CN103648230A - 可切换的射频功率源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可切换的射频功率源系统，可以实现在多频率的射频功率之间进行切换。本系统使用射频信号发生器、射频信号放大器，并且包括一开关组件在具有两个频率的被放大的信号之间切换。

Description

可切换的射频功率源系统

本申请为申请日是2010年3月23日、申请号是201010130648.2、发明名称是“可切换的射频功率源系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及运用于等离子体处理腔的射频功率供应装置，尤其是指，一种能实现在多频率的射频功率之间切换应用的射频功率供应装置。

背景技术

运用双重射频频率输入的等离子体处理腔在现有技术中被熟知。通常，双重射频频率输入的等离子体处理腔接受频率在大约15MHz之下的偏置射频功率和具有更高频率（通常40MHz-200MHz）的等离子体源射频功率。在本文中，偏置射频功率指用于控制等离子体离子能量和离子能量分布的射频功率。等离子体源射频功率指用于控制等离子体的离子解离或等离子体密度的射频功率。作为一些具体例子，在现有技术中，等离子体刻蚀处理腔工作在2MHz或13MHz的偏置射频下和工作在27MHz、60MHz、100MHz或更高频率的源射频下。

最近有提议将等离子体处理腔工作于一个偏置频率和两个源频率下。例如，有人提出将等离子体刻蚀处理腔工作于2MHz的偏置频率和工作于27MHz和60MHz的两个源频率下。照此设置，使用两个源射频功率可以控制不同种类离子的解离度。但是，在这些现有技术中，每个频率均由一个单独的射频功率供应装置提供。欲知详情，可以参考美国专利6,281,469、6,703,080、7,144,521、7,503,996、7,602,127和美国公开的专利申请2005/0264218和2007/0044715。

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。

本发明的各方面提供具有可切换的射频功率源的等离子体处理腔。使用此创新的系统，一个单一的射频功率发生器可以被用于施加不同的频率给等离子体。该被施加的射频频率可以在任何时候被切换，包括在工艺处理期间。例如，当在需要高轰击能量时，处理腔可以被操作于使用2MHz的射频偏置功率，而当需要更小能量的离子轰击时，处理腔可以被操作于使用13MHz的射频偏置功率。本发明公开了各种各样的具体的实施方式，其中，被切换的元件可以是振荡器、直接数字式合成器(Direct DigitalSynthesizer，DDS)、放大器、输出端等等。

根据本发明的方面，提供一种可切换的射频功率源系统，包括：提供频率信号的振荡器;接收该频率信号和以一第一频率或以一第二频率输出射频信号的射频功率源组件（RF power sourcearrangement）;一宽带放大器，用于接收和放大该具有第一频率或第二频率的射频信号，从而提供一个具有该第一频率或第二频率的被放大的射频信号;以及一切换机制，用于在该第一频率或第二频率之间切换。

根据本发明的一方面，该射频功率源组件包括一第一直接数字式合成器(DDS)和一第二直接数字式合成器(DDS)，以及，其中该切换机制包括一第一开关和一第二开关，该第一开关接收该频率信号并选择性地将该频率信号提供给该第一直接数字式合成器或第二直接数字式合成器中的一个；该第二开关选择性地将源自该第一直接数字式合成器或第二直接数字式合成器的射频信号提供给该宽带放大器。

根据本发明的另一方面，该射频功率源组件包括一第一直接数字式合成器和一第二直接数字式合成器，以及，其中该切换机制包括一开关，该开关选择性地将源自该第一直接数字式合成器或第二直接数字式合成器的射频信号提供给该宽带放大器。

根据本发明的另外方面，该系统可以进一步包括匹配网络，并且，该切换机制包括一开关，用于选择性地给该网络提供一个具有该第一频率或该第二频率的射频信号。

根据本发明的另一具体实施方式，提供一种可切换的射频功率源系统，包括：提供频率信号的振荡器;射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;接收和放大该具有第一频率的射频信号的第一窄频带放大器和接收和放大该具有第二频率的射频信号的第二窄频带放大器，从而提供一个被放大的具有第一频率或第二频率的射频信号;以及，一切换机制，用于在该第一频率和第二频率之间切换。该切换机制可以包括一第一开关和一第二开关，该第一开关接收该频率信号并选择性地将该具有第一频率的射频信号提供给该第一窄频带放大器和将该具有第二频率的射频信号提供给该第二窄频带放大器;该第二开关选择性地从第一窄频带放大器或第二窄频带放大器接收输出信号。

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是一个现有技术等离子体处理腔配置的图示说明，其具有一个偏置射频功率发生器。

