CN1638599A - 用于产生等离子体的天线和包括其的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

一种天线，包括具有基本相同形状的分支。分支相对中心点对称地设置，并且沿着至少两个同心的图案延伸，该图案的几何中心和中心点重合。每个分支包括完全位于同心图案里的图案形成部分，和至少一个在图案形成部分之间延伸和连接的连接部分。在每个分支的末端提供给分支两端施加电压的输入/输出端子。

Description

用于产生等离子体的天线 和包括其的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及在半导体器件等的制造中使用的等离子体处理装置。更确切的说，本发明涉及一种在等离子体处理装置中用于产生等离子体的天线。

背景技术

一般来说，在半导体衬底上进行沉积工艺和蚀刻工艺来形成半导体器件的微电路图案或部件。一般采用的进行沉积和蚀刻工艺的一个设备就是等离子体处理装置。

等离子体处理装置根据该装置产生等离子体的方法可分为：电感性耦合等离子体处理装置，电容性耦合等离子体处理装置和微波等离子体处理装置。电容性耦合等离子体处理装置具有简单的结构，并且产生均匀的等离子体。电容性耦合等离子体处理装置完成沉积工艺需要较长时间，因为它们产生具有低密度的等离子体。另一方面，电感性耦合等离子体处理装置能够在短的时间内进行沉积工艺，因为他们能够产生具有高密度的等离子体。然而，尽管被广泛的应用，电感性耦合等离子体处理装置产生非均匀的等离子体。

更确切的说，电感性耦合等离子体处理装置包括产生等离子体的室，该室具有进气口、用于在室中产生真空的真空泵和出气口，其中通过进气口将反应气体供给室，通过出气口将气体排出室。将上面支撑晶片的卡盘设置在室的下部。天线设置在室中的上部。通过利用天线为反应气体施加电压来在室中产生等离子体。

该天线可以是单分支型或多分支型天线。虽然在单分支型的天线中阻抗容易匹配，但是单分支型由于其阻抗高，因此以低效率输出射频(RF)功率。另一方面，多分支型天线由于其低的阻抗，在产生RF功率方面的效率高并提供方位上的均匀性。然而，在多分支型天线中，电流可能会不均匀的分布在平行设置的分支。

图14示出了用来产生等离子体的另一种类型的传统天线。该天线包括：螺旋形分支和分别在两个螺旋形分支的末端上提供的输入/输出端子。因为分支是螺旋形的，所以分支的弯曲的半径随着分支的长度而变化。换句话说，分支的几何中心和分支自身之间的距离随着分支的相对角度位置而改变。

由传统天线产生的电场图案与分支的螺旋形状相对应。结果，利用传统天线所产生的等离子体的分布偏向室的一边。也就是说，传统天线不能用于产生均匀的等离子体。

此外，传统天线电气上串联连接，因此传统天线具有阻抗高的特征。这样，传统天线以低效率传输RF功率。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种便于产生均匀等离子体并且具有低阻抗的天线。同样，本发明的一个目的是为了提供一种等离子体处理装置，该装置能够产生均匀等离子体并且包括具有低阻抗的天线。

根据本发明的一个方面，天线包括具有基本相同形状的分立的分支。分支对称设置，并且沿着至少两个关于一中心轴同心的几何图形平放，分支关于此中心轴对称设置。

分支可以沿着同心圆延伸。在这种情况下，每个分支包括：多个弓形图案形成部分和至少一个在图案形成部分之间延伸的并且连接图案形成部分的连接部分。图案形成部分包括的每个分支都有不同的曲率半径。

根据本发明的另一个方面，等离子体处理装置包括：反应气体能被引入其中的室、上面支撑有晶片设置在室的下部的卡盘和具有上述特征的设置在室之上的天线。在分支的两个末端设置用于加到分支两端的电压的输入/输出端子。

室的上壁可以基本是平坦的。在这种情况下，天线分支的图案形成部分基本上都位于同一平面里。可选择地，室的上壁也可以是半球形的。在这种情况下，构成所述的每个分支的图案形成部分分别设置在平行的平面里，这些平面沿着所述半球形上壁的高度隔开。

