CN109994360B - 一种等离子体射频调节方法及等离子处理装置 - Google Patents

一种等离子体射频调节方法及等离子处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体射频调节方法，所述调节方法通过一射频功率发生器进行，所述射频功率发生器包括一自动调频装置，所述射频功率发生器输出一脉冲射频周期信号，一控制器设置若干个连续射频调节区间，每个射频调节区间包括至少一个脉冲射频周期，所述自动调频装置在每个所述射频调节区间内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，所述第一射频调节区间的开始频率为预设频率。本发明所述的方法可以快速调节频率，对于脉冲射频周期可以迅速找到最小反射功率对应的射频功率。

Description

一种等离子体射频调节方法及等离子处理装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体射频调节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脉冲射频功率的匹配调节技术领域。
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基片(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基片表面的离子能量。
目前很多等离子体处理工艺需要用到脉冲式等离子体加工技术，即在部分工艺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体加工。射频脉冲信号的脉冲频率通常大于100HZ，脉冲信号的占空比可以在10％-90％范围内根据需要进行设定。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，在这种需求下，传统的采用匹配电路由于反应时间远不能达到毫秒级，难以达到脉冲式等离子体加工的需求。
因此基于上述原因，业界需要一种能够满足高频率脉冲射频周期匹配的技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体射频调节方法，所述调节方法通过一射频功率发生器进行，所述射频功率发生器包括一自动调频装置，所述调节方法包括如下步骤：所述射频功率发生器输出-脉冲射频周期；设置若干个连续射频调节区间，每个射频调节区间包括至少一个脉冲射频周期；所述自动调频装置在每个所述射频调节区间内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，所述第一射频调节区间的开始频率为预设频率。
进一步的，所述开始频率包括一开始高电平频率和一开始低电平频率，所述结束频率包括一结束高电平频率和一结束低电平频率。
进一步的，所述自动调频方法为：赋予所述射频功率发生器一预设频率，对应获得第一反射功率，将预设频率增加一步长赋予所述射频功率发生器，对应获得第二反射功率，比较所述第一反射功率和第二反射功率，若第二反射功率大于所述第一反射功率，则向相反方向增加步长，若第二反射功率小于第一反射功率，则继续将预设频率增加两个步长赋予所述射频功率发生器，调节得到更小的反射功率。
进一步的，所述预设频率为能够保证等离子体点燃的频率。
进一步的，所述预设频率的获得方法为：设置射频功率源输出连续射频功率信号，并计算获得连续射频输出阶段最小反射功率，将该最小反射功率对应的频率作为预设频率。
进一步的，所述每个射频调节区间包括至少两个脉冲射频周期，所述自动调频装置在每个脉冲射频周期内进行若干次自动调频。所述自动调频装置在同一射频调节区间的不同脉冲射频周期内具有相同的开始频率和结束频率。
进一步的，所述自动调频装置在同一射频调节区间的不同脉冲射频周期内具有相同的开始频率和不同的结束频率。
进一步的，所述射频调节区间的时间通过一控制器进行设定。
进一步的，所述控制器读取所述自动调频装置的结束频率并将该结束频率作为下一个射频调节区间的开始频率赋予所述自动调频装置。
进一步的，所述控制器设置一反射功率阈值，当所述自动调频装置查找到的反射功率低于所述反射功率阈值时，调频过程停止。
进一步的，所述射频调节区间的时长大于等于1毫秒。
优选的，所述射频调节区间的时长为10毫秒。
优选的，所述射频调节区间的时长为50毫秒。
优选的，所述射频调节区间的时长为100毫秒。
优选的，所述射频调节区间的时长为150毫秒。
优选的，所述射频调节区间的时长为200毫秒。
进一步的，所述自动调频装置的调频时间大于等于0.1微秒。
优选的，所述自动调频装置的调频时间为1微秒。
优选的，所述自动调频装置的调频时间为5微秒。
优选的，所述自动调频装置的调频时间为10微秒。
优选的，所述自动调频装置的调频时间为20微秒。
优选的，所述自动调频装置的调频时间为30微秒。
