CN101887836B - 一种调整电流分配的方法、装置及等离子体处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调整电流分配的方法,用于对位于等离子体处理设备中的介质窗上的第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调节。该方法包括下述步骤:1)根据工艺要求设定第一线圈电流和第二线圈电流之比;2)根据步骤1)中所设定的电流比,确定与之对应的调节电容的期望值;3)将调节电容调节到所述期望值,使第一线圈电流和第二线圈电流的实际比值达到其设定值。此外,本发明还公开了一种调整电流分配的装置,以及应用上述调整电流分配的方法和/或装置的等离子体处理设备。本发明提供的调整电流分配的方法/装置以及等离子体处理设备能够精确并快速地调整等离子体处理设备中的第一线圈和第二线圈的电流分配状况。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域,具体地,涉及一种调整电流分配的方法/装置。此外,本发明还涉及一种应用该调整电流分配的方法/装置的等离子体处理设备。
背景技术
随着电子技术的高速发展,人们对集成电路的集成度要求越来越高,这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工/处理能力。目前,在半导体器件的加工/处理领域中,常常需要用到等离子体刻蚀技术和等离子体沉积技术,而这些技术通常都要借助于诸如等离子体刻蚀机等的等离子体处理装置来实现。
因此,在半导体器件的加工/处理领域中,适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体处理装置的工作性能就显得至关重要,尤其是在大衬底上的工作能力。只有具备良好的工作性能,才能提高产率,以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。也就是说,需要等离子体处理装置在保持较高等离子体密度的情况下,具有针对晶片等半导体器件的较为均匀的加工/处理结果。
目前,在半导体器件的加工/处理领域中已经使用的等离子体处理装置种类繁多,例如有,电容耦合等离子体(CCP)类型的等离子体处理装置、电感耦合等离子体(ICP)类型的等离子体处理装置,以及电子回旋共振等离子体(ECR)类型的等离子体处理装置,等等。
其中,电容耦合等离子体类型的等离子体处理装置借助于电容耦合的方式产生等离子体,其结构简单,造价低。然而在实际应用中,这种类型的等离子体处理装置所产生的等离子体密度较低,难以满足实际工艺过程中等离子体刻蚀速率和产率的需求。
至于电子回旋共振等离子体类型的等离子体处理装置,其可以 在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体。然而在实际应用中,这种类型的等离子体处理装置需要引入外磁场,还需要配置微波管等器件,因而造价相对较高。
鉴于此,电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置目前被广为采用。这种方式可以在较低工作气压下获得密度较高的等离子体,而且其结构简单,造价低。同时,这种类型的等离子体处理装置可以独立地对产生等离子体的射频源(其决定等离子体的密度)与基片台射频源(其决定入射到晶片上的粒子能量)进行控制。因而,这种类型的等离子体处理装置非常适于对金属和半导体等材料进行刻蚀等加工/处理。特别是,目前晶片的尺寸逐渐由200mm增大到300mm,而对于300mm的大尺寸晶片,电感耦合等离子体类型的等离子体处理装置因其能够高密度和高均匀性地产生等离子体,并且结构相对简单,而被认为是最佳的等离子体处理装置。
请参阅图1,其中示出了一种目前常见的电感耦合等离子体处理装置。该装置通常包括反应腔室4、介质窗17、静电卡盘6和电感耦合线圈。其中,静电卡盘6位于反应腔室4内,并且经由匹配器10而与射频源11相连。该静电卡盘6上设置有被加工处理的晶片5。在反应腔室4的上方设置有介质窗17,电感耦合线圈便置于该介质窗17上,并经由电流调节分配器18而与匹配器2相连,同时射频源1也连接到匹配器2。所述电感耦合线圈包括位于介质窗17中央位置处的中央线圈32和位于介质窗17边缘位置处的边缘线圈31。加载到中央线圈32上的射频电流主要影响晶片5上方中心部分的等离子体分布;加载到边缘线圈31上的射频电流主要影响晶片5上方边缘部分的等离子体分布。电流调节分配器18与上述边缘线圈31和中央线圈32均相连,用以对加载到边缘线圈31和中央线圈32上电流进行调节,进而对晶片5上方的等离子体分布进行调节。
请参阅图2,其中示出了电流调节分配器的结构和工作原理。该电流调节分配器18串接在匹配器2的输出端和地之间,其包括相串接的第一分流电容C1和第二分流电容C2,其中C1和C2可以是可调电容器。射频源1通过匹配器2和电流调节分配器18向边缘线 圈31和中央线圈32供电。其中,边缘线圈31串接在匹配器2的输出端和地之间;中央线圈32串接在第一分流电容C1和调节电容C2的连接点与地之间。
