专利名称：具备复合天线线圈组的等离子体反应装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体反应装置，尤其涉及一种应用圓柱状介 电窗及复合天线线圈组，来提高等离子体的离子密度和离子均匀度， 并适当控制离子能量，藉以提高半导体元件制造工艺的效率及产品质 量的等离子体反应装置。
背景技术：
等离子体是固体、液体、气体以外的第四态物质， 一般指气体中 的部分原子被电离的气体。这种等离子体虽然呈电中性，然而因存在 于其内部的正、负带电粒子而具有导电性，而且其对电场反应每文感。因此，通过适当地控制施加于等离子体的电磁场，可以人为地控制等 离子体，因而可应用于半导体元件、平板显示器或其他集成电路的制 造工艺。即，在镀膜和电路图案蚀刻工艺中，将射频等高频电源施加于反 应室的两个电极上，并向反应室内部注入反应气体，藉以产生辉光放 电，从而可对基板、晶片等表面进行蚀刻或镀膜。近年来开发了多种利用等离子体来进行基板处理工艺的反应装置。根据天线及介电窗的形状，这种等离子体反应装置可分为螺线管式(solenoid type )、 平面式(planar type )和圆丁贞式(dome type )。现有的螺线管式等离子体反应装置，是一种将螺线管线圈配置在 介电窗周围，从而诱导等离子体反应的装置。但是，这种螺线管式等离子体反应装置由于其电感值较大，因此在高电压的作用下产生溅射(sputtering)现象，而且由于发热等原因 效率也下降。另外，平面式等离子体反应装置，其相关技术方案已经在申请人 为拉姆研究公司(Lam Research Corp )的美国专利第4,949,458号和申 请人为日本电器股份公司的日本专利第2,770,753号中公开。这种等离子体反应装置具备平面式的介电窗，所述介电窗在所述窗 体的上部具备平面线圈式天线(Planar Coil Type Antenna )。但是，这种等离子体反应装置，由于其等离子体源区域与晶片之 间的距离较短，因此难以独立地控制到达晶片(W)表面的离子能量。另外，圓顶式等离子体反应装置，其相关技术方案已经在申请人 为应用材料(Applied Materials )的美国专利第6,475,335号中公开。这种圓顶式等离子体反应装置具有这样的结构介电窗向上凸出 呈圓顶状且所述圆顶周围设有天线，并从侧面注入气体。但是，随着基板越来越趋向大面积化，这种圓顶式等离子体反应发明内容本发明鉴于上述问题而作，其目的在于提供一种应用圓柱状介电 窗及复合天线线圈组，以保持较低的天线电压，藉以容易控制等离子 体离子的密度、均匀度及离子能量的等离子体反应装置。为实现上述目的，本发明提供一种等离子体反应装置，其包括反应室，其上部设置有圓柱状介电窗，且通过等离子体反应来处 理晶片；复合天线线圈组，其设置于所述介电窗的外部及上部，用于 产生射频f兹场(RF magnetic field ),且通过所述介电窗向所述反应室内 施加射频磁场，使之形成射频电场(RF electric field );射频电源供给 单元，其用于向所述反应室下部(Wafer and Pedestal)及复合天线线圈 组提供射频电源(Radio Frequency ),以使所述反应室下部保持负电位 的带电状态，并使所述复合天线线圈组产生时变(time varying)的磁 场。本发明的等离子体反应装置具有如下优点第一，由于反应室的介电窗为圆柱形状，可确保形成在上部的等 离子体源区域与设置在下部的晶片W之间的距离，因此可保持高密度 离子密度并可以独立地控制到达晶片的离子能量。第二，由于复合天线线圏组的电感值较低，可具有较低的天线电 压，因此可最大限度地减少溅射所引起的介电窗的损坏(Dielectric Window Cylinder Damage )及污染。第三，由于复合天线线圈组的电流方向相同且相隔预定距离，因 此反应室内部的均匀电场的强度增加,从而提高效率并可以使等离子体 的离子密度均匀。第四，由于将注入反应气体的注入器设置在介电窗上部的中间位 置，因此不仅可有效地向反应室内供给反应气体，而且还能缩短等离 子体的离子扩散及蚀刻副产物在晶片中央滞留的时间。第五，可以将内部线圏的形状改变为上下分离型、 一体型、螺旋 形等，因此可有效地应用于各种操作条件。
