CN108878243A - 表面波等离子体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面波等离子体加工设备，其包括反应腔室、用于向该反应腔室提供微波能量的微波传输机构及用于实现微波能量的激发和调谐的谐振机构，其中，谐振机构包括设置在反应腔室顶部的谐振腔和设置于谐振腔内的多个金属调节件；谐振腔的底壁上设置有介质窗，谐振腔内充满介质材料，多个金属调节件内嵌于所述介质材料中。本发明提供的表面波等离子体加工设备，其可以在保证谐振腔的真空密封的前提下，减小介质窗的厚度，从而可以减少微波能量损失，而且有利于对称性谐振模式的形成，从而可以提高电磁场的分布均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种表面波等离子体加工设备。
背景技术
目前，等离子体加工设备被广泛地应用于集成电路或MEMS器件的制造工艺中。等离子体加工设备包括电容耦合等离子体加工设备、电感耦合等离子体加工设备、电子回旋共振等离子体加工设备和表面波等离子体加工设备等。其中，表面波等离子体加工设备相对其他等离子体加工设备而言，可以获得更高的等离子体密度、更低的电子温度，且不需要增加外磁场，因此表面波等离子体加工设备成为最先进的等离子体设备之一。
图1为现有的一种表面波等离子体加工设备的结构示意图。如图1所示，表面波等离子体加工设备主要包括反应腔室14、用于向该反应腔室14提供微波能量的微波传输机构及用于调节电磁场分布的谐振机构，其中，在反应腔室14中设置有用于承载晶片的支撑台15。微波源机构包括电源1、微波源(磁控管)2、谐振器3、换流器4、负载5、定向耦合器6、阻抗调节单元7、波导8和馈电同轴探针9。谐振机构包括谐振腔11和多个金属调节件12，其中，谐振腔11设置在反应腔室14的顶部；多个金属调节件12设置在谐振腔11内，且每个金属调节件12的上端与谐振腔11的顶部腔壁连接。并且，在谐振腔11的底壁中设置有贯穿其厚度的介质窗13，每个金属调节件12的下方设置有一个介质窗13。
上述表面波等离子体加工设备在实际应用中不可避免地存在以下问题：
其一，为了保证谐振腔11的真空密封，在介质窗13与谐振腔11的底壁之间需要设置密封圈，这就需要介质窗13的厚度足够大，以满足密封要求，但是，由于微波能量在介质窗13中会发生垂直方向上的衰减，因此，厚度较大的介质窗13会造成微波能量损耗较大，降低了耦合效率。
其二，由于金属调节件12的上端与谐振腔11的顶部腔壁连接，才能实现金属调节件12的固定，这种固定方式影响对称性谐振模式的形成，从而影响电场的分布均匀性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种表面波等离子体加工设备，其可以在保证谐振腔的真空密封的前提下，减小介质窗的厚度，从而可以减少微波能量损失，而且有利于对称性谐振模式的形成，从而可以提高电场的分布均匀性。
为实现本发明的目的而提供一种表面波等离子体加工设备，该设备包括反应腔室、用于向所述反应腔室提供微波能量的微波传输机构及用于实现微波能量的激发和调谐的谐振机构，其中，
所述谐振机构包括设置在所述反应腔室顶部的谐振腔和设置于所述谐振腔内的多个金属调节件；
所述谐振腔的底壁上设置有介质窗，所述谐振腔内充满介质材料，多个所述金属调节件内嵌于所述介质材料中。
优选的，多个所述金属调节件与所述谐振腔的腔室壁不接触。
优选的，所述金属调节件与所述谐振腔的底壁之间的竖直间距等于所述金属调节件与所述谐振腔的顶壁之间的竖直间距。
优选的，在所述介质材料中设置有冷却通道，用以通入冷却水。
优选的，所述冷却通道为一个或者直径不同的多个环形通道，而且多个所述环形通道同心设置。
优选的，所述介质材料包括聚四氟乙烯、石英或者陶瓷。
优选的，所述表面波等离子体加工设备还包括连接单元，所述连接单元设置在所述微波传输机构和所述谐振腔之间，用于将所述微波传输机构传输的微波馈入所述谐振腔中，所述连接单元包括连接筒和金属探针，其中，
所述连接筒竖直设置在所述谐振腔的顶部，且其内部与所述谐振腔的内部相连通；
所述微波传输机构包括用于传输微波能量的波导，所述波导与所述连接筒的顶部连接，且与所述连接筒的内部连通；
