CN108269726A - 等离子体刻蚀方法与等离子体刻蚀装置及其射频源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体刻蚀方法与等离子体刻蚀装置及其射频源系统，用以改善射频功率输出的稳定性。其中的等离子体刻蚀方法，包括多个工作周期，每一周期包括两个阶段：第一阶段，施加并保持偏置功率(P)与射频功率(P1)；第二阶段，设置偏置功率为零，同时调高射频功率(P2)；在所述周期内，射频功率的频率保持不变。更优的实施方式是，在所述周期内保持等离子体阻抗稳定。

Description

等离子体刻蚀方法与等离子体刻蚀装置及其射频源系统
技术领域
本发明涉及等离子体刻蚀方法，还涉及等离子体刻蚀装置及其射频源系统。
背景技术
在各种等离子体处理设备中，电感耦合等离子体(ICP，inductively coupledplasma的缩写)处理装置凭借解耦的射频功率和偏置功率(decoupled source and biaspower)在离子密度与离子能量的独立控制方面占据很大优势。
但是，在脉冲偏置环境中(bias-pulsing condition)，相对较高的偏置功率的存在导致等离子体阻抗(plasma impedance)在短时间内剧烈改变。比如，当利用频率调谐(source-frequency tuning)方式来匹配阻抗时，该调谐跟不上阻抗的瞬时变化，因而导致所传输的射频功率的波动。这明显影响等离子体的稳定性和加工性能。
发明内容
本发明旨在改善上述问题。
根据本发明的一个方面，提供一种等离子体刻蚀方法，包括多个工作周期，每一工作周期包括两个阶段：第一阶段，施加并保持偏置功率(P)与射频功率(P1)；第二阶段，设置偏置功率为零，同时调高射频功率(P2)；
在所述第一阶段和所述第二阶段内，射频功率的频率保持不变。
可选的，在所述每一工作周期内，等离子体阻抗保持稳定。
可选的，在所述第一阶段，偏置功率的频率保持不变。
可选的，所述每一周期仅包括所述第一阶段与所述第二阶段。
可选的，所述第一阶段用于刻蚀，所述第二阶段用于沉积钝化层。
可选的，所述第一阶段的等离子体阻抗与所述第二阶段的等离子体阻抗之间的偏差不超过正负15％。
可选的，所述第一阶段的等离子体阻抗与所述第二阶段的等离子体阻抗之间的偏差不超过正负5％。
根据本发明的另一个方面，提供一种等离子体刻蚀装置的射频源系统，包括：
射频功率发生器，用于产生射频功率，控制等离子体的能量；
偏置功率发生器，用于产生偏置功率，控制等离子体的方向；
控制器，用于控制所述射频功率发生器与所述偏置功率发生器，所述控制器被编程使得它可以执行如前面所述的等离子体刻蚀方法。
可选的，所述等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体刻蚀装置。
根据本发明的又一个方面，提供一种等离子体刻蚀装置，包括如前面所述的射频源系统。
附图说明
图1至图3示出本发明等离子体刻蚀方法的一个具体实施例；
图4示出本发明电感耦合型等离子处理装置的一个实施例。
以下结合附图，对本发明的实施例进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。
具体实施方式
发明人研究发现：如果由射频功率源(source power)所产生的特定负载脉冲(load pulsing)能匹配或同步偏置功率源的脉冲(the pulsing of the bias power)，则等离子体阻抗(plasma impedance)就可有效保持在一个稳定的水平/程度，这样，射频功率发生器(source generator)就可总是工作在一个固定频率上。相应的，就可实现稳定的传送功率(stable delivered power)，保证可重复性的工艺结果(repeatable processingresults)。
图1至图3示出本发明的一个具体实施例。其中，图1与图2演示了技术问题的产生，图3示出了它的解决方案。
图1示出了一种在试验中经常采用的射频功率发生器的频率调谐(frequencytuning of the source generator)方式，其中，射频功率发生器的正向传输功率(forwardpower)被保持在P1。在步骤1，未施加偏置功率(bias power)，射频功率发生器工作在一个恒定频率(constant frequency)F1。在步骤2，偏置功率(bias power)被设定为P且处于连续波模式(CW mode)，由于等离子体阻抗的变化，射频功率的频率(source frequency)被转换为另一频率F2。在步骤3，偏置功率被切换至脉冲模式/频率200赫兹/占空比25％(pulsing at 200Hz〈25％duty cycle〉)，保持相同的最大功率。其射频功率与偏置功率的正向传输功率(forward powers)的状态如图2所示。
为匹配等离子体阻抗，理想的状态是，在每一周期，当偏置功率处于脉冲期时，射频功率发生器应工作在频率F2，当偏置功率的脉冲期结束时，射频功率发生器应工作在频率F1。但是，实际上，射频功率发生器没有能力足够迅速地调谐它的频率以适应或追随等离子体阻抗的变化。因而，射频功率的实际工作频率(real working frequency)在频率F1与频率F2之间跳变，有时甚至超出这一区间范围，这导致不定时发生的高反射(sporadichigh reflections)。而且，频率调谐(frequency tuning)的失败有时直接导致等离子体熄灭。
本发明一个实施例所提供的针对上述问题的解决方案如图3所示，其放弃惯用的保持正向传输功率(前面例子中的P1)恒定不变的作法，而是将一种同步负载脉冲(synchronized-load pulsing)应用在射频功率发生器。即，射频功率发生器的正向传输功率不再是恒定的，而是同步变化的。如前面(图1与图2)所描述的相同，当偏置功率处于脉冲期时(即偏置功率处于高电平时)(该阶段通常可用于刻蚀以去除基片的部分区域而形成沟槽)，射频功率发生器应工作在频率F2(功率同样设定为P1)。但是，当偏置功率的脉冲期结束时(即偏置功率处于低电平或零电平时)(该阶段通常可用于在沟槽的侧壁表面形成钝化层)，射频功率发生器的功率也同步调整到或者说脉冲到另一功率P2(其通常大于P1)，此时射频功率发生器的频率可保持在F2。在每一周期，射频功率发生器的频率可保持恒定不变，只同步调整射频功率发生器的功率。
功率P2值的确定或者选择很重要，其要能够保证在一个完整周期内等离子体阻抗相差不大(大致相等)，即，偏置功率处于脉冲期时的等离子体阻抗Z1与偏置功率结束脉冲期后的等离子体阻抗Z2大致相等。通常而言，当两者的偏差在正负15％以内时，可认为两者已大致相同，即可以认为等离子体阻抗在一个完整周期内保持稳定或大致稳定。另外，经验证，当两者的偏差在正负5％以内时，已接近理想效果。
射频功率发生器的功率P2可根据实验获取。对于不同的设备或工艺，P2值的可选范围可能不相同。
如图4所示电感耦合型等离子处理装置是本发明另一实施例，其可应用如图3所示的控制方法。所述等离子处理装置通常包括一个反应腔100，反应腔100内部的下方设置有用于放置待加工基片的基座20，一个偏置功率发生器(可用于提供如2Mhz/400KHz的射频电源)通过一个匹配网络1连接到基座20。该偏置功率发生器的主要作用是控制反应腔内等离子体的入射角度和方向。一个排气装置(图中未显示)联通到基座20周围，抽走反应过程中的新生成气体以及部分未来得及参与反应的反应气体，以控制反应腔100内的气压。反应腔100顶部为一绝缘窗110，由于其为电绝缘材料制成，因而上方的电磁场可透过其进入反应腔100，以激发反应腔100内的反应气体解离生成等离子体，进行工艺处理。
由于绝缘窗110内不同区域间的温度差异会影响反应腔100内反应进行速度的均一性，温度梯度太大时甚至会造成绝缘窗110的开裂破损，因而绝缘窗110的上表面设置有加热部件，其通常为电热丝(也可称之为电热线圈)120，以对绝缘窗110的温度进行控制。电热丝120通过导线连接到一个加热电源(其既可为交变电源，也可为直流电源)。
电热丝120上方设置有至少一个感应线圈140，感应线圈140通过一个匹配网络2连接到射频功率发生器(可用于提供如13MHz的射频电源)。感应线圈140在被施加高频射频功率后产生一个高频电磁场，这个高频电磁场向下穿过电热丝120和绝缘窗110进入反应腔100内部，激励反应腔100内的反应气体产生并维持需要的等离子体。等离子体
一控制器160分别与所述射频功率发生器和所述偏置功率发生器连接，并对它们的工作方式/状态进行控制。控制器160、射频功率发生器和偏置功率发生器等都是所述等离子处理装置的重要组成部分。控制器160可被编程，以使射频功率发生器和偏置功率发生器可在控制器160的指令下，按如图3所示的方法工作。
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 (10)

