专利名称：大工件等离子体加工器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用等离子体在真空腔体中处理工件的加工器，尤其涉及具有多个各自支撑的、把腔体外产生的射频场耦合到腔体中激励等离子的介电窗口和/或对射频场产生感应的线圈的加工器，其中线圈包括多个具有相同电学长度的部分，每个部分包括一个与另一部分的元件并联连接的元件。
背景技术：
为了从真空腔体外侧的装置提供射频场(r.f.field)，已经设计了一些不同的结构，把腔体内的气体激励到等离子体状态。射频场是由包括电容电极的电场源、包括电子回旋加速共振器的电磁场源和包括线圈的感应场，即磁场源产生的。受激的等离子体与工件相互作用，对工件进行刻蚀或在工件上淀积材料。通常，工件是具有圆形平面的半导体晶片。
Ogle的美国专利4948458(与本发明一起转让)，公开了一种采用感应耦合平面等离子体(ICP)处理工件的加工器。磁场是由位于或相邻于单个平面介电窗口的平面线圈产生的，该窗口延伸的方向通常与工件的平面是平行的。在商品装置中，窗口一般为石英，因为这种材料具有低的杂质含量，为射频耦合提供最佳结果。线圈相应连接到频率在1至100MHz范围的射频源上，并通过包括与射频源频率谐振的电路的阻抗匹配网络与线圈耦合。揭示的线圈为外端和内端相应连接到射频源的平面螺旋形。Ogle公开的圆形螺旋线圈已经被改进成包括通常以螺旋构造的细长直线元件，对正方形和长方形工件进行加工。Coultas等的美国专利5304239，公开了一种采用永磁铁与平面螺旋线圈相结合的类似装置。
Cuomo等的美国专利5280154中和Ogle的美国专利5277751中公开了对上述加工器的改型，用螺线管线圈替代直线螺旋形线圈。螺线管线圈缠绕在介电芯棒或类似材料上，包括若干个似螺旋匝，其中一部分沿介电窗口表面延伸。线圈的其余部分延伸到介电窗口之上。螺线管线圈的相对的两端与射频激励源连接。
在我们熟悉的现有等离子体加工器中，没有一种能较好地适合于激励出用于加工非常大衬底的离子体，例如，用于制作矩形平面显示器边长在30至100cm范围的衬底。为处理即加工如此大衬底而激励等离子体，需要线圈具有相应的大表面面积，与具有被处理工件面积同等大小的大表面面积介电窗口结构相接触或相邻近。如果利用这些现有结构为处理大工件激励等离子体，那么，就会出现许多以前还没有考虑或解决的问题。
所有的现有加工器设计都共同存在一个问题，即随着面积的增大，窗口的厚度必须有实质性的增加。否则，窗口不能承受腔体外大气压与腔体内真空之间的压差；例如，为了加工矩形处理表面约为75cm×80cm的工件，表面积约为80cm×85cm的单个石英窗口的厚度必须超过5cm。具有上述面积和厚度的石英窗口是非常昂贵的，也是很脆的，其使用会显著增加加工器的成本。此外，我们发现，利用现有加工器设计，从激励源取得的射频场通常不能有效地在具有大面积、厚窗口的真空腔体中激励等离子体。这是因为射频场在穿透厚窗口后，不具有足够的通量密度，以提供所需的激励。例如，从线圈穿透5cm厚介电窗口的磁通量密度要比穿过现有装置的2.5cm厚窗口的有效磁力线的数目小得多，2.5cm厚窗口是用于处理直径20cm的圆形晶片的。简单地增加控制线圈的射频源的电流而增加磁通量密度是不行的，因为，所增加的电流会引起线圈以及其它元件过热，而且难以获得合适的高功率的射频源。
采用具有大表面面积的现有感应线圈来激励等离子体的所特有的一个问题是，等离子体的非均匀激励，这导致了非均匀的等离子体密度，对工件的加工不均匀。我们已经认识到了局部出现的这种非均匀分布，因为，当覆盖在大表面窗口上时，起传输线作用的现有线圈似乎是长了一些，接近或超过了射频激励源的八分之一波长。由于线圈的长度，沿着线圈存在显著的电压和电流变化，导致磁通量密度在等离子体中明显变化。如果线圈的长度超过射频源的八分之一波长，由于源与由其驱动的负载间显著失配，在由具有RMS峰值的电流驱动的线圈中，RMS电压为零。失配引起线圈电压与电流的相位偏移近90°，导致电压为零。这些磁通量密度变化引起气体非均匀激励，造成对工件加工不均匀。
我们已经认识到，连接到射频源的两端之间线圈长度必须比射频源输出波长的八分之一小得多，通过提供具有多个平行分支元件或部分的线圈，能够获得这样的结果。Hamamoto等的人美国专利5,261,962，公开了一种平面等离子体激励线圈，它具有多个并行的分支部分，以阶梯结构连接到一对体物理上相对的端子上，两端子各与连接到分支部分的引线的同端连接，Hamamoto等人的结构不适合于在大表面面积窗口上使用。如果Hamamoto等人的结构用在大表面面积窗口上，由于在射频传输线中包括不同分支在相对置的端子间具有不同的长度，那么就存在不均匀的通量分布和不均匀的等离子体密度。因此，最靠近端子的分支部分，传输线的长度最短，而离端子最远的分支部分，传输线的长度最长。不同长度的传输线从射频源中取得的电流不同，靠近最短传输线的等离子体部分要比靠近最长传输线的等离子体部分的激励程度高得多。在处理大表面面积工件的加工器中，这引起非均匀的等离子体的激励。
