[发明专利]电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体晶片加工设备用配件，尤其涉及一种电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

本发明的电感耦合线圈，包括内部线圈和外部线圈，内部线圈与外部线圈相互独立且同轴线布置；