CN105430862A

CN105430862A - 一种表面波等离子体设备

Info

Publication number: CN105430862A
Application number: CN201410489693.5A
Authority: CN
Inventors: 韦刚
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing NMC Co Ltd; Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-03-23

Abstract

本发明提供了一种表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置、微波传输装置和反应腔室，微波产生装置用于产生形成表面波等离子体的微波；微波传输装置包括波导和微波天线，微波天线被划分为多个子天线，且每个子天线对应反应腔室的不同区域，波导的数量和子天线的数量相等且二者一一对应相连，微波产生装置产生的微波经由各个波导和与该波导对应的子天线耦合至反应腔室的不同区域；并且通过分别调节耦合至反应腔室不同区域的微波功率，以实现在反应腔室内基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体。本发明提供的表面波等离子体设备，可以实现在不同工艺条件下基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体，进而可以提高工艺质量。

Description

一种表面波等离子体设备

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种表面波等离子体设备。

背景技术

等离子体设备广泛地被应用于集成电路或MEMS器件的制造工艺中。目前，等离子体设备包括电容耦合等离子体设备、电感耦合等离子体设备、电子回旋共振等离子体设备和表面波等离子体设备等。其中，电容耦合等离子体设备容易产生大面积均匀分布的等离子体，适用于介质类薄膜的刻蚀；电子回旋共振等离子体设备可以在较低气压下获得密度较高的等离子体，但其需要引入外磁场，因此造价相对较高；表面波等离子体设备相对其他等离子体设备而言，可以获得更高的等离子体密度、更低的电子温度，且不需要增加外磁场，因此表面波等离子体设备成为最先进的等离子体设备之一。

然而，现有的表面波等离子体设备产生的表面波等离子体的密度分布一定，在不同的工艺条件(例如，气压、工艺气体种类)下，该等离子体扩散至基片S上方的密度分布会不同，这会造成不同工艺条件下晶片上方的大面积等离子体的均匀性差，从而会造成工艺质量差。特别是随着微电子技术的不断发展，反应腔室和基片的尺寸不断增大，如何实现在不同工艺条件下基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体，进而可以提高工艺质量，成为了应用表面波等离子体设备的首要问题。

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，提出了一种表面波等离子体设备，可以调节介质板下方产生的表面波等离子体的密度分布，因而可以调节扩散至基片上方的表面波等离子体的密度分布，从而可以实现在不同工艺条件下基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体，进而可以提高工艺质量。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置、微波传输装置和反应腔室，所述微波产生装置用于产生形成表面波等离子体的微波；所述微波传输装置包括波导和微波天线，所述微波天线被划分为多个子天线，且每个所述子天线对应所述反应腔室的不同区域，所述波导的数量和所述子天线的数量相等且二者一一对应相连，所述微波产生装置产生的微波经由各个所述波导和与该波导对应的所述子天线耦合至所述反应腔室的不同区域；并且，通过分别调节耦合至所述反应腔室不同区域的微波功率，以实现在反应腔室内基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体。

其中，还包括功率分配器，所述微波产生装置通过所述功率分配器与多个所述波导相连，并且，通过调节所述功率分配器来调节耦合至所述反应腔室不同区域的微波功率。

其中，所述微波天线包括沿所述微波传输方向依次叠置的滞波板、缝隙板和介质板，其中，所述滞波板被划分为多个子滞波板，且相邻两个所述子滞波板之间还设置有隔离件；在所述缝隙板的与每个所述子滞波板对应的区域内设置有缝隙；所述介质板的下表面处于所述反应腔室内；每个所述子滞波板和所述缝隙板的与之对应的区域、所述介质板的与之对应的区域形成所述子天线。

其中，所述滞波板被划分为沿其径向设置的中心子滞波板和环形子滞波板，所述隔离件为环形隔离件。

其中，所述介质板被划分为与多个所述子滞波板一一对应的子介质板，且在相邻两个所述子介质板之间还设置有隔离件，每个所述子滞波板和所述缝隙板的与之对应的区域、与之对应的所述子介质板形成所述子天线。

其中，对应所述中心子滞波板和环形子滞波板，在所述缝隙板与之对应的区域内分别沿其径向设置有多个缝隙组，且每个缝隙组包括沿其周向间隔且均匀设置的缝隙。

其中，所述微波天线还包括天线主体，所述天线主体采用金属材料制成，所述天线主体为一侧开口的封闭结构，所述天线主体套置在所述滞波板、缝隙板和介质板的外侧，且所述介质板位于所述开口位置处，所述波导贯穿所述天线主体与所述滞波板相连。

