CN110752135B - 射频偏压调节方法、装置及等离子体刻蚀设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种射频偏压调节方法、装置及等离子体刻蚀设备，该方法包括以下步骤：S1，获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差；S2，使偏压射频电源基于最大射频偏压值和初始的相位差输出射频偏压；S3，使相位差增加第一预设调整量；S4，获取偏压射频电源的射频偏压值，将该射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；若该射频偏压值大于最大射频偏压值，则进行步骤S5；若该射频偏压值等于最大射频偏压值，则进行步骤S6；S5，使最大偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S3；S6，保持相位差不变。通过本发明，实现了等离子体刻蚀速率的最大化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种射频偏压调节方法、装置及等离子体刻蚀设备。
背景技术
目前，随着半导体器件制造工艺的迅速发展，对元器件性能与集成度要求越来越高，使得等离子体技术得到了广泛的应用。在等离子体刻蚀或沉积系统中，通过在真空反应腔室内引入各种反应气体，利用外加电磁场使气体原子内束缚电子摆脱势阱成为自由电子，获得动能的自由电子再与分子、原子或离子产生碰撞使得气体解离，形成等离子体。等离子体是由大量电子、离子、激发态原子、分子和自由基等活性粒子组成的一种状态，具有宏观电中性和集体效应的一种物质状态。等离子体中的活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体中的晶圆表面相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成刻蚀或其他工艺过程。在用于半导体制造工艺的等离子体设备的研发中，最重要的因素是等离子体对衬底的加工能力，以便提高产率。因此，追求高刻蚀速率、提升产能是等离子体设备提升竞争能力的重要方式。
现有的电感耦合等离子体装置如图1所示，其中上射频电源1’通过匹配器2’将功率加载至电感耦合线圈6’上，工艺气体通过介质窗8’上安装的喷嘴12’进入反应腔室13’中，同时电感耦合线圈上的射频能量通过介质窗8’耦合至腔室中，产生等离子体11’，作用于晶片9’，晶片9’置于卡盘10’上部，偏压射频电源5’通过匹配器4’将射频能量加载至位于静电卡盘底部的射频铜柱上，从而提供射频场，产生射频偏压，在晶片9’表面形成离子加速鞘层进行晶片9’的刻蚀，装置中还包括一锁相线缆3’，其长度固定，锁相线缆3’用于锁定上射频电源1’和下射频电源5’的输出射频波形的相位差。通常射频偏压越高对应的刻蚀速率越快，因为射频偏压对等离子体起到加速作用，加速后的等离子体对晶片9’的轰击能力加强，刻蚀速率增加。
目前，一般靠提升上射频电源1’和下射频电源5’的功率、工艺气体的气体流量与压力等方式获得刻蚀速率，但是工艺气体压力与气体流量的变化可能引起其他工艺结果的变化，例如选择比、均匀性等恶化，并且下射频电源5’的功率增加时，可能引起打火等风险。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种射频偏压调节方法、装置及等离子体刻蚀设备。
为实现本发明的目的而提供一种射频偏压调节方法，所述方法包括以下步骤：
S1，获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差；
S2，使所述偏压射频电源基于所述最大射频偏压值和初始的所述相位差输出射频偏压；
S3，使所述相位差增加第一预设调整量；
S4，获取所述偏压射频电源的射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；若所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值，则进行步骤S5；若所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值，则进行步骤S6；若所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值，则进行步骤S7；
S5，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S3；
S6，保持所述相位差不变；
S7，使所述相位差减少第二预设调整量；
S8，获取所述偏压射频电源的所述射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；若所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值，则进行步骤S9；若所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值，则返回步骤S3；若所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值，则进行步骤S6；
S9，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S7。
