等离子体真空泵的制作方法

专利名称：等离子体真空泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在进行工业和科学处理的过程中保持极低气压的系统，尤其是在持续接受新鲜供气的区域。
很多类型的工业和科学处理在抽真空至大约几个毫乇(mT)的极低压力的处理区中进行。该类型的处理包括利用等离子体在半导体晶片上进行沉积和蚀刻操作。在用于进行这样的处理的系统中，等离子体在处理区中产生，该处理区包含保持很低压力的处理气体，该低压的范围是1-100mT，通常小于10mT。气体将被离子化成等离子体，且生成的离子通过合适的电场朝晶片加速。在该处理过程中，在将新鲜处理气体供给该区域的同时，处理气体必须被高速地泵送出该区域，同时使外来物质和处理过程自身所产生的物质的污染最小，该外来物质例如是可能包含在泵送装置中的油。
在多数该类型的处理中，处理速率尤其取决于处理气体分子进入和离开该处理区域的通过量或流量。该通过量又取决于泵速和流体在处理区和泵之间的流动传导性。处理基片的成本通常与处理气体通过量成反比。
用于产生近似于前述低压水平的普通技术通常利用以下两种基本机构中的一个(1)增加气体分子(下文中，称作“分子”应当理解成既包括原子也包括分子，在本文中，称作两种类型的微粒应当更准确)在优选方向上的动量，并通过防止气体反向流动的阀或导流板结构排出该气体；或者(2)在专门制备的表面上冷凝该气体。机构(1)通常使用某些类型的活塞、鼓风机或快速运动的叶轮，这些活塞、鼓风机或叶轮通过利用快速运动的机械结构或泵送分子气流将定向动量施加到气体上，该泵送分子例如汞分子或容易凝结的泵送油。机构(2)通常用于需要使通过量较低至适中的系统中。
涡轮分子泵利用机构(1)，它有快速旋转盘，该旋转盘通过与气体分子碰撞而将定向动量施加到气体分子上。该机构在气压足够低时最有效，因为分子的平均自由行程比泵送结构的尺寸长。
为了在工业等离子体处理时形成大约1-100mT的较低泵入口压力，目前通常利用涡轮分子泵作为组合泵送系统的第一级，以便泵送较大量的处理气体。
可以发现，上述类型的处理操作的质量和由此加工成的半导体装置的质量主要取决于处理气体的纯度和组分，当进入处理腔室内的新鲜气体的流速相对较高时，这些参数能控制得最好。如果气体通过量能够增加到目前所用的通过量的3至5倍的水平，那么通过等离子体辅助蚀刻和沉积处理而生成的产品的质量就能充分提高。
尽管目前可用的高速涡轮分子泵能在低入口压力下获得大约5500升每秒的通过量，但是目前可用的最高容量的泵也极贵，同时可靠性低于较小的泵。
而且，即使5500升每秒的通过量也小于进行200mm直径的晶片处理时的最优值，而在较大直径的晶片上获得最优处理结果甚至需要更高的气体通过量。通常，达到某种质量的处理结果所需的气体通过量与基片的面积成正比。
此外，对于具有附在系统内固体表面上的趋势的气体种类，必须能对气流有效控制。该气体种类例如包括由等离子体中的电子或质子聚合的碳化合物。等离子体的电子或质子流能很容易地使该材料贴附在固体表面上。随后，该材料或许能以变化了的形式从该表面释放。上述类型的等离子体辅助处理的质量取决于所能防止聚合材料或者说变化的材料沉积在基片表面上的程度，而这又取决于能防止该材料在处理区中形成和/或残留的程度。
以有效时间残留在处理区内的气体分子能够以抗随后的蚀刻处理的化学形式沉积在基片上。因此，这些分子将在基片表面形成缺陷。如果气态的有机物和蚀刻产物的浓度能非常小，那么能大大简化等离子体的泵送处理。
考虑到可能出现该现象，显然，气体分子在处理区的停留时间越短，由一系列蚀刻和/或沉积处理而形成的产品的质量就越高。
除了在上述类型的处理操作中采用的真空泵送技术外，还提出了利用等离子体作为活性元素的泵。等离子体真空泵能够高效泵送各种气体，包括氢和氦，而且它相对不会受到固体或腐蚀性材料的危害。
等离子体真空泵的工作包括将中性气体的三维流动转变为由磁化的等离子体引导的一维流动，该磁化的等离子体可以通过合适的导流片结构而被磁压缩和引导。动量能够由于各种电磁相互作用而施加给等离子体，并且动量能够通过中性气体分子和运动离子的碰撞而施加给中性气体，该运动离子是已被加速的，其动量大于背景气。
不过，还没有很好地实现在等离子体处理系统中采用等离子体真空泵的潜在优点。尤其是，还不能将高效产生等离子体和产生与所进行的等离子体处理操作相容并适于引导等离子体的磁场相结合，也不能使等离子体的高效产生与在一定压力范围内有效泵送的合适机构相结合，该一定的压力范围在该等离子体处理操作中是很重要的。
