CN109545644B - 一种等离子体源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种等离子源装置。包括：真空腔室、上极板、下极板和分子泵；真空腔室为圆柱形状，真空腔室的腔壁上分布有多个不同的诊断窗口；上极板包括圆形的上极板面和第一立柱，第一立柱与圆形的上极板面为一体结构，形成倒立“T”型；下极板包括圆形的下极板面和第二立柱，第二立柱与圆形的下极板面为一体结构，形成“T”型；上极板的上极板面与下极板的下极板面形成平行板结构；分子泵位于真空腔室的下方，分子泵通过管道连接真空腔室底部的气孔，真空腔室由分子泵抽真空。本发明不仅可以充分利用放电腔室，减少大量成本，节省时间，而且可以通过对比多种诊断结果，更好的研究分析等离子体的特性，指导工业刻蚀工艺。
Description
技术领域
本发明涉及的等离子体放电领域，特别是涉及一种等离子体源装置。
背景技术
在纳米尺度的刻蚀工艺中，大都采用容性耦合等离子体源(CCP)进行二氧化硅表面的刻蚀，工业上所用的容性耦合(平行板结构)等离子体源装置结构要求较高，为了保证刻蚀质量，工业上使用的等离子体源具有不可诊断性(增加诊断窗口会破坏等离子体的状态，影响材料刻蚀或者沉积质量)，为了研究工业上采用的等离子体源，提高刻蚀工艺，就需要在实验室全方位研究等离子体源的特性，以优化工业上的刻蚀工艺。但是，加工一个工业使用级别的等离子体源，造价高、加工周期长，而且能利用的诊断功能较单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体源装置，以全方位地研究等离子体的特性，指导实际工业上等离子体源的刻蚀工艺。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等离子源装置，包括：真空腔室、上极板、下极板和分子泵；所述真空腔室为圆柱形状的金属真空腔室，所述真空腔室的腔壁上分布有多个不同的诊断窗口；
所述上极板包括圆形的上极板面和第一立柱，所述第一立柱位于所述上极板面的上方，所述第一立柱与所述圆形的上极板面为一体结构，形成倒立“T”型；
所述下极板包括圆形的下极板面和第二立柱，所述第二立柱位于所述下极板面的下方，所述第二立柱与所述圆形的下极板面为一体结构，形成“T”型；所述上极板的上极板面与所述下极板的下极板面形成平行板结构；
所述分子泵位于所述真空腔室的下方，所述分子泵通过管道连接所述真空腔室底部的气孔，所述真空腔室由所述分子泵抽真空。
可选的，所述上极板的第一立柱内部包括贯通的毛细管道，所述上极板的上极板面上分布有多个通孔，当所述真空腔室满足实验气压时，实验气体从所述毛细管道进入，通过所述上极板面上的多个通孔进入所述真空腔室。
可选的，所述上极板与所述真空腔室的腔体之间填充有绝缘材料；所述下极板的外部包裹有绝缘层，所述绝缘层外包裹有金属层。
可选的，所述下极板的底端连接有波纹管和刻度尺，根据所述刻度尺的读数调节所述波纹管的长度以调节所述下极板与所述上极板之间的间距。
可选的，所述等离子源装置还包括：实验台和盖板，所述真空腔室固定于所述实验台上，所述分子泵固定于所述实验台内部，所述盖板位于所述真空腔室的顶面，用于遮盖所述真空腔室。
可选的，所述上极板的末端和所述下极板的末端均安装有金属屏蔽罩。
可选的，所述上极板和所述下极板分别设有接线柱，用于实现单频、双频、不同频率、不同电极的多种组合等离子体放电条件。
可选的，所述真空腔室的腔壁上的多个诊断窗口为石英诊断窗口，所述石英诊断窗口与所述真空腔室的腔壁通过密封法兰密封。
可选的，所述真空腔室的腔壁上的诊断窗口具体包括：第一窗口、第二窗口、第三窗口、第四窗口、第五窗口、第六窗口、第七窗口、第八窗口、第九窗口和第十窗口；所述第一窗口、第二窗口、第三窗口、第四窗口、第五窗口、第六窗口、第七窗口和第八窗口均位于同一水平面上；
