CN108933075B - 表面波等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面波等离子体加工设备，其包括微波源和传输匹配机构，该传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导，该基片集成波导沿微波的传输方向依次分为多个功能区域，且在不同的功能区域中形成不同的波导结构，以实现不同的功能。本发明提供的表面波等离子体加工设备，其具有体积和重量小、能量损耗低、互耦效应低、边界条件连续的优点，从而不仅降低了微波匹配难度，而且简化了设备结构，降低了加工难度，从而降低了加工成本。

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，具体地，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，且不需要增加外偏置磁场，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电源1、微波源(磁控管)2、传输匹配机构、天线机构10和反应腔室11。其中，在反应腔室11内设置有支撑台12，用以支撑基片13。传输匹配机构包括调谐器3、环形器4、负载5、定向耦合器6、匹配器7、传输波导8和馈电同轴探针9。在进行工艺时，由微波源2提供的微波能量通过传输匹配机构传输，并通过天线机构10馈入在反应腔室11，以激发形成等离子体。
上述传输匹配机构中的调谐器3、环形器4、负载5、定向耦合器6、匹配器7和传输波导8均使用金属波导结构。由于受到金属波导自身重量及机械结构特点的制约，上述各个部件需要分开加工，然后使用机械连接件固定连接，这导致传输匹配机构的体积和重量较大，而且对机械加工的精度要求很高，从而导致机构整体设计复杂、加工成本较高。同时，在两个部件连接的地方，由于加工公差及安装误差的存在不能保证两个部件完全正对，这不仅导致能量损耗增加，互耦效应明显，而且微波在经过两个部件的连接处时，边界条件明显发生变化，不连续，从而给后段的微波匹配带来困难。
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，其具有体积和重量小、能量损耗低、互耦效应低、边界条件连续的优点，从而不仅降低了微波匹配难度，而且简化了设备结构，降低了加工难度，从而降低了加工成本。
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，包括微波源和传输匹配机构，所述传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导，所述基片集成波导沿微波的传输方向依次分为多个功能区域，且在不同的所述功能区域中形成不同的波导结构，以实现不同的功能。
优选的，所述基片集成波导包括介质基板，所述介质基板包括彼此相对的第一表面和第二表面，在所述第一表面和第二表面上均覆盖有第一金属层；并且，在所述介质基板中设置有多个贯穿其厚度的多个通孔，在所述通孔的孔壁覆盖有第二金属层，所述第二金属层的两端分别与所述第一表面和第二表面上的所述第一金属层电接触；
所述波导结构由多个所述通孔排列形成。
优选的，多个所述功能区域中的所述波导结构沿所述微波的传输方向依次实现调谐器、环形器、耦合器、匹配器和传输波导的功能。
优选的，在实现所述调谐器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第一波导；
所述第一波导具有微波馈入端，用以供所述微波源向所述第一波导内馈入微波能量。
优选的，所述微波馈入端与所述第一波导的前端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的四分之一；所述微波馈入端与所述第一波导的后端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的二分之一。
优选的，在实现所述环形器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第二波导，所述第二波导包括第一支路、第二支路和第三支路，其中，
所述第二支路和所述第三支路的前端均与所述第一支路的后端连接，并且所述第二支路和所述第三支路相对于所述第一支路朝向远离彼此的方向倾斜；在所述第二支路的后端连接有用于吸收反射功率的负载；
在所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的连接处设置有永磁体，用于形成能够将所述反射功率偏转至所述第二支路，且将入射功率偏转至所述第三支路的偏置磁场。
优选的，在实现所述耦合器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第三波导；
在所述第三波导中设置有用于检测入射功率和反射功率的装置。
优选的，在实现所述匹配器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第四波导；
