TW201338635A - 射頻匹配網路及其所應用的等離子體處理腔 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種射頻匹配網路及應用該射頻匹配網路的等離子體處理腔，通過採用本發明所述的射頻匹配網路，只需調節其中可變電容的大小即可實現射頻匹配網路在兩種阻抗狀態的即時切換，從而保證兩射頻偏置功率在射頻偏置功率源不斷開的前提下也能實現即時切換，滿足等離子體處理腔的需要。

Description

射頻匹配網路及其所應用的等離子體處理腔

本發明涉及應用於等離子體處理腔的射頻功率源(RF power suppliers)和匹配網路(matching networks)，尤其涉及能夠實現多重頻率射頻功率(multiple-frequency RF power)的射頻功率源和匹配網路。

在本領域中，利用雙重或多重射頻頻率的等離子體處理腔已被熟知。一般地，雙重頻率的等離子體處理腔接收的射頻偏置功率(RF bias power)具有低於大約15 MHz的頻率，其接收的射頻源功率(RF source power)具有更高的頻率，通常為27~200 MHz。在本文中，射頻偏置功率(RF bias power)指用於控制離子能量及其能量分佈的射頻功率。另一方面，射頻源功率(RF source power)指用於控制等離子離子解離(ion dissociation)或等離子體密度的射頻功率。在一些具體實施例中，通常運行蝕刻等離子處理腔的偏置頻率為，諸如100KHz，2 MHz，2.2 MHz，13.56 MHz，源頻率為諸如13.56 MHz，27 MHz，60 MHz，100 MHz或更高。

在等離子體反應腔室實際工作過程中，需要提供頻率不同的射頻偏置電源，例如，有時需要反應腔室同時工作在2 MHz偏置頻率和60 MHz的源頻率下；而有時又需要反應腔室同時工作在13 MHz偏置頻率和60 MHz的源頻率下，為了便於選擇不同頻率的射頻偏置功率，現有技術中通常採用在兩個射頻偏置功率的輸出端連接一繼電器，通過繼電器斷開與閉合選擇所需的射頻偏置功率。然而，繼電器只能在射頻偏置電源斷開 時，才能進行切換選擇，而射頻偏置電源斷開將會影響等離子體能量及其分佈。故實際應用中需要提供一種能實現即時切換射頻偏置電源的匹配網路。

發明內容部分僅提供對本發明的一些方面和特徵的基本理解性介紹，而非本發明的整體概括，其並非特別地用於確定本發明關鍵或主要的原理或者限定本發明的範圍，其目的僅用於以簡化形式呈現本發明的一些概念，以作為下文更多細節描述的前序。

為了解決上述問題，本發明提供一種可切換射頻匹配網路，用於將兩個射頻偏置功率在射頻偏置功率源無需斷開的情況下，可切換地施加於一個等離子體處理腔的電極上，所述的射頻匹配網路包括一諧振電路，所述諧振電路包括一電容、一電感和一可變電容，調節可變電容大小，所述諧振電路可以在第一阻抗狀態和第二阻抗狀態之間切換，在第一阻抗狀態，所述諧振電路對第二射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對第一射頻偏置功率處於低阻抗狀態；在第二阻抗狀態，所述諧振電路對第一射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對第二射頻偏置功率處於低阻抗狀態。

所述的諧振電路包括一個電容和一個電感並行連接的並聯電路，所述並聯電路兩端分別連接一個電容和一個電感，所述可變電容耦合於地和所述射頻偏置功率之間，進一步包括一個耦合與地和所述射頻偏置功率之間的固定電容。

所述的兩個射頻偏置功率可以由一個單獨的射頻功率發生器提供，也可以由兩個射頻功率發生器分別提供。

本發明還提供一種在兩個可切換的射頻偏置功率下運行 的等離子體處理腔，包括：一個反應腔，用於在其被抽成真空的內部之中產生等離子體；一個下電極，用於耦合射頻能量於所述等離子體；一個第一射頻功率發生器，其可選地產生具有一個低於10 MHz的第一偏置頻率的第一射頻偏置功率或具有一個高於所述第一偏置頻率但低於15 MHz的第二偏置頻率的第二射頻偏置功率；一個第一匹配網路，其用於將所述兩個射頻偏置功率可切換地施加於所述等離子體處理腔的電極上；一個第二射頻功率發生器，其產生高於15 MHz的射頻源功率；以及，一個第二匹配網路，其包括耦合於所述第二射頻功率發生器的輸入和耦合於所述下電極的輸出。

