专利名称：用于点燃和维持等离子体的方法和装置的制作方法
用于点燃和维持等离子体的方法和装置
背景技术：
在半导体产品的制造中，如晶片等衬底经过沉积和蚀刻工艺以在其上形成特征。在处理步骤之间半导体衬底的处理往往留下残留物，如聚合物沉积物。在进一步的处理的准备中，已采用大气电感耦合等离子体炬以清洁衬底。为了便于讨论，图1示出了典型的现有技术的大气电感耦合等离子体炬100，其包括双壁圆筒102。圆筒102通常由石英或类似的合适的材料制成。冷却气体入口 104允许如氮气或空气等冷却气体注入圆柱体壁之间以在使用过程中进行热调节双壁圆筒102。通过采用适当的冷却气体，防止由于来自等离子体的高的热耗散造成的对大气电感耦合等离子体炬100的热损伤。线圈106被示出围绕双壁圆筒102的外周缠绕。在使用过程中，将处理气体(例如，氢气或氮气)通过处理气体进口 108引入圆筒102的内部容积内。当将适当的驱动RF信号(例如，在40MHz)提供给线圈106时，线圈106运行作为串联LC谐振电路的一部分以点燃来自处理气体的等离子体。为了在使用过程中帮助冷却线圈106，通常采用液体冷却。大气电感耦合等离子炬100内形成的电感耦合等离子体从开口 120喷射。然后，可以采用从开口 120喷射的等离子体或激活的中性物质的热的射流以从衬底去除或清洁如在离子注入工艺后不需要的聚合物沉积物等材料。正如已知的，线圈106上的感应电压是RF驱动信号的频率的函数。例如，在40MHz，典型的大气电感耦合等离子体炬可能会承受在线圈106的端部之间高达20千伏(峰至峰值)。在典型的大气条件下用于点燃等离子体的高的感应电压是必要的。然而，在现有技术中采用高的RF驱动频率(例如，40MHz或更高)带来成本和工程方面的挑战。例如，许多处理系统已经采用低频率的RF源(例如，10-30MHZ，如13.56MHz或27.12MHz)进行蚀刻和沉积。因此，用于设计、制造、使合格和保持较低频率的子系统的构件和专业容易以低成本获得。另外，当采用了较低的驱动RF频率，工具至工具(tool-to-tool)可重复性得到提高。本发明涉及在大气电感耦合等离子体炬中在较低的驱动RF频率下点燃和维持等离子体的方法和装置。
在附图中通过示例的方式而不是通过限制的方式示出本发明，并且其中相似的标号指示相似的元件，并且其中:为了便于讨论，图1示出了典型的现有技术的大气电感耦合等离子体炬。图2A-2D显示了采用ULLU的缠绕模式的改进的2层线圈的示例的剖面图。
具体实施例方式本发明将参照其在附图中示出的几个实施方式进行详细描述。在下面的描述中，阐述了许多具体的细节，以提供对本发明的全面理解。然而，对本领域的技术人员而言显而易见的是，不使用这些具体细节中的一些或全部的情况下也可以实施本发明。在其他实例中，没有详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以便不会不必要地使本发明不清楚。如前所述，作为串联LC谐振电路的一部分运行的线圈上的感应电压是驱动RF频率的函数。降低驱动RF频率具有降低线圈上的感应电压的作用。除非做出补偿，否则较低的感应电压可能不足以在大气电感耦合等离子体炬中点燃等离子体。正如已知的，线圈上的感应电压也是线圈电感或L的函数。一般来说，增加这样的线圈的电感具有增加线圈上的感应电压的效果。通过增加线圈的电感，即使降低驱动RF频率，也可以保持高的感应电压。替代地，如果驱动RF频率保持不变可以实现较高的感应电压。增加线圈的电感的方法之一是通过增加线圈匝数。一般来说，圆柱体线圈的电感与匝数的平方成正比例。例如，对于圆柱体线圈几何结构(螺线管)且并不需要考虑线圈的端部，驱动RF频率降低到三分之一(例如，从40兆赫至13兆赫)会需要以匝数增加1.7倍的形式(因为1.7大致是3的平方根)进行补偿，以维持跨越线圈两端部的大致相同的感应电压。然而，在这里发明者发现通过简单地添加更多的绕组从而增加线圈的匝数带来了其他的问题。例如，参照图1，当增加线圈的长度(图1中的CL)时，直接或间接地影响了等离子体长度和其他等离子体特性。对于许多应用，等离子体的长度和其他的等离子体特性的变化是不希望的。