图2是本发明可切换频率的等离子体处理腔配置的第一具体实施方式的图示说明，其具有两个窄频带功率放大器和一个射频频率源。

图3是本发明的一个具体实施方式的图示说明，其具有两个直接数字式合成器和一个宽带功率放大器。

图4是本发明的另一个具体实施方式的图示说明，其具有两个直接数字式合成器和一个宽带功率放大器。

图5是本发明的另一个具体实施方式的图示说明，其具有一个直接数字式合成器和一个宽带功率放大器。

图6是本发明的另一个具体实施方式的图示说明，其具有一个直接数字式合成器和一个宽带功率放大器。

图7示出运用本发明的具体实施方式的一种方法。

图8示出一种可以使用于本发明的具体实施方式的匹配电路。

具体实施方式

图1是一个现有技术等离子体处理腔配置的图示说明，其显示了一射频功率源，使用一振荡器和一直接数字式合成器（DDS）。更具体地，在图1中，等离子体处理腔130概要地显示包括上电极125(通常被接地)和下电极115，以在两个电极之间维持等离子体120。可以知道，上电极125通常被埋置在处理腔130的顶部或气体喷淋头内，而下电极115被埋置在位于下方的阴极组件内，被处理的工艺件（例如半导体晶圆）被放置于阴极组件上方。通常设置多个射频功率源，这样其中一个射频功率源提供偏置射频功率，而另一个射频功率源则提供源射频功率。通常，偏置功率被施加于下电极(如图所示)，而源射频功率通常被施加于上电极或天线(本图示中未示出，但为业内所熟知)。

请再参阅图1，一射频功率供应装置150通过常规的匹配电路(图示中以粗体箭头表示)提供射频功率给处理腔130。该射频的频率为f1，并可以被使用作为偏置频率，通常是2MHz或13.56MHz等，而当它被使用作为源频率时，通常为27MHz、60MHz、100MHz、120MHz等等。为了提供所需的频率，一振荡器100提供一高准确度、高稳定性的频率f0，它被DDS105用来产生任何需要的频率f2、f3等等，这些产生的频率也同样具有高准确度、高稳定性。从DDS105得出的射频信号再由一个宽带功率放大器110放大，再被提供到匹配电路，然后被施加至阴极115。

在有些应用中，需要能改变偏置频率或源频率。例如，业内应用希望能在2MHz和13.56MHz之间切换来改变等离子体的离子能量的控制，或者，希望能从27MHz改变到60MHz或者100MHz等等，从而改变对等离子体密度的控制。本发明的各种各样的具体实施方式提供这个特色，通过避免重复设置整个射频功率产生电路来实现系统成本的最小化。亦即，不是提供两个完全一样的射频功率供应路径，其中每一个路径提供一个频率，本发明的各种各样的具体实施方式实现使用一个单一的射频功率供应路径来提供两个频率。在下文中，为了简化说明，本专利描述的实施方式仅涉及切换偏置功率的具体实施例，然而，熟悉本技术领域的人员应当理解，该设置同样适用于源功率的切换。

图2是本发明示例的可切换的射频偏置功率发生器的第一具体实施方式的图示说明。在图2中，振荡器200提供触发器信号给DDS205。DDS205产生第一频率或第二频率。其输出信号被施加于开关207来选择性地施加该输出信号到窄频带放大器212或214之一。窄频带放大器212和214中的每一个均被设计成对该输出信号以一个期望的频率进行放大并且过滤掉剩余的频率。例如，窄频带放大器212可以被调制到2MHz，而窄频带放大器214可以被调制到13.56MHz。开关209与开关207同步，来从任一个放大器212或214选择适当的输出信号。

在本具体配置中，一匹配电路被用于连接射频功率到处理腔。匹配电路通常可以包括多个匹配网络，并且任何合适的匹配网络都可以被使用。然而，为了得到较优的结果，推荐使用本专利申请人所持有的美国专利7,503,996中描述的匹配网络。

如上所述，在现有技术中，各种各样的射频偏置功率和源功率通过使用单独、分立的射频功率供应装置提供。然而，射频功率的放大器相当昂贵，多个并置的射频功率供应装置导致高成本和更低的可靠性。因此，根据本发明的各种各样的方面，多个射频功率的产生可以在一个改进的架构中达到实现，它可以降低费用并且改进系统的可靠性。

图3描述了一个单一射频功率源的具体实施方式，它能够提供可切换的射频功率频率，但是只运用了一个单一的功率放大器。在图3中，振荡器300以一设置的频率提供触发器信号。该触发器信号被施加至开关307，开关307选择性地施加该触发器信号至DDS302或DDS304。DDS302和DDS304中的每一个使用该触发器信号来产生一射频信号，但是具有不同的频率。开关309选择性地连接DDS302或304中的任一个的输出，并且开关309的输出被连接至宽带放大器310。宽带放大器310的输出被连接至处理腔330。

