TW202228181A - 電漿密度可調的離子源裝置 - Google Patents

Abstract

本申請公開了一種電漿密度可調的離子源裝置，包括從內至外依次同軸設置的放電腔、螺旋線圈和離子源腔；放電腔的外壁面上設置有金屬箔，金屬箔能夠屏蔽放電腔的內邊緣磁場強度，中和集膚效應所造成的電漿密度偏高，使得放電腔內電漿密度分佈均勻。金屬箔的寬度W取值範圍為1~20mm，金屬箔的厚度T取值範圍為0.1mm~t，其中，t為集膚深度；根據放電腔中的邊緣電漿密度和中心區域電漿密度的差異性，選擇金屬箔的厚度T和表面積。本申請通過在放電腔外增加法拉第結構，並對法拉第結構進行功率分配，針對不同工況進行電漿密度調節，從而有效改善蝕刻均勻性。

Description

電漿密度可調的離子源裝置

本發明是有關於離子束蝕刻領域，且特別是有關於一種電漿密度可調的離子源裝置。 相關申請

本申請要求於2021年1月4日提交中國專利局、申請號為2021100021686、申請名稱為「一種等離子密度可調的離子源裝置」的中國專利申請的優先權，其全部內容通過引用結合在本申請中。

離子束蝕刻是可用於蝕刻加工各種金屬（Ni、Cu、Au、Al、Pb、Pt、Ti等）及其合金，以及非金屬、氧化物、氮化物、碳化物、半導體、聚合物、陶瓷、紅外和超導等材料。原理上是利用輝光放電原理將氬氣分解為氬離子，氬離子經過陽極電場的加速對樣品表面進行物理轟擊，以達到蝕刻的作用。蝕刻過程即把Ar氣充入離子源放電室並使其電離形成電漿，然後由柵極將離子呈束狀引出並加速，具有一定能量的離子束進入工作室，射向固體表面轟擊固體表面原子，使材料原子發生濺射，達到蝕刻目的，屬純物理蝕刻。由於離子不是由輝光放電產生，而是由獨立的離子源發射出惰性氣體離子並經電場加速後再進入放入樣品的真空室，離子束源與樣品室的真空度可分別達到各自的最佳狀態，膜的純度很高。

離子源是將中性原子或分子電離並從中提取離子束流的設備，離子源的優劣直接影響蝕刻性能，現有的離子源主要包括考夫曼離子源、射頻離子源、微波電子回旋共振（ECR）離子源和霍爾離子源（End Hall），其中，射頻離子源由於具有高密度、無污染、易維護和長壽命等優點被廣泛用於離子束蝕刻、材料表面改性和薄膜加工等領域，其原理是工作原理為：當放置在介質窗上的射頻線圈中流入一定的射頻電流，在放電室中感應產生感應射頻電場，感應電場會加速電子運動，使之不斷與中性氣體分子碰撞電離，從而將感應線圈中的射頻能量耦合到電離的氣體中維持電漿放電。大部分由射頻放電產生的離子經柵極系統引出形成離子束，射頻離子源具有無極放電，工作長時間穩定、均勻區大、離子束密可以精確控制、污染小等特點，在離子束蝕刻過程中得到廣泛應用。

現有離子源在使用過程中線圈在通電時，在其集膚層內，電漿密度最高，在集膚層外的區域，電漿密度逐漸衰減，在低壓條件下，放電腔內電漿密度多呈拋物線分佈，隨電流增加，邊緣集膚效應增強，放電腔內的電漿密度分佈一般呈現馬鞍形分佈，放電腔內電漿密度中心和邊緣分佈不均，見圖1和圖2所示。現有方式是採用屏柵上開不同規格的孔徑來解決這一問題，但是只能針對某些工況進行改善，無法進行多工況調節，影響蝕刻均勻性。

本申請各示例性實施例提供一種電漿密度可調的離子源裝置，該電漿密度可調的離子源裝置通過在放電腔外增加法拉第結構，並對法拉第結構進行功率分配，針對不同工況進行電漿密度調節，從而有效改善蝕刻均勻性。

