一種表面波等離子體裝置的制作方法

本發明涉及半導體設備制造技術領域，具體涉及一種表面波等離子體裝置。

背景技術：

近年來，隨著電子技術的高速發展，人們對集成電路要求總體趨勢趨向于高度集成化和更大面積化，這就要求生產集成電路的企業不斷提高半導體晶片的加工能力。等離子體裝置在集成電路(ic)或mems(micro-electro-mechanicalsystem，微機電系統)器件的制造工藝中是不可取代的，因此，高性能等離子體發生設備的研發對于半導體制造工藝的發展至關重要。當等離子體設備用于半導體制造工藝時，最主要考察因素是：在一定氣壓范圍能有效率的生成大面積均勻的等離子體。具體到工藝細節，關注點往往在于工藝氣體和氣壓，等離子體均勻程度和等離子體內粒子成分即等離子體的可控性。對應于電子行業的發展，能在低氣壓下激發大面積，高密度均勻等離子體的等離子體源是當前的主要研究方向。

在傳統的半導體制造業，各種類型的等離子體設備被廣泛應用于各種工藝，例如，電容耦合等離子體(ccp)類型，電感耦合等離子體(icp)類型以及表面波(swp)或電子回旋共振等離子體(ecr)等類型。表面波等離子體是近年來發展起來的新型等離子體發生技術，相較于電感耦合等離子體，其結構上更加簡單，且在均勻等離子體大面積化上具有不可忽視的優勢。由于表面波加熱的機理，微波能量被約束在等離子體和介質的邊界上，實際上使用的等離子體是沒有激勵源影響的遠程等離子體，因此相較于電容耦合等離子體和電感耦合等離子體，其電子溫度更低，從而減 少了高能電子帶來的對器件表面的等離子體損傷。表面波是指，利用微波在介質表面附近激發出高于表面波臨界密度以上的等離子體，微波在介質表面等離子體區域沿法向上的迅速衰減，而在介質與等離子體邊界上形成沿表面傳輸的波。表面波在其傳輸的范圍內可形成周期性的強電場，從而維持高密度的等離子體，此即表面波等離子體的形成原理。

目前大面積表面波等離子體的激發方式有多種，包括圓管內壁表面波，狹縫天線平面表面波，徑向開槽天線表面波(radioslotlineantenna，rsla)等。其中商用的主要采用圓管內壁表面波激發方式和徑向開槽天線表面波激發方式，而大面積等離子體的激發主要采用rsla激發方式。

如圖1a所示，現有的rsla表面波等離子體裝置包括：微波源及微波傳輸匹配結構、表面波天線結構和腔室三個部分，其中，微波源及微波傳輸匹配結構包括：微波源供電電源1、微波源2、諧振器3、環流器4、用于吸收反射功率的負載5、用于測量入射功率和反射功率的定向耦合器6、阻抗調節單元7和矩形波導8。表面波天線部位包括：天線主體11、滯波板12、縫隙板15和介質板16。其中，天線主體11呈圓柱形，通常為鋁、不銹鋼等金屬材料；縫隙板15是開縫結構的天線板，多為鋁、不銹鋼等金屬材料。縫隙板15俯視結構如圖1b所示，呈t型的縫隙沿圓周方向由內到外均勻分布。滯波板12呈圓盤狀，為低損耗的介質板，其介質可以為al2o3，sio2或sin(硅氮化合物)，微波能量通過滯波板12后壓縮波長，從而使得微波在縫隙板15上產生圓偏振，圓偏振的波通過介質板16在真空腔室19內激發產生等離子體，介質板16通常為石英。腔室包括：腔體18、用于密封腔體18和天線主體11的密封圈17和用于放置晶片20的支撐臺21。

現有的rsla表面波等離子體裝置存在以下技術缺陷：

1、現有的rsla表面波等離子體裝置采用狹縫開槽天線方式實現微波饋入，中心對稱結構的縫隙板15保證了等離子體徑向均勻性，但是，微波同軸饋入，在滯波板12的區域內呈發散狀傳輸， 延徑向衰減，導致能量分布不均勻，制約了等離子體區域的面積。例如，采用狹縫開槽天線的微波饋入方式的rsla表面波等離子體裝置產生的等離子體均勻半徑目前最大只能對直徑為8寸晶片進行加工，無法實現對直徑為12寸的工業級別晶片進行加工。

