CN103311082B - 一种射频匹配网络及其所应用的等离子体处理腔 - Google Patents
一种射频匹配网络及其所应用的等离子体处理腔 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种射频匹配网络及应用该射频匹配网络的等离子体处理腔，通过采用本发明所述的射频匹配网络，只需调节其中可变电容的大小即可实现射频匹配网络在两种阻抗状态的即时切换，从而保证两射频偏置功率在射频偏置功率源不断开的前提下也能实现即时切换，满足等离子体处理腔的需要。
Description
技术领域
本发明涉及应用于等离子体处理腔的射频功率源(RFpowersuppliers)和匹配网络(matchingnetworks)，尤其涉及能够实现多重频率射频功率(multiple-frequencyRFpower)的射频功率源和匹配网络。
背景技术
在本领域中，利用双重或多重射频频率的等离子体处理腔已被熟知。一般地，双重频率的等离子体处理腔接收的射频偏置功率(RFbiaspower)具有低于大约15MHz的频率，其接收的射频源功率(RFsourcepower)具有更高的频率，通常为27～200MHZ。在本文中，射频偏置功率(RFbiaspower)指用于控制离子能量及其能量分布的射频功率。另一方面，射频源功率(RFsourcepower)指用于控制等离子离子解离(iondissociation)或等离子体密度的射频功率。在一些具体实施例中，通常运行蚀刻等离子处理腔的偏置频率为，诸如100KHz，2MHz，2.2MHz，13.56MHz，源频率为诸如13.56MHz，27MHz，60MHz，100MHz或更高。
在等离子体反应腔室实际工作过程中，需要提供频率不同的射频偏置电源，例如，有时需要反应腔室同时工作在2MHz偏置频率和60MHz的源频率下；而有时又需要反应腔室同时工作在13MHz偏置频率和60MHz的源频率下，为了便于选择不同频率的射频偏置功率，现有技术中通常采用在两个射频偏置功率的输出端连接一继电器，通过继电器断开与闭合选择所需的射频偏置功率。然而，继电器只能在射频偏置电源断开时，才能进行切换选择，而射频偏置电源断开将会影响等离子体能量及其分布。故实际应用中需要提供一种能实现即时切换射频偏置电源的匹配网络。
发明内容
发明内容部分仅提供对本发明的一些方面和特征的基本理解性介绍，而非本发明的整体概括，其并非特别地用于确定本发明关键或主要的原理或者限定本发明的范围，其目的仅用于以简化形式呈现本发明的一些概念，以作为下文更多细节描述的前序。
为了解决上述问题，本发明提供一种可切换射频匹配网络，用于将两个射频偏置功率在射频偏执功率源无需断开的情况下，可切换地施加于一个等离子体处理腔的电极上，所述的射频匹配网络包括一谐振电路，所述谐振电路包括一电容、一电感和一可变电容，调节可变电容大小，所述谐振电路可以在第一阻抗状态和第二阻抗状态之间切换，
在第一阻抗状态，所述谐振电路对第二射频偏置功率处于高阻抗状态，对第一射频偏置功率处于低阻抗状态；
在第二阻抗状态，所述谐振电路对第一射频偏置功率处于高阻抗状态，对第二射频偏置功率处于低阻抗状态。
所述的谐振电路包括一个电容器和一个电感器并行连接的并联电路，所述并联电路两端分别连接一个电容器和一个电感器，所述可变电容耦合于地和所述射频偏置功率之间，进一步包括一个耦合与地和所述射频偏置功率之间的固定电容。
所述的两个射频偏置功率可以由一个单独的射频功率发生器提供，也可以由两个射频功率发生器分别提供。
本发明还提供一种在两个可切换的射频偏置功率源下运行的等离子体处理腔，包括：
一个反应腔，用于在其被抽成真空的内部之中产生等离子体；
一个下电极，用于耦合射频能量于所述等离子体；
