CN110301028A - 电感耦合等离子体天线和包括它的基板处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电感耦合等离子体(ICP)天线，天线的一端通过阻抗匹配电路连接至射频(RF)电源且另一端接地；及可变电容器，并联于所述天线线圈的局部。

Description

电感耦合等离子体天线和包括它的基板处理装置
技术领域
本发明涉及电感耦合等离子体(ICP)天线及包括它的基板处理装置，更具体地涉及通过在电感耦合等离子体天线的局部并联可变电容器而具有可以改善基板处理表面上等离子体密度的均匀性的结构的电感耦合等离子体天线及包括它的基板处理装置。
背景技术
伴随半导体电路的超微细化、用于制造半导体电路的基板的大型化及液晶显示器的大面积化，最近使用于半导体工序的基板处理装置整体处理面积大型化，而内部电路反而趋于更加小型化。因此，不仅需要在限定的区域集成更多的元件，还要改善形成于大型化的整体面积的元件的均匀性，正在进行针对这种情况的研究及开发。
作为基板处理装置使用的等离子体处理装置是将腔内的反应气体激活形成等离子体之后利用所形成的等离子体处理基板的干式处理装置，根据电极形态分为电容耦合型等离子体(capacitively Coupled Plasma；CCP)和电感耦合型等离子体(InductivelyCoupled Plasma；电感耦合型等离子体)方式。
电容耦合型等离子体方式一般在平行的一对平板型电极施加高频波，从而通过形成于电极之间的空间的电场产生等离子体，准确的电容耦合调节能力和离子调节能力高，与电感耦合型等离子体方式相比，具有工序生产率高的优点。相反，射频功率的能量几乎排他性地通过电容耦合传递到等离子体，因此等离子体离子密度只能通过电容耦合的射频功率的增加或减少来调节。因此，为了生成高密度等离子体，需要高的射频功率。但是，增加射频功率会增加离子冲击能量。因此，为了防止离子冲击带来的损伤，增加所供给的射频功率存在限制。
相反，众所周知，电感耦合型等离子体方式一般在螺旋形的天线上施加高频波，利用随着流入天线的高频波电流产生的磁场的变化而感应的电场，加速腔内部的电子来生成等离子体，虽然随着射频功率的增加可容易增加例子密度，但另一方面，与之伴随的离子冲击相对低，从而适合产生高密度等离子体。因此，在利用等离子体的基板处理装置中，为了生成高密度等离子体，一般趋势为使用电感耦合型等离子体方式。图1为表示现有的电感耦合型等离子体处理装置的简要结构的图，图2为表示现有的电感耦合型等离子体处理装置的天线的相关结构的图。
参考图1，现有的电感耦合型等离子体处理装置100包括：腔110，在内部配置有通过等离子体P处理的被处理基板W；气体喷射部120，向腔110内部供给用于基板的处理的源气体；气体排出口130，排出基板处理后的残余气体及未反应气体；基座140，配置于腔110内且用于配置所述被处理基板；天线150，位于腔110的上部或侧面，在腔内部形成用于生成等离子体P的磁场及电场；高频波振荡器(RF generator)160，向所述天线施加源电源；及阻抗匹配电路170，将连接于所述高频振荡器160的连接电缆的特性阻抗匹配至负载阻抗。
这种等离子体处理装置根据天线及电介质窗口的形状可以分为薄饼式天线、圆柱形天线及圆顶式天线，图2(a)表示现有的电感耦合型等离子体处理装置中薄饼式天线(Pancake type antenna)的形状，图2(b)表示圆柱形天线(Cylinderical type antenna)。
但是，电感耦合型等离子体方式具有随着天线线圈形状和频率生成不均匀的等离子体的问题，天线线圈设计困难，提高频率有限。另外，具有等离子体源和基板之间的距离比电容耦合等离子体方式大的问题，通过扩散决定等离子体的举动，在被处理基板上决定等离子体的均匀度。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种电感耦合等离子体天线及包括它的基板处理装置，通过在天线的局部并联可变电容器，可以改善基板处理面上的等离子体的均匀性。
本发明要解决的其它课题通过下面的详细说明和附图会更加清楚。
课题解决方案
因此，本发明的电感耦合等离子体天线使用于等离子体处理装置，其包括：天线线圈，一端通过阻抗匹配电路连接至射频(RF)电源且另一端接地；及可变电容器，并联于所述天线线圈的局部。
