TWI358198B - High ac current high rf power ac-rf decoupling fil - Google Patents

Description

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九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 t發明涉及一種電漿反應器加熱靜t (electr〇static chuck)用之高交流電及高rf功率之 去耦合濾波器。 【先前技術】 在半導體積體電路製造中使用的電漿反應器可 用於支托住反應器室（react〇r chamber)中晶圓的 座（ESC )。藉由調節支托在ESC上的半導體晶圓的 改善製程控制。例如’典型的用於在矽晶圓的表面 高深寬比（aspect ratio )開口的電漿刻蝕製程係藉 如故碳化合物或氧氫破化合物氣體的製程氣體引 中，並將射頻（RF)功率耦合到該室f來執行。用 電漿離子濃度的電漿射頻源功率可藉由將極高頻（ 功率輕合到頂壁電極（ceiling electrode)。可藉由 功率搞合到ESC而施加用於控制電漿賴電壓的電聚 置功率。爲了控制晶圓的溫度，在ESC的絕緣層中 電子加熱元件，以作爲ESC的晶圓支擇表面下方之 件。射頻偏置功率可施加至ESC的絕緣層中的吸 (chucking electrode)。可選地，射頻偏置功率可 ESC的絕緣層之下的ESC的導電基底（c〇nductive 在任一種情況下，部分所施加的射頻偏置功率係電 耦合至電子加熱元件’從而使射頻偏置功率轉移而

吸座 AC-RF 以利用 靜電吸 溫度來 上形成 由將諸 入該室 於控制 VHF ) 將高頻 射頻偏 設置一 電阻元 座電極 施加至 base ) β 容性地 遠離電 5 1358198

漿。實際上，取決於加熱元件的設計，將射頻 合至加熱元件比耦合至電漿更容易。因此，電 路是ESC或陰極上主要的射頻負載，其顯著地 阻抗。因而產生轉移的射頻電流則流經加熱器 而至射頻接地。該轉移妨礙了電漿的控制，因 壓和離子能量（例如）表現不確定並且取決於 器元件的電容量，其可隨機地變化。 爲了解決該問題，可在加熱元件和加熱電 置射頻濾波器。該濾波器係設計用於在射頻偏 器的頻率下（典型地但不限於1 3·56ΜΗζ )提供 阻礙射頻電流流動，同時對於60Hz的加熱器 幾乎不提供或沒有阻抗。爲了在射頻偏置頻率 的阻抗，市面上可購得之射頻濾波器通常包括 可滲透的磁心之周圍的扼流圈或感應線圈，該 爲0.65mm並具有非常高的滲透率（例如，介於 範圍内的滲透率，此處所述之滲透率爲磁心的 空氣的滲透常數的比率）。如此高的滲透率在磁 磁通量，且該磁通量係以射頻電壓為函數。已 典型的電漿蝕刻製程中所需的射頻偏置功率層 在13.56MHz下之150瓦），ESC處的峰值對峰 -peak )的射頻電壓可高到2kV »在磁心中的磁 電壓（2 kV)和磁心滲透率（4000)的函數， 常高。在如此高的射頻電壓處，在磁心的磁 (1 3 · 5 6MHz )振蕩會造成高滲透率磁心之劇烈 偏置功率耦 子加熱器電 改變了腔室 電流供應器 爲電漿鞘電 輕合到加熱 流源之間設 置功率產生 南阻抗，以 供應器電流 下提供足夠 纏繞在磁性 磁心直徑約 3000 - 7000 滲透常數和 心中產生向 經發現，在 級下（例如 值(peak-to 通量是射頻 並且因此非 場中的1¾頻 升溫，並且 6 1358198

最终造成濾波器的破壞和失效。試圖與ESC加熱器電路一 同使用的所有市售射頻濾波器中均存在有該問題。因爲沒 有高滲透率的扼流圈，故不可能解決該問題，在13.56MHz 處的射頻阻抗不足以防止射頻偏置功率通過加熱器電路的 洩漏。例如，使用空氣心扼流圈（1.0的滲透率）將需要 在該扼流圈上超過40或更多的線圈，以提供足夠的感應阻 抗。使用該方法的問題在於在該扼流圈線圈上這樣高數量 的圈數將導致允許射頻洩漏的扼流圈中的高電容阻抗》 另一問題在於可高達40安培的加熱器的電流往往傾 向於加熱扼流圈線圈，此乃造成射頻濾波器中的過熱問題。 【發明内容】

