CN104204288A - 用于纠正等离子体处理系统中的不对称性的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有等离子体处理室的等离子体处理系统，该等离子体处理室包括室壁和室衬里中的至少一个。等离子体处理系统包括设置在室表面的周边附近的多个接地母线，该室表面是等离子体处理室的室壁和室衬里中的一个。等离子体处理系统还包括联接到多条接地母线中的至少第一接地母线的至少第一阻抗装置，其中多条接地母线的第二接地母线不具备与第一阻抗装置具有相同阻抗值的第二阻抗装置。

Description

用于纠正等离子体处理系统中的不对称性的方法和装置
背景技术
等离子体已长期被应用于处理衬底以形成电子器件。例如，等离子体增强蚀刻已长期被用于在集成电路生产中将半导体晶片加工成芯片或者将平板加工成用于诸如便携式移动设备、平板电视、计算机显示器等装置的平板显示器。
为了便于论述，图1示出了典型的电容耦合等离子体处理系统，该处理系统具有上电极102、下电极104，可将晶片106布置在下电极104上进行处理。下电极104通常被设置在等离子体室的内部，图中示出了该等离子体室的室壁108。在图1的实例中，在晶片106上方在上电极102和下电极104之间的区域被称为等离子体发生区(由附图标记110表示)。通常，存在多个约束环112，这些约束环是被设置在下电极104周围和上方的大致同心的环，用以限定和约束用于处理晶片106的等离子体。这些部件是常规部件，这里不作进一步的详细说明。
为了处理晶片106，将工艺气体导入等离子体发生区110，并且将射频(RF)能量提供给上电极102和下电极104中的一个或多个从而促进在等离子体发生区110中的等离子体的点火和维持以便处理晶片106。在图1的实例中，例如，将通电的下电极和接地的上电极用作示范性的用于产生等离子体的设置，但该设置不是必须的，并且可向这两个电极提供多种射频(RF)信号。从RF电源120经由RF导体122将RF能量提供给下电极104，该RF导体122通常是导电杆。在图1的剖视图中，RF传输路径是沿着箭头134A和134B的方向延伸的，以便让RF能量与等离子体发生区110中的等离子体相耦合。在图1的实例中，RF流沿着箭头140和142的方向返回到接地。此外，这些机构是已知的并且在等离子体处理领域是常规的，并且对于本领域技术人员而言是众所周知的。
在理想的情况下，RF传输流(用箭头134A和134B表示)和接地RF返回流(用箭头140和142表示)在方位角方向上围绕等离子体室是对称的。也就是说，给定在晶片表面上的基准定向，在理想情况下将会看到在相对于晶片表面上的参考半径的任何角度θ上RF传输流与RF返回流是对称的。然而，由于室构造和其它处理部件所造成的实际限制会将不对称性引入等离子体室，从而会影响在晶片106上的处理结果的方位角均匀性。
详而言之，例如当各等离子体室部件围绕室中心不是对称(如从室顶部观察)时，各室部件的不对称性影响RF通量线、压力、等离子体密度、RF传输流、或RF接地返回流，使得处理的方位角不均匀性会导致经处理晶片上的不均匀的处理结果。
图2A描绘了影响在室内部的各部件的对称性和/或影响相对于室中心的晶片对称性的各种因素，这些因素会进而影响在晶片表面上的处理结果的方位角均匀性。在图2A中示出了室200的俯视图。图中示出了室壁202，在该室壁202的内部设置有下电极204。图中显示晶片206被设置成相对于下电极204略微偏心。因此，处理中心偏离衬底的中心，从而导致在衬底206上的处理结果的方位角不均匀性。
