專利名稱：射頻等離子體處理方法和射頻等離子體處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用由射頻(RF)波生成的等離子體的工藝。本發(fā)明尤其涉及同時利用不同頻率的射頻波的工藝。
使用較高頻率波的一個原因是在過程中需要降低壓力。降低工藝壓力的要求與集成度的進(jìn)一步升級也就是電路的超前的精細(xì)度非常相關(guān)。隨著電路精細(xì)度的提高，即使當(dāng)包括了例如灰塵這樣非常小的雜質(zhì)粒子的時候，將會有很大可能招致產(chǎn)品缺陷。因此，在工藝中嚴(yán)格要求通過降低壓力來防止包含雜質(zhì)粒子。
另一方面，從能夠形成更精細(xì)的圖案的觀點來說最有效的因素是降低過程壓力。例如，隨著圖案精細(xì)度的提高，像接觸孔和通孔這樣的孔的縱橫比趨于增加。為了形成具有高縱橫比的孔，經(jīng)常使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)技術(shù)。在RIE中，將從等離子體中提取的離子入射到基片上。為了利用離子入射來形成高縱橫比的孔，需要加速離子并且使它們垂直入射到基片上。然而，離子將被傾斜地入射到基片上，因為隨著與氣體分子的碰撞，它們改變了行進(jìn)方向。在較高壓力的環(huán)境中更容易發(fā)生這種情況。作為離子傾斜入射的結(jié)果，大量的離子到達(dá)孔的側(cè)壁，帶來了所謂的腰部腫脹也就是孔的弓形的問題。
在利用等離子體中氣相反應(yīng)來沉積薄膜的等離子體化學(xué)氣相淀積中，較高的壓力增加了在等離子體中產(chǎn)生的激活物質(zhì)通過碰撞而去激活的可能性。結(jié)果，剩余了大量的所謂“灰塵”的未反應(yīng)的產(chǎn)物，它可以很容易導(dǎo)致處理腔內(nèi)環(huán)境的污染。當(dāng)在基片的表面上沉積薄膜時，低汽壓力的副產(chǎn)品有時從基片表面蒸發(fā)。當(dāng)處理腔處于高壓的時候，它們可以返回到基片的表面并且停留在那里，降低了薄膜的特性。
從這些點來看，在這個領(lǐng)域中已經(jīng)強烈要求更低的處理壓力。過程加速的要求還強烈用于提高生產(chǎn)率。對于加速處理，通常，要求增加等離子體密度，也就是在等離子體中帶電微粒的數(shù)值密度。然而，在某種意義上加速處理和降低過程中的壓力彼此沖突。也就是說，如果更多地降低壓力，也就更多地減少了氣體分子數(shù)目，這樣不可避免地減少了等離子體密度。
甚至當(dāng)降低壓力的時候，為了維持足夠高的等離子體密度，提高等離子生成效率被認(rèn)為非常重要。這一點就是在射頻等離子體過程中已經(jīng)采用了較高頻率的背景。具體說，先前的過程經(jīng)常采用在中頻(MF)波段也就是300kHz到3000kHz中和在高頻(HF)波段也就是3MHz到30MHz中的頻率。然而，在最近的工藝中已經(jīng)采用了VHF波段中的頻率。隨著交變電場，較高的頻率縮短了電子的行進(jìn)方向的交變循環(huán)。這樣增加了電子與中性氣體分子相碰撞的可能性，提高了等離子體生成效率。
然而，在利用通過如在VHF波段中的較高的頻率波所產(chǎn)生的等離子體來完成工藝的情況中，從保證高的工藝特性和高的工藝可再現(xiàn)性的觀點來看還出現(xiàn)了另一個問題。例如，在等離子體處理中，如在所述的RIE中經(jīng)常從等離子體中提取離子并且使它入射到基片上。對于離子入射，要求應(yīng)用在其中其電位從等離子體朝著基片逐漸降低的電場。這個電場通常對應(yīng)于護(hù)層(sheath)電場。護(hù)層電場是出現(xiàn)在等離子體和與等離子體接觸的固體之間的一個電場。在等離子體處理中，當(dāng)通過與地隔絕將浮動電位設(shè)定給基片的時候，能夠使它應(yīng)用相對于等離子體的等離子體電位(0V)相反的護(hù)層電場。這個負(fù)的護(hù)層電場從等離子體中提取離子并且使它們?nèi)肷湓诨稀?br> 然而，提高用于等離子體生成的波的頻率帶來了削弱護(hù)層電場的問題。因為頻率太高不但離子而且電子也很難跟隨電場交變，由此產(chǎn)生了這個問題。經(jīng)常通過在基片上生成自偏電壓來執(zhí)行離子到基片的入射，自偏電壓能夠通過將RF電壓應(yīng)用到基片上來形成。然而，如果為了生成自偏電壓而采用像在VHF波段中這樣的較高頻電壓，則因為減少了隨著電場交變的電子運動，不能生成足夠量的自偏電壓。
另外，在例如等離子體CVD這樣的過程中，離子入射的數(shù)量和入射能量的級別必須保持在一個最佳范圍之中，因為它們影響過程。另一方面，在將RF波應(yīng)用于等離子體生成中還有另一個最佳條件，它與離子入射的最佳條件經(jīng)常是不相容的。
考慮到這些問題，近來已經(jīng)采納了兩種不同的頻率。例如，用于等離子體生成的一個頻率是在VHF波段中，而用于離子入射到基片上的另一個頻率是在比VHF波段更低的HF波段中。
然而，從本發(fā)明人的研究來看，事實上，兩種不同頻率的使用，例如在VHF波段和HF波段中，帶來了不能被忽視的一些問題。具體說，它帶來了因為RF能量與等離子體的耦合變得不充足所以不能很好的保持等離子體的問題，和等離子體在其初態(tài)中變得不穩(wěn)定的問題。
圖2是安裝在如

圖1中所示的控制器7中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖3是在如圖2中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖4顯示在通過阻抗匹配元件執(zhí)行阻抗匹配的時候通過射頻氣體放電來生成等離子體的過程中反射波強度的進(jìn)程。
圖5顯示用HF波調(diào)制的VHF波。
圖6是作為本發(fā)明的第二實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。
圖7說明自偏電壓。
圖8是在第二實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖9是在如圖8中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖10是作為本發(fā)明的第三實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。
圖11顯示在作為第三實施例的系統(tǒng)中所提供的等離子體生成匹配元件41和匹配元件控制器44的詳細(xì)資料。
圖12說明由如圖10和11中所示的匹配元件控制器44執(zhí)行的等離子體生成匹配元件41的控制。
圖13是在第三實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖14是在如圖13中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖15是在第四實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖16是在如圖15中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖17是在第五實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖18是在如圖17中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖19是在第六實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖20是在如圖19中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
圖21是作為本發(fā)明的第七實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。
圖22是在第七實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。
圖23是在如圖22中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
在圖中，“PGPS”代表“等離子體生成電源”，“IIPS”代表“離子入射電源”?！癙.D.I.P.”意思是“預(yù)置的放電點火點”，“B.P.”意思是“最佳點”，“P.B.P.”意思是“預(yù)置的最佳點”，“P.G.”意思是“等離子體生成”。
等離子體生成裝置包括射頻電極3，和將射頻電壓施加到射頻電極3上由此生成等離子體的射頻電源4。射頻電源4在下文中被稱作“等離子體生成電源”。這個系統(tǒng)包括另一個射頻電源50。與等離子體生成電源4分開，提供射頻電源50用于從等離子體中提取離子并且使它們?nèi)肷涞交?上。電源50在下文中被稱作“離子入射電源”。離子入射電源50與基片座5相連。
