TW201642304A - 電感耦合電漿處理系統及處理方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種電感耦合電漿的處理系統，其包括射頻電源系統，射頻電源系統包括源射頻電源系統和偏置射頻電源系統，源射頻電源系統包括源射頻電源和源匹配網路，偏置射頻電源系統包括偏置射頻電源和偏置匹配網路，其中，源匹配網路為具有寬頻帶工作的固定匹配網路，偏置匹配網路為自動匹配網路。源匹配網路能夠使得源射頻功率源的阻抗與電漿阻抗的快速匹配，偏置匹配網路使得在低偏置射頻功率下能夠始終得到非常低的反射功率。因此，該處理系統能夠實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地調整。此外，本發明還提供了電感耦合電漿處理方法。

Description

電感耦合電漿處理系統及處理方法

本發明關於一種半導體處理設備領域，尤其是關於一種電感耦合電漿處理系統及處理方法。

電感耦合電漿處理系統包括射頻電源系統。其中，射頻電源系統包括源射頻電源系統和偏置射頻電源系統。其中，源射頻電源系統和偏置射頻電源系統均包括射頻電源和匹配網路兩部分。其中，匹配網路在射頻電源和電感耦合電漿處理設備的負載之間，用於根據負載阻抗的變化情況，快速調整相應的參數，使射頻電源和變化的負載之間一直處於阻抗匹配狀態。在電感耦合電漿處理設備中，負載為反應腔內的電漿。

對於現有的電感耦合電漿處理設備的射頻電源系統來說，其中，源射頻電源和偏置射頻電源均為固定射頻頻率的電源，該固定射頻頻率通常為13.56MHz，並且源匹配網路和偏置匹配網路均是自動匹配網路。在該結構的匹配網路中，該自動匹配網路依靠兩個能夠做機械運動的可變真空電容器來實現射頻電源阻抗與電漿阻抗相匹配。然而，對於快速的博世(Bosch)製程或脈衝製程，機械運動的可變電容器由於其較慢的響應速度使得其不能很好地匹配快速變化的電漿阻抗，因而，限制了該結構的匹配網路在半導體處理過程的應用。

為了克服上述匹配網路響應速度慢的缺陷，現有技術中，還設置了電感耦合電漿處理設備的電源系統的匹配網路的另外一種結構。在該結構中，源射頻電源和偏置射頻電源均為自動調頻的電源，其源匹配網路和偏置匹配網路均為寬頻帶的固定匹配網路。該結構的匹配網路能夠實現對快速的博世製程或脈衝製程的快速匹配。並且，為了避免源射頻功率系統和偏置射頻功率系統之間的相互干擾，源射頻功率系統和偏置射頻功率系統通常工作在不同的頻率段，例如，400kHz、 2MHz、13.56MHz、 27MHz、40MHz或60MHz頻率段。但是，當源射頻功率系統和偏置射頻功率系統工作在同一頻率段時，需要將這個頻率段進一步細分為兩個更小的頻率段，工作頻率段的變小將會導致匹配網路匹配阻抗的範圍變小而有可能不能滿足實際製程的要求。

另外，對於現有的電感耦合電漿處理設備的射頻電源系統來說，其中，源射頻電源和偏置射頻電源均為固定射頻頻率的電源，該固定射頻頻率通常為13.56MHz，並且源匹配網路自動匹配網路，該固定射頻頻率通常為13.56MHz。在該結構的匹配網路中，該自動匹配網路依靠兩個能夠做機械運動的可變真空電容器來實現射頻電源阻抗與電漿阻抗相匹配。然而，對於快速的博世製程或脈衝製程，機械運動的可變電容器由於其較慢的響應速度使得其不能很好地匹配快速變化的電漿阻抗，因而，限制了該結構的匹配網路在半導體處理過程的應用。

