CN105470087A - 一种电感耦合等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

一种电感耦合等离子体处理装置，包括：等离子体处理腔室，腔室顶部包括一个绝缘材料窗，一个加热线圈设置在绝缘材料窗上表面，所述加热线圈连接到一个加热电源；一射频线圈设置在所述加热线圈上方，所述射频线圈连接到一个射频电源；其特征在于所述加热线圈包括多个加热环路，所述射频线圈产生的磁场穿过所述多个加热环路，使得不同加热环路产生的感应电流互相抵消。

Description

一种电感耦合等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及一种等离子处理装置，特别涉及一种电感耦合等离子体处理装置的加热器。

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，等离子工艺被广泛应用于半导体器件的制造中。其中主要的等离子处理装置包括电容耦合型(CCP)和电感耦合型(ICP)两种，其中电感耦合型的等离子处理装置具有等离子浓度高，刻蚀速率快等优点。如图1所示电感耦合型等离子处理装置通常包括一个反应腔100，反应腔100顶部为绝缘材料窗110，反应腔内下方为放置待处理基片的基座20，一个低频射频电源(如2Mhz/400KHz)通过一个匹配器连接到基座20。一个排气装置联通到基座20周围，抽走反应完成的气体，控制反应腔内的气压。绝缘材料窗上表面还包括加热线圈120以控制绝缘材料窗110的温度，因为绝缘材料窗的温度不同会影响反应腔内反应进行速度的均一性，绝缘材料窗110上的温度梯度太大时甚至会造成绝缘材料窗110的开裂破损。加热线圈120通过导线连接到一个加热电源。加热线圈上方140设置有至少一个感应线圈140，感应线圈通过一个匹配网络连接到高频射频电源(如13MHz)。高频射频功率被施加到感应线圈140后产生了高频磁场，这些高频磁场向下穿过加热线圈120和绝缘材料窗进入反应腔内，高频磁场感应产生高频电场，高频电场激励反应腔的反应气体产生并维持需要的等离子体。这些高频磁场不仅能在反应腔内产生感应电场，也会在加热线圈120内感应产生感应电流，这些感应电流会影响加热线圈的加热功率控制，甚至会倒流入加热电源中造成危害。高频射频电源的输出功率在不同的处理步骤中是可变的，所以加热线圈里的感应电流也是变化中的，这对稳定控制加热功率，进一步精确控制绝缘材料窗的温度是很不利的。所以多个不同半径的独立的加热线圈，或者渐开线型等传统的加热线圈图形在电感耦合等离子处理器上应用具有很大的局限性。为了减小这些高频磁场对加热线圈的干扰就要优化加热线圈的排布，在产生足够且均匀分布的热量的同时减少感应电流的产生。现有技术如US2002/0100557或者本申请人于2013年12月12日提交的专利201310671759.8揭露了一种技术方案：加热线圈采用放射状排布的折线，最终环绕形成一匝线圈，这样整个绝缘材料窗上表面都被加热电阻丝覆盖，实际会产生的感应电动势与加热线圈环绕而成的空间内穿过的磁通大小相关。由于加热线圈只有一匝所以感应电动势不大，加热电阻丝内产生的感应电流也不是很大。但是这些加热电阻线圈的排布方法只是尽可能的减少了感应电流的法热量，实际上仍然无法彻底解决这一问题。

因此，业界需要提供一种能彻底消除射频磁场在加热线圈中感应产生感应电流的电感耦合等离子体处理装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能彻底消除射频磁场在加热线圈中感应产生感应电流的电感耦合等离子体处理装置，同时要保证加热线圈产生的热量均匀可控的分布。

为达成上述目的，本发明提供一种电感耦合等离子体处理装置，包括：

等离子体处理腔室，腔室顶部包括一个绝缘材料窗，一个加热线圈设置在绝缘材料窗上表面，所述加热线圈连接到一个加热电源；一射频线圈设置在所述加热线圈上方，所述射频线圈连接到一个射频电源；其特征在于所述加热线圈包括多个加热环路，多个加热环路互相串联构成加热线圈,所述射频线圈产生的磁场穿过所述多个加热环路，使得不同加热环路产生的感应电流互相抵消。其中每个加热环路内包括位于第一侧的第一加热丝和位于第二侧的第二加热丝，每个加热环路中的第一加热丝与相邻加热环路的第二加热丝电连接。

