CN102420579A - 一种自动实现射频功率匹配的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种能够主动修正以适应等离子处理腔阻抗改变的系统，该系统不需要改变处理工艺菜单。该主动修正功能可以自动实现并且在加工过程中可以重复执行。本发明包括一个远端的生产控制器存储验证后的工艺菜单，本地的等离子处理器包括一个本地控制器，本地等离子处理器初始根据工艺菜单运行，直到控制系统发现新的能使等离子处理腔的射频功率最小化反的参数，新的参数存储并替换到本地控制器中，后续加工根据新的参数运行。对射频功率的自动调节可以避免对已有经过验证的工艺菜单的修改。自动调节可以采用频率匹配或者射频匹配网络调节来实现。

Description

一种自动实现射频功率匹配的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种将射频功率施加到反应腔，并维持反应腔中的等离子点燃的射频功率系统，特别涉及一种通过调节射频匹配电路实现最小化反射功率的方法和系统。
背景技术
在半导体器件、平板显示器、太阳能板等制造领域内，利用等离子来进行加工的各种反应腔普遍存在。这样的反应腔包括刻蚀、化学气相沉积(CVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等。在这些反应腔中，具有设定频率的射频功率源向反应腔提供射频功率。射频功率通过一个射频匹配网络被施加到电极或天线。射频匹配网络被设计来调节从传输线到反应腔的阻抗，以更加有效地分配射频功率到反应腔。
现有技术存在的一个问题是反应腔阻抗漂移或改变。比如，由于部件老化和反应腔状态改变，如清洁情况就会导致阻抗漂移。同样，后续的维护也会导致反应腔阻抗改变。除此之外，不同的基片也会造成反应腔阻抗改变。因此存在监控反应腔阻抗并调节射频匹配网络以最小化反射功率并确保射频功率有效分配的需要。另一方面，在半导体生产厂家的各种反应腔和系统基本都是由中央主机通过运行生产管理软件来控制的。在这样的环境下，一旦一个工艺菜单被验证，就会被存储到中央主机。然后主机根据存入的工艺菜单来运行系统。这个存入的工艺菜单不允许修改除非进行再次验证。这也就意味着，如果由于反应腔状态改变而需要修改工艺菜单，修改后的工艺菜单在取代老的工艺菜单前必须被重新验证。这是很花时间和资源的事情，所以工厂的管理者们会尽量避免这一情况。
但是，当反应腔阻抗发生漂移或改变，工艺菜单又需要作改变以适应阻抗改变。所以业界需要一种方法和系统在不改变已存储的工艺菜单的情况下能够主动测量阻抗漂移和改变。
发明内容
本发明的发明内容只提供一个对本发明部分方面和特点的基本理解，其不是对本发明的广泛的概述，也不是用来特别指出本发明关键的要素或者勾画发明的范围。其唯一的目的是简化地呈现本发明的一些概念，为后续详细的描述本发明作一些铺垫。
本发明所提供的实施例能够根据反应腔阻抗的改变而主动修正，因而不需要改变工艺菜单。该主动修正可以是自动完成的，而且可以在处理过程中多次重复执行。
本发明实施例提供一种控制射频功率施加至等离子处理腔中的方法，从而最小化反射功率并有效地施加射频功率到等离子体中。各种实施例能够实现自动调节射频功率而不需要修改验证过的工艺菜单。自动调节(auto tuning)可以被应用到频率匹配和射频匹配网络的调节上。
根据本发明所揭露的多个方面，一种运行处理系统的方法，包括提供一个等离子处理腔，一个本地控制器，和一个远端生产控制器，该运行处理系统的方法包括：在生产控制器中存储处理工艺菜单，包括用于等离子腔的射频匹配网络的设定值，用所述工艺菜单给等离子反应腔供应电能；监测等离子处理腔的反射功率；改变所述等离子处理腔的射频匹配网络的设定值以获得最小化的反射功率，在获得最小化的反射功率时，存储新的射频匹配网络设定值到本地控制器，并且继续根据所述处理工艺菜单运行该等离子处理腔，其中射频匹配网络设定值采用存储在本地控制器中的参数。
改变所述等离子处理腔的射频匹配网络的设定值包括：比较当前反射功率和一个阀值，如果当前反射功率超出阀值：从第一方向上增加射频匹配网络的设定值并判断反射功率是增加或是减少；如果反射功率增加，则向与第一方向相反的第二方向增加射频匹配网络的设定值；如果反射功率减少，则在第一方向上再次增加射频匹配网络的设定值。
