阅读说明：本技术 高功率射频螺旋线圈滤波器 (High-power radio frequency spiral coil filter ) 是由 肖恩·凯利·奥布莱恩 赫马·斯沃普·莫皮迪维 赛义德·贾法·雅法良-特哈妮 尼尔·马丁·保罗· 于 2018-12-14 设计创作，主要内容包括：各种实施方式包含一种用于过滤基于等离子体的处理设备中的射频的装置。在各种实施方式中,RF滤波器装置包含以间隔开的布置彼此电耦合并基本平行的多个基本平面的螺旋滤波器。在一个实施方式中,基于接连螺旋的布置,平面螺旋滤波器中的每一个作为内部到内部的电连接或外部到外部的电连接被耦合到平面螺旋滤波器中的一个相邻螺旋滤波器,以便增加总电感值。公开了其他方法、装置、设备和系统。(Various embodiments include an apparatus for filtering radio frequencies in a plasma-based processing device. In various embodiments, an RF filter device includes a plurality of substantially planar spiral filters electrically coupled to one another in a spaced apart arrangement and substantially parallel. In one embodiment, each of the planar spiral filters is coupled to an adjacent one of the planar spiral filters as an internal-to-internal electrical connection or an external-to-external electrical connection based on an arrangement of successive spirals to increase a total inductance value. Other methods, apparatuses, devices and systems are disclosed.)

具体实施方式

现在将参考如各个附图中所示的一些一般和特定实施方式来详细描述所公开的主题。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的主题的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践所公开的主题。在其他情况下，公知的处理步骤或结构未进行详细描述，以免使所公开的主题模糊不清。

本文所包含的公开主题描述了一种高功率(例如，约500W至约50kW)感应线圈，其用作RF阻挡滤波器(在本文中替代地称为RF滤波器)。RF滤波器在目标频率下向源侧呈现高阻抗。因此，从负载侧的观点来看，RF滤波器是良好的衰减器。通常，为了在目标频率下实现这些目标，可以使用直径较大的电感器或匝数较多的电感器。为了保持相对紧凑的尺寸，本文描述的RF滤波器包括一个或多个堆叠的，基本上平面的线圈。在实施方式中，RF滤波器主要用于阻挡RF进入AC电路，该AC电路向在处理期间搬运各种衬底类型的静电卡盘(ESC)的加热器供电。如本领域技术人员所理解的，ESC加热器提供了重要的控制以维持过程的温度分布，这最终导致衬底上更好的均匀性和蚀刻速率。

传统上，在低RF频率下使用的线圈依赖铁磁芯[包括一种或多种铁氧体，例如镍锌铁氧体(NiZn)、锰锌铁氧体(MnZn)、镁锌铁氧体(MgZn)、镍镁铁氧体(NiMg)；钢筋；铁粉等]。铁磁芯减小了电感线圈的长度和物理尺寸。众所周知，铁磁材料具有频率依赖性的电、磁和热特性，并且已经显示，除非结合严格的工程指导准则，否则铁磁材料提供较差的可重复性性能。这些准则通常增加了材料成本。而且，定制加工的铁磁结构往往会提高生产成本。

替代地，可以设计较大的空芯线圈，但是空芯线圈的尺寸可以明显大于具有铁磁芯且电感值与空芯线圈相同的可比较线圈。因此，当存在空间限制时(例如，线圈必须装配到位于处理系统附近的现有外壳中)，通常不能使用空芯线圈。

本文公开的RF滤波器可以构建为具有或不具有任何类型的铁磁芯，因此可以形成为仅具有空芯。然而，RF滤波器也可以形成为符合现有等离子体处理系统中RF滤波器外壳的任何空间约束。下一代蚀刻工具的需求正在推动与当代等离子处理工具几乎相同的形状装配功能内的其他性能特征。因此，通常无法证明增加传统空芯的尺寸是合理的。因此，将需要一种解决方案，其中在具有紧凑的形状因数的RF滤波器中指定某些电感水平，同时，RF滤波器也必须适用于高功率应用(例如，约500W至约50kW)。

