CN102647845B - 等离子体点火的装置、方法和半导体设备 - Google Patents

等离子体点火的装置、方法和半导体设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种等离子体点火的装置、方法和半导体设备。该等离子点火的装置包括：所述频率可调射频电源，用于在频率为点火频率时通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压，所述点火电压用于实现对所述反应腔室内的等离子体进行点火，所述点火频率大于所述频率可调射频电源的工艺处理频率。本发明无需通过调节匹配器内部的可调电感的电感值实现等离子的点火，从而避免了调节可调电感的电感值而导致的降低继电器的使用寿命的问题，可实现在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下提高继电器的使用寿命。

Description

等离子体点火的装置、方法和半导体设备
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种等离子体点火的装置、方法和半导体设备。
背景技术
目前，随着微电子技术的发展，中、低频等离子体技术的应用越来越广泛。尤其是在晶硅太阳能电池的生产过程中，该中、低频等离子体技术用于在晶片上沉积减反射氮化硅薄膜。其中，晶片可以为硅片。按照通常的频率划分方法，中频和低频各自对应的频率范围分别为：低频为30KHz～300KHz，中频为300KHz～2MHz。相对于高频(高频为大于或等于2MHz)等离子体技术而言，中、低频等离子体技术可使氮化硅薄膜获得更为出色的钝化效果，从而提高太阳能电池的转化效率。
图1为一种低频平板式PECVD设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括：反应腔室11、绝缘部件12、上电极13、下电极14、匹配器15和射频电源16。其中，绝缘部件12、上电极13和下电极14位于反应腔室11的内部；绝缘部件12固定于反应腔室11的顶部，用于对上电极13和反应腔室11的接地外壳进行电隔离，以防止上电极13和反应腔室11的接地外壳之间的放电。该绝缘部件12可以为陶瓷或者聚四氟乙烯(PTFE)。下电极14位于反应腔室11的底部，下电极14上放置有晶片17，下电极14的底座接地。射频电源16通过匹配器15与反应腔室11中的上电极13连接，用于向反应腔室11内部提供射频功率。另外，反应腔室11的顶端还设置有用于供工艺气体进入的进气口18，底端还设置有用于将反应后的工艺气体排出的排气口19，该工艺气体用于产生等离子体。该设备用于沉积减反射氮化硅薄膜，沉积时所需的等离子体是通过在上电极13和下电极14之间施加射频功率而激发出的。射频电源16可以为中频或者低频电源，射频功率由中频或低频射频电源提供。晶片17在等离子体环境下进行薄膜沉积。射频电源16本身有其自身特征阻抗，该射频电源16的特征阻抗通常为50Ω，而等离子体负载本身的阻抗一般不会为50Ω。因此根据传输线理论，当射频电源16的特征阻抗与等离子体负载的阻抗不共轭，即阻抗不匹配时，射频电源16输出的射频功率无法完全加载到等离子体负载上，会有射频功率反射回射频电源16，这样会造成功率浪费，同时反射回射频电源16的射频功率会对射频电源16本身产生损害。所以通常需要在射频电源16和反应腔室11之间加上一个匹配器15，射频电源16的射频功率通过匹配器15加载到反应腔室11中，调节匹配器15内部的阻抗匹配网络使得匹配器15输入端到反应腔室11的阻抗为50Ω，使匹配器15的输入阻抗与射频电源16的特征阻抗共轭，达到阻抗匹配的目的，从而使射频功率完全加载到反应腔室11的等离子体负载上。其中，从匹配器15输入端到反应腔室11的阻抗(即匹配器15的输入阻抗)包括匹配器15内部的阻抗匹配网络的阻抗和反应腔室11的阻抗。
图2为图1中匹配器内部阻抗匹配网络的结构示意图，如图2所示，该匹配器包括自耦变压器T、可调电感L和电容C。其中，自耦变压器T包括若干次级抽头，可调电感L包括若干档位，自耦变压器T的次级与可调电感L并联，并与电容C串联。其中，电容C可以为隔直电容，该电容C可以起到阻隔直流的作用。射频电源16与自耦变压器T连接，电容C与反应腔室11连接。通过调节自耦变压器T的次级抽头(主要是调节初、次级匝数比)和可调电感L，以实现从匹配器15输入端到反应腔室11的阻抗与射频电源16的特性阻抗的共轭匹配。在中、低频电源产生的等离子体的点火过程中，满足等离子体点火时可调电感L的档位与最佳阻抗匹配条件下可调电感L的档位不一致，点火所需可调电感L的档位对应的电感值高于最佳阻抗匹配条件下可调电感L的档位对应的电感值，因此在某些射频功率条件下会出现最佳阻抗匹配条件下等离子体点火失败的问题，其中，等离子体点火成功之后会出现放电现象，最佳阻抗匹配指的是满足等离子体放电稳定之后反射功率最小时的阻抗匹配，通常在达到最佳阻抗匹配时再对晶片片进行工艺处理。