CN102067738A - 复合射频(rf)波形的匹配电路 - Google Patents
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Abstract
披露一种复合波形频率匹配装置。在各实施方式中，该匹配装置包含彼此并联耦合的多个射频发生器。该多个射频发生器的每个随后的射频发生器都被配置为产生谐波频率，该谐波频率与任何产生更低频率的射频发生器所产生的频率以整数倍的形式相关，从而产生复合波形。多个分频器电路耦合于该多个射频发生器的输出，而多个匹配网络中的每一个都具有耦合于该多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
Description
优先权声明
本申请声明享有2008年6月19日提交的美国专利申请12/142,062的优先权，其全部内容通过援引加入本文。
技术领域
本发明大体涉及半导体、数据存储器、平板显示器以及相关或其它行业中使用的工艺设备领域。尤其是，本发明涉及将复合射频波形高效耦合到基于等离子体的工艺设备的等离子体负载的系统。
背景技术
自从半导体器件在几十年前被首次引入以来，这些器件的几何结构(即，集成电路设计规则)已经在尺寸上显著减小了。集成电路(IC)通常遵循“摩尔法则”，意思是单一集成电路芯片上制造的器件的数量每两年会翻一番。当前的IC制造设施通常生产特征尺寸为65nm(0.065μm)的器件，未来的fab不久之后将会生产具有甚至更小的特征尺寸的器件。
在大多数IC制造设施中，部分制造工艺涉及在工艺设备中使用等离子体以与衬底(比如半导体晶圆)反应或促进与衬底的反应。射频(RF)或微波电力供应发生器被广泛用于半导体和工业等离子体处理设备以在工艺室中产生等离子体。等离子体处理用于各种应用，包括从衬底蚀刻材料、在衬底上沉积材料、清洁衬底表面以及修整衬底表面。
参考图1，现有技术中的基于等离子体的工艺系统100的一部分的剖面视图包括具有室壁101的真空室109。室壁101的至少一部分包括窗103，窗103通常是由对在该基于等离子体的工艺系统100的工作频率的射频(RF)波透明的石英或类似材料形成的。线圈115位于真空室109外并围绕窗103。射频发生器119通过匹配网络117连接在线圈115。匹配网络117提供将射频发生器119的输出阻抗匹配到真空室109的输入阻抗的工具。匹配网络117可只包含固定元件，或者它也可以包含比如可变电容器和可变电感器等元件，从而允许射频发生器119到可变载荷状况的动态阻抗匹配。
基于等离子体的工艺系统100中的射频发生器119是用于激发真空室109中的等离子体的主要的等离子体产生部分。等离子体还可以由浸没到该等离子体的电容式电极(未示)或由浸没到该等离子体中的电感线圈(未示)产生。
工艺气体被从多个馈送气体供应容器105(只显示了一个)中引入真空室109。真空泵107被配置为在真空室109内建立适于在基于等离子体的工艺系统100中执行特定工艺(例如，等离子体蚀刻或沉积)的真空程度。真空泵107被进一步配置为将气体从真空室109排出。
衬底113(例如，半导体晶圆)由衬底支架(通常是静电吸盘(ESC)111)支撑在真空室109中。ESC 111充当基于等离子体的工艺系统100的阴极并形成静电势以在处理过程中将衬底113保持在适当的位置，从而通过只与衬底113的背面接触而避免机械卡持的问题。ESC 111通过在衬底113和ESC 111之间感应相反的电荷，从而在两个部件之间带来静电吸引而工作。因此，所产生的电容存在于ESC 111和衬底113之间。该电容足够大从而在涉及的高频下执行的工艺过程中ESC 111和衬底113之间存在射频电压的非显著下降。
基于等离子体的工艺系统100进一步包括在真空室109内的阳极(没有直接显示，然而该阳极通常由室壁101和/或室顶形成)。为了处理衬底113，将活性气体从该多个馈送气体供应容器105中的一个或更多个中泵抽到真空室109中。该阳极和ESC 111(充当阴极)由来自射频发生器119的单一正弦频率驱动以将该活性气体激发为等离子体。该单一频率通常是13.56MHz，尽管经常使用从100kHz到2.45GHz的单一频率，并偶尔使用其它单一频率。更具体地说，通常在相对较高的功率级(例如，3千瓦)上向该室内的活性气体施加单一频率的正弦射频信号。该射频电力激发该活性气体，在该真空室109内临近正在处理的衬底113产生等离子体。该等离子体增强活性离子工艺通常被用于蚀刻和化学气相沉积工艺中。
