等离子体工艺设备中用于至射频驱动电极的气体传递的射频扼流器.pdf

在大面积等离子体工艺系统中，工艺气体经由喷气头组件而导入腔室中，而喷气头组件可作为RF电极驱动。接地的气体供应管与喷气头为电性隔离。气体供应管不但提供工艺气体，还提供来自远程等离子体源的清洁气体至工艺室。气体供应管的内侧可以维持在低RF场或是零RF场，以避免早期气体在气体供应管中分解，而其可能导致在气体源及喷气头之间形成寄生等离子体。将气体供应通过RF扼流器，则RF场及工艺气体可经过共同位置而导入工艺室中，并因而简化腔室设计。

1、  一种射频(RF)扼流器组件，包括：
气体供应管，包括金属；以及
一或多个亚铁盐组件，直接耦接至所述气体供应管，并至少部分地围绕所述气体供应管。

2、  如权利要求1所述的组件，其中所述一或多个亚铁盐组件包括多个亚铁盐盘，且其中相邻的所述多个亚铁盐盘由一或多个O形环而分隔开，其中所述气体供应管包括铝。

3、  如权利要求1所述的组件，其中所述气体供应管包括围绕有第二外管的第一内管，还包括设置在所述第一内管及所述第二外管之间的一或多个组件，所述一或多个组件经定位以改变冷却流体在所述第一内管与所述第二外管之间的流动路径，其中所述一或多个组件包括缠绕于所述第一内管周围以产生缠绕路径的金属线，由此，在所述第一内管与所述第二外管之间的区域流动的所述冷却流体沿着所述第一内管与所述第二外管之间的所述缠绕路径流动，其中所述金属线延伸于所述第一内管与所述第二外管之间。

4、  如权利要求1所述的组件，其中所述气体供应管包括围绕有第二外管的第一内管，其中所述第一内管与所述第二外管各自包括金属。

5、  如权利要求1所述的组件，其中所述一或多个亚铁盐组件包括多个亚铁盐盘，且其中相邻的所述些亚铁盐盘以预定距离分隔开。

6、  一种设备，包括：
RF功率源；
气体源；以及
RF扼流器组件，耦接于所述RF功率源与所述气体源之间，所述组件包括：
气体供应管，包括金属、与所述气体源耦接的第一端以及与所述RF功率源耦接的第二端；以及
一或多个亚铁盐组件，直接耦接至所述气体供应管，并至少部分地围绕所述气体供应管。

7、  如权利要求6所述的设备，其中所述一或多个亚铁盐组件包括多个亚铁盐盘，且其中相邻的所述些亚铁盐盘由一或多个O形环而分隔开，其中所述气体供应管包括铝。

8、  如权利要求6所述的设备，其中所述气体供应管包括围绕有第二外管的一第一内管。

9、  如权利要求8所述的设备，还包括设置在所述第一内管及所述第二外管之间的一或多个组件，所述一或多个组件经定位以改变冷却流体在所述第一内管与所述第二外管之间的流动路径，其中所述一或多个组件包括缠绕于所述第一内管周围以产生缠绕路径的金属线，由此，在所述第一内管与所述第二外管之间的区域流动的所述冷却流体沿着所述第一内管与所述第二外管之间的所述缠绕路径流动，其中所述金属线延伸于所述第一内管与所述第二外管之间。

10、  如权利要求9所述的设备，其中所述一或多个亚铁盐组件包括多个亚铁盐盘，且其中相邻的所述多个亚铁盐盘以预定距离分隔开。

11、  如权利要求6所述的设备，其中所述气体供应管的所述第二端接地。

12、  一种气体输送方法，包括：
使气体流经金属管的内侧而至工艺室，所述金属管包括耦接至气体源及耦接至地的第一端，以及耦接至RF功率源的第二端；以及
当所述气体流经所述金属管时，使RF电流沿着所述金属管的外侧流动，由此，在所述金属管内侧流动的所述气体不会暴露于RF电流。

