CN103730316B - 一种等离子处理方法及等离子处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源中至少一个脉冲射频电源输出具有多个状态，所述处理方法包括：匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，在匹配频率获取步骤中切换脉冲射频电源的输出状态使反应腔具有脉冲处理步骤中会出现的多个阻抗。调节可变频射频电源的输出频率使之与出现的阻抗匹配，存储该调节后的多个输出频率为多个匹配频率，在后续的脉冲处理步骤中以存储的多个匹配频率来之间匹配快速切换的阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子处理方法及等离子处理装置，更具体地，涉及一种用于给等离子处理装置供应射频功率的射频电源及射频电源的控制方法。
背景技术
现有半导体加工中广泛采用等离子加工设备对半导体晶圆（wafer）进行加工，获得微观尺寸的半导体器件及导体连接。等离子设备常见的有电容耦合型（CCP）和电感耦合型（ICP）的反应腔，这些设备一般具有两个射频电源，其中一个用来电离通入反应腔内的反应气体使之产生等离子体，另一个射频电源用来控制入射到晶圆表面的离子能量。
如图1所示的等离子处理装置包括反应腔100，反应腔内包括一个基座22，基座内包括一个下电极。下电极上方包括一个待处理基片固定装置如静电夹盘21，晶圆20固定在静电夹盘21上表面。围绕静电夹盘和晶圆的还包括一个边缘环10。反应腔100内与基座相对的上方还包括一个气体喷淋头11，气体喷淋头连接到气源110，用于向反应腔内均匀的供气。气体喷淋头内还作为上电极与基座内的下电极相对形成电容耦合。一个第一射频电源31通过匹配器1电连接到下电极，一个第二射频电源32通过匹配器2电连接到下电极，第一和第二射频电源都具有固定的射频频率。由于等离子体的阻抗是会随着等离子体内气压、射频功率和等离子体浓度等参数的变化而变化的，所以需要持续的调节输入功率的参数和阻抗以最小化反射功率。在等离子处理过程中第一和第二射频电源31,32均向下电极供电，匹配器1,2分别通过内部的可动部件调节阻抗参数以最小化射频反射功率。同样也可以调节射频功率源31或31的频率以更快的调节输入阻抗。但是无论上述调节匹配器1,2中的阻抗还是射频功率源31,32内的频率都需要机械部件（如机械驱动的可变电容或可变电感）移动来实现。此外最小化反射功率时上述机械部件在任意方向移动然后根据反馈的反射功率值来控制机械部件进一步移动到合适的位置，所以这个扫匹配器描阻抗或射频电源频率的过程耗时很长，达到秒级，如大于1秒。
现在很多等离子加工流程需要用到脉冲式等离子加工技术，在部分加工时段的射频电源不是持续供电的而是开通-关闭的交替进行或者高功率-低功率射频交替进行，其输出功率的波形呈脉冲式故称脉冲式等离子加工。交替的频率一般是在10K-100KHZ左右，而且开通-关闭的占空比也是可以调整的可以是在10%-90%范围内根据需要设定。这样每次开通、关闭或者高功率、低功率切换都会造成反应腔内阻抗迅速变化，而且每次变化的时间都是毫秒甚至微秒级的，上述情况采用匹配电路或者射频电源中的自动频率调谐（Autofrequencytuning）由于反应时间远不能达到毫秒级，所以均不能达到在脉冲式等离子加工的需求。
因此基于上述原因，业界需要一种能够用现有硬件或者只对现有硬件条件作简单调整就能实现在脉冲式等离子加工时实现快速的阻抗匹配。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提供适用于脉冲式等离子加工的一种等离子处理装置的等离子处理方法。本发明通过提供一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源中至少一个脉冲射频电源输出功率具有多个功率状态，所述处理方法包括：
匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，所述匹配频率获取步骤包括：所述多个射频电源分别同时输出射频电场到反应腔，调节其中的脉冲射频电源的输出为第一功率输出状态，使反应腔内具有第一阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第一匹配频率匹配所述第一阻抗；调节所述脉冲射频电源的输出为第二功率输出状态，使反应腔内具有第二阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第二匹配频率匹配所述第二阻抗；
所述脉冲处理步骤包括：所述多个射频电源输出射频电场到反应腔，设定所述脉冲射频电源输出具有第一功率输出状态，同时设定所述可变频电源输出具有第一匹配频率；设定所述脉冲射频电源输出具有第二功率输出状态，同时设定所述可变频电源输出具有第二匹配频率。