其中所述多个加热环路互相串联构成环形的加热线圈，每个加热环路的第一加热丝位于环形内侧，第二加热丝位于环形外侧。多个加热环路包括一个第一加热环路和一个第二加热环路，一个第一交叉加热丝连接在第一加热环路的第一加热丝和第二加热环路的第二加热丝之间，一个第二交叉加热丝连接在第一加热丝的第二加热丝和第二加热环路的第一加热丝之间。

为了防止在交叉加热丝上产生热点，可以选择使所述第一交叉加热丝叠在第二交叉加热丝上方，且所述第一交叉加热丝与第二交叉加热丝之间还包括一层绝缘材料层，减少从第一交叉加热丝传导到所述绝缘材料窗上的热量，其中绝缘材料层由特氟龙或者Capton材料制成。进一步的第一交叉加热丝下表面高度在第二交叉加热丝的上表面上方5mm以上，以保证第一交叉加热丝的热量不会传导到下方绝缘材料窗。

防止热点产生也可以选择使所述第一和第二交叉加热丝与第一加热丝和第二加热丝分别由第一电阻和第二电阻材料制成，其中第一电阻材料的电阻率小于第二电阻材料的电阻率。

防止产生热点还可以选择使第一加热丝、第二加热丝和第一交叉加热丝、第二交叉加热丝由相同电阻材料制成，第一加热丝、第二加热丝具有第一横截面，第一交叉加热丝和第二交叉加热丝具有第二横截面，其中第二横截面面积大于所述第一横截面面积。

附图说明

图1为现有技术电感耦合等离子体处理装置的示意图；

图2a为本发明等离子处理装置的顶视图

图2b为本发明加热线圈放大图。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“电连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图2显示了本发明一种实施例提供的电感耦合等离子处理装置顶视图。相对图1所示的现有技术，本发明提供了一种新型的加热线圈结构能够彻底消除射频线圈在加热线圈中产生的感应电场。本发明加热线圈220整体上为双层环形，包括4个安顺序互相连接的加热区，每加热区呈圆弧形，多个加热区串联形成圆环形的加热区。每个加热区包括位于外侧的一个加热丝和一个位于内侧的加热丝，不同加热区之间还包括一个交叉连接加热丝，使得一个加热区的外侧加热丝与相邻加热区的内侧加热丝电连接。如图2所示，第一加热区A1包括位于外侧的加热丝2201b和位于内侧的加热丝2201a，2201a、2201b的一端连接到加热电源，加热电流通过2201a流入整个加热线圈，最终通过2201b流出整个加热线圈220。在加热丝2201a、2201b的另一端连接有一个交叉连接加热丝X1，X1包括第一加热丝X11连接在内侧加热丝2201a和第二加热区B1的外侧加热丝2202b之间，X1还包括第二加热丝X12连接在第一加热区A1的外侧加热丝2201b和第二加热区B1的内侧加热丝2202a之间。交叉加热丝X1中的的第一和第二加热丝X11、X12至少存在一个重叠点，但是两者在重叠点位置处需要绝缘层隔离，或者两者存在足够的高度差，以防止两个加热丝互相电连接形成短路。无论是X11覆盖在X12或是X12覆盖在X11上方均能实现本发明目的。同样第二加热区B2的加热丝2202a、2202b通过一个第二交叉加热丝X2的分别两个加热丝X21、X22连接到第三加热区A2的加热丝2203b、2203a；第三加热区A2的加热丝2203a、2203b通过一个第三交叉加热丝X3的分别两个加热丝X31、X32连接到第四加热区B2的加热丝2204b、2204a，第四加热区B2还包括一个短接加热丝2204c，实现加热丝2204b、2204a的短接。