因此，以下详细描述了各种实施方式，包括用于设计具有可在高功率应用中使用的紧凑的形状因数的RF滤波器的方法和技术。此外，所公开的主题还描述了用于实践所公开的主题的实施方式的设备。所公开的主题的一个或多个实施方式涉及一种用于过滤在基于等离子体的处理系统内产生的射频(RF)功率的滤波器。可以从例如基于等离子体的处理系统中的至少静电卡盘(ESC)传输RF功率。基于等离子体的处理系统可以包括设置在ESC的第一部分处的第一加热元件和设置在ESC的第二部分处的第二加热元件。基于等离子体的处理系统可以进一步包括用于为加热元件供电的电源，例如交流电(AC)电源。RF滤波器可以过滤或阻挡RF功率在一个方向上传输(从而尽可能减少电磁兼容性(EMC)故障、干扰问题和/或功率损耗问题)，并且可以允许AC功率(50Hz或60Hz)在另一个方向上被传输到加热元件。因此，RF滤波器可以消除或减少可能由RF功率被不合理地引导或传输到基于等离子体的处理系统的某些部件而引起的EMC故障、干扰问题和功率损耗问题。

现在参考图1，示出了基于等离子体的处理室的简化示例。图1被示出为包括基于等离子体的处理室101A，在该等离子体处理室101A中设置有喷淋头电极103和衬底支撑组件107A。典型地，衬底支撑组件107A提供基本等温的表面，并且可以用作衬底105的加热元件和散热器。衬底支撑组件107A可以包括ESC，在该ESC中包括加热元件以如上所述帮助处理衬底105。如本领域普通技术人员所理解的，衬底105可以是包括元素半导体(例如，硅或锗)的晶片，包括化合物元素[例如，砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)]的晶片，或本领域已知的各种其他衬底类型(包括导电、半导电和非导电衬底)。

在操作中，衬底105通过装载端口109被装载到衬底支撑组件107A上。气体管线113将一种或多种处理气体供应到喷淋头电极103。喷淋头电极103又将一种或多种处理气体输送到基于等离子体的处理室101A中。供应一种或多种处理气体的气体源111耦合到气体管线113。RF电源115耦合到喷淋头电极103。

在操作中，基于等离子的处理室101A由真空泵117抽空。RF功率电容性地耦合在喷淋头电极103和包含在衬底支撑组件107A之内或之上的下部电极(未明确示出)之间。通常向衬底支撑组件107A供应两个或更多个RF频率。例如，在各种实施方式中，RF频率可以从大约1MHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、60MHz和所期望的其他频率中的至少一个频率中选择。然而，在阅读和理解本文提供的公开内容之后，本领域普通技术人员将认识到，可以根据需要设计阻挡或部分阻挡特定RF频率所需的线圈。因此，仅出于易于理解的目的提供本文讨论的特定频率。RF功率用于在衬底105和喷淋头电极103之间的空间中将一种或多种处理气体激励成等离子体。如相关领域中已知的，等离子体可以帮助在衬底105上沉积各种层(未示出)。在其他应用中，等离子体可用于将器件特征蚀刻到衬底105上的各种层中。如上所述，衬底支撑组件107A可以将加热器(未示出)并入其中。本领域普通技术人员将认识到，尽管基于等离子体的处理室101A的详细设计可以变化，但是RF功率至少通过衬底支撑组件107A耦合。

现在参考图2，示出了图1的基于等离子体的处理系统的几个部件的三维(3D)表示。图1的基于等离子体的处理室101A的室部分101B被示出为包括RF滤波器外壳201、交流电(AC)连接器203、电力电缆205和RF功率馈送电缆207。还示出了图1的衬底支撑组件107A的最上部107B。如上所述，衬底支撑组件107A可以包括ESC。

在各种实施方式中，ESC可以是能够在衬底支撑组件107A的最上部107B上的两个区域中进行可调谐温度控制的可调谐ESC(TESC)。可以通过使用两个电加热元件(在图1的衬底支撑组件107A中以虚线示出)来实现ESC的温度调谐能力，所述两个电加热元件被嵌入在ESC的最上部下方并且靠近衬底105。对于两区域TESC的情况，两个区域中的每个区域都使用一个电加热元件。

可以通过交流电(AC)为电加热元件供电，该交流电(AC)由AC电源(图中未示出)通过穿过RF滤波器外壳201的交流电连接器203以及电力电缆205供应。RF滤波器外壳201还包含RF滤波器(在图2中未示出，但是在下面参考图3和4进行了详细描述)，以防止或减少RF功率被输送到电加热元件。每个电加热元件的温度可以通过本领域公知的技术来控制。

