TW202110287A - 一種射頻電源系統、電漿處理器及其調頻匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種射頻電源系統，一種電漿處理器及其調頻匹配方法，應用於具有超低頻率的偏壓射頻功率源的電漿處理器。包括阻抗分段頻率匹配獲取步驟，將低頻射頻功率輸出週期分為複數個阻抗匹配段，在各阻抗匹配段內，調整高頻射頻源的輸出頻率，並檢測高頻射頻電源的反射功率，在經過一個或複數個低頻射頻功率輸出週期後獲得各阻抗匹配段的區段匹配頻率並儲存。隨後在變頻匹配步驟中，設定高頻射頻電源的輸出頻率在上述儲存的複數個區段匹配頻率週期性的變化，以匹配各阻抗匹配段中的特徵阻抗。

Description

一種射頻電源系統、電漿處理器及其調頻匹配方法
本發明涉及半導體加工設備領域，特別涉及一種電漿處理器中的調頻匹配方法。
真空處理設備廣泛應用於半導體工業，其中的電漿處理設備和化學氣相沉積設備是最主要的真空處理設備。電漿處理設備，是借助於射頻耦合放電產生電漿，進而利用電漿進行沉積、蝕刻等加工製程。
如圖1所示為一種電容耦合電漿處理設備，包括反應腔100，反應腔100內包括導電基座22，基座22作為下電極連接到兩個射頻電源31、32，其中源射頻電源32經過匹配器2輸出高頻射頻功率(HF)到基座22，偏壓頻射頻電源31經過匹配器1輸出低頻射頻功率(LF)到基座22。其中源射頻電源32輸出的高頻射頻功率用於點燃並維持反應腔內的電漿，偏壓射頻電源31輸出低頻射頻功率的功率大小用於控制基片20上的偏壓電壓Vdc 。為了便於理解，下文將源射頻電源32稱為高頻射頻電源，偏壓射頻電源31稱為低頻射頻電源。基座22上的靜電夾盤21上固定有待處理的基片20，圍繞基片20和靜電夾盤21的進一步包括一個聚焦環10。與靜電夾盤21相對的反應腔100上方設置有一個圓盤形的氣體噴淋頭11，氣體噴淋頭11透過供氣管道與外部的反應氣源110連接。如圖2所示，在點燃電漿後，反應腔內的電漿電壓Vp 、晶圓上表面電壓Vw ，以及對離子有加速作用的平均偏壓電壓Vdc ，其中高頻射頻功率(HF)的頻率為60Mhz，低頻射頻功率(LF)的頻率為2Mhz，相應的週期長度分別為P1、P2。可以看到高頻射頻電壓疊加在低頻射頻電壓上，一同被送入反應腔100內。在電漿處理器運行中電漿的阻抗會在點燃前後、輸入射頻功率、氣壓等參數變化時刻發生劇烈變化，所以需要匹配器1、2中的主動可調節元件補償這些阻抗變化，使得源射頻電源32和偏壓射頻電源31輸出的射頻功率能有效輸送到反應腔內，而不是反射回到射頻電源31、32中，當反射功率最小化時就是阻抗匹配狀態。這種利用匹配器1、2中的可動部件進行機械運動補償的方法可以適用於電漿阻抗變化速度不快的應用場合，但是對於電漿阻抗在極短時間內快速變化，如在1ms以內發生的阻抗劇烈變化，傳統的匹配器中需要機械驅動的可變電容無法達到這樣的響應速度，所以無法實現阻抗的有效匹配。一旦無法有效匹配會導致大量功率浪費在入射和反射的回路中，同時大量多餘的反射電流流入射頻電源會導致射頻電源溫度過高，影響內部電子器件的壽命，導致昂貴的射頻電源需要頻繁更換，電漿處理器的使用成本大幅提高。
因此業內需要研發一種新的射頻匹配方法或裝置以匹配這種在短時間內發生劇烈變化的阻抗，使得射頻功率有效供應到電漿處理器內部。
有鑑於此，本發明提供一種電漿處理器，包括：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有一個晶圓；源射頻電源，用於施加第一射頻週期訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿，源射頻電源為調頻電源，第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內可調；偏壓射頻電源，用於施加第二射頻週期訊號到基座，第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，偏壓射頻電源的輸出電壓在複數個阻抗匹配段之間變化；控制器，用於控制源射頻電源在各阻抗匹配段輸出區段匹配頻率，以保證源射頻電源輸出的射頻功率能有效施加到反應腔內，減小反射功率損耗。
較佳地，控制器包括儲存單元，儲存單元儲存有與複數個阻抗匹配段一一對應的區段匹配頻率，控制器控制源射頻電源在對應的阻抗匹配段內輸出其匹配頻率。
較佳地，控制器在各阻抗匹配段內進行至少一次源射頻電源的頻率匹配，以得到區段匹配頻率，並將區段匹配頻率及其對應的阻抗匹配段儲存在儲存單元內。
較佳地，控制器內設置有區段匹配頻率學習程序，區段匹配頻率學習程序包括：在各阻抗匹配段中調節第一射頻週期訊號的輸出頻率至少一次，檢測各輸出頻率對應的反射功率值或者電漿處理器的阻抗值，反射功率值或者電漿處理器的阻抗值小於一定閾值可認定為該阻抗匹配段的區段匹配頻率。