2、在某些晶片加工工藝中，需要采用較低的放電氣壓，例如毫托(mtorr)量級的放電氣壓，然而，若放電氣壓過低，則通過狹縫開槽天線結構產生的電場無法放電，導致無法順利形成氣體的初始電離。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中存在的上述不足，提供一種表面波等離子體裝置，用以解決表面波等離子體大面積均勻性差的問題。

本發明為解決上述技術問題，采用如下技術方案：

本發明提供一種表面波等離子體裝置，包括：用于產生微波的微波發生裝置、微波傳輸匹配結構和真空腔室，所述微波傳輸匹配結構包括矩形波導，用于傳輸所述微波發生裝置產生的微波，其特征在于，所述裝置還包括：連接腔、諧振腔和螺釘探針，所述連接腔連通所述矩形波導和所述諧振腔的頂部，所述螺釘探針依次貫穿所述矩形波導和連接腔，并伸入所述諧振腔的內部；

所述諧振腔的底壁設置有多個石英窗口，且與所述真空腔室相連并密封。

優選的，所述石英窗口沿所述真空腔室的周向均勻分布。

優選的，所述石英窗口由至少兩個同軸設置且直徑不同的圓柱形石英件組成，且所述石英件的直徑沿所述石英窗口由上至下遞減。

優選的，所述石英件的最小直徑為40mm-120mm。

優選的，所述石英件的最小直徑為60mm。

優選的，所述諧振腔的底壁上設有通孔，所述通孔的位置與所述石英窗口一一對應，所述通孔的形狀與所述石英窗口匹配，所述石英窗口設置在所述通孔中，并與所述通孔之間固定連接。

優選的，所述石英窗口和所述通孔借助o圈密封。

進一步的，所述表面波等離子體裝置還包括至少一個金屬探針，所述金屬探針設置于諧振腔的頂壁上，用于改變諧振腔內的電場分布，增強所述金屬探針周圍的電場。

優選的，所述金屬探針的位置與所述石英窗口相對應，且所述金屬探針豎直方向的投影與對應的石英窗口同軸。

優選的，所述金屬探針在石英窗口的上表面投影的邊緣與石英窗口的上表面的邊緣之間的距離大于或等于2cm。

進一步的，所述裝置還包括短路活塞，所述短路活塞設置在所述矩形波導的終端，通過調節所述短路活塞在所述矩形波導上的位置，能夠調節所述矩形波導有效通路的長度。

優選的，所述諧振腔的高度為10mm-85mm。

本發明能夠實現以下有益效果：

1、利用連接腔連接諧振腔和矩形波導，將螺釘探針經由矩形波導和連接腔伸入諧振腔內部，從而將微波能量饋入連接腔和諧振腔，通過在諧振腔的底壁設置多個石英窗口，使得微波在諧振腔內形成的駐波的電場能夠通過各石英窗口耦合進入真空腔室，并在真空腔室內激發等離子體；多個石英窗口可以等效為多個等離子體源，相對于現有的單一等離子體源來說，可以使真空腔室內等離子體大面積均勻化，從而滿足大尺寸的晶片加工需求。

2、通過改變螺釘探針的外徑和連接腔的內徑尺寸，可以調節微波的最大傳輸功率；并且，通過調節螺釘探針伸入諧振腔內的長度，可以提高微波饋入效率。

3、通過在諧振腔內設置金屬探針，可以改變諧振腔內部原有的電場分布，增強局部電場(在金屬探針附近形成強電場)，提高金屬探針附近的電場強度，更容易在低氣壓條件下實現對氣體的初始電離，從而實現表面波等離子體裝置在低放電氣壓下工作。

4、在矩形波導的終端設置短路活塞，通過調節短路活塞在矩形波導上的位置來變矩形波導有效通路的長度，實現微波能量在矩形波導和諧振腔內部重新分配，從而將饋入諧振腔內的微波能 量均勻化，使多個石英窗口附近電場強度一致，從而在真空室內形成一致的初始電離，最終達到工藝等離子體的均勻化。

