等離子體反應(yīng)腔中電磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)

劉傳生 陳金元

理想能源設(shè)備（上海）有限公司

在等離子體反應(yīng)腔內(nèi)，邊緣效應(yīng)一直是造成等離子體分布不均勻性的重要原因之一。而等離子體分布不均勻性一直是影響基片處理的質(zhì)量和產(chǎn)品良率的重要因素。本文試圖從解決反應(yīng)腔內(nèi)電磁場(chǎng)均勻性入手，提出一種改善邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布不均勻性，來提高等離子體密度分布的不均勻性，進(jìn)而提高處理基處理的質(zhì)量和產(chǎn)品的良率。

邊緣效應(yīng)，顧名思義，就是在基片或者處理的其它器件的邊緣所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的直接原因是在邊緣處發(fā)生了某種改變，比如在基處的邊緣處，一邊是基片，而另一片沒有其它介質(zhì)，是充滿等離子體的空間，從電磁場(chǎng)的角度來看，基片與等離子體的電學(xué)性質(zhì)迥然不同，即是電介質(zhì)在邊緣發(fā)生了突變，不再是連續(xù)介質(zhì)。這種電介質(zhì)的不連續(xù)性是產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的根本原因。

反應(yīng)腔是個(gè)有限的空間，并非理想的延伸到無限遠(yuǎn)的空間，基片的尺寸也不可能是無限大的，邊緣效應(yīng)在等離子體中必然存在且無法避免的。如何減小邊緣效應(yīng)對(duì)基片處理產(chǎn)生的影響，提升基片處理的質(zhì)量以及產(chǎn)品良率有重要意義。

理論模型與模擬結(jié)果

本文針對(duì)1480mm×1480mm×44mm 的反應(yīng)腔，如圖1所示為反應(yīng)腔的結(jié)果示意圖，圖2 為電極中電源饋入點(diǎn)的分布示意圖，電極尺寸為1380mm×1380mm×8mm，基片尺寸為1300mm×1300mm×4mm，材質(zhì)為玻璃，建立了三維電磁場(chǎng)的時(shí)域有限差分（FDTD）模型，在反應(yīng)腔內(nèi)電磁場(chǎng)遵循麥克斯韋（Maxwell）方程，即其中磁感應(yīng)強(qiáng)度，電位移，分別為真空介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率，分布為相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。

時(shí)域有限差分（FDTD）法可以完全自洽的計(jì)算三維空間的電磁場(chǎng)分布，其采用了Yee 元胞結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分方式，電場(chǎng)與磁場(chǎng)分布出現(xiàn)半格點(diǎn)和整格點(diǎn)上，利用蛙跳式算法對(duì)計(jì)算域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，可以精確的計(jì)算出包容介質(zhì)不連續(xù)的計(jì)算域內(nèi)電磁場(chǎng)的時(shí)空分布。

圖1 反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電源饋入點(diǎn)分布示意圖

圖3 加Process Kits后反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 反應(yīng)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布

基于FDTD 方法以上優(yōu)點(diǎn)，本文針對(duì)上述模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，圖4 的矩形線給出了反應(yīng)腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布，兩條豎直虛線位置為基片的邊緣，從圖示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在基片邊緣處，電磁場(chǎng)發(fā)生了急劇的突變。這種電場(chǎng)急劇變化勢(shì)必引起等離子體分布的變化，工藝對(duì)基片的處理效果也會(huì)受到影響。

對(duì)于基片邊緣效應(yīng)引起的電場(chǎng)分布變化，本文提出了在基片周圍加一圏Process Kits 的方法，試圖解決邊緣效應(yīng)引起的電磁場(chǎng)不均勻性，模型如圖3 所示，基片與Process Kits 之間的寬為1mm 的間隙，便于基片的傳送和定位。Process Kits 具有與基片相近的電學(xué)性質(zhì)。同樣對(duì)圖3 模型進(jìn)行了模擬計(jì)算并給出了相應(yīng)的電場(chǎng)分布結(jié)果，如圖4 的星線所示。由圖可見，在基片邊緣處，電場(chǎng)分布曲線并無急劇的變化，而是平滑的曲線。

對(duì)于兩種模型的電場(chǎng)分布不均勻性，可得，在未加Process Kits 時(shí)不均勻度為8.78%，而加了Process Kits之后，其不均勻度為3.8%?？梢娂尤隤rocess Kits 后對(duì)電場(chǎng)分布的不均勻性有很大的提升。

分析討論

本文利用FDTD 方法模擬了反應(yīng)腔內(nèi)電磁場(chǎng)，還對(duì)在基片周圍加一圈Process Kits 進(jìn)進(jìn)行了模擬計(jì)算，圖4 分別給出了兩種模型的電場(chǎng)分布。由計(jì)算結(jié)果給出了基片范圍內(nèi)兩種模型的電場(chǎng)分布不均勻度。加Process Kits 后電場(chǎng)分布的不均勻度由8.79%減小到3.8%。