于是，本发明的目的是提供一种特别适合于处理大工件的、新改进的射频场激励等离子体加工器。
本发明的另一目的是提供一种用于大工件新的、改进的射频场激励等离子体加工器，其中，等离子体均匀地分布在工件上。
本发明的又一目的是提供一种特别适合于较大工件的、新的、改进的射频场激励等离子体加工器的真空腔体分布，其中介电耦合窗口分布成承受腔体内外间的压差，同时又足够薄，以耦合具有足够密度的射频场，有效地激励等离子体。
本发明的再一目的是提供一种新的、改进的射频场激励等离子体加工器，其中，等离子体是以有效的方法感应激励的，给大工件提供相对均匀的等离子体分布。
增加的目的是提供一种新的、改进的射频场激励等离子体加工器，具有多个电学上并联的线圈部分分支，排列成给等离子体提供近似相等的激励通量。
再一的目的是提供一种新的、改进的射频场激励等离子体加工器，包括多个电学和物理长度近似相等的线圈部分分支，给等离子体提供均匀的通量分布并简化线圈的设计。
发明内容
根据本发明的一个方面，通过提供一个包含适合于安装工件的真空腔体的、用等离子体处理大工件的加工器，可实现上述的一些目的。向腔体中提供能够转变为处理工件用的等离子体的气体。用腔体外的射频电源把气体激励到等离子体状态。通过腔体壁上的多个各自受到支撑的介电窗口，把射频源产生的场耦合到等离子体。由于是多个各自支撑的窗口，而不是单个大窗口，因此每个窗口能够做得足够薄，例如2.5cm，以使射频场与等离子体有效耦合。
根据本发明的另一个方面，通过提供一包含适合于安装工件的真空腔体的、用等离子体处理大工件的加工器，可实现上述的另一些目的。向腔体中引入能够转变为处理工件的等离子体的气体。把气体转变为等离子体的装置包括通过腔体壁上的介电窗口结构把射频磁场耦合到气体上，激励气体产生并维持等离子体的线圈。该线圈包括适合于连接到产生射频磁场的射频源的第一端子和第二端子，以及电连接在第一和第二端子之间的、具有相同电学长度的多个绕组部分。每个部分包括一个与其它部分的元件电学并联的元件。因此，在不同线圈元件内流动的交流电流的有效值(RMS)幅度是近似相等的，在等离子体中提供较为均匀的磁通量分布。
在一些较佳实施例中，线圈的第一端子和第二端子以及各线圈部分是这样定位和排列的，即在至少是通过线圈的两个部分，在有些实施例中是通过线圈的全部部分的第一端子和第二端子之间，电流路程的电学长度和物理长度是近似相等的。拥有这一特征的一种特别有利的排列包含多个在物理和电学上平行的分支导体元件，导体元件连接到在与导体元件成直角的方向上延伸的引线上，其中，第一和第二端子位于对角上的引线相对的端头上。通过恰当地设计传输线中导体截面的几何尺寸，提供具有不同电感值的传输线，和/或插入与平行的线圈元件串联的、具有合适电容值的电容器，也能够获得相同的电学长度的传输线。
考虑以下对具体实施例的详细描述，尤其是在结合到附图时，本发明的上述以及进一步目的、特征和优点将变得明显。
附图概述
图1是本发明一个实施例的等离子体加工器的侧面截面图；图1a是与图1视角成直角时，图1所示等离子体加工器一部分的侧面截面图；图2是采用多个平行直线导体部分或元件的线圈的顶视图，其中，所有的电流都是以相同的方向流过导体部分；图2a是图2改进型的部分顶视图。
图3是包含多个平行部分的线圈的顶视图，电流以相同方向流过，其中，在位于对角上的相对的第一端子和第二端子之间，各个平行部分具有相等的物理和电学长度，第一和第二端子相应连接到射频激励源。
图4是线圈的又一构造的顶视图，在与交流激励源连接的第一和第二端子之间，各平行分支中流动的所有电流的方向是相同的。
图5是包含多个平行线圈部分、在相邻的线圈部分中流动的电流是相反方向的线圈结构的顶视图，其中，在位于相邻引线相对两端头上的第一和第二端子之间，各线圈部分的路程具有相等的物理和电学长度；图6是包括以织网图案排列的多个平行元件的线圈的顶视图，在相邻元件中电流以相反的方向流动；图7是对图6所示织网图案结构的改进；图8是具有多个线圈部分的线圈构造的顶视图，每个线圈部分在各自支撑的不同的窗口上占据互不相占的区域，以并联方式连接到激励源上；图9是包含多个平行的长度不同的直线部分的线圈的顶视图；图10是包含多个直线元件、在与射频源相应连接的外部端子之间以串联方式连接的线圈的顶视图；图11是在图2-4和9的线圈构造激励下产生的磁力线的侧视图；图12是在图5-8和10的线圈构造激励下产生的磁力线的侧视图；
