专利名称：用于等离子反应器加热静电卡盘的高交流电流、高射频功率的ac－rf退耦滤波器的制作方法
本申请要求2006年6月13日递交的美国临时申请序列号No.60/813,572的优先权。
背景技术：
在半导体集成电路制造中使用的等离子反应器可以利用用于夹持反应器室(reactor chamber)中晶片的静电卡盘(ESC)。通过调节在ESC上的半导体晶片的温度来改善工艺控制。例如，典型的用于在硅晶片的表面上形成高孔径比开口的等离子刻蚀工艺通过将诸如碳氟化合物或氢氟碳化合物气体的工艺气体引入该室中并将射频(RF)功率耦合到该室中来执行。用于控制等离子体离子浓度的等离子体射频源功率可通过将甚高频(VHF)功率耦合到顶层电极(ceiling electrode)。可通过将高频功率耦合到ESC施加用于控制等离子鞘电压的等离子体射频偏置功率。为了控制晶片的温度，在ESC的绝缘层中设置作为ESC的晶片支撑表面下方的电阻元件的电子加热元件。射频偏置功率可施加给ESC的绝缘层中的卡盘电极(chucking electrode)。可选地，射频偏置功率可施加给ESC的绝缘层之下的ESC的导电基底(conductive base)。在任一种情况下，一些所施加的射频偏置功率电容性地耦合电子加热元件，从而将射频偏置功率从等离子体中转移。实际上，依赖于加热元件的设计，将射频偏置功率耦合加热元件比耦合等离子体更容易。因此，电子加热器电路是ESC或阴极上主要的射频负载。它显著地改变了腔室阻抗。因此转移的射频电流经过加热器电流源流至射频接地。该转移妨碍了等离子体的控制，因为等离子鞘层电压和离子能量(例如)表现不确定并且依赖于耦合到加热器元件的电容量，其可随机地变化。
为了解决该问题，可在加热元件和加热电流源之间设置射频滤波器。该滤波器设计用于在射频偏置功率发生器的频率(典型地但不限于13.56Mhz)提供高阻抗以阻碍射频电流流动，同时对于60Hz的加热器源电流几乎不提供或没有阻抗。为了在射频偏置频率提供足够的阻抗，经济型的射频滤波器通常包括围绕可渗透的磁心的扼流圈或感应线圈，该磁心直径约为0.65mm并具有非常高的渗透率(例如，在3000-7000范围内的渗透率，这里的渗透率为磁心的渗透常数和空气的渗透常数的比率)。这样的高渗透率在磁心中产生与射频电压相关的高磁通量。已经发现，在典型的等离子体蚀刻工序中所需的射频偏置功率电平处，例如13.56MHz处150瓦，ESC处的峰-峰的射频电压可高到2KV。在磁心中的磁通量是射频电压(2KV)和磁心渗透率(4000)的函数，并且因此非常高。在这样高的射频电压处，在磁心的磁场中的高频(13.56MHz)振荡造成高渗透率磁心剧烈升温并且最终造成滤波器的破坏和失效。试图使用ESC加热器电路的所有经济型射频滤波器中均有该问题。因为没有高渗透率的扼流圈，不可能解决该问题，在13.56MHz处的射频阻抗不足以防止射频偏置功率通过加热器电路的泄漏。例如，使用空气心扼流圈(1.0的渗透率)将需要在该扼流圈上超过40或更多的线圈，以提供足够的感抗。使用该方法的问题在于在该扼流圈线圈上这样高数量的圈数将导致允许射频泄漏的扼流圈中的高容抗。
另一问题在于可高达40安培的加热器的电流往往加热扼流圈线圈，这造成射频滤波器中的过热问题。
发明内容
