材料制成的導(dǎo)電的帶或叉或齒或突起(本文中通稱為“指狀件”)，其布置在石英筒狀體的外部并且沿著大氣電感耦合等離子體火炬的石英筒狀體的縱軸線取向。設(shè)置有兩組指狀件，每組指狀件與不同的線圈端部連接。每組指狀件相對于筒狀體縱向地布置，同時使得第一組指狀件以空間分離的方式指向第二組指狀件(并且反之亦然)。本發(fā)明的實施例還涉及用于制造、準(zhǔn)備、操作和維護用于大氣電感耦合等離子體火炬的這些增強件的技術(shù)。圖2示出了依照本發(fā)明的實施例的示例配置，其中PELOC指狀件組202的導(dǎo)電指狀件相對于筒狀體210的縱軸線220縱向地布置。同樣，PELOC指狀件組204的導(dǎo)電指狀件相對于筒狀體210的縱軸線220縱向地布置。PELOC指狀件組202和PELOC指狀件組204被布置成使得PELOC指狀件組202的指狀件尖端指向朝向PELOC指狀件組204的指狀件尖端的方向?？梢钥闯?，PELOC指狀件組202的導(dǎo)電指狀件和PELOC指狀件組204的導(dǎo)電指狀件在空間上沿著筒狀體210的縱軸線220相隔組到組的間隙A。PELOC指狀件組202的導(dǎo)電指狀件僅部分地封閉筒狀體210的周邊，得到如圖所示的組內(nèi)間隙B。同樣，PELOC指狀件組204的導(dǎo)電指狀件僅部分地封閉筒狀體210的周邊，得到如圖所示的組內(nèi)間隙C。下文中將更加詳細地討論這些特征和間隙。通過以本文描述的方式使用縱向取向的導(dǎo)電指狀件，允許從線圈發(fā)出的磁場線進一步向內(nèi)前進并且穿透石英管210以在火炬內(nèi)部感應(yīng)出維持等離子體的循環(huán)電流。因為上述指狀件主要平行于磁場線的方向取向，所以這是可能的。組內(nèi)間隙B實質(zhì)上減少了 PELOC指狀件的基部中的循環(huán)電流的出現(xiàn)，這將不必要地消耗電力，因為其將產(chǎn)生加熱PELOC指狀件的內(nèi)部的電流。如果每個指狀件組的縱向取向的導(dǎo)電指狀件已由相同尺寸的固體導(dǎo)電帶替代，則不期望的循環(huán)電流將形成在固體導(dǎo)電帶中。此外，以本文所述的方式使用縱向取向的導(dǎo)電指狀件將線圈電壓下降的物理距離從線圈長度L減小至組間間隙A。對于既定的感應(yīng)電壓，長度的該減小按近似比率L/A增加了電場強度增強。由于該原因，可通過跨過線圈的較小的感應(yīng)電壓來實現(xiàn)等離子體點燃。
如上所述，每組PELOC指狀件與不同的線圈端部聯(lián)接(經(jīng)由例如圖2中的導(dǎo)線230和232)，并且與線圈長度L相比而言指狀件尖端彼此較大的緊鄰度A是用于減小線圈電壓下降的物理距離(作為示例，在圖2中示出了五匝式線圈長度L)。再有，因為PELOC指狀件組以部分封閉的方式一起較靠近地布置在筒狀體的外部，所以存在這種情況。組到組間隙A(術(shù)語“組到組”或“組間”表示沿著筒狀體的縱軸線從一組指狀件到另一組指狀件的指狀件尖端到指狀件尖端的間隙)優(yōu)選地盡可能小以使該有效的線圈長度最小。然而，一般而言，組到組間隙A不應(yīng)如此小以至于在PELOC指狀件組202的指狀件和PELOC指狀件組204的指狀件之間發(fā)生電弧放電。此外，組到組間隙A也不應(yīng)如此小以至于使得在PELOC指狀件組202的指狀件和PELOC指狀件組204的指狀件之間發(fā)生不期望的筒狀體外部的等離子體形成。在實施例中，對于特定的火炬，采用經(jīng)驗方法來確定組到組間隙A。首先，將兩個PELOC指狀件組部分地纏繞到筒狀體上并且沿著筒狀體的縱軸線排列。在這點上，指狀件組被定位成使得它們彼此遠離，而仍滿足由筒狀體的尺寸所施加的形狀因數(shù)約束且仍能夠在筒狀體的內(nèi)部點燃等離子體(但是在該間隙距離處的線圈的較大的有效長度將要求相當(dāng)高的線圈電壓來產(chǎn)生點燃等離子體的必要的E場)。這對組到組間隙A的尺寸施加了上限。然后，PELOC指狀件組沿著腔室的縱軸線朝向彼此漸進地移動。在某點處，組到組間隙A變得如此小以至于發(fā)生電弧放電或者發(fā)生電弧放電的可能性變得不可接受地高。此夕卜，由于使得組到組間隙A較小，所以存在如下風(fēng)險:如果組到組間隙A中建立的電場足夠高，則可能發(fā)生環(huán)境空氣的等離子體點燃。在筒狀體外部的這種非可控的環(huán)境空氣的等離子體點燃是不期望發(fā)生的。