CN110911262A - 电感耦合等离子体系统 - Google Patents

电感耦合等离子体系统 Download PDF

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Abstract

一种电感耦合等离子体系统，其包括壳体、下部电极、射频源、匹配器以及电流回流装置。所述壳体接地且所述壳体形成腔室。所述下部电极置于所述腔室内，并用于承载工作件；所述匹配器的一端通过所述壳体的接口连接至所述下部电极，另一端连接至所述射频源。所述射频源用于向所述下部电极提供偏压射频功率，所述匹配器用于进行阻抗匹配。所述匹配器包括外壳及第一电容。所述外壳接地。所述第一电容的第一端连接至所述外壳且第二端连接至所述射频源。所述电流回流装置的一端连接至所述壳体，另一端连接至所述第一端。所述电流回流装置用于提供电流路径来使得电流自所述壳体的内壁经所述电流回流装置、所述匹配器的所述外壳到所述射频源。

Description

电感耦合等离子体系统
技术领域
本发明是有关于一种半导体加工装置，详细来说，是有关于一种电感耦合等离子体系统。
背景技术
伴随着半导体工业的发展，感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma,ICP)是半导体领域对工作件(如晶圆)进行加工所常用的等离子体源。对于ICP源，施加在感应线圈表面的功率包含感性功率和容性功率两部分，其中容性功率将通过等离子体传导至腔室内表面并产生容性耦合电流，，偏压射频源产生的容性耦合电流也会通过等离子体传导至腔室内表面。ICP产生的容性耦合电流和偏压射频源产生的容性耦合电流沿着腔室内壁经偏压电极的接地屏蔽内壁进入偏压电极匹配器，沿着连接匹配器与偏压射频源的同轴电缆进入偏压射频源的接地系统。由于偏压电极结构相对比较复杂，除了射频馈入结构外，还包含温度控制、基片升降等结构，这些机构的存在可能会增加分布电容，在没有固定电流回路路径的情况下，射频电流回路变相当得复杂，将会影响射频电流的重复性和稳定性。
发明内容
本发明公开一种电感耦合等离子体系统来解决背景技术中所提及的问题，如提供电流回路路径解决射频回路路径的不唯一及其他分布参数的影响问题,来提高射频电流回路的可靠性和重复性。
依据本发明的一实施例，公开一种电感耦合等离子体系统。所述电感耦合等离子体系统包括壳体、下部电极、射频源、匹配器以及电流回流装置。所述壳体内形成腔室，其中所述壳体接地。所述下部电极置于所述腔室内，并用于承载工作件；所述匹配器的一端通过所述壳体的接口连接至所述下部电极，所述匹配器的另一端连接至所述射频源，其中所述射频源用于向所述下部电极提供偏压射频功率，所述匹配器用于进行阻抗匹配。所述匹配器包括外壳及第一电容。所述外壳接地。所述第一电容的第一端连接至所述外壳，所述第一电容的第二端点连接至所述射频源。所述电流回流装置的一端连接至所述壳体，所述电流回流装置的另一端连接至所述第一端，所述电流回流装置用于提供电流路径来使得电流自所述壳体经所述电流回流装置、所述匹配器的所述外壳到所述射频源。
本发明所公开的电感耦合等离子体系统提供稳定的电流回路路径，详细来说，电感耦合等离子体系统的电流回流装置的一端连接至所述壳体而另一端连接至匹配器中的电容，通过电流回流装置所提供的固定电流路径，缩短了容性耦合电流回路的长度，降低回路阻抗，避免因为电流回路路径不重复或者路径复杂，导致等离子体系统的一致性和稳定性受影响，藉此提高电感耦合等离子体系统的效率。
附图说明
图1是依据本发明一实施例之电感耦合等离子体系统的示意图。
图2A至2B是依据本发明一实施例之电流回流装置的示意图。
图3A至图3D是依据图2A所示之电流回流装置与下部匹配器的相对位置示意图。
图4A至图4D是依据图2B所示之电流回流装置与下部匹配器的相对位置示意图。
图5是依据本发明一实施例之电感耦合等离子体系统的操作示意图。
图6是依据本发明另一实施例之电感耦合等离子体系统的示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
等离子体系统在对工作件(如晶圆)进行加工时，通常使用感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma,ICP)的方式将等离子体电离耦合。使用ICP的方式进行加工时，施加在感应线圈上的功率通常包括感性功率和容性功率，其中容性功率占总功率约三分之一，并且容性功率通过等离子体传导至腔室内表面并产生容性耦合电流，所述容性耦合电流最终到达偏压射频源的接地端。所述偏压射频源所产生的射频功率同样通过等离子体传导至腔室内表面并产生容性耦合电流，所述容性耦合电流同样最终到达偏压射频源的接地端。ICP所产生的容性耦合电流以及偏压射频源所产生的容性耦合电流在同频条件下会产生耦合作用，如果电流回路路径不重复或者路径复杂，将会影响设备的一致性和稳定性。本发明公开一种等离子体系统以及相关电流回流装置来解决上述问题。
