一种线圈以及半导体反应设备的制作方法

1.本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种线圈以及半导体反应设备。


背景技术：

2.电感耦合等离子源(inductively coupled plasma，icp)的射频线圈放置在石英天窗上，将耦合的电磁能传输至等离子体。当线圈中接入一定的射频电流，透过腔室石英天窗，在等离子体内部的邻近区域产生感应磁场b(r,z,t)，根据法拉第定律磁场b在反应腔室中感应以产生感应射频电场e(r,z,t)，等离子体中的电子在此感应射频电场中会不断加速运动，并与中性气体分子碰撞从而被电离化，从而将线圈中的射频能量耦合到电离气体中，并维持等离子体的放电过程。因此，腔体中感应电磁场分布将直接影响等离子体的分布均匀性。现有技术的线圈设计所产生的感应磁场通常无法使得离子体分布均匀。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种线圈以及半导体反应设备，以使得线圈所产生的感应电磁场驱使等离子体均匀分布。
4.本发明的目的是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种线圈，由至少两个线圈单元并联形成，包括第一线圈部段以及第二线圈部段，所述第一线圈部段以及所述第二线圈部段分别与所述线圈的中心相邻，所述第一线圈部段以及所述第二线圈部段中的电流方向相反，在由所述线圈的中心朝向所述第一线圈部段向外的方向上，距离所述第一线圈部段最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同，在由所述线圈的中心朝向所述第二线圈部段向外的方向上，距离所述第二线圈部段最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同。
5.在一些实施方式中，所述线圈由第一线圈单元与第三线圈单元并联，再与第二线圈单元并联形成，所述第一线圈单元与所述第三线圈单元结构相同，所述第一线圈单元以及所述第三线圈单元分别设置于所述第二线圈单元的两侧且所述第一线圈单元与所述第二线圈单元相邻，所述第三线圈单元与所述第二线圈单元相邻。
6.在一些实施方式中，所述第一线圈单元以及所述第三线圈单元均从第一端到第二端由外向内呈逆时针延伸，所述第二线圈单元从第一端到第二端由外向内呈顺时针延伸。
7.在一些实施方式中，所述第一线圈单元以及所述第三线圈单元均从第一端到第二端由外向内呈顺时针延伸，所述第二线圈单元从第一端到第二端由外向内呈逆时针延伸。
8.在一些实施方式中，所述第二线圈单元包括所述第一线圈部段以及所述第二线圈部段，所述第一线圈单元与所述第二线圈单元在最外圈具有相邻的线圈部段，所述第一线圈单元与所述第二线圈单元的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同，所述第三线圈单元与所述第二线圈单元在最外圈具有相邻的线圈部段，所述第三线圈单元与所述第二线圈单元的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同。
9.在一些实施方式中，所述线圈由第一线圈部以及第二线圈部并联形成，所述第一线圈部与所述第二线圈部结构相同且关于所述线圈的中心呈中心对称，所述第一线圈部与所述第二线圈部相邻设置。
10.在一些实施方式中，所述第一线圈部以及所述第二线圈部均从第一端到第二端由外向内呈顺时针延伸。
11.在一些实施方式中，所述第一线圈部以及所述第二线圈部均从第一端到第二端由外向内逆时针延伸。
12.在一些实施方式中，所述第一线圈部与所述第二线圈部在最外圈具有相邻的线圈部段，所述第一线圈部与所述第二线圈部的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相反。
13.本发明还提供一种半导体反应设备，包括前述的线圈。
14.本发明的有益效果至少包括：
15.1、本发明所述的线圈由至少两个线圈单元并联形成，能够降低线圈的电感，也就降低线圈的有效电压，从而使得产生的静电场降低，感应电磁场增大，确保线圈与等离子体之间具有较小的电容耦合成分，增大电感耦合成分，从而提高能量耦合效率。
16.2、本发明通过第一线圈部段以及第二线圈部段与线圈的中心相邻且第一线圈部段以及第二线圈部段中的电流方向相反、距离第一线圈部段最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同且距离第二线圈部段最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同，实现了在反应腔室的中心形成较弱的电场分布，在靠近线圈的中心的两边形成较强的电场分布，使得等离子体在两边形成的较强电场分布的驱动下向电场分布较弱的线圈的中心移动，从而使真空腔室中间区域形成高密度且均匀的等离子体。
17.3、本发明所述的线圈结构简单且覆盖面积易于扩展，可通过线圈设计和其他改善等离子体均匀性的手段将等离子体加工面积从直径200mm扩展到直径300mm或更大尺寸。
