阅读说明：本技术 衬底处理方法和设备 (Substrate processing method and apparatus ) 是由 吴玉伦 J·库德拉 卡尔·A·索伦森 苏希尔·安瓦尔 于 2018-06-29 设计创作，主要内容包括：提供了一种处理衬底上的材料层的方法。所述方法包括：通过匹配网络将RF功率从RF电源输送到电容耦合等离子体腔室的喷头；点燃所述电容耦合等离子体腔室内的等离子体；相对于所述RF功率的基本频率的相位测量所述RF功率的一个或多个谐波信号的一个或多个相位角；以及基于一个或多个相位角测量来相对于所述RF功率的所述基本频率的所述相位调整所述RF功率的至少一个谐波信号的至少一个相位角。(A method of processing a material layer on a substrate is provided. The method comprises the following steps: delivering RF power from an RF power source to a showerhead of a capacitively coupled plasma chamber through a matching network; igniting a plasma within the capacitively-coupled plasma chamber; measuring one or more phase angles of one or more harmonic signals of the RF power relative to a phase of a fundamental frequency of the RF power; and adjusting at least one phase angle of at least one harmonic signal of the RF power relative to the phase of the fundamental frequency of the RF power based on one or more phase angle measurements.)

衬底处理方法和设备

发明背景

技术领域

本公开的实施方式整体涉及一种用于使用等离子体在处理腔室中处理衬底的设备和方法。

相关技术的描述

在集成电路和其他电子器件的制造中，等离子体工艺通常用于在衬底上沉积或蚀刻各种材料层。随着对平板和太阳能电池的需求增加，对更大大小的衬底的需求也增加了。大面积衬底的大小的这种增长在搬运和生产中提出了新的挑战。例如，衬底的较大的表面积已经造成增加的RF功率需求，这又增加了RF功率传输部件的大小和成本。由于适于大面积衬底和常规的半导体晶片的处理设备的设备的大小和功耗相差一定数量级，仅常规的解决方案的按比例放大无法提供可接受的或在一些情况下甚至无法预测的结果，因此需要新的创新来实现下一代工艺和设备。

高频功率(诸如射频(RF)功率)通常用于例如在工艺腔室内产生等离子体。可以将RF功率施加到工艺腔室的一个或多个部分，诸如工艺腔室的气体分配组件或工艺腔室中的衬底支撑件。随着衬底的尺寸的增大以及在显示器制造工艺中使用的衬底上形成的结构不断缩小，工艺的均匀性和一致性变得越来越重要。为了在衬底处理中实现均匀且一致的结果，维持工艺条件(例如，温度、压力、流量、RF功率的频率)尽可能一致。尽管通过维持一致的工艺条件(例如，温度、压力、流量、RF功率的频率)实现某些益处，但是经处理的材料层的均匀且一致的结果仍是挑战。随着衬底的大小的增大，诸如对于具有大于约1m²、诸如大于约10m²的用于处理(例如，沉积)的表面积的衬底，均匀且一致的处理成为甚至更大的挑战。因此，需要一种用于衬底的等离子体处理的改进的方法和设备。

发明内容

本公开的实施方式整体涉及一种等离子体处理设备及使用等离子体处理设备的方法，在一个实施方式中，提供了一种处理衬底上的材料层的方法。所述方法包括：通过匹配网络将RF功率从RF电源输送到电容耦合等离子体腔室的喷头；点燃所述电容耦合等离子体腔室内的等离子体；相对于所述RF功率的基本频率的相位测量所述RF功率的一个或多个谐波信号的一个或多个相位角；以及基于一个或多个相位角测量来相对于所述RF功率的所述基本频率的所述相位调整所述RF功率的至少一个谐波信号的至少一个相位角。