較佳地，控制器中儲存有偏壓射頻電源輸出電壓與對應匹配頻率的資料庫，控制器執行至少一次區段匹配頻率學習程序，獲得至少一個阻抗匹配段對應的區段匹配頻率並利用獲得的區段匹配頻率和資料庫計算獲得其餘複數個區段匹配頻率。
較佳地，控制器包括計算單元，計算單元根據輸入的處理製程參數進行計算，獲得與製程參數相匹配的複數個區段匹配頻率，控制器控制源射頻電源在各阻抗匹配段輸出相匹配的區段匹配頻率。
較佳地，第一射頻週期訊號的頻率大於10Mhz，第二射頻週期訊號的頻率小於1Mhz。
較佳地，第二射頻週期訊號的頻率小於500Khz。
較佳地，第二射頻週期內包括至少三個阻抗匹配段，偏壓射頻電源的輸出電壓在最高電壓到最低電壓之間交替週期性變化，第一至第N阻抗匹配段中的平均電壓依次從低到高排列，複數個區段匹配頻率分別匹配第一至第N阻抗匹配段中的電漿的阻抗。
較佳地，源射頻電源進行頻率調整的響應時間大於等於第二射頻週期訊號的週期長度，源射頻電源在複數個第二射頻週期的第一阻抗匹配段獲得與第一阻抗匹配段對應的第一區段匹配頻率，在後續複數個第二射頻週期獲得與第二阻抗匹配段對應的第二區段匹配頻率。
較佳地，源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於第二射頻週期訊號的週期長度，源射頻電源在一個第二射頻週期的第一阻抗匹配段進行至少一次頻率匹配，在同一個第二射頻週期訊號的第二阻抗匹配段內進行至少一次頻率匹配。
較佳地，源射頻電源的輸出功率呈脈衝狀，在高功率輸出狀態和低功率輸出狀態之間交替變化，其中脈衝頻率為100-10KHz。
較佳地，在源射頻電源的輸出功率為高功率輸出狀態時執行一次區段匹配頻率學習程序，獲得並儲存高功率輸出狀態的複數個區段匹配頻率；在源射頻電源的輸出為低功率輸出狀態時再次執行一次區段匹配頻率學習程序，獲得並儲存低功率輸出狀態的複數個區段匹配頻率。
較佳地，第一射頻週期訊號的頻率為f0，第一射頻週期訊號的頻率可變範圍為f0±5%。
較佳地，控制器進一步包括判斷模組，判斷模組根據第二射頻週期訊號判斷當前所處的阻抗匹配段，並控制源射頻電源輸出該阻抗匹配段的區段匹配頻率。
進一步的，本發明進一步公開了一種用於電漿處理器的調頻匹配方法，所述方法包括： 提供一個源射頻電源，源射頻電源輸出第一射頻週期訊號至電漿處理器內以點燃並維持電漿；源射頻電源為調頻電源，第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內可調； 提供一個偏壓射頻電源，偏壓射頻電源輸出第二射頻週期訊號至電漿處理器內的基座，設置第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，偏壓射頻電源的輸出電壓在複數個阻抗匹配段之間變化； 提供一個控制器，控制器控制源射頻電源在各阻抗匹配段輸出區段匹配頻率，使得源射頻電源輸出的射頻功率能有效施加到反應腔內，減小反射功率損耗。
較佳地，所述方法進一步包括區段匹配頻率學習步驟，在第二射頻週期訊號的各阻抗匹配段中調節第一射頻週期訊號的輸出頻率至少一次，檢測各輸出頻率對應的反射功率值或者電漿處理器的阻抗值，反射功率值或者電漿處理器的阻抗值小於一定閾值可認定為該阻抗匹配段的區段匹配頻率。
較佳地，在控制器中儲存偏壓射頻電源輸出電壓與對應匹配頻率的資料庫，執行至少一次區段匹配頻率學習步驟，獲得至少一個阻抗匹配段對應的區段匹配頻率並利用該獲得的區段匹配頻率和資料庫計算獲得其餘複數個區段匹配頻率。
較佳地，控制器根據輸入的處理製程參數進行計算，獲得與製程參數相匹配的複數個區段匹配頻率，控制器控制源射頻電源在各阻抗匹配段輸出相匹配的區段匹配頻率。
較佳地，在控制器內設置儲存單元，將區段匹配頻率和對應的阻抗匹配段的訊息儲存在儲存單元內。
較佳地，在控制器內設置判斷模組，判斷模組根據第二射頻週期訊號判斷當前所處的阻抗匹配段，控制器控制源射頻電源輸出該阻抗匹配段的區段匹配頻率。
較佳地，在電漿處理過程中，持續監測源射頻電源的輸出頻率對應的反射功率值或者電漿處理器的阻抗值，當反射功率值或電漿處理器的阻抗值大於預設閥值時，再次進行區段匹配頻率學習步驟。
較佳地，設置各第二射頻週期訊號的一個週期阻抗匹配段的數量大於等於三，設置偏壓射頻電源的輸出電壓在最低電壓到最高電壓之間交替週期性變化，第一至第N阻抗匹配段中的平均電壓依次從低到高排列，複數個區段匹配頻率分別匹配第一至第N阻抗匹配段中的電漿的阻抗。
較佳地，設置源射頻電源進行頻率調整的響應時間大於等於第二射頻週期訊號的週期長度，源射頻電源在複數個第二射頻週期訊號的第一阻抗匹配段獲得與第一阻抗匹配段對應的第一區段匹配頻率，在後續複數個第二射頻週期訊號獲得與第二阻抗匹配段對應的第二區段匹配頻率。
較佳地，源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於第二射頻週期訊號的週期長度，源射頻電源在一個第二射頻週期的第一阻抗匹配段進行至少一次頻率匹配，在同一個第二射頻週期訊號的第二阻抗匹配段內進行至少一次頻率匹配。
