CN109698107B - 表面波等离子体设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面波等离子体设备，包括矩形波导、同轴转换单元、谐振腔和反应腔室，矩形波导通过同轴转换单元向谐振腔传输微波能量。该同轴转换单元包括第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构，其中，第一渐变结构设置在矩形波导与同轴结构之间；第二渐变结构设置在同轴结构与谐振腔之间；并且，第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构同轴设置。本发明提供的表面波等离子体加工设备，其可以更容易地实现阻抗匹配，同时减少微波能量损耗，提高耦合效率。

Description

表面波等离子体设备
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种表面波等离子体设备。
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。
现有的表面波等离子体加工设备主要包括矩形波导、同轴转换单元、谐振腔和反应腔室，其中，矩形波导通过同轴转换单元向谐振腔传输微波能量。该同轴转换单元包括同轴的圆筒体和圆柱体，其中，圆柱体为螺钉探针，其自矩形波导的上方竖直向下依次穿过矩形波导和圆筒体，并延伸至谐振腔内。微波首先在矩形波导中形成均匀分布的主模为TE10模式的驻波，然后通过圆柱体传输至谐振腔内。在此过程中，同轴的圆筒体和圆柱体可以将微波从TE10模式转化为TEM模式。
现有的表面波等离子体加工设备在实际应用中不可避免地存在以下问题，即：由于上述圆筒体和圆柱体分别与矩形波导和谐振腔的连接处是不连续的，这会产生反射波，导致无法实现阻抗匹配；同时，这种结构也容易因发生激变而引发高次模，如TE1n模和TM模，导致耦合效率降低。
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，其可以更容易地实现阻抗匹配，同时减少微波能量损耗，提高耦合效率。
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，包括矩形波导、同轴转换单元、谐振腔和反应腔室，所述矩形波导通过所述同轴转换单元向所述谐振腔传输微波能量，所述同轴转换单元包括第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构，其中，所述第一渐变结构设置在所述矩形波导与所述同轴结构之间；所述第二渐变结构设置在所述同轴结构与所述谐振腔之间；并且，所述第一渐变结构、所述同轴结构和所述第二渐变结构同轴设置。
优选的，所述矩形波导包括与所述同轴结构相对应的第一开口；
所述第一渐变结构包括第一圆锥体，所述第一圆锥体竖直设置在所述矩形波导的内壁上，且所述第一圆锥体的下端位于所述第一开口处，并且所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小。
优选的，所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小被设置为：使所述第一圆锥体的阻抗采用指数渐变或者三角形渐变的形式由上而下逐渐减小。
优选的，所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小被设置为：使所述第一圆锥体的阻抗采用指数渐变的形式由上而下逐渐减小；
所述第一圆锥体的阻抗满足下述公式：
Z(L)＝Z0eαL
其中，Z(L)为所述第一圆锥体在Z等于指数渐变线长度处的阻抗；L为数渐变线长度；Z0为所述第一圆锥体的下端处的阻抗；α为传播常数；
通过设定所述数渐变线长度和所述传播常数，来减少高次模反射。
优选的，所述同轴结构包括同轴的圆筒体和圆柱体，且所述圆柱体位于所述圆筒体内；其中，
所述圆柱体的上端与所述第一渐变结构的下端连接；所述圆筒体的上端与所述矩形波导连接。
优选的，所述第二渐变结构包括同轴的圆锥筒体和第二圆锥体，其中，
所述圆锥筒体的上端与所述圆筒体的下端连接；所述圆锥筒体的下端与设置在所述谐振腔顶部的第二开口的边缘连接；
所述第二圆锥体的上端与所述圆柱体的下端连接，所述第二圆锥体的下端通过所述第二开口延伸至所述谐振腔内，并且所述第二圆锥体的直径由上而下逐渐增大。
