CN1298198C - 低纵横比电感耦合等离子发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有较低纵横比反应气体的电感耦合等离子发生器，包括：一个箱体，其包括一个气体注入口，一个真空泵，以及一个气体排出口；一个夹盘；以及一个高频电源施加在其上的天线，在所述箱体的上部或侧部提供该天线，其中该天线具有平行的天线元件，在这些天线元件中，允许高频放电并且其阻抗低以确保低电子温度，这样来布置天线以使每一个天线元件的电源端和与电源端相对的接地端关于该天线形成的虚拟圆中心对称，以形成等离子密度分布的旋转对称，以螺旋方式盘绕这些天线元件，并且把每一个天线元件的电源端布置在远离箱体的位置上，而把每一个天线元件的接地端布置在靠近箱体的位置上，从而补偿由发生在电源端的离子损失所引起的等离子密度的下降。

Description

低纵横比电感耦合等离子发生器

技术领域

本发明涉及一种具有低纵横比(aspect ratio)的电感耦合等离子发生器。特别是，涉及这样一种具有较低纵横比的电感耦合等离子发生器，它能够降低电子温度以便适合蚀刻半导体氧化膜，通过减小箱体体积确保高选择性(high selectivity)，并且能够通过使等离子密度分布形成旋转对称以及在箱体边缘和中心部分均匀地保持等离子密度来精确加工大直径半导体晶片。

背景技术

在形成诸如半导体晶片或平面显示装置这样的精细图案的领域中，产生等离子并且进行各种表面处理，包括干法蚀刻、化学气相沉积、溅射等。在最近几年，为了降低成本以及提高产量，用于半导体器件的晶片或用于平面显示装置的基底倾向于变得更大，比如，300毫米或大与300毫米。相应地，用于加工大尺寸晶片或基底的等离子发生器的尺寸也逐渐增加。等离子发生器分成电感耦合等离子发生器、电容耦合等离子发生器等几类。还有，已知一些改进的等离子发生器，其中把磁场施加到基本等离子发生器上。

电感耦合等离子发生器比电容耦合等离子发生器具有更高的等离子密度。然而，电感耦合等离子发生器需要用于改善均匀度的各种额外器件。例如，可以使用中间部分厚于其他部分的电介质材料或圆顶形天线。然而，实现这种方法比较复杂并且把它应用到氧化物蚀刻有困难。也就是说，鉴于工艺条件由于氧化物蚀刻需要高选择性，所以传统的电感耦合等离子发生器使用体积相对大的箱体，造成箱体内气体滞留时间的增长，在该传统电感耦合等离子发生器中，通过扩散方法控制等离子的均匀度。还有，所述传统电感耦合等离子发生器提供等离子的高电子温度。如上所述，使用所述传统电感耦合等离子发生器存在几个缺点。

现在将对所述电感耦合等离子发生器进行详细说明。该电感耦合等离子发生器包括从中产生等离子的箱体。该箱体包括一个气体注入口，通过该气体注入口供应反应气体，一个用于保持箱体真空以及在完成反应之后抽净反应气体的真空泵，以及一个气体排出口。在所述箱体内提供用于安装诸如晶片或玻璃基底之类的样本的夹盘。在箱体上面安装了连接到高频电源(通常为13.56MHz)的天线。在所述天线与箱体之间安装绝缘片，以便减少天线与等离子之间的电容耦合，从而提高通过电感耦合从高频电源传输到等离子的能量。

在具有上述结构的电感耦合等离子发生器中，在初始阶段通过真空泵抽空箱体使其变成真空，然后，从气体注入口把用于产生等离子的反应气体引入到箱体内以便使箱体保持预定气压水平。接着，从高频电源把高频能量施加给所述天线。

