CN117795640A - 用于薄介电膜沉积的变压器耦合等离子体源设计 - Google Patents

Abstract

一种装置，其包括处理室，其中所述处理室包括：窗，其中该窗包括介电材料，所述介电材料对射频(RF)能量是透射性的，其中所述窗具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；套环组件，该套环组件具有被所述窗覆盖的孔，其中所述套环组件支撑所述窗的所述第一侧；以及一或更多个RF线圈，所述一或更多RF线圈位于所述窗的所述第二侧上方，其中，当沿垂直于所述窗的第一轴观察时，所述一或更多个RF线圈的最外部分与所述套环组件的导电部分的最内部分之间的径向距离大于或等40mm，其中所述套环组件的所述导电部分的所述最内部分与第一参考平面相交，所述第一参考平面垂直于所述第一轴且位于所述窗的所述第一侧与所述一或更多个RF线圈之间。

Description

用于薄介电膜沉积的变压器耦合等离子体源设计

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背景技术

等离子体源用于产生等离子体，当处理气体流入等离子体源中时，产生处理气体的中性颗粒、离子、和/或自由基。这些颗粒然后可流动，以与目标衬底进行物理和/或化学反应。电场可用于产生等离子体，其中电场由一或更多个线圈产生。

本文所包括的背景描述和上下文描述仅用于概括的呈现本公开内容背景的目的。本公开内容的大部分内容呈现发明人的工作，且仅因为如此的工作在背景部分中描述或在本文其他地方呈现并不意味着其被承认为现有技术。

发明内容

本文公开系统和方法，其涉及射频(radio frequency，RF)产生器的设计和使用。在本文实施方案的一方面中，提供了一种装置，该装置包括处理室，其中所述处理室包括：窗，其中该窗包括介电材料，所述介电材料对射频(RF)能量是透射性的，其中所述窗具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；套环组件，该套环组件限定被所述窗覆盖的孔，其中所述套环组件支撑所述窗的所述第一侧；以及一或更多个RF线圈，所述一或更多RF线圈位于所述窗的所述第二侧上方，其中，当沿垂直于所述窗的第一轴观察时，所述一或更多个RF线圈的最外部分与所述套环组件的导电部分的最内部分之间的径向距离大于或等40mm，其中所述套环组件的所述导电部分的所述最内部分与第一参考平面相交，所述第一参考平面垂直于所述第一轴且位于所述窗的所述第一侧与所述一或更多个RF线圈之间。

在一些实施方案中，介电材料具有小于10的介电常数。在一些实施方案中，介电材料是铝氮化物、铝氧化物、或两者。在一些实施方案中，一或更多线圈包括的总匝数为4或更少。在一些实施方案中，一或更多个线圈包括的总匝数为3或更少。在一些实施方案中，平坦窗的直径小于350mm。在一些实施方案中，所述装置还包括外壳，该外壳被机械耦合到套环组件，其中一或更多RF线圈是在外壳的内部容积内。在一些实施方案中，套环组件包括非周向连续的环形结构。在一些实施方案中，所述环形结构包括一或更多个间隙。在一些实施方案中，所述装置还包括一或更多冷却结构，该一或更多个冷却结构将空气朝向平坦窗引导。在一些实施方案中，所述窗具有介于20mm和25mm之间的厚度。在一些实施方案中，所述孔具有介于350mm和400mm之间的直径。

在一些实施方案中，所述装置还包括一或更多个处理器和连接到所述一或更多个处理器的一或更多个存储器，所述一或更多个存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当由所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使包含氢气的第一处理气体流入所述窗下方的等离子体容积中；以及利用所述第一处理气体使等离子体被激发，其中所述等离子体是通过向所述一或更多个RF线圈提供功率而产生。在一些实施方案中，所述计算机可执行指令当由所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述第一处理气体流入所述等离子体容积中而没有伴随的氦流。在一些实施方案中，所述等离子体是电感耦合等离子体。在一些实施方案中，所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：在所述一或更多个RF线圈的功率小于1000W的情况下，使所述等离子体转换成电感耦合等离子体。在一些实施方案中，所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述处理室保持所述等离子体容积的压强大于1Torr。在一些实施方案中，所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述处理室保持所述等离子体容积的压强介于1Torr和3Torr之间。在一些实施方案中，所述处理室还包括位于窗下方的喷头。在一些实施方案中，所述处理室还包括配置成支撑衬底的基座。

