如何控制等離子刻蝕機的刻蝕均令性?

 

等離子體的密度、離子能量及活性基團分布是決定刻蝕均勻性的基礎，需通過射頻系統、磁場輔助及腔室對稱性設計實現精準調控。

 

1.射頻（RF）系統的精細化控制

 

射頻功率是等離子體生成的核心動力，其穩定性和分布直接影響等離子體均勻性：

 

功率穩定性控制：采用高精度射頻電源（如±0.1%的功率波動精度），并搭配自動匹配網絡（AutoMatchingNetwork），實時補償腔室內阻抗變化（因樣品狀態、氣體成分變化導致），避免局部等離子體“熄滅”或“過強”。例如，在反應離子刻蝕（RIE）中，阻抗失配會導致晶圓邊緣等離子體密度下降，刻蝕速率偏差可達10%以上，匹配網絡的響應速度需控制在毫秒級。

 

多頻射頻協同調控：采用雙頻（如13.56MHz+2MHz）或三頻射頻系統，高頻（如13.56MHz）主要控制等離子體密度（影響刻蝕速率），低頻（如2MHz）控制離子轟擊能量（影響刻蝕方向性）。通過調整不同頻率的功率占比，可分別優化“密度均勻性”和“能量均勻性”——例如對晶圓中心與邊緣的等離子體密度差異，可通過提高邊緣區域的高頻功率占比（如采用分區射頻電極），使密度偏差縮小至3%以內。

 

2.磁場輔助的等離子體約束

 

對于高密度等離子體刻蝕（如ECR刻蝕、ICP刻蝕），磁場可通過洛倫茲力約束電子運動，提升等離子體密度均勻性：

 

磁場強度與分布優化：采用多組線圈構成的“均勻磁場系統”，通過仿真（如COMSOL磁場模擬）調整線圈電流，使腔室內磁場強度偏差≤5%。例如在ICP刻蝕中，若磁場中心過強、邊緣較弱，會導致中心等離子體密度過高，刻蝕速率偏快；通過邊緣線圈電流補償，可使晶圓內等離子體密度分布標準差從8%降至2%。

 

動態磁場調整：針對不同刻蝕圖案（如高密度圖形區與低密度圖形區），實時調整磁場分布（如通過可編程電源控制線圈電流），避免局部“等離子體聚集”——例如刻蝕大尺寸溝槽時，溝槽區域因電荷積累易吸引更多離子，動態減弱該區域磁場可平衡離子轟擊強度。

 

3.腔室幾何對稱性設計

 

腔室的機械結構需避免“死角”或“不對稱電場”，確保等離子體無擾動分布：

 

電極平行度與對稱性：上下電極（陽極/陰極）的平行度需控制在0.1mm以內（通過精密導軌和水平校準裝置實現），若電極傾斜，會導致局部電場強度差異（如邊緣電場增強），引發刻蝕速率“邊緣快、中心慢”。此外，電極直徑需略大于晶圓（如晶圓直徑300mm時，電極直徑320mm），減少“邊緣電場衰減”。

 

避免金屬污染與電荷積累：腔室內壁及部件（如噴頭、襯環）需采用惰性材料（如Al?O?、Y?O?涂層），防止金屬原子被等離子體濺射后污染樣品，同時減少電荷在壁面的不均勻積累（電荷積累會扭曲局部電場）。