所述传统的电感耦合等离子发生器使用单一螺旋形天线或多个分离电极型天线。当施加RF能量时，沿垂直于由天线所形成的平面的方向形成随着时间变化的磁场。这种随着时间变化的磁场在箱体内部形成感应电场，并且感应电场加热电子，从而产生与天线电感耦合的等离子。被加热电子与其周围的中性气体粒子碰撞，并且产生离子及原子团以便用于等离子蚀刻及沉积。还有，如果从单独的高频电源向夹盘施加能量，那么能够控制入射到样本的离子的能量。

然而，在螺旋形天线中，由于组成该天线的各感应线圈是互相串联连接的，因此固定的电流量流过每个感应线圈。在这种情况下，很难调整感应电场的分布，因此造成在箱体内壁上的离子和电子的损失。因此，等离子密度不可避免地在箱体中心增加而在箱体内壁的附近区域减小。因此，很难保持均匀的等离子密度。

而且，由于天线的各感应线圈为相互串联连接，所以由天线所引起的压降增大并且与等离子的电容耦合对该天线具有很大的影响。因此，功率效率下降并且很难保持等离子的均匀度。

其次，在由三个分离电极所构成的天线中，在与三个不同高频电源相连接的相应分离电极附近，等离子密度是高的，而等离子密度在箱体的中央部分是低的，使得保持等离子的均匀度有困难。特别是，很难在大面积上处理多个样本。还有，由于使用独立工作的电源，因此成本上升。进一步，针对为了有效使用电源的阻抗匹配，必须为相应电极使用独立的阻抗匹配电路。

在一个把数个圆形天线同心地相互并联连接在一起的并联天线中，等离子的均匀度沿旋转方向降低，即，等离子密度在该天线的中心部分相对高而在该天线的电源端(powered end)和接地端(groundend)相对低。以这样一种方式，等离子密度变得对于旋转方向来说是非对称的，这是因为把相对高电压施加到该天线的电源端上，造成离子损失，导致等离子密度的下降。还有，由于在环形类天线的断开部分，即，在电源端和接地端之间，没有电流，没有产生感应电场，以致于在该处产生较少的等离子，导致等离子密度的下降，因此，很难实现均匀地处理将要被处理的目标材料。

发明内容

为了克服现有技术的几个问题，本发明的目是提供一种具有较低纵横比的电感耦合等离子发生器，该电感耦合等离子发生器能够降低电子温度以便适合蚀刻氧化膜，通过减小箱体体积确保高选择性，并且能够通过使等离子密度分布形成旋转对称以及在箱体边缘和中心部分均匀地保持等离子密度来精确加工大直径半导体晶片。

为了达到本发明的目的，提供一种电感耦合等离子发生器，包括：一个箱体，该箱体包括一个气体注入口，通过该气体注入口供应反应气体，一个用于保持箱体内部真空的真空泵，以及一个在完成反应之后抽净反应气体的气体排出口；一个夹盘，用于安装目标材料以便在箱体内对其进行处理；以及一个天线，高频电源施加到其上，在所述箱体的上部或侧部提供该天线，其中该天线具有平行的天线元件，在这些天线元件中，允许在50MHz-100MHz范围内的高频放电，并且其阻抗低以确保低电子温度，这样来布置天线以使每一个天线元件的电源端和与电源端相对的接地端关于该天线形成的虚拟圆中心对称，以形成等离子密度分布的旋转对称，以螺旋方式盘绕这些天线元件，并且把每一个天线元件的电源端布置在远离箱体的位置上，而把每一个天线元件的接地端布置在靠近箱体的位置上，从而补偿由发生在电源端的离子损失所引起的等离子密度的下降。

在本发明中，以螺旋方式盘绕组成所述并联天线的各天线元件以便把它们布置在同一半径上，把每一个天线元件的电源端布置在远离箱体的位置，即，在所述箱体的较靠上或更向外的部分，而把每一个天线元件的接地端布置在靠近箱体的位置，即，在所述箱体的较靠下或更靠内的部分，以便把高电压施加在电源端上，从而使由电源端的离子损失所引起的等离子密度下降减少到最小。还有，能够补偿由发生在电源端的离子损失所引起的等离子密度下降，和由处在天线的电源端和接地端断开部分的非感应电场所引起的等离子密度下降，这是因为具有相同半径并且以双螺旋方式互相盘绕在一起的其它天线元件的中心部分，即在此处的等离子密度高于在电源端P处的等离子密度的部分，重叠在同一位置上，从而确保等离子密度分布的旋转对称。

