TWI553694B

TWI553694B - Inductance coil group and induction coupling plasma processing device

Info

Publication number: TWI553694B
Application number: TW103140137A
Authority: TW
Inventors: Jun Wang; tao-tao Zuo
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-10-11
Also published as: CN104684235B; TW201528325A; CN104684235A

Description

電感線圈組及感應耦合電漿體處理裝置

本發明涉及電漿處理設備，特別涉及一種電漿體處理裝置的感應耦合線圈。

近年來，隨著半導體製造工藝的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，電漿體技術(Plasma Technology)得到了極為廣泛的應用。電漿體技術通過在電漿體處理裝置的反應腔室內通入反應氣體並引入電子流，利用射頻電場使電子加速，與反應氣體發生碰撞使反應氣體發生電離而電漿體，產生的電漿體可被用於各種半導體製造工藝，例如沉積工藝(如化學氣相沉積)、蝕刻工藝(如乾式蝕刻)等。

電漿體處理設備包括常見的電容耦合型和感應耦合型電漿體處理裝置。在需要較高電漿濃度的應用場合，感應耦合型電漿處理裝置是主流，習知技術CN2907173Y和JP2008251830中傳統的感應耦合電漿反應腔包括一個腔體，腔體內下部設置有基座，基座上可以放置待處理的晶元。反應腔頂部為絕緣材料窗，通常絕緣材料窗是由石英等陶瓷材料製成。絕緣材料窗上方設置有連接到射頻電源的射頻線圈，射頻線圈和絕緣材料窗之間通常還設置有法拉第遮罩板。這些線圈作為天線產生射頻電磁場，其中電磁場中只有部分磁場能夠穿過法拉第遮罩板進入反應腔內電離反應氣體形成高濃度電漿體，大部分電場均被法拉第遮罩板遮罩在反應腔外。如CN2907173Y說明書第五頁第二段所述，法拉第遮罩板能夠遮罩電感線圈向反應腔內的電容耦合，進而減少電漿對絕緣材料層的轟擊，也就減少轟擊產生的顆粒物對待處理基片的污染也提高了絕緣窗的使用壽命和可靠性。

但是這樣的反應腔結構也會帶來嚴重的問題：由於法拉第遮罩板的存在感應線圈上產生的電場無法進入反應腔，只有部分磁場能進入，在點燃電漿體時會造成電漿體無法可靠點燃，需要額外的裝置或者更高能功率輸入射頻線圈才能保證電漿點燃。電漿在點燃前後阻抗是會急劇變化的，從一個高阻抗的物質瞬間變成導體，而調節輸入射頻功率的匹配器需要機械結構來調節阻抗匹配，只能達到秒級，所以匹配器的反應速度遠遠趕不是點燃瞬間的阻抗變化情況，因此為了點燃電漿而施加的額外功率會錯誤的施加到反應腔中一段時間，在這段時間中過高的功率會對反應腔內外的部件或者晶元造成不利的影響。同時由於法拉第遮罩板的存在造成只有部分射頻磁場能夠進入反應腔中激勵反應氣體形成電漿體，部分射頻能量被浪費了，大幅度降低了電能的使用效率。所以業界需要一種既能夠減小感應線圈對反應腔的電容耦合同時又不會降低感應線圈中磁場能量饋入反應腔的效率還能實現穩定的點燃電漿的技術方案。

