环形低场活性气体和具有绝缘真空容器的等离子体源制造技术

本申请涉及环形低场活性气体和具有绝缘真空容器的等离子体源，描述了用于等离子体系统的等离子体点火和冷却装置和方法。装置(300)包括容器(390)以及与该容器相邻的至少一个点火电极(330)。该至少一个点火电极的尺寸(D)的总长度大于容器通道长度的10％。该装置可包括绝缘环形容器、具有由装有弹簧的装置压向容器的多个部分的散热片、以及在容器和散热片之间的热界面。方法可包括提供具有流速和压力的气体，并将气体流速的一部分引入容器通道。该气体在通道中点燃，同时流速的剩余部分被引离该通道。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及等离子体产生和处理装置，尤其涉及用于等离子体点火和等离子体容器冷却的方法和装置。
技术介绍
等离子体放电可用来分离气体以生成包含离子、自由基、原子和分子的活性化气体。活性气体可用于许多工业和科学应用，包括处理诸如半导体晶片、粉末和其它气体的材料。等离子体的参数和等离子体照射所处理材料的条件取决于应用而有很大的变化。例如，某些应用需要使用低动能(即几个电子伏特)的离子，因为所处理材料对损害敏感，或者因为需要对一种材料作相对于另一种材料的选择性蚀刻。其它应用，诸如各向异性蚀刻或平面绝缘沉积，需要使用高动能的离子。某些应用需要所处理材料直接高密度的等离子体。这样的应用包括激活离子的化学反应以及将材料蚀刻并沉识成高长宽比的结构。其它应用需要将所处理材料与等离子体屏蔽开，因为该材料对离子造成的损害敏感，或因为该处理具有较高的选择性要求。等离子体可用各种方法生成，包括直流(DC)放电、射频(RF)放电、以及微波放电。 DC放电通过在气体中两个电极之间施加电势来获得。RF放电通过电容性地或电感性地将电源的能量耦合到等离子体来获得。平行板可用来电容性地将能量耦合到等离子体。感应线圈可用来将电流感应到等离子体。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生成。等离子体放电可以这样的方式生成，从而构成等离子体的充电核素以及可由等离子体激活的中性核素都与所处理的材料紧密接触。或者，等离子体放电可远离所处理材料生成，从而相对较少的充电核素会与所处理材料接触，而中性核素则仍然能接触它。这样的等离子体放电通常称为远程或下游等离子体放电。取决于其结构、相对于所处理材料的位置、以及操作条件(气体核素、压力、流速、以及注入等离子体的功率)，等离子体源可具有这两种基本类型之一或两者都有的特征。现有的远程等离子体源一般利用RF或微波功率来生成等离子体。尽管现有的源成功支持了许多应用，这些源的实际使用仍然具有若干技术限制。基于微波的远程等离子体源一般比RF源昂贵，因为微波功率通常产生、传递、并与负载相匹配更化钱。微波源和功率传递系统通常也比RF源庞大，并需要周期性地替换生成微波功率的管。具有一定程度电容性以及电感性耦合的RF远程等离子体源可比相应的微波源便宜一些并小一些。然而，有助于等离子体点火处理的电容性耦合也会因等离子体所产生的具有能量的离子对等离子体容器的受照射的壁的轰击而导致这些受照射的壁的退化。利用电感性RF耦合而最小化相关联电容性耦合的RF远程等离子体源，可显示较小的离子所导致的等离子体容器表面的退化。然而，电容性耦合的减少或消除可使得等离子体点火更难获得，特别是在大范围处理条件下。现有的远程等离子体源的第二个困难是去除在等离子体内产生的并传到等离子体容器壁上的热量。特别是在等离子体容器具有复杂的形状时，且它由绝缘材料组成时的情形，用与绝缘容器接触的大量流体直接冷却是不需要或不实用的。这具有限制能可靠地耦合到等离子体的功率的效果。例如，现有的环形等离子体系统可用使RF能量与等离子体耦合的方式来高度地感应。例如，等离子体可通过电容耦合的RF点火放电或通过紫外线辐射来点燃。等离子体系统可根据特定的气体核素、压力和流速要求来要求各个等离子体点火步骤。特定的要求可因操作条件要求而不同。这些约束会在结合等离子体系统使用的真空和气体处理系统的元件中增加复杂性，并增加用于处理所需的全部时间。
技术实现思路