还有，在本发明中，为了在箱体的整个区域内产生均匀等离子密度，可以在箱体上面进一步提供一个外部并联天线和内部并联天线。

进一步，可以这样构造根据本发明的并联天线以使两个天线元件以180度互相对称交叉并且以双重螺旋方式盘绕。还有，可以这样构造根据本发明的并联天线以使得三个天线元件以120度互相对称交叉，并且以三重螺旋方式互相盘绕在一起。还有，可以这样构造根据本发明的并联天线以使得四个天线元件以90度互相盘绕在一起并且以四重螺旋方式互相盘绕在一起。为了获得较低的纵横比，四个以上的天线元件可以并联连接并且以中心为准互相交叉以及以多重螺旋方式互相盘绕在一起。

在本发明中，为了使等离子密度分布在箱体的边缘和中心部分保持在均匀的水平，提供了箱体外部并联天线和内部并联天线。还有，把用于调整电流量的装置施加在外部并联天线和内部并联天线上。进一步，为了调整天线阻抗，使内部并联天线的交叉数量不同于外部并联天线的交叉数量。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的等离子发生器的截面图；

图2是根据本发明一实施例的等离子发生器的等效电路图；

图3举例说明根据本发明一实施例的等离子发生器的天线结构；

图4是根据本发明一实施例的等离子发生器的天线平面图；

图5是举例说明由图4中所示的等离子发生器的天线所产生的沿线A-A及线B-B的方向的等离子密度分布的曲线图；

图6举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构；

图7是图6中所示的天线的平面图；

图8是举例说明由图7所示的等离子发生器的天线所产生的沿线C-C的方向的等离子密度分布的曲线图；

图9是根据本发明另一个实施例的等离子发生器的等效电路图，其中在等离子发生器的内部和外部分别安装并联天线；

图10举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构；

图11是举例说明图10所示天线的安装状态的截面图；

图12举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构；

图13是举例说明图12所示天线的安装状态的截面图；

图14是根据本发明另一个实施例的等离子发生器的截面图。

最佳实施方式

现在参照附图详细说明本发明的几个非限制性实施例。

图1是根据本发明一实施例的等离子发生器的截面图，图2是根据本发明一实施例的等离子发生器的等效电路图，图3举例说明根据本发明一实施例的等离子发生器的天线结构，以及图4是根据本发明一实施例的等离子发生器的天线平面图。

如图1所示，本发明的等离子发生器基本是由电感耦合等离子发生器所构成的。也就是，本发明的等离子发生器包括：一个箱体10，该箱体10包括一个气体注入口11，通过该气体注入口11供应反应气体，一个用于保持箱体内部真空的真空泵12，以及一个气体排出口13，在完成反应之后通过该气体排出口13抽净反应气体；一个夹盘20，在该夹盘20上放置将要被处理的目标材料，在所述箱体内提供该夹盘20；以及一个天线30，把RF能量施加在该天线30上，在所述箱体10的上部提供该天线30。

这样构造所述天线30以至以相互缠绕方式在具有预定厚度的平面环状线轴31上缠绕两个天线元件32和34。

未定义符号14表示阻抗匹配箱。

本发明中，安装在所述箱体10上面的天线30是并联天线的形状。如图3和图4所示，这样布置两个天线元件32和34以至于每一个天线元件32和34的电源端P以虚拟圆的中心点C为对称点与每一个天线元件32和34的接地端G对称，相应的天线元件32和34以双重螺旋方式互相盘绕在一起，并且每一个天线元件32和34的电源端P远离所述箱体10(如图1所示)，而每一个天线元件32和34的接地端G靠近所述箱体10。

