專利名稱：射頻功率源系統(tǒng)及使用該射頻功率源系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)腔室的制作方法
射頻功率源系統(tǒng)及使用該射頻功率源系統(tǒng) 的等離子體反應(yīng)腔室方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于等離子體反應(yīng)腔室中的射頻功率源，特別涉及可以 產(chǎn)生多種頻率的射頻功率源系統(tǒng)及使用該射頻功率源系統(tǒng)的等離子體反 應(yīng)腔室。背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有使用兩種射頻頻率(雙頻)的等離子體反應(yīng)腔室。一般來說，雙頻等離子體反應(yīng)腔室接收的射頻偏置功率(RF bias power)的 頻率低于約15MHz,射頻源功率(RF source power)的頻率較高， 一般在 40-200MHz。射頻偏置功率是指用以控制離子能量和能量分布的射頻功 率，而射頻源功率是指用以控制等離子體中的離子解離(plasma ion dissociation)或等離子體密度(plasmadensity)的射頻功率。在某些特定應(yīng)用 中，人們運(yùn)用偏置頻率為2MHz或13MHz、源頻率為27MHz、 60MHz、 1 OOMHz或更高的頻率在等離子體反應(yīng)腔室中進(jìn)行蝕刻工藝處理。最近有人提出了一種讓等離子體反應(yīng)腔室工作在一個偏置頻率和兩 個源頻率下的方式。例如，有人提出讓等離子體蝕刻反應(yīng)腔室工作在2MHz 偏置頻率和27MHz和60MHz兩個源頻率下。在這種方式下，不同類型的離子的解離可以通過兩個源射頻(sourceRF)的功率加以控制。但是，在現(xiàn) 有技術(shù)中的這些應(yīng)用，每種頻率都是通過一個獨立的射頻功率源(或射頻 功率發(fā)生器)來提供的。比如，若等離子體蝕刻反應(yīng)腔室需要工作在三種 頻率下，則現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)腔室就必須提供三臺獨立工作的射頻功率源來 滿足工作需要。眾所周知，射頻功率源的費(fèi)用非常昂貴，大大地增加了使 用者的使用成本。欲獲得進(jìn)一步的信息，請參看美國專利號6,281,469和 7,144,521,以及美國申請專利公開號2005/0264218。在等離子體反應(yīng)腔室實際工作過程中，有時需要反應(yīng)腔室同時工作在2MHZ偏置頻率和60MHZ的源頻率下；而有時又需要反應(yīng)腔室同時工作 在13MHZ偏置頻率和60MHZ的源頻率下。現(xiàn)有技術(shù)的做法是給等離子 體反應(yīng)腔室提供三臺獨立的射頻功率源(或射頻功率發(fā)生器)，通過分別 控制每一個獨立的射頻功率源來提供不同的頻率組合。但這種設(shè)計價格昂 貴且設(shè)備占地體積大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)用于等離子體反應(yīng)腔室上的可以產(chǎn)生 多種頻率的射頻功率源，其可以大大節(jié)省使用者的成本，并且可靠性高。本發(fā)明的另 一 目的在于提供一種運(yùn)用于等離子體反應(yīng)腔室上的具有 可切換的多種頻率的射頻功率源，其不僅可以大大節(jié)省使用者的成本、可 靠性高，而且可以通過切換射頻，使等離子體反應(yīng)腔室能夠選擇性地選褲: 工作頻率，滿足不同的應(yīng)用(different applications)或工藝步驟(recipe steps)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方法實現(xiàn)的一種射頻功率源系統(tǒng)，包括輸出具有N個頻率的N個射頻信號的射 頻源，其中N是大于1的整數(shù)；合成該N個射頻信號的射頻功率合成器，以 輸出一個合成的射頻信號；放大該合成的射頻信號的寬帶放大器，以提供 一個經(jīng)過放大的射頻信號；接收該經(jīng)過放大的射頻信號的射頻功率分離 器，以提供具有N個頻率的N個經(jīng)過放大的射頻功率信號。一種射頻功率源系統(tǒng)，包括第一射頻源，輸出具有第一頻率的第一 射頻信號；第二射頻源，輸出具有第二頻率的第二射頻信號；射頻功率合 成器，將第一和第二射頻信號合成，輸出一個合成的射頻信號；寬帶放大 器，用以放大該合成的射頻信號，以提供一個經(jīng)過放大的信號；射頻功率 分離器，用以接收該經(jīng)過放大的信號，并提供第一放大射頻功率和第二放 大射頻功率；匹配電路，用以4妻收該第一》文大射頻功率和該第二;^大射頻 功率。