在另一个实施方式中，提供了一种处理衬底上的材料层的方法。所述方法包括：通过匹配网络将RF功率从RF电源输送到电容耦合等离子体腔室的喷头；点燃所述电容耦合等离子体腔室内的等离子体；相对于所述RF功率的基本频率的相位测量所述RF功率的一个或多个谐波信号的一个或多个相位角；以及基于一个或多个相位角测量来调整所述匹配网络中的至少一个电子部件的阻抗。

在另一个实施方式中，提供了一种处理衬底上的材料层的方法。所述方法包括：通过匹配网络将RF功率从RF电源输送到电容耦合等离子体腔室的喷头；点燃所述电容耦合等离子体腔室内的等离子体；相对于所输送的RF功率的基本频率的相位测量所反射的RF功率的相位角；以及基于所述所反射的RF功率的相位角测量来相对于所述所输送的RF功率的所述基本频率的所述相位调整所述所反射的RF功率的相位角。

附图说明

为了能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可以参考实施方式得到以上简要地概述的本公开的更特定的描述，其中一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型的实施方式，并且因此不应视为对本公开的范围的限制，因为本公开可以允许其他等效实施方式。

图1是根据一个实施方式的PECVD设备的剖视图。

图2A示出了根据一个实施方式的使用π网络配置的匹配网络。

图2B示出了根据一个实施方式的使用T网络配置的匹配网络。

图2C示出了使用常规的L网络配置的匹配网络。

图3是根据一个实施方式的用于通过调整输送到图1的PECVD设备中的腔室的RF功率的至少一个信号的相位角来处理衬底上的材料层的方法的工艺流程图。

为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记标示各图共有的相同元件。设想的是，一个实施方式中公开的要素可以有利地用于其他实施方式上，而不进一步叙述。除非具体地指出，否则这里提到的附图不应被理解为按比例绘制。而且，为了清楚地表示和解释，通常简化附图并省略细节或部件。附图和讨论用于解释以下讨论的原理，其中相同的元件符号表示相同的元件。

具体实施方式

本公开的实施方式包括一种用于改进处理系统的腔室内的等离子体处理结果和/或用于通过补偿在处理系统内出现的类似地配置的等离子体处理腔室中出现的非线性负载来减小等离子体工艺结果在来自系统内或系统间的各腔室间的偏差的方法和设备。图1在下面示出了处理系统的一个示例。

图1是根据一个实施方式的PECVD设备100的示意性剖视图。设备100包括腔室101，在所述腔室中可以在衬底120上处理(例如，沉积或蚀刻)一个或多个材料层。腔室101一般包括壁102、底部104和喷头106，它们一起限定工艺容积105。衬底支撑件118设置在工艺容积105内。工艺容积105通过狭缝阀开口108进入，使得衬底120可以被传送进出腔室101。衬底支撑件118可以耦接到致动器116以升高和降低衬底支撑件118。升降杆122可移动地穿过衬底支撑件118设置以向和从衬底支撑件118的衬底接收表面移动衬底。衬底支撑件118还可以包括加热和/或冷却元件124以将衬底支撑件118维持在所期望的温度下。衬底支撑件118还可以包括RF返回带126，以在衬底支撑件118的周边处提供通向腔室底部104或壁102的RF返回路径，所述RF返回路径可以连接到电接地。

喷头106通过一个或多个紧固机构150来耦接到背板112以帮助防止下垂和/或控制喷头106的直度/曲率。在一个实施方式中，可以使用十二个紧固机构150将喷头106耦接到背板112。

气源132通过气体导管156耦接到背板112，以通过喷头106中的气体通道向喷头106与衬底120之间的处理区域提供气体。真空泵110耦接到腔室101以将工艺容积控制在所期望的压力下。RF功率源128通过匹配网络190耦接到背板112和/或直接地耦接到喷头106以将RF功率提供到喷头106。RF功率在喷头106与衬底支撑件118之间产生电场，使得可以从设置在喷头106和衬底支撑件118之间的气体产生等离子体。衬底支撑件118可以连接到电接地。可以使用各种频率，诸如在约0.3MHz与约200MHz之间的频率。在一个实施方式中，以从约12.88MHz至约14.24MHz的频率(诸如13.56MHz)提供RF功率。

