TWI663626B - 用於處理工件的反應器以及微波源 - Google Patents

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Abstract

一種微波天線，包含：第一螺旋導管，第一螺旋導管具有第一導管端與第一複數個埠，第一複數個埠被沿著第一螺旋導管的長度間隔放置於第一螺旋導管的下盤中；耦合至旋轉式台的軸向導管；以及包含輸入與第一輸出的分佈器波導，輸入耦合至軸向導管，且第一輸出耦合至第一導管端。

Description

用於處理工件的反應器以及微波源
對於相關申請案的交叉參照：本申請案主張對於申請於2015年1月30日、由Michael W.Stowell所著、名為「WORKPIECE PROCESSING CHAMBER HAVING A ROTARY MICROWAVE PLASMA ANTENNA WITH SLOTTED SPIRAL WAVEGUIDE」之美國專利申請案第14/609,883號的優先權，此美國專利申請案主張對於申請於2015年1月7日、由Michael W.Stowell所著、名為「WORKPIECE PROCESSING CHAMBER HAVING A ROTARY MICROWAVE PLASMA ANTENNA WITH SLOTTED SPIRAL WAVEGUIDE」之美國臨時專利申請案第62/100,595號的優先權。
本揭示內容關注在用於使用微波功率處理工件(諸如半導體晶圓)的腔室或反應器。
可使用一種形式的電磁能量來執行對於工件(諸如半導體晶圓)的處理，諸如(例如)射頻(RF)功率或微波功率。可利用功率以例如產生電漿，以執行基於電漿的製程，諸如電漿增強化學氣相沈積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)或電漿增強反應離子蝕刻(plasma enhanced reactive ion etching；PERIE)。一些製程需要極高的電漿離子密度與極低的電漿離子能量。這適用於諸如類鑽碳(diamond-like carbon；DLC)膜沉積的製程，其中沉積一些類型的DLC膜所需的時間可為數小時，取決於所需的厚度以及電漿離子密度。較高的電漿密度需要較高的電源，且一般而言轉化為較短的沉積時間。
微波源通常產生非常高的電漿離子密度，同時產生低於其他源(例如電感耦接RF電漿源或電容耦接RF電漿源)的電漿離子能量。因此，微波源將為理想的。然而，微波源無法符合橫跨工件分佈所需之沉積速度或蝕刻速度的嚴格的均勻度。均勻度的最低限制，可對應於少於1%的橫跨300mm直徑工件的製程速率變異。透過微波天線將微波功率傳遞入腔室，此微波天線諸如波導，此波導具有面向腔室的介電性視窗的開槽(slot)。微波透過開槽傳播入腔室。天線具有週期性功率沉積模式，此模式反映微波放射的波模式以及開槽佈局，使得 製程速率分佈不均勻。此防止實現以所需的製程速率均勻度橫跨工件分佈。
對於處理速度的一限制，為可傳遞至處理腔室、而不傷害或過度加熱腔室的微波視窗的微波功率量。在當下，諸如石英板的微波視窗僅可承受低微波功率位準，在此低位準下DLC沉積製程可需要數小時才能達到所需的DLC膜厚度。微波視窗提供了腔室的真空邊界且因此承受大量的機械應力，使得微波視窗容易受到過度加熱所帶來的傷害。
