CN112331546A - 半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体工艺设备，包括激发线圈、工艺腔室和射频源组件，射频源组件与激发线圈电连接，用于向激发线圈提供射频功率，激发线圈环绕工艺腔室设置，该半导体工艺设备还包括调节组件，该调节组件的第一端与激发线圈连接射频源组件的一端电连接，该调节组件的第二端接地，该调节组件用于调节射频源组件的负载阻抗。在本发明提供的半导体工艺设备中，激发线圈与调节组件并联设置，该调节组件可以灵活、高效地改变感性耦合并联支路与容性耦合并联支路之间的功率分配关系以及激发线圈输入端的输入电压，实现对等离子体密度和成分的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备。
背景技术
等离子体处理设备广泛应用于半导体工业，其中感应耦合等离子体(ICP)设备是应用最广泛的等离子体产生装置之一。ICP源借助于射频耦合放电产生等离子体，进而通过等离子体进行刻蚀和沉积等加工制程。
现有的ICP等离子体装置通常包括射频电源以及与该射频电源电连接的ICP线圈，射频电源的射频信号到达ICP线圈后，线圈产生的高频电磁场激发通入工艺腔室的工艺气体产生等离子体。其中，ICP线圈耦合至等离子体的功率通常包括容性耦合和感性耦合两部分，其中感性耦合功率约占2/3，容性耦合部分约占1/3。
为应对刻蚀、沉积等各种等离子工艺的不同反应条件要求，需要通过控制感性耦合功率和容性耦合功率的比例实现等离子体密度和成分的控制。然而，现有技术中调整感性耦合功率和容性耦合功率的方式通常是由操作人员手动调整设备中的ICP线圈等部件的位置以及部件之间的相对距离，调节精度较差且维护时间较长，效率低下。
因此，如何提供一种高效、精准的感性耦合功率调整方案，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备，能够实现灵活、高效地调节激发线圈输入端的输入电压，实现对等离子体密度和成分的精确控制。
为达到上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备，包括激发线圈、工艺腔室和射频源组件，所述射频源组件与所述激发线圈电连接，用于向所述激发线圈提供射频功率，所述激发线圈环绕所述工艺腔室设置，所述半导体工艺设备还包括调节组件，所述调节组件的第一端与所述激发线圈连接所述射频源组件的一端电连接，所述调节组件的第二端接地，所述调节组件用于调节所述射频源组件的负载阻抗。
可选地，所述调节组件的等效电容值可调。
可选地，所述调节组件的等效电容值C满足0＜C＜2ω2*L，ω＝2πf，其中，ω为所述射频源组件的角频率，f为所述射频源组件的频率，L为激发线圈的电感值。
可选地，所述射频源组件的频率为13.56MHz，所述调节组件的等效电容值小于1000pF。
可选地，所述调节组件包括可调电容。
可选地，所述工艺腔室包括介质筒和反应腔，所述介质筒与所述反应腔连通，所述激发线圈环绕所述介质筒的外壁设置；所述半导体工艺设备还包括气体提供组件，所述气体提供组件设置在所述介质筒顶部，用于向所述介质筒中提供工艺气体。
可选地，所述半导体工艺设备还包括屏蔽盒，所述介质筒、所述激发线圈和所述调节组件均设置在所述屏蔽盒中，所述屏蔽盒接地，所述调节组件的第二端和所述激发线圈远离所述射频源组件的一端均与所述屏蔽盒电连接。
可选地，所述半导体工艺设备还包括连接条，所述射频源组件设置在所述屏蔽盒外，所述连接条的一端与所述射频源组件电连接，所述连接条的另一端穿过所述屏蔽盒与所述激发线圈电连接，所述调节组件的第一端与所述连接条电连接。
可选地，所述半导体工艺设备还包括下电极组件和偏压源组件，所述下电极组件设置在所述反应腔的底部，其包括偏压电极，所述偏压源组件与所述偏压电极电连接，用于向所述偏压电极馈入偏压信号。
可选地，所述偏压源组件与所述偏压电极通过导电带电连接，所述半导体工艺设备还包括屏蔽壳，所述导电带设置在所述屏蔽壳中。
