CN104637767A - 一种电感线圈及电感耦合等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括一个气密的反应腔，反应腔包括反应腔侧壁和顶部的绝缘材料窗，反应腔内其包括一个用于支撑待处理基片的基座；绝缘材料窗上方固定有一个自屏蔽电感线圈，其特征在于：所述自屏蔽线圈包括相互串联的第一线圈、中间线圈和第三线圈，其中中间线圈位于第一线圈和第三线圈下方且宽度大于第一线圈或第三线圈的宽度，一个射频电源施加射频电场到所述自屏蔽线圈的第一线圈输入端和第三线圈输出端之间，其中所述第三线圈输出端还连接有一个调平衡电路调节所述调平衡电路使所述自屏蔽线圈上形成驻波，所述中间线圈的电压幅度小于第一线圈或第三线圈上的电压幅度。

Description

一种电感线圈及电感耦合等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子处理设备，特别涉及一种等离子体处理装置的电感耦合线圈。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术(Plasma Technology)得到了极为广泛的应用。等离子体技术通过在等离子体处理装置的反应腔室内通入反应气体并引入电子流，利用射频电场使电子加速，与反应气体发生碰撞使反应气体发生电离而等离子体，产生的等离子体可被用于各种半导体制造工艺，例如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。

等离子体处理设备包括常见的电容耦合型和电感耦合型等离子体处理装置。在需要较高等离子浓度的应用场合，电感耦合型等离子处理装置是主流，现有技术CN2907173Y和JP2008251830中传统的电感耦合等离子反应腔包括一个腔体，腔体内下部设置有基座，基座上可以放置待处理的晶元。反应腔顶部为绝缘材料窗，通常绝缘材料窗是由石英等陶瓷材料制成。绝缘材料窗上方设置有连接到射频电源的射频线圈，射频线圈和绝缘材料窗之间通常还设置有法拉第屏蔽板。这些线圈作为天线产生射频电磁场，其中电磁场中只有部分磁场能够穿过法拉第屏蔽板进入反应腔内电离反应气体形成高浓度等离子体，大部分电场均被法拉第屏蔽板屏蔽在反应腔外。如CN2907173Y说明书第五页第二段所述，法拉第屏蔽板能够屏蔽电感线圈向反应腔内的电容耦合，进而减少等离子对绝缘材料层的轰击，也就减少轰击产生的颗粒物对待处理基片的污染也提高了绝缘窗的使用寿命和可靠性。

但是这样的反应腔结构也会带来严重的问题：由于法拉第屏蔽板的存在，感应线圈上产生的电场无法进入反应腔，只有部分磁场能进入，在点燃等离子体时会造成等离子体无法可靠点燃，需要额外的装置或者更高能功率输入射频线圈才能保证等离子点燃。等离子在点燃前后阻抗是会急剧变化的，从一个高阻抗的物质瞬间变成导体，而调节输入射频功率的匹配器需要机械结构来调节阻抗匹配，只能达到秒级，所以匹配器的反应速度远远赶不是点燃瞬间的阻抗变化情况，因此为了点燃等离子而施加的额外功率会错误的施加到反应腔中一段时间，在这段时间中过高的功率会对反应腔内的部件或者待加工的晶元造成不利的影响。同时由于法拉第屏蔽板的存在造成只有部分射频磁场能够进入反应腔中激励反应气体形成等离子体，部分射频能量被浪费了，大幅度降低了电能的使用效率。所以业界需要一种既能够减小感应线圈对反应腔的电容耦合同时又不会降低感应线圈中磁场能量馈入反应腔的效率，还能实现稳定的点燃等离子的技术方案。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够减小感应线圈对反应腔的电容耦合,同时又不会降低感应线圈中磁场能量馈入反应腔的效率的技术方案。

本发明提供一种电感耦合等离子体处理装置，包括：一个气密的反应腔，反应腔包括反应腔侧壁和顶部的绝缘材料窗，反应腔内其包括一个用于支撑待处理基片的基座；绝缘材料窗上方固定有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个射频电源；其特征在于：所述电感线圈包括第一线圈、第三线圈和一个中间线圈，所述第一线圈包括一个第一端连接到所述射频电源，还包括一个第二端连接到中间线圈第一端；中间线圈还包括一个第二端连接到所述第三线圈第一端；第三线圈还包括一个第二端连接到接地端，其中第一和第三线圈互相平行且位于中间线圈上方，第一和第三线圈的投影在中间线圈上。绝缘材料窗上方还可以包括第二电感线圈围绕在所述电感线圈外或者在所述电感线圈内。