一種等離子體反應(yīng)腔室，包括真空反應(yīng)腔室，用來在其中產(chǎn)生等離 子體；射頻功率源，可提供頻率為fl的射頻功率；可以輸出具有N個不同 頻率的N個射頻信號的射頻源，其中N是大于1的整數(shù)；合成該N個射頻信 號的射頻功率合成器，以輸出一個合成的射頻信號；放大該合成的射頻信 號的寬帶放大器，以提供一個經(jīng)過放大的射頻信號；接收該經(jīng)過放大的射 頻信號的射頻功率分離器，以提供具有N個頻率的N個經(jīng)過放大的射頻功 率信號；匹配電^各，用以將該頻率fl以及該N個頻率中的至少一個頻率的 射頻功率耦合到該真空反應(yīng)腔室中。功率的等離子體反應(yīng)腔室。利用該發(fā)明系統(tǒng)，離子的轟擊能量以及能量分布可以通過兩個不同的頻率來控制。例如，若需要高轟擊能量，反應(yīng)腔室可用2MHz射頻偏置功率驅(qū)動，而需要較柔和的離子轟擊時，反應(yīng)腔室可 工作于13MHz射頻偏置功率下。當(dāng)然，反應(yīng)腔室也可同時加載相同或不同 功率級別的兩種射頻偏置。作為本發(fā)明的其它方面，提供一個射頻功率源，可以實現(xiàn)可切換的多 種頻率的射頻功率。該系統(tǒng)采用頻率合成或射頻信號振蕩器方式產(chǎn)生N個 射頻信號，并通過寬帶功率放大器將該N個射頻信號功率加以放大，隨后 分離該經(jīng)過放大的信號。于是系統(tǒng)的輸出是具有多種頻率的射頻功率。這 些頻率是可以切換的，這樣使用者就可以選擇系統(tǒng)所輸出的頻率。
本說明書中包含的附圖，作為本說明書的一部分，示出了本發(fā)明的實 施方式，并與說明書一起用于解釋和描述本發(fā)明的原理和實施。附圖旨在 以一種概略的方式描繪所述實施例的主要特征。附圖的目的并不在于描 述實際實施方式的每一詳細(xì)特征，也不在于描繪所述元件的真正尺寸， 并且元件不是按比例繪制。圖1是現(xiàn)有^t支術(shù)中多頻率等離子體反應(yīng)腔室的示意圖，其連接有一個 偏置射頻功率和兩個源射頻功率發(fā)生器。圖2是本發(fā)明多頻率等離子體反應(yīng)腔室的第一種實施方式的示意圖， 其連接有兩個偏置射頻功率和一個源射頻功率發(fā)生器。圖3描繪了一種利用單射頻功率源提供可切換的多種頻率的射頻功 率的實施方式。圖4A和4B描繪了本發(fā)明中提供一個合成的雙頻射頻系統(tǒng)和獨立的
射頻功率源的實施方式。
圖5描繪的是采用單個射頻信號發(fā)生器提供多種頻率的實施方式。 圖6提供了本發(fā)明多頻率系統(tǒng)的另一種實施方式。 圖7提供了本發(fā)明多頻率系統(tǒng)的又一種實施方式。 圖8提供了本發(fā)明中多頻率系統(tǒng)的一種不使用合成器的實施方式。 圖9是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式采用兩個偏置頻率進(jìn)行工藝處理的 實施方式。
圖IO所示為本發(fā)明多頻率系統(tǒng)的再一種實施方式。
圖ll所示為圖IO所示中的切換電路與匹配電路的電路連接方式
具體實施方式
圖l是現(xiàn)有技術(shù)中的多頻率等離子體反應(yīng)腔室的示意圖，其連接有一 個射頻偏置功率源或射頻偏置功率發(fā)生器(one RF bias power generator)和 兩個源射頻功率源或源射頻功率發(fā)生器(two source RF power generators)。 具體而言，圖1所示的等離子體反應(yīng)腔室100具有一個上電極105、下電極 110和在兩個電極之間產(chǎn)生的等離子體120。通常，上電極105—般嵌設(shè)于 反應(yīng)腔室頂蓋上，而下電極110—般嵌設(shè)于下方的陰極組件上，所述陰極 組件上用于放置待處理的半導(dǎo)體工藝件，如，半導(dǎo)體晶片。如圖l中所示， 偏置射頻功率源125通過匹配電路140為反應(yīng)腔室100提供射頻功率。射頻 偏置頻率為fl, 一般為2MHz或約13MHz (更精確地，是13.56MHz)， 一 般加載到下電極110上。圖1同時示出了兩個射頻源功率源130和135,工作頻率分別為f2和f3。比如，G可設(shè)為27MHz， f3可設(shè)為60MHz。所述射頻 源功率源130和135分別通過匹配網(wǎng)絡(luò)145和150向反應(yīng)腔室100提供功率。 射頻源功率可以加載到下電極110或上電極105上。需要注意的是，在本專 利中的所有的圖示中，所有匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出都被表示為合成到 一個指向反 應(yīng)腔室中的箭頭，這是一種示意性的表示，用于包括所有通過匹配網(wǎng)絡(luò)到 等離子體的耦合，無論是通過下電極、頂蓋上的電極、或是通過感性耦合 線圈等等耦合的都被包括在內(nèi)。例如，偏置功率可以通過下電極耦合，而 源功率可以通過氣體噴頭中的電極或電感線圈耦合。相反地，偏置功率和 源功率也可以通過下電極耦合。
