CN103155717B - 控制离子能量分布的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了等离子室内的用于调节离子能量的系统、方法和装置。示例性方法包括：在等离子体室内放置衬底；在所述等离子体室内形成等离子体；对所述衬底可控地开关电能，以便向所述衬底施加周期电压函数；以及在所述周期电压函数的多个周期期间，响应于所述衬底的表面的期望离子能量分布来调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现所述期望离子能量分布。

Description

控制离子能量分布的系统、方法和装置
优先权
本申请是于2010年4月26日提交的，申请号为12/767,775，发明名称为“METHODAND APPARATUS FOR CONTROLLING ION ENERGY DISTRIBUTION”的申请的部分延续案，将上述申请通过引用并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及等离子体处理。具体而言，本发明涉及等离子体辅助蚀刻和/或沉积的方法和装置，但不限于此。
背景技术
很多类型的半导体器件是利用基于等离子体的蚀刻技术制造而成的。如果导体被蚀刻，则可以将相对于地的负电压施加到导电衬底，以便在衬底导体的表面两端产生基本上一致的负电压，将带正电的离子吸引向导体，碰撞导体的正离子基本上具有相同的能量。
如果衬底是绝缘体，则不变化的电压对在衬底表面两端产生的电压不起作用。但是AC电压（例如：高频）可以施加到导电板（卡盘），以使得AC区域在衬底表面感应出电压。在AC周期的正半周期内，衬底吸引相对于正离子的质量较轻的电子；因此在正半周期内很多电子会被吸引到衬底的表面。结果，衬底的表面将会带负电，这使得离子将吸引到带负电的表面。当离子撞击衬底的表面时，撞击将材料从衬底表面逐出，完成了蚀刻的过程。
在许多情况下，期望有窄离子能量分布，但是将正弦波施加到衬底会感应出宽离子能量分布，这限制了等离子体处理进行期望的蚀刻轮廓的能力。已知的实现窄离子能量分布技术很昂贵、效率低、难以控制并且可能不利地影响等离子体密度。由此，这些已知的技术没用被商业化所采用。因此，需要提出一种系统和方法来解决目前技术上的不足并且提供其它新颖和创造性的特征。
发明内容
以下概括附图中所示的本发明的例示性实施例。在具体实施方式部分中将更全面地描述这些和其它实施例。然而，应当理解，不存在将本发明限制于发明内容部分或具体实施方式部分中所描述的形式的意图。本领域技术人员可以认识到，有许多会落入权利要求中所表达的本发明的精神和范围内的修改、等同和替代结构。
根据一个实施例，本发明的特征可以为用于基于等离子体的处理的系统。本实施例中的系统包括等离子体处理室，其配置为包含等离子体和位于等离子体处理室内并设置为支承衬底的衬底支承部。此外，离子能量控制部响应于至少一个离子能量分布设定来提供至少一个离子能量控制信号，所述至少一个离子能量分布设定表示在衬底的表面的期望离子能量分布。开关模式电源对衬底供电以便在衬底的表面实现期望离子能量分布，并且本实施例中的离子电流补偿部件提供离子能量分布的可控扩展。
根据另一实施例，本发明的特征可以为用于基于等离子体的处理的方法，其包括对衬底可控地开关电能，以便向衬底施加周期电压函数，并且在周期电压函数的多个周期期间，响应于衬底的表面的期望离子能量分布来调制周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现期望离子能量分布。
根据又一实施例，本发明的特征可以为基于等离子体的处理的装置，其包括配置为施加周期电压函数的开关模式电源和离子能量控制部，该离子能量控制部在周期电压函数的多个周期期间，响应于至少一个离子能量分布设定来调制周期电压函数的至少一个参数，该至少一个离子能量分布设定表示在衬底的表面的期望离子能量分布。
本文中进一步详细描述这些和其它实施例。
附图说明
通过参照以下具体实施方式和权利要求同时结合附图，本发明的各个目的、优点和更完整的理解会更加明显且更易于理解。贯穿若干附图，相同的附图标记指代相同或相似的元件，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的等离子体处理系统的框图；
图2是示出图1中所示的开关模式电源系统的示例性实施例的框图；
图3是可用于实现参考图2描述的开关模式偏压电源的部件的原理图表示；
图4是示出两个驱动信号波形的时序图；
图5是示出产生在特定离子能量集中的离子能量分布的操作开关模式偏压电源的单模式的图形表示；
图6是示出在离子能量分布中产生两个分立的峰的操作的双模态模式的示图；
图7A和7B是示出等离子体中进行的实际、直接离子能量测量的示图；
图8是示出本发明的另一实施例的框图；
图9A是示出由正弦调制函数调制的示例性周期电压函数的示图；
图9B是图9A所示的周期电压函数的一部分的分解图；
图9C示出了由周期电压函数的正弦调制得到的、基于时间平均的得到的离子能量分布；
