CN104754850B - 一种电感耦合型等离子处理器 - Google Patents

Abstract

一种电感耦合型等离子处理器，包括：反应腔，基座，高频射频电源和电感线圈；所述基座位于反应腔中，待处理基片固定在所述基座上；反应腔顶部包括绝缘材料窗，所述电感线圈设置在反应腔外侧，通过所述绝缘材料窗将射频磁场传递入反应腔；所述高频射频电源通过一个匹配电路连接到所述电感线圈输入端，电感线圈的输出端连接到接地端；其特征在于所述匹配电路和电感线圈输入端之间还包括第一平衡电路，所述电感线圈输出端和接地端之间还包括第二平衡电路，所述第一和第二平衡电路包括互相串联的电感和电容。

Description

一种电感耦合型等离子处理器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种电感耦合型等离子处理器的驱动电路。

背景技术

近年来，计算机、通讯、汽车电子、航空航天工业和其他消费类产品对微电子封装提出了更高的要求，即更小、更薄、更轻、高可靠、多功能、低功耗和低成本，需要在硅晶圆上制备出许多垂直互连通孔来实现不同芯片之间的电互连，硅通孔刻蚀工艺逐渐成为微纳加工领域的一个重要技术。而随着微电子机械器件和微电子机械系统（MicroElectromechanical System， MEMS）被越来越广泛的应用于汽车和电费电子等领域，以及TSV（Through Silicon Via）通孔刻蚀（Through Silicon Etch）技术在未来封装领域的广阔前景，深硅刻蚀工艺逐渐成为MEMS制造领域和TSV技术中最炙手可热的工艺之一。这些半导体处理设备中广泛应用电感耦合型（ICP）等离子处理装置，如图1所示，电感耦合型等离子处理装置包括一个反应腔100，反应腔内包括一个基座120，基座内包括下电极。基座上方包括静电夹盘121，待处理的基片122设置在静电夹盘上。一个具有较低频率（如2Mhz～400Khz）的射频电源40通过一个匹配器50连接到下电极。反应腔顶部包括一个绝缘材料制成的顶板，一个电感线圈设置在绝缘材料顶板上方展开。一个射频电源60通过匹配电路80连接到电感线圈70的，电感线圈70的另一端接地。一个供气喷头90通过一个阀门95与反应气源110相连接。电感线圈70可以是渐开线形或者同心圆形，或者是内外分区的多种线圈形状的组合等等。射频电流从线圈70的输入端流入电感线圈从另一端流入接地端，在射频电场传递过程中电压会逐渐降低。如图2所示的为典型的渐开线型线圈的电压幅度分布图，电压幅度从输入点A到输出端B呈线性降低。在等离子处理过程中线圈上的电压会对反应腔内的鞘层厚度产生影响，鞘层厚度又会影响等离子入射反应腔顶部绝缘材料窗的能量。如果入射能量太大会轰击破坏绝缘材料窗下方表面，造成颗粒物掉落到下方的基片上形成污染，同时由于整个线圈在不同位置具有不同的电压，所以整个绝缘层被轰击造成的破坏程度不同，所以线圈电压的分布不均也会造成下方基片处理效果的不同。要减小由于线圈上的电压分布不均需要设置一个平衡电路以获得更优化的电压分布。为此现有技术在电感线圈的两端各连接了两个电容以平衡线圈内各个位置的电压。如图3a所示为带有平衡电容Cin、Cout的的电感线圈驱动电路，射频电源60的输出功率通过一个可变电容Cv连接到串联连接的Cin、电感线圈70和Cout最后到接地端。电感线圈两端的电容Cin、Cout的容值经过精心计算和设计可以最终使电感线圈上的电压分布变为图3b所示的A端的电压从输入电压Vin减小为原有电压的一半Vin/2,B端的电压从0变为-Vin/2，A端与B端只是相位相反的高频电压，其实际对下方等离子反应腔起影响的电压幅度都是Vin/2。线圈正中间经过两端电容串联后变为0电压，这样虽然线圈两端的电压差仍然是Vin，但是其对下方反应腔造成的轰击效果明显减小了。但是这样的改进仍然存在问题，两个串联电容经过设计可以匹配当前的等离子反应腔，但是当反应腔内阻抗发生变化造成电感线圈70的电感量发生变化或者输入射频电源的频率发生变化时这个电路无法实现有效的线圈电压平衡，每次为了特定的射频电源或者特定的加工工艺都必须替换新的电容Cin、Cout才能实现调节上述线圈电压，实现平衡分布，这样做不仅成本高昂，而且费时费力，所以业界需要能够适应不同电感70阻抗，同时还需要能适应电源60具有不同频率输出的电感线圈驱动电路。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电感耦合型等离子处理器，包括：反应腔，基座，高频射频电源和电感线圈；所述基座位于反应腔中，待处理基片固定在所述基座上；反应腔顶部包括绝缘材料窗，所述电感线圈设置在反应腔外侧，通过所述绝缘材料窗将射频磁场传递入反应腔；所述高频射频电源通过一个匹配电路连接到所述电感线圈输入端，电感线圈的输出端连接到接地端；其特征在于所述匹配电路和电感线圈输入端之间还包括第一平衡电路，所述电感线圈输出端和接地端之间还包括第二平衡电路，所述第一和第二平衡电路包括互相串联的电感和电容。