进一步揭露本发明还可以包括在减少反射功率的方向上继续增加设定值，直到设定值增加开始造成反射功率开始增加；将当前射频匹配网络的设定值存储并替换到本地控制器中。射频匹配网络设定值可以包括对射频匹配网络中可变单元的设定，如可变电容，可变电感，可变电阻或者它们的组合。
本发明的另一方面，提供一个等离子处理系统包括：多个等离子处理平台，每个等离子处理平台具有一个各自的射频功率发射装置；多个射频匹配网络，每个都包括一个可变单元并且分别耦合到一个所述的射频功率发射装置；多个射频发生器，每个分别耦合到所述射频匹配网络；一个本地控制器耦合到生产控制器，本地控制器根据存储在生产控制器中的工艺菜单运行所述多个等离子处理平台，并进一步根据存储在生产控制器中的工艺菜单或者存储在所述本地控制器的参数来选择性的调整每个射频匹配网络中的可变单元。其中本地控制器监测每个等离子处理平台的反射功率并调整各自射频匹配网络中的可变单元以最小化反射功率。当控制器调整可变单元以最小化反射功率后，存储调整后的设定值到本地控制器但不改变存储在生产控制器中的工艺菜单。可变单元包括可变电容、可变电感，可变电阻或者是这几者的组合。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：如下附图构成了本说明书的一部分，和说明书一起列举了不同的实施例，以解释和阐明本发明的宗旨。以下附图并没有描绘出具体实施例的所有技术特征，也没有描绘出部件的实际大小和真实比例。
图1显示了本发明一个实施例具有一个控制器的反应腔图示。
图2显示了根据本发明一个实施例的一个能够实现自动调节功能的匹配网络的举例。
图3显示了本发明另一个实施例中处理模块具有两个等离子处理平台。
图4显示了本发明一个实施例的加工流程图，该流程可以由控制器执行并实现自动调节功能。
具体实施方式
本发明实施例提供一种对施加到等离子处理腔的射频功率进行控制的系统和方法，以实现最小化反射功率并有效地将射频功率施加到等离子中。各种实施例都在不需要修改验证过的工艺菜单的情况下实现自动调节射频功率。这一自动调节可以用调节频率匹配的和射频匹配网络参数的方式来实现。
图1显示了一个在远端生产控制器176控制下运行的处理腔100的例子，等离子处理腔100基本包括腔体110，顶板120，基座130。在这个实施例中射频功率是电容式的耦合到等离子体空间的，所以顶板120以业内熟知的方式作为一气体个喷淋头向反应腔注入反应气体。该气体喷淋头包括电极126，在这个实施例中作为示例是接地的。基座支撑了一个基片夹盘，如静电夹盘132.，基片115位于夹盘上。射频功率通过导体180耦合到基座130以点燃并维持等离子112。射频功率产生自射频发生器175并被传输到匹配网络170。控制器174控制射频发生器和匹配网络的运行以实现自动调节，即使在腔体阻抗变化的情况下仍然能最小化反射功率并且有效分配功率到等离子。
图2显示了一个可以用于实现本发明自动调节功能的匹配网络的例子。匹配网络可以包括一系列容性和感性单元230。为了改变匹配网络的参数，一个可控的调节单元，如可变电容，电感或电阻以及它们的组合需要被采用到。在本实施例中匹配网络包括一个固定的旁路电容210和一个可变的旁路电容215，作为可变的调节单元。在本实施例中，调节电容215可以是由控制器274控制的电机驱动的真空电容，当然其它可控的具有可变参数的器件也可以采用。同时这些可控调节单元不一定作为旁路单元工作。
整体上，可变调节单元是根据存储在远端生产控制器276中的工艺菜单运行的。比如当系统在正常工作模式下远端生产控制器276发送控制信号到本地控制器274，以使反应腔根据存储在控制器276中的工艺菜单来运行。远端存储的工艺菜单包括对可变调节单元的设置，整体上本地控制器274用来自该工艺菜单的设置来调整可变调节单元。但是，一旦这些设置被验证通过后，就不允许再作改动，除非经过漫长的再次验证。因此，根据本实施例，控制器包括本地存储器以改变对可变调节单元的设置。如果本地控制器发现到来自反应腔的反射功率超过允许值，本地控制器就要调整可变调节单元的设置并存储新的的本地数值。然后在下一步运行中，本地控制器274采用本地存储的数值而不是来自于远端控制器276的数值。