一種用於處理工件的反應器，反應器包含：腔室以及在腔室內的工件支座表面；旋轉耦合件，旋轉耦合件包含固定式台與旋轉式台，旋轉式台具有旋轉軸；微波源，微波源耦接至固定式台；旋轉致動器；微波天線，微波天線耦合至旋轉致動器與並上覆工件處理腔室，微波天線包含：下盤與上盤；第一螺旋壁，第一螺旋壁延伸於下盤與上盤之間，且第一螺旋壁具有對應於旋轉軸的螺旋軸，第一螺旋壁界定第一螺旋導管，第一螺旋導管具有第一導管端；第一複數個埠，第一複數個埠被沿著第一螺旋導管的長度間隔放置於下盤中；軸向導管，軸向導管耦合至旋轉式台；以及分佈器波導，分佈器波導包含輸入與第一輸出，輸入耦合至軸向導管，而第一輸出耦合至第一導管端。
在一個具體實施例中，微波天線進一步包含：第二螺旋壁，第二螺旋壁延伸於下盤與上盤之間並對齊螺旋軸，第二螺旋壁界定第二螺旋導管，第二螺旋導管具有第二導管端；第二複數個埠，第二複數個埠被沿著第二螺旋導管的長度在下盤中間隔放置；其中分佈器波導進一步包含第二輸出，第二輸出耦合至第二導管端。
在一個具體實施例中，分佈器波導包含：波導腔室，波導腔室上覆微波天線並具有各別的開口，開口對齊第一導管端與第二導管端之各別者；以及第一反射性表面對，第一反射性表面對經設置角度以使波導腔室中的輻射偏斜進入各別的開口中。在一個具體實施例中，微波天線進一步包含：第二反射性表面對，第二反射性表面對經設置角度以使來自各別的開口的輻射偏斜進入第一導管端與第二導管端之各別者。
在一個具體實施例中，第一反射性表面對以相對於對稱軸45度指向。在一個具體實施例中，第二反射性表面對以相對於對稱軸45度指向。
在一個具體實施例中，第一導管端與第二導管端位於微波天線的周圍處，分佈器波導延展微波天線的直徑。在相關的具體實施例中，各別的開口被沿著此周圍與彼此相距180度放置。
根據另一態樣，微波源包含：下盤與上盤；第一螺旋壁，第一螺旋壁界定第一螺旋導管並延伸於下 盤與上盤之間，且第一螺旋導管具有螺旋軸與第一導管端；第一複數個埠，第一複數個埠被沿著第一螺旋導管的長度間隔放置於下盤中；軸向導管；以及分佈器波導，分佈器波導包含輸入與第一輸出，輸入耦合至軸向導管，且第一輸出耦合至第一導管端。
在一個具體實施例中，微波源進一步包含：旋轉耦合件，旋轉耦合件包含固定式台與旋轉式台，旋轉式台具有旋轉軸，旋轉軸與螺旋軸重合；微波源，微波源耦合至固定式台，軸向導管耦合至旋轉式台；以及旋轉致動器，旋轉致動器耦合至旋轉式台。
在一個具體實施例中，微波源進一步包含：第二螺旋壁，第二螺旋壁延伸於下盤與上盤之間，且第二螺旋壁對齊螺旋軸，第二螺旋壁界定第二螺旋導管，第二螺旋導管具有第二導管端；第二複數個埠，第二複數個埠被沿著第二螺旋導管的長度間隔放置於下盤中；以及其中分佈器波導進一步包含第二輸出，第二輸出耦合至第二導管端。
在一個具體實施例中，分佈器波導包含：波導腔室，波導腔室具有各別的開口，各別的開口對齊第一導管端與第二導管端之各別者；以及第一反射性表面對，第一反射性表面對經設置角度以使波導腔室中的輻射偏斜進入各別的開口中。
在一個具體實施例中，微波源進一步包含：第二反射性表面對，第二反射性表面對經設置角度以使 來自各別的開口的輻射偏斜進入第一導管端與第二導管端之各別者。
在一個具體實施例中，第一反射性表面對以相對於對稱軸45度指向，而第二反射性表面對以相對於對稱軸45度指向。
在一個具體實施例中，第一導管端與第二導管端在微波源的周圍的兩相對側上。在一個具體實施例中，各別的開口被沿著此周圍與彼此相距180度放置。
根據另一態樣，一種反應器，反應器包含：工件處理腔室；第一螺旋波導導管，第一螺旋波導導管上覆工件處理腔室並具有螺旋軸與第一導管端；第一複數個埠，第一複數個埠在第一螺旋波導導管中並面向工件處理腔室，且第一複數個埠被沿著第一螺旋波導導管的長度間隔放置；軸向導管；以及分佈器波導，分佈器波導包含輸入與第一輸出，輸入耦合至軸向導管，第一輸出耦合至第一導管端。
