CN101515498B - 一种电感耦合线圈及采用该耦合线圈的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合线圈，其包括至少两组直径不同且相互嵌套的线圈绕组，所述线圈绕组中的至少两组线圈绕组的上表面处于不同高度的平面，以便获得分布较为均匀的等离子体。此外，本发明还公开了一种等离子体处理装置，其包括反应腔室，在该反应室的上部设有介电窗，并且在所述介电窗的上方设置有上述电感耦合线圈，所述电感耦合线圈通过射频匹配器与射频电源连接，以便在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。本发明提供的电感耦合线圈及等离子体处理装置能够获得分布较为均匀的等离子体，同时能够获得良好的、均匀的加工/处理结果。

Description

一种电感耦合线圈及采用该耦合线圈的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种电感耦合线圈。此外，本发明还涉及一种采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置。

背景技术

随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工/处理能力。目前，在半导体器件的加工/处理领域中，常常需要用到等离子体刻蚀技术和等离子体沉积技术，而这些技术通常都要借助于诸如等离子体刻蚀机等的等离子体处理装置来实现。

因此，在半导体器件的加工/处理领域中，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体处理装置的工作性能就显得至关重要。尤其是，在大衬底上的工作能力。只有具备良好的工作性能，才能提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。也就是说，需要等离子体处理装置在保持较高等离子体密度的情况下，具有较为均匀的晶片等半导体器件的加工/处理结果。

目前，在半导体器件的加工/处理领域中已经使用的等离子体处理装置种类繁多，例如有，电容耦合等离子体(CCP)类型的等离子体处理装置、电感耦合等离子体(ICP)类型的等离子体处理装置，以及电子回旋共振等离子体(ECR)类型的等离子体处理装置，等等。

其中，电容耦合等离子体类型的等离子体处理装置借助于电容耦合的方式产生等离子体，其结构简单，造价低。然而在实际应用中，这种类型的等离子体处理装置所产生的等离子体密度较低，难以满足实际工艺过程中等离子体刻蚀速率和产率的需求。

至于电子回旋共振等离子体类型的等离子体处理装置，其可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体。然而在实际应用中，这种类型的等离子体处理装置需要引入外磁场，还需要配置微波管等器件，因而造价相对较高。

鉴于此，电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置目前被广为采用。这种方式可以在较低工作气压下获得密度较高的等离子体，而且其结构简单，造价低。同时，这种类型的等离子体处理装置可以独立地对产生等离子体的射频源(其决定等离子体的密度)与基片台射频源(其决定入射到晶片上的粒子能量)进行控制。因而，这种类型的等离子体处理装置非常适于对金属和半导体等材料进行刻蚀等加工/处理。

特别是，目前晶片的尺寸逐渐由200mm增大到300mm，而对于300mm的大尺寸晶片，电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置因其能够高密度和高均匀性地产生等离子体，并且结构相对简单，而被认为是最佳的等离子体处理装置。

请参阅图1，其中示出一种现有技术中常见的电感耦合等离子体处理装置。该装置通常包括反应腔室4、介质窗17、静电卡盘6和电感耦合线圈3。其中，静电卡盘6位于反应腔室4内，并且经由匹配器10而与射频源11相连。该静电卡盘6上设置有被加工处理的晶片5。在反应腔室4的上方设置有介质窗17，电感耦合线圈3便置于该介质窗17上，并经由匹配器2而与射频源1相连。

在半导体器件加工/处理过程中，进入反应腔室4的工艺气体被位于上方的电感耦合线圈3电离形成等离子体，以对晶片5等半导体器件表面材质进行诸如刻蚀等的加工/处理操作。同时，借助于分子泵(图未示)将反应后的气体从反应腔室4中抽出。

在上述反应过程中，使气体产生电离而形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈3。如前所述，该线圈3经由匹配器2而与射频源1相连，射频源1用于提供射频电流。随着射频电流流入线圈3，围绕线圈3而产生磁场。由于所产生的磁场是时变的，所以在反应腔室4内可以感生出电场。同时，反应腔室4内的工艺气体因与通过感应电场而加速的电子发生碰撞而被离子化，这样，就可以在反应腔室4内产生等离子体。这种方式所产生的等离子体与晶片5的表面发生物理化学反应，以对晶片5进行诸如刻蚀等的加工/处理。