再近年来，已经使用多个正弦频率来激发真空室内的等离子体。在这些系统中，用第一射频频率驱动阴极/阳极偏置电路，而用第二射频频率驱动天线或线圈(其临近该真空室)。因此，每个电路耦合于由独立的射频振荡器、前置放大器、功率放大器、传输线和以高功率级将独立的正弦射频频率供应到每个等离子体激发电路的匹配网络组成的独立的且不同的射频电力输送系统。冗余的振荡器和其它相关电路是昂贵而复杂的。在其它系统中，第一和第二两个频率都被提供到单个电极，然而会频繁地遭受功率传输的减少，因为两个频率不能同时被匹配。
如果电源和负载(即，耦合于等离子体的元件)的阻抗不匹配，供应到该负载的(或被该负载吸收的)电力被反射回来，因此电力传输没有最大化。因此，控制被该负载反射或吸收的电力的量是重要的。而且，不匹配的阻抗可能对电源或耦合于该电源的其它元件有害。在大多数情况下，该负载阻抗(即，该等离子体耦合元件的输入阻抗)不能预先确定，因为它依赖于它所耦合的等离子体的状态或条件，而等离子的状态在处理过程中可能变化。相应地，许多等离子体处理系统利用在该射频电源和该等离子体耦合元件之间提供的匹配网络来匹配输入和输出阻抗。该匹配网络被用于最大化供应到该等离子体的射频电力的量，以及控制该偏置电力的波幅和相位。
最近，研究表明，等离子体反应器中离子能量的裁制可以有利地用于半导体晶圆处理中。复合射频(RF)波形可以被产生并输送到该等离子体反应器的偏置电极并用于在所产生的等离子体中产生想要的效果。该复合射频波形可包含十个或更多谐波频率或少至两个(具有次级相移谐波的基频)。
然而，由于谐波频率的存在，复合的波形难以匹配到该等离子体负载。上面描述的现有技术匹配系统只能够将单一频率的射频波形匹配到等离子体室，因此不能为由各种频率组成的复合的波形提供足够的带宽。而且，视在等离子体负载的阻抗依赖于该输入波形的频率。因此，用于将该复合波形匹配到该等离子体反应器的系统需要能够高效地将每一个谐波频率的阻抗匹配到该等离子体发生器。
发明内容
在一种示例性实施方式中，披露一种复合波形频率匹配装置。该匹配装置包含彼此并联耦合的多个射频发生器。该多个射频发生器的每个随后的射频发生器都被配置为产生谐波频率，该谐波频率与任何产生更低频率的射频发生器所产生的频率以整数倍的形式相关，从而产生复合波形。多个分频器电路耦合于该多个射频发生器的输出，而多个匹配网络中的每一个都具有耦合于该多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
在另一种示例性实施方式中，披露一种复合波形频率匹配装置。该匹配装置包含彼此并联耦合的多个射频发生器。该多个射频发生器的每个随后的射频发生器都被配置为产生谐波频率，该谐波频率与任何产生更低频率的射频发生器所产生的频率以整数倍的形式相关，从而产生复合波形。频率分析器耦合于该多个射频发生器的输出，多个分频器电路耦合于该频率分析器的输出，以及多个匹配网络中的每一个都具有耦合于该多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
在另一种示例性实施方式中，披露复合波形频率匹配装置。该匹配装置包含被配置为产生复合波形的射频发生器，耦合于该射频发生器的输出的多个分频器电路以及多个匹配网络。该多个匹配网络中的每一个都具有耦合于该多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
附图说明
附图仅仅描绘了本发明的示例性实施方式，不应当被认为是限制其范围。
图1是现有技术中基于等离子体的工艺室与相关支持设备的一部分的剖面简图。
图2是谱频域图表，显示了基频和四个谐波频率的相对幅度。
图3是一电路的示例性示意图，该电路包括用于复合偏置电压波形的带通滤波器以及相关的匹配网络。
具体实施方式
本发明的各实施方式被配置为允许将由多个频率(即，复合波形)组成的射频信号匹配到等离子体室，同时具有最小的信号反射和相伴的最大功率传输。因此，通过在用于先进半导体处理的等离子体反应器中使用复合波形，离子能量可以被特别裁制。
因此，本发明特别适于处理具有复合波形的偏置电压。例如，特别裁制的复合波形可包括脉冲峰值，然后是从比该脉冲峰值低的第一电压斜向下的电压，下降到更低的电压水平。每个周期中的施加到直流阻断电容器(未示)的复合波形的时间段和电压的下降被选择为补偿并基本上消除在该工艺室内容纳的衬底上的离子累积的影响，以在该衬底上保持在电压脉冲峰值之间的基本上不变的直流自偏压。衬底处的复合波形具有由窄电压脉冲组成的周期，在该周期过程中电子被从该等离子体吸引到该衬底，然后是由该直流阻断电容器所保持的由该衬底的自偏置带来的基本上不变的直流偏置电压水平。其中有单一的窄电压脉冲，然后是在每个偏压周期中有电压的逐渐下降，在该衬底表面上的离子能量分布函数具有单一的窄峰值，其中心处于选定的离子能量。施加到该直流阻断电容器的偏压的每个周期可包含两个窄电压脉冲峰值，每个后面是逐渐下降的电压，电压脉冲峰值之间在时间上的分离、该电压脉冲峰值的高度和脉冲峰值之间的电压的逐渐下降被选择为在每个周期过程中在该衬底提供包括两个电压脉冲的偏压，其中每个脉冲之后的直流自偏压是两个不同的、基本上不变的直流电平，从而在该衬底处提供离子能量分布函数，其包括中心处于两个选定的离子能量的两个离子通量的峰值，在其它离子能量上基本上没有离子通量。