在一個具體實施例中，反應器進一步包含：旋轉耦合件，旋轉耦合件包含固定式台與旋轉式台，旋轉式台具有旋轉軸，旋轉軸與螺旋軸重合；微波源，微波源耦合至固定式台，軸向導管耦合至旋轉式台；以及旋轉致動器，旋轉致動器耦合至旋轉式台。
在一個具體實施例中，反應器進一步包含：第二螺旋波導導管，第二螺旋波導導管對齊螺旋軸，第二螺旋導管具有第二導管端；第二複數個埠，第二複數 個被沿著第二螺旋導管的長度間隔放置於第二螺旋波導導管中；以及其中分佈器波導進一步包含第二輸出，第二輸出耦合至第二導管端。
100‧‧‧腔室
102‧‧‧工件支座
104‧‧‧側壁
106‧‧‧上壁
108‧‧‧介電視窗
114‧‧‧微波天線
114a‧‧‧對稱軸
116‧‧‧軸向波導
118‧‧‧微波耦合件
118-1‧‧‧固定式構件
118-2‧‧‧旋轉式構件
118-3‧‧‧驅動齒輪
120‧‧‧微波饋源
122‧‧‧傳導屏蔽
124‧‧‧圓柱形側壁
126‧‧‧碟形帽
140‧‧‧旋轉致動器
140-1‧‧‧旋轉馬達
140-2‧‧‧驅動齒輪
144‧‧‧氣體分佈板
145‧‧‧氣體注入孔口
147‧‧‧製程氣體供應
150‧‧‧遠端微波源
160‧‧‧天線下盤
162‧‧‧天線上盤
164‧‧‧平行螺旋波導側壁
166‧‧‧平行螺旋波導側壁
168‧‧‧平行螺旋波導空腔
168a‧‧‧開端
169‧‧‧平行螺旋波導空腔
169a‧‧‧開端
175‧‧‧開槽
180‧‧‧饋送開口
182‧‧‧饋送開口
184‧‧‧第一傾斜反射器表面
186‧‧‧第二傾斜反射器表面
200‧‧‧分佈器波導
200-1‧‧‧軸向平側壁
200-2‧‧‧軸向平側壁
202‧‧‧波導頂部
204‧‧‧傾斜端壁
206‧‧‧傾斜端壁
300‧‧‧微波短截線調諧器
L‧‧‧分佈器波導長度
W‧‧‧分佈器波導寬度
藉由參考附加圖式所圖示說明的具體實施例，可知曉對於上文簡要概述之發明的更特定說明，而可詳盡了解達成本發明之示例性具體實施例的方式。應理解到，本文並未討論某些習知製程以避免遮蔽發明。
第1A圖為第一具體實施例的剖面正視圖。
第1B圖為第1A圖具體實施例中的微波天線的放大視圖。
第2圖為沿著第1B圖線2-2的剖面平面視圖。
第3圖為第1B圖具體實施例的平面視圖。
第4圖為對應於第3圖的剖面正交投影。
為了幫助了解，已盡可能使用相同的元件符號標定圖式中多次出現的相同元件。已思及到可在未有進一步說明之下，將一個具體實施例的元件與特徵有益地併入其他具體實施例。然而應注意到，附加圖式所圖示說明的僅為此發明的示例性具體實施例，且因此不應被視為限制發明範圍，因為發明可允許其他均等有效的具體實施例。
現在參照第1A圖與第1B圖，工件處理反應器包含腔室100，腔室100含有工件支座102。腔室100被側壁104與上壁(ceiling)106圍繞，側壁104與上壁106由諸如介電材料的微波透明材料構成。在一個具體實施例中，可將上壁106實施為以碟形構成的介電視窗108。旋轉微波天線114上覆介電視窗108。由傳導屏蔽122圍繞微波天線114，傳導屏蔽122由圓柱形側壁124與碟形帽126組成。在第2圖中繪製的一個具體實施例中，微波天線114為碟形。
