TWI794631B - 等離子處理器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電容耦合等離子處理器，一個高頻射頻電源藉由一個第一匹配器輸出第一頻率的射頻功率到基座，一個低頻射頻電源藉由一個第二匹配器輸出第二頻率的射頻功率到基座，其中第一頻率大於10MHz，第二頻率小於等於300KHz；高頻射頻電源輸出端與所述基座之間還連接有一個控制器和一個變頻檢波部；其中變頻檢波部包括一混頻器，混頻器包括第一端接收一個輔助頻率訊號，第二端接收基座反射的射頻功率訊號，第三端連接到一個帶通濾波器的輸入端，所述帶通濾波器篩選出一第三頻率的訊號並藉由帶通濾波器的輸出端輸出到所述控制器，所述控制器根據所述第三頻率的訊號計算基座反射的射頻功率數值，以控制第一匹配器或者高頻射頻源。

Description

等離子處理器

本發明涉及半導體加工技術領域，具體涉及一種等離子處理器，特別涉及等離子處理器中射頻供應系統的設計和控制方法。

半導體晶片被日益廣泛的應用到各種電子設備中，其中半導體晶片加工過程需要用到大量等離子處理器，這些處理器會對待處理的基片進行等離子刻蝕、化學氣相沉積等製程。第1圖所示為典型的等離子處理器的結構圖，等離子處理器包括反應腔101，反應腔101內包括基座10，基座上方設置有靜電夾盤21，以及靜電夾盤21上固定有待處理基片100。圍繞靜電夾盤和基片的還包括邊緣環22。基座10藉由第一匹配器1連接到高頻射頻源(HF)，同時藉由第二匹配器2連接到一個低頻射頻源(LF)。反應腔101內與基座10相對設置的為一個圓盤狀的氣體噴淋頭11，氣體噴淋頭11藉由氣體管道與外部氣源200連通。在習知技術中高頻射頻源的頻率一般需要大於13MHz(如60MHz)，低頻射頻源的頻率一般為1-2MHz，兩者的功率大小分別用於控制等離子處理器內等離子P的濃度和離子入射基片100的能量。其中各匹配器中設置有濾波電路，比如第一匹配器1中的第一濾波電路的參數設置使得只有60Mhz左右的射頻功率能通過，其它頻率的射頻功率如1-2MHz、低頻射頻功率的諧波、以及低頻與高頻的混頻後產生58MHz、62MHz都被濾波器的高阻抗阻擋。

在需要刻蝕超高深寬比(大於40)的應用場合如3D NAND存儲器製造製程中，需要離子具有極高的入射能量，為了在不大幅增加LF射頻功率的情况下提高離子能量，需要大幅降低低頻射頻的頻率。比如LF的射頻頻率降低到300KHz以下時，上述混頻產生的頻率就是59.7MHz和60.3MHz，與需要檢測的60MHz頻率非常接近。此時匹配器中的濾波電路就無法濾除上述干擾的混頻頻率訊號。無法濾除這些訊號，導致無法準確的檢測到反射到第一匹配器1的高頻功率大小，也就無法準確的控制匹配器動作進行阻抗匹配。這會帶來一系列嚴重後果：等離子不穩定、功率浪費、線路過熱，這些都會導致等離子處理製程失敗。即使藉由特殊設計濾波電路中的電感和電容，使得濾波器能夠篩選出60Mhz同時阻擋與60Mhz只有1/200差距的其它混頻頻率，但是這種設計需要數值極大的電感和電容，導致濾波器的響應太慢，無法跟上等離子處理器中快速變化的阻抗狀態，最終匹配器仍然無法實現有效的阻抗匹配。

