CN115003000A - 一种多频微波激发等离子体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多频微波激发等离子体系统，通过具有不同的微波输出参数的固态发生器通过微波传输系统耦合进入微波谐振腔体；微波谐振腔体按照第一空间布局方式执行多个固态发生器在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件；控制器耦合到所述微波谐振腔体和至少一个固态发生器，用于根据微波谐振腔体和固态发生器的工作状态控制固态发生器的微波输出参数，从而改变微波谐振腔体中的等离子体参数。通过集成不同频率、不同功率的固态发生器，通过优化配置方式，获得微波激发等离子体系统，实现大面积、高均匀性、高密度的等离子体，实现材料表面改性处理及晶体材料的可控高质量生长。

Description

一种多频微波激发等离子体系统

技术领域

本申请涉及等离子系统技术领域，特别是涉及一种多频微波激发等离子体系统。

背景技术

在半导体材料处理中，等离子体发生器通常处于材料真空反应室的上游部分。在等离子体发生器中，能量通常耦合到流过位于微波腔中的等离子体放电管的气体，并且等离子体在气体中被微波能量激发。等离子产品通过等离子放电管向下游流动，进入工艺反应室，并通过与半导体材料表面反应而实现材料生长或表面处理。

微波对于多种不同应用中的材料加工、加热和等离子体生成具有非常重要的作用，这些过程包括加热，固化，烧结，融合，或者通常，任何直接将微波能量耦合到固体，液体或气态材料中以改变该材料的化学或物理结构的过程。在半导体和其他等离子体处理应用中，强烈的微波放电在许多应用中都很重要，例如沉积、蚀刻、清洁、灰化和离子束生成。许多商业系统都适合微波处理。然而，大多数现有的微波处理技术的局限性在于它依赖于真空管技术来产生微波能量，大多数等离子和材料处理设备都基于工作在2.45GHz的家用和工业型磁控管。因此，对于等离子体激发过程存在功率和频率波动等缺点，造成等离子体的不稳定，进而损伤材料表面，应用范围受到限制。

目前商用的微波处理系统具有显着的缺点，限制了它们在某些应用中的使用，大多数用于烤箱。尽管这些系统中的一些使用谐振施加器或开槽波导，但这些系统中的大多数是多模式微波炉。在这些系统中，对于低电磁场区域，固化比高电磁场区域慢。现有基于磁控管的微波系统的另一个重要缺点是缺乏过程控制。在典型的烘箱式系统中，很难确定一个过程何时完成并纠正过程中的问题，例如过热。

另外，对于半导体材料处理、高端材料合成等方面，需要根据材料性能的不同而调整输入微波的频率和功率，而绝大多数市场销售的基于磁控管的微波发生系统都是以固定频率工作的振荡器，没有有效的电控手段来实时控制这些微波管的频率和功率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于基于不同功率、不同频率集成的固态微波源，通过模块化的组装模式可实现微波激发等离子体系统，通过调控固态微波源的频率、相位、功率等参数，实现对等离子体工艺参数的优化，从而便于支撑半导体晶圆和晶体生长基底的优化处理。

一种多频微波激发等离子体系统，所述系统包括多个固态发生器、微波传输系统、微波谐振腔体和控制器：

多个固态发生器的每个所述固态发生器具有不同的微波输出参数，每个固态发生器通过微波传输系统耦合进入微波谐振腔体；

所述微波谐振腔体按照第一空间布局方式执行多个固态发生器在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件，所述第一空间布局方式包括谐振腔的尺寸、结构和固态发生器进入的位置和角度；

控制器耦合到所述微波谐振腔体和至少一个固态发生器，用于根据微波谐振腔体和固态发生器的工作状态控制固态发生器的微波输出参数，从而改变微波谐振腔体中的等离子体参数。

进一步，所述微波输出参数包括频率、功率和相位中的至少一个。

进一步，所述微波传输系统包括：同轴电缆、隔离器、同轴到波导的过渡部件和波导，固态发生器通过同轴电缆和隔离器连接到同轴到波导的过渡部件。

进一步，根据所述微波谐振腔体激发的等离子体参数，生成第一反馈信号，将所述第一反馈信号发送至控制器；

对所述波导进行检测得到第二反馈信号，将所述第二反馈信号发送至控制器；

控制器根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第一控制信号，并发送至多个固态发生器，以使得多个固态发生器进行动态最优的微波输出参数调节。

