用于感应耦合等离子体（ICP）负载的双频匹配电路的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术用于感应耦合等离子体(icp)负载的双频匹配电路技术领域1.本公开一般涉及为多个频率提供集成匹配的匹配电路。更具体地，可以将双频匹配电路并入发电系统或用于使用等离子体源处理基底的等离子体处理装置。背景技术：2.rf等离子体用于集成电路、微机械器件、平板显示器和其他器件的制造。现代等离子体刻蚀应用中使用的rf等离子体源需要提供高的等离子体均匀性和多个等离子体控制，包括独立的等离子体轮廓、等离子体密度和离子能量控制。rf等离子体源通常必须能够在各种工艺气体中和在各种不同条件(如气体流量、气体压力等)下维持稳定的等离子体。此外，rf等离子体源最好能够通过减少能量需求和减少电磁辐射来对环境产生最小的影响。3.有各种已知的等离子体源来实现这些严格的等离子体工艺要求。多频电容耦合等离子体(capacitively coupled plasma，ccp)源已被用于独立控制离子能量和等离子体密度。感应耦合等离子体(inductively coupled plasma，icp)源与rf偏置相结合也被使用，例如，来提供离子能量和等离子体密度的独立控制。使用标准的13.56兆赫兹(mhz)和更低频率的rf功率发生器，icp源能够很容易地产生高密度的等离子体。事实上，众所周知，使用多线圈icp源可以提供良好的等离子体控制和高等离子体密度。4.在已知的icp源配置中，在第一和第二不同的频率提供rf功率，用于激励icp源中的第一和第二不同的线圈(例如，源线圈和中心线圈)。然而，现有的系统包括用于源电源和中心电源的两个独立的rf输送系统，并且不具备脉冲功能。这样的安排会增加成本，抑制可维护性，并限制在等离子体处理和其他适当系统中的潜在应用范围。技术实现要素：5.本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可能从描述中明显看出，或者可能通过本发明的实践得知。6.本公开的示例性方面涉及双频匹配电路，包括第一和第二输入端口、匹配电路以及第一和第二输出端口。第一输入端口被配置为在第一频率接收rf功率，且第二输入端口被配置为在第二频率接收rf功率，第二频率不同于第一频率。匹配电路提供在统一的物理外壳中，并包括各自的第一和第二电路部分。第一电路部分包括一个或多个第一调谐元件，被配置为接收在第一输入端口的rf功率并为第一负载提供阻抗匹配。第二电路部分包括一个或多个第二调谐元件，被配置为接收在第二输入端口的rf功率并为第二负载提供阻抗匹配。第一输出端口耦合到匹配电路的第一电路部分，并被配置为在第一频率向第一负载提供第一输出信号。第二输出端口耦合到匹配电路的第二电路部分，并被配置为在第二频率向第二负载提供第二输出信号。7.本公开的另一个示例性方面涉及用于感应耦合等离子体(icp)负载的发电系统。该发电系统包括第一和第二rf发生器、匹配电路和统一的物理外壳。第一rf发生器被配置为以连续模式或脉冲模式，在第一频率提供电磁能。第二rf发生器被配置为以连续模式或脉冲模式，在第二频率提供电磁能，其中第二频率与第一频率不同。该匹配电路包括第一和第二各自的电路部分。第一电路部分包括一个或多个第一调谐元件，被配置为在第一频率接收电磁能并为第一icp负载提供阻抗匹配。第二电路部分包括一个或多个第二调谐元件，被配置为在第二频率接收电磁能并为第二icp负载提供阻抗匹配。统一的物理外壳容纳了第一电路部分和第二电路部分。8.本公开的另一个示例性方面涉及一种等离子体处理装置，包括处理腔室、基底支架、第一和第二感应元件以及匹配电路。处理腔室具有可操作以接收工艺气体的内部空间。基底支架提供在处理腔室的内部空间中，并且可操作以保持基底。第一感应元件和第二感应元件位于相对于处理腔室的不同位置。匹配电路提供在统一的物理外壳中，包括第一电路部分和第二电路部分。一个或多个第一调谐元件的第一电路部分被配置为在第一频率接收rf功率，并为包括第一感应元件的第一icp负载提供阻抗匹配。一个或多个第二调谐元件的第二电路部分被配置为在第二频率接收rf功率，并为包括第二感应元件的第二icp负载提供阻抗匹配，其中第二频率与第一频率不同。9.可以对本公开的这些示例性实施例进行变化和修改。10.参考下面的描述和所附的权利要求书，本发明的这些和其他特点、方面和优点将得到更好的理解。并入本说明书并构成其一部分的附图说明了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。附图说明11.说明书的其余部分，包括附图，更具体地阐述了对于本领域技术人员的全面且可行的公开(包括最佳模式)，其中：12.图1描绘了根据本公开的示例性实施例的发电系统的框图；13.图2描绘了根据本公开的示例性实施例的第一示例性双频匹配电路；14.图3描绘了根据本公开的示例性实施例的第二示例性双频匹配电路；15.图4描绘了根据本公开的示例性实施例的第三示例性双频匹配电路；以及16.图5描绘了根据本公开的示例性实施例的等离子体处理装置。具体实施方式17.现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而并非限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖在所附权利要求书及其等同物的范围中的此类修改和变化。18.本公开的示例性方面涉及用于为电路负载组件(例如，感应耦合等离子体(icp)负载)实现多频匹配的电路、系统、装置和相关技术。匹配电路可以设计成提供至少第一和第二各自的电路部分，为在各自的第一和第二不同频率的射频(radio frequency，rf)功率提供阻抗匹配。然而，当在第一和第二不同的射频功率水平上使用匹配时，传统的解决方案有两个独立的rf输送系统。本课题技术通过在一个物理外壳中为多个频率(如第一和第二不同频率)提供阻抗匹配组件，提供了集成的双频匹配设计，该设计还具有降低成本和提高可维护性的优点。19.更特别地，公开技术的示例方面可以涉及匹配电路，该匹配电路包括多个输入端口，提供在统一的物理外壳中的匹配电路，统一的物理外壳容纳匹配电路的所有部件，以及多个输出端口。