CN110911260A - 表面波等离子体加工设备 - Google Patents

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、设置在反应腔室上方的中心谐振腔、设置在中心谐振腔与反应腔室之间的介质窗、用于向中心谐振腔传输微波的微波传输机构以及微波源机构，其特征在于，还包括边缘增强结构，用于增加反应腔室内对应介质窗边缘区域的等离子体密度，以补偿由中心谐振腔产生的等离子体对应介质窗边缘区域与对应介质窗中心区域之间的差异。本发明提供的表面波等离子体加工设备，其可以提高工艺均匀性。

Description

表面波等离子体加工设备

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，具体地，涉及一种表面波等离子体加工设备。

背景技术

近年来，表面波等离子体源因其相对于射频等离子体具有低电子温度和低损伤的特点，被誉为最有潜力的等离子体源，这些无可比拟的优点使得表面波等离子体源已经成为下一代大规模集成电路器件加工的强有力竞争者。

现有的表面波等离子体加工设备包括微波源及微波传输匹配结构、圆形谐振腔结构和反应腔室三个部分。请参阅图1，微波源及微波传输匹配结构包括微波源供电电源1、微波源2、谐振器3、环流器4、负载、定向耦合器6、阻抗调节单元7、矩形波导8和同轴转换单元9。圆形谐振腔结构包括腔体11、填充在腔体11中的慢波板12、设置在腔体11底部的狭缝天线13和设置在狭缝天线13下方的介质窗14。反应腔室16设置在介质窗14的下方。其中，同轴转换单元9用于将微波能量馈入到腔体11中，微波能量通过狭缝天线13中的缝隙向下辐射传播至介质窗14中，并在进入反应腔室16后产生等离子体15，且在介质窗14与等离子体界面处形成表面波。

但是，现有的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，即：

表面波在狭缝天线13和等离子体15之间通过介质窗14传播，且传播方向沿着自介质窗14的中心向四周辐射的方向传播，并且当表面波到达介质窗14的外周边界时，将折返回中心区域，具体传播方向如图2中的箭头所示。由于介质窗14可视为一个圆形谐振腔，这使得进入介质窗14中的TM模式的微波呈现同心圆分布，从而使得表面波将从介质窗14的外周边界的所有方向向中心区域集中反射，最终导致表面波在中心区域的电场较强，而自边缘区域至外周边界的电场呈下降趋势，等离子体在介质窗14的径向上的密度分布如图3所示，等离子体密度分布呈现中心强、边缘弱的现象，从而影响了工艺均匀性。

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，其可以提高工艺均匀性。

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，包括反应腔室、设置在所述反应腔室上方的中心谐振腔、设置在所述中心谐振腔与所述反应腔室之间的介质窗、用于向所述中心谐振腔传输微波的微波传输机构以及微波源机构，还包括边缘增强结构，用于增加所述反应腔室内对应所述介质窗边缘区域的等离子体密度，以补偿由所述中心谐振腔产生的等离子体对应所述介质窗边缘区域与对应所述介质窗中心区域之间的差异。

可选的，所述边缘增强结构包括：

环形谐振腔，环绕设置在所述中心谐振腔的周围；并且，所述环形谐振腔和所述中心谐振腔分别覆盖所述介质窗上表面的边缘区域和中心区域；

环形狭缝天线，设置在所述环形谐振腔的下表面与所述介质窗的上表面之间，用于将来自所述环形谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中；

所述微波传输机构用于同时向所述中心谐振腔和所述环形谐振腔传输微波。

可选的，所述边缘增强结构包括：

环形谐振腔，环绕设置在所述介质窗的周围；

环形狭缝天线，设置在所述环形谐振腔的内周面与所述介质窗的外周面之间，用于将来自所述环形谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中；