图13a-13c是其它窗口构造的顶视图。
本发明的实施方式现在参考附图的图1和1a，所示的工件加工器包括真空腔体10，形状制成正平行六面体，具有电接地由矩形金属，最好是氧化铝形成密封外表面；相互间平行延伸的侧壁12和14，与矩形金属侧壁13和15成直角。真空腔体10还包括矩形金属，最好是氧化铝的底板16和矩形顶板结构18，包括四个独立支撑的尺寸基本相同的矩形介电窗口19。用一般的密封板(未示出)提供腔体10的外表面的密封。
窗口19，最好是由石英制成，是由诸如氧化铝的非磁性金属制成的坚固的整体框架23独自支撑的。框架23包括外围相互垂直的立柱25和内部相互垂直的连接到立柱中央的横条21。横条21和立柱25包括独自支撑每个窗口19的槽口27，因为窗口的侧壁和邻近侧壁的窗口底部适合搁在槽口底部和侧壁上的密封板(未示出)上。框架23的立柱25焊接到腔体10的侧壁12-15。由于窗口19是由横条21和立柱25独自支撑的，窗口19的厚度可以小于约2.5cm，并能承受腔体10外大气与腔体内真空之间的压差，此值通常在0.2-5毫托范围内。如果窗口19不是各自支撑的，且采用单个的窗口，这样的单个窗口，其厚度至少为5cm才能承受该压差。这样厚的窗口极大地降低了通过窗口耦合的射频场能量，且价格则是十分昂贵的。在加工大工件(例如边长大到75cm×85cm的矩形平面结构的电视接收机有源矩阵液晶显示器)的一种腔体10结构中，每个窗口19的面积约为40cm×43cm。
侧壁12包括用导管(未图示)连接引导到真空泵(未图示)的端口20，真空泵使腔体10内的压力维持在0.5-5毫托的数量级上。根据现有技术已知，这种能够被激励成等离子体的气体是通过侧壁14上的端口22从合适的源(未示出)引入到腔体10中的。
将工件24，例如具有上文规定的矩形形状的大半导体衬底晶片，安装在平行于底板16和窗口19平面的平面内、靠近底板16的金属卡盘26上。通过阻抗匹配网络30和卡盘26用射频源28把频率一般约为30MHz的电场加到工件24上。卡盘26与腔体10的其余金属部分是电绝缘的，因为，它是搁在电绝缘垫29上。介电端板结构18承载平面线圈34，与包括阻抗匹配网络36和射频源38的射频激励装置33连接，射频源38的频率不同于射频源28，最好是等于13.3MHz。射频源38的两端可以浮置，或者其中一个可以接地到腔体10的金属壁。匹配网络36包括调谐到射频源38频率以形成谐振耦合电路的电路。线圈34定位成响应射频源38，给经端口22耦合的气体提供射频磁力线，使气体激励到等离子体状态。等离子体对工件24进行处理，在衬底上进行刻蚀或淀积分子。
平面线圈34可以有许多不同的结构，例如，如图2-10所示。每一种线圈结构包括多个给腔体10内的气体提供感应磁力线，产生和维持腔体10中加工工件24的平面等离子体的直线导电金属(最好是镀银的铜)条元件或部分。尽管元件窄的这侧固定安装在窗口19上，但线圈34的直线元件最好具有矩形的截面，宽的这侧固定定位在介电端面结构18上。线圈34基本上是一个包括由金属元件自感和金属元件与接地的腔体外之壁间的旁路电容形成的分布级联感应的射频传输线。为了激励和维持这里所用的等离子体，射频源30给线圈34提供大至30A的电流。
为了限制和集中流过线圈34直线导体的电流产生的磁力线，用磁屏蔽罩40，最好是由铝制成的，围绕线圈的侧面和顶部，在屏蔽罩中射频磁力线感应产生涡流。磁屏蔽罩40包括顶部42和四个侧壁44，四个侧壁固定连接到真空腔体10。
根据一个实施例，如图2所示，在全部四个窗口19上延伸的线圈34的一种结构包括八个细长的笔直的直线金属导电元件51-58，其相对的两端连接到细长直线金属(最好是镀银的铜)引线59和60上，在相互平行并与导电元件51-58成直角的方向上延伸。导电元件51-58的底面和引线59和60焊接到窗口19上，但是，除窗口内边缘之间跨越横条21的间隔31的这部分金属元件51-58除外，如图1a所示。导电元件51-58相互间是等距离的(中心元件54和55之间的间隔除外，由于中心横条21间隔略有不同)，具有近似相等的长度，且相互间平行延伸。引线59和60包括位于中心导体54和55之间的中央的端子62和64。端子62和64分别用电缆68连接到射频源38的端子66和用电缆72连接到匹配网络36的输出端70。匹配网络36连接到射频源38的输出端74。
响应于射频源38的输出，通常，在任何时侯，电流以相同的方向流过每个导电元件51-54，产生图11的磁力线124、128、130和132。由于每个导电元件51-58的长度是较小的分数，例如射频源38的频率波长(λ)的十六分之一，在每个导电元件上的瞬时电流和电压变化不大。由于中心导电元件54和55的长度相同，截面几何形状相同且距端子62和64的间距相等，通过导电元件54和55从端子62到端子64的传输线形成的电流路程的长度是相同的，因而，通过导电元件54和55流动的具有相等RMS幅度的射频电流产生的磁通量密度是近似相同的。同样，略微离开中心的导电元件53和56在端子62和64之间具有相等长度的传输线和电流路程，因此，其上流动的具有相等RMS幅度的电流产生的磁通量密度是近似相同的。