采用本发明上述实施例的加热丝排布图形时，上方线圈产生的射频磁场仍然会向下穿过加热线圈220并产生感应电动势，但是只有闭合的线圈才能感应产生感应电流，所以只有穿过下述区域的射频磁场才会产生感应电流：

1.上述加热电源电流输入/输出端、加热丝2201a、2201b、交叉加热丝X1围城的第一加热环路，环路包围的区域为第一加热区A1；

2.交叉加热丝X1、X2、加热丝2202a、2202b围绕成的第二加热环路，环路包围的区域为第二加热区B1；

3.交叉加热丝X2、X3、加热丝2203a、2203b围绕成的第三加热环路，环路包围的区域为第三加热区A2；

4.加热丝2204a、2204b、2204c和交叉加热丝X3合围城的第四加热环路，环路包围的区域为第四加热区B2；

上述A1-B2总共4个加热区内的多个加热丝围绕构成各自的加热环路，每个环路均能感应穿过的磁场形成感应电流。由于上述四个感应区域A1、B1、A2、B2位于对称的位置具有相近的面积，所以电感线圈产生的磁场穿过这些区域的的磁通相同，这些高频交变的磁通相同也就使得这些区域内感应产生的电压相同，而且每个区域里的加热丝长度基本相同所以感应产生的电流大小也基本相同。感应电流方向以第一加热区A1为例，整个A1区域内感应产生电流如果是顺时针方向流的，则外侧线圈2201b上的电流也是顺时针方向流，同时内侧线圈2201a是逆时针方向流；同一时刻，在第二加热区B1内流过外侧线圈2202b的电流也是顺时针方向的，流过内侧线圈2202a的电流是逆时针方向的。由于本发明中加热丝2201b和2202a以及加热丝2201a和2202b都是通过交叉加热丝X1相连的，所以两者产生的感应电流大小相等，方向相反，所以正好抵消。也就是只要A1区域穿过的磁通与同一时刻穿过B1区域的磁通相同就能保证这两个感应区域内产生的综合感应电流为零。

同样的原理A2、B2区域的感应面积相同也可以保证A2、B2区域内感应产生的电流为零。所以本发明只要使得A1+A2区域内穿过的磁通与B1+B2区域内穿过的磁通相同就能保证加热丝220内感应电流为基本为零。要得到这样的效果可以设计更多的加热区域如A3、B3，只要能保证最终产生的感应电流大小相等方向相反，也就是A类感应区域和B类感应区域具有相同的面积就能达到发明目的。

本发明原理也可以用其它实施例实现，比如本发明提供的第二实施例：在整个绝缘材料窗110上方不对称分布的加热线圈区域。因为电感线圈140向下的磁场分布在不同区域不同，部分区域磁力线密度高，部分区域则相对较低。在磁力线密度高的区域设置面积较小的加热丝区域，在磁力线密度较低的区域设置较大面积的加热丝区域，这样仍然可以使得两个区域内产生的感应电流产生的电流方向相反、大小相等，最终消除感应电流。

本发明加热线圈220除了图2所示的构成一个环形的加热区域，也可以是其它排布的，比如渐开线形、半圆形，从绝缘材料窗中心到边缘的放射线形等等。或者通过多个加热线圈的组合来实现对整个绝缘材料窗110的均匀加热。由于本发明的加热线圈解决了射频电磁场对加热线圈加热功率干扰的问题，所以在设计加热线圈时只需要考虑加热效果均一性问题，大大降低了加热线圈的设计难度和成本。