圖2是本發(fā)明第一種實施方式多頻率等離子體反應(yīng)腔室的示意圖，它 具有兩個射頻偏置功率發(fā)生器和一個射頻源功率發(fā)生器。圖中，兩個射頻 偏置功率源225和255分別通過匹配電路240和245向反應(yīng)腔室200提供射頻 偏置功率。射頻偏置頻率為fl,其中心頻率一般是2MHz，而射頻偏置頻 率f2的中心頻率一般為13MHz。兩個射頻偏置一般都加載到下電極210上。 這樣，就可以實現(xiàn)改進(jìn)的離子能量以及能量分布的控制。例如，對于需要 較高的轟擊能量的場合下，例如前端蝕刻應(yīng)用，可使用2MHz功率源，而 對于需要較柔和的轟擊能量的場合下，例如后端蝕刻應(yīng)用，則采用13MHz。 圖2同時示出了一個源射頻功率源235，工作頻率為f3,如27MHz、 60MHz、 lOOMHz等等。源功率235通過匹配網(wǎng)絡(luò)250直接送入至反應(yīng)腔室200。源功 率可以加載到下電極210或上電極205上。源功率被用來控制等離子體密 度，即，等離子體的離子解離。在本發(fā)明中，采用匹配電路來將射頻功率耦合到反應(yīng)腔室中。該匹配 電路一般可以包括若干個匹配網(wǎng)絡(luò)，并且任何合適的匹配網(wǎng)絡(luò)都可以使
以上功率的相互隔離，推薦采用申請人擁有的專利申請序列號為
11/350,022、申請日為2006年2月8日的美國專利申請中提及的匹配網(wǎng)絡(luò)。
如前文所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，各種射頻偏置功率和源功率是通過獨立 的射頻功率源產(chǎn)生(separate RF power suppliers )的。然而，射頻功率源 中的功率放大器相對昂貴，并且多個射頻功率源造成制造成本升高和可靠 性降低的問題，由此，根據(jù)本發(fā)明的不同方面，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的架 構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)生多種射頻功率，可以降低成本，并提高系統(tǒng)的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，采用多個射頻信號發(fā)生器，例如晶體振蕩器 或頻率合成器，從這些射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過合成再通過寬帶放 大器(wide-band amplifier,如，F(xiàn)ET放大器)進(jìn)行放大。經(jīng)過放大的信號 再經(jīng)過分離并送入適當(dāng)?shù)纳漕l系統(tǒng)匹配網(wǎng)絡(luò)?？刂破饔脕頉Q定激勵哪一個 頻率信號發(fā)生器，于是就可以選擇系統(tǒng)所輸出的頻率，這樣就節(jié)省了^L大 器的數(shù)量。簡而言之，本發(fā)明的系統(tǒng)采用單個射頻功率發(fā)生器來提供可切 換的、多種頻率的射頻功率。此外，傳統(tǒng)的射頻放大器需要高質(zhì)量的直流 電源才能正常地工作。而本發(fā)明僅使用一個射頻放大器，可以節(jié)省由于使 用多個直流電源而帶來的開支。
圖3顯示了一種采用單射頻功率源(single RF power)提供多種頻率的 射頻功率(multiple-frequencyRF power)的實施方式。在圖3中，射頻信號發(fā) 生器325、 330和335分別提供頻率為fl、 f2和G的射頻信號。射頻信號發(fā)生器可以是振蕩器(比如，晶體振蕩器)、頻率合成器，比如，直接式數(shù)字
頻率合成器(Direct digital frequency synthesizer, DDS)或鎖相環(huán)合成器 (Phase locked loop frequency synthesizers )等等。在一種實施方式中，fl 設(shè)置為2MHz， C設(shè)置為13MHz,而G設(shè)置為60MHz。三個信號發(fā)生器325、 330和335的輸出隨后由合成器355進(jìn)行合成，再送給寬帶功率放大器 (wide-band power amplifier, WBPA)360。寬帶功率放大器^0將合成的射頻 信號放大，并輸出一個合成的經(jīng)過放大的具有三個頻率fl、 f2和f3的射頻 信號。該合成的經(jīng)過放大的射頻信號隨后利用射頻功率分離器得出不同的 頻率輸出。所述射頻功率分離器可以是低通濾波器365、帶通濾波器370 和高通濾波器380濾波，接著，不同濾波器的輸出，比如fl、 f2和fi，分別 施加到匹配網(wǎng)絡(luò)340、 345和350。這樣，只要使用一個》文大器，系統(tǒng)就可 以提供三路射頻功率信號。在使用時，控制器385用來控制射頻信號發(fā)生 器的激勵。需要說明的是，在圖3中，示出了三個射頻信號發(fā)生器325、 330 和335用于分別產(chǎn)生不同的射頻頻率，這僅是為了便于閱讀人員的理解而 作出的示意性的繪圖，應(yīng)當(dāng)理解，也可以僅采用單個的射頻信號發(fā)生器(比 如，直接式數(shù)字頻率合成器，或未來發(fā)明出的更佳的單個的射頻信號發(fā)生 器)就可以產(chǎn)生三個或若干個不同的射頻頻率，采用該單個的射頻信號發(fā) 生器可靠性更高。
