等离子体处理设备、其射频装置以及射频输送方法

专利名称：等离子体处理设备、其射频装置以及射频输送方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及 一 种用于等离子体处理设 备的射频装置。本发明还涉及一种包括上述射频装置的等离子体处理 设备，以及一种向等离子体处理设备的反应腔室中输入射频能量的射 频输送方法。
背景技术：
等离子体处理设备广泛应用于微电子技术领域。
请参考图1,图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图。 等离子体处理设备1内部具有反应腔室11，反应腔室11的顶部
具有上盖12,上盖12通常为石英盖。上盖12的中部设有气体入口 13, 以便经由该气体入口 13向反应腔室11中输入气体。上盖12的顶部还 设有电感耦合线圏14,其中可以通过射频电流。
等离子体处理设备1工作时，通过真空获得装置(图中未示出) 在反应腔室11中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，在电感耦 合线圏14中通过适当的射频电流，射频能量透过上盖12进入反应腔 室11中，从而激发其中的气体，进而在反应腔室中产生并维持等离子 体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与加 工件15发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形 或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由所述真空获得装置从抽气 口 16中抽出。
请参考图2，图2为一种典型的电感耦合线圏的结构示意图。 电感耦合线圈14通常由渐开线形成且大体为盘状，电感耦合线 圈14大体分布于上盖12的整个顶面，其整体直径与反应腔室11的直 径相适应，乂人而可以向反应腔室11的各个部分豸命入射频能量。
众所周知，在反应腔室11的径向上，电感耦合线圏14所产生的 电磁场是不均勻的，这将导致其所激发的等离子体的浓度在反应腔室 11的径向上出现不均匀现象，等离子体处理设备的具体结构等其他一些因素也可能导致等离子体在反应腔室11径向上不能均匀分布。等离 子体密度的不均匀将导致加工件15不同部分加工速率存在差异，这显 然会对工艺过程产生显著的不利影响。
在反应腔室11尺寸较小且加工件15的工艺线条较大的情况下， 尚能够通过扩散在一定程度上减轻反应腔室11径向上等离子体浓度
的差异，并满足工艺要求；但是，随着反应腔室11尺寸的不断加大， 通过扩散效果使等离子体密度均匀已经越来越困难，而且随着加工件 15的工艺线条逐渐变小，等离子体浓度的差异对工艺过程所产生不利 影响越来越显著。
因此，如何改善等离子体处理设备反应腔室径向上等离子体的均 匀性是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于等离子体处理设备的射频装置，可 以显著改善等离子体处理设备反应腔室径向上等离子体的均匀性。本 发明的另 一 目的是提供一种包括上述射频装置的等离子体处理设备， 以及提供一种向等离子体处理设备的反应腔室中输入射频能量的射频 输送方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种射频装置，用于等离子体 处理设备，包括依次连接的射频电源、射频匹配器以及电感耦合线圏， 所述电感耦合线圏包括位于所述等离子体处理设备反应腔室顶部中心 位置的中心线圈，以及围绕所述中心线圏并沿所述反应腔室顶部径向 分布的至少一组外周线圈；所述中心线圈以及各所述外周线圈均相互 独立，且各线圏中射频电流的比例能够调整。
进一步，所述中心线圈以及各外周线圈均有一端接地，且其另一
端均连接射频匹配器主体部的输出端；所述射频匹配器进一步包括设 于其主体部的输出端与所述中心线圈以及外周线圈之间的可变元件，
以改变各线圏之间的电流比例。
进一步，所述外周线圈的数目为一组，所述中心线圈以及外周线 圈中至少 一者与所述射频匹配器主体部的输出端之间串接第 一可变电容。
进一步，所述射频匹配器进一步包括第二可变电容，由所述第二 可变电容与所述第一可变电容串接而成的支路连接于地线和所述射频 匹配器主体部的输出端之间。