进一步，所述第一反馈信号包括等离子体强度分布；所述第二反馈信号包括频率和功率。

进一步，所述系统还包括微波放大器和微波合成器，所述微波放大器与多个固态发生器耦合连接，用于放大固态发生器产生的微波信号；所述微波合成器用于接收多个放大的微波信号并将其组合成单个的合成微波信号，将所述合成微波信号发送至微波谐振腔体。

进一步，所述控制器还用于根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第二控制信号，控制固态发生器与微波放大器的连接或断开，以改变组合的微波信号的数量。

进一步，所述控制器将所述第一反馈信号、第二反馈信号输入预先训练得到的参数调节模型，得到带有优先级排序的多个参数调节方案，所述参数调节方案包括微波输出参数和组合的微波信号的数量；

从所述多个参数调节方案中选择满足限制条件且优先级最高的参数调节方案，生成第一控制信号和第二控制信号，所述限制条件是基于实际工况设置的；

其中，所述参数调节模型是以微波谐振腔体中的等离子体参数最优为目标预先训练得到的。

本发明的方案中，通过具有不同的微波输出参数的固态发生器通过微波传输系统耦合进入微波谐振腔体；微波谐振腔体按照第一空间布局方式执行多个固态发生器在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件，所述第一空间布局方式包括谐振腔的尺寸、结构和固态发生器进入的位置和角度；控制器耦合到所述微波谐振腔体和至少一个固态发生器，用于根据微波谐振腔体和固态发生器的工作状态控制固态发生器的微波输出参数，从而改变微波谐振腔体中的等离子体参数。通过集成不同频率、不同功率的固态发生器，通过优化配置方式，获得微波激发等离子体系统，实现大面积、高均匀性、高密度的等离子体，实现材料表面改性处理及晶体材料的可控高质量生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例公开的多频微波激发等离子体系统的结构示意图；

图2是本发明实施例公开的微波激发等离子体系统主要工作在两个不同的频率的实施结构示意图；

图3是本发明实施例公开的由多个固态发生器产生的下馈式微波激发等离子体系统示意图；

图4是本发明实施例公开的使用由多个固态发生器产生的上馈式微波激发等离子体系统示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

需要说明的是：在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。

以下对本申请实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：

请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种多频微波激发等离子体系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的多频微波激发等离子体系统，所述系统包括多个固态发生器10、微波传输系统20、微波谐振腔体30和控制器40：

多个固态发生器10的每个所述固态发生器具有不同的微波输出参数，每个固态发生器10通过微波传输系统20耦合进入微波谐振腔体30；进一步，所述微波输出参数包括频率、功率和相位中的至少一个。

所述微波谐振腔体30按照第一空间布局方式执行多个固态发生器10在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件，所述第一空间布局方式包括谐振腔的尺寸、结构和固态发生器10进入的位置和角度。

具体地，本实施例，所述多个固态发生器10在微波谐振腔体30不同方向耦合进入，空间布局的方式以及不同固态发生器10的频率、功率和相位等参数通过整体优化获得。不同的固态发生器10之间存在相互耦合调节功能，以实现最佳的频率耦合、合成微波激发等离子体。进一步，微波谐振腔体30按照第一空间布局方式执行多个固态发生器10在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件，所述第一空间布局方式包括谐振腔的尺寸、结构和固态发生器进入的位置和角度。

控制器40耦合到所述微波谐振腔体30和至少一个固态发生器10，用于根据微波谐振腔体30和固态发生器10的工作状态控制固态发生器10的微波输出参数，从而改变微波谐振腔体30中的等离子体参数。

