CN112992636B - 用于等离子体处理设备的射频功率源装置和射频功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体处理设备的射频功率源装置和射频功率分配方法，射频功率源装置包含射频源发生器，射频匹配盒，以及连接射频匹配盒和等离子体处理设备中射频导体部件的功率分配器。如果等离子体处理设备所需的射频功率小于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器输出大于最小有效输出功率的任意射频功率值给功率分配器，功率分配器将射频源发生器提供的射频功率值分割为等离子体处理设备所需的一个或两个以上的射频功率并输出给等离子体处理设备中的射频导体部件。本发明极大地拓宽了射频源发生器的有效功率区间，提高了等离子体处理设备的工艺复杂化程度，减少了设备成本。

Description

用于等离子体处理设备的射频功率源装置和射频功率分配 方法

技术领域

本发明涉及一种用于等离子体处理设备的射频功率源装置和等离子体处理设备。

背景技术

等离子体(Plasma)广泛应用于对材料表面进行刻蚀和沉积，特别是在大规模集成电路制造中，材料表面的离子能量分布是影响工艺结果的关键参数。在等离子体中有电子(electrons)的雪崩碰撞(Avalanche)用于产生和维持等离子体环境，碰撞产生的离子(ions)在电场的作用下撞击(bombardment)晶圆表面达到物理蚀刻的目的，而另一部分被电离化的离子(ions)可以作为化学反应气体，与被蚀刻物质发生化学反应产生气态副产物达到化学蚀刻的目的。

这些等离子体的产生是由于化学反应气体按照一定的工作压力和搭配比例充满整个反应腔室，再加上大于气体击穿临界值的高频电场，在强电场作用下，被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行随机碰撞，这种激烈碰撞引起电离和复合。

如图1所示，反应腔4’中设置有基座43’，静电吸盘设置在基座4’上，晶圆放置在静电吸盘上，反应腔4’中还设置有进气装置41’，进气装置41’连接外部的气源，提供反应气体进入反应腔4’。用于等离子体处理设备的射频功率源一般包含两个独立的射频发生器，即，高功率射频发生器(HF，Hi-Frequency)1’和低功率射频发生器(LF，Low-Frequency)2’，高功率射频发生器1’和低功率射频发生器2’都通过射频匹配盒3’接入等离子体处理设备的反应腔4’，产生射频电场，将反应气体电离为等离子体42’，以实现对晶圆的处理。高功率射频发生器1’用于控制反应腔中的等离子密度，低功率射频发生器2’用于控制等离子能量。

随着半导体技术的发展，目前的刻蚀已经发展到了3nm工艺阶段，工艺参数需求的苛刻化、复杂化已是大势所趋。不同的工艺可能需求不同的功率输出，而等离子体处理设备如果要有很高的功率容量，那么就需要从低功率到高功率都可以兼容到。传统的射频发生器的一般功率输出的有效范围为10％-90％，仍然存在难以兼容到的功率范围，例如，一个功率为3000W的射频发生器，如需产生工艺需求为200W甚至更低的功率，则难以提供该有效功率值。

发明内容

本发明提供一种用于等离子体处理设备的射频功率源装置和射频功率分配方法，极大地拓宽了射频源发生器的有效功率区间，提高了等离子体处理设备的工艺复杂化程度，减少了设备成本。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于等离子体处理设备的射频功率源装置，该射频功率源装置连接到等离子体处理设备上的射频导体部件，所述的射频功率源装置包含：

射频源发生器，用于提供射频功率；

射频匹配盒，其连接射频源发生器，用于匹配射频源发生器的阻抗；

功率分配器，其连接射频匹配盒和射频导体部件，用于将射频源发生器提供的射频功率分割为等离子体处理设备所需的射频功率。

所述的射频功率源装置还包含：额外负载，其连接功率分配器，用于消耗分割后剩余的射频功率。

所述的射频源发生器是高功率射频源发生器或/和低功率射频源发生器。

所述的射频匹配盒还连接所述的射频导体部件。

本发明还提供一种射频功率分配方法，如果等离子体处理设备所需的射频功率小于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器输出大于最小有效输出功率的任意射频功率值给功率分配器，功率分配器将射频源发生器提供的射频功率值分割为等离子体处理设备所需的一个或两个以上的射频功率并输出给等离子体处理设备中的射频导体部件。

