專(zhuān)利名稱(chēng)：用于等離子反應(yīng)器加熱靜電卡盤(pán)的高交流電流、高射頻功率的ac－rf退耦濾波器的制作方法
本申請(qǐng)要求2006年6月13日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)No.60/813,572的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體集成電路制造中使用的等離子反應(yīng)器可以利用用于夾持反應(yīng)器室(reactor chamber)中晶片的靜電卡盤(pán)(ESC)。通過(guò)調(diào)節(jié)在ESC上的半導(dǎo)體晶片的溫度來(lái)改善工藝控制。例如，典型的用于在硅晶片的表面上形成高孔徑比開(kāi)口的等離子刻蝕工藝通過(guò)將諸如碳氟化合物或氫氟碳化合物氣體的工藝氣體引入該室中并將射頻(RF)功率耦合到該室中來(lái)執(zhí)行。用于控制等離子體離子濃度的等離子體射頻源功率可通過(guò)將甚高頻(VHF)功率耦合到頂層電極(ceiling electrode)?？赏ㄟ^(guò)將高頻功率耦合到ESC施加用于控制等離子鞘電壓的等離子體射頻偏置功率。為了控制晶片的溫度，在ESC的絕緣層中設(shè)置作為ESC的晶片支撐表面下方的電阻元件的電子加熱元件。射頻偏置功率可施加給ESC的絕緣層中的卡盤(pán)電極(chucking electrode)?？蛇x地，射頻偏置功率可施加給ESC的絕緣層之下的ESC的導(dǎo)電基底(conductive base)。在任一種情況下，一些所施加的射頻偏置功率電容性地耦合電子加熱元件，從而將射頻偏置功率從等離子體中轉(zhuǎn)移。實(shí)際上，依賴(lài)于加熱元件的設(shè)計(jì)，將射頻偏置功率耦合加熱元件比耦合等離子體更容易。因此，電子加熱器電路是ESC或陰極上主要的射頻負(fù)載。它顯著地改變了腔室阻抗。因此轉(zhuǎn)移的射頻電流經(jīng)過(guò)加熱器電流源流至射頻接地。該轉(zhuǎn)移妨礙了等離子體的控制，因?yàn)榈入x子鞘層電壓和離子能量(例如)表現(xiàn)不確定并且依賴(lài)于耦合到加熱器元件的電容量，其可隨機(jī)地變化。
為了解決該問(wèn)題，可在加熱元件和加熱電流源之間設(shè)置射頻濾波器。該濾波器設(shè)計(jì)用于在射頻偏置功率發(fā)生器的頻率(典型地但不限于13.56Mhz)提供高阻抗以阻礙射頻電流流動(dòng)，同時(shí)對(duì)于60Hz的加熱器源電流幾乎不提供或沒(méi)有阻抗。為了在射頻偏置頻率提供足夠的阻抗，經(jīng)濟(jì)型的射頻濾波器通常包括圍繞可滲透的磁心的扼流圈或感應(yīng)線圈，該磁心直徑約為0.65mm并具有非常高的滲透率(例如，在3000-7000范圍內(nèi)的滲透率，這里的滲透率為磁心的滲透常數(shù)和空氣的滲透常數(shù)的比率)。這樣的高滲透率在磁心中產(chǎn)生與射頻電壓相關(guān)的高磁通量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在典型的等離子體蝕刻工序中所需的射頻偏置功率電平處，例如13.56MHz處150瓦，ESC處的峰-峰的射頻電壓可高到2KV。在磁心中的磁通量是射頻電壓(2KV)和磁心滲透率(4000)的函數(shù)，并且因此非常高。在這樣高的射頻電壓處，在磁心的磁場(chǎng)中的高頻(13.56MHz)振蕩造成高滲透率磁心劇烈升溫并且最終造成濾波器的破壞和失效。試圖使用ESC加熱器電路的所有經(jīng)濟(jì)型射頻濾波器中均有該問(wèn)題。因?yàn)闆](méi)有高滲透率的扼流圈，不可能解決該問(wèn)題，在13.56MHz處的射頻阻抗不足以防止射頻偏置功率通過(guò)加熱器電路的泄漏。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(guò)40或更多的線圈，以提供足夠的感抗。使用該方法的問(wèn)題在于在該扼流圈線圈上這樣高數(shù)量的圈數(shù)將導(dǎo)致允許射頻泄漏的扼流圈中的高容抗。
