專利名稱：產生感性耦合的等離子的射頻電源的制作方法
技術領域：
本發明的背景本發明涉及在執行蝕刻和沉積過程的裝置中感性耦合的等離子的產生。
各種的半導體制造工作包括對安裝在處理腔內的半導體基片上執行的沉淀和蝕刻過程。這樣的過程典型地包括使用低壓、高密度放電，其中通過可電離的氣體與射頻(RF)電磁場的交互作用產生等離子。在半導體處理腔中RF功率耦合到等離子可以分類為優越地電容性的或者優越地電感性的。在現有技術中可以找到許多例子。
在電容耦合的情況下，RF功率耦合到并行板極處理腔的底部板以及/或者頂部板。一般的，頂部板還作為饋送的可電離的氣體，底板作為圓片保持夾盤和該腔的剩余部分接地。
電感耦合通常使用平面的幾何形狀或者圓柱狀的幾何形狀，或者兩個幾何形狀的組合。此外，低的RF功率通常應用到底部電極，或者夾盤以提供一個RF偏壓。
圖1A、1B和1C提出電感性的放電幾何形狀的一些例子。
圖1A說明平面的幾何形狀的一個例子，其中平面的多圈的線圈位于處理管或者處理腔的頂部。圖1B表示圓柱狀的幾何形狀的例子，其中多圈的圓柱形線圈繞著處理管纏繞，而圖1C表示圓柱狀的幾何形狀的修改版本，其中該圓柱形線圈由導電的屏蔽環繞。圖1C中表示的結構是螺旋狀的諧振器的一個例子。在每個表示的安排中，連接該線圈接收RF電流，因此感應平行于圓柱狀的幾何形狀的縱向軸的電磁(EM)場。這個結果RF EM磁場主要地由當由靜電屏蔽極化(移動方位角的傳播磁場)時接近等離子量的放射狀地傳播EM波組成，它是該線圈中的RF電流的顯示。放射狀地傳播波與大量等離子的小的薄的表面層交互作用。這個薄的層的厚度常常稱為趨膚深度。這個交互作用最后導致加能電子和后來的氣體電離，和等離子的形成。一般的，處理管起保護的壁壘的作用和描繪來自外部結構的內等離子量。至少在圖1B和1C的結構中，處理管是由電介質材料制造的，對從該線圈發射的電磁能是透明的。應當懂得，這些圖是簡圖。在實踐中實際的設備可以采取各種的形式。
RF功率耦合到半導體處理中的等離子常規地是在13.56MHz的驅動頻率、使用50ΩRF功率發生器。這個頻率便利地位于指定用于工業的使用的RF頻帶內。但是，本現有技術中該工作頻率不限制為這個值，實際上當使用多個耦合電極時典型地使用多個頻率。
RF功率典型地通過已經至少一個有源元件的一個振蕩器提供給該線圈，該有源元件可以是固體元件或者半導體，部件或者真空管。
正如在本領域已知的，能量可以通過螺旋狀的諧振器感性耦合到處理腔，正如在Lieberman & Lichtenberg第12章(等離子放電的原理和材料處理，John Wiley & Sons，Inc.，1994年)中描述。利用螺旋狀的諧振器，該線圈(或者螺旋)具有等于RF輸入的四分之一波的整數數量的長度。該線圈環繞該等離子腔并且裝入接地的圓柱狀的容器內。圖1C表示包括這樣的一個螺旋狀的諧振器的基本結構，包括該線圈、由該線圈包圍以便最小化RF磁場與該等離子的電容耦合的一個靜電屏蔽、由該靜電屏蔽包圍并且從該等離子分開該螺旋形線圈的一個電介質處理管、環繞該線圈的一個外導體或者屏蔽，和連接到該線圈抽頭的的RF輸入線。正如圖1C表示的，RF輸入施加的該線圈抽頭是與接地的線圈的一端間隔的。在線圈抽頭和接地之間的該線圈部分有效地作為匹配電路的一部分，因此抽頭的位置可以選擇以便獲得匹配調節。在給定的條件下，抽頭的點位置的適當的定義可以提供用于該電路的阻抗匹配。
但是，RF功率發生器的負載阻抗是線圈的固有阻抗和等離子呈現的阻抗的函數，后者的阻抗是等離子屬性的函數。因此，過程調節的波動可能導致阻抗的波動，正如由RF功率發生器看到的。此外，在其中建立等離子的處理腔的阻抗在等離子點火之前和運行條件之間顯著地不同。為了保持有效能量從RF功率發生器傳送給等離子，要求電源輸出阻抗與負載阻抗適當的匹配。
在現有技術中使用的一個技術是變頻電源。該頻率是由相位mag檢測器確定的，它確定在連接至該線圈抽頭的固定的匹配網絡的輸入的匹配條件。但是，這個類型的系統可能非常昂貴，因此通常固定頻率電源結合匹配網絡使用。
通過阻抗匹配網絡連接到螺旋狀的諧振器線圈的固定頻率RF振蕩器的一個例子表示在圖2中。該匹配網絡是由串聯連接的電感器L和兩個并聯連接的可變電容器C1以及C2構成的一個□濾波器。匹配網絡補償由該線圈和等離子表示的可變負載阻抗和RF功率發生器的輸出阻抗之間的差。例如，正如圖2表示的，當電源阻抗Zs等于負載阻抗ZMNi時，這個阻抗包括匹配網絡、螺旋形線圈和等離子負載的阻抗，則電源變換可以是最大化的。在這個特別的情況中，到匹配網絡負載電路的輸入阻抗ZMNi是電源阻抗Zs的復共扼，正如由該負載看到的，匹配網絡的輸出阻抗Zmno是負載阻抗zl的復共扼。在這個特定的條件下，RF電源和匹配網絡與等離子加載的線圈的組合之間的耦合可以表示為等效于純電阻性的電路。因此，設計該匹配網絡以最大化從該RF功率發生器到它的負荷的功率傳輸。
給定電源變換狀態的反饋(使用其輸出近似前向的與反射信號之間的相位差的特定的檢測器電路的反射/發送功率電平和該反射信號的幅度)，已經開發匹配網絡響應該負載阻抗的變化。特別在等離子點火和運行條件期間，調節可變電容器來調諧該負載電路，到固定頻率電源的諧振的條件，該負載電路包括阻抗匹配網絡、線圈和等離子負載。當電路阻抗匹配時，取決于匹配的準確度，反射到在匹配網絡連接點的電源的功率最小化，甚至為零，因此減少了對電源的損害，該電源最后必須吸收這個反射功率。但是已經知道了，使用具有固定頻率電源的匹配網絡對于半導體設備的廠商提出了許多問題。