熟练的技术人员很容易想象，上述的这种复合波形是由许多同时产生的频率组成的。为了保持每个单独的频率的幅度的完整性，每个频率必须被独立地阻抗匹配到该等离子体室。然而，只有一旦知道了谱频域，才能确定适当的阻抗匹配。
参考图2，示例性的谱频域图表200显示了在400kHz的产生的射频偏压供应信号的基频201(即，一次谐波)。400kHz的基频(f0)正弦波是现有技术的等离子体产生系统中常用的输入信号。然而，示例性谱频域图表200中的输入复合波型(未示)还产生具有大致相等的电压幅度水平的二次(f1)203、三次(f2)205、四次(f3)207和五次(f4)谐波频率。熟练的技术人员将会意识到，电压幅度水平还可以根据特定工艺的需要而改变。下面参考图3描述了频谱域图表200的重要性的示例性物理实现。
现在参考图3，示例性的滤波器电路300利用串联的滤波器来将进入的复合波形分裂为成分谐波频率。然后每个成分谐波频率可以分别被匹配到该等离子体负载。尽管示例性的滤波器电路300显示了串联的带通滤波器，然而熟练的技术人员会意识到，具有类似滤波能力的电路可以是由本领域已知的各种类型的滤波器形成，例如，包括低通、高通或陷波滤波器，其可由本领域已知的各种滤波器段(例如，“T”段、段及其它)形成。
示例性的滤波器电路300包括多个射频发生器301、可选的频率分析器303、多个分频器电路305、多个匹配网络307和具有相关的无功负载的等离子体室309的示意图，该无功负载通常由电容分量323A和电阻分量323B组成。
在一种具体的示例性实施方式中，等离子体室309的电容分量323A的值是100皮法(pF)而电阻分量323B的值是50欧姆。电容分量的阻抗Zc与电容C的值负相关，其关系为：
其中是进入的谐波信号的角频率的值。因为电容分量323A的值相当小，所以该阻抗强烈依赖于电容分量323A的值和该角频率两者。因此，等离子体室309的总的阻抗依赖于驱动频率。因为使用了宽的频率范围，所以该多个匹配网络307中的每一个必须针对该输入和输出侧上的明显不同的阻抗水平进行调整，如下所述。
该多个射频发生器301可以由多个单独的发生器(尽管在此示例性实施方式中只显示了5个)组成，每个单独的发生器产生单一的射频偏压。该多个射频发生器301的输出可以被求和器件(未示，但是在本领域中已知)结合起来。替代地，该多个射频发生器301可以由单一数字信号发生器(未示)取代，比如例如本领域已知的高功率傅里叶信号发生器。
在一种具体的示例性实施方式中，该多个射频发生器301能够产生图2的示例性光频域图表200，其具有在下面的表I中所示的频率。
| 基频f0 | 二次谐频f1 | 三次谐波f2 | 四次谐波f3 | 五次谐波f4 |
| 400kHz | 800kHz | 1.2MHz | 1.6MHz | 2.0MHz |
表I
可选的频率分析器303分析该复合输入波形并产生原始输入波形的频域表示。因此可选的频率分析器303将该输入波形打断为该复合波形的单独的频率表示或分量。
例如，方波是一种在各种类型的电子电路(包括数字信号处理应用)中使用的常见非正弦波形。尽管方波本身本质上是非正弦的，但它实际上是由正弦波的无穷级数的奇数阶积分谐波组成的。类似地，锯齿波形是由正弦波的无穷级数的奇数阶和偶数阶积分谐波组成的。
不管输入波形如何，可选的频率分析器303能够辨别形成该复合输入波形的频率分量和每个谐波频率的相应的幅度。在一种具体的示例性实施方式中，可选的频率分析器303是基于快速傅里叶变换(FFT)算法产生的，这本身是本领域已知的。
可选的频率分析器303可以被配置为向该多个匹配网络307中的每一个提供前馈回路(未示)，如下所述。进一步，可选的频率分析器303可以被配置为向该多个分频器电路305中的每一个提供前馈回路，并由此向两种电路类型都提供该复合波形的每一部分的实际的成分频率，从而提供完全调谐的电路。该前馈回路会使用有源滤波器和/或可变电感和电容元件来对每种电路类型提供调谐。这种有源滤波器和可变分立元件本身是本领域中已知的。
在一种具体的示例性实施方式中，该成分频率中的每一个都是已知且固定的，可选的频率分析器303可能就不必要了。