图9D示出了当周期电压函数由正弦调制函数调制时得到的时间平均的IEDF的等离子体中进行的实际直接离子能量测量；
图10A示出了由锯齿调制函数调制的周期电压函数；
图10B示出了图10A所示的周期电压函数的一部分的分解图；
图10C是示出由图10A和10B的周期电压函数的正弦调制得到的、基于时间平均的所得到的离子能量的分布的示图；
图11是在右列中示出IEDF函数且在左列中示出相关调制函数的示图；
图12是示出离子电流补偿部件补偿等离子体室内的离子电流的实施例的框图；
图13是示出示例性离子电流补偿部件的示图；
图14是示出图13中所示节点Vo处的示例性电压的示图；
图15A至15C是响应于补偿电流在衬底或晶片表面出现的电压波形；
图16是可用于实现参考图13描述的电流源的电流源的示例性实施例；
图17A和17B是示出了本发明的其它实施例的框图；
图18是示出本发明的另一实施例的框图；
图19是示出本发明的又一实施例的框图；以及
图20是示出可结合参考图1至19描述的实施例使用的输入参数和控制输出的框图。
具体实施方式
图1中大体示出了等离子体处理系统的示例性实施例。如图所示，等离子体电源102耦合到等离子体处理室104，开关模式电源106耦合到支承部108，在腔室104内衬底110放置在支承部108上。还示出了耦合到开关模式电源106的控制器112。
在本示例性实施例中，等离子体处理室104可以以基本上常规结构的腔室来实现（例如：包括由一个或多个泵（未示出）排空的真空外壳）。此外，本领域技术人员将会理解，室104内的等离子体可以被任一种源激励，例如包括螺旋形的等离子体源，其包括磁线圈和天线来激励和维持反应器内的等离子体114，并且可以提供气体入口来将气体引入腔室104中。
如图所示，示例性等离子体室104设置和配置为利用对衬底110的高能离子轰击来进行等离子体辅助的材料蚀刻。本实施例中的等离子体电源102配置为在一个或多个频率下（例如，13.56MHz）经由匹配网络（未示出）将能量（例如，RF能量）施加到腔室104，以便激励和维持等离子体114。应当理解，本发明不限于任一特定类型的将能量耦合到腔室104的等离子体电源102或源，并且可以将各种频率和能量水平电容或电感地耦合到等离子体114。
如图所示，将要处理的绝缘体衬底110（例如，半导体晶片）至少部分由支承部108支承，支承部108可以包括常规晶片卡盘的一部分（例如，用于半导体晶片处理）。支承部108可以形成为在支承部108与衬底110之间有绝缘层且衬底110被电容地耦合到平台，但支承部108也可以以不同于支承部108的电压浮置。
如上所述，如果衬底110和支承部108均为导体，则能够将不变电压施加到支承部108，由于通过衬底110的电传导，施加到支承部108的电压也被施加到衬底110的表面。
然而，当衬底110是绝缘体的情况下，向支承部108施加不变电压对衬底110的处理表面两端产生电压不起作用。因此，示例性开关模式电源106配置为受控制以便在衬底110的表面上产生能吸引等离子体114中的离子来与衬底110碰撞的电压，从而进行衬底110的受控蚀刻和/或沉淀。
此外，如进一步讨论，实施例的开关模式电源106配置为工作以使得由等离子体电源102（向等离子体114）施加的能量与由开关模式电源106施加到衬底110的能量之间基本上不存在相互作用。例如，由控制开关模式电源106施加的能量是可控的，以便能控制离子能而基本上不影响等离子体114密度。
此外，许多图1所示的示例性开关模式电源106的实施例由可由相对简单的控制算法控制的相对廉价的部件实现。与现有技术相比，许多开关模式电源106的实施例有效得多；从而减小了与去除过量热能有关的能量成本和昂贵材料。
一个已知的对绝缘衬底施加电压的技术是利用大功率线性放大器与复杂的控制方案相结合，以对在衬底表面感应出电压的衬底支承部施加能量。然而，这种技术还没有被商业实体所采用，原因是还未证明该技术性价比高且易于管理。具体而言，所使用的线性放大器通常较大、非常昂贵、低效且难以控制。此外，线性放大器内在地需要交流耦合（例如，隔直流电容器），类似卡盘的辅助功能由并行馈送电路实现，其会损害具有卡盘的源的系统的交流频谱纯净度。
已考虑到的另一种技术是对衬底施加高频功率（例如：利用一个或多个线性放大器）。然而，由于对衬底施加的高频功率对等离子体密度有影响，因此已经发现该技术对等离子体密度有不利的影响。
在一些实施例中，图1所示的开关模式电源106可以通过降压、升压或者升降压型等能量控制技术来实现。在这些实施例中，可以控制开关模式电源106来施加变化的脉冲功率的水平，以在衬底110表面上感应出电势。
在其它实施例中，开关模式电源106可以由更复杂的开关模式电源和控制技术来实现。接下来参考图2，例如，参考图1描述的开关模式电源由开关模式偏压电源206来实现，开关模式偏压电源206用于将能量施加到衬底110，以产生一个或者多个期望的轰击衬底110的高能离子。还示出了离子能量控制部件220、电弧检测部件222以及耦合到开关模式偏压电源206和波形存储器224这两者的控制器212。