进一步，所述外周线圏的数目为一组，所述中心线圈以及外周线
圈中至少一者与所述射频匹配器主体部的输出端之间串接恒值电容； 所述的射频装置进一步包括第二可变电容，由所述第二可变电容与所
出端之间。
进一步，所述外周线圈与所述中心线圏在所述反应腔室顶部的径 向上具有适当间距。
进一步，所述外周线圈和所述中心线圈为平面线圏或者立体线圏。
本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的射
频装置。
本发明还提供一种射频输送方法，用于向等离子体处理设备的反 应腔室中输入射频能量，通过至少两个相互独立的电感耦合线圈分别 向所述反应腔室的中心部位以及至少一个围绕所述中心部位的外周部 位输入射频能量，并根据所述中心部位以及外周部位中等离子体的浓 度调整各电感耦合线圏中射频电流的比例。
进一步，各所述电感耦合线圈连接同一射频匹配器，各所述电感 耦合线圏通过与其连接的可变元件调整所述射频电流的比例。
本发明所提供的射频装置的电感耦合线圈包括至少两个相互独 立的部分，即位于所述等离子体处理设备反应腔室顶部中心位置的中 心线圈，以及位于所述反应腔室顶部外周部位并沿径向分布的至少一 组外周线圈；所述中心线圏以及各所述外周线圈中射频电流的比例能 够调整。因此，本发明所提供的射频装置可以分区向所述反应腔室中 输入射频并分区控制等离子体的浓度；即，当所述反应腔室径向上等 离子体浓度不均匀时，可以根据具体情况调整各线圈中射频电流的比例，从而调整各线圈在所述反应腔室的中心部位和外周部位所形成电 ^磁场的相对强度，以便消除所述反应腔室径向上等离子体浓度的差异， 进而确保离子体处理设备中进行的各种工艺过程顺利完成。本发明所 提供的向等离子体处理设备的反应腔室中输入射频能量的射频输送方 法实现了射频能量的分区输送以及分区控制，有利于提高所述反应腔 室径向上等离子体的均匀性，同样可以确保离子体处理设备中进行的 各种工艺过程顺利完成。


图1为一种典型的等离子体处理设备的结构示意图2为一种典型的电感耦合线圈的结构示意图3为本发明所提供电感耦合线圈一种具体实施方式
的结构示意
图4为本发明所提供电感耦合线圈另一种具体实施方式
的结构示 意图5为本发明所提供射频装置第一种具体实施方式
的结构示意
图6为本发明所提供射频装置第二种具体实施方式
的结构示意
图7为本发明所提供射频装置第三种具体实施方式
的结构示意
图8为本发明所提供射频装置第四种具体实施方式
的结构示意
图9为本发明所提供射频装置第五种具体实施方式
的结构示意图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图 和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
本发明所提供的用于等离子体处理设备的射频装置包括射频电 源、射频匹配器和电感耦合线圏，三者依次连接。请参考图3,图3为本发明所提供电感耦合线圏一种具体实施方 式的结构示意图。
在第一种具体实施方式
中，本发明所提供的电感耦合线圏至少包
括两个相独立的部分，即中心线圈Ll和外周线圏L2。
中心线圏Ll设于所述等离子体处理设备反应腔室顶部的中心位 置，外周线圈L2位于所述等离子体处理设备反应腔室顶部的外周位 置，且外周线圈L2围绕中心线圏Ll。显然，中心线圈Ll和外周线 圈L2的下方分别对应于反应腔室的中心部位和外周部位，两者可以 分别向所述中心部位和外周部位中输入射频能量，进而激发并维持等 离子体。因此，所述反应腔室在其径向上也就形成两个等离子体密度 不同的区域，每一区域中的等离子体主要由来自不同线圈的射频能量 激发。
由于中心线圏Ll与外周线圏L2中射频电流的比例能够调整，因 此，可以分区控制所述反应腔室中等离子体的浓度。当所述反应腔室 径向上等离子体浓度不均匀时，可以根据具体情况调整中心线圏Ll 与外周线圈L2中射频电流的比例，从而调整两者在所述反应腔室的 中心部位和外周部位所形成电；兹场的相对强度，以便消除所述反应腔
室径向上等离子体浓度的差异，进而确保等离子体处理设备中进行的 各种工艺过程顺利完成。
外周线圏L2的外侧可以进一步设置一組或者多组外周线圏，且 各外周线圏沿所述反应腔室顶部的径向分布。这样，所述反应腔室在 其径向上可以进一步形成三个或者更多的区域，每一区域中的等离子 体同样由来自不同线圈的射频能量激发。