对应于图2所示原理结构图,设流过边缘线圈31的电流为I1,流过中央线圈32的电流为I2;设边缘线圈31的电感为L1,中央线圈32的电感为L2。实际应用中,一般会先确定线圈电感L1、L2以及第一分流电容C1的大小,而后可根据工艺需求对第二分流电容C2进行调节,籍此实现对边缘线圈31和中央线圈32电流大小的调节,也就是说,籍此调节对边缘线圈31和中央线圈32的电流分配。为此,下文中将第二分流电容C2称为调节电容,并且本文中的调节电容并非指可调电容器的概念,而是指这样的电容:即,通过调节该电容可以对边缘线圈31和中央线圈32的电流分配状况进行调节。
目前,常采用电流百分比的形式来描述边缘线圈31和中央线圈32的电流分配状况,例如以边缘线圈31的电流I1与两个线圈总电流(即,边缘线圈31和中央线圈32的电流之和|I1|+|I2|)的百分比|I1/(|I1|+|I2|)|来描述电流分配状况。这样,根据图2所示电气结构得到下式:
由公式1可以看出,电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|与调节电容C2之间的关系为非线性的。
在实际应用中,采用电流百分比的形式来描述并调整边缘线圈31和中央线圈32的电流分配关系时,首先通过实验测得若干组电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|与调节电容C2之间的对应数据;而后,根据上述实验数据,对电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|与调节电容C2之间的对应关系进行拟合,从而得到在0~100%的区间范围内或者在某一设定区间内的电流百分比与调节电容C2之间的对应关系。这样,就可以在实际工艺中根据工艺要求设定电流百分比,并根据拟合得到的对应关系而得到与该电流百分比相对应的调节电容C2的期望值,而后将调节电容C2调节为该期望值,以期得到期望的电流分配关系,也就是说,以期在边缘线圈31和中央线圈32得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得较为均匀的等离子体分布。
然而,因电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|与调节电容C2之间的关系为非线性的,所以上述拟合也是非线性的,从而使得上述拟合过程较为复杂,并且拟合精度较低。也就是说,尽管可以采用上述电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|的形式来描述并调整电流分配关系,但是,这种方法因电流百分比|I1/(|I1|+|I2|)|与调节电容C2之间为非线性的关系而导致据此得到的调节电容C2的期望值不够准确,并且上述拟合、调整过程较为复杂、耗时,并最终影响生产效率和产品质量。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种调整电流分配的方法/装置,其能够精确并快速地调整等离子体处理设备中的第一线圈和第二线圈的电流分配状况。
此外,本发明还提供了一种应用上述方法和/或装置的等离子体处理设备,其同样能够精确并快速地调整第一线圈和第二线圈的电流分配状况。
为此,本发明提供了一种调整电流分配的方法,用于利用等离子体处理设备中第一线圈和第二线圈的电流比来快速精确调整第一线圈和第二线圈电流分配状况。该方法包括下述步骤:1)根据工艺要求设定第一线圈电流和第二线圈电流之比;2)根据所述电流比及电流比与调节电容的线性关系,确定调节电容的期望值;3)将调节电容调节到所述期望值,使第一线圈电流和第二线圈电流的实际比值达到其设定值。
其中,在所述步骤2)中,根据预先确定的电流比与调节电容之间的对应关系来确定所述调节电容的期望值。
其中,所述电流比与调节电容之间的对应关系通过下述步骤而预先确定:10)通过实验测定得到电流比与调节电容的若干组对应关系数据;20)根据所述若干组对应关系数据而在设定区间内拟合得到电流比与调节电容之间的对应关系。
作为另一个技术方案,本发明还提供一种调整电流分配的装置,用于利用等离子体处理设备中第一线圈和第二线圈的电流比来快速精确调整第一线圈和第二线圈的电流分配状况。该装置包括下述单元:电流比设定单元,其根据工艺要求设定第一线圈电流和第二线圈电流之比,并将电流比传输至电容值确定单元;电容值确定单元,其根据所述电流比及电流比与调节电容的线性关系,确定与调节电容的期望值,并将该期望值传输至电容调节单元;以及电容值调节单元,其将调节电容调节到所述期望值,使第一线圈电流和第二线圈电流的实际比值达到其设定值。
其中,该装置还包括存储单元,用于存储预先确定的电流比与调节电容之间的对应关系;所述电容值确定单元根据所述存储器中存储的对应关系来确定所述调节电容的期望值。
