CN103943448B - 一种等离子处理装置的等离子处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源中至少一个脉冲射频电源输出具有多个状态，所述处理方法包括：匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，在匹配频率获取步骤中切换脉冲射频电源的输出状态使反应腔具有脉冲处理步骤中会出现的多个阻抗。调节可变频射频电源的输出频率使之与出现的阻抗匹配，存储该调节后的多个输出频率为多个匹配频率，在后续的脉冲处理步骤中以存储的多个匹配频率来之间匹配快速切换的阻抗。

Description

一种等离子处理装置的等离子处理方法

技术领域

本发明涉及一种等离子处理方法及等离子处理装置，更具体地，涉及一种用于给等离子处理装置供应射频功率的射频电源及射频电源的控制方法。

背景技术

现有半导体加工中广泛采用等离子加工设备对半导体晶圆（wafer）进行加工，获得微观尺寸的半导体器件及导体连接。等离子设备常见的有电容耦合型（CCP）和电感耦合型（ICP）的反应腔，这些设备一般具有两个射频电源，其中一个用来电离通入反应腔内的反应气体使之产生等离子体，另一个射频电源用来控制入射到晶圆表面的离子能量。

如图1所示的等离子处理装置包括反应腔100，反应腔内包括一个基座22，基座内包括一个下电极。下电极上方包括一个待处理基片固定装置如静电夹盘21，晶圆20固定在静电夹盘21上表面。围绕静电夹盘和晶圆的还包括一个边缘环10。反应腔100内与基座相对的上方还包括一个气体喷淋头11，气体喷淋头连接到气源110，用于向反应腔内均匀的供气。气体喷淋头内还作为上电极与基座内的下电极相对形成电容耦合。一个第一射频电源31通过匹配器1电连接到下电极，一个第二射频电源32通过匹配器2电连接到下电极，第一和第二射频电源都具有固定的射频频率。由于等离子体的阻抗是会随着等离子体内气压、射频功率和等离子体浓度等参数的变化而变化的，所以需要持续的调节输入功率的参数和阻抗以最小化反射功率。在等离子处理过程中第一和第二射频电源31,32均向下电极供电，匹配器1,2分别通过内部的可动部件调节阻抗参数以最小化射频反射功率。同样也可以调节射频功率源31或31的频率以更快的调节输入阻抗。但是上述调节匹配器1,2中的阻抗需要机械部件（如机械驱动的可变电容或可变电感）移动来实现。此外最小化反射功率时上述机械部件在任意方向移动然后根据反馈的反射功率值来控制机械部件进一步移动到合适的位置，所以这个扫匹配器描阻抗或射频电源频率的过程耗时很长，达到秒级，如大于1秒。

现在很多等离子加工流程需要用到脉冲式等离子加工技术，在部分加工时段的射频电源不是持续供电的而是开通-关闭的交替进行或者高功率-低功率射频交替进行，其输出功率的波形呈脉冲式故称脉冲式等离子加工。交替的频率一般是在500Hz-500KHZ左右，而且开通-关闭的占空比也是可以调整的可以是在10%-90%范围内根据需要设定。这样每次开通、关闭或者高功率、低功率切换都会造成反应腔内阻抗迅速变化，而且每次变化的时间都是毫秒甚至微秒级的，上述情况采用匹配电路或者射频电源中的自动频率调谐（Autofrequencytuning）由于反应时间远不能达到毫秒级，所以均不能达到在脉冲式等离子加工的需求。

因此基于上述原因，业界需要一种能够用现有硬件或者只对现有硬件条件作简单调整就能实现在脉冲式等离子加工时实现快速的阻抗匹配。

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提供适用于脉冲式等离子加工的一种等离子处理装置的等离子处理方法。

本发明通过提供一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源为脉冲射频电源，所述处理方法包括：

匹配频率获取阶段和脉冲处理阶段，所述匹配频率获取阶段包括：

第一匹配频率获取步骤：调节第一脉冲射频电源的输出为第一输出状态，第二脉冲射频电源输出为第三输出状态，使反应腔内具有第一阻抗，调节第二脉冲射频电源中的变频元件，获得第一匹配频率以匹配所述第一阻抗；第二匹配频率获取步骤：调节所述第一脉冲射频电源的输出为第二输出状态，第二脉冲射频电源输出为第四输出状态使反应腔内具有第二阻抗，调节第二脉冲射频电源中的变频元件，获得第二匹配频率以匹配所述第二阻抗；

所述脉冲处理阶段包括：第一处理步骤：设定所述第一脉冲射频电源输出具有第一输出状态，同时设定所述第二脉冲射频电源的输出为第三输出状态且具有第一匹配频率；第二处理步骤：设定所述第一脉冲射频电源输出具有第二功率输出状态，同时设定所述第二脉冲射频电源的输出为第四输出状态且具有第二匹配频率其特征在于所述匹配频率获取阶段中的第一或第二匹配频率获取步骤的时间小于100ms且大于脉冲处理阶段中的第一或第二处理步骤的时间。

