CN110729165A - 电感耦合装置、工艺腔室和半导体处理设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电感耦合装置、工艺腔室和半导体处理设备。所述电感耦合装置包括射频线圈和射频电源，所述射频电源经由匹配器与所述射频线圈的输入端电连接，所述电感耦合装置还包括直流电源，所述直流电源与所述射频线圈的输入端电连接，以使得所述射频线圈能够产生静磁场，所述静磁场用于提高等离子体密度和自由基密度。能够实现与微波源同样的等离子体密度和自由基密度。并且，电感耦合装置的结构简单，能够有效降低电感耦合装置的制作成本，提高经济效益。

Description

电感耦合装置、工艺腔室和半导体处理设备
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、一种包括该电感耦合装置的工艺腔室以及一种包括该工艺腔室的半导体处理设备。
背景技术
等离子体去胶是半导体工业及从事微纳加工工艺研究的必要工艺流程，主要用于半导体加工工艺及其它薄膜加工工艺过程中，各类光刻胶的干法去除、基片清洗和电子元件的开封等。等离子体去胶主要是用O2等离子体产生的氧自由基与有机光胶反应，最终产生CO2和H2O等副产物通过真空泵排出腔室。目前常用的等离子体去胶方式为微波等离子体去胶，这主要是因为微波去胶等离子体密度高(1012/cm3)，产生的高密度自由基进入反应腔与光胶产生化学反应。
但是，采用微波等离子体去胶，磁控管容易老化，导致微波源寿命降低，从而使得微波源的成本增加。
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、一种工艺腔室以及一种半导体处理设备。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，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线圈和射频电源，所述射频电源经由匹配器与所述射频线圈的输入端电连接，所述电感耦合装置还包括直流电源，所述直流电源与所述射频线圈的输入端电连接，以使得所述射频线圈能够产生静磁场，所述静磁场用于提高等离子体密度和自由基密度。
可选地，所述电感耦合装置还包括第一滤波器和第二滤波器；其中，
所述直流电源的第一极经由所述第一滤波器与所述射频线圈的输入端电连接；
所述直流电源的第二极经由所述第二滤波器与所述射频线圈的输出端电连接。
可选地，所述第一滤波器包括第一电感，所述第二滤波器包括第二电感；其中，
所述第一电感的第一端与所述直流电源的第一极电连接，所述第一电感的第二端与所述射频线圈的输入端电连接；
所述第二电感的第一端与所述射频线圈的输出端电连接，所述第二电感的第二端与所述直流电源的第二极电连接。
可选地，所述电感耦合装置还包括隔直电容；
所述隔直电容的第一端经由所述匹配器与所述射频电源电连接，所述隔直电容的第二端分别与所述射频线圈的输入端、所述第一电感的第二端电连接。
可选地，所述第一滤波器还包括第一电容，所述第二滤波器还包括第二电容；
所述第一电容的第一端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一电容的第二端接地；
所述第二电容的第一端分别与所述射频线圈的输出端、所述第二电感的第一端电连接，所述第二电容的第二端接地。
可选地，所述第二电容的容抗为所述射频线圈的感抗的45％～55％。
可选地，所述第一电感和/或所述第二电感的感抗大于2000Ω。
可选地，所述射频线圈为立体线圈或平面线圈。
本发明的第二方面，提供了一种工艺腔室，包括腔室本体、介质窗以及电感耦合装置，所述电感耦合装置采用前文记载的所述的电感耦合装置，所述射频线圈设置在所述介质窗外侧。
本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备，包括前文记载的所述的工艺腔室。
本发明的电感耦合装置、工艺腔室和半导体处理设备。其除了包括射频电源以外，还包括直流电源，在进行工艺时，射频电源将功率通过匹配器向射频线圈提供交变电流，交变电流在射频线圈的作用下产生交变电磁场，该交变电磁场可以穿透介质窗并离化由进气结构输送到腔室本体内的工艺气体。同时，直流电源向射频线圈提供直流电流，直流电流在射频线圈的作用下产生静磁场，射频线圈所产生的静磁场能够约束等离子体中的电子，使得电子沿磁感线方向做拉摩尔运动(也即螺旋运动)，该运动方式可以使得电子在等离子体中的运动路径增加，从而可以增加电子与呈电中性的工艺气体的碰撞频率，进而可以使得电子与气体分子的碰撞作用加强，最终可以提高等离子体密度和自由基密度，能够实现与微波源同样的等离子体密度和自由基密度。并且，电感耦合装置的结构简单，能够有效降低电感耦合装置的制作成本，提高经济效益。
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电感耦合装置及工艺腔室的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中电感耦合装置及工艺腔室的结构示意图；
图3为本发明第三实施例中电子在磁场中的拉摩尔运动的示意图；
图4为本发明第四实施例中静磁场对等离子体位型约束的影响对比图；
图5为本发明第五实施例中电感耦合装置的等效电路图。
