CN108024436A - 一种等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置，施加射频电源的电感线圈中，包含串联的输入线圈、底层线圈、输出线圈，通过所述底层线圈上穿过上表面至下表面的通孔或通槽，将上方输入线圈和/或输出线圈在底层线圈上感应生成电涡流的回路截断，对底层线圈与其下方加热器之间的耦合面积进行缩减，减少射频能量的不必要损耗，并且使所述风扇的吹风能够经过电感线圈周边及贯通结构到达介电窗及加热器实施冷却，有效提升原先被电感线圈遮挡区域的局部散热效果。

Description

一种等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理领域，特别涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

如图1所示，现有的电感耦合型等离子体处理装置中，反应腔的腔体10侧壁上设有环形的腔盖20。在腔盖20上设有石英等陶瓷材料制成的介电窗30。在介电窗30上方布置有电感线圈50，其与射频电源连接来产生射频电磁场，将引入到反应腔内的反应气体生成等离子体，用来对反应腔内底部基座上的半导体基板（图中未示出）进行蚀刻等处理。介电窗30直至整个反应腔上部温度的控制，通过设置在介电窗30上的加热器40加热，配合电感线圈50上方设置的风扇60出风冷却来实现。

如图3所示，在一个示例中，电感线圈50包含底层线圈51，及位于其上方同一层的外环线圈52和内环线圈53，三者相互隔开，被各自对应的一个缺口截断成为不闭合的环形结构。其中，外环线圈52的一端通过输入部551连接射频电源，另一端通过接线部552连接下方底层线圈51的一端，底层线圈51的另一端通过接线部553连接上方内环线圈53的一端，并使内环线圈53的另一端通过输出部件554接地。

如图4~图6所示，在另一示例中，电感线圈50包含三层结构；一路射频电源经第一输入部561连接第三外环线圈522a一端，第三外环线圈522a另一端通过连接部562向下方内侧连接第二内环线圈531b一端，第二内环线圈531b另一端通过连接部563向下连接第一底层线圈51a一端；通过第一底层线圈51a另一端的连接部564向上连接第二外环线圈521b一端，第二外环线圈521b另一端的连接部565向上方内侧连接第三内环线圈532a一端，通过第三内环线圈532a另一端的第一输出部566接地。

另一路射频电源经第二输入部571连接第四外环线圈522b一端，第四外环线圈522b另一端通过连接部572向下方内侧连接第一内环线圈531a一端，第一内环线圈531a另一端通过连接部573向下连接第二底层线圈51b一端；通过第二底层线圈51b另一端的连接部574向上连接第一外环线圈521a一端，第一外环线圈521a另一端的连接部575向上方内侧连接第四内环线圈532b一端，通过第四内环线圈532b另一端的第一输出部576接地。

如图3~图6所示，现有电感线圈50的底层线圈51、51a、51b基本为实心的平板状。则上层的线圈会在底层线圈上感应产生电涡流，引起射频能量的不必要损耗；所述底层线圈还与介电窗30上的加热器40之间存在互感耦合，且底层线圈的面积越大，互感耦合的面积就越大，引起的射频能量损耗就越大。

此外，如图1、图2所示，如果加热器40与风扇60之间没有其他物体，则风扇60出风的冷却流阻最小，可实现介电窗30的最佳冷却条件。但实际上，风扇60与加热器40之间布置有所述感应线圈50，其底层线圈与下方的加热器40间隔很小，会遮挡部分风扇60出风吹至加热器40及介电窗30，使被遮挡区域80散热不良，与未遮挡区域70的冷却效果不一致，影响介电窗30的冷却及加热器40的控温，严重时造成加热器40过烧损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置，在电感线圈的底层线圈开设通孔或通槽，从而截断电涡流回路，减少耦合面积以降低射频能量的损耗，并有效改善线圈下方局部散热的效果。

为了达到上述目的，本发明技术方案是提供一种等离子体处理装置，其包含引入反应气体的反应腔，所述反应腔的腔体内设有底部基座来放置待处理的基板；所述腔体的侧壁上设有腔盖，所述腔盖上设有介电窗，该介电窗设置有加热器；所述介电窗上设置有上述任意一种电感线圈，所述电感线圈的数量是一个或多个；所述电感线圈上方设置有风扇；

任意一个所述电感线圈包含底层线圈，及位于底层线圈上方的连接射频电源的输入线圈和接地的输出线圈，所述输入线圈、底层线圈、输出线圈相互隔开并通过接线部件进行串联；所述底层线圈开设有穿过该底层线圈上表面至下表面的若干贯通结构。