所示的这些部件是合理的；从而在实际实施方式中可以组合或进一步分离这些部件，并且可以以各种方式连接这些部件，而不改变系统的基本工作。例如，在一些实施例中，可以利用可由硬件、软件、固件或其组合实现的控制器212来控制电源202和开关模式偏压电源206这两者。然而，在替代实施例中，电源202和开关模式偏压电源206由完全独立的功能单元来实现。进一步举例说明，控制器212、波形存储器224、离子能量部220和开关模式偏压电源206可以集成为单个部件（例如，位于共同的外壳中）或者可以分布在分立部件中。
本实施例中的开关模式偏压电源206通常配置为以可控的方式对支承部208施加电压，以产生轰击衬底表面的期望的高能离子分布。更具体而言，开关模式偏压电源206配置为通过将一个或多个特定能量水平的特定波形施加到衬底来产生期望的离子能量分布。更具体地，响应于来自离子能量控制部220的输入，开关模式偏压电源206施加特定能量水平来产生特定离子能量，并且利用由波形存储器224中的波形数据定义的一个或多个电压波形来施加特定的能量水平。因此，可以利用离子控制部来选择一个或多个特定离子轰击能量，以进行可控的衬底蚀刻。
如图所示，开关模式电源206包括开关部件226’、226’’（例如，高功率场效应晶体管），其用于响应于来自对应驱动部件228’、228’’的驱动信号来将能量切换到衬底210的支承部208。基于波形存储器224的内容所定义的定时（timing）而由控制器212对由驱动部件228’、228’’产生的驱动信号230’、230’’进行控制。例如，许多实施例中的控制器212适于说明波形存储器的内容并且产生驱动控制信号232’、232’’，驱动控制信号232’、232’’由驱动部件228’、228’’利用，来控制驱动信号230’、230’’传送至开关部件226’、226’’。尽管以示例性的目的示出了两个可以以半桥结构设置的开关部件226’、226’’，但是必然能够想到在各种架构中可以实施更少或更多开关部件（例如，H桥结构）。
在多种操作模式下，控制器212（例如，利用波形数据）调制驱动控制信号232’、232’’的定时，以便在衬底210的支承部208产生期望的波形。此外，开关模式电源206根据离子能量控制信号234对衬底210提供电源，控制信号234可以是直流信号或者是时变波形。因此，本实施例可以通过控制至开关部件的定时信号并且控制由开关部件226’、226’’施加的能量（由离子能控制部件220控制）来控制离子能量分布。
另外，本实施例中的控制器212配置为：响应于由电弧检测部件222检测的等离子室204内的电弧来进行电弧管理功能。在一些实施例中，当检测到电弧时，控制器212改变驱动控制信号232’、232’’，以使得施加在开关模式电源206的输出端236的波形熄灭等离子体214中的电弧。在其它实施例中，控制器212通过简单控制中断驱动信号232’、232’’的施加来熄灭电弧，以使得开关模式偏压电源206的输出端236的能量的施加被中断。
参考图3，示出了可以用于实现参考图2描述的开关模式偏压电源206的部件的原理图。如图所示，本实施例中的开关部件T1和T2以半桥（也成为图腾柱）型拓扑设置。共同地，R2、R3、C1和C2均表示等离子体负载，C3是可选物理电容器，以防止来自衬底表面上感应出的电压或者来自静电卡盘（未示出）的电压的直流电流流过电路。如图所示，L1是杂散电感（例如，向负载馈送能量的导体的固有电感）。在本实施例中，存在三个输入：Vbus、V2和V4。
V2和V4表示驱动信号（例如，参考图2描述的由驱动部件228’、228’’输出的驱动信号230’、230’’），在本实施例中，可以为V2和V4定时（脉冲长度和/或相互延迟（mutualdelay）），使得可以调制T1和T2的关闭以控制在Vout施加到衬底支承部的电压输出的波形。在许多实施方式中，用于实现开关部件T1和T2的晶体管都不是理想开关，因此为了达到期望的波形，考虑晶体管特定特征。在许多操作模式下，简单地改变V2和V4的定时可以实现将要在Vout施加的期望的波形。
例如，可以操作开关T1、T2以使得在衬底110、210表面的电压通常为负且周期电压脉冲接近和/或略微超过正电压基准。衬底110、210表面处的电压值是定义离子能量的值，其特征可以在离子能量分布函数（IEDF）方面。为了在衬底110、210表面处产生期望的电压，在Vout的脉冲通常为矩形的且具有宽度长到足以在衬底110、210表面感应出短暂的正电压，以便将充足的电子吸引到衬底110、210表面，从而实现期望的电压和对应的离子能量。
本实施例中Vbus定义了施加到Vout的脉冲振幅，其定义了衬底表面的电压以及离子能量。再次简要地参考图2，Vbus可以耦合到离子能量控制部，该离子能量控制部可以由用于向Vbus施加直流信号或时变波形的直流电源来实现。