所述的第一射頻匹配網路包括一諧振電路，所述諧振電路包括一電容、一電感和一可變電容，調節可變電容大小，所述諧振電路可以在第一阻抗狀態和第二阻抗狀態之間切換，在第一阻抗狀態，所述諧振電路對第二射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對第一射頻偏置功率處於低阻抗狀態；在第二阻抗狀態，所述諧振電路對第一射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對第二射頻偏置功率處於低阻抗狀態。

所述的等離子體處理腔，其進一步地包括一個耦合於地和所述第二射頻功率發生器之間的第二並聯可變電容。

所述第一偏置頻率為大約2 MHz，所述第二偏置頻率為大約13 MHz，所述射頻源功率的頻率為27 MHz、60 MHz和100 MHz中的任一個。

所述的等離子體處理腔，其進一步地包括一個並聯諧振電 路，其耦合於所述第二匹配網路的輸出和所述下電極之間，所述並聯諧振電路被調諧以使其中心頻率在大約13 MHz，其頻帶寬度為2 MHz。

本發明的優點在於：通過採用本發明所述的射頻匹配網路，只調節其中可變電容的大小即可實現射頻匹配網路在兩種阻抗狀態的即時切換，從而保證兩射頻偏置功率在射頻偏置功率源不斷開的前提下也能實現即時切換，滿足等離子體處理腔的需要。

本說明書中包含的附圖，作為本說明書的一部分，示例性地示出了本發明的實施方式，並與說明書一起用於解釋和說明本發明的原理。附圖旨在以圖示的方式說明所述實施例的主要特徵。附圖的目的並不在於描述實際實施方式的每個特徵和所描繪元件的相對尺寸，所述元件並非按比例繪製。

圖1示出了根據本發明的一個具體實施例的具備熱切換偏置功率的等離子體處理腔的結構示意圖，所述等離子體處理腔包括耦合於一個匹配網路的可切換的兩個射頻偏置功率源。在圖1中，兩個射頻偏置功率源125和155通過匹配網路140給反應腔100提供可切換的射頻偏置功率，分別具有射頻偏置頻率f1和f2。所述射頻偏置頻率f1通常為2 MHz或2.2 MHz，射頻偏置頻率f2通常為13 MHz(更準確地為13.56 MHz)。兩個射頻偏置功率通常施加於下電極110。按此方式，本發明實現了一種改良的離子能量控制。例如，對於需要更高的轟擊能量應用場合，諸如前端蝕刻(front-end etch)的應用，可利用2 MHz的射頻偏置功率，而對於需要較柔和的轟擊的應用場合，諸如後端蝕刻(back-end etch)的應用，可利用13 MHz的射頻偏置功率。圖1也示出了一個射頻源功率源135，其在頻率f3下運行，例如，27 MHz，60 MHz，100 MHz等。所述射頻源功率源135通過匹配網路150傳送射頻源功率到反應腔100，並施加於下電極110，使得下電極110和上電極105之間產生交變電場，該交變電場電離通入的反應氣體形成等離子體120。所述射頻源功率用於控制等離子體密度，即等離子體離子解離。

圖1所示的結構實現了反應腔雙重頻率(f1/f3或f2/f3)的應用。例如，頻率f1可為400KHz到5 MHz；頻率f2可為10 MHz到20 MHz，但通常低於15 MHz；頻率f3可為27 MHz到100 MHz或更高。在本實施例中，頻率f1為2 MHz，頻率f2為13.56 MHz，頻率f3為60 MHz。本實施例所述的結構使得運行在技術過程中需要在低頻率偏置功率和高頻率偏置功率之間切換變得非常容易。

