CN100399515C - 用于优化等离子体处理系统中的基板的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于处理等离子体处理系统中的半导体基板的方法。该方法包括提供具有第一端子和第二端子的RF耦合结构，该第一端子与第一电测量装置耦合，该第二端子与第二电测量装置耦合。该方法还包括将补偿电路耦合至该第二端子。该方法进一步包括提供被耦合以接收来自该第一电测量装置和该第二电测量装置的信息的反馈电路，该反馈电路的输出被用于控制该补偿电路，以保持该第一端子的第一电值和该第二端子的第二电值之比大致在预定值。

Description

用于优化等离子体处理系统中的基板的方法和设备
技术领域
本发明整体涉及基板制造技术，尤其涉及用于优化等离子体处理系统中的基板的方法和设备。
背景技术
在例如半导体晶片或玻璃板等用于平板显示制造中的基板的处理过程中，常常采用等离子体。例如，作为基板处理(化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积等)的部分，基板被分成多个裸片(die)或矩形区域，每个都将成为集成电路。接着，在有选择地去除材料(蚀刻步骤)和沉积材料(沉积步骤)的一系列步骤中处理基板，以在其上形成电气部件。
在示范性等离子体处理过程中，在蚀刻之前用硬化乳剂(即，例如，光致抗蚀剂掩模)覆盖基板。接着有选择地去除硬化乳剂的区域，使得底层的部分暴露。接着，将基板放在包括单极或双极的基板支承结构(称之为卡盘(chuck))上的等离子体处理室中。
接着，使适当的等离子体处理气体(例如，C4F8、C4F6、CHF3、CH2F3、CF4、CH3F、C2F4、N2、O2、Ar、Xe、He、H2、NH3、SF6、BCl3、Cl2、WF6等)流入该室，并且通过通常耦合(couple)至RF耦合结构(例如，一组感应线圈等)的第一RF能源离子化。另外，也可使第二RF能源耦合至基板，以利用等离子体产生偏斜，并且远离等离子体处理系统内的结构向着基板指引等离子体。
感应线圈是用途与变压器类似的装置，用于感应等离子体处理气体中的时变电压和电势差，通过在初级线圈内连续导通和断开电流来产生等离子体。已知配置是将平面线圈放在该室顶部，也称为TCPTM(例如，变压器耦合等离子体)。另一种配置是配置等离子体处理系统，使得螺管线圈绕等离子体处理室的侧面缠绕。
等子体通常包括部分离子化的气体。由于等离子体放电是RF启动和弱离子化的，所以等离子体中的电子不是与离子热平衡。即，当较重的离子通过与背景气体(例如，氩气等)的碰撞有效地交换能量时，电子吸收热能。由于电子具有比离子小很多的质量，所以电子热速度比离子热速度大得多。这往往使得运动较快的电子损失到等离子体处理系统内的表面，随后在等离子体和盖表面之间产生正电离子鞘。接着进入鞘的离子加速进入该表面。
低RF频率往往使得等离子体离子在少于一个的RF周期(RFcycle)中穿过鞘，产生较大的离子能量改变。同样，较高的RF频率往往使得等离子体离子花费几个RF周期来穿过鞘，产生更一致的离子能量组。较高频率往往造成比用具有类似功率电平的较低频率信号激励时更低的鞘电压。
匹配网络通常耦合在RF源和等离子体处理室之间。一般而言，如从传输线路末端所观察到的，匹配网络将等离子体的复数阻抗(complex impedance)转换成RF发生器的标称输出阻抗。例如，如果RF发生器输送2kW的输出功率(称为入射或正向功率)，且匹配网络没有被适当“调谐”(例如，造成50％的反射功率)，则1kW的功率将被反射回RF发生器。这意味着，仅1kW被输送给负载(等离子体室)。高质量、低阻抗及适当选择长度的传输线路与适当尺寸的匹配网络的组合可提供从发生器到等离子体室的最佳功率传送。
现在参看图1，示出等离子体处理系统100的简化视图。一般而言，适当的气体组从气体分配系统122通过入口108流入室102。为了处理(例如，蚀刻或沉积)例如半导体晶片或玻璃板(glass pane)等位于静电卡台116上的基板114的暴露区域，这些等离子体处理气体可随后被离子化，以形成等离子体110。上室板120与衬垫112一起有助于最优地将等离子体110聚焦到基板114上。
