CN110797248A - 表面波等离子体装置和半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面波等离子体装置和半导体处理设备。包括依次相连的微波产生结构、微波传输匹配结构、谐振腔室、介质窗和真空腔室，介质窗朝向真空腔室的一面上设置有介质层，该介质层朝向所述真空腔室的一面为图形化表面，所述图形化表面使得所述介质层朝向所述真空腔室的一面在进行等离子体工艺时具有至少两种介电常数。本发明的表面波等离子体装置，其图形化表面使得所述介质层朝向所述真空腔室的一面在进行等离子体工艺时具有至少两种介电常数，可以有效避免由于微波功率快速吸收引起的等离子体模式跳变和不稳定，提高等离子体均匀性，从而优化工艺结果。

Description

表面波等离子体装置和半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体涉及一种表面波等离子体装置和一种包括该表面波等离子体装置的半导体处理设备。

背景技术

当今先进电子设备制造中，新型等离子体源备受关注。在下一代超大规模集成电路技术中，要求大面积晶圆制程，而大面积晶圆制成则要求在低压条件下产生大直径、高密度的均匀等离子体。一些大型微电子设备，如平板显示器、太阳能电池等则必须提供至少1m直径的大面积等离子体。为满足这些需求，研究人员已经研发了很多不同类型的高效等离子体源：电子回旋共振(ECR，Electron Cyclotron Resonance)等离子体源、螺旋波激发等离子体源及感性耦合等离子体源(ICP，Inductively Coupled Plasma)，以及容性耦合等离子体源(CCP， Capacitively Coupled Plasma)。然而以上等离子体源各有其不足，如 CCP产生的离子密度相对较低、污染严重，ICP产生的等离子体能量损失严重，电子回旋共振(ECR)等离子体源等离子均匀性相对较差，且需要磁场约束，结构复杂，螺旋波激发等离子体源由于其放电不稳定性限制了其使用的范围。因此，未来期望研发一种新型的可替代源，作为下一代等离子体处理技术。其中，表面波等激发离子体源被誉为最有潜力的候选方案之一。

表面波等离子体属于非热平衡等离子体，它利用微波在介质表面附近激发出截止密度以上的等离子体，然后微波将在介质与等离子体间形成表面波，具有一定电场强度的表面波在其传输的范围内可生成和维持高密度的等离子体。由于表面波能量限制于介质与等离子体界面处，是一种不受激励源影响的远程等离子体，相对射频等离子体，具有低电子温度和低损伤的特点。

但是，在相关技术中，当外界环境如功率或者压强改变时，等离子体密度并不是连续变化的，而是从一个驻波共振点跳变到另一个共振点，即模式跳变，这使得工艺过程中等离子体放电不稳定，从而影响工艺结果，如重复性、均匀性等。

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装置和一种包括该表面波等离子体装置的半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种表面波等离子体装置，包括依次相连的微波产生结构、微波传输匹配结构、谐振腔室、介质窗和真空腔室，所述介质窗朝向所述真空腔室的一面上设置有介质层，所述介质层朝向所述真空腔室的一面为图形化表面，所述图形化表面使得所述介质层朝向所述真空腔室的一面在进行等离子体工艺时具有至少两种介电常数。

可选地，所述介质层朝向所述真空腔室的一面间隔设置有若干个凹槽结构，和/或，

所述介质层朝向所述真空腔室的一面间隔设置有若干个孔结构。

可选地，各所述凹槽结构和/或各所述孔结构内填充有相同介电常数的材料；或，

各所述凹槽结构和/或各所述孔结构内填充有至少两种介电常数的材料。

可选地，所述介质窗的横截面呈圆形；

若干个所述凹槽结构为环形凹槽结构，且各所述环形凹槽结构沿所述介质层的径向均匀分布；和/或，

若干个所述孔结构排列形成多环结构，且所述多环结构沿所述介质层的径向均匀分布。

可选地，当所述介质层的表面形成有所述环形凹槽结构时，所述介质窗的等效介电常数满足下述关系式：

ε_eff＝ζε_d+(1-ζ)ε_p；

ζ＝s/ρ；

其中，ε_eff为等效介电常数，ζ为介电填充因子，ε_d为介质窗的介电常数，ε_p为填充在所述环形凹槽结构内的表面波等离子体的介电常数，s为相邻两个所述凹槽结构之间的间隔的宽度，ρ为单个凹槽结构处的宽度。