處理腔1是一個氣密的真空室。裝載-鎖定(load-lock)室(沒有顯示)與處理腔1相連接，插入了閘閥(沒有顯示)。泵導(dǎo)管11能夠通過像渦輪分子泵或者擴(kuò)散泵這樣的真空泵將處理腔1抽成所需的真空壓力。
圖1中所示的系統(tǒng)是一個用于執(zhí)行蝕刻過程的系統(tǒng)。具體說，處理氣體導(dǎo)入管2將具有蝕刻功能的處理氣體例如氟化物氣體導(dǎo)入。處理氣體導(dǎo)入管2包括閥門21和通過它導(dǎo)入處理氣體的氣體流量控制器22。
射頻電極3是與基片座5平行面對的圓形板。射頻電極3通過插入絕緣體31與處理腔1的頂壁氣密配合。等離子體生成電源4通過阻抗匹配元件41連接到射頻電極3。阻抗匹配元件41在下文中被稱為“等離子體生成匹配元件”。將同軸管42用作從阻抗匹配元件41到射頻電極3的傳輸線。同軸管基本由內(nèi)導(dǎo)體421和外導(dǎo)體422組成。外導(dǎo)體422是圓柱形并且與內(nèi)導(dǎo)體421同軸。同軸管42與射頻電極3同軸。
基片座5是一個用于支撐在上表面上的基片9的一種基座?；?被支撐在與射頻電極3同軸的位置處。基片9很薄并且是圓形板。射頻電極3和基片座5也是圓柱形的。
基片座5具有靜電地夾緊基片9的功能。在圖1中沒有清楚顯示，基片座5的上面部分由在其中掩埋了卡緊電極(沒有顯示)的介電材料構(gòu)成。提供卡緊電源(沒有顯示)將DC電壓施加到夾緊電極上。當(dāng)施加DC電壓的時候，在基片座5的上表面上感生出靜電，由此以靜電方式夾緊基片9。
基片座5通常被用作與射頻電極3一起形成放電空間的另一個射頻電極。與射頻電極3同軸地定位基片座5，并且與它平行面對。換句話說，基片座5和射頻電極3組成平行的平面電極結(jié)構(gòu)。
在處理腔1的底板上向下提供同軸圓筒。圓筒62具有底板。圓筒62由金屬制成并且底板的中心接地。因此，從DC來看處理腔1是地電位?；?通過絕緣體52與處理腔1絕緣。因此，基片座5從地向上浮動，達(dá)到浮動電位。
基片座5由同軸提供的柱狀體61來支撐。圓筒62、柱狀體61、基片座5和處理腔1全都彼此同軸。通過由金屬制成的柱狀體61來連接離子入射電源50。在圓筒62中提供阻抗匹配元件51。離子入射電源50通過阻抗匹配元件51將射頻電壓施加到基片座5上。阻抗匹配元件51在下文中被稱為“離子入射匹配元件”。
圍繞著基片座5提供了遮護(hù)板12。遮護(hù)板12是圓柱形并且與基片9以及基片座5同軸。遮護(hù)板12是防止在基片座5周圍放電。基片座5、遮護(hù)板12、處理腔1的底板，圓筒62，柱狀體61和其他組件優(yōu)選組成在等離子體生成電源4的頻率處共振的諧振器。這是因為由RF看來，共振使得基片座5處于接地狀態(tài)。在共振狀態(tài)中，施加在射頻電極3和基片座5之間的射頻電壓被最大化，使得射頻以最大效率放電。
現(xiàn)在，本實施例的系統(tǒng)是所描述的一種雙頻類型。具體說，等離子體生成電源4生成頻率在VHF波段也就是60MHz的射頻波。另一方面，離子入射電源50生成頻率在HF波段也就是13.56MHz的射頻波。等離子體生成電源4的輸出水平是500W到10kW，離子入射電源50的輸出水平是0到10kW。
本實施例的系統(tǒng)包括電源監(jiān)視器43。電源監(jiān)視器43監(jiān)視在從等離子體生成電源4到射頻電極3的傳輸線上反射波功率與行波功率的比例。電源監(jiān)視器43可以是包括定向耦合器的一個監(jiān)視器。
最能表述本實施例特征的一點是提供了控制器7用來控制等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時。這一控制將優(yōu)化雙頻等離子體處理。包括這一操作定時控制，控制器7為系統(tǒng)的每一部分執(zhí)行順序控制?？刂破?包括通過其輸入用于順序控制的信號的輸入端口71，在其中安裝順序控制程序70的內(nèi)存或者存儲器72，依據(jù)來自輸入端口71的信號執(zhí)行順序控制程序70的處理器73，和通過其輸出用于順序控制的信號的輸出端口74。在從電源監(jiān)視器43到輸入端口71的線路上提供了模數(shù)(模擬到數(shù)字)轉(zhuǎn)換器75。除了電源監(jiān)視器43以外，系統(tǒng)包括用于監(jiān)視系統(tǒng)每個部分的監(jiān)視器和探測器(沒有顯示)。來自它們的信號通過其他模數(shù)轉(zhuǎn)換器(沒有顯示)被輸入到輸入端口71。
參考圖2和圖3，安裝在控制器7中的順序控制程序70將描述如下。下列描述對應(yīng)于關(guān)于射頻等離子體處理方法的實施例的描述。圖2是安裝在如圖1中所示的控制器7中的順序控制程序70的示意性流程圖。圖3是在如圖2中所示的順序控制程序70中等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作的定時圖。圖2示意性顯示了等離子體生成和用于離子入射的電壓提供的摘錄部分。在圖3中“等離子體生成的情況”的部分示意性顯示在放電空間處氣體電離度的變換。當(dāng)電離度在增加以后固定在穩(wěn)定的高值的時候等離子體能夠被認(rèn)為是“穩(wěn)定地產(chǎn)生”。
通過泵導(dǎo)管11預(yù)先將處理腔1抽成所需的真空壓力。順序控制以通過氣體導(dǎo)入管2導(dǎo)入處理氣體開始。控制器7將信號提供給氣體導(dǎo)入管2以所需的流速引入處理氣體?？刂破?還將信號提供給泵導(dǎo)管11將處理腔1中的真空壓力保持在所需的值。
在由提供在氣體導(dǎo)入管2上的流速監(jiān)視器(沒有顯示)和提供在泵導(dǎo)管11上的真空計(未示出)確認(rèn)壓力和流速保持在所需值以后，順序控制程序70最初啟動等離子體生成電源4的操作。通過等離子體生成匹配元件41將射頻電壓提供到射頻電極3。與開始等離子體生成電源4的操作同時，順序控制程序70啟動定時器。當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)置等待時間的時候，順序控制程序70啟動離子入射電源50的操作。將射頻電壓施加到基片座5上以便于在基片9上生成自偏壓電壓。結(jié)果，提供了用于離子入射的電場。
在順序控制程序70中，在啟動等離子體生成電源4以后直到啟動離子入射電源50，將預(yù)置等待時間提供作為時滯。確定預(yù)置等待時間以便于在等離子體固定在穩(wěn)定狀態(tài)以后能夠?qū)㈦x子入射射頻電壓施加到基片座5上。這一點將在隨后被詳細(xì)描述。
從本發(fā)明人的研究來看，當(dāng)同時啟動像等離子體生成電源4這樣的VHF電源和像離子入射電源50這樣的HF電源的操作的時候可能出現(xiàn)等離子體生成無能的關(guān)鍵錯誤。具體說，如果同時開始兩個不同頻率的電源的操作，則在等離子體轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)以前可能通過保護(hù)電路強迫中止電源。
圖4顯示當(dāng)通過阻抗匹配元件執(zhí)行阻抗匹配的時候在通過射頻氣體放電來生成等離子體的過程中反射波量的進(jìn)程。正如所知的，在通過射頻氣體放電的等離子體生成的機制中，最初存在的電子通過電場加速并且與中性氣體分子相碰撞，發(fā)生了初始電離。通過初始碰撞釋放出的二次電子與另一個中性氣體分子相碰撞，電離它。隨著重復(fù)進(jìn)行這些步驟，電子和離子的數(shù)目迅速增加，由此引起了放電。然后，在氣體分子中電離化變得占優(yōu)勢。結(jié)果，氣體轉(zhuǎn)換成等離子體狀態(tài)。
通常，設(shè)計在射頻電源和作為載荷的放電空間之間提供的阻抗匹配元件，例如在本實施例中等離子體生成匹配元件41，使得在等離子體生成的時候能夠優(yōu)化負(fù)荷端的阻抗。換句話說，設(shè)計它以便于在等離子體生成的時候負(fù)荷端阻抗能夠精確匹配管線的特性阻抗，將反射波最小化并且將與等離子體耦合的功率最大化。
這里，如圖4中所示，當(dāng)施加射頻電壓的初始狀態(tài)下，在放電空間處的氣體電離度仍然很低并且空間阻抗仍然很高。因此，電路稍微離開優(yōu)化匹配狀態(tài)，具有一些反射波量。然而，將射頻功率連續(xù)提供給放電空間。隨著提供的功率促進(jìn)了中性氣體分子的電離，氣體的電離度逐漸增加。氣體轉(zhuǎn)換到接近等離子體狀態(tài)。與此相伴隨的，逐漸減少了在放電空間處的阻抗。因為包括放電空間處的阻抗的負(fù)荷端阻抗變成接近匹配特性阻抗的值，所以反射波也逐漸減少。當(dāng)?shù)入x子體已經(jīng)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定階段的時候，反射波也固定在穩(wěn)定的低值。