其中,所述电流比同调节电容之间的对应关系通过实验测定得到;或者基于实验测得的若干组对应关系数据并在设定区间内拟合得到。
作为又一个技术方案,本发明还提供一种等离子体处理设备,其包括带有介质窗的反应腔室,在所述介质窗上设置有第一线圈和第二线圈,其中,该等离子体处理设备采用本发明提供的上述调整电流分配的方法,以对所述第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调节。
此外,本发明还提供一种等离子体处理设备,其包括带有介质窗的反应腔室,在所述介质窗上设置有第一线圈和第二线圈,其中,该等离子体处理设备采用本发明提供的上述调整电流分配的装置,以对所述第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调节。
本发明具有以下有益效果:
由于本发明采用了第一线圈和第二线圈二者的电流比|I1/I2|来描述这两个线圈的电流分配状况,而电流比|I1/I2|与调节电容之间的关系为线性的,并且无论是通过实验方法还是通过实验与拟合算法相结合的方法来获得电流比与调节电容之间的对应关系时,都会比现有技术中所述的非线性对应关系易于获得,并且精度也较高。因此,基于该线性的关系而对第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调整时,不仅能够快速并精确地获得调节电容的期望值,而且能够快速精确地将该调节电容调节至其期望值,从而使第一线圈和第二线圈的电流分配状况达到期望状态,进而可在晶片的上方获得所期望的较为均匀的等离子体分布。
附图说明
图1为现有的一种等离子体处理设备的结构示意图;
图2为一种具有电流分配功能的上电极部分电气结构示意图;
图3为本发明提供的调整电流分配的方法的流程示意图;
图4为与图2所示电气结构相对应的拟合曲线与实验曲线的比较示意图;
图5为另一种具有电流分配功能的上电极部分电气结构示意图;以及
图6为与图5所示电气结构向对应的拟合曲线与实验曲线的比较示意图。
具体实施方式
本发明的技术核心是:采用第一线圈和第二线圈二者的电流比|I1/I2|来描述这两个线圈的电流分配状况,并在实际应用中根据所期望的电流比获取调节电容的期望值,通过调节该调节电容的电容值来调整两个线圈的电流分配状况,以期获得期望的射频电流和等离子体分布。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明提供的调整电流分配的方法/装置及等离子体处理设备进行详细描述。其中,第一线圈和第二线圈分别对应于边缘线圈和中央线圈。
请再次参阅图2,将流过边缘线圈31的电流设为I1,流过中央线圈32的电流设为I2;将边缘线圈31的电感设为L1,中央线圈32的电感设为L2。并且在本发明提供的调整电流分配的方法中,边缘线圈31与中央线圈32的电流分配状况采用二者的电流比的形 式来描述,即,采用|I1/I2|描述这两个线圈的电流分配状况。这样,根据图2所示的电气结构得到下述公式:
由于实际应用中通常会先确定线圈电感L1、L2以及第一分流电容C1的大小,因此在上述公式2中,|I1/I2|与调节电容C2之间的关系为线性的。
下面结合图3详细说明本发明提供的调整电流分配状况的方法,该方法主要包括下述步骤:
步骤310,根据工艺需要设定边缘线圈31与中央线圈32的电流比|I1/I2|。
步骤320,根据电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系来确定与上述电流比设定值相对应的调节电容C2的电容值(以下简称为调节电容的期望值)。
步骤330,借助于电机等驱动机构将调节电容C2调节到期望值,也就是将其调节到该电流比所对应的位置,从而在边缘线圈31和中央线圈32得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得均匀的等离子体分布。
上述电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系可以通过下述方法得到:
首先,通过实验测得若干组电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应数据;而后,根据上述实验数据,并采用最小二乘法对电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系进行拟合,以得到在设定区间范围内的电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系。
当然,电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系也可以直接通过实验获得。也就是说,通过实验得到若干组电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系数据,并且在对电流分配状况进行调整时,设定的电流比仅局限于实验所测定的那若干组数据。而且,电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系可以在图3所示方法实施前预先确定;也可以在图3所示方法中确定,只要其在步骤320之前预 先确定即可。