图1是依据本发明一实施例之等离子体系统1的示意图。等离子体系统1是一种通过ICP方式来对工作件(如晶圆)进行加工的装置，换言之，等离子体系统1是一种电感耦合等离子体系统。举例来说，等离子体系统1是一种刻蚀装置，用于对工作件(如晶圆)进行刻蚀。等离子体系统1包括壳体10、下部电极11、下部射频源12、下部匹配器13、电流回流装置14、上部射频源15、上部匹配器16、感应线圈17以及介电窗18。壳体10内形成腔室CH。壳体10包括接地的外壁101、设置于壳体10之上的接口102以及内壁103。下部电极11置于腔室CH中，并用于承载工作件(如晶圆)。下部电极11包括电极111及介质隔离组件112，其中工作件(如晶圆)放置于电极111之上。当等离子体系统1要对工作件(如晶圆)进行加工时，工作件(如晶圆)通过机械手臂传递至电极111之上，使得等离子体系统1能通过等离子体对电极111之上的工作件(如晶圆)进行加工。
下部射频源12通过同轴电缆连接至下部匹配器13，并且通过下部匹配器13提供偏压射频功率至下部电极11之上并产生偏置电压。下部匹配器13用于匹配下部射频源12后方的阻抗，使得下部射频源12输出的射频功率有最大的耦合效率。上部射频源15通过上部匹配器16于感应线圈17之上加载射频功率，感应线圈17将所述射频功率耦合至介电窗18内，并将腔室CH中的反应气体电离耦合成等离子体。在对工作件(如晶圆)进行加工前，所述反应气体可以通过壳体10上方所开的孔洞以及喷嘴进入腔室CH之中。如上所述，下部射频源12通过下部匹配器13连接至位于腔室CH下方的下部电极11，上部射频源15通过上部匹配器16连接至位于腔室CH上方的感应线圈17。
如图1所示，下部匹配器13包括外壳131、电感L1、电容C1以及电容C2。外壳131接地，并且外壳131上具有绝缘件132及133，使得连接线可通过绝缘件132及133连接到其他组件。电容C1的第一端N1连接到外壳131，电容C1的第二端N2连接到下部射频源12；电容C2的一端连接到第二端N2及下部射频源12，电容C2的另一端连接电感L1的一端；电感L1的另一端通过绝缘件132以及接口102连接至电极111。串联连接的电感L1与电容C2组成串联谐振电路，下部匹配器13通过调节电感L1的电感值或电容C2的电容值来达成阻抗匹配，使得下部射频源12输出的射频功率有最大的耦合效率。详细来说，调节电容C2的电容值相当于调节下部匹配器13的等效阻抗中的虚部阻抗；另外，若调节电容C1的电容值相当于调节下部匹配器13的等效阻抗中的实部阻抗。下部匹配器13与壳体10之间的连接线位于屏蔽壳19之中，避免外界干扰影响射频功率的传输。
电流回流装置14的一端通过绝缘件133连接至第一端N1，电流回流装置14的另一端连接至壳体10。详细来说，电流回流装置14的所述另一端连接至壳体10的外壁101并且连接至接口102的外缘。在本实施例中，电流回流装置14的所述另一端连接至外壁101上的位置与接口102的外缘的距离位于0至50毫米的范围。优选地，电流回流装置14的所述另一端连接至外壁101上的位置与接口102的外缘的距离为0，换言之，电流回流装置14的所述另一端连接至外壁101上的位置紧邻连接接口102。电流回流装置14用于提供电流路径。ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流自壳体10的内壁103经过电流回流装置14提供的电流路径传导至第一端N1，并通过第一端N1传导至外壳131，最终传输到下部射频源12的接地端。通过本发明所公开的电流回流装置14来提供ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流固定的电流路径，避免因为电流回路路径不重复或者路径复杂，进而导致等离子体系统1的一致性和稳定性受影响。
需注意的是，在图1的实施例中，电流回流装置14位于下部匹配器13的外部，并连接于第一端N1以及壳体10(详细来说是第一端N1与外壁101之间)。然而，此并非本发明的一限制，在某些实施例中，电流回流装置14有部分位于下部匹配器13之中。在某些实施例中，电流回流装置14位于下部匹配器13之中。只要电流回流装置14连接于第一端N1以及外壁101之间，皆应隶属于本发明的范畴。关于电流回流装置14与下部匹配器13的相对位置将于后续段落说明。
