CN116110764B - 一种微波等离子体刻蚀设备及刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波等离子体刻蚀设备及刻蚀方法，刻蚀设备包括微波功率源和等离子炬，等离子炬包括外管、内管和聚能喷头，聚能喷头包括均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构的金属外管喷头及介质内管喷头，介质内管喷头与金属外管喷头的内壁贴合；介质内管喷头的外端面探出金属外管喷头的外端面，且所述介质内管喷头在外端部的缩率较其他变径结构处的缩率减小；或者，所述介质内管喷头相对于所述金属外管喷头探出的外端部为匀直段；微波功率源与内管连通并向内管馈入脉冲式的微波，其输出微波功率范围为20~500 W，微波的占空比小于或等于99%。本发明能够实现高能低温的等离子体刻蚀，避免在刻蚀过程中损伤被刻蚀物体。

Description

一种微波等离子体刻蚀设备及刻蚀方法

技术领域

本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，尤其涉及一种微波等离子体刻蚀设备及刻蚀方法。

背景技术

目前，等离子体刻蚀是应用于精密加工领域的一种重要工艺技术。等离子体刻蚀分为物理作用与化学作用，物理作用是通过等离体激励后产生高能粒子、离子轰击被刻蚀物体的表面，将被刻蚀物体表面的原子轰击溅射去除，从而达到刻蚀效果；化学作用是一种或者多种反应气体被激发成等离子态后，所形成的活性粒子或者活性基团与被刻蚀物体进行化学反应，形成易挥发的反应产物，从而达到刻蚀效果。在实际应用中，物理反应与化学反应往往同时具备，达到综合效果良好的刻蚀效果。

微波等离子体刻蚀是一种新型的刻蚀技术，微波等离子具有电离效率高、离子密度高等多种优势；同时微波等离子体本身是电中性的，在刻蚀过程中可以避免电压对电敏感刻蚀物带来的损害。

微波等离子体刻蚀在应用中，刻蚀效果也由物质本身决定，无论是物理刻蚀还是化学刻蚀，被刻蚀物质都存在一个阈值，高能粒子的能量只有高于阈值才能轰击开被刻蚀物质分子/原子键能，起到物理刻蚀作用，同样活性基团的活性也必须高于某个阈值，才能够与被刻蚀物质进行反应，达到化学刻蚀的作用；微波等离子体刻蚀同时具备物理刻蚀与化学刻蚀的特点，在理论上，如果等离子体具备更强的粒子能量这意味着在粒子轰击被刻蚀物体的效果越好，物理刻蚀的效率越高，而反应气体的电离度越高，电离形态越多样化，那么活性粒子与活性基团的化学活性越强，其于被刻蚀物体的化学反应越快，化学刻蚀的效率也越高，从上述要点可以看出，微波电离的能量密度必须足够高，才能够达到阈值，产生刻蚀效果，同时电离能量越强，刻蚀效果越强。

但是，越高的微波能量，意味着等离子体的温度也越高，虽然在很多应用中，高温也是加快物理刻蚀、化学刻蚀的一个因素，但是在目前的一些精密刻蚀应用中，等离子体的温度不能太高，否则会给被刻蚀物体带来损伤。例如在一些高分子有机物的刻蚀，温度太高会对物体造成不可修复的损伤；在一些精密电路的刻蚀，高温会对器件造成不可修复的损伤，在单晶硅、碳化硅、高纯氧化硅等材料刻蚀，高温会对晶格造成影响，影响被刻蚀物体的基本特性。所以在这些应用中的等离子体刻蚀，必须同时具备高能、低温的特点，才能够实现在具备足够刻蚀能力的基础上，实现低温无损伤的刻蚀效果。现有技术中的等离子体刻蚀设备则难以满足该要求。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波等离子体刻蚀设备及刻蚀方法，能够实现高能低温的等离子体刻蚀，避免在刻蚀过程中损伤被刻蚀物体。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微波等离子体刻蚀设备，包括微波功率源和等离子炬，其中，所述等离子炬包括外管和内管，所述外管的出口端被配置有聚能喷头，所述聚能喷头包括金属外管喷头及介质内管喷头，所述介质内管喷头与所述金属外管喷头的内壁贴合，且所述金属外管喷头与介质内管喷头均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构；

