專利名稱：包含有曲折線圈天線的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生感應(yīng)耦合的等離子體(ICP)的設(shè)備，尤其涉及包含有這樣一種天線的ICP發(fā)生設(shè)備，該天線具有可以改善等離子體均勻性的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
最近，等離子體技術(shù)廣泛用于半導(dǎo)體器件和平面顯示面板制造中。等離子體用于將特定材料蝕刻或沉積在用于制造半導(dǎo)體器件的晶片表面上或用于制造液晶顯示(LCD)面板的襯底上。尤其是，在用于制造高度集成的半導(dǎo)體器件的蝕刻或薄膜沉積工藝中，越來越多地使用等離子體設(shè)施。因此，適用于蝕刻、沉積或其他工藝地等離子體發(fā)生設(shè)備的研發(fā)對于半導(dǎo)體制造工藝和設(shè)施的發(fā)展來說是至關(guān)重要的。在用于半導(dǎo)體制造工藝的等離子體設(shè)備的研發(fā)中，最重要的因素是在大襯底上工作的能力，以便提高產(chǎn)量，以及執(zhí)行用于制造高度集成器件的工藝的能力。具體地說，隨著近年來晶片尺寸從200mm增大到300mm，提高晶片處理工藝的均勻性以及保持較高的等離子體密度變得非常重要。
在傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造工藝中已經(jīng)使用各種類型的等離子體設(shè)備，例如，電容耦合等離子體(CCP)類型、電子回旋共振(ECR)類型、螺旋類型、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)類型、以及結(jié)合前述類型中的兩種或多種的混合類型。在各種類型的等離子體設(shè)備中，對于300mm的大尺寸晶片，由于ICP設(shè)備可以以高密度和高均勻性產(chǎn)生等離子體并且與其他類型的等離子體設(shè)備相比具有簡單的結(jié)構(gòu)，因此ICP類型設(shè)備被認(rèn)為是最佳設(shè)備。然而，用于300mm晶片的ICP設(shè)備的研制并非輕易通過簡單地改變現(xiàn)存的用于200mm晶片的ICP設(shè)備的尺寸來實(shí)現(xiàn)的。由于在對ICP放電至關(guān)重要的天線的設(shè)計(jì)中的諸多困難，使得存在多種限制。
圖1示出傳統(tǒng)ICP發(fā)生設(shè)備的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，ICP發(fā)生設(shè)備包括反應(yīng)室10，該反應(yīng)室10包括用于產(chǎn)生等離子體的空間。用于支撐襯底，例如晶片W的靜電卡盤12設(shè)置在反應(yīng)室10中的下部處，而介電窗口16形成在反應(yīng)室10的上蓋11內(nèi)。用于將反應(yīng)氣體供給到反應(yīng)室10內(nèi)的氣體供給口14形成在反應(yīng)室10的側(cè)壁處，并且連接到氣體供給口14上的多個(gè)氣體配送口15設(shè)置在反應(yīng)室10之內(nèi)。真空吸取口18形成在反應(yīng)室10的底部，并連接到真空泵19上，用于將反應(yīng)室10內(nèi)側(cè)抽真空。此外，用于在反應(yīng)室10內(nèi)產(chǎn)生等離子體的線圈天線20設(shè)置在介電窗口16之上。
線圈天線20與用于提供射頻(RF)電流的電源相連。隨著RF電流流入線圈天線20，圍繞線圈天線20產(chǎn)生磁場，并且隨著磁場作為時(shí)間的函數(shù)變化，在反應(yīng)室10內(nèi)感應(yīng)出電場。同時(shí)，反應(yīng)氣體通過氣體供給口15供給到反應(yīng)室10中，并通過與感應(yīng)電場所加速的電子碰撞而離子化，從而在反應(yīng)室10內(nèi)產(chǎn)生等離子體。所產(chǎn)生的等離子體與晶片W的表面化學(xué)反應(yīng)，從而晶片W經(jīng)歷所需的處理，例如蝕刻。同時(shí)，附加的RF電源(未示出)通常連接到靜電卡盤12上，用于提供偏置電壓，以便增加源自等離子體并與晶片W碰撞的離子的能量。
圖2示出傳統(tǒng)螺旋線圈天線的一個(gè)示例，而圖3A和3B分別示出在圖1所示的反應(yīng)室中由圖2所示的螺旋線圈天線所產(chǎn)生的電場分布和等離子體密度。如圖2所示，螺旋線圈天線30一般由單螺旋纏繞的導(dǎo)電線圈構(gòu)成。然而，螺旋線圈天線30的缺點(diǎn)在于由此感應(yīng)的電場的強(qiáng)度不均勻。也就是說，如圖3a所示，電場在螺旋線圈天線的邊緣部分相對弱，而在其中心部分相對強(qiáng)。因此，所產(chǎn)生的等離子體的密度在反應(yīng)室的邊緣部分最低。
在反應(yīng)室中心部分的最密集產(chǎn)生的等離子體向放置在反應(yīng)室底部附近的晶片擴(kuò)散。于是，在靠近晶片表面的等離子體和晶片之間發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的等離子體的密度在靠近晶片表面的區(qū)域的中心部分處高，而在靠近晶片表面的區(qū)域的邊緣部分處低。
這種不規(guī)則的等離子體密度分布導(dǎo)致晶片或襯底被蝕刻的深度或材料沉積在晶片或襯底上的厚度在晶片或襯底的表面上不均勻的問題。隨著反應(yīng)室直徑增大以便容納較大的晶片，這個(gè)不均勻問題變得更加嚴(yán)重。此外，為了保持等離子體密度在反應(yīng)室內(nèi)足夠高，天線30的半徑以及線圈的圈數(shù)必須增大，以便適應(yīng)ICP設(shè)備的尺寸增大。然而，線圈的圈數(shù)增大導(dǎo)致另一個(gè)問題，即，天線的自感增大，于是，等離子體放電的效率退化。如果天線30的自感增大，則天線30需要更高的電壓，從而易于發(fā)生電容耦合。電容耦合使離子的動(dòng)能增加的太高，從而使得很難精確的控制加工過程。另外，由于具有如此高動(dòng)能的離子非常強(qiáng)地碰撞反應(yīng)室的內(nèi)壁，從內(nèi)壁中會分離出不期望的粒子。此外，電容耦合降低了等離子體放電的效率。
圖4A和4B示出由傳統(tǒng)圓形線圈天線產(chǎn)生的磁場的徑向分量的分布。圖4A和4B中左側(cè)的照片圖象示出天線的結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的磁場的徑向分量Br的分布，而右側(cè)的曲線示出作為距天線中心距離的函數(shù)的磁場徑向分量Br的大小。尤其是，右側(cè)曲線是利用電磁場分析軟件VectorField對天線線圈橫截面中心之下5cm處所產(chǎn)生的磁場的徑向分量Br的分布的模擬結(jié)果，并且在該處，假設(shè)在形成天線的線圈內(nèi)的電流分布均勻地穿過整個(gè)線圈橫截面。
圖4A中所示的天線包括三個(gè)同心線圈，它們半徑分別為7cm、14cm、和21cm。每個(gè)線圈具有6mm×6mm的方形橫截面。電流在相同的方向流過每個(gè)線圈。
當(dāng)電流在相同方向上流過每個(gè)線圈時(shí)，磁場的大小呈現(xiàn)出在天線中心部分附近較高。在強(qiáng)磁場部分產(chǎn)生的等離子體在整個(gè)反應(yīng)室上擴(kuò)散。在具有這種磁場分布的反應(yīng)室中，等離子體密度從中心向邊緣部分減小。