具體地說，現有的阻抗匹配網絡是固有地不可靠的，部分由于保證工作可靠性要求的維護是相對地復雜的并且常常超出維護人員的能力。
此外，已知的匹配網絡具有不適當的響應時間，至少在一些工作情形中。特別地，如果到等離子源的電源是根據脈沖型式變化的，則最快的匹配網絡不能適應保持該電源和等離子源之間的最佳的匹配。這是真實的，因為最快的匹配網絡的時間標度是幾百毫秒，即響應的上升或者下降時間大約是幾百毫秒。但是，為了獲得百分之一準確度內的RF方波脈沖，這些匹配網絡的最小的脈沖時間標度可以是幾十秒或者25至50秒。因此，為了精確地實現毫秒脈沖，人們要求具有微秒級的上升與下降時間或者時間標度的匹配網絡。因此，需要接收無效率的功率耦合條件，而且甚至逐個脈沖或者不同的運行是可變的。
如果在基片處理期間出現阻抗失配，可能導致基片損害。
可變頻率RF功率發生器的使用減輕了采用固定頻率RF功率發生器和匹配網絡時遇見的許多問題。美國專利No.5,688,357(Hanawa)披露了使用固態振蕩器與控制系統結合構成可變頻率RF功率發生器的方法，包括檢測反射和/或發送功率的方法。該控制系統調節RF功率源的頻率，直到反射功率最小以及/或者該發射功率最大化為止。本固態技術的缺點是具有固態元件的RF電源適合于處理5kW數量級的相對地低的功率電平。但是，例如直到15kW能夠產生更高的功率電平的電源需要處理具有300毫米直徑的圓片。替代使用固態振蕩器是使用作為包括加感線圈和等離子負載的振蕩器電路內的有源元件的真空管。
真空管振蕩器使用了50多年，用于變換直流(DC)電源為交流(AC)電源。在“真空管振蕩器”(Chapter XI of Principles of Electrical EngineeringElectrical Engineering Series Apesplied Electronics，A First Course inElectronics，Electron Tubes and Associated Circuits by Members of theStaff of the Department of Electrical Engineering，MIT，John Wiley &Sons，Inc.，New York，1943)中可以查找真空管振蕩器設計的完整的討論。根據該著作，真空管振蕩器分類為兩個類別，即負電阻振蕩器和反饋振蕩器。對于在使用低壓等離子放電的半導體處理中的特定的使用，反饋振蕩器可以包括作為放大器的真空管和耦合電路，其中該耦合電路包括加感線圈，它可以是一個螺旋形線圈或者耦合RF電源與等離子的電氣部件。典型的反饋振蕩器的例子是哈特利振蕩器，考畢茲振蕩器，調諧柵極振蕩器和調諧柵極調諧板極振蕩器。已知的哈特利和考畢茲振蕩器的基本的電路分別地表示在圖3A和3B，它們在上述的真空電子管振蕩器中查找。
反饋振蕩器操作的基本的前提是該設備起放大器的作用，其中輸出功率的一部分作為輸入反饋給該放大器，使得振蕩可以保持。因此，能夠周期的輸出具有大于驅動該振蕩要求的輸入功率的任何設備可以稱為自激勵的。更確切地說，如果例如輸出功率的分量以適當的幅度和相位反饋給真空管的陰極，則振蕩可以維持。有時，將該反饋連接的真空管振蕩器作為一個負電阻元件是有用的。
圖4A和4B分別給出相應于在圖3A中表示的哈特利振蕩器的反饋振蕩器的簡化示意圖和等效電路圖。圖4A和4B也在上述的真空管振蕩器中找到。在圖4A中，該電路是由一個電子管放大器和一個耦合網絡構成的。正如表示的，真空管放大器具有一個輸出電壓Ep(板極至陰極)，一個輸入電壓Eg(柵極至陰極)和一個電壓增益K＝Ep/Eg。該耦合網絡看到一個輸入電壓Ep和具有Efb的輸出電壓，在這里β＝Efb/Ep是耦合網絡的電壓比。為了產生自激振蕩，放大器的電壓增益K必須至少等于反饋電壓比β的倒數或者K≥l/β。
圖4B提供與圖4A相同的電路的等效電路圖。但是，假定該電路是線性類別A電路。代替圖4B電路中的K值，可能表示持續振蕩的以下條件，通常稱為巴克豪森準則(Barkhausen criterion)，β(ω)=[1μ+1gmZ(ω)].......(1)]]>式中Z是負載電路的阻抗，而μ和gm分別是該真空管的增益和互電導。清楚地，β是一個復合的電壓比，因為該阻抗更可能包括電抗部件，其中實部和虛部必須獨立地相等以便滿足等式(1)。這兩個標準對幅度和相位設置了限制，因此定義工作的必要條件。實際上，有時等式(1)的實數部分設置該真空管的互電導gm的條件，而等式(1)的復數部分通常設置工作頻率。
正如圖3A中表示的，其阻抗為Z的哈特利振蕩器的負載電路包括與電容器C并聯的兩個電感器L1和L2，其中兩個電感器之間的共同的節點直接地連接到真空管陰極。
