ICP刻蚀工艺中降低反射功率的方法及装置与流程

本发明涉及半导体制造设备领域，更具体地，涉及一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法及装置。

背景技术：

icp等离子体源以其高选择性、高各项异性及高刻蚀速率的优势广泛应用在微电子加工领域。现在的工艺可以独立控制产生的等离子体的射频源(决定等离子体密度)和基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)。

随着半导体工艺制程的发展，电子器件的几何尺寸不断减小以及器件的密集度不断提高，要求工艺过程的稳定性日趋重要。当反应腔室内的环境发生微小的改变即使持续的时间很短暂(毫秒级别)持续时间，例如mfc对使用的工艺气体控制切换，都会造成等离子阻抗发生变化导致反射功率过大(arc)出现。最终这种arc会影响的工艺结果，造成经济损失。影响腔室内的环境因素过多，无法有效的控制，最可行的方案是当arc出现，及时有效的消除arc。

因此需要一种在射频电源处于连续波模式工艺起辉过程中快速衰减过大反射功率的方法，以保护腔室硬件，保证起辉处于一个稳定的状态。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法及装置，实现在射频电源处于连续波模式下消除工艺起辉过程中出现的过大反射功率，保护腔室硬件，并能快速衰减反射功率，保证射频源在反应腔室内起辉处于一个稳定的状态。

为实现上述目的，本发明提出了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法，包括：

步骤1：检测上射频电源的反射功率值，判断所述反射功率值是否大于第一预设阈值并持续第一预设时长；

步骤2：若是，则关闭所述上射频电源并持续第二预设时长；

步骤3：关闭所述上射频电源所述第二预设时长后，开启所述上射频电源。

可选地，所述步骤3后还包括：

步骤4：持续检测所述上射频电源的反射功率值，判断所述反射功率是否仍大于所述第一预设阈值并持续所述第一预设时长；

步骤5：若是，则增加所述第二预设时长，并关闭所述上射频电源且持续增加后的所述第二预设时长；

步骤6：关闭所述上射频电源增加后的所述第二预设时长后，开启所述上射频电源。

可选地，重复执行步骤4至步骤6至预设次数。

可选地，所述增加所述第二预设时长包括：将所述第二预设时长调整为上一次第二预设时长的整数倍。

可选地，若重复步骤4至步骤6至所述预设次数后，所述反射功率仍大于所述第一预设阈值，则彻底关闭所述上射频电源。

可选地，所述步骤2还包括：关闭所述上射频电源的同时向下射频电源发出同步信号，使所述下射频电源保持当前输出功率，所述同步信号的持续时间与所述第二预设时长相同。

本发明还提出一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法，包括：

步骤1：检测反应腔室中的伽马系数伽马值，判断所述伽马系数伽马值是否大于第二预设阈值并持续第一预设时长；

步骤2：若是，则关闭上射频电源并持续第二预设时长；

步骤3：关闭所述上射频电源所述第二预设时长后，开启所述上射频电源。

可选地，所述步骤3后还包括：

步骤4：持续检测所述反应腔室中的伽马系数伽马值，判断所述伽马系数伽马值是否仍大于所述第二预设阈值并持续所述第一预设时长；

步骤5：若是，则增加所述第二预设时长，并关闭所述上射频电源且持续增加后的所述第二预设时长；

步骤6：关闭所述上射频电源增加后的所述第二预设时长后，开启所述上射频电源。

本发明还提出了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的装置，包括：射频电源控制单元和反射功率监测单元；

所述反射功率监测单元用于检测上射频电源的反射功率值，并将所述反射功率值发送至所述射频电源控制单元；

所述射频电源控制单元用于根据所述反射功率值关闭或开启所述上射频电源；

其中，当所述射频电源控制单元判断所述反射功率值大于第一预设阈值并持续第一预设时长时，所述射频电源控制单元关闭所述上射频电源并在持续第二预设时长后开启所述上射频电源。

本发明还提出了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的装置，包括：射频电源控制单元和伽马值监测单元；

