CN101754568B

CN101754568B - 等离子体处理设备及其射频装置

Info

Publication number: CN101754568B
Application number: CN2008102402795A
Authority: CN
Inventors: 韦刚
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: CN101754568A

Abstract

本发明公开了一种射频装置，用于等离子体处理设备，包括射频电源、射频匹配器、以及至少两组感应耦合线圈，各组感应耦合线圈中射频电流的比例通过电流调节装置调节；所述电流调节装置包括可变电容和电感元件。通过合理设置所述电感元件的电感值，可以使包括所述电流调节装置和感应耦合线圈在内的总阻抗虚部呈感性；总阻抗虚部呈感性时，通过传统的由若干容性元件组成的射频匹配器就顺利实现阻抗匹配，匹配过程简单易行，成本也较低。

Description

等离子体处理设备及其射频装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种用于等离子体处理设备的射频装置。本发明还涉及一种包括上述射频装置的等离子体处理设备。

背景技术

等离子体处理设备广泛应用于微电子技术领域。

请参考图1，图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图。

等离子体处理设备1内部具有反应腔室11，反应腔室11的顶部具有上盖12，上盖12的中部设有气体入口13，以便经由该气体入口13向反应腔室11中输入气体。上盖12的顶部还设有感应耦合线圈14，其中可以通过射频电流。

等离子体处理设备1工作时，通过真空获得装置(图中未示出)在反应腔室11中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，在感应耦合线圈14中通过适当的射频电流，射频能量透过上盖12进入反应腔室11中，从而激发其中的气体，进而在反应腔室中产生并维持等离子体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与加工件15发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由所述真空获得装置从抽气口16中抽出。

为了获得较为均匀的等离子体分布，可以将感应耦合线圈14设为两组，一组位于上盖12顶部的中心位置，另一组位于上盖12的外周位置。

自射频电源17产生的射频电流通过电流调节装置19即可在上述两组线圈之间方便地进行分配，从而可以分别控制反应腔室11中心位置和外周位置的电磁场强度，以获得更为有利的等离子体分布。

为了使射频电源17的能量顺利输入，以避免能源的浪费以及相关电路受到损坏，可以在射频电源17与电流调节装置19之间设置射频匹配器18，以使射频输入电路的阻抗与负载的总阻抗(主要包括电流调节装置19、感应耦合线圈14以及反应腔室11的阻抗)互为共轭复阻抗，此时即实现阻抗匹配，射频的反射率较低，射频能量可以顺利输入。

然而，现有的射频匹配器18通常采用纯容性结构，即其主要由容性元件(例如若干可调电容)构成。在感应耦合线圈14的电感较小的情况下，负载的总阻抗虚部呈容性；对于容性负载，现有的由若干可调电容构成的射频匹配器18通常无法顺利实现阻抗匹配。

因此，如何以简单易行的方式实现包括容性负载在内的各种负载的阻抗匹配，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于等离子体处理设备的射频装置，可以简单方便地实现包括容性负载在内的各种负载的阻抗匹配。本发明的另一目的是提供一种包括上述射频装置的等离子体处理设备。

为解决上述技术问题，本发明提供一种射频装置，用于等离子体处理设备，包括射频电源、射频匹配器、以及至少两组感应耦合线圈，各组感应耦合线圈中射频电流的比例通过电流调节装置改变；所述电流调节装置包括可变电容和电感元件。

进一步，所述感应耦合线圈的数目为两组，两者分别为第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈。

进一步，所述电流调节装置由第一可变电容和电感元件构成；由所述第一感应耦合线圈与所述电感元件串联形成的支路连接于地线和所述射频匹配器的输出端之间，所述第一感应耦合线圈接地；所述第一可变电容的一端连接于所述第一感应耦合线圈和所述电感元件之间，其另一端接地；所述第二感应耦合线圈连接于地线和所述射频匹配器的输出端之间。

进一步，所述第一感应耦合线圈和所述电感元件之间进一步串接第二可变电容；所述第一可变电容的一端连接于所述第一感应耦合线圈和所述第二可变电容之间，其另一端接地。

进一步，所述第一感应耦合线圈和所述第二感应耦合线圈中至少一者通过接地电容接地。

进一步，所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈分别设置于等离子体处理设备反应腔室顶部的中心位置、围绕所述中心位置的外周位置。

进一步，所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈均由至少两个螺旋线圈嵌套而成，各所述螺旋线圈的内端和外端均电连接，从而使各所述螺旋线圈形成并联结构。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的射频装置。

本发明所提供的射频装置，包括射频电源、射频匹配器、以及至少两组感应耦合线圈，各组感应耦合线圈中射频电流的比例通过电流调节装置调节；所述电流调节装置包括可变电容和电感元件。通过合理设置所述电感元件的电感值，可以使包括所述电流调节装置和感应耦合线圈在内的总阻抗虚部呈感性；总阻抗虚部呈感性时，通过传统的由若干容性元件组成的射频匹配器就可以顺利实现阻抗匹配，匹配过程简单易行，成本也较低。