圖2示例性地示出了一個射頻匹配網路，其中三個可用頻率的其中兩個可切換地被施加於一個等離子體處理腔的下電極110上。一個具有高頻率f3的射頻源功率通過一個匹配電路250和一個並聯諧振電路230耦合於所述下電極110，而兩個具有較低頻率f1和f2的射頻偏置功率與匹配網路240相耦合，所述的射頻匹配網路240包括一諧振電路220，所述諧振電路220包括一個電容和一個電感並行連接的並聯諧振電路，並聯諧振電路220兩端分別連接一個電容202和一個電感201，電容202和射頻頻率f1和f2的射頻偏置功率之間耦合一可變電容205，調節可變電容205，所述諧振電路可以在第一阻抗狀態和第二阻抗狀態之間切換，在第一阻抗狀態，所述諧振電路對射頻頻率f2的射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對 射頻頻率f1的射頻偏置功率處於低阻抗狀態，即將頻率f1的射頻偏置功率和頻率f3的射頻源功率耦合與下電極110；在第二阻抗狀態，所述諧振電路對射頻頻率f1的射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對射頻頻率f2的射頻偏置功率處於低阻抗狀態，即將頻率f2的射頻偏置功率和頻率f3的射頻源功率耦合與下電極110。通過調節可變電容205，使得射頻頻率f1和f2在射頻偏置功率源不斷開的時候也能實現即時切換。

在本實施例中，所述射頻頻率f1/f2由一個單獨的射頻功率發生器提供，以實現可即時切換地運行於頻率f1或f2下。

諧振電路220包括一個範圍在100 pF-200 pF間的電容和一個範圍在10 uH-20 uH間的電感並行連接的並聯電路，並聯諧振電路220兩端分別連接一個範圍在100 pF-300 pF間的電容和一個範圍在1 uH-3 uH的電感，所述可變電容耦合於地和所述射頻偏置功率之間。

所述並聯諧振電路230用於防止能量從13.56 MHz的偏置功率源進入60 MHz的源功率源。也就是說，匹配網路240耦合於2 MHz的偏置功率源時，偏置頻率比60 MHz的等離子體源功率源的頻率低三十倍，因此它不能跳過匹配電路234。但是，當匹配網路240耦合於13.56 MHz偏置功率時，偏置頻率更接近於等離子體源功率源的頻率f3，可能跳過所述匹配電路234。因此，本發明提供了一種並聯諧振電路230，其由一個電容和一個電感並聯連接而成。在本實施例中，當f1=2 MHz，f2=13.56 MHz，f3=60 MHz，所述並聯諧振電路230的中心頻率為13 MHz，其變數或頻帶寬度為△f=2 MHz。這防止了偏置頻率13.56 MHz的偏置功率洩漏(leak into)進入頻率f3的源功率源。所述諧振電路是作為60 MHz的一個短路 (short circuit)。

在圖2中，並聯可變電容215為頻率f3和匹配電路234配合工作。在本實施例中，可變電容205和215利用可變真空電容(variable vacuum capacitors)來實施。並且，在本實施例中，可採用特定的保護方式以保護上述並聯可變電容。一個固定電容206平行耦合於並聯可變電容205。固定電容206保護並聯可變電容205以使其在設定為低電容值時不受高射頻電流影響。同時，固定電容210平行耦合於並聯可變電容215。固定電容210保護並聯可變電容215以使其在設定為低電容值時不受高射頻電流影響。在本實施例中，並聯可變電容205可在大約30 pF到1500 pF之間變化，固定電容206被設定為大約100 pF。類似地，在本實施例中，並聯可變電容215可在大約10 pF到150 pF之間變化，固定電容210設定為大約120 pF。

最後，應當理解，上文中描述的過程和技術並非固有地涉及任何特定裝置，而應適用於多個元件的任何適當組合。進一步地，各種類型的通用裝置均可根據本文所教導的內容被應用。製造專用裝置來實現本文所述方法步驟也是有利的。本發明是參照具體實施例來描述的，其所有方面都應為示例性而非限定性。本領域的技術人員應當理解，硬體、軟體和固件的不同組合都可適用於實施本發明。比如，所述軟體可以用很多種程式或腳本語言來執行，諸如彙編、C/C++、perl、shell、PHP、Java等等。

本發明是參照具體實施方式描述的，其所有方面都應為示例性而非限定性的。此外，通過本文所描述的本發明具體實施例和實施，本發明其他實施方式對於本領域技術人員應是顯而易見的。所述實施方式的不同方面和/或元件可以在等離子體 處理腔領域中單獨或以任意組合使用。上述具體實施例應被視為僅為示例性的，本發明的範圍和精神則是由專利範圍定義的。