附图标记说明
100：电感耦合装置；
110：射频线圈；
120：射频电源；
130：匹配器；
140：直流电源；
150：第一滤波器；
L1：第一电感；
C1：第一电容；
160：第二滤波器；
L2：第二电感；
C2：第二电容；
C：隔直电容；
200：工艺腔室；
210：腔室本体；
220：介质窗；
230：进气结构；
240：下电极射频电源。
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。
如图1和图2所示，本发明的第一方面，涉及一种电感耦合装置100，该电感耦合装置100用于在工艺腔室200内激发并维持等离子体。电感耦合装置100包括射频线圈110和射频电源120，射频电源120经由匹配器130与射频线圈110的输入端电连接。其中，该电感耦合装置100还包括直流电源140，该直流电源140与射频线圈110的输入端电连接，以使得射频线圈110能够产生静磁场，该静磁场能够延长电子在等离子体中的运动路径，提高等离子体密度和自由基密度。
为了便于说明，如图1和图2所示，下文以电感耦合装置100应用于工艺腔室200进行说明。
如图1所示，一般地，工艺腔室200包括腔室本体210、介质窗220、进气结构230和下电极射频电源240等结构。呈电中性的工艺气体可以经由进气结构230进入到腔室本体210内部。射频线圈110放置在介质窗220上，此处视射频线圈110的具体结构而定，例如，当射频线圈110为立体线圈时，射频线圈110可以环绕在介质窗220外侧设置。此外，如图2所示，当射频线圈110为平面线圈时，射频线圈110可以直接放置在介质窗220的外侧表面。
具体地，在进行工艺时，射频电源120(频率一般为0.4MHz-60MHz)将功率通过匹配器130向射频线圈110提供交变电流，交变电流在射频线圈110的作用下产生交变电磁场，该交变电磁场可以穿透介质窗220并离化由进气结构230输送到腔室本体210内的工艺气体。同时，直流电源140向射频线圈110提供直流电流，直流电流在射频线圈110的作用下产生静磁场，如图3和图4所示，射频线圈110所产生的静磁场能够约束等离子体中的电子，使得电子沿磁感线方向做拉摩尔运动(也即螺旋运动)，该运动方式可以使得电子在等离子体中的运动路径增加，从而可以增加电子与呈电中性的工艺气体的碰撞频率，进而可以使得电子与气体分子的碰撞作用加强，最终可以提高等离子体密度和自由基密度。
经试验研究证实，本实施例结构的电感耦合装置100，可以使得等离子体密度从常规的1011/cm3提高至1012/cm3的量级，从而能够实现与微波源同样的等离子体密度和自由基密度。此外，本实施例结构的电感耦合装置100，结构简单，能够有效降低电感耦合装置100的制作成本，提高经济效益。
需要说明的是，对于直流电源140向射频线圈110所提供的直流电流的大小以及直流电流在射频线圈110的作用下所产生的静磁场的强度并没有作出具体限定。在实际应用时，可以根据实际需要进行确定，例如，直流电流可以为0～200A，静磁场的范围为0～1000G。
为了实现直流电流和高频电流的隔离，如图1和图2所示，电感耦合装置100还包括第一滤波器150和第二滤波器160。其中，直流电源140的第一极(例如，正极)经由第一滤波器150与射频线圈110的输入端电连接。直流电源140的第二极(例如，负极)经由第二滤波器160与射频线圈110的输出端电连接。
具体地，如图5所示，第一滤波器150包括第一电感L1和第一电容C1，第二滤波器160包括第二电感L2和第二电容C2。第一电感L1的第一端与直流电源140的第一极电连接，第一电感L1的第二端与射频线圈110的输入端电连接。第一电容C1的第一端与第一电感L1的第一端电连接，同时第一电容C1的第一端也与直流电源140的第一极电连接，第一电容C1的第二端接地。
第二电感L2的第一端与射频线圈110的输出端电连接，第二电感L2的第二端与直流电源140的第二极电连接。第二电容C2的第一端分别与射频线圈110的输出端、第二电感L2的第一端电连接，也即第二电容C2的第一端连接在第二电感L2的第一端与射频线圈110的输出端之间，第二电容C2的第二端接地。
如图5所示，电感耦合装置100还包括隔直电容C。该隔直电容C的第一端经由匹配器130与射频电源120电连接，隔直电容C的第二端分别与射频线圈110的输入端、第一电感L1的第二端电连接。该隔直电容C一般为22nF，主要目的是通过电容隔离直流电流，并且不影响高频阻抗。
前文所提及的第一滤波器150可以为低通滤波器，其主要作用是滤除射频电源120的高频电流，并且，如图5所示，该高频电流可以通过第一电感L1实现隔离(该第一电感L1所形成的对应频率感抗需大于2000Ω)。对于第二滤波器160，第二电容C2主要是为高频电流提供接地路径。第二电感L2主要用于隔离高频电流(该第二电感L2形成的对应频率感抗需大于2000Ω)。
此外，为了平衡射频线圈110的输入端和输出端电压，第二电容C2形成的容抗一般为射频线圈110形成的感抗的45％～55％，优选地，第二电容C2形成的容抗为射频线圈110形成的感抗的50％。
本发明的第二方面，如图1和图2所示，提供了一种工艺腔室200，该工艺腔室200包括腔室本体210、介质窗220、进气结构230、下电极射频电源240以及电感耦合装置100，该电感耦合装置100采用前文记载的电感耦合装置100，射频线圈110放置在介质窗220外侧。
