具有带有改进的等离子抗性的介电等离子室的等离子源的制作方法

1.本发明大体上涉及等离子产生和处理设备的领域，并且更具体地涉及用于对等离子化学性质和污染具有改进的抗性的等离子产生和处理的设备和方法。


背景技术：

2.等离子放电可用于激发气体以产生包含离子、自由基、原子和分子的活化气体。活化气体可用于许多工业和科学应用，包括处理固体材料，如半导体晶片、粉末，以及其它气体。等离子的参数和等离子暴露于进行处理材料的条件取决于应用较大地改变。
3.例如，某些应用要求使用具有低动能(即，几个电子伏特)的离子，因为所处理的材料对损坏敏感。其它应用(如各向异性蚀刻或平面化介电沉积)需要使用具有高动能的离子。还有其它应用(如反应离子束蚀刻)需要精确控制离子能量。
4.一些应用要求将处理的材料直接暴露于高密度等离子。一种这样的应用是产生离子活化的化学反应。其它应用包括蚀刻材料并将材料沉积成高长宽比结构。其它应用要求将处理的材料与等离子隔离，因为该材料对离子造成的损坏敏感，或因为该过程具有很高的选择性要求。
5.等离子可各种方式产生，包括直流(dc)放电、射频(rf)放电和微波放电。通过在气体中的两个电极之间施加电势来实现dc放电。通过将能量从功率供应部容性或感性耦合到等离子来实现rf放电。微波放电可通过将微波能量源耦合到包含气体的放电室来产生。
6.等离子放电可以以一种方式产生，使得构成等离子的带电物质和可由等离子激活的中性物质都与进行处理的材料紧密接触。备选地，等离子放电可远离进行处理的材料产生，使得相对少的带电物质与进行处理的材料接触，而中性物质仍可与之接触。这种等离子放电通常称为远程或下游等离子放电。取决于其构成、相对于进行处理材料的定位以及操作条件(例如，耦合到等离子中的气体种类、压力、流速和功率)，等离子源可具有这两种通用类型中的任一者或两者的特征。
7.现有的远程等离子源大体上利用rf或微波功率来产生等离子。尽管目前的源成功地支持许多应用，但是在那些源的实际使用中留有若干技术限制。例如，基于微波的远程等离子源大体上比rf源更昂贵，因为微波功率产生、传输和匹配负载大体上更昂贵。微波源和功率输送系统大体上也比rf源大，并且需要定期更换产生微波功率的管。
8.具有一定程度的容性耦合以及感性耦合的rf远程等离子源可比对应的微波源更便宜且更小。然而，由于等离子中产生的高能离子对那些壁的轰击，故有助于等离子点火过程的容性耦合可能导致等离子室的暴露壁的劣化。利用感性rf耦合但使关联的容性耦合最小化的rf远程等离子源可示出较少的离子诱导的等离子容器表面劣化。然而，减小或消除容性耦合会使等离子点火更难获得，特别是在较宽的工艺条件范围内。
9.现有远程等离子源的第二个困难是去除等离子中产生并沉积到等离子室壁上的热量。当等离子室具有复杂的形状时和/或当其由介电材料构成时(在此情况下，用与介电等离子室接触的大量流体直接冷却是不希望的或不切实际的)，尤其是此情况。这具有限制
可以可靠地耦合到等离子中的功率的效果。
10.一些现有的等离子室(如美国专利号7,659,489中描述的等离子室)是通过高温成型和焊接相结合使用石英材料制造的，以产生所需的形状(例如环形状)。石英等离子室的一个主要缺点在于，由于暴露于这些化学物质时石英的化学和物理侵蚀速率高，故其与氢和/或卤素等离子化学物质(如氢(h*)、氟化物(f*)和/或氯(cl*))不兼容。
11.另外，一些现有的等离子室，如美国专利号7,166,816中描述的等离子室，是通过用铝机加工若干等离子块而制造的，其中等离子块连接以形成期望形状的等离子通道(例如，环形状)。可使用沉积工艺(例如化学气相沉积、物理气相沉积或等离子喷涂)或转化工艺(例如硬质阳极氧化)涂覆等离子通道的内表面，以在贱金属和等离子之间形成介电势垒。由具有介电涂层的铝等离子块制成的等离子室的一个缺点在于，该涂层通常薄，大约几微米至几十微米，且因此由于介电涂层的电击穿而不能承受点燃过程中气体所需的高等离子点火电压。可使用惰性气体(如氩气)作为点火气体来降低点火电压，但是从点火气体到过程气体的过渡会导致时间延迟，从而降低脉冲等离子应用中的产量。薄涂层的另一个缺点在于，如果涂层中的缺陷使下面的铝暴露于等离子室内的反应性气体中，它们将无法充分保护等离子室本体。此外，在转化涂层的情况下，如使用硬质阳极氧化，直接暴露于等离子的涂层的纯度取决于基础铝合金的纯度。例如，6061铝具有95.8
‑
98.6%的铝含量，其余为其它金属合金元素。这些其它金属杂质可能成为半导体加工中潜在的污染源。而且，许多加工的等离子通道的几何形状都有深孔，其长宽比(长度与直径之比)在2:1到10:1的范围内。这种高长宽比的孔对于使用物理气相沉积(pvd)或等离子喷涂方法进行涂覆是不切实际的，因为这些涂层是从开口端进行涂覆的，并且在难以到达的区域中导致的涂层厚度比所需的涂层厚度小得多。高长宽比的孔可使用其它沉积工艺进行保形涂覆，例如，如化学气相沉积(cvd)或原子层沉积(ald)。然而，cvd和ald的沉积速率远低于喷涂的沉积速率，这使这些沉积过程缓慢且昂贵。