通常控制射頻電源使得輸出水平能夠是常數(shù)。提供了反射波監(jiān)視器用于監(jiān)視來自負(fù)荷的反射波。另外，提供了保護(hù)電路來保護(hù)射頻電源。當(dāng)反射波過度增加的時候射頻電源的輸出電壓通過保護(hù)電路自動下降。
在通過射頻氣體放電這樣的等離子體生成中，一般，當(dāng)為了等離子體生成，在施加在VHF波段中的射頻波以外，還施加在HF波段中的射頻波的時候，如圖4中所示，VHF波段的反射波有時將不減少反而增加。當(dāng)將VHF波和HF波施加到同一放電空間的時候，放電空間中的電場是在以HF波調(diào)制VHF波的狀態(tài)中。在這一狀態(tài)中，還以HF波來調(diào)制返回到電源側(cè)的反射VHF波。圖5顯示用HF波調(diào)制的VHF波。圖5(1)顯示在施加VHF波并且完成優(yōu)化阻抗匹配以后施加HF波的情況中的調(diào)制。圖5(2)顯示在施加VHF波以后和完成優(yōu)化阻抗匹配以前施加HF波的情況中的調(diào)制。
如在圖5(1)中所示，當(dāng)將HF波施加到在其中在優(yōu)化阻抗匹配的情況下已經(jīng)施加了VHF波的放電空間上的時候，用HF波調(diào)制的反射VHF波不具有很大的峰值，因為反射本身就小。相反的，如在圖5(2)中所示的，在當(dāng)放電空間不處于被施加的VHF波的頻率處的優(yōu)化阻抗匹配的時候施加HF波的情況中，以HF波調(diào)制的反射VHF波具有很大的峰值，因為反射本身是大的。反射波監(jiān)視器捕獲這樣的大峰值并且將警告信號發(fā)送到保護(hù)電路。結(jié)果，如圖4中所示，保護(hù)電路使得用于VHF波的電源下降。
在本實施例中的預(yù)置等待時間來自如上所述的調(diào)查和考慮。預(yù)置等待時間的目的是在來自射頻電極3的第一頻率的反射波不是過分大的狀態(tài)下疊加用于離子入射的射頻波。為了這個目的，在放電空間轉(zhuǎn)換到優(yōu)化匹配的狀態(tài)以后，提供預(yù)置等待時間來啟動離子入射電源50的操作。在這實施例中，從啟動射頻電壓供應(yīng)直到在優(yōu)化阻抗匹配下等離子體穩(wěn)定的期間約一秒。因此，在這實施例中預(yù)置等待時間是兩秒，包括安全限度。
下列是關(guān)于本實施例的系統(tǒng)的整個操作的描述，它為關(guān)于本實施例的射頻等離子體的處理方法的描述所共有。基片9從大氣端傳送到負(fù)荷鎖定燃燒室(沒有顯示)。在將負(fù)荷鎖定燃燒室和處理腔1抽成所需的真空壓力以后，打開閘閥(沒有顯示)。然后通過傳送機械裝置(沒有顯示)將基底9傳送到處理腔1。基片9被放置在基片座5上所需的位置處?？ňo電源(沒有顯示)工作來卡緊在基片座5上的基片9。
在關(guān)閉閘閥后，處理氣體導(dǎo)入管2工作，由此以所需的流速來導(dǎo)入具有蝕刻功能的處理氣體。在這個狀態(tài)中，如所述的開始等離子體生成電源的初始操作，由此引起射頻放電來生成等離子體。在已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置等待時間以后，開始離子入射電源50的操作，由此在基片9上生成自偏電壓。在等離子體中產(chǎn)生原子團(tuán)、激活的物質(zhì)和離子。那些物質(zhì)到達(dá)基片9，由此蝕刻基片9的表面。
在蝕刻氧化硅時，例如，引入碳氟化合物14(CF4)和氫(H2)的氣體混合物作為處理氣體。在等離子體中制造了氟化物或者氟的原子團(tuán)、激發(fā)物質(zhì)和離子，以及氫的原子團(tuán)、激發(fā)物質(zhì)和離子。這些物質(zhì)與存在于基片9的表面上的氧化硅反應(yīng)，產(chǎn)生了例如氟化硅和水這樣的揮發(fā)物。在這樣的機理下，執(zhí)行氧化硅的蝕刻。因為在基片9上生成了自偏電壓，它能夠通過入射離子的轟擊能量來促進(jìn)蝕刻，能夠通過垂直入射在基片9上的離子來獲得具有較小邊緣蝕刻的很好的蝕刻構(gòu)造。
在執(zhí)行這樣的蝕刻持續(xù)了所需時間以后，停止等離子體生成電源4、離子入射電源50和處理氣體導(dǎo)入管2的操作。再次泵吸處理腔1，并且從靜電卡盤中釋放基片9。然后，將基片9從基片座5中拾起，并通過負(fù)荷鎖定燃燒室傳送到大氣端。重復(fù)這樣的步驟，在每個基片9上執(zhí)行逐片蝕刻處理。
所描述的本實施例的系統(tǒng)消除了等離子體生成電源4由于反射波的意外增加而下降的故障。這是因為在已經(jīng)通過等離子體生成電源提供了VHF功率的放電空間中建立了最佳阻抗匹配以后才啟動通過離子入射電源50的HF功率提供。因此，系統(tǒng)能夠始終穩(wěn)定地生成等離子體，具有很高的可靠性。
接著，將描述作為本發(fā)明的第二實施例的系統(tǒng)。圖6是作為本發(fā)明的第二實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。為了進(jìn)一步優(yōu)化，這個系統(tǒng)包括用于確認(rèn)等離子體生成的裝置。與之相伴隨的，修改了在控制器7中的順序控制程序70。
作為用于確認(rèn)等離子體生成的裝置，系統(tǒng)還包括兩個部分。一個是用來監(jiān)視在處理腔1中生成的等離子體的等離子體監(jiān)視器81。另一個是用來檢測在射頻電極3處的自偏電壓的自偏電壓探測器82。不要求系統(tǒng)總是包括兩個部分。任意一個就足夠用于確認(rèn)等離子體生成。
等離子體監(jiān)視器81通過接受從等離子體發(fā)出的光來監(jiān)視等離子體生成。具體說，等離子體監(jiān)視器81包括像照度計或分光鏡這樣的光學(xué)測量儀器。在處理腔1的側(cè)壁提供光學(xué)窗口811。光學(xué)窗口811由對于接受的光的波長來說足夠透明的材料構(gòu)成。等離子體監(jiān)視器81通過光學(xué)窗口811接收在處理腔1內(nèi)部從等離子體發(fā)射的光。
自偏電壓探測器82檢測在射頻電極3處來自電位交變的自偏電壓的大小。圖7說明自偏電壓。如圖7中所示，當(dāng)通過電容將射頻電壓V1施加到射頻電極3上的時候，隨著在射頻電壓V1上疊加負(fù)的DC電壓Vdc，在射頻電極3處的表面電位改變，用V2標(biāo)志。這個Vdc是自偏電壓。
通常，當(dāng)通過電容將射頻電壓施加到與等離子體相接觸的物體的時候，自動產(chǎn)生自偏電壓。自偏電壓由在等離子體中電子和離子之間不同的遷移率所引起，并且負(fù)偏置了物體。
自偏壓探測器82計算在射頻電極3處被檢測的電位交變的時間平均值或者波峰到波峰的平均值。然后通過比較計算值和地電位來獲得自偏電壓的大小。如圖6中所示，自偏電壓探測器82檢測內(nèi)導(dǎo)體421處的電位。在這一部件的電位實際上與射頻電極3相同。
參考圖8和圖9，將描述在第二實施例中的順序控制程序70。圖8是在第二實施例中順序控制程序70的示意性流程圖。圖9是在如圖8中所示的順序控制程序70中等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
在確認(rèn)以所需的流速引入處理氣體和將處理腔保持在所需的真空壓力以后，順序控制程序70開始等離子體生成電源4的操作。在開始施加射頻電壓的同時或者之前，順序控制程序70開始接收來自等離子體監(jiān)視器81和自偏電壓探測器82的信號。
如所述的，施加到射頻電極3上的射頻電壓導(dǎo)致放電空間處的絕緣擊穿，引起放電。隨著電離度迅速增加，開始等離子體生成。當(dāng)?shù)入x子體密度增加到某種程度時，順序控制程序70利用來自等離子體監(jiān)視器81和自偏壓監(jiān)視器82的信號來確認(rèn)等離子體生成。如圖8中所示，順序控制程序70在確認(rèn)等離子體生成的時刻啟動定時器。
當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)置等待時間的時候，順序控制程序70開始離子入射電源50的操作。結(jié)果，將射頻電壓施加到基片座5上，由此在基片9處生成自偏電壓。利用自偏電壓施加離子入射電場。
還在第二實施例中，因為在已經(jīng)經(jīng)過了用于等離子體穩(wěn)定的足夠時間以后提供了HF功率，所以從沒有發(fā)生由于反射波的增加等離子體生成電源4下降的故障。另外，當(dāng)在開始等離子體生成電源4的操作以后確認(rèn)等離子體生成的時候啟動定時器。因此，系統(tǒng)消除了在沒有生成等離子體的狀態(tài)中可能錯誤操作離子入射電源50的故障。
在第二實施例中預(yù)置等待時間可以是0秒或者更多的任意值。也就是，在確認(rèn)等離子體生成的時候可以同時啟動離子入射電源5的操作。在生成等離子體的過程中，來自等離子體監(jiān)視器81和自偏電壓探測器82的信號不斷增加。考慮到在這些信號的多少數(shù)量下能夠被認(rèn)為“生成”了等離子體，恰當(dāng)確定預(yù)置等待時間的長度。另外，從等離子體生成到等離子體穩(wěn)定的時間依賴于像壓力這樣的因素。考慮這樣的因素，恰當(dāng)確定預(yù)置等待時間。