所述伽马值监测单元用于检测反应腔室中的伽马值，并将所述伽马值发送至所述射频电源控制单元；

所述射频电源控制单元用于根据所述伽马值关闭或开启上射频电源；

其中，当所述射频电源控制单元判断所述伽马值大于第二预设阈值并持续第一预设时长时，所述射频电源控制单元关闭所述上射频电源并在持续第二预设时长后开启所述上射频电源。

本发明的有益效果在于：

本发明在加载射频功率匹配之后，当反应腔室内的环境波动造成阻抗变化出现反射功率过大，且监测到反射功率值或伽马值过大后，会通过关闭上射频电源输出功率并持续预设时长，以达到衰减反射功率的目的，有效防止了反射功率过大对硬件的损坏。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了一种典型电流分配及匹配网络示意图。

图2示出了根据本发明的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法步骤图。

图3示出了根据本发明的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法的流程图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法的效果图。

图5示出了根据本发明的另一个实施例的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法的效果图。

附图标记说明：

rf、射频发生器；r、电阻；c1、第一可变电容；c1、第二可变电容；c1、第三可变电容；c1、第四可变电容；coil1、第一线圈；coil2、第二线圈。

具体实施方式

图1为icp刻蚀工艺中射频源的一种典型匹配网络示意图，其中矩形虚线框中为匹配器，射频发生器rf通过电阻r(50ω)与匹配器连接。第一可变电容c1、第二可变电容c2负责调节阻抗匹配，降低反射功率；第三可变电容c3、第四可变电容c4负责调节电流比例匹配，分配内外线圈上的电流大小。当加载射频功率后或者工艺过程中出现arc时，匹配器中的传感器采集到此时的电压和电流并计算出阻抗值后，第一可变电容c1和第二可变电容c2会自动调节进行阻抗匹配；同时第三可变电容c3、第四可变电容c4调节线圈电流。若在射频电源处于连续波模式工艺过程中出现arc，尤其arc持续时间短的情况时，匹配器不能及时的调节电容消除arc。原因是匹配器需要一定的时间采集电压电流并计算阻抗，才能调节阻抗匹配消除arc，消除arc的时间至少需要毫秒或者秒级别的，响应速度慢，无法快速的消除arc，影响工艺结果。此外，第一可变电容c1和第二可变电容c2再调节过程中也会影响第三可变电容c3和第四可变电容c4，从而影响第一线圈coil1和第二线圈coil2的电流分配，影响起辉稳定性，进而影响的工艺结果。

针对上述现有问题，本发明提出了一种icp刻蚀工艺中衰减反射功率方法，能够快速衰减过大的反射功率，以保护腔室硬件，保证起辉处于一个稳定的状态，从而保证刻蚀工艺的结果。

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图2示出了根据本发明的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法步骤图，图3示出了根据本发明的一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法流程图，该方法，包括：

步骤1：检测上射频电源的反射功率值，判断反射功率值是否大于第一预设阈值并持续第一预设时长；

步骤2：若是，则关闭上射频电源并持续第二预设时长；

步骤3：关闭上射频电源第二预设时长后，开启上射频电源。

具体地，加载射频功率匹配之后，监测反应腔室内的环境波动造成的上射频电源阻抗变化，当上射频电源的反射功率大于第一预设阈值并持续第一预设时长则判断出现arc(反射功率过大)，例如监测到反射功率值持续10微秒超过上射频源输出功率的10％时，通过关闭上射频电源的输出功率并持续第二时长(如5微秒)，由于反应强室内的输出功率减小，因此能够达到减小反射功率的效果，然后开启上射频电源再进行工艺，能够有效防止反射功率过大对硬件造成损坏。

在一个示例中，步骤3后还包括：

步骤4：持续检测上射频电源的反射功率值，判断反射功率是否仍大于第一预设阈值并持续第一预设时长；

步骤5：若是，则增加第二预设时长，并关闭上射频电源且持续增加后的第二预设时长；

步骤6：关闭上射频电源增加后的第二预设时长后，开启上射频电源。

具体地，当执行一次关闭上射频电源的输出功率并持续第二预设时长后，开启上射频电源输出功率后继续监测上射频电源的反射功率值，若其反射功率仍大于第一预设阈值并持续第一预设时长，说明反射功率超出第一预设阈值较大，可以适当增加关闭射频电源的时长(第二预设时长)，再一次关闭上射频电源，以加强对反射功率的衰减效果。

