CN103903944B - 在多频等离子体处理腔室中实现阻抗匹配的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在多频等离子体处理腔室中实现阻抗匹配的方法和装置，其中，所述等离子体处理腔室包括一下电极，下电极上分别连接有第一射频功率源和第二射频功率源，所述第一射频功率源为脉冲调制输出，所述方法包括：获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值；根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样；根据所述反射功率的采样来对腔室内的阻抗进行匹配。
Description
技术领域
涉及半导体工艺制造领域，尤其涉及多频等离子体处理腔室内的阻抗匹配。
背景技术
在半导体设备的制造过程中，例如蚀刻、沉积、氧化、溅射等处理过程中，通常会利用等离子体对基板(半导体晶片、玻璃基板等)进行处理。一般地，对于等离子体处理模块来说，作为生成等离子体的方式，大体上可分为利用电晕(glow)放电或者高频放电，和利用微波等方式。
在高频放电方式的等离子体处理模块中，等离子体处理模块的处理腔室通常配置上部电极和下部电极，优选地这两个电极平行设置。而且，通常在下部电极之上载置被处理基板，经由整合器将等离子体生成用的高频功率施加于上部电极或者下部电极。通过由该高频功率所生成的高频电场来使电子加速，因电子与处理气体的冲击电离而发生射频等离子体。
在现有工艺中，通常等离子体处理腔室下电极只连接一个射频源功率源时，腔室内部的阻抗是不变的，因此阻抗匹配较为方便。但是，现在的等离子体处理腔室往往在下电极处耦合了两个射频功率源，其中一个是射频源功率源，用于增加等离子对处理腔室表面的轰击能量，另一个是偏置功率源(并且是脉冲调制输出)，用于产生等离子体。此时腔室内部的阻抗是变化的，并且该变化与该偏置功率源的脉冲调制输出相关，因此现有技术的阻抗匹配的方法是不可行的。也就是说，在其中一射频功率源处于脉冲状态时，对另一连续输出或与脉冲调制输出的射频功率源同步脉冲调制输出的另一射频功率源通常通过自带的算法进行匹配，匹配是否完成是根据反射功率是否最小判断的。在脉冲过程中，因为存在2个状态，而传统的匹配无法判断脉冲输出的射频功率源的脉冲状态，所以读到的反射功率只是在脉冲状态开和关两者情况下的一个平均值，具体地，如图1所示，由于反射功率受到脉冲调制输出的射频功率源的影响，反射功率读取不准，自然就无法做到射频功率源的阻抗匹配。
发明内容
针对现有技术中的技术缺陷，本发明提供一种在多频等离子体处理腔室中实现自动阻抗匹配的方法，其中，所述等离子体处理腔室包括一下电极，下电极上分别连接有第一射频功率源和第二射频功率源，所述第一射频功率源为脉冲调制输出，其中，所述方法包括如下步骤：获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值；根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样；根据所述反射功率的采样来对腔室内的阻抗进行匹配。
优选地，所述第一即时功率值和第二即时功率值分别为所述第一射频功率源的功率输出波形的上升沿和下降沿。
优选地，所述根据所述反射功率的采样来对所述等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配包括：对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第一采样；对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第二即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第二采样；根据所述反射功率的第一采样和第二采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。
优选地，所述第二射频功率源的输出方式包括以下输出方式中的一种：连续输出；或者与所述第一射频功率源同步的脉冲调制输出。
优选地，所述第一射频功率源包括一个或多个用于产生射频偏置功率的射频功率源，其频率范围为360至440KHz、1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz中的一种或多种；所述第二射频功率源用于产生射频源功率，其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。
优选地，所述第一射频功率源的功率范围为100瓦至10000瓦，所述第二射频功率源的功率范围为100瓦至3000瓦。
根据本发明的又一方面还提供一种用于多频等离子体处理腔室的阻抗匹配装置，其中，所述等离子体处理腔室包括一下电极，下电极上分别连接有第一射频功率源和第二射频功率源，所述第一射频功率源通过集成或者外接一脉冲信号源进行调制输出，所述第一射频功率源以及所述第二射频功率源分别通过匹配电路连接至所述下电极，所述阻抗匹配装置包括：获取模块，用于获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值；采样模块，用于根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样；阻抗匹配模块，用于根据所述反射功率的采样来对腔室内的阻抗进行匹配。
优选地，所述第一即时功率值和第二即时功率值分别为所述第一射频功率源的功率输出波形的上升沿和下降沿。
优选地，所述阻抗匹配模块包括：第一平均模块，用于对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第一采样；第二平均模块，用于对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第二即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第二采样；第一阻抗匹配模块，用于根据所述反射功率的第一采样和第二采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。
优选地，所述第二射频功率源的输出方式包括以下输出方式中的一种：连续输出；或者与所述第一射频功率源同步的脉冲调制输出。
优选地，所述阻抗匹配装置包括于所述第二射频功率源中。
优选地，所述阻抗匹配装置包括于与所述第二射频功率源连接的匹配电路中。
优选地，所述第一射频功率源包括一个或多个用于产生射频偏置功率的射频功率源，其频率范围为360至440KHz、1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz中的一种或多种；所述第二射频功率源用于产生射频源功率，其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。
