專利名稱：射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代微電子芯片制造工業(yè)向著高度集成、高速度、低功耗方向發(fā)展，這些都要求芯片 的最小刻度變得更小，目前的先進(jìn)工藝已達(dá)到65納米以下，國內(nèi)的主流工藝是0.13微米。 而芯片的最小刻度越來越小這一趨勢必然要求其相應(yīng)制造過程中的光刻工藝和刻蝕工藝 水平大大提高。這對微電子工業(yè)提出新的挑戰(zhàn)必須尋找各向異性性能優(yōu)越，能夠在低氣 壓產(chǎn)生高密度、大面積、均勻等離子體的發(fā)生源。而原先使用的射頻電容耦合等離子體源 由于密度低、射頻電位高、均勻度低不能滿足大規(guī)模高集成度的要求，科研人員和工程人 員發(fā)現(xiàn)射頻電感耦合等離子體(RF inductively coupled plasma)能夠很好的滿足上述要求， 被廣泛應(yīng)用于需要大面積高密度均勻等離子體的微電子制造、TFT顯示器等工業(yè)領(lǐng)域以及 射頻電感耦合光譜儀、射頻電感耦合質(zhì)譜儀等大型科研儀器。電感耦合等離子體源可以分 為側(cè)面螺線管耦合(圖1)和頂部平面耦合兩種，其中頂部平面耦合產(chǎn)生的等離子體均勻 度高，在微電子領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。
電感耦合射頻天線產(chǎn)生等離子體的原理如下射頻信號(hào)經(jīng)過射頻電源和電感型匹配器 后，根據(jù)安培定律，通過射頻天線在耦合介質(zhì)下產(chǎn)生射頻磁場，同時(shí)這個(gè)隨時(shí)間變化的射 頻磁場根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定理產(chǎn)生射頻電場，此射頻電場達(dá)到一定阛值后電離氣體分子 或氣體原子產(chǎn)生并維持等離子體。在等離子體產(chǎn)生過程中，產(chǎn)生前期和產(chǎn)生初期是電容耦 合起主要作用；產(chǎn)生后由電容耦合模式向電感耦合模式過渡，這個(gè)時(shí)期電感耦合起主要作 用，通過電感耦合傳遞能量來加熱和維持等離子體。這類裝置通常會(huì)出現(xiàn)在裝置內(nèi)部極向 等離子體不均勻，中央部分密度高，外圍等離子體密度低這方面的問題，這是和天線設(shè)計(jì) 及等離子體的逃逸特性相關(guān)聯(lián)的。 發(fā)明內(nèi)容
我們研究射頻等離子體電容耦合和電感耦合兩種模式共同作用，提出復(fù)合作用模型， 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型三維射頻等離子體天線如圖2所示。該天線為三維螺旋線型結(jié) 構(gòu)，對應(yīng)頂部電感耦合情況，天線1內(nèi)外圈和耦合介質(zhì)2之間的距離是變化。本實(shí)用新型中，所述天線1與耦合介質(zhì)板2之間的距離變化，可以有兩種情形其一 為由內(nèi)向外天線1和介質(zhì)板2的距離依次遞減；其二為由內(nèi)向外天線1和介質(zhì)板2的距離 依次遞增，并根據(jù)裝置實(shí)際情況調(diào)整至適當(dāng)值。本實(shí)用新型中，所述天線在頂部耦合介質(zhì)板2上的排列可以是多天線角向排列，例如三天線角向排列(見圖3)，四天線角向排列(見圖4和圖5)。天線l的數(shù)量可以l-6個(gè)不等，在多個(gè)天線的共同作用下進(jìn)一步提高所產(chǎn)生等離子體的均勻性。本發(fā)明提出的變間隙天線設(shè)計(jì)，主要是利用電感耦合模式和電容耦合模式的復(fù)合作用 隨不同介質(zhì)厚度表現(xiàn)不同，其中對空氣間隙大小特別敏感的特點(diǎn)，使射頻天線通過介質(zhì)板 的電磁能量耦合效果隨距離的增大而減小，從而改變內(nèi)外圈的天線通過介質(zhì)板耦合進(jìn)裝置 內(nèi)部的電磁能量和場分布，使得裝置內(nèi)部的等離子體徑向均勻性獲得提高，同時(shí)降低整體 的電容耦合成分和等離子體射頻電位。平面型射頻等離子體天線在中心部分的磁通變化強(qiáng)度最大，相應(yīng)在中心部分的電場會(huì) 強(qiáng)于外緣部分的電場，這會(huì)使等離子體產(chǎn)生中間密度高外緣密度低的徑向不均勻。在相同 的射頻功率下，射頻能量耦合產(chǎn)生維持等離子體的效率隨耦合介質(zhì)厚度的增加及天線距介 質(zhì)的距離的增大而變小，其中對天線距介質(zhì)距離的變化更為敏感。對應(yīng)相同的射頻功率， 若射頻天線距離耦合介質(zhì)較遠(yuǎn)，能量耦合效果會(huì)降低而與此同時(shí)中央部分產(chǎn)生的等離子體 的密度就會(huì)減低，本發(fā)明通過改變內(nèi)外圈的天線和介質(zhì)板的距離形成三維天線結(jié)構(gòu)，能在 不大幅影響等離子體密度的前提下實(shí)現(xiàn)等離子體徑向均勻度的提高。本天線設(shè)計(jì)簡單、成本適中，具有傳統(tǒng)射頻天線不具有的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于微電子制 造、儀器制造等工業(yè)領(lǐng)域。