例如，即使可以适应等离子体长度和其它的等离子体特性的变化，由于外形因素要求可能防止大气电感耦合等离子体炬超过一定长度或体型，能够添加的匝数也存在物理极限。在变压器领域中，通过利用多层线圈能够有效地增加线圈的匝数是公知的。在变压器中通常采用两层线圈的类型，例如，100匝的外线圈层可以覆盖100匝的内线圈层，有效地提供了具有大于100的有效匝数而不增加线圈长度。然而，本发明人意识到，大气电感耦合等离子炬的应用涉及在变压器线圈设计中通常不经历的电弧风险。正如前面所讨论的，在线圈的端部之间的感应电压可能接近数万伏特以在大气压条件下有效地点燃等离子体。如果两个线圈层被缠绕，使得线圈端部在空间上彼此接近，可能会发生电弧。例如，假设可在石英圆柱体上的任意点X开始缠绕第一线圈层的端部，由于其围绕石英圆柱体缠绕以形成内线圈层，缠绕朝向点Y进行，从内线圈层前进到在Y点的外线圈层，并且朝着石英圆柱体上的点X缠绕返回，以形成线圈的另一端部。在这个阶段，线圈的两端部都接近点X。如果线圈的两端部之间的压强差超过处于两个线圈端部中间的介质(通常为空气)的击穿电压时，由于高的电压差和两个线圈端部的接近，线圈端部之间可能会产生电弧。本发明的实施方式涉及保持能够点燃等离子体的在大气电感耦合等离子炬的线圈上的电压，而不增加线圈的物理长度，或过度增加线圈的体型，同时尽量减少电弧损坏的方法和装置。本文所讨论的线圈表示缠绕用于产生和容纳等离子体的圆柱体或容器(因为可能有非圆柱体容器)的线圈。在各种实施方式中，提供了新颖的缠绕模式(和方法)，以尽量减少相邻的多匝之间的电压差。作为本文所用的术语多匝是指多个(至少两个)匝，这些匝缠绕在另一个顶部的并从底部的匝连续缠绕到顶部的匝，或反之亦然。
在一种或多种实施方式中，新颖的缠绕模式(和方法)保持相邻的多匝之间的电压差到几千伏(与几万相比)，以尽量减少电弧。在一种或多种实施方式中，新颖的缠绕模式(和方法)比现有技术保持线圈的端部(即，承受最高的电压差的线圈的部分)更多的物理分离以尽量减少电弧。一般而言，缠绕线圈使得单个多匝的所有绕组层完成，然后进行下个多匝。一种变化方案涉及是否在最下(最内或最接近于圆柱体)的绕组层开始进行多匝的第一匝的缠绕，或在最上(从圆柱体最外层或最远)的绕组层开始进行多匝的第一匝的缠绕。发生的另一种变化方案在从多匝到其相邻的多匝的交叉是否发生在同一绕组层(例如，从多匝X的最上层到多匝X+1的最上层做出交叉，或者从多匝X的最下层到多匝X+1的最下层做出交叉)或在不同的绕组层(例如，从多匝X的最上层到多匝X+1的最下层做出交叉，或者从多匝X的最下层到多匝X+1的最上层做出交叉)。在下面的讨论中，描述了两层线圈。然而，应该理解的是，例如，通过在开始相邻的多匝之前简单地对多匝的所有层执行缠绕，本发明的装置和方法可以扩展到3层、4层或更多层。在一个或多个实施方式中，在两层线圈中的第一两个相邻的多匝之间形成LULU(下-上-下-上)缠绕模式。这种模式在接下来的两个多匝，以及接下来的两个多匝等重复。LULU模式涉及首先缠绕接近于等离子体圆柱体(下层，其是LULU模式的“L”部分)的线圈。这表示在模式“LULU”中的第一个“L”。接着，完成对相同的多匝中的径向进一步远离等离子体圆柱体的上层的缠绕。这代表模式“LULU”中的第一个“U”。这两个绕组(下层，然后上层)形成第一多匝(这恰好是双层线圈的双匝)。应当指出，L-U双匝的单个匝或卷绕相对于石英圆柱体的端部160都位于相同的距离dl。接着，线圈被引导至相邻的多匝的下层，再次接近等离子体圆柱体。这表示在模式“LULU”中的第二个“L”。接着，完成对相同的相邻的多匝中的径向进一步远离等离子体圆柱体的上层的缠绕。这代表了模式“LULU”中的第二个“U”。这两个绕组(下层，然后上层)形成第二双匝。第二双匝位于足够不同的距离d2 (相对于石英圆柱体的端部160测量的)，以尽量减少与在距离dl的L-U对I的串扰。类似地继续进行第三双匝和第四双匝。应当指出，如果涉及三个层，模式简单地变成I1U11U12L2U21U2J，例如，标示L1代表第一三Bi最接近于圆柱体的最下层，标不U11代表第一三阻的中间层,标不U12代表第一三匝的离圆柱体径向最远的最上层。类似地，标示L2代表第二三匝的最接近于圆柱体的最下层，标示U21代表第二三匝的中间层，标示U22代表第二三匝的离圆柱体径向最远的最上层。