图1是本发明一优选实施例的具备复合天线线圈组的等离子体反 应装置的立体示意图。图2是图1所示具有复合天线线圈组的等离子体反应装置内部结 构的侧面剖视图。图3是图1所示第一外部线圈及第二外部线圈的立体图。图4是图3所示第一外部线圏及第二外部线圈所产生的磁力线的 示意图。图5是本发明另一优选实施例的具备内部线圈的等离子体反应装 置的立体图。图6是图5所示等离子体反应装置内部结构的侧面剖视图。 图7是图5所示等离子体反应装置内部线圈的立体放大图。图8是图5所示等离子体反应装置内部线圏的另一实施例的侧面 剖视图。图9是图5所示等离子体反应装置内部线圈的又一个实施例的侧 面剖视图。图IO是图9所示的内部线圈的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的等离子体反应装置。图1是本发明优选实施例的等离子体反应装置的立体示意图，图2 是图1所示等离子体反应装置内部结构的侧面剖视图。如图所示，本发明的等离子体反应装置1包括壳体3;反应室5， 其上部为介电窗11;复合天线线圈组7，其设在所述介电窗11的外部， 用于产生射频》兹场，且通过所述介电窗11向反应室5内部施加射频磁 场；射频电源供给单元9，其用于向所述复合天线线圈组7供给射频电 源，以使复合天线线圈组产生时变的磁场。具有这种结构的等离子体反应装置中，所述反应室5在其内部空 间进行等离子体反应并维持接地状态。而且，所述反应室5内部保持真空状态，且通过上部的天线线圈 组7及下部电极17供给电源，并且在注入反应气体之后，通过天线线 圈组7形成射频磁场，从而诱导等离子体反应并对基板、半导体(以 下简称晶片W)等物体进行处理。所述反应室5包括用于在内部放置晶片W的腔室主体13;凸出 形成在所述腔室主体13的上部并被施加由复合天线线圈组7产生的射 频/磁场的圓柱状介电窗11;形成在所述介电窗11的上部并向反应室5 内部注入反应气体的气体注入器31 。具体而言，在所述腔室主体13内部，晶片W安置在下部电极17 上，而所述下部电极17设在绝缘体19上。而且，所述下部电极17与后述的电源供给单元的匹配电路26相 连接，从而接收预定电力。因此，通过设置在所述反应室5上部的复合天线线圈组7所产生 的感应耦合等离子体源(ICP Plasma Source ),可使反应室5上部具有 密度高且均匀的离子，并且通过下部电极17，即通过偏置功率(Bias Power)可控制发射到晶片W上的离子能量。另外，所述介电窗11朝腔室主体13的上部方向凸出预定高度且 具有圆柱体形状。所述介电窗11由具有预定介电率的材料构成，A/v而作为一种通道 将所述复合天线线圈组7所产生的射频磁场有效地施加于反应室5内部。另外，通过按照预定比例来设置所述介电窗11的半径和高度，可 确保形成在反应室5上部的等离体源区域和放置在反应室5下部的晶 片W之间的距离。因此，可均匀控制到达晶片W表面的离子流量，并可独立控制离子能量。另外，所述反应室5下部连接有调压器29和真空泵27，通过适当 控制调压器29,可调节反应室5内部的压力。通过复合天线线圈组7所产生的射频磁场和反应气体，可在所述 反应室5内部产生等离子体。