在本发明提供的半导体工艺设备中，激发线圈通过感性耦合方式对等离子体做功的等效电路上并联设置有调节组件，该调节组件可以改变激发线圈与该调节组件组成的并联电路的整体阻抗，进而灵活、高效地改变感性耦合并联支路与容性耦合并联支路之间的功率分配关系、以及激发线圈输入端的输入电压，实现对等离子体密度和成分的精确控制。
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是现有技术中一种半导体工艺设备的结构示意图；
图2是图1所示半导体工艺设备中射频电源、线圈等结构以及等离子体之间的等效电路示意图；
图3是本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的半导体工艺设备中射频源组件、激发线圈等结构以及等离子体之间的等效电路示意图；
图5是本发明提供的半导体工艺设备的一种应用实例的负载调节效果示意图。
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所示为现有技术中一种半导体工艺设备的结构示意图，其包括射频电源10、介质筒14、气体提供组件21、屏蔽盒16、反应腔22、下电极电源40、下电极50、以及通过连接线13与射频电源10电连接的ICP线圈15。其中，气体提供组件21用于向介质筒14中提供工艺气体，ICP线圈15通过连接线13接收射频电源10的射频信号并在该射频信号的驱动下激发通入介质筒14中的工艺气体产生等离子体，下电极电源40用于向下电极50提供偏压信号，使下电极50上方的晶片在由介质筒14进入反应腔22的等离子体中完成相应的半导体工艺。
如图2所示为ICP线圈15与等离子体等物质之间发生容性耦合和感性耦合的等效电路示意图，其中感性耦合部分的等效电路可采用变压器电路模型表示，其中变压器初级为ICP线圈15，其电感值为Lcoil，变压器次级为等离子体(等离子体电感表示为Lp，等离子体电阻表示为Rp)；ICP线圈15与等离子体之间的容性耦合部分由ICP线圈15与介质筒14之间的空气间隙电容Cair、介质筒14电容Cw、等离子体鞘层部分(可等效为并联的鞘层电容Cs和鞘层电阻Rs，其中鞘层电阻Rs一般为10KΩ)和体等离子体(等离子体电阻Rbulk，等离子体电感Lp)四部分串联组成。
在现有技术中，ICP线圈15的容性耦合功率和感性耦合功率比例通常通过改变容性耦合部分的阻抗进行调整，具体地：
通过调整ICP线圈15与介质筒14之间的空气间隙电容Cair或者介质筒14自身电容Cw的值可以改变容性耦合功率支路的阻抗，从而改变感性耦合并联支路与容性耦合并联支路之间的功率分配关系。在介质筒14的材料及尺寸确定后，一般只能通过调整ICP线圈15与介质筒14之间的距离来调整空气间隙的宽度，进而改变Cair的值，进而调节容性耦合支路的阻抗。Cair的计算式如下：
其中，ε为真空介电常数，s为线圈截面积，d为线圈105与介质窗104之间的距离(即空气间隙的宽度)，通过控制空气间隙的宽度即可实现对等离子体密度和成分的控制。然而，在设备结构固定后，重新调整ICP线圈15与介质筒14之间的距离来实现耦合比例的调节操作过于复杂，灵活性较差，调节效率低下。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备，如图3所示，该半导体工艺设备包括激发线圈105、工艺腔室和射频源组件，该射频源组件与激发线圈105电连接，用于向激发线圈105提供射频功率，激发线圈105环绕该工艺腔室设置。该半导体工艺设备还包括调节组件，该调节组件的第一端与激发线圈105连接该射频源组件的一端电连接，该调节组件的第二端接地，且该调节组件用于调节该射频源组件的负载阻抗。
在本发明中，激发线圈105通过感性耦合方式对等离子体做功的等效电路上并联设置有该调节组件，该调节组件可以改变激发线圈105与该调节组件组成的并联电路的整体阻抗(即该射频源组件的负载阻抗中的感性耦合部分)，进而灵活、高效地改变感性耦合并联支路与容性耦合并联支路之间的功率分配关系、以及激发线圈105输入端的输入电压，实现对等离子体密度和成分的精确控制。