本發明的主要目的在於克服習知技術的缺陷，提供一種能夠減小感應線圈對反應腔的電容耦合同時又不會降低感應線圈中磁場能量饋入反應腔的效率的技術方案。

本發明提供一種感應耦合電漿體處理裝置，包括：氣密的反應腔，反應腔包括反應腔側壁和位於反應腔頂部的絕緣材料窗，反應腔內包括一用於支撐待處理基片的基座；絕緣材料窗上方設置有一電感線圈組，其特徵在於：所述電感線圈組包括多個電感線圈，每個電感線圈均包括一個輸入端，所述輸入端接受來自射頻電源的射頻電功率；每個電感線圈還包括一個輸出端，所述輸出端連接到一個調節電路；所述每個電感線圈均包括互相串聯連接的輸入線圈、中間線圈、輸出線圈，其中每個中間線圈包括第一端，所述輸入線圈連接在所述中間線圈第一端和所述電感線圈的輸入端之間，所述中間線圈還包括一個第二端，所述輸出線圈連接在中間線圈第二端和所述電感線圈的輸出端之間；所述多個中間線圈位於所述多個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈的下方，且所述每個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈的向下投影位於下方至少一個電感線圈的中間線圈上；所述每個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈寬度小於位於其下方投影位置的中間線圈的寬度，且所述多個電感線圈的中間線圈共同構成一個電場遮罩環。

所述每個電感線圈的輸出端通過一個調節電路連接到接地端，調節電路內包括至少一個可變電容，改變所述可變電容使所述射頻電源在所述每個電感線圈上產生駐波，並且所述駐波電壓最低點位於所述中間線圈上。

所述每個中間線圈的第一端與相鄰的中間線圈的第二端之間存在間隙。

所述多個電感線圈具有相同的電流方向，所述電流方向是順時針或逆時針。

所述多個電感線圈中至少一個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈包括多個線圈段，不同線圈段之間通過多個連接部相連接。

所述多個連接部使具有不同高度或者不同半徑的線圈段相連接，構成與所述電場遮罩環相對應形狀的線圈。

絕緣材料窗上方還包括其它電感線圈圍繞在所述電感線圈組外或者在所述電感線圈組內。

所述每個電感線圈的長度小於射頻電源訊號的3倍半波長長度。

所述的電漿體處理裝置還包括一法拉第遮罩板位於所述電感線圈組和絕緣材料窗之間，所述電感線圈組的向下投影位於所述法拉第遮罩板上。

所述射頻電源的輸出頻率大於等於13Mhz。

所述多個電感線圈均連接到的一個射頻電源提供的相同頻率的射頻功率。

所述多個電感線圈分別連接到的多個射頻電源提供的不同頻率的射頻功率。

本發明還提供另外一種電感線圈組，包括：多個電感線圈，每個電感線圈均包括一輸入端和一輸出端；所述每個電感線圈均包括一個中間線圈，每個中間線圈包括一第一端，一個輸入線圈連接在所述中間線圈第一端和電感線圈輸入端之間，所述中間線圈還包括一個第二端，一個輸出線圈連接在所述中間線圈第二端和所述電感線圈輸出端之間；所述每個電感線圈具有相同的延展方向，所述延展方向為順時針或逆時針；其中每個電感線圈的中間線圈的寬度大於所述輸入線圈和輸出線圈的寬度，且所述每個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈的向下投影位於下方至少一個電感線圈的中間線圈上；其中所述多個電感線圈的多個中間線圈共同組合構成一個電場遮罩環。

所述不同中間線圈的第一端與相鄰的中間線圈的第二端之間存在間隙。。

所述多個電感線圈中至少一個電感線圈的輸入線圈和輸出線圈包括多個線圈段，不同線圈段之間通過連接部相連接，所述連接部使具有不同高度或者不同半徑的線圈段相連接，構成與所述電場遮罩環相對應形狀的線圈。