不允許電弧放電或者不期望的環(huán)境空氣點燃發(fā)生的最小的組到組間隙A確立了組到組間隙A的尺寸的下界。所確立的組到組間隙A的上界和下界之間的窗是適合的工作窗。在優(yōu)選的實施例中，組到組間隙A被設(shè)定為盡可能小，只要防止電弧放電或不期望的筒狀體外部等離子體點燃即可。該用于組到組間隙A的最小間隙距離確保了線圈的有效長度保持為最小，同時確保不發(fā)生電弧放電或不期望的等離子體點燃。優(yōu)選地，任一組PELOC指狀件的所有指狀件彼此電聯(lián)接。對于每組PELOC指狀件，各個指狀件在相互電連接的同時沿著筒狀體的縱軸線縱向地對準(zhǔn)，如之前所討論的。設(shè)置組內(nèi)間隙B (見圖2)，使得每個PELOC指狀件組的指狀件僅部分地封閉筒狀體的外圓周或外周邊(例如，如果筒狀體不是圓形)。該間隙在本文中被稱為“組內(nèi)”間隙，其規(guī)定了為實現(xiàn)“部分封閉”特征而在PELOC指狀件組的電連接的指狀件之間進行的間斷的尺寸。組內(nèi)間隙B的存在確保在每組PELOC指狀件的指狀件之間循環(huán)電流最小。根據(jù)與組到組間隙A的設(shè)計類似的考慮(例如，電弧放電避免)來設(shè)計組內(nèi)間隙B的尺寸。在一個或多個實施例中，組內(nèi)間隙B優(yōu)選地盡可能小以使所產(chǎn)生的電場和所感應(yīng)的磁場的非均勻度最小化。在本發(fā)明的一個或多個實施例中，這種非均勻度可能影響所產(chǎn)生的等離子體的均勻度并且盡可能地最小化。在實施例中，導(dǎo)電材料條或?qū)щ姟凹瑺钔黄稹北辉O(shè)置以按電氣方式和在結(jié)構(gòu)上將每組PELOC指狀件的指狀件連接到一起。兩個“棘狀突起”中的每個隨后與線圈端部(在圖2中標(biāo)示為230和232)中的一個連接。在該配置中，指狀件與梳的齒類似。當(dāng)圍繞大氣電感耦合等離子體火炬的筒狀體布置時，在該配置中可以看到兩組PELOC指狀件，因為兩個梳的齒面向彼此并且齒尖端到齒尖端相隔組到組間隙。每個“梳”部分地纏繞到大氣電感耦合等離子體火炬的筒狀體上，使得存在組內(nèi)間隙，其中梳的兩個梳端由于部分封閉特征不匯合，而是相隔間隙B。例如可在圖2中看到梳的實現(xiàn)示例。一般而言，指狀件可被制成為細長的或者根據(jù)需要或長/或短，因為相鄰指狀件之間的間隙允許感應(yīng)磁場穿透筒狀體而到達其中的等離子體。導(dǎo)電指狀件材料可以為銅、銅合金或類似適合的材料。用于產(chǎn)生電磁場的線圈可以布置在指狀件的外部(即，在距筒狀體的中心縱軸線較大的徑向距離處)。足夠數(shù)量的指狀件應(yīng)當(dāng)設(shè)置在每個“梳”中并且圍繞石英筒狀體的圓周隔開相等的距離以避免施加的電磁場的方位非均勻性。導(dǎo)電的指狀件需要足夠?qū)捯员銖臋C械角度而言是穩(wěn)固的，但是一般而言，應(yīng)當(dāng)保持比指狀件之間的間隙的寬度窄以允許來自線圈的盡可能多的磁場線前進到石英筒狀體的內(nèi)部(金屬指狀件本身將不傳導(dǎo)隨時間變化的磁場，僅僅是間隙允許場進一步向內(nèi)前進。從線圈發(fā)出的磁場線用于維持石英管內(nèi)部的等離子體)。一般而言，PELOC指狀件被認(rèn)為主要有助于等離子體點燃。維持等離子體被認(rèn)為是主要由線圈驅(qū)動。結(jié)果，等離子體均勻度趨于取決于線圈的繞組節(jié)距如何均勻以及線圈與石英筒狀體同軸對準(zhǔn)的程度如何好。在一個或多個實施例中，如果期望極低的RF驅(qū)動器頻率或者如果期望極低的感應(yīng)線圈電壓，則本文所公開的技術(shù)和裝置可與由發(fā)明人于與本申請相同日期遞交且為所有目的通過引用合并于本文中的名稱為“METHODS AND APPARATUS FOR IGNITING ANDSUSTAINING PLASMA”的共同擁有的未決專利申請(律師檔案號為LMRX-P0208/P2121)中的新穎的線圈繞組技術(shù)和裝置相結(jié)合。通過將縮短線圈的有效長度的當(dāng)前的技術(shù)/裝置與經(jīng)由線圈匝數(shù)的增加來提高線圈的電感的技術(shù)/裝置相結(jié)合，可以生成能夠以極低的RF驅(qū)動器頻率和/或以極低的感應(yīng)線圈電壓在筒狀體內(nèi)部點燃等離子體的電場?？