圖4B中所示的天線具有與圖4A所示天線相同的結(jié)構(gòu)。然而，電流在相反的方向上流過相鄰的線圈。當(dāng)如圖4B所示的天線那樣電流在相反的方向流過相鄰的線圈時(shí)，天線的電感相對于圖4A的天線的電感下降大約50％，如圖13中所說明的。然而，由于靠近圖4B的天線中心的峰值磁場強(qiáng)度，不易于實(shí)現(xiàn)等離子體體密度高度均勻。
圖5A到5D示出被提出以解決上述線圈天線的問題的各種天線。圖5A示出在美國專利第5,346,578中公開的天線40，該天線包括用于反應(yīng)室42的半球形上蓋44，以及圍繞上蓋44纏繞成拱頂形的螺旋線圈。有利地是，天線40的幾何形狀提供了高度均勻的等離子體密度。
然而，難于制造這種半球形上蓋44，并且半球形上蓋44由于天線40而易于經(jīng)受熱膨脹的應(yīng)力。另外，由于線圈足夠長以便從上部到下部螺旋形地纏繞上蓋44，天線40的電感增大。于是，需要較低的RF頻率。對于制造成容納300mm晶片的大型設(shè)備來說，線圈的圈數(shù)和天線40的直徑增大，結(jié)果，上述問題變得更嚴(yán)重。
圖5B示出美國專利第5,401,350中公開的天線50，該天線包括形成在反應(yīng)室52頂面上的螺旋線圈天線50a，以及圍繞反應(yīng)室52的外側(cè)壁纏繞的螺線管型天線50b。圖5B的天線50可以利用如上所述的傳統(tǒng)螺旋線圈天線補(bǔ)償在反應(yīng)室邊緣部分處等離子體密度低的問題。然而，圖5B的天線仍然存在與傳統(tǒng)螺旋線圈天線相關(guān)的其他問題。此外，由于圖5B的天線需要兩個(gè)獨(dú)立的RF電源，因此存在很多外部控制的過程參數(shù)。實(shí)際上，具有圖5A或圖5B的天線的ICP發(fā)生設(shè)備利用比13.56MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率低得多的頻率。
圖5C示出美國專利第6,291,793中公開的天線60，該天線包括多個(gè)并聯(lián)分支的螺旋線圈62、64和66。圖5C所示的多重并聯(lián)類型天線優(yōu)點(diǎn)在于天線60的自感可以隨著分支線圈62、64和66的數(shù)量的增大而降低。然而，這種多重并聯(lián)類型的天線不具有確保等離子體密度令人滿意地均勻分布的區(qū)別特征。
圖5D示出美國專利第6,288,493中公開的天線70，該天線包括多個(gè)并聯(lián)分支的圓形線圈71、72、73和74，以及連接到多個(gè)圓形線圈上以便在圓形線圈71、72、73和74之間感應(yīng)LC諧振的可變電容器76。圖5D所示的天線優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)高度均勻的等離子體密度分布，這是由于電流的大小和相位可以調(diào)節(jié)，并且由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)而天線具有天線的電感低的優(yōu)點(diǎn)。圖5D的天線被認(rèn)為是迄今為止研制的圓形線圈類型天線中最先進(jìn)的一種。然而，如果在并聯(lián)分支的天線線圈71、72、73和74之間發(fā)生LC諧振，則過量的電流沿著最外側(cè)線圈74流動(dòng)，并且在最外側(cè)線圈74從該處分支出去的點(diǎn)75處發(fā)生飛弧。
由于上述問題，迄今為止公開的傳統(tǒng)天線在充分適應(yīng)工藝條件的變化以獲得高度等離子體均勻性方面存在不足。尤其是，隨著晶片變得更大，更難于利用傳統(tǒng)天線保持在晶片邊緣部分附近的等離子體密度均勻，結(jié)果，半導(dǎo)體器件的質(zhì)量和產(chǎn)量嚴(yán)重惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備，該設(shè)備包括有曲折(serpentine)線圈天線，該天線具有可以改善等離子體密度均勻性、減小電感并抑制電容耦合的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供了一種ICP發(fā)生設(shè)備，該設(shè)備包含有一天線，該天線具有確保容易基于LC諧振現(xiàn)象觸發(fā)等離子體放電并確保等離子體高度均勻性的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，提供了一種ICP發(fā)生設(shè)備，其包括抽真空的反應(yīng)室、安裝在反應(yīng)室上部，以用來感應(yīng)用于離子化供給到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生等離子體的電場的天線、以及連接到天線上的射頻(RF)電源，以用于將射頻功率施加到天線上，其中，天線包括多個(gè)具有不同半徑的線圈，至少一個(gè)線圈為彎曲成鋸齒形的曲折線圈。
根據(jù)ICP發(fā)生設(shè)備的特定實(shí)施例，天線可以包括布置在天線中心部分處的圓形線圈和圍繞圓形線圈布置并連接到圓形線圈上的曲折線圈。另外，天線可以包括布置在天線中心部分處的第一圓形線圈、圍繞第一圓形線圈布置并連接到第一圓形線圈上的曲折線圈、以及圍繞曲折線圈布置并連接到曲折線圈上的第二圓形線圈。另外，天線可以包括布置在天線中心部分處的圓形線圈、圍繞圓形線圈布置并連接到圓形線圈上的第一曲折線圈、以及圍繞第一曲折線圈布置并連接到第一曲折線圈上的第二曲折線圈。在上述實(shí)施例中，圓形線圈可以具有相對小的半徑，以便減小圓形線圈和曲折線圈之間的相對部分的面積。
曲折線圈可以具有帶等間隔的若干部分的鋸齒形圖案。在這種情況下，曲折線圈可以具有多個(gè)外部，該外部沿著線圈的周長延伸，并可以具有多個(gè)內(nèi)部，該內(nèi)部朝向中心部分彎曲。曲折線圈的內(nèi)部和外部可以布置成分別與反應(yīng)室的中心和邊緣部分相對應(yīng)，從而在內(nèi)部附近磁場分量的大小逐漸增大，而在外部附近磁場分量的大小劇烈減小。
多個(gè)線圈可以通過連接線圈相連，其中，連接線圈放置在多個(gè)線圈所布置的平面之上的高處，以便使它們的影響最小。
每個(gè)線圈可以具有寬度小于高度的矩形橫截面，以減小與等離子體的電容耦合。另外，每個(gè)線圈可以具有圓形橫截面，以便防止由電流在線圈表面上不規(guī)則分布帶來的電阻增大。當(dāng)在線圈中形成冷卻劑通道時(shí)，這個(gè)圓形橫截面也是有利的，使得冷卻劑平滑流動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例中，感應(yīng)耦合的等離子體發(fā)生設(shè)備還可以包括多個(gè)永久磁鐵，它們圍繞反應(yīng)室的外壁設(shè)置。多個(gè)永久磁鐵可以布置在由天線產(chǎn)生的磁場的大小相對弱的區(qū)域。另外，為了方便和優(yōu)化安裝，多個(gè)永久磁鐵可以布置成它們可以圍繞反應(yīng)室的中心軸同時(shí)回轉(zhuǎn)，從而根據(jù)天線所產(chǎn)生的磁場分布變換它們的位置。
具有上述結(jié)構(gòu)中一種的ICP發(fā)生設(shè)備可以改善等離子體密度的均勻性、減小電感并抑制電容耦合。
在本發(fā)明另一方面，提供了一種ICP發(fā)生設(shè)備，其包括抽真空的反應(yīng)室、天線，天線安裝在反應(yīng)室的上部，以便感應(yīng)用于離子化供給到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體的電場并產(chǎn)生等離子體；射頻(RF)電源，其連接到天線上，以便將射頻功率提供到天線；匹配網(wǎng)絡(luò)，其連接在射頻電源和天線之間、以及電容器，其連接在匹配網(wǎng)絡(luò)和天線之間、與天線平行。另外，天線的多個(gè)線圈可以串聯(lián)到射頻電源上，天線的至少一個(gè)線圈可以并聯(lián)到射頻電源上。
