TWI588865B - Inductively Coupled Plasma Processing Unit - Google Patents

Description

電感耦合等離子體處理裝置

本發明關於一種等離子處理裝置，特別係關於一種電感耦合等離子體處理裝置的加熱器。

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，等離子工藝被廣泛應用於半導體元件的製造中。其中主要的等離子處理裝置包括電容耦合型(CCP)和電感耦合型(ICP)兩種，其中電感耦合型的等離子處理裝置具有等離子濃度高，刻蝕速率快等優點。如圖1所示電感耦合型等離子處理裝置通常包括一個反應腔100，反應腔100頂部為絕緣材料窗110，反應腔內下方為放置待處理基片的基座20，一個低頻射頻電源(如2Mhz/400KHz)通過一個匹配器連接到基座20。一個排氣裝置連通到基座20周圍，抽走反應完成的氣體，控制反應腔內的氣壓。絕緣材料窗上表面還包括加熱線圈120以控制絕緣材料窗110的溫度，因為絕緣材料窗的溫度不同會影響反應腔內反應進行速度的均一性，絕緣材料窗110上的溫度梯度太大時甚至會造成絕緣材料窗110的開裂破損。加熱線圈120通過導線連接到一個加熱電源。加熱線圈上方140設置有至少一個感應線圈140，感應線圈通過一個匹配網路連接到高頻射頻電源(如13MHz)。高頻射頻功率被施加到感應線圈140後產生了高頻磁場，這些高頻磁場向下穿過加熱線圈120和絕緣材料窗進入反應腔內，高頻磁場感應產生高頻電場，高頻電場激勵反應腔的反應氣體產生並維持需要的等離子體。這些高頻磁場不僅能在反應腔內產生感應電場，也會在加熱線圈120內感 應產生感應電流，這些感應電流會影響加熱線圈的加熱功率控制，甚至會倒流入加熱電源中造成危害。高頻射頻電源的輸出功率在不同的處理步驟中是可變的，所以加熱線圈裡的感應電流也是變化中的，這對穩定控制加熱功率，進一步精確控制絕緣材料窗的溫度是很不利的。所以多個不同半徑的獨立的加熱線圈，或者漸開線型等傳統的加熱線圈圖形在電感耦合等離子處理器上應用具有很大的局限性。為了減小這些高頻磁場對加熱線圈的干擾就要優化加熱線圈的排布，在產生足夠且均勻分佈的熱量的同時減少感應電流的產生。習知技術如US2002/0100557或者本申請人于2013年12月12日提交的專利201310671759.8揭露了一種技術方案：加熱線圈採用放射狀排布的折線，最終環繞形成一匝線圈，這樣整個絕緣材料窗上表面都被加熱電阻絲覆蓋，實際會產生的感應電動勢與加熱線圈環繞而成的空間內穿過的磁通大小相關。由於加熱線圈只有一匝所以感應電動勢不大，加熱電阻絲內產生的感應電流也不是很大。但是這些加熱電阻線圈的排布方法只是盡可能的減少了感應電流的法熱量，實際上仍然無法徹底解決這一問題。

因此，業界需要提供一種能徹底消除射頻磁場在加熱線圈中感應產生感應電流的電感耦合等離子體處理裝置。

本發明的主要目的在於克服習知技術的缺陷，提供一種能徹底消除射頻磁場在加熱線圈中感應產生感應電流的電感耦合等離子體處理裝置，同時要保證加熱線圈產生的熱量均勻可控的分佈。

為達成上述目的，本發明提供一種電感耦合等離子體處理裝置，包括： 等離子體處理腔室，腔室頂部包括一個絕緣材料窗，一個加熱線圈設置在絕緣材料窗上表面，所述加熱線圈連接到一個加熱電源；一射頻線圈設置在所述加熱線圈上方，所述射頻線圈連接到一個射頻電源；其特徵在於所述加熱線圈包括多個加熱環路，多個加熱環路互相串聯構成加熱線圈，所述射頻線圈產生的磁場穿過所述多個加熱環路，使得不同加熱環路產生的感應電流互相抵消。其中每個加熱環路內包括位於第一側的第一加熱絲和位於第二側的第二加熱絲，每個加熱環路中的第一加熱絲與相鄰加熱環路的第二加熱絲電連接。

