TWM588353U - 電感耦合等離子體處理器 - Google Patents

Abstract

本創作公開了一種電感耦合等離子體處理器，包括：處理腔，處理腔頂部包括一絕緣材料窗，絕緣材料窗上方設置有一個電感線圈，電感線圈連接到一個源射頻電源；處理腔內底部包括一個基座，基座上方用於支撐待處理晶圓；第一偏壓射頻電源經過第一匹配電路連接到一個切換裝置，第二偏壓射頻電源通過第二匹配電路連接到切換裝置，切換裝置選擇性地將第一、第二偏壓射頻電源中的一個偏壓射頻電源連通到基座中；其中第一偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率。

Description

電感耦合等離子體處理器

本創作一般涉及射頻匹配網路領域，尤其涉及在電感耦合等離子體室中使用的射頻匹配網路。

在本領域中已知利用雙射頻頻率或多射頻頻率的等離子體處理器。通常，雙頻等離子體室接收頻率低於約15MHz的射頻偏壓功率，以及頻率較高的射頻源功率（通常為27-200MHz）。在本案上下文中，偏壓射頻是指用於控制離子能量和離子能量分佈的偏壓射頻功率。另一方面，源射頻功率是指用於控制等離子體離子解離或等離子體密度的射頻功率。例如，在電感耦合等離子體室中，源射頻功率被施加到電感線圈並用於點燃和維持等離子體，而偏壓射頻功率被施加到基座以控制離子轟擊基板的能量。對於一些具體的例子，已知的是在例如2MHz、2.2MHz或13.56MHz的射頻偏壓和13.56MHz、27MHz、60MHz、100MHz和更高頻率的射頻源功率下操作等離子體蝕刻室。

通常，等離子體室構造成具有用於偏壓射頻功率和源射頻功率的一組頻率組合。然而，不同的頻率導致不同的等離子體特性，比如離子能量的分佈，因此在等離子體室中具有在兩種不同頻率之間切換的能力是有益的，可以滿足不同材料的製程需要。為了有效地施加偏壓射頻功率，必須使用專門針對偏壓射頻電源的工作頻率設計的射頻匹配網路。因此，在本領域中需要可選擇地以兩種不同頻率運行的、可有效切換的射頻匹配網路。

因此，本創作所要解決的問題是能夠切換偏壓射頻頻率並提供能夠將任一偏壓射頻頻率有效地耦合至等離子體的射頻匹配網路。

本創作公開的以下概述是為了提供對本創作一些方面和特徵的基本理解。該概述不是本創作的廣泛綜述，因此其無意於具體示出本創作的重要或關鍵要素或描繪本創作的範圍。其唯一目的是以簡化形式給出本創作的一些概念，以作為下面給出的更詳細描述的前序部分。

為了解決現有技術的問題，本創作提供一種電感耦合等離子體處理器，包括：

處理腔，其上方設置有一個電感線圈，電感線圈連接到一個源射頻電源；

處理腔內底部包括一個基座，基座上方用於支撐待處理晶圓；

第一偏壓射頻電源通過第一匹配電路連接到一個切換裝置，

第二偏壓射頻電源通過第二匹配電路連接到所述切換裝置，

切換裝置選擇性地將第一、第二偏壓射頻電源中的一個偏壓射頻電源連通到基座中；

其中第一偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率。

較佳地，第一偏壓射頻電源輸出的頻率和第二偏壓射頻電源輸出頻率，兩個偏壓射頻電源的輸出頻率相差20倍。

進一步的，第一匹配電路包括由電感和電容組成的第一濾波電路，其具有連接至第一偏壓射頻電源的第一輸入埠和耦合至基座的第一輸出埠，以及連接到第一輸入埠的第一可變電容；

第二匹配電路包括由電感和電容組成的第二濾波電路，其具有連接至第二偏壓射頻電源的第二輸入埠和耦合至基座的第二輸出埠，以及第二可變電容，其連接到第二輸出埠或經過第二濾波電路中的至少一個電感或電容連接到第二輸入埠。

進一步的，第一偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於等於2MHz小於等於60MHz，第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於等於100KHz小於等於1MHz，源射頻電源的輸出訊號頻率大於等於13.56MHz。

