专利名称：电感耦合线圈及电感耦合等离子体装置的制作方法
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^C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10"cn^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 圏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 都不均勻，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 的折弯处为半圓或圆弧过渡，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圏的第 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圏的第二端。
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，折弯处半圆或圓弧的半径，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。为达到上述目的，本发明电感耦合等离子体装置采用的技术方案是该
装置包括反应室、工作台、电感耦合线圈、电感射频匹配器以及电感射频电
源，所述电感耦合线圈设在反应室内，且位于工作台上方；所述电感耦合线 圈由两组相同结构、形状和尺寸的平面栅形线圏组成，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 折弯处为半圓或圓弧过渡，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；
两组平面栅形线圏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 一端接电感射频匹配器的射频输出端，而一组 平面栅形线圈的另 一端与另 一组平面栅形线圏对称的另 一端并联后作为电 感耦合线圈的第二端接电感射频匹配器的接地端，电感射频匹配器与电感射 频电源连接。
上述技术方案中的有关内容解释如下
1、 上述方案中，所述"电感耦合线圈的第一端"为功率端[axial coil feed (powered)]。所述"电感耦合线圈的第二端，，为接地端[axial coil feed (terminated )]。
2、 上述方案中，所述工作台上还设置等离子体接收基板电极，对应基板 电极设有基板射频匹配器和基板偏置电源，基板电极与基板射频匹配器的射 频输出端连接，基板射频匹配器与基板偏置电源连接。
3、 上述方案中，为了向反应室提供反应气体还配设有供气系统。为了将 反应室内的废气排出以及控制反应室气压还配设有抽气系统。这些都是现有 公知技术。
4、 以上对电感耦合线圈技术方案的解释内容同样适用于对电感耦合等离 子体装置作解释。这里不再重复描述。
本发明原理及效果是以能产生均匀电磁场分布的并联栅形线圏来取代 常规的螺旋形线圏，使用27.12MHz的甚高频驱动频率功率源加载于并联栅 形线圈功率端，并在工作台的基^1电极上辅以13.56MHz的偏置电源，所形 成的等离子体密度大于7x 1()U/cm3,高于常规的电感耦合等离子体；等离子 体均匀性好，在400mm x 400mm的范围内等离子体密度的涨落小于5 % ;产 生的等离子体电位小于10V,能量离子对基片的轰击损伤小；电感耦合等离子体的持续稳定放电时间大于720小时。因此，用本发明电感耦合等离子体 装置制备非晶硅、纳米硅薄膜的生长速率大于20nm/min,制备多晶硅、碳化 硅薄膜的生长速率大于10nm/min,而且薄膜的片内(8in wafer )厚度均匀性 偏差小于5%,表面改性充分，功率耦合效率高，能耗低。
附图1为现有螺旋线圈电感耦合等离子体装置结构示意图。 附图2为本发明电感耦合等离子体装置结构示意图。 附图3为本发明电感耦合线圈结构示意图。 附图4为本发明电感耦合线圏截面剖视图。
附图5为本发明实施例电感耦合线圈辐射的近场增益方向图。方向图显 示辐射为沿垂直于电感耦合线圈平面方向的极化，且有约150°波瓣角，可 在基板平面形成较大的均匀区。
附图6为本发明实施例电感耦合线圈辐射场沿着方位角的分布，图像显 示辐射场在基板平面内沿方位角分布很均匀。
以上附图中1、平面栅形线圈；2、铜管；3、 4斤弯处；4、直段；5、陶 瓷绝缘内套管；6、陶瓷绝缘外套管；7、第一端；8、第二端；9、镀银层； 10、反应室；11、工作台；12、电感射频匹配器；13、电感射频电源；14、 基板电极；15、基板射频匹配器；16、基板偏置电源；17、螺旋线圈；18、 屏蔽罩；19、石英板；20、真空泵；21、供气口； 22、抽气口。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
实施例 一种电感耦合等离子体装置(其中包括电感耦合线圈)
如图2所示，该装置主要由反应室10、工作台11、电感射频发生器、基 板射频发生器、供气系统和抽气系统等几部分组成。其中，电感射频发生器 由电感耦合线圈、电感射频匹配器12和电感射频电源13组成，基板射频发 生器由基板电极14、基板射频匹配器15和基板偏置电源16组成。
反应室10由壳体构成一个处理空间，工作台11、电感耦合线圈和基板电 极14都设在反应室10内，其中，工作台ll位于反应室IO处理空间的下部 用于安装被加工基片，电感耦合线圈位于工作台11上方，基板电极14设在 工作台11上。基板电极14与基板射频匹配器15的射频输出端连接，基板 射频匹配器15与基板偏置电源连接16。
如图3和图4所示，电感耦合线圏由两组相同结构、形状和尺寸的平面栅形线圈l组成，其中，每组平面栅形线圈1由一根铜管2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3为半圓或圓弧过渡，栅形 结构的直段4相互平行；铜管2内设有陶瓷绝缘内套管5，陶瓷绝缘内套管 5的内腔作为冷却水通道，铜管2外壁上设有镀银层9,铜管2外设有陶瓷 绝缘外套管6。
所述平面栅形线圈1结构设计参数铜管外径为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。所述陶瓷绝缘内套管(5)和陶瓷绝缘外套管(6) 的壁厚为0.4毫米 0.6毫米。
