CN209218441U - 一种电感耦合等离子体处理器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电感耦合等离子体处理器，包括：处理腔，处理腔顶部包括一绝缘材料窗，绝缘材料窗上方设置有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个源射频电源；处理腔内底部包括一个基座，基座上方用于支撑待处理晶圆；第一偏压射频电源经过第一匹配电路连接到一个切换装置，第二偏压射频电源通过第二匹配电路连接到所述切换装置，所述切换装置选择性地将第一、第二偏压射频电源中的一个偏压射频电源连通到所述基座中；其中第一偏压射频电源的输出信号频率大于第二偏压射频电源的输出信号频率。

Description

一种电感耦合等离子体处理器

技术领域

本实用新型一般涉及射频匹配网络领域，尤其涉及在电感耦合等离子体室中使用的射频匹配网络。

背景技术

在本领域中已知利用双射频频率或多射频频率的等离子体处理器。通常，双频等离子体室接收频率低于约15MHz的射频偏压功率，以及频率较高的射频源功率（通常为27-200MHz）。在本申请上下文中，偏压射频是指用于控制离子能量和离子能量分布的偏压射频功率。另一方面，源射频功率是指用于控制等离子体离子解离或等离子体密度的射频功率。例如，在电感耦合等离子体室中，源射频功率被施加到电感线圈并用于点燃和维持等离子体，而偏压射频功率被施加到基座以控制离子轰击基板的能量。对于一些具体的例子，已知的是在例如2MHz、2.2MHz或13.56MHz的射频偏压和13.56MHz、27MHz、60MHz、100MHz和更高频率的射频源功率下操作等离子体蚀刻室。

通常，等离子体室构造成具有用于偏压射频功率和源射频功率的一组频率组合。然而，不同的频率导致不同的等离子体特性，比如离子能量的分布，因此在等离子体室中具有在两种不同频率之间切换的能力是有益的，可以满足不同材料的处理工艺需要。为了有效地施加偏压射频功率，必须使用专门针对偏压射频电源的工作频率设计的射频匹配网络。因此，在本领域中需要可选择地以两种不同频率运行的、可有效切换的射频匹配网络。

因此，本实用新型所要解决的问题是能够切换偏压射频频率并提供能够将任一偏压射频频率有效地耦合至等离子体的射频匹配网络。

发明内容

本实用新型公开的以下概述是为了提供对本实用新型一些方面和特征的基本理解。该概述不是本实用新型的广泛综述，因此其无意于具体示出本实用新型的重要或关键要素或描绘本实用新型的范围。其唯一目的是以简化形式给出本实用新型的一些概念，以作为下面给出的更详细描述的前序部分。

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供一种电感耦合等离子体处理器，包括：

处理腔，所述处理腔上方设置有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个源射频电源；

处理腔内底部包括一个基座，基座上方用于支撑待处理晶圆；

第一偏压射频电源通过第一匹配电路连接到一个切换装置，

第二偏压射频电源通过第二匹配电路连接到所述切换装置，

所述切换装置选择性地将第一、第二偏压射频电源中的一个偏压射频电源连通到所述基座中；

其中第一偏压射频电源的输出信号频率大于第二偏压射频电源的输出信号频率。

优选的，所述第一射频偏压射频电源输出的频率和第二射频偏压射频电源输出频率，两个射频偏压射频电源的输出频率相差20倍。

进一步的，所述第一匹配电路，包括由电感和电容组成的第一滤波电路，其具有连接至第一偏压射频电源的第一输入端口和耦合至基座的第一输出端口，以及连接到所述第一输入端口的第一可变电容；

第二匹配电路，包括由电感和电容组成的第二滤波电路，其具有连接至第二偏压射频电源的第二输入端口和耦合至所述基座的第二输出端口，以及第二可变电容，其连接到所述第二输出端口或经过第二滤波电路中的至少一个电感或电容连接到第二输入端口。

进一步的，第一偏压射频电源的输出信号频率大于等于2MHz小于等于60MHz，第二偏压射频电源的输出信号频率大于等于100KHz小于等于1MHz，源射频电源的输出信号频率大于等于13.56MHz。

