TW201330704A

TW201330704A - 基板處理裝置和阻抗匹配之方法

Info

Publication number: TW201330704A
Application number: TW101139904A
Authority: TW
Inventors: Harutyun Melikyan; Duk-Hyun Son; Won-Teak Park; Hyo-Seong Seong
Original assignee: Semes Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-07-16
Also published as: KR20130047532A; TWI563881B

Abstract

本發明提供一種基板處理裝置及一種阻抗匹配之方法。該基板處理裝置包括：一高頻電源，其用於產生高頻功率；一處理腔室，其用於藉由使用該高頻功率執行一電漿製程；一匹配電路，其用於補償該處理腔室之一變化阻抗；及一變壓器，其安置於該處理腔室與該匹配電路之間以便減小該處理腔室之該阻抗。

Description

基板處理裝置和阻抗匹配之方法

本文揭示之本發明係關於一種基板處理裝置和一種阻抗匹配之方法，且更特定而言，係關於一種用於在電漿製程期間的阻抗匹配之基板處理裝置和一種阻抗匹配之方法。

由於在用電漿來處理基板之電漿製程期間須使用高頻功率，所以阻抗匹配很關鍵。阻抗匹配係在功率之傳輸終端及接收終端同樣地控制阻抗以便有效地傳輸功率。電漿製程需要在提供高頻功率之電源與接收高頻功率之腔室之間的阻抗匹配以便產生且維持電漿。

由於電漿之阻抗係基於不同變量(諸如源氣體之類型、溫度及壓力)來判定，所以腔室之阻抗在製程期間不斷變化。因此，阻抗匹配經由具有電容器及電感器之匹配電路在電漿製程期間補償腔室之變化阻抗。

然而，由於藉由調整電容或電感電容量來補償阻抗時存在回應速度之限制，所以在阻抗匹配期間發生時間延遲。特別是當腔室之阻抗由於在初始製程期間產生了電漿而劇烈變化時，歸因於由對腔室之阻抗不夠快的回應所產生之反射波，在腔室中發生電弧及電漿密度偏差。

本發明提供一種執行快速阻抗匹配之基板處理裝置和一種基板處理之方法。

本發明亦提供一種對寬頻帶中之高頻功率執行阻抗匹配之基板處理裝置和一種基板處理之方法。

本發明之實施例提供基板處理裝置，其包括：一高頻電源，其用於產生高頻功率；一處理腔室，其用於藉由使用該高頻功率執行一電漿製程；一匹配電路，其用於補償該處理腔室之一變化阻抗；及一變壓器，其安置於該處理腔室與該匹配電路之間以便減小該處理腔室之該阻抗。

在一些實施例中，該變壓器可為Ruthroff變壓器。

在其他實施例中，Ruthroff變壓器可為1：4非平衡至非平衡變壓器(1：4 unbalanced-to-unbalanced transformer)。

在其他實施例中，該等裝置可進一步包括：一阻抗量測單元，其用於量測該處理腔室之一阻抗；一反射功率量測單元，其用於量測一反射功率；及一控制器，其用於基於該阻抗量測單元及該反射功率量測單元之量測值而控制該匹配電路。

在其他實施例中，該匹配電路可包括彼此平行安置之複數個電容器及分別連接至該複數個電容器之複數個開關；且該控制器基於該等量測值產生一控制訊號；且該匹配電路回應於該控制訊號而斷開/閉合複數個開關。

在其他實施例中，該匹配電路可為倒L型電路(inverse-L-type circuit)。

在另外實施例中，該處理腔室可包括：一外殼，其提供執行電漿製程之空間；及一電漿產生器，其藉由使用高頻功率將電漿提供至該外殼。

在另外實施例中，該電漿產生器可為包括在該外殼中彼此間隔開之複數個電極的一電容耦合式電漿(CCP)產生器。

在另外實施例中，高頻功率、匹配電路及變壓器可為複數個；高頻電源可產生不同頻率之高頻功率；不同頻率可施加至複數個電極；且匹配電路及變壓器可連接至高頻功率所施加至之每一電極。

在本發明之其他實施例中，在藉由使用高頻功率執行電漿製程之基板處理裝置中之阻抗匹配方法可包括：在電漿製程期間藉由一變壓器減小一處理腔室之變化阻抗，該變壓器安置於一匹配電路與一處理腔室之間；及藉由該匹配電路補償減小之阻抗以便執行阻抗匹配。