另一問(wèn)題在于可高達(dá)40安培的加熱器的電流往往加熱扼流圈線圈，這造成射頻濾波器中的過(guò)熱問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
一種與電阻加熱元件電抗性耦合的射頻阻塞濾波器，其用于使得兩相交流電源過(guò)濾分離至少2千伏特峰-峰的高頻頻率的功率，同時(shí)將來(lái)自所述兩相交流電源的幾千瓦的60Hz的交流功率提供給所述電阻加熱元件而不會(huì)過(guò)熱，兩相交流電源具有一對(duì)接頭并且所述電阻加熱元件具有一對(duì)接頭。濾波器包括一對(duì)圓柱形的絕緣的封套，各個(gè)封套具有在約1到2英寸之間的內(nèi)徑，以及各自多個(gè)熔融的鐵粉超環(huán)狀體，其同軸堆疊在所述一對(duì)圓柱形封套的各個(gè)封套中，并且具有大約10的磁滲透率，其中超環(huán)狀體的外徑與各個(gè)所述封套的所述內(nèi)徑大致相同。一對(duì)直徑在3毫米到3.5毫米之間的導(dǎo)線導(dǎo)體，其螺旋地纏繞在所述一對(duì)封套的相應(yīng)一個(gè)上，從而對(duì)于各個(gè)所述封套形成各自在約1 6匝到24匝范圍內(nèi)的感應(yīng)器線圈，各個(gè)感應(yīng)器具有輸入端和輸出端。各個(gè)感應(yīng)器的輸入端與兩相交流電源的一對(duì)接頭的相應(yīng)一個(gè)耦合，并且各個(gè)感應(yīng)器的輸出端與電阻加熱元件的一對(duì)接頭的相應(yīng)一個(gè)耦合。一對(duì)電容器，其連接在各個(gè)一對(duì)感應(yīng)器的輸入端與地之間，各個(gè)電容器具有在超過(guò)所述高頻頻率至少幾個(gè)MHz的諧振頻率處與相應(yīng)一個(gè)感應(yīng)器的感應(yīng)形成諧振的電容，從而濾波器在高頻頻率處表現(xiàn)出感抗并且在高頻頻率處具有超過(guò)60db的射頻衰減。


圖1A、1B和1C示出了包括一對(duì)實(shí)施本發(fā)明的射頻阻塞濾波器(blockingfilter)的等離子反應(yīng)器，其中圖1A為該反應(yīng)器的簡(jiǎn)化示意圖，圖1B為射頻阻塞濾波器的元件的放大透視圖以及圖1C為阻塞濾波器的典型磁心的放大透視圖；圖2為圖1A的反應(yīng)器的一部分的俯視圖，其示出了在ESC中各自射頻阻塞濾波器以及內(nèi)部和外部電阻加熱元件之間的連接關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1A、1B和1C的裝置，等離子反應(yīng)器包括由支撐包括工藝氣體分配噴淋頭16的頂14的圓柱形的側(cè)壁12限定的真空室10。工藝氣體源18與氣體分布噴淋頭耦合。靜電卡盤(pán)(ESC)20夾持室10中的半導(dǎo)體晶片。ESC20包括導(dǎo)電基底24和可由陶瓷材料構(gòu)成的絕緣層26。由導(dǎo)電絲網(wǎng)組成的卡盤(pán)電極28包含在絕緣層26中。內(nèi)部螺旋加熱元件30和外部螺旋加熱元件32(圖2)保持在卡盤(pán)電極28之下的絕緣層26中。真空泵34保持腔室10中低于大氣壓的壓力。
射頻偏置功率源36通過(guò)阻抗匹配電路38與導(dǎo)電基底24或卡盤(pán)電極28中任一個(gè)耦合。射頻偏置源優(yōu)選具有高頻或低頻的頻率并且其輸出電平控制等離子鞘層電壓。在一個(gè)實(shí)施方式中，射頻偏置頻率為13.56MHz。兩相交流內(nèi)部加熱器源40通過(guò)射頻濾波器42將交流電流提供給內(nèi)部加熱器元件30。兩相交流外部加熱器源44通過(guò)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防止射頻偏置發(fā)生器36的功率泄漏到加熱器源40、44，否則其可通過(guò)絕緣層26的電容耦合造成。同時(shí)，射頻濾波器42、46允許高達(dá)8KW的交流功率流向加熱器元件30、32。各個(gè)濾波器42和46可經(jīng)受ESC上幾千伏特峰-峰的13.56MHz射頻電壓，而沒(méi)有過(guò)熱地同時(shí)通過(guò)8KW的60Hz的加熱器源電流?？蛇x地，交流線路濾波器50和52可設(shè)置在電流源40和44的輸出處。
