CN114724907A - 一种等离子密度可调的离子源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔、螺旋线圈和离子源腔；放电腔的外壁面上设置有金属箔，金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。金属箔的宽度W取值范围为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围为0.1mm~t，其中，t为趋肤深度；根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。本发明通过在放电腔外增加法拉第结构，并对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。

Description

一种等离子密度可调的离子源装置
技术领域
本发明涉及离子束刻蚀领域，特别是一种等离子密度可调的离子源装置。
背景技术
离子束刻蚀是可用于刻蚀加工各种金属（Ni、Cu、Au、Al、Pb、Pt、Ti等）及其合金，以及非金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体、聚合物、陶瓷、红外和超导等材料。原理上是利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子，氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，以达到刻蚀的作用。刻蚀过程即把Ar气充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面轰击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理刻蚀。由于离子不是由辉光放电产生，而是由独立的离子源发射出惰性气体离子并经电场加速后再进入放入样品的真空室，离子束源与样品室的真空度可分别达到各自的最佳状态，膜的纯度很高。
离子源是将中性原子或分子电离并从中提取离子束流的设备，离子源的优劣直接影响刻蚀性能，现有的离子源主要包括考夫曼离子源、射频离子源、ECR离子源和End Hall离子源，其中，射频离子源由于具有高密度、无污染、易维护和长寿命等优点被广泛用于离子束刻蚀、材料表面改性和薄膜加工等领域，其原理是工作原理为：当放置在介质窗上的射频线圈中流入一定的射频电流，在放电室中感应产生感应射频电场，感应电场会加速电子运动，使之不断与中性气体分子碰撞电离，从而将感应线圈中的射频能量耦合到电离的气体中维持等离子体放电。大部分由射频放电产生的离子经栅极系统引出形成离子束，射频离子源具有无极放电，工作长时间稳定、均匀区大、离子束密可以精确控制、污染小等特点，在离子束刻蚀过程中得到广泛应用。
现有离子源在使用过程中线圈在通电时，在其趋肤层内，等离子密度最高，在趋肤层外的区域，等离子体密度逐渐衰减，在低压条件下，放电腔内等离子体密度多呈抛物线分布，随电流增加，边缘趋肤效应增强，放电腔内的等离子体密度分布一般呈现马鞍形分布，放电腔内等离子体密度中心和边缘分布不均，见图1和图2所示。现有方式是采用屏栅上开不同规格的孔径来解决这一问题，但是只能针对某些工况进行改善，无法进行多工况调节，影响刻蚀均匀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种等离子密度可调的离子源装置，该等离子密度可调的离子源装置通过在放电腔外增加法拉第结构，并对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔、螺旋线圈和离子源腔；放电腔的外壁面上设置有金属箔，金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。
金属箔的宽度W取值范围为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围为0.1mm~t，其中，t为螺旋线圈的趋肤深度。根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。
当边缘等离子体密度高于中心区域3%以上时，应增大金属箔的厚度T或表面积，增加金属箔的屏蔽效能，降低边缘等离子体密度；当边缘等离子体密度高于中心区域等离子体密度的3%及以下，则减小金属箔的厚度或表面积，降低屏蔽效能，避免边缘区等离子体密度低于中心区域密度。
金属箔呈环形，在放电腔外壁面上沿轴向布设。
金属箔呈带状，螺旋绕设在放电腔外壁面上。
金属箔为竖条，沿周向布设在放电腔外壁面上。
金属箔的材质为铝、金或铜，具有法拉第屏蔽效果，对电压形成屏蔽。
在放电腔的尾端设置Grid组件；Grid组件包括从内至外依次设置的屏栅和加速栅，屏栅用于将放电腔内的等离子体聚焦，形成离子束；加速栅用于对形成的离子束进行加速。
Grid组件还包括设置在加速栅外侧的减速栅。其中，屏栅和加速栅分别与滤波后的DC电源相连接，减速栅接地，用于减小离子束发散。
螺旋线圈通过射频匹配器与射频电源相连接。
本发明具有如下有益效果：
1、上述金属箔，在放电腔外形成法拉第结构，通过对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。
2、上述金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。
3、能够根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。
4、金属箔的材质为铝、金、铜等导体，从而能很好地达到法拉第屏蔽效果，对电压形成屏蔽作用。
附图说明
图1显示了现有技术中放电腔内等离子体密度的分布示意图。
图2显示了现有技术中高能工况下和低能工况下反应腔内离子束流密度的分布图。
图3显示了本发明一种等离子密度可调的离子源装置的结构示意图。
图4显示了金属箔为环形时，在放电腔外壁面上的布设示意图。
图5显示了金属箔为第一种螺旋形时，在放电腔外壁面上的布设示意图。
图6显示了金属箔为第二种螺旋形时，在放电腔外壁面上的布设示意图。
图7显示了金属箔为竖条时，在放电腔外壁面上的布设示意图。
其中有：
10.离子源腔；20.放电腔；21.放电腔支撑；
30.螺旋线圈；31.螺旋线圈固定；
40.射频电源；41.射频匹配器；42.射频柱；43.射频柱；
50.金属箔；
60.Grid组件；
61.屏栅；611.DC电源；612.滤波器；613.射频柱；
62.加速栅；621.DC电源；622.滤波器；623.射频柱；
63.减速栅；