每个输入端口可被配置为在各不同的频率接收rf功率。匹配电路可以包括多个电路部分，多个电路部分与接收rf功率的不同输入端口的数量相对应。每个电路部分可以包括一个或多个调谐元件，配置为接收在其各自的输入端口的rf功率，并为相应的负载(例如，icp负载)提供阻抗匹配。每个输出端口可以耦合到匹配电路的其各自的电路部分，并被配置为在各不同的频率中的选定之一向与其对应的负载提供相应的输出信号。20.例如，在双频实施中，双频匹配电路可以包括第一和第二输入端口，包括第一和第二电路部分的匹配电路，以及第一和第二输出端口。第一输入端口可以被配置为在第一频率接收rf功率，而第二输入端口可以被配置为在不同于第一频率的第二频率接收rf功率。匹配电路可以包括第一和第二各自的电路部分，它们被一起容纳在统一的物理外壳中。第一电路部分可以包括一个或多个第一调谐元件，被配置为接收在第一输入端口的rf功率并为第一负载(例如，icp负载)提供阻抗匹配。第二电路部分可以包括一个或多个第二调谐元件，配置为接收在第二输入端口的rf功率并为第二负载提供阻抗匹配。第一输出端口可以耦合到匹配电路的第一电路部分，并被配置为在第一频率向第一负载提供第一输出信号。第二输出端口可以耦合到匹配电路的第二电路部分，并被配置为在第二频率向第二负载提供第二输出信号。21.尽管一些设计和拓扑结构的示例，如上示例，是以双频匹配设计提出的，但这些原则可以被扩展到三频或其他多频匹配实施。22.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路可以为各种不同的负载类型和相应的应用而设计。一个具体应用涉及用于感应耦合等离子体(icp)负载的匹配电路。例如，icp负载可以与等离子体处理装置中的第一和第二感应元件(例如，源线圈和中心线圈)对应。尽管一些示例是在icp负载的背景下提出的，但电路负载组件也可以与电容耦合等离子体(ccp)负载、偏置应用和/或其他合适的应用对应。23.根据所公开技术的另一个方面，可以提供多个rf发生器以在多个不同的频率上产生rf功率。例如，可以提供第一rf发生器，以在第一频率产生rf功率，该rf功率被引导到第一输入端口和匹配电路的第一电路部分。可以提供第二rf发生器，以在第二频率产生rf功率，该rf功率被引导到第二输入端口和匹配电路的第二电路部分。在一些实施中，以比在第二频率的rf功率更大的功率水平和频率提供在第一频率的rf功率。作为一个例子，可以以在约1千瓦(kw)至约5kw的范围内(例如，约2kw)的功率水平和在约12.75mhz至约14.25mhz的范围内(例如，约13.56mhz)的频率提供在第一频率的rf功率，并且可以以在约500瓦至约3kw的范围内(例如，约1kw)的功率水平和在约1.75mhz至约2.15mhz的范围内(例如，约2兆赫)的频率提供在第二频率的rf功率。24.在一些实施中，每个rf发生器被配置为以连续模式和/或脉冲模式提供功率。通过包括能够在连续和脉冲模式下选择性操作的rf发生器，所公开的发电系统和相关匹配电路可以为更广泛的应用提供增强的能力。例如，在等离子体处理应用中，氮化和/或集成氮化和退火的新工艺应用需要脉冲rf等离子体的硬件能力。25.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路被配置为被一起容纳在单个统一的物理外壳中。这种集成的方法有利于整体系统设计，使其更易于维护和紧凑，特别是与每个rf源需要单独且不同的匹配电路的传统实施方式相比。在一些示例中，可以在容纳匹配电路的所有组件的统一的物理外壳内提供一个或多个金属隔板。所需金属隔板的数量可能取决于是否为双频、三频或其他多频方法提供匹配电路。一般来说，选择金属隔板的数量以确保每个电路部分之间的定位和物理分离。在双频实施中，金属隔板可以定位在第一电路部分和第二电路部分之间，并物理间隔第一电路部分和第二电路部分。26.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路中的各个电路部分可以包括相应的旁路滤波元件，旁路滤波元件被配置为过滤掉在除用于给定电路部分的频率之外的其他频率的剩余功率。再参考双频匹配电路的示例，匹配电路可以包括第一旁路滤波元件和第二旁路滤波元件。第一旁路滤波元件可以提供在，例如，第一输入端口和一个或多个第一调谐元件之间，并且可以被配置为过滤掉泄漏到第一电路部分的在第二频率的剩余功率。第二旁路滤波元件可以提供在，例如，第二输入端口和一个或多个第二调谐元件之间，并且可以被配置为过滤掉泄漏到第二电路部分的在第一频率的剩余功率。第一和第二旁路滤波元件可以与一个或多个无源电路元件对应，例如但不限于电容器和/或电感器。在一个特定的实施中，例如，第一旁路滤波元件可以是电感器，而第二旁路滤波元件可以是电容器。27.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路的每个电路部分中的一个或多个调谐元件可以采取各种特定配置。在一些实施中，每组多个调谐元件(例如，第一电路部分中的一个或多个第一调谐元件，以及第二电路部分中的一个或多个第二调谐元件)可以分别包括并联电容器和串联电容器。在一些实施中，每组多个调谐元件(例如，第一电路部分的一个或多个第一调谐元件，和第二电路部分的一个或多个第二调谐元件)可以另外包括各自的并联电感器和串联电感器。28.更特别地，在一些实施中，每个并联电容器可以定位于在与其相应的电路部分中的旁路滤波元件和串联电容器之间。例如，在双频实施中，在第一电路部分中的并联电容器可以定位于在第一电路部分中的第一旁路滤波元件和串联电容器之间。相似地，在第二电路部分中的并联电容器可以定位于在第二电路部分中的第二旁路滤波元件和串联电容器之间。29.更特别地，在其他实施中，每个并联电容器可以定位于在与其相应的电路部分中的串联电容器和输出端口之间。例如，在双频实施中，在第一电路部分中的并联电容器可以定位于在第一电路部分中的串联电容器和第一输出端口之间。相似地，在第二电路部分中的并联电容器可以定位于在第二电路部分中的串联电容器和第二输出端口之间。30.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路可以包括一个或多个信号监测器，被配置为监测通过匹配电路提供的rf功率的各种信号水平。