CN105810545A - 一种电感耦合等离子反应器 - Google Patents

Abstract

一种电感耦合等离子反应器，包括：反应腔，位于反应腔顶部的绝缘材料窗，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，绝缘材料窗上方包括一个铁芯组件，其特征在于：铁芯组件包括一个横向延伸部和下方的多个向下延伸部，通过设计各个向下延伸部到横向延伸部之间的磁阻，使得最终通过各个向下延伸部的磁通数值从绝缘材料窗中心到外围逐渐增加，对应的下方反应腔内的等离子体浓度也是逐渐增加。经过扩散后到达基片表面的等离子浓度更均匀。

Description

一种电感耦合等离子反应器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种电感耦合等离子反应器的铁芯结构。

背景技术

如图1a所示，传统电感耦合等离子处理装置包括一个反应腔100，反应腔内包括一个基座20，基座内包括下电极。基座上方包括静电夹盘，待处理的基片设置在静电夹盘上。一个具有较低频率(如2Mhz～400Khz)的偏置射频电源35通过一个匹配器连接到基座20内的下电极。基座外侧周围包括排气通道以维持等离子处理装置内的低气压。反应腔顶部还包括一个绝缘材料窗110，绝缘材料窗上方包括电感线圈140，电感线圈在绝缘材料窗上方至少环绕构成一匝线圈。其中电感线圈140通过一个匹配电路连接到一个射频电源，射频电源向电感线圈供电时电感线圈产生的射频电磁场穿过绝缘材料窗进入反应腔内的处理空间，解离进气装置通入反应腔的反应气体，形成等离子体，这些等离子体进一步对下方的基片进行等离子处理。射频电磁场除了向反应腔方向传播也会有很大部分能量向四周传播造成能量的浪费，同时也造成对其它部件的干扰。为了解决这一问题，如图1所示现有技术提出利用导磁的铁芯120设置于电感线圈周围，使得电感线圈产生的磁场沿着铁芯形成的低磁阻通路被引导入反应腔内部。如图1b所示由于待处理基片是圆形的，所以为了均一性的考虑反应腔顶部110也是圆形的，多个铁芯120放射状排布在绝缘材料窗110上方，其中铁芯B端位于反应腔顶部中心区域并包括一个铁芯分支朝向下方反应腔顶部；A端位于反应腔顶部外围区域包括一个铁芯分支朝向下方反应腔顶部。由于等离子产生的浓度受馈入的射频磁场强度之间影响，而A端与B端上通过的磁通相等，所以对应的B端产生第一等离子Pcent与A端产生的等离子体Pout也基片相等。由于这些铁芯120是放射状排布的所以不同铁芯产生的第一等离子距离相近，经过扩散最后形成中心区域的高浓度等离子区域，相反外围区域由于各个A端相距较远所以最终只能得到低浓度的等离子区域。只要是这种呈放射状排布的铁芯就无法彻底解决上述等离子分布不均匀的问题。如图1c所示，电感线圈也可以是图1c中10那样直接缠绕在各个铁芯120上，铁芯120包括横向延伸部I和第一向下延伸部A和第二向下延伸部B。

所以电感耦合等离子处理器需要进一步改进一解决放射状排布的铁芯天然存在的等离子浓度分布不均匀的问题。

发明内容

本发明解决的问题是改善利用铁芯向等离子反应腔馈送射频电磁场的反应腔中等离子浓度的均一性。本发明提供一种电感耦合等离子反应器，包括：反应腔，位于反应腔顶部的绝缘材料窗，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，绝缘材料窗上方包括一个铁芯组件，其特征在于：所述铁芯组件包括至少一个铁芯，所述铁芯包括：一个横向延伸部，所述横向延伸部包括第一端位于绝缘材料窗外围区域上方，第二端位于绝缘材料窗中心区域上方；所述第一端包括一个第一向下延伸部，第二端包括一个第三向下延伸部，第一和第三向下延伸部之间还包括第二向下延伸部，所述第二向下延伸部位于横向延伸部下方和绝缘材料窗中间区域上方；

所述横向延伸部包括：第一部分横向延伸部，位于所述第一和第二向下延伸部之间；第二部分横向延伸部，位于所述第二和第三向下延伸部之间；

一个电感线圈连接到一个射频电源，电感线圈产生的射频电磁场使得所述第一部分横向延伸部通过第一磁通；

所述第二部分横向延伸部和第三向下延伸部的磁阻小于第二向下延伸部的磁阻，使得通过第一、第二、第三向下延伸部的磁通量依次减少。最终使得通过第一、第二、第三向下延伸部的磁通与第一、第二、第三向下延伸部下方对应的等离子处理区域面积成正比。

其中调整第二和第三向下延伸部磁阻的手段可以选择：1.第二向下延伸部与第三向下延伸部的材料不同，其中第三向下延伸部所用材料的磁阻小于第二向下延伸部所用材料的磁阻；2.第二向下延伸部与所述横向延伸部之间包括一个气隙；3.第二向下延伸部通过一个第三部分横向延伸部与所述第一部分和第二部分横向延伸部交叉相连。