進一步的，其中第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於100KHz小於400KHz。

進一步的，其中第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為100KHz。

進一步的，其中第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為400KHz。

進一步的，其中第一濾波電路和第二濾波電路均包括串聯連接的電感和電容。

進一步的，其中切換裝置包括選擇開關，選擇開關具有基極、第一觸點和第二觸點，基極連接至基座，第一觸點可連接至第一輸出埠，第二觸點可連接至第二輸出埠。

進一步的，其還包括連接在第二輸入埠和電接地端之間的固定電容器。

進一步的，本創作還公開了一種電感耦合等離子體處理器，其包括：真空室、源射頻電源、第一偏壓射頻電源、第二偏壓射頻電源、耦合至源射頻電源的電感線圈，基座用於支撐晶圓，其位於真空室內並經由可切換匹配網路可切換地耦合至所述第一偏壓射頻電源和所述第二偏壓射頻電源；可切換匹配網路包括：第一匹配電路以及第二匹配電路。

其中第一匹配電路包括電感和電容組成的第一濾波電路，其具有連接至第一偏壓射頻電源的第一輸入埠和耦合至基座的第一輸出埠，還包括第一可變電容和一個第一切換開關；第二匹配電路包括由電感和電容組成的第二濾波電路，其具有連接至第二偏壓射頻電源的第二輸入埠和第二輸出埠，還包括第二可變電容和第二切換開關；第一、第二切換開關將第一或第二匹配電路之一選擇性地連接至基座，其中第一可變電容連接到第一匹配電路的第一輸入埠，第二可變電容連接到第二輸出埠或者第二濾波電路中電感和電容連接的中間端。

進一步的，其中第一偏壓射頻電源輸出的頻率大於第二偏壓射頻電源輸出頻率的20倍。

進一步的，其中第一偏壓射頻電源輸出大於等於2MHz小於等於13.56MHz的訊號，第二偏壓射頻電源輸出100KHz至400KHz的訊號。

較佳地，其中第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為100KHz。

較佳地，其中第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為400KHz。

進一步的，其中第一匹配電路和第二匹配電路中的至少一個濾波電路包括串聯連接的電感和電容以及並聯連接的電感或電容。

與現有技術相比，本創作的有益效果為：本創作專門針對工作頻率設計了一種射頻匹配網路，提供兩種不同頻率操作的、可有效切換的射頻匹配網路，可有效地施加偏壓功率，能夠切換偏壓頻率並提供能夠將任一偏壓頻率有效地耦合至等離子體的射頻匹配網路。

現在將參考所附圖式描述本創作的可切換匹配網路的實施例。不同的實施例或其組合可以用於不同的應用或實現不同的益處。取決於所需獲得的結果，可以單獨使用或與其他特徵組合的方式部分地或最全面地使用本文公開的不同特徵，從而在優勢與要求和約束之間進行取捨。因此，將參考不同的實施例突出某些益處，但不限於所公開的實施例。也就是說，本文公開的特徵不限於描述它們的實施例，而是可以與其他特徵進行｢混合和匹配｣並結合在其他實施例中。

如圖1所示，本創作的電感耦合等離子體處理器包括反應腔100，腔體內包括一個基座22，基座內集成有下電極。基座上方包括靜電夾盤21，待處理晶圓20固定在靜電夾盤21上，由半導體或者絕緣材料製成的聚焦環或者邊緣環10圍繞晶圓20和靜電夾盤21，通過對邊緣環10材料、形狀、電位的調節可以調節晶圓邊緣的等離子體的濃度和鞘層厚度等關鍵特性。反應腔100頂部包括一個絕緣材料窗32，通常由石英製成。絕緣材料窗32上方設置有電感線圈34，電感線圈34通過一個匹配器56接收來自源射頻電源46的射頻功率。反應氣體源30通過閥門裝置和供氣管道向反應腔內部供應反應氣體，同時電感線圈34上產生的射頻磁場穿過絕緣材料窗向下進入反應腔，感應產生的射頻電磁場解離反應氣體，形成的等離子體對下方的晶圓20進行等離子體刻蝕。其中源射頻電源的輸出頻率一般大於等於13.56MHz，可以是27MHz或者60MHz等。

本創作的基座22下方連接到至少兩個偏壓射頻電源41、43，其中偏壓射頻電源43具有極低的射頻頻率f1，其頻率處於100KHz~2MHz，較佳的需要小於等於1MHz，例如400KHz或者100KHz。偏壓射頻電源41具有較高的射頻頻率f2，其頻率大於2MHz小於60MHz。其中偏壓射頻電源41通過第一匹配電路51連接到切換裝置60的a端，偏壓射頻電源43通過第二匹配電路53連接到切換裝置60的c端。切換裝置60通過開關切換使得b端選擇性地連接到a端或c端之一，從而使下方的兩個偏壓射頻電源41、43中的一個輸出射頻功率到基座22，同時另一個偏壓射頻電源被斷開。