进一步的，所述脉冲信号为高-低电平，所述低电平大于等于0。
本发明所述的方法可以实现脉冲射频周期的脉冲频率大于100赫兹的射频功率发生器的调频匹配。
本发明所述的方法可以实现脉冲射频周期的脉冲频率大于5000赫兹的射频功率发生器的调频匹配。
进一步的，本发明公开了一种等离子体处理装置，所述装置包括：
一等离子体处理腔；用于容纳并处理基片；
一射频功率发生器，施加到所述等离子体处理腔内，用于产生或调节等离子体；
一控制器，作用于所述射频功率发生器，用于控制一射频调节区间的时长；
所述射频功率发生器输出脉冲射频周期；每个所述射频调节区间包括至少一个脉冲射频周期；
所述射频功率发生器包括一自动调频装置；所述自动调频装置在每个脉冲射频周期内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，所述第一射频调节区间的开始频率为预设频率。
进一步的，所述开始频率包括一开始高电平频率和一开始低电平频率，所述结束频率包括一结束高电平频率和一结束低电平频率。
进一步的，所述预设频率为第一预设频率，所述预设频率包括高电平预设频率和低电平预设频率，所述高电平预设频率为射频功率发生器在连续高功率输出时最小反射功率对应的频率，所述低电平预设频率为射频功率发生器在连续低功率输出时最小反射功率对应的频率。
进一步的，所述预设频率通过所述控制器赋予所述自动调频装置。
进一步的，所述处理装置包括第二射频功率发生器，所述第二射频功率发生器输出一第二射频脉冲信号。
进一步的，所述第二射频功率发生器包括第二自动调频装置；所述第二自动调频装置在每个所述射频调节区间内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，所述第一射频调节区间的开始频率为第二预设频率。
优选的，所述自动调频装置的调频时间大于等于0.1微秒。
优选的，所述控制器控制所述射频调节区间的时长大于等于1毫秒。
进一步的，所述控制器控制所述多个连续射频调节区间的时长相同或不相同。
进一步的，所述射频脉冲信号还包括一第三电平功率状态，所述第三电平功率介于所述高电平功率和低电平功率之间。所述第三电平功率的频率匹配方法与高电平功率状态和低电平功率状态的频率匹配方法相同。
本发明公开了一种等离子体射频调节方法及等离子处理装置，利用射频功率发生器内设置的自动调频装置，通过一控制器定义一射频调节区间与所述自动调频装置相配合，可以在不改变匹配器的情况下，对射频功率发生器的脉冲输出频率进行快速调节，由于自动调频装置的频率改变无需涉及机械硬件的调节，调频时间可降低至0.1微秒，从而可以快速找到到最小反射功率对应的频率。本发明所述的调频方法对高频率脉冲信号的调节效果尤其明显。
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示出一种等离子体处理装置的结构示意图；
图2示出射频功率发生器输出的脉冲信号的示意图；
图3示出自动调频装置进行调频的示意图；
图4示出自动调频装置调频对应的反射功率曲线示意图。
具体实施方式
本发明公开的射频匹配调节方法适用于任一需要进行快速射频匹配的等离子体处理装置，如等离子体刻蚀处理装置，其中常见的等离子体刻蚀处理装置包括电容耦合等离子体处理装置和电感耦合等离子体处理装置，为了便于描述，下面结合附图，以电容耦合等离子体处理装置为例对本发明进行详细说明。
图1公开了一种电容耦合等离子处理装置，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，基片20固定在静电夹盘21上表面。围绕静电夹盘和基片还包括一个边缘环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。气体喷淋头同时作为上电极与基座内的下电极相对形成电容耦合。一个第一射频功率发生器30通过匹配器1电连接到下电极，可选的，所述等离子体处理装置还包括一个第二射频功率发生器40通过匹配器2电连接到下电极。第一射频功率发生器30和第二射频功率发生器40可以输出连续射频信号，也可以输出脉冲射频周期。每个射频功率发生器都有一个预定的频率值，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射频功率发生器的输出频率以获得最小化反射功率。
当射频功率发生器输出连续稳定的射频信号时，如果反应腔内其他参数不发生变化，匹配器会在一定时间内对连续的射频信号进行射频匹配，得到最小反射功率对应的射频频率，并在该稳定的工艺中，指导所述射频功率发生器输出该最小反射功率对应的射频频率。
当射频功率发生器输出射频脉冲信号时，施加到反应腔内的射频功率呈低电平-高电平或开-关状态切换，此时，反应腔内的等离子体环境会随之发生改变，产生最小反射功率的射频频率也会不断变化。特别的，当脉冲信号的脉冲频率大于100赫兹时，匹配器受限于硬件条件(如机械驱动的可变电容或可变电感)无法快速切换，无法对脉冲信号的切换进行匹配。