所述輸入線圈螺旋向下延展到中間線圈第一端，輸出線圈從中間線圈第二端螺旋向上延展，所述輸入線圈螺旋向下或向上延展的方向相同，為順時針或逆時針。

200‧‧‧基座

210‧‧‧反應腔

211‧‧‧材料窗

30‧‧‧線圈

320‧‧‧調節電路

321‧‧‧調節電路

400‧‧‧線圈

401‧‧‧輸入端

403‧‧‧輸出端

410‧‧‧線圈

410a‧‧‧線圈段

410b‧‧‧線圈段

412‧‧‧連接部

418‧‧‧連接部

420‧‧‧線圈

423‧‧‧連接部

430‧‧‧線圈

430a‧‧‧線圈段

430b‧‧‧線圈段

438‧‧‧連接部

500‧‧‧線圈

501‧‧‧輸入端

503‧‧‧輸出端

510‧‧‧線圈

510a‧‧‧線圈段

510b‧‧‧線圈段

512‧‧‧連接部

518‧‧‧變軌連接部

520‧‧‧線圈

523‧‧‧連接部

530‧‧‧線圈

530a‧‧‧線圈段

530b‧‧‧線圈段

538‧‧‧變軌連接部

圖1為本發明電感線圈組結構示意圖；圖2a為本發明電感線圈組第二線圈結構示意圖；圖2b為本發明電感線圈組第二線圈俯視圖；圖2c為本發明電感線圈組第一線圈結構示意圖；圖3為本發明電感線圈組第二線圈上不同位置的電壓幅度分佈圖；圖4為圖本發明圖1中射頻線圈組在右側的線圈截面圖；圖5為應用了本發明電感線圈組的電漿反應腔的結構圖。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

圖1~圖2顯示了本發明的電感線圈的實施例。應該理解，本發明中的電漿體處理裝置可以為電漿體蝕刻、電漿體物理汽相沉積、電漿體化學汽相沉積、電漿體表面清洗等裝置，電漿體處理裝置僅僅是示例性的，其可以包括更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖中所示相同或不同。

請參見圖1，其所示為本發明電感線圈結構示意圖。本發明電感線圈組是多個線圈的組合，包括一個第一線圈400，通過射頻輸入端401連接到射頻電源或其它外部電路，最後通過射頻輸出端403輸出射頻流到後續的調節電路；還包括一個第二線圈500，通過射頻輸入端501連接到射頻電源或其它外部電路，最後通過射頻輸出端503輸出射頻流到後續的調節電路。其中第一線圈400與第二線圈500平行，且射頻電流在第一線圈400內和第二線圈500具有相同的電流方向，兩個線圈產生的磁場疊加共同施加到下方反應腔內形成電漿體。

下面以第二線圈500為例描述本發明線圈結構。請參看附圖2和5，第二線圈500包括一個輸入線圈510從射頻功率輸入端501開始環繞構成一匝線圈，通過一個連接部512向下連接到中間線圈520。中間線圈520呈平板型，一端通過連接部512與輸入線圈510連接，另一端通過連接部523與一個輸出線圈530相連接。輸出線圈530與輸入線圈510對稱且具有相同的長度，從連接部523螺旋向上直到線圈500的輸出端503，其中輸出端503通過一個調節電路320與接地端相連。如圖2c所示第一線圈400與第二線圈500結構類似，也包括一個輸入線圈410從射頻功率輸入端開始環繞構成一匝線圈，通過一個連接部412向下連接到中間線圈420。輸入線圈410包括410a和410b兩個線圈段通過一個連接部418相連接。中間線圈420呈平板型，一端通過連接部412與輸入線圈410連接，另一端通過連接部423與一個輸出線圈430相連接。輸出線圈包括430a和430b兩個線圈段，通過一個連接部438相連接。輸出線圈430與輸入線圈410對稱且具有相同的長度，從連接部423螺旋向上延展直到線圈400的輸出端403通過一個調節電路321與接地端相連。

由於中間線圈上方的空間有限，不同線圈400和500的輸入線圈和輸出線圈均要在中間線圈上方設置而且不能相交，所以需要在輸入線圈410、510和輸出線圈430、530上設置多個連接部，使得輸入線圈和輸出線圈在不同高度和不同半徑的的線圈段之間轉換軌道。如圖2a和2b所示的線圈500包括一個第一變軌連接部518連接在輸入線圈510的第一線圈段510a和第二線圈段510b之間，通過該變軌連接部518，輸入線圈從第一線圈段510a的較高位置和具有大半徑的圓弧軌道，轉而切換到第二線圈段510b具有較低高度和較小半徑的圓弧軌道。同樣在輸出線圈也包括一個第二變軌連接部538，連接在第三線圈段530a和第四線圈段530b之間，實現輸出線圈從第三線圈段530a的具有較低高度大半徑的圓弧軌道切換到第四線圈段530b具有較高位置較小半徑的圓弧形軌道。同樣的第一線圈400也可以設置多個類似的變軌連接部，使得具有不同高度或者半徑的線圈段互相連接固定。同時這些變軌連接部的設置還能夠補償輸入線圈和輸出線圈的長度差，比如通過不同形狀和尺寸的設計可以使得第二電感線圈500的輸入線圈中第一線圈段510a、第二線圈段510b與變軌連接部518的總長度與第二線圈500的輸出線圈中第三線圈段530a、第二線圈段530b與變軌連接部538的總長度盡可能的接近或相同。這樣能保證在中間線圈520上形成的駐波的零點在中間位置，能夠在下方的反應腔內獲得最低的並且最均一的感應電場。

