CN219591343U - 电感耦合等离子体装置以及镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电感耦合等离子体装置以及镀膜设备。其中，该电感耦合等离子体装置，包括：反应室；介质窗，密封所述反应室；线圈组，与所述反应室隔着所述介质窗对置，所述线圈组具有多个平面状的矩形螺旋线圈，各所述矩形螺旋线圈之间并联；射频电源，所述射频电源与各所述矩形螺旋线圈电连接。根据本实用新型的电感耦合等离子体装置，能够提供更大面积的等离子体源。

Description

电感耦合等离子体装置以及镀膜设备

技术领域

本实用新型涉及等电感耦合离子体技术领域，尤其涉及电感耦合等离子体装置以及镀膜设备。

背景技术

电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)是一种低温高密度等离子体源，通过电感耦合线圈进行射频放电，在射频电源驱动下向反应室提供激发磁场使反应气体产生电离，从而形成等离子体。根据线圈形式的不同，电感耦合等离子体又分为柱面电感耦合线圈等离子体和平面电感耦合线圈等离子体。柱面电感线圈等离子体具有密度高、效率高等优点，但是同时存在均匀性差等的缺点。平面电感线圈等离子体具有密度高、均匀性好等优点，但是同时存在效率相对较低的缺点。

并且，在已知的平面电感耦合线圈等离子体中，线圈的形状通常为圆形螺旋形状。然而，随着镀膜的工艺制程的发展，对等离子体提出了更大面积、更高等离子体密度、更低的离子损伤等要求。例如，在需要更大面积的等离子体的时候，在以往的平面圆形螺旋线圈中，意味着需要更大尺寸的线圈来满足大面积的等离子体的产生需求，当起到传输作用的线圈的尺寸超过射频电源的八分之一波长时，沿着线圈长度上的电压、电流变化将导致电磁场在等离子体产生区域的显著变化，进而可能会引起气体的非均匀激励，造成对样品的不均匀加工。此外，更大尺寸的线圈意味着更大的电感量，这将导致线圈更难达到共轭匹配，并带来异常打火风险，对工艺有很大的不利影响。

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题，为此，提出了一种电感耦合等离子体装置，其能够提供更大面积的等离子体源且不会对工艺产生不利影响。此外，本实用新型还提出了具有该电感耦合等离子体装置的镀膜设备。

根据本实用新型一方面的电感耦合等离子体装置，包括：反应室；介质窗，密封所述反应室；线圈组，与所述反应室隔着所述介质窗对置，所述线圈组具有多个平面状的矩形螺旋线圈，各所述矩形螺旋线圈之间并联；射频电源，所述射频电源与各所述矩形螺旋线圈电连接。

根据本实用新型一方面的电感耦合等离子体装置，具有如下有益效果：能够提供更大面积的等离子体源且不会对工艺产生不利影响。

在一些实施方式中，所述矩形螺旋线圈具有多匝子线圈；所述矩形螺旋线圈的中部设置有射频功率馈入端，从所述射频功率馈入端到与所述射频功率馈入端相邻的一匝子线圈之间的第一间距，比所述矩形螺旋线圈的边缘的相邻的子线圈之间的第二间距大。

在一些实施方式中，多个所述矩形螺旋线圈排成一排。

在一些实施方式中，相邻的两个所述矩形螺旋线圈的最边缘的一匝子线圈之间的第三间距，比相邻的两个所述矩形螺旋线圈各自的所述第一间距小。

在一些实施方式中，相邻的两个所述矩形螺旋线圈之间的所述第三间距能够被调节。

在一些实施方式中，相邻的两个所述矩形螺旋线圈的相互相邻的一侧的射频电流的流向相同。

在一些实施方式中，所述线圈组的沿与多个所述矩形螺旋线圈排列的方向正交的方向的两侧设置有磁性件。

在一些实施方式中，各所述矩形螺旋线圈的可加载的频率、射频功率和/或所流经的电流值能够独立地被调节。

在一些实施方式中，各所述矩形螺旋线圈分别经由可调节电抗元件接地。

根据本实用新型第二方面的镀膜设备，包括镀膜室，所述镀膜室与设置有上述任一项的电感耦合等离子体装置连接。

根据本实用新型第二方面的镀膜设备，具有如下有益效果：能够提供更大面积的等离子体源且不会对工艺产生不利影响。

附图说明

图1是本实用新型的电感耦合等离子体装置的一种实施方式的简要示意图。

图2是本实用新型的电感耦合等离子体装置的线圈组的一种实施方式的俯视图。

图3是图2的线圈组的侧视图。

图4是具有本实用新型的电感耦合等离子体装置的镀膜设备的一种实施方式的简要示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实施方式的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实施方式，而不能理解为对本实施方式的限制。