导致上述问题出现的原因是：在最佳阻抗匹配条件下，电容C输出端的电压低于等离子体点火时所需的最低点火电压。其中，最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。该问题可以通过增大电容C输出端的电压来解决。具体地可以通过先点火、后调节匹配的方法来实现等离子体的点火和等离子体放电的最佳阻抗匹配条件。在等离子体点火时，将可调电感L的档位打到对应电感值较高的档位并点火，在点火成功后再将可调电感L的档位调回到满足最佳阻抗匹配时的电感值档位处。具体地，工艺处理频率为400KHz、工艺处理的射频功率为P时，最佳阻抗匹配的条件为：自耦变压器T的初、次级匝数比为nM，可调电感L的电感值为LM，电容C的电容值为CM。点火时反应腔室11的负载可以等效为一个电容，该电容的阻抗为ZC。电容C输出端的电压为V1，V1小于等离子体点火的最低点火电压。而将可调电感L的档位打到对应电感值为LH的档位时(LH>LM)，电容C输出端的电压为V2，V2大于等离子体点火的最低点火电压，采用V2进行等离子体点火。当等离子体点火完成后，再通过可调电感L档位的切换操作，将可调电感L的电感值重新调节为LM以实现最佳阻抗匹配。而在PECVD设备中，为了满足自动控制的需求，匹配器中可调电感L的档位切换操作往往是通过继电器的吸合和释放来实现的。继电器的吸合和释放需要在继电器加载功率的情形下进行，此时通过继电器的电流很高，这会导致继电器的内部拉弧，从而降低继电器的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种等离子体点火的装置、方法和半导体设备，可在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下实现等离子体的点火，以解决降低继电器的使用寿命的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种等离子体点火的装置，包括：频率可调射频电源和与所述频率可调射频电源连接且固定处于最佳阻抗匹配条件下的匹配器；
所述频率可调射频电源，用于在频率为点火频率时通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压，所述点火电压用于实现对所述反应腔室内的等离子体进行点火，所述点火频率大于所述频率可调射频电源的工艺处理频率。
进一步地，所述频率可调射频电源还用于在频率为点火频率时通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压之后，在频率为所述工艺处理频率时通过所述匹配器向所述反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出工艺处理电压。
进一步地，所述匹配器包括自耦变压器、可调电感和电容，所述自耦变压器与所述频率可调射频电源连接，所述自耦变压器和所述可调电感并联连接，所述自耦变压器的接地端和所述可调电感的接地端接地，所述自耦变压器的输出端和所述可调电感的输出端与所述电容的输入端连接，所述电容的输出端用于向所述反应腔室输出所述点火电压。
进一步地，所述点火电压大于或者等于最低点火电压，所述最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。
为实现上述目的，本发明还提供了一种等离子体点火的方法，基于所述等离子体点火的装置，所述等离子体点火的装置包括：频率可调射频电源和与所述频率可调射频电源连接且固定处于最佳阻抗匹配条件下的匹配器；
所述方法包括：
将所述频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使所述频率可调射频电源通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压，所述点火频率大于所述频率可调射频电源的工艺处理频率；
通过所述点火电压对所述反应腔室内的等离子体进行点火。
进一步地，所述将所述频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使所述频率可调射频电源通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压之后包括：
将所述频率可调射频电源的频率调节为所述工艺处理频率，以使所述射频可调频率电源通过所述匹配器向所述反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出工艺处理电压。
进一步地，所述点火电压大于或者等于最低点火电压，所述最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。