优选地，所述底层线圈上设有均匀分布的一组贯通结构，其各自到底层线圈几何中心的距离相等；所述贯通结构是通孔或通槽。

优选地，所述底层线圈上设有交替布置的两组贯通结构，第一组贯通结构各自到底层线圈几何中心的距离小于第二组贯通结构各自到底层线圈几何中心的距离，且第一组贯通结构各自在底层线圈靠近几何中心的内侧形成开口，第二组贯通结构各自在底层线圈远离几何中心的外侧形成开口；所述贯通结构是通孔或通槽。

优选地，所述输入线圈、底层线圈、输出线圈各自为不闭合的环形结构；

所述输入线圈及输出线圈位于同一高度，其向下的投影位于底层线圈上，分别通过纵向的连接部件与底层线圈进行串联；所述输入线圈、底层线圈、输出线圈中的电流方向相同。

优选地，所述输入线圈是外环线圈或内环线圈其中的一个，所述输出线圈是其中的另一个；所述外环线圈绕设在内环线圈外侧。

优选地，所述输入线圈中通过连接部件进行串联的多个线圈段，位于不同的高度且各自与底层线圈几何中心之间的横向距离不同；

所述输出线圈中通过连接部件进行串联的另外多个线圈段，位于不同的高度且各自与底层线圈几何中心之间的横向距离不同；

所述输入线圈与输出线圈中位于同一高度的线圈段，具有到所述底层线圈几何中心不同的横向距离。

优选地，所述电感线圈设置有相互隔开的多个线圈组，各自包含串联的输入线圈、底层线圈、输出线圈；各个线圈组的底层线圈位于同一高度；不同线圈组中位于同一高度的线圈段横向错开；任意一个线圈段向下的投影，位于所属线圈组的底层线圈上或位于其他线圈组的底层线圈上。

优选地，连接相应射频电源的多个线圈组，在其各自输入线圈、底层线圈、输出线圈中电流的方向相同，电流的数值相同或不同；

或者，连接相应射频电源的多个线圈组中，至少一个线圈组的输入线圈、底层线圈、输出线圈电流方向与其他线圈组中不同，且电流的数值与其他线圈组中不同。

优选地，所述底层线圈的宽度大于所述输入线圈和输出线圈的宽度，且输入线圈和输出线圈的向下投影位于所述底层线圈上。

综上所述，本发明的等离子体处理装置，其优点在于：其中电感线圈的底层线圈，通过开设穿过该底层线圈上表面至下表面的通孔或通槽，将输入线圈和/或输出线圈在底层线圈上感应生成电涡流的回路截断，对底层线圈与加热器之间的耦合面积进行缩减，从而减少了射频能量的不必要损耗，并且使所述风扇的吹风能够经过电感线圈周边及贯通结构到达介电窗及加热器实施冷却，有效提升原先被电感线圈遮挡区域的局部散热效果。

附图说明

图1是现有技术中等离子体处理装置的侧剖视图；

图2是放大图1中电感线圈周边的结构及散热情况示意图；

图3是现有技术中第一示例的电感线圈的结构示意图；

图4是现有技术中第二示例的电感线圈的结构示意图；

图5、图6分别是图4中第一线圈组、第二线圈组的结构示意图；

图7是现有技术中第二示例的电感线圈的俯视图；

图8是本发明一个示例中电感线圈的俯视图；

图9是本发明中等离子体处理装置的侧剖视图；

图10是放大图9中电感线圈周边的结构及散热情况示意图；

图11、图12是本发明另两个示例中底层线圈的局部结构俯视图。

具体实施方式

以下配合参见图8~图12，对本发明的具体实施方式进行说明。

如图9所示，本发明提供的一种等离子体处理装置中，反应腔的腔体10侧壁上设有环形的腔盖20。在腔盖20上设有石英等陶瓷材料制成的介电窗30，该介电窗30设置有加热器40。在介电窗30上方放置了底部设有通孔511的电感线圈50'，其与射频电源连接来产生射频电磁场，将引入到反应腔内的反应气体生成等离子体，用来对反应腔内底部基座上的半导体基板进行蚀刻等处理。通过腔盖20的周边部位连接一外壳，将电感线圈50'、介电窗30及其加热器40罩在其中，通过该外壳在电感线圈50'上方设置风扇60，对介电窗30及其加热器40实施散热冷却；通过加热器40及风扇60的配合对介电窗30、反应腔上部的温度进行控制。具有多个电感线圈50'时其在介电窗30上的布置方式、与射频电源的连接方式等不限，本例中设置了同圆心布置、相互隔开的内外两个电感线圈50'，可以对其施加功率相同或不同的射频电源。