在等离子体处理系统中利用等离子体真空泵送的可能性例如在美国专利No.4641060中进行了说明，该美国专利No.4641060是1987年2月3日授予Dandl。该专利公开了一种等离子体真空泵，该等离子体真空泵并没有任何活动的机械部件，并能在低于1mT的气体压力下产生较高的泵送流量。该等离子体真空泵的基本原理是通过简单的管形导流片结构而磁性引导等离子体离子和电子流，该管形导流片结构防止中性气体分子流回保持低压的区域。在该专利中公开的泵能够在低于压力上限时利用磁化等离子体而有效工作，该压力上限由自动形成的、阻挡等离子体离子流的静电势确定。本文中“磁化的等离子体”是指电子流被磁化的等离子体，即电子围绕磁场曲线旋转的等离子体。但是，这种形式的等离子体真空泵适合于某些低压磁性约束等离子体的情况，它显然不很适合通常的工业等离子体处理系统。
本发明的一个目的是将离子以较高流量而泵送出低压区域。
本发明的另一目的是提供一种能以低成本实现高泵送流量的泵送系统。
本发明的又一目的是可以电控制离子的泵送流量。
本发明的又一目的是以提高在基片整个表面的处理均匀性的方式进行离子的泵送。
本发明的又一目的是控制在平行于基片表面的平面内的速度曲线或速度分布，以该速度在基片上面和周围泵送离子。
本发明的又一目的是采用由一系列泵送单元构成的等离子体泵，以便以较高的响应速率调节泵送速度和/或控制处理区压力。
根据本发明，上述和其它目的是通过提供一种新颖的等离子体真空泵和泵送方法来实现的，该等离子体真空泵和泵送方法用于当等离子体泵送单元插入第一区域和第二区域之间时将离子从第一区域泵送到第二区域，其中离子可以由在第一区域的等离子体产生。该等离子体真空泵由以下部分构成一分隔件，该分隔件可位于第一区域和第二区域之间，且该分隔件限定了多个在第一和第二区域之间的管道；一自由电子源，该自由电子源与该管道连通；多组磁体，每组磁体都相对于该管道中的相应一个而定位成使磁力线穿过所述相应一个管道而延伸；以及多个电势源，每个电势源都相对于管道中的相应一个而布置，以便产生使离子从所述相应一个管道向第二区域加速的静电场；其中，各管道与相应的磁体组和相应的电势源一起形成多个泵送单元中的一个。
由磁体产生的磁场大大影响离子在管道中的径向分布，并起到在管道中捕获电子的作用。该捕获的电子可以防止在管道内形成正空间电荷并产生使正离子从第一区域加速进入管道的静电场。经过管道时，一定比例的正离子将与电子结合形成中性分子。这些中性分子由于动量而被带入第二区域。没有与电子结合的离子将由于动量和由电势源产生的静电场而被带入第二腔室。
在第一区域内的等离子体可以是处理等离子体，它将引入该区域的气体离子化，产生磁化的电子和通常用于进行处理的离子，该离子将被泵送出第一区域，以便在该区域保持新鲜的离子供给。该等离子体对电子的作用是产生影响离子运动的空间电荷。根据本发明的一个新特征，通过等离子体使在第一区域内的离子具有一些定向能，该定向能有助于泵送作用。
根据本发明的又一新颖的方面，泵送单元相对于处理区定位成能增加离子被泵送出该区域的效率。优选是，该单元布置成靠近处理区内的等离子体，这样，就可以采用尽可能高的等离子体密度，以便提高泵送效率。该结构使得气体分子在处理区中停留的平均时间极短。
本发明的由多个单元组成的等离子体真空泵可以布置在包含待处理的基片的处理室中。优选是，带有多个单元的隔墙的面积尽可能大，以便增加泵送速度，从而减小气体分子在该室内停留的时间。不过，这应当在没有明显增加处理室容积的情况下完成，因为当该处理室容积增加时，气体在处理室内停留的时间将增加。
当要被泵送的离子在等离子体内产生时，靠近等离子体区的边界的离子将受到等离子体罩(sheath)的影响，靠近泵送单元的离子将进行一段朝向该单元的罩前(pre-sheath)运动。然后，这些离子被由管道内捕获的电子所产生的静电场吸引到单元的管道内。这些静电场的强度主要由周围离子和电子的密度和由电势源产生的电场来确定。该静电场穿过管道延伸，并起到使离子从靠近分隔件的第一区域处加速进入管道的作用。
此外，通过刚刚进入该室并有较低的、有限的定向能的气体分子的离子可以将动量传递给该室内的未离子化的气体分子。这些离子与有完全相同的分子结构和重量的中性核素之间的碰撞将导致非常高效或谐振的能量传递。该能量传递的效率与两碰撞粒子中更快的一个的速度成反比。
将被泵送的气体分子不需要通过任何过渡结构输送以便从系统中排出。实际上，被注入处理区或处理室内且还没有被离子化的处理气体分子自然以下面两种可能方式中的一种方式运动(a)该分子更可能的情况是从进行处理的基片的表面弹开，并绕基片表面的法线以余弦分布曲线进行反射。该分布的宽度取决于该基片的精表面特征；(b)否则，分子将被基片表面吸收，然后再过一段时间后重新发射，可能是在已经转换成具有不同分子量的不同物质后重新发射。这样的重新发射也绕基片表面的法线成余弦分布。
上述余弦分布说明了分子从基片表面以不同方向反射或重新发射的方式。以各方向发射的分子的密度或数量与该方向和基片表面之间所形成的角度的余弦成正比，这意味着发射的电子的密度或数量将在基片表面的垂直方向上最大。
