TWI451815B - 電感耦合型電漿處理裝置 - Google Patents

Description

電感耦合型電漿處理裝置

本發明涉及電漿處理裝置領域，特別涉及一種電感耦合型電漿處理裝置。

電漿處理裝置廣泛應用於積體電路的製造工藝中，如沉積、刻蝕等。其中，電感耦合型電漿(ICP,Inductively Coupled Plasma)裝置是電漿處理裝置中的主流技術之一，其原理主要是使用射頻功率驅動電感耦合線圈產生較強的高頻交變電磁場，使得低壓的反應氣體被電離產生電漿。電漿中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理晶圓的表面發生多種物理和化學反應，使得晶圓表面的形貌發生改變，即完成刻蝕過程；另外，上述活性離子比常規的氣態反應物具有更高的活性，可以促進反應氣體間的化學反應，即可以實現電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)。

第1圖為現有技術的一種電感耦合電漿處理裝置的剖面結構示意圖，主要包括：反應腔10、晶圓載台11、電感耦合線圈12和電源13。其中，晶圓載台11位於所述反應腔10中，用於承載和固定晶圓14；電感耦合線圈12設置於反應腔10的頂蓋上方；電源13用於向所述電感耦合線圈12供電，向其提供射頻能量。在工藝過程中，進入反應腔10的反應氣體被上方的電感耦合線圈12產生的高能電磁場電離，形成電漿，如果是刻蝕工藝，可以將所述晶圓載台11連接至一控制電漿能量的低頻電源，以驅動所述電漿對晶圓14進行刻蝕。在這一過程中，使反應氣體電離形成電漿的能量來自於電感耦合線圈12，因此電感耦合線圈12產生的磁場的分佈情況會影響電漿的分佈。

所述電感耦合線圈12一般為平面螺旋結構，其中心部分所激發的電磁場強度較強，而邊緣部分所激發的電磁場強度較弱，因此使得反應腔10內中心部分的電漿密度較高，邊緣部分的電漿密度較低。

為了改善電漿密度分佈的均勻性，現有技術還公開了一種電漿處理裝置，如第2圖所示，其中的電感耦合線圈由兩個相互絕緣的線圈組成，包括：位於中心部分的內層線圈15和排布於內層線圈外的週邊線圈16，所述內層線圈15和週邊線圈16都為平面螺旋結構，電源17和電源18對所述內層線圈15和週邊線圈16分別單獨進行供電，以實現對中心部分和邊緣部分的電磁場強度的獨立調節，改善電漿分佈的均勻性。但是，上述結構中，內層線圈15和週邊線圈16之間存在間隔，使得產生的電磁場強度並不連續，導致電漿密度的分佈並不均勻。

本發明的目的是提供一種電感耦合型電漿處理裝置，提高電漿分佈的均勻性。

為解決上述問題，本發明提供了一種電感耦合型電漿處理裝置，包括：反應腔、電源和設置於所述反應腔頂蓋上方的電感耦合線圈，所述電感耦合線圈包括相疊的至少兩個線圈，所述電源對所述電感耦合線圈中的各線圈分別供電，其中第一線圈在反應腔內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，第二線圈在反應腔內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分。

可選的，所述第一線圈中心部分的線圈到反應腔的距離小於邊緣部分到反應腔的距離，所述第二線圈中心部分的線圈到反應腔的距離大於邊緣部分到反應腔的距離。

可選的，所述第一線圈的繞線密度中心部分大於邊緣部分，所述第二線圈的繞線密度中心部分小於邊緣部分。

可選的，所述第一線圈靠近所述反應腔，所述第二線圈疊在所述第一線圈外。

可選的，所述第二線圈靠近所述反應腔，所述第一線圈疊在所述第二線圈外。

可選的，所述線圈為導線，各線圈通過設置在相鄰線圈之間的絕緣介質實現絕緣。

可選的，所述線圈包括導線和包覆在所述導線外的絕緣外皮。

可選的，所述電源提供至所述電感耦合線圈中的相鄰線圈的電流方向相反。

與現有技術相比，本技術具有以下優點：本技術方案的電感耦合型電漿處理裝置中的電感耦合線圈包括相疊的多個線圈，各線圈之間相互絕緣，其中第一線圈在反應腔內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，第二線圈在反應腔內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分，通過調整對各線圈的供電分別調整反應腔內中間部分和邊緣部分的電磁場，利於改善電漿的分佈密度。