所公开的实施方案的这些和其他特征将在下文参考相关附图加以详细描述。

附图说明

图1呈现了根据本文多种实施方案的等离子体产生器系统的剖面图。

图2呈现了根据本文多种实施方案的方法的处理流程。

图3呈现了图1所示等离子体产生器系统的一部分的放大图。

图4是图1所示等离子体产生器系统的一部分的俯视图。

图5是根据本文多种实施方案的替代线圈设计。

具体实施方式

本公开内容涉及处理室，其具有用于等离子体处理的射频(RF)源。在多种处理中，等离子体可用于物理的和/或化学的改变工件的表面。例如，等离子体可用于将材料层沉积或喷涂到工件上，以从工件蚀刻或溅射掉不需要的材料，或在工件上执行灰化或剥离处理。等离子体可由等离子体产生器系统产生。等离子体产生器系统可使处理气体流入受电场影响的等离子体容积中。电场可使处理气体分解成中性颗粒、离子、和/或自由基，然后其可流向工件，从而通过化学方式和/或物理方式改变工件。

图1是根据本发明示例性实施方案的等离子体产生器系统100的简化的剖面图。等离子体产生器系统100被配置为产生等离子体，该等离子体可用于沉积或从工件102移除材料。例如，等离子体产生器系统100可与用于各种等离子体处理技术(例如等离子体增强化学气相沉积、等离子体蚀刻、等离子体剥离或灰化、溅射、等离子体喷涂等)的系统或元件结合使用。因此，工件102可为衬底，其可经受一或更多种前述处理。例如，工件102可由相对纯的硅、锗、砷化镓、或半导体产业中常用的其他半导体材料制成，或者由混合了一或更多种额外元素(在一实施方案中，例如锗、碳等)的硅制成。在另一实施方案中，工件102可为具有在常规半导体制造处理期间已经沉积在半导体衬底上的层的半导体衬底。在又一实施方案中，工件102可为进行等离子体处理的元件，例如玻璃片、陶瓷片、或金属片。

等离子体产生器系统100可为远程装置或结合于处理系统的原位模块(例如处理室)。根据本发明的示例性实施方案，等离子体产生器系统100包括外壳101、窗104、线圈108、能量源110、控制器111、气流分配器106、和喷头112。在一些实施方案中，等离子体产生器系统100可为处理室103的一部分或连接到处理室103，使得喷头112向衬底102分配处理气体。在图1所示的实施方案中，衬底102位于喷头112下方，且显示为设置在可移动基座130上。应理解，喷头112可具有任何合适的形状，且可具有用于将处理气体分配到衬底102的任何合适数量和布置的端口186。虽然图1显示喷头112为等离子体产生器系统100的一部分，但在一些实施方案中，喷头112可为处理室103的一部分或可省略，即衬底102暴露于等离子体，而衬底102和等离子体之间没有喷头。

窗104和套环组件116和喷头112可限定等离子体容积118，该等离子体容积118被配置为接收处理气体，该处理气体可通过电场进行离子化，以及转化为等离子体，等离子体包括例如电子、离子、和反应性自由基之类的物质，以用于将材料沉积到工件102上或从工件102移除材料。在一些实施方案中，窗104可具有面向等离子体容积118的第一侧156，以及与第一侧156相对且面向线圈108的第二侧157。在这方面，窗104由能够传输电场的材料制成。根据示例性实施方案，窗104可包括一或更多种具有上述特性的材料。例如，窗104可由绝缘材料制成，该绝缘材料例如介电材料，包括但不限于铝氮化物、二氧化硅、铝氧化物、或其他陶瓷。在一些实施方案中，窗104可包括介电常数小于10的介电材料。在一些实施方案中，窗可以有20mm的厚度，或介于20mm和25mm之间的厚度。

在任何情形中，为了将等离子体容纳在等离子体容积118中，套环组件116可限定孔，该孔充当侧壁且部分限定等离子体容积118。套环组件116可具有适合于在等离子体容积118内容纳等离子体且不干扰由线圈108所产生的电场的任何厚度。在示例性实施方案中，套环组件116具有在从4mm到6mm范围内的厚度。在另一示例性实施方案中，套环组件116沿其整个轴向长度具有基本上均匀的厚度(例如，±0.5mm)。在又一实施方案中，套环组件116沿其轴向长度具有变化的厚度。在一些实施方案中，套环组件的孔可具有370mm的直径。在一些实施方案中，套环组件的孔可具有350mm和400mm之间的直径。