所以業內需要開發一種新的匹配電路，在使用超低頻的偏置射頻功率時仍能夠有效檢測到高頻射頻功率的反射功率，還能實現快速的阻抗匹配。

本發明提供了一種等離子處理器，包括：一反應腔，反應腔內底部包括一基座，所述基座用於支撑待處理基片，與基座相對的反應腔頂部包括一氣體噴淋頭，一個高頻射頻源藉由一個第一匹配器輸出第一頻率f1的射頻功率到所述基座，一個低頻射頻源藉由一個第二匹配器輸出第二頻率f2的射頻功率到所述基座，其中第一頻率f1大於10MHz，第二頻率f2小於等於300KHz； 所述高頻射頻源輸出端與所述基座之間還連接有一個控制器和一個變頻檢波部；其中所述變頻檢波部包括一混頻器，所述混頻器包括第一端接收一個輔助頻率訊號，第二端接收所述基座反射的射頻功率訊號，第三端連接到一個帶通濾波器的輸入端，所述帶通濾波器篩選出一第三頻率f3的訊號並藉由帶通濾波器的輸出端輸出到所述控制器，所述控制器根據所述第三頻率f3的訊號計算基座反射的射頻功率數值，以控制第一匹配器或者高頻射頻源。

可選的，其中變頻檢波部還包括一晶體震盪器，所述晶體震盪器輸出所述輔助頻率訊號，所述輔助頻率為第一頻率f1與第三頻率f3的差值。

可選的，所述高頻射頻源輸出的第一頻率f1可以在(f1-Δ/2)~(f1+Δ/2)的頻率範圍內可調，所述頻率範圍中的Δ為變頻範圍，所述輔助頻率為第一頻率值f1與第三頻率f3的差值，其中第三頻率f3大於等於所述變頻頻率範圍Δ。所述變頻檢波部還包括一第二晶體震盪器輸出輔助頻率訊號，一個第二混頻器的第一端接收所述輔助頻率訊號，第二端接收高頻射頻源輸出的第一頻率f1訊號，所述第二混頻器輸出的混頻訊號經過一個第二濾波器過濾後輸出所述輔助頻率訊號。

其中所述第一頻率f1的變頻範圍Δ大於500K，且小於等於4MHz。進一步的，所述第二濾波器為一個低通濾波器。

進一步地，其中該第二頻率f2與該第三頻率f3的比值f2/f3等於30%。

進一步地，所述高頻射頻源輸出脈衝式變化的功率，使得輸出功率在不同功率幅度之間變化，其中脈衝頻率大於10Hz小於100KHz。

其中，控制器輸出的控制訊號控制所述第一匹配器中的可變電容動作，以使所述高頻射頻源輸出的功率與等離子處理器中的阻抗相匹配。

本發明等離子處理器適用於刻蝕深寬比大於40的刻蝕孔，在高深寬比刻蝕時需要用到極低頻的(0.3Mhz)的射頻功率，採用本發明後可以有效分離出高頻射頻功率中的混頻訊號，實現更好的匹配。

1:第一匹配器

2:第二匹配器

10:基座

11:氣體噴淋頭

21:靜電夾盤

22:邊緣環

30,32:變頻檢波部

40:反射功率訊號接收器

100:基片

101:反應腔

200:外部氣源

HF:高頻射頻源

LF:低頻射頻源

M0:混頻器

M1:第一混頻器

M2:第二混頻器

P:等離子

C1,C2,S0,S0’,S1,S2,S10,S11,S12,S13,S14,S16,S20:訊號

第1圖為習知技術等離子處理器結構示意圖；第2a圖為本發明等離子處理器中的匹配器及其控制電路；第2b圖是第2a圖所示匹配器及其控制電路中射頻訊號處理過程示意圖；第3a圖是本發明另一實施例的等離子處理器的匹配器及其控制電路；第3b圖是第3a圖所示的實施例中匹配器及其控制電路中射頻訊號處理過程示意圖。