气体分配系统122通常包括包含等离子体处理气体的压缩气瓶124a-f(例如，C4F8、C4F6、CHF3、CH2F3、CF4、HBr、CH3F、C2F4、N2、O2、Ar、Xe、He、H2、NH3、SF6、BCl3、Cl2、WF6等)。气瓶124a-f可由用于局部排气通风的外壳128进一步保护。质量流控制器126a-f通常是通常用在半导体工业中用于测量和调整等离子体处理系统的气体质量流的独立的装置(包括变换器、控制阀、及控制和信号处理电子装置)。
感应线圈131通过介电窗104与等离子体分离，并且通常感应等离子体处理系统中的时变电流，以产生等离子体110。该窗既保护感应线圈不受等离子体110的影响，又允许产生的RF域(field)穿进等离子体处理室。可进一步耦合至RF发生器138的匹配网络132进一步耦合至在引线130a-b的感应线圈131。如前所述，匹配网络132试图使通常以13.56MHz和50欧姆工作的RF发生器138的阻抗匹配等离子体110的阻抗。
现在参看图2，示出TCPTM感应线圈的简化视图。感应线圈可由高传导铜管(通常为圆形、矩形、或正方形，这取决于应用)制成，并且必须被弄成粗糙的，以经受持续的使用。如图1中所示，引线130a-b用于将感应线圈131耦合到匹配网络132。
然而，当室压或功率电平改变时，匹配网络和负载可能一起变得不稳定。结果是快速波动或抖动比匹配网络能响应的波动或抖动改变更快。所造成的功率传送不稳定性能不仅损坏匹配网络的部件和RF发生器，并且相当大地影响基板的产量。
鉴于上述，想要用于优化等离子体处理系统中的基板的方法和设备。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及用于处理等离子体处理系统中的半导体基板的方法。该方法包括：提供具有第一端子和第二端子的RF耦合结构，该第一端子与第一电测量装置耦合，该第二端子与第二电测量装置耦合。该方法还包括将补偿电路耦合至该第二端子。该方法进一步包括提供被耦合以接收来自该第一电测量装置和该第二电测量装置的信息的反馈电路，该反馈电路的输出被用于控制该补偿电路，以将该第一端子的第一电值和该第二端子的第二电值之比大致保持为预定值。
在另一实施例中，本发明涉及用于处理等离子体处理系统中的半导体基板的设备。该设备包括：提供具有第一端子和第二端子的RF耦合结构的装置，该第一端子与第一电测量装置耦合，该第二端子与第二电测量装置耦合。该设备还包括将补偿电路耦合至该第二端子的装置。该设备进一步包括提供被耦合以接收来自该第一电测量装置和该第二电测量装置的信息的反馈电路的装置，该反馈电路的输出被用于控制该补偿电路，以将该第一端子的第一电值和该第二端子的第二电值之比大致保持为预定值。
下面将结合附图在本发明的详细描述中描述本发明的这些和其它特性。
附图说明
在相同参考标号表示相同元件的附图中，借助于实例示出本发明，而非对本发明的限制，其中在附图中：
图1示出了等离子体处理系统的简化视图；
图2示出了所示出的TCPTM感应线圈的简化视图；
图3示出了根据本发明的一个实施例示出的匹配网络的简化视图；
图4示出了根据本发明的一个实施例示出的等离子体负载310的简化模型；
图5示出了根据本发明的一个实施例示出的匹配网络的简化电气图，其中感应线圈电压大体上被优化和平衡；以及
图6示出了根据本发明的一个实施例的图5的匹配网络的部分，其中电压振幅被平衡。
具体实施方式
现在参看如附图中示出的本发明的几个优选实施例详细描述本发明。在以下的描述中，为了提高对本发明的透彻理解，阐述众多具体细节。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，没有这些具体细节的一些或全部也可实施本发明。在其它情况下，为了避免对本发明造成不必要的模糊，没有详细描述公知的工艺步骤和/或结构。
尽管不希望被理论束缚，但本发明的发明人相信，穿过例如感应线圈等RF耦合结构的电压平衡可优化等离子体处理系统中的等离子体。例如，可通过感应线圈产生的感应耦合方位(azimuthal)电场产生等离子体。基本为平坦的天线的感应线圈常常是具有矩形截面的放在介电窗顶部上的螺旋线圈。以13.56MHz施加给天线的电压绕线圈产生振荡磁场，该振荡磁场穿进等离子体，并且产生方位电场。