所述第一窗口为矩形窗口，所述矩形窗口的面积大于所述诊断窗口中的其他诊断窗口的面积；
所述第二窗口位于所述第一窗口的对面，所述第一窗口的中心和所述第二窗口的中心的连线通过所述真空腔室的中心；所述第二窗口为圆形窗口，所述第二窗口的面积大于所述诊断窗口中除所述第一窗口之外的其他诊断窗口的面积；
所述第三窗口与所述第四窗口均为圆形窗口，且所述第三窗口与所述第四窗口的面积相同；所述第三窗口位于所述第一窗口和所述第二窗口之间，所述第三窗口和所述第四窗口关于所述真空腔室的中心对称；
所述第五窗口和所述第六窗口均为圆形窗口，且所述第五窗口和所述第六窗口的面积相等；所述第五窗口位于所述第一窗口和所述第三窗口之间，所述第六窗口位于所述第一窗口和所述第四窗口之间；
所述第七窗口和所述第八窗口均为圆形窗口，且所述第七窗口和所述第八窗口的面积相等；所述第七窗口位于所述第二窗口和所述第三窗口之间，所述第八窗口位于所述第二窗口和所述第四窗口之间；
所述第九窗口位于所述第六窗口的下方，所述第十窗口位于所述第五窗口的下方。
可选的，所述第一窗口用于通过位移台配合各种探针对等离子体不同参数的轴向和径向分布进行诊断；或者利用ICCD相机拍摄整个等离子体放电区域的光强分布图像，以分析等离子体随时间的动态变化参数；或者通过与所述第二窗口结合使用光致解离法、吸收光谱法或光腔衰荡光谱法对等离子体的参数进行诊断；
所述第三窗口、所述第四窗口、所述第五窗口、所述第六窗口和所述第七窗口用于采用不同的测量方法对等离子体的参数进行诊断；
所述第十窗口和所述第九窗口用于安装真空计测量所述真空腔室的气压。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
现有的射频容性耦合等离子体放电腔室结构简单，诊断功能单一，本发明的等离子源装置针对各种不同的诊断方法，在圆柱形真空腔室周围组合了不同形状、不同大小的石英诊断窗口，并且利用上下电极的接口测量上下电极的电流、电压，达到了多功能诊断的目的。不仅可以充分利用放电腔室，减少大量成本，节省时间，而且可以通过对比多种诊断结果，更好的研究分析等离子体的特性，指导工业刻蚀工艺。而且分子泵的抽气口在真空腔室的下方，改善了传统装置中抽气口在腔室的旁边，分子泵旁抽，影响气流进而影响放电均匀性的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明等离子源装置的结构示意图；
图2为本发明等离子源装置中真空腔室的正视图；
图3为本发明等离子源装置中真空腔室的俯视图；
图4为本发明等离子源装置中真空腔室的侧视剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明将工业应用的等离子体源进行简化，并且提供多种诊断的入口，通过实验的方式对等离子体源进行研究，得到的一些规律或结论可以用于指导工业上如何优化等离子体源的参数，提高材料刻蚀或薄膜沉积质量。常用的诊断等离子体的手段有Langmuir探针、双探针、发卡探针、吸收光谱法、发射光谱法、激光诱导荧光等。能够将多种诊断手段应用到同一个腔室，不仅可以有效利用放电腔室，降低成本，节省时间，而且可以通过将多种诊断结果对比，全方位地研究等离子体的特性，指导实际工业上等离子体源的刻蚀工艺。
图1为本发明等离子源装置的结构示意图。如图1所示，所述等离子源装置包括：包括：真空腔室1、上极板2、下极板3和分子泵4。所述真空腔室1为圆柱形状的金属真空腔室，所述真空腔室1的腔壁上分布有多个不同的诊断窗口。
所述上极板2包括圆形的上极板面和第一立柱，所述第一立柱位于所述上极板面的上方，所述第一立柱与所述圆形的上极板面为一体结构，形成倒立“T”型；所述下极板3包括圆形的下极板面和第二立柱，所述第二立柱位于所述下极板面的下方，所述第二立柱与所述圆形的下极板面为一体结构，形成“T”型；所述上极板2的上极板面与所述下极板3的下极板面形成平行板结构。