為了克服上述匹配網路響應速度慢的缺陷，現有技術中，還設置了電感耦合電漿處理設備的電源系統的匹配網路的另外一種結構。在該結構中，源射頻電源和偏置射頻電源均為自動調頻的電源，其源匹配網路和偏置匹配網路均為寬頻帶的固定匹配網路。該結構的匹配網路能夠實現對快速的博世製程或脈衝製程的快速匹配。並且，為了避免源射頻功率系統和偏置射頻功率系統之間的相互干擾，源射頻功率系統和偏置射頻功率系統通常工作在不同的頻率段，例如，400kHz、 2MHz、13.56MHz、 27MHz、40MHz或60MHz頻率段。但是，當源射頻功率系統和偏置射頻功率系統除了需要進行阻抗匹配以外，其中的源射頻功率施加到反應腔頂部的電感線圈，這些線圈除了透過反應器頂部的絕緣材料窗向下饋入交變的磁場外，還會有交變的電場進入，而這些電場耦合部分會對下方的反應速度分佈均一性以及電路系統的耐壓設計產生很大的影響，是需要儘量減小的。現有技術中，源射頻電源輸出電流進入匹配器，匹配器調節阻抗後電流進入線圈的輸入端並從輸出端流出，電流輸出端和接地端之間設置一個電容，這個電容的數值需要精確控制的，這樣從電容上產生的反射的射頻電壓會與入射的射頻電壓疊加形成駐波，這些駐波沿著電感線圈輸入端和輸出端的分佈，最佳的是從正的第一電壓峰值Vp到負的第一電壓峰值-Vp，也就是平衡狀態。相對的最差的分佈會是從輸入端到輸出端形成2Vp到0這樣的分佈，這種分佈狀態下電感線圈兩端的電壓幅值嚴重不均衡，會對下方反應腔內的電磁場存在很大的影響，最終使得下方電漿處理效果的分佈不均。而自動調頻技術應用到源射頻電源後輸出的頻率在運行過程中是經常變化的，此時電感線圈輸出端上連接的電容無法跟上上述高速變化，最終使得線圈上的電壓分佈無法實現平衡狀態。

另外，當製程較長時，電感耦合電漿處理設備的電漿阻抗的電阻部分有時會發生一定的變化，但是由於固定匹配網路的匹配阻抗的電阻部分在整個製程中是基本固定的，所以，針對自動調頻射頻電源的固定匹配網路不能對電漿阻抗的電阻部分的變化進行很好的匹配，從而不能很好地對偏置射頻電源和負載之間進行阻抗匹配的調整，進而會產生一定的反射功率。對於有些本身需要較小數值的偏置功率的製程如博世刻蝕製程， 這樣的反射功率會嚴重影響刻蝕形成穿通孔的形貌。

有鑑於此，本發明的第一方面提供了一種電感耦合電漿處理系統，以實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配。

基於本發明的第一方面，本發明的第二方面提供了一種電感耦合電漿的處理方法。

為了達到上述發明目的，本發明採用了如下技術方案：

一種電感耦合電漿的處理系統，該處理系統包括：反應腔室、靜電夾盤、陰極和電感耦合線圈，靜電夾盤設置在反應腔室內的內部、陰極設置在靜電夾盤的下方，電感耦合線圈設置在反應腔室頂蓋上方或側壁上，其中，源匹配網路的輸入端連接源射頻電源的輸出端，源匹配網路的輸出端連接電感耦合線圈的輸入端，偏置匹配網路的輸入端連接偏置射頻電源的輸出端，偏置匹配網路的輸出端連接陰極；處理系統還包括射頻電源系統，射頻電源系統包括源射頻電源系統和偏置射頻電源系統，源射頻電源系統包括源射頻電源和源匹配網路，偏置射頻電源系統包括偏置射頻電源和偏置匹配網路，其中，源射頻電源為調頻電源，偏置射頻電源為固定頻率的電源，源匹配網路為具有寬頻帶工作的固定匹配網路，偏置匹配網路為自動匹配網路。

較佳地，偏置匹配網路的具有寬頻帶的自動匹配網路。

較佳地，還包括鎖相線，鎖相線的一端連接源射頻電源，鎖相線的另一端連接偏置射頻源。

較佳地，電感耦合線圈至少包括一組射頻線圈。

一種電感耦合電漿的處理方法，應用上述任一項的處理系統，處理方法包括：步驟a，向反應腔室內通入第一反應氣體，源射頻電源輸出具有第一頻率的第一源射頻功率到電感耦合線圈，將源匹配網路的參數設置為預設值；同時偏置射頻電源輸出固定頻率的偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，偏置匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；步驟b，向反應腔室內通入第二反應氣體，源射頻電源輸出具有第二頻率的第二源射頻功率到電感耦合線圈，將源射頻網路的參數設置為預設值；同時，偏置射頻電源輸出固定頻率的偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，偏置匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；步驟c，交替執行步驟a和步驟b。

較佳地，偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

一種電感耦合電漿的處理系統，處理系統包括反應腔室、靜電夾盤、陰極和電感耦合線圈，靜電夾盤設置在反應腔室內的內部、陰極設置在靜電夾盤的下方，電感耦合線圈設置在反應腔室頂蓋上方或側壁上，其中，源匹配網路的輸入端連接源射頻電源的輸出端，源匹配網路的輸出端連接電感耦合線圈的輸入端，偏置匹配網路的輸入端連接偏置射頻電源的輸出端，偏置匹配網路的輸出端連接陰極，處理系統還包括射頻電源系統，射頻電源系統包括源射頻電源系統和偏置射頻電源系統，源射頻電源系統包括源射頻電源和源匹配網路，偏置射頻電源系統包括偏置射頻電源和偏置匹配網路，其中，源射頻電源為固定頻率的電源，偏置射頻電源為調頻電源，源匹配網路為自動匹配網路，偏置匹配網路為具有寬頻帶工作的固定匹配網路。