在一些实施方式中，远程等离子体源130(诸如电感耦合远程等离子体源130)也可以耦接在气源132与背板112之间。在处理衬底的过程中，可以将清洁气体提供到远程等离子体源130，使得产生远程等离子体。来自远程等离子体的自由基可以被提供到腔室101以清洁腔室101部件。可以通过提供到喷头106的RF电源128进一步激发清洁气体。合适的清洁气体包括但不限于NF₃、F₂、SF₆和Cl₂。衬底120的顶表面与喷头106之间的间距可以在约400密尔至约1,200密尔之间。在一个实施方式中，间距可以在约400密耳至约800密耳之间。

喷头106可以另外地通过喷头悬架134来耦接到背板112。在一个实施方式中，喷头悬架134是柔性金属裙状物。喷头悬架134可以具有唇缘136，喷头106可以搁置在所述唇缘上。背板112可以搁置在与腔室壁102耦接的突出部114的上表面上以密封腔室101。腔室盖152可以与腔室壁102耦接并与背板112由区域154间隔开。在一个实施方式中，区域154可以是敞开空间(例如，在腔室壁与背板112之间的间隙)。在另一个实施方式中，区域154可以是电绝缘材料。腔室盖152可以具有从中穿过的开口，以准许一个或多个紧固件142与背板112和气体供给导管156耦接，以将处理气体供应到腔室101。

在一个实施方式中，支撑环144可以在腔室盖152的开口内基本上居中。支撑环144可以通过一个或多个紧固件142与背板112耦接。RF返回板146可以与环144和腔室盖152耦接。RF返回板146可以通过紧固机构148与腔室盖152耦接。RF返回板146可以耦接在紧固件142与环144之间。RF返回板146为可顺着紧固件142行进到环144的任何RF电流提供通向RF电源128的返回路径。RF返回板146为RF功率提供了向下流回到腔室盖152并然后流回到RF电源128的路径。

PECVD设备100还包括系统控制器50。系统控制器50用于控制用PECVD设备100执行的工艺的操作，包括将RF功率从RF电源128输送到喷头106。系统控制器50一般被设计成促进腔室101的控制和自动化，并且可以通过有线或无线连接与同腔室101相关联的各种传感器、致动器和其他设备通信。系统控制器50通常包括中央处理单元(CPU)(未示出)、存储器(未示出)和支持电路(或I/O)(未示出)。CPU可以是在工业环境中使用的任何形式的计算机处理器中的一个，用于控制各种系统功能、衬底移动、腔室工艺和控制支持硬件(例如，传感器、内部和外部机器人、马达、气流控制等)并监视系统中执行的工艺(例如，RF功率测量、腔室工艺时间、I/O信号等)。存储器连接到CPU并可以是易获得的存储器中的一种或多种，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字存储装置(无论本地还是远程)。软件指令和软件数据可以被编码并存储在存储器内，以对CPU做指示。支持电路还连接到CPU，以用于以常规的方式支持处理器。支持电路可以包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统和类似物。可由系统控制器50读出的程序(或计算机指令)确定在工艺腔室101中可在衬底上执行的任务。优选地，程序是由系统控制器60可读的软件，所述软件包括用于执行与衬底的运动、支撑和/或定位的监视、执行和控制有关的任务以及各种工艺配方任务(例如，检查操作、处理环境控制)和在工艺腔室101中执行的各种腔室工艺配方操作的代码。

为了将RF功率有效地传输到设置在工艺腔室的工艺容积105内的工艺气体以产生和维持RF等离子体，匹配网络190用于将RF电源128的阻抗与负载进行匹配(即，在工艺容积内形成的等离子体)。当RF电源128的阻抗与负载不匹配时，来自RF电源的RF能量的一部分被反射回RF电源。这些反射降低传输到等离子体的RF功率的效率，如果这些反射是足够大的，那么这些反射就会干扰来自RF电源128的RF信号，使RF电源128不稳定，或损坏向腔室101提供RF功率的电路中的部件。