根據(jù)上述ICP發(fā)生設(shè)備的結(jié)構(gòu)，可以利用LC諧振現(xiàn)象高效放電并維持等離子體。


本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將通過參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例變得更清楚，圖中圖1示出傳統(tǒng)感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖2示出傳統(tǒng)螺旋線圈天線的一個(gè)示例；圖3A和3B分別示出在圖1所示的反應(yīng)室內(nèi)由圖2所示的螺旋線圈天線產(chǎn)生的電場分布和等離子體密度；圖4A和4B示出由傳統(tǒng)圓形線圈天線產(chǎn)生的磁場徑向分量的分布；圖5A到5D示出各種類型的傳統(tǒng)線圈天線；圖6是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包含有曲折線圈天線的ICP發(fā)生設(shè)備的分解透視圖；圖7是圖6的曲折線圈天線的放大透視圖；圖8是針對具有不同橫截面形狀的線圈、電感相對于線圈高度的曲線；
圖9是示出天線的電感相對于線圈數(shù)量、線圈橫截面形狀、以及電流流過線圈的方向的變化的曲線；圖10是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包含在ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線的平面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的包含在ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線的平面圖；圖12A到12G示出曲折線圈天線的各種示例，以及由相應(yīng)天線產(chǎn)生的徑向磁場分量的分布；圖13是針對圖4A和4B的圓形線圈天線以及圖12A到12G的曲折線圈天線的計(jì)算電感的曲線；圖14是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線和永久磁鐵的布置的平面圖；圖15是示出在根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備中曲折線圈天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、以及與其并聯(lián)以便感應(yīng)LC諧振的電容器的布置的平面圖；圖16是連接到天線上的L型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路圖；以及圖17A到圖17D是用于解釋在圖15的電容器的電抗變化時(shí)的LC諧振現(xiàn)象的曲線。
具體實(shí)施例方式
將參照圖6到圖17描述根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備的示例性實(shí)施例。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的包含有曲折線圈的ICP發(fā)生設(shè)備的分解透視圖，而圖7是圖6中的曲折線圈天線的放大透視圖。圖6的ICP發(fā)生設(shè)備是半導(dǎo)體制造設(shè)備，用于精加工襯底、即晶片W，例如利用由天線120產(chǎn)生的等離子體蝕刻或沉積晶片W上的特定材料。
參照圖6，ICP發(fā)生設(shè)備包括反應(yīng)室110，反應(yīng)室110包含用于產(chǎn)生等離子體的空間。反應(yīng)室110的內(nèi)側(cè)保持真空狀態(tài)，并且為此目的，在反應(yīng)室110的底部處設(shè)置真口吸取口118，且該吸取口118連接到真空泵119上。用于支撐襯底、例如晶片W的靜電卡盤112設(shè)置在反應(yīng)室110之內(nèi)的下部處，而RF電源134連接到靜電卡盤112上，以提供偏置電壓，從而使反應(yīng)室110內(nèi)產(chǎn)生的等離子體的離子能夠以足夠高的能量與晶片W的表面碰撞。介電窗口116安裝在反應(yīng)室110的上蓋111處，以便傳遞RF功率。氣體供給口114形成在反應(yīng)室110的側(cè)壁處，以便將反應(yīng)氣體供給到反應(yīng)室110?？梢栽诜磻?yīng)室110之內(nèi)設(shè)置多個(gè)連接到氣體供給口114上的氣體配送口115。
天線120設(shè)置在反應(yīng)室110的頂部上，即，設(shè)置在介電窗口116之上，以便感應(yīng)電場，從而通過離子化供給到反應(yīng)室110中的反應(yīng)氣體來產(chǎn)生等離子體。RF電源132連接到天線120上，以便向其提供RF功率。隨著RF電流在形成天線120的線圈內(nèi)流動(dòng)，根據(jù)安培右手定律產(chǎn)生磁場。由于磁場作為時(shí)間的函數(shù)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)的法拉第定律在反應(yīng)室120內(nèi)感應(yīng)出電場。感應(yīng)出的電場加速電子，而被加速的電子將通過氣體配送口115供給到反應(yīng)室120內(nèi)的反應(yīng)氣體離子化，從而產(chǎn)生等離子體。
如圖7所示，天線120包括放置在中心部分處的圓形線圈122、以及圍繞圓形線圈122的曲折線圈124。曲折線圈124具有鋸齒形圖案，帶有沿著天線120周邊等間隔的各部分。鋸齒形圖案的數(shù)量可以根據(jù)天線120的半徑而有所變化。雖然在圖7中出現(xiàn)六個(gè)鋸齒形圖案，但是對于較大半徑的天線，可以出現(xiàn)八個(gè)或更多個(gè)鋸齒形圖案，而對于較小半徑的天線，可以出現(xiàn)少于六個(gè)鋸齒形圖案。另外，曲折線圈124包括多個(gè)外部124a，它們沿著圓周延伸，并包括多個(gè)內(nèi)部124b，它們朝向放置在中心部分處的圓形線圈122彎曲。內(nèi)部124b靠近圓形線圈122放置，以逐漸增大磁場分量的大小。同時(shí)，在曲折線圈124外部124a處產(chǎn)生的磁場分量的大小向外劇烈減小。外部124A與反應(yīng)室110內(nèi)的晶片W的邊緣部分對齊。對于給定的線圈長度，曲折線圈124的面積小于傳統(tǒng)圓形線圈的面積，從而具有曲折線圈124的天線120的電感與傳統(tǒng)圓形線圈相比有所減小。
雖然在圖6和圖7中曲折線圈124的角部呈現(xiàn)出鋒利的，但是，為了便于制造，曲折線圈124的角部可以倒圓。曲折線圈124的這種可選結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在下面描述的所有實(shí)施例中。