由于通过导电元件53和56的传输线和电流路程的长度比通过导电元件54和55的略长一些，导电元件53和56上流动的射频电流的RMS值会比导电元件54和55的略小一些，因此，导电元件53和56产生的磁通量密度会比导电元件54和55的小。由于同样的原因，导电元件52和57的射频激励产生的磁通量密度是近似相等的，但比导电元件53和56上流动的电流产生的磁通量密度要小，对于导电元件51和58同样如此。
由于不同的导电元件51-58上在端子62和64间的不同传输线长度以及产生的电流路程长度的不同，腔体10中等离子体的激励和分布存在差别。这就会导致对大表面面积的工件的等离子体加工不均匀，因为，工件中心区(导电元件54和55的下面)的等离子体密度比工件周围(导电元件51和58的下面)的等离子体密度大。
根据本发明的一个方面，通过给不同的传输线提供不同的电抗值，在电学上使包括导电元件51-58的传输线的长度近似相等。由于单根电线的自感与电线的截面积成反比，电线的电感随线的长度的增加而增加，因此，相对睛远离端子电线的截面积，减小其截面积能够从电学上使离端子62和64最近的线变长。还希望维持每个元件51-58的电学长度相等，使其上的RMS电压和电流变化相等，在这些在元件下提供相同的等离子体分布。
为此，在相邻的各对元件55-58和51-54之间，引线59和60的截面积逐步增大，而元件51-58的截面积是相同的。因此，在元件55和56之间以及元件53和54之间，引线59和60具有较小的截面积，元件57和58之间以及元件51和52之间，具有较大的截面积。
另一方面，将电容器81-88与元件51-58串联连接，使传输线的长度相等。如图2a所示，在与引线59相邻的每个元件的端头上，电容器81-88与元件51-58和引线59串联连接。电容器81-88的位置不影响元件51-58的实际物理长度，因为，电容的物理尺寸较小。
为了使每个元件51-58中电流的相位相同(或是超前或是落后于元件上的电压)，这样选择元件51-58的几何尺寸和电容器81-88的电容值，即包括元件51-58的每个分支在射频源38的频率下的净阻抗具有相同的电抗类型，即或是感性的或是容性的。如果元件51-58的感性阻抗为主，那么每个串联的电容器81-88具有较大的值，与每个元件串联，提供较小的容性阻抗。因此，与元件54和55串联的电容器84和85的值比与元件53和56串联的电容器83和86的值要小，与元件53和56串联的电容器83和86的值比与元件52和57串联的电容器82和87的值要小，等等，所以，与元件51和58串联的电容器81和88的值最大，或者可以被减小。然而，如果包含元件51-58的分支中的主要阻抗是容性的，那么，电容器81-88的值较小，以提供高容性阻抗；电容器84、85、83、86、82、87、81、88的各对数值是依次逐步减小的。
现在参考图3，图3所示的线圈34包括与图2的导电元件51-58的排列和构造相同的直线导电元件51-58。在图3中，导电元件51-58具有与笔直细长金属引线90和92连接的相对的端头，引线90和92相互平行，并在与导电元件51-58成直角的方向上延伸。引线90和92具有大的截面积，从而产生小的电感，不会引入明显的传输线长度或元件51-58进出路程中的相移。引线90包括终止在端子94的部分，并延伸略超出导体51；同样，引线92包括终止在端子96的部分，并延伸略超出导体58。端子94和96分别连接到与端子62和64相同的引线和电路。
图3所示结构的优点是，在端子94和96之间，每个导电元件51-58的电流路程具有相同的物理和电学长度。因此，在每个导电元件51-58流动的交流电流实际是相同的。由于在每个导电元件51-58流动的交流电流的RMS幅度是近似相等的，因此，这些导电元件受射频源38激励产生的磁通量密度也是近似相等的。
由导电元件51-58射频激励产生的磁力线在引入腔体10中的气体中产生射频磁力线124、128、130和132(图11)，把气体激励为正负带电载流子数目相等的等离子体。由于等离子体中产生分子通量，等离子体的作用就如包括作为其主绕组的导电元件51-58的变压器的单匝次绕组。等离子体的导电特性使得射频磁力线124、128、130和132是非对称的，即磁力线在窗口19上延伸到大气中，比窗口下延伸到真空腔体10中要大得多。带电载流子在气体中散开，使容器内的气体变为处理衬底或工件24的等离子体。
