CN103560068B - 均匀改变等离子体分布的等离子处理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，该装置包含：处理室，用于容纳处理气体；绝缘窗，其设置于所述处理室顶部；线圈，其设置在所述处理室外部，并对应设置于绝缘窗处；该装置还包含：导板条，其靠近线圈设置；该导板条中产生与线圈的电流方向相反的感生电流；机械驱动装置，其通过连杆机械连接导板条，带动导板条远离或靠近线圈运动；导板条与线圈之间距离越近感生电流越强，导板条与线圈之间距离越远感生电流越弱，从而控制处理室内的电磁场分布。本发明采用机械驱动装置控制导板条与线圈之间的距离，以机械方式实现对等离子处理室内电磁场分布连续改变控制，设备结构简单，操作便捷，成本低。

Description

均匀改变等离子体分布的等离子处理装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种半导体处理技术，具体涉及一种通过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置及其控制方法。

背景技术

目前，为了实现等离子体处理室内电磁场的分布改变，主要采用如下方法：

一、如图1所示，中国专利（申请号：201010170823.0）公开了一种等离子体处理装置，其包含：处理室；在处理室内载置晶片的载置台；以与载置台相对的方式隔着板状电介质配置的由内侧天线元件和外侧天线元件构成的平面状的高频天线，和以覆盖高频天线的方式设置的屏蔽部件，各天线部件构成为分别将其两端开放并且将中点或者中点附近接地，分别以来自不同的高频电源的高频的1/2波长谐振。通过内侧天线元件和外侧天线元件构成高频天线，并构成将各天线元件的两端开放且将中点或其附近接地，以来自高频电源的高频1/2波长谐振，由此降低等离子体电位，形成稳定的高密度的等离子体，能准确控制对被处理基板的等离子体处理的均匀性。

二、如图2所示，美国专利（专利号：12/913,135）公开了一种等离子体处理装置，该装置包含一个设有绝缘窗的处理室，衬底支撑单元，反应气体提供单元，RF射频提供单元以及校正线圈，校正线圈设置在处理室的外部，用于通过电磁感应耦合射频天线，以控制处理室内等离子密度分布，还设有一个天线线圈距离控制单元，在射频天线与校正线圈之间平行的情况下，该天线线圈距离控制单元用于控制射频天线与校正线圈之间的距离。

三、如图3所示，PCT申请（美国专利，优先权号：09/843,749）公开了一种等离子体反应装置，该反应装置包含有处理室，处理室的侧壁上设有绝缘窗。在处理室的外部临近绝缘窗的位置设有一个射频天线线圈（RFantennacoil）。一个磁芯（magneticcore）设置于处理室外部靠近线圈的位置。该磁芯包含一个磁偶极矩范围在10μ至1000μ之间的材料。磁芯还包含铁氧体材料，其至少围绕部分线圈设置。磁芯与绝缘窗之间的距离可调节。通过磁芯可调节电感耦合等离子体的分布。

四、另外，反应耦合等离子体（ICP，InductiveCoupledPlasma）等离子源实现可调通常还采用的方法是：主要通过增加ICP的线圈（coil）数量，例如增加1至3个线圈，改变每个线圈上能量馈入，实现等离子腔室内电磁场分布的改变。

然而上述各种等离子体处理室内电磁场的分布控制的方法，装置结构复杂、操作复杂，成本高。

发明内容

本发明提供一种均匀改变等离子体分布的等离子处理装置及其控制方法，通过机械的方式实现改变电磁场的空间分布，成本更低，系统设计更简单。

为实现上述目的，本发明提供一种均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，该装置包含：

处理室，用于容纳处理气体；

绝缘窗，其设置于所述处理室顶部；

线圈，其设置在所述处理室外部，并对应设置于绝缘窗处；

其特点是，上述装置还包含：

导板条，其靠近线圈设置；该导板条中产生与线圈的电流方向相反的感生电流；

机械驱动装置，其通过连杆机械连接导板条，带动导板条远离或靠近线圈运动；

上述导板条与线圈之间距离越近感生电流越强，导板条与线圈之间距离越远感生电流越弱，从而控制处理室内的电磁场分布。

上述导板条采用易变形结构，其边缘固定于等离子处理装置的侧壁，中央部分连接机械驱动装置；

上述机械驱动装置带动导板条中央部分沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，同时带动导板条中央部分至其边缘之间的板面变形运动，使导板条与线圈之间的距离由中央至边缘连续变化。

上述导板条采用同心的环形褶皱结构。

上述导板条面积小于所述线圈平面的面积，所述机械驱动装置带动导板条沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，通过运动过程中所述导板条中感生电流的变化控制电磁场分布。

