一种等离子体源以及半导体反应设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种等离子体源以及半导体反应设备。

背景技术

电感耦合等离子体源(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，在等离子体内部的临近区域产生感应磁场B(r，z，t)，根据法拉第定律

对于现有技术的螺旋式(Solenoid Antenna)等离子体源，线圈以等距的方式旋转外扩，即相邻的线圈曲线之间的距离相等，虽然这种线圈能够较好的控制相邻线圈曲线之间保持相同距离以产生局部均匀的叠加感应磁场，但当考虑所有螺旋线圈的叠加感应磁场时，这种类型的线圈在等离子体源的半径大约1/2处以内，由于通入同向电流的线圈曲线在单位面积上的数量较多，在等离子体源的半径大约1/2处以外，通入同向电流的线圈曲线在单位面积上的数量会较少，因此，在等离子体源的半径大约1/2处所产生的磁感应强度B达到峰值，从而导致此处的等离子体密度达到峰值。此外，这种以等距的方式旋转外扩的等离子体源在中心区域的各个线圈的线圈曲线内的电流走向不同，相应地，中心区域的磁感应强度会大幅减小，从而造成中心区域等离子体密度的不均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体源以及半导体反应设备，以使得等离子体源能够产生均匀的磁场强度。

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等离子体源，包括中央衬套以及多个线圈，多个所述线圈从所述中央衬套螺旋地延伸以围绕所述中央衬套，多个所述线圈上的相邻线圈曲线之间的间距被设置为由所述中央衬套向外部逐渐增大。

在一些实施方式中，多个所述线圈关于所述中央衬套呈中心对称分布。

在一些实施方式中，多个所述线圈可均按照阿基米德螺旋曲线展开。

在一些实施方式中，多个所述线圈可均按照对数螺旋曲线展开。

在一些实施方式中，多个所述线圈可均按照黄金螺旋曲线展开。

在一些实施方式中，多个所述线圈被构造成相同形状。

在一些实施方式中，多个所述线圈的第一端均连接至所述中央衬套，多个所述线圈的第二端均连接至外围衬套。

在一些实施方式中，所述中央衬套由导电材料制成。

本发明还提供一种半导体反应设备，包括前述的等离子体源。

本发明的有益效果至少包括：

1、本发明所述的等离子体源由于相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，等离子体源的面积也就较大，在等离子体源的半径大约1/2处以内的区域、通入同向电流的线圈曲线的数量与在等离子体源的半径大约1/2处以外的区域、通入同向电流的线圈曲线的数量相均衡，因此，在等离子体源的半径大约1/2处能够产生均匀的磁感应强度。

2、本发明所述的等离子体源由于在相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，整个等离子体源的面积也就较大，所以，能够产生面积较大的均匀电磁场。

3、由于各个线圈关于中央衬套呈中心对称分布，所以本发明所述的等离子体源能够在各个方向上产生均匀的磁感应强度。

4、本发明的各个线圈的第一端之间的间距作为初始间距被设置成一较大值，从而使得在中心区域的最内部，各个线圈所产生的电磁感应相互抵消的幅度较小，又由于本发明的各个相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，所以各个线圈所产生的电磁感应相互抵消的幅度会越来越小，从而能够在等离子体源由中心区域过渡到中心区域以外的区域的过程中，各个线圈所产生的电磁感应在一定程度上也完美过渡，从而实现电磁感应的均匀分布。

5、采用多个线圈与中央衬套并联的方式，能够降低等离子体源的电感，从而使得产生的静电场降低，感应电磁场增大，确保等离子体源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。

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

图1示出了包括传统等离子体源的等离子体腔室的横截面示意图；

图2为根据本发明的一种实施方式的等离子体源的平面结构示意图；

图3为根据本发明的一种实施方式的等离子体源的立体结构示意图。

具体实施方式

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等离子体源以及半导体反应设备的具体实施方式详细说明。

如图1所示，图1示出了包括传统等离子体源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。等离子体源200设置在腔室天窗112的外表面上。外部的RF电源114通过接入的匹配网络115连接等离子体源200以向离子体源200供电，等离子体源200通电之后可在反应空间104中产生电磁场，等离子体源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。