所述脉冲处理阶段中第一或第二处理步骤的时间小于10ms。

所述第一脉冲射频电源的第一输出状态具有第一功率输出，第二输出状态具有第二功率输出，其中第一功率输出大于第二功率，其中第二功率输出也可以为零。

第一、二匹配频率获取脉冲步骤中，第二脉冲射频电源输出功率可以与第一脉冲射频电源同步的在不同输出功率间切换也可以具有相同输出功率。

第一脉冲射频电源输出频率小于第二脉冲射频电源输出频率。如第一脉冲射频电源输出频率小于13MHz，第二脉冲射频电源输出频率大于13MHz。

本发明提供另一个事实例：一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，一个控制系统控制所述多个射频电源，所述多个射频电源为脉冲射频电源，所述处理方法包括：所述控制系统发送进入匹配频率获取阶段的信号到所述多个射频电源，在匹配频率获取阶段中第一射频电源以第一脉冲频率输出射频功率，使所述输出射频功率在第一功率和第二功率之间切换，第二射频电源以第一脉冲频率同步的调节输出频率，获得与所述第一功率和第二功率输出对应的第一和第二匹配频率；

获得第一和第二匹配频率后，所述控制系统发送进入脉冲处理阶段的信号到所述多个射频电源，在脉冲处理阶段中第一射频电源以第二脉冲频率输出射频功率，使所述输出射频功率在第一功率和第二功率之间切换，第二射频电源同步以第二脉冲频率同步的在第一和第二匹配频率间切换；其中第一脉冲频率小于第二脉冲频率。

其中第一脉冲射频率大于60Hz小于1000Hz，第二脉冲频率大于60Hz小于500KHz。匹配频率获取阶段中第二射频电源输出恒定的功率。

采用本发明能够更快的实现射频输出功率的切换以及更快的获得脉冲处理阶段相应的匹配频率，提供整体的加工速度。

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示出根据现有技术的所述等离子处理设备的结构示意图；

图2示出根据现有技术的高频和低频电源输出功率和功率匹配示意图；

图3示出根据本发明的高频和低频电源输出功率和功率匹配示意图；

图4示出根据本发明另一实施例的高频和低频电源输出功率和功率匹配示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。图1中所述的第一射频电源31、第二射频电源32其中一个是低频射频功率源，一个是高频射频电源。高频射频电源的频率大于13MHz，如30MHz、60MHz等，低频射频电源的频率小于13MHz如2MHz，下面以第一射频电源31为高频射频电源，第二射频电源32为低频射频电源为例来说明本发明方法。

如图2所示为现有技术的高频和低频电源输出功率和功率匹配示意图；在等离子加工过程中首先要点燃等离子体，然后可能经过一些过渡步骤进入主要的等离子加工步骤。这个方法在模仿多个不同的阻抗状态时由于采用传统的连续型射频发生器，所以切换速度很慢，达到秒级，如大于1秒。采用连续型射频发生器在第一输出功率时如图2中高频电源输出曲线可知，在初始阶段通过自动频率调谐（AFT）功能获得匹配频率后，不能直接切换到下一个阻抗状态，还需要为切换到下一个功率输出状态准备，比如需要准备下一阶段的升功率等。所以整个阻抗状态（CW1）维持时间很长要达到1秒以上，同样的第二阻抗状态也是需要同样多的时间。在阻抗状态比较多时，比如高频射频电源31，和低频射频电源32分别具有不同输出功率，甚至还具有一个第三射频电源时，不同射频电源不同功率输出状态的组合会有很多种。如果每个组合状态需要花1秒以上的话，要在匹配频率获取步骤耗费大量时间，然后再进入正式的脉冲等离子处理阶段。所以该现有技术虽然能够实现对脉冲式等离子处理的匹配但是处理效率有待改进。