較佳地，源匹配網路為寬頻帶工作的自動匹配網路。

較佳地，還包括鎖相線，鎖相線的一端連接源射頻電源，鎖相線的另一端連接偏置射頻源。

較佳地，電感耦合線圈至少包括一組射頻線圈。

一種電感耦合電漿的處理方法，應用上述任一項所述的處理系統，處理方法包括：步驟a，向反應腔室內通入第一反應氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第一頻率的第一偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，將偏置匹配網路的參數設置為預設值；步驟b，向反應腔室內通入第二反應氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第二頻率的第二偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，將偏置匹配網路的參數設置為預設值；步驟c，交替執行步驟a和步驟b。

較佳地，偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

相較於現有技術，本發明具有以下有益效果：

本發明提供的電感耦合電漿處理系統，包括源射頻電源系統和偏置射頻電源系統，其源射頻電源系統包括寬頻帶的固定匹配網路和可自動調頻的源射頻電源，由於此源射頻電源系統具有較快的自動頻率調諧速率，所以，它能夠實現對快速變化的博世製程或脈衝製程的快速變化阻抗的良好匹配。並且，由於源射頻電源系統具有可調頻的電源和寬頻阻抗匹配網路，因此，它具有較寬的阻抗匹配範圍。

進一步地，本發明提供的偏置射頻電源為固定頻率的電源，其匹配網路為自動匹配網路，因此，該自動匹配網路能夠對偏置射頻電源輸出的阻抗進行自動調節，以使偏置射頻電源輸出的阻抗與電漿阻抗相匹配，從而得到非常低的反射功率(通常小於1W)，非常低的反射功率有利於改善刻蝕形成的穿通孔的形貌，因此，本發明提供的電感耦合電漿處理系統能夠實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配，而且能夠提高刻蝕形成的穿通孔的形貌。

本發明提供的電感耦合電漿處理系統中，源射頻電源為固定頻率的電源，其源匹配網路為自動匹配網路，該自動匹配網路能夠對源射頻電源輸出的阻抗進行自動調節，以使源射頻電源輸出的阻抗與電漿阻抗相匹配，從而得到非常低的反射頻率。另外，該源射頻電源為固定頻率的電源，其造成的電場不會耦合到下方陰極的阻抗匹配。

因此，本發明提供的電感耦合電漿處理系統能夠實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配。

為使本發明的目的、技術方案、有益效果更加清楚、完整，下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述。

如背景技術部分，現有的匹配網路中可能存在響應速度慢的缺陷，或是在較低應用功率下時不能一直獲得很小反射功率，由此得知現有的電感耦合電漿處理系統不能實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配。為了克服上述缺陷，本發明提供了一種新的電感耦合電漿處理系統的第一實施例。具體參見第1圖。

第1圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統的第一實施例的結構示意圖。如第1圖所示，該電感耦合電漿處理系統包括以下結構：反應腔室101、靜電夾盤102、電感耦合線圈103、源射頻電源104、偏置射頻電源105、源匹配網路106以及偏置匹配網路107。

其中，靜電夾盤102設置於反應腔室101內部，電感耦合線圈103設置於反應腔室101的頂蓋上，源匹配網路106設置在源射頻電源104以及電感耦合線圈103之間，其中，源匹配網路106的輸入端連接源射頻電源104的輸出端，源匹配網路106的輸出端連接電感耦合線圈103的輸入端。偏置匹配網路107設置在偏置射頻電源105和靜電夾盤102下方陰極(第1圖中未示出)之間。也就是說，偏置匹配網路107連接在靜電夾盤102下方陰極上，其中，偏置匹配網路107的輸入端連接偏置射頻電源105的輸出端，偏置匹配網路107的輸出端連接陰極。

由源射頻電源104產生的射頻功率經過源匹配網路106和電感耦合線圈103進入反應腔室101的內部，在反應腔室101內產生射頻電場，電離反應腔室101內的反應氣體，從而產生電漿，產生的電漿用於對放置在靜電夾盤102上的晶片進行刻蝕等製程。所以，由源射頻電源104產生的射頻功率會影響反應腔體內的電漿密度分佈，從而影響電漿的阻抗。

偏置射頻電源105產生的偏置射頻功率用於影響反應腔室內的電漿對處理晶圓的處理速率和刻蝕孔徑的形狀結構。偏置匹配網路107用於調節偏置射頻電源105輸出的阻抗，使其與電漿阻抗相匹配。