較佳地，設置源射頻電源的輸出功率呈脈衝狀，源射頻電源在高功率輸出狀態和低功率輸出狀態之間交替變化，交替脈衝頻率為100-10KHz。
較佳地，在源射頻電源的輸出功率為高功率輸出狀態時執行一次區段匹配頻率學習步驟，獲得並儲存高功率輸出狀態的複數個區段匹配頻率；在源射頻電源的輸出為低功率輸出狀態時再次執行一次區段匹配頻率學習步驟，獲得並儲存低功率輸出狀態的複數個區段匹配頻率。
進一步的，本發明進一步公開了一種射頻電源系統，包括： 源射頻電源，用於輸出第一射頻週期訊號，源射頻電源為調頻電源，第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內可調； 偏壓射頻電源，用於輸出第二射頻週期訊號，第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，偏壓射頻電源的輸出電壓在複數個阻抗匹配段之間變化； 控制器，控制器用於控制源射頻電源在各阻抗匹配段輸出區段匹配頻率。
較佳地，控制器內包括儲存單元，儲存單元儲存有與複數個阻抗匹配段一一對應的區段匹配頻率，控制器控制源射頻電源在對應的阻抗匹配段內輸出其匹配頻率。
較佳地，源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於5微秒。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
在下面的說明中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明可以進一步採用其他不同於在此說明的其它方式來實施，本領域具有通常知識者可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
圖7為本發明提出的一種電容耦合電漿處理設備，電漿處理設備中包括一個能夠實現分段頻率匹配的控制器30，分別連接兩個射頻電源31、32，接收來自兩個射頻電源31、32的輸出訊號，控制兩個射頻電源31、32的輸出頻率和功率大小，同時也實現兩個射頻訊號的時鐘同步。控制器30也能夠控制電漿處理設備中的各項製程參數如氣體種類，流量、氣壓，基座22的溫度等，由於與本發明主題無直接關係所以不再贅述。先前技術中的兩個射頻電源只能根據人工設定的製程參數調整功率大小和時間，無法利用變頻射頻電源實現快速變頻的匹配，特別是無法實現兩個射頻電源輸出功率和頻率的聯動，實現更佳的阻抗匹配。本發明能夠利用控制器實現利用低頻射頻電源的輸出電壓訊號對高頻射頻電源輸出頻率的分段控制，實現遠優於先前技術的匹配效果。為了便於理解，後文將源射頻電源稱為高頻射頻電源，偏壓射頻電源稱為低頻射頻電源。
隨著電漿處理製程的演進，大量製程需要應用超低頻的偏壓射頻電源，其輸出的低頻射頻頻率普遍低於1Mhz，特別是小於等於400Khz。採用這種超低頻射頻電源導致電漿阻抗會隨著低頻射頻輸出電壓的變化呈週期性變化。如圖3a所示，低頻射頻電源(400Khz)輸出的電壓隨著時間變化，在一個週期(2.5us)內輸出電壓值完成一個變化循環。其中低頻射頻電壓達到最小值，也就是T(A)時刻，下電極上具有最低的電壓也就使得下電極(基座22)上方的基片表面具有最厚的第一鞘層，相應的上電極表面(上電極及部分周圍的輔助環)具有最薄的第二鞘層，電漿被向上抬升。如圖3b所示，低頻射頻功率輸出的電壓達到最大值，也就是T(B)時刻，基片表面的第一鞘層厚度變成最小，上電極表面的第二鞘層具有最大值，電漿被向下壓到最低位置。在T(A)到T(B)之間的任意時刻T(X)電漿也會隨著低頻射頻功率輸出電壓的變化連續變化。由於上下電極的面積不同，其中常見的上電極面積大於下電極面積，所以這些電漿不僅會發生上下移動，而且會發生分佈形態的變化。電漿在一個週期2.5us內發生的連續形態和高度變化會導致上下電極間的電漿阻抗也發生連續的變化。先前技術沒有辦法實現對這種快速、大幅、且連續的阻抗變化進行匹配。採用匹配器中的機械裝置調節電容或電感，無法達到需要的響應速度。
上述鞘層厚度是由電漿中的電子和離子在反應腔上下電極之間運動達到平衡時在上下電極上電荷積累量決定的，所以鞘層的厚度受電子和離子的運動速度影響，先前技術中由於採用的偏壓射頻電源輸出的低頻訊號頻率較高，一般大於等於2Mhz，在如此高頻的偏壓射頻功率驅動下，電子或離子的加速時間很短，很多離子尚未加速達到基片表面偏壓電壓就已經變小或反相了，很多離子無法達到基片表面，所以實際鞘層的厚度變化較小。由於鞘層厚度在一個週期內變化幅度較小，所以電漿變形和上下運動的幅度也小，相應的阻抗變化小，即使只用一個匹配頻率也能匹配一個低頻射頻功率輸出週期(P2)內絕大部分時間段內的高頻射頻功率輸出。但是本發明的應用場合中，低頻射頻電源的輸出頻率需要低於1Mhz，偏壓電壓的加速驅動週期變長，鞘層厚度會發生劇烈變化，所以先前技術的匹配方法會導致一個低頻射頻週期P2內很多時段的阻抗無法有效匹配。
