CN103165383B - 电感耦合等离子体线圈及等离子体注入装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种电感耦合等离子体线圈，包括：若干组处于同一平面内的射频线圈；每组所述射频线圈由两组U型回折矩形线圈耦合而成；每组所述U型回折矩形线圈包括两个长直线段，一个短直线段。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。另一方面能够更好地实现阻抗匹配，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样片污染的可能性，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

电感耦合等离子体线圈及等离子体注入装置

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线圈及等离子体注入装置。

背景技术

目前在半导体制造和加工技术中经常用到等离子体源，常用的等离子体源包括电容耦合等离子体源(CCP)，电子回旋共振等离子体源(ECR)，螺旋波或表面波等离子体源以及电感耦合等离子体源(ICP)。其中电感耦合等离子源(ICP)结构简单，能够产生高密度，大面积均匀的等离子体，因而在半导体等离子体设备中得到了广泛的应用。

在ICP电感耦合等离子体源中，线圈结构和配置对等离子体的密度，均匀性等参数起到重要作用。近年来随着集成电路的发展，样片的尺寸不断增加，等离子体反应腔室的体积和激发线圈的面积随之增加。为了满足大尺寸样片条件下对等离子体密度和均匀性的要求，ICP感应耦合等离子体源在线圈设计方面存在诸多的困难和挑战。

当前常用的ICP感应耦合等离子体发生装置如附图1所示，一般由等离子体线圈110，反应腔室17，介质石英窗111，基座15等结构构成。从进气口14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16排出。在附图1和附图2中，等离子体发生装置结构有所不同。附图2中将等离子体线圈212嵌入到反应腔室27中，中间用石英管213隔离。附图2中的等离子体发生装置产生的等离子体优于附图1，是现在等离子体发生设备中常用的结构。

ICP电感耦合等离子体源的线圈在几何结构上通常有平面螺旋和平面矩形结构。中国专利CN101582322A公开了各种平面螺旋等离子体线圈。平面螺旋线圈是早期比较常用的线圈，它在反应腔室中央产生的磁场强度最强，而在边缘部分产生的磁场强度比较弱，因而产生的等离子体密度均匀性比较差。中国专利CN101409126A公开了一种平面并联对称栅型线圈，属于平面矩型结构。平面矩形结构能够在一定程度上提高等离子体的均匀性，但是由于不可避免的驻波效应引起的功率分布不均，这使得平面矩形线圈很难进一步提高均匀性。另外，其过高的电感很难实现感应耦合线圈的阻抗匹配。

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设备随着晶圆的尺寸不断增加，等离子体反应腔室的体积和激发线圈的面积随之增加，过高的等离子体线圈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，能更好地实现阻抗匹配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线圈及等离子体注入装置。

本发明的一个方面，提供一种电感耦合等离子体线圈，包括：若干组处于同一平面内的射频线圈；

每组所述射频线圈由两组U型回折矩形线圈耦合而成；

每组所述U型回折矩形线圈包括两个长直线段，一个短直线段；

每组所述U型回折矩形线圈的长直线段之间相互平行，长度相等，以每组所述射频线圈中心轴线为界，左右两对长直线段电流方向相同。

进一步，所述U型回折矩形线圈由半径为1mm-10mm的空心铜管制成。

进一步，每组所述U型回折矩形线圈的短直线段的长度相等。

进一步，每组所述U型回折矩形线圈的短直线段的长度不相等。

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或4所述的电感耦合等离子体线圈、可调电感及第一功率源；

所述可调电感用于灵活调节各组U型回折矩形线圈中的射频电流；

所述等离子体线圈中每个U型回折矩形线圈的一端接地，一端通过可调电感与第一功率源连接。

进一步，所述的电感耦合等离子体注入装置，还包括：

反应腔室及石英管；

所述反应腔室设置有进气口与出气口；

所述反应腔室内设置有所述电感耦合等离子体线圈；

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，且所述电感耦合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线圈及等离子体注入装置，等离子体线圈采用若干组由两个U型回折矩形线圈耦合而成的射频线圈组成的结构，能够保证在等离子体大面积的条件下，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等离子体线圈中的驻波效应，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两端产生更低的射频电压，减少了等离子体线圈，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为现有技术中的另一种电感耦合等离子体注入装置结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的电感耦合等离子体线圈的工作原理图；

图4为设置有图3所示结构的电感耦合等离子体注入装置结构示意图；

图5为图4所示结构中电感耦合等离子体线圈剖面结构图；

图6为本发明实施例二提供的电感耦合等离子体线圈的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点描述的更清晰，以下结合具体的实例及附图加以说明。

实施例一：

本发明提供一种电感耦合等离子体线圈包括若干组处于同一平面内的射频线圈。其中，每组射频线圈由两组U型回折矩形线圈耦合而成。U型回折矩形线圈由半径为1mm-10mm的空心铜管制成，可以根据不同要求进行选择。每组U型回折矩形线圈包括两个长直线段，一个短直线段。若干组射频线圈中U型回折矩形线圈的长直线段之间相互平行，长度相等。若干组射频线圈中U型回折矩形线圈的短直线段的长度随样片尺寸而改变，短直线段的长度可相等，也可以不相等。每组U型回折矩形线圈一端接地，另一端通过可调电感接第一功率源。以每组射频线圈中心轴线为界，同一时间各组U型回折矩形线圈左右两对长直线段电流方向相同。相同的射频电流在空间产生的交变电磁场强度相互叠加，可以产生更高的等离子体密度。

