CN108735567B - 表面波等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的表面波等离子体加工设备，其包括依次连接的微波发生装置、微波传输机构、天线机构和反应腔室，其中，天线机构包括天线腔体、滞波板、缝隙板和介质窗，其中，天线腔体设置在所述反应腔室顶部；滞波板、缝隙板和介质窗由上而下依次内嵌在所述天线腔体内；微波传输机构用于向滞波板加载微波能量，介质窗包括介质本体，在介质本体内设置有调节分体，且调节分体的下表面与介质本体的下表面相平齐；并且，调节分体的介电常数与介质本体的介电常数不同。本发明提供的表面波等离子体加工设备，其不仅可以提高等离子体的密度分布均匀性，而且可以降低制造成本。

Description

表面波等离子体加工设备
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种表面波等离子体加工设备。
背景技术
目前，等离子体加工设备被广泛地应用于集成电路或MEMS器件的制造工艺中。等离子体加工设备包括电容耦合等离子体加工设备、电感耦合等离子体加工设备、电子回旋共振等离子体加工设备和表面波等离子体加工设备等。其中，表面波等离子体加工设备相对其他等离子体加工设备而言，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加工设备成为最先进的等离子体设备之一。
图1为现有的一种表面波等离子体加工设备的结构示意图。如图1所示，表面波等离子体加工设备主要包括微波源机构、天线机构和反应腔室19。其中，微波源机构包括电源1、微波源(磁控管)2、谐振器3、换流器4、负载5、定向耦合器6、阻抗调节单元7、波导8和馈电同轴探针9。天线机构包括天线主体11、缝隙板15、滞波板12和介质窗16。在进行工艺时，微波源机构用于提供微波能量，并通过馈电同轴探针9加载到滞波板12上；微波能量通过滞波板12后波长被压缩，从而使得微波在缝隙版15上产生圆偏振，圆偏振的微波通过介质窗16在反应腔室19内激发形成等离子体。此外，在反应腔室19内设置有支撑台21，用以支撑基片20。
但是，上述表面波等离子体加工设备在介质窗16下方产生的等离子体的密度分布是相同的，由于等离子体扩散至基片20上方的过程与工艺条件密切相关，不同的工艺条件(例如，气压、工艺气体种类)下，等离子体扩散至基片20上方的密度分布会不同，因此，很难保证在不同的工艺条件下在基片20的上方均能够获得均匀的等离子体分布。
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加工设备，其不仅可以提高等离子体的密度分布均匀性，而且可以降低制造成本。
为实现本发明的目的而提供一种表面波等离子体加工设备，包括依次连接的微波发生装置、微波传输机构、天线机构和反应腔室，其中，所述天线机构包括天线腔体、滞波板、缝隙板和介质窗，其中，所述天线腔体设置在所述反应腔室顶部；所述滞波板、缝隙板和介质窗由上而下依次内嵌在所述天线腔体内；所述微波传输机构用于向所述滞波板加载微波能量，所述介质窗包括介质本体，在所述介质本体内设置有调节分体，且所述调节分体的下表面与所述介质本体的下表面相平齐；并且，所述调节分体与所述介质本体的介电常数不同。
优选的，所述调节分体的数量、介电常数、径向宽度和/或位置根据使用单一介质常数介质窗的表面波等离子体加工设备进行工艺时，在该等离子体加工设备的反应腔室内产生的等离子体的密度分布情况进行设定。
优选的，所述调节分体的介电常数大于所述介质本体的介电常数；
所述调节分体用于降低所述等离子体加工设备的反应腔室内对应所述调节分体所在区域产生的等离子体的密度分布。
优选的，所述调节分体为一个或多个，且多个所述调节分体的介电常数相同或不同。
优选的，所述调节分体呈环状，且在所述调节分体为多个时，各个调节分体的内径不同，且相互嵌套。
优选的，在所述介质本体的下表面设置有凹槽，所述凹槽的数量与所述调节分体的数量相对应，且各个调节分体一一对应地设置在各个凹槽中。
优选的，所述调节分体的厚度小于所述介质本体的厚度。
优选的，所述调节分体的厚度是所述介质本体的厚度的三分之一到四分之一。
优选的，所述介质本体所采用的材料包括Si3N4或者SiO2。
优选的，所述调节分体所采用的材料包括Al2O3。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的表面波等离子体加工设备，其通过在介质窗的介质本体内设置调节分体，且使调节分体的下表面与介质本体的下表面相平齐，并且调节分体与介质本体的介电常数不同，可以使相同入射角的表面波分别通过不同介电常数的介质，而由于表面波通过介电常数较大的介质时，会有更大的折射角或者形成全反射，因而相同入射角的表面波分别在调节分体的下表面与介质本体的下表面上的折射率不同，即，相同入射角的表面波在介电常数较大的介质的折射率大于介电常数较小的介质的折射率，从而可以达到调节等离子体密度分布均匀性的目的。此外，本发明提供的表面波等离子体加工设备无需增加诸如功分器和相移器等的其他微波器件，从而可以在提高等离子体的密度分布均匀性的前提下，降低设备的制造成本。
附图说明
图1为现有的一种表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图2A为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图2B为本发明实施例中介质窗的仰视图；