在理想的等离子体处理系统中，方位电场在轴上为零，在周缘上为零，从而在大致为半径的一半的环形区域中达到峰值。在精确设计的等离子体处理系统中，从线圈电容耦合进等离子体的功率的零数较小，从而产生在射频循环期间不会显著振荡的等离子体电势。如前所述，通过独立地施加RF电势以在基板中产生偏压，可控制离子能量。
然而，由于匹配网络上的等离子体负载可随着基板的处理和等离子体的消耗而改变，并且由于在等离子体处理系统的制造期间对于预定等离子体负载大体优化匹配网络，所以在基板的处理期间，穿过感应线圈的实际电压平衡可能对于大范围的处理条件或改变条件不是最优的。所形成的电场可能变得径向扭曲，这可造成穿过基板的等离子体密度大体上不均匀，潜在地影响产量(yield)。
随着对基板上的高电路密度的要求继续增加，这种情况变得甚至更有问题。例如，在等离子体蚀刻工艺中，如果没有适当优化等离子体，则刻画(faceting)现象可能发生。刻画是基板上的特性的非线性概要，例如具有沟槽侧壁等。具有低等离子体密度的区域可能没有从基板移走充分大的材料量，从而减少了沟槽的尺寸，反之亦然。同样，具有高等离子体密度的区域可能从基板移走多余的材料量，从而产生洞穴状底切部(cavernous undercut)。
现在参看图3，示出根据本发明的一个实施例的匹配网络的简化电气图。一般而言，通过耦合至感应线圈的电测量装置测量例如电压等电特征可能没有提供充分多的信息来推出输送的功率或阻抗。随后，以非显然的方式开发用于从匹配网络设置预测负载阻抗的匹配网络模型。由于线圈上的电压是已知的，所以可根据推出的负载阻抗估计输送的功率。以此方式导出的功率的值精确到约9％。
匹配网络332的具体模型不仅可包括例如真空电容器等可视部件，而且可包括部件之间的每个连接的电感。在这些连接中流动的电流感应其它地方的电流，特别是匹配网络外壳的壁中的电流。这些感应的电流形成到RF发生器的复电流返回路径。这些壁中的电阻损耗对匹配网络的有效电阻有贡献。
然而，所述模型是十分复杂的，并且包括大量元件，这使得难以量化它们中的每个。较简单的方法是仅将匹配网络建模为一组集中的部件。例如，感应器331对应于可能为约15英寸长的可变电容器C1和C3之间的连接。假定具有约100nH的电感。其余连接仅为几英寸长，并且被忽略。超过C3的所有元件被认为是等离子体负载310(例如，感应线圈、等离子体、基板等)的部分。连接TCPTM线圈的末端的引线303a-b整体约12英寸长，并且是负载阻抗的部分。
每个真空电容器都可具有约20nH的内在串联电感，但是这些没有被特别包含在内。当以1kHz的频率标定(calibrate)电容器时，没有检测到所述串联电感，在13.56MHz的工作频率下仅是引人注意的。网络壳体中的感应电流往往减少部件的有效电感，造成感应现象。这些可由电感的经验选择考虑，以最佳拟合数据。
假定匹配网络的电阻较小，从而可将共轭阻抗方法用于根据电容器设置计算负载阻抗。电容器C1和C3被标定相对数(versuscount)，并且示出典型的刻度曲线，其中从该刻度曲线可容易确定电容。在此特定网络内它们的值可从约28pF到480pF的范围。电容器C2和C4固定在其对应于200mm STAR构造的102pF和80pF的标准值。
V3和V4是例如RF电压探针等靠近感应线圈的每个端设置的电测量装置，该感应线圈的每个反过来供应感应RF功率给等离子体室。电测量装置V3可测量匹配网络和感应线圈之间的第一电压，同时电测量装置V4测量负载和终结电容器C4之间的第二电压。在一个实施例中，电测量装置的设计类似于RF电压峰值检测器。一般而言，电压探针允许所测量的RF电压高达5kV(峰值)，但无电弧放电或其它放电。通常将探针的绝对精度估计为从约200V到约5kV的约3％。
现在参看图4，示出根据本发明的一个实施例的线圈和等离子体负载310的简化模型。一般而言，线圈和等离子体负载310包括电连接在V3和V4(例如，感应线圈、等离子体、基板等)之间的等离子体处理系统元件。与匹配网络类似，线圈和等离子体负载310可以被模型化为变压器电路，该变压器电路包括：并联电阻408，表示等离子体的核心功率损失；以及并联电感404，用于将磁通量耦合至等离子体。