所述电感耦合等离子体天线还可以包括电阻，所述电阻并联于所述可变电容器。
所述天线线圈可以为圆柱形天线线圈。
所述天线线圈为圆柱形天线线圈时，所述天线线圈的所述一端位于上部，所述另一端位于下部，所述可变电容可以连接于包括所述天线线圈的一端的线圈上部或包括所述天线线圈的另一端的线圈下部中的一个。
所述天线线圈可以为薄饼式天线线圈。
所述天线线圈为薄饼式天线线圈时，所述天线线圈的所述一端位于外侧，所述另一端位于内侧，所述可变电容可以连接在包括所述天线线圈的一端的外侧线圈部或包括所述天线线圈的另一端的内侧线圈部。
本发明的基板处理装置包括：腔，在内部配置通过等离子体处理的被处理基板；气体喷射部，向所述腔内部供给用于所述被处理基板的处理的源气体；气体排出口，所述被处理基板处理后排出所述腔内的残余气体及未反应气体；基座，用于配置所述被处理基板；上述任一电感耦合等离子体天线；高频波振荡器，向所述电感耦合等离子体天线施加源电源；及阻抗匹配电路，连接于所述电感耦合等离子体天线和所述高频振荡器之间。
所述基板处理装置还可以包括用于调节所述电感耦合等离子体天线的可变电容的可变电容调节部。
发明的效果
本发明的效果在于，通过在天线的局部并联可变电容器，可以改善基板处理面上的等离子体的均匀性。
附图说明
图1是表示根据现有技术的电感耦合型等离子体处理装置的简要结构的图。
图2是表示根据现有技术的电感耦合型等离子体处理装置的天线相关结构的图。
图3是用于表示根据本发明的电感耦合等离子体天线的结构的概念图。
图4是表示根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的结构的图。
图5是表示基于图4(b)所示的电感耦合等离子体天线结构的等离子体分布变化的图。
图6是表示基于图4(d)所示的电感耦合等离子体天线结构的等离子体分布变化的图。
图7是表示根据本发明的其它实施例的电感耦合等离子体天线的结构的图。
图8是表示根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的实际实现样子的图。
图9是表示应用可变电容器前后在被处理基板表面测量的等离子体分布的图。
具体实施方式
下面，参考图3至图9更详细地说明本发明的优选实施例。本发明的实施例可以变形为各种方式，本发明的范围不应解释为由下面说明的实施例限定。本实施例是用于向本发明所属技术领域的普通技术人员更详细地说明本发明而提供的。因此，为强调更清楚的说明，附图中出现的各因素的形状可能被夸张。
图3是用于表示根据本发明的电感耦合等离子体天线的结构的概念图。如图3所示，根据本发明的电感耦合等离子体天线可概念性地考虑为实质上以特定地点为基准将一个线圈阻抗一分为二而形成两个阻抗串联的电路。将包括一端部的线圈部分的阻抗设为第一阻抗(Z1)250a，该一端部通过阻抗匹配电路270连接于RF电源160，将包括接地的另一端部的线圈部分的阻抗设为第二阻抗。
其中，若第二阻抗Z2增大，则整个线圈的阻抗增加，流过电感耦合等离子体天线的整体线圈电流减小。随着线圈电流减小，施加于第一阻抗Z1的功率减少，通过相当于第一阻抗Z1的线圈部分生成的等离子体也减少。但是，若阻抗增加，则等离子体功率增加。相当于第二阻抗Z2的线圈部分，通过调谐电路(LC)并联和可变电容器的电容调节，接近调谐电路共振条件，随之流过基于共振条件的电感电流和电容电流，阻抗变大。这时，尽管线圈输入端测量出的线圈电流减小，通过第二阻抗Z2的阻抗增加，等离子体可能减小、保持或增加。
这样本申请发明将电感耦合等离子体天线假定为串联两个阻抗的天线，通过调节两个中的一个阻抗，对两个阻抗均可以进行调节，如下所述，通过分部位的阻抗调节，可以控制被处理基板表面上的等离子体均匀性。
下面，参考图4至图6说明根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的结构及效果。图4是表示根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的结构的图。图4(a)表示现有的圆柱形电感耦合等离子体天线的结构，图4(b)表示根据本发明的一实施例的可变电容器并联于下部天线的天线结构，图4(c)表示还包括并联于图4(b)的可变电容器的电阻的天线结构，图4(d)表示可变电容器并联于上部天线的天线结构的图，图4(e)表示还包括并联于图4(d)的可变电容器的电阻的天线结构。