本發明提出了解決上述問題的一種實施例，如圖4a所示，設置低頻射頻電源輸出的低頻射頻頻率為400Khz，高頻射頻電源輸出的脈衝頻率為10Khz，高功率脈衝占空比為20%。透過計算可知在高頻射頻輸出功率為高的一個脈衝中，包括八個低頻射頻週期P2。在這八個週期內的Rm1區段中，由於低頻射頻功率輸出電壓類似，所以電漿的高度、形態類似，所以阻抗也接近，可以認為在Rm1區段內的各個時刻的電漿具有相同的阻抗。本發明透過高頻射頻電源輸出的頻率調節來進行自動阻抗匹配，在阻抗匹配過程中，檢測反射到高頻射頻電源32的反射功率來選擇頻率調整的方向和幅度。除了利用反射功率，也可以透過檢測電漿處理器的阻抗的方式檢測匹配狀態，透過檢測射頻電流的大小和相位計算獲得阻抗值，當阻抗值小於一定閾值時即為匹配狀態。其中高頻射頻功率的初始輸出頻率為60Mhz，調整範圍為57-63Mhz。但是射頻電源進行自動頻率匹配的響應速度很慢，常用的射頻電源只能在5us左右進行一次頻率調整，也就是經過兩個低頻射頻週期(5us)才能進行一次頻率微調。
如圖4a所示，區段Rm1對應的高頻射頻功率的初始頻率為f1(0)HF，對應這個頻率在匹配器和電漿中產生了Z10 的阻抗；經過兩個低頻射頻週期後，高頻射頻電源的輸出頻率調整為f1(1)HF，相應的阻抗變為Z11 ；依次類推到整個高功率脈衝結束時的頻率f1(3)HF，阻抗為Z14 。上述五個時刻的阻抗Z10 -Z14 可以相同也可以不完全相同，但是由於這五個時刻低頻射頻電源的輸出電壓接近，所以電漿反應腔內的鞘層厚度接近，電漿的形態和阻抗值也接近，所以可以視作同一個阻抗進行頻率調整，以獲得一個區段匹配頻率。如果輸出頻率f1(3)HF對應的反射功率已經很小，在可接受範圍內，則認為f1(3)HF為對應Rm1區段的匹配頻率，如果反射功率仍然較大，則需要等待下一個高功率脈衝週期，以f1(3)HF為初始頻率再次進行調整獲得對應Rm1區段的最佳匹配頻率。
在獲得Rm1區段的匹配頻率後，就進入對Rm2區段的匹配頻率獲取步驟，如圖4b所示，初始頻率為f2(0)HF，對應在匹配器和電漿上產生的阻抗為Z20 ；經過兩個低頻射頻週期後高頻射頻電源輸出的頻率調節為f2(1)HF，這時電漿上產生的阻抗為Z21 ；依次進行三次調整之後獲得頻率f2(3)HF，如果此時的反射功率足夠低則將f2(3)HF作為Rm2區段的匹配頻率，如果反射功率仍然較大則進一步在下一個或者後續複數個脈衝週期的高功率階段中進行頻率調節，直到獲得Rm2區段的匹配頻率為止。
上述步驟介紹了Rm1、Rm2區段獲得匹配頻率的過程和方法，高頻射頻功率在一個週期P2內的其它區段的複數個區段匹配頻率也可以用類似的方法獲得，最終獲得覆蓋整個低頻射頻週期的所有區段的匹配頻率。
本發明採用的高頻射頻電源透過硬體的改進可以將射頻電源調整的響應時間小於等於0.1us，這樣在一個低頻射頻週期P2內可以做到多點連續調整。如圖5所示，調整響應時間為0.25us，其中一個低頻射頻週期被分隔為5個區段Rm1至Rm5，其中在各低頻射頻週期P2中包括共十個頻率調整點以及在調整點時的阻抗Z1-0 ~Z1-9 。其中Z1-0 、Z1-4 、Z1-5 、Z1-9 位於第一區段Rm1，Z1-6 、Z1-8 位於第四區段Rm4，Z1-7 位於第五區段Rm5。上方的高頻射頻頻率變化曲線f(t)HF中包括複數個頻率調整點，與這些阻抗值一一對應。其中f(1-0)HF、f(1-1)HF、f(1-2)HF、f(1-4)HF、f(1-5)HF分別與Z1-0 、Z1-4 、Z1-5 、Z1-9 、Z1-10 對應。透過這五個點四次的頻率調整可以在一個低頻射頻週期P2內實現對Rm1區段匹配頻率的獲得。同樣的，高頻射頻功率輸出的頻率f(4-0)HF和f(4-1)HF與位於Rm4區段的阻抗點Z1-6 和Z1-8 對應，調節後的頻率值f(4-1)HF和對應的反射功率作為資料儲存並進入下一個低頻射頻週期的Rm4區段中，再次開始進行頻率調節以最終獲得Rm4區段的匹配頻率。f(5-0)HF與位於區段Rm5中的阻抗點Z1-7 對應，第二次對Rm5區段的頻率調整需要在後續的複數個低頻功率週期中相應的阻抗點進行。所以在射頻電源頻率調整響應時間非常短的射頻電源中，可以在很少幾個低頻射頻週期P2中實現獲取Rm1至Rm5五個區段的匹配頻率，大幅減少了前期的匹配頻率獲取步驟中因頻率不匹配導致的射頻功率浪費和電子元件過熱。其中頻率變化曲線f(t)HF實際的波形不限於圖中所示的正弦波，可以是其它波形，只要能夠透過頻率調整逐漸減少反射功率，實現匹配的任何頻率變化波形都是本發明的一種實現方式。
