TWI435660B - 用於電漿腔室之電極的多相射頻電源 - Google Patents

Description

用於電漿腔室之電極的多相射頻電源

本發明一般相關資耦合射頻電源至用於製造電子設備(如，半導體、顯示器、太陽能電池、和固態發光裝置)之一電漿腔室之一電極。本發明尤相關於藉由耦合具有不同相位偏移之射頻電源至電極之不同點以改善在腔室執行之一電漿製程之均勻度。

電漿腔室普遍被用來執行製造電子裝置之製程，如，半導體、顯示器和太陽能電池。這種電漿製造製程包括在工件表面在之半導體、導體或介電層之化學氣相沉積，或在工件表面之此種層的選定部分之蝕刻。

對於欲進行之電漿製程而言，在工件表面上之高度的空間均勻性是非常重要的。例如，一沉積製程之執行應使沉積材料在工件表面的所有位置上之厚度和品質均勻。同樣地，一蝕刻製程應在所有這種位置上以一均勻速度蝕刻材料。

藉由耦合在電漿腔室內或毗鄰電漿腔室之一電極，可將電漿腔室內之射頻電源電感地耦合至電漿。在射頻電源被耦合到電極之一單一點的設計中，如果有電極尺寸大於射頻電源約四分之一波長，則電漿密度及因此在工件上進行的電漿製程將發生空間不均勻性。因此，有必 要存在，為改善這種空間均勻度。

在一態樣中，本發明以不同的相位偏移耦合射頻電源至電漿腔室之電極的不同射頻連接點。在另一態樣中，本發明以可調整的個別相位偏移耦合射頻電源至電漿腔室之電極的不同射頻連接點。

可以產生相位偏移的個別值以最佳化在腔室中進行的電漿製程之空間均勻性。例如，可建立個別的相位偏移以使在工件和電極間之電漿腔室的一區域中，電漿具有相較於藉由零相位偏移產生之電漿來得低的空間非均勻性。另外，當進行一電漿製程以形成或改變工件上的一層材料時，可以建立各自的相位偏移，以使該層材料的物理特性具有相較於零相位偏移之每一相位所產生之該層材料之該物理特性來得較低的空間非均勻性。

較佳地，不同的射頻連接點和相應的相位偏移之數量是至少四個，而且射頻連接點的位置分佈在電極的兩個正交維度(例如，X和Y軸)。這性特性最佳化了兩個空間維度中電漿製程之空間均勻性，這尤其在腔室中處理的工件是長方形時特別有價值。

在一較佳實施例中，藉由一個別的射頻電源供應器提供每一各自的射頻連接點功率，其中每個電源供應器使其相位與一共同參考射頻振盪器同步化。

在本專利說明書和申請項通篇中使用「射頻連接點」一詞以指示射頻電源所電氣連接之電極的一位置。

圖1和圖2根據本發明之一實施例繪示一種電漿腔室。

請參照圖1，一工件10係在電漿腔室中由一基座12所支撐。電漿腔室的目的是使工件接受電漿製程步驟，以在工件上製造電子裝置，如半導體裝置、顯示器、太陽能電池、或固態發光裝置。將在電漿腔室處理之工件10之示例包括一個矩形玻璃基板，其上可製造上面有積體電路之平板顯示器或圓形半導體晶片。

電漿腔室具有一導電腔室牆14-18，最好是鋁製，這提供腔室內部之一真空封閉。在示例性實施例中，該腔室側牆14和腔室底牆16係部署為一單一牆。該腔室牆還包括一個頂牆18。該腔室牆的所有部分係電氣連接在一起和電氣接地。

在工件上進行電漿製程時，一或多製程氣體通過進氣歧管20-26分配到腔室。進氣歧管包括一歧管背板20、一蓮蓬頭22(也稱為氣體分配盤或擴散器)、和一懸架24，上述全部共同包複出一體積，其構成進氣歧管的內部。

進氣導管26延伸通過該歧管背板20之中心。一氣源(未圖示)供應製程氣體至進氣導管之上端。該製程氣體從進氣導管流至進氣歧管之內部28，然後通過蓮蓬頭22之許多開口分配到電漿腔室。