另外，本技術方案中的電感耦合線圈中，所述第一線圈的繞線密度中心部分大於邊緣部分，所述第二線圈的繞線密度中心部分小於邊緣部分，進一步使得第一線圈在反應腔內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，第二線圈在反應腔內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分，利於改善電漿的分佈密度。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式的限制。

現有技術中採用設置於同一平面內的兩個或多個線圈構成電感耦合線圈，對不同的線圈分別進行供電，但是，由於各線圈產生的磁場強度的分佈是並不連續的，影響了電漿分佈的均勻性。

本技術方案中的電感耦合線圈採用相疊的多個線圈構成電感耦合線圈，對不同的線圈分別進行供電，其中第一線圈在反應腔內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，第二線圈在反應腔內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分，通過分別調整第一線圈和第二線圈的供電分別調整反應腔中間部分和邊緣部分的電磁場，利於改善反應腔內電漿分佈的均勻性。

第一實施例

如第3圖所示，第一實施例的電感耦合型電漿處理裝置主要包括：反應腔20，反應腔20包括頂蓋20a、底部和側壁20b，頂蓋20a的材料為絕緣材料，如石英等，所述底部和側壁20b的材料為導電材料，如金屬鋁等；設置於反應腔20的頂蓋20a上方的第一線圈22、疊放設置於所述第一線圈22之上的第二線圈23；給第一線圈22供電的第一電源24以及給第二線圈23供電的第二電源25，另外，反應腔20中還設置有晶圓載台21，用於承載和固定晶圓，晶圓載台21與第一線圈22和第二線圈23覆蓋的範圍正對，即晶圓載台21為工藝操作的覆蓋範圍，所述工藝操作可以是電漿乾法蝕刻、電漿增強型化學氣相沉積等。

其中，第一線圈22和第二線圈23共同構成了本實施例中的電感耦合線圈，第一線圈22在反應腔20內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，第二線圈23在反應腔20內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分。本實施例中，所述第一線圈22中心部分的線圈到反應腔20的距離小於邊緣部分到反應腔20的距離；第二線圈23中心部分的線圈到反應腔20的距離大於邊緣部分到反應腔20的距離。具體的，所述第一線圈22和第二線圈23都螺旋纏繞成圓頂狀(dome)，第一線圈22的頂部與第二線圈23的頂部相對。另外，所述第一線圈22和第二線圈23可以具有均勻的繞線密度，即其中相鄰兩匝導線之間都具有相同的距離。所述第一線圈22和第二線圈23之間通過絕緣介質來實現絕緣，如在相鄰線圈中填充絕緣介質材料，或是將所述第一線圈22和第二線圈23分別設置於絕緣介質材料形成的線圈框架中，以實現第一線圈22和第二線圈23之間的相互絕緣，以及同一線圈中相鄰兩匝導線之間的相互絕緣。或者，在本技術方案的其他實施例中，第一線圈22和第二線圈23中所使用的導線外部包覆有絕緣外皮，以此來實現第一線圈22和第二線圈23之間的相互絕緣，以及同一線圈中相鄰兩匝導線之間的相互絕緣。

第一電源24和第二電源25輸出的射頻功率可以獨立調節，它們可以為兩個相互獨立的電源設備，也可以為同一電源設備中兩個獨立的供電模組，分別向所述第一線圈22和第二線圈23進行供電。

由於第一線圈22為倒置的圓頂狀，其中心部分的線圈到反應腔的距離小於邊緣部分到反應腔的距離，因此，第一線圈22中心部分的線圈激發產生的電磁場在反應腔20內的強度較強，而第一線圈22中邊緣部分的線圈距離反應腔20的頂蓋較遠，其激發產生的電磁場在反應腔20內的強度較弱，因此通過第一電源24對提供至第一線圈22中的射頻功率進行調節，其影響的範圍主要是反應腔20的中心部分。類似的，第二線圈23為正放的圓頂狀，可以通過第二電源25對提供至第二線圈23中的射頻功率進行調節，由於第二線圈23邊緣部分的線圈離反應腔20更近所以其產生的電磁場呈現邊緣部分強於中心部分。

在實際使用中，可以通過第一線圈22和第二線圈23分別調節反應腔20中心部分和邊緣部分的電磁場強度，由於第一線圈22和第二線圈23都覆蓋了整個反應腔20的工藝操作範圍，因此其電磁場強度的分佈具有連續性，可以改善電漿分佈的均勻性。

另外，作為一個優選的實施例，第一電源24提供至第一線圈22中的電流方向與第二電源25提供至第二線圈23中的電流方向相反，使得第一線圈22和第二線圈23激發產生的電磁場方向相反，降低了兩個線圈之間的相互影響，使得調節過程的可控性更高，能夠進一步改善電漿分佈的均勻性。

