CN103456592A - 等离子体处理装置及其电感耦合线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置及其电感耦合线圈，将电感耦合等离子体处理装置中，原先使用的单匝螺旋线圈结构，改变为具有若干组包含多个1/2、1/4或1/6等圆环的环段，并对这些环段的连线方式做了改进，以使该线圈上径向相邻环段的射频电流方向相反，则反应腔室内产生的等离子体在晶圆上方沿径向的分布更为均匀，能够适应对更大直径的晶圆进行处理。

Description

等离子体处理装置及其电感耦合线圈

技术领域

本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种电感耦合线圈及设置有该电感耦合线圈的等离子体处理装置。

背景技术

目前，电感耦合等离子体处理装置被广泛应用在半导体器件的生产制造过程中。如图1所示的一种等离子体处理装置中，在反应腔室4内的底部设置有静电卡盘6，等待处理的晶圆5即被放置在该静电卡盘6上。在反应腔室4顶板的外侧上方设置有电感耦合线圈（以下简称线圈3）。

在半导体加工过程中，第一射频源1通过第一匹配器2与该线圈3连接，所提供的射频电流流入线圈3，并围绕该线圈3产生磁场，进而在反应腔室4内感生出电场，以此对通入到反应腔室4内的工艺气体进行电离并产生等离子体。通过所产生的等离子体，对晶圆5表面进行刻蚀等处理。同时，第二射频源11还通过第二匹配器10与静电卡盘6连接，接通射频电源后用于提供偏置电压，以便增加等离子体与晶圆5碰撞的离子的能量。

如图2所示，是目前常用的一种电感耦合线圈，该线圈为平面螺旋结构，一般由单匝螺旋缠绕的导电线圈构成。由于当射频电流流过这种线圈时，在该线圈径向上相邻的两个环段的电流方向是相同的，容易使得在反应腔室内形成不均匀的环状（donut-shaped）磁场（参见图8中虚线所示）。

即，在反应腔室内靠近线圈中心位置所感应的电磁场强度，要大于线圈边缘或其他位置的电磁场强度，因此，会造成晶圆上方的等离子体的密度在中心高边缘低的问题，而这种等离子体沿径向不均匀的分布很难通过扩散来消除，则会使得对晶圆表面的刻蚀处理不均匀分布，影响半导体器件的成品质量。

另外，如果为了满足对更大直径晶圆的加工，就需要增加电感耦合线圈的长度和圈数。并且，对于更大直径的晶圆来说，上述等离子体沿径向不均匀分布的情况更加明显。因此，通过现有螺旋形的电感耦合线圈形成，难以满足对大面积、高密度等离子体均匀分布的要求，不能适用于对对于大尺寸晶圆的均匀蚀刻。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型结构的电感耦合线圈，使该线圈上相邻环段的电流方向相反，以使在反应腔室内产生的等离子体能够在晶圆上方沿径向的分布更为均匀，以此来适应对更大直径的晶圆进行处理。本发明还提供了设置该电感耦合线圈的等离子体处理装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电感耦合线圈，以及使用该电感耦合线圈的等离子体处理装置。所述等离子体处理装置包含反应腔室，在所述反应腔室内的底部设置有静电卡盘，所述电感耦合线圈设置在所述反应腔室的顶板的外侧上方；一个第一射频源通过连接一个第一匹配器，向所述线圈提供射频电流来产生电磁场，从而将引入所述反应腔室内的工艺气体电离形成等离子体，通过所述等离子体对放置在所述静电卡盘上的晶圆进行处理。

其中所述电感耦合线圈是平面结构的线圈，该线圈中设有多个沿线圈径向间隔布置的导电的环段，其中任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的。

所述线圈设有N个环段组，N是一个偶数；

每个环段组中包含开口方向相同、半径依次减小的若干个所述环段；每个所述环段是N分之一的圆环。

每个所述环段组中任意一个具有第一半径的环段的第二端，与相邻的一个环段组中一个具有第二半径的环段的第一端，通过导电的连接段进行连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在每个所述环段组中具有第一半径和第二半径的两个环段，在线圈的径向上相邻布置。