图2C为本发明实施例中介质窗的剖视图；
图3为表面波在不同介质的下表面的传播情况；
图4为本发明实施例采用的一种多个调节分体的分布图；
图5为本发明实施例采用的另一种多个调节分体的分布图。
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提供的表面波等离子体加工设备进行详细描述。
图2A为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构示意图。图2B为本发明实施例中介质窗的仰视图。图2C为本发明实施例中介质窗的剖视图。请一并参阅图2A～图2C，表面波等离子体加工设备包括依次连接的微波发生装置、微波传输机构、天线机构和反应腔室45。其中，在反应腔室45内设置有支撑台47，用于承载基片46。微波传输机构包括电源31、微波源(磁控管)32、谐振器33、换流器34、负载35、定向耦合器36、阻抗调节单元37、波导38和馈电同轴探针39。天线机构包括天线腔体40、滞波板41、缝隙板43和介质窗，其中，天线腔体40设置在反应腔室45顶部；滞波板、缝隙板43和介质窗由上而下依次内嵌在天线腔体40内。微波传输机构通过馈电同轴探针39向滞波板41加载微波能量，微波能量通过滞波板41后波长被压缩，从而使得微波在缝隙版43上产生圆偏振，圆偏振的微波通过介质窗在反应腔室45内激发形成等离子体。
介质窗包括介质本体44，在介质本体44内设置有调节分体42，且调节分体42的下表面与介质本体44的下表面相平齐，并且调节分体42与介质本体44的介电常数不同。由于调节分体42的下表面与介质本体44的下表面均暴露在等离子体环境中，因此，二者必需相互平齐，以避免对表面波的传播产生干扰，从而对反应腔室45内的等离子体分布产生影响。
当等离子体的密度达到表面波临界电子密度时，其折射率刚好可以使介质窗中的入射电磁波在介质窗分界面形成全反射，此时电磁波不再以体积波形式进入反应腔室45，而是沿着介质窗表面形成纯表面波，从而等离子体的密度不再增大，而在不同的介质分界面上，相同方向的入射电磁波将在较大的介电常数介质下更早达到纯表面波状态。基于上述原理，通过使调节分体42与介质本体44的介电常数不同，可以使相同入射角的表面波分别通过不同介电常数的介质，而由于表面波通过介电常数较大的介质时，会有更大的折射角或者形成全反射，因而相同入射角的表面波分别在调节分体42的下表面与介质本体44的下表面上的折射率不同，即，相同入射角的表面波在介电常数较大的介质的折射率大于介电常数较小的介质的折射率，从而可以达到调节等离子体密度分布均匀性的目的。
优选的，调节分体42的数量、介电常数、径向宽度和/或位置根据使用单一介质常数介质窗的表面波等离子体加工设备进行工艺时，在该等离子体加工设备的反应腔室内产生的等离子体的密度分布情况进行设定。例如，对于具有单一介质常数的介质窗的天线机构来说，由其激发形成的等离子体密度分布在反应腔室的径向上呈“M”型，即，分布在反应腔室的中心区域的等离子体密度较低，而分布在中心区域外围的中间区域的等离子体密度较高。在这种情况下，在设计本发明提供的表面波等离子体加工设备中的介质窗时，可以将介电常数较大的介质设置在与上述中间区域相对应的位置处，以起到减小该中间区域的等离子体密度的作用，从而可以提高等离子体的密度分布均匀性。
在本实施例中，如图3所示，可以使调节分体42的介电常数大于介质本体44的介电常数。对于入射角均为Ai的表面波，其在调节分体42的下表面上的折射角大于在介质本体44的下表面上的折射角Ar，从而电磁波将在调节分体42的下方先达到全反射临界点，此时对应调节分体42所在区域内的等离子体的密度不再增大；而电磁波通过介质本体44继续向反应腔室45内馈入体积波，使对应介质本体44所在区域的等离子体密度增大，从而达到调节等离子体均匀性的目的。例如，对于具有单一介质常数的介质窗的天线机构来说，由其激发形成的等离子体密度分布在反应腔室的径向上呈“M”型，即，分布在反应腔室的中心区域的等离子体密度较低，而分布在中心区域外围的中间区域的等离子体密度较高。在这种情况下，可以将调节分体42设置在介质本体44中，且与上述中间区域相对应的位置处，以起到减小该中间区域的等离子体密度的作用，从而可以提高等离子体的密度分布均匀性。
此外，本发明提供的表面波等离子体加工设备无需增加诸如功分器和相移器等的微波器件，从而可以在提高等离子体的密度分布均匀性的前提下，降低设备的制造成本。
在实际应用中，也可以使调节分体42的介电常数小于介质本体44的介电常数，在这种情况下，可以将调节分体42设置在与反应腔室中等离子体密度较低的区域相对应的位置处，而反应腔室中等离子体密度较高的其余区域则与介质本体44相对应，从而介电常数较大的介质本体44可以起到减小等离子体密度较高的其余区域的等离子体密度的作用，进而可以提高等离子体的密度分布均匀性。
在本实施例中，如图2B和图2C所示，调节分体42为一个，且呈环状。对于具有单一介质常数的介质窗的天线机构来说，由其激发形成的等离子体密度分布在反应腔室的径向上呈“M”型，即，分布在反应腔室的中心区域的等离子体密度较低，而分布在中心区域外围的中间区域的等离子体密度较高。在这种情况下，通过使调节分体42的介电常数大于介质本体44的介电常数，并且采用环状的调节分体42，且将其设置在与上述中间区域相对应的位置处，可以起到减小该中间区域的等离子体密度的作用，从而可以提高等离子体的密度分布均匀性。