有關于光譜儀中的等離子產生，歐洲的專利EP 568920A1(Gagne)披露了在用于耦合RF電源給大氣的等離子的考畢茲振蕩器電路內使用一個三極真空管。但是，該振蕩電路披露為耦合功率給該等離子的效率差，大約40至60％。另外，當設計為用于耦合RF功率給低壓、高密度等離子的一個反饋振蕩器時，沒有人工電路調諧時考畢茲振蕩器不能從等離子點火條件過渡到運行條件。為了克服這些問題和改進振蕩器電路的穩定性，使用哈特利振蕩器能夠在開始和運行條件之間自動的過渡。此外，哈特利振蕩器電路更有效大約78％。
本發明提要本發明的一個目的是提供具有RF功率發生器的等離子產生系統，它減輕了在上面指出的缺陷和缺點。
本發明的另一個目的是提供具有RF功率發生器的這樣的一個系統，可以在15kW和更高的范圍中產生大功率的電平，但是比能夠在這樣的功率電平工作的現有的電源費用較小。
本發明的另外目的是提供一個RF大功率的發生器，能夠將功率轉換為等離子源，同時迅速地調節以便改變RF功率電平，例如具有一個或者幾個微秒數量級的匹配網絡時間標度，并且在等離子電源阻抗變化期間連續地保持匹配阻抗耦合電路。
本發明另外目的是提供一個射頻發生器，在開始和運行條件期間穩定地工作并且能夠在開始和運行條件之間自動的過渡，無需手動調諧電路。
根據本發明通過在處理腔中變換DC電源為RF電磁場的一個系統實現了上面的和其它目的，該系統包括環繞處理腔構成的一個線圈，用于耦合RF功率給等離子；和一個RF功率發生器，包括具有直流電源和RF功率輸出的一個自由振蕩的振蕩器，該功率輸出連接到一個負載阻抗，該負載阻抗包括線圈、工作用于提供RF電流給線圈以便產生RF功率的RF功率發生器，RF功率耦合到等離子，其中該自由振蕩的振蕩器包括具有一個陰極、一個板極一個柵極的一個真空管；連接到該柵極的一個柵-漏電路；耦合到本真空管的一個反饋電路；和連接用于加熱陰極的DC電源電路；和連接該線圈的至少一部分形成該反饋電路的一部分。
根據本發明的優選實施例，RF功率發生器位于鄰近該處理腔，而直流電源可以設置在遠離該處理腔和RF功率發生器二者的位置。但是，該直流電源可以放置在任何位置，包括相鄰該腔。直流電源的尺寸是要求的RF功率電平的函數，因此，當用于圓片處理產生15kWRF功率時它可能變得相當大。
為了實現期望的RF功率輸出電平，即RF功率斜坡或者脈沖RF功率，可以利用根據本發明的RF功率發生器作為它的有源元件，具有控制柵極的三極真空管，其中使用波形發生器可以調制柵極偏壓。有源元件還可以是具有單個或者多個控制柵極的一個四極管，五極管等，固態晶體管，FET或者類似的增益設備。根據本發明的優選實施例，真空管自由振蕩振蕩器是一個變形的哈特利振蕩器。
已經發現，使用自由振蕩的振蕩器不需要任何匹配網絡并且允許該振蕩器輸出直接地連接到電感線圈，因此直接地耦合到等離子源。
當處理腔條件變化時，等離子阻抗將有相應的變化，因此振蕩器電路的負載阻抗相應的變化。除了是真空管參數的函數外，振蕩的頻率維持是負載阻抗的函數。因此，在穩定的工作期間，自由振蕩的振蕩器的RF頻率自動地適應這樣的變化。
根據本發明的系統提供超過現有技術的許多優點，包括改進的可靠性，不同單元的性能的一致性，對功率電平變化的響應速度和通過測量振蕩器輸出頻率監視等離子條件的能力。
自由振蕩的振蕩器隨負載阻抗的變化迅速地改變它的振蕩頻率而不依賴機械地可校準的部件的能力導致RF功率發生器輸出阻抗與等離子源的阻抗的更可靠的匹配，因此容許傳遞給等離子的功率的更準確的控制。另外，除去機械地可校準的部件和有關的控制電路顯著地改進系統可靠性和降低系統制造費用。
換句話說，RF反饋振蕩器的響應僅僅取決于等離子阻抗可以變化的速率和不同的電路元件的時間常數。例如，在運行條件期間與等離子阻抗變化相關的時間標度可以為幾十微秒，并且在開始工作期間只要1毫秒。因此，使用自由振蕩的振蕩器容許有效的傳送功率到等離子源，即使當RF功率以脈沖形式提供，該脈沖具有3至5毫秒或者如果不要求1％準確度則更小的持續時間，并且分別具有30和50微秒短的上升和下降時間。RF功率發生器可以滿意地響應功率電平變化和具有3至5毫秒的持續時間的脈沖，并且可以滿意地工作，即使當RF功率是在具有復雜的、多級的、周期的或者非周期的時間函數的不同的功率電平之間脈動。
此外，由于由RF功率發生器產生的RF頻率隨等離子源阻抗而變化，可以監視該RF頻率以便提供等離子條件變化的指示。這可能對RF頻率可以與特定的等離子源參數相關是特別地有益的。
雖然本發明提供很多的優點，為了注意，在本領域的目前的狀態中，大功率的真空管RF振蕩器要求由受過訓練的人員執行定期的維護。另外，在一些工作條件下，該振蕩器輸出頻率可以調制在指定用于工業的RF使用的ISM頻帶外部的頻率。但是，這個問題通過圍繞電源和處理腔的適當的RF屏蔽減輕了。RF屏蔽例如可以是密封該等離子腔的銅網絲以及/或者銅版壁的形式。
這個屏蔽沒有具體地表示在附圖中。但是，根據在本領域已經知道的原理，所有的RF部件即線圈、電纜、RF振蕩器和振蕩器電路單元常規地具有適當的屏蔽，即包圍在金屬盒、同軸電纜等等內。可能仍然有一些RF泄漏，并且如果它的幅度足夠大，則要求另外的屏蔽，可能地以銅版壁以及/或者網絲屏蔽整個腔。對于大多數的處理腔，RF屏蔽是標準的做法。
附圖的幾個圖的簡要敘述圖1A、1B和1C是三個現有技術等離子產生系統配置的簡化的視圖。
