一种任意波形驱动放电控制系统的制作方法

[0001]
本发明涉及半导体刻蚀和薄膜沉积技术领域，特别是涉及一种任意波形驱动放电控制系统。


背景技术：

[0002]
近年来，任意波形驱动放电成为一种独立控制离子通量和离子能量的新方法。与双频电源驱动放电相比，任意波形驱动放电具有更宽的独立控制离子通量和离子能量的参数窗口，具有更广阔的应用前景。通常，任意波形由基频和基频的若干个高次谐波叠加而成。近年来，人们主要通过数值模拟方法对任意波形驱动放电进行了研究，而相关的实验研究比较鲜见。在实验中，为实现任意波形驱动放电，需要对各个谐波电压的幅值和相位进行独立控制。一方面，需要对放电中各谐波电压分量进行在线测量。另一方面，需要对测量结果进行实时分析，并对其进行快速反馈调节。
[0003]
文献中大多采用数值模拟方法(数值模型不需要真实的实验系统，而是通过计算机对实验过程进行仿真)对任意波形驱动放电进行研究，而关于该技术的实验方案也非常鲜见。
[0004]
在相关实验研究中，放电大多采用基频频率及其二次谐波频率叠加而成的谐波。这种情形下，通常采用手动调节信号发生器或功率放大器的方式来产生目标波形。手动方法具有工作效率低，控制精度低、耗时长的缺点。
[0005]
文献patterson m m,chu h y and wendt a e 2007plasma sources sci.technol.16257报道了一种产生任意波形的方法。首先，该方法被应用于感性耦合等离子体(icp)源中，在容性耦合等离子体(ccp)源中尚未发现相关报道；其次，该文献中使用的驱动频率范围相对较窄，为300khz
–
35mhz。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种任意波形驱动放电控制系统，以提高控制精度和效率，扩大系统的适用范围和工作频率。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了一种任意波形驱动放电控制系统，所述任意波形驱动放电控制系统包括：
[0008]
反应器，用于维持等离子体放电；
[0009]
计算机，与所述反应器连接，用于产生第一波形数据，还用于采集所述反应器的电压，并判断所述反应器的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压是否满足约束条件，如果所述反应器的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压满足约束条件，则停止对所述反应器的电压判断；如果所述反应器的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压不满足约束条件，则调整并输出调整后的第一波形数据；
[0010]
信号发生器，与所述计算机连接，用于接收第一波形数据和调整后的第一波形数据并根据所述第一波形数据或调整后的第一波形数据产生任意波电压；
[0011]
功率放大器，与所述信号发生器连接，用于接收所述任意波电压并进行放大；
[0012]
匹配网络，分别与所述功率放大器和所述反应器连接，用于将放大后的所述任意波电压根据所述反应器进行匹配，并施加在所述反应器上。
[0013]
可选地，所述任意波形驱动放电控制系统还包括：
[0014]
电压探头，与所述反应器连接，用于测量所述反应器的电压；
[0015]
示波器，分别与所述电压探头和所述计算机连接，用于显示所述反应器的电压。
[0016]
可选地，所述任意波形驱动放电控制系统还包括：
[0017]
隔直电容，分别与所述反应器和所述匹配网络连接，用于阻隔匹配后的所述任意波电压中的直流电。
[0018]
可选地，所述反应器为ccp反应器或icp反应器。
[0019]
可选地，所述ccp反应器包括：
[0020]
驱动电极，分别与所述隔直电容和所述电压探头连接，用于根据阻隔直流电后的所述任意波电压维持等离子体放电；
[0021]
接地电极，与大地连接，且与所述驱动电极对应设置，用于与所述驱动电极相互作用产生等离子体。
[0022]
可选地，所述第一波形信号的计算公式为：
[0023][0024]
其中，v
fun
(t)表示所述第一波形信号，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
fun,k
表示所述第一波形信号的第k个谐波的电压幅值，θ
fun,k
表示所述第一波形信号的第k个谐波的电压相位。
[0025]
可选地，所述反应器的电压计算公式为：
[0026][0027]
其中，v
ele
(t)表示所述反应器的电压，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压幅值，θ
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压相位。
[0028]
可选地，所述目标任意波电压的计算公式为：
[0029][0030]
其中，v
tar
(t)表示所述目标任意波电压，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压幅值，θ
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压相位。
[0031]
可选地，所述约束条件为：
[0032]
0.99＜v
ele,k
/v
tar,k
＜1.01，|θ
ele,k-θ
tar,k
|＜2
°
[0033]
其中，v
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压幅值，v
tar,k
表示所述目标
任意波电压的第k个谐波的电压幅值，θ
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压相位，θ