所述金属探针竖直地位于所述连接筒中，且与所述连接筒同轴设置，并且所述金属探针的下端竖直内嵌在所述介质材料中，所述金属探针的上端为自由端并延伸至所述波导中。
优选的，所述介质窗厚度的取值范围在2～20mm。
优选的，所述金属调节件为球体、柱体或锥体。
优选的，多个所述金属调节件沿所述谐振腔的周向对称分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的表面波等离子体加工设备，其通过在谐振腔内充满介质材料，无需依靠介质窗即可实现谐振腔的真空密封，从而可以减小介质窗的厚度，以减少微波能量损失。并且，通过将多个金属调节件内嵌于介质材料中，有利于对称性谐振模式的形成，从而可以提高电场的分布均匀性。
附图说明
图1为现有的一种表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构示意图；
图3为本发明实施例中谐振腔的俯视剖视图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的表面波等离子体加工设备进行详细描述。
图2为本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构示意图。图3为本发明实施例中谐振腔的俯视剖视图。请一并参阅图2和图3，表面波等离子体加工设备包括反应腔室37、微波传输机构和谐振机构。其中，在反应腔室37内设置有支撑台38，用于承载晶片。微波传输机构包括电源21、微波源(磁控管)22、谐振器23、换流器24、负载25、定向耦合器26、阻抗调节单元27、波导28和短路活塞29。该微波传输机构通过谐振机构向反应腔室37提供微波能量。该谐振机构用于实现微波能量的激发和调谐，以满足在不同的工艺条件下对等离子体分布的不同要求。
在本实施例中，谐振机构包括谐振腔32和多个金属调节件34，其中，谐振腔32设置在反应腔室37的顶部，且在谐振腔32内充满介质材料33，该介质材料33优选采用诸如特氟龙等的树脂材料、石英或者陶瓷等的具有较低的介电损耗的材料。多个金属调节件34内嵌于介质材料33中；并且，在谐振腔32的底壁上设置有介质窗36，用于将微波能量耦合进入反应腔室37内，以在反应腔室37内激发产生等离子体。在本实施例中，介质窗36为多个，每个介质窗36竖直贯穿谐振腔32的底壁，且每个金属调节件34下方对应设置有一个介质窗36。
由于介质材料33充满整个谐振腔32，这可以起到密封谐振腔32的作用，从而无需依靠介质窗36即可实现谐振腔32的真空密封，进而可以减小介质窗36的厚度，以减少微波能量损失。优选的，介质窗36的厚度的取值范围在2～20mm，在该范围内，可以避免微波能量损失过大。
金属调节件34能够增强其附近的电场强度，从而在谐振腔32内位于该金属调节件34的附近形成高频电磁场，该高频电磁场的分布会影响在反应腔室37内形成的等离子体的密度分布。通过调节各个金属调节件34的下端与介质窗36之间的竖直间距，可以对高频电磁场的分布进行调节，从而可以调节在反应腔室37内形成的等离子体的密度分布，进而可以满足在不同的工艺条件下对等离子体分布的不同要求。优选的，多个金属调节件34沿谐振腔32的周向对称分布，以均匀地对高频电磁场的分布进行调节。
并且，通过将多个金属调节件34内嵌在介质材料33中，其与现有技术中金属调节件的上端与谐振腔的顶部腔壁连接相比，更有利于对称性谐振模式的形成，从而可以提高电场的分布均匀性。优选的，多个金属调节件34与谐振腔32的腔室壁不接触，这进一步促进对称性谐振模式的形成。进一步优选的，金属调节件34与谐振腔32的底壁之间的竖直间距等于金属调节件34与谐振腔32的顶壁之间的竖直间距，即，金属调节件34悬浮在谐振腔32的中央，从而形成对称性谐振模式。
另外，由于金属调节件34内嵌在介质材料33中，金属调节件34可以设计为任意形状，例如球体、柱体或锥体等等。
优选的，在介质材料33中设置有冷却通道35，通过向冷却通道35内通入冷却水，不仅可以冷却介质材料33，而且冷却水还可以作为水负载吸收微波功率，从而可以减少自谐振腔32返回微波传输机构中的微波能量，进而可以增大匹配器的匹配范围。进一步优选的，由于冷却水的温度大小与其吸收的反射功率的大小成正比例关系，因此，通过调节冷却水的温度，可以调节冷却水吸收的反射功率的大小，以减少自谐振腔返回微波传输机构中的微波能量，实现微波能量仅朝向反应腔室37的方向单向流通。
