TWI655882B - Inductively coupled plasma processing device - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電感耦合電漿處理裝置，電感耦合電漿處理裝置包括反應腔，反應腔頂部包括一絕緣材料窗，一連接到射頻電源的電感線圈設置在絕緣材料窗上方，電感線圈產生的射頻磁場穿過絕緣材料窗進入反應腔激發反應腔內的反應氣體形成電漿，一個磁場調整環圍繞電感線圈，磁場調整環包括一磁場引導環，使得高功率的磁場能量經過磁場引導環；磁場調整環更包括一個磁場反射環位於磁場引導環和電感線圈之間，使得經過磁場引導環的磁場能量被反射回反應腔中；其中磁場引導環由高磁導率、高電阻率的材料製成，磁場反射環由低相對磁導率、低電阻率的材料製成。

Description

電感耦合電漿處理裝置

本發明有關於半導體加工技術領域，具體有關於一種具有磁場分佈調節環的電感耦合電漿處理裝置。

電感耦合電漿（ICP）處理裝置被廣泛應用於半導體晶圓加工處理流程，特別適用於對矽材料的刻蝕製程中。如第1圖所示為典型的電感耦合電漿處理裝置結構圖。電漿處理裝置包括可以抽真空的反應腔100，反應腔內底部包括基座20用於支撐待處理的晶圓21。基座20上方更包括一個靜電夾盤，通過靜電夾盤固定待處理晶圓21。與基座相對的反應腔頂部包括絕緣材料窗10，絕緣材料窗10由絕緣材料如石英製成。絕緣材料窗10與反應腔100的側壁之間更可以設置一可拆卸的內襯30，用於保護反應腔100側壁。絕緣材料窗上方更設置至少一電感線圈11，電感線圈11通過一個匹配電路連接到一射頻電源。射頻電源輸出射頻功率到電感線圈11後，電感線圈上形成如第2圖所示的交變磁場分佈。這些交變的磁場會在磁場正交方向上感應產生交變電場，交變電場作用於反應腔內的反應氣體，使之電離並形成高濃度的電漿。由於電漿是導電的，一旦電漿形成，在上述交變電場驅動下就會產生交變電流，這些交變電流又會感應出與線圈產生的磁場方向相反的感應磁場。所以線圈11產生的磁場和電漿中產生的電流互相作用，最終絕大部分射頻功率會沉積在靠近絕緣材料窗10下表面，靠近電感線圈外圍的離子密集區110。如第1圖所示，離子密集區的離子會向下擴散到達下方待處理基片。但是在有限的距離內，電漿從高濃度的外圍區域向中心區域擴散無法抵消兩者之間的濃度差，最終到達基片21的電漿濃度仍然會明顯的出現不均勻。要改善電感耦合電漿處理裝置中出現的電漿分佈不均勻現象，習知技術提出了一些線圈結構改進的技術方案，比如線圈不是平板形的而是設置在穹頂狀的絕緣材料窗上或者由多個電感線圈組成；外圍的電感線圈和中心的電感線圈獨立可調，通過調整中心線圈和外圍線圈的射頻功率比率來獲得較均勻的電漿分佈。這些方案可以一定程度上改善反應腔中基片上表面處電漿分佈的均勻性，但是仍然無法徹底解決電感耦合電漿處理器先天存在的電漿不均勻性，而且這些手段增加了控制和反應腔結構的的複雜性，大幅增加了成本。

所以業內需要開發一種新的裝置，既能夠實現改善電感耦合（ICP）電漿處理裝置的電漿分佈，更能保持ICP處理裝置原有高電漿濃度的優點。

本發明公開一種電感耦合電漿處理裝置，電感耦合電漿處理裝置包括反應腔，反應腔內包括一個基座，基座用於固定待處理基片，反應腔頂部包括一絕緣材料窗，一連接到射頻電源的電感線圈設置在絕緣材料窗上方，電感線圈產生的射頻磁場穿過絕緣材料窗進入反應腔激發反應腔內的反應氣體形成電漿，利用電漿對基片進行處理，更包括一個磁場調整環圍繞電感線圈，磁場調整環包括一磁場引導環，使得高功率的磁場能量穿過磁場引導環；磁場調整環更包括一個磁場反射環位於磁場引導環和電感線圈之間，使得經過磁場引導環的磁場能量被反射回反應腔中；其中磁場引導環由具有第一相對磁導率和第一電阻率的材料製成，磁場反射環由具有第二相對磁導率和第二電阻率的材料製成，第一相對磁導率大於10倍的第二相對磁導率，第一電阻率大於5倍的第二電阻率。

