CN108682611B - 一种提高工艺等离子体均匀性的电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高工艺等离子体均匀性的电极。该电极包括：信号发生器、功率放大器、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述信号发生器产生一路低频信号和一路高频信号，低频信号和高频信号，分别经过功率放大器，高频信号连接到第一电极而低频信号连接到第二电极，或者高频信号和低频信号均连接到第一电极。本发明提供的提高工艺等离子体均匀性的电极的高频源用于提高刻蚀速率，低频源用于抑制由甚高频放电引起的径向非均匀性，而且，具有结构简单、工艺要求低、实际可操作性强的特点。

Description

一种提高工艺等离子体均匀性的电极
技术领域
本发明涉及刻蚀工艺领域，特别是涉及一种提高工艺等离子体均匀性的电极。
背景技术
在等离子体刻蚀过程中，通常采用容性耦合等离子体源(CCP)。在CCP 放电系统中，包含一个真空反应腔室和两个平板电极，如图1所示。为了提高刻蚀率(或等离子体密度)，目前普遍釆用甚高频(频率大于60MHz)来驱动放电。因为当放电功率和其它放电参数一定时，较高的放电频率可以产生较高密度的等离子体(直接影响刻蚀速率)。另外，随着刻蚀工艺的发展，晶圆的尺寸不断增加，进而放电腔室的尺寸也随之增加，电极的尺寸也会进一步增加，新一代刻蚀机中的电极尺寸将达到450mm。由此可见，在CCP刻蚀工艺中，放电频率越来越高，腔室尺寸越来越大。然而，随着放电频率的增加，放电腔室中产生的电磁波波长不断减小。当电磁波的波长与腔室尺寸相当时，会引起驻波效应，将对等离子体特性产生重要影响，进而影响刻蚀过程。
所谓驻波效应，即当放电频率高于60MHz时，在放电腔室内部会产生沿径向向内传播的电磁波。由于在等离子体中，电磁波的波长比在真空中的波长要小(等离子体中电磁波波长约为真空中电磁波长的五分之一)。因此随着放电频率的增加，当放电腔室的尺寸增大到一定程度时，电磁波的波长就有可能与反应腔室的尺寸相当。此时，电磁波从电极外围向内部传播的过程中会互相叠加，就会产生驻波。驻波的存在，会使腔室中心处的等离子体密度较高，从而导致刻蚀过程的径向不均匀。
由此可见，甚高频放电可以显著地提高刻蚀速率，减小介质损伤，提高薄膜质量。但同时，驻波效应的存在又会引起等离了体的径向不均匀性，进而影响刻蚀过程。因此采取相应的手段抑制其产生的不均匀性，成为了目前等离子体材料处理工艺中亟待解决的问题。
目前对于上述问题的解决有以下两种方法：
一是高斯透镜电极，利用一个特殊的有形电极来形成一个介质透镜，通过这个介质透镜可以对电极之间的轴向电场进行补偿，实现径向均匀的轴向电场分布，达到抑制驻波效应的目的，如图2所示。因此，为了使穿过放电区域的电压在径向上的分布是均匀的，介质透镜的形状应该是一个高斯形的，这样才可以抑制驻波效应。
二是电源相位调制射频放电法，在这种方法中，将两个频率相同、输出功率(或电压)相同的甚高频电源(比如都是100MHz)同时施加在两个平行板电极上，但它们的输出信号之间有一个相位差。通过调节两个电源的相位差(实际上是调节两个电极相对接地侧壁的瞬时电位)，即可以改变电磁场在放电腔室中的空间分布结构，从而达到抑制驻波效应的目的。
但是，对于高斯透镜电极，如果透镜内是真空(或低压气体)，而不是介质，那么，在基片的下方将产生等离子体；而且，腔室结构加工要求苛刻，尺寸稍有偏差，对驻波效应将不起作用。
对于电源相位调制射频放电法，仅限于理论模拟中的特定放电气体和特定的放电功率，由于实验中放电气体更为复杂，目前还没有实现；而且，无法独立控制等离子体密度和离子能量，这种方法对大尺寸电极很可能不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高工艺等离子体均匀性的电极，具有结构简单、工艺要求低、实际可操作性强的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种提高工艺等离子体均匀性的电极，所述电极包括：信号发生器、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述信号发生器产生一路低频信号和一路高频信号，所述高频信号和所述低频信号均与第一电极相连接，所述第二电极接地。
可选的，所述第一电极和所述第二电极均为平板电极，所述第一电极和所述第二电极相对平行设置。
可选的，所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号。
可选的，所述电极还包括低频功率放大器和高频功率放大器，所述低频功率放大器和高频功率放大器分别与所述信号发生器相连接，所述低频功率放大器用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器用于对所述高频信号进行放大。
可选的，所述电极还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第二匹配网络一端与所述低频功率放大器相连接，所述第二匹配网络另一端与所述第一电极相连接，所述第一匹配网络一端与所述高频功率放大器相连接，所述第一匹配网络另一端与所述第一电极相连接。
