CN110536530A - 磁增强法拉第屏蔽结构及感应耦合等离子体源 - Google Patents

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Abstract

一种磁增强法拉第屏蔽结构及感应耦合等离子体源，磁增强法拉第屏蔽结构包括内层和套设于内层外侧的外层，内层和外层之间形成容置空间，容置空间内设有磁性件。磁增强法拉第屏蔽结构可以通过内层和外层共同形成的屏蔽层减弱感应耦合线圈电压导致的介质窗溅射和化学腐蚀，并可以通过磁性件补偿屏蔽层导致的感应耦合线圈功率耦合效率降低。

Description

磁增强法拉第屏蔽结构及感应耦合等离子体源
技术领域
本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种磁增强法拉第屏蔽结构及包含该磁增强法拉第屏蔽结构的感应耦合等离子体源。
背景技术
在半导体领域，等离子体处理技术主要用于刻蚀或者沉积工艺。按照产生方式的不同，等离子体源可以分为容性耦合等离子体源(CCP)，感应耦合等离子体源(ICP)和微波等离子体源(MP)。CCP源由施加到电极板之间的电压击穿气体产生等离子体，工作气压较ICP源高，具有大面积均匀性好等优点，因此一般常用于薄膜沉积工艺；ICP源由高频电流通过线圈产生的高频电磁场激发气体产生等离子体，可以工作在较低的气压范围内，且等离子体密度较高，同时施加一个偏压源，可以控制离子能量，因此，ICP源通常用于刻蚀工艺；MP源由电子回旋共振或者表面波加热等机理产生，工作气压较低，电子密度高，可以获得较低的电子温度，具有低损伤等优点，常用于薄膜沉积或者对损伤要求低的刻蚀工艺。在上述三种等离子体源中，由于ICP源具有等离子体密度高和能量可调、成本较低等优点，在刻蚀工艺中得到较广泛的应用。
对于ICP源，线圈表面会存在高频电流和高频电压(等效电路如图1所示)，该电压的存在使得线圈投影的介质窗位置吸引离子轰击介质窗内表面，从而导致介质窗材料发生物理溅射、加速化学腐蚀。而这种物理溅射和化学腐蚀的加剧对于刻蚀工艺是致命的缺陷，一方面溅射现象的存在使得颗粒数增多，恶化了产品良率；另一方面也使得介质窗寿命缩短。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁增强法拉第屏蔽结构及包含该磁增强法拉第屏蔽结构的感应耦合等离子体源，以克服现有设备存在的介质窗溅射和化学腐蚀问题。
本发明一方面提出一种磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，包括内层和套设于所述内层外侧的外层，所述内层和所述外层之间形成容置空间，所述容置空间内设有磁性件。
优选地，所述内层包括第一筒状主体以及在所述第一筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第一延伸部，所述第一延伸部沿所述第一筒状主体的径向向外设置；
所述外层包括第二筒状主体以及在所述第二筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第二延伸部，所述第二延伸部沿所述第二筒状主体的径向向内设置；
所述第一延伸部和所述第二延伸部相对接以使所述容置空间形成密闭空间。
优选地，所述外层、所述磁性件和所述内层三者的周向上均等间隔的设置有多个缝隙，且三者的缝隙的位置相对应。
优选地，每个所述缝隙均为长条形，每个所述缝隙的长度所在直线均与所述磁增强法拉第屏蔽结构的轴线平行。
优选地，所述内层和所述外层形成屏蔽主体，所述屏蔽主体的顶部和底部均设有固定部，所述固定部用于接地。
优选地，每个所述缝隙的宽度为0.5mm～1.5mm，多个所述缝隙占所述外层的外周壁的总面积的比例小于或等于35％。
优选地，所述内层和所述外层均由金属材料制成，且所述内层和所述外层的厚度范围均为0.5～5mm。
优选地，所述磁性件包括永磁体，所述永磁体为筒状。
本发明另一方面提出一种感应耦合等离子体源，包括：
感应耦合线圈；以及
所述的磁增强法拉第屏蔽结构，所述磁增强法拉第屏蔽结构设于所述感应耦合线圈的径向内侧。
优选地，所述磁增强法拉第屏蔽结构与所述感应耦合线圈同轴设置，且所述磁增强法拉第屏蔽结构与所述感应耦合线圈在径向上的间距大于或等于10mm。
本发明的有益效果在于：磁增强法拉第屏蔽结构可以通过屏蔽层减弱感应耦合线圈电压导致的介质窗溅射和化学腐蚀，并可以通过磁性件补偿屏蔽层导致的感应耦合线圈功率耦合效率降低。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示现有ICP源的线圈与等离子体耦合关系示意图；
