CN110706993B - 电感耦合装置和半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合装置和半导体处理设备。包括射频电源、第一匹配器、介质窗以及与所述介质窗连接的射频线圈，所述射频线圈的输入端经由所述第一匹配器与所述射频电源电连接，所述电感耦合装置还包括电流导流件；所述电流导流件用于与所述工艺腔室的等离子体产生区域直接接触并接地，以导出所述射频线圈产生的容性电流。通过所设置的电流导流件，可以将射频线圈所产生容性电流导走，可以减弱或消除射频线圈所产生的容性电流对偏压源的影响，实现解耦合。此外，还可以减小射频线圈容性耦合产生的高能离子对晶片的损伤，同时还能够提高该电感耦合装置工艺性能的可控性。

Description

电感耦合装置和半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种电感耦合装置和一种半导体处理设备。

背景技术

感性耦合等离子体(ICP)和容性耦合等离子体(CCP)是半导体领域干法刻蚀和薄膜沉积常用的两种等离子体源。ICP源由高频电流通过射频线圈产生的高频电磁场激发气体产生等离子体，工作气压较低，具有等离子体密度高、对工件损伤小等特点；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、离子能量高等特点。

对于刻蚀领域采用的感性耦合等离子体产生系统通常由两部分组成，一是控制等离子体密度和等离子体成分的ICP源，另一个是控制离子能量的偏压源。偏压源是通过一平板电极以容性耦合的方式将射频偏压施加在晶片表面。在刻蚀过程中，刻蚀速率、选择比(刻蚀材料速率/掩膜刻蚀速率)、刻蚀均匀性、刻蚀形貌(如角度)等参数均受到等离子体密度、成分和离子轰击能量的综合作用。

在ICP源放电过程中，除了电流流经射频线圈产生感应电磁场外，还有射频电流在射频线圈表面产生的静电场作用。传输至线圈表面的功率中，感性耦合功率约占2/3，容性耦合功率约占1/3。其中，决定等离子体密度的主要是感性功率，容性功率在等离子体起辉过程中起到点火作用，此外，射频线圈产生的容性耦合电压也成为除偏压源外影响离子能量的又一因素。再加上ICP功率往往在数千瓦量级，由ICP线圈产生的容性耦合对离子能量的影响已不容小视。这使得刻蚀过程中的离子能量将受到偏压源产生的容性耦合电压和射频线圈产生的容性耦合电压两方面的综合作用，使得工艺调控的难度大大增加。

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，提出了一种电感耦合装置和一种半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电感耦合装置，用于在工艺腔室内激发并维持等离子体，所述电感耦合装置包括射频电源、第一匹配器、介质窗以及与所述介质窗连接的射频线圈，所述射频线圈的输入端经由所述第一匹配器与所述射频电源电连接，所述电感耦合装置还包括电流导流件；

所述电流导流件用于与所述工艺腔室的等离子体产生区域直接接触且所述电流导流件接地，以导出所述射频线圈产生的容性电流。

可选地，所述电流导流件包括：

主体导流部，呈环状结构，所述主体导流部与所述工艺腔室的等离子体产生区域直接接触；

接地部，自所述主体导流部的外侧壁向远离其中心方向延伸形成，所述接地部直接接地。

可选地，所述主体导流部的内侧壁设置有陶瓷涂层。

可选地，所述环状结构包括多个沿其周向间隔设置的分环结构，并且；

在相邻两个所述分环结构之间设置有介质隔离件，以阻止高频电场形成的涡流对射频线圈所产生的电磁场的干扰。

可选地，相邻两个所述分环结构的端部处均设置有台阶容纳部，所述台阶容纳部的形状与所述介质隔离件的形状相匹配，以容置所述介质隔离件。

可选地，所述主体导流部、所述介质隔离件的尺寸满足下述至少一项关系式：

H＞20mm；

Th＞2mm；

Dis≥25mm；其中，

H为所述主体导流部的高度，Th为所述介质隔离件的厚度，Dis为所述主体导流部的沿其轴向的端部与所述射频线圈的最小距离。

可选地，所述介质窗包括沿其轴向上下并排间隔设置的至少两个子介质窗；

所述射频线圈包括至少两个并联连接的子射频线圈，每个子射频线圈环绕在与其所对应的所述子介质窗的周侧；并且，

在相邻两个所述子介质窗之间均设置有所述电流导流件。

可选地，相邻两个所述子介质窗对称分布在与其对应的所述电流导流件的沿其轴向的两侧；和/或，

相邻两个所述子射频线圈对称分布在与其对应的所述电流导流件的沿其轴向的两侧，并且，该相邻两个所述子射频线圈的输出端相对设置，输入端相背设置。

可选地，还包括：

接地电容，所述接地电容的第一极与所述射频线圈的输出端电连接，所述接地电容的第二极直接接地。

可选地，所述接地电容的容抗为所述射频线圈的感抗的1/4～3/4。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，包括工艺腔室和电感耦合装置，所述电感耦合装置为前文记载的所述的电感耦合装置。

