本发明属于半导体生产技术领域，具体涉及一种等离子体产生装置和半导体设备。
背景技术
近年来，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路要求总体趋势趋向于高度集成化和更大面积化，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。高性能等离子体发生设备的研发对于半导体制造工艺的发展至关重要，当等离子体设备用于半导体制造工艺时，最主要考察因素是：在一定气压范围能有效率的生成大面积均匀的等离子体。具体到工艺细节，关注点往往在于工艺气体和气压，等离子体均匀程度和等离子体内粒子成分即等离子体的可控性。对应于电子行业的发展，能在低气压下激发大面积，高密度均匀等离子体的等离子体源是当前的主要研究方向。
在某些特定的等离子体工艺下，刻蚀率和均匀性的要求导致单一结构的等离子体源无法满足工艺需求。如某些硅通孔工艺(throughsiliconvia，简称tsv)要求高刻蚀率的同时达到高的均匀性，为保证腔室内部及其边缘的等离子体源，使用了双等离子体源结构，主等离子体源提供高密度的等离子体，辅助等离子体源对边缘进行补偿，从而在提高刻蚀率的同时对边缘均匀性进行补偿。
如图1所示为现有技术中一种硅通孔机台产品的双等离子体源腔室的结构示意图。其包括主腔室21、辅助腔室22、主微波产生及传输结构23、辅助微波产生及传输结构24、陶瓷桶25和射频线圈26。该结构采用了通常外置的射频线圈作为射频电源驱动，使用两个线圈分别产生主等离子体和辅助等离子体。如图2所示即为用于边缘辅助的等离子体源的结构示意图。在实际使用时，存在如下几个难题：1.因为主等离子体源和辅助等离子体源使用了相同的射频(均为13.56mhz)，因此在同时启动时，两个等离子体源会产生耦合互相干扰，导致工艺不稳定，限制了工艺参数窗口；2.因为单线圈的结构，电流馈入端会有电场不均匀的情况发生，对等离子体的均匀性造成影响；3.因为启辉放电时，在低功率时有eh模式(容性e、感性h模式)跳变导致匹配困难，严重影响了工艺窗口。
可见，设计一种能获得均匀间隔分布的等离子体的等离子体产生装置成为目前亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种等离子体产生装置和半导体设备，至少部分解决等离子体不能均匀间隔分布，以及作为辅助等离子体源应用时与射频等离子体源产生耦合的问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该等离子体产生装置，用于产生圆周分布的等离子体，该所述等离子体产生装置包括微波产生源、微波传输匹配结构和谐振腔体，所述谐振腔体包括由内向外依次同轴嵌套设置的圆环结构的介质层和主体层，所述介质层在靠近所述主体层的一侧开设有至少两条狭缝天线，所述介质层的内部形成环形的谐振腔室。
优选的是，所述狭缝天线的延伸方向与所述介质层的圆轴线平行设置，至少两条所述狭缝天线沿所述介质层周向方向均匀间隔分布。
优选的是，所述介质层为实心圆环结构，所述介质层在沿其径向上的截面形状为矩形。
优选的是，所述主体层为空心圆环结构，所述主体层在沿其径向上的截面形状为矩形。
优选的是，所述介质层采用低介电损耗材料形成，所述低介电损耗材料包括石英材料或陶瓷材料。
优选的是，所述主体层采用金属材料形成，所述金属材料包括不锈钢材料或铝合金材料。
优选的是，所述介质层沿径向上的厚度范围为2mm～50mm，沿轴向上的高度范围为5mm～100mm。
优选的是，所述微波传输匹配结构包括谐振器、环流器、矩形波导、阻抗调节器、探针馈入结构和连接单元，其中：
所述谐振器、所述环流器、所述矩形波导和所述阻抗调节器依次顺序连接形成微波管路，所述探针馈入结构沿垂直于与所述介质层的圆轴线的方向将微波能量馈入所述谐振腔体；所述连接单元设置于所述微波传输匹配结构与所述谐振腔体之间，使得所述微波传输管路与所述谐振腔体物理连接。
优选的是，所述微波产生源的驱动电源的工作频率为2.45ghz。
一种半导体设备，包括腔体和位于腔体内的等离子体产生装置，所述等离子体产生装置采用上述的等离子体产生装置。