其中第一平衡电路和第二平衡电路具有相同的阻抗，能够实现不同射频频率时的自动平衡。

第一平衡电路包括一个输入电感连接到所述匹配电路输出端，一个输入电容连接在所述输入电感和所述电感线圈之间；所述第二平衡电路包括一个输出电感一端连接到接地端，另一端通过一个输出电容连接到所述电感线圈输出端。

其中所述输入电容与输出电容可以具有相同的容值。

其中所述输入电感与输出电感可以选用空气芯电感。

基座通过一个第二匹配电路连接到低频射频电源，高频射频电源或者低频射频电源的输出功率在高功率输出和低功率输出之间交替变化。所述高频射频电源或者低频射频电源的输出频率也与输出功率同步的变化。本发明在应用到频率可变的应用场合是具有突出的优势，现有技术无法再频率可变的应用场合实现自动平衡。

本发明中第一平衡电路或第二平衡电路中其中之一包括一个电感，与第一平衡电路和第二平衡电路中的电容配合，在不同工艺参数时实现对不同阻抗的匹配。

附图说明

图1是现有技术电感耦合型等离子处理装置的结构示意图；

图2是现有技术电感线圈上的电压分布图；

图3a是现有技术改进后的电感线圈驱动电路图；

图3b是现有技术应用改进电感线圈驱动电路后电感线圈上的电压分布图；

图4是本发明第一实施例电感线圈驱动电路图；

图5是本发明第二实施例电感线圈驱动电路图。

具体实施方式

请参考图4理解本发明电感耦合等离子处理装置上电感线圈的驱动电路。如图4所示，本发明电感驱动电路包括射频电源60,通过一个可变电容Cv连接到一个输入电感Lin的输入端，输入电感Lin的输出端连接到一个输入电容 Cin的输入端，输入电容的输出端连接到电感线圈70的输入端A。电感线圈的输出端连接到一个输出电容Cout的输入端，输出电容Cout的输出端B连接到一个输出电感Lout的输入端，输出电感Lout的输出端接地。

本发明电感耦合驱动电路可以适应具有自动频率调节（auto frequency tuning）功能的射频电源60。随着等离子处理精度的越来越高，等离子能量和浓度的控制精度要求也越来越高，脉冲型等离子体也得到广泛应用。在利用脉冲型等离子体对半导体基片进行处理时，施加到等离子反应腔的射频功率是突变的，为了适应突变的射频功率和突变的等离子体阻抗需要更快速的匹配能力，传统的匹配器，如本发明中的匹配器50、80需要用一个机械驱动的可变阻抗元器件，如图3a 中的可变电容Cv。在调节匹配过程中通过机械驱动该可变电容Cv，实现匹配电路与等离子反应腔内阻抗的匹配，使射频电源输出的功率尽可能多的被输送到反应腔内。但是在应用脉冲型等离子体对半导体基片进行处理时，由于脉冲频率达到几千赫兹或者几十千赫兹，所以要求匹配时间要小于1ms，这是普通机械驱动无法达到响应速度。所以本申请人在另一个已经提交的中国专利申请CN201210393470.X中提出利用瞬间突变的输出功率频率来实现阻抗快速匹配。本发明射频电源60的输出频率可以是在两接近的频率之间跳变（如12.9Mhz-13.1Mhz），这样就实现了电子切换，相应速度就能达到所需要的速度。连接到下电极的偏置射频源40的输出功率也可以是脉冲式的。本发明通过在电感线圈两端串联的平衡电路来实现电压调平衡的同时还能实现在这种可变输出频率范围内的匹配和电压分布平衡。本发明的平衡电路包括串联的电感和电容，其中输入电容Cin和输出电容Cout 需要经过计算或的其容值，使得连接在电感线圈两端时能实现线圈上的电压平衡，获得如图3b所示的电压分布。同样的，本发明中的输入电感Lin和输出电感Lout的感值也需要根据所进行的等离子处理工艺进行选择。等离子反应腔100内进行的处理工艺（功率、气压、气体成分等）不同是会造成等离子体具有不同的阻抗，不同的等离子阻抗会造成电感线圈70实际感值的不同，所以如图3a所示的现有技术只用两端的两个电容无法匹配等离子体阻抗在一定范围内变化的实际应用情况。发明人发现，应用包括串联电感、电容组合形成的复合阻抗能够在更宽范围内匹配由于处理工艺不同导致的等离子反应腔100内阻抗在一定范围内变动，也能匹配由于射频电源60或40具有突变的输出频率带来的阻抗在一定范围内变动。