在本实施方式的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施方式的限制。

在本实施方式的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实施方式的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实施方式中的具体含义。

图1是电感耦合等离子体装置100的简要示意图。图2是线圈组103的俯视图。图3是线圈组100的侧视图。图4是镀膜设备200简要示意图。

参照图1至图4，并主要参照图1第1实施方式的电感耦合等离子体装置100，包括：反应室101、介质窗102、线圈组103以及射频电源104。反应室101的侧边例如设置有进气口106，进气口106用于向反应室101通入反应气体。介质窗102密封反应室101。介质窗102例如包括介电耦合板105，介电耦合板105对反应室101进行真空密封。线圈组103与反应室101隔着介质窗102对置。例如，线圈组103可以设置在介电耦合板105的上方。线圈组103具有多个平面状的矩形螺旋线圈107(为便于说明，后面有时仅称“线圈107”)，各矩形螺旋线圈107之间并联。射频电源104与各矩形螺旋线圈107电连接。具体来说，射频电源104例如经由匹配器108向矩形螺旋线圈107馈入射频电流，以使各矩形螺旋线圈107产生变化的磁场。该磁场可感应出电场，从而使通入反应室101的内部的反应气体电离而产生等离子体。

本实施方式的电感耦合等离子体装置100，能够提供更大面积的等离子体源且不会对工艺产生不利影响。具体来说，例如在PECVD(等离子体增强化学气相沉积)设备、PEALD(等离子体增强原子层沉积)设备等的镀膜设备200中，会对基片205进行镀膜。由于基片205的尺寸不断增大，特别是例如对长方形(需要说明的是，矩形包括长方形和正方形，换言之，正方形视为特殊的矩形)的基片205进行镀膜时，期望呈长方形形态的等离子体源。现有技术当中，为了适应这种极片的尺寸，通常采用例如电容耦合的等离子体源，通过不断地增加极板长度和/或功率，来满足工艺要求。然而，电容耦合等离子体装置相比于电感耦合等离子体装置存在例如密度低、能量高而达不到基片205的镀膜的工艺要求的情况。因此，有考虑针对具体的工艺需求，选择电感耦合等离子体装置。在本实施方式的电感耦合等离子体装置100中，通过设置具有多个并联的、平面状的矩形螺旋线圈107的线圈组103，能够在不过度增大单个线圈107的前提下通过铺设线圈107，从而扩大等离子体源的涵盖面积，例如使等离子体源呈长方形形态，并且，由于平面状的矩形螺旋线圈107在铺设的时候，不会出现例如线圈107辐射不到的区域，因此，即使在通过铺设多个线圈107的情况下，也能够控制等离子体源的均匀性。

由此，本实施方式的电感耦合等离子体装置100，能够在等离子体源的均匀性可控的情况下，提供更大面积的等离子体源且不会对工艺产生不利影响。

继续参照图4，因此，本实施方式的等离子体发生器100可以设置在镀膜设备200中，并与镀膜设备200的镀膜室201连接以向镀膜室201内输送等离子体。作为镀膜设备200，可列举例如PECVD设备、PEALD设备等。以PEALD设备为例，PEALD设备可列举例如基台直线状地往复的卧式的PEALD设备以及基台旋转驱动的立式PEALD设备等。以卧式的PEALD设备为例，PEALD设备包括镀膜室201、前驱体进气装置202、吹扫隔离装置203、本实施方式的等离子体发生器100以及基台204等。基台204上载置有待镀膜的基片205。基片205通过基台204依次被驱动到前驱体进气装置202、吹扫隔离装置203、等离子体发生器100以及返回到吹扫隔离装置203，从而完成一次工艺循环，通过增加循环次数，实现规定的镀膜的厚度。