当气体以直接推向基片表面的方式引入处理室且大多数从基片表面弹开的分子在第一次从基片表面弹开后就通过真空泵从处理室中排出时，处理室内的气流控制将增强。分子速度的简单计算表明，有效利用将除去的分子的动能需要使分子所经历的反弹或反射次数最少。当达到气体分子刚从基片表面弹开后就能被泵送出处理室的程度时，气体分子与处理室内的表面的碰撞可减至最少。使碰撞最少是很有利的，因为撞击该表面的分子可能粘附在该表面上，并可能随后以改变后的形式返回基片表面。因此，快速除去气体分子使得基片的处理能够被较好地控制。
为了影响离子化气体的通过量，各泵送管道内的电场可以调节，以便改变局部的加速场。这可以通过对各电势源的电势单个或成组地调节而实现，或者通过对全部电势源的电势共同调节而实现。以这些方法中的一个对组成该等离子体泵的多个单元的调节能够在很短的时间内调节该等离子体室内的整体压力。泵送响应的时间直接与离子通过时间相关，该离子通过时间可以是几个微秒到几个毫秒，这取决于穿过泵送管道的通过距离。因为在该泵内没有运动部件(即，通常用于控制压力的闸阀)，与普通的泵送系统相比，时间响应有较大地提高。
泵送单元可以单个调节以影响压力场或泵送场的空间分布。压力的空间分布也可以通过对各泵送单元的几何形状和/或位置的合适设计而进行控制。特别是，该单元可以以非均匀的方式穿过该分隔件分布。
附图的简要说明

图1是装备有本发明的由多个等离子体真空泵送单元组成的泵的处理室的透视图。
图2和3分别是从上面和下面看时表示图1所示的泵的一部分的局部剖开的透视详图。
图4是本发明的泵送单元的一个可选实施例的横剖详图。
为了有助于理解本发明，在介绍优选实施例之前先介绍等离子体真空泵的基本的、高度理想化的基本泵送单元模式。该单元可以是如美国临时申请No.P-99082所介绍的类型，该美国临时申请No.P-99082的申请日是1998年7月1日，其内容被本文参引。
可以看出，本发明的泵包括进口室或进口空间以及通过管道或导流片与该进口室相连的出口室或出口空间。气体通过与该进口室相连的气体进口流入该泵，并通过与该出口室相连的气体出口流出该泵。以下的参数用于说明该泵的工作Qin＝通过气体进口进入进口室的气体流量；Qp＝从进口室到出口室的离子流量；Qb＝中性气体从出口室返回进口室的反向流量；Qout＝通过气体出口流出出口室的气体流量；Pin＝进口室内的压力；Pout＝出口室内的压力；Ap＝导流片相对于等离子体离子的有效孔径或面积；Ab＝导流片的实际孔径或面积；F(Ab)＝导流片结构的有效传导率，它取决于导流片的物理形状和气体压力；R＝通过泵获得的有效压缩比；ni＝进口室中的等离子体离子的密度；以及cs＝进口室内的离子的离子声速，主要由电子温度或能量确定。
下面的公式中，各种参数采用一致的测量单位。
稳定状态时，进口气体流量Qin正好等于出口流量Qout。而出口流量Qout由与气体出口相连的前部泵的速度Sf和压力Pout确定。这样Qout＝SfPout由于通过等离子体泵获得的有效压缩比R，压力Pout大于压力PinPout＝RPin该压缩是由于等离子体离子相对于中性气体(回)流而通过导流片向外的增强流动而引起的。等离子体流量Qp由以下公式给出
Qp＝nicsApAp值取决于导流片进口处的实际孔径和磁场形状。
中性气体通过导流片往回流的流量Qb由以下公式给出Qb＝F(Ap)(Pout-Pin)在计算不同导流片结构的传导率时，本说明书采用了Dushman方法(Saul Dushman，“真空技术的科学基础，”第二版，John Wiley&Sons，New York，1962；特别见第2章“流过管和孔的气流”)，并且通常假设压力为这样，即分子流的近似法是有效的。
稳定状态下的粒子平衡需要保持以下关系Qin＋Qb＝QpQp－Qb＝Qout从第二个关系式可以得到nicsAp＝F(Ab)(Pout－Pin)＋SfPout下面可以定义两个无量纲参数X和YX＝F(Ab)/SfY＝nicsAp/[PinF(Ab)]那么，R＝(1＋Y)X/(1＋X)Qout＝SfPin(Y＋1)X/(1＋X)≌SfPinYX/(1＋X)(Y＞＞1)因为X/(1＋X)满足0≤X/(1＋X)＜1，并当自变量为1时等于0.5，显然，要获得较大的压缩比和较大的通过量就需要较大的Y值。这又需要较高的等离子体密度、较大的离子声速、使得等离子体离子孔径大大超过中性气体的孔径的磁场、较低的中性气体传导率和使处理室内压力低于中等压力。此外，前置泵的速度应当能比得上导流片的中性气体传导率。等离子体真空泵工作时的几种基本原理的定量影响可以通过对F(Ab)采用Dushman模型而看出F(Ab)＝0.25v0Ab(1＋fshape)-1其中v0是中性分子的热速度，fshape是考虑到管道的横截面形状对其传导率的影响。对于简单的圆柱形管道，
1＋fshape＝(l/a)(1＋3l/8a)其中l和a分别是该圆柱形管道的长度和内半径。