现在参看图5，示出根据本发明的一个实施例的其中感应线圈电压大体上被优化和平衡的匹配网络的简化电气图。反馈电路以不明显的方式耦合在V3和V4之间，并且与例如可变电容器等补偿电路C5连接，以调整第一电压与第二电压之比。在实施例中，反馈电路是微处理器控制的。在实施例中，补偿电路和反馈电路是集成的。
如图3中所示，根据本发明的一个实施例，匹配网络的简化模型仅作为一组集中的部件示出。感应器331对应于C1和C3之间的连接。超过C3的所有元件被认为是线圈和等离子体负载310(例如，感应线圈、等离子体、基板等)的部分。连接TCPTM的线圈的末端的引线303a-b是负载阻抗的部分。V3和V4靠近感应线圈的每个端设置，该感应线圈的每个反过来供应感应RF功率给等离子体室。V3测量匹配网络和感应线圈之间的第一电压，同时V4测量负载和终结电容器C5之间的第二电压。
反馈电路502是包括信号路径的电路，该信号路径包括正向路径504、反馈路径506，并且耦合至电容器C5。随着基板的处理和等离子体的消耗，以非明显的方式，反馈电路502以大体动态的方式优化感应线圈电压。在一个实施例中，使C5机械化(motorized)。在另一实施例中，为了使第一电压和第二电压大体保持平衡，接着在基板处理期间调整反馈电路502。在又一实施例中，反馈电路可将第一电压和第二电压之比调整为任何想要的值K，以提供等离子等离子体处理优点，例如调谐蚀刻均匀性(tuning etch uniformity)。在本发明的另一方面，比值K的优选范围在约0.5和约1.5之间。在本发明的另一方面，比值K的更优选的范围在约0.75和约1.25之间。在本发明的另一方面，比值K的最优选的范围约为1。
现在参看图6，示出根据本发明的一个实施例的其中电压振幅被平衡的图5的匹配网络的部分。尽管不希望被理论束缚，但本发明的发明人相信，最优平衡构造是第二电压与第一电压的相位为180°。一般而言，在两个RF功率的电压相位几乎相同时，等离子体扩散，减少密度，因此降低处理速度。然而，当电压相差约为180度时，等离子体密度往往非常高。在实施例中，反馈电路是微处理器控制的。在实施例中，补偿电路和反馈电路是集成的。
如前所述，如从传输线路末端所观察的，匹配网络332将等离子体的复数阻抗转换成约稳定的50欧姆和约13.56MHz的频率。反馈电路502经由反馈路径506监控V3和V4的电压，并且调整C5，以确保线圈和等离子体负载310被优化，V3的电压值与V4的电压值大体相等，但是相位602约为相位604的约180°。在另一实施例中，反馈电路502被进一步耦合至诊断监控设备。例如，如果测量的电压或阻抗值落在预定处理(process)范围之外，则警告消息可被发送给本发明的维护系统进行进一步的调查。
尽管已经就几个优选实施例描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的变化、置换、和等同物。例如，尽管已经结合LamResearch等离子体处理系统(例如，ExelanTM、ExelanTM HP、ExelanTMHPT、2300TM、VersysTM Star等)描述了本发明，但是也可使用其它等离子体处理系统。本发明也可与各种直径(例如，200mm、300mm等)的基板一起使用。并且，其它电气部件可用于代替可变电容器，例如可变感应器等。另外，如这里所描述的，电测量装置可测量不同于电压的电特征，例如电流、阻抗等。也应指出，存在多种实施本发明的方法的可选方式。
本发明的优点包括用于优化等离子体处理系统中的基板的方法和设备。另外的优点包括在整个等离子体工艺中优化等离子体密度，并且提供用于预防性维护的诊断信息。
尽管已经披露了示范性实施例和最佳方式，但可对所披露的实施例进行修改和改变，而仍落在由所附权利要求书所限定的本发明的主题和精神内。

Claims (30)

1.一种用于处理等离子体处理系统中的半导体基板的方法，包括：
提供具有第一端子和第二端子的RF耦合结构，所述第一端子与第一电测量装置耦合，所述第二端子与第二电测量装置耦合；
将补偿电路耦合至所述第二端子；以及