优选的，所述第三线圈的第二端通过一个调平衡电路连接到所述接地端。所述调节所述调平衡电路使所述线圈上形成驻波，所述驻波的电压分布是第一线圈上任意一点的与第三线圈上相对应位置点的电压极性相反幅度相同而且所述中间线圈的电压幅度小于第一和第三线圈的电压幅度。

其中第一线圈的第二端通过第一连接部（12）连接到下方的中间线圈，中间线圈第二端通过通过第二连接部（23）连接到上方的第三线圈，中间线圈上的第一连接部和第二连接部之间还包括一个开口使第一连接部和第二连接部互相隔离。本发明所述第一线圈、中间线圈或第三线圈的长度和小于射频电源信号3倍半波长，优选的小于等于于射频电源信号半波长。

本发明还提供一种电感耦合等离子体处理装置的第二实施例，包括：一个气密的反应腔，反应腔包括反应腔侧壁和顶部的绝缘材料窗，反应腔内其包括一个用于支撑待处理基片的基座；绝缘材料窗上方固定有一个自屏蔽电感线圈，其特征在于：所述自屏蔽电感线圈包括相互串联的第一线圈、中间线圈和第三线圈，其中中间线圈位于第一线圈和第三线圈下方且宽度大于第一线圈或第三线圈的宽度，一个射频电源施加射频电场到所述自屏蔽电感线圈的第一线圈输入端和第三线圈输出端之间，其中所述第三线圈输出端还连接有一个调平衡电路调节所述调平衡电路使所述自屏蔽电感线圈上形成驻波，所述中间线圈的电压幅度小于第一线圈或第三线圈上的电压幅度。所述射频电源的频率大于13Mhz，如13.56MHz、27MHz等。

可选的，所述第一和第三线圈向下投影位于中间线圈上，使中间线圈屏蔽第一线圈和第三线圈上的电压形成的电场。

可选的，还包括一个法拉第屏蔽板位于所述自屏蔽线圈和绝缘材料窗之间，所述第一和第三线圈的向下投影位于所述法拉第屏蔽板上。

可选的，绝缘材料窗上方还包括第二感应线圈围绕在所述自屏蔽线圈外或者在所述自屏蔽线圈内。本发明还提供一种用于电感耦合等离子体处理装置的电感线圈，包括：第一线圈、第三线圈和一个中间线圈，第一线圈和第三线圈位于所述中间线圈上方；所述第一线圈包括一个第一端，和一个第二端，所述第一线圈的第二端连接到下方中间线圈第一端，中间线圈还包括一个第二端连接到所述第三线圈第一端，第三线圈还包括一个第二端，中间线圈宽度大于第一或第三线圈，且第一和第三线圈向下的投影在中间线圈上。其中第一线圈和第三线圈之间存在间隙，且第一线圈围绕第三线圈。其中所述第一线圈和第二线圈之间的间隙位于所述中间线圈的垂直上方。

其中所述中间线圈构成一个闭合回路，所述第一线圈和第三线圈与中间线圈具有相同的形状。

其中所述第一线圈通过一个第一连接部连接到中间线圈第一端，第三线圈通过一个第二连接部连接到中间线圈第二端，中间线圈的第一端和第二端之间存在一个互相隔离的间隙。

附图说明

图1为本发明射频线圈结构示意图；

图2为本发明射频线圈俯视图；图3为本发明在线圈不同长度位置处的电压幅度分布示意图；

图4a为图2中本发明等离子体处理装置A处的射频线圈截面图；图4b，4c为本发明第二，第三实施例射频线圈截面图；

图5为本发明第四实施例射频线圈俯视图；

图6为应用本发明射频线圈后的等离子处理装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图1～图5显示了本发明的等离子处理装置的多个实施方式。应该理解，本发明中的等离子体处理装置可以为等离子体刻蚀、等离子体物理汽相沉积、等离子体化学汽相沉积、等离子体表面清洗等装置，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图中所示相同或不同。