所述介质内管喷头的外端面探出所述金属外管喷头的外端面，所述介质内管喷头具有在轴向向外方向上内径缩小的结构，且所述介质内管喷头在外端部的缩率较其他变径结构处的缩率减小；或者，所述介质内管喷头相对于所述金属外管喷头探出的外端部为匀直段；

所述微波功率源被配置为与所述内管连通，并向所述内管馈入脉冲式的微波，所述微波功率源的输出微波功率范围为20~500 W，所述微波的占空比小于或等于99%。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对于单晶硅、多晶硅、金刚石、碳化硅或氧化硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为20-500W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至90%。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述介质内管喷头在轴向向外方向上不存在内径扩张的结构，且所述介质内管喷头的外端口具有匀直结构。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对于单晶硅或多晶硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为20-350W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至0.5MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至85%；

或者，对于金刚石、碳化硅或氧化硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为100-500W，所述微波的脉冲频率范围为50Hz至0.35MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至80%。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，对于有机化合物的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为10-300W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于10%至95%。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述金属外管喷头的变径结构为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式；

所述介质内管喷头的变径结构为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述介质内管喷头为单个；

或者，所述介质内管喷头包括第一介质内管和第二介质内管，其中，所述第一介质内管与所述金属外管喷头的内壁贴合，所述第二介质内管贴合所述第一介质内管的端口处的内壁，且所述第一介质内管与所述第二介质内管均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构，所述第二介质内管相对于所述金属外管喷头探出的部分为匀直段。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，还包括设置在所述等离子炬外部的气源，所述等离子炬的外管上还设有用于与所述气源连通的气源接口，所述气源的气体包括一种或多种惰性气体，或者，所述气源的气体为包含惰性气体和化学刻蚀气态物的混合物，所述化学刻蚀气态物包括氢气、氧气、氟气体、气态含氟化合物、气态含氢化合物、气态含氧化合物中的一种或多种。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述介质内管喷头采用陶瓷、石英或有机非金属材料制成。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述等离子炬的内管与所述介质内管喷头同轴设置，所述内管伸入所述介质内管喷头内的轴向长度与所述介质内管喷头自身的轴向长度的比值小于50%。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种微波等离子体刻蚀方法，利用所述的微波等离子体刻蚀设备，所述刻蚀方法包括：

将所述微波等离子体刻蚀设备的等离子炬分别连接微波功率源和气源；

打开气源，以及按照预先调试好的工作参数打开微波功率源；

将所述等离子炬的聚能喷头朝向待刻蚀的目标物体，进行刻蚀；

其中，通过以下方式预先调试好所述微波功率源的工作参数，所述工作参数包括目标功率和目标占空比：

获取待刻蚀的目标物体的样品，并对其进行刻蚀测试；

在刻蚀测试过程中，由小到大调节所述微波功率源的输出微波功率，直至所述样品能够被刻蚀，以确定功率参数下限值；

选择大于或等于所述功率参数下限值的目标功率，对样品继续进行刻蚀测试；

在继续进行刻蚀测试过程中，由大到小调节所述微波功率源输出的脉冲式微波的占空比，直至所述样品的基材在刻蚀过程中不出现损伤，以确定占空比上限值；

选择小于或等于所述占空比上限值的目标占空比。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a. 本发明中的聚能喷头在轴向向外方向上直径变小，通过具有变径结构的金属外管喷头和介质内管喷头，使得微波功率源通过内管发射微波能量时，能够形成一个逐渐聚集变强的微波电场，将微波能量聚焦在反应气体喷出的方向，在等离子激励后，形成一个能量更强的聚能等离子射流，并通过调节微波功率源的微波功率和占空比，实现对待刻蚀物体提供一高能量但作用时间不连续的等离子射流，使得刻蚀过程中累计的热量下降，达到大幅度降低温度的效果，由此实现高能低温的等离子体刻蚀，既能保证刻蚀效果，又能避免在刻蚀过程中因高温或放电而损伤被刻蚀物体；

b. 在本发明中，介质内管喷头采用陶瓷、石英或有机非金属材料制成，能够避免内管与介质内管喷头产生放电，以及避免或减少反应气体与所述介质内管喷头发生化学反应。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，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为本发明的一个示例性实施例提供的等离子炉的结构示意图；

