TWI661747B - 反應腔室的磁場產生機構和反應腔室 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種反應腔室的磁場產生機構和反應腔室，其包括環繞在反應腔室周圍的線圈，該線圈包括柱狀螺旋線部和在該柱狀螺旋線部上形成的複數子線圈部，且複數子線圈部沿柱狀螺旋線部的螺旋纏繞方向依次設置；每個子線圈部圍繞第一軸線纏繞，第一軸線相對於豎直方向傾斜，以使由線圈產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量。本發明提供的反應腔室的磁場產生機構，其不僅可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率，而且可以降低電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。

Description

反應腔室的磁場產生機構和反應腔室

本發明涉及電漿處理技術領域，具體地，涉及一種反應腔室的磁場產生機構和反應腔室。

在半導體的製造過程中，電感耦合電漿（Inductively Coupled Plasma，以下簡稱ICP）裝置可以在較低的工作氣壓下獲得高密度的電漿，而且結構簡單、造價低，因此，ICP裝置被廣泛應用於電漿蝕刻（IC）、物理氣相沉積（PVD）、電漿化學氣相沉積（CVD）、微電子機械系統（MEMS）和發光二極體（LED）等製程中。

如第1圖所示，為現有的一種ICP裝置的剖視圖。該ICP裝置包括反應腔室17，在該反應腔室17的頂部設置有介電質視窗6，在該介電質視窗6中設置有進氣管道15，用以向反應腔室17內輸送製程氣體。並且，在介電質視窗6的上方設置有激發線圈5，該激發線圈5通過匹配器8和激發電源7電連接，用以激發反應腔室17內的製程氣體形成電漿16，電漿16擴散至晶圓9表面並與之相互作用，形成蝕刻形貌。

上述ICP裝置僅具有用作電漿源的激發線圈5，電漿的密度和能量的可調節性較小，而且電子溫度較高，對晶圓表面造成的表面損傷較大。

如第2圖所示，為現有的另一種ICP裝置的剖視圖。該ICP裝置在上述ICP裝置的基礎上，增設了磁場產生結構。具體地，在反應腔室17的側壁內側設置有介電質襯筒11，磁場產生結構為環繞設置在該介電質襯筒11的外側的線圈18，通過向該線圈18內通入直流電，可以在反應腔室17內形成輔助磁場，該輔助磁場可以對反應腔室17內的電漿中的電子進行約束，使之迴旋碰撞，從而可以進一步消耗電子能量，進而不僅可以增加電漿密度，而且可以減低電子溫度，從而減少晶圓表面損傷。

上述磁場產生結構在實際應用中不可避免地存在以下問題： 由線圈18產生的輔助磁場的磁力線分佈如第3圖中的實線箭頭所示。受輔助磁場約束的電子的運動方向如第3圖中的虛線箭頭所示。受輔助磁場約束的電子的分佈區域如第3圖中的點劃線區域所示。由圖可知，由線圈18產生的輔助磁場的磁力線只在介電質視窗11的上方和下方相對於豎直方向發生偏轉，而在介電質視窗11的內部的磁力線是豎直的，這使得在介電質視窗11的內部，電子的運動方向（豎直向下）與磁力線的方向相互平行，從而電子沒有受到勞倫茲力，即不會受到輔助磁場的約束作用，進而造成在電漿的密度較低，而且由於電子能量依然較高，因此仍然存在晶圓表面造成的表面損傷較大的問題。

本發明旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種反應腔室的磁場產生機構和反應腔室，其不僅可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率，而且可以降低電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。

為實現本發明的目的而提供一種反應腔室的磁場產生機構，包括環繞在該反應腔室周圍的線圈，該線圈包括柱狀螺旋線部和在該柱狀螺旋線部上形成的複數子線圈部，且複數該子線圈部沿該柱狀螺旋線部的螺旋纏繞方向依次設置；

每個該子線圈部圍繞第一軸線纏繞，該第一軸線相對於豎直方向傾斜，以使由該線圈產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量。

較佳的，每個該子線圈部包括半圓形的圓弧線體。

較佳的，該柱狀螺旋線部包括沿豎直方向依次分佈的複數第一單匝線圈，同一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相同，並且在每相鄰的兩個該第一單匝線圈中，其中一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向，與其中另一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相反。

較佳的，複數該第一單匝線圈的纏繞方向相同，且各個該第一單匝線圈依次首尾連接。

較佳的，該柱狀螺旋線部包括沿豎直方向間隔分佈的複數第一單匝線圈，同一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相同，並且在每相鄰的兩個該第一單匝線圈中，每相鄰的兩個該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相同。