实施例1

请参见图1，其所示为本发明电感线圈结构示意图。本发明电感线圈包括第一线圈10，通过射频输入连接部100连接到射频电源或其它外部电路。本发明电感线圈还包括一个中间线圈20位于第一线圈下方，中间线圈呈平板型，其宽度大于第一线圈10。第一线圈10构成一个圆环，一端为连接部100，另一端通过一个向下的第一中间连接部12连接到中间线圈20。中间线圈构成一个圆环，一端为第一连接部12，另一端为第二中间连接部32。第二中间连接部从中间线圈20表面向上延伸连接到一个第三线圈30。第三线圈呈环型，第一端为第二中间连接部32，另一端通过射频输出连接部300连接到第二射频电源或者其它外部电路。同时参考图2所示的本发明射频线圈俯视图，图中第一和第三线圈10,30位于中间线圈20上方，且第一和第三线圈10,30的投影位于中间线圈内。中间线圈20在第一中间连接部12和第二中间连接部32之间还设置有一个开口21，通过该开口21使第一中间连接部12和第二中间连接部32之间互相隔离。本发明第一线圈、中间线圈、第三线圈具有相同的沿展方向（顺时针或逆时针），在试驾射频电源到第一线圈输入端时在线圈上产生同方向的电流。

图3所示为本发明在线圈不同长度位置处的电压幅度分布示意图。在两个同频率射频电源分别通入射频输入连接部100和300或者一个射频电源连接到连接部100，再在连接部300到接地端之间设置一个调节电路控制反射的射频功率，这两种方法均会在本发明线圈10,20，30上形成驻波。驻波的波长与射频电源的频率有关，在等离子刻蚀领域典型的射频电源频率为13Mhz，对应的波长为23多米，其它如27Mhz，或者60Mhz对应的波长为小于10米。下面以射频电源的频率是13Mhz为例来说明本发明的线圈结构，第一线圈10，中间线圈20和第三线圈30的总长度小于等于半波长也就是11.5米，此时通过调节线圈平衡可以获得如图3所示的驻波分布。第一线圈10上的电压幅度分布V10是从最高电压幅度Va逐渐降低到中间电压，中间线圈上的电压V20为正向的中间幅度电压到反向的中间幅度电压，第三线圈30上的电压幅度分布V30为反向的中间幅度电压到反向的高电压幅度-Va。在线圈的任意位置处的实际电压值是以上述曲线为电压幅值的高频交流电压，比如在连接部100处的电压为输入电压的最高幅度，并以13Mhz的频率在Va和-Va之间交替变换。第一中间连接部12的电压是在Va/2和-Va/2之间变换，同时流过的电流为I12,同样的流过第二连接部32的电流为I32。

从图3中所示的驻波电压幅度可知，在第一线圈10和第三线圈30对应位置处，比如第一线圈任意一点X1离第三线圈上最近的点X3上的电压正好是方向相反电压幅度相同的，所以这两个点就形成了偶极电场，对外部的电场强度比如下方的反应腔内施加的电场就是这两个点之间的合成电场。由于这两点的电压极性相反幅度相同，所以这个合成电场非常小，接近与零。由于整个线圈的第一线圈10和第三线圈30上包括无数个这样一一对应的X1、X3点，所以这两个线圈形成的综合的电场也不会对反应腔内产生很大的影响。这种偶极电场可以明显的减弱远端的合成电场，但是对于第一线圈10和第三线圈30之间的电场减弱不明显，比如对于第一、三线圈之间正下方反应腔顶部的电场。设置在第一、三线圈下方的中间线圈20由于具有足够的宽度能够遮挡在第一、三线圈和下方绝缘材料窗之间，所以能够屏蔽上方第一线圈10和第三线圈30之间产生的合成电场，进一步减小线圈整体对下方电场的影响。

本发明线圈的第一线圈10和第三线圈30产生的电场在正下方基本被屏蔽，而远端的合成电场幅度非常小可以忽略不计，只有下方中间线圈20本身产生的电场无法屏蔽。由于本发明线圈的特殊设计和调整使得中间线圈20上的电压驻波V20的幅度很小，最大也不到最高幅值Va的一半，大部分区域电压接近于零所以也不会对下方反应腔造成较大影响。通过本发明线圈的设计大幅度减小了感应线圈对反应腔内等离子体的电场耦合效果，所以传统的法拉第屏蔽板可以省略或者简化，比如可以选择导体板上具有更大面积的通孔或者槽，容许更多磁场穿透入反应腔，同时也不会造成反应腔顶部绝缘材料窗的过度损耗。

如图4所示为本发明线圈在A处的截面图，4a为图1、2所示的本发明第一实施例的截面图，图4b和4c为本发明第二第三实施例的截面图，4b中第一线圈10位置高于第三线圈30，由于两个线圈间的电压关系仍然是极性相反幅度相同所以能够形成偶极电场，所以仍然能够实现本发明目的。图4c中与图4b类似，第三线圈30与第一线圈10不仅高度不同而且存在部分交叠，同样由于这样的线圈排布仍然能够形成偶极电场所以仍能实现本发明目的，当然由于两个线圈离反应腔顶部距离不同所以离反应腔顶部较近的第一线圈会起更大作用，所以线圈产生耦合到反应腔的电场较第一实施例略大，但是仍然远小于现有技术中传统线圈耦合到反应腔的电场数值。