可以理解，根据一具体实施方式，由DDS302或DDS304产生的射频信号被用来提供射频偏置功率，而一不同的信号发生器（未图示）被用来提供射频源功率。在这样的配置下，控制器385将控制宽带放大器310放大到合适的功率来产生所希望的离子解离。控制器385也会控制DDS302或DDS304中的任一个来得到所期望的离子轰击能量。例如，为了得到高轰击能量，控制器385可以选择DDS302，而为了得到低离子轰击能量，控制器385可以选择DDS304。与图2的具体实施方式相同，这里开关309需要根据开关307的位置被切换。

图4说明本发明的一具体实施方式，其仅需要使用一个开关来选择适当的频率。在图4中，振荡器401和403中的每一个产生一触发器信号，两个触发器信号的频率互相不同。每一个振荡器的信号被施加到对应的DDS402和404，这样，每一个DDS402和404产生具有不同于另外一个的频率的射频信号。DDS402和404的输出被连接至开关409，开关409选择性地连接其中的一个射频信号到宽带放大器410。亦即，因为频率DDS402和404可以不同，如果使用仅一个单一的放大器，则需要一个宽带放大器。放大器410的输出被连接至处理腔430。

不同于图4中使用两个DDS，使用一个DDS也可以产生两个频率。图5中显示出一个例子，其中DDS505输出频率f1或频率f2。一种实施方式是从振荡器提供不同的触发器信号。另外一种实施方式是使用同一个触发器信号，但是从DDS产生不同的频率。由于不同的频率可以从DDS505输出，一个宽带放大器510被用于放大源自DDS505的信号。然而，两个频率f1和f2可以完全彼此不同，从而需要不同的匹配电路来连接每一个信号至处理腔。所以，图6所示的具体实施方式使用与图5所示的具体实施方式一样的信号发生组件，除了在图6中还包括一开关607，用于将从放大器610被选出的输出连接至适当的匹配电路612或614。

上述具体实施方式的任何一种可以被用于操作等离子体处理腔以提供一个工艺流程，该工艺流程具有工作于第一偏置频率的第一操作期间和工作于第二偏置频率的第二操作期间。例如，处理腔可以工作于一个低的偏置频率（如，约2MHZ）来进行主要刻蚀步骤;然而，为了在结束刻蚀期间实现“软着陆”，系统可以被切换成工作于一更高的频率（如，约13MHz）。图7为根据本发明的一种具体实施方式提供的一种运用两个偏置频率来进行工艺处理的示例。该工艺可以是，例如，刻蚀半导体晶圆。在步骤700，源射频功率源被激励以形成等离子体。源射频功率可以提供的频率是，比如，27MHz、60MHz、100MHz、120MHZ、160MHz等等。在步骤710，偏置射频源被激励以提供第一偏置频率f1，该第一偏置频率在第一工艺步骤（步骤720）中被施加至处理腔来使得被解离的离子轰击晶圆。当该第一工艺步骤完成后，在步骤730，第一偏置功率f1被切换成第二偏置频率f2，以便继续进行第二工艺步骤（步骤740）。在这种情况下，第一偏置频率f1可以是，比如，约2MHZ，第二偏置频率f2是，比如，约13MHz。

图8示出一种具体实施方式，其中开关和并联电容被连接至一个匹配电路，用于实现两个频率之间的切换。该具体实施方式可以与在图6所示的具体实施方式一起使用。在图8中，一单一的并联电容842连接至开关890。开关890的每个输出端被连接到一个匹配电路865或870。匹配电路865包括一个电容元件861和电感元件862。而匹配电路870包括一个电容元件871和电感元件872。两个匹配电路的输出可以被一起连接到等离子体反应器的阴极。该连接通过使用开关和并联电容来实现，可以防止能量从断开的电路损失。亦即，当开关890被连接到电路870，如图8所示，没有能量通过电路865而损失，因为并联电容842连接在开关890的输入端之前的前端。结果，所有能量都被输送到等离子体反应器的阴极。

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。

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 (7)

1.一种可切换的射频功率源系统，包括：

振荡器，提供一频率信号;

射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;

一第一窄频带放大器，接收和放大所述以该第一频率输出的射频信号，以及一第二窄频带放大器，接收和放大所述以该第二频率输出的射频信号，从而提供一个被放大的具有所述第一频率或所述第二频率的射频信号;以及，