圓形線圈122的半徑以及曲折線圈124的內(nèi)徑和外徑可以根據(jù)反應(yīng)室110的尺寸充分調(diào)整。尤其是，為了減小電容耦合效應(yīng)，優(yōu)選的是將圓形線圈122的半徑以及曲折線圈124的內(nèi)徑減小得盡可能小。這是由于曲折線圈124中與圓形線圈122相鄰的內(nèi)部124b的面積較小有助于減小天線120的電容。然而，如果圓形線圈122的半徑和曲折線圈124的內(nèi)徑過小，則難于制造在圓形線圈122和曲折線圈124中具有冷卻劑通道的結(jié)構(gòu)(這將在后面予以描述)，并且電阻增大。因此，圓形線圈122的半徑和曲折線圈124的內(nèi)徑應(yīng)當(dāng)在考慮這種預(yù)期問題的前提下加以確定。
當(dāng)在線圈122和124中形成冷卻劑通道(未示出)時(shí)，線圈122和124可以具有圓形橫截面，以允許冷卻劑通過冷卻劑通道平滑流動(dòng)。線圈122和124的圓形橫截面有利地防止了由于在線圈122和124表面上電流不規(guī)則分布帶來的電阻增大。
在具有上述結(jié)構(gòu)地曲折線圈天線120中，磁場在反應(yīng)室110中的分布可以通過優(yōu)化圓形線圈122的直徑、曲折線圈124的內(nèi)徑和外徑之間的差、以及鋸齒形圖案的數(shù)量來加以調(diào)節(jié)。磁場分布直接影響在反應(yīng)室110內(nèi)產(chǎn)生的等離子體的密度的均勻性。因此，等離子體密度分布均勻性可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)磁場分布來加以改善。這將在下面予以描述。
圓形線圈122的一端部接地，而曲折線圈124的一端部連接到RF電源132。另外，圓形線圈122的一端部可以連接到RF電源132，而曲折線圈124的一端部可以接地。圓形線圈122和曲折線圈124的另一端連接到連接線圈128上。連接線圈128放置在比圓形線圈122和曲折線圈124所處平面高的地方，結(jié)果，連接線圈128對等離子體發(fā)生的影響可以忽略。
優(yōu)選的是，圓形線圈122和曲折線圈124具有寬度小于高度的恒定矩形橫截面。天線120的電感可以通過這種窄線圈122和124得以減小。這將參照圖8詳細(xì)描述。
圖8是對于具有不同橫截面寬度的線圈，電感(L)相對于高度的曲線。各自由三個(gè)圓形線圈構(gòu)成的天線用于計(jì)算電感(L)，其中三個(gè)圓形線圈分別具有7cm、14cm和21cm的半徑，并且每個(gè)線圈的橫截面的寬度和高度變化。假設(shè)恒定的電流流過每個(gè)線圈的表面。
從圖8可以看出，當(dāng)線圈的橫截面面積隨著橫截面的寬度或高度變大而增大時(shí)，天線的電感下降。另外，對于給定的橫截面面積，較窄寬度且較大高度的線圈的電感小于較大寬度而較小高度的線圈的電感。對于具有36mm2的相同橫截面面積的兩個(gè)線圈，1mm寬度、36mm高度的橫截面的線圈的電感L1低于6mm寬度、6mm高度橫截面的其他線圈的電感L2。
回來參照圖7，圓形線圈122和曲折線圈124沿相反方向纏繞。因此，電流沿相反方向流過圓形線圈122和曲折線圈124，從而天線的電感被有利地降低。這將參照圖9加以描述。然而，如果需要的話，圓形線圈122和曲折線圈124可以沿相同方向纏繞。
圖9是示出天線電感L相對于線圈數(shù)量、線圈形狀和電流流過線圈的方向變化的曲線。在圖9中，曲線①表示在電流沿相同方向流過所有線圈時(shí)，由四個(gè)圓形線圈構(gòu)成的天線的計(jì)算電感，其中四個(gè)線圈分別具有5.25cm、10.5cm、15.75cm、和21cm的半徑；曲線②表示當(dāng)電流沿相同方向流過所有線圈時(shí)由三個(gè)圓形線圈構(gòu)成的天線的計(jì)算電感，其中三個(gè)圓形線圈分別具有7cm、14cm、和21cm的半徑；曲線③表示當(dāng)電流沿相反方向流過相鄰線圈時(shí)與曲線①相同的天線的計(jì)算電感；而曲線④表示當(dāng)電流沿相反方向流過相鄰線圈時(shí)與曲線②相同的天線的計(jì)算電感。
如從圖9中清楚看到的，對于具有較少線圈(曲線②和④)的天線，當(dāng)電流沿相反方向流過天線的相鄰線圈時(shí)電感較低。電流流過天線的線圈的方向?qū)﹄姼械挠绊懰坪醣染€圈的數(shù)量對電感的影響大。換句話說，當(dāng)使電流沿相反方向流過相鄰線圈時(shí)，天線的電感可以明顯降低，即使具有較多的線圈。
如在上述實(shí)施例中所描述的，可以通過改變構(gòu)成天線的線圈的橫截面形狀以及流過線圈的電流的方向來有效降低天線的電感。于是，較高頻率的RF功率可以施加到天線上。
圖10是在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線的平面圖。圖10的天線220包括放置在天線220的中心部分處的第一圓形線圈222、圍繞第一圓形線圈222放置的曲折線圈224、以及圍繞曲折線圈224放置的第二圓形線圈226。即，與圖7的天線120相比，圖10的天線220具有在最外部還包括另外的圓形線圈226的結(jié)構(gòu)。曲折線圈224的形狀、功能和效果與圖7的曲折線圈124的相同，因此在這里不再重復(fù)對它的描述。第二圓形線圈226放置成非?？拷劬€圈224的周邊，例如，具有大約1cm的間隔間隙。圖10的天線220具有的優(yōu)點(diǎn)為由于最外面的第二圓形線圈226的存在，在天線220邊緣附近產(chǎn)生的等離子體的密度與圖7所示的天線120相比更高。此外，峰值磁場可以沿天線220的徑向朝外周邊移位。這將在后面描述。
第一圓形線圈222的一端部接地，而第二圓形線圈226的一端部連接到RF電源232。第一圓形線圈222和第二圓形線圈226的另一端部通過連接線圈228a和228b分別連接到曲折線圈224的端部上。連接線圈228a和228b放置在第一和第二圓形線圈222和226以及曲折線圈124所處平面之上足夠高處，以便對等離子體產(chǎn)生的影響最小。
第一圓形線圈222、曲折線圈224和第二圓形線圈226可以具有高度大于寬度的矩形橫截面。另外，如果需要的話，第一圓形線圈222、曲折線圈224和第二圓形線圈226可以具有圓形橫截面。另外，相鄰的線圈沿相反的方向纏繞，以使得電流沿相反方向流過它們。有利地是，具有圖10所示結(jié)構(gòu)的天線220具有較低的電感，如參照圖7的天線120所描述的那樣。
圖11是在根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線的平面圖。圖11的天線320包括放置在天線320中心部分處的圓形線圈322、圍繞圓形線圈322放置的第一曲折線圈324、以及圍繞第一曲折線圈324放置的第二曲折線圈326。即，與圖7的天線120相比，圖11的天線320具有在最外部分處還包括另外的曲折線圈326的結(jié)構(gòu)。換句話說，圖11的天線320的結(jié)構(gòu)可以通過將圖10的天線220的最外部第二圓形線圈226由第二曲折線圈326替代來實(shí)現(xiàn)。第一曲折線圈324與圖7的天線120的曲折線圈124相同。第二曲折線圈326的外周邊彎曲成鋸齒形圖案，與第一曲折線圈324類似，并具有與第一曲折線圈324同樣多的鋸齒形，并且每個(gè)鋸齒形之間的間隔相同。此外，第二曲折線圈326的內(nèi)部(溝槽部分)的半徑(以下稱為內(nèi)徑)可以小于第一曲折線圈324的外部(凸脊部分)的半徑(以下稱為外徑)。即，第二曲折線圈326的內(nèi)部可以相對于第一曲折線圈324的外部凹入。
在具有這種結(jié)構(gòu)的天線320中，在反應(yīng)室邊緣部分處的磁場分布可以通過第二曲折線圈326來輕易加以控制。即，在反應(yīng)室中等離子體密度的均勻性可以通過適當(dāng)將最外部第二曲折線圈326設(shè)計(jì)成鋸齒形圖案而得以優(yōu)化。