各個(gè)射頻濾波器42和46在結(jié)構(gòu)上相同?，F(xiàn)描述射頻濾波器42。一對(duì)卡盤(pán)感應(yīng)器60和62在它們的輸出端60a和62a處分別與內(nèi)部加熱器導(dǎo)體30的端部30a和30b相連接。卡盤(pán)感應(yīng)器60和62在它們的輸入端60b和62b處通過(guò)交流線路濾波器50與交流源40的2相輸出相連接。晶片溫度通過(guò)控制來(lái)自源40的交流源電流來(lái)調(diào)節(jié)。一對(duì)分路電容64和66在感應(yīng)器輸入端60b和62b分別接地。
交流線路濾波器50和52可具有相同結(jié)構(gòu)。交流線路濾波器50包括一對(duì)在輸出端60b和62b之間串聯(lián)連接的感應(yīng)器70和72以及交流源40。一對(duì)分路電容74和76分別在感應(yīng)器70和72的輸入端70a和72b和地之間相連接。射頻濾波器42的各個(gè)射頻阻塞卡盤(pán)感應(yīng)器60和62具有低滲透率的磁心80(在7和20之間的滲透率并且優(yōu)選等于約10)，該磁心由熔融的鐵粉形成為具有較大直徑D(1.25英寸和2.5英寸之間，優(yōu)選等于1.5英寸)的圓柱形。圓柱形磁心80的低滲透率以及其相對(duì)較大的直徑使得該磁心在高頻處(13.56MHz)可經(jīng)受高(2KV p-p)電壓而不會(huì)過(guò)熱。另一方面，該滲透率(例如，10)提供了來(lái)自磁心80的足夠的感抗，從而不需要大量的線圈來(lái)獲得所需的感抗。在優(yōu)選實(shí)施方式中，匝數(shù)為21并且在其它實(shí)施方式中可在16到24的范圍中。該適度數(shù)量的線圈將線圈中的固有電容降低到最小，從而該磁心提供了所需的感抗。在優(yōu)選實(shí)施方式中，在13.56MHz的偏置頻率處的各個(gè)磁心感應(yīng)器60、62(各纏繞上述類(lèi)型的磁心80)的感抗約為1.7千歐姆，并且在其它的實(shí)施方式中，可以在1.5到3千歐姆的范圍中。射頻濾波器42在偏置功率發(fā)生器36的頻率(13.56MHz)之上開(kāi)始充分諧振，從而濾波器42在13.56MHz處具有感抗。例如，在優(yōu)選實(shí)施方式中，電容器64和66各具有0.01微法的電容，其提供了18.7MHz的濾波器諧振頻率，大于偏置發(fā)生器頻率大約5MHz。
參照?qǐng)D1C，各個(gè)磁心80優(yōu)選形成為容納四個(gè)具有相同外徑且所有的磁滲透率均為10，并且同心設(shè)置的熔融的鐵粉超環(huán)狀體91、92、93和94的特氟綸(Teflon)圓柱形封套90。感應(yīng)器60和62的導(dǎo)體61和63螺旋地纏繞在各自圓柱形特氟綸(Teflon)封套90上。為了避免來(lái)自導(dǎo)體60和62中60Hz交流加熱器源電流的紅外損失的過(guò)熱，各個(gè)導(dǎo)體61由具有3.2639毫米或直徑在3毫米到3.5毫米范圍內(nèi)的厚的(#8口徑)磁導(dǎo)線構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施方式中，在各個(gè)感應(yīng)器60和62上纏繞的導(dǎo)體的長(zhǎng)度為2.8米，但也可在2到4米的范圍內(nèi)。