在另一种具体实施方式中，所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈均由至少两组螺旋线圈嵌套而成，各螺旋线圈的内端和外端均通过连接环或者其他结构连接，从而使各螺旋线圈形成并联结构。采用上述并联嵌套结构，可以在增大线圈覆盖面积的同时避免增加线圈的电感以及线圈的长度；线圈长度维持在较低水平将减轻驻波效应，因此便于在线圈上获得较为均匀的电流分布，同时，较低的电感则将显著减轻阻抗匹配的难度。

附图说明

图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图；

图2为本发明第一种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图；

图3为本发明第二种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图；

图4为本发明第三种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图；

图5为本发明第四种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图；

图6为本发明一种具体实施方式所提供感应耦合线圈的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于等离子体处理设备的射频装置，可以简单方便地实现包括容性负载在内的各种负载的阻抗匹配。本发明的另一核心是提供一种包括上述射频装置的等离子体处理设备。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明第一种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图。

在第一种具体实施方式中，本发明所提供的射频装置包括射频电源2(其常见的工作频率为13.56MHz)和射频匹配器3，射频匹配器3可以使射频输入电路的阻抗与负载的总阻抗(主要包括电流调节装置、感应耦合线圈以及反应腔室的阻抗)互为共轭复阻抗，此时即实现了阻抗匹配，射频能量可以顺利地输入。

所述射频装置还包括第一感应耦合线圈R1以及第二感应耦合线圈R2；两者可以分别设置于等离子体处理设备上盖的中心部位或者外周部位。由于第一感应耦合线圈R1和第二感应耦合线圈R2的下方分别对应于反应腔室的中心部位和外周部位，两者可以分别向所述中心部位和外周部位中输入射频能量，进而激发并维持等离子体。因此，所述反应腔室在其径向上也就形成两个等离子体密度不同的区域，每一区域中的等离子体主要由来自不同线圈的射频能量激发。

由于第一感应耦合线圈R1以及第二感应耦合线圈R2中射频电流的比例能够调整，因此，可以分区控制所述反应腔室中等离子体的浓度。当所述反应腔室径向上等离子体浓度不均匀时，可以根据具体情况调整第一感应耦合线圈R1以及第二感应耦合线圈R2中射频电流的比例，从而调整两者在所述反应腔室的中心部位和外周部位所形成电磁场的相对强度，以便消除所述反应腔室径向上等离子体浓度的差异，进而确保等离子体处理设备中进行的各种工艺过程顺利完成。

当然，所述射频装置可以具有两组以上的感应耦合线圈，本文仅以两组感应耦合线圈为例对本发明的技术方案进行说明；本领域的技术人员不必付出创造性劳动即可将本发明的技术方案扩展至多组感应耦合线圈的情形。

第一感应耦合线圈R1以及第二感应耦合线圈R2之间的电流比例可以通过电流调节装置进行调整。除了可变电容，本发明中所提供的电流调节装置还包括电感元件L。可以将第一感应耦合线圈R1与电感元件L相串接；然后，将第一感应耦合线圈R1与电感元件L形成的支路连接于射频匹配器3的输出端(即节点a)与地线之间，并使第一感应耦合线圈R1接地。本文中电感元件指主要表现出电感特性的元件，其典型代表为电感；本文中容性元件指主要表现出电容特性的元件，其典型代表为电容。

所述电流调节装置还包括第一可变电容C1，第一可变电容C1的第一端连接于第一感应耦合线圈R1和电感元件L之间(即节点b)，第一可变电容C1的第二端与地线连接。第一可变电容C1可以通过电机驱动而改变其电容值。

可以将第二感应耦合线圈R2的第一端与射频匹配器3的输出端连接，并将第二感应耦合线圈R2的第二端接地。

设置电感元件L并合理设置其电感值，可以使包括所述电流调节装置以及第一感应耦合线圈R1、第二感应耦合线圈R2在内的总阻抗虚部呈感性；电感元件L也可以是可变电感，以方便电感的调整。总阻抗虚部呈感性时，通过传统的由若干容性元件组成的射频匹配器就可以顺利实现阻抗匹配，匹配过程简单易行，成本也较低。

虽然在射频匹配器3中增加电感元件也可以实现对容性负载的阻抗匹配，但是这显然将增加射频匹配器3的设计难度以及加工制造成本。

请参考图3，图3为本发明第二种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图。

在第二种具体实施方式中，本发明所提供的射频装置同样包括射频电源2、射频匹配器3、第一感应耦合线圈R1、第二感应耦合线圈R2，以及用于改变第一感应耦合线圈R1和第二感应耦合线圈R2中电流分配比例的电流调节装置。关于上述各部件的具体细节请参考第一种具体实施方式，此处不再赘述。

所述电流调节装置包括第一可变电容C1、第二可变电容C2以及电感元件L。

电感元件L、第二可变电容C2以及第一感应耦合线圈R1可以依次相串接，三者串接形成的支路连接于射频匹配器3的输出端(即节点a)与地线之间，且第一感应耦合线圈R1接地。此处以及后文所述电感元件的含义与前文相同。