18.4、本发明所述的线圈通过增大第一线圈部段与第二线圈部段之间的间距，能够形成均匀的高密度等离子体。
19.5、本发明所述的线圈通过第一线圈单元与第三线圈单元并联，然后再与第二线圈单元并联形成，使得第一线圈单元与第三线圈单元并联形成的整体中通入的电流可被单独调节，第二线圈单元中通入的电流可单独调节，通过单独调节电流便于调节线圈所产生的等离子体的密度大小。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
21.图1示出了包括线圈的等离子体腔室的横截面示意图；
22.图2为根据本发明的第一种实施方式的线圈的结构示意图；
23.图3为根据本发明的第一种实施方式的线圈的电路示意图；
24.图4为根据本发明的第一种实施方式的线圈所产生的电场分布图；
25.图5为根据本发明的第一种实施方式的线圈所产生的等离子体的分布图；
26.图6为根据本发明的第二种实施方式的线圈的结构示意图；
27.图7为根据本发明的第一种实施方式的线圈在增大第二线圈单元的匝数之后所产生的电场分布图；
28.图8为根据本发明的第一种实施方式的线圈在增大第二线圈单元的匝数之后所产生的等离子体的分布图；
29.图9为根据本发明的第一种实施方式的线圈在增大第一线圈部段与第二线圈部段之间的间距后所产生的等离子体的分布图；
30.图10为根据本发明的第三种实施方式的线圈的结构示意图；
31.图11为根据本发明的第三种实施方式的线圈的电路示意图；
32.图12为根据本发明的第四种实施方式的线圈的结构示意图。
具体实施方式
33.为更进一步阐述本发明的技术手段，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的线圈以及半导体反应设备的具体实施方式详细说明。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
35.在本技术实施例的描述中，技术术语“第一”以及“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本技术实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
37.如图1所示，图1示出了包括线圈的等离子体腔室的横截面示意图。等离子体腔室100包括反应空间104，反应空间104由腔室外壁102和腔室天窗112构成，其中腔室天窗112选用石英材质。用于放置硅晶圆118的载台106设置在反应空间104的内部。尽管未在图中示出，但载台106可以具有置于其内的加热器。线圈200设置在腔室天窗112的上方。外部的rf电源114通过接入的匹配器115连接线圈200以向线圈200供电，线圈200通电之后可在反应空间104中产生电磁场，线圈200所产生的电磁场可将通过进气口103通入反应空间104内的工艺气体(例如，氮气)电离成等离子体，多余气体可通过真空泵(图中未示)抽出反应空间104。反应空间104内可接入压力检测器(图中未示)，以实时监测腔体压力。
38.可以理解的是，等离子体腔室100可以采用左右进气，亦可采用四周进气，亦可根据需要上下进气，或者其他进气方式，如从腔体上方中心进气。本发明对等离子体腔室100的形状不做任何限制。等离子体腔室100的形状可以为圆形、长方形或其他不规则形状。
39.本发明所述的线圈200由至少两个线圈单元并联形成，每个线圈单元的第一端i接入匹配器115，匹配器115接入射频电源114，每个线圈单元的第二端o接地，射频电源114用于在各个线圈单元中通入电流。每个线圈单元由天线导线在平面内螺旋卷绕成型。更具体
地，假设第一方向x为水平方向，在平面内与第一方向x垂直的方向为第二方向y,天线导线在平面内连续地沿第一方向以及第二方向延伸以形成线圈单元。每个线圈单元包括多个线圈部段，“线圈部段”表示在同一方向延伸的线圈单元的单独部分。
40.如图2、图6、图10以及图11所示，本发明所述的线圈200包括第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002分别与线圈200的中心相邻，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002中的电流方向相反，在其余线圈部段中，在由线圈200的中心垂直第一线圈部段2001向外的方向上，距离第一线圈部段2001最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同，且与第一线圈部段2001中的电流方向相同，在由线圈200的中心朝向第二线圈部段2002向外的方向上，距离第二线圈部段2002最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同，且与第二线圈部段2002中的电流方向相同。