为实现上述目的，本发明还提供了一种半导体设备，该设备包括：上述等离子体点火的装置和反应腔室，所述等离子体点火的装置和所述反应腔室连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种等离子体点火的装置、方法和半导体设备，将频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使频率可调射频电源通过匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现匹配器向反应腔室输出点火电压，并通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火，其中点火频率大于频率可调射频电源的工艺处理频率。本发明通过调节频率可调射频电源的频率使匹配器向反应腔室输出点火电压，并通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火，无需通过调节匹配器内部的可调电感的电感值实现等离子的点火，从而避免了调节可调电感的电感值而导致的降低继电器的使用寿命的问题，可实现在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下提高继电器的使用寿命。
附图说明
图1为一种低频平板式PECVD设备的结构示意图；
图2为图1中匹配器内部阻抗匹配网络的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种等离子体点火的装置的结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种等离子体点火的方法的流程图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的等离子体点火的装置、方法和半导体设备进行详细描述。
图3为本发明实施例一提供的一种等离子体点火的装置的结构示意图，如图3所示，该装置包括：频率可调射频电源21和与频率可调射频电源21连接的匹配器22。频率可调射频电源21，用于在频率为点火频率时通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率以实现匹配器22向反应腔室23输出点火电压，该点火电压用于实现对反应腔室23内的等离子体进行点火，该点火频率大于频率可调射频电源21的工艺处理频率。
进一步地，频率可调射频电源21还用于在频率为点火频率时通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率以实现匹配器22向反应腔室23输出点火电压之后，在频率为工艺处理频率时通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率以实现匹配器22向反应腔室23输出工艺处理电压。
本实施例中，匹配器22与反应腔室23连接，以使频率可调射频电源21可以通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率。频率可调射频电源21的频率是可调节的，因此可以实现匹配器22向反应腔室23输出不同的电压。例如：可将上述频率可调射频电源21的频率调节为点火频率，则相应地该频率可调射频电源21可以通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率以实现匹配器22向反应腔室23输出点火电压；以及可将上述频率可调射频电源21的频率调节为工艺处理频率，则相应地该频率可调射频电源21可以通过匹配器22向反应腔室23提供射频功率以实现匹配器22向反应腔室23输出工艺处理电压。也就是说，当频率可调射频电源21的频率为点火频率时，匹配器22可向反应腔室23加载点火电压；当频率可调射频电源21的频率为工艺处理频率时，匹配器22可向反应腔室23加载工艺处理电压。其中，对频率可调射频电源21的频率进行调节的过程可由与频率可调射频电源21连接的控制模块(图中未示出)执行，该控制模块可根据预先设定的软件程序向频率可调射频电源21发出指令以实现对频率可调射频电源21的频率的调节。其中，点火电压是指在满足最佳阻抗匹配条件下等离子体点火时所需的电压，该点火电压可实现对等离子体进行点火。而工艺处理电压是指在满足最佳阻抗匹配条件下对晶片进行工艺处理时所需的电压。在完成对等离子体的点火之后，可对频率可调射频电源21的频率进行调节，使该频率可调射频电源21的频率变更为工艺处理频率，使匹配器22向反应腔室23输出的电压变更为工艺处理电压，从而使反应腔室23实现在最佳阻抗匹配条件下对晶片进行工艺处理。本实施例中，点火频率需要大于工艺处理频率，这样才能在满足最佳阻抗匹配条件下实现等离子体的点火。