在这种情况下，首先缠绕下层，然后缠绕相同的三匝的径向远离的中间上层。然后，缠绕相同的三匝的进一步径向远离的最上层。然后引导线圈到相邻的三匝的下层以重复。例如，如果涉及4层，模式变成I1U11U12U13L2U21U22U23'在这种方式中，可以容纳任意数量的层。还要注意，对于两层线圈中的第一两个相邻的多匝缠绕模式ULUL是可行的。换句话说，缠绕一个多匝的上层和下层，交叉，缠绕相邻的多匝的上层和下层是可行的。对于接下来的两个多匝，以及接下来的两个多匝，等等，重复这种模式。例如，对于三层，则变为I1L11L12U2L21L22”，其中，标示U1代表第一三匝的最上层，标示L11代表第一三匝的中间层，且标示L12代表第一三匝的最接近于圆柱体的最下层。类似地，标示U2代表第二三匝的最上层，标示L21代表第二三匝的中间层，标示L22代表第二三匝的最接近于圆柱体的最下层。
在一个或多个实施方式中，在两层线圈中的第一两个相邻的多匝之间形成LUUL(下-上-上-下)缠绕模式。对于接下来的两个多匝，以及接下来的两个多匝，等等，重复这种模式。LUUL模式涉及首先缠绕接近于等离子体圆柱体的线圈层。这表示在模式“LUUL”中的第一个“L”。接着，完成对相同的多匝中的径向进一步远离等离子体圆柱体的上层的缠绕。这代表模式“LUUL”中的第一个“U”。这两个绕组(下层，然后上层)形成第一多匝。接着，线圈交叉到相邻的多匝的上层。这表示在模式“LUUL”中的第二个“U”。接着，完成对相同的相邻的多匝中的较接近于等离子体圆柱体的下层的缠绕。这代表了模式“LUUL”中的第二个“L”。这两个绕组(下层，然后上层)形成第二双匝。类似地进行第三和第四多匝。应当注意的是，例如，如果涉及三层，对于第一成对的相邻的多匝，模式简单地变成I1U11U12U22U21L2”，其中标示L1代表第一双匝的最接近于圆柱体的最下层，标示U11代表第一双阻的中间层，标不U12代表第一双阻的径向离圆柱体最远的最上层。类似地，标不L2代表第二双匝的最接近于圆柱体的最下层，标示U21代表第二双匝的中间层以及标示U22代表第二双匝的径向离圆柱体最远的最上层。在这种情况下，首先缠绕下层，然后，缠绕相同的多匝的进一步径向远离的中间上层。然后对于相同的多匝，缠绕径向更远的最上层。然后引导线圈到相邻的多匝的最上层。然后，缠绕相邻的多匝的中间上层。接着，缠绕相邻的多匝的下层。例如，如果涉及四层，模式变成“L1U11U12U13U23U22U21L2”。在这种方式中，可以容纳任意数量的层。还要注意，对于两层线圈中的第一两个相邻的双匝，缠绕模式ULLU是可行的。换句话说，缠绕一个多匝的上部和下部，交叉，缠绕相邻的多匝的上部和下部是可行的。对接下来的两个多匝，以及接下来的两个等多匝，等等，重复这种模式。例如，对于三层，则变为I1L11L12L22L21UJ，其中标示U1R表第一三匝的最上层，标示L11代表第一三匝的中间层，且标示L12代表第一三匝的最接近于圆柱体的最下层。类似地，标示U2代表第二三匝的最上层，标示L21代表第二三匝的中间层和标示L22代表第二三匝的最接近于圆柱体的最下的层。在一种或多种实施方式中，缠绕采用连续的导体，并沿着单个的方向(S卩，无论是顺时针或逆时针)进行直到单个多匝的所有的绕组层完成。然后缠绕前进到下个多匝并完成所有的下个多匝的绕组层。然后缠绕前进到下个多匝等等。当添加相邻的多匝时，在沿圆柱体的线性长度的一个方向上线性地添加多匝。在一种或多种实施方式中，线圈的接地端部是最外的绕组。可替代地或附加地，在一种或多种实施方式中，线圈的高电的是在最最外的绕组。在一种或多种实施方式中，采用2-6毫米的铜或铜合金管作为线圈材料。外表面可以是镀银的，用于在高RF频率更好地导电(RF电流的集肤效应)。在本发明的一种或多种实施方式中，线圈是管中管式的配置，其中通过使用双壁管(之间具有适当的间隔结构)，较小的管被布置在较大的管内。将冷却流体(如高纯度的水或类似的合适的冷却流体)注入到所述线圈的一端部的一个管(无论是内管或外管)中，在同一管中行进到所述线圈的另一端部，并转移到另一管，用于返回到线圈原来的端部。这种配置简化了管道安装和维护。如果用于注入和提取冷却流体的线圈端部也是接地的线圈端部，由于不将冷却流体引入高电压线圈端部或不从高电压线圈端部提取冷却流体，自来水或其他“非高纯度”的冷却流体可用于冷却。由于冷却流体的残留导电性，接地侧引入或提取冷却流体避免RF漏电流到等离子体炬装置中不期望的位置。