其中所述脉冲处理步骤中脉冲射频电源的输出功率状态切换时间小于0.5秒。所述调节至少一个可变频射频电源中的变频元件并获得第一或第二匹配频率的时间通常大于0.5秒，甚至大于1秒其中可变频射频电源中的变频原件可以是机械驱动的可变电感或可变电容。
所述脉冲射频电源施加的第一功率输出状态时的输出功率小于所述第二功率输出状态输出功率的1/2，甚至第一功率输出状态时所述脉冲射频功率输出为零。
所述脉冲射频电源可以是两个以上的，第一和第二脉冲射频电源输出叠加产生第三功率输出状态使反应腔具有第三阻抗，调节所述可变频电源中的变频原件获得第三匹配频率。其中第一或第二脉冲射频电源输出的功率在低功率输出时如果大于零，所述第一或第二脉冲射频电源可以同时是所述可变频脉冲射频电源。
采用本发明方法控制的脉冲式等离子处理装置能够在不对硬件做很多改造情况下实现对高速交替的反应腔阻抗实现匹配，在进入脉冲式处理前以几秒的时间调谐可变频的射频电源，获取在脉冲式处理阶段会出现的阻抗相匹配的匹配频率，然后在脉冲处理阶段之间直接以所述匹配频率实现对脉冲式交替变化等离子反应腔内阻抗的匹配。
其中脉冲射频电源也可以是输出频率的交替变换，使输出频率在第一输出频率和第二输出频率之间切换，该切换时间小于0.5秒。其中第一输出频率大于第二输出频率1.5倍。在脉冲射频电源输出状态进行切换时，进行变频动作的另一个可变频射频电源输出功率不变，但是反射功率和输出频率随着脉冲射频电源的输出状态同步变化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出根据现有技术的所述等离子处理设备的结构示意图；
图2示出根据本发明的第一实施例的第一第二射频电源输出功率示意图；
图3示出根据本发明的第二实施例的第一第二射频电源输出功率示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图2所示为本发明的第一个实施例，其中的第一射频电源RF1与第二射频功率代表图1中第一射频电源31和第二射频电源32的输出功率。在等离子加工过程中首先要点燃等离子体，然后可能经过一些过渡步骤进入主要的等离子加工步骤：连续处理阶段。由于等离子点燃等步骤是传统的现有技术，与本发明方法没有直接影响所以图2中仅以虚线表示。所以在连续处理阶段中第一射频电源（RF1）和第二射频电源RF2都是在高功率状态，直到反应腔内的光学探测器发现所述等离子加工进行到一定进度，比如等离子刻蚀时发现某个材料层被刻蚀到70%以上了，需要进入低速刻蚀阶段了。这时候为了等离子加工工艺的需要就进入脉冲处理阶段，RF2输出的射频功率会以一定的脉冲频率（如10K-100K）的进行高功率输出和低功率输出的切换，其中低功率输出可以是零，也就是RF2是在进行高功率输出和关闭功率输出的切换，上述两种脉冲式的射频功率输出都会造成反应腔100内的等离子状态变化，进而造成阻抗变化。所述低功率输出只要低于高功率输出一定程度，如低于高功率输出步骤中的输出功率1/2，则反应腔内的等离子就会发生显著变化，就需要快速的调整阻抗匹配。本发明的特点在于，在传统的连续处理阶段内RF2包括一个低功率时间段，所述低功率时间段内的RF2输出功率与在后续脉冲处理阶段中的低输出功率相同，且该低功率时间段的时间长度t1足够长，如t1大于1秒。这样采用传统的自动频率调谐（AFT）就能够实现调节射频电源RF1的输出频率来实现阻抗匹配，获得一个对应低功率步骤的匹配频率：RF1-MFL（RF1matchfrequencyatlowpowerlevel），并存储入第一射频源31内的存储单元，或者其它能够控制射频源31输出的控制器内。同样在连续处理阶段中也也存在RF1，RF2都处在高功率阶段，此时也可以用第一射频电源31内的自动频率调谐来获得适应后续脉冲匹配阶段中高功率步骤的匹配频率：RF1-MFH（RF1matchfrequencyathighpowerlevel）。在连续处理阶段中分别获得低功率步骤的匹配频率RF1-MFL和高功率步骤的匹配频率RF1-MFH后就可以在脉冲处理阶段中对应的高功率步骤中直接将RF1的输出频率设为已经存储的RF1-MFH，而不需要再通过前述自动频率调谐（AFT）再调整一次了；在脉冲处理阶段对应的低功率步骤中直接将RF2的输出频率设为已经存储在存储单元的RF1-MFL。这样在的脉冲处理阶段的高频切换也能够实现很好的匹配。在脉冲处理中包括许多个周期性脉冲，每个脉冲包括图2中所示的t2时间的低射频功率步骤，以及高射频功率步骤，其中高功率步骤的时间与单个脉冲周期的时间构成的占空比也可以根据需要调整。
