CN117794040A - 一种表面波等离子体发生装置及半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面波等离子体装置，利用连接腔连接谐振腔和矩形波导，将螺钉探针经由矩形波导和连接腔伸入谐振腔内部，从而将微波能量馈入连接腔和谐振腔，通过在谐振腔的底壁设置多个石英窗口，使得微波在谐振腔内形成的驻波的电场能够通过各石英窗口耦合进入真空腔室，并在真空腔室内激发等离子体；多个石英窗口可以等效为多个等离子体源，相对于现有的单一等离子体源来说，可以使真空腔室内等离子体大面积均匀化，从而满足大尺寸的晶片加工需求。
Description
本申请是申请日为2016年3月3日、申请号为201610121051.9、发明名称为“一种表面波等离子体装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体设备制造技术领域，具体涉及一种表面波等离子体装置。
背景技术
近年来，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路要求总体趋势趋向于高度集成化和更大面积化，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置在集成电路(IC)或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)器件的制造工艺中是不可取代的，因此，高性能等离子体发生设备的研发对于半导体制造工艺的发展至关重要。当等离子体设备用于半导体制造工艺时，最主要考察因素是：在一定气压范围能有效率的生成大面积均匀的等离子体。具体到工艺细节，关注点往往在于工艺气体和气压，等离子体均匀程度和等离子体内粒子成分即等离子体的可控性。对应于电子行业的发展，能在低气压下激发大面积，高密度均匀等离子体的等离子体源是当前的主要研究方向。
在传统的半导体制造业，各种类型的等离子体设备被广泛应用于各种工艺，例如，电容耦合等离子体(CCP)类型，电感耦合等离子体(ICP)类型以及表面波(SWP)或电子回旋共振等离子体(ECR)等类型。表面波等离子体是近年来发展起来的新型等离子体发生技术，相较于电感耦合等离子体，其结构上更加简单，且在均匀等离子体大面积化上具有不可忽视的优势。由于表面波加热的机理，微波能量被约束在等离子体和介质的边界上，实际上使用的等离子体是没有激励源影响的远程等离子体，因此相较于电容耦合等离子体和电感耦合等离子体，其电子温度更低，从而减少了高能电子带来的对器件表面的等离子体损伤。表面波是指，利用微波在介质表面附近激发出高于表面波临界密度以上的等离子体，微波在介质表面等离子体区域沿法向上的迅速衰减，而在介质与等离子体边界上形成沿表面传输的波。表面波在其传输的范围内可形成周期性的强电场，从而维持高密度的等离子体，此即表面波等离子体的形成原理。
目前大面积表面波等离子体的激发方式有多种，包括圆管内壁表面波，狭缝天线平面表面波，径向开槽天线表面波(Radio Slot Line Antenna，RSLA)等。其中商用的主要采用圆管内壁表面波激发方式和径向开槽天线表面波激发方式，而大面积等离子体的激发主要采用RSLA激发方式。
如图1a所示，现有的RSLA表面波等离子体装置包括：微波源及微波传输匹配结构、表面波天线结构和腔室三个部分，其中，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、用于吸收反射功率的负载5、用于测量入射功率和反射功率的定向耦合器6、阻抗调节单元7和矩形波导8。表面波天线部位包括：天线主体11、滞波板12、缝隙板15和介质板16。其中，天线主体11呈圆柱形，通常为铝、不锈钢等金属材料；缝隙板15是开缝结构的天线板，多为铝、不锈钢等金属材料。缝隙板15俯视结构如图1b所示，呈T型的缝隙沿圆周方向由内到外均匀分布。滞波板12呈圆盘状，为低损耗的介质板，其介质可以为Al2O3，SiO2或SiN(硅氮化合物)，微波能量通过滞波板12后压缩波长，从而使得微波在缝隙板15上产生圆偏振，圆偏振的波通过介质板16在真空腔室19内激发产生等离子体，介质板16通常为石英。腔室包括：腔体18、用于密封腔体18和天线主体11的密封圈17和用于放置晶片20的支撑台21。
现有的RSLA表面波等离子体装置存在以下技术缺陷：
1、现有的RSLA表面波等离子体装置采用狭缝开槽天线方式实现微波馈入，中心对称结构的缝隙板15保证了等离子体径向均匀性，但是，微波同轴馈入，在滞波板12的区域内呈发散状传输，
