[发明专利]利用结合电场的紧凑型微波等离子体施加器

说明书

一种等离子体施加器包括等离子体放电管和至少部分地环绕等离子体放电管的一部分的微波腔。微波能量经由耦合膜片耦合到微波腔。微波腔的至少两个正交维度被选择为使得微波腔中的微波能量在横电(TE)模式下传播。从微波能量生成的主电场与从耦合膜片生成的消逝电场进行组合，使得微波腔中的组合电场沿等离子体放电管的纵轴基本上是均匀的。多个径向微波扼流圈被设置在等离子体放电管的外部上方。微波扼流圈的位置使得在TE模式和横电磁(TEM)模式下传播的微波能量被衰减。

背景

1.技术领域

本公开涉及等离子体施加器(applicator)，并且特别涉及利用接合电场的紧凑型微波等离子体施加器。

2.相关技术的讨论

在半导体处理中，通常在处理室的上游使用等离子体发生器。在等离子体发生器中，能量通常耦合到流过位于微波腔中的等离子体放电管的气体，并且通过微波能量在气体中激发等离子体。等离子体产物向下游流过等离子体放电管，进入处理室，并撞击在诸如半导体晶圆的工件上。

在等离子体生成系统中，能量效率和成本是重要的考虑因素。在传统的高能量(例如大于5kW微波功率)等离子体发生器中，等离子体放电管可以达到极高的温度。为了减小高温度的影响，通常使用冷却系统。通常，液体冷却剂(例如水)循环通过管周围的铜绕组/线圈以除去多余的热量。这些液体冷却系统往往非常昂贵，但由于在高功率水平下的高温而因此是不可避免的。优选在等离子体发生器中使用空气冷却，这是因为其降低的复杂性和成本，但是空气冷却通常仅在使用较低功率(例如1kW或更低微波功率)的系统中是有用的，这是因为空气冷却针对等离子体放电管中产生的相对较低温度是有效的。

而且，由于用于激发气体以在等离子体放电管中生成等离子体的非均匀激发能量模式(例如，电场)，等离子体可以以非均匀空间模式生成，造成管中等离子体能量和因此温度特别高的“热点”。这些“热点”在等离子体生成过程中引起低效率。而且，无论使用空气冷却还是水冷却，它们都给冷却系统带来了不均匀温度控制负担。出于这个和其他原因，非常期望的是用于在等离子体放电管中生成等离子体的微波能量并且特别是电场是空间均匀的，使得所得到的等离子体相对没有热点。

发明内容

根据第一方面，提供了一种等离子体施加器。等离子体施加器包括等离子体放电管，其中可以生成等离子体，等离子体放电管具有用于允许等离子体处理气体进入等离子体放电管的处理气体入口，等离子体放电管具有纵轴。微波腔至少部分地环绕等离子体放电管的一部分。等离子体施加器包括耦合膜片(iris)，在该耦合膜片处微波能量可以被耦合到微波腔，使得微波能量可以在等离子体放电管的部分中生成等离子体。该微波腔具有三个正交维度，包括长度、宽度和高度，正交维度中的至少两个被选择为使得微波腔中的微波能量在横电(TE)模式下传播。

在一些实施例中，从微波能量生成的主电场与从耦合膜片生成的消逝电场进行组合，使得微波腔中的组合电场沿着等离子体放电管的纵轴基本上是均匀的。

在一些实施例中，微波能量具有大约1kW的功率。

在一些实施例中，等离子体放电管的长度大约为11英寸。

在一些实施例中，等离子体放电管的外直径大约为1英寸。

在一些实施例中，微波腔的宽度大约为3英寸。

在一些实施例中，微波腔的长度大约为4.5英寸。

在一些实施例中，微波能量的源包括固态发生器。

在一些实施例中，微波能量的源包括磁控管。

在一些实施例中，等离子体放电管由包括石英、蓝宝石、陶瓷、氮化铝和氮化硼中的至少一个的材料制成。