以上所述為電感耦合電漿處理系統的第一實施例的結構。

需要說明的是，作為本發明的另一實施例，電感耦合線圈也可設置於反應腔室的側壁靠近頂部的位置處。

在本發明實施例中，源射頻電源104為自動調頻的射頻發生器。也就是說，源射頻電源104為調頻電源，其輸出的射頻功率的頻率可調。而偏置射頻電源105為固定頻率的射頻發生器。也就是說，偏置射頻電源105輸出的射頻功率的頻率可調是固定的。

另外，本發明中的源射頻電源系統中的源匹配網路為寬頻帶的固定匹配網路，偏置匹配網路為自動匹配網路。

源射頻電源104和源匹配網路106構成源射頻電源系統，偏置射頻電源105和偏置匹配網路107構成偏置射頻電源系統。源射頻電源系統和偏置射頻電源系統組成電感耦合電漿處理系統的電源系統。

需要說明的是，固定匹配網路中包括可變電容，自動匹配網路中包括可變電容和可變電感。其中，固定匹配網路中的可變電容在進行電漿處理，如交替進行的刻蝕/沉積步驟前，需要進行調試以獲得最佳參數，並在正式的電漿刻蝕/沉積步驟中保持這些參數不變。在正式電漿刻蝕/沉積步驟中通過源射頻電源輸出頻率在小範圍內的跳變，快速匹配高速切換的刻蝕/沉積步驟對應的跳變的阻抗，其中，這些電漿處理步驟的時長小於1秒，比如只有0.1秒甚至更低。

偏置射頻電源系統在進行電漿處理步驟中保持穩定的輸出頻率，通過自動匹配網路中的可變電容或電感調節自動匹配輸入到反應腔內陰極的阻抗，使得偏置射頻功率被高效且精確的輸入到反應腔內陰極也就是下電極。

需要說明的是，本發明中源射頻電源104輸出的源射頻功率通過電感耦合線圈103產生磁場饋入反應腔室101，電感耦合線圈103產生的電場被位於反應腔室101頂部的法拉第屏蔽板屏蔽在反應腔室101外。饋入反應腔室101的交變磁場主要用於在反應腔室101內產生並維持電漿濃度，偏置射頻電源105輸出的偏置射頻功率通過下電極以電場耦合的形式被饋入反應腔室101以控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量。可見，源射頻功率和偏置射頻功率的目的不同，一個是用於在反應腔室101內產生並維持電漿濃度，一個是控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量，送入的途徑也不同，一個是磁場進入，一個是電場進入，所以兩者雖然都能夠影響反應腔內的電漿濃度和分佈，但是兩者之間不會發生電耦合。因此，採用源射頻電源快速變頻的匹配方法，不會大幅度影響偏置匹配網路輸入到下電極處的阻抗。

由於寬頻帶的固定匹配網路加上快速調頻的源射頻電源具有較快的自動調頻匹配速率，所以，源匹配網路能夠實現對快速的博世處理製程或脈衝處理製程的快速匹配，經由源射頻電源輸出的阻抗能夠跟得上電漿阻抗的快速變化。另外，該源匹配網路與調頻的源射頻電源一起具有較寬的阻抗調諧範圍。

此外，本發明提供的偏置電源匹配網路為自動匹配網路，因此，該自動匹配網路能夠對偏置射頻電源輸出的阻抗進行自動調節，以使偏置射頻電源輸出的阻抗與電漿阻抗相匹配，從而得到非常低的反射功率(通常小於1W)，非常低的反射功率有利於改善刻蝕形成的穿通孔的形貌。

因此，基於上述源匹配網路和偏置匹配網路，本發明提供的電感耦合電漿處理系統能夠實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配，而且能夠提高刻蝕形成的穿通孔的形貌。

另外，在本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統中，源射頻電源104和偏置功率源105可以工作在同一頻率段，例如都為13.56MHz+/-5%頻段，這時可以將源射頻電源104和偏置射頻電源105同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。因此，作為本發明電感耦合電漿處理系統的一較佳實施方式，在源射頻電源104和偏置射頻源105之間設置有鎖相線108，其中，鎖相線108的一端連接源射頻電源104，鎖相線108的另一端連接偏置射頻源105。通過該鎖相線108可將源射頻電源104和偏置射頻電源105同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。