等离子体线圈中射频线圈的组数可以根据不同情况进行调整，如图3所示的一种电感耦合等离子体线圈，包括三组处于同一平面内的射频线圈33，三组射频线圈33空间结构均相同。其中，每组射频线圈由两组U型回折矩形线圈314耦合而成。U型回折矩形线圈314由半径为5mm的空心铜管制成。每组U型回折矩形线圈314包括两个长直线段，一个短直线段。三组射频线圈33中U型回折矩形线圈314的长直线段之间相互平行，长度相等。三组射频线圈33中U型回折矩形线圈314的短直线段的长度相等。各组U型回折矩形线圈314同一时间电流走向如图所示，以每组射频线圈33中心轴线为界，同一时间各组U型回折矩形线圈314左右两对长直线段电流方向相同。每组射频线圈33的两个U型回折矩形线圈314在平面上相互耦合，为平面中心对称结构。

如图4所示，本发明提供的一种包含图3所示等离子体线圈结构的电感耦合等离子体注入装置包括：三组射频线圈43、可调电感42、石英管48、第一功率源41、反应腔室47、基座45及第二射频偏压功率源49。可调电感42用于灵活调节各组U型回折矩形线圈中的射频电流。三组处于同一平面内的射频线圈43设置在反应腔室47内部，每组射频线圈43由两组U型回折矩形线圈耦合而成。其中，每组U型回折矩形线圈的一端接地，另一端通过可调电感42接第一功率源41。功率端与功率源之间分别接有可调电感42，增加了线圈系统的灵活性。通过调节可调电感42的大小，可以灵活的调节各组感应耦合线圈线圈中的射频电流，从而能够改善等离子体的均匀性。反应腔室47设置有进气口44与出气口46。基座45设置在反应腔室47内部，与第二射频偏压功率源49连接。样片放置在基座45上。

如图5所示，石英管58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58设置在等离子体线圈的射频线圈53外围，射频线圈53的空心铜管中心用水流冷却，且等射频线圈53与石英管58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58的管厚度，从而增加射频线圈53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采用U型回折线圈的方式能够在保证等离子体高密度的情况下减小等离子体线圈的长度，从而减小等离子体线圈电感，有利于等离子体线圈的阻抗匹配，同时等离子体线圈长度减少也降低了等离子体线圈的驻波效应。本发明提供的一种电感耦合等离子体注入装置，将线圈嵌入到反应腔室中，线圈与反应腔室之间用石英管隔离。相比等离子体线圈外置式的感应耦合等离子体源而言，内嵌式结构起隔离作用的石英介质厚度更小，因而能够增加等离子体线圈与等离子体之间的耦和效率从而产生密度更高的等离子体。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于，如图6所示的一种电感耦合等离子体线圈，包括三组处于同一平面内的射频线圈63，每组射频线圈63由两组U型回折矩形线圈耦合而成。六组U型回折矩形线圈由半径为5mm的空心铜管制成。每组U型回折矩形线圈包括两个长直线段，一个短直线段。六组U型回折矩形线圈的长直线段之间相互平行，长度相等。且六组U型回折矩形线圈中，两组短U型回折矩形线圈615位于等离子体线圈线圈的两端，四组长U型回折矩形线圈616位于等离子体线圈线圈中央位置，四组长U型回折线圈616中长直线段有四分之三在等离子体线圈系统中央，剩下的四分之一与两端的短U型回折矩形线圈615耦合。四组长U型回折矩形线圈616的短直线段的长度是两组短U型回折矩形线圈615的短直线段长度的1.5倍。实施例二同一时间电流走向如附图6所示。与实施例一相比，实施例二的电流走向有所不同。其他地方与实施例一完全一致。

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 (4)

1.一种电感耦合等离子体线圈，其特征在于，包括：

若干组处于同一平面内的射频线圈；

每组所述射频线圈由两组U型回折矩形线圈耦合而成；

所述射频线圈并列排布，且每组所述射频线圈中的两组所述U型回折矩形线圈对应插入对方U口中；

每组所述U型回折矩形线圈包括两个长直线段，一个短直线段；

每组所述U型回折矩形线圈的长直线段之间相互平行，长度相等，以每组所述射频线圈中心轴线为界，左右两对长直线段电流方向相同；

所述U型回折矩形线圈由半径为1mm-5mm的空心铜管制成。

2.如权利要求1所述的电感耦合等离子体线圈，其特征在于：

每组所述U型回折矩形线圈的短直线段的长度相等。

3.如权利要求1所述的电感耦合等离子体线圈，其特征在于：

每组所述U型回折矩形线圈的短直线段的长度不相等。

4.一种电感耦合等离子体注入装置，其特征在于，包括：

权利要求2或3所述的电感耦合等离子体线圈、可调电感及第一功率源；

所述可调电感用于灵活调节各组U型回折矩形线圈中的射频电流；

所述等离子体线圈中每个U型回折矩形线圈的一端接地，一端通过可调电感与第一功率源连接；

反应腔室及石英管；

所述反应腔室设置有进气口与出气口；

所述反应腔室内设置有所述电感耦合等离子体线圈；

所述石英管设置在所述电感耦合等离子体线圈外围；

所述石英管是直径为4mm-30mm，厚度为1mm-5mm的空心石英管；

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