CN107333378A - 一种电感耦合等离子处理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电感耦合等离子处理装置，所述电感耦合等离子处理装置的电感线圈包括多个子线圈，每个子线圈覆盖下方绝缘材料窗的不同区域；一个射频电源通过匹配电路连接到所述多个子线圈的输入端，每个子线圈包括输出端电连接到地，一个控制器控制输入所述多个子线圈的功率，其特征在于，所述控制器控制所述电感线圈的多个子线圈轮流执行的多个处理阶段，在所述处理阶段中至少一个子线圈的输入功率高于其它子线圈的输入功率。

Description

一种电感耦合等离子处理装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种适用于电感耦合等离子处理装置的线圈驱动方法。

背景技术

等离子处理装置被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，如图1所示为典型的等离子处理装置结构图。等离子处理装置包括反应腔100，反应腔内底部包括基座用于支撑待处理的晶圆，基座内包括下电极122，下电极122内开设有冷却液管道，用于基座散热。下电极122上方还包括一静电夹盘121，通过静电夹盘121固定防置在静电夹盘上方的待处理晶圆120。一个边缘环110围绕所述静电夹盘121。与基座相对的反应腔顶部包括绝缘材料窗10，绝缘材料窗10上方设置有电感线圈20，线圈20通过一个匹配器30连接到一个射频电源。射频功率经过匹配器30匹配阻抗后被送入电感线圈20，线圈产生的电磁场馈入下方反应腔内形成并维持足够浓度的等离子体存在，以进行等离子处理。

随着半导体技术的发展，对晶圆（wafer）制程中的均匀度（uniformity）和临界尺寸（critical dimension，CD）要求越来越严格，各种微小因素引起的等离子处理不均匀度都变成实现等离子处理工艺均匀度要求的障碍。这些因素包括电感线圈的射频功率输入输出端不均匀分布、反应腔几何形状不是圆周对称等任何存在不对称分布的硬件。其中等离子分布的均匀度是影响等离子处理效果均匀度最主要的因素，因此改善等离子体分布的均匀性是获得更好处理效果的首要课题。

等离子体的均匀度改进包括两个方面，一是中心和边缘区域间的浓度差异、另一个是在整个圆形处理空间内部分方位角（azimuthal）上的等离子分布与其它区域不均匀。为了改善电感耦合等离子处理装置内等离子体分布在部分方位角上分布的均匀性，现有技术提出了很多方案,比如US5975013或者US6288493将电感线圈分隔成在绝缘窗10上均匀分布的多个独立可控的子线圈，每个子线圈对应一定的方位角区域，通过调节供应到不同子线圈的功率比例来控制不同线圈产生的等离子浓度。这样的方法虽然也可以一定程度上修正方位角上的等离子分布不均匀性，但是也存在缺陷：1.方位角上的不均匀区域很小，比如只有10度范围内存在不均匀时，相应的最佳需要每10度范围设置一个子线圈，这样就需要36个子线圈才足以修正等离子体浓度；2.只能静态修正，经过调节使得每个子线圈的功率比例达到最佳后只适应当前的处理工艺，一旦更换工艺参数原有的功率输出分布必须从新调节，所以无法动态修正等离子分布不均匀度；3.不同子线圈之间存在间隙区域，无法通过调节输入到不同子线圈的射频功率比例来补偿。

所以业内需要寻求一种新的线圈结构或控制方法来实现动态的等离子浓度不均匀性补偿，能够解决现有技术无法克服的上述缺陷。

发明内容

本发明公开一种电感耦合等离子处理装置，所述电感耦合等离子处理装置包括反应腔，反应腔内下方包括一个基座，基座上设置有待处理基片，反应腔顶部包括绝缘材料窗，绝缘材料窗上方设置有电感线圈，所述电感线圈包括多个子线圈，每个子线圈覆盖下方绝缘材料窗的不同区域；至少一个射频电源通过匹配电路连接到所述多个子线圈的输入端，每个子线圈包括输出端电连接到地，一个控制器控制输入所述多个子线圈的功率，其特征在于，所述控制器使得分配到所述多个子线圈的功率在多个处理阶段之间变化，在每个处理阶段内，所述控制器选择至少一个子线圈构成第一子线圈集，电感线圈中的其它子线圈构成第二子线圈集，输入第一功率到所述第一子线圈集，同时输入到第二子线圈集的功率小于所述第一功率，

相邻或者不同处理阶段内，所述第一子线圈集不同，循环进行的多个处理阶段使得每个子线圈具有相同的平均输入功率。

其中多个子线圈均匀分布在绝缘材料窗上方，覆盖绝缘材料窗上不同的方位角区域。 所述电感线圈还可以包括多组子线圈，每组子线圈覆盖不同的绝缘材料窗区域。所述每组子线圈可以是对应不同方位角分布的也可以是内外分布的，通过对不同组子线圈输入功率的轮流控制可以更大能力控制反应腔内等离子浓度分布。