可以调制脉宽、脉冲形状和/或两个信号V2、V4的相互延迟以达到在Vout的期望波形，并且施加到Vbus的电压可以影响脉冲的特征。也就是说，电压Vbus可以影响脉宽、脉冲形状和/或信号V2、V4的相对相位。例如，简要参考图4，示出了可以被施加到T1和T2的两个驱动信号波形（作为V2和V4）定时图，以便如图4所示在Vout产生周期电压函数。为了调制在Vout的脉冲形状（例如，为了实现Vout的脉冲的最小时间，还达到脉冲的峰值），可以控制两个栅极驱动信号V2、V4的定时。
例如，可以将两个栅极驱动信号V2、V4施加到开关部件T1、T2，因而与脉冲之间的时间T相比，在Vout施加的每个脉冲的时间可以较短，但是长到足以在衬底110、210表面感应出正电压来将电子吸引到衬底110、210表面。此外，已经发现通过改变脉冲之间的栅极电压电平，可以控制在脉冲之间施加到Vout的电压的斜率（例如，实现在脉冲之间衬底表面的基本上恒定的电压）。在一些操作模式中，栅极脉冲的重复率约为400kHz，但该重复率会根据应用的不同而特定地变化。
尽管没有要求，但是在实际中，根据基于实际实施方式的建模和细化，可以定义可用于产生期望离子能量分布的波形，并且可以存储这种波形（例如，在参考图1描述的波形存储部中，作为电压电平的序列）。此外，在许多实施方式中，可以直接产生波形（例如，不需要来自Vout的反馈）；因此，避免了反馈控制系统的不期望的方面（例如，设定时间）。
再次参考图3，可以调制Vbus以控制离子能量，并且所存储的波形可以用于控制栅极驱动信号V2、V4以实现Vout处的期望脉冲振幅，同时使脉宽最小化。根据可以建模或实施及经验地建立的晶体管的特定特征而再次完成。例如，参考图5，示出了Vbus随时间变化、衬底110、210表面的电压随时间变化以及对应的离子能量分布的示图。
图5中的示图示出了操作开关模式偏压电源106、206的单模式，其产生了在特定离子能集中的离子能量分布。如图所示，为了在本示例中产生单个离子能量的集中，保持施加到Vbus的电压不变，同时控制施加到V2和V4的电压（例如，利用图3所示的驱动信号），以便在开关模式偏压电源106、206的输出端产生脉冲，其产生了图5中所示的对应的离子能量分布。
如图5所示，衬底110、210表面的电势通常为负，以吸引轰击并蚀刻衬底110、210的离子。（通过对Vout施加脉冲）施加到衬底110、210的周期短脉冲的振幅由施加到Vbus的电势来定义，并且这些脉冲导致了衬底110、210的电势的微小变化（例如，接近于正或略微正的电势），这将电子吸引到衬底表面，从而实现沿衬底110、210表面的大体上的负电势。如图5所示，施加到Vbus的恒定电压产生了在特定离子能量的单个离子通量的集中；因此，可以通过简单地将Vbus设定为特定电势来选择特定离子轰击能量。在其它操作模式下，可以产生两个或更多个分离的离子能量的集中。
参考图6，例如，示出了在离子能量分布中产生有两个分离峰的双模态操作模式的示图。如图所示，在这种操作模式下，衬底经受两个明显的电压和周期脉冲的电平，因此产生了两个分离的离子能量的集中。如图所示，为了产生两个明显的离子能量集中，在Vbus施加的电压在两个电平之间交替变换，并且每个电平限定了两个离子能量集中的能量水平。
尽管图6示出了在每一脉冲之后交替变换的衬底110、210的两个电压，但这并不是特定要求的。例如，在其它操作模式下，相对于施加到Vout的电压，对施加到V2和V4的电压进行切换（例如，使用图3中所示的驱动信号），以使得在衬底表面的感应电压在两个或者更多脉冲之后从第一电压到第二电压（反之亦然）交替变换。
在现有技术中，已经尝试将（由波形发生器产生的）两个波形的组合施加到线性放大器并将放大后的两个波形的组合施加到衬底以便产生多个离子能量。然而，这种方法比参考图6描述的方法复杂得多，并需要昂贵的线性放大器和波形产生器。
接下来参考图7A和7B，分别示出了对应于施加到Vbus的直流电压的单能和双电平调制、在等离子体中进行的实际直接离子能量测量的示图。如图7A所示，响应于施加到Vbus的不变电压（例如，如图5所示），离子能量分布集中在80eV附近。在图7B中，响应于Vbus的双电平调节（例如，如图6所示），两个分离的离子能量集中存在于85eV和115eV附近。
接下来参考图8，示出了本发明的另一实施例的框图。如图所示，开关模式电源806经由电弧检测部件822耦合到控制器812、离子能量控制部件820及衬底支承部808。控制器812，开关模式电源806和离子能量控制部件820共同地工作来对衬底支承部808施加能量，以在时间平均的基础上在衬底810表面产生期望的离子能量分布。
简短地参考图9A，例如示出了周期约为400kHz的周期电压函数，其在该周期电压函数的多个周期期间由约5kHz的正弦调制函数进行调制。图9B是图9A中循环的周期电压函数的一部分的分解图，图9C示出了由周期电压函数的正弦调制得到的、在时间平均的基础上的、所得到的离子能量的分布。图9D示出了当周期电压函数由正弦调制函数进行调制时所得到的、时间平均的IEDF的等离子体中进行的实际直接的离子能量测量。如本文进一步讨论的，在时间平均的基础上实现期望离子能量分布可以通过简单地改变施加到周期电压的调制函数来实现。
