CN1230043C - 感应耦合等离子体发生器天线结构 - Google Patents

Abstract

一种感应耦合等离子体发生器天线结构，它使容纳半导体晶片或平面显示器等被加工物的圆形或长方形箱室内部等离子体密度沿着旋转方向对称均匀产生，从而可以有效加工大尺寸-大面积加工物。感应耦合等离子体发生器天线一端形成施加无线电频率RF电源的带电端，另一端具有接地的接地端，其中上述天线并联电连接至少2个环型天线(10、20)；每个天线(10、20)的带电端P、接地端G以天线(10、20)中心为准分布在对称位置；每个天线(10、20)的带电端P、接地端G分布在箱室远处，每个天线(10、20)的中间部分(10a、20a)位于箱室近处且相互平行交叉设置，使箱室内具有沿着旋转方向的均匀等离子体密度。

Description

感应耦合等离子体发生器天线结构

技术领域

本发明涉及等离子体发生器天线结构，特别是在感应耦合等离子体发生器中使用并联天线降低阻抗，使施加高电压和在天线全区因电压不均引起的不均匀等离子体分布变得均匀。相互对称安装每个天线，相互平行交叉设置带电端和接地端及天线的中间部分，使箱室内等离子体分布沿着旋转方向均匀对称地产生。

背景技术

在制作半导体设备的技术领域中，要把微细图案制作到半导体晶片基板上、平面显示器或者其他类似物上面，就须产生等离子体以进行干蚀刻、化学汽相沉积、溅射等多种表面处理工序。最近为了降低费用及提高产量，可以见到用于半导体装置的晶片或用于平面显示器基片的大小达到例如300mm以上的大型化倾向。随着这种情况，为加工大型晶片或基片的等离子体发生器规模也在增加。

在等离子体发生器中广泛使用感应耦合型等离子体发生器、电容耦合型等离子体发生器等。另外，还开发了对一个通用等离子体发生器施加磁场的方式。

感应耦合型等离子体发生器，虽然等离子体密度高，但为了改善均匀度需要很多附带部件。例如，使用中间部分更厚的绝缘体或把天线变成圆屋顶形态使用，但其不仅结构复杂而且很难使用在氧化膜蚀刻工序中。

上述感应耦合型等离子体发生器包括产生等离子体的箱室，此箱室具备了提供反应气体的气体注入口和保持箱室内部真空状态且反应结束后排除反应气体的真空泵及气体排除口。还有在上述箱室内部有放晶片或玻璃基片等样品的夹盘，在箱室上安装连结高频电源的天线。在上述天线和箱室之间安装绝缘膜以减少天线和等离子体之间的电容耦合，从而帮助来自高频电源的能量通过感应耦合传送到等离子体。

该感应耦合等离子体发生器于是可有如下动作。也就是说，首先通过真空泵排气使箱室内部真空化，从气体注入口导入产生等离子体的反应气体，且保持必要的压力。接着从高频电源向上述天线施加高频功率。

传统感应耦合等离子体发生器使用了单一螺旋形天线或数个单个电极形天线。从而，因无线电频率RF的功率而形成了同天线所在平面垂直的随着时间变化的磁场。这种随着时间变化的磁场在箱室内形成感应电场。电子被加热并被导入电场，形成与天线感应耦合的等离子体。这样电子与周边的中性气体碰撞产生离子及原子团等，把它们利用在等离子体蚀刻及沉积中。还有若从另外高频电源向夹盘施加功率，可以控制射向样品的离子能量。

多条线构成了螺旋形结构的天线，它们彼此串联，每条感应线圈上流动的电流量是固定的。这时调节感应电场分布较困难。箱室内壁上离子及电子的损失造成等离子体中心部的高密度，接近箱室内壁部分等离子体密度下降。所以很难保持均匀等离子密度。