在所述第四波导中沿垂直于所述微波的传输方向插入有一个或多个调节螺钉，且所述多个调节螺钉沿所述微波的传输方向间隔设置。
优选的，在实现所述传输波导的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第五波导；
所述第五波导具有输出端，用于输出微波能量。
优选的，所述输出端与所述第五波导的后端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的四分之一。
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，其传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导，该基片集成波导沿微波的传输方向依次分为多个功能区域，且在不同的功能区域中形成不同的波导结构，以实现不同的功能。由于基片集成波导为一体式结构，而无需将不同功能的波导结构分开加工，然后使用机械连接件固定连接，因此，基片集成波导的体积和重量较小，且结构简单，从而简化了设备结构，降低了加工难度，从而降低了加工成本。同时，利用上述一体式结构的基片集成波导传输微波具有能量损耗低、互耦效应低和边界条件连续的优点，从而降低了微波匹配难度。
附图说明
图1为现有的表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图2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3为一种基片集成波导的结构图；
图4为本发明实施例采用的基片集成波导的俯视图；
图5为图4中基片集成波导的实现调谐器的功能的功能区域；
图6为图4中基片集成波导的实现环形器的功能的功能区域；
图7为图4中基片集成波导的实现耦合器的功能的功能区域；
图8A为图4中基片集成波导的实现匹配器的功能的功能区域；
图8B为沿图8A中A-A线的剖视图；
图9为图4中基片集成波导的实现传输波导的功能的功能区域。
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2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。请参阅图2，表面波等离子体加工设备主要包括电源21、微波源22、传输匹配机构、天线机构27和反应腔室28。其中，在反应腔室28内设置有支撑台30，用以支撑基片29。在进行工艺时，由微波源22提供的微波能量通过传输匹配机构传输，该传输匹配机构通过金属探针26将微波能量馈入天线机构27，再由天线机构27将微波能量馈入在反应腔室11，以激发形成等离子体。该天线机构27包括设置在反应腔室11顶部的天线腔体，在该天线腔体内由上而下依次设置有缝隙板、滞波板和介质窗。
上述传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导23。基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)是利用金属通孔在介质基片上实现微波的场传播的一种传输机构。在本实施例中，如图3所示，基片集成波导包括介质基板231，该介质基板231包括彼此相对的第一表面(上表面)和第二表面(下表面)，在该第一表面和第二表面上覆盖有第一金属层232；并且，在介质基板231中设置有多个贯穿其厚度的多个通孔233，且对该通孔233的孔壁做金属化处理，形成覆盖整个孔壁第二金属层，该第二金属层的两端分别与上述第一表面和第二表面上的第一金属层232电接触。多个通孔233密集排布，且沿微波的传输方向依次排成不同的形状，以实现不同的功能。当相邻的两个通孔233之间的缝隙足够小的时候，自该缝隙漏泄出去的电磁波几乎可以忽略不计，从而通孔233就可以等效为波导在微波传输方向上的其中两个面，而在微波传输方向上的其余两个面为上述第一表面和第二表面，即等效为矩形波导。
上述基片集成波导23为一体式结构，且采用电路印刷(PCB)技术或低温共烧陶瓷(LTCC)技术即可完成加工，而无需如现有技术中将不同功能的波导结构分开加工，然后使用机械连接件固定连接，这大大降低了加工难度。而且，一体式结构的基片集成波导的体积和重量较小，且结构简单，从而简化了设备结构，进而降低了加工成本。
同时，利用上述一体式结构的基片集成波导23传输微波具有能量损耗低、互耦效应低和边界条件连续的优点，从而降低了微波匹配难度。
基片集成波导23沿微波的传输方向依次分为多个功能区域，且在不同的功能区域中形成不同的波导结构，以实现不同的功能。在每个波导结构中，多个通孔233通过排布形成不同的形状来实现不同的功能。图4为本发明实施例采用的基片集成波导的俯视图。请参阅图4，在本实施例中，基片集成波导23沿微波的传输方向依次分为五个功能区(31～35)，五个功能区(31～35)分别实现调谐器、环形器、耦合器、匹配器和传输波导的功能。