本发明中每个子线圈上串联有一个可变电容，所述控制器通过控制所述串联电容的容值改变输入到每个子线圈的功率数值。所述可变电容位于每个子线圈输出端与地之间或者位于匹配电路输出端与子线圈输入端之间。

其中所述多个处理阶段中还包括一个子线圈的输入功率低于其它子线圈，使得不同子线圈产生的等离子浓度差更大，进一步促进等离子的横向扩散。

其中多个处理阶段的时间长度大于0.1秒小于5秒，以保证等离子在不同等离子浓度区域之间充分扩散，同时也避免长期的等离子浓度差影响下方等离子处理工艺的均匀度。

附图说明

图1为电感耦合等离子处理装置结构示意图；

图2为本发明电感线圈及驱动电路示意图；

图3为本发明电感线圈第二实施例及驱动电路示意图；

图4是本发明电感线圈中多个子线圈驱动功率变化图；

图5是本发明电感线圈另一实施例中多个子线圈驱动功率变化图。

具体实施方式

以下结合附图2-4，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开了一种可动态调整等离子浓度分布的电感耦合等离子处理装置，该等离子处理装置包含有等离子体反应腔。在进行等离子体刻蚀时，向等离子体反应腔提供反应气体，在等离子体反应腔中设有对应的顶部的电感线圈20和下电极，用于激发反应气体从而产生等离子体，使工艺过程中等离子体反应腔内部充满有等离子体（plasma）。

在等离子体反应腔的底部设有用于放置晶圆的基座，基座中设置有用于吸附晶圆的静电吸盘，可根据需要在静电吸盘或基座中设有加热器或制冷剂流路等温控系统。

如图2所示，本发明电感线圈20包括4个子线圈201-204，这几个子线圈在圆周上均匀分布，每一个子线圈产生的射频电磁场都能影响下方等离子反应腔中不同的方位角区域内的等离子浓度。四个子线圈通过射频功率输入端A端连接到匹配器30，匹配器30连接到一个射频功率源。四个子线圈201-204的输出端B1-B4通过各自的可变电容C1-C4连接到地。通过调节上述每个子线圈的各自的可变电容C1-C4就可以实现对每个子线圈上的电流大小的调节。当流入对应子线圈如201的电流较大时，子线圈201对应下方的区域内等离子浓度也会较大。

电感线圈20除了电感应产生磁场穿透进入反应腔100外，也同时存在电容耦合现象，将线圈上的电场耦合进反应腔，而电容耦合是对等离子处理不利的，所以需要尽量最小化。为了最小化电感线圈20的电容耦合，需要调节四个可变电容具有最佳的初始值Cb，在C1-C4的数值是Cb时，四个子线圈上的通过输入端A到达输出端的入射波形会与从可变电容C1-C4上反射的波形叠加形成驻波，这个驻波上的电压幅度能够使得子线圈的输入端A处具有最高电压V，输出端B1-B4具有-V，而子线圈中间段电压为零。这样的电压分布情况下可以最小化线圈向下的电容耦合，也就使得电感线圈上的电压分布达到了平衡状态。

在本发明包括一个控制器控制各个可变电容在初始值Cb基础上短时的改变容值使得四个子线圈上的电流数值轮流变化。比如图4所示的本发明电感线圈中多个子线圈驱动功率变化图，在处理阶段T1内线圈201的电容变小为Cb-△C，这时通过子线圈201的功率会变大，相应的下方的等离子密度也会变大，同时其它几个子线圈203-204的电容不变等离子浓度也维持初始状态。在处理阶段T2内线圈201的电容恢复为Cb，子线圈202变为Cb-△C，这时通过子线圈202的功率会变大，相应的下方的等离子密度也会变大，同时其它几个子线圈203、204的电容不变，下方的等离子浓度也维持初始状态。后续的T3、T4阶段中也是依次提高子线圈203、204的功率，同时保持其它线圈的功率维持在初始状态。这样经过T1-T4一个循环，每个处理阶段的时间长度相同，四个子线圈对应的反应腔内四个区域轮流产生高等离子浓度，而其它区域维持初始浓度，在这个过程中高等离子体浓度区域会自然的向等离子浓度较低两侧相邻的区域扩散，四个区域分时轮流向周围扩散可以使得下方整个反应区域的等离子浓度在长期运行中达到平衡。本发明通过快速调节电容，在四个区域内产生不同区域间的等离子浓度差，再通过分时轮流的方式实现等离子浓度分布平衡。由于浓度差的存在促进了等离子水平方向上的流动，越是浓度差大的区域，临近区域间等离子互相扩散形成的水平流动程度越大。对于原始存在的部分方位角上的等离子浓度分布不均，比如一个区域内的等离子浓度小于临近区域的浓度，原有的浓度差对等离子处理均匀度有影响，但不足以形成大量的等离子水平方向扩散，所以这个浓度差很难被消除。本发明通过人为产生很大的浓度差，高功率输入的子线圈的输入功率可以达到周围其它子线圈输入功率的1.2或1.5倍以上，从而促进不同区域间的等离子体水平水平方向流动，最终达到平均的等离子浓度分布。