以下結合第2圖及第3圖，進一步說明本發明的具體實施例。

如第2a圖所示為本發明的等離子處理器中的匹配器及其控制電路，本發明中低頻射頻源LF的頻率為0.3MHz，高頻射頻源HF的頻率為60MHz。相對第1圖所示的習知技術，主要區別在於本發明提出了一種變頻檢波部30適用於具有超低頻射頻功率源的多頻射頻處理器。本發明的變頻檢波部30包括一個晶體震盪器，所述晶體震盪器輸出一個具有固定頻率如59MHz的輔助頻率訊號S0。一個混頻器M0一端接收上述訊號S0，另一端藉由一個反射功率訊號接收器40以分離來自等離子處理器中的反射功率訊號S1，混頻器M0接收來自反應腔101的反射功率訊號S1和輔助頻率訊號S0，混合兩種訊號後輸出混頻後的訊號S10。如第2b圖所示為本發明反射功率訊號處理過程中各個訊號S1、訊號S0、訊號S10的訊號的頻率分布形態。其中橫軸是射頻頻率，縱軸是不同頻率的功率强 度，每個尖鋒代表該訊號中大量功率集中出現在頻率處出現特定頻率處，比如反射功率訊號S0具有一個尖峰59M，說明輔助頻率訊號S0的射頻能量集中在59Mhz左右。其中反射射頻訊號S1中除了包括高頻射頻源HF輸出的60MHz訊號外，還包括在基座10中與0.3MHz混頻後產生的干擾訊號59.7MHz、60.3MHz。經過混頻器M0混頻後輸出的訊號S10，包括了訊號S0與訊號S1相加和相减的頻率訊號，為了便於後端濾波只取兩者相减的頻率：0.7、1、1.3MHz。這3個頻率之間的差雖然仍然只有0.3MHz，但是由於整體頻率數值大幅减小，所以中間的1MHz與兩邊的干擾頻率之差的比例變為30%。藉由設置一個簡單的濾波器就可以將1MHz訊號篩選出來，雖然經過了頻率變換，這個1MHz的訊號S2仍然能間接反應訊號S1中60MHz的幅度，所以藉由對訊號S2中1MHz訊號强度的檢測，能夠計算推導出訊號S1中60MHz反射功率的大小。控制器接收上述訊號S2和高頻射頻源HF的輸出功率訊號就可以計算出60MHz射頻功率的反射率，並根據反射率數據調整第一匹配器1中的可變電容實現阻抗匹配。

上述第2a圖所示的第一匹配器1、第二匹配器2和控制電路能夠有效的匹配具有固定射頻頻率的功率源，但是對於具有變頻功能的射頻功率源確很難實現匹配。比如高頻射頻源HF的輸出頻率在58-62MHz之間可以變化，藉由這些射頻源輸出頻率的變化，可以實現比匹配電路中藉由調整可變電容更快的阻抗匹配速度。如果仍然採用固定的輔助頻率訊號S0，如57MHz，則會與反射訊號S1混頻後產生(0.7-1-1.3)~(4.7-5-5.3)的頻率分布訊號S10。雖然其中的不同頻率之間的頻率差值均為0.3MHz，但是由於頻率的絕對值變化很大(0.7：4.7

7倍)所以後端的濾波器在參數固定的情况下無法在如此變動的頻率段訊號S10中有效篩選出有效訊號S2。

為了解决變頻應用場合的適用問題，本發明提出了如第3a圖所示的第二實施例的匹配器及其控制器。本發明中提出了另一種變頻檢波部32，變 頻檢波部32中包括一晶體震盪器，所述晶體震盪器輸出輔助射頻訊號S0’，其中訊號S0’的頻率可以選擇5MHz。高頻射頻源HF的輸出的訊號S11頻率在58-62MHz範圍內可調。第一混頻器M1接收訊號S0’和訊號S11，產生第一混頻訊號(S11-5MHz)-S11-(S11+5MHz)，其中的訊號S11的頻率可變，所以這三個混頻訊號的具體頻率也是可變的，當可變頻。