其中，调谐器用于选频和能量存储，以完成从微波源到传输波导的模式转换。如图5所示，在实现调谐器的上述功能的功能区域31中，波导结构为第一波导，该第一波导由多个通孔233排列形成能够约束和引导微波的矩形通道，该矩形通道的前端封闭，即形成短路面，微波经该短路面的反射后，可以等效为后端短路，以使能量集中朝右侧单向传播。并且，第一波导具有微波馈入端311，用以供微波源22向第一波导内馈入微波能量，从而实现从微波源到传输波导的模式转换。
优选的，微波馈入端311与第一波导的前端(即上述短路面)在微波的传输方向(由左至右)上的间距L1为波导波长的四分之一，以保证微波能量集中朝右侧单向传播。并且，微波馈入端311与第一波导的后端在微波的传输方向上的间距L2为波导波长的二分之一，以能够形成并联谐振。所谓并联谐振，是指在电阻、电容、电感并联电路中，出现电路端电压和总电流同相位的现象。并联谐振的形成有利于提高谐振电路的Q值(品质因素)。所谓波导波长是指在波导中传播的合成波的两个相邻波峰或者波谷之间的距离，也就是波导中所传播的某种波模电磁波的波长。
环形器用于隔离入射功率和反射功率，以实现微波的单向传输。如图6所示，在实现环形器的上述功能的功能区域32中，波导结构为第二波导，该第二波导由多个通孔233排列形成三条支路，分别为第一支路322、第二支路323和第三支路324，其中，第一支路322的前端与上述第一波导的后端首尾相接，形成连续通道。该第一支路322的微波传输方向与上述第一波导的微波传输方向相同。
第二支路323和第三支路324的前端均与第一支路322的后端连接，并且第二支路323和第三支路324相对于第一支路322朝向远离彼此的方向倾斜，以形成“Y”形通道。优选的，第一支路322、第二支路323和第三支路324之间的夹角为120°。并且，在第二支路323的后端连接有用于吸收反射功率的负载24。
在第一支路322、第二支路323和第三支路324的连接处，即三者的交汇处设置有永磁体321，用于形成能够将反射功率偏转至第二支路323，且将入射功率偏转至第三支路324的偏置磁场，从而实现微波的单向传输。优选的，可以采用与通孔233相同的加工方式将永磁体321设置在介质基板231中。
耦合器用于测量入射功率和反射功率。如图7所示，在实现耦合器的上述功能的功能区域33中，波导结构为第三波导，该第三波导由多个通孔233排列形成矩形通道，该矩形通道的前端与上述第三支路323的后端首尾相接，形成连续通道。并且，在第三波导中设置有用于检测入射功率和反射功率的装置。
具体地，在本实施例中，上述装置包括两对金属片29，且沿微波传输方向间隔分布。每对金属片29自介质基板231的位于上述第一表面和第二表面之间的表面(例如图3示出的表面234)垂直插入，并延伸至任意的相邻两个通孔233之间，以由多个通孔233排列形成矩形通道相连通，以实现入射功率和反射功率的测量。金属片29所采用的材料应保证获取的波形无漏泄和失真，并且该金属片29优选采用与通孔233相同的加工方式将金属片29设置在介质基板231中。另外，可以每对金属片29之间的缝隙S的宽度可以根据不同的波导宽度W和不同的耦合度要求进行设计。例如，为了获得高耦合度，以减小对传输功率非影响，避免有过多功率损失，当波导宽度在3～6mm之间，一般要求耦合度为20dB时，此时缝隙S的宽度可以取值为0.3～1mm，优选为0.5mm。
匹配器用于实现微波源22与后端负载之间的阻抗匹配。如图8A和图8B所示，在实现匹配器的上述功能的功能区域34中，波导结构为第四波导，该第四波导由多个通孔233排列形成矩形通道，该矩形通道的前端与上述第三波导的后端首尾相接，形成连续通道。并且，在第四波导中沿垂直于微波的传输方向插入有一个或多个调节螺钉25，且多个调节螺钉25沿微波的传输方向间隔设置，如图8A所示。具体地，如图8B所示，调节螺钉25自上述第一表面232垂直穿过第一金属层232，并延伸至介质基板231中、由多个通孔233排列形成的矩形通道内。通过调节调节螺钉25插入第四波导中的长度H，即，调节螺钉25在介质基板231中的长度，该长度H的变化可以使该调节螺钉25附近的高次模TE波的电场和磁场随之发生变化，从而该调节螺钉25在质基板231中的部分能够等效为一个电感、电容或者串联谐振回路，进而可以实现微波源22与后端负载之间的阻抗匹配。
具体地，当调节螺钉25插入第四波导中的长度H小于λp/4时，调节螺钉25在质基板231中的部分能够等效为一个电容。当调节螺钉25插入第四波导中的长度H约等于λp/4时，调节螺钉25在质基板231中的部分能够等效为一个串联谐振回路。当调节螺钉25插入第四波导中的长度H大于λp/4时，调节螺钉25在质基板231中的部分能够等效为一个电感。其中，λ为波导波长；p为动量。优选的，调节螺钉25自上述第一金属层232的中心线，或两排通孔233的中线插入第四波导中，以减小调节螺钉25切割电场线带来的微波辐射。
传输波导用于微波的后端传输，在该传输波导中设置有金属探针26，传输波导通过该金属探针26将微波能量馈入天线机构27中。如图9所示，在实现传输波导的上述功能的功能区域35中，波导结构为第五波导，该第五波导由多个通孔233排列形成矩形通道，该矩形通道的后端封闭，即形成短路面，并且该矩形通道的前端与上述第四波导的后端首尾连接，形成连续通道。而且，第五波导具有输出端351，用于输出微波能量。优选的，输出端351与第五波导的后端在微波的传输方向上的间距L3为波导波长的四分之一，以使第五波导的后端处于开路状态，有利于能量输出。