本发明相对现有技术，除了功率输出采用脉冲式电源如低频射频电源32是选用脉冲式电源以外，进行匹配的射频电源,如高频射频电源31也选用脉冲式电源。脉冲式电源相对传统的连续式电源的差别是，脉冲式射频电源内部包括适应脉冲式功率输出（快速的高低功率输出切换）的硬件和软件设置。在不同功率输出切换工程中本发明所述的脉冲式射频电源可以瞬间实现输出功率的切换，而现有技术由于硬件的限制需要大于100ms的时间来从第一输出功率转换到第二输出功率。如图2所示在CW1转换到CW2中虽然图中显示功率输出是瞬间切换的，实际上的曲线是倾斜的，比如从1000W切换到4000W实际需要2秒以上的时间。其它功率数值之间的切换如1000W到0W也至少需要几百毫秒。此外在采用脉冲式电源时控制整个反应腔100内设备运行的控制系统只要发送进入脉冲式输出阶段的信号即可，脉冲式射频电源会自己根据指令自行输出脉冲式功率。而现有技术由于采用传统的连续式射频电源，所以需要控制系统发出每个脉冲起始和结束的信号，控制系统要发出这些信号需要经过一定时间的运算和延时才能送到连续式射频电源，如100-300ms的延时。由于信号延时的存在所以，传统连续式射频电源无法快速的切换输出功率或频率，所以本发明的两个射频电源均采用脉冲式射频射频电源。脉冲式射频电源中包括一个存储装置能够存储至少两种输出状态，每个输出状态包括不同的功率输出或者频率输出，在接到控制系统的指令输出状态进行脉冲式切换时，直接根据存储的信息输出脉冲式射频电场到等离子反应器。采用两个或多个脉冲式射频电源可以减少上述功率转换和信号延时造成的时间浪费，能够更快的实现射频输出功率的切换。

在进入后续的脉冲等离子处理前，首先进入匹配频率获取阶段。在匹配频率获取阶段中高频射频电源31和低频射频电源32可以输出高低不同的功率，模仿在后续脉冲处理阶段会出现的阻抗状态。比如脉冲处理阶段会出现高频射频功率源31输出功率高，低频射频功率源32输出功率低的状态，在多个匹配频率获取步骤S31、S32中相应的设置同样功率输出的状态，然后调节高频射频电源31的频率获得最佳的匹配频率，最终获得能够匹配不同状态的匹配频率。在脉冲处理阶段时直接用获得的不同匹配频率的高速切换来实现对高速脉冲处理状态的匹配。比如在低频射频电源32（2MHz）输出功率分别在高功率输出和低功率输出时，高频射频电源31（60MHz）经过匹配获得对应两个不同阶段的匹配频率分别为59.5MHz和58.9MHz。随后，在后续的脉冲处理阶段中，高频射频电源31直接用所获得的这两个匹配频率实现对低频射频电源不同功率输出状态（如图3中步骤S41和S42）的快速匹配。在使用本发明方法后，如图3中高频电源反射功率的图形所示，可以显著的减少反射功率。在低频射频电源输出功率按脉冲频率切换时，高频射频电源31的输出功率基本维持不变，如保持输出功率为1000W，或者前后两个阶段中的功率输出变化小于5%，最好是相同。如图4所示本发明另一实施例，高频射频电源31的输出功率也可以是与低频射频电源32同步作脉冲切换，输出高功率射频和低功率射频，比如是在1000W和800W之间切换。图4中高频射频电源的输出功率在S31和S32步骤中功率切换时间，可以与低频射频电源32的功率切换时间同步也可以有一定延时。虽然高频射频电源31属于脉冲射频电源，可以快速的切换输出状态，但是本发明需要精确模拟后续脉冲处理阶段的阻抗状态，所以高频射频电源31仍然保持近似的功率输出。如图3中高频电源反射功率曲线所示，在采用本发明方法后，高频射频功率在保持输出功率为1000W情况下，高频射频电源处测得的不同脉冲处理步骤S41和S42的反射功率分别为6W和40W远小于输出功率，所以匹配的效果很好。

本发明的控制系统在点燃等离子后，发送进入匹配频率获取阶段的信号到第一脉冲射频电源31和第二脉冲射频电源32，第二脉冲射频电源32输出以第一脉冲频率高低变化的射频功率，第一脉冲射频电源31输出功率基本不变，其输出频率通过调节内部变频原件来调节，最终第一射频电源的31获得匹配第二射频电源32不同输出状态的多个匹配频率。在获得多个匹配频率后，控制系统发送进入脉冲处理阶段的信号到第一脉冲射频电源31和第二脉冲射频电源32，第二脉冲射频电源32以第二脉冲频率输出脉冲型射频电场到等离子处理腔处理基片，第一脉冲射频电源31的输出频率同步的以第二脉冲频率在所述获得的匹配频率之间切换，其中脉冲处理阶段的第二脉冲频率大于匹配频率获取阶段中的第一脉冲频率。现有技术中控制系统在第一匹配频率获取步骤（图3中S31）和第二匹配频率获取步骤（图3中S32）甚至更多的匹配频率获取步骤中都分别要发送控制命令，使射频电源根据指令输出脉冲式的电场到反应腔，每一次输出功率的脉冲变化都需要控制系统发送一次，增加了控制系统的复杂性，而且由于命令传输过程中延时的存在造成更多的时间浪费。本发明中由于本身是脉冲型射频电源，所以控制系统只需发送一次信号，脉冲射频电源就能自动完成多个脉冲的输出，同时另一个脉冲式射频电源完成匹配频率的获取，多个脉冲的时间总和（t3）也只是毫秒级，大大节约了时间。

