CN102300383A - 一种电感耦合装置及应用该装置的等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电感耦合装置，用于在工艺腔室内激发并维持等离子体，包括设置在工艺腔室内部的电感耦合线圈，与电感耦合线圈相连的射频电源以及调压电源。所述调压电源在工艺过程中向所述电感耦合线圈加载正偏压，以降低甚至消除电感耦合线圈附近的负自偏压，从而避免电感耦合线圈在工艺中被消耗以及造成晶片污染等的问题。本发明还提供一种应用上述电感耦合装置的等离子体处理设备。

Description

一种电感耦合装置及应用该装置的等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种电感耦合装置及应用该电感耦合装置的等离子体处理设备。

背景技术

在半导体芯片、太阳能电池、平板显示器等微电子产品的生产过程中，需要进行诸如等离子体刻蚀、等离子体物理或化学气相沉积等处理工艺，这些工艺都需要借助相应的等离子体处理设备来完成。目前，主要有以下几种类型的等离子体处理设备：直流放电类型、电容耦合等离子体(CCP)类型、电感耦合等离子体(ICP)类型以及电子回旋共振等离子体(ECR)类型等。其中，由于ICP装置可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，并且具有结构简单、造价低等的优点，因此得到广泛应用。

请参阅图1，即为一种常用的电感耦合等离子体处理设备。该设备包括工艺腔室4、上射频电源1、上匹配器2、电感耦合线圈3、静电卡盘6、下匹配器10以及下射频电源11。其中，静电卡盘6设置于工艺腔室4内部的下方，并通过下匹配器10和下射频电源11连接，用以吸附并固定晶片5；工艺腔室4上方与静电卡盘6相对的位置为介质窗口12，电感耦合线圈3位于介质窗口12的上方并通过上匹配器2与上射频电源1相连接。在工作时，上射频电源1所发出的射频功率加载到电感耦合线圈3上而产生高频电磁场，该高频电磁场透过介质窗口12而在工艺腔室4的内部空间产生感应电场从而激发并维持等离子体。

由于上述设备中的电感耦合线圈3设置在工艺腔室4的外部，上射频电源1的射频功率要通过介质窗口12之后才能耦合到工艺腔室4的内部空间中，这就必然会降低射频功率的耦合效率。为此，本领域技术人员设计出另一种结构的等离子体处理设备。如图2所示，在该改进方案中将电感耦合线圈3设置在工艺腔室4内部的上方位置处，此时射频功率通过电感耦合线圈3可直接施加在工艺腔室4内部的等离子体区域，从而有效提高了射频功率的耦合效率。此外，技术人员还设计出另一种ICP等离子体处理设备的结构方案。如图3所示，在该方案中，将电感耦合线圈29设置在工艺腔室24内部的侧面，用来增强等离子体对晶片25上方的中性原子、分子等的电离作用。具体地，将电感耦合线圈29设置在工艺腔室24内部的侧面并环绕在晶片25上方区域的周围，以使电感耦合线圈29所产成的高频电磁场直接作用于晶片25的上方区域，从而使得晶片25上方的靶材原子或分子尽可能地被离子化，由于带电粒子更容易受下射频电源31的偏压控制而均匀淀积在晶片25表面，因而可有效提高工艺整体性能。

上述具有内置电感耦合线圈的等离子体处理设备均能有效耦合射频能量而产生等离子体并提高气体的电离度。但是，其同时也存在以下缺点：

其一，上述电感耦合线圈被设置在工艺腔室的内部而与等离子体直接接触，由于等离子体中电子的迁移速率要明显高于带正电的粒子，这样在电感耦合线圈表面会积累一定量的电子并最终形成鞘层，该电子鞘层会使电感耦合线圈的表面附近产生较大的负自偏压。等离子体中的带电粒子受到该负自偏压的电场引力作用而加速并轰击电感耦合线圈，在带电粒子的轰击作用下，电感耦合线圈表面的原子或分子将不断脱离其表面。因此，上述结构的等离子体处理设备存在内置电感耦合线圈在工作过程中被不断消耗的问题。

