CN110113856A - 一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，包括反应腔室，反应腔室上设有进气端和出气端；进气端与用于通入反应气体的第二支管连通；反应腔室还与用于通入惰性气体的第一支管连通；出气端设置有抽气装置；反应腔室上相对靠近进气端的外壁上缠绕有线圈，线圈与射频电源A相连接，射频电源A与线圈之间还连接有用于调节阻抗的匹配器A，反应腔室内相对靠近进气端处设有金属电极，金属电极与射频电源B相连接，射频电源B与金属电极之间连接有用于调节阻抗的匹配器B；反应腔室内还设置有用于放置待改性样品的样品台，样品台通过位置调节机构在反应腔室内往复移动；样品台导电且接地。本装置结构简单，制作价格低廉，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于微电子加工技术领域，涉及一种等离子体反应器，尤其涉及一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器及其使用方法。
背景技术
等离子体反应器可以产生高能等离子体，被广泛应用于材料表面改性及表面处理等领域。在微电子加工技术领域中，超大规模集成电路制造工艺有近三分之一的工序是借助等离子体加工技术完成的，如等离子体刻蚀、等离子体薄膜沉积以及等离子体去胶等。应用在等离子体刻蚀的等离子体源主要有单频或双频容性耦合等离子体源(CCP)和感性耦合等离子体源(ICP)等。在刻蚀工艺中，CCP由于电子及离子能量较高主要应用于SiO2等介质的刻蚀；而ICP由于具有高密度低离子能量的特点，主要应用于半导体材料以及金属材料的刻蚀，如Si和Cu刻蚀。
现有射频等离子体反应器一般采用感性耦合等离子体源或者为容性耦合等离子体源中的一种作为等离子体源，如申请号为201520949108.5和201410684085.X的专利申请分别公开了一种低真空低温射频容性耦合等离子体反应器和一种低真空低温射频感性耦合等离子体反应器，但是设计和加工一个固定尺寸的反应性腔室制作工序繁琐，制造周期长，体积大，仪器笨重，成本太高，而且对应CCP和ICP两种工艺要至少设计两套反应性腔室。
为了解决这个问题，申请号为201310521255.8的中国专利公开了一种射频等离子体反应室，这种射频等离子体反应室包括设置在真空腔室中的上基片台和下基片台，上基片台通过上支撑筒固定在密封盖上的上基片台固定装置上，上基片台采用容性耦合基片台或感性耦合基片台；下基片台通过下基片台轴向位置调节机构固定在底板上，调整调节螺母时，移动法兰在导向杆上滑动，使波纹管变形，位于波纹管内的下支撑筒移动，改变与下支撑筒连接在一起的下基片台与上基片台之间的距离。从而该等离子体反应器能够根据不同的工艺需求，选择不同的等离子体产生区的直径、高度及放电模式，能够优化半导体器件加工设备的设计和制造，缩短不同工艺所需等离子体反应器的研制周期。但是现有技术中鲜有将两种耦合复合在一起共同产生等离子体的等离子体反应器。
发明内容
本发明的目的一在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，该设备将感性耦合等离子体源和为容性耦合整合到一台设备中，共同产生等离子体。
为了实现上述目的一，本发明提供如下技术方案：
一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，包括反应腔室，反应腔室上设有进气端和出气端；反应腔室的进气端与用于通入反应气体的第二支管连通；反应腔室还与用于通入惰性气体的第一支管连通；反应腔室的出气端连通设置有抽气装置；反应腔室上相对靠近进气端的外壁上缠绕有线圈，线圈与一射频电源A相连接，射频电源A与线圈之间还连接有用于调节阻抗的匹配器A，反应腔室内相对靠近进气端处设有金属电极，金属电极与一射频电源B相连接，射频电源B与金属电极之间连接有用于调节阻抗的匹配器B；反应腔室内还设置有用于放置待改性样品的样品台，样品台通过一位置调节机构在反应腔室内往复移动从而靠近或远离金属电极；样品台导电。
