CN104862671B - 一种反应腔室及等离子体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反应腔室及等离子体加工设备，反应腔室包括环形介质窗和功率供给单元，环形介质窗的外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的多组线圈，且多组线圈并联连接；功率供给单元向多组线圈加载功率。上述反应腔室可以使等离子体在反应腔室内均匀分布，并使反应腔室内等离子体的密度提高，从而提高工艺的均匀性和离化效率；同时，还可以提高用于激发等离子体的有效功率，以及降低环形介质窗在工艺过程中的升温幅度和温度梯度，防止其破裂，延长环形介质窗的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及等离子体加工设备。
背景技术
硅通孔（TSV）互连技术广泛地用于三维叠层封装、MEMS封装等工艺中。在TSV工艺中，为实现较高的刻蚀选择比和刻蚀速率，一般采用远程高密度等离子体（Remote HighDensity Plasma，以下简称为Remote HDP）源，即基片位于等离子体的下游，且与产生等离子体的线圈之间的距离较大，这样使基片所在区域的自由基的浓度高，离子密度低，从而可以减少离子轰击导致的掩膜层的损失，实现同时兼顾刻蚀速率和刻蚀选择比的目的。
图1为现有的反应腔室的示意图。如图1所示，反应腔室1包括静电卡盘2、环形介质窗3、线圈4、第一电源5和第二电源6。其中，静电卡盘2设于反应腔室1的内部，其用于承载基片。环形介质窗3位于静电卡盘2的竖直上方，且其与静电卡盘2之间具有较大的距离。线圈4环绕于环形介质窗3的外侧，且其与第一电源5电连接；在第一电源5向线圈4加载功率时，线圈4会穿过环形介质窗3在反应腔室1内产生电磁场，将通入反应腔室1内的工艺气体激发为等离子体。第二电源6与静电卡盘2电连接，其用于向静电卡盘2加载功率，使静电卡盘2上产生偏压，吸引等离子体轰击基片，使等离子体与基片之间发生物理和/或化学反应，从而完成对基片的刻蚀工艺。
在上述反应腔室1中，由于线圈4与等离子体之间存在感应耦合和容性耦合，且其中容性耦合所占的功率一般约为感应耦合所占功率的50%，因此，第一电源5需要向线圈4加载较高的功率，使反应腔室1内基片所在区域的等离子体具有较高的密度，以获得较高的刻蚀速率。在此情况下，由于趋肤效应而产生的趋肤电流急剧增大，且其与线圈4内的电流方向相反，从而会使第一电源5向线圈4加载的部分功率会被消耗掉，降低线圈4用于产生电磁场，激发等离子体的有效功率。同时，第一电源5向线圈4加载较高的功率还会使等离子体中活性粒子附合、离子轰击介质窗、光辐射等作用的强度增强，导致环形介质窗3的升温幅度更高，并使环形介质窗3上的温度梯度更大，从而使环形介质窗3更容易破裂。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种具有多组相互并联线圈的反应腔室及等离子体加工设备，其能够使由于单组线圈产生的趋肤电流效应减小，进而使加载于线圈上的功率更多地用于激发等离子体，提高了工艺气体的离化率；同时从宏观上提高了等离子体分布的均匀性，使得等离子体中的活性粒子附合以及离子轰击介质窗及光辐射等作用的强度降低，进而降低环形介质窗在工艺过程中的升温幅度和温度梯度，减少介质窗破裂的几率，延长介质窗的使用寿命。
为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括环形介质窗和功率供给单元，所述环形介质窗的外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的多组线圈，所述多组线圈并联连接；所述功率供给单元向所述多组线圈加载功率。
其中，所述功率供给单元包括电源和匹配器。
其中，所述电源的数量为一个；所述多组线圈与电源电连接；并且，所述电源向多组线圈加载功率时，每组线圈内电流的方向相同。
其中，所述电源的数量为多个；每个所述电源与一组或多组线圈电连接；并且，所述电源向线圈加载功率时，所述多组线圈内电流的方向相同。
其中，所述反应腔室还包括第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件；所述第一连接件和第二连接件沿竖直方向设置，且所述多组线圈的一端与第一连接件连接，另一端与第二连接件连接；所述第三连接件的两端分别与电源和第一连接件连接，所述第四连接件的一端与第二连接件连接，另一端接地。