另外，静电卡盘6经由匹配器10而与用于提供偏置电压的射频源11相连，以便增加等离子体与晶片5进行碰撞的能量。

请参阅图2，其中示出了现有电感耦合等离子体处理装置中常采用的电感耦合线圈的结构。如图所示，现有的电感耦合线圈通常包括平面螺旋线形状的单个线圈。

尽管现有技术提供的呈平面螺旋状的上述电感耦合线圈广泛地应用于电感耦合等离子体处理装置中，并且其能够使该等离子体处理装置相对于其他类型的等离子体处理装置具有可高密度和高均匀性地产生等离子体、并且结构简单、成本较低等特点，然而在实际应用中，这种结构的电感耦合线圈及应用该线圈的等离子体处理装置存在以下问题：

首先，当射频电流流过上述电感耦合线圈时，在反应腔室内产生时变的感应磁场，该时变的感应磁场又产生环向的感应电场，然而上述这种平面螺旋状的电感耦合线圈将导致在反应腔室内产生的电磁场分布不均匀，以及射频功率在介质窗下方分布不均匀。这样，因电子需要在感应电场的作用下获得能量而与中性粒子碰撞产生等离子体，因此这造成产生的等离子体分布不均匀。尽管等离子体可以从介质窗下方的产生区向被处理晶片等工件的表面扩散，但是在实际工艺范围内，仅通过扩散难以使上述等离子体均匀地到达被处理工件的表面，因此，这将造成工件处理结果不均匀。

其次，当被处理工件的尺寸从200mm增大到300mm乃至更大时，反应腔室的尺寸也相应地增大，这样，为保证能够得到可以满足工艺要求的大面积的高密度等离子体，就需要增加线圈的长度和圈数。然而，增加线圈长度将会造成线圈上的电压增加，而线圈上的电压增加将导致部分射频功率通过容性耦合到等离子体中，也就是说，从线圈到等离子体的射频功率的容性耦合将会随着线圈上的电压的增加而增加。然而，容性耦合不仅会降低射频功率的耦合效率，而且还增加离子动能，使得难以对离子动能进行精确控制，进而难以对溅射速率和刻蚀速率等工艺参数进行精确控制。此外，增加线圈长度将会导致线圈电感也增加。然而，电感过高将很难实现对线圈的共轭匹配，从而难以获得半导体加工所需的大面积、高密度且均匀分布的等离子体，进而影响晶片等工件加工/处理结果的均匀性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有立体结构的电感耦合线圈，借助于该电感耦合线圈能够获得分布较为均匀的等离子体，同时能够获得良好的均匀的加工/处理结果。

此外，本发明还提供了一种采用该电感耦合线圈的等离子体处理装置，其能够获得分布较为均匀的等离子体，同时能够获得良好的均匀的加工/处理结果。

为此，本发明提供了一种电感耦合线圈，其包括三组直径不同且相互嵌套的线圈绕组，所述三组线圈绕组中位于中间的线圈绕组的上表面高于位于外侧和内侧的线圈绕组的上表面，且所述每一组线圈绕组包括至少两个并联连接且相互嵌套对称分布的线圈分支，以便在相应介质窗的下方获得较为均匀的感应电磁场，进而获得分布较为均匀的等离子体。

其中，所述线圈分支为平面结构。

其中，所述线圈分支呈平面螺旋线的形状，所述螺旋线为阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线的形式。

其中，所述线圈分支为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸。

其中，所述线圈分支为立体结构。

其中，所述线圈分支呈立体螺旋形状，且沿上升方向其螺旋线的直径相同或者直径渐小或者直径渐大。

其中，所述每一组线圈绕组包括三个相互嵌套且对称分布的的线圈分支。

其中，所述直径不同且相互嵌套的线圈绕组的数量为3，并且中间绕组上表面的高度高于最内圈绕组以及最外圈绕组上表面的高度。

其中，所述最内圈绕组的直径小于被加工晶片的直径，所述中间绕组的直径大致等于被加工晶片的直径，所述最外圈绕组的直径大于被加工晶片的直径且小于介质窗的尺寸。

其中，所述三组线圈绕组彼此之间的连接方式为串联方式、并联方式以及混联方式。

作为另一个技术方案，本发明还提供了一种等离子体处理装置。该装置包括反应腔室，所述反应腔室的上部设有介电窗。其中，在所述介电窗的上方设置有本发明提供的上述电感耦合线圈，所述电感耦合线圈通过射频匹配器与射频电源连接，用以在介质窗的下方获得均匀的感应电磁场，进而在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。