还有，天线的每条感应线圈是串联的，随着天线电压下降大，这增加了与等离子体电容耦合影响。随着电功率下降，也难以保持等离子体均匀性。

下面，在分别连接不同相位三个高频电源的三个单个电极结构天线中，接近各单个电极处等离子体密度高，越接近箱室中央部等离子体密度越低，所以难以确保等离子体均匀性，很难处理大面积的实验体。还有，使用各自独立工作的电源，所以增加了费用，理由是一个独立阻抗匹配电路应当用于单个电极，以得到一个有效利用电能的阻抗匹配状态。

本申请人旨在消除这种弊端，曾申请过有关等离子体发生器的专利，专利号为大韩民国第2000-65696号，这种感应耦合等离子体发生器，独立形成外部天线和内部天线。在上述外部天线和内部天线一端分别组成一次感应线圈和二次感应线圈，使此一次感应线圈和二次感应线圈形成相互感应作用。当向外部天线提供无线电频率RF功率，随着一次感应线圈和二次感应线圈的相互感应作用，使具有二次感应线圈的内部天线也能得到与外部天线相同频率的功率。向内部天线提供的功率可以通过调节一次感应线圈和二次感应线圈间的交叉率或铁氧体磁芯轴向移动来进行。

另外，在上述的等离子体发生器中由环型天线的结构性问题产生箱室内部等离子体的密度分布不均匀的问题，即从图1所示的传统环型天线A-A′线及B-B′线剖面上看，等离子体密度在天线1的中间部分形成等离子体密度相对高的区域Z，天线带电端及接地端出现相对低的等离子体密度，从中发现在A-A′线及B-B′线剖面上等离子体密度分布相互不对称也不均匀。这种等离子体密度分布沿着旋转方向发生非对称的原因是：天线带电端施加较高电压，发生离子损失，造成等离子体下降。同时环型天线断开部分，即带电端和接地端之间电流流量为零(0)，所以不发生感应电场，从而这部分的等离子体产生变弱，导致等离子体密度下降。

还有，传统天线因为施加高电压，等离子体内形成降低半导体元件产量的粉状粒子。

发明内容

为解决上述弊端，本发明提供了一种等离子体发生器，它改进了等离子体发生器天线结构，不施加高电压即可防止粉状粒子的产生，可以使天线全区分布均匀的电压，使箱室内部的等离子体密度分布沿着旋转方向对称并均匀产生，从而可以有效加工大尺寸晶片或大面积平面显示器等离子体。

为了实现此目的，本发明提供一种沿着旋转方向产生均匀等离子体密度的感应耦合等离子体发生器天线结构，这种感应耦合等离子体发生器天线一端形成接收无线电频率RF电源的带电端，另一端接地，其特征在于；上述天线至少并联安装2个环型天线，每个天线带电端和接地端以天线中心为准分布在对称位置并相互交叉，每个天线带电端和接地端分布在箱室远处，每个天线中间部分位于箱室近处。

本发明中，由于各个天线为并联，从而降低了总阻抗，解决了电压不均问题，同时用低电压也可以达到均匀的电压分布，因此防止施加高电压引起的产量下降。并联天线可以设置在内侧和外侧，可以制造宽天线，因此可以进行大尺寸工序。

在本发明具体实施例中，彼此垂直交叉设置在扁平型箱室上的各个天线，使箱室内形成沿着旋转方向均匀的等离子体密度。

本发明的另外一个实施例中提供一种天线，其结构适用于等离子体处理诸如液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)或者有机电激发光显示器(有机EL)大型矩形平面显示器表面。在该天线结构中，内部天线和外部天线，各自形状为矩形，并且彼此并联。内部天线以两个矩形天线双层环状对称重叠设置，从而使电感匹配容易。外部天线由具有L字型的四个天线构成，每个天线有两个边，双层环形对称设置，从而使电感匹配容易。为了有效地减弱电场，设置各个天线，这些天线形成内外部天线，以便使带电端分布在箱室最远处，接地端分布在箱室最近处，从而使等离子体均匀度提高，以及使安装在天线和箱室之间绝缘体内壁上少产生沉积，延长设备的清洁周期，延长设备寿命。