所述第一半径或第二半径是该线圈的最小半径时，每两个所述环段组中，各自半径最小的所述环段的第二端，不再与其他环段的第一端连接，而是通过连接段直接连接这两个环段的第二端。

所述第一半径或第二半径是该线圈的最大半径时，在所有环段组中各自半径最大的环段的第一端，不再与其他环段的第二端连接；

将其中任意两个环段组中，各自半径最大的环段的第一端，分别作为所述线圈的射频电流的输入端和输出端；并且，其他的每两个环段组中，各自半径最大的环段的第一端，则通过连接段直接连接。

本发明还提供一种电感耦合线圈，以及使用该电感耦合线圈的等离子体处理装置。所述等离子体处理装置包含反应腔室，在所述反应腔室内的底部设置有静电卡盘，在所述反应腔室的顶板的外侧上方设置有所述电感耦合线圈；一个第一射频源通过连接一个第一匹配器，向所述电感耦合线圈提供射频电流来产生电磁场，从而将引入所述反应腔室内的工艺气体电离形成等离子体，通过所述等离子体对放置在所述静电卡盘上的晶圆进行处理；

其中，所述电感耦合线圈是平面结构的线圈，该线圈设有多个半圆环段，每两个所述半圆环段的半径一致且开口相对设置；所有半圆环段被分为两组，每组所述半圆环段的开口方向相同、半径依次减小，且沿径向间隔布置；

除了两组中半径最大的半圆环段的第一端，及两组中半径最小的半圆环段的第二端以外，其他的任意一个具有第一半径的半圆环段的第二端，与开口相对的一个具有第二半径的半圆环段的第一端，通过连接段来连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在同一组中具有第一半径和第二半径的两个半圆环段在线圈的径向上相邻设置；

两组中半径最小的半圆环段，各自的第二端通过连接段直接连接；而两组中半径最大的半圆环段，各自的第一端则分别作为射频电流的输入端及输出端，则所述线圈上任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的。

与现有技术相比，本发明所述等离子体处理装置及其电感耦合线圈，其优点在于：本发明中将电感耦合等离子体处理装置中，原先使用的单匝螺旋线圈结构，改变为具有若干组包含多个1/2、1/4或1/6圆环的环段，并对这些环段的连线方式做了改进，以使该线圈上径向相邻环段的射频电流方向相反，则反应腔室内产生的等离子体在晶圆上方沿径向的分布更为均匀，能够适应对更大直径的晶圆进行处理。

 

附图说明

图1是现有一种电感耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图2是现有一种电感耦合线圈的结构示意图；

图3是本发明所述电感耦合线圈在实施例1中的结构示意图；

图4是本发明所述电感耦合线圈在实施例2中的结构示意图；

图5是本发明所述电感耦合线圈在实施例3中的结构示意图；

图6是本发明所述等离子体处理装置中电感耦合线圈的电流流向及磁场分布的示意图；

图7是图6中最左边两圈磁感线放大后的示意图，用以说明磁场强度叠加的原理；

图8是使用本发明所述电感耦合线圈和现有线圈相比，电磁场强度与反应腔室上径向位置的关系示意图。

具体实施方式

如图3所示，是本发明所述电感耦合线圈的一种具体实施结构，该线圈31是一个平面结构的反向双重螺旋线圈（reversed double spiral coils），即，该线圈31设有多个近似为半圆环的第一环段41，每两个第一环段41的半径一致且开口相对设置。将开口方向相同、半径依次减小的各个第一环段41编为一组，则每一组第一环段41是沿径向有间隔布置的。

在本实施例中，假设各个环段在顺时针方向上在前的一端为第一端，在后的一端为第二端（在其他的实施例中，也可以将第一端和第二端的设定互相替换）。则，除了半径最大和最小的第一环段41以外，其他的任意一个第一环段41的第二端，与开口相对的一个半径略小的第一环段41的第一端，通过连接段51来连接。其中，半径最小的两个第一环段41，其各自的第一端与其他第一环段41类似，而其各自的第二端则通过连接段51直接连接。

