CN110797250B - 表面波等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种表面波等离子体加工设备，包括反应腔室和设置在反应腔室顶部的谐振腔，谐振腔的底壁设置有介质窗，还包括介质板，介质板设置于谐振腔的底壁的下方，其中，介质板在谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗以及至少部分介质窗以外的区域。本发明提供的表面波等离子体加工设备能够使反应腔室中的等离子体的密度分布更加均匀，从而提高刻蚀均匀性。

Description

表面波等离子体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备技术领域，具体地，涉及一种表面波等离子体加工设备。
背景技术
目前，随着半导体技术的快速发展，尤其是国际主流集成电路(IC)制造工艺已进入14nm甚至10nm时代，对于等离子体源的性能要求也随之提高，而表面波等离子体(SWP)源与传统等离子体源相比具有诸多优点，如能产生高等离子体密度，具有低电子温度和低损伤的特点，并且无需外加磁场，结构简单，反应腔室中无需引入电极，减少污染，因此，表面波等离子体(SWP)源设备是半导体设备制造商的理想选择。
现有技术中，表面波等离子体源设备包括谐振腔，多个石英窗和反应腔室，其中，谐振腔设置在反应腔室上，多个石英窗均匀分布在谐振腔底壁的固定孔中，微波能量自外部发生装置馈入谐振腔，并通过多个石英窗耦合进入反应腔室产生等离子体。
但是，由于表面波产生于石英窗与其下方形成的等离子体之间的交界面上，导致高密度表面波等离子体集中在石英窗口下方的区域，而其它区域只能依赖等离子体的自由扩散，使等离子体的密度在反应腔室中分布不均匀，这就必然会影响到刻蚀均匀性。
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，其能够使反应腔室中的等离子体的密度分布更加均匀，从而提高刻蚀均匀性。
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，包括反应腔室和设置在所述反应腔室顶部的谐振腔，所述谐振腔的底壁设置有介质窗，还包括介质板，所述介质板设置于所述谐振腔的底壁的下方，其中，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分所述介质窗以及至少部分所述介质窗以外的区域。
优选的，所述介质板采用能够将微波耦合至所述反应腔室中的介质材料制作。
优选的，所述介质板采用石英或者陶瓷材料制作。
优选的，所述介质板设置有贯穿其厚度的通孔。
优选的，所述通孔的内径的取值范围为30mm-100mm。
优选的，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影遮挡全部所述介质窗。
优选的，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影还遮挡全部所述介质窗以外的区域；
所述通孔位于所述介质板的中心。
优选的，所述通孔在所述谐振腔的底壁上的正投影位于所述介质窗所在区域和/或所述介质窗以外的区域。
优选的，所述介质板平行于所述谐振腔的底壁设置；且所述介质板与所述介质窗之间的间隙小于或者等于0.5mm。
优选的，所述介质板的厚度的取值范围为3mm-20mm。
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，包括反应腔室和设置在反应腔室顶部的谐振腔，谐振腔的底壁设置有介质窗，还包括介质板，介质板设置于谐振腔的底壁的下方，其中，介质板在谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗以及至少部分介质窗以外的区域。通过使介质板在谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗，可以将介质窗中的至少部分微波传递至介质板中，然后通过介质板将微波耦合至反应腔室内部；同时，由于等离子体会同时产生于介质板在谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗以及至少部分介质窗以外的区域的下方，这与现有技术相比，可以增大等离子体在反应腔室横向上的产生区域，从而使反应腔室中的等离子体的密度分布更加均匀，进而提高刻蚀均匀性。
附图说明
图1为本发明提供的表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图2为本发明提供的介质板的结构示意图；
图3为本发明提供的表面波等离子体加工设备的局部示意图；
图4为现有技术中微波通过介质窗产生表面波的示意图；
图5为本发明提供的表面波等离子体加工设备中微波通过介质板产生表面波的示意图。
附图标记说明：
1-反应腔室；11-介质板；111-通孔；2-谐振腔；21-介质窗；3-等离子体；41-入射波；42-全反射波；43-反射波；41'-入射波；42'-全反射波；43'-反射波；51-电源；52-微波源；53-连接波导；54-匹配器；55-中央波导；56-第一探针；57-短路波导；58-同轴波导；59-第二探针；6-支撑台。
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。
