專利名稱：電感耦合線圈及電感耦合等離子體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種電感耦合等離子體裝置 (ICP)以及用于該裝置中的射頻電感耦合線圈。所述電感耦合等離子體裝
置屬于甚高頻功率源驅(qū)動的高密度感性耦合等離子體裝置，在半導(dǎo)體制造中 可應(yīng)用于薄膜沉積、刻蝕以及表面處理(如清潔)等工藝。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造工藝中，等離子體反應(yīng)裝置是一種重要的加工設(shè)備，廣泛 應(yīng)用于薄膜沉積、刻蝕以及表面處理等工藝。等離子體反應(yīng)裝置一般由反應(yīng) 室、工作臺、感應(yīng)耦合元件、驅(qū)動電源、供氣系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)組成，其中， 工作臺位于反應(yīng)室內(nèi)用于安裝^C加工基片，感應(yīng)耦合元件和驅(qū)動電源負(fù)責(zé)向 反應(yīng)室內(nèi)提供激發(fā)等離子體的電磁場，供氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)向反應(yīng)室提供反應(yīng)氣 體，抽氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)向外排氣以及控制反應(yīng)室氣壓。等離子體反應(yīng)裝置因感應(yīng) 耦合元件不同分為容性耦合等離子體裝置和感性耦合等離子體裝置兩種。目
前容性耦合等離子體裝置采用平板型容性耦合元件，驅(qū)動頻率為13.56MHz， 向反應(yīng)室提供激發(fā)電場使反應(yīng)氣體產(chǎn)生電離形成等離子體。這種等離子體反 應(yīng)裝置因容性耦合元件限制，產(chǎn)生的等離子體密度較低，約在10"cn^量級， 雖然其在等離子體面積的放大方面存在一些優(yōu)勢，但是容性耦合等離子體電
位較高(>20V),基片表面容易受到活性離子的轟擊，因此，材料加工與表 面改性質(zhì)量難以得到保證。感性耦合等離子體裝置(即電感耦合等離子體裝 置ICP )的耦合元件采用電感耦合線圈，在射頻電源驅(qū)動下向反應(yīng)室提供激 發(fā)磁場使反應(yīng)氣體產(chǎn)生電離形成等離子體。電感耦合線圈是感性耦合等離子 體裝置的技術(shù)核心，它的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到等離子體反應(yīng)裝置的性能和效果。 早期的電感耦合線圈為平面螺旋結(jié)構(gòu)，這種電感耦合線圈在反應(yīng)室中央部分 所激發(fā)的磁場較強(qiáng)，而邊緣部分所激發(fā)的磁場較弱，因此反應(yīng)室中央部分的 等離子體密度較高，邊緣部分等離子體密度較低。特別是基片的加工尺寸從 100mm增加到400mm,反應(yīng)室的體積也相應(yīng)增大后，平面螺旋電感耦合線 圏激發(fā)的等離子體存在很大的方位角的不對稱性，只能依靠擴(kuò)散來彌補(bǔ)外圍 等離子體密度低的區(qū)域。這樣的結(jié)果導(dǎo)致基片薄膜沉積或刻蝕的速率和厚度 都不均勻，影響半導(dǎo)體的加工質(zhì)量和穩(wěn)定性。
為了在反應(yīng)室內(nèi)獲得比較均勻的等離子體密度分布，中國專利CN1812010A、 CN1825505A、 CN1925074A、 CN101131893A、 CN101136279A 等均公開了關(guān)于電感耦合線圈及其電感耦合等離子體裝置的技術(shù)方案。綜觀 這些方案發(fā)明人以等離子體密度分布均勻性為核心，從不同角度設(shè)計(jì)了 一系 列不同形狀和結(jié)構(gòu)的電感耦合線圈，其特點(diǎn)各有利弊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種磁場分布均勻性好、效率高、對基片表面損傷 更小，而且適合于大面積加工的電感耦合線圈及電感耦合等離子體裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明電感耦合線圈采用的技術(shù)方案是該電感耦合 線圈由兩組相同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的平面柵形線圈組成，其中，每組平面柵 形線圈由一根銅管在平面上按"U"形波浪路徑折制成柵形結(jié)構(gòu)，柵形結(jié)構(gòu) 的折彎處為半圓或圓弧過渡，柵形結(jié)構(gòu)的直段相互平行；銅管內(nèi)設(shè)有陶瓷絕 緣內(nèi)套管，陶瓷絕緣內(nèi)套管的內(nèi)腔作為冷卻水通道，銅管外設(shè)有陶瓷絕緣外
