專利名稱：電感耦合等離子體線圈及等離子體注入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于半導(dǎo)體加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種電感耦合等離子體線圈及等離子體注入裝置。
背景技術(shù)：
目前在半導(dǎo)體制造和加工技術(shù)中經(jīng)常用到等離子體源，常用的等離子體源包括電容耦合等離子體源(CCP)，電子回旋共振等離子體源(ECR)，螺旋波或表面波等離子體源以及電感耦合等離子體源(ICP)。其中電感耦合等離子源(ICP)結(jié)構(gòu)簡單，能夠產(chǎn)生高密度， 大面積均勻的等離子體，因而在半導(dǎo)體等離子體設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。在ICP電感耦合等離子體源中，線圈結(jié)構(gòu)和配置對等離子體的密度，均勻性等參數(shù)起到重要作用。近年來隨著集成電路的發(fā)展，樣片的尺寸不斷增加，等離子體反應(yīng)腔室的體積和激發(fā)線圈的面積隨之增加。為了滿足大尺寸樣片條件下對等離子體密度和均勻性的要求，ICP感應(yīng)耦合等離子體源在線圈設(shè)計方面存在諸多的困難和挑戰(zhàn)。當(dāng)前常用的ICP感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生裝置如附圖I所示，一般由等離子體線圈 110，反應(yīng)腔室17，介質(zhì)石英窗111，基座15等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。從進氣口 14進入的反應(yīng)氣體在腔室中被激發(fā)成等離子體，等離子體中正離子在基座負(fù)向偏壓的作用下轟擊晶片完成晶片原子層沉積，刻蝕等工藝，反應(yīng)后氣體通過出氣口 16排出。在附圖I和附圖2中，等離子體發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)有所不同。附圖2中將等離子體線圈212嵌入到反應(yīng)腔室27中，中間用石英管 213隔離。附圖2中的等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生的等離子體優(yōu)于附圖1，是現(xiàn)在等離子體發(fā)生設(shè)備中常用的結(jié)構(gòu)。ICP電感耦合等離子體源的線圈在幾何結(jié)構(gòu)上通常有平面螺旋和平面矩形結(jié)構(gòu)。 中國專利CN101582322A公開了各種平面螺旋等離子體線圈。平面螺旋線圈是早期比較常用的線圈，它在反應(yīng)腔室中央產(chǎn)生的磁場強度最強，而在邊緣部分產(chǎn)生的磁場強度比較弱， 因而產(chǎn)生的等離子體密度均勻性比較差。中國專利CN101409126A公開了一種平面并聯(lián)對稱柵型線圈，屬于平面矩型結(jié)構(gòu)。平面矩形結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上提高等離子體的均勻性， 但是由于不可避免的駐波效應(yīng)引起的功率分布不均，這使得平面矩形線圈很難進一步提高均勻性。另外，其過高的電感很難實現(xiàn)感應(yīng)耦合線圈的阻抗匹配。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于，克服現(xiàn)有的電感耦合等離子體設(shè)備隨著晶圓的尺寸不斷增加，等離子體反應(yīng)腔室的體積和激發(fā)線圈的面積隨之增加，過高的等離子體線圈電感增加了線圈兩端的電壓從而造成石英窗的濺射污染晶片，且由于駐波效應(yīng)的存在使得等離子體產(chǎn)生徑向和方位角的不均勻性，這對半導(dǎo)體工藝產(chǎn)生了諸多不良影響的問題。提供一種能夠減少線圈中的駐波效應(yīng)，增加等離子體的均勻性及耦合效率，能更好地實現(xiàn)阻抗匹配及降低石英窗濺射造成的樣片污染問題的電感耦合等離子體線圈及等離子體注入裝置。本實用新型的一個方面，提供一種電感耦合等離子體線圈，包括若干組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈；每組所述射頻線圈由兩組U型回折矩形線圈組成；每組所述U型回折矩形線圈包括兩個長直線段，一個短直線段；每組所述U型回折矩形線圈的長直線段之間相互平行，長度相等。進一步，所述U型回折矩形線圈由半徑為Imm-IOmm的空心銅管制成。進一步，每組所述U型回折矩形線圈的短直線段的長度相等。進一步，每組所述U型回折矩形線圈的短直線段的長度不相等。根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種電感耦合等離子體注入裝置，包括權(quán)利要求3或4所述的電感耦合等離子體線圈、可調(diào)電感及第一功率源；所述等離子體線圈中每個U型回折矩形線圈的一端接地，一端通過可調(diào)電感與第一功率源連接。進一步，所述的電感耦合等離子體注入裝置，還包括反映腔室及石英管；所述反應(yīng)腔室設(shè)置有進氣口與出氣口 ；所述反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)置有所述電感耦合等離子體線圈； 所述石英管設(shè)置在所述電感耦合等離子體線圈外圍。