电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置 |
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| 申请号 | CN200610112570.5 | 申请日 | 2006-08-23 | 公开(公告)号 | CN101131893B | 公开(公告)日 | 2011-12-07 |
| 申请人 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司; | 发明人 | 宋巧丽; 南建辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种电感耦合线圈及应用该电感耦合线圈的电感耦合 等离子体 装置，由两个或多个结构基本相同的独立分支嵌套构成，多个独立分支同轴线，且相对轴线对称布置，并联连接，每个独立分支包括立体部分和平面部分，立体部分沿轴线方向延伸；平面部分沿垂直于轴线的平面向四周延伸；立体部分的底部端点与平面部分的内部端点平滑连接。电感耦合线圈设于电感耦合等离子体装置的反应室上部，并与射频电源连接。可以使工艺气体在反应腔室的晶片上方分布均匀，使晶片表面发生的化学反应速度差异较小， 刻蚀 速率均匀，提高刻蚀晶片的 质量 。主要用于 半导体 晶片 加工设备，也适用于其它的设备。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电感耦合线圈，其特征在于，由多个结构相同的独立分支嵌套构成，所述多个独立分支同轴线，且相对轴线对称布置； |
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| 说明书全文 | 电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置技术领域背景技术[0002] 目前，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晶片的加工能力。等离子体装置广泛地应用于制造IC(集成电路)或MEMS(微电子机械系统)器件的制造工艺中。其中ICP(电感耦合等离子体装置)被广泛应用于刻蚀等工艺中。在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性反应基团和被刻蚀物质表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使材料表面性能发生变化。 [0003] 图1所示的电感耦合等离子体装置是目前半导体刻蚀设备中大多数采用的结构。在半导体加工过程中，从介电窗1中央的进气口2进入反应腔室3的工艺气体被上方的电感耦合线圈4电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀晶片5表面的材质。系统中分子泵从出气口6抽出反应腔室3的气体排出。在这一过程中，使气体产生电离形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈4，目前施加在电感耦合线圈4上的激励方式是加13.56MHz射频，使得电感耦合线圈4内有射频电流从而会产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，该变化的磁场会感应出电场，从而在反应腔室3内将反应气体电离成等离子体，被激发的等离子体在腔室内与工件相互作用，对工件进行刻蚀或在工件上沉积材料。工件一般是具有圆形平面的半导体晶片。由于抽气方式或者反应腔室的不对称，通常会引起反应腔室内粒子密度、温度和通量的不对称。气流的不对称会引起等离子体传导率的不对称，而等离子体传导率的不对称会导致功率沉积的不均匀，从而引起电子碰撞电离的不均匀。随着晶片5尺寸的增加，反应腔室3的体积也相应的增大，边缘和中心等离子体密度分布不均匀性更明显，因此目前大多数的刻蚀设备都存在着刻蚀速率不均匀的问题，这对半导体制造工艺造成了很大的不利影响。 [0004] 为了在被刻蚀物质表面上得到比较均匀的刻蚀速率，就需要在反应腔室3内部晶片5上方获得比较均匀的等离子体密度分布，使晶片5上方获得较为均匀的等离子体分布，提高刻蚀的质量。 [0005] 如图2所示，是目前常用的电感耦合线圈4的结构，为平面螺旋结构，其所激发的等离子体非常不均匀。由于该电感耦合线圈在反应室中央部分所激发的电磁场较强，因此在中央所产生的等离子体密度较高，只能依靠扩散来弥补外围密度低的区域，这就造成了对于气体压力的依赖性很大，只是在1-10mTorr(托)应用才能有最好的性能。这使得工艺的可调窗口非常小，对半导体制造工艺造成了很大的局限性。当等离子体密度分布不均匀时，晶片上刻蚀的深度或者材料在晶片上沉积的厚度就不均匀，从而会降低器件的良率。特别是当晶片的尺寸从100mm增加到300mm，反应腔室的体积也相应的增大，依靠扩散使等离子体密度达到均匀已经非常的不现实了。 [0006] 另外，当晶片的直径达到300mm时，就需要相应的增加电感耦合线圈的尺寸，用来加工晶片的等离子体腔室也要增加，这样就要求介电窗1的厚度必须相应增加。否则，介电窗1不能承受腔体外大气压与腔体内真空之间的压差。这样厚的介电窗1会降低能量的耦合效率，这是因为射频场在穿透厚介电窗1后，不具备足够的通量密度来激励等离子体。而这时这种传统的螺旋电感耦合线圈所面临的问题就是产生非均匀性的等离子体密度。因为这种传统的电感耦合线圈长度会随着晶片半径的增加而显著增加，接近或者超过了射频激励源的八分之一波长。这样电感耦合线圈上的传输线效应就会很明显，电感耦合线圈上将存在显著的电流和电压变化，从而导致磁通量密度在等离子体中明显变化，从而造成工件加工不均匀。另一方面，当电感耦合线圈尺寸增加时，其相应的电感也会增加，这样电感耦合线圈两端的电压就会相应的增加。