优选地，所述第一射频功率源的范围为100瓦至10000瓦，所述第二射频功率源的范围为100瓦至3000瓦。
本发明通过根据经一脉冲信号源调制输出的射频偏置功率在脉冲信号为开和关时不同的即时功率值控制对反射功率在射频偏置功率达到每个上述即时功率值时进行采样，并根据采样的反射功率对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配，实现反射功率的准确读取，进一步增加在多频等离子体处理腔中射频源自动阻抗匹配的速度和准确度。
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示出现有技术的，射频偏置功率、射频源功率以及相应反射功率的示意图；
图2示出根据本发明的在一多频等离子体处理腔室中实现自动阻抗匹配的方法的流程图；
图3示出根据本发明的根据第一射频功率的功率输出以及反射功率的波形的示意图；以及
图4示出根据本发明的多频等离子体处理腔室的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种在多频等离子体处理腔中实现自动阻抗匹配的方法。由于等离子体处理腔室往往在下电极处耦合了两个射频功率源，腔室内部的阻抗是变化的，并且该变化与该偏置功率源的脉冲调制输出相关，因此本发明所提供的方法通过对偏置功率源脉冲输出时不同状态下即时功率的获取，根据其不同状态对反射功率的采样的控制并根据采样的反射功率对腔室内的阻抗进行匹配，来实现在腔室内阻抗变化状态下阻抗匹配的实现。
参照图2，首先在步骤S101，获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值。在一个实施例中，获取所述第一射频功率源的功率输出的波形图中的上升沿以及下降沿的即时功率值(将在图3更详细示出)。在步骤S102，根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样。根据该上升沿和下降沿的即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个上升沿以及下降沿的即时功率值时进行采样。在步骤S103，根据所述反射功率的采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。具体地，对等离子体处理腔室的阻抗匹配现有技术中的方法。
本领域技术人员理解，第一射频功率源包括用于产生一个或多个射频偏置功率的射频功率源，用于控制离子能量及其能量分布，其频率范围为360至440KHz、1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz中的一种或多种。第二射频功率源用于产生射频源功率，用于控制等离子离子解离或等离子体密度，其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。其中，第一射频功率源通过脉冲调制输出不同的偏置功率与射频源功率配合以满足不同的需要。例如更高的轰击能量时，诸如前端蚀刻的应用，可利用1.8至2.3MHz的偏置功率，而对于需要较柔和的轰击的时，诸如后端蚀刻的应用，可利用12.8至14.3MHz的偏置功率。
更具体地，第二射频功率源优选地，为一连续输出的射频功率源。获取第一射频功率源波形图在上升沿和下降沿的即时功率值，则当第一射频功率源输出功率到达上升沿的即时功率值时，对反射功率进行采样，并根据采样的反射功率对腔室内的阻抗进行匹配。反射功率可以是第二射频功率源的反射功率。同样的，当第一射频功率源输出功率到达下降沿的即时功率值时，对反射功率进行采样。在一实施例中，在对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值(也就是第一射频功率源输出功率上升沿的即时功率值)所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第一采样。对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第二即时功率值(也就是第一射频功率源输出功率下降沿的即时功率值)所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第二采样。最后根据所述反射功率的第一采样和第二采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。在本实施例的又一变化例中，第二射频功率源为一个与所述第一射频功率源同步的脉冲调制输出的射频功率源。其实施方式与第二射频功率源为一连续输出的射频功率源的实施方式相类似，具体地，在此不予赘述。本领域技术人员可以结合现有技术实现更多的实施例，在此不予赘述。
图3示出根据本发明的根据第一射频功率的功率输出以及反射功率的波形的示意图。具体地，图3上为第一射频功率的功率输出的波形图，图3为反射功率采样的波形图。当第一射频功率源功率输出波形图上升沿时，也就是在第一射频功率源脉冲信号为开(on)时，获取第一即时功率。当第一射频功率源功率输出波形图下降沿时，也就是在第一射频功率源脉冲信号为开(off)时，获取第二即时功率。当第一射频功率源到达第一即时功率或者第二即时功率时触发对反射功率采样。具体地，根据上述步骤读取的第二射频功率源的反射功率波形图如图3所示，在此不予赘述。
图4示出根据本发明的第一实施例的，多频等离子体处理腔室的结构示意图。具体地，本图示出了一个能实现射频源功率自动阻抗匹配的多频等离子体处理腔室1，所述等离子体处理腔室1包括一下电极13。下电极13上分别连接有第一射频功率源2和第二射频功率源4。在本发明一实施例中，所述第一射频功率源2外接一脉冲信号源6进行调制并输出至第一匹配电路。在本发明另一实施例中，所述第一射频功率源2可以集成一脉冲信号源6进行调制并输出至第一匹配电路。所述第一射频功率源2和所述第二射频功率源4分别通过第一匹配电路3和第二匹配电路5连接至所述下电极13。在本发明一实施例中，所述第二匹配电路5还可以包括阻抗匹配装置，用于在多频等离子体处理腔室中实现自动阻抗匹配。所述阻抗匹配装置括获取模块，采样模块以及阻抗匹配模块。在本发明的另一个实施例中，所述阻抗匹配装置也可以包括在第二射频功率源4中。
具体地，获取模块，用于获取所述第一射频功率源2的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值。在一个实施例中，获取模块获取所述第一射频功率源2的功率输出的波形图中的上升沿以及下降沿的即时功率值。采样模块，用于根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样。在一实施例中，采样模块用于根据获取模块获取的该上升沿和下降沿的即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个上升沿以及下降沿的即时功率值时进行采样。阻抗匹配模块，用于根据所述反射功率的采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。具体地，对等离子体处理腔室的阻抗匹配现有技术中的方法。