接著，將描述本發(fā)明的第三實施例。圖10是作為本發(fā)明的第三實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。第三實施例的特點是考慮到在等離子體生成以前和以后放電空間處阻抗的不同而優(yōu)化了系統(tǒng)。具體說，如圖10中所示，第三實施例的系統(tǒng)還包括匹配元件控制器44。為了同樣的目的，還修改了在控制器7中的順序控制程序70。
圖11顯示了在第三實施例中提供的等離子體生成匹配元件41和匹配元件控制器44的詳細(xì)資料。如在圖11中所示，等離子體生成匹配元件41包括電阻器411，在電阻器41的每一端和地面之間提供的一對可變電容器412、413。電阻器411的一端連到等離子體生成電源4，另一端連接負(fù)荷，也就是連到射頻電極3。
匹配元件控制器44包括一對電動機441、442，用于電動機441、442的一對驅(qū)動裝置443、444，和控制驅(qū)動裝置443、444的控制裝置445。為了改變每個電容量，每個電動機441、442將每個可變電容器412、413的一個電極相對于另一個所述電極移動。作為每個電動機441、442，最好使用高性能的伺服電動機。
圖12說明通過如圖10和圖11中所示的匹配元件控制器44對等離子體生成匹配元件41的控制。如所知的，阻抗匹配是匹配負(fù)荷端阻抗與傳輸線的特性阻抗，由此防止了波的反射。如圖11中所示，通過可變電容器412、413來協(xié)調(diào)從等離子體生成匹配元件41到負(fù)荷端的阻抗，使得在本實施例中阻抗匹配。這是因為如在本發(fā)明的使用射頻波的系統(tǒng)中電容的變化比電阻的變化更能影響整個阻抗。改變電容比改變電阻更有效。
等離子體生成匹配元件41的阻抗是要為在將第一頻率的射頻波施加到射頻電極3中為阻抗匹配而提供的。在下文中這個阻抗被稱為“匹配阻抗Zm”。在等離子體生成匹配元件41的結(jié)構(gòu)中，匹配阻抗Zm是可變電容器412、413的電容的函數(shù)。這里，電容是如圖12中的C1和C2，匹配阻抗Zm被表達(dá)為Zm＝f(C1，C2)。
在如本發(fā)明通過射頻氣體放電來生成的等離子體中，應(yīng)該值得關(guān)注的一點是，作為負(fù)荷的放電空間處的阻抗在點燃放電以前和以后變化。在引起放電之前，雖然引入了氣體，但放電空間是具有很高阻抗的絕緣體。相反的，在通過放電生成等離子體以后，因為作為群體的等離子體相應(yīng)于導(dǎo)體，所以在放電空間處的阻抗降低了。在生成等離子體的狀態(tài)中，空間阻抗非常依賴護(hù)層電容。畢竟，應(yīng)該考慮阻抗匹配，區(qū)別前放電點火和后放電點火的不同。
這里考慮引起放電所必需的阻抗匹配條件。引起放電所必需的阻抗匹配條件是導(dǎo)致在放電空間處絕緣擊穿所必需的一個條件。這個條件是比較廣泛的。在圖12中通過陰影所示的是在本實施例中用于滿足引起放電所必須的條件的范圍，在下文中被稱作“放電點火可能范圍”。在圖12中通過陰影所指示的范圍是作為電容C1和C2函數(shù)的匹配阻抗Zm的范圍。當(dāng)在放電空間處的壓力增加的時候放電點火可能范圍傾向于更寬。
另一方面，在放電點火以后阻抗匹配將有效地保持等離子體。理想狀態(tài)是射頻功率與等離子體耦合的比例被最大化，使得反射最小化。確立這種理想狀態(tài)的阻抗匹配條件是非常窄小的，能夠被稱為“精確條件”。這個條件在下文中被稱作“最佳點”。
盡管最佳點阻抗匹配條件可能偶然位于放電點火可能范圍內(nèi)，但在許多情況中在范圍以外。因此，最好是當(dāng)在放電點火可能范圍以內(nèi)執(zhí)行阻抗匹配的時候在引起放電以后將阻抗匹配條件轉(zhuǎn)換到最佳點。為實現(xiàn)這個想法，匹配元件控制器44初始執(zhí)行阻抗匹配，在其中表示為z＝f(C1，C2)的匹配阻抗Zm是在放電點火可能范圍以內(nèi)，然后轉(zhuǎn)換到最佳點。在放電點火可能范圍之內(nèi)的匹配阻抗Zm的初始值在下文中被稱為“預(yù)置放電點火點”。
在本實施例中，預(yù)先用實驗方法確定預(yù)置放電點火點。具體說，當(dāng)將處理腔1保持在大約4Pa的真空壓力而不產(chǎn)生處理氣體時，在與實際工藝中相同電平處將射頻功率提供到射頻電極3。雖然在這個情況中沒有引起放電，但是當(dāng)通過驅(qū)動可變電容器412、413改變匹配阻抗Zm的時候，來自射頻電極3的反射波改變。存儲使來自射頻電極3的反射波最小化的電容C1、C2的值，將從存儲的值C1、C2中獲得的匹配阻抗Zm的值確定為預(yù)置放電點火點?？刂破?還存儲被確定的預(yù)置放電點火點。
在本實施例中，依據(jù)來自電源監(jiān)視器43的信號來執(zhí)行在最佳點處的阻抗匹配。接收來自電源監(jiān)視器43的信號，控制裝置445控制驅(qū)動裝置443、444以便于能夠最小化反射波與行波的比例。
更具體描述這個控制，設(shè)可變電容器412為第一電容器，用于它的電動機441為第一電動機，可變電容器413為第二電容器，用于它的電動機442為第二電動機。在第一和第二電容器412、413處，電容增加的驅(qū)動方向是“+”，電容減小的驅(qū)動方向是“-”。
控制裝置445將信號發(fā)送到驅(qū)動裝置443以便于第一電容器412能夠被驅(qū)動到例如+方向。同時，如果反射波增加，控制裝置445將第一電容器412反向驅(qū)動到一方向。以相同的方式，當(dāng)減少的反射波轉(zhuǎn)到增加的時候，經(jīng)過最小值，將第一電容器412驅(qū)動到相反方向。作為伺服電動機的第一電動機441服從負(fù)反饋控制以便于反射波能夠最小化。以相同的方式控制用于第二電容器413的第二電動機442以便于反射波能夠最小化。
圖12中的軌跡指示作為由匹配元件控制器44控制的結(jié)果C1和C2如何轉(zhuǎn)變。如圖12中所示，當(dāng)引起放電的時候C1和C2最初與預(yù)置放電點火點一致。在放電點火以后，通過來自電源監(jiān)視器43的信號來執(zhí)行自動的負(fù)反饋控制，使得C1和C2不穩(wěn)定的變化。當(dāng)?shù)入x子體穩(wěn)定的時候，C1和C2也轉(zhuǎn)變到與最佳點相一致的穩(wěn)定值。在等離子體穩(wěn)定的狀態(tài)中，使得電容器412、413的驅(qū)動容量也就是電動機441、442的旋轉(zhuǎn)角最小化。匹配元件控制器44始終將電容器412、413的驅(qū)動容量輸出到控制器7。當(dāng)確認(rèn)驅(qū)動量減少到低于預(yù)置值的時候，控制器7判定等離子體穩(wěn)定。
作為匹配阻抗Zm固定在自動控制中的點的最佳點不總是相同的。在每次處理中它可以改變。這種改變發(fā)生在處理條件也就是在處理腔1中的壓力和處理氣體的種類發(fā)生改變的情況中。除了這種情況以外，它還發(fā)生在在處理腔1的內(nèi)隔墻上發(fā)生沉積的情況中。匹配元件控制器44控制等離子體生成匹配元件41，在任何情況中追蹤最佳點。
參考圖13和圖14，本實施例中的順序控制程序70將描述如下。圖13是在第三實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。圖14是在如圖13中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。在圖14中，“匹配阻抗Zm”部分示意地顯示了作為示例的匹配阻抗Zm的變化。
和所述實施例一樣，在確認(rèn)以所需的流速引入處理氣體和將處理腔保持在所需真空壓力以后，順序控制程序70啟動等離子體生成電源4的操作。順序控制程序70已經(jīng)預(yù)先將信號發(fā)送到匹配元件控制器44以便于能夠在預(yù)置的放電點火點處進(jìn)行阻抗匹配。匹配元件控制器44已經(jīng)使得驅(qū)動裝置443、444預(yù)先驅(qū)動用于預(yù)置的放電點火點的可變電容器412、413。
當(dāng)通過等離子體生成電源4將射頻電壓施加到射頻電極3上的時候，在放電空間處發(fā)生絕緣擊穿來引起放電，從而生成等離子體。在射頻電壓供應(yīng)啟動的同時或者以前，順序控制程序70已經(jīng)開始接收來自等離子體監(jiān)視器81和自偏電壓探測器82的信號。
在通過來自等離子體監(jiān)視器81和自偏電壓探測器82的一個或者兩個信號確認(rèn)等離子體生成以后，順序控制程序70將信號發(fā)送到匹配元件控制器44以便于切換阻抗匹配控制。結(jié)果，將通過匹配元件控制器44的控制切換到為最佳點的自動控制。同時，控制器啟動定時器。