進一步地，當偏置射頻電源105輸出到下電極的阻抗變化幅度較大，通過自動匹配無法在步驟S21和步驟S22中實現快速匹配時，較佳為偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。為了實現頻率同步時進行的頻率切換，本發明提供的偏置匹配網路較佳為具有寬頻帶的自動匹配網路，由於自動匹配網路自己就具有較寬的阻抗調諧窗口，因此，加上其還有較寬的工作頻率範圍，所以其調諧的阻抗範圍就更大，具有很強的射頻阻抗匹配能力。因此，無論在何種電漿條件下，均能對偏置功率源輸出的阻抗進行調節，以使偏置射頻電源輸出的阻抗與電漿阻抗獲得很好的匹配，從而得到很低的反射功率。即使在低偏置功率下，當製程較長，電漿阻抗的電阻部分發生微小變化時，這個自動匹配網路也能夠根據電漿阻抗實數部分的變化而對偏置功率源輸出的阻抗進行調諧，使調節後的偏置功率源輸出的阻抗與變化的電漿阻抗相匹配。當偏置功率源輸出的阻抗與電漿阻抗相匹配時，得到的反射功率很小，通常可以達到0-1w。

採用本發明實施例提供的匹配網路，提高了射頻電源系統在各種電漿條件下工作的穩定性和精準性。而且，採用該匹配網路的射頻電源系統能夠特別應用於快速博世製程處理和脈衝製程處理。

另外，設置在反應腔室101外壁頂蓋上的電感耦合線圈103可以為一組射頻線圈。進一步地，為了更好地控制反應腔室內的電漿密度分佈的均勻性，較佳地，設置在反應腔室101外壁上的電感耦合線圈103可以為2組，當然也可以為多組射頻線圈。這些不同組的射頻線圈之間可以帶有射頻功率分配器，用來幫助調節各個耦合線圈的功率分配來達到均勻的電漿刻蝕結果。

本發明提供的電感耦合電漿處理系統特別適用於需要頻繁切換處理步驟的電漿處理製程，比如博世刻蝕製程或者需要脈衝式射頻功率輸出的製程。在進行這些製程時需要快速切換射頻功率參數，由於源射頻功率需要長期保持在很高的數值，比如維持在1Kw以上以防止電漿熄滅，偏置射頻功率輸出的功率需要很低且非常精確的控制以獲得更好的處理效果。

本發明優化選擇使得源射頻功率源輸出的頻率在兩個頻率即第一源射頻頻率fs1和第二源射頻頻率fs2之間切換，進而使得快速匹配不同步驟中的阻抗，雖然匹配的精度不及傳統的自動匹配，但也能夠保證絕大部分射頻功率被饋入反應腔中，而且對應大功率的源射功率輸入來說少量的反射功率對功率輸出的效率影響不大。下方的陰極由於輸入的偏置射頻功率本來數值就很低，所以需要精確控制才能實現刻蝕形貌的精確控制，所以本發明採用自動匹配的手段，通過調節偏置匹配網路中可變電容或電感的參數逐漸接近最佳匹配點，最終實現精確的匹配。

應用上述實施例提供的電感耦合電漿處理系統，本發明還提供了一種電感耦合電漿的處理方法。第2圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿的處理方法。如第2圖所示，該方法包括以下步驟：步驟S21，向反應腔室101內通入第一反應氣體，源射頻電源104輸出具有第一頻率fs1的第一源射頻功率到電感耦合線圈103，將源匹配網路106的參數設置為預設值；同時偏置射頻電源105輸出具有固定頻率的偏置射頻功率到反應腔室101內的陰極，偏置匹配網路107自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配。需要說明的是，在進行電漿處理之前，對電感耦合電漿處理系統中的偏置匹配網路的可變電容進行調試，最終得到的可變電容的最佳參數即源匹配網路106的參數的預設值。

步驟S22，向反應腔室101內通入第二反應氣體，源射頻電源104輸出具有第二頻率fs2的第二源射頻功率到電感耦合線圈103，將源射頻網路106的參數設置為預設值；同時，偏置射頻電源107輸出固定頻率的偏置射頻功率到反應腔室101內的陰極，偏置匹配網路107自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配。

在上述步驟S21和步驟S22中雖然位於電感耦合電漿處理系統上方的源射頻電源輸出的頻率和功率均會突變，但是對偏置射頻電源105的輸出到下電極的阻抗的影響很微弱，所以位於電感耦合電漿處理系統下方的偏置匹配網路107中的可變電容或電感的參數作微量調整或者不需要調整就能實現自動匹配。

當偏置射頻電源105輸出到下電極的阻抗變化幅度較大，通過自動匹配無法在步驟S21和步驟S22中實現快速匹配時，較佳為偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

由於在步驟S21中，源射頻電源輸出具有第一頻率fs1的源射頻功率，所以，此時偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率也為第一頻率fs1。同理，在步驟S22中，源射頻電源輸出具有第二頻率fs2的源射頻功率，所以，此時偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率也為第二頻率fs2。因此，為了實現偏置射頻功率的頻率與源射頻功率的頻率同步，偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率在第一頻率fs1和第二頻率fs2之間跳變，在頻率跳變完成後仍然需要進行自動匹配以獲得精確的匹配效果。