第二實施例

如第4圖所示，第二實施例的電感耦合型電漿處理裝置主要包括：反應腔30，反應腔30包括頂蓋30a、底部和側壁30b，頂蓋30a的材料為絕緣材料，如石英等，所述底部和側壁30b的材料為導電材料，如金屬鋁等；設置於反應腔30的頂蓋30a上方的第二線圈32、疊放設置於第二線圈32之上的第一線圈33；給第二線圈32供電的第二電源34以及給第一線圈33供電的第一電源35，另外，反應腔30中還設置有晶圓載台31，用於承載和固定晶圓。

其中，第一線圈33和第二線圈32共同構成了本實施例中的電感耦合線圈，與第一實施例類似的，它們都螺旋纏繞成圓頂狀，第一線圈33的頂部與第二線圈32的底部相對，第一線圈33的繞線密度中心部分大於邊緣部分，第二線圈32的繞線密度中心部分小於邊緣部分。與第一實施例類似的，第一線圈33和第二線圈32之間可以通過絕緣介質實現相互的絕緣或是使用外部包覆有絕緣外皮的導線來實現相互絕緣。

第一電源35和第二電源34輸出的射頻功率可以獨立調節，用於分別向第一線圈33和第二線圈32進行供電。

與第一實施例中的機理類似，本實施例中，第一線圈33為正放的圓頂狀，可以通過第一電源35對提供至第一線圈33中的射頻功率進行調節，由於其中心部分的線圈距離反應腔30的距離小於邊緣部分的線圈距離反應腔的距離，而且其中心部分的繞線密度較大，因此其影響的範圍主要是反應腔30的中心部分。第二線圈32為倒置的圓頂狀，可以通過第二電源34對提供至第二線圈32中的射頻功率進行調節，其影響的範圍主要是反應腔30的邊緣部分。

作為一個優選的實施例，第一電源35提供至第一線圈33中的電流方向與第二電源34提供至第二線圈32中的電流方向係為相反，降低了兩個線圈之間的相互影響，使得調節過程的可控性更高，能夠進一步改善電漿分佈的均勻性。

第三實施例

如第5圖所示，第三實施例的電感耦合型電漿處理裝置主要包括：反應腔40，反應腔40包括頂蓋40a、底部和側壁40b，頂蓋40a的材料為絕緣材料，如石英等，所述底部和側壁40b的材料為導電材料，如金屬鋁等；設置於所述反應腔40的頂蓋40a上方的第一線圈42和疊放設置於第一線圈42之上的第二線圈43，另外，反應腔40中還設置有晶圓載台41，用於承載和固定晶圓。此外，還包括電源(圖中未示出)，用於分別向第一線圈42和第二線圈43進行供電。

其中，第一線圈42和第二線圈43共同構成了本實施例中的電感耦合線圈，它們都螺旋纏繞成平面狀。第一線圈42的繞線密度中心部分大於邊緣部分，即從反應腔40的頂蓋40a中心部分至邊緣部分，第一線圈42中相鄰兩匝導線之間的距離逐漸增大，因此，第一線圈42激發產生的電磁場在中心部分的強度較強，可以通過第一線圈42調節反應腔40的中心部分的電漿密度。第二線圈43從中心至邊緣的繞線密度漸密，即從反應腔40的頂蓋40a的中心部分至邊緣部分，第二線圈43中相鄰兩匝導線之間的距離逐漸減小，因此，第二線圈43激發產生的電磁場在邊緣部分的強度較強，可以通過第二線圈43調節邊緣部分的電漿密度，進而實現整個反應腔40內電漿的均勻分佈。

作為一個優選的實施例，第一線圈42和第二線圈43中的電流方向相反，降低了兩個線圈之間的相互影響，使得調節過程的可控性更高，能夠進一步改善電漿分佈的均勻性。

當然，在其他實施方式中，第一線圈42和第二線圈43的疊放次序也可以互換，即第二線圈43靠近所述頂蓋40a，所述第一線圈42疊在所述第二線圈43外。

第四實施例

如第6圖所示，第四實施例的電感耦合型電漿處理裝置主要包括：反應腔50，反應腔50包括頂蓋50a、底部和側壁50b，頂蓋50a的材料為絕緣材料，如石英等，所述底部和側壁50b的材料為導電材料，如金屬鋁等；設置於反應腔50頂蓋50a上方的第一線圈52、疊放設置於所述第一線圈52之上的第二線圈53、疊放設置於第二線圈53之上的第三線圈54以及疊放設置於第三線圈54之上的第四線圈55，另外，反應腔50中還設置有晶圓載台51，用於承載和固定晶圓。此外，還包括電源(圖中未示出)，用於分別向第一線圈52、第二線圈53、第三線圈54和第四線圈55進行供電。