本申請各示例性實施例提供一種電漿密度可調的離子源裝置，包括從內至外依次同軸設置的放電腔、螺旋線圈和離子源腔；放電腔的外壁面上設置有金屬箔，金屬箔能夠屏蔽放電腔的內邊緣磁場強度，中和集膚效應所造成的電漿密度偏高，使得放電腔內電漿密度分佈均勻。

在一實施例中，金屬箔的寬度W取值範圍為1~20mm，金屬箔的厚度T取值範圍為0.1mm~t，其中，t為螺旋線圈的集膚深度。根據放電腔中的邊緣電漿密度和中心區域電漿密度的差異性，選擇金屬箔的厚度T和表面積。

在一實施例中，當邊緣電漿密度高於中心區域3%以上時，應增大金屬箔的厚度T或表面積，增加金屬箔的屏蔽效能，降低邊緣電漿密度；當邊緣電漿密度高於中心區域電漿密度的3%及以下，則減小金屬箔的厚度或表面積，降低屏蔽效能，避免邊緣區電漿密度低於中心區域密度。

在一實施例中，金屬箔呈環形，在放電腔外壁面上沿軸向佈設。

在一實施例中，金屬箔呈帶狀，螺旋繞設在放電腔外壁面上。

在一實施例中，金屬箔為豎條，沿周向佈設在放電腔外壁面上。

在一實施例中，金屬箔的材質為鋁、金或銅，具有法拉第屏蔽效果，對電壓形成屏蔽。

在一實施例中，在放電腔的尾端設置柵（Grid）組件；Grid組件包括從內至外依次設置的屏柵和加速柵，屏柵用於將放電腔內的電漿聚焦，形成離子束；加速柵用於對形成的離子束進行加速。

在一實施例中，Grid組件還包括設置在加速柵外側的減速柵。其中，屏柵和加速柵分別與濾波後的直流電（DC）電源相連接，減速柵接地，用於減小離子束發散。

螺旋線圈通過射頻匹配器與射頻電源相連接。

本申請具有如下有益效果。

1、本申請所述的金屬箔，在放電腔外形成法拉第結構，通過對法拉第結構進行功率分配，針對不同工況進行電漿密度調節，從而有效改善蝕刻均勻性。

2、本申請所述的金屬箔能夠屏蔽放電腔的內邊緣磁場強度，中和集膚效應所造成的電漿密度偏高，使得放電腔內電漿密度分佈均勻。

3、本申請所述的電漿密度可調的離子源裝置能夠根據放電腔中的邊緣電漿密度和中心區域電漿密度的差異性，選擇金屬箔的厚度T和表面積。

4、本申請所述的金屬箔的材質為鋁、金、銅等導體，從而能很好地達到法拉第屏蔽效果，對電壓形成屏蔽作用。

下面結合附圖和具體較佳實施方式對本申請作進一步詳細的說明。

本申請中所述的「和/或」的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內。

本申請中所述的「連接」的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。為了便於簡要的表述，除非另有定義，本申請中當一元件被描述為「連接」另一個元件是指該一元件與該另一元件為電連接。

本申請的描述中，需要理解的是，術語「左側」、「右側」、「上部」、「下部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，「第一」、「第二」等並不表示零部件的重要程度，因此不能理解為對本申請的限制。本實施例中採用的具體尺寸只是為了舉例說明技術方案，並不限制本申請的保護範圍。

如圖3所示，本申請各示例性實施例提出一種電漿密度可調的離子源裝置，包括從內至外依次同軸設置的放電腔20、螺旋線圈30和離子源腔10。

在離子源腔10的內壁上沿周向分佈有若干螺旋線圈固定31上，螺旋線圈30放置於螺旋線圈固定31上。螺旋線圈的正極端通過設在離子源腔上的射頻柱42與射頻匹配器41相連接，射頻匹配器與射頻電源40相連接。