可以理解的是,由于电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的关系为线性的,所以本发明中所采用的拟合也是线性的。这样便使得采用最小二乘法对电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系进行拟合时,拟合过程简单省时,并且对线性关系进行拟合时精度也较高,也就是说,根据上述拟合过程得到的对应关系较为精确,因此,借助于该对应关系而得到的调节电容C2的期望值也就精确,从而使得边缘线圈31和中央线圈32上的电流分配状况也较为理想,进而可在晶片的上方获得所期望的较为均匀的等离子体分布。
下面结合图4详细说明采用上述线性拟合能够得到较为精确的对应关系。
图4中,线41为6个菱形块表示的数据点连接而成的连线,其中,这6个数据点为通过实验所获得的表示电流比|I1/I2|与调节电容C2对应关系的6组数据;线42表示通过最小二乘法拟合得到的电流比在0.2~3.4之间时的电流比与调节电容C2的对应关系。从图中可以看出,通过前述线性拟合得到的线42与通过实验得到线41比较接近,也就是说,通过线性拟合得到的电流比与调节电容C2的对应关系与实验值较为接近。由此可见,通过线性拟合得到的上述对应关系是比较精确的。
请参阅图5,其中示出了适用于本发明所提供的方法的另一种电气结构示意图。图5所示电气结构与图2的区别仅在于:图2中,边缘线圈31和中央线圈32上的与电流调节器18不相连的一端彼此短接并直接接地;而在图5中,在边缘线圈31和中央线圈32上的与电流调节器18不相连的一端之间设置有电容C3,边缘线圈31经由该电容C3而接地。
本实例中,对应于图5所示电气结构,将流过边缘线圈31的电流设为I1,流过中央线圈32的电流设为I2;将边缘线圈31的电感设为L1,中央线圈32的电感设为L2。并且,边缘线圈31与中央线圈32的电流分配状况采用二者的电流比的形式来描述,即,采用|I1/I2|描述电流分配状况。这样,根据图5所示的电气结构得到下 述公式:
由于实际应用中通常会先确定线圈电感L1、L2以及第一分流电容C1和接地电容C3的大小,因此在上述公式3中,|I1/I2|与调节电容C2之间的关系为线性的。
当本发明提供的调整电流分配的方法应用于图5所示电气结构时,同样需要预先确定电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系。具体地,首先通过实验测得若干组电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应数据;而后根据上述实验数据,并采用最小二乘法对电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系进行拟合,从而得到在设定区间范围内的电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的对应关系。
当图5所示电气结构应用本发明提供的调整电流分配的方法时,首先,根据工艺需要设定电流比|I1/I2|;而后,根据上述对应关系得到与该电流比相对应的调节电容C2的期望值;最后,通过电机等驱动机构将调节电容C2调节到期望值,也就是将其调节到该电流比所对应的位置,从而在边缘线圈31和中央线圈32得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得期望的等离子体分布。
类似于前面结合图2进行的说明,由于电流比|I1/I2|与调节电容C2之间的关系为线性的,所以实例中所采用的拟合也是线性的。这样,本实例所采用的调整电流分配的方法同样具有拟合/调整过程简单省时、精度高等特点。
请参阅图6,线51为6个菱形块表示的数据点连接而成的连线,其中,这6个数据点为通过实验所获得的表示电流比|I1/I2|与调节电容C2对应关系的6组数据;线52表示通过最小二乘法拟合得到的电流比在0.2~3.3之间时的电流比与调节电容C2的对应关系。从图中可以看出,通过前述线性拟合得到的线52与通过实验得到线51比较接近,也就是说,通过线性拟合得到的电流比与调节电容C2 的对应关系与实验值较为接近。由此可见,通过线性拟合得到的上述对应关系是比较精确的。
此外,本发明还提供一种调整电流分配的装置,用以对等离子体处理设备中的第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调节。本装置同样采用第一线圈与第二线圈二者的电流比来描述这两个线圈的电流分配状况。其中,第一线圈和第二线圈分别对应于边缘线圈和中央线圈。
