TWI383711B - 高密度電漿反應器 - Google Patents

Description

高密度電漿反應器

本發明關於強化電漿源及相關程序的方法及裝置。

螺旋波放電習知為可有效地製造高密度電漿，及已作為用在半導體加工(蝕刻，沈積，濺鍍...)[請參考Lieberman M.A.，Lichtenberg A.J.，Principles of Plasma Discharges and Materials Processing，J.Wiley & Sons，1994，New York]，太空推進及基本電漿實驗的高密度電漿工具。電漿通常在至少100至300 G之縱向同質磁性的圓筒狀的真空器皿中產生。電磁能可轉換為具有1至50 MHz間(通常在13.56 MHz以用以處理電漿)之頻率的電漿源。螺旋波可藉由特別成形的天線在電漿圓筒中產生。

用以激發螺旋波的最通用天線是名古屋第三型(Nagoya Type III)天線[請參考Okamura S等人，1986，Nucl.Fusion 26 1491]，其改良為Boswell的雙座板線圈[請參考Boswell R.W.，1984，Plasma Phys.Control，Fusion，26 1147]。Shoji等人是第一個使用螺旋天線的，且調適為單迴圈天線[請參考Sakawa Y.，Koshikawa N，Shoji T，1996，Appl.Phys.Lett，69 1695；Carter C.及Khachaw J.，1999，Plasma Sources Sci.Technol.，8 432]，雙迴圈天線[請參考Tynan G.R.等人，1997，J.Vac.Sci.Technol.A 15 2885；Degeling A.W.，Jung C.O.，Boswell R.W.，Ellingboe A.R.，1996,Phys.Plasmas 3 2788]，螺旋管天線[請參考Kim J.H.，Yun S.M.及Chang H.Y.，1996，Phys.Lett.A 221 94]，及雙線轉動場天線[請參考Miljak D.G.及Chen F.F.，1998，Plasma Sources Sci.Technol.7 61]。

可使用碰撞理論[請參考Chen F.F.，Sudit I.D.及Light M.，1996，Plasma Sources Sci.Technol.5 173]解釋該波的阻尼，但亦描述螺旋波的無碰撞(Landau)阻尼及在作為Trivelpiece-Gould模式之艙的邊界經由另一波之激發的螺旋波傳送[請參考Chen F.F.，Physical mechanisms in industrial RF plasma Sources，LTP-104，2001，UCLA]。放電類型可令電子密度在0.1巴的氣壓範圍內達到10¹² 至10¹³ cm^-3 。

界定可激發螺旋波以用於電漿產生之正確天線結構的主要特徵為：

激發頻率：電波應滿足：ω ci<ω<ω c(ω ci=離子迴旋頻率，ω c=電子迴旋頻率)。工業標準頻率(如，13.56 MHz)通常用在半導體加工。

電波模式：產生之電波電磁場的模式結構可令最佳設計的天線設置能夠有效地耦合RF電源至電波激發。二個最低模式為m=0及m=1的模式。激發m=0之模式的最佳方式為使用藉由半波長之距離分離的二迴圈。對m=1的模式而言，對電及磁場向量而言，當電波沿著主軸傳播時，存在自然的螺旋程度。考量目前技術，目前激發該模式的方式為使用螺旋狀天線。

耦合RF電源至電漿的效率：電漿製造的效率取決於RF電源至電漿的耦合。用於RF電源之阻尼的重要機制是蘭道 (Landau)阻尼。螺旋波的相位速度為ω/k_z ，其中k_z 是色散關係及取決於電漿密度及磁場強度。理想中，電波的相位速度應接近吾人預期離子化之氣體的最大離子電位。k_z 值越大，密度越大。但若k_z 太高，則電子能可降到離子電位之下。因此，控制k_z 是很重要的，以為了能夠增加密度及控制電子溫度。