一个第一射频功率发生器，其可选地产生一个低于10MHz的第一偏置频率或一个高于所述第一偏置频率但低于15MHz的第二偏置频率；
一个第一匹配网络，其用于将两个射频偏置功率可切换地施加于一个等离子体处理腔的电极上；
一个第二射频功率发生器，其产生高于15MHz的射频源功率；以及，
一个第二匹配网络，其包括耦合于所述第二射频功率发生器的输入和耦合于所述下电极的输出。
所述的第一射频匹配网络包括一谐振电路，所述谐振电路包括一电容、一电感和一可变电容，调节可变电容大小，所述谐振电路可以在第一阻抗状态和第二阻抗状态之间切换，在第一阻抗状态，所述谐振电路对第二射频偏置功率处于高阻抗状态，对第一射频偏置功率处于低阻抗状态；在第二阻抗状态，所述谐振电路对第一射频偏置功率处于高阻抗状态，对第二射频偏置功率处于低阻抗状态。
所述的一种在两个可切换的射频偏置功率源下运行的等离子体处理腔，其进一步地包括一个耦合于地和所述第二射频功率发生器之间的第二可变并联电容器。
所述第一偏置频率为大约2MHZ，所述第二偏置频率为大约13MHz，所述射频源功率的频率为27MHz、60MHz和100MHz中的任一个。
所述的等离子体处理腔，其进一步地包括一个并联谐振电路，其耦合于所述第二匹配网络的所述输出和所述下电极之间，所述并联谐振电路被调谐以使其中心频率在大约13MHz，其频带宽度为2MHz。
本发明的优点在于：通过采用本发明所述的射频匹配网络，只调节其中可变电容的大小即可实现射频匹配网络在两种阻抗状态的即时切换，从而保证两射频偏置功率在射频偏置功率源不断开的前提下也能实现即时切换，满足等离子体处理腔的需要。
附图说明
本说明书中包含的附图，作为本说明书的一部分，示例性地示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图示的方式说明所述实施例的主要特征。附图的目的并不在于描述实际实施方式的每个特征和所描绘元件的相对尺寸，所述元件并非按比例绘制。
图1是根据本发明的一个实施例的具备热切换偏置功率频率等离子体处理腔的结构示意图。
图2示例性地示出了一个射频功率匹配网络。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个具体实施例的具备热切换偏置功率的等离子体处理腔的结构示意图，所述等离子体处理腔包括两个耦合于一个匹配网络的可切换射频偏置功率源。在图1中，两个射频偏置功率源125和155通过匹配网络140给反应腔100提供可切换的射频偏置频率f1和f2。所述射频偏置频率f1通常为2MHz或2.2MHz，射频偏置频率f2通常为13MHz(更准确地为13.56MHz)。两个射频偏置通常施加于下电极110。按此方式，本发明实现了一种改良的离子能量控制。例如，对于需要更高的轰击能量应用场合，诸如前端蚀刻(front-endetch)的应用，可利用2MHz的源，而对于需要较柔和的轰击的应用场合，诸如后端蚀刻(back-endetch)的应用，可利用13MHz的偏置。图1也示出了一个射频源功率源135，其在频率f3下运行，例如，27MHz，60MHz，100MHz等。所述射频源功率源135通过匹配网络150被传送到反应腔100，并施加于下电极110。所述源功率用于控制等离子体密度，即等离子体离子解离。
图1所示的结构实现了反应腔双重频率(或f1/f3或f2/f3)的应用。例如，f1可为400KHz到5MHz；f2可为10MHz到20MHz，但通常低于15MHz；f3可为27MHz到100MHz或更高。在本实施例中，f1为2MHz，f2为13.56MHz，f3为60MHz。本实施例所述的结构使得运行在工艺过程中需要在低频率偏置功率和高频率偏置功率之间切换变得非常容易。