如此设置，射频电源A与射频电源B同时工作，能够将感性耦合等离子体源和为容性耦合整合到一台设备中，共同产生等离子体对样品表面进行处理。而射频电源A与射频电源B分别单独工作，又可以作为传统的射频感性耦合等离子体反应器或射频容性耦合等离子体反应器工作。一个装置同时具有多种表面处理功能，且结构简单，制作价格低廉，操作方便。
进一步地，进气端与一进气总管连通；第一支管和第二支管均连接至一气体混合室，气体混合室与进气总管连接。
如此设置，将惰性气体与反应气体混合均匀后再通入反应腔室，能够提高放电反应的稳定性。
进一步地，反应腔室内部设置有气体导流栅，气体导流栅位于金属电极和进气总管之间。
如此设置，气流在反应腔室内均匀分布。
进一步地，第一支管和第二支管沿其进气方向上均依次设置有针阀和流量计；匹配器A和匹配器B上设有用于显示电容值的显示屏。
如此设置，采用针阀和流量计来调节和观测气流，可以随时根据工艺的需求来调节流速以及流量比。
进一步地，线圈上设置有对线圈进行降温的水冷系统，线圈上设置有绝缘层，水冷系统包括套在线圈外的水管、设于水管与绝缘层之间的冷却水以及驱动冷却水循环的驱动装置。
进一步地，反应腔室的进气端和出气端分别设于反应腔室的顶端与底端，反应腔室的上下两端的开口分别通过一橡胶塞封住，进气总管的一端穿过进气端的橡胶塞并与反应腔室内部连通；金属电极通过一绝缘法兰固定在进气端的橡胶塞上，并与设置在反应腔室外的射频电源B和匹配器B连接。
进一步地，抽气装置包括抽气管和与抽气管相连接的机械泵，抽气管穿过出气端的橡胶塞并与反应腔室内部连通；抽气管上设置有真空计。
进一步地，样品台通过位置调节机构在反应腔室内上下移动，位置调节机构包括设在反应腔室底部的橡胶塞内的螺帽，螺帽内设置有相匹配的螺纹杆，样品台设置在螺纹杆在反应腔室内的端部；样品台、螺帽和螺纹杆均采用导电材料制备而成；螺纹杆接地。
进一步地，螺纹杆在反应腔室外的下部连接有无螺纹的导电竖杆，导电竖杆通过一导电旋紧螺帽固定连接在一导电套筒上，导电套筒安装在一导电底座上，导电底座与大地接触良好；反应腔室下部内表面贴有导电薄纸，导电薄纸与螺纹杆导电连接；反应腔室的外壁上设置有固定夹，固定夹的一端固定在一铁架台上。
如此设置，位置调节机构与导电薄纸共同构成一个电极。
本发明的目的二在于提供一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器。其具体技术方案如下：
一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器的使用方法，包括如下步骤：
SS、通过调整样品台(51)的高度，找到改性样品反应所需的高度；
S1、在样品台(51)上放置待改性样品(52)，开启抽气装置，将反应腔室(1)内气压抽至低于1×10-3Pa；
S2、通过第一支管(21)通入惰性气体，使反应腔室(1)内气压达到1-10Pa；
S3、打开射频电源A(31)，把射频电源A(31)电压调至100-500V之间，调节电源匹配器A(32)，使线圈达到反射能量最少，入射能量最多，使气体放电；
S4、打开射频电源B(81)，把射频电源B(81)电压调至100-500V之间，调节电源匹配器B(82)，当线圈达到反射能量最少，入射能量最多，感性与容性共同耦合产生等离子体；
S5、通过第二支管(22)充入反应气体，以在反应腔室(1)内产生包括正负带电粒子和中性粒子的低温等离子体；通过控制设置在第一支管(21)和第二支管(22)上的流量计和针阀将惰性气体与反应气体的比例调节到9∶1至1∶9之间；
步骤S3之前，还包括步骤S0、所述步骤S0为，开启线圈的水冷系统。
与现有的测试设备相比，本发明具有如下有益技术效果：提供一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器及其使用方法，将感性耦合等离子体源和为容性耦合整合到一台设备中，共同产生等离子体，该等离子体反应器结构简单，制作价格低廉，操作方便。
附图说明