所述分子泵4位于所述真空腔室1的下方，所述分子泵通过管道5连接所述真空腔室1底部的气孔，所述真空腔室1由所述分子泵4抽真空。
所述上极板2的第一立柱内部包括贯通的毛细管道6，所述上极板2的上极板面上分布有多个通孔，当所述真空腔室满足实验气压时，实验气体从所述毛细管道6进入，通过所述上极板面上的多个通孔进入所述真空腔室1。上极板面可以是淋浴喷头7和水冷相结合组成，淋浴喷头7使气体均匀进入真空腔室1，水冷防止电极过热，都提高了等离子体的均匀性，这也是工业刻蚀所要求的。上极板面的表面材料可以更换，如不锈钢，铜，铝，硅等等。
金属电极(上极板和下极板)和真空腔体1之间是绝缘的。也就是说，整套装置中只有上极板2和下极板3两个金属电极带电，上极板2和真空腔体1之间填充有绝缘材料8，一方面防止上极板2和真空腔体1之间形成放电，另一方面避免边缘效应；绝缘材料8可以采用四氟，上极板2的直径小于真空腔体1的内径，四氟的形状大小与上极板2和真空腔体1之间的空隙吻合，填充在上极板2与真空腔体1之间。下极板3的下表面和圆周也包裹一层绝缘层9，并且在绝缘层9的外侧又包裹一层金属层，也是同样的目的，绝缘层9可以为四氟材料制成的四氟层，金属层可以采用铁片制成。
下极板3的底端连接有波纹管10和刻度尺11，根据所述刻度尺11的读数调节所述波纹管10的长度以精确调节所述下极板3与所述上极板2之间的间距，从而实现各种不同间距的等离子体放电条件。刻度尺11最好为精密刻度尺，也可以为其他精度较高的刻度尺。下极板3的第二立柱可以由一个圆形支架12和真空腔体1接触固定，防止由于下极板3太高而不稳，也不会影响下极板3上下移动调节高度。
本发明的等离子源装置还包括实验台13和盖板14，所述真空腔室1固定于所述实验台13上，圆柱状的金属真空腔室1、倒“T”型上极板面为圆形的金属上极板2、与上极板面平行对应的“T”型圆形金属下极板3和实验台13构成等离子源装置的基本框架。所述分子泵4固定于所述实验台13内部，真空腔室1由位于实验台13下面的分子泵4和机械泵(图中未画出，机械泵连接到分子泵上)抽真空。所述盖板14位于所述真空腔室1的顶面，用于遮盖所述真空腔室1。金属圆柱形的真空腔体1上方的盖板14是可以打开的，盖板14和真空腔体1之间通过密封O圈和密封法兰进行密封，里面的两个金属电极板可拆卸，可以换用不同直径的金属电极板。
本发明上极板2的末端和下极板3的末端均安装有金属屏蔽罩，图中金属屏蔽罩15安装于上极板2的末端，金属屏蔽罩16安装于下极板3的末端，防止漏电造成的危险。
此外，上极板2和下极板3分别设有接线柱，用于实现单频、双频、不同频率、不同电极的多种组合等离子体放电条件。图中接线柱17为上极板2的接线柱，接线柱18为下极板3的接线柱，通过上下电极上的接线柱(17、18)还可以连接高压探头到示波器，可以实时测量极板上的电压电流值。
本发明分子泵4的抽气口在真空腔室1的下方，有些装置的抽气口在腔室的旁边，分子泵旁抽，影响气流进而影响放电均匀性，本发明改进后将改善这种现象，同时，抽气口对面的小窗口19用于开腔室时放气用。
真空腔室1的腔壁上的多个诊断窗口为石英诊断窗口，所述石英诊断窗口与所述真空腔室1的腔壁通过密封法兰密封。具体结合图2-图4来说明多个诊断窗口的位置及作用。诊断窗口具体包括：第一窗口1-1、第二窗口1-2、第三窗口1-3、第四窗口1-4、第五窗口1-5、第六窗口1-6、第七窗口1-7、第八窗口1-8、第九窗口1-9和第十窗口1-10；第一窗口1-1、第二窗口1-2、第三窗口1-3、第四窗口1-4、第五窗口1-5、第六窗口1-6、第七窗口1-7和第八窗口1-8均位于同一水平面上。各个窗口的面积视圆柱形腔体的直径而定，能合理分配各个窗口，组合不同直径的窗口即可。