在一些实施方案中，套环组件116可包括环形结构121。环形结构在等离子体产生器系统的操作期间可与O形环132一起固定窗104。在一些实施方案中，环形结构可为具有390mm的内直径的连续的环。在一些实施方案中，环形结构可具有380mm和400mm之间的内直径。如将在下文进一步讨论的，在一些实施方案中，环形结构可为非周向连续的，其包括一或更多个间隙。

为了在等离子体容积118内提供电场，一或更多个线圈108位于窗104上方。在示例性实施方案中，线圈108由例如铜或铜合金之类的导电材料制成，且每一线圈可具有第一端和第二端。第一端可电耦合到能量源110，且第二端可电耦合到电接地。在一些实施方案中，一或更多个线圈108可在窗104上方3mm处，或在窗104上方2mm和4mm之间处。这可容许冷却气体(例如空气)在线圈108下方和周围流动。

在一些实施方案中，线圈108可设定尺寸以装配在或内接在具有内直径和外直径的环形区域内。在一些实施方案中，线圈的内直径为170mm(即，由线圈108所外接的圆的直径)。在一些实施方案中，线圈的内直径介于160mm和180mm之间。内直径可限定成为气流分配器106和冷却结构109留出空间。气流分配器106可延伸穿过窗104且使处理气体流入等离子体容积，而冷却结构109可使冷却气体127对着窗104向下流动。然后，冷却气体127可流过窗104和线圈108，以在系统的操作期间冷却线圈108和/或窗104。

相反，如将在下文进一步讨论的，线圈108的外直径可限制成减少线圈108与环形结构121或套环组件116之间的电容耦合。在一些实施方案中，线圈的外直径是300mm(即，环绕线圈108的圆的直径)。在一些实施方案中，线圈的外直径在290mm和310mm之间。

在一些实施方案中，外壳101覆盖一或更多个线圈，以及覆盖可能位于窗104上方的其他元件。在一些实施方案中，通过各种紧固件，外壳101可机械耦合到环形结构。在一些实施方案中，外壳可为环形结构的一部分，例如，外壳被焊接到环形结构，或该两元件被制造为一体。在一些实施方案中，外壳101经由环形结构121耦合到套环组件。外壳101与窗104可一起限定内部容积，其中一或更多个线圈和多种其他元件(例如，用于处理气体的阀件和管件)可位于内部容积内。

为了控制能量源110操作的方式，可操作地将控制器111耦合到能量源110。控制器111可为模拟控制器、离散逻辑控制器、可编程阵列控制器(PAL)、可编程逻辑控制器(PLC)、微处理器、计算机、或能够执行下述方法700所列事件序列的任何其他设备。在一示例性实施方案中，控制器111确定要供应到一或更多个线圈108的功率大小，且向能量源110提供命令。除了控制能量源110之外，控制器111还可以可操作地耦合到处理气体源177，且可向其提供命令，以将一定量的处理气体供应到等离子体容积118。虽然控制器111、气体源177、和能量源110显示在外壳101内，但应理解，这些元件可位于外壳之外，且连接到外壳内部的元件(例如，线圈108或气流分配器106)。

处理气体源177可包括一或更多个气体源和相应的一或更多个阀或其他流动控制元件(例如，质量流量控制器或液体流动控制器)。控制器111可连接到一或更多个阀或其他流动控制元件，以使它们切换状态，以及从而容许不同的气体或气体组合以不同的时间和/或流速流动。在一些实施方案中，一或更多个气体源可流体连接到混合容器，以在输送到气流分配器106之前进行混合和/或调节处理气体。

能量源110可以是射频(RF)能量源或能够向线圈108供电和激励线圈108以形成电场的其他能量源。在示例性实施方案中，能量源110包括RF产生器，该RF产生器被选择具有以下的能力：以期望频率操作且向线圈108提供信号。例如，RF产生器可被选择为在0.2MHz至20.0MHz的频率范围内操作。在一示例性实施方案中，RF产生器可以以13.56MHz操作。在示例性实施方案中，能量源110可包括设置在RF产生器和线圈108之间的匹配网路。匹配网路可为阻抗匹配网路，其被配置为将RF产生器的阻抗与线圈108的阻抗进行匹配。在这方面，匹配网路可由例如相位角检测器和控制马达之类的部件的组合构成；然而，在其他实施方案中，应理解，也可包括其他部件。