图5是表示基于图4(b)所示的电感耦合等离子体天线结构的等离子体分布变化的图，图5(a)简要地表示由现有的圆柱形电感耦合等离子体天线生成的等离子体在被处理基板上的密度分布；图5(b)简要地表示由图4(b)所示的电感耦合等离子体天线生成的等离子体在被处理基板上的密度分布。
一般，圆柱形电感耦合等离子体天线感应的电场生成具有预定半径的环形等离子体，所生成的等离子体朝向配置于腔下部的被处理基板的中心和腔扩散。因此，扩散距离越长，中心部分的等离子体密度越高。
参考图5(a)可知，现有的圆柱形电感耦合等离子体天线的情况下，由上部线圈生成的等离子体随着扩散到配置于腔下部的基板，显出在基板中心具有高密度的山形的密度分布。但是，由于下部线圈生成的等离子体的扩散距离短，如感应电场生成的等离子体那样以环形的密度分布到达被处理基板表面。因此，在被处理基板表面，由上部线圈生成的等离子体和由下部线圈生成的等离子体构成重叠形态的等离子体密度分布。参考图5(a)可知，被处理基板表面上的等离子体密度具有基板中心的密度高的分布。
对此，如图4(b)所示，根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线通过在下部天线并联可变电容器，调节整体等离子体密度。如参考图3所述，在下部天线并联可变电容器时，相当于下部天线的第二阻抗Z2增加，从而天线的整体阻抗增加，因此，通过天线流过的整体线圈电流减小。因此，施加于上部天线的等离子体功率减小，其结果通过上部天线生成的等离子体的密度减小。反之，下部天线的情况下，由于阻抗增加，尽管线圈电流减小，也可以保持等离子体功率，因此生成的等离子体密度不减小。
这样，如图5(b)所示，利用根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线时，通过上部天线生成且扩散的等离子体密度减小，被处理基板表面上的等离子体密度与现有的电感耦合等离子体天线相比，沿半径方向形成均匀的分布。
图6是表示基于图4(d)所示的电感耦合等离子体天线结构的等离子体分布变化的图。图6(a)简要地表示由现有的圆柱形电感耦合等离子体天线生成的等离子体在被处理基板上的密度分布；图6(b)简要地表示由图4(d)所示的电感耦合等离子体天线生成的等离子体在被处理基板上的密度分布。
参考图6(a)可知，如图5(a)所示，现有的圆柱形电感耦合等离子体天线的情况下，由上部线圈生成的等离子体在被处理基板表面形成山形的等离子体分布，由下部线圈生成的等离子体在被处理基板表面形成环形的等离子体分布。图6(a)的情况下，由上部天线形成的等离子体密度与图5(a)相比相对低，被处理基板表面上的整体等离子体密度具有基板中心的密度低的分布。
对此，如图4(d)所示，基于本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线通过在上部天线并联可变电容器，可以调节整体等离子体密度。参考图3所述，在上部天线并联可变电容器的情况下，相当于上部天线的第一阻抗Z1增加，天线的整体阻抗增加，这减小通过整体天线流动的整体线圈电流。因此，施加于下部天线的等离子体功率减小，其结果通过下部天线生成的等离子体的密度减小。反之，上部天线的情况下，由于阻抗增加，尽管线圈电流减小，可以保持等离子体的功率，因此不减少所生成的等离子体密度。
如上所述，采用根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的情况下，如图6(b)所示，通过下部天线生成且扩散的等离子体密度减小，被处理基板表面上的整体等离子体密度与现有的电感耦合等离子体天线相比，沿半径方向形成均匀的分布。
如图4(c)及(e)所示，根据本发明的其它实施例的电感耦合等离子体天线还可以包括并联于可变电容器的电阻。通过包括电阻，可以进一步扩展阻抗调节的可变性。该实施例中，说明了具有一定值的电阻并联于可变电容器的例子，但是不限于此，作为其它例，可以是可变电阻并联于可变电容器。
