[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

本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种电感耦合等离子体装置(ICP)以及用于该装置中的射频电感耦合线圈。所述电感耦合等离子体装置属于甚高频功率源驱动的高密度感性耦合等离子体装置，在半导体制造中可应用于薄膜沉积、刻蚀以及表面处理(如清洁)等工艺。

背景技术

在半导体制造工艺中，等离子体反应装置是一种重要的加工设备，广泛应用于薄膜沉积、刻蚀以及表面处理等工艺。等离子体反应装置一般由反应室、工作台、感应耦合元件、驱动电源、供气系统和抽气系统组成，其中，工作台位于反应室内用于安装被加工基片，感应耦合元件和驱动电源负责向反应室内提供激发等离子体的电磁场，供气系统负责向反应室提供反应气体，抽气系统负责向外排气以及控制反应室气压。等离子体反应装置因感应耦合元件不同分为容性耦合等离子体装置和感性耦合等离子体装置两种。目前容性耦合等离子体装置采用平板型容性耦合元件，驱动频率为13.56MHz，向反应室提供激发电场使反应气体产生电离形成等离子体。这种等离子体反应装置因容性耦合元件限制，产生的等离子体密度较低，约在10⁹/cm³量级，虽然其在等离子体面积的放大方面存在一些优势，但是容性耦合等离子体电位较高(＞20V)，基片表面容易受到活性离子的轰击，因此，材料加工与表面改性质量难以得到保证。感性耦合等离子体装置(即电感耦合等离子体装置ICP)的耦合元件采用电感耦合线圈，在射频电源驱动下向反应室提供激发磁场使反应气体产生电离形成等离子体。电感耦合线圈是感性耦合等离子体装置的技术核心，它的设计直接关系到等离子体反应装置的性能和效果。早期的电感耦合线圈为平面螺旋结构，这种电感耦合线圈在反应室中央部分所激发的磁场较强，而边缘部分所激发的磁场较弱，因此反应室中央部分的等离子体密度较高，边缘部分等离子体密度较低。特别是基片的加工尺寸从100mm增加到400mm，反应室的体积也相应增大后，平面螺旋电感耦合线圈激发的等离子体存在很大的方位角的不对称性，只能依靠扩散来弥补外围等离子体密度低的区域。这样的结果导致基片薄膜沉积或刻蚀的速率和厚度都不均匀，影响半导体的加工质量和稳定性。

为了在反应室内获得比较均匀的等离子体密度分布，中国专利CN1812010A、CN1825505A、CN1925074A、CN101131893A、CN101136279A等均公开了关于电感耦合线圈及其电感耦合等离子体装置的技术方案。综观这些方案发明人以等离子体密度分布均匀性为核心，从不同角度设计了一系列不同形状和结构的电感耦合线圈，其特点各有利弊。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场分布均匀性好、效率高、对基片表面损伤更小，而且适合于大面积加工的电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置。

为达到上述目的，本发明电感耦合线圈采用的技术方案是：该电感耦合线圈由两组相同结构、形状和尺寸的平面栅形线圈组成，其中，每组平面栅形线圈由一根铜管在平面上按“U”形波浪路径折制成栅形结构，栅形结构的折弯处为半圆或圆弧过渡，栅形结构的直段相互平行；铜管内设有陶瓷绝缘内套管，陶瓷绝缘内套管的内腔作为冷却水通道，铜管外设有陶瓷绝缘外套管；

两组平面栅形线圈以平行于所述直段的轴线为基准在同一平面内左右对称布置，其中，一组平面栅形线圈的一端与另一组平面栅形线圈对称的一端并联后作为电感耦合线圈的第一端，而一组平面栅形线圈的另一端与另一组平面栅形线圈对称的另一端并联后作为电感耦合线圈的第二端。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述“尺寸”是指平面栅形线圈设计和制造尺寸，比如铜管的内外直径、厚度，直段的长度，折弯处半圆或圆弧的半径，直段之间的间距等等。

2、上述方案中，所述“由一根铜管在平面上......”中的“在平面上”是相对立体而言的，意指铜管在一平面上折制成栅形结构，系平面型结构。

3、上述方案中，所述“栅形结构的折弯处”指的就是“U”形弯曲部。而所述“栅形结构的直段”指的是U”形两侧的直部。

4、上述方案中，为了提高铜管外表面的电性能，可以在每组平面栅形线圈的铜管外壁上设有镀银层。

5、上述方案中，所述平面栅形线圈的铜管外径为0.8厘米～1.2厘米，铜管壁厚为0.08～0.12厘米，所述栅形结构栅中心距为5厘米～12厘米，栅直段长度为80厘米～100厘米。

6、上述方案中，所述陶瓷绝缘内套管和陶瓷绝缘外套管的壁厚为0.4毫米～0.6毫米。