如圖13所示，當(dāng)天線具有適當(dāng)?shù)匿忼X形圖案的附加最外部曲折線圈時(shí)，與帶有多于一圈的圖12G所示的三圈天線類似，與不帶有最外部曲折線圈的圖12E所示的兩圈線圈天線相比，天線的電感可以降低。
返回參照圖11，圓形線圈322的一端部接地，而第二曲折線圈326的一端部連接到RF電源332。圓形線圈332和第二曲折線圈326與第一曲折線圈324的連接、以及為此連接線圈328a和328b的布置與上述實(shí)施例中的相同。另外，線圈322、324和326的橫截面形狀、線圈322、324和326纏繞的方向、電流流過線圈322、324和326的方向以及它們的效果也與上述實(shí)施例的相同。
將參照圖12A到12G以及圖13描述曲折線圈天線的各種示例、由每種曲折線圈天線產(chǎn)生的徑向磁場分量Br的分布以及每種曲折線圈天線的電感。
圖12A到圖12G的左側(cè)上的圖象示出各種曲折線圈天線的結(jié)構(gòu)以及由每種天線產(chǎn)生的徑向磁場分量Br的分布。圖12A到圖12G右側(cè)上的曲線示出作為距每個(gè)天線中心的距離的函數(shù)的徑向磁場分量的大小。該數(shù)據(jù)是通過在穿過每個(gè)天線中點(diǎn)的三條任意水平線之下5cm處模擬徑向磁場分布而獲得的。對于這種模擬，假設(shè)通過每個(gè)天線的每個(gè)線圈的電流的橫截面分布均勻一致。
圖13是針對圖4A和4B的圓形線圈天線和圖12A到圖12G的曲折線圈天線的計(jì)算電感L的曲線。
圖12A的天線包括放置在其中心部分處的半徑7cm的圓形線圈，以及兩個(gè)平均半徑分別為14cm和21cm的曲折線圈，它們圍繞圓形線圈放置。具有14cm平均半徑的曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的四個(gè)部分，其外徑比其內(nèi)徑大2cm。具有21cm平均半徑的曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的十二個(gè)部分，其外徑比其內(nèi)徑大6m。此外，每個(gè)線圈具有6mm×6mm的方形橫截面，電流沿相反方向流過相鄰的線圈。
在圖12A的天線中，中心圓形線圈具有恒定的半徑，而最外部線圈在其外徑和內(nèi)徑之間具有較大的差異，并且比在最內(nèi)側(cè)圓形和最外側(cè)線圈之間的線圈更曲折。具有這種結(jié)構(gòu)的天線的電感相對低，如圖13所示。參照圖12A的曲線，該曲線示出磁場分布，有利地是，與圖4B的天線相比，最外側(cè)的峰值較寬，并且稍微向外偏移。然而，由于最外側(cè)峰值的高度減小，而內(nèi)側(cè)峰值的高度無變化，因此難于預(yù)期等離子體的均勻性得到改善。
圖12B的天線包括分別具有7cm和16.1cm半徑的兩個(gè)圓形線圈，它們放置在自天線中心起的第一和第三位置處，并包括分別具有10.3和21cm平均半徑的兩個(gè)曲折線圈，它們放置在自天線中心起第二和第四位置處。具有10.3cm平均半徑的曲折線圈具有鋸齒圖案，帶有等間隔的八個(gè)部分，其外徑比其內(nèi)徑大5.4cm。具有21cm平均半徑的曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的八個(gè)部分，其外徑比其內(nèi)徑大8cm。此外，每個(gè)線圈具有6mm×6mm的橫截面，而電流沿相反方向流過相鄰線圈。
在圖12B的天線中，盡管線圈的數(shù)量增大，但是天線的電感仍然較低，如圖13所示。此外，有利地是，在圖12B的磁場分布曲線中，最外側(cè)峰值具有較大的寬度，而內(nèi)側(cè)峰值的大高度顯著減小。于是，可以預(yù)期利用具有圖12B結(jié)構(gòu)的天線可以改善等離子體的均勻性。
圖12C的天線包括半徑16.1cm的圓形線圈和平均半徑21cm的曲折線圈，該曲折線圈圍繞圓形線圈放置。曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的八個(gè)部分，且外徑比其內(nèi)徑大8cm。此外，每個(gè)線圈具有6mm×6mm的方形橫截面，而電流沿相反方向流過兩個(gè)線圈。
圖12C的天線具有比圖12B的天線簡單的結(jié)構(gòu)，但具有相同的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。圖12C的天線的電感相當(dāng)?shù)?，如圖13所示，并且磁場分布具有兩個(gè)遠(yuǎn)離線圈中心定位的分離的峰值。于是，在圖12C所示的天線中，可以預(yù)期等離子體均勻性可得以顯著改善。
圖12D的天線包括半徑3cm的圓形線圈，以及平均半徑為14.3cm的曲折線圈，其中圓形線圈放置在天線的中心部分處，而曲折線圈圍繞圓形線圈放置。曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的八個(gè)部分，外徑比其內(nèi)徑大22cm。此外，每個(gè)線圈具有6mm×6mm的方形橫截面，而電流沿相反方向流過兩個(gè)線圈。
圖12D的天線具有與圖12C的天線類似的結(jié)構(gòu)，但是其中心的圓形線圈的半徑小于圖12C的天線的圓形線圈的半徑。對于具有圖12D結(jié)構(gòu)的天線，其電感仍然低于圖4A所示的簡單傳統(tǒng)圓形線圈天線，盡管它與圖12C的天線相比稍大。對于圖12D的天線，由于圓形線圈和曲折線圈相對部分的面積小于圖12C的天線的，可以預(yù)期電容以及電容耦合效應(yīng)減小。如從圖12D中的磁場分布中明顯看出的，通過優(yōu)化中心圓形線圈的半徑、曲折線圈內(nèi)徑和外徑之間的差、以及在曲折線圈中鋸齒形圖案的數(shù)量，可以將等離子體均勻性改善到大于簡單的圓形線圈天線和螺旋線圈天線。
圖12E的天線是具有上面參照圖6和7描述的結(jié)構(gòu)的曲折天線。圖12E的天線具有與圖12D的天線相同的線圈幾何形狀。而且，與圖12D的天線類似，電流沿相反方向流過圖12E所示天線的兩個(gè)線圈。然而，為了考察矩形線圈橫截面的效果，圖12E的天線設(shè)計(jì)成具有1mm寬、36mm高的矩形線圈橫截面，這與圖12D的天線不同。
對于具有圖12E的結(jié)構(gòu)的天線，電感比圖12D的天線的電感顯著低，如圖13所示。圖12E的天線的磁場分布類似于圖12D的天線的磁場分布，除了與圖12D的天線相比，磁場強(qiáng)度朝向外邊緣增大得更平穩(wěn)之外。于是，除了圖12D的天線的優(yōu)點(diǎn)以為，由于圖12E的天線具有較低的電感，可以實(shí)現(xiàn)在高頻處的感應(yīng)耦合等離子體放電。
圖12F的天線是與圖10所示天線相同的類型。圖12F的天線在圖12E的天線的基本線圈幾何形狀上還包括最外側(cè)的圓形線圈。最外側(cè)圓形線圈與內(nèi)部曲折線圈間隔1cm。每個(gè)線圈如上所述具有矩形橫截面，并且電流沿相反方向流過相鄰線圈。
對于具有圖12F的結(jié)構(gòu)的天線，如圖13所示，電感仍然較低。另外，由于最外側(cè)的圓形線圈，由內(nèi)部圓形線圈和曲折線圈產(chǎn)生的峰值磁場與圖12E的天線相比向外稍微偏移。于是，靠近天線邊緣部分的等離子體密度增大。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，圖12G的天線為與圖11的天線相同的類型。圖12G的天線在圖12E的天線的基本線圈幾何形狀上還包括最外側(cè)曲折線圈。換句話說，圖12F天線的最外側(cè)圓形線圈用曲折線圈替代。每個(gè)線圈具有矩形橫截面，如上所述，并且電流沿相反方向流過相鄰線圈。