本发明的电感耦合装置和半导体处理设备。其包括电流导流件，该电流导流件与工艺腔室的等离子体产生区域直接接触并接地，从而可以将射频线圈所产生容性电流导走，进而可以减弱或消除射频线圈所产生的容性电流对偏压源的影响，实现解耦合。此外，还可以减小射频线圈容性耦合产生的高能离子对晶片的损伤，同时还能够提高该电感耦合装置工艺性能的可控性。

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为本发明第一实施例中半导体处理设备的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中表征容性电流方向的示意图；

图3为本发明第三实施例中电流导流件的结构示意图；

图4为本发明第四实施例中分环结构的结构示意图；

图5为本发明第五实施例中介质隔离件的结构示意图；

图6为本发明第六实施例中相邻子射频线圈的输入端和输出端的分布图。

附图标记说明

100：电感耦合装置；

110：射频电源；

120：第一匹配器；

130：介质窗；

131：子介质窗；

140：射频线圈；

141：子射频线圈；

150：电流导流件；

151：主体导流部；

151a：分环结构；

151b：台阶容纳部；

152：接地部；

153：介质隔离件；

160：接地电容；

170：偏压电源；

180：第二匹配器；

190：偏压电极；

200：工艺腔室；

300：半导体处理设备。

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。

正如背景技术部分记载的那样，射频源放电的过程中，除了电流流经射频线圈产生感应电磁场外，还有射频电流在射频线圈表面产生的静电场作用。传输至射频线圈表面的功率中，感性耦合功率约占2/3，容性耦合功率约占1/3。其中，决定等离子体密度的主要是感性功率，容性功率在等离子体起辉过程中起到点火作用，此外，射频线圈产生的容性耦合电压也成为除偏压源外影响离子能量的又一因素。再加上射频功率往往在数千瓦量级，由射频线圈产生的容性耦合对离子能量的影响已不容小视。这使得刻蚀过程中的离子能量受到偏压源产生的容性耦合电压和射频线圈产生的容性耦合电压两方面的综合作用，使得工艺调控的难度大大增加。

本发明的发明人经过多次试验研究发现，射频线圈表面产生的容性电压，其与偏压源产生耦合主要是以容性电流作为传播途径。即由射频线圈容性电压产生的容性电流通过等离子体向偏压源及其他与等离子体接触的部件进行传递。由于偏压源表面鞘层产生的等效电容的存在，将使得流向偏压电极的容性电流在晶片表面产生偏压，具体满足下述关系式：

其中，V_i为容性电流在晶片表面产生的偏压，f为射频电源的频率，C_s为偏压源表面鞘层产生的等效电容，I为射频线圈的容性电压产生的容性电流。

从上述关系式(1)可以看出，当I值减小时可以减弱射频源与偏压源的容性耦合电压，从而提高解耦合效果。

基于此，本发明的发明人设计了出了一种新型的电感耦合装置，旨在通过降低容性电流以减弱或消除射频源与偏压源的容性耦合电压，从而实现解耦合。

参考图1，本发明涉及一种电感耦合装置100，用于在工艺腔室200内激发并维持等离子体。该电感耦合装置100包括射频源和偏压源，其中，射频源包括射频电源110、第一匹配器120、介质窗130以及与介质窗130连接的射频线圈140。射频线圈140经由第一匹配器120与射频电源110电连接。偏压源包括偏压电源170、第二匹配器180和偏压电极190，偏压电极190通过第二匹配器180与偏压电源170电连接。

其中，上述电感耦合装置100还包括电流导流件150，该电流导流件150一般为金属铝等不易挥发的金属制作形成。该电流导流件150用于与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触且该电流导流件150接地，以导出射频线圈140所产生的容性电流。