如图1-图5所示，本实施例提供了一种表面波等离子体加工设备，包括反应腔室1、设置在反应腔室1顶部的谐振腔2和微波传输机构。其中，在反应腔室1内设置有支撑台6，用于承载晶片。微波传输机构包括电源51、微波源52(集成式磁控头)、连接波导53、匹配器54、中央波导55、第一探针56、短路波导57和同轴波导58。谐振腔2中设置有多个第二探针59。该微波传输机构提供微波能量并形成微波，通过第一探针56及同轴波导58将微波传递至谐振腔2中，通过多个第二探针59能够增强其附近的电场强度，从而在谐振腔2内位于第二探针59的附近形成高频微波，在谐振腔2的底壁设置有介质窗21，介质窗21能够将第二探针59产生的高频微波耦合至反应腔室1中，具体的，在谐振腔2底壁中设置有多个的通孔，用于安装与第二探针59对应的介质窗21，即在每个第二探针59下方对应设置有一个介质窗21，在本实施例中，共有六个第二探针59，在谐振腔2的底壁中设置有六个通孔，六个通孔沿谐振腔2底壁的周向设置为环形，且均匀间隔排布，每个通孔中分别安装有介质窗21，该通孔为“凹”型结构，介质窗21为“凸”型结构，以使介质窗21能够插入通孔中，介质窗21能够将谐振腔2中的微波耦合至反应腔室1中，介质窗21的大径为90mm，小径为60mm，小径决定了在反应腔室1中，介质窗21下方直径为60mm的圆形区域内能够产生表面波等离子体。
在实际应用中，介质窗21的数量不限于此，尺寸也不限于此，根据需要的等离子体3的面积不同，介质窗21可以采用三到八个，小径的取值范围可以在40mm～120mm之间。
在本实施例中，还包括介质板11，介质板11设置于谐振腔2的底壁的下方，即设置在反应腔室1内，其中，介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗21以及至少部分介质窗21以外的区域。通过使介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗21，可以将介质窗21中的至少部分微波传递至介质板11中，然后通过介质板11将微波耦合至反应腔室1内部；同时，由于等离子体3会同时产生于介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡至少部分介质窗21以及至少部分介质窗21以外的区域的下方，这与现有技术相比，可以增大等离子体3在反应腔室1横向上的产生区域，从而使反应腔室1中的等离子体3的密度分布更加均匀，进而提高刻蚀均匀性。
在本实施例中，介质板11采用能够将微波耦合至所述反应腔室1中的介质材料制作。
在实际应用中，介质板11可以采用石英或者陶瓷等能够将微波耦合至反应腔室1中的介质材料制作。
下面将现有技术的表面波等离子体加工设备所形成的表面波与本申请的表面波等离子体加工设备所形成的表面波进行对比，图4为现有技术中微波通过介质窗21产生表面波的示意图。图5为本发明提供的表面波等离子体加工设备中微波通过介质板11产生表面波的示意图。在图4中入射波41通过谐振腔2传递至介质窗21，并在介质窗21内形成全反射波42，全反射波42通过介质窗21耦合至反应腔室1中，并在介质窗21下表面与等离子体3之间形成反射波43，全反射波42和反射波43形成表面波。在图5中入射波41'通过谐振腔2和介质窗21传递至介质板11，并在介质板11内形成全反射波42'，全反射波42'通过介质板11耦合至反应腔室1中，并在介质板11下表面与等离子体3之间形成反射波43'，全反射波42'和反射波43'形成表面波。从以上说明可以看出，本发明采用介质板11后，全反射波42'和反射波43'形成的表面波在反应腔室1的横向上的宽度要大于现有技术中全反射波42和反射波43形成的表面波的该宽度。
在本实施例中，介质板11设置有贯穿其厚度的通孔111，使介质板11下方的表面波等离子体的密度趋于一致，从而提高反应腔室1中的等离子体3均匀性，进而提高刻蚀均匀性。
在本实施例中，介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡全部介质窗21，使介质窗21中的微波只能先传递到介质板11中，再耦合至反应腔室1中，而不会直接通过介质窗21耦合至反应腔室1中，即，等离子体3仅产生于介质板11的下表面处。
在本实施例中，介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影还遮挡全部介质窗21以外的区域。具体地，介质板11为完整且连续的，该介质板11完全覆盖谐振腔2的底壁及其中的介质窗21。这样，可以使产生于介质板11下方的等离子体3的区域覆盖反应腔室1的整个径向区域，即，使反应腔室1中的整个径向区域均为等离子体3产生区域，从而可以最大程度地提高反应腔室1中的等离子体3密度分布均匀性。
在本实施例中，通孔111位于介质板11的中心。具体的，介质板11与反应腔室1的中心区域相对应的位置处设置有贯穿其厚度的通孔111，微波通过介质板11耦合至反应腔室1中，在介质板11下表面处所形成的表面波会沿着介质板11的下表面向反应腔室1的四周和中心扩散，而向中心扩散的表面波通常来自多个方向，造成反应腔室1中心区域的表面波等离子体的密度大于周边区域，通过通孔111够截至表面波向反应腔室1中心区域处汇合，从而降低表面波等离子体在反应腔室1中心区域处的密度，使反应腔室1的中心区域的表面波等离子体的密度与周边区域的表面波等离子体的密度趋于一致，从而提高反应腔室1中的等离子体3均匀性，提高刻蚀均匀性。
在本实施例中，通孔111的内径的取值范围为30mm-100mm，通过设定不同的通孔111的内径，可以根据实际情况调节等离子体3在反应腔室的中心区域中的密度的大小。