圖1.傳統(tǒng)頂部平面螺旋型射頻電感耩合天線示意圖。圖2.本實(shí)用新型頂部變間隙螺旋型射頻電感耦合天線示意圖。圖3.本實(shí)用新型頂部變間隙螺旋型天線的三天線角向排列示意圖。圖4.本實(shí)用新型頂部變間隙螺旋型天線的四天線角向排列示意圖。圖5.本實(shí)用新型頂部變間隙螺旋型天線的四天線反向放置角向排列示意圖。圖中標(biāo)號(hào)l為天線，2為耦合介質(zhì)。
具體實(shí)施方式
對應(yīng)傳統(tǒng)頂部電感耦合等離子體，通常不采用單一平面型耦合天線，因?yàn)椴捎脝我获?合天線會(huì)要求天線的螺旋內(nèi)徑和外徑較大，這樣大的天線產(chǎn)生的等離子體均勻性不好。而使用本發(fā)明設(shè)計(jì)的三維螺旋型天線，天線數(shù)量可以是l-6個(gè)不等，按一定角向分布進(jìn)行排列，示例如圖3.和圖4。天線的幾何尺寸和天線數(shù)量必需在電感型射頻匹配器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，如果多個(gè)角向排 列的天線彼此之間的距離較近，可采用如圖3和圖4.所示安放方式，4個(gè)天線1的內(nèi)圈距 離耦合介質(zhì)2較遠(yuǎn)，4個(gè)天線1的外圈距離耦合介質(zhì)2較近，由內(nèi)圈向外圈天線l和介質(zhì) 板2的距離依次遞減，并根據(jù)裝置實(shí)際情況調(diào)整至適當(dāng)值，通常天線1和耦合介質(zhì)板2)的 距離為0-200 mm。若多個(gè)按角向排列的天線1彼此之間的距離較遠(yuǎn)，可采用如圖5所示安放方式，天線 1的內(nèi)圈距離耦合介質(zhì)2較近，天線1的外圈距離耦合介質(zhì)2較遠(yuǎn)，內(nèi)外圈距離耦合介質(zhì) 2的距離依次增大。本發(fā)明采用上述多個(gè)三維射頻天線的多排列方式綜合利用了電感耦合 和電容耦合的復(fù)合特性，提高了單個(gè)天線產(chǎn)生的等離子體均勻性同時(shí)降低電容耦合成分 (這些電容耦合成分會(huì)降低等離子體的個(gè)性異性，而各向異性是大規(guī)模集成電路對先進(jìn)等 離子體源的要求之一)，而通過多個(gè)天線在角向上的排列，可以使不同天線產(chǎn)生的等離子 體產(chǎn)生交疊，從而進(jìn)一步提高等離子體均勻性。
權(quán)利要求1.一種射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線，其特征在于為三維螺旋線型結(jié)構(gòu)，對應(yīng)頂部電感耦合情況，天線(1)的內(nèi)外線圈和耦合介質(zhì)(2)之間的距離是變化的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線，其特征在于所述天線內(nèi) 外線圈(1)和耦合介質(zhì)板(2)的距離變化方式為如下兩種之一種其一為由內(nèi)向外天線(l) 和介質(zhì)板(2)的距離依次遞減；其二為由內(nèi)向外天線(1)和介質(zhì)板(2)的距離依次遞增，并根 據(jù)裝置實(shí)際情況調(diào)整至適當(dāng)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線，其特征在于由1-6個(gè)按一定的規(guī)則排列安放在耦合介質(zhì)板(2)處，在多線圈的共同作用下進(jìn)一步提升所產(chǎn)生等離子體的均勻性。
專利摘要本實(shí)用新型屬于低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線。本天線采用三維螺旋線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在頂部電感耦合情況下，射頻天線內(nèi)外線圈和耦合介質(zhì)板的距離是變化的。根據(jù)裝置特點(diǎn)有兩種變化方式其一為由內(nèi)向外天線和介質(zhì)板的距離依次遞減；其二為由內(nèi)向外天線和介質(zhì)板的距離依次遞增，并根據(jù)裝置實(shí)際情況調(diào)整至適當(dāng)值。該天線可以多個(gè)組合起來使用進(jìn)一步提升效果。該新型射頻電感耦合等離子體發(fā)生天線在頂部電感耦合情況下可以提高等離子體的徑向均勻性。本天線設(shè)計(jì)簡單、成本適中，具有傳統(tǒng)射頻天線不具有的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于微電子制造、儀器制造等工業(yè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H05H1/46GK201114977SQ20072007485
公開日2008年9月10日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者峰 劉, 旭 徐, 李林森, 梁榮慶 申請人:復(fù)旦大學(xué)