优选的，所述第二圆锥体的上端半径与所述圆柱体的直径相等；所述第二圆锥体的下端半径满足以下公式：
c＝sR/(0.5d)
其中，c为经验值；sR为所述第二圆锥体的下端半径；d为所述圆锥筒体的内径；
通过设定所述经验值，来减少高次模反射。
优选的，所述经验值的取值范围在1.2～2。
优选的，通过设定所述第二圆锥体的轴向长度，来减少高次模反射。
优选的，所述同轴转换单元还包括连接结构，所述连接结构用于将所述圆柱体的上端与所述第一圆锥体的下端固定在一起。
优选的，所述连接结构包括片状圆柱体，且所述片状圆柱体的直径与所述圆柱体的直径一致。
优选的，在所述圆筒体中设置有调谐器，所述调谐器与所述圆柱体连接，用于使在所述圆柱体与所述第二圆锥体的连接处两侧的阻抗一致。
优选的，在所述谐振腔与所述反应腔室之间设置有使二者相隔离的金属板，且在所述金属板中设置有多个介质窗，多个所述介质窗相对于所述谐振腔的竖直轴线对称分布；
在所述谐振腔内竖直设置有多个金属探针，且多个所述金属探针一一对应地位于多个所述介质窗的上方，并且多个所述金属探针的上端与所述谐振腔的顶部连接。
优选的，所述介质窗采用朝向所述反应腔室凹进的凹槽结构，且所述金属探针的下端位于所述凹槽中。
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，其同轴转换单元包括第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构，且第一渐变结构设置在矩形波导与同轴结构之间；第二渐变结构设置在同轴结构与谐振腔之间，并且，第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构同轴设置。第一渐变结构和第二渐变结构均用于通过使阻抗沿微波传输方向发生渐变，来减少高次模反射，从而可以更容易地实现阻抗匹配，同时减少微波能量损耗，提高耦合效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的剖视图；
图2为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的局部放大图。
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。
请一并参阅图1和图2，本发明实施例提供的表面波等离子体设备，其包括微波传输机构、同轴转换单元9、谐振腔11和反应腔室18，其中，在反应腔室18内设置有支撑台19，用于承载基片。微波传输机构包括电源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、矩形波导8和短路活塞10。其中，电源1、微波源(磁控管)2和谐振器3实现大功率微波的提供，微波源2的频率通常可以为5.8GHZ、2.45GHz、915MHz和300MHz等等。换流器4和负载5用于吸收反射功率。短路活塞10用于调整矩形波导8内的驻波分布。
矩形波导8通过同轴转换单元9向谐振腔11传输微波能量。该同轴转换单元9还用于将矩形波导8中传播的微波从TE模转换为TM模。具体地，该同轴转换单元9包括第一渐变结构12、同轴结构14和第二渐变结构15，其中，第一渐变结构12设置在矩形波导8与同轴结构14之间；第二渐变结构15设置在同轴结构14与谐振腔11之间；并且，第一渐变结构12、同轴结构14和第二渐变结构15同轴设置；第一渐变结构12和第二渐变结构15均用于通过使阻抗沿微波传输方向发生渐变，来减少高次模反射。
借助上述第一渐变结构12和第二渐变结构15，可以解决因同轴转换单元9与矩形波导8的连接处以及同轴转换单元9与谐振腔11的连接处是不连续的而产生反射波的问题，从而可以更容易地实现阻抗匹配，同时可以减少微波能量损耗，提高耦合效率。而且，借助上述第一渐变结构12和第二渐变结构15，还可以改善场强集中问题，提高功率容量。
在本实施例中，矩形波导8包括与同轴结构14相对应的第一开口；第一渐变结构12包括第一圆锥体，该第一圆锥体竖直设置在矩形波导8的内壁上，且第一圆锥体的下端位于上述第一开口处，并且第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小。这样，第一圆锥体相当于渐变阻抗变换器，用于使反射系数的峰值能够沿微波的传输方向逐渐降低，从而能够更容易地实现阻抗匹配。