图2中所述的RF2可以是调节入射等离子能量的低频射频功率，如2Mhz，RF2为控制等离子浓度的源射频功率，其频率可以是60MHZ左右。如上述第一个实施例所示经过连续处理阶段中第一射频电源内两次自动频率调谐（AFT），分别获得了RF1，RF2同时供电时获得的高功率步骤的匹配频率为57.8Mhz，在只施加有RF1时获得低功率步骤的匹配频率为58.2Mhz，在随后的脉冲处理阶段中关闭射频电源汇中的自动调节功能，使射频电源31输出的频率在57.8Mhz和58.2Mhz的频率之间切换以对应射频电源32输出功率在高功率输出和低功率输出之间脉冲式切换。
本发明除了如实施例1中所述对低频射频电源RF2的输出功率进行脉冲切换，也可以是对高频射频电源RF1的输出功率进行脉冲切换，此时就会获得2Mhz射频电源与脉冲式的60Mhz电源对应的两个匹配频率比如1.92Mhz和1.95Mhz，具体参数与反应腔硬件参数和通入气体和射频能量的参数有关。
图3所示为本发明的第二个实施例，其中的RF1和RF2在脉冲处理阶段是同时做脉冲式高低功率切换的。其中RF2的低功率步骤的时间t2大于RF1的低功率步骤时间t3，所以相比实施例一的状态还多了一个等离子状态：RF1和RF2同时在低功率的状态。为了匹配脉冲处理阶段中这种状态的阻抗，在连续处理阶段设置了一个阻抗匹配频率调谐步骤，同时将RF1和RF2的功率设为低功率（如小于400w）通过自动频率调谐获得这种状态下对应的匹配频率比如58.0Mhz。获取的匹配频率也被存入存储单元，直到进入脉冲处理阶段中，RF1和RF2同时低功率输出时设定第一射频功率源输出频率为58.0Mhz，其后就相继切换到58.2Mhz和57.8Mhz，直到完成整个脉冲处理阶段的处理。
本发明中所述的脉冲射频电源在匹配频率获取阶段的低功率输出大于零时，可以调节其它具有可变频功能的射频电源输出频率来获得匹配频率，也可以调节脉冲射频电源本身的输出频率获得匹配频率。当脉冲射频电源在匹配频率获取阶段的低功率输出为零，也就是脉冲射频电源的输出关闭时，匹配频率只能通过调节其它具有可变频功能的射频电源输出频率来获得。所以图3所示的第二实施例中在t1时间段内，如果RF1和RF2的输出功率较小但是大于零的状况下，除了可以调节RF1的射频频率输出获得匹配频率，或者同时调节RF1和RF2的输出频率获得最佳的匹配频率。
本发明除了用两个射频电源来控制等离子处理以外也可以施加第三个射频电源RF3或者更多的射频电源来进一步调节等离子处理，额外的射频电源可以是连续的也可以是脉冲式的，这些射频电源也能够影响射频匹配时的最佳匹配频率，所以也需要在前面的连续处理阶段设定相应的时间段来获取对应的匹配频率。
其它任何会造成脉冲处理阶段匹配阻抗变化的参数都可以预先在连续处理阶段中用一小段时间t1内的状态模拟来获取与脉冲切换时相同的阻抗，然后利用自动频率调谐功能活动与该阻抗向匹配的匹配射频频率，在进入脉冲处理阶段后关闭自动调谐功能，用前面获得的匹配射频频率来最快速实现频率匹配。
本发明在一个等离子处理工艺中的完成连续处理阶段和脉冲处理阶段的刻蚀后，在下一次相同的等离子处理工艺中由于所有加工参数如射频频率、能量、反应腔结构、气体种类的均无明显变化，所以在后续相同的等离子处理工艺中可以沿用前面的步骤中获得的匹配射频频率如57.8Mhz、58.2Mhz、58.0Mhz等。这样整体的加工处理效率能够进一步得到提高。为了更精确的获取匹配频率，也可以在进行多次类似等离子加工后再次模拟脉冲等离子处理阶段的阻抗，重新自动调谐获得精确的匹配频率。
本发明的射频电源31和32具有类似的结构，所述射频电源31包括频率发生器310产生可变的频率，频率发生器内包括一个可变电容，通过改变可变电容的参数可以改变输出频率的数值，也可以通过调节该电容参数来实现所述的自动频率调节（AFT）获得最优的匹配频率。310输出的射频信号经过功率放大器的放大输出所需要的功率到后端的匹配器1中，最后到达等离子反应腔内的下电极。射频电源31内还包括一个存储单元可以用来存储经过自动频率调谐后获得的多个匹配频率。一个控制器通过控制所述功率放大器的放大倍数来获得射频电源的输出功率。在脉冲处理阶段时，周期性的控制功率放大倍数在两个数值间交替切换。所述控制器也通过对可变电容的调节获得匹配频率。
本发明所述射频电源31,32中的脉冲变化的射频电源可以是前述的输出功率高低切换，也可以是输出频率的高低切换。比如射频电源31是脉冲射频电源，其输出频率在第一频率和第二频率之间切换，相应的第二射频电源32输出功率不变，利用本发明方法在匹配频率获取步骤中调节第二射频电源32的输出频率来获得相应至少两个阻抗状态的匹配频率，并在随后的脉冲处理阶段中直接利用获得的匹配频率实现快速匹配。其中输出功率不变的第二射频电源32也可以选用与脉冲射频电源31相同结构的电源，射频电源31或32具有至少两种输出状态，每种输出状态具有各自可调的至少3组参数：前向输出功率（Pf），反射功率（Pr），频率（Freq），在脉冲射频电源31在两个输出状态切换时，射频电源32的输出功率不变；反射功率（Pr）会发生变化；输出频率（Freq）也要通过AFT功能调节改变。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (20)