作为另一个实例，下电极204可偏离室200的中心，这会导致处理结果的不对称性和方位角的不均匀性，即使晶片206正确地居中于下电极204上也如此。因为下电极204相对于接地的室壁202是带电的，所以下电极204的边缘与在下电极204的周边附近的室壁202之间的不同距离造成在带电下电极与接地室壁之间的寄生耦合中的变化，这进而影响在晶片206上不同位置处的等离子体密度，由此造成方位角不均匀性。
此外，RF传输导体(图1的122)可相对于室外壳而偏移，从而同样地造成RF导体与接地室壁之间的寄生耦合中的变化，由此影响在晶片上处理结果的方位角均匀性。此外，某些机械部件(诸如支撑室202内部的下电极204的悬臂208)的存在是排出气流的阻碍，该排出气流通常从位于下电极边缘附近的等离子体发生区朝向下电极的底部流动而被排放(图1的150和152)。由于悬臂存在所造成的对气体流动的阻碍将会影响在悬臂区域中的局部压力，由此影响等离子体密度并进而影响处理结果的方位角均匀性。影响方位角均匀性的又一个因素是晶片装载口210的存在，该装载口210仅存在于室200的一侧。
图2B是等离子体室的侧视图，用以说明等离子体室设计的某些固有特性也导致不对称性并因此影响处理结果的方位角均匀性。例如，下电极204的一侧252可以具备诸如气体输送管、冷却剂管等部件，这些部件改变提供给沿下电极204表面行进的任何流的电感。这些部件的部分可以不存在于下电极204的另一侧254上。因此，放置在下电极204上的晶片的一侧会得到与晶片另一侧的处理结果不同的处理结果，从而再次导致方位角不均匀性。此外，RF流入和/或排出流路径是在箭头220方向上的横向流入的事实意味着RF返回流具有用于返回到电源的可变长度方位角路径，具体取决于是否在内部路径222或外部路径224中测量RF接地返回流。
RF接地返回路径的长度的差异导致沿该接地返回路径的不同电感，这也影响接地返回路径的阻抗。因此，这些变化导致处理结果的不对称性和方位角不均匀性。
当工艺要求是相当地自由时(例如，当装置尺寸较大并且/或者装置密度较低时)，方位角不均匀性是较小的问题。当装置尺寸变小且装置密度增加时，重要的是不仅在径向方向上(从晶片的中心到边缘)而且在方位角方向上在相对于晶片表面上的参考半径R的任意给定角度θ上维持均匀性。例如，现在一些客户要求方位角不均匀性为阈值的1％或者甚至低于1％。因此，对用于控制等离子体处理室中处理结果的方位角不均匀性的改进方法和装置存在着需求。
附图说明
下面结合附图并通过举例方式而不是通过限制方式来说明本发明，其中类似的附图标记是指相似的元件，并且其中：
图1示出了根据本发明的实施方式的典型的电容耦合等离子体处理系统；该处理系统具有上电极、下电极，可将晶片布置在该下电极上进行处理。
图2A示出了根据本发明的实施方式的影响在室内部的部件的对称性和/或影响相对于室中心的晶片对称性的各种因素，这些因素会进而影响在晶片表面上处理结果的方位角均匀性。
图2B示出了根据本发明的实施方式的室的侧视图，用以说明等离子体室设计的某些固有特性也导致不对称性且因此影响处理结果的方位角均匀性。
图3A示出了根据本发明的实施方式的利用阻抗装置实施的多条接地母线。
图3B-图3F示出了根据本发明的实施方式的用于修改接地母线中的电流以解决方位角不均匀性问题的各种方法。
图3G示出了在一个或多个实施方式中用于原位补偿以解决方位角不均匀性问题的步骤。
具体实施方式
现在将参照如附图中所示的几个实施方式来详细描述本发明。在下面的描述中陈述了许多具体细节以便提供对本发明的详尽理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可在没有这些具体细节的部分或全部的情况下实施。在其它情况下，对于众所周知的工艺步骤和/或结构未作详细描述，以免不必要地使本发明难以理解。
