CN114724911A - 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，包括离子源腔、放电腔、螺旋线圈、平面线圈和射频电源；离子源腔和放电腔从外至内依次同轴设置；放电腔的头部设置有进气面板；螺旋线圈同轴套设在放电腔的筒身外周，两者间具有径向间隙R；平面线圈同轴安装在进气面板的外侧上游，两者间具有轴向间隙L；螺旋线圈和平面线圈的一端均依次与功率分配器、射频匹配器和射频电源电连接，另一端均接地；功率分配器能对进入螺旋线圈和平面线圈的射频功率进行分配，通过对分配率r进行调节，从而实现放电腔内等离子密度分布的调节。本发明同时采用螺旋形和平面线圈，并对两个线圈进行功率分配，针对不同工况进行调节，能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
离子源是离子束刻蚀的关键部件，离子源的优劣直接影响刻蚀性能。射频感性耦合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。相对电子回旋振荡源和螺旋波源，电感耦合离子源设计加工相对简单并能在没有外来磁场的约束下，产生均匀的等离子体。射频感应耦合离子源根据天线的形状主要为螺旋形结构。整个离子源结构主要由射频天线、等离子体放电室和引出系统组成。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子经栅极系统引出形成离子束，见图1所示。
现有离子源在使用过程中，多采用螺旋形线圈，螺旋形线圈在通电时，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，如图2中的虚线所示。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，如图2中的实线所示。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，一般为中间孔径较小，边缘尺寸增加，但是只能针对低能工况进行改善边缘均匀性，无法进行多工况调节，当在高能情况下时，会影响刻蚀均匀性。
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同时采用螺旋形和平面线圈，并对两个线圈进行功率分配，针对不同工况进行调节，可有效上述问题，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，包括离子源腔、放电腔、螺旋线圈、平面线圈和射频电源。
离子源腔和放电腔从外至内依次同轴设置。放电腔的头部设置有进气面板。
螺旋线圈同轴套设在放电腔的筒身外周，且与放电腔的筒身外壁面之间具有径向间隙R。
平面线圈同轴安装在进气面板的外侧上游，且与进气面板外表面之间具有轴向间隙L。
螺旋线圈和平面线圈的一端均依次与功率分配器、射频匹配器和射频电源电连接，螺旋线圈和平面线圈的另一端分别接地。
功率分配器能对进入螺旋线圈和平面线圈的射频功率进行分配，通过对分配率r的调节，从而实现放电腔内等离子密度分布的调节。其中，分配率r=P1:P2，P1为进入螺旋线圈的射频功率，P2为进入平面线圈的射频功率。
分配率r=1:20~20:1。
平面线圈为单个盘香形线圈。
平面线圈为两个盘香形线圈的交替组合。
螺旋线圈与放电腔的筒身外壁面之间具有径向间隙R为2~30mm，平面线圈与与进气面板外表面之间具有轴向间隙L为2~30mm。
螺旋线圈通过螺旋线圈支撑安装在离子源腔的筒身内壁面，平面线圈通过平面线圈支撑安装在离子源的头部面板内壁面。
在离子源腔和放电腔的尾端安装有Grid组件，Grid组件包括屏栅和加速栅，其中，屏栅用于聚焦等离子体，加速栅用于加速离子束。
Grid组件还包括设置在加速栅下游的减速栅，减速栅用于减小离子束发散。
本发明具有如下有益效果：同时采用螺旋形和平面线圈，并对两个线圈进行功率分配，针对不同工况进行调节，可有效改善刻蚀均匀性。具体调节使用方法为：
1、在低能情况下，螺旋线圈单独工作可保证等离子体在放电腔内均匀分布，那么，平面线圈上不进行功率分配，单独利用螺旋线圈即可保证良好的均匀性。
