上电极系统、等离子体腔室及等离子体产生方法技术方案

本发明专利技术公开了一种上电极系统、等离子体腔室及等离子体产生方法。该上电极系统包括射频电源、线圈、连接在射频电源和线圈之间的匹配器，还包括在线圈和地之间并联设置的开关组件和分压电容。本发明专利技术通过开关组件切换的方式实现匹配网络的切换，结合对等离子体的起辉状态判断和对区配体的匹配状态监测，无需人工干预即可解决起辉异常问题，并且不增加起辉步骤，减小了对工艺结果的影响。

Upper electrode system, plasma chamber and plasma generation method

The invention discloses an upper electrode system, a plasma chamber and a plasma generation method. The upper electrode system includes a radio frequency power supply, a coil, a matcher connected between the radio frequency power supply and the coil, a switch assembly and a partial voltage capacitor arranged in parallel between the coil and the ground. The invention realizes the switching of the matching network through the switching of the switch assembly. Combined with the judgment of the starting glow state of the plasma and the monitoring of the matching state of the zone ligand, the problem of abnormal starting glow can be solved without manual intervention, and the starting glow step is not increased, so as to reduce the impact on the process result.

【技术实现步骤摘要】
上电极系统、等离子体腔室及等离子体产生方法
本专利技术涉及半导体制造设备领域，具体涉及上电极系统、等离子体腔室及等离子体产生方法。
技术介绍
等离子体被广泛应用于半导体器件的生产过程中。在等离子体刻蚀或者沉积系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀或者其他工艺过程。随着超大规模集成电路的发展，由于等离子体工艺对器件的损伤问题的尤为严重，可能影响到器件的性能以及可靠性，还造成器件的永久失性，降低了成品率。通常因等离子产生的辐射、电子加速效应引起的损伤，可以通过降低功率得到解决。但是在低功率起辉时经常存在假起辉状态，即匹配器只对腔室以及其他杂散电容进行匹配，无等离子体产生。该现象在等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)、芯片刻蚀(ICETCH)以及物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)中均有出现。通常可以通过光学发射光谱(OpticalEmissionSpectroscopy,OES)，进行判定是否起辉，然而并不能解决起辉异常的问题，通常需要人为介入，通过高气压等起辉手段作为起辉步，再过渡到正常工艺过程。但是在自由基为主的化学刻蚀过程中，尤其是刻蚀精度、形貌控制要求高的工艺中，起辉步的工艺条件以及工艺时长均会对刻蚀结果有巨大影响，增加调试难度，同时降低了机台产能。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种上电极系统、等离子体腔室及等离子体产生方法。根据本专利技术的第一方面，提出一种上电极系统，包括射频电源、线圈、连接在所述射频电源和所述线圈之间的匹配器，还包括：在所述线圈和地之间并联设置的开关组件和分压电容。优选地，所述开关组件为继电器。优选地，所述继电器为耐高压真空射频继电器。优选地，所述耐高压真空射频继电器断开时的电极间结电容小于0.1pF。优选地，所述匹配器为容性元件和/或感性元件组成的L型网络、T型网络、π型网络中的一种。优选地，所述匹配器的容性元件为可调电容，感性元件为可调电感。优选地，所述分压电容为固定电容或者以固定方式使用的可变电容。根据本专利技术的第二方面，提出一种等离子体腔室，包括上述上电极系统、设置在腔室外壁上的观察窗以及设置在所述观察窗外侧的光谱仪。根据本专利技术的第三方面，提出一种等离子体产生方法，利用上述等离子体腔室产生等离子体，包括：1)断开所述开关组件，打开所述射频电源加载射频功率；2)判断所述匹配器的输入阻抗与所述射频电源的输出阻抗是否匹配，如否则报警且终止工艺，如是则进入步骤3)；3)判断所述等离子腔室中的等离子体是否起辉，如是则继续工艺，如否则进入步骤4)；4)关闭所述射频电源，将所述开关组件设置为闭合；5)打开所述射频电源，加载射频功率；6)判断所述匹配器的输入阻抗与所述射频电源的输出阻抗是否匹配，如否则报警且终止工艺，如是则进入步骤7)；7)断开所述开关组件，继续工艺。