TWI707059B - 聚焦式微波電漿反應器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種聚焦式微波電漿反應器。反應器針對微波電漿增強式化學氣相沈積的製程使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔來聚焦微波且激發聚焦的微波電漿。

Description

聚焦式微波電漿反應器

本申請案主張2018年12月27日申請的臺灣專利申請案第107147471號的優先權。上述專利申請案的全部內容特此以引用的方式併入本文中並作為本說明書的一部分。

本技術領域是關於一種類型的微波電漿反應器，且特定言之，是關於一種聚焦式微波電漿反應器。

大體而言，與蝕刻製程的壓力或光阻灰化製程的壓力相比，微波電漿增強式化學氣相沈積（Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；MPECVD）（亦稱，微波電漿輔助化學氣相沉積製程）通常在更高的製程壓力下應用。在此更高壓力下，電漿擴散得如此困難以至於其一直黏附於製程室的內壁。若電漿黏附於基板的中心且形狀類似於橢圓體，則電漿聚焦且穩定。然而，若電漿黏附於介電罩（即真空室的介電質蓋），則電漿散焦或不穩定（亦可稱為，不穩定失焦狀態），此將不利地影響MPECVD製程且甚至燒毀介電罩。此等現象描述於文章「物理學報D:應用物理（J. Phys. D: Appl. Phys.）43 (2010) 153001 (45pp)」中。

為了聚焦電漿，通常使用基於TM_01n 模式（n=1，2，3...）的圓柱形微波共振腔的微波電漿反應器來達成所述目的。TM_01n 腔中存在若干電場最大（亦稱，電場峰值，Electric-field maximum）。所述多個電場峰值中的一者位於基板的表面上，然而，位於介電罩的中心頂部附近總是存在所述多個電場峰值中的另一者。當電漿被激發後，藉由若干調整技術，使第二峰值遠離介電罩頂端，乃不至於使介電罩下緣凝聚電漿而失焦，藉此使電漿處於穩定聚焦狀態。若干微調機制諸如微調基板的深度、基板的高度、圓柱形共振腔的長度等。

本揭露內容是關於一種聚焦式微波電漿反應器，包含：圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔，由金屬底板、金屬頂蓋以及圓柱形金屬壁密封。圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔包括電漿反應室，所述電漿反應室由金屬基板及介電罩密封（緊密包圍）。多個輸入埠位於金屬頂蓋與圓柱形金屬壁之間的接合部處或在所述接合部附近，從而激發圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔。

本揭露內容是關於一種使用具有僅一個電場峰值的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的聚焦式電漿反應器，所述電場峰值單獨位於基板表面的中心處，電漿一直聚焦於所述基板表面上。

為使本揭露內容可理解，下文詳細地描述伴有圖式的實施例。

本揭露內容揭露一種使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1，如圖1中所繪示。根據準TM₀₁₁ 模態的特徵，僅一個電場最大（亦稱，電場峰值，Electric-field maximum）位於基板112的上部表面中心處，如圖2A中所繪示。由於別處不存在其他電場峰值來干擾電漿聚焦，因此所揭露的聚焦式微波電漿反應器1可持續地聚焦電漿。

圖1為根據本揭露內容的一實施例所繪示的垂直於圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的XZ平面的側面透視圖。圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10由金屬頂蓋111、金屬底板112以及圓柱形金屬壁120密封，其中四個槽孔天線130在金屬頂蓋111與圓柱形金屬壁120之間的接合部附近開槽。

圖2A為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的縱向橫截平面（XZ平面）中的電場強度分佈的模擬結果。圖2B為根據本揭露內容的一實施例的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的縱向橫截面（XZ平面）中的電場強度分佈的模擬結果。參看圖式2B，四個槽孔天線130經配置成同相，以將微波（例如以等相位方式自四個槽孔天線130輻射微波）輻射至圓柱形腔中，從而激發/形成圓柱形準TM₀₁₁ 模態。圖2A中繪示了圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的XZ平面中的電場強度分佈的模擬結果，其中區域亮度及暗度分別指示高電場強度及低電場強度。明顯地，僅存在單個電場峰值（最亮點），所述電場峰值位於金屬底板112的上部表面中心處。顯然，接近於介電罩121的頂部的電場的強度如此低或甚至為零，以至於所述電場不大可能干擾電漿聚焦。（其中虛線的半圓線表示介電罩121的縱向橫截面的位置）