延径向衰减，导致能量分布不均匀，制约了等离子体区域的面积。例如，采用狭缝开槽天线的微波馈入方式的RSLA表面波等离子体装置产生的等离子体均匀半径目前最大只能对直径为8寸晶片进行加工，无法实现对直径为12寸的工业级别晶片进行加工。
2、在某些晶片加工工艺中，需要采用较低的放电气压，例如毫托(mTorr)量级的放电气压，然而，若放电气压过低，则通过狭缝开槽天线结构产生的电场无法放电，导致无法顺利形成气体的初始电离。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供一种表面波等离子体装置，用以解决表面波等离子体大面积均匀性差的问题。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
本发明提供一种表面波等离子体装置，包括：用于产生微波的微波发生装置、微波传输匹配结构和真空腔室，所述微波传输匹配结构包括矩形波导，用于传输所述微波发生装置产生的微波，其特征在于，所述装置还包括：连接腔、谐振腔和螺钉探针，所述连接腔连通所述矩形波导和所述谐振腔的顶部，所述螺钉探针依次贯穿所述矩形波导和连接腔，并伸入所述谐振腔的内部；
所述谐振腔的底壁设置有多个石英窗口，且与所述真空腔室相连并密封。
优选的，所述石英窗口沿所述真空腔室的周向均匀分布。
优选的，所述石英窗口由至少两个同轴设置且直径不同的圆柱形石英件组成，且所述石英件的直径沿所述石英窗口由上至下递减。
优选的，所述石英件的最小直径为40mm-120mm。
优选的，所述石英件的最小直径为60mm。
优选的，所述谐振腔的底壁上设有通孔，所述通孔的位置与所述石英窗口一一对应，所述通孔的形状与所述石英窗口匹配，所述石英窗口设置在所述通孔中，并与所述通孔之间固定连接。
优选的，所述石英窗口和所述通孔借助O圈密封。
进一步的，所述表面波等离子体装置还包括至少一个金属探针，所述金属探针设置于谐振腔的顶壁上，用于改变谐振腔内的电场分布，增强所述金属探针周围的电场。
优选的，所述金属探针的位置与所述石英窗口相对应，且所述金属探针竖直方向的投影与对应的石英窗口同轴。
优选的，所述金属探针在石英窗口的上表面投影的边缘与石英窗口的上表面的边缘之间的距离大于或等于2cm。
进一步的，所述装置还包括短路活塞，所述短路活塞设置在所述矩形波导的终端，通过调节所述短路活塞在所述矩形波导上的位置，能够调节所述矩形波导有效通路的长度。
优选的，所述谐振腔的高度为10mm-85mm。
本发明能够实现以下有益效果：
1、利用连接腔连接谐振腔和矩形波导，将螺钉探针经由矩形波导和连接腔伸入谐振腔内部，从而将微波能量馈入连接腔和谐振腔，通过在谐振腔的底壁设置多个石英窗口，使得微波在谐振腔内形成的驻波的电场能够通过各石英窗口耦合进入真空腔室，并在真空腔室内激发等离子体；多个石英窗口可以等效为多个等离子体源，相对于现有的单一等离子体源来说，可以使真空腔室内等离子体大面积均匀化，从而满足大尺寸的晶片加工需求。
2、通过改变螺钉探针的外径和连接腔的内径尺寸，可以调节微波的最大传输功率；并且，通过调节螺钉探针伸入谐振腔内的长度，可以提高微波馈入效率。
3、通过在谐振腔内设置金属探针，可以改变谐振腔内部原有的电场分布，增强局部电场(在金属探针附近形成强电场)，提高金属探针附近的电场强度，更容易在低气压条件下实现对气体的初始电离，从而实现表面波等离子体装置在低放电气压下工作。
4、在矩形波导的终端设置短路活塞，通过调节短路活塞在矩形波导上的位置来变矩形波导有效通路的长度，实现微波能量在矩形波导和谐振腔内部重新分配，从而将馈入谐振腔内的微波能量均匀化，使多个石英窗口附近电场强度一致，从而在真空室内形成一致的初始电离，最终达到工艺等离子体的均匀化。
附图说明
图1a为现有的表面波等离子体装置的结构示意图；
图1b为现有的表面波天线缝隙板的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的表面波等离子体装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的谐振腔的俯视图；
图4为本发明实施例提供的谐振腔的底部的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的石英杯与谐振腔的底部的安装示意图。
图例说明：
1、微波源供电电源 2、微波源 3、谐振器
4、环流器 5、负载 6、定向耦合器
7、阻抗调节单元 8、矩形波导 9、短路活塞
10、连接腔 11、天线主体 12、滞波板
15、缝隙板 16、介质板 17、密封圈、O圈
18、腔体 19、真空腔室 20、晶片
21、支撑台 22、谐振腔 23、螺钉探针