匹配元件控制器44依據(jù)來自電源監(jiān)視器43的信號驅(qū)動可變電容器412、413，由此執(zhí)行用于最佳點的自動負(fù)反饋控制。當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)置等待時間的時候，順序控制程序70啟動離子入射電源50的操作。結(jié)果，將射頻電壓施加到基片座50上，由此在基片9上生成自偏電壓。通過這個電壓施加用于離子入射的電場。
在本實施例中，當(dāng)在預(yù)置放電點火點執(zhí)行阻抗匹配控制的時候引起放電，并且在確認(rèn)等離子體生成以后執(zhí)行用于最佳點的阻抗匹配的自動控制。因此，在放電點火的時候和等離子體生成以后確保了最佳阻抗匹配。因此，在放電點火的時候和在等離子體生成的時候，使反射波最小化，提高了用于放電點火和等離子體保持的功率效率。
在第三實施例中，不需要總是執(zhí)行自動控制來追蹤用于穩(wěn)定保持等離子體的最佳點。例如，實際上還預(yù)置用于穩(wěn)定的等離子體保持的匹配阻抗Zm的最優(yōu)值，和在確認(rèn)等離子體生成以后從預(yù)置放電點火點切換到預(yù)置值。
從預(yù)置放電點火點到最佳點的切換是與確認(rèn)等離子體生成同時的，偶爾更可取的是放入一個時滯。在不高于3Pa的低壓中引起放電的情況中，對于等離子體來說在引起放電以后到轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定態(tài)要花稍長時間。這個時間最長不超過3秒。因此，優(yōu)選在射頻電壓施加到射頻電極3上以后已經(jīng)經(jīng)過了包括安全裕度的大約6秒鐘的時候轉(zhuǎn)換到最佳點。同樣在這個情況中，當(dāng)在轉(zhuǎn)換到最佳點以后已經(jīng)經(jīng)過大約2秒鐘的時候啟動入射離子電源50的操作。
在第三實施例中，還有更可取的是在基片9上將離子入射電源50逐漸增加到為了過程而優(yōu)化的預(yù)置電平。具體說，輸出功率在0.5到6秒中逐漸增加到預(yù)置最佳電平。如果輸出電平迅速增加，它大大地改變了放電空間的條件和等離子體的狀態(tài)。在這樣的情況中，有可能發(fā)生等離子體生成匹配元件41的自動控制不能跟隨這種變化，通過互鎖使得離子入射電源50的輸出降低，也就是，緊急輸出為了自保護(hù)而停止。為了防止這樣的事故，最好在半秒或者更多的時間中將輸出增加到預(yù)置最佳電平。如果這個時間超過6秒，從生產(chǎn)率來看這是有問題的。因此，最好不超過6秒鐘。
接著，將描述本發(fā)明的第四實施例。第四實施例在順序控制程序70中與所述的第三實施例不同。其他的部分基本上相同。圖15是在第四實施例中順序控制程序70的示意流程圖。圖16是在如圖15中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
很能描述第四實施例的特征的一點是在通過來自電源監(jiān)視器43的信號來確認(rèn)等離子體穩(wěn)定以后啟動離子入射電源50的操作。具體說，也如在第三實施例中，通過在預(yù)置放電點火點處執(zhí)行阻抗匹配控制的時候所操作的等離子體生成電源4來生成等離子體。電源監(jiān)視器43測量反射波與行波的比例，并且通過AD轉(zhuǎn)換器75將它發(fā)送到控制器7。順序控制程序70在確認(rèn)等離子體生成以后將控制切換到用于最佳點的自動控制。在自動控制進(jìn)程中，等離子體轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)。
在等離子體轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)的過程中，如圖16中所示反射波逐漸減小。順序控制程序70判斷反射波是否已經(jīng)穩(wěn)定在低于預(yù)置參考水平的水平上。如果返回的值為真，這意味著判斷出等離子體已經(jīng)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)。在這個時間中，順序控制程序70啟動用于施加離子入射電場的離子入射電源50的操作。
本實施例的系統(tǒng)消除了在等離子體還沒有轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定態(tài)的情況中可能錯誤操作離子入射電源50的事故，因為離子入射電源50是在確認(rèn)等離子體穩(wěn)定以后操作的。至于反射波的預(yù)置參考水平，例如，它能夠是行波的百分之二十。
接著，將描述本發(fā)明的第五實施例。第五實施例在順序控制程序70中與所描述的實施例不同。其他部分基本上相同。圖17是在第五實施例中順序控制程序70的示意性流程圖。圖18是在如圖17中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
預(yù)先使匹配元件控制器44在預(yù)置放電點火點處執(zhí)行阻抗匹配控制，在第五實施例中的順序控制程序70啟動等離子體生成電源4的操作，從而引起放電。在啟動等離子體生成電源4的操作的時候，順序控制程序70將控制轉(zhuǎn)換到用于最佳點的自動控制。另外在啟動等離子體生成電源4的操作的時候，啟動定時器。
隨著在放電點火之后氣體電離度增加，反射波逐漸減少。在此以后，匹配元件控制器44改變可變電容器412、413的電容，匹配阻抗Zm不穩(wěn)定變化。然后，當(dāng)?shù)入x子體穩(wěn)定的時候，反射波固定在穩(wěn)定的低電平。匹配阻抗Zm也固定在穩(wěn)定點。
在本實施例中，預(yù)置等待時間足夠長于用于穩(wěn)定等離子體的時間。當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)置等待時間的時候，順序控制程序70啟動離子入射電源50的操作，施加用于離子入射的電場。本實施例具有不需要用于確認(rèn)等離子體生成的裝置的優(yōu)點，簡化了系統(tǒng)。
還在本實施例中，可以不通過來自電源監(jiān)視器43的信號而是通過來自匹配元件控制器44的信號來確認(rèn)等離子體穩(wěn)定。當(dāng)?shù)入x子體穩(wěn)定以后，可變電容器412、413的驅(qū)動容量減小到幾乎為零。因此，能夠通過監(jiān)視可變電容器412、413的驅(qū)動容量來確認(rèn)等離子體的穩(wěn)定性。
接著，將描述本發(fā)明的第六實施例。第六實施例也在控制器7的順序控制程序70中與所描述的實施例不同。其他部分基本上相同。圖19是在第六實施例中的順序控制程序70的示意性流程圖。圖20是在如圖19中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
在本實施例中的順序控制程序70也在預(yù)置放電點火點處執(zhí)行阻抗匹配控制的時候啟動等離子體生成電源4的操作。電源監(jiān)視器43測量反射波與行波的比例并且通過AD轉(zhuǎn)換器75將它發(fā)送到控制器7。在依據(jù)來自等離子體生成確認(rèn)裝置的信號確認(rèn)等離子體生成以后，順序控制程序?qū)⒆杩蛊ヅ淇刂魄袚Q到在預(yù)置最佳點處的控制，并且啟動定時器。順序控制程序70將匹配阻抗Zm固定在預(yù)置最佳點一段預(yù)置時間。當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)置時間的時候，順序控制程序70將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到用于最佳點的自動控制。如在第三實施例中，當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過了用于穩(wěn)定自動控制的時間的時候啟動離子入射電源50的操作。通過其將匹配阻抗Zm定于預(yù)置最佳點的預(yù)置時間在下文中被稱為“預(yù)置阻抗固定時間”。
本實施例具有從預(yù)置放電點火點的控制到自動控制的合理切換控制的優(yōu)點。在所述的第三實施例中，在順序控制程序70將在預(yù)置放電點火點處的控制轉(zhuǎn)換到自動控制以后，匹配元件控制器44自動調(diào)整匹配阻抗Zm以至于能夠使反射波最小化。結(jié)果，增加了與等離子體耦合的功率，提高了電離度。與此相伴隨，改變了等離子體的阻抗。隨著等離子體的阻抗改變，控制器7執(zhí)行自動控制。當(dāng)幾乎所有氣體分子都被電離的時候，等離子體穩(wěn)定，自動控制保證了最佳點。與等離子體相耦合的功率也被穩(wěn)定，匹配阻抗Zm固定在穩(wěn)定值。
然而，在剛啟動自動控制以后的時刻反射波的量有點大的情況中，自動控制將瞄準(zhǔn)一個與理想狀態(tài)相背離很多的狀態(tài)。具體說，在預(yù)置放電點火點和最佳點之間具有比較大的差別的情況中，當(dāng)啟動自動控制的時候有時存在一些大量的反射波。即使在這種情況中，通過自動控制，期待匹配阻抗Zm穩(wěn)定在最佳點。然而，如果在啟動自動控制中存在過量反射波，則等離子體生成電源4的輸出有時下降，因為在匹配阻抗Zm穩(wěn)定在最佳點以前自保護(hù)電路工作。