本发明中，射频功率发生器内包括自动调频装置，自动调频装置可以在每个脉冲射频周期内对射频脉冲信号进行若干次调频，寻找对应最小化反射功率的射频频率。此外，本发明还包括一控制器50，控制器50输出一射频调节区间信号，每个射频调节区间时长为T，包括至少一个脉冲射频周期。
如图2-图4所示，图2示出射频功率发生器发出的一射频脉冲信号，在一个射频调节区间T内，可以包括多个脉冲射频周期，在同一工艺中，射频调节区间T的时长可以相同，也可以不相同，常见的，为了减少控制器50的计算量，在同一工艺中采用时间相同的的射频调节区间。图3示出一自动调频装置的频率调节示意图，在每个脉冲射频周期内，自动调频装置进行多次自动调频步骤，所述自动调频方法具体为：控制器先赋予所述射频功率发生器一预设频率，对应获得第一反射功率，将预设频率增加一步长赋予所述射频功率发生器，对应获得第二反射功率，比较所述第一反射功率和第二反射功率，若第二反射功率大于所述第一反射功率，则向相反方向增加步长，若第二反射功率小于第一反射功率，则继续将预设频率增加两个步长赋予所述射频功率发生器，不断得到更小的反射功率。自动调频装置的调频时间为每增加一步长得到一反射功率所需时间，自动调频时间可设置为大于等于0.1微秒，优选可以为0.1微秒，1微秒，5微秒，10微秒，15微秒，20微秒或30微秒等。
在自动调频装置调频过程中，由于反应腔内等离子体环境不断发生变化，在同一射频调节区间内，每个脉冲射频周期的射频调节不完全相同。这意味着即使对每个脉冲射频周期赋予相同的开始频率，每个脉冲射频周期的结束频率也不一定相同。如果脉冲射频周期时间够长，自动调频装置的调频时间够短，一个脉冲射频周期内可以找到最小反射功率，则同一射频调节区间的不同脉冲射频周期也可能会有相同的结束频率。为了保证射频调节的连续性，通常选择一个射频调节区间的最后一个脉冲射频周期的结束频率作为整个射频调节区间的结束频率。
自动调频装置在一个射频调节区间内包括一个开始频率和一个结束频率，受限于一个射频调节区间的时长，自动调频装置在一个射频调节区间内很难找到最小反射功率对应的频率，因此，需要在连续的多个射频调节区间内进行调频。调频的方法为在第一个射频调节区间内赋予所述射频功率发生器-预设频率f0作为开始频率，将第一射频调节区间的结束频率f1赋予所述射频功率发生器作为第二射频调节区间的开始频率，以此类推，直到得到最小反射功率对应的频率。调频过程中，控制器设置-反射功率阈值，当自动调频装置查找到的反射功率小于该反射功率阈值时，赋值调频过程结束。当反应腔内阻抗或条件变化导致反射功率高于阈值时，赋值调频过程重新开始。
由于一个射频脉冲信号包括高电平和低电平，因此，所述开始频率包括一开始高电平频率和一开始低电平频率，所述结束频率包括一结束高电平频率和一结束低电平频率。根据上文描述的调频方法，上一个射频调节区间的结束高电平频率作为下一个射频调节区间的开始高电平频率，上一个射频调节区间的结束低电平频率作为下一个射频调节区间的开始低电平频率。结合图3所示具体为确定第一射频调节区间的开始高电平频率f0(h)和开始低电平频率f0(l)，并在第一射频调节区间的每个脉冲射频周期内重复从开始高电平频率f0(h)和开始低电平频率f0(l)开始查找最小反射功率对应的频率，第一个射频调节区间结束时得到较小反射功率对应的频率f1(h)和f1(l)，由于射频调节区间的时长有限，第一个射频调节区间结束时得到的较小反射功率未必是最小反射功率，因此，在第二射频调节区间内，自动调频装置继续进行自动调频，此时，以上一个射频调节区间结束时得到的较小反射功率对应的频率f1(h)和f1(l)作为开始高电平频率和开始低电平频率，并在第二射频调节区间结束时得到结束高电平频率f2(h)和结束低电平频率f2(l)，并继续作为后续射频调节区间的开始高电平频率和开始低电平频率。
确定第一射频调节区间开始频率的方法有多种，只要能够实现将等离子体点燃的频率都可以作为开始频率。在常见的实施例中，由于射频功率发生器通常是在输出一定时间的连续射频功率后输出脉冲射频功率，因此在调节脉冲射频功率的最小反射功率对应的频率时，第一射频调节区间的开始频率可以采用连续射频输出阶段最小反射功率对应的频率，所述频率通过控制器50赋予射频功率发生器。
由于射频功率源可以包括高电平功率状态和低电平功率状态，一种确定高电平功率状态的开始频率的方法为设定射频功率发生器输出连续高电平功率状态并得到最小反射功率对应的频率，一种确定低电平功率状态的开始频率的方法为：设定射频功率发生器输出连续低电平功率状态并得到最小反射功率对应的频率。
采用上述调频方法，可以在不改变匹配器的情况下，对射频功率发生器的输出频率进行快速调节，由于自动调频装置的频率改变无需涉及机械硬件的调节，调频时间可降低至0.1微秒，对于一个100赫兹的脉冲信号而言，假设脉冲信号的占空比为50％，一个脉冲射频周期内，自动调频装置可调频50000次，可以快速找到到最小反射功率对应的频率。