为了产生更高的浓度差，本发明还提出了另一种电感线圈中多个子线圈驱动功率变化方法。如图5所示在处理阶段T1内线圈201的电容变小为Cb-C，这时通过子线圈201的功率会变大，相应的下方的等离子密度也会变大，同时其它几个子线圈202、204的电容不变等离子浓度也维持初始状态，对侧的子线圈203上的电容却变为Cb+△C，相应的子线圈203对应的区域浓度会低于初始状态。在处理阶段T2内线圈201的电容C1恢复为Cb，子线圈202变为Cb-△C，这时通过子线圈202的功率会变大，相应的下方的等离子密度也会变大，同时其它几个子线圈203的电容不变，子线圈204的可变电容C4变化为Cb+△C，相应的下方的等离子浓度也变小。后续的T3、T4阶段中也是依次提高子线圈203、204的功率，同时保持相邻子线圈的功率维持在初始状态，对侧的子线圈降低功率。这样在每个处理阶段中从高浓度区域到低浓度区域会产生更大的浓度差，相应的等离子水平扩散作用也更剧烈，从而有效的消除部分方位角上存在的浓度过高或者过低的区域，形成均一的浓度分布。在整个处理过程中包括多个循环进行的处理阶段，每个处理阶段输入到各个子线圈的功率比例如图4或图5所示，从处理阶段T1到T4轮流使得部分子线圈的输入功率高于其它子线圈，经历各个处理阶段后，输入到每个子线圈的功率在处理过程中具有相同的平均值。其中每个子线圈的输入功率平均值是指T1-T4每个阶段的功率之和除以处理阶段数4。只要保证输入到每个子线圈的平均功率相同，就能保证每个子线圈对应下方的平均等离子浓度在整个处理过程中相同。

本发明中输入高功率的子线圈也可以是两个子线圈组成的子线圈集，比如可以是T1处理阶段内的201、202，到T2处理阶段的202、203，再到203、204等，电感线圈中的其它子线圈组成第二子线圈集，输入第二子线圈集的功率低于输入第一子线圈集的功率。其中第一子线圈集的选择也可以在不相邻的处理阶段中重复，比如从整个处理过程分为T1-T8一共八个处理阶段，每个处理阶段依次选择输入高功率的子线圈为：201– 202– 201–203–202 – 204 – 203–204，这样的功率分配方式也可以实现本发明目的，因为最终在整个处理过程中所有四个子线圈上的平均功率仍然相同，而且每个处理阶段中不同子线圈间存在足够的输入功率差。

本发明中T1/T2/T3/T4的时间长度可以根据需要设定，但是不能选择太短，如果时间太短等离子从高浓度向低浓度扩散的不明显，同时也不能太长，如果太长则等离子不均匀现象会在局部区域积累影响工艺均匀性，具体取决于当前处理工艺的时长。如果当前工艺的执行时间长达30秒以上则T1的时长可以选择3秒-5秒，如果当前工艺执行时间只有10秒则最佳的T1的时长最上限好不超过1秒，以保证上述T1-T4的循环至少执行一个循环周期，较佳的需要执行两个循环周期以上。所以时长最佳的是在0.1-5秒之间，最佳的是0.2-1秒之间。

如图3所示，本发明线圈结构的第二实施例，基本与图2所示的实施例相同，区别在于线圈结构是多个漩涡状子线圈201’-204’从内向外延展的。

除了图2、3所示的四个独立控制区域的线圈结构，本发明也可以是更少的区域如2个、3个，或者是更多区域的如6个区、8个区域，相应地，通过控制每个子线圈的串联电容的数值在Cb周围变化，可以获得更多级的浓度差，在同一个处理阶段内获得更强烈的等离子水平扩散。

根据本发明原理，对输入到每个子线圈的功率控制也可以通过连接在输入端A（或者匹配电路输出端）和各个子线圈之间的可变电容来实现，此时输出端B1-B4和地之间的可变电容可以维持在Cb，不需要作频繁变化，直接调控输入端处的可变电容就能实现本发明目的。