對于具有圖12G結(jié)構(gòu)的天線，如圖13所示，電感仍然較低。在徑向和周向上的最外側(cè)磁場分布可以通過調(diào)節(jié)最外側(cè)曲折線圈來加以調(diào)節(jié)。于是，可以預(yù)期通過將最外側(cè)曲折線圈構(gòu)造成適當(dāng)圖案可以優(yōu)化等離子體的均勻性。
關(guān)于感應(yīng)耦合等離子體放電，當(dāng)高電壓施加到天線上時(shí)，由于電容耦合產(chǎn)生高的等離子體電勢，并且等離子體發(fā)生效率和等離子體均勻性惡化。因此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，應(yīng)該考慮使電容耦合效應(yīng)最小。在增大頻率以產(chǎn)生高密度且電子溫度低的等離子體并改善在低壓下等離子體放電的感應(yīng)耦合效率的情況下，需要低感抗天線，以用于有效的阻抗匹配。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的天線具有曲折線圈，該曲折線圈較長，但卻占據(jù)較少面積。在根據(jù)本發(fā)明的天線中，電流沿相反方向流過相鄰線圈，并且每個(gè)線圈具有高度大于寬度的橫截面。于是，天線的電感相當(dāng)?shù)?。?dāng)利用這種低電感天線時(shí)，即使施加高的RF頻率時(shí)，阻抗也可非常低，并可以降低天線兩端的電勢差，由此減小了電容耦合效應(yīng)。另外，可以防止被離子與介電窗口碰撞時(shí)所產(chǎn)生的顆粒污染。此外，中心圓形線圈的半徑越小，中心圓形線圈和外部線圈的相對部分的面積就越小，并且天線的電容也就越小。當(dāng)線圈具有較小的寬度時(shí)，線圈中面對介電窗口的部分的面積減小，從而使與等離子體的電容耦合效應(yīng)最小。
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例中ICP發(fā)生設(shè)備中的曲折線圈天線和永久磁鐵的布置的平面圖。參照圖14，曲折線圈天線420安裝在反應(yīng)室410的上部，而多個(gè)永久磁鐵440布置在反應(yīng)室410的外測。多個(gè)永久磁鐵440沿著反應(yīng)室410的周邊布置，使得他們的N磁極和S磁極交替。
曲折線圈天線420包括圓形線圈422，該線圈定位在天線的中心部分處，并包括第一和第二曲折線圈424和426，它們圍繞圓形線圈422布置。曲折線圈天線420具有與根據(jù)第三實(shí)施例的圖11中的曲折線圈天線相同的結(jié)構(gòu)，并因此不再重復(fù)對它的詳細(xì)描述。曲折線圈天線420可以由上述根據(jù)第一或第二實(shí)施例的曲折線圈天線替代。
優(yōu)選的是，多個(gè)永久磁鐵440位于由天線420產(chǎn)生的磁場的大小相對弱的區(qū)域處。對于天線420，在如圖12G所示第一和第二曲折線圈424和426的外部彼此靠近的區(qū)域中、在磁場大小相對弱的地方，永久磁鐵440布置成與第一和第二曲折線圈424和426的外部相對應(yīng)。
當(dāng)天線440的結(jié)構(gòu)改變使得磁場分布變化時(shí)，優(yōu)選的是，永久磁鐵440的位置變化。為此目的，優(yōu)選的是，永久磁體440布置成它們可圍繞反應(yīng)室410同時(shí)回轉(zhuǎn)，以變換它們的位置。
在本實(shí)施例中，為了抵消在曲折線圈天線420中產(chǎn)生的局部磁極效應(yīng)，多個(gè)永久磁鐵440布置在反應(yīng)室410的外測。如此布置的永久磁鐵440產(chǎn)生一種所謂的多磁極限制效應(yīng)，這是指等離子體受到永久磁鐵440的磁場的限制。換句話說，在永久磁鐵440沿著反應(yīng)室440的周邊布置以使它們的N和S磁極交替時(shí)，在靠近反應(yīng)室410的內(nèi)壁處誘發(fā)磁鏡效應(yīng)，充電顆粒的壁損耗減小，靠近反應(yīng)室410的內(nèi)壁處的等離子體密度增加，從而改善了等離子體密度的均勻性。由永久磁體440產(chǎn)生的磁場在反應(yīng)室410的側(cè)壁附近匯聚，從而，在反應(yīng)室410內(nèi)產(chǎn)生的大部分等離子體不會受到永久磁體440產(chǎn)生的磁場的影響。對于在外部其磁場相對弱的曲折線圈天線420，當(dāng)永久磁鐵440位于具有相對弱磁場的外部時(shí)，多磁極限制效應(yīng)更有效。
如上所述，根據(jù)圖14所示的實(shí)施例，由于借助于多磁極限制效應(yīng)使得電子的壁損耗下降，因此在反應(yīng)室內(nèi)的等離子體密度和等離子體均勻性得以增大。另外，當(dāng)圍繞天線布置的永久磁鐵的位置可以方便地變化時(shí)，可以針對不同的工藝條件優(yōu)化等離子體的特性。
圖15是示出在根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備中曲折線圈天線、匹配網(wǎng)絡(luò)、以及電容器的布置的平面圖。參照圖15，匹配網(wǎng)絡(luò)530連接到RF電源532和曲折線圈天線520之間，而電容器534連接到曲折線圈天線520和匹配網(wǎng)絡(luò)530之間，與曲折線圈天線520平行。
曲折線圈天線520包括位于其中心部分處的圓形線圈522、以及圍繞圓形線圈522布置的第一和第二曲折線圈524和526。曲折線圈天線520具有與根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的圖11中的曲折線圈天線相同的結(jié)構(gòu)，并因此不在此重復(fù)對它的詳細(xì)描述。曲折線圈天線520可以由上述根據(jù)第一或第二實(shí)施例的曲折線圈天線替代，或者，曲折線圈天線520也可以由傳統(tǒng)圓形線圈天線或螺旋線圈天線替代。換句話說，根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的ICP發(fā)生設(shè)備與任意類型天線兼容。
構(gòu)成曲折線圈天線520的圓形線圈522和第一及第二曲折線圈524和526可以串聯(lián)到RF電源532上。盡管未示出，線圈522、524和526中的一些或所有的可以并聯(lián)到RF電源532上。換句話說，電容器534總是并聯(lián)到RF電源532上，而構(gòu)成曲折線圈天線520的線圈522、524和526可以串聯(lián)或并聯(lián)到RF電源532上。如果需要的話，可以通過將線圈522、524和526串聯(lián)或并聯(lián)到RF電源532上來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)天線520的電感。
在圖15所示的實(shí)施例中，由于電容器534并聯(lián)在曲折線圈天線520和匹配網(wǎng)絡(luò)530之間，可以利用LC諧振現(xiàn)象來更易地進(jìn)行起始(initial)等離子體放電，并確保利用感應(yīng)耦合等離子體穩(wěn)定地加工。