12.此外，一些现有的等离子室，如美国专利号8,053,700中描述的等离子室，是通过连接多个大体上线性的介电管以实现所需形状(例如，环形状)而形成的。尽管将大体上线性的管用作等离子室的构造块扩大了可用材料的范围，但是主要缺点在于，这增加了制造复杂性和成本。


技术实现要素：

13.需要对某些等离子化学物质如氢和/或卤素等离子化学物质具有改进的抗性同时在半导体处理中使金属污染最小化的等离子室。还需要可以以较低的复杂度和成本制造的等离子室。
14.本发明提供了能够点燃过程中气体的厚壁等离子室，其中等离子室可由与等离子化学物质(如氢和/或卤素等离子化学物质)相容(例如，在其中具有低腐蚀速率)的高纯度介电材料制成。高纯度介电材料还可将半导体处理中的金属污染最小化。高纯度介电材料进一步提供了改进的热机械性能。
15.一方面，提供了等离子处理系统的等离子室。等离子室限定等离子通道，该等离子通道具有沿等离子通道的长度相反设置的第一侧和第二侧。等离子室包括由介电材料构成的第一区段。第一区段具有(i)第一凸缘，其沿等离子通道的第一侧定位且以第一宽度延伸
超过第一侧，以及(ii)第二凸缘，其沿等离子通道的第二侧定位且以第二宽度延伸超过第二侧。等离子室还包括由介电材料构成的第二区段。第二区段具有(i)第三凸缘，其沿等离子通道的第一侧定位且以第一宽度延伸超过第一侧，以及(ii)第四凸缘，其沿等离子通道的第二侧定位且以第二宽度延伸超过第二侧。等离子室还包括将第一区段和第二区段在第一凸缘与第三凸缘之间和在第二凸缘与第四凸缘之间结合在一起的接口。
16.另一方面，提供了一种制造等离子处理系统的等离子室的方法。等离子室限定等离子通道，该等离子通道具有沿等离子通道的长度相反设置的第一侧和第二侧。该方法包括由介电材料构成第一区段。第一区段具有(i)第一凸缘，其沿等离子通道的第一侧定位且以第一宽度延伸超过第一侧，以及(ii)第二凸缘，其沿等离子通道的第二侧定位且以第二宽度延伸超过第二侧。该方法还包括由介电材料构成第二区段。第二区段具有(i)第三凸缘，其沿等离子通道的第一侧定位且以第一宽度延伸超过第一侧，以及(ii)第四凸缘，其沿等离子通道的第二侧定位且以第二宽度延伸超过第二侧。该方法还包括将第一区段和第二区段结合在一起以形成等离子室，该等离子室具有用于在其中容纳等离子的等离子通道。结合第一区段和第二区段包括在第一凸缘与第三凸缘之间形成结合以产生具有第一宽度的第一结合凸缘，以及在第二凸缘与第四凸缘之间形成结合以产生具有第二宽度的第二结合凸缘。
17.以上任一方面可包括一个或多个以下特征。在一些实施例中，介电材料是氧化铝(al2o3)陶瓷。在一些实施例中，介电材料是ii族元素、iii族元素、镧系元素或其混合物中的一种的氧化物或氮化物。在一些实施例中，介电材料为y2o3、sc2o3、la2o3、ce2o3或mgo中的一种。在一些实施例中，介电材料为aln、bn或yn中的一种。
18.在一些实施例中，涂层设置在等离子室的内表面上，该内表面形成暴露于其中的等离子的等离子通道的至少一部分。涂层可包括al2o3、y2o3、sc2o3、la2o3、ce2o3、mgo、sio2、b4c或包括yag的合金中的一种。
19.在一些实施例中，第一区段和第二区段基本相同。在一些实施例中，第一区段或第二区段的壁的厚度在约0.04英寸与约0.12英寸之间。在一些实施例中，第一区段或第二区段通过在生坯状态下机加工介电材料来构成。
20.在一些实施例中，等离子室还包括(i)第一结合凸缘，该第一结合凸缘通过第一凸缘和第三凸缘的结合来形成，其中第一结合凸缘具有第一宽度，以及(ii)第二结合凸缘，该第二结合凸缘通过第二凸缘和第四凸缘的结合来形成，其中第二结合凸缘具有第二宽度。在一些实施例中，第一结合凸缘的第一宽度或第二结合凸缘的第二宽度在约0.06英寸与约1英寸之间。例如，第一宽度或第二宽度可约0.25英寸。
21.在一些实施例中，结合接口包括结合剂，该结合剂为玻璃料、低共熔混合物或环氧树脂中的一种。例如，低共熔混合物可包括al2o3、y2o3、sc2o3、ce2o3、mgo、cao或zro2中的一种或多种。在一些实施例中，通过将第一区段和第二区段烧结在一起以在第一结合凸缘和第二结合凸缘处产生气密密封，将第一区段和第二区段结合在一起。在一些实施例中，可在烧结之前在第一区段或第二区段中至少一个的内表面上设置合金剂层。内表面适于形成暴露于其中的等离子的等离子通道的至少一部分。通过结合第一区段和第二区段的烧结工艺，在具有合金剂层设置于其上的内表面的至少一部分上产生合金涂层。
22.在一些实施例中，等离子通道形成环形环。环形等离子通道在形状上可为圆形、卵
形、椭圆形或多边形。在一些实施例中，等离子通道是线性的。在一些实施例中，等离子通道的截面在形状上为圆形、矩形或卵形。等离子通道的截面的面积可在约0.2cm2与约50cm2之间。
附图说明
23.上文描述的本发明的优点与另外的优点一起可通过连同附图参照以下描述来更好理解。附图不必按比例，重点大体上改为放在示出本技术的原理上。
24.图1示出了根据本发明的一些实施例的示例性等离子室。
25.图2示出了根据本发明的一些实施例的用于形成图1的等离子室的示例性组件。