在注入等离子体容积118之前，处理气体可在气流分配器106内扩散。这样，气体可基本上均匀分布到等离子体容积118中。在一些实施方案中，窗104可包括通往等离子体容积118的入口148，其容许气体流入等离子体容积118。在一些实施方案中，气流分配器106设置在等离子体容积入口148中。根据一示例性实施方案，气流分配器106由不导电且当暴露于处理气体时能够耐受腐蚀的材料制成。合适的材料包括例如介电材料，例如二氧化硅。

继续参考图1，当能量源110为线圈108供能时，在等离子体容积118的选定部分中形成电场，从而使可能流过其中的处理气体离子化，以形成离子化气体。如本文所使用的，术语“离子化气体”可包括但不限于带电颗粒、离子、电子、中性物质、反应性物质、反应性自由基、离解自由基、以及在处理气体流过电场时可能产生的任何其他物质。为了控制离子化气体在工件102范围内的分散，喷头112可定位在等离子体容积和工件之间。在一示例性实施方案中，喷头112可由对等离子体相对呈惰性的任何合适的材料(例如铝氮化物、铝氧化物、或其他陶瓷)制成。通常，喷头尺寸被设定成将气体分布在整个工件102上，且因此具有相应合适的直径。

喷头112可具有通孔，以容许气体通过。特别地，喷头112包括通孔186，通孔186具有合适的尺寸，且间隔成将离子化气体以基本上均匀的方式分散在工件102上。在一示例性实施方案中，通孔186具有从2mm到10mm的范围内的直径。此外，在一示例性实施方案中，通孔186以基本上均匀的图案设置在喷头112上，但在另一示例性实施方案中，通孔186以不均匀的图案设置，例如中心集中的孔分布或边缘集中的孔分布。

在本发明的示例性实施方案中，喷头112可直接耦合到套环组件116，如图1所示。例如，喷头112可经由螺栓、夹、粘合剂、或其他紧固机制而耦合到套环组件116。在另一实施方案中，喷头112可与套环组件116一体形成。

应理解，虽然图1显示了等离子体产生器系统100的实施方案包括某些部件，但是可替代地采用额外的部件或与图1所示形状不同的部件。

图2根据示例性实施方案呈现了形成等离子体的方法200的流程图，其可与系统100和控制器(例如控制器111)一起使用，且控制器可被调整用于使系统100执行方法700的一或更多个步骤。例如，控制器可用于向例如能量源110之类的能量源提供命令，以执行以下多种步骤，和/或控制器可被调整用于向处理气体源(例如处理气体源177)提供命令，以执行以下多个步骤中的一或更多个。在示例性实施方案中，在步骤202，在等离子体容积内形成第一等离子体。

在一些实施方案中，步骤202可包括在形成电场(步骤206)之前、之后、或同时使处理气体流入等离子体容积(步骤204)。处理气体可通过入口148和/或气流分配器106注入等离子体容积。在一些实施方案中，气流分配器可具有多个开口，以将处理气体分配在整个等离子体容积中。

选择作为处理气体的特定气体可取决于可使用等离子体的特定处理。在示例性实施方案中，处理气体包括含氟气体。适用的含氟气体的示例包括三氟化氮(NF₃)、六氟化硫(SF₆)、六氟乙烷(C₂F₆)、四氟甲烷(CF₄)、三氟甲烷(CHF₃)、二氟甲烷(CH₂F₂)、八氟丙烷(C₃F₈)、八氟环丁烷(C₄F₈)、八氟[1-]丁烷(C₄F₈)、八氟[2-]丁烷(C₄F₈)、八氟异丁烯(C₄F₈)、氟(F2)等。在另一实施方案中，处理气体可包括含氢气体，例如H₂。在另一实施方案中，处理气体可包括含氧气体。例如，含氧气体可包括但不限于氧气(O₂)和N₂O。在其他实施方案中，处理气体可额外包括惰性气体，例如氮(N₂)、氦、氩等。在其他实施方案中，可使用不同的气体和不同的比率。在一些实施方案中，处理气体可在没有惰性气体的情形中流动，例如在没有流动氦气的情形中流动。