其中，根据多组线圈中所需的电流，设置第一连接件的与第三连接件连接的位置，以及第二连接件的与第四连接件的位置。
其中，所述第三连接件的一端连接于第一连接件的中间位置；所述第四连接件的一端连接于第二连接件的中间位置。
其中，每组所述线圈的匝数为多个；所述相邻两组线圈之间的间隔大于单组线圈的宽度的两倍。
其中，所述多组线圈的截面形状为带状、圆环或圆形。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的反应腔室，其环形介质窗外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的多组线圈，使工艺气体被通入反应腔室后依次通过多组线圈产生的电磁场电离，并且在该过程中，产生的等离子体在水平和竖直方向扩散，使等离子体在反应腔室内均匀分布，从而可以提高工艺的均匀性；同时，利用多组线圈将工艺气体多次电离，还可以提高工艺的离化效率。此外，在本发明提供的反应腔室中，用于激发等离子体的功率被分别加载至多组线圈上，使每组线圈上的功率较低，可以减小多组线圈内趋肤电流的影响，使加载至多组线圈中的功率更多地用于激发等离子体，从而提高了加载至线圈上的有效功率；以及，降低等离子体中活性粒子的附合、离子轰击环形介质窗以及光辐射等作用的强度，并降低环形介质窗在工艺过程中的升温幅度以及温度梯度，防止环形介质窗因此而破裂，从而可以延长环形介质窗的使用寿命。
本发明提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的上述反应腔室，使等离子体在反应腔室内均匀分布，并使反应腔室内等离子体的密度提高，从而提高工艺的均匀性和工艺效率；同时，还可以提高用于激发等离子体的有效功率，以及降低环形介质窗在工艺过程中的升温幅度和温度梯度，防止其破裂，延长其使用寿命。
附图说明
图1为现有的反应腔室的示意图；
图2为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图；
图3为本发明实施例中线圈与电源连接的示意图；
图4为第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件的示意图；
图5为位于上方的线圈的示意图；以及
图6为位于下方的线圈的示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室及等离子体加工设备进行详细描述。
请参看图2，图2为本发明实施例提供的反应腔室的结构示意图。反应腔室10用于对被加工工件进行工艺处理，其包括承载装置11、环形介质窗12、气体供给***20、功率供给单元和偏压电源13。其中，承载装置11设于反应腔室10内部，用于承载被加工工件14。环形介质窗12设于反应腔室10的腔室壁上，且位于承载装置11的竖直上方，其由氧化铝陶瓷、石英等不导电材料制成。环形介质窗12的外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的多组线圈15，该多组线圈15相互并联。气体供给***20用于向反应腔室10内通入工艺气体，其包括进气管路及设于进气管路上的气动阀（图中未示出）和质量流量控制计（图中未示出）；其中，工艺气体经进气管路通入反应腔室10，气动阀用于开启和关闭进气管路，质量流量控制计用于控制向反应腔室10内通入的工艺气体的流量。功率供给单元向多组线圈15加载功率，其包括电源16和匹配器17；其中，电源16与线圈15连接，用于向线圈15加载功率，使线圈15穿过环形介质窗12在反应腔室10内产生电磁场，将通入反应腔室10内的工艺气体激发为等离子体；匹配器17连接于电源16和线圈15之间，其用于调节电源16的负载阻抗，使其与电源16的输出阻抗相匹配，从而减小电源16的功率反射，使电源16的输出功率可以完全加载至线圈15上。偏压电源13与承载装置11连接，用于向承载装置11加载偏压功率，使承载装置11上产生偏压，吸引等离子体与置于承载装置11上的被加工工件发生物理和/或化学反应。