通过这些替换式对所需单位进行转换Y＝4(nions/n0)(cs/v0)(Ap/Ab)(1＋fshape)本文中没有定义的项由DushmaN定义。在高度离子化的等离子体中，通过采用合适的管道形状和合适的磁场形状，显然可以使Y＞＞1。
有了上述的原理说明，下面将参考附图介绍本发明的优选实施例。
图1是处理室的透视图，其中，处理室壳体和内部部件的一部分被剖开，以便看见内部零件。
处理室包括复合壳体2，该壳体2包含有隔墙4。隔墙4的外表面形成壳体2的外壁的一部分，且穿过整个处理室延伸，以便将该处理室分隔成位于隔墙4下面的低压区和位于隔墙4上面的高压区。
低压区的下部边界由用于基片支架(未示出)的安装开口6确定。在处理气体引入该室以前，载有基片的基片支架将向上移动，以便伸入开口6和密封该开口6。
低压区在横向上由静电屏蔽8确定，该静电屏蔽8以现有技术已知的方式起到使低压区内形成的等离子体与壳体2的内壁屏蔽开的作用。在图1所示结构中，静电屏蔽8以向下的方向朝开口6逐渐变细。
壳体壁还包含一个成多圈的线圈10，该线圈10自身以已知方式与RF电源相连。当RF电流流过线圈10时，在该低压区内将产生电磁场。当该电磁场与引入该低压区的处理气体相互作用时，气体分子将离子化以产生等离子体。生成的离子将在该室中根据已知原理形成的电场的作用下被吸引到安装在基片支架上的基片上，以便在该基片表面沉淀一层材料或从该基片表面蚀刻材料。
在所示室中，低压区也称为处理区，气体离子通过本发明的、由泵送单元组成的等离子体真空泵而被泵送出该处理区并进入高压区。该泵由隔墙构件4、一系列套装的环形阴极12和一附加的射频等离子体源14构成，而该附加的等离子体源14又由安装在壳体2内阴极12上面的成多圈的线圈构成。
高压区顶上有涡轮分子泵18，该涡轮分子泵18以已知方式提供有闸阀20，通过该闸阀20可以控制传导率。在该系统中，泵18作为辅助泵级或前置泵。等离子体真空泵以高流量将离子从低压区输送到隔墙4上面的区域，该流量是这样，即，使得隔墙4上面的区域内的压力高于隔墙4下面的区域内的压力。因为在涡轮分子泵18的进口有相对较高的压力，该泵能够将气体从隔墙4上面的区域高效抽出到压力为大气压的出口区域。
射频等离子体源14起到向隔墙4上面的区域提供自由电子的作用。这些电子的目的将在下面详细介绍。考虑到该等离子体源14的功能，它在本发明的可选实施例中也可以由其它的自由电子源代替，例如热离子发射器。
图2是表示形成本发明的泵的一部分的泵送单元的一个实施例的基本结构的透视图。实际上，图2表示了四个单元，每个单元都有一个限定管道22的通孔。图示管道22为圆形，但是也可以有其它形状。
各单元还包括多个环绕管道22的磁体24。各磁体24的磁轴平行于相应管道22的纵向轴延伸。环绕各管道22延伸的磁体从一个磁体24到环绕相应管道22的下一个磁体交替转换磁极。
优选是，既布置有磁体24，又形成有管道22的内壁，这样，由磁体24产生的磁力线沿大体平行于管道22表面的通路通过管道22。
在图2所示的实施例中，各磁体24是永磁体。不过，原则上磁体24也可以是电磁体，该电磁体能另外控制泵送过程，但是将增加该泵送单元的结构复杂性。
各磁体24由与冷却流体源相连的环形冷却流体通道26环绕。各磁体的冷却流体通道26可以是各自与冷却流体源相连。当然，也可选择，全部磁体的冷却流体通道26都通过一互连的通道网相互连接，该互连的通道网以串联方式或以任意合适的串联-并联方式使全部冷却流体通道26相连。
在本文所示实施例中，隔墙4由导电的非磁性材料制成，例如铝。在各单元位置处，隔墙4有圆柱形孔，该圆柱形孔装有一陶瓷插入件30，该陶瓷插入件30有限定管道22的通孔。也可以是其它形状的孔。
插入件30优选是由有很好电绝缘性的陶瓷材料制成，能耐至少到400℃的高温，不含任何能进入处理室和污染基片的成分，并能以保证该插入件不是一个粒子源的方式进行制造。合适的材料包括石英、高纯度的氧化铝和高纯度的二氧化钛等。
在图2所示实施例中，各插入件30的形状是这样，即管道22的边界壁具有由梯形的较短平行边和两个不平行的边表示的形状。其它的壁形状也是等效的，而且，优选是包括若干弯曲形状，例如其中确定有圆弧或抛物线的形状。
优选或最优是，管道22的边界壁的形状取决于几个因素，这些因素包括离子种类和处理操作的性质。对于一给定的装置，边界壁的形状将凭经验以使纯泵送速度最大为目的而确定。这包括使气体回流的有效孔径最小和使向前气流的有效孔径最大。
各单元还包括相应阴极12的扩大部分。该扩大部分成锥体34的形状，该锥体34的轴线与相应管道22的纵向中心轴线对齐，该锥体34的顶点朝向管道22的内部。这样，锥体34的壁与管道22的轴线和全部壁部分同心。各阴极12与负电势源相连，从而各锥体34与负电势源相连。优选是，施加在各阴极12上的电势值可以单独选择。