优选的是，该所述半导体设备还包括主等离子体产生装置，所述主等离子体产生装置设置于所述腔体内部的上方，用于产生主等离子体；
上述的等离子体装置设置于所述主等离子体下方，且套置于所述腔体的内侧壁上，其作为辅助等离子体产生装置，以产生辅助等离子体。
本发明的有益效果是：该等离子体产生装置，采用了环形的微波谐振腔结构，并通过狭缝天线形成环状均匀表面波等离子体，能较佳的对边缘区域进行补偿，从而能获得均匀间隔分布的等离子体；在作为辅助等离子体源应用时，还能避免与射频等离子体源产生耦合，从而达到改进等离子体密度，消除射频耦合等性能优化。
附图说明
图1为现有技术中一种双等离子体源腔室的结构示意图；
图2为一种用于边缘辅助的等离子体源的结构示意图；
图3为本发明实施例中的等离子体产生装置的俯视图；
图4为图3中谐振腔体的立体结构示意图；
图5为图4中谐振腔体的局部剖视结构示意图；
附图标记为：
1－供电电源；2－磁控管；3－谐振器；4－环流器；5－负载；6－矩形波导；7－阻抗调节器；8－探针馈入结构；9－短路活塞；10－连接单元；11－狭缝天线；12－主体层；13－介质层；14－谐振腔室；15－工艺腔室中心线；
21－主腔室；22－辅助腔室；23－主微波产生及传输结构；24－辅助微波产生及传输结构；25－陶瓷桶；26－射频线圈。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明等离子体产生装置和半导体设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种等离子体产生装置，用于产生圆周分布的等离子体，该等离子体产生装置采用表面等离子体波(surface-waveplasma)环形谐振腔(annularresonantcavity)结构，其产生的等离子体具有较高的均匀性。
如图3-图5所示，一种等离子体产生装置，包括微波产生源、微波传输匹配结构和谐振腔体，微波产生源和微波传输匹配结构用于在谐振腔体的谐振腔室14内产生微波等离子体；谐振腔体包括由内向外依次同轴嵌套设置的圆环结构的介质层13和主体层12，介质层13在靠近主体层12的一侧开设有至少两条狭缝天线11，介质层13的内部形成环形的谐振腔室14，在介质层13的内表面形成环形的表面波等离子体。其中，主体层12与介质层13可以直接贴合，即介质层13的外壁与主体层12的内壁贴合；也可以有一定间隙，间隙距离小于20mm。
如图3和图4所示，狭缝天线11的延伸方向与介质层的圆轴线平行设置，至少两条狭缝天线11沿介质层13周向方向均匀间隔分布。通常情况下，一般根据需求等离子体面积，狭缝天线11设置为四条或更多，以保证馈入电磁场的角向均匀性。
其中，微波产生源的驱动电源的工作频率为2.45ghz，即采用2.45ghz微波功率电源作为驱动电源以避免射频耦合。
这里，介质层13为实心圆环结构，介质层13在沿其径向上的截面形状为矩形。相应的，主体层12为空心圆环结构，主体层12在沿其径向上的截面形状为矩形，主体层12围绕介质层13呈闭合圆环。这里的径向即指包括工艺腔室中心线15、沿工艺腔室的直径或半径方向。其中，介质层13沿径向上的厚度范围为2mm～50mm，沿轴向上的高度范围为5mm～100mm。
优选的是，介质层13采用低介电损耗材料形成，低介电损耗材料包括石英材料或陶瓷材料。同样优选的是，主体层12采用金属材料形成，金属材料包括不锈钢材料或铝合金材料。
本实施例中的等离子体产生装置，根据表面波等离子体放电原理，通过环形谐振腔室辅助狭缝天线的结构，实现在圆周上得到均匀等离子体。如图4所示，作为等离子体产生装置，微波产生源包括供电电源1和磁控管2，微波传输匹配结构包括谐振器3、环流器4、矩形波导6、阻抗调节器7、探针馈入结构8和连接单元10，其中：
供电电源1和磁控管2设置于谐振器3的前端，供电电源1用于为磁控管2提供电源，磁控管2用于产生微波源；
