CN1925074B

CN1925074B - 电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置

Info

Publication number: CN1925074B
Application number: CN2005100937335A
Authority: CN
Inventors: 宋巧丽
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: CN1925074A

Abstract

本发明公开了一种电感耦合线圈，包括内部线圈和外部线圈，内部线圈和外部线圈具有不同的形状，且内部线圈和外部线圈的端点间相互连接。其中内部线圈和外部线圈可分别为阿基米德线圈、螺线管或双层线圈，通过不同形状线圈之间的组合，以达到弥补电感耦合线圈使用中中心部分和外围部分电磁场分布不均的缺点，改善等离子体在反应腔室内部分布的均匀性，同时由于内部线圈和外部线圈中连接方式的变化，还可有效控制电感耦合线圈中电感的大小，很容易获得大面积的等离子体和改善大面积工艺中等离子体的均匀性。更使采用这种电感耦合线圈的电感耦合等离子体装置，满足晶片加工过程中加工尺寸要求越来越大的趋势。

Description

电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置

技术领域

本发明涉及一种半导体晶片加工设备用配件，尤其涉及一种电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置。

背景技术

目前，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置广泛地应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。其中电感耦合等离子体装置(ICP)被广泛应用于刻蚀等工艺中。在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性反应基团和被刻蚀物质表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使材料表面性能发生变化。

图1所示的电感耦合等离子体装置是目前半导体刻蚀设备中大多数采用的结构。一般由反应腔室4、静电卡盘6与电感耦合线圈3组成，静电卡盘6位于反应腔室4与匹配器2和射频源1连接，静电卡盘上安装6晶片5。电感耦合线圈3位于反应腔室4上方与匹配器2和射频源1连接。在半导体加工过程中，进入反应腔室4的工艺气体被上方的电感耦合线圈3电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀晶片5表面的材质。系统中分子泵抽出反应腔室4中的气体。在这一过程中，使气体产生电离形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈3，图2是目前半导体刻蚀设备中大多数采用的电感耦合线圈3结构，因电感耦合线圈3结构为平面螺旋结构。该电感耦合线圈3在反应腔室4中央部分所激发的电磁场较强，而边缘部份所激发的电磁场较弱，因此反应腔室4中央部分的等离子体密度较高，边缘部份的等离子体密度较低。可见，由平面电感耦合线圈3激发的等离子体密度存在很大的方位角的不对称性只能依靠扩散来弥补外围密度低的区域。目前的晶片5的尺寸从100mm增加到300mm。反应腔室4的体积也相应的增大，依靠扩散使等离子体密度达到均匀已经非常的困难了，因此目前大多数的刻蚀设备都存在着刻蚀速率不均匀的问题，这对半导体制造工艺造成了很大的不利影响。

为了在被刻蚀物质表面上得到比较均匀的刻蚀速率，就需要在反应腔室4内部晶片5上方获得比较均匀的等离子体密度分布。这就需要发明一种电感耦合线圈3来解决上述问题，使晶片5上方获得较为均匀的等离子体分布，提高刻蚀的质量。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置，可以使工艺气体在反应腔室的晶片上方分布均匀，使晶片表面发生的化学反应速度差异较小，刻蚀速率均匀，提高刻蚀晶片的质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电感耦合线圈，包括内部线圈和外部线圈，内部线圈和外部线圈的端点间相互连接，所述内部线圈和外部线圈可分别为阿基米德线圈、螺线管或双层线圈，其中：