31.在一些实施中，例如，匹配电路的每个电路部分可以包括耦合到相应的输入端口的相幅检测器，该相幅检测器被配置为测量电压、电流和/或提供给输入端口的rf功率的电压与电流之间的相位角。在双频实施中，匹配电路可以包括第一和第二相幅检测器。第一相幅检测器可以耦合在第一输入端口和第一电路部分之间，并可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第一频率提供给第一输入端口的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第二相幅检测器可以耦合在第二输入端口和第二电路部分之间，并可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第二频率提供给第二输入端口的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。32.在其他实施中，例如，匹配电路的每个电路部分可以包括耦合到相应的输出端口的电压-电流(voltage-current，vi)探头，该vi探头被配置为给提供给输出端口的电压和电流提供测量。在双频实施中，匹配电路可以包括第一和第二vi探头。第一vi探头可以耦合在第一电路部分和第一输出端口之间，可以被配置为测量第一输出信号的rf电压和rf电流。第二vi探头可以耦合在第二电路部分和第二输出端口之间，可以被配置为测量第二输出信号的rf电压和rf电流。33.所公开技术的另一个实施示例与用于例如感应耦合等离子体(icp)负载的发电系统对应。这种发电系统可以包括多个rf发生器，每个rf发生器被配置为在不同的频率提供电磁能。例如，在双频实施中，发电系统可以包括被配置为在第一频率提供电磁能的第一rf发生器和被配置为在不同于第一频率的第二频率提供电磁能的第二rf发生器。在一些示例中，每个rf发生器可以被配置为以连续模式和/或脉冲模式运行。例如，模式选择控制器可以耦合到每个rf发生器，并被配置为提供用于根据负载应用在连续模式或脉冲模式之间切换的电子信号控制。34.仍然参考所公开技术的示例实施，发电系统可以进一步包括匹配电路，该匹配电路包括多个电路部分，发电系统中提供的每个rf发生器都有一个电路部分。多个电路部分中的每一个可以包括一个或多个调谐元件，被配置为接收在各频率水平上的rf功率，并为相应的负载(例如，icp负载)提供阻抗匹配。例如，在双频实施中，匹配电路可以包括第一和第二电路部分。第一电路部分可以包括一个或多个第一调谐元件，这些元件被配置为在第一频率接收电磁能并为第一icp负载提供阻抗匹配。第二电路部分可以包括一个或多个第二调谐元件，这些元件被配置为在第二频率接收电磁能并为第二icp负载提供阻抗匹配。匹配电路可以进一步包括容纳所有电路部分(例如，第一电路部分和第二电路部分)的统一的物理外壳。可选地，可包括金属隔板，以物理间隔在统一的物理结构中的电路部分。35.所公开技术的另一个实施示例与等离子体处理装置相对应。等离子体处理装置可以包括处理腔室，该处理腔室具有可操作以接收工艺气体的内部空间，以及位于处理腔室内部的可操作以保持基底的基底支架。等离子体处理装置可以包括第一和第二icp负载。例如，第一和第二icp负载可以分别包括相对于处理腔室定位在不同位置的第一和第二感应元件。36.第一感应元件可以与例如icp应用中的初级线圈或源线圈对应，而第二导电元件可以与例如icp应用中的次级线圈或中心线圈对应。可以在统一的物理外壳中提供匹配电路，并且匹配电路可被配置为向第一和第二感应元件提供调谐功率。例如，一个或多个第一调谐元件的第一电路部分可以被配置为在第一频率接收rf功率，并为包括第一感应元件的第一icp负载提供阻抗匹配。一个或多个第二调谐元件的第二电路部分可以被配置为在第二频率接收rf功率，并为包括第二感应元件的第二icp负载提供阻抗匹配，其中第二频率与第一频率不同。37.仍然参考等离子体处理装置的示例性实施例，匹配电路可以被设计为向多个感应元件，如初级线圈和次级线圈提供集成调谐功率。初级线圈可以通过法拉第屏蔽与处理腔室间隔开。次级线圈可以通过电磁屏蔽与初级线圈间隔开，以防止线圈之间的串扰。在一个特定的实施中，选择不同的rf频率用于用在第一和第二感应元件上。选择这些频率是为了减少等离子体中第一和第二感应元件之间的串扰，提供对感应元件的增强独立控制。38.根据本公开的示例方面的系统和方法，可以提供一些技术效果和好处，包括但不限于发电系统和等离子体处理装置的改进。例如，本公开的示例方面可以提供增强的rf功率应用范围，包括icp负载、ccp负载、偏置应用和其他。此外，由于rf发生器和相应的匹配电路可以设计为在连续模式和脉冲模式的可选操作，可以实现在等离子体处理应用中的利用，包括氮化和/或集成氮化和退火。此外，在单个统一的结构中集成调谐到多个不同频率的匹配电路可以降低整个系统的成本，使设计更紧凑，更容易维护。39.图1描绘了根据本公开的一个示例性实施例的发电系统的框图。更具体地，发电系统100被设计为服务于在多个不同频率运行的负载组件。虽然在图1的具体示例中说明了双频实施，但是组件和概念可以被扩展到涵盖三频或其他多频配置。发电系统100可以包括第一rf发生器102，被配置为产生在第一频率提供电磁能的第一rf功率103。发电系统100还可以包括第二rf发生器104，被配置为产生在不同于第一频率的第二频率提供电磁能的第二rf功率105。40.在一些示例中，第一rf功率103的第一频率和/或功率水平大于第二rf功率105的第二频率和/或功率水平。例如，在一些具体实施中，作为一个示例，可以以在约1kw至约5kw的范围内(例如，约2kw)的功率水平和在约12.75mhz至约14.25mhz的范围内(例如，约13.56mhz)的频率提供在第一频率的第一rf功率103，并且可以以在约500瓦至约3kw的范围内(例如，约1kw)的功率水平和在约1.75mhz至约2.15mhz的范围内(例如，2mhz)的频率提供在第二频率的第二rf功率105。41.在一些示例中，第一rf发生器102和/或第二rf发生器104可以被配置为在连续模式和/或脉冲模式下运行。