所述电流调节装置中第一可变电容C1的第一端连接于第一感应耦合线圈R1和第二可变电容C2之间(即节点c)，第一可变电容C1的第二端与地线连接。

在上述第二种具体实施方式中，所述射频装置同样设有电感元件L，合理设置其电感值即可以使包括所述电流调节装置以及第一感应耦合线圈R1、第二感应耦合线圈R2在内的总阻抗虚部呈感性；总阻抗虚部呈感性时，通过传统的由若干容性元件组成的射频匹配器就顺利实现阻抗匹配，匹配过程简单易行，成本也较低。

请参考图4以及图5，图4为本发明第三种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图；图5为本发明第四种具体实施方式所提供射频装置的结构示意图。

在第三种具体实施方式中，本发明所提供的射频装置的结构与第一种具体实施方式大体相同；在第四种具体实施方式中，本发明所提供的射频装置的结构与第二种具体实施方式大体相同。

所不同的是，在第三、第四种具体实施方式所提供的射频装置中，第一感应耦合线圈R1和第二感应耦合线圈R2中至少一者通过接地电容接地。

例如，第一感应耦合线圈R1可以通过第一接地电容C3接地，第二感应耦合线圈R2可以通过第二接地电容C4接地。第一接地电容C3和第二接地电容C4可以是定值电容，显然，两者也可以是可变电容。

请参考图6，图6为本发明一种具体实施方式所提供感应耦合线圈的结构示意图。

在一种具体实施方式中，第一感应耦合线圈R1、第二感应耦合线圈R2中一者设置于等离子体处理设备上盖顶部的中心位置，另一者位于上盖顶部的外周位置；例如，位于上述中心位置的可以是第一感应耦合线圈R1。

第一感应耦合线圈R1包括两组螺旋线圈，即线圈R11和线圈R12；线圈R11和线圈R12均可以是平面螺旋线圈，两者大体中心对称，且如图6所示相互嵌套。线圈R11和线圈R12的内端电连接，两者的外端同样电连接，从而使两者形成并联结构。具体地，线圈R11和线圈R12的内端以及外端均可以通过连接环5连接。

第二感应耦合线圈R2可以包括四组螺旋线圈，即线圈R21、线圈R22、线圈R23和线圈R24，四者如图6所示相互嵌套。线线圈R21、线圈R22、线圈R23和线圈R24的各内端和各外端同样可以通过连接环5或者其他结构电连接，以使四者形成并联结构。

第一感应耦合线圈R1和第二感应耦合线圈R2采用上述并联嵌套结构，可以在增大线圈覆盖面积的同时避免线圈的电感和长度的增加；线圈长度维持在较低水平可以减轻驻波效应，因此便于在线圈上获得较为均匀的电流分布，同时，较低的电感也将显著减轻阻抗匹配的难度。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的射频装置。所述等离子体处理设备其他部分的结构可以参考现有技术，本文不再赘述。例如，可以参考图1中的离子体处理设备，但本发明所提供的等离子体处理设备不应限于图1所示具体形式。所述等离子体处理设备具体可以是淀积设备、刻蚀设备或者其他设备。

以上对本发明所提供的等离子体处理设备及其射频装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种射频装置，用于等离子体处理设备，包括射频电源、射频匹配器、以及至少两组感应耦合线圈，各组感应耦合线圈中射频电流的比例通过电流调节装置改变；其特征在于，所述电流调节装置包括可变电容和电感元件，通过设置所述电感元件的电感值能够使包括所述电流调节装置和所述感应耦合线圈在内的负载总阻抗虚部呈感性。

2.如权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述感应耦合线圈的数目为两组，两者分别为第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈。

3.如权利要求2所述的射频装置，其特征在于，所述电流调节装置由第一可变电容和电感元件构成；由所述第一感应耦合线圈与所述电感元件串联形成的支路连接于地线和所述射频匹配器的输出端之间，所述第一感应耦合线圈接地；所述第一可变电容的一端连接于所述第一感应耦合线圈和所述电感元件之间，其另一端接地；所述第二感应耦合线圈连接于地线和所述射频匹配器的输出端之间。

4.如权利要求3所述的射频装置，其特征在于，所述第一感应耦合线圈和所述电感元件之间进一步串接第二可变电容；所述第一可变电容的一端连接于所述第一感应耦合线圈和所述第二可变电容之间，其另一端接地。

5.如权利要求3或者4所述的射频装置，其特征在于，所述第一感应耦合线圈和所述第二感应耦合线圈中至少一者通过接地电容接地。

6.如权利要求2至4任一项所述的射频装置，其特征在于，所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈分别设置于等离子体处理设备反应腔室顶部的中心位置、围绕所述中心位置的外周位置。

7.如权利要求6所述的射频装置，其特征在于，所述第一感应耦合线圈和第二感应耦合线圈均由至少两个螺旋线圈嵌套而成，各所述螺旋线圈的内端和外端均电连接，从而使各所述螺旋线圈形成并联结构。

8.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的射频装置。