深A(yù)想的是，在一些實施例中，在幾千伏特范圍內(nèi)的感應(yīng)線圈電壓可以足以在筒狀體內(nèi)部點燃等離子體。這兩種技術(shù)有利地在大氣電感耦合等離子體火炬中控制用于電場產(chǎn)生的不同的機制并且彼此不妨礙。在一個或多個實施例中，組合的技術(shù)和裝置代表獨特的創(chuàng)新。從前面的描述可以理解到，本發(fā)明的實施例提高了等離子體點燃電磁場在大氣電感耦合等離子體火炬中的利用率。通過本文公開的技術(shù)和裝置，在大氣電感耦合等離子體火炬中的等離子體點燃是可能的，即使感應(yīng)線圈電壓下降(例如，由于例如驅(qū)動器RF頻率的下降)也如此。當(dāng)所要求的感應(yīng)線圈電壓和/或驅(qū)動器RF頻率減小時，RF生成器以及用于大氣電感耦合等離子體火炬的構(gòu)件可更加廉價地制造并且可以更易于在系統(tǒng)間進行匹配，有助于降低半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造成本。應(yīng)當(dāng)牢記的是，盡管這些技術(shù)/裝置是結(jié)合大氣電感耦合等離子體火炬進行討論的，可構(gòu)思的是，相同的技術(shù)和裝置可用于在其它電感耦合等離子體工具和腔室中改善等離子體點燃和維持。已經(jīng)公開了示例性的實施例和最佳方式，可對所公開的實施例進行修改和變型，同時仍在如隨附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的主題和主旨內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生等離子體的裝置，其包括: 容器，在所述容器內(nèi)產(chǎn)生所述等離子體；以及 線圈，其被配置為接收RF驅(qū)動器信號以至少維持所述等離子體，所述線圈具有線圈長度； 第一組部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件，其沿著所述容器的縱軸線取向并且部分地封閉所述容器的周邊，所述第一組PELOC指狀件與所述線圈的第一端電聯(lián)接；以及 第二組部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件，其沿著所述容器的所述縱軸線取向并且部分地封閉所述容器的所述周邊，所述第二組PELOC指狀件與所述線圈的第二端電聯(lián)接，其中所述第一組PELOC指狀件和所述第二組PELOC指狀件被定向為使得所述第一組PELOC指狀件的指狀件尖端指向朝向所述第二組PELOC指狀件的指狀件尖端的方向并且相隔小于所述線圈長度的組間距離。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，相比于所述第一組PELOC指狀件，所述線圈布置在距所述容器的所述縱軸線的更大的半徑處。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述線圈的所述第一端和所述線圈的所述第二端中的一個接地。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一組PELOC指狀件中的指狀件與當(dāng)所述RF驅(qū)動器信號激勵所述線圈時所產(chǎn)生的磁場線平行地布置。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述第二組PELOC指狀件中的指狀件與所述磁場線平行地布置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述容器表示大氣電感耦合等離子體火炬的等離子體產(chǎn)生容器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述線圈是由管中管構(gòu)造和并排管道構(gòu)造中的一種來實現(xiàn)的。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述線圈的第一端接地，所述第一端還表示用于噴射和提取冷卻流體的端。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述RF驅(qū)動器信號具有在大約IOMHz至大約IOOMHz之間的頻率。