所述中心谐振腔覆盖所述介质窗的整个上表面；

所述微波传输机构用于同时向所述中心谐振腔和所述环形谐振腔传输微波。

可选的，所述边缘增强结构包括：

磁性单元，环绕设置在所述介质窗的周围，用于产生吸引等离子体中的电子朝向所述介质窗的边缘区域运动的磁场。

可选的，所述微波传输机构包括第一波导、功率分配单元、同轴结构单元、第二波导、波导转换单元和第三波导，其中，

所述第一波导用于将由所述微波源机构提供的微波传输至所述功率分配单元；

所述功率分配单元用于按预定比例将微波分配至所述同轴结构单元和所述第二波导；

所述同轴结构单元用于将微波传输至所述中心谐振腔中；

所述第二波导用于将微波传输至所述波导转换单元；

所述波导转换单元用于转换微波方向，使之与所述第三波导的微波输送方向一致，并将微波传输至所述第三波导；

所述第三波导用于将微波传输至所述环形谐振腔。

可选的，通过设定不同的所述预定比例，来调节所述反应腔室中的等离子体对应所述介质窗边缘区域的密度与对应所述介质窗中心区域的密度之比。

可选的，所述环形狭缝天线包括环形板和沿所述环形板的厚度方向贯通所述环形板的多个第一缝隙；

多个所述第一缝隙沿所述环形板的周向环绕至少一圈。

可选的，在所述环形板所在平面上，所述缝隙的形状包括矩形、圆形、T形、椭圆形或者十字形。

可选的，所述中心谐振腔包括空腔，在所述空腔中设置有慢波板，且所述慢波板充满所述空腔；并且，所述空腔的底部设置有狭缝天线，用于将来自所述中心谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中。

可选的，所述同轴结构单元包括竖直，且同轴设置的柱状环体和探针，其中，

所述探针穿设所述空腔的顶壁和慢波板，并与所述狭缝天线接触。

可选的，所述狭缝天线包括圆形板和沿所述圆形板的厚度方向贯通所述圆形板的多个第二缝隙；

多个所述第二缝隙沿所述圆形板的周向环绕至少一圈，并且，所述第二缝隙所在圆周的中心与所述第一缝隙所在圆周的中心同心设置。

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，其通过增设边缘增强结构，用于增加反应腔室内对应介质窗边缘区域的等离子体密度，可以补偿由中心谐振腔产生的等离子体对应介质窗边缘区域与对应介质窗中心区域之间的差异，从而可以提高等离子体在介质窗径向上的密度分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

附图说明

图1为现有的表面波等离子体加工设备的结构图；

图2为表面波在介质窗中的传播方向图；

图3为现有技术中等离子体在介质窗的径向上的密度曲线图；

图4为本发明第一实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构图；

图5为本发明第一实施例中等离子体在介质窗的径向上的密度曲线图；

图6为本发明第一实施例采用的环形狭缝天线的结构图；

图7为本发明第二实施例提供的表面波等离子体加工设备的结构图。

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。

请参阅图4，本发明第一实施例提供的表面波等离子体加工设备，其包括反应腔室16、设置在该反应腔室16上方的中心谐振腔21、设置在该中心谐振腔21与反应腔室16之间的介质窗14、用于向中心谐振腔21传输微波的微波传输机构以及微波源机构。其中，微波源机构具体包括微波供电电源1、微波源(磁控管)2和谐振腔3，用于提供大功率微波。微波源机构还包括用于吸收反射功率的环流器4和负载5，以及矩形波导6和阻抗调节单元7。

表面波等离子体加工设备还包括边缘增强结构，用于增加反应腔室16内对应介质窗14边缘区域的等离子体密度。由于通过中心谐振腔21在反应腔室16中产生的表面波在介质窗14中心区域的电场较强，而自边缘区域至外周边界的电场呈下降趋势，因此，通过中心谐振腔21在反应腔室16中产生的等离子体密度分布呈现中心强、边缘弱的现象。为了解决该问题，借助上述边缘增强结构增加反应腔室16内对应介质窗14边缘区域的等离子体密度，可以补偿由中心谐振腔21产生的等离子体对应介质窗14边缘区域与对应介质窗14中心区域之间的差异，从而可以提高等离子体25在介质窗14径向上的密度分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

在本实施例中，边缘增强结构包括环形谐振腔29和环形狭缝天线30。其中，环形谐振腔29环绕设置在中心谐振腔21的周围，具体环形谐振腔29和中心谐振腔21借助中心谐振腔21的侧壁相互隔离。并且，环形谐振腔29和中心谐振腔21分别覆盖介质窗14上表面的边缘区域和中心区域；环形狭缝天线30设置在环形谐振腔29的下表面与介质窗14的上表面之间，用于将来自环形谐振腔29的微波能量耦合至介质窗14中。

在本实施例中，环形谐振腔29为空腔。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以在环形谐振腔29中填充介质材料，例如慢波材料。

在本实施例中，如图6所示，环形狭缝天线30包括环形板301和沿该环形板301的厚度方向贯通环形板301的多个第一缝隙302；其中，多个所述第一缝隙302沿环形板301的周向环绕至少一圈。环形谐振腔29中的微波能量通过各个第一缝隙302馈入介质窗14中。可选的，在环形板301所在平面上，缝隙302的形状包括矩形、圆形、T形、椭圆形或者十字形等等。