其二，由于上述内置的电感耦合线圈在工作过程中会不断受到轰击而消耗，被轰击出的原子或分子材料将进入等离子体区域内，并最终在下电极偏压的作用下被沉积在晶片表面，从而造成对晶片的污染，进而影响最终的工艺结果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种电感耦合装置，其能够有效抑制内置电感耦合线圈上的负自偏压，从而避免内置电感耦合线圈被消耗的问题，同时避免因电感耦合线圈被溅射而对晶片造成的污染。

为解决上述问题，本发明还提供一种等离子体处理设备，其同样能够解决内置电感耦合线圈被消耗的问题，同时避免因电感耦合线圈被溅射而对晶片造成的污染。

为此，本发明提供一种电感耦合装置，用于在工艺腔室内激发并维持等离子体，其包括设置在所述工艺腔室内部的电感耦合线圈，与所述电感耦合线圈相连的射频电源以及调压电源，所述调压电源与所述电感耦合线圈相连并向所述电感耦合线圈加载正偏压。

其中，所述调压电源包括直流电源或直流脉冲电源。

其中，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压的电压范围为5～100V。

优选地，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压与所述工艺腔室内等离子体区域的电位大致相等。

其中，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压为固定值，或者所述正偏压为随着等离子体区域的电位变化而改变的变化值。

其中，在所述调压电源的输出端设置有滤波器。

此外，本发明还提供一种等离子处理设备，包括工艺腔室，以及上述本发明所提供的电感耦合装置，该电感耦合装置中的电感耦合线圈设置在所述工艺腔室的内部，用以释放射频功率。

其中，所述电感耦合线圈设置在所述工艺腔室内部的上方位置处。或者，所述电感耦合线圈设置在所述工艺腔室内部的侧面。

其中，本发明提供的等离子体处理设备可以包括等离子体化学气相沉积、等离子体刻蚀及等离子体溅射设备等。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的电感耦合装置，包括设置在工艺腔室内部的电感耦合线圈、与电感耦合线圈相连的射频电源和调压电源。当进行工艺时，上述调压电源可向电感耦合线圈加载一个正偏压，从而可降低甚至消除电感耦合线圈附近的负自偏压，以避免电感耦合线圈被带电粒子轰击而不断被消耗的问题。因此，本发明提供的电感耦合装置能够有效减少甚至避免内置的电感耦合线圈在等离子体处理工艺中被轰击而消耗的问题，同时也能有效减少甚至避免因电感耦合线圈被轰击所造成的晶片污染等问题。

本发明提供的等离子体处理设备，包括工艺腔室以及上述本发明所提供的电感耦合装置，该电感耦合装置的电感耦合线圈设置在工艺腔室的内部，用以在等离子体处理工艺过程中释放射频功率。由于本发明提供的等离子体处理设备中设置有上述本发明提供的电感耦合装置，因此，其同样能够有效减少甚至避免内置的电感耦合线圈在等离子体处理工艺中被轰击而不断消耗的问题，同时也能有效减少甚至避免因电感耦合线圈被轰击所造成的晶片污染等问题。