套管；
兩組平面柵形線圈以平行于所述直段的軸線為基準(zhǔn)在同一平面內(nèi)左右對 稱布置，其中， 一組平面柵形線圈的一端與另一組平面柵形線圈對稱的一端 并聯(lián)后作為電感耦合線圏的第 一端，而一組平面柵形線圈的另 一端與另 一組 平面柵形線圈對稱的另 一端并聯(lián)后作為電感耦合線圏的第二端。
上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下
1、 上述方案中，所述"尺寸"是指平面柵形線圈設(shè)計(jì)和制造尺寸，比如 銅管的內(nèi)外直徑、厚度，直段的長度，折彎處半圓或圓弧的半徑，直段之間 的間距等等。
2、 上述方案中，所述"由一根銅管在平面上......"中的"在平面上"是
相對立體而言的，意指銅管在一平面上折制成柵形結(jié)構(gòu)，系平面型結(jié)構(gòu)。
3、 上述方案中，所述"柵形結(jié)構(gòu)的折彎處"指的就是"U"形彎曲部。 而所述"柵形結(jié)構(gòu)的直段"指的是U"形兩側(cè)的直部。
4、 上述方案中，為了提高銅管外表面的電性能，可以在每組平面柵形線 圈的銅管外壁上設(shè)有鍍銀層。
5、 上述方案中，所述平面柵形線圈的銅管外徑為0.8厘米 1.2厘米，銅 管壁厚為0.08~0.12厘米，所述柵形結(jié)構(gòu)柵中心距為5厘米 12厘米，柵直段 長度為80厘米 100厘米。
6、 上述方案中，所述陶瓷絕緣內(nèi)套管和陶瓷絕緣外套管的壁厚為0.4毫 米 0.6毫米。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明電感耦合等離子體裝置采用的技術(shù)方案是該
裝置包括反應(yīng)室、工作臺、電感耦合線圈、電感射頻匹配器以及電感射頻電
源，所述電感耦合線圈設(shè)在反應(yīng)室內(nèi)，且位于工作臺上方；所述電感耦合線 圈由兩組相同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的平面柵形線圏組成，其中，每組平面柵形 線圈由一根銅管在平面上按"U"形波浪路徑折制成柵形結(jié)構(gòu)，柵形結(jié)構(gòu)的 折彎處為半圓或圓弧過渡，柵形結(jié)構(gòu)的直段相互平行；銅管內(nèi)設(shè)有陶瓷絕緣 內(nèi)套管，陶瓷絕緣內(nèi)套管的內(nèi)腔作為冷卻水通道，銅管外設(shè)有陶瓷絕緣外套 管；
兩組平面柵形線圏以平行于所述直段的軸線為基準(zhǔn)在同一平面內(nèi)左右對 稱布置，其中， 一組平面柵形線圈的一端與另一組平面柵形線圈對稱的一端 并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第 一端接電感射頻匹配器的射頻輸出端，而一組 平面柵形線圈的另 一端與另 一組平面柵形線圏對稱的另 一端并聯(lián)后作為電 感耦合線圈的第二端接電感射頻匹配器的接地端，電感射頻匹配器與電感射 頻電源連接。
上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下
1、 上述方案中，所述"電感耦合線圈的第一端"為功率端[axial coil feed (powered)]。所述"電感耦合線圈的第二端，，為接地端[axial coil feed (terminated )]。
2、 上述方案中，所述工作臺上還設(shè)置等離子體接收基板電極，對應(yīng)基板 電極設(shè)有基板射頻匹配器和基板偏置電源，基板電極與基板射頻匹配器的射 頻輸出端連接，基板射頻匹配器與基板偏置電源連接。
3、 上述方案中，為了向反應(yīng)室提供反應(yīng)氣體還配設(shè)有供氣系統(tǒng)。為了將 反應(yīng)室內(nèi)的廢氣排出以及控制反應(yīng)室氣壓還配設(shè)有抽氣系統(tǒng)。這些都是現(xiàn)有 公知技術(shù)。
