CN110415948B - 一种立体四螺旋电感耦合线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体四螺旋电感耦合线圈，包括四个相同的线圈绕组，这四个线圈绕组围绕着该电感耦合线圈的中心轴成每90°的中心对称，每个线圈绕组为同轴的内、中、外三层结构，所述同轴是指同电感耦合线圈的中心轴，每个线圈绕组包括至少三个线圈分支，各线圈分支分别位于具有高度差的不同水平面上，各线圈分支之间通过线圈过渡段相连。本发明使得电压强度在线圈的各个位置都相对均衡，从而使得等离子体分布更加均匀，提升了刻蚀速率和均匀性。

Description

一种立体四螺旋电感耦合线圈

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及了一种电感耦合线圈。

背景技术

通常，微电子器件的制造包含许多不同的阶段，每一阶段又包含各种不同的制程，刻蚀就是其中重要的制程之一。刻蚀过程主要包括：将等离子体引到基材(待刻蚀材料，如硅)表面，通过物理和化学作用腐蚀基材表面，进而形成该微电子器件所需要的各种线条、孔洞、沟槽或其他形状。

等离子体刻蚀设备通常用于实现上述刻蚀过程。该等离子体刻蚀设备包括工艺腔室和设置于工艺腔室顶部的介质窗，介质窗的上方放置有电感耦合线圈，电感耦合线圈通过匹配器与射频源电性连接。在利用上述结构的等离子体刻蚀设备进行刻蚀过程中，射频源的输入功率和偏压功率、气体的种类和流量、工艺腔室内的压强、晶片温度等参数的变化会通过改变工艺腔室内的等离子体成分、能量来最终影响刻蚀的结果，而电感耦合线圈的结构是其中最关键的技术之一。

在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性反应集团和被刻蚀物质表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使材料表面性能发生变化。在半导体加工中，进入工艺腔室的工艺气体被感应耦合源所产生的电磁场电离产生等离子体，该等离子体被用于刻蚀晶圆的表面材质，因此工艺腔室内等离子体的非均匀性分布将导致晶圆表面上的刻蚀速率和均匀性等有较大的变化，目前晶圆尺寸从100mm增加到300mm，工艺腔室的体积也相应增大，这使得想要得到更加均匀的等离子体分布非常困难，从使得晶圆表面刻蚀速率和均匀性难以得到保证。

图1所示的一种平面等螺旋结构电感耦合线圈，为现有电感耦合线圈的基本结构。该电感耦合线圈包括线圈绕组11、与线圈绕组11包括两个相同分支(11a，11b)两端连接的输入端12和输出端13。另外对于不同的等离子体需求，线圈绕组11的投影尺寸和形状会有所不同。但是，上述结构的电感耦合线圈，沿着输入端12至输出端13，线圈绕组11不同位置处的电压强度并不是均匀分布的，如图2所示，其中，纵坐标轴代表电感耦合线圈上的电压强度，横坐标轴代表线圈绕组11不同的位置，其中虚线框A为输入端12所在的位置，虚线框B为输出端13所在的位置，其余位置C为该线圈绕组11的位于输入端12和输出端13之间的位置。由图2可以看出，靠近输入端12、输出端13的电压强度会较高，而远离输入端12、输出端13的电压强度较低。因此，这就造成输入端12和输出端13下方对应位置的电场强度较大，等离子体密度相对其他位置也较高，整体上表现为等离子体分布的不均匀性，造成刻蚀缺陷。

图3a、图3b显示的是现有一种较为先进的立体双螺旋结构的电感耦合线圈，该电感耦合线圈包括线圈绕组21、与线圈绕组21包括两个相同分支(21a，21b)两端连接的输入端22和输出端23。另外对于不同的等离子体需求，线圈绕组21的投影尺寸和形状会有所不同。由于该线圈为立体结构，该结构的电感耦合线圈，沿着输入端22至输出端23，线圈绕组21不同位置处的电压强度的均匀性较图1线圈结构有较大改善，如图4a所示，其中，纵坐标轴代表电感耦合线圈上的电压强度，横坐标轴代表线圈绕组21不同的位置，其中虚线框a为输入端22所在的位置，虚线框b为输出端23所在的位置，其余位置c为该线圈绕组21的位于输入端22和输出端23之间的位置。由图4a可以看出，靠近输入端22、输出端23的电压强度会较高，而远离输入端22、输出端23的电压强度稍低，因此在此范围内电压强度均匀性很好。但是，如图4b所示，其中，纵坐标轴代表电感耦合线圈上的电压强度，横坐标轴代表线圈绕组21不同的位置，其中虚线框A为图3b所示输入端22、23所在的位置，D为图3b所示远离接线端22、23位置。由图4b可以看出，靠近输入端22、23的电压强度会较高，而远离输入端22、23的电压强度较低，因此，这就造成输入端22和输出端23下方对应位置的电场强度较大，等离子体密度相对其他位置也较高，整体上表现为等离子体分布的不均匀性，造成刻蚀缺陷。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种立体四螺旋电感耦合线圈。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种立体四螺旋电感耦合线圈，包括四个相同的线圈绕组，这四个线圈绕组围绕着该电感耦合线圈的中心轴成每90°的中心对称，每个线圈绕组为同轴的内、中、外三层结构，所述同轴是指同电感耦合线圈的中心轴，每个线圈绕组包括至少三个线圈分支，各线圈分支分别位于具有高度差的不同水平面上，各线圈分支之间通过线圈过渡段相连。