習知為以包括四對電極的裝置產生螺旋波(美國專利案第5 146 137號，K-H Kretschmer等人，1992/09/08)。第一對電極連接至第一電壓。第二對電極連接至第二電壓。第一電壓是相對於第二電壓轉變的90°相位。第一及第二對電極會架設在容器的第一區上。接著，第三對電極及第四對電極會架設與容器之第一區相隔的容器之第二區上。第三及第四對電極會連接至相位改變電壓，以與第一及第二對電極相似的方式。在另一觀點中，該裝置會藉由從外側經由容器耦合電磁能至電漿而使用圓極化波在容器內產生電漿。該裝置包括四線圈。第一線圈會連接至第一電壓。第二線圈會連接至第二電壓。第一電壓相對於第二電壓為改變了90°。第三及第四線圈會連接至相位改變電壓，以與第一及第二線圈相似的方式。在另一第三形式中，該裝置包括四對線圈。第一對線圈會連接至第一電壓。第二對線圈會連接至第二電壓。第一電壓相對於第二電壓為改變了90°。第一及第二對線圈會架設在容器的第一區上。接著，第三對線圈及第四對線圈會架設在與容器的第一區相隔之容器的第二區上。第三及第四對線圈會連接至相位改變電 壓，以與第一及第二對線圈相似的方式。

先前裝置與本發明間的主要差異是，本發明之天線包括一線圈(導電迴圈及軸部份是連接的)，其包括電容元件，而先前裝置包括四個獨立電極或線圈，其無連接的電容元件。再者，本發明是共振天線，其中存在以方位角之函數的正弦電流分佈，其不適用於先前裝置。

習知上，設置電漿源與處理艙的組合以沈積或蝕刻薄膜或濺鍍沈積薄膜至工作件。特別地，該處理系統包括外磁鐵零件及RF線圈，以為了用在原位核磁共振。用於物理，化學及生物研究的核磁共振已充分發展且高度成功[請參考P.J.Hore，Nuclear Magnetic Resonance，Oxford University Press，Oxford，UK，1995]。近來已著手關於托卡馬克(Tokamak)實驗而用於電漿診斷技術的NMR應用[請參考Zweben S.J等人，2003，Rev.Sci.Inst.，74，1460]。NMR在低氣壓及/或溫度電漿處理的應用仍是極創新的，特別是針對濕度監控，污染監控，艙特性，以為了降低裝置的疑難排解時間及改良製造裝置的品質。

根據本發明，提供一種如申請專利範圍第1項之定義的電漿源裝置。

本發明使用至少一電漿源，其與至少一處理艙組合以在處理艙內的大多區域提供高及平均的密度。

在另一實施例中，電容元件及/或天線的可動軸導電元件可調諧為增加RF電源與電漿間的耦合，定義主動天線。

在更一實施例中，電漿源或處理艙中的主要零件可基於NMR原理而用作艙內環境的原位監控或工作件(如，半導體處理之一部份的晶圓)的原位檢查。

定義

液體 ：該詞包括氣體，兩相液體，或超臨界氣體。

導電迴圈 ：可關閉或打開且形狀為圓形，或橢圓形，或具有直角的導電元件。

射頻產生器 ：以至少一頻率供應持續或脈衝之RF電源的裝置。

處理艙 ：發生電漿處理(如，蝕刻，沈積，濺鍍，離子產生，消毒)的艙室，或內部置有至少一工作件(晶圓)以用以傳送，調節，材料處理的艙室。

由圖1，2，4，6及7中可見，本發明的第一原理結構是天線結構：RF電流製成為流經至少一對導電迴圈(其具有任何拓樸)2及軸導電元件1。電流會以圖2組態之狀況中根據5之方式通過。會由RF電源供應4施加RF電壓。

線圈的特徵涉及激發。RF線圈在單一激發點的激發會導致線性極化磁場B。可使用在一可行結構(見圖1)中所述的線圈以直接向前方式達成九十度相位差的激發。這可沿著一導電迴圈元件2的圓周藉由激發位於相對於另一線圈之直角的二輸入電容3而激發線圈。此外，為了達成期望的圓極化，用以在二點激發線圈的RF反應器必須相對於另一者 為90°反相。以此方式，可如上述般激發具有近乎平均之橫向磁場的二模式。

天線的其他特徵可透過利用多RF放大器以供給天線能量而了解。各放大器會附著到不同輸入電容，及經由各放大器之信號的相位是正確的以製造期望的RF激發。以此方式，來自各放大器的能量需求可降低，其相較於驅動具有一或二放大器之天線的需求。