4、 以上對電感耦合線圈技術(shù)方案的解釋內(nèi)容同樣適用于對電感耦合等離 子體裝置作解釋。這里不再重復(fù)描述。
本發(fā)明原理及效果是以能產(chǎn)生均勻電磁場分布的并聯(lián)柵形線圏來取代 常規(guī)的螺旋形線圏，使用27.12MHz的甚高頻驅(qū)動頻率功率源加載于并聯(lián)柵 形線圈功率端，并在工作臺的基^1電極上輔以13.56MHz的偏置電源，所形 成的等離子體密度大于7x 1()U/cm3,高于常規(guī)的電感耦合等離子體；等離子 體均勻性好，在400mm x 400mm的范圍內(nèi)等離子體密度的漲落小于5 % ;產(chǎn) 生的等離子體電位小于10V,能量離子對基片的轟擊損傷??；電感耦合等離子體的持續(xù)穩(wěn)定放電時間大于720小時。因此，用本發(fā)明電感耦合等離子體 裝置制備非晶硅、納米硅薄膜的生長速率大于20nm/min,制備多晶硅、碳化 硅薄膜的生長速率大于10nm/min,而且薄膜的片內(nèi)(8in wafer )厚度均勻性 偏差小于5%,表面改性充分，功率耦合效率高，能耗低。


附圖1為現(xiàn)有螺旋線圈電感耦合等離子體裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖2為本發(fā)明電感耦合等離子體裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖3為本發(fā)明電感耦合線圈結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖4為本發(fā)明電感耦合線圏截面剖視圖。
附圖5為本發(fā)明實(shí)施例電感耦合線圈輻射的近場增益方向圖。方向圖顯 示輻射為沿垂直于電感耦合線圈平面方向的極化，且有約150°波瓣角，可 在基板平面形成較大的均勻區(qū)。
附圖6為本發(fā)明實(shí)施例電感耦合線圈輻射場沿著方位角的分布，圖像顯 示輻射場在基板平面內(nèi)沿方位角分布很均勻。
以上附圖中1、平面柵形線圈；2、銅管；3、 4斤彎處；4、直段；5、陶 瓷絕緣內(nèi)套管；6、陶瓷絕緣外套管；7、第一端；8、第二端；9、鍍銀層； 10、反應(yīng)室；11、工作臺；12、電感射頻匹配器；13、電感射頻電源；14、 基板電極；15、基板射頻匹配器；16、基板偏置電源；17、螺旋線圈；18、 屏蔽罩；19、石英板；20、真空泵；21、供氣口； 22、抽氣口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例 一種電感耦合等離子體裝置(其中包括電感耦合線圈)
如圖2所示，該裝置主要由反應(yīng)室10、工作臺11、電感射頻發(fā)生器、基 板射頻發(fā)生器、供氣系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)等幾部分組成。其中，電感射頻發(fā)生器 由電感耦合線圈、電感射頻匹配器12和電感射頻電源13組成，基板射頻發(fā) 生器由基板電極14、基板射頻匹配器15和基板偏置電源16組成。
反應(yīng)室10由殼體構(gòu)成一個處理空間，工作臺11、電感耦合線圈和基板電 極14都設(shè)在反應(yīng)室10內(nèi)，其中，工作臺ll位于反應(yīng)室IO處理空間的下部 用于安裝被加工基片，電感耦合線圈位于工作臺11上方，基板電極14設(shè)在 工作臺11上?；咫姌O14與基板射頻匹配器15的射頻輸出端連接，基板 射頻匹配器15與基板偏置電源連接16。
如圖3和圖4所示，電感耦合線圏由兩組相同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的平面柵形線圈l組成，其中，每組平面柵形線圈1由一根銅管2在平面上按"U"
形波浪路徑折制成柵形結(jié)構(gòu)，柵形結(jié)構(gòu)的折彎處3為半圓或圓弧過渡，柵形 結(jié)構(gòu)的直段4相互平行；銅管2內(nèi)設(shè)有陶瓷絕緣內(nèi)套管5，陶瓷絕緣內(nèi)套管 5的內(nèi)腔作為冷卻水通道，銅管2外壁上設(shè)有鍍銀層9,銅管2外設(shè)有陶瓷 絕緣外套管6。