蓮蓬頭的重量係由懸架24所支撐，懸架24是由進氣歧管背板20所支撐，進氣歧管背板20是由腔室側牆14所支撐。懸架24個最好是彈性的，以便容納蓮蓬頭隨著溫度上升和下降之徑向擴張和收縮。懸架24具有：一個上端，其附接至進氣歧管背板20；和一下端，其附接至蓮蓬頭22周邊緣。後者之附接可以是是固定的或滑動的。例如，一個滑動的附接可以實施為將蓮蓬頭邊緣置於懸架下端。

如果如同示例般，蓮蓬頭是矩形的，懸架24的垂直延伸部分最好是由四個彈性片分別附接至矩形蓮蓬頭22之四面所構成。每一片在矩形蓮蓬頭之一側和矩形背板20之一對應側間垂直延伸。

進氣歧管20-26亦作為一電極以耦接射頻電源至腔室內電漿。歧管背板20、蓮蓬頭22和懸架24是導電的，最好是鋁。介電襯墊19電性地和機械地從接地腔室牆14-18，隔開進氣歧管的射頻電源組件20-24。

參照圖2，複數射頻電源供應器41-44之各自的輸出藉由各自的阻抗匹配網路51-54連接至歧管背板20之背面之各自的射頻連接點31-34。(圖2顯示所有四個射頻電源、匹配網路、和射頻連接點。圖1只顯示每一組之二者，因為圖1是截取自相交於該前二個射頻連接點31、32之一垂直平面之一剖面圖。)

如本發明之發明內容所述，我們使用「射頻連接點」一詞以指示射頻電源所電氣連接之電極的一位置。

雖然在實施例中是以進氣歧管20-26的電極來說明，本發明的範圍包括任何常規電漿腔室電極之射頻連接點，無論是否電極具有氣體分配功能。換言之，電極不需要是進氣歧管的一部分，也需要不包括蓮蓬頭。

此外，如果電極鄰近介電的腔室牆之一部分，從而使射頻電源電極電感地耦合至腔室內電漿，則電極可以在腔室牆14-18之外。由於電極可以是在腔室牆內或外，本文之電極稱為腔室「的」電極，而不是電極「中」腔室。

射頻電源各自的射頻電源供應器41-44之輸出流至歧管背板20上之各自的射頻連接點31-34，然後通過歧管背板流至在歧管背板四側之四個懸架牆24，然後該四個懸架牆24流至蓮蓬頭22之四側。射頻電源係從蓮蓬頭耦接到蓮蓬頭和基座間的電漿。

本發明之一種新穎的特徵是射頻電源41-44之每一者在它的輸出產生的射頻信號具有相同頻率，但亦有一相對相位偏移，其可以針對每一射頻電源供應器設定成不同的值。在圖2之實施例中，其實施如下。每一射頻電源供應器41-44是具有一同步輸入的常規射頻電源供應器之類型。每一射頻電源供應器在其輸出產生一高功率射頻信號，其頻率和相位同步於在其同步輸入接收之低功率射頻信號。

一參考振盪器70以希望提供給電漿腔室電極(進氣歧管20-26)之頻率產生一低功率射頻信號。參考振盪器的輸出連接到一些傳統移相器61-63的各自的輸入。每一移相器61-63產生一輸出信號，其相對於在其輸入接收的信號轉移相位一預定的相角。每一各自的移相器61-63之輸出連接到各自的射頻電源供應器之同步輸入。

移相器之數量可以相同於射頻電源供應器的數量，在這種情況下，每一各自的射頻電源供應器之同步輸入連接到每一各自的移相器之輸出。尤其是，移相器之數量可以少於射頻電源供應器的數量1個，在這種情況下，一射頻電源供應器64之同步輸入直接連接到參考振盪器70之輸出。

回應於來自四個射頻電源供應器61-64之電力，電極(進氣歧管20-26)所產生的電磁場之空間分佈取決於射頻電源供應器彼此相對的相位偏移，但是該四個射頻電源供應器相對於參考振盪器70之絕對相位是不重要的。因此，一射頻電源供應器64可作為有關其它射頻電源供應器61-63的相位是相對者的參考。可藉由直接連接一射頻電源供應器64之同步輸入至參考振盪器70來達成，而無需一中介移相器，在這種情況下，電源供應器64之輸出將與參考振盪器同一相位。