RF等离子体是非线性负载的示例，并且非线性负载造成以RF信号的基本频率的倍数产生RF电流和RF电压信号的谐波。例如，二次谐波信号以由RF电源128供应的基本频率(例如，13.56MHz)的频率的两倍(例如，27.12MHz)出现。由非线性负载产生的非线性效应将趋于使所产生的RF波形的每个周期内的RF电压和RF电流波形失真，已经发现这对衬底上的等离子体处理结果具有显著影响。一般认为，相对于RF功率的基本频率控制这些谐波信号的相位角、诸如二阶和三阶谐波的相位角以及在基本频率处的任何所反射的RF功率的相位角可以有助于促进给定材料层的一致且均匀的衬底处理，并且相位角的控制对于促进大的衬底(诸如具有大于约1m²、诸如大于约10m²的要处理(例如，沉积)的表面区域的衬底)的一致且均匀的工艺结果特别地有用。这些谐波信号或所反射的RF功率相对于基本频率的相位角可以在处理期间通过对匹配网络190中的各种部件(诸如匹配网络190中的可变电容器和/或可变电感器)进行调整来控制。来自RF电源128的RF线缆长度的变化也可以用于对这些相位角进行调整，但是这一般不是解决大多数的衬底制造设施中的衬底处理腔室中的这种问题的实际解决方案，在所述制造设施中，腔室支撑部件未定位在处理腔室中，尤其是用于大的衬底的工艺腔室中。

图2A和图2B示出了图1所示的匹配网络190的不同电路配置。图2A示出了根据一个实施方式的使用π网络配置的匹配网络190A。匹配网络190A包括可变电感器191A、第一可变电容器192A和第二可变电容器193A。π网络配置的三个电子部件191A-193A相对于现今通常用于阻抗匹配的常规的L网络配置提供了附加的自由度。

图2C示出了使用常规的L网络配置的匹配网络190C。匹配网络190C包括可变电感器191C和第一可变电容器192C。可变电感器191C电连接在RF电源128与电极(诸如喷头106)之间。第一可变电容器192C电连接在RF电源128与可变电感器191C的RF负载侧(即，喷头106)上的电接地之间。对于L网络配置中的阻抗匹配，只有一组电容和电感值来在给定射频下匹配给定负载阻抗。尽管可以重新布置L网络配置，在所述L网络配置中，电感器和电容器的位置被切换，或在所述L网络配置中，接地部件(例如，图2C中的可变电容器192C)连接在RF电源侧而不是RF负载侧，但是仍将只有一组电容和电感值来在给定射频下匹配给定负载阻抗。

相反，由图2A的π网络配置和下面参考图2B所述的T网络配置(各自包括三个电子部件(例如，一个电感器和两个电容器))提供的附加的自由度允许用于在选定射频下匹配给定阻抗的无限数量的解决方案(即，电容和电感值)。该附加的自由度允许通过使用对应的匹配网络190A、190B来主动地匹配源阻抗和负载阻抗，同时还允许分开地调整和/或控制相位角，诸如谐波信号相对于RF功率的基本频率的相位角。

参照图2A，可变电感器191A电连接在RF电源128与喷头106之间。第一可变电容器192A电连接在RF电源128与可变电感器191A的RF电源128侧上的电接地之间。第二可变电容器193A与第一可变电容器192A并联地布置并电连接在RF电源128与连接到可变电感器191A的RF负载(即，喷头106)侧的电接地之间。在另选的π网络配置中，可变电感器191A可以用可变电容器代替，而可变电容器192A、193A可以用可变电感器代替。