進一步,所述石英管是直徑為4mm-30mm,厚度為的空心石英管。進一步，所述電感耦合等離子體線圈與所述石英管之間留有間隙。本實用新型提供的一種電感耦合等離子體線圈及等離子體注入裝置，等離子體線圈采用若干組由兩個U型回折矩形線圈耦合而成的射頻線圈組成的結(jié)構(gòu)，能夠保證在等離子體大面積的條件下，盡可能的減少線圈的長度和電感。一方面長度減小的新型線圈能夠減少等離子體線圈中的駐波效應(yīng)，增加等離子體的均勻性。另一方面該新型線圈的電感減少能夠更好地實現(xiàn)阻抗匹配，增加等離子體的耦合效率。另外較小的電感使得在等離子體線圈兩端產(chǎn)生更低的射頻電壓，減少了等離子體線圈，石英管以及等離子體鞘層之間的電容耦合效應(yīng)，降低了由于過高的電壓導(dǎo)致石英窗濺射從而造成晶片污染的可能性。本實用新型采用新的等離子體線圈配置和線圈功率提供方式組成的等離子體注入裝置，通過采用新的線圈配置，能夠在大面積反應(yīng)腔室中產(chǎn)生大面積，均勻的高密度等離子體，以滿足微電子領(lǐng)域的實驗室以及工業(yè)上的需求。

圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的一種電感耦合等離子體注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種電感耦合等離子體注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型實施例一提供的電感耦合等離子體線圈的工作原理圖；圖4為設(shè)置有圖3所示結(jié)構(gòu)的電感耦合等離子體注入裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4所示結(jié)構(gòu)中電感耦合等離子體線圈剖面結(jié)構(gòu)圖；圖6為本實用新型實施例二提供的電感耦合等離子體線圈的工作原理圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點描述的更清晰，以下結(jié)合具體的實例及附圖加以說明。實施例一本實用新型提供一種電感耦合等離子體線圈包括若干組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈。其中，每組射頻線圈由兩組U型回折矩形線圈耦合而成。U型回折矩形線圈由半徑為 Imm-IOmm的空心銅管制成，可以根據(jù)不同要求進行選擇。每組U型回折矩形線圈包括兩個長直線段，一個短直線段。若干組射頻線圈中U型回折矩形線圈的長直線段之間相互平行， 長度相等。若干組射頻線圈中U型回折矩形線圈的短直線段的長度隨樣片尺寸而改變，短直線段的長度可相等，也可以不相等。每組U型回折矩形線圈一端接地，另一端通過可調(diào)電感接第一功率源。以每組射頻線圈中心軸線為界，同一時間各組U型回折矩形線圈左右兩對長直線段電流方向相同。相同的射頻電流在空間產(chǎn)生的交變電磁場強度相互疊加，可以產(chǎn)生更高的等離子體密度。等離子體線圈中射頻線圈的組數(shù)可以根據(jù)不同情況進行調(diào)整，如圖3所示的一種電感耦合等離子體線圈，包括三組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈33，三組射頻線圈33空間結(jié)構(gòu)均相同。其中，每組射頻線圈由兩組U型回折矩形線圈314耦合而成。U型回折矩形線圈 314由半徑為5mm的空心銅管制成。每組U型回折矩形線圈314包括兩個長直線段，一個短直線段。三組射頻線圈33中U型回折矩形線圈314的長直線段之間相互平行，長度相等。 三組射頻線圈33中U型回折矩形線圈314的短直線段的長度相等。各組U型回折矩形線圈314同一時間電流走向如圖所示，以每組射頻線圈33中心軸線為界，同一時間各組U型回折矩形線圈314左右兩對長直線段電流方向相同。每組射頻線圈33的兩個U型回折矩形線圈314在平面上相互耦合，為平面中心對稱結(jié)構(gòu)。如圖4所示，本實用新型提供的一種包含圖3所示等離子體線圈結(jié)構(gòu)的電感耦合等離子體注入裝置包括三組射頻線圈43、可調(diào)電感42、石英管48、第一功率源41、反應(yīng)腔室47、基座45及第二射頻偏壓功率源49?？烧{(diào)電感42用于靈活調(diào)節(jié)各組U型回折矩形線圈中的射頻電流。三組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈43設(shè)置在反應(yīng)腔室47內(nèi)部，每組射頻線圈43由兩組U型回折矩形線圈耦合而成。其中，每組U型回折矩形線圈的一端接地，另一端通過可調(diào)電感42接第一功率源41。功率端與功率源之間分別接有可調(diào)電感42，增加了線圈系統(tǒng)的靈活性。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電感42的大小，可以靈活的調(diào)節(jié)各組感應(yīng)耦合線圈線圈中的射頻電流，從而能夠改善等離子體的均勻性。反應(yīng)腔室47設(shè)置有進氣口 44與出氣口 46。基座45設(shè)置在反應(yīng)腔室47內(nèi)部，與第二射頻偏壓功率源49連接。