一種射頻阻斷（RF blocking )濾波器，其用於隔離兩 相交流電功率源（two-phase AC power supply)以及至少2 千伏特峰值對峰值（ρ·ρ )的高頻功率，其中高頻功率係反 應性耦合至電阻加熱元件，該濾波器同時將來自兩相交流 電功率源的數千瓦之60Hz的交流電功率提供至電阻加熱 元件，而不會產生過熱現象。兩相交流電功率源具有一對 接頭，並且電阻加熱元件亦具有一對接頭。濾波器包括： 一對圓柱形非導電的封套，各個封套之内徑介於約1到2 英寸之間；以及各自為複數個之熔融的鐵粉環形線圈，該 些環形線圈係同軸堆疊在該對圓柱形封套的各個封套中， 並且具有大約10的磁性滲透率，其中環形線圈的外徑與各 個封套的内徑大致相同。一對直徑在3毫米到3 · 5毫米之 7 1358198

間的金屬線導體係螺旋狀地纏繞在其相應之該對封套之一 上，從而真對各個封套形成臣數介於約16匝到24匝範圍 内的各自電感器線圈，各個導體具有輸入端和輸出端。各 個導體的輸入端係耦接至與其相應之兩相交流電源的一對 接頭之一，並且各個導體的輸出端則耦接至與其相應之電 阻加熱元件的一對接頭之一。一對電容器係連接在各個該 對導體的輸入端與接地線之間，各個電容器具有在超過所 述高頻至少數個 MHz的共振頻率之下與相應之一電感應 器的電感形成共振的電容。從而濾波器在高頻下可呈現出 感抗（inductive reactance)，並且在高頻下具有超過60dB 的射頻衰減（RF attenuation )。 【實施方式】

參照第1A、1B和1C圖的裝置，電漿反應器包括由支 撐頂壁14的圓枉形側壁12所限定的真空室10,而頂壁14 包括製程氣體分配噴氣頭16。製程氣體供應器18與氣體 分配喷氣頭16耦合。靜電吸座（ESC) 20係支托住真空室 10中的半導體晶圓22。ESC20包括導電基底24和可由陶 瓷材料構成的絕緣層 2 6。由導電絲網構成的吸座電極2 8 係包含在絕緣層2 6中。内部螺旋加熱元件3 0和外部螺旋 加熱元件32(第2圖）則包含在吸座電極28之下的絕緣 層 26中。真空幫浦34使真空室10保持在次大氣壓 (sub-atmospheric)的壓力之下。 射頻偏置功率源36透過阻抗匹配電路38而耦接至導 8 1358198

電基底24或吸座電極28中任一者。射頻偏置功率源36 較佳係具有高頻或低頻的頻率，且其輸出層級係控制電漿 鞘電壓。在一實施例中，射頻偏置頻率爲1 3.5 6MHz。兩相 交流電（AC )内部加熱器源40透過射頻濾波器42而將交 流電流提供給内部加熱器元件3 0。兩相交流電外部加熱器 源44則透過射頻濾波器46將交流電流提供給外部加熱器 元件32。射頻濾波器42、46防止來自射頻偏置產生器36 的功率洩漏到加熱器源4 0、4 4 (此情況係可藉由透過絕緣 層26的電容耦合而造成）。同時，射頻濾波器42、46允許 高達8kW的交流電功率流向加熱器元件30、32。各個射 頻濾波器42和46可承受ESC上的數千伏特之峰值對峰值 (p-p)的13.56^11^射頻電壓，而同時通過81^\¥的601^ 之加熱器源電流且不會產生過熱現象。可選地，交流電線 路濾波器50、52可設置在加熱器源40 ' 44的輸出處。