一种与电阻加热元件电抗性耦合的射频阻塞滤波器，其用于使得两相交流电源过滤分离至少2千伏特峰-峰的高频频率的功率，同时将来自所述两相交流电源的几千瓦的60Hz的交流功率提供给所述电阻加热元件而不会过热，两相交流电源具有一对接头并且所述电阻加热元件具有一对接头。滤波器包括一对圆柱形的绝缘的封套，各个封套具有在约1到2英寸之间的内径，以及各自多个熔融的铁粉超环状体，其同轴堆叠在所述一对圆柱形封套的各个封套中，并且具有大约10的磁渗透率，其中超环状体的外径与各个所述封套的所述内径大致相同。一对直径在3毫米到3.5毫米之间的导线导体，其螺旋地缠绕在所述一对封套的相应一个上，从而对于各个所述封套形成各自在约1 6匝到24匝范围内的感应器线圈，各个感应器具有输入端和输出端。各个感应器的输入端与两相交流电源的一对接头的相应一个耦合，并且各个感应器的输出端与电阻加热元件的一对接头的相应一个耦合。一对电容器，其连接在各个一对感应器的输入端与地之间，各个电容器具有在超过所述高频频率至少几个MHz的谐振频率处与相应一个感应器的感应形成谐振的电容，从而滤波器在高频频率处表现出感抗并且在高频频率处具有超过60db的射频衰减。
图1A、1B和1C示出了包括一对实施本发明的射频阻塞滤波器(blockingfilter)的等离子反应器，其中图1A为该反应器的简化示意图，图1B为射频阻塞滤波器的元件的放大透视图以及图1C为阻塞滤波器的典型磁心的放大透视图；图2为图1A的反应器的一部分的俯视图，其示出了在ESC中各自射频阻塞滤波器以及内部和外部电阻加热元件之间的连接关系。
具体实施例方式
参照图1A、1B和1C的装置，等离子反应器包括由支撑包括工艺气体分配喷淋头16的顶14的圆柱形的侧壁12限定的真空室10。工艺气体源18与气体分布喷淋头耦合。静电卡盘(ESC)20夹持室10中的半导体晶片。ESC20包括导电基底24和可由陶瓷材料构成的绝缘层26。由导电丝网组成的卡盘电极28包含在绝缘层26中。内部螺旋加热元件30和外部螺旋加热元件32(图2)保持在卡盘电极28之下的绝缘层26中。真空泵34保持腔室10中低于大气压的压力。
射频偏置功率源36通过阻抗匹配电路38与导电基底24或卡盘电极28中任一个耦合。射频偏置源优选具有高频或低频的频率并且其输出电平控制等离子鞘层电压。在一个实施方式中，射频偏置频率为13.56MHz。两相交流内部加热器源40通过射频滤波器42将交流电流提供给内部加热器元件30。两相交流外部加热器源44通过射频滤波器46将交流电流提供给外部加热器元件32。射频滤波器42、46防止射频偏置发生器36的功率泄漏到加热器源40、44，否则其可通过绝缘层26的电容耦合造成。同时，射频滤波器42、46允许高达8KW的交流功率流向加热器元件30、32。各个滤波器42和46可经受ESC上几千伏特峰-峰的13.56MHz射频电压，而没有过热地同时通过8KW的60Hz的加热器源电流。可选地，交流线路滤波器50和52可设置在电流源40和44的输出处。
各个射频滤波器42和46在结构上相同。现描述射频滤波器42。一对卡盘感应器60和62在它们的输出端60a和62a处分别与内部加热器导体30的端部30a和30b相连接。卡盘感应器60和62在它们的输入端60b和62b处通过交流线路滤波器50与交流源40的2相输出相连接。晶片温度通过控制来自源40的交流源电流来调节。一对分路电容64和66在感应器输入端60b和62b分别接地。
交流线路滤波器50和52可具有相同结构。交流线路滤波器50包括一对在输出端60b和62b之间串联连接的感应器70和72以及交流源40。一对分路电容74和76分别在感应器70和72的输入端70a和72b和地之间相连接。射频滤波器42的各个射频阻塞卡盘感应器60和62具有低渗透率的磁心80(在7和20之间的渗透率并且优选等于约10)，该磁心由熔融的铁粉形成为具有较大直径D(1.25英寸和2.5英寸之间，优选等于1.5英寸)的圆柱形。圆柱形磁心80的低渗透率以及其相对较大的直径使得该磁心在高频处(13.56MHz)可经受高(2KV p-p)电压而不会过热。