本发明所述铁芯组件结构可以是包括多个所述铁芯，每个铁芯呈放射状排布在绝缘材料窗中心区和外围区之间。铁芯结构也可以是整合成一体的一个铁芯，铁芯中的横向延伸部构成一个平板状环，所述第一、第二、第三向下延伸部构成圆通状环位于所述横向延伸部下方。

本发明还提供另一个实施例：一种电感耦合等离子反应器，包括：反应腔，位于反应腔顶部的绝缘材料窗，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，绝缘材料窗上方包括至少一个铁芯，其特征在于：所述铁芯包括一个横向延伸部，所述横向延伸部包括第一端位于绝缘材料窗外围区域上方，第二端位于绝缘材料窗中心区域上方；所述横向延伸部下方从外围到中心依次包括多个向下延伸部，所述多个向下延伸部包括第一组向下延伸部和第二组向下延伸部，其中第一组向下延伸部位于所述第二组向下延伸部外围，其中第二组向下延伸部中向下延伸部的数量大于第一组向下延伸部的数量；所述第一组向下延伸部和第二组向下延伸部之间的横向延伸部上设置有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个射频电源以产生射频电磁场；所述射频电磁场流过第一组向下延伸部的磁通与流过第二组向下延伸部的磁通相等，磁场方向相反；所述第一组向下延伸部中从中心到外围方向排列的多个向下延伸部的磁阻逐渐减小，所述第二组向下延伸部中从中心到外围方向排列的多个向下延伸部的磁阻逐渐增大。

附图说明

图1a是现有技术电感耦合等离子处理装置的结构示意图；

图1b是现有技术电感耦合等离子处理装置的顶视图；

图1c是现有技术线圈的其它绕制结构；

图2是本发明线圈与铁芯的组合结构第一实施例；

图3是本发明线圈与铁芯的组合结构第二实施例；

图4是本发明线圈与铁芯的组合结构第三实施例。

具体实施方式

本发明要解决电感耦合等离子处理装置中等离子浓度在中心区域和外围区域分布不均的问题，提出了如图2所示本发明第一实施例的铁芯与线圈结构，其中铁芯包括水平延伸部I，还包括第一向下延伸部A以及第二向下延伸部B1和第三向下延伸部B2，一个电感线圈缠绕在第一、第二向下延伸部之间的水平延伸部I11上。

磁力线回路如图2中虚线所示，第一个回路沿着A、I11、B1最后经过空气回到A，第二个回路经过A，I11、I12、B2最后经过B2下端到A之间的空气回到A。

其中A端位于反应腔顶部外围，B1位于反应腔顶部中间，B2位于反应腔顶部中心。当射频能量通入电感线圈10时，相应地在向下延伸部A、B1、B2下方的反应腔内分别形成等离子体P0、P1、P2。由于线圈设置的位置在A和B1之间，所以能够使得通过B1和B2的磁通的和与通过A的磁通相同。由于决定磁力线在不同向下延伸部内分部的主要因素是磁阻，而空气的磁阻远大于铁芯的磁阻，所以经过B1下端开口回到A的距离小于经过B2下端开口回到A的距离，所以不做任何改动的话绝大部分磁力线会经过B1回到向下延伸部A，这样一来只有反应腔内的中间部分和外围部分会有等离子分布，中心部分则基本无等离子。为了实现本发明使等离子处理腔100内等离子体浓度在不同区域均匀分布的不的，本发明还需进一步的通过多种手段可以使得磁力线经过B2的磁阻小于经过B1的磁阻，比如可以使用不同的铁芯材料使得B1部分中使用的材料相对B2部分具有更大的磁阻，这样虽然流过B2回到A的通路虽然远，材料造成的磁阻差异能一定程度补偿两者空间距离造成的磁阻差异，获得更均一的磁力线分布。

如图3所示为本发明第二实施例，与第一实施例基本相同，主要区别在于电感线圈10‘为环绕整个绝缘窗口顶部的线圈，形状与现有技术图1中的140类似。另一个主要区别在于向下延伸部B1’与横向延伸部I之间包括一个气隙，通过气隙大小的选择可以调节流过B1’和B2两个向下延伸部之间的磁阻，也就可以调节下方对应等离子体P0、P1、P2的等离子浓度。第二实施例中的多个横向延伸部I也可以整合成一个平板圆环性的铁芯，同样的下方的各个向下延伸部A、B1、B2也可以整合成圆桶形位于原环铁芯I下方，其截面仍是图3所示的结构，但不是多个放射状排布的多个独立铁芯。

如图4所示为本发明第三实施例，与第一实施例基本相同，主要区别在于横向延伸部包括一个分叉，其中第一向下延伸部A和第二向下延伸部B2之间通过如图2所示的I11、I12相连，在I11和I12的连接处与I11或I12交叉方向延展出一个横向延伸部I13，I13的端点处包括向下延伸部B1。通过这样的铁芯结构设计可以使得本发明在I11上产生的磁力线分别经过I11-I12-B2-A的第一通路与经过I11-I13-B1-A的第二通路，两个通路中从B2下端到A下端穿过空气的距离与B1下端到A下端穿过空气部分的距离接近，因此两个磁力线通路具有相接近的磁阻。

