CN104347336B - 电感耦合线圈及等离子体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电感耦合线圈及等离子体加工设备。本发明提供的电感耦合线圈包括径向截面不同的中心部和边缘部。在本发明提供的电感耦合线圈中，中心部或边缘部的径向截面使其通过感性耦合可以在反应腔室的中心区域或边缘区域中产生强度较强的涡旋电场，而通过容性耦合产生的静电场的强度较弱，从而可以减弱反应腔室中心区域或边缘区域的电流驻波效应，进而可以提高等离子体的密度及分布均匀性；边缘部或中心部的径向截面使其通过容性耦合可以在反应腔室的边缘区域或中心区域产生较强的静电场，从而不仅可以增大工艺窗口，而且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源的能量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种电感耦合线圈及等离子体加工设备。
背景技术
目前，电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，以下简称为ICP)设备因其可以在较低的工作气压下获得高密度和高均匀性的等离子体，且结构简单、制造成本较低，而被广泛应用在刻蚀蓝宝石衬底等基片的工艺中。
图1为现有的ICP设备的结构示意图。如图1所示，ICP设备包括反应腔室4和电感耦合线圈3。其中，在反应腔室4内设置有静电卡盘5，用以采用静电吸附的方式承载被加工工件6，并且，静电卡盘5依次与第一匹配器7和第一射频电源8电连接；电感耦合线圈3设置于反应腔室4的顶壁上方，其依次与第二匹配器2和第二射频电源1电连接。在进行工艺的过程中，第二射频电源1向电感耦合线圈3通入射频电流，以在反应腔室内产生交变磁场，该交变磁场又感应出涡旋电场，从而使反应腔室内的工艺气体在电磁场中获取能量并电离，进而产生高密度的等离子体。
在上述工艺过程中，电感耦合线圈3内的射频电流可以通过感性耦合的方式产生可加速等离子体中电子的运动行程的涡旋电场，该涡旋电场的强度和电场分布能够影响等离子体的密度高低和分布均匀性。而且，在电感耦合线圈3上产生的射频电压通过容性耦合的方式可以产生影响等离子体的辉光放电的静电场，该静电场的强度能够影响等离子体的启辉条件的严苛度。
另外，电感耦合线圈3的几何结构也可以影响由感性耦合产生的涡旋电场和由容性耦合产生的静电场的强度。在实际应用中，由于上述容性耦合的方式会产生电流驻波效应，并且由容性耦合产生的静电场的强度越高，电流驻波效应越严重，导致对反应腔室中的等离子体的密度及分布均匀性产生不良影响。为此，人们通常会将电感耦合线圈的径向截面设计为“竖立”的矩形或椭圆形等的高窄式形状，如图2所示，在这种情况下，可以提高由感性耦合产生的涡旋电场的强度，降低由容性耦合产生的静电场的强度。
采用上述降低或消除由容性耦合产生的静电场的强度的方法，可以减小容性耦合在工艺过程中所带来的不利影响，但这又会存在下述问题，即：
若降低或消除由容性耦合产生的静电场，则会提高等离子体的启辉条件的严苛度，导致必须提高射频电源的输入功率才能实现等离子体的辉光放电，这不仅增加了反应气体的离化的难度，减小了工艺窗口，而且还增加了射频电源的能量消耗，从而增加了生产成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种电感耦合线圈及等离子体加工设备，其可以在保证等离子体的密度及分布均匀性满足工艺要求的前提下，降低等离子体的启辉条件的严苛度，从而不仅可以增大工艺窗口，而且可以降低激励电源的能量消耗。
为实现本发明的目的而提供一种电感耦合线圈，其包括径向截面不同的中心部和边缘部。
其中，所述中心部由纵向长度与横向长度比大于1的第一线圈组成；所述边缘部由纵向长度与横向长度比小于1的第二线圈组成。
其中，所述第一线圈相对于反应腔室的中心区域螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝；所述第二线圈相对于反应腔室的边缘区域螺旋且水平或竖直缠绕的至少一匝。
其中，所述第一线圈与所述第二线圈并联；或者所述第一线圈与所述第二线圈串联。
其中，所述中心部包括多个第一线圈，每个所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1；所述边缘部包括多个第二线圈，每个所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1。
其中，每个所述第一线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第一线圈彼此并联，且相互嵌套；每个所述第二线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第二线圈彼此并联，且相互嵌套。
其中，所述多个第一线圈与所述多个第二线圈并联；或者所述多个第一线圈与所述多个第二线圈串联。
其中，所述中心部由纵向长度与横向长度比大于1的第一线圈组成，所述第一线圈相对于反应腔室的中心区域螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝；所述边缘部包括多个第二线圈，每个所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1，每个所述第二线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第二线圈彼此并联，且相互嵌套。
