具有改进的功率均匀性的微波等离子体施加器的制作方法

本公开涉及微波等离子体系统，更具体地，涉及生成用于处理应用的活性气体种类的流体冷却式微波等离子体施加器。

2.

背景技术：

活性气体和气体混合物用于诸多工业操作中，包括处理用于制造电子设备和光学设备的材料(诸如半导体晶片)的操作。例如，活性气体可在微电子器件制造中用于薄膜沉积和刻蚀，以刻蚀电介质和半导体材料或者诸如光致抗蚀剂和聚酰亚胺的各种掩蔽膜。活性气体可用于形成电介质膜和金属膜，并且还可用于在晶片处理的各阶段中清洁晶片表面。

可通过在等离子体放电中激发气体分子来产生气体分子的活性种类。通过将能量耦合至等离子体放电管中或者耦合至位于容纳气体的腔室上的电介质窗中，可利用等离子体源来生成放电。通常使用微波能量作为能量源，以生成和保持等离子体放电。由于功率源和系统部件的可用性的影响，用于生成等离子体放电的常用微波频率是2.45GHz。

期望具有能够在非常清洁的情况下生产大量不同的活性气态种类的等离子体源。期望种类的示例包括各种卤族原子(氟原子、氯原子、溴原子等)、氧原子、氮原子以及氢原子。就使用微波能量在等离子体源中创建大量活性气体种类而言，一个技术难题是冷却等离子体放电管或电介质窗。空气冷却可用于等离子体放电管，但是这与液体冷却相比效率较低。此外，空气冷却需要较大且较昂贵的鼓风机或压缩机来去除足量的热量。另外，空气冷却可能不适合用于制造半导体的现代清洁室环境。

液体冷却因为有效率所以具有优势。水冷却尤其可取，因为水的热容量高并且水既处理安全又对环境友好。另外，几乎在所有的制造机构、大学和研发机构中均可容易获得冷冻水。使用水来冷却微波等离子体放电管的阻碍是水也容易吸收微波能量。类似地，许多其他合可取的冷却液容易吸收微波能量。

某些流体(诸如硅油、一些氯氟碳和各种碳氢化合物)不吸收微波能量，因此可用于冷却等离子体放电管外部。遗憾的是，这些流体通常对环境不友好、处理危险且昂贵。此外，使用这些流体需要使用闭式循环热交换器，这进一步增加系统的成本和复杂性。

已被使用很多技术来生成等离子体以及生产活化气体。这些技术包括电容耦合放电、电感耦合放电和微波放电。现有设备都不适合生产对工业应用有利的高流速、无污染、化学活化气体。

技术实现要素：

根据一个方面，提供了用于生成等离子体的装置。该装置包括对微波能量基本可透过并且具有纵轴线的等离子体放电管。含有导电材料的导电盘管(coil)基本成螺旋状缠绕在等离子体放电管的外表面周围，微波腔体包围等离子体放电管。波导部联接至微波腔体以用于将微波能量引导至等离子体放电管中，从而使得等离子体放电管中生成等离子体。波导部具有主横截轴和次横截轴，主横截轴和次横截轴相对于等离子体放电管的纵轴线布置，以使得微波能量的电场定向成相对于等离子体放电管的纵轴线成预定角度。微波能量的电场在导电盘管中感应出电流，电流影响等离子体放电管中的功率吸收，预定角度可选择成使得等离子体放电管中的功率吸收取决于相对于等离子体放电管的纵轴线的预定分布图。

在一些示例性实施方式中，预定角度使得电场定向成与等离子体放电管的纵轴线基本垂直。在一些示例性实施方式中，预定角度使得电场定向成相对于等离子体放电管的纵轴线处于30°至90°的角度。在一些示例性实施方式中，预定角度使得电场定向成相对于等离子体放电管的纵轴线处于45°至90°的角度处。在一些示例性实施方式中，预定角度选择成提高功率吸收相对于等离子体放电管的纵轴线的均匀性。

在一些示例性实施方式中，导电盘管包括围绕等离子体放电管的多个环，多个环限定相邻环之间的间距型式，间距型式可基于导电盘管中所感应的电流对等离子体放电管中的功率吸收的预定期望影响来选择。在一些示例性实施方式中，相邻环之间的间距型式选择成提高功率吸收相对于等离子体放电管的纵轴线的均匀性。在一些示例性实施方式中，可减小选定的相邻环之间的间距以增大导电盘管中感应的电流，从而使得所选定的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导增大。在一些示例性实施方式中，可增大选定的相邻环之间的间距以减小导电盘管中感应出的电流，从而使得所选择的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导降低。

在一些示例性实施方式中，导电盘管热联接至等离子体放电管，导电盘管包括可供冷却流体流动的通道，以使得冷却流体散除来自等离子体放电管的热量。相邻环之间的间距可选择成控制等离子体放电管的温度。

在一些示例性实施方式中，该装置还包括位于导电盘管的两个端部中的每个处的微波扼流器，微波扼流器基本防止微波能量从等离子体放电管泄漏。

在一些示例性实施方式中，导电盘管成螺旋状缠绕在等离子体放电管的外表面周围。

在一些示例性实施方式中，控制器控制微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的预定角度。该装置可包括电磁场传感器和温度传感器中的至少一个，电磁场传感器用于生成指示等离子体放电管中的电磁场强度的第一信号，温度传感器用于生成指示等离子体放电管中的温度的第二信号，控制器基于第一信号和第二信号中的至少一个控制预定角度。装置可包括用于使波导部相对于等离子体放电管旋转以调整预定角度的至少一个致动器，控制器控制至少一个致动器以控制预定角度。