将电阻器311与多个电感器(313A、315A、......、321A)和电容器(313B、315B、......、321B)串联放置。该多个电感器(313A、315A、......、321A)和电容器(313B、315B、......、321B)中的每一对提供用于到多个匹配网络307的输入的多个分频器电路305中的滤波器之一。熟练的技术人员将会意识到，可以在各种配置中使用任何数量的电阻器、电容器和电感器以产生具有类似功能的滤波分频器电路。而且，各种类型的传输线或有源滤波器(例如，本身在本领域中已知的电力驱动的电容器和类似元件)也可用于特定的滤波器装置。
通常，使用高品质(或高-Q)匹配网络来最大化功率传输并最小化从该多个射频发生器301到该等离子体室309的表示的反射。滤波器的Q等级是以该滤波器选择或抑制相对于中心频率来说很窄的频率范围的能力为基础的。因此，滤波器的Q等级被定义为中心频率到-3dB处的频宽的比值。因此，串联连接的RLC电路的Q等级是由下式确定的：
其中R是串联电阻的值而L是串联电感的值。从控制方程可以注意到，高Q值部分是基于选择小的串联电阻值而保证的。在示例性滤波器电路300的一种具体的实施方式中，电阻器311被选择为0.001欧姆，从而确保了该匹配网络的高Q值。下面的表II显示了在给定谐波频率下为共振而选择的电感和电容的值，以及Q等级值和0.001欧姆串联电阻器的带宽。
表II
继续参考图3，该多个匹配网络307可包括本文所列的各种滤波器元件，还可包括各种类型的有源匹配滤波器。该多个匹配网络307可包括各种无源滤波器类型，包括直接或级联布置的“L”段、“T”段、
段或这些段的任何结合。这些段的类型的每一种本身都是本领域已知的。而且，有源滤波器和放大器(例如，比如可调窄带放大器)两者可以单独使用或者与分立元件进行各种结合来使用。
上面参考本发明的具体实施方式对本发明进行了描述。然而，对熟练的技术人员来说，显然，可以对其进行各种修改和变化而不违背如所附权利要求中阐明的本发明的更宽的精神和范围。
例如，特定实施方式描述了处于特定布置的许多电路类型。熟练的技术人员将会意识到，这些电路类型和布置可以被改变而本文显示的那些只是为示例性目的，以描绘该射频偏压匹配思想的新颖性。例如，熟练的技术人员将会意识到，对于每一个频率，每一个分频器电路可以与该匹配网络的相关电路结合。而且，熟练的技术人员会进一步意识到，本文所述的技术和电路可以应用于需要具有复合驱动波形的匹配网络的任何系统。对半导体行业中的等离子体室的应用仅仅是用作示范，以帮助本领域的技术人员描述本发明的各种实施方式。
而且，术语“半导体”在整个说明书中应当被解释为包括数据存储器、平板显示器以及相关及其他工业。这些及各种其他实施方式都在本发明的范围内。相应地，说明书和附图应被以说明性而非限制性意义的方式对待。
Claims (24)
1.一种复合波形频率匹配装置，包含：
彼此并联耦合的多个射频发生器，所述多个射频发生器的每个随后的射频发生器都被配置为产生谐波频率，所述谐波频率与任何产生更低频率的射频发生器所产生的频率以整数倍的形式相关，从而产生复合波形；
耦合于所述多个射频发生器的输出的多个分频器电路；以及
多个匹配网络，所述多个匹配网络中的每一个都具有耦合于所述多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
2.根据权利要求1所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含耦合于所述多个射频发生器的输出和所述多个分频器电路的输入之间的频率分析器。
3.根据权利要求2所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个分频器电路并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个分频器电路中的每一个的谐振频率。
4.根据权利要求2所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个匹配网络并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个匹配网络中的每一个的谐振频率。
5.根据权利要求2所述的复合波形频率匹配装置，其中所述频率分析器被配置为执行快速傅里叶变换并确定所述复合波形的成分频率。
6.根据权利要求1所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络中的每一个被配置为将从所述多个分频器电路之一接收到的中心频率的阻抗匹配到所述等离子体室的输入阻抗。