其中，所述介质板的边缘叠置在所述反应腔室的侧壁上，且在所述介质板的边缘和所述反应腔室的侧壁之间设置有密封圈。

其中，所述反应腔室的侧壁和底壁采用金属材料制成，所述介质板的边缘叠置在所述反应腔室的侧壁内沿，所述天线主体叠置在所述反应腔室的侧壁外沿。

其中，所述滞波板和所述介质板采用Al₂O₃、SiO₂或Si₃N₄制成。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的表面波等离子体设备，其微波天线被划分为多个子天线，且每个子天线对应反应腔室的不同区域，波导的数量和子天线的数量相等且二者一一对应相连，微波产生装置产生的微波经由各个波导和与该波导对应的子天线耦合至所述反应腔室的不同区域；在这种情况下，通过分别调节耦合至反应腔室不同区域的微波功率，可以调节介质板下方产生的表面波等离子体的密度分布，因而可以调节扩散至基片上方的表面波等离子体的密度分布，从而可以实现在不同工艺条件下基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体，进而可以提高工艺质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的表面波等离子体设备的结构示意图；

图2为图1中所示滞波板的俯视图；

图3为图1中所示缝隙板的俯视图；

图4a为第一路输出和第二路输出的微波功率比为1:4时基片上方的等离子体密度分布示意图；

图4b为第一路输出和第二路输出的微波功率比为4:1时基片上方的等离子体密度分布示意图；

图4c为第一路输出和第二路输出的微波功率比为1:1时基片上方的等离子体密度分布示意图；以及

图5为本发明实施例提供的表面波等离子体设备的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明实施例提供的表面波等离子体设备进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的表面波等离子体设备的结构示意图。图2为图1中所示滞波板的俯视图。图3为图1中所示缝隙板的俯视图。请一并参阅图1-图3，本实施例提供的表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置10、微波传输装置11和反应腔室12。其中，微波产生装置10用于产生形成表面波等离子体的微波；微波传输装置11包括波导110和微波天线111，并且，微波天线111被划分为多个子天线，且每个子天线对应反应腔室12的不同区域，波导110的数量和子天线的数量相等且二者一一对应相连；微波产生装置10产生的微波经由各个波导110和与该波导对应的子天线耦合至反应腔室12的不同区域；并且，通过分别调节耦合至反应腔室不同区域的微波功率，可以调节介质板下方产生的表面波等离子体的密度分布，因而可以调节扩散至基片上方的表面波等离子体的密度分布，从而可以实现在不同工艺条件下基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体，进而可以满足大面积晶片处理均匀性的要求和提高工艺质量。

在本实施例中，表面波等离子体设备还包括功率分配器13，微波产生装置通过功率分配器13与多个波导110相连。具体地，功率分配器13具有多个输出端，多个输出端分别与多个波导110一一对应相连，每个输出端、波导110、子天线形成一路输出，因此，微波产生装置10产生的微波通过功率分配器13实现多路输出，并且，可通过调节功率分配器13来调节耦合至反应腔室12不同区域的微波功率，即调节功率分配器13来实现不同输出路耦合至反应腔室12的不同区域的微波功率。具体地，如图1所示，功率分配器13具有两个输出端131、132，在这种情况下，波导110包括与输出端131和132分别对应连接的第一波导1101和第二波导1102。

可以理解，本实施例提供的表面波等离子体设备采用功率分配器13，以使微波产生装置10产生的微波实现多路输出，这与通过多个微波产生装置10分别向每个子天线输出微波相比，不仅可以减少微波产生装置的设置数量，从而可以提高经济效益；而且借助功率分配器13可以实现调节耦合至反应腔室12不同区域的微波功率，这与调节多个微波产生装置来调节相比，可以简化调节过程，从而可以提高工艺效率。

在本实施例中，微波天线111包括沿微波传输方向依次叠置的滞波板1110、缝隙板1111和介质板1112。其中，滞波板1110被划分为多个子滞波板，且相邻两个子滞波板之间还设置有隔离件1113。滞波板1110通常采用低损耗的介质材料制成，一般采用Al₂O₃、SiO₂或SiN材料制成，用于压缩波导110向其输出的微波的波长；隔离件1113采用金属材料制成，金属材料包括纯金属或金属合金材料，一般采用铝、不锈钢材料制成，用于将相邻两个子滞波板隔离，以避免相邻两个子滞波板传输的微波相互影响。在缝隙板1111的与每个子滞波板对应的区域内设置有缝隙1111a，而在缝隙板1111与隔离件1113相对应的区域未设置有缝隙1111a，被每个子滞波板压缩波长的微波经由缝隙板1111的与该子滞波板对应区域内缝隙1111a产生圆偏振波。介质板1112的下表面处于反应腔室12内，这使得缝隙板1111的与每个子滞波板对应区域内产生的圆偏振波经由该介质板1112的与该子滞波板对应区域耦合至反应腔室12的不同区域内，以在介质板1112对应区域的下方产生表面波等离子体，介质板1112采用低损耗的介质材料制成，一般采用Al₂O₃、SiO₂或Si₃N₄制成。由上可知，每个子滞波板和缝隙板1111的与之对应的区域、介质板1112的与之对应的区域形成子天线。