下面仍以图2所示电气结构为例,来对本发明提供的调整电流分配的装置的工作原理及过程进行详细描述。其中,流过边缘线圈31的电流设为I1,流过中央线圈32的电流设为I2;边缘线圈31的电感设为L1,中央线圈32的电感设为L2。这样,边缘线圈31与中央线圈32的电流分配状况可采用二者的电流比|I1/I2|进行描述,并且如前述公式2可知,|I1/I2|与调节电容C2之间的关系为线性的。
具体地,本发明提供的调整电流分配的装置包括:电流比设定单元,电容值确定单元和电容值调节单元。
其中,电流比设定单元可根据工艺要求而设定边缘线圈电流和中央线圈电流之比,即|I1/I2|。
电容值确定单元根据预先确定的电流比|I1/I2|同调节电容C2之间的对应关系以及所设定的电流比,确定调节电容C2的期望值。
电容值调节单元将调节电容C2调节到所述期望值,从而使边缘线圈电流I1和中央线圈电流I2的实际比值达到其设定值,以便在边缘线圈31和中央线圈32得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得均匀的等离子体分布。
可以理解的是,本发明提供的调整电流分配的装置还可以包括存储单元,其中存储有电流比同调节电容之间的对应关系。该对应关系可以是任意设定区间范围内的对应关系,并且该对应关系可以通过下述两种方法得到:其一,通过实验测定得到;其二,首先,通过实验测得若干组电流比与调节电容C2之间的对应数据,而后根据上述实验数据,并采用最小二乘法对电流比与调节电容C2之间的对应关系进行拟合,从而得到的电流比与调节电容C2之间的对应关 系。
另外,本发明还提供一种等离子体处理设备。该等离子体处理设备包括带有介质窗的反应腔室,在该介质窗上设置有第一线圈和第二线圈,并且第一线圈位于介质窗的大致边缘位置处,第二线圈位于介质窗的大致中央位置处。该等离子体处理设备采用了前述本发明所提供的调整电流分配的方法,对所述第一线圈和第二合线圈的电流分配状况进行调节,以期在第一线圈和第二线圈得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得较为均匀的等离子体分布。
本发明还提供这样一种等离子体处理设备:其包括带有介质窗的反应腔室,在该介质窗上设置有第一线圈和第二线圈,并且第一线圈位于介质窗的大致边缘位置处,第二线圈位于介质窗的大致中央位置处。该等离子体处理设备采用了前述本发明所提供的调整电流分配的装置,对所述第一线圈和第二合线圈的电流分配状况进行调节,以期在第一线圈和第二线圈得到期望的射频电流,进而在晶片的上方获得较为均匀的等离子体分布。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种调整电流分配的方法,用于利用等离子体处理设备中第一线圈和第二线圈的电流比与调节电容之间的线性关系来快速精确调整第一线圈和第二线圈的电流分配状况,其特征在于,包括下述步骤:
1)根据工艺要求设定第一线圈电流和第二线圈电流之比;
2)根据预先确定的所述电流比及电流比与调节电容的线性关系,确定调节电容的期望值;包括:
10)通过实验测定得到电流比与调节电容的若干组对应关系数据;
20)根据所述若干组对应关系数据而在设定区间内拟合得到电流比与调节电容之间的对应关系;
3)将调节电容调节到所述期望值,使第一线圈电流和第二线圈电流的实际比值达到其设定值。
2.根据权利要求1所述的调整电流分配的方法,其特征在于,所述步骤20)中的拟合过程采用最小二乘法实现。
3.根据权利要求1所述的调整电流分配的方法,其特征在于,所述第二线圈位于介质窗的大致中央位置处,并与调节电容并联。
4.一种调整电流分配的装置,用于利用等离子体处理设备中第一线圈和第二线圈的电流比与调节电容之间的线性关系来快速精确调整第一线圈和第二线圈的电流分配状况,其特征在于,包括下述单元:
电流比设定单元,其根据工艺要求设定第一线圈电流和第二线圈电流之比,并将电流比传输至电容值确定单元;
电容值确定单元,其根据所述电流比及电流比与调节电容的线性关系,确定调节电容的期望值,并将该期望值传输至电容调节单元;以及
电容值调节单元,其将调节电容调节到所述期望值,使第一线圈电流和第二线圈电流的实际比值达到其设定值;
存储单元,用于存储预先确定的电流比与调节电容之间的对应关系;所述电流比同调节电容之间的对应关系通过实验测定得到;或者基于实验测得的若干组对应关系数据并在设定区间内拟合得到;
所述电容值确定单元根据所述存储器中存储的对应关系来确定所述调节电容的期望值。
5.根据权利要求4所述的调整电流分配的装置,其特征在于,所述拟合过程包括最小二乘法。
6.根据权利要求4所述的调整电流分配的装置,其特征在于,所述第二线圈位于介质窗的大致中央位置处,并与调节电容并联。
7.一种等离子体处理设备,包括带有介质窗的反应腔室,在所述介质窗上设置有第一线圈和第二线圈,其特征在于,该等离子体处理设备采用如权利要求1-3中任意一项所述的调整电流分配的方法,以对所述第一线圈和第二线圈的电流分配状况进行调节。
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