如果這種情況發(fā)生，則與等離子體相耦合的功率的電平發(fā)生很大變化，導(dǎo)致了等離子體的因素，也就是說等離子體護(hù)層的厚度、等離子體電位和等離子體密度也發(fā)生很大變化。然后，在這種很大變化的狀態(tài)中，自動控制繼續(xù)追蹤最佳點。結(jié)果，自動控制將瞄準(zhǔn)一個與理想狀態(tài)很大背離的狀態(tài)。也就是，在功率水平非常低的狀態(tài)中，自動控制將用最佳點來匹配匹配阻抗Zm。因此，即使以特性阻抗來匹配整個阻抗，它也將遠(yuǎn)離期望的正常狀態(tài)，例如，是非常低的等離子體密度的狀態(tài)。
相反，在將控制切換到自動控制以前，第六實施例執(zhí)行控制，將匹配阻抗Zm定于預(yù)置最佳點一段預(yù)置阻抗固定時間。預(yù)先在實驗上或者理論上確定預(yù)置最佳點。具體說，依據(jù)例如壓力、處理氣體的流速和施加的電壓這樣的參數(shù)，假設(shè)匹配阻抗Zm在實際的自動控制中將會達(dá)到的最佳點的值。然后，將假設(shè)值確定為預(yù)置最佳點。當(dāng)在預(yù)置最佳點處固定了匹配阻抗Zm時，等離子體轉(zhuǎn)換到接近穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)，例如在其中電離基本上飽和的狀態(tài)。因此，從在其中反射波比所描述的第三實施例更小的狀態(tài)中啟動自動控制。因此，自動控制從不執(zhí)行用于瞄準(zhǔn)與理想狀態(tài)相背離的狀態(tài)。這樣能夠在正常條件下始終執(zhí)行過程。從這些點上來看，本實施例的系統(tǒng)是高級的可再生性和可靠性。這個優(yōu)點不局限于在預(yù)置放電點火點處執(zhí)行初始的阻抗匹配控制的情況中。它廣泛地應(yīng)用到在其中執(zhí)行自動控制用于最佳點的系統(tǒng)和方法中。在第六實施例中，預(yù)置阻抗固定時間最好是0.5到5秒，例如，可以是1秒。
接著，將描述本發(fā)明的第七實施例。第七實施例的系統(tǒng)也在順序控制程序70中與所描述的實施例不同。其他部分基本上相同。圖21是如本發(fā)明的第七實施例的射頻等離子體處理系統(tǒng)的示意性橫截面正視圖。圖22是在第七實施例中順序控制程序70的示意性流程圖。圖23是在如圖22中所示的順序控制程序70中的等離子體生成電源4和離子入射電源50的操作定時圖。
第七實施例與所述實施例有下列兩點不同。一點是在啟動等離子體生成電源4的操作以后在沒有確認(rèn)等離子體生成的情況下順序控制程序70復(fù)位它自身。另一點是優(yōu)化離子入射電源50以及等離子體生成電源4的輸出功率控制。
具體說，如圖21中所述，本實施例的系統(tǒng)包括另一個用于控制離子入射匹配元件51的匹配元件控制器53?？刂破?能夠控制這個匹配元件控制器53。匹配元件控制器53包括一個監(jiān)視從基片座5逆著行波來的反射波的數(shù)量的電源監(jiān)視器(沒有顯示)。匹配元件控制器53能夠自動負(fù)反饋控制用于將與行波相反的反射波的相對數(shù)量最小化。
如圖22中所示，還在第七實施例中，順序控制程序70在預(yù)置放電點火點處啟動等離子體生成電源4的操作。與此同時，啟動定時器。電源監(jiān)視器43測量反射波與行波的比例，并且通過AD轉(zhuǎn)換器75將它發(fā)送到控制器7。
如果在定時器到達(dá)預(yù)置判斷時間的同時通過來自等離子體生成確認(rèn)裝置的信號沒能確認(rèn)等離子體生成，則順序控制程序70中止等離子體生成電源4的操作并且將定時器重置為零。然后，返回初始步驟，程序70再次啟動等離子體生成電源4的操作。
在定時器到達(dá)預(yù)置判斷時間的同時通過來自等離子體生成確認(rèn)裝置的信號確認(rèn)等離子體生成的情況下，順序控制程序70將匹配阻抗Zm轉(zhuǎn)換到預(yù)置最佳點。與此同時，順序控制程序70將定時器重置為0并且重新啟動。將匹配阻抗Zm定于預(yù)置最佳點，當(dāng)定時器到達(dá)預(yù)置阻抗固定時間的時候，順序控制程序70將控制轉(zhuǎn)換到自動控制。如圖在第三實施例中一樣，順序控制程序70在經(jīng)過了用于穩(wěn)定自動控制的時間以后啟動離子入射電源50的操作。
如圖23中所示，離子入射電源50的輸出逐漸增加到離子入射所需的水平。例如，在離子入射電源50的頻率在HF波段中是1.6MHz并且輸出功率所需的水平是1.8kW的情況下，輸出在大約1秒鐘中從0逐漸增加到1.8kW。最初在功率的這種逐漸提供中，匹配元件控制器53將離子入射匹配元件51的阻抗保持在固定值。
如圖22中所示，當(dāng)離子入射電源50的輸出達(dá)到參考值的時候，順序控制程序70將信號發(fā)送到匹配元件控制器53以便于將控制切換到與等離子體生成匹配元件41的自動控制相同的自動控制。參考值是一些比較小的值。例如，在最終所需的功率是1.8kW的情況下它是10W。作為將離子入射匹配元件51的控制轉(zhuǎn)換到自動控制的結(jié)果，使得從離子入射電源50施加到基片座5上的反射波最小化。保持這種狀態(tài)，離子入射電源50的輸出逐漸增加到最終所需的水平，然后保持這個水平。
本實施例具有下列優(yōu)點。首先，因為在預(yù)置判斷時間以內(nèi)沒有生成等離子體的情況下程序70復(fù)位它自己以便于返回到初始步驟，所以本實施例消除了即使在偶爾沒有確認(rèn)等離子體生成的情況下可能繼續(xù)操作等離子體生成電源4的事故。更可取的是計數(shù)了復(fù)位次數(shù)。當(dāng)計數(shù)的復(fù)位次數(shù)達(dá)到預(yù)置值例如三次的時候，完全停止程序70的執(zhí)行，并且輸出錯誤信號。
逐漸增加離子入射電源50的輸出，這一點帶來了與等離子體生成電源4的自動控制有關(guān)的特別的優(yōu)點。也就是說，如果當(dāng)執(zhí)行等離子體生成電源4的自動控制的時候離子入射電源50的輸出迅速增加到最終所需的水平，則它帶來了因為放電空間處參數(shù)迅速改變所以等離子體生成電源4的自動控制變得不穩(wěn)定的擔(dān)憂。匹配阻抗Zm劇烈波動，然后因為持續(xù)執(zhí)行著自動控制而固定在穩(wěn)定值。然而，如果放電空間的參數(shù)非常迅速地變化，則匹配元件控制器44不再能跟隨這種變化，導(dǎo)致了匹配阻抗Zm永遠(yuǎn)不能轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定值。
相反的，本實施例消除了這種擔(dān)憂，因為離子入射電源50的輸出是逐漸增加的。匹配阻抗Zm在很短時期中轉(zhuǎn)換到另一個穩(wěn)定值。如從上述說明中所理解的，“逐漸增加離子入射電源50的輸出”意味著增加離子入射電源50的輸出直到匹配阻抗Zm能夠跟隨放電空間處參數(shù)的變化。在本實施例中，逐漸增加離子入射電源50的輸出等同于逐漸增加有效的輸入功率到等離子體。
在上述第三到第七實施例中，當(dāng)啟動用于最佳點的自動控制的時候初始的匹配阻抗Zm處于預(yù)置放電點火點。通過保持電路將匹配阻抗Zm的值保持在上次過程的結(jié)束時的值并且用它作為預(yù)置初始值仍然是實用的。除非在每次處理的時間間隔之間處理腔1中的環(huán)境發(fā)生任何較大的變化，否則需要被提供的匹配阻抗Zm的值將不會發(fā)生很大改變。這種修改更適合于預(yù)置放電點火點與最佳點沒有很大不同的情況中。在這個修改中，可以在內(nèi)存或者存儲器72中保存匹配阻抗Zm的保持值。順序控制程序70包括用于啟動下一個過程中的自動控制、提供保持值的匹配阻抗Zm的步驟。
在每一實施例中，用于穩(wěn)定等離子體所需的預(yù)置等待時間是2秒鐘。它還可以更長些。用于穩(wěn)定等離子體的時間依賴于像處理腔的結(jié)構(gòu)、放電空間的大小、處理腔中的壓力等這樣的因素。因此，應(yīng)該考慮到這些因素，適當(dāng)?shù)卮_定預(yù)置等待時間。
在本發(fā)明中，并非總是為阻抗匹配需要所述的自動控制來保持等離子體穩(wěn)定。例如，預(yù)先實驗上確定匹配阻抗Zm的值并且預(yù)置它也是可行的。可以執(zhí)行阻抗匹配控制來將匹配的阻抗Zm固定在用于保持穩(wěn)定的等離子體的預(yù)置值上。在將匹配阻抗Zm固定到用于保持穩(wěn)定的等離子體的預(yù)置值上持續(xù)預(yù)置時間以后將控制轉(zhuǎn)換到用于最佳點的自動控制也是可行的。