图5为本发明第一实施例中等离子体在介质窗的径向上的密度曲线图。如图5所示，曲线A为通过中心谐振腔21在反应腔室16中产生的等离子体密度分布曲线，其呈现中心强、边缘弱的现象。曲线B为通过环形谐振腔29在反应腔室16中产生的等离子体密度分布曲线，该曲线呈现中心弱、边缘强的现象。曲线C为环形谐振腔29和中心谐振腔21各自产生的电场相互叠加，叠加后的等离子体密度分布曲线，该曲线在介质窗14的径向上更为平缓，由此可知，环形谐振腔29产生的等离子体密度分布能够起到补偿作用，弥补了中心谐振腔21产生的等离子体密度分布差异，从而可以提高等离子体25在介质窗14径向上的密度分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

微波传输机构用于同时向中心谐振腔21和环形谐振腔29传输微波。在本实施例中，微波传输机构包括第一波导8、功率分配单元9、同轴结构单元10、第二波导26、波导转换单元27和第三波导28，其中，第一波导8用于将由微波源机构提供的微波传输至功率分配单元9；功率分配单元9用于按预定比例将微波分配至同轴结构单元10和第二波导26；同轴结构单元10用于将微波传输至中心谐振腔21中；第二波导26用于将微波传输至波导转换单元27；波导转换单元27用于转换微波方向，使之与第三波导28的微波输送方向一致，并将微波传输至第三波导28；第三波导28用于将微波传输至环形谐振腔29。

可选的，可以通过设定不同的预定比例，来调节反应腔室16中的等离子体对应介质窗14边缘区域的密度与对应介质窗14中心区域的密度之比，以实现提高表面波等离子体密度分布均匀性的目的。

在本实施例中，第二波导26水平设置；第三波导28竖直设置；波导转换单元27包括水平波导和竖直波导，其中，第二波导、水平波导、竖直波导和第三波导依次连接。

可选的，第二波导26、波导转换单元27和第三波导28均为矩形波导。

在本实施例中，中心谐振腔21包括空腔，在该空腔中设置有慢波板22，且该慢波板22充满空腔；并且，空腔的底部设置有狭缝天线23，用于将来自中心谐振腔21的微波能量耦合至介质窗14中。具体地，狭缝天线23包括圆形板和沿该圆形板的厚度方向贯通圆形板的多个第二缝隙；多个第二缝隙沿圆形板的周向环绕至少一圈，并且，第二缝隙所在圆周的中心与第一缝隙302所在圆周的中心同心设置。这样，环形谐振腔29和中心谐振腔21各自产生的电场同心分布，从而可以使反应腔室16中等离子体密度的角向均匀性。

在本实施例中，同轴结构单元10包括竖直，且同轴设置的柱状环体和探针，其中，探针穿设中心谐振腔21的空腔的顶壁和慢波板22，并与狭缝天线23接触。同轴结构单元10用于将矩形波导传播的TE波转化为TEM模式的波，从而将微波能量馈入中心谐振腔21。

在实际应用中，可以通过分别调节环形谐振腔29和中心谐振腔21的耦合效率，来调节反应腔室16中的等离子体对应介质窗14边缘区域的密度与对应介质窗14中心区域的密度之比，以实现提高表面波等离子体密度分布均匀性的目的。具体的，耦合效率调节的方法包括：优化中心谐振腔21的慢波板22的材料、厚度，狭缝天线23的尺寸、结构；优化环形狭缝天线30的尺寸、结构；调整中心谐振腔21和环形谐振腔29的面积比例等。

请参阅图6，本发明第二实施例提供的表面波等离子体加工设备，其与上述第一实施例相比，其区别仅在于：边缘增强结构不同。

具体地，在本实施例中，边缘增强结构包括环形谐振腔31和环形狭缝天线32，其中，环形谐振腔31环绕设置在介质窗34的周围；环形狭缝天线32设置在环形谐振腔31的内周面与介质窗14的外周面之间，用于将来自环形谐振腔32的微波能量耦合至介质窗14中。并且，中心谐振腔31覆盖介质窗14的整个上表面，并通过设置在其底部的狭缝天线33将微波能量耦合至介质窗14中；微波传输机构用于同时向中心谐振腔21和环形谐振腔31传输微波。