继续参照图2并辅助参照图1，射频电源104例如从线圈107的中部馈入。各线圈107的可加载的频率、射频功率和/或所流经的电流值能够独立地被调节。具体来说，线圈107例如是空心的铜管，铜管内可以注入冷却液，冷却液只要能够对线圈107进行冷却，并不特别限定，例如可以选择去离子水。线圈107的中部设置有射频功率馈入端109(为便于说明，后面有时仅称“馈入端109”)，线圈107的作为射频功率馈入端109的部分沿大致垂直于线圈107的矩形的平面的方向延伸。作为线圈107的铜管从射频功率馈入端109开始，从内向外延伸出大致呈矩形状的多匝。换言之，线圈107具有多匝的子线圈110，各匝的子线圈110分别大致呈矩形状(需要说明的是，由于加工本身的原因，线圈107弯折的时候会形成圆角)，子线圈110的矩形形状的面积，从中间开始向边缘逐渐增大。优选地，各匝的子线圈110的形状分别大致为正方形状，即：在俯视视角下，作为平面状的线圈107的外周整体呈正方形状且各子线圈110也分别呈正方形状。由此，能够提高线圈107的各个方向的均匀性。此外，线圈107在最边缘的一匝形成有射频功率输出端111(为便于说明，后面有时仅称“输出端111”)。射频功率输出端111也沿大致垂直于线圈107的矩形的平面方向、与射频功率馈入端109同向地延伸。由此，各线圈107例如分别在同一侧(附图中为上侧)接入射频电源以及接地等。

继续参照图1，各线圈107例如可以接入同一个射频电源104。例如，射频电源104接入匹配器108，匹配器108具有多个输出口，各输出口分别与线圈107的馈入端109连接。此外，匹配器108上可以设置有公知的电流调节装置，各线圈107根据实际的情况，确定是否需要调节电流的大小。另外，各线圈107也可以一部分或者全部接入独立的射频电源104，例如，各个线圈107可以分别接入独立的一个射频电源104，各独立的射频电源104分别通过独立的匹配器108与线圈107连接。由此，能够基于各个线圈107的实际情况，加载不同的频率、不同的频率、不同的电流比例的射频功率源等。线圈107的频率范围例如为2MHz至160MHz，线圈107的电流比例范围例如为1％至99％。

继续参照图1，此外，各线圈107例如可以分别经由可调节电抗元件112接地。作为电抗元件112可列举例如可调节的真空电容，真空电容的调节范围例如为10pf至500pf，由此，能够独立地调节各个线圈107上的阻抗特性，通过调节各线圈107的电压分配、功率分配等，能够独立地调节各线圈107所产生的电磁场的强度。

继续参照图2，对于单个线圈107来说，中心区域的电磁场的强度比四周的边缘的电磁场的强度高，因此，在一些实施方式中，从射频功率馈入端109到与射频功率馈入端109相邻的一匝的子线圈110之间的第一间距a1，比矩形螺旋线圈107的边缘的相邻的子线圈110之间的第二间距a2大。例如，一个线圈107具有多匝、在一个具体例子中为五匝的子线圈110，位于中部的为第一匝，位于最边缘的为第五匝。从馈入端109到第一匝的子线圈110(的与该馈入端109相邻的铜管的中心)的第一间距a1，比各匝的子线圈110的之间的第二间距a2(例如第一匝的子线圈110和第二匝的子线圈110之间的相邻的铜管的中心之间的间距)要大。例如，第一间距a1为第二间距a2的2倍以上且4倍以下的距离。此外，第一匝的子线圈110和第二匝的子线圈110之间的第二间距a2例如也可以比线圈107的第四匝和第五匝之间的第二间距a2要大。进一步地，第二间距a2也可以从线圈107的中部开始朝线圈107的边缘逐渐变小。由此，随着第一间距a1相对于第二间距a2之间的尺寸变大，线圈107的中心与四周边缘的电磁场强度差距变小。由此，能够调节基于这些电磁场强度的等离子体源的均匀性。此外，随着第二间距a2从中部相对于边缘之间变小，也能够一定程度上改变线圈107的中心与四周边缘的电磁场强度的差距。

继续参照图1并辅助参照图2，在一些实施方式中，多个矩形螺旋线圈107排成一排。具体来说，例如，线圈107包括四个，四个线圈107沿一个方向直线地排列，由此，形成长度为一个线圈107的长度的四倍以上、宽度与线圈107的宽度大致相同的线圈组103。通过形成这种线圈组103，能够提供更大面积的等离子体源。此外，通过使多个线圈107排成一排，能够便于控制、调节线圈组103的电磁场的情况。例如，在多个线圈107排成一排的情况下，对于线圈107而言，只需要考虑排列方向的耦合的问题。

相邻的两个矩形螺旋线圈107的第三间距a3，比相邻的两个矩形螺旋线圈107各自的第一间距a1小。具体来说，例如，第一间距a1也可以为第三间距a3的2倍以上且4倍以下的距离。更加具体地，例如，各线圈107的第五匝的子线圈110相互相邻的铜管的中心之间的距离即第三间距a3，可以和该相邻的两个线圈107的第二间距a2的间距相等。由此，能够使两个线圈107相邻的位置的电磁场强度和线圈107本身的电磁场强度大致相同，提高基于这些电磁场强度的等离子体源的均匀性。

