CN108882494B

CN108882494B - 等离子体装置

Info

Publication number: CN108882494B
Application number: CN201710316726.XA
Authority: CN
Inventors: 苏恒毅
Original assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2037-05-08
Also published as: CN108882494A

Abstract

本发明公开了一种等离子体装置，所述等离子体装置包括反应腔室和线圈，所述反应腔室用于容纳待处理晶片，所述线圈设置在所述反应腔室外侧，所述等离子装置还包括导磁件，所述导磁件内部设置有容纳空间，所述线圈设置在所述容纳空间内，以减小所述线圈上的电流，且能够提高耦合到所述反应腔室内的磁场的强度。本发明的等离子装置，能够有效降低线圈中的电流，从而可以降低线圈中的能量损耗，提高了该等离子装置的能量耦合效率，同时，还能够有效降低线圈发热带来的安全隐患，提高该等离子装置的使用寿命。

Description

等离子体装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种等离子体装置。

背景技术

目前，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置广泛地被应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。因此，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体发生装置的研发对于半导体制造工艺和设施的发展来说是至关重要的。在用于半导体制造工艺的等离子体装置的研发中，最重要的因素是增大对衬底的加工能力，以便提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。

传统半导体制造工艺中已经使用各种类型的等离子体设备，例如，电容耦合等离子体(CCP)类型，电感耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma EmissionSpectrometer，ICP)类型以及表面波或电子回旋共振等离子体(ECR)等类型。在利用电容耦合方式产生的等离子体，其结构简单，造价低，容易产生大面积均匀分布的等离子体，适用于介质等类型膜的刻蚀。表面波或电子回旋共振等离子可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体，但是需要微波管，还需要引入外磁场，造价相对较高。电感耦合等离子体，可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，同时可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体成分和密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)独立控制，适用于金属和半导体等材料的刻蚀。

具体地，现有的电感耦合等离子装置如图1所示，反应腔室110中，顶部使用介质耦合窗140(石英或氧化铝陶瓷)密封，介质耦合窗140上部放置平面螺旋线结构线圈(类似盘香状)120，射频能量通过线圈120，以感应放电的形式，将能量耦合至反应腔室110内，产生高密度等离子体(保证高刻蚀或沉积速率)。靠近介质耦合窗140的等离子体由产生区从上至下扩散至待处理晶片200表面，进行特定的工艺过程。

但是，上述结构的等离子装置中，线圈120下部一般与介质耦合窗140接触，上部虽然会设置屏蔽罩(未示出)，但屏蔽罩内部与外界连通，线圈120仍然暴露于空气中，这样会存在下述问题：

如图2所示，线圈120加载射频功率后(线圈120施加电流I)，线圈120所产生的磁场B一部分作用于反应腔室110内部的等离子体，该部分产生电场E，另一部分弥漫在介质耦合窗140上部的空间中，线圈120上部的磁场未能有效集中起来，造成了磁通密度的下降，导致存在能量利用的浪费，限制了能量耦合效率的提高。

另一方面，在进行放电时，线圈120上通过的电流较大(通常>30A)，导致线圈120温度较高，高温易造成与线圈接触的绝缘隔离件(如树脂、塑料等)熔化，使其失去绝缘效果，从而存在打火风险。

因此，如何设计出一种能够有效提高耦合效率的等离子装置成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种等离子体装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种等离子体装置，所述等离子体装置包括反应腔室和线圈，所述反应腔室用于容纳待处理晶片，所述线圈设置在所述反应腔室外侧，所述等离子体装置还包括导磁件，所述导磁件内部设置有容纳空间，所述线圈设置在所述容纳空间内，以减小所述线圈上的电流，且能够提高耦合到所述反应腔室内的磁场的强度。

优选地，所述等离子体装置还包括介质耦合窗，所述介质耦合窗与所述反应腔室顶部密闭连接，所述线圈设置在所述介质耦合窗上方，所述导磁件套设在所述线圈上方，所述线圈和所述导磁件均为平面螺旋线结构，所述导磁件的底壁上设置有凹槽，所述凹槽的形状与所述线圈的形状相匹配，以形成所述容纳空间。