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压相位。
[0034]
可选地，所述第一波形信号的最大频率为240mhz，所述功率放大器的工作频率范围为10khz-225mhz。
[0035]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0036]
本发明提供一种任意波形驱动放电控制系统，包括：反应器、计算机、信号发生器、功率放大器和匹配网络。反应器用于维持等离子体放电；计算机，与反应器连接，用于产生第一波形数据，还用于采集反应器的电压，并判断反应器的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压是否满足约束条件，如果反应器的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压满足约束条件，则停止对反应器的电压判断；如果不满足约束条件，则调整并输出调整后的第一波形数据；信号发生器、功率放大器和匹配网络分别对第一波形数据进行处理并施加在反应器上。本发明提高了控制精度和效率，扩大了系统的适用范围和工作频率。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统结构框图；
[0039]
图2为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统ccp反应器结构框图；
[0040]
图3为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统icp反应器结构框图；
[0041]
图4为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统交互式软件界面图；
[0042]
其中，1、反应器，2、电压探头，3、示波器，4、计算机，5、信号发生器，6、功率放大器，7、匹配网络，8、隔直电容。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明的目的是提供一种任意波形驱动放电控制系统，以提高控制精度和效率，扩大系统的适用范围和工作频率。
[0045]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0046]
图1为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统结构框图，如图1所示，本发明提供一种任意波形驱动放电控制系统，所述任意波形驱动放电控制系统包括：反应器1、计算机4、信号发生器5、功率放大器6和匹配网络7。所述反应器1用于维持等离子体放电；计算机4与所述反应器1连接，所述计算机4用于产生第一波形数据，还用于采集所述反应器1的电
压，并判断所述反应器1的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压是否满足约束条件，如果所述反应器1的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压满足约束条件，则停止对所述反应器1的电压判断；如果所述反应器1的电压中的各谐波电压与目标任意波电压中的各谐波电压不满足约束条件，则调整并输出调整后的第一波形数据；使得所述反应器1的电压中的各谐波电压更接近所述目标任意波电压中的各谐波电压；信号发生器5与所述计算机4连接，所述信号发生器5用于接收所述第一波形数据和调整后的第一波形数据并根据所述第一波形数据或调整后的第一波形数据产生任意波电压；功率放大器6与所述信号发生器5连接，所述功率放大器6用于接收所述任意波电压并进行放大；匹配网络7分别与所述功率放大器6和所述反应器1连接，所述匹配网络7用于将放大后的所述任意波电压根据所述反应器1进行匹配，并施加在所述反应器1上。
[0047]
所述任意波形驱动放电控制系统还包括：电压探头2和示波器3。所述电压探头2与所述反应器1连接，所述示波器3分别与所述电压探头2和所述计算机4连接，所述电压探头2用于测量所述反应器1的电压；所述示波器3用于显示所述反应器1的电压。
[0048]
在本发明实施例中，所述任意波形驱动放电控制系统还包括：隔直电容8。所述隔直电容8分别与所述反应器1和所述匹配网络7连接，用于阻隔匹配后的所述任意波电压中的直流电。
[0049]
在本发明实施例中，所述反应器1为ccp反应器或icp反应器。
[0050]
图2为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统ccp反应器结构框图，如图2所示，在本发明实施例中，所述ccp反应器包括：驱动电极和接地电极。所述驱动电极分别与所述隔直电容8和所述电压探头2连接，所述驱动电极，用于根据阻隔直流电后的所述任意波电压维持等离子体放电；所述接地电极与大地连接，且与所述驱动电极对应设置，所述接地电极用于与所述驱动电极相互作用产生等离子体。
[0051]
所述ccp反应器采用圆柱形结构，其中包含两个圆形的平行板电极-驱动电极和接地电极，电极材料可变(不锈钢、铝、氧化铝和铜等)，电极直径范围为50-600mm，电极间距范围为10-100mm。等离子体在两个电极中间产生。
[0052]
图3为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统icp反应器结构框图，如图3所示，所述icp反应器为圆柱形结构，顶部由一块圆形石英板密封，石英板上方是盘香型线圈，射频源输出的电压通过一个隔直电容8后施加在线圈的一端，线圈的另一端接地。所述icp反应器包含一个圆形电极，匹配网络7输出的电压经过一个隔直电容8后施加在该圆形电极上。
[0053]
在本发明实施例中，所述第一波形信号的计算公式为：
[0054][0055]