优选地，利用所述光谱仪透过所述观察窗采集所述等离子腔室中的等离子体产生的光谱，以判断等离子体是否起辉。本专利技术通过在线圈和地之间并联设置开关组件和分压电容，当在容性耦合模式下出现匹配不起辉的假匹配状态时，通过切换开关组件实现线圈直接接地，为线圈提供高起辉电压，以保证等离子体系统的起辉能力。并且结合对等离子体的起辉状态的判断和对区配体的匹配状态的监测，无需人工干预即可解决起辉异常问题，并且不增加起辉步骤，减小了对工艺结果的影响。附图说明通过结合附图对本专利技术示例性实施方式进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1示出根据本专利技术的示例性实施方案的上电极系统的示意图；图2示出包含图1所示的上电极系统的等离子体腔室的示意图；图3示出利用图2所示的等离子体腔室产生等离子体的方法的流程图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术的优选实施方式。虽然附图中显示了本专利技术的优选实施方式，然而应该理解，可以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本专利技术更加透彻和完整，并且能够将本专利技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。图1示出根据本专利技术的示例性实施方案的上电极系统的示意图。如图1所示，该上电极系统包括射频电源11、匹配器12、线圈13，并且在线圈13和地之间并联设置开关组件124和分压电容123。当开关组件124断开时，线圈13通过分压电容123接地；当开关组件124闭合时，线圈13直接接地。在正常状态下，开关组件124断开。在应用根据本专利技术的示例性实施方案的上电极系统的等离子体腔室中，上电极系统中的线圈13与等离子体腔室中的介质窗和下电极之间可以简化为三个电容串联的等效电路模型：线圈13与介质窗之间的空气电容Ca、介质窗自身等效电容Cd、介质窗与下电极之间的等效电容Cb。以上部件机械尺寸确定以后，各自形成的等效电容即确定；当线圈13上施加电压U0时介质窗下获得的电压降Ud＝(XCa+XCd)*U0/(XCa+XCd+XCb)。因此，在机械结构确定的情况下，线圈13上的电压决定系统的起辉能力。当线圈13通过分压电容123接地，分压电容123为线圈123分压，在一些工艺条件下线圈13与介质窗下方腔室的容性耦合不足，导致气体难以击穿、起辉困难，匹配器将线圈13及其他分布参数作为负载，形成假匹配。当线圈13直接接地时，相当于电容无穷大，此时线圈13上能获得最大电压，保证等离子体系统的起辉能力，因此这种方式不会出现匹配不起辉的假匹配状态。电感耦合等离子体起辉过程主要分为三个部分：一、气体未击穿时，负载阻抗大，在线圈13上形成高电压、低电流；二、通过线圈13与介质窗之间的等效电容将功率耦合进真空腔室，通过高压将气体击穿放电，此时处于容性耦合模式；三、随着等离子体密度增加，线圈上电压降低、电流增加，进入感性耦合模式。起辉异常主要发生在容性耦合模式下。本专利技术在线圈13和地之间并联设置开关组件124和分压电容123，通过开关组件124的切换，实现对线圈13通过分压电容123进行分压和线圈13直接接地之间的切换。当在容性耦合模式下出现匹配不起辉的假匹配状态时，通过切换开关组件124实现线圈13直接接地，为线圈13提供高起辉电压，以保证等离子体系统的起辉能力。在一个示例中，开关组件124为继电器，以实现线圈13与分压电容123连接和直接接地之间的自动切换。所述继电器优选耐高压真空射频继电器，其接触电阻小且稳定，适用于射频场合。所述继电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种上电极系统，包括射频电源、线圈、连接在所述射频电源和所述线圈之间的匹配器，其特征在于，还包括：在所述线圈和地之间并联设置的开关组件和分压电容。/n

【技术特征摘要】
1.一种上电极系统，包括射频电源、线圈、连接在所述射频电源和所述线圈之间的匹配器，其特征在于，还包括：在所述线圈和地之间并联设置的开关组件和分压电容。


2.根据权利要求1所述的上电极系统，其特征在于，所述开关组件为继电器。


3.根据权利要求2所述的上电极系统，其特征在于，所述继电器为耐高压真空射频继电器。


4.根据权利要求3所述的上电极系统，其特征在于，所述耐高压真空射频继电器断开时的电极间结电容小于0.1pF。


5.根据权利要求1-4任一项所述的上电极系统，其特征在于，所述匹配器为容性元件和/或感性元件组成的L型网络、T型网络、π型网络中的一种。


6.根据权利要求5所述的上电极系统，其特征在于，所述匹配器的容性元件为可调电容，感性元件为可调电感。


7.根据权利要求1所述的上电极系统，其特征在于，所述分压电容为固定电容或者以固定方式使用的可变电容。


8.一种等离子体腔室，其特征在于，包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘春明，
申请(专利权)人：北京北方华创微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11