上述射頻匹配器41的設置，使負載阻抗與射頻電源40的阻抗匹配，從而減少反射功率，保證傳輸功率達到最大。

放電腔20通過放電腔支撐21安裝於離子源腔10上。

在放電腔的前端設置有進氣管道70，用於向放電腔內通入Ar、O ₂電漿化氣體。

在放電腔的尾端設置Grid組件60；Grid組件60可以選擇兩柵極或者三柵極。

Grid組件60為兩柵時，包括從內至外依次設置的屏柵61和加速柵62。

上述屏柵61通過設在離子源腔上的射頻柱613依次與濾波器612和DC電源611相連接，屏柵61可以對電漿聚焦，形成離子束。

上述加速柵62通過設在離子源腔上的射頻柱623依次與濾波器622和DC電源621相連接，加速柵62對離子束進行加速。

Grid組件60為三柵時，三柵是在兩柵的基礎上加入一減速柵64，減速柵63設置在加速柵外側，可以有效減小離子束發散。其中，屏柵上加負電，加速柵加正電，減速柵接地。

放電腔的外壁面上優選貼設有金屬箔50，金屬箔的材質優選為鋁、金或銅等導體，具有法拉第屏蔽效果，對電壓形成屏蔽。

上述金屬箔的形式包含但不限於以下形式。

（1）環形沿軸向分佈：如圖4所示，金屬箔呈環形，在放電腔外壁面上沿軸向佈設，其軸向分佈可以是均勻的，也可以是均勻的。

（2）螺旋形分佈，優選包括如下兩種實施例。

在一實施例中：如圖5所示，金屬箔呈帶狀，且為整根長帶，螺旋繞設在放電腔外壁面上，繞設間距可以均勻，也可以不均勻。

在一實施例中：如圖6所示，金屬箔呈帶狀，且為多根長度不等的金屬箔帶，螺旋繞設在放電腔外壁面上，繞設間距可以均勻，也可以不均勻。

（3）豎條沿周向分佈：如圖7所示，金屬箔為豎條，沿周向佈設在放電腔外壁面上，周向分佈可以是均勻的，也可以是均勻的。在圖7中為均勻佈設。

當需要蝕刻時，啟動DC電源611、621和射頻電源40，當通過匹配器將射頻功率加到螺旋線圈30上時，螺旋線圈30內就有射頻電流通過，於是產生射頻磁通，並且在放電腔20的內部沿著放電腔軸向感應出射頻電場；Ar、O ₂電漿化氣體經進氣管道70進入放電腔內，在螺旋線圈作用下，對放電腔內的氣體進行電離，放電腔內的電子被電場加速,產生密集的電漿。放電腔內的電漿經Grid組件60引出後，以離子束的形式轟擊靶材，對晶圓進行蝕刻。

蝕刻過程中，隨著靜電場增加，將造成明顯的集膚效應，同時，電漿中的帶電粒子在電場力的作用下運動或通過氣體放電產生壓力及溫度變化，同時會對放電腔內的流場施加可控擾動，流場分佈的不均勻性，電荷的積累等多重因素造成邊緣電漿密度偏高。

在一實施例中，通過在放電腔20外側設有金屬箔50，可有效屏蔽放電腔內邊緣磁場強度，中和集膚效應所造成的電漿密度偏高，使得放電腔內電漿密度分佈均勻。

金屬箔的寬度W取值範圍優選為1~20mm，金屬箔的厚度T取值範圍優選為0.1mm~t，其中，t為螺旋線圈的集膚深度

根據放電腔中的邊緣電漿密度和中心區域電漿密度的差異性，選擇金屬箔的厚度T和表面積。具體為：當邊緣電漿密度高於中心區域3%以上時，應增大金屬箔的厚度T或表面積，增加金屬箔的屏蔽效能，降低邊緣電漿密度；當邊緣電漿密度高於中心區域電漿密度的3%及以下，則減小金屬箔的厚度或表面積，降低屏蔽效能，避免邊緣區電漿密度低於中心區域密度。

另外，金屬箔在放電腔外形成法拉第結構，通過對法拉第結構進行功率分配，針對不同工況進行電漿密度調節，從而有效改善蝕刻均勻性。

以上實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本申請的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本申請的保護範圍。因此，本申請專利的保護範圍應以所附申請專利範圍為準。