大电压会引起电感耦合线圈和等离子体间的容性耦合，这样的容性耦合增加了离子的动能，因此难以精确控制处理，会增加晶片的微负载效应，降低器件的良率。此外，具有较高动能的离子碰撞等离子体腔室的内壁会产生颗粒污染。大电感还会造成不稳定的阻抗匹配和低的耦合效率，相应的径向等离子体密度的不均匀性也要增加。 发明内容[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置，可以使工艺气体在反应腔室的晶片上方分布均匀，使晶片表面发生的化学反应速度差异较小，刻蚀速率均匀，提高刻蚀晶片的质量。 [0008] 针对上述技术问题，本发明是通过以下技术方案加以解决的： [0009] 本发明的电感耦合线圈，由多个结构相同的独立分支嵌套构成，所述多个独立分支同轴线，且相对轴线对称布置。 [0010] 所述的每个独立分支包括立体部分和平面部分，所述立体部分沿轴线方向延伸；所述平面部分沿垂直于轴线的平面向四周延伸；立体部分的底部端点与平面部分的内部端点平滑连接。 [0011] 所述的独立分支的平面部分为螺旋线或阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线。 [0012] 所述的独立分支的立体部分沿轴线螺旋上升。 [0013] 所述的独立分支的立体部分的螺旋线直径相同。 [0014] 所述的独立分支的立体部分的螺旋线沿上升的方向直径渐小。 [0015] 所述的独立分支的立体部分的螺旋线沿上升的方向直径渐大。 [0016] 所述的独立分支有两个。 [0017] 所述的多个独立分支相互并联连接。 [0018] 本发明的电感耦合线圈的电感耦合等离子体装置，包括反应室，反应室上部设有介电窗，所述的介电窗的上部设有电感耦合线圈，电感耦合线圈连接有射频RF电源。 [0019] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置，由于由多个结构相同的独立分支嵌套构成，各个分支对称并联连接，减小了电感耦合线圈的电感，从而可以很容易的获得大面积的等离子体，改善大面积工艺中等离子体的均匀性。同时这种电感耦合线圈结构使反应腔体中的电磁场分布对称，使得等离子体的分布在中心和边缘更加均匀分布； [0020] 又由于每个分支都是平面和立体的结合，这种结构的电感耦合线圈由于中间是立体结构这就使得线圈在反应腔室中间产生的电场小于电感耦合线圈平面部分对应于反应腔体处产生的电场，从而解决了图2中电感耦合线圈的缺陷，使得等离子体在反应腔体中心和边缘的分布更加均匀。 [0022] 图1为现有技术的电感耦合等离子体装置的结构示意图； [0023] 图2为现有技术的电感耦合线圈结构示意图； [0024] 图3为本发明的电感耦合线圈的具体实施例一的立体结构示意图； [0025] 图4为本发明的电感耦合线圈的具体实施例一的平面结构示意图； [0026] 图5为本发明的电感耦合线圈的具体实施例一的立面结构示意图； [0027] 图6为本发明的电感耦合线圈的具体实施例二的立体结构示意图； [0028] 图7为本发明的电感耦合线圈的具体实施例二的立面结构示意图； [0029] 图8为本发明的电感耦合线圈的具体实施例二的平面结构示意图； [0030] 图9为本发明的电感耦合等离子体装置的结构示意图。 具体实施方式[0031] 本发明的电感耦合线圈较佳的具体实施方式是，由多个结构相同的独立分支嵌套构成，所述多个独立分支同轴线，且相对轴线对称布置。 [0032] 具体实施例一如图3、图4、图5所示，电感耦合线圈由两个结构相同的独立分支嵌套构成，两个独立分支同轴线，且相对轴线对称布置。每个独立分支包括立体部分10和平面部分11，立体部分10沿轴线方向延伸；平面部分11沿垂直于轴线的平面向四周延伸；立体部分10的底部端点与平面部分11的内部端点平滑连接。 [0033] 独立分支的平面部分11为螺旋线，可以是各种等距或不等距螺旋线，也可以是阿基米德螺旋线或渐开线或涡状线，也可以以其它的线型向四周延伸。 [0034] 独立分支的立体部分10沿轴线螺旋上升。立体部分10的螺旋线直径相同。也可以沿上升的方向直径渐小，或者，沿上升的方向直径渐大。 [0035] 上升的螺旋间距相同，也可以采用不同的间距，比如间距渐大或渐小的形式。 [0036] 多个独立分支相互之间并联连接，也可以采用其它的连接方式。 [0037] 具体实施例二如图6、图7、图8所示，电感耦合线圈与具体实施例一的结构原理是相同的，但是在平面部分稍有变动，尽量使每一圈螺旋在空间上接近一个等直径的园。 [0038] 电感耦合线圈的各个分支也可以根据需要采用不完全相同的结构，和不完全对称的布置，但其大体上是相同和对称的。 [0039] 本发明的应用上述电感耦合线圈的电感耦合等离子体装置，如图9所示，包括反应室3，反应室3中设有用来放置晶片5的卡盘9，反应室3的上部设有介电窗1，介电窗1的中部设有进气口2，气体引入装置8通过进气口2将工艺气体引入反应室3。 [0040] 介电窗1的上部设有电感耦合线圈4，电感耦合线圈4的输入端通过匹配器12和RF(射频)源7连接，电感耦合线圈4的输出端通过接地电容接地，在反应室3中产生感应电场，将进入反应室3内的气体激发成等离子体。对晶片5进行刻蚀等加工。 [0041] 本发明的这种结构，通过结构基本相同的分支对称并联连接，减小了电感耦合线圈的电感，从而可以很容易的获得大面积的等离子体，改善大面积工艺中等离子体的均匀性。同时这种电感耦合线圈结构使反应腔体中的电磁场分布对称，使得等离子体的分布在中心和边缘更加均匀分布。 [0042] 每个分支都是平面和立体的结合，这种结构的电感耦合线圈由于中间是立体结构这就使得线圈在反应腔室中间产生的电场小于电感耦合线圈平面部分对应于腔室处产生的电场，从而解决了图2中电感耦合线圈的缺陷，使得等离子体在腔室中心和边缘的分布更加均匀。 [0043] 本发明主要用于半导体晶片加工设备，也适用于其它的设备。 |
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