在本实施例中，第一射频功率源2优选地包括两个射频功率源用于产生两个射频偏置功率，第一射频功率源2通过脉冲信号源6以及其相应的第一匹配电路3向处理腔室1提供可切换的射频偏置频率。所述射频偏置频率通常为1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz。第二射频功率源4用于产生射频源功率，用于控制等离子体密度，即等离子体离子解离。优选地，第二射频功率源4为一个连续输出的射频功率源，通常其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。本实施例中，第二射频功率源的输入功率范围为100瓦至3000瓦。在本实施例的一个变化例中，第二射频功率源4为一个与所述第一射频功率源2同步的脉冲调制输出的射频功率源，相适应地，与所述第一射频功率源2提供脉冲信号的脉冲信号源同时向第二射频功率源4提供脉冲信号，第二射频功率源4的脉冲频率与第一射频功率源2的脉冲频率相一致，其输入功率的范围为100瓦至3000瓦。在本实施例的又一变化例中，所述第一射频功率源2仅包括一个用于产生射频偏置功率的射频功率源，其实施方式与上述实施例相类似。
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 (14)
1.一种在多频等离子体处理腔室中实现阻抗匹配的方法，其中，所述等离子体处理腔室包括一下电极，下电极上分别连接有第一射频功率源和第二射频功率源，所述第一射频功率源为脉冲调制输出，其中，所述方法包括如下步骤：
获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值；
根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样；
根据所述反射功率的采样来对腔室内的阻抗进行匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一即时功率值和第二即时功率值分别为所述第一射频功率源的功率输出波形的上升沿和下降沿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述反射功率的采样来对所述等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配包括：
对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第一采样；
对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第二即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第二采样；
根据所述反射功率的第一采样和第二采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二射频功率源的输出方式包括以下输出方式中的一种：
连续输出；或者
与所述第一射频功率源同步的脉冲调制输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一射频功率源包括一个或多个用于产生射频偏置功率的射频功率源，其频率范围为360至440KHz、1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz中的一种或多种；所述第二射频功率源用于产生射频源功率，其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一射频功率源的功率范围为100瓦至10000瓦，所述第二射频功率源的功率范围为100瓦至3000瓦。
7.一种用于多频等离子体处理腔室的阻抗匹配装置，其中，所述等离子体处理腔室包括一下电极，下电极上分别连接有第一射频功率源和第二射频功率源，所述第一射频功率源通过集成或者外接一脉冲信号源进行调制输出，所述第一射频功率源以及所述第二射频功率源分别通过匹配电路连接至所述下电极，所述阻抗匹配装置包括：
获取模块，用于获取所述第一射频功率源的功率输出的第一即时功率值和第二即时功率值；
采样模块，用于根据所述第一即时功率值和第二即时功率值来控制反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值和第二即时功率值时进行采样；
阻抗匹配模块，用于根据所述反射功率的采样来对腔室内的阻抗进行匹配。
8.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一即时功率值和第二即时功率值分别为所述第一射频功率源的功率输出波形的上升沿和下降沿。
9.根据权利要求8所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配模块包括：
第一平均模块，用于对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第一即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第一采样；
第二平均模块，用于对反射功率在所述第一射频功率源达到每个所述第二即时功率值所得的各个采样取平均值以得到所述反射功率的第二采样；
第一阻抗匹配模块，用于根据所述反射功率的第一采样和第二采样来对等离子体处理腔室内的阻抗进行匹配。
10.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第二射频功率源的输出方式包括以下输出方式中的一种：
连续输出；或者
与所述第一射频功率源同步的脉冲调制输出。
11.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配装置包括于所述第二射频功率源中。
12.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配装置包括于与所述第二射频功率源连接的匹配电路中。
13.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一射频功率源包括一个或多个用于产生射频偏置功率的射频功率源，其频率范围为360至440KHz、1.8至2.3MHz及12.8至14.3MHz中的一种或多种；所述第二射频功率源用于产生射频源功率，其频率为27MHz、40MHz、60MHz、100MHz及120MHz中的一种。
14.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一射频功率源的范围为100瓦至10000瓦，所述第二射频功率源的范围为100瓦至3000瓦。
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