CN106686875B - 一种电感耦合等离子处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种电感耦合等离子处理装置，包括：反应腔，绝缘材料窗位于反应腔顶部，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，至少一基片设置于所述基座上，一电感线圈设置于绝缘材料窗上方，所述电感线圈包括一射频能量输入端位于绝缘材料窗中心区域上方，一匹配器包括一个壳体，壳体上包括一射频输入端连接到一个射频电源，还包括一射频输出端位于壳体底部中心，所述射频输出端通过一射频导线向下延伸与所述电感线圈的射频输入端相连接，所述壳体底部包括多个开口围绕所述射频输出端，所述开口内安装有风扇向下吹送气流到所述绝缘材料窗。
Description
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处理器的结构设计。
背景技术
如图1所示，传统电感耦合（ICP）等离子处理装置包括一个反应腔1，反应腔内包括一个基座8，基座内包括下电极。基座上方包括待处理的晶圆7。一个射频电源通过一个匹配器2的输出端输出射频功率，匹配器2的输出端通过导线4连接到下方的电感线圈。电感线圈5同时位于反应腔顶部上方，电感线圈5透过位于反应腔1顶部的绝缘材料窗6将射频电磁场馈入反应腔内空间，以产生等离子体。反应腔顶部的绝缘材料窗6受到各种热源的影响会导致整个平面上的温度不均，这些热源包括通有射频电流的电感线圈5，反应腔内等离子体向上辐射传递的热量，以及射频能量穿过绝缘材料窗产生的热量，其中等离子体的辐射起主要作用。最终的结果是绝缘材料窗5经常会是中间温度明显高于外圈温度，这一温度不均匀分布会造成下方进行的等离子处理工艺也相应的具有不均匀性，这是要极力避免的。
另一方面，向电感线圈5供应射频功率的导线4排布位置也必须垂直向下连接到位于线圈5位于中心的连接端，这样才能使得下方的等离子体分布最均匀、对称。如果导线4不是位于中心位置，或者是倾斜的向下连接电感线圈，导线4上产生的电磁场会被送入反应腔内，使得局部区域磁场明显增强。所以为了实现反应腔内的等离子体均匀分布要求导线4必须居中且垂直的向下延伸。如图1所示的现有技术中，导线4实现了居中垂直设置，但是相应的风扇3就不得不安排到了外侧，为了能使气流吹到整个反应腔顶部，风扇必须倾斜，这样就导致气流在整个绝缘材料窗上方分布不均,所以绝缘材料窗6上的温度也会不均匀，下方的反应速度也会相应的受影响。如图2所述的是另一种现有技术，其中风扇3被放置在外圈，倾斜向下。采用这种冷却结构由于风扇是对称放置的所以能够绝缘材料窗上温度对称分布，但是由于方向相对的两个风扇产生的气流互相对冲，这会导致大量气流没有到达绝缘窗就向上形成涡流了，气流的利用率很低，而且绝缘材料窗6的中间区域反而由于气流对冲使得只有很少气流能够流过中间区域，这样整个绝缘材料窗表面的温度不均仍然无法解决。
如果为了获得均一的绝缘材料窗温度，将风扇设置在绝缘材料窗中间区域对应上方，并朝下吹出气流，则体积较大的传统匹配器就无法安装在中间这会导致下方等离子分布不均，同样会带来下方反应速度分布的不均匀。
所以如何同时获得反应腔内均一的等离子分布和绝缘材料窗上均一的分布是电感耦合等离子反应腔亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是在电感耦合等离子处理装置内获得均一的电磁场分布的同时保证温度分布的均匀。为此本发明提出了一种电感耦合等离子处理装置，包括：反应腔，绝缘材料窗位于反应腔顶部，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，一电感线圈设置于绝缘材料窗上方，所述电感线圈包括一射频输入端位于绝缘材料窗中心区域上方，一匹配器包括一个壳体，壳体上包括一射频输入端连接到一个射频电源，还包括一射频输出端位于壳体底部中心，所述射频输出端通过一射频导线向下延伸与所述电感线圈的射频输入端相连接，所述壳体底部包括多个开口围绕所述射频输出端，所述开口内安装有风扇向下吹送气流到所述绝缘材料窗。
其中所述多个风扇在围绕所述射频输出端的圆周上均匀排布使得下方绝缘材料窗上具有均匀分布气流的，获得均匀的温度分布。
其中所述射频导线垂直向下延伸，连接在匹配器的射频输出端和电感线圈射频输入端间，以保证下方反应腔内电磁场均匀分布。
进一步的，所述匹配器壳体的顶部或侧壁可以包括多个通风孔，以使得上方低温空气可以顺利进入多个风扇并被吹送到绝缘材料窗。其中所述多个风扇产生的气流垂直或者倾斜向下吹向绝缘材料窗
其中所述匹配器壳体底部还包括一个第二射频输出端围绕所述射频输出端，所述第二射频输出端与电感线圈的第二射频能量输入端相连接。进一步的，所述匹配器壳体底部还可以包括第三和第四射频输出端，所述第三和第四射频输出端和所述位于壳体底部中心的射频输出端排列位于一条轴线上。其中第三和第四射频输出端与所述射频输出端的距离小于所述射频输出端与风扇旋转轴的距离。
所述匹配器壳体内还包括一屏蔽板，将壳体内部分隔为直流区域和射频区域，直流区域中包括至少一个直流电源，所述多个风扇连接到所述直流电源的直流输出端。
附图说明
图1是现有技术电感耦合等离子处理装置的示意图；
图2是现有技术另一种电感耦合等离子处理装置示意图；
图3是本发明电感耦合等离子处理装置示意图；
图4是本发明匹配器的底视图。
具体实施方式