所述内部线圈为阿基米德线圈，所述外部线圈为螺线管或双层线圈；或，

所述内部线圈为螺线管，所述外部线圈为阿基米德线圈或双层线圈；或，所述内部线

圈为双层线圈，所述外部线圈为螺线管或阿基米德线圈。

所述内部线圈和外部线圈的圈数至少为一匝，内部线圈与外部线圈之间通过串联或并联方式连接，连接的末端分别作为电感耦合线圈的输入端或输出端。

所述电感耦合线圈还可包括接地电容，所述接地电容与电感耦合线圈的输出端连接。

所述电感耦合线圈中每匝线圈之间的间距为等距或不等距。

所述的双层线圈为平面线圈，包括上层线圈和下层线圈，上层线圈和下层线圈之间互相串连，且由一根导线环绕而成。

所述双层线圈的单匝由一个或多个弧形线圈组成，所述多个弧形线圈中的一匝或多匝弧形线圈对称分布，其余匝的弧形线圈不对称分布。

所述阿基米德线圈为一根以上导线分别环绕而成的多个线圈，并且相互嵌套。

所述螺线管也可为一根以上导线分别环绕而成的多个线圈，并且相互嵌套。

所述阿基米德线圈或螺线管的端点之间为并联连接。

一种使用上述电感耦合线圈的电感耦合等离子体装置，包括反应腔室、静电卡盘、电感耦合线圈和电源部份组成；电源部份由匹配器和射频源组成；静电卡盘和电感耦合线圈的输入端分别依次连接匹配器和射频源。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的电感耦合线圈，通过内部线圈和不同于内部线圈的外部线圈的相互组合，弥补了电感耦合线圈使用中中心部分和外围部分的电磁场分布较弱的缺点，改善了等离子体在反应腔室内部分布的均匀性，使得在晶片表面上各点的刻蚀速率更加相近，同时由于内部线圈和外部线圈中连接方式的变化，有效控制了电感耦合线圈中的电感的大小，即使随着晶片尺寸的增大，仍可以很容易的获得大面积的等离子体和改善大面积工艺中等离子体的均匀性。采用这种结构的电感耦合等离子体装置，则能很好控制从晶片中央到边缘刻蚀速率的均匀性，满足当今晶片加工过程中加工尺寸要求较来越大的趋势。

附图说明

图1为现有技术中的电感耦合等离子装置；

图2为双层线圈结构示意图一；

图3为图2双层线圈的G-G剖示意图；

图4为双层线圈结构示意图一；

图5为图4双层线圈的H-H剖示意图；

图6为电感耦合线圈示意图一；

图7为图6电感耦合线圈的A-A剖示意图；

图8为电感耦合线圈示意图二；

图9为图8电感耦合线圈的B-B剖示意图；

图10为电感耦合线圈示意图三；

图11为图10电感耦合线圈的C-C剖示意图；

图12为电感耦合线圈示意图四；

图13为图12电感耦合线圈的D-D剖示意图；

图14为电感耦合线圈示意图五；

图15为图14电感耦合线圈的E-E剖示意图；

图16为电感耦合线圈示意图六；

图17为图16电感耦合线圈的F-F剖示意图；

图18为电感耦合等离子体装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明所述一种电感耦合线圈，包括内部线圈和外部线圈，内部线圈和外部线圈的端点间通过串联或并联方式相互连接，连接的末端分别作为电感耦合线圈的输入端或输出端。内部线圈和外部线圈分别为阿基米德线圈、螺线管或双层线圈，且内部线圈和外部线圈具有不同的形状，其中阿基米德线圈为两根导线环绕而成，并相互嵌套；螺线管和双层线圈为一根导线环绕而成，线圈中每匝线圈之间都具有相同的间距，匝数至少为一匝以上。其中双层线圈的形式如图2与图3所示：下层线圈从内数第一圈的输入端50沿下层线圈平面逆时针转至52号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈的从内数第一圈；沿上层线圈平面顺时针转至53号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第二圈；沿下层线圈平面逆时针转至54号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈的从内数第二圈；沿上层线圈平面顺时针转至55号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第三圈；沿下层线圈平面逆时针转至56号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈的从内数第三圈；沿上层线圈平面顺时针转至57号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第四圈；沿下层线圈平面逆时针转至58号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈的从内数第四圈；沿上层线圈平面顺时针转至59号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第五圈；沿下层线圈平面逆时针转至60号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈的从内数第五圈；沿上层线圈平面顺时针转至输出51。