本实施例结构的工艺腔室200，具有前文记载的电感耦合装置100，在进行工艺时，射频电源120(频率一般为0.4MHz-60MHz)将功率通过匹配器130向射频线圈110提供交变电流，交变电流在射频线圈110的作用下产生交变电磁场，该交变电磁场可以穿透介质窗220并离化由进气结构230输送到腔室本体210内的工艺气体。同时，直流电源140向射频线圈110提供直流电流，直流电流在射频线圈110的作用下产生静磁场，射频线圈110所产生的静磁场能够约束等离子体中的电子，使得电子沿磁感线方向做拉摩尔运动(也即螺旋运动)，该运动方式可以使得电子在等离子体中的运动路径增加，从而可以增加电子与呈电中性的工艺气体的碰撞频率，进而可以使得电子与气体分子的碰撞作用加强，最终可以提高等离子体密度和自由基密度，能够实现与微波源同样的等离子体密度和自由基密度。并且，电感耦合装置100的结构简单，能够有效降低电感耦合装置100的制作成本，提高经济效益。
本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备，包括前文记载的的工艺腔室。
本实施例结构的半导体处理设备，具有前文记载的工艺腔室200，该工艺腔室200又具有前文记载的电感耦合装置100，在进行工艺时，射频电源120(频率一般为0.4MHz-60MHz)将功率通过匹配器130向射频线圈110提供交变电流，交变电流在射频线圈110的作用下产生交变电磁场，该交变电磁场可以穿透介质窗220并离化由进气结构230输送到腔室本体210内的工艺气体。同时，直流电源140向射频线圈110提供直流电流，直流电流在射频线圈110的作用下产生静磁场，射频线圈110所产生的静磁场能够约束等离子体中的电子，使得电子沿磁感线方向做拉摩尔运动(也即螺旋运动)，该运动方式可以使得电子在等离子体中的运动路径增加，从而可以增加电子与呈电中性的工艺气体的碰撞频率，进而可以使得电子与气体分子的碰撞作用加强，最终可以提高等离子体密度和自由基密度，能够实现与微波源同样的等离子体密度和自由基密度。并且，电感耦合装置100的结构简单，能够有效降低电感耦合装置100的制作成本，提高经济效益。
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线圈和射频电源，所述射频电源经由匹配器与所述射频线圈的输入端电连接，其特征在于，所述电感耦合装置还包括直流电源，所述直流电源与所述射频线圈的输入端电连接，以使得所述射频线圈能够产生静磁场，所述静磁场用于提高等离子体密度和自由基密度。
2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置还包括第一滤波器和第二滤波器；其中，
所述直流电源的第一极经由所述第一滤波器与所述射频线圈的输入端电连接；
所述直流电源的第二极经由所述第二滤波器与所述射频线圈的输出端电连接。
3.根据权利要求2所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第一滤波器包括第一电感，所述第二滤波器包括第二电感；其中，
所述第一电感的第一端与所述直流电源的第一极电连接，所述第一电感的第二端与所述射频线圈的输入端电连接；
所述第二电感的第一端与所述射频线圈的输出端电连接，所述第二电感的第二端与所述直流电源的第二极电连接。
4.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置还包括隔直电容；
所述隔直电容的第一端经由所述匹配器与所述射频电源电连接，所述隔直电容的第二端分别与所述射频线圈的输入端、所述第一电感的第二端电连接。
5.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第一滤波器还包括第一电容，所述第二滤波器还包括第二电容；
所述第一电容的第一端与所述第一电感的第一端电连接，所述第一电容的第二端接地；
所述第二电容的第一端分别与所述射频线圈的输出端、所述第二电感的第一端电连接，所述第二电容的第二端接地。
6.根据权利要求5所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第二电容的容抗为所述射频线圈的感抗的45％～55％。
7.根据权利要求3至6中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第一电感和/或所述第二电感的感抗大于2000Ω。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，所述射频线圈为立体线圈或平面线圈。
9.一种工艺腔室，包括腔室本体、介质窗以及电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置采用权利要求1至8中任意一项所述的电感耦合装置，所述射频线圈设置在所述介质窗外侧。
10.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求9所述的工艺腔室。
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