CN109219226A - 一种等离子体发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体发生装置。该等离子体发生装置包括依次连接的微波源、传输匹配结构和谐振腔，传输匹配结构能将微波源产生的微波能量馈入谐振腔，谐振腔的底壁下方用于设置介质窗和真空腔，谐振腔是由多段波导拼接构成的中心对称结构，且其对称中心与介质窗的中心在竖直方向上的投影重合，谐振腔的底壁上开设有多个狭缝，狭缝能将微波能量通过介质窗均匀地馈入真空腔。该等离子体发生装置通过开设在中心对称结构的谐振腔底壁上的多个狭缝将微波能量通过介质窗均匀地馈入真空腔中，能使真空腔内产生大面积均匀的表面波等离子体，从而满足对大面积晶圆的处理；同时，狭缝能够确保将微波能量馈入真空腔激发形成等离子体的稳定性。

Description

一种等离子体发生装置
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种等离子体发生装置。
背景技术
近年来，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路要求总体趋势趋向于高度集成化和更大面积化，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置在集成电路(IC)的制造工艺中是不可取代的。因此，高性能等离子体发生设备的研发对于半导体制造工艺的发展是至关重要的。当等离子体设备用于半导体制造工艺时，最主要的考察因素是：在一定气压范围能有效率的生成大面积均匀的等离子体。具体到工艺细节，关注点往往在于工艺气体和气压，等离子体均匀程度和等离子体内粒子成分即等离子体的可控性。对应于电子行业的发展，能在低气压下激发大面积，高密度均匀等离子体的等离子体源是当前的主要研究方向。
在传统的半导体制造业，各种类型的等离子体设备被广泛应用于各种工艺。表面波等离子体(SWP)是近年来发展起来的新型等离子体发生技术，相比较电容耦合等离子体(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，其结构上更加简单，成本更低，能够产生较高密度的等离子体，同时在等离子体的大面积均匀化上具有不可忽视的优势。
目前大面积表面波等离子体的激发方式有多种，包括圆管内壁表面波，狭缝天线表面波，径向开槽天线表面波(RSLA)等。其中，商用的主要是圆管内壁表面波和径向开槽天线表面波。狭缝天线表面波由于其天线结构尺寸往往局限于波导的尺寸，同时，表面波从狭缝下方向周围传输时，不可避免会发生衰减，使产生的等离子体分布不均匀。因此狭缝天线表面波类型的等离子体源主要是应用于等离子体实验室进行定性研究，并没有在大面积等离子体应用上使用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种等离子体发生装置。该等离子体发生装置相比于现有技术中将狭缝天线设置在单个波导上的表面波等离子体产生装置，通过开设在中心对称结构的谐振腔底壁上的多个狭缝将微波能量从整个介质窗所在面上均匀地馈入真空腔中，从而使真空腔内产生大面积均匀的表面波等离子体，进而满足对大面积晶圆的处理；同时，相比于现有的圆管内壁表面波激发方式和径向开槽天线表面波激发方式，狭缝能够确保将微波能量馈入真空腔从而激发形成等离子体的稳定性。
本发明提供一种等离子体发生装置，包括依次连接的微波源、传输匹配结构和谐振腔，所述传输匹配结构能将所述微波源产生的微波能量馈入所述谐振腔，所述谐振腔的底壁下方用于设置介质窗和真空腔，所述谐振腔是由多段波导拼接构成的中心对称结构，且其对称中心与所述介质窗的中心在竖直方向上的投影重合，所述谐振腔的所述底壁上开设有多个狭缝，所述狭缝能将微波能量通过所述介质窗均匀地馈入所述真空腔。
优选地，所述谐振腔为由两段矩形的所述波导正交构成的“十”字形结构，所述“十”字形结构的四个分支形状和尺寸均相同。
优选地，所述谐振腔为由四段矩形的所述波导两两正交构成的“米”字形结构，所述“米”字形结构的八个分支形状和尺寸均相同。
优选地，在所述谐振腔的每个所述分支的所述底壁上均开设有四个所述狭缝，每个所述分支上的四个所述狭缝均排布形成矩形框。
优选地，相对的两个所述分支上的所述矩形框相对于所述谐振腔的中心对称。