附图说明

图1为一种目前常用的等离子体处理设备的结构示意图；

图2为一种目前常用的采用内置电感耦合线圈的等离子体处理设备的结构示意图；

图3为另一种目前常用的采用内置电感耦合线圈的等离子体处理设备的结构示意图；

图4为本发明提供的电感耦合装置中的电感耦合线圈在工艺过程中的电位变化波形图；

图5为本发明提供的电感耦合装置与目前常用的电感耦合装置中的电感耦合线圈附近鞘层电位分布情况的对比示意图；

图6为本发明提供的等离子体处理设备一个具体实施例的结构示意图；以及

图7为本发明提供的等离子体处理设备另一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提供的电感耦合装置，主要用于在等离子体处理设备的工艺腔室内释放射频功率，从而激发并维持等离子体。该电感耦合装置包括设置在工艺腔室内部的电感耦合线圈，以及与电感耦合线圈相连的射频电源和调压电源。其中，射频电源的输出端连接至一个匹配器，然后经由匹配器的两个输出端分别与电感耦合线圈的两端相连接。调压电源的输出端可连接在电感耦合线圈的任意一端，其用于向电感耦合线圈加载正偏压，从而抑制电感耦合线圈的负自偏压，该调压电源可以采用直流电源也可以采用直流脉冲电源，以及其它可向外输出正偏压的电源。通常情况下，在调压电源的输出端还设置有滤波器，调压电源经由滤波器的滤波处理后与电感耦合线圈相连接。

根据不同工艺的等离子体区域的电位情况，本发明提供的电感耦合装置中的调压电源可向电感耦合线圈加载5～100V的正偏压。在实际应用中，调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压可以是某一个在上述电压范围内的固定值，也可以是随等离子体区域的电位变化而在上述电压范围内进行变化的变化值。优选地，使所述调压电源加载至电感耦合线圈的正偏压与工艺腔室内的等离子体电位大致相等，从而使电感耦合线圈附近的负自偏压趋近于零。但在实际应用中，由于等离子体的空间电位并不恒定，因此只能使调压电源所施加的正偏压尽可能与之大致相等，也就是说，等离子体电位相对于调压电源所施加的正偏压在一定的小区间范围内上下浮动的情况应当是允许的；总之，只要所加载的正偏压能够使电感耦合线圈附近的负自偏压提供给带电粒子的能量不足以将电感耦合线圈表面的原子或分子材料轰击出来即可。

至于如何获得等离子体区域的电位，例如可以采用实测的方式，即，在工艺过程中实时测量工艺腔室内等离子体区域的电位，并使调压电源向电感耦合线圈加载的正偏压随该实测电位的变化而变化。当然也可以采用预验值的方式，即，在实际工艺之前预先测得工艺腔室内等离子体区域的电位情况，在实际工艺中将该预先测得的等离子体区域的电位(以下称为等离子体区域的电位预验值)视为本工艺中等离子体区域的电位，并使调压电源向电感耦合线圈加载的正偏压趋近于该等离子体区域的电位预验值。事实上，该等离子体区域的电位预验值可以是一个固定值，也可以是随时间变化的值。

为使本领域的技术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装置及应用该装置的等离子体处理设备进行详细描述。

请参阅图4，为本发明提供的电感耦合装置中的电感耦合线圈在工艺过程中的电位变化波形图。当使调压电源向电感耦合线圈加载一个恒定的正电位V1时，电感耦合线圈上的电位值应为调压电源和射频电源所加载的复合电位V，该复合电位V随时间t的变化关系满足下式所示规律：

式(1)

其中，V为电感耦合线圈的复合电位；V1为直流电源的电位；V_rf为射频电源的射频电压峰值；ω为射频电源的角频率；

为射频电源的初始相位，t为时间。

由图4及式(1)可见，当调压电源为电感耦合线圈加载一个恒定的正偏压后，相对于未加载正偏压时，电感耦合线圈上任一时点的电位均增大了V1，该正偏压的场强与电感耦合线圈表面的鞘层电场的场强方向相反、大小基本相等，两个电场相互中和后使电感耦合线圈表面的电场明显减弱，因而对带电粒子的电场引力作用也随之减弱，从而有效地降低带电粒子对电感耦合线圈的轰击作用。在比较理想的状态下，当V1与等离子体区域的电位基本相等或者使V1随着等离子体区域的电位变化而变化时，电感耦合线圈表面的鞘层电场几乎为零，从而可彻底避免带电粒子对电感耦合线圈的轰击作用。