以這種方式，可以通過單獨的電感線圈、匹配器56和源射頻電源46點燃和維持等離子體，然後通過選擇第一頻率f1或第二頻率f2作為偏壓功率來控制離子轟擊。本創作中的第一偏壓射頻頻率f1和第二偏壓射頻頻率f2相差巨大，至少為2MHz：100K =20倍，典型的為13.56M:400K=33倍，頻率差距巨大可以通過控制不同偏壓射頻電源的輸出功率實現對等離子體製程步驟中等離子體能量的不同控制，同時也導致第一、第二偏壓射頻電源輸入到等離子體反應腔中的基座（陰極）時反應腔內產生相差極大的負載阻抗值，其中400KHz偏壓射頻電源在反應腔中產生的負載阻抗約幾百歐姆，13.56MHz偏壓射頻電源在反應腔中產生約幾歐姆的負載阻抗。採用現有技術中的相同的匹配電路無法實現對阻抗差距如此大的兩個射頻頻率的有效匹配，因此還需要對匹配電路進行特殊優化設計。如圖2a所示為匹配器51的內部電路結構，其中包括串聯的元器件電感L1、電容C1兩者組合形成第一濾波電路，使得只有特定頻率f2的射頻功率能夠向上進入基座，其它頻率的射頻功率無法穿過該濾波電路向下倒流進下方偏壓射頻電源41。一個可變電容Cv1連接在濾波電路的輸入端511和接地端之間，通過可變電容Cv1的改變電容來匹配反應腔內的阻抗，使得反應腔內的阻抗與匹配器51中的阻抗互補匹配，只有f2頻率的射頻功率流入反應腔內的基座22，頻率為f2的反射功率很少會倒流入偏壓射頻電源41。其中匹配濾波電路的輸出端512與上方的切換裝置60中的a端相連接。如圖2b所示為匹配器53內部電路結構圖，包括由串聯的電感L2和電容C2組成的第二濾波電路，其中第二濾波電路的輸入端531連接到上游的偏壓射頻電源43，輸出端532連接到切換裝置60的c端。一個可變電容Cv2連接在輸出端532和接地端之間。由於兩個偏壓射頻電源輸出的頻率f1、f2相差巨大，所以產生的阻抗差距巨大，可變電容接入兩個濾波電路的位置也不同，其中對於流過射頻頻率較高（f2）的第一匹配電路51中的可變電容Cv1，可以連接到第一濾波電路的輸入端511，對於流過射頻頻率很低（f1）的第二匹配電路53中的可變電容Cv2，需要連接到第二濾波電路的輸出端532才能實現匹配，這種不對稱連接改善了偏壓射頻功率與等離子體蝕刻室的匹配。

對於電容耦合等離子體處理器，由於下電極與上方的上電極靠的很近，是互相電場耦合的，所以輸送到下電極的偏壓射頻電源產生的射頻能量也同時會電耦合到上方的上電極，所以偏壓射頻電源的功率在控制離子能量的同時也影響了離子濃度分佈，為了避免兩種射頻電源的互相干擾，偏壓射頻電源的頻率必須選擇的很低，比如是2MHz或以下，源射頻電源的輸出頻率通常大於27MHz。本創作應用於電感耦合等離子體處理器，不存在上電極，不需要電場耦合產生等離子體，所以處理器中的等離子體濃度只受上方源射頻電源輸出功率的影響，多個偏壓射頻電源只對離子能量產生影響而不會對上方離子濃度和氣體成分解離效果產生影響，實現了兩者的獨立控制，所以偏壓射頻電源的輸出頻率可以大於2MHz，可以採用與源射頻電源相同的頻率13.56MHz甚至更高，如60MHz，實現離子能輕柔的向下轟擊，以適用化學反應主導的反應過程。根據具體製程要求，當需要向下入射到晶圓的離子能量極高時（如深孔刻蝕製程），也需要極低的偏壓射頻電源輸出頻率，比如低於1MHz。本創作提供的可切換匹配網路可以實現兩個頻率數值相差極大的射頻電源通過兩個匹配電路和切換裝置的組合，有效供應到基座。