1.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括一个具有第一射频频率输出的第一射频电源和一个具有第二射频频率输出的第二射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述处理方法包括：
匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，
所述匹配频率获取步骤包括：
第一射频电源施加第一功率的射频电场到反应腔，同时第二射频电源施加第三功率的射频电场，调谐所述第一射频电源的输出频率，获得使第一射频电源具有最小反射功率的第一匹配频率；
第一射频电源施加第一功率的射频电场到反应腔，同时第二射频电源施加第四功率的射频电场，调谐所述第一射频电源的输出频率，获得使第一射频电源具有最小反射功率的第二匹配频率；
所述脉冲处理步骤中第一射频电源施加第一功率的射频电场到反应腔，第二射频电源施加到反应腔内的射频电场的功率在第三功率和第四功率之间切换，第一射频电源的输出频率同步的在第一匹配频率和第二匹配频率之间切换，其中第三功率大于第四功率。
2.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述第一射频电源输出高频射频电场到等离子反应腔以产生等离子体，第二射频电源输出低频射频电场到反应腔内基座中，所述高频射频大于10Mhz，所述低频射频小于10Mhz。
3.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述匹配频率获取步骤中调谐第一射频电源输出频率获得第一或第二匹配频率的时间大于1秒，且所述脉冲处理步骤中切换时间小于0.5秒。
4.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述等离子处理装置还包括第一匹配电路连接在所述第一射频电源和基座之间，第二匹配电路连接在所述第二射频电源和基座之间。
5.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述等离子处理装置还包括一个控制器，控制第一射频电源输出频率的调谐，并获得第一和第二匹配频率，将获得的第一和第二匹配频率存储在所述控制器内，所述控制器判断所述脉冲处理步骤中第一和第二射频电源的输出功率状态选择第一射频电源的输出频率为第一和第二匹配频率。
6.根据权利要求1所述等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述等离子处理方法包括连续处理步骤和脉冲处理步骤，所述匹配频率获取步骤集成在连续处理步骤中。
7.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述匹配频率获取步骤还包括：第一射频电源施加第二功率的射频电场到反应腔，同时第二射频电源施加第四功率的射频电场，调谐所述第一射频电源的输出频率，获得使第一射频电源具有最小反射功率的第三匹配频率，其中第二功率小于所述第一功率。
8.根据权利要求1所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述第二射频电源施加的第四功率射频电场小于所述第三功率射频电场强度的1/2。
9.根据权利要求8所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述同时第二射频电源施加的第四功率射频电场为零。
10.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括一个具有第一射频频率输出的第一射频电源和一个具有第二射频频率输出的第二射频电源施加射频电场到所述反应腔内，第二射频电源输出具有第三功率输出和第四功率输出两种输出功率，其中所述第四功率输出小于所述第三功率输出且第四功率输出大于零，所述处理方法包括：
匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，
所述匹配频率获取步骤包括：
第一射频电源和第二射频电源施加射频电场到反应腔，第二射频电源施加具有第四功率输出的射频电场到反应腔，调谐所述第二射频电源的输出频率，获得使第二射频电源具有最小反射功率的第一匹配频率；
