CN101640091B - 电感耦合线圈及采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电感耦合线圈，其包括偶数个线圈绕组，所述线圈绕组成对设置，每一对所述线圈绕组中的两个线圈绕组形状相同并彼此并联，并且其中一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的中央位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处并串联有电抗模块；另一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的中央位置处并串联有电抗模块。此外，本发明还提供一种采用上述电感耦合线圈的等离子体处理装置。本发明提供的电感耦合线圈及等离子体处理装置能够容易地实现阻抗的共轭匹配，进而提高功率的吸收效率，并且使所产生的等离子体密度分布更为均匀，从而使被处理工件的加工/处理结果也更为均匀。

Description

电感耦合线圈及采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种电感耦合线圈以及一种采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置。 

背景技术

随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工/处理能力。目前，在半导体器件的加工/处理领域中，特别是在IC(Integrated circuit，集成电路)或MEMS(Micro ElectromechanicalSystem，微电子机械系统)器件的制造工艺中，常常需要用到诸如等离子体刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体处理技术，而这些技术通常都要借助于诸如等离子体刻蚀机等的等离子体处理装置来实现。 

因此，在半导体器件的加工/处理领域中，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体处理装置的工作性能就显得至关重要，尤其是针对大衬底的工作性能，这是因为，近年来晶片尺寸已从200mm增大到300mm。换言之，等离子体处理装置只有具备良好的工作性能，才能提高产率，以及提高制造高度集成器件的工艺能力。因此，在半导体器件的加工/处理领域中，增大等离子体点火窗口范围，保持较高的等离子体密度，进而提高晶片等半导体器件加工/处理工艺的均匀性就变得非常重要。 

目前，在半导体器件的加工/处理领域中已经使用的等离子体处理装置种类繁多，例如有电容耦合等离子体(CCP)类型的等离子体处理装置、电感耦合等离子体(ICP)类型的等离子体处理装置，以及电子回旋共振等离子体(ECR)类型的等离子体处理装置，等等。 

其中，电容耦合等离子体类型的等离子体处理装置借助于电容耦合的方式产生等离子体，其结构简单，造价低。然而在实际应用中， 这种类型的等离子体处理装置所产生的等离子体密度较低，难以满足实际工艺过程中等离子体加工/处理速率和产率的需求。 

至于电子回旋共振等离子体类型的等离子体处理装置，其可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体。然而在实际应用中，这种类型的等离子体处理装置需要引入外磁场，还需要配置微波管等器件，因而造价相对较高。 

鉴于此，电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置目前被广为采用。这种方式可以在较低工作气压下获得密度较高的等离子体，而且其结构简单，造价低。同时，这种类型的等离子体处理装置可以独立地对产生等离子体的射频源(其决定等离子体的密度)与基片台射频源(其决定入射到晶片上的粒子能量)进行控制。因而，这种类型的等离子体处理装置非常适于对金属和半导体等材料进行刻蚀等加工/处理。 

特别是，目前晶片的尺寸逐渐由200mm增大到300mm，而对于300mm的大尺寸晶片，电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置因其能够高密度和高均匀性地产生等离子体、且结构相对简单，而被认为是最佳的等离子体处理装置。 

请参阅图1，其中示出一种现有技术中常见的电感耦合等离子体处理装置。该装置通常包括反应腔室4、介质窗17、静电卡盘6和电感耦合线圈3。其中，静电卡盘6位于反应腔室4内，并且经由第二匹配器10而与射频源11相连。该静电卡盘6上设置有被加工/处理的晶片5。在反应腔室4的上方设置有介质窗17，电感耦合线圈3便置于该介质窗17上，并经由第一匹配器2而与射频源1相连。 

在半导体器件加工/处理过程中，进入反应腔室4的工艺气体被位于上方的电感耦合线圈3电离形成等离子体，以对晶片5等半导体器件表面材质进行诸如刻蚀等的加工/处理操作。同时，借助于分子泵(图未示)将反应后的气体从反应腔室4中抽出。 