其中所述多個加熱環路互相串聯構成環形的加熱線圈，每個加熱環路的第一加熱絲位於環形內側，第二加熱絲位於環形外側。多個加熱環路包括一個第一加熱環路和一個第二加熱環路，一個第一交叉加熱絲連接在第一加熱環路的第一加熱絲和第二加熱環路的第二加熱絲之間，一個第二交叉加熱絲連接在第一加熱絲的第二加熱絲和第二加熱環路的第一加熱絲之間。

為了防止在交叉加熱絲上產生熱點，可以選擇使所述第一交叉加熱絲疊在第二交叉加熱絲上方，且所述第一交叉加熱絲與第二交叉加熱絲之間還包括一層絕緣材料層，減少從第一交叉加熱絲傳導到所述絕緣材料窗上的熱量，其中絕緣材料層由特氟龍或者Capton材料製成。進一步的第一交叉加熱絲下表面高度在第二交叉加熱絲的上表面上方5mm以上，以保證第一交叉加熱絲的熱量不會傳導到下方絕緣材料窗。

防止熱點產生也可以選擇使所述第一和第二交叉加熱絲與第一加熱絲和第二加熱絲分別由第一電阻和第二電阻材料製成，其中第一電阻材料的電阻率小於第二電阻材料的電阻率。

防止產生熱點還可以選擇使第一加熱絲、第二加熱絲和第一交叉加熱絲、第二交叉加熱絲由相同電阻材料製成，第一加熱絲、第二加熱絲具有第一橫截面，第一交叉加熱絲和第二交叉加熱絲具有第二橫截面，其中第二橫 截面面積大於所述第一橫截面面積。

100‧‧‧反應腔

110‧‧‧絕緣材料窗

120‧‧‧加熱線圈

140‧‧‧加熱線圈上方

140‧‧‧感應線圈

20‧‧‧基座

220‧‧‧加熱線圈

2201a、2201b、2202a、2202b、2203a、2203b、2204a、2204b、2204c‧‧‧加熱絲

A1‧‧‧第一加熱區

A2‧‧‧第三加熱區

B1‧‧‧第二加熱區

B2‧‧‧第四加熱區

X1、X11、X12、X2、X21、X22、X2201a、X3、X31、X32‧‧‧加熱絲

圖1為習知技術電感耦合等離子體處理裝置的示意圖；圖2a為本發明等離子處理裝置的頂視圖

圖2b為本發明加熱線圈放大圖。

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。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“相連”、“電連接”應做廣義理解，例如，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

圖2顯示了本發明一種實施例提供的電感耦合等離子處理裝置頂視圖。相對圖1所示的習知技術，本發明提供了一種新型的加熱線圈結構能夠徹底消除射頻線圈在加熱線圈中產生的感應電場。本發明加熱線圈220整體上為雙層環形，包括4個安順序互相連接的加熱區，每加熱區呈圓弧形，多個加熱區串聯形成圓環形的加熱區。每個加熱區包括位於外側的一個加熱絲和一個位於內側的加熱絲，不同加熱區之間還包括一個交叉連接加熱絲，使得一個加熱區的外側加熱絲與相鄰加熱區的內側加熱絲電連接。如圖2所示，第一加熱區A1包括位於外側的加熱絲2201b和位於內側的加熱絲2201a，2201a、2201b的一端連接到 加熱電源，加熱電流通過2201a流入整個加熱線圈，最終通過2201b流出整個加熱線圈220。在加熱絲2201a、2201b的另一端連接有一個交叉連接加熱絲X1，X1包括第一加熱絲X11連接在內側加熱絲2201a和第二加熱區B1的外側加熱絲2202b之間，X1還包括第二加熱絲X12連接在第一加熱區A1的外側加熱絲2201b和第二加熱區B1的內側加熱絲2202a之間。交叉加熱絲X1中的第一和第二加熱絲X11、X12至少存在一個重疊點，但是兩者在重疊點位置處需要絕緣層隔離，或者兩者存在足夠的高度差，以防止兩個加熱絲互相電連接形成短路。無論是X11覆蓋在X12或是X12覆蓋在X11上方均能實現本發明目的。同樣第二加熱區B1的加熱絲2202a、2202b通過一個第二交叉加熱絲X2的分別兩個加熱絲X21、X22連接到第三加熱區A2的加熱絲2203b、2203a；第三加熱區A2的加熱絲2203a、2203b通過一個第三交叉加熱絲X3的分別兩個加熱絲X31、X32連接到第四加熱區B2的加熱絲2204b、2204a，第四加熱區B2還包括一個短接加熱絲2204c，實現加熱絲2204b、2204a的短接。