优选地，所述等离子体装置还包括介质耦合窗，所述介质耦合窗与所述反应腔室顶部密闭连接，所述线圈设置在所述介质耦合窗上方，所述导磁件套设在所述线圈外侧，所述线圈为立体螺旋线结构，所述导磁件为筒状结构，所述筒状结构的内侧壁上设置有凹槽，所述凹槽的形状与所述线圈的形状相匹配，以形成所述容纳空间。

优选地，所述等离子体装置还包括介质耦合窗，所述介质耦合窗与所述反应腔室的顶壁和底壁密闭连接，所述线圈设置在所述介质耦合窗外侧，所述导磁件套设在所述线圈外侧，所述线圈为立体螺旋线结构，所述导磁件为筒状结构，所述筒状结构的内侧壁上设置有凹槽，所述凹槽的形状与所述线圈的形状相匹配，以形成所述容纳空间。

优选地，所述等离子体装置还包括介质耦合窗，所述介质耦合窗与所述反应腔室的顶壁和底壁密闭连接，所述线圈设置在所述介质耦合窗外侧，所述线圈和所述导磁件均为立体螺旋线结构，所述导磁件套设在所述线圈外侧，所述导磁件的内侧壁上设置有凹槽，所述凹槽的形状与所述线圈的形状相匹配，以形成所述容纳空间。

优选地，所述凹槽的沿垂直于所述介质耦合窗方向的深度以及所述凹槽的沿平行于所述介质耦合窗方向的宽度不小于其所容纳的所述线圈的直径。

优选地，所述凹槽的沿垂直于所述介质耦合窗方向的深度以及沿平行于所述介质耦合窗方向的宽度均为7-11mm，所述凹槽所容纳的所述线圈的直径为6-10mm。

优选地，所述等离子体装置还包括射频电源和匹配网络；所述线圈的一端通过所述匹配网络与所述射频电源电性连接，所述线圈的另一端与接地端电性连接；所述射频电源用于在所述线圈上产生电流，以激发耦合到所述反应腔室内的磁场。

优选地，所述导磁件由铁氧体材料制成。

优选地，所述铁氧体材料的相对导磁率大于等于80。

本发明的等离子体装置，利用电磁感应原理使得反应腔室内部产生等离子体，由法拉第电磁感应定律，线圈中的交变电流产生交变磁场，交变磁场耦合到反应腔室内部形成交变电场，通入该反应腔室内部的气体在交变电场的作用下被击穿形成等离子体，利用该等离子对待处理晶片进行刻蚀或沉积等处理。由于线圈处于设置有容纳空间的导磁件内，因此，可以使得耦合到反应腔室内部的磁场强度提高。在相同的等离子吸收功率下，能够有效降低线圈中的电流，从而可以降低线圈中的能量损耗，提高了该等离子装置的能量耦合效率，同时，还能够有效降低线圈发热带来的安全隐患，提高该等离子装置的使用寿命。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中等离子装置的结构示意图；

图2为图1所示等离子装置中线圈感应耦合放电时的磁场分布的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中等离子装置的结构示意图；

图4a为本发明第二实施例中导磁件与线圈的结构示意图；

图4b为本发明第二实施例中导磁件与线圈的截面示意图；

图4c为本发明第二实施例中导磁件与线圈的俯视图；

图5a为本发明第三实施例中导磁件与线圈的结构示意图；

图5b为本发明第三实施例中导磁件与线圈的剖视图；

图6为本发明第四实施例中线圈电流在增加导磁件前后的变化对比图。

附图标记说明

100：等离子体装置；

110：反应腔室；

120：线圈；

130：导磁件；

131：容纳空间；

140：介质耦合窗；

150：射频电源；

151：匹配网络；

160：偏压射频电源；

161：副匹配网络；

170：接地端；

180：进气组件；

191：静电卡盘；

192：聚焦环；

200：待处理晶片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图3，本发明涉及一种等离子体装置100。该等离子体装置100包括反应腔室110，该反应腔室110用于容纳待处理晶片200，该反应腔室110可以呈柱状，也可以为其他形状。优选地采用柱状结构的反应腔室110。反应腔室110的底部可以设置有静电卡盘191，通过高电压产生的静电吸附固定待处理晶片200，当然，也可以采用其他方式固定待处理晶片200。反应腔室110的侧壁一般采用金属材料制成，并且该侧壁接地。位于反应腔室110底部的待处理晶片200，其周侧一般还可以设置有聚焦环192，该聚焦环192的底部设置在静电卡盘191上。