在一些實施例中，該變壓器可為1：4變壓器；且該匹配電路可補償該處理腔室之阻抗變化的1/4以便執行阻抗匹配。

下文將參看隨附圖式更詳細地描述本發明之較佳實施例。然而，本發明可以不同形式體現且不應被理解為限於本文所闡述之實施例。相反地，提供此等實施例以使得本發明將為透徹且完整的，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明之範疇。

下文將描述根據本發明之基板處理裝置100。

基板處理裝置100執行一製程。電漿製程可包括電漿沈積製程、電漿蝕刻製程、電漿灰化製程及電漿清洗製程。諸如在電漿製程期間，施加高頻功率至源氣體以便產生電漿。當然，基板處理裝置100可執行除以上實例外的各種電漿製程。

此外，本文之基板包括平板顯示器(FPD)以及用於在薄膜上製造具有電路圖案之產品的所有基板。

圖1為基板處理裝置100之圖。

參看圖1，基板處理裝置100包括處理腔室1000、高頻電源2000、阻抗匹配裝置3000及傳輸線110。處理腔室1000藉由使用高頻功率來執行電漿製程。高頻電源2000產生高頻功率，且傳輸線110連接高頻電源2000與處理腔室1000且將高頻功率傳輸至處理腔室1000。阻抗匹配裝置3000匹配高頻電源2000與處理腔室1000之間的阻抗。

下文將描述根據本發明之一實施例的基板處理裝置100。

圖2為示出根據本發明之一實施例的圖1之基板處理裝置100的圖。

處理腔室1000包括外殼1100及電漿產生器1200。

外殼1100提供執行電漿製程之空間。

電漿產生器1200將電漿提供至外殼1100。電漿產生器1200將高頻功率施加至源氣體以便產生電漿。

電容耦合式電漿產生器(CCPG)1200a可用作電漿產生器1200。

CCPG 1200a可包括外殼1100中之複數個電極。

舉例而言，CCPG 1200a可包括第一電極1210及第二電極1220。第一電極1210安置於外殼1100之內側頂部，且第二電極1220安置於外殼1100之內側底部。第一電極1210及第二電極1220平行於彼此而垂直安置。經由傳輸線110施加高頻功率至第一電極1210及第二電極1220中之一者，且另一者接地。一旦施加高頻功率，則於第一電極1210與第二電極1220之間形成電容電場。介於第一電極1210與第二電極1220之間的源氣體藉由自該電容電場接收電能而離子化，且變為電漿狀態。此外，此源氣體可自外部氣體供應源(未示出)流入外殼1100中。

高頻電源2000產生高頻功率。在此，高頻電源2000可以脈衝模式產生高頻功率。高頻電源2000可產生特定頻率之高頻功率。舉例而言，高頻電源2000可產生2 Mhz、13.56 Mhz或100 Mhz頻率之功率。當然，高頻電源2000可產生除以上頻率外的另一頻率之高頻功率。

傳輸線110將高頻功率自高頻電源2000傳輸至處理腔室1000。

因為經由傳輸線110以此方式傳輸高頻功率，所以若傳輸線110中在功率之傳輸終端處的阻抗與接收終端處的阻抗不匹配，則發生反射波，進而導致反射功率。在高頻功率的情況下，延遲功率發生於非消耗性電路中，諸如電容器或在傳輸過程期間之電容器，因此歸因於相位差而發生反射波。一旦發生此類反射波，則功率傳輸效率下降。此外，自高頻電源2000至處理腔室1000之功率變得不規律，因此難以產生電漿或維持均一密度。另外，當反射波在處理腔室1000中累積時，發生電弧放電，此可能會直接損壞基板S。

阻抗匹配裝置3000可執行阻抗匹配。一旦阻抗得以匹配，則不會發生反射波，且有效地傳輸功率。

阻抗匹配裝置3000可包括匹配電路3100、變壓器3200、控制器3300、阻抗量測單元3400及反射功率量測單元3500。

匹配電路3100使處理腔室1000處之阻抗與高頻電源2000處之阻抗匹配。匹配電路3100包括諸如電容器或電感器之電路裝置。匹配電路3100之電路裝置中之所有或一些可為可變電路裝置。