中间线圈20的宽度大于第一、三线圈30中任意一个的宽度，或者大于两者的和，这样能够更有效的屏蔽两者产生的电场。根据本发明原理，第一第三线圈10、30之间的电压差距很大，而且两者之间距离很近，所以两者之间的电场很强，如果没有中间线圈20屏蔽的话仍然会在反应腔内产生较大的耦合电场，影响等离子的能量，缩短绝缘材料窗的寿命。

本发明线圈图形如第1至3实施例所示多个线圈够成环型外，也可以如图5所示的第4实施例的俯视图，线圈构成半圆形，设置两组本发明第4实施例所示的线圈在反应腔顶部以激励反应腔内的气体形成等离子体。也可以是其它任意形状的，如适应方形的反应腔或基板的需要选择方形的线圈，或者选用多个扇形图形的线圈构成圆形的线圈组。只要是能够成完整回路的任意形状的线圈，线圈上能形成偶极电场的，均属于本发明可实施例。

图6所示为应用了本发明电感耦合线圈的等离子处理装置，该等离子处理装置包括反应腔侧壁210，反应腔顶部包括一个绝缘材料窗211，反应腔内下方包括一个基座200，基座上放置有待处理的基片。绝缘窗211或者侧壁210上还设有气体供应装置（图中未示出）如气体喷头等。绝缘材料窗211上设置有本发明第一线圈10，第三线圈30和中间线圈20，第一和第三线圈分别通过连接部100和300连接到一个射频电源和一个接地端。其中连接部300和接地端之间还连接有一个调平衡电路220，调平衡电路220可以是一个可变电容，通过调节该电容的容值可以调节流入线圈的射频能量和从电容反射回线圈的功率或相位，最终获得稳定的驻波。图6中线圈安装在绝缘材料窗211上方，由于本发明线圈具有自屏蔽电场的功能，所以绝缘材料窗211和线圈组之间可以不设现有技术中需要的法拉第屏蔽板。当然本发明仍有如图3中V20段所示的少量电场会进入反应腔，在部分对电场屏蔽要求特别苛刻的场合，为了取得最佳的屏蔽效果，可以设置部分屏蔽板在本发明线圈和绝缘材料窗之间，该部分屏蔽板，由于采用本发明线圈后仅需屏蔽图3中中间线圈对应的少量的电场，所以可以只在本发明线圈下方局部位置设置导电的接地板，无需在绝缘材料窗211上方绝大部分面积覆盖导电接地板，仅留少量面积的孔或槽供磁场通过。在设置有法拉第屏蔽板的情况下，本发明的中间线圈宽度也可以减小到与上方的第一线圈10或第三线圈30相类似的宽度。需要更好屏蔽效果时可以选择更宽的法拉第屏蔽板屏蔽第一、三线圈下方更宽的环状区域。由于第一、三线圈上的偶极电场存在，所以对于其它部位可以不用进行更严格的屏蔽。所以即使采用本发明线圈时仍需设置法拉第屏蔽板也不会像现有技术采用法拉第屏蔽板那样会影响点火的稳定性。本发明第一、第三线圈如上述实施例中所述的在线圈所有圆周角度上具有相同的间隙，也就是两个线圈相互平行，也可以在部分区域不存在不同的间隙，以抵消下方部分区域的不均一性，最终取得最均一的等离子处理效果。

本发明线圈的长度最佳地是第一线圈10，中间线圈20和第三线圈的总长度少于输入射频信号的半波长，如果线圈总长度大于半波长，会造成如图3所示的不能屏蔽的中间线圈的部分V20段的电压会相应的向两端扩展，所以在频率不变的情况下线圈越长则屏蔽效果越差。当线圈总长超过半波长的3倍时，中间不能屏蔽部分电压达到最大，与现有技术完全没有屏蔽的效果一样，必须采用法拉第屏蔽板配合使用才具有工业可利用性。如果线圈总长小于半波长,中间的不能屏蔽部分也会相应缩小，所以本发明效果越明显。综合以上结果，本发明线圈总长小于3倍半波长时就能取得缩小感应线圈电容耦合的效果，均属于本发明范围。