最佳的，通过对输入输出电感和电容参数的选择，本发明电感线圈两端的平衡电路具有相同的阻抗值，这样在电感线圈两端的电压就能实现自动平衡，其中输入电容Cin和Cout具有相同的容值，输入电感Lin和输出电感Lout 也可以具有相同的感值，这样使得两端的平衡电路具有对称性。具有对称性的平衡电路在输入频率变化时其两端平衡电路的阻抗能够同步变化，因此电感线圈也能自动能够获得如图3b所示的平衡状态的电压分布，而且本发明通过在平衡电路中设置电感能够更好的适应反应腔内阻抗随着处理工艺的不同在一定范围变化。

本发明也可以将图4所示的设置在电感线圈前端Lin和后端的Lout合并为Lin’设置在匹配电路和输入电容之间，具体电路如图5所示。当然合并后的Lin’也可以设置在输出电容Cout后，连接在输出电容和接地端之间。如图5所示的本发明第二实施例由于电感Lin’只设置在电感线圈一端所以不具有了对称的特性，在选择参数时输入电容Cin和输出电容Cout也不同，因而在较宽频率变化范围内也无法实现自动平衡。但是相对现有技术仍然具有优势，本发明第二实施例能够适应不同的加工工艺带来的阻抗变化，在不需要频率范围可变或者频率变化范围不大的应用场合仍然能够高效的工作。

本发明平衡电路中也可以设置多个电感或者多个电容以组合形成其它阻抗值，仍然能够实现本发明目的，属于本发明技术方案的变形实施例。本发明中电感和电容的位置可以互换，比如输入电容在输入电感的前端，输入电感与电感线圈70相连接。本发明中的电感Lin和Lout由于主要起适应反应腔内阻抗变化的作用，所以不需要很大的电感值，可以选择电感值很低的空气芯电感。

本发明电感耦合型等离子处理器顶部绝缘材料窗除了可以是平顶形的也可以是穹顶形的，甚至绝缘材料部分也可以设置在反应腔侧壁顶部，相应的电感线圈也可以是覆盖在反应腔顶部或者部分侧壁。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电感耦合型等离子处理器，包括：

反应腔，基座，高频射频电源和电感线圈；

所述基座位于反应腔中，待处理基片固定在所述基座上；

反应腔顶部包括绝缘材料窗，所述电感线圈设置在反应腔外侧，通过所述绝缘材料窗将射频磁场传递入反应腔；

所述高频射频电源通过一个匹配电路连接到所述电感线圈输入端，电感线圈的输出端连接到接地端；

其特征在于，所述高频射频电源是可变频率电源，所述匹配电路和电感线圈输入端之间还包括第一平衡电路，所述电感线圈输出端和接地端之间还包括第二平衡电路，所述第一和第二平衡电路包括互相串联的电感和电容，所述第一和第二平衡电路用于在所述高频射频电源输出可变频率的情况下实现所述电感线圈的电压分布平衡；

所述高频射频电源的输出功率在高功率输出和低功率输出之间交替变化。

2.如权利要求1所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述第一平衡电路和第二平衡电路具有相同的阻抗。

3.如权利要求1所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述第一平衡电路包括一个输入电感连接到所述匹配电路输出端，一个输入电容连接在所述输入电感和所述电感线圈之间；所述第二平衡电路包括一个输出电感一端连接到接地端，另一端通过一个输出电容连接到所述电感线圈输出端。

4.如权利要求3所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述输入电容与输出电容具有相同的容值。

5.如权利要求3所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于所述输入电感与输出电感为空气芯电感。

6.如权利要求1所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述基座通过一个第二匹配电路连接到一个低频射频电源。

7.如权利要求6所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述低频射频电源的输出功率在高功率输出和低功率输出之间交替变化。

8.如权利要求7所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述高频射频电源或者低频射频电源的输出频率也与输出功率同步的变化。

9.一种电感耦合型等离子处理器，包括：

反应腔，基座，高频射频电源和电感线圈；

所述基座位于反应腔中，待处理基片固定在所述基座上；

反应腔顶部包括绝缘材料窗，所述电感线圈设置在反应腔外侧，通过所述绝缘材料窗将射频磁场传递入反应腔；

所述高频射频电源通过一个匹配电路连接到所述电感线圈输入端，电感线圈的输出端连接到接地端；

其特征在于，所述高频射频电源是可变频率电源，所述匹配电路和电感线圈输入端之间还包括第一平衡电路，所述电感线圈输出端和接地端之间还包括第二平衡电路，所述第一或第二平衡电路中一个包括互相串联的电感和电容，另一个包括一个电容，所述第一或第二平衡电路用于在所述高频射频电源输出可变频率的情况下实现所述电感线圈的电压分布平衡；

所述高频射频电源的输出功率在高功率输出和低功率输出之间交替变化。

10.如权利要求9所述电感耦合型等离子处理器，其特征在于，所述第一平衡电路包括串联的电感和电容，第二平衡电路包括一个电容。