在下文中描述了各种实施方式，包括方法和技术。应注意的是本发明也可以包含生产的物品，这些物品包括存储用于实施本发明的实施方式的计算机可读指令的计算机可读介质。计算机可读介质可包括例如半导体、磁性、光学-磁性、光学的、或者用于存储计算机可读代码的其它形式的计算机可读介质。此外，本发明也可包含用于实施本发明实施方式的装置。这种装置可包括用于执行与本发明实施方式有关的任务的专用电路和/或可编程电路。这种装置的实例包括通用计算机和/或专用计算装置(当适当地被编程时)，并且可包括计算机/计算装置与适用于各种用途的专用/可编程电路的组合。
根据本发明的实施方式，提供用于补偿等离子体处理室中的固有或可预见的不对称性和/或方位角不均匀性的方法和装置。在一个或多个实施方式中，用于将室的侧壁或衬里与接地平面耦合的接地母线的阻抗具备可调阻抗，从而允许操作者或设计工程师改变接地母线中的方位角阻抗以补偿由于等离子体室中其它部件的存在或使用所造成的固有或可预见的不对称性。
在一个或多个实施方式中，提供了用于控制接地母线阻抗以便影响利用在方位角方向上的RF接地返回流所遇到的阻抗，从而允许操作者调整在方位角上在晶片外周的附近的阻抗和RF接地返回流的方法和装置。这补偿任何固有或可预见的处理结果的不对称性和/或方位角不均匀性。
在一个或多个实施方式中，可在衬底下面设置一个金属环，从而允许操作者相对于下电极的中心而改变环的中心从而抵消由于室部件和其它处理部件的存在所造成的固有或可预见的不对称性。
在一个或多个实施方式中，可改变接地屏蔽体使得一侧比另一侧提供较短的用于接地RF返回流的路径。可替代地或此外，可改变接地屏蔽体的中心从而将从接地屏蔽体到带电导体的用于将RF信号传递至下电极的耦合有意地制成是不对称的，以便补偿任何固有或可预见的不均匀性和/或方位角不均匀性和/或不对称性。
通过参照附图和下面的论述，可以更好地理解本发明的特征和优点。
图3A示出了根据本发明一个实施方式的接地母线的简化俯视图，该接地母线围绕在等离子体室周边布置，例如围绕室壁或室衬里的周边布置。例如，接地母线可用于提供从室衬里或室壁到下电极以便最终返回接地的RF接地返回路径。
详而言之，在一个典型的等离子体处理室中，提供了围绕室壁或室衬里周边设置的接地母线，试图在方位角方向上均匀地分布RF接地返回电流。在一个实施方式中，采用可变电感器、可变电容器、可变电阻器、或者其组合形式的可调阻抗装置可具备一条或多条接地母线。因此，参照图3A，耦合到室壁310的接地母线302和304和306可具备可调阻抗装置(诸如前述的可变电感器、可变电容器、可变电阻器、或者其任意组合)。
在开发期间，工艺工程师可赋值或者调节这些可调阻抗装置以便提供对固有或可预见的不对称性或者方位角不均匀性的补偿。例如，可运行测试晶片并且可检查计量结果以便确定在经处理的测试晶片上的方位角不均匀性的程度和位置。然后，可调整一条或多条接地母线的可调阻抗，从而便于将不同阻抗提供给经过各种接地母线的不同RF接地返回电流。
在一个实施方式中，各可调阻抗装置可代表固定值阻抗装置(图3B的320)，该装置可与一条或多条单独的接地母线相耦合或联接从而影响方位角阻抗或者影响提供给正经过接地母线的各种RF接地返回电流的阻抗。这样，可在方位角方向上单独地调整RF返回电流以便(部分或者完全地)补偿或抵消由于室部件存在所造成的固有的不对称性或者任何所观察和测量的方位角不均匀性(例如可基于处理后从测试晶片中测得的)。在这种情况下，至少一条接地母线将会具备这种阻抗装置，至少另一条接地母线将不会具备：与该至少一条接地母线具备的这种阻抗装置具有相同的阻抗值的阻抗装置。在提供阻抗过程中的这种有意的不对称性解决了围绕室壁或室衬里的固有或可预见的方位角不均匀性问题。
在另一个实施方式中，接地母线可具备可调阻抗装置(图3C的330)；作为室性能校验过程的一部分，可以由工艺工程师基于建模的或已知的不对称性或者方位角不均匀性或者通过从测试晶片中所得出的计量结果而获得的观察到的方位角不均匀性，手动地对该可调阻抗装置进行调节。