另一方面，根據本揭露內容的一實施例的典型TM₀₁₁ 模式的圓柱形微波共振腔的反向部件如圖2B中所繪示。不同於圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔，在四個輸入埠130近旁，另外四個輸入埠130'個別地位於金屬底板112與圓柱形金屬壁120之間的接合部附近。因此，八個輸入埠130及輸入埠130'經配置成同相，以將微波（例如以相同相位的方式自八個輸入埠130及輸入埠130'輻射微波）輻射至腔中，從而激發典型圓柱形TM₀₁₁ 模式。圖2B亦繪示XZ平面中的電場強度分佈的模擬結果。顯然，存在兩個電場峰值（電場強度分佈中的兩個最亮點），第一最大位於金屬底板112的上部表面中心處，而第二最大位於金屬頂蓋111的下部表面中心處。然而，介電罩121的頂部中心附近的電場強度藉由第二最大增強，此可能激發介電罩121下方的電漿且可能破壞在基板112a上聚焦的電漿。

圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔具有僅一個電場峰值，而圓柱形TM₀₁₁ 模態微波共振腔具有兩個電場峰值。因此，圓柱形TM₀₁₂ 模態微波共振腔具有三個電場峰值；圓柱形TM₀₁₃ 模態微波共振腔具有四個電場峰值；以此類推。可得出結論，除了圓柱形“準”TM₀₁₁ 模態具有僅一個電場峰值（所述電場峰值位於金屬底板112的上部表面中心處，如圖2A中所繪示）之外，圓柱形TM_01n 模態（其中n=1，2，3...）具有n+1個電場峰值。此外，由於使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的聚焦式微波電漿反應器1具有僅一個電場峰值（所述電場峰值位於金屬底板112（或基板112a）的上部表面中心處）且由於別處不存在其他電場峰值，因此電漿散焦的可能性被消除。與使用TM_01n 模態微波共振腔的其他反應器相比，由於介電罩121的上部表面中心附近存在另一電場峰值，因此電漿可能受干擾或散焦。

圖3為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的結構示意圖。結構示意圖以及使用根據本揭露內容的一實施例的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的本揭露內容的第一實施方案繪示於圖3中。聚焦式微波電漿反應器1具有核心物件，此核心物件由圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10所構成。所述圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10由金屬頂蓋111、金屬底板112以及圓柱形金屬壁120密封。在本發明實施例中，金屬頂蓋111及金屬底板112呈圓形平面。電漿反應室140安置於圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10中且由基板112a及介電罩121密封。包含入口及出口的氣流通道350嵌入於基板112a中且環繞基板121a的處理區域。類似於基板加熱器、O形環冷卻器以及電壓偏置單元的裝置亦嵌入於基板112a中（為簡潔起見，未描繪此等裝置）。在金屬頂蓋111與圓柱形金屬壁120之間的接合部處，四個輸入埠130負責將微波輻射至圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10中以激發圓柱形準TM₀₁₁ 模態，其中四個輸入埠130安置於圓柱形金屬壁120的內側上。微波藉由連接至四個輸入埠130的四個高度減小的矩形導波管150傳輸，且經傳輸微波經由四個輸入埠130輸入至圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10中。為簡潔起見，未描繪高度減小的矩形導波管150中的每一者的厚度、寬度及長度，且本揭露內容不限於此。