根据另一方面，提供了用于生成等离子体的装置。该装置包括微波能量基本可透过并具有纵轴线的等离子体放电管。含有导电材料的导电盘管基本成螺旋状缠绕在等离子体放电管的外表面周围。微波能量的电场在导电盘管中感应出电流，电流影响等离子体放电管中的功率吸收。微波腔体环绕等离子体放电管。波导部联接至微波腔体以用于将微波能量引导至等离子体放电管中，从而使得在等离子体放电管中生成等离子体。旋转联接设备将波导部联接至等离子体放电管并且允许波导部相对于等离子体放电管旋转，以调整微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度，从而使得等离子体放电管中的功率吸收可通过旋转联接设备相对于等离子体放电管的纵轴线调整成预定分布图。

在一些示例性实施方式中，波导部包括主横截轴和次横截轴，旋转联接设备允许相对于等离子体放电管的纵轴线调整主横截轴和次横截轴，以调整微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度。

在一些示例性实施方式中，该装置还包括用于调整微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度的控制器。装置可包括电磁场传感器和温度传感器中的至少一个，电磁场传感器用于生成指示等离子体放电管中的电磁场强度的第一信号，温度传感器用于生成指示等离子体放电管中的温度的第二信号，控制器基于第一信号和第二信号中的至少一个来控制微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度。装置可包括用于使波导相对于等离子体放电管旋转的至少一个致动器，以调整微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度。控制器控制至少一个致动器以由控制微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度。

在一些示例性实施方式中，微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度可从30°调整至90°。在一些示例性实施方式中，微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度可从45°调整至90°。在一些示例性实施方式中，微波能量的电场与等离子体放电管的纵轴线之间的角度可调整成提高功率吸收相对于等离子体放电管的纵轴线的均匀性。

在一些示例性实施方式中，该装置还包括用于监测等离子体放电管中的等离子体的轴向均匀性的传感器。

在一些示例性实施方式中，导电盘管包括围绕等离子体放电管的多个环，多个环限定相邻环之间的间距型式，间距型式可基于导电盘管中所感应的电流对等离子体放电管中的功率吸收的预定期望效应来选择。在一些示例性实施方式中，相邻环之间的间型式选择成提高功率吸收相对于等离子体放电管的纵轴线的均匀性。在一些示例性实施方式中，可减小所选择的相邻环之间的间距以增大导电盘管中感应的电流，从而使得所选择的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导增大。在一些示例性实施方式中，可增大所选择的相邻环之间的间距以减小导电盘管中感应出的电流，从而使得所选择的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导降低。

在一些示例性实施方式中，导电盘管热联接至等离子体放电管，导电盘管包括可供冷却流体流动通过的通道，从而使得冷却流体从等离子体放电管去除热量。相邻环之间的间距可选择成最小化等离子体放电管的温度，同时确保微波场的传导。

在一些示例性实施方式中，该装置还包括位于导电盘管的两个端部中的每个端部处的微波扼流器，微波扼流器基本防止微波能量从等离子体放电管泄漏。

在一些示例性实施方式中，导电盘管成螺旋状缠绕在等离子体放电管的外表面周围。

根据另一方面，提供了用于等离子体生成设备的等离子体放电管组件。该组件包括微波能量基本可透过并具有纵轴线的等离子体放电管。含有导电材料的导电盘管基本成螺旋状缠绕在等离子体放电管的外表面周围。微波能量的电场在导电盘管中感应出电流，电流影响等离子体放电管中的功率吸收。导电盘管的两个端部中的每个端部处设置有多个微波扼流器，微波扼流器基本防止微波能量从等离子体放电管泄漏。

在一些示例性实施方式中，导电盘管包括围绕等离子体放电管的多个环，多个环限定相邻环之间的间距型式，间距型式可基于导电盘管中所感应的电流对等离子体放电管中的功率吸收的预定期望效应来选择。在一些示例性实施方式中，相邻环之间的间距型式选择成提高功率吸收相对于等离子体放电管的纵轴线的均匀性。在一些示例性实施方式中，可减小所选择的相邻环之间的间距以增大导电盘管中感应的电流，从而使得所选择的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导增大。在一些示例性实施方式中，可增大所选择的相邻环之间的间距以减小导电盘管中所感应的电流，从而使得所选择的相邻环附近的等离子体放电管中的微波能量的传导降低。在一些示例性实施方式中，相邻环之间的间距处于0.2cm和1cm之间。

在一些示例性实施方式中，导电盘管热联接至等离子体放电管，导电盘管包括可供冷却流体流动通过的通道，从而使得冷却流体从等离子体放电管去除热量。

附图说明

通过更具体地描述如附图所示的优选实施方式，前述及其他特征和有益效果将变得明显，在附图中，相同的参考符号在所有不同视图中表示相同的部件。附图不必按比例，而是将重点放在示出本发明构思的原理上。

图1包括液体冷却式微波等离子体施加器的示意性剖视图。

图2包括可使用微波吸收流体的液体冷却式微波等离子体施加器的示意性剖视图。

图3包括图2中所示的冷却夹套的实施方式的示意性剖视图。

图4A和图4B包括图2所示的等离子体施加器2的示意性功率吸收分布图。

图5A至图5D包括示出根据一些示例性实施方式的等离子体施加器的示意图。

图6包括根据一些示例性实施方式的、图5A至图5D的等离子体施加器的示意性剖视图，其示出等离子体施加器中的电场分布。

图7A和图7B包括根据一些示例性实施方式的、图5A至图5D的等离子体施加器的示意性剖视图，其示出等离子体施加器中的模拟功率吸收分布图。

图8A和图8B包括现有等离子体施加器(诸如图2所示的等离子体施加器)和示例性实施方式的等离子体施加器(诸如根据一些示例性实施方式的、图5A至5D所示的等离子体施加器)的等离子体放电管温度-压力曲线。