例如，工艺工程师可手动地(或者经由计算机用户界面)调节在一条或多条接地母线中的可调装置的值，从而补偿由于支撑下电极的悬臂所造成的不对称性。作为另一个实例，当从在测试晶片上的处理结果的计量测量中观察到方位角不均匀性时，工艺工程师可手动地(或者通过计算机用户界面)调节接地母线中的一条或多条的可调阻抗的值。
亦在这种情况下，至少一条接地母线将会具备这种可调阻抗装置，至少另一条接地母线(例如，第二接地母线，用于描述的目的)将不会具备：与具备该至少一条接地母线的装置有相同的阻抗值的可调阻抗装置。作为一个实例，阻抗装置可不具备第二接地母线，或者具有不同阻抗值的可调阻抗装置将会具备第二接地母线。在提供阻抗过程中的这种有意的不对称性解决了围绕室壁或室衬里的固有或可预见的方位角不均匀性问题。
此外，例如，可以利用传感器测量单独的接地母线上的接地返回流，并且以动态方式利用机器可调阻抗装置(图3D的340)动态地调整阻抗以补偿晶片之间的方位角不均匀性或不对称性中的变化。
例如，如果晶片位于相对于下电极略微偏心的位置(如图2A的实例中所示)，则可对经过各种母线的RF接地返回流进行测量，并且自动控制设备可调整与一条或多条接地母线相关的阻抗，以便对传感器测量已检测到不对称状态和/或晶片被设置成相对于下电极为偏心的情况进行补偿，从而改善处理结果的方位角均匀性。例如，机器可调阻抗可具备各接地母线或者可仅具备一部分的接地母线。在一个或多个实施方式中，可响应于传感器测量值或者响应于基于传感器测量值的计算，以逐个晶片的方式原位地执行对机器可调阻抗的调整。在一个或多个实施方式中，可利用工具控制计算机或者执行计算机可读指令的另一个计算机来执行阻抗的调整，所述计算机可读指令包括存储于计算机可读介质(诸如计算机存储驱动器)中的计算机可读指令。在这种情况下，至少一条接地母线将会具备这种机器可调阻抗装置，至少另一条接地母线将不会具备：与该至少一条接地母线具备的这种机器可调阻抗装置有相同的阻抗值的机器可调阻抗装置。作为一个实例，阻抗装置都不具备第二接地母线，或者机器可调阻抗装置可被调节成具有与第二接地母线相关的不同阻抗值。在提供阻抗过程中的这种有意的不对称性解决了围绕室壁或室衬里的固有或可预见的方位角不均匀性问题。
此外，可以在一条或多条接地母线中引起逆电流，从而影响一条或多条接地母线中的RF接地返回电流。举例而言，可将线圈(图3F的350或者图3E的352)放置在靠近一条或多条接地母线的位置或者围绕一条或多条接地母线，并且可使电流流经该线圈从而在接地母线自身中引起逆电流，或者引起附加电流从而补偿处理结果中的任何固有的不对称性或方位角不均匀性。如果相比于多条接地母线中的任何其它接地母线，某线圈被设置成更加靠近某接地母线，那么可认为该线圈与该接地母线相关联。
线圈电流可在相位、强度、和/或频率方面发生变化，从而改变在一条或多条接地母线中影响RF返回电流的程度。可以动态地原位执行该电流导向的补偿，以便实现在方位角方向上对RF接地返回电流的原位调节。例如，在一个或多个实施方式中，原位调节可以动态地、以实时方式补偿等离子体处理室中室部件的方位角不均匀性和/或不对称性。
作为另一个实例，在室性能校验期间可以确定一条或多条接地母线中的RF接地返回电流和/或补偿线圈电流。在生产期间，可以输入这些线圈电流值作为配方的一部分，从而确保处理结果的任何不对称性或不均匀性或方位角不均匀性将会得到部分或者完全的补偿。