具体地，如图1所述，在射频源放电，也即射频电源110放电时，射频功率经由射频线圈140和介质窗130耦合至工艺腔室200内，以在工艺腔室200内激发形成等离子体，射频线圈140所产生的容性电压可以在工艺腔室200内产生容性电流，原本的容性电流可以经由等离子体进行传播，但是，本结构的电感耦合装置100设置有电流导流件150，其与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触并接地，由于电流导流件150的电阻远小于偏压电极190的电阻，这样，容性电流可以经由电流导流件150导出，释放至接地端。

本实施例中的电感耦合装置100，其包括电流导流件150，该电流导流件150与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触并接地，从而可以将射频线圈140所产生容性电流导走，进而可以减弱或消除射频线圈140所产生的容性电流对偏压源的影响，实现解耦合。此外，还可以减小射频线圈140容性耦合产生的高能离子对晶片的损伤，同时还能够提高该电感耦合装置100工艺性能的可控性。

需要说明的是，对于电流导流件150与工艺腔室200之间的位置关系并没有作出限定，例如，电流导流件150可以与介质窗130一样，放置到工艺腔室200的顶部或者环绕工艺腔室200的周向侧壁设置等等，其只要保证电流导流件150与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触即可。

如图3所示，上述电流导流件150包括主体导流部151和接地部152。其中，该主体导流部151呈环状结构，并与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触。接地部152自主体导流部151的外侧壁向远离其中心方向延伸形成，该接地部152直接接地。

具体地，如图1所示，主体导流部151可以环绕工艺腔室200的等离子体产生区域A设置，此外，该主体导流部151也可以直接放置在工艺腔室200的等离子体产生区域A顶部等等。

此外，接地部152可以直接与大地连接，或者，接地部152可以与电感耦合装置100的接地端口电连接等等。

本实施例中的电感耦合装置100，其中的主体导流部151呈环状结构，这样，可以增大与工艺腔室200的等离子体产生区域A的接触面积，也就是说，可以增大主体导流部151与等离子体的接触面积，从而可以使得更多等离子体所传播的容性电流传输至主体导流部151内，并最终由接地部152导走，进而可以减弱或消除射频线圈140所产生的容性电流对偏压源的影响，实现解耦合。

可选地，主体导流部151的内侧壁设置有陶瓷涂层。这样，通过所设置的陶瓷涂层，可以有效防止主体导流部151直接暴露于等离子体中产生金属污染等，避免等离子体中出现金属颗粒杂质。

此外，环状结构的主体导流部151也可以不是整环结构，换句话说，如图3和图4所示，环状结构可以包括多个沿其周向间隔设置的分环结构151a，并且，在相邻两个分环结构151a之间设置有介质隔离件153。这样，通过所设置的介质隔离件153，可以有效避免高频电场形成的涡流对射频线圈140所产生的电磁场的干扰。

至于分环结构151a的数量并没有作出限定，可以根据实际需要进行设定，并且，在环状结构的周向方向上，多个分环结构151a可以等间距排列，也可以非等间距排列。

为了进一步有效避免高频电场形成的涡流对射频线圈140所产生的电磁场的干扰，如图4所示，相邻两个分环结构151a的端部处均设置有台阶容纳部151b，该台阶容纳部151b的形状与介质隔离件153的形状相匹配，以容置介质隔离件153。

具体地，如图5所示，介质隔离件153的纵向横截面可以呈Z型，这样，介质隔离件153与台阶容纳部151b相接触的部分可以实现类似迷宫配合的结构，从而可以有效避免高频电场形成的涡流对射频线圈140所产生的电磁场的干扰。

如图2和图5所示，为了探究电流导流件150的尺寸与释放容性电流的能力之间的关系，本发明的发明人经过多次试验，发现当电流导流件150的尺寸满足下述关系式时，更能够有效释放容性电流：

H＞20mm (2)

Dis≥25mm (3)

其中，H为主体导流部151的高度，Dis为主体导流部151的沿其轴向的端部与射频线圈140的最小距离。

此外，当介质隔离件153的厚度Th＞2mm，其才能够有效避免高频电场形成的涡流对射频线圈140所产生的电磁场的干扰。

如图1和图2所示，为了提高馈入工艺腔室200内的功率容量，上述介质窗130包括沿其轴向上下并排间隔设置的至少两个子介质窗131。射频线圈140包括至少两个并联连接的子射频线圈141，每个子射频线圈141环绕在与其所对应的子介质窗131的周侧。在相邻两个子介质窗131之间均设置有电流导流件150。这样，不仅能够有效提高馈入工艺腔室200内的功率容量，还能够有效提高导走各子射频线圈141所产生的容性电流。