图2示例性地示出了一个射频匹配网络，其中三个可用频率的其中两个可切换地被施加于一个等离子体处理腔的下电极110上。一个高频f3通过一个匹配电路250和一个并联谐振电路230耦合于所述下电极110，而两个较低频率f1和f2与匹配网络240相耦合，所述的射频匹配网络240包括一谐振电路220，所述谐振电路220包括一个电容器和一个电感器并行连接的并联谐振电路，并联谐振电路220两端分别连接一个电容器202和一个电感器201，电容器202和射频频率f1和f2之间耦合一可变电容205，调节可变电容205，所述谐振电路可以在第一阻抗状态和第二阻抗状态之间切换，在第一阻抗状态，所述谐振电路对射频频率f2处于高阻抗状态，对射频频率f1处于低阻抗状态，即将f1和f3耦合与下电极110；在第二阻抗状态，所述谐振电路对射频频率f1处于高阻抗状态，对射频频率f2处于低阻抗状态，即将f2和f3耦合与下电极110。通过调节可变电容205，使得射频频率f1和f2在射频偏执功率源不断开的时候也能实现即时切换。在本实施例中，所述射频频率f1/f2由一个单独的射频功率发生器提供，以实现可即时切换地运行于频率f1或f2下。
谐振电路220包括一个范围在100pF-200pF间的电容器和一个范围在10uH-20uH间的电感器并行连接的并联电路，并联电路220两端分别连接一个范围在100pF-300pF间的电容器和一个范围在1uH-3uH的电感器，所述可变电容耦合于地和所述射频偏置功率之间。
所述并联谐振电路230用于防止能量从13.56MHz功率源进入60MHz源。也就是说，匹配电路240耦合于2MHz偏置源时，偏置频率比60MHz的等离子体源频率低三十倍，因此它不能跳过匹配电路234。但是，当匹配网络240耦合于13.56MHz偏置功率时，偏置频率更接近于等离子体源频率f3，可能跳过所述匹配电路234。因此，本发明提供了一种并联谐振电路230，其由一个电容器和一个电感并联连接而成。在本实施例中，当f1＝2MHZ，f2＝13.56MHz，f3＝60MHZ，所述并联谐振电路230的中心频率为13MHz，其变量或频带宽度为Δf＝2MHZ。这防止了偏置频率13.56泄漏(leakinto)进入源功率源f3。所述谐振电路是作为60MHz的一个短路(shortcircuit)。
在图2中，可变并联电容器215为频率f3和匹配电路234配合工作。在本实施例中，可变电容器205和215利用可变真空电容器(VARIABLEVACUUMCAPACITORS)来实施。并且，在本实施例中，可采用特定的保护方式以保护上述可变并联电容器。一个固定电容器206平行耦合于并联电容器205。固定电容器206保护并联电容器205以使其在设定为低电容值时不受高射频电流影响。同时，固定电容器210平行耦合于可变并联电容器215。固定电容器210保护并联电容器215以使其在设定为低电容值时不受高射频电流影响。在本实施例中，可变并联电容器205可在大约30PF到1500PF之间变化，固定电容器206被设定为大约100PF。类似地，在本实施例中，可变并联电容器215可在大约10PF到150PF之间变化，固定电容器210设定为大约120PF。
最后，应当理解，上文中描述的过程和技术并非固有地涉及任何特定装置，而应适用于多个组件的任何适当组合。进一步地，各种类型的通用装置均可根据本文所教导的内容被应用。制造专用装置来实现本文所述方法步骤也是有利的。本发明是参照具体实施例来描述的，其所有方面都应为示例性而非限定性。本领域的技术人员应当理解，硬件、软件和固件的不同组合都可适用于实施本发明。比如，所述软件可以用很多种程序或脚本语言来执行，诸如汇编、C/C++、PERL、SHELL、PHP、JAVA等等。