第二射频电源施加具有第三功率输出的射频电场到反应腔，调谐所述第二射频电源的输出频率，获得使第二射频电源具有最小反射功率的第二匹配频率；
所述脉冲处理步骤中，第二射频电源施加到反应腔内的射频电场的功率在第四功率和第三功率之间切换，第二射频电源的输出频率也与第二射频电源的输出功率同步的在第一匹配频率和第二匹配频率之间切换。
11.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源中至少一个脉冲射频电源输出功率具有多个功率状态，所述处理方法包括：
匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，
所述匹配频率获取步骤包括：
所述多个射频电源分别同时输出射频电场到反应腔，调节其中的脉冲射频电源的输出为第一功率输出状态，使反应腔内具有第一阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第一匹配频率匹配所述第一阻抗；
调节所述脉冲射频电源的输出为第二功率输出状态，使反应腔内具有第二阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第二匹配频率匹配所述第二阻抗；
所述脉冲处理步骤包括：
所述多个射频电源输出射频电场到反应腔，设定所述脉冲射频电源输出具有第一功率输出状态，同时设定所述可变频射频电源输出具有第一匹配频率；
设定所述脉冲射频电源输出具有第二功率输出状态，同时设定所述可变频射频电源输出具有第二匹配频率。
12.根据权利要求11所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述脉冲处理步骤中脉冲射频电源的输出功率状态切换时间小于0.5秒。
13.根据权利要求11所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述脉冲射频电源施加的第一功率输出状态的功率输出小于所述第二功率输出状态功率输出的1/2。
14.根据权利要求13所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述第一功率输出状态时所述脉冲射频电场输出为零。
15.根据权利要求13所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述第一功率输出状态时所述脉冲射频电场输出大于零，所述脉冲射频电源与所述可变频射频电源为同一个射频电源。
16.一种等离子处理装置的等离子处理方法，所述等离子处理装置包括一个反应腔，反应腔内包括一个基座，基座上固定待处理基片，还包括具有不同射频频率输出的多个射频电源施加射频电场到所述反应腔内，所述多个射频电源中至少一个脉冲射频电源输出功率具有多个输出状态，所述处理方法包括：
匹配频率获取步骤和脉冲处理步骤，
所述匹配频率获取步骤包括：
所述多个射频电源分别同时输出射频电场到反应腔，调节其中的脉冲射频电源的输出为第一输出状态，使反应腔内具有第一阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第一匹配频率匹配所述第一阻抗；
调节所述脉冲射频电源的输出为第二输出状态，使反应腔内具有第二阻抗，调节至少一个可变频射频电源中的变频元件，并获得第二匹配频率匹配所述第二阻抗；
所述脉冲处理步骤包括：
所述多个射频电源输出射频电场到反应腔，设定所述脉冲射频电源输出具有第一输出状态，同时设定所述可变频射频电源输出具有第一匹配频率；
设定所述脉冲射频电源输出具有第二功率输出状态，同时设定所述可变频射频电源输出具有第二匹配频率。
17.根据权利要求16所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述脉冲处理步骤中脉冲射频电源的输出状态切换时间小于0.5秒。
18.根据权利要求17所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述脉冲射频电源的第一输出状态具有第一射频频率，第二输出状态具有第二射频频率，其中第一射频频率大于第二射频频率1.5倍。
19.根据权利要求16所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述可变频射频电源具有第一输出状态和第二输出状态，第一输出状态和第二输出状态具有不同的反射功率。
20.根据权利要求19所述的等离子处理装置的等离子处理方法，其特征在于所述可变频射频电源在第一输出状态和第二输出状态具有相同的输出功率。
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