CN113851368B - 一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，涉及半导体芯片刻蚀技术领域，包括：构建射频磁化容性耦合放电装置；调节所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使所述磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf；式中，B表示所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，π表示圆周率，me表示电子质量，e表示元电荷，frf表示射频频率。本发明能够极大增强功率耦合效率，大幅度提高等离子体密度。

Description

一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片刻蚀技术领域，特别是涉及一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法。
背景技术
随着半导体芯片特征尺寸持续减小，导致刻蚀纵深比在不断增加，为产生高能定向运动的离子，减小其与背景气体碰撞几率，要求等离子体刻蚀工艺的气压很低(<10mTorr)，如此低的气压下，等离子体的功率耦合效率一般很低，较难维持放电。
目前，射频磁化容性耦合放电装置主要用于半导体芯片刻蚀，射频磁化容性耦合放电装置工作在<10mTorr的低气压下，等离子体的功率耦合效率很低，较难维持放电。因此，本领域亟需一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，以极大增强功率耦合效率，大幅度提高等离子体密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，从而极大增强功率耦合效率，大幅度提高等离子体密度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，所述方法包括：
构建射频磁化容性耦合放电装置；
调节所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使所述磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf；式中，B表示所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，π表示圆周率，me表示电子质量，e表示元电荷，frf表示射频频率。
可选地，所述射频磁化容性耦合放电装置具体包括射频电源、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈、第四电感线圈、功率电极、对面电极和等离子体放电腔室；
所述功率电极和所述对面电极相互平行设置在所述等离子体放电腔室内；所述射频电源的一端连接至所述功率电极；所述射频电源的另一端接地；所述对面电极和所述等离子体放电腔室均接地；所述射频电源用于为所述功率电极提供射频电压和所述射频频率，所述射频电压和所述射频频率用于在所述功率电极和所述对面电极之间产生射频交变的电场；所述射频交变的电场用于击穿所述等离子体放电腔室中的气体，形成辉光放电，产生等离子体；
所述第一电感线圈和所述第二电感线圈分别放置在所述等离子体放电腔室外部的两侧；所述第一电感线圈和所述第二电感线圈用于产生平行于所述功率电极的第一磁感应强度分布；
所述第三电感线圈和所述第四电感线圈分别放置在所述等离子体放电腔室外部的两侧；所述第三电感线圈和所述第四电感线圈用于产生平行于所述对面电极的第二磁感应强度分布；所述第一磁感应强度分布和所述第二磁感应强度分布共同所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度。
可选地，所述射频磁化容性耦合放电装置还包括匹配网络；
所述匹配网络分别与所述射频电源和所述功率电极连接；所述射频电压通过所述匹配网络加载在所述功率电极上。
可选地，所述功率电极和所述对面电极之间的间距在1cm～5cm之间。
可选地，所述等离子体腔室的内部为密闭空间。
可选地，所述射频磁化容性耦合放电装置还包括外部供气系统；
所述外部供气系统用于为所述等离子体腔室的内部提供所述气体。
可选地，所述调节所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使所述磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf，具体包括：
调节所述第一电感线圈、所述第二电感线圈、所述第三电感线圈和所述第四电感线圈的电流大小，使所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf。
可选地，所述射频频率在10MHz～60MHz范围内。
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：