同时参考图1和图2，在基于等离子体的处理室101A的操作期间，RF功率通过RF功率馈送电缆207(图1中未示出)被供应到衬底支撑组件107A(ESC)，并从RF电源115被供应到喷淋头电极103。因此，ESC用作下部电极。在衬底105上方于衬底105和喷淋头电极103之间设置等势场线。在等离子体处理期间，正离子加速穿过等势场线而撞击在衬底105的表面上，从而提供所需的蚀刻效果，例如改进蚀刻方向性(本领域普通技术人员将认识到与蚀刻相反，膜沉积所需的任何适当的修改)。

现在参考图3，示出了四个堆叠的螺旋RF滤波器300的3D表示。放大z轴以显示接连的螺旋之间的连接。图3示出为包括第一螺旋RF滤波器301A、第二螺旋RF滤波器301B、第三螺旋RF滤波器301C和第四螺旋RF滤波器301D。螺旋RF滤波器中的每一个基本上是平面的，并且基本上平行于随后的一个RF滤波器。例如，在一个实施方式中，“基本上是平面的”和“基本上平行于”可以解释为意味着螺旋RF滤波器内部以及滤波器之间的元件相对于彼此分别在约0°至约5°的范围内。在各种实施方式中，“基本上是平面的”和“基本上平行于”可以解释为意味着螺旋RF滤波器内部和滤波器之间的元件相对于彼此分别在约0°至约10°的范围内。在各种实施方式中，“基本上是平面的”和“基本上平行于”可以解释为意味着螺旋RF滤波器内部和滤波器之间的元件相对于彼此分别在约0°至约30°的范围内。基于本文提供的公开内容，技术人员将认识到术语“基本上是平面的”和“基本上平行于”的适当含义。此外，在阅读和理解本文中提供的公开内容之后，技术人员将认识到，可以利用更多的螺旋RF滤波器或更少的螺旋RF滤波器，具体取决于适合于给定情况和设计参数的总阻抗值。

如下面更详细地描述的，螺旋RF滤波器301A至301D中的每一个在螺旋的内侧边缘或螺旋的外侧边缘上交替地耦合到接连的螺旋RF滤波器。例如，第一螺旋RF滤波器301A在内侧边缘303A上连接至第二螺旋RF滤波器301B，第二螺旋RF滤波器301B在外侧边缘303B上连接至第三螺旋RF滤波器301C，并且第三螺旋RF滤波器301C在内侧边缘303C上连接至第四螺旋RF滤波器301D。因此，四个堆叠的螺旋RF滤波器300在彼此的顶部堆叠。如下面更详细说明的，这种布置提供了一种紧凑的解决方案，该解决方案还提供了足够的电感来阻挡低频RF功率。

继续参考图3，交替的内侧到内侧和外侧到外侧连接303A-303C用于提供相长干扰的磁路，从而增加了线圈的总电感。如本文所使用的，线圈可以被认为与螺旋RF滤波器相同。如果不采用如图3的连接303A-303C中所示的布置，则所得的配置可以抵消磁场的至少一部分，从而增加涡流损耗，并减小线圈的总电感。然而，在各种实施方式中，尽管未明确示出，但对于本领域普通技术人员而言容易理解的是，可以通过仅在相同方向上(例如，顺时针或逆时针)缠绕螺旋的交替层来实现线圈之间的相长干涉。因此，螺旋的相邻层在彼此相反的方向上缠绕。然后，将螺旋例如从第一线圈的内侧端子连接至下一线圈的外侧端子，依此类推。总体而言，可以基于工作频率来设计螺旋RF滤波器的数量。

在各种实施方式中，各种螺旋RF滤波器中的每一个可以采取不同的形式。例如，可以缠绕螺旋，使得从螺旋的一部分到螺旋的相邻部分的螺距(pitch)可以基本恒定(例如，具有基本平行的曲线)。在其他实施方式中，螺旋可以被缠绕成使得螺距可以从螺旋的一部分到螺旋的相邻部分是可变的(例如，增大或减小或它们的某种组合)。在其他实施方式中，可以考虑接连螺旋的螺距中的其他几何变化(例如，阿基米德螺旋的近似)。