在实际应用中，冷却通道35可以为环形通道，而且该环形通道可以为一个或者多个，多个环形通道的直径不同，且同心设置。
在本实施例中，表面波等离子体加工设备还包括连接单元，该连接单元设置在微波传输机构和谐振腔32之间，用于将微波传输机构传输的微波馈入谐振腔32中，具体地，连接单元包括连接筒30和金属探针31，其中，连接筒30竖直设置在谐振腔32的顶部，且其内部与谐振腔32的内部连通；用于传输微波能量的波导28与连接筒30的顶部连接，且与连接筒30的内部相连通。金属探针31竖直地位于连接筒30中，且与该连接筒30同轴设置，并且金属探针31的下端竖直内嵌在介质材料33中，金属探针31的上端为自由端并延伸至波导28中。金属探针31用于将微波能量馈入谐振腔32内。由于金属探针31的下端内嵌在介质材料33中，金属探针31可以悬浮在连接筒30中，以提高微波能量的馈入效率。
综上所述，本发明实施例提供的表面波等离子体加工设备，其通过在谐振腔内充满介质材料，无需依靠介质窗即可实现谐振腔的真空密封，从而可以减小介质窗的厚度，以减少微波能量损失。并且，通过将多个金属调节件内嵌在介质材料中，有利于对称性谐振模式的形成，从而可以提高电场的分布均匀性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种表面波等离子体加工设备，其特征在于，该设备包括反应腔室、用于向所述反应腔室提供微波能量的微波传输机构及用于实现微波能量的激发和调谐的谐振机构，其中，
所述谐振机构包括设置在所述反应腔室顶部的谐振腔和设置于所述谐振腔内的多个金属调节件；
所述谐振腔的底壁上设置有介质窗，所述谐振腔内充满介质材料，多个所述金属调节件内嵌于所述介质材料中。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，多个所述金属调节件与所述谐振腔的腔室壁不接触。
3.根据权利要求2所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述金属调节件与所述谐振腔的底壁之间的竖直间距等于所述金属调节件与所述谐振腔的顶壁之间的竖直间距。
4.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在所述介质材料中设置有冷却通道，用以通入冷却水。
5.根据权利要求4所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述冷却通道为一个或者直径不同的多个环形通道，而且多个所述环形通道同心设置。
6.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质材料包括聚四氟乙烯、石英或者陶瓷。
7.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，所述表面波等离子体加工设备还包括连接单元，所述连接单元设置在所述微波传输机构和所述谐振腔之间，用于将所述微波传输机构传输的微波馈入所述谐振腔中，其特征在于，所述连接单元包括连接筒和金属探针，其中，
所述连接筒竖直设置在所述谐振腔的顶部，且其内部与所述谐振腔的内部相连通；
所述微波传输机构包括用于传输微波能量的波导，所述波导与所述连接筒的顶部连接，且与所述连接筒的内部连通；
所述金属探针竖直地位于所述连接筒中，且与所述连接筒同轴设置，并且所述金属探针的下端竖直内嵌在所述介质材料中，所述金属探针的上端为自由端并延伸至所述波导中。
8.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述介质窗厚度的取值范围在2～20mm。
9.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述金属调节件为球体、柱体或锥体。
10.根据权利要求1所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，多个所述金属调节件沿所述谐振腔的周向对称分布。
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