需要說明的是，步驟S21至步驟S22為一個循環過程執行的步驟，實際上，在本發明提供的電漿處理方法中，需要執行多次交替執行步驟S21和步驟S22實現阻抗匹配，完成整個處理過程。

另外，如背景技術部分所述，現有的匹配網路不僅使得線圈上的電壓分佈無法實現平衡狀態，而且在較低應用功率下時不能一直獲得很小反射功率，由此得知的現有的電感耦合電漿處理系統不能實現射頻電源和電漿之間的阻抗快速準確地匹配。為了克服上述缺陷，本發明提供了一種新的電感耦合電漿處理系統。具體參見第3圖。

第3圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統的第二實施例的結構示意圖。如第3圖所示，該電感耦合電漿處理系統包括以下結構：

反應腔室301、靜電夾盤302、電感耦合線圈303、源射頻電源304、偏置射頻電源305、源匹配網路306以及偏置匹配網路307。

其中，靜電夾盤302設置於反應腔室301內部，電感耦合線圈303設置於反應腔室301的頂蓋上，源匹配網路306設置在源射頻電源304以及電感耦合線圈303之間。偏置匹配網路307設置在偏置射頻電源305和靜電夾盤302下方陰極(第3圖中未示出)之間。也就是說，偏置匹配網路307連接在靜電夾盤302下方陰極上。

由源射頻電源304產生的射頻功率經過源匹配網路306和電感耦合線圈303進入反應腔室301的內部，在反應腔室301內產生射頻電場，電離反應腔室301內的反應氣體，從而產生電漿，產生的電漿用於對放置在靜電夾盤302上的晶片進行刻蝕等製程。所以，由源射頻電源304產生的射頻功率會影響反應腔體內的電漿密度分佈，從而影響電漿的阻抗。

偏置射頻電源305產生的偏置射頻功率用於影響反應腔室內的電漿對處理晶圓的處理速率和刻蝕孔徑的形狀結構。偏置匹配網路307用於調節偏置射頻電源305輸出的阻抗，使其與電漿阻抗相匹配。

以上所述為電感耦合電漿處理系統的第二實施例的結構。

需要說明的是，作為本發明的另一實施例，電感耦合線圈也可以設置於反應腔室的側壁靠近頂部的位置。

在本發明實施例中，源射頻電源系統和偏置射頻電源系統構成電感耦合電漿處理系統的射頻電源系統。其中，源射頻電源系統包括源射頻電源和源匹配網路，偏置射頻電源系統包括偏置射頻電源和偏置匹配網路，其中，源射頻電源為固定頻率的射頻電源，偏置射頻電源為調頻電源，並且源匹配網路為寬頻帶的固定匹配網路，偏置匹配網路為自動匹配網路。

由於源射頻電源為固定頻率的射頻電源，有利於電感耦合電漿處理系統上方的電感耦合線圈中的電壓分佈均勻，因此，有利於減少較多的電場耦合到下方的陰極上，從而減少對下方的偏置射頻電源系統的阻抗的影響。因此，採用源射頻電源固定頻率的匹配方法，不會大幅度影響偏置匹配網路輸入到下電極處的阻抗。

需要說明的是，固定匹配網路中包括可變電容，自動匹配網路中包括可變電容和可變電感。

其中，固定匹配網路中的可變電容在進行電漿處理，如交替進行的刻蝕/沉積步驟前，需要進行調試以獲得最佳參數，並在正式的電漿刻蝕/沉積步驟中保持這些參數不變。在正式電漿刻蝕/沉積步驟中通過偏置射頻電源輸出頻率在小範圍內的跳變，快速匹配高速切換的刻蝕/沉積步驟對應的跳變的阻抗，其中這些電漿處理步驟的時長小於1秒，比如只有0.1秒甚至更低。

源射頻電源系統在進行電漿處理步驟中保持穩定的輸出頻率，通過自動匹配網路中的可變電容或電感調節自動匹配輸入到電感耦合線圈，使得源射頻功率被高效且精確的輸入到反應腔內。

需要說明的是，本發明中源射頻電源304輸出的源射頻功率通過電感耦合線圈303產生磁場饋入反應腔室301，電感耦合線圈303產生的電場被位於反應腔室301頂部的法拉第屏蔽板屏蔽在反應腔室301外。饋入反應腔室301的交變磁場主要用於在反應腔室301內產生並維持電漿濃度，偏置射頻電源305輸出的偏置射頻功率通過下電極以電場耦合的形式被饋入反應腔室301以控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量。可見，源射頻功率和偏置射頻功率的目的不同，一個是用於在反應腔室301內產生並維持電漿濃度，一個是控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量，送入的途徑也不同，一個是磁場進入，一個是電場進入，所以兩者雖然都能夠影響反應腔內的電漿濃度和分佈，但是兩者之間不會發生電耦合。