在一些实施方案中，方法200可在真空压强下执行。在一些实施方案中，压强可在0.5torr和10torr之间，或在1torr和3torr之间。

根据另一示例性实施方案，步骤202还可以包括在等离子体容积中形成电场以形成第一等离子体(步骤206)。在等离子体产生器系统100的操作期间，能量源110连接到每一线圈，且为线圈供电以形成电场。根据本发明的示例性实施方案，步骤206可包括向系统的线圈提供第一幅值的功率，以形成电场。在一实施方案中，功率的第一幅值是足够使系统以电感模式操作的幅值，该系统从初始的电容模式转换到该电感模式。这样，功率的第一幅值可为以下范围内的值，该范围具有的下限为适用于将系统从电容模式转换至电感模式的功率幅值。

在操作期间，产生两种不同的电场配置，即电容耦合电场(电容分量)和电感耦合电场(电感分量)。电容耦合电场由在线圈的相邻匝之间延伸且具有垂直于窗表面的分量的电场线限定。当线圈中的电流产生射频磁场时，产生电感耦合电场，其中该射频磁场穿透窗且感应出法拉第定律(Faraday’sLaw)所描述的电场，电感耦合电场具有通常不具有垂直于室表面的分量的电场线。

当系统通电且最初向线圈供电时，电容分量的电场相对强度大于电感分量的电场相对强度。在这种情形中，系统处于“电容模式”。当功率增加时，电感耦合电场的强度增加，而电容耦合电场的相对强度降低。这可能是由于等离子体吸收的功率增加，从而导致带电颗粒的数量增加来增加线圈中电流的幅值，以及导致更大百分比的功率耦合到电感分量中。在某个功率电平时，系统可经历模式转换(在本领域中也称为“模式跳转”)，其中电感分量快速增加，以及电容分量的相关快速减小。在这种情形中，系统处于“电感模式”。

适合从电容模式转换为电感模式的特定功率幅值可取决于系统设计。具体而言，产生电容和/或电感模式所需的特定电流、电压、和功率很大程度上取决于窗、等离子体容积、和线圈的配置和尺寸、处理化学、和处理参数。

根据示例性实施方案，系统可被配置为类似于图1。在此情形中，系统可设计成使得第一幅值的功率具有600瓦特或1000瓦特的下限，这可用于将系统从电容模式转换为电感模式。

形成第一等离子体之后，其可用于多种处理中，其中可使用等离子体来改变工件的表面(步骤208)。根据示例性实施方案，连续供应的处理气体可馈送到等离子体容积中，且容许其与第一等离子体进行循环且通过电场，以及连续供应RF电流到线圈，使得电感模式在室内产生RF电场。当处理气体循环时，构成等离子体的带电颗粒在等离子体容积内加速，导致至少一部分的处理气体离解成反应性自由基，其可流向设置在等离子体容积的喷头下方的工件。例如，在处理气体包括含氟气体的实施方案中，部分的含氟气体离子化以形成电子、氟离子、和反应性氟自由基。在本发明的示例性实施方案中，一些反应性氟自由基可从等离子体容积流过喷头，且可沉积在工件上，而另一部分的反应性氟自由基可在沉积到工件上之前在等离子体容积内再循环。工件进行处理之后，其可移动到系统的另一部分。

如上所述，在多种实施方案中，在图2的处理期间使用的处理气体可包括惰性气体，例如氦。氦可通过作为电子供体气体(即，具有低离子化能的物质)而用于稳定等离子体。在一些实施方案中，氦可能不是处理气体的一部分。在这样的实施方案中，等离子体可具有增加的蚀刻特性，特别是对于由包括H₂或NF₃的处理气体所形成的等离子体。在这样的实施方案中，相较于由含氦处理气体形成的等离子体，窗104可能受到来自等离子体的额外腐蚀，导致窗104的寿命降低。在一些实施方案中，窗104包括以下特性的材料：耐受H₂或NF₃等离子体的腐蚀，同时也可透射RF能量，例如铝氮化物。

