CN111192812B - 电感耦合装置和半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合装置和半导体处理设备。所述电感耦合装置包括射频电源、介质筒以及环绕在所述介质筒的周向侧壁且沿其轴向依次并列设置的至少两组射频线圈及直流电源，每组所述射频线圈的输入端均与所述射频电源和所述直流电源的第一极电连接，每组所述射频线圈的输出端均与所述直流电源的第二极电连接并接地设置，以在介质筒内形成对应每组所述射频线圈的电离区。借助所设计的多组射频线圈的结构，在同样射频功率条件下，通过每组射频线圈的电流降低，从而有效减小了高功率密度导致的趋肤效应问题，并且，工艺气体可以依次经过两个电离区，实现多次电离，可以有效提高感应耦合功率利用效率，最终可以提高等离子体密度。

Description

电感耦合装置和半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种电感耦合装置和一种包括该电感耦合装置的半导体处理设备。

背景技术

随着三维叠层封装、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)封装、垂直集成传感器阵列以及台面金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)功率器件倒装焊接技术的开发，硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。为了实现较高的刻蚀选择比及刻蚀速率，往往采用远程高密度等离子体(Remote High Density Plasma，Remote HDP)，此时基片位于等离子体下游，自由基浓度高，离子密度低，可以减少离子轰击导致的掩膜层的损失，因此可以兼顾实现高刻蚀速率及选择比。

在远程等离子体中，通常采用螺线管线圈感应耦合等离子体源，其中，等离子体通过螺线管天线产生，并在下电极偏压的作用下，实现等离子体密度与能量的独立控制。

对螺线管感应耦合等离子体源，线圈与等离子体之间存在容性耦合和感性耦合，其中容性耦合部分所占的功率约为感性耦合功率的50％，因此为了获得电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)模式下较高的等离子体密度，往往需要对等离子体源施加高功率密度。对电感耦合等离子体，功率密度的提高会导致两个方面的问题：一是趋肤效应产生的感应电流方向与线圈电流方向相反，限制了有效功率的吸收；二是高功率密度导致介质窗产生热效应，发生破裂现象，对平面感应耦合等离子体源，介质窗承受的最大功率密度约为1.5W/cm²；对螺线管感应耦合等离子体源，介质窗承受的最大功率密度约为4W/cm²。此外，随着功率密度的提高，活性粒子表面附合、离子轰击、光辐射等作用增强，导致介质窗材料的热效应更加严重。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种电感耦合装置和一种半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种电感耦合装置，用于半导体设备中电离工艺气体形成等离子体，所述电感耦合装置包括射频电源以及介质筒，所述电感耦合装置还包括环绕在所述介质筒的周向侧壁且沿其轴向依次并列设置的至少两组射频线圈以及直流电源；其中，

每组所述射频线圈的输入端均与所述射频电源和所述直流电源的第一极电连接，每组所述射频线圈的输出端均与所述直流电源的第二极电连接并接地设置，以在所述介质筒内形成对应每组所述射频线圈的电离区。

可选地，所述电感耦合装置还包括第一滤波器和第二滤波器，其中，

各所述射频线圈的输入端经由所述第一滤波器与所述直流电源的第一极电连接，各所述射频线圈的输出端经由所述第二滤波器与所述直流电源的第二极电连接。

可选地，所述第一滤波器和所述第二滤波器均为低通滤波器。

可选地，所述第一滤波器包括第一电感和第一电容，所述第二滤波器包括第二电感和第二电容；其中，

所述第一电感的第一端分别与所述直流电源的第一极以及所述第一电容的第一端电连接，所述第一电感的第二端分别与各所述射频线圈的输入端电连接，所述第一电容的第二端接地；

所述第二电感的第一端分别与各所述射频线圈的输出端电连接，所述第二电感的第二端分别与所述直流电源的第二极以及所述第二电容的第一端电连接，所述第二电容的第二端接地。

可选地，所述电感耦合装置还包括隔直电容、匹配器和接地电容；其中，

所述隔直电容的第一端通过所述匹配器与所述射频电源电连接，所述隔直电容的第二端分别与各所述射频线圈的输入端以及所述第一电感的第二端电连接：

所述接地电容的第一端分别与各所述射频线圈的输出端以及所述第二电感的第一端电连接，所述接地电容的第二端接地。

可选地，每组所述射频线圈包括多匝射频线圈，每匝所述射频线圈均包括第一导电层、包裹所述第一导电层绝缘层，以及包裹所述绝缘层的第二导电层；每个所述射频线圈的输入端均包括直流输入部和射频输入部，每个所述射频线圈的输出端均包括直流输出部和射频输出部；其中，