图9是根据一些示例性实施方式的温度相对轴向位置的图形，其示出了用于等离子体施加器中的等离子体放电管的多个纵向或轴向操作温度分布图。

图10包括根据一些示例性实施方式的等离子体施加器的示例性立体图。

图11A至图11B包括根据一些示例性实施方式的、图10所示的等离子体施加器的操作功率吸收分布图的示意图。

图12A至图12D包括根据一些示例性实施方式的另一等离子体施加器的示意性立体图。

图13包括根据一些示例性实施方式的具有可控波导旋转的另一等离子体施加器的示意性功能框图和立体图。

具体实施方式

通过整体引用并入本文的第5,625,259号美国专利(在下文中，称作“'259专利”)公开了定向在特定方向上的微波电场可有效地耦合至具有容纳微波吸收冷却液的通道的微波等离子体放电管，其中微波吸收冷却液以确定路径围绕等离子体放电管。例如，平行于延伸通过等离子体放电管的中心的纵轴线定向的微波电场将有效地耦合至具有以螺旋状路径环绕管的冷却通道的等离子体放电管。

此外，定向在特定方向上的微波电场可有效地耦合至具有一个或多个通道的电介质窗，该一个或多个通道与该窗接触并且容纳有微波吸收冷却液。例如，平行于窗的表面定向的微波电场将有效地耦合至具有以螺旋状路径环绕等离子体放电管的一个或多个冷却通道的等离子体放电管。

'259专利描述了用于微波吸收流体的流体冷却式等离子体施加器，其包括由对微波能量大致可透射的材料(诸如石英、蓝宝石或氧化铝)形成的等离子体放电管。由蓝宝石形成的等离子体放电管对于使用氟基气体而言是可取的。冷却构件围绕等离子体放电管、限定沿构件的内表面形成的通道并且环绕等离子体放电管的外表面。冷却构件的外表面可热结合至等离子体放电管。通道提供用于在等离子体放电管的外表面之上输送微波吸收冷却流体的管道。邻近通道的介质允许微波电场进入等离子体放电管，从而当流体流经通道时在等离子体放电管中创建并保持等离子体。介质可以是空气。

通道以螺旋状路径环绕等离子体放电管的外表面。平行于延伸通过等离子体放电管的中心的纵轴线定向的微波电场进入等离子体放电管而不会通过流体显著衰减，从而允许形成和保持等离子体。冷却构件可由具有化学惰性的且微波可透射的聚四氟乙烯形成，或者可由微波可透射或反射微波的高热导率材料形成。冷却构件内部的通道可连接至泵，该泵在等离子体放电管的外表面上推动流体。流体可以是具有高热导率且便于使用的水。

'259专利还描述了微波或等离子体系统，该系统包括微波能量源、等离子体放电管和冷却夹套，其中，等离子体放电管对微波能量基本可透射并且联接至所述源，冷却夹套相对于等离子体放电管周向布置并且对微波能量基本可透射。夹套限定以螺旋状路径沿夹套的内表面形成的通道，以用于在等离子体放电管的外表面上输送诸如水的流体。当水流经通道时，邻近通道的介质允许平行于延伸通过等离子体放电管的中心的纵轴线定向的微波电场进入等离子体放电管并且保持等离子体。该系统还包括连接至水源和通道的泵，该泵通过通道对水进行再循环。

'259专利还描述了用于在微波等离子体系统中使用的流体冷却式电介质窗。冷却构件与电介质窗的外表面接触。窗由对微波能量基本可透射的材料形成，所述材料诸如为石英、蓝宝石或氧化铝。冷却构件限定用于在窗的外表面和邻近通道的介质上输送微波吸收冷却流体的通道，所述微波吸收冷却流体诸如为水。在流体流经通道时，介质(可以是空气)允许微波电场通过窗进入腔室并且将等离子体保持在腔室中。

通道可在窗的外表面上形成螺旋状路径。平行于窗的表面定向的电场进入窗而不会通过流体显著衰减，从而允许形成并保持等离子体。冷却构件可由具有化学惰性的且对微波可透射的聚四氟乙烯形成，或者可由对微波可透射或反射微波的高热导率材料形成。构件内部的通道可连接至泵，该泵在等离子体放电管的外表面上推动流体。

图1包括现有技术的液体冷却式微波等离子体施加器1的示意性剖视图。施加器1包括电介质等离子体放电管10。等离子体放电管10由对微波能量基本可透并且具有适于等离子体处理的力学、热学和化学性能的材料制成。典型的材料包括石英、蓝宝石和氧化铝。布置在等离子体放电管10的顶部14处的气体入口12允许处理气体被引入等离子体放电管10中。等离子体放电管10的底部16联接至真空腔室18。真空泵19用于排空腔室18。在处理期间，等离子体放电管10中生成的活性气体种类向下游流至腔室18中。

磁控管20生成在等离子体放电管10中创建和保持等离子体所需的微波能量。磁控管20的输出部22联接至循环器24，该循环器24允许微波能量无限制地经过波导部26，波导部26联接至等离子体放电管10以将能量传递至等离子体放电管10。循环器24将由等离子体放电管10反射的微波能量引导至虚拟负载(dummy load)28，以免损坏磁控管20。调谐器30通过扰乱波导部26中的电磁场而使反射能量最小化。

