一种基于进气分布控制的等离子体密度分布调控方法

摘要

本发明提供一种基于进气分布控制的等离子体密度分布调控方法，利用对等离子体放电密度分布的实时监测反馈，对进气气流分布进行即时调控，从而调控等离子体密度分布乃至等离子体放电状态。该发明可以实时、精确调控等离子体放电状态，获得需要的等离子体密度分布，或者基于闭环控制维持稳定的等离子体放电状态。调控原理简单，易于实现，适用于半导体行业等离子体均匀去除或者光学加工领域的等离子体稳定去除工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于进气分布控制的等离子体密度分布调控方法，可应用于半导体制造和光学加工领域。

背景技术

等离子体放电去除加工已经被广泛应用于半导体行业。最近，全口径浸没式等离子体也被用于光学加工。无论是在半导体行业中均匀传递微纳结构，还是在光学加工中基于稳定的去除函数修正面形，等离子体放电在面上各点的稳定去除能力都是必须的。然而，真空腔室中的等离子体放电由于每次放电时设备、环境、外部控制参数的不同会存在一定的不稳定性，导致半导体行业中需要进行严格的环境控制和工艺配方限制，而在光学加工领域则需要多次测定去除函数，同时也不得不忍受一定程度的去除函数不确定性。这些限制因素降低了半导体行业和光学加工领域等离子体放电去除工艺的效率，增加了大量不必要的成本，迫切地需要解决等离子体放电状态波动的难题。

真空腔室中的等离子体放电状态主要由等离子体密度分布和等离子体能量分布共同决定。其中等离子体能量分布主要由放电外加功率、放电腔压和设备构型决定，很难精确调控其分布曲线。而等离子体密度分布虽然也受到以上几个因素影响，但更多地由输入气流流量及分布影响，这是因为在真空等离子体放电中，等离子体的物质输运要么依赖于真空腔室内的流场分布，要么基于扩散输运。由于流体运动或扩散输运的空间受限性质，输入到腔室的反应气体不能很快地形成平衡状态，必然存在过渡状态；同时，输入到腔室时的气体分布如果与等离子体平衡状态分布相差较大，必然会使等离子体的平衡状态分布发生移动，从而导致等离子体密度分布发生变化。显然，输入到腔室时的气体分布与反应界面的等离子体密度分布存在一定的关系。如果能够调控等离子体密度分布，进一步地将等离子体能量分布作为一个可控且稳定的分布函数计入，将有可能实现对等离子体放电状态的调控，从而在一定程度上规避因设备状态漂移、环境条件波动、工艺参数改变引起等离子体放电状态波动对工艺生产的影响，大幅提高等离子体放电加工的环境兼容性和放电稳定性，节约成本，提高效率。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供一种基于进气分布控制的等离子体密度分布调控方法，通过对等离子体放电密度分布的实时监测反馈，形成对进气气流分布的即时调控，从而调控等离子体密度分布乃至等离子体放电状态。该发明可以实时、精确调控等离子体放电状态，获得需要的等离子体密度分布，或者基于闭环控制维持稳定的等离子体放电状态。调控原理简单，易于实现，适用于半导体行业等离子体均匀去除或者光学加工领域的等离子体稳定去除工艺。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于进气分布控制的等离子体密度分布调控方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)监测等离子体密度分布，所述等离子体位于真空腔体内，所述真空腔体具有多孔进气装置，所述多孔进气装置具有可独立控制开闭程度的多个进气孔；

步骤2)根据所述监测的等离子体密度分布与需要的等离子体密度分布之间的差别，对所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度进行调节；

步骤3)重复步骤2)，直到所述监测的等离子体密度分布被调控至所述需要的等离子体密度分布。

进一步地，所述等离子体密度分布的监测方法，包括但不限于扫描式朗缪尔探针和/或多点矩阵式朗缪尔探针。

进一步地，所述多孔进气装置的多个进气孔可独立控制的开闭程度为零至最大孔径。

进一步地，所述多孔进气装置进气孔调节方法包括但不限于直径可变小孔的直径调节和/或多层孔错位孔径调节。

进一步地，所述多孔进气装置进气孔调节方式包括但不限于电动调节和/或手动调节。

进一步地，所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度的调节，可以使所述监测的等离子体密度分布发生变化。

进一步地，所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度的调节，可以与所述监测的等离子体密度分布变化建立对应关系。