各個射頻濾波器42、46在結構上相同。現將描述射頻 濾波器42。一對扼流圈電感器60、62之輸出端60a、62a 係分別與内部加熱器元件3 0的端部3 0 a、3 0 b相連接。扼 流圈電感器60、62之輸入端60b、62b則透過交流電線路 濾波器50與兩相交流電内部加熱器源40的輸出端連接。 晶圓溫度係藉由控制來自加熱器源4 0的交流電流來調節 之。一對分路電容器64、66係分別連接於電感器輸入端 60b、62b與接地線之間。 交流電線路濾波器5 0、5 2可具有相同結構。交流電線 路濾波器50包括一對電感器70、72，該些電感器70、72 9 1358198 係串聯連接於輸入端60b、62b與加熱器源40之間。一對 分路電容器74、76則分別連接於電感器70、72的輸入端 7 0a、72b與接地線之間。

射頻濾波器42的各個射頻阻斷（RF-blocking)扼流 圈電感器60、62具有低滲透率的磁心80 (滲透率介於7 和2 0之間，並且較佳係等於約1 〇 )，該磁心8 0係由熔融 的鐵粉形成爲具有大直徑D (介於1.25英寸和2.5英寸之 間，且較佳等於1.5英寸）的圓柱形。圓柱形磁心80的低 滲透率以及其相對較大的直徑使得該磁心 80在高頻處 (13.56MHz)可承受高電壓（2kVp—p)而不會發生過熱 現象。另一方面，該滲透率（例如，10)提供了來自磁心 80的足夠感抗（inductive reactance) ’從而不需要大量的 線圈來獲得所需的感抗^在較佳實施例中，匝數爲21，並 且在其他實施例中可介於16到24之範圍内。該適度數量 的線圈將線圈中的自容值（self-capacitance )降低到最小， 從而使該磁心能夠提供所需的感抗。在較佳實施例中，於 13.56MHz的偏置頻率處的各個扼流圈電感器60、62 (各 纏繞於上述類型的磁心80周圍）的感抗約爲1.7千歐姆， 並且在其他的實施例中，可以介於1 .5到3千歐姆的範圍 内。射頻濾波器42係經調整而使其可在偏置功率產生器 36的頻率（13.56MHz)之上產生良好共振，從而射頻濾波 器42在1 3.5 6MHz處具有感抗。例如，在較佳實施例中， 電容器64、66各具有0.01微法拉（111丨(^〇?&以(1)的電容， 其提供了 18·7ΜΗζ的濾波器共振頻率，大於偏置產生器頻 10 1358198 率大約5MHz。

參照第1C圖，各個磁心80較佳形成爲鐵氟龍（Teflon ) 圓柱形封套90，其内徑為1.5英吋，並容納四個具有相同 外徑、所有的磁滲透率均爲10且同心設置的熔融鐵粉之環 形線圈91、92、93和94。電感器60、62的導體61、63 螺旋狀地纏繞在各自的圓柱形鐵氟龍封套90上。爲了避免 來自電感器60、62中60Hz交流電加熱器源電流的紅外線 損失所產生的過熱，各個導體61由具有3.2639毫米直徑 的厚（# 8厚度；# 8 gauge )的磁導線構成，或是直徑在 3毫米到3.5毫米範圍内的導線所構成的。在較佳實施例 中，在各個電感器60、62上纏繞的導體長度爲2.8公尺， 但也可在介於2〜4公尺的範圍内。

在較佳實施例中，各個射頻濾波器42、46之射頻衰減 (RF attenuation)超過 60dB，並在較佳實施例中，於 13.56MHz下達到接近70dB的射頻。在來自13.56偏置功 率產生器36的150瓦特射頻偏置功率之下，透過射頻濾波 器洩漏到接地的電流小於4毫安培。對於1 3.5 6MHz處的 150瓦特偏置功率以及8千瓦特的加熱器源功率，射頻電 壓爲3千伏特（峰值對峰值），並且經過延長時間的操作之 後，射頻濾波器42、46並未顯示出過熱現象。並且，使用 上述射頻濾波器42、46的較佳實施例可忽略由加熱器電路 造成的電漿或腔室阻抗之改變。 【圖式簡單說明】 11 1358198 第1A、1B和1C圖示出了包括一對實施本發明的射頻 阻斷濾波器（blocking filter)之電漿反應器，其中第1A 圖爲該反應器的簡化示意圖，第1B圖爲射頻阻斷濾波器 的元件之放大透視圖，以及第1C圖爲阻斷濾波器的典型 磁心之分解透視圖；

