CN101043786A - 凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备 - Google Patents

Abstract

凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，包括：提供放电气体和等离子体与加工器件反应场所的反应室、放置在反应室内的至少一个凹腔型线圈天线、连在凹腔型线圈天线两端的射频RF电源；所述的凹腔型线圈天线为至少一个棒状凹腔型线圈天线或环状凹腔型线圈天线构成，每个凹腔型线圈天线由不同RF电源分别供电，或由同一个RF电源一起供电。本发明能够在较高气压下产生高密度，大面积均匀等离子体。

Description

凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备

技术领域

本发明涉及一类用于产生等离子体的设备，特别是一种具有凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，该设备运用电磁感应原理，通过线圈天线产生感应耦合等离子体，尤其能产生高密度、大面积、均匀等离子体。

背景技术

等离子体在工业表面处理及微电子刻蚀等行业具有广泛应用。在诸多等离子体的产生方式中，感应耦合等离子体(ICP，Inductively CoupledPlasma)是实际应用最为广泛的方式之一。这种放电方式得到的等离子体密度为10¹⁶m^-3～10¹⁷m^-3、电子温度为2～4eV、直径可达30cm。因为在较宽的压强范围内(1～40Pa)易于获得大口径，高密度的等离子体，所以ICP近年来被广泛地应用于等离子体加工工艺，但随着对生产加工效率的要求不断提高，密度更高，口径更大更均匀的感应耦合等离子体发生设备将是今后等离子体加工工业的重要发展方向之一。

感应耦合等离子体发生设备主要部分包括：用于放电产生等离子体的线圈天线、用于提供放电气体和等离子体与加工器件反应场所的反应室系统、用于提供能源的射频电源及匹配网络，其中放电线圈天线的形状和位置决定了放电产生的等离子体的密度和位型，所以人们常根据线圈天线和绝缘窗口的形状和位置的不同，将感应耦合等离子体发生设备分为三类：圆柱型、平面型和凹腔型，如图1～3所示。

圆柱型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备是最古老、简单和常用的一种电感耦合等离子体结构，如图1所示，线圈天线均匀的缠绕在反应室的侧壁形成柱状位型，等离子体在线圈天线缠绕所形成的圆柱体内产生并向下扩散或漂移，从而到达反应台与待加工器件发生反应。

平面型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备是二十世纪90年代初才发展起来的新型感应耦合等离子体放电结构，如J.H.Keller，J.C.Forster，and M.S.Barnes，“Novel radiofrequency induction plasma processingtechniques”J.Vac.Sci.Technol，vol.11，no.5，p.2487，1993.所报道的，如图2所示，线圈天线盘绕在反应室的上盖上，等离子体在反应室内贴近上盖处产生，并扩散或漂移到达反应台。这种位型由于可以实现线圈和基片之间近距离耦合，因此它非常适合用于半导体刻蚀。

凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备是将线圈天线缠绕成小而密的棒状结构，放置在凹陷的绝缘窗口内，如图3所示。等离子体在凹陷的绝缘窗口附近产生，通过扩散或漂移到达反应室的其他地方。由于线圈天线较小，产生的等离子体的面积和密度均匀性还无法达到加工工艺的要求，但由于其简单小巧的结构，多被用于照明工业，如G.G.Lister，J.E.Lawler，W.P.Lapatovich，and V.A.Godyak，“The physics of discharge lamps”Rev.Mod.Phys.，vol.76，no.2，p.541，2004.所报道的。

随着对等离子体加工工艺的要求不断提高，感应耦合等离子体发生设备的放电线圈天线也在不断的改进，图5～10给出的是近年来专利中公开的一些改良型放电线圈天线。图4是传统的平面型线圈天线，它的形状如常用的蚊香一样。图5是在美国专利第5,346,578中公开的线圈天线，该天线包括用于反应室42的半球形上盖44，以及围绕上盖44缠绕成拱顶形的螺旋线圈40。图6是在美国专利第5,401,350中公开的线圈天线，该天线包括形成在反应室52顶面上的螺旋线圈天线50a和围绕反应室52的外侧臂缠绕的螺线管型天线50b。图7是在美国专利第6,291,793中公开的多重并联线圈天线60，该天线包括多个并联分支的螺线管62，64和66。图8是在美国专利第6,288,493中公开的线圈天线70，该天线包括多个并联分支的圆形线圈71、72、73和74，以及连接到多个圆形线圈上以便在圆形线圈71、72、73和74之间产生LC谐振的可变电容76。图9是在中国专利公开号为CN1537405A中公开的一种线圈天线结构，该天线包括两个环形天线10-10a、20-20a。图10是在中国专利公开号为CN1498057A中公开的曲折线圈天线结构其中的一种实施方案520，该天线包括一个圆形线圈522，两个曲折线圈524、526，它与射频源532、匹配网络530和并联电容534相联。