其中，所述中心部包括多个第一线圈，每个所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1，每个所述第一线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第一线圈彼此并联，且相互嵌套；所述边缘部由纵向长度与横向长度比小于1的第二线圈组成，所述第二线圈相对于反应腔室的边缘区域螺旋且水平或竖直缠绕的至少一匝。
其中，所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1.2:1。
优选地，所述第一线圈纵向长度与横向长度比为1.5:1或者2:1。
其中，所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1:1.2。
优选地，所述第二线圈纵向长度与横向长度比1:1.5或者1:2。
其中，所述中心部和边缘部的径向截面的形状包括椭圆形、纵向长度与横向长度比不等于1的多边形或不规则形。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室和设置在反应腔室内的卡盘，所述卡盘用以承载被加工工件，其中，在反应腔室的顶壁上方设有采用本发明提供的上述电感耦合线圈，所述电感耦合线圈依次与匹配器及激励电源电连接，用以激发反应腔室内的反应气体形成等离子体。
其中，所述电感耦合线圈中心部的投影位于所述被加工工件的外缘内侧的区域内；所述电感耦合线圈边缘部的投影位于环绕在所述被加工工件的外围的区域内。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的电感耦合线圈包括径向截面不同的中心部和边缘部；其中，中心部或边缘部的径向截面使其通过感性耦合可以在反应腔室的中心区域或边缘区域中产生强度较强的涡旋电场，而通过容性耦合产生的静电场的强度较弱，从而可以减弱反应腔室中心区域或边缘区域的电流驻波效应，进而可以提高等离子体的密度及分布均匀性；边缘部或中心部的径向截面使其通过容性耦合可以在反应腔室的边缘区域或中心区域产生较强的静电场，从而不仅可以增大工艺窗口，而且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源的能量消耗。
本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用本发明提供的电感耦合线圈，可以增大工艺窗口，并且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源的能量消耗。
附图说明
图1为现有的ICP设备的结构示意图；
图2为一种电感耦合线圈的径向截面图；
图3为本发明实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图；
图4为第一线圈和第二线圈的两种形状的径向截面图；
图5为本发明实施例提供的电感耦合线圈的一种设置方式的立体图；以及
图6为本发明实施例提供的电感耦合线圈的另一种设置方式的立体图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的电感耦合线圈及等离子体加工设备进行详细描述。
图3为本发明实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的电感耦合线圈设置于反应腔室30的顶壁上方，且依次与匹配器35及激励电源31电连接，用以激发反应腔室30内的反应气体形成等离子体，其包括径向截面不同的中心部33和边缘部34，并且，在中心部33和边缘部34中，其中一个的径向截面使其可以通过感性耦合产生较强的涡旋电场，另一个的径向截面则使其可以通过容性耦合产生较强的静电场。
在本实施例中，中心部33的径向截面使其可以通过感性耦合在反应腔室30的中心区域产生强度较强的涡旋电场，而通过容性耦合产生的静电场的强度较弱，从而不仅可以使反应腔室内的工艺气体在涡旋电场中获取能量并电离，进而产生高密度的等离子体，并且可以减弱反应腔室30中心区域的电流驻波效应，进而可以提高等离子体的密度及分布均匀性。边缘部34的径向截面使其可以通过容性耦合在反应腔室30的边缘区域产生较强的静电场，从而不仅可以增大工艺窗口，而且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源的能量消耗；并且，边缘部34在边缘区域产生的电流驻波效应对等离子体的密度及分布均匀性影响较小，从而可以实现在保证等离子体的密度及分布均匀性满足工艺要求的前提下，降低等离子体的启辉条件的严苛度。
具体地，中心部33由纵向长度与横向长度比大于1的第一线圈332组成，并且第一线圈332的径向截面的形状包括椭圆形、纵向长度与横向长度比不等于1的多边形或不规则形，如图4所示；在实际应用中，第一线圈332的纵向长度与横向长度比大于1.2:1，优选地，可以为1.5:1或者2:1。边缘部34由纵向长度与横向长度比小于1的第二线圈342组成，并且第二线圈342的径向截面的形状包括椭圆形、纵向长度与横向长度比不等于1的多边形或不规则形，如图4所示；在实际应用中，第二线圈342的纵向长度与横向长度比小于1:1.2，优选地，可以为1:1.5或者1:2。