图2为本发明的一个示例性实施例提供的微波等离子体刻蚀设备工作原理的示意图；

图3为本发明的一个示例性实施例提供的脉冲微波功率源发送的脉冲调制微波的波形时域图；

图4为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第一种变径结构的示意图；

图5为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第二种变径结构的示意图；

图6为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第三种变径结构的示意图；

图7为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第四种变径结构的示意图；

图8为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第五种变径结构的示意图；

图9为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第六种变径结构的示意图；

图10为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第七种变径结构的示意图；

图11为本发明的示例性实施例提供的金属外管喷头和所述介质内管喷头的第八种变径结构的示意图；

图12为本发明的一个示例性实施例提供的聚能喷头的结构示意图；

图13为本发明的一个示例性实施例提供的设有两个介质内管喷头的聚能喷头的结构示意图；

图14为本发明的一个示例性实施例提供的利用不同功率的等离子炬刻蚀的效果对比图；

图15为本发明的一个示例性实施例提供的不同的等离子体能量输出控制下的刻蚀效果对比图；

图16为本发明的一个示例性实施例提供的确定微波功率源的工作参数的方法的流程图。

其中，附图标记包括：100-等离子炬，110-外管，112-气源接口，120-内管，130-聚能喷头，132-金属外管喷头，134-介质内管喷头，1341-第一介质内管，1342-第二介质内管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，参见图1和图2，提供了一种微波等离子体刻蚀设备，包括等离子炬100以及设置在所述等离子炬100外部的气源和微波功率源。其中，所述等离子炬100包括外管110、内管120和聚能喷头130，所述内管120设置在所述外管110的内部并且与所述外管110同轴设置，所述外管110的内壁和所述内管120的外壁之间形成一腔体，所述聚能喷头130被配置在所述外管110的出口端。所述微波功率源被配置为与所述内管120连通，所述气源被配置为与所述外管110连通，所述等离子炬100的外管110上还设有用于与所述气源连通的气源接口112。

在本实施例中，所述微波功率源为一具备可调脉冲功能的微波发生器。参见图3，由所述微波功率源提供一个幅度为U₀的微波信号，经脉冲调制后，在一个脉冲周期T内，微波信号开启时间为T₁，在T-T₁时间内，微波信号关闭；脉冲频率为1/T，脉冲占空比为T₁/T，一般来说，脉冲频率范围为10Hz~1MHz，微波的占空比从1%~100%连续可调。在一个周期内，脉冲有功的微波信号，瞬间能量依然保持不变，所以所激励的微波等离子能量不变，产生的物理与化学刻蚀作用不会降低。但是在脉冲为0的时候，微波能量为0，在这个时段等离子体不产生，也不会产生热传递。实际的刻蚀过程是一个微观的过程，只要等离子的物理能量与化学活性未达到刻蚀对象的水平，那么刻蚀时间再长，也无法达到有效刻蚀效果，而高能量的等离子，虽然作用时间不连续，但是依然可以达到该作用时间对应的刻蚀效果，同时由于脉冲工作，其累计的热会呈现等比下降，达到大幅度降低温度的效果，从而实现高能低温的刻蚀效果，在保证对待刻蚀物体实现刻蚀的同时，能够避免刻蚀过程中损伤被刻蚀物体。