以上几种改良型线圈天线可以看作是圆柱形和平面型线圈天线的混合或改良，它们都能使感应耦合等离子体的面积和密度均匀性得到改善。但是，除了分别有着各自的不足外，它们还存在着一个共同的缺点：等离子体的密度不够高，在10¹⁶m^-3～10¹⁷m^-3范围内。这是由于为了保证等离子体密度的均匀性，放电气体的气压常常较低(0.1pa～1pa)，在这种气压下要想得到高密度等离子体很难；而最利于ICP放电的气压范围在百帕量级，能得到密度在10¹⁸m^-3～10¹⁹m^-3范围的等离子体，但此时密度均匀性由于圆柱型和平板型的结构和尺寸限制很难保证。相反，凹腔型线圈天线由于其简单小巧的结构，可以灵活的组合和变形，所以，如果能找到一种能解决凹腔型线圈天线的面积和密度均匀性问题的方法，这种线圈天线结构能用于制造更先进的等离子体发生设备。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一类凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体(ICP)发生设备，该设备包含多个凹腔型线圈天线，或包含一个或多个环状凹腔型线圈天线，它能够在较高气压下产生高密度，大面积均匀等离子体。

本发明的技术解决方案：凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体(ICP)发生设备包括：提供放电气体和等离子体与加工器件反应场所的反应室、放置在反应室内的凹腔型线圈天线、连在凹腔型线圈天线两端的射频(RF)电源，其中凹腔型线圈天线可以为多个凹腔型线圈天线构成，也可以由一个或多个环状凹腔型线圈天线构成，每个凹腔型线圈天线可以由不同RF电源分别供电，也可以由同一个RF电源一起供电。

所述的凹腔型线圈天线的结构由内而外分别为磁芯、螺旋环绕磁芯的线圈、绝缘层，绝缘层内为大气压环境，玻璃管外为放电室的工作气体环境(等离子体区)，其中磁芯是为了增强放电的目的而加入，在有些情况下也可以省略。另外，在线圈和磁芯发热较为严重的情况下亦可在磁芯中加入冷却的结构。环状凹腔型线圈天线可以看作是几个凹腔型线圈天线首尾相连成一个环：它们的线圈可以以并联或串联的方式接入电路，也可以分别由不同的RF电源供电；它们可以共用一个磁芯，也可以分别拥有各自的磁芯。

本发明的原理：本发明以实验中观察到的ICP放电中的密度线性迭加和密度相干增强等机制为基础，能在较高气压下产生高密度，大面积均匀等离子体，解决了目前射频耦合等离子体应用中的高密度和密度均匀性之间的矛盾，提供了可用面积和密度均匀性可扩展的方法。

附图说明

图1为圆柱型电感耦合等离子体放电形式；

图2为平面型电感耦合等离子体放电形式；

图3为凹腔型电感耦合等离子体放电形式；

图4为现有的ICP设备中的线圈天线；

图5为现有的改进型天线1；

图6为现有的改进型天线2；

图7为现有的改进型天线3；

图8为现有的改进型天线4；

图9为现有的改进型天线5；

图10为现有的改进型天线6；

图11为本发明的第一实施例的结构示意图；

图12为传统凹腔型放电线圈；

图13为在大气压300pa下，氩气放电中ICP放电单元性质；(a)射频电场强度分布；(b)等离子体密度分布；(c)电子温度分布；(d)扩散项(绝对值)和两体复合项分布；

图14为迭加位形；

图15为d＝7cm时等离子体密度n_e1、n_e2和n_et的分布，作为比较，n_e1+n_e2也同时画出；

图16为d＝16.3cm时等离子体密度n_e1、n_e2和n_et的分布，作为比较，n_e1+n_e2也同时画出；

图17为在400pa下密度相干增强峰值点处4个放电源同时工作时的等离子密度；

图18为在400pa下基于电离相干增强原理的较大面积、密度均匀等离子体的构造；

图19为发明的径向距离确定方法；

图20为本发明的第二实施例结构示意图；

图21为发明的第二实施例的天线结构示意图；

图22为发明的第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

将根据图11到22描述根据本发明的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体(ICP)发生设备的示例性实施例。