如上所述，關(guān)于ICP放電，在施加較高的天線電壓時(shí)，起始等離子體放電通過電容耦合來誘發(fā)，并然后通過流過天線線圈的AC電流所感應(yīng)的電場實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合放電。起始電容耦合所需的閾值擊穿電壓取決于加工壓力或加工氣體。對于具有沿相反方向纏繞的相鄰線圈并具有較低電感的天線，應(yīng)該施加非常高的RF功率，以導(dǎo)致天線中的電勢差較大。否則，不能誘發(fā)需要較大電勢差的借助電容耦合的起始等離子體放電。然而，在利用可以通過適當(dāng)?shù)仡A(yù)先設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)來誘發(fā)的LC諧振現(xiàn)象時(shí)，借助電容耦合實(shí)現(xiàn)的起始等離子體放電的較大電勢差可以利用這種低電感天線誘發(fā)出來。這將參照圖16和圖17A到圖17D予以描述。
圖16是連接到ICP天線上的L型匹配網(wǎng)絡(luò)的電路圖，而圖17A到17D是用于解釋當(dāng)圖15的電容器的電抗變化時(shí)的LC諧振現(xiàn)象的曲線。
參照圖16，連接RF電源532和天線520的匹配網(wǎng)絡(luò)530包括兩個(gè)可變電容器C1和C2。此外，對應(yīng)于圖15中的電容器534的電容器C3并聯(lián)在匹配網(wǎng)絡(luò)530和天線520之間?？紤]到匹配網(wǎng)絡(luò)530中的電阻損耗，將電阻器R1包括在圖16的等效電路中。
圖17A是阻抗對電抗的曲線，用于解釋諧振現(xiàn)象，圖17B是對于圖17A中的預(yù)設(shè)點(diǎn)的放大曲線。在圖17A和圖17B中，ReZ表示天線阻抗Z的實(shí)部。
如圖17A和17B所示，天線的輸入阻抗Z由并聯(lián)于天線的電容器C3改變，例如，當(dāng)RF頻率為13.56MHz，且天線520的阻抗La為300nH、電阻R0為0.1歐姆時(shí)，在電容器(C3)的電抗Xc為25.65歐姆(即，C＝458pF)時(shí)發(fā)生LC諧振。由于ICP天線的Q因數(shù)在產(chǎn)生等離子體之前要比產(chǎn)生等離子體之后大，出現(xiàn)一個(gè)窄的諧振峰值。天線的阻抗Z在針對給定RF功率的諧振點(diǎn)處極大地增加，從而天線具有過大的電壓差，而不能匹配RF功率。除非滿足匹配條件，否則發(fā)生明顯的RF功率反射，不能實(shí)現(xiàn)有效的等離子體放電。
為了解決這些問題，匹配網(wǎng)絡(luò)的預(yù)設(shè)點(diǎn)設(shè)定為稍微偏離諧振點(diǎn)。例如，如圖17A和17B所示，預(yù)設(shè)點(diǎn)設(shè)定在電容器C3具有355pF的電容和33歐姆的電抗Xc處。在這些條件下，電抗Xc對于匹配來說足夠大，并且連接到匹配網(wǎng)絡(luò)的天線具有類似電感器的電特性。從而，利用僅由兩個(gè)可變電容器C1和C2構(gòu)成的L型匹配網(wǎng)絡(luò)，就可以滿足匹配條件。當(dāng)圖16中的電阻器R1和R2具有0.05歐姆的電阻，并且使用3米長50歐姆的電纜時(shí)，用于匹配的電容器C1和C2的電容分別為1000pF和115pF。這些電容落入在大多數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)中可以輕易實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)。
在設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)的預(yù)設(shè)點(diǎn)時(shí)，在等離子體放電之前，為了滿足上述計(jì)算結(jié)果，并且輸入RF功率為500瓦，相對于電容器C3的電抗Xc的變化，流過ICP天線的電流和電壓呈現(xiàn)出如圖17C和17D所示的諧振特性。即，當(dāng)電容器C3具有可以誘發(fā)諧振的355pF的電容時(shí)，天線電壓增大到大約1600V，該電壓對于導(dǎo)致起始等離子體放電來說足夠高。在產(chǎn)生等離子體之后，天線諧振增大，并且天線的電壓和電流減小。例如，當(dāng)圖1 6中的天線的電阻器R0的電阻從產(chǎn)生等離子體之前的0.1歐姆增大到產(chǎn)生等離子體之后的1.0歐姆時(shí)，天線的電特性如圖17C和17D的曲線2所表示的那樣變化。圖17C和17D中的曲線1表示產(chǎn)生等離子體之前的諧振現(xiàn)象。在產(chǎn)生等離子體之后，匹配網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)設(shè)定，以滿足匹配條件。由于電特性的變化，即，從曲線1變化到曲線2，大量的電流流過天線，從而隨著電容耦合放電，感應(yīng)耦合放電加速，并且可以穩(wěn)定地保持等離子體特性。
滿足上述諧振條件的兩個(gè)電容器C1和C2的電容可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的諧振條件來變化。然而，為了找到諧振條件，不需要在開始時(shí)精確設(shè)定匹配網(wǎng)絡(luò)的預(yù)設(shè)點(diǎn)。為了在等離子體放電之前找到精確的諧振條件，在反應(yīng)室內(nèi)的壓力減小到不導(dǎo)致等離子體放電的毫Torr量級之后接近匹配網(wǎng)絡(luò)的預(yù)設(shè)點(diǎn)，并且RF功率以自動(dòng)模式施加到匹配網(wǎng)絡(luò)上。
如上所述，利用天線和電容器之間的LC諧振現(xiàn)象使得起始等離子體放電更易，并且穩(wěn)定地將等離子體密度保持為較高。在法拉第屏蔽安裝在天線和介電窗口之間時(shí)也采用這種方法。另外，如上所述，如果需要的話，天線的電感可以通過將構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的曲折線圈天線的線圈并聯(lián)或串聯(lián)來為優(yōu)化等離子體放電而調(diào)節(jié)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的ICP發(fā)生設(shè)備提供了如下的效果首先，可以通過優(yōu)化曲折線圈天線中外徑和內(nèi)徑之間的差以及鋸齒形圖案的數(shù)量來控制反應(yīng)室內(nèi)的磁場分布，而改善等離子體密度分布的均勻性。另外，如果需要的話，通過調(diào)節(jié)線圈的橫截面形狀以及電流流過線圈的方向，可以有效地降低天線的電感。于是，有效的等離子體放電可以利用高頻實(shí)現(xiàn)，并且可以使電容耦合效應(yīng)最小。
第二，通過將多個(gè)永久磁鐵布置在反應(yīng)室外側(cè)，以用于多磁極限制效應(yīng)，可以進(jìn)一步改善等離子體密度的均勻性和等離子體密度。根據(jù)所使用的曲折線圈天線，等離子體的特性可以通過改變永久磁鐵的位置來優(yōu)化。
第三，可以通過將電容器并聯(lián)在天線和L型匹配網(wǎng)絡(luò)之間來誘發(fā)LC諧振現(xiàn)象，從而起始等離子體放電變得更易，并且使利用感應(yīng)耦合等離子體的加工更穩(wěn)定。
雖然本發(fā)明已經(jīng)具體示出并參照其優(yōu)選實(shí)施例加以描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解到在不背離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精髓和范圍前提下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備，包括抽真空的反應(yīng)室；天線，該天線安裝在反應(yīng)室的上部，以感應(yīng)用于離子化供給到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生等離子體的電場；以及射頻(RF)電源，其連接到天線上以便將射頻功率施加到天線上；其中，天線包括多個(gè)具有不同半徑的線圈，至少一個(gè)線圈為彎曲成鋸齒形圖案的曲折線圈。