在本实施例中，所述微波功率源的输出微波功率范围为20~500 W，所述微波的占空比小于或等于99%，并且所述微波的占空比在0-99%范围内连续可调。具体根据刻蚀需求，调节所述微波功率源的输出微波功率范围，使其为能够对被刻蚀物体实现刻蚀的有效微波功率范围。具体地，对于单晶硅、多晶硅、金刚石、碳化硅或氧化硅等无机化合物的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为20-500W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至100%，在该范围内，能够实现对单晶硅、多晶硅、金刚石、碳化硅或氧化硅等无机化合物无损伤地良好地刻蚀。对于有机化合物的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为10-300W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于10%至100%，在该范围内，能够实现对多数有机化合物无损伤地良好地刻蚀。

在刻蚀过程中，所述气源被配置为通过所述气源接口112向所述外管110内输送气体。所述气源的气体包括一种或多种惰性气体，通常为氩气、氦气和氖气中的一种或多种，或者，所述气源的气体为包含惰性气体和化学刻蚀气态物的混合物，所述化学刻蚀气态物包括氢气、氧气、氟气体、气态含氟化合物、气态含氢化合物、气态含氧化合物中的一种或多种。

进一步地，在本实施例中，参见图1，所述聚能喷头130包括金属外管喷头132及介质内管喷头134（所述介质内管喷头134为单个），所述介质内管喷头134与所述内管120同轴设置，所述介质内管喷头134与所述金属外管喷头132的内壁贴合，且所述金属外管喷头132与介质内管喷头134均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构；所述介质内管喷头134的外端面探出所述金属外管喷头132的外端面，所述介质内管喷头134的外端部在轴向向外方向上内径缩小，且所述介质内管喷头134在外端部的缩率较其他变径结构处的缩率减小；或者，所述介质内管喷头134相对于所述金属外管喷头132探出的外端部为匀直段。优选地，所述介质内管喷头134采用陶瓷、石英或有机非金属材料制成，以避免所述内管120与所述介质内管喷头134产生放电，以及避免或减少反应气体与所述介质内管喷头134发生化学反应。参见图12，设定所述金属外管喷头132的初始内径为A₁、所述介质内管喷头134的初始内径为B₁，第一次变径后所述金属外管喷头132的内径为A₂（A₂＜A₁）、所述介质内管喷头134的内径为B₂（B₂＜B₁）；如果存在多次变径，则第N次变径后，外管内径为A_n（A_n＜A_n-1……＜A₁）、介质内管内径B_n（B_n＜B_n-1……＜B₁）。通过变径结构的所述聚能喷头130将微波能量形成的电场聚集，同时也使反应气体聚集。本实施例中的介质内管喷头134在轴向向外方向上不存在内径扩张的结构，介质内管喷头134在探出金属外管喷头132的部分不存在收窄结构，且所述介质内管喷头134的外端口具有匀直结构。

在本实施例中，所述内管120伸入所述介质内管喷头134内的轴向长度与所述介质内管喷头134自身的轴向长度的比值小于50%。在对被刻蚀物体进行刻蚀时，打开所述气源和微波功率源，所述气源通过所述气源接口112向所述外管110内输送惰性气体和/或化学刻蚀气态物的混合物；所述微波功率源向所述内管120输出一定功率范围和占空比的微波（微波功率范围和占空比的数值按上述的所述微波功率源的参数要求进行设定）。当所述内管120发射微波能量时，通过所述金属外管喷头132与介质内管喷头134的变径结构，使得聚能喷头的喷口在轴向向外方向上直径变小，能够形成一个逐渐聚集变强的微波电场，同时反应气体经过一次或者多次变径的所述介质内管喷头134，也形成一个聚集的气流同时所述介质内管喷头134可以有效地阻止内电极与逐步缩口的金属喷口外壁直接放电，而是将微波能量聚焦在反应气体喷出的方向，在等离子激励后，形成一个能量更强的聚能等离子射流；并通过调节所述微波功率源的微波功率和占空比，实现对待刻蚀物体提供一高能量但作用时间不连续的等离子射流，使得刻蚀过程中累计的热量下降，达到大幅度降低温度的效果，由此实现高能低温的等离子体刻蚀，既能保证刻蚀效果，又能避免在刻蚀过程中因高温或放电而损伤被刻蚀物体，参见图14和15。其中，图15中左边的方块是采用本实施例中的采用脉冲式微波方式的微波等离子体刻蚀设备在基材上刻蚀的效果，右边的方块是采用非脉冲式微波方式的等离子体刻蚀效果，可以看出，左边是成功刻蚀掉了基材表面的膜，而右边的效果对应没有馈入脉冲式微波的等离子体刻蚀，由于刻蚀过程中伴随高温，使得膜刻蚀失败；图14的左半部分为采用本实施例中的微波等离子体刻蚀设备在电路板上刻蚀的效果，其右半部分为采用大功率炬在电路板上刻蚀的效果，可以看出其虽然能够刻蚀掉表面材料，但是受大功率影响，刻蚀后的基材被损坏了。