图2示出了本发明所述等离子体源的平面图。本发明所述等离子体源200包括多个线圈，例如第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133以及中央衬套120。更具体地，中央衬套120位于等离子体源200的中央，且第一线圈131的第一端、第二线圈132的第一端以及第三线圈133的第一端连接至中央衬套120，第一线圈131、第二线圈132、第三线圈133从中央衬套120螺旋地延伸以围绕中央衬套120。采用多个线圈并联接入中央衬套120的方式，能够降低等离子体源200的电感，也就降低离子体源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，确保等离子体源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。尽管在该实施例中示了三个线圈，但线圈的数目当然不限于三个线圈，在一些其他实施例中，线圈的数目可以为两个，当然也可以为三个以上。中央衬套120可根据线圈的数量被构造成不同形状，例如，在本实施例中，线圈的数量为三个，中央衬套120可以被构造成三棱柱体，在一些其他实施例中，线圈为四个，中央衬套120可被构造成四棱柱体，在又一些实施例中，线圈为五个，中央衬套120可以被构造成五棱柱体。中央衬套120连接到RF电源114的一个端子。RF电源114的另一个端子接地。电能通过中央衬套120，从RF电源114供应给第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133。

如图3所示，第一线圈131的第二端、第二线圈132的第二端以及第三线圈133的第二端连接至外围衬套130。可以理解的是，中央衬套120以及外围衬套130均由导电材料制成。外围导电衬套130可由支架140固定，支架140由绝缘材料制成。

如图2所示，本发明所述第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133关于中央衬套120呈中心对称分布，并且第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133上的相邻线圈曲线之间的间距被设置为由中央衬套120向外部逐渐增大，本实施例中将中央衬套120的外周定义为内部，中央衬套120以外的区域定义为外部，例如，“外部”可以为第一线圈131的第二端、第二线圈132的第二端以及第三线圈133的第二端。

在一个或多个实施例中，第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133可遵循阿基米德螺旋曲线(Archimedean spiral)展开，阿基米德螺旋曲线在极坐标系

一方面，由于相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，等离子体源的面积也就较大，在等离子体源的半径大约1/2处以内的区域、通入同向电流的线圈曲线的数量与在等离子体源的半径大约1/2处以外的区域、通入同向电流的线圈曲线的数量相均衡，因此，在等离子体源的半径大约1/2处能够产生均匀的磁感应强度。又一方面，由于相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，整个等离子体源的面积也就较大，所以，能够产生面积较大的均匀电磁场。另一方面，由于各个线圈关于中央衬套呈中心对称分布，所以本实施例所述的等离子体源能够在各个方向上产生均匀的磁感应强度。

需要说明的是，等离子体源可由中心区域以及中心区域以外的区域组成，中心区域指靠近中央衬套并且各个线圈的线圈曲线内的电流不同向的区域，中央衬套的外周为“中心区域的最内部”，各个线圈的线圈曲线内的电流的方向开始相同的区域为“中心区域的最外部”，中心区域以外的区域为“中心区域的最外部”以外的等离子体源。

此外，相比于以等距的方式旋转外扩的等离子体源，本实施例的第一线圈131的第一端、第二线圈132的第一端以及第三线圈133的第一端之间的间距作为第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133之间的初始间距被设置成一较大值，具体地，该较大的间距值可大于或等于现有技术中以等距的方式旋转外扩的等离子体源的各个线圈之间的间距，这样会使得在中心区域的最内部，电流走向不同的各个线圈的线圈曲线的初始间距相距较远，从而使得在中心区域的最内部，各个线圈所产生的电磁感应相互抵消的幅度较小，又由于本实施例的各个相邻线圈曲线之间的间距由内向外逐渐增大，所以随着各个线圈由中心区域的最内部向最外部延伸，各个线圈所产生的电磁感应相互抵消的幅度会越来越小，在中心区域的最外部，各个线圈曲线内的电流方向由不同变为相同，从而在等离子体源由中心区域过渡到中心区域以外的区域的过程中，各个线圈所产生的电磁感应在一定程度上也完美过渡，从而实现电磁感应的均匀分布。

在一些其他实施例中，第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133均遵循对数螺旋曲线(Logarithmic spiral)展开，对数螺旋曲线在极坐标系

在一些其他实施例中，第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133也可以遵循黄金螺旋曲线(Golden spiral)，黄金螺旋曲线为对数螺旋曲线的一种特殊形式。第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133也可以遵循斐波那契螺旋曲线(Fibonacci spiral)。只要能够满足第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133关于中央衬套120呈中心对称，并且第一线圈131、第二线圈132以及第三线圈133上的相邻线圈曲线之间的间距由中央衬套120向外部逐渐增大，均在本发明的保护范围内。

本发明还提供一种半导体反应设备，利用上述的等离子体源产生等离子体。

本发明中涉及的诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。

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。