请参阅图5，为本发明提供的电感耦合装置与目前常用的电感耦合装置中的电感耦合线圈附近鞘层电位分布情况的对比示意图。图中，曲线(2)为本发明提供的电感耦合线圈附近的鞘层电位分布，曲线(1)为图2或图3所示结构的等离子体处理设备中的电感耦合线圈附近的电位分布。由曲线(1)和曲线(2)的特点可以很明显地看出：就曲线(1)所代表的目前常用的等离子体电感耦合装置而言，其鞘层电位明显低于等离子体区域的电位，因而在电感耦合线圈附近形成较大的负自偏压，等离子体中的带电粒子(尤其是正离子)受到该负自偏压的电场引力作用会朝电感耦合线圈方向加速并最终轰击到电感耦合线圈表面，其中一些能量较大的带电粒子会将电感耦合线圈表面的部分原子或分子溅射出来而形成独立的原子或分子，这些被溅射出的原子或分子在下电极偏压的作用下最终沉积在晶片表面，这不但使电感耦合线圈在工艺过程中被不断消耗，而且还会对工艺结果造成不良影响；而就曲线(2)所代表的本发明提供的电感耦合装置的电感耦合线圈附近的鞘层电位而言，由于在电感耦合线圈上的电位具有如图4所示的电位波形，因而曲线(2)中电感耦合线圈附近的电位分布与工艺腔室内等离子体区域的电位十分接近，电感耦合线圈的负自偏压被有效抑制，因而避免了电感耦合线圈被离子轰击的问题，也就避免了电感耦合线圈在工艺过程中被不断消耗的问题，进而避免了由于电感耦合线圈被溅射而影响工艺结果的问题。

上述本发明提供的电感耦合装置可以应用到多种等离子体处理设备中，例如等离子体刻蚀、等离子体物理或化学气相沉积等工艺及设备当中。在实际应用中，可以将本发明提供的电感耦合装置的电感耦合线圈设置在工艺腔室内部的上方，用以作为ICP放电结构而在工艺过程中激发并维持等离子体；也可以将上述电感耦合线圈设置在工艺腔室内部的侧面，用以作为ICP增强放电装置，促进晶片上方的原子和分子进一步离子化，从而提高工艺性能。并且，上述电感耦合线圈的形状可根据其设置位置不同而进行相应变化。

需要指出的是，本发明提供的电感耦合装置中，当采用直流脉冲电源作为调压电源时，其结构及工作原理均与采用直流电源时基本相同，因而不再赘述。

综上所述，本发明提供的电感耦合装置，由于借助调压电源而在内置于工艺腔室的电感耦合线圈上加载正偏压，从而有效降低了电感耦合线圈附近的负自偏压，因而降低甚至避免了带电粒子对电感耦合线圈的轰击作用，也就避免了电感耦合线圈在工艺过程中被消耗的问题，进而避免了因电感耦合线圈被消耗而对晶片造成污染的问题。

此外，作为另一种技术方案，本发明还提供一种等离子处理设备，其包括工艺腔室和本发明所提供的上述电感耦合装置，并且该电感耦合装置的电感耦合线圈设置在工艺腔室的内部，用以向工艺腔室内施加射频功率。

请参阅图6，为本发明提供的等离子体处理设备第一种具体实施例的结构示意图。本实施例中所提供的等离子体处理设备适用于等离子体化学气相沉积和等离子体刻蚀等工艺。该等离子体处理设备包括工艺腔室4、设置于工艺腔室4内部下方的静电卡盘6，设置于工艺腔室4内部上方的电感耦合线圈3。电感耦合线圈3连接有一个射频电源1和一个调压电源7，射频电源1经过匹配器2匹配后连接至电感耦合线圈3；调压电源7连接至电感耦合线圈3并向电感耦合线圈3加载正偏压，以降低甚至消除电感耦合线圈3附近的负自偏压。静电卡盘6同时作为下电极，其通过下匹配器10与下射频电源11相连接。上述电感耦合线圈3、射频电源1、匹配器2、调压电源7以及设置在调压电源7与电感耦合线圈3之间的滤波器(图未示)共同构成本发明提供的电感耦合装置，借助该电感耦合装置可以在有效提高工艺腔室内的射频耦合效率的同时，有效避免电感耦合线圈在工艺过程中被消耗的问题，进而可避免因电感耦合线圈被溅射而造成晶片污染等的问题。