在具体应用中，所述金属外管喷头132的变径结构可以为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式；所述介质内管喷头134的变径结构也可以为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式。所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134的变径次数也可以不一致，二者分别采取不同的变径次数与变径方式。参见图4-图11，在本发明的一个具体实施例中，给出了多种所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134一次变径以及两次变径的设计方案，其中，在图4中，所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134均为一次渐变式变径结构；在图5中，所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134均为一次阶跃式变径结构；在图6中，所述金属外管喷头132为一次阶跃式变径结构，所述介质内管喷头134为一次渐变式变径结构；在图7中，所述金属外管喷头132为一次渐变式变径结构，所述介质内管喷头134一次阶跃式变径结构；在图8中，所述金属外管喷头132为一次渐变式变径结构，所述介质内管喷头134为两次渐变式变径结构；在图9中，所述金属外管喷头132为一次阶跃式变径结构，所述介质内管喷头134为两次阶跃式变径结构；在图10中，所述金属外管喷头132为一次阶跃式变径结构，所述介质内管喷头134为两次渐变式变径结构；在图11中，所述金属外管喷头132为一次阶跃式变径结构，所述介质内管喷头134为一次阶跃和一次渐变组合式变径结构。需要说明的是，图4-图11所示的多种所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134的变径结构仅用于示例性说明所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134可采用的变径结构，并不以此限定所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134的变径结构的保护范围，还存在其他多种所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134的变径结构，在此不一一赘述。在具体应用中，可以根据待刻蚀对象以及刻蚀要求选择合适的（效果最佳的，具体可以通过试验验证来选择）所述金属外管喷头132和所述介质内管喷头134的变径结构。

在本发明的另一实施例中，与上述实施例中所述介质内管喷头134为单个不同。在本实施例中，参见图13，所述介质内管喷头134包括第一介质内管1341和第二介质内管1342，其中，所述第一介质内管1341与所述金属外管喷头132的内壁贴合，所述第二介质内管1342贴合所述第一介质内管1341的端口处的内壁，且所述第一介质内管1341与所述第二介质内管1342均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构，所述第二介质内管1342相对于所述金属外管喷头132探出的部分为匀直段。

本发明的实施例提供了一种微波等离子体刻蚀方法，利用如上所述的微波等离子体刻蚀设备对待刻蚀的物体进行等离子体刻蚀，所述刻蚀方法包括：

将所述微波等离子体刻蚀设备的等离子炬分别连接微波功率源和气源，使所述微波功率源与等离子炬的内管连通，使气源与等离子炬的外管连通；

打开气源，以及按照预先调试好的工作参数打开微波功率源，所述工作参数包括目标功率和目标占空比；

参见图16，通过以下方式预先调试好所述微波功率源的工作参数：

获取待刻蚀的目标物体的测试样品，并对其进行刻蚀测试，该测试样品与实际的刻蚀目标具有相同的材质；

在刻蚀测试过程中，由小到大调节所述微波功率源的输出微波功率，直至所述样品能够被刻蚀，以确定功率参数下限值；具体地，将微波的占空比调节至100%或者99%或者大于95%，输出一定的微波功率，通过显微镜或者人眼观测到样品表面是否发生刻蚀，若无，则继续增大输出微波功率，直至观测到样品表面发生变化（如图15中左边的方块）；