此外，在多种实施方案中，在RF产生器以高功率(例如3000W或更高)操作的情形中，可使用方法200。在一些实施方案中，高功率操作增加面向等离子体容积的窗的温度，在窗104中介于面向等离子体侧与相对侧(该相对侧通过冷却结构109进行冷却)之间导致更显著的热梯度。在一些实施方案中，窗104包括具有高导热性的材料，以降低窗104中热应力裂纹的风险，该热应力裂纹起因于窗104范围内由窗104的不均匀加热引起的热应力。例如，在3000W的射频功率下，窗104可包括操作方法2时具有低于200℃的温度的导热材料。在一些实施方案中，导热材料可包括铝氮化物。

如上所述，线圈的配置和尺寸可影响使系统在电容模式和电感模式之间转换所需的功率。图3呈现了图1的一部分的放大图。在等离子体产生器系统100的操作期间，向线圈提供功率，以形成电场，以及通过线圈的配置，可至少部分地控制引起模式跳转的第一幅值的功率。在一些实施方案中，特别是那些使用纯H₂处理气体或不含氦处理气体的实施方案中，第一幅值的功率将增加至例如1000W或更高，这是不合乎期望的，原因在于：以更高功率进行操作会增加各种部件的磨损且因此降低部件的寿命，降低等离子体产生器系统的效率。由于功耗增加，成本也更高。发明人测试多种线圈设计来改善等离子体产生器系统的效率，特别是降低在此类系统中模式跳转所需的功率临界值。通常，增加线圈的数量使线圈产生的电感增加，这降低第一幅值的功率的下限，即系统从电容模式转换为电感模式的临界值功率。此外，减小线圈之间的间距也可增加电感，且因此降低第一幅值的功率。然而，这样的间距具有下限，这是因为线圈之间可能会发生电弧，使其短路，或者杂散电容(straycapacitance)可能抑制线圈导致的电感，从而增加引起模式跳转所需的功率。

然而，在例如图1的示例所示的系统的情况下，当发明人将线圈的数量增加到例如总匝数6时，模式跳转需要额外的功率。此外，当发明人增加线圈之间的间距以减少线圈间的耦合时，模式跳转功率临界值仍未降低，且有时增加。相反，发明人确定，减少线圈的数量和/或减小线圈的外直径会降低转换功率临界值。

在不受理论约束的情形中，在操作期间，线圈可与环形结构和/或套环组件感应耦合，从而产生涡流，该涡流转移原本用于产生等离子体的电能。需要额外的功率来抵消涡流损耗，以及实现向等离子体传输所需的功率量，从而增加模式跳转的射频功率临界值。如上所述，线圈108的内直径可能受到位于系统100中心附近的部件(例如气流分配器106或冷却结构109)的限制。因此，增加线圈的数量或线圈之间的间距(同时保持线圈宽度/厚度相同)可减小线圈108和环形结构121或套环组件116(其通常可包括例如铝之类的导电金属)之间的径向距离122。减小的径向距离增加这些部件中的一或两者中涡流的形成，从而增加导致模式跳转的射频功率需求。此外，在一些实施方案中，窗104下方的套环组件116的部分中的涡流较小(或者，具有更低的影响)。因此，虽然套环组件116的一些部分可能比环形结构121的任何部分更接近线圈108，但增加环形结构121(或窗104的第一侧156上方的任何部件)与线圈108之间的距离可显著降低使等离子体从电容模式转换为电感模式的RF功率临界值。

因此，在一些实施方案中，径向距离122是介于线圈108和环形结构121的内边缘之间(如虚线所示)。在一些实施方案中，径向距离122是一或更多个线圈108的最外部分144(如与线圈108外接的虚线圆所示)与套环组件116的导电部分的最内部分146(包括环形结构121且如虚线所示)之间的径向距离，该最内部分146与参考平面113相交，其中该参考平面113位于窗104的第一侧156之上，或位于窗104的第一侧和线圈108之间。返回图3，参考平面113与环形结构121的顶部表面以及窗104的第二侧157重合，但在其他实施方案中，环形结构121的顶部表面可在窗104的第二侧157之上或之下。在一些实施方案中，参考平面113在窗104的第一侧之上。在一些实施方案中，参考平面113可垂直于第一轴114，该第一轴114垂直于窗104的顶部表面。在一些实施方案中，径向距离122沿着与第一轴线114相交的线测量，和/或沿着与参考平面113重合的线测量。