提供被耦合以接收来自所述第一电测量装置和所述第二电测量装置的信息的反馈电路，所述反馈电路的输出被用于控制所述补偿电路，以将在所述第一端子处的第一电值和在所述第二端子处的第二电值之比基本保持为预定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电值为电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电值为电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电值为电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电值为电流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿电路为可变电容器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿电路为可变电感器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿电路和所述反馈电路是集成的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿电路耦合至地。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一端子耦合至匹配网络。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述匹配网络耦合至RF发生器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定值在0.5和1.5之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定值在0.75和1.25之间。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定值为1。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述反馈电路是微处理器控制的。
16.一种用于处理等离子体处理系统中的半导体基板的设备，包括：
用于提供具有第一端子和第二端子的RF耦合结构的装置，所述第一端子与第一电测量装置耦合，所述第二端子与第二电测量装置耦合；
用于将补偿电路耦合至所述第二端子的装置；以及
用于提供被耦合以接收来自所述第一电测量装置和所述第二电测量装置的信息的反馈电路的装置，所述反馈电路的输出被用于控制所述补偿电路，以将在所述第一端子处的第一电值和在所述第二端子处的第二电值之比基本保持在预定值。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一电值为电压。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一电值为电流。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二电值为电压。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二电值为电流。
21.根据权利要求16所述的设备，其中所述补偿电路为可变电容器。
22.根据权利要求16所述的设备，其中所述补偿电路为可变电感器。
23.根据权利要求16所述的设备，其中所述补偿电路和所述反馈电路是集成的。
24.根据权利要求16所述的设备，其中所述补偿电路耦合至地。
25.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一端子耦合至匹配网络。
26.根据权利要求16所述的设备，其中所述匹配网络耦合至RF发生器。
27.根据权利要求16所述的设备，其中所述预定值在0.5和1.5之间。
28.根据权利要求16所述的设备，其中所述预定值在0.75和1.25之间。
29.根据权利要求16所述的设备，其中所述预定值为1。
30.根据权利要求16所述的设备，其中所述反馈电路是微处理器控制的。
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