选择大于或等于所述功率参数下限值的目标功率作为实际微波功率，对样品继续进行刻蚀测试；

在继续进行刻蚀测试过程中，由大到小调节所述微波功率源输出的脉冲式微波的占空比，直至所述样品的基材在刻蚀过程中不出现损伤，以确定占空比上限值；具体地，在选定一个大于所述功率参数下限值的目标功率的情况下，设置微波的占空比为100%基本上会使样品的基材出现损伤（如图14中基材的中线右侧的区域），随着微波的占空比的下调，观测到样品表面不发生刻蚀，此时则达到占空比上限值；

选择小于或等于所述占空比上限值的目标占空比；为了使具备一定的容忍度，可以选择少2至5个百分点来确定实际工作占空比；

将所述等离子炬的聚能喷头朝向待刻蚀的目标物体，以所述实际微波功率、实际工作占空比对其进行刻蚀。

根据本发明实施例提供的微波等离子体刻蚀方法，尤其在预先调试好所述微波功率源的工作参数时，可以确定不同材质的刻蚀目标对应的刻蚀工作参数（实际微波功率、实际工作占空比）；并且根据实际需求可以灵活调节工作参数，比如追求效率的话可以设置功率参数下限值以及偏大的实际工作占空比，追求刻蚀效果的话可以设置大于功率参数下限值的功率参数以及偏小的实际工作占空比（因为实际微波功率参数越大，对应的占空比上限值就越低）。

实施例1

利用具备如图4所示的变径结构的等离子炬，采用低功率、高比例脉冲对以下刻蚀对象进行刻蚀，不同刻蚀对象在相应的微波参数下的刻蚀结果如表1所示：

表1 变径结构的等离子炬在低功率、高比例脉冲的微波参数下对基材的刻蚀记录表

对比例1

利用不具备变径结构的等离子炬对相同的刻蚀对象进行刻蚀，刻蚀结果如表2所示：

表2 非变径结构的等离子炬在低功率、高比例脉冲的微波参数下对基材的刻蚀记录表

调节对比例1中的输出微波功率增大50%左右才能对基材进行刻蚀，但是伴随出现基材损伤或者温度过高的现象，除非调节微波的占空比下降30%才能缓解基材损伤，但是大大降低了刻蚀效率或者没有刻蚀效果。

实施例2

利用具备如图4所示的变径结构的等离子炬，采用高功率、低比例脉冲对以下刻蚀对象进行刻蚀，不同刻蚀对象在相应的微波参数下的刻蚀结果如表3所示：

表3 变径结构的等离子炬在高功率、低比例脉冲的微波参数下对基材的刻蚀记录表

对比例2-1

利用不具备变径结构的等离子炬，采用同样的脉冲功率对相同的刻蚀对象进行刻蚀，刻蚀结果如表4所示：

表4 非变径结构的等离子炬在低功率、高比例脉冲的微波参数下对基材的刻蚀记录表

调节对比例2-1中的输出微波功率占空比提高至50%以上才能对基材进行刻蚀，但是伴随出现基材损伤或者温度过高的现象，除非调节微波功率下降至200瓦以下才能缓解基材损伤，但是大大降低了刻蚀效率或者没有刻蚀效果。

对比例2-2

利用变径结构的等离子炬，采用同样的微波功率，但是不进行脉冲调制，对同样的刻蚀对象进行刻蚀，刻蚀结果如表5所示：

表5 变径结构的等离子炬不进行脉冲调制情况下对基材的刻蚀记录表

对比例2-2中，刻蚀对象为单晶硅、多晶硅、金刚石、碳化硅、氧化硅的，当采用同等微波功率，占空比100%连续波条件下，高温对刻蚀对象造成损伤，降低微波功率至100瓦以下可以缓解高温损伤，但是大大降低了刻蚀效率；刻蚀对象为有机化合物的，调节微波至50瓦以下，可以缓解基材损伤，但是同样大大降低了刻蚀效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波等离子体刻蚀设备，包括微波功率源和等离子炬（100），其中，所述等离子炬（100）包括外管（110）和内管（120），其特征在于，所述外管（110）的出口端被配置有聚能喷头（130），所述聚能喷头（130）包括金属外管喷头（132）及介质内管喷头（134），所述介质内管喷头（134）与所述金属外管喷头（132）的内壁贴合，且所述金属外管喷头（132）与介质内管喷头（134）均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构；所述介质内管喷头（134）在轴向向外方向上不存在内径扩张的结构；