进一步的，其中第二偏压射频电源的输出信号频率大于100KHz小于400KHz。

进一步的，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为100KHz。

进一步的，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为400KHz。

进一步的，其中所述第一滤波电路和第二滤波电路均包括串联连接的电感和电容。

进一步的，其中所述切换装置包括选择开关，所述选择开关具有基极、第一触点和第二触点，所述基极连接至所述基座，所述第一触点可连接至所述第一输出端口，所述第二触点可连接至所述第二输出端口。

进一步的，其还包括连接在所述第二输入端口和电接地端之间的固定电容器。

进一步的，本实用新型还公开了一种电感耦合等离子体处理器，其包括：

真空室；

源射频电源；

第一偏压射频电源；

第二偏压射频电源；

耦合至所述源射频电源的电感线圈；

基座用于支撑晶圆，其位于所述真空室内并经由可切换匹配网络可切换地耦合至所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源；所述可切换匹配网络包括：

第一匹配电路，包括电感和电容组成的第一滤波电路，其具有连接至所述第一偏压射频电源的第一输入端口和耦合至所述基座的第一输出端口，还包括第一可变电容和一个第一切换开关；

第二匹配电路，包括由电感和电容组成的第二滤波电路，其具有连接至所述第二偏压射频电源的第二输入端口和第二输出端口，还包括一第二可变电容和第二切换开关；

所述第一、第二切换开关将所述第一或第二匹配电路之一选择性地连接至所述基座，

其中所述第一可变电容连接到所述第一匹配电路的第一输入端口，第二可变电容连接到所述第二输出端口或者第二滤波电路中电感和电容连接的中间端。

进一步的，其中所述第一偏压射频电源输出的频率大于第二偏压射频电源输出频率的20倍。

进一步的，其中所述第一偏压射频电源输出大于等于2MHz小于等于13.56MHz的信号，所述第二偏压射频电源输出100KHz至400KHz的信号。

优选的，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为100KHz。

优选的，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为400KHz。

进一步的，其中所述一匹配电路和所述第二匹配电路中的至少一个滤波电路包括串联连接的电感和电容以及并联连接的电感或电容。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型专门针对工作频率设计了一种射频匹配网络，提供两种不同频率操作的、可有效切换的射频匹配网络，可有效地施加偏压功率，能够切换偏压频率并提供能够将任一偏压频率有效地耦合至等离子体的射频匹配网络。

附图说明

通过参考以下附图进行的具体实施方式，本实用新型的其他方面和特征将变得明显。应当理解，具体实施方式和附图提供了由所附权利要求限定的本实用新型各种实施例的各种非限制性示例。

包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图举例说明了本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释和说明本实用新型的原理。附图意在以图示方式说明示例性实施例的主要特征。附图并不意在描绘实际实施例的每个特征，也不意在描绘所描绘元件的相对尺寸，并且未按比例绘制。

图1示出了本实用新型一电感耦合等离子体处理器结构的示意图；

图2a示出了本实用新型第一匹配电路的第一实施例电路图；

图2b示出了本实用新型第二匹配电路的第一实施例电路图；

图3a示出了本实用新型第一匹配电路的第二实施例电路图；

图3b示出了本实用新型第二匹配电路的第二实施例电路图；

图3c示出了本实用新型第二匹配网络的第三实施例电路图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本实用新型的可切换匹配网络的实施例。不同的实施例或其组合可以用于不同的应用或实现不同的益处。取决于所需获得的结果，可以以单独使用或与其他特征组合的方式部分地或最全面地使用本文公开的不同特征，从而在优势与要求和约束之间进行取舍。因此，将参考不同的实施例突出某些益处，但不限于所公开的实施例。也就是说，本文公开的特征不限于描述它们的实施例，而是可以与其他特征进行“混合和匹配”并结合在其他实施例中。