例如，模式选择控制器可以耦合到第一rf发生器102和/或第二rf发生器104中的每一个，并且可以被配置为提供用于根据负载应用在连续模式或脉冲模式之间切换的电子信号控制。42.仍然参考图1，可以提供第一rf功率103和第二rf功率105给双频率匹配电路106，该电路包括多个电路部分，发电系统100中提供的每个rf发生器都有一个电路部分。因为图1描绘了双频实施，匹配电路106可以包括第一和第二电路部分，它们各自包括一个或多个调谐元件，被配置为在各自的频率水平上接收rf功率并为相应的负载(例如，第一icp负载108和第二icp负载110)提供阻抗匹配。例如，匹配电路106可以包括一个或多个第一调谐元件的第一电路部分，一个或多个第一调谐元件被配置为接收第一rf功率103并为第一icp负载108提供阻抗匹配。匹配电路106可以进一步包括一个或多个第二调谐元件的第二电路部分，一个或多个第二调谐元件被配置为接收第二rf功率105并为第二icp负载110提供阻抗匹配。因此，匹配电路106可以产生提供给第一icp负载108的第一输出信号107和提供给第二icp负载110的第二输出信号109。参考图2-4，分别说明并描述了匹配电路106的其他实施。43.在一些实施中，例如涉及等离子体处理装置的实施，第一icp负载108可以包括主感应元件(例如，源线圈)，而第二icp负载110可以包括辅感应元件(例如，中心线圈)，例如参考图5所描述。尽管图1描绘了第一icp负载108和第二icp负载110，但应该理解的是，匹配电路106可以设计为用于各种不同的负载类型和相应的应用。尽管在icp负载的背景下提出了一些示例，但电路负载组件也可以与电容耦合等离子体(ccp)负载、偏置应用和/或其他合适的应用对应。44.图2描绘了根据本公开的示例性实施例的第一示例性双频匹配电路106a。双频率匹配电路106a包括第一输入端口120、匹配电路121、第一电路部分122、第一旁路滤波元件124、物理外壳125、第一并联电容器126、第一并联电感器128、第一串联电容器130、第一串联电感器132、第一相幅检测器134，第一vi探头136，第一输出端口138，第二输入端口140，第二电路部分142，第二旁路滤波元件144，第二串联电容器146，第二串联电感器148，第二并联电容器150，第二相幅检测器154，第二vi探头156，第二输出端口158和距离160。45.第一输入端口120可以被配置为在第一频率接收rf功率(例如，图1的第一rf功率103)，而第二输入端口140可以被配置为在不同于第一频率的第二频率接收rf功率(例如，图1的rf功率105)。双频匹配电路106a可以包括匹配电路121，匹配电路121包括被一起容纳在统一的物理外壳125中的第一电路部分122和第二电路部分142。第一电路部分122可以包括一个或多个第一调谐元件(例如，第一并联电容器126、第一并联电感器128、第一串联电容器130和第一串联电感器132)，被配置为接收在第一输入端口120的rf功率并为第一负载(例如，图1的icp负载108)提供阻抗匹配。第二电路部分142可以包括一个或多个第二调谐元件(例如，第二串联电容器146、第二串联电感器148和第二并联电容器150)，被配置为接收在第二输入端口140的rf功率并为第二负载(例如，图1的icp负载110)提供阻抗匹配。第一输出端口138可以耦合到匹配电路121的第一电路部分122，并被配置为在第一频率向第一负载(例如，图1的icp负载108)提供第一输出信号。第二输出端口158可以耦合到匹配电路121的第二电路部分142，并被配置为在第二频率向第二负载(例如，图1的icp负载110)提供第二输出信号。在一些实施中，第一输出端口138和第二输出端口158可以彼此间隔开距离160，可在约1英寸至约35英寸之间的范围内选择该距离。46.仍然参考图2，匹配电路106a的组件被配置为一起容纳在单个统一的物理外壳125中。例如，物理外壳125可以容纳第一相幅检测器134、第二相幅检测器154、包括第一电路部分122和第二电路部分142的匹配电路121、第一vi探头136和第二vi探头156。在一些示例中，可以在统一的物理外壳125内提供一个或多个金属隔板127，以确保每个电路部分之间的定位和物理分离。在图2的双频实施中，金属隔板127可以定位在第一电路部分122和第二电路部分142之间，并物理间隔第一电路部分122和第二电路部分142。47.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路121中的第一电路部分122和第二电路部分142可以包括相应的旁路滤波元件(例如，第一旁路滤波元件124和第二旁路滤波元件144)，被配置为过滤掉在除用于给定电路部分的频率之外的其他频率的剩余功率。第一旁路滤波元件124可以提供在，例如，第一输入端口120和一个或多个第一调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第一电路部分122的在第二频率(例如，约2mhz)的剩余功率。第二旁路滤波元件144可以提供在，例如，第二输入端口140和一个或多个第二调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第二电路部分142的在第一频率(例如，约13.56mhz)的剩余功率。第一旁路滤波元件124和第二旁路滤波元件144可以分别与一个或多个无源电路元件对应，例如但不限于电容器和/或电感器。在一个具体的实施中，例如，第一旁路滤波元件124可以是电感器，而第二旁路滤波元件144可以是电容器。48.仍然参考图2，在匹配电路106a的第一电路部分122和第二电路部分142的每个中的一个或多个调谐元件可以采取各种特定配置。例如，在第一电路部分122中的一个或多个第一调谐元件可以包括第一并联电容器126和第一串联电容器130，第一并联电容器126和第一串联电容器130中的一个或两个可以与可变电容器对应。在一些实施中，在第一电路部分122中的一个或多个第一调谐元件可以包括第一并联电感器128和第一串联电感器132。第一并联电容器126和第一并联电感器128串联连接，并定位于在第一电路部分122中的第一旁路滤波元件124和第一串联电容器130之间。