圖2是現有技術的固定頻率RF功率發生器的電路圖。
圖3A和3B是兩個現有技術真空管振蕩器的電路圖。
圖4A和4B分別是在圖3A中表示的振蕩器的電路圖和等效電路圖。
圖5是根據本發明耦合到處理腔的系統的方框圖。
圖6是圖4表示的系統的自由振蕩的振蕩器的優選實施例的電路圖。
圖7A是連接到圖6電路的部件的等離子產生系統的部分圖解的、部分電路的示意說明。
圖7B是圖7A表示的電氣部件的電路圖。
圖8A和8B是說明根據本發明的RF功率發生器操作理論的等效電路圖。
圖9是圖6的振蕩器可用的部件的電路圖。
圖10A和10B分別是在圖6的自由振蕩的振蕩器中可以使用的真空管部件的端視圖和側視圖。
圖11是說明根據本發明等離子密度控制過程的編程流程圖。
本發明的詳細的敘述圖5是根據發明用于產生RF電磁場的一個系統和處理腔2一起的一個方框圖，其中等離子是利用電磁場產生的。腔2密封處理區域4，在其中形成等離子。在區域4內提供安裝基片8的一個基片支座6。基片8可以是半導體圓片，在圓片上進行等離子輔助處理。區域4由處理管10環繞，處理管10又由靜電屏蔽12環繞。在區域4的上面的邊界提供具有氣體注入部件14的腔2，用于注入可電離的處理氣體到區域4中。這個處理氣體由在區域4內的RF電磁場電離并且得到的離子在由區域4內的適當的部件(未表示)產生的電場的影響下向基片8推進。這樣的部件是本領域已經熟知的。
至今描述的所有的單元和執行等離子輔助蝕刻或者沉積工作需要的而不屬于本發明的貢獻的所有的其它系統和部件可以由本領域熟知的部件構成。
要求的電磁場通過提供RF電流給繞著區域4纏繞的線圈16和屏蔽12產生，并且根據本發明構成RF電磁場產生系統的一個部件。為了產生RF電磁場，線圈16連接到RF功率發生器20的輸出導體并且工作功率從直流電源22傳遞給發生器20。
在表示的實施例中，線圈16是一個螺旋狀的或者螺線管的線圈。但是，應該懂得，線圈16可以具有適合于在處理腔中產生等離子的任何形式。
根據本發明的優選實施例，RF功率發生器20直接地安裝得相鄰電抗器2，而直流電源22可以設置在遠離功率發生器20并且由導體24連接到功率發生器20的一個位置。但是，不需要在這樣的遠程位置定位直流電源22。實際上它可以相鄰電抗器2本地放置。
RF功率發生器20本質上由自由振蕩的振蕩器構成，它具有作為它的有源元件的一個三極管功率真空管26。在此處描述的本發明的振蕩器電路的優選實施例表示在圖6中。它具有類似于前面描述的哈特利振蕩器的配置；但是，其差別在于包括負載電路的電氣部件包括等離子耦合元件，即螺旋形線圈16和等離子。
圖6中表示的電路是圖3A中表示的哈特利振蕩器的一個變形的型式。哈特利振蕩器電路是反饋振蕩器的較大類別的一個例子。哈特利振蕩器的一個特征是該分壓電感(圖3A中的L1和L2；圖6中的17和18)，它是在連接到真空三極管26的陰極的一個節點劃分的。在上述“真空管振蕩器”XI章中描述了反饋振蕩器工作的基本基礎。
圖6提供的電路包括需要詳細的敘述的幾個部件。這些部件如下(i)具有連接在端子28和接地之間的一個輸出的直流電源(在圖5中的部件22，在圖6中未表示)；(ii)并聯電容器32和RF扼流圈電感器30構成的一個低通濾波器；(iii)一個真空三極管26；(iv)包括阻隔電容器34、一個電路調諧電容器24、連接到等離子處理電抗器2的螺旋形線圈16和從螺旋形線圈16到真空三極管26的陰極的反饋連接；(v)一個柵極電容器40和一個柵極漏泄電路42，和(vi)一個低直流電阻，高的交流阻抗陰極加熱電路36。
在圖6中，表示用于5kWRF功率的電路的部件值和輸入電壓以及電流值的示例的組。
自由振蕩的振蕩器具有單個有源元件，它是具有一個板極、一個陰極和一個控制柵極的三極管功率真空管26。正如在本領域中熟知的，當在陰極和板極之間存在適當的工作電壓時，施加給控制柵極的電位將影響陰極和板極之間電流幅值。典型地，這樣的三極管的陰極是敷釷鎢制造的。
可以使用作為管26的真空三極管的一個實際的例子是西門子RS3010CRF真空管。
管26的輸出或者負載、電路是由電容器34和24和線圈16的部分18構成的。具體地說，電容器24和線圈部分18串聯連接在管26的板極和陰極之間，電容器24是串聯連接在電容器34與地之間，而線圈部分17和18串聯連接在電容器34和地之間。另外，電容器24和線圈部分17二者連接到地，因此實際上形成與首先提到的線圈16的部分平行的一個串聯支路。
使用的連接是相應于哈特利振蕩器配置的連接。到螺旋形線圈的連接點確定從阻隔電容器34的連接和到陰極的連接之間的有效電感以及從陰極到地的連接的有效電感。這樣的分離的電感對哈特利振蕩器是固有的，并且它們的值影響振蕩器性能。
使用阻隔電容器34從負載電路去耦直流電源。在圖6中識別作為具有電容“CX”的可變電容器24用于調節等式(1)描述的阻抗Z。這么做，對于給定集的標稱條件(即，RF功率，腔條件等等)可以調節工作振蕩頻率。加感線圈或者螺旋形線圈16被分成三部分，即開路端部分19、連接到電容器24和34的一個輸入抽頭的和反饋抽頭的連接46之間的該部分18，而部分17從反饋抽頭的連接延伸到在外部導電壁或者用于等離子源的屏蔽的地。線圈16是一個螺旋形線圈，纏繞在等離子腔周圍。
