CN111146067A - 线圈组件及半导体设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈组件及半导体设备，线圈组件包括：多组感应线圈，多组感应线圈之间并联连接，且多组感应线圈呈放射状分布。有效避免线圈组件扩大线圈组件覆盖范围时出现驻波，有效保证采用线圈组件的半导体设备大面积均匀等离子体的产生。

Description

线圈组件及半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种线圈组件及应用该线圈组件的半导体设备。

背景技术

在半导体工业中，ICP(感应耦合等离子体)源是半导体领域干法刻蚀和薄膜沉积常用的等离子体源。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，工作气压较低，具有等离子体密度高、对工件损伤小等特点。随着晶圆尺寸不断扩大和刻蚀线宽的逐渐降低，优异的等离子体均匀性分布日益成为等离子体源开发的瓶颈。

现有的ICP源的线圈组件采用同心圆或者渐开线的线圈结构，为了获得产生大面积且均匀性的等离子体分布，通常需要扩大线圈组件覆盖的范围，同时线圈的长度也会增加。但当线圈长度大于所用功率源波长的1/10时极易产生驻波效应，导致等离子体均匀性难以实现。

因此需要提出一种新型线圈组件设计，以解决传统ICP源线圈组件扩大线圈组件覆盖的范围导致单组线圈长度过长出现驻波，进而使ICP源难以产生大面积均匀等离子体的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种线圈组件及半导体装置，有效避免线圈组件扩大覆盖范围时导致单组线圈长度过长出现驻波，有助于半导体设备大面积均匀等离子体的产生。

为实现上述目的，本发明提出了一种线圈组件，包括：多组感应线圈，所述多组感应线圈之间并联连接，且所述多组感应线圈呈放射状分布。

可选地，每组所述感应线圈的一端均连接射频源，另一端均接地；每组所述感应线圈均呈直线形，所述线圈组件包括至少三组感应线圈。

可选地，所述多组感应线圈中每相邻两组所述感应线圈之间的夹角相等。

可选地，所述感应线圈的长度小于为所述线圈组件供电的射频电源对应波长的1/10。

可选地，每组所述感应线圈包括多个线圈单元，所述多个线圈单元依次串联。

可选地，所述线圈单元呈圆弧形，圆弧的圆心角为60度至180度，圆弧所在圆的半径为10mm至100mm。

可选地，所述线圈单元的线材截面为圆形，且所述圆形的直径大于5mm；或者，所述线圈单元的线材截面为矩形，且所述矩形的宽度大于5mm。

可选地，每组所述感应线圈的另一端均通过铜带接地。

本发明还提出一种半导体设备，包括以上所述的线圈组件。

可选地，还包括反应腔室，所述反应腔室的顶部设有平面介质窗，所述平面介质窗上方设有线圈屏蔽盒，所述反应腔室的外部设有射频电源和第一匹配器；

所述线圈组件设置于所述线圈屏蔽盒内并与所述平面介质窗平行；

所述射频电源、所述第一匹配器、所述线圈组件依次电连接。

本发明的有益效果在于：

通过将多组感应线圈并联连接并呈放射状分布，能够在增加等离子源产生面积时有效控制单组感应线圈的长度，有效避免线圈组件扩大覆盖范围时导致单组感应线圈长度过长出现驻波，克服了传统的同心圆或者渐开线线圈结构由于线圈直径增加产生的驻波效应导致的等离子体不均匀性问题；放射状的线圈组件在径向上可以覆盖更宽的平面介质窗截面，通过射线组数量的调节，可以实现等离子体均匀性的调节。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

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，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有技术中一种线圈组件结构示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的一种线圈组件的结构示意图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种线圈组件中线圈单元的结构示意图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体设备的结构示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的一种线圈组件与平面介质窗配合的示意图。

附图标记说明：

图1中：

1、第一线圈；2、第二线圈；3、第三线圈；4、第四线圈；5、第五线圈；6、匹配器；7、射频电源；

图2至图4中：

100、线圈组件；101、感应线圈；102、线圈单元；103、射频电源；104、第一匹配器；105、接地铜带；106、连接条；201、气体运输机构；301、线圈屏蔽盒；302、平面介质窗；303、腔室壁；401、偏压电源；402、第二匹配器；403、偏压功率输出铜带；404、偏压电极屏蔽壳；405、介质隔离环；406、偏压电极。