10:離子源腔 20:放電腔 21:放電腔支撐 30:螺旋線圈 31:螺旋線圈固定 40:射頻電源 41:射頻匹配器 42:射頻柱 43:射頻柱 50:金屬箔 60:Grid組件 61:屏柵 62:加速柵 63:減速柵 70:進氣管道 611:DC電源 612:濾波器 613:射頻柱 621:DC電源 622:濾波器 623:射頻柱

圖1顯示了現有技術中放電腔內電漿密度的分佈示意圖。 圖2顯示了現有技術中高能工況下和低能工況下反應腔內離子束流密度的分佈圖。 圖3是本申請一實施例的一種電漿密度可調的離子源裝置的結構示意圖。 圖4是本申請一實施例中金屬箔為環形時，在放電腔外壁面上的佈設示意圖。 圖5是本申請一實施例中金屬箔為第一種螺旋形時，在放電腔外壁面上的佈設示意圖。 圖6是本申請一實施例中金屬箔為第二種螺旋形時，在放電腔外壁面上的佈設示意圖。 圖7是本申請一實施例中金屬箔為豎條時，在放電腔外壁面上的佈設示意圖。

10:離子源腔

20:放電腔

21:放電腔支撐

30:螺旋線圈

31:螺旋線圈固定

40:射頻電源

41:射頻匹配器

42:射頻柱

43:射頻柱

50:金屬箔

60:Grid組件

61:屏柵

62:加速柵

63:減速柵

70:進氣管道

611:DC電源

612:濾波器

613:射頻柱

621:DC電源

622:濾波器

623:射頻柱

Claims (10)

1. 一種電漿密度可調的離子源裝置，包括從內至外依次同軸設置的放電腔、螺旋線圈和離子源腔，其中， 所述放電腔的外壁面上設置有金屬箔，所述金屬箔能夠屏蔽所述放電腔的內邊緣磁場強度，以及中和集膚效應所造成的電漿密度偏高，使得所述放電腔內電漿密度分佈均勻。
2. 如請求項1所述的離子源裝置，其中：所述金屬箔的寬度W的範圍為1mm~20mm，所述金屬箔的厚度T的範圍為0.1mm~t，其中，t為所述螺旋線圈的集膚深度；根據所述放電腔中的邊緣電漿密度和中心區域電漿密度的差異性，選擇所述金屬箔的厚度T和表面積。
3. 如請求項2所述的離子源裝置，其中， 當所述邊緣電漿密度高於中心區域電漿密度3%以上時，則增大所述金屬箔的所述厚度T或所述表面積，以增加所述金屬箔的屏蔽效能，降低所述邊緣電漿密度；和/或 當所述邊緣電漿密度高於所述中心區域電漿密度的3%及以下時，則減小所述金屬箔的所述厚度T或所述表面積，以降低所述屏蔽效能，避免所述邊緣電漿密度低於所述中心區域電漿密度。
4. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，所述金屬箔呈環形，在所述放電腔的所述外壁面上沿軸向佈設。
5. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，所述金屬箔呈帶狀，螺旋地繞設在所述放電腔的所述外壁面上。
6. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，所述金屬箔為豎條，沿周向佈設在所述放電腔的所述外壁面上。
7. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，所述金屬箔的材質為鋁、金或銅，具有法拉第屏蔽效果，並對電壓形成屏蔽。
8. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，在所述放電腔的尾端設置柵（Grid）組件；所述Grid組件包括從內至外依次設置的屏柵和加速柵，所述屏柵用於將所述放電腔內的電漿聚焦，形成離子束；所述加速柵用於對形成的所述離子束進行加速。
9. 如請求項8所述的離子源裝置，其中，所述Grid組件還包括設置在所述加速柵外側的減速柵；其中，所述屏柵和所述加速柵分別與濾波後的直流電（DC）電源相連接，所述減速柵接地，用於減小所述離子束的發散。
10. 如請求項1所述的離子源裝置，其中，所述螺旋線圈通過射頻匹配器與射頻電源相連接。

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