第2圖爲第1A圖的反應器的一部分之上視圖，其示 出了在ESC中各自射頻阻斷濾波器以及内部和外部電阻加 熱元件之間的連接關係。

【主要元件符號說明】 10 真空室 12 側壁 14 頂壁 16 噴氣頭 18 製程氣體供應器 20 靜電吸座/ESC 22 晶圓 24 基底 26 絕緣層 28 電極 30,32 加熱（器）元件 30a，30b 端部 34 真空幫浦 36 射頻偏置功率源/產 生器 38 匹配電路 40 (内部）加熱器源 42,46 射頻滤波is 44 (外部）加熱器源 5 0,52 交流電線路濾波器 60,62 (扼流圈）電感器 60a，62a輸出端 60b,62b輸入端 61,63 導體 64,66 電容器 70,72 電感器 70a,72b輸入端 12 1358198 74,76 電容益 80 磁心 90 封套 91-94 環形線圈 D 直徑

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Claims (1)

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第號專利案〜年,月修正 十、申請專利範圍： HI修正本9__

1. 一種濾波器，該濾波器係用於隔離一兩相交流電功率源 (two-phase AC power supply )與至少2千伏特岭值對峰 值（P-P )的一高頻功率，其中該高頻功率係反應性耦合至 一電阻加熱元件，且該濾波器可同時將來自該兩相交流電 功率源的數千瓦之60Hz的交流電功率提供至該電阻加熱 元件，而不會產生過熱現象，該兩相交流電功率源具有一 對接頭，且該電阻加熱元件亦具有一對接頭，該濾波器包 括： 一對圓柱形的非導電封套，各個該些封套之内徑係介 於約1〜2英寸之間； 各自為複數個熔融的鐵粉環形線圈，該些環形線圈係 同軸堆疊於該對圓柱形封套的各自封套中，並且具有約10 的數量級之磁性滲透率，其中該些環形線圈的外徑與各個 該些封套的内徑大致相同；

一對金屬線導體，該些金屬線導體之直徑係介於3 毫米〜3.5毫米之間，並螺旋狀地纏繞在相應之該對封套 上，從而針對各個該些封套分別形成匝數介於約16匝〜24 匝範圍内的電感器線圈，各個該些金屬線導體具有一輸入 端和一輸出端，而各個該些金屬線導體的該輸入端與該兩 相交流電功率源的該對接頭之一相應接頭耦合，並且各個 該些金屬線導體的該輸出端與該電阻加熱元件的該對接頭 14 1358198 之一相應接頭耦合；以及 一對電容器，係連接於各個該對金屬線導體的該輸入 端與接地線之間*各個該些電容器具有在超過該尚頻的共 振頻率下與相應之該些電感器線圈之一的電感形成一共振 的電容，從而該遽波器在該高頻下呈現出一感抗（inductive reactance)，並且在該高頻下具有超過60dB的一射頻衰減 (RF attenuation ) °

2.如申請專利範圍第1項所述之濾波器，其中該高頻至少 爲約1 3.6 5 MHz，該些環形線圈之外徑爲1.5英寸，各個 該電感器線圈的匝數爲 21，該些電容器的電容爲約 0.01 微法拉（microFarads)，並且上述之共振頻率約爲 18.7 MHz。 3.如申請專利範圍第1項所述之濾波器，其更包括連接在 該些金屬線導體的該輸入端與該兩相交流電功率源之間的

一交流電線路濾波器。 4. 一種電漿反應器，包括： 一靜電吸座（ESC)，其具有一上部的絕緣層以及在 該絕緣層下方的一導電基底，其中該絕緣層包含一吸座電 極以及各具有二接頭且同心設置的一内部加熱器元件及一 外部加熱器元件； 15 1358198

