CN107665800B - 一种用于等离子处理器的射频电源控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于等离子处理器的射频电源控制装置，所述等离子处理器包括：一下电极，下电极上方设置有一静电夹盘，待处理晶圆设置在所述静电夹盘上，一个射频电源通过一个匹配电路输出射频功率到所述下电极，其中所述射频电源控制装置包括一个偏置电压检测电路耦合到所述下电极以获偏置电压测得值，一个工艺参数控制器，其特征在于，还包括一个控制信号转换器，所述控制信号转换器包括第一输入端连接到所述偏置电压检测电路，一个第二输入端连接到所述工艺参数控制器，一个输出端连接到所述射频电源，所述控制信号转换器将所述工艺参数控制器输出的偏置电压设定值转换为输出功率数值输出到所述射频电源。

Description

一种用于等离子处理器的射频电源控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种等离子处理器的射频电源控制装置。
背景技术
等离子处理装器被广泛应用于半导体晶圆加工处理流程中，其中等离子处理器中的等离子的浓度和入射到晶圆的能量是通过控制射频电源的功率来控制的。其中输出到处理器中基座内下电极的射频能量(2MHz)被用来控制入射到晶圆的能量，通过控制射频电源的输出功率使得晶圆上表面产生合适厚度的鞘层，维持一定的直流偏置电压(DC Bias)。
在实际等离子处理工艺运行中，部分工艺步骤需要射频电源根据工艺参数的需要输出预设的功率，但是部分工艺步骤中工艺参数设定不是射频电源的输出功率而是偏置电压值。射频电源需要接受两种类型的工艺参数，相应的现有射频电源输出功率需要工作在两种模式下。下面以图1为例说明现有技术中射频电源输出功率控制方法，如图1所示，等离子处理器中包括晶圆安装的基座10，基座10也同时作为下电极通过一匹配电路连接到射频电源。基座10上设置有静电夹盘，静电夹盘包括上下两层绝缘材料层21、23以及位于绝缘材料层中间的静电夹盘电极层22。静电夹盘上方固定有待处理的晶圆30。一个偏置电压检测电路连接到匹配电路的输出端以接收来自下电极的射频信号，偏置电压检测电路中的滤波电路和整流电路对接收到的射频信号进行处理，并获得一个代表偏置电压大小的直流电压信号，通过偏置电压检测电路和射频电源之间的导线，这个直流电压信号被传送给射频电源。一个工艺参数控制器接收并存储所要进行的等离子处理工艺的工艺参数。一个直流电压源输出高压直流电压到静电夹盘中的电极22，以保证晶圆被固定在静电夹盘上。其中，射频电源可以根据工艺参数控制器的输出参数选择工作在功率输出模式或者偏置电压输出模式。当工艺参数控制器中输出的对应射频电源的控制参数是一个功率值时，射频电源根据接收到的这个功率值输出相应的功率。当工艺参数控制器中输出的射频电源控制参数是一个偏置电压值时，射频电源会将输出功率强制降为零，然后再进入偏置电压输出模式，射频电源会根据接收到的设定偏置电压值和偏置电压检测电路实时检测到的偏置电压测得值，调整输出的功率，最终得到所需要的设定偏置电压值。这样的功率输出模式和偏置电压模式切换过程能够满足不同工艺参数的需求，但是无法实现带功率的热切换，不仅切换过程耗时较长，而且输出功率到零会使得等离子处理器内的等离子不稳定甚至熄灭。
所以业内需要寻求一种新的的装置或方法，实现射频电源的输出功率能够在上述两种模式之间快速而且带功率的热切换。
发明内容
本发明公开一种用于等离子处理器的射频电源控制装置，使得射频电源能够在射频功率输出模式和偏置电压输出模式之间实现热切换。所述等离子处理器包括：一下电极，下电极上方设置有一静电夹盘，待处理晶圆设置在所述静电夹盘上，一个射频电源通过一个匹配电路输出射频功率到所述下电极，一个偏置电压检测电路耦合到所述下电极以获偏置电压测得值，一个工艺参数控制器，其特征在于，还包括一个控制信号转换器，所述控制信号转换器包括第一输入端连接到所述偏置电压检测电路，一个第二输入端连接到所述工艺参数控制器，一个输出端连接到所述射频电源，所述控制信号转换器将所述工艺参数控制器输出的偏置电压设定值转换为输出功率数值输出到所述射频电源。