最佳地，第一相對磁導率大於100，第二相對磁導率小於等於1；第一電阻率大於15×10^-8 Ωm，第二電阻率小於3×10^-8 Ωm。其中磁場引導環鐵氧體材料或坡莫合金或矽鋼製成，磁場反射環由金屬銅或鋁製成。

本發明中的磁場反射環電接地，以減少反射環中感應產生電流。

本發明中磁場調整環可以選擇位於設置在反應腔內頂部，靠近絕緣材料窗的下表面。也可以設置在絕緣材料窗上方，磁場反射環覆蓋磁場引導環的頂部、內側壁和底部。其中磁場調整環可以進一步包括豎直部分和橫向延展部分，橫向延展部分覆蓋電感線圈。較佳的，磁場調整環的內側和外側均包括電感線圈，磁場引導環的內側壁、外側壁頂部和底部被磁場反射環包圍。

本發明磁場調整環中的磁場引導環與磁場反射環集成為一體，簡化安裝結構。

以下結合圖式第3圖，進一步說明本發明的實施例。

本發明公開了一種具有磁場調整環的電感耦合電漿處理裝置，電漿處理裝置內基本的硬件結構與第1圖所示的習知技術相同，均包含有電漿反應腔，在進行電漿刻蝕時，向電漿反應腔提供反應氣體，在電漿反應腔頂部設有絕緣材料窗10和位於絕緣材料窗10上方的電感線圈11。電感線圈連接到射頻電源用於產生射頻交變的磁場，並將磁場饋送入反應腔100內，激發反應氣體從而產生電漿，使製程過程中電漿反應腔內部充滿有電漿（plasma）。本發明與習知技術主要區別在於本發明包括磁場調整環，磁場調整環包括一個高磁導率低電導率材料製成的磁場引導環13，以及一個高電導率低磁導率材料製成的磁場反射環15。其中磁場引導環13可以由坡莫合金或者矽鋼、鐵氧體等材料製成，這些材料的相對磁導率都大於10，較佳的相對磁導率大於100甚至大於1000，同時這些材料的電阻率較高，均大於15×10^-8 Ωm，更高的電阻率可以使得磁場引導環13中感應產生的渦流更小，使得功率損耗更小。磁場反射環15由鋁、銅等金屬材料製成，這些材料的磁導率基本接近1，但是電阻率小於3×10^-8 Ωm，鐵合金材料由於磁導率較高不適合作為磁場反射環15的材料。高導電性，低導磁性能的材料能夠保證磁場反射環15中不會吸收磁場能量，而是大量反射磁場能量。

不同材料對磁場能量的吸收和反射具有不同的係數，其中對磁場能量吸收的係數與磁導率μ和電導率σ均呈正比，也就是磁導率和電導率都較高的材料能夠吸收更多的磁場能量。磁場能量的反射係數是與電導率σ成正比，但是與磁導率μ成反比的，所以對於電導率很高但是磁導率很低的材料來說磁場能量會有很大一部分被反射，反射的磁場能量會更多的進入反應腔中。

本發明中磁場引導環13由於具有很高的磁導率所以磁場分佈相對第2圖所示的習知技術的磁場分佈會發生明顯的調整，更多的磁力線會穿過磁場引導環13。所以採用磁場引導環13就能明顯的改變磁場分佈，也就能改變由磁場感應出的電場分佈以及電漿的濃度分佈。但是只設置磁場引導環13也會帶來很大的負面效果，由於磁場引導環13的材料特性決定了重新分配後的磁場在磁場引導環13中很多能量會被吸收，變成熱量消耗掉了，所以來自電感線圈11的能量會有一部分被吸收掉沒有被輸送到反應腔內形成電漿，最終反應腔內電漿濃度會減小。所以只採用磁場引導環13雖然能夠改善磁場的能量分佈，但是由於改變的磁場能量有大部分被以熱能的形式消耗掉了，所以對反應腔內電漿濃度分佈的影響不如預期的大，但是射頻能量的浪費卻很大，所以只用一個磁場引導環對改善電漿濃度分佈只是略有效果，但是負作用很大。

如果只在電感線圈外側設置一個磁場反射環15，則磁場分佈情況基本與第2圖所示的習知技術分佈無異，所以只有很少的磁力線會經過磁場反射環15，所以磁場反射環15的反射係數再高也基本對反應腔中磁場分佈沒有顯著改善。

本發明的磁場調整環包括了磁場引導環13和磁場反射環15的組合，其中磁場反射環15設置在電感線圈11和磁場引導環13之間。這樣的組合可以發揮綜合效果，磁場引導環13使得更多磁力線被導引到磁場引導環13處，但是要經過磁場引導環13就必需要先經過磁場反射環15，而磁場反射環對磁場能量具有很高的反射係數，所以這些被引導過來的磁力線重新被反射進入了反應腔100。所以本發明最終是將來自感應線圈11的原始磁場能量分佈進行調整後再反射回反應腔內，所以能夠調整反應腔內的磁場能量分佈，而且只損耗了少量射頻能量。

