TWI587752B - 利用氣相介質中之電子迴旋共振產生沿軸向顯著延伸之電漿的裝置 - Google Patents

利用氣相介質中之電子迴旋共振產生沿軸向顯著延伸之電漿的裝置 Download PDF

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Description

利用氣相介質中之電子迴旋共振產生沿軸向顯著延伸之電漿的裝置
本發明係屬於關於一種由氣態介質之電子迴旋共振(ECR)產生電漿的技術領域，特別是關於真空表面處裡的技術領域。
如所屬技術領域中具有通常知識者所皆知的，當電磁波和靜態磁場強度足以使環繞磁力線的電子迴旋動量頻率等於當時賦予的頻率，電子迴旋共振就會產生。因此，電子能夠吸收電磁波的能量而傳遞給氣體以產生電漿。電子迴旋共振所產生的電漿可以用於金屬或其它部件的表面處理，例如離子蝕刻清潔部件、離子輔助物理氣相沉積(PVD)、激發離子輔助化學氣相沉積(PACVD)鍍膜製程中的各種氣體等。這些電漿處理方法能應用於其他領域，例如將所產生的能量應用於機械、光學、防止劣化或表面處理。
依據前述的技術領域，許多電漿處理需要能產生具有沿軸向顯著延伸的電漿的電漿源。一種產生延伸電漿的方法係並列許多尺寸較小的電漿源。例如EP1075168號專利中所述，許多並列的多重雙極電子迴旋共振電漿源產生電漿，因此，形成多重雙極結構。此專利中的結構如第一圖所示。多重電漿源適合用於微波頻率的電子迴旋共振(ECR)，因為能量分布很容易處理。但，要使這些簡單並列的電漿源產生良好的沉積一致性是十分困難的。另外，這種雙極結構並不能引導電漿往待處理基板，因此在往壁面的方向產生巨大的電漿損失。這些損失對應能量損失，因此限制了沉積速率。
其它電子迴旋共振電漿源具有減少損失的磁場配置，可將更多電漿導向待處理基板。例如WO2008/017304號專利中第二圖所示之電漿源配置。於此專利中，特別的是許多這些電漿源並排靠近的配置，可跨越單一電漿源的寬度進行電漿處理。但這種排列方式不能提供良好的電漿處理一致性，因為電漿源之間磁場的相互作用，必須減少電漿源接觸處的電漿密度。
另外存在其它種類具有於一特定方向顯著延伸的電子迴旋共振電漿源。這些電漿源DE4136297號專利、DE19812558號專利及WO2005/027595號專利中所述。這些電漿源的共通點在於電漿實質上形成於同軸結構的表面導體或是中空的波導。如對應DE19812558號專利的第三圖所示，分別揭示這種電漿源的結構。DE4136297號專利 中所述之電漿源包含以介電質材料形成之中空圓柱，將波導的內部與電漿分開。此種元件的缺點在於任何沉積在其上的導體會妨礙電漿的產生。例如，此種電漿源不能用於金屬部件的剝除，因為剝除金屬產生的金屬蒸氣會污染介電質。雖然DE19812558號專利及WO2005/027595號專利中所述之專利具有對污染比較不敏感的潛力，它們都不對流向待處理部件的電漿進行最佳化。
本發明的目標在於以一種簡單、確實、有效率及理性的方法克服上述缺點。
本發明欲解決的問題在於提供具有良好一致性的線性電漿源，將電漿引導至待處理基板，因而減少往壁面的方向的電漿損失，以及可對沉積於電漿源表面的導體不敏感。
為了解決上述問題，設計及研發一種裝置，利用氣相介質中之電子迴旋共振產生電漿，包含：至少二同軸波導形成有中心導體及外部導體，用於將微波導入製程腔室，其特徵在於：沿一方向延伸之磁性電路結合至少二電磁波輸入波導；磁性電路產生可達成電子迴旋共振條件的磁場接近波導以包圍波導。接近的意思是電子迴旋共振區域應該以可行的方式最接近天線，而沒有磁力線穿越電子迴旋共振區域，主要係為輸入波導的天線所截斷。