由各移相器61-63所產生的相移值最好是可由例行試驗來調整，以最佳化將在將在電漿腔室進行之一特定電漿製程之空間均勻性。例如，可以為一系列工件量測電漿腔室中工件表面上的薄膜沉積或蝕刻的空間均勻度，其中為每一工件測試每一移相器61-63之一組不同的相移值。然後，被測試地決定以產生產生較佳空間均勻性之的相移值可用於工件的生產製程，而無需進一步調整相移值。

一般而言，可以產生相位偏移的個別值以最佳化在腔室中進行的電漿製程之空間均勻性。例如，可建立個別的相位偏移以使在工件和電極間之電漿腔室的一區域中，電漿具有相較於藉由零相位偏移產生之電漿來得低的空間非均勻性。另外，當進行一電漿製程以形成或改變工件上的一層材料時，可以建立各自的相位偏移，以使該層材料的物理特性具有相較於零相位偏移之每一相位所產生之該層材料之該物理特性來得較低的空間非均勻性。

在前述第二段的初步試驗中，可調移相器是簡便的，但是在確定最佳相移值之後，可在一生產電漿腔室中使用固定移相器。

當射頻連接點係在一矩形電極上，例如，實施例中所示之矩形進氣歧管20-26，較佳地應包括四個射頻連接點，其具有相對於該射頻連接點所連接之電極表面X和Y軸之不同位置。在圖2之實施例中，這可藉由在電極的四個角落(具體地講，在歧管背板20附近的四個角落)放置四個射頻連接點31-34來達成。換言之，四個射頻連接點各自的位置界定幾何矩形的頂點。這允許沿著X和Y軸兩者調整射頻電源的相對相位，以最佳化在電漿腔室中沿著X和Y軸進行的電漿製程的空間均勻度。(我們使用「X和Y軸」一詞是指電極表面上任何兩個正交幾何維度。)

本發明之範圍還設想射頻連接點之數量大於4個及對應的額外數量之射頻電源供應器和移相器時。這將提供電漿製程更精細的空間均勻度控制，但使得每一移相器之最佳相移值的實驗測定變得複雜。

圖3顯示另一種實施例，只有兩個射頻連接點31、34在電極的斜對角的角落，具體地說，在歧管背板20的後方表面之斜對角的角落。由於兩射頻連接點沿歧管背板的後方表面之X和Y軸兩者有不同的位置，對於電漿製程的空間均勻度的一些控制有可能沿X和Y軸進行。然而，這實施例不允許如圖2之較佳實施例一樣，獨立於其他軸沿每一軸控制空間均勻度。

如圖2的實施例般，一阻抗匹配網路51、54連接每一射頻連接點31、34和其來源的射頻電源。然而，圖3顯示一個不同的手段用以在在不同的射頻連接點31、34，提供射頻電源供應器不同的相位偏移。圖3的實施例只有一單一高功率射頻電源供應器44。一射頻電源分配器80將在射頻連接點間分配其輸出。在射頻連接點間的相位移是由移相器65所控制，其連接射頻電源分配器80和一阻抗匹配網路53。

圖3實施例之一優點在於，它要求較少的射頻元件，但圖2的實施例的優點則在其他方面。

圖2實施例之一優點在於，它不需要一電源分配器。相反地，圖3實施例的射頻電源分配器80必須使射頻電源供給所有的射頻連接點。在射頻電源分配器的一些電力損耗是不可避免的，這將不良地減少從射頻電源供應器傳輸電力至電漿腔室的效率。此外，射頻電源分配器可能使射頻波形失真，這可能導致被應用於阻抗匹配網路51、54和腔室內電漿之射頻電源供應信號的不良諧波。

圖2實施例的另一優點在於，移相器61-63與電漿的負載阻抗完全隔絕。每一移相器的輸出係連接到對應的射頻電源供應器41-43之同步輸入。傳統上同步輸入具有一標準的輸入阻抗，以避免受到連接到射頻電源供應器的輸出的負載的阻抗之影響。因為驅動一標準且一致的負載阻抗，所以由各移相器產生的相移數量可以非常準確和一貫。