上述兩個電感電容互相串聯的L型濾波電路可以作為濾波器應用於本創作所適用的等離子體處理器的匹配器中，但是只要能夠使得具有特定頻率的射頻功率通過，同時阻止其它頻率的射頻功率通過的電路均可以構成本創作的濾波電路的可變實施例，所以由多個電容和電感組合而成的T型和π型的電路結構也可以是本創作的濾波電路結構。比如圖3a所示，第一濾波電路從原有的串聯L1、C1變為串聯L12、L13和並聯的電容C12構成的T型濾波器，其它可變電容Cv11不變。同樣的匹配器53中的第二濾波電路也相應的變為由L22、L23和C22組合而成，可變電容Cv22連接在第二濾波電路的輸出端532。此外還可以在匹配器53中額外設置一個固定電容C24並聯在輸入端531和接地端之間，以保護可變電容Cv22。

如圖3c所示，可變電容除了可以連接在第二濾波器的輸出端532，通過電容和電感參數的調整，也可以將可變電容Cv22連接到電感L22和L23之間的中間端。這樣的電路結構由於電感L23和C22連接在可變電容上游，所以，他們對射頻訊號的阻抗與可變電容Cv22組合後也能補償基座22上方產生的等離子體阻抗。圖3c僅示出了T型濾波器電路結構，根據本領域習知技術，π型也可以應用於本創作的匹配電路，其中匹配器53中的可變電容可以連接在濾波器的輸出端或者濾波器多個電感/電容的中間端。兩個匹配器51和53中的濾波電路可以採用不同的電路結構，比如匹配器51中採用L型濾波器，匹配器53中採用T型濾波電路，只要匹配器51中的可變電容連接到濾波電路輸入端，匹配器53中的可變電容連接到濾波電路的輸出端或中間端就能實現對上述兩個差距極大的射頻頻率(f1、f2)的有效匹配。

本創作所述的切換裝置可以是包括三個端點的開關，實現第一觸點a和第二觸點c選擇性連接到b端，也可以是有兩個開關組合而成，每個開關的一端連接到一個匹配器的輸出端（512、532），另一端分別電連接到基座。兩個切換開關也可以設置在上述第一、第二濾波電路內部，比如圖3a中的電感L13與L12之間，只要斷開切換裝置，來自下方輸入端511的射頻功率就與輸出端512斷開了電連接，只有電浮地的L12仍與下游的基座和第二匹配電路電連接，沒有其它元件器件連接到接地端，不會影響偏壓射頻電源43向下游基座供電。所以本創作的切換裝置只要能實現基座與兩個匹配電路之間的選擇性連接，不限於三端開關，也可以是任何形式的切換裝置，比如集成在匹配器51、53中的兩個開關。所以每個匹配器51、53可以包括各自的濾波電路、連接到濾波電路不同位置的可變電容和一個開關，最終通過兩個具有開關功能的獨立匹配器，實現本創作將兩個頻率的偏壓射頻功率有效輸送射頻功率到基座的目的。

應當理解，本創作描述的過程和技術並非固有地與任何特定裝置相關，而是可以通過任意合適的元件組合來實現。此外，根據本創作描述的教導，可以使用各種類型的通用設備。已經結合特定示例描述了本創作，這些示例在所有方面都意為說明性而非限制性的。本領域技術人員將理解，許多不同的組合將適用於實施本創作。

此外，考慮到本創作公開的說明書和實踐，本創作的其他實施方式對於本領域技術人員而言將是明顯的。所描述實施例的各個方面和/或元件可以單獨使用或以任意組合使用。說明書和實施例僅應被認為是示例性的，本創作的真實範圍和精神由所附申請專利範圍指出。

10‧‧‧邊緣環
20‧‧‧待處理晶圓
21‧‧‧靜電夾盤
22‧‧‧基座
30‧‧‧反應氣體源
32‧‧‧絕緣材料窗
34‧‧‧電感線圈
41、43‧‧‧偏壓射頻電源
46‧‧‧源射頻電源
51‧‧‧第一匹配電路
53‧‧‧第二匹配電路
56‧‧‧匹配器
60‧‧‧切換裝置
100‧‧‧反應腔
511、531‧‧‧輸入端
512、532‧‧‧輸出端
L1、L2、L12、L13、L22、L23‧‧‧電感
C1、Cv1、C2、Cv2、C12、Cv11、C22、Cv22、C24‧‧‧電容

通過參考所附圖式進行的具體實施方式，本創作的其他方面和特徵將變得明顯。應當理解，具體實施方式和所附圖式提供了由所附申請專利範圍限定的本創作各種實施例的各種非限制性示例。

所附圖式舉例說明了本創作的實施例，並與說明書一起用於解釋和說明本創作的原理。所附圖式意在以圖示方式說明示例性實施例的主要特徵。所附圖式並不意在描繪實際實施例的每個特徵，也不意在描繪所描繪元件的相對尺寸，並且未按比例繪製。