图1为本发明的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器的整体结构示意图。
其中，1、反应腔室；11、橡胶塞；12、气体导流栅；2、进气总管；21、第一支管；22、第二支管；23、针阀；24、流量计；25、气体混合室；3、线圈；31、射频电源A；32、匹配器A；4、水冷系统；41、水管；5、螺纹杆；51、样品台；52、待改性样品；53、螺帽；54、导电竖杆；55、导电旋紧螺帽；56、导电套筒；57、导电底座；58、导电薄纸；6、铁架台；61、固定夹；7、抽气管；71、机械泵；72、真空计；8、金属电极；81、射频电源B；82、匹配器B；83、绝缘法兰。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
实施例1：
图1示出了本发明实施例1的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器的结构。
如图1所示，一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，包括反应腔室1，反应腔室上1设有进气端和出气端。反应腔室1的进气端与用于通入反应气体的第二支管22连通，反应腔室1还与用于通入惰性气体的第一支管21连通。反应腔室1的出气端连通设置有抽气装置。反应腔室1上相对靠近进气端的外壁上缠绕有线圈3，线圈3与一射频电源A31相连接，射频电源A31与线圈3之间还连接有用于调节阻抗的匹配器A32，反应腔室1内相对靠近进气端处设有金属电极8，金属电极8与一射频电源B81相连接，射频电源B81与金属电极8之间连接有用于调节阻抗的匹配器B82。匹配器A32和匹配器B82上设有用于显示电容值的显示屏。反应腔室1内还设置有用于放置待改性样品52的样品台51，样品台51通过一位置调节机构在反应腔室1内往复移动从而靠近或远离金属电极8；样品台51导电且接地。
作为优选的实施例，在本实施例中，反应腔室1为石英玻璃管，石英玻璃管的进气端和出气端分别设于反应腔室1的顶端与底端，即石英玻璃管竖直设置且上下开口。石英玻璃管上下两端的开口分别通过一绝缘的橡胶塞11封住。
在本实施例中，第一支管21和第二支管22均连接至一气体混合室25，石英玻璃管的进气端的橡胶塞11内连接有一进气总管2，进气总管2与气体混合室25连接，惰性气体与反应气体分别从第一支管21和第二支管22进入气体混合室25混合均匀后，通过进气总管2进入石英玻璃管内。在另外的实施例中，第一支管21和第二支管22可以分别穿过石英玻璃管的进气端的橡胶塞11并与石英玻璃管内部连通。在另外的实施例中，第一支管21还可以与石英玻璃管上区别于进气端和出气端的惰性气体入口连接并与石英玻璃管内部连通。
本实施例中，惰性气体为氩气，当然也可以是其他符合要求的惰性气体。第一支管21和第二支管22沿其进气方向上均依次设置有针阀23和流量计24，可以针对多种不同的工艺调节和测试流量。金属电极8和进气总管2之间的石英玻璃管内部还设置有气体导流栅12，使气流在石英玻璃管内均匀分布。在极端的实施例中，可以不设置针阀23和流量计24，针对特定工艺按计量通入氩气和反应气体即可。
本实施例中，抽气装置包括抽气管7和与抽气管7相连接的机械泵71，抽气管7穿过出气端的橡胶塞11并与石英玻璃管内部连通，抽气管7上设置有真空计72。除此之外，抽气装置也可以使用其他任意结构，只要该结构能达到将石英玻璃管内空气抽至所需真空度即可。
本实施例中，线圈3上设置有对线圈3进行降温的水冷系统4，线圈3上设置有绝缘层，水冷系统4包括套在线圈3外的水管41、设于水管41与绝缘层之间的冷却水以及驱动冷却水循环的驱动装置。水冷系统4的结构不限于此，如水管41可以套设在单根线圈3外也可以套设在多根线圈3形成的线圈3阵列外部，能达到给线圈降温效果即可。
金属电极8通过一绝缘法兰83固定在石英玻璃管顶端的橡胶塞11上，并与设置在石英玻璃管外的射频电源B81和匹配器B82连接。
