TW201351469A - 電容耦合等離子反應器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種電容耦合等離子反應器，包括位於反應器底部的一個基座，基座內包括一個下電極，與下電極相對位於反應器頂部的一個上電極，一個高頻射頻電源連接到所述下電極並提供第一高頻射頻功率；所述高頻射頻電源連接到上電極並提供第二高頻射頻功率；一個低頻射頻電源連接到所述下電極並提供低頻射頻功率；其特徵在於：所述電容耦合等離子反應器還包括一個移相控制器，連接在高頻射頻電源和所述上電極或下電極之間，使所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差連續變化，對基片表面等離子分佈的攪動，實現等離子濃度更均勻的分佈。
Description
本發明關於一種半導體制程設備，特別是對於基板實施等離子體處理的電容耦合型等離子體處理裝置，具體地，關於施加到電容耦合型等離子處理裝置的上下電極間的射頻電源。
在半導體設備的製造過程中，例如蝕刻、沉積、氧化、濺射等處理過程中，通常會利用等離子體對基板(半導體晶片、玻璃基板等)進行處理。一般地，對於等離子體處理裝置來說，作為生成等離子體的方式。
在高頻放電方式的等離子體處理裝置中，包括電容耦合型等離子體反應器，電容耦合型反應器通常配置有上部電極和下部電極，較佳地這兩個電極平行設置。而且，通常在下部電極之上載置被處理基板，經由整合器將等離子體生成用的高頻電源施加於上部電極或者下部電極。通過由該高頻電源所生成的高頻電場來使反應氣體的外部電子加速，從而產生等離子體對下部基片進行等離子處理。
在習知技術中，在等離子體處理裝置中通常會存在比較嚴重的射頻耦合不均一情況。造成這種狀況的原因比較多，例如集膚效應造成高頻電流會沿電極邊沿流動造成邊緣和中心區域電場強度不均，駐波效應使得沿不同方向傳播的射頻電場在互相疊加後會形成駐波造成部分區域的電場強度強於其他部分。其他硬體設備的不對稱也會造成在整個加工晶圓上的電場強度不均一。為了抵消這些原因造成的電場強度不均，習知技術
採用了很多方法來改善電場分佈和等離子分佈的均一性。比如改變氣體分佈、改變上不和下部電極間的絕緣材料分佈、上下電極間施加同頻的射頻功率，同時控制兩個射頻功率間相位差等多種手段。但是無論哪種方法都只能優化到特定的加工技術或硬體設計，無法將一個設計用到不同硬體設備和任何加工技術上。例如習知技術通過調節供應到兩個不同的相位差，最終優化到一個最佳的相位差使得加工基片上的等離子濃度較均勻，但是同樣的相位差到下一個不同步驟中，具有不同功率/頻率/氣體分佈時就要調整一個新的相位差來優化。業內需要一種簡單有效的方法來使得最終在等離子加工過程中上下電極間的電場在晶圓上安需要的強度均勻分佈。
針對習知技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種等離子體處理裝置用的基座以及對應的包括該基座的等離子體處理裝置。
根據本發明的一個方面，提供一種電容耦合等離子反應器，包括位於反應器底部的一個基座，基座內包括一個下電極，與下電極相對位於反應器頂部的一個上電極，一個高頻射頻電源連接到所述下電極並提供第一高頻射頻功率；所述高頻射頻電源連接到上電極並提供第二高頻射頻功率；一個低頻射頻電源連接到所述下電極並提供低頻射頻功率；其特徵在於：所述電容耦合等離子反應器還包括一個移相控制器，連接在高頻射頻電源和所述上電極或下電極之間，使所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差連續變化。
其中第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差在大於10度的範圍內連續變化，特別是在大於30度範圍內變化。本發明的另一方面第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差在120-180度之間的範圍內連續變化。其中連續變化的相位差在多個互相不重疊的區間內進行，也可以是在多個不同相位差值間連續切換。
所述頻射頻電源提供的第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率具有的頻率大於等於13.56Mhz小於120Mhz，低頻射頻電源提供的低頻射頻功率具有小於等於2Mhz的頻率。