现在参考图4，线圈34的另一种结构，包括细长、笔直的引线134和136，它们相互平行延伸，包括通过电缆72和68分别与射频激励源33连接的端子138和140。在引线134和136之间延伸的是与图2和3相应元件相同的平行细长直线导电元件51-58。元件51-58受射频激励源33驱动，因此，在任何时刻，平行的射频电流通常是以相同的方向在元件中流动。图4的引线134和136和元件51-58是这样排列的，即端子138和140位于与导电元件相应的引线的同一端，端子相互间相隔导电元件的长度。为使图4的线圈结构经引线134和136从端子138和140通过元件51-58的传输线能够具有相等的电学长度，引线的不同部分的截面几何尺寸是不同的，如图2所讨论的，和/或将电容器与元件51-58串联连接，如图2a所讨论的。
结果，在图2-4每种情况中，电流以相同方向流过导电元件51-58，至少有一条磁力线124(图11)环绕每个导电元件，元件51-58中流动的电流产生的磁通量的相互作用，会引起累积效应。因此，在窗口19下的等离子体提供了高度集中的、均匀分布的磁场。例如，同方向流过导电元件52和53或元件56和57的电流使这两对导电元件分别被磁力线128和129所包围。在导电元件55-58中同方向流动的电流产生的磁通量之间的相互作用，使这些导电元件被磁力线130所包围。以相同方向在所有的导电元件51-58中流动的电流产生的磁通量之间的相互作用，使元件51-58被磁力线132所包围。导电元件51-58的激励图形产生的集中的磁力线在腔体10中顶板结构18下提供较为均匀的等离子体分布，因此在工件上刻蚀剂或淀积分子具有均匀的分布。
根据本发明的另一实施例，如图5-7所示，线圈34的导电元件是这样排列的，即在任何时刻，在线圈的相邻的直线导电元件中，电流通常是以在空间上相对的方向流动的。图5所示的结构的优点在于，在射频激励源33的相对端子之间通过每个导体的电流路程具有相等的物理和电学长度。由于图5-7结构耦合到等离子体的磁通量密度比图2-4的低，在有些情况中，可能需要把磁通量密度特定在等离子体的一定的区域中，用图5-7的结构比图2-4的结构更容易提供。
图5的结构包括空间上相邻并平行的细长直线引线100和102，在其空间上相对的两端上分别具有端子104和106，连接到射频激励装置33的相对的两端子66和72上。图5线圈34包括四个部分111、112、113、和114，每个部分包括一对细长笔直平行导电元件，具有分别连接到引线100和102的相对的两端子。引线100和102通常位于部分11-114的一侧，因而导电元件以相同的方向延伸到内引线102的这侧。线圈部分和导电元件这样排列，线圈部分111包括导电元件116和117，线圈部分112包括导电元件118和119，线圈部分113包括导电元件120和121，线圈部分114包括导电元件122和123。线圈部分111-114的平行导电元件用平行于引线100和102方向延伸的导电元件125相互连接。导电元件116-123通常是相互等间隔的，例如，线圈部分111的导电元件117与线圈部分112的导电元件118的间隔，与其与线圈部分111的导电元件116的间隔具有相同的距离。由于(1)线圈部分111-114和引线100和102的布局的几何结构，(2)每个部分111-114具有相同的截面和纵向几何尺寸，和(3)引线100和102具有相同的截面和纵向几何尺寸，在相对的端子104和106之间，包括线圈部分111-114的每个传输线具有相同的物理和电学长度。
图6以织网图示出提供空间上平行导电元件的又一结构，导电元件并联连接，相邻导电元件的电流通常以相反的方向流动，包括细长直线引线150、151、152和153以及细长直线导电元件161-168。引线150-153在空间上相互平行地延伸，与导电元件161-168成直角，导电元件161-168相互间通常是等间隔的，并在空间上相互平行地延伸。在这些电元件161-168的一侧，而引线151和153在这些导电元件的另一侧。引线151和153分别由电缆154和155连接到射频激励装置33的第一端子156上，而引线150和152分别由电缆157和158连接到射频激励装置33的相对的第二端子159上。相等长度的交替的导电元件161、163、165和167在引线150和153之间电连接，而相等长度的交替的导电元件162、164、166和168在引线151和152之间并联。由于元件161、163、165和167与外引线150和153连接，而元件162、164、166和168与内引线151和152连接，因此前者元件的长度比后者的长。因而，在任何时刻，电流通常以相同的方向在元件161、163、165和167上流动，电流通常以相反的方向在元件162、164、166和168上流动。因此，由图6线圈排列建立的磁通量路程与图5所示结构提供的相类似。由于在端子156和159之间通过包括元件161-168的传输线的物理距离不同，最好是用类似于图2所述的方式，改变引线150-153的截面几何尺寸，或者如图2所述，将电容器与元件161-168串联连接。