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。

图1为现有的一种ICP等离子体源线圈组件结构，射频电源7通过匹配器6与线圈组件连接，为了获得均匀性的等离子体分布，该线圈组件的结构采用同心圆结构并通过5匝线圈之间的串并联和角度的分布实现。具体为：将最内圈线圈第五线圈5与第四线圈4串联之后与第一线圈1、第二线圈2、第三线圈3并联，其中需要保持最内圈两组线圈的长度之和与其他三组线圈相近，线圈的角度保持90度或者120度分布。

上述现有方案可以产生一定范围的等离子体均匀性，但是当需要继续增加等离子源产生面积时，需要增加线圈的直径和长度，由于线圈长度的增加导致线圈产生驻波效应的趋势增加，对等离子体均匀性调节的能力降低，且容易产生等离子体偏心等效应，难以实现大面积等离子体均匀性。为解决上述问题，本发明提出了一种新型的线圈组件。

如图2所示，根据本发明的一种线圈组件100，包括：多组感应线圈101，多组感应线圈101之间并联连接，且多组感应线圈101呈放射状分布。

具体地，通过将多组感应线圈101并联连接并呈放射状分布，能够在为了增加等离子源产生面积而增加感应线圈的长度时，有效控制单组感应线圈101的长度，克服了传统的同心圆或者渐开线线圈结构在增加等离子源产生面积时，由于线圈直径增加导致线圈长度增加产生的驻波效应导致的等离子体不均匀性问题；同时射线型线圈组件100在径向上可以覆盖更宽的平面介质窗302截面，通过感应线圈101组数量的调节，可以实现等离子体均匀性的调节。

本实施例中，每组所述感应线圈101的一端均连接射频源103，另一端均接地；

每组感应线圈101均呈直线形，线圈组件包括至少三组感应线圈。

具体地，参考图2，多组感应线圈101位于同一个平面，整个线圈组件100呈圆盘状，每组感应线圈101的靠近圆盘圆心的一端均与供电的射频电源103连接，每组感应线圈101的另一端均位于圆盘的圆周并通过铜带(未示出)接地；同时，每组感应线圈101均呈直线形，直线型的感应线圈101有益于在增加等离子源产生面积时能够在保证感应线圈101不产生驻波的情况下(长度小于射频电源103输出电磁波波长的1/10)，最大程度的增加单组感应线圈101的长度，覆盖更大的电离区域。同时为了达到呈放射状覆盖电离区域的效果，本发明中的感应线圈101数量应不少于3组。

本实施例中，多组感应线圈101中每相邻两组感应线圈101之间的夹角相等。

具体地，参考图2，线圈组件100整体结构由8组感应线圈101呈平面射线结构并联组成，两组感应线圈101之间的角度为360°/8，均分在线圈组件100所在圆的范围内，进而能够均分在ICP源的平面介质窗302范围内，在径向上可以覆盖更宽的平面介质窗302截面。在本发明的其他实施例中，线圈组件100还可以包括8组以上感应线圈101，通过感应线圈101组的数量的调节，可以实现等离子体均匀性的调节，本领域技术人员可以根据实际需求设置感应线圈101的组数。

本实施例中，感应线圈101的长度小于为线圈组件100供电的射频电源103输出电磁波波长的1/10。

具体地，单组感应线圈101的长度应小于供电的射频电源103的1/10波长，能够有效防止感应线圈101出现驻波，避免ICP源产生等离子体均匀性问题。

本实施例中，每组感应线圈101包括多个线圈单元102，多个线圈单元102依次串联，线圈单元102呈圆弧形，圆弧的圆心角为60度至180度。圆弧所在圆的半径为10mm至100mm。

具体地，参考图2每组电感线圈采用多个线圈单元102串联组成，电流方向彼此不叠加，参考图3，圆弧形线圈单元102的圆心角A为60度至180度，圆弧所在圆的半径R为10mm至100mm，可以有效避免驻波效应的产生。

本实施例中，线圈单元102采用的线材截面为圆形，圆形的直径大于5mm。

具体地，参考图3，线圈单元102采用的线材截面为圆形，圆形的直径一般大于5mm，有益于提高线圈组件100的性能，在本发明其他实施例中，感应线圈101的线材截面形状也可以为矩形，矩形的宽度大于5mm；线圈单元102的材料一般采用电导率较高的金属材料，如铜等。