附图说明

图1是传统等离子体发生器天线结构平面图；

图2是图1的A-A′及B-B′剖面上等离子体密度分布曲线图；

图3是根据本发明一实施例的等离子体发生器天线结构透视简要图；

图4是根据本发明一实施例的安装天线的感应耦合等离子体发生器剖面图；

图5是图2的曲线图，图示了沿C-C′及D-D′剖面上等离子体密度分布；

图6是本发明另一个实施例的天线透视图；

图7是本发明又一个实施例的天线透视图；

图8是安装图7所示天线的感应耦合等离子体发生器剖面图；

图9是本发明又一个实施例的天线透视图；

图10是本发明又一个实施例的天线安装状态图；

图11表示，为了可以在液晶显示器(LCD)，等离子显示器(PDP)或有机电激发光显示器(有机EL)等大面积加工物处理中适用，把本发明的天线制造成长方形结构的一实施例透视图；

图12是图11的平面图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的天线结构，但不限于该实施例。

图3是根据本发明一实施例的等离子体发生器天线结构的透视简要图，图4是图3中所示的安装天线的感应耦合等离子体发生器的剖面结构简要图。

如图3及图4所示，本发明中的感应耦合等离子体发生器天线一端形成接收无线电频率RF功率的带电端，另一端接地端电连接接地。在上述天线上并联安装至少2个环型天线10、20，每个天线的带电端P和接地端G以天线10、20中心为准分布在对称位置，且天线10与20相互平行交叉设置，以便天线10、20的带电端P和接地端G彼此平行，即带电端P和接地端G分布在箱室的远处，即在上部，而其中间部分10a、20a位于箱室C的近处，即其下部。

由于各个天线10、20电并联，所以可降低天线的总阻抗，从而可施加低电压。

各个天线10、20交叉范围如下。亦即，天线10、20的上部和下部彼此交叉，以便用于设置带电端P和接地端G的上部、天线10、20中间部分10a、20b所处的下部彼此交叉一半，成为彼此垂直对称。由施加给带电端P的高电压引起离子损失导致的密度下降可通过利用在天线10、20的中间部分10a、20a处产生的高密度等离子体而得到补偿，使等离子体密度分布具有均匀性。

图5是图3中沿C-C′及D-D′剖面上等离子体密度分布曲线图，这是在与图1所示的传统等离子体发生器相同条件下测定的。配置具有根据本发明的天线结构的感应耦合等离子体发生器，以便等离子体密度分布相对于箱室中心如沿C-C′及D-D′截面线呈螺旋对称。

换句话说，本发明中，等离子体密度沿着剖面线C-C’相对于该中心部左右对称分布，这说明，等离子体密度在交叉区C与C’是基本均匀的。在此，天线10的带电端P及接地端G和天线20的中间部分20a相互交叉在交叉区C，而天线20的带电端P及接地端G和天线10的中间部分10a相互交叉在交叉区C′。

还有，沿C-C′线及D-D′线上的等离子体密度曲线彼此基本吻合，这表明在箱室内等离子体密度分布沿着旋转方向相对称。

图6是本发明另一个实施例的天线结构透视图。本实施例具有如下特征；3条天线10、20和30电并联，天线10、20和30的带电端P和接地端G以天线中心为准对称分布，即相互隔开120°分布，以便上、中、下部(10、10b、10a)、(20、20b、20a)、(30、30b、30a)彼此三重平行交叉。

图6所示的3重交叉型天线结构随着天线数和交叉次数越多，相对于旋转方向的对称性越高。根据本发明，随着增加更多天线数和缩小交叉间距，可以确保更低阻抗，可以使离子体相对于旋转方向的对称性更精密。

图7是本发明又一个实施例的天线结构透视图，图8是安装图7的天线结构的感应耦合等离子体发生器剖面简要图。本实施例所示的天线结构是安装在柱面型箱室里，其中2个天线10和20在同一平面上内外交叉设置，而其电路上与第一实施例相同。