圖7A提供螺旋狀的諧振器的示意圖，其中螺旋形線圈16纏繞靜電屏蔽和處理管，后者是由電介質材料制造的并且由靜電屏蔽包圍的。線圈16由一個腔壁包圍并且連接到輸入抽頭的位置和自由振蕩的振蕩器的反饋連接46。該腔具有用導電的材料制造的一個外壁并且線圈16的部分17的末尾連接到該外壁。圖7B表示圖7A的部件的電路示意圖。線圈部分17和18代表哈特利振蕩器的共同的分離電感，和部分19只不過是螺旋狀的諧振器的開路端。當然，在運行條件期間存在與等離子的互電感。正如前面參見圖1C描述的，螺旋狀的諧振器是由一個屏蔽或者外導體和一個線圈或者內導體構成的，在這種情況下該屏蔽是導電的腔壁，該線圈是線圈16，由該屏蔽包圍。線圈16的一端直接地連接到地或者到該屏蔽。線圈16的相反端是開口的末端，除非使用微調電容器。
總體上該系統類似于四分之一波同軸傳輸線諧振器(參見ReferenceData for Radio Engineers，Howard W.Sams & Company(1975)Section 24，pages 28-30)。與具有外部導體的螺旋形線圈的電容耦合相關的電容和該線圈的電感合作形成LC電路，其中諧振頻率變成ω＝ 為了懂得負載電路和它與整個振蕩器電路耦合和確定持續振蕩是否是可能的以及能得到什么振蕩頻率，可以畫出簡化的電路圖以包括等離子的效果。例如，在圖1C表示的感性耦合的等離子源的情況下，外導體是一個導電的腔壁，在圖1C中呈現的物理系統可以由圖8A表示的簡化的電路圖表示(參見Lieberman & Lichtenberg，Principles of plasmadischarges and materials processing，John Wiley & Sons，Inc.，1994，p.393，圖12.2)。這通常稱為感性放電的變壓器耦合電路模型。該電感線圈由電感器Lc表示，其通過等離子電感Lp耦合到該等離子。當然等離子由電路元件Lp和R表示。這個電路在圖8B中進一步簡化，其中圖8A的電路以串聯的有效電感器和電阻器代替。使用該等離子的等效的電氣電路模型，人們可以估計該負載阻抗，正如由放大器電路看到的，并且隨后設計整個振蕩器電路在給定頻率以一些額定的條件持續振蕩。
從常規的高電壓直流電源22(圖6中未表示)提供工作電源給管26，該電源的輸出連接在電源輸入端28和地之間。端子28通過RF扼流圈30連接到管26的板極，而濾波電容器32連接在端子28和地之間。線圈30和電容器32作為一個低通濾波器，它由該振蕩器的交流部分去耦該直流電源。正如表示的，管26的陰極和地之間的直流路徑由線圈16的部分17提供。
真空管功率三極管的適當的操作要求它的陰極被加熱，以便起一種有效電子發射器的作用。管26的陰極由從適當的電壓源(未表示)通過電流傳送電路36提供給陰極的直流電壓加熱。電路36是由與在電路36的正的和負的輸入端之間的陰極一起形成串聯電路路徑的一組電感器以及一系列并聯連接的電容器構成。在實施中，電路36在它的輸入端和陰極之間提供非常低的直流電阻，該陰極還具有一個非常低的直流電阻，因此具有高幅度的加熱電流可以由相對地低的直流電壓產生。電路36本質上用于在該振蕩器的高頻部分和直流電壓源之間提供交流去耦。
圖6的振蕩器電路還包括連接在管26的柵極和地之間的柵偏壓電容器40和也連接在管26的柵極和地之間的柵極-漏泄電路42。
前面提供的簡單的分析有關線性的A類放大器。但是，通常柵漏電路42和柵極電容器40用于提供柵偏壓。因此，這個非線性電路的引入使得振蕩器電路的特性立即違反A類別管的操作。非線性只是由于該電流的整流流入柵漏電路而發生的，正如將在下面更詳細地討論的。非線性特性增加兩個希望的效果給振蕩器電路的操作。第一，它增加穩定效果；換句話說它限制持續振蕩的幅度。例如，如果該電路是線性的，沒有因素限制該電路的大多數不穩定頻率模式的幅度增加。第二，使用柵極偏壓使該管能夠以更大效率工作，使得它具有C類性能。效率給改善是由于持續振蕩的頻率變得更接近該調諧電路的諧振頻率。
最后，管26的柵極連接到用于到柵極電壓產生電路的連接的輸入端44，可以構成給該柵極提供恒定幅度的直流偏置電壓或者具有選擇波形的電壓，諸如脈沖波形，復合的、多電平波形，正弦波形等等，正如將在下面更詳細討論的。
對于給定的板極-陰極工作電壓，通過管26的電流的電平將隨著三極管柵極上的電位變得更正而增加。當在該柵極的電位相對于陰極電位是正的時，來自三極管陰極的電流將充電電容器40并且流過漏泄電路42。當三極管柵極的電位相對于該陰極電位是負的時候，沒有電子流入漏泄電路42。因此，在RF周期期間，當柵偏壓相對于該陰極電位是正的時，電容器40將充電到相對于地是負電位并且在RF周期的另一部分期間電流將從電容器40通過漏泄電路42慢慢地漏泄。
電容器40的電容應該足夠大，以便與柵漏電阻比較在該工作頻率具有可忽略的電抗。這等效于表明柵極偏置電路的時間常數必須比RF振蕩周期充分地大。在這些條件下，在電容器40形成一些充電；即，在RF周期的一小部分期間在對柵漏電路充電損失的速率小于從該柵極接收的充電。因此，隨著在電容器40充電增加，負柵偏壓增加，因此減少了柵極電流脈沖。最后，達到穩定狀態條件，其中在RF周期期間對柵漏電路充電損失平衡接收的充電。此時，電流的穩定的分量通過柵漏電路起作用以及交變分量通過柵極電容器40起作用。典型地，電流表48可以用于測量和監視通過柵漏電路的電流的穩定的分量。該直流是在該電路中該振蕩的相對幅度的度量并且可用于檢測振蕩的存在。