如果等离子体处理设备所需的射频功率大于等于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器输出等离子体处理设备所需的射频功率值，功率分配器直接将射频源发生器提供的射频功率值输出给等离子体处理设备中的射频导体部件。

如果等离子体处理设备所需的射频功率大于等于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器直接输出等离子体处理设备所需的射频功率值给等离子体处理设备中的射频导体部件。

所述的射频源发生器的最小有效输出功率是额定功率的0％-15％。

所述的功率分配器将射频源发生器提供的射频功率分割为相等或不相等的多个射频功率。

使用额外负载以消耗功率分配器分割后的剩余的射频功率。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包含：反应腔和射频导体部件，以及如权利要求1-4中任意一项所述的射频功率源装置。

所述的等离子体处理设备是电容耦合等离子体刻蚀设备，或者是电感耦合等离子体刻蚀设备。

所述的等离子体处理设备包含两个以上的真空反应腔和射频导体部件，功率分配器将射频源发生器提供的射频功率分割为每一个真空反应腔所需的射频功率。

本发明通过增设功率分配器，通过功率分割提供不同数值的功率输出，满足了等离子体处理设备的工艺要求，排除了射频源发生器受到最小有效输出功率的限制，极大地拓宽了射频源发生器的有效功率区间，提高了等离子体处理设备的工艺复杂化程度。同时，利用功率分配器就可以实现采用同一个射频源发生器同时为等离子体处理设备中的不同真空反应腔提供射频功率，避免了为每个真空反应腔单独配置一个射频源发生器，减少了设备成本。

附图说明

图1是背景技术中用于等离子体处理设备的射频功率源的结构示意图。

图2是本发明实施例中用于等离子体处理设备的射频功率源装置的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图2具体说明本发明的较佳实施例。

如图2所示，本发明提供一种等离子体处理设备，该等离子体处理设备包含一个真空反应腔4，真空反应腔4中设置有基座43，静电吸盘设置在基座43上，待处理基片放置在静电吸盘上，真空反应腔4中还设置有进气装置41，进气装置41连接外部的气源，提供反应气体进入真空反应腔4。

在一个实施例中，所述的等离子体处理设备为电容耦合等离子体处理设备(CCP)，所述的进气装置41作为上电极，所述的基座43作为下电极，射频功率源装置连接所述上电极或下电极。所述的射频功率源装置产生的射频信号通过上电极与下电极之间形成的高电压将反应气体转化为等离子体42，对待处理基片进行处理。

在其他实施例中，所述的等离子体处理设备为电感耦合等离子体处理设备(ICP)，所述的真空反应腔4的顶部开设绝缘窗口，绝缘窗口上设置有电感线圈，所述的基座43作为下电极，所述的电感线圈和基座43与射频功率源装置连接，使得反应气体转化为等离子体42，对待处理基片进行处理。

为了提高处理效率，有些等离子体处理设备中会设置两个以上的真空反应腔，每个真空反应腔中的结构一致，具有多个真空反应腔的等离子体处理设备可以同时对多个基片进行处理，大大提高了制程速率。

真空反应腔4中，与射频功率源装置直接连接的部件通常被称为射频导体部件，一般来说，射频导体部件可以是下电极或者是电感线圈，或者是其他与射频功率源装置连接的结构。

所述的射频功率源装置包含用于提供射频功率的射频源发生器，该射频源发生器既可以采用高功率射频源发生器1(通常，频率为60MHz)，也可以采用低功率射频源发生器2(通常，频率为2MHz-13.4MHz)，或者可以同时将高功率射频源发生器1和低功率射频源发生器2连接到射频匹配盒3，射频匹配盒3再连接到射频导体部件，射频匹配盒3用于匹配射频源发生器的阻抗。一般情况下，高功率射频源发生器1和低功率射频源发生器2可以满足大多数的等离子体处理设备在制程中的功率需求，但是不管是高功率射频源发生器1还是低功率射频源发生器2都存在一个有效最小功率，一旦等离子体处理设备的某项制程和工艺所需的仅仅是较小的功率值，而这个较小的功率值甚至小于射频源发生器能够提供的有效最小功率(通常，有效最小功率是射频源发生器的额定功率的0％-15％)，那么此时，射频源发生器就无法满足等离子体处理设备的需求。为了解决这个问题，在本发明的一个实施例中，增设一个功率分配器5，射频匹配盒3除了可以直接连接到射频导体部件，还可以通过功率分配器5连接到射频导体部件。所述的功率分配器5分别连接射频匹配盒3和射频导体部件，用于将射频源发生器提供的射频功率分割为等离子体处理设备所需的功率值。所述的功率分配器5具有很高的切换控制功能，能够精确地分配得到不同的功率值提供给等离子体处理设备。在本发明的一个实施例中，功率分配器5对射频源发生器提供的射频功率进行分割，得到等离子体处理设备所需的功率值输出到射频导体部件，功率分割后剩余的射频功率可以通过额外负载6消耗掉，所述的额外负载6连接到功率分配器5，在本发明的一个实施例中，该额外负载6可以采用射频电阻，该额外负载6中还可以设置风扇帮助进行热量耗散，或者在该额外负载6中设置循环水冷装置，以增强热耗散，从而提高额外负载6的使用寿命并提高该额外负载6消耗功率的效率。