13、  如权利要求12所述的方法，其中所述金属管包括第一内管及第二外管，所述气体于所述第一内管内流动，所述第二外管围绕所述第一内管以产生冷却流体通道，其中所述方法还包括使冷却流体在所述通道中流动。

14、  如权利要求13所述的方法，其中所述冷却流体的流动方向与所述气体的流动方向相反。

15、  如权利要求13所述的方法，还包括设置在所述第一内管与所述第二外管之间的一或多个组件，所述一或多个组件经定位以改变所述冷却流体在所述第一内管与所述第二外管之间的流动路径。

等离子体工艺设备中用于至射频驱动电极的气体传递的射频扼流器
技术领域
本发明的实施例一般涉及一种用于在等离子体工艺设备中匹配阻抗的射频(RF)扼流器及气体供应管。
背景技术
随着对较大型平板显示器的需求持续增加，基板及工艺室的尺寸也要随之增加。当太阳能面板的需求增加时，有时需要较高的RF场。一种在基板上沉积材料而在平板显示器或太阳能面板中应用的方法为等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)。在PECVD过程中，工艺气体经过喷气头而导入工艺室中，并被施加至喷气头的RF场点燃成为等离子体。随着基板尺寸增加，施加至喷气头的RF场也随之增加。随着RF场的增加，早期气体(premature gas)在气体通过喷气头之前分解的可能性增加，则在喷气头上方形成寄生等离子体(parasitic plasma)的可能性也会增加。
因此，本领域中需要一种减少早期气体分解及寄生等离子体形成的RF扼流器及气体供应管。
发明内容
在大面积等离子体工艺系统中，工艺气体经由喷气头组件而导入腔室中，喷气头组件可作为RF电极驱动。接地的气体供应管与喷气头为电性隔离。气体供应管不但提供工艺气体，还提供来自远程等离子体源的清洁气体至工艺室。气体供应管的内侧可以维持在低RF场或是零RF场，以避免早期气体在气体供应管中分解，而其可能导致在气体源及喷气头之间形成寄生等离子体。将气体供应通过RF扼流器，则RF场及工艺气体可经过共同位置而导入工艺室中，并因而简化腔室设计。
在一实施例中，RF扼流器组件包括气体供应管，该气体供应管包括金属及一或多个围绕气体供应管的亚铁盐组件。
在另一实施例中，公开一种设备。该设备包括：RF功率源；气体源；以及耦接于RF功率源与气体源之间的RF扼流器组件。该组件包括：气体供应管，其包括金属。气体供应管可包括与气体源耦接的第一端，以及与RF功率源耦接的第二端。气体供应管还包括一或多个围绕该气体供应管的亚铁盐组件。
在另一实施例中，公开一种气体输送方法，该方法包括：将气体流经金属管的内侧。该金属管包括耦接至气体源及耦接至地的第一端，以及耦接至RF功率源的第二端。该方法还包括将RF电流沿着金属管的外侧流动，由此，在金属管内侧流动的气体不会暴露于RF电流。
附图说明
为让本发明的上述特征更明显易懂，可配合参考实施例说明，其部分表示如附图所示。需注意的是，虽然所附图式揭露本发明特定实施例，但其并非用以限定本发明的精神与范围，任何本领域技术人员，可作各种的更动与润饰而得等效实施例。
图1A，表示根据本发明的一实施例的PECVD设备的概要剖面视图。
图1B，表示部分的图1A的概要放大视图。
图2A，表示根据本发明的一实施例的RF扼流器及气体供应组件的概要视图。
图2B，表示图2A的端视图。
图3，表示根据本发明的另一实施例的RF扼流器及气体供应组件的概要视图。
图4，表示根据本发明的另一实施例的RF扼流器的概要剖面视图。
图5，表示根据本发明的另一实施例的RF扼流器的概要剖面视图。
图6，表示根据本发明的一实施例的气体供应管的概要剖面视图。
图7A，表示根据本发明的一实施例的与等离子体工艺室耦接的RF扼流器的概要剖面视图。
图7B，表示图7A的电路图式。
图8A，表示根据本发明的另一实施例的与等离子体工艺室耦接的RF扼流器的概要剖面视图。
