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：
本實(shí)用新型涉及半導(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圏。所述電感耦合等離子體裝 置屬于甚高頻功率源驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)用于安裝被加工基片，感應(yīng)耦合元件和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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圈激發(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)的電感耦合線圏，其特點(diǎn)各有利弊。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型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圏及電感耦合等離子體裝置。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型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) 后作為電感耦合線圈的第 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)后作為電感耦合線圈的第二端。
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
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，本實(shí)用新型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、電感耦合線圏、電感射頻匹配器以及電感射頻電源，所述電感耦合線圏設(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。
本實(shí)用新型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)的螺旋形線圈，使用27.12MHz的甚高頻驅(qū)動(dòng)頻率功率源加載于并聯(lián)柵 形線圈功率端，并在工作臺的基板電極上輔以13.56MHz的偏置電源，所形成 的等離子體密度大于7x 10'Vcm3，高于常規(guī)的電感耦合等離子體；等離子體 均勻性好，在400mmx 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?。浑姼旭詈系入x子體 的持續(xù)穩(wěn)定放電時(shí)間大于720小時(shí)。因此，用本實(shí)用新型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為本實(shí)用新型電感耦合等離子體裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖3為本實(shí)用新型電感耦合線圈結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖4為本實(shí)用新型電感耦合線圈截面剖視圖。
附圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例電感耦合線圏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)。
以上附圖中1、平面柵形線圈；2、銅管；3、折彎處；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； 23、功率電流方向；24、 線圈電流方向。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(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圏)
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(gè)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ll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，電感耦合線圈由兩組相同結(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)有陶資絕緣內(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)有陶乾絕緣外套管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， 一組平面柵形線圈1的一端與另一組平面^"形線圏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 一組平面柵形線圈l的另一端與另一組平面柵形線圏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。
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IO連接，負(fù)責(zé)在反應(yīng)室10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)生的熱量可以通過水冷 ^卩ifilit^亍^^卩。
上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此 項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用 新型的保護(hù)范圍。凡4艮據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵 蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種電感耦合線圈，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所述的電感耦合線圏，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圏 (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。
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亳米 0.6毫米。
5、 一種電感耦合等離子體裝置，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)外設(shè)有陶乾絕緣外套管(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 圏(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，而一組平面柵形線圈(1)的另一端與另一組平面柵形 線圏(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。
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。
專利摘要本實(shí)用新型涉及半導(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)。本實(shí)用新型磁場分布均勻性好、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H01F5/00GK201311804SQ200820042079
公開日2009年9月16日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日
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