通过如图2、3、4所示的各个实施例可以实现对经过B1和B2铁芯部分的磁通大小的调节，最终使得经过B2、B1、A的磁通大小依次逐渐增加，相应的其下方的等离子体P2、P1、P0的等离子浓度也逐渐增加。由于这三个向下延伸部是从绝缘材料窗110中心向外围方向放射状排布的，所以三者对应的等离子处理的面积也是逐渐增加的，最终经过等离子扩散使得下方等离子反应腔内在整个处理空间内获得均匀的等离子浓度。

本发明通过对铁芯和线圈位置的设计可以使得铁芯向下延伸部中通过的磁通与下方处理区域的面积成正比，最终获得均匀的等离子体分布。除了上述实施例外，根据本发明思路向下延伸部A端也可以进一步分成A1、A2形成第一组两个向下延伸部，B端也可以进一步细分成更多部分如B3、B4等第二组4个向下延伸部，只要能够通过改变每个向下延伸部的磁阻大小就可以实现A端的磁通与B端的磁通大小相等而且各个A端和B端内部的第一组和第二组向下延伸部内部各向下延伸部之间根据所处位置不同具有最佳的磁阻，最终使得流过各个向下延伸部的磁通大小与其对应的处理区域面积成正比。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电感耦合等离子反应器，包括：反应腔，位于反应腔顶部的绝缘材料窗，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，绝缘材料窗上方包括一个铁芯组件，其特征在于：

所述铁芯组件包括至少一个铁芯，所述铁芯包括：

一个横向延伸部，所述横向延伸部包括第一端位于绝缘材料窗外围区域上方，第二端位于绝缘材料窗中心区域上方；

所述第一端包括一个第一向下延伸部，第二端包括一个第三向下延伸部，第一和第三向下延伸部之间还包括第二向下延伸部，所述第二向下延伸部位于横向延伸部下方和绝缘材料窗中间区域上方；

所述横向延伸部包括：

第一部分横向延伸部，位于所述第一和第二向下延伸部之间；

第二部分横向延伸部，位于所述第二和第三向下延伸部之间；

一个电感线圈连接到一个射频电源，电感线圈产生的射频电磁场使得所述第一部分横向延伸部通过第一磁通；

所述第二部分横向延伸部和第三向下延伸部的磁阻小于第二向下延伸部的磁阻，使得通过第一、第二、第三向下延伸部的磁通量依次减少。

2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二向下延伸部与第三向下延伸部的材料不同，其中第三向下延伸部所用材料的磁阻小于第二向下延伸部所用材料的磁阻。

3.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二向下延伸部与所述横向延伸部之间包括一个气隙。

4.如权利要求1所述等离子反应器，其特征在于，所述第二向下延伸部通过一个第三部分横向延伸部与所述第一部分和第二部分横向延伸部交叉相连。

5.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述铁芯组件包括多个所述铁芯，每个铁芯呈放射状排布在绝缘材料窗中心区和外围区之间。

6.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述铁芯中的横向延伸部构成一个平板状环，所述第一、第二、第三向下延伸部构成圆通状环位于所述横向延伸部下方。

7.权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述通过第一、第二、第三向下延伸部的磁通与第一、第二、第三向下延伸部下方对应的等离子处理区域面积成正比。

8.一种电感耦合等离子反应器，包括：反应腔，位于反应腔顶部的绝缘材料窗，位于反应腔内下方用于固定基片的基座，绝缘材料窗上方包括至少一个铁芯，其特征在于：

所述铁芯包括一个横向延伸部，所述横向延伸部包括第一端位于绝缘材料窗外围区域上方，第二端位于绝缘材料窗中心区域上方；

所述横向延伸部下方从外围到中心依次包括多个向下延伸部，所述多个向下延伸部包括第一组向下延伸部和第二组向下延伸部，其中第一组向下延伸部位于所述第二组向下延伸部外围，其中第二组向下延伸部中向下延伸部的数量大于第一组向下延伸部的数量；

所述第一组向下延伸部和第二组向下延伸部之间的横向延伸部上设置有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个射频电源以产生射频电磁场；

所述射频电磁场流过第一组向下延伸部的磁通与流过第二组向下延伸部的磁通相等，磁场方向相反；

所述第一组向下延伸部中从中心到外围方向排列的多个向下延伸部的磁阻逐渐减小，所述第二组向下延伸部中从中心到外围方向排列的多个向下延伸部的磁阻逐渐增大。

9.如权利要求8所述的等离子反应器，其特征在于，所述部分向下延伸部中包括气隙。

10.如权利要求8所述的等离子反应器，其特征在于，所述向第一和第二组向下延伸部中的多个向下延伸部选用不同磁阻参数的材料制成。