具体地，如图1和图2所示，介质窗130包括两个子介质窗131，该两个子介质窗131对称分布在电流导流件150两侧。射频线圈140包括两个子射频线圈141，该两个子射频线圈141对此分布在电流导流件150的两侧，并且，如图6所示，该两个子射频线圈141的输出端(RF_OUT1和RF_OUT2)相对设置，输入端(RF_IN1和RF_IN2)相背设置，可以使得两个子射频线圈141的电流流向相同，并在中心处输出。这样，可以使得子射频线圈141所产生的容性电流经由中心处的电流导流件150导出，如图2所示。

如图1所示，电感耦合装置100还包括接地电容160，该接地电容160的第一极与射频线圈140的输出端电连接，接地电容160的第二极直接接地。这样，通过所设置的接地电容160，可以有效减弱射频线圈140表面的电压，进而可以减小射频线圈140所产生的容性耦合电压。

可选地，接地电容160的容抗为射频线圈140的感抗的1/4～3/4。这样，不仅可以有效降低射频线圈140表面电压，还可以平衡输入端和输出端的电压。

本发明的第二方面，如图1所示，提供了一种半导体处理设备300，包括工艺腔室200和电感耦合装置100，电感耦合装置100包括前文记载的电感耦合装置100。

本实施例中的半导体处理设备300，具有前文记载的电感耦合装置100，其包括电流导流件150，该电流导流件150与工艺腔室200的等离子体产生区域A直接接触并接地，从而可以将射频线圈140所产生容性电流导走，进而可以减弱或消除射频线圈140所产生的容性电流对偏压源的影响，实现解耦合。此外，还可以减小射频线圈140容性耦合产生的高能离子对晶片的损伤，同时还能够提高该电感耦合装置100工艺性能的可控性。

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 (10)

1.一种电感耦合装置，用于在工艺腔室内激发并维持等离子体，所述电感耦合装置包括射频电源、第一匹配器、介质窗以及与所述介质窗连接的射频线圈，所述射频线圈的输入端经由所述第一匹配器与所述射频电源电连接，其特征在于，所述电感耦合装置还包括电流导流件；

所述电流导流件用于与所述工艺腔室的等离子体产生区域直接接触且所述电流导流件接地，以导出所述射频线圈产生的容性电流；

所述电流导流件包括：

主体导流部，呈环状结构，所述主体导流部与所述工艺腔室的等离子体产生区域直接接触；

接地部，自所述主体导流部的外侧壁向远离其中心方向延伸形成，所述接地部直接接地。

2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述主体导流部的内侧壁设置有陶瓷涂层。

3.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述环状结构包括多个沿其周向间隔设置的分环结构，并且；

在相邻两个所述分环结构之间设置有介质隔离件，以阻止高频电场形成的涡流对射频线圈所产生的电磁场的干扰。

4.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，相邻两个所述分环结构的端部处均设置有台阶容纳部，所述台阶容纳部的形状与所述介质隔离件的形状相匹配，以容置所述介质隔离件。

5.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，所述主体导流部、所述介质隔离件的尺寸满足下述至少一项关系式：

H＞20mm；

Th＞2mm；

Dis≥25mm；其中，

H为所述主体导流部的高度，Th为所述介质隔离件的厚度，Dis为所述主体导流部的沿其轴向的端部与所述射频线圈的最小距离。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，

所述介质窗包括沿其轴向上下并排间隔设置的至少两个子介质窗；

所述射频线圈包括至少两个并联连接的子射频线圈，每个子射频线圈环绕在与其所对应的所述子介质窗的周侧；并且，

在相邻两个所述子介质窗之间均设置有所述电流导流件。

7.根据权利要求6所述的电感耦合装置，其特征在于，

相邻两个所述子介质窗对称分布在与其对应的所述电流导流件的沿其轴向的两侧；和/或，

相邻两个所述子射频线圈对称分布在与其对应的所述电流导流件的沿其轴向的两侧，并且，该相邻两个所述子射频线圈的输出端相对设置，输入端相背设置。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，还包括：

接地电容，所述接地电容的第一极与所述射频线圈的输出端电连接，所述接地电容的第二极直接接地。

9.根据权利要求8所述的电感耦合装置，其特征在于，所述接地电容的容抗为所述射频线圈的感抗的1/4～3/4。

10.一种半导体处理设备，包括工艺腔室和电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置为权利要求1至9中任意一项所述的电感耦合装置。

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