為了準備圖6中表示的、在等離子處理系統中使用的振蕩器，僅僅需要調諧電容器24到一個選擇的標稱振蕩頻率，例如可以是13.56Mhz。當這個初始的電路調諧完成時，在等離子處理操作期間不要求另外的調諧。正如由上面的等式(1)表示的，負載阻抗的變化直接地影響反饋電壓比β。為了持續振蕩，振蕩的頻率必須更改為補償阻抗Z中的這些變化。當然，隨著頻率變化，該阻抗也變化。
在操作開始，在該電路中的電子噪聲產生初始的干擾并且放大首選的波長。得到的振蕩保留時間取決于反饋電壓的增益是否大于一。隨著等離子條件變化，由于反饋該電子管兩端的電位也變化，隨后這電子管自調節振蕩頻率。
因此，由自由振蕩的振蕩器產生的頻率自動地適應等離子源的特性阻抗變化，使得在振蕩器和在區域4內的等離子之間保持最佳的或者接近最佳的能量耦合。
根據本發明由RF功率發生器提供的一個優點是自由振蕩的振蕩器可以適應直流激勵功率幅度的變化比利用機械地工作阻抗匹配網絡的振蕩器快的多。特別地，根據本發明的自由振蕩的振蕩器可以適應在3至5毫秒期間1％準確度的給定波形定義。這意味著調節將經過100個步驟的過程，每個步驟具有大約30至50微秒的上升時間。
當調諧電容器在開始時適當地調節時，根據本發明的自由振蕩的振蕩器可以響應等離子阻抗變化，由于在等離子區域的氬大氣中氣體壓力在0.1mTorr至50mTorr之間變化。圖6所示的具體電路中畫出了電容和電阻值，其可以響應1和17mTorr之間的壓力變化范圍。僅僅需要進行小的調節該電路向上或者向下偏移這個范圍，以便獲得在最初規定的壓力范圍的至少一部分內的工作特性。
正如本領域已知的，等離子的密度取決于幾個工作參數，包括耦合到等離子的RF功率的電平、在處理腔內的氣體壓力等等。特別地，等離子密度直接地受吸收的功率數量Pabs影響。因此，如果人們考慮熱力學第一定律，由振蕩器部分20產生的RF功率Pin和由等離子吸收的RF功率之間的能量平衡Pin-Pabs，因此，監視一些部件的溫度可以提供關于加熱功率損失數量或者轉換成熱的損失功率的至少小部分的一些信息。但是，使用等離子處理系統要求冷卻該系統的一些區域的方法以便保持溫度穩定性。例如，RF振蕩器部分20可以經受顯著的溫升，其中通過在真空三極管和柵極電阻內耗散的功率發生實質上的加熱。在等離子系統工作期間，耗散功率足夠產生RF振蕩器部分20內的部件的可感知的溫升。RF振蕩器部分20本質上由圖6表示的所有的電路部件組成，除了直流電源、螺旋形線圈和該等離子外。此外，螺旋形線圈和處理腔典型地要求冷卻。一般的，螺旋形線圈是浸在冷凍劑液體(例如FluorinertTM)的再循環槽內。冷凍劑液體的溫度是與耗散的功率數量有關的。
理想地，希望直接地測量等離子密度。但是，這要求在處理腔上或者內安裝附加的傳感裝置，例如Langmuir探針，它安裝使伸入等離子空間并且要求電氣饋送貫穿該腔壁，或者較小插入的微波系統。但是，任何等離子密度測量設備增加得到的系統的復雜性和費用。
在根據本發明的系統中，自由振蕩的振蕩器電路的振蕩頻率是幾個參數的函數，包括真空三極管的增益和互電導以及該電路的負載阻抗。電路的負載阻抗取決于不同的電路元件，即阻隔電容器、可變電容器、螺旋形線圈以及等離子。當然，等離子變化，例如等離子密度變化影響等離子阻抗，因此影響負載阻抗。因此，可能檢測振蕩頻率的變化以及以等離子密度的變化與之相關。但是，正如前面描述的，輸入功率最后以熱的形式耗散，即功率的小部分在外電路中耗散，而剩余功率加熱等離子。沒有充分的冷卻該真空管、柵極電阻和螺旋形線圈，該結構的溫度可能變化。通常，處理腔工作在遠離熱平衡的條件下。溫度的變化當然影響真空管的工作參數并且影響系統的元件，包括該電路的負載阻抗。反過來，這些變化影響從發生器輸出的RF的振蕩頻率和幅度。因此，重要的是保持這些部件在恒定的溫度，或者至少在具有小的變化的預先選擇的溫度，小的變化對振蕩頻率具有可忽略的影響。
如果等離子密度可以精確地控制，就可能調制該等離子密度或者穩定等離子密度在一個選擇的值。在前一種情況下，可能期望通過從直流電源傳送電壓脈沖、斜坡、或者更復雜的波形的形式的信號同時保持所有的其它參數不變來調節RF功率。因此，變化提供給等離子的功率改變等離子密度并且這改變了振蕩器頻率。根據另一個可能性，可以期望設置輸入參數之一，諸如腔壓力或者提供給RF功率發生器的直流功率電平，以便簡單地穩定等離子密度在選擇的恒定值。
做為選擇，這樣的信號可以由柵極電壓控制電路施加給管26的柵極，圖9表示一個非限定的例子。這個電路包括通過一個變壓器62、一個并聯連接的電阻器64和串聯連接的電容器66耦合到圖6的端子44的一個脈沖波形發生器60。電阻器64和電容器66本質上構成一個簡單的高通濾波器。可以實現發生器60傳遞一個可變電壓給管26的柵極，可變電壓根據任何型式包括方波型式、各段具有任何期望的持續時間的復合的多電平波形或者正弦的型式周期地變化。這樣的發生器是本領域已經熟知的。
