CN111565505B - 一种icp设备及其线圈驱动电路、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种ICP设备及其线圈驱动电路、控制方法，第一通路包括作为内线圈的第一线圈和第一平衡电容，第二通路包括作为外线圈的第二线圈和第二平衡电容，第一平衡电容和第二平衡电容使得第一线圈和第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态，在第一通路和/或第二通路中还连接有开关单元，用于在点燃等离子体时处于第一状态，以破坏其电压平衡态，使得电感线圈可以产生电场，并进入到反应腔中，实现等离子体的可靠点燃；而在点燃等离子体后处于第二状态，以保持其电压平衡态，使得电感线圈产生的电场处于平衡态，避免电场进入反应腔，确保等离子体工艺过程中更小的电容耦合。

Description

一种ICP设备及其线圈驱动电路、控制方法

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，特别涉及一种ICP设备及其线圈驱动电路、控制方法。

背景技术

电感耦合等离子(ICP,Inductive Coupled Plasma)处理设备，是通过电感线圈产生射频电磁场，使得反应气体发生电离而产生等离子体，产生的等离子体可以应用于沉积、刻蚀等半导体处理工艺中。

ICP处理设备中，线圈作为天线产生射频电磁场，而电场会对反应腔产生电容耦合，在点燃等离子体之后，进行等离子处理工艺的过程中该电容耦合是不希望出现的，因此，要避免电感线圈上产生的电场进入到反应腔，而让部分磁场进入反应腔，在磁场激励下反应气体电离为等离子体，从而减小电感线圈对反应腔的电容耦合，保证处理工艺正常进行。然而，在点燃等离子时，需要更高的电场才能实现可靠的点燃，因此，如何确保等离子体的可靠点燃以及工艺过程中更小的电容耦合，是IPC处理设备的一个研究重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种ICP设备及其线圈驱动电路、控制方法，确保等离子体的可靠点燃以及工艺过程中更小的电容耦合。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种ICP设备的线圈驱动电路，包括：射频功率输出电路、第一通路、第二通路以及开关单元；其中，

所述射频功率输出电路具有用于输出第一射频功率的第一射频功率输出端，以及用于输出第二射频功率的第二射频输出端；

第一通路包括第一线圈和第一平衡电容，所述第一线圈的第一端连接至第一射频功率输出端、第二端通过所述第一平衡电容接地；

第二通路包括第二线圈和第二平衡电容，所述第二线圈的第一端连接至第二射频功率输出端、第二端通过所述第二平衡电容接地，所述第二线圈包围所述第一线圈，所述第一平衡电容和所述第二平衡电容使得所述第一线圈和所述第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态；

所述开关单元，连接于所述第一通路和/或所述第二通路中，用于在点燃等离子体时处于第一状态，以破坏所述电压平衡态；并在点燃等离子体后处于第二状态，以保持所述电压平衡态。

可选地，所述开关单元串接于所述第一通路或所述第二通路中，所述第一状态为开路状态，所述第二状态为闭合状态。

可选地，第一平衡电容或第二平衡电容通过所述开关单元接地。

可选地，所述第一线圈的第二端或所述第二线圈的第二端通过所述开关单元接地，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为开路状态。

可选地，所述第一线圈的第二端通过所述开关单元连接至所述第二线圈的第二端，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为开路状态。

可选地，还包括控制单元，用于控制所述开关单元的状态。

可选地所述射频功率输出电路包括依次连接的射频功率源、匹配网络和功率分配器，所述功率分配器具有第一射频输出端和第二射频输出端。

可选地，所述开关单元包括继电器、接触器、断路器或IGBT。

一种线圈驱动电路的控制方法，所述线圈驱动电路包括：射频功率输出电路、第一通路、第二通路以及开关单元；其中，

所述射频功率输出电路具有输出第一射频功率的第一射频功率输出端，以及输出第二射频功率的第二射频输出端；

第一通路包括第一线圈和第一平衡电容，所述第一线圈的第一端连接至射频功率输出端、第二端通过所述第一平衡电容接地；

第二通路包括第二线圈和第二平衡电容，所述第二线圈的第一端连接至射频功率输出端、第二端通过所述第二平衡电容接地，所述第二线圈包围所述第一线圈，所述第一平衡电容和所述第二平衡电容使得所述第一线圈和所述第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态；