能够对图6的织网线圈排列进行改进，如图7所示，使每个导电元件具有相等的长度。为此，图7的织网线圈结构包括细长的平行直线引线170、171、172和173以及细长的平行直线导电元件181-188。引线170-173在与等间隔导电元件181-188成直角的方向上延伸。外引线170和173分别由电缆191和192连接到射频激励装置33的端子190。内引线171和172分别由电缆194和195连接到射频激励装置33的端子193。导电元件181、183、185和187在引线170和172上并联连接，而导电元件182、184、186和188在引线171和173上并联连接。因此，在相邻的各对导电元件181-188上电流通常以相反的方向流动，例如，当电流通过导电元件182从引线170流动到引线172时，电流通过导电元件181和183从引线173流动到引线171。因此，以类似于图6和7实施例的方式电流在相邻的导电元件中以相反的方向流动。
响应于频激励装置33对图5-7所示线圈的激励，产生如图12所示的磁力线。在图12中，磁力线381-388分别与图7的等长导电元件181-188相关联；可以理解，由图5的导电元件116-123和图6导电元件161-168获得类似的磁力线图形。由于在相邻的元件181-188中电流以相反的方向流动，由这样的电流产生的磁力线相互抵消，以致磁力线图形381-388不相互作用，相邻导电元件之间磁通为零。由于导电元件181和188外侧上没有导电元件或磁性元件，磁力线381和388远离线圈34中心凸起。由于导电元件184和185的间隔比其它各对导电元件要大(由于横条21)，磁力线384和385与向中心介电横条21凸起。导电元件182、183、186和187的内部等间隔位置使磁力线382、383、386和387具有相同的密度和空间结构。
将图2-7所示的线圈结构设计成在顶板结构18的所有四个窗口19上延伸。然而，在有些情况中，需要在每个窗口19上提供各个线圈。为此，如图8所示，可以将图2-7所描述的任何线圈结构并联连接，并分别地覆盖在每窗口19上。在图8的特定实施例中，每个窗口19被单独的线圈部分201、202、203和204覆盖，每个线圈部分通常是以图4所描述的方式构造的。线圈部分201和202的相邻内引线205和206连接到端子207，由电缆208连接到射频激励装置33的端子209。端子209还用电缆211连接到端子212，再连接到线圈部分203和204的相邻内引线213和214。线圈部分201和202的外引线215和216由电缆217连接到射频激励装置33的另一端子218。端子218还用电缆219连接到线圈部分203和204的外引线220和221。因而，如图8所示，线圈34的部分201-204是由激励装置33并联驱动的。为使其中的电压和/或电流为零的似真性减到最小，每个线圈部分包含较短长度(不大于激励装置33产生的波的波长的十六分之一)的并联连接的导电元件。由于四个线圈部分201-204是较短的传输线，在一些情况中，不必使各个窗口19上的各个传输线都具有相同的长度。
在图2-8的各实施例中，各种平面线圈的导电元件具有相等的物理长度。然而，导电元件具有相等的物理长度并不是必须的，在有些情况中，可能希望有不同的物理长度。在图9的实施例中，对图2的结构进行改进，包括弓形的引线226和228，在它们之间，空间上平行延伸的细长直线导电元件231-238具有不同的物理长度。弓形引线226和228的中点包括端子240和241，分别连接到射频激励装置33的相反极性的端子上。电流通常以相同的方向在导电元件231-238上平行地流动。采用图9的结构能使腔体10中的等离子体具有某种空间构造，用以处理具有适应表面的衬底。
由于需要提供不同物理长度的元件231-238，传输线的电学长度(包括这些元件)最好是相同的，利用图2或2a所描述的结构能够获得这一结果。即使如图所示，元件231-238相互间是接近等间隔的，但对于图2-9的任一构造，这是不必要的。