24、石英窗口 26、通孔 27、金属探针
241、第一石英件 242、第二石英件 261、沉头座孔
262、孔
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合图2-5，详细说明本发明的技术方案。
如图2所示，本发明提供一种表面波等离子体装置，该表面波等离子体装置包括：微波发生装置、微波传输匹配结构和真空腔室19。其中，微波发生装置用于产生微波，包括：微波源供电电源1、微波源2和谐振器3，微波源供电电源1为微波源2供电，微波源2可以选用磁控管，谐振器3与微波源2相连。微波传输匹配结构包括：环流器4、用于吸收反射功率的负载5、用于测量入射功率和反射功率的定向耦合器6、阻抗调节单元7和矩形波导8，环流器4、定向耦合器6、阻抗调节单元7和矩形波导8依次连接，负载5与环流器4相连。微波发生装置产生的微波能量经由环流器4、定向耦合器6和矩形波导8传输，阻抗调节单元7用于调节微波的谐振模式。矩形波导8水平放置，矩形波导8的起始端与阻抗调节单元7相连，矩形波导8的终端为自由端。
矩形波导8是标准件，2450MHz微波对应的矩形波导型号有：BJ-22、BB-22、BJ-26，各种型号的矩形波导的横截面尺寸不同，本发明实施例选用GB BJ-26型号的矩形波导。
所述表面波等离子体装置还包括：连接腔10、谐振腔22和螺钉探针23，连接腔10连通矩形波导8和谐振腔22的顶部。具体的，在矩形波导8中间部分的下表面开设与连接腔10的内径尺寸相同的通孔，将连接腔10与矩形波导8通过该通孔相连。螺钉探针23依次贯穿矩形波导8和连接腔10，并伸入谐振腔22的内部，能够将矩形波导8内的微波能量馈入连接腔10和谐振腔22。具体的，螺钉探针23从矩形波导8的中间部位的顶端沿径向贯穿矩形波导8进入连接腔10，并从连接腔10中穿出，伸入谐振腔22内。在矩形波导8内，微波能量从矩形波导8的起始端向终端方向传输，当传输到矩形波导8的中间部位时，螺钉探针23改变微波能量的馈入方向，其中，一部分微波能量继续向矩形波导8的终端方向传输，另一部分微波能量向下传输进入连接腔10，并经由连接腔10进入谐振腔22。
需要说明的是，通过改变螺钉探针23的外径和连接腔10的内径尺寸，可以调节微波的传输功率，从而达到微波最大传输效率；通过调节螺钉探针23伸入谐振腔22内的长度，可以调节电场馈入效率，提高微波利用率。具体的，螺钉探针23的外径和连接腔10的内径的比例决定了最大传输功率，该比例可以根据同轴波导的传输特性，通过该结构下空气的击穿电压计算。通常，该比例值取1.65～3.59，分别对应了最大传输功率和最小损耗。螺钉探针23伸入谐振腔22内的长度与电场馈入效率并没有线性关系，需要综合整个谐振腔22的结构(例如，谐振腔的高度、石英窗口的数量和分布等)，才能决定最优的微波利用效率。
谐振腔22的底壁与真空腔室19相连并密封，且谐振腔22的底壁设置有多个石英窗口24，石英窗口24用于将微波能量耦合进入真空腔体19以产生等离子体，同时形成表面波的边界条件。也就是说，真空腔室19设置在谐振腔22的下方，微波在谐振腔22内形成驻波，驻波的电场通过石英窗口24耦合进入真空腔室19，在真空腔室19内激发等离子体，并在等离子体的密度大于形成表面波等离子体的临界密度时，在石英窗口24的下表面形成表面波。
谐振腔22通常采用不锈钢等金属材料制成，真空腔室19通常采用铝合金，不锈钢等金属材料制成，真空腔室19内设置有用于放置晶片的支撑台21。
本发明利用连接腔连接谐振腔和矩形波导，将螺钉探针经由矩形波导和连接腔伸入谐振腔内部，从而将微波能量馈入连接腔和谐振腔，通过在谐振腔的底壁设置多个石英窗口，使得微波在谐振腔内形成的驻波的电场能够通过各石英窗口耦合进入真空腔室，并在真空腔室内激发等离子体，因此，多个石英窗口可以等效为多个等离子体源，相对于现有的单一等离子体源来说，可以使真空腔室内等离子体的大面积均匀化，从而满足大尺寸的晶片加工需求。
在本发明实施例中，谐振腔22可以由多个金属块搭建而成，因此，谐振腔22的高度可以根据需要进行调节，优选的，谐振腔的高度可以为10mm-85mm。
如图3所示，各石英窗口24沿真空腔室19的周向均匀分布，以使真空腔室19内多个等离子体源在空间上对称，从而实现等离子体大面积均匀性。
在本发明实施例中，设置6个石英窗口24，6个石英窗口24形成一个圆形。为了提高边缘等离子体密度，可以将石英窗口多层分布(即形成多个同心圆)，例如，将6个石英窗口24作为内层，在6个石英窗口外侧再增加多个石英窗口，新增加的石英窗口也沿真空腔室19的周向均匀分布。