具有入口34和出口36的冷却夹套32围绕等离子体放电管10。联接至夹套32的泵38迫使冷却液进入入口34、通过夹套32并且通过出口36回到泵38。液体直接接触等离子体放电管10的整个外表面。这样，波导部26中的微波能量必须通过液体被传送以到达等离子体放电管10。如果液体显著吸收微波能量，则波导部26中的能量不足以耦合至等离子体放电管10以形成和保持等离子体。

因此，在该配置中，液体冷却式微波等离子体施加器中仅使用不会显著吸收微波能量的液体。该液体的示例包括硅油、某些氯氟碳以及各种碳氢化合物。遗憾的是，这些流体既对环境不友好又昂贵。许多这种流体还对工人有危险，并且需要复杂的处理步骤。另外，这些液体中的大部分需要使用闭环式热交换器，这显著增加系统的成本和复杂性。此外，如果等离子体放电管10破裂，则这些流体将污染处理设备。

图2包括现有技术的液体冷却式微波等离子体施加器2的示意性剖视图，其可使用微波吸收流体。图2的施加器2包括电介质等离子体放电管50，该电介质等离子体放电管50可由对微波能量基本可透射并具有适用于等离子体处理的力学、热学和化学性能的材料制成。这些材料包括石英、蓝宝石和氧化铝。布置在等离子体放电管50的顶部54处的气体入口52允许处理气体被引入等离子体放电管50中。等离子体放电管50的底部56联接至真空腔室58。等离子体放电管50中生成的活性气体种类向下游流动至腔室58中。

具有入口62和出口64的冷却夹套60围绕等离子体放电管50的外表面66。夹套60由对微波能量基本可透射的、诸如例如四氟乙烯的材料形成。夹套60包括通道68，通道68沿夹套60的内表面70形成并且环绕等离子体放电管50的外表面。通道68提供用于直接在等离子体放电管50的外表面上输送微波吸收冷却流体的管道。流体可以是水。

通道68迫使冷却流体占用围绕等离子体放电管50的外表面的特定路径。该路径选择成使等离子体放电管50暴露于冷却流体的面积最大化。但是，该路径留出足够的空间以允许微波电场以某一定向进入等离子体放电管并且形成和保持等离子体放电。在一些示例性实施方式中，通道以螺旋状路径环绕等离子体放电管50的外表面，并且在路径的各环之间留出小的间距。

波导部72将在等离子体放电管50中创建并保持等离子体所需的微波能量从磁控管(图2中未示出)携带至等离子体放电管50。在一些具体示例性实施方式中，微波电场平行于延伸通过等离子体放电管50的中心76的纵轴线74定向。该定向允许微波能量容易地穿透螺旋状通道68的环之间的等离子体放电管50而不由流体显著衰减，从而允许形成并保持等离子体。

虽然指定微波能量作为用于创建等离子体放电的源，但是应注意，本公开适用于射频(RF)能量源的使用。另外，虽然指定使用微波吸收冷却液，但是应注意，包括本发明的系统可以利用非吸收性冷却液。

图3包括图2所示的冷却夹套的示例性实施方式的示意性剖视图。参照图3，具有入口82和出口84的冷却管80缠绕在等离子体放电管86周围。冷却管80优选地以螺旋状路径环绕等离子体放电管86的外表面，并且在路径的各环之间留出小的间距88。在一些具体示例性实施方式中，微波电场平行于延伸通过等离子体放电管86的中心92的纵轴线90定向。该定向允许微波能量容易地穿透螺旋状通道的各环之间的等离子体放电管86而不由流体显著衰减，从而允许形成并保持等离子体。冷却管80可以是金属或非金属，并且可热接合至等离子体放电管86的外表面。

期望的是，等离子体施加器，诸如上面结合图1至图3所描述的等离子体施加器，充分地生成工业应用所需的高流速、无污染、化学活化气体。如上所述，图2所示的微波等离子体施加器2包括微波腔体和具有螺旋状冷却盘管80的电介质等离子体放电管50。波导部72中的微波电场的方向平行于等离子体放电管50的纵轴线74定向。因此螺旋状冷却盘管80的各环几乎垂直于等离子体放电管50的纵轴线，所以该电场定向允许微波能量容易地穿透至螺旋状盘管80的各圈或环之间的等离子体放电管50中。

在图2的设备中，微波功率吸收高度局部化。图4A和图4B包括图2所示的等离子体施加器2的示意性功率吸收分布图。具体地，图4A包括在与波导部72垂直的方向上观察的、图2的等离子体施加器2的功率吸收分布图。图4B包括在沿波导部12的方向观察的、图2的等离子体施加器2的功率吸收分布图。如通过图4A和图4B可看到的，等离子体放电管50中的功率吸收分布图在使微波入口面向等离子体放电管50的区域处集中。高峰值功率密度使得等离子体通道被活性气体和等离子体过度腐蚀。此外，靠近波导部入口的峰值热通量高，这创建巨大的热-机械应力，该热-机械应力可能致使电介质等离子体放电管破裂。因此，这种类型的等离子体施加器2的最大操作功率限于约3kW。

可使用电感耦合和电容耦合的等离子体设备来生成活化气体，但是它们也受到严格的限制。电容耦合等离子体在生成活性气体时能量效率低。随着电流在放电电极处终止，很大一部分能量损失在电极中，因而使可用于气体激发的能量减小。此外，在电极表面处生成高能电子和离子致使对等离子体源表面的腐蚀增加。这导致高化学制品污染和高颗粒污染并且缩短产品寿命。