如图10所示，通过以多个串联的导电元件形成线圈34，能够提供与图12所示相类似的磁力线图形。图10的线圈包括在空间上相互平行延伸、具有近似相等长度的导电元件241-248，用导电元件249和250将相邻的端头连接在一起。导电元件241和248连接到端子252和254，再用合适的电缆连接到射频激励装值33的相对的端子上。因此，在相邻的导电元件241-248中，电流通常以相反的方向流动，结果，这些导电元件具有正弦形或螺旋形关系。由于其物理和电学长度长，图10结构相对于图2-9结构具有本质缺点，因此，沿元件241-248形成的线圈的长度，电压和电流趋向于变为零。变零会引起不均匀的磁通量作用在腔体10中的气体上。通过图1-9的平行结构可避免这一问题，所有结构在射频激励装置33的端子之间具有相互平行的导电元件，长度约为装置33产生波的波长的十六分之一。图2-10的所有结构的优点是，在导电元件外侧、具有外端子的平面线圈易于连接，所以，避免了与具有内端子的螺旋平面线圈有关的问题。如图8所示，所有这些平面线圈以及螺旋平面线圈，都能够被用于作底板18四个窗口19上的并联连接的四个独自的线圈。
虽然底板结构18最好包括四个具有相同尺寸、定位在矩形框架的四分体中的矩形介电窗口，但仍可以采用其它的各自支撑的介电窗口，例如，图13(a)、13(b)和13(c)所示意的。图13(a)的各自支撑的介电窗口302-310，在框架317中，有不同的尺寸和形状，所以矩形外围窗口302-308具有不同的长度，以相互成互角延伸，并围绕内方形窗口310。在图13(b)，在框架316中，各自支撑着菱形、位于中心的介电窗口312和外围的三角形介电窗口314。在图13(c)中，在框架318中，各自支撑三个矩形的窗口320，每个窗口具有相同的尺寸，长边平行。图2-10所示的平面线圈可放在图13(a)、13(b)和13(c)的窗口上。
尽管已经对本发明的具体实施例作了描述和图示，但显然，不违背所附权利要求中所限定的本发明的真实构思和范围，可以对具体图示和描述的实施例的细节作改变。
权利要求
1.一种用等离子体处理工件的装置，包括适合于安装工件的真空腔体；把能够转变为处理工件用的等离子体的气体引进腔体中的装置；将气体转变为等离子体的装置，包括在腔体外侧产生射频场的电源；在腔体外表面上的多个各自支撑的介电窗口，它把射频场耦合到气体，使得通过窗口耦合的场激励等离子体的。
2.根据权利要求1的等离子体处理工件装置，其特征在于电源包括单个产生射频场的激励装置，射频场通过多个窗口耦合。
3.根据权利要求2的等离子体处理工件装置，其特征在于激励装置包括单个在多个窗口上延伸的线圈列阵，射频场为该列阵所产生的磁场。
4.根据权利要求3的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈列阵包括一个在多个窗口上延伸的平面线圈。
5.根据权利要求3的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈列阵具有一对经过一对引线与几个平行的部分连接的端子，从端子流过每个部分的电流的电学长度近似相等。
6.根据权利要求3的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈具有一对经一对引线与几个平行部分连接的端子，从端子流过每个部分的电流的电学和物理长度近似相等。
7.根据权利要求1的等离子体处理工件装置，其特征在于电源包括多个激励装置，每个窗口相应有一个，每个激励装置定位成产生的射频场通过相应的窗口耦合。
8.根据权利要求7的等离子体处理工件装置，其特征在于每个激励装置包括一个位于与该激励装置关联的窗口附近的线圈列阵，射频场包括与多个窗口关联的线圈列阵所产生的磁力线。
9.根据权利要求8的等离子体处理工件装置，其特征在于每个线圈列阵包括一个位于特定窗口附近的基本为平面的线圈。
10.根据权利要求8的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈列阵在电学上是并联的。
11.根据权利要求10的等离子体处理工件装置，其特征在于每个线圈列阵具有近似相等的电学长度。
12.根据权利要求11的等离子体处理工件装置，其特征在于每个线圈列阵具有一对经一对引线与几个平行的部分连接的端子，从端子流过每个部分的电流的电学长度近似相等。
13.根据权利要求11的等离子体处理工件装置，其特征在于每个线圈具有一对经一对引线与几个平行部分连接的端子，从端子流过每个部分的电流的电学和物理长度近似相等。
14.根据权利要求1的等离子体处理工件装置，其特征在于表面包括一个有多个开口的框架，每个开口有一个独自的窗口支撑结构，一个窗口位于一个开孔中，并由与开口关联的支撑结构支撑。
15.根据权利要求1的等离子体处理工件装置，其特征在于表面包括一个有四个开口以四相限排列的框架，每个开口包括一个独自的窗口支撑结构，一个窗口位于一个开孔中，并由与开口并联的支撑结构支撑。