而半径最大的两个第一环段41，其各自的第二端与其他第一环段41类似，而其各自的第一端则分别作为射频电流Irf的输入端及输出端，因此在该结构的线圈31上施加有射频电流Irf之后，任意一个第一环段41中流过的电流，与相邻一个开口方向一致的第一环段41中流过的电流方向相反。

如图4所示的另一个实施例中，所述电感耦合线圈32包含多个近似为四分之一圆环的第二环段42。将这些第二环段42分为四组，每组中具有若干个开口方向相同、半径依次减小、沿径向有间隔布置的第二环段42（图4中的虚线部分不是线圈32实际存在的部分，是为了方便划分环段的分组而设置的）。为了方便描述，以顺时针方向称其为第一组到第四组，即，第一组和第三组的第二环段42开口相对，第二组和第四组的第二环段42开口相对。并且，这四组中任意四个半径一致的第二环段42围绕在一个假定的圆环周边但相互没有连接。

除了各组中半径最大和最小的第二环段42以外，其他的每一组中任意的一个第二环段42的第二端，与顺时针相邻的一组中一个半径略小的第二环段42的第一端，通过连接段52来连接。

第一组和第二组中，半径最小的第二环段42的第二端，通过连接段52直接连接；且，第三组和第四组中，半径最小的第二环段42的第二端，也通过另外的连接段52直接连接。各组中半径最小的第二环段42的第一端的连接方式，与其他的相类似。

第一组中半径最大的第二环段42，其第一端作为射频电流Irf的输入端；第二组和第三组中，半径最大的第二环段42的第一端连接；第四组中半径最大的第二环段42的第一端，则作为射频电流Irf的输出端。各组中半径最大的第二环段42的第二端的连接方式，与其他的相类似。因此在该结构的线圈32上施加有射频电流Irf之后，任意一组中每一个第二环段42，和与其径向相邻的一个第二环段42中流过的电流方向相反。

如图5所示的又一个实施例中，所述的电感耦合线圈33设有六组，每组包含若干个近似为六分之一圆环的第三环段43。则，使每两个顺时针方向相邻的组中，半径最小的第三环段43的第二端通过连接段53直接连接。并且，假定其中任意一组为第一组，则该组中半径最大的第三环段43的第一端为射频电流Irf的输入端，则与第一组逆时针方向相邻的一组中半径最大的第三环段43的第一端为射频电流Irf的输出端。而从第一组的顺时针方向开始，每两个相邻的组中半径最大的第三环段43的第一端通过连接段53直接连接。除了上述情况以外，其他的每一组中任意的一个第三环段43的第二端，与顺时针相邻的一组中一个半径略小的第三环段43的第一端，通过连接段53来连接。因此在该结构的线圈33上施加有射频电流Irf之后，任意一组中每一个第三环段43，和与其径向相邻的一个第三环段43中流过的电流方向相反。

在其他的一些实施例中，还可以使用其他偶数数量的环段组，例如，通过设置八组近似八分之一圆环的环段等，来构成所述的电感耦合线圈，以满足每组中任意一个环段与径向上相邻一个环段的电流反向，环段组的连线方式等与上述若干实施例中相类似，不再赘述。

如图6所示，并请配合参见图1所示，本发明还提供了一种电感耦合等离子体处理装置，其包含反应腔室4，在反应腔室4内的底部设置有静电卡盘6，等待处理的晶圆5即被放置在该静电卡盘6上。本发明上述任意一种结构的电感耦合线圈31、32、或33即设置在反应腔室4顶板的外侧上方，图6中省略了反应腔室4的侧壁，仅显示了其顶板和静电卡盘的介电层。所述线圈、反应腔室4、晶圆5、静电卡盘6的圆心的位置相互对应。

另外，第一射频源1通过第一匹配器2与所述线圈连接，用于提供施加到所述线圈的射频电流Irf，从而为在反应腔室4内生成等离子体提供射频功率。通过在反应腔室4内产生的等离子体，对晶圆5表面进行刻蚀等处理。同时，还可以设置一第二射频源11，使其通过第二匹配器10与静电卡盘6连接，接通另一射频电源后用于提供偏置电压，以便增加等离子体与晶圆5碰撞的离子的能量。

