CN103165382B - 电感耦合等离子体注入装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种电感耦合等离子体线圈，包括两组折回而成的射频线圈；两组所述射频线圈的空间结构采用平面蛇形并联的方式，且在空间分布上严格对称，使得在同一线圈位置的射频电流的方向相同。还公开了一种设置有上述等离子体线圈的电感耦合等离子体注入装置。本发明提供的电感耦合等离子体线圈及其注入装置，一方面能够减少线圈中的驻波效应，增加等离子体的均匀性。另一方面能够很好地实现阻抗匹配，增加等离子体的耦合效率，降低由于过高的电压导致石英窗溅射从而造成晶片污染的可能性，还能够在大面积反应腔室中产生大面积，均匀的高密度等离子体，以满足微电子领域的实验室以及工业上的需求。

Description

电感耦合等离子体注入装置

技术领域

本发明属于半导体加工设备技术领域，具体是一种电感耦合等离子体注入装置。

背景技术

等离子体装置被广泛应用于离子注入，刻蚀以及薄膜沉淀等工艺中。随着集成电路技术特别是平板显示设备的不断发展，等离子源要求具有高密度，大面积均匀等良好特性。

ICP感应耦合等离子体源具有电感耦合等离子体源(ICP)具有密度高，离子能量和密度能够独立控制，设备简单等优点，在集成电路工艺中得到了广泛的应用。ICP感应耦合等离子体通常在低压情况下通过线圈进行等离子体激发。ICP设备供给线圈高频功率，产生交变电磁场，电磁场通过石英介质窗耦合将能量传送给腔内气体从而激发等离子体。基座通过射频功率源产生负向偏压，等离子体中正离子在负偏压的作用下向衬底运动，轰击基座上的晶片从而产生刻蚀，沉积等微电子工艺。

图1为典型的ICP感应耦合等离子体的装置，一般由等离子体线圈2，反应腔室3，介质石英窗4，基座5等结构构成。从进气口7进入的反应气体在腔室中被激发成等离子体，等离子体中正离子在基座负向偏压的作用下轰击晶片完成晶片原子层沉积，刻蚀等工艺，反应后气体通过出气口8排出。在等离子体装置中，线圈的配置对等离子体的密度和均匀性起重要作用，

目前大多数ICP等离子体线圈采用平面螺旋以及平面矩形天线结构。随着晶片尺寸的增加，等离子体线圈尺寸随之增加，一方面过高的电感增加了线圈两端的电压从而造成石英窗的溅射污染晶片，另一方面由于驻波效应的存在使得等离子体产生径向和方位角的不均匀性，这对半导体工艺产生了诸多不良影响。另外传统的ICP装置采用外置天线，天线与等离子体之间用介质石英窗隔离。大面积的晶片要求介质窗的面积随之增加，从而介质窗的厚度势必增加。这样无疑会降低线圈与等离子体的耦合效率，降低等离子体的密度。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的电感耦合等离子体注入设备随着样片尺寸的增加，等离子体线圈尺寸随之增加，过高的电感增加了线圈两端的电压从而造成石英窗的溅射污染晶片，且由于驻波效应的存在使得等离子体产生径向和方位角的不均匀性，这对半导体工艺产生了诸多不良影响的问题。提供一种能够减少线圈中的驻波效应，增加等离子体的均匀性及耦合效率及降低石英窗溅射造成的样片污染问题的电感耦合等离子体注入装置。

本发明的一个方面，提供一种电感耦合等离子体线圈，包括：

两组折回而成的射频线圈；

两组所述射频线圈的空间结构采用平面蛇形并联的方式，且在空间分布上严格对称，使得在同一线圈位置的射频电流的方向相同。

进一步，两组所述射频线圈由半径为1mm-10mm的空心铜管制成。

进一步，两组所述射频线圈的一端相连，另一端不相连。

本发明的另一个方面，提供一种电感耦合等离子体注入装置包括：

权利要求3所述的电感耦合等离子体线圈、匹配网络、移相器及第一互补功率源；

所述第一互补功率源用于提供大功率的正弦波；

所述第一互补功率源分为两路，一路将正弦波通过匹配网路输送至所述电感耦合等离子体线圈不相连端的一侧射频线圈，另一路通过所述移相器形成与前一路相位相反的互补正弦波后，再通过匹配网络输送至所述电感耦合等离子体线圈不相连端的另一侧射频线圈。