在優(yōu)選實(shí)施方式中，各個(gè)射頻濾波器42和46提供超過(guò)60db射頻衰減，優(yōu)選實(shí)施方式中，在13.56MHz處達(dá)到接近70dB的射頻。在來(lái)自13.56偏置功率發(fā)生器36的150瓦特的射頻偏置功率時(shí)，通過(guò)射頻濾波器泄漏到地的電流小于4毫安。對(duì)于13.56MHz處的150瓦特的偏置功率以及8千瓦特的加熱器源功率，射頻電壓為峰-峰的3千伏特，并且濾波器42和46沒(méi)有顯示在延長(zhǎng)的運(yùn)行期間過(guò)熱。并且，使用上述優(yōu)選實(shí)施方式的射頻濾波器42和46可忽略由加熱器電路造成的等離子體或腔室阻抗中的變化。
權(quán)利要求
1.一種與電阻加熱元件電抗性耦合的濾波器，其用于使得兩相交流電源過(guò)濾分離至少2千伏特峰一峰的高頻頻率的功率，同時(shí)將來(lái)自所述兩相交流電源的幾個(gè)千瓦的60Hz的交流功率提供給所述電阻加熱元件而不會(huì)過(guò)熱，所述兩相交流電源具有一對(duì)接頭并且所述電阻加熱元件具有一對(duì)接頭，所述濾波器包括一對(duì)圓柱形的絕緣的封套，各個(gè)封套具有在約1到2英寸之間的內(nèi)徑；各自多個(gè)熔融的鐵粉超環(huán)狀體，其同軸堆疊在所述一對(duì)圓柱形封套的各個(gè)封套中，并且具有大約10的磁滲透率，其中所述超環(huán)狀體的外徑與各個(gè)所述封套的所述內(nèi)徑大致相同；一對(duì)直徑在3毫米到3.5毫米之間的導(dǎo)線導(dǎo)體，其螺旋地纏繞在所述一對(duì)封套的相應(yīng)一個(gè)上，從而對(duì)于各個(gè)所述封套形成各自在約16匝到24匝范圍內(nèi)的感應(yīng)器線圈，各個(gè)所述感應(yīng)器具有輸入端和輸出端，各個(gè)所述感應(yīng)器的所述輸入端與所述兩相交流電源的所述一對(duì)接頭的相應(yīng)其中之一耦合，并且各個(gè)所述感應(yīng)器的所述輸出端與所述電阻加熱元件的所述一對(duì)接頭的相應(yīng)其中之一耦合；以及一對(duì)電容器，其連接在各個(gè)所述一對(duì)感應(yīng)器的輸入端與地之間，各個(gè)所述電容器具有在超過(guò)所述高頻頻率至少幾MHz的諧振頻率處與相應(yīng)一個(gè)所述感應(yīng)器的感應(yīng)形成諧振的電容，從而所述濾波器在所述高頻頻率處表現(xiàn)出感抗并且在所述高頻頻率處具有超過(guò)60dB的射頻衰減。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述高頻頻率至少為約13.65MHz，所述直徑為1.5英寸，各個(gè)所述感應(yīng)器線圈的所述匝的數(shù)量為21，所述電容器的所述電容為約0.01微法并且所述諧振頻率約為18.7MHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，還包括連接在所述感應(yīng)器的所述輸入端與所述兩相交流電源之間的交流線路濾波器。
4.一種等離子反應(yīng)器，包括靜電卡盤(pán)(ESC)，其具有上部的絕緣層以及在所述絕緣層下方的導(dǎo)電基底，其中所述絕緣層包含卡盤(pán)電極以及各具有兩個(gè)接頭的同心的內(nèi)部加熱器元件及外部加熱器元件；高頻頻率的射頻偏置功率發(fā)生器和阻抗匹配元件，所述發(fā)生器通過(guò)所述阻抗匹配元件與(a)所述卡盤(pán)電極和(b)所述導(dǎo)電基底的其中一個(gè)相連接；各個(gè)兩相交流電源，各具有兩個(gè)用于將電流提供給相應(yīng)一個(gè)所述內(nèi)部加熱器元件和外部加熱器元件的接頭；一對(duì)與電阻加熱元件電抗性耦合的濾波器，其用于使得所述兩相交流電源過(guò)濾分離至少2千伏特峰一峰的高頻功率，同時(shí)將來(lái)自所述兩相交流電源的幾個(gè)千瓦的60Hz的交流功率提供給所述電阻加熱元件而