本发明公开的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，通过调节射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf，当磁感应强度和射频频率之间满足匹配关系B＝(π·me)/e·frf时，在磁场的约束下做周期性圆周运动的电子会与同样周期性振荡的射频鞘层产生相互作用，回旋电子会持续从中获得鞘层加速，这将有效增强射频鞘层振荡所激励的随机加热效率，进而大幅提高功率耦合效率和等离子体密度，以实现在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电。
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为本发明在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法实施例的流程图；
图2为本发明射频磁化容性耦合放电装置的结构示意图；
图3为本发明射频磁化容性耦合放电装置简要示意图；
图4为本发明等离子体密度随磁场强度变化示意图。
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。
本发明的目的是提供一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，从而极大增强功率耦合效率，大幅度提高等离子体密度。
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。
图1为本发明在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法实施例的流程图。参见图1，该在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法包括：
步骤101：构建射频磁化容性耦合放电装置。
步骤102：调节射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf；式中，B表示射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，π表示圆周率，me表示电子质量，e表示元电荷，frf表示射频频率。
步骤101中，射频磁化容性耦合放电装置具体包括射频电源、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈、第四电感线圈、功率电极、对面电极和等离子体放电腔室，参见图2。
功率电极和对面电极相互平行设置在等离子体放电腔室内，该实施例中功率电极和对面电极之间的间距在1cm～5cm之间；射频电源的一端连接至功率电极；射频电源的另一端接地；对面电极和等离子体放电腔室均接地；等离子体腔室的内部为密闭空间；射频电源用于为功率电极提供射频电压和射频频率，射频电压和射频频率用于在功率电极和对面电极之间产生射频交变的电场，该实施例中射频频率在10MHz～60MHz范围内；射频交变的电场用于击穿等离子体放电腔室中的气体，形成辉光放电，产生等离子体。
第一电感线圈和第二电感线圈分别放置在等离子体放电腔室外部的两侧；第一电感线圈和第二电感线圈用于产生平行于功率电极的第一磁感应强度分布。
第三电感线圈和第四电感线圈分别放置在等离子体放电腔室外部的两侧；第三电感线圈和第四电感线圈用于产生平行于对面电极的第二磁感应强度分布；第一磁感应强度分布和第二磁感应强度分布共同射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度。
具体的，射频磁化容性耦合放电装置还包括匹配网络和外部供气系统。其中，匹配网络分别与射频电源和功率电极连接；射频电压通过匹配网络加载在功率电极上。外部供气系统用于为等离子体腔室的内部提供气体。
该射频磁化容性耦合放电装置中，电感线圈(Electric Coil)用于产生稳恒的直流磁场B，磁力线通过图2中虚线箭头表示。射频电源(Vrf)通过匹配网络(MatchingNetwork)加载在功率电极(Powered Electrode)。对面电极(Grounded Electrode)和等离子体放电腔室外部均接地。
步骤102具体包括：
调节第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈和第四电感线圈的电流大小，使射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf。
下面以一个具体实施例说明本发明的技术方案：
