CN213638317U - 一种提高等离子体均匀性的电源系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种提高等离子体均匀性的电源系统，电源系统包括：信号发生装置、第一电极和第二电极；信号发生装置包括：信号发生器和多路信号处理电路；信号发生器分别与多路信号处理电路连接，信号发生器用于产生多路不同频率的初始信号；信号处理电路用于对对应频率的初始信号进行处理；多路信号处理电路均与第一电极连接；经信号处理电路处理后的初始信号通过第一电极作用于等离子体。本实用新型能够对低频电源和高频电源中的信号进行有效的处理，提高了等离子体放电的稳定性，降低了高频电源和低频电源存在的耦合作用的影响，在提高等离子体均匀性的前提下，可以实现离子通量和离子能量的独立控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体制造领域，特别是涉及一种提高等离子体均匀性的电源系统。
背景技术
容性耦合等离子体(CCP)源由一对相互平行的平板电极构成。由于CCP源可以产生大面积等离子体，它被广泛应用于芯片、光伏电池和平板显示器等制造工艺过程中。在这些应用中，等离子体均匀性控制和离子通量与能量的独立控制是两个至关重要的核心技术。一方面，等离子体均匀性决定基片表面不同位置处的刻蚀速率和薄膜沉积速率，最终决定刻蚀深度和薄膜的均匀性。另一方面，离子通量与能量的独立可控度决定着刻蚀的各向异性、刻蚀深宽比和薄膜性能。
目前，随着半导体技术的快速发展，工业CCP源出现了新的发展趋势。一方面，CCP源中采用的驱动频率越来越高，这是由于更高的驱动频率可以产生更高的等离子体密度，从而可以提高刻蚀和薄膜沉积的效率。另一方面，由于晶圆的尺寸越来越大，CCP源的腔室尺寸也越来越大。然而，随着驱动频率和放电腔室尺寸的增大，特别是当等离子体中电磁波的波长与腔室尺寸相当时，驻波效应就会变得显著，引起严重的等离子体空间不均匀性，最终造成刻蚀与薄膜沉积的不均匀性。因此，等离子体均匀性控制成为等离子体处理工艺过程中亟待解决的难题。此外，在工业CCP源中随着驱动频率的升高，放电中鞘层电压下降，导致离子轰击能量降低。如何在较高等离子体密度条件下灵活控制离子能量是等离子体处理工艺过程中另一个亟待解决的问题。综上，在当前半导体工业中，迫切需要提出一种既可以提高等离子体均匀性还可以独立控制离子通量和离子能量的方法。
现有技术中，有如下几类方法应用于提高等离子体均匀性的工艺：
(1)一种类似于高斯透镜形状的电极，如图1所示，在特定的放电频率下，利用该电极产生的不均匀电极间隙可以有效补偿驻波效应，在电极间产生较均匀的电场。但是，当放电频率低于或高于此工作频率时，由于“过补偿”或“欠补偿”作用，电极间的电场会呈现出“凹”分布或“凸”分布特征，且其电极只适用于特定的放电参数(工作气体、气压、驱动频率、功率等)，一旦放电条件发生改变，调控等离子体均匀性的能力大大下降。
(2)梯形电极，如图2所示，通过在梯形电极的不同位置施加电压，使得在放电区域内不同位置处的电压几乎相同，从而有效避免了驻波效应导致的放电中心处电压高的现象。但梯形电极制作加工成本较高，往往要求较高的加工精度，加工难度大。且这些特殊结构电极一旦加工和安装完毕后，不易更换。
(3)相移控制方法：当放电中上、下电极由两个同频率的电源驱动时，通过调节两电极表面电压的相位差，可以调节等离子体的空间均匀性。现有技术中研究了相移调制对等离子体均匀性的影响，研究结果表明：当相位差为0°时，由于电极边缘与接地侧壁之间的耦合作用，等离子体密度在径向边缘处出现峰值；随着相位差的增大，电极边缘与侧壁之间的耦合作用逐渐减弱，两电极间的耦合作用逐渐增强；当相位差为180°时，等离子体均匀性最佳。此方法尽管可以优化等离子体均匀性，但无法实现等离子体刻蚀和薄膜沉积过程中离子通量和离子能量的独立控制。
(4)低频源参数控制：在甚高频放电中引入一个低频源，可以通过调节低频源参数来优化等离子体均匀性。现有技术中研究了低频电压和低频频率参数对甚高频(100MHz)放电中等离子体密度径向分布的影响，发现可以通过调控低频源参数来抑制或补偿驻波效应，实现等离子体均匀性的优化。在该方法中，为了提高等离子体均匀性，通常需要增加低频电压或降低低频频率，但是这会导致等离子体密度下降，等离子体刻蚀或薄膜沉积效率降低，同时离子轰击能量升高，容易对基片造成表面损伤；高频电源和低频电源之间存在较强的耦合作用，改变低频电压或低频频率时，离子轰击能量将会发生相应的变化，但这同时也会引起离子通量(密度)发生显著变化，不利于离子通量和能量的独立控制；增加低频电压或降低低频频率后，过高的离子轰击能量还会诱导二次电子发射，导致等离子体密度急剧上升，大大降低了离子通量和能量的独立可控度。