26.图3示出了根据本发明的一些实施例的在形状上矩形的环形等离子通道的环形等离子室。
27.图4示出了根据本发明的一些实施例的在形状上卵形的环形等离子通道的环形等离子室。
28.图5示出了根据本发明的一些实施例的具有等离子通道的环形等离子室的一部分，该等离子通道的截面具有矩形的内部轮廓和矩形的外部轮廓。
29.图6示出了根据本发明的一些实施例的具有等离子通道的环形等离子室的一部分，该等离子通道的截面具有圆形的内部轮廓和圆形的外部轮廓。
30.图7示出了根据本发明的一些实施例的具有等离子通道的环形等离子室的一部分，该等离子通道的截面具有圆形的内部轮廓和六边形的外部轮廓。
31.图8a示出了根据本发明的一些实施例的包括图1的等离子室的示例性等离子处理系统。
32.图8b示出了根据本发明的一些实施例的包括图1的等离子室的示例性等离子处理系统的断面视图。
33.图8c示出了根据本发明的一些实施例的包括图1的等离子室的示例性等离子处理系统的侧视图。
34.图9示出了根据本发明的一些实施例的图8c的等离子处理系统的截面视图。
35.图10示出了根据本发明的一些实施例的具有电分离的散热器节段的图8c所示的等离子处理系统的另一截面视图。
36.图11示出了根据本发明的一些实施例的包括由散热器节段封装的等离子室的组件的截面视图。
37.图12a和12b分别示出了根据本发明的一些实施例的具有第一结合凸缘和第二结合凸缘的图1中的等离子室和没有结合凸缘的等离子室的模拟温度曲线。
38.图13示出了根据本发明的一些实施例的用于制造图1的等离子室的示例性过程。
39.图14a
‑
14c示出了根据本发明的一些实施例的示例性等离子室。
40.图15a
‑
15d示出了根据本发明的一些实施例的使用图8a
‑
8c所示的等离子处理系统作为远程等离子源的各种示例性脉冲操作。
具体实施方式
41.图1示出了根据本发明一些实施例的示例性等离子室100。大体上，等离子室是容
纳气体和/或等离子并且可在其中点燃和/或保持等离子的容器或容器的一部分。等离子室适于与其它构件如发电和冷却构件组合，以形成等离子处理系统。等离子室通常限定具有多种形状的一个或多个等离子通道。例如，等离子通道可具有线性形状或环形状(例如，以支承环形等离子)。如图1所示，等离子室100可为环形环，其限定为形成具有闭合路径的环状内部等离子通道(未示出)，以支持闭合路径中的等离子电流循环。
42.包括等离子通道的等离子室100具有沿等离子通道的长度相反设置的第一侧102和第二侧104。等离子室100还包括从第一侧102延伸第一宽度的第一结合凸缘110。等离子室100还包括从第二侧102延伸第二宽度的第二结合凸缘112。确切地说，对于图1所示的圆环形等离子室100，第一结合凸缘110从第一/内侧102向内延伸第一宽度，且第二结合凸缘112从第二/外侧104向内延伸第二宽度。大体上，圆环形等离子室100的尺寸，如内半径(即，从圆环形等离子室100的中心到第一侧102)和外半径(即，从圆环形等离子室100的中心到第二侧104)基于等离子通道中的处理气体的所需流速和所需等离子功率来限定。在一些实施例中，圆环形等离子室100的外半径约6英寸。
43.图2示出了根据本发明的一些实施例的用于形成图1的等离子室100的示例性组件。等离子室100由若干离散的区段构成，包括可形成等离子室100的下半部分的第一区段204、可形成等离子室100的上半部分的第二区段206，以及将等离子室100的第一区段204和第二区段206结合在一起的和结合接口207(如图1中所示)。第一区段204和第二区段206以及结合接口207可由相同的介电材料或两种或更多种不同的介电材料构成。
44.如示出的，第一区段204限定(i)第一壁部分208，其具有限定等离子通道一部分的内表面，(ii)第一凸缘210，其沿等离子通道的第一侧102定位且以第一宽度延伸超过第一侧102，以及(iii)第二凸缘212，其沿等离子通道的第二侧104定位且以第二宽度延伸超过第二侧104。类似地，第二区段206限定(i)第二壁部分214，其具有限定等离子通道的另一部分的内表面，(ii)第三凸缘216，其沿等离子通道的第一侧102定位且以第一宽度延伸超过第一侧102，以及(iii)第四凸缘218，其沿等离子通道的第二侧104定位且以第二宽度延伸超过第二侧104。通过将第一区段204和第二区段206分别在第一区段204的第一凸缘210与第二区段206的第三凸缘216之间和在第一区段204的第二凸缘212与第二区段206的第四凸缘218之间结合在一起来形成结合接口207。确切地说，在结合接口207处的结合适于将等离子室100形成为整体结构，其包括：(i)第一壁部分208和第二壁部分214，其共同限定用于在其中容纳气体和/或等离子的等离子通道，(ii)第一凸缘210和第三凸缘216，其共同限定具有第一宽度的第一结合凸缘110，以及(iii)第二凸缘212和第四凸缘218，其共同限定具有第二宽度的第二结合凸缘112。在一些实施例中，第一结合凸缘110的第一宽度和/或第二结合凸缘112的第二宽度在约0.06英寸与约1英寸之间。例如，第一宽度或第二宽度均可约0.25英寸。