在本实施例中，功率供给单元包括一个电源16多组线圈15与电源16电连接。具体地，如图3及图4所示，反应腔室10包括第一连接件101、第二连接件102、第三连接件103和第四连接件104；其中，第一连接件101和第二连接件102沿竖直方向设置，多组线圈15的第一端与第一连接件101连接，第二端与第二连接件102连接；第三连接件103的两端分别与电源16和第一连接件101连接，第四连接件104的一端与第二连接件102，另一端接地。并且，在多组线圈15中的自与第一连接件101连接的第一端至与第二连接件102连接的第二端的方向相同，即均为顺时针或逆时针方向，从而使电源16向多组线圈15加载功率时，多组线圈15中的电流方向相同。
在工艺过程中，工艺气体经进气管路通入到反应腔室10内，并由上至下向承载装置11流动；在其流动过程中，工艺气体依次经过多组线圈15对应的区域，多组线圈15依次将工艺气体电离。下面以线圈15的数量为两个时工艺气体被电离的过程为例来说明反应腔室10内等离子体的产生过程。具体地，如图2、图3、图5及图6所示，在工艺气体流动至位于上方的线圈15＇对应的区域时，工艺气体会在线圈15＇产生的电磁场中被电离，其中少部分工艺气体被直接电离为电子和离子，更多的气体则被电离为自由基；其中，自由基在电离后的工艺气体中的含量一般为工艺气体中离子含量的100-1000倍。在线圈15＇将工艺气体第一次电离后，工艺气体继续向下流动，此时，其包含少量的离子和大量的自由基，同时其中还包含有大量的未被电离的工艺气体；在工艺气体流动至位于下方的线圈15〞对应的区域时，工艺气体会在线圈15〞产生的电磁场中第二次被电离，在该电离过程中，在第一次电离过程中未被电离的工艺气体中的少部分会被直接电离为电子和离子，更多的部分会被电离为自由基；同时在该电离过程中，在第一次电离过程中电离出的自由基会被进一步电离为电子和离子。
根据上述可知，线圈15＇和线圈15〞均将部分工艺气体电离为电子和离子，从而在反应腔室10内产生等离子体。在实际应用中，由于线圈15在反应腔室10内产生的电磁场一般是不均匀的，使得等离子体在线圈15对应的区域内产生的速率不同，一般情况下，线圈15的轴向中心对应的区域内等离子体的产生速率高于反应腔室10内靠近环形介质窗12的区域内等离子体的产生速率；从而使工艺过程中，等离子体会沿水平方向由等离子体产生速率高的区域向等离子体产生速率低的区域扩散。此外，在本实施例中，由于线圈15＇和线圈15〞间隔设置，在其二者之间的区域内没有等离子体产生，因此，线圈15＇和线圈15〞对应的区域内等离子体产生速率高的区域内的等离子体会向线圈15＇和线圈15〞之间的区域扩散，从而使线圈15＇和线圈15〞对应的区域内等离子体产生速率高的区域内，等离子体产生的速率和向外扩散的速度相平衡，并提高线圈15＇和线圈15〞对应的区域内等离子体产生速率低的区域以及线圈15＇和线圈15〞之间的区域的等离子体的密度，进而使等离子体在反应腔室10内均匀分布。
在工艺过程中，等离子体在反应腔室10内均匀分布，可以减小由于多组线圈15内趋肤电流的影响，使电源16加载至线圈15上的功率更多地用于在反应腔室10内产生电磁场，将工艺气体激发为等离子体，从而可以提高反应腔室10内等离子体的密度；同时，由于趋肤电流的减小，使电源16可以向线圈15加载更高的功率，从而提高功率容量。
同时，在本实施例中，电源16的输出功率被分配给多组线圈15，使每组线圈15中的功率较低，从而可以降低环形介质窗12所环绕的区域内等离子体中活性粒子的附合、离子轰击环形介质窗12以及光辐射等作用的强度，并降低环形介质窗12的升温幅度及其表面的温度梯度，防止其破裂，进而可以延长环形介质窗12的使用寿命。
本实施例提供的反应腔室，其环形介质窗12外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的多组线圈15，使工艺气体被通入反应腔室10后依次通过多组线圈15产生的电磁场电离，并且在该过程中，产生的等离子体在水平和竖直方向扩散，使等离子体在反应腔室10内均匀分布，从而可以提高工艺的均匀性；同时，利用多组线圈15将工艺气体多次电离，还可以提高工艺的离化效率。此外，在本实施例提供的反应腔室中，用于激发等离子体的功率被分别加载至多组线圈15上，使每组线圈15上的功率较低，可以减小多组线圈15内趋肤电流的影响，使加载至多组线圈15中的功率更多地用于激发等离子体，从而提高了加载至线圈15的有效功率；以及，还可以降低等离子体中活性粒子的附合、离子轰击环形介质窗12以及光辐射等作用的强度，降低环形介质窗12在工艺过程中的升温幅度以及温度梯度，防止其因此而破裂，从而可以延长其使用寿命。