优选地，每个所述分支上的所述矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的所述波导的长边和短边平行。
优选地，每个所述分支上的所述矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的所述波导的长边和短边形成相同大小的夹角。
优选地，在所述谐振腔的每个所述分支的所述底壁上均开设有两个以上所述狭缝，每个所述分支上的所述狭缝均相互平行且排布形成阵列，所述狭缝的长度方向垂直于其所在的所述波导的长度方向。
优选地，相对的两个所述分支上的所述阵列相对于所述谐振腔的中心对称。
优选地，每段所述波导的长度大于或等于所述介质窗的直径。
本发明的有益效果：本发明所提供的等离子体发生装置，通过设置中心对称结构的谐振腔，并在谐振腔的底壁上开设多个狭缝，相比于现有技术中将狭缝天线设置在单个波导上的表面波等离子体产生装置，该谐振腔能通过开设在其底壁上的多个狭缝将微波能量通过介质窗所在面均匀地馈入真空腔中，从而使真空腔内产生大面积均匀的表面波等离子体，进而满足对大面积晶圆的处理；同时，相比于现有的圆管内壁表面波激发方式和径向开槽天线表面波激发方式，狭缝能够确保将微波能量馈入真空腔从而激发形成等离子体的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1中等离子体发生装置的结构剖视示意图；
图2为图1中谐振腔的结构俯视示意图；
图3为本发明实施例2中谐振腔的结构俯视示意图；
图4为本发明实施例3中谐振腔的结构俯视示意图；
图5为本发明实施例4中谐振腔的结构俯视示意图。
其中的附图标记说明：
1.微波源；11.供电电源；12.磁控管；13.谐振器；2.传输匹配结构；21.环流器；22.水负载；23.阻抗调节单元；24.同轴馈入结构；25.短路活塞；3.谐振腔；31.波导；32.分支；4.介质窗；5.真空腔；6.狭缝。
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种等离子体发生装置作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种等离子体发生装置，如图1所示，包括依次连接的微波源1、传输匹配结构2和谐振腔3，传输匹配结构2能将微波源1产生的微波能量馈入谐振腔3，谐振腔3的底壁下方用于设置介质窗4和真空腔5，谐振腔3是由多段波导拼接构成的中心对称结构，且其对称中心与介质窗4的中心在竖直方向上的投影重合，谐振腔3的底壁上开设有多个狭缝6，狭缝6能将微波能量通过介质窗4均匀地馈入真空腔5。
该等离子体发生装置，通过设置中心对称结构的谐振腔3，并在谐振腔3的底壁上开设多个狭缝6，相比于现有技术中将狭缝天线设置在单个波导上的表面波等离子体产生装置，该谐振腔3能通过开设在其底壁上的多个狭缝6将微波能量通过介质窗4所在面均匀地馈入真空腔5中，从而使真空腔5内产生大面积均匀的表面波等离子体，进而满足对大面积晶圆的处理；同时，相比于现有的圆管内壁表面波激发方式和径向开槽天线表面波激发方式，狭缝6能够确保将微波能量馈入真空腔5从而激发形成等离子体的稳定性。
优选的，本实施例中，如图2所示，谐振腔3为由两段矩形的波导31正交构成的“十”字形结构，“十”字形结构的四个分支32形状和尺寸均相同。如此设置，能实现谐振腔3在介质窗4上方的均匀和大面积分布，从而为狭缝6在介质窗4上的均匀和大面积分布垫定基础，进而使通过狭缝6和介质窗4馈入至真空腔5内的微波能量更加均匀，且能够实现大面积的微波能量馈入，最终使真空腔5内产生大面积均匀的表面波等离子体，满足对大面积晶圆的处理。另外，如图1所示，传输匹配结构2通过圆锥形的同轴馈入结构24将微波能量馈入至谐振腔3中，谐振腔3的正交“十”字形结构有利于微波能量从同轴TEM波转换为矩形TE10模，从而使微波的波模式的过渡更加均匀和稳定。
其中，每段波导31的长度大于或等于介质窗4的直径。每段波导31的长度可以根据需要的等离子体尺寸调整，这里等离子体尺寸近似为波导31下方介质窗4的直径，为了保证真空腔5内等离子体的均匀性，需要在波导31上均匀设置多个狭缝6，才能在介质窗4径向有尽可能大的微波能量馈入面积。
