等离子体反应腔中电磁场的边缘效应

刘传生 陈金元

理想能源设备（上海）有限公司

在等离子体反应腔内，边缘效应一直是造成等离子体分布不均匀性的重要原因之一。而等离子体分布不均匀性一直是影响基片处理的质量和产品良率的重要因素。本文试图从解决反应腔内电磁场均匀性入手，提出一种改善边缘效应所产生的电磁场分布不均匀性，来提高等离子体密度分布的不均匀性，进而提高处理基处理的质量和产品的良率。

边缘效应，顾名思义，就是在基片或者处理的其它器件的边缘所产生的一种效应。产生边缘效应的直接原因是在边缘处发生了某种改变，比如在基处的边缘处，一边是基片，而另一片没有其它介质，是充满等离子体的空间，从电磁场的角度来看，基片与等离子体的电学性质迥然不同，即是电介质在边缘发生了突变，不再是连续介质。这种电介质的不连续性是产生边缘效应的根本原因。

反应腔是个有限的空间，并非理想的延伸到无限远的空间，基片的尺寸也不可能是无限大的，边缘效应在等离子体中必然存在且无法避免的。如何减小边缘效应对基片处理产生的影响，提升基片处理的质量以及产品良率有重要意义。

理论模型与模拟结果

本文针对1480mm×1480mm×44mm 的反应腔，如图1所示为反应腔的结果示意图，图2 为电极中电源馈入点的分布示意图，电极尺寸为1380mm×1380mm×8mm，基片尺寸为1300mm×1300mm×4mm，材质为玻璃，建立了三维电磁场的时域有限差分（FDTD）模型，在反应腔内电磁场遵循麦克斯韦（Maxwell）方程，即其中磁感应强度，电位移，分别为真空介电常数和真空磁导率，分布为相对介电常数和相对磁导率。

时域有限差分（FDTD）法可以完全自洽的计算三维空间的电磁场分布，其采用了Yee 元胞结构的网格剖分方式，电场与磁场分布出现半格点和整格点上，利用蛙跳式算法对计算域的电场和磁场进行交替计算，可以精确的计算出包容介质不连续的计算域内电磁场的时空分布。

图1 反应腔结构示意图

图2 电源馈入点分布示意图

图3 加Process Kits后反应腔结构示意图

图4 反应腔内的电场分布

基于FDTD 方法以上优点，本文针对上述模型进行了模拟计算，图4 的矩形线给出了反应腔内的电磁场分布，两条竖直虚线位置为基片的边缘，从图示结果可以发现，在基片边缘处，电磁场发生了急剧的突变。这种电场急剧变化势必引起等离子体分布的变化，工艺对基片的处理效果也会受到影响。

对于基片边缘效应引起的电场分布变化，本文提出了在基片周围加一圏Process Kits 的方法，试图解决边缘效应引起的电磁场不均匀性，模型如图3 所示，基片与Process Kits 之间的宽为1mm 的间隙，便于基片的传送和定位。Process Kits 具有与基片相近的电学性质。同样对图3 模型进行了模拟计算并给出了相应的电场分布结果，如图4 的星线所示。由图可见，在基片边缘处，电场分布曲线并无急剧的变化，而是平滑的曲线。

对于两种模型的电场分布不均匀性，可得，在未加Process Kits 时不均匀度为8.78%，而加了Process Kits之后，其不均匀度为3.8%。可见加入Process Kits 后对电场分布的不均匀性有很大的提升。

分析讨论

本文利用FDTD 方法模拟了反应腔内电磁场，还对在基片周围加一圈Process Kits 进进行了模拟计算，图4 分别给出了两种模型的电场分布。由计算结果给出了基片范围内两种模型的电场分布不均匀度。加Process Kits 后电场分布的不均匀度由8.79%减小到3.8%。