本发明实施例对该调节组件如何调节该射频源组件的负载阻抗不做具体限定，例如，可选地，该调节组件的等效电容值可调。具体地，作为本发明的一种可选实施方式，如图3所示，该调节组件可以包括可调电容104，其等效电路如图4所示，可调电容104与激发线圈105并联设置，仅需调节可调电容104的电容值，即可改变激发线圈105与可调电容104组成的并联电路上的整体阻抗，进而改变激发线圈105输入端的输入电压，对射频源组件的总输出功率中感性耦合功率与容性耦合功率的比例进行精确控制。
本发明实施例对该调节组件如何与激发线圈105并联不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，如图3所示，该半导体工艺设备还包括连接条103，射频源组件设置在屏蔽盒107外，连接条103的一端与射频源组件电连接，连接条103的另一端穿过屏蔽盒107与激发线圈105电连接，该调节组件的第一端与连接条103电连接。
作为本发明的一种可选实施方式，如图3所示，该工艺腔室可以包括介质筒106和反应腔202，介质筒106与反应腔202连通，激发线圈105环绕介质筒106的外壁设置。该半导体工艺设备还包括气体提供组件201，气体提供组件201设置在介质筒106顶部，用于向介质筒106中提供工艺气体。
本发明实施例对该射频源组件的结构不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，如图3所示，该射频源组件可以包括射频源101(频率一般为0.4MHz至27.12MHz)和匹配器102，射频源101产生的射频信号通过同轴电缆馈入匹配器102后经连接条103分别进入接地可变电容104和激发激发线圈105，激发激发线圈105产生的交变电磁场穿透介质筒106后离化由气体提供组件201通入的反应气体。
本发明实施例对介质筒106的材料不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，介质筒106的材料可以包括陶瓷材料或者石英材料。
为提高射频电路的控制精度，优选地，如图3所示，该半导体工艺设备还包括屏蔽盒107，介质筒106、激发线圈105和调节组件均设置在屏蔽盒107中，屏蔽盒107接地，调节组件的第二端和激发线圈105远离射频源组件的一端均与屏蔽盒107电连接。在本发明实施例中，屏蔽盒107能够屏蔽外界电磁场，避免外界电磁场对激发线圈105等电子元件造成干扰，从而提高射频电路的控制精度。
作为本发明的一种可选实施方式，如图3所示，该半导体工艺设备还包括下电极组件和偏压源组件，该下电极组件设置在反应腔202的底部，其包括偏压电极，该偏压源组件与该偏压电极电连接，用于向偏压电极馈入偏压信号。具体地，该偏压源组件可以包括偏压电源401(频率一般为0.4MHz至13.56MHz)偏压电源401经同轴电缆402将偏压信号传输至匹配器403，并通过匹配器403将信号馈入偏压电极301。
为提高电路安全性，优选地，该下电极组件还包括介质隔离结构302，该介质隔离结构302环绕偏压电极301的边缘设置在反应腔202的底部，用于将偏压电源401以及偏压电极301与接地的腔室壁隔开，避免下电极组件短路。
为提高下电极组件的功率控制精度，优选地，如图3所示，该偏压源组件与偏压电极通过导电带404电连接，该半导体工艺设备还包括接地的屏蔽壳303，导电带404设置在屏蔽壳303中，并由屏蔽壳303限定的空间进入反应腔202中，从而通过屏蔽壳303屏蔽外界电磁场，避免外界电磁场对导电带404等电子元件造成干扰，提高下电极组件的功率控制精度。
如图5所示为本发明提供的半导体工艺设备的一种应用实例的调节效果示意图，在该应用实例中，激发线圈105电感为0.55uH，射频电源101频率为13.56MHz时，通过调节可调电容104的电容值，可以将激发线圈105输入端的电压降低约50％，进而可等效将该容性耦合部分的功率降低约50％。如图5所示，可调电容104的电容值对激发线圈105输入端电压值的影响为非线性关系，如激发线圈105的感抗是可调电容104容抗的2倍时，激发线圈105的输入端电压可降低一倍，可调电容104的电容值越高，则容性耦合功率所占比例越高。