与电容耦合放电相比，电感耦合的等离子体可具有较高的能量效率。然而，在电感耦合的等离子体设备中，很难完全消除电容耦合。为了获得高的磁耦合效率，在电感式等离子体设备中，例如，在第6,150,628号美国专利中所公开的这类环形等离子体生成器中，可使用磁芯，所述专利的全部内容通过引用并入本文。使用环形几何形状限制对可用于形成等离子体腔室的材料的选择。使用诸如铝、阳极化铝或氧化铝陶瓷的金属、涂覆金属或陶瓷来形成环形等离子体腔室。然而，难以使用诸如蓝宝石的单晶材料来形成等离子体腔室。在要求低化学制品和颗粒污染的应用中，这对电感式等离子体源的使用有所限制。

根据一些示例性实施方式，提供了这样的微波等离子体施加器，与现有微波等离子体施加器相比，所述微波等离子体施加器具有改进的功率沉积均匀性、更高的功率容量以及较低的污染。示例性实施方式的施加器包括微波腔体和电介质等离子体放电管，所述电介质等离子体放电管由导电冷却盘管围绕。在一些具体示例性实施方式中，导电冷却盘管可成螺旋状地缠绕在等离子体放电管的外部。波导部中的微波电场的方向相对于等离子体放电管的纵轴线成30°和90°之间的角度，优选地成45°和90°之间的角度。通过使电场的分量与导电盘管的各环平行，在导电冷却盘管中感生出电流。电流沿导电冷却盘管流动，这使得微波能量纵向地且围绕电介质等离子体放电管成一定方位地传导，从而使得微波功率被更均匀地吸收在等离子体中。

图5A至图5D包括示出根据一些示例性实施方式的等离子体施加器100的示意图。具体地，图5A包括根据示例性实施方式的等离子体施加器100的示意性局部剖视立体图；图5B包括根据示例性实施方式的等离子体施加器100的示意性侧视图；以及图5C包括根据示例性实施方式的等离子体施加器100沿图5B的线A-A获取的示意性剖视图。图5D包括根据一些示例性实施方式具有环绕的导电螺旋状冷却盘管的等离子体放电管的示意性细节剖视图。

在图5A至图5C所示的等离子体施加器100的实施方式中，波导部172定向成使得电场的方向相对于电介质等离子体放电管150的纵轴线呈90°。在一些示例性实施方式中，波导部172具有矩形截面，所述矩形截面具有限定波导部172的主横截轴170的较宽边以及限定波导部172的次横截轴171的较窄边。波导部172定向成使得波导172的主横截轴170与等离子体放电管150的纵轴线151平行。在其基础模式中，波导部172中的微波电场最初与波导部172的次横截轴171平行(参照图12B)。微波能量通过波导部172耦合或引导至腔体152。由导电冷却盘管160围绕的电介质等离子体放电管150位于腔体152的中央。导电冷却盘管160热结合至等离子体放电管150，以从等离子体放电管150去除热量。在一些示例性实施方式中，导电冷却盘管可螺旋状地缠绕等离子体放电管150的外部，如图5A至图5D的示例性实施方式中所示。相邻环之间的间距可选择成控制等离子体放电管的温度。相邻环之间的间距可选择成在确保微波场的增长的同时最小化等离子体放电管的温度。

在一些实施方式中，导电冷却盘管的相邻环之间的间距可基于等离子体放电管调整，使得可根据等离子体阻抗和/或微波功率级来调整该间距。为此，在一些实施方式中，导电冷却盘管可由柔性金属管制成。可在导电冷却盘管上布置电介质形成物或隔离物，以设定相邻环之间的间距。柔性管可由诸如铜的软金属制成，或者可具有与波纹管类似的弹性结构，或者可具有与鹅颈管中所使用的机构类似的柔性机构。间距可例如被调整成改进等离子体放电管中的功率沉淀的均匀性。通常，在一些实施方式中，导电冷却盘管的相邻环之间的间距可调整成在等离子体放电管中获得任何期望的功率分布图。

由于导电冷却盘管160的螺旋圈或环与波导部172中的电场几乎平行，在导电冷却盘管160中感应出电流。电流沿导电螺旋状冷却盘管160流动，从而有助于沿等离子体放电管150的纵轴线151传导微波能量。根据示例性实施方式，也可使用诸如圆形或椭圆形波导部的其他波导形状。

在一个示例性实施方式中，导电冷却盘管160可由铜管制成，且冷却流体在铜管内部流动。就在电介质等离子体管150与冷却盘管160之间提供更大的接触面积从而提高从电介质等离子体管150到冷却盘管160的热导率而言，使用方形或矩形横截面的冷却管是有利的。冷却流体可以是任意上述冷却流体。在一些示例性实施方式中，冷却流体是水。在一些示例性实施方式中，微波扼流器154(在图5D中具体标记为154A、154B、154C和154D)位于冷却结构的端部处，以防止微波能量从微波腔体152泄漏。冷却结构可包括流体入口156和流体出口158，例如水的冷却流体通过所述流体入口16进入冷却盘管160，冷却流体通过流体出口158退出冷却盘管160。气体通过气体入口159进入电介质等离子体管150。根据一些示例性实施方式，使用温度传感器157来监测等离子体放电管150外部的温度分布图。温度传感器157可以是红外热传感器的阵列，其布置在微波腔体152上并且沿着纵轴线151布置，以用于监视等离子体放电管150的外部的温度及温度分布图。温度信号被传输至控制系统并用于保护等离子体放电管150以及用于优化工艺。光学传感器164可安装在微波腔体152上以用于监测来自等离子体的光发射。当等离子体在电介质等离子体管150中被点燃时，光学传感器启动。该信号指示在微波能量通电之后形成等离子体，并且可用于控制后续工艺参数。可选地，压力传感器(未示出)可流动性地连接至电介质等离子体管150，以在处理期间监测电介质等离子体中的气体压力。