其中，v
fun
(t)表示所述第一波形信号，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
fun,k
表示所述第一波形信号的第k个谐波的电压幅值，θ
fun,k
表示所述第一波形信号的第k个谐波的电压相位。
[0056]
在本发明实施例中，所述反应器的电压计算公式为：
[0057][0058]
其中，v
ele
(t)表示所述反应器的电压，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压幅值，θ
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压相位。
[0059]
在本发明实施例中，所述目标任意波电压的计算公式为：
[0060][0061]
其中，v
tar
(t)表示所述目标任意波电压，f表示基频频率，t表示单个基频射频周期内的不同时刻，n表示谐波个数，v
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压幅值，θ
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压相位。
[0062]
在本发明实施例中，所述约束条件为：
[0063]
0.99＜v
ele,k
/v
tar,k
＜1.01，|θ
ele,k-θ
tar,k
|＜2
°
[0064]
其中，v
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压幅值，v
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压幅值，θ
ele,k
表示所述反应器的电压的第k个谐波的电压相位，θ
tar,k
表示所述目标任意波电压的第k个谐波的电压相位。
[0065]
任意波形驱动放电控制系统的具体工作流程如下：
[0066]
步骤一：首先在计算机4上生成一个初始的第一波形数据，计算机4将第一波形数据传输到信号发生器5，信号发生器5根据第一波形数据输出任意波电压，然后先经功率放大器6放大，经过匹配网络7后，施加在驱动电极上。
[0067]
步骤二：利用电压探头2对驱动电极上形成的电压进行测量，并在示波器3上显示。利用计算机4对反应器1的电压进行采集和在线分析。接着，利用计算机4对反应器1的电压进行在线快速傅里叶变换，得到反应器1的电压的各个谐波电压的幅值和相位。
[0068]
步骤三：将反应器1的电压中各谐波电压幅值和相位与目标任意波电压中各谐波电压幅值和相位进行比较，并对初始的第一波形数据进行调整，进而信号发生器5输出的任意波信号中各谐波电压的幅值和相位也进行调整,使得反应器1的电压中各谐波电压幅值和相位更接近于目标任意波电压中各谐波电压幅值和相位。
[0069]
步骤四：重复步骤二至步骤三，直到反应器1的电压满足约束条件0.99＜v
ele,k
/v
tar,k
＜1.01,|θ
ele,k-θ
tar,k
|＜2
°
后,反馈中止。
[0070]
图4为本发明实施例任意波形驱动放电控制系统交互式软件界面图，如图4所示，任意波形驱动放电控制系统的具体工作流程通过一个交互式软件来执行和完成。左侧为信号发生器5控制单元，右侧为示波器3控制单元，中间区域为显示区。中间区域图：左上图给出的是信号发生器5输出的任意波电压，右上图给出的是反应器1的电压，左下图给出的是任意波电压中各个谐波电压的幅值，右下图给出的是任意波电压中各个谐波电压的相位。中间最下方给出的是图中对应的数据。通常，以谐波个数是5为例，利用本发明生成目标任意波电压需要的循环次数小于10，所需的时间为数秒。可见，本发明具有较高的工作效率和较快的响应速度。
[0071]
在本发明实施例中，所述第一波形信号的最大频率为240mhz，所述功率放大器6的工作频率范围为10khz-225mhz。所述信号发生器5通过bnc线与所述功率放大器6连接，所述功率放大器6通过射频线缆与所述匹配网络7连接，所述匹配网络7通过射频线缆与所述反应器1连接，电压探头2的带宽为500mhz。
[0072]
在本发明实施例中，所述ccp反应器1由大连翔羽真空技术有限公司生产制造(生产号为xy-2019-03)，所述信号发生器5的型号为(tektronix,afg31252)，所述功率放大器6的型号为(ar,model 1000a225)，所述匹配网络7的型号为(瑞思杰尔，psg
-ⅲ
型)，所述电压探头2的型号为(tektronix,p5100a)，所述示波器3的型号为(tektronix,mso56)，所述计算机4的型号为(dell,optiplex7070mt)。以上型号仅是举例说明，本发明不限于以上型号。
[0073]
本发明可以对反应器1上的电压波形进行实时反馈调节，快速和高效地生成目标任意波电压。与手动调节方式相比，具有操作效率高、精度高、响应快、耗时短的优势。与文献pattersonmm,chuhyandwendtae2007plasma sources sci.technol.16257中报道的方法相比，本发明可扩展至ccp反应器1和其他放电系统中；其次，本系统中功率放大器6的频率范围为10khz
–
225mhz，信号发生器5的最大输出频率为240mhz，适用的工作频率更高。
[0074]
利用本发明可以使反应器1上快速产生所需的电压，就可以快速独立控制离子通量和离子能量。通过独立控制离子通量和离子能量，最终可达到优化刻蚀过程中的刻蚀速率和刻蚀剖面以及薄膜沉积过程中的沉积速率和薄膜性能的目的。本发明不需改变反应器1的结构和尺寸，仅需调控第一波形数据即可实现快速独立控制离子通量和离子能量的目的。本发明具有操作效率高、控制精度高、响应快、耗时短的优点。
[0075]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。