图8B，表示图8A的电路图式。
图9A，表示根据本发明的另一实施例的与等离子体工艺室耦接的RF扼流器的概要剖面视图。
图9B，表示图9A的电路图式。
图10A，表示根据本发明的另一实施例的与等离子体工艺室耦接的RF扼流器的概要剖面视图。
图10B，表示图10A的电路图式。
图11A，表示根据本发明的另一实施例的RF扼流器1100的概要视图。
图11B，表示图11A的RF扼流器1100的概要剖面视图。
为便于了解，图式中相同的组件符号表示相同的组件。某一实施例采用的组件不需特别详述而可应用到其它实施例。
具体实施方式
在大面积等离子体工艺系统中，工艺气体可透过喷气头组件而导入腔室中，且喷气头组件会被驱动而作为RF电极。气体供应管为接地的，且与喷气头电性隔离。气体供应管不但可以提供工艺气体，还可提供来自远程等离子体源的清洁气体至工艺室。气体供应管的内侧可以维持在低RF场或零RF场，以避免早期气体在气体供应管中分解，而导致在气体源及喷气头之间形成寄生等离子体。通过将气体供应通过RF扼流器，则RF场及工艺气体可经过共同位置而导入工艺室中，因而简化工艺室设计。
本发明将参照购自加州圣克拉拉的应用材料的子公司AKT的PECVD室而描述如下。应了解本发明也可等效应用至需要使用RF电流而将气体激发成为等离子体的任何腔室，包括物理气相沉积(PVD)室。也应了解描述于下的本发明可等效应用至PECVD室、蚀刻室、物理气相沉积室、等离子体工艺室及由其它制造商所制成的其它腔室。
图1A表示根据本发明的一实施例的PECVD设备100的概要剖面视图。设备100包括与腔室壁108耦接的上盖组件102。在设备100里面，喷气头110与基座104相对设置，而基板106设置在基座104上以进行处理。喷气头110可以由托架140所支撑。基板106可以透过设置在腔室壁108中的狭缝阀122而进出设备100。基板106包括平板显示器基板、太阳能基板、半导体基板及有机发光显示器(OLED)基板或任何其它基板。喷气头110可包括一或多个气体通道112，其延伸于喷气头110的顶面118及底面120之间。充气部114可以存在于上盖组件102与喷气头110之间。导入充气部114的气体可均匀地散布在喷气头110后方，以通过气体通道112而导入工艺空间116。
气体经过气体输入138而导入充气部114。气体可由气体源126所提供。在一实施例中，气体源126可包括工艺气体源。在另一实施例中，气体源126可包括清洁气体源。气体可以由气体源126经过远程等离子体源128以及冷却耦接件130而转移至RF扼流器132。RF扼流器132可耦接至转向连接件136，转向连接件136供应气体至气体输入138中。RF功率源124也可通过RF供应器134而与转向连接件136耦接。
表面上看来，将气体及RF功率透过共同位置而耦接是不安全的。然而，RF电流在导电表面上通过时会具有趋肤效应(skin effect)。RF电流会尽可能靠近驱动其本身的来源而移动。因此，RF电流在导电组件的表面上移动，并仅渗入导电组件的特定的预定深度(即，表层：skin)。该预定深度可经计算而为RF电流频率、导电组件的材料的渗透性及导电材料的导电率的函数。因此，当导电组件较RF电流渗入的预定深度厚时，RF电流则不会直接与在其中流动的气体反应。图1B为部分的图1A的概要剖面视图。图1B显示RF电流移动至喷气头的路径(以箭头A表示)，以及通过RF扼流器的路径(以箭头B表示)。
如图1B所示，RF电流在RF供应器的表面上、气体输入138的外侧、上盖组件102的顶部、上盖组件102的外侧边缘、托架140相对于充气部114的表面流动，并最终遍及喷气头110的底表面120。一旦RF电流到达喷气头110的底表面120，气体可以在存在于气体通道112中或是工艺空间116中的中空阴极腔中点燃成为等离子体。RF电流还可以沿着转向连接件136的顶端及RF扼流器132的外侧移动。RF电流移动的路径愈长，阻抗则愈大。因此，对于中央供应的RF电流，随着腔室的尺寸变大，则喷气头的阻抗增加。