41.需要说明的是，在本发明中，“相邻”表示紧挨着，线圈200的中心为线圈200的最内部，“由线圈200的中心向外延伸”定义为“由内向外”，反之，则定义为“由外向内”。例如，由线圈单元的第一端向线圈200的中心延伸为“由外向内”。
42.本发明所述的线圈200由至少两个线圈单元并联形成，能够降低线圈200的电感，也就降低线圈200的有效电压，从而使得产生的静电场降低，感应电磁场增大，确保线圈与等离子体之间具有较小的电容耦合成分，增大电感耦合成分，从而提高能量耦合效率。
43.本发明通过第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002与线圈200的中心相邻且第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002中的电流方向相反、距离第一线圈部段2001最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同且距离第二线圈部段2002最近的至少两个线圈部段中的电流方向相同，实现了在线圈200的中心形成较弱的电场分布，在靠近线圈200的中心的两边形成较强的电场分布，使得等离子体在两边形成的较强电场分布的驱动下向电场分布较弱的线圈200的中心移动，从而使真空腔室中间区域形成高密度且均匀的等离子体。
44.本发明所述的线圈200结构简单且覆盖面积易于扩展，可通过线圈设计和其他改善等离子体均匀性的手段将等离子体加工面积从直径200mm扩展到直径300mm或更大尺寸。
45.在一个或多个实施例中，如图2以及图3所示，线圈200由第一线圈单元201与第三线圈单元203并联，然后再与第二线圈单元202并联形成，第一线圈单元201与第三线圈单元203结构相同，由于第一线圈单元201与第三线圈单元203先并联形成整体之后再与第二线圈单元202并联，因此，第一线圈单元201与第三线圈单元203并联形成的整体中通入的电流可被单独调节，第二线圈单元202中通入的电流可单独调节，通过单独调节电流便于调节线圈200所产生的等离子体的密度大小。
46.具体地，第一线圈单元201以及第三线圈单元203分别设置于第二线圈单元202的两侧且第一线圈单元201与第二线圈单元202相邻，第三线圈单元203与第二线圈单元202相邻。第一线圈单元201以及第三线圈单元203均从第一端到第二端由外向内整体呈逆时针延伸，第二线圈单元202从第一端到第二端由外向内整体呈顺时针延伸，在该实施例中，线圈200的中心c位于第一线圈单元201与第三线圈单元203之间，也即位于第二线圈单元202的中心，第二线圈单元202包括第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002与线圈200的中心相邻，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002中的电流方向相反。
47.第一线圈单元201与第二线圈单元202在最外圈具有相邻的线圈部段，第一线圈单
元201与第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同。第三线圈单元203与第二线圈单元202在最外圈具有相邻的线圈部段，第三线圈单元203与第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同。此外，在本实施例中，在由线圈200的中心朝向第一线圈部段2001向外的方向上，与第一线圈部段2001距离两个线圈部段的线圈部段中的电流方向同样与第一线圈单元201以及第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向相同，且同样地，在由线圈200的中心朝向第二线圈部段2002向外的方向上，与第二线圈部段2002距离两个线圈部段的线圈部段中的电流方向同样与第三线圈单元203以及第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向相同。该实施例的线圈200所产生的电场分布如图4所示，该实施例的线圈200所产生的等离子体的分布如图5所示。
48.在一个或多个实施例中，如图6所示，线圈200由第一线圈单元201与第三线圈单元203并联之后，再与第二线圈单元202并联形成，第一线圈单元201与第三线圈单元203结构相同，该实施例的电路图与图3所示的电路图相同。具体地，第一线圈单元201以及第三线圈单元203分别设置于第二线圈单元202的两侧，第一线圈单元201与第二线圈单元202相邻，第三线圈单元203与第二线圈单元202相邻。第一线圈单元201以及第三线圈单元203均从第一端到第二端由外向内整体呈顺时针延伸，第二线圈单元202从第一端到第二端由外向内整体呈逆时针延伸，在该实施例中，线圈200的中心c作为位于第一线圈单元201与第三线圈单元之间，也即位于第二线圈单元202的中心，第二线圈单元202包括第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002与线圈200的中心相邻，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002中的电流方向相反。