在一个示例中，重复执行步骤4至步骤6至预设次数。

具体地，当反射功率超出第一预设阈值较大时，通过重复执上述的行步骤4至步骤6，能够实现对反射功率的连续多次衰减，例如可以连续多次(如5次)执行关闭、开启上射频电源的功率输出，以加强对反射功率的衰减效果，同时设置循环的固定次数能够避免由其他问题导致的反射功率过大引起无限次循环开关射频电源造成设备损坏。

在一个示例中，增加第二预设时长包括：将第二预设时长调整为上一次第二预设时长的整数倍。

具体地，在执行连续多次关闭、开启上射频电源的过程中通过适当增加每次关闭上射频电源的时长(即第二预设时长)能够加强反射功率的衰减效果，优选将第二预设时长调整为上一次第二预设时长的整数倍。例如，可以将第二次执行关闭射频电源的时长设置为第一次关闭射频电源时长的两倍，依次类推，之后每次关闭射频电源的时长均为上一次关闭射频电源时长的两倍，例如第一次关闭射频电源的第二预设时长为5微秒，连续执行5次关闭射频电源的输出功率，那么每次关闭射频电源的时长分别为5微秒、10微秒、20微秒、40微秒、80微秒。需要说明的是，本发明中并不限定必须增加每次关闭射频电源的时长，同时也并不限定关闭射频电源的时长必须为前一次的倍数。在本发明的其他实施例中，可以设置每次关闭射频电源的时长相等，也可以将每次关闭射频电源的时长增加固定的时长，如每次都增加5微秒，还可以将每次关闭射频电源的时长设置为上一次的3倍、4倍等，本领域人员可根据实际情况具体设定第二时长的增加方式，此处不再赘述。

在一个示例中，若重复步骤4至步骤6至预设次数后，反射功率仍大于第一预设阈值，则彻底关闭上射频电源。

具体地，重复步骤4至步骤6至预设次数后，即当连续多次通过关闭、开启一个射频电源的输出功率并达到预设次数后，仍无法将反射功率控制到第一预设阈值以下，说明反射功率太大可能出现设备异常的情况，可以选择彻底关闭上射频电源的功率输出，然后观察反射功率变化情况或检查是否设备存在其他故障。

在一个示例中，步骤2还包括：关闭上射频电源的同时向下射频电源发出同步信号，使下射频电源保持当前输出功率，同步信号的持续时间与第二预设时长相同。

具体地，步骤2中，在关闭上射频电鱼的输出功率消除arc的同时，上射频电源会发给下射频电源一个同步信号。当下射频电源接收到同步信号后，会保持当前射频电源输出功率值。这个同步信号的作用是告知下射频电源有arc出现，并且上射频电源会消除arc，无需下射频电源因阻抗波动进行调节，从而防止了上下射频电源各自调节，影响匹配时间。其中同步信号的持续时间与第二预设时长相同，即同步信号持续时间应与上射频电源输出功率关闭时间一致，以保证两个射频源的同步协作。其中下射频电源、上射频源均工作在连续波模式。本发明的方案为主要针对频电源处于连续波模式(区别于脉冲波模式)工艺过程中出现arc(反射功率过大)的解决方案，能够有效解决匹配器无法迅速消除过大反射功率的问题。并且，第一预设时长、第二预设时长均为微秒级。

本发明中在执行开关射频电源衰减反射功率的过程中，上射频电源的关闭时长(第二预设时长)和下射频电源的开启时长(第一预设时长)均为微秒级，能够在射频电源处于连续波模式工艺过程中根据出现arc短暂的微秒级时间内迅速做出响应，及时迅速的对过高的反射功率进行衰减，射频电源的关闭和开启只在消除arc时进行，同时在重新开启射频电源时不存在功率过冲，也不会对起辉造成影响。