具体地，本实施例，控制器40产生控制信号输入到固态发生器10，固态微波器10改变微波输出参数，从而改变空间等离子放电管中的等离子强度分布。需要说明的是，本实施例通过接收微波能量的等离子体施加器或者微波天线，响应于微波能量产生等离子体，其中心纵轴在等离子体放电管或微波天线的相对端之间延伸，产生的等离子体的特征在于空间等离子体强度分布，该分布沿中心纵向轴线纵向分布，并且从中心纵向轴线径向分布。控制器产生控制信号输入到固态发生器，固态微波器改变微波输出参数，从而改变空间等离子放电管中的等离子强度分布。另外，通过不同输入的微波通过在微波谐振腔的不同内壁进行反射，反射的微波在样品台上面形成微波的聚合并形成强的微波场，微波场激发气体形成等离子体，等离子体在样品台上放置的衬底材料上生长。

进一步，所述微波传输系统20包括：同轴电缆、隔离器、同轴到波导的过渡部件和波导，固态发生器通过同轴电缆和隔离器连接到同轴到波导的过渡部件。

具体地，本实施例，固态发生器10通过同轴电缆，通过可选的隔离器连接到同轴连接器处的同轴到波导过渡部件。隔离器将固态发生器与不需要的反射功率隔离开。同轴到波导的过渡部件用于将微波能量从色散同轴模式传输到微波波导，该微波波导可以适用于系统中使用的其他波导组件。同轴至波导过渡部件是设计用于915MHz频率操作的主要TE10模式。主要的TE10模式是矩形波导中支持的最低阶传播模式。在这种模式下工作可以防止高阶模式被激发，从而为微波传输和传播带来性能稳定性。同轴到波导的过渡部件可以支持以2.45GHz运行的主要TE10模式或非主要TEmn模式。可以使用2.45GHz的非主要模式，因为以915MHz为主频率设计的波导尺寸在横截面上要大得多，以支持2.45GHz的主TE10模式，因为频率越高，波导越大横截面尺寸。如果同轴-波导过渡部件被设计用于在2.45GHz工作频率下的主要TE10模式，则由于其低得多的工作频率，波导将不能在波导中支持和传播微波能量。

进一步，如图2所示，为本实施例微波激发等离子体系统主要工作在两个不同的频率的实施结构示意图。在一个特定的示例性实施例中，系统以2.45GHz和915MHz的频率运行。在一些特定示例性实施例中，这是通过使用两个固态发生器和来实现的。两个固态发生器是分开的、单独的装置。两个固态发生器分别包括一个或多个控制输入，以对来自固态发生器的输出信号进行调整，参数包括输出信号的频率、相位和功率。不同的固态微波源根据所使用的固态源数量按照平均分配放置的角度，以实现微波谐振腔内均匀稳定分布。每个固态微波源通过微波传输系统耦合进入微波谐振腔。连接微波发生器的微波传输系统与微波谐振腔的安装模式可以分为上馈式和下馈式。上馈式为合成微波从微波谐振腔的上部输入，下馈式为从下部输入。根据样品制备方式的不同和大小不同，选择不同的馈入方式。

需要说明的是，系统包括常规机械调谐和可调谐固态发生器以驱动负载。负载可以是等离子体施加器、微波天线或工业加热材料或其他此类系统。固态发生器以分别2.45GHz和915MHz为中心频率运行，也可以使用其他频率。通常，固态发生器的频率可以不同，并且可以相对于彼此单独调节，也可以通过耦合互相调节。固态发生器通过同轴电缆，通过可选的隔离器连接到同轴连接器处的同轴到波导过渡。隔离器将固态发生器与不需要的反射功率隔离开。同轴到波导的过渡用于将微波能量从色散同轴模式传输到微波波导，该微波波导可以适用于系统中使用的其他波导组件。

进一步，根据所述微波谐振腔体激发的等离子体参数，生成第一反馈信号，将所述第一反馈信号发送至控制器；对所述波导进行检测得到第二反馈信号，将所述第二反馈信号发送至控制器；进一步，所述第一反馈信号包括等离子体强度分布；所述第二反馈信号包括频率和功率。