石英窗口24由至少两个同轴设置且直径不同的圆柱形石英件组成，且各石英件的直径沿石英窗口24由上至下递减。
谐振腔的底壁上开设有通孔26，各通孔26的位置与各石英窗口24一一对应，且通孔26的形状与石英窗口24匹配，石英窗口24设置在通孔26中，并与通孔26之间固定连接。
为了方便安装石英窗口24的安装，在本发明实施例中，如图5所示，石英窗口24由第一石英件241和第二石英件242这两个石英件组成，第二石英件242与第一石英件241同轴设置且底部相连，从而形成“凸”字型，第一石英件241的直径大于第二石英件242的直径。通孔26为沉头孔，沉头孔包括圆柱形的沉头座孔261和与沉头座孔相连的孔262。第一石英件241设置在沉头座孔261内，第二石英件242设置在孔262内，第一石英件241的高度与沉头座孔261的深度相同，第二石英件242的高度与孔262的深度相同，因此，当石英窗口24安装于沉头孔内时，第一石英件241的上表面与谐振腔22的底壁持平。
优选的，石英窗口24的石英件的最小直径为40mm-120mm。
由于第一石英件241与沉头座孔261配合，石英窗24的有效尺寸即为第二石英件的直径的尺寸，该尺寸即为有效的等离子体尺寸。也就是说，在本发明实施例中，第二石英件242的直径可以为40mm-120mm，优选的，第二石英件的直径为60mm。第一石英件241的直径可以为90mm。
需要说明的是，谐振腔的底壁上的通孔和石英窗口的形状不限于上述形状，图5所示的方案只是其中一种优选实施方式，例如，谐振腔的底壁上的通孔可以为普通的直通孔，石英窗口可以为与该直通孔尺寸匹配的圆柱形石英件。
结合图2和5，石英窗口24和通孔26可以借助O圈17密封。具体的，如图5所示，沉头座孔261的下表面开设有环形凹槽，O圈17设置于环形凹槽内。当石英窗口24安装在通孔26内时，在大气压的作用下，第一石英件241的下表面能够将O圈17挤压变形，填充第一石英件241与沉头座孔261之间的缝隙，从而实现谐振腔22与真空腔室19之间的密封。
进一步的，如图2所示，所述表面波等离子体装置还可以包括至少一个金属探针27，金属探针27设置于谐振腔22的顶壁上，即金属探针27竖直设置于谐振腔22的内部。具体的，金属探针27的一种设置方式是：设置在谐振腔22的顶壁与底壁之间，并与谐振腔22的顶壁和底壁连接；金属探针27的另一种设置方式是：设置在谐振腔22的顶壁与石英窗口24之间，金属探针27的一端与谐振腔22的顶壁相连，另一端可以与石英窗口24的上表面相接触，但不能挤压石英窗口24，避免在激发等离子体过程中石英窗口24温度升高，导致石英窗口24破碎。
通过在谐振腔内设置金属探针，可以改变谐振腔内部原有的电场分布，增强局部电场(在金属探针附近形成强电场)，增强金属探针周围的电场强度，更容易在低气压条件下实现对气体的初始电离，从而实现表面波等离子体装置在低放电气压下工作。
当金属探针27为一个时，该金属探针27的位置与一个石英窗口24相对应，且该金属探针27竖直方向的投影与对应的石英窗口24同轴。
金属探针27也可以设置多个，此时，金属探针27的数量和位置可以根据谐振腔22的尺寸、高度、形状确定。在本发明实施例中，如图3所示，金属探针27的数量与石英窗口24的数量相同，均为6个，且各金属探针27竖直方向的投影分别与对应的石英窗口24同轴。需要说明的是，当金属探针27为多个时，金属探针27也可以位于各石英窗口24之间的谐振腔的顶壁上。
金属探针27存在于谐振腔22内部时，会有电场垂直于金属表面且磁场平行于金属表面的边界条件，从而改变原有的场分布，因此，在金属探针27附近的电场会增强。为了避免高功率下大气击穿，如图2所示，当金属探针27竖直方向的投影与对应的石英窗口24同轴时，金属探针27在石英窗口24的上表面投影的边缘与石英窗口的上表面的边缘之间的距离w不能过小，优选的，w大于或等于2cm。
进一步的，为了避免尖端放电，还可以在石英窗口24的上表面边缘设置倒角。
进一步的，如图2所示，所述表面波等离子体装置还可以包括短路活塞9，短路活塞9设置在矩形波导8的终端，短路活塞9在矩形波导8上的位置能够调节，通过调节短路活塞9在矩形波导8上的位置，从而调节矩形波导有效通路的长度。
短路活塞9在矩形波导8上的位置决定了矩形波导8的终端一侧的长度，向矩形波导8的终端方向传输的微波能量经由短路活塞9反射，其中一部分反射的微波能量经由阻抗调节单元7、定向耦合器6、环流器4传输至负载5，并由负载5吸收，另一部分反射的微波能量由螺钉探针23馈入连接腔10的右侧部分和谐振腔22的右侧部分。螺钉探针23将连接腔10和谐振腔22划分为左、右两部分，螺钉探针23将从矩形波导8的起始端向终端方向传输的微波能量馈入连接腔10的左侧部分和谐振腔22的左侧部分。因此，通过调节短路活塞9在矩形波导8上的位置，可以均衡馈入谐振腔22左、右两部分的微波能量，实现微波能量在谐振腔内部重新分配，从而将馈入谐振腔内的微波能量均匀化，为使真空腔室内等离子体大面积均匀化提供保证。