参考以下的附图和讨论可以更好地理解本发明的特征和优点。图2A-2D显示了采用ULLU的缠绕模式的改进的2层线圈的示例的剖视图。在图2A中，Ua和La形成第一多匝，然后1^和％形成相邻的多匝。Ua代表第一多匝的上(外)层。La代表第一多匝的下(内)层。Lb代表第二多匝的下(内)层。Ub表示第二多匝的上(外)层。在这个例子中，序列是UaLaLbUb。注意线圈顺时针方向(从图中的线圈的底部仰视)在箭头252的方向上连续缠绕，且当添加额外的多匝时沿箭头254的方向前进。图2B表示图2A的ULLU缠绕模式的延续，其显示了第二多匝对的更多的细节。同样，Ua和La形成第一多匝，Lb和Ub形成相邻的多匝。图2C表示添加了第三多匝对的图2B和图2A的ULLU缠绕模式的延续。同样，Ua和La形成第一多匝，Lb和Ub形成相邻的多匝。U。代表第三多匝的上(外)层。L。代表第三多匝的下(内)层。在这个例子中，序列是UALALBUBUeL。。图2D表示添加了第四多匝对的图2C、2B和2A的ULLU缠绕模式的延续。同样，Ua和La形成第一多匝，Lb和Ub形成相邻的多匝。U。代表第三多匝的上(外)层。L。代表第三多匝的下(内)层。Ld代表第四多匝的下(内)层。Ud代表第四多匝的上(外)层。在这一点上，该模式是 UaLaLbUbUcLcLdUd。
从图2D可以理解的是，线圈的两个端部在空间上是分离的，使得从线性角度而言(即，沿箭头254的方向)它们在所述线圈的相对端部。如果首先已缠绕整个下层，然后缠绕折返到下层以形成上层(如通常所用的变压器缠绕)，这将是不可能的。优选地(但不是绝对必需的)，线圈的两端部相对于彼此在180度(如在图2D中示出)，以使空间分离最大化。从上述中可以理解，本发明的实施方式有效地增加匝数，而不增加线圈的整体高度(线圈螺线管的高度)，从而增加线圈的电感以有效增加越过线圈的长度的感应电压，同时尽量减少电弧。通过增加线圈上的感应电压，可以更容易地用相同或较低的RF驱动频率来点燃等离子体和/或保持等离子体。本发明公开了示例性实施方式和最佳方式，在由权利要求中限定的本发明的主题和本质的范围内，可以对所公开的实施方式做出修改和变化。
权利要求
1.一种用于产生等离子体的装置，其包括: 容器，在其中产生所述等离子体；以及 线圈，其被配置为接收RF驱动信号以至少保持所述等离子体，所述线圈围绕所述容器的外周缠绕，所述线圈具有多个绕组层，所述线圈被构造成使得对于给定的多匝在缠绕相邻的多匝之前缠绕所述多个绕组层的所有绕组层，所述相邻的多匝相邻于所述给定的多匝。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述给定的多匝是从所述给定的多匝的最下层到所述给定的多匝的最上层进行缠绕的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述相邻的多匝是从所述相邻的多匝的最上层到所述相邻的多匝的最下层进行缠绕的。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述相邻的多匝是从所述相邻的多匝的最下层到所述相邻的多匝的最上层进行缠绕的。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述容器表示大气电感耦合等离子体炬的产生等离子体的圆柱体。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个层表示两层。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个层表示三层。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述线圈由管中管式的配置和管并排管式的配置中的一个实现。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述线圈的第一端部耦合到地，所述第一端部也表示用于注入和提取冷却流体的端部。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述RF驱动信号具有约IOMHz到约IOOMHz之间的频率。