优选地，点火电压大于或者等于最低点火电压。其中，最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。具体地，匹配器22包括自耦变压器T、可调电感L和电容C，自耦变压器T与频率可调射频电源21连接，自耦变压器T和可调电感L并联连接，自耦变压器T的接地端221和可调电感的接地端222接地，自耦变压器T的输出端223和可调电感L的输出端224与电容C的输入端225连接，电容C的输出端用于向反应腔室23输出点火电压。具体地，电容C的输出端226可与反应腔室23中的上电极连接，其中，电容C可以为隔直电容，该电容C可以起到阻隔直流的作用。电容C的输出端226的电压为点火电压。
下面通过一个具体的实例对本实施例的技术方案进行说明。例如：工艺处理频率为400KHz，最佳阻抗匹配的条件为：自耦变压器T的初、次级匝数比为nM，可调电感L的电感值为LM，电容C的电容值为CM。点火时反应腔室23的负载可以等效为一个电容，该电容的阻抗大小为ZC。电容C输出端的电压为V1，由于V1小于最低点火电压，因此V1无法使等离子体点火。将频率可调射频电源21的频率调节为点火频率，该点火频率大于400KHz，并保持最佳阻抗匹配的条件不变，即自耦变压器T的初、次级匝数比为nM，可调电感L的电感值为LM，电容C的电容值为CM。在该点火频率下，点火电压(即电容C输出端226的电压)为VH，VH大于或者等于最低点火电压，该VH用于实现对等离子体的点火。在等离子体点火成功之后，将频率可调射频电源21的频率调节回工艺处理频率400KHz，使匹配器22向反应腔室23输出工艺处理电压，从而使反应腔室23可以在工艺处理电压下对晶片进行工艺处理，不影响正常工艺处理过程。本实施例中，当对等离子体进行点火时，由于保持最佳阻抗匹配的条件不变，因此可调电感L的电感值保持不变，在这一不变的电感值条件下，较高的点火频率会使可调电感L对应的电抗值增大，这可以等效为在较低的工艺处理频率下调高可调电感L的电感值，从而达到增大匹配器中电容输出端电压的目的，以满足等离子体点火的需要。
本实施例提供的等离子体点火的装置包括频率可调射频电源和与频率可调射频电源连接的匹配器。频率可调射频电源用于在频率为点火频率时通过匹配器向反应腔室提供射频功率以实现匹配器向反应腔室输出点火电压，点火电压用于实现对反应腔室内的等离子体进行点火，点火频率大于频率可调射频电源的工艺处理频率。本实施例提供的等离子体点火的装置通过调节频率可调射频电源的频率使匹配器向反应腔室输出点火电压，并通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火，无需通过调节匹配器内部的可调电感的电感值实现等离子的点火，从而避免了调节可调电感的电感值而导致的降低继电器的使用寿命的问题，可实现在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下提高继电器的使用寿命。
图4为本发明实施例二提供的一种等离子体点火的方法的流程图，如图4所示，该方法基于等离子体点火的装置，该等离子体点火的装置包括：频率可调射频电源和与该频率可调射频电源连接的匹配器。对该等离子点火的装置的描述可参见上述实施例一，此处不再具体描述。
该方法包括：
步骤101、将频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使频率可调射频电源通过匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现匹配器向反应腔室输出点火电压，点火频率大于频率可调射频电源的工艺处理的频率。
本实施例中，频率可调射频电源21的频率是可调节的，因此可以实现匹配器22向反应腔室23输出不同的电压。本实施例中，将频率可调射频电源的频率调节为点火频率，可以使频率可调射频电源通过匹配器向反应腔室射频功率以实现匹配器向反应腔室输出提供点火电压。其中，点火电压是指在满足最佳阻抗匹配条件下等离子体点火时所需的电压，该点火电压可实现对等离子体进行点火。
步骤102、通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火。
进一步地，该方法还包括：
步骤103、将频率可调射频电源的频率调节为工艺处理频率，以使射频可调频率电源通过匹配器向反应腔室提供射频功率以实现匹配器向反应腔室输出工艺处理电压。
工艺处理电压是指在满足最佳阻抗匹配条件下对晶片进行工艺处理时所需的电压。在完成对等离子体的点火之后，可调节频率可调射频电源的频率，使该频率可调射频电源的频率变更为工艺处理频率，使匹配器向反应腔室输出的电压变更为工艺处理电压，从而使反应腔室实现在最佳阻抗匹配条件下对晶片进行工艺处理。本实施例中，点火频率需要大于工艺处理频率，这样才能在满足最佳阻抗匹配条件下实现等离子体的点火。
优选地，点火电压大于或者等于最低点火电压。其中，最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。