在本发明的一个实施例中，射频源发生器采用低功率射频源发生器2，低功率射频源发生器2连接到射频匹配盒3，射频匹配盒3直接连接到等离子体处理设备的真空反应腔4中的射频导体部件，形成第一射频输出路径①。与此同时，射频匹配盒3还连接功率分配器5，形成第二射频输出路径②，进一步，功率分配器5连接到等离子体处理设备的真空反应腔4中的射频导体部件，形成第三射频输出路径③，功率分配器5还连接到额外负载6，形成第四射频输出路径④。假设低功率射频源发生器2的额定功率为a(W)，且其最小有效输出功率为0.1a(W)，当等离子体处理设备的需求功率大于等于0.1a(W)，那么直接采用低功率射频源发生器2完全可以满足需要，此时并不用启动第二射频输出路径②，仅仅采用第一射频输出路径①就可以，无需使用功率分配器5。当等离子体处理设备的需求功率小于0.1a(W)时，就需要启动功率分配器5，此时将第一射频输出路径①屏蔽，改为采用第二射频输出路径②，此时低功率射频源发生器2的输出功率可以等于0.1a(W)，也可以大于0.1a(W)，这个功率值可以根据具体情况设置，当低功率射频源发生器2的输出功率沿第二射频输出路径②传输到功率分配器5时，会被分割为两部分，一部分的功率值等于等离子体处理设备的需求功率，并通过第三射频输出路径③传输到等离子体处理设备的真空反应腔4中的射频导体部件，剩余部分的功率值通过第四射频输出路径④传输到额外负载6耗散掉。在某些情况下，如果一直在使用功率分配器5对射频源发生器的输出功率进行分割，然后等离子体处理设备的需求功率临时增大了，大于了射频源发生器能够提供的最小有效输出功率，由于这种情况只是暂时出现，所以也不必将第二射频输出路径②切换为第一射频输出路径①，可以继续使用第二射频输出路径②，只是此时的功率分配器5不再需要对射频源发生器的输出功率进行分割，而是直接输出完整的功率值，通过第三射频输出路径③传输到等离子体处理设备的真空反应腔4中的射频导体部件。在本实施例中，可以通过继电器或者多路开关等元器件来实现对第一射频输出路径①和第二射频输出路径②的动态在线切换。

在本发明的另一个实施例中，射频源发生器采用高功率射频源发生器1，其额定功率为3000W，等离子体处理设备的需求功率为200W，因为高功率射频源发生器1的最小有效输出功率高达300W(假设最小有效输出功率是额定功率的10％)，仍然高于等离子体处理设备的需求功率200W，此时就需要将启动高功率射频源发生器1的射频输出路径切换到第二射频输出路径②，启动功率分配器5，可以设定高功率射频源发生器1的有效输出功率为400W(大于其最小有效输出功率300W)，400W的功率进入功率分配器5，功率分配器5将高功率射频源发生器1的输出功率400W平均分割成两部分，每部分是200W，第一部分的200W功率经过第三射频输出路径③传输到等离子体处理设备的真空反应腔4中的射频导体部件，剩下的一部分也是200W经过第四射频输出路径④传输到额外负载6耗散掉。