較佳的，每個該第一單匝線圈的纏繞方向相反，且各個該第一單匝線圈依次首尾連接。

較佳的，每個該子線圈部包括柱狀螺旋線體，該柱狀螺旋線體包括一或複數第二單匝線圈，且複數該第二單匝線圈沿該第一軸線依次分佈。

較佳的，該第一軸線與豎直方向之間的夾角為直角。

較佳的，該磁場產生機構還包括複數磁芯，每個該子線圈部纏繞在一該磁芯上。

較佳的，該磁芯所採用的材料包括鋁、陶瓷或銅。

較佳的，該反應腔室包括介電質襯筒，該線圈環繞在該介電質襯筒的周圍；在該介電質襯筒的外周壁上設置有複數自該外周壁凸出的側肢，用作該磁芯。

較佳的，該介電質襯筒所採用的材料與該側枝所採用的材料相同。

較佳的，通過設定不同的該子線圈的總數量，來調節該磁場在該反應腔室內的分佈均勻性。

較佳的，通過調節通入該線圈中的電流大小，來調節該磁場的總磁場強度。

作為另一技術方案，本發明還提供一種反應腔室，包括本發明提供的上述磁場產生機構。

較佳的，還包括電感耦合電漿源，用於激發該反應腔室內的製程氣體形成電漿。

本發明的有益效果： 本發明提供的反應腔室的磁場產生機構，其線圈包括柱狀螺旋線部和在該柱狀螺旋線部上形成複數子線圈部，且複數子線圈部沿柱狀螺旋線部的螺旋纏繞方向依次設置，並且每個子線圈部圍繞第一軸線纏繞，該第一軸線相對於豎直方向傾斜，以使由線圈產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量，該水平分量可以使電漿中的電子在豎直向下運動時切割磁力線，受到勞倫茲力，從而使電子能夠迴旋碰撞，進而消耗了電子能量，降低了電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。而且，電子的迴旋碰撞還可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率。

本發明提供的反應腔室，其通過採用本發明提供的上述磁場產生機構，不僅可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率，而且可以降低電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明所提供的一種反應腔室的磁場產生機構和反應腔室作進一步詳細描述。

實施例1 請一併參閱第4A圖至第4G圖，本實施例提供的反應腔室的磁場產生機構，其包括環繞在反應腔室周圍的線圈1，如第4A圖所示，該反應腔室包括介電質襯筒2，線圈1環繞在介電質襯筒2的周圍。並且，如第4B圖所示，線圈1包括柱狀螺旋線部12和在該柱狀螺旋線部12上形成的複數子線圈部11，其中，柱狀螺旋線部12的結構在整體上呈柱狀，且圍繞豎直方向上的軸線螺旋纏繞，如第4A圖所示，線圈1的整體結構即為柱狀螺旋線部12的結構。

如第4B圖所示，複數子線圈部11沿柱狀螺旋線部12的螺旋纏繞方向依次設置，較佳的，複數子線圈部11相對於介電質襯筒2的外周壁均勻分佈，以提高介電質襯筒2內產生的磁場的分佈均勻性。並且，每個子線圈部11圍繞第一軸線（圖中未示出）纏繞，該第一軸線相對於豎直方向傾斜，以使由線圈1產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量。較佳的，上述第一軸線與豎直方向之間的夾角為直角，即，第一軸線水平設置。在這種情況下，每個子線圈部11相對於柱狀螺旋線部12朝上凸出或者朝下凸出。

較佳的，如第4E圖所示，磁場產生機構還包括複數磁芯3，每個子線圈部11纏繞在一磁芯3上。該磁芯3可以為空心或實心的柱體，該柱體的徑向截面形狀可以為圓形、橢圓形或者菱形或者其他任意形狀。另外，磁芯3所採用的材料包括鋁、陶瓷或銅。當然，在實際應用中，磁芯3也可以採用其他材料，如鐵、鋅等。

借助磁芯3，可以增強由子線圈部11產生的磁場強度，從而可以增強水平分量的磁場強度。

進一步較佳的，如第4F圖所示，在介電質襯筒2的外周壁上設置有複數自該外周壁凸出的側肢20，用作上述磁芯3。另外，該介電質襯筒2所採用的材料可以與側枝20所採用的材料相同，從而二者可以一體成型。