所述开关单元，连接于所述第一通路和/或所述第二通路中；

所述控制方法包括：所述射频功率输出端输出预设射频功率，在点燃等离子体时控制所述开关单元处于第一状态，以破坏所述电压平衡态；

在点燃等离子体后控制所述开关单元处于第二状态，以保持所述电压平衡态。

一种ICP设备，包括反应腔、绝缘窗以及上述任一的线圈驱动电路，所述绝缘窗设置于所述反应腔顶部，所述线圈驱动电路中的第一线圈和第二线圈设置于所述绝缘窗之上。

本发明实施例提供的ICP设备及其线圈驱动电路、控制方法，第一通路包括作为内线圈的第一线圈和第一平衡电容，第二通路包括作为外线圈的第二线圈和第二平衡电容，第一平衡电容和第二平衡电容使得第一线圈和第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态，在第一通路和/或第二通路中还连接有开关单元，用于在点燃等离子体时处于第一状态，以破坏其电压平衡态，使得电感线圈可以产生电场，并进入到反应腔中，实现等离子体的可靠点燃；而在点燃等离子体后处于第二状态，以保持其电压平衡态，使得电感线圈产生的电场处于平衡态，避免电场进入反应腔，确保等离子体工艺过程中更小的电容耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的ICP设备的剖面结构示意图；

图2A-2B示出了根据本发明实施例一的ICP设备的线圈驱动电路的结构示意图；

图3A-3B示出了根据本发明实施例二的ICP设备的线圈驱动电路的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例三的ICP设备的线圈驱动电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术中的描述，ICP设备中，在等离子体点燃时，需要电场能够进入反应腔中，以确保等离子体的可靠点燃，而在工艺过程中，电场会对反应腔产生电容耦合，不希望电场进入反应腔，而仅部分磁场进入反应腔中，在磁场激励下反应气体电离为等离子体，因此，ICP设备要同时确保等离子体的可靠点燃以及工艺过程中更小的电容耦合。为此，本申请提出了一种ICP设备的线圈驱动电路，通过控制开关单元的状态，使得电感线圈的电压平衡状态破坏或保持，进而，实现电场的产生和消除，从而，确保等离子体的可靠点燃以及工艺过程中更小的电容耦合。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，首先对ICP设备的结构进行描述。可以理解的是，本申请实施例中的ICP设备是利用电感耦合等离子体进行任何加工工艺的处理设备，例如可以为ICP刻蚀设备、ICP沉积设备或ICP清洗设备等。

参考图1所示，为本申请实施例的ICP设备，主要包括反应腔10、绝缘窗20、基座30和线圈驱动电路。反应腔10包括腔体，为进行晶片加工工艺的反应腔室，在反应腔的下部设置有基座，基座上表面用于放置待加工的晶片，反应腔的顶部为绝缘窗20，绝缘窗20由绝缘材料制成，绝缘材料例如为石英陶瓷材料。线圈驱动电路包括射频电源以及电感线圈L1、L2等，电感线圈L1、L2设置于绝缘窗20上方，用于产生射频电磁场，其中的磁场部分进入至反应腔内，反应气体也通入至反应腔内，在等离子体可靠点燃后，在磁场作用下，将反应气体电离而产生等离子体，进而利用等离子体进行晶片的加工工艺。

本申请实施例提出了一种ICP设备的线圈驱动电路，该驱动电路可以同时满足等离子点燃时对电场的需求，以及等离子点燃后对处理工艺仅需要磁场的需求。参考图2A-图4所示，该线圈驱动电路包括：射频功率输出电路100、第一通路120、第二通路130以及开关单元110。

其中，射频功率输出电路100用于一定射频频率的射频功率，本申请实施例中，射频功率输出电路100具有两个输出端，即输出第一射频功率的第一射频功率输出端，以及用于输出第二射频功率的第二射频输出端，这两个输出端分别向第一通路120和第二通路130提供射频功率。

在一些实施例中，该射频功率输出电路100可以包括依次连接的射频功率源102、匹配网络104和功率分配器106，功率分配器106具有第一射频输出端和第二射频输出端。射频功率源102用于提供一定频率的射频功率，匹配网络104用于将线圈以及产生的等离子的阻抗进行匹配，功率分配器106用于将第一射频功率和第二射频功率分别分配到第一线圈L1和第二线圈L2。

在本申请实施例的线圈驱动电路中，采用平衡线圈电压的设计，具体的，包括第一通路120和第二通路130，其中，第一通路120包括第一线圈L1和第一平衡电容C1，所述第一线圈L1的第一端连接至第一射频功率输出端、第二端通过所述第一平衡电容C1接地；第二通路130包括第二线圈L2和第二平衡电容C2，所述第二线圈L2的第一端连接至第二射频功率输出端、第二端通过所述第二平衡电容C2接地，所述第二线圈L2包围所述第一线圈L1，所述第一平衡电容C1和所述第二平衡电容C2使得所述第一线圈L1和所述第二线圈L2在预设射频频率下达到电压平衡态。