上述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小被设置为：使第一圆锥体的阻抗采用指数渐变或者三角形渐变的形式由上而下逐渐减小。这样，可以更方便地计算得到反射系数，以根据该反射系数设定第一圆锥体的相关参数，达到减少失配的目的。
针对上述使第一圆锥体的阻抗采用指数渐变的形式由上而下逐渐减小的情况，可以使第一圆锥体的阻抗满足下述公式：
Z(L)＝Z0eαL
其中，Z(L)为第一圆锥体在Z等于指数渐变线长度处的阻抗；L为数渐变线长度；Z0为第一圆锥体的下端处的阻抗；α为传播常数。
通过设定数渐变线长度L和传播常数α，即可减少高次模反射，从而可以更方便地设定第一圆锥体的相关参数，达到减少失配的目的。
在本实施例中，同轴转换单元9还包括连接结构13，该连接结构13用于将圆柱体142的上端与第一圆锥体的下端固定在一起。优选的，连接结构包括片状圆柱体，且该片状圆柱体的直径与圆柱体142的直径一致。这样，连接结构13在起到固定作用的同时，还可以起到阻抗的过渡作用。
在本实施例中，同轴结构14包括同轴的圆筒体141和圆柱体142，且该圆柱体142位于圆筒体141内；其中，圆柱体142的上端与上述第一渐变结构12(即，第一圆锥体)的下端连接；圆筒体142的上端与矩形波导8连接。
第二渐变结构15包括同轴的圆锥筒体151和第二圆锥体152，其中，圆锥筒体151的上端与上述圆筒体141的下端连接；圆锥筒体151的下端与设置在谐振腔11顶部的第二开口的边缘连接；第二圆锥体152的上端与上述圆柱体141的下端连接，第二圆锥体152的下端通过上述第二开口延伸至谐振腔11内，并且第二圆锥体的直径由上而下逐渐增大。
当需要谐振腔11中传播的微波为TM0n模时，利用同轴结构14可以激励起TM0n模和TEM模，同时会有TM0n模的高次模的反射。借助上述第二渐变结构15，可以消除这种高次模的反射。
具体地，第二圆锥体152的上端半径与圆柱体142的直径相等；第二圆锥体152的下端半径满足以下公式：
c＝sR/(0.5d)
其中，c为经验值；sR为第二圆锥体152的下端半径；d为圆锥筒体151的内径。
通过设定上述经验值c，可以减少高次模反射。通过选择合适的经验值c，可以使转换效率最大可达到95％以上，从而可以更快捷地实现阻抗匹配，经验值c的取值范围可以在1.2～2。
优选的，通过设定第二圆锥体152的轴向长度，来减少高次模反射。具体地，第二圆锥体152的轴向长度越大，则转换效率越高，并且该第二圆锥体152的轴向长度在增大到一定数值时，转换效率达到趋于饱和。
优选的，在圆筒体141中设置有调谐器20，该调谐器20与圆柱体142连接，用于使在圆柱体142与第二圆锥体151的连接处两侧的阻抗一致。该调谐器可以为柱体，且采用与圆柱体142的材料相同的材料制作，并通过焊接与圆柱体142固定连接。
在本实施例中，在谐振腔11与反应腔室18之间设置有使二者相隔离的金属板21，且在该金属板21中设置有多个介质窗17，多个介质窗17相对于谐振腔11的竖直轴线对称分布。并且，在谐振腔11内竖直设置有多个金属探针16，且多个金属探针16一一对应地位于多个介质窗17的上方，并且多个金属探针16的上端与谐振腔11的顶部连接。
上述介质窗17通常采用石英材料制作，其用于将微波能量传输至反应腔室18中。借助上述金属探针16，可以提高介质窗17表面的电场强度，对其附近的离子进行加速，从而可以增加轰击基片表面的离子能量，提高刻蚀效率。
优选的，介质窗17采用朝向反应腔室18凹进的凹槽结构，且金属探针16的下端位于该凹槽中。凹槽结构的介质窗17相对于现有的平板结构，可以有效增大微波能量的传输面积，而且由于金属探针16的下端位于该凹槽中，这可以减少微波在传播过程的能量损失，有助于进一步提高介质窗17表面的电场强度。
综上所述，本发明提供的表面波等离子体加工设备，其同轴转换单元包括第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构，且第一渐变结构设置在矩形波导与同轴结构之间；第二渐变结构设置在同轴结构与谐振腔之间。第一渐变结构和第二渐变结构均用于通过使阻抗沿微波传输方向发生渐变，来减少高次模反射，从而可以更容易地实现阻抗匹配，同时减少微波能量损耗，提高耦合效率。
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 (14)