本发明是参照具体实施方式描述的，其所有方面都应为示例性而非限定性的。此外，通过本文所描述的本发明具体实施例和实施，本发明其他实施方式对于本领域技术人员应是显而易见的。所述实施方式的不同方面和/或元件可以在等离子体处理腔领域中单独或以任意组合使用。上述具体实施例应被视为仅为示例性的，本发明的范围和精神则是由权利要求书定义的。
Claims (9)
1.一种射频匹配网络，用于将两个射频偏置功率可切换地施加于一个等离子体处理腔的电极上，
其特征在于：所述的射频匹配网络包括一电容、一电感，其中所述电容和电感并行连接构成并联电路，所述射频匹配网络还包括一可变电容，所述并联电路一端通过所述可变电容耦合到输出所述两个射频偏置功率的射频功率发生器，
第二端耦合到所述电极，
所述可变电容一端连接在所述并联电路和射频功率发生器之间，另一端接地，
调节可变电容大小，所述并联电路可以在第一阻抗状态和第二阻抗状态之间切换，
在第一阻抗状态，所述并联电路对第二射频偏置功率处于高阻抗状态，对第一射频偏置功率处于低阻抗状态；
在第二阻抗状态，所述并联电路对第一射频偏置功率处于高阻抗状态，对第二射频偏置功率处于低阻抗状态。
2.根据权利要求1所述的一种射频匹配网络，其特征在于：所述的两个射频偏置功率由一个单独的射频功率发生器提供。
3.根据权利要求1所述的一种射频匹配网络，其特征在于：所述的两个射频偏置功率由两个射频功率发生器分别提供。
4.根据权利要求1所述的一种射频匹配网络，其特征在于：所述并联电路两端分别连接一个电容器和一个电感器，所述可变电容耦合于地和所述射频功率发生器之间。
5.根据权利要求4所述的一种射频匹配网络，其特征在于：进一步包括一个耦合于地和所述射频功率发生器之间的固定电容。
6.一种在两个可切换的射频偏置功率源下运行的等离子体处理腔，包括:
一个反应腔，用于在其被抽成真空的内部之中产生等离子体；
一个下电极，用于耦合射频能量于所述等离子体；
一个第一射频功率发生器，其产生第一射频偏置功率或第二射频偏置功率，所述第一射频偏置功率具有一个低于10MHz的第一偏置频率，所述第二射频偏置功率具有第二偏置频率，第二偏置频率高于所述第一偏置频率但低于15MHz；
一个第一匹配网络，其用于将两个射频偏置功率可切换地施加于一个等离子体处理腔的电极上；
一个第二射频功率发生器，其产生高于15MHz的射频源功率；以及，
一个第二匹配网络，其包括耦合于所述第二射频功率发生器的输入和耦合于所述下电极的输出，
所述的第一匹配网络包括一电容、一电感，所述一电容和一电感并行连接构成并联电路，所述第一匹配网络还包括一可变电容，所述并联电路一端通过所述可变电容连接到所述第一射频功率发生器，第二端连接到下电极，
所述可变电容一端连接在所述并联电路和第一射频功率发生器之间，另一端接地，
调节可变电容大小，所述第一匹配网络可以在第一阻抗状态和第二阻抗状态之间切换，
在第一阻抗状态，所述第一匹配网络对第二射频偏置功率处于高阻抗状态，对第一射频偏置功率处于低阻抗状态；
在第二阻抗状态，所述第一匹配网络对第一射频偏置功率处于高阻抗状态，对第二射频偏置功率处于低阻抗状态。
7.根据权利要求6所述的一种在两个可切换的射频偏置功率源下运行的等离子体处理腔，其特征在于：其进一步地包括一个耦合于地和所述第二射频功率发生器之间的第二可变并联电容器。
8.根据权利要求6所述的一种在两个可切换的射频偏置功率源下运行的等离子体处理腔，其特征在于：所述第一偏置频率为2MHZ，所述第二偏置频率为13MHz，所述射频源功率的频率为27MHz、60MHz和100MHz中的任一个。
9.根据权利要求6所述的等离子体处理腔，其进一步地包括一个并联谐振电路，其耦合于所述第二匹配网络的所述输出和所述下电极之间，所述并联谐振电路被调谐以使其中心频率在13MHz，其频带宽度为2MHz。
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