应当知道，在图2所示实施例中，每个单元与6个磁体24相联。不过，各磁体由全部三个相邻的单元共用。当各管道22由6个磁体24环绕时，各单元可以认为是六角形等离子体泵送单元。本发明的实施例的结构可以是这样，即各管道与不同数量的磁体相联，例如包括每个管道由4个磁体环绕的方形单元和每个管道由8个磁体环绕的八角形单元。不过，优选是，为了得到合适的磁场分布，各管道可以由同样数量的磁体环绕。
根据环绕各管道22的磁体的数量，各单元穿过隔墙4布置的形式优选是使相邻单元之间共用的磁体数最多。
磁体24共用于多个相邻单元中能减小必须有的磁体的总数，从而减小制造成本。此外，这样的磁体布置方式能使各单元更紧密的布置在一起，这样，给定总直径的泵就可以有更多的泵送单元，从而有更高的泵送量。
本发明的泵再有一个在隔墙4上面的自由电子源就完整了。这样的电子源已经在前面参考图1进行了说明。
在图2所示的优选实施例中，再有一个用于将可离子化处理气体引入处理室尤其是引入图1所示室的低压区的通道网38就完整了，该低压区包含有要进行制造操作的基片。
图3是表示隔墙4的面的局部剖透视图，图3所示的面与图2所示的面相对。相对于图1所示的方向，隔墙4的顶面如图2所示，隔墙4的底面如图3所示。
从图3更好地看到，气体注入网包括多个以规则形式横过隔墙4的底面布置的注入孔或出口40。当冷却流体通道26相互连接时，通道网38以任何合适的形式在出口孔40之间相互连接。
通道38的出口端定向成朝着待处理的基片喷射处理气体。由如图2所特别表示的一系列磁体产生的磁场的特征在于有多个由称为separatricies的表面分开的尖点(cusp)，在该尖点处磁场强度减至零。此外，磁场强度按指数规律从隔墙4的中间平面开始递减。磁场强度随与该中间平面的距离而减小的量与环绕各管道22的磁体24的数量成反比。所生成的磁场的这一性质使得强磁场区域位于该中间平面附近，并使得在离子将被泵送的主要区域内相对没有恒定的磁场。磁场强度也可以在各管道22的中心轴处消减为零，但沿离开各管道轴的径向方向上迅速增加，并在靠近各管道22的壁时达到很高的值。
各管道22的壁的横截面形状与穿过该管道延伸的磁力线的形状相适应，这样，这些磁力线都基本平行于壁表面。
在各列磁体的赤道平面，也能有从相应管道22的纵向轴向外伸展的狭窄区域，在该区域内，磁场强度也接近零。在这些狭窄区域内，电子的径向流将不受抑制，导致电子的损失，从而削弱管道内的静电场。这些狭窄区域成尖点形状，这些尖点位于磁结构的中线上，环绕管道的纵向轴等角度间隔开，并与连续磁体之间的角度区域对齐。通过生成合适的静电势，可以防止生成该径向流。
根据本发明的特征，这些静电势是这样获得的，即，使得陶瓷成分的插入件30具有带负电荷的特性以排斥电子，或使得金属插入件30以任意合适的方式带有负电荷以产生相同的效果。
下面将参考图1-3所示实施例介绍本发明的由多个泵送单元组成的泵的工作过程。
首先，将基片在开口6中布置就位，并向线圈10和等离子体源14线圈施加合适的RF电流以便在隔墙4上面和下面的区域形成等离子体。此外，向该室内的合适部件加上电势，以便形成任意合适的电场。RF电流的产生和电势的应用是基于现有技术已知的原理和经验。
泵18开始工作，将负电势加在各阴极12上。处理气体通过通道38和出口孔40引入位于隔墙4和布置于开口6中的基片之间的区域内。当形成合适的处理气体密度时，将形成等离子体并开始进行所希望的处理操作。
下面尤其参考图2，在隔墙4和基片之间的区域形成的等离子体将形成离子供给源，该离子供给源将延伸到靠近各管道22的进口或底端的位置。在各泵送单元中，将在相应锥体34和隔墙4下面的等离子体区之间形成电场，电力线穿过管道22延伸。
在各锥体34和隔墙4下面的等离子体区之间的电场起到将当时位于等离子体区的管道22进口端附近的正离子吸引到管道22内的作用，并且这些离子将通过由相应磁体24在管道22内形成的磁场引导而加速通过管道22。该磁场的形状将受到隔墙4上面和下面的等离子体的影响。
由等离子体源14产生的等离子体提供了在隔墙4上面的自由电子供给源。这些自由电子将环绕和经过阴极12扩散到它们能与穿过或正穿过管道22的正离子中和的位置。到达各管道22区域的自由电子具有中和被管道22的壁吸附的离子的作用。而已经穿过管道22并且还没有被自由电子中和的离子将被相应的离子中和锥体34吸引，在该锥体处，这些离子将与电子结合，从而变成中性气体分子。
通过各管道22的离子流将减小隔墙4下面区域的压力，同时增加隔墙上面区域的压力。这样生成的高压区延伸至泵18的进口，并且因为该区域处于相对高压，泵18能够高效地将分子泵送出该区域并从而使该区域内保持压力稳定。