本發明進一步提供了第三種區段匹配頻率獲取方法，以縮短匹配頻率獲取步驟的執行時間，進一步減少反射功率。在各種電漿處理腔體和處理製程中，各區段的匹配頻率會隨著低頻射頻功率的輸出電壓週期性變化，無法直接獲取與各個區段對應的精確匹配頻率，但是其匹配頻率的分佈還是具有統一的規律，如圖6所示為的匹配頻率隨著低頻射頻功率/電壓分佈變化規律曲線。這一曲線受電漿處理製程參數(氣壓、成分、射頻功率)和反應腔硬體結構(上下電極大小、反應腔尺寸)等影響。從圖中可見，由於受鞘層厚度週期性變化而導致的電漿阻抗變化，可以在用較小範圍內(0.8Khz)變化的頻率得到補償，而且鞘層厚度變化與低頻射頻功率並不是線性增加的，而是隨著低頻射頻功率的增加鞘層厚度增量逐漸減弱的，所以整個頻率調節曲線變動幅度最大區段處於低頻輸入功率/電壓較低的情況下。基於上述發現，本發明提出一種利用前述第一實施例或第二實施例所述的方法獲得的一個或少數幾個阻抗匹配段的匹配頻率，如Rm1中的匹配頻率，然後將獲得的匹配頻率和其它處理製程參數等輸入控制器，進行曲線擬合計算就能獲得完整的對應各個區段的匹配頻率資料。其中Rm1區段正是射頻功率輸出最低的區段，所以獲得了鞘層厚度變動最劇烈的區段的少量準確資料，就可以根據上述曲線擬合獲得整個週期內的所有資料。為了獲得更精確的曲線擬合資料，可以再利用上述第一實施例及第二實施例揭露的匹配頻率獲取方法多獲取一個區段如Rm4區段的匹配頻率，這樣兩個區段匹配頻率的輸入就可以計算獲得更精確的其它區段的匹配頻率資料。透過這樣的曲線擬合可以大幅減少匹配頻率獲取步驟的執行時間，在前期少數幾個低頻射頻週期內就能透過部分頻率調整和部分計算的方式實現較精確的全部區段的匹配頻率獲得。
匹配頻率獲取步驟除了需要在高頻射頻(HF)功率輸出的高功率脈衝階段，也需要在高頻射頻功率輸出的低功率脈衝階段進行，所進行的步驟與上述第一實施例和第二實施例所說明的相同，需要將一個低頻射頻輸出週期P2分為複數個區段，各區段時間內對高頻射頻電源的輸出頻率進行一次或多次調整以獲得相應的反射功率資料。隨後在複數個低頻射頻輸出週期P2中逐漸獲得各個區段對應的區段匹配頻率。
在透過前述匹配頻率獲取步驟獲得複數個區段匹配頻率後，就可以進入後續的變頻匹配步驟中，隨著低頻射頻功率的輸出電壓變化，高頻射頻電源輸出的頻率自動切換相應的區段匹配頻率。如圖5中所示，高頻射頻電源輸出的匹配頻率依次分別為對應區段Rm1-Rm2-Rm3-Rm2-Rm1-Rm4-Rm5-Rm4的預先獲取的區段匹配頻率。使得高頻射頻電源輸出的功率能夠完全匹配下游的匹配電路和電漿的阻抗，不受低頻射頻功率輸出電壓大小影響。高頻射頻電源輸出設定的頻率值由於不需要進行反射功率的檢測和計算，所以現有射頻電源的頻率調整速度足以在一個低頻射頻週期P2內進行足夠多次的頻率調整，可以實現所有區段的良好阻抗匹配。
本發明中的阻抗匹配段劃分除了可以是如圖5所示的各低頻射頻輸出功率週期劃分為五段以外，也可以最小化為三段，只是各個區段內的阻抗變化幅度較大，對應的一個區段匹配頻率無法精確匹配區段內所有時刻的阻抗，反射功率會較大，但是也比先前技術中整個低頻射頻功率輸出週期中只有一個頻率能夠大幅減小反射功率，所以也屬於本發明實施方式之一。或者最佳化為更多區段，如七段或九段，只要前期匹配頻率獲取步驟中射頻功率反射量可以接受則可以任意選擇區段數，均屬於本發明實施例。
本發明除了可以應用於上述電容耦合(CCP)電漿處理器，也可以應用於電感耦合型電漿處理器(ICP)。在電感耦合型電漿處理器中也包括下電極，其中反應腔頂蓋和側壁等均是導體製成而且為電接地，所以其可以視為上電極，只是上電極面積相對小於下電極，所以上下電極面積不等的情況仍然存在，所以在上下電極上的電漿鞘層厚度變化過程中仍然會造成電漿形狀的變化。因此電感耦合型電漿處理器的阻抗匹配也可以採用本發明提出的匹配頻率獲取步驟獲取區段匹配頻率，隨後進行變頻多區段匹配，在低頻射頻頻率極低時，最小化高頻射頻功率的反射功率。
本發明除了可以應用於脈衝型射頻功率輸出的製程中，也可以應用於連續型射頻處理製程，即高頻射頻功率的輸出長期維持穩定。在連續型射頻處理製程中，只要低頻射頻功率的輸出頻率足夠低(小於1Mhz)就會導致上下電極的鞘層厚度大幅變動，電漿阻抗相應的會進行大幅變動，所以也需要對高頻射頻功率輸出過程中進行分段匹配才能實現更好的阻抗匹配。
本發明發現了低頻射頻頻率低於1Mhz時出現的電漿阻抗隨低頻射頻功率輸出電壓同步變動的問題，提出了一種新的分段頻率匹配方法，包括分段頻率匹配獲取步驟，將低頻射頻功率輸出週期分為複數個區段，在各區段時間段內，調整高頻射頻源的輸出頻率，並檢測其反射功率，在經過一個或複數個低頻射頻功率輸出週期後獲得各區段的匹配頻率並儲存。隨後在變頻匹配步驟中，設定高頻射頻電源的輸出頻率在上述儲存的區段匹配頻率週期性地變化，以匹配各個分段中的特徵阻抗。在電漿處理製程中，經常需要進行複數個步驟切換，所以電漿處理腔中的各項參數也會頻繁發生變化，這會使得電漿阻抗也會變化。採用本發明提供的匹配方法後，在第一個電漿製程步驟中，經過一次區段匹配頻率獲取步驟獲得的各個區段匹配頻率不一定在後續的第二個電漿製程步驟中適用，所以需要持續監控高頻射頻電源的反射功率，一旦發現反射功率大於一閥值，比如反射功率達到射頻電源輸出功率的10%時，則再次啟動區段匹配頻率獲取步驟，獲得新的一批區段匹配頻率，最終實現整個電漿處理製程運行過程中長期良好匹配。