图11是根据本发明第一实施例的凹腔型线圈天线的ICP发生设备的分解透视图。它是半导体制造设备，用于精加工衬底，例如利用多个118所示的凹腔型线圈天线共同产生的等离子体刻蚀或沉积晶片W上的特定材料。

如图11所示，ICP发生装置包括反应室111，是用于产生等离子体的空间。为了保持反应室111内部的真空状态，在反应室111的底部开有真空抽气口116，且该抽气口116与真空泵117相连。待加工工件W由位于反应室111底部的静电卡盘112支撑。RF电源121连接到静电卡盘112上，以提供偏置电压，从而使反应室111内产生的等离子体的离子能够以足够高的能量与待加工物W的表面碰撞。气体供给口113位于反应室111的侧壁处，以便将反应气体供给到反应室111，可以在反应室111之内设置多个连接到气体供给口113上的气体配送口114。

上盖115被开出环绕圆周的圆孔，圆孔内放置凹腔型线圈天线118，凹腔型线圈天线118被石英玻璃管120所围绕，以保证真空室与天线之间的真空隔离，即玻璃管内部与大气连通，而玻璃管外部为真空室内的气压。凹腔型线圈天线118与射频电源119连接以在凹腔型线圈天线118中产生电流并最终在反应室111内产生等离子体。每个凹腔型线圈天线118可以采用单独供电的方式，也可采用一个射频电源同时供电的方式。

凹腔型线圈天线118的结构为如图12所示的传统凹腔放电线圈天线结构。天线到反应室中心的距离和天线的个数，要运用等离子体密度线性迭加和密度相干增强的机制，根据实际要求来确定(在图11所示的示例中采用了16个完全相同的天线)。

当凹腔型线圈天线118通以射频电流时，石英玻璃管外的区域将会产生击穿放电并产生等离子体。等离子体区域的射频电场强度、等离子体密度和温度的径向分布如图13所示。从图中可以看出，虽然等离子体峰值密度较高，但是因为射频电场的趋肤效应，电场在径向很快衰减，等离子体密度也随之很快衰减，均匀性较差。所以凹腔型线圈天线不适合于等离子体加工工业。

然而，由于凹腔放电等离子体在一定条件下具有良好的可迭加性质，当工作区域内同时存在多个上述的天线单元时，在一定条件下总的等离子体密度基本等于各放电单元单独放电时的密度简单相加。图15所示为工作区域内同时存在两个天线单元(图14)时的等离子体密度。图中n_e1和n_e2分别为天线单元1和天线单元2单独放电时的等离子体密度、n_et为两放电单元同时放电时的等离子体密度。可以看出，n_et＝n_e1+n_e2的密度线性迭加关系近似成立，这种密度的线性迭加性质为等离子体密度均匀性的提高提供了一种途径。

进一步，当放电单元之间的位置关系满足一定条件时，将会产生如图16所示的等离子体密度相干增强现象，即n_et＞n_e1+n_e2。定义密度增强系数 $R=n_{\mathrm{et}}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{\mathrm{ei}},$ 其中N为放电天线单元数目，n_ei为第i个放电天线单元单独放电时的等离子体密度。在放电增强效果最为显著时的密度增强系数与放电单元数目存在如图17所示的关系，即R＝N。这种放电增强现象在低密度区域较为明显，而在较高密度时几乎不发生，从而退化到线性迭加现象。因此利用该性质可以较好地改善等离子体密度均匀性。

利用以上所述的密度线性迭加原理和密度的相干增强原理，可以利用多个放电天线单元构造大面积、密度均匀等离子体。如图18为利用四个放电天线单元构造大面积、密度均匀等离子体的实例。可以看到，在放电系统的对称中心附近，也就是

最低的位置处，密度的相干增强效果最为明显。较

增强了约4倍，即而较单源放电时的密度n_ei增强了约16倍，也就是一个量级以上。系统内四个放电线圈同时工作时的等离子密度分布n_et在从-7cm至7cm的范围内密度变化范围约为1×10¹⁹m^-3到2×10¹⁹m^-3之间，而电子温度的变化范围在1.1eV到1.2eV之间。换言之，利用四个放电天线单元可以在工作气压为400pa的氩气放电中得到了尺度约为14cm，密度变化范围在50％以内，温度变化在10％以内的较大面积、密度和温度较为均匀的等离子体。