第一串联电容器130与第一串联电感器132串联，两者都定位在第一并联电容器126和第一输出端口138之间。在第一电路部分122中组件的值的示例范围可以包括：第一旁路滤波元件124的电感值在约1μh和约5μh之间，第一并联电容器126的电容值在约20pf和约2000pf之间，第一并联电感器128的电感值在约0μh和约0.5μh之间，第一串联电容器130的电容值在约5pf和约500pf之间，以及第一串联电感器132的电感值在约0μh和约1μh之间。49.在第二电路部分142中的一个或多个第二调谐元件可以包括第二并联电容器150和第二串联电容器146，第二并联电容器150和第二串联电容器146中的一个或两个可以与可变电容器对应。在一些实施中，在第二电路部分142中的一个或多个第二调谐元件可以包括第二串联电感器148。第二串联电容器146与第二串联电感器148串联连接，两者都定位在第二旁路滤波元件144和第二并联电容器150之间。在第二电路部分142中的组件的值的示例范围可以包括：第二旁路滤波元件144的电容值在约0pf和约500pf之间，第二串联电容器146的电容值在约50pf和约10nf之间，以及第二并联电容器150的电容值在约50pf和约10nf之间。50.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路106a可以包括一个或多个信号监测器，被配置为监测通过匹配电路提供的rf功率的各种信号水平。例如，第一相幅检测器134可以耦合在第一输入端口120和第一电路部分122之间，并且可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第一频率提供给第一输入端口120的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第二相幅检测器154可以耦合在第二输入端口140和第二电路部分142之间，并且可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第二频率提供给第二输入端口140的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第一电压-电流(vi)探头136可以耦合在第一电路部分122(例如，在第一串联电感器132)和第一输出端口138之间，并且可以被配置为测量第一输出信号(例如，图1的第一输出信号107)的rf电压和rf电流。第二vi探头156可以耦合在第二电路部分142(例如，在第二并联电容器150)和第二输出端口158之间，并且可以被配置为测量第二输出信号(例如，图1的第二输出信号109)的rf电压和rf电流。51.在一些实施中，可以周期性地或连续地评估由各种信号监测器(例如，第一相幅检测器134、第二相幅检测器154、第一vi探头136和第二vi探头156)确定的幅值和/或相位值，以确保在匹配电路106a中的频率调谐元件的正确值。可以基于由信号监测器确定的值周期性地调谐一些调谐元件(例如，诸如第一并联电容器126、第一串联电容器130、第二串联电容器146和第二并联电容器150等可变电容器)的值。52.图3描绘了根据本公开的一个示例性实施例的第二示例性双频匹配电路106b。双频率匹配电路106b包括第一输入端口220、匹配电路221、第一电路部分222、第一旁路滤波元件224、物理外壳225、第一并联电容器226、第一串联电容器228、第一相幅检测器234、第一vi探头236，第一输出端口238、第二输入端口240、第二电路部分242、第二旁路滤波元件244、第二串联电容器246、第二并联电容器248、第二相幅检测器254、第二vi探头256、第二输出端口258和距离260。53.第一输入端口220可以被配置为在第一频率接收rf功率(例如，图1的第一rf功率103)，且第二输入端口240可以被配置为在不同于第一频率的第二频率接收rf功率(例如，图1的rf功率105)。双频匹配电路106b可以包括匹配电路221，匹配电路221包括被一起容纳在统一的物理外壳225中的第一电路部分222和第二电路部分242。第一电路部分222可以包括一个或多个第一调谐元件(例如，第一并联电容器226和第一串联电容器228)，被配置为接收在第一输入端口220的rf功率并为第一负载(例如，图1的icp负载108)提供阻抗匹配。第二电路部分242可以包括一个或多个第二调谐元件(例如，第二串联电容器246和第二并联电容器248)，被配置为接收在第二输入端口240的rf功率并为第二负载(例如，图1的icp负载110)提供阻抗匹配。第一输出端口238可以耦合到匹配电路221的第一电路部分222，并可以被配置为在第一频率向第一负载(例如，icp负载108)提供第一输出信号。第二输出端口258可以耦合到匹配电路221的第二电路部分242，并可以被配置为在第二频率向第二负载(例如，icp负载110)提供第二输出信号。在一些实施中，第一输出端口238和第二输出端口258可以彼此间隔开距离260，可在约1英寸至约35英寸之间的范围内选择该距离。54.仍然参考图3，匹配电路106b的组件被配置为被一起容纳在单个统一的物理外壳225中。例如，物理外壳225可以容纳第一相幅检测器234、第二相幅检测器254、包括第一电路部分222和第二电路部分242的匹配电路221、第一vi探头236和第二vi探头256。在一些示例中，可以在统一的物理外壳225内提供一个或多个金属隔板227，以确保每个电路部分之间的定位和物理分离。在图3的双频实施中，金属隔板227可以定位在第一电路部分222和第二电路部分242之间并物理间隔第一电路部分222和第二电路部分242。55.根据所公开技术的另一个方面，在匹配电路221中的第一电路部分222和第二电路部分242可以包括相应的旁路滤波元件(例如，第一旁路滤波元件224和第二旁路滤波元件244)，被配置为过滤掉在除用于给定电路部分的频率之外的其他频率的剩余功率。第一旁路滤波元件224可以提供在，例如第一输入端口220和一个或多个第一调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第一电路部分222的在第二频率(例如，约2mhz)的剩余功率。