可选地，各所述凹槽结构和/或各所述孔结构的间隔中，至少一处所述间隔的介电常数与其余所述间隔处的介电常数不同。

可选地，部分所述间隔由石英材料制作形成，另一部分所述间隔由特氟龙材料制作形成。

可选地，所述微波传输匹配结构包括矩形波导、同轴转换单元和短路活塞；其中，

所述短路活塞插设在所述矩形波导的远离所述微波产生结构的一端，以用于改变所述矩形波导内的驻波分布；

所述同轴转换单元插设在所述矩形波导内并延伸至与所述谐振腔室密闭连接，用于将所述矩形波导内的TE波转换为TM波，以使得微波能量馈入所述谐振腔室中。

可选地，所述谐振腔室包括：

慢波板，与所述微波传输匹配结构连接；

狭缝天线，位于所述慢波板的朝向所述真空腔室的一侧，并与所述慢波板连接；

所述介质窗位于所述狭缝天线的朝向所述真空腔室的一侧，并与所述狭缝天线连接。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备，包括前文记载的所述的表面波等离子体装置。

本发明的表面波等离子体装置和半导体处理设备。介质层朝向真空腔室的一面为图形化表面，该图形化表面使得介质层朝向真空腔室的一面在进行等离子体工艺时可以具有至少两种介电常数。这样，在实际应用时，可以根据实际需要，在介质层朝向真空腔室的一面设计由多种介电常数的材料组成图形化表面层结构，从而使得微波密度连续分布，进而可以有效避免因微波功率快速吸收引起的等离子体模式跳变和不稳定，可以使得电子等离子体密度实现均匀分布，提高等离子体均匀性，从而优化工艺结果。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为表面波等离子体装置的结构示意图；

图2为有限边界内的表面驻波示意图；

图3为本发明第一实施例中表面波等离子体装置的结构示意图；

图4为本发明第二实施例中介质层的结构示意图；

图5为本发明第三实施例中等离子体-介质层界面附近电子密度分布示意图；

图6为本发明第四实施例中单一周期单元电子密度分布示意图；

图7a为本发明第五实施例中扩散之前的电子密度分布示意图；

图7b为图7a中电子密度扩散之后的电子密度分布示意图；

图8为发明第六实施例中介质层的结构示意图。

附图标记说明

100：表面波等离子体装置；

110：微波产生结构；

111：供电电源；

112：磁控管；

113：谐振器；

114：环流器；

115：定向耦合器；

116：阻抗调节单元；

117：负载；

120：微波传输匹配结构；

121：矩形波导；

122：同轴转换单元；

122a：锥形过渡单元；

122b：同轴探针；

123：短路活塞；

130：谐振腔室；

131：慢波板；

132：狭缝天线；

140：介质窗；

141：介质层；

141a：凹槽结构；

141b：孔结构；

150：真空腔室。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，示意了一种表面波等离子体装置的结构示意图。该表面波等离子体装置100包括依次相连的微波产生结构110、微波传输匹配结构120、谐振腔室130、介质窗140和真空腔室150。

其中，上述微波产生结构110用于产生形成表面波等离子体的微波，该微波产生结构110可以包括依次连接的供电电源111、磁控管112、谐振器113、环流器114、定向耦合器115和阻抗调节单元 116，其中，环流器114还连接有负载117，其用于吸收反射功率，定向耦合器115用于测量入射功率和反射功率，阻抗调节单元116 通常为多螺钉调谐器。

上述微波传输匹配结构120包括矩形波导121、同轴转换单元 122和短路活塞123，短路活塞123用于调整矩形波导121内的驻波分布，同轴转换单元122用于将矩形波导121传播的TE波转换为TM波，从而将微波能量馈入谐振腔室130中。该同轴转换单元122 包括锥形过渡单元122a和同轴探针122b。

上述谐振腔室130可以包括慢波板131和狭缝天线132。慢波板 131中心开孔，同轴探针122b伸入慢波板131的底部到达狭缝天线 132，将能量馈入到谐振腔室130内，能量在通过狭缝天线132向下辐射传播至介质窗140中，在耦合至真空腔室150产生等离子体，形成表面波的边界条件。

上述结构的表面波等离子体装置100中，电子等离子体频率满足下述关系式：

ω_p＝(n_eq²/ε₀m_e)^1/2 (1)