可以看到，随着放电天线单元数目的增多，等离子体不仅密度叠加的很高，而且密度和温度的均匀性都得到进一步改善。因此在具体应用中可以视需要而增加放电天线单元数目，使等离子体的密度均匀性达到一定的要求。

根据上面所述的等离子体密度线性迭加和密度相干增强的机制来确定天线到反应室中心的距R，其决定方法如下，首先对单个天线放电时的等离子体密度进行测量，得到如图19所示的径向密度分布，并将其密度分布曲线用半对数坐标下的两条直线(line1、line2)进行拟合。确定第一条直线line1开始和结束的点A、B和第二条直线开始的点C。若只利用等离子体的线性迭加关系构造均匀等离子体，则只需要求满足条件R_A＜R＜R_B即可，其中R_A和R_B分别为A点和B点所代表的半径值。若要利用等离子体的相干增强原理构造更大面积的均匀等离子体，则要求R_B＜R＜R_C，并且R要尽量接近R_C，因为此时增强效果最佳。其中R_C为C点所代表的半径值。

一种更为简单的方法是首先确定反应室中心的距离R的粗略值和天线的个数，然后在具体应用中同步地调整多个放电天线的放电电压，以达到工作区内等离子体密度的最佳均匀性。

本发明第二实施例如图20所示。ICP发生装置包括反应室122，是用于产生等离子体的空间。为了保持反应室122内部的真空状态，在反应室12的底部开有真空抽气口127，且该抽气口127与真空泵128相连。待加工工件W由位于反应室122底部的静电卡盘123支撑。RF电源132连接到静电卡盘123上，以提供偏置电压，从而使反应室122内产生的等离子体的离子能够以足够高的能量与待加工物W的表面碰撞。气体供给口124位于反应室122的侧壁处，以便将反应气体供给到反应室122。可以在反应室122之内设置多个连接到气体供给口124上的气体配送口125。上盖为126。

环状凹腔型线圈天线129不同于第一实施例中天线垂直于待加工工件平面的结构，在图20中环绕等离子体区域且平行于待加工工件表面的圆周，同时被石英玻璃管130所围绕，以保证真空室与天线之间的真空隔离。亦即玻璃管内部与大气连通，而玻璃管外部为真空室内的气压。天线与射频电源131连接。

第二实施例的环状凹腔型线圈天线129的结构如图21所示，其中133为磁芯或仅为固定天线所用的圆环；134为螺旋线圈；135为真空隔离用石英玻璃管；136为射频电源。整个圆周的长度可以只使用一根放电线圈天线(如图中所示)也可以由圆周上不同段的几根线圈天线并联所组成，其磁芯可以只使用一根也可以用多段磁芯分别用于不同的线圈天线，其射频电源可以只用一个(如图中所示)也可以用多个分别用于不同的线圈天线。

在这种结构下，工作区同样由射频线圈天线所环绕，当只存在一根放电线圈天线时，所产生的等离子体密度由同一线圈天线的不同部分所产生的等离子体线性迭加或产生放电增强而得到；当圆周上存在多段的线圈天线时，所产生得等离子体密度由多根线圈天线所产生的等离子体线性迭加或产生放电增强而得到。

本发明第三实施例如图22所示。其结构与第二实施例基本相同，不同的是拥有多个环状凹腔型线圈天线(图中为两个)，每个线圈天线可以以串联或并联方式(图中为并联)共享一个射频电源，也可以拥有各自的电源。这种结构根据上面所述的等离子体密度线性迭加和密度相干增强的机制不仅能够在二维空间，更能在三维空间上，提高等离子体的密度，改善等离子体的均匀性。

如上所述，本发明的感应耦合等离子体(ICP)发生设备，利用ICP放电中的等离子体密度线性迭加和密度相干增强的机制，使用多个凹腔型线圈天线或环状凹腔型线圈天线，解决了目前射频耦合等离子体应用中的高密度和密度均匀性之间的矛盾，在较高气压下产生高密度，大面积均匀等离子体，并且提供了可用面积和密度均匀性可扩展的方法。

虽然本发明已经具体示出并其优选实施例加以描述，本领域技术人员应该理解到在不背离由所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围前提下，可以对本发明进行各种形式和细节上的变动。

Claims (20)

1、凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于包括：提供放电气体和等离子体与加工器件反应场所的反应室、放置在反应室内的至少一个凹腔型线圈天线、连在凹腔型线圈天线两端的射频RF电源。