上述等离子装置100还包括线圈120，该线圈120可以由导电率良好的材料制成，例如，紫铜等。线圈120设置在反应腔室110的外侧，线圈120能够产生磁场，且磁场能够耦合到反应腔室110内部，以使得反应腔室110内能够形成等离子体。

其中，上述等离子装置100还包括导磁件130，该导磁件130一般由导磁率高的材料制作形成，例如，铁氧体(相对磁导率u_r≥80)等材料。参考图4，该导磁件130内部设置有容纳空间131，上述线圈120设置在容纳空间131内，以减小线圈120上的电流，且还能够提高耦合到反应腔室110内的磁场的强度。

在对待处理晶片200进行处理时，例如，对该晶片进行沉积或刻蚀或其他处理工艺进行处理，将待处理晶片200放置在反应腔室110内部，在反应腔室110的外部放置上述线圈120和设置有容纳空间131的导磁件130，使得线圈120可以处于该容纳空间131内，当线圈120产生磁场时，由于线圈120处于容纳空间131内，且该导磁件130具有导磁性能，因此，该导磁件130相当于提供了一个低阻的磁通路，将线圈120所产生的磁场(磁力线)集中于导磁件130内部，从而可以使得线圈120下方的磁场(用于产生等离子体的磁场)也得到了高度集中，能够有效增加用于产生等离子体的磁场的强度，从而可以提高能量耦合效率。

需要说明的是，对于如何使得线圈120产生磁场的结构并没有作出限定，例如，该线圈120可以与外界电源电性连接，该电源能够提供交变电流，以使得该线圈120能够产生磁场。另外，对于线圈120所处的具体位置并没有作出限定，例如，该线圈120可以处于反应腔室110的顶部位置，当然，该线圈120还可以处于反应腔室110的其他位置处，在此不作限定。

进一步需要说明的是，对于如何使得反应腔室110内部形成等离子体的具体结构并没有作出限定，例如，该等离子体装置100的反应腔室110可以与外界气体源密闭连通，该气体源用于向反应腔室内部提供气体，线圈120耦合到反应腔室110内部的磁场形成电场，该电场将气体击穿形成等离子体，以利用该等离子对待处理晶片200进行工艺处理。

应当理解的是，上述线圈120设置在容纳空间131内，可以是线圈120的一部分处于容纳空间131内，也可以是整个线圈120均处于容纳空间131内。

还应当理解的是，上述线圈120设置在容纳空间131内，从而可以减小线圈120上的电流，是指相对减少线圈120上的电流。也就是说，在相同的等离子吸收功率下，本实施例结构的等离子装置100中的线圈120电流比传统的等离子装置中的线圈的电流小。

本实施例结构的等离子体装置100，利用电磁感应原理使得反应腔室110内部产生等离子体，由法拉第电磁感应定律，线圈120中的交变电流产生交变磁场，交变磁场耦合到反应腔室110内部形成交变电场，通入该反应腔室110内部的气体在交变电场的作用下被击穿形成等离子体，利用该等离子对待处理晶片200进行刻蚀或沉积等处理。由于线圈120处于设置有容纳空间131的导磁件130内，因此，在相同的等离子吸收功率下，能够有效降低线圈120中的电流，从而可以降低线圈120中的能量损耗，提高了该等离子装置100的能量耦合效率，同时，还能够有效降低线圈120发热带来的安全隐患，提高该等离子装置100的使用寿命。

优选地，作为等离子装置100的第一种具体实施方式，如图3和图4所示，上述等离子体装置100还包括介质耦合窗140。其中，该介质耦合窗140与反应腔室110的顶部密闭连接，上述线圈120设置在该介质耦合窗140的上方，上述导磁件130套设在线圈120上方。其中，线圈120和导磁件130均为平面螺旋线结构，且导磁件130的底壁上设置有凹槽(未标记)，该凹槽的形状与线圈120的形状相匹配，以形成上述的容纳空间131。