在高的中性气体压力下，加速的离子可能进行电荷交换反应，在该反应中，加速的离子由于从周围气体分子中捕获电子而被中和。在该过程中，逃逸的高能离子由能量仅仅是热气体分子能量的离子取代，离子的局部密度的升高与离子速率的变化成反比。中和的快速离子不再朝向流动速度方向，并恢复其完全的三维运动。这时可能产生局部的正空间电荷，并产生正静电场，该正静电场进一步阻碍了向外的离子流。为了防止形成任何这样的正空间电荷电场，本发明提供了注入另外的自由电子的装置，即由等离子体源14产生的等离子体，该等离子体的存在能中和该热离子云。提供足够的电子流以中和全部离子流是不切实际的，除非电子能在等离子体管道中保留时间大大长于离子通过该管道的通过时间。该永磁体列的磁特性提供了磁性捕获注入的电子的所需机构，从而可以根据注入电子流的实际水平来进行所需的中和。
环形阴极12与负电势源相连或者以允许分别设定各环形阴极的电势的方式分别与负电势源相连。考虑到在隔墙4和布置于开口6内的基片之间的区域内所产生的等离子体场通常是轴对称的，对横过隔墙4的表面的泵送作用的合适控制可以通过与处理室的轴线同心的环形阴极而实现。另一方面，等离子体场的各种特征可以在径向上变化，可以考虑通过在各环形阴极12上分别施加选定的电势而实现这些变化。
此外，阴极12可以以任意其它的合适方式配置和连接。例如，可以为每个管道22提供独立的、单独控制的阴极。根据一种可选方案，可以用载有多个单独的阴极的绝缘材料环代替各环形阴极12来实现这一点，各单独的阴极对应于各中和锥体34。这些单独的阴极中的每一个都与相应的泵送单元相关联，并与提供单独选定电势的相应导体相连。
因为处理室内隔墙4下面的等离子体离子和电子是带电的，它们的运动由于Lorentz力而受到磁场的影响F＝q(E＋vxB)
其中F是在带有电荷q并以速度v通过电场E和磁场B的粒子上所作用的力。该磁力垂直于速度v和磁场B。而带电粒子，例如电子或离子，能够在既没有电场也没有磁场的情况下进行完全的三维运动，这些电场和磁场使得该带电离子沿磁场曲线进行有效的一维运动。该带电离子沿以磁场曲线为中心的螺旋轨迹运动，其中半径等于回旋半径pρ＝Mv1/qB其中，M是带电粒子质量，v1是粒子速度中垂直于B的分量。这样，只要磁场足够强，带电粒子就能够被磁引导而穿过在合适结构的导流片中的开口，例如本发明中的管道22。
等离子体离子通常以离子音速cs从等离子体本体流向隔墙4的表面cs＝(2kTe/Mi)1/2其中kTe是等离子体电子的平均动能，Mi是离子质量。因为电子通常比中性气体热大约100倍，cs能比中性气体分子的热速度大10倍。因此，等离子体离子能够以远远高于中性气体分子的速度沿磁场流过管道22。
据估计，离子由于磁场而集中将使其自身的离子流增加3倍。这一效果与前述的值cs相结合，可以认为，通过管道22的离子流能比通过同一孔的中性气体流速高大约30倍。值30是粗略计算的结果。通过用给定的压差对管道孔径的传导率进行数字计算而得出中性气体流速。该压差是等离子体泵的增压或压缩比。通过管道的离子流是根据对已有的空间电荷的使离子加速通过管道的能力进行估计而计算的。
另外还有一个有利于等离子体泵送处理的被动机理，即由于由磁体24产生的磁力线所形成的流管的横截面积的减小而导致等离子体流的压缩。尤其是，当等离子体向管道22流动时，磁场强度增加，磁力线收敛成更高的密度。约束在这些收敛的磁力线上的等离子体也会等量压缩。因为磁力线的密度等于磁场强度，压缩比正好等于管道22内部的最大磁场强度与在可以认为等离子体离子被约束在磁力线上的位置的磁场强度之比，可以认为等离子体离子被约束在磁力线上的位置即离子的回旋半径小于磁场的空间梯度的特征长度LB的位置ρ＜LB＝(dB/dz)-1
其中z是各管道22的轴线的方向。
电子的回旋半径通常远远小于离子的回旋半径，因此它也适用于该准则。这些基本的等离子体泵送原理的影响已经在上面对基本的理想化的泵的说明中进行了详细的定量分析。
离子音速的离子流取决于正“双极性”电势的存在，该“双极性”电势同时产生，以便保证该等离子体本体是电中性的。该电中性只有在平均起来等离子体电子从该等离子体本体中失去的速度等于等离子体离子失去的速度的情况下才能保持。另外，因为在更多的流动电子以比离子高得多的速度离开等离子体时，将同时产生正的静电势，该正的静电势约束住电子，并减小电子从该等离子体流失的速度，从而使其等于离子的流失速度。该正电势几乎在整个等离子体本体中是一常数，但是在靠近等离子体表面的区域(“罩”)将减小。到达该表面罩的离子由于相关的静电场而加速到离子音速，该静电场是由阴极12和存在的电子空间电荷所产生的电场共同形成的。
在隔墙4的各环形区域的泵送速度是在相应环形阴极12上的负电势的函数。如图1-3所示类型的结构能将离子流中很大一部分朝隔墙4泵送，该部分估计通常大于30％。能通过双极扩散并通过使泵送离子的数量与到达隔墙4表面的离子流相比而计算代表泵送效率的该部分。任何由泵送部件产生并延伸到隔墙4下面的等离子体容积中的磁场和电场都小得可忽略，因此对在处理室中进行的等离子体辅助制造操作的影响可以忽略。