样品台51通过位置调节机构在石英玻璃管内上下移动，位置调节机构包括设在石英玻璃管底部的橡胶塞11内的螺帽53，螺帽53内设置有相匹配的螺纹杆5，样品台51设置在螺纹杆5在石英玻璃管内的端部。样品台51、螺帽53和螺纹杆5均采用导电材料制备而成，优选地，采用金属材料制备而成。螺纹杆5在石英玻璃管外的下部连接有无螺纹的导电竖杆54，导电竖杆54通过一导电旋紧螺帽55固定连接在一导电套筒56上，导电套筒56安装在一导电底座57上，导电底座57与大地接触良好。石英玻璃管下部内表面贴有导电薄纸58，导电薄纸58与螺纹杆5导电连接，位置调节机构与导电薄纸58共同构成一个电极。在本实施例中，导电竖杆54、导电旋紧螺帽55、导电套筒56、导电底座57、导电薄纸58均采用金属材料制成，从而构成另一个电极。应当说明的是，我们不排除用其他导电材料制备样品台51、螺帽53、螺纹杆5、导电竖杆54、导电旋紧螺帽55、导电套筒56、导电底座57以及导电薄纸58的可能性。
在本实施例中，石英玻璃管通过铁架台6固定。具体地，石英玻璃管的外壁上设置有固定夹61，固定夹61的一端固定在一铁架台6上，通过铁架台6调节石英玻璃管的高度从而调节样品台51与金属电极8之间的距离。
实施例2：
一种低真空低温射频复合耦合等离子体反应器的使用方法：
S0、线圈的水冷系统；
S1、在样品台上放置待改性样品，开启机械泵，将石英玻璃管内气压抽至低于1×10-3Pa；
SS、通过调整样品台的高度，找到一个改性样品反应最佳的高度；
S2、通过第一支管通入氩气，通过控制流量计和针阀使石英玻璃管内气压达到1-10Pa之间；
S3、打开射频电源A，把射频电源A电压调至100-500V之间，缓慢调节电源匹配器A的两个电容，当线圈达到反射能量最少，入射能量最多，即耦合到反应器中能量最大化时，使气体放电；
S4、待气体放电达到稳定后，打开射频电源B，把射频电源B电压调至100-500V之间，调节电源匹配器B的两个电容，通过两个电极耦合到反应器中能量最大化时，当线圈达到反射能量最少，入射能量最多，此时实现感性与容性共同耦合产生等离子体；
S5、待气体放电再次达到稳定后，再通过第二支管充入反应气体，通过控制流量计和针阀使氩气与反应气体的比例，调节到9∶1至1∶9范围之间的任一实验所需数值，最终在发生器中产生由大量正负带电粒子和中性粒子组成的所需低温等离子体。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，包括反应腔室(1)，所述反应腔室(1)上设有进气端和出气端；其特征在于，所述反应腔室(1)的进气端与用于通入反应气体的第二支管(22)连通；所述反应腔室(1)还与用于通入惰性气体的第一支管(21)连通；所述反应腔室(1)的出气端连通设置有抽气装置；所述反应腔室(1)上相对靠近进气端的外壁上缠绕有线圈(3)，所述线圈(3)与一射频电源A(31)相连接，所述射频电源A(31)与线圈(3)之间还连接有用于调节阻抗的匹配器A(32)，所述反应腔室(1)内相对靠近进气端处设有金属电极(8)，所述金属电极(8)与一射频电源B(81)相连接，所述射频电源B(81)与金属电极(8)之间连接有用于调节阻抗的匹配器B(82)；所述反应腔室(1)内还设置有用于放置待改性样品(52)的样品台(51)，所述样品台(51)通过一位置调节机构在反应腔室(1)内往复移动从而靠近或远离金属电极(8)；所述样品台(51)导电。
2.根据权利要求1所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述进气端与一进气总管(2)连通；所述第一支管(21)和第二支管(22)均连接至一气体混合室(25)，所述气体混合室(25)与进气总管(2)连接。
3.根据权利要求2所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述反应腔室(1)内部设置有气体导流栅(12)，所述气体导流栅(12)位于金属电极(8)和进气总管(2)之间。
4.根据权利要求1所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述第一支管(21)和第二支管(22)沿其进气方向上均依次设置有针阀(23)和流量计(24)；所述匹配器A(32)和匹配器B(82)上设有用于显示电容值的显示屏。