如第1A圖圖示，以軸向波導116饋送微波天線114。透過上覆的旋轉微波耦合件118將軸向波導116耦合至固定式微波饋源(microwave feed)120。旋轉耦合件118包含固定式構件118-1與旋轉式構件118-2。固定式構件118-1相對於腔室100為固定的，並連接至微波饋源120。旋轉構件118-2連接至軸向波導116，且旋轉構件118-2的旋轉軸與微波天線114的對稱軸114a重合(coincide)。旋轉式微波耦合件118准許微波能量從固定式構件118-1流至旋轉式構件118-2，且微波能量的損失或洩漏可被忽略。作為一個可能的範例，可在固定式構件118-1與旋轉式構件118-2之間的介面處放置集滑環(slip-ring)RF密封件(未圖示)。
旋轉致動器140相對於腔室100為固定的，並包含旋轉馬達140-1以及旋轉式驅動齒輪140-2，由 旋轉馬達140-1驅動旋轉式驅動齒輪140-2。搭接或緊固至旋轉式構件118-2的驅動齒輪118-3與驅動齒輪140-2接合，因此馬達140-1使得旋轉式構件118-2沿著對稱軸114a旋轉。可例如將驅動齒輪118-3實施為在旋轉式構件118-2底面上的環形傳動齒(teeth)陣列。
在一個具體實施例中，在上壁106下方放置氣體分佈板(gas distribution plate；GDP)144，氣體分佈板144具有延伸通過氣體分佈板144的氣體注入孔口145，氣體注入孔口145接收來自製程氣體供應147的製程氣體。
如第1A圖圖示，由微波饋源120將遠端微波源(或產生器)150耦合至旋轉耦合件118。
第1B圖至第4圖詳細繪製微波天線114，微波天線114包含天線下盤160、天線上盤162以及一對平行螺旋波導側壁164、166，側壁164、166延伸於下盤160與上盤162之間。平行螺旋波導側壁對164、166形成一對平行螺旋波導空腔168、169。在圖示說明的具體實施例中，平行螺旋波導空腔對168、169構成阿基米德螺旋，其中每一螺旋的外徑隨著旋轉角度而增加。小開槽175(或穿過天線下盤160的開口)作為微波輻射埠，並被放置在沿著每一螺旋波導空腔168、169之長度週期性間隔的位置處。開槽175可具有任何適當的形狀且具有開口尺寸，在一個具體實施例中開口尺寸為微波產生器150的波長的小片段(例如十分之一或更 少)。在一個具體實施例中，沿著每一螺旋導管168、169之長度的鄰接開槽175之間的距離S，為微波產生器150的波長的片段(例如約二分之一)。微波能量透過開槽175輻射進入腔室100。在上盤162中，在對稱軸114a的兩相對側上放置一對饋送開口180、182，饋送開口180、182提供個別的路徑，以將微波能量饋送進入各別的螺旋波導空腔168、169的周邊(輻射狀向外延伸)的開端168a、169a。周邊開端168a、169a沿著微波天線114周圍與彼此間隔180度。類似的，饋送開口180、182沿著微波天線114周圍與彼此間隔180度。
第3圖與第4圖中繪製的分佈器波導200上覆上盤162，並將微波能量從軸向波導116分佈至饋送開口對180、182。分佈器波導200包含波導頂部202與傾斜端壁對204、206，波導頂部202上覆並面向上盤162，傾斜端壁對204、206延伸於波導頂部202與上盤162之間。傾斜端壁對204、206反射在分佈器波導200內徑向流動的微波能量，以使微波能量軸向地各別流入饋送開口180、182。相對於饋送開口180來定位的第一傾斜反射器表面184，以相對於對稱軸114a的一角度(例如45度)而被放置。相對於饋送開口182來定位的第二傾斜反射器表面186，以相對於對稱軸114a的一角度(例如45度)而被放置。第一傾斜反射器表面184與第二傾斜反射器表面186反射從饋送開口180、182 軸向流動的微波能量，以使微波能量依照方位地各別流過螺旋波導空腔168、169。在一個具體實施例中，傾斜表面184、186以及傾斜端壁204、206之每一者沿著波傳導方向的長度，為微波產生器150的波長的四分之一。傾斜表面184、186以及傾斜端壁204、206，可被稱為反射性表面。