樣片放置在基座 45上。如圖5所不,石英管58是直徑為4mm-30mm,厚度為的空心石英管,可以根據(jù)不同要求進行選擇，本實施例采用的是直徑為16_，厚度為2_的空心石英管。石英管58設(shè)置在等離子體線圈的射頻線圈53外圍，射頻線圈53的空心銅管中心用水流冷卻， 且等射頻線圈53與石英管58之間留有間隙，這樣在保證正常工作的情況下能夠盡可能的減小石英管58的管厚度，從而增加射頻線圈53與等離子體的耦合效率。本實用新型提供的一種電感耦合等離子體線圈采用U型回折線圈的方式能夠在保證等離子體高密度的情況下減小等離子體線圈的長度，從而減小等離子體線圈電感，有利于等離子體線圈的阻抗匹配，同時等離子體線圈長度減少也降低了等離子體線圈的駐波效應(yīng)。本實用新型提供的一種電感耦合等離子體注入裝置，將線圈嵌入到反應(yīng)腔室中，線圈
5與反應(yīng)腔室之間用石英管隔離。相比等離子體線圈外置式的感應(yīng)耦合等離子體源而言，內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)起隔離作用的石英介質(zhì)厚度更小，因而能夠增加等離子體線圈與等離子體之間的耦和效率從而產(chǎn)生密度更高的等離子體。實施例二 本實施例與實施例一的不同之處在于，如圖6所示的一種電感耦合等離子體線圈，包括三組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈63，每組射頻線圈63由兩組U型回折矩形線圈耦合而成。六組U型回折矩形線圈由半徑為5mm的空心銅管制成。每組U型回折矩形線圈包括兩個長直線段，一個短直線段。六組U型回折矩形線圈的長直線段之間相互平行，長度相等。且六組U型回折矩形線圈中，兩組短U型回折矩形線圈615位于等離子體線圈線圈的兩端，四組長U型回折矩形線圈616位于等離子體線圈線圈中央位置，四組長U型回折線圈 616中長直線段有四分之三在等離子體線圈系統(tǒng)中央，剩下的四分之一與兩端的短U型回折矩形線圈615耦合。四組長U型回折矩形線圈616的短直線段的長度是兩組短U型回折矩形線圈615的短直線段長度的I. 5倍。實施例二同一時間電流走向如附圖6所示。與實施例一相比，實施例二的電流走向有所不同。其他地方與實施例一完全一致。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種電感耦合等離子體線圈，其特征在于，包括若干組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈；每組所述射頻線圈由兩組U型回折矩形線圈組成；每組所述U型回折矩形線圈包括兩個長直線段，一個短直線段；每組所述U型回折矩形線圈的長直線段之間相互平行，長度相等。
2.如權(quán)利要求I所述的電感耦合等離子體線圈，其特征在于所述U型回折矩形線圈由半徑為的空心銅管制成。
3.如權(quán)利要求I所述的電感耦合等離子體線圈，其特征在于每組所述U型回折矩形線圈的短直線段的長度相等。
4.如權(quán)利要求I所述的電感耦合等離子體線圈，其特征在于每組所述U型回折矩形線圈的短直線段的長度不相等。
5.一種電感耦合等離子體注入裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求3或4所述的電感耦合等離子體線圈、可調(diào)電感及第一功率源；所述等離子體線圈中每個U型回折矩形線圈的一端接地，一端通過可調(diào)電感與第一功率源連接。
6.如權(quán)利要求5所述的電感耦合等離子體注入裝置，其特征在于，還包括反映腔室及石英管；所述反應(yīng)腔室設(shè)置有進氣口與出氣口；所述反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)置有所述電感耦合等離子體線圈；所述石英管設(shè)置在所述電感耦合等離子體線圈外圍。
7.如權(quán)利要求6所述的電感耦合等離子體注入裝置，其特征在于所述石英管是直徑為4mm-30mm,厚度為的空心石英管。
8.如權(quán)利要求7所述的電感耦合等離子體注入裝置，其特征在于所述電感耦合等離子體線圈與所述石英管之間留有間隙。
專利摘要公開了一種電感耦合等離子體線圈，包括若干組處于同一平面內(nèi)的射頻線圈；每組所述射頻線圈由兩組U型回折矩形線圈組成；每組所述U型回折矩形線圈包括兩個長直線段，一個短直線段；每組所述U型回折矩形線圈的長直線段之間相互平行，長度相等。還公開了一種設(shè)置有上述等離子體線圈的電感耦合等離子體注入裝置。本實用新型提供的電感耦合等離子體線圈及注入裝置，一方面能夠減少線圈中的駐波效應(yīng)，增加等離子體的均勻性。另一方面能夠更好地實現(xiàn)阻抗匹配，增加等離子體的耦合效率，降低由于過高的電壓導(dǎo)致石英窗濺射從而造成樣片污染的可能性，還能夠在大面積反應(yīng)腔室中產(chǎn)生大面積，均勻的高密度等離子體，以滿足微電子領(lǐng)域的實驗室以及工業(yè)上的需求。
文檔編號H01J37/317GK202352478SQ20112052700
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者夏洋, 李楠, 李超波, 竇偉 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所