需要说明的是，对于介质耦合窗140的具体结构并没有作出限定，例如，其可以是石英耦合窗或者氧化铝陶瓷耦合窗等等。优选地采用石英耦合窗，其除了能够将线圈120产生的磁场耦合到反应腔室110内部，还可以透过该石英耦合窗观察反应腔室110内部的待处理晶片200的处理状态。

本实施例结构的等离子体装置100，设置有介质耦合窗140，能够便于观察反应腔室110内部的待处理晶片200的处理状态，另外，该介质耦合窗140直接与线圈120接触，以使得线圈120产生的磁场能够耦合到反应腔室110内部，结构简单，且能够进一步地提高能量耦合效率。

当然，上述等离子装置100中，导磁件130还可以是板状结构，在该板状结构的底部开设有与上述线圈120的形状相适配的凹槽，以将线圈120容纳在该凹槽内，同样可以实现提高该等离子装置100的能量耦合效率。

优选地，作为等离子装置100的第二种具体实施方式，如图5所示，其中图5a为导磁件130与线圈120的结构示意图，图5b为导磁件130与线圈120的剖视图。该结构的与等离子装置100的第一种具体实施方式的不同之处在于：在本实施方式中，上述线圈120为立体螺旋线结构，导磁件130为筒状结构，且在该筒状结构的内侧壁上设置有凹槽，该凹槽的形状与线圈120的形状相匹配，以形成容纳空间131。

本实施例结构的等离子体装置100，线圈120为立体螺旋线结构，导磁件130为筒状结构，能够有效增加产生磁场的强度，同时，线圈120形状与凹槽的形状相匹配，可以使得线圈120全部处于凹槽内，也即容纳空间131内。能够将线圈120所产生的全部磁场限定在导磁件130内，提高耦合到反应腔室110内部的磁场强度，提高能量耦合效率。

优选地，作为等离子装置100的第三种具体实施方式，其与第二种实施方式不同之处在于：在本实施方式中，上述介质耦合窗140与反应腔室110的顶壁和底壁密闭连接，也就是说，该介质耦合窗140套设在反应腔室110的外侧，且包覆所述反应腔室110的顶壁和底壁。

优选地，作为等离子装置100的第四种具体实施方式，其与第三种具体实施方式不同之处在于：上述线圈120和导磁件130均为立体螺旋线结构，导磁件130套设在线圈120外侧，且导磁件130的内侧壁上设置有凹槽，该凹槽的形状与线圈120的形状相匹配，以形成上述容纳空间131。

上述是等离子装置100的几种不同的实施方式，可以根据实际需要确定选择其中一种实施方式的等离子体装置100，因此，能够拓宽应用该等离子装置100的应用场合，有效降低等离子装置100的制作成本。

优选地，如图4b和图5b所示，为了更好地容纳线圈120，上述凹槽沿垂直于介质耦合窗140的深度H不小于该凹槽所容纳的线圈120的直径。该凹槽沿平行于介质耦合窗140的宽度L应当不小于其所容纳的线圈120的直径。

本实施例结构的等离子装置100，对导磁件130的具体结构以及所形成的凹槽的尺寸进行具体限定，可以使得所形成的凹槽能够完全容纳线圈120，也就是说，导磁件130完全包覆线圈120，从而可以使得线圈120所产生的大部分磁场(磁力线)均处于导磁件130内部，也就是说，该导磁件130相当于提供了一个低阻的磁通路，进而可以提高耦合到反应腔室110内部的磁场强度，提高能量耦合效率。

优选地，上述凹槽的沿垂直于介质耦合窗140方向的深度H以及沿平行于介质耦合窗140方向的宽度L均为7-11mm，该凹槽所容纳的线圈120的直径为6-10mm。

具体地，可以根据实际应用的线圈120的直径，例如，当实际所应用的线圈120的直径为8mm，此时，可以选择对导磁件130上凹槽进行加工处理，使得凹槽沿垂直于介质耦合窗140方向的深度H以及沿平行于介质耦合窗140方向的宽度L为9mm-11mm。