7.根据权利要求1所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含耦合于所述多个射频发生器的输出和所述多个分频器电路的输入之间的电阻元件，所述电阻元件被选择为允许所述多个分频器电路中的每一个实现高品质值。
8.根据权利要求1所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络是由多个窄带放大器组成的。
9.一种复合波形频率匹配装置，包含：
彼此并联耦合的多个射频发生器，所述多个射频发生器的每个随后的射频发生器都被配置为产生谐波频率，所述谐波频率与任何产生更低频率的射频发生器所产生的频率以整数倍的形式相关，从而产生复合波形；
耦合于所述多个射频发生器的输出的频率分析器；
耦合于所述频率分析器的输出的多个分频器电路；以及
多个匹配网络，所述多个匹配网络中的每一个都具有耦合于所述多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
10.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个分频器电路并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个分频器电路中的每一个的谐振频率。
11.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个匹配网络并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个匹配网络中的每一个的谐振频率。
12.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络中的每一个被配置为将从所述多个分频器电路之一接收到的中心频率的阻抗匹配到所述等离子体室的输入阻抗。
13.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含耦合于所述多个射频发生器的输出和所述多个分频器电路的输入之间的电阻元件，所述电阻元件被选择为允许所述多个分频器电路中的每一个实现高品质值。
14.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络是由多个窄带放大器组成的。
15.根据权利要求9所述的复合波形频率匹配装置，其中所述频率分析器被配置为执行快速傅里叶变换并确定所述复合波形的成分频率。
16.一种复合波形频率匹配装置，包含：
被配置为产生复合波形的射频发生器；
耦合于所述射频发生器的输出的多个分频器电路；以及
多个匹配网络，所述多个匹配网络中的每一个都具有耦合于所述多个分频器电路之一的输出的输入以及被配置为耦合于等离子体室的输出。
17.根据权利要求16所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含耦合于所述多个射频发生器的输出和所述多个分频器电路的输入之间的频率分析器。
18.根据权利要求17所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个分频器电路并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个分频器电路中的每一个的谐振频率。
19.根据权利要求17所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含前馈回路，所述前馈回路耦合于所述多个匹配网络并被配置为基于确定所述复合波形的成分频率而调整所述多个匹配网络中的每一个的谐振频率。
20.根据权利要求17所述的复合波形频率匹配装置，其中所述频率分析器被配置为执行快速傅里叶变换并确定所述复合波形的成分频率。
21.根据权利要求16所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络中的每一个被配置为将从所述多个分频器电路之一接收到的中心频率的阻抗匹配到所述等离子体室的输入阻抗。
22.根据权利要求16所述的复合波形频率匹配装置，进一步包含耦合于所述多个射频发生器的输出和所述多个分频器电路的
输入之间的电阻元件，所述电阻元件被选择为允许所述多个分频器电路中的每一个实现高品质值。
23.根据权利要求16所述的复合波形频率匹配装置，其中所述射频发生器是数字信号发生器。
24.根据权利要求16所述的复合波形频率匹配装置，其中所述多个匹配网络是由多个窄带放大器组成的。
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