本發明除了上述複數個實施例中揭露的區段匹配頻率獲取步驟，在一個或複數個低頻射頻週期內對高頻射頻頻率進行調整，最後獲取各個區段的匹配頻率，也可以不在各電漿處理器中執行上述頻率自學習步驟。可以設置一個用於測試或者製程驗證用的電漿處理器，在進行製程調整和驗證過程中獲得最佳製程參數的同時獲取並儲存上述複數個區段的匹配頻率，在後續進行正式、大量的電漿處理過程中，大量的電漿處理器只需要從上述驗證用的電漿處理器中下載已儲存的區段匹配頻率資料，就可以實現本發明的發明目的，這些大量處理的電漿處理器中並不需要執行上述匹配頻率獲取步驟，也屬於本發明的變形實施例之一。對於大量處理的電漿處理器來說，其中的控制器中只需要包括一個儲存單元用於儲存從其它設備或資料庫下載的複數個區段匹配頻率。控制器進一步包括一個判斷模組，判斷模組根據檢測到的低頻射頻功率週期訊號，判斷出低頻射頻電源輸出的區段，根據該區段選擇輸出相應的區段匹配頻率到高頻射頻電源，使得高頻射頻電源輸出與該區段的阻抗相匹配的區段匹配頻率。對於驗證用的電漿處理器來說，處理儲存單元進一步需要計算單元，根據預設的程序在學習步驟中調試各區段的區段匹配頻率，根據反射功率的大小逐步逼近最佳的區段匹配頻率。獲得複數個區段匹配頻率後儲存在儲存器，並在後續的電漿處理中直接輸出區段匹配頻率資料給高頻射頻電源，使高頻射頻電源在複數個區段中直接輸出最佳匹配頻率。
經過長期的電漿處理，隨著大量電漿處理製程和相對應的區段匹配頻率的獲取，這些電漿處理製程參數和區段匹配頻率的資料可以透過一個或複數個電腦進行大資料處理，分析出各個製程參數對各個區段匹配頻率的影響。比如對匹配頻率影響最大的是氣體成分和流量，其次為射頻功率，氣壓，影響較小的是反應腔內零組件的溫度，透過大資料分析可以獲得這些參數對匹配頻率的影響大小幅度和影響方向。同時電漿處理器內部的硬體設置和材料也是影響因素，比如電極間距、電極材料，表面塗層，零件尺寸等。利用上述收集的大資料，可以在不需要重複進行區段匹配頻率獲取的情況下，根據電漿處理製程參數和硬體參數，直接自動計算出新的處理製程所需要的區段匹配頻率。所以只要在電漿處理器中安裝有相應的資料分析軟體，或者與外部資料庫相連接，就可以不需要執行上述匹配頻率獲取步驟，直接下載或者計算以獲得對應的複數個區段匹配頻率。
本發明中，除了上述在複數個區段中輸出各自的區段匹配頻率外，也可以在複數個阻抗匹配區段中的部分區段輸出區段匹配頻率，其它區段的輸出頻率可以不是最佳的區段匹配頻率。例如，低頻射頻功率週期中包括一至五共五個週期，在其中的第一區段、第二區段、第四區段中輸出指定的區段匹配頻率，在第三區段、第五區段中延續上一個區段的輸出頻率，不作頻率變化。這樣的實施例雖然匹配效果較前述複數個實施例略差，但是也遠好於先前技術中不對低頻射頻功率週期進行分段，只輸出一個固定的匹配頻率的方法，能夠大幅減小射頻反射功率。
以上所述僅是本發明的較佳實施方式，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。任何本領域具有通常知識者可以理解的是，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭露的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為具有等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何的簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明的保護範圍內。
1,2:匹配器 10:聚焦環 11:氣體噴淋頭 20:基片 21:靜電夾盤 22:基座 30:控制器 31,32:射頻電源 100:反應腔 110:反應氣源 f1(0)HF,f1(1)HF,f1(2)HF,f1(3)HF,f2(0)HF,f2(1)HF,f2(2)HF,f2(3)HF,f()HF,f(1-0)HF,f(4-1)HF,f(1-1)HF,f(1-2)HF,f(1-4)HF,f(4-2)HF,f(5-0)HF,f(t)HF:頻率 Z10 ,Z11 ,Z12 ,Z13 ,Z14 ,Z20 ,Z21 ,Z22 ,Z23 ,Z24 ,Z1-0 ,Z1-4 ,Z1-5 ,Z1-6 ,Z1-7 ,Z1-8 ,Z1-9 :阻抗 rm1,rm2,rm3,rm4,rm5:區段 Vp :電漿電壓 Vw :晶圓上表面電壓 Vdc :偏壓電壓 (Vrf )pp :電壓幅值 T(A),T(B),T(X):時刻
為了更清楚地說明本發明實施例或先前技術中的技術方案，下面將對實施例或先前技術說明中所需要使用的附圖作簡單地介紹，下面說明中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者而言，在不付出創造性勞動的前提下，可以根據這些附圖進一步獲得其他的附圖。 圖1為先前技術中電容耦合電漿處理設備的剖面結構示意圖； 圖2為電容耦合電漿處理器中電漿和基片電壓波形示意圖； 圖3a為電容耦合電漿處理器中電漿第一分佈形態； 圖3b為電容耦合電漿處理器中電漿第二分佈形態； 圖4a為本發明第一實施例中第一阻抗匹配段中區段匹配頻率獲取方法； 圖4b為本發明第一實施例中第二阻抗匹配段中區段匹配頻率獲取方法； 圖5為本發明第二實施例的一個低頻功率週期內複數個區段匹配頻率獲取方法； 圖6為低頻射頻功率與高頻匹配頻率的曲線圖； 圖7為本發明電容耦合電漿處理設備剖面結構示意圖。