圖3為示出圖2之匹配電路3100的電路圖。

根據本發明之一實施例，匹配電路3100可包括可變電容器3110及電感器3120。參看圖3，可變電容器3110可並聯連接於傳輸線110上且電感器3120可串聯連接於傳輸線110上。匹配電路3100調整可變電容器3110之電容以便達成阻抗匹配。

可變電容器3110可包括複數個電容器3111及複數個開關3112。複數個電容器3111可彼此並聯連接。複數個開關3112分別連接至複數個電容器3111，且可回應於控制器3300之控制(隨後將描述)而閉合或斷開。

開關3112可回應於來自控制器3300之控制訊號而調整電容器與高頻傳輸線110之短路。複數個電容器連接至開關3112，開關3112調整該等電容器之短路。舉例而言，控制器3300傳輸一控制開關3112之短路的控制訊號，且開關3112根據該控制訊號調整每一電容器之短路。

數位開關可用作開關3112。例如，開關3112可包括RF繼電器、PIN二極體及金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。此數位開關回應於開/關訊號而斷開/閉合相應電容器3110，因此該數位開關可以比機械驅動式開關更快之回應速度補償阻抗。因此，改良阻抗匹配之回應速度，減小延遲時間且移除反射波。

此可變電容器3110之電容可根據開關3112之狀態組合來判定。亦即，可變電容器3110之電容可根據在並聯連接之電容器3111當中具有閉合開關3112的電容器3111之電容的總和來判定。

在此，複數個電容器3111可具有相同電容。另外，複數個電容器3111之電容的比率可為1：2：3：...：n：。另外，複數個電容器3111之電容的比率可為1：21：22：...：2n：。

由於可變電容器3110之總電容為經連接電容器3111之總和，所以當電容器3111具有根據以上值之電容時，可變電容器3110之電容易於控制且可適用於廣泛範圍。

然而，儘管以上描述了包括一個可變電容器3110及電感器3120之匹配電路3100，但構成匹配電路3100之電路裝置的類型、數目及連接關係可不同於以上描述。

圖4為示出根據另一實施例之圖2的匹配電路3100之電路圖。圖5為示出根據另一實施例之圖2的匹配電路3100之電路圖。

參看圖4，可使用L型電路實施匹配電路3100，該L型電路包括並聯連接至傳輸線110之可變電容器3110a，以及串聯連接至傳輸線110之電容器3110b及電感器3120。另外，參看圖5，可使用π型實施匹配電路3100，該π型包括串聯連接至傳輸線110之電感器3120，以及並聯連接至傳輸線110之及可變電容器3110a及電容器3110b。當然，可使用倒L型電路、各種典型電路及必要時經適當修改之電路來實施匹配電路3100。

變壓器3200安裝於傳輸線110上以便變換輸入側及輸出側處的阻抗。

圖6為示出根據一實施例之圖2的變壓器3200之電路圖。圖7為示出根據一實施例之圖6的變壓器3200之平面圖。

參見圖6，Ruthroff變壓器可用作變壓器3200。Ruthroff 變壓器針對寬頻寬執行阻抗變換，且具有優異的傳輸效率。圖6及圖7示出1：4非平衡至非平衡Ruthroff變壓器。如圖7所示，該1：4 Ruthroff變壓器可藉由經由自舉原理於將絞線纏在環形鐵芯上而製造。此時，若第一線圈L1及第二線圈L2具有相同值，則輸出側處之阻抗與輸入側處之阻抗的變換比率為1：4。

若在Ruthroff變壓器中增加纏在鐵芯上之絞線的數目，則改變阻抗之變換比率。在三根絞線的情況下，1：2.25非平衡至非平衡變壓器運作。在四根絞線的情況下，提供1：1.78之變換比率。

此外，當Ruthroff變壓器串聯連接時，可提供較大變換比率。

圖8為當連接了複數個圖6之變壓器3200時的圖。

參看圖8，當兩個1：4非平衡至非平衡變壓器串聯連接時，最初輸出側相對於輸入側具有1：4變換比率，且最終輸出側與最初輸出側之變換比率再次變為1：4。因此，最終輸出側與輸入側之阻抗變換比率變為1：16。