可以固體圓電線(如，銅材質)或以包括數個分離絕緣線股(其為扭曲或編結在一起)的導體製造天線。因為各線股易於在整個導體的剖面中處於所有可能位置，該設計可令個別線股的磁通量-及電抗平均而使電流可平均地流經整個導體。主要優勢即是AC耗損的下降。該架構的範例習知為絞合漆包電線。

吾人應了解，上述的多放大器結構僅供示範，且許多其他利用至少四放大器的組合皆可行。

電漿源的基本結構顯示在圖3，具有以磁場產生器8(位於典型上以PVC製成的管上)環繞的Pyrex電漿產生艙6。RF電源10會經由匹配網路9給予天線能量。

天線的主要優點為，對每一模式m≠±1而言，電流分配呈現為零。所有天線能量會集中在二模式。實驗上，m=1對以螺旋波之電漿加熱而言顯得更有效率。另一優點為艙內電漿的高同質性，可大幅降低對積體電路的傷害，增加製造良率。

特別在處理電漿時，主要特徵(密度，電子溫度，離子溫 度，分壓種類，...)會無關於處理時間，因不只與工作件，亦會與整個處理艙互相影響。這也就是為什麼調整RF電源與發展電漿間之耦合的可能性可允許程序的高度改良及裝置的正常運行時間。吾人假設在根據本發明的另一實施例中定義一主動天線為可移動，其中該主動天線：至少一電容可調諧及/或至少一導電迴圈位置可移動，及/或至少一導電迴圈轉動(→扭曲天線)會導致軸導電元件在第一上迴圈的連接與軸導電元件在第一下迴圈的連接之間的非零的角度。另一結構包括主動天線根據用作診斷技術(磁性探針，光學探針，靜電探針，霍耳探針...)之感測器的回饋控制。

在根據本發明的另一實施例中，磁鐵可傳送以時間及/或空間為函數的磁性振幅以在電漿上執行蠕動磁性活動，該電漿界定在電漿產生艙中具有高及低密度的連續區域中。這個形態可產生多重雙層，其為由二相鄰電荷護套所組成的結構，該電荷具有經由單耳空間電位外形連接不同電漿電位值的相反記號。

在根據本發明的另一實施例中，為了強化電漿源的效能，如電子迴旋共振，離子迴旋共振或電子伯恩斯坦波的輔助反應器可加到靠近反應器。

在根據本發明的另一實施例中，其中頻率調諧可藉由對著RF線圈之縱軸物理上移動一同中心之RF護套而達成。對著RF線圈之護套的移動可有效地改變系統的互感，提供用以調整共振頻率的機制。

在本發明的再一實施例中，電漿源與一處理艙組合(見圖 5)，該處理艙包括一磁鐵14陣列，一在艙壁15外側的RF線圈陣列，及一在艙16內側的RF線圈陣列。RF線圈可設計為電漿源之一，亦即具有複數個電容。線圈的一部份可作為回饋線圈，及其他部份可作為感測器線圈。可藉由取晶線圈感測器信號控制電漿穩定性，及在加工後，施以合宜的電流以為了改良電漿性能。感測器線圈可其他類型的感測器(光學探針，霍耳探針，...)取代之。

在本發明的更一實施例中，串聯的電極會加到處理艙(典型在一振盪電壓上)內側。這個行為允許侷限電漿及/或粒子。這個陷阱的四極電場會對類似徑向力的帶電粒子上施以徑向力，因而週期集中的四極磁場會加在帶電粒子上。

在本發明的再一實施例中，吾人使用處理艙(磁鐵陣列及RF線圈陣列)的零件以進行至藉由核磁共振原位監控。實際上，吾人可經由至少一線圈施以RF場的瞬間脈衝。在脈衝截止後，發射的能量可測量為同一線圈中感應生出的交替電壓。NMR信號的振幅與觀察目標(艙壁，工作件，...)的共振旋轉數成比例。但吸收的額外能量亦會因旋轉與其原子及分子環境間的互相影響而消散，如同因旋轉與旋轉間的互相影響般。該互相影響可藉由分子運動引起的二緩和程序而即時調變。例如，其致使可分辨化學混合的水(其物理上鍵結為固態表面及水)與一般水(其處於鬆散的液態)。可藉由界定特定方向之梯度的磁場力改良監控。