圖4亦為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的結構示意圖。結構示意圖以及使用根據本揭露內容的一實施例的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的本揭露內容的第一實施方案繪示於圖4中。類似於圖3，真空裝置單元嵌入於基板112a中。在金屬頂蓋111與圓柱形金屬壁120之間的接合部附近，四個輸入埠130負責將微波輻射至圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10中以激發圓柱形準TM₀₁₁ 模態，其中四個輸入埠130安置為穿過金屬頂蓋111。微波藉由連接至四個輸入埠130的四個高度減小的矩形導波管150傳輸，且經傳輸微波經由四個輸入埠130輸入至圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10中。另外，為簡潔起見，未描繪高度減小的矩形導波管150中的每一者的厚度、寬度及長度，且本揭露內容不限於此。

圖5為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的另一結構示意圖。結構示意圖以及使用根據本揭露內容的一實施例的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的本揭露內容的第一實施方案繪示於圖5中。類似於圖3，真空裝置單元嵌入於基板112a中。在金屬頂蓋111與圓柱形金屬壁120之間的接合部處或在所述接合部附近，設置四個輸入埠130以使圓柱形共振腔10與環狀矩形導波管150連接。微波藉由同軸導波管320傳輸至環狀矩形導波管150中，其中內部金屬軸330部分地插入至環狀矩形導波管150中作為單極天線340且激發環狀矩形導波管150中的矩形TE₁₀ 模式。四個輸入埠130經配置成同相，以將微波（例如以等相位方式自四個輸入埠130輻射微波）輻射至圓柱形共振腔10中且於其中激發圓柱形準TM₀₁₁ 模態。出於簡潔起見，未描繪環狀矩形導波管150的金屬壁的厚度及同軸導波管320的金屬壁的厚度，且本揭露內容不限於此。

為測試電漿的穩定性，將微波功率自同軸導波管320的末端傳輸至電漿反應器1中。電漿反應室140被保持在一個大氣壓下且被空氣所填充。在此高壓下，電漿中心處的溫度可達至數千攝氏度。若電漿不穩定或散焦，則電漿應黏附於介電罩121且燒毀所述介電罩121。然而，測試結果展示介電罩121在MPECVD製程完成之後保持不變（即，電漿並非不穩定或散焦）。

圖6為根據本揭露內容的一實施例所繪示的在一定條件（前述條件）所驗證之聚焦電漿的攝像圖。檢驗結果展示介電罩121長時間保持不變，即其展示電漿穩定且在基板112a上聚焦。

本發明實施例的主要結構參數如下：圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10具有130毫米的內徑；圓柱形金屬壁120具有78毫米的高度；輸入埠130具有61毫米的長度、5毫米的寬度以及5毫米的深度，所述深度等於圓柱形金屬壁120的厚度；以及微波在帶寬（頻寬）為50兆赫（MHz）的情況下具有2.45吉赫（GHz）的中心頻率。

在一實施例中，圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的內徑等於TM₀₁₁ 模式的圓柱形導波管的內徑。然而，圓柱形準TM₀₁₁ 模態共振腔10的內部高度在傳輸微波TM₀₁ 模式的圓柱形導波管的四分之一波長與二分之一波長之間。

圖7為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的結構示意圖。類似於圖5，圖7為使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的本揭露內容的第二實施方案（如圖5中所示出）的另一結構示意圖。聚焦式微波電漿反應器1與第一實施方案在結構上相同，不同之處在於四個輔助槽孔天線131在金屬底板112與圓柱形金屬壁120之間的接合部附近開槽。使四個輔助輸入埠131的長度小於四個槽孔天線130的長度。在不干擾電漿聚焦的條件下，設置輔助輸入埠131的目的是為了將基板121a的表面上的電場強度分佈自圓形圖案調整為方形圖案（尤其針對方形工件），以便增大電漿處理區域。

根據本揭露內容的一實施例的基板112a上的電場強度分佈的模擬結果繪示於圖8中。若四個輔助輸入埠131的長度（亦稱，開槽長度，Sloted length）為零，則基板112a上的電場強度分佈繪示為圖的左側部分；若四個輔助輸入埠131的長度為四個輸入埠130的長度的五分之四，則所述分佈繪示為圖的中間部分；且若四個輔助輸入埠131的長度等於四個輸入埠130的長度，則所述分佈繪示圖的右側部分。顯然，藉由調整四個輔助輸入埠131的開槽長度，可延長基板121a上的電場強度分佈以便增大電漿處理區域。