本发明实施例还提供了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法，包括：

步骤1：检测反应腔室中的伽马值，判断伽马值是否大于第二预设阈值并持续第一预设时长；

步骤2：若是，则关闭上射频电源并持续第二预设时长；

步骤3：关闭上射频电源第二预设时长后，开启上射频电源。

具体地，反应腔室内的伽马值(或伽马系数)也同样能够反映出是否存在反射功率过大的问题，伽马值为反射功率与上射频电源发射功率的比值(即伽马值与反射功率正相关)，因此也可以通过检测反应腔室内的伽马值作为是否存在反射功率过大的依据。与上述检测反射功率值的方法类似，加载射频功率匹配之后，监测起辉过程反应腔室内的环境波动造成的伽马值变化，当反应腔室内的伽马值大于第二预设阈值并持续第一预设时长则判断出现arc，例如监测到伽马值持续10微秒超过第二预设阈值时，通过关闭上射频电源的输出功率并持续第二时长(如5微秒)，由于反应强室内的输出功率减小，因此能够达到减小伽马值的效果，然后开启上射频电源再进行工艺，能够有效防止反射功率过大对硬件造成损坏。

在一个示例中，步骤3后还包括：

步骤4：持续检测反应腔室中的伽马值，判断伽马值是否仍大于第二预设阈值并持续第一预设时长；

步骤5：若是，则增加第二预设时长，并关闭上射频电源且持续增加后的第二预设时长；

步骤6：关闭上射频电源增加后的第二预设时长后，开启上射频电源。

具体地，当执行一次关闭上射频电源的输出功率并持续第二预设时长后，开启上射频电源输出功率后继续监测反应腔室内的伽马值，若伽马值仍大于第二预设阈值并持续第一预设时长，说明反射功率过高导致伽马值超出第二预设阈值较大，可以适当增加关闭射频电源的时长(第二预设时长)，再一次关闭上射频电源，以加强对反射功率的衰减效果。

进一步地，与上述衰减反射功率值的实施方式相同，还可以通过重复执行步骤4至步骤6至预设次数，并将第二预设时长调整为上一次第二预设时长的整数倍，以加强对反射功率的衰减效果。若重复步骤4至步骤6至预设次数后，伽马值仍大于第二预设阈值，则彻底关闭上射频电源。关闭上射频电源的同时向下射频电源发出同步信号，使下射频电源保持当前输出功率，同步信号的持续时间与第二预设时长相同。

对应于上述的在icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法，本发明实施例提供了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的装置，包括：射频电源控制单元和反射功率监测单元；

反射功率监测单元用于检测上射频电源的反射功率值，并将反射功率值发送至射频电源控制单元；

射频电源控制单元用于根据反射功率值关闭或开启上射频电源；

其中，当射频电源控制单元判断反射功率值大于第一预设阈值并持续第一预设时长时，射频电源控制单元关闭上射频电源并在持续第二预设时长后开启上射频电源。

具体地，反射功率监测单元、射频电源分别与射频电源控制单元连接，反射功率监测单元实时监测上射频单元的反射功率值，射频电源控制单元根据反射功率值控制上射频电源关闭功率输出或开启功率输出。

本发明实施例还提供了一种icp刻蚀工艺中降低反射功率的装置，包括：射频电源控制单元和伽马值监测单元；

伽马值监测单元用于检测反应腔室中的伽马值，并将伽马值发送至射频电源控制单元；

射频电源控制单元用于根据伽马值关闭或开启上射频电源；

其中，当射频电源控制单元判断伽马值大于第二预设阈值并持续第一预设时长时，射频电源控制单元关闭上射频电源并在持续第二预设时长后开启上射频电源。

具体地，伽马值监测单元、射频电源分别与射频电源控制单元连接，伽马值监测单元实时监测反应腔室内的伽马值，射频电源控制单元根据伽马值控制上射频电源关闭功率输出或开启功率输出。