這些特徵發生係基於點狀的輸入電磁波在包圍輸入波 導(4)的磁性系統(20)中由電子漂移(如第4圖中之箭頭(50)所示)所平滑化的事實，如前所述，同軸波導(1)、(2)及天線(5)、(6)或(7)形成輸入波導(4)。漂移設計為電子沿垂直於磁力線(40)緩慢移動。如此移動係因這些磁力線的變化率及曲率。二輸入波導之間的空間接收漂移來的二輸入波導的共振區域產生的熱電子。當電子漂移時，電子失去能量以產生離子。當距離輸入波導越遠時，離子化速率越低，但當兩相反方向的漂移相加時，電漿源的強度在沿長邊隨距離變化很小。
為解決上述形成磁性陷阱束縛電子以限制其中的損失的問題，磁性電路靠近波導具有兩相反的極。第一極形成第一線包圍波導，而第二極形成第二線包圍第一線。
需注意的是，依據本發明，波導形成為具有中心導體的同軸波導的一端係天線。時至今日，具有本發明之功能的系統對於所屬技術領域中具有通常知識者非顯而易見，因為將磁場沿一方向延伸不能使電子迴旋共振區域包圍輸入點，例如前述WO2008/017304號專利所述的電漿源。 的確，傳輸電漿會變得更困難，因為第一，電子迴旋共振的體積在接近輸入波導處較小，第二，天線環境不是同質的：當波穿越具有旋轉對稱性的波導進入沒有如此對稱性的介質(電漿)中時，波會部分反射。特別前述第二點是問題因為當電漿點火時，系統經歷轉變：在電漿點火之前，介質(真空)係同質的，但當電漿點火之後就不再是。一般來說輸入波導裝備有與裝置匹配的阻抗，但這樣 的裝置通常係需人工調整的而不能在製程中修正。
因為以上的不同理由，必須研發不同形狀的天線以特別適應具有延伸磁性系統的裝置運作。
1‧‧‧中心導體
2‧‧‧外部導體
3‧‧‧介電質窗
4‧‧‧波導
5‧‧‧碟狀元件
6‧‧‧柱狀元件
7‧‧‧盤狀元件
7a‧‧‧天線盤
7b‧‧‧天線盤
8‧‧‧配件
10‧‧‧本體
11‧‧‧冷卻電路
12‧‧‧屏蔽
20‧‧‧磁性電路
21‧‧‧第一極
22‧‧‧第二極
23‧‧‧鐵磁性盤
31‧‧‧第一偏極化
32‧‧‧第二偏極化
以下透過伴隨之圖式更詳細地討論本發明，其中：圖1係EP1075168號專利所述之先前技術的簡化視圖；圖2係WO2008/017304號專利所述之先前技術的簡化視圖；圖3係DE19812558號專利所述之先前技術的簡化視圖；圖4係本發明之原理的簡化視圖；圖5A及5B係表示根據本發明之可行的磁性結構實施例；圖6係表示根據本發明之天線之第一形狀；圖7A、7B及7C係表示根據本發明之天線之其它形狀；圖8係本發明之第一實施例之透視圖，具有微波輸入波導面的截面圖；圖9係本發明之第二實施例之透視圖，具有微波輸入波導面的截面圖，以及與前述面垂直之兩輸入波導間之面的第二截面圖。
為達成上述功能，本發明之第一實施例中，中心導體具有比波導之開口直徑大的同心碟，以保護波導之內部；同心碟置於儘可能接近電子迴旋共振區域之位置，並且頂端具有沿中心導體同軸向設置之柱狀元件。
本發明之第二實施例中，中心導體之一端具有沿磁性電路之最長軸方向延伸之盤狀元件，盤狀元件之至少一端設置有與來源面相連接之配件，以產生短路；盤狀元件之寬度大於波導之開口。
盤狀元件之寬度於整個長度方向係等長，或盤狀元件之寬度，相對於中心導體之至少一側，隨著與中心導體之距離增加而減少。
基於本發明的技術特徵，本發明之裝置可應用於製程腔室包含具有冷卻電路之本體，包含：用於收集形成有依據第一偏極化之具有磁性的第一線，與依據與第一偏極化相反之第二偏極化之具有磁性的第二線之延伸磁性電路之外殼，外殼包圍收集波導於穿越本體厚度之洞；具有磁性的第一線與第二線由鐵磁性盤連接於電漿之相反側，本體與磁性系統利用非磁性屏蔽與電漿分離。