本实施例中，在谐振腔3的每个分支32的底壁上均开设有四个狭缝6，每个分支32上的四个狭缝6均排布形成矩形框。在矩形波导31内部，微波会以TE10模传播，在波导31内壁上会形成相应的壁面电流分布。狭缝6的工作原理是截断波导31壁面电流，使其以位移电流的形式通过，从而形成通过狭缝6指向波导31外侧的电场，将微波能量馈入真空腔5形成等离子体。在狭缝6的下方，一般使用石英材质的介质窗4，介质窗4一方面维持真空腔5保持真空，另一方面提供表面波等离子体需要的介质边界条件。当微波能量足够且真空腔5内气体条件满足时，会发生等离子体启辉，当等离子体密度高于表面波等离子体临界密度后，会在介质窗4和等离子体交界面上形成表面波，从而维持高密度等离子体放电。
其中，由于谐振腔3的每个分支32上均设置有排布成矩形框的多个狭缝6，每个分支32上排布成矩形框的狭缝6均能等效为一个表面波源，从而使介质窗4上均匀分布有四个表面波源，表面波源能将微波能量从整个介质窗4表面均匀地馈入真空腔5内，进而使真空腔5内产生大面积和均匀分布的表面波等离子体。
另外，狭缝6的形状、尺寸以及在波导31上的设置位置与微波源1产生的微波频率和波导31的型号决定。例如：微波源1产生的微波频率为2.45GHz，可以采用BJ-22型号的矩形波导31(波导型号根据其使用微波频率的不同有国标可以查询，对应2.45GHz的微波，国标标准中有两种型号的波导：BJ-22和BJ-26)，相应的，单个狭缝6的尺寸需要根据波导31的尺寸进行调整，如前文所述，狭缝6的目的是尽可能的切断波导31内壁表面电流，对应BJ-22波导31(内截面尺寸为109.2×54.6mm)，可以选择尺寸为61×10mm的矩形狭缝6。狭缝6在波导31上的设置位置可以使用调谐器进行调节，目标是要尽可能的切断波导31内壁表面电流。
本实施例中，相对的两个分支32上的矩形框相对于谐振腔3的中心对称。如此设置，有利于真空腔5内激发形成的等离子体的均匀分布。
优选的，本实施例中，每个分支32上的矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的波导31的长边和短边平行。即矩形框的相对且相互平行的两个长边平行于其所在的矩形的波导31的长边，矩形框的相对且相互平行的两个短边平行于其所在的矩形的波导31的短边。如此设置，矩形框的两个平行于其所在波导31的短边的狭缝6能够切断沿波导31表面传输的壁面电流，从而将微波能量通过介质窗4馈入至真空腔5内；由于作为矩形框的短边的狭缝6垂直于波导31表面壁面电流的传输方向，相比于作为矩形框短边的狭缝6不垂直于波导31表面壁面电流传输方向的情况，排布形成上述形式的矩形框的狭缝6对微波能量的馈入效率更高，能够更好地实现真空腔5内大面积均匀的表面波等离子体。
本实施例中，微波源1包括：供电电源11、磁控管12和谐振器13，微波源1的功能是产生大功率微波(本实施例中微波源1产生2.45GHz微波，其他微波频率如915MHz也可以使用)。微波传输匹配结构2包括环流器21、用于吸收反射功率的水负载22、阻抗调节单元23(通常为三螺钉调谐器)、同轴馈入结构24和短路活塞25。水负载22与阻抗调节单元23之间通过矩形波导连接，阻抗调节单元23通过矩形波导连接同轴馈入结构24，同轴馈入结构24与十字型谐振腔3紧密配合安装。短路活塞25用于调整矩形波导内的驻波分布。
实施例2：
本实施例提供一种等离子体发生装置，与实施例1中的等离子体发生装置不同的是，如图3所示，每个分支32上的矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的波导31的长边和短边形成相同大小的夹角。
本实施例中，每个分支32上的矩形框的长边与其所在的矩形的波导31的长边形成相同大小的大于0°的锐角夹角θ。每个分支32上的矩形框的短边与其所在的矩形的波导31的短边形成相同大小的大于0°的锐角夹角θ。
本实施例中谐振腔3上的狭缝6设置同样能够实现使介质窗4上均匀分布有四个表面波源，表面波源能将微波能量通过介质窗4表面均匀地馈入真空腔内，进而使真空腔内产生大面积和均匀分布的表面波等离子体。
本实施例中等离子体发生装置的其他结构设置与实施例1中相同，此处不再赘述。
实施例3：
本实施例提供一种等离子体发生装置，与实施例1-2中的等离子体发生装置不同的是，如图4所示，在谐振腔3的每个分支32的底壁上均开设有两个以上狭缝6，每个分支32上的狭缝6均相互平行且排布形成阵列，狭缝6的长度方向垂直于其所在的波导31的长度方向。