根据本发明的一个非限定实施例，隔墙4的厚度大约2.5英寸，各管道22的直径在其最窄处为0.5英寸，阴极12位于管道22出口端或隔墙4上表面的上面大约0.5英寸，各阴极12的电势大约为100v，在出口室中的等离子体密度是1×1012离子/cm3。
下面参考图4，它表示了本发明的泵的一个单元的可选实施例，其中管道22’的壁是曲线形，例如椭圆形。吸引离子通过管道22’的电场由施加在圆柱形电极50上的负电势产生。自由电子由环52提供，该环52被加负压并加热，以便构成热电子发射器。在该实施例的泵中，图4所示形式的多个单元以图1-3所示方式横过隔墙4分布。
图4所示实施例有着与图1-3所示实施例相同的、由冷却流体通道和气体注入通道38以及孔40环绕的永磁体结构。
当自由电子源或中和电子源是与热电子发射器相对的等离子体时，本发明的等离子体真空泵能用于泵送可与热离子发射器的高温加热表面反应并化学蚀刻该高温加热表面的化学活性物质。另一方面，热离子发射器的成本比产生等离子体的系统小，因此，对于泵送不会对热离子发射器的高温加热表面有不利影响的物质，优选是采用热离子发射器。
本发明的包含多个单元的等离子体泵的几何形状使该单元能彼此相对紧密地布置，并使该单元能覆盖隔墙4的表面区域的大部分。相邻单元共用磁体的情况使该单元能相对紧密地布置在一起。
在本发明的装置实施例中，用于将气体泵送出隔墙4上面的区域的泵18可以由包含复合涡轮分子泵和前置泵的前级泵系统构成。
在利用本发明的等离子体真空泵的装置中，所能获得的泵送速度取决于等离子体真空泵的表面面积。当在隔墙4和基片之间的等离子体区以图1所示的方式逐渐变细时，等离子体真空泵的表面面积可以相对比处理表面面积大。
在具有如图1所示形式的一个装置实施例中，由壳体2包围的空间在基片高度的直径，即在开口6高度的直径为大约33cm，该室在隔墙4高度的直径为大约53cm，在基片和隔墙4之间的空间的垂直高度为大约10.2cm。该室在隔墙4与开口6之间区域的平均直径为大约43.2cm。在该实施例中，所述室的容积大约14.88升，由隔墙4确定的泵送表面的面积大约223.46cm2。当处理压力为1mT时，等离子体的密度为大约1.5×1012离子/cc，离子饱和电流密度为大约0.035A/cm2，最大泵送速度为大约1.4×104升/秒。实际的泵送速度将是上述值乘以泵送效率。离子在处理室的平均停留时间可以表示为0.0011秒/效率。
尽管上面只对本发明很少的实施例进行了详细介绍，但本领域技术人员很容易知道，在本质上不脱离本发明的新思想和优点的情况下，可以对该实施例进行多种变化。因此，所有这样的变化都将包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种等离子体泵，用于当所述等离子体泵插入第一区域和第二区域之间时将离子从包含等离子体的第一区域泵送到第二区域，所述等离子体泵包括一分隔件，该分隔件位于第一区域和第二区域之间，所述分隔件限定了多个在第一和第二区域之间的管道；一自由电子源，该自由电子源与所述管道连通；多组磁体，所述每组磁体都相对于所述管道中的相应一个而定位成使磁力线穿过所述相应一个管道延伸；以及多个电势源，每个所述电势源都相对于所述管道中的相应一个而布置，以便产生使离子从所述相应一个管道向第二区域加速的静电场；其中，各所述管道与相应的磁体组和相应的电势源一起形成多个泵送单元中的一个。
2.根据权利要求1所述的泵，其中当所述等离子体泵插入第一区域和第二区域之间时，所述分隔件有分别对着第二区域和第一区域的顶壁和底壁；所述管道的每一个都有管道壁，该管道壁确定了所述相应一个管道，并在所述顶壁和底壁之间延伸；以及各所述泵送单元的所述磁体组产生磁场，该磁场的磁力线基本平行于所述相应一个管道的管道壁延伸。
3.根据权利要求2所述的泵，其中各所述泵送单元的所述磁体组由永磁体组成，这些永磁体环绕所述相应一个管道而间隔开，并定向成围绕所述相应一个管道交替转换磁极。
4.根据权利要求3所述的泵，其中所述管道的每一个都有纵向中心轴，由各所述泵送单元的所述永磁体组产生的磁场沿该中心轴的强度最小。
5.根据权利要求2所述的泵，其中各所述管道壁通常成凸形，这使得所述相应一个管道在平行于所述顶壁和底壁并在所述顶壁和底壁之间的平面上的直径最小。
6.根据权利要求5所述的泵，其中各所述管道壁具有由梯形限定的形状。
7.根据权利要求5所述的泵，其中各所述管道壁具有由光滑曲线限定的形状。
8.根据权利要求5所述的泵，其中所述分隔件包括一导电材料体和多个陶瓷插入件，每个陶瓷插入件环绕一个相应的管道。
9.根据权利要求1所述的泵，其中所述自由电子源包括等离子体。
10.根据权利要求1所述的泵，其中所述自由电子源包括热电子发射器。
11.根据权利要求1所述的泵，其中各所述电势源包括阴极元件，该阴极元件位于相应的一个管道前面并保持负电势。