而双层线圈的另一种具体形式如图4与图5所示：下层线圈从内数第一圈的输入端50沿下层线圈平面逆时针转至61号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈；沿上层线圈平面顺时针转至62号位置，向下至下层线圈平面，向内至下层线圈的从内数第二圈；沿下层线圈平面逆时针转至63号位置，向上至上层线圈平面，向外至上层线圈；沿上层线圈平面顺时针转至64号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第三圈；沿下层线圈平面逆时针转至65号位置，向上至上层线圈平面，向内至上层线圈；沿上层线圈平面顺时针转至66号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第四圈；沿下层线圈平面逆时针转至67号位置，向上至上层线圈平面，向内至上层线圈；沿上层线圈平面顺时针转至68号位置，向下至下层线圈平面，向外至下层线圈的从内数第五圈；沿下层线圈平面逆时针转至输出51。

上述电感耦合线圈的输出端还可连接接地电容，而电感耦合线圈中每匝线圈之间也可为不等距排列。

其中内部线圈和外部线圈间的组合方式和具体连接方式为：

实施例1

如图6、图7所示，内部线圈为两根导线分别环绕成2.5匝的两个阿基米德线圈，且两个阿基米德线圈相互嵌套在一起，外部线圈为单根导线环绕而成2.5匝的螺线管，阿基米德线圈和螺线管的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中阿基米德线圈的端点17、端点20与螺线管的端点16连接；阿基米德线圈的端点18、端点19与螺线管的端点21连接，两个阿基米德线圈间相互并联后与螺线管并联在一起，并联后的两个端点分别作为电感耦合线圈的输出端和输入端。

当然内部的两个阿基米德线圈与外部的螺线管之间也可相互串联，及阿基米德线圈的端点17与端点20连接，并作为电感耦合线圈的输入端；而阿基米德线圈的端点18、端点19与螺线管的端点16连接，螺线管的端点21则作为电感耦合线圈的输出端，这样两个阿基米德线圈间相互并联后与螺线管串联在一起。

实施例2

如图8、图9所示，内部线圈为两根导线分别环绕成1.5匝的两个阿基米德线圈，且两个阿基米德线圈相互嵌套在一起，外部线圈为单根导线环绕而成3匝的双层线圈，阿基米德线圈和双层线圈的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中阿基米德线圈的端点22与端点25连接，并作为电感耦合线圈的输入端，而阿基米德线圈的端点23、端点24与螺线管的端点26连接，螺线管的端点27则作为电感耦合线圈的输出端，这样两个阿基米德线圈间相互并联后与双层线圈串联在一起，串联后的两个端点分别做为电感耦合线圈的输出端和输入端。

当然内部的两个阿基米德线圈与外部的双层线圈之间也可相互并联，及阿基米德线圈的端点22、端点25与双层线圈的端点26连接；阿基米德线圈的端点23、端点24与双层线圈的端点27连接，两个阿基米德线圈间相互并联后又与双层线圈并联在一起，并联后的两个端点分别作为电感耦合线圈的输出端和输入端。

实施例3

如图10、图11所示，内部线圈为单根导线环绕而成的2.5匝的螺线管，外部线圈为两根导线环绕成2.5匝的两个阿基米德线圈，且相互嵌套在一起。螺线管和阿基米德线圈的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中阿基米德线圈的端点10、端点13与螺线管的端点14连接；阿基米德线圈的端点11、端点12与螺线管的端点15连接，两个阿基米德线圈间相互并联后与内部的螺线管并联在一起，并联后的两个端点分别为输出端和输入端。

当然内部的螺线管与外部的两个阿基米德线圈之间也可相互串联，及阿基米德线圈的端点10与端点13连接，并作为电感耦合线圈的输入端；而阿基米德线圈的端点11、端点12与螺线管的端点14连接，螺线管的端点15则做为电感耦合线圈的输出端，这样两个阿基米德线圈间相互并联后与螺线管串联在一起。

实施例4

如图12、图13所示，内部线圈为单根导线环绕而成2.5匝的螺线管，外部线圈为单根导线环绕而成3匝的双层线圈，螺线管和双层线圈的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中螺线管的端点30与双层线圈的端点32连接，螺线管的端点31与双层线圈的端点33连接，螺线管与双层线圈并联在一起，并联后的两个端点分别为输出端和输入端。