如此设置，能使更多的微波能量通过设置在谐振腔3底壁上的狭缝6馈入至真空腔内，从而提高了微波能量的馈入效率，同时也实现了微波能量的大面积均匀馈入。
本实施例中，相对的两个分支32上的阵列相对于谐振腔3的中心对称。如此设置，有利于真空腔内激发形成的等离子体的均匀分布。
本实施例中等离子体发生装置的其他结构设置与实施例1中相同，此处不再赘述。
实施例4：
本实施例提供一种等离子体发生装置，与实施例1-3中的等离子体发生装置不同的是，如图5所示，谐振腔3为由四段矩形的波导31两两正交构成的“米”字形结构，“米”字形结构的八个分支32形状和尺寸均相同。
如此设置，相比于实施例1-3，能进一步实现谐振腔3在介质窗4上方的均匀和大面积分布，从而为狭缝6在介质窗4上的均匀和大面积分布垫定基础，进而使通过狭缝6和介质窗4馈入至真空腔内的微波能量更加均匀，且能够实现大面积的微波能量馈入，最终使真空腔内产生大面积均匀的表面波等离子体，满足对大面积晶圆的处理。
本实施例中等离子体发生装置的其他结构设置与实施例1-3中的任意一个相同，此处不再赘述。
实施例1-4的有益效果：实施例1-4中所提供的等离子体发生装置，通过设置中心对称结构的谐振腔，并在谐振腔的底壁上开设多个狭缝，相比于现有技术中将狭缝天线设置在单个波导上的表面波等离子体产生装置，该谐振腔能通过开设在其底壁上的多个狭缝将微波能量通过介质窗所在面均匀地馈入真空腔中，从而使真空腔内产生大面积均匀的表面波等离子体，进而满足对大面积晶圆的处理；同时，相比于现有的圆管内壁表面波激发方式和径向开槽天线表面波激发方式，狭缝能够确保将微波能量馈入真空腔从而激发形成等离子体的稳定性。
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 (10)

1.一种等离子体发生装置，包括依次连接的微波源、传输匹配结构和谐振腔，所述传输匹配结构能将所述微波源产生的微波能量馈入所述谐振腔，所述谐振腔的底壁下方用于设置介质窗和真空腔，其特征在于，所述谐振腔是由多段波导拼接构成的中心对称结构，且其对称中心与所述介质窗的中心在竖直方向上的投影重合，所述谐振腔的所述底壁上开设有多个狭缝，所述狭缝能将微波能量通过所述介质窗均匀地馈入所述真空腔。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述谐振腔为由两段矩形的所述波导正交构成的“十”字形结构，所述“十”字形结构的四个分支形状和尺寸均相同。
3.根据权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述谐振腔为由四段矩形的所述波导两两正交构成的“米”字形结构，所述“米”字形结构的八个分支形状和尺寸均相同。
4.根据权利要求2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于，在所述谐振腔的每个所述分支的所述底壁上均开设有四个所述狭缝，每个所述分支上的四个所述狭缝均排布形成矩形框。
5.根据权利要求4所述的等离子体发生装置，其特征在于，相对的两个所述分支上的所述矩形框相对于所述谐振腔的中心对称。
6.根据权利要求5所述的等离子体发生装置，其特征在于，每个所述分支上的所述矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的所述波导的长边和短边平行。
7.根据权利要求5所述的等离子体发生装置，其特征在于，每个所述分支上的所述矩形框的长边和短边，分别与其所在的矩形的所述波导的长边和短边形成相同大小的夹角。
8.根据权利要求2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于，在所述谐振腔的每个所述分支的所述底壁上均开设有两个以上所述狭缝，每个所述分支上的所述狭缝均相互平行且排布形成阵列，所述狭缝的长度方向垂直于其所在的所述波导的长度方向。
9.根据权利要求8所述的等离子体发生装置，其特征在于，相对的两个所述分支上的所述阵列相对于所述谐振腔的中心对称。
10.根据权利要求2或3所述的等离子体发生装置，其特征在于，每段所述波导的长度大于或等于所述介质窗的直径。
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