另一方面，该渗透率(例如，10)提供了来自磁心80的足够的感抗，从而不需要大量的线圈来获得所需的感抗。在优选实施方式中，匝数为21并且在其它实施方式中可在16到24的范围中。该适度数量的线圈将线圈中的固有电容降低到最小，从而该磁心提供了所需的感抗。在优选实施方式中，在13.56MHz的偏置频率处的各个磁心感应器60、62(各缠绕上述类型的磁心80)的感抗约为1.7千欧姆，并且在其它的实施方式中，可以在1.5到3千欧姆的范围中。射频滤波器42在偏置功率发生器36的频率(13.56MHz)之上开始充分谐振，从而滤波器42在13.56MHz处具有感抗。例如，在优选实施方式中，电容器64和66各具有0.01微法的电容，其提供了18.7MHz的滤波器谐振频率，大于偏置发生器频率大约5MHz。
参照图1C，各个磁心80优选形成为容纳四个具有相同外径且所有的磁渗透率均为10，并且同心设置的熔融的铁粉超环状体91、92、93和94的特氟纶(Teflon)圆柱形封套90。感应器60和62的导体61和63螺旋地缠绕在各自圆柱形特氟纶(Teflon)封套90上。为了避免来自导体60和62中60Hz交流加热器源电流的红外损失的过热，各个导体61由具有3.2639毫米或直径在3毫米到3.5毫米范围内的厚的(#8口径)磁导线构成。在优选实施方式中，在各个感应器60和62上缠绕的导体的长度为2.8米，但也可在2到4米的范围内。
在优选实施方式中，各个射频滤波器42和46提供超过60db射频衰减，优选实施方式中，在13.56MHz处达到接近70dB的射频。在来自13.56偏置功率发生器36的150瓦特的射频偏置功率时，通过射频滤波器泄漏到地的电流小于4毫安。对于13.56MHz处的150瓦特的偏置功率以及8千瓦特的加热器源功率，射频电压为峰-峰的3千伏特，并且滤波器42和46没有显示在延长的运行期间过热。并且，使用上述优选实施方式的射频滤波器42和46可忽略由加热器电路造成的等离子体或腔室阻抗中的变化。
权利要求
1.一种与电阻加热元件电抗性耦合的滤波器，其用于使得两相交流电源过滤分离至少2千伏特峰一峰的高频频率的功率，同时将来自所述两相交流电源的几个千瓦的60Hz的交流功率提供给所述电阻加热元件而不会过热，所述两相交流电源具有一对接头并且所述电阻加热元件具有一对接头，所述滤波器包括一对圆柱形的绝缘的封套，各个封套具有在约1到2英寸之间的内径；各自多个熔融的铁粉超环状体，其同轴堆叠在所述一对圆柱形封套的各个封套中，并且具有大约10的磁渗透率，其中所述超环状体的外径与各个所述封套的所述内径大致相同；一对直径在3毫米到3.5毫米之间的导线导体，其螺旋地缠绕在所述一对封套的相应一个上，从而对于各个所述封套形成各自在约16匝到24匝范围内的感应器线圈，各个所述感应器具有输入端和输出端，各个所述感应器的所述输入端与所述两相交流电源的所述一对接头的相应其中之一耦合，并且各个所述感应器的所述输出端与所述电阻加热元件的所述一对接头的相应其中之一耦合；以及一对电容器，其连接在各个所述一对感应器的输入端与地之间，各个所述电容器具有在超过所述高频频率至少几MHz的谐振频率处与相应一个所述感应器的感应形成谐振的电容，从而所述滤波器在所述高频频率处表现出感抗并且在所述高频频率处具有超过60dB的射频衰减。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述高频频率至少为约13.65MHz，所述直径为1.5英寸，各个所述感应器线圈的所述匝的数量为21，所述电容器的所述电容为约0.01微法并且所述谐振频率约为18.7MHz。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，还包括连接在所述感应器的所述输入端与所述两相交流电源之间的交流线路滤波器。