优选的，在上述各个功能区域中形成的波导结构的宽度W可以根据微波的截止频率的计算公式推导得出。优选的，当微波的截止频率为2.45GHz时，波导结构的宽度W的取值范围在3～6mm。
综上所述，本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备，其传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导，这与现有技术中将不同功能的波导结构分开加工，然后使用机械连接件固定连接相比，基片集成波导的体积和重量较小，且结构简单，从而简化了设备结构，降低了加工难度，从而降低了加工成本。同时，利用上述一体式结构的基片集成波导传输微波具有能量损耗低、互耦效应低和边界条件连续的优点，从而降低了微波匹配难度。
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，包括微波源和传输匹配机构，其特征在于，所述传输匹配机构包括一体式结构的基片集成波导，所述基片集成波导沿微波的传输方向依次分为多个功能区域，且在不同的所述功能区域中形成不同的波导结构，以实现不同的功能；
所述基片集成波导包括介质基板，所述介质基板包括彼此相对的第一表面和第二表面，在所述第一表面和第二表面上均覆盖有第一金属层；并且，在所述介质基板中设置有多个贯穿其厚度的多个通孔，在所述通孔的孔壁覆盖有第二金属层，所述第二金属层的两端分别与所述第一表面和第二表面上的所述第一金属层电接触；
所述波导结构由多个所述通孔排列形成。
2.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，多个所述功能区域中的所述波导结构沿所述微波的传输方向依次实现调谐器、环形器、耦合器、匹配器和传输波导的功能。
3.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在实现所述调谐器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第一波导；所述第一波导具有微波馈入端，用以供所述微波源向所述第一波导内馈入微波能量。
4.根据权利要求3所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述微波馈入端与所述第一波导的前端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的四分之一；所述微波馈入端与所述第一波导的后端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的二分之一。
5.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在实现所述环形器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第二波导，所述第二波导包括第一支路、第二支路和第三支路，其中，
所述第二支路和所述第三支路的前端均与所述第一支路的后端连接，并且所述第二支路和所述第三支路相对于所述第一支路朝向远离彼此的方向倾斜；在所述第二支路的后端连接有用于吸收反射功率的负载；
在所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的连接处设置有永磁体，用于形成能够将所述反射功率偏转至所述第二支路，且将入射功率偏转至所述第三支路的偏置磁场。
6.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在实现所述耦合器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第三波导；
在所述第三波导中设置有用于检测入射功率和反射功率的装置。
7.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在实现所述匹配器的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第四波导；
在所述第四波导中沿垂直于所述微波的传输方向插入有一个或多个调节螺钉，且所述多个调节螺钉沿所述微波的传输方向间隔设置。
8.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在实现所述传输波导的功能的所述功能区域中，所述波导结构为第五波导；
所述第五波导具有输出端，用于输出微波能量。
9.根据权利要求8所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述输出端与所述第五波导的后端在所述微波的传输方向上的间距为波导波长的四分之一。
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