参考作为另一示例的图10A和10B，通过约5kHz的锯齿调制函数来调制400kHz的周期电压函数，以在时间平均的基础上达到图10C中所示的离子能量分布。如图所示，除了图10中的周期电压函数是由锯齿函数而非正弦函数调制以外，结合图10使用的周期电压函数与图9相同。
应当认识到，图9C和图10C所示的离子能量分布函数不表示衬底810表面的瞬时离子能量分布，而表示时间平均的离子能量。参考图9C，例如，在某一特定时刻，离子能量分布将会是在调制函数的整个周期上存在的、所示的离子能量分布的子集。
还应当认识到，调制函数不必是固定函数，也不必为固定频率。在某些情况下，例如，可能会期望对具有一个或者多个特定调制函数的周期的周期电压函数进行调制来产生特定的、时间平均的离子能量分布，然后对具有一个或者多个另一调制函数的周期的周期电压函数进行调制来产生另一时间平均的离子能量分布。在很多情况下，对（调制周期电压函数的）调制函数的这样的变化可以是有利的。例如，如果需要特定离子能量分布来蚀刻特定几何构造或蚀刻特定材料，就可以使用第一调制函数，随后可以使用另一调制函数来产生不同的蚀刻几何形状或蚀刻另一材料。
类似地，周期电压函数（例如，图9A、9B、10A和10B中的400kHz的部件及图4中的Vout）不必严格限定（例如，周期电压函数的形状和频率可以变化），但是通常其频率由腔室内的离子的渡越时间来确立，以使得腔室内的离子受施加到衬底810的电压影响。
回过来参考图8，控制器812向开关模式电源806提供驱动控制信号832’和832’’，使得开关模式电源806产生周期电压函数。开关模式电源806可以由图3所示的部件来实现（例如，产生图4所示的周期电压函数），但是必定可以想到可以利用其它开关架构。
一般而言，离子能量控制部件820起到向周期电压函数施加调制函数（其由控制器812结合开关模式电源806产生）的作用。如图8所示，离子能量控制部件820包括与自定义IEDF部850通信的调制控制器840、IEDF函数存储器848、用户接口846和电源部件844。应当认识到，示出这些部件意在表达功能部件，实际上该功能部件可以由相同或不同的部件来实现。
本实施例中的调制控制器840通常根据限定调制函数的数据来控制电源部件844（及其输出834），电源部件844（根据来自调制控制器840的控制信号842）产生调制函数834，将调制函数834施加到由开关模式电源806产生的周期电压函数。本实施例中的用户接口846配置为使用户能够选择存储在IEDF函数存储器848中的预定义的IEDF函数，或者结合自定义的IEDF部件850来定义自定义的IEDF。
在许多实施方式中，电源部件844包括直流电源（例如，直流开关模式电源或者线性放大器），其将调制电压（例如，变化的直流电压）施加到开关模式电源（例如，图3中所示的开关模式电源的Vbus）。在这些实施方式中，调制控制器840控制由电源部件844输出的电压电平，使得电源部件844施加与调制函数相符的电压。
在某些实施方式中，IEDF函数存储器848包括与多个IEDF分布函数中的每一个相对应的多个数据集，并且用户接口846使用户能够选择期望的IEDF函数。参考图11，例如，右列示出了可供用户选择的示例性IEDF函数。左列示出了相关的调制函数，调制控制器840结合电源部件844将该调制函数应用于周期电压函数来产生对应的IEDF函数。应当认识到，图11中所示的IEDF函数仅是示例性的，也可选择其它IEDF函数。
自定义的IEDF部件850通常起到使用户能够通过用户接口846来定义期望的离子能量分布函数的作用。在某些实施方式中，例如，自定义的IEDF部件850使用户能够确定定义离子能量分布的特定参数的值。
例如，自定义的IEDF部件850使得可以根据在高水平（高IF）、中水平（中IF）和低水平（低IF）的相对通量水平（例如，根据通量的百分比）结合定义这些能量水平之间的IEDF的一个或多个函数来定义IEDF函数。在许多情况下，仅高IF、低IF和这些水平之间的IEDF函数才足以定义IEDF函数。作为特定示例，用户可以利用在20%贡献水平（contribution level）与30%贡献水平之间的正弦IEDF来请求20%贡献水平的1200eV、30%贡献水平的700eV。
还可以想到，自定义的IEDF部850可以使用户能够以一个或多个（例如，多）能量水平的列表以及对应的每一能量水平与IEDF的百分比贡献来填充表格。在另一替代实施例中，可以想到，自定义的IEDF部件850结合用户接口846通过向用户呈现使用户能够绘制期望IEDF的图形工具来使用户能够图形地产生期望的IEDF。
此外还可以想到，IEDF函数存储器848和自定义IEDF部件850可以交互操作以使用户能够选择预定义的IEDF函数并然后更改该预定义的IEDF函数来产生由预定义的IEDF函数导出的自定义的IEDF函数。
一旦定义了IEDF函数，调制控制器840就将定义期望的IEDF函数的数据转换为控制电源部件844的控制信号842，以使得电源部件844产生与期望IEDF相对应的调制函数。例如，控制信号842控制电源部件844以使得电源部件844输出由调制函数定义的电压。