同样，在各种实施方式中，可以调节各个螺旋RF滤波器中的相邻的螺旋RF滤波器之间的z间距(例如，参考图3)，以改变堆叠的螺旋RF滤波器的总电感值。除了改变该间距以设计具有期望的电特性的RF滤波器之外，可以调节该间距以适应物理参数，例如冷却要求。相邻的螺旋RF滤波器之间的较大间距，或者从螺旋RF滤波器中的一个线圈部分到另一个线圈部分的较大螺距可允许增加冷却(例如，通过将被动或强制空气移动穿过线圈以增加对流冷却)。

在阅读并理解了本文提供的公开内容之后，本领域普通技术人员将认识到，对于给定的一组电参数，例如电压、电流以及因此在螺旋RF滤波器内承载的总功率，可以选择电线(wire)，以及形成该电线的材料的规格(gauge)。例如，总尺寸为14规格的铜线可能足以处理15安培的电流，但对于30安培的电流，可能需要10规格的线(总尺寸)，而对于50安培的电流，可能需要6规格的线(总尺寸)。另外，对于给定的滤波器设计，每个螺旋的电线数量(例如，绞线形成技术)可以改变。这种绞线形成技术在本领域中是已知的。

在各种实施方式中，每根单独的电线可以涂覆有绝缘材料，例如形成在电线上的涂层。这样的涂层在本领域中是已知的。

在阅读和理解本文提供的公开内容之后，本领域普通技术人员将认识到，对于给定的形状因数(整体物理尺寸或长宽比)，基于等离子体的处理系统内的功率水平、系统所采用的一个或多个频率、上述变量(例如，尺寸、螺距、材料等)中的各种变量可以针对期望的设计进行改变。

因此，RF滤波器的各种实施方式可以传输AC功率以为电加热元件供电。RF滤波器还可以尽可能减少或者阻挡RF功率从ESC传输到基于等离子体的处理室101A(参见图1)之外的其他组件，以减少或尽可能减少上述EMC故障问题、干扰问题和功率损耗问题。

所公开的主题是对本领域中公知的各种技术[例如非螺旋(即，传统)螺线管]的重大改进。但是，这些技术以前并未作为紧凑的形状因数应用于高功率域中的高功率等离子体处理系统。此外，本领域中采用的各种形式的线圈未能识别出交替的内到内和外到外连接303A至303C，以提供如本文所公开的相长干扰的磁路。因此，一个平面线圈的内部(例如，连接点)连接至相邻线圈的内部，后续线圈的外部连接至后续平面线圈的外部，依此类推。因此，从线圈的给定端部的角度来看，每个平面线圈沿相同的方向缠绕[例如，全部沿顺时针方向缠绕或全部沿逆时针方向(逆时针地)缠绕]。总的来说，可以在相对较小的体积内实现显著较高的电感量。

现在参考图4，示出了滤波器模型400的剖面3D表示的示例，该滤波器模型400采用根据图3的示例所述的堆叠的螺旋RF滤波器。图4所示的滤波器模型400在这种线圈的帮助下能够过滤高频RF信号(例如，从约4MHz到约100MHz)和低频RF信号(例如，从约100kHz到约3MHz)RF功率。示出的滤波器模型400包括第一滤波器外壳体积410、第二滤波器外壳体积420和位于第一和第二(即，分别是低频和高频)外壳体积410、420之间的分隔壁401。第一滤波器外壳体积410具有容纳在其中的堆叠的螺旋RF滤波器403。根据图3和上面的随附描述，堆叠的螺旋RF滤波器403具有堆叠螺旋线圈的“n”个层(其中n是大于或等于“1”的整数)。第二滤波器外壳体积420具有容纳在其中的传统RF滤波器(例如螺线管)405。

图5示出了根据图4的滤波器模型的双频RF滤波器的归一化幅度阻抗响应图500的示例。纵坐标轴上的归一化的阻抗幅度被显示为横坐标上的归一化频率的函数。归一化幅度阻抗响应图500示出了低频分量响应曲线部分501的阻抗和高频分量响应曲线部分503的阻抗，两者均作为归一化频率的函数。归一化幅度阻抗响应图500表示在两个频率下都具有高度有利的RF抑制性能，同时保持了对特定外壳的形状装配功能要求，如图4的示例中所示。

如上所讨论，归一化幅度阻抗响应图500的纵坐标轴和横坐标分别关于阻抗和频率被归一化。在特定的示例性实施方式中，阻抗的幅度可以在约500欧姆和约10千欧姆的范围内，具体取决于RF滤波器的实际实现方式。