图7是表示根据本发明的其它实施例的电感耦合等离子体天线的结构的图。图7的电感耦合等离子体天线除了应用于薄饼式天线以外，与图4所示的天线类似。图7(a)表示现有的薄饼式电感耦合等离子体天线的结构，图7(b)表示根据本发明的一实施例可变电容器并联于外部天线的天线结构，图7(c)表示可变电容器并联于内部天线的天线结构。图7中虽未图示，但是与图4(c)及图4(e)同样地，电阻或可变电阻可以并联于可变电容器。
与圆柱形天线同样地，如图7(b)所示，通过在外部天线连接可变电容器，可以增大整体天线的阻抗，因此可以减少由内部天线形成且扩散的山形等离子体密度。并且，如图7(c)所示，通过在内部天线连接电容器，可以减小由外部天线形成且扩散的甜甜圈形等离子体密度。
这样，本发明通过在电感耦合等离子体天线的局部并联可变电容器进行调节，具有可以使被处理基板表面上的等离子体密度沿半径方向均匀的效果。
图8是表示根据本发明的一实施例的电感耦合等离子体天线的实际实现样子的图。一实施例中，使用300mm电感耦合型等离子体线圈，为了圆周方向上的等离子体密度的均匀性，使用双数卷绕的线圈(4次卷绕线圈)，在卷绕4次的线圈中，在作为中间部的2次卷绕结束的地点N引出抽头(tap)连接了可变电容器。另外，虽未图示，在可变电容器连接控制钮(control knob)，可以调节可变电容器的电容量。
如上所述，本发明的电感耦合等离子体天线还可以包括并联于可变电容器的电阻，该电阻为可变电阻的情况下，与电容器同样可通过控制钮调节可变电阻的电阻。
图9是表示应用可变电容前后在被处理基板表面测量的等离子体分布的图。图9的横轴表示从被处理基板中心起的半径方向距离，竖轴表示等离子体密度。在图表中内部被填充的圆表示不具备可变电容器的基于现有电感耦合等离子体天线(比较例)的等离子体密度，内部空白的圆表示基于具备可变电容器的电感耦合等离子体天线(实施例)等离子体密度。
如图9所示，本申请发明在与现有电感耦合等离子体天线相同的条件下，仅通过在天线线圈局部并联可变电容器并调节其值，可以改善被处理基板表面上的等离子体密度均匀性。
通过优选的实施例详细地说明了本发明，但是也可以是与此不同方式的实施例。因此，下面记载的权利要求的技术思想和范围不限于优选的实施例。
工业实用性
本发明可以应用于多种方式的半导体制造设备及制造方法。

Claims (6)

1.一种低温外延层形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将基板传送到外延腔；及
对所述基板实施外延工序以在所述基板上形成外延层；
所述外延工序包括以下步骤：
在将所述基板加热到700℃以下且将外延腔内部调整至300Torr以下的状态下，向所述外延腔内部注入硅气体来形成第一外延层；
停止注入所述硅气体，向所述外延腔内部注入净化气体，以对所述外延腔内部进行第一次净化；
在将所述基板加热到700℃以下且将所述外延腔内部调整至300Torr以下的状态下，向所述外延腔内部注入硅气体来形成第二外延层；及
停止注入所述硅气体，向所述外延腔内部注入净化气体，以对所述外延腔内部进行第二次净化。
2.如权利要求1所述的低温外延层形成方法，其特征在于，所述硅气体为SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、Si2H6或SiH4中的至少一种。
3.如权利要求1所述的低温外延层形成方法，其特征在于，所述外延工序包括以下步骤：
在将所述基板加热到700℃以下且将所述外延腔内部调整至300Torr以下的状态下，向所述外延腔内部注入硅气体形成第n外延层；及
停止注入所述硅气体，向所述外延腔内部注入净化气体，以对所述外延腔内部进行第n次净化；
其中，所述n为3,4,…k,k是整数。
4.如权利要求1所述的低温外延层形成方法，其特征在于，
形成所述第一及第二外延层的步骤中，将所述基板加热到480度，所述外延工序可以在所述基板上形成大于且以下的外延层。
5.如权利要求1所述的低温外延层形成方法，其特征在于，
形成所述第一及第二外延层的步骤中，将所述基板加热到500度，所述外延工序可以在所述基板上形成大于且以下的外延层。
6.如权利要求1所述的低温外延层形成方法，其特征在于，
形成所述第一及第二外延层的步骤中，将所述基板加热到520度，所述外延工序可以在所述基板上形成大于且以下的外延层。
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