本發明通過連續調節施加到電容耦合型等離子反應器上下電極間的射頻功率的相位差，實現對上下電極間的等離子的攪動，實現等離子濃度在基片表面的均勻分佈，本發明機構簡單，可以適應於任何技術和硬體設置無需額外調試優化均能顯著提高等離子分佈均一性。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其他特徵、目的和優點將會變得更明顯。
100‧‧‧處理容器
10‧‧‧邊緣環
11‧‧‧上電極
110‧‧‧處理氣體氣源
20‧‧‧基片
21‧‧‧基片固定裝置
22‧‧‧下電極
30‧‧‧移相控制器
31‧‧‧線路
32‧‧‧線路
400‧‧‧射頻電源
402‧‧‧低頻射頻電源
圖1顯示根據本發明的第一實施例的等離子體處理裝置縱截面圖；圖2顯示了根據本發明的第一實施例的在基片表面上形成的電場強度分佈曲線。
圖1顯示根據習知技術的等離子體處理裝置的縱截面示意圖。本領域技術人員理解，在習知技術中，等離子體處理裝置通常包括：例如由內部成為密閉空間的真空腔室構成的處理容器100；在該處理容器100的底面中央配設的基座，基座內包括下電極22；以及在基座的上方以與該基座相對的方式設置著的上電極11，上電極通常同時作為氣體噴口，典型的如氣體噴淋頭，該氣體噴淋頭連接到處理氣體氣源110。
上述下電極22形狀與所述上電極11相適應；基座上方設置有固定基片20用的基片固定裝置21，典型的如靜電夾盤。待加工的基片如晶圓被放置在基片固定裝置21上方。環繞基片固定裝置21和基片20的還包括一個邊緣環10，該邊緣環可以選擇不同材料。所述下電極20通過電纜
32或者氣體線路連接到射頻電源400。射頻電源供應的射頻可以是13.56-120Mhz的頻率，用以產生等離子體。下電極同時還連接到一個低頻射頻電源402，如小於等於2MHz的射頻電源，以控制入射的等離子的能量。
射頻電源400通過線路31電連接到上電極11。線路31上還包括一個移相控制器30實現對施加到上電極的射頻電源相位的調節。該移相控制器也可以設置在連接到下電極的線路32上，只要是能夠實現對上下電極間的同頻射頻功率進行相位調節的裝置都可以是本發明的移相控制器30。
通過以上的各裝置結構，在等離子體處理裝置的處理容器100內形成由下電極22和上電極11構成的一對平行平板電極。調整處理容器100內部至指定的壓力後，通過導入處理氣體，從射頻電源供給高頻電力，處理氣體等離子體化。通過等離子體處理裝置的這種作用，對固定在基座上的基板30實施利用等離子體的蝕刻。
射頻電源的400施加到下電極時，由於處理容器100硬體結構的限制，射頻電場會在基片上表面形成多個相向對流的電場，而且由於頻率相同所以兩者形成的疊加的電場會是一個駐波。如圖2所示，駐波會在基片20表面形成一個強弱交替的電場分佈，最終造成等離子濃度也是交替分佈的。在上電極也施加射頻場，而且與施加到下電極的電場具有不同的相位，兩個電場疊加產生一個新的駐波，該駐波的上下電場強度差隨著兩個射頻場的相位差變化而變化。習知技術通過調節選擇一個優化的相位差比如在某個優選的相位差角度區間內(如90-180度)來獲得更均勻的等離子濃度分佈。上述電場分佈的波動分佈曲線只考慮駐波情況，實際應用中等離子濃度分佈還受集膚效應等各種因素影響，會在基片上形成中間高兩邊低的等離子濃度分佈。利用習知相位差優選的技術不能解決其他因素引起的等離子分佈不均，因此並不能獲得非常均一的等離子濃度分佈。
本發明提出一種相位控制方法，利用圖1所示的移相控制器30使得施加到上下電極間的射頻電場相位差是連續變化的，比如可以是從120度到180度之間連續的迴圈掃過，從120度逐漸增加到180度再逐漸減小到120度，這樣等效於有一個駐波在基片表面移動，其移動速度與相位調節速度相關。採用這種動態相位調節方法能夠對處理容器100內的等離子體施加一個擾動，使得等離子體中的帶電粒子像水波一樣被從高密度區域推送到低密度區域。如圖2所示電場強度在分佈的波紋狀曲線，在相位差持續變化的情況下該曲線會水平移動，使等離子也隨之水平移動，最終達到等離子濃度更加均勻的分佈，獲得更加均一的加工效果。