每个所述直流输入部分别与所述第一导电层和所述直流电源的第一极电连接，每个所述直流输出部分别与所述第一导电层和所述直流电源的第二极电连接；

每个所述射频输入部分别与所述第二导电层和所述射频电源电连接，每个所述射频输出部均接地。

可选地，所述电感耦合装置还包括至少一个第一导电连接件和至少一个第二导电连接件；其中，

所述第一导电连接件分别电连接相邻两个所述射频线圈的两个射频输入部处的第二导电层；

所述第二导电连接件分别电连接该相邻两个所述射频线圈的两个射频输出部处的第二导电层。

可选地，相邻两个所述射频线圈中的线圈缠绕方向彼此相反，以保证相邻两个所述射频线圈所输出的电流方向的一致性。

可选地，所述射频线圈为立体线圈或平面线圈，并且，所述射频线圈的横截面呈带状、环状或柱状。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，所述半导体处理设备包括前文记载的所述的电感耦合装置。

本发明的电感耦合装置和半导体处理设备，包括射频电源以及介质筒，所述电感耦合装置还包括环绕在所述介质筒的周向侧壁且沿其轴向依次并列设置的至少两个射频线圈及直流电源，每组所述射频线圈的输入端均与所述射频电源以及所述直流电源的第一极电连接，每组所述射频线圈的输出端均与所述直流电源的第二极电连接并接地设置，以在介质筒内形成对应每组所述射频线圈的电离区。借助所设计的多组射频线圈的结构，在同样射频功率条件下，通过降低每组射频线圈的电流，从而有效减小了高功率密度导致的趋肤效应问题，并且，工艺气体可以依次经过两个电离区，实现多次电离，可以有效提高感应耦合功率利用效率，最终可以提高等离子体密度。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明第一实施例中电感耦合装置的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中电子在磁场中的拉摩尔运动的示意图；

图3为本发明第三实施例中静磁场对等离子体位型约束的影响对比图；

图4为本发明第四实施例中电感耦合装置的等效电路图；

图5为本发明第五实施例中相邻两个射频线圈的结构示意图；

图6为本发明第六实施例中射频线圈中直流输出部与射频输出部处的剖视图；

图7为本发明第七实施例中射频线圈中直流及交流隔离的馈入方式电气示意图；

图8为本发明第八实施例中射频线圈中直流及交流隔离的输出方式电气示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种电感耦合装置100，该电感耦合装置100用于半导体处理设备200中，半导体处理设备200一般包括工艺腔室210、放置在工艺腔室210上方的本发明所提出的电感耦合装置100、以及向工艺腔室210提供工艺气体的进气系统220以及位于工艺腔室210内的偏压电极230，偏压电极230经由偏压匹配器240与偏压射频源250电连接。本发明所提出的电感耦合装置100主要是向工艺腔室210提供远程等离子体，所谓的远程等离子体是指，等离子体所产生的区域并不是位于工艺腔室210内部，而是位于工艺腔室210外部，下文将详细描述本发明所提出的电感耦合装置100的结构及其在半导体处理设备200中的应用。

如图1所示，电感耦合装置100包括射频电源110、介质筒130以及环绕在介质筒130的周向侧壁且沿其轴向依次并列设置的两组射频线圈(140，150)以及直流电源160。一组射频线圈140环设在介质筒130周向侧壁上方，另一组射频线圈150环绕在介质筒130周向侧壁下方，优选地是这两组射频线圈(140，150)在介质筒130的周向侧壁对称设置，但是本发明并不依次为限。此外，本发明对于环绕在介质筒130的周向侧壁的射频线圈的组数也并没有作出具体限定，本发明的图示仅仅示意了电感耦合装置100包括两组射频线圈(140，150)的结构，除此以外，电感耦合装置100还可以包括更多组环绕在介质筒130周向侧壁的射频线圈，具体可以根据实际需要设计。两组射频线圈(140，150)的输入端(141，151)均与射频电源110以及直流电源160的第一极(例如，正极)电连接，两组射频线圈(140，150)的输出端(142，152)均与直流电源160的第二极(例如，负极)电连接并接地设置，以在介质筒130内形成对应两组射频线圈(140，150)的两个电离区。