其中第一線圈400的中間線圈420寬度大於輸入線圈410或輸出線圈430，同時第二線圈500的中間線圈520寬度大於輸入線圈510或輸出線圈530。第一線圈和第二線圈的中間線圈420和520均呈弧形，兩者共同組合形成遮罩線圈圖形，如圓形。第一線圈和第二線圈410/510的輸入、輸出線圈430/530向下的投影都在線圈420/520上。

如圖5所示，本發明線圈組可以應用於感應耦合型(ICP)電漿反應器，ICP反應器包括反應腔210提供密閉空間，和位於反應腔頂部的絕緣材料窗211，反應腔內設置有放置待處理基片的基座200。至少一個射頻電源提供射頻功率到一個匹配網路，經過匹配網路調節阻抗後施加到本發明位於絕緣材料窗上的電感線圈組。同樣的射頻電源連接到兩個射頻線圈400和500的輸入端401和501，也可以是具有不同或相同頻率的兩個射頻電源經過各自的匹配器連接到本發明的電感線圈400和500。

本發明線圈400/500在輸入端連接到射頻電源時，調節輸出端的調節電路321、320以獲得一個穩定的電場分佈。調節電路321/320內包括可調節容值的電容，流入的射頻電場部分會被反射回本發明線圈400/500，此時入射電場和反射電場會疊加，經過可調電容的調節最終能夠得到穩定的駐波，形成駐波後就可以在線圈的不同長度處具有穩定的電壓分佈。本發明的調節電路321和320也可以整合成一個可調電路，所以採用整合的調節電路獲得駐波也屬於本發明範圍。

圖3所示為本發明在線圈不同長度位置處的電壓幅度分佈示意圖。駐波的波長與射頻電源的頻率有關，在電漿蝕刻領域典型的射頻電源頻率為13Mhz，對應的波長為23多米，其它如27Mhz，或者60Mhz對應的波長為小於10米。下面以射頻電源的頻率是13Mhz為例來說明本發明的線圈結構，第一線圈400或第二線圈500，總長度小於等於半波長也就是11.5米，此時通過調節線圈平衡可以獲得如圖3所示的駐波分佈。第二線圈500的輸入線圈510上的電壓幅度分佈是從輸入端501最高電壓幅度Va逐漸降低到較低電壓(如Va/3)，中間線圈520上的電壓為正向的為正向的較低幅度電壓(連接部512處的電壓)到反向的較低幅度電壓(連接部523處的電壓，如-Va/3)，輸出線圈30上的電壓幅度分佈為反向的較低幅度電壓到反向的高電壓幅度-Va。在線圈的任意位置處的實際電壓值是以上述曲線為電壓幅值的高頻交流電壓，比如在輸入端501處的電壓為輸入電壓的最高幅度，並以13Mhz的頻率在Va和-Va之間交替變換。