相对于现有技术，本发明具有下述有益效果：

首先，由于本发明提供的电感耦合线圈中的至少三组线圈绕组中位于中间的线圈绕组的上表面高于位于外侧和内侧的线圈绕组的上表面，并且各绕组上表面所处的高度根据实际工艺要求而预先设定，因此，这种立体结构的电感耦合线圈能够在相应介质窗的下方获得较为均匀的感应电磁场，从而使耦合到介质窗下方的射频功率分布更为均匀，进而产生更为均匀的等离子体。这样，通过等离子体扩散，可以很容易地在被处理晶片的上方获得分布均匀的等离子体，从而获得良好的均匀的加工/处理结果。

其次，在本发明提供的电感耦合线圈中，每一组线圈绕组至少由两个完全相同的螺旋线形绕组(或由多个弧线段分支构成的同心圆)并联连接并对称嵌套而成。采用这种嵌套并联结构的线圈，不仅可以在反应腔室中产生分布相对均匀的电磁场和沉积相对分布均匀的射频功率，进而产生更为均匀的等离子体；而且采用此嵌套并联结构的线圈，还能够减小电感耦合线圈的电感，降低射频功率到等离子体的容性耦合，提高射频功率的耦合效率，并可以获得对刻蚀速率的精确控制，这样，即使增大晶片的尺寸，也可以容易地在该晶片的上方获得大面积的等离子体，以及改善大面积工艺中等离子体分布的均匀性，同时还能够对刻蚀速率进行精确控制，从而使晶片表面发生的物理化学反应速率差异较小，以提高刻蚀速率的均匀性以及晶片的加工/处理质量。

此外，由于本发明提供的电感耦合线圈具有上述有益效果，因此包含该电感耦合线圈的等离子体处理装置也同样具有下述有益效果：即，能够获得分布较为均匀的等离子体，同时能够获得良好的、均匀的加工/处理结果等。

附图说明

图1为现有技术中的等离子体处理装置的结构示意图；

图2为现有技术中的电感耦合线圈的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图；

图5为本发明第三实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图；

图6为本发明第四实施例提供的电感耦合线圈的结构示意图；以及

图7为本发明提供的等离子体处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述。

请参阅图3，本发明第一实施例提供的电感耦合线圈包括三组线圈绕组，即，最内圈绕组7、最外圈绕组9、以及界于二者之间的中间绕组8。其中，这三组绕组中的每一组均为平面结构，并且每一组绕组包括两个相互嵌套的螺旋状线圈分支。

在实际应用中，这三组线圈绕组通常设置在位于反应腔室上方的介质窗之上，然而它们并不位于同一个平面，可以根据实际工艺需要来设定这三组绕组距介质窗的距离。具体地，最内圈绕组7的上表面距介质窗的距离与最外圈绕组9的上表面距介质窗的距离大致相同，换言之，最内圈绕组7的上表面与最外圈绕组9的上表面大致位于同一个平面；中间绕组8的上表面距介质窗的距离相对较大，换言之，中间绕组8的上表面距介质窗的距离大于最内圈绕组7或最外圈绕组9的上表面距介质窗的距离。

这样，具有上述结构的电感耦合线圈就可以弥补现有技术中感应电磁场在介质窗处强度分布不均匀的缺陷。具体而言，在实际工艺过程中，可以根据实际工艺情况，将本发明提供的电感耦合线圈的三组绕组到介质窗的距离设置得不同，以便使最内圈绕组7和最外圈绕组9产生的感应电磁场在介质窗处的强度与由中间绕组8所产生的感应电磁场在介质窗处的强度大致均衡，进而使耦合到介质窗下方的射频功率分布得更为均匀，从而产生更为均匀的等离子体。这样，通过等离子体的扩散，就可以很容易地在晶片上方获得较为均匀的等离子体，同时获得更大的工艺窗口，并最终获得较为均匀的晶片等半导体器件的加工/处理结果。

请参阅图4，类似于第一实施例，本发明第二实施例提供的电感耦合线圈同样包括三组线圈绕组，即，最内圈绕组7、最外圈绕组9、以及界于二者之间的中间绕组8，并且这三组绕组中的每一组均为平面结构。而且，本实施例提供的电感耦合线圈的安装方式和工作原理均与第一实施例类似，在此不再赘述。

至于第二实施例和第一实施例的差别，主要表现为：第一实施例中的每一组绕组包括两个相互嵌套的螺旋状线圈分支；而第二实施例中的每一组绕组包括三个相互嵌套的螺旋状线圈分支。