即，将射频电源供给到复合天线线圈组7，从而形成射频磁场，且 通过所述射频,兹场在反应室5内部诱导产生射频电场，进而在所述射 频电场的作用下，反应室5内部的电子被加速而与反应气体分子反复 碰撞，从而产生高密度的等离子体。所述复合天线线圈组7配置在圓柱状介电窗11的外部，并由第一 外部线圈21和第二外部线圈23组成。如图3及图4所示，所述第一外部线圈21及第二外部线圈23以 相同结构巻绕而成，并且各外部线圏分别具有多个线圈并联连接的结构。另外，第一外部线圈21及第二外部线圈23分别具有至少一个线 圈(正整数)，优选为3个，而每个线圈的绕线匝数大于零(正实数)， 优选为1.5匝，而且电流方向相同。而且，所述第一外部线圈21及第二外部线圈23相互保持预定间 距L且上下配置。即，第一外部线圏21与第二外部线圈23之间保持 等于或小于第一外部线圈21的半径r的距离。据此，对所述第一外部线圈21及第二外部线圈23施加射频电源 的情况下，使各外部线圏的电流方向相同，从而改善现有螺线管线圈引起的缺点，即高电压引起的溅射、低效率等缺点，同时可获得均匀 且高强度的射频磁场。这会使反应室5内部的等离子体具有更为均匀且更高的离子密度。而且，第一外部线圈21及第二外部线圈23由于其多个天线线圏 以并联方式连接，因此具有较低的电感值。这会使天线具有较低的天 线电压和较高的天线电流，从而提高天线效率并减少溅射效应。如此通过减少賊射效应，可防止賊射所引起的介电窗损坏及严重 的污染，并防止介电窗零部件的寿命缩短。另外，如图l及图2所示，由电源供给单元供给施加于所述复合 天线线圏组7及下部电才及17的电源。即，所述电源供给单元由射频电源供给单元9和下部电源供给单 元18组成，所述射频电源供给单元9向复合天线线圈组7供给射频电 源，下部电源供给单元18向下部电极17供给电源。24及匹配电3各25、高频电源28及匹配电3各26组成，而高频电源24 和高频电源28分别通过匹配电路25和匹配电路26，与所述下部电极 17和第一外部线圈21及第二外部线圏23相连接。因此，通过射频电源供给单元9向复合天线线圏组7供给具有预 定频率的射频电源，可产生射频磁场。此时，射频电源优先使用13.56MHz的射频电源，也可以使用几 MHz或几十MHz的射频电源。另外，所述气体注入器31配置在所述介电窗11的上部，具有从 上向下喷射反应气体的结构。将所述气体注入器31配置在反应室的中间部位，可使反应气体有效地供应到反应室5内部，从而提高等离子体离子的扩散效果。而且，气体注入器31在中间部位喷射反应气体，从而把蚀刻过程 中所产生的副产物从晶片W中央向外排出，进而缩短副产物的滞留时间。此时，由气体注入器31供给的反应气体，可优先使用02、 CF4、 CHF3、 BCl3、 Cl2、 HBr等气体。图5至图7所示为复合电线线圈组7的另一实施例。即第一外部 线圈21的内部另行配置有内部线圏。即，第一外部线圈21的内部上 下配置有一对第一内部线圈32及第二内部线圈34。如此在设置于介电窗11上部的第一外部线圈21的内部另行配置 第一内部线圈32及第二内部线圈34,可形成4交大的工艺窗口 (Process Window )。其中，第一内部线圈32及第二内部线圏34分别具有正整数个线 圏，而每个线圏的绕线匝数为正实数，并且两者的电流方向相同。另外，所述第一内部线圈32及第二内部线圈34上下配置且保持 预定间距L。即，第一内部线圈32与第二内部线圈34之间保持等于或小于第 一内部线圈32半径r的距离。如此增设第一内部线圈32及第二内部线圏34,可根据工艺要求容易调节中心部及边缘部的离子密度，而且可在相对大的面积上获得均匀的蚀刻率和临界尺寸(Critical Dimension, CD )。另外，图8所示为所述内部线圈的又一个优选实施例。本实施例 的区别在于，内部线圈40是一体结构而非上下一对的结构，并且其线 圏形状为圓柱状。