图3显示了另一个实施例处理模块300包括两个等离子处理平台：等离子处理平台1(ST1)和等离子处理平台2(ST2)。比如，两个半导体晶圆可以同时处理，每个晶圆放在ST1和ST2其中一个等离子处理平台内。在这个实施例中，每个处理腔由两个射频电源供电，低频可以是如2MHz，或者13.56MHz等频率，高频可以是如24MHz，60MHz，100MHz等频率。在这个实施例中每个等离子处理平台都有各自的射频供电渠道，该渠道包括一个低频射频发生器(LFG)，低频匹配网络(LFM)，高频射频发生器(HFG)，高频匹配网络(HFM)。在一个实施例中每个系统包括三个处理模块，每个处理模块包括两个等离子处理平台，这样获得12个射频渠道。如图3所示，所有这些渠道由控制器374控制。在这个实施例中，控制器374通过RS232线连接到每个射频功率发生器和射频匹配网络。
当为如图3中所示的处理模块验证工艺菜单时，匹配值被存储作为工艺菜单的一部分。比如，如果匹配网络利用一个可变电容，就如图2所示的那样，可控可调节电容的值作为工艺菜单的一部分存储起来。比如图3中的处理模块下列数值可以存储作为工艺菜单的一部分：
  渠道   ST1   ST2
  高频   60％   70％
  低频   30％   40％
这些数值存储在主机的生产控制器作为工艺菜单的一部分用来运行到处理模块上。
根据其中一个是实施例，在工艺菜单验证时，这4个值会作调节以获得最小的反射功率。然后这些预设值与其它工艺菜单一起被存储到远端的控制主机，也会同时被存储到各个处理模块本地控制器的独立文件中，比如控制器374。自此，不论何时主机在这个处理模块上运行这个工艺，自动调节控制器，如控制器374会检测反射功率。如果反射功率超过预设阀值，每个匹配网络的值会被调整，直到反射功率达到一个可接受的值。这个新的值，对应于新寻找到的最小反射功率随后被存储到本地控制器，而不需要修改远端主机中的工艺菜单值。因此，当主机继续执行该存储的工艺菜单时，匹配网络的实际调节是与工艺菜单独立的，这样的自动调节不需要再次验证工艺菜单的步骤。
图4显示了一张本发明通过控制器实现自动调节功能的流程图。步骤400确认自动调节是否使能。也就是运算器可以选择禁止自动调节功能并强制系统采用存储的工艺菜单运行。假如自动调节被禁用，该流程就结束。假如自动调节被采用，步骤405中控制器取得匹配网络的预设值。在步骤410中控制器读取反射功率值并且在步骤415中对读取的数值和预设阀值进行比较。如果读取反射功率值小于预设阀值，控制器返回步骤410读取下一个周期的反射功率值。控制器可以在每个设定周期中读取一次数据，比如1-5秒。
如果在步骤415中读取的反射功率值大于预设值，在步骤420中控制器在一个方向上增加匹配网络的数值一步，比如增加电容值一小步。在增加匹配网络数值之后还要延迟一定时间以便等待读取反射功率值，该延迟时间可以是1秒左右，比如0.5-2秒，具体不同的系统设置有不同的要求。延迟时间结束之后进入步骤425，控制器再一次读取反射功率值并且在步骤430中确认是否这个新的读取值小于先前的读取值。如果是，就确认是否新的读取值小于预设阀值。如果新的读取反射功率值是在设定的阀值范围内，进入步骤440，控制器就存储新的匹配网络的设定数值，而不需要改变匹配网络的存储在远端主机中的数值。
如果在步骤430控制器判定新读取的数值大于原先读取的数值，也就意味着增加是个错误的方向，控制器应该向相反方向改变进入步骤435。比如如果在步骤420中电容增加了，步骤430中判断新的读取反射值大于原先的值，随后控制反向动作，在增加了一小步后变为减少电容值一小步。也就是在步骤435之后控制器开始反方向的增加。在这个实施例中每一次增加都是以预设幅度，比如1％。一旦获得合适的设定，新的数值会被控制器存储在本地，步骤440，不需要改变存储在工艺菜单中的值。这样，反射功率可以在处理过程中被最小化，而不必改变工艺菜单和重新验证工艺菜单。
如图4所示的曲线，反射功率(Y轴)会随着电容设定值(X轴)的改变而改变。这一变化曲线具有控制器想要找到的一个最小值。在图中的设定点S0，反射功率大于可能的最小值Sm。因此控制器在一个方向上移动设定值一小步(箭头所指方向中的一个)，以确认反射功率会随之变大还是变小。如果变大了则控制器改变设定值移动方向。这一过程持续直到控制器发现设定值Sm，也就是最小反射功率对应的设定值。注意到控制器增加设定值向着箭头所指的右侧移动，反射功率值会逐步减少直到进一步移动会越过最小值Sm，在这一点反射功率会再次开始增加。然后控制器重新存储设定值并且存储的是反射功率开始变大前的最后一个数值。