此外，相邻的两个矩形螺旋线圈107之间的第三间距a3能够被调节。例如，由于线圈107的材质差异、制造差异、馈入的功率的损耗差异等，可能会导致两个线圈107相邻的位置的电磁场强度有差异，通过使线圈107相互之间的第三间距a3能够被调节，能够一定程度上调节两个线圈107相邻的位置的电磁场强度，提高基于这些电磁场强度的等离子体源的均匀性。

继续参照图2，在一些实施方式中，相邻的两个矩形螺旋线圈107的相互相邻的一侧的射频电流的流向(附图中的箭头表示的方向)相同。使射频电流的流向相同的方式并不特别限定，例如，在各线圈107均以中间作为馈入端109、边缘作为输出端111的情况下，可以使线圈107的螺旋方向相反，由此，在各线圈107相互相邻的一侧，射频电流的流向相同。此外，也可以使相邻的两个线圈107其中一个的中间作为馈入端109另外一个边缘作为输出端111，也能够在使各线圈107相互相邻的一侧的射频电流的流向相同。由此，通过使两组线圈107的电流流向相同，能够使线圈107的电磁波相长干涉，由此，能够加强两个线圈107的相互相邻的一侧的电磁场强度，提高基于这些电磁场强度的等离子体源的均匀性。

继续参照图1、图2，在一些实施方式中，线圈组103的沿与多个矩形螺旋线圈107排列的方向正交的方向的两侧设置有磁性件113。作为磁性件113，可列举例如永磁铁、电磁铁等，作为电磁铁，可列举例如磁性的大小可调节的电磁铁等。磁性件113设置在线圈组103的宽度方向的两侧，此外，磁性件113的数量并不特别限定，例如线圈组103的宽度方向的两侧可以分别设置有一个磁性件113，也可以分别设置有多个。通过在线圈组103的宽度方向的两侧设置磁性件113，等离子体中的电子在外加磁场沿着磁力线产生拉摩尔运动(在运动过程中，会沿着强磁力线做自螺旋运动)，这会增加其与中性气体的碰撞路径和概率，增加相应的等离子体密度。在等离子体偏弱的两侧，增加磁性元件有助于改善两侧等离子体均匀性。

继续参照图4，如上所述，上面各实施方式的电感耦合等离子体装置100可以设置在镀膜设备200中，并与镀膜设备200的镀膜室201连接以向镀膜室201内输送等离子体。作为镀膜设备200，可列举例如PECVD设备、PEALD设备等。通过使用上面各实施方式的电感耦合等离子体装置100，第2实施方式的镀膜设备200，能够提供更大面积的等离子体源。

尽管已经示出和描述了本实施方式的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实施方式的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实施方式的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.电感耦合等离子体装置，其特征在于，包括：

反应室；

介质窗，密封所述反应室；

线圈组，与所述反应室隔着所述介质窗对置，所述线圈组具有多个平面状的矩形螺旋线圈，各所述矩形螺旋线圈之间并联；

射频电源，所述射频电源与各所述矩形螺旋线圈电连接。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述矩形螺旋线圈具有多匝子线圈；

所述矩形螺旋线圈的中部设置有射频功率馈入端，从所述射频功率馈入端到与所述射频功率馈入端相邻的一匝子线圈之间的第一间距，比所述矩形螺旋线圈的边缘的相邻的子线圈之间的第二间距大。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，多个所述矩形螺旋线圈排成一排。

4.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，相邻的两个所述矩形螺旋线圈的最边缘的一匝子线圈之间的第三间距，比相邻的两个所述矩形螺旋线圈各自的所述第一间距小。

5.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，相邻的两个所述矩形螺旋线圈之间的所述第三间距能够被调节。

6.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，相邻的两个所述矩形螺旋线圈的相互相邻的一侧的射频电流的流向相同。

7.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述线圈组的沿与多个所述矩形螺旋线圈排列的方向正交的方向的两侧设置有磁性件。

8.根据权利要求1或6所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，各所述矩形螺旋线圈的可加载的频率、射频功率和/或所流经的电流值能够独立地被调节。

9.根据权利要求8所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，各所述矩形螺旋线圈分别经由可调节电抗元件接地。

10.镀膜设备，包括镀膜室，其特征在于，所述镀膜室与设置有权利要求1至9中任一项所述的电感耦合等离子体装置连接。