45.大体上，用于在结合接口207处形成第一结合凸缘110或第二结合凸缘112的结合强度与在结合接口207处的表面积量成比例。在没有结合凸缘110,112的情况下，等离子室100的相对薄的第一壁部分208和/或第二壁部分214适于产生薄的结合接口207，这可损害结合可靠性，即使该薄壁有益于减轻热应力。因此，第一结合凸缘110和第二结合凸缘112用于确保等离子室100的第一区段204和第二区段206之间的更可靠和坚固的结合。这有利地允许第一壁部分208和第二壁部分214的厚度独立地优化以最小化热机械应力。
46.在一些实施例中，等离子室100的第一区段204和第二区段206基本相同。在一些实施例中，第一区段204和第二区段206中的每一个都由介电材料形成并且在生坯状态下机加工。等离子室100的这两个区段204,206可通过以下结合途径中的任何一种来结合，该结合途径包括：(i)在凸缘210,212,216,218上施加并熔化玻璃料，以在结合的凸缘110,112处形成玻璃接头，(ii)在凸缘210,212,216,218处施加包括al2o3、y2o3、sc2o3、ce2o3、mgo、cao或zro2中的一种或多种的共晶混合物，并将两个区段204,206烧结在一起以形成结合凸缘110,112，(iii)将两个区段204,206共同烧结在一起以形成结合凸缘110,112，或(iv)在凸缘210,212,216,218处施加高温环氧树脂，并将两个区段204,206固化在一起以形成结合的凸缘110,112。可在结合的凸缘110,112处形成牢固的气密密封。
47.如上文描述的，包括第一区段204和第二区段206的等离子室100可由相同的介电材料或不同的介电材料制成。通常，根据蚀刻速率(例如，以微米每分钟来测量的每单位时间的材料去除速率)来测量特定材料对等离子的抗性。在一些实施例中，用于构成等离子室100的介电材料是高纯度(例如，约99.5%至约99.9%)的氧化铝(al2o3)陶瓷材料，其由于其在卤素等离子中的低蚀刻速率而选择。此外，氧化铝展示出良好的热冲击抗性，这是在热应力应用中选择材料的另一个关键参数。关于热冲击抗性的公式如等式[1]所示：其中r代表热冲击抗性，σ
f
代表材料的抗弯强度(mpa)，ν代表泊松比，k代表热传导率(w/mk)，e代表杨氏模量(gpa)，并且α代表热系数膨胀(μm/mk)。等式[1]通过产生指示材料对热应力抗性的能力的单个数字，组合了对抵抗热应力至关重要的若干材料性能。抗性值越高，材料在承受热应力时的性能越好。例如，石英，其为在一些现有的等离子室中使用的介电材料，具有约2500的热冲击抗性系数。相比之下，主要由于其高强度和高热传导率的组合，氧化铝具有约3400的热冲击抗性。因此，从热应力处理的观点来看，氧化铝作为用于构成等离子室的结构材料比石英好约1.4倍。
[0048]
在一些实施例中，用于构成等离子室100的介电材料是ii族元素、iii族元素、镧系元素或其混合物中的一种的氧化物或氮化物。例如，介电材料可为y2o3、sc2o3、la2o3、ce2o3或mgo中的一种。作为另一示例，介电材料可为aln、bn或yn中的一种。
[0049]
在一些实施例中，通过用少量的ii或iii族元素中一种的氧化物(例如，al2o3、sc2o3或mgo)掺杂或合金化用于形成等离子室100的介电材料(例如，al2o3)来增强等离子室100的等离子抗性。已经表明，将al2o3粉末与少量的y2o3、sc2o3或mgo粉末混合并将混合物加热至约1700℃的温度导致形成al
x
y
y
o
z
、al
x
sc
y
o
z
或al
x
mg
y
o
z
形式的化学计量合金。与单独的al2o3相比，这种合金在经受卤素等离子化学物质(如f*、cl*和br*)时具有较低的腐蚀速率。
[0050]
在一些实施例中，在结合接口207处将两个区段结合在一起之前，将涂层施加到等离子室100的第一区段204的第一壁部分208的内表面和/或第二区段206的第二壁部分214的内表面。如上文描述的，两个壁部分208,214适于形成暴露于其中的等离子的等离子通道。因此，可将涂层施加到这两个区段的内表面，使得它们直接面对等离子。涂层可包括氧化钇(y2o3)、sc2o3、la2o3、ce2o3、mgo、sio2、b4c或yag合金中的一种或多种，它们与al2o3相比在卤素等离子中的蚀刻速率较低。涂层也可包括al2o3。大体上，较厚的涂层比较薄的涂层具有更长的寿命，因为较厚的涂层需要更长的由腐蚀引起的刻蚀时间。然而，涂层对等离子室
表面的粘附性与涂层厚度有关。当温度变化时，涂料和基体的热膨胀系数不匹配会在接口和涂料中产生热机械应力。这种应力随着温度或温度梯度的增加而增加，并可能导致涂层失效。对于大多数上述涂层材料，最佳涂层厚度在5μm至1000μm的范围内。在一些实施例中，优选的涂层厚度在10μm与100μm之间。
[0051]