优选地，上述等离子体装置100还包括射频电源150和匹配网络151。其中，上述线圈120的一端通过匹配网络151与该射频电源150电性连接，线圈120的另一端与接地端170电性连接，以构成电学回路。该射频电压150用于在线圈120上产生电流，也即向该等离子体装置100提供射频能量，以激发耦合到反应腔室110内的磁场。

上述等离子体装置100还包括偏压射频电源160和副匹配网络161，用于吸附等离子体，以使得等离子体沉积到待处理晶片200上。

本实施例结构的等离子体装置100，在反应腔室110内部，尤其是靠近介质耦合窗140的位置，形成有大量的带电的等离子体。因此，为了使得等离子体能够快速地沉积到待处理晶片200上，可以在反应腔室110的底部设置上述的偏压射频电源160，能够加快待处理晶片200的处理工艺。

优选地，上述射频电源150的频率可以选择为2-13.56MHz，更优选地，该射频电压150的频率可以采用2MHz。

优选地，上述等离子体装置100还包括进气组件180。其中，该进气组件180与反应腔室110密闭连通，以向反应腔室110提供气体。

本实施例结构的等离子装置100，设置有该进气组件180，能够向反应腔室110内部提供气体，当线圈120产生交变磁场，且该交变磁场耦合到反应腔室110内部形成交变电场时，可以将该气体击穿，于是在介质耦合窗140附近会产生大量的带电等离子体。利用该等离子对待处理晶片200进行沉积或刻蚀等处理，结构简单。

需要说明的是，对于所提供的气体种类并没有作出限定，例如，可以是惰性气体，还可以是氧气等反应气体。

进一步需要说明的是，对该进气组件180的具体结构并没有作出限定，其应该至少包括与反应腔室110内部密闭连通的管道(未标记)，除此之外，为了控制气体的流量及速度，还可以包括气动阀(图中并未示出)、质量流量控制计(图中并未示出)以及相应的控制模块(图中并未示出)等。

如图6所示，图中的C1曲线代表仅仅设置有线圈120时，线圈120内的电流与所施加的功率的关系图，C2曲线代表在线圈120上套设导磁件130后，线圈120内的电流与所施加的功率的关系图，由该图可以明显得出，在设置了导磁件130后，在同样的吸收功率下，线圈120中的电流明显降低，因此，能够提高能量耦合效率，避免线圈发热，消除安全隐患。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种等离子体装置，所述等离子体装置包括反应腔室和线圈，所述反应腔室用于容纳待处理晶片，所述线圈设置在所述反应腔室外侧，其特征在于，所述等离子体装置还包括导磁件，所述导磁件内部设置有容纳空间，所述线圈设置在所述容纳空间内，以减小所述线圈上的电流，且能够提高耦合到所述反应腔室内的磁场的强度；其中，所述导磁件套设在所述线圈外侧，所述线圈为立体螺旋线结构，所述导磁件为筒状结构或立体螺旋线结构，所述导磁件的内侧壁上设置有凹槽，所述凹槽的形状与所述线圈的形状相匹配，以形成所述容纳空间，所述等离子体装置还包括呈平面状的介质耦合窗，所述介质耦合窗与所述反应腔室顶部密闭连接，所述导磁件和所述线圈均设置在所述介质耦合窗上方，所述导磁件的底面设置于所述介质耦合窗的背离所述反应腔室一侧的表面上，且所述凹槽的开口朝向所述反应腔室的外侧。

2.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述凹槽的沿垂直于所述介质耦合窗方向的深度以及所述凹槽的沿平行于所述介质耦合窗方向的宽度不小于其所容纳的所述线圈的直径。

3.根据权利要求2所述的等离子体装置，其特征在于，所述凹槽的沿垂直于所述介质耦合窗方向的深度以及沿平行于所述介质耦合窗方向的宽度均为7-11mm，所述凹槽所容纳的所述线圈的直径为6-10mm。

4.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述等离子体装置还包括射频电源和匹配网络；所述线圈的一端通过所述匹配网络与所述射频电源电性连接，所述线圈的另一端与接地端电性连接；所述射频电源用于在所述线圈上产生电流，以激发耦合到所述反应腔室内的磁场。

5.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于，所述导磁件由铁氧体材料制成。

6.根据权利要求5所述的等离子体装置，其特征在于，所述铁氧体材料的相对导磁率大于等于80。