在本发明的另一个实施例中，针对具有多个真空反应腔的等离子体处理设备，功率分配器5可以将射频源发生器输出的射频功率平均分割为多个射频功率，并通过多个射频输出路径分别将分割得到的每路射频功率传输到等离子体处理设备的每一个真空反应腔中的射频导体部件，以实现每个真空反应腔的正常工作。典型地，以刻蚀功率需求为100W的具有两个真空反应腔的双刻蚀等离子体处理设备来进行同步刻蚀为例，此时的射频源发生器采用高功率射频源发生器1，其额定功率为3000W，最小有效输出功率为300W(假设最小有效输出功率是额定功率的10％)，将启动高功率射频源发生器1的射频输出路径切换到第二射频输出路径②，启动功率分配器5，设定高功率射频源发生器1的输出功率为400W，400W的功率进入功率分配器5，功率分配器5将高功率射频源发生器1的输出功率400W分割成200W-100W-100W三部分，其中，200W传输给额外负载6耗散掉，剩下的两部分100W-100W被分别传输给双刻蚀等离子体处理设备的两个刻蚀单元进行同步刻蚀。

本发明通过增设功率分配器，通过功率分割提供不同数值的功率输出，满足了等离子体处理设备的工艺要求，排除了射频源发生器受到最小有效输出功率的限制，极大地拓宽了射频源发生器的有效功率区间，提高了等离子体处理设备的工艺复杂化程度。同时，利用功率分配器就可以实现采用同一个射频源发生器同时为等离子体处理设备中的不同真空反应腔提供射频功率，避免了为每个真空反应腔单独配置一个射频源发生器，减少了设备成本。

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 (12)

1.一种用于等离子体处理设备的射频功率源装置，该射频功率源装置连接到等离子体处理设备上的射频导体部件，其特征在于，所述的射频功率源装置包含：

射频源发生器，用于提供射频功率；

射频匹配盒，其连接射频源发生器，用于匹配射频源发生器的阻抗；

功率分配器，其连接射频匹配盒和射频导体部件，用于当所述等离子体处理设备所需的射频功率小于所述射频源发生器的最小有效输出功率时，将所述射频源发生器提供的射频功率分割出所述等离子体处理设备所需的射频功率并输出给所述射频导体部件。

2.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的射频功率源装置，其特征在于，所述的射频功率源装置还包含：额外负载，其连接功率分配器，用于消耗分割后剩余的射频功率。

3.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的射频功率源装置，其特征在于，所述的射频源发生器是高功率射频源发生器或/和低功率射频源发生器。

4.如权利要求1所述的用于等离子体处理设备的射频功率源装置，其特征在于，所述的射频匹配盒还连接所述的射频导体部件。

5.一种利用如权利要求1-3中任意一项所述的用于等离子体处理设备的射频功率源装置进行的射频功率分配方法，其特征在于，如果等离子体处理设备所需的射频功率小于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器输出大于最小有效输出功率的任意射频功率值给功率分配器，功率分配器将射频源发生器提供的射频功率值分割为等离子体处理设备所需的一个或两个以上的射频功率并输出给等离子体处理设备中的射频导体部件。

6.如权利要求5所述的射频功率分配方法，其特征在于，如果等离子体处理设备所需的射频功率大于等于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器输出等离子体处理设备所需的射频功率值，功率分配器直接将射频源发生器提供的射频功率值输出给等离子体处理设备中的射频导体部件。

7.如权利要求5所述的射频功率分配方法，其特征在于，在所述的射频功率源装置中，所述的射频匹配盒还连接所述的射频导体部件，所述方法还包括：如果等离子体处理设备所需的射频功率大于等于射频源发生器的最小有效输出功率，则射频源发生器直接输出等离子体处理设备所需的射频功率值给等离子体处理设备中的射频导体部件。

8.如权利要求5所述的射频功率分配方法，其特征在于，所述的射频源发生器的最小有效输出功率是额定功率的0％-15％。

9.如权利要求5所述的射频功率分配方法，其特征在于，所述的功率分配器将射频源发生器提供的射频功率分割为相等或不相等的多个射频功率。

10.如权利要求5所述的射频功率分配方法，其特征在于，使用额外负载以消耗功率分配器分割后的剩余的射频功率。

11.一种等离子体处理设备，其特征在于，包含：反应腔和射频导体部件，以及如权利要求1-4中任意一项所述的射频功率源装置。

12.如权利要求11所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述的等离子体处理设备包含两个以上的真空反应腔和射频导体部件，功率分配器将射频源发生器提供的射频功率分割为每一个真空反应腔所需的射频功率。