如图9、图10（配合图3）所示，各个电感线圈50'分别包含开设有通孔511的底层线圈51'，以及位于其上方同一层的外环线圈52和内环线圈53，三者相互隔开，被各自对应的一个缺口截断成为不闭合的环形结构，在缺口处配合设置接线部件实现电路连接。其中，外环线圈52绕设在内环线圈53之外，底层线圈51'的宽度大于外环线圈52与内环线圈53的宽度，该外环线圈52与内环线圈53的向下投影均位于底层线圈51'内。

外环线圈52的一端通过输入部551连接射频电源，另一端通过接线部552连接下方底层线圈51'的一端，底层线圈51'的另一端通过接线部553连接上方内环线圈53的一端，并使内环线圈53的另一端通过输出部件554接地。电流依次经过串联的外环线圈52、底层线圈51'、内环线圈53，且电流在三者内的方向相同，图3中为顺时针方向。在另一示例中，若将接线位置互换，内环线圈53设置输入部而外环线圈52设置输出部，则可以使电流流经线圈各部分的顺序与前述示例相反，将电流方向调整为逆时针方向。

如图8（配合图4~图6）所示，在另一示例中，各个电感线圈分别包含三层结构：第一层设置缺口54得到对称的第一底层线圈51a'和第二底层线圈51b'，其分别为开设有通孔511的平板状弧段；第二层中对称的第一外环线圈521a与第二外环线圈521b，分别位于对称的第一内环线圈531a和第二内环线圈531b外侧；第三层中对称的第三外环线圈522a与第四外环线圈522b，分别位于对称的第三内环线圈532a和第四内环线圈532b外侧。其中，第一外环线圈521a、第一内环线圈531a及其上方的第三外环线圈522a、第三内环线圈532a，各自的向下投影位于第一底层线圈51a'的范围内；第二外环线圈521b、第二内环线圈531b及其上方的第四外环线圈522 b、第四内环线圈532 b，各自的向下投影位于第二底层线圈51b'的范围内。各底层线圈51a',51b'的宽度，大于其上方各外环线圈521a,521b,522a,522b及各内环线圈531a,531b,532a,532b的宽度。

第一线圈组中，一路射频电源经第一输入部561连接第三外环线圈522a一端，第三外环线圈522a另一端通过连接部562向下方内侧连接第二内环线圈531b一端，第二内环线圈531b另一端通过连接部563向下连接第一底层线圈51a'一端；通过第一底层线圈51a'另一端的连接部564向上连接第二外环线圈521b一端，第二外环线圈521b另一端的连接部565向上方内侧连接第三内环线圈532a一端，通过第三内环线圈532a另一端的第一输出部566接地。

第二线圈组中，另一路射频电源经第二输入部571连接第四外环线圈522b一端，第四外环线圈522b另一端通过连接部572向下方内侧连接第一内环线圈531a一端，第一内环线圈531a另一端通过连接部573向下连接第二底层线圈51b'一端；通过第二底层线圈51b'另一端的连接部574向上连接第一外环线圈521a一端，第一外环线圈521a另一端的连接部575向上方内侧连接第四内环线圈532b一端，通过第四内环线圈532b另一端的第二输出部576接地。

施加两路射频电源分别产生的电流，一路依次经过第一线圈组中串联的第三外环线圈522a、第二内环线圈531b、第一底层线圈51a'、第二外环线圈521b、第三内环线圈532a，图5所示为逆时针的电流方向；另一路依次经过第二线圈组中串联的第四外环线圈522b、第一内环线圈531a、第二底层线圈51b'、第一外环线圈521a、第四内环线圈532b，图6所示也为逆时针的电流方向。即，第一线圈组与第二线圈组的电流方向相同，感应形成的射频电磁场相互叠加作用于反应腔。在其他的示例中，也可以通过使输出部连接一个调节电路后接地，对所在线圈组中的电流进行调整。又例如，使两个线圈组中输出部与输入部的位置都互换，将电流方向调整为顺时针；或者，其中一个线圈组的输出部与输入部互换，另一个线圈组不变，并使两个线圈组的电流不同，来产生方向相反的射频电磁场，对反应腔内等离子体的生成提供更多样的控制。