本实施例中，组成所述天线30的相应天线元件32和34以双重螺旋方式互相盘绕在一起并且被布置在同一半径上。每一个天线元件32和34的电源端P远离所述箱体10(如图1所示)，即，被布置在对于所述箱体10来说相对较高的位置，而每一个天线元件32和34的接地端G靠近所述箱体10，即，被布置在对于所述箱体10来说相对较低的位置。因此，把相对高电压施加在电源端P上，从而使由在电源端P处的离子损失所引起的等离子密度下降减少到最小。可以补偿由发生在其中一个天线元件32、34的电源端P的离子损失所引起的等离子密度下降，和由处在这个所述天线元件32、34的电源端P和接地端G断开部分的非感应电场所引起的等离子密度下降，这是因为另外一个所述天线元件34、32的中心部分34a、32a，即这样一个部分，在此处的等离子密度相对高于在电源端P处的等离子密度，与所述那个所述天线元件32、34的中心部分32a、34a重叠在一起，从而确保等离子密度分布的旋转对称。

图5是举例说明由图4中所示的等离子发生器的天线所产生的沿线A-A及线B-B的方向的等离子密度分布的曲线图，其中实线表示等离子密度沿线A-A的方向的分布，该线A-A横贯天线元件32和34的电源端P，以及虚线表示等离子密度沿线B-B的方向的分布，该线B-B垂直于所述横贯线A-A。如图5所示，在本实施例的等离子发生器中，等离子密度分布对于所述箱体10的旋转中心来说是对称的。所述天线元件32和34相互对称交叉，因此可以通过一个所述天线元件的等离子密度分布的非对称补偿另外一个所述天线元件的等离子密度分布的非对称，从而获得整个等离子密度分布的对称。还有，沿横贯所述天线元件32和34的电源端的方向的等离子密度分布与沿和其垂直方向的等离子密度分布相近，从而表明可以在整个所述箱体10内获得整个等离子密度分布的旋转对称。

在根据本发明的等离子发生器中，如图5所示，把一个用于固定目标材料比如半导体晶片的夹盘，布置在一个箱体内，该箱体不同于传统的电感耦合等离子发生器，其中需要把一个夹盘布置在一个箱体内等离子向下扩散并且均匀分布的位置上，从而导致箱体高度的增加以至于箱体变得体积庞大，并且延长了等离子在箱体内的滞留时间。然而，在不是以等离子扩散为基础的传统的电感耦合等离子发生器中，由于等离子甚至在所述箱体的相对较高的位置上也是均匀分布，所以可以减小箱体的高度。相应地，可以使箱体的体积减小到最小，并且可以缩短等离子的滞留时间，从而获得蚀刻氧化膜所要求的高选择性。还有，与需要通常为13.56MHz的RF能量的传统电感耦合等离子发生器不同，在本发明的电感耦合等离子发生器中，可以用处在50MHz到100MHz的相对高频范围内的RF能量进行放电，从而减小电子温度，这也是为获得高选择性所需要的。

图6举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构，而图7是图6中所示天线的平面图。

图6和图7所示的并联天线30是由三个天线元件32、34和36所构成的。以一个虚拟圆的中心C为对称点，以120度间隔对称布置每一个所述天线元件32、34和36的电源端P和相对与电源端的接地端G。相应的天线元件32、34和36以三重螺旋方式互相盘绕在一起。把所述天线元件32、34和36的电源端P布置在相对高的位置上而把所述天线元件32、34和36的接地端G布置在相对低的位置上。