该装置包含若干导板条，各个导板条分别与线圈的各个部分对应设置；

该装置还包含若干机械驱动装置，各个机械驱动装置与各个导板条一一对应连接，每个机械驱动装置分别控制其所对应连接的导板条沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，通过各个导板条中感生电流的变化控制电磁场分布。

上述导板条与线圈同心设置。

上述导板条与线圈平行设置。

上述导板条与线圈之间间隔且不接触设置，导板条与线圈之间保持绝缘距离。

一种上述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法，其特点是，该方法包含：

机械驱动装置控制位于线圈中间部分的导板条远离线圈，导板条相对边缘部分上电磁场耦合较弱，中间部分的导板条功率向下传递效率高于边缘部分，所以导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度高；

机械驱动装置控制位于线圈中间部分的导板条靠近线圈，导板条相对边缘部分上电磁场耦合较强，中间部分的导板条功率向下传递效率低于边缘部分，所以导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度低。

均匀控制上述机械驱动装置，并由机械驱动装置带动导板条均匀运动。

本发明均匀改变等离子体分布的等离子处理装置及其控制方法和现有技术等离子体处理室内电磁场分布控制技术相比，其优点在于，本发明采用步进电机控制导板条与线圈之间的距离，以机械方式实现对等离子处理室内电磁场分布连续改变控制，设备结构简单，操作便捷，成本低。

附图说明

图1为现有技术一种等离子体处理装置的结构示意图；

图2为现有技术一种等离子体处理装置的结构示意图；

图3为现有技术一种等离子体反应装置的结构示意图；

图4为本发明均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的实施例一的结构示意图；

图5为本发明均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的线圈的结构示意图；

图6为本发明均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图4所示，本发明公开一种通过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的实施例一，该装置包含有处理室，并且处理室的形状并非现定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

在处理室的底部设有用于放置晶圆的支撑台，支撑台中可根据需要设置有用于吸附晶圆的静电卡盘，电极以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。在进行半导体处理过程中，处理室内部充满有等离子体（plasma）。

处理室的顶部设有绝缘窗41（insulatorwindow），绝缘窗41采用石英玻璃、陶瓷或氧化铝（AL₂O₃）等构成。该绝缘窗41气密安装于处理室顶棚所形成的开口。

在处理室外部设有线圈42（coil），线圈42的形状可以如图5所示的平面状天线，线圈42具体可采用螺旋线圈状，该线圈42对应设置于处理室的绝缘窗41处。线圈42与绝缘窗41之间间隔设置。该线圈42可采用例如铜、铝、不锈钢等的导体构成。

该等离子处理装置还包含有导板条43与步进电机44（motor）。导板条43可以是任何导体材料，本实施例中采用金属板，其材料可以是铜、铁、铝等。

导板条43靠近线圈42设置，其平行、间隔设置于线圈42的上方，导板条43与线圈42不接触设置，并保持绝缘距离。本实施例一中，导板条43采用易变形结构，具体可采用同心的环形褶皱结构，导板条43可采用圆盘形，由导板条43中心至其边缘设有同心的环形结构，该环形结构由褶皱结构形成，从而使导板条43具有沿其法向方向（垂直于导板条43板面）的延展变形能力。导板条43的边缘固定于等离子处理装置的侧壁，其中央部分可通过同心的环形褶皱结构实现上下变形运动。

本发明中，由于导板条43靠近线圈42设置，导板条43中会产生与线圈42中所通的电流方向相反的感生电流（交变的电流）。当导板条43与线圈42之间距离越近，感生电流越强；导板条43与线圈42之间距离越远，感生电流越弱。

通过导板条43中产生的感生电流，可改变处理室中电磁场的分布，从而实现对处理室内等离子体分布的控制。

步进电机44通过螺杆机械连接所述导板条43的中央部分，通过步进电机44带动导板条43中央部分上下运动，从而使得导板条43的其余部分（除了边缘）都随着中央部分的上下运动而沿垂直于导板条板面方向变形，向上拱起或向下凹陷。

并实现了由步进电机44带动导板条43变形运动，使导板条43中央部分沿垂直于线圈42平面的轨迹远离或靠近线圈42运动，同时带动导板条43中央部分至其边缘之间的其余部分板面变形运动，导板条43与线圈42中央部分的距离不同于导板条43与线圈42边缘部分的距离，由于导板条43板面可连续变形，使导板条43与线圈42之间的距离由中央至边缘连续变化。

步进电机44的运动采用均匀控制（uniformitycontrol），使得步进电机44可带动导板条43均匀地变形运动。

本实施例中，过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法包含：

状态一：当步进电机44带动导板条43中央部分向上运动，导板条43的其余部分（除了边缘）随着其中央部分向上拱起，此时导板条43中央部分离线圈42的距离增大，并且导板条43与线圈42之间的距离由中央部分至边缘部分连续变化。