採用本發明上述實施例的加熱絲排布圖形時，上方線圈產生的射頻磁場仍然會向下穿過加熱線圈220並產生感應電動勢，但是只有閉合的線圈才能感應產生感應電流，所以只有穿過下述區域的射頻磁場才會產生感應電流：1.上述加熱電源電流輸入/輸出端、加熱絲2201a、2201b、交叉加熱絲X1圍城的第一加熱環路，環路包圍的區域為第一加熱區A1；2.交叉加熱絲X1、X2、加熱絲2202a、2202b圍繞成的第二加熱環路，環路包圍的區域為第二加熱區B1；3.交叉加熱絲X2、X3、加熱絲2203a、2203b圍繞成的第三加熱環路，環路包圍的區域為第三加熱區A2；4.加熱絲2204a、2204b、2204c和交叉加熱絲X3合圍城的第四加熱環路，環路包圍的區域為第四加熱區B2； 上述A1-B2總共4個加熱區內的多個加熱絲圍繞構成各自的加熱環路，每個環路均能感應穿過的磁場形成感應電流。由於上述四個感應區域A1、B1、A2、B2位於對稱的位置具有相近的面積，所以感應線圈140產生的磁場穿過這些區域的磁通相同，這些高頻交變的磁通相同也就使得這些區域內感應產生的電壓相同，而且每個區域裡的加熱絲長度基本相同所以感應產生的電流大小也基本相同。感應電流方向以第一加熱區A1為例，整個A1區域內感應產生電流如果是順時針方向流的，則外側線圈2201b上的電流也是順時針方向流，同時內側線圈2201a是逆時針方向流；同一時刻，在第二加熱區B1內流過外側線圈2202b的電流也是順時針方向的，流過內側線圈2202a的電流是逆時針方向的。由於本發明中加熱絲2201b和2202a以及加熱絲2201a和2202b都是通過交叉加熱絲X1相連的，所以兩者產生的感應電流大小相等，方向相反，所以正好抵消。也就是只要A1區域穿過的磁通與同一時刻穿過B1區域的磁通相同就能保證這兩個感應區域內產生的綜合感應電流為零。

同樣的原理A2、B2區域的感應面積相同也可以保證A2、B2區域內感應產生的電流為零。所以本發明只要使得A1+A2區域內穿過的磁通與B1+B2區域內穿過的磁通相同就能保證加熱絲220內感應電流為基本為零。要得到這樣的效果可以設計更多的加熱區域如A3、B3，只要能保證最終產生的感應電流大小相等方向相反，也就是A類感應區域和B類感應區域具有相同的面積就能達到發明目的。

本發明原理也可以用其它實施例實現，比如本發明提供的第二實施例：在整個絕緣材料窗110上方不對稱分佈的加熱線圈區域。因為感應線圈140向下的磁場分佈在不同區域不同，部分區域磁力線密度高，部分區域則相對較低。在磁力線密度高的區域設置面積較小的加熱絲區域，在磁力線密度較低的 區域設置較大面積的加熱絲區域，這樣仍然可以使得兩個區域內產生的感應電流產生的電流方向相反、大小相等，最終消除感應電流。

本發明加熱線圈220除了圖2所示的構成一個環形的加熱區域，也可以是其它排布的，比如漸開線形、半圓形，從絕緣材料窗中心到邊緣的放射線形等等。或者通過多個加熱線圈的組合來實現對整個絕緣材料窗110的均勻加熱。由於本發明的加熱線圈解決了射頻電磁場對加熱線圈加熱功率干擾的問題，所以在設計加熱線圈時只需要考慮加熱效果均一性問題，大大降低了加熱線圈的設計難度和成本。