在反应腔室顶部的径向上，中心线圏Ll与外周线圈L2之间可以 保持适当的距离，该距离显然明显大于每组线圏内相邻的两圈之间的 间距。因为反应腔室中心部位等离子体的浓度容易偏高，中心线圈L1 与外周线圏L2之间保持上述适当的距离有利于避免等离子体在反应 腔室中心部位的浓度过高，等离子体在反应腔室径向上的分布因此将 更为均匀。请参考图4,图4为本发明所提供电感耦合线圈另一种具体实施 方式的结构示意图。
图3所示中心线圏Ll以及外周线圏L2均为平面线圈(主要在线 圈的径向上延伸，其非平面高度通常低于线圈直径的10%),但各线 圈的具体形式不应限于此。如图4所示，中心线圏Ll可以是立体线 圈。此外，外周线圈L2同样可以是立体线圏(主要在线圈的轴向上 延伸，其非平面高度通常高于线圏直径的10%)。
下面将全面介绍本发明所提供的射频装置。
请参考图5,图5为本发明所提供射频装置第一种具体实施方式
的结构示意图。
所述射频装置包括射频电源4,其常见的工作频率为13.56MHz, 射频电源4通过射频匹配器3连接中心线圈Ll以及外周线圏L2。
本发明所提供的射频匹配器3包括主体部31以及附加部32。主 体部31可以包括若干可变电容，这些可变电容可以形成T型、L型、 倒L型等常见的网络结构；图5中的主体部31具体包括第三可变电 容C3和第四可变电容C4，两者形成L型网络结构。第三可变电容 C3和第四可变电容C4均可以通过电机驱动而改变电容值。
众所周知，当负载的阻抗与射频电源的阻抗不匹配时，射频匹配 器的输入阻抗不等于射频电源的输出阻抗(一般为50欧姆)；因此， 可以在射频匹配器输入端连接传感器311,传感器311因此可以实时 监测射频匹配器的输入阻抗，并将其获得的阻抗信号传递给控制器 312。控制器312根据其接收到的阻抗信号以及第三可变电容C3和第 四可变电容C4的当前状态，向控制第三可变电容C3和第四可变电容 C4的电机发出指令，从而调节上述两个可变电容至合适的状态，进而 确保负载阻抗与射频电源的阻抗保持共轭匹配。
上述中心线圏Ll与外周线圈L2相互独立，这为改变两者之间射 频电流的比例提供了可能。本领域的技术人员可以采用多种方式改变 各线圏间射频电流的比例，比如，可以采用多套射频电源分别向各线 圈供电，这是一种极为简单的方式，但很显然，这种方式成本较高，市场前景黯淡。因此，申请人提供了几种较为简单、可靠且成本较低 的电流的比例改变方式；需要指出的是，改变各线圏间射频电流的比 例的方法并不局限于这些具体方式。
中心线圏Ll与外周线圈L2均有一端接地，而两者的另一端可以 连接射频匹配器3主体部31的输出端(即节点a)。与节点a的连接 方式可以是直接连接，例如中心线圏L1，也可以是间接连接，例如外 周线圈L2。当外周线圏为多组时，各组外周线圏均一端接地一端连接 主体部31的输出端。以下以外周线圈为一组的情况为例进行说明。
可以在外周线圈L2与节点a之间设置可变元件，例如第一可变 电容Cl,第一可变电容C1可以手动调节也可以自动调节；图5中的 第一可变电容C1可以由控制器312自动调节。这样，外周线圈L2与 第一可变电容C1串接而成的支路连接于上述节点a与地线之间；中 心线圈L1同样连接于上述节点a与地线之间。控制器312可以根据 反应腔室中心部位和外周部位等离子体的浓度控制第一可变电容Cl (可以通过常规的方式实时监测等离子体的浓度并将浓度信号传送至 控制器312),进而改变射频电流在中心线圈Ll与外周线圈L2之间的 分配，以调整所述反应腔室不同位置等离子体的相对浓度，最终使所 述反应腔室各部位等离子体的浓度趋向 一 致。可以设置第 一 电流传感 器51以及第二电流传感器52，使两者分别与中心线圈Ll和外周线圈 L2相串联；在图5中第一电流传感器51直接连接在节点a与中心线 圈Ll之间，第二节流传感器52则连接于第一可变电容Cl与外周线 圈L2之间。第一电流传感器51以及第二电流传感器52所采集的信 号传送至控制器312，控制器312根据该信号调整第一可变电容Cl 以及第三可变电容C3和第四可变电容C4,从而在满足电流比例调节 的同时达到阻抗匹配。