接下来参考图12，其为示出离子电流补偿部件1260补偿等离子体室1204内的离子电流的实施例的框图。申请人已经发现，在更高能级下，腔室内更高水平的离子电流影响衬底表面的电压，结果离子能量分布也受到影响。简短地参考图15A至15C，例如，示出了当电压波形出现在衬底1210或晶片表面时的电压波形及其与IEDF的关系。
更具体地，图15A示出了当离子电流II等于补偿电流Ic时衬底1210表面的周期电压函数；图15B示出了当离子电流II大于补偿电流Ic时衬底1210表面的电压波形；图15C示出了当离子电流II小于补偿电流Ic时衬底表面的电压波形。
如图15A所示，当II=Ic时，离子能量的扩展1470相对窄于图15B中所示的当II>Ic时的离子能量的均匀扩展1472、或者图15C中所示的当II<Ic时的离子能量的均匀扩展1474。因此，离子电流补偿部件1260在离子电流较高时（通过补偿离子电流的效果）实现离子能量的较窄扩展，并且还是先了离子能量的均匀扩展1572、1574可控（例如，当期望具有离子能量扩展时）。
如图15B所示，在没有离子电流补偿（当II>Ic）的情况下，在周期电压函数的正值部分之间，衬底表面的电压以斜坡式方式变为较小负值，这产生了更宽的离子能量扩展1572。类似地，当利用离子电流补偿来增大补偿电流的水平直到超过如图15C所示的离子电流（II<Ic）的水平时，在周期电压函数的正值部分之间，衬底表面的电压以斜坡式方式变得更负，并且产生更宽的均匀离子能量扩展1574。
回过来参考图12，离子补偿部件1260可以实现为单独的附件，其可以可选地加到开关模式电源1206和控制器1212。在其它实施例中，（例如，如图13所示），离子电流补偿部件1260可以与本文描述的其它部件（例如，开关模式电源106、206、806、1206和离子能量控制部件220、820）共用共同的外壳1366。
如图13所示，示出了示例性的离子电流补偿部件1360，其包括耦合到开关模式电源的输出端1336的电流源1364以及耦合到电流源1364和输出端1336这两者的电流控制器1362。图13还示出了等离子体室1304，等离子体室内具有电容性元件C1、C2和离子电流II。如图所示，C1表示与可以包括绝缘体、衬底、衬底支承部和静电卡盘的腔室1304相关联的部件的固有电容，C2表示护套电容和杂散电容。
应当注意的是，因为本实施例中的C1是与腔室1304相关联的部件的固有电容，所以它是加到处理的增益控制的可存取电容。例如，一些现有技术利用线性放大器将偏压功率耦合至带有隔直流电容器的衬底上，然后利用隔直流电容器两端的监测电压作为反馈来控制其线性放大器。尽管在本文公开的许多实施例中，电容器能够将开关模式电源耦合到衬底支承部，但由于本发明的数个实施例中不需要使用隔直流电容器的反馈控制，所以不必这样做。
在参考图13的同时参考图14，图14是示出图13中所示的Vo处的示例性电压。在操作中，电流控制器1362监测Vo处的电压，如下式计算间隔t期间（如图14所示）的离子电流：
由于C1对于给定工具是基本恒定的并且是可测量的，所以只需要监测Vo来实现补偿电流的不间断控制。如上所述，为了得到更多离子能量的单能分布（例如，如图15A所示），电流控制器控制电流源1364以使得Ic与II大体相等。按照这种方法，即使当离子电流达到影响衬底表面的电压的水平时，也可以保持离子能量的窄扩展。此外，如果需要的话，可以如图15B和15C所示来控制离子能量的扩展，以使得在衬底表面产生额外的离子能量。
同样，图13中示出了反馈线1370，其可以结合控制离子能量分布使用。例如，图14所示的ΔV的值表示瞬时离子能量，并且可以用于许多实施例中作为反馈控制环路的一部分。
接下来参考图16，示出了电流源1664的示例性实施例，其可以用于实现参考图13所描述的电流源1364。在本实施例中，与串联电感器L2连接的可控负直流电压源起到电流源的作用，但是本领域技术人员将会理解，在本说明书的教导下，也可以由其它部件和/或配置来实现电流源。
接下来参考图17A和17B，示出了本发明的其它实施例的框图。如图所示，这些实施例中的衬底支承部1708包括静电卡盘1782，并且静电卡盘电源1780用于向静电卡盘1782供电。在一些变型中，如图17A所示，静电卡盘电源1780设置为直接向衬底支承部1708供电，在其它变型中，静电卡盘电源1780设置为结合开关模式电源来供电。应当注意，串联卡盘可以由独立电源供电或者通过使用控制器来供电以实现净直流卡盘功能。在该直流耦合的（例如，没有隔直流电容器）串联卡盘功能中，可以使具有其它RF源的不期望的干扰最小化。
图18示出了本发明的又一实施例的框图，其中通常用于产生等离子体密度的等离子体电源1884还配置为驱动开关模式电源1806旁边的衬底支承部1808和静电卡盘电源1880。在本实施方式中，等离子体电源1884、静电卡盘电源1880和开关模式电源1806中的每一个可以位于独立的组件中，或者电源1806、1880、1884中的两个或更多个可以构成为位于同一物理组件中。有利的是，图18所示的实施例使顶电极1886（例如，喷头）能够电接地以获得电对称并减小由于少量电弧事件所致的损伤的水平。