NMR監控允許大幅改良處理(電漿處理之前或之後，或在預防維護時間之後，可控制大氣品質，特別是含水比率)， 以最佳化裝置的正常運行時間及接著最佳化製成裝置的良率。

在根據本發明的另一實施例中，電漿源會與光學共振器耦合以藉由RF電漿實行氣體雷射系統。該裝置包括一氣體放電管，其由石英製成及以二平坦半透明鏡面密封以界定一光學共振器，本發明天線，其用在磁鐵存在時以激發RF放電。該等面鏡之一可架設在壓電換能器上。該面鏡會對齊以提供光波的多反射。

在根據本發明的另一實施例中，電漿源可與產生聲波渦蝕氣泡的裝置耦合，該裝置可作為用以點火(ignition)及維持電漿的核。因為電漿可在液態環境中形成，故可在遠遠較先前更低的電漿溫度下獲得遠遠較高的薄膜沈積速率或蝕刻速率(其取決於牽涉的化學物質種類)。此外，可在普通溫度及壓力下實行該程序。可藉由S.Nomura及H.Toyota，2003，Applied Physics Letters，83，4503執行超音波與一頻帶上之微波放射的先行組合，及另一方面，藉由Dow Corning Plasma處理輝光放電(glow discharge)。此處，吾人提出組合超聲波與RF電漿類型。

本發明中所述及之電漿源可包括天線冷卻構件，例如一冷卻器、一加熱管、一製冷機或一匹特爾(Peltier)裝置。

本發明相關的主要應用為：電漿處理(半導體製造，微科技，奈米科技)，電漿焊，電漿式消毒，電漿切割，空間推進，電漿消除系統，學術研究...。

雖然已描述及繪示本發明特質，然僅意欲繪示較佳實施 例。吾人應了解，本文僅為了作為示範而寫成。在不違反下文主張的本發明的精神及範圍內，熟習該項技術者可做部件，步驟，特徵之組合及設置的種種改變。

1‧‧‧軸導電元件

2‧‧‧導電迴圈

3‧‧‧輸入電容

4‧‧‧RF電源供應

6‧‧‧電漿產生艙

8‧‧‧磁場產生器

9‧‧‧匹配網路

10‧‧‧RF電源

14‧‧‧磁鐵

15‧‧‧艙壁

16‧‧‧艙

圖1是根據本發明之天線設置的示意圖。

圖2是另一實施例之天線結構的示意圖。

圖3是電漿源之基本結構的示意圖。

圖4是扭曲的軸導電元件之天線結構的示意圖。

圖5是電漿源之結構的示意圖，該電漿源包括反應器內側及外側的天線，及元素磁鐵的陣列。

圖6是根據本發明之天線設置的示意圖，具有打開的導電迴圈。

圖7是另一實施例之天線結構的示意圖。

圖8是根據本發明之天線網路的示意圖。

6‧‧‧電漿產生艙

8‧‧‧磁場產生器

9‧‧‧匹配網路

10‧‧‧RF電源

14‧‧‧磁鐵

15‧‧‧艙壁

16‧‧‧艙

Claims (28)