优选地，所述步骤S6还包括：
在保持所述相位差不变预定时间后，返回步骤S3。
优选地，所述第一预设调整量和所述第二预设调整量的取值范围均为1°～30°。
优选地，所述预定时间的取值范围5s～10s。
根据本发明的一个方面，还提供了一种射频偏压调节装置，包括：
获取单元，用于获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差；
控制单元，用于使所述偏压射频电源基于所述最大射频偏压值和初始的所述相位差输出射频偏压；使所述相位差增加第一预设调整量，获取所述偏压射频电源的射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；在所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值时，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使所述相位差增加所述第一预设调整量，在所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值时，保持所述相位差不变；
控制单元，还用于在所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值时，使所述相位差减少第二预设调整量，获取所述偏压射频电源的所述射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较，在所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值时，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使所述相位差减少所述第二预设调整量，在所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值时，使所述相位差增加所述第一预设调整量，在所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值时，保持所述相位差不变。
优选地，控制单元，还用于在保持所述相位差不变预定时间后，再次使所述相位差增加所述第一预设调整量。
优选地，所述第一预设调整量和所述第二预设调整量的取值范围均为1°～30°。
优选地，所述预定时间的取值范围5s～10s。
根据本发明的一个方面，还提供了种等离子体刻蚀设备，包括：上射频电源、上匹配器、耦合线圈、偏压射频电源、偏压匹配器、基座，还包括上述任一射频偏压调节装置，其中，
所述射频偏压电源通过所述偏压匹配器向所述基座上加载射频偏压；所述上射频电源通过所述上匹配器向所述耦合线圈上加载射频功率；所述偏压射频电源通过所述射频偏压调节装置与所述上射频电源连接。
本发明具有以下有益效果：
在本发明提供的技术方案中，在调节射频偏压时，会先增大上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的相位差，再将当前的射频偏压值与当前的最大射频偏压值进行比较，在当前的射频偏压值大于最大射频偏压值时，则将当前的射频偏压值赋值给最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差增大而增大的趋势，因此可进一步增大相位差，看射频偏压值是否还会增大；在当前射频偏压值小于当前最大射频偏压值时，说明射频偏压值会随相位差增大而减小，为获得更大额射频偏压值，需要使该相位差减少第二预设调整量；在射频偏压值等于最大偏压值时，保持该相位差不变。本发明提供的技术方案通过调节上射频电源与偏压射频电源输出波形的相位差，实现了调节上电极容性耦合能量与下电极容性耦合能量之间的相位差，可始终保持射频偏压处于相对较大的状态，从而影响了晶圆上方的离子能量和鞘层电势，进而影响了等离子体刻蚀速率，实现了等离子体刻蚀速率的最大化。
本发明提供的等离子体刻蚀设备，包括本申请中的射频偏压调节装置，可以实现等离子体刻蚀速率的最大化。
附图说明
图1为现有的电感耦合等离子体装置；
图2为本发明实施例提供的射频偏压调节方法的流程框图；
图3为本发明优选实施例提供的射频偏压调节方法的流程框图；
图4为本发明实施例提供的相位差与射频偏压值对应关系图；
图5为本发明实施例提供的射频偏压调节装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备的结构图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的射频偏压调节方法、装置及等离子体刻蚀设备进行详细描述。
如图2所示，为本发明实施例提供的射频偏压调节方法的流程框图，本发明实施例一中，射频偏压调节方法包括：
步骤S1：获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差。
具体地，最大射频偏压值可以是偏压电源可以向基座加载所有的射频偏压值中的任意值。
步骤S2：使偏压射频电源基于最大射频偏压值和初始的相位差输出射频偏压。
步骤S3：使相位差增加第一预设调整量。
其中，第一预设调整量根据具体工艺条件配置，比如，第一预设调整量可以为1°～30°之间的任意值。
步骤S4：获取偏压射频电源的射频偏压值，将该射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；