如图1所示，本实用新型的电感耦合等离子体处理器包括反应腔100，腔体内包括一个基座22，基座内集成有下电极。基座上方包括静电夹盘21，待处理晶圆20固定在静电夹盘21上，由半导体或者绝缘材料制成的聚焦环或者边缘环10围绕晶圆20和静电夹盘21，通过对边缘环10材料、形状、电位的调节可以调节晶圆边缘的等离子体的浓度和鞘层厚度等关键特性。反应腔100顶部包括一个绝缘材料窗32，通常由石英制成。绝缘材料窗32上方设置有电感线圈34，电感线圈34通过一个匹配器56接收来自源射频电源46的射频功率。反应气体源30通过阀门装置和供气管道向反应腔内部供应反应气体，同时电感线圈34上产生的射频磁场穿过绝缘材料窗向下进入反应腔，感应产生的射频电磁场解离反应气体，形成的等离子体对下方的晶圆20进行等离子体刻蚀。其中源射频电源的输出频率一般大于等于13.56MHz，可以是27MHz或者60MHz等。

本实用新型的基座22下方连接到至少两个偏压射频电源41、43，其中偏压射频电源43具有极低的射频频率f1，其频率处于100KHz~2MHz，较佳的需要小于等于1MHz，例如400KHz或者100KHz。偏压射频电源41具有较高的射频频率f2，其频率大于2MHz小于60MHz。其中偏压射频电源41通过第一匹配电路51连接到切换装置60的a端，偏压射频电源43通过第二匹配电路53连接到切换装置60的c端。切换装置60通过开关切换使得b端选择性地连接到a端或c端之一，从而使下方的两个偏压射频电源41、43中的一个输出射频功率到基座22，同时另一个偏压射频电源被断开。

以这种方式，可以通过单独的电感线圈、匹配器56和源射频电源46点燃和维持等离子体，然后通过选择第一频率f1或第二频率f2作为偏压功率来控制离子轰击。本实用新型中的第一偏压射频频率f1和第二偏压射频频率相差巨大f2，至少为2MHz：100K =20倍，典型的为13.56M:400K=33倍，频率差距巨大可以通过控制不同偏压射频电源的输出功率实现对等离子体工艺步骤中等离子体能量的不同控制，同时也导致第一、第二偏压射频电源输入到等离子体反应腔中的基座（阴极）时反应腔内产生相差极大的负载阻抗值，其中400KHz偏压射频电源在反应腔中产生的负载阻抗约几百欧姆，13.56MHz偏压射频电源在反应腔中产生约几欧姆的负载阻抗。采用现有技术中的相同的匹配电路无法实现对阻抗差距如此大的两个射频频率的有效匹配，因此还需要对匹配电路进行特殊优化设计。如图2a所示为匹配器51的内部电路结构，其中包括串联的元器件电感L1、电容C1两者组合形成第一滤波电路，使得只有特定频率f2的射频功率能够向上进入基座，其它频率的射频功率无法穿过该滤波电路向下倒流进下方偏压射频电源41。一个可变电容Cv1连接在滤波电路的输入端511和接地端之间，通过可变电容Cv1的改变电容来匹配反应腔内的阻抗，使得反应腔内的阻抗与匹配器51中的阻抗互补匹配，只有f2频率的射频功率流入反应腔内的基座22，频率为f2的反射功率很少会倒流入偏压射频电源41。其中匹配滤波电路的输出端512与上方的切换装置60中的a端相连接。如图2b所示为匹配器53内部电路结构图，包括由串联的电感L2和电容C2组成的第二滤波电路，其中第二滤波电路的输入端531连接到上游的偏压射频电源43，输出端532连接到切换装置60的c端。一个可变电容Cv2连接在输出端532和接地端之间。由于两个偏压射频电源输出的频率f1、f2相差巨大，所以产生的阻抗差距巨大，可变电容接入两个滤波电路的位置也不同，其中对于流过射频频率较高（f2）的第一匹配电路51中的可变电容Cv1，可以连接到第一滤波电路的输入端511，对于流过射频频率很低（f1）的第二匹配电路53中的可变电容Cv2，需要连接到第二滤波电路的输出端532才能实现匹配，这种不对称连接改善了偏压射频功率与等离子体蚀刻室的匹配。