在基板處理裝置100中，傳輸線110自高頻電源2000連接至處理腔室1000，且匹配電路3100及變壓器3200可連接於高頻電源2000與處理腔室1000之間。亦即，傳輸線110可依序連接高頻電源2000、匹配電路3100、變壓器3200及處理腔室1000。

因此，基於變壓器3200，高頻電源2000及匹配電路3100安置於變壓器3200之輸入側，且處理腔室1000安置於輸出側。因此，變壓器3200可減小處理腔室1000處之阻抗。

一般而言，高頻電源2000具有例如約50歐姆之固定阻抗，但處理腔室1000在電漿製程期間具有至少幾歐姆至至多300歐姆之阻抗。當處理腔室1000之阻抗經由變壓器3200輸送至輸入側時，在1：4非平衡至非平衡變壓器的情況下，減少了約70歐姆。因此，即使當處理腔室1000之阻抗在連接至輸入側之匹配電路3100中顯著變化了幾百歐姆時，藉由使阻抗的調整量與阻抗根據變換比率所減少的量相等，仍可匹配處理腔室1000與高頻電源2000之間的阻抗。

特別是當功率以脈衝模式供應至處理腔室1000且在電漿製程開始時藉由高速脈衝產生電漿時，阻抗劇烈變化。接著，匹配電路3100補償藉由變壓器3200減少之變化阻抗以便匹配阻抗。因此，可改良阻抗匹配速度。

圖9為示出由圖6之變壓器3200引起之電流變化的圖。圖10為示出由圖6之變壓器3200引起之電壓變化的圖。圖11為示出由圖6之變壓器3200引起之阻抗變化的圖。

參看圖9及圖10，在1：4非平衡至非平衡Ruthroff變壓器及頻率為2 Mhz之高頻功率的情況下，與處理腔室1000側相比，在高頻電源2000側，電流及電壓值增大了兩倍且阻抗減小至1/4。

然而，變壓器3200不限於以上實例，且Ruthrof變壓器可由執行其相同或相似功能之變壓器代替。

控制器3300基於阻抗量測單元3400及反射功率量測單元3500之量測值而產生一用於阻抗補償之控制訊號，且將該控制訊號傳輸至匹配電路3100以便控制該匹配電路。在此，阻抗量測單元3400量測處理腔室1000之阻抗，且將該量測值傳輸至控制器3300。另外，反射功率量測單元3500量測由反射波之引起之反射功率，且將該量測值傳輸至控制器3300。

舉例而言，控制訊號開啟/關閉匹配電路3100中之複數個開關3120。當開關3120回應於匹配電路3100中之控制訊號而閉合或斷開時，可調整該匹配電路之電容。

可藉由使用硬體、軟體或其組合用電腦或類似於電腦之裝置來實施此控制器3300。

就硬體而言，可用特殊應用積體電路(ASIC)、數位訊號處理器(DSP)、數位訊號處理裝置(DSPD)、可程式化邏輯裝置(PLD)、場可程式閘陣列(FPGA)、處理器、微控制器、微處理器或類似於上述裝置之執行控制功能之電氣裝置來實施控制器3300。

另外，就軟體而言，可用用至少一種程式語言編寫之軟體程式碼或軟體應用程式來實施控制器3300。此外，軟體係在自外部裝置(諸如軟體伺服器)傳輸至上述硬體組態中時得以安裝。

基於包括CCPG 1200a之處理腔室1000描述基板處理裝置100，其中單一頻率之高頻功率施加至該CCPG 1200a，但基板處理裝置100可不同於以上描述。

圖12至圖14為示出對圖1之基板處理裝置100之修改的圖。

參看圖12，代替CCPG 1200a，電感耦合式電漿產生器(ICPG)1200b可用於基板處理裝置100中之處理腔室1000中。ICPG 1200b係環繞源氣體流入處理腔室1000中之部分安裝以便形成感應電場。因此，流入處理腔室1000中之源氣體因感應電場而離子化且變為電漿狀態。

另外，基板處理裝置100中之處理腔室1000可藉由同時使用不同頻率之高頻功率而執行電漿製程。在電漿蝕刻製程的情況下，當使用複數個不同高頻功率執行電漿製程時，與使用單一頻率之高頻功率的情況相比，可獲得更優異之效果。