當向線圈1中通入電流時，由上述線圈1產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量，該水平分量在介電質襯筒2的徑向截面上的磁力線分佈圖如第4G圖所示。借助水平分量，可以使電漿中的電子在豎直向下運動時切割磁力線，受到勞倫茲力，從而使電子能夠迴旋碰撞，進而消耗了電子能量，降低了電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。而且，電子的迴旋碰撞還可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率。電子的迴旋碰撞能夠提高電漿密度的原因是：當電漿中的電子和離子作迴旋運動時，電子和離子會碰撞電中性的分子或原子，使電中性的分子轉換為原子，或者使原子轉換為離子，或者使離子的價態發生變化，這些轉換均能夠增加電漿密度。另外，電漿中的電子和離子在作迴旋運動的過程中，還能夠使體積較大的基團分裂形成複數體積較小的基團，這也增加了電漿密度。

在本實施例中，每個子線圈部11的具體結構為半圓形的圓弧線體，該圓弧線體圍繞上述第一軸線半周，且相對於柱狀螺旋線部12朝上凸出。而且，柱狀螺旋線部12包括沿豎直方向間隔分佈的複數第一單匝線圈，該間隔即為柱狀螺旋線部12的螺距。第4C圖示出了任意相鄰的兩個第一單匝線圈，分別為上第一單匝線圈12a和下第一單匝線圈12b，上第一單匝線圈12a上的子線圈部11a與下第一單匝線圈12b上的子線圈部11b一一對應，以提高磁場在反應腔室內的分佈均勻性，並且，上第一單匝線圈12a上的子線圈部11a自上第一單匝線圈12a凸出的方向相同，下第一單匝線圈12b上的子線圈部11b自下第一單匝線圈12b凸出的方向相同。上第一單匝線圈12a和下第一單匝線圈12b上的子線圈部（11a，11b）自各自所在的第一單匝線圈凸出的方向相同，即，均朝上凸出。

需要說明的是，在本實施例中，子線圈部1每個子線圈部11的具體結構為半圓形的圓弧線體。但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，子線圈部11的具體結構還可以為1/4圓形或1/8圓形等的圓弧線體。當然，該圓弧線體的弧長越長，則由其形成的磁場分佈範圍越大，反之，圓弧線體的弧長越短，則由其形成的磁場分佈範圍越小。基於此，可以通過設定不同弧長的圓弧線體來獲得不同的磁場分佈範圍，以滿足不同的要求。

第4D圖示出了柱狀螺旋線部12的除最上層和最下層的第一單匝線圈之外的任意三個第一單匝線圈，分別為上第一單匝線圈12c、中第一單匝線圈12a和下第一單匝線圈12b。其中，三個第一單匝線圈的纏繞方向相同，即，均圍繞介電質襯筒2的軸線方向順時針或逆時針纏繞，並且三個第一單匝線圈依次首尾連接，具體地，中第一單匝線圈12a的首端121a和與之相鄰的下第一單匝線圈12b的尾端122b連接，中第一單匝線圈12a的尾端122a和與之相鄰的上第一單匝線圈12c的首端121c連接，從而實現各個第一單匝線圈的串接，並且，如第4C圖中的箭頭所示，可以使各個第一單匝線圈中的電流方向相同。上述首端和尾端分別為電流的輸入端和輸出端。

較佳的，各個相鄰的兩個子線圈部11之間的間隔相等，以提高磁場在反應腔室內的分佈均勻性。

實施例2 本實施例採用的柱狀螺旋線部12的結構與上述實施例1相比，其區別在於：在每相鄰的兩個第一單匝線圈中，其中一第一單匝線圈上的子線圈部自第一單匝線圈凸出的方向，與其中另一第一單匝線圈上的子線圈部自第一單匝線圈凸出的方向相反。例如，如第5A圖所示，任意相鄰的兩個第一單匝線圈分別為上第一單匝線圈12a和下第一單匝線圈12b，其中，上第一單匝線圈12a上的子線圈部11a自上第一單匝線圈12a朝上凸出；下第一單匝線圈12b上的子線圈部11b自下第一單匝線圈12b朝下凸出。

需要說明的是，根據右手定則，若相鄰的兩個第一單匝線圈上的子線圈部11凸出的朝向相反，此時若通入相鄰的兩個第一單匝線圈中的電流方向相同，則會導致由相鄰的兩個第一單匝線圈上的子線圈部11產生的磁場相互抵消。在這種情況下，應使通入相鄰的兩個第一單匝線圈中的電流方向相反，具體地，第5B圖示出了除最上層和最下層的第一單匝線圈之外的任意兩個第一單匝線圈，分別為上第一單匝線圈12a和下第一單匝線圈12b，其中，兩個第一單匝線圈的纏繞方向相反，例如，若v上第一單匝線圈12a圍繞介電質襯筒2的軸線順時針纏繞，則下第一單匝線圈12b圍繞介電質襯筒2的軸線逆時針纏繞。並且，複數第一單匝線圈依次首尾連接，如第5B圖所示，下第一單匝線圈12b的尾端122b與上第一單匝線圈12a的首端121a連接。