进一步地，该电感耦合线圈中每个线圈绕组的中层在垂直等离子刻蚀设备中介质窗的空间上只有一次线圈分布，其余两层在垂直介质窗的空间上均有两层线圈分布。

进一步地，对于某个线圈绕组的三层结构，相邻层的水平间距与该线圈绕组的截面宽度之比为L:1，L∈[0.5,5]。

进一步地，L∈[2.5,3.5]。

进一步地，对于某个线圈绕组的各线圈分支，在竖直方向上，相邻线圈分支的高度差与该线圈绕组的截面高度之比为H:1，H∈[0.5,5]。

进一步地，H∈[2,3]。

进一步地，所述线圈过渡段与水平面的倾斜角度α∈[10°,60°]。

进一步地，α∈[25°,40°]。

进一步地，该电感耦合线圈上每个线圈绕组的输入端和输出端位于该线圈绕组的中层且与等离子刻蚀设备中介质窗距离最远的线圈分支上。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明设计的立体四螺旋电感耦合线圈，使得电压强度在线圈的各个位置都相对均衡，因此线圈下方对应的电场强度相对均衡，等离子体密度相对均衡，从而使得等离子体分布更加均匀，刻蚀速率和均匀性得到很大提升。

附图说明

图1是现有一种平面等螺旋结构电感耦合线圈示意图；

图2是图1所示线圈不同位置的电压强度图；

图3a是现有一种立体双螺旋结构的电感耦合线圈示意图；

图3b是图3a所示线圈的俯视图；

图4a、图4b是图1所示线圈不同位置的电压强度图；

图5是等离子体刻蚀设备结构图；

图6a是本发明设计的立体四螺旋电感耦合线圈示意图；

图6b是图6a所示线圈的俯视图；

图7a是本发明设计的线圈分支的俯视图；

图7b是本发明设计的线圈分支的侧视图；

图8a、图8b是本发明设计的立体四螺旋电感耦合线圈不同位置的电压强度图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图5所示，基于本发明设计的立体四螺旋电感耦合线圈的等离子体刻蚀设备，包括一反应腔室10，该反应腔室10的顶部设有介质窗20，介质窗20的上表面放置立体四螺旋电感耦合线圈100，该立体四螺旋电感耦合线圈100通过匹配网络与激励射频电源电性连接，反应腔室10的内部设有静电卡盘30，该静电卡盘30通过电极与外界电源电性连接，静电卡盘30上放置待处理的晶片，介质窗上20与该晶片正对的位置处设有进气喷嘴40，通过该进气喷嘴10向反应腔室10内通入工艺气体，反应腔室10的底部设有压力控制阀和真空泵，通过压力控制阀和真空泵在反应腔室10内产生所需工艺气压和真空环境；通过激励射频电源、匹配网络与立体四螺旋电感耦合线圈100将射频能量从介质窗20耦合到反应腔室10内，使得反应腔室10中的工艺气体激发产生等离子体，静电卡盘30经电极通入偏压射频能量以产生偏置电压，使得所产生的等离子体轰击晶片表面，从而在晶片刻蚀出所需图形。

上述立体四螺旋电感耦合线圈100如图6a、图6b所示，该电感耦合线圈100包括四个相同的线圈绕组110a、110b、110c、110d，这四个线圈绕组围绕着该电感耦合线圈的中心轴(0轴)成每90°的中心对称。每个线圈绕组为同轴的内、中、外三层结构。如图7a、图7b所示，每个线圈绕组包括(至少)三个线圈分支111a、111b、111c，各线圈分支分别位于具有高度差的不同水平面上，各线圈分支之间通过线圈过渡段112相连。

如图7a、7b所示，电感耦合线圈中每个线圈绕组的中层(如图中的111a)在垂直等离子刻蚀设备中介质窗20的空间上只有一次线圈分布，其余两层(如图中的111b和111c)在垂直介质窗的空间上均有两层线圈分布。