附圖說明

圖1a為現有的表面波等離子體裝置的結構示意圖；

圖1b為現有的表面波天線縫隙板的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的表面波等離子體裝置的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的諧振腔的俯視圖；

圖4為本發明實施例提供的諧振腔的底部的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的石英杯與諧振腔的底部的安裝示意圖。

圖例說明：

1、微波源供電電源2、微波源3、諧振器

4、環流器5、負載6、定向耦合器

7、阻抗調節單元8、矩形波導9、短路活塞

10、連接腔11、天線主體12、滯波板

15、縫隙板16、介質板17、密封圈、o圈

18、腔體19、真空腔室20、晶片

21、支撐臺22、諧振腔23、螺釘探針

24、石英窗口26、通孔27、金屬探針

241、第一石英件242、第二石英件261、沉頭座孔

262、孔

具體實施方式

下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

以下結合圖2-5，詳細說明本發明的技術方案。

如圖2所示，本發明提供一種表面波等離子體裝置，該表面波等離子體裝置包括：微波發生裝置、微波傳輸匹配結構和真空腔室19。其中，微波發生裝置用于產生微波，包括：微波源供電電源1、微波源2和諧振器3，微波源供電電源1為微波源2供電，微波源2可以選用磁控管，諧振器3與微波源2相連。微波傳輸匹配結構包括：環流器4、用于吸收反射功率的負載5、用于測量入射功率和反射功率的定向耦合器6、阻抗調節單元7和矩形波導8，環流器4、定向耦合器6、阻抗調節單元7和矩形波導8依次連接，負載5與環流器4相連。微波發生裝置產生的微波能量經由環流器4、定向耦合器6和矩形波導8傳輸，阻抗調節單元7用于調節微波的諧振模式。矩形波導8水平放置，矩形波導8的起始端與阻抗調節單元7相連，矩形波導8的終端為自由端。

矩形波導8是標準件，2450mhz微波對應的矩形波導型號有：bj-22、bb-22、bj-26，各種型號的矩形波導的橫截面尺寸不同，本發明實施例選用gbbj-26型號的矩形波導。

所述表面波等離子體裝置還包括：連接腔10、諧振腔22和螺釘探針23，連接腔10連通矩形波導8和諧振腔22的頂部。具體的，在矩形波導8中間部分的下表面開設與連接腔10的內徑尺寸相同的通孔，將連接腔10與矩形波導8通過該通孔相連。螺釘探針23依次貫穿矩形波導8和連接腔10，并伸入諧振腔22的內部，能夠將矩形波導8內的微波能量饋入連接腔10和諧振腔22。具體的，螺釘探針23從矩形波導8的中間部位的頂端沿徑向貫穿矩形波導8進入連接腔10，并從連接腔10中穿出，伸入諧振腔22內。在矩形波導8內，微波能量從矩形波導8的起始端向終端方向傳輸，當傳輸到矩形波導8的中間部位時，螺釘探針23改變微波能量的饋入方向，其中，一部分微波能量繼續向矩形波導8的終端方向傳輸，另一部分微波能量向下傳輸進入連接腔10，并經由連接腔10進入諧振腔22。

需要說明的是，通過改變螺釘探針23的外徑和連接腔10的 內徑尺寸，可以調節微波的傳輸功率，從而達到微波最大傳輸效率；通過調節螺釘探針23伸入諧振腔22內的長度，可以調節電場饋入效率，提高微波利用率。具體的，螺釘探針23的外徑和連接腔10的內徑的比例決定了最大傳輸功率，該比例可以根據同軸波導的傳輸特性，通過該結構下空氣的擊穿電壓計算。通常，該比例值取1.65～3.59，分別對應了最大傳輸功率和最小損耗。螺釘探針23伸入諧振腔22內的長度與電場饋入效率并沒有線性關系，需要綜合整個諧振腔22的結構(例如，諧振腔的高度、石英窗口的數量和分布等)，才能決定最優的微波利用效率。