由于匹配网络190A中出现的π网络配置具有三个电子部件191A-193A，因此可以调整谐波信号的相位角，同时还可以进行调整以使RF电源128的阻抗与RF负载(即，等离子体)的阻抗相匹配。一般，所形成的电路的阻抗匹配与谐波信号的相位角分开地进行控制。例如，对应的电子部件191A-193A的电感设定和电容设定的各种组合可以造成RF电源128的相同阻抗，但是这些不同的组合可能带来在源阻抗和负载阻抗匹配时相对于RF电源的基本频率控制谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)中的一个或多个的相位角的能力。相对于基本频率控制一个或多个谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)的相位角促成用于在诸如图1所示的腔室101的等离子体腔室中处理特定材料层(例如，氮化硅层沉积)的均匀且一致的结果。在使用匹配网络190A的一些实施方式中，通过在一组给定工艺条件(例如，RF功率大小、RF功率频率、工艺容积温度和压力、气体流率和组成以及要处理的特定材料层)下修改匹配网络190A中的至少一个电容和/或至少一个电感来完成结合谐波信号中的一个或多个的相位角控制的阻抗匹配。在使用匹配网络190A的其他实施方式中，通过在一组给定工艺条件下修改匹配网络190A中的至少两个电容和至少一个电感来完成结合谐波信号中的一个或多个的相位角控制的阻抗匹配。匹配网络190A还可以用于在一组给定工艺条件下在RF电源与负载(即，等离子体)之间的给定阻抗失配的情况下控制所反射的RF功率的相位角。

一旦在用于处理特定材料层(例如，氮化硅沉积)的特定设备(例如，PECVD设备100)上获得所期望的工艺结果，那么可以使用相同工艺条件来重复用特定设备对特定材料层进行处理，其中重复工艺的工艺条件还包括相对于RF功率的基本频率的RF功率的一个或多个谐波信号的相位角或所反射的RF功率的相位角。当在工艺腔室中或在两个或多个类似地配置的工艺腔室内处理特定材料层时，使用包括上述相位角的相同工艺条件可以有助于实现一致、均匀且期望的工艺结果。

图2B示出了根据一个实施方式的使用T网络配置的匹配网络190B。匹配网络190B包括第一可变电感器191B、第二可变电感器192B和可变电容器193B。类似于上面参考图2A描述的π网络配置，T-网络配置的三个电子部件191B-193B相对于通常用于阻抗匹配的常规的L网络配置提供了附加的自由度。该附加的自由度允许匹配源阻抗和负载阻抗，同时还允许调整和/或控制相位角，诸如谐波信号相对于RF功率的基本频率的相位角。

第一可变电感器191B和第二可变电感器192B串联地布置在RF电源128与喷头106之间。第一可变电感器191B设置在RF电源128与第二可变电感器192B之间。第二可变电感器192B设置在第一可变电感器191B与喷头106之间。可变电容器193B连接到第一可变电感器191B和第二可变电感器192B之间的电接地。在另选的T型网络配置中，第二可变电感器192B可以用可变电容器代替。

由于匹配网络190B中出现的T网络配置具有三个电子部件191B-193B，因此可以调整谐波信号的相位角，同时还可以进行调整以使RF电源128的阻抗与RF负载(即，等离子体)的阻抗相匹配。例如，对应的电子部件191B-193B的电感设定和电容设定的各种组合可以造成RF电源128的相同阻抗，但是这些不同的组合可能带来在源阻抗和负载阻抗匹配时相对于RF电源的基本频率控制谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)中的一个或多个的相位角的能力。相对于基本频率控制一个或多个谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)的相位角促成用于在诸如图1所示的腔室101的等离子体腔室中处理特定材料层(例如，氮化硅层沉积)的均匀且一致的结果。在使用匹配网络190B的一些实施方式中，通过在一组给定工艺条件(例如，RF功率大小、RF功率频率、工艺容积温度和压力、气体流率和组成以及要处理的特定材料层)下修改匹配网络190B中的至少一个电容和至少一个电感来完成结合谐波信号中的一个或多个的相位角控制的阻抗匹配。在使用匹配网络190B的其他实施方式中，通过在一组给定工艺条件下修改匹配网络190B中的至少一个电容和至少两个电感来完成结合谐波信号中的一个或多个的相位角控制的阻抗匹配。匹配网络190B还可以用于在一组给定工艺条件下在RF电源与负载(即，等离子体)之间的给定阻抗失配的情况下控制所反射的RF功率的相位角。