对于电容耦合等离子体处理器，由于下电极与上方的上电极靠的很近，是互相电场耦合的，所以输送到下电极的偏压射频电源产生的射频能量也同时会电耦合到上方的上电极，所以偏压射频电源的功率在控制离子能量的同时也影响了离子浓度分布，为了避免两种射频电源的互相干扰，偏压射频电源的频率必须选择的很低，比如是2MHz或以下，源射频电源的输出频率通常大于27MHz。本实用新型应用于电感耦合等离子体处理器，不存在上电极，不需要电场耦合产生等离子体，所以处理器中的等离子体浓度只受上方源射频电源输出功率的影响，多个偏压射频电源只对离子能量产生影响而不会对上方离子浓度和气体成分解离效果产生影响，实现了两者的独立控制，所以偏压射频电源的输出频率可以大于2MHz，可以采用与源射频电源相同的频率13.56MHz甚至更高，如60MHz，实现离子能轻柔的向下轰击，以适用化学反应主导的反应过程。根据具体工艺要求，当需要向下入射到晶圆的离子能量极高时（如深孔刻蚀工艺），也需要极低的偏压射频电源输出频率，比如低于1MHz。本实用新型提供的可切换匹配网络可以实现两个频率数值相差极大的射频电源通过两个匹配电路和切换装置的组合，有效供应到基座。

上述两个电感电容互相串联的L型滤波电路可以作为滤波器应用于本实用新型所适用的等离子体处理器的匹配器中，但是只要能够使得具有特定频率的射频功率通过，同时阻止其它频率的射频功率通过的电路均可以构成本实用新型的滤波电路的可变实施例，所以由多个电容和电感组合而成的T型和π型的电路结构也可以是本实用新型的滤波电路结构。比如图3a所示，第一滤波电路从原有的串联L1、C1变为串联L12、L13和并连的电容C12构成的T型滤波器，其它可变电容Cv11不变。同样的匹配器53中的第二滤波电路也相应的变为由L22、L23和C22组合而成，可变电容Cv22连接在第二滤波电路的输出端532。此外还可以在匹配器53中额外设置一个固定电容C24并联在输入端531和接地端之间，以保护可变电容Cv22。

如图3c所示，可变电容除了可以连接在第二滤波器的输出端532，通过电容和电感参数的调整，也可以将可变电容Cv22连接到电感L22和L23之间的中间端。这样的电路结构由于电感L23和C22连接在可变电容上游，所以，他们对射频信号的阻抗与可变电容Cv22组合后也能补偿基座22上方产生的等离子体阻抗。图3c仅示出了T型滤波器电路结构，根据业内常识π型也可以应用于本实用新型的匹配电路，其中匹配器53中的可变电容可以连接在滤波器的输出端或者滤波器多个电感/电容的中间端。两个匹配器51和53中的滤波电路可以采用不同的电路结构，比如匹配器51中采用L型滤波器，匹配器53中采用T型滤波电路，只要匹配器51中的可变电容连接到滤波电路输入端，匹配器53中的可变电容连接到滤波电路的输出端或中间端就能实现对上述两个差距极大的射频频率(f1、f2)的有效匹配。

本实用新型所述的切换装置可以是包括三个端点的开关，实现第一触点a和第二触点c选择性连接到b端，也可以是有两个开关组合而成，每个开关的一端连接到一个匹配器的输出端（512、532），另一端分别电连接到基座。两个切换开关也可以设置在上述第一、第二滤波电路内部，比如图3a中的电感L13与L12之间，只要断开切换装置，来自下方输入端511的射频功率就与输出端512断开了电连接，只有电浮地的L12仍与下游的基座和第二匹配电路电连接，没有其它元器件连接到接地端，不会影响偏压射频电源43向下游基座供电。所以本实用新型的切换装置只要能实现基座与两个匹配电路之间的选择性连接，不限于三端开关，也可以是任何形式的切换装置，比如集成在匹配器51、53中的两个开关。所以每个匹配器51、53可以包括各自的滤波电路、连接到滤波电路不同位置的可变电容和一个开关，最终通过两个具有开关功能的独立匹配器，实现本实用新型将两个频率的偏压射频功率有效输送射频功率到基座的实用新型目的。

应当理解，本实用新型描述的过程和技术并非固有地与任何特定装置相关，而是可以通过任意合适的组件组合来实现。此外，根据本实用新型描述的教导，可以使用各种类型的通用设备。已经结合特定示例描述了本实用新型，这些示例在所有方面都意为说明性而非限制性的。本领域技术人员将理解，许多不同的组合将适用于实施本实用新型。