在上述反应过程中，使气体产生电离而形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈3。如前所述，该线圈3经由第一匹配器2而与射频源1相连，射频源1用于提供射频电流。随着射频电流流入线圈3， 围绕线圈3而产生磁场，所述磁场是时间的函数，并且随着所述磁场的变化而在反应腔室4内感生出电场。同时，反应腔室4内的工艺气体因与通过感应电场而加速的电子发生碰撞而被离子化，这样，就可以在反应腔室4内产生等离子体。这种方式所产生的等离子体与晶片5等半导体器件的表面发生物理化学反应，以对晶片5等半导体器件进行诸如刻蚀等的加工/处理。 

另外，静电卡盘6经由第二匹配器10而与用于提供偏置电压的射频源11相连，以便增加等离子体与晶片5等半导体器件进行碰撞的能量。 

请参阅图2，其中示出了现有电感耦合等离子体处理装置中常采用的电感耦合线圈的结构。如图所示，现有的电感耦合线圈3通常包括两个并联且相互嵌套的螺旋线形线圈绕组：即，第一绕组31和第二绕组32，并且每一个螺旋线形线圈均为平面结构。其中，第一绕组31的输入端为M，输出端为N；第二绕组32的输入端为L，输出端为O。第一绕组31与第二绕组32彼此并联，并且输入端L、M与第一匹配器2的输出端相连，输出端N、O经由可调电容C3接地。 

事实上，电感耦合线圈3也可以包括更多个相互并联且彼此嵌套的线圈绕组而不必局限于图2所示的两个。并且电感耦合线圈3中的每一个绕组的形状也并不局限于图2所示的螺旋线，而是也可以为弧形线。 

在实际应用中，通过调整电容C3的值，可以使电感耦合线圈3的各个绕组中的电流在大致中间位置处幅度较大而在输入端和输出端附近幅度较小，即，上述各个绕组中的电流沿各绕组长度方向存在着一定的变化规律。 

下面参照图3以第一绕组31为例对绕组中的电流分布变化规律进行详细说明。 

图3中，横坐标z表示沿线圈长度的位置坐标，对于第一绕组31，M端即对应于z＝0的位置；纵坐标|I(z)|表示第一绕组31中的电流幅度。M为第一绕组31的输入端，N为第一绕组31的输出端，l表示第一绕组31的长度，l_e为可调电容C3等效为短路传输线的长度。 

对于图2所示的电感耦合线圈3，通过调节C3的值，可得到如图3所示的线圈电流幅度分布。也就是说，图2所示平面螺旋线形状的电感耦合线圈在反应腔室内的介质窗下方附近产生的电磁场和耦合的射频功率是不均匀的，具体表现为这样的情形：即，在腔室中心和边缘位置处所产生的感应电磁场和耦合的射频功率相对较小，在腔室中心和边缘之间一定半径的位置处所产生的感应电磁场和耦合的射频功率较强。磁场的大小及分布是由流经电感耦合线圈各个位置处的射频电流所产生的磁场的矢量和决定的，对于整个电感耦合线圈来说，仍会有电磁场和耦合的射频功率存在着环向最大的分布规律。然而在实际应用中，介质窗下方的感应电磁场和耦合的射频功率的分布直接决定着所产生的等离子体的分布。因此，采用图2所示电感耦合线圈会使介质窗下方所产生的等离子体呈现这样的分布规律：即，在反应腔室中心和边缘位置处的等离子体密度相对较低，而在偏离腔室中心一定半径的位置处的等离子体密度较大。 

特别是，伴随着诸如晶片等的处理工件的尺寸不断增大(目前已从200mm增大到300mm，乃至更大)，为保持满足工艺需求的大面积高密度等离子体，就需要增加线圈的长度和圈数，然而，线圈长度的增加会导致线圈电感的增加，过高的电感很难通过匹配器中的电容实现阻抗的最佳共轭匹配，从而会降低功率吸收效率，进而使得难以获得用于加工/处理的大面积高密度均匀分布的等离子体。 