如图3所示为本发明电感耦合等离子处理装置结构示意图，本发明与图1所示的现有技术相比具体相类似的等离子处理装置结构，主要区别在于本发明设置在反应腔1上方的匹配器21作了优化设计，传统的匹配器包括一个壳体，壳体通常由金属制成，壳体内被一屏蔽板隔离成两部分，第一部分为直流区域，第二部分为射频区域。第二部分中包括通过射频电流的电感、电容、可变电容、电阻等组件，第一部分包括直流电源输出稳压直流功率，电机用于驱动射频区域中的可变电容，还可以包括控制器用于控制整个匹配器内各自器件的运行。 这样就能实现直流部分和射频部分互相不会干扰。
本发明匹配器21除了包括传统的两个腔室外还在匹配器底部开设有多个开口，开口内安装有风扇3。如图4a所示为本发明匹配器的底视图，匹配器21的底面包括四个风扇3，通过这些风扇可以垂直于下方的绝缘材料窗6，或者根据需要调设计为略微倾斜朝向绝缘窗边缘区域的向下送入气流，这样就能保证大量气流被高效地送到需要带走热量的绝缘材料窗，而且最终使得绝缘材料窗6具有均匀的温度分布。同时匹配器21内除了风扇以外的空间可以用于安排传统匹配器中必需的各种元器件，比如前述直流区域和射频区域中例举的部件，特别的是射频导线4的一端可以安排在匹配器21壳体的底面中心，射频导线4垂直向下延伸与下方电感线圈5的中心输入端相连接。电感线圈5具有多个输入输出端时可以将多个射频导线4设计成如图4b所示的同心的多个导线，包括中心的第一导线4以及为绕该第一导线的第二导线41，进一步的可以设置更多的导线围绕第一导线4。这样的同心圆的导线设置方式可以在电感线圈需要多输入输出端时仍能保证下方等离子分布的均一性。
如图4c所示为本发明匹配器底部第三种导线排布方式，其中处理导线4位于中心位置外，另两个导线42、43位于导线4的两侧，三个导线的位置位于一条轴线上。采用这样的设计结构时虽然导线42、43产生的电磁场在下方反应腔中并不是完全对称，但还能够做到在沿轴线两边对称，而且只要垂直向下导线42与43与线圈中心位置也就是导线4的位置足够接近（如导线42/43与中心距离小于风扇旋转轴与中心的距离 ），其产生的不均匀性会很小甚至可以忽略，相对于现有技术为了保证风扇位于中间位置不得不将多根导线设计的远离中心位置来说仍然具有很大的优势。
现有技术中多个风扇需要独立的外置直流电源驱动，而匹配器中本身就包括了直流电源，所以本发明匹配器中直流区域内的直流电压源可以驱动四个风扇，无需像现有技术那样还要独立的电源。
本发明中匹配器21的顶部或者侧面需要开设通风孔，以使得大量低温气流通过，被下方风扇3吹送到下方的绝缘材料窗6。通风孔可以是大量均匀分布的小孔，也可以是在对应风扇的位置的上表面壳体开设多个较大的气流通孔。
本发明通过对匹配器的优化设计，匹配器的输出射频导线居中位于下表面中心，并且多个风扇集成在匹配器下表面，围绕该输出射频导线。最终使得风扇能够均匀的吹送气流到下方绝缘材料窗中间并向外围扩散，同时还实现了输出射频导线对下方反应腔内最低的射频干扰，提高了反应腔内等离子处理效果在整个基片的上均一性。
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处理装置，包括：
反应腔，绝缘材料窗位于反应腔顶部，一基座位于反应腔内下方用于固定基片，一电感线圈设置于绝缘材料窗上方，所述电感线圈包括一射频输入端位于绝缘材料窗中心区域上方，
一匹配器包括一个壳体，壳体上包括一射频输入端连接到一个射频电源，还包括一射频输出端位于壳体底部中心，所述射频输出端通过一射频导线向下延伸与所述电感线圈的射频输入端相连接，
所述壳体底部包括多个开口围绕所述射频输出端，所述开口内安装有风扇向下吹送气流到所述绝缘材料窗。
2.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述匹配器壳体的顶部或侧壁包括多个通风孔。
3.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述匹配器壳体底部还包括一个第二射频输出端围绕所述射频输出端，所述第二射频输出端与电感线圈的第二射频能量输入端相连接。
4.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述匹配器壳体底部还包括第三和第四射频输出端，所述第三和第四射频输出端和所述位于壳体底部中心的射频输出端排列位于一条轴线上。
5.如权利要求4所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述第三和第四射频输出端与所述射频输出端的距离小于所述射频输出端与风扇旋转轴的距离。
6.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述射频导线垂直向下延伸，连接在匹配器的射频输出端和电感线圈射频输入端间。
7.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述匹配器壳体内还包括一屏蔽板，将壳体内部分隔为直流区域和射频区域，直流区域中包括至少一个直流电源，所述多个风扇连接到所述直流电源的直流输出端。
8.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多个风扇在围绕所述射频输出端的圆周上均匀排布。
9.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多个风扇产生的气流垂直向下吹向绝缘材料窗。
10.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多个风扇产生的气流倾斜向下吹向绝缘材料窗边缘。
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