70.进气管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图3所示，一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔20、螺旋线圈30和离子源腔10。
在离子源腔10的内壁上沿周向分布有若干螺旋线圈固定31上，螺旋线圈30放置于螺旋线圈固定31上。螺旋线圈的正极端通过设在离子源腔上的射频柱42与射频匹配器41相连接，射频匹配器与射频电源40相连接。
上述射频匹配器41的设置，使负载阻抗与射频电源40的阻抗匹配，从而减少反射功率，保证传输功率达到最大。
放电腔20通过放电腔支撑21安装于离子源腔10上。
在放电腔的前端设置有进气管道70，用于向放电腔内通入Ar、O2等离子化气体。
在放电腔的尾端设置Grid组件60；Grid组件60可以选择两栅极或者三栅极。
Grid组件60为两栅时，包括从内至外依次设置的屏栅61和加速栅62。
上述屏栅61通过设在离子源腔上的射频柱613依次与滤波器612和DC电源611相连接，屏栅61可以对等离子体聚焦，形成离子束。
上述加速栅62通过设在离子源腔上的射频柱623依次与滤波器622和DC电源621相连接，加速栅62对离子束进行加速。
Grid组件60为三栅时，三栅是在两栅的基础上加入一减速栅64，减速栅63设置在加速栅外侧，可以有效减小离子束发散。其中，屏栅上加负电，加速栅加正电，减速栅接地。
放电腔的外壁面上优选贴设有金属箔50，金属箔的材质优选为铝、金或铜等导体，具有法拉第屏蔽效果，对电压形成屏蔽。
上述金属箔的形式包含但不限于以下形式：
（1）环形沿轴向分布：如图4所示，金属箔呈环形，在放电腔外壁面上沿轴向布设，其轴向分布可以是均匀的，也可以是均匀的。
（2）螺旋形分布，优选包括如下两种实施例。
第一种实施例：如图5所示，金属箔呈带状，且为整根长带，螺旋绕设在放电腔外壁面上，绕设间距可以均匀，也可以不均匀。
第一种实施例：如图6所示，金属箔呈带状，且为多根长度不等的金属箔带，螺旋绕设在放电腔外壁面上，绕设间距可以均匀，也可以不均匀。
（3）竖条沿周向分布：如图7所示，金属箔为竖条，沿周向布设在放电腔外壁面上，周向分布可以是均匀的，也可以是均匀的。在图7中为均匀布设。
当需要刻蚀时，启动DC电源611、621和射频电源40，当通过匹配器将射频功率加到螺旋线圈30上时，螺旋线圈30内就有射频电流通过，于是产生射频磁通，并且在放电腔20的内部沿着放电腔轴向感应出射频电场；Ar、O2等离子化气体经进气管道70进入放电腔内，在螺旋线圈作用下，对放电腔内的气体进行电离，放电腔内的电子被电场加速,产生密集的等离子体。放电腔内的等离子体经Grid组件60引出后，以离子束的形式轰击靶材，对晶圆进行刻蚀。
刻蚀过程中，随着静电场增加，将造成明显的趋肤效应，同时，等离子体中的带电粒子在电场力的作用下运动或通过气体放电产生压力及温度变化，同时会对放电腔内的流场施加可控扰动，流场分布的不均匀性，电荷的积累等多重因素造成边缘等离子体密度偏高。
本发明中，通过在放电腔20外侧设有金属箔50，可有效屏蔽放电腔内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。
金属箔的宽度W取值范围优选为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围优选为0.1mm~t，其中，t为螺旋线圈的趋肤深度
根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。具体为：当边缘等离子体密度高于中心区域3%以上时，应增大金属箔的厚度T或表面积，增加金属箔的屏蔽效能，降低边缘等离子体密度；当边缘等离子体密度高于中心区域等离子体密度的3%及以下，则减小金属箔的厚度或表面积，降低屏蔽效能，避免边缘区等离子体密度低于中心区域密度。
另外，金属箔在放电腔外形成法拉第结构，通过对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔、螺旋线圈和离子源腔；其特征在于：放电腔的外壁面上设置有金属箔，金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。
2.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：金属箔的宽度W取值范围为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围为0.1mm~t，其中，t为螺旋线圈的趋肤深度；根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。
3.根据权利要求2所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：当边缘等离子体密度高于中心区域3%以上时，应增大金属箔的厚度T或表面积，增加金属箔的屏蔽效能，降低边缘等离子体密度；当边缘等离子体密度高于中心区域等离子体密度的3%及以下，则减小金属箔的厚度或表面积，降低屏蔽效能，避免边缘区等离子体密度低于中心区域密度。
4.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：金属箔呈环形，在放电腔外壁面上沿轴向布设。
5.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：金属箔呈带状，螺旋绕设在放电腔外壁面上。
6.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：金属箔为竖条，沿周向布设在放电腔外壁面上。
7.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：金属箔的材质为铝、金或铜，具有法拉第屏蔽效果，对电压形成屏蔽。
8.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：在放电腔的尾端设置Grid组件；Grid组件包括从内至外依次设置的屏栅和加速栅，屏栅用于将放电腔内的等离子体聚焦，形成离子束；加速栅用于对形成的离子束进行加速。
9.根据权利要求8所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：Grid组件还包括设置在加速栅外侧的减速栅；其中，屏栅和加速栅分别与滤波后的DC电源相连接，减速栅接地，用于减小离子束发散。
10.根据权利要求1所述的等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：螺旋线圈通过射频匹配器与射频电源相连接。
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