諧振腔22的底壁與真空腔室19相連并密封，且諧振腔22的底壁設置有多個石英窗口24，石英窗口24用于將微波能量耦合進入真空腔體19以產生等離子體，同時形成表面波的邊界條件。也就是說，真空腔室19設置在諧振腔22的下方，微波在諧振腔22內形成駐波，駐波的電場通過石英窗口24耦合進入真空腔室19，在真空腔室19內激發等離子體，并在等離子體的密度大于形成表面波等離子體的臨界密度時，在石英窗口24的下表面形成表面波。

諧振腔22通常采用不銹鋼等金屬材料制成，真空腔室19通常采用鋁合金，不銹鋼等金屬材料制成，真空腔室19內設置有用于放置晶片的支撐臺21。

本發明利用連接腔連接諧振腔和矩形波導，將螺釘探針經由矩形波導和連接腔伸入諧振腔內部，從而將微波能量饋入連接腔和諧振腔，通過在諧振腔的底壁設置多個石英窗口，使得微波在諧振腔內形成的駐波的電場能夠通過各石英窗口耦合進入真空腔室，并在真空腔室內激發等離子體，因此，多個石英窗口可以等效為多個等離子體源，相對于現有的單一等離子體源來說，可以使真空腔室內等離子體的大面積均勻化，從而滿足大尺寸的晶片加工需求。

在本發明實施例中，諧振腔22可以由多個金屬塊搭建而成，因此，諧振腔22的高度可以根據需要進行調節，優選的，諧振腔的高度可以為10mm-85mm。

如圖3所示，各石英窗口24沿真空腔室19的周向均勻分布，以使真空腔室19內多個等離子體源在空間上對稱，從而實現等離子體大面積均勻性。

在本發明實施例中，設置6個石英窗口24，6個石英窗口24形成一個圓形。為了提高邊緣等離子體密度，可以將石英窗口多層分布(即形成多個同心圓)，例如，將6個石英窗口24作為內層，在6個石英窗口外側再增加多個石英窗口，新增加的石英窗口也沿真空腔室19的周向均勻分布。

石英窗口24由至少兩個同軸設置且直徑不同的圓柱形石英件組成，且各石英件的直徑沿石英窗口24由上至下遞減。

諧振腔的底壁上開設有通孔26，各通孔26的位置與各石英窗口24一一對應，且通孔26的形狀與石英窗口24匹配，石英窗口24設置在通孔26中，并與通孔26之間固定連接。

為了方便安裝石英窗口24的安裝，在本發明實施例中，如圖5所示，石英窗口24由第一石英件241和第二石英件242這兩個石英件組成，第二石英件242與第一石英件241同軸設置且底部相連，從而形成“凸”字型，第一石英件241的直徑大于第二石英件242的直徑。通孔26為沉頭孔，沉頭孔包括圓柱形的沉頭座孔261和與沉頭座孔相連的孔262。第一石英件241設置在沉頭座孔261內，第二石英件242設置在孔262內，第一石英件241的高度與沉頭座孔261的深度相同，第二石英件242的高度與孔262的深度相同，因此，當石英窗口24安裝于沉頭孔內時，第一石英件241的上表面與諧振腔22的底壁持平。

優選的，石英窗口24的石英件的最小直徑為40mm-120mm。

由于第一石英件241與沉頭座孔261配合，石英窗24的有效尺寸即為第二石英件的直徑的尺寸，該尺寸即為有效的等離子體尺寸。也就是說，在本發明實施例中，第二石英件242的直徑可以為40mm-120mm，優選的，第二石英件的直徑為60mm。第一石英件241的直徑可以為90mm。

需要說明的是，諧振腔的底壁上的通孔和石英窗口的形狀不 限于上述形狀，圖5所示的方案只是其中一種優選實施方式，例如，諧振腔的底壁上的通孔可以為普通的直通孔，石英窗口可以為與該直通孔尺寸匹配的圓柱形石英件。

