CN1852632A - 基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源。其特征是具有上、下真空室、基片电极、外部调谐网络，射频天线采用柱面耦合方式，基片电极采用叠片绝缘屏蔽，通过外部可变电容、固定电感组成的调谐网络接地。本发明提出的电极调谐型射频感性耦合等离子体源结构简单、系统成本低，不但具有射频感性耦合等离子体的优点，同时能相对独立地增强和抑制基片离子轰击。

Description

基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源

技术领域

本发明涉及射频感性耦合等离子体源，采用一台射频放电电源同时产生等离子体和控制基片离子轰击能量，用于等离子体增强气相沉积、等离子体表面改性等。

背景技术

低温等离子体包含离子、中性自由基化学活性成分，离子对固体表面的轰击作用改变、增强了表面的物理、化学过程，这种特性使低温等离子体在刻蚀、薄膜沉积、表面清洗、表面改性等方面得到了重要应用。射频感性耦合等离子体无需外磁场，装置结构简单，便于多元阵列线性放大，是一种优良的低气压高密度等离子体源。正因此，射频感性耦合等离子体源在深亚微米/纳米微电子集成电路芯片的等离子体刻蚀工艺中得到了大规模应用，而且还应用于光胶灰化、功能薄膜和纳米颗粒沉积、微电机系统制造、全方位离子注入等重要方面。

在等离子体应用中，两个重要的控制参数是等离子体密度和离子轰击能量。等离子体密度是决定加工速度的参量，离子轰击不仅可以影响加工速度，而且还可以影响工艺结果。在刻蚀工艺中，等离子体密度和轰击能量影响刻蚀速率、刻蚀形状、选择比等刻蚀特性。在等离子体薄膜沉积应用中，上述两参量影响薄膜结构、密度、化学计量比、膜基结合力等，继而影响薄膜的物理化学特性。在射频感性耦合等离子体源中，传统的方法采用了两台射频电源：一台用于产生等离子体，另一台用于产生射频偏置电压。该技术的缺点为：(1)在工作时，两台电源的阻抗匹配相互干扰；(2)系统的制造成本相对较高；(3)采用独立的射频电源对基片电极进行偏置时，只能提高基片的离子轰击能量，不能抑制离子对基片的轰击。在射频容性耦合溅射沉积装置中，美国IBM公司的研究人员[J.H.Keller and W.B.Pennebaker，Electrical Properties of RF Sputtering Systems，IBM J.Res.Develop.，Vol.23，3(1979)]采用调谐方法控制基片的容性耦合，用一台射频电源同时产生等离子体和独立地调控基片射频偏压。Balzer公司(Balzer Process Systems，China，TFC99’全国薄膜学术会议讨论会会议文集，P170)将该技术用于平面显示器的加工工艺控制。但是，上述研究或加工工艺采用射频容性耦合放电，所产生的等离子体密度低，不适于高速率等离子体处理(气相沉积、刻蚀、表面改性等)的工艺要求。

射频感性耦合是一种高密度等离子体源技术，其耦合天线上同时存在射频电压、电流。射频电流以感性耦合方式产生横向有旋电场，加速电子而产生等离子体；射频电压通过容性耦合方式产生纵向无旋电场，所驱动的容性耦合电流，由射频天线通过各电路分支流向装置地，其结果之一是在与等离子体接触的固体表面上形成射频等离子体鞘层，影响非接地(悬浮或接外电路)固体表面的射频自偏压。

当射频感性耦合等离子体用于刻蚀加工时，放电中容性耦合导致耦合窗口的溅射、刻蚀，需要抑制容性耦合强度。当射频感性耦合等离子体用于薄膜沉积工艺时，容性耦合所造成的离子轰击则是有益的，它减少了耦合窗口和真空室壁上的薄膜、颗粒沉积，降低了薄膜、颗粒脱落对基片薄膜的玷污，延长真空室的清洗周期，提高设备工作效率。通过控制基片电路分支的容性耦合，即基片射频自偏压，由一台射频电源所构成的沉积用等离子体源，可以同时相对独立地产生等离子体和控制离子轰击基片表面的能量，从而控制膜基结合力、内应力、膜成分、结构等薄膜特性，由此发展一种结构简单、高性能的沉积用基片调谐型射频感性等离子体技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体密度高、离子轰击能量可控、结构简单、成本低的基片电极调谐型射频感性等离子体源技术。

本发明的技术方案是等离子体由射频天线的感性耦合产生，射频天线的容性耦合通过两分支电路流向地，其中一支为基片电路分支。离子轰击基片的能量，即基片电极的射频自偏压的大小，与通过基片电极分支的容性耦合强度相关。将基片电极与外部调谐网络串联后接地，调节外部网络阻抗改变流过基片电路分支的容性耦合强度，继而控制基片电极的射频自偏压、离子轰击基片的能量。为了增加基片电极射频自偏压的控制范围，本发明进行以下设计：(1)采用柱面天线耦合方式，适当增加射频耦合天线与导电真空室之间的距离；(2)适当增加射频天线的电感，适当减小天线与介质耦合壁之间的距离；(3)将基片电极置于上真空室；(4)采用大半径叠片绝缘介质，降低基片电极与地之间的电容；(5)降低外部调谐网络的对地杂散电容；(6)降低外部LC网络的电阻。