本发明中每个子线圈流过的最低功率越低，则相应区域的等离子浓度越低，与旁边的高浓度区域也越容易形成更大的浓度差，但是最低功率仍然要大于一个限值，以保证相应区域的等离子能够被有效电燃并维持，否则可能会发生等离子熄灭等不稳定现象。这个限制与等离子体处理工艺需求的气压、气体种类以及反应腔的具体结构参数有关。

本发明电感线圈结构除了如图2、3所示的由完全相同的子线圈201-204组成外，也可以是有不同类型的线圈组成，比如可以有两组电感线圈组成，第一组线圈位于绝缘窗外围，线圈结构如图2所示的4个子线圈均匀环绕在外围，第二组线圈位于绝缘窗中心区域，子线圈结构如图3所示从中心向外延伸。这样由多组线圈在不同区域组合而成电感线圈组也能通过本发明轮流提高局部区域的等离子浓度的方法，实现提高等离子体浓度均匀度的目的。

本发明多个区域由于是动态调整每个子线圈的输入功率，产生局部区域的高浓度区域向周围扩散等离子，所以能够适应于任何等离子处理工艺，也能够修正任何方位角上的等离子浓度不均，具有广泛的适应性，而且结构简单所以相对现有技术具有明显的技术优势。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种电感耦合等离子处理装置，所述电感耦合等离子处理装置包括反应腔，反应腔内下方包括一个基座，基座上设置有待处理基片，反应腔顶部包括绝缘材料窗，绝缘材料窗上方设置有电感线圈，

所述电感线圈包括多个子线圈，每个子线圈覆盖下方绝缘材料窗的不同区域；

至少一个射频电源通过匹配电路连接到所述多个子线圈的输入端，每个子线圈还包括输出端电连接到地，一个控制器控制输入到所述多个子线圈的功率，

其特征在于，所述控制器使得分配到所述多个子线圈的功率在多个处理阶段之间变化，在每个处理阶段内，所述控制器选择至少一个子线圈构成第一子线圈集，电感线圈中的其它子线圈构成第二子线圈集，输入第一功率到所述第一子线圈集，同时输入到第二子线圈集的功率小于所述第一功率，

相邻处理阶段内，所述第一子线圈集不同，循环进行的多个处理阶段使得每个子线圈具有相同的平均输入功率。

2.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多个子线圈均匀分布在绝缘材料窗上方，覆盖绝缘材料窗上不同的方位角区域。

3.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述电感线圈包括多组子线圈，每组子线圈覆盖不同的绝缘材料窗区域。

4.如权利要求3所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多组子线圈中的第一组子线圈位于绝缘材料窗中心区域，第二组子线圈位于绝缘材料窗外围区域。

5.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述每个子线圈上串联有一个可变电容，所述控制器通过所述串联电容的容值以改变输入到每个子线圈的功率数值。

6.如权利要求5所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述可变电容位于每个子线圈输出端与地之间或者位于匹配电路输出端与子线圈输入端之间。

7.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述多个处理阶段中，控制器输入第二功率到至少一个子线圈，同时输入第三功率到至少一个子线圈，所述第三功率小于第二功率且第二功率小于所述第一功率。

8.如权利要求1所述的电感耦合等离子处理装置，其特征在于，所述每个处理阶段的持续时间长度大于0.1秒小于5秒。

9.一种电感耦合等离子处理装置的控制方法，所述电感耦合等离子处理装置

包括反应腔，处理装置包括反应腔，反应腔内下方包括一个基座，基座上设置有待处理基片，反应腔顶部包括绝缘材料窗，绝缘材料窗上方设置有电感线圈，所述电感线圈包括多个子线圈，每个子线圈覆盖下方绝缘材料窗的不同区域；射频电源通过匹配电路连接到所述多个子线圈的输入端，每个子线圈包括输出端电连接到地，一个控制器控制输入所述多个子线圈的功率，所述控制方法包括：

控制所述多个子线圈的输入功率，使得使得分配到每个子线圈的功率在多个处理阶段之间变化，在每个处理阶段内，所述控制器选择至少一个子线圈构成第一子线圈集，电感线圈中的其它子线圈构成第二子线圈集，输入第一功率到所述第一子线圈集，同时输入到第二子线圈集的功率小于所述第一功率，相邻处理阶段内，所述第一子线圈集不同，循环进行的多个处理阶段使得每个子线圈具有相同的平均输入功率，且每个处理阶段的持续时间长度大于0.1秒小于5秒。

10. 如权利要求9所述的电感耦合等离子处理装置的控制方法，其特征在于，一个处理阶段中还包括一个第二子线圈的输入功率小于其它子线圈的输入功率。

11. 如权利要求10所述的电感耦合等离子处理装置的控制方法，其特征在于，所述输入功率小于其它子线圈的第二子线圈位于所述输入功率大于其它子线圈的子线圈对侧。