f1(0)HF,f1(1)HF,f1(2)HF,f1(3)HF:頻率
Z10,Z11,Z12,Z13,Z14:阻抗

Claims (30)

  1. 一種電漿處理器，包括： 一反應腔，該反應腔內設置一基座，該基座上放置有一晶圓； 一源射頻電源，用於施加一第一射頻週期訊號到該反應腔內，以點燃並維持電漿，該源射頻電源為調頻電源，該第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內係可調整的；一偏壓射頻電源，用於施加一第二射頻週期訊號到該基座，該第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，該偏壓射頻電源的輸出電壓在該複數個阻抗匹配段之間變化； 一控制器，用於控制該源射頻電源在各該阻抗匹配段輸出一區段匹配頻率，以保證該源射頻電源輸出的射頻功率能有效施加到該反應腔內，減小反射功率損耗。
  2. 如請求項1所述的電漿處理器，其中該控制器包括一儲存單元，該儲存單元儲存有分別與該複數個阻抗匹配段對應的該複數個區段匹配頻率，該控制器控制該源射頻電源在對應的該阻抗匹配段內輸出該區段匹配頻率。
  3. 如請求項2所述的電漿處理器，其中該控制器在各該阻抗匹配段內進行至少一次該源射頻電源的頻率匹配，得到該區段匹配頻率，並將該區段匹配頻率及其對應的該阻抗匹配段儲存在該儲存單元內。
  4. 如請求項3所述的電漿處理器，其中該控制器內設置有一區段匹配頻率學習程序，該區段匹配頻率學習程序包括：在各該阻抗匹配段中調節該第一射頻週期訊號的一輸出頻率至少一次，檢測各該輸出頻率對應的反射功率值或者該電漿處理器的阻抗值，反射功率值或者該電漿處理器的阻抗值小於一閾值時，認定該輸出頻率為該阻抗匹配段的該區段匹配頻率。
  5. 根據請求項4所述的電漿處理器，其中該控制器中儲存有該偏壓射頻電源的輸出電壓與對應匹配頻率的一資料庫，該控制器執行該區段匹配頻率學習程序，獲得該阻抗匹配段對應的該區段匹配頻率並利用獲得的該區段匹配頻率和該資料庫計算獲得其餘該複數個區段匹配頻率。
  6. 如請求項1所述的電漿處理器，其中該控制器包括一計算單元，該計算單元根據輸入的處理製程參數進行計算，獲得與製程參數相匹配的該複數個區段匹配頻率，該控制器控制該源射頻電源在各該阻抗匹配段輸出相匹配的該區段匹配頻率。
  7. 根據請求項1所述的電漿處理器，其中該第一射頻週期訊號的頻率大於10Mhz，該第二射頻週期訊號的頻率小於1Mhz。
  8. 根據請求項1所述的電漿處理器，其中該第二射頻週期訊號的頻率小於500Khz。
  9. 根據請求項1所述的電漿處理器，其中該第二射頻週期訊號內包括至少三個該阻抗匹配段，該偏壓射頻電源的輸出電壓在最高電壓到最低電壓之間交替週期性變化，第一至第N阻抗匹配段中的平均電壓依次從低到高排列，該複數個區段匹配頻率分別匹配該第一至第N阻抗匹配段中的電漿的阻抗。
  10. 根據請求項9所述的電漿處理器，其中該源射頻電源進行頻率調整的響應時間大於等於該第二射頻週期訊號的週期長度，該源射頻電源在該複數個第二射頻週期訊號的一第一阻抗匹配段獲得與該第一阻抗匹配段對應的一第一區段匹配頻率，在後續該複數個第二射頻週期訊號獲得與一第二阻抗匹配段對應的一第二區段匹配頻率。
  11. 根據請求項9所述的電漿處理器，其中該源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於該第二射頻週期訊號的週期長度，該源射頻電源在一個該第二射頻週期訊號的一第一阻抗匹配段進行至少一次頻率匹配，在同一個該第二射頻週期訊號的一第二阻抗匹配段內進行至少一次頻率匹配。
  12. 根據請求項4所述的電漿處理器，其中該源射頻電源的輸出功率呈脈衝狀，在高功率輸出狀態和低功率輸出狀態之間交替變化，其中脈衝頻率為100-10KHz。
  13. 如請求項12所述的電漿處理器，其中在該源射頻電源的輸出為高功率輸出狀態時執行一次該區段匹配頻率學習程序，獲得並儲存高功率輸出狀態的該複數個區段匹配頻率；在該源射頻電源的輸出為低功率輸出狀態時再次執行一次該區段匹配頻率學習程序，獲得並儲存低功率輸出狀態的該複數個區段匹配頻率。
  14. 根據請求項1所述的電漿處理器，其中該第一射頻週期訊號的頻率為f0，該第一射頻週期訊號的頻率可變範圍為f0±5%。
  15. 根據請求項1所述的電漿處理器，其中該控制器進一步包括一判斷模組，該判斷模組根據該第二射頻週期訊號判斷當前所處的該阻抗匹配段，並控制該源射頻電源輸出該阻抗匹配段的該區段匹配頻率。