在本实施例中，每组线圈15的匝数为多个；并设置相邻两组线圈15之间的间隔大于单组线圈15的宽度的两倍，这样可以使等离子体产生速率较高的区域内的等离子体具有足够的空间用于其扩散，使该区域内等离子体的产生速率和扩散速度相平衡，从而使等离子体在反应腔室10内均匀分布。
在本实施例中，多组线圈15的截面形状可以为带状、圆环或圆形。
在本实施例中，根据多组线圈15中所需的电流，设置第一连接件101的与第三连接件103的位置，以及第二连接件102的与第四连接件104的位置。在实际应用中，第一连接件101与第三连接件103连接于第一连接件101的不同位置，和/或，第二连接件102与第四连接件104连接于第二连接件102的不同位置，可以改变多组线圈15所在电路中的电阻，进而改变相应电路中的电流。本实施例提供的反应腔室10通过设置第一连接件101与第三连接件103的位置、第二连接件102与第四连接件104的位置可以改变多组线圈15所在电路中的电流，进而改变多组线圈15产生的电磁场的强度，最终调节多组线圈15激发等离子体的效率。优选地，在本实施例中，第三连接件103的一端连接于第一连接件101的中间位置；第四连接件104的一端连接于第二连接件102的中间位置。
需要说明的是，在本实施例中，功率供给单元包括一个电源16，多组线圈15并联，且与该电源16电连接，但本发明并不限于此，在实际应用中，电源16的数量还可以为多个，使每个电源16与一组或多组线圈15连接，同时使电源16向线圈15加载功率时，多组线圈15内电流的方向相同。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室，该反应腔室采用本发明上述实施例提供的反应腔室。
本实施例提供的等离子体加工设备，其采用本发明提供的上述反应腔室，使等离子体在反应腔室内均匀分布，并使反应腔室内等离子体的密度提高，从而提高工艺的均匀性和工艺效率；同时，还可以提高用于激发等离子体的有效功率，以及降低环形介质窗在工艺过程中的升温幅度和温度梯度，防止其破裂，延长其使用寿命。
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 (6)
1.一种反应腔室，包括环形介质窗和功率供给单元，其特征在于，所述环形介质窗的外侧环绕有沿竖直方向间隔设置的两组线圈，所述两组线圈并联连接；
所述功率供给单元向所述两组线圈加载功率；
最上端的一组线圈中，电流从最下匝线圈馈入；最下端的一组线圈中，电流从最上匝线圈馈入；其中，
所述功率供给单元包括电源和匹配器，并且，所述电源向所述两组线圈加载功率时，每组线圈内电流的方向相同；
所述反应腔室还包括第一连接件、第二连接件、第三连接件和第四连接件；
所述第一连接件和第二连接件沿竖直方向设置，且所述两组线圈的一端与第一连接件连接，另一端与第二连接件连接；
所述第三连接件的两端分别与电源和第一连接件连接，所述第四连接件的一端与第二连接件连接，另一端接地；其中，
所述第三连接件的一端连接于第一连接件的中间位置；所述第四连接件的一端连接于第二连接件的中间位置。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述电源的数量为一个；所述两组线圈与电源电连接。
3.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述电源的数量为两个；每个所述电源与一组线圈电连接。
4.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，每组所述线圈的匝数为多个；
相邻两组线圈之间的间隔大于单组线圈的宽度的两倍。
5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述两组线圈的截面形状为带状、圆环或圆形。
6.一种等离子体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-5任意一项所述的反应腔室。
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