第二旁路滤波元件244可以提供在，例如第二输入端口240和一个或多个第二调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第二电路部分242的在第一频率(例如，约13.56mhz)的剩余功率。第一旁路滤波元件224和第二旁路滤波元件244可以分别与一个或多个无源电路元件对应，例如但不限于电容器和/或电感器。在一个特定的实施中，例如，第一旁路滤波元件224可以是电感器，而第二旁路滤波元件244可以是电容器。56.仍然参考图3，在匹配电路106b的第一电路部分222和第二电路部分242的每个中的一个或多个调谐元件可以采取各种特定配置。例如，在第一电路部分222中的一个或多个第一调谐元件可以包括第一并联电容器226和第一串联电容器228，第一并联电容器226和第一串联电容器228中的一个或两个可以与可变电容器对应。定位第一并联电容器226与第一旁路滤波元件224并联，并在第一串联电容器228之前。第一串联电容器228定位在第一并联电容器226和输出端口138之间。在第一电路部分222中的元件的值的示例范围可包括：第一旁路滤波元件224的电感值在约1μh和约5μh之间，第一并联电容器226的电容值在约20pf和约2,000pf之间，以及第一串联电容器228的电容值在约5pf和约500pf之间。57.在第二电路部分242中的一个或多个第二调谐元件可以包括第二并联电容器248和第二串联电容器246，第二并联电容器248和第二串联电容器246中的一个或两个可以与可变电容器对应。定位第二并联电容器248与第二旁路滤波元件244并联，第二串联电容器246位于第二并联电容器248和第二旁路滤波元件244之间。在第二电路部分242中的元件的值的示例范围可以包括：第二旁路滤波元件244的电容值在约0pf和约500pf之间，第二串联电容器246的电容值在约50pf和约10nf之间，以及第二并联电容器248的电容值在约50pf和约10nf之间。58.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路106b可以包括一个或多个信号监测器，被配置为监测通过匹配电路提供的rf功率的各种信号水平。例如，第一相幅检测器234可以耦合在第一输入端口220和第一电路部分222之间，并且可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第一频率提供给第一输入端口220的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第二相幅检测器254可以耦合在第二输入端口240和第二电路部分242之间，并且可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第二频率提供给第二输入端口240的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第一电压-电流(vi)探头236可以耦合在第一电路部分222(例如，在第一串联电容器228)和第一输出端口238之间，并且可以被配置为测量第一输出信号(例如，图1的第一输出信号107)的rf电压和rf电流。第二vi探头256可以耦合在第二电路部分242(例如，在第二并联电容器248)和第二输出端口258之间，并且可以被配置为测量第二输出信号(例如，图1的第二输出信号109)的rf电压和rf电流。59.在一些实施中，可以周期性地或连续地进行评估由各种信号监测器(例如，第一相幅检测器234、第二相幅检测器254、第一vi探头236和第二vi探头256)确定的幅值和/或相位值，以确保在匹配电路106b中的频率调谐元件的正确值。可以基于由信号监测器确定的值周期性地调谐一些调谐元件(例如，诸如第一并联电容器226、第一串联电容器228、第二串联电容器246和第二并联电容器248等可变电容器)的值。60.图4描绘了根据本公开的示例性实施例的第三示例性双频匹配电路106c。双频匹配电路106c包括第一输入端口320、匹配电路321、第一电路部分322、第一旁路滤波元件324、物理外壳325、第一串联电容器326、第一并联电容器328、第一相幅检测器334，第一vi探头336，第一输出端口338，第二输入端口340，第二电路部分342，第二旁路滤波元件344，第二串联电容器346，第二并联电容器348，第二相幅检测器354，第二探头356，第二输出端口358和距离360。61.第一输入端口320可以被配置为在第一频率接收rf功率(例如，图1的第一rf功率103)，且第二输入端口340可以被配置为在不同于第一频率的第二频率接收rf功率(例如，图1的rf功率105)。双频匹配电路106c可以包括匹配电路321，匹配电路321包括被一起容纳在统一的物理外壳325中的第一电路部分322和第二电路部分342。第一电路部分322可以包括一个或多个第一调谐元件(例如，第一串联电容器326和第一并联电容器328)，被配置为接收在第一输入端口320的rf功率，并为第一负载(例如，图1的icp负载108)提供阻抗匹配。第二电路部分342可以包括一个或多个第二调谐元件(例如，第二串联电容器346和第二并联电容器348)，被配置为接收在第二输入端口340的rf功率，并为第二负载(例如，图1的icp负载110)提供阻抗匹配。第一输出端口338可以耦合到匹配电路321的第一电路部分322，并可以被配置为在第一频率向第一负载(例如，图1的icp负载108)提供第一输出信号。第二输出端口358可以耦合到匹配电路321的第二电路部分342，并可以被配置为在第二频率向第二负载(例如，图1的icp负载110)提供第二输出信号。在一些实施中，第一输出端口338和第二输出端口358可以彼此间隔开距离360，可在约1英寸至约35英寸之间的范围内选择该距离。62.仍然参考图4，匹配电路106c的组件被配置为被一起容纳在单个统一的物理外壳325中。例如，物理外壳325可以容纳第一相幅检测器334、第二相幅检测器354、包括第一电路部分322和第二电路部分342的匹配电路321、第一vi探头336和第二vi探头356。