所述平面柵形線圈1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)銅管外徑為0.8厘米 1.2厘米，銅管 壁厚為0.08 0.12厘米，所述柵形結(jié)構(gòu)柵中心距為5厘米 12厘米，柵直段長 度為80厘米 100厘米。所述陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)和陶瓷絕緣外套管(6) 的壁厚為0.4毫米 0.6毫米。
兩組平面柵形線圈1以平行于所述直段4的軸線為基準(zhǔn)在同一平面內(nèi)左 右對稱布置，其中， 一組平面^t形線圈1的一端與另一組平面^f冊形線圈l對 稱的一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第一端7接電感射頻匹配器12的射頻 輸出端，而一組平面柵形線圏1的另一端與另一組平面柵形線圈l對稱的另 一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第二端8接電感射頻匹配器12的接地端， 電感射頻匹配器12與電感射頻電源13連接。
供氣系統(tǒng)通過供氣口 21與反應(yīng)室IO連接，負(fù)責(zé)向反應(yīng)室IO提供反應(yīng)氣 體。抽氣系統(tǒng)通過真空泵20和抽氣口 22與反應(yīng)室10連接，負(fù)責(zé)在反應(yīng)室 IO工作中向外排氣以及控制反應(yīng)室IO的氣壓大小(真空度)。工作中，電感 射頻電源13通過電感射頻匹配器12向電感耦合線圈加載頻率為27.12MHz 的射頻電源，從而在反應(yīng)室10內(nèi)產(chǎn)生激發(fā)等離子體的強(qiáng)磁場。而基板偏置 電源16通過基板射頻匹配器15向基板電極14施加頻率為13.56MHz的射頻 偏置電源，從而向基片提供偏置電場。由于電感耦合線圈為空心結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生 的熱量可以通過7K冷卻通道進(jìn)4于冷卻。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng) 技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于電感耦合等離子體裝置的電感耦合線圈，其特征在于由兩組相同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的平面柵形線圈(1)組成，其中，每組平面柵形線圈(1)由一根銅管(2)在平面上按“U”形波浪路徑折制成柵形結(jié)構(gòu)，柵形結(jié)構(gòu)的折彎處(3)為半圓或圓弧過渡，柵形結(jié)構(gòu)的直段(4)相互平行；銅管(2)內(nèi)設(shè)有陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)，陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)的內(nèi)腔作為冷卻水通道，銅管(2)外設(shè)有陶瓷絕緣外套管(6)；兩組平面柵形線圈(1)以平行于所述直段(4)的軸線為基準(zhǔn)在同一平面內(nèi)左右對稱布置，其中，一組平面柵形線圈(1)的一端與另一組平面柵形線圈(1)對稱的一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第一端(7)，而一組平面柵形線圈(1)的另一端與另一組平面柵形線圈(1)對稱的另一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第二端(8)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感耦合線圈，其特征在于所述每組平面柵形 線圈(1)的銅管(2)外壁上設(shè)有鍍銀層(9)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感耦合線圈，其特征在于所述平面柵形線圈 (1 )的銅管外徑為0.8厘米 1.2厘米，銅管壁厚為0.08 0.12厘米，所述柵形結(jié)構(gòu)4冊中心距為5厘米 12厘米，4冊直段長度為80厘米 100厘米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感耦合線圈，其特征在于所述陶瓷絕緣內(nèi)套 管(5 )和陶瓷絕緣外套管(6 )的壁厚為0.4毫米~0.6毫米。