本发明在匹配频率获取步骤中包括多个匹配频率获取步骤，如图3所示每个匹配频率获取步骤如S31、S32的时间很短，呈脉冲状，其频率可以是60Hz-1000Hz，即使多个匹配频率获取脉冲所用时间的和t3也远小于现有技术中多个匹配频率获取步骤的时间（t1+t2），其中每个脉冲步骤S31、S32的时间长度可以是100us-100ms，最佳的为1ms-10ms，只有现有技术中所需时间的1/100~1/1000，所以即使需要很多个脉冲来匹配，其所需时间也很短，不会影响整体的处理效率。

在后续正式脉冲式等离子处理阶段中，低频射频功率以脉冲频率（60Hz-500KHz）进行高低输出功率的切换，其中高输出功率大于低输出功率的2倍。低输出功率也可以是零，也就是脉冲式等离子处理可以处于等离子点燃和熄灭的交替中。在低频射频电源32的输出功率高低切换时，同步地，高频射频电源的输出功率也根据加工需要设定数值，其中高频射频电源31的输出频率在所述获得的至少两个匹配频率之间切换。

与之相反的，高频射频电源31的输出在高低输出功率间脉冲式切换，低频射频电源32进行频率切换，匹配不同的阻抗状态也属于本发明思想的另一个实施例。两个射频电源同时进行脉冲式切换也可以应用本发明方法，先用多个匹配频率获取脉冲模仿后续会出现的阻抗状态，获得相应的匹配脉冲，在随后的脉冲处理阶段中直接用获得的匹配频率来快速匹配不同的阻抗。包括第三个或者更多脉冲信号时也可以适用本发明方法，只是需要设置更多匹配频率获取步骤来匹配更多不同的阻抗状态。

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)

1.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源为脉冲射频电源，所述处理方法包括：

匹配频率获取阶段和脉冲处理阶段，

所述匹配频率获取阶段包括：

第一匹配频率获取步骤：调节第一脉冲射频电源的输出为第一输出状态，第二脉冲射频电源输出为第三输出状态，使反应腔内具有第一阻抗，调节第二脉冲射频电源中的变频元件，获得第一匹配频率以匹配所述第一阻抗；

第二匹配频率获取步骤：调节所述第一脉冲射频电源的输出为第二输出状态，第二脉冲射频电源输出为第四输出状态使反应腔内具有第二阻抗，调节第二脉冲射频电源中的变频元件，获得第二匹配频率以匹配所述第二阻抗；

所述脉冲处理阶段包括：

第一处理步骤：设定所述第一脉冲射频电源输出具有第一输出状态，同时设定所述第二脉冲射频电源输出为第三输出状态且具有第一匹配频率；

第二处理步骤：设定所述第一脉冲射频电源输出具有第二输出状态，同时设定所述第二脉冲射频电源输出为第四输出状态且具有第二匹配频率

其特征在于所述匹配频率获取阶段中的第一或第二匹配频率获取步骤的时间小于100ms且大于脉冲处理阶段中的第一或第二处理步骤的时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述脉冲处理阶段中第一或第二处理步骤的时间小于10ms。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一脉冲射频电源的第一输出状态具有第一功率输出，第二输出状态具有第二功率输出，其中第一功率输出大于第二功率输出。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于其中第二功率输出为零。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一、二匹配频率获取脉冲步骤中，第三输出状态中的输出功率大于等于第四输出状态中的输出功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一脉冲射频电源输出频率小于第二脉冲射频电源输出频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述第一脉冲射频电源输出频率小于13MHz，第二脉冲射频电源输出频率大于13MHz。

8.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，一个控制系统控制所述多个射频电源，所述多个射频电源为脉冲射频电源，所述处理方法包括：

所述控制系统发送进入匹配频率获取阶段的信号到所述多个射频电源，在匹配频率获取阶段中第一射频电源以第一脉冲频率输出射频功率，使所述输出射频功率在第一功率和第二功率之间切换，第二射频电源以第一脉冲频率同步的调节输出频率，获得与所述第一功率和第二功率输出对应的第一和第二匹配频率；

获得第一和第二匹配频率后，所述控制系统发送进入脉冲处理阶段的信号到所述多个射频电源，在脉冲处理阶段中第一射频电源以第二脉冲频率输出射频功率，使所述输出射频功率在第一功率和第二功率之间切换，第二射频电源同步以第二脉冲频率同步的在第一和第二匹配频率间切换；

其中第一脉冲频率小于第二脉冲频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述第一脉冲射频率大于60Hz小于1000Hz，第二脉冲频率大于60Hz小于500KHz。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述匹配频率获取阶段中第二射频电源输出恒定的功率。