一旦在用于处理特定材料层(例如，氮化硅沉积)的特定设备(例如，PECVD设备100)上获得所期望的工艺结果，那么可以使用相同工艺条件来重复用特定设备对特定材料层进行处理，其中重复工艺的工艺条件还包括相对于RF功率的基本频率的RF功率的一个或多个谐波信号的相位角或所反射的RF功率的相位角。当在工艺腔室中或在两个或更多个类似地配置的工艺腔室内处理特定材料层时，使用包括上述相位角的相同工艺条件可以有助于实现一致、均匀且期望的结果。

图3是根据一个实施方式的用于通过调整输送到图1的PECVD设备100中的腔室101的RF功率的至少一个信号的相位角来处理衬底上的材料层的方法1000的工艺流程图。为了简化对在方法1000中出现的方法步骤的讨论，已经写了以下讨论，使得可以使用参考图2A和图2B描述的网络配置中的任一个。然而，由于π网络通常在高频下具有低阻抗而T网络在高频下具有高阻抗，因此可以基于在RF等离子体处理期间使用的所期望的基本频率来在匹配网络190A与匹配网络190B间进行选择。参考图1、图2A、图2B和图3，描述了方法1000。

在框1002处，通过匹配网络(例如，图2A的匹配网络190A或图2B的匹配网络190B)将RF功率从RF电源128输送到电容耦合等离子体腔室101的喷头106。在框1004处，然后，通过在框1002中供应的RF功率在电容耦合等离子体腔室101中点燃等离子体。

在框1005处，控制器50调整对应的匹配网络190A、190B中出现的三个电子部件(例如，部件191A-193A或部件191B-193B)中的至少一个，以匹配RF电源128和负载阻抗来实现所期望的正向和所反射的RF功率。

在框1006处，相对于RF功率的基本频率测量RF功率的一个或多个谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)的一个或多个相位角。在一些实施方式中，相位角测量可以包括相对于RF功率的基本频率的所反射的RF功率的相位角的测量。

在框1008处，基于一个或多个相位角测量和正在处理的材料层(例如，氮化硅沉积)来相对于RF功率的基本频率调整RF功率的一个或多个谐波信号(例如，二阶和三阶谐波信号)的一个或多个相位角。可以相对于RF功率的基本频率的相位调整一个或多个谐波信号的相位角，而同时使用以上参考图2A和图2B描述的方法来保持RF电源128的阻抗恒定。例如，PECVD设备100的操作者可观察到，当阻抗匹配并且二阶谐波信号的相位角从基本频率的相位偏移了20度时，对于氮化硅层的等离子体增强化学气相沉积，可以获得所期望的一致且均匀的处理结果。然后，操作者和/或系统控制器50可以分别对诸如图2A和图2B的匹配网络190A和190B的匹配网络中的电子部件中的一个或多个的一个或多个电容值和/或一个或多个电感值进行调整，以匹配源阻抗和负载阻抗并控制二次谐波信号的相位角从基本频率的相位偏移到20度。此外，谐波信号中的一个或多个的相位角偏移还可以取决于操作RF功率大小(例如，1000瓦)和RF功率的频率(例如，13.56MHz)。

在框1006中测量所反射的RF功率的相位角的实施方式中，可以相对于RF功率的基本频率的相位调整所反射的RF功率的相位角。

尽管前述内容针对的是本公开的实施方式，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设想本公开的其他和进一步实施方式，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。