但现有技术中存在的电路结构无法对低频电源和高频电源中的信号进行有效的处理，导致离子轰击能量升高，容易对基片造成表面损伤，且现有技术中存在的电路结构无法解决高频电源和低频电源存在的较强耦合作用，不利于离子通量和能量的独立控制。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种提高等离子体均匀性的电源系统，能够对低频电源和高频电源中的信号进行有效的处理，提高了等离子体放电的稳定性，降低了高频电源和低频电源之间的耦合作用，在提高等离子体均匀性的前提下，可以实现离子通量和离子能量的独立控制。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种提高等离子体均匀性的电源系统，包括：信号发生装置、第一电极和第二电极；
所述信号发生装置包括：信号发生器和多路信号处理电路；
所述信号发生器分别与多路所述信号处理电路连接，所述信号发生器用于产生多路不同频率的初始信号；
所述信号处理电路用于对对应频率的初始信号进行处理；
多路所述信号处理电路均与所述第一电极连接；所述第二电极与所述第一电极相对设置，所述第二电极接地；所述第一电极和所述第二电极之间设置等离子体；经所述信号处理电路处理后的初始信号通过所述第一电极作用于所述等离子体。
优选地，所述信号发生器输出的第n路初始信号为：
Vfun(t)＝Vfun,ncos(2πnft+θfun,n)，
其中，Vfun(t)为第n路初始信号的电压，n为正整数，f为基频频率，Vfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的电压幅值，θfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的相位角，t表示时间。
优选地，所述信号处理电路包括：
功率放大器，与所述信号发生器连接，用于对对应频率的初始信号进行功率放大，得到放大信号。
优选地，所述信号处理电路还包括：
匹配网络，与所述功率放大器连接，用于对所述放大信号进行阻抗匹配，得到匹配信号。
优选地，所述信号处理电路还包括：
滤波器，与所述匹配网络连接，用于对所述匹配信号进行滤波。
优选地，还包括：波形测量装置；
所述波形测量装置与所述第一电极连接，所述波形测量装置用于对施加在所述第一电极上信号的电压进行测量和显示。
优选地，所述波形测量装置包括：
差分探头，与所述第一电极连接，用于观察所述第一电极上的电压；
示波器，与所述差分探头连接，用于显示所述差分探头测量的电压的波形。
优选地，还包括隔直电容；
所述隔直电容设置于所述第一电极和所述匹配网络之间，所述隔直电容用于隔离所述匹配网络中的信号的直流电信号。
优选地，所述第一电极为圆形平板电极，所述第二电极为圆形平板电极或线圈。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型提供的一种提高等离子体均匀性的电源系统，所述信号发生器分别与多路所述信号处理电路连接，多路所述信号处理电路均与所述第一电极连接，不同的信号处理电路对应着不同的处理后的信号，避免了不同频率的电源信号存在的耦合作用的影响。采用多路信号处理电路对信号发生器产生的不同频率的信号进行处理，再将处理后的信号施加在第一电极上，从而提高了等离子体放电的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为现有技术中高斯透镜形状的电极的结构示意图；
图2为现有技术中梯形电极的结构示意图；
图3为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的器件连接图；
图4为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统中实现工作过程的流程图；
图5为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的n＝2时基频与二次谐波电压之间的相对相位角θ＝θ1-(θ2/2)对等离子体密度径向分布的影响规律图；
图6为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的n＝2时基频与二次谐波电压之间的相对相位角θ＝θ1-(θ2/2)对极板表面直流自偏压的影响规律图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种提高等离子体均匀性的电源系统，能够对低频电源和高频电源中的信号进行有效的处理，提高了等离子体放电的稳定性，降低了高频电源和低频电源之间的耦合作用，在提高等离子体均匀性的前提下，可以实现离子通量和离子能量的独立控制。
为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。
图3为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的器件连接图，如图3所示，本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统，包括：信号发生装置、第一电极、第二电极；