其中所述工艺参数控制器存储了至少两个工艺参数，第一工艺参数包括射频电源输出功率设定值，第二工艺参数包括偏置电压设定值。
所述偏置电压检测电路包括滤波器和整流器，所述偏置电压检测电路可以电连接到所述下电极或者静电夹盘。
直流电压源输出直流电压到所述静电夹盘内的电极，所述偏置电压检测电路包括一个输出端输出所述偏置电压测得值到所述直流电压源，以调整直流电压源输出的直流电压。
本发明还提供了一种用于等离子处理器的射频电源控制方法，利用所述的射频电源控制装置，其特征在于，所述工艺参数控制器输出到控制信号转换器的为设定功率值时，所述控制信号转换器将所述设定功率值输出到射频电源，射频电源工作在功率输出模式下，射频电源根据接收到的设定功率值输出射频功率。
其中所述工艺参数控制器输出到控制信号转换器的是偏置电压设定值时，所述控制信号转换器根据预设程序将所述偏置电压设定值转换为输出功率数值输出到射频电源，射频电源工作在功率输出模式下，根据接收到的输出功率数值输出射频功率。所述预设程序包括步骤：
A.比较偏置电压设定值和偏置电压测得值的差，如果差值小于预设限值则保持当前射频电源的输出功率，如果差值大于预设限值，则进入步骤B；
B.根据所述比较获得的差值，改变输出功率数值并输出到射频电源，等待一个预设时间段后再次获取偏置电压测得值，再次进入步骤A。其中所述预设时间段为0.2-1.5秒。
附图说明
图1为现有技术等离子处理器中射频电源控制装置示意图；
图2为本发明等离子处理器中射频电源控制装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图2进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开了一种用于等离子处理器的射频电源控制装置，与图1所示的现有技术具有基本相同的硬件设置，主要的区别在于本发明中偏置电压检测电路将检测到的偏置电压信号通过一输出导线输出到一个控制信号转换器的第一输入端，控制信号转换器还包括一第二输入端通过导线与工艺参数控制器相连，通过所述第二输入端接收来自工艺参数控制器的工艺参数。控制信号转换器还包括一个输出端输出控制信号到射频电源，使得射频电源输出的射频功率能够在功率输出模式和偏置电压模式之间实现热切换。
当工艺参数控制器输出的设定参数为一个射频功率值时，控制信号转换器直接将该功率值输出到射频电源，使得射频电源输出具有设定功率的射频信号。
当工艺参数控制器输出的射频参数为一个设定偏置电压值时，控制信号转换器会比较接收到的偏置电压测得值与设定偏置电压值，根据两者的差值调整射频电源的输出功率。如果射频偏置电压值高于偏置电压测得值，则控制信号转换器根据比较结果，输出一个高于原有输出功率设定值的修正设定值到射频电源，经过一定时间(如0.2-1.5秒)后射频电源的输出功率稳定在所述修正后的输出功率设定值。随后，再次执行偏置电压测得值与偏置电压设定值的比较，如果两者的差距小于预设限值则停止对射频电源输出功率的调整，如果两者的差距仍然大于预设限值，则根据偏置电压测得值与偏置电压设定值的比较结果再次输出一个修正后的输出功率设定值到所述射频电源。这样经过多个比较判断的循环最终使得控制信号转换器输出的修正设定值正好能够使得偏置电压测得值为工艺参数控制器中输入的偏置电压设定值。
本发明在工艺参数控制器的输出为偏置电压值时，不需要射频电源从功率输出模式调整为偏置电压模式，而是保持原有的功率输出模式，通过控制信号转换器将接收到的偏置电压值与偏置电压测得值比较，获得射频电源的输出功率需要改变的方向和幅度，最终使得控制信号转换器将接收到的偏置电压值转换为功率输出模式下对应输出功率值。本发明由于设置了控制信号转换器所以能够使得射频电源持续工作在功率输出模式，同时不需要将输出功率强制归零就能获得原有偏置电压模式才能获得的晶圆上精确的偏置电压，所以能够实现射频电源的输出功率在功率输出模式和偏置电压模式的热切换。