可以理解，根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，可以運(yùn)用射頻信號發(fā)生器325 和330來提供射頻偏置功率，而信號發(fā)生器335用來提供射頻源功率。在這 種配置下，控制器385會激勵信號發(fā)生器335至合適的功率來產(chǎn)生所期望的 離子解離?？刂破?85還可以激勵射頻信號發(fā)生器325和330中的一個或兩個來獲得所期望的離子轟擊能量。例如，對于需要得到高轟擊能量的場合，
控制器385可以只激勵射頻信號發(fā)生器325,而對于需要得到低轟擊能量的 場合，控制器385可以只激勵射頻信號發(fā)生器330。
另 一方面，這一配置也可以用于使用兩個射頻源功率為系統(tǒng)提供功 率。在這種配置方式下，射頻信號發(fā)生器325可設(shè)為如2MHz或13MHz來 提供偏置功率，而射頻信號發(fā)生器330可設(shè)為如27MHz,射頻信號發(fā)生器 335可被設(shè)為60MHz，這樣就可提供兩個頻率源功率來控制等離子體密度。 在這種配置方式下，控制器385會激勵射頻信號發(fā)生器325以提供偏置功 率，并激勵射頻信號發(fā)生器330和335以提供源功率。
圖4A描述了本發(fā)明的一種實施方式，提供一個合成的雙頻射頻系統(tǒng) 以及獨立的高頻功率源。圖4A中，頻率f3如傳統(tǒng)上使用的方式運(yùn)用傳統(tǒng)的 射頻功率源435連接至傳統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)450上。然而，頻率fl和f2是用本發(fā) 明的一種實施方式來4是供的，即用合成器455將射頻信號發(fā)生器425和430 的輸出合成，并用寬帶功率放大器460放大，隨后用低通濾波器465和帶通 濾波器470進(jìn)行分離。經(jīng)過放大的射頻信號再輸入匹配網(wǎng)絡(luò)440和445。
圖4A的實施方式可以通過單偏置和雙源頻率來改善現(xiàn)有技術(shù)的多頻 率反應(yīng)腔室。在這一設(shè)置中，射頻功率源435的頻率f3設(shè)定為偏置頻率， 如，2MHz。源頻率由射頻信號發(fā)生器425和430提供，并設(shè)定頻率fl和f2, 如27MHz和60MHz。
相反地，根據(jù)本發(fā)明主旨，圖4A所示設(shè)置可被用于驅(qū)動一個反應(yīng)腔 室，其中兩個偏置頻率和單個源頻率配合使用。在這種配置方式下，射頻 功率源435的頻率fi"i殳為源頻率，比如60MHz。另一方面，頻率fl和f2i殳定為偏置頻率，比如2MHz和13MHz。如圖3所示實施方式一樣，控制器485 控制射頻信號發(fā)生器425和430以及射頻功率源435的工作。
圖4B描述了圖4A所示實施方式的一個變形。圖4B的配置與圖4A很相 似，除了添加了切換開關(guān)490用以在頻率fl和f2之間切換。切換開關(guān)490可 以是射頻功率真空繼電器(RF power vacuum relay)或是PIN二極管(PIN diode)。利用這一配置，所述兩個頻率可用共同的AC/DC功率源、共同的 射頻功率放大器和共同的通信系統(tǒng)來產(chǎn)生，由此降低了成本。
圖5示出了 一種利用單個射頻信號發(fā)生器來提供多種頻率的實施方 式。在圖5中，射頻信號發(fā)生器525提供頻率為fl的射頻信號。射頻信號發(fā) 生器525可以與圖2-4中所示的射頻信號發(fā)生器相似，例如一個晶體振蕩 器、 一個頻率合成器，等等。射頻信號發(fā)生器525的信號經(jīng)過分割， 一部 分提供給合成器555,另一部分加載到第一射頻頻率倍頻器或分頻器530。 正如所知那樣，射頻頻率倍頻器或分頻器(RF frequency multipliers or dividers)是可以產(chǎn)生頻率比相應(yīng)輸入信號頻率乘上一個預(yù)設(shè)因子的輸出信 號的設(shè)備。射頻頻率倍頻器或分頻器530的輸出信號頻率為f2,其中一部 分輸入給合成器555，而另一部分輸入到第二射頻頻率倍頻器或分頻器 535。在這一實施方式中，第二射頻頻率倍頻器或分頻器535的輸出也同時 輸入到合成器555中。如圖3所示實施方式，合成器555的輸出信號再經(jīng)過 力欠大和濾波。