进一步地，所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度，可以与所述监测的等离子体密度分布建立对应关系。

进一步地，所述等离子体密度分布变化，包括但不限于监测区域内各点等离子体电子数密度大小的变化。

进一步地，所述监测的等离子体密度分布可以实时反馈并用于指导所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度的即时调节。

进一步地，所述等离子体密度分布调控方法可以通过软件形成闭环，对所述等离子体密度分布进行实时自动调节，即所述监测的等离子体密度分布反馈给控制软件，所述控制软件基于预先输入的所述需要的等离子体密度分布，计算出所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度的调节分布，同时发出信号实时自动调节所述多孔进气装置多个进气孔开闭程度，之后获得新的等离子体密度分布反馈，如此循环，直至所述需要的等离子体密度分布被获得。

本发明的有益效果是：

(1)对等离子体放电状态的控制主要依赖对等离子体密度分布的调控，可控性高，可实现实时闭环控制，脱离了状态控制对设备状态、环境条件及外部参数的依赖，可以在设备发生变更、环境发生变化以及工艺配方更换时快速达到已知的等离子体放电状态，进而快速实施合理的等离子体放电工艺。这一方法可以降低设备维护标准和环境条件苛刻要求，从而节约高昂的设备及环境维护费用；避免繁复的设备重新调试过程和工艺配方试验流程，节约大量人力物力。

(2)对等离子体放电状态稳定性的维持依赖于对等离子体放电密度分布的实时精确闭环控制，可以有效避免半导体工艺中的刻蚀均匀性波动以及光学加工时去除函数稳定性变化，大幅提高半导体工艺的良率和光学加工效率。

附图说明

图1为基于进气分布控制的等离子体密度分布调控装置示意图。

图2为实施例1中多孔进气装置上进气孔分布示意图。

图3为实施例2中多孔进气装置上进气孔分布示意图。

其中：1—真空腔室；2—多孔进气装置；3—等离子体放电；4—朗缪尔探针矩阵；5—装有分析控制软件的电脑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

实施例1：对600毫米口径单频容性耦合等离子体放电3进行稳定性调控，初始放电参数为：放电腔压2.0Pa，放电功率1000W，放电气体三氟甲烷：氧气＝180Sccm:30Sccm。多孔进气装置2位于真空腔室1顶部，多孔进气装置2外缘直径400mm，气流从上而下进入真空腔室1，多孔进气装置2上进气孔分布如图2所示，共25个进气孔，每个进气孔的最大孔径为20mm，每个进气孔之间的间距为50mm，每个进气孔的开闭程度由可独立控制的电控光阑控制，初始开闭程度为50％最大孔径。等离子体密度的监测采用具有25个测量点的朗缪尔探针矩阵4，采样点均布于放电真空腔室1中，在竖直方向上与进气孔位置对应。朗缪尔探针矩阵4连接装有分析控制软件的电脑5，实时反馈采样点等离子体空间电位、悬浮电位、电子温度、电子密度、离子密度与电子能量分布函数等数据。

具体调控过程包括：

步骤1.在真空腔室中进行设定参数的等离子体放电，放电10秒后，分析控制软件记录30秒内30个电子密度采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并记录作为标准电子密度分布。

步骤2.分析控制软件依次减小每个进气孔10％的开闭程度，即进气孔孔径缩小为最大孔径的40％，每次缩小孔径后稳定放电10秒，记录30秒内30个采样分布求出各个采样点的时间平均均值并记录。

步骤3.依次增加每个进气孔20％的开闭程度，即进气孔孔径扩大为最大孔径的60％，每次缩小孔径后稳定放电10秒，记录30秒内30个采样分布求出各个采样点的时间平均均值并记录。

步骤4.根据步骤2、步骤3两步，可以得知调节某一进气孔开闭程度时，所有采样点电子密度数值变化趋势，与该进气孔对应的采样点变化最大，与该进气孔距离越远，电子密度数值变化越小。

步骤5.重复步骤2、步骤3两步，改变每个进气孔开闭程度减小和增加的比例以及同时变化的进气孔数目，在进气孔开闭程度分布与等离子体电子密度分布对应关系数据库中增加更多的数据。