為了使天線適合延伸磁性系統的運作，考慮不同可行的形狀如下：一種是每個波導的中心導體係位於相對於外部導體中心的圓柱狀元件，插置於具有良好導電性之本體；介電質窗置於波導內之開口下方；頂部具有柱狀元件之碟狀元件 覆蓋介電質窗，以作為天線。
或是每個波導的中心導體係位於相對於外部導體的中心的圓柱狀元件，利用形成良好導電連接插置於本體；介電質窗置於波導內之開口下方，為具有沿輸入軸向延伸之延伸部分之盤狀元件所覆蓋；波導位於磁性電路的圓形端處，延伸部分相對於中心導體不對稱；僅在與圓形端相反之方向，波導位於磁性電路的線性部分處，延伸部分相對於中心導體對稱；每個延伸之部分設有作為短路之配件。
如第4圖及第5圖示意性所示，本發明的基本原理是延伸磁性電路包含多個微波輸入波導。
磁性電路在電漿源表面附近具有相反極性的二極，用以形成磁性陷阱束縛電子。第一極形成有一第一線(21)包圍電磁波的輸入波導(4)，且第二極形成有第二線(22)包圍第一線。
第5圖揭示兩種可行的磁性電路形成方式。第一種(第5A圖)具有容易形成的優點，但電子迴旋共振區域係與輸入波導的線性部分相切。第二種(第5B圖)嘗試對接近輸入波導部分的電子迴旋共振的體積進行最佳化
設定磁性結構兩極的相對力，可以影響電漿使其流往待處理基板。例如，加強電路的外部極(22)，二電漿束可從線性部分收斂進入電漿源前方的空間，使在此處的製程部分的速率能夠提升。當真空包圍的牆很接近時，這對於減少此項損失十分有助益。唯若加強電路的內部極(21)，二電漿束橫向偏移相互分開。於特定的情況此係 優點，例如對於圓柱處理表面，可產生二製程區域與圓柱表面相切。
同軸波導具有一端連接天線的中心導體形成輸入波導。
本發明提供兩種最佳化天線形狀的方式。
以下提供電漿源包含具有內部直徑17mm的外部導體，及具有外部直徑8mm的內部導體的同軸波導的數值例子。
在第一實施例中，如第6圖所示，首先中心導體(1)在一碟狀元件(5)中變寬。這樣的碟狀元件具有比波導(1)、(2)還寬的開口，能夠保護波導的內部以防止可能的沉積，並且將波引導儘可能接近電子共振區域，其邊緣實際上與電子迴旋共振區域距離數公厘。碟狀元件具有數公厘的厚度，約1至5公厘，並且與電漿源表面形成數公厘的槽，較佳的是2至5公厘。碟狀元件的頂端具有柱狀元件(6)，柱狀元件與中心導體(1)連貫。柱狀元件具有λ/8至λ/2之範圍之長度，λ係微波的波長。精確的長度依碟狀元件的直徑與電子迴旋共振區域的形狀而定。利用調整柱狀元件的長度最佳化天線。例如，在一碟狀元件直徑為25mm的實施例中，當波長為122.4mm(2.45GHz)時，柱狀元件的最佳長度範圍係30至35mm。因此，雖然具有旋轉對稱性，這個天線與微波場產生良好的匹配。柱狀元件的功能係匹配真空相對於電漿的阻抗。
在第二實施例中中心導體一端連接具有數公厘的厚度的盤狀元件(7)，此處的盤狀元件非旋轉對稱，但在磁性系統(第7A圖、第7B圖)的長軸方向延伸。在橫向部分，這個盤狀元件延伸超越波導的開口，並與電子迴旋共振區域距離數公厘。盤狀元件具有λ/4至λ間的總長度範圍。利用調整這個長度，可以最佳化電漿匹配。盤狀元件的一端設置有接觸元件(8)，與電漿源表面接觸以產生短路，避免盤狀元件發出往鄰近盤狀元件的微波。此短路使波在此處於電磁場中產生節點。波反射並回到輸入點。當反射波達到輸入點時，輸入點與接地點間的距離決定反射波的相性。利用修改這個距離，可以調整電漿反射波的相性。一種自然的解決方法是當盤狀元件的總長度係λ/2時，也就是對於2.45GHz的頻率時是61mm，這樣的長度形成駐波於兩端之間。唯實際上發現這樣的理論長度並非使電漿效率最佳化的長度，長度必須再增加約百分之10以達到最理想的效果。