根据本发明，由于天线的分支基本上形成一同心的几何图形如圆，因此能产生均匀的等离子体。同样地，分支电气上并联连接使得天线具有低的阻抗，且因此能以高的效率为反应气体传输能量。

附图说明

从下面关于参考附图的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更加显而易见。

图1是依据本发明的天线的第一实施例的平面图；

图2是依据本发明的天线的第二实施例的平面图；

图3是依据本发明的天线的第三实施例的平面图；

图4是依据本发明的天线的第四实施例的平面图；

图5是依据本发明的天线的第五实施例的平面图；

图6是依据本发明的天线的第六实施例的平面图；

图7是依据本发明的天线的第七实施例的平面图；

图8是依据本发明的天线的第八实施例的平面图；

图9是依据本发明的天线的第九实施例的平面图；

图10是依据本发明的天线的第十实施例的平面图；

图11是依据本发明的天线的第十一实施例的平面图；

图12是依据本发明的具有图1所示天线的等离子体处理装置的剖面图；

图13是依据本发明的具有图10所示天线的等离子体处理装置的剖面图；

图14是传统天线的透视图；

图15是依据本发明的图5所示天线的剖面图；

图16是电流流过图14所示的传统天线所产生的磁场的图像；

图17是电流流过图15所示的传统天线所产生的磁场的图像；

图18是由图14中所示传统天线所产生的电场的图像；

图19是由图15中所示传统天线所产生的电场的图像。

具体实施方式

实施例1

参考图1，根据本发明的天线100的第一实施例包括：具有形状大体相同的第一和第二分支110和120。第一和第二分支110和120包括导电材料且如导线的形式。此外，第一和第二分支110和120对称地设置在穿过中心C的中心轴附近，并且沿着与中心C一致的两个同心的圆平放。

更明确地说，第一和第二分支110和120包括：第一半圆图案形成部分111和121；第二半圆图案形成部分113和123，每一个都具有比第一图案部分111和121大的半径；以及连接部分112和122；分别在与第一图案形成部分111和121与第二图案形成部分113和123之间的邻接末端之间延伸。第一图案形成部分111和121与第二图案形成部分113和123大体位于同一平面上。

第一分支110的第一图案形成部分111和第二分支120的第一图案形成部分121沿着中心为C的第一圆延伸。第一分支110的第二图案形成部分113和第二分支120的第二图案形成部分123沿着第二圆延伸，该圆具有比第一圆大的直径。在第一图案形成部分111和121与第二图案形成部分113和123之间的间隔，即第一图案形成部分111和121与第二图案形成部分113和123之间的在从中心C的径向方向上的间距是大体不变的。

同样，第一和第二分支110和120的末端沿着经过中心C的中线定位。输入/输出端子114、115、124和125位于第一和第二分支110和120的末端。使用输入/输出端114、115、124和125给第一和第二分支110和120的两端施加电压。因此，当靠近中心C的端子114和124是用作第一和第二分支110和120的输入端时，端子115和125用作将第一和第二分支110和120接地的输出端。另一方面，当靠近中心C的端子114和124是用作使第一和第二分支110和120接地的输出端时，端子115和125是输入端。

实施例2

参考图2，根据本发明的另一天线200，包括：具有大体相同形状的第一和第二分支210和220。第一和第二分支210和220形成了三个大体位于同一平面上的同心圆。第一和第二分支210和220包括与第一和第二分支连接的第三图案形成部分217和227，与图1中所示的第一和第二分支110和120相似，通过连接部分216和226相连。第三图案形成部分217和227沿着第三圆延伸，第三圆具有比第二圆大的直径。在同心圆的每个邻近的对之间的间距是相同的。端子215和225位于第三图案形成部分217和227的外部的末端。