12.根据权利要求1所述的泵，其中各所述磁体组包括至少一个磁体，该磁体形成另一磁体组的一部分。
13.一种等离子体泵，用于当所述等离子体泵插入第一区域和第二区域之间时将离子从包含等离子体的第一区域泵送到第二区域，所述等离子体泵包括分隔装置，用于使第一区域与第二区域隔开，所述分隔装置限定了多个在第一和第二区域之间的管道；用于产生磁场的装置，该磁场的磁力线穿过管道延伸，以便引导离子从第一区域穿过管道到达第二区域；用于在第二区域提供自由电子供给的装置，该自由电子用于中和从第一区域穿过管道流到第二区域的离子；以及用于在局部产生电场的装置，以便使离子从所述管道内向第二区域加速。
14.根据权利要求13所述的泵，其中当所述等离子体泵插入第一区域和第二区域之间时，所述分隔装置包括具有分别对着第二区域和第一区域的顶壁和底壁的分隔件；所述管道的每一个都有一壁，该壁确定了所述管道，并在所述顶壁和底壁之间延伸；以及所述用于产生磁场的装置包括多个产生磁场的磁体组，该磁场的磁力线基本平行于所述管道的壁延伸。
15.根据权利要求14所述的泵，其中各所述磁体组由永磁体组成，这些永磁体环绕相应一个所述管道而间隔开，并定向成围绕所述相应一个管道交替转换磁极。
16.根据权利要求15所述的泵，其中所述管道的每一个都有纵向中心轴，由所述各永磁体组产生的磁场沿相应的一个所述管道的中心轴的强度最小。
17.根据权利要求16所述的泵，其中各所述管道壁通常成凸形，这使得所述管道在平行于所述顶壁和底壁并在所述顶壁和底壁之间的平面上的直径最小。
18.根据权利要求17所述的泵，其中各所述管道壁具有由梯形限定的形状。
19.根据权利要求17所述的泵，其中各所述管道壁具有由光滑曲线限定的形状。
20.根据权利要求17所述的泵，其中所述分隔件包括一导电材料体和多个陶瓷插入件，每个陶瓷插入件界定了一个相应的所述管道。
21.根据权利要求14所述的泵，其中各所述磁体组包括至少一个磁体，该磁体形成另一磁体组的一部分。
22.根据权利要求13所述的泵，其中所述用于提供自由电子的供给的装置包括等离子体。
23.根据权利要求13所述的泵，其中所述用于提供自由电子的供给的装置包括热电子发射器。
24.根据权利要求13所述的泵，其中所述用于产生电场的装置包括多个阴极元件，每个阴极元件位于相应的一个所述管道前面并保持负电势。
25.一种用于将离子从包含等离子体的第一区域泵送到第二区域的方法，所述方法包括以下步骤在第一区域和第二区域之间布置一分隔件，该分隔件有多个在第一和第二区域之间延伸并与第一和第二区域连通的管道；产生磁场，该磁场的磁力线穿过管道延伸，以便引导离子从第一区域穿过管道到达第二区域；在第二区域提供自由电子供给，该自由电子用于中和从第一区域穿过管道流到第二区域的离子；以及在局部产生电场，以便使离子从所述管道内向第二区域加速。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述产生电场的步骤包括调节电场强度以便控制离子通过管道的流速。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述调节电场强度的步骤包括以周期方式调节电场的强度。
28.用于对基片进行等离子体辅助制造过程的装置，所述装置包括一壳体，该壳体围起一个有第一区域和第二区域的空间，该壳体确定了基片在制造过程中所保持的处理位置，该处理位置位于第一区域；一输出泵，该输出泵与所述壳体相连，以便将气体泵送出第二区域；以及一种用于将离子从第一区域泵送到第二区域的等离子体泵，所述等离子体泵包括一分隔件，该分隔件位于第一区域和第二区域之间，所述分隔件限定了多个在第一和第二区域之间的管道；一自由电子源，该自由电子源与所述管道连通；多组磁体，所述每组磁体都相对于所述管道中的相应一个而定位成使磁力线穿过所述相应一个管道延伸；以及多个电势源，每个所述电势源都相对于所述管道中的相应一个而布置，以便产生使离子从所述相应一个管道向第二区域加速的静电场；其中，各所述管道与相应的磁体组和相应的电势源一起形成多个泵送单元中的一个。
29.根据权利要求28所述的装置，其中各所述磁体组包括至少一个磁体，该磁体形成另一磁体组的一部分。
全文摘要
用于将离子从第一区域泵送到第二区域的等离子体泵和方法,该泵包括:一分隔件,该分隔件有限定了多个管道(30)的通孔;一组磁体(24),以便提供延伸到管道的磁力;以及多个电势源(14),该电势源(14)用于产生使离子从管道向第二区域加速的静电场。
文档编号B01J19/08GK1332950SQ99815306
公开日2002年1月23日 申请日期1999年12月10日 优先权日1998年12月30日
发明者韦恩·L·约翰逊, 拉斐尔·A·丹德尔, 加雷思·E·盖斯特 申请人:东京电子株式会社