可选地，该调节组件的等效电容值C满足0＜C＜2ω2*L。在调节组件的等效电容值C满足0＜C＜2ω2*L时，感性耦合功率所占比例大于容性耦合功率；反之(C≥2ω2*L时)感性耦合功率所占比例小于或者等于容性耦合功率。其中，ω＝2πf，其中，ω为该射频信号的角频率，f为该射频信号的频率，L为激发线圈105的电感值。
作为本发明的一种可选实施方式，在射频电源101发出的射频信号的频率为13.56MHz的情况下，该调节组件的等效电容值可小于1000pF。
在本发明提供的半导体设备的半导体工艺设备中，激发线圈105通过感性耦合方式对等离子体做功的等效电路上并联设置有调节组件，该调节组件的电学性质可调，从而可以通过调节该调节组件的电学性质来改变激发线圈105与该调节组件组成的并联电路的整体阻抗(即感性耦合部分的阻抗)，进而灵活、高效地改变感性耦合并联支路与容性耦合并联支路之间的功率分配关系、以及激发线圈105输入端的输入电压，实现对等离子体密度和成分的精确控制。
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)
1.一种半导体工艺设备，包括激发线圈、工艺腔室和射频源组件，所述射频源组件与所述激发线圈电连接，用于向所述激发线圈提供射频功率，所述激发线圈环绕所述工艺腔室设置，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括调节组件，所述调节组件的第一端与所述激发线圈连接所述射频源组件的一端电连接，所述调节组件的第二端接地，所述调节组件用于调节所述射频源组件的负载阻抗。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述调节组件的等效电容值可调。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述调节组件的等效电容值C满足0＜C＜2ω2*L，ω＝2πf，其中，ω为所述射频源组件的角频率，f为所述射频源组件的频率，L为激发线圈的电感值。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述射频源组件的频率为13.56MHz，所述调节组件的等效电容值小于1000pF。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述调节组件包括可调电容。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺腔室包括介质筒和反应腔，所述介质筒与所述反应腔连通，所述激发线圈环绕所述介质筒的外壁设置；所述半导体工艺设备还包括气体提供组件，所述气体提供组件设置在所述介质筒顶部，用于向所述介质筒中提供工艺气体。
7.根据权利要求6所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括屏蔽盒，所述介质筒、所述激发线圈和所述调节组件均设置在所述屏蔽盒中，所述屏蔽盒接地，所述调节组件的第二端和所述激发线圈远离所述射频源组件的一端均与所述屏蔽盒电连接。
8.根据权利要求7所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括连接条，所述射频源组件设置在所述屏蔽盒外，所述连接条的一端与所述射频源组件电连接，所述连接条的另一端穿过所述屏蔽盒与所述激发线圈电连接，所述调节组件的第一端与所述连接条电连接。
9.根据权利要求6所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括下电极组件和偏压源组件，所述下电极组件设置在所述反应腔的底部，其包括偏压电极，所述偏压源组件与所述偏压电极电连接，用于向所述偏压电极馈入偏压信号。
10.根据权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述偏压源组件与所述偏压电极通过导电带电连接，所述半导体工艺设备还包括屏蔽壳，所述导电带设置在所述屏蔽壳中。
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