本发明提供一种在射频磁化等离子体中增强放电的方法，该方法在射频放电中，如容性耦合放电装置的等离子体放电腔室内部(射频磁化容性耦合放电装置是在容性耦合放电装置的基础上外加磁场)，平行于极板(功率电极和对面电极)构建如图3所示磁场分布，图3中n表示等离子体数量，d表示功率电极和对面电极之间的间距，ω表示射频圆频率(ω＝2πfrf)，当磁场强度(磁感应强度)B和射频频率frf，大致满足关系式：B＝(π·me)/e·frf，则驱动放电的射频功率电源(射频电源)的功率耦合效率会被大幅提高，尤其利于图3中射频磁化容性耦合放电装置在低气压放电中产生高密度等离子体。磁场强度和射频频率之间的匹配关系公式B＝(π·me)/e·frf中，B为射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，单位为Gs(1Gs＝10-4T)；me为电子质量，单位为kg；e为元电荷，单位为C；frf为射频频率，单位为Hz。射频电源是等离子体配套电源，它是由射频功率源、阻抗匹配器以及阻抗功率计组成，射频频率frf指的是射频电源的射频频率，也即射频功率源的频率，在容性耦合放电中，会在等离子体和电极边界产生容性鞘层(射频鞘层)，容性鞘层也会发生射频振荡。容性鞘层即电场。
上述在射频磁化等离子体中增强放电的方法具体包括下述步骤：
步骤1：构建射频放电装置。其中，射频放电装置即上述射频磁化容性耦合放电装置。
步骤2：在射频放电装置中采用磁铁或者带电的电感线圈，以产生平行于极板的磁场分布，通过一对磁铁或者带电的电感线圈分别放置在等离子体放电腔室外部的两侧，让磁力线穿过射频放电装置。
步骤3：对于某一射频频率frf，可根据公式B＝(π·me)/e·frf，调节磁场强度B大小，通过调节电感线圈电流大小，或者磁铁的位置等手段，来调节穿过等离子体放电腔室的磁感应强度B，使得B满足上述匹配关系公式B＝(π·me)/e·frf。
步骤4：当磁场强度B和射频频率frf满足特定关系B＝(π·me)/e·frf时，回旋电子(等离子体中的电子会在外加磁场中做回旋运动，即等离子体中的回旋电子)将与射频鞘层(容性耦合放电装置中产生的等离子体鞘层)发生共振加热，极大增强功率耦合效率，大幅度提高等离子体密度。由图4可知实验(Exp.)和模拟(Sim.)得到的电子密度随着磁场强度的变化，射频源频率(射频频率)frf为27.12MHz，匹配的共振磁感应强度B约为4.8Gs。从图4中可以直观地看到，在4.8Gs附近的电子密度发生显著增强。
本发明工作原理具体如下：
本发明的目的是通过图2所示的装置，调节磁场大小满足公式B＝(π·me)/e·frf，以增强等离子体密度。装置结构，即产品结构如图2所示，利用射频电源在两个电极(功率电极和对面电极)内部产生射频交变的电场，击穿工作气体形成稳定的辉光放电，产生等离子体。在等离子体源(除去电感线圈，即最基本的容性耦合等离子体源，施加电感线圈，即射频磁化容性耦合等离子体源)外部通过电感线圈产生稳恒的静磁场，磁力线覆盖放电区域(电极间距一般在1～5cm之间时，磁力线比较容易覆盖如此小的放电间隙)。等离子体内部的电子会绕磁力线做周期回旋运动，并与射频振荡的鞘层发生相互作用。电子绕磁力线做周期回旋运动如图2中波浪线轨迹所示，电子在磁力线的约束下做圆周运动，在一维近似下，电子作简谐运动，电子与射频振荡的鞘层发生作用时，会发生能量交换。通过调制磁场大小，使得回旋电子与射频鞘层发生共振，电子将会获得鞘层电场的持续加速，从而大幅增强功率的耦合效率，并显著提升等离子体密度，如图4所示。
其中，射频交变的电场是通过在一侧电极，即功率电极上施加射频电源，从而在两侧电极(功率电极和对面电极)之间形成的射频交变电场。
等离子体放电腔室要通过泵先抽真空，然后再通过外部供气系统为等离子体放电腔室内部提供气体(工作气体)，来稳定放电气压。
射频振荡的鞘层(射频鞘层)，即如图2中等离子体和电极之间的空白区域。
当射频源频率frf和外加磁场B，大致满足关系式：B＝(π·me)/e·frf，等离子体密度和功率耦合效率会被大幅增强。则电子的回旋频率和鞘层振荡的射频频率相匹配。电子每作一次回旋运动，则会与相向扩张的鞘层(电场)发生一次作用，电子会获得鞘层加速，回旋半径变大，但是回旋周期不变，即加速效果不变，见图2中波浪线的电子轨迹。电子获得加速的效率被提高，即功率耦合效率得到提高，最终表现为等离子体密度提高。
本发明方法优点主要有以下几个方面：
(1)不需要改变腔室结构，只需要调节磁场强度和射频频率之间的匹配关系，即可实现高功率耦合效率。
(2)在一般射频频率范围内(10～60MHz)，所需磁场强度仅为2～11Gs，不会对等离子体分布的均匀性产生较大影响。
(3)外界参数不变的情况下，在较低气压下，等离子体密度可以提高4-5倍，对于低气压应用极为关键。
产生上述优点的原因在于：当磁场强度和射频频率之间满足匹配关系B＝(π·me)/e·frf时，在磁场的约束下做周期性圆周运动的电子会与同样周期性振荡的射频鞘层产生相互作用，回旋电子会持续从中获得鞘层加速，这将有效增强射频鞘层振荡所激励的随机加热效率，进而大幅提高功率耦合效率和等离子体密度。
由于实际的工艺腔室(射频磁化容性耦合放电装置的等离子体放电腔室)中，磁场分布存在空间不均匀度，故而关系式B＝(π·me)/e·frf可以修整为：(1±0.2)·B＝(π·me)/e·frf，但是核心公式仍是B＝(π·me)/e·frf，只是考虑到磁场存在一定的空间非均匀性，造成共振条件无法满足，因此在实际装置中，需要在一定范围内扫描参数来找到最佳磁场大小。
通过利用本发明在射频磁化等离子体中增强放电的方法，在不改变外界参数(决定等离子体密度的外界参数主要包括电源的输入功率和气压)和射频磁化容性耦合放电装置结构的前提下，可以有效提高等离子体密度4-5倍，对于低气压射频等离子体应用起到十分关键的作用。