16.一种用等离子体处理工件的装置，包括适合于安装工件的真空腔体；把能够转变为处理工件用的等离子体的气体引进腔体中的装置；将气体转变为等离子体的装置，包括腔体外表面上的介电窗口；通过窗口把射频场耦合到气体，使气体激励为等离子体的线圈，线圈包括适合于与产生射频磁场的射频源连接的第一和第二端子；以及在第一和第二端子之间并联连接的多个绕组部分，在第一和第二端子之间至少有两个绕组部分在路程上具有近似相等电学长度。
17.根据权利要求16的等离子体处理工件装置，其特征在于包括多个介电窗口，线圈在所述多个介电窗口上延伸。
18.根据权利要求16的等离子体处理工件装置，其特征在于包括多个介电窗口，各个所述线圈与所述的各个介电窗口邻接。
19.根据权利要求18的等离子体处理工件装置，其特征在于各个所述线圈相互并联连接到所述的射频源。
20.根据权利要求16的等离子体处理工件装置，其特征在于在第一和第二端子之间在路程上具有近似相等物理长度。
21.根据权利要求20的等离子体处理工件装置，其特征在于在第一和第二端子之间有几个所述绕组部分和同数目的具有相同电学长度的所述路程。
22.根据权利要求21的等离子体处理工件装置，其特征在于所述几个路程和绕组部分是这样排列的，在特定的时刻，射频源的电流通常是以相同的方向流过所有的绕组部分。
23.根据权利要求22的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈包括具有相同截面几何尺寸的在空间上平行的第一和第二细长引线，第一和第二端子分别位于第一和第二引线的相反的端头上，每个绕组部分包括一个在引线之间延伸的细长元件，其相对的两端连接到引线上，每个元件具有相同的长度和截面几何尺寸。
24.根据权利要求23的等离子体处理工件装置，其特征在于每个元件的长度不大于射频源施加于线圈的波的波长的约十六分之一。
25.根据权利要求21的等离子体处理工件装置，其特征在于每个绕组部分至少包括一个元件，路程、部分和元件是如此按排的，元件相互间通常平行地延伸，射频源的电流通常以相反的方向在相互间紧挨着的元件中流动。
26.根据权利要求25的等离子体处理工件装置，其特征在于线圈包括具有相同截面几何尺寸的在空间上平行的第一和第二细长引线，第一和第二端子分别位于在第一和第二引线的相反的端头上，每个绕组部分包括一对串联连接的细长元件，引线、元件和部分是如此按排的，引线通常在元件的一侧，相互间是邻近的。
27.根据权利要求20的等离子体处理工件装置，其特征在于具有近似相等物理和电学长度的两个路程包括(a)分别与第一和第二端子连接的、通常是平行的第一和第二细长引线，(b)在第一和第二引线间延伸的第一和第二线圈元件，端子与位于两个线圈部分之间的引线连接。
28.根据权利要求16的等离子体处理工件装置，其特征在于具有相同电学长度的路程中至少有一些在端子间具有基本不等的物理长度，具有基本不等物理长度和近似相等电学长度的路程以不同的电抗值使电学长度近似相等。
29.根据权利要求28的等离子体处理工件装置，其特征在于在射频源施加于线圈的电流频率下每个路程具有相同类型的主要为电抗的阻抗值。
30.根据权利要求29的等离子体处理工件装置，其特征在于每个路程包括一个连接于一对引线间的元件，引线连接到第一和第二端子，每个元件具有近似相等的物理和电学长度。
31.根据权利要求30的等离子体处理工件装置，其特征在于每个元件的长度不大于射频源施加于线圈的波的波长的约十六分之一。
32.根据权利要求29的等离子体处理工件装置，其特征在于在与相邻各对所述元件的连接间，所述引线中至少有一个具有不同的电感值。
33.根据权利要求32的等离子体处理工件装置，其特征在于在与相邻各对所述元件的连接间，提供具有不同截面积的引线，获得不同的电感值。
34.根据权利要求29的等离子体处理工件装置，其特征在于路程中至少有一些包括在射频源施加于线圈的电流频率下具有电抗阻抗值的串联电容器，串联电容器使路程具有近似相等的长度。
35.根据权利要求34的等离子体处理工件装置，其特征在于串联电容器的电容值使每个路程在射频源施加于线圈的电流频率下具有主要为容性的阻抗值。
36.根据权利要求34的等离子体处理工件装置，其特征在于串联电容的电容值使每个路程在射频源施加于线圈的电流频率下具有主要为感性的阻抗值。
全文摘要
一种大工件等离子体加工器,包括具有多个单独支撑的介电窗口的真空腔体,用于把腔体外产生的射频场耦合到腔体内,以激励出等离子体。感应取得磁场的平面线圈具有多个相同电长度的部分,每部分包括与另一部分元件并联的元件。
文档编号H01J37/32GK1183853SQ95197834
公开日1998年6月3日 申请日期1995年12月5日 优先权日1994年12月6日
发明者迈克尔·巴恩斯, 尼尔·贝嘉明, 约翰·霍兰, 理查德·比尔, 罗伯特·韦特罗普 申请人:拉姆研究有限公司