相反地，在圖3實施例中，移相器65的輸出係連接到阻抗匹配網路53的輸入。阻抗匹配網路通常不會完全消除其輸入阻抗中的改變，以回應在進行電漿製程期間，電漿腔室內電漿之動態變化。因此，由移相器所產生的相移量可以不一致。

進氣歧管20-26或其他電極所產生的電磁場可能隨時間變化。移相器61-63之每一者可以是可變移相器，其相移量是因時間而異，以回應來自一傳統可程式化控制器(未顯示)的命令。產生的電漿製程之時間平均空間均勻度可以超越任何特定時刻的空間均勻度。

在圖2和圖3之任何一種實施例中，射頻連接點31-34之最佳位置必須衡量兩個相互衝突的考慮。人們希望使射頻連接點盡可能地彼此分開，因此靠近歧管背板20的角落，以使射頻連接點間的電阻抗最大化。但是，如果射頻連接點太靠近歧管背板的邊緣，則出現在阻抗匹配網路51-54的負載阻抗將是電容的而不是電感的。這將是不可取的，因為這將需要每一阻抗匹配網路包含一個電感器，這是更昂貴的且實體上比電容笨重，而且可變電感器比可變電容器更難部署。

本發明之範圍包括但不限於未繪示於圖式之下列額外替換和修改。

每一阻抗匹配網路51-54的元件可實體地分散開來。例如，各自阻抗匹配網路可以包含：一或多電抗(即，電容器和電感器)，其實體安裝在各自的射頻電源供應器41-44之附近或當中，和一或多個額外的電抗，其實體直接安裝在電極(例如，進氣歧管20-26)或其附近。

圖示之進氣歧管20-26是矩形的，這是因為圖示之電漿腔室是用於處理矩形工件10。然而，本發明也同樣適用於處理圓形工件之電漿腔室，其中包括一個圓形進氣歧管或其他圓形電極。

圖示的歧管背板20和蓮蓬頭22未被分開成不同的區塊，這樣做可能是有利的。在這種情況下，本文所有被稱為「歧管背板」和「電極」者包括整體作為一單一歧管背板或電極的區塊。

雖然本發明主要涉及將射頻電源電容地耦合至電漿，額外的射頻電源供應器可通過其他手段耦合至電漿，例如，感應線圈或微波波導。此外，在一遠端電漿源產生的電漿亦可經由一氣體入口流入腔室內部。

10．．．工件

12．．．基座

14．．．側牆

16．．．底牆

18．．．頂牆

19．．．介電襯墊

20．．．歧管背板

22．．．蓮蓬頭

24．．．懸架

26．．．進氣歧管之內部

28．．．進氣導管

31,32,33,34．．．射頻連接點

41,42,43,44．．．射頻電源供應器

51,52,53,54．．．阻抗匹配網路

61,62,63．．．移相器

65．．．移相器

70．．．振盪器

80．．．射頻電源分配器

圖1之局部示意圖是根據本發明之電漿腔室之截面側視圖。該截面係通過四個射頻連接點之二個所截取。

圖2之示意圖繪示連接到圖1之電漿腔室之射頻電源供應器。

圖3之示意圖係另一實施例。

10．．．工件

12．．．基座

14．．．側牆

16．．．底牆

18．．．頂牆

19．．．介電襯墊

20．．．歧管背板

22．．．蓮蓬頭

24．．．懸架

26．．．進氣歧管之內部

28．．．進氣導管

31,32．．．射頻連接點

41,42．．．射頻電源供應器

51,52．．．阻抗匹配網路

Claims (12)