所述信号发生装置包括：信号发生器和多路信号处理电路；
所述信号发生器分别与多路所述信号处理电路连接，所述信号发生器用于产生多路不同频率的初始信号；
所述信号处理电路用于对对应频率的初始信号进行处理；
多路所述信号处理电路均与所述第一电极连接；所述第二电极与所述第一电极相对设置，所述第二电极接地；所述第一电极和所述第二电极之间设置等离子体；经所述信号处理电路处理后的初始信号通过所述第一电极作用于所述等离子体。
具体的，所述信号处理电路包括：
功率放大器，与所述信号发生器连接，用于对对应频率的初始信号进行功率放大，得到放大信号。
可选地，所述信号处理电路还包括：
匹配网络，与所述功率放大器连接，用于对所述放大信号进行阻抗匹配，得到匹配信号。
可选地，所述信号处理电路还包括：
滤波器，与所述匹配网络连接，用于对所述匹配信号进行滤波。
优选地，还包括隔直电容；
所述隔直电容设置于所述第一电极和所述匹配网络之间，所述隔直电容用于隔离所述匹配网络中的信号的直流电信号。
可选地，每一路信号均通过独立的功率放大器进行放大，并通过各自的匹配网络，再经过对应的滤波器施加在第一电极上。各滤波器与驱动电极之间安装一个隔直电容。上电极和腔室侧壁接地。
具体的，所述第一电极为圆形平板电极，所述第二电极为圆形平板电极或线圈。
优选地，所述信号发生器输出的第n路初始信号为：
Vfun(t)＝Vfun,ncos(2πnft+θfun,n)，
其中，Vfun(t)为第n路初始信号的电压，n为正整数，f为基频频率，Vfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的电压幅值，θfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的相位角，t表示时间。
优选地，还包括：波形测量装置；
所述波形测量装置与所述第一电极连接，所述波形测量装置用于对施加在所述第一电极上信号的电压进行测量和显示。
作为一种可选地实施方式，所述波形测量装置包括：
差分探头，与所述第一电极连接，用于观察所述第一电极上的电压；
示波器，与所述差分探头连接，用于显示所述差分探头测量的电压的波形。
可选地，所述差分探头为电压探头。
图4为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统中实现工作过程的流程图，如图4所示，所述实现工作过程包括：
步骤100：将多路信号处理电路输出的信号叠加，得到施加在第一电极上的电压波形信号；
步骤200：对所述电压波形信号进行快速傅里叶变换，得到基频电压的相位角θ1和第n路对应的n次谐波电压的相位角θn；
步骤300：依据所述基频电压的相位角和所述n次谐波电压的相位角，按照θ＝θ1-(θn/n)调节基频电压与n次谐波电压之间的相对相位角θ。
优选地，第一电极表面的电压波形利用电压探头进行采集，并在示波器上显示。施加在第一电极表面的电压波形可以表示为：
通过对V(t)进行快速傅里叶变换，就可以得到第n次谐波的电压幅值Vn和相位θn。这里，Vn的范围为0-5000V，θn的范围为0°-360°，基频频率f的范围为0.1-300MHz，N为信号的总个数。
具体的，电极表面的电压波形并不是理想的电压波形，需要调节信号发生器输出信号中各谐波分量的幅值和相位，使得电极表面的电压波形最终接近于理想的电压波形。
图5为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的n＝2时基频与二次谐波电压之间的相对相位角对等离子体密度径向分布的影响规律图，V1和V2均固定为50V，f固定为30MHz。通过调节信号发生器参数可以改变其输出信号中各谐波的电压幅值Vfun,n和相位θfun,n，进而可以控制驱动电极上任意波电压V(t)中各谐波的幅值Vn和相位θn。如图5所示，当相对相位角θ为0°时，由于驻波效应的主导作用，等离子体密度呈现“中心峰”分布，等离子体均匀性较差。随着相对相位角θ的增加，驻波效应的作用逐渐减弱，等离子体密度的“中心峰”特征逐渐消失，等离子体均匀性得到优化。尤其是当θ为0°时，等离子体均匀性达到最佳。可见，通过调节基频与二次谐波电压之间的相位角θ可以显著提高等离子体均匀性，从而为优化等离子体刻蚀均匀性和薄膜沉积均匀性提供可能性。此外，通过调节基频与二次谐波的电压幅值比也可以调控等离子体密度径向分布和优化等离子体均匀性。
具体的，基频与高次谐波的电压幅值可以相等，也可以不相等，基频和高次谐波的电压幅值任意可变。
图6为本实用新型一种提高等离子体均匀性的电源系统的n＝2时基频与二次谐波电压之间的相对相位角θ＝θ1-(θ2/2)对极板表面直流自偏压的影响规律图。如图6所示，当θ为0°时，直流自偏压最小；随着θ的增加，直流自偏压逐渐增大并由负值逐渐转变为正值；当θ为90°时，直流自偏压达到最大。在90°≤θ≤180°范围内，随着θ的增加，直流自偏压单调降低，由正值逐渐变为负值。可见，通过调节基频与二次谐波电压之间的相位角θ可以灵活调控极板上的直流自偏压的大小。由于该自偏压大小直接决定放电中的离子能量，因此通过该方法可以独立地控制离子通量和能量，实现更好的刻蚀的各向异性、更高的刻蚀深宽比和更好的薄膜性能。