即，在设置于壳体3内部的外部线圈21内侧设有圆柱形状的内部 线圈42。而且，如图9及图IO所示，所述内部线圈也可以是平面螺旋形线 圈。即，设置于壳体3内部的外部线圈21的内部可配置有螺旋形线圈 50。其中，螺旋形线圈50的俯视结构呈以螺旋状巻绕的形状。即，螺 旋形线圈50具有/人其中心部54向外侧部56方向巻绕多个圈的形状。如上所述，内部线圈的形状并不局限于某一个形状，可根据操作 条件进行多种变更。下面，参照附图进一步详细说明本发明优选实施例的等离子体反 应装置的操作过程。参照图1至图7，利用本发明的等离子体反应装置处理晶片时，首 先向反应室5内部提供预定规格的晶片W。然后，通过反应室5的气体注入器31,向反应室5内部注入用于 进行等离子体反应的反应气体。注入到反应室5内部的反应气体从介电窗11上部的中间部位向下喷射，从而可均匀喷射到反应室5的内部空间。注入反应气体之后，启动与反应室5相连接的调压器29和真空泵 27,并适当调整反应室5的内部压力。如此向反应室5提供晶片W并通过气体注入器31注入反应气体 之后，对复合天线线圈组7施加射频电源。此时，由于施加射频电源，复合天线线圈组7的周围形成射频》兹 场，而所述射频》兹场通过介电窗11施加到反应室5内部。其中，所述复合天线线圏组7的第一外部线圏21及第二外部线圏 23由多个线圈以并^:方式连接形成，而且电流方向相同。另外，所述 第一外部线圈21及第二外部线圈23上下配置并保持预定间距L。即， 第二外部线圈23与第一外部线圈21之间保持等于或小于第一外部线 圏21半径r的距离。因此，对所述第一外部线圈21及第二外部线圈23施加射频电源 时，可形成均匀且高强度的射频磁场。这样以来,可在反应室5内部形成更加均匀且更高密度的等离子体离子。而且，由于第一外部线圈21及第二外部线圈23的多个天线线圈 以并联方式连接，因此具有较低的电感值。这样一来可使天线具有较 低的天线电压和较高的天线电流，从而提高天线效率并降低溅射效果。如此降低賊射效应，可防止賊射所引起的介电窗损坏及严重的污 染，并可防止介电窗11零部件的寿命缩短。由于复合天线线圈组7上施加射频电源，可形成射频^兹场，而所 述射频,兹场则在反应室5内部诱导产生射频电场，进而在所述射频电 场的作用下，反应室5内部的电子被力口速而与反应气体分子反复碰撞， 从而产生高密度的等离子体。另外，可通过控制施加于下部电极的偏 置功率，调节具有能量的离子与晶片之间的碰撞反应。本发明可应用于提高半导体元件的制造工艺效率及产品质量的等 离子体反应装置。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本发明所要求保护的范 围并不局限于此，对于熟知本领域的技术人员来说，在不脱离本发明 的精神和范围之内，可作出各种修饰及变更。
权利要求
1、一种等离子体反应装置，其特征在于包括反应室，其上部设有圆柱状介电窗，且通过等离子体反应来处理晶片；复合天线线圈组，其设置于所述介电窗的下部及上部，用于产生射频磁场，并通过所述介电窗对所述反应室内施加射频磁场，藉以产生射频电场；以及射频电源供给单元，其使所述复合天线线圈组产生时变的磁场。
2、 根据权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于所述反 应室包括腔室主体，其内部放置晶片且保持真空状态；介电窗，其以圓柱状凸出形成于所述腔室主体的上部，并且由所 述复合天线线圈组产生的射频^磁场施加于所述介电窗上；气体注入器，其形成在所述介电窗上，用于向反应室内注入反应 气体；以及下部电极，其用于支持所述晶片。
3、 根据权利要求2所述的等离子体反应装置，其特征在于 所述介电窗以圆柱状凸出形成，其上部是平面或曲面。