谐振器3、环流器4、矩形波导6和阻抗调节器7依次顺序连接形成微波管路，谐振器3使得微波转变为特定的谐振模式；环流器4用于微波能量入射和反射的隔离；矩形波导6即图3中整条横着的通道，用于微波传导；阻抗调节器7用于进行阻抗匹配；探针馈入结构8沿垂直于与介质层13的圆轴线的方向将微波能量馈入谐振腔体，具体是与外部圆周主体层12的金属界面同轴设置，用于将微波能量馈入谐振腔室；连接单元10设置于微波传输匹配结构与谐振腔体之间，使得微波传输管路与谐振腔体物理连接。阻抗调节器7通常为三螺钉调谐器，探针馈入结构8通常为螺钉探针。
本实施例的等离子体产生装置中，微波能量通过探针馈入结构8馈入环形谐振腔室，可以根据其截面尺寸形成不同的谐振模式；在其内壁相应的位置开设狭缝天线11，可以将能量透过介质层13(例如石英材料形成的石英桶)有效的馈入真空室形成初始电离，从而在石英内表面形成环形的表面波模式，进而得到角向均匀的高密度等离子体。
优选的是，微波传输匹配结构还包括负载5和短路活塞9，其中：负载5与环流器4连接，用于吸收反射功率；短路活塞9设置于探针馈入结构8的后端，用于调整矩形波导6内的驻波分布。
在本实施例的等离子体产生装置中，用于放置晶圆的石英窗口可以制成“凸”结构安装于谐振腔下表面，通过o型圈(o-ring)真空密封。
目前，也出现了采用低电子温度(te)等离子体源形式的平面结构的装置，在这种装置的场增强谐振腔体结构中，通过金属探针来改变谐振腔内部电场分布，增强探针附近的电场强度；石英窗口与金属探针同轴放置并连接谐振腔上壁，用于将微波能量耦合进入反应腔室产生等离子体，同时形成表面波的边界条件。这种结构存在的问题是：当金属探针存在于谐振腔室内部时，会有电场垂直于金属表面，磁场平行于金属表面的边界条件，从而改变原有的场分布，并激发高次模。因此在探针附近，电场将会增强。因此，考虑到高功率下大气击穿的可能，探针外径与石英杯边缘处的金属不能过近，体现在探针尺寸即其直径和高度都将受到石英杯尺寸及谐振腔高度的限制，难以解决边缘区域的等离子体均匀度问题。
本实施例的等离子体产生装置，采用了环形的微波谐振腔结构，并通过狭缝天线形成环状均匀表面波等离子体，能较佳的对边缘区域进行补偿，从而能获得均匀间隔分布的等离子体；在作为辅助等离子体源应用时，还能避免与射频等离子体源产生耦合，从而达到改进等离子体密度，消除射频耦合等性能优化。
实施例2：
本实施例提供一种半导体设备，包括腔体和位于腔体内的等离子体产生装置，等离子体产生装置采用实施例1的等离子体产生装置。
在本实施例的半导体设备中，实施例1中的等离子体产生装置既能作为单独的等离子体产生源使用，保证腔室内部及其边缘均匀的等离子体源；也能作为双等离子体源的主等离子源使用，保证腔室内部均匀的等离子体源；或者作为辅助等离子体源使用，用于边缘等离子体的补偿，保证腔室边缘均匀的等离子体源。
本实施例中的半导体设备，还优选包括主等离子体产生装置，主等离子体产生装置设置于所述腔体内部的上方，用于产生主等离子体；实施例1中所述的等离子体装置设置于主等离子体下方，且套置于腔体的内侧壁上，其作为辅助等离子体产生装置，以产生辅助等离子体。
在使用微波等离子体作为辅助等离子体源时，由于通常采用的13.56mhz射频与实施例1中2.45ghz微波不会发生耦合，从而可以实现两个等离子体源完全独立工作；同时，由于微波表面波放电在该结构下的均匀性控制优于射频，以及微波表面波放电不存在eh模式跳变，即其功率窗口只限于表面波等离子体的临界密度，因此该半导体设备在均匀性和功率窗口上得到极大的改善。
在现有的采用射频方式形成主等离子体源的基础上，该半导体设备采用新型的微波等离子体源结构作为辅助等离子体源，因为表面波等离子体的特性，微波会被约束在形成介质层的石英附近，不会馈入等离子体谐振腔室内部，从而不会影响到主射频等离子体源，即没有耦合的干扰。另外因为表面波放电的特点，不会存在eh模式跳变，即在工艺上，可以使用更大的功率窗口。
可见，本实施例的半导体设备，一方面避免了与主等离子体源的耦合，有效解决了多个等离子体源之间的干扰，从而实现独立控制；同时能够有较大的功率窗口进行工艺，还有效的提高均匀性和工艺区间。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。