导板条43中间部分向上拱起远离线圈42，导板条43相对边缘部分上电磁场耦合较弱，中间部分的导板条43功率向下传递效率高于边缘部分，所以导板条43中间部分所对应处理室内的等离子密度高。

状态二：当步进电机44带动导板条43中央部分向下运动，导板条43的其余部分（除了边缘）随着其中央部分向下凹陷，此时导板条43中央部分离线圈42的距离减小，并且导板条43与线圈42之间的距离由中央部分至边缘部分连续变化。

导板条43中间部分向下凹陷靠近线圈42，导板条43相对边缘部分上电磁场耦合较强，中间部分的导板条43功率向下传递效率低于边缘部分，所以导板条43中间部分所对应处理室内的等离子密度低。

如图6所示，公开了一种通过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的实施例二，该装置包含有处理室，并且处理室的形状并非现定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

在处理室的底部设有用于放置晶圆的支撑台，支撑台中可根据需要设置有用于吸附晶圆的静电卡盘，电极以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。在进行半导体处理过程中，处理室内部充满有等离子体（plasma）。

处理室的顶部外壁设有绝缘窗51（insulatorwindow），绝缘窗51采用石英玻璃或陶瓷等构成。该绝缘窗51气密安装于处理室顶棚所形成的开口。

在处理室外部设有线圈52（coil），线圈52的形状可以如图5所示的平面状天线，具体可采用螺旋线圈状，该线圈52对应设置于处理室的绝缘窗51处。线圈52与绝缘窗51之间间隔设置。该线圈52可采用例如铜、铝、不锈钢等的导体构成。

该等离子处理装置还包含有导板条53（metalplate）与步进电机54（motor）。导板条53可以是任何导体材料，本实施例中采用金属板，其材料可以是铜、铁、铝等。

导板条53靠近线圈52设置，其平行、间隔设置于线圈52的上方，导板条53与线圈52不接触设置，并保持绝缘距离。

本实施例二中，导板条53采用圆形平板结构，该导板条53与线圈52同心设置，导板条53的面积小于线圈52平面的面积。

本发明中，由于导板条53靠近线圈52设置，导板条53中会产生与线圈52中所通的电流方向相反的感生电流（交变的电流）。当导板条53与线圈52之间距离越近，感生电流越强；导板条53与线圈52之间距离越远，感生电流越弱。

导板条53中产生感生电流，由于导板条53面积小于线圈52面积，使得只有导板条53对应区域内收到导板条53感生电流的变化的影响。从而实现通过改变导板条53的感生电流的强弱，改变处理室中电磁场的分布，实现对处理室内等离子体分布的控制。

步进电机54通过螺杆机械连接导板条53的中央部分，通过步进电机54带动导板条53沿垂直于线圈52平面的轨迹上下运动。步进电机54带动导板条53向上运动，导板条53中感生电流减弱；步进电机54带动导板条53向下运动，导板条53中感生电流增强。

步进电机54的运动采用均匀控制（uniformitycontrol），使得步进电机54可带动导板条53均匀地上下运动，使导板条53与线圈52之间的距离均匀连续变化。

本实施例二中，过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法包含：

状态一：当步进电机54带动导板条53向上运动，此时导板条53离线圈52中央部分的距离增大。

导板条53远离线圈52，导板条53相对边缘部分上电磁场耦合较弱，中间部分导板条53功率向下传递效率高于边缘部分，所以中间部分所对应处理室内的等离子密度高。

状态二：当步进电机54带动导板条53向下运动，此时导板条53离线圈52中央部分的距离减小。

导板条53靠近线圈52，导板条53相对边缘部分上电磁场耦合较强，中间部分导板条53功率向下传递效率低于边缘部分，所以中间部分所对应处理室内的等离子密度低。

本发明还公开一种通过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的实施例三，该装置包含有处理室，并且处理室的形状并非现定于圆筒状，例如也可以是角筒状。

在处理室的底部设有用于放置晶圆的支撑台，支撑台中可根据需要设置有用于吸附晶圆的静电卡盘，电极以及加热器或制冷剂流路等的温度调制机构等。在进行半导体处理过程中，处理室内部充满有等离子体（plasma）。

处理室的顶部外壁设有绝缘窗（insulatorwindow），绝缘窗采用石英玻璃或陶瓷等构成。该绝缘窗气密安装于处理室顶棚所形成的开口。

在处理室外部设有线圈（coil），线圈的形状可以如图5所示的平面状天线，具体可采用螺旋线圈状，该线圈对应设置于处理室的绝缘窗处。线圈与绝缘窗之间间隔设置。该线圈可采用例如铜、铝、不锈钢等的导体构成。