若该射频偏压值大于最大射频偏压值，执行步骤S5；若该射频偏压值等于最大射频偏压值，则进行步骤S6；若该射频偏压值小于最大射频偏压值，则进行步骤S7。
步骤S5：使最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S3。
步骤S6：保持相位差不变。
步骤S7：使相位差减少第二预设调整量，执行步骤S8。
其中，第二预设调整量也根据具体工艺条件配置，比如，第二预设调整量可以为1°～30°之间的任意值。
步骤S8：获取偏压射频电源的射频偏压值，将该射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；若该射频偏压值大于最大射频偏压值，则进行步骤S9；若该射频偏压值小于最大射频偏压值，则返回步骤S3；若该射频偏压值等于最大射频偏压值，则进行步骤S6。
步骤S9：使最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S7。
本实施例采用基于工艺时间段实时调节上下射频电源(下射频电源即偏压射频电源)输出波形的相位差(即CEX锁相角度)的控制方式来实现对刻蚀速率的控制。以电感耦合等离子体装置为例，电感耦合装置中上电极部分耦合至介质窗下方的能量分为容性耦合和感性耦合两部分，其中约1/3为容性耦合，2/3为感性耦合部分，而下电极耦合至等离子体部分的能量主要为容性耦合能量，通过调节CEX锁相角度即上下射频电源输出的相位差(可以通过相位调节装置，例如锁相环实现)，可调节上电极容性耦合至等离子体的能量与下电极容性耦合能量之间的相位差，从而影响晶圆上方的离子能量和鞘层电势，直接反应至刻蚀速率，因此CEX锁相角度的不同可直接影响工艺刻蚀速率。
在实施例提供的技术方案中，在调节射频偏压时，会先增大上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的相位差，再将当前的射频偏压值与当前的最大射频偏压值进行比较，在当前的射频偏压值大于最大射频偏压值时，则将当前的射频偏压值赋值给最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差增大而增大的趋势，因此可进一步增大相位差，看射频偏压值是否还会增大；在当前射频偏压值小于当前最大射频偏压值时，说明射频偏压值会随相位差增大而减小，为获得更大额射频偏压值，需要使该相位差减少第二预设调整量；在射频偏压值等于最大偏压值时，保持该相位差不变。本发明提供的技术方案通过调节上射频电源与偏压射频电源输出波形的相位差，实现了调节上电极容性耦合能量与下电极容性耦合能量之间的相位差，可始终保持射频偏压处于相对较大的状态，从而影响了晶圆上方的离子能量和鞘层电势，进而影响了等离子体刻蚀速率，实现了等离子体刻蚀速率的最大化。
如图3所示，为本发明优选实施例提供的刻蚀速率调节方法的流程框图，本发明实施例中，刻蚀速率调节方法包括：
步骤101：获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差。
最大射频偏压值是根据工艺的配方获得一个预置的相位角,由于工艺条件不一样或者腔室状态不一样时，相位角会发生变化，为了避免自动寻找最佳相位角的时间过长，因此需要预先找到一个较优的相位角，而该较优的相位角对应的射频偏压值为最大射频偏压值。
进一步，最大射频偏压值可以为从预先建立的相位偏压对应关系表中获得的射频偏压值的最大值；相位偏压对应关系表用于表示相位差在其测量范围内的不同值和与之一一对应地射频偏压值的对应关系。参见图4所示，可以通过相位差与射频偏压值对应关系图得到相位偏压对应关系表。
图4的得到过程为：是在某工艺条件下，以30°为间隔调节上射频电源与偏压电源输出波形的相位差，偏压电源向基座加载射频偏压值随相位差的变化而变。图4中当相位差为210°时，最大偏压值在所有的偏压值中最高。因此将此角度作为最大偏压值。图4中，phase表示为相位差，VDC表示为射频偏压值。
由图4可知，在相位偏压对应关系表中，相邻两个相位差之间的差值可以为30°。进一步，相位差的测量范围可以为0～360°。
步骤102：使偏压射频电源基于最大射频偏压值和初始的相位差输出射频偏压。
步骤103：使相位差增加第一预设调整量。
步骤104：获取偏压射频电源的射频偏压值，将该射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；
若该射频偏压值大于最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差增大而增大的趋势，执行步骤105；若射频偏压值等于最大射频偏压值，则进行步骤106；若射频偏压值小于最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差增大而减小的趋势，则进行步骤107。
步骤105：使最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤103。
步骤106：保持相位差不变，在保持相位差不变预定时间后，返回步骤103。
其中，预定时间可根据具体工艺条件配置，比如，预定时间为5s～10s之间的任意值。
步骤107：使相位差减少第二预设调整量，执行步骤108。