在一些实施例中，涂覆工艺(如等离子或火焰喷涂)用于将材料的致密涂层沉积到第一壁部分208的内表面和/或第二壁部分214的内表面，其中涂层厚度大约几微米至几百微米。然而，喷涂，也称为视线涂层，要求涂层表面充分暴露以实现相对一致的涂层厚度。如图2所示，等离子源100的分段结构特别适合于喷涂，因为第一壁部分208和第二壁部分214的内表面形成了等离子室100的所得等离子通道，在结合两个区段204,206之前，可容易地接近并暴露。
[0052]
在示例性涂覆过程中，如图2所示，在两个区段204,206在生坯状态下机加工之后，但在两个区段204,206结合之前，合金化剂(例如，y2o3、sc2o3或mgo)的薄层沉积在第一区段204的第一壁部分208或第二区段206的第二壁部分214的至少一个的内表面上。当使用所需的结合工艺(例如，共烧、烧结等)将两个区段204,206在结合接口207结合时，合金涂层薄层(如al
x
y
y
o
z
、al
x
sc
y
o
z
或al
x
mg
y
o
z
的形式)在内表面的至少一部分上产生。在一些实施例中，也将相同的合金剂(例如，y2o3、sc2o3或y2o3和al2o3的混合物)制成浆状材料并作为结合剂施加到结合接口207上以将两个区段204,206与第二区段204,206共晶结合，以形成第一结合凸缘110和第二结合凸缘112。共晶结合和合金涂层的形成可在相同的结合过程中实现。
[0053]
在一些实施例中，等离子室100的第一壁部分208的厚度和/或第二壁部分214的厚度在约0.04英寸和约0.12英寸之间。介电等离子室(例如，等离子室100)的主要限制是由等离子热负载引起的热机械应力。有两个相互竞争的因素决定了与热机械应力有关的最佳壁厚。一方面，等离子室的壁越薄，穿过壁厚度的热梯度越小。另一方面，等离子室的壁需要足够厚以具有足够的机械强度以抵消热应力和在组装期间等离子室所承受的其它应力。因此期望在这两个因素之间的最佳平衡(即，机械强度和低热梯度)以减轻热应力。可选择等离子室100的第一壁部分208和/或第二壁部分214的厚度在约0.04英寸与约0.12英寸之间，以平衡这两个竞争因素。
[0054]
即使图1和图2示出环形等离子室100的环形等离子通道的整体形状为圆形，其它环形通道的形状也是可能的，如卵形、椭圆形或多边形。例如，图3示出了根据本发明的一些实施例的在形状上矩形的环形等离子通道的环形等离子室300。图4示出了根据本发明一些实施例的在形状上卵形的环形等离子通道的环形等离子室400。上面关于环形等离子室100描述的特性和分段制造途径同样适用于线性等离子室。例如，在备选实施例中，本发明的等离子室为通过所公开的结合工艺形成的线性等离子通道的形式。
[0055]
本发明的等离子通道的截面可具有不同的形状，如圆形、卵形、椭圆形、多边形或矩形/正方形。此外，等离子通道截面的外部轮廓和内部轮廓可具有相同或不同的形状。例如，根据本发明的一些实施例，图5示出了具有等离子通道502的环形等离子室500的一部分，该等离子通道具有截面504，该截面具有矩形的内部轮廓506和矩形的外部轮廓508。图6示出了根据本发明的一些实施例的具有等离子通道602的环形等离子室600，该等离子通道具有截面604，该截面4具有圆形的内部轮廓606和圆形的外部轮廓608。图7示出了根据本发明的一些实施例的具有等离子通道702的环形等离子室700，该等离子通道具有截面704，该
截面4具有圆形的内部轮廓706和六边形的外部轮廓708。在一些实施例中，等离子通道的截面的面积在约0.2cm2与约50cm2之间。
[0056]
图8a
‑
8c示出了根据本发明一些实施例的示例性等离子处理系统800的视图。图8a示出了包括图1的等离子室100的示例性等离子处理系统800。图8b示出了图8a的等离子处理系统800的截面视图。图8c示出了图8a的示例性等离子处理系统800的侧视图。如示出的，等离子处理系统800包括具有至少一个气体入口806和由出口凸缘808代表的至少一个气体出口的等离子室100。
[0057]
等离子室100由散热器810围绕，该散热器用于从等离子室100去除热量。散热器810可由多个节段形成，如基本上包围等离子室100的至少两个节段810a,810b。散热器810的分段可帮助系统800的组装，特别是当等离子室100具有复杂的形状(如环形形状)时。在一些实施例中，散热器810沿方位平面(即，如图8b中指示的x
‑
z平面)分成两个节段。所得的两个散热器节段810a,810b可基本相同，并且沿y轴对准以形成整个散热器810。在一些实施例中，散热器810形成为单个整体式构件。
[0058]
等离子处理系统800包括将电磁能耦合到等离子室100中的功率变压器822。功率变压器822包括高磁导率磁芯804、初级线圈824和等离子室100。等离子室100允许等离子形成变压器822的次级电路。磁芯804可由支承结构818支承和冷却。功率变压器822可包括另外的磁芯和形成另外的初级或次级电路的导体线圈。例如，图8a
‑
8c所示的系统800示出了由四个变压器芯(例如，磁芯804和三个附加的磁芯(未标记))包围的等离子室100。