在进行工艺的过程中，如图4所示，由于第一线圈332的径向截面采用“竖立”的高窄式形状，这使得反应腔室30的中心区域由感性耦合产生的涡旋电场的强度较强，而由容性耦合产生的静电场的强度较弱，从而可以减弱反应腔室30的中心区域的电流驻波效应，进而可以提高等离子体的密度及分布均匀性。与此同时，由于第二线圈342的径向截面采用“横卧”的宽平式形状，这使得反应腔室30的边缘区域由感性耦合产生的涡旋电场的强度较弱，而由容性耦合产生的静电场的强度较强，从而不仅可以增大工艺窗口，而且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源31的能量消耗。此外，由于第二线圈342位于反应腔室30的边缘区域，在该边缘区域产生的电流驻波效应对等离子体的密度及分布均匀性影响较小，从而可以实现在保证等离子体的密度及分布均匀性满足工艺要求的前提下，降低等离子体的启辉条件的严苛度。
下面对第一线圈332和第二线圈的342的具体结构及设置方式进行详细描述。具体地，图5为本发明实施例提供的电感耦合线圈的一种设置方式的立体图。请参阅图5，中心部33包括一个第一线圈332，边缘部34包括一个第二线圈342。其中，第一线圈332相对于反应腔室30的中心区域螺旋且水平缠绕一匝或多匝，第二线圈342相对于反应腔室30的边缘区域螺旋且水平缠绕一匝或多匝；并且，第一线圈332的外端332a(即，第一线圈332的远离反应腔室30中心的一端)和第二线圈342的内端342b(即，第一线圈332的靠近反应腔室30中心的一端)串接在一起，使第一线圈332和第二线圈342串联。
当然，在实际应用中，也可以使第一线圈332和第二线圈342并联，或者使第一线圈332和第二线圈342分别连接不同的激励电源，这样可以实现分别独立地控制通入第一线圈332和第二线圈342中的射频电流，从而可以根据具体情况灵活地控制上述第一线圈332和第二线圈342分别在反应腔室30的中心区域和边缘区域内产生的电磁场，进而可以提高等离子体加工设备的工艺灵活性。
需要说明的是，在本实施例中，第一线圈332和第二线圈342均为螺旋且水平缠绕一匝或多匝的平面线圈，但是，本发明并不限于此，在实际应用中，第一线圈332和/或第二线圈342还可以为螺旋且竖直缠绕多匝的“弹簧”状线圈，且该“弹簧”状线圈中的各匝线圈的外径可以相同也可以不同，并且当“弹簧”状线圈中的各匝线圈的外径不同时，各匝线圈的外径可以由上至下逐渐增大或减小。
还需要说明的是，在本实施例中，中心部33和边缘部34各自均由缠绕成一匝或多匝的一个线圈组成，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，中心部33和边缘部34也可以分别作如下设置，即：图6为本发明实施例提供的电感耦合线圈的另一种设置方式的立体图。如图6所示，中心部33包括多个第一线圈332，每个第一线圈332螺旋且水平缠绕至少一匝，并且多个第一线圈332彼此并联，且相互嵌套；边缘部34包括多个第二线圈342，每个第二线圈342螺旋且水平缠绕至少一匝，并且多个第二线圈342彼此并联，且相互嵌套，并且，多个第一线圈332与多个第二线圈342相互并联，或者，位于多个第一线圈332与多个第二线圈342串联。容易理解，也可以使每个第一线圈332和/或第二线圈342螺旋且竖直缠绕至少一匝。
或者，中心部33和边缘部34还可以分别作如下设置，即：中心部33包括一个第一线圈332，且该第一线圈332相对于反应腔室30的中心区域螺旋且水平缠绕至少一匝；边缘部34包括多个第二线圈342，每个第二线圈342螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且多个第二线圈342彼此并联，且相互嵌套。并且，第一线圈332与多个第二线圈342并联，或者，第一线圈332与多个第二线圈342串联。
又或者，中心部33和边缘部34还可以分别作如下设置，即：中心部33包括多个第一线圈332，每个第一线圈332螺旋且水平缠绕至少一匝，并且多个第一线圈332彼此并联，且相互嵌套；边缘部34包括一个第二线圈342，且该第二线圈342相对于反应腔室30的中心区域螺旋且水平缠绕至少一匝。并且，多个第一线圈332与第二线圈342并联，或者，多个第一线圈332与第二线圈342串联。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室和设置在反应腔室内部的卡盘，该卡盘用以承载被加工工件；在反应腔室的顶壁上方设有电感耦合线圈，该电感耦合线圈依次与匹配器及激励电源电连接，用以激发反应腔室内的反应气体形成等离子体，并且，该电感耦合线圈采用了本发明上述实施例提供的电感耦合线圈。
具体地，电感耦合线圈的中心部的投影位于被加工工件的外缘内侧的区域内，边缘部的投影位于环绕在被加工工件的外围的区域内。
本实施例提供的等离子体加工设备，通过采用本发明上述实施例提供的电感耦合线圈，可以增大工艺窗口，并且可以在较低的射频功率下实现等离子体的辉光放电，进而可以降低激励电源的能量消耗。
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 (15)
1.一种电感耦合线圈，其特征在于，所述电感耦合线圈包括径向截面不同的中心部和边缘部；
所述中心部由纵向长度与横向长度比大于1的第一线圈组成；
所述边缘部由纵向长度与横向长度比小于1的第二线圈组成；
所述中心部的所述第一线圈的纵向长度大于所述边缘部的所述第二线圈的纵向长度，且所述中心部的所述第一线圈的横向长度小于所述边缘部的所述第二线圈的横向长度。
2.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第一线圈相对于反应腔室的中心区域螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝；