訊號S11的輸出頻率是59MHz時，相應的混頻訊號就是54MHz-59MHz-64MHz，在訊號S11頻率變化範圍內相應的3個混頻訊號範圍分別為53-57MHz、58-62MHz、63-67MHz。即使上述3個混頻訊號雖然都具有可變範圍，但是3個頻率段並不重疊，所以可以用帶通濾波器將其中的一個頻率段篩選出來，比如用低通濾波器將頻率最低的訊號S11-5MHz的頻率段選出作為中間頻率訊號S14輸出。一個第二混頻器M2一端接收上述訊號S14，另一端接收來自反應腔101內基座10中下電極反射的射頻訊號S12，其中反射功率訊號S12包括了(S11-0.3MHz)-S11-(S11+0.3Mhz)的一組頻率訊號，經過第二混頻器M2混頻後輸出訊號S16。混頻訊號包括很多混合頻率訊號，包括反射功率訊號S12、訊號S13、訊號S14，反射功率訊號S12+訊號S14。其中訊號S12、訊號S13、訊號S14頻率段中由於均含有可變頻率訊號S11，所以兩者相减之後只剩下頻率的絕對值，形成的頻率段為4.7MHz-5MHz-5.3MHz，這些固定頻率的數值便於後續的濾波器參數設計，所以選取第一頻率段中的5MHz作為射頻反射功率檢測訊號S20，控制器接收訊號S20，經過檢測和計算訊號S20的强度，可以獲得反應實際射頻反射功率的訊號S12中具體功率大小的訊號，並根據這個功率數值反饋控制第一匹配器1或者高頻射頻源HF。其中控制器輸出的控制訊號C1輸出到第一匹配器1，用於控制第一匹配器1中的可變電容，控制器輸出的控制訊號C2輸出到高頻射頻源HF，用於控制高頻射頻源HF的輸出頻率或者射頻功率，最終使得高頻射頻功率能夠根據製程需要有效的供應到基座10中的下電極，减少射頻功率 反射，獲得穩定的等離子體。其中訊號S0’的頻率需要大於等於訊號S11的頻率變化範圍，比如上述實施例中5MHz>62-58=4Mhz，當可變頻訊號S11中的頻率變化範圍只有2MHz時，訊號S0’的頻率可以是2.5MHz或者3MHZ，這樣的訊號S0’可以保證經過第一混頻器M1混頻後產生的三個混頻訊號段不會存在交疊的頻率，也就可以藉由一個固定的低通濾波器篩選出相應的訊號S14，防止其它頻段的訊號也能藉由低通濾波器進入後續的處理電路。

本發明中的帶通濾波器除了可以分離出5MHz訊號計算對應的訊號S11中的功率强度，也可以進一步檢測計算4.7Mhz與5.3MHz的混頻功率强度，將上述混頻功率强度也作為參數，輸入到第一匹配器1中。第一匹配器1會根據上述兩個反射訊號(如高頻射頻為60MHz時，混頻訊號59.7和60.3Mhz)的功率强度，綜合計算控制可變參數，以最小化兩種反射功率。

第3b圖所示的為第3a圖所示第一匹配器1、第二匹配器2及其控制電路運行過程中發生的射頻訊號處理過程及頻率變換示意圖。從第3b圖中可以看到本發明的變頻檢波部32中多個頻率混頻-選頻-再次混頻-選頻的過程，最終利用兩級混頻和選頻，使得在高頻射頻頻率可變的情况下仍然可以藉由固定的濾波器篩選出需要藉由的頻率訊號，該頻率訊號反應了反射功率訊號S12中高頻射頻頻率的反射訊號S11。對於需要脈衝型射頻功率輸出的應用場合，高頻射頻源HF輸出的射頻功率需要在高功率/低功率之間快速切換，脈衝頻率可選的為10-100KHz，在這種快速變化過程中傳統的匹配器中的可變電容無法快速變化容值實現快速匹配，需要快速調整高頻射頻源HF的頻率才能迅速匹配等離子處理器中的阻抗。所以本發明第二實施例可以使得高頻射頻源HF輸出的訊號在一個變頻範圍Δ即(f1-Δ/2)~(f1+Δ/2)內變化的情况下，藉由第3a圖中的變頻檢波器32仍然能有效檢測出高頻射頻功率的反射功率數值。