本发明的效果和益处是，所提出的电极调谐型射频感性耦合等离子体源具有射频感性耦合放电等离子体密度高的优点，而且能同时相对独立地控制基片电极的离子轰击能量。本发明的等离子体源结构简单，系统成本低。在用于等离子体增强气相沉积工艺中，不但能增强还可以抑制离子轰击。

附图说明

本发明中涉及的附图说明为：

图1基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源的结构示意图；

图2感性耦合放电的Γ型阻抗匹配器示意图；

图3基片电极结构示意图；

图4外部调谐网络结构示意图；

图1-4中的标记如下：

1射频电源；2同轴传输线；3等离子体阻抗匹配器；4耦合天线；5金属屏蔽罩；6均流进气环；7上铝盖板；8基片电极；9绝缘体；10耐热玻璃圆桶；11抽气系统；12不锈钢真空室；13LC调谐网络。

图5基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源等效电路图；

图中C₁、C₂为匹配器可变电容，C_ad、C_sl为空气间隙与玻璃桶壁的电容、桶壁上等离子体鞘层的电容。L_pc代表容性耦合分支中源于电子惯性的电感，r_pc为容性耦合分支的等效等离子体耗能电阻。C_s2为基片上的等离子体鞘层电容，L、C_t为外部调谐网络的电感、电容，C_st为基片电路的对地杂散电容，C_sw为不锈钢真空室壁上的等离子体鞘层电容。L_c、R_c为耦合天线的电感、欧姆电阻，M表示互感，r_ph为感应耦合分支的等效等离子体耗能电阻，L₂为等离子体电感，L_e为感性耦合分支中源于电子惯性的电感。i、i_e、i_h分别为由射频电源总电流、容性耦合分支电流、感性耦合分支电流；

图6基片分支电路阻抗绝对值|Z|随调谐电容值的变化；

图7在一定放电条件下基片调谐射频自偏压随调谐电容的变化；

图8(a)在高电感(三匝铜管)、低电感(一匝铜管)放电条件下，天线射频电压峰峰值在天线长度上的分布；(b)高、低电感耦合天线放电条件下，基片调谐射频自偏压最小值绝对值|V_tsbmin|随放电功率的变化；

图9基片调谐射频自偏压最小值的绝对值|V_tsbmin|随基片位置(以不锈钢真空室底部为零点)的变化。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图说明详细地说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，射频电源1的能量经同轴传输线2、阻抗匹配器3、射频天线4耦合进入等离子体，对应的等效射频电路如图5所示。射频能量耦合中有感性耦合和容性耦合两种方式，其中射频天线电流在真空室内产生交变磁场，变化磁场产生的涡旋电场加速电子电离中性粒子放电。天线电压产生的容性耦合电流经过图5中两个分支电路流向地。射频天线的阻抗匹配器采用Γ型(图2)，调节可变电容C₁、C₂可以产生击穿放电并使射频反射功率降至最低。射频天线由多匝紫铜管组成，管内通水降低射频电流欧姆加热产生的温升。柱形耐热玻璃真空室放置在不锈钢真空室之上，上部由金属铝法兰盖板密封。真空室内的基片电极部分由低溅射产额的陶瓷圆形叠片绝缘(图3)，外部串接由固定电感L，可变电容C_t组成的调谐网络(图4)。改变调谐电容值，基片电路分支的阻抗值随之改变(图6)，并在串联共振(C_t＝C_sr)点取得最小值。随着基片电路阻抗值的变化，基片电极的射频自偏压V_tsb(图7)，即离子轰击能量随之改变。基片自偏压的改变对射频反射功率的影响很小，对等离子体密度的影响可以忽略，因此，在基片电极调谐型射频等离子体源中，等离子体密度、基片电极的离子轰击能量可以独立控制。

采用一匝、三匝铜管天线放电时，天线射频电压峰峰值在天线长度上的分布如图8(a)所示。在不同天线条件下，基片调谐射频自偏压最小值的绝对值|V_tsbmin|(参见图7中说明)随放电功率的变化如图8(b)所示。在保持放电功率、气压不变时改变基片电极位置，基片调谐射频自偏压最小值的绝对值|V_tsbmin|随基片位置的降低而增加(图9)。

在图7中，可变电容值由小到大，然后再由大到小完成一个周期变化时，基片调谐自偏压的沿1→2→3→4→5→6路径变化，状态2、5为同一电容值下的双稳态。在电容值由小到大直至上跳点之前的范围内，基片自偏压值为负值，可以作为提高基片离子轰击的增强偏置工作区。为了获得稳定的自偏压，调谐状态应该离开最低点(V_tsbmin)一定距离。在上跳之后的电容值范围内，基片自偏压为正值，可以作为减弱基片离子

Claims (2)

1.一种基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源，由射频能量产生传输、耦合部分，等离子体真空室，均流进气环，抽气机组，基片电极和外部调谐网络组成，其特征是采用柱面射频天线耦合，等离子体源由上、下真空室组成，上部为桶形耐热玻璃真空室，下部为不锈钢真空室，基片电极通过外部LC调谐网络接地。

2.根据权利1所述的一种基片电极调谐型射频感性耦合等离子体源，基片电极的特征为采用低溅射产额的陶瓷绝缘，并采用圆形叠片结构，并放置在上部真空室内。

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