当然，第一可变电容C1也可以设置在节点a与中心线圈Ll之间， 或者在节点a与中心线圏Ll之间、节点a与外周线圈L2之间均设置 一个第一可变电容Cl;这同样可以调整所述反应腔室中心部位和外周 部位等离子体的相对浓度。可以在图5所示射频装置的基础上进行改进。
请参考图6以及图7,图6为本发明所提供射频装置第二种具体 实施方式的结构示意图；图7为本发明所提供射频装置第三种具体实 施方式的结构示意图。
如前所述，在图5所示具体实施方式
中射频匹配器3的附加部32 仅包括一个或者两个第一可变电容Cl,即中心线圈Ll和外周线圈L2 中至少一者与节点a之间可以设置第一可变电容Cl。可以进一步设置 数目与第一可变电容C1相同的第二可变电容C2，且使第二可变电容 C2与第一可变电容C1串接形成的支路连接于节点a与地线之间。此 时，射频匹配器3的附加部32包括若干第一可变电容Cl以及第二可 变电容C2，两者均可以由控制器312控制。第一电流传感器51以及 第二电流传感器52所采集的信号传送至控制器312,控制器312根据 该信号调整第一可变电容Cl、第二可变电容C2以及第三可变电容C3 和第四可变电容C4,从而在满足电流比例调节的同时达到阻抗匹配。
当第一可变电容C1仅设置在外周线圏L2与节点a之间时，第二 可变电容C2的tt目为一组，且其"i殳置于节点b与地线之间，此时的 电路结构如图6所示。当第一可变电容Cl仅设置在中心线圈Ll与节 点a之间时，第二可变电容C2的数目仍一组，且其设置于节点c与 地线之间，此时的电路结构如图7所示。当第一可变电容C1同时设 置在节点a与中心线圈Ll、外周线圏L2之间时，第二可变电容C2 的数目为两组，两第二可变电容C2的设置方式可以分别参考图6和 图7。
请参考图8和图9，图8为本发明所提供射频装置第四种具体实 施方式的结构示意图；图9为本发明所提供射频装置第五种具体实施 方式的结构示意图。
如前所示，本领域的技术人员可以采用多种方式改变各线圏间射 频电流的比例。
可以在外周线圈L2、中心线圈Ll两者中至少一者与节点a之间 设置恒值电容C5，使由外周线圏L2与恒值电容C5串接而成的支路连接于上述节点a与地线之间；中心线圈Ll同样连接于上述节点a 与地线之间。同时设置第二可变电容C2，并使第二可变电容C2与恒 值电容C5串联所形成的支路连接于节点a与地线之间。此时手动或 者自动调节第二可变电容C2即可改变中心线圈Ll与外周线圈L2之 间的射频电流比例。此时射频匹配器3的附加部32包括若干第二可变 电容C2以及恒值电容C5。第一电流传感器51以及第二电流传感器 52的作用仍是采集各线圈的电流信号并将其传送至控制器312;控制 器312根据该信号调整各可变电容，从而在满足电流比例调节的同时 达到阻抗匹配。
图8示出了恒值电容C5仅设置于节点a与外周线圏L2之间的情 形，图9示出了恒值电容C5仅设置于节点a与中心线圏Ll之间的情 形。当恒值电容C5同时设置在节点a与中心线圈Ll、外周线圈L2 之间时，第二可变电容C2的数目为两组，两个第二可变电容C2的设 置方式可以分别参考图8和图9。
以上均以外周线圏L2的数目为一组的情况为例对本发明的技术 方案进行说明；当外周线圏L2的数目为多组时，可以将其他外周线 圈连接于地线以及节点a之间，并参考上文设置恒值电容或者可变电 容，从而可以调整射频匹配器3的进而调整各组线圈之间的射频电流 比例。对此本文不再展开描述。
本发明所提供的等离子体处理设备包括上述任一项所述的射频 装置；所述离子体处理设备的其他结构可以参考现有技术；例如，可 以参考图l中的离子体处理设备，但并不限于此具体形式。
本发明所提供的用于向等离子体处理设备的反应腔室中输入射 频能量的射频输送方法，在射频的产生以及阻抗匹配等方面可以参照 现有技术；其关键之一在于，本发明是通过至少两个相互独立的电感 耦合线圈分别向所述反应腔室的中心部位以及至少 一 个围绕所述中心 部位的外周部位输入射频能量，并根据所述中心部位以及外周部位中 等离子体的浓度调整各电感耦合线圈中射频电流的比例。简单地说， 本发明实现了射频能量的分区输送以及分区控制，当所述反应腔室径向上等离子体浓度不均匀时，可以根据具体情况调整各线圏中射频电 流的比例，从而调整各线圈在所述反应腔室的中心部位和外周部位所 形成电磁场的相对强度，以便消除所述反应腔室径向上等离子体浓度 的差异，进而确保离子体处理设备中进行的各种工艺过程顺利完成。