參看圖13，基板處理裝置100中之CCPG 1200a之兩個電極1210a及1210b可分別連接至兩個高頻電源2000a及2000b，高頻電源2000a及2000b產生不同頻率之高頻功率。因此，將不同高頻功率施加至第一電極1210a及第二電極1210b，因此藉由同時使用兩個不同頻率之高頻功率來執行電漿製程。

參看圖14，三個不同頻率可用於基板處理裝置100中。舉例而言，第一電極1210a安置於外殼1100之頂部，且第二電極1210b及第三電極1210c安置於下方並且與第一電極1210a間隔開。此時，用於產生不同的第一高頻功率、第二高頻功率及第三高頻功率之高頻電源2000a、2000b及2000c分別連接至電極1210a、1210b及1210c。因此，在處理腔室1000中藉由同時使用三個高頻功率來執行電漿製程。例如，第一高頻功率、第二高頻功率及第三高頻功率可分別為2 Mhz、13.6 Mhz及100 Mhz。此外，在相同情況下，可整體提供第二電極1210b及第三電極1210c。

當如以上一樣同時使用具有寬頻寬之頻率時，歸因於不同頻寬，難以預測阻抗之變化且匹配阻抗。然而，Ruthroff變壓器針對寬頻寬變換阻抗，且因此得到有效使用。

圖15為示出在圖14之基板處理裝置100中之阻抗匹配的圖。

參看圖15，當使用1：4非平衡至非平衡Ruthroff變壓器時，針對Mhz、13.6 Mhz及100 Mhz之三個頻寬而言，阻抗匹配於高頻電源2000側的50歐姆固定阻抗。

下文將描述一種使用根據本發明之基板處理裝置100之阻抗匹配方法。然而，可藉由使用與上述基板處理裝置100相同或相似之其他裝置執行該阻抗匹配方法。另外，此阻抗匹配方法可經由用於執行該方法之程式碼或程式的形式儲存於電腦可讀記錄媒體中。

就該阻抗匹配方法而言，源氣體首先自氣體供應源(未示出)流入處理腔室1000中。一旦源氣體流動，則高頻電源2000產生高頻功率，且經由傳輸線110將所產生之高頻功率傳輸至電漿產生器1200。電漿產生器1200藉由用該高頻功率使源氣體離子化而產生電漿。一旦產生電漿，則處理腔室1000藉由使用該電漿來處理基板。因此，當產生電漿且處理基板時，各種製程條件(諸如來自基板之雜質、電漿之密度、源氣體之類型，以及處理腔室1000之內部溫度及內部壓力)會改變電漿阻抗或處理腔室1000之阻抗。特別是阻抗可於以脈衝模式提供高頻功率之電漿製程開始時劇烈變化。

阻抗量測單元3400量測處理腔室1000之阻抗，且將量測值應用至控制器3300。另外，當阻抗變化時，可打破阻抗匹配，且歸因於此，可發生反射波。此時，反射功率量測單元3500量測高頻電源2000側的反射功率，且將量測值應用至控制器3300。

控制器3300自阻抗量測單元3400及反射功率量測單元3500獲得量測值以便產生控制訊號，且將所產生之控制訊號傳輸至匹配電路3100。

在匹配電路3100中，複數個開關3112回應於該控制訊號而斷開或閉合。將可變電容器3110之電容調整為連接至複數個開關3112中之閉合開關3112的電容器3111之電容的總和。因此，於高頻電源2000與處理腔室1000處完成阻抗匹配。然而，匹配電路3100之電路組態不限於可變電容器3110。即使在一些不同組態中，仍可以相似方式回應於控制訊號而補償阻抗。

控制器3300在此阻抗匹配過程期間傳輸數位訊號，用二極體或電晶體實施之數位開關3112回應於控制訊號而開啟/關閉，因此該數位開關與機械開關相比而言更快地補償阻抗。

在此，匹配電路3100可藉由補償經由變壓器3200減小之變化而對處理腔室1000中之實際變化阻抗執行阻抗匹配。變壓器3200安置於匹配電路3100與處理腔室1000之間，因此該變壓器可於匹配電路3100處減小處理腔室1000之阻抗。當使用1：4非平衡至非平衡Ruthroff變壓器時，處理腔室1000之阻抗減小至1/4。因此，匹配電路3100補償大小為處理腔室1000中之阻抗變化的1/4之阻抗，以便執行阻抗匹配。