实施例3

参考图3，根据本发明的另一天线300，包括：具有大体相同形状的第一和第二分支310和320。第一和第二分支310和320形成了大体位于同一平面的四个同心圆。第一和第二分支310和320包括四个图案形成部分319和329，并通过连接部分318和328与第一、第二和第三分支相连，与图2中的相应部分相似。第四图案形成部分319和329沿着第四(最外面的)的同心圆延伸。同心圆之间的间距基本上相同。端子315和325位于第四同心图案形成部分319和329的外部的末端。

同样，根据本发明的天线可以有五对或者更多对图案形成部分，其中每对依据第一到第三实施例的原则分别沿着同心圆中的一个延伸。

实施例4

参照图4，依据本发明的另一天线400，包括：形状基本上相同的第一，第二和第三分支410、420和430。第一，第二和第三分支410、420和430对称地位于中心C的附近，并且形成具有中心C的两个同心圆。

第一、第二和第三分支410、420和430包括：第一图案形成部分411、421和431，每个都具有圆的三分之一的形状；第二图案形成部分413、423和433，每个都具有一更大的圆的三分之一的形状；以及连接部分412、422和432在第一图案形成部分411、421和431与第二图案形成部分413、423和433的相邻端之间延伸。第一、第二和第三分支410，420和430基本上位于同一平面。

更确切的说，第一分支410的第一图案形成部分411、第二分支420的第一图案形成部分421和第三分支430的第一图案形成部分431沿着第一圆延伸。第一分支410的第二图案形成部分413、第二分支420的第二图案形成部分423和第三分支430的第二图案形成部分433沿着第二圆延伸，该第二圆的直径比第一圆大。距离，也就是在第一图案形成部分411、421和431与第二图案形成部分413、423和433之间的在径向上的间距是不变的。因此，第一和第二圆对于中心C同心。

第一、第二和第三分支410，420和430的每个末端沿着三条线的其中之一设置，这三条线从中心C向外径向延伸。三条线对着约120°的角度。输入/输出端子414、415、424、425、434和435处于第一，第二和第三分支410、420和430的末端。该输入/输出端子414、415、424、425、434和435用作通过第一、第二和第三分支410、420和430两端提供电压。因此，当靠近中心C的端子414、424和434用作第一、第二和第三分支410、420和430的输入端时，端子415、425和435用作将第二和第三分支410、420和430接地的输出端。在另一方面，当靠近中心C的端子414、424和434用作将第一、第二和第三分支410、420和430接地的输出端时，端子415、425和435用作第一、第二和第三分支410、420和430的输入端。

实施例5

参考图5，根据本发明的另一天线500，包括形状基本上相同的第一、第二和第三分支510、520和530。第一、第二和第三分支510、520和530沿着基本上位于同一平面的三个同心圆延伸。第一、第二和第三分支510、520和530包括连接到第一和第二图案形成部分的第三图案形成部分517、527和537，与图4中所示的第一图案形成部分411、421和431和第二图案形成部分413、423和433相似，分别通过连接部分516、526和536相连。第三图案形成部分517、527和537沿着第三圆延伸，该第三圆具有比第二图案形成部分所延伸的第二圆更大的直径。同心圆之间的间距基本上相等。端子515、525和535分别位于第三图案形成部分517、527和537的外部的末端。

实施例6

参考图6，根据本发明的另一天线600包括：形状基本上相同的第一、第二和第三分支610、620和630。第一、第二和第三分支610、620和630沿着基本上位于同一平面的四个同心圆延伸。第一、第二和第三分支610、620和630包括：分别通过连接部分616、626和636连接到第一、第二和第三图案形成部分的第四图案形成部分617、627和637，与图5中的相应部分类似。第四图案形成部分617、627和637沿着第四圆延伸，该第四圆具有比第三图案形成部分所延伸的第三圆更大的直径。同心圆之间的间距基本上相等。端子615、625和635分别位于第三图案形成部分617、627和637的外部的末端。

同样，根据本发明的天线可以有五个或者更多组三个图案形成部分，其中每组依据第四到第六实施例的原则分别沿着同心圆中的一个延伸。

实施例7

参考图7，依据本发明的另一个实施例700包括：形状基本上相同的第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740。第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740对称地形成在中心C的附近，并沿着两个具有中心C的同心圆延伸。