在本实施例中，在介质本体44的下表面设置有凹槽，调节分体42设置在该凹槽中。可选的，调节分体42和凹槽可以采用螺纹固定连接，具体来说，分别在调节分体42的环体外周壁和介质本体44的凹槽内周壁上设置外螺纹和内螺纹，二者相配合，从而实现调节分体42和介质本体44的固定。或者，调节分体42和凹槽也可以采用卡槽固定连接，具体来说，分别在调节分体42的环体外周壁和介质本体44的凹槽内周壁上设置多个凸部和多个卡槽，多个卡槽沿周向对称分布，多个凸部一一对应地与多个卡槽相配合，从而实现调节分体42和介质本体44的固定。
在实际应用中，为了更细化地对反应腔室内不同区域的等离子体密度分布进行调节，调节分体的数量还可以为多个，且多个调节分体的介电常数可以相同，或者也可以不同。另外，对于环状的调节分体为多个时，各个调节分体的内径不同，且相互嵌套，从而可以更细化地对反应腔室的径向上不同区域的等离子体密度分布进行调节。上述相互嵌套，是指在任意相邻的两个调节分体中，内径较大的调节分体套设在内径较小的调节分体的周围，并且二者之间可以具有间隔，和/或没有间隔。例如，如图4所示，调节分体为两个，分别为第一调节分体42a和第二调节分体42b，二者均为环状。并且，第一调节分体42a的内径大于第二调节分体42b的内径，且第一调节分体42a套设在第二调节分体42b的周围，并且二者之间具有间隔。又如，如图5所示，第一调节分体42a套设在第二调节分体42b的周围，并且二者之间没有间隔。在实际应用中，对于三个以上的调节分体，也可以同时存在上述有间隔和没有间隔这两种情况。
此外，对于多个调节分体，设置在介质本体的下表面的凹槽的数量与调节分体的数量相对应，且各个调节分体一一对应地设置在各个凹槽中。
在实际应用中，调节分体还可以采用其他任意形状，例如，呈点状、线段状或者不规则形状等等。并且，在调节分体为多个时，各个调节分体之间可以具有间隔，或者也可以没有间隔。
优选的，调节分体42的厚度小于介质本体44的厚度，这使得介质本体44始终为一整体式结构，而不会被调节分体42分隔成多个分体，以保证介质本体44的机械强度。进一步优选的，调节分体42的厚度是介质本体44的厚度的三分之一到四分之一。厚度在该范围内的调节分体42，保证介质本体44的机械强度的效果最佳。
在实际应用中，介质本体44所采用的材料包括Si3N4或者SiO2。调节分体所采用的材料包括Al2O3。
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 (9)

1.一种表面波等离子体加工设备，包括依次连接的微波发生装置、微波传输机构、天线机构和反应腔室，其中，所述天线机构包括天线腔体、滞波板、缝隙板和介质窗，其中，所述天线腔体设置在所述反应腔室顶部；所述滞波板、缝隙板和介质窗由上而下依次内嵌在所述天线腔体内；所述微波传输机构用于向所述滞波板加载微波能量，其特征在于，所述介质窗包括介质本体，在所述介质本体内设置有调节分体，且所述调节分体的下表面与所述介质本体的下表面相平齐；并且，所述调节分体与所述介质本体为介电常数不同的电介质；其中，
所述调节分体为多个，且多个所述调节分体之间没有间隔，多个所述调节分体的介电常数不同。
2.如权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体的数量、介电常数、径向宽度和/或位置根据使用单一介质常数介质窗的表面波等离子体加工设备进行工艺时，在该等离子体加工设备的反应腔室内产生的等离子体的密度分布情况进行设定。
3.如权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体的介电常数大于所述介质本体的介电常数；
所述调节分体用于降低所述等离子体加工设备的反应腔室内对应所述调节分体所在区域产生的等离子体的密度分布。
4.如权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体呈环状，且在所述调节分体为多个时，各个调节分体的内径不同，且相互嵌套。
5.如权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在所述介质本体的下表面设置有凹槽，所述凹槽的数量与所述调节分体的数量相对应，且各个调节分体一一对应地设置在各个凹槽中。
6.如权利要求1-5任意一项所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体的厚度小于所述介质本体的厚度。
7.如权利要求6所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体的厚度是所述介质本体的厚度的三分之一到四分之一。
8.如权利要求1-5任意一项所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质本体所采用的材料包括Si3N4或者SiO2。
9.如权利要求1-5任意一项所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述调节分体所采用的材料包括Al2O3。
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