参考图19，示出了本发明的再一实施例的框图。如图所示，本实施例中的开关模式电源1906配置为向衬底支承部和腔室1904供电，以便对衬底加偏压并且点燃（且维持）等离子体这两者而无需额外的等离子体电源（例如，无需等离子体电源102、202、1202、1702、1884）例如，开关模式电源1806可以以足以点燃和维持等离子体同时对衬底支承部提供偏压的占空比来工作。
接下来参考图20，示出了输入参数和控制部的控制输出的框图，该控制部可以结合参照图1至19所描述的实施例使用。对控制部的描绘意在对可以结合本文所述的实施例使用的示例性控制输入和输出提供简化的描绘，而并非意在为硬件示图。在实际实施方式中，所示的控制部可以在可由硬件、软件、固件及其组合实现的若干分立部件之中分布。
参考本文中的上述实施例，图20所示的控制器可以提供参考图1描述的控制器112、参考图2描述的控制器212和离子能量控制部件220、参考图8描述的控制器812和离子能量控制部820、参考图12描述的离子补偿部件1260、参考图13描述的电流控制器1362、图16所示的Icc控制、图17A和17B分别示出的控制器1712A和1712B、图18和19分别示出的控制器1812和1912中的一个或多个的功能。
如图所示，可以用作控制部分的输入的参数包括参考图13和14已更详细描述的dVo/dt和ΔV。如上所述，dVo/dt可以用于结合离子能量分布扩展输入ΔE来提供控制信号Icc,控制信号Ic控制参考图12、13、14、15A-C和图16描述的离子能量分布扩展的宽度。此外，离子能量控制输入（Ei）结合可选反馈ΔV可以用于产生离子能量控制信号（例如，影响图3所示的Vbus），来产生参考图1至11更详细描述的期望的离子能量分布。可以结合许多静电卡盘实施例的另一参数是直流偏置输入，其为了有效的热控制而提供静电力来将晶片保持在卡盘上。
综上所述，在其它方面，本发明提供了一种用于使用开关模式电源选择性地产生期望离子能量的方法和装置。本领域技术人员容易认识到，可以在本发明中作出许多变型和替代，其用途及其配置实现基本上与本文所述的实施例所实现的结果相同。因此，没有将本发明限制于所公开的示例性形式的意图。许多变型、修改和替代结构均落入所公开的本发明的精神和范围之内。

Claims (20)

1.一种用于基于等离子体的处理的系统，包括：
等离子体处理室，配置为包含等离子体；
衬底支承部，位于所述等离子体处理室内并设置为支承衬底；
离子能量控制部，所述离子能量控制部响应于至少一个离子能量分布设定来提供至少一个离子能量控制信号，所述至少一个离子能量分布设定表示在所述衬底的表面的期望分布离子能量分布；
开关模式电源，耦合到所述衬底支承部和所述离子能量控制部，所述开关模式电源包括一个或者多个开关部件，所述一个或者多个开关部件配置为响应于所述离子能量控制信号来对所述衬底供电，以便在所述衬底的所述表面实现所述期望离子能量分布；以及
离子电流补偿部件，耦合到所述衬底支承部，所述离子电流补偿部件实现所述离子能量分布的可控宽度，所述离子电流补偿部件包括：
电流源，耦合到所述衬底支承部以向所述衬底支承部提供补偿电流；以及
电流控制器，所述电流控制器耦合到所述电流源和所述衬底支撑部，并且所述电流控制器监测所述电流控制器与所述开关模式电源的耦合节点处的电压，并且基于对所述电压的监测而控制从所述电流源输出的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关模式电源直流耦合到所述衬底支承部。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述离子电流补偿部件配置为使用户能够定义均匀的离子能量分布的扩展。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底支承部包括静电卡盘，所述系统包括耦合到所述静电卡盘的静电卡盘电源。
5.根据权利要求1所述的系统，包括耦合到所述衬底支承部的附加电源，所述附加电源适于向所述衬底支承部供电，以维持所述等离子体处理室内的所述等离子体。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关模式电源还适于向所述衬底支承部供电，以点燃和维持所述等离子体处理室内的所述等离子体。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关模式电源配置为响应于所述一个或多个驱动信号向所述衬底支承部施加周期电压函数；
其中，所述离子能量控制部配置为：在所述周期电压函数的多个周期期间，响应于所述至少一个离子能量分布设定来调制所述周期电压函数的至少一个参数，以便在时间平均的基础上在所述衬底的所述表面产生所述期望离子能量分布。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个参数包括电压振幅。
9.一种用于基于等离子体的处理的装置，包括：
控制器，配置为提供一个或多个驱动控制信号；