在每一實施例中，可以將多個AD轉(zhuǎn)換器放在一起形成一個。具體說，通過分時可以在一個AD轉(zhuǎn)換器中數(shù)字化多個數(shù)據(jù)。在所述的實施例中，第一頻率是在VHF波段，第二頻率是在HF波段。本發(fā)明不局限于這種情況。還經(jīng)常觀察到在不同頻率的兩個波疊加的情況下的調(diào)制現(xiàn)象。本發(fā)明具有技術(shù)意義來解決由此產(chǎn)生的問題。另外，盡管HF波將生成用于離子入射電場的自偏電壓，但是還可以施加它用于其他目的。例如，施加它來產(chǎn)生自偏電壓用于靜電夾緊在基片座5上的基片9。當(dāng)基片9與等離子體接觸的時候，通過在基片9上生成自偏電壓也能夠靜電夾緊基片9。這是因為等離子體自身當(dāng)作對側(cè)電極。電源監(jiān)視器43可以直接監(jiān)視與等離子體耦合的功率的電平。直接監(jiān)視與等離子體耦合的功率的電平等同于監(jiān)視來自等離子體的反射波的數(shù)量。
盡管作為射頻等離子體工藝的實例已經(jīng)描述了蝕刻，但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于像濺射和化學(xué)氣相淀積(CVD)這樣的薄膜淀積過程、像表面氧化和表面硝化作用這樣的表面處理和光致抗蝕劑燒蝕。至于待被處理的基片9，本發(fā)明還可以應(yīng)用用于像LCD和等離子體顯示器這樣的顯示器件的基片，和用于像磁頭這樣的磁裝置的基片。
權(quán)利要求
1.一種射頻等離子體處理方法，包括將基片放置在處理腔中所需位置的步驟；將處理腔抽空的步驟；將處理氣體導(dǎo)入處理腔的步驟；將第一頻率的射頻波施加到處理腔中的放電空間，由此在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的射頻放電來在處理腔中生成等離子體的步驟；在引起射頻放電以后經(jīng)過一個時滯將第二頻率的另一個射頻波施加到放電空間上的步驟；利用被生成的等離子體在基片上執(zhí)行加工的步驟，其中第二頻率不同于第一頻率。
2.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，其中當(dāng)確認(rèn)通過第一頻率的射頻波生成等離子體的時候施加第二頻率的射頻波。
3.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，其中在確認(rèn)通過第一頻率的射頻波生成等離子體以后經(jīng)過一個時滯來施加第二頻率的射頻波。
4.如權(quán)利要求1中要求的射頻處理方法，其中在確認(rèn)等離子體穩(wěn)定以后施加第二頻率的射頻波。
5.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，其中第二頻率的射頻波將在基片上生成自偏電壓。
6.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，其中第一頻率是在VHF波段，和第二頻率是在HF波段。
7.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，還包括當(dāng)開始應(yīng)用第一頻率的波的時候，通過提供為了引起放電而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行阻抗匹配控制的第一階段的步驟，和用于將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到第二階段的步驟，它通過提供為了穩(wěn)定等離子體而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行。
8.如權(quán)利要求7中要求的射頻等離子體處理方法，其中當(dāng)確認(rèn)等離子體生成的時候執(zhí)行到第二階段阻抗匹配控制的轉(zhuǎn)換。
9.如權(quán)利要求7中要求的射頻等離子體處理方法，其中在確認(rèn)等離子體生成以后執(zhí)行到第二階段阻抗匹配控制的轉(zhuǎn)換。
10.如權(quán)利要求7中要求的射頻等離子體處理方法，還包括通過監(jiān)視器來監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波的步驟，其中第二階段阻抗匹配控制包括自動控制阻抗提供以便依據(jù)來自監(jiān)視器的信號使得第一頻率的反射波最小化。
11.如權(quán)利要求7中要求的射頻等離子體處理方法，其中第二階段阻抗匹配控制包括初始提供阻抗的預(yù)置值的步驟；將被提供阻抗固定在預(yù)置值持續(xù)預(yù)定時間的步驟；通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波的步驟，和當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時間的時候，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到對阻抗提供的自動控制以便使得第一頻率的反射波最小化的步驟。
12.如權(quán)利要求1中要求的射頻等離子體處理方法，還包括通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的第二頻率的反射波的步驟，和依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，執(zhí)行阻抗匹配的自動控制以便使得第二頻率的反射波最小化的步驟。
13.一種射頻等離子體處理方法，包括將基片放置在處理腔中所需位置的步驟；將處理腔抽空的步驟；將處理氣體導(dǎo)入處理腔的步驟；當(dāng)執(zhí)行阻抗匹配的時候，在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的放電從而通過將射頻波施加到放電空間來在處理腔中生成等離子體的步驟，和利用被生成的等離子體執(zhí)行在基片上的處理的步驟，其中阻抗匹配控制包括當(dāng)開始施加射頻波的時候，通過提供為了引起放電而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行阻抗匹配控制的第一階段的步驟，和將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到第二階段的步驟，它通過提供為了穩(wěn)定等離子體而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行。
14.一種射頻等離子體處理方法，包括將基片放置在處理腔中所需位置的步驟；將處理腔抽空的步驟；將處理氣體導(dǎo)入處理腔的步驟；當(dāng)執(zhí)行阻抗匹配的時候，在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的放電從而通過將射頻波施加到放電空間來在處理腔中生成等離子體的步驟，利用生成的等離子體執(zhí)行在基片上的處理的步驟，通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的反射波的步驟，在對基片的處理期間，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號執(zhí)行阻抗匹配的自動控制以便使得反射波最小化的步驟，在過程的結(jié)束時保持在自動控制中所提供的阻抗值的步驟，啟動在下一個過程中的自動控制，提供被保持值的阻抗的步驟。
15.一種射頻等離子體處理方法，包括將基片放置在處理腔中所需位置的步驟；將處理腔抽空的步驟；將處理氣體導(dǎo)入處理腔的步驟；當(dāng)通過提供具有引起放電最佳化的預(yù)定值的阻抗執(zhí)行阻抗匹配的時候，開始引起被導(dǎo)入的處理氣體的放電從而通過將射頻波施加到放電空間來在處理腔中在放電空間處生成等離子體的步驟，將被提供的阻抗固定在預(yù)置值持續(xù)預(yù)置時間的步驟，通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的反射波的步驟，當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時間的時候，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到阻抗提供的自動控制以便使得反射波最小化的步驟。
16.一種射頻等離子體處理系統(tǒng)，包括在其中將基片放在所需位置處的處理腔；通過其抽空處理腔的泵導(dǎo)管；通過其將處理氣體導(dǎo)入處理腔的氣體導(dǎo)入管；在處理腔中提供的射頻電極；將第一頻率的射頻波施加在射頻電極上由此在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的放電來在處理腔中生成等離子體的第一射頻電源；將第二頻率的另一個射頻波施加到放電空間上的第二射頻電源；和在其中安裝順序控制程序的控制器；其中利用所生成的等離子體在基片上執(zhí)行處理，第二頻率與第一頻率不同，和在開始第一射頻電源的操作以后順序控制程序經(jīng)過一個時滯來啟動第二射頻電源的操作。