本实施例提供的等离子体点火的方法基于等离子体点火的装置，该装置包括频率可调射频电源和与频率可调射频电源连接的匹配器。该方法包括：将频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使频率可调射频电源通过匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现匹配器向反应腔室输出点火电压，并通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火，其中点火频率大于频率可调射频电源的工艺处理频率。本实施例提供的等离子体点火的方法通过调节频率可调射频电源的频率使匹配器向反应腔室输出点火电压，并通过点火电压对反应腔室内的等离子体进行点火，无需通过调节匹配器内部的可调电感的电感值实现等离子的点火，从而避免了调节可调电感的电感值而导致的降低继电器的使用寿命的问题，可实现在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下提高继电器的使用寿命。
本发明实施例三还提供一种半导体设备，该半导体设备包括等离子体点火的装置和反应腔室，该等离子体点火的装置和反应腔室连接。其中，对等离子体点火的装置的具体描述可参见上述实施例一，此处不再赘述。
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。

Claims (8)

1.一种等离子体点火的装置，其特征在于，用于在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下实现等离子体的点火和工艺处理，包括：频率可调射频电源和与所述频率可调射频电源连接且固定处于最佳阻抗匹配条件下的匹配器；
所述频率可调射频电源，用于在频率为点火频率时通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压，所述点火电压用于实现对所述反应腔室内的等离子体进行点火，所述点火频率大于所述频率可调射频电源的工艺处理频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率可调射频电源还用于在频率为点火频率时通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压之后，在频率为所述工艺处理频率时通过所述匹配器向所述反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出工艺处理电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述匹配器包括自耦变压器、可调电感和电容，所述自耦变压器与所述频率可调射频电源连接，所述自耦变压器和所述可调电感并联连接，所述自耦变压器的接地端和所述可调电感的接地端接地，所述自耦变压器的输出端和所述可调电感的输出端与所述电容的输入端连接，所述电容的输出端用于向所述反应腔室输出所述点火电压。
4.根据权利要求1至3任一所述的装置，其特征在于，所述点火电压大于或者等于最低点火电压，所述最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。
5.一种等离子体点火的方法，其特征在于，基于所述等离子体点火的装置，用于在不改变最佳阻抗匹配条件的前提下实现等离子体的点火和工艺处理，所述等离子体点火的装置包括：频率可调射频电源和与所述频率可调射频电源连接且固定处于最佳阻抗匹配条件下的匹配器；
所述方法包括：
将所述频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使所述频率可调射频电源通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压，所述点火频率大于所述频率可调射频电源的工艺处理频率；
通过所述点火电压对所述反应腔室内的等离子体进行点火。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述频率可调射频电源的频率调节为点火频率，以使所述频率可调射频电源通过所述匹配器向反应腔室提供射频功率从而实现所述匹配器向所述反应腔室输出点火电压之后包括：
将所述频率可调射频电源的频率调节为所述工艺处理频率，以使所述射频可调频率电源通过所述匹配器向所述反应腔室提供射频功率以实现所述匹配器向所述反应腔室输出工艺处理电压。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述点火电压大于或者等于最低点火电压，所述最低点火电压为能够使等离子体点火成功的最低电压。
8.一种半导体设备，其特征在于，包括：等离子体点火的装置和反应腔室，所述等离子体点火的装置和所述反应腔室连接；
所述等离子体点火的装置采用如权利要求1至4任一所述的等离子体点火的装置。
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