参考图4，本发明实施例还提出一种半导体设备，包括以上的线圈组件100。

具体地，本实施例的半导体设备为采用上述实施例的线圈组件100的ICP源，通过使用线圈组件100，能够有效增加介质窗的覆盖范围并保证等离子体的均匀性。

本实施例中，半导体设备还包括反应腔室，反应腔室的顶部设有平面介质窗302，平面介质窗302上方设有线圈屏蔽盒301，反应腔室的外部设有射频电源103、偏压电源401、第一匹配器104、和第二匹配器402和气体运输机构201，反应腔室内底部设有介质隔离环405，介质隔离环405顶部设有偏压电极406；线圈组件100设置于线圈屏蔽盒301内并与平面介质窗302平行；射频电源103、第一匹配器104、线圈组件100依次电连接；气体运输机构201与反应腔室的顶部连通；偏压电源401、第二匹配器402、偏压电极406依次电连接。

具体地，参考图4，腔室壁303和平面介质窗302围成反应腔室，平面介质窗302上方为线圈屏蔽盒301；参考图5，线圈组件100置于线圈屏蔽盒301内并紧贴平面介质窗302顶面，线圈组件100通过接地铜带105与线圈屏蔽盒301连接。ICP源装置由射频电源103(频率一般为0.4MHz-60MHz)将功率通过同轴电缆馈入第一匹配器104后，再通过连接条106馈入至线圈组件100，线圈组件100产生的交变电磁场穿透平面介质窗302(一般为石英板或者陶瓷板)后离化由气体输运机构输入的反应气体。偏压系统由偏压电源401(频率一般为0.4MHz-60MHz)经同轴电缆馈入至第二匹配器402后，将偏压功率输出通过铜带馈入偏压电极406，偏压功率输出铜带403设于由偏压电极屏蔽壳偏压电极屏蔽壳404内，偏压电极屏蔽壳偏压电极屏蔽壳404在腔室壁303的外侧与介质隔离环405相对，偏压电极406置于反应腔室底部的介质隔离环405的顶端，介质隔离环405主要作用是将偏压源与反应腔室的腔室壁303电隔离，避免短路，介质隔离环405的材料一般为石英或者陶瓷。

上述实施例的半导体设备通过采用放射状线圈组件100的新结构设计，克服了传统的同心圆或者渐开线线圈结构由于线圈直径增加产生的驻波效应导致的等离子体不均匀性；本发明的新型线圈组件100在径向上可以覆盖更宽的平面介质窗302截面，通过感应线圈101组的数量的调节，可以实现等离子体均匀性的调节；新型线圈组件100中单组感应线圈101采用弧形线圈单元102串联组成，电流方向彼此不叠加，可以有效避免驻波效应的产生。

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)

1.一种线圈组件，其特征在于，包括：多组感应线圈，所述多组感应线圈之间并联连接，且所述多组感应线圈呈放射状分布。

2.根据权利要求1所述的线圈组件，其特征在于，

每组所述感应线圈的一端均连接射频源，另一端均接地；

每组所述感应线圈均呈直线形，所述线圈组件包括至少三组感应线圈。

3.根据权利要求2所述的线圈组件，其特征在于，所述多组感应线圈中每相邻两组所述感应线圈之间的夹角相等。

4.根据权利要求1所述的线圈组件，其特征在于，所述感应线圈的长度小于为所述线圈组件供电的射频电源对应波长的1/10。

5.根据权利要求1所述的线圈组件，其特征在于，每组所述感应线圈包括多个线圈单元，所述多个线圈单元依次串联。

6.根据权利要求5所述的线圈组件，其特征在于，所述线圈单元呈圆弧形，圆弧的圆心角为60度至180度，圆弧所在圆的半径为10mm至100mm。

7.根据权利要求5所述的线圈组件，其特征在于，所述线圈单元的线材截面为圆形，且所述圆形的直径大于5mm；或者，所述线圈单元的线材截面为矩形，且所述矩形的宽度大于5mm。

8.根据权利要求2所述的线圈组件，其特征在于，每组所述感应线圈的另一端均通过铜带接地。

9.一种半导体设备，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的线圈组件。

10.根据权利要求9所述的半导体设备，其特征在于，还包括反应腔室，所述反应腔室的顶部设有平面介质窗，所述平面介质窗上方设有线圈屏蔽盒，所述反应腔室的外部设有射频电源和第一匹配器；

所述线圈组件设置于所述线圈屏蔽盒内并与所述平面介质窗平行；

所述射频电源、所述第一匹配器、所述线圈组件依次电连接。

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