第一線圈52、第二線圈53、第三線圈54和第四線圈55共同構成了本實施例中的電感耦合線圈，它們都螺旋纏繞成平面狀，且相鄰線圈之間的繞線密度的變化趨勢相反，其中，第一線圈52的繞線密度中心部分大於邊緣部分，第二線圈53的繞線密度中心部分小於邊緣部分，第三線圈54的繞線密度中心部分大於邊緣部分，第四線圈55的繞線密度中心部分小於邊緣部分。在實際使用中，多個線圈的結構能夠提供更靈活的調節方法，可以通過對提供至各線圈的射頻能量的調整，實現整個反應腔內電漿的均勻分佈。

作為一個優選的實施例，相鄰線圈之間的電流方向相反，具體的，第二線圈53與第一線圈52的電流方向相反，第三線圈54與第二線圈53的電流方向相反，第四線圈55與第三線圈54的電流方向相反。

當然，在其他實施方式中，電感耦合線圈中包括的線圈還可以為其他數量，如5個、6個、8個等，且相鄰兩個線圈之間的繞線密度的變化趨勢相反。

本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。

10．．．反應腔

11．．．晶圓載台

12．．．電感耦合線圈

13．．．電源

14．．．晶圓

15．．．內層線圈

16．．．周邊線圈

17、18．．．電源

20．．．反應腔

20a．．．頂蓋

20b．．．側壁

21．．．晶圓載台

22．．．第一線圈

23．．．第二線圈

24．．．第一電源

25．．．第二電源

30．．．反應腔

30a．．．頂蓋

30b．．．側壁

31．．．晶圓載台

32．．．第二線圈

33．．．第一線圈

34．．．第二電源

35．．．第一電源

40．．．反應腔

40a．．．頂蓋

40b．．．側壁

41．．．晶圓載台

42．．．第一線圈

43．．．第二線圈

50．．．反應腔

50a．．．頂蓋

50b．．．側壁

51．．．晶圓載台

52．．．第一線圈

53．．．第二線圈

54．．．第三線圈

55．．．第四線圈

第1圖是現有技術的一種電感耦合型電漿處理裝置的剖面結構示意圖；

第2圖是現有技術的一種電感耦合線圈的俯視結構示意圖；

第3圖是本發明第一實施例的電感耦合型電漿處理裝置的剖面結構示意圖；

第4圖是本發明第二實施例的電感耦合型電漿處理裝置的剖面結構示意圖；

第5圖是本發明第三實施例的電感耦合型電漿處理裝置的剖面結構示意圖；及

第6圖是本發明第四實施例的電感耦合型電漿處理裝置的剖面結構示意圖。

20．．．反應腔

20a．．．頂蓋

20b．．．側壁

21．．．晶圓載台

22．．．第一線圈

23．．．第二線圈

24．．．第一電源

25．．．第二電源

Claims (7)

1. 一種電感耦合型電漿處理裝置，包括：一反應腔；一電感耦合線圈，設置於該反應腔頂蓋上方，至少包括一第一線圈與一第二線圈，該第一線圈相疊於該第二線圈，該第一線圈在該反應腔內形成的電磁場中間部分大於邊緣部分，該第二線圈在該反應腔內形成的電磁場邊緣部分大於中間部分，該第一線圈中心部分的線圈到該反應腔的距離小於邊緣部分到該反應腔的距離，該第二線圈中心部分的線圈到該反應腔的距離大於邊緣部分到該反應腔的距離；及一電源，對該電感耦合線圈中之各線圈分別供電。
2. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該第一線圈的繞線密度中心部分大於邊緣部分，該第二線圈的繞線密度中心部分小於邊緣部分。
3. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該第一線圈靠近該反應腔，該第二線圈疊在該第一線圈外。
4. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該第二線圈靠近該反應腔，該第一線圈疊在該第二線圈外。
5. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該第一線圈與該第二線圈係為導線，該第一線圈與該第二線圈透過設置在相鄰線圈之間的絕緣介質實現絕緣。
6. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該線圈包 含一導線與包覆在該導線外的絕緣外皮。
7. 如請求項1所述之電感耦合型電漿處理裝置，其中，該電源提供至該電感耦合線圈中之相鄰線圈的電流方向係為相反。