图2显示带电粒子在磁场中的拉摩尔运动示意图；
图3显示根据本发明示例性实施例的磁增强法拉第屏蔽结构的立体图；
图4a显示图3中A-A剖面的剖视图，图4b显示图4a中内层和外层的示意图，图4c显示图4a中磁性件的示意图；
图5显示根据本发明示例性实施例的磁增强法拉第屏蔽结构与现有屏蔽结构对等离子体密度的影响对比图。
附图标记说明：
1线圈，2介质窗，3等效电容，4等离子体；
101磁增强法拉第屏蔽结构，102固定部，103缝隙，104外层，105内层，106磁性件。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种磁增强法拉第屏蔽结构，包括内层和套设于内层外侧的外层，内层和外层之间形成容置空间，容置空间内设有磁性件。
为了减弱感应耦合线圈电压导致的离子对介质窗的轰击作用，在线圈与介质窗之间设置磁增强法拉第屏蔽结构，其包括内层和套设于内层外侧的外层，线圈表面大部分电压将作用于内层和外层共同形成的屏蔽层表面，可以减弱线圈电压导致的介质窗溅射和化学腐蚀等问题。此外，内层和外层之间形成容置空间，容置空间内设有磁性件，磁性件可产生静磁场，该静磁场能够约束等离子体中的电子，使之沿磁感线方向做拉摩尔运动(螺旋运动)，如图2所示。该运动使得电子在等离子体中的运动路径增加，增加了其与中性气体的碰撞频率，可使电子与气体分子的碰撞作用增强，最终提高了等离子体密度。因此，磁性件的设置可以补偿屏蔽层导致的感应耦合线圈功率耦合效率降低的问题。
在一个示例中，内层包括第一筒状主体以及在第一筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第一延伸部，第一延伸部沿第一筒状主体的径向向外设置；外层包括第二筒状主体以及在第二筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第二延伸部，第二延伸部沿第二筒状主体的径向向内设置；第一延伸部和第二延伸部相对接以使容置空间形成密闭空间。特别地，第一延伸部和第二延伸部相焊接。
在一个示例中，外层、磁性件和内层三者的周向上均等间隔的设置有多个缝隙，且三者的缝隙的位置相对应。设置缝隙可起到减少涡流的作用。优选地，每个缝隙均为长条形，每个缝隙的长度所在直线均与磁增强法拉第屏蔽结构的轴线平行。优选地，缝隙的宽度一般为0.5～1.5mm，优选为1mm，多个缝隙占外层的外周壁的总面积的比例小于或等于35％。
在一个示例中，内层和外层形成屏蔽主体，屏蔽主体的顶部和底部均设有固定部，固定部用于接地，同时可起到固定磁增强法拉第屏蔽结构的作用。固定部可为片状，并设有安装孔。
在一个示例中，内层和外层均由金属材料制成，且内层和外层的厚度范围均为0.5～5mm。内层和外层的厚度可根据感应耦合线圈的频率以及内层和外层材料的电导率来确定。通常情况下，内层和外层的厚度均大于17μm，一般在0.5mm-5mm之间。
在一个示例中，内层和外层可由电导率较高的材料制成，例如铜；磁性件包括永磁体，永磁体为筒状，永磁体由铝镍钴、铁氧体或汝铁硼制成，永磁体形成的磁场强度一般为10～1000高斯。
在一个示例中，磁增强法拉第屏蔽结构的总厚度(即内层、磁性件与外层的总厚度)为2～10mm。该总厚度主要取决于ICP线圈的耦合效率，总厚度越小，ICP线圈距离介质窗越近，ICP线圈的耦合效率越高。
在一个示例中，为了提高磁增强法拉第屏蔽结构的稳定性，可设置冷却结构，例如风冷结构。风冷结构可采用多个风扇送风或者抽风的方式，使冷却气体与磁增强法拉第屏蔽结构进行对流换热。风扇的设置多采用对称放置，与磁增强法拉第屏蔽结构平行设置。
本发明实施例还提供一种感应耦合等离子体源，包括：
感应耦合线圈；以及
所述的磁增强法拉第屏蔽结构，磁增强法拉第屏蔽结构设于感应耦合线圈的径向内侧。
工作时，磁增强法拉第屏蔽结构套设于介质窗外部，减弱线圈电压导致的介质窗溅射和化学腐蚀等问题，并补偿屏蔽层导致的感应耦合线圈功率耦合效率降低。
在一个示例中，磁增强法拉第屏蔽结构与感应耦合线圈同轴设置，且磁增强法拉第屏蔽结构与感应耦合线圈之间的距离大于或等于10mm，以防止磁增强法拉第屏蔽结构高温变形导致与感应耦合线圈之间产生间隙放电，并提高磁增强法拉第屏蔽结构的散热性能。
实施例
图3显示根据本发明示例性实施例的磁增强法拉第屏蔽结构的立体图，图4a显示图3中A-A剖面的剖视图，图4b显示图4a中内层和外层的示意图，图4c显示图4a中磁性件的示意图。
