如何控制等离子刻蚀机的刻蚀均令性?

 

等离子体的密度、离子能量及活性基团分布是决定刻蚀均匀性的基础，需通过射频系统、磁场辅助及腔室对称性设计实现精准调控。

 

1.射频（RF）系统的精细化控制

 

射频功率是等离子体生成的核心动力，其稳定性和分布直接影响等离子体均匀性：

 

功率稳定性控制：采用高精度射频电源（如±0.1%的功率波动精度），并搭配自动匹配网络（AutoMatchingNetwork），实时补偿腔室内阻抗变化（因样品状态、气体成分变化导致），避免局部等离子体“熄灭”或“过强”。例如，在反应离子刻蚀（RIE）中，阻抗失配会导致晶圆边缘等离子体密度下降，刻蚀速率偏差可达10%以上，匹配网络的响应速度需控制在毫秒级。

 

多频射频协同调控：采用双频（如13.56MHz+2MHz）或三频射频系统，高频（如13.56MHz）主要控制等离子体密度（影响刻蚀速率），低频（如2MHz）控制离子轰击能量（影响刻蚀方向性）。通过调整不同频率的功率占比，可分别优化“密度均匀性”和“能量均匀性”——例如对晶圆中心与边缘的等离子体密度差异，可通过提高边缘区域的高频功率占比（如采用分区射频电极），使密度偏差缩小至3%以内。

 

2.磁场辅助的等离子体约束

 

对于高密度等离子体刻蚀（如ECR刻蚀、ICP刻蚀），磁场可通过洛伦兹力约束电子运动，提升等离子体密度均匀性：

 

磁场强度与分布优化：采用多组线圈构成的“均匀磁场系统”，通过仿真（如COMSOL磁场模拟）调整线圈电流，使腔室内磁场强度偏差≤5%。例如在ICP刻蚀中，若磁场中心过强、边缘较弱，会导致中心等离子体密度过高，刻蚀速率偏快；通过边缘线圈电流补偿，可使晶圆内等离子体密度分布标准差从8%降至2%。

 

动态磁场调整：针对不同刻蚀图案（如高密度图形区与低密度图形区），实时调整磁场分布（如通过可编程电源控制线圈电流），避免局部“等离子体聚集”——例如刻蚀大尺寸沟槽时，沟槽区域因电荷积累易吸引更多离子，动态减弱该区域磁场可平衡离子轰击强度。

 

3.腔室几何对称性设计

 

腔室的机械结构需避免“死角”或“不对称电场”，确保等离子体无扰动分布：

 

电极平行度与对称性：上下电极（阳极/阴极）的平行度需控制在0.1mm以内（通过精密导轨和水平校准装置实现），若电极倾斜，会导致局部电场强度差异（如边缘电场增强），引发刻蚀速率“边缘快、中心慢”。此外，电极直径需略大于晶圆（如晶圆直径300mm时，电极直径320mm），减少“边缘电场衰减”。

 

避免金属污染与电荷积累：腔室内壁及部件（如喷头、衬环）需采用惰性材料（如Al₂O₃、Y₂O₃涂层），防止金属原子被等离子体溅射后污染样品，同时减少电荷在壁面的不均匀积累（电荷积累会扭曲局部电场）。