  16. 一種用於電漿處理器的調頻匹配方法，該方法包括： 提供一源射頻電源，該源射頻電源輸出一第一射頻週期訊號至該電漿處理器內以點燃並維持電漿；該源射頻電源為調頻電源，該第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內係可調整的； 提供一偏壓射頻電源，該偏壓射頻電源輸出一第二射頻週期訊號至該電漿處理器內的一基座，設置該第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，該偏壓射頻電源的輸出平均電壓在該複數個阻抗匹配段之間變化； 提供一控制器，該控制器控制該源射頻電源在各該阻抗匹配段輸出一區段匹配頻率，使得該源射頻電源輸出的射頻功率能有效施加到該電漿處理器內，減小反射功率損耗。
  17. 如請求項16所述的方法，其中該方法進一步包括一區段匹配頻率學習步驟，在該第二射頻週期訊號的各該阻抗匹配段中調節該第一射頻週期訊號的一輸出頻率至少一次，檢測各該輸出頻率對應的反射功率值或者該電漿處理器的阻抗值，反射功率值或者該電漿處理器的阻抗值小於一閾值時，認定該輸出頻率為該阻抗匹配段的該區段匹配頻率。
  18. 如請求項17所述的方法，其中在該控制器中儲存該偏壓射頻電源的輸出電壓與對應匹配頻率的一資料庫，執行至少一次該區段匹配頻率學習步驟，獲得至少一個該阻抗匹配段對應的該區段匹配頻率後，利用獲得的該區段匹配頻率和該資料庫計算獲得其餘該複數個區段匹配頻率。
  19. 如請求項16所述的方法，其中該控制器根據輸入的處理製程參數進行計算，獲得與製程參數相匹配的該複數個區段匹配頻率，該控制器控制該源射頻電源在各該阻抗匹配段輸出相匹配的該區段匹配頻率。
  20. 如請求項17或請求項18或請求項19中的任一項所述的方法，其中在該控制器內設置一儲存單元，將該區段匹配頻率和對應的該阻抗匹配段的訊息儲存在該儲存單元內。
  21. 如請求項16所述的方法，其中在該控制器內設置一判斷模組，該判斷模組根據該第二射頻週期訊號判斷當前所處的該阻抗匹配段，該控制器控制該源射頻電源輸出該阻抗匹配段的該區段匹配頻率。
  22. 如請求項16所述的方法，其中在電漿處理過程中，持續監測該源射頻電源的一輸出頻率對應的反射功率值或者該電漿處理器的阻抗值，當反射功率值或該電漿處理器的阻抗值大於一預設閥值時，再次進行一區段匹配頻率學習步驟。
  23. 如請求項16所述的方法，其中設置各該第二射頻週期訊號的一個週期中該阻抗匹配段的數量大於等於三，設置該偏壓射頻電源的輸出電壓在最低電壓到最高電壓之間交替週期性變化，第一至第N阻抗匹配段中的平均電壓依次從低到高排列，該複數個區段匹配頻率分別匹配該第一至第N阻抗匹配段中的電漿的阻抗。
  24. 根據請求項16所述的方法，其中設置該源射頻電源進行頻率調整的響應時間大於等於該第二射頻週期訊號的週期長度，該源射頻電源在該複數個第二射頻週期訊號的一第一阻抗匹配段獲得與該第一阻抗匹配段對應的一第一區段匹配頻率，在後續該複數個第二射頻週期訊號獲得與一第二阻抗匹配段對應的一第二區段匹配頻率。
  25. 根據請求項16所述的方法，其中該源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於該第二射頻週期訊號的週期長度，該源射頻電源在一個該第二射頻週期訊號的一第一阻抗匹配段進行至少一次頻率匹配，在同一個該第二射頻週期訊號的一第二阻抗匹配段內進行至少一次頻率匹配。
  26. 根據請求項16所述的方法，其中設置該源射頻電源的輸出功率呈脈衝狀，該源射頻電源在高功率輸出狀態和低功率輸出狀態之間交替變化，交替脈衝頻率為100-10KHz。
  27. 根據請求項26所述的方法，其中在該源射頻電源的輸出功率為高功率輸出狀態時執行一次一區段匹配頻率學習步驟，獲得並儲存高功率輸出狀態的該複數個區段匹配頻率；在該源射頻電源的輸出為低功率輸出狀態時再次執行一次該區段匹配頻率學習步驟，獲得並儲存低功率輸出狀態的該複數個區段匹配頻率。
  28. 一種射頻電源系統，其包括： 一源射頻電源，用於輸出一第一射頻週期訊號，該源射頻電源為調頻電源，該第一射頻週期訊號的頻率在一預定範圍內係可調整的； 一偏壓射頻電源，用於輸出一第二射頻週期訊號，該第二射頻週期訊號的各週期包括複數個阻抗匹配段，該偏壓射頻電源的輸出電壓在該複數個阻抗匹配段之間變化； 一控制器，該控制器用於控制該源射頻電源在各該阻抗匹配段輸出一區段匹配頻率。
  29. 根據請求項28所述的射頻電源系統，其中該控制器內包括一儲存單元，該儲存單元儲存有分別與該複數個阻抗匹配段對應的該區段匹配頻率，該控制器控制該源射頻電源在對應的該阻抗匹配段內輸出其匹配頻率。
  30. 如請求項29所述的射頻電源系統，其中該源射頻電源進行頻率調整的響應時間小於5微秒。
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