所述第一窗口1-1为矩形窗口，所述矩形窗口的面积大于所述诊断窗口中的其他诊断窗口的面积。第一窗口1-1的窗口面积较大，可以观察到整个等离子体放电区域，可以利用位移台20精确移动诊断设备配合各种探针诊断等离子体不同参数的轴向和径向分布，还可以用ICCD相机连续拍摄整个等离子体放电区域的光强分布图像，分析等离子体随时间的动态变化情况。等离子体区是一个圆柱状的区域，此圆柱状的区域上下边界和金属极板接触，圆柱的四周和填充的四氟接触，利用位移台20，在大矩形窗口1-1上可以上下、左右移动探针，测量等离子体不同位置的电子密度，分析边界对放电的影响。另外，等离子体的驱动电压为正弦信号，在一个正弦周期内的不同相位放电特征也不一样。通过数字延迟发生器设置驱动电压的固定相位与ICCD相机曝光时间之间的延迟，即可实现在指定的相位对等离子体发光强度的测量。在同一个相位相机会对采集到的数据进行上万次的累加，之后通过增加延迟时间进行下一个相位的测量，直至完成对整个周期的扫描。
所述第二窗口1-2位于所述第一窗口的对面，所述第一窗口1-1的中心和所述第二窗口1-2的中心的连线通过所述真空腔室的中心；所述第二窗口为圆形窗口，所述第二窗口1-2的面积大于所述诊断窗口中除所述第一窗口1-1之外的其他诊断窗口的面积。第二窗口1-2是一个较大的圆形的石英窗口，可以和第一窗口1-1对称组合使用，比如使用光致解离法、吸收光谱法、光腔衰荡光谱法，一个窗口发射信号，另一个窗口接收信号。
所述第三窗口1-3与所述第四窗口1-4为圆形窗口，且所述第三窗口1-3与所述第四窗口1-4的面积相同；所述第三窗口1-3位于所述第一窗口1-1和所述第二窗口1-2之间，所述第三窗口1-3和所述第四窗口1-4关于所述真空腔室的中心对称。第三窗口1-3与第四窗口1-4为两个等大对称的石英窗口，也可以组合使用，用于例如光致解离法、发射光谱法、光腔衰荡光谱法等。
所述第五窗口1-5和所述第六窗口1-6均为圆形窗口，且所述第五窗口1-5和所述第六窗口1-6的面积相等；所述第五窗口1-5位于所述第一窗口1-1和所述第三窗口1-3之间，所述第六窗口1-6位于所述第一窗口1-1和所述第四窗口1-4之间。
所述第七窗口1-7和所述第八窗口1-8均为圆形窗口，且所述第七窗口1-7和所述第八窗口1-8的面积相等；所述第七窗口1-7位于所述第二窗口1-2和所述第三窗口1-3之间，所述第八窗口1-8位于所述第二窗口1-2和所述第四窗口1-4之间。
第五窗口1-5和第六窗口1-6以及第七窗口1-7和第八窗口1-8，均可单独使用，用于探针诊断，如Langmuir探针、双探针、发卡探针。
所述第九窗口位于所述第六窗口的下方，所述第十窗口位于所述第五窗口的下方。第九窗口和第十窗口用于安装真空计测量腔室的气压，自然就可以控制实现不同气压条件下的等离子体放电。分子泵和机械泵抽气口安装有控制抽气口阀门大小的插板阀，调节插板阀即可控制腔体里面的气压，根据真空计准确确定气压值。
本发明中用不同的诊断方法测量同一个等离子体参数，比如等离子体电子密度，分别用Langmuir探针和Hairpin探针在同一放电条件下进行测量，所得到的结果会有一定的差别，因为不同的诊断方法所依据的原理不一样，受到的干扰也不一样，通过对比结果进行分析，可以得到更准确的测量结果。在工业刻蚀和沉积工艺中，等离子体的电子、离子密度等参数是影响刻蚀效果的重要因素，比如在脉冲放电中离子密度会影响刻蚀晶元表面反应，控制离子密度有利于刻蚀深宽比的提高，也能够降低晶元局域充电效应引起的损伤，从而得到更好的刻蚀效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种等离子源装置，其特征在于，包括：真空腔室、上极板、下极板和分子泵；所述真空腔室为圆柱形状的金属真空腔室，所述真空腔室的腔壁上分布有多个不同的诊断窗口；
所述真空腔室的腔壁上的诊断窗口具体包括：第一窗口、第二窗口、第三窗口、第四窗口、第五窗口、第六窗口、第七窗口、第八窗口、第九窗口和第十窗口；所述第一窗口、第二窗口、第三窗口、第四窗口、第五窗口、第六窗口、第七窗口和第八窗口均位于同一水平面上；