具体地，如图2所示，滞波板1110被划分为沿其径向设置的中心子滞波板1110a和环形子滞波板1110b，隔离件1113为环形隔离件。并且，对应中心子滞波板1110a和环形子滞波板1110b，在缝隙板1111与之对应的区域内分别沿其径向设置有多个缝隙组，且每个缝隙组包括沿其周向间隔且均匀设置的缝隙1111a，如图3所示，在缝隙板1111与之对应的区域内分别沿其径向设置有两个缝隙组。由上可知，环形子滞波板1110b和缝隙板1111的与之对应的环形区域、介质板1113的与之对应的环形区域形成第一子天线；中心子滞波板1110a和缝隙板1111的与之对应的中心区域、介质板1113的与之对应的中心区域形成第二子天线。在这种情况下，第一波导1101与环形子滞波板1110b相连，以实现输出端131、第一波导1101、第一子天线形成第一路输出；第二波导1102与中心子滞波板1110a相连，以实现输出端131、第二波导1102、第二子天线形成第二路输出。

下面结合图4a-图4c举例说明本实施例提供的表面波等离子体设备。具体地，微波产生装置产生的微波总功率为1000W，通过调节第一路输出和第二路输出的微波功率比，以调节基片S上方等离子体的密度分布。图4a为第一路输出和第二路输出的微波功率比为1:4时基片上方的等离子体密度分布示意图，如图4a所示，扩散至基片S上方的表面波等离子体在中心区域的密度大，边缘区域的密度小，此时基片S上方的均匀性差。图4b为第一路输出和第二路输出的微波功率比为4:1时基片上方的等离子体密度分布示意图，如图4b所示，扩散至基片S上方的表面波等离子体在中心区域的密度小，边缘区域的密度大，此时基片S上方的均匀性差。图4c为第一路输出和第二路输出的微波功率比为1:1时基片上方的等离子体密度分布示意图，如图4c所示，扩散至基片S上方的表面波等离子体在中心区域和边缘区域的密度相差不大，此时基片S上方的均匀性较好。

在本实施例中，微波天线还包括天线主体1114，天线主体1114采用金属材料制成，金属材料包括纯金属、金属合金材料，一般采用铝、不锈钢材料制成。并且，天线主体1114为一侧开口的封闭结构，天线主体1114套置在滞波板1110、缝隙板1111和介质板1112的外侧，且介质板1112位于开口位置处，在这种情况下，波导110需要贯穿天线主体1114与子滞波板相连。

由于介质板1112位于天线主体1114的开口处，借助介质板1112的边缘叠置在反应腔室12的侧壁上，这不仅可以使介质板1112和反应腔室12的侧壁和底壁形成反应腔室，而且还可以使介质板1112的下表面位于反应腔室12内。并且，在介质板1112的边缘和反应腔室12的侧壁之间设置有密封圈14，以提高反应腔室12的密闭性来保证反应腔室12的真空度。

反应腔室12的底壁和侧壁采用金属材料制成，金属材料包括纯金属、金属合金材料，一般采用铝合金、不锈钢材料制成。并且，介质板1112的边缘叠置在反应腔室12的侧壁内沿，天线主体1114叠置在反应腔室12的侧壁外沿，这使得天线主体1114和反应腔室12的侧壁、底壁形成一个封闭金属壳体，可以实现微波与外界的隔离。

微波产生装置10包括依次连接的供电电源101、磁控管102、谐振器103、环流器104、定向耦合器105、阻抗调节单元106。其中，环流器104还与负载107，用于吸收反射功率，定向耦合器105用于测量入射功率和反射功率；阻抗调节单元106通常为多螺钉调谐器。并且，在反应腔室12内还设置有用于承载基片的承载装置121。