結合圖2和5，石英窗口24和通孔26可以借助o圈17密封。具體的，如圖5所示，沉頭座孔261的下表面開設有環形凹槽，o圈17設置于環形凹槽內。當石英窗口24安裝在通孔26內時，在大氣壓的作用下，第一石英件241的下表面能夠將o圈17擠壓變形，填充第一石英件241與沉頭座孔261之間的縫隙，從而實現諧振腔22與真空腔室19之間的密封。

進一步的，如圖2所示，所述表面波等離子體裝置還可以包括至少一個金屬探針27，金屬探針27設置于諧振腔22的頂壁上，即金屬探針27豎直設置于諧振腔22的內部。具體的，金屬探針27的一種設置方式是：設置在諧振腔22的頂壁與底壁之間，并與諧振腔22的頂壁和底壁連接；金屬探針27的另一種設置方式是：設置在諧振腔22的頂壁與石英窗口24之間，金屬探針27的一端與諧振腔22的頂壁相連，另一端可以與石英窗口24的上表面相接觸，但不能擠壓石英窗口24，避免在激發等離子體過程中石英窗口24溫度升高，導致石英窗口24破碎。

通過在諧振腔內設置金屬探針，可以改變諧振腔內部原有的電場分布，增強局部電場(在金屬探針附近形成強電場)，增強金屬探針周圍的電場強度，更容易在低氣壓條件下實現對氣體的初始電離，從而實現表面波等離子體裝置在低放電氣壓下工作。

當金屬探針27為一個時，該金屬探針27的位置與一個石英窗口24相對應，且該金屬探針27豎直方向的投影與對應的石英窗口24同軸。

金屬探針27也可以設置多個，此時，金屬探針27的數量和位置可以根據諧振腔22的尺寸、高度、形狀確定。在本發明實施例中，如圖3所示，金屬探針27的數量與石英窗口24的數量相同，均為6個，且各金屬探針27豎直方向的投影分別與對應的石英窗口24同軸。需要說明的是，當金屬探針27為多個時，金屬 探針27也可以位于各石英窗口24之間的諧振腔的頂壁上。

金屬探針27存在于諧振腔22內部時，會有電場垂直于金屬表面且磁場平行于金屬表面的邊界條件，從而改變原有的場分布，因此，在金屬探針27附近的電場會增強。為了避免高功率下大氣擊穿，如圖2所示，當金屬探針27豎直方向的投影與對應的石英窗口24同軸時，金屬探針27在石英窗口24的上表面投影的邊緣與石英窗口的上表面的邊緣之間的距離w不能過小，優選的，w大于或等于2cm。

進一步的，為了避免尖端放電，還可以在石英窗口24的上表面邊緣設置倒角。

進一步的，如圖2所示，所述表面波等離子體裝置還可以包括短路活塞9，短路活塞9設置在矩形波導8的終端，短路活塞9在矩形波導8上的位置能夠調節，通過調節短路活塞9在矩形波導8上的位置，從而調節矩形波導有效通路的長度。

短路活塞9在矩形波導8上的位置決定了矩形波導8的終端一側的長度，向矩形波導8的終端方向傳輸的微波能量經由短路活塞9反射，其中一部分反射的微波能量經由阻抗調節單元7、定向耦合器6、環流器4傳輸至負載5，并由負載5吸收，另一部分反射的微波能量由螺釘探針23饋入連接腔10的右側部分和諧振腔22的右側部分。螺釘探針23將連接腔10和諧振腔22劃分為左、右兩部分，螺釘探針23將從矩形波導8的起始端向終端方向傳輸的微波能量饋入連接腔10的左側部分和諧振腔22的左側部分。因此，通過調節短路活塞9在矩形波導8上的位置，可以均衡饋入諧振腔22左、右兩部分的微波能量，實現微波能量在諧振腔內部重新分配，從而將饋入諧振腔內的微波能量均勻化，為使真空腔室內等離子體大面積均勻化提供保證。

在本發明中，諧振腔內部的電場強度分布不但可以通過阻抗調節單元7來調整，還可以通過金屬探針27和短路活塞9進行調整。

利用本發明可以產生工業應用級的大面積表面波的等離子 體，并實現在極低氣壓下用較低功率形成初始電離，擴大了工藝區間。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。