另外，在图1的实施例中，外壁101及外壳131的接地属于保护接地而非射频接地，并且，本技术领域具有通常知识者应能轻易理解，射频电流是以趋附电流的形式传输。通过本发明所公开的电流回流装置14，ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流在形成于内壁103后，将沿着电流回流装置14、外壳131的内侧、射频源12与匹配器13之间的同轴电缆的路径，最后传输至射频源12的接地端。
电流回流装置14具有可变阻抗，其中电流回流装置14包括串联连接的电感和电容，所述电感和所述电容组成串联谐振电路。所述电感和所述电容的至少其中之一为可变。通过调节所述电感的电感值或所述电容的电容值可以调节所述可变阻抗的阻抗值。参考图2A，图2A是依据本发明一实施例之电流回流装置14的示意图。电流回流装置14包括串联连接的电感L14和电容C14，电感L14的一端以连接线LNa连接，连接线LNa连接至壳体10的接口102的外缘；电感L14的另一端以连接线LNb连接，连接线LNb连接至电容C14的一端；电容C14的另一端以连接线LNc连接，连接线LNc连接至第一端N1。本发明通过调节电感L14的电感值以及电容C14的电容值，来使得电感值所对应的感抗与电容值所对应的容抗相等，如此一来，电流回流装置14将达到串联谐振状态；另外，本发明通过调节电感L14的电感值以及电容C14的电容值，来使得电流回流装置14的谐振频率等同上部射频源15以及下部射频源12所产生的射频功率的频率。当谐振频率与射频功率频率相同时，回路虚部阻抗等于0欧姆，此时接地阻抗最低，因此可以获得稳定的唯一接地路径。详细来说，本发明通过调节电感L14的电感值以及电容C14的电容值，来使得电感值以及电容值符合下列公式(1):
Figure BDA0002269584860000071
其中f0是上部射频源15以及下部射频源12所产生的射频功率的频率，L是电感L14的电感值，C是电容C14的电容值。藉由将电感值所对应的感抗调节至与电容值所对应的容抗相等，来使得电感L14与电容C14形成串联谐振，并且，将电感L14的电感值以及电容C14的电容值调节至符合公式(1)，在如此设置下，电流路径的阻抗最小。因此，ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流将通过电流回流装置14传导至第一端N1，并通过第一端N1传导至外壳131，最终传输至下部射频源12的接地端，避免因为电流回路路径不重复或者路径复杂，导致等离子体系统1的一致性和稳定性受影响。
上部射频源15以及下部射频源12所产生的射频功率的频率位于0.4MHz至60MHz的范围。优选地，上部射频源15以及下部射频源12所产生的射频功率的频率是13.56MHz。当上部射频源15以及下部射频源12所产生的射频功率的频率是13.56MHz时，优选地，电感L14的电感值位于100nH至1000nH的范围，电容C14的电容值位于137pF至1378pF的范围。
本技术领域具有通常知识者应能轻易理解组成调谐电路的电感L14以及电容C14并不限定于图2A的实施例。参考图2B，在图2B的实施例中，电流回流装置14包括串联连接的电感L'14和电容C'14，其中电容C'14的一端以连接线LN'a连接，连接线LN'a连接至壳体10的接口102的外缘；电容C'14的另一端以连接线LN'b连接，连接线LN'b连接至电感L'14的一端；电感L'14的另一端以连接线LN'c连接，连接线LN'c连接至第一端N1。本技术领域具有通常知识者应能轻易理解图2B所示实施例与图2A所示实施例的差异仅在于电感与电容的位置关系，其余说明在此省略以省篇幅。
图3A至图3D是依据图2A所示的电流回流装置14与下部匹配器13的相对位置示意图。参考图3A，电容C14与第一端N1之间的连接线LNc通过绝缘件133。由于电容C14与第一端N1之间的连接线LNc通过绝缘件133，换言之，电感L14与电容C14位于下部匹配器13的外部。
参考图3B，电感L14与电容C14之间的连接线LNb通过绝缘件133。由于电感L14与电容C14之间的连接线LNb通过绝缘件133，换言之，电流回流装置14有部分位于下部匹配器13的内部。详细来说，电感L14位于下部匹配器13的外部，电容C14位于下部匹配器13的内部。
参考图3C，电感L14与壳体10之间的连接线LNa通过绝缘件133。由于电感L14与壳体10之间的连接线LNa通过绝缘件133，换言之，电感L14与电容C14位于下部匹配器13的内部。