1. 一種用於藉螺旋波產生電漿之電漿源裝置，其包括：a.一天線，b.一電漿產生艙，其接近該天線，c.一液體注入器，其用以注入至少一液體至該電漿產生艙，d.一射頻產生器，其具有連續或脈衝之射頻(RF)電源供應，其中：該電漿源裝置包括環繞該天線排列之數個磁場產生器，該天線包括至少二個導電迴圈元件，其圍繞一共同縱軸且沿著該共同縱軸分隔，及至少一對軸導電元件，其與該等導電迴圈元件電互連，該等導電迴圈元件之每一者包括至少一電容。
2. 如請求項1之電漿源裝置，其中該等導電迴圈元件及該等軸導電元件包括至少一電容。
3. 如請求項1之電漿源裝置，其包括數個軸導電元件，各軸導電元件與該等導電迴圈元件互連。
4. 如請求項1之電漿源裝置，其包括天線冷卻構件，如一冷卻器、一加熱管、一製冷機或一匹特爾(Peltier)裝置。
5. 如請求項1之電漿源裝置，其包括該電漿產生艙之熱控構件，以為了特別在電漿燃燒期間防止該電漿產生艙內側與外側間之熱震。
6. 如請求項1之電漿源裝置，其包括與該射頻產生器及該天線互連之一匹配網路，以此俾以提昇射頻能量由該射頻產生器至該天線之最理想轉換。
7. 如請求項1之電漿源裝置，其包括用以調整該天線之共振頻率之一機制。
8. 如請求項7之電漿源裝置，其中該機制經調適以即時界定或調整該天線及電漿之間之最理想電磁耦合。
9. 如前述請求項7或請求項8之電漿源裝置，其中該機制包括一可移動射頻(RF)護套，其包覆該天線但並未與該天線連接。
10. 如請求項9之電漿源裝置，其中該射頻護套係與該天線之一縱軸共軸心之一共軸射頻護套，且其中藉由機械地沿著該軸移動該共軸射頻護套而完成一頻率調諧。
11. 如請求項1之電漿源裝置，其中該等電容之至少一者係可調諧。
12. 如請求項1之電漿源裝置，其中該等導電迴圈元件之至少一者係可移動。
13. 如請求項1之電漿源裝置，其中該天線經調適以使其具有以方位角之函數的一正弦電流分佈。
14. 如請求項1之電漿源裝置，其與一光學共振器耦合，該光學共振器包括置於該電漿產生艙之範圍內之至少二面鏡，一者為部份反射，該等面鏡經對齊以提供多個光波之多反射。
15. 如請求項1之電漿源裝置，其與一藉由超音波產生多個渦 蝕氣泡之裝置耦合，該電漿產生艙含有來自產生該等氣泡之處之一液體，該裝置經調適以將射頻(RF)能量誘導入該等聲波渦蝕氣泡以供電漿之點火(ignition)及維持。
16. 如請求項1之電漿源裝置，其與一輔助電漿源耦合，該輔助電漿源如電子迴旋共振反應器或離子迴旋共振反應器。
17. 如請求項1之電漿源裝置，其與一輔助天線耦合，該輔助天線位於該電漿產生艙之內側或外側。
18. 如請求項1之電漿源裝置，其中該天線亦調適為一接收系統，以執行核磁共振(NMR)監控或施用於該電漿產生艙內側之液體或工作件之分析。
19. 如請求項1之電漿源裝置，其中該等軸導電部份之各者及/或該等導電迴圈元件以體傳導電線，或編結電線製成，典型為漆包電線或空心電線。
20. 如請求項1之電漿源裝置，其包括一天線網路，其中多個相鄰之導電迴圈元件對具有至少一共同軸導電元件。
21. 如請求項1之電漿源裝置，其連接至一或複數個處理艙。
22. 如請求項1之電漿源裝置，其具有複數個電漿源，各電漿源係合作地連接至至少一處理艙。
23. 如請求項1之電漿源裝置，其包括複數個射頻(RF)線圈，該等射頻(RF)線圈以一環繞方式設置為靠近該一或多個處理艙。
24. 如請求項23之電漿源裝置，其中該至少一射頻(RF)線圈包括一電容元件。
25. 如請求項18之電漿源裝置，其包括複數個磁鐵，該等磁鐵係以一環繞方式設置為靠近該一或多個處理艙，以在該至少一個處理艙及/或至少一個工作件內側執行核磁共振(NMR)檢查。
26. 如請求項21之電漿源裝置，其包括複數個電極，該等電極定義施以一振盪電壓於其上之一保羅(Paul)陷阱類型或一潘寧(Penning)陷阱類型。
27. 一種請求項1-26中任一項之電漿源裝置之使用，其用在濕度之原位核磁共振(NMR)監控，或用在一處理艙之原位核磁共振(NMR)檢查或一處理艙內側之多個工作件(例，多個晶圓)之原位核磁共振(NMR)分析，其中射頻(RF)激發之一瞬間脈衝係應用在該天線之一或複數個部份，且其中在脈衝截止後，該發射之能量經測量為該天線中感應生出之一交流電壓。
28. 一種請求項1-26中任一項之電漿源裝置之使用，其中一射頻(RF)激發係同時施加在該天線之一或複數個埠上，優先地施加在該天線之二埠上，其中該二埠間之差具有輸入激發上之一90°相位差。