此外，考虑到本实用新型公开的说明书和实践，本实用新型的其他实施方式对于本领域技术人员而言将是明显的。所描述实施例的各个方面和/或组件可以单独使用或以任意组合使用。说明书和实施例仅应被认为是示例性的，本实用新型的真实范围和精神由所附权利要求指出。

Claims (16)

1.一种电感耦合等离子体处理器，包括：

处理腔，所述处理腔上方设置有一个电感线圈，所述电感线圈连接到一个源射频电源；

处理腔内底部包括一个基座，基座上方用于支撑待处理晶圆；

第一偏压射频电源通过第一匹配电路连接到一个切换装置，

第二偏压射频电源通过第二匹配电路连接到所述切换装置，

所述切换装置选择性地将第一、第二偏压射频电源中的一个偏压射频电源连通到所述基座中；

其中第一偏压射频电源的输出信号频率大于第二偏压射频电源的输出信号频率。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，所述第一偏压射频电源输出的频率和第二偏压射频电源输出频率，两个射频偏压射频电源的输出频率相差20倍。

3.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，第一匹配电路，包括由电感和电容组成的第一滤波电路，其具有连接至第一偏压射频电源的第一输入端口和耦合至基座的第一输出端口，以及连接到所述第一输入端口的第一可变电容；

第二匹配电路，包括由电感和电容组成的第二滤波电路，其具有连接至第二偏压射频电源的第二输入端口和耦合至所述基座的第二输出端口，以及第二可变电容，其连接到所述第二输出端口或经过第二滤波电路中的至少一个电感或电容连接到第二输入端口。

4.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第一偏压射频电源的输出信号频率大于等于2MHz小于等于60MHz，第二偏压射频电源的输出信号频率大于等于100KHz小于等于1MHz，源射频电源的输出信号频率大于等于13.56MHz。

5.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第二偏压射频电源的输出信号频率大于100KHz小于400KHz。

6.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为100KHz。

7.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为400KHz。

8.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中所述第一滤波电路和第二滤波电路均包括串联连接的电感和电容。

9.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中所述切换装置包括选择开关，所述选择开关具有基极、第一触点和第二触点，所述基极连接至所述基座，所述第一触点可连接至所述第一输出端口，所述第二触点可连接至所述第二输出端口。

10.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其还包括连接在所述第二输入端口和电接地端之间的固定电容器。

11.一种电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其包括：

真空室；

源射频电源；

第一偏压射频电源；

第二偏压射频电源；

耦合至所述源射频电源的电感线圈；

基座用于支撑晶圆，其位于所述真空室内并经由可切换匹配网络可切换地耦合至所述第一偏压射频电源和所述第二偏压射频电源；所述可切换匹配网络包括：

第一匹配电路，包括电感和电容组成的第一滤波电路，其具有连接至所述第一偏压射频电源的第一输入端口和耦合至所述基座的第一输出端口，还包括第一可变电容和一个第一切换开关；

第二匹配电路，包括由电感和电容组成的第二滤波电路，其具有连接至所述第二偏压射频电源的第二输入端口和第二输出端口，还包括一第二可变电容和第二切换开关；

所述第一、第二切换开关将所述第一或第二匹配电路之一选择性地连接至所述基座，

其中所述第一可变电容连接到所述第一匹配电路的第一输入端口，第二可变电容连接到所述第二输出端口或者第二滤波电路中电感和电容连接的中间端。

12.根据权利要求11所述的电感耦合等离子体处理器，其中所述第一偏压射频电源输出的频率大于第二偏压射频电源输出频率的20倍。

13.根据权利要求11所述的电感耦合等离子体处理器，其中所述第一偏压射频电源输出大于等于2MHz小于等于13.56MHz的信号，所述第二偏压射频电源输出100KHz至400KHz的信号。

14.根据权利要求11所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为100KHz。

15.根据权利要求11所述的电感耦合等离子体处理器，其特征在于，其中第二射频偏压射频电源的输出信号频率为400KHz。

16.根据权利要求11所述的电感耦合等离子体处理器，其中所述一匹配电路和所述第二匹配电路中的至少一个滤波电路包括串联连接的电感和电容以及并联连接的电感或电容。