在图3C的实施例中，电容回流装置14位于下部匹配器13之中，需注意的是，为了避免电感L14与电感L1产生干扰，电感L14的轴向与电感L1的轴向可以呈现一定角度的设置，换言之，电感L14与电感L1并不限定平行排列。优选地，电感L14的轴向与电感L1的轴向呈现90度夹角。另外，为了有效地避免电感L14与电感L1产生干扰，电感L14与电感L1可以相隔一定的距离。优选地，电感L14与电感L1的距离大于25毫米。参考图3D，图3D与图3C实施例相似，电流回流装置14位于下部匹配器13之中，差异仅在于电感L14的轴向与电感L1的轴向呈现90度夹角，并且，电感L14与电感L1具有距离D，距离D大于25毫米。
图4A至图4D是依据图2B所示的电流回流装置14与下部匹配器13的相对位置示意图。参考图4A，电感L'14与第一端N1之间的连接线LN'c通过绝缘件133。由于电感L'14与第一端N1之间的连接线LN'c通过绝缘件133，换言之，电感L'14与电容C'14位于下部匹配器13的外部。
参考图4B，电感L'14与电容C'14之间的连接线LN'b通过绝缘件133。由于电感L'14与电容C'14之间的连接线LN'b通过绝缘件133，换言之，电流回流装置14有部分位于下部匹配器13的内部。详细来说，电容C'14位于下部匹配器13的外部，电感L'14位于下部匹配器13的内部。
参考图4C，电容C'14与壳体10之间的连接线LN'a通过绝缘件133。由于电容C'14与壳体10之间的连接线LN'a通过绝缘件133，换言之，电感L'14与电容C'14位于下部匹配器13的内部。
在图4C的实施例中，电流回流装置14位于下部匹配器13的内部，类似于图3C的实施例，为了避免电感L'14与电感L1产生干扰，电感L'14的轴向与电感L1的轴向可以呈现一定角度的设置，换言之，电感L'14与电感L1并不限定平行排列。优选地，电感L'14的轴向与电感L1的轴向呈现90度夹角。另外，为了有效地避免电感L'14与电感L1产生干扰，电感L'14与电感L1可以相隔一定的距离。优选地，电感L'14与电感L1的距离大于25毫米。参考图4D，图4D与图4C实施例相似，电流回流装置14位于下部匹配器13之中，差异仅在于电感L'14的轴向与电感L1的轴向呈现90度夹角，并且，电感L'14与电感L1具有距离D'，距离D'大于25毫米。
参考图5，图5是依据本发明一实施例之等离子体系统1的操作示意图。当等离子体系统1开始对工作件(如晶圆)进行加工时，开启上部射频源15，上部射频源15通过上部匹配器16于感应线圈17上加载射频功率，感应线圈17将所述射频功率通过ICP的方式耦合至介电窗18内，借此将腔室CH内的反应气体耦合电离成等离子体。关于ICP源，施加在感应线圈17表面的功率包括感性功率和容性功率两部分，容性功率通过等离子体传导至内壁103来产生容性耦合电流(图5中以黑色箭头表示)。同样地，开启下部射频源12，下部射频源12通过下部匹配器13产生偏压射频功率，所述偏压射频功率于下部电极11的电极111之上产生偏置电压，并通过等离子体传导至内壁103来产生容性耦合电流(图5中以白色箭头表示)。
如同在图2A实施例中所述，藉由电感L14的电感值所对应的感抗调节至与电容C14的电容值所对应的容抗相等，来使得电感L14与电容C14形成串联谐振，进而使得电流回流装置14所提供的电流路径的阻抗最小。另外，将电感(如电感L14或L'14)的电感值以及电容(如电容C14或C'14)的电容值调节至符合公式(1)，ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流的加总(图5中以点状箭头表示)将通过电流回流装置14传导至第一端N1，并通过第一端N1及外壳131进入至下部射频源12的接地端。
需注意的是，为求更加有效地缩短电流回路长度，本发明并不限定电容C1的第一端N1连接至外壳131的位置。参考图6，图6是依据本发明一实施例之等离子体系统1'的示意图。等离子体系统1'与图1所示的等离子体系统1大致相似，差异仅在电容C1的第一端N1连接至外壳131的位置T1临近下部射频源12连接至下部匹配器13的位置。在如此设置下，ICP所产生的容性耦合电流以及下部射频源12所产生的容性耦合电流的加总将通过电流回流装置14传导至第一端N1，并通过第一端N1及外壳131上的位置T1进入至下部射频源12的接地端。如此一来，电流回流装置14所提供的电流回路长度最短，更能有效地避免电流回路路径不重复或者路径复杂，进而提高等离子体系统1'的效率。