在一个或多个实施方式中，可响应于传感器测量值或者响应于基于传感器测量值进行的计算，以逐个晶片地原位执行线圈电流的调整。在一个或多个实施方式中，可利用工具控制计算机或者执行计算机可读指令的另一个计算机来执行线圈电流的调整，所述计算机可读指令包括存储于计算机可读介质(诸如计算机存储驱动器)中的计算机可读指令。在这种情况下，至少一条接地母线将会具备这种线圈，至少另一条接地母线将不会具备：与该至少一条接地母线具备的装置有相同的阻抗值的线圈。作为一示例，线圈都不具备第二接地母线或者线圈进行调节以便具有将会与第二接地母线相关的不同的线圈电流。在提供阻抗中的这种有意的不对称性解决了在室壁或室衬里附近的固有或可预见的方位角不均匀性问题。
图3G示出了在一个或多个实施方式中的、用于进行原位补偿以解决前述方位角不均匀性问题的步骤。在步骤370，利用传感器测量方位角不均匀性的标记。这些传感器可以是成组的PIF(等离子体离子通量)探头、光学传感器、V/I探头、光发射传感器等。这些传感器可设置在围绕室的一个或多个位置。该标记可以是可用于确定方位角不均匀性的任何可测量参数，包括电压、电流、等离子体通量、光发射、虚拟量测计算等。在步骤372，响应于传感器测量值或者响应于基于传感器测量值的计算，原位地调节机器可调阻抗和/或线圈电流。在步骤374，对晶片进行处理。可以逐个晶片地执行图3G的步骤或者可为每N个被处理晶片的测试晶片执行图3G的步骤，或者例如可以按照计划定期地执行图3G的步骤或者可在室的维护或重新校准期间执行图3G的步骤。
正如从前面的描述可以理解的，本发明的实施方式为工艺工程师提供了其它的控制方法，用以补偿等离子体处理室中室部件的不对称性并且补偿处理结果的方位角不均匀性。这种补偿装置和技术是在等离子体发生区(诸如图1的等离子体发生区110)的外部实施，由此基本上排除了不可预料或难以控制的对等离子体处理的副作用。通过将可调阻抗装置设置在远离等离子体处理环境(即，在处理期间在等离子体不存在的区域中)的位置而增加可调阻抗装置的使用寿命，并且降低污染物进入等离子体处理环境的可能性等。
虽然已利用数个优选实施方式描述了本发明，但存在落在本发明范围内的修改、变更、和等同方案。例如，尽管实例中所采用的室是电容式的室，但本发明的实施方式在电感耦合等离子体室或者采用另一类型等离子体处理技术(诸如电子回旋共振、微波等)的等离子体室中同样地正常工作。尽管本文中提供了各种实例，但意图是这些实例是说明性的而不是限制本发明。另外，本文中提供的名称和发明内容是为了方便的目的，而不是用来解释权利要求的范围。此外，摘要是以高度简略的形式写出，并且本文中给出的摘要是为了方便的目的，因此不应被用来解释或限制在权利要求中所表达的本发明的范围。如果本文中使用术语“组”，该术语意图是具有其通常理解的数学含义，包含零、一个、或者大于一个的构件。也应指出的是存在用于实施本发明方法和装置的许多替代方案。因此，意图是所附权利要求应被理解成包括落在本发明真实精神和范围内的所有的这种修改、变更、和等同方案。

Claims (22)

1.一种具有等离子体处理室的等离子体处理系统，其包括：
室壁和室衬里中的至少一个；
围绕室表面的周边设置的多条接地母线，所述室表面是所述等离子体处理室的室壁和室衬里中的一个；和
至少第一阻抗装置，所述第一阻抗装置耦合到所述多条接地母线中的至少第一接地母线，其中所述多条接地母线中的第二接地母线不具备与所述第一阻抗装置具有相同阻抗值的第二阻抗装置。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第二接地母线具备所述第二阻抗装置，所述第二阻抗装置具有与所述第一阻抗装置的阻抗值不同的阻抗值。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第二接地母线不具备所述第二阻抗装置。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一阻抗装置是可调阻抗装置。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第一阻抗装置和所述第二阻抗装置是构造成响应于传感器测量值自动地进行原位调整的机器可调阻抗装置。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理系统，其中在生产期间至少逐个晶片地自动地原位调整所述机器可调阻抗装置。