盤狀元件的寬度在整個盤狀元件的長度方向可維持不變(第7A圖)或是隨著與輸入點的距離增加而減少(第7B圖)。較佳的實施方式是盤狀元件的寬度向端點遞減。例如，盤狀元件的中央寬度為25mm，接近端點處的寬度為10mm。
對位於磁性電路轉彎處的輸入波導，上述第二天線形狀修改成僅在遠離磁性電路轉彎的方向延伸(第7C圖)。此部分之長度，從中心波導的中心開始起算，係具 有λ/8至λ/2的範圍。在磁性電路轉彎側，盤狀元件具有半碟狀。在一實施例中，當λ是122.4mm(2.45GHz)時，半盤具有12.5mm的半徑，延伸部分具有34mm的長度。
可結合許多不同種類的天線在同一電漿源以最佳化整體表現。亦可以結合本發明所提供的兩種解決方式，例如延伸盤的頂端具有柱狀元件。
參考第8圖及第9圖，揭示本發明中的上述電漿源整合裝置的二實施例的截面圖。
於第8圖中，製程腔室包含非磁性金屬本體(10)，以冷卻電路(11)的循環水進行冷卻。收集磁性電路的外殼設置於本體，外殼為第一線(21)與第二線(22)形成的延伸之磁性電路所組成，且外殼包圍形成於穿越本體(10)厚度之洞的波導(4)。在本實施例中，磁性系統形成有具有第一偏極化(31)的第一磁性線(21)與具有與第一偏極化相反的第二偏極化(32)的第二磁性線(22)包圍第一磁性線。在本體(10)之內部，二磁性線(21)及(22)以一鐵磁性盤(23)相連接。本體(10)和磁性系統利用一平面屏蔽(12)與電漿分離。本體(10)與平面屏蔽(12)中形成圓柱洞，以利用具有外部導體(2)並插置於具有良好導電性的電漿源本體中的多個同軸波導的手段輸入微波。每個波導的中心導體形成圓柱形的柱狀元件(1)，位於相對於中心導體的中心並延伸超過屏蔽。介電質窗(3)設置於波導之內部距離開口數公厘處。此位置的偏移保障避免介電質因任何沉積，特別是可妨礙微波通過的導電物質的沉積，而污染。介電質能夠使真空製程的內部 和外部之間產生氣密。在第一實施例中，碟狀元件(5)覆蓋波導開口，以防止沉積物穿透進入波導，並使微波能進入電子迴旋共振區域。碟狀元件(5)的頂端具有柱狀元件(6)，使能最佳化與電漿的匹配。
因此，在一實施態樣中，對於2.45GHz的微波頻率及每個天線90W的功率，圓形碟具有25mm的直徑及3mm的厚度，柱狀元件的長度調整為16mm與35mm之間。在每個配置中，可以觀測到點火的容易性。當容易點火時，不需調整裝置中每個輸入線的阻抗匹配水平。
進行從電漿中取出並由距離20V的電漿源8cm的基板所收集的電流之量測，結果揭示如下表：
雖然每個配置中阻抗匹配已最佳化以產生最佳的電漿能量傳輸效率故電流變化不大，仍足以決定在這個配置中，長度應介於30至35mm之間。
於如第9圖所示之實施例中，製程腔室的基本設計與前述相同。不同之處在於天線部分。於本實施例中，天線盤(7a)及(7b)沿輸入波導的方向延伸。對於位於電漿源的一端的延伸部分(7a)，係相對於中心導體(1)非對稱，對於磁性電路轉彎處的中心部分，延伸部分僅往相反的方向。對於位於磁性電路線性部分的延伸部分 (7b)，係相對於中心導體對稱。每個延伸部分端點具有短路(8)以避免天線往鄰近的天線發射微波。本實施例中，盤狀元件的寬度隨與往接地方向與中心導體(1)的距離增加而減少。