简单归纳本发明，通过本发明所公开的电流回流装置，可提供稳定的电流回路路径，并且缩短了电流回路长度，降低回路阻抗，避免因为电流回路路径不重复或者路径复杂，导致等离子体系统的一致性和稳定性受影响，藉此提高等离子体系统的效率。

Claims (11)

1.一种电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感耦合等离子体系统包括:壳体，所述壳体内形成腔室，其中所述壳体接地；
下部电极，置于所述腔室内，所述下部电极用于承载工作件；
射频源及匹配器，所述匹配器的一端通过所述壳体的接口连接至所述下部电极，所述匹配器的另一端连接至所述射频源，其中所述射频源用于向所述下部电极提供偏压射频功率，所述匹配器用于进行阻抗匹配，所述匹配器包括外壳及第一电容，所述外壳接地，所述第一电容的第一端连接至所述外壳，所述第一电容的第二端连接至所述射频源；及
电流回流装置，所述电流回流装置的一端连接至所述壳体，另一端连接至所述第一电容的所述第一端，所述电流回流装置用于提供电流路径来使得电流自所述壳体经所述电流回流装置、所述匹配器的所述外壳到所述射频源。
2.如权利要求1所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电流回流装置包括串联连接的电感与第二电容，其中所述电感和所述第二电容的至少其中之一者的阻抗为可变，且所述电感的等效阻抗等于所述第二电容的等效阻抗，以使所述电流回流装置形成串联谐振。
3.如权利要求2所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感的电感值及所述第二电容的电容值满足下列式子:
Figure FDA0002269584850000011
其中f0为所述射频功率的频率，L为所述电感的所述电感值，C为所述第二电容的所述电容值。
4.如权利要求2所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感的一端连接至所述接口的外缘，所述电感的另一端连接至所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接至所述第一电容的所述第一端。
5.如权利要求4所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感与所述第二电容位于所述外壳的外部，所述第二电容与所述第一电容之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
6.如权利要求4所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感位于所述外壳的外部，所述第二电容位于所述外壳的内部；所述电感与所述第二电容之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
7.如权利要求4所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感与所述第二电容位于所述外壳的内部，所述电感与所述接口的所述外缘之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
8.如权利要求2所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述第二电容的一端连接至所述接口的外缘，所述第二电容的另一端连接至所述电感的一端，所述电感的另一端连接至所述第一电容的所述第一端。
9.如权利要求8所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感与所述第二电容位于所述外壳的外部，所述电感与所述第一电容之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
10.如权利要求8所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述第二电容位于所述外壳的外部，所述电感位于所述外壳的内部；所述第二电容与所述电感之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
11.如权利要求8所述的电感耦合等离子体系统，其特征在于，所述电感与所述第二电容位于所述外壳的内部，所述第二电容与所述接口的所述外缘之间的连接线通过绝缘件穿过所述外壳。
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