本专利技术表征为能部分地提供容器内等离子体的可靠点火，并提供容器的有效和可靠的冷却的装置和方法。结果，本专利技术表征为比现有等离子体系统更大的区域和/或更长的点火电极，在点火期间将输入空气旁通到等离子体容器中，在等离子体容器的空气输入端附近点火，以及布置在散热片和容器之间的散热结构。本专利技术的特征使先前等离子体系统中不可用的有了应用范围。本专利技术各特征的某些实现包括绝缘容器。绝缘容器可使各表面浸润在具有更高纯度的等离子体中，该等离子体向诸如0、N、H、F、C1和Br的活性中性核素提供比从金属容器或包镀金属容器中可获得的更低的复合率。本专利技术可在比例如先前环形等离子体系统中可用的更大处理范围上提供等离子体的点火。填充容器中通道的比先前系统更大的体积部分的电容性放电可在较大范围的气体参数上(例如气体类型、流速、以及气体压力)提供点火。经改进的点火可支持比例如具有更困难和/或更多点火步骤的先前系统更多的可重复处理以及更短的处理结果。本专利技术部分地提供填充大部分等离子体容器体积以帮助点火的分布式电容性放电。较简便的点火可支持更快和更稳定的点火处理。在操作条件上或接近操作条件地点燃等离子体的能力对例如具有诸如原子层沉积(ALD)的较短周期的处理是有利的。本专利技术某些实施例表征为与容器相邻的较大的和/或空间分布的电容性耦合电极，以提供分布式电容性放电。电极可通过在容器内的大部分通道上施加电离电场来点燃等离子体。因而可在气体核素中以某些先前等离子体产生系统中不可用的流速获得点火。 点火电极可以是冷却外壳和绝缘容器之间的冷却组件和/或热界面组件的一部分。本专利技术某些实现包括位于和/或接近于容器的一个或多个输入端的一个或多个点火电极。这些电极可单独或结合其它电极和/或其它点火装置放电，用电离核素使容器中气体活化(seed)以点燃等离子体。本专利技术可在高达100千瓦的功率级和以上水平提供绝缘容器的冷却，而无需鼓风机或绝缘容器的直接流体冷却。冷却外壳形式的散热片可接近容器放置，其间有包含热传导和/或可变形材料的间隙，这些材料包括例如金属、聚合体、和/或合成或片状材料。填充间隙的材料在冷却外壳和绝缘容器之间提供一热传导路径。该材料可具有变化的弹性，且冷却外壳可装有紧密接触绝缘容器的外面和冷却外壳的表面的填充间隙材料。这可有助于确保绝缘容器、填充间隙材料和冷却外壳之间的良好热接触。在一优选实现中，环形低场活性气体源用绝缘材料构成的真空容器来构建。该容器的冷却在广泛的负载功率范围上提供可靠的操作。该源的应用包括半导体处理和处理室清洗。其它应用包括，例如，提供化学处理中的活化气体核素，并从排出气流中转换或移除有害或不需要的气体核素。在某些优选实施例中，本专利技术表征为被冷却外壳包围的环形绝缘容器。冷却外壳可由诸如上述填充间隙材料的热界面与容器分隔开，该热界面提供热感应尺寸变化的机械调节。该热界面可包括一种或多种具有弹性和/或可塑性机械属性的材料，以吸收因冷却外壳和绝缘容器之间热-机械配合不当所引起的尺寸变化。该热界面可限定容器和外壳之间很小的间隙。在某些实施例中，冷却外壳通过装有弹簧的装置被有效地压在绝缘容器的外表面上，以保持热界面紧密接触绝缘容器和冷却外壳的外面。与装有弹簧的装置彼此相连的具有多个分段的冷却外壳可支持使用具有诸如环形的复杂形状容器，并可提供调节容器和外壳之间热失配应力的自承重冷却结构。在本专利技术某些实施例中，绝缘真空容器的外表面可涂上一层，该层阻止由等离子体产生的紫外线通过绝缘容器进入间隙，在那里它可导致热界面材料的退化和/或产生臭氧。该涂层可以是不太透明的，和/或具有反射和/或吸收属性。外部涂层可作为放热层， 因而有助于冷却绝缘真空容器。在某些实施例中，真空容器的内表面加以涂层，以抵抗高能粒子或活性中性核素的轰击。涂层可提供降低的等离子体组分复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种等离子体装置，包括：容器，所述容器由绝缘材料形成并且限定用于容纳气体的通道；与所述容器相邻的散热片；热界面，所述热界面置于所述容器和所述散热片之间并与它们机械连接，以及置于所述容器和所述热界面之间的紫外线阻挡层，其中所述热界面限定所述散热片和所述容器之间的间隙，所述间隙响应于热感应的尺寸变化来调节热界面、散热片以及所述容器中至少之一的移动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：W·M·霍尔伯，陈星，A·B·考韦，M·M·贝森，小R·W·柯林斯，S·C·特鲁利，邵寿潜，
申请(专利权)人：MKS仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US