在实际应用中，通孔111还可以在谐振腔2的底壁上的正投影位于介质窗21所在区域和/或介质窗21以外的区域。
具体的，介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡介质窗21的区域中设置通孔111，由于表面波只存在与等离子体3与介质板11的下表面之间，在该区域的边缘区域产生的表面波等离子体会沿着介质板11下表面向该区域的中心区域扩散，造成该区域的中心区域的表面波等离子体的密度大于边缘区域，通过通孔111能够截止表面波在通孔111处的传播，降低介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡介质窗21的区域的下方区域的等离子体3密度，使该区域的中心区域的表面波等离子体的密度与其边缘区域的表面波等离子体的密度趋于一致，从而提高反应腔室1中的等离子体3均匀性，进而提高刻蚀均匀性。
需要注意的是，在谐振腔2的底壁上，通孔111的正投影应小于介质窗21的正投影，避免微波无法从介质窗21中传递到介质板11中。
另外，也可以在介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡介质窗21以外的区域中设置有通孔111。
在实际应用中，通孔111的数量可以是一个也可以是多个。
对比图4和图5可以看出，在图4中，现有技术的表面波等离子体加工设备中，等离子体3集中产生于介质窗21正下方区域内，而其它区域只能依靠介质窗21正下方区域内的等离子体3的扩散，导致介质窗21正下方区域内的等离子体3密度高于其它区域，从而导致等离子体3的分布不均匀。与之相比，在图5中，本申请的表面波等离子体加工设备中，等离子体3产生于整个介质板11的下方，从而使反应腔室1中的整个径向区域均为等离子体3产生区域，进而使反应腔室1中的等离子体3的密度分布更加均匀。
在实际应用中，可以根据具体需要，使介质板11在谐振腔2的底壁上的正投影遮挡部分介质窗21以外的区域。
在本实施例中，介质板11平行于谐振腔2的底壁设置，且介质板11与介质窗21之间的间隙小于或者等于0.5mm，过大的间隙会影响微波从介质窗21到介质板11的传递，并且还会在介质窗21与介质板11之间先形成等离子体3，其都会影响表面波等离子体刻蚀工艺的正常进行。
在实际应用中，在反应腔室1和谐振器接触的表面之间会设置有环形的密封圈和诱电线圈，其中密封圈用于对反应腔室1真空密封，诱电线圈用以使整个腔室壁具有良好的接地性，同时起到电磁屏蔽作用，由于安装有密封圈和诱电线圈，难免会使介质板11与介质窗21之间具有间隙，当然介质板11与介质窗21之间也可以完全贴合。
在本实施例中，介质板11的厚度的取值范围为3mm-20mm，微波通过介质板11耦合至反应腔室1中的过程中，微波的能量会被介质板11削弱，太厚的介质板11会影响表面波等离子体刻蚀工艺的正常进行，而厚度处于3mm-20mm的介质板11能够使微波顺利通过介质板11耦合至反应腔室1内，以在介质板11的下表面形成表面波等离子体。
综上所述，本发明提供的表面波等离子体加工设备，其能够使反应腔室1中的等离子体3的密度分布更加均匀，从而提高刻蚀均匀性。
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 (9)

1.一种表面波等离子体加工设备，包括反应腔室和设置在所述反应腔室顶部的谐振腔，所述谐振腔的底壁设置有介质窗，其特征在于，还包括介质板，所述介质板设置于所述谐振腔的底壁的下方，其中，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影遮挡至少部分所述介质窗以及至少部分所述介质窗以外的区域；
所述介质板采用能够将微波耦合至所述反应腔室中的介质材料制作。
2.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板采用石英或者陶瓷材料制作。
3.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板设置有贯穿其厚度的通孔。
4.根据权利要求3所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述通孔的内径的取值范围为30mm-100mm。
5.根据权利要求3所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影遮挡全部所述介质窗。
6.根据权利要求5所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板在所述谐振腔的底壁上的正投影还遮挡全部所述介质窗以外的区域；
所述通孔位于所述介质板的中心。
7.根据权利要求5所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述通孔在所述谐振腔的底壁上的正投影位于所述介质窗所在区域和/或所述介质窗以外的区域。
8.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板平行于所述谐振腔的底壁设置；且所述介质板与所述介质窗之间的间隙小于或者等于0.5mm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质板的厚度的取值范围为3mm-20mm。
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