本发明提供的在射频磁化等离子体中增强放电的方法，通过外加合适的磁场，提升等离子体密度，主要针对用于芯片刻蚀的磁化容性耦合放电装置的优化，主要用于磁化容性放电装置中来提高等离子体密度。除此之外，在电推进装置中也可以利用相似的思路来提高密度，只要是利用相同原理的放电装置都会提升等离子体密度。本发明提供的在射频磁化等离子体中增强放电的方法主要针对低气压射频等离子体应用，包含等离子体刻蚀材料和卫星的射频离子推进器等。其中，卫星的射频离子推进器，往往运行气压很低，同时由于质量限制，卫星推进器能携带的气体工质有限，导致射频推进器用于产生等离子体的气压也很低(＜0.1pa)，尤其是自吸式射频离子推进器，运行在低轨道，其通过吸收低轨道附近的稀薄大气，作为放电气体，产生放电，加速推射离子，进而形成反冲。由于放电气压很低，因此难以维持放电，或者放电密度很低，形成推力很弱。利用本发明提供的在射频磁化等离子体中增强放电的方法，可以实现在很低的气压下，在放电气压和功率不变的情况下，施加适当的磁场，利用共振效应，将放电密度提高好几倍，让射频离子推进器形成高密度放电，有效增强放电和推力。
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)

1.一种在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述方法包括：
构建射频磁化容性耦合放电装置；所述射频磁化容性耦合放电装置具体包括射频电源、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈、第四电感线圈、功率电极、对面电极和等离子体放电腔室；所述功率电极和所述对面电极相互平行设置在所述等离子体放电腔室内；所述射频电源的一端连接至所述功率电极；所述射频电源的另一端接地；所述对面电极和所述等离子体放电腔室均接地；所述射频电源用于为所述功率电极提供射频电压和射频频率，所述射频电压和所述射频频率用于在所述功率电极和所述对面电极之间产生射频交变的电场；所述射频交变的电场用于击穿所述等离子体放电腔室中的气体，形成辉光放电，产生等离子体；所述第一电感线圈和所述第二电感线圈分别放置在所述等离子体放电腔室外部的两侧；所述第一电感线圈和所述第二电感线圈用于产生平行于所述功率电极的第一磁感应强度分布；所述第三电感线圈和所述第四电感线圈分别放置在所述等离子体放电腔室外部的两侧；所述第三电感线圈和所述第四电感线圈用于产生平行于所述对面电极的第二磁感应强度分布；所述第一磁感应强度分布和所述第二磁感应强度分布共同构成所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度；
调节所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使所述磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf；式中，B表示所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，π表示圆周率，me表示电子质量，e表示元电荷，frf表示射频频率。
2.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述射频磁化容性耦合放电装置还包括匹配网络；
所述匹配网络分别与所述射频电源和所述功率电极连接；所述射频电压通过所述匹配网络加载在所述功率电极上。
3.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述功率电极和所述对面电极之间的间距在1cm～5cm之间。
4.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，等离子体腔室的内部为密闭空间。
5.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述射频磁化容性耦合放电装置还包括外部供气系统；
所述外部供气系统用于为等离子体腔室的内部提供所述气体。
6.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述调节所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度，使所述磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf，具体包括：
调节所述第一电感线圈、所述第二电感线圈、所述第三电感线圈和所述第四电感线圈的电流大小，使所述射频磁化容性耦合放电装置的磁感应强度满足关系式B＝(π·me)/e·frf。
7.根据权利要求1所述的在射频磁化容性耦合放电装置中增强放电的方法，其特征在于，所述射频频率在10MHz～60MHz范围内。
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