絕緣材料窗上的溫度會受加熱絲排布密度的影響，區域內加熱絲存在越多則產生的熱量也越多。在上述A1-B2四個區域內，除了交叉加熱絲X1-X3區域，其它區域內加熱絲基本均勻排布所以熱量產生均勻。在交叉加熱絲X1-X3覆蓋的區域，由於存在交叉點，所以如果整個加熱線圈內的加熱絲都是均勻發熱的話交叉點的發熱量會是其它區域的兩倍，這樣就會產生熱點，對絕緣材料窗溫度的均勻分佈很不利。為了解決這一問題可以選擇導電性更高的材料作為交叉加熱絲的材料，比如在第一加熱區域A1中的2201a和2201b採用的材料為鎳鎘合金或者鎢合金，在X1區域採用的材料為導電性更好的合金如鋁合金。這樣X1區域的電阻明顯小於其它區域，所以單位長度加熱絲的發熱量也會小於其它區域，在交叉點周圍加熱絲X11、X12總和發熱量也與其它區域接近。除了利用不同電阻率的材料來減少交叉區域的發熱量，其它方法也可以解決熱點問題，比如採用隔熱材料隔離其中一根加熱絲或者將其中一根加熱絲懸空在整個絕緣材料窗的上方，保證一個加熱絲的下表面高度在另一個加熱絲上表面上方5mm以上就能有效防止多餘的熱量傳導到下方絕緣材料窗。加熱絲X11和X12之間作為絕緣材料的中間層選擇足夠大的厚度，可以同時作為隔熱層，這樣只有位於緊貼絕緣材料窗的一根加熱絲如X11產生的熱量會擴散到絕緣材料窗，另一 根加熱絲X12產生的熱量被隔熱層所阻隔不會對下方有明顯影響。隔熱材料可以選擇特氟龍或者CAPTON，既能實現電絕緣也能防止熱量傳導。加熱絲X2201a、2201b和交叉加熱絲X11、X12採用同樣電阻材料時，也可以通過改變不同部位電熱是的橫截面來改變發熱量。可以使交叉加熱絲X11、X12具有更大的橫截面積這樣同樣長度的加熱絲上就具有更低的電阻，而電阻發熱量計算公式為：P=I2R，所以電阻越低則發熱的功率也越低，所以不同部位的加熱絲採用不同截面的同材料電阻絲也能解決本發明交叉部位熱點問題。

綜上所述，本發明所提出的加熱線圈排布結構能夠消除感應線圈140產生的高頻磁場在對加熱線圈的影響，基本消除感應電流的產生。可以通過對加熱絲交叉部分的改進，使得加熱絲交叉部分傳導到絕緣窗的熱量與其它部分傳導到絕緣窗的熱量相同或相近，最終消除熱點，進一步提高溫度分佈的均一性。

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請求項書所述為准。

2201a、2201b、2202a、2202b、2203a、2203b、2204a、2204b、2204c‧‧‧加熱絲

A1‧‧‧第一加熱區

A2‧‧‧第三加熱區

B1‧‧‧第二加熱區

B2‧‧‧第四加熱區

X1、X11、X12、X2、X21、X22、X3、X31、X32‧‧‧加熱絲

Claims (7)

1. 一種電感耦合等離子體處理裝置，包括：等離子體處理腔室，腔室頂部包括一個絕緣材料窗，一個加熱線圈設置在絕緣材料窗上表面，所述加熱線圈連接到一個加熱電源；一射頻線圈設置在所述加熱線圈上方，所述射頻線圈連接到一個射頻電源；其中所述加熱線圈包括多個加熱環路，多個加熱環路互相串聯構成加熱線圈，所述多個加熱環路包括一個第一加熱環路和一個第二加熱環路，每個加熱環路內包括位於第一側的第一加熱絲和位於第二側的第二加熱絲，一個第一交叉加熱絲連接在第一加熱環路的第一加熱絲和第二加熱環路的第二加熱絲之間，一個第二交叉加熱絲連接在第一加熱絲的第二加熱絲和第二加熱環路的第一加熱絲之間，所述射頻線圈產生的磁場穿過所述多個加熱環路，使得不同加熱環路產生的感應電流互相抵消。
2. 如請求項1所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述多個加熱環路互相串聯構成環形的加熱線圈，每個加熱環路的第一加熱絲位於環形內側，第二加熱絲位於環形外側。
3. 如請求項1所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述第一交叉加熱絲疊在第二交叉加熱絲上方，且所述第一交叉加熱絲與第二交叉加熱絲之間還包括一層絕緣材料層，減少從第一交叉加熱絲傳導到所述絕緣材料窗上的熱量。
4. 如請求項1所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述第一和第二交叉加熱絲由第一電阻材料製成，第一加熱絲和第二加熱絲由第二電阻材料製成，其中第一電阻材料的電阻率小於第二電阻材料的電阻率。
5. 如請求項3所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中絕緣材料層由特氟龍或者Capton材料製成。
6. 如請求項3所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述第一交叉加熱絲下表面高度在第二交叉加熱絲的上表面上方5mm以上。
7. 如請求項1所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述第一加熱絲、第二加熱絲和第一交叉加熱絲、第二交叉加熱絲由相同電阻材料製成，第一加熱絲、第二加熱絲具有第一橫截面，第一交叉加熱絲和第二交叉加熱絲具有第二橫截面，其中第二橫截面面積大於所述第一橫截面面積。