本發明中輸入線圈510和輸出線圈530產生的射頻電場被下方的的中間線圈520遮罩，而中間線圈520本身的電壓如圖3所示具有較低的電壓幅度，比如只有射頻輸入端電壓的1/3也就是Va/3。第一線圈400與第二線圈500具有相似的結構，輸入線圈410和輸出線圈430的射頻電場被下方的中間線圈420遮罩，沒有被420遮罩的，也被第二線圈500的中間線圈520遮罩。第一線圈和第二線圈的中間線圈420、520共同構成一個電場遮罩環，可以遮罩在其上方輸入線圈和輸出線圈上幅度較大的射頻電場。所以第一線圈400和第二線圈500構成的線圈組整體向下的電場強度就只受420和520上較小的電場影響。設置在輸入線圈、輸出線圈下方的中間線圈420/520由於具有足夠的寬度，能夠遮擋在輸入、輸出線圈和下方絕緣材料窗之間，所以能夠遮罩上方輸入線圈410/510和輸出線圈430/530之間產生的電場，所以可以極大的減小電感線圈對下方電漿反應腔210內部的電場耦合影響，也就減少了反應腔頂部絕緣材料窗211的損耗，同時也減少了在電漿處理過程中顆粒物的污染，提高了電漿處理的質量。雖然第一線圈420和第二線圈520的中間線圈兩端之間存在一個間隙，但是由於這個間隙較小不會影響對上方線圈產生的電場的遮罩效果。

通過本發明線圈的設計大幅度減小了感應線圈對反應腔內電漿體的電場耦合效果，所以傳統的法拉第遮罩板可以省略或者簡化，比如可以選擇導體板上具有更大面積的通孔或者槽，容許更多磁場穿透入反應腔，同時也不會造成反應腔頂部絕緣材料窗的過度損耗。法拉第遮罩板上具有更大面積的通孔和槽也有助於利用風扇冷卻頂部的絕緣材料窗，進一步的改善絕緣材料窗上的溫度分佈，防止材料窗因為溫度梯度過大影響反應的均一性或者預防材料窗211因熱膨脹不均而破裂。

圖4為圖1中線圈組在右側X處的垂直截面圖，圖4中第二線圈500的中間線圈520位於下方且寬度較大，第一和第二線圈400、500的多個輸入線圈 410b、510a和輸出線圈430a、530b均位於中間線圈520上方且寬度較小，該多個輸入和輸出線圈向下投影在中間線圈520上。根據本發明原理其它線圈分佈結構也可以應用于本發明，比如有四層或更多層不同高度的線圈，或者上方的輸入線圈和輸出線圈可以具有不同半徑的空間位置，只要其投影仍然在下方中間線圈則本發明通過線圈本身遮罩高壓電場，減小對反應腔的電場耦合的作用仍然有效，屬於本發明範圍。其它可變形實施例：如圖2b所示為本發明線圈組中第二線圈500的俯視圖。本發明線圈組第一實施例的形狀可以是如圖1至2所示多個平行線圈組合構成圓環型的線圈組，如圖2b所示輸入線圈510和輸出線圈530均構成一個圓形環路，底部中間線圈只有半圓形。其它形狀如方形、橢圓形、半圓形等構成迴路的線圈圖形均可以應用本發明線圈結構。本發明線圈組的構成除了圖1-2所示的第一實施例採用2個線圈組合形成線圈組外，也可以是由更多線圈組成，比如3個或者4個等。以4個線圈組為例，4個線圈各具有一個位於底部的平板型中間線圈，4個線圈各自的中間線圈組合形成一個完整的電場遮罩迴路，基本能夠遮罩上方線圈產生的電場。每個線圈上也包括位於中間線圈上方的輸入線圈和輸出線圈，這些輸入線圈、輸出線圈分別連接在各自中間線圈兩端，並且從中間線圈的兩端沿該遮罩迴路方向延展形成迴路。上述4個線圈構成的線圈組中輸入線圈和輸出線圈的長度可以根據需要選擇不同參數，比如其沿遮罩迴路形成的線圈匝數可以大於2匝；也可以比圖一所述的實施例中的更短，比如其中一個線圈，如第1線圈的輸入/輸出線圈的長度只有所述遮罩迴路的周長的一半，此時輸入/輸出線圈向下投影只在第2-4等幾個感應線圈線圈的中間線圈上，不會投影在本身第1線圈的中間線圈部分上，但是這樣第一線圈產生的高壓的射頻電場仍然能被第2-4線圈的平板狀中間線圈遮罩，所以仍然能夠實現本發明目的，屬於本發明實施例。所以本發明射頻線圈的俯視圖形狀可以根據反應區形狀選擇，線圈組中包括的線圈個數也可以選擇，線圈中各個中間線圈/輸入線圈、輸出線圈的具體長度也可以優化選擇，這些不同參數的選擇均屬於本發明實施例。