本发明还提供了一种提高工艺等离子体均匀性的电极，所述电极包括：信号发生器、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述信号发生器产生一路低频信号和一路高频信号，所述低频信号与所述第一电极相连接，所述高频信号与所述第二电极相连接。
可选的，所述第一电极和所述第二电极为平板电极，所述第一电极和所述第二电极相对平行设置。
可选的，所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号。
可选的，所述电极还包括低频功率放大器和高频功率放大器，所述低频功率放大器和高频功率放大器分别与所述信号发生器相连接，所述低频功率放大器用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器用于对所述高频信号进行放大。
可选的，所述电极还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第二匹配网络一端与所述低频功率放大器相连接，所述第二匹配网络另一端与所述第二电极相连接，所述第一匹配网络一端与所述高频功率放大器相连接，所述第一匹配网络另一端与所述第一电极相连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的提高工艺等离子体均匀性的电极通过采用双频驱动CCP放电，即增加一个低频信号源，高频信号源用于提高刻蚀率，而低频信号源用于抑制驻波效应，从而达到提高刻蚀均匀性的目的。本发明通过增加一低频信号源的方式提高了刻蚀的均匀性，不需要改变腔室和极板结构便可以实现，具有结构简单的特点，其次，实现等离子体密度与离子能量的独立控制，互不干扰，各自的频率在较宽的范围内可调，具有较高的灵活性。不需要考虑两个电源之间的同步问题，两个信号各自独立。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中容性耦合等离子体放电结构示意图；
图2为介质透镜结构示意图；
图3为本发明实施例提高工艺等离子体均匀性的电极的结构第一示意图；
图4为本发明实施例提高工艺等离子体均匀性的电极的结构第二示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种提高工艺等离子体均匀性的电极，具有结构简单、工艺要求低、实际可操作性强的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明实施例提高工艺等离子体均匀性的电极的结构第一示意图，如图3所示，本发明提供的电极包括：信号发生器301、第一电极306和第二电极307，所述第一电极306和所述第二电极307相对设置，所述信号发生器 301产生一路低频信号和一路高频信号，所述高频信号和所述低频信号均与第一电极306相连接，所述第二电极307接地。所述第一电极306和所述第二电极307均为平板电极，所述第一电极306和所述第二电极307相对平行设置。所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号。所述电极还包括低频功率放大器302和高频功率放大器303，所述低频功率放大器302和高频功率放大器303 分别与所述信号发生器301相连接，所述低频功率放大器302用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器303用于对所述高频信号进行放大。
所述电极还包括第一匹配网络304和第二匹配网络305，所述第二匹配网络304一端与所述低频功率放大器302相连接，所述第二匹配网络304另一端与所述第一电极306相连接，所述第一匹配网络305一端与所述高频功率放大器303相连接，所述第一匹配网络305另一端与所述第一电极306相连接。
如图3所示，两个圆形的平行板电极位于圆柱形腔室308内，等离子体在两个电极中间产生。平板电极和腔室308都是不锈钢材质，圆柱形腔室308 外壁接地。放电气体(通常为99.99％的氩气)从腔室308上部进入，下部流出。腔室308内压强控制在几帕(Pa)到几十帕之间以内。信号发生器将产生两路正弦信号：低频信号和高频信号，分别经过功率放大器，再通过各自的匹配网络同时连接到第一电极上。高频源用于提高刻蚀速率，而低频源用于抑制由甚高频放电引起的径向非均匀性，并且可以控制离子的能量。
本发明提供的提高工艺等离子体均匀性的电极通过采用双频驱动CCP放电，即增加一个低频信号源，高频信号源用于提高刻蚀率，而低频信号源用于抑制驻波效应，从而达到提高刻蚀均匀性的目的。本发明通过增加一低频信号源的方式提高了刻蚀的均匀性，不需要改变腔室和极板结构便可以实现，具有结构简单的特点，其次，实现等离子体密度与离子能量的独立控制，互不干扰，各自的频率在较宽的范围内可调，具有较高的灵活性。不需要考虑两个电源之间的同步问题，两个信号各自独立。