请参阅图5，本发明第三实施例提供的电感耦合线圈包括三组线圈绕组，即，最内圈绕组7、最外圈绕组9、以及界于二者之间的中间绕组8。其中，这三组绕组中的每一组均为立体结构，并且，最内圈绕组7和最外圈绕组9的高度大致相等，而中间绕组8的高度则高于最内圈绕组7和最外圈绕组9的高度。而且，本实施例中的每一组绕组包括两个相互嵌套且呈螺旋上升结构的线圈分支，且每一个线圈分支的直径自上而下一致。

在实际应用中，本实施例中的三组线圈绕组设置于反应腔室上方的介质窗上。由于各绕组呈螺旋上升结构并且具有如上所述的高度状况，因此，最内圈绕组7的上表面到介质窗的距离与最外圈绕组9的上表面到介质窗的距离大致相等，并且中间绕组8的上表面到介质窗的距离大于最内圈绕组7或最外圈绕组9的上表面到介质窗的距离。

请参阅图6，本发明第四实施例提供的电感耦合线圈包括三组线圈绕组，即，最内圈绕组7、最外圈绕组9、以及界于二者之间的中间绕组8。其中，这三组绕组中的最内圈绕组7和最外圈绕组9为平面结构，且每一组绕组包括两个相互嵌套的螺旋状线圈分支；而中间绕组8为立体结构，其包括两个相互嵌套且呈螺旋上升结构的线圈分支，且该线圈分支的直径自上而下一致。

在实际应用中，本实施例中的三组线圈绕组设置于反应腔室上方的介质窗上。由于各绕组具有如上所述的高度状况，因此，最内圈绕组7的上表面到介质窗的距离与最外圈绕组9的上表面到介质窗的距离大致相等，并且中间绕组8的上表面到介质窗的距离大于最内圈绕组7或最外圈绕组9的上表面到介质窗的距离。

需要指出的是，在实际应用中，最内圈绕组7的半径小于被处理晶片的半径；中间绕组8的半径与被处理晶片的半径基本相同；最外圈绕组9的半径大于被处理晶片的半径，但小于介质窗的尺寸。

进一步需要指出的是，尽管前述实施例中的电感耦合线圈的各个线圈分支均采用了螺旋线形状，但是在实际应用中，其也可以采用其他适宜的形状，例如其可以为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸。而且，对于立体结构的线圈分支，其直径也不局限于前述实施例中所述的自上而下始终相等这种情况，而是也可以采用自上而下直径渐大或者自上而下直径渐小这样的方式。至于各线圈分支可以采用的具体形状，可以详见本申请人的其他专利/专利申请文献，在此不再赘述。例如可以参见公告号为CN2807421、名称为“电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置”的中国实用新型专利，以及申请号为200610112570.5、名称为“电感耦合线圈及采用该电感耦合线圈的等离子体装置”的中国发明专利申请文献。

另外，每一组线圈绕组中的各个线圈分支彼此之间可以采用并联的方式进行连接。至于这三组线圈绕组彼此之间的连接方式，例如可以采用串联连接或者并联连接或者串并联混合连接等方式。

通过上述描述可以看出，前述实施例中的电感耦合线圈均包括最内圈绕组、最外圈绕组、以及界于二者之间的中间绕组三部分。其中，最内圈绕组、最外圈绕组以及中间绕组形成一个立体结构的电感耦合线圈，并且可以根据不同的反应腔室结构和工艺条件来设定三个绕组的安装位置或距介质窗的相对高度，以使射频电流流过此线圈时产生的感应电磁场更为均匀，从而使耦合到介质窗下方的射频功率分布更为均匀，进而产生更为均匀的等离子体。这样，通过等离子体的扩散运动，可以很容易地在被处理晶片的上方获得分布均匀的等离子体，并获得更大的工艺窗口。

此外，前述每一组线圈绕组至少由两个完全相同的线圈分支并联连接并对称嵌套而成。采用这种嵌套并联结构，不仅可以在反应腔室中产生分布相对均匀的电磁场和射频功率，进而产生均匀的等离子体；而且采用此嵌套并联结构的线圈，还能够减小电感耦合线圈的电感，降低射频功率到等离子体的容性耦合，提高射频功率的耦合效率，并可以获得对刻蚀速率的精确控制，这样，即使增大晶片的尺寸，也可以容易地在该晶片的上方获得大面积的等离子体，以及改善大面积工艺中等离子体分布的均匀性，同时还能够对刻蚀速率进行精确控制，从而使晶片表面发生的物理化学反应速率差异较小，以提高刻蚀速率的均匀性以及晶片的加工/处理质量。