49.第一线圈单元201与第二线圈单元202在最外圈具有相邻的线圈部段，第一线圈单元201与第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同。第三线圈单元203与第二线圈单元202在最外圈具有相邻的线圈部段，第三线圈单元203与第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相同。此外，在本实施例中，在由线圈200的中心朝向第一线圈部段2001向外的方向上，与第一线圈部段2001距离两个线圈部段的线圈部段中的电流方向同样与第一线圈单元201以及第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向相同，且同样地，在由线圈200的中心朝向第二线圈部段2002向外的方向上，与第二线圈部段2002距离两个线圈部段的线圈部段中的电流方向同样与第三线圈单元203以及第二线圈单元202的相邻的线圈部段中的电流的方向相同。
50.在一些其他实施例中，第二线圈单元202的匝数可增加，从而能够增加线圈200所产生的等离子体的密度大小，以图2所示的实施例为例，增加位于中央的第二线圈单元202的匝数后，线圈200所产生的电场分布如图7所示，所产生的等离子体的分布如图8所示。
51.在一些其他实施例中，第一线圈部段2001与第二线圈部段2002之间的间距可增加，从而能够形成均匀的高密度等离子体，以图2所示的实施例为例，增加第一线圈部段2001与第二线圈部段2002之间的间距后，所产生的等离子体的分布如图9所示。优选地，第一线圈部段2001与第二线圈部段2002之间的距离在32mm-220mm之间。
52.在一个或多个实施例中，如图10以及图11所示，线圈200由第一线圈部204以及第二线圈部205并联形成，第一线圈部204与第二线圈部205结构相同且关于线圈200的中心c呈中心对称，由于第一线圈部204以及第二线圈部205并联，因此，第一线圈部204以及第二线圈部205并联形成的整体中通入的电流可被单独调节。具体地，第一线圈部204以及第二
线圈部205相邻设置，第一线圈部204以及第二线圈部205均从第一端到第二端由外向内整体呈顺时针延伸，且第一线圈部204与第二线圈部205在最外圈具有相邻的线圈部段，第一线圈部204与第二线圈部205的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相反。
53.第一线圈部204与第二线圈部205的相邻的线圈部段即分别为第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002与线圈200的中心相邻，在其余线圈部段中，在由线圈200的中心垂直第一线圈部段2001向外的方向上，距离第一线圈部段2001最近的两个线圈部段中的电流方向相同，在由线圈200的中心垂直第二线圈部段2002向外的方向上，距离第二线圈部段2002最近的两个线圈部段中的电流方向相同。
54.在一个或多个实施例中，如图12所示，线圈200由第一线圈部204以及第二线圈部205并联形成，第一线圈部204与第二线圈部205结构相同且关于线圈200的中心呈中心对称，该实施例的电路图与图11所示的电路图相同。具体地，第一线圈部204以及第二线圈部205相邻设置，第一线圈部204以及第二线圈部205均从第一端到第二端由外向内逆时针延伸，且第一线圈部204与第二线圈部205在最外圈具有相邻的线圈部段，第一线圈部204与第二线圈部205的相邻的线圈部段中的电流的方向彼此相反。
55.第一线圈部204与第二线圈部205的相邻的线圈部段即分别为第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002，第一线圈部段2001以及第二线圈部段2002与线圈200的中心相邻，在其余线圈部段中，在由线圈200的中心垂直第一线圈部段2001向外的方向上，距离第一线圈部段2001最近的两个线圈部段中的电流方向相同，在由线圈200的中心垂直第二线圈部段2002向外的方向上，距离第二线圈部段2002最近的两个线圈部段中的电流方向相同。
56.在本发明所给出的具体实施例中，不对线圈单元匝数做具体限制，每个线圈单元的匝数可根据需要进行调整。线圈200的具体尺寸可根据硅晶圆的大小确定。
57.本发明所述的各个线圈单元可通过水进行冷却，从而改善电离效率。
58.可以理解的是，本发明所述的线圈200既可以是平面线圈也可以是立体线圈。
59.本发明还提供一种半导体反应设备，利用上述的线圈产生等离子体。
60.提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够实施本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。