可以理解，圖5所示實施方式可被用于改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的多種源功率系 統(tǒng)，或用來驅(qū)動本發(fā)明的多偏置系統(tǒng)。例如，當(dāng)運(yùn)行一個具有多個源功率 的配置方式的系統(tǒng)時 ，信號發(fā)生器525可被設(shè)為提供一個2MHz的信號，第一射頻頻率倍頻器或分頻器530的倍頻系數(shù)可設(shè)為13,以提供頻率為 26MHz的第一源輸出，而第二射頻頻率倍頻器或分頻器535的倍頻系數(shù)可 設(shè)為2，以提供頻率為52MHz的第二源輸出。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)采用雙偏 置功率等離子體反應(yīng)腔室時，信號發(fā)生器525可設(shè)為提供一個約為2MHz (精確地，為2.2MHz)的信號，第一射頻頻率倍頻器或分頻器530的倍頻 系數(shù)可設(shè)為6，以提供頻率為13MHz的第二偏置輸出，第二射頻頻率倍頻 器或分頻器535的倍頻系數(shù)可設(shè)為5，以提供66MHz的源輸出。
在圖5所示的級聯(lián)配置方式中，除非射頻頻率倍頻器或分頻器530同時 工作，射頻頻率倍頻器或分頻器535是不能工作的。為了使控制更為靈活， 系統(tǒng)可設(shè)為如圖5虛線595所示的方式。在這種情況下，射頻頻率倍頻器或 分頻器535可以選擇倍頻由射頻頻率倍頻器或分頻器530接收到的頻率為 f2的信號，或由射頻信號發(fā)生器525接收到的頻率為fl的信號。在此配置 下，盡管射頻系統(tǒng)頻率發(fā)生器525在工作時須一直開啟，但倍頻器或分頻 器530和535中的一個或兩個可以開或關(guān)。例如，假設(shè)射頻信號發(fā)生器工作 在2.2MHz頻率下，射頻頻率倍頻器或分頻器530的倍頻系數(shù)設(shè)為6，倍頻 器535的倍頻系數(shù)設(shè)為15。那么，當(dāng)通過連線590提供倍頻器535的輸入時， 輸出f3為165MHz,而當(dāng)通過連線595提供倍頻器535的輸入時，輸出f3為 33MHz。于是，這一配置方式使得等離子體反應(yīng)腔室可以具有雙頻偏置功 率和雙頻源功率。當(dāng)然，如果不需要使用四個頻率，可以將連線590省去 而提供三個頻率。
圖6提供了本發(fā)明多頻率系統(tǒng)的又一種實施方式。在圖6中，單個射 頻信號發(fā)生器625提供一個頻率為fl的信號。該信號被加載到倍頻器或分頻器630和倍頻器或分頻器635上。來自倍頻器或分頻器635的信號經(jīng)過功 率放大器675放大，再通過匹配網(wǎng)絡(luò)690加載到等離子體反應(yīng)腔室上。另一 方面，射頻信號發(fā)生器625和倍頻器或分頻器630的輸出在合成器655中合 成，并經(jīng)過寬帶放大器660放大，采用低通濾波器665和帶通濾波器670分 離，再通過匹配網(wǎng)絡(luò)640和645加載到等離子體反應(yīng)腔室上。這樣，頻率f2 可以選4奪性地是否加載到等離子體反應(yīng)腔室600上，而與頻率f 1和f3的加 載無關(guān)。
圖7提供了本發(fā)明中再一種多頻率系統(tǒng)的實施方式。在圖7所示實施 方式中， 一個射頻信號發(fā)生器725提供一個頻率為fl的信號，再輸入到合 成器755和倍頻器或分頻器730。倍頻器或分頻器730的信號也提供給合成 器755。合成后的信號經(jīng)過寬帶放大器760放大，經(jīng)過放大的信號再經(jīng)過低 通濾波器765和帶通濾波器770分離，通過匹配網(wǎng)絡(luò)740和745加載到反應(yīng)腔 室700上。另一方面，還可以利用一個獨立的射頻功率源735提供第三頻率 f3,該功率源可以是一個傳統(tǒng)的射頻功率源。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明精神，圖8提供了 一種不使用合成器的多頻率系統(tǒng) 的實施方式。在圖8中，射頻信號發(fā)生器825提供一個頻率為fl的射頻信號。 信號通過切換開關(guān)865送給功率放大器855并送給倍頻器或分頻器830。功 率放大器855輸出的經(jīng)過放大的信號通過匹配網(wǎng)絡(luò)840耦合到等離子體反 應(yīng)腔室800。倍頻器或分頻器830提供一個射頻輸出f2,該射頻輸出f2是頻 率fl的一種倍頻或分頻。經(jīng)過倍頻或分頻的信號f2通過切換開關(guān)870送給 放大器860,該經(jīng)過放大的輸出信號再通過匹配網(wǎng)絡(luò)845連接到反應(yīng)腔室800。此外，射頻功率源835提供另一頻率為fi的射頻信號，通過匹配網(wǎng)絡(luò) 850送給反應(yīng)腔室800。