參照第3圖，在一個具體實施例中，分佈器波導200的長度L對應於腔室100的直徑，而寬度W為數英吋。軸向平側壁200-1、200-2沿著長度L圍繞分佈器波導200的內部體積。側壁200-1、200-2的高度，對應於上盤162與波導頂部202之間的距離。在一個具體實施例中，此距離可為一英吋或數英吋。可選地，將複數個微波短截線調諧器(stub tuner)300沿著分佈器波導200的長度放置在週期性的位置處。
第1B圖至第4圖的具體實施例的優點，為微波能量被均勻地沿著每一螺旋波導空腔168、169的長度分佈，以由對應於開槽175的週期性位置的均勻分佈區間輻射。另一優點為可由調整複數個短截線調諧器300，來平衡螺旋波導空腔對168、169之中的功率分佈。
儘管上文針對本發明的具體實施例，但可發想本發明的其他與進一步的具體實施例而不脫離本發明的基本範圍，且本發明的範圍係由下面的申請專利範圍決定。

Claims (21)

  1. 一種用於處理一工件的反應器，該反應器包含：一腔室以及在該腔室內的一工件支座表面；一旋轉耦合件，該旋轉耦合件包含一固定式台與一旋轉式台，該旋轉式台具有一旋轉軸；一微波源，該微波源耦接至該固定式台；一旋轉致動器；一微波天線，該微波天線耦合至該旋轉致動器與並上覆該腔室，該微波天線包含：一下盤與一上盤；一第一螺旋壁，該第一螺旋壁延伸於該下盤與該上盤之間，且該第一螺旋壁具有對應於該旋轉軸的一螺旋軸，該第一螺旋壁界定一第一螺旋導管，該第一螺旋導管具有一第一導管端；第一複數個埠，該第一複數個埠被沿著該第一螺旋導管的長度間隔放置於該下盤中；一軸向導管，該軸向導管耦合至該旋轉式台；以及一分佈器波導，該分佈器波導包含一輸入與一第一輸出，該輸入耦合至該軸向導管，而該第一輸出耦合至該第一導管端。
  2. 如請求項1所述之反應器，其中該微波天線進一步包含：一第二螺旋壁，該第二螺旋壁延伸於該下盤與該上盤之間並對齊該螺旋軸，該第二螺旋壁界定一第二螺旋導管，該第二螺旋導管具有一第二導管端；第二複數個埠，該第二複數個埠被沿著該第二螺旋導管的長度在該下盤中間隔放置；以及其中該分佈器波導進一步包含一第二輸出，該第二輸出耦合至該第二導管端。
  3. 如請求項2所述之反應器，其中該分佈器波導包含：一波導腔室，該波導腔室上覆該微波天線並具有各別的開口，該等開口對齊該第一導管端與該第二導管端之各別者；以及一第一反射性表面對，該第一反射性表面對經設置角度以使該波導腔室中的輻射偏斜進入該等各別的開口中。
  4. 如請求項3所述之反應器，其中該微波天線進一步包含：一第二反射性表面對，該第二反射性表面對經設置角度以使來自該等各別的開口的輻射偏斜進入該第一導管端與該第二導管端之各別者。
  5. 如請求項3所述之反應器，其中該第一反射性表面對以相對於該螺旋軸45度指向。
  6. 如請求項4所述之反應器，其中該第二反射性表面對以相對於該螺旋軸45度指向。
  7. 如請求項3所述之反應器，其中該第一導管端與該第二導管端位於該微波天線的一周圍處，該分佈器波導延展跨過該微波天線的一直徑。
  8. 如請求項7所述之反應器，其中該等各別的開口被沿著該周圍與彼此相距180度放置。