配合参见图3和图6所示，图6中箭头标示了磁感应强度B的方向，点叉标示了射频电流Irf流出或流入某一环段的方向；而与图6中相反，图3中箭头所指是电流方向，点叉标示是磁感应强度B方向，其中，点表示垂直于纸面向外的方向，叉表示垂直于纸面向里的方向。可见，本发明上述每一个实施结构的电感耦合线圈（图3~图5）中，由于任意两个径向相邻的环段中电流流过的方向相反，则在这两个环段正上方的磁场强度有一部分相互抵消，另外一部分则叠加在一起产生一个垂直方向的磁场。

具体请参见图7所示，以图6中最左边的两圈磁感线为例，对于该两圈相邻的磁感线的交叉点Q来说，其磁场强度方向分别为y1和y2。y1在水平方向和垂直方向上分别具有一个分量y1a和y1b，同理y2在水平方向和垂直方向上也分别具有一个分量y2a和y2b。由于产生这两圈磁感线的电流方向是相反的，因此，水平方向上的分量y1a和y2a是相互抵消的，而在垂直方向上的分量y1b和y2b是相互叠加并增强的，则在总体上产生一个垂直向下的磁场强度。其他例如图6中最右侧两圈相邻的磁感线的方向与图7中示出的方向相反，因此，最右侧的这两圈磁感线在水平方向上的磁场强度分量相互抵消，而在垂直向上的方向产生一个叠加而增强的磁场强度。

参见图8所示，直线所示是本发明所述电感耦合线圈的磁场强度与该线圈的径向位置的关系，虚线则是现有单匝的螺旋状线圈的磁场强度与线圈的径向位置的关系；其中原点O是指线圈的圆心，径向位置就是线圈上某一位置在该圆心的距离。

可见，虽然与现有单匝的螺旋状线圈相比，若射频功率相同，则使用本发明所述电感耦合线圈产生的磁场强度会有所减少，但是本发明在线圈径向上的不同位置，例如是中心位置到边缘位置，磁场强度都更加均匀，因此能够保证所产生的等离子体在晶圆的上方分布更加均匀，进而保证晶圆上不同位置的均匀处理效果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。例如，本发明所述线圈中径向上相邻的各个环段的间距，可以是从线圈的中心到边缘位置设置成相同或不同的间距，例如中心的径向间距大，边缘的径向间距小，以进一步调整不同位置的磁场强度及等离子体密度。例如，可以将本发明上述的线圈中，射频线圈的输入端和输出端互换。例如，可以是将本发明上述线圈中环段的连线反向设置，即，改为任意一组的每一个环段的第一端与逆时针相邻的一组中半径略小的那个环段的第二端连接。又例如，各组中半径相同的环段可以不是具有相同的弧长，等等。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种电感耦合线圈，用于等离子体处理装置，通过在该线圈上施加射频电流来产生电磁场，其特征在于，

所述电感耦合线圈是平面结构的线圈，该线圈中设有多个沿线圈径向间隔布置的导电的环段，其中任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的。

2.如权利要求1所述电感耦合线圈，其特征在于，

所述线圈设有N个环段组，N是一个偶数；

每个环段组中包含开口方向相同、半径依次减小的若干个所述环段；每个所述环段是N分之一的圆环。

3.如权利要求2所述电感耦合线圈，其特征在于，

每个所述环段组中任意一个具有第一半径的环段的第二端，与相邻的一个环段组中一个具有第二半径的环段的第一端，通过导电的连接段进行连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在每个所述环段组中具有第一半径和第二半径的两个环段，在线圈的径向上相邻布置。

4.如权利要求3所述电感耦合线圈，其特征在于，

所述第一半径或第二半径是该线圈的最小半径时，每两个所述环段组中，各自半径最小的所述环段的第二端，不再与其他环段的第一端连接，而是通过连接段直接连接这两个环段的第二端。