切换机制，接收所述射频功率源组件的输出并且选择性地将所述具有第一频率的射频信号施加至所述第一窄频带放大器或将所述具有第二频率的射频信号施加至所述第二窄频带放大器。

2.一种可切换的射频功率源系统，其特征在于，包括：

振荡器，提供一频率信号;

第一射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率输出一射频信号;和一第二射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第二频率输出一射频信号；

宽频带放大器，接收和放大所述具有该第一频率或该第二频率的射频信号，从而提供一个被放大的具有该第一频率或该第二频率的射频信号;以及，

切换机制，选择性地接收所述第一射频功率源组件或所述第二射频功率源组件的输出，并且选择性地施加所述具有第一频率的射频信号或具有第二频率的射频信号至所述宽频带放大器。

3.一种可切换的射频功率源系统，其特征在于，包括：

振荡器，提供一频率信号;

射频功率源组件，接收所述频率信号和选择性地以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;

宽频带放大器，接收和放大所述源自于该射频功率源组件的射频信号，从而提供一个被放大的具有该第一频率或该第二频率的射频信号，

其中，还包括一开关机制，接收所述宽频带放大器的输出并且选择性地施加所述具有该第一频率的经过放大的射频信号至一第一匹配网络或施加所述具有该第二频率的经过放大的射频信号至一第二匹配网络。

4.一种具有可切换的射频功率源系统的等离子体处理腔，其特征在于，包括：

真空室；

包括电极的阴极组件；

连接于所述电极的匹配网络；

可切换的射频功率源系统，与所述匹配网络相连接，所述可切换的射频功率源系统包括：

振荡器，提供一频率信号;

射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;

一第一窄频带放大器，接收和放大所述以该第一频率输出的射频信号，以及一第二窄频带放大器，接收和放大所述以该第二频率输出的射频信号，从而提供一个被放大的具有所述第一频率或所述第二频率的射频信号;以及，

切换机制，用以在所述第一频率和第二频率之间切换，

其中，所述切换机制包括一第一开关和一第二开关；所述第一开关接收所述频率信号并且选择性地提供所述具有第一频率的射频信号至所述第一窄频带放大器和提供所述具有第二频率的射频信号至所述第二窄频带放大器；所述第二开关选择性地从所述第一窄频带放大器或所述第二窄频带放大器接收输出信号。

5.一种具有可切换的射频功率源系统的等离子体处理腔，其特征在于，包括：

真空室；

包括电极的阴极组件；

连接于所述电极的匹配网络；

可切换的射频功率源系统，与所述匹配网络相连接，所述可切换的射频功率源系统包括：

振荡器，提供一频率信号;

射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;

一第一窄频带放大器，接收和放大所述以该第一频率输出的射频信号，以及一第二窄频带放大器，接收和放大所述以该第二频率输出的射频信号，从而提供一个被放大的具有所述第一频率或所述第二频率的射频信号;以及，

切换机制，接收所述射频功率源组件的输出并且选择性地将所述具有第一频率的射频信号施加至所述第一窄频带放大器或将所述具有第二频率的射频信号施加至所述第二窄频带放大器。

6.一种具有可切换的射频功率源系统的等离子体处理腔，其特征在于，包括：

真空室；

包括电极的阴极组件；

连接于所述电极的匹配网络；

可切换的射频功率源系统，与所述匹配网络相连接，所述可切换的射频功率源系统包括：

振荡器，提供一频率信号;

第一射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第一频率输出一射频信号;和一第二射频功率源组件，接收所述频率信号和以一第二频率输出一射频信号；

宽频带放大器，接收和放大所述具有该第一频率或该第二频率的射频信号，从而提供一个被放大的具有该第一频率或该第二频率的射频信号;以及，

切换机制，选择性地接收所述第一射频功率源组件或所述第二射频功率源组件的输出，并且选择性地施加所述具有第一频率的射频信号或具有第二频率的射频信号至所述宽频带放大器。

7.一种具有可切换的射频功率源系统的等离子体处理腔，其特征在于，包括：

真空室；

包括电极的阴极组件；

连接于所述电极的匹配网络；

可切换的射频功率源系统，与所述匹配网络相连接，所述可切换的射频功率源系统包括：

振荡器，提供一频率信号;

射频功率源组件，接收所述频率信号和选择性地以一第一频率或一第二频率输出一射频信号;

宽频带放大器，接收和放大所述源自于该射频功率源组件的射频信号，从而提供一个被放大的具有该第一频率或该第二频率的射频信号，

其中，还包括一开关机制，接收所述宽频带放大器的输出并且选择性地施加所述具有该第一频率的经过放大的射频信号至一第一匹配网络或施加所述具有该第二频率的经过放大的射频信号至一第二匹配网络。

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