本发明所述的调频方法对高频率脉冲信号的调节效果尤其明显，当射频脉冲信号的脉冲频率达到5000赫兹时，射频信号高低电平切换的速率十分迅速，每个脉冲射频周期时长只有200微秒，假设自动调频装置的调频时间为10微秒每次，脉冲信号的占空比为50％，每个脉冲射频周期内自动调频装置对高电平频率和低电平频率分别可以进行10次频率查找，设置射频调节区间的时长为10毫秒，则在1s时间内，自动调频装置可以进行1000次射频调节，因此可以快速找到最小反射功率对应的射频功率。
控制器50可以控制每个射频调节区间的时长，时长越小，射频功率发生器调节找到最小反射功率的时间越短，越有利于等离子体处理工艺的稳定精确进行。需要考虑的是，射频调节区间的时长越小意味着控制器需要处理的数据越大，速度越快，因此，需要根据等离子体处理工艺的精确度要求进行综合考虑。优选的，射频调节区间的时长大于等于1毫秒，常用的射频调节区间的时长为下列时长之一：10毫秒，50毫秒，100毫秒，150毫秒，200毫秒，250毫秒，300毫秒等。
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 (35)

1.一种等离子体射频调节方法，所述调节方法通过一射频功率发生器进行，所述射频功率发生器包括一自动调频装置，所述调节方法包括如下步骤：
所述射频功率发生器输出一脉冲射频周期信号；
设置若干个连续射频调节区间，每个射频调节区间包括至少一个脉冲射频周期；
所述自动调频装置在每个所述射频调节区间内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，第一射频调节区间的开始频率为预设频率；
所述自动调频方法为：赋予所述射频功率发生器一预设频率，对应获得第一反射功率，将预设频率增加一步长赋予所述射频功率发生器，对应获得第二反射功率，比较所述第一反射功率和第二反射功率，若第二反射功率大于所述第一反射功率，则向相反方向增加步长，若第二反射功率小于第一反射功率，则继续将预设频率增加两个步长赋予所述射频功率发生器，调节得到更小的反射功率。
2.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述开始频率包括一开始高电平频率和一开始低电平频率，所述结束频率包括一结束高电平频率和一结束低电平频率。
3.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述预设频率为能够保证等离子体点燃的频率。
4.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述预设频率的获得方法为：设置射频功率源输出连续射频功率信号，并计算获得连续射频输出阶段最小反射功率，将该最小反射功率对应的频率作为预设频率。
5.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述每个射频调节区间包括至少两个脉冲射频周期，所述自动调频装置在每个脉冲射频周期内进行若干次自动调频。
6.如权利要求5所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置在同一射频调节区间的不同脉冲射频周期内具有相同的开始频率和结束频率。
7.如权利要求5所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置在同一射频调节区间的不同脉冲射频周期内具有相同的开始频率和不同的结束频率。
8.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时间通过一控制器进行设定。
9.如权利要求8所述的调节方法，其特征在于：所述控制器读取所述自动调频装置的结束频率并将该结束频率作为下一个射频调节区间的开始频率赋予所述自动调频装置。
10.如权利要求8所述的调节方法，其特征在于：所述控制器设置一反射功率阈值，当所述自动调频装置查找到的反射功率低于所述反射功率阈值时，调频过程停止。
11.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长大于等于1毫秒。
12.如权利要求11所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长为10毫秒。
13.如权利要求11所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长为50毫秒。
14.如权利要求11所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长为100毫秒。
15.如权利要求11所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长为150毫秒。