根据此实施例，以三重螺旋方式把组成天线30的相应的所述天线元件32、34和36布置在相同半径上。每一个所述天线元件32、34和36的电源端P远离所述箱体10，即，被布置在对于所述箱体10来说相对较高的位置，而每一个所述天线元件32和34的接地端G靠近所述箱体10，即，被布置在对于所述箱体10来说相对较低的位置。因此，把相对高电压施加在电源端P上，从而使由发生在电源端P的离子损失所引起的等离子密度下降减少到最小。由发生在一个天线元件32的电源端P的离子损失所引起的等离子密度下降，和由处在这个所述天线元件32的电源端P和接地端G断开部分的非感应电场所引起的等离子密度下降被补偿，这是因为另外具有相同半径并且以双重螺旋方式互相盘绕在一起的所述天线元件34和36的中心部分34a和36a，即这样一个部分，在此处的等离子密度相对高于在电源端P处的等离子密度，重叠在相同位置，从而确保等离子密度分布的旋转对称。

根据本发明的天线结构并不局限于上述的双重和三重螺旋形结构，而是可以用任何能够实现较低纵横比的结构来构造天线，例如，四重螺旋天线，其中四个天线元件以90度互相盘绕在一起，或多重螺旋，其中四个以上的天线元件并联连接并且以多重螺旋方式互相盘绕在一起。

图8是举例说明由图7所示的等离子发生器的三重螺旋形天线所产生的沿线C-C的方向的等离子密度分布的曲线图。如图8所示，沿从所述天线元件32、34和36其中一个的电源端和接地端穿过所述天线的中心部分的方向的等离子密度分布是对称的，并且能够沿所述天线的每一个旋转方向获得基本相同的这样的对称等离子密度分布，这是因为三个天线元件120度互相盘绕在一起。

在所述图1至图8中所示的等离子发生器中，把一个并联天线30安装在箱体10上部的外侧。考虑到在箱体10中心部分的等离子密度低于在箱体10边缘部分的等离子密度这样一个事实，可以采用同心圆的形状，把结构与安装在箱体10边缘部分的所述并联天线30相同的并联天线40安装在箱体10上部的内侧，并且在图9中示出等效电路。

所述根据图9所示的实施例，由于提供了所述外部并联天线30和内部并联天线40，能够在所述整个箱体内获得等离子密度分布的旋转对称，并且能够使等离子密度在所述箱体的边缘和中心部分保持在均匀的水平。还有，等离子发生器可以进一步包括用于调整施加在所述外部并联天线30和内部并联天线40上的电流量的装置。另外，为了调整天线阻抗，内部并联天线的交叉数量不同于外部并联天线的交叉数量。例如，可以这样构造所述外部并联天线使得以三重螺旋方式盘绕三个天线元件，并且可以这样构造所述内部并联天线使得以双重螺旋方式盘绕三个天线元件。

为了克服够产生相对高密度的等离子的传统电感耦合等离子发生器的问题，这些问题包括由于箱体的大体积和高电子温度而很难获得高选择性，本发明的等离子发生器通过使用允许高频放电并具有低阻抗的并联天线以获得低电子温度和减少到最小的箱体体积，以及通过盘绕所述并联天线以便在所述箱体内形成等离子密度分布的旋转对称，能够获得高选择性。

在本发明的等离子发生器中，为了缩短等离子滞留在箱体内的时间，有必要使所述箱体的体积减少到最小。与在基于扩散方法的传统电感耦合等离子发生器不同(该扩散方法用来调整等离子均匀度)，其箱体的体积不可避免地变得相对较大，根据本发明，由于能够通过所述并联天线来获得等离子密度分布的旋转对称，所以能够不使用扩散方法就可实现所要求的预定低纵横比水平。还有，通过安装一个外部并联天线和一个内部并联天线可以在箱体的边缘和中心部分均匀地保持等离子密度，所述中心部分是将要放置被处理的目标材料的地方。因此，即使把目标材料放置在较高的位置上，所述箱体的体积还是能减少到最小，这是因为能够减小所述箱体的顶部和底部之间的距离。由于天线元件互相并联连接在一起，允许低阻抗和高频放电，从而减小电子温度，因此获得高选择性，这是蚀刻半导体氧化膜所需要的。

图10举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构，图11是举例说明图10所示天线的安装状态的截面图。