實施例3 本實施例採用的柱狀螺旋線部12的結構與上述實施例1-2相比，其區別在於：如第6A圖和第6B圖所示，每個子線圈部的具體結構為柱狀螺旋線體13，該柱狀螺旋線體13包括一或複數第二單匝線圈131，且複數第二單匝線圈131沿第一軸線14依次分佈。由上述柱狀螺旋線體13形成的磁場分佈範圍較大，從而可以增強對介電質襯筒2內的電漿中的電子的約束作用。

在上述各個實施例中，通過設定不同的子線圈11的總數量，可以調節磁場在反應腔室內的分佈均勻性；和/或，通過調節通入線圈1中的電流大小，可以調節磁場的總磁場強度。由此，本發明提供的磁場產生機構可以對電漿的密度和能量的可調節性較大，從而可以滿足複雜的電漿蝕刻製程的要求。

綜上所述，本發明上述各個實施例提供的反應腔室的磁場產生機構，其線圈產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量，該水平分量可以使電漿中的電子在豎直向下運動時切割磁力線，受到勞倫茲力，從而使電子能夠迴旋碰撞，進而消耗了電子能量，降低了電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。而且，電子的迴旋碰撞還可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率。

作為另一技術方案，本發明實施例還提供一種反應腔室，其包括本發明上述各個實施例提供的磁場產生機構。該磁場產生機構用於在反應腔室內形成輔助磁場，該輔助磁場能夠對反應腔室內的電漿中的電子進行約束，使電子能夠迴旋碰撞，從而消耗了電子能量，降低了電子溫度，進而可以減少晶圓表面損傷。而且，電子的迴旋碰撞還可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率。

在本實施例中，如第7圖所示，反應腔室還包括電感耦合電漿源，用於激發該反應腔室內的製程氣體形成電漿。具體地，反應腔室包括腔體4，在該腔體4中設置有介電質視窗6，該介電質視窗6將腔體4的內部空間分隔形成第一子腔室41和第二子腔室42，其中，上述電感耦合電漿源包括設置在第一子腔室41中的激發線圈5，該激發線圈5通過上匹配器8與激發電源7連接，激發電源7用於向激發線圈5提供射頻能量，該射頻能量通過介電質視窗6饋入第二子腔室42，以激發該第二子腔室42中的製程氣體形成電漿16。

在第二子腔室42中設置有介電質襯筒2，該介電質襯筒2與第二子腔室42的內壁之間形成有環形空間15，上述磁場產生機構的線圈1位於該環形空間15中，且環繞在介電質襯筒2的周圍。介電質襯筒2用於將由磁場產生機構的線圈1產生的磁場耦合至第二子腔室42中。該介電質襯筒2可以採用上述實施例1採用的介電質襯筒2，由於在上述實施例1中已有了詳細描述，在此不再贅述。

另外，在本實施例中，反應腔室還包括基座19，用於承載晶圓9。該基座19通過下匹配器30與射頻電源31連接。該射頻電源31用於向基座19加載射頻負偏壓，以吸引電漿16朝向晶圓9的表面轟擊。

需要說明的是，在本實施例中，反應腔室採用電感耦合電漿源產生電漿，但是，本發明並不侷限於此，在實際應用中，還可以採用其他任意方式產生電漿，例如採用電容耦合電漿源產生電漿。

本發明實施例提供的反應腔室，其通過採用本發明上述各個實施例提供的磁場產生機構，不僅可以提高電漿密度，從而可以提高對晶圓表面的處理速率，而且可以降低電子溫度，從而可以減少晶圓表面損傷。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。