步骤108：获取偏压射频电源的射频偏压值，将该射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；若该射频偏压值大于最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差减小而增大的趋势，则进行步骤109；若射频偏压值小于最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差减小而减小的趋势，则返回步骤103；若射频偏压值等于最大射频偏压值，则进行步骤106。
步骤109：使最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤107。
随着工艺的进行，腔室内部的等离子阻抗会发生变化，当等离子体阻抗发生变化时，已调整到的最佳相位角可能已经不在合适。因此，在本优选实施例中，会再次去调增相位角。因为这种变化较为缓慢，所以相位角的调节无需实时调节，可以等待设定时间段的间隔后再去进行调整。
下面，结合上述优选实施例对本发明的刻蚀速率的调节过程进行详细说明：
预设最大射频偏压值Vmax，比较射频偏压值Vn-1和最大射频偏压值Vmax，如果射频偏压值Vn-1大于最大射频偏压值Vmax，将射频偏压值Vn-1赋值给最大射频偏压值Vmax，增加相位差为θn＝θn-1+Δθ1，Δθ1为第一预设调整量，获得与相位差θn对应的射频偏压值Vn，并对比射频偏压值Vn与最大射频偏压值Vmax，如果射频偏压值Vn大于最大射频偏压值Vmax，继续重复上述过程直到射频偏压值Vn等于最大射频偏压值Vmax，此时停止调整。如果随着相位角度增加减小，则调整相位差θn＝θn-1-Δθ2，Δθ2为第二预设调整量，并比较射频偏压值Vn等于最大射频偏压值Vmax的变化，继续减小，直到射频偏压值Vn等于最大射频偏压值Vmax。由于随着工艺的进行，腔室内部的等离子阻抗会发生变化，当等离子体阻抗发生变化时，已调整到的最佳相位角已经不在合适，因此需要再次去调增相位角。而这种变化较为缓慢，因此相位角的调节无需实时调节，可以等待设定时间段的间隔后再去进行调整。
如图5所示，为本发明实施例提供的射频偏压调节装置的结构示意图；本发明实施例中，射频偏压调节装置包括：获取单元1以及控制单元2。
获取单元1用于获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差。
控制单元2用于使偏压射频电源基于最大射频偏压值和初始的相位差输出射频偏压；使相位差增加第一预设调整量，获取偏压射频电源的射频偏压值，将射频偏压值与最大射频偏压值进行比较；在射频偏压值大于最大射频偏压值时，使最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使相位差增加第一预设调整量，在射频偏压值等于最大射频偏压值时，保持相位差不变；
控制单元2还用于在射频偏压值小于最大射频偏压值时，使相位差减少第二预设调整量，获取偏压射频电源的射频偏压值，将射频偏压值与最大射频偏压值进行比较，在射频偏压值大于最大射频偏压值时，使最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使相位差减少第二预设调整量，在射频偏压值小于最大射频偏压值时，使相位差增加第一预设调整量，在射频偏压值等于最大射频偏压值时，保持相位差不变。
可选地，第一预设调整量和第二预设调整量的取值范围均为1°～30°。
可选地，控制单元2，还用于在保持相位差不变预定时间后，再次使相位差增加第一预设调整量。
可选地，预定时间的取值范围5s～10s。
本实施例提供的射频偏压调节装置，控制单元在调节射频偏压时，会先增大上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的相位差，再将当前的射频偏压值与当前的最大射频偏压值进行比较，在当前的射频偏压值大于最大射频偏压值时，则将当前的射频偏压值赋值给最大射频偏压值，此时射频偏压值表现出随相位差增大而增大的趋势，因此可进一步增大相位差，看射频偏压值是否还会增大；在当前射频偏压值小于当前最大射频偏压值时，说明射频偏压值会随相位差增大而减小，为获得更大额射频偏压值，需要使该相位差减少第二预设调整量；在射频偏压值等于最大偏压值时，保持该相位差不变。本发明提供的技术方案通过调节上射频电源与偏压射频电源输出波形的相位差，实现了调节上电极容性耦合能量与下电极容性耦合能量之间的相位差，可始终保持射频偏压处于相对较大的状态，从而影响了晶圆上方的离子能量和鞘层电势，进而影响了等离子体刻蚀速率，实现了等离子体刻蚀速率的最大化。
如图6所示，为本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备的结构图。本实施例中，等离子体刻蚀设备包括：上射频电源1、上匹配器2、耦合线圈6、偏压匹配器4、基座3以及偏压射频电源5；还包括：上述的射频偏压调节装置7，其中，
射频偏压电源5通过偏压匹配器4向基座3上加载射频偏压；上射频电源1通过上匹配器2向位于耦合线圈6上加载射频功率；偏压射频电源5通过射频偏压调节装置7与上射频电源1连接。
图6中，工艺气体通过介质窗8上安装的喷嘴11进入反应腔室12中，同时耦合线圈6上的射频能量通过介质窗8耦合至反应腔室12中，产生等离子体10，作用于晶片9，晶片9置于基座3上部。