100‧‧‧反應腔

105‧‧‧上電極

110‧‧‧下電極

120‧‧‧等離子體

125‧‧‧射頻偏置功率源

135‧‧‧射頻源功率源

140‧‧‧匹配網路

150‧‧‧匹配網路

155‧‧‧射頻偏置功率源

201‧‧‧電感

202‧‧‧電容

205‧‧‧可變電容

206‧‧‧固定電容

210‧‧‧固定電容

215‧‧‧可變電容

220‧‧‧諧振電路

230‧‧‧諧振電路

234‧‧‧匹配電路

240‧‧‧匹配網路

250‧‧‧匹配電路

f1‧‧‧頻率

f2‧‧‧頻率

f3‧‧‧頻率

圖1是根據本發明的一個實施例的具備熱切換偏置功率頻率等離子體處理腔的結構示意圖。

圖2示例性地示出了一個射頻功率匹配網路。

100‧‧‧反應腔

105‧‧‧上電極

110‧‧‧下電極

120‧‧‧等離子體

125‧‧‧射頻偏置功率源

135‧‧‧射頻源功率源

140‧‧‧匹配網路

150‧‧‧匹配網路

155‧‧‧射頻偏置功率源

f1‧‧‧頻率

f2‧‧‧頻率

f3‧‧‧頻率

Claims (10)

1. 一種射頻匹配網路，用於將兩個射頻偏置功率切換地施加於一個等離子體處理腔的電極上，其中該射頻匹配網路包括一諧振電路，該諧振電路包括一電容、一電感和一可變電容，該諧振電路藉由調節該可變電容之電容大小而在第一阻抗狀態和第二阻抗狀態之間切換，在該第一阻抗狀態，該諧振電路對該第二射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對該第一射頻偏置功率處於低阻抗狀態；以及在該第二阻抗狀態，該諧振電路對該第一射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對該第二射頻偏置功率處於低阻抗狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之射頻匹配網路，其中該兩個射頻偏置功率由一個單獨的射頻功率發生器提供。
3. 如申請專利範圍第1項所述之射頻匹配網路，其中該兩個射頻偏置功率由兩個射頻功率發生器分別提供。
4. 如申請專利範圍第1項所述之射頻匹配網路，其中該諧振電路包括一個電容和一個電感並行連接的並聯電路，該並聯電路兩端分別連接一個電容和一個電感，該可變電容耦合於地和該射頻偏置功率之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之射頻匹配網路，更包括一個耦合與地和該射頻偏置功率之間的固定電容。
6. 一種在可切換的兩個射頻偏置功率下運行的等離子體處理腔，包括：一個反應腔，用於在其被抽成真空的內部之中產生等離 子體；一個下電極，用於耦合射頻能量於該等離子體；一個第一射頻功率發生器，其可選地產生具有一個低於10 MHz的第一偏置頻率的第一射頻偏置功率或具有一個高於該第一偏置頻率但低於15 MHz的第二偏置頻率的第二射頻偏置功率；一個第一匹配網路，其用於將該兩個射頻偏置功率切換地施加於該等離子體處理腔的電極上；一個第二射頻功率發生器，其產生高於15 MHz的射頻源功率；以及一個第二匹配網路，其包括耦合於該第二射頻功率發生器的輸入和耦合於該下電極的輸出。
7. 如申請專利範圍第6項所述之等離子體處理腔，其中該第一射頻匹配網路包括一諧振電路，該諧振電路包括一電容、一電感和一可變電容，該諧振電路藉由調節該可變電容之電容大小而在第一阻抗狀態和第二阻抗狀態之間切換，在該第一阻抗狀態，該諧振電路對該第二射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對該第一射頻偏置功率處於低阻抗狀態；在該第二阻抗狀態，該諧振電路對該第一射頻偏置功率處於高阻抗狀態，對該第二射頻偏置功率處於低阻抗狀態。
8. 如申請專利範圍第6項所述之等離子體處理腔，更包括一個耦合於地和該第二射頻功率發生器之間的第二並聯可變電容。
9. 如申請專利範圍第6項所述之等離子體處理腔，其中該第一偏置頻率為大約2 MHz，該第二偏置頻率為大約13 MHz，該射頻源功率的頻率為27 MHz、60 MHz和100 MHz的其中一個。
10. 如申請專利範圍第6項所述之等離子體處理腔，更包括一個並聯諧振電路，其耦合於該第二匹配網路的輸出和該下電極之間，該並聯諧振電路被調諧以使其中心頻率在大約13 MHz，其頻帶寬度為2 MHz。