特別是，由於處理腔室1000之阻抗在以電漿製程之初始脈衝模式供應功率時劇烈變化，匹配電路3100使用數位開關，所以可發生最小延遲時間。然而，由於減小處理腔室之阻抗變化且改良匹配電路3100之回應速度，所以可使反射波減至最少。

根據本發明，即使當處理腔室之阻抗劇烈變化時，匹配電路仍補償經由變壓器減小之阻抗變化。因此，快速匹配係可能的。

根據本發明，由於阻抗匹配係快速的，所以減少延遲時間且移除反射波，以阻止在處理腔室期間之電弧放電。因此，提高製程效率。

根據本發明，由於使用Ruthroff變壓器，所以對具有寬頻寬之各種頻率之高頻功率完成阻抗匹配。

以上揭示之標的物應被視為說明性而非約束性的，且隨附申請專利範圍意欲涵蓋屬於本發明之實際精神及範疇內之所有此類修改、增強及其他實施例。因此，在法律允許之最大程度內，本發明之範疇將由以下申請專利範圍及其等效物之最廣範圍之容許解釋決定，且不應受以上詳細描述約束或限制。

L1‧‧‧第一線圈

L2‧‧‧第二線圈

S‧‧‧基板

100‧‧‧基板處理裝置

110‧‧‧傳輸線

110a‧‧‧傳輸線

110b‧‧‧傳輸線

1000‧‧‧處理腔室

1100‧‧‧外殼

1200‧‧‧電漿產生器

1200a‧‧‧電容耦合式電漿產生器(CCPG)

1200b‧‧‧電感耦合式電漿產生器(ICPG)

1210‧‧‧第一電極

1210a‧‧‧CCPG 1200a之第一電極/第一電極

1210b‧‧‧CCPG‧‧‧1200a之第二電極/第二電極

1210c‧‧‧第三電極

1220‧‧‧第二電極

1220a‧‧‧第二電極

2000‧‧‧高頻電源

2000a‧‧‧高頻電源

2000b‧‧‧高頻電源

2000c‧‧‧高頻電源

3000‧‧‧阻抗匹配裝置

3000a‧‧‧阻抗匹配裝置

3000b‧‧‧阻抗匹配裝置

3000c‧‧‧阻抗匹配裝置

3100‧‧‧匹配電路

3100a‧‧‧匹配電路

3110‧‧‧可變電容器

3110a‧‧‧可變電容器

3110b‧‧‧電容器

3111‧‧‧電容器

3112‧‧‧開關

3120‧‧‧電感器/開關

3200‧‧‧變壓器

3200a‧‧‧變壓器

3200b‧‧‧變壓器

3300‧‧‧控制器

3400‧‧‧阻抗量測單元

3500‧‧‧反射功率量測單元

3500a‧‧‧反射功率量測單元

3500b‧‧‧反射功率量測單元

包括隨附圖式以提供對本發明之進一步理解，且隨附圖式併入本說明書中且構成本說明書之一部分。圖式說明本發明之示範性實施例，且與描述一起用來闡釋本發明之原理。在圖式中：圖1為基板處理裝置之圖；圖2為示出根據本發明之一實施例的圖1之基板處理裝置的圖；圖3為示出根據本發明之一實施例的圖2之匹配電路的電路圖；圖4為示出根據本發明之另一實施例的圖2之匹配電路的電路圖；圖5為示出根據本發明之另一實施例的圖2之匹配電路的電路圖；圖6為示出根據本發明之一實施例的圖2之變壓器的電路圖；圖7為示出根據本發明之一實施例的圖6之變壓器的平面圖；圖8為當連接了複數個圖6之變壓器時的圖；圖9為示出由圖6之變壓器引起之電流變化的圖；圖10為示出由圖6之變壓器引起之電壓變化的圖；圖11為示出由圖6之變壓器引起之阻抗變化的圖；圖12至圖14為示出對圖1之基板處理裝置之修改的圖；及圖15為示出在圖14之基板處理裝置中之阻抗匹配的圖。