5.如权利要求4所述电感耦合线圈，其特征在于，

所述第一半径或第二半径是该线圈的最大半径时，在所有环段组中各自半径最大的环段的第一端，不再与其他环段的第二端连接；

将其中任意两个环段组中，各自半径最大的环段的第一端，分别作为所述线圈的射频电流的输入端和输出端；并且，其他的每两个环段组中，各自半径最大的环段的第一端，则通过连接段直接连接。

6.一种电感耦合线圈，用于等离子体处理装置，通过在该线圈上施加射频电流来产生电磁场，其特征在于，

所述电感耦合线圈是平面结构的线圈，该线圈设有多个半圆环段，每两个所述半圆环段的半径一致且开口相对设置；所有半圆环段被分为两组，每组所述半圆环段的开口方向相同、半径依次减小，且沿径向间隔布置；

除了两组中半径最大的半圆环段的第一端，及两组中半径最小的半圆环段的第二端以外，其他的任意一个具有第一半径的半圆环段的第二端，与开口相对的一个具有第二半径的半圆环段的第一端，通过连接段来连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在同一组中具有第一半径和第二半径的两个半圆环段在线圈的径向上相邻设置；

两组中半径最小的半圆环段，各自的第二端通过连接段直接连接；而两组中半径最大的半圆环段，各自的第一端则分别作为射频电流的输入端及输出端，则所述线圈上任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的。

7.一种电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，

所述等离子体处理装置包含反应腔室，在所述反应腔室内的底部设置有静电卡盘，在所述反应腔室的顶板的外侧上方设置有电感耦合线圈；所述线圈中设有多个沿线圈径向间隔布置的导电的环段，其中任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的；

一个第一射频源通过连接一个第一匹配器，向所述线圈提供射频电流来产生电磁场，从而将引入所述反应腔室内的工艺气体电离形成等离子体，通过所述等离子体对放置在所述静电卡盘上的晶圆进行处理。

8.如权利要求7所述电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，

所述线圈设有N个环段组，N是一个偶数；

每个环段组中包含开口方向相同、半径依次减小的若干个所述环段；每个所述环段是N分之一的圆环。

9.如权利要求8所述电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，

除了各个环段组中半径最小的环段的第二端，以及各个环段组中半径最大的环段的第一端以外，每个所述环段组中其他任意一个具有第一半径的环段的第二端，与相邻的一个环段组中一个具有第二半径的环段的第一端，通过导电的连接段进行连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在每个所述环段组中具有第一半径和第二半径的两个环段，在线圈的径向上相邻布置。

10.如权利要求9所述电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，

在所有环段组中，每两个所述环段组中各自半径最小的所述环段的第二端，通过连接段直接连接； 

在所有环段组中，任意两个环段组中各自半径最大的环段的第一端，分别作为所述线圈的射频电流的输入端和输出端；并且，其他的每两个环段组中各自半径最大的环段的第一端，则通过连接段直接连接。

11.一种电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，

所述等离子体处理装置包含反应腔室，在所述反应腔室内的底部设置有静电卡盘，在所述反应腔室的顶板的外侧上方设置有电感耦合线圈；一个第一射频源通过连接一个第一匹配器，向所述电感耦合线圈提供射频电流来产生电磁场，从而将引入所述反应腔室内的工艺气体电离形成等离子体，通过所述等离子体对放置在所述静电卡盘上的晶圆进行处理；

所述电感耦合线圈是平面结构的线圈，该线圈设有多个半圆环段，每两个所述半圆环段的半径一致且开口相对设置；所有半圆环段被分为两组，每组所述半圆环段的开口方向相同、半径依次减小，且沿径向间隔布置；

除了两组中半径最大的半圆环段的第一端，及两组中半径最小的半圆环段的第二端以外，其他的任意一个具有第一半径的半圆环段的第二端，与开口相对的一个具有第二半径的半圆环段的第一端，通过连接段来连接；所述第一半径与第二半径不相同，且在同一组中具有第一半径和第二半径的两个半圆环段在线圈的径向上相邻设置；

两组中半径最小的半圆环段，各自的第二端通过连接段直接连接；而两组中半径最大的半圆环段，各自的第一端则分别作为射频电流的输入端及输出端，则所述线圈上任意两个在径向上相邻的所述环段上流过的射频电流方向是相反的。

Images