所述介质内管喷头（134）的外端面探出所述金属外管喷头（132）的外端面，所述介质内管喷头（134）相对于所述金属外管喷头（132）探出的外端部为匀直段；

所述微波功率源被配置为与所述内管（120）连通，并向所述内管（120）馈入脉冲式的微波，所述微波功率源的输出微波功率范围为20至500 W，所述微波的占空比小于或等于99%。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，对于单晶硅、多晶硅、金刚石、碳化硅或氧化硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为20-500W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至90%。

3.根据权利要求2所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，对于单晶硅或多晶硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为20-350W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至0.5MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至85%；

或者，对于金刚石、碳化硅或氧化硅的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为100-500W，所述微波的脉冲频率范围为50Hz至0.35MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于20%至80%。

4.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，对于有机化合物的刻蚀对象，所述微波功率源的输出微波功率范围为10-300W，所述微波的脉冲频率范围为10Hz至1MHz，在一个脉冲周期T内，所述微波功率源连续开启微波信号的时间为t1，t1与T的比值介于10%至95%。

5.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述金属外管喷头（132）的变径结构为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式；

所述介质内管喷头（134）的变径结构为渐变变径形式、阶跃变径形式或者其组合的形式。

6.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述介质内管喷头（134）为单个；

或者，所述介质内管喷头（134）包括第一介质内管（1341）和第二介质内管（1342），其中，所述第一介质内管（1341）与所述金属外管喷头（132）的内壁贴合，所述第二介质内管（1342）贴合所述第一介质内管（1341）的端口处的内壁，且所述第一介质内管（1341）与所述第二介质内管（1342）均具有在轴向向外方向上内径缩小的变径结构，所述第二介质内管（1342）相对于所述金属外管喷头（132）探出的部分为匀直段。

7.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，还包括设置在所述等离子炬（100）外部的气源，所述等离子炬（100）的外管（110）上还设有用于与所述气源连通的气源接口（112），所述气源的气体包括一种或多种惰性气体，或者，所述气源的气体为包含惰性气体和化学刻蚀气态物的混合物，所述化学刻蚀气态物包括氢气、氧气、氟气体、气态含氟化合物、气态含氢化合物、气态含氧化合物中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述介质内管喷头（134）采用陶瓷、石英或有机非金属材料制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的微波等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述等离子炬（100）的内管（120）与所述介质内管喷头（134）同轴设置，所述内管（120）伸入所述介质内管喷头（134）内的轴向长度与所述介质内管喷头（134）自身的轴向长度的比值小于50%。

10.一种微波等离子体刻蚀方法，其特征在于，利用如权利要求1至9中任一项所述的微波等离子体刻蚀设备，所述刻蚀方法包括：

将所述微波等离子体刻蚀设备的等离子炬分别连接微波功率源和气源；

打开气源，以及按照预先调试好的工作参数打开微波功率源；

将所述等离子炬的聚能喷头朝向待刻蚀的目标物体，进行刻蚀；

其中，通过以下方式预先调试好所述微波功率源的工作参数，所述工作参数包括目标功率和目标占空比：

获取待刻蚀的目标物体的样品，并对其进行刻蚀测试；

在刻蚀测试过程中，由小到大调节所述微波功率源的输出微波功率，直至所述样品能够被刻蚀，以确定功率参数下限值；

选择大于或等于所述功率参数下限值的目标功率，对样品继续进行刻蚀测试；

在继续进行刻蚀测试过程中，由大到小调节所述微波功率源输出的脉冲式微波的占空比，直至所述样品的基材在刻蚀过程中不出现损伤，以确定占空比上限值；

选择小于或等于所述占空比上限值的目标占空比。

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