2、根据权利要求1所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的凹腔型线圈天线为至少一个棒状凹腔型线圈天线或环状凹腔型线圈天线构成。

3、根据权利要求1或2所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的每个凹腔型线圈天线由不同RF电源分别供电，或由同一个RF电源一起供电。

4、根据权利要求1所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的凹腔型线圈天线由内而外分别为磁芯、螺旋环绕磁芯的线圈、绝缘层，绝缘层内为大气压环境，玻璃管外为放电室的工作气体环境即等离子体区。

5、根据权利要求1所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的凹腔型线圈天线由内而外分别为螺旋环绕的线圈、绝缘层，绝缘层内为大气压环境，玻璃管外为放电室的工作气体环境即等离子体区。

6、根据权利要求4或5所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：在所述的凹腔型线圈天线中的线圈和磁芯发热严重时，在磁芯中加入冷却的结构。

7、根据权利要求4或5所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：在大于一个凹腔型线圈天线时，可以共用一个磁芯，也可以分别拥有各自的磁芯。

8、根据权利要求6所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：在大于一个凹腔型线圈天线时，可以共用一个磁芯，也可以分别拥有各自的磁芯。

9、凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：包括反应室，是用于产生等离子体的空间；为了保持反应室内部的真空状态，在反应室的底部开有真空抽气口，且该抽气口与真空泵相连；待加工工件由位于反应室底部的静电卡盘支撑；RF电源连接到静电卡盘上，以提供偏置电压，从而使反应室内产生的等离子体的离子能够以足够高的能量与待加工物的表面碰撞；气体供给口位于反应室的侧壁处，以便将反应气体供给到反应室，可以在反应室之内设置多个连接到气体供给口上的气体配送口；上盖被开出环绕圆周的圆孔，圆孔内放置凹腔型线圈天线；凹腔型线圈天线被石英玻璃管所围绕，以保证真空室与天线之间的真空隔离，即玻璃管内部与大气连通，而玻璃管外部为真空室内的气压；凹腔型线圈天线与RF电源连接以在凹腔型线圈天线中产生电流并最终在反应室内产生等离子体。

10、根据权利要求9所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的凹腔型线圈天线为至少一个棒状凹腔型线圈天线构成。

11、根据权利要求9或10所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：棒状凹腔型线圈天线环绕反应室底部的静电卡盘放置。

12、根据权利要求9或10所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的每个天线可以采用单独供电的方式，也可采用一个射频电源同时供电的方式。

13、凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：包括反应室，是用于产生等离子体的空间，为了保持反应室内部的真空状态，在反应室的底部开有真空抽气口，且该抽气口与真空泵相连，待加工工件由位于反应室底部的静电卡盘支撑；RF电源连接到静电卡盘上，以提供偏置电压，从而使反应室内产生的等离子体的离子能够以足够高的能量与待加工物的表面碰撞；气体供给口位于反应室的侧壁处，以便将反应气体供给到反应室，可以在反应室之内设置多个连接到气体供给口上的气体配送口；环状凹腔型线圈天线环绕等离子体区域且平行于待加工工件表面的圆周，同时被石英玻璃管所围绕，以保证真空室与天线之间的真空隔离，即玻璃管内部与大气连通，而玻璃管外部为真空室内的气压，凹腔型线圈天线与射频电源连接。

14、根据权利要求13所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的环状凹腔型线圈天线为一个或一个以上组合。

15、根据权利要求13或14所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的环状凹腔型线圈天线平行于反应室底部的静电卡盘表面放置且共轴。

16、根据权利要求13或14所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的环状凹腔型线圈天线由磁芯或为固定该天线所用的圆环构成，在磁芯外为螺旋线圈，最外层是用于真空隔离的石英玻璃管。

17、根据权利要求13或14所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的环状凹腔型线圈天线在整个圆周的长度上可以只使用一根放电线圈天线，也可以由圆周上不同段的几根线圈天线并联组成。

18、根据权利要求13或14所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的磁芯可以只使用一根，也可以用多段磁芯。

19、根据权利要求17所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：圆周上不同段的几根线圈天线可以并联方式共享一个射频电源，也可以拥有各自的电源。

20、根据权利要求14所述的凹腔型线圈天线的感应耦合等离子体发生设备，其特征在于：所述的一个以上环状凹腔型线圈天线可以以串联或并联方式共享一个射频电源，也可以拥有各自的电源。

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