图6包括等离子体施加器100的示意性剖视图，其示出了等离子体施加器100中的电场分布。波导部172的后壁174(在图6中示于腔体152的左侧)选择成相距导电螺旋状冷却盘管160的外半径约为波长的一半(λ/2)，从而在导电螺旋状冷却盘管160中感应出最大电流同时使等离子体放电管150两侧的电场强度保持对称。根据一些示例性实施方式，电介质等离子体放电管150的直径可处于1cm和10cm之间，等离子体放电管150的长度可处于10cm和100cm之间。

图7A和图7B包括根据一些示例性实施方式的等离子体施加器100的示意性剖视图，其示出了等离子体施加器100中的模拟功率吸收分布图。图7A定向成在与波导部172垂直的方向上观察，图7B定向成在沿波导部172的方向上观察。图7A和图7B的模拟功率吸收分布图与图6所示的电场分布对应。图7A和图7B示出，根据示例性实施方式，微波功率在等离子体放电管150的整个长度上被吸收且由于微波的有限波长而具有一些波状结构。

图7A和图7B所示的功率吸收分布图示出微波功率的吸收延伸至等离子体放电管150的整个长度。在导电螺旋状冷却盘管160中流动的微波电流与等离子体之间的功率耦合相对微弱。微波能量在等离子体放电管150的纵向方向上可传导至50-100cm。由于微波的有限波长，功率吸收沿等离子体放电管150的纵轴线具有波状结构。由于微波能量从电介质等离子体放电管150外部进行耦合，所以功率吸收也发生在等离子体柱的外半径处。与图2、图4A和图4B的等离子体施加器2的功率吸收分布图相比，图7A和图7B的功率吸收分布图明显更加均匀。

如以上具体所述以及如图5D、图6、图7A和图7B中所示出，根据示例性实施方式，在图5D中具体标记为154A、154B、154C和154D的微波扼流器154位于冷却结构的端部处布置，以防止微波能量从微波腔体152泄漏。扼流器是长度约为波长的四分之一的短路短截线。扼流器154的开口面向等离子体放电管。在每个扼流器154的短路端，电场最小而电流最大。在远离四分之一波长处，电场最大而电流最小。在面对等离子体放电管的扼流器开口处存在阻抗，从而防止微波能量沿管进一步传导。根据示例性实施方式，“双扼流器”结构中的两个扼流器设置在等离子体放电管的每个端部处。与单个扼流器结构(其中电场可减小单个数量级)相比，使用根据示例性实施方式的双扼流器结构使微波电场减小两个数量级(功率减小四个数量级)。等离子体放电管端部处的微波电场和功率的减少阻止或基本减少在管的端部处逃逸的微波电场和功率的量。因此，等离子体放电管内部可使用高得多的功率。应注意，图6、图7A和图7B所示的扼流器154是直式扼流器，而图5D中所示的扼流器154A、154B、154C和154D是折叠式扼流器。只要这些扼流器的电长度相同，则直式扼流器与折叠式扼流器具有相同的操作特性。本公开既可适用于折叠式扼流器又可适用于直式扼流器。

根据示例性实施方式，由于设备的最大功率容量通常受到峰值热负载的限制，所以均匀的功率吸收有益于大功率等离子体源。提高功率均匀性会降低峰值热通量和表面温度，从而导致等离子体放电管上的热-机械应力更低。位于等离子体施加器腔体152的端部处的微波扼流器154反射并限制施加器腔体152内部的微波能量。因此，可获得等离子体施加器100的长度的宽选择范围。因此，示例性实施方式的等离子体施加器100可伸缩以适应各种功率需求和气体化学性质。在图5A至图5D的等离子体施加器100的具体示例性实施方式中，可使用2.54GHz的微波频率。应理解，本公开可适用于范围在800MHz至30GHz中的微波频率。

图8A和图8B包括现有技术等离子体施加器(诸如图3所示的等离子体施加器2)和示例性实施方式的等离子体施加器(诸如图5A至图5D所示的等离子体施加器100)的等离子体放电管的温度-压力曲线。在图8A和图8B的图形中，虚曲线用于现有施加器2，而实曲线用于示例性实施方式的施加器100。对于两对曲线所基于的操作实验中的每个，被测试的两个等离子体施加器具有等同的尺寸并具有等同的冷却结构，并且在等同的气体条件下进行操作。在图8A的曲线中，两个施加器都在1.5kW的功率下进行操作；而在图8B的曲线中，两个施加器都在3kW的功率下进行操作。如图8A和图8B所示，示例性实施方式的等离子体施加器100(其中电场方位相对于现有等离子体施加器2的方位旋转90°)相对于现有技术的等离子体施加器2冷40-50％。

图9是根据一些示例性实施方式的温度相对轴向位置的图形，其示出等离子体施加器100中的等离子体放电管150的多个纵向或轴向操作温度分布图。图9的多个曲线示出了在多种气体流动和功率条件下的各种温度分布图。等离子体施加器100在高达6kW的微波功率下操作，该微波功率大约是现有等离子体施加器2的最大工作功率的两倍，而等离子体放电管100的峰值温度处于现有等离子体施加器2的峰值温度之下。由于等离子体施加器100的长度可伸缩，因此功率容量可根据需要而增加。