本发明各示例中的电感线圈，均在其平板状的底层线圈处开设有通孔，使各通孔从底层线圈的上表面贯通到下表面；本发明对所述通孔的形状、数量、位置等都不做限制，通孔的设置应不影响电流回路在底层线圈内及整个电感线圈内的形成。图8的示例中，底层线圈51a'与51b'相对构成环形，所述通孔511为沿环形均匀分布的一组圆孔，其各自的圆心到环形中心的径向距离相等。在另一示例中，通孔分为两组，一组通孔512的位置靠近底层线圈51''的中心并在底层线圈51''内侧形成开口，另一组通孔512' 的位置远离底层线圈51''的中心并在底层线圈51''外侧形成开口，两组通孔512和512'交替布置（图11）。又例如，各通孔是腰型孔、椭圆形孔等。或者，还可以是在底层线圈51''' 开设多个弧形的通槽513，或同时设置通孔和通槽（图12）。

以图9、图10的实施结构为例，本发明中通过开设通孔511，可以截断底层线圈51'上的电涡流回路，避免上层线圈感应形成电涡流而使射频能量损耗的情况发生。同时，通过开设通孔511，可以减小底层线圈51'自身的表面积，以直接减少底层线圈51'与其下方介电窗30的加热器40之间的耦合，从而减少了由这种耦合引起的射频能量损耗。并且，风扇60的出风也可以穿过通孔511吹及介电窗30及加热器40，有效改善底层线圈51'下方被遮挡区域80的局部散热情况。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包含引入反应气体的反应腔，所述反应腔的腔体内设有底部基座来放置待处理的基板；所述腔体的侧壁上设有腔盖，所述腔盖上设有介电窗，该介电窗设置有加热器；

所述介电窗上设置有电感线圈，所述电感线圈的数量是一个或多个；所述电感线圈上方设置有风扇；

任意一个所述电感线圈包含底层线圈，及位于底层线圈上方的连接射频电源的输入线圈和接地的输出线圈，所述输入线圈、底层线圈、输出线圈相互隔开并通过接线部件进行串联；所述底层线圈开设有穿过该底层线圈上表面至下表面的若干贯通结构。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述底层线圈上设有均匀分布的一组贯通结构，其各自到底层线圈几何中心的距离相等；所述贯通结构是通孔或通槽。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述底层线圈上设有交替布置的两组贯通结构，第一组贯通结构各自到底层线圈几何中心的距离小于第二组贯通结构各自到底层线圈几何中心的距离，且第一组贯通结构各自在底层线圈靠近几何中心的内侧形成开口，第二组贯通结构各自在底层线圈远离几何中心的外侧形成开口；所述贯通结构是通孔或通槽。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述输入线圈、底层线圈、输出线圈各自为不闭合的环形结构；

所述输入线圈及输出线圈位于同一高度，其向下的投影位于底层线圈上，分别通过纵向的连接部件与底层线圈进行串联；所述输入线圈、底层线圈、输出线圈中的电流方向相同。

5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述输入线圈是外环线圈或内环线圈其中的一个，所述输出线圈是其中的另一个；所述外环线圈绕设在内环线圈外侧。

6.如权利要求1~3中任意一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述输入线圈中通过连接部件进行串联的多个线圈段，位于不同的高度且各自与底层线圈几何中心之间的横向距离不同；

所述输出线圈中通过连接部件进行串联的另外多个线圈段，位于不同的高度且各自与底层线圈几何中心之间的横向距离不同；

所述输入线圈与输出线圈中位于同一高度的线圈段，具有到所述底层线圈几何中心不同的横向距离。

7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述电感线圈设置有相互隔开的多个线圈组，各自包含串联的输入线圈、底层线圈、输出线圈；各个线圈组的底层线圈位于同一高度；不同线圈组中位于同一高度的线圈段横向错开；任意一个线圈段向下的投影，位于所属线圈组的底层线圈上或位于其他线圈组的底层线圈上。

8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于，

连接相应射频电源的多个线圈组，在其各自输入线圈、底层线圈、输出线圈中电流的方向相同，电流的数值相同或不同；

或者，连接相应射频电源的多个线圈组中，至少一个线圈组的输入线圈、底层线圈、输出线圈电流方向与其他线圈组中不同，且电流的数值与其他线圈组中不同。

9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

所述底层线圈的宽度大于所述输入线圈和输出线圈的宽度，且输入线圈和输出线圈的向下投影位于所述底层线圈上。