5.根据权利要求1所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述线圈(3)上设置有对线圈(3)进行降温的水冷系统(4)，所述线圈(3)上设置有绝缘层，所述水冷系统(4)包括套在线圈(3)外的水管(41)、设于水管(41)与绝缘层之间的冷却水以及驱动冷却水循环的驱动装置。
6.根据权利要求1所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述反应腔室(1)的进气端和出气端分别设于反应腔室(1)的顶端与底端，所述反应腔室(1)的上下两端的开口分别通过一橡胶塞(11)封住，所述进气总管(2)的一端穿过进气端的橡胶塞(11)并与反应腔室(1)内部连通；所述金属电极(8)通过一绝缘法兰(83)固定在进气端的橡胶塞(11)上，并与设置在反应腔室(1)外的射频电源B(81)和匹配器B(82)连接。
7.根据权利要求6所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述抽气装置包括抽气管(7)和与抽气管(7)相连接的机械泵(71)，所述抽气管(7)穿过出气端的橡胶塞(11)并与反应腔室(1)内部连通；所述抽气管(7)上设置有真空计(72)。
8.根据权利要求6所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述样品台(51)通过位置调节机构在反应腔室(1)内上下移动，所述位置调节机构包括设在反应腔室(1)底部的橡胶塞(11)内的螺帽(53)，所述螺帽(53)内设置有相匹配的螺纹杆(5)，所述样品台(51)设置在螺纹杆(5)在反应腔室(1)内的端部；所述样品台(51)、螺帽(53)和螺纹杆(5)均采用导电材料制备而成；所述螺纹杆(5)接地。
9.根据权利要求8所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器，其特征在于，所述螺纹杆(5)在反应腔室(1)外的下部连接有无螺纹的导电竖杆(54)，所述导电竖杆(54)通过一导电旋紧螺帽(55)固定连接在一导电套筒(56)上，所述导电套筒(56)安装在一导电底座(57)上，导电底座(57)与大地接触良好；所述反应腔室(1)下部内表面贴有导电薄纸(58)，所述导电薄纸(58)与所述螺纹杆(5)导电连接；所述反应腔室(1)的外壁上设置有固定夹(61)，所述固定夹(61)的一端固定在一铁架台(6)上。
10.一种如权利要求1-9中的任意一项所述的低温容性和感性复合耦合射频等离子体反应器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
SS、通过调整样品台(51)的高度，找到改性样品反应所需的高度；
S1、在样品台(51)上放置待改性样品(52)，开启抽气装置，将反应腔室(1)内气压抽至低于1×10-3Pa；
S2、通过第一支管(21)通入惰性气体，使反应腔室(1)内气压达到1-10Pa；
S3、打开射频电源A(31)，把射频电源A(31)电压调至100-500V之间，调节电源匹配器A(32)，使线圈达到反射能量最少，入射能量最多，使气体放电；
S4、打开射频电源B(81)，把射频电源B(81)电压调至100-500V之间，调节电源匹配器B(82)，当线圈达到反射能量最少，入射能量最多，感性与容性共同耦合产生等离子体；
S5、通过第二支管(22)充入反应气体，以在反应腔室(1)内产生包括正负带电粒子和中性粒子的低温等离子体；通过控制设置在第一支管(21)和第二支管(22)上的流量计和针阀将惰性气体与反应气体的比例调节到9∶1至1∶9之间；
所述步骤S3之前，还包括步骤S0、所述步骤S0为，开启线圈的水冷系统。
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