因此，採用本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統有助於減少源電源系統和偏置電源系統之間的射頻電場的感擾。

另外，需要說明的是，本發明實施例中，偏置射頻電源系統採用調頻電源和固定匹配網路，雖然當偏置射頻功率較低時，可能不能實現下方阻抗間的匹配，可能會存在較高的反射功率，但是，當偏置射頻功率較高時，能夠實現電漿處理系統下方的阻抗的快速匹配，因此本發明提供的電感耦合電漿處理系統特別適用於在偏置射頻功率較高的應用場合下。

另外，在本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統中，源射頻電源304和偏置功率源305可以工作在同一頻率段，例如都為13.56MHz+/-5%頻段，這時可以將源射頻電源304和偏置射頻電源305同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。因此，作為本發明電感耦合電漿處理系統的一較佳實施方式，在源射頻電源304和偏置射頻源305之間設置有鎖相線308。通過該鎖相線308可以將源射頻電源304和偏置射頻電源305同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。具體地，鎖相線308的一端連接源射頻電源304，另一端連接偏置射頻電源305。

採用本發明實施例提供的匹配網路，提高了射頻電源系統在各種電漿條件下工作的穩定性和精準性。而且，採用該匹配網路的射頻電源系統能夠特別應用於快速博世製程處理過程和脈衝製程處理過程。

另外，設置在反應腔室301頂蓋上的電感耦合線圈303可以為一組射頻線圈。進一步地，為了更好地控制反應腔室內的電漿密度分佈的均勻性，較佳地，設置在反應腔室301外壁上的電感耦合線圈303可以為2組，當然也可以為多組射頻線圈。這些不同組的射頻線圈之間可以帶有射頻功率分配器，用來幫助調節各個耦合線圈的功率分配來達到均勻的電漿刻蝕結果。

應用上述實施例提供的電感耦合電漿處理系統，本發明還提供了一種電感耦合電漿的處理方法。第4圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿的處理方法。如第4圖所示，該方法包括以下步驟：步驟S41，向反應腔室內通入第一反應氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時偏置射頻電源輸出具有第一頻率的第一偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，將偏置匹配網路的參數設置為預設值。需要說明的是，在進行電漿處理之前，對電感耦合電漿處理系統中的偏置匹配網路的可變電容進行調試，最終得到的可變電容的最佳參數即偏置匹配網路307的參數的預設值。可變電容的最佳參數為反射功率最小時對應的參數值。

步驟S42，向反應腔室內通入第二反應氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第二頻率的第二偏置射頻功率到反應腔室內的陰極，將偏置匹配網路的參數設置為預設值。

在上述步驟S41和步驟S42中由於位於電感耦合電漿處理系統上方的源射頻電源輸出的頻率固定不變，所以其對偏置射頻電源305的輸出到下電極的阻抗的影響很微弱，所以位於電感耦合電漿處理系統下方的偏置匹配網路307中的可變電容或電感的參數作微量調整或者不需要調整就能實現自動匹配。

當偏置射頻電源305輸出到下電極的阻抗變化幅度較大，通過自動匹配無法在步驟S41和步驟S42中實現快速匹配時，較佳為偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

需要說明的是，步驟S41至步驟S42為一個循環過程執行的步驟，實際上，在本發明提供的電漿處理方法中，可能需要執行多次交替執行步驟S41和步驟S42實現阻抗匹配，完成整個處理過程。

以上所述僅是本發明的較佳實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

101、301‧‧‧反應腔室
102、302‧‧‧靜電夾盤
103、303‧‧‧電感耦合線圈
104、304‧‧‧源射頻電源
105、305‧‧‧偏置射頻電源
106、306‧‧‧源匹配網路
107、307‧‧‧偏置匹配網路
108、308‧‧‧鎖相線
S21~S22、S41~S42‧‧‧步驟

為了清楚地理解本發明或現有技術的技術方案，下面將描述現有技術或本發明的具體實施方式時用到的附圖做一簡要說明。顯而易見地，這些附圖僅是本發明的部分實施例，本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的前提下，還可以獲得其它的附圖。

第1圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統的第一實施例的結構示意圖；

第2圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理方法的第一實施例的流程示意圖；

第3圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理系統的第二實施例的結構示意圖；

第4圖是本發明實施例提供的電感耦合電漿處理方法的第二實施例的流程示意圖。

101‧‧‧反應腔室

102‧‧‧靜電夾盤

103‧‧‧電感耦合線圈

104‧‧‧源射頻電源

105‧‧‧偏置射頻電源

106‧‧‧源匹配網路

107‧‧‧偏置匹配網路

108‧‧‧鎖相線

Claims (12)