其中，ω_p为电子等离子体频率，n_e为等离子体密度，q为电子所带电荷，ε₀为真空介电常数，m_e为电子质量。

对于无限介质层和无限均匀等离子体，表面波扩散方程可以写为：

其中，β为介质窗-等离子体界面的波数，ω为波频率，c为光速，ε_d为介质窗的介电常数，ε_p为等离子体介电常数，n_e为电子等离子体密度，n_c为截止密度。

表面波的波长取决于电子密度，当共振发生时，也即β→∞，ε_d＝ε_p，也可以写为n_e＝n_c(1+ε_d)，称为表面波共振密度。但是在实际表面波等离子体中，表面波沿着介质窗—等离子体界面传播尺寸通常是有限的。如果传播尺寸只有几个波长，并且小于吸收波长，那么表面波将从边界返回，形成驻波形式(如图2中的A处所示)。由于边界条件只允许一些离散的表面波波数，对于电子密度来说，在固定频率，如2.45GHz，则只允许一些离散的电子密度，称驻波共振密度。例如，对于图2中的一个二维情况，波数被限制为β＝nπ/L，n＝1,2...。由此，驻波共振密度可表示为：

其中，λ₀为自由空间波长。由此可以看出，当外界环境如功率或者压强改变时，等离子体密度并不是连续变化的，而是从一个驻波共振点跳变到另一个共振点，即模式跳变，这使得工艺过程中等离子体放电不稳定，从而影响工艺结果，如重复性、均匀性等。

基于此，本发明的发明人设计了一种新型的表面波等离子装置，以期克服前文记载的表面波等离子装置存在的相关缺陷。

具体地，如图3所示，本发明的第一方面，涉及一种表面波等离子体装置100，该等离子体装置100包括依次相连的微波产生结构 110、微波传输匹配结构120、谐振腔室130、介质窗140和真空腔室 150。

其中，上述微波产生结构110可以与前文记载的微波产生结构 110相同，在此不作赘述。当然，该微波产生结构110还可以是其他的一些能够产生微波的结构，在此并不作限定。

上述介质窗140朝向真空腔室150的一面上设置有介质层141，该介质层141朝向真空腔室150的一面为图形化表面，该图形化表面使得介质层141朝向真空腔室150的一面在进行等离子体工艺时具有至少两种介电常数。

本实施例结构的表面波等离子体装置100，其介质层141朝向真空腔室150的一面为图形化表面，该图形化表面使得介质层141朝向真空腔室150的一面在进行等离子体工艺时可以具有至少两种介电常数。这样，在实际应用时，可以根据实际需要，在介质层141朝向真空腔室150的一面设计由多种介电常数的材料组成图形化表面层结构，从而使得微波密度连续分布，进而可以有效避免因微波功率快速吸收引起的等离子体模式跳变和不稳定，从而可以使得电子等离子体密度实现均匀分布，提高等离子体均匀性，优化工艺结果。

作为介质层141的图形化表面的第一种具体结构，如图3和图4 所示，介质层141朝向真空腔室150的一面间隔设置有若干个凹槽结构141a，这样，在表面波等离子体装置100在进行等离子体工艺时，所产生的表面波等离子体可以填充在该若干个凹槽结构141a内，从而可以使得凹槽结构141a处的介电常数不同于介质层141其他地方 (例如，凹槽结构141a之间的间隔)处的介电常数，进而可以使得介质层141朝向真空腔室150的一面形成两种介电常数。

需要说明的是，上述若干个凹槽结构141a除了可以填充表面波等离子体以外，还可以填充其他的一些介电材料，并且，各凹槽结构 141a可以填充有相同介电常数的材料或者填充有不同介电常数的材料。

具体地，如图4所示，介质窗140的横截面可以呈圆形，若干个凹槽结构141a可以为环形凹槽结构，且各环形凹槽结构沿介质层 141的径向均匀分布。也就是说，在介质层141的底面开周期性环形凹槽结构，由介质层141中心向外，等间距周期向外形成环形凹槽结构，从而可以在介质层141与等离子体之间形成波纹等离子体-介质界面。

上述所形成的波纹等离子体-介质界面可以看做一种均匀同质的媒介质，其有效介电常数可写为：

ε_eff＝ζε_d+(1-ζ)ε_p (4)

ζ＝s/ρ (5)

其中，ε_eff为等效介电常数，ζ为介电填充因子，ε_d为介质层的介电常数，ε_p为填充在环形凹槽结构内的表面波等离子体的介电常数，s为相邻两个凹槽结构之间的间隔的宽度，ρ为单个凹槽结构处的宽度。