参考图1所示，第一线圈L1和第二线圈L2设置于反应腔10的绝缘窗20之上，第一线圈L1为内线圈，第二线圈L2为外线圈，可以分别对应设置于晶片的中心区域以及边缘区域。第一平衡电容C1和第二平衡电容C2的电容值决定了经过第一平衡电容C1和第二平衡电容C2反射的射频功率，最终入射功率和反射功率形成驻波，使得第一线圈L1、第二线圈L2达到电压平衡态，处于电压平衡态时线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布，具有最小绝对值，因此，能够进入反应腔的电场也最小。

在电压处于平衡态时电感线圈的电压具有最小绝对值，仅产生的磁场进入反应腔中，避免反应腔中由于电场导致的电容耦合，有利于等离子体工艺的进行。进而，通过设置开关单元110，来破坏或保持该电压平衡态，从而，实现电场的无和有，以分别用于等离子体的点燃和点燃后的处理工艺。具体的，开关单元110连接于所述第一通路120和/或所述第二通路130中，用于在点燃等离子体时处于第一状态，以破坏所述电压平衡态；并在点燃等离子体后处于第二状态，以保持所述电压平衡态。

开关单元110可以为具有可控的开路和闭合的第一状态和第二状态的器件，例如可以为继电器、接触器、断路器或IGBT等。

在具体的应用中，开关单元110可以有多种连接方式，来实现上述电压平衡态的控制，以下将以不同的实施例进行详细的说明。

实施例一

参考图2A和图2B所示，开关单元110可以串接于所述第一通路120或所述第二通路130中，在点燃等离子体时开关单元110处于开路状态，在点燃等离子之后，开关单元110一直处于闭合状态，即第一状态为开路状态，第二状态为闭合状态。

在点燃等离子体时，由于开关单元110处于开路状态，开关单元110所在的第一通路120或第二通路130将处于断路状态，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2的反射功率将不能够与入射功率形成驻波，从而，打破了电压平衡态，使得线圈上的电压增大，从而，在点燃等离子体时该电压的电场进入反应腔中，可以保证等离子体的可靠点燃。

在点燃等离子体之后，由于开关单元110处于闭合状态，开关单元110所在的第一通路120或第二通路130将恢复导通状态，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2的反射功率将与入射功率形成驻波，从而，恢复电压平衡态，使得线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布，具有最小绝对值，避免电场在反应腔内产生的电容耦合，利于等离子体处理工艺的进行。

在具体的应用中，开关单元110可以串接于第一通路120或第二通路130中的任意位置处，在一个示例中，如图2A和2B所示，开关单元110连接在第一平衡电容C1或第二平衡电容C2与接地端之间。

实施例二

参考图3A和图3B所示，开关单元110可以并联连接于第一平衡电容C1或第二平衡电容C2两端，即第一线圈L1的第二端或第二线圈L2的第二端通过开关单元110接地，在点燃等离子体时开关单元110处于闭合状态，在点燃等离子之后，开关单元110一直处于开路状态，即第一状态为闭合状态，第二状态为开路状态。

在点燃等离子体时，由于开关单元110处于闭合状态，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2将被短路，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2的反射功率将不能够与入射功率形成驻波，从而，打破了电压平衡态，使得线圈上的电压增大，从而，在点燃等离子体时该电压的电场进入反应腔中，可以保证等离子体的可靠点燃。

在点燃等离子体之后，由于开关单元110处于开路状态，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2接入至第一通路120或第二通路130中，第一平衡电容C1或第二平衡电容C2的反射功率将与入射功率形成驻波，从而，恢复电压平衡态，使得线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布，具有最小绝对值，避免电场在反应腔内产生的电容耦合，利于等离子体处理工艺的进行。

实施例三

参考图4所示，开关单元110可以同时并联连接于第一线圈L1和第二线圈L2的第二端之间，即第一线圈L1的第二端通过开关单元110连接到第二线圈L2的第二端，在点燃等离子体时开关单元110处于闭合状态，在点燃等离子之后，开关单元110一直处于开路状态，即第一状态为闭合状态，第二状态为开路状态。

在点燃等离子体时，由于开关单元110处于闭合状态，第一线圈C1和第二线圈L2的第二端将都被短接在一起，使得第一平衡电容C1和第二平衡电容C2为并联电容，第一平衡电容C1和第二平衡电容C2并联后的反射功率将不能够与入射功率形成驻波，从而，打破了电压平衡态，使得线圈上的电压增大，从而，在点燃等离子体时该电压的电场进入反应腔中，可以保证等离子体的可靠点燃。