这里的耦合线圈6优选为电感耦合线圈，但是需要说明的是，本发明实施例提供的射频偏压调节装置7同样适用于采用电容耦合等离子体技术的设备。
本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备，包括上述实施例的射频偏压调节装置，因此，也可以影响等离子体刻蚀速率，进一步，可以实现等离子体刻蚀速率的最大化。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种射频偏压调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差；
S2，使所述偏压射频电源基于所述最大射频偏压值和初始的所述相位差输出射频偏压；
S3，使所述相位差增加第一预设调整量；
S4，获取所述偏压射频电源的射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；若所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值，则进行步骤S5；若所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值，则进行步骤S6；若所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值，则进行步骤S7；
S5，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S3；
S6，保持所述相位差不变；
S7，使所述相位差减少第二预设调整量；
S8，获取所述偏压射频电源的所述射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；若所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值，则进行步骤S9；若所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值，则返回步骤S3；若所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值，则进行步骤S6；
S9，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，返回步骤S7。
2.根据权利要求1所述的射频偏压调节方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：
在保持所述相位差不变预定时间后，返回步骤S3。
3.根据权利要求1所述的射频偏压调节方法，其特征在于，
所述第一预设调整量和所述第二预设调整量的取值范围均为1°～30°。
4.根据权利要求2所述的射频偏压调节方法，其特征在于，所述预定时间的取值范围为5s～10s。
5.一种射频偏压调节装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取预先设置的最大射频偏压值和与之对应的上射频电源与偏压射频电源输出射频波形的初始的相位差；
控制单元，用于使所述偏压射频电源基于所述最大射频偏压值和初始的所述相位差输出射频偏压；使所述相位差增加第一预设调整量，获取所述偏压射频电源的射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较；在所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值时，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使所述相位差增加所述第一预设调整量，在所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值时，保持所述相位差不变；
控制单元，还用于在所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值时，使所述相位差减少第二预设调整量，获取所述偏压射频电源的所述射频偏压值，将所述射频偏压值与所述最大射频偏压值进行比较，在所述射频偏压值大于所述最大射频偏压值时，使所述最大射频偏压值等于该射频偏压值，并再次使所述相位差减少所述第二预设调整量，在所述射频偏压值小于所述最大射频偏压值时，使所述相位差增加所述第一预设调整量，在所述射频偏压值等于所述最大射频偏压值时，保持所述相位差不变。
6.根据权利要求5所述的射频偏压调节装置，其特征在于，
控制单元，还用于在保持所述相位差不变预定时间后，再次使所述相位差增加所述第一预设调整量。
7.根据权利要求5所述的射频偏压调节装置，其特征在于，
所述第一预设调整量和所述第二预设调整量的取值范围均为1°～30°。
8.根据权利要求6所述的射频偏压调节装置，其特征在于，所述预定时间的取值范围5s～10s。
9.一种等离子体刻蚀设备，包括：上射频电源、上匹配器、耦合线圈、偏压射频电源、偏压匹配器、基座，其特征在于，还包括：如权利要求6-8任一项所述的射频偏压调节装置，其中，
所述射频偏压电源通过所述偏压匹配器向所述基座上加载射频偏压；所述上射频电源通过所述上匹配器向所述耦合线圈上加载射频功率；所述偏压射频电源通过所述射频偏压调节装置与所述上射频电源连接。
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