1.一种等离子体刻蚀方法，包括多个工作周期，每一工作周期包括两个阶段：第一阶段，施加并保持偏置功率(P)与射频功率(P1)；第二阶段，设置偏置功率为零，同时调高射频功率(P2)；
在所述第一阶段和所述第二阶段内，射频功率的频率保持不变。
2.如权利要求1所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，在所述每一工作周期内，等离子体阻抗保持稳定。
3.如权利要求1所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，在所述第一阶段，偏置功率的频率保持不变。
4.如权利要求1所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述每一周期仅包括所述第一阶段与所述第二阶段。
5.如权利要求1所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述第一阶段用于刻蚀，所述第二阶段用于沉积钝化层。
6.如权利要求1或2所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述第一阶段的等离子体阻抗与所述第二阶段的等离子体阻抗之间的偏差不超过正负15％。
7.如权利要求1或2所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述第一阶段的等离子体阻抗与所述第二阶段的等离子体阻抗之间的偏差不超过正负5％。
8.一种等离子体刻蚀装置的射频源系统，包括：
射频功率发生器，用于产生射频功率，控制等离子体的能量；
偏置功率发生器，用于产生偏置功率，控制等离子体的方向；
控制器，用于控制所述射频功率发生器与所述偏置功率发生器，所述控制器被编程使得它可以执行如权利要求1至7任一项所述的等离子体刻蚀方法。
9.如权利要求8所述的射频源系统，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体刻蚀装置。
10.一种等离子体刻蚀装置，包括如权利要求8或9所述的射频源系统。
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