綜上所述，根據本揭露內容的實施例，藉由使用所揭露的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的聚焦式微波電漿反應器1，可使僅存在一個電場峰值於基板的表面中心處且無其他電場峰值，因此電漿在基板上一直保持聚焦。因此，基板及腔底板可為相同物質，進而使得電漿處理區域因不需要微調機制（如，微調基板的深度、基板的高度、圓柱形共振腔的長度等），而使基板上的尺寸架構（如，基板的深度、基板的高度、圓柱形共振腔的長度等）不被任何微調機制所限制。

雖然本揭露內容已利用前述實施例揭露，但其並不意欲限制本揭露內容，且所屬領域的一般技術人員有可能在不脫離本揭露內容的精神及範疇的情況下作出一些修改及改良。因此，本揭露內容的保護範疇應由隨附申請專利範圍的範疇定義。

1:聚焦式微波電漿反應器 10:圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔 111:金屬頂蓋 112:金屬底板 112a:基板 120:圓柱形金屬壁 121:介電罩 130、130':輸入埠 131:輔助槽孔天線 140:電漿反應室 150:矩形導波管 320:同軸導波管 330:內部金屬軸 340:單極天線 350:氣流通道

圖1為根據本揭露內容的一實施例所繪示的垂直於圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的XZ平面的側面透視圖。 圖2A為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的縱向橫截平面（XZ平面）中的電場強度分佈的模擬結果。 圖2B為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的縱向橫截面（XZ平面）中的電場強度分佈的模擬結果。 圖3為根據本揭露內容的一實施例所繪示的使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的結構示意圖。 圖4為根據本揭露內容的一實施例所繪示的使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的結構示意圖。 圖5為根據本揭露內容的一實施例所繪示的使用圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔10的聚焦式微波電漿反應器1的結構示意圖。 圖6為根據本揭露內容的一實施例所繪示的在一定條件所驗證之聚焦電漿的攝像圖。 圖7為根據本揭露內容的一實施例所繪示的圓柱形準TM₀₁₁ 模態微波共振腔的結構示意圖。 圖8為根據本揭露內容的一實施例所繪示的基板表面上的電場強度分佈的模擬結果。

1:聚焦式微波電漿反應器

10:圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔

111:金屬頂蓋

112:金屬底板

120:圓柱形金屬壁

130:輸入埠

Claims (8)

1. 一種聚焦式微波電漿反應器，包括：圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔，由金屬底板、金屬頂蓋以及圓柱形金屬壁密封，其中所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔包括電漿反應室，所述電漿反應室由基板及介電罩密封，其中多個輸入埠位於所述金屬頂蓋與所述圓柱形金屬壁之間的接合部處或在所述接合部附近，且所述多個輸入埠將微波輻射至所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔中，其中多個輔助輸入埠位於所述金屬底板與所述圓柱形金屬壁之間的接合部處或在所述接合部附近。
2. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔的內徑等於傳輸圓柱形微波TM₀₁導波模式的圓柱形導波管的內徑，以及所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔的內部高度為傳輸所述圓柱形微波TM₀₁導波模式的所述圓柱形導波管的四分之一波長與二分之一波長之間的值。
3. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述金屬底板與所述基板為相同物質。
4. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔的準TM₀₁₁模態具有僅一個電場峰值，且所述電場峰值位於所述金屬底板的表面中心處。
5. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述多個輸入埠經配置成同相，以將微波輻射至所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔中。
6. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述多個輔助輸入埠經配置成同相，以將微波輻射至所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔中。
7. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中所述多個輔助輸入埠的長度小於所述多個輸入埠的長度。
8. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦式微波電漿反應器，其中多個高度減小的矩形導波管的每一者分別連接至所述多個輸入埠中的每一者，其中微波藉由所述多個高度減小的矩形導波管中經由所述多個輸入埠傳輸至所述圓柱形準TM₀₁₁模態微波共振腔中，從而激發所述圓柱形準TM₀₁₁模態。

Images