此配置首先利用具有接地與波導的中心導體的距離係於31至32mm，因此接近λ/4(30.6mm)，之間的天線進行測試。此測試結果相對於第一實施例，提供了約百分之3的電流提升。當此距離係34mm時電流更再提升了百分之3，因此相對於第一實施例達到百分之6。在這二實施例中，盤狀元件具有3mm的厚度。
本發明的優點揭示如上。
4‧‧‧波導
21‧‧‧第一極
22‧‧‧第二極

Claims (9)

  1. 一種利用氣相介質中之電子迴旋共振產生沿軸向延伸之電漿的裝置，該裝置包含：至少二同軸波導(4)，每個該波導形成中心導體(1)及外部導體(2)，用於將微波導入製程腔室，其特徵在於：沿一方向延伸之磁性電路(21、22)結合至少二電磁波輸入之該波導(4)；該磁性電路產生可達成電子迴旋共振條件的磁場接近該波導以包圍該波導(4)，其中，該磁性電路具有，相反極性(31、32)接近該波導的二極(21、22)，以形成磁性陷阱束縛電子，且第一極(21)形成第一線包圍該波導(4)；而第二極(22)形成第二線包圍該第一線(21)。
  2. 如請求項第1項之裝置，其中，每個該波導之該中心導體(1)具有能夠保護該波導之開口的配件，並作為天線。
  3. 如請求項第2項之裝置，其中，該中心導體(1)具有比該波導(4)之該開口直徑大的同心碟(5)，以保護該波導之內部；該同心碟置於儘可能接近電子迴旋共振區域之位置，並且頂端具有與沿該中心導體(1)同軸向設置之柱狀元件(6)。
  4. 如請求項第2項之裝置，其中，該中心導體(1)之一端具有沿該磁性電路之最長軸方向延伸之盤狀元件 (7)，該盤狀元件之至少一端設置有與來源面相連接之該配件(8)，以產生短路；該盤狀元件(7)之寬度大於該波導(4)之該開口。
  5. 如請求項第4項之裝置，其中，該盤狀元件(7)之寬度於整個長度方向係等長。
  6. 如請求項第4項之裝置，其中，該盤狀元件(7)之寬度，相對於該中心導體(1)之至少一側，隨著與該中心導體(1)之距離增加而減少。
  7. 如請求項第1至6項中任一項之裝置，其中，該製程腔室包含具有冷卻電路(11)之本體(10)，該本體(10)包含：外殼，其為依據第一偏極化之具有磁性的第一線(21)與依據該與該第一偏極化相反之第二偏極化之包圍該第一線(21)之具有磁性的第二線(22)形成的延伸之該磁性電路所組成，該外殼包圍形成於穿越該本體(10)厚度之洞的該波導(4)；具有磁性的該第一線與該第二線由鐵磁性盤(23)相連接；該本體與磁性系統利用屏蔽(12)與該電漿分離。
  8. 如請求項第7項之裝置，其中，該中心導體(1)係位於相對於該外部導體中心的圓柱狀元件，插置於具有導電性之該本體(10)；介電質窗(3)置於該波導(4)之內部之開口下方；頂部具有柱狀元件之碟狀元件覆蓋該介電質窗，以作為天線。
  9. 如請求項第7項之裝置，其中，該中心導體係位於 相對於該外部導體的中心的圓柱狀元件，利用形成導電連接插置於該本體(10)；該介電質窗(3)置於該波導(4)內之該開口下方，其為具有沿輸入軸向延伸之延伸部分之盤狀元件(7)所覆蓋；該延伸部分相對於位於該磁性電路的圓形端處之該波導之該中心導體不對稱；僅在與該圓形端相反之方向之該延伸部分相對於位於該磁性電路的線性部分處之該波導之該中心導體對稱；每個該延伸部分設有作為短路之配件(8)。
TW102132427A 2012-09-11 2013-09-09 利用氣相介質中之電子迴旋共振產生沿軸向顯著延伸之電漿的裝置 TWI587752B (zh)

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