在此配置方式下，可以將一個、兩個或三個頻率信號送給反應(yīng)腔室 800。例如，射頻信號發(fā)生器825可被設(shè)置為提供2.2MHz的射頻信號，若 倍頻器或分頻器830的倍頻系數(shù)設(shè)為6，則f2為13MHz。射頻功率源835可 提供例如頻率為60MHz的信號。在這種情況下，采用一種雙偏置(dualbias) 架構(gòu)，其中控制器885可以激勵射頻功率源835以提供射頻源功率，并開通 切換開關(guān)865控制2.2MHz偏置功率，或開通切換開關(guān)870控制13MHz偏置 功率，或開通兩個切換開關(guān)865和870控制2.2MHz和13MHz的雙偏置功率。 相反地，為了提供一個雙源頻率反應(yīng)腔室，倍頻器或分頻器830的倍頻系 數(shù)可設(shè)為如12,從而得到源頻率的輸出是26.4MHz。
所有上述實施方式都可用來控制等離子體反應(yīng)腔室，以進(jìn)行具有在第 一偏置頻率(a first bias frequency)下工作的第一階段和第二偏置頻率(a second bias frequency)下工作的第二階段的加工工藝。例如，反應(yīng)腔室可 工作在較低的偏置頻率(如約2MHZ)來進(jìn)行主蝕刻步驟；然而，為了在過 蝕刻時產(chǎn)生"軟著陸"效果，系統(tǒng)可以切換到較高的偏置頻率(如約13MHz) 下工作。根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，圖9提供了一種釆用兩個偏置頻率 實現(xiàn)工藝的實施方式。這個工藝過程可以是蝕刻一片半導(dǎo)體晶片。在步驟 900中，源射頻功率被激勵，從而轟擊等離子體。源射頻功率的頻率可以 是如27MHz、 60MHz、 lOOMHz、 160MHz等等。在步驟910中，激勵第一 偏置頻率并將其加載到反應(yīng)腔室上，以產(chǎn)生解離離子來在第一處理步驟 (步驟920)中轟擊晶片。當(dāng)?shù)谝惶幚聿襟E完成后，進(jìn)行步驟930,將第一偏置功率解除，而在步驟940中，激勵第二偏置功率以進(jìn)行步驟950中的第 二次處理。在這種情況下，第一偏置頻率可以是例如2MHZ，而第二偏置 頻率約為13MHz。
圖10所示為本發(fā)明多頻率系統(tǒng)的再一種實施方式。圖10的配置與圖3 很相似，除了在匹配電路與濾波器之間添加了切換電路390。請結(jié)合參考 圖11,圖ll所示為圖IO所示中的切換電路390與匹配電路340和345的具體 電路連接方式。如圖ll所示，切換電路390包括切換開關(guān)1090和一并聯(lián)電 容(shuntcapacitor)1042與兩個匹配電路340、 345的串聯(lián)部分相連接，用以 實現(xiàn)兩個頻率f 1 、 f2之間的切換以及射頻功率發(fā)生器與等離子體反應(yīng)腔室 之間的匹配，將射頻功率發(fā)生器的功率以最小反射功率的方式傳輸入等離 子體反應(yīng)腔室以及等離子體。在圖10中，通過切換電路390的作用，可以 依等離子體反應(yīng)時的實際應(yīng)用或工藝步驟的需要，得出不同的頻率組合 fl與f3或f2與f3。在圖ll中， 一個單一的并聯(lián)電容1042與切換開關(guān)1090相 連接。切換開關(guān)1090的每一個輸出腿與匹配電路340或345相連接。匹配電 路340至少包括電容元件1061和電感元件1062;匹配電路345至少包括電容 元件1071和電感元件1072。兩個匹配電路的輸出可以被連接在一起與等離 子體反應(yīng)腔室的下陰極相連接。這種連接方式是通過切換開關(guān)和并聯(lián)電容 實現(xiàn)的，這可以防止能量從斷開的電路(disconnected circuit)中損失。亦就 是說，如圖ll所示，當(dāng)切換開關(guān)1090與電路345相連接時，沒有能量通過 電路340損失，因為并聯(lián)電容是連接在開關(guān)輸入端的前端。因此，所有能 量都被輸送到等離子體反應(yīng)腔室的下陰極。可以理解，該實施方式也可以 用于本發(fā)明圖示中的其他實施方式，比如，與圖4A、圖4B、圖5、圖6、圖7、圖8相連接。另外，在圖10中，僅是示意性地將切換電路390連接于 低通濾波器365、帶通濾波器370和匹配電^各340、 345之間，在本發(fā)明的技 術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熟悉本發(fā)明的技術(shù)人員也可以4艮容易地想到，切換電路390也 可以選擇性地連接于其他濾波器和匹配電路之間；或者，切換電路390也 可以變形為匹配電^各的一部分。