可以在RF功率源与气体源之间使用RF扼流器，以确保对于RF功率源与气体输送系统之间电压差呈现大致均一的减弱情形。横跨RF扼流器的压降可约略等于气体分配喷气头的电压层级。另外，沿着RF扼流器的压降可为基本均一。因此，来自RF功率源且用于维持并点燃工艺室内的等离子体的RF功率输出则为已知且可重复的。RF扼流器可以使得传输至喷气头的电压最大化，并因此使得RF来源的阻抗基本等于负载的阻抗。
图2A为根据本发明的一实施例的RF扼流器200的概要视图。图2B为图2A的剖面视图。RF扼流器200包括缠绕于亚铁盐材料204周围的线圈202。在亚铁盐材料204里面设置有冷却管206。在一实施例中，冷却管206包括铜。一或多个散热片208由冷却管206径向伸展出，以更进一步将冷却表面往外延伸进入亚铁盐材料204中，并将来自线圈202的热散出。线圈202可以沿着亚铁盐材料204周围缠绕多次。线圈202可为足够厚，以预防RF电流渗入线圈202内侧。线圈202的一端210与气体输入耦接而连接至工艺室，另一端212则耦接至地及气体源。因此，RF电流由气体输入而沿着线圈202的外侧或表面而流动至接地。
随着RF电流移动，则电感(inductance)增加，在足够距离之后，沿着RF扼流器的电感可基本等于喷气头的电感。通过增加线圈202的半径、长度或是匝数，则可增加电感。另外，随着RF电流沿着线圈202的外侧移动，则其与亚铁盐材料204接触并造成高阻抗。线圈202的长度应足够短，以确保RF扼流器的阻抗不会大于喷气头的负载的阻抗。若RF扼流器的阻抗大于负载的阻抗，则RF扼流器200会失效。
亚铁盐材料204可以包括高频低损耗的亚铁盐材料。在一实施例中，亚铁盐材料204可包括形成密实的圆柱状亚铁盐芯的半圆柱块。在另一实施例中，亚铁盐材料204可包括形成密实的圆柱状亚铁盐芯的四分之一圆柱块。亚铁盐材料204使渗透性升高，因而使电感升高。由于RF扼流器200所造成的电容，与线圈202提供的增加的RF路径耦接的亚铁盐材料204使得RF电流的共振降低。RF扼流器200具有高RF阻抗，以增加RF至接地的隔离。
亚铁盐材料204增加渗透性，也增加电感。亚铁盐材料204另外提供RF来源与接地之间的额外压降。亚铁盐材料204可作为热绝缘器，因而减少线圈202的热损失。
线圈202可包括铝，并且足够厚以预防RF电流渗入线圈内侧(即气体流动的地方)。在一实施例中，线圈202可包括硬阳极氧化铝(hard anodizedaluminum)。在另一实施例中，线圈202包括不锈钢。线圈202的内表面可以抵抗来自远程等离子体源(RPS)的清洁气体，例如氟及氟自由基。线圈202可具有大截面积以允许高气导(gas conductance)，因而允许安全的气压刻度窗(pressure window)以供稳定的RPS操作。由于RF场不会渗入线圈202的内侧，则通过线圈202的气体不会遇见RF场，且因此不会被点燃成为等离子体。换句话说，线圈202的内侧可包括无场区(field free region)。相较于进入喷气头的RF电流，本发明任何渗入线圈202或是不由线圈端所发散因而遇见气体的电流十分的慢，且不会形成等离子体。若在RF扼流器200中形成等离子体，流至RF扼流器200的RF电流量会增加，因而导致流至喷气头的RF电流减少。在一实施例中，可不设置有亚铁盐组件。