4.一种等离子反应器，包括静电卡盘(ESC)，其具有上部的绝缘层以及在所述绝缘层下方的导电基底，其中所述绝缘层包含卡盘电极以及各具有两个接头的同心的内部加热器元件及外部加热器元件；高频频率的射频偏置功率发生器和阻抗匹配元件，所述发生器通过所述阻抗匹配元件与(a)所述卡盘电极和(b)所述导电基底的其中一个相连接；各个两相交流电源，各具有两个用于将电流提供给相应一个所述内部加热器元件和外部加热器元件的接头；一对与电阻加热元件电抗性耦合的滤波器，其用于使得所述两相交流电源过滤分离至少2千伏特峰一峰的高频功率，同时将来自所述两相交流电源的几个千瓦的60Hz的交流功率提供给所述电阻加热元件而不会过热，所述两相交流电源具有一对接头并且所述电阻加热元件具有一对接头，各个所述滤波器包括一对圆柱形的绝缘的封套，各个封套具有在约1到2英寸之间的内径；各自多个熔融的铁粉超环状体，其同轴堆叠在所述一对圆柱形封套的各个封套中，并且具有大约10的磁渗透率，其中所述超环状体的外径与各个所述封套的所述内径大致相同；一对直径在3毫米到3.5毫米之间的导线导体，其螺旋地缠绕在所述一对封套的相应一个上，从而对于各个所述封套形成各自在约16匝到24匝范围内的感应器线圈，各个所述感应器具有输入端和输出端，各个所述感应器的所述输入端与所述相应的两相交流电源的所述一对接头的相应其中之一耦合，并且各个所述感应器的所述输出端与所述相应的电阻加热元件的所述一对接头的相应其中之一耦合；以及一对电容器，其连接在各个所述一对感应器的输入端与地之间，各个所述电容器具有在超过所述高频频率至少几MHz的谐振频率处与相应一个所述感应器的感应形成谐振的电容，从而所述滤波器在所述高频频率处表现出感抗并且在所述高频频率处具有超过60dB的射频衰减。
5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述高频频率至少为约13.65MHz，所述直径为1.5英寸，各个所述感应器线圈的所述匝的数量为21，所述电容器的所述电容为约0.01微法并且所述谐振频率约为18.7MHz。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一对交流线路滤波器，其连接在各自的所述感应器的所述输入端与各自的所述两相交流电源的接头之间。
全文摘要
本发明公开了一种与电阻加热元件电抗性耦合的射频阻塞滤波器，其用于使得两相交流电源过滤分离至少2千伏特峰－峰的高频频率的功率，同时将来自所述两相交流电源的几千瓦的60Hz的交流功率提供给所述电阻加热元件而不会过热，两相交流电源具有一对接头并且所述电阻加热元件具有一对接头。滤波器包括一对圆柱形的绝缘的封套，各个封套具有在约1到2英寸之间的内径，以及各自多个熔融的铁粉超环状体，其同轴堆叠在所述一对圆柱形封套的各个封套中，并且具有大约10的磁渗透率，其中超环状体的外径与各个所述封套的所述内径大致相同。一对直径在3毫米到3.5毫米之间的导线导体，其螺旋地缠绕在所述一对封套的相应一个上，从而对于各个所述封套形成各自在约16匝到24匝范围内的感应器线圈，各个感应器具有输入端和输出端。
文档编号H05H1/46GK101090259SQ20071010306
公开日2007年12月19日 申请日期2007年5月16日 优先权日2006年6月13日
发明者瓦伦丁·N·托多罗夫, 迈克尔·D·威尔沃思, 亚历山大·M·帕特森, 布赖恩·K·哈彻, 詹姆斯·E·萨蒙斯三世, 约翰·P·荷文 申请人:应用材料股份有限公司