根据一些示例性实施方式，为了进一步提高等离子体中功率沉积的均匀性，导电螺旋状冷却盘管160的俯仰角可沿等离子体放电管150的纵轴线而变化。换言之，导电螺旋状冷却盘管150中的环之间的间距可改变，以提高功率吸收分布图的均匀性和/或获得期望的功率吸收分布图。

等离子体放电管150上的导电螺旋状冷却盘管160提供多种功能，即，将微波能量传导并耦合至等离子体并且向电介质等离子体放电管150提供冷却。随着微波功率增加，等离子体放电管150上的热-机械应力增加。如上所述，在示例性实施方式中，为了最大化等离子体放电管150的功率容量，导电螺旋状冷却盘管160可由管制成，并且冷却流体可在导电螺旋状冷却盘管160的内部流动以去除来自等离子体放电管150的热量。可使用例如热硅化合物的导热保形热接合材料来将导电螺旋状冷却盘管160结合至电介质等离子体放电管150。根据一些示例性实施方式，可基于微波传导/耦合的优化和热导需求来选择导电螺旋状冷却盘管160的相邻环之间的间距。当间距变窄时，相邻环之间的电场增加，这可增加导电螺旋状冷却盘管160中所感应的并且沿着等离子体放电管150的纵轴线的电流，从而增加微波能量到等离子体放电管150的耦合和传送。然而，间距变窄还可在导电螺旋状冷却盘管160处导致电弧。为了减缓这种可能性，可沉积电介质材料以填充相邻环之间的间距从而提高电弧作用阈值。相反，当环之间的间距变宽时，从电介质等离子体放电管150到在导电螺旋状冷却盘管10内部流动的冷却流体的热导降低，这可导致更高的热-机械应力并且偶尔使得电介质等离子体放电管150上的等离子体腐蚀更高。在一些示例性实施方式中，用于在1-10kW功率下操作的微波等离子体放电管150的导电螺旋状冷却盘管160的各环之间的优选间距可处于0.2cm至1cm的范围内。

图10包括根据另一示例性实施方式的等离子体施加器200的示意性立体图。图10的等离子体施加器200在许多方面与图5A至图5D的等离子体施加器100相同；主要区别在于，在图10的等离子体施加器200中，波导部272绕其纵轴线相对于等离子体放电管250如箭头273所示旋转，使得波导部272的次横截轴271以及因此使得微波电场相对于等离子体放电管250的纵轴线251形成预定角度。除非另有指示，否则关于图5A至图5D的等离子体施加器100的以上说明适用于图10的等离子体施加器200。

参照图10，在该具体说明的示例性实施方式中，波导部272的次横截轴271与等离子体放电管250的纵轴线251之间的预定角度示为60°，而不是图5A至图5D的等离子体施加器100中的90°角度。对于将微波功率均匀地沉积在相对短的等离子体放电管250中，在微波电场与等离子体放电管250的纵轴线251之间使用锐角尤其有用。另外，如等离子体施加器100那样，在图10的等离子体施加器200中，导电螺旋状冷却盘管(未示出)的各环与等离子体放电管250的纵轴线几乎垂直。由于电场的方向相对于导电螺旋状冷却盘管的环成角度，相对于导电螺旋状冷却盘管的环，电场既具有垂直分量又具有平行分量。垂线电场E_⊥可相对容易地穿透导电螺旋状冷却盘管并且在原位被吸收。平行电场E_//在导电螺旋状冷却盘管中感应出电流，并且有助于沿等离子体放电管250的纵轴线传导微波能量。调整微波电场与导电螺旋状冷却盘管之间的角度从而改变E_⊥和E_//的相对强度，进而允许优化等离子体放电管250中的功率吸收分布图。

图11A和图11B包括图10所示的等离子体施加器200的工作功率吸收分布图的示意图。具体地，图11A包括在与波导部272的方向垂直的方向上观察的微波功率吸收分布图的示意性剖视图，图11B包括在沿波导部272的方向上观察的微波功率吸收分布图的示意性剖视图。在该示例性实施方式中，波导部272的次横截轴271与等离子体放电管250的纵轴线251之间的角度为60°。在该角度下，对于直径为3.8cm且长度为20cm的电介质等离子体，放电管对微波功率吸收的均匀性进行优化，如图11A和图11B中所示的那样。

图12A至图12D包括根据一些示例性实施方式的另一等离子体施加器200A的示意性立体图，其中，可实时调整波导部的次横截轴(即由箭头或矢量标记“E”示出的微波电场)与等离子体放电管的纵轴线之间的角度。参照图12A，除了等离子体施加器200A包括柔性或旋转接头275和276之外，等离子体施加器200A与图10的等离子体施加器200相同，其中，波导部272A通过该接头275和276联接至微波腔体252A和等离子体放电管250A。如箭头273A所示，柔性或旋转接头275和276允许波导272A相对于等离子体放电管250A旋转，使得可实时调整微波电场相对于等离子体放电管250A的角度以例如匹配特定等离子体负载。

图12B至图12D示出图12A所示的旋转接头275和276的示例性实施方式。每个旋转接头包括两个圆形凸缘，一个固定在微波腔体252A上而另一个固定在波导部272A上。波导部中的最低阶微波电场的方向主要与次横截轴平行，如图12B和图12D中标记为“E”的箭头或矢量所示。可通过相对于微波腔体旋转波导部分来调整微波腔体252A与面对腔体的前侧和后侧的波导部之间的角度。一旦获得期望角度，便可夹紧并锁定凸缘262A和262B(或263A和263B)。在一些实施方式中，相互作用的凸缘的多个表面电接触，以防止微波从接头处泄漏出。在一些其他实施方式中，如图12C中所示，微波扼流器264组装在波导凸缘263A或263B中。当波导部凸缘没有电接触时，微波扼流器264的使用防止微波从旋转接头处泄漏。这使得更方便调整旋转接头的相对角度。

