刻蚀设备中射频功率全态输出技术的研究

赵涛 陈黄鹂 张琦 赵卫

摘要： 本文主要讲述了刻蚀设备在进行工艺时，射频发生器产生的射频信号输出到自动匹配网络，然后输入到工艺腔室的下电极。在整个刻蚀过程中，反射功率无限小，射频功率全态输出，不仅损耗减少，而且可以提高刻蚀效率。

Abstract： This article describes the etching equipment during the process， the RF source generator make the signal first output to audio management unit， and enter to the bottom electrode of process chamber. Throughout this process， reflection power to minimum， and make the front power to do all output. Not only reduces the loss， but also improves the etching efficiency.

关键词： 射频发生器；自动匹配网络；反射功率

Key words： RF source；audio management unit；reflection power

中图分类号：TN86；TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0133-02

0 引言

目前，整个半导体生产过程中刻蚀技术是非常重要的，无论是化合物刻蚀、薄膜掩蔽还是有机物刻蚀，都对刻蚀设备的精度有一定的要求，而刻蚀是决定很多特征尺寸的核心工艺技术。刻蚀设备中的射频源是产生等离子体的配套电源，由射频功率源、自动匹配网络组成。刻蚀设备中常用的射频源为固定高频功率源，自动匹配网络为可调匹配器。在工艺过程中匹配器自动匹配内部的可调电容，以实现电容的合理匹配，达到射频功率的全态输出。

1 射频功率的工作过程

射频源工作的时候会自动发热，必须对其进行持续降温，因此在安装的时候除了接入三相交流电外还需要选用一台水水交换机与之相连，且循环水温度必须在30°C以下，以保证工作中的热量能迅速被带走。

现以ADVANCED ENERGY公司13.5MHz、3000W的射频源为例来描述工作原理。

该射频源的前端配有固定变压器，将输入的交流电源变为射频源所要求的工作电源后才能正常工作。

按图1描述其工作过程。

信号进入交流输入模块，由A/D转换器将交流电变为直流电，然后进入射频三大模块（稳频电路、放大电路和滤波电路），经过射频模块处理后进入测试系统，测试结束之后将信号反馈给控制机构进行控制和调整，这个调整是一个持续的过程，保证射频源的输出能达到所需要的值，一旦输出功率达不到要求，就要立即将信号反馈给控制机构重新进行调整，调整好了之后再一次通过A/D转换器、射频模块、测试系统最终输出相应的功率值。旁边的辅助电源给整个系统和控制机构提供DC24V。

2 刻蚀过程的分析

刻蚀工艺气体在高频电场13.5MHz的作用下，使得气体分子或原子发生电离，形成等離子体。在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由电子，游离基在化学上是很活泼的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成一些无机化合物，从而被真空泵从反应腔室抽走，实现了刻蚀的目的。

工艺腔体结构由面积大小不对称的上、下电极组成，如图2所示。当工艺气体通入腔体后，上下电极之间会产生很强的电场，电离的自由电子会很快到达下电极；正离子却不能很快内到达下电极，再加上工艺腔腔体压力有一定的负压，最终使得被电离的工艺气体直接轰击被刻蚀物，这种离子轰击大大加快了表面化学反应，完成了刻蚀现象。

3 射频功率全态输出技术的分析

刻蚀设备的功率全态输出主要通过自动匹配网络（AMU）来实现，AMU自动匹配由500PF和1000PF可变电容值的调整来实现。由计算机控制步进电机的转动角度，进而调节电容大小，实现最佳匹配。

AMU主要用于信号或能量的传输，使所有信号均能传送到负载位置，减少信号或能量反射回来，即反射功率越小越好，从而提升传输效率。匹配的目的是为了保证信号或能量有效地从信号源传送到负载。当负载阻抗和射频源输出阻抗没有处于最佳匹配时，会有部分输入信号在负载端反射回射频源，即射频源的输出功率并没有被负载完全吸收，反射功率变大，降低了刻蚀的工作效率。

在计算机界面中，给射频源输入相应的射频功率，计算机将命令发给PLC，PLC将信号送给射频源，射频源接到信号后通过射频模块经过稳频电路、放大电路、滤波电路对信号进行处理，再进入测试系统，然后将信号反馈回来进行控制和调整，保证射频源的输出能达到所需要的值。射频源加给下电极的功率一定要通过AMU中的两个可变电容C1和C2及电感线圈Coil 1 和DC BIAS Coil，如图3所示。其中下电极在工艺过程中需要水冷、背氦，避免刻蚀过程反应腔温度过高，将不需要的杂质打出，反而不能起到刻蚀的目的。

AMU自动匹配过程通过常用的刻蚀工艺实验进一步说明，工艺气体CF4/O2，流量 CF4/O2 80/20sccm， 射频功率100W，反应腔压力10-1T，时间50min，此时可以观察反射功率和工艺腔室辉光强度，由于射频源对人体有很强的辐射，所以在观察的时候一定要穿戴相应的防辐射服。整个过程都会在射频源和AMU里进行信号的持续自动调节，始终保证反射功率最小，但不能达到理想的0W。此时就需要切换电脑界面，将自动匹配切换至手动模式下进行，实验数据如表1所示。

通过手动改变匹配电容的容值，完全可以达到射频功率全态输出，反射功率达到理想的0W。

当射频功率不能全态输出、反射功率输出值波动太大或工艺腔室辉光强度不稳定，则考虑匹配电容很可能没有正常工作或与相连的匹配电机有相对位移，即没保持同步运动，从而导致系统认为匹配电容仍有可调余地，最终不能完成射频功率的最大化输出。将以上问题搞明白后就能更清楚的实现射频功率的全态输出。

4 结论

通过实验证明，AMU是影响射频功率全态化输出的主要因素，一旦自动匹配后反射功率仍不能达到理想的0W，就可以手动调整AMU的匹配电容。如何高效利用及合理匹配，使之达到最优结果，将是下一步研究的主要方向。

参考文献：

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[2]徐俊平，杨银堂，等.几种SiC刻蚀方法的刻蚀速率[B].现代电子技术，2006，19（6）：324-328.