绝缘材料窗上的温度会受加热丝排布密度的影响，区域内加热丝存在越多则产生的热量也越多。在上述A1-B2四个区域内，除了交叉加热丝X1-X3区域，其它区域内加热丝基本均匀排布所以热量产生均匀。在交叉加热丝X1-X3覆盖的区域，由于存在交叉点，所以如果整个加热线圈内的加热丝都是均匀发热的话交叉点的发热量会是其它区域的两倍，这样就会产生热点，对绝缘材料窗温度的均匀分布很不利。为了解决这一问题可以选择导电性更高的材料作为交叉加热丝的材料，比如在第一加热区域A1中的2201a和2201b采用的材料为镍镉合金或者钨合金，在X1区域采用的材料为导电性更好的合金如铝合金。这样X1区域的电阻明显小于其它区域，所以单位长度加热丝的发热量也会小于其它区域，在交叉点周围加热丝X11、X12总和发热量也与其它区域接近。除了利用不同电阻率的材料来减少交叉区域的发热量，其它方法也可以解决热点问题，比如采用隔热材料隔离其中一根加热丝或者将其中一根加热丝悬空在整个绝缘材料窗的上方，保证一个加热丝的下表面高度在另一个加热丝上表面上方5mm以上就能有效防止多余的热量传导到下方绝缘材料窗。加热丝X11和X12之间作为绝缘材料的中间层选择足够大的厚度，可以同时作为隔热层，这样只有位于紧贴绝缘材料窗的一根加热丝如X11产生的热量会扩散到绝缘材料窗，另一根加热丝X12产生的热量被隔热层所阻隔不会对下方有明显影响。隔热材料可以选择特氟龙或者CAPTON，既能实现电绝缘也能防止热量传导。加热丝X2201a、2201b和交叉加热丝X11、X12采用同样电阻材料时，也可以通过改变不同部位电热是的横截面来改变发热量。可以使交叉加热丝X11、X12具有更大的横截面积这样同样长度的加热丝上就具有更低的电阻，而电阻发热量计算公式为：P＝I²R，所以电阻越低则发热的功率也越低，所以不同部位的加热丝采用不同截面的同材料电阻丝也能解决本发明交叉部位热点问题。

综上所述，本发明所提出的加热线圈排布结构能够消除电感线圈产生的高频磁场在对加热线圈的影响，基本消除感应电流的产生。可以通过对加热丝交叉部分的改进，使得加热丝交叉部分传导到绝缘窗的热量与其它部分传导到绝缘窗的热量相同或相近，最终消除热点，进一步提高温度分布的均一性。

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 (9)

1.一种电感耦合等离子体处理装置，包括：

等离子体处理腔室，腔室顶部包括一个绝缘材料窗，一个加热线圈设置在绝缘材料窗上表面，所述加热线圈连接到一个加热电源；

一射频线圈设置在所述加热线圈上方，所述射频线圈连接到一个射频电源；

其特征在于所述加热线圈包括多个加热环路，多个加热环路互相串联构成加热线圈,所述射频线圈产生的磁场穿过所述多个加热环路，使得不同加热环路产生的感应电流互相抵消。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，每个加热环路内包括位于第一侧的第一加热丝和位于第二侧的第二加热丝，每个加热环路中的第一加热丝与相邻加热环路的第二加热丝电连接。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述多个加热环路互相串联构成环形的加热线圈，每个加热环路的第一加热丝位于环形内侧，第二加热丝位于环形外侧。

4.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述多个加热环路包括一个第一加热环路和一个第二加热环路，一个第一交叉加热丝连接在第一加热环路的第一加热丝和第二加热环路的第二加热丝之间，一个第二交叉加热丝连接在第一加热丝的第二加热丝和第二加热环路的第一加热丝之间。

5.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述第一交叉加热丝叠在第二交叉加热丝上方，且所述第一交叉加热丝与第二交叉加热丝之间还包括一层绝缘材料层，减少从第一交叉加热丝传导到所述绝缘材料窗上的热量。

6.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述第一和第二交叉加热丝由第一电阻材料制成，第一加热丝和第二加热丝由第二电阻材料制成，其中第一电阻材料的电阻率小于第二电阻材料的电阻率。

7.根据权利要求5所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，绝缘材料层由特氟龙或者Capton材料制成。

8.根据权利要求5所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述第一交叉加热丝下表面高度在第二交叉加热丝的上表面上方5mm以上。

9.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述第一加热丝、第二加热丝和第一交叉加热丝、第二交叉加热丝由相同电阻材料制成，第一加热丝、第二加热丝具有第一横截面，第一交叉加热丝和第二交叉加热丝具有第二横截面，其中第二横截面面积大于所述第一横截面面积。