当然内部的螺线管和外部的双层线圈之间也可为串联，及螺线管的端点30作为电感耦合线圈的输入端，而螺线管的端点31与双层线圈的端点32连接，双层线圈的端点33则作为电感耦合线圈的输出端。

实施例5

如图14、图15所示，内部线圈为单根导线环绕而成4匝的双层线圈，外部线圈为单根导线环绕而成2.5匝的螺线管，螺线管和双层线圈的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中螺线管的端点41与双层线圈的端点42连接，螺线管的端点44与双层线圈的端点43连接，螺线管与双层线圈并联在一起，并联后的两个端点分别为输出端和输入端。

当然内部的双层线圈与外部的螺线管之间也可为串联，及螺线管的端点41作为电感耦合线圈的输入端，螺线管的端点44与双层线圈的端点42连接，而螺线管的端点43则作为电感耦合线圈的输出端。

实施例6

如图16、图17所示，内部线圈为单根导线环绕而成4匝的双层线圈，外部线圈为两根导线分别环绕而成的1.5匝的两个阿基米德线圈，且相互嵌套在一起，螺线管和阿基米德线圈的中心线相互重合，并成对称分布在同一个水平面上，其中阿基米德线圈的端点35和端点40连接，并作为电感耦合线圈的输入端，而阿基米德线圈的端点36、端点39和双层线圈的端点37连接，双层线圈的端点38则作为电感耦合线圈的输出端。两个阿基米德线圈间相互并联后与双层线圈串联在一起。

当然内部的双层线圈与外部的阿基米德线圈之间也可为并联连接，及阿基米德线圈的端点35、端点40和双层线圈的端点37连接，而阿基米德线圈的端点36、端点39和双层线圈的端点38连接，两个阿基米德线圈间相互并联后又与双层线圈并联在一起，并联后的两个端点分别为输出端和输入端。

显而易见，上述实施例中螺线管也可为两根导线环绕而成。

如图18所示，本发明所述一种使用上述电感耦合线圈的电感耦合等离子体装置，包括反应腔室4、静电卡盘6、电感耦合线圈3、接地电容9、匹配器2和射频源1组成。电感耦合线圈3的输入端，以及电感耦合等离子体装置中静电卡盘6的输入端分别与匹配器2和射频源1依次连接，电感耦合线圈3的输出端与接地电容9连接。当电感耦合等离子体装置接通电源后，反应腔室4中的静电卡盘6上产生静电引力吸附晶片5，通过调整接地电容9，控制位于晶片5上方的电感耦合线圈3电离后产生均匀的等离子体，以满足刻蚀晶片5表面的需要。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种电感耦合线圈，其特征在于，包括内部线圈和外部线圈，内部线圈和外部线圈的端点间相互连接，所述内部线圈和外部线圈中：

所述外部线圈为双层线圈，所述内部线圈为螺线管或阿基米德线圈；或，所述内部线圈为双层线圈，所述外部线圈为螺线管或阿基米德线圈；

所述的双层线圈包括上层线圈和下层线圈，上层线圈和下层线圈之间互相串连，且由一根导线环绕而成。

2.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述内部线圈和外部线圈的圈数至少为一匝，内部线圈与外部线圈之间通过串联或并联方式连接，连接的末端分别做为电感耦合线圈的输入端或输出端。

3.根据权利要求2所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述电感耦合线圈还包括接地电容，所述接地电容与电感耦合线圈的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述电感耦合线圈中每匝线圈之间的间距为等距或不等距。

5.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述的上层线圈和下层线圈分别为平面线圈。

6.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述阿基米德线圈有2个阿基米德线圈组成，并且相互嵌套。

7.根据权利要求6所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述2个阿基米德线圈的端点之间为并联连接。

8.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述螺线管有2个螺线管组成，并且相互嵌套。

9.根据权利要求8所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述两个螺线管的端点之间为并联连接。

10.一种电感耦合等离子体装置，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的电感耦合线圈，还包括反应腔室、静电卡盘和电源部份；所述电源部份由匹配器和射频源组成；所述静电卡盘和电感耦合线圈的输入端分别连接匹配器和射频源。