在多种实施方案中，径向距离122可为至少40mm、至少50mm、至少60mm、介于40mm和60mm之间、或60mm。通常，线圈108的外直径越小，径向距离122越大。

图4呈现了等离子体产生器系统100的俯视图。如上文关于图3所述，在线圈108的最外部分和环形结构121之间存在径向距离122。在一些实施方案中，为了减少环状结构中涡流的形成，环状结构可为非连续环件。在一些实施方案中，环形结构121中存在一或更多个间隙124。虽然图4显示了一个间隙，但可存在多于一个的间隙。在一些实施方案中，多个间隙可围绕环形结构121的圆周均匀间隔开。通过抑制电流在环形结构周围的流动，间隙可减少涡流的形成。在一些实施方案中，间隙在环形结构的导电部分中。在一些实施方案中，间隙可以是空气，而在其他实施方案中，间隙可以是电间隙，例如填充有用来抑制电流流动的塑胶绝缘体或电介质。在一些实施方案中，外壳101可具有与环形结构类似的间隙，即空气间隙或电间隙。

如上所述，一或更多个线圈108位于窗104上方，且可被供能以形成电场。在图4的实施方案中，存在第一线圈140a和第二线圈140b，然而在各种实施方案中，可存在更多或更少的线圈。每一线圈可具有第一端136a和136b，以及第二端137a和137b。第一端136a-b可电耦合到能量源110。第二端137a-b可电耦合到电接地，从而终止线圈。应理解，其他的连接配置也在本公开内容的范围内。

每一线圈绕中心轴(如图1所示的轴114)绕圈。线圈围绕中心轴的每一基本上完整的圈(尽管圈的末端被径向间隙隔开)可被认为是一匝。因此，在图4的示例中，线圈136a和136b的每一者具有两匝。在多种实施方案中，一或更多个线圈的总匝数可包括每一线圈的匝数的和(因此，在图4中，线圈108可具有总匝数4)。虽然图4中所示的线圈围绕中心轴基本上对称，但在其他实施方案中，其可不对称。例如，在实施多个线圈的实施方案中，第一线圈可具有比第二线圈更多或更少的匝数，例如，总匝数可为奇数(例如，具有1匝的第一线圈和具有2匝的第二线圈，可具有总匝数3)。在一些实施方案中，线圈可具有基本上螺旋的形状，例如图4中所示的那些。

在多种实施方案中，在线圈的导线之间存在线圈间间距129。如果线圈的匝太靠近在一起，则线圈之间可能发生电弧或杂散电容，其使线圈短路或以其他方式降低线圈产生的电感。最小的线圈间间距可抑制这些影响，且这样的线圈间间距可取决于连接到线圈的射频源的频率。在一些实施方案中，线圈间间距至少为6mm。

在一些实施方案中，线圈的一部分可遵循非螺旋的路径，例如，具有居间直线部分的弓形部分。图5呈现了具有直线部分509的线圈508。在这样的实施方案中，可有多个直线部分，每一直线部分与另一直线部分旋转180度。在一些实施方案中，线圈可不具有螺旋形状。在使用多个线圈的一些实施方案中，一线圈可为“内线圈”，其具有的外直径小于“外线圈”内直径，使得内线圈比外线圈更靠近中心轴。此外，在一些实施方案中，每一线圈可能不完成的旋转或匝。例如，两线圈可各完成1.5旋转，各具有1.5匝，且总共有3匝。其他实施方案在本公开内容的范围内。如上所述，可具有一或更多个线圈，例如，2个线圈或3个线圈。

如上所述，在一些实现方案中，控制器111是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器111可以被编程以控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、在一些系统中的射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出与具体系统连接或通过接口连接的工具和其他转移工具和/或装载锁。

概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。

在一些实现方案中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供处理配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的处理和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的处理。

示例性系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。

结论

现在已提供系统和方法，其提供相较于常规系统改善的等离子体产生能力。与常规系统相比，上述等离子体产生器系统在等离子体产生处理之间经历减少的停机时间，且其这样做同时减少周围系统部件对大功率的暴露。因此，改善的等离子体产生器系统现在包括例如RF部件、气流分配器和管之类的部件，其相较于常规等离子体产生器系统的部件具有具有改善的使用寿命。此外，也降低系统的维护成本。