在實際應(yīng)用中，本發(fā)明圖示中的各種濾波器、寬帶功率放大器、合成 器、倍頻器或分頻器、射頻信號發(fā)生器均可以被集成在一個單一的射頻發(fā) 生器(RF generator)中，因此，本發(fā)明可以通過一個單一的射頻發(fā)生器產(chǎn)生 多種頻率的輸出，并且進(jìn)一步地，通過射頻發(fā)生器內(nèi)部的切換開關(guān)或切換 電路的配置，不僅可以共享射頻發(fā)生器內(nèi)部工作元件，從而大大節(jié)省射頻 發(fā)生器，而且可以根據(jù)等離子體反應(yīng)時的實際應(yīng)用或工藝步驟的需要，有 選擇性地組合輸出不同的工作頻率組合。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中的一種頻率 由一個獨立的射頻功率源來提供的配置相比，本發(fā)明具有較多成本和應(yīng)用 上的優(yōu)勢。
此外，本發(fā)明圖示中的射頻功率源的各種頻率輸出均連接在等離子體 反應(yīng)腔室的下電極上，可以理解，本發(fā)明的射頻功率源的各種頻率輸出也 可以依實際應(yīng)用需要部分地或全部地連接到等離子體反應(yīng)腔室的上電極 上，或同時部分地連接至上電極和下電極上。
本發(fā)明圖示中的射頻功率源可以運(yùn)用于各種需要施加射頻功率源的 反應(yīng)腔室，比如，等離子體反應(yīng)腔室，可以包括但不限于等離子體蝕刻 腔室(plasma etching reactor)、等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積反應(yīng)腔室(plasma enhanced chemical vapor deposition reactor)、 等離子體輔助型化學(xué) 氣相沉積反應(yīng)腔室(plasma assisted chemical vapor deposition reactor)。
最后，應(yīng)當(dāng)理解，此處所述的工藝和技術(shù)并不與任何特定的裝置直接 相關(guān)，它可以用任何合適的元件組合來實現(xiàn)。此外，可以根據(jù)本發(fā)明所教 示的內(nèi)容，各種類型的通用器件均可以被應(yīng)用。也可以制造專門的器材來 實現(xiàn)本專利所述的方法及步驟，并且具有一定的優(yōu)勢。本發(fā)明是參照具體 的實施方式來描述的，其所有方面都應(yīng)為示意性的解釋而非限定性的。本 領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，不同的硬件、軟件和固件的組合都可適用于實 施本發(fā)明。比如，所述的軟件可以用很多種程序或腳本語言來描述，比如 匯編、C/C++、 perl、 shell、 PHP、 Java等等。
本發(fā)明是參照具體實施方式
描述的，但其所有方面都應(yīng)為示意性而非 限定性的。此外，通過研究本專利所揭露的發(fā)明特征和實施，熟悉本發(fā)明 領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以較為容易地想出其他實施方式。本專利所述實施方 式的各種方面和/或元件可以在等離子體腔室技術(shù)中單獨或以任意組合使 用。說明書和附圖中的說明的特征和實施方式應(yīng)僅理解為示例性質(zhì)，而本 發(fā)明的真正范圍和精神則是由下列權(quán)利要求書中所定義的。
權(quán)利要求
1. 一種射頻功率源系統(tǒng)，包括輸出具有N個頻率的N個射頻信號的射頻源，其中N是大于1的整數(shù)；合成該N個射頻信號的射頻功率合成器，以輸出一個合成的射頻信號；放大該合成的射頻信號的寬帶放大器，以提供一個經(jīng)過放大的射頻信號；接收該經(jīng)過放大的射頻信號的射頻功率分離器，以提供具有N個頻率的N個經(jīng)過放大的射頻功率信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的射頻功率源系統(tǒng)，進(jìn)一步包括匹配電路，用以接 收該N個經(jīng)過^:大的射頻功率信號，并將該N個經(jīng)過^:大的射頻功率 信號加載到一等離子體反應(yīng)腔室上。
3. 如權(quán)利要求1所述的射頻功率源系統(tǒng)，其特征在于所述射頻源包括至少一個振蕩器。
4. 如權(quán)利要求1所述的射頻功率源系統(tǒng)，其特征在于所述射頻源包括 至少一個頻率合成器。
5. 如權(quán)利要求1所述的射頻功率源系統(tǒng)，其特征在于所述射頻源進(jìn)一 步包括至少一個倍頻器或分頻器。
6. 如權(quán)利要求2所述的射頻功率源系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少一個切換開關(guān)， 可將N個頻率中的預(yù)先設(shè)定的兩個頻率中的某一個選擇性地耦合到匹 配電^各。
7. 如權(quán)利要求2所述的射頻功率源系統(tǒng)，其特征在于所述匹配電路包 括若干個匹配網(wǎng)絡(luò)，每一個匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為接收N個頻率中的一個。