本发明还提供了另一种提高工艺等离子体均匀性的电极，图4为本发明实施例提高工艺等离子体均匀性的电极的结构第二示意图，如图4所示，所述电极包括：信号发生器401、第一电极406和第二电极407，所述第一电极406 和所述第二电极407相对设置，所述信号发生器401产生一路低频信号和一路高频信号，所述低频信号与所述第二电极407相连接，所述高频信号与所述第一电极406相连接。所述第一电极406和所述第二电极407为平板电极，所述第一电极406和所述第二电极407相对平行设置。所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号。所述电极还包括低频功率放大器402和高频功率放大器403，所述低频功率放大器402和高频功率放大器403分别与所述信号发生器401 相连接，所述低频功率放大器402用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器403用于对所述高频信号进行放大。
所述电极还包括第一匹配网络405和第二匹配网络404 ，所述第二匹配网络404一端与所述低频功率放大器402相连接，所述第二匹配网络404另一端与所述第二电极407相连接，所述第一匹配网络405一端与所述高频功率放大器403相连接，所述第一匹配网络405另一端与所述第一电极406相连接。
如图4所示，两个圆形的平行板电极位于圆柱形腔室408内，等离子体在两个电极中间产生。平板电极和腔室408都是不锈钢材质，圆柱形腔室408 外壁接地。放电气体(通常为99.99％的氩气)从腔室408上部进入，下部流出。腔室408内压强控制在几帕(Pa)到几十帕以内。信号发生器将产生两路正弦信号：低频信号和高频信号，分别经过功率放大器，高频连接到第一电极而低频连接到第二电极。高频源用于提高刻蚀速率，而低频源用于抑制由甚高频放电引起的径向非均匀性，并且可以控制离子的能量。
本发明提供的提高工艺等离子体均匀性的电极通过采用双频驱动CCP放电，即增加一个低频信号源，高频信号源用于提高刻蚀率，而低频信号源用于抑制驻波效应，从而达到提高刻蚀均匀性的目的。本发明通过增加一低频信号源的方式提高了刻蚀的均匀性，不需要改变腔室和极板结构便可以实现，具有结构简单的特点，其次，实现等离子体密度与离子能量的独立控制，互不干扰，各自的频率在较宽的范围内可调，具有较高的灵活性。不需要考虑两个电源之间的同步问题，两个信号各自独立。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极包括：一个信号发生器、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述信号发生器产生一路低频信号和一路高频信号，所述高频信号和所述低频信号均与第一电极相连接，所述第二电极接地；所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号；高频源用于提高刻蚀速率，低频源用于抑制由甚高频放电引起的径向非均匀性，通过双频源之间的耦合效应，达到控制等离子体均匀性的目的。
2.根据权利要求1所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为平板电极，所述第一电极和所述第二电极相对平行设置。
3.根据权利要求1所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极还包括低频功率放大器和高频功率放大器，所述低频功率放大器和高频功率放大器分别与所述信号发生器相连接，所述低频功率放大器用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器用于对所述高频信号进行放大。
4.根据权利要求3所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第二匹配网络一端与所述低频功率放大器相连接，所述第二匹配网络另一端与所述第一电极相连接，所述第一匹配网络一端与所述高频功率放大器相连接，所述第一匹配网络另一端与所述第一电极相连接。
5.一种提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极包括：一个信号发生器、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述信号发生器产生一路低频信号和一路高频信号，所述低频信号与所述第一电极相连接，所述高频信号与所述第二电极相连接；所述高频信号和所述低频信号均为正弦信号；高频源用于提高刻蚀速率，低频源用于抑制由甚高频放电引起的径向非均匀性，通过双频源之间的耦合效应，达到控制等离子体均匀性的目的。
6.根据权利要求5所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为平板电极，所述第一电极和所述第二电极相对平行设置。
7.根据权利要求5所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极还包括低频功率放大器和高频功率放大器，所述低频功率放大器和高频功率放大器分别与所述信号发生器相连接，所述低频功率放大器用于对所述低频信号进行放大，所述高频功率放大器用于对所述高频信号进行放大。
8.根据权利要求7所述的提高工艺等离子体均匀性的电极，其特征在于，所述电极还包括第一匹配网络和第二匹配网络，所述第二匹配网络一端与所述低频功率放大器相连接，所述第二匹配网络另一端与所述第二电极相连接，所述第一匹配网络一端与所述高频功率放大器相连接，所述第一匹配网络另一端与所述第一电极相连接。
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