两组平面栅形线圈1以平行于所述直段4的轴线为基准在同一平面内左 右对称布置，其中， 一组平面^t形线圈1的一端与另一组平面^f册形线圈l对 称的一端并联后作为电感耦合线圈的第一端7接电感射频匹配器12的射频 输出端，而一组平面栅形线圏1的另一端与另一组平面栅形线圈l对称的另 一端并联后作为电感耦合线圈的第二端8接电感射频匹配器12的接地端， 电感射频匹配器12与电感射频电源13连接。
供气系统通过供气口 21与反应室IO连接，负责向反应室IO提供反应气 体。抽气系统通过真空泵20和抽气口 22与反应室10连接，负责在反应室 IO工作中向外排气以及控制反应室IO的气压大小(真空度)。工作中，电感 射频电源13通过电感射频匹配器12向电感耦合线圈加载频率为27.12MHz 的射频电源，从而在反应室10内产生激发等离子体的强磁场。而基板偏置 电源16通过基板射频匹配器15向基板电极14施加频率为13.56MHz的射频 偏置电源，从而向基片提供偏置电场。由于电感耦合线圈为空心结构，产生 的热量可以通过7K冷却通道进4于冷却。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项 技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保 护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1、一种应用于电感耦合等离子体装置的电感耦合线圈，其特征在于由两组相同结构、形状和尺寸的平面栅形线圈(1)组成，其中，每组平面栅形线圈(1)由一根铜管(2)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(3)为半圆或圆弧过渡，栅形结构的直段(4)相互平行；铜管(2)内设有陶瓷绝缘内套管(5)，陶瓷绝缘内套管(5)的内腔作为冷却水通道，铜管(2)外设有陶瓷绝缘外套管(6)；两组平面栅形线圈(1)以平行于所述直段(4)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(1)的一端与另一组平面栅形线圈(1)对称的一端并联后作为电感耦合线圈的第一端(7)，而一组平面栅形线圈(1)的另一端与另一组平面栅形线圈(1)对称的另一端并联后作为电感耦合线圈的第二端(8)。
2、 根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述每组平面栅形 线圈(1)的铜管(2)外壁上设有镀银层(9)。
3、 根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述平面栅形线圈 (1 )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4册中心距为5厘米 12厘米，4册直段长度为80厘米 100厘米。
4、 根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述陶瓷绝缘内套 管(5 )和陶瓷绝缘外套管(6 )的壁厚为0.4毫米~0.6毫米。
5、 一种电感耦合等离子体装置，包括反应室(IO)、工作台(11)、电感耦 合线圈、电感射频匹配器(12)以及电感射频电源(13),其特征在于所述 电感耦合线圈设在反应室(10)内，且位于工作台(11)上方；所述电感耦合 线圈由两组相同结构、形状和尺寸的平面片册形线圏(l)组成，其中，每组平 面栅形线圈(1)由一根铜管(2)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(3)为半圓或圆弧过渡，栅形结构的直段(4)相互平 行；铜管(2)内设有陶瓷绝缘内套管(5)，陶瓷绝缘内套管(5)的内腔作为 冷却水通道，铜管(2)外设有陶资绝缘外套管(6);两组平面栅形线圈(1)以平行于所述直段(4)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(1)的一端与另一组平面栅形线 圈(1 )对称的一端并联后作为电感耦合线圈的第一端(7)接电感射频匹配器 (12)的射频输出端，而一组平面栅形线圈(1)的另一端与另一组平面栅形 线圈(1 )对称的另一端并联后作为电感耦合线圈的第二端(8)接电感射频匹 配器(12)的接地端，电感射频匹配器(12)与电感射频电源(13)连接。
6. 根据权利要求5所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于所述工作 台(11 )上设有等离子体接收基板电极(14)，对应基板电极(14)设有基板 射频匹配器(15)和基板偏置电源(16)，基板电极(14)与基板射频匹配器(15)的射频输出端连接，基板射频匹配器(15)与基板偏置电源连接(16)。
7. 根据权利要求5所述的电感耦合线圈，其特征在于所述每组平面栅形 线圈(1)的铜管(2)外壁上设有镀银层(9)。
8. 根据权利要求5所述的电感耦合线圈，其特征在于所述平面栅形线圈 (1 )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。
9. 根据权利要求5所述的电感耦合线圈，其特征在于所述陶瓷绝缘内套 管(5)和陶瓷绝缘外套管(6)的壁厚为0.4毫米 0.6毫米。
全文摘要
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电感耦合线圈。该装置包括反应室(10)、工作台(11)、电感耦合线圈、电感射频匹配器(12)以及电感射频电源(13)，其特征在于电感耦合线圈设在反应室(10)内，且位于工作台(11)上方；电感耦合线圈由两组相同的平面栅形线圈(1)并联且对称布置构成，其中，每组平面栅形线圈(1)由一根铜管(2)在平面上按“U”形波浪路径折制成栅形结构，铜管(2)内设有陶瓷绝缘内套管(5)，陶瓷绝缘内套管(5)的内腔作为冷却水通道，铜管(2)外设有陶瓷绝缘外套管(6)。本发明磁场分布均匀性好、效率高、对基片表面损伤更小，适合于大面积薄膜沉积、刻蚀以及表面处理等半导体加工工艺。
文档编号H01F38/14GK101409126SQ20081002127
公开日2009年4月15日 申请日期2008年8月7日 优先权日2008年8月7日
发明者宏 刘, 刘晓晗, 袁洁静 申请人:苏州汉申微电子有限公司