本说明书实施例中所用的术语和表达方式是用来描述发明而不是限制，所以这些表达都不应排除任何等同物或者可替换物。此外，本领域技术人员通过对本发明说明书的理解和对本发明的实践，能够容易地想到其它实现方式。本文所描述的多个实施例中各个方面和/或部件可以被单独采用或者组合采用。需要强调的是，说明书和实施例仅作为举例，本发明实际的范围和思路通过下面的权利要求来定义。

Claims (12)

1.一种运行一个处理系统的方法，所述处理系统包括等离子处理腔、本地控制器、远端生产控制器，所述方法包括：
在所述远端生产控制器内存储一个处理工艺菜单，所述处理工艺菜单包括对所述等离子处理腔的射频匹配网络的设定值；
用所述工艺菜单的设定值激发所述等离子处理腔；
监测所述等离子处理腔的反射功率；
改变所述等离子处理腔的射频匹配网络的设定值，以获得最小化的反射功率，以及，在获得最小化的反射功率时，存储新的射频匹配网络设定值到所述本地控制器，并且，
继续根据所述处理工艺菜单运行该等离子处理腔，其中射频匹配网络设定值采用存储在所述本地控制器中的所述新的射频匹配网络设定值。
2.根据权利要求1所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：其中改变所述等离子处理腔的射频匹配网络的设定值的步骤包括：
比较当前反射功率和一个阀值，如果当前反射功率超出所述阀值，则执行：
在第一方向上增加所述射频匹配网络的设定值，并判断反射功率是增加或是减少；
如果反射功率增加，则向与第一方向相反的第二方向增加所述射频匹配网络的设定值；
如果反射功率减少，则在第一方向上再次增加所述射频匹配网络的设定值。
3.根据权利要求2所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：其中每次增加都是以预设幅度进行。
4.根据权利要求3所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：还包括继续沿所述反射功率减少的方向增加所述射频匹配网络的设定值，直到某一次设定值的增加显示所述反射功率开始增加，在这一点下，存储一个替换的设定值到所述本地控制器中。
5.根据权利要求1所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：其中对所述射频匹配网络的设定包括对所述射频匹配网络中一可变单元的设定。
6.根据权利要求5所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：其中所述可变单元包括一个可变电容。
7.根据权利要求5所述的一种运行一个处理系统的方法，其特征在于：其中所述可变单元包括一个可变电感。
8.一种等离子处理系统，包括：
多个等离子处理平台，每个等离子处理平台具有一个各自的射频功率发射装置；
多个射频匹配网络，每个射频匹配网络分别耦合到一个所述的射频功率发射装置并且所述每个射频匹配网络都包括一个可控的可变单元；
多个射频发生器，每个分别耦合到所述射频匹配网络；
一个耦合到一生产控制器的本地控制器，所述本地控制器根据存储在所述生产控制器中的工艺菜单运行所述多个等离子处理平台，并进一步根据从所述工艺菜单中接收的参数或者存储在所述本地控制器的参数来选择性地调整所述每个射频匹配网络中的所述可控的可变单元。
9.根据权利要求8所述的等离子处理系统，其特征在于：其中所述本地控制器监测每个等离子处理平台的反射功率并调整各自射频匹配网络中的可变单元以最小化反射功率。
10.根据权利要求9所述的等离子处理系统，其特征在于：其中当所述控制器调整所述可控的可变单元以最小化反射功率后，所述控制器存储调整后的设定值到本地控制器但不改变存储在所述生产控制器中的工艺菜单。
11.根据权利要求10所述的等离子处理系统，其特征在于：其中所述可控的可变单元包括可变电容、可变电感和可变电阻之一。
12.根据权利要求10所述的等离子处理系统，其特征在于：其中所述可控的可变单元包括一个可变旁路电容或者一可变旁路电容与其它部件的组合体。
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