由於本發明線圈具有自遮罩電場的功能，所以絕緣材料窗211和線圈組之間可以不設習知技術中需要的法拉第遮罩板。當然本發明的中間線圈如圖3所示仍然存在少量電場會進入反應腔，在部分對電場遮罩要求特別苛刻的場合，為了取得最佳的遮罩效果，可以設置部分遮罩板在本發明線圈組和絕緣材料窗之間，該部分遮罩板，由於採用本發明線圈後僅需遮罩圖1-4中中間線圈420/520對應的少量的電場，所以可以只在本發明線圈下方局部位置設置導電的接地板，無需在絕緣材料窗211上方絕大部分面積覆蓋導電接地板，僅留少量面積的孔或槽供磁場通過。在設置有法拉第遮罩板的情況下，本發明的中間線圈420/520寬度也可以減小到與上方的輸入線圈410/510或輸出線圈430/530相類似的寬度。需要更好遮罩效果時可以選擇更寬的法拉第遮罩板以遮罩輸入輸出線圈下方更寬的環狀區域。採用本發明後可以降低電場遮罩的要求，所以即使採用本發明線圈時仍需設置小面積法拉第遮罩板也不會像習知技術採用法拉第遮罩板那樣因為阻擋了磁場進入而影響點火的穩定性。

本發明採用多個並列的電感線圈構成線圈組，電流在不同線圈上分別沿同方向流動(順時鐘或者逆時針電流)共同作用產生電磁場，在下方反應器中獲得相同的電磁場強度僅需要較小的輸入電壓Va，有利於調節電路321/320在後續的控制中工作在較低電壓幅度下，可以提高線路穩定性降低成本。由於第一線圈400和第二線圈500可以是並聯在輸入射頻電源盒接地端之接的，所以獲得相同的電磁場強度相對串聯的傳統電感具有較小的電感值。

本發明電漿反應腔除了如圖5所示採用一組本發明線圈以外還可以添加其它線圈圍繞本發明線圈週邊或者在本發明線圈第一線圈組內側。其它線圈可以是習知技術的漸開線或者多種半徑的圓環組成的線圈，也可以是上述本發明實施例的線圈。這樣組合形成的多個線圈能夠在多個區域內獨立調節產生的電磁場，可以更好的調節電漿在反應腔內的濃度，獲得均一的濃度分佈。

本發明所述電感線圈組的多個電感線圈，其中的輸入線圈410/510和輸出線圈430/530還可以進一部向外側延展使得這些線圈的的輸入端401/501和輸出端403/503向下投影超出了對應中間線圈的範圍，落在電場遮罩環外側或內側，所以這部分線圈產生的電場無法被有效遮罩。但是由於線圈主體部分仍然能夠被遮罩，所以仍遠好於習知技術的效果。這些局部無法遮罩的部分可以由簡單的手段解決，比如超出電場遮罩環的部分接近垂直向上的延展，遠離絕緣材料窗，這樣其產生的電場就小到不會造成嚴重影響；或者在超出部分下方添加額外的獨立遮罩板；或者修改現有電感線圈組中對應位置電感線圈的中間線圈的形狀，使其向外突出以遮罩這部分突出的線圈。這些實施例由於具有本發明利用下方中間線圈自遮罩的基本特徵，能夠解決本發明所要解決的問題所要仍然屬於本發明可變形實施例。本發明所述的電感線圈輸入端401/501和輸出端403/503可以是具有特定電連接結構的實際輸入/輸出端，也可以是射頻功率傳輸線纜中的一個點，只要是能將射頻功率傳輸到本發明的輸入線圈或者將射頻功率從輸出線圈傳輸到調節電路的，並且其向下投影在本發明電場遮罩環內的均可以視為本發明電感線圈輸入端或輸出端。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域中具有通常知識者在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以申請專利範圍所述為准。