[0059]
图9示出了沿图8c所示的a
‑
a截面线的等离子处理系统800的截面视图。等离子处理系统800包括组件，该组件包括等离子室100和散热器810，散热器放置在变压器822内。包括磁芯804和一个或多个初级线圈824(未示出)的变压器822适于将电功率耦合(例如感性耦合)到由等离子室100的等离子通道802限定的等离子产生容积中。磁芯804与初级线圈一起引发与等离子通道802对准的电场和电流，这允许等离子通道802中的等离子点燃并维持以形成变压器822的次级电路。
[0060]
确切地说，在操作中，可将气体经由气体入口806馈入等离子通道802，直到达到例如约0.001托与约1000托之间的压力。变压器822引发电场，该电场使等离子室100的等离子通道802中的气体电离，以形成等离子，这接通了变压器822的次级电路。等离子通道802中的等离子或活化气体的至少一部分可经由出口凸缘808输送离系统800。在一些实施例中，在使引发的电功率耦合到等离子之前，等离子通道802内部的气体由施加到等离子通道802的电场点燃，以产生初始的电击穿。在美国专利号6,150,628、7,166,816和7,659,489中描述了几种点火方案，并且这些方案已转让给mks instruments, inc.(andover, ma)，其公开内容通过引用整体并入本文中。
[0061]
在一些实施例中，散热器810利用设置在散热器810与等离子室100之间的热接口812基本上封装/包围等离子室100。构造成从等离子室100去除热量的散热器810可由电传导材料(如铜)形成。在一些实施例中，冷却流体通过流体入口828供应到冷却套，并经由流体出口830去除。热接口812可为柔顺的热传导垫或封装化合物。热接口812具有一种或多种机械性能，当介电室受到来自等离子的热负载时，机械性能允许其承受由散热器810内部的等离子室100的热变形引发的压力。热接口812可具有不同程度的顺应性，如易于变形，这可帮助适应系统800的热引起的尺寸变化。热接口812还可具有足够高的热传导率，以有效地
将热量从介电等离子室100朝散热器810传导。通过在材料中引入少量的孔隙率(体积的0.1
‑
10%)，可使热接口812可压缩。在一些实施例中，等离子室100与散热器810之间的间隙用热接口812填充，并且该间隙在宽度上约0.020英寸。
[0062]
在一些实施例中，两个散热器节段810a,810b通过沿等离子通道802的第二/外侧104和/或第一/内侧102定位的一个或多个介电断裂814彼此电分离/隔离。例如，介电断裂814可沿等离子室100的第一/内部结合凸缘110和/或第二/外部结合凸缘112放置。这些介电断裂814也为热接口812提供间隔。例如，介电断裂814可构造成将热接口材料容纳在等离子室100与散热器810之间的间隙内，并防止热接口材料从散热器810与等离子室100之间的空间泄漏出。
[0063]
在一些实施例中，两个散热器节段810a,810b进一步沿等离子室100的环形方向电分离。散热器810在环形方向上的这种分段防止了在散热器810中引发电流，该电流可使由等离子通道802中的等离子形成的变压器次级短路。
[0064]
图10示出了沿图8c所示的b
‑
b截面线的等离子处理系统800的另一截面视图。如示出的，等离子室100由沿方位角分段的散热器810a和810b围绕，并且由磁芯(例如，磁芯804)围绕。b
‑
b截面线穿过环形分段的散热器810的接头，其中冷却流体通过介电流体耦合件826在分段的散热器区段之间传导。在一些实施例中，介电流体耦合件826由高温塑料制成。在转让给mks instruments, inc.(andover, ma)的美国专利号7,501,600和7,659,489中描述了类似的散热器分段布置，这些专利的公开内容通过引用整体结合于此。
[0065]
除了在等离子室100的两个区段204,206之间实现牢固的结合(参见图2)之外，第一结合凸缘110和第二结合凸缘112在降低温度和热应力方面提供益处。确切地说，因为第一结合凸缘110和第二结合凸缘112分别延伸超过等离子通道802的第一侧102和第二侧104，故它们增加了等离子室100的本体与散热器810之间的接触表面积的量，如图9和11所示。该附加的接触表面可导致介电等离子室100中的峰值温度降低。
[0066]
图12a示出了根据本发明的实施例的具有第一结合凸缘110和第二结合凸缘112的图1的等离子室100的模拟温度曲线。图12b示出了没有结合凸缘的等离子室1200的模拟温度曲线。在图12a的模拟中使用的第一结合凸缘110和第二结合凸缘112均具有0.25英寸的宽度。该模拟使用的入口冷却水温度为30℃，并且操作功率负载为6千瓦(kw)。如示出的，在没有结合凸缘的等离子室1200中，峰值温度约185℃，而具有根据本发明的示例性实施例的结合凸缘110、112的情况下，峰值温度约153℃。这表明，使用结合凸缘110和112可将等离子室100中的峰值温升降低约20%。
[0067]