图3为根据本发明的另一实施例的RF扼流器300的概要剖面视图。RF扼流器300包括气体管302，其具有由气体管302本身径向往外延伸的一或多个散热片304。在一实施例中，散热片304包括铝。一或多个亚铁盐盘306可包围气体管302，并设置在散热片304之间。在一实施例中，亚铁盐盘306可包括低损耗(low-loss)的亚铁盐，其具有耦接在一起的半环形对，以形成电磁连续环形线圈(toroid)。在另一实施例中，亚铁盐盘306可包括低损耗的亚铁盐，其为环形并完全包围气体管302。应了解也可使用其它形状的亚铁盐盘306。RF扼流器300的第一端308可以耦接至工艺室的气体输入，而RF扼流器300的第二端310可耦接至地。RF电流可沿着气体管302的外侧的RF路径C及沿着散热片304而移动。在一实施例中，散热片304可以由气体管302而径向延伸一距离，且此距离大于亚铁盐盘306自气体管302径向延伸的距离。为了容纳高RF电流，可以将气体管302加长，并增设更多的亚铁盐盘306及散热片304。在一实施例中，可增加散热片304自气体管302延伸的距离。在一实施例中，RF扼流器300可以通过在气体管302中钻设冷却通道来进行冷却。在一实施例中，可不设置有亚铁盐盘306。
图4为根据本发明的另一实施例的RF扼流器400的概要剖面视图。RF扼流器400包括气体管402，其利自气体管402径向往外延伸的一或多个O形环404而彼此分隔开。在一实施例中，O形环404可包括硅橡胶。一或多个O形环404可允许空气围绕亚铁盐盘406循环，且缓和亚铁盐盘406彼此摩擦产生的冲击。O形环404可使相邻亚铁盐盘406相隔一预定距离。一或多个亚铁盐盘406也可围绕气体管402并设置于O形环404之间。在一实施例中，可用间隔组件来取代O形环404，而该间隔组件可以在相邻的亚铁盐盘406之间产生一小距离。在一实施例中，相邻的亚铁盐盘406之间会产生气隙。在一实施例中，亚铁盐盘406可包括围绕气体管402并跨越气体管402的预定长度的单一材料。
在一实施例中，亚铁盐盘406包括低损耗的亚铁盐，其具有耦接在一起的半环形对，以形成电磁连续环形线圈。在另一实施例中，亚铁盐盘406可包括低损耗的亚铁盐，其为环形并各自完全包围气体管402。RF扼流器400的第一端408可以耦接至工艺室的气体输入，而RF扼流器400的第二端410可耦接至地。RF电流可沿着气体管402的外侧的RF路径D移动。为了容纳高RF电流，可以将气体管402加长，并增设更多的亚铁盐盘406。在一实施例中，RF扼流器400可以通过在气体管402中钻设冷却通道来进行冷却。在一实施例中，可不设置有亚铁盐盘406。
图5为根据本发明的另一实施例的RF扼流器500的概要剖面视图。RF扼流器500包括气体供应管502，而工艺气体可流经该气体(供应)管502。圆柱状部分504可围绕气体管502。在一实施例中，圆柱状部分504可包括导电材料。在另一实施例中，圆柱状部分504可包括金属。圆柱状部分504可包括第一端510及第二端512。第一端510可具有实质封闭端，第二端512可包括实质开启端，且具有一或多个自第一端510延伸的延伸部514。在延伸部514之间，可设置有亚铁盐材料506。额外地及/或可选择地，延伸部514之间设置有气袋(air pocket)508。RF电流沿着气体管502外侧(箭头E)及沿着包括延伸部514的第二端512的表面移动。这样，由于增加的RF路径长度及亚铁盐材料506的暴露的原因，则阻抗会增加。
图6表示根据本发明的一实施例的气体供应管600的概要剖面视图。气体供应管600包括内管602，且内管602实质由外管604所包围。内管602通过外部通道608而与外管604分隔开。冷却流体可移动穿过外部通道608，如箭头G所示。为了使冷却流体更加呈非线性路径，因此增加在外部通道的停留时间，冷却流体可遇到数个扰动件606以改变自身的流动路径。在一实施例中，扰动件606可以为旋绕于内管602周围的金属线。在另一实施例中，扰动件606可包括一或多个延伸于内管602及外管604之间的凸缘。工艺气体可沿着内管602中的内部通道610而流动，如箭头F所示。