第一、第二，第三和第四分支710、720、730和740包括第一图案形成部分711、721、731和741，其中每个都具有四分之一的圆的形状，第二图案形成部分713、723、733和743每个都有一个更大的圆的四分之一的形状，以及连接部分712、722、732和742在第一图案形成部分711、721、731和741与第二图案形成部分713、723、733和743的各自末端之间延伸。第一、第二、第三和第四分支710，720、730和740基本上位于同一平面。

第一分支710的第一图案形成部分711，第二分支720的第一图案形成部分721，第三分支730的第一图案形成部分731和第四分支740的第一图案形成部分741沿着第一圆设置。第一分支710的第二图案形成部分713，第二分支720的第二图案形成部分723，第三分支730的第二图案形成部分733和第四分支740的第二图案形成部分743沿着直径比第一圆更大的第二圆设置。距离，即在第一图案形成部分711、721、731和741与第二图案形成部分713、723、733和743之间的径向间距基本上是不变的。因此，第一和第二圆对于中心C是同心圆。

第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740的每个末端，分别沿着从中心C向外径向延伸的四条线的其中之一设置。这些线组成90°角。输入/输出端714、715、724、725、734、735、744和745分别位于第一、第二、第三和第四分支710、720、730、740的末端。使用输入/输出端子714、715、724、725、734、735、744、745给第一、第二、第三和第四分支710，720，730和740的两端施加电压。因而，当靠近中心C的端口714、724、734和744用作用于第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740的输入端时，端子715、725、735和745用作将第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740接地的输出端。另一方面，当靠近中心C的端子714、724、734和744用作将第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740接地的输出端时，端子715、725、735和745将用作第一、第二、第三和第四分支710、720、730和740的输入端。

实施例8

参考图8，根据本发明的另一天线800，包括：具有基本上相同形状的第一、第二、第三和第四分支810、820、830和840。第一、第二、第三和第四分支810、820、830和840沿着基本上位于同一平面中的三个同心圆延伸。第一、第二、第三和第四分支810、820、830和840包括：通过连接部分816、826、836和846连接到第一和第二图案形成部分的第三图案形成部分817、827、837和847，与图7中所示第一图案形成部分711、721、731和741和第二图案形成部分713、723、733和743类似。第三图案形成部分817、827、837和847沿着比第二图案形成部分所延伸的第二圆的直径更大的第三圆延伸。这些同心圆之间的间距基本上相同。端子815、825、835和845分别位于第三图案形成部分817、827、837和847的外部末端。

实施例9

参考图9，根据本发明的另一天线900，包括：具有大体相同形状的第一、第二、第三和第四分支910、920、930和940。第一、第二、第三和第四分支910、920、930和940沿着基本上在同一平面上的四个同心圆延伸。第一、第二、第三和第四分支910、920、930和940包括通过连接部分916、926、936和946连接到第一、第二、第三和图案形成部分的第四图案形成部分917、927、937和947，与图8中所示相似。第四图案形成部分917、927、937和947沿着第四圆延伸，该第四圆的直径比第三图案形成部分所沿着的第三圆的直径更大。同心圆之间的间距是基本上相等。端子915、925、935和945分别位于第四图案形成部分917、927、937和947的外部末端。

同样，根据本发明的天线可以具有五个或者更多组第四图案形成部分，其中每组依据第七到第九实施例的原则分别沿着同心圆中的一个延伸。

实施例10

参考图10，根据本发明的另一天线1100，包括：具有基本上相同形状的第一、第二和第三分支1110、1120，1130。第一、第二和第三分支1110、1120和1130对称地分布在通过中心C的中心轴附近，并且沿着两个中心与中心轴重合的同心圆设置。