當振蕩器和等離子產生系統的溫度保持恒定時，輸入參數諸如腔壓力或者RF功率可以更精確地控制。在圖6表示的電路中，超過壓力范圍1至17mTorr時，振蕩器頻率變化超過200kHz的范圍。如果振蕩器頻率可能控制在2kHz的容差內，則通過適當地變化腔壓力控制振蕩器頻率在1％準確度內變得可能。在根據本發明的系統的實際的實施例工作期間，觀察圖6表示的振蕩器的維持的頻率在冷凍劑液體從5至30℃的溫度范圍隨冷凍劑溫度以每度6.66kHz的速率變化。當出現偏壓屏蔽時，測量這個溫度范圍。這個屏蔽通常是類似于靜電屏蔽的開槽屏蔽，但是，不象靜電屏蔽，它不接地而是通過阻隔電容器和匹配網絡連接到射頻發生器。此外，偏壓屏蔽的開槽切口比靜電屏蔽的切口更寬并且與靜電屏蔽的切口對準以便允許該線圈產生的EM能量通過。偏壓屏蔽可能是偏置的、不偏置的(浮動的)或者接地的。一般的，利用它偏置該壁以便為了清除目的吸引離子轟擊，它的存在簡單地變化該結構的電氣屬性。
因此，如果期望控制振蕩器頻率到在1％內，同時保持等離子密度(或者壓力、功率等)在一致的限制內，需要保持冷卻系統的溫度恒定到0.3℃內，這是難于滿足的要求。但是，使用用于螺旋狀的諧振器的冷卻技術可以獲得這樣的控制，諸如在1998年8月3日由Johnson申請的、未審查的美國暫時的申請No.60/095,036，名稱為“ESRF腔冷卻系統”中披露。這樣的控制允許振蕩器頻率是等離子變化的指示，即與壓力、功率變化等等相關的變化的指示。如果溫度保持穩定在某些限制內，將沒有任何溫度相關的頻率變化。
此外，必須對于RF振蕩器部分20提供冷卻，以便保持振蕩器電路的其余部分穩定的溫度。保持恒定的管溫度的一個方法是在真空三極管周圍纏繞銅管并且通過該銅管以高的流率提供冷凍劑液體的流動。一種液體可以是例如保持在25℃溫度的冷卻水。相同的銅管或者冷凍劑管路可以繼續經過銅塊，正如圖6中表示的，柵極電阻41和43安裝在它上面。這將對于該真空管和柵極電阻提供充分的冷卻。二者部件可以耗散輸入直流功率的重要部分。例如，在該管內耗散的功率可以是1kW大，而由柵極電阻耗散的功率可以是300W大。圖10A是一個端視圖，而圖10B是一個側視圖，表示真空三極管26和冷凍劑管90的適當的配置。管26由支持板支持在振蕩器外殼中，而管90回繞管26。管90的自由端由一個板94支持。表示的安排可以由西門子公司銷售的以模型標志RS-3010-CJ的單元構成。
假定滿足冷凍劑溫度和對RF振蕩器20的溫度的這個限制，可以使用振蕩器頻率作為控制等離子密度的控制功能，而振蕩器頻率可以通過適當地調節腔壓力以及/或者RF輸入功率控制。在操作根據本發明的系統前，對于給定的裝置開發一個數據庫，該數據庫提供等離子密度和振蕩頻率的不同的組合、腔壓力和RF輸入功率之間的相關性。假定通過執行兩個值之間的100個步驟故意變化初始的等離子密度值到末端等離子密度值，這是為了獲得1％準確度，定義每個等離子密度級和與頻率以及壓力步位相關。使用壓力步位的值，預定的閥門特征可用于控制與等離子腔內部相通的高真空閥門的打開和閉合。然后，可以操作高真空閥門來調節在每個步驟細調諧的步位之間的壓力。如果期望控制等離子密度為RF功率變化的函數，可以使用類似的方法。實際上，使用RF功率調節等離子密度是最好的工作方式，因為控制系統具有最好地響應時間。FRO的響應時間可以是大約幾十微秒。
這樣的過程的一個特定的例子表示在圖11中。根據表示的過程，在步驟70設置期望的等離子密度，在此之后在步驟72設置每個步位和相關的壓力變化之間的相關性。然后，在步驟74打開和關閉節流閥或者閥門，在步驟76，接著監視等離子區域中的壓力和振蕩器輸出頻率。然后，可以執行粗調諧，接著在步驟78細調諧壓力和頻率。控制電路的粗調諧可以基于振蕩頻率、等離子密度和RF輸入功率之間預定的相關性。細調諧簡單地包括一個迭代過程，其中獲得預先設置的等離子密度在作為振蕩頻率函數的某個預先選擇的容差內。該迭代過程可以是任何適當的已知的控制過程，即預測器-校正器等等。在步驟80再一次監視壓力和頻率，并且做出確定在判定方框82中是否已經完成等離子密度級變化。如果沒有，操作返回至步驟78。如果等離子密度級變化已經完成，操作前進至方框84，確定是否執行下一步驟。如果執行下一步驟，操作返回到步驟74，否則在步驟86結束該過程，或者可以以RF功率替換的壓力重復。
已經發現圖6表示的振蕩器能夠以10-30W低的直流輸入功率電平工作。而且，甚至功率電平和壓力迅速的變化時該振蕩器的工作也是穩定的。在起動條件下，主要地由于氣體分離和氣體從包圍該區域的壁泄出，在區域4內的氣體密度可以出現顯著的變化。由于等離子進展至準穩態或者接通(運行)條件，該振蕩器典型地可以在1ms(或者1原子過渡時間)的期間內穩定。
根據本發明的振蕩器可以通過施加直流電壓工作，直流電壓在不同的功率電平之間是脈動的。根據一個可能性，三極管26的柵極可以從產生三極管的強的關閉條件的電壓電平脈動到產生強的接通條件的電壓電平。這允許該三極管在導電的狀態和非導電的狀態之間交替。它的一個優點是脈沖電路的操作可以在低功率電平完成。已經發現這個方法能夠以具有上升時間30微秒短和下降時間50微秒短的0.001Hz和500Hz之間的重復率產生脈沖。作為選擇，這樣的脈沖可以由直流電源提供。這些脈沖具有更高的功率容量，允許用于短脈沖上升和下降時間，因此用于高的脈沖重復頻率。
