刻蝕設備中射頻功率全態輸出技術的研究

趙濤 陳黃鸝 張琦 趙衛

摘要： 本文主要講述了刻蝕設備在進行工藝時，射頻發生器產生的射頻信號輸出到自動匹配網絡，然后輸入到工藝腔室的下電極。在整個刻蝕過程中，反射功率無限小，射頻功率全態輸出，不僅損耗減少，而且可以提高刻蝕效率。

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.

關鍵詞： 射頻發生器；自動匹配網絡；反射功率

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

中圖分類號：TN86；TN305.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0133-02

0 引言

目前，整個半導體生產過程中刻蝕技術是非常重要的，無論是化合物刻蝕、薄膜掩蔽還是有機物刻蝕，都對刻蝕設備的精度有一定的要求，而刻蝕是決定很多特征尺寸的核心工藝技術?？涛g設備中的射頻源是產生等離子體的配套電源，由射頻功率源、自動匹配網絡組成。刻蝕設備中常用的射頻源為固定高頻功率源，自動匹配網絡為可調匹配器。在工藝過程中匹配器自動匹配內部的可調電容，以實現電容的合理匹配，達到射頻功率的全態輸出。

1 射頻功率的工作過程

射頻源工作的時候會自動發熱，必須對其進行持續降溫，因此在安裝的時候除了接入三相交流電外還需要選用一臺水水交換機與之相連，且循環水溫度必須在30°C以下，以保證工作中的熱量能迅速被帶走。

現以ADVANCED ENERGY公司13.5MHz、3000W的射頻源為例來描述工作原理。

該射頻源的前端配有固定變壓器，將輸入的交流電源變為射頻源所要求的工作電源后才能正常工作。

按圖1描述其工作過程。

信號進入交流輸入模塊，由A/D轉換器將交流電變為直流電，然后進入射頻三大模塊（穩頻電路、放大電路和濾波電路），經過射頻模塊處理后進入測試系統，測試結束之后將信號反饋給控制機構進行控制和調整，這個調整是一個持續的過程，保證射頻源的輸出能達到所需要的值，一旦輸出功率達不到要求，就要立即將信號反饋給控制機構重新進行調整，調整好了之后再一次通過A/D轉換器、射頻模塊、測試系統最終輸出相應的功率值。旁邊的輔助電源給整個系統和控制機構提供DC24V。

2 刻蝕過程的分析

刻蝕工藝氣體在高頻電場13.5MHz的作用下，使得氣體分子或原子發生電離，形成等離子體。在等離子體中，包含有正離子、負離子、游離基和自由電子，游離基在化學上是很活潑的，它與被刻蝕的材料發生化學反應，生成一些無機化合物，從而被真空泵從反應腔室抽走，實現了刻蝕的目的。

工藝腔體結構由面積大小不對稱的上、下電極組成，如圖2所示。當工藝氣體通入腔體后，上下電極之間會產生很強的電場，電離的自由電子會很快到達下電極；正離子卻不能很快內到達下電極，再加上工藝腔腔體壓力有一定的負壓，最終使得被電離的工藝氣體直接轟擊被刻蝕物，這種離子轟擊大大加快了表面化學反應，完成了刻蝕現象。

3 射頻功率全態輸出技術的分析

刻蝕設備的功率全態輸出主要通過自動匹配網絡（AMU）來實現，AMU自動匹配由500PF和1000PF可變電容值的調整來實現。由計算機控制步進電機的轉動角度，進而調節電容大小，實現最佳匹配。

AMU主要用于信號或能量的傳輸，使所有信號均能傳送到負載位置，減少信號或能量反射回來，即反射功率越小越好，從而提升傳輸效率。匹配的目的是為了保證信號或能量有效地從信號源傳送到負載。當負載阻抗和射頻源輸出阻抗沒有處于最佳匹配時，會有部分輸入信號在負載端反射回射頻源，即射頻源的輸出功率并沒有被負載完全吸收，反射功率變大，降低了刻蝕的工作效率。

在計算機界面中，給射頻源輸入相應的射頻功率，計算機將命令發給PLC，PLC將信號送給射頻源，射頻源接到信號后通過射頻模塊經過穩頻電路、放大電路、濾波電路對信號進行處理，再進入測試系統，然后將信號反饋回來進行控制和調整，保證射頻源的輸出能達到所需要的值。射頻源加給下電極的功率一定要通過AMU中的兩個可變電容C1和C2及電感線圈Coil 1 和DC BIAS Coil，如圖3所示。其中下電極在工藝過程中需要水冷、背氦，避免刻蝕過程反應腔溫度過高，將不需要的雜質打出，反而不能起到刻蝕的目的。

AMU自動匹配過程通過常用的刻蝕工藝實驗進一步說明，工藝氣體CF4/O2，流量 CF4/O2 80/20sccm， 射頻功率100W，反應腔壓力10-1T，時間50min，此時可以觀察反射功率和工藝腔室輝光強度，由于射頻源對人體有很強的輻射，所以在觀察的時候一定要穿戴相應的防輻射服。整個過程都會在射頻源和AMU里進行信號的持續自動調節，始終保證反射功率最小，但不能達到理想的0W。此時就需要切換電腦界面，將自動匹配切換至手動模式下進行，實驗數據如表1所示。

通過手動改變匹配電容的容值，完全可以達到射頻功率全態輸出，反射功率達到理想的0W。

當射頻功率不能全態輸出、反射功率輸出值波動太大或工藝腔室輝光強度不穩定，則考慮匹配電容很可能沒有正常工作或與相連的匹配電機有相對位移，即沒保持同步運動，從而導致系統認為匹配電容仍有可調余地，最終不能完成射頻功率的最大化輸出。將以上問題搞明白后就能更清楚的實現射頻功率的全態輸出。

4 結論

通過實驗證明，AMU是影響射頻功率全態化輸出的主要因素，一旦自動匹配后反射功率仍不能達到理想的0W，就可以手動調整AMU的匹配電容。如何高效利用及合理匹配，使之達到最優結果，將是下一步研究的主要方向。

參考文獻：

[1]曹鋒光，等.射頻電源中的阻抗匹配研究[J].應用激光，2005，25（2）：101-102，136.

[2]徐俊平，楊銀堂，等.幾種SiC刻蝕方法的刻蝕速率[B].現代電子技術，2006，19（6）：324-328.