图9是本发明又一个实施例的天线结构透视图。本实施例的天线也如同图8所示安装在柱面型箱室里，天线10、20、30沿着共平面同心圆的周界即最外侧圆10、20、30、中间圆10b、20b、30b，最内侧10a、20a、30a彼此三重交叉设置，其电路结构与第二实施例相同。

图10是本发明又一个实施例的天线安装状态图。本实施例中，在箱室上部设置的扁平绝缘体(未示出)的外部和内部交叉安装的并联天线A，B(或图3或图6所示的天线)相互并联电连接。若加工大尺寸半导体时，将平行天线同心地设置成2重或3重以使等离子体密度在旋转方向上以及在大尺寸箱室的内部和外部均匀分布。

尽管已经通过上述几个实施例描述了处理圆形半导体晶片表面的天线结构，但本发明也可以适用于具有这样一种天线结构的等离子体发生器，该天线结构适用于对用作平板显示装置如液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、有机电激发光显示器(有机EL)等的长方形加工物进行等离子体处理，该加工物具有长方形箱室，其上面再安装长方形天线。

图11及图12是本发明又一个实施例的天线透视图和平面简要图，可以看出其天线为长方形，形成2层重叠结构。

图11及12所示的实施例中，把各自为长方形的内部天线B和外部天线A与各个导电体即带电块E和接地跳线D并联。为便于电感适配，内部天线B安装成二个矩形天线B1、B2对称重叠设置为二层环形，外部天线A安装成以二层环形形式对称设置具有2个边的4个L字型天线A1、A2、A3、A4。为了有效地减少电场，形成内、外部天线B、A的各个天线B1、B2、A1、A2、A3、A4的每个带电端P分布在远离箱室处，每个接地端G分布在箱室近处，从而使等离子体均匀度提高及通过抑制等离子体在天线和箱室之间的绝缘体内壁产生沉积来延长清洁周期，进而增加设备的使用寿命。

由于构成上述内部天线B和外部天线A的每个天线B1、B2、A1、A2、A3、A4是并联的，内部天线B的电感和大于外部天线A电感和，电流较多地供给电感和小的外部天线A，因此可以控制箱室外侧和中心部等离子体密度变得均匀。为防止外部天线A的电感过度变大，外部天线A具有4个基本上为L字型、且在每一边相互交叉的天线A1、A2、A3、A4。内部天线B设置成其带电端和接地端相互对称，因此沿着旋转方向也可以形成均匀的等离子体。

工业实用性

如上所述，本发明利用了并联天线，并且各个天线单元以水平或垂直方式彼此全部或部分地交叉。根据本发明，由于天线单元并联电连接，所以降低阻抗，用低电压也可以实现均匀的电压分布。可以抑制因施加高电压影响产量的灰尘粒子产生。而且在处理晶片的环形或矩形箱室内部，可以沿着旋转方向产生对称的等离子体密度分布，而不需要繁琐的电压调节，因此提高了等离子体产生效率。可以提供适于加工大尺寸晶片或大面积平面显示器的等离子体发生器。

Claims (4)

1、一种感应耦合等离子体发生器天线结构，该天线结构的一端形成施加无线电频率RF功率的带电端，另一端接地，其特征在于：

至少2个环型天线单元彼此电并联地布置；

各天线的带电端和接地端相对于天线中心对称布置；

各天线相互交叉设置以便其带电端和接地端设置在远离箱室处，而其中心部分则设置在靠近箱室处。

2、根据权利要求1所述的感应耦合等离子体发生器天线结构，其特征在于：彼此垂直交叉设置上述各个天线。

3、根据权利要求1所述的感应耦合等离子体发生器天线结构，其特征在于：上述各个天线彼此同心且水平地交叉设置。

4、一种感应耦合等离子体发生器天线结构，其中一个内部天线和一个外部天线，均为矩形，彼此并联，

该内部天线安装成两个矩形天线单元对称重叠为双层环形；

该外部天线安装成四个L形天线单元对称布置为双层环形，其中每个单元有两个边；以及

其中每个带电端布置在该箱室最远端，每个接地端布置在该箱室近端。

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