本发明中的偏置电压检测电路除了如图1、2所示可以从匹配电路的输出端采样下电极10上的射频功率信号，也可以从直流电压源的输出端采样静电夹盘电极22上的射频功率信号，其它能够采样到下电极射频信号的位置都可以用来获得射频信号的峰峰值Vpp，通过对Vpp的滤波和整流就能够或得反应偏置电压幅度的直流信号，该信号作为偏置电压测得值用以实现控制信号转换器的信号转换功能。
在偏置电压模式下，静电夹盘上的偏置电压会发生大幅度的变化，这会影响直流电压源对晶圆的静电吸附能力，偏置电压和静电电压会在晶圆上发生叠加，所以偏置电压测得值还需要通过导线传输到直流电压源，使得直流电压源输出的直流电压值与受射频电源输出功率影响产生的偏置电压值互补，最终两者综合作用在晶圆上产生的静电吸力保持稳定，不会过大或过小。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于等离子处理器的射频电源控制装置，所述等离子处理器包括：一下电极，下电极上方设置有一静电夹盘，待处理晶圆设置在所述静电夹盘上，一个射频电源通过一个匹配电路输出射频功率到所述下电极，一个偏置电压检测电路耦合到所述下电极以获偏置电压测得值，一个工艺参数控制器，其特征在于，
还包括一个控制信号转换器，所述控制信号转换器包括第一输入端连接到所述偏置电压检测电路，一个第二输入端连接到所述工艺参数控制器，一个输出端连接到所述射频电源，所述控制信号转换器将所述工艺参数控制器输出的偏置电压设定值转换为输出功率数值输出到所述射频电源。
2.如权利要求1所述的用于等离子处理器的射频电源控制装置，其特征在于，所述工艺参数控制器存储了至少两个工艺参数，第一工艺参数包括射频电源输出功率设定值，第二工艺参数包括偏置电压设定值。
3.如权利要求1所述的用于等离子处理器的射频电源控制装置，其特征在于，所述偏置电压检测电路包括滤波器和整流器。
4.如权利要求1所述的用于等离子处理器的射频电源控制装置，其特征在于，所述偏置电压检测电路电连接到所述下电极或者静电夹盘。
5.如权利要求1所述的用于等离子处理器的射频电源控制装置，其特征在于，直流电压源输出直流电压到所述静电夹盘内的电极，所述偏置电压检测电路包括一个输出端输出所述偏置电压测得值到所述直流电压源，以调整直流电压源输出的直流电压。
6.一种用于等离子处理器的射频电源控制方法，利用权利要求1所述的射频电源控制装置，其特征在于，所述工艺参数控制器输出到控制信号转换器的为设定功率值时，所述控制信号转换器将所述设定功率值输出到射频电源，射频电源工作在功率输出模式下，射频电源根据接收到的设定功率值输出射频功率。
7.如权利要求6所述的用于等离子处理器的射频电源控制方法，其特征在于，所述工艺参数控制器输出到控制信号转换器的是偏置电压设定值时，所述控制信号转换器根据预设程序将所述偏置电压设定值转换为输出功率数值输出到射频电源，射频电源工作在功率输出模式下，根据接收到的输出功率数值输出射频功率。
8.如权利要求7所述的用于等离子处理器的射频电源控制方法，其特征在于，所述预设程序包括步骤：
A.比较偏置电压设定值和偏置电压测得值的差，如果差值小于预设限值则保持当前射频电源的输出功率，如果差值大于预设限值，则进入步骤B；
B.根据所述比较获得的差值，改变输出功率数值并输出到射频电源，等待一个预设时间段后再次获取偏置电压测得值，再次进入步骤A。
9.如权利要求8所述的用于等离子处理器的射频电源控制方法，其特征在于，所述预设时间段为0.2-1.5秒。
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