步骤6.关闭设备放电，重新开机放电，放电10秒后，分析控制软件记录30秒内30个采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并记录，此时的等离子体电子密度分布与步骤1中记录的标准电子密度分布出现差别，设定每个采样点电子密度数值波动小于5％为允许范围，分析控制软件对比两个电子密度分布中每个采样点的电子密度数值变化，首先调节数值差别最大的采样点对应的进气孔的开闭程度，调节幅度参考步骤5中得到的数据库中的数据，稳定放电10秒后，记录30秒内30个采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并记录。

步骤7.分析控制软件对比调节后的电子密度分布与步骤1中标准电子密度分布中每个采样点的电子密度数值变化，再次调节数值差别最大的采样点对应的进气孔的开闭程度，调节幅度参考步骤5中得到的数据库中的数据，稳定放电10秒后，记录30秒内30个采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并记录。

步骤8.重复步骤7，直至监测到的等离子体密度分布每个采样点电子密度数值与标准电子密度分布对应采样点的差值小于5％。

步骤9.步骤6、步骤7、步骤8三步中的采样记录、采样分析、数值比较、进气孔开闭程度控制等，均由分析控制软件自动完成。

步骤10.当设备状态变更、环境条件变化或工艺参数调整时导致等离子体放电电子密度分布发生变化，均可以通过步骤6、步骤7、步骤8三步来实现将监测的等离子体放电电子密度分布调节至设定的标准电子密度分布。

实施例2：对1000毫米口径单频容性耦合等离子体放电进行均匀性调控，初始放电参数为：放电腔压1.5Pa，放电功率2000W，放电气体氧气500Sccm。多孔进气装置位于真空腔室顶部，多孔进气装置外缘直径800mm，气流从上而下进入真空腔室，多孔进气装置上进气孔分布如图3所示，共81个进气孔，每个进气孔的最大孔径为40mm，每个进气孔之间的间距为70mm，每个进气孔的开闭程度由可独立控制的错位孔径调节板控制，每一个进气孔由下层的带孔板和上层的对应可移动带孔板组成，上下两层孔径相同，每一个上层可移动带孔板可以独立水平移动，移动幅度为下层板被完全遮住至上下两层孔完全重合，初始开闭程度为50％最大孔径。等离子体密度的监测采用扫描式朗缪尔探针，扫描时间间隔最低12.5ns，触发频率最高1MHz，最小步阶0.025mm，扫描范围覆盖整个真空腔室。朗缪尔探针连接装有分析控制软件的电脑，实时反馈扫描得到的等离子体空间电位、悬浮电位、电子温度、电子密度、离子密度与电子能量分布函数等数据。

具体调控过程包括：

步骤21.在真空腔室中进行设定参数的等离子体放电，放电30秒后，扫描式朗缪尔探针对整个真空腔室进行扫描并实时反馈数据，分析控制软件记录600秒内20个电子密度采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并拟合成对应水平面的初始电子密度分布。

步骤22.观察监测得到的初始电子密度分布，选定数值偏离所有数据均值较大的一块区域，手动调节进气装置上对应该区域的进气孔孔径大小，电子密度数值偏大则孔径减小，电子密度数值偏小则孔径增大，调节完毕再次进行整个真空腔室的电子密度数值扫描测量，记录600秒内20个电子密度采样分布，求出各个采样点的时间平均均值并拟合成对应水平面的初始电子密度分布。

步骤23.重复步骤22，直至测量得到的整个真空腔室电子密度分布数值不均匀性小于5％。

步骤24.在调节后的等离子体状态下对样品进行刻蚀，之后利用台阶仪、白光轮廓仪等测量样品上各点刻蚀深度，计算出全口径刻蚀不均匀性。

步骤25.将实测的全口径各点刻蚀深度与对应位置的进气孔孔径大小进行一一对应，依照每点刻蚀深度与刻蚀深度均值的偏离程度对相应的进气孔孔径进行再次调整，深度偏大则对应孔径减小，深度偏小则对应孔径增大，进气孔孔径增大或减小的幅度取决于该点刻蚀深度与均值的偏离程度大小，偏离越大则孔径调整幅度越大，调节完毕后进行整个真空腔室的电子密度数值扫描测量，记录600秒内20个电子密度采样分布，记录各个采样点的时间平均均值并拟合成对应水平面的电子密度分布。

步骤26.重复步骤24和步骤25，直至样品上各点刻蚀深度不均匀性小于5％，完成等离子体放电的均匀性调控。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。