当然，如果采用更高频率的射频电源如27Mhz，此时半波长缩短一半，相应的可采用的线圈尺寸范围也会缩小。

本发明等离子反应腔除了如图6所示采用一组本发明线圈以外还可以添加其它线圈围绕本发明线圈外围或者在本发明线圈第一线圈组内侧。其它线圈可以是现有技术的渐开线或者多个圆环组成的线圈，也可以是上述本发明实施例的线圈。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (18)

1.一种电感耦合等离子体处理装置，包括：

一个气密的反应腔，反应腔包括反应腔侧壁和顶部的绝缘材料窗，反应腔内其包括一个用于支撑待处理基片的基座；

绝缘材料窗上方固定有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个射频电源；其特征在于：

所述电感线圈包括第一线圈、第三线圈和一个中间线圈，

所述第一线圈包括一个第一端连接到所述射频电源，还包括一个第二端连接到中间线圈第一端；中间线圈还包括一个第二端连接到所述第三线圈第一端；

第三线圈还包括一个第二端连接到接地端，

其中第一和第三线圈之间存在间隙且位于中间线圈上方，第一和第三线圈的投影在中间线圈上。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第三线圈的第二端通过一个调平衡电路连接到所述接地端。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一线圈的第二端通过第一连接部（12）连接到下方的中间线圈，中间线圈第二端通过通过第二连接部（23）连接到上方的第三线圈，中间线圈上的第一连接部和第二连接部之间还包括一个开口使第一连接部和第二连接部互相隔离。

4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，绝缘材料窗上方还包括第二电感线圈围绕在所述电感线圈外或者在所述电感线圈内。

5.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述调节所述调平衡电路使所述线圈上形成驻波，所述驻波的电压分布使第一线圈上任意一点的与第三线圈上相对应位置点的电压极性相反幅度相同。

6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一线圈、中间线圈或第三线圈的长度和小于射频电源信号的3倍半波长长度。

7.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述中间线圈的电压幅度小于第一和第三线圈的电压幅度。

8.一种电感耦合等离子体处理装置，包括：

一个气密的反应腔，反应腔包括反应腔侧壁和顶部的绝缘材料窗，反应腔内其包括一个用于支撑待处理基片的基座；

绝缘材料窗上方固定有一个自屏蔽电感线圈，其特征在于：

所述自屏蔽电感线圈包括相互串联的第一线圈、中间线圈和第三线圈，其中中间线圈位于第一线圈和第三线圈下方且宽度大于第一线圈或第三线圈的宽度，一个射频电源施加射频电场到所述自屏蔽线圈的第一线圈输入端和第三线圈输出端之间，其中所述第三线圈输出端还连接有一个调平衡电路，

调节所述调平衡电路使所述自屏蔽线圈上形成驻波，所述中间线圈的电压幅度小于第一线圈或第三线圈上的电压幅度。

9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一和第三线圈向下投影位于中间线圈上，使中间线圈屏蔽第一线圈和第三线圈上的电压形成的电场。

10.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包括一个法拉第屏蔽板位于所述自屏蔽线圈和绝缘材料窗之间，所述第一和第三线圈的向下投影位于所述法拉第屏蔽板上。

11.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述绝缘材料窗上方还包括第二感应线圈围绕在所述自屏蔽电感线圈外或者在所述自屏蔽电感线圈内。

12.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频电源的频率大于13Mhz。

13.一种用于电感耦合等离子体处理装置的电感线圈，包括：

第一线圈、第三线圈和一个中间线圈，第一线圈和第三线圈位于所述中间线圈上方；

所述第一线圈包括一个第一端，和一个第二端，所述第一线圈的第二端连接到下方中间线圈的第一端，中间线圈还包括一个第二端连接到所述第三线圈第一端，第三线圈还包括一个第二端，

所述中间线圈宽度大于第一或第三线圈，且第一和第三线圈向下的投影位于中间线圈上。

14.根据权利要求13所述的电感线圈，其中第一线圈和第三线圈之间存在间隙，且第一线圈围绕第三线圈。

15.根据权利要求13所述的电感线圈，其中所述中间线圈构成一个闭合回路，所述第一线圈和第三线圈与中间线圈具有相同的形状。

16.根据权利要求13所述的电感线圈，其中所述第一线圈通过一个第一连接部连接到中间线圈第一端，第三线圈通过一个第二连接部连接到中间线圈第二端，中间线圈的第一端和第二端之间存在一个互相隔离的间隙。

17.根据权利要求14所述的电感线圈，其中所述第一线圈和第二线圈之间的间隙位于所述中间线圈的上方。

18.根据权利要求13所述的电感线圈，其中第一线圈、中间线圈、第三线圈沿相同的方向延展，所述方向选自顺时针和逆时针。