显然，对于上述结构，存在两个表面波共振点，一个是沿着波纹等离子体-介质层的上一侧界面，其表面波等离子体的介电常数满足ε_p'＝-[(1+ζ)/(1-ζ)]ε_d，另一个沿着波纹等离子体-介质层的下一侧界面，其表面波等离子体的介电常数满足ε″_p＝-[ζ/(2-ζ)]ε_d。这等效于分别采用了一个高(1+ζ)/(1-ζ)倍的介质层和一个低(2-ζ)/ζ倍的介质层，因此，可以通过改变填充因子ζ来控制有效介电常数。

对于平面等离子体-介质层界面，存在等离子体不均匀的情况。在距离界面处z方向，电子密度呈现先增加再降低的趋势，特别是当大于截止密度n_c时，发生谐振现象。如图5所示，在谐振区出现电子密度峰值点，由于电子非碰撞加热导致功率被快速吸收，使得电子密度迅速衰减，略远离谐振区则衰减缓慢。这种由于电子密度的不连续性导致了等离子体的不稳定，及产生等离子体的不均匀性。

波纹等离子体-介质层结构电子密度则呈现分布连续趋势，可有效避免这种微波等离子体不均匀性。其等效介电层是由多个周期介质层(也即各个间隔所对应的部分)单元和等离子体层(凹槽结构所对应的部分)单元共同构成，其中介质层单元也可由不同电介质材料构成，如石英和特氟龙材料等，也就是说，在各间隔中，可以存在至少一处间隔的介电常数与其余间隔处的介电常数不同。对于单一周期波纹等离子体-介质层单元，根据图5，在介质层-等离子体界面附近区域电子密度呈现先增加后降低分布趋势。如图6所示，可将单一周期单元分为密度高低不同的四个分布区域。由于电子密度分布不同，单一周期单元高密度区域会向低密度区域扩散，如图7(a)所示，同时每个周期单元高密度区也会向临近单元低密度区扩散，由此可以产生如图7(b)所示的分布连续的电子密度区，由此产生的等离子体也比较稳定。

例如，当填充因子ζ＝0.5时，其效果相当于分别增加和缩减了介电常数3倍。电子等离子体密度可计算为：

在上一侧界面，其电子等离子体密度满足下述关系式(6)：

在下一侧界面，其电子等离子体密度满足下述关系式(7)：

根据公式(6)和(7)可知，表面波等离子体因等效介质层存在使得上下界面密度不同，从上到下等离子体密度逐渐下降。这种结构由于高、低电子密度区扩散作用使得原平面结构中电子密度呈现的不连续分布被取消，可以有效避免微波功率在密度峰值点快速吸收，从而抑制因功率、压强等环境参数变化时等离子体密度变化导致的模式跳变和不稳定。

对于工作在2.45GHz的微波等离子体，介质层的介电常数ε_d＝3.8，采用填充因子ζ＝0.5，根据公式(6)和(7)可知，这将把原表面波共振密度3.6×10¹¹cm^-3划分为上一侧界面等离子体密度 9.2×10¹¹cm^-3和下一侧界面等离子体密度9.9×10¹⁰cm^-3，呈现密度梯度分布。

作为介质层141的图形化表面的第二种具体结构，如图8所示，介质层141朝向真空腔室150的一面间隔设置有若干个孔结构141b。同样地，在表面波等离子体装置100在进行等离子体工艺时，所产生的表面波等离子体可以填充在该若干个孔结构141b内，从而可以使得孔结构141b处的介电常数不同于介质层141其他地方的介电常数，进而可以使得介质层141朝向真空腔室150的一面形成两种介电常数。

需要说明的是，上述若干个孔结构141b除了可以填充表面波等离子体以外，还可以填充其他的一些介电材料，并且，各孔结构141b 可以填充有相同介电常数的材料或者填充有不同介电常数的材料。

具体地，如图8所示，若干个孔结构141b可以排列形成多环结构，且该多环结构沿介质层141的径向均匀分布。

如图3所示，微波传输匹配结构120包括矩形波导121、同轴转换单元122和短路活塞123。其中，短路活塞123插设在矩形波导121 的远离微波产生结构110的一端，以用于改变矩形波导121内的驻波分布。同轴转换单元122插设在矩形波导121内并延伸至与谐振腔室 130密闭连接，用于将矩形波导121内的TE波转换为TM波，以使得微波能量馈入谐振腔室130中。此外，该同轴转换单元122包括锥形过渡单元122a和同轴探针122b。