进一步，所述匹配网络采用L型自动阻抗匹配方式，利用可调电容对射频线圈进行自动阻抗匹配，保证两组射频线圈同一对称位置始终电流同相并且不发生相移，从而使线圈能够很好的激发面积高、功率均匀的等离子体。

进一步，所述的电感耦合等离子体注入装置还包括：

反应腔室、基座及第二射频偏压功率源；

所述反应腔室设置有进气口与出气口；

所述基座设置在所述反应腔室内与所述第二射频偏压功率源连接。

进一步，所述电感耦合等离子体线圈设置在所述反应腔室内。

进一步，所述的电感耦合等离子体注入装置还包括：

石英管，所述石英管设置在所述电感耦合等离子体线圈外围。

进一步，所述石英管是直径为4mm-30mm，厚度为1mm-5mm的空心石英管。

进一步，所述电感耦合等离子体线圈的空心铜管中心用水流冷却，且所述等离子体线圈与所述石英管之间留有间隙。

本发明提供的一种电感耦合等离子体注入装置，在线圈几何结构上本发明采用平面蛇形线圈对称并联方式。采用这种几何结构能够在保证等离子体大面积的条件，尽可能的减少线圈的长度和电感。一方面长度减小的新型线圈能够减少线圈中的驻波效应，增加等离子体的均匀性。另一方面该新型线圈的电感减少能够很好地实现阻抗匹配，增加等离子体的耦合效率。另外较小的电感使得在线圈两端产生更低的射频电压，减少了线圈，石英管以及等离子体鞘层之间的电容耦合效应，降低了由于过高的电压导致石英窗溅射从而造成晶片污染的可能性。本发明采用新的等离子体线圈配置和线圈功率提供方式组成的等离子体注入装置，通过采用新的线圈配置，能够在大面积反应腔室中产生大面积，均匀的高密度等离子体，以满足微电子领域的实验室以及工业上的需求。

附图说明

图1为现有技术中的一种电感耦合等离子体注入装置结构示意图；

图2本发明实施例中所示的电感耦合等离子体线圈的工作原理图；

图3为设置有图2所示结构的电感耦合等离子体注入装置结构示意图；

图4为图3所示电感耦合等离子体线圈的剖面图。

具体实施方式

如图2、图3所示，本发明提供一种电感耦合等离子体线圈10由两组折回而成的射频线圈构成，一端相连，另一端不相连。两组射频线圈的空间结构采用平面蛇形并联的方式，且在空间分布上严格对称，使得在同一线圈位置的射频电流的方向相同。两组线圈由半径为1mm-10mm的空心铜管制成，可以根据不同要求进行选择，本实施例采用的是5mm空心铜管。

结合图2、图3所示，本发明提供的一种电感耦合等离子体注入装置包括：离子体线圈10、两个匹配网络11、移相器12、石英管13、第一互补功率源1、反应腔室3、基座5及第二射频偏压功率源6。离子体线圈10的两组线圈作为主要的激发天线，每组射频线圈折回的次数及折回密度视反应腔室3的面积而定。两组线圈一端相连，另一端分别接幅度，频率相同但是相位相差180度的互补功率源。第一互补功率源1提供大功率的正弦波，在到达两组线圈之前分为两路，一路将正弦波通过一个匹配网路11输送至等离子体线圈10不相连的一侧射频线圈，另一路通过移相器12形成与前一路相位相反的互补正弦波后，再通过另一个匹配网络11输送至等离子体线圈10不相连的另一侧射频线圈。两组线圈相连的一端虚拟接地。匹配网路11采用L型自动阻抗匹配方式，利用可调电容对射频线圈进行自动阻抗匹配，保证两组射频线圈同一对称位置始终电流同相，从而使等离子体线圈10能够很好的激发面积高、功率均匀的等离子体。反应腔室3设置有进气口7与出气口8。基座5与第二射频偏压功率源6连接。样片9放置在基座5上。