不會(huì)過(guò)熱，所述兩相交流電源具有一對(duì)接頭并且所述電阻加熱元件具有一對(duì)接頭，各個(gè)所述濾波器包括一對(duì)圓柱形的絕緣的封套，各個(gè)封套具有在約1到2英寸之間的內(nèi)徑；各自多個(gè)熔融的鐵粉超環(huán)狀體，其同軸堆疊在所述一對(duì)圓柱形封套的各個(gè)封套中，并且具有大約10的磁滲透率，其中所述超環(huán)狀體的外徑與各個(gè)所述封套的所述內(nèi)徑大致相同；一對(duì)直徑在3毫米到3.5毫米之間的導(dǎo)線導(dǎo)體，其螺旋地纏繞在所述一對(duì)封套的相應(yīng)一個(gè)上，從而對(duì)于各個(gè)所述封套形成各自在約16匝到24匝范圍內(nèi)的感應(yīng)器線圈，各個(gè)所述感應(yīng)器具有輸入端和輸出端，各個(gè)所述感應(yīng)器的所述輸入端與所述相應(yīng)的兩相交流電源的所述一對(duì)接頭的相應(yīng)其中之一耦合，并且各個(gè)所述感應(yīng)器的所述輸出端與所述相應(yīng)的電阻加熱元件的所述一對(duì)接頭的相應(yīng)其中之一耦合；以及一對(duì)電容器，其連接在各個(gè)所述一對(duì)感應(yīng)器的輸入端與地之間，各個(gè)所述電容器具有在超過(guò)所述高頻頻率至少幾MHz的諧振頻率處與相應(yīng)一個(gè)所述感應(yīng)器的感應(yīng)形成諧振的電容，從而所述濾波器在所述高頻頻率處表現(xiàn)出感抗并且在所述高頻頻率處具有超過(guò)60dB的射頻衰減。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的濾波器，其特征在于，所述高頻頻率至少為約13.65MHz，所述直徑為1.5英寸，各個(gè)所述感應(yīng)器線圈的所述匝的數(shù)量為21，所述電容器的所述電容為約0.01微法并且所述諧振頻率約為18.7MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一對(duì)交流線路濾波器，其連接在各自的所述感應(yīng)器的所述輸入端與各自的所述兩相交流電源的接頭之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種與電阻加熱元件電抗性耦合的射頻阻塞濾波器，其用于使得兩相交流電源過(guò)濾分離至少2千伏特峰－峰的高頻頻率的功率，同時(shí)將來(lái)自所述兩相交流電源的幾千瓦的60Hz的交流功率提供給所述電阻加熱元件而不會(huì)過(guò)熱，兩相交流電源具有一對(duì)接頭并且所述電阻加熱元件具有一對(duì)接頭。濾波器包括一對(duì)圓柱形的絕緣的封套，各個(gè)封套具有在約1到2英寸之間的內(nèi)徑，以及各自多個(gè)熔融的鐵粉超環(huán)狀體，其同軸堆疊在所述一對(duì)圓柱形封套的各個(gè)封套中，并且具有大約10的磁滲透率，其中超環(huán)狀體的外徑與各個(gè)所述封套的所述內(nèi)徑大致相同。一對(duì)直徑在3毫米到3.5毫米之間的導(dǎo)線導(dǎo)體，其螺旋地纏繞在所述一對(duì)封套的相應(yīng)一個(gè)上，從而對(duì)于各個(gè)所述封套形成各自在約16匝到24匝范圍內(nèi)的感應(yīng)器線圈，各個(gè)感應(yīng)器具有輸入端和輸出端。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101090259SQ20071010306
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者瓦倫丁·N·托多羅夫, 邁克爾·D·威爾沃思, 亞歷山大·M·帕特森, 布賴(lài)恩·K·哈徹, 詹姆斯·E·薩蒙斯三世, 約翰·P·荷文 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司