本发明中上射频电源、下射频电源分别对应icp等离子体源刻蚀机中的等离子体射频电源和基片台射频电源，icp等离子体源刻蚀机主要组成有：刻蚀反应腔室、上电极、icp射频单元(包括等离子体射频电源和匹配器等)、rf射频单元(包括基片台射频电源和匹配器等)、下电极系统、控温系统、计算机控制系统(包括射频电源控制单元)等组成，icp等离子体源刻蚀机一般集成有射频电源的反射功率测试电路和伽马值监测装置(即反射功率值监测单元和伽马值监测单元)，反射功率值和伽马值均能够在计算机控制系统中显示。本发明的icp刻蚀工艺中降低反射功率的方法可以通过设计相关控制程序集成在icp等离子体源刻蚀机的计算机控制系统中实现，本领域人员根据本发明容易实现。icp等离子体源刻蚀机为现有技术，其结构及工作原理本领域人员熟知，此处不再赘述。同时，本发明中的反射功率的预设阈值和伽马值预设阈值不做限定，本领域人员可根据实际情况自行设置合适的范围。

实施例1：

图4示出了根据本发明的一个实施例的一种icp刻蚀工艺中衰减反射功率方法的效果图，图中第一行为反射功率波形，第二行为上射频电源连续波模式下的发射波形，第三行为同步信号；虚线框部分工艺过程中出现的arc现象，参考图3，加载射频功率匹配之后，射频电源监测到反射功率值过大，例如当反射功率超过输出功率的10％或者伽马值过高并持续5微秒时，通过关闭射频输出功率并持续特定时间，达到减小反射功率，防止了反射功率过大对硬件的损坏。在关闭射频输出功率消除arc的同时，射频电源会发给另一射频电源一个同步信号。当另一射频电源接收到同步信号后，会保持当前射频电源输出功率值。这个同步信号的作用是告知有arc出现，并且射频电源会消除arc，无需另一射频电源因阻抗波动进行调节，从而防止了上下射频电源各自调节，影响匹配时间。

实施例2：

图5示出了根据本发明的另一个实施例的一种icp刻蚀工艺中衰减反射功率方法的效果图，图中第一行为反射功率波形，第二行为上射频电源连续波模式下的发射波形，第三行为同步信号；参考图5，工艺过程中出现的arc现象，在起辉过程中，当监测到反射功率过大或者伽马系数过大时认为有arc出现，关闭上射频电源的功率输出，关闭功率输出时间为5微秒同时向下射频电源发出同步信号，同步信号持续时间与射频输出功率关闭时间一致为5微秒，关闭上射频电源5微秒后在开启射频功率继续监测反射功率值和伽马系数。若反射功率小于射频输出功率的10％或者伽马系数小于预设阈值时，则进行工艺；若反射功率过大或者伽马值过大超出预设阈值时，第二次关闭上射频电源的功率输出，第二次关闭功率输出的时间为10微秒，同时向下射频电源发出同步信号，同步信号持续时间与射频输出功率关闭时间一致为10微秒，关闭时间为首次上射频电源关闭时间的二倍，关闭上射频电源10微秒后再开启射频功率输出继续监测反射功率值和伽马系数。若反射功率过大或者伽马系数过大时，射频电源将第三次关闭功率输出，执行4次。4次开关射频功率输出，关闭上射频电源功率输出的时间为5微秒、10微秒、20微秒、40微秒，同步信号持续时间为5微秒，10微秒，20微秒，40微秒最终达到消除arc现象。开关上射频电源功率输出的次数和时间可以自行设定，关闭射频功率输出的时间为上一次关闭射频功率输出时间的二倍，同步信号持续时间为关闭射频功率输出时间。若在设定开关射频功率输出次数内无法达到消除arc的功效，可以选择彻底关闭上射频电源的功率输出进行观察并检测是否设备存在故障。

本发明的实施例中当监测到反射功率值过大后，通过关闭上射频电源输出功率并持续预设时长，达到衰减反射功率，有效防止了反射功率过大对硬件的损坏；本发明的方法可以通过icp等离子体源刻蚀机的计算机控制系统实现，电源自身可以消除arc，无需增加额外硬件；应用两台射频电源时，监测到arc电源进行调节，另一台无需调节，能够加快匹配时间；反复多周期预设时长的开关上射频电源可以消除过大的反射功率，保证起辉稳定。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。