本發明可以在較窄的相位差範圍內連續變化如30-60度或者90-120度兩者的差為30度。相位差太小則不足以使大量帶電粒子水平移動，達到使等離子分佈均勻的目的，所以至少要10度。也可以是在更寬的相位差範圍內連續掃過，如60度到180度。或者也可以是多個小的相位差區間之間的迴圈，如依次進行在60-70度，80-90度，100-110度的迴圈。或者也可以是多個不同相位差參數點之間連續切換，如30,40,50，60,90度等不同相位差數值間。
採用本發明的動態相位調節射頻電源能夠實現任何加工技術和任何硬體基台上的等離子濃度分佈均一性的改善，具有更好的適應性而且結構簡單，不需要改動大量的硬體設備。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在請求項的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
100‧‧‧處理容器
10‧‧‧邊緣環
11‧‧‧上電極
110‧‧‧處理氣體氣源
20‧‧‧基片
21‧‧‧基片固定裝置
22‧‧‧下電極
30‧‧‧移相控制器
31‧‧‧線路
32‧‧‧線路
400‧‧‧射頻電源
402‧‧‧低頻射頻電源
Claims (10)
- 一種電容耦合等離子反應器，包括位於反應器底部的一個基座，所述基座內包括一個下電極，與所述下電極相對位於所述反應器頂部的一個上電極，一個高頻射頻電源連接到所述下電極並提供第一高頻射頻功率；所述高頻射頻電源連接到所述上電極並提供第二高頻射頻功率；一個低頻射頻電源連接到所述下電極並提供低頻射頻功率；其特徵在於：所述電容耦合等離子反應器還包括一個移相控制器，連接在所述高頻射頻電源和所述上電極或下電極之間，使所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差連續變化。
- 如請求項1所述的電容耦合等離子反應器，其中所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差在大於10度的範圍內連續變化。
- 如請求項2所述的電容耦合等離子反應器，其中所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差在大於30度的範圍內連續變化
- 如請求項3所述的電容耦合等離子反應器，其中所述相位差變化範圍為120-180度。
- 如請求項1所述的電容耦合等離子反應器，其中所述相位差在多個互相不重疊的區間內連續變化。
- 如請求項1所述的電容耦合等離子反應器，其中所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率之間的相位差在多個不同相位差值間連續切換。
- 如請求項1所述的電容耦合等離子反應器，其中所述高頻射 頻電源提供的第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率具有的頻率大於等於13.56Mhz小於120Mhz，所述低頻射頻電源提供的低頻射頻功率具有小於等於2Mhz的頻率。
- 一種電容耦合等離子反應器控制方法，所述電容耦合等離子反應器包括位於反應器底部的一個基座，所述基座內包括一個下電極，與所述下電極相對位於所述反應器頂部的一個上電極，所述控制方法包括：施加第一高頻射頻功率到所述下電極；施加第二高頻射頻功率到所述上電極；施加一個低頻射頻功率到所述下電極；其中所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率具有相同頻率，調節所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率的相位差，使所述第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率的相位差連續變化。
- 如請求項8所述的電容耦合等離子反應器控制方法，其中所述高頻射頻電源提供的第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率具有的頻率大於等於13.56Mhz小於120Mhz，所述低頻射頻電源提供的低頻射頻功率具有小於等於2Mhz的頻率。
- 如請求項8所述的電容耦合等離子反應器控制方法，其中所述高頻射頻電源提供的第一高頻射頻功率和第二高頻射頻功率的相位差在大於10度的範圍內連續變化。
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