5、 一種電感耦合等離子體裝置，包括反應(yīng)室(IO)、工作臺(11)、電感耦 合線圈、電感射頻匹配器(12)以及電感射頻電源(13),其特征在于所述 電感耦合線圈設(shè)在反應(yīng)室(10)內(nèi)，且位于工作臺(11)上方；所述電感耦合 線圈由兩組相同結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的平面片冊形線圏(l)組成，其中，每組平 面柵形線圈(1)由一根銅管(2)在平面上按"U"形波浪路徑折制成柵形結(jié) 構(gòu)，柵形結(jié)構(gòu)的折彎處(3)為半圓或圓弧過渡，柵形結(jié)構(gòu)的直段(4)相互平 行；銅管(2)內(nèi)設(shè)有陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)，陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)的內(nèi)腔作為 冷卻水通道，銅管(2)外設(shè)有陶資絕緣外套管(6);兩組平面柵形線圈(1)以平行于所述直段(4)的軸線為基準(zhǔn)在同一平面 內(nèi)左右對稱布置，其中， 一組平面柵形線圈(1)的一端與另一組平面柵形線 圈(1 )對稱的一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第一端(7)接電感射頻匹配器 (12)的射頻輸出端，而一組平面柵形線圈(1)的另一端與另一組平面柵形 線圈(1 )對稱的另一端并聯(lián)后作為電感耦合線圈的第二端(8)接電感射頻匹 配器(12)的接地端，電感射頻匹配器(12)與電感射頻電源(13)連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感耦合等離子體裝置，其特征在于所述工作 臺(11 )上設(shè)有等離子體接收基板電極(14)，對應(yīng)基板電極(14)設(shè)有基板 射頻匹配器(15)和基板偏置電源(16)，基板電極(14)與基板射頻匹配器(15)的射頻輸出端連接，基板射頻匹配器(15)與基板偏置電源連接(16)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感耦合線圈，其特征在于所述每組平面柵形 線圈(1)的銅管(2)外壁上設(shè)有鍍銀層(9)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感耦合線圈，其特征在于所述平面柵形線圈 (1 )的銅管外徑為0.8厘米 1.2厘米，銅管壁厚為0.08 0.12厘米，所述柵形結(jié)構(gòu)柵中心距為5厘米 12厘米，柵直段長度為80厘米 100厘米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感耦合線圈，其特征在于所述陶瓷絕緣內(nèi)套 管(5)和陶瓷絕緣外套管(6)的壁厚為0.4毫米 0.6毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種電感耦合等離子體裝置(ICP)以及用于該裝置中的電感耦合線圈。該裝置包括反應(yīng)室(10)、工作臺(11)、電感耦合線圈、電感射頻匹配器(12)以及電感射頻電源(13)，其特征在于電感耦合線圈設(shè)在反應(yīng)室(10)內(nèi)，且位于工作臺(11)上方；電感耦合線圈由兩組相同的平面柵形線圈(1)并聯(lián)且對稱布置構(gòu)成，其中，每組平面柵形線圈(1)由一根銅管(2)在平面上按“U”形波浪路徑折制成柵形結(jié)構(gòu)，銅管(2)內(nèi)設(shè)有陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)，陶瓷絕緣內(nèi)套管(5)的內(nèi)腔作為冷卻水通道，銅管(2)外設(shè)有陶瓷絕緣外套管(6)。本發(fā)明磁場分布均勻性好、效率高、對基片表面損傷更小，適合于大面積薄膜沉積、刻蝕以及表面處理等半導(dǎo)體加工工藝。
文檔編號H01F38/14GK101409126SQ20081002127
公開日2009年4月15日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
發(fā)明者宏 劉, 劉曉晗, 袁潔靜 申請人:蘇州漢申微電子有限公司