请参阅图7，为本发明提供的等离子体处理设备第二种具体实施例的结构示意图。本实施例中所提供的等离子体处理设备适用于溅射工艺。等离子体处理设备主要包括工艺腔室24、设置于工艺腔室24内部下方的静电卡盘26，设置于工艺腔室24内部上方的靶材22，靶材22和静电卡盘26分别连接有靶材电源21和下电极电源31。本实施例与图6所示实施例的区别在于，本实施例中的电感耦合线圈29被设置于腔室内部的侧面并环绕静电卡盘26上方的等离子体区域。该电感耦合装置具体包括电感耦合线圈29、调压电源32、滤波器(图未示)、射频电源27以及匹配器28。其中，射频电源27通过匹配器28的两个输出端连接至电感耦合线圈29，调压电源32经由滤波器连接至电感耦合线圈29并在工艺过程中向电感耦合线圈29施加正偏压。上述电感耦合线圈29所释放的射频功率主要作用于晶片25的上方区域，用以提高晶片25上方的靶材原子的离化率，从而有利于下电极偏压更好地引导靶材粒子均匀沉积在晶片25表面，提高工艺的整体性能。并且，借助本发明提供的上述电感耦合装置，可在有效提高工艺腔室内的射频耦合效率的同时，有效避免电感耦合线圈在工艺过程中被消耗的问题，进而可避免因电感耦合线圈被溅射而造成晶片污染等的问题。

需要指出的是，上述图6和图7所示实施例仅为本发明提供的等离子体处理设备的示范性实施例，但本发明并不局限于此。例如，可在图6所示实施例的基础上，在工艺腔室内部的侧面增设一个与图7所示实施例中类似的电感耦合装置，从而增强对晶片上方中性原子和/或分子的电离作用，即，在同一等离子体处理设备的工艺腔室内部上方和侧面分别设置一个本发明提供的电感耦合装置；当然，为了进一步增强电感耦合功率，还可以在工艺腔室上方及侧面设置更多的本发明提供的电感耦合装置，并且这种设置方式均应视为本发明所保护的范围。此外，本发明所提供的等离子体处理设备不仅限于等离子体刻蚀、化学气相沉积以及溅射设备，而凡是设置有上述本发明提供的电感耦合装置的等离子体处理设备，均属于本发明所保护的范围，在此不一一列举。

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)

1.一种电感耦合装置，用于在工艺腔室内激发并维持等离子体，其包括设置在所述工艺腔室内部的电感耦合线圈，与所述电感耦合线圈相连的射频电源，其特征在于还包括调压电源，所述调压电源与所述电感耦合线圈相连并向所述电感耦合线圈加载正偏压。

2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述调压电源包括直流电源或直流脉冲电源。

3.根据权利要求2所述的电感耦合装置，其特征在于，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压的电压范围为5～100V。

4.根据权利要求2所述的电感耦合装置，其特征在于，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压与所述工艺腔室内等离子体区域的电位大致相等。

5.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，所述调压电源向所述电感耦合线圈加载的正偏压为固定值，或者所述正偏压为随着等离子体区域的电位变化而改变的变化值。

6.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，在所述调压电源的输出端设置有滤波器。

7.一种等离子处理设备，包括工艺腔室，其特征在于，还包括权利要求1-6中任意一项所述的电感耦合装置，所述电感耦合装置中的电感耦合线圈设置在所述工艺腔室的内部，用以释放射频功率。

8.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述电感耦合线圈设置在所述工艺腔室内部的上方位置处。

9.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述电感耦合线圈设置在所述工艺腔室内部的侧面。

10.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，包括等离子体化学气相沉积、等离子体刻蚀及等离子体溅射设备。

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