本發明藉由混頻的方式，將習知技術中無法直接用濾波器分離的高頻訊號，變換為其它頻率段的訊號，變換頻率段後再藉由濾波器篩選出需要進行檢測的高頻訊號，然後藉由測量篩選出的高頻訊號，最終計算出從反應腔101中反射回第一匹配器1的高頻射頻功率數值。藉由計算獲得上述高頻功率數值，反饋控制第一匹配器1可以實現高頻射頻功率與等離子處理器內阻抗的匹配。儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

1:第一匹配器

2:第二匹配器

10:基座

11:氣體噴淋頭

30:變頻檢波部

40:反射功率訊號接收器

101:反應腔

S0,S1,S2,S10:訊號

M0:混頻器

Claims (9)

1. 一種等離子處理器，包括：一反應腔，該反應腔內底部包括一基座，該基座用於支撑待處理的一基片，與該基座相對的該反應腔頂部包括一氣體噴淋頭，一高頻射頻源藉由一第一匹配器輸出一第一頻率f1的射頻功率到該基座，一低頻射頻源藉由一第二匹配器輸出一第二頻率f2的射頻功率到該基座，其中該第一頻率f1大於10MHz，該第二頻率f2小於等於300KHz；該高頻射頻源輸出端與該基座之間還連接有一控制器和一變頻檢波部；其中該變頻檢波部包括一混頻器，該混頻器包括一第一端接收一輔助頻率訊號，一第二端接收該基座反射的一射頻功率訊號，一第三端連接到一帶通濾波器的輸入端，該帶通濾波器篩選出一第三頻率f3的訊號並藉由該帶通濾波器的輸出端輸出到該控制器，該控制器根據該第三頻率f3的訊號計算該基座反射的射頻功率數值，以控制該第一匹配器或者該高頻射頻源；其中該第二頻率f2與該第三頻率f3的比值f2/f3等於30%。
2. 如請求項1所述的等離子處理器，其中該變頻檢波部還包括一晶體震盪器，該晶體震盪器輸出該輔助頻率訊號，該輔助頻率為該第一頻率f1與該第三頻率f3的差值。
3. 如請求項1所述的等離子處理器，其中該高頻射頻源輸出的該第一頻率f1可以在(f1-Δ/2)~(f1+Δ/2)的一頻率範圍內可調，該頻率範圍中的Δ為一變頻範圍，該輔助頻率為該第一頻率值f1與該第三頻率f3的差值，其中該第三頻率f3大於等於該變頻範圍Δ。
4. 如請求項3所述的等離子處理器，其中該變頻檢波部還包括一第二晶體震盪器輸出該輔助頻率訊號，一第二混頻器的一第一端接收該輔助頻率訊號，一第二端接收該高頻射頻源輸出的該第一頻率f1訊號，該第二混頻器輸出的混頻訊號經過一第二濾波器過濾後輸出該輔助頻率訊號。
5. 如請求項3所述的等離子處理器，其中該變頻範圍Δ大於500KHz，且小於等於4MHz。
6. 如請求項4所述的等離子處理器，其中該第二濾波器為一低通濾波器。
7. 如請求項3所述的等離子處理器，其中該高頻射頻源輸出脈衝式變化的功率，使得輸出功率在不同功率幅度之間變化，其中脈衝頻率大於10Hz小於100KHz。
8. 如請求項1所述的等離子處理器，其中該控制器輸出的一控制訊號控制該第一匹配器中的可變電容動作，以使該高頻射頻源輸出的功率與該等離子處理器中的阻抗相匹配。
9. 如請求項8所述的等離子處理器，其中該等離子處理器用於刻蝕深寬比大於40的刻蝕孔。

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