因此，在实际工艺中，尽管等离子体可以从介质窗下方的产生区向所处理工件的表面以及腔室中心和边缘扩散，但是在一定的工艺范围内，仅通过扩散是很难在工件表面获得分布均匀的等离子体，这样便使得对晶片等处理工件的加工/处理过程存在中心部分处理慢、边缘部分处理得相对较快的问题，从而致使该处理工件的加工/处理结果不均匀。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电感耦合线圈，其能够产生大面积高密度均匀分布的等离子体，进而使得被处理工件的加工/处理结果也较为均匀。

此外，本发明还提供了一种应用上述电感耦合线圈的等离子体处理装置，其同样能够产生大面积高密度均匀分布的等离子体，并使被处理工件的加工/处理结果也较为均匀。 

为此，本发明提供了一种电感耦合线圈，其包括偶数个线圈绕组，所述线圈绕组成对设置，每一对所述线圈绕组中的两个线圈绕组相互嵌套并且形状相同并彼此并联，其中一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的中央位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处并串联有电抗模块，所述线圈绕组的电流腹点位于所述线圈绕组的输入端附近；另一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的中央位置处并串联有电抗模块，所述线圈绕组的电流腹点位于所述线圈绕组的输入端附近。 

其中，所述线圈绕组为平面结构。 

其中，所述线圈绕组为螺旋线的形状，所述螺旋线可以为阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线的形式。 

其中，所述线圈绕组为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸。 

其中，所述偶数个线圈绕组的形状全部相同，并相互嵌套。 

其中，所述电抗模块包括可调电容。 

其中，所述可调电容的一端连接相应线圈绕组的输出端，其另一端接地。 

作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供了一种等离子体处理装置，其包括反应腔室，所述反应室的上部设有介质窗，在所述介质窗的上方设置有本发明提供的如上所述的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈的第一端通过射频匹配器与射频电源连接，所述电感耦合线圈的第二端经由电抗模块接地，以便在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。 

其中，所述电抗模块包括可调电容。 

相对于现有技术，本发明具有下述有益效果： 

本发明提供的电感耦合线圈包括偶数个并联嵌套的线圈绕组，并且这些线圈绕组成对设置。对于每一个绕组，均有位于该电感耦合线圈中心位置处的内部端点和位于该电感耦合线圈边缘位置处的外部端点。若某一个绕组的内部端点为输入端，外部端点为输出端，则与之成对的绕组就会反之，即外部端点为输入端，内部端点为输出端。各线圈绕组的输入端通过匹配器与射频电源相连，各线圈绕组的输出端分别通过可调电容接地。通过调节与各线圈绕组串联的可变电容的值，可以使此线圈绕组中电流腹点(即电流的最大值)位于线圈绕组的输入端附近。因此，对于成对设置的两个线圈绕组而言，其中的一个线圈绕组的电流腹点位于该电感耦合线圈的中心位置处，另一个线圈绕组的电流腹点位于该电感耦合线圈的边缘位置处。这样，在该电感耦合线圈中的全部线圈绕组的共同作用下，电流幅度分布的均匀性得以提高，由此会使得电磁场和耦合的射频功率的分布更加均匀，从而也提高了等离子体密度分布的均匀性，进而能够提高工件的加工/处理质量。 

此外，由于成对设置的线圈绕组中电流流向是相反的，因而相对于电流流向相同的现有技术而言，本发明提供的电感耦合线圈降低了线圈电感，从而容易通过调节匹配器中的电容实现阻抗的共轭匹配，进而提高了功率的吸收效率。 

另外，由于本发明提供的等离子体处理装置采用了上述电感耦合线圈，因此，该等离子体处理装置同样具有上述特点：即，容易实现阻抗的共轭匹配，进而能够提高功率的吸收效率，并且使所产生的等离子体密度分布更为均匀，从而使被处理工件的加工/处理结果也更为均匀。 