电感耦合线圈上每个线圈绕组的输入端120和输出端130位于该线圈绕组的中层且与介质窗20距离最远的线圈分支上(如图中的111a)。

在本实施例中，对于某个线圈绕组的三层结构，相邻层的水平间距与该线圈绕组的截面宽度之比为L:1，L∈[0.5,5]。优选地，L∈[2.5,3.5]。对于某个线圈绕组的各线圈分支，在竖直方向上，相邻线圈分支的高度差与该线圈绕组的截面高度之比为H:1。优选地，H∈[0.5,5]。

在本实施例中，所述线圈过渡段112与水平面的倾斜角度α∈[10°,60°]。优选地，α∈[25°,40°]。

当激励射频电源与输入端120和输出端130电性导通，以向该结构的电感圈耦合线100提供射频能量时，如图8a所示，纵坐标轴代表电感耦合线圈100上的电压强度(其能够反映耦合到工艺腔室10内的电场强度)，横坐标轴代表电感耦合线圈100的位置，其中虚线框a和虚线框b为距离介质窗20较远位置处的线圈分支111a处的电压强度分布，也即设置有输入端120和输出端130的线圈分支111a的电压强度分布，其余位置c为其余线圈分支111b、111c的电压强度分布，由图8a可以看出，该种结构的电感耦合线圈100，其电压强度分布基本是均匀的。线圈上原本电压强度较高的靠近输入端120和输出端130的位置，现在因为距离介质窗20较远，且其位于线圈绕组110中层，其通过介质窗20耦合反应腔室10内的电场强度也会相应降低，继而减小了对应位置处的等离子体密度。而线圈上原本电压强度较低的其余位置，因为距离介质窗20较近，且其位于线圈绕组110的内、外层，其通过介质窗220耦合工艺腔室内的电场强度也会相应提高，继而增大了对应位置处的等离子体密度。如图8b所示，纵坐标轴代表电感耦合线圈100上的电压强度(其能够反映耦合到反应腔室10内的电场强度)，横坐标轴代表电感耦合线圈100的位置，其中虚线框A、D为距离介质窗20较远位置处的线圈分支111a处的电压强度分布(如图6b所示)，也即设置有输入端120和输出端130的线圈分支111a的电压强度分布，二者相对于中心轴成90度中心对称分布，其余位置C为其余线圈分支111b、111c的电压强度分布。由图8b可以看出，该种结构的电感耦合线圈100，其电压强度分布基本是均匀的。所以，通过将线圈绕组上靠近输入端120、输出端130的位置和线圈线圈绕组上的其他位置设置为不同的线圈分支，并将其分别放置在高度不同、距离中心轴距离不同的水平面内，可以补偿线圈绕组上不同位置处的电压强度，继而使得射频能量通过介质窗20耦合到反应腔室10内的电场强度也基本上为均匀分布的，又通过增加线圈绕组110的数量，从而使得线圈100空间上围绕中心轴成每90度的中心对称，此种结构设计细化了电感线圈100的电压分布，从而能够改善等离子体在反应腔室10内分布的均匀性，进而能够有效保证利用所形成的等离子刻蚀晶片良率，提高产品良率，同时由于线圈绕组的增加增加了电感强度，在一定程度上提高了刻蚀速率。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：该电感耦合线圈包括四个相同的线圈绕组，这四个线圈绕组围绕着该电感耦合线圈的中心轴成每90°的中心对称，每个线圈绕组为同轴的内、中、外三层结构，所述同轴是指同电感耦合线圈的中心轴，每个线圈绕组包括至少三个线圈分支，各线圈分支分别位于具有高度差的不同水平面上，各线圈分支之间通过线圈过渡段相连；该电感耦合线圈中每个线圈绕组的中层在垂直等离子刻蚀设备中介质窗的空间上只有一层线圈分布，其余两层在垂直介质窗的空间上均有两层线圈分布；该电感耦合线圈上每个线圈绕组的输入端和输出端位于该线圈绕组的中层且与等离子刻蚀设备中介质窗距离最远的线圈分支上。

2.根据权利要求1所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：对于某个线圈绕组的三层结构，相邻层的水平间距与该线圈绕组的截面宽度之比为L:1，L∈[0.5,5]。

3.根据权利要求2所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：L∈[2.5,3.5]。

4.根据权利要求1所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：对于某个线圈绕组的各线圈分支，在竖直方向上，相邻线圈分支的高度差与该线圈绕组的截面高度之比为H:1，H∈[0.5,5]。

5.根据权利要求4所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：H∈[2,3]。

6.根据权利要求1所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：所述线圈过渡段与水平面的倾斜角度α∈[10°,60°]。

7.根据权利要求6所述立体四螺旋电感耦合线圈，其特征在于：α∈[25°,40°]。

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