如图4所示，石英管13是直径为4mm-30mm，厚度为1mm-5mm的空心石英管，可以根据不同要求进行选择，本实施例采用的是直径为16mm，厚度为2mm的空心石英管。石英管13设置在等离子体线圈10外围，等离子体线圈10的空心铜管中心用水流冷却，且等离子体线圈10与石英管13之间留有间隙，这样在保证正常工作的情况下能够尽可能的减小石英管13的管厚度，从而增加等离子体线圈10与等离子体的耦合效率。

本发明提供的一种电感耦合等离子体线圈及其等离子体注入装置，在等离子体线圈10几何结构上本发明采用平面蛇形线圈对称并联方式，采用这种几何结构能够在保证等离子体大面积的条件，且能尽可能的减少线圈的长度和电感。一方面，长度减小的新型等离子体线圈10能够减少线圈中的驻波效应，增加等离子体的均匀性。另一方面该新型等离子体线圈10的电感减少能够更好地实现阻抗匹配，增加等离子体的耦合效率。另外较小的电感使得在等离子体线圈10两端产生更低的射频电压，减少了等离子体线圈10，石英管13以及等离子体鞘层之间的电容耦合效应，降低了由于过高的电压导致石英窗溅射从而造成晶片污染的可能性。通过采用新的等离子体线圈10配置，能够在大面积反应腔室中产生大面积，均匀的高密度等离子体，以满足微电子领域的实验室以及工业上的需求。

在线圈功率提供方式上，该发明线圈采用交流平面差分的方式，即通过移相器12将来自第一互补功率源1的电压分为频率幅度均相同但是相位相差180度的差分互补的两路功率源，然后将两路功率源分别接在蛇形并联射频线圈各自的一端。这种功率提供方式使得平面对称的蛇形线圈同一位置射频电流始终保证方向一致，且能增加两个射频线圈之间的电磁耦合效应，在反应腔室3的同一位置两组射频线圈产生的磁场强度相互叠加，从而增加了等离子体的密度。两组射频线圈采用平面差分结构使得线圈相连末端形成虚拟接地，在效果上减小了线圈的等效长度，从而减小了驻波效应。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电感耦合等离子体注入装置，其特征在于，包括：

电感耦合等离子体线圈、匹配网络、移相器及第一互补功率源；

所述第一互补功率源用于提供大功率的正弦波；

所述第一互补功率源分为两路，一路将正弦波通过匹配网路输送至所述电感耦合等离子体线圈不相连端的一侧射频线圈，另一路通过所述移相器形成与前一路相位相反的互补正弦波后，再通过匹配网络输送至所述电感耦合等离子体线圈不相连端的另一侧射频线圈；

所述电感耦合等离子体线圈包括：两组折回而成的射频线圈，两组所述射频线圈的空间结构采用平面蛇形并联的方式，且在空间分布上严格对称，使得在同一线圈位置的射频电流的方向相同。

2.如权利要求1所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于：

所述匹配网络采用L型自动阻抗匹配方式，利用可调电容对射频线圈进行自动阻抗匹配，保证两组射频线圈同一对称位置始终电流同相，从而使线圈能够很好的激发面积高、功率均匀的等离子体。

3.如权利要求2所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于，还包括：

反应腔室、基座及第二射频偏压功率源；

所述反应腔室设置有进气口与出气口；

所述基座设置在所述反应腔室内与所述第二射频偏压功率源连接。

4.如权利要求3所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于：

所述电感耦合等离子体线圈设置在所述反应腔室内。

5.如权利要求4所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于，还包括：

石英管，所述石英管设置在所述电感耦合等离子体线圈外围。

6.如权利要求5所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于：

所述石英管是直径为4mm-30mm，厚度为1mm-5mm的空心石英管。

7.如权利要求6所述的电感耦合等离子体注入装置，其特征在于：

所述电感耦合等离子体线圈的空心铜管中心用水流冷却，且所述等离子体线圈与所述石英管之间留有间隙。