1、18‧‧‧線圈

2‧‧‧介電質襯筒

3‧‧‧磁芯

4‧‧‧腔體

5‧‧‧激發線圈

6‧‧‧介電質視窗

8‧‧‧匹配器、上匹配器

7‧‧‧激發電源

9‧‧‧晶圓

11‧‧‧介電質襯筒、子線圈部

11a、11b‧‧‧子線圈部

12‧‧‧柱狀螺旋線部

12a、12b、12c‧‧‧第一單匝線圈

13‧‧‧柱狀螺旋線體

15‧‧‧進氣管道、環形空間

16‧‧‧電漿

17‧‧‧反應腔室

19‧‧‧基座

20‧‧‧側肢

30‧‧‧下匹配器

31‧‧‧射頻電源

41‧‧‧第一子腔室

42‧‧‧第二子腔室

121a、121c‧‧‧首端

122b、122a‧‧‧尾端

第1圖為現有的一種ICP裝置的剖視圖； 第2圖為現有的另一種ICP裝置的剖視圖； 第3圖為由第2圖中的線圈產生的輔助磁場的磁力線分佈圖； 第4A圖為本發明實施例1提供的磁場產生機構的剖視圖； 第4B圖為本發明實施例1採用的線圈的一種局部結構圖； 第4C圖為本發明實施例1採用的線圈的另一種局部結構圖； 第4D圖為本發明實施例1採用的線圈的又一種局部結構圖； 第4E圖為本發明實施例1採用的磁芯的結構圖； 第4F圖為本發明實施例1採用的介電質襯筒的結構圖； 第4G圖為由本發明實施例1採用的線圈產生的磁場在水平面上的磁力線分佈圖； 第5A圖為本發明實施例2採用的線圈的一種局部結構圖； 第5B圖為本發明實施例2採用的線圈的另一種局部結構圖； 第6A圖為本發明實施例3採用的線圈的一種局部結構圖； 第6B圖為本發明實施例3採用的子線圈部的結構圖； 第7圖為本發明實施例提供的反應腔室的剖視圖； 第8圖為另一種介電質襯筒的結構示意圖。

Claims (16)

1. 一種反應腔室的磁場產生機構，包括環繞在該反應腔室周圍的一線圈，其特徵在於，該線圈包括一柱狀螺旋線部和在該柱狀螺旋線部上形成的複數子線圈部，且複數該子線圈部沿該柱狀螺旋線部的螺旋纏繞方向依次設置，該柱狀螺旋線部包括複數第一單匝線圈，同一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相同；每個該子線圈部圍繞一第一軸線纏繞，該第一軸線相對於豎直方向傾斜，以使由該線圈產生的磁場的總磁場強度向量具有水平分量。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁場產生機構，其中每個該子線圈部包括一半圓形的圓弧線體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的磁場產生機構，其中該複數第一單匝線圈是沿豎直方向依次分佈的，並且在每相鄰的兩個該第一單匝線圈中，其中一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向，與其中另一該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相同。
4. 如申請專利範圍第3項所述的磁場產生機構，其中複數該第一單匝線圈的纏繞方向相同，且各個該第一單匝線圈依次首尾連接。
5. 如申請專利範圍第2項所述的磁場產生機構，其中該複數第一單匝線圈是沿豎直方向依次分佈的，並且在每相鄰的兩個該第一單匝線圈中，每相鄰的兩個該第一單匝線圈上的該子線圈部自該第一單匝線圈凸出的方向相反。
6. 如申請專利範圍第5項所述的磁場產生機構，其中每個該第一單匝線圈的纏繞方向相反，且各個該第一單匝線圈依次首尾連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述的磁場產生機構，其中每個該子線圈部包括一柱狀螺旋線體，該柱狀螺旋線體包括一或複數第二單匝線圈，且複數該第二單匝線圈沿該第一軸線依次分佈。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項任一項所述的磁場產生機構，其中該第一軸線與豎直方向之間的夾角為直角。
9. 如申請專利範圍第1項至第7項任一項所述的磁場產生機構，其中該磁場產生機構還包括複數磁芯，每個該子線圈部纏繞在一該磁芯上。
10. 如申請專利範圍第9項所述的磁場產生機構，其中該磁芯所採用的材料包括鋁、陶瓷或銅。
11. 如申請專利範圍第9項所述的磁場產生機構，其中該反應腔室包括一介電質襯筒，該線圈環繞在該介電質襯筒的周圍；在該介電質襯筒的外周壁上設置有複數自該外周壁凸出的一側肢，用作該磁芯。
12. 如申請專利範圍第11項所述的磁場產生機構，其中該介電質襯筒所採用的材料與該側枝所採用的材料相同。
13. 如申請專利範圍第1項所述的磁場產生機構，其中通過設定不同的該子線圈的總數量，來調節該磁場在該反應腔室內的分佈均勻性。
14. 如申請專利範圍第1項所述的磁場產生機構，其中通過調節通入該線圈中的電流大小，來調節該磁場的總磁場強度。
15. 一種反應腔室，包括用於在該反應腔室內形成輔助磁場的磁場產生機構，其特徵在於，該磁場產生機構是申請專利範圍第1項至第14項任一項所述的磁場產生機構。
16. 如申請專利範圍第15項所述的反應腔室，還包括一電感耦合電漿源，用於激發該反應腔室內的製程氣體形成電漿。