在本发明中，谐振腔内部的电场强度分布不但可以通过阻抗调节单元7来调整，还可以通过金属探针27和短路活塞9进行调整。
利用本发明可以产生工业应用级的大面积表面波的等离子体，并实现在极低气压下用较低功率形成初始电离，扩大了工艺区间。
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 (15)
1.一种表面波等离子体发生装置，包括：用于产生微波的微波发生装置、微波传输匹配结构，所述微波传输匹配结构用于传输所述微波发生装置产生的微波，其特征在于，所述装置还包括：谐振腔和螺钉探针，所述微波传输匹配结构与所述谐振腔的顶部连通，所述螺钉探针依次贯穿所述微波传输匹配结构并伸入所述谐振腔的内部；所述谐振腔的底壁设置有多个石英窗口，且所述谐振腔的底壁用于与半导体工艺设备的真空腔室相连并密封。
2.如权利要求1所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述石英窗口沿所述真空腔室的周向均匀分布。
3.如权利要求1所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述石英窗口由至少两个同轴设置且直径不同的圆柱形石英件组成，且所述石英件的直径沿所述石英窗口由上至下递减。
4.如权利要求3所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述石英件的最小直径为40mm-120mm。
5.如权利要求4所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述石英件的最小直径为60mm。
6.如权利要求3所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述谐振腔的底壁上设有通孔，所述通孔的位置与所述石英窗口一一对应，所述通孔的形状与所述石英窗口匹配，所述石英窗口设置在所述通孔中，并与所述通孔之间固定连接。
7.如权利要求6所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述石英窗口和所述通孔借助O圈密封。
8.如权利要求1所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述装置还包括至少一个金属探针，所述金属探针设置于谐振腔的顶壁上，用于改变谐振腔内的电场分布，增强所述金属探针周围的电场。
9.如权利要求8所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述金属探针的位置与所述石英窗口相对应，且所述金属探针竖直方向的投影与对应的石英窗口同轴。
10.如权利要求8所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述金属探针在石英窗口的上表面投影的边缘与石英窗口的上表面的边缘之间的距离大于或等于2cm。
11.如权利要求8所述的表面波等离子体发生装置，其中，在所述金属探针为多个的情况下，多个所述金属探针在所述真空腔室的底面的投影分布在以所述真空腔室的底面的中心为圆心的一个圆周上。
12.如权利要求1所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述装置还包括连接腔，所述连接腔连通所述微波传输匹配结构与所述谐振腔。
13.如权利要求1所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述微波传输匹配结构包括矩形波导，所述装置还包括短路活塞，所述短路活塞设置在所述矩形波导的终端，通过调节所述短路活塞在所述矩形波导上的位置，能够调节所述矩形波导有效通路的长度。
14.如权利要求1-13任一项所述的表面波等离子体发生装置，其特征在于，所述谐振腔的高度为10mm-85mm。
15.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括真空腔室和权要求1-14任一项所述的表面波等离子体发生装置，其中，所述表面波等离子体发生装置的所述谐振腔的底壁与所述真空腔室相连并密封。
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