2、在中能情况下，平面线圈可以使在放电腔内产生均匀的等离子体，那么，平面线圈可单独进行工作，保证刻蚀均匀性。
3、在高能情况下，单独利用螺旋线圈，放电腔内等离子体密度分布为中间低，两边高，此时，在平面线圈上加载功率，对放电腔内的等离子体密度进行修正，使放电腔内的等离子体密度趋于均匀，有利于刻蚀均匀性改善。
附图说明
图1显示了现有技术中螺旋形射频感应耦合螺旋形离子源的示意图。
图2显示了放电腔内等离子密度分布示意图。
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显示了本发明中平面线圈采用单个盘香形线圈的结构示意图。
图5显示了本发明中平面线圈采用两个盘香形线圈组合的结构示意图。
图6显示了本发明中离子源的工作流程示意图；图6（a）显示了螺旋线圈单独工作的流程图；图6（b）显示了平面线圈单独工作时的流程图；图6（c）显示了螺旋线圈和平面线圈同时工作时的流程图。
图7显示了平面线圈和螺旋线圈单独工作时的等离子体密度分布示意图。
图8显示了螺旋线圈和平面线圈同时工作时的等离子体密度分布修正示意图。
其中有：
1.离子源腔；2.放电腔；3.螺旋线圈；5.螺旋线圈支撑；6.平面线圈；61.平面线圈支撑；7.平面线圈支撑；80~85.射频柱；9.进气管道；10.Grid组件；11.屏栅；12.加速栅；13.减速栅；100.功率分配器；110.视频匹配器；120.视频电源；130~131.DC电源；140~141.滤波器；150.离子源主腔。
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，包括离子源主腔150和射频电源120。
离子源主腔150包括离子源腔1、放电腔2、螺旋线圈3、平面线圈6和Grid组件10。
离子源腔和放电腔从外至内依次同轴设置。
放电腔的头部设置有进气面板，进气面板的中部设置进气管道9。
螺旋线圈同轴套设在放电腔的筒身外周，且优选通过螺旋线圈支撑5安装在离子源腔的筒身内壁面。
螺旋线圈与放电腔的筒身外壁面之间具有径向间隙R，R优选为2~30mm。
平面线圈同轴安装在进气面板的外侧上游，且优选通过平面线圈支撑7安装在离子源的头部面板内壁面。
平面线圈与进气面板外表面之间具有轴向间隙L，L优选为2~30mm。
上述径向间隙R和轴向间隙L的设置，能使得放电腔内产生较为均匀的等离子体。
上述平面线圈6优选为盘香形线圈，平面线圈6可以由如图4所示的单个盘香形线圈组成，为使等离子体密度分布更为均匀，也可由如图5所示的两个盘香形线圈共同组成。盘香形线圈的截面形状不限，可以为圆形，也可以为方形。
此外，上述螺旋线圈支撑和平面线圈支撑的材质均优选为陶瓷等绝缘材质，放电腔的材质优选为陶瓷或石英。
上述Grid组件安装在离子源腔和放电腔的尾端，Grid组件10可以选择两栅极或者三栅极，两栅包括屏栅12和加速栅11，屏栅12可以对等离子体聚焦，形成离子束，加速栅11对离子束进行加速，三栅是在两栅的基础上加入一减速栅13，减速栅13接地，可以有效减小离子束发散。DC电源130和131经滤波器140和141滤波后，分别经射频柱84和85接至Grid组件10的屏栅12与加速栅11，其中，屏栅12上加负电，加速栅11加正电。
螺旋线圈和平面线圈的一端均依次与功率分配器100、射频匹配器110和射频电源120电连接，螺旋线圈和平面线圈的另一端分别接地。
具体电连接方式为：为使射频电源100的功率传输最大化，射频电源100后需接一射频匹配器110，用来使负载阻抗与射频电源100的阻抗匹配，从而减少反射功率，保证传输功率达到最大。射频匹配器110接至功率分配器100，功率分配器100内装有若干电容电感构成的功率分配电路，功率分配电路一路经射频柱83连接到螺旋线圈3的一端，螺旋线圈3的另外一端则经射频柱80接地，同时，功率分配电路另一路经射频柱81连接到平面线圈6的一端，平面线圈6的另外一端经射频柱82接地。