可以理解的是，尽管前述实施例中所述的电感耦合线圈由最内圈绕组、最外圈绕组、以及界于二者之间的中间绕组三部分组成，但是在实际应用中，线圈绕组的数量并不局限于所述的三组，例如也可以为两组或者三组以上，并且可以根据不同的反应腔室结构和工艺条件来设定这些绕组的安装位置或距介质窗的相对高度，以最终在被处理晶片的上方获得分布均匀的等离子体，并获得良好的加工/处理结果。

此外，本发明还提供一种采用了本发明所提供的电感耦合线圈的等离子体处理装置。下面结合图7对本发明提供的等离子体处理装置进行详细说明。

请参阅图7，本发明提供的等离子体处理装置包括反应腔室4、介质窗17、静电卡盘6和电感耦合线圈3。其中，静电卡盘6位于反应腔室4内，并且经由匹配器10而与射频源11相连。该静电卡盘6上设置有被加工处理的晶片5。在反应腔室4的上方设置有介质窗17，电感耦合线圈3便置于该介质窗17上，并经由匹配器2而与射频源1相连。

可以看出，本实施例中的等离子体处理装置的组成和结构与现有技术类似，二者的不同在于：本实施例中的等离子体处理装置中的电感耦合线圈3采用的是本发明所提供的一种电感耦合线圈。该电感耦合线圈3包括三组线圈绕组，即，最内圈绕组、最外圈绕组、以及界于二者之间的中间绕组。其中，这三组绕组中的每一组均为平面结构。在实际应用中，这三组线圈绕组设置在介质窗17的上面，然而它们并不处于同一个平面。具体地，最内圈绕组7与最外圈绕组9大致位于一个平面并靠近介质窗17设置，中间绕组8远离介质窗17设置，这样，最内圈绕组7的上表面距介质窗17的距离与最外圈绕组9的上表面距介质窗17的距离大致相同，而中间绕组8的上表面距介质窗17的距离则大于最内圈绕组7的上表面或最外圈绕组9的上表面距介质窗17的距离，以便能够在被处理晶片5的上方获得分布均匀的等离子体，同时能够降低射频功率到等离子体的容性耦合，提高射频功率的耦合效率，并可以对刻蚀速率等工艺过程进行精确控制，以最终获得良好的加工/处理结果。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电感耦合线圈，其特征在于，包括三组直径不同且相互嵌套的线圈绕组，所述三组线圈绕组中位于中间的线圈绕组的上表面高于位于外侧和内侧的线圈绕组的上表面，且所述每一组线圈绕组包括至少两个并联连接且相互嵌套对称分布的线圈分支，以便获得分布均匀的等离子体。

2.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈分支为平面结构。

3.根据权利要求2所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈分支呈平面螺旋线的形状，所述螺旋线为阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线的形式。

4.根据权利要求2所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈分支为大致同心圆的形状，并且所述同心圆中的每一圈包括多个弓形的弧线段，和至少一个在弧线段之间延伸并连接的连接部分，所述弧线段分别沿着所述同心圆延伸。

5.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈分支为立体结构。

6.根据权利要求5所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述线圈分支呈立体螺旋形状，且沿上升方向其螺旋线的直径相同或者直径渐小或者直径渐大。

7.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述每一组线圈绕组包括三个相互嵌套且对称分布的的线圈分支。

8.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述直径不同且相互嵌套的线圈绕组的数量为3，并且中间绕组上表面的高度高于最内圈绕组以及最外圈绕组上表面的高度。

9.根据权利要求8所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述最内圈绕组的直径小于被加工晶片的直径，所述中间绕组的直径大致等于被加工晶片的直径，所述最外圈绕组的直径大于被加工晶片的直径且小于介质窗的尺寸。

10.根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于，所述三组线圈绕组彼此之间的连接方式为串联方式、并联方式以及混联方式。

11.一种等离子体处理装置，包括反应腔室，所述反应腔室的上部设有介电窗，其特征在于，在所述介电窗的上方设置有如权利要求1至10中任意一项所述的电感耦合线圈，所述电感耦合线圈通过射频匹配器与射频电源连接，以便在反应腔室内得到分布均匀的等离子体。

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