一高頻的一射頻偏置功率產生器和一阻抗匹配 件，該產生器透過該阻抗匹配元件而連接至下列其中之 者：（a)該吸座電極和（b)該導電基底； 一對兩相交流電功率源，其各具有用於將電流提供 相應之該内部加熱器元件及該外部加熱器元件的二接頭 一對濾波器，該些濾波器係用於隔離該兩相交流電 率源與至少2千伏特峰值對峰值（p-p )的高頻功率，其 該高頻功率係來自該射頻偏置功率產生器且反應性耦合 一電阻加熱元件，且該些濾波器可同時將來自各個該兩 交流電功率源的數千瓦之60Hz的交流電功率提供至各 該電阻加熱元件，而不會產生過熱現象，各個該些濾波 包括： 一對圓枉形的非導電封套，各個該些封套之内 係介於約1〜2英寸之間； 各自為複數個熔融的鐵粉環形線圈，該些環形 圈係同轴堆疊於該對圓柱形封套的各自封套中，並且 有約1 0的數量級之磁性滲透率，其中該些環形線圈 外徑與各個該些封套的内徑大致相同； 一對金屬線導體，該些金屬線導體之直徑係介 3毫米〜3.5毫米之間，並螺旋狀地纏繞在相應之該 封套上，從而針對各個該些封套分別形成匝數介於 16匝〜24匝範圍内的電感器線圈，各個該些金屬線 體具有一輸入端和一輸出端，而各個該些金屬線導體 元 給 ? 功 中 至 相 個 器 徑 線 具 的 於 對 約 導 的 16 1358198 該輸入端與該兩相交流電功率源的該對接頭之一相應 接頭耦合，並且各個該些金屬線導體的該輸出端與該電 阻加熱元件的該對接頭之一相應接頭耦合；以及

一對電容器，係連接於各個該對金屬線導體的該 輸入端與接地線之間，各個該些電容器具有在超過該高 頻的共振頻率下與相應之該些電感器線圈之一的電感 形成一共振的電容，從而該些濾波器在該高頻下呈現出 一感抗，並且在該高頻下具有超過6 0dB的一射頻衰減。 5.如申請專利範圍第4項所述之電漿反應器，其中該高頻 至少爲約13.65 MHz，該些環形線圈之外徑爲1 .5英寸， 各個該電感器線圈的匝數爲 21，該些電容器的電容爲約 0.01微法拉，並且上述之共振頻率約爲18·7.MHz。 6.如申請專利範圍第4項所述之電漿反應器，其更包括連 接在各個該些金屬線導體的該輸入端與各個該些兩相交流

電功率源之該些接頭之間的一對交流電線路濾波器。 7. —種位於一電漿反應器中之濾波器，該電漿反應器具有 —靜電吸座，該靜電吸座含有一電子加熱元件、一高頻的 一射頻偏置功率產生器耦合至該靜電吸座之一電極，以及 一交流電功率源耦合至該電子加熱元件，該濾波器包括： 一對圓柱形的非導電封套； 17 1358198 各自為複數個磁性環形線圈，該些環形線圈係同轴堆 疊於該對圓柱形封套的各自封套中； 一對金屬線導體，該些金屬線導體螺旋狀地纏繞在相 應之該對封套上，從而分別形成複數個電感器線圈，各個 該些金屬線導體連接於該交流電功率源以及一電阻加熱元 件之間；以及

一對電容器，係連接於各個該對金屬線導體與接地線 之間，各個該些電容器具有一電容，該電容在超過該高頻 的共振頻率下與相應之該些電感器線圈之一的電感形成一 共振。 8.如申請專利範圍第7項所述之濾波器，其中各個該些圓 柱形的非導電封套之内徑係介於約1〜2英寸之間。

9.如申請專利範圍第8項所述之濾波器，其中該些磁性環 形線圈包含複數個熔融的鐵粉環形線圈，其具有10的數量 級之磁性滲透率。 1 0.如申請專利範圍第8項所述之濾波器，其中該些環形線 圈的外徑與各個該些圓柱形的非導電封套的内徑相同。 1 1.如申請專利範圍第9項所述之濾波器，其中各個該些金 屬線導體之直徑係介於3毫米〜3.5毫米之間。 18 1358198

12.如申請專利範圍第7項所述之濾波器，其中各 感器線圈之阻數介於16匝~·24匝的範圍内。 13.如申請專利範圍第7項所述之濾波器，其中各 感器線圈之一端連接至該交流電功率源，且其中 電容器連接至該些電感器線圈之一相應電感器 端。 1 4.如申請專利範圍第7項所述之濾波器，其中該 該高頻下呈現出一感抗，並且在該高頻下具有走 的一射頻衰減。 1 5 .如申請專利範圍第7項所述之濾波器，其中該 率源具有60 Hz的數量級之一頻率。 個該些電 個該些電 各個該些 線圈的該 滤波器在 I 過 60dB 交流電功

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