此外，第一结合凸缘110和第二结合凸缘112用作围绕等离子室100的第一/内侧102和第二/外侧104的加强肋，这可减小等离子室100在热负载下的变形和热应力。
[0068]
另一方面，由介电断裂814和等离子室100的结合凸缘110,112提供的两个散热器节段810a,810b的电分离/隔离允许它们在相反的电压下受到偏压以用于等离子点火。图11示出了包括由图8a,8b,10和11所示的散热器节段810a,810b封装的等离子室100的组件的截面视图。散热器节段810a,810b可用作点火电极，该点火电极容性地联耦合接到等离子室100，并且可向其施加电压以点燃等离子室100中的气体1104。如示出的，两个散热器节段810a,810b在连接到功率供应部1102时可在相反的极性下受到偏压，功率供应部可为dc、rf或脉冲功率供应部，并且施加的电压可大约几百伏到几千伏。举例来说，可使用400khz rf
功率供应部以约2
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5kv的峰到峰的电压对散热器节段810a,810b形式的点火电极进行偏压。一旦施加电压，就在包含在等离子室100的等离子通道中的气体1104内部产生电击穿(例如，电击穿1106)。因为呈散热器节段810a,810b形式的点火电极基本上覆盖了等离子通道的整个第二/外侧104，所以电击穿1106适于覆盖大量的过程气体1104。结合使用沿等离子室100的环形方向的引发的电场，该特征使得能够在等离子室100中形成环形等离子。
[0069]
图13示出了根据本发明的一些实施例的用于制造图1的等离子室100的示例性过程1300。等离子室100限定内部等离子通道，该内部等离子通道具有第一侧102(即，如果等离子通道为环形，则为内侧)和第二侧104(即，如果等离子通道为环形，则为外侧)。在步骤1302处，通过例如在生坯状态下机加工介电材料，由介电材料构成等离子室100的第一区段204。在步骤1304处，通过例如在生坯状态下机加工介电材料，由相同的介电材料或不同的介电材料构成等离子室100的第二区段206。第一区段204或第二区段206可为等离子室100的上半部或下半部。第一区段204具有(i)第一凸缘210，其沿等离子通道的第一侧102定位并且以第一宽度延伸超过第一侧102，以及(ii)第二凸缘212，其沿等离子通道的第二侧104定位且以第二宽度延伸超过第二侧104。类似地，第二区段206具有(i)第三凸缘216，其沿等离子通道的第一侧102定位并且以第一宽度延伸超过第一侧102，以及(ii)第四凸缘218，其沿等离子通道的第二侧104定位且以第二宽度延伸超过第二侧104。
[0070]
在一些实施例中，在步骤1304之后但在步骤1306处结合第一区段204和第二区段206之前，在步骤1308处，分别在第一区段204或第二区段206中至少一个的第一壁部分208和/或第二壁部分214的内表面上施加涂层，其中第一壁部分208或第二壁部分214的内表面形成暴露于其中的等离子的等离子通道的至少一部分。在一些实施例中，涂层是沉积在第一区段204或第二区段206中至少一个的第一壁部分208和/或第二壁部分214的内表面上的合金剂层。
[0071]
在步骤1306处，第一区段204和第二区段206结合以形成等离子室100。结合第一区段204和第二区段206涉及(i)在第一区段204和第二区段206分别的第一凸缘210和第三凸缘216之间形成结合，以产生第一结合凸缘110，以及(ii)在第一区段204和第二区段206分别的第二凸缘212和第四凸缘218之间形成结合，以产生第二结合凸缘112。在该结合过程期间，如果在第一壁部分208和/或第二壁部分214的内表面中已经设置了合金剂层，则可通过相同的结合过程由合金剂层在内表面上形成合金涂层。即使相对于具有环形等离子通道的环形等离子室解释了制造过程1300，相同的过程1300也适用于其它形状的等离子室，如具有线性的等离子通道的等离子室。
[0072]
在一些实施例中，第一区段204和第二区段206可使用高温低蒸气压环氧树脂或玻璃料结合而连结在一起。在这样的实施例中，第一区段204和第二区段206将在结合之前烧制/烧结。可将环氧树脂或玻璃料施加到第一区段204的至少第一凸缘210和第二凸缘212上。第一凸缘210和第三凸缘216以及第二凸缘212和第四凸缘218的结合将通过共同加热第一区段和第二区段以固化环氧树脂或熔化玻璃料以形成结合接口207来实现。环氧树脂的固化温度通常在大约200
‑
400℃之间，而玻璃的熔化温度大约1000
‑
1500℃，这两者都大大低于高温陶瓷材料的烧结温度。例如，氧化铝(al2o3)陶瓷的烧结温度大约2000℃。由于在这样的实施例中环氧固化/玻璃熔化温度和陶瓷烧结温度之间的差异，因此烧结和粘结步骤必须分开。
[0073]
图14a
‑