本发明第二实施例提供的表面波等离子体加工设备的其他结构和功能与上述第一实施例相同，在此不再赘述。

本发明第三实施例提供的表面波等离子体加工设备，其与上述第一、第二实施例相比，其区别仅在于：边缘增强结构不同。

具体地，边缘增强结构包括磁性单元，该磁性单元环绕设置在介质窗的周围，用于产生吸引等离子体中的电子朝向介质窗的边缘区域运动的磁场。磁性单元可以增加反应腔室16内对应介质窗14边缘区域的等离子体密度，同时减少反应腔室16内对应介质窗14中心区域的等离子体密度，从而可以提高等离子体25在介质窗14径向上的密度分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

在实际应用中，磁性单元可以包括能够产生磁场的永磁体或者电磁体。

综上所述，本发明上述各个实施例提供的表面波等离子体加工设备，其通过增设边缘增强结构，用于增加反应腔室内对应介质窗边缘区域的等离子体密度，可以补偿由中心谐振腔产生的等离子体对应介质窗边缘区域与对应介质窗中心区域之间的差异，从而可以提高等离子体在介质窗径向上的密度分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

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 (11)

1.一种表面波等离子体加工设备，包括反应腔室、设置在所述反应腔室上方的中心谐振腔、设置在所述中心谐振腔与所述反应腔室之间的介质窗、用于向所述中心谐振腔传输微波的微波传输机构以及微波源机构，其特征在于，还包括边缘增强结构，用于增加所述反应腔室内对应所述介质窗边缘区域的等离子体密度，以补偿由所述中心谐振腔产生的等离子体对应所述介质窗边缘区域与对应所述介质窗中心区域之间的差异。

2.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，所述边缘增强结构包括：

环形谐振腔，环绕设置在所述中心谐振腔的周围；并且，所述环形谐振腔和所述中心谐振腔分别覆盖所述介质窗上表面的边缘区域和中心区域；

环形狭缝天线，设置在所述环形谐振腔的下表面与所述介质窗的上表面之间，用于将来自所述环形谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中；

所述微波传输机构用于同时向所述中心谐振腔和所述环形谐振腔传输微波。

3.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，所述边缘增强结构包括：

环形谐振腔，环绕设置在所述介质窗的周围；

环形狭缝天线，设置在所述环形谐振腔的内周面与所述介质窗的外周面之间，用于将来自所述环形谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中；

所述中心谐振腔覆盖所述介质窗的整个上表面；

所述微波传输机构用于同时向所述中心谐振腔和所述环形谐振腔传输微波。

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，所述边缘增强结构包括：

磁性单元，环绕设置在所述介质窗的周围，用于产生吸引等离子体中的电子朝向所述介质窗的边缘区域运动的磁场。

5.根据权利要求2或3所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述微波传输机构包括第一波导、功率分配单元、同轴结构单元、第二波导、波导转换单元和第三波导，其中，

所述第一波导用于将由所述微波源机构提供的微波传输至所述功率分配单元；

所述功率分配单元用于按预定比例将微波分配至所述同轴结构单元和所述第二波导；

所述同轴结构单元用于将微波传输至所述中心谐振腔中；

所述第二波导用于将微波传输至所述波导转换单元；

所述波导转换单元用于转换微波方向，使之与所述第三波导的微波输送方向一致，并将微波传输至所述第三波导；

所述第三波导用于将微波传输至所述环形谐振腔。

6.根据权利要求5所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，通过设定不同的所述预定比例，来调节所述反应腔室中的等离子体对应所述介质窗边缘区域的密度与对应所述介质窗中心区域的密度之比。

7.根据权利要求2或3所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述环形狭缝天线包括环形板和沿所述环形板的厚度方向贯通所述环形板的多个第一缝隙；

多个所述第一缝隙沿所述环形板的周向环绕至少一圈。

8.根据权利要求7所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，在所述环形板所在平面上，所述缝隙的形状包括矩形、圆形、T形、椭圆形或者十字形。

9.根据权利要求7所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述中心谐振腔包括空腔，在所述空腔中设置有慢波板，且所述慢波板充满所述空腔；并且，所述空腔的底部设置有狭缝天线，用于将来自所述中心谐振腔的微波能量耦合至所述介质窗中。

10.根据权利要求9所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述同轴结构单元包括竖直，且同轴设置的柱状环体和探针，其中，

所述探针穿设所述空腔的顶壁和慢波板，并与所述狭缝天线接触。

11.根据权利要求9所述的表面波等离子体加工设备，其特征在于，所述狭缝天线包括圆形板和沿所述圆形板的厚度方向贯通所述圆形板的多个第二缝隙；

多个所述第二缝隙沿所述圆形板的周向环绕至少一圈，并且，所述第二缝隙所在圆周的中心与所述第一缝隙所在圆周的中心同心设置。

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