在一些示例性实施方式中，可精确地控制波导部相对于等离子体放电管的旋转，使得可实时调整微波电场相对于等离子体放电管的角度。因此，实现了实时调整等离子体放电管内部的微波功率吸收分布图和/或电磁场分布和/或温度分布。图13包括根据一些示例性实施方式的波导部旋转可控制的等离子体施加器的示意性立体图。参照图13，波导372相对于等离子体放电管250A的旋转可通过反馈回路由处理器/控制器314、一个或多个致动控制器3I8A、318B以及一个或多个致动器320A、320B控制。

如图13所示，等离子体放电管250A可配置有一个或多个电磁场传感器310和/或一个或多个温度传感器312。应理解，可根据示例性实施方式使用任意数量的电磁场传感器310和任意数量的温度传感器312，包括没有电磁场传感器或者没有温度传感器，并且根据示例性实施方式，传感器可物理地位于等离子体放电管250中的和/或附近的多个位置处。位于任何和所有位置处的任何和所有电磁场传感器在图13中整体以参考标记310表示和参考。类似地，位于任何和所有位置处的任何和所有温度传感器在图13中整体以参考标记312表示和参考。

电磁场传感器310可向处理器/控制器314提供指示等离子体放电管250A中和/或附近的电磁场强度和均匀性的信号。温度传感器312可向处理器/控制器314提供指示等离子体放电管250A中和/或附近的温度及其均匀性的信号。处理器/控制器314处理所接收的信号，以确定是否达到期望的电磁场和/或功率吸收和/或温度分布图。处理器/控制器314然后生成致动控制信号并将该信号传送至一个或两个致动器控制器318A、318B，该致动器控制器318A、318B分别控制例如致动器臂320A、320B的纵向位移运动。致动器臂320A控制波导部372的前部分或下部分372A绕旋转接头276的旋转，而致动器臂320B控制波导部372的后部分或上部分372B绕旋转接头275的旋转。因此，在一些示例性实施方式中，利用电磁传感器310和/或温度传感器312提供的反馈，处理器/控制器314控制波导部372相对于等离子体放电管250A的旋转，以在等离子体放电管250A内部获得期望的电磁、功率吸收和/或温度分布图。

在一些示例性实施方式中，使两个部分372A和372B相对于等离子体放电管250A旋转相同角度可能是可接受的或可取的。在该实施方式中，仅需要致动控制器318A、318B中的一个；致动控制器318A、318B中的一个可能被去除。在该情况中，可使用可选的刚性附接构件378来附接波导部分372A和372B，使得当其中之一被致动成旋转时，另一个通过刚性附接构件378提供的刚性附接而进入相同的旋转。

在一些示例性实施方式中，还可由用户提供用户输入，以手动地控制波导部372相对于等离子体放电管250A的旋转。该用户输入可添加至由电磁传感器310和/或温度传感器312来促进的闭式循环控制。该用户输入也可替代闭式循环控制，即，可使用用户输入替代来自传感器310和/或312的反馈。换言之，在一些实施方式中，可通过可选的用户输入影响波导部372相对于等离子体放电管250A的旋转的开式循环控制。

本公开提供了改进的微波等离子体施加器，以生成用于材料处理的活性气体。本公开的方法提供等离子体的高的功率吸收均匀性，从而降低通向等离子体腔室壁的峰值功率通量并减小表面腐蚀。本公开的方法还降低等离子体腔室上的热-机械应力，并且增加等离子体施加器的功率容量。腔室壁的表面腐蚀的降低以及等离子体腔室上的热-机械应力的降低使得施加器寿命增加。使用等离子体拓扑以使得具有例如圆形、椭圆形或矩形横截面的直式电介质管可用作等离子体腔室。这允许更宽泛地选择用于等离子体放电腔室的、呈单晶或陶瓷形式的电介质材料，诸如Al₂O₃、Y₂O₃、YAG、MgO和/或SiO₂，以形成等离子体腔室并且处理各种等离子体化学制品。本公开的等离子体施加器可与利用高活性气体工作，这些高活性气体诸如氢、氧、氮、氟、氯及这些气体的混合物，这些气体对于气体流速的改变具有快速的响应。气体的示例包括H₂、O₂、N₂、NF₃、Cl₂、HC1、NH₃、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、Cl₃F、N₂O和H₂O。本公开的等离子体施加器可在0.1至100slm的气体流速、0.001至1000torr的气体压力范围以及1至20kW的微波功率下工作。功率容量越高则使得处理吞吐量增加。根据本公开，等离子体腔室表面的腐蚀以及相关的化学制品和颗粒污染被最小化。降低激发原子和分子气体(诸如原子H、N、O、F、Cl5和Br)的表面复合或减活，以提高活性气体输出。根据本公开，提供了可容易集成到半导体制造系统中的、高能量效率的等离子体施加器。本公开的等离子体施加器可适用的过程包括光致抗蚀剂剥离、各向异性蚀刻、化学气相沉积、原子层沉积或蚀刻、表面氧化和/或硝化以及表面清洁。

虽然本文具体示出和描述了示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离以下权利要求的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面对这些实施方式进行各种改变。