  9. 如請求項1所述之反應器，其中該旋轉致動器使得包含該下盤、該上盤、該分佈器波導及該軸向導管之該微波天線旋轉。
  10. 一種微波源，該微波源包含：一下盤與一上盤；一第一螺旋壁，該第一螺旋壁界定一第一螺旋導管並延伸於該下盤與該上盤之間，且該第一螺旋導管具有一螺旋軸與一第一導管端；第一複數個埠，該第一複數個埠被沿著該第一螺旋導管的長度間隔放置於該下盤中；一軸向導管；以及一分佈器波導，該分佈器波導包含一輸入與一第一輸出，該輸入耦合至該軸向導管，且該第一輸出耦合至該第一導管端。
  11. 如請求項10所述之微波源，該微波源進一步包含：一旋轉耦合件，該旋轉耦合件包含一固定式台與一旋轉式台，該旋轉式台具有一旋轉軸，該旋轉軸與該螺旋軸重合；一微波源，該微波源耦合至該固定式台，該軸向導管耦合至該旋轉式台；以及一旋轉致動器，該旋轉致動器耦合至該旋轉式台。
  12. 如請求項10所述之微波源，該微波源進一步包含：一第二螺旋壁，該第二螺旋壁延伸於該下盤與該上盤之間，且該第二螺旋壁對齊該螺旋軸，該第二螺旋壁界定一第二螺旋導管，該第二螺旋導管具有一第二導管端；第二複數個埠，該第二複數個埠被沿著該第二螺旋導管的長度間隔放置於該下盤中；以及其中該分佈器波導進一步包含一第二輸出，該第二輸出耦合至該第二導管端。
  13. 如請求項12所述之微波源，其中該分佈器波導包含：一波導腔室，該波導腔室具有各別的開口，該等各別的開口對齊該第一導管端與該第二導管端之各別者；以及一第一反射性表面對，該第一反射性表面對經設置角度以使該波導腔室中的輻射偏斜進入該等各別的開口中。
  14. 如請求項13所述之微波源，該微波源進一步包含：一第二反射性表面對，該第二反射性表面對經設置角度以使來自該等各別的開口的輻射偏斜進入該第一導管端與該第二導管端之各別者。
  15. 如請求項13所述之微波源，其中該第一反射性表面對以相對於該螺旋軸45度指向。
  16. 如請求項14所述之微波源，其中該第二反射性表面對以相對於該螺旋軸45度指向。
  17. 如請求項14所述之微波源，其中該第一導管端與該第二導管端在該微波源的一周圍的兩相對側上。
  18. 如請求項17所述之微波源，其中該等各別的開口被沿著該周圍與彼此相距180度放置。
  19. 一種反應器，該反應器包含：一工件處理腔室；一第一螺旋波導導管，該第一螺旋波導導管上覆該工件處理腔室，該第一螺旋波導導管並具有一螺旋軸與一第一導管端；第一複數個埠，該第一複數個埠在該第一螺旋波導導管中並面向該工件處理腔室，且第一複數個埠被沿著該第一螺旋波導導管的長度間隔放置；一軸向導管；以及一分佈器波導，該分佈器波導包含一輸入與一第一輸出，該輸入耦合至該軸向導管，該第一輸出耦合至該第一導管端。
  20. 如請求項19所述之反應器，該反應器進一步包含：一旋轉耦合件，該旋轉耦合件包含一固定式台與一旋轉式台，該旋轉式台具有一旋轉軸，該旋轉軸與該螺旋軸重合；一微波源，該微波源耦合至該固定式台，該軸向導管耦合至該旋轉式台；以及一旋轉致動器，該旋轉致動器耦合至該旋轉式台。
  21. 如請求項20所述之反應器，該反應器進一步包含：一第二螺旋波導導管，該第二螺旋波導導管對齊該螺旋軸，該第二螺旋導管具有一第二導管端；第二複數個埠，該第二複數個埠被沿著該第二螺旋導管的長度間隔放置於該第二螺旋波導導管中；以及其中該分佈器波導進一步包含一第二輸出，該第二輸出耦合至該第二導管端。
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