该等离子处理装置还包含有若干导板条（metalplate）与若干步进电机（motor）。

若干导板条靠近线圈设置，其平行、间隔设置于线圈的上方，导板条与线圈不接触设置，并保持绝缘距离。

本实施例三中，各个导板条可采用任意形状结构，各个导板条分别与线圈的各个部分对应设置，该些导板条相互之间可以重叠设置、或部分重叠设置、或不重叠设置。

该若干导板条组成导板条组，该导板条组的整体可以与线圈52同心设置或非同心设置。

本发明中，由于导板条靠近线圈设置，当线圈中通电时，导板条中会产生与线圈中所通的电流方向相反的感生电流（交变的电流）。当导板条与线圈之间距离越近，导板条中感生电流越强；导板条与线圈之间距离越远，导板条中感生电流越弱。

各个步进电机分别通过螺杆机械连接各个导板条，各个步进电机分别一一对应带动其所连接的导板条沿垂直于线圈平面的轨迹上下运动。当一个步进电机带动其连接的导板条向上运动，则该导板条远离线圈，该导板条中感生电流减弱；当一个步进电机带动其连接的导板条向下运动，则该导板条靠近线圈，该导板条中感生电流增强。

步进电机的运动采用均匀控制（uniformitycontrol），使得步进电机可带动导板条均匀地上下运动，使导板条与线圈之间的距离均匀连续变化。

由于各个导板条分别对应线圈的各个部分设置，同时每个导板条分别由独立步进电机控制。该装置可实现各个步进电机分别控制其所对应的导板条与线圈之间的距离，分别独立控制各个区域中导板条感生电流的强度，从而独立控制各个区域中电磁场的分布，实现对处理室内等离子体分布的控制。

本实施例三中，过改变线圈能量耦合系数均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法包含有：通过步进电机的联动控制使导板条作如实施例一和实施例二的运动；或者各个步进电机独立控制各个导板条做不规则地上下运动，分别独立控制各个区域的电磁场。

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。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，该装置包含：

处理室，用于容纳处理气体；

绝缘窗，其设置于所述处理室顶部；

线圈，其设置在所述处理室外部，并对应设置于所述绝缘窗处；

其特征在于，所述装置还包含：

导板条，其靠近所述的线圈设置；该导板条中产生与所述线圈的电流方向相反的感生电流；

机械驱动装置，其通过连杆机械连接所述的导板条，带动所述导板条远离或靠近所述线圈运动；

所述导板条中间部分相对导板条边缘部分远离线圈，导板条中间部分与线圈的电磁场耦合弱于导板条边缘部分，导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度相对导板条边缘部分所对应处理室内的等离子密度高；

所述导板条中间部分相对导板条边缘部分靠近线圈，导板条中间部分与线圈的电磁场耦合强于导板条边缘部分，导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度相对导板条边缘部分所对应处理室内的等离子密度低。

2.如权利要求1所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条采用易变形结构，其边缘固定于所述等离子处理装置的侧壁，中央部分连接机械驱动装置；

所述机械驱动装置带动导板条中央部分沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，同时带动导板条中央部分至其边缘之间的板面变形运动，使得所述导板条中间部分对应的所述处理室内的等离子密度变高或变低，使导板条与线圈之间的距离由中央至边缘连续变化。

3.如权利要求2所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条采用同心的环形褶皱结构，该环形结构由褶皱结构形成，从而使所述导板条具有沿其法向方向的延展变形能力。

4.如权利要求1所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条面积小于所述线圈平面的面积，所述机械驱动装置带动导板条沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，通过运动过程中所述导板条中感生电流的变化控制电磁场分布。

5.如权利要求1所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，该装置包含若干导板条，各个导板条分别与所述线圈的各个部分对应设置；

该装置还包含若干机械驱动装置，各个机械驱动装置与各个所述导板条一一对应连接，每个机械驱动装置分别控制其所对应连接的导板条沿垂直于线圈平面的轨迹远离或靠近线圈运动，通过各个导板条中感生电流的变化控制电磁场分布。

6.如权利要求1至4中任意一项权利要求所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条与线圈同心设置。

7.如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条与线圈平行设置。

8.如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置，其特征在于，所述导板条与线圈之间间隔且不接触设置，所述导板条与线圈之间保持绝缘距离。

9.一种如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法，其特征在于，该方法包含：

机械驱动装置控制位于线圈中间部分的导板条远离线圈，导板条相对边缘部分上电磁场耦合较弱，中间部分的导板条功率向下传递效率高于边缘部分，所以导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度高；

机械驱动装置控制位于线圈中间部分的导板条靠近线圈，导板条相对边缘部分上电磁场耦合较强，中间部分的导板条功率向下传递效率低于边缘部分，所以导板条中间部分所对应处理室内的等离子密度低。

10.如权利要求9所述的均匀改变等离子体分布的等离子处理装置的电磁场分布控制方法，其特征在于，均匀控制所述机械驱动装置，并由机械驱动装置带动导板条均匀运动。