附图说明

图1为现有技术提供的等离子体处理装置的原理示意图； 

图2为图1所采用的电感耦合线圈的原理示意图； 

图3为图2所示电感耦合线圈的电流分布变化规律示意图； 

图4为本发明第一实施例提供的电感耦合线圈的原理示意图； 

图5为图4所示电感耦合线圈的电流分布变化规律示意图；以及 

图6为本发明第二实施例提供的电感耦合线圈的原理示意图。 

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的电感耦合线圈以及采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置进行详细说明。 

请参阅图4，本发明第一实施例提供的电感耦合线圈4包括两个完全相同且彼此并联并相互嵌套的的螺线形线圈绕组(即，第一绕组41和第二绕组42)，其中的每一个螺旋线形线圈绕组均为平面结构。所述的第一绕组41的输入端为a，输出端为d；第二绕组42的输入端为c，输出端为b。第一绕组41的输入端a连接匹配器，第二绕组42的输入端c连接匹配器；第一绕组41的输出端d经由可调电容C3接地，第二绕组42的输出端b经由可调电容C4接地。由于端点a和b位于线圈的中心部分，故而称之为内部端点；类似地，由于端点c和d位于线圈的边缘部分，故而称之为外部端点。 

根据传输线理论，对于第一绕组41，可以通过调节电容C3的值使该绕组中电流腹点位于输入端a附近；对于第二绕组42，则可以通过调节电容C4的值，使该绕组中电流腹点位于输入端c附近。这样，在该电感耦合线圈4的中心部分和边缘部分都会有电流腹点，也都有电流幅度较小的点。而在该电感耦合线圈4中心部分和边缘部分之间的中间部分，电流幅度则为最大值和最小值之间的中间值。 

图4中电感耦合线圈的电流分布状况如图5所示。图中横坐标z表示电感耦合线圈4的半径；纵坐标|I(z)|表示绕组中的电流幅度。其中，端点a、d所示的曲线401为第一绕组41中的电流在径向上的分布曲线；端点b、c所示的曲线402为第二绕组42中的电流在径向上的分布曲线。 

从图5中可以看出，在第一绕组41和第二绕组42中的电流的共同作用下，图4所示电感耦合线圈4所产生的磁场分布得相对均匀，从而使得由此而产生的等离子体密度更加均匀、分布也更加均匀。 

而且，由于图4所示电感耦合线圈4内部端点中既有输入端又有输出 端，相应地，外部端点中既有输出端又有输入端，也就是说，流过第一绕组41和第二绕组42中的电流的方向是相反的，相比于图2所示的两个绕组中电流方向相同的电感耦合线圈3，本实施例提供的电感耦合线圈4降低了电感，有利于实现阻抗的共轭匹配。 

事实上，尽管前述实施例中各绕组的输出端经由可调电容接地，然而在实际应用中并不局限于此，而是也可以在各绕组的输出端连接其他的电抗模块，例如可以预先计算出所需的电容值，并采用该固定值的电容串接在相应绕组的输出端和地之间，等等。 

请参阅图6，本发明第二实施例提供的电感耦合线圈6包括四个完全相同且彼此并联并相互嵌套的的螺线形线圈绕组(即，第一绕组61、第二绕组62、第三绕组63和第四绕组64)，其中的每一个螺旋线形线圈绕组均为平面结构。所述的第一绕组61的输入端为e，输出端为q；第二绕组62的输入端为r，输出端为f；第三绕组63的输入端为g，输出端为s；第四绕组64的输入端为t，输出端为h。第一绕组61的输入端e连接匹配器，第二绕组62的输入端r连接匹配器，第三绕组63的输入端g连接匹配器，第四绕组64的输入端t连接匹配器；第一绕组61的输出端q经由可调电容C4接地，第二绕组62的输出端f经由可调电容C3接地，第三绕组63的输出端s经由可调电容C4接地，第四绕组64的输出端h经由可调电容C3接地。由于端点q、r、s和t位于线圈的中心部分，故而称之为内部端点；类似地，由于端点e、f、g和h位于线圈的边缘部分，故而称之为外部端点。 