11.一种配置为用等离子体对衬底进行等离子体处理的大气电感耦合等离子体炬，其包括: 容器，在其内产生所述等离子体，所述容器至少具有用于接收处理气体的第一入口，和至少具有用于从所述容器喷射所述等离子体的开口端部，所述容器进一步包括用于接收冷却气体的第二入口和用于去除所述冷却气体的出口 ；以及 围绕所述容器的外周缠绕的线圈，所述线圈具有至少两个间隔开的绕组层，所述线圈被构造成使得在缠绕相邻的多匝之前缠绕给定的多匝的所有绕组层，所述相邻的多匝相邻于所述给定的多匝，且其中所述线圈的第一端部耦合到地，所述线圈的第二端部被耦合以接收被配置为在所述处理期间点燃所述等离子体的RF驱动信号。
12.根据权利要求11所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述给定的多匝是从所述给定的多匝的最下层到所述给定的多匝的最上层进行缠绕的。
13.根据权利要求12所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述相邻的多匝从所述给定的多匝的所述最上层继续，并从所述相邻的多匝的最上层到所述相邻的多匝的最下层进行缠绕。
14.根据权利要求12所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述相邻的多匝从所述给定的多匝的所述最上层继续，并从所述相邻的多匝的最下层到所述相邻的多匝的最上层进行缠绕。
15.根据权利要求11所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述给定的多匝从所述给定的多匝的最上层到所述给定的多匝的最下层进行缠绕。
16.根据权利要求15所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述相邻的多匝从所述给定的多匝的所述最下层继续，并从所述相邻的多匝的最下层到所述相邻的多匝的最上层进行缠绕。
17.根据权利要求15所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述相邻的多匝从所述给定的多匝的所述最下层继续，并从所述相邻的多匝的最上层到所述相邻的多匝的最下层进行缠绕。
18.根据权利要求11所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述线圈通过管中管式来实现。
19.根据权利要求11所述的大气电感耦合等离子体炬，其中，所述RF驱动信号具有约IOMHz到约30MHz的范围中的RF频率。
20.一种配置为用等离子体对衬底进行等离子体处理的大气电感耦合等离子体炬，其包括: 用于限制所述等离子体的装置，所述装置至少具有用于接收处理气体的入口，并至少具有用于喷射所述等离子体的开口端部； 线圈，其围绕所述容器的外周缠绕，所述线圈具有至少两个间隔开的绕组层，所述线圈被构造成使得在缠绕相邻的多匝之前缠绕给定的多匝的所有绕组层，所述相邻的多匝相邻于所述给定的多匝，且其中所述线圈的第一端部耦合到地；以及 用于产生RF驱动信号的装置，在所述`处理期间所述RF驱动信号被提供到所述线圈的第二端部。
全文摘要
一种大气电感耦合等离子体炬，其包括在其内产生等离子体的容器和缠绕该容器的外周的线圈。该线圈具有至少两个间隔开的绕组层。该线圈被构造成使得在缠绕相邻的多匝之前缠绕给定的多匝的所有绕组层。该线圈的第一端部耦合到地，并且所述线圈的第二端部被耦合以接收RF驱动信号，该RF驱动信号被配置为点燃等离子体以便处理。
文档编号H01J17/10GK103168336SQ201180050356
公开日2013年6月19日 申请日期2011年10月19日 优先权日2010年10月20日
发明者安德莱斯·费舍, 尼尔·马丁·保罗·本杰明 申请人:朗姆研究公司