如上所讨论，用于设计用于多通道操作的RF滤波器的另一个因素还取决于绞线技术的特定实现方式。在平衡通道间电感幅度时，绞线技术的实现方式可以作为考虑因素。关于上文参考图3所示和所述的堆叠的螺旋RF滤波器，在通道之间获得良好的互感允许将线圈电感视为一个绕组，而不是几个并联电耦合的独立通道。良好的互感还可以减少或尽可能减少不希望的寄生谐振。寄生谐振可能使RF滤波器在生成等离子或谐波/互调失真(IMD)的系统中效率降低或出现问题。

总体而言，所公开的主题相对于当代RF滤波器设计具有许多优点。优点包括，例如：(1)不必依赖铁磁材料芯，从而消除或减少了芯饱和问题，以及从一个制造单元到下一个制造单元的可重复性更好；(2)可以在某些设计中实现一种或多种铁磁材料的组合；(3)即使与高功率解决方案结合使用(即使以空芯设计实现)也具有紧凑的设计(例如，小的形状因数以适合现有的RF滤波器外壳)；以及(4)空芯设计通过空气冷却实现了有效的对流热传递，以减少或消除由螺旋中电线的电阻加热导致的热量。

因此，堆叠在彼此顶部的螺旋(例如，基本上平面的螺旋形)是一种紧凑的解决方案，其还提供了足够的电感来阻挡低频RF功率。螺旋从内到外交替连接(见图3)，以提供如上所述增加螺旋总电感的相长干扰的磁路。螺旋层的数量可以基于操作频率进行设计。螺旋RF滤波器结构的长宽比可以设计为适合于特定的物理和电气考虑。如本文所述，RF滤波器的设计取决于许多因素，包括例如功率处理能力、线电流处理能力、工作频率、可容忍的RF寄生效应、高电压准则以及散热要求。该RF滤波器的设计可以将螺线管线圈设计的公知标准公式用作起点，但是由于RF滤波器是定制设计，因此不必遵循这些标准公式。这样，本文所述的RF滤波器可以用于半导体资本设备的RF子系统开发中，并且可以遵循本文所讨论的一组复杂的射频、机械、形状装配功能和高电压准则。此外，本文描述的RF滤波器也可以与铁磁材料组合使用，该铁磁材料包括NiZn、MnZn、MgZn、NiMg的铁氧体；钢筋；铁粉；和本领域已知的其他材料；或者其组合，以用于特定设计。

因此，以上描述包括体现所公开的主题的说明性示例、装置、系统和方法。在该描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对所公开的主题的各种实施方式的理解。然而，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践该主题的各种实施方式。此外，未详细示出公知的结构、材料和技术，以免使各种示出的实施方式模糊不清。

如本文所用，术语“或”可以以包含或排他的含义来阐释。此外，本领域普通技术人员在阅读和理解所提供的公开内容之后将理解其他实施方式。此外，在阅读和理解本文提供的公开内容之后，本领域普通技术人员将容易理解，本文提供的技术和示例的各种组合可以全部以各种组合加以应用。

尽管单独讨论了各种实施方式，但是这些单独的实施方式不旨在被认为是独立的技术或设计。如上所述，各个部分中的每个可以是相互关联的，并且每个可以单独使用或与本文讨论的其他颗粒物传感器校准系统实施方式结合使用。

因此，可以做出许多修改和变化，这对于阅读和理解了本文所提供的公开内容的本领域普通技术人员来说将是显而易见的。除了本文列举的方法和装置之外，在本公开的范围内的功能等效的方法和设备根据前述描述对于本领域技术人员来说将是显而易见的。一些实施方式的部分和特征可以被包括在其他实施方式的部分和特征中，或者被其替代。这样的修改和变化旨在落入所附权利要求的范围内。因此，本公开仅由所附权利要求的术语以及这些权利要求所赋予的等同物的完整范围来限制。还应理解，本文使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而无意于进行限制。

提供本公开的摘要以使得读者能够快速地确定本技术公开的性质。提交摘要时应理解为该摘要不会用于解释或限制权利要求。另外，在前面的发明详述中，可以看出，出于简化本公开的目的，可以在单个实施方式中将各种特征分组在一起。本公开的方法不应被解释为限制权利要求。因此，以下权利要求特此并入发明详述中，其中每个权利要求作为单独的实施方式独立存在。