第一、第二和第三分支1110、1120和1130包括：第一图案形成部分1111、1121和1131，每个都具有圆的三分之一的形状；第二图案形成部分1113、1123和1133，每个都具有一大的圆的三分之一的形状；以及连接部分1112、1122和1132在第一图案形成部分1111、1121和1131与第二图案形成部分1113、1123和1133的末端之间延伸。第一图案形成部分1111、1121和1131位于第一平面上，并且第二图案形成部分1113、1123和1133位于与第一平面垂直地隔开的第二平面上。

输入/输出端子1114、1115、1124、1125、1134和1135位于第一、第二和第三分支1110、1120和1130的末端。使用输入/输出端子1114、1115、1124、1125、1134和1135给第一、第二和第三分支1110、1120和1130的两端施加电压。因此，当靠近中心C的端子1114、1124和1134用作第一、第二和第三分支1110、1120和1130的输入端时，使用端子1115、1125和1135作为用于使第一、第二和第三分支1110、1120和1130接地的输出端。另一方面，当靠近中心C的端子1114、1124和1134用作使第一、第二和第三分支1110、1120和1130接地的输出端时，使用端子1115、1125和1135作为用于第一、第二和第三分支1110、1120和1130的输入端。

在本实施例中，天线1100有三个分支1110、1120和1130，包括图案形成部分，每个都具有三分之一的圆的形状。然而，根据本发明的天线可以具有其他数目的分支，并该分支包括每个为半圆形或者四分之一圆形的图案形成部分。

实施例11

参考图11，根据本发明的天线1300，包括：具有基本上相同形状的第一和第二分支1310和1320。第一和第二分支1310和1320弯曲成大约90°。第一和第二分支1310和1320对称地形成在中心轴附近，并沿着一组长方形延伸，该组长方形中的每一个在那一点都具有一中心。

上述本实施例的天线的分支被电连接到一高频电源上。因而，电流沿着平行分支的方向流动，因此减少了天线的阻抗。结果，就能够以高的效率向等离子体传送RF功率。此外，这些分支对称地分布从而使得用该天线产生的等离子体均匀。

图12说明了具有根据图1的实施例的天线100的等离子体处理装置1000。参考图12，该等离子体体处理装置1000也包括室1010，入气口1120和出气口1130，其中在该室1010中进行等离子体的处理过程，反应气体通过该入气口1120进入室1010，在室1010中反应所产生的气体通过出气口1130排出室1010。为室1010创造真空的真空泵1040连接到室1010。室1010为圆柱形并且具有平的上壁1070。

其上支撑着晶片的卡盘1050设置在室1010的下部。天线100设置在室1010的上方。可选择地，等离子体处理装置1000中可以使用根据本发明的其他的天线实施例。输出高频率功率的电源1060与天线100连接。

图13说明了具有依照图10地实施例的天线1100的等离子体处理装置1200。参考图13，等离子体处理装置1200还包括具有圆顶形式的上壁的室1210。进气口1220和出气口1230与室1210的内部相连，用于在室1210中产生真空的真空泵1240与室1210相连。其上支撑有晶片的卡盘1250设置在室1210的下部。输出高频功率的电源1260与天线1100连接。天线1100环绕室1210的上部分，即圆顶，因为天线的图案形成部分沿着如具有图10连接中描述的每个平面设置。

由传统的天线和根据本发明的天线所产生的磁场的测量

图14是传统天线的透视图。图15是图1中所示天线的透视图。

图14和15所示的天线的内部端子用作给天线两端施加电压的输入端，并且天线的外部端子用于天线接地。天线的中心位于点Co。在每个天线的内部端子上施加约5安培的RF电流和约13.56MHz的频率。在与天线平行且隔开约5cm的平面里测量磁场的径向分量Br(A/m)。

图16示出了电流流过图14中所示传统天线所产生的磁场。图17示出了电流流过图15中所示天线所产生的磁场。

从图16可以清楚得知，磁场的中心Cp从传统天线(在朝向该图的右下部分的方向上)的中心Co偏移。另一方面，如图17所示，磁场中心Cv与根据本发明的天线的中心Cp重合。应注意到，从图14的天线所产生的磁场的中心Cp从该天线的中心朝向用作天线接地的外部端子偏移了。结果，使用图14中所示天线产生的等离子体可以具有一沿着与从天线中心向外部端子的方向对应的方向上变化的密度，即等离子体在室中可能没有均匀的分布。相反，从图15中中所示的天线所产生的磁场的中心Cv位于该天线的中心Co。因此，利用图15中的天线产生的等离子体能够在室中均匀分布。