如图3和图4a、4b和4c所示，磁增强法拉第屏蔽结构101包括内层105和套设于内层105外侧的外层104，内层105和外层104之间形成容置空间，容置空间内设有磁性件106。在图4b中，为了清楚起见，将内层105与外层104间隔显示。
其中，内层105包括第一筒状主体以及在第一筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第一延伸部，第一延伸部沿第一筒状主体的径向向外设置；外层104包括第二筒状主体以及在第二筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第二延伸部，第二延伸部沿第二筒状主体的径向向内设置；第一延伸部和第二延伸部相对接以使容置空间形成密闭空间。
外层104、磁性件106和内层105三者的周向上均等间隔的设置有多个缝隙103，且三者的缝隙的位置相对应，每个缝隙103均为长条形，缝隙103的宽度为1mm。
磁增强法拉第屏蔽结构101的厚度D1为2～10mm，内层105和外层104的厚度均为0.5～5mm。
此外，内层105和外层104形成屏蔽主体，屏蔽主体的顶部和底部均设有固定部102，固定部102用于接地。
将实施例所示磁增强法拉第屏蔽结构用于感应耦合等离子体源，图5显示根据本发明示例性实施例的磁增强法拉第屏蔽结构与现有屏蔽结构对等离子体密度的影响对比图，在图5中，带有原点的曲线表示应用根据本发明示例性实施例的磁增强法拉第屏蔽结构所测得的等离子体密度，带有方块的曲线表示应用现有屏蔽结构所测得的等离子体密度。通过图5可见，在相同ICP功率的情况下，使用磁增强法拉第屏蔽结构可以大幅度提高感应耦合等离子体源所产生的等离子体密度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，包括内层和套设于所述内层外侧的外层，所述内层和所述外层之间形成容置空间，所述容置空间内设有磁性件。
2.根据权利要求1所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，所述内层包括第一筒状主体以及在所述第一筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第一延伸部，所述第一延伸部沿所述第一筒状主体的径向向外设置；
所述外层包括第二筒状主体以及在所述第二筒状主体的顶部和底部分别环绕形成的第二延伸部，所述第二延伸部沿所述第二筒状主体的径向向内设置；
所述第一延伸部和所述第二延伸部相对接以使所述容置空间形成密闭空间。
3.根据权利要求1所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，所述外层、所述磁性件和所述内层三者的周向上均等间隔的设置有多个缝隙，且三者的缝隙的位置相对应。
4.根据权利要求3所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，每个所述缝隙均为长条形，每个所述缝隙的长度所在直线均与所述磁增强法拉第屏蔽结构的轴线平行。
5.根据权利要求1所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，所述内层和所述外层形成屏蔽主体，所述屏蔽主体的顶部和底部均设有固定部，所述固定部用于接地。
6.根据权利要求3所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，每个所述缝隙的宽度为0.5mm～1.5mm，多个所述缝隙占所述外层的外周壁的总面积的比例小于或等于35％。
7.根据权利要求1所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，所述内层和所述外层均由金属材料制成，且所述内层和所述外层的厚度范围均为0.5～5mm。
8.根据权利要求1所述的磁增强法拉第屏蔽结构，其特征在于，所述磁性件包括永磁体，所述永磁体为筒状。
9.一种感应耦合等离子体源，其特征在于，包括：
感应耦合线圈；以及
根据权利要求1-8中任意一项所述的磁增强法拉第屏蔽结构，所述磁增强法拉第屏蔽结构设于所述感应耦合线圈的径向内侧。
10.根据权利要求9所述的感应耦合等离子体源，其特征在于，所述磁增强法拉第屏蔽结构与所述感应耦合线圈同轴设置，且所述磁增强法拉第屏蔽结构与所述感应耦合线圈在径向上的间距大于或等于10mm。
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