在一些示例中，可以在统一的物理外壳325内提供一个或多个金属隔板327，以确保每个电路部分之间的定位和物理分离。在图4的双频实施中，金属隔板327可以定位在第一电路部分322和第二电路部分342之间并物理间隔第一电路部分322和第二电路部分342。63.根据所公开技术的另一个方面，在匹配电路321中的第一电路部分322和第二电路部分342可以包括相应的旁路滤波元件(例如，第一旁路滤波元件324和第二旁路滤波元件344)，被配置为过滤掉在除用于给定电路部分的频率之外的其他频率的剩余功率。第一旁路滤波元件324可以提供在，例如，第一输入端口320和一个或多个第一调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第一电路部分322的在第二频率(例如，约2mhz)的剩余功率。第二旁路滤波元件344可以提供在，例如，第二输入端口340和一个或多个第二调谐元件之间，并可以被配置为过滤掉泄漏到第二电路部分342的在第一频率(例如，约13.56mhz)的剩余功率。第一旁路滤波元件324和第二旁路滤波元件344可以分别与一个或多个无源电路元件对应，例如但不限于电容器和/或电感器。在一个特定的实施中，例如，第一旁路滤波元件324可以是电感器，而第二旁路滤波元件344可以是电容器。64.仍然参考图4，在匹配电路106c的第一电路部分322和第二电路部分342的每个中的一个或多个调谐元件可以采取各种特定的配置。例如，在第一电路部分322中的一个或多个第一调谐元件可以包括第一串联电容器326和第一并联电容器328，第一串联电容器326和第一并联电容器328中的一个或两个可以与可变电容器对应。在第一电路部分322中的第一并联电容器328定位于在第一电路部分322中的串联电容器326和第一输出端口338之间。在第一电路部分322中的组件的值的示例范围可以包括：第一旁路滤波元件324的电感值在约1μh和约5μh之间，第一并联电容器328的电容值在约20pf和约2000pf之间，以及第一串联电容器326的电容值在约5pf和约500pf之间。65.在第二电路部分342中的一个或多个第二调谐元件可以包括第二并联电容器348和第二串联电容器346，第二并联电容器348和第二串联电容器346中的一个或两个可以与可变电容器对应。在第二电路部分342中的第二并联电容器348定位于在第二电路部分342中的串联电容器346和第二输出端口358之间。在第二电路部分342中的组件的值的示例范围可以包括：第二旁路滤波元件344的的电容值在约0pf和约500pf之间，第二串联电容器346的电容值在约50pf和约10nf之间，以及第二并联电容348的电容值在约50pf和约10nf之间。66.根据所公开技术的另一个方面，匹配电路106c可以包括一个或多个信号监测器，被配置为监测通过匹配电路提供的rf功率的各种信号水平。例如，第一相幅检测器334可以耦合在第一输入端口320和第一电路部分322之间，并可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第一频率提供给第一输入端口320的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第二相幅检测器354可以耦合在第二输入端口340和第二电路部分342之间，并可以被配置为测量rf电压、rf电流以及在第二频率提供给第二输入端口340的rf功率的rf电压和rf电流之间的相位角。第一电压-电流(vi)探头336可以耦合在第一电路部分322(例如，在第一并联电容器328)和第一输出端口338之间，并可以被配置为测量第一输出信号(例如，图1的第一输出信号107)的rf电压和rf电流。第二vi探头356可以耦合在第二电路部分342(例如，在第二并联电容器348)和第二输出端口358之间，并可以被配置为测量第二输出信号(例如，图1的第二输出信号109)的rf电压和rf电流。67.在一些实施中，可以周期性地或连续地评估由各种信号监测器(例如，第一相幅检测器334、第二相幅检测器354、第一vi探头336和第二vi探头356)确定的幅度和/或相位值，以确保在匹配电路106c中的频率调谐元件的正确值。可以基于由信号监测器确定的值周期性地调谐一些调谐元件(例如，诸如第一串联电容器326、第一并联电容器328、第二串联电容器346和第二并联电容器348等可变电容器)的值。68.图5描绘了根据本公开的一个示例性实施例的等离子体处理装置400。等离子体处理装置400包括限定了内部空间402的处理腔室。基座或基底支架404用于在内部空间402内支撑基底406，如半导体晶片。介电窗410位于基底支架404的上方。介电窗410包括相对平坦的中心部分412和有角度的外围部分414。介电窗410包括在中心部分412中的空间，该空间用于喷头420将工艺气体送入内部空间402。69.等离子体处理装置400进一步包括多个感应元件，如主感应元件430和辅感应元件440，用于在内部空间402中产生感应等离子体。感应元件430、440可以分别包括线圈或天线元件，当线圈或天线元件被提供rf功率时，在等离子体处理装置400的内部空间402的工艺气体中诱发等离子体。例如，第一rf发生器102可以被配置为通过匹配电路106向主感应元件430提供电磁能。第二rf发生器104可以被配置为通过相同的匹配电路106向辅感应元件440提供电磁能。70.虽然本公开提到了主感应元件430和辅感应元件440，但本领域的技术人员应该明白，术语“主”和“辅”仅用于方便目的。辅感应元件可以独立于主元件操作，反之亦然。再进一步地，具有在匹配电路106中提供了相应的匹配电路的附加感应元件(例如，第三感应元件)可以包括在等离子体处理装置400中。71.根据本公开的各个方面，等离子体处理装置400可以包括围绕辅感应元件440设置的金属屏蔽部分452。正如下面详细讨论的那样，金属屏蔽部分452将主感应元件430和辅感应元件440间隔开，以减少感应元件430、440之间的串扰。等离子体处理装置400可以进一步包括设置在主感应元件430和介电窗410之间的法拉第屏蔽部分454。法拉第屏蔽部分454可以是减少主感应元件430和内部空间402之间的电容耦合的开槽的金属屏蔽。如图所示，法拉第屏蔽部分454可以安装在介电窗410的有角度的部分。72.在一个特定的实施中，金属屏蔽部分452和法拉第屏蔽部分454可以形成单一屏蔽体450，以方便制造和其他目的。图5示出了用于用在根据本公开的示例性实施例的金属屏蔽部分452和法拉第屏蔽部分454的示例性实施中的单一屏蔽体450。主感应元件430的多匝线圈可以位于单一屏蔽体450的法拉第屏蔽部分454附近。辅感应元件440可以位于靠近单一屏蔽体450的金属屏蔽部分452，例如在金属屏蔽部分452和介电窗410之间。73.主感应元件430和辅感应元件440在金属屏蔽部分452的相对侧的布置，使主感应元件430和辅感应元件440具有不同的结构配置并执行不同的功能。例如，主感应元件430可以包括位于处理腔室的外围部分附近的多匝线圈。主感应元件430可以用于在固有的瞬时点火阶段的基本等离子体生成和可靠启动。主感应元件430可以耦合到功率强大的rf发生器102，并且可以在增加的rf频率下运行，例如在约13.56mhz。74.辅感应元件440可用于校正和支持功能，以及在稳态运行期间提高等离子体的稳定性。由于辅感应元件440可主要用于校正和支持功能以及在稳态运行期间提高等离子体的稳定性，因此辅感应元件440不必像主感应元件430那样耦合到功率强大的rf发生器，并且可以以不同且成本高效的方式设计，以克服与先前设计相关的困难。正如下面详细讨论的那样，辅感应元件440也可以耦合到rf发生器104并被配置为在较低的频率工作，例如在约2mhz，从而使辅感应元件440非常紧凑并安装在介电窗顶部的有限空间内。75.根据本公开的示例性方面，主感应元件430和辅感应元件440运行在不同的频率。这些频率显著不同，以减少主感应元件430和辅感应元件440之间的串扰。例如，从匹配电路106施加到主感应元件430的频率可以比施加到辅感应元件440的频率至少大1.5倍左右。在一个特定的实施中，施加到主感应元件430的频率可以在约12.75mhz至约14.25mhz的范围内(例如，约13.56mhz)，施加到辅感应元件440的频率可以在约1.75mhz至约2.15mhz的范围内(例如，约2mhz)。也可以使用其他合适的频率，如约400千赫兹、约4mhz和约27mhz。虽然本公开是参考主感应元件430相对于辅感应元件440在较高频率运行进行讨论的，但本领域的技术人员使用本文提供的公开，应该理解在不偏离本公开的范围的情况下，辅感应元件440可以在较高的频率运行。76.由于可以将不同频率应用于主感应元件430和辅感应元件440，感应元件430、440之间的干扰减少。更特别地，感应元件430、440之间的等离子体中的唯一相互作用是通过等离子体密度。因此，耦合到主感应元件430的rf发生器102和耦合到辅感应元件440的rf发生器104之间不需要相位同步。功率控制在感应元件之间是独立的。此外，由于感应元件430、440在明显不同的频率下工作，因此，在集成匹配电路106中使用rf发生器102、104的频率调谐以将功率输送匹配到等离子体中是切实可行的，这大大简化了整个系统的设计、成本和可维护性。77.与在13.56mhz运行的主感应元件430相比，辅感应元件440可以在约2mhz运行并且可以具有更多的匝数，从而运行在较低的电流幅度：78.icoil∝ppl/rpln,79.其中icoil是线圈电流，ppl是线圈在等离子体中沉积的功率，rpl是等离子体电阻，n是线圈的匝数。低电流允许在线圈中使用普通的中等规格的电线，而不是大规格的电线或铜管。80.由于操作频率(f)较低，具有电感l的辅感应元件440不需要工作在像相同直径d的在较高频率运行的线圈(假设它沉积到等离子体中相同的功率ppl，并产生具有相同参数rpl的等离子体)那样高的电压：[0081][0082]而且，由于直径较小，电压比用于驱动第一线圈的电压小得多。由于辅感应元件440可以在较小的电压和电流下操作，辅感应元件440可以具有可嵌入到法拉第屏蔽部分454的紧凑设计。[0083]根据本公开的各方面，感应元件430和440可以承担不同的功能。具体地，只有主感应元件430可以负责执行在点火期间生成等离子体的最重要的功能，并为辅感应元件440提供足够的引动。这个主感应元件430可以参与icp工具的操作，并且应该与等离子体和接地屏蔽都有耦合，以稳定等离子体电位。与主感应元件430相关联的法拉第屏蔽部分454避免了窗口溅射，并可用于提供对地的耦合。[0084]附加线圈可以在主感应元件430提供的良好等离子体启动的情况下操作，因此，最好具有良好的等离子体耦合和良好的到等离子体的能量传输效率。包括磁通量集中器444的辅感应元件440既能提供磁通量向等离子体体积的良好转移，又能同时提供辅感应元件440与周围金属屏蔽部分452的良好去耦。使用磁通量集中器444和辅感应元件440的对称驱动，进一步降低了线圈端部和周围接地元件之间的电压幅度。这实际上消除了穹顶的溅射，但同时给等离子体提供了一些小的电容耦合，这可以用来帮助点火。[0085]用于等离子体处理装置400的icp源显示了非常稳健的光源行为和非常宽的处理窗口。在大多数工艺气体(包括像纯hbr或sf6这样的“困难”气体)中，该源可以很容易地点燃和维持等离子体，总功率显著低于只使用一个线圈所需的功率。人们甚至可以在没有任何偏置功率的情况下维持这些放电。事实上，与只使用一种线圈或具有类似结构的多个线圈的源相比，使用本公开的示例性感应元件布置实际上显示出更好的稳定性和效率。尽管进行了许多尝试，但尚未检测到在其他icp反应器中经常观察到的与电负性气体中的放电相关的不稳定性。[0086]本领域的普通技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下实施对本发明的这些和其他修改和变化，本发明的精神和范围在所附权利要求书中更具体地阐述。此外，应该理解的是，各实施例的各个方面可以全部或部分地互换。此外，本领域的普通技术人员将理解，上述描述只是举例说明，而不是为了限制在所附权利要求书中进一步描述的发明。









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