图7A为根据本发明的一实施例的耦接至等离子体工艺室的RF扼流器的概要剖面视图。图7B为图7A的电路图式。工艺气体经过RF扼流器706及背板702而进入系统700。RF功率由RF功率源704所供应。在气体入口处(即，RF扼流器706的接地侧)的RF电压为零。RF扼流器706与负载并联。RF扼流器706设计为具有高RF阻抗，并可以为电感式(inductive)或电容式(capacitive)。RF扼流器706可以在共振下操作或在接近共振下操作，且包括或不包括外部及/或杂散电容(stray capacitance)的协助。就等效电路(equivalent electrical circuit)而论，Pi网络708可包括负载电容器C_L、调谐电容器C_T及RF扼流器的阻抗Z_FT。负载阻抗Z_L可包括RF扼流器的阻抗Z_FT以及腔室的阻抗Z_CH。
图8A为根据本发明的一实施例的耦接至等离子体工艺室的RF扼流器的概要剖面视图。图8B为图8A的电路图式。工艺气体经过RF扼流器806及背板802而进入系统800。RF功率由RF功率源804所供应。在气体入口处(即，RF扼流器806的接地侧)的RF电压为零。RF扼流器806与负载并联。RF扼流器806设计为电容式，且包括或不包括外部电容负载C_L’、C_L”，而在反向L型匹配网络808中形成负载电容器C_L。就等效电路而论，反向L型匹配网络808可包括负载电容器C_L、调谐电容器C_T及RF扼流器的阻抗Z_FT。负载电容器C_L可包括RF扼流器的阻抗Z_FT以及外部电容负载C_L’。RF扼流器806可认为是在反向L型匹配网络808中的负载电容器的一部分。
图9A为根据本发明的一实施例的耦接至等离子体工艺室的RF扼流器的概要剖面视图。图9B为图9A的电路图式。工艺气体经过RF扼流器906及背板902而进入系统900。RF功率由RF功率源904所供应。RF扼流器906可视为L型或Pi匹配网络908中的调谐电容器C_T的一部分。RF扼流器906与负载串联。RF扼流器906设计为电容式，且包括或不包括形成L型匹配网络中的调谐电容器的外部调谐电容器C_T’。就等效电路而论，L型匹配网络可包括负载电容器C_L及调谐电容器C_T。调谐电容器C_T可包括RF扼流器的阻抗Z_FT以及外部调谐电容器C_T’。
图10A为根据本发明的一实施例的耦接至等离子体工艺室的RF扼流器的概要剖面视图。图10B为图10A的电路图式。工艺气体经过RF扼流器1006及背板1002而进入系统1000。RF功率由RF功率源1004所供应。在气体入口处(即，RF扼流器1006的接地侧)的RF电压为零。两个RF扼流器1006或是一个RF扼流器1006的两段放在一起以成为L型或Pi型匹配网络1008中的负载及调谐组件。RF扼流器1006设计为电容式，且包括或不包括外部负载及调谐电容器C_L’及C_T’。就等效电路而论，网络可包括负载电容器C_L及调谐电容器C_T。负载电容器C_L可包括外部负载电容器C_L’以及第一RF扼流器的阻抗Z_FT1。调谐电容器可包括第二RF扼流器的阻抗Z_FT2以及外部调谐电容器C_T’。
图11A为根据本发明的另一实施例的RF扼流器1100的概要视图。图11B为图11A的RF扼流器1100沿着H-H的剖面线所得的概要剖面视图。如图11A及11B所示，亚铁盐组件1104沿着气体管1102而纵长地延伸。一或多个亚铁盐组件1104可设置并基本覆盖在气体管1102的外表面上。
通过在气体源及工艺室之间设置扼流器，则可减少寄生等离子体。RF扼流器可包括气体管，且气体管的壁厚度大于RF电流的最大期望渗透厚度。另外，RF扼流器可具有足够长的RF路径，以使得RF扼流器的阻抗基本等于负载至喷气头的阻抗。
本发明虽以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，仍应属本发明的技术范畴。