本实用新型的有益效果具体如下：
(1)采用多路信号处理电路对信号发生器产生的不同频率的信号进行处理，再将处理后的信号施加在第一电极上，从而提高了等离子体放电的稳定性；同时采用多路信号处理电路同时对多路初始信号进行处理，降低了不同频率的电源信号之间的耦合作用；
(2)不需要加工结构复杂、成本昂贵的特殊结构电极，只需调节电源参数即可实现等离子体均匀性的优化，工艺参数窗口较大，操作灵活方便；
(3)通过调节基频电压与高次谐波电压之间的相位角或调节基频与高次谐波的电压幅值比通过调节两个不同频率电压之间的相位差，可以实现离子通量和离子能量的独立控制；
(4)可实现较高的等离子体密度。
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。对于实施例公开的实现工作过程的描述而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。
Claims (9)
1.一种提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，包括：信号发生装置、第一电极和第二电极；
所述信号发生装置包括：信号发生器和多路信号处理电路；
所述信号发生器分别与多路所述信号处理电路连接，所述信号发生器用于产生多路不同频率的初始信号；
所述信号处理电路用于对对应频率的初始信号进行处理；
多路所述信号处理电路均与所述第一电极连接；所述第二电极与所述第一电极相对设置，所述第二电极接地；所述第一电极和所述第二电极之间设置等离子体；经所述信号处理电路处理后的初始信号通过所述第一电极作用于所述等离子体。
2.根据权利要求1所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述信号发生器输出的第n路初始信号为：
Vfun(t)＝Vfun,ncos(2πnft+θfun,n)，
其中，Vfun(t)为第n路初始信号的电压，n为正整数，f为基频频率，Vfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的电压幅值，θfun,n表示第n路初始信号对应的n次谐波的相位角，t表示时间。
3.根据权利要求1所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述信号处理电路包括：
功率放大器，与所述信号发生器连接，用于对对应频率的初始信号进行功率放大，得到放大信号。
4.根据权利要求3所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括：
匹配网络，与所述功率放大器连接，用于对所述放大信号进行阻抗匹配，得到匹配信号。
5.根据权利要求4所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括：
滤波器，与所述匹配网络连接，用于对所述匹配信号进行滤波。
6.根据权利要求1所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，还包括：波形测量装置；
所述波形测量装置与所述第一电极连接，所述波形测量装置用于对施加在所述第一电极上信号的电压进行测量和显示。
7.根据权利要求6所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述波形测量装置包括：
差分探头，与所述第一电极连接，用于观察所述第一电极上的电压；
示波器，与所述差分探头连接，用于显示所述差分探头测量的电压的波形。
8.根据权利要求4所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，还包括隔直电容；
所述隔直电容设置于所述第一电极和所述匹配网络之间，所述隔直电容用于隔离所述匹配网络中的信号的直流电信号。
9.根据权利要求1所述的提高等离子体均匀性的电源系统，其特征在于，所述第一电极为圆形平板电极，所述第二电极为圆形平板电极或线圈。
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| CN112437533A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-02 | 大连理工大学 | 一种提高等离子体均匀性的电源系统及方法 |
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2020
- 2020-12-07 CN CN202022925424.2U patent/CN213638317U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |