[发明专利]用于等离子反应器加热静电卡盘的高交流电流、高射频功率的AC－RF退耦滤波器

说明书

本申请要求2006年6月13日递交的美国临时申请序列号No.60/813,572的优先权

技术领域

本发明涉及一种滤波器以及采用了这种滤波器的等离子反应器，特别涉及一种与电阻加热元件电抗性耦合的滤波器以及采用了这种滤波器的等离子反应器。

背景技术

在半导体集成电路制造中使用的等离子反应器可以利用用于夹持反应器室(reactor chamber)中晶片的静电卡盘(ESC)。通过调节在ESC上的半导体晶片的温度来改善工艺控制。例如，典型的用于在硅晶片的表面上形成高孔径比开口的等离子刻蚀工艺通过将诸如碳氟化合物或氢氟碳化合物气体的工艺气体引入该室中并将射频(RF)功率耦合到该室中来执行。用于控制等离子体离子浓度的等离子体射频源功率可通过将甚高频(VHF)功率耦合到顶层电极(ceiling electrode)。可通过将高频功率耦合到ESC施加用于控制等离子鞘电压的等离子体射频偏置功率。为了控制晶片的温度，在ESC的绝缘层中设置作为ESC的晶片支撑表面下方的电阻元件的电子加热元件。射频偏置功率可施加给ESC的绝缘层中的卡盘电极(chucking electrode)。可选地，射频偏置功率可施加给ESC的绝缘层之下的ESC的导电基底(conductive base)。在任一种情况下，一些所施加的射频偏置功率电容性地耦合电子加热元件，从而将射频偏置功率从等离子体中转移。实际上，依赖于加热元件的设计，将射频偏置功率耦合加热元件比耦合等离子体更容易。因此，电子加热器电路是ESC或阴极上主要的射频负载。它显著地改变了腔室阻抗。因此转移的射频电流经过加热器电流源流至射频接地。该转移妨碍了等离子体的控制，因为等离子鞘层电压和离子能量(例如)表现不确定并且依赖于耦合到加热器元件的电容量，其可随机地变化。

为了解决该问题，可在加热元件和加热电流源之间设置射频滤波器。该滤波器设计用于在射频偏置功率发生器的频率(典型地但不限于13.56Mhz)提供高阻抗以阻碍射频电流流动，同时对于60Hz的加热器源电流几乎不提供或没有阻抗。为了在射频偏置频率提供足够的阻抗，经济型的射频滤波器通常包括围绕可渗透的磁心的扼流圈或感应线圈，该磁心直径为0.65mm并具有非常高的渗透率(例如，在3000-7000范围内的渗透率，这里的渗透率为磁心的渗透常数和空气的渗透常数的比率)。这样的高渗透率在磁心中产生与射频电压相关的高磁通量。已经发现，在典型的等离子体蚀刻工序中所需的射频偏置功率电平处，例如13.56MHz处150瓦，ESC处的峰-峰的射频电压可高到2KV。在磁心中的磁通量是射频电压(2KV)和磁心渗透率(4000)的函数，并且因此非常高。在这样高的射频电压处，在磁心的磁场中的高频(13.56MHz)振荡造成高渗透率磁心剧烈升温并且最终造成滤波器的破坏和失效。试图使用ESC加热器电路的所有经济型射频滤波器中均有该问题。因为没有高渗透率的扼流圈，不可能解决该问题，在13.56MHz处的射频阻抗不足以防止射频偏置功率通过加热器电路的泄漏。例如，使用空气心扼流圈(1.0的渗透率)将需要在该扼流圈上超过40或更多的线圈，以提供足够的感抗。使用该方法的问题在于在该扼流圈线圈上这样高数量的圈数将导致允许射频泄漏的扼流圈中的高容抗。

另一问题在于可高达40安培的加热器的电流往往加热扼流圈线圈，这造成射频滤波器中的过热问题。

发明内容

一种与电阻加热元件电抗性耦合的射频阻塞滤波器，其用于使得两相交流电源过滤分离至少2千伏特峰-峰的高频功率，同时将来自所述两相交流电源的几千瓦的60Hz的交流功率提供给所述电阻加热元件而不会过热，两相交流电源具有一对接头并且所述电阻加热元件具有一对接头。滤波器包括一对圆柱形的绝缘的封套，各个封套具有在1到2英寸之间的内径，以及各自多个熔融的铁粉超环状体，其同轴堆叠在所述一对圆柱形封套的各个封套中，并且具有10的磁渗透率，其中超环状体的外径与各个所述封套的所述内径相同。一对直径在3毫米到3.5毫米之间的导线导体，其螺旋地缠绕在所述一对封套的相应一个上，从而对于各个所述封套形成各自在16匝到24匝范围内的一对电感器的线圈，各个电感器具有输入端和输出端。各个电感器的输入端与两相交流电源的一对接头的相应一个耦合，并且各个电感器的输出端与电阻加热元件的一对接头的相应一个耦合。一对电容器，其连接在各个一对电感器的输入端与地之间，各个电容器具有在超过所述高频的谐振频率处与相应一个电感器的电感形成谐振的电容，从而滤波器在高频处表现出感抗并且在高频处具有超过60db的射频衰减。

附图说明