下述表格分別列出了在施加同樣射頻功率到電感線圈中去時，反應腔上方設置由不同材料製成的調整環時的效果對比數據表。其中只設置由鋁製成的磁場反射環15時，由於對原始磁場分佈沒有影響所以對原有刻蝕速率也沒有影響維持1382A/分的刻蝕速率，刻蝕速率的均勻性也最差，只有2.3%。數據對比表第二行顯示了，補償環採用由導磁材料製成的磁場引導環（磁環）13 時，對刻蝕均勻性有了明顯的改善，達到了1%，但是對刻蝕速率也有明顯不利影響，降低到了1341A/分。數據對比表第三行顯示了，採用本發明提出的磁場引導環13和磁場反射環15的組合時，整體均勻性得到極大改善，達到了0.7%，同時其刻蝕速率降低略微降低到1369A/分。下列數據表更包括反應腔內一側到另一側之間的刻蝕速率差異（side to side）數據，其中採用本發明的磁場調整環後side to side差異也從原有的2.3%明顯改善為0.3%。這些數據均說明本發明結構的磁場調整環能顯著改善刻蝕速率分佈的均勻性，而且整體刻蝕速率數值沒有大幅下降。

本發明中的磁場反射環15最佳的可以電接地，以減少高頻磁場在磁場反射環中產生的感應電流損耗。

本發明中的磁場調整環更可以是其它多種形狀的，如第4a圖所示磁場引導環13除了包括垂直的圓桶部分13a更包括水平延展部分13b，其中水平延展部分13b和垂直圓通部分13a在靠近感應線圈11的表面都覆蓋有相應的磁場反射環15’，磁場反射環15’具有多個水平圓環和圓桶部分與磁場引導環內側的形狀相匹配。這樣的結構能夠更大程度的調整原始磁場分佈，使得更多的磁場能量被調整到反應腔中電漿密度偏低的區域。其中水平延展部分除了是平板形的也可以是穹頂形的，只要使磁場引導環13的橫向延展部分覆蓋在電感線圈上方的磁場引導環就能實現本發明目的。其中橫向延展部分中間也可以沒有中間開口，橫向延展部將整個下方的電感線圈11覆蓋。

如第4b圖示出了本發明另一個實施例，反應腔結構與其它實施例相同，主要的區別在於磁場調整環位於電感線圈中間，也就是磁場調整環內側包圍有電感線圈11的一部分，磁場調整環的外側也包括電感線圈11的一部分。相應的，由於磁場引導環兩側都會有磁力線進入，所以磁場引導環13外部需要被磁場反射環15”完全包圍，這樣才能將兩側的磁力線反射回反應腔中。 這種配置的磁場調整線圈能夠使得磁場能量更多的向反應腔中間區域集中，也能夠實現本發明改變磁場分佈，改善電漿分佈均勻性的目的。其中磁場調整環內側包圍的電感線圈和外側的電感線圈可以是同一個線圈的內外兩段，也可以是兩個獨立控制的電感線圈。

除了上述第4a、4b圖所示的實施例，本發明的磁場調整環也可以設置在反應腔100內部，靠近絕緣材料窗10下表面的位置，這種位置由於離產生射頻磁場的電感線圈11很近，電感線圈11產生的大量磁場會穿過下方的磁場引導環，所以也能夠大幅度的改變原始的磁場分佈，實現本發明的目的。

本發明通過在電感耦合電漿處理裝置的電感線圈周圍設置一個由磁場引導環和磁場反射環組成的磁場調整環，使得電感線圈產生的磁場重新分佈，大量磁力線經過磁場引導環構成磁回路，同時磁場反射環將經過磁場引導環的大部分磁場能量反射回到反應腔，減少磁場能量的損耗，強化了磁場分佈調整能力，大幅改善電漿處理腔中電漿處理速度的均勻性。

本發明中的各種位置和形狀的磁場引導環13由於需要形成足夠的低磁場通路，使得更多磁力線回路經過磁場引導環，所以需要保證磁場引導環13具有足夠的尺寸。其中磁場引導環的高度要高於電感線圈的高度，厚度需要至少大於1mm，最佳的需要大於3mm，這樣的尺寸才能保證本發明中的磁場引導環13能夠實現引導磁力線定向重新分佈的功效。