也就是说，功率分配器能对进入螺旋线圈和平面线圈的射频功率进行分配，通过对分配率r的调节，从而实现放电腔内等离子密度分布的调节。其中，分配率r=P1:P2，P1为进入螺旋线圈的射频功率，P2为进入平面线圈的射频功率。本发明中，优选分配率r=1:20~20:1。假设在某一工况下，单独使用螺旋线圈时，等离子体密度在放电腔内呈现边缘高，中间低的趋势，可以在平面线圈上和螺旋线圈上进行功率分配，平面线圈对中间的等离子体密度进行补偿，使整个放电腔内等离子体密度均匀分布。
当需要刻蚀时，启动DC电源130、131和射频电源120，Ar、O2等离子化气体经进气管道9进入放电腔2内，在螺旋线圈3和平面线圈6的作用下，对放电腔4内的气体进行电离，生成等离子体。放电腔4内的等离子体经Grid组件10引出后，以离子束的形式轰击靶材，对晶圆进行刻蚀。
本发明中，螺旋线圈和平面线圈可以单独工作，也可以协同工作，工作流程如图6所示。
1、螺旋线圈单独工作
如图6（a）所示，采用螺旋线圈3可以在兆赫兹范围内产生共振，并且在低气压下可以有效地产生等离子体，并将能量高效的传递给等离子体。假设，在低能情况下（或某一工况下），螺旋线圈单独工作可保证等离子体在放电腔内均匀分布，具体如图7所示，那么，平面线圈上不进行功率分配，单独利用螺旋线圈即可保证良好的均匀性。
2、平面线圈单独工作
如图6（b）所示，假设在中能情况下（或某一工况下），平面线圈6可以使在放电腔4内产生均匀的等离子体，那么，平面线圈可单独进行工作，保证刻蚀均匀性。
3、螺旋线圈和平面线圈同时工作
采用螺旋线圈和平面线圈两个线圈，并在两个线圈上进行不同的功率加载。如在高能情况下，单独利用螺旋线圈，放电腔内等离子体密度分布为中间低，两边高，此时，在平面线圈上加载功率，对放电腔内的等离子体密度进行修正，使放电腔内的等离子体密度趋于均匀，有利于刻蚀均匀性改善。也即将图8中左侧的等离子体密度图形修正为右侧的等离子体密度示意图。
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 (8)

1.一种等离子密度可调的离子源装置，其特征在于：包括离子源腔、放电腔、螺旋线圈、平面线圈和射频电源；
离子源腔和放电腔从外至内依次同轴设置；放电腔的头部设置有进气面板；
螺旋线圈同轴套设在放电腔的筒身外周，且与放电腔的筒身外壁面之间具有径向间隙R；
平面线圈同轴安装在进气面板的外侧上游，且与进气面板外表面之间具有轴向间隙L；
螺旋线圈和平面线圈的一端均依次与功率分配器、射频匹配器和射频电源电连接，螺旋线圈和平面线圈的另一端分别接地；
功率分配器能对进入螺旋线圈和平面线圈的射频功率进行分配，通过对分配率r的调节，从而实现放电腔内等离子密度分布的调节；其中，分配率r=P1:P2，P1为进入螺旋线圈的射频功率，P2为进入平面线圈的射频功率。
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：分配率r=1:20~20:1。
3.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：平面线圈为单个盘香形线圈。
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：平面线圈为两个盘香形线圈的交替组合。
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：螺旋线圈与放电腔的筒身外壁面之间具有径向间隙R为2~30mm，平面线圈与与进气面板外表面之间具有轴向间隙L为2~30mm。
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：螺旋线圈通过螺旋线圈支撑安装在离子源腔的筒身内壁面，平面线圈通过平面线圈支撑安装在离子源的头部面板内壁面。
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：在离子源腔和放电腔的尾端安装有Grid组件，Grid组件包括屏栅和加速栅，其中，屏栅用于聚焦等离子体，加速栅用于加速离子束。
8.根据权利要求7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下游的减速栅，减速栅用于减小离子束发散。
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