[发明专利]电流传感器、匹配器、以及等离子体装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种电流传感器、匹配器、以及等离子体装置。

背景技术

在半导体器件的生产过程中，等离子体技术得到了广泛的应用。目前，常用的等离子体类型包括电容耦合等离子体(CCP)、电感耦合等离子体(ICP)、以及电子回旋共振等离子体(ECR)等类型。其中，电感耦合等离子体(ICP)发生装置中，射频能量通过电感耦合线圈使腔室气体产生电离，从而形成等离子体。这种方式可以在较低工作气压下能够获得高密度的等离子体，而且结构简单、造价低，因而得到了较为广泛的应用。

为了在较低工作气压下获得更高密度的等离子体，并且同时具有结构简单、造价低的特点，采用单个电感耦合线圈的ICP装置逐渐发展到采用多个电感耦合线圈，采用多个电感耦合线圈的ICP装置可以在较低工作气压下获得更高密度的等离子体，还能够对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)独立控制，同时具有结构简单、造价低的特点，因此得到了广泛的应用。实现多个电感耦合线圈的单独控制需要采用多输出匹配器，而电流传感器则为多输出匹配器中对各个电感耦合线圈的能量进行监控的重要装置。

如图1所示为双线圈电感耦合等离子体装置的双输出匹配器的结构示意图，其中，双输出匹配器8的输入端与射频电源7相连接，双输出匹配器8的输出端分别与内线圈4以及外线圈5相连接。具体地，双输出匹配器8包括阻抗传感器12、运算和控制器13、执行机构14、电流传感器15和16，具体的，阻抗传感器12作为双输出匹配器8的输入端与射频电源7相连接，阻抗传感器12一方面测量电路输入阻抗信号、并且将电路输入阻抗信号提供给运算和控制器13，另一方面通过执行机构14控制匹配器的阻抗从而达到匹配；执行机构14通过电流传感器15与内线圈4相连接、并且通过电流传感器16与外线圈5相连接，电流传感器15和16分别检测双输出匹配器8的两个输出端的主电路电流，即内线圈4和外线圈5中的电流，并且将输出端信号反馈给运算和控制器13；运算和控制器13根据相关工艺对内线圈4和外线圈5中流过的电流计算得出相应的调节量，并将相应的调节量提供给执行机构14，执行机构14根据获得的调节量来调整输出端信号，即分别控制内线圈4和外线圈5上流过的电流，从而实现分别控制内线圈4和外线圈5上射频能量的目的。

为了更好的实现分别控制内线圈4和外线圈5上射频能量的目的，电流传感器对主电路电流的测量作用非常重要，图2提供了一种典型的电流传感器的实现方式，其中，电流传感器15由电流采样模块18和信号处理模块19组成，电流采样模块18通过与匹配器输出端的主电路进行耦合从而产生电流交流信号，该电流交流信号由信号处理模块19转换为直流信号，将直流信号发送给运算和控制器13，并由运算和控制器13通过一系列计算得到调整量，运算和控制器13将计算得到的调整量提供给执行机构14，从而实现对输出端信号的控制。

电流采样模块18是电流传感器15的关键部分，图3示出了电流采样模块18的结构图，电流采样模块18一般采用线圈耦合方式，匹配器输出的射频电流信号通过主电路流过，铜柱20为主电路，绝缘材料做成的四氟套筒21包裹在铜柱20外，磁环24套在套筒21的外侧，在磁环24和套筒21之间还设置有接地环22，在磁环24上缠绕有电感线圈23，其中，铜柱20中的电流变化会导致磁环24中磁通量的变化，磁环24中磁通量的变化导致电感线圈23中生成感应电流，因此实现了铜柱20和电感线圈23之间的电磁耦合，通过铜柱20和电感线圈23之间的电磁耦合，使得电感线圈23中形成感应电流Is，根据感应电流Is可以对主电路电流进行计算，从而达到检测双输出匹配器的输出端信号的目的。

对于电流传感器15，形成感应电流Is的大小与电感线圈23的线圈匝数N、磁环24的磁导率μ和纵截面的截面积ΔA等参数有关，计算公式由如下公式（1）给出：