控制器根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第一控制信号，并发送至多个固态发生器，以使得多个固态发生器进行动态最优的微波输出参数调节。

具体地，本实施例，其中，激发的等离子体主要优化大面积均匀性及微波激发场强两个参数，因此，微波谐振腔中激发的等离子体参数通过控制信号反馈给不同的固态发生器进行动态最优的微波输出参数调节。

进一步，所述系统还包括微波放大器和微波合成器，所述微波放大器与多个固态发生器耦合连接，用于放大固态发生器产生的微波信号；所述微波合成器用于接收多个放大的微波信号并将其组合成单个的合成微波信号，将所述合成微波信号发送至微波谐振腔体。

具体地，本实施例，不同频率、功率和相位的固态发生器，包括具有独立可控频率、相位和/或幅度的多个微波放大器，每个微波放大器产生相应的微波信号。还包括微波合成器，接收多个放大的微波信号并将其组合成单个组合微波信号，合成的微波将施加于等离子体施加器或微波天线。用于将微波能量耦合到等离子体放电管的波导。耦合到波导的机械调谐器以机械地改变微波能量的一个或多个参数。该波导的设计和制造参数由固态微波源的最优配置决定

进一步，所述控制器还用于根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第二控制信号，控制固态发生器与微波放大器的连接或断开，以改变组合的微波信号的数量。

具体地，本实施例，在基于第一反馈信号和第二反馈信号得到当前微波信号的等离子体强度分布以及频率、功率等信息，可以根据实际的需求执行等离子体强度的增减以及功率的变动，具体可以是根据第一反馈信号和第二反馈信号生成第二控制信号，用于控制多个固态发生器中的至少一个执行与微波放大器的连接或断开，以改变组合的微波信号的数量，从而实现等离子体强度的增减以及功率的变动。

进一步，所述控制器将所述第一反馈信号、第二反馈信号输入预先训练得到的参数调节模型，得到带有优先级排序的多个参数调节方案，所述参数调节方案包括微波输出参数和组合的微波信号的数量；

从所述多个参数调节方案中选择满足限制条件且优先级最高的参数调节方案，生成第一控制信号和第二控制信号，所述限制条件是基于实际工况设置的；

其中，所述参数调节模型是以微波谐振腔体中的等离子体参数最优为目标预先训练得到的。

具体地，本实施例，预先训练得到参数调节模型，其中，所述参数调节模型可以是基于深度学习模型，包括神经网络模型，通过根据信号、参数样本来训练参数调节模型，其中，以微波谐振腔体中的等离子体参数最优为目标执行模型的收敛训练。获得训练后的参数调节模型后，控制器将第一反馈信号、第二反馈信号输入至预先训练得到的参数调节模型，得到带有优先级排序的多个参数调节方案，其中参数调节方案包括微波输出参数和组合的微波信号的数量。进一步，本实施例通过在多个参数调节方案中选择满足限制条件且优先级最高的参数调节方案，生成第一控制信号和第二控制信号，所述限制条件是基于实际工况设置的，比如：谐振腔的尺寸、结构的限制。

进一步，本实施例，如图3所示，由多个固态发生器产生的下馈式微波激发等离子体系统示意图，可以使用任意数量的微波源。微波负载包括腔室，其中正在处理诸如半导体晶片或单晶生长衬底的工件。微波固态发生器产生可调谐微波能量，其通过元件耦合到腔室。固态发生器在微波耦合器处将具有频率f1和相位φ1的微波能量信号S1提供给腔室，另一个微波耦合器将微波能量信号S1通过腔室的壁耦合到腔室的内部。类似地，另一个固态发生器在微波耦合器处将具有频率f2和相位φ2的微波能量信号S2提供给腔室，微波耦合器将微波能量信号S2通过腔室的壁耦合到腔室的内部。频率f1和f2和/或相位φ1和φ2是可调谐的。腔室包括加热的和放置样品的样品台。气流模块通过气体导管提供一种或多种气体，例如等离子体气体、晶片处理气体和/或室吹扫气体，穿过室壁并到达室的内部。馈入微波谐振腔的微波在内壁产生反射，产生的反射微波能量分别包括在晶片或基底的表面处或附近干涉的波阵面，因此向晶片或基底提供所需的处理能量。

