CN103327723A - 一种电容耦合等离子反应器及其控制方法 - Google Patents

一种电容耦合等离子反应器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电容耦合等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，基座内包括一个下电极，与下电极相对位于反应器顶部的一个上电极，一个高频射频电源连接到所述下电极并提供第一高频射频功率；所述高频射频电源连接到上电极并提供第二高频射频功率；一个低频射频电源连接到所述下电极并提供低频射频功率；其特征在于：所述电容耦合等离子反应器还包括一个移相控制器，连接在高频射频电源和所述上电极或下电极之间，使所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差连续变化，对基片表面等离子分布的搅动，实现等离子浓度更均匀的分布。

Description

一种电容耦合等离子反应器及其控制方法
技术领域
本发明涉及半导体制程设备，尤其是对于基板实施等离子体处理的电容耦合型等离子体处理装置，具体地，涉及施加到电容耦合型等离子处理装置的上下电极间的射频电源。
背景技术
在半导体设备的制造过程中，例如蚀刻、沉积、氧化、溅射等处理过程中，通常会利用等离子体对基板(半导体晶片、玻璃基板等)进行处理。一般地，对于等离子体处理装置来说，作为生成等离子体的方式。
在高频放电方式的等离子体处理装置中，包括电容耦合型等离子体反应器，电容耦合型反应器通常配置有上部电极和下部电极，优选地这两个电极平行设置。而且，通常在下部电极之上载置被处理基板，经由整合器将等离子体生成用的高频电源施加于上部电极或者下部电极。通过由该高频电源所生成的高频电场来使反应气体的外部电子加速，从而产等离子体对下部基片进行等离子处理。
在现有工艺中，在等离子体处理装置中通常会存在比较严重的射频耦合不均一情况。造成这种状况的原因比较多，例如集肤效应造成高频电流会沿电极边沿流动造成边缘和中心区域电场强度不均，驻波效应使得沿不同方向传播的射频电场在互相叠加后会形成驻波造成部分区域的电场强度强于其它部分。其它硬件设备的不对称也会造成在整个加工晶圆上的电场强度不均一。为了抵消这些原因造成的电场强度不均，现有技术采用了很多方法来改善电场分布和等离子分布的均一性。比如改变气体分布、改变上不和下部电极间的绝缘材料分布、上下电极间施加同频的射频功率，同时控制两个射频功率间相位差等多种手段。但是无论哪种方法都只能优化到特定的加工工艺或硬件设计，无法将一个设计用到不同硬件设备和任何加工工艺上。例如现有技术通过调节供应到两个不同的相位差，最终优化到一个最佳的相位差使得加工基片上的等离子浓度较均匀，但是同样的相位差到下一个不同步骤中，具有不同功率/频率/气体分布时就要调整一个新的相位差来优化。业内需要一种简单有效的方法来使得最终在等离子加工过程中上下电极间的电场在晶圆上安需要的强度均匀分布。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种等离子体处理装置用的基座以及对应的包括该基座的等离子体处理装置。
根据本发明的一个方面，提供一种电容耦合等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，基座内包括一个下电极，与下电极相对位于反应器顶部的一个上电极，一个高频射频电源连接到所述下电极并提供第一高频射频功率；所述高频射频电源连接到上电极并提供第二高频射频功率；一个低频射频电源连接到所述下电极并提供低频射频功率；其特征在于：所述电容耦合等离子反应器还包括一个移相控制器，连接在高频射频电源和所述上电极或下电极之间，使所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差连续变化。
其中第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差在大于10度的范围内连续变化，特别是在大于30度范围内变化。本发明的另一方面第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差在120-180度之间的范围内连续变化。其中连续变化的相位差在多个互相不重叠的区间内进行，也可以是在多个不同相位差值间连续切换。
所述频射频电源提供的第一高频射频功率和第二高频射频功率具有的频率大于等于13.56Mhz小于120Mhz，低频射频电源提供的低频射频功率具有小于等于2Mhz的频率。
本发明通过连续调节施加到电容耦合型等离子反应器上下电极间的射频功率的相位差，实现对上下电极间的等离子的搅动，实现等离子浓度在基片表面的均匀分布，本发明机构简单，可以适应于任何工艺和硬件设置无需额外调试优化均能显著提高等离子分布均一性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据本发明的第一实施例的，等离子体处理装置纵截面图；
图2示出了根据本发明的第一实施例的在基片表面上形成的电场强度分布曲线。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的等离子体处理装置的纵截面示意图。本领域技术人员理解，在现有技术中，等离子体处理装置通常包括：例如由内部成为密闭空间的真空腔室构成的处理容器100；在该处理容器100的底面中央配设的基座，基座内包括下电极22；以及在基座的上方以与该基座相对的方式设置着的上电极11，上电极通常同时作为气体喷口，典型的如气体喷淋头，该气体喷淋头连接到处理气体气源110。
上述下电极22形状与所述上部电极10相适应；基座上方设置有固定基片20用的基片固定装置21，典型的如静电夹盘。待加工的基片如晶圆被放置在基片固定装置21上方。环绕基片固定装置21和基片20的还包括一个边缘环10，该边缘环可以选择不同材料。所述下电极20通过电缆32或者气体线路连接到射频电源400。射频电源供应的射频可以是13.56-120Mhz的频率，用以产生等离子体。下电极同时还连接到一个低频射频电源402，如小于等于2MHz的射频电源，以控制入射的等离子的能量。