4、 根据权利要求2所述的等离子体反应装置，其特征在于所述气体注入器形成在所述介电窗上部的中间位置，并可以均匀 喷射反应气体。
5、 根据权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述 复合天线线圈组包括第 一外部线圈和第二外部线圈，所述第 一外部线 圈设置在所述介电窗上部，所述第二外部线圈设置在所述介电窗下部 的外周上并与所述第一外部线圈相隔预定距离。
6、 根据权利要求5所述的等离子体反应装置，其特征在于所述第一外部线圈及第二外部线圈分别具有正整数个线圈，而每 个线圈的绕线匝数为正实数，并且每组天线线圈以并联方式连接。
7、 根据权利要求5所述的等离子体反应装置，其特征在于所述复合天线线圈组的第一外部线圈及第二外部线圈以并联方式 连接，且所述第 一外部线圈和第二外部线圈的电流方向相同。
8、 根据权利要求5所述的等离子体反应装置，其特征在于所述第一外部线圈与第二外部线圈之间保持等于或小于所述第一 外部线圈半径的距离。
9、 根据权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于所述复合天线线圈组进一步具有内部天线线圈，其设在所述介电 窗的上部且半径小于所述第一外部线圏的半径，且所述复合外部天线 线圈与所述内部天线线圈以并联方式或串联方式连接。
10、 根据权利要求9所述的等离子体反应装置，其特征在于所述复合内部天线线圈组包括设置在所述介电窗上部的第二内部 线圈，以及从所述第二内部线圈沿上部方向相隔预定距离设置的第一内部线圏。
11、 根据权利要求IO所述的等离子体反应装置，其特征在于所述第一内部线圈及第二内部线圏分别具有正整数个线圈，而每 个线圈的绕线匝数为正实数，并且每组天线线圈以并联方式连接。
12、 根据权利要求IO所述的等离子体反应装置，其特征在于所述复合内部天线线圈组的第一 内部线圈与第二内部线圈以并联 方式连接，而且所述第一内部线圈和第二内部线圈的电流方向相同。
13、 根据权利要求IO所述的等离子体反应装置，其特征在于所述第一内部线圈与第二内部线圈保持等于或小于所述第一内部 线圈半径的距离。
14、 根据权利要求9所述的等离子体反应装置，其特征在于 所述内部天线线圈形状为圓柱状或螺旋状。
15、 根据权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于所述电源供给单元包括射频电源供给单元和下部电源供给单元， 所述射频电源供给单元连接在所述复合天线线圈组，所述下部电源供 给单元连接在所述反应室的下部电极，而射频电源供给单元与下部电 源供给单元分别包括匹配电路及与所述匹配电路相连接的高频电源。
全文摘要
本发明涉及一种具备复合天线线圈组的等离子体反应装置。这种等离子体反应装置包括反应室，其上部设置有圆柱状介电窗，且通过等离子体反应来处理晶片；复合天线线圈组，其设置于所述介电窗的外部及上部，用于产生射频磁场(RF magnetic field)，且通过所述介电窗向所述反应室内施加射频磁场，藉以诱导射频电场(RF electricfield)；射频电源供给单元，其用于向所述反应室下部(放置晶片的支架)及复合天线线圈组供给射频电源(Radio Frequency)，以使反应室下部(Wafer and Pedestal)保持负电位带电状态，并使所述复合天线线圈组产生时变的磁场。
文档编号H05H1/34GK101218859SQ200680025252
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月6日 优先权日2005年7月19日
发明者李元默 申请人:显示器生产服务株式会社