1. 一種用以耦合射頻電源至一電漿腔室之方法，該方法包括以下步驟：提供包含一電極之一電漿腔室，其中該電極包含第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；提供第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器；以及將分別由第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器所輸出之第一、第二、第三、以及第四射頻電源信號分別耦合至該第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；其中：該第二、第三、以及第四射頻電源信號各自具有與該第一射頻電源信號相同的頻率，以及相對於該第一射頻電源信號之不同的非零相位偏移；該等射頻連接點係位於該電極之一個二維表面；該等射頻連接點之位置係沿著該表面之兩個維度分佈；該電極為一進氣歧管，包括一歧管背板、一蓮蓬頭、以及連接該蓮蓬頭至該歧管背板之一懸架；且該射頻連接點係在該歧管背板上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該方法更包括以下步驟： 將一工件支撐於該電漿腔室中；於該電漿腔室中提供一電漿；以及對該第一射頻電源信號以外之各個射頻電源信號建立個別之相位偏移，以在該電漿腔室內介於該工件和該電極之間的一區域中，使得該電漿相較於當個別之相位偏移為零時所產生之電漿具有一較低的空間非均勻性。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該方法更包括以下步驟：將一工件置於該電漿腔室中；以及進行一電漿製程以形成或改變該工件上之一材料層；其中對該第一射頻電源信號以外之各個射頻電源信號建立個別之相位偏移，使得由該電漿製程所得之該材料層的物理特性相較於由當個別之相位偏移為零時之電漿製程所得之材料層的物理特性具有一較低的空間非均勻性。
4. 一種用以耦合射頻電源至一電漿腔室之方法，該方法包括以下步驟：提供包含一電極之一電漿腔室，其中該電極包含第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；提供第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器；以及將分別由第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器所輸出之第一、第二、第三、以及第四射頻電源信號分 別耦合至該第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；其中：該第二、第三、以及第四射頻電源信號各自具有與該第一射頻電源信號相同的頻率，以及相對於該第一射頻電源信號之不同的非零相位偏移；該等射頻連接點係位於該電極之一個二維表面；該等射頻連接點之位置係沿著該表面之兩個維度分佈；每一個別之射頻電源供應器包括一個別之同步輸入，並將其個別之射頻電源信號之頻率及相位與其個別之同步輸入所接收到之射頻信號同步化；且該方法更包括以下步驟：產生一射頻振盪信號；提供複數個移相器；將該射頻振盪信號耦合至每個移相器之一輸入；將該第一射頻電源供應器以外之各個射頻電源供應器的該同步輸入耦合至個別之移相器的一輸出；以及將該第一射頻電源供應器的該同步輸入耦合至該射頻振盪器的該輸出。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，該方法更包括以下步驟：將一移相器耦合至該射頻振盪器的該輸出與該第一射頻電源供應器的該同步輸入之間。
6. 一種用以耦合射頻電源至一電漿腔室之方法，該方法包括以下步驟：提供包含一電極之一電漿腔室，其中該電極包含第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；提供第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器；以及將分別由第一、第二、第三、以及第四射頻電源供應器所輸出之第一、第二、第三、以及第四射頻電源信號分別耦合至該第一、第二、第三、以及第四射頻連接點；其中：該第二、第三、以及第四射頻電源信號各自具有與該第一射頻電源信號相同的頻率，以及相對於該第一射頻電源信號之不同的非零相位偏移；該等射頻連接點係位於該電極之一矩形表面；且該等射頻連接點之位置係沿著該矩形表面之X軸及Y軸分佈。
7. 如申請專利範圍第4項或第6項所述之方法，其中：該電極為一進氣歧管，包括一歧管背板、一蓮蓬頭、以及連接該蓮蓬頭至該歧管背板之一懸架；且該射頻連接點係在該歧管背板上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該方法更包括 以下步驟：提供複數個阻抗匹配網路；以及將每一個別之阻抗匹配網路耦合至個別之該等射頻電源供應器的該輸出與個別之該等射頻連接點之間。
9. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中：該複數個移相器包括第一、第二、以及第三移相器，該等移相器各自產生第一、第二、以及第三時變性相位偏移。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：分別由該第二、第三、以及第四射頻電源供應器所輸出之個別射頻電源信號之個別相位偏移係隨時間變化。
11. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中：分別由該第二、第三、以及第四射頻電源供應器所輸出之個別射頻電源信號之個別相位偏移係隨時間變化。
12. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中：該電極之該矩形表面包括第一、第二、第三、以及第四角落；且該第一、第二、第三、以及第四射頻連接點係分別設置鄰近於該第一、第二、第三、以及第四角落。