开关模式电源，输出端设置为耦合到衬底支承部，所述开关模式电源包括一个或多个开关部件，所述一个或者多个开关部件配置为响应于所述一个或多个驱动信号来向所述输出端施加周期电压函数；以及
离子能量控制部，所述离子能量控制部在所述周期电压函数的多个周期期间，响应于至少一个离子能量分布设定来调制所述周期电压函数的至少一个参数，所述至少一个离子能量分布设定表示在所述衬底的表面的期望离子能量分布；
离子电流补偿部件，耦合到所述输出端，所述离子电流补偿部件实现所述期望离子能量分布的可控宽度，所述离子电流补偿部件包括：
电流源，耦合到所述衬底支承部以向所述衬底支承部提供补偿电流；以及
电流控制器，所述电流控制器耦合到所述电流源和所述衬底支撑部，并且所述电流控制器监测所述输出端的电压，并且基于对所述电压的监测而控制从所述电流源输出的补偿电流。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述离子能量控制部包括存储器，所述存储器包括定义多个离子能量分布函数的数据，所述离子能量控制部基于与所述离子能量分布函数中所选的一个相对应的数据来调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上在所述衬底的所述表面实现所述期望离子能量分布。
11.根据权利要求9所述的装置，包括：
用户接口，所述用户接口使用户能够选择参数的值，所述参数在时间平均的基础上定义所述衬底的所述表面的所述期望离子能量分布；
其中，所述离子能量控制部包括将所述参数转换成调制数据的自定义IEDF部件，所述离子能量控制部利用所述调制数据调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上在所述衬底的所述表面实现所述期望离子能量分布。
12.一种用于基于等离子体的处理的方法，包括：
在等离子体室内放置衬底；
在所述等离子体室内形成等离子体；
利用开关模式电源可控地开关用于所述衬底的电能，以便向所述衬底施加周期电压函数；以及
在所述周期电压函数的多个周期期间，响应于所述衬底的表面的期望离子能量分布来调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现所述期望离子能量分布；以及
利用离子电流补偿部件向衬底支承部提供离子补偿电流并且控制所述离子补偿电流，以便在时间平均的基础上能够控制在所述衬底的所述表面的均匀离子能量的扩展，其中监测所述离子电流补偿部件与所述开关模式电源的耦合节点处的电压，并且基于对所述电压的监测来控制所述离子补偿电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，调制所述周期电压函数包括调制所述周期电压函数的振幅。
14.根据权利要求12所述的方法，包括：
获取定义所述衬底的所述表面的所述期望离子能量分布的参数的值；
将所获取的参数值转换为调制数据；以及
利用所述调制数据来调制所述周期电压函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过管理所述基于等离子体的处理的操作器来获取所述参数的值。
16.根据权利要求12所述的方法，包括：
从包括定义多个离子能量分布函数的数据的存储器中选择所述期望离子能量分布，以便选择特定离子能量分布函数；以及
调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现所述特定离子能量分布。
17.根据权利要求12所述的方法，包括：向所述衬底支承部施加可控地开关的电能，以点燃和维持所述等离子体处理室内的所述等离子体。
18.一种用于基于等离子体的处理的方法，包括：
在等离子体室内放置衬底；
在所述等离子体室内形成等离子体；
接收至少一个离子能量分布设定，所述至少一个离子能量分布设定表示在所述衬底的表面的一种或多种离子能量；以及
利用开关模式电源对所述衬底可控地开关电能，以便在时间平均的基础上实现期望离子能量分布；以及
利用离子电流补偿部件补偿所述等离子体中的离子电流，以实现所述期望离子能量分布的期望宽度，其中所述补偿包括：
利用所述离子电流补偿部件中的电流源向所述衬底提供补偿电流；
监测所述离子电流补偿部件与所述开关模式电源的耦合节点处的电压；以及
基于对所述电压的监测来控制所述补偿电流以实现所述离子能量分布的所述期望宽度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：可控地开关电能包括：
在周期电压函数的多个周期期间，响应于所述至少一个离子能量分布设定来调制所述周期电压函数，以便在时间平均的基础上实现所述期望离子能量分布，其中所述至少一个离子能量分布设定表示在所述衬底的所述表面的一种或多种离子能量。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，接收至少一种离子能量设定包括：接收定义离子能量分布函数的数据。
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