17.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括等離子體生成監(jiān)視器，其中當(dāng)依據(jù)來自等離子體生成監(jiān)視器的信號確認(rèn)通過第一頻率的射頻波生成等離子體的時候，順序控制程序啟動第二射頻電源的操作。
18.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括等離子體生成監(jiān)視器，其中在依據(jù)來自等離子體生成監(jiān)視器的信號確認(rèn)通過第一頻率的射頻波生成等離子體以后，順序控制程序啟動第二射頻電源的操作。
19.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，其中在確認(rèn)等離子體穩(wěn)定以后，順序控制程序啟動第二射頻電源的控制。
20.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，其中第二頻率的射頻波在基片處生成自偏電壓。
21.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，其中第一頻率在VHF波段，和第二頻率在HF波段。
22.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括在連接第一射頻電源和射頻電極的線路中提供的阻抗匹配元件。其中順序控制程序當(dāng)執(zhí)行阻抗匹配控制的第一階段的時候啟動第一射頻電源的操作，和隨后，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到第二階段，通過使阻抗匹配元件提供為了引起放電而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行第一階段，通過使阻抗匹配元件提供為了穩(wěn)定等離子體而被優(yōu)化的阻抗來執(zhí)行第二階段。
23.如在權(quán)利要求22中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，其中當(dāng)確認(rèn)等離子體生成的時候，順序控制程序?qū)⒆杩蛊ヅ淇刂妻D(zhuǎn)換到第二階段。
24.如在權(quán)利要求22中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，其中在確認(rèn)等離子體生成以后，順序控制程序?qū)⒆杩蛊ヅ淇刂妻D(zhuǎn)換到第二階段。
25.如在權(quán)利要求22中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波的監(jiān)視器，其中在第二階段阻抗匹配控制中依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，順序控制程序執(zhí)行將提供的阻抗的自動控制以便于使得來自放電空間的第一頻率的反射波最小化。
26.如在權(quán)利要求22中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波的監(jiān)視器，其中順序控制程序當(dāng)使阻抗匹配元件初始提供預(yù)置值的阻抗的時候啟動第一射頻電源的操作，將被提供的阻抗固定在預(yù)置值持續(xù)預(yù)置時間，通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波，以及當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時間的時候，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到阻抗提供的自動控制以便于使得第一頻率的反射波最小化。
27.如在權(quán)利要求16中要求的射頻等離子體處理系統(tǒng)，還包括監(jiān)視來自放電空間的第一頻率的反射波的監(jiān)視器，和在從第二射頻電源到放電空間的線路中所提供的阻抗匹配元件，其中依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，順序控制程序通過阻抗匹配元件來執(zhí)行阻抗提供的自動控制以便于使得第二頻率的反射波最小化。
28.一種射頻等離子體處理系統(tǒng)，包括在其中將基片放在所需位置處的處理腔；通過其抽空處理腔的泵導(dǎo)管；通過其將處理氣體導(dǎo)入處理腔的氣體導(dǎo)入管；在處理腔中提供的射頻電極；將射頻波施加在射頻電極上由此在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的射頻放電來在處理腔中生成等離子體的射頻電源；在連接射頻電源和射頻電極的線路上提供的阻抗匹配元件；和在其中安裝順序控制程序的控制器；其中利用所生成的等離子體在基片上執(zhí)行處理；和順序控制程序當(dāng)使阻抗匹配元件初始提供預(yù)置值的阻抗的時候啟動射頻電源的操作，將被提供的阻抗固定在預(yù)置值持續(xù)預(yù)置時間，通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的反射波，以及當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時間的時候，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到阻抗提供的自動控制以便于使得反射波最小化。
29.一種射頻等離子體處理系統(tǒng)，包括在其中將基片放在所需位置處的處理腔；通過其抽空處理腔的泵導(dǎo)管；通過其將處理氣體導(dǎo)入處理腔的氣體導(dǎo)入管；在處理腔中提供的射頻電極；將射頻波施加在射頻電極上由此在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的射頻放電來在處理腔中生成等離子體的射頻電源；在連接射頻電源和射頻電極的線路上提供的阻抗匹配元件；在其中安裝順序控制程序的控制器；和用于監(jiān)視來自放電空間的反射波的監(jiān)視器；其中利用所生成的等離子體對基片執(zhí)行處理；并且順序控制程序通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的反射波，在對基片的處理期間依據(jù)來自監(jiān)視器的信號執(zhí)行阻抗匹配的自動控制以便于使得反射波最小化。在處理結(jié)束的時候保持在自動控制中所提供的阻抗值，和提供被保持值的阻抗，在下一過程中啟動自動控制。
30.一種射頻等離子體處理系統(tǒng)，包括在其中將基片放在所需位置處的處理腔；通過其抽空處理腔的泵導(dǎo)管；通過其將處理氣體導(dǎo)入處理腔的氣體導(dǎo)入管；在處理腔中提供的射頻電極；將射頻波施加在射頻電極上由此在放電空間處引起被導(dǎo)入的處理氣體的射頻放電來在處理腔中生成等離子體的射頻電源；在連接射頻電源和射頻電極的線路上提供的阻抗匹配元件；在其中安裝順序控制程序的控制器；和用于監(jiān)視來自放電空間的反射波的監(jiān)視器；其中利用所生成的等離子體對基片執(zhí)行處理；和順序控制程序當(dāng)開始施加射頻波的時候，通過使阻抗匹配元件提供為了引起放電而優(yōu)化的預(yù)置值的阻抗來執(zhí)行阻抗匹配控制，將被提供的阻抗固定在預(yù)置值持續(xù)預(yù)置時間，通過監(jiān)視器監(jiān)視來自放電空間的反射波，當(dāng)已經(jīng)經(jīng)過預(yù)置時間的時候，依據(jù)來自監(jiān)視器的信號，將阻抗匹配控制轉(zhuǎn)換到阻抗提供的自動控制以便于來使得反射波最小化。
全文摘要
本申請公開了利用兩個不同頻率的射頻波的射頻等離子體處理的技術(shù)，在其中能夠充分并且穩(wěn)定地生成和保持等離子體。第一頻率是用于通過引起放電來生成等離子體，第二頻率是用于在被處理的基片上生成自偏電壓。在施加第一頻率的射頻波以后通過一個時滯來施加第二頻率的波。本申請還公開了在射頻等離子體處理中的阻抗匹配技術(shù)，在其中為了引起放電和穩(wěn)定等離子體來優(yōu)化被提供的阻抗。
文檔編號H01J37/32GK1444257SQ0311079
公開日2003年9月24日 申請日期2003年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月8日
發(fā)明者土屋信昭, 佐護(hù)康實, 池田真義 申請人:安內(nèi)華株式會社