c示出了根据本发明一些实施例的用于形成等离子室的另一示例性组件。等离子室1400由两个离散的区段构成，包括第一区段1404和第二区段1406，如图14b和14c所示。第一区段1404和第二区段1406中的每一个可包括等离子室1400的一半，其中一个区段包括等离子室1400的气体入口，而另一区段包括等离子室的气体出口。可使用结合剂在凸缘1410和1412处将两个区段结合在一起。在一些实施例中，区段1404和区段1406在几何上是相同的。在一些实施例中，区段1404和区段1406具有不同的几何形状，用于沿等离子室1400容纳或产生气体流型。区段1404、区段1406和结合接口1407可由相同的介电材料或由两种或更多种不同的介电材料构成。在一些实施例中，涂层设置在等离子室的内表面上，该内表面形成暴露于其中的等离子的等离子通道的至少一部分。涂层可包括al2o3、y2o3、sc2o3、la2o3、ce2o3、mgo、sio2、b4c或包括yag的合金中的一种。入口区段和出口区段的内表面可涂有不同的材料，以优化等离子性能。
[0074]
另一方面，本发明的等离子室和等离子处理系统可用于多种应用中，如在需要卤素等离子的半导体晶片工艺中。一种称为原子层蚀刻(ale)的示例性半导体晶片工艺需要使用cl*等离子和等离子源的脉冲操作。本发明的介电等离子室(例如，等离子室100)与这两个要求兼容，因为它们在cl*等离子中具有低腐蚀速率，并且由于它们能够使过程中气体快速点燃而可在脉冲模式中使用。
[0075]
在一些实施例中，本发明的等离子处理系统，如等离子处理系统800，在高密度等离子环境中具有低的离子轰击能量，因此与由于等离子的离子轰击而使其面对等离子的表面遭受腐蚀的其它容性或感性耦合源相比，提供优点。因此，本发明的等离子处理系统在高等离子功率密度下具有低颗粒产生和长寿命(例如，以rf小时来测量)。较低的颗粒缺陷可在半导体装置制造中实现更高的产量，这大体上对可在装置上产生缺陷的亚微观颗粒敏感。
[0076]
传统的等离子处理系统通常由金属(例如铝)制成，该金属在其内表面上具有介电涂层，以提供足够的热传导，以在高功率等离子操作条件下将等离子室的温度维持在合理的极限内。之所以选择这种材料是因为与典型的介电材料相比，铝具有出色的热传导率(例如，大于10倍)。对于给定的热通量(q w/m2)，固体上的温差计算为，其中k是固体的热导率，且thx是热量传导穿过其的固体的厚度。因此，为了最小化固体上的温差，需要使k/thx最大化。这意味着材料的选择必须是具有高热传导率的金属或具有较低热传导率的较薄的介电材料。使用纯介电等离子室的优点在于，其能够处理快速点燃等离子过程中气体所需的大电压(例如，高达几十千伏)，而金属等离子室的能力有限，并通常需要良性点火条件(如氩气作为点火气体)，并且还需要过渡到过程化学以维持等离子。
[0077]
介电等离子室的点火能力的这一优点使得在点火期间介电等离子室能够充满负电性气体(例如，o2、nf3、f2、cl2等)，无需与从稀有/正电气体转换为过程气体相关联的额外过渡。这种能力还使等离子能够脉冲化(即在开和关状态之间切换)，这对于原子层处理应用(如ale和ald)至关重要。因此，与备选方案(如远程感性耦合等离子源或基于微波或介电阻挡放电的等离子源)相比，介电等离子室成为用于脉冲自由基输送应用的远程等离子源中使用的最佳架构。
[0078]
此外，本发明的耦合变压器的等离子处理系统，如等离子处理系统800，可操作成在短时间内输送特定的化学反应物。图15a
‑
15d示出了根据本发明一些实施例的使用图8a
‑
8c的等离子处理系统800作为远程等离子源的各种示例性脉冲操作。确切地说，图15a示出了仅当前体b通过任一远程等离子源800、远程等离子源800下游的入口流入等离子室100或直接进入等离子室100中时才操作(即，接通)远程等离子源800时的示例性脉冲操作。将等离子处理系统800操作为远程等离子源的其它模式也是可能的，如仅针对前体a开启远程等离子源，如图15b所示，或针对前体a和b两者开启，如图15c所示。
[0079]
如果存在具有恒定流量的单个前体并且仅切换远程等离子源以允许在整个过程中进行一定持续时间的基于自由基的处理，则可使用相同的原理，其中基于前体的过程用于调节远程等离子源下游的反应的速率和类型。一个这样的示例是ale工艺，如图15d所示，其中流经远程等离子源的前体可包括cl2或其它卤素气体，该气体会定期转变为包括原子氯和激发氯分子的自由基，以实现高反应性，其中在基体上使用独立偏压激活表面，以间歇性地在基体上进行一些离子轰击。大体上，有许多方式来优化这些组合以启用特定的应用。一个共同的特征是具有产生低粒子的远程等离子源的能力，该源可以提供原子级化学反应所需的自由基通量，且远程等离子源可以基于工艺需要快速开启和关闭，以允许在过程气体内点火。这种能力可通过本发明的等离子室和等离子处理系统来实现。例如，本发明的等离子室可由介电材料形成并且由蛤壳几何形状结合，该蛤壳几何形状使得新的涂层材料能够集成到与期望的过程化学相容的面向等离子的表面中。
[0080]
在本发明的上下文中，用语“约”定义为在用语“约”之后的值的
±
50%以内。尽管已经参考特定实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种改变。