具体地，如图1所示，在应用上述电感耦合装置100的半导体处理设备200中，在进行工艺时，射频电源110(其频率一般为0.4MHz～60MHz)将射频功率向两组射频线圈(140，150)提供交变电流，交变电流在两组射频线圈(140，150)的作用下可以分别产生交变电磁场，同时，工艺气体经由进行系统220进入到介质筒130内部，此时，在介质筒130内部，工艺气体在一组射频线圈140产生的交变电磁场所对应的电离区内进行第一次电离，形成气体成分包含电子、离子、中性气体等，其中，中性气体为不带电气体，包括自由基和源气体，其中自由基含量约是离子的100～1000倍。接着，经过第一次电离的粒子扩散至另一组射频线圈150产生的交变电磁场所对应的电离区时，会产生进一步离化，第二次离化所需的能量将低于第一次离化所需要的能量。

此外，如图1所示，通过所设置的直流电源160，可以使得两组射频线圈(140，150)能够产生静磁场，静磁场可以提高等离子体密度和自由基密度。

具体地，如图2所示，两组射频线圈(140，150)所产生的静磁场B可以约束等离子体中的电子e，使之可以沿磁感线方向做拉摩尔运动(螺旋运动)，该运动方式可以使得电子e在等离子体中的运动路径增加，从而可以增加电子e与中性气体和自由基的碰撞频率，进而可以进一步辅助二次电离的电感耦合装置100提高等离子体密度。

一般地，直流电源160所输出的直流电流一般为0～200A，产生的静磁场范围一般为0～1000G，射频电源110所提供的射频功率一般为0～10KW。在静磁场的约束作用下，等离子体区域将被磁感线约束，如图3所示，可以减少电子或离子到介质筒130的复合，经试验研究证实，本实施例结构的电感耦合装置100，可以使得等离子体密度从常规的10¹¹/cm³提高至10¹²/cm³的量级，从而能够大大提高远程等离子体源的等离子体密度和自由基密度。

本实施例的电感耦合装置100，借助所设计的两组射频线圈(140，150)的结构，在同样射频功率条件下，通过每组射频线圈的电流降低，从而有效减小了高功率密度导致的趋肤效应问题，并且，工艺气体可以依次经过两个电离区，实现两次电离，可以有效提高感应耦合功率利用效率，最终可以提高等离子体密度。

可以理解的是，射频电源110在向两组射频线圈(140，150)提供射频功率时，射频功率可以通过两组射频线圈(140，150)的电感值进行分配，而为了控制介质筒130的表面功率密度的均衡，一般需要两组射频线圈(140，150)的电感值相等即功率分配均衡。

为了实现直流电流和高频电流的隔离，如图1所示，电感耦合装置100还包括第一滤波器170和第二滤波器180，其中，两组射频线圈(140，150)的输入端(141，151)经由第一滤波器170与直流电源160的第一极电连接，两组射频线圈(140，150)的输出端(142，152)经由第二滤波器180与直流电源160的第二极电连接。

需要说明的是，对于第一滤波器170和第二滤波器180的具体结构并没有作出限定，例如，第一滤波器170和第二滤波器180可以均为低通滤波器。

具体地，如图4所示，第一滤波器170包括第一电感L1(为了实现隔离高频电流，其所形成的对应频率感抗需大于2000Ω)和第一电容C1，第二滤波器180包括第二电感L2(为了实现隔离高频电流，其所形成的对应频率感抗需大于2000Ω)和第二电容C2；其中，第一电感L1的第一端分别与直流电源160的第一极以及第一电容C1的第一端电连接，第一电感L2的第二端分别与两个射频线圈(140，150)的输入端(141，151)电连接，第一电容C1的第二端接地。第二电感L2的第一端分别与两个射频线圈(140，150)的输出端(142，152)电连接，第二电感L2的第二端分别与直流电源160的第二极以及第二电容C2的第一端电连接，第二电容C2的第二端接地。