需要说明的是，在本实施例中，滞波板1110被划分为沿其径向设置的中心子滞波板1110a和环形子滞波板1110b，以形成如上所示的两个子天线。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以采用其他方式实现两个子天线，例如，滞波板1110被划分为两个半圆形子滞波板，每个半圆形子滞波板和缝隙板1111的与之对应的区域、介质板1112的与之对应的区域形成子天线。另外，在实际应用中，微波天线111还可以被划分为三个以上的子天线，其与上述实现两个以上子天线的方式相类似，二者仅在于，滞波板1110被划分为三个以上的子滞波板，并且，并不具体限定子滞波板的划分方式，例如，滞波板1110被划分沿其径向设置的中心子滞波板和两个环形子滞波板。

还需要说明的是，在实际应用中，介质板1112被划分为与多个子滞波板一一对应的子介质板，且在相邻两个子介质板之间还设置有隔离件1115，在上述情况下，每个子滞波板和缝隙板的与之对应的区域、与之对应的子介质板形成子天线。具体地，如图5所示，介质板1112被划分为中心子介质板1112a和环形子介质板1112b，隔离件1115为环形隔离件，环形子滞波板1110b和缝隙板的与之对应的区域、环形子介质板1112b形成第一子天线，中心子滞波板1110a和缝隙板的与之对应的区域、中心子介质板1112b形成第二子天线。隔离件1115采用金属材料制成，金属材料包括纯金属或金属合金材料，一般采用铝、不锈钢材料制成，用于将相邻两个子介质板隔离，以避免相邻两个子介质板传输的微波相互影响。因此，这与上述实施例相比，可以提高调节反应腔室内表面波等离子体密度分布的调节效果。

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

1.一种表面波等离子体设备，其包括依次相连的微波产生装置、微波传输装置和反应腔室，所述微波产生装置用于产生形成表面波等离子体的微波；所述微波传输装置包括波导和微波天线，其特征在于，所述微波天线被划分为多个子天线，且每个所述子天线对应所述反应腔室的不同区域，所述波导的数量和所述子天线的数量相等且二者一一对应相连，所述微波产生装置产生的微波经由各个所述波导和与该波导对应的所述子天线耦合至所述反应腔室的不同区域；并且

通过分别调节耦合至所述反应腔室不同区域的微波功率，以实现在反应腔室内基片上方形成均匀的大面积表面波等离子体。

2.根据权利要求1所述的表面波等离子体设备，其特征在于，还包括功率分配器，所述微波产生装置通过所述功率分配器与多个所述波导相连，并且，通过调节所述功率分配器来调节耦合至所述反应腔室不同区域的微波功率。

3.根据权利要求1或2所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述微波天线包括沿所述微波传输方向依次叠置的滞波板、缝隙板和介质板，其中，

所述滞波板被划分为多个子滞波板，且相邻两个所述子滞波板之间还设置有隔离件；

在所述缝隙板的与每个所述子滞波板对应的区域内设置有缝隙；

所述介质板的下表面处于所述反应腔室内；

每个所述子滞波板和所述缝隙板的与之对应的区域、所述介质板的与之对应的区域形成所述子天线。

4.根据权利要求3所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述滞波板被划分为沿其径向设置的中心子滞波板和环形子滞波板，所述隔离件为环形隔离件。

5.根据权利要求3所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述介质板被划分为与多个所述子滞波板一一对应的子介质板，且在相邻两个所述子介质板之间还设置有隔离件，

每个所述子滞波板和所述缝隙板的与之对应的区域、与之对应的所述子介质板形成所述子天线。

6.根据权利要求4所述的表面波等离子体设备，其特征在于，对应所述中心子滞波板和环形子滞波板，在所述缝隙板与之对应的区域内分别沿其径向设置有多个缝隙组，且每个缝隙组包括沿其周向间隔且均匀设置的缝隙。

7.根据权利要求3所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述微波天线还包括天线主体，所述天线主体采用金属材料制成，所述天线主体为一侧开口的封闭结构，所述天线主体套置在所述滞波板、缝隙板和介质板的外侧，且所述介质板位于所述开口位置处，

所述波导贯穿所述天线主体与所述滞波板相连。

8.根据权利要求7所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述介质板的边缘叠置在所述反应腔室的侧壁上，且在所述介质板的边缘和所述反应腔室的侧壁之间设置有密封圈。

9.根据权利要求8所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述反应腔室的侧壁和底壁采用金属材料制成，所述介质板的边缘叠置在所述反应腔室的侧壁内沿，所述天线主体叠置在所述反应腔室的侧壁外沿。

10.根据权利要求3所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述滞波板和所述介质板采用Al₂O₃、SiO₂或Si₃N₄制成。