如图3所示，上述谐振腔室130包括慢波板131和狭缝天线 132。慢波板131中心开孔，同轴探针122b伸入慢波板131的底部到达狭缝天线132，将能量馈入到谐振腔室130内，能量在通过狭缝天线132向下辐射传播至介质窗140中，在耦合至真空腔室150产生等离子体，形成表面波的边界条件。

本发明的第二方面，提供了一种半导体处理设备(图中并未示出)，包括前文记载的表面波等离子体装置100。

本实施例结构的半导体处理设备，具有前文记载的表面波等离体子装置100，其介质层141朝向真空腔室150的一面为图形化表面，该图形化表面使得介质层141朝向真空腔室150的一面在进行等离子体工艺时可以具有至少两种介电常数。这样，在实际应用时，可以根据实际需要，在介质层141朝向真空腔室150的一面设计由多种介电常数的材料组成图形化表面层结构，从而使得微波密度连续分布，进而可以有效避免因微波功率快速吸收引起的等离子体模式跳变和不稳定，可以使得电子等离子体密度实现均匀分布，提高等离子体均匀性，从而优化工艺结果。

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)

1.一种表面波等离子体装置，包括依次相连的微波产生结构、微波传输匹配结构、谐振腔室、介质窗和真空腔室，所述介质窗朝向所述真空腔室的一面上设置有介质层，其特征在于，所述介质层朝向所述真空腔室的一面为图形化表面，所述图形化表面使得所述介质层朝向所述真空腔室的一面在进行等离子体工艺时具有至少两种介电常数。

2.根据权利要求1所述的表面波等离子体装置，其特征在于，

所述介质层朝向所述真空腔室的一面间隔设置有若干个凹槽结构；和/或，

所述介质层朝向所述真空腔室的一面间隔设置有若干个孔结构。

3.根据权利要求2所述的表面波等离子体装置，其特征在于，

各所述凹槽结构和/或各所述孔结构内填充有相同介电常数的材料；或，

各所述凹槽结构和/或各所述孔结构内填充有至少两种介电常数的材料。

4.根据权利要求2所述的表面波等离子体装置，其特征在于，所述介质窗的横截面呈圆形；

若干个所述凹槽结构为环形凹槽结构，且各所述环形凹槽结构沿所述介质层的径向均匀分布；和/或，

若干个所述孔结构排列形成多环结构，且所述多环结构沿所述介质层的径向均匀分布。

5.根据权利要求4所述的表面波等离子体装置，其特征在于，当所述介质层的表面形成有所述环形凹槽结构时，所述介质窗的等效介电常数满足下述关系式：

ε_eff＝ζε_d+(1-ζ)ε_p；

ζ＝s/ρ；

其中，ε_eff为等效介电常数，ζ为介电填充因子，ε_d为介质窗的介电常数，ε_p为填充在所述环形凹槽结构内的表面波等离子体的介电常数，s为相邻两个所述凹槽结构之间的间隔的宽度，ρ为单个凹槽结构处的宽度。

6.根据权利要求2所述的表面波等离子体装置，其特征在于，各所述凹槽结构和/或各所述孔结构的间隔中，至少一处所述间隔的介电常数与其余所述间隔处的介电常数不同。

7.根据权利要求6所述的表面波等离子体装置，其特征在于，部分所述间隔由石英材料制作形成，另一部分所述间隔由特氟龙材料制作形成。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的表面波等离子体装置，其特征在于，所述微波传输匹配结构包括矩形波导、同轴转换单元和短路活塞；其中，

所述短路活塞插设在所述矩形波导的远离所述微波产生结构的一端，以用于改变所述矩形波导内的驻波分布；

所述同轴转换单元插设在所述矩形波导内并延伸至与所述谐振腔室密闭连接，用于将所述矩形波导内的TE波转换为TM波，以使得微波能量馈入所述谐振腔室中。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的表面波等离子体装置，其特征在于，所述谐振腔室包括：

慢波板，与所述微波传输匹配结构连接；

狭缝天线，位于所述慢波板的朝向所述真空腔室的一侧，并与所述慢波板连接；

所述介质窗位于所述狭缝天线的朝向所述真空腔室的一侧，并与所述狭缝天线连接。

10.一种半导体处理设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的表面波等离子体装置。

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