在点燃等离子体之后，由于开关单元110处于开路状态，第一平衡电容C1和第二平衡电容C2接入至第一通路120或第二通路130中，第一平衡电容C1和第二平衡电容C2的反射功率将与入射功率形成驻波，从而，恢复电压平衡态，使得线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布，具有最小绝对值，避免电场在反应腔内产生的电容耦合，利于等离子体处理工艺的进行。

以上对本申请实施例的线圈驱动电路进行了详细的描述，此外，本申请还提供了一种ICP设备，参考图1所示，包括反应腔10、绝缘窗20以及上述的线圈驱动电路，所述绝缘窗20设置于所述反应腔10顶部，所述线圈驱动电路中的第一线圈L1和第二线圈L2设置于所述绝缘窗20之上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种ICP设备的线圈驱动电路，其特征在于，包括：射频功率输出电路、第一通路、第二通路以及开关单元；其中，

所述射频功率输出电路具有用于输出第一射频功率的第一射频功率输出端，以及用于输出第二射频功率的第二射频输出端；

第一通路包括第一线圈和第一平衡电容，所述第一线圈的第一端连接至第一射频功率输出端、第二端通过所述第一平衡电容接地；

第二通路包括第二线圈和第二平衡电容，所述第二线圈的第一端连接至第二射频功率输出端、第二端通过所述第二平衡电容接地，所述第二线圈包围所述第一线圈，所述第一平衡电容和所述第二平衡电容决定经过第一平衡电容和第二平衡电容的反射功率，来自所述射频功率输出电路的入射功率与所述反射功率形成驻波，使得所述第一线圈和所述第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态，处于电压平衡态时所述第一线圈和所述第二线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布；

所述开关单元，连接于所述第一通路和/或所述第二通路中，用于在点燃等离子体时处于第一状态，以破坏所述电压平衡态；并在点燃等离子体后处于第二状态，以保持所述电压平衡态。

2.根据权利要求1所述的线圈驱动电路，其特征在于，所述开关单元串接于所述第一通路或所述第二通路中，所述第一状态为开路状态，所述第二状态为闭合状态。

3.根据权利要求2所述的线圈驱动电路，其特征在于，第一平衡电容或第二平衡电容通过所述开关单元接地。

4.根据权利要求1所述的线圈驱动电路，其特征在于，所述第一线圈的第二端或所述第二线圈的第二端通过所述开关单元接地，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为开路状态。

5.根据权利要求1所述的线圈驱动电路，其特征在于，所述第一线圈的第二端通过所述开关单元连接至所述第二线圈的第二端，所述第一状态为闭合状态，所述第二状态为开路状态。

6.根据权利要求1所述的线圈驱动电路，其特征在于，还包括控制单元，用于控制所述开关单元的状态。

7.根据权利要求1所述的线圈驱动电路，其特征在于所述射频功率输出电路包括依次连接的射频功率源、匹配网络和功率分配器，所述功率分配器具有第一射频输出端和第二射频输出端。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的线圈驱动电路，其特征在于，所述开关单元包括继电器、接触器、断路器或IGBT。

9.一种线圈驱动电路的控制方法，其特征在于，所述线圈驱动电路包括：射频功率输出电路、第一通路、第二通路以及开关单元；其中，

所述射频功率输出电路具有输出第一射频功率的第一射频功率输出端，以及输出第二射频功率的第二射频输出端；

第一通路包括第一线圈和第一平衡电容，所述第一线圈的第一端连接至射频功率输出端、第二端通过所述第一平衡电容接地；

第二通路包括第二线圈和第二平衡电容，所述第二线圈的第一端连接至射频功率输出端、第二端通过所述第二平衡电容接地，所述第二线圈包围所述第一线圈，所述第一平衡电容和所述第二平衡电容决定经过第一平衡电容和第二平衡电容的反射功率，来自所述射频功率输出电路的入射功率与所述反射功率形成驻波，使得所述第一线圈和所述第二线圈在预设射频频率下达到电压平衡态，处于电压平衡态时所述第一线圈和所述第二线圈上的电压在整个线圈长度上对称分布；

所述开关单元，连接于所述第一通路和/或所述第二通路中；

所述控制方法包括：所述射频功率输出端输出预设射频功率，在点燃等离子体时控制所述开关单元处于第一状态，以破坏所述电压平衡态；

在点燃等离子体后控制所述开关单元处于第二状态，以保持所述电压平衡态。

10.一种ICP设备，其特征在于，包括反应腔、绝缘窗以及如权利要求1-8中任一项所述的线圈驱动电路，所述绝缘窗设置于所述反应腔顶部，所述线圈驱动电路中的第一线圈和第二线圈设置于所述绝缘窗之上。

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