可以这样构造图10中所示的天线使得把两个天线元件32和34缠绕在一个短的管状线轴31上。这样布置并联连接的所述两个天线元件32和34以至于每一个所述天线元件32和34的电源端P是以所述线轴31的中心点为对称点与每一个所述天线元件32和34的接地端G对称的。以双重螺旋方式把相应的所述天线元件32和34盘绕在一起。可以这样构造所述天线元件32和34以至于把每一个所述天线元件32和34的电源端P布置在所述线轴31的外部，而把每一个所述天线元件32和34的接地端G布置在所述线轴31的内部，并且把高电压施加在电源端P，从而使由发生在电源端P的离子损失所引起的等离子密度下降减少到最小。可以补偿由发生在一个天线元件32的电源端P的离子损失所引起的等离子密度下降，和由处在这个所述天线元件32的电源端P和接地端G断开部分的非感应电场所引起的等离子密度下降，这是因为具有相同半径并且以双重螺旋方式互相盘绕在一起的另外的所述天线元件34和36的中心部分34a和36a，即这样一个部分，在此处的等离子密度相对高于在电源端P处的等离子密度，重叠在相同位置，从而确保等离子密度分布的旋转对称。

简单修改图10所示的天线30以使它能够执行与图2和图3所示的天线相同的功能以便在图11所示的圆柱形电感耦合等离子发生器中使用，将不给出对这些功能的解释。

图12举例说明根据本发明另一个实施例的等离子发生器的天线结构，而图13是举例说明图12所示天线的安装状态的截面图。可以这样构造本实施例的天线，使得把两个天线元件32和34缠绕在一个圆锥形线轴31上以便被恰当地安装在圆顶形电感耦合等离子发生器上，并且功能和效果与本发明的第一实施例相同。

图14是根据本发明另一个实施例的等离子发生器的截面图，其中在等离子发生器中使用图10所示的所述天线30，该等离子发生器具有安装在所述箱体10侧部的天线30。其功能与图10和图11所示的天线相同，将不给出详细的解释。

尽管图10至图14所示的天线具有两个天线元件，它们互相并联连接在一起，但本发明的天线结构并不限于此，而是可以对称地布置三个或多个天线元件以便形成等离子密度分布的旋转对称。

工业实用性

如上所述，根据本发明，可以改善所述电感耦合等离子发生器的天线结构，以至于它能够减小电子温度以便适合蚀刻半导体氧化膜，通过减小箱体体积确保高选择性，并且能够通过使等离子密度分布形成旋转对称来精确加工大直径晶片。

Claims (4)

1、一种具有较低纵横比的电感耦合等离子发生器，包括：

一个箱体，其包括一个气体注入口，通过该气体注入口供应反应气体，一个用于保持箱体内部真空的真空泵，以及一个用于在完成反应之后抽净反应气体的气体排出口；一个在所述箱体内用于安放将要被处理的目标材料的夹盘；以及

一个天线，高频电源施加在其上，在所述箱体的上部或侧部提供该天线，其中该天线具有允许高频放电并且阻抗低以确保低电子温度的并联天线元件，这样来布置所述天线使得每一个所述天线元件的电源端和与所述电源端相对的接地端关于所述天线形成的虚拟圆的中心对称，以便形成等离子密度分布的旋转对称，以螺旋方式盘绕所述天线元件，并且把每一个所述天线元件的电源端布置成远离所述箱体，而把每一个所述天线元件的接地端布置成靠近所述箱体，从而补偿由发生在电源端的离子损失所引起的等离子密度的下降。

2、根据权利要求1所述的电感耦合等离子发生器，其中，所述并联天线具有至少三个互相对称交叉并且以螺旋方式相互盘绕的天线元件。

3、根据权利要求1所述的电感耦合等离子发生器，进一步包括并联连接到所述并联天线的另外一个并联天线，该并联天线和所述并联天线一样以螺旋方式盘绕，并且安装在所述箱体的上部的内侧。

4、根据权利要求1所述的电感耦合等离子发生器，其中，所述天线元件盘绕在线轴上以便保持盘绕的形状。

Images