为了进一步有效隔离直流电流且并不影响高频阻抗、以及有效平衡射频线圈输入端和输出端的电压，电感耦合装置100还包括隔直电容C3(一般为22nF)、匹配器120以及接地电容C4(该接地电容C4的容抗一般为射频线圈感抗的50％)，如图4所示，其中，隔直电容C3的第一端通过匹配器120与射频电源110电连接，隔直电容C3的第二端分别与两组射频线圈(140，150)的输入端(141，151)以及第一电感L1的第二端电连接。接地电容C4的第一端分别与两组射频线圈(140，150)的输出端(142，152)以及第二电感L2的第一端电连接，接地电容C4的第二端接地。

如图5和图6所示，两组射频线圈(140，150)均包括多匝射频线圈，每匝射频线圈均包括第一导电层(143，153)、包裹第一导电层(143，153)的绝缘层(145，155)以及包裹绝缘层(145，155)的第二导电层(144，154)。两组射频线圈(140，150)的输入端(141，151)均包括直流输入部(141a，151a)和射频输入部(141b，151b)，两组射频线圈(140，150)的输出端(142，152)均包括直流输出部(142a，152a)和射频输出部(142b，152b)。

具体地，如图5、图6和图8所示，两个直流输出部(142a，152a)分别与对应的第一导电层(143，153)和直流电源160的第二极电连接，例如，如图6和图8所示，两个直流输出部(142a，152a)可以通过焊点(142c，152c)与对应的第一导电层(143，153)电连接。两个直流输入部(141a，151a)的连接结构与直流输出部类似，如图5和图7所示，两个直流输入部(141a，151a)分别与对应的第一导电层(143，153)和直流电源160的第一极电连接，例如，两个直流输入部(141a，151a)可以通过焊点(141c，151c)与对应的第一导电层(143，153)电连接。两个射频输入部(141b，151b)分别与对应的第二导电层(144，154)和射频电源110电连接，两个射频输出部(142b，152b)均接地。

本实施例结构的电感耦合装置100，在所设置的绝缘层(145，155)的隔离作用下，进入直流传导截面的电场被衰减。并且，由于高频与直流电流通过不同的位置传播，如图7和图8所示，因此相互间干扰效应也会有较大程度的减弱，在借助第一滤波器170和第二滤波器180的作用下滤波效果更优。

需要说明的是，对于第一导电层(143，153)、第二导电层(144，154)以及绝缘层(145，155)的具体材料并没有作出限定，例如，第一导电层(143，153)和第二导电层(144，154)可以选择电导率较高的铜材料，绝缘层(145，155)的材料一般可以选取四氟等。

如图5所示，电感耦合装置100还包括至少一个第一导电连接件191和至少一个第二导电连接件192；其中，第一导电连接件191分别电连接两组射频线圈(140，150)的两个射频输入部(141b，151b)处的第二导电层(144，154)。第二导电连接件192分别电连接两个射频线圈(140，150)的两个射频输出部(142b，152b)处的第二导电层(144，154)。并且，为了提高第一滤波器170和第二滤波器180的低通滤波效果，根据高频表面趋肤效应和直流电流走截面原理，可以将射频线圈及两个导电连接件设计为同轴的结构，如图5所示。

此外，为了保证两组射频线圈(140，150)所输出的电流的方向一致性，该两组射频线圈(140，150)的线圈缠绕方向彼此相反。

此外，对于射频线圈的具体结构并没有作出限定，例如，射频线圈可以为立体线圈或平面线圈，并且，射频线圈的横截面呈带状、环状或柱状等。

此外，为了保证两组射频线圈(140，150)形成的容性耦合电势远离偏压电极230，从而可以降低电感耦合装置100所形成的等离子体电势，减少对基片的轰击损伤，如图5所示，两组射频线圈(140，150)中的输入端(141，151)彼此相背设置，输出端(142，152)彼此相对设置。