射频电源400通过线路31电连接到上电极11。线路31上还包括一个移相控制器30实现对施加到上电极的射频电源相位的调节。该移相控制器也可以设置在连接到下电极的线路32上，只要是能够实现对上下电极间的同频射频功率进行相位调节的装置都可以是本发明的移相控制器30。
通过以上的各装置结构，在等离子体处理装置的处理容器100内形成由下部电极22和上部电极11构成的一对平行平板电极。调整处理容器100内部至指定的压力后，通过导入处理气体，从射频电源供给高频电力，处理气体等离子体化。通过等离子体处理装置的这种作用，对固定在基座上的基板30实施利用等离子体的蚀刻。
射频电源的400施加到下电极时，由于处理容器100硬件结构的限制，射频电场会在基片上表面形成多个相向对流的电场，而且由于频率相同所以两者形成的叠加的电场会是一个驻波。如图2所示，驻波会在基片20表面形成一个强弱交替的电场分布，最终造成等离子浓度也是交替分布的。在上电极也施加射频场，而且与施加到下电极的电场具有不同的相位，两个电场叠加产生一个新的驻波，该驻波的上下电场强度差随着两个射频场的相位差变化而变化。现有技术通过调节选择一个优化的相位差比如在某个优选的相位差角度区间内(如90-180度)来获的更均匀的等离子浓度分布。上述电场分布的波动分布曲线只考虑驻波情况，实际应用中等离子浓度分布还受集肤效应等各种因素影响，会在基片上形成中间高两边低的等离子浓度分布。利用现有相位差优选的技术不能解决其它因素引起的等离子分布不均，因此并不能获得非常均一的等离子浓度分布。
本发明提出一种相位控制方法，利用图1所示的移相控制器30使得施加到上下电极间的射频电场相位差是连续变化的，比如可以是从120度到180度之间连续的循环扫过，从120度逐渐增加到180度再逐渐减小到120度，这样等效于有一个驻波在基片表面移动，其移动速度与相位调节速度相关。采用这种动态相位调节方法能够对处理容器100内的等离子体施加一个扰动，使得等离子体中的带电粒子像水波一样被从高密度区域推送到低密度区域，。如图2所示电场强度在分布的波纹状曲线，在相位差持续变化的情况下该曲线会水平移动，使等离子也随之水平移动，最终达到等离子浓度更加均匀的分布，获得更加均一的加工效果。
本发明可以在较窄的相位差范围内连续变化如30-60度或者90-120度两者的差为30度。相位差太小则不足以使大量带电粒子水平移动，达到使等离子分布均匀的目的，所以至少要10度。也可以是在更宽的相位差范围内连续扫过，如60度到180度。或者也可以是多个小的相位差区间之间的循环，如依次进行在60-70度，80-90度，100-110度的循环。或者也可以是多个不同相位差参数点之间连续切换，如30，40，50，60，90度等不同相位差数值间。
采用本发明的动态相位调节射频电源能够实现任何加工工艺和任何硬件基台上的等离子浓度分布均一性的改善，具有更好的适应性而且结构简单，不需要改动大量的硬件设备。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种电容耦合等离子反应器，包括位于反应器底部的一个基座，基座内包括一个下电极，与下电极相对位于反应器顶部的一个上电极，一个高频射频电源连接到所述下电极并提供第一高频射频功率；所述高频射频电源连接到上电极并提供第二高频射频功率；一个低频射频电源连接到所述下电极并提供低频射频功率；其特征在于：
所述电容耦合等离子反应器还包括一个移相控制器，连接在高频射频电源和所述上电极或下电极之间，使所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差连续变化。
2.根据权利要求1所述的电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差在大于10度的范围内连续变化。
3.根据权利要求2所述的电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差在大于30度的范围内连续变化。
4.根据权利要求3所述的电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述相位差变化范围为120-180度。
5.根据权利要求1所述的电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述相位差在多个互相不重叠的区间内连续变化。
6.根据权利要求1所述的电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述第一高频射频功率和第二高频射频功率之间的相位差在多个不同相位差值间连续切换。
7.根据权利要求1中电容耦合等离子反应器，其特征在于，所述高频射频电源提供的第一高频射频功率和第二高频射频功率具有的频率大于等于13.56Mhz小于120Mhz，低频射频电源提供的低频射频功率具有小于等于2Mhz的频率。
8.一种电容耦合等离子反应器控制方法，所述电容耦合等离子反应 器包括位于反应器底部的一个基座，基座内包括一个下电极，与下电极相对位于反应器顶部的一个上电极，所述控制方法包括：
施加第一高频射频功率到下电极；
施加第二高频射频功率到上电极；
施加一个低频射频功率到下电极；
其中第一高频射频功率和第二高频射频功率具有相同频率，调节所述第一高频射频功率和第二高频射频功率的相位差，使第一高频射频功率和第二高频射频功率的相位差连续变化。
9.根据权利要求8中电容耦合等离子反应器控制方法，其特征在于，所述高频射频电源提供的第一高频射频功率和第二高频射频功率具有的频率大于等于13.56Mhz小于120Mhz，低频射频电源提供的低频射频功率具有小于等于2Mhz的频率。
10.根据权利要求8中电容耦合等离子反应器控制方法，其特征在于，所述高频射频电源提供的第一高频射频功率和第二高频射频功率的相位差在大于10度的范围内连续变化。 
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