偏壓屏蔽和夾盤引入與等離子的不同的電氣耦合，因此要求修改等效的電氣電路。當然，正如圖6表示的負載電路將修改并且幾個部件即阻隔電容器、可變電容器等等的值將變化。
雖然上面的敘述參考本發明的具體實施例，應當懂得，在不偏離它的精神的情況下可以進行許多修改。所附的權利要求書用以覆蓋落入本發明的真實的范圍和精神內的這樣的修改。
因此目前披露的實施例在各方面考慮是說明的而不是限定的，本發明的范圍由權利要求書表示，而不是由前面的敘述表示，并且因此在該權利要求書的含意和等效范圍內得到的所有的變化都包含在其中。
權利要求
1.用于將直流電源變換為在處理腔中保持等離子的RF電磁場的系統，該系統包括環繞處理腔構成的一個線圈，用于耦合RF功率給等離子，所述線圈具有兩個端；和一個RF功率發生器，包括具有直流電源和RF功率輸出的一個自由振蕩的振蕩器，所述功率輸出連接到一個負載阻抗，所述負載阻抗包括所述線圈、所述RF功率發生器，該功率發生器工作用于提供RF電流給所述線圈以便產生該RF功率，該RF功率耦合入該等離子，其中所述自由振蕩的振蕩器包括具有一個陰極、一個板極一個柵極的一個真空管；連接到所述柵極的一個柵-漏電路；耦合到所述真空管的一個反饋電路；和連接用于加熱所述陰極的直流電源電路；和連接所述線圈的至少一部分以形成所述反饋電路的一部分。
2.根據權利要求1的系統，其中形成所述反饋電路的一部分的所述線圈的所述部分至少與所述線圈的一個所述端間隔開。
3.根據權利要求2的系統，其中所述線圈的一端接地，所述線圈的另一端是開路的。
4.根據權利要求2的系統，其中所述真空管是一個三極管。
5.根據權利要求2的系統，其中所述RF功率發生器還包括控制裝置，耦合到所述真空管，用于改變耦合到該等離子的RF功率。
6.根據權利要求5的系統，其中所述控制裝置包括連接用于施加控制信號到所述真空管柵極的一個控制信號源。
7.根據權利要求6的系統，其中該控制信號是具有重復率比RF功率的頻率低的時變信號。
8.根據權利要求7的系統，其中該控制信號具有脈沖串形式或者正弦曲線的形式。
9.根據權利要求7的系統，其中該控制信號是脈沖串的形式，每個脈沖具有多電平的波形。
10.根據權利要求2的系統，其中所述直流電源產生隨時間變化的直流電壓，它改變耦合入該等離子的RF功率。
11.根據權利要求10的系統，其中該直流電壓是具有重復率比RF功率的頻率低的時變電壓。
12.根據權利要求10的系統，其中該直流電壓具有脈沖串形式或者正弦曲線的形式。
13.根據權利要求10的系統，其中該直流電壓是脈沖串的形式，每個脈沖具有多電平的波形。
14.根據權利要求1的系統還包括溫度控制裝置，與所述線圈和所述真空管相關工作，用于將所述線圈和所述真空管保持在選擇的溫度。
15.用于將直流電源變換為在處理腔中保持等離子的RF電磁場的方法，該方法包括步驟環繞處理腔放置一個線圈，用于耦合RF功率給等離子；和提供包括具有一個真空管的一個自由振蕩的振蕩器的RF功率發生器，真空管構成RF功率發生器的有源元件，連接到所述真空管的一個反饋電路，一個直流電源輸入和一個RF功率輸出；連接該RF功率輸出到包括該線圈的一個負載阻抗，用于提供RF電流到該線圈，并連接該線圈的至少一部分以便形成該反饋電路的一部分；和將可電離的氣體引入該腔并且傳送直流功率給該直流功率輸入，以便激活該振蕩器產生耦合入該等離子的RF功率。
16.根據權利要求15的方法，進一步包括在該腔中變化等離子密度的步驟。
17.根據權利要求16的方法，其中通過變化耦合入該等離子的RF功率的幅度執行變化該腔中的等離子的密度的所述步驟。
18.根據權利要求17的方法，其中變化耦合入該等離子的RF功率的幅度的所述步驟是通過變化給該直流功率輸入的直流功率的幅度執行的。
19.根據權利要求16的方法，其中通過變化腔中的氣體壓力執行變化該腔中等離子密度的所述步驟。
20.根據權利要求16的方法，其中該真空管具有一個控制柵極，和通過施加變化的振幅控制信號給該柵極執行改變該腔中的等離子密度的所述步驟，其中所述RF功率發生器還包括耦合到所述真空管的控制裝置，用于變化耦合入該等離子的的RF功率。
21.根據權利要求20的方法，其中該控制信號是具有重復率比RF功率的頻率低的時變信號。
22.根據權利要求21的方法，其中該控制信號具有脈沖串形式或者正弦曲線的形式。
23.根據權利要求21的方法，其中該控制信號是脈沖串的形式，每個脈沖具有多電平的波形。
全文摘要
用于將直流電源(22)變換為在處理腔中的RF電磁場的系統,該系統包括:環繞該處理腔構成的一個線圈(16);和包括具有一個直流電源輸入以及一個RF功率輸出的一個自由振蕩的振蕩器(26)的一個RF功率發生器(20),連接到負載阻抗的功率輸出取決于該負載阻抗,負載阻抗包括用于以一個頻率提供RF電流給該線圈的該線圈。
文檔編號H01L21/3065GK1365534SQ00810220
公開日2002年8月21日 申請日期2000年7月12日 優先權日1999年7月13日
發明者韋恩·L·約翰遜, 倫納德·G·韋斯特 申請人:東京電子株式會社