1.一种表面波等离子体设备，包括矩形波导、同轴转换单元、谐振腔和反应腔室，所述矩形波导通过所述同轴转换单元向所述谐振腔传输微波能量，其特征在于，所述同轴转换单元包括第一渐变结构、同轴结构和第二渐变结构，其中，所述第一渐变结构设置在所述矩形波导与所述同轴结构之间；所述第二渐变结构设置在所述同轴结构与所述谐振腔之间；并且，所述第一渐变结构、所述同轴结构和所述第二渐变结构同轴设置。
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，所述矩形波导包括与所述同轴结构相对应的第一开口；
所述第一渐变结构包括第一圆锥体，所述第一圆锥体竖直设置在所述矩形波导的内壁上，且所述第一圆锥体的下端位于所述第一开口处，并且所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小被设置为：使所述第一圆锥体的阻抗采用指数渐变或者三角形渐变的形式由上而下逐渐减小。
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，所述第一圆锥体的直径由上而下逐渐减小被设置为：使所述第一圆锥体的阻抗采用指数渐变的形式由上而下逐渐减小；
所述第一圆锥体的阻抗满足下述公式：
Z(L)＝Z0eαL
其中，Z(L)为所述第一圆锥体在Z等于指数渐变线长度处的阻抗；L为数渐变线长度；Z0为所述第一圆锥体的下端处的阻抗；α为传播常数；
通过设定所述数渐变线长度和所述传播常数，来减少高次模反射。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述同轴结构包括同轴的圆筒体和圆柱体，且所述圆柱体位于所述圆筒体内；其中，
所述圆柱体的上端与所述第一渐变结构的下端连接；所述圆筒体的上端与所述矩形波导连接。
6.根据权利要求5所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述第二渐变结构包括同轴的圆锥筒体和第二圆锥体，其中，
所述圆锥筒体的上端与所述圆筒体的下端连接；所述圆锥筒体的下端与设置在所述谐振腔顶部的第二开口的边缘连接；
所述第二圆锥体的上端与所述圆柱体的下端连接，所述第二圆锥体的下端通过所述第二开口延伸至所述谐振腔内，并且所述第二圆锥体的直径由上而下逐渐增大。
7.根据权利要求6所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述第二圆锥体的上端半径与所述圆柱体的直径相等；所述第二圆锥体的下端半径满足以下公式：
c＝sR/(0.5d)
其中，c为经验值；sR为所述第二圆锥体的下端半径；d为所述圆锥筒体的内径；
通过设定所述经验值，来减少高次模反射。
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，所述经验值的取值范围在1.2～2。
9.根据权利要求6所述的表面波等离子体设备，其特征在于，通过设定所述第二圆锥体的轴向长度，来减少高次模反射。
10.根据权利要求5所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述同轴转换单元还包括连接结构，所述连接结构用于将所述圆柱体的上端与所述第一圆锥体的下端固定在一起。
11.根据权利要求10所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述连接结构包括片状圆柱体，且所述片状圆柱体的直径与所述圆柱体的直径一致。
12.根据权利要求6所述的表面波等离子体设备，其特征在于，在所述圆筒体中设置有调谐器，所述调谐器与所述圆柱体连接，用于使在所述圆柱体与所述第二圆锥体的连接处两侧的阻抗一致。
13.根据权利要求1所述的表面波等离子体设备，其特征在于，在所述谐振腔与所述反应腔室之间设置有使二者相隔离的金属板，且在所述金属板中设置有多个介质窗，多个所述介质窗相对于所述谐振腔的竖直轴线对称分布；
在所述谐振腔内竖直设置有多个金属探针，且多个所述金属探针一一对应地位于多个所述介质窗的上方，并且多个所述金属探针的上端与所述谐振腔的顶部连接。
14.根据权利要求13所述的表面波等离子体设备，其特征在于，所述介质窗采用朝向所述反应腔室凹进的凹槽结构，且所述金属探针的下端位于所述凹槽中。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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