8. 如權(quán)利要求2所述的射頻功率源系統(tǒng)，其特征在于N為2，且所述 匹配電路包括至少一個匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置為可切換地接收所述兩個頻率 中的一個。
9. 如權(quán)利要求6所述的射頻功率源系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個并聯(lián)電容，與 該切換開關(guān)的輸入端相連接。
10. —種射頻功率源系統(tǒng)，包括第一射頻源，輸出具有第一頻率的第一射頻信號； 第二射頻源，輸出具有第二頻率的第二射頻信號； 射頻功率合成器，將第一和第二射頻信號合成，輸出一個合成的射頻信號；寬帶放大器，用以放大該合成的射頻信號，以提供一個經(jīng)過放大的信號；射頻功率分離器，用以接收該經(jīng)過放大的信號，并提供第一放大射頻功率和第二放大射頻功率；匹配電路，用以接收該第一放大射頻功率和該第二放大射頻功率。
11. 如權(quán)利要求IO所述的射頻功率源，其特征在于所述匹配電路包括一 個接收第一放大射頻功率的第一匹配網(wǎng)絡(luò)，和一個接收第二放大射頻 功率的第二匹配網(wǎng)絡(luò)。
12. 如權(quán)利要求IO所述的射頻功率源，其特征在于所述射頻功率分離器 包括至少一個濾波器。
13. 如權(quán)利要求IO所述的射頻功率源，其特征在于所述射頻功率分離器 包括至少一個低通濾波器和一個帶通濾波器。
14. 如權(quán)利要求IO所述的射頻源，其特征在于所述第一射頻源包括一個 頻率合成器。
15. 如權(quán)利要求14所述的射頻源，其特征在于所述第二射頻源包括一個 倍頻器或分頻器。
16. 如權(quán)利要求10所述的射頻源，進(jìn)一步包括用以控制激勵所述第一射頻 源和第二射頻源的控制器。
17. 如權(quán)利要求10所述的射頻功率源，進(jìn)一步包括至少一個切換開關(guān)與 該射頻功率分離器相連接，該切換開關(guān)具有一輸入端接收該經(jīng)過放大 的信號，并且還包括至少一個并聯(lián)電容與該輸入端連接。
18. —種等離子體反應(yīng)腔室，包括 真空反應(yīng)腔室，用來在其中產(chǎn)生等離子體； 射頻功率源，可提供頻率為fl的射頻功率；射頻源，可以輸出具有N個不同頻率的N個射頻信號，其中N是大 于1的整數(shù)；合成該N個射頻信號的射頻功率合成器，以輸出一個合成的射頻信號； 放大該合成的射頻信號的寬帶放大器，以提供一個經(jīng)過放大的射頻信， 接收該經(jīng)過放大的射頻信號的射頻功率分離器，以提供具有N個頻率 的N個經(jīng)過》文大的射頻功率信號；匹配電路，用以將該頻率fl以及該N個頻率中的至少一個頻率的射頻功率耦合到該真空反應(yīng)腔室中。
19. 如權(quán)利要求18所述的等離子體反應(yīng)腔室，其特征在于fl從27MHz、 60MHz、 lOOMHz以及約160MHz中選擇。
20. 如權(quán)利要求18所述的等離子體反應(yīng)腔室，其特征在于N為2，其中 N個頻率是從約2MHz和約13MHz、約2MHz和約27MHz,或約13MHz 和約27MHz中選出的兩個頻率。
21. 如權(quán)利要求18所述的等離子體反應(yīng)腔室，其特征在于N為2，并且 其中射頻源可以是數(shù)字合成器、或數(shù)字合成器加上倍頻器、或數(shù)字合 成器加上分頻器。
22. 如權(quán)利要求18所述的等離子體反應(yīng)腔室，進(jìn)一步包括至少一個切換開 關(guān)與該射頻功率分離器相連接，該切換開關(guān)具有一輸入端接收該經(jīng)過 放大的信號，并且還包括至少一個并聯(lián)電容與該輸入端連接。
全文摘要
一種應(yīng)用于等離子體反應(yīng)腔室上的射頻功率源，采用頻率合成或射頻信號振蕩器方式產(chǎn)生N個射頻信號，并通過寬帶功率放大器將該N個射頻信號功率加以放大，隨后分離該經(jīng)過放大的信號。于是射頻系統(tǒng)的輸出是具有多種頻率的射頻功率?？蛇x地，這些頻率是可以切換的，這樣使用者就可以選擇射頻功率源系統(tǒng)所輸出的頻率。本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種使用該射頻功率源的等離子體反應(yīng)腔室。
文檔編號H05H1/46GK101287327SQ20071003945
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者倪圖強(qiáng), 尹志堯, 錢學(xué)煜, 陳金元, 飯塚浩 申請人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司