所述第一窗口为矩形窗口，所述矩形窗口的面积大于所述诊断窗口中的其他诊断窗口的面积；
所述第二窗口位于所述第一窗口的对面，所述第一窗口的中心和所述第二窗口的中心的连线通过所述真空腔室的中心；所述第二窗口为圆形窗口，所述第二窗口的面积大于所述诊断窗口中除所述第一窗口之外的其他诊断窗口的面积；
所述第三窗口与所述第四窗口均为圆形窗口，且所述第三窗口与所述第四窗口的面积相同；所述第三窗口位于所述第一窗口和所述第二窗口之间，所述第三窗口和所述第四窗口关于所述真空腔室的中心对称；
所述第五窗口和所述第六窗口均为圆形窗口，且所述第五窗口和所述第六窗口的面积相等；所述第五窗口位于所述第一窗口和所述第三窗口之间，所述第六窗口位于所述第一窗口和所述第四窗口之间；
所述第七窗口和所述第八窗口均为圆形窗口，且所述第七窗口和所述第八窗口的面积相等；所述第七窗口位于所述第二窗口和所述第三窗口之间，所述第八窗口位于所述第二窗口和所述第四窗口之间；
所述第九窗口位于所述第六窗口的下方，所述第十窗口位于所述第五窗口的下方；
所述第一窗口用于通过位移台配合各种探针对等离子体不同参数的轴向和径向分布进行诊断；或者利用ICCD相机拍摄整个等离子体放电区域的光强分布图像，以分析等离子体随时间的动态变化参数；或者通过与所述第二窗口结合使用光致解离法、吸收光谱法或光腔衰荡光谱法对等离子体的参数进行诊断；
所述第三窗口、所述第四窗口、所述第五窗口、所述第六窗口和所述第七窗口用于采用不同的测量方法对等离子体的参数进行诊断；
所述第十窗口和所述第九窗口用于安装真空计测量所述真空腔室的气压；
所述上极板包括圆形的上极板面和第一立柱，所述上极板面包括淋浴喷头和水冷，所述第一立柱位于所述上极板面的上方，所述第一立柱与所述圆形的上极板面为一体结构，形成倒立“T”型；
所述下极板包括圆形的下极板面和第二立柱，所述第二立柱位于所述下极板面的下方，所述第二立柱与所述圆形的下极板面为一体结构，形成“T”型；所述上极板的上极板面与所述下极板的下极板面形成平行板结构；所述下极板的底端连接有波纹管和刻度尺，根据所述刻度尺的读数调节所述波纹管的长度以调节所述下极板与所述上极板之间的间距；
所述分子泵位于所述真空腔室的下方，所述分子泵通过管道连接所述真空腔室底部的气孔，所述真空腔室由所述分子泵抽真空。
2.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述上极板的第一立柱内部包括贯通的毛细管道，所述上极板的上极板面上分布有多个通孔，当所述真空腔室满足实验气压时，实验气体从所述毛细管道进入，通过所述上极板面上的多个通孔进入所述真空腔室。
3.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述上极板与所述真空腔室的腔体之间填充有绝缘材料；所述下极板的外部包裹有绝缘层，所述绝缘层外包裹有金属层。
4.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述等离子源装置还包括：实验台和盖板，所述真空腔室固定于所述实验台上，所述分子泵固定于所述实验台内部，所述盖板位于所述真空腔室的顶面，用于遮盖所述真空腔室。
5.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述上极板的末端和所述下极板的末端均安装有金属屏蔽罩。
6.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述上极板和所述下极板分别设有接线柱，用于实现单频、双频、不同频率、不同电极的多种组合等离子体放电条件。
7.根据权利要求1所述的等离子源装置，其特征在于，所述真空腔室的腔壁上的多个诊断窗口为石英诊断窗口，所述石英诊断窗口与所述真空腔室的腔壁通过密封法兰密封。
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