16.如权利要求11所述的调节方法，其特征在于：所述射频调节区间的时长为200毫秒。
17.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间大于等于0.1微秒。
18.如权利要求17所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间为1微秒。
19.如权利要求17所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间为5微秒。
20.如权利要求17所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间为10微秒。
21.如权利要求17所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间为20微秒。
22.如权利要求17所述的调节方法，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间为30微秒。
23.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述脉冲射频信号包括高电平功率和低电平功率，所述低电平功率大于等于0。
24.如权利要求23所述的调节方法，其特征在于：所述脉冲射频信号还包括一第三电平功率状态，所述第三电平功率介于所述高电平功率和低电平功率之间。
25.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述脉冲射频周期的脉冲频率大于100赫兹。
26.如权利要求1所述的调节方法，其特征在于：所述脉冲射频周期的脉冲频率大于5000赫兹。
27.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述装置包括：
一等离子体处理腔；用于容纳并处理基片；
一射频功率发生器，施加到所述等离子体处理腔内，用于产生或调节等离子体；
一控制器，作用于所述射频功率发生器，用于控制一射频调节区间的时长；
所述射频功率发生器输出脉冲射频周期信号；每个所述射频调节区间包括至少一个脉冲射频周期；
所述射频功率发生器包括一自动调频装置；所述自动调频装置在每个脉冲射频周期内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，第一射频调节区间的开始频率为预设频率
所述自动调频方法为：赋予所述射频功率发生器一预设频率，对应获得第一反射功率，将预设频率增加一步长赋予所述射频功率发生器，对应获得第二反射功率，比较所述第一反射功率和第二反射功率，若第二反射功率大于所述第一反射功率，则向相反方向增加步长，若第二反射功率小于第一反射功率，则继续将预设频率增加两个步长赋予所述射频功率发生器，调节得到更小的反射功率。
28.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述开始频率包括一开始高电平频率和一开始低电平频率，所述结束频率包括一结束高电平频率和一结束低电平频率。
29.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述预设频率包括高电平预设频率和低电平预设频率，所述高电平预设频率为射频功率发生器在连续高功率输出时最小反射功率对应的频率，所述低电平预设频率为射频功率发生器在连续低功率输出时最小反射功率对应的频率。
30.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述预设频率通过所述控制器赋予所述自动调频装置。
31.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述处理装置包括第二射频功率发生器，所述第二射频功率发生器输出一第二射频脉冲信号。
32.如权利要求31所述的处理装置，其特征在于：所述第二射频功率发生器包括第二自动调频装置；所述第二自动调频装置在每个所述射频调节区间内进行至少一次自动调频，每个所述射频调节区间包括一开始频率和一结束频率，每一射频调节区间的开始频率为前一射频调节区间的结束频率，所述第一射频调节区间的开始频率为第二预设频率。
33.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述自动调频装置的调频时间大于等于0.1微秒。
34.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述控制器控制所述射频调节区间的时长大于等于1毫秒。
35.如权利要求27所述的处理装置，其特征在于：所述控制器控制多个连续射频调节区间的时长相同或不相同。
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