10.一種用于產(chǎn)生等離子體的裝置，其包括: 筒狀體，在所述筒狀體內(nèi)產(chǎn)生所述等離子體；以及 線圈，其被配置為接收RF驅(qū)動器信號，所述線圈具有線圈長度并且布置在距所述筒狀體的中心縱軸線的第一徑向距離處； 第一組部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件，其沿著所述筒狀體的所述中心縱軸線取向并且部分地封閉所述筒狀體的圓周，所述第一組PELOC指狀件與所述線圈的第一端電聯(lián)接并且布置在距所述筒狀體的所述中心縱軸線的第二徑向距離處；以及 第二組部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件，其沿著所述筒狀體的所述中心縱軸線取向并且部分地封閉所述筒狀體的所述圓周，所述第二組PELOC指狀件與所述線圈的第二端電聯(lián)接并且布置在距所述筒狀體的所述中心縱軸線的第三徑向距離處，其中所述第一組PELOC指狀件和所述第二組 PELOC指狀件被定向為使得所述第一組PELOC指狀件的指狀件尖端指向朝向所述第二組PELOC指狀件的指狀件尖端的方向并且相隔小于所述線圈長度的組間距離，并且其中，所述第一徑向距離大于所述第二徑向距離和所述第三徑向距離中的任一個。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述第一組PELOC指狀件的至少部分以及所述第二組PELOC指狀件的部分被布置在所述筒狀體的外表面和所述線圈之間。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述線圈的所述第一端和所述線圈的所述第二端中的一個接地。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述第一組PELOC指狀件中的指狀件與當(dāng)通過所述RF驅(qū)動器信號激勵所述線圈時所產(chǎn)生的磁場線平行地布置。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述第二組PELOC指狀件中的指狀件與所述磁場線平行地布置。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述容器表示大氣電感耦合等離子體火炬的等離子體產(chǎn)生容器。
16.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述線圈是由管中管構(gòu)造和并排管道構(gòu)造中的一種來實現(xiàn)的。
17.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述線圈的第一端接地，所述第一端還表示用于噴射和提取冷卻流體的端。
18.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述RF驅(qū)動器信號具有在約IOMHz至約IOOMHz之間的頻率。
19.一種被配置為通過等離子體來處理等離子體襯底的大氣電感耦合等離子體火炬，其包括: 用于約束所述等離子體的器件，所述器件具有用于接收處理氣體的至少入口以及用于射出所述等離子體的至少開口端； 線圈，其纏繞到所述筒狀體上，所述線圈被配置為用于接收RF驅(qū)動器信號，所述線圈具有線圈長度；以及 器件，其與所述線圈電聯(lián)接并且至少部分地布置在所述筒狀體的周邊周圍，用于有效地減小線圈電壓下降的距離至小于所述線圈長度，當(dāng)通過所述驅(qū)動器RF信號來激勵所述線圈時產(chǎn)生所述線圈電壓。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生等離子體的裝置，其包括等離子體產(chǎn)生容器以及線圈，所述線圈具有線圈長度以及第一組部分封閉的、縱向取向的導(dǎo)電(PELOC)指狀件和第二組PELOC指狀件。PELOC指狀件組沿著容器的縱軸線取向，使得每個PELOC指狀件組部分地封閉容器的周邊。兩組PELOC指狀件被定向為指狀件尖端朝向指狀件尖端并且相隔組間距離，該組間距離小于線圈長度。
文檔編號B23K9/00GK103153517SQ201180050020
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者尼爾·馬丁·保羅·本杰明, 安德萊斯·費舍 申請人:朗姆研究公司