本發明中的電感線圈11除了如第3、4a、4b圖所示的設置在絕緣窗10上方，也可以設置在反應腔外側壁，電感線圈產生的磁場仍然能夠穿過頂部的絕緣窗進入反應腔激發電漿，只是磁場分佈情況與上述第2圖顯示的不同。所以本發明提出的磁場調整環可以選擇設置在反應腔側壁外側，靠近電感線圈處，在這個位置也能有效調整反應腔內的磁場分佈，當然磁場調整環設置在絕緣窗上方只要靠近電感線圈也能實現本發明目的。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域具通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

10‧‧‧絕緣材料窗

100‧‧‧反應腔

11‧‧‧電感線圈

13‧‧‧磁場引導環

13a‧‧‧圓桶部分

13b‧‧‧水平延展部分

15、15’、15’’‧‧‧磁場反射環

20‧‧‧基座

21‧‧‧晶圓

30‧‧‧內襯

第1圖為習知技術電感耦合電漿處理裝置示意圖。 第2圖為習知技術中電感耦合線圈產生的磁場分佈示意圖。 第3圖是本發明具有磁場調整環的電感耦合電漿處理裝置。 第4a圖是本發明具有第二種磁場調整環的電感耦合電漿處理裝置。 圖4b是本發明具有第三種磁場調整環的電感耦合電漿處理裝置。

Claims (16)

1. 一種電感耦合電漿處理裝置，該電感耦合電漿處理裝置包括： 反應腔，反應腔內包括一個基座，該基座用於固定待處理基片，反應腔頂部包括一絕緣材料窗，一連接到射頻電源的電感線圈設置在該絕緣材料窗上方，電感線圈產生的射頻磁場穿過絕緣材料窗進入反應腔激發反應腔內的反應氣體形成電漿，利用該電漿對基片進行處理，更包括一個靠近絕緣材料窗的磁場調整環，該磁場調整環包括一磁場引導環，使得高功率的磁場能量穿過該磁場引導環； 該磁場調整環更包括一個位於該磁場引導環和該電感線圈之間的磁場反射環，使得經過該磁場引導環的磁場能量被反射回反應腔中； 其中，該磁場引導環由具有第一相對磁導率和第一電阻率的材料製成，該磁場反射環由具有第二相對磁導率和第二電阻率的材料製成，該第一相對磁導率大於第二相對磁導率，第一電阻率大於第二電阻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場引導環由鐵氧體材料或坡莫合金或矽鋼製成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該第一相對磁導率大於100，第二相對磁導率小於等於1；第一電阻率大於15×10^-8Ωm，第二電阻率小於3×10^-8Ωm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場反射環由金屬銅或鋁製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場反射環電接地。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環位於該絕緣材料窗上方，該磁場反射環覆蓋該磁場引導環的頂部、內側壁和底部。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環設置在反應腔內頂部，靠近絕緣材料窗的下表面。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環包括豎直部分和橫向延展部分，該橫向延展部分覆蓋該電感線圈。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環的內側和外側均包括電感線圈，該磁場引導環的內側壁、外側壁頂部和底部被磁場反射環包圍。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環中的磁場引導環與磁場反射環集成為一體。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環中的該第一相對磁導率大於10倍的第二相對磁導率，第一電阻率大於5倍的第二電阻率。
12. 一種電感耦合電漿處理裝置，該電感耦合電漿處理裝置包括： 反應腔，反應腔內包括一個基座，該基座用於固定待處理基片，反應腔頂部包括一絕緣材料窗，一連接到射頻電源的電感線圈設置在該反應腔外側壁，電感線圈產生的射頻磁場穿過絕緣材料窗進入反應腔，激發反應腔內的反應氣體形成電漿，利用該電漿對基片進行處理，更包括一個靠近電感線圈的磁場調整環，該磁場調整環包括一磁場引導環，使得高功率的磁場能量穿過該磁場引導環； 該磁場調整環更包括一個位於該磁場引導環和該電感線圈之間的磁場反射環，使得經過該磁場引導環的磁場能量被反射回反應腔中； 其中該磁場引導環由具有第一相對磁導率和第一電阻率的材料製成，該磁場反射環由具有第二相對磁導率和第二電阻率的材料製成，該第一相對磁導率大於第二相對磁導率，第一電阻率大於第二電阻率。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環中的該第一相對磁導率大於10倍的第二相對磁導率，第一電阻率大於5倍的第二電阻率。
14. 如申請專利範圍第12項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該第一相對磁導率大於100，第二相對磁導率小於等於1；第一電阻率大於15×10^-8Ωm，第二電阻率小於3×10^-8Ωm。
15. 如申請專利範圍第12項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環中的磁場引導環與磁場反射環集成為一體。
16. 如申請專利範圍第12項所述之電感耦合電漿處理裝置，其中該磁場調整環位於反應腔側壁外側，圍繞該電感線圈，或者位於該絕緣材料窗上方。