本发明的第二方面，如图1所示，提供了一种半导体处理设备200，半导体处理设备200包括前文记载的电感耦合装置100，电感耦合装置100的具体结构可以参考前文相关记载，

本实施例的半导体处理设备200，具有前文记载的电感耦合装置100，借助所设计的两组射频线圈(140，150)的结构，在同样射频功率条件下，通过降低每个射频线圈的电流，从而有效减小了高功率密度导致的趋肤效应问题，并且，工艺气体可以依次经过两个电离区，实现两次电离，可以有效提高感应耦合功率利用效率，最终可以提高等离子体密度。

如图1所示，半导体处理设备200还包括工艺腔室210，介质筒130设置在工艺腔室210上方并与工艺腔室210密封连接。当然，除此以外，半导体处理设备200还可以包括前文记载的一些结构或者其他一些必要的部件，例如，屏蔽件260，排气系统270等。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电感耦合装置，用于半导体处理设备中电离工艺气体形成等离子体，所述电感耦合装置包括射频电源以及介质筒，其特征在于，所述电感耦合装置还包括环绕在所述介质筒的周向侧壁且沿其轴向依次并列设置的至少两组射频线圈以及直流电源；其中，

每组所述射频线圈的输入端均与所述射频电源和所述直流电源的第一极电连接，每组所述射频线圈的输出端均与所述直流电源的第二极电连接并接地设置，以在所述介质筒内形成对应每组所述射频线圈的电离区；

所述电感耦合装置还包括第一滤波器和第二滤波器，其中，

各所述射频线圈的输入端经由所述第一滤波器与所述直流电源的第一极电连接，各所述射频线圈的输出端经由所述第二滤波器与所述直流电源的第二极电连接；

所述电感耦合装置还包括接地电容；其中，

所述接地电容的第一端分别与各所述射频线圈的输出端以及所述第二滤波器电连接，所述接地电容的第二端接地，以平衡所述射频线圈输入端和输出端的电压；

每组所述射频线圈包括多匝射频线圈，每匝所述射频线圈均包括第一导电层，包裹所述第一导电层的绝缘层，以及包裹所述绝缘层的第二导电层；每个所述射频线圈的输入端均包括直流输入部和射频输入部，每个所述射频线圈的输出端均包括直流输出部和射频输出部；其中，

每个所述直流输入部分别与所述第一导电层和所述直流电源的第一极电连接，每个所述直流输出部分别与所述第一导电层和所述直流电源的第二极电连接；

每个所述射频输入部分别与所述第二导电层和所述射频电源电连接，每个所述射频输出部均接地。

2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第一滤波器和所述第二滤波器均为低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其特征在于，所述第一滤波器包括第一电感和第一电容，所述第二滤波器包括第二电感和第二电容；其中，

所述第一电感的第一端分别与所述直流电源的第一极以及所述第一电容的第一端电连接，所述第一电感的第二端分别与各所述射频线圈的输入端电连接，所述第一电容的第二端接地；

所述第二电感的第一端分别与各所述射频线圈的输出端以及所述接地电容的第一端电连接，所述第二电感的第二端分别与所述直流电源的第二极以及所述第二电容的第一端电连接，所述第二电容的第二端接地。

4.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置还包括隔直电容、匹配器；其中，

所述隔直电容的第一端通过所述匹配器与所述射频电源电连接，所述隔直电容的第二端分别与各所述射频线圈的输入端以及所述第一电感的第二端电连接。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，所述电感耦合装置还包括至少一个第一导电连接件和至少一个第二导电连接件；其中，

所述第一导电连接件分别电连接相邻两个所述射频线圈的两个射频输入部处的第二导电层；

所述第二导电连接件分别电连接该相邻两个所述射频线圈的两个射频输出部处的第二导电层。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，相邻两个所述射频线圈中的线圈缠绕方向彼此相反，以保证相邻两个所述射频线圈所输出的电流方向的一致性。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的电感耦合装置，其特征在于，所述射频线圈为立体线圈或平面线圈，并且，所述射频线圈的横截面呈带状、环状或柱状。

8.一种半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备包括权利要求1至7中任意一项所述的电感耦合装置。

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