7.根据权利要求5所述的等离子体处理系统，其中响应于来自计算机的计算机可读指令自动地原位调整所述机器可调阻抗装置。
8.一种具有等离子体处理室的等离子体处理系统，包括：
室壁和室衬里中的至少一个；
围绕室表面的周边设置的多条接地母线，所述室表面是所述等离子体处理室的所述室壁和所述室衬里中的一个；和
磁性耦合到所述多条接地母线中的至少第一接地母线的至少第一线圈，其中所述多条接地母线的第二接地母线不具备与所述第一线圈具有相同的线圈电流值的第二线圈。
9.如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中所述第二接地母线具备所述第二线圈，所述第二线圈具有与所述第一线圈的线圈电流不同的线圈电流。
10.根据权利要求8所述的等离子体处理系统，其中所述第二接地母线不具备所述第二线圈。
11.如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中响应于传感器测量值能原位将所述第一线圈和所述第二线圈中的电流自动地调节到不同的线圈电流值。
12.如权利要求11所述的等离子体处理系统，其中在生产期间原位地至少逐个晶片地将所述第一线圈和所述第二线圈自动地调节到不同的线圈电流值。
13.如权利要求11所述的等离子体处理系统，其中响应于来自计算机的计算机可读指令，原位将所述第一线圈和所述第二线圈中的电流自动地调节到不同的线圈电流值。
14.如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中所述第一线圈缠绕在所述第一接地母线的周围。
15.如权利要求8等离子体处理系统，其中相比于所述多条接地母线的任何其它接地母线，所述第一线圈位于较靠近所述第一接地母线的位置。
16.如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中由所述第一线圈中的线圈电流所引起的电流是对所述第一接地母线中的电流的附加。
17.如权利要求16所述的等离子体处理系统，其中由所述第二线圈中的线圈电流所引起的电流是对所述第二接地母线中的电流的抵消。
18.如权利要求8所述的等离子体处理系统，其中由所述第一线圈中的线圈电流所引起的电流是对所述第一接地母线中的电流的抵消。
19.一种用于补偿具有等离子体处理室的等离子体处理系统中的方位角不均匀性的方法，包括：
利用与所述室相关的至少一个传感器来测量所述方位角不均匀性的标记；以及
响应于所述测量，调节成组的机器可调阻抗装置中的至少一个装置的值和各线圈中的成组的线圈电流，与多条接地母线相关的所述成组的机器可调阻抗装置和所述成组的线圈中的所述至少一个围绕室表面的周边设置，所述室表面是所述等离子体处理室的室壁和室衬里中的一个。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述调节步骤调节所述成组的机器可调阻抗装置的所述值。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述调节步骤调节所述成组的线圈的所述成组的线圈电流。
22.根据权利要求19所述的方法，其中响应于来自计算机的计算机可读指令自动地原位执行所述调节步骤。
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