所述第二线圈相对于反应腔室的边缘区域螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝。
3.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第一线圈与所述第二线圈并联；或者
所述第一线圈与所述第二线圈串联。
4.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述中心部包括多个第一线圈，每个所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1；
所述边缘部包括多个第二线圈，每个所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1。
5.根据权利要求4所述的电感耦合线圈，其特征在于，每个所述第一线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第一线圈彼此并联，且相互嵌套；
每个所述第二线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第二线圈彼此并联，且相互嵌套。
6.根据权利要求4所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述多个第一线圈与所述多个第二线圈并联；或者
所述多个第一线圈与所述多个第二线圈串联。
7.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述中心部由纵向长度与横向长度比大于1的第一线圈组成，所述第一线圈相对于反应腔室的中心区域螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝；
所述边缘部包括多个第二线圈，每个所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1，每个所述第二线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第二线圈彼此并联，且相互嵌套。
8.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述中心部包括多个第一线圈，每个所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1，每个所述第一线圈螺旋且水平或竖直缠绕至少一匝，并且所述多个第一线圈彼此并联，且相互嵌套；
所述边缘部由纵向长度与横向长度比小于1的第二线圈组成，所述第二线圈相对于反应腔室的边缘区域螺旋且水平或竖直缠绕的至少一匝。
9.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第一线圈纵向长度与横向长度比大于1.2:1。
10.根据权利要求9所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第一线圈纵向长度与横向长度比为1.5:1或者2:1。
11.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第二线圈纵向长度与横向长度比小于1:1.2。
12.根据权利要求11所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述第二线圈纵向长度与横向长度比1:1.5或者1:2。
13.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述中心部和边缘部的径向截面的形状包括椭圆形、纵向长度与横向长度比不等于1的多边形或不规则形。
14.一种等离子体加工设备，包括反应腔室和设置在反应腔室内的卡盘，所述卡盘用以承载被加工工件，其特征在于，
在反应腔室的顶壁上方设有如权利要求1-13任意一项所述的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈依次与匹配器及激励电源电连接，用以激发反应腔室内的反应气体形成等离子体。
15.根据权利要求14所述的等离子体加工设备，其特征在于，
所述电感耦合线圈中心部的投影位于所述被加工工件的外缘内侧的区域内；
所述电感耦合线圈边缘部的投影位于环绕在所述被加工工件的外围的区域内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100176 No. 8 Wenchang Avenue, Beijing economic and Technological Development Zone Patentee after: Beijing North China microelectronics equipment Co Ltd Address before: 100176 Beijing economic and Technological Development Zone, Wenchang Road, No. 8, No. Patentee before: Beifang Microelectronic Base Equipment Proces Research Center Co., Ltd., Beijing |
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| CP03 | Change of name, title or address |