对于本领域技术人员来说，对本公开内容中描述的实现方案的各种修改是显而易见的，以及在不背离本公开内容的精神或范围的情况下，本文限定的一般原理可应用于其他实现方案。因此，权利要求不意图受限于本文所示的实现方案，而是被赋予与本公开内容、本文公开原理和新颖特征一致的最宽范围。

本说明书中在多个单独实施方案的内容中描述的某些特征也可在单一实施方案中组合实施。相反，在单一实施方案的内容中描述的多种特征也可在多个实施方案中单独实施，或以任何合适的子组合方式来实施。此外，尽管特征可如上述在某些组合中进行作用且甚至最初如此要求保护，但在一些情形中，可从要求保护的组合中移除一或更多各特征，且要求保护的组合可针对子组合或子组合的变化。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描述操作，但这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或依顺序执行，或者要求执行所示的全部操作来实现期望的结果。进一步讲，附图可以流程图的形式示意性地描绘一或更多个示例性处理。然而，未描绘的其他操作可包括在示意性描绘的示例性处理中。例如，在任何所示操作之前、之后、同时、或之间，可执行一或更多个额外的操作。在某些情形中，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实现方案中各种系统部件的分离不应被理解为在全部实现方案中都需要这种分离，而且应理解，所述程序部件和系统通常可一起集成在单一软件产品中或打包成多软件产品。此外，其他实现方案在以下权利要求的范围内。在某些情形中，权利要求中所述的动作可以不同的顺序执行，且仍实现期望的结果。

Claims (21)

1.一种装置，其包括：

处理室，其中所述处理室包括：

窗，其中该窗包括介电材料，所述介电材料对射频(RF)能量是透射性的，其中所述窗具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

套环组件，该套环组件具有被所述窗覆盖的孔，其中所述套环组件支撑所述窗的所述第一侧；以及

一或更多个RF线圈，所述一或更多RF线圈位于所述窗的所述第二侧上方，其中，当沿垂直于所述窗的第一轴观察时，所述一或更多个RF线圈的最外部分与所述套环组件的导电部分的最内部分之间的径向距离大于或等40mm，其中所述套环组件的所述导电部分的所述最内部分与第一参考平面相交，所述第一参考平面垂直于所述第一轴且位于所述窗的所述第一侧与所述一或更多个RF线圈之间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述一或更多个线圈包括的总匝数为4或更少。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述一或更多个线圈包括的总匝数为3或更少。

4.根据权利要求1所述的装置，其中平坦的所述窗的直径小于350mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其还包括外壳，所述外壳被机械耦合到所述套环组件，其中所述一或更多个RF线圈是在所述外壳的内部容积内。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述套环组件包括环形结构，所述环形结构包括一或更多个间隙。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述一或更多个间隙包括空气。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述一或更多个间隙包括介电材料。

9.根据权利要求1所述的装置，其还包括一或更多个冷却结构，所述一或更多个冷却结构将空气朝向平坦的所述窗引导。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述窗具有介于20mm和25mm之间的厚度。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述孔具有介于350mm和400mm之间的直径。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电材料具有小于10的介电常数。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述介电材料是铝氮化物、铝氧化物、或两者。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理室还包括喷头，所述喷头位于所述窗的下方。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理室还包括基座，所述基座被配置成支撑衬底。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的装置，其还包括：

一或更多个处理器和连接到所述一或更多个处理器的一或更多个存储器，所述一或更多个存储器储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当由所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：

使包含氢气的第一处理气体流入所述窗下方的等离子体容积中；以及

利用所述第一处理气体使等离子体被激发，其中所述等离子体是通过向所述一或更多个RF线圈提供功率而产生。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述计算机可执行指令当由所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述第一处理气体流入所述等离子体容积中而没有伴随的氦流。

18.根据权利要求16所述的装置，其中所述等离子体是电感耦合等离子体。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：在所述一或更多个RF线圈的功率小于1000W的情况下，使所述等离子体转换成电感耦合等离子体。

20.根据权利要求16所述的装置，其中所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述处理室保持所述等离子体容积的压强大于1Torr。

21.根据权利要求16所述的装置，其中所述一或更多个存储器还储存计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当通过所述一或更多个处理器执行时控制所述一或更多个处理器以：使所述处理室保持所述等离子体容积的压强介于1Torr和3Torr之间。