由传统的天线和根据本发明的天线所产生的电场的测量

在如上所述的同样的条件下，在与天线隔开约5cm的平面上测量由图14和15中的天线所产生的电场的方位(azimuthal)分量Eθ(V/m)。

图18示出了由图14中的天线所产生的电场。图19示出了由图15的天线所产生的电场。

从图18可以清楚的看到，从图14中的天线发出的电场在天线的中心Co周围并不均匀。另一方面，如图19所示，从图15中的天线发出的电场围绕天线的中心Co形成了同心圆。因而，传统天线不能用作在等离子体加工室内部产生均匀的等离子体。然而，本发明的天线在这样的室中很容易促进均匀的等离子体的形成。

根据本发明，等离子体处理装置的天线包括：具有基本上相同形状的分立的分支，这些分支对称分布并且形成同心圆。因此，利用根据本发明的天线就可以产生均匀。同样，分支并联地电连接，从而天线的阻抗相对较低，借此天线能够高效率地传输RF功率。

尽管以上结合本发明优选实施例描述了本发明，但是注意到优选实施例的修改和变动对于熟悉本领域上述技术的人员来说是显而易见的，因此可以修改和变动本发明公开的实施例，只要在本发明所附的权利要求书定义的本发明的实质精神和范围之内即可。

Claims (12)

1.一种用于产生等离子体的天线，包括：

多个具有基本相同形状的分离的分支，该分支相对中心轴对称地排列，并且分离的分支包括图案形成部分，该图案形成部分完全位于至少两个同心的几何图形里，该几何图形的中心与中心轴重合。

2.如权利要求1所述的天线，其中同心的几何图形是同心圆。

3.如权利要求2所述的天线，其中每个分支包括多个弓形的图案形成部分，和至少一个在图案形成部分之间延伸并连接的连接部分，图案形成部分分别构成沿着同心圆延伸的每个分支，由此构成每个上述分支的图案形成部分具有不同的曲率半径。

4.如权利要求3所述的天线，其中图案形成部分基本上都位于同一平面上。

5.如权利要求3所述的天线，其中的构成的每个分支的图案的形成部分分别在平行的平面上设置。

6.如权利要求3所述的天线，其中在中心和同心圆中的径向最里面之间的径向间距，和在每对邻接的同心圆之间的径向间距基本上相等。

7.如权利要求3所述的天线，其中每个图案形成部分具有在约半圆和约四分之一圆之间的长度。

8.如权利要求1所述的天线，进一步包括在每个分支的末端的导电端子。

9.一种等离子体处理装置，包括：

加工室，反应气体引入其中；

其上支撑有晶片的卡盘，设置在室的下部；以及

设置在所述室之上的天线，该天线包括：多个具有基本相同形状的分离的分支，该分支关于中心点对称分布，并且该分离的分支包括图案形成部分，该图案形成部分完全在至少两个同心的几何图形中设置，且该几何图形的中心与中心点重合。

10.如权利要求9所述的装置，其中同心的图形是同心圆，并且天线的每个分支包括：多个弓形的图案形成部分，和至少一个连接部分，该连接部分在图案形成部分之间延伸并连接，构成每个分支的图案形成部分分别沿着同心圆延伸，由此构成每个分支的图案形成部分具有不同的曲率半径。

11.如权利要求10所述的装置，其中室包括：基本上平坦的圆形上壁，并且图案形成部分基本上都位于同一平面内。

12.如权利要求10所述的装置，其中室包括：一半球形的上壁，并且构成每个分支的图案形成部分分别设置在平行的平面里，这些平面沿着半球形的上壁的高度被隔开。

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