圖1示出了本創作一電感耦合等離子體處理器結構的示意圖；

圖2a示出了本創作第一匹配電路的第一實施例電路圖；

圖2b示出了本創作第二匹配電路的第一實施例電路圖；

圖3a示出了本創作第一匹配電路的第二實施例電路圖；

圖3b示出了本創作第二匹配電路的第二實施例電路圖；

圖3c示出了本創作第二匹配電路的第三實施例電路圖。

Claims (16)

1. 一種電感耦合等離子體處理器，包括：
   一處理腔，該處理腔上方設置有一個電感線圈，該電感線圈連接到一個源射頻電源；
   一個基座，設置於該處理腔內底部，該基座上方用於支撐一待處理晶圓；
   一第一偏壓射頻電源，通過一第一匹配電路連接到一個切換裝置；以及
   一第二偏壓射頻電源，通過一第二匹配電路連接到該切換裝置；
   其中該切換裝置選擇性地將該第一偏壓射頻電源及該第二偏壓射頻電源中的一個偏壓射頻電源連通到該基座中；並且該第一偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率。
2. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一偏壓射頻電源輸出的頻率和該第二偏壓射頻電源輸出的頻率相差20倍。
3. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一匹配電路包括由一電感和一電容組成的一第一濾波電路，其具有連接至該第一偏壓射頻電源的一第一輸入埠和耦合至該基座的一第一輸出埠，以及連接到該第一輸入埠的一第一可變電容；該第二匹配電路包括由一電感和一電容組成的一第二濾波電路，其具有連接至該第二偏壓射頻電源的一第二輸入埠和耦合至該基座的一第二輸出埠，以及一第二可變電容，其連接到該第二輸出埠或經過該第二濾波電路中的至少一個電感或電容連接到該第二輸入埠。
4. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於等於2MHz小於等於60MHz，該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於等於100KHz小於等於1MHz，該源射頻電源的輸出訊號頻率大於等於13.56MHz。
5. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率大於100KHz小於400KHz。
6. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為100KHz。
7. 根據請求項1所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為400KHz。
8. 根據請求項3所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一濾波電路和該第二濾波電路均包括串聯連接的一電感和一電容。
9. 根據請求項3所述的電感耦合等離子體處理器，其中該切換裝置包括一選擇開關，該選擇開關具有一基極、一第一觸點和一第二觸點，該基極連接至該基座，該第一觸點連接至該第一輸出埠，該第二觸點連接至該第二輸出埠。
10. 根據請求項3所述的電感耦合等離子體處理器，進一步包括連接在該第二輸入埠和一電接地端之間的一固定電容器。
11. 一種電感耦合等離子體處理器，其包括：
    一真空室；
    一源射頻電源；
    一第一偏壓射頻電源；
    一第二偏壓射頻電源；
    一電感線圈，耦合至該源射頻電源；以及
    一基座，用於支撐一晶圓，該基座位於該真空室內並經由一可切換匹配網路可切換地耦合至該第一偏壓射頻電源和該第二偏壓射頻電源；該可切換匹配網路包括：
    一第一匹配電路，包括由一電感和一電容組成的一第一濾波電路，其具有連接至該第一偏壓射頻電源的一第一輸入埠和耦合至該基座的一第一輸出埠，還包括一第一可變電容和一個第一切換開關；以及
    一第二匹配電路，包括由一電感和一電容組成的一第二濾波電路，其具有連接至該第二偏壓射頻電源的一第二輸入埠和一第二輸出埠，還包括一第二可變電容和一第二切換開關；
    其中該第一切換開關及該第二切換開關將該第一匹配電路或該第二匹配電路之一選擇性地連接至該基座；以及該第一可變電容連接到該第一匹配電路的該第一輸入埠，該第二可變電容連接到該第二輸出埠或者該第二濾波電路中的該電感和該電容連接的中間端。
12. 根據請求項11所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一偏壓射頻電源輸出的頻率大於該第二偏壓射頻電源輸出頻率的20倍。
13. 根據請求項11所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一偏壓射頻電源輸出大於等於2MHz小於等於13.56MHz的訊號，該第二偏壓射頻電源輸出100KHz至400KHz的訊號。
14. 根據請求項11所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為100KHz。
15. 根據請求項11所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第二偏壓射頻電源的輸出訊號頻率為400KHz。
16. 根據請求項11所述的電感耦合等離子體處理器，其中該第一匹配電路和該第二匹配電路中的至少一個濾波電路包括串聯連接的一電感和一電容以及並聯連接的一電感或一電容。