电感耦合线圏中射频电流的比例可以通过可变电容等可变元件 调整(这并不排斥恒值元件在电路中的存在)，所述可变元件的具体连 接方式可以参照前文关于射频装置以及等离子体处理设备的描述。
以上对本发明所提供的等离子体处理设备、其射频装置以及向等 离子体处理设备的反应腔室中输入射频能量的射频输送方法进行了详
述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核'"、思想。 应当指出，对于本4支术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原 理的前4是下，还可以对本发明进行若干改进和i务饰，这些改进和修饰 也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1、一种射频装置，用于等离子体处理设备，包括依次连接的射频电源、射频匹配器以及电感耦合线圈，其特征在于，所述电感耦合线圈包括位于所述等离子体处理设备反应腔室顶部中心位置的中心线圈，以及围绕所述中心线圈并沿所述反应腔室顶部径向分布的至少一组外周线圈；所述中心线圈以及各所述外周线圈均相互独立，且各线圈中射频电流的比例能够调整。
2、 如权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述中心线圈 以及各外周线圏均有一端接地，且其另 一端均连接射频匹配器主体部 的输出端；所述射频匹配器进一步包括设于其主体部的输出端与所述 中心线圈以及外周线圏之间的可变元件，以改变各线圏之间的电流比 例。
3、 如权利要求2所述的射频装置，其特征在于，所述外周线圈 的数目为一组，所述中心线圈以及外周线圈中至少一者与所述射频匹 配器主体部的输出端之间串接第一可变电容。
4、 如权利要求3所述的射频装置，其特征在于，进一步包括第 二可变电容，由所述第二可变电容与所述第一可变电容串接而成的支 路连接于地线和所述射频匹配器主体部的输出端之间。
5、 如权利要求2所述的射频装置，其特征在于，所述外周线圏 的#:目为一组，所述中心线圈以及外周线圈中至少一者与所述射频匹 配器主体部的输出端之间串接恒值电容；所述的射频装置进一步包括 第二可变电容，由所述第二可变电容与所述恒值电容串接而成的支路 连接于地线和所述射频匹配器主体部的输出端之间。
6、 如权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述外周线圏 与所述中心线圈在所述反应腔室顶部的径向上具有适当间距。
7、 如权利要求1所述的射频装置，其特征在于，所述外周线圏 和所述中心线圏为平面线圈或者立体线圈。
8、 一种等离子体处理设备，其特征在于，包括如权利要求1至7 任一项所述的射频装置。
9、 一种射频输送方法，用于向等离子体处理设备的反应腔室中输入射频能量，其特征在于，通过至少两个相互独立的电感耦合线圈 分别向所述反应腔室的中心部位以及至少 一 个围绕所述中心部位的外 周部位输入射频能量，并根据所述中心部位以及外周部位中等离子体 的浓度调整各电感耦合线圈中射频电流的比例。
10、如权利要求9所述的射频输送方法，其特征在于，各所述电 感耦合线圏连接同一射频匹配器，各所述电感耦合线圈通过与其连接 的可变元件调整所述射频电流的t匕例。
全文摘要
本发明公开了一种射频装置，包括依次连接的射频电源、射频匹配器以及电感耦合线圈，所述电感耦合线圈包括中心线圈以及围绕所述中心线圈的至少一组外周线圈；所述中心线圈以及各所述外周线圈相互独立，且各线圈中射频电流的比例能够调整。本发明还公开了一种包括上述射频装置的等离子体处理设备。本发明所公开的射频输送方法通过至少两个相互独立的电感耦合线圈分别向反应腔室的中心部位和外周部位输入射频能量，并根据各部位中等离子体的浓度调整各线圈中射频电流的比例。由于实现了射频能量的分区输送以及分区控制，可以提高所述反应腔室径向上等离子体的均匀性，进而确保等离子体处理设备对加工件进行的精细处理顺利完成。
文档编号H01J37/32GK101677485SQ200810222559
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者鹏 陈 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司