2.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線包括布置在天線中心部分處的圓形線圈以及圍繞圓形線圈布置并連接到圓形線圈上的曲折線圈。
3.如權(quán)利要求2所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，圓形線圈具有相對小的直徑，以減小圓形線圈和曲折線圈之間的相對部分的面積。
4.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線包括布置在天線中心部分處的第一圓形線圈、圍繞第一圓形線圈布置并連接到第一圓形線圈上的曲折線圈、以及圍繞曲折線圈布置并連接到曲折線圈上的第二圓形線圈。
5.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，第二圓形線圈靠近曲折線圈的外部布置。
6.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線包括布置在天線中心部分處的圓形線圈，圍繞圓形線圈布置并連接到圓形線圈上的第一曲折線圈、以及圍繞第一曲折線圈布置并連接到第一曲折線圈上的第二曲折線圈。
7.如權(quán)利要求6所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，第一和第二曲折線圈具有相同數(shù)量的鋸齒形圖案。
8.如權(quán)利要求6所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，第二曲折線圈的內(nèi)徑小于第一曲折線圈的外徑。
9.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，曲折線圈具有鋸齒形圖案，帶有等間隔的若干個(gè)部分。
10.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，曲折線圈具有多個(gè)沿圓周延伸的外部，和朝向中心部分彎曲的多個(gè)內(nèi)部。
11.如權(quán)利要求10所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，曲折線圈的內(nèi)部和外部布置成分別與反應(yīng)室的中心部分和邊緣部分相對應(yīng)。
12.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，多個(gè)線圈通過連接線圈連接，該連接線圈放置的高于所述多個(gè)線圈所布置的平面。
13.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，每個(gè)線圈具有寬度小于高度的矩形橫截面。
14.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，每個(gè)線圈具有圓形橫截面。
15.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，還包括多個(gè)永久磁鐵，它們圍繞反應(yīng)室的外壁布置。
16.如權(quán)利要求15所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，多個(gè)永久磁鐵圍繞反應(yīng)室的外壁布置，使得它們的N和S磁極交替。
17.如權(quán)利要求15所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，多個(gè)永久磁鐵布置在由天線所產(chǎn)生的磁場的大小相對弱的區(qū)域處。
18.如權(quán)利要求15所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，多個(gè)永久磁鐵布置成它們可以圍繞反應(yīng)室的中心軸同時(shí)回轉(zhuǎn)，以根據(jù)由天線產(chǎn)生的磁場的分布來變換它們的位置。
19.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，還包括連接在射頻電源和天線之間的匹配網(wǎng)絡(luò)；以及連接在匹配網(wǎng)絡(luò)和天線之間、與天線并聯(lián)的電容器。
20.如權(quán)利要求19所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線的多個(gè)線圈串聯(lián)到射頻電源上。
21.如權(quán)利要求19所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線的至少一個(gè)線圈并聯(lián)到射頻電源上。
22.一種感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備，包括抽真空的反應(yīng)室；天線，其安裝在反應(yīng)室的上部，以感應(yīng)用于離子化供給到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生等離子體的電場；射頻(RF)電源，其連接到天線上以便將射頻功率施加到天線上；匹配網(wǎng)絡(luò)，其連接在射頻電源和天線之間；以及電容器，其連接在匹配網(wǎng)絡(luò)和天線之間、與天線并聯(lián)。
23.如權(quán)利要求22所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線的多個(gè)線圈串聯(lián)到射頻電源上。
24.如權(quán)利要求22所述的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生設(shè)備，其中，天線的至少一個(gè)線圈并聯(lián)到射頻電源上。
全文摘要
一種感應(yīng)耦合等離子體(ICP)發(fā)生設(shè)備，包括抽真空的反應(yīng)室；天線，該天線安裝在反應(yīng)室的上部，以感應(yīng)用于離子化供給到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)氣體并產(chǎn)生等離子體的電場；以及射頻(RF)電源，其連接到天線上以便將射頻功率施加到天線上；其中，天線包括多個(gè)具有不同半徑的線圈，至少一個(gè)線圈為彎曲成鋸齒形圖案的曲折線圈。電容器連接在RF電源和匹配網(wǎng)絡(luò)之間、以及匹配網(wǎng)絡(luò)和天線之間、與天線并聯(lián)、以便誘發(fā)LC諧振現(xiàn)象。利用具有上述結(jié)構(gòu)的ICP發(fā)生設(shè)備，可以減小天線電感、抑制電容耦合、并改善等離子體均勻性。也可以利用LC諧振現(xiàn)象有效地放電并維持等離子體。
文檔編號C23F4/00GK1498057SQ20031010122
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者李永東, 尤里·N·托爾馬切夫, 金圣九, 申在光, N 托爾馬切夫 申請人:三星電子株式會社