如图4所示，为本实施例使用由多个固态发生器产生的上馈式微波激发等离子体系统示意图。微波能量从波导直接引导到晶片或衬底上，波导穿透腔室的壁并且被定向成使得它们在晶片或衬底512的方向上发射微波能量。在系统中，微波负载包括腔室，其中正在处理诸如半导体晶片或晶体衬底的工件。微波固态发生器产生可调谐微波能量，其分别通过元件耦合到腔室。固态发生器经由波导通过密封的透明窗口提供具有频率f1和相位φ1的微波能量信号S1，波导通过室的壁穿过密封的波导通道固定装置。

类似地，固态发生器提供微波能量具有频率f2和相位φ2的信号S2经由波导通过密封透明窗口，其通过室的壁通过密封波导通路固定装置。频率f1和f2和/或相位φ1和φ2是可调谐的。腔室包括加热的和放置样品的样品台。

气流模块通过气体导管提供一种或多种气体，例如等离子体气体、晶片处理气体和/或室吹扫气体，穿过室壁并到达室的内部。

馈入微波谐振腔的微波在内壁产生反射，产生的反射微波能量分别包括在晶片或基底的表面处或附近干涉的波阵面，因此向晶片或基底提供所需的处理能量。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述系统包括多个固态发生器、微波传输系统、微波谐振腔体和控制器：

多个固态发生器的每个所述固态发生器具有不同的微波输出参数，每个固态发生器通过微波传输系统耦合进入微波谐振腔体；

所述微波谐振腔体按照第一空间布局方式执行多个固态发生器在不同方向上的耦合进入，以符合最佳的等离子体激发和维持条件，所述第一空间布局方式包括谐振腔的尺寸、结构和固态发生器进入的位置和角度；

控制器耦合到所述微波谐振腔体和至少一个固态发生器，用于根据微波谐振腔体和固态发生器的工作状态控制固态发生器的微波输出参数，从而改变微波谐振腔体中的等离子体参数。

2.根据权利要求1所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，

所述微波输出参数包括频率、功率和相位中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述微波传输系统包括：同轴电缆、隔离器、同轴到波导的过渡部件和波导，固态发生器通过同轴电缆和隔离器连接到同轴到波导的过渡部件。

4.根据权利要求3所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，

根据所述微波谐振腔体激发的等离子体参数，生成第一反馈信号，将所述第一反馈信号发送至控制器；

对所述波导进行检测得到第二反馈信号，将所述第二反馈信号发送至控制器；

控制器根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第一控制信号，并发送至多个固态发生器，以使得多个固态发生器进行动态最优的微波输出参数调节。

5.根据权利要求4所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述第一反馈信号包括等离子体强度分布；所述第二反馈信号包括频率和功率。

6.根据权利要求5所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述系统还包括微波放大器和微波合成器，所述微波放大器与多个固态发生器耦合连接，用于放大固态发生器产生的微波信号；所述微波合成器用于接收多个放大的微波信号并将其组合成单个的合成微波信号，将所述合成微波信号发送至微波谐振腔体。

7.根据权利要求6所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述控制器还用于根据所述第一反馈信号和第二反馈信号生成第二控制信号，控制固态发生器与微波放大器的连接或断开，以改变组合的微波信号的数量。

8.根据权利要求7所述的多频微波激发等离子体系统，其特征在于，所述控制器将所述第一反馈信号、第二反馈信号输入预先训练得到的参数调节模型，得到带有优先级排序的多个参数调节方案，所述参数调节方案包括微波输出参数和组合的微波信号的数量；

从所述多个参数调节方案中选择满足限制条件且优先级最高的参数调节方案，生成第一控制信号和第二控制信号，所述限制条件是基于实际工况设置的；

其中，所述参数调节模型是以微波谐振腔体中的等离子体参数最优为目标预先训练得到的。

Images