1. 一種電感耦合電漿的處理系統，其包含：一反應腔室、一靜電夾盤、一陰極和一電感耦合線圈，該靜電夾盤設置在該反應腔室內的內部，該陰極設置在該靜電夾盤的下方，該電感耦合線圈設置在該反應腔室頂蓋上方或側壁上， 該處理系統更包含一射頻電源系統，該射頻電源系統係包含一源射頻電源系統和一偏置射頻電源系統，該源射頻電源系統係包含一源射頻電源和一源匹配網路，該偏置射頻電源系統係包含一偏置射頻電源和一偏置匹配網路， 其中，該源匹配網路的輸入端係連接該源射頻電源的輸出端，該源匹配網路的輸出端係連接該電感耦合線圈的輸入端，該偏置匹配網路的輸入端係連接該偏置射頻電源的輸出端，該偏置匹配網路的輸出端係連接該陰極； 其中，該源射頻電源係為調頻電源，該偏置射頻電源係為固定頻率的電源，該源匹配網路係為具有寬頻帶工作的固定匹配網路，該偏置匹配網路係為自動匹配網路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之處理系統，其中該偏置匹配網路具有寬頻帶的自動匹配網路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之處理系統，其中更包含一鎖相線，該鎖相線的一端係連接該源射頻電源，該鎖相線的另一端係連接該偏置射頻電源。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之處理系統，其中該電感耦合線圈係至少包括一組射頻線圈。
5. 一種電感耦合電漿的處理方法，其應用於如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之處理系統，該處理方法係包含： 步驟a：向一反應腔室內通入一第一反應氣體，一源射頻電源輸出具有第一頻率的一第一源射頻功率到一電感耦合線圈，將一源匹配網路的參數設置為預設值；同時一偏置射頻電源輸出固定頻率的一偏置射頻功率到該反應腔室內的陰極，一偏置匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配； 步驟b：向該反應腔室內通入一第二反應氣體，該源射頻電源輸出具有第二頻率的一第二源射頻功率到該電感耦合線圈，將該源匹配網路的參數設置為預設值；同時，該偏置射頻電源輸出固定頻率的該偏置射頻功率到該反應腔室內的陰極，該偏置匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配； 步驟c：交替執行該步驟a和該步驟b。
6. 如申請專利範圍第5項所述之處理方法，其中該偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與該源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。
7. 一種電感耦合電漿的處理系統，其包含：一反應腔室、一靜電夾盤、一陰極和一電感耦合線圈，該靜電夾盤設置在該反應腔室內的內部，該陰極設置在該靜電夾盤的下方，該電感耦合線圈設置在該反應腔室頂蓋上方或側壁上， 該處理系統更包含一射頻電源系統，該射頻電源系統係包含一源射頻電源系統和一偏置射頻電源系統，該源射頻電源系統係包含一源射頻電源和一源匹配網路，該偏置射頻電源系統係包含一偏置射頻電源和一偏置匹配網路， 其中，該源匹配網路的輸入端係連接該源射頻電源的輸出端，該源匹配網路的輸出端係連接該電感耦合線圈的輸入端，該偏置匹配網路的輸入端係連接該偏置射頻電源的輸出端，該偏置匹配網路的輸出端係連接該陰極， 其中，該源射頻電源係為固定頻率的電源，該偏置射頻電源係為調頻電源，該源匹配網路係為自動匹配網路，該偏置匹配網路係為具有寬頻帶工作的固定匹配網路。
8. 如申請專利範圍第7項所述之處理系統，其中該源匹配網路係為寬頻帶工作的自動匹配網路。
9. 如申請專利範圍第7項所述之處理系統，其中更包含一鎖相線，該鎖相線的一端係連接該源射頻電源，該鎖相線的另一端係連接該偏置射頻電源。
10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之處理系統，其中該電感耦合線圈係至少包括一組射頻線圈。
11. 一種電感耦合電漿的處理方法，其應用於如申請專利範圍第7至10項中任一項所述之處理系統，該處理方法係包含： 步驟a：向一反應腔室內通入一第一反應氣體，一源射頻電源輸出固定頻率的一源射頻功率到一電感耦合線圈，一源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時，一偏置射頻電源輸出具有第一頻率的一第一偏置射頻功率到該反應腔室內的陰極，將一偏置匹配網路的參數設置為預設值； 步驟b：向該反應腔室內通入一第二反應氣體，該源射頻電源輸出固定頻率的該源射頻功率到該電感耦合線圈，該源匹配網路自動調節可變電容或可變電感以實現阻抗匹配；同時，該偏置射頻電源輸出具有第二頻率的一第二偏置射頻功率到該反應腔室內的陰極，將該偏置匹配網路的參數設置為預設值； 步驟c：交替執行該步驟a和該步驟b。
12. 如申請專利範圍第11項所述之處理方法，其中該偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與該源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。