根据传输线理论，对于第一绕组61和第三绕组63，可以通过调节电容C4的值使第一绕组61和第三绕组63中电流腹点位于所述绕组的外部端点附近；而对于第二绕组62和第四绕组64，则可以通过调节电容C3的值使第二绕组62和第四绕组64中电流腹点位于所述绕组的内部端点附近。这样，该电感耦合线圈6的中心部分和边缘部分都有电流腹点，也都有电流幅度较小的点。而对于电感耦合线圈6的中间部分，电流幅度则是中间值。在上述四个绕组中电流的共同作用下，该电感耦合线圈6所产生的磁场分布较为均匀，从而使得等离子体密度及分布也更加均匀。 

通过上述描述可以看出，本发明提供的电感耦合线圈能够产生分布较为均匀的磁场，从而使等离子体密度及分布也更加均匀，这样无需增加线圈的长度和圈数就能够获得满足工艺需求的大面积高密度等离子体，从而有利于降低线圈的电感，使得容易通过调节匹配器中的电容实现阻抗的共轭匹配，提高射频功率吸收效率。 

需要指出的是，尽管前述实施例中所示的电感耦合线圈包括2个或4个线圈绕组，但是在实际应用中，本发明提供的电感耦合线圈也可以包括更多个线圈绕组，只要这些线圈绕组的数量为偶数(即，线圈绕组的数量为2n，其中，n为大于等于1的整数)，将这些线圈绕组划分为n对，每一对中的两个线圈绕组相同并且相互并联彼此嵌套。 

进一步需要指出的是，尽管前述实施例中所示的电感耦合线圈的每一个线圈绕组均为螺旋线形，但是在实际应用中并不局限于此，而是也可以为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸；当然，也可以为弧形线，或者为螺旋线与弧形线的结合，或者为其他类似形状。并且，本发明提供的电感耦合线圈也可以同时包括若干种形状的线圈绕组，只要每一对所包含的两个线圈绕组相同即可，至于不同对的线圈绕组，可以相同也可以不同，例如，电感耦合线圈包含有两组线圈绕组，其中的一组可以采用相互并联的螺旋线形的线圈绕组，另一组可以采用弧形线形状的线圈绕组；优选的方式是使电感耦合线圈中的全部绕组相同。 

此外，本发明还提供一种等离子体处理装置，包括反应腔室，所述反应室的上部设有介质窗，在所述介质窗的上方设置有本发明提供的如上所述的电感耦合线圈。所述电感耦合线圈的第一端(也就是各绕组的输入端)通过射频匹配器与射频电源连接，所述电感耦合线圈的第二端(也就是各绕组的输出端)经由电抗模块接地，以便在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。 

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出 各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种电感耦合线圈，其特征在于包括偶数个线圈绕组，所述线圈绕组成对设置，每一对所述线圈绕组中的两个线圈绕组相互嵌套并且形状相同并彼此并联，其中一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的中央位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处并串联有电抗模块，所述线圈绕组的电流腹点位于所述线圈绕组的输入端附近；另一个线圈绕组的输入端位于所述电感耦合线圈的边缘位置处，输出端位于所述电感耦合线圈的中央位置处并串联有电抗模块，所述线圈绕组的电流腹点位于所述线圈绕组的输入端附近。

2.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈绕组为平面结构。

3.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈绕组为螺旋线的形状。

4.根据权利要求3所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述螺旋线为阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线的形式。

5.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈绕组为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸。

6.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述偶数个线圈绕组的形状全部相同，并相互嵌套。

7.根据权利要求4所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述电抗模块包括可调电容。

8.根据权利要求7所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述可调电容的一端连接相应线圈绕组的输出端，其另一端接地。

9.一种等离子体处理装置，包括反应腔室，所述反应室的上部设有介质窗，其特征在于，在所述介质窗的上方设置有如权利要求1至8中任意一项所述的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈的第一端通过射频匹配器与射频电源连接，所述电感耦合线圈的第二端经由电抗模块接地，以便在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。

10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述电抗模块包括可调电容。

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