CN109961997A - 等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法 - Google Patents

等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法，在等离子刻蚀装置附加高精度检测器来监测和控制离子刻蚀腔体内射频偏置回路中产生的直流偏置电压，且把测量到的电压值转换直流电压后转给控制器，经过控制器的计算之后反馈到射频偏压电源，然后射频偏压电源根据反馈信号的大小调节射频偏置功率的输出，使直流偏置电压保持在设定值。本发明应用到通过边缘环阻抗改变解决被刻蚀晶片边缘倾斜问题的等离子体处理装置时，既可以控制或消除边缘刻蚀的倾斜角问题，还保持刻蚀速率不变。

Description

等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法
技术领域
本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法。
背景技术
等离子刻蚀（plasma processing）时，在被刻蚀晶片边缘（wafer edge）处的离子流量的方向通常会倾斜或扭曲，即离子轰击的角度不垂直于晶片表面，从而导致在晶片边缘出现倾斜角（tilting angles）的轮廓特征（feature profile）。
长期以来，技术人员根据经验提出了不少用于解决上述问题的方法，例如，环绕晶片设置有边缘环（或称聚焦环），将边缘环（edge ring）或边缘环组件的材质进行改变，通过使用不同介电常数（dielectric constant）的材料以改变耦合到边缘的部分射频功率（RFpower）。还比如，在晶片边缘设置一个可移动边缘环来调节等离子体鞘层（sheath）的高度以及厚度。
近几年，还提出了一种新方法，可以实现这种方法之一是在射频偏置功率耦合或引导到边缘环的线路内安装一个可变电容，通过调节可变电容的电容量使得倾斜问题精确地被控制甚至消除。
几乎上述所有的方法都是通过改变边缘环的阻抗以改变射频耦合从而控制倾斜问题，可移动边缘环的设计方案是依靠阻抗变化和等离子套筒物理性质来提高等离子体鞘层的综合效应以控制倾斜问题的。然而，上述改变阻抗的方法均导致了另一个问题产生，即，当边缘组件的阻抗发生变化，总体的刻蚀速率也将不同。由此可见，现有技术的方法虽然可以控制或消除边缘刻蚀的倾斜角问题，但却引起了刻蚀速率的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其直流偏置电压控制方法，通过设置可变电容等阻抗调整手段，来主动调节边缘环组件的射频耦合，使得边缘倾斜问题精确地被控制。还在随电容变化出现蚀刻漂移时，通过调整射频偏置功率来保持直流偏置电压不变，从而保持刻蚀速率稳定。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
提出一种等离子体处理装置，其反应腔环绕一放置晶片的基座，反应腔内形成有等离子体对晶片进行工艺处理，所述晶片的周边环绕设置有边缘环；提供射频偏置功率的射频偏压电源，通过相应的射频匹配器连接到所述基座；所述等离子体处理装置还包含：
可变阻抗装置，连接在将射频偏置功率耦合到边缘环的电路和/或直接引导到边缘环的电路中；
探测器，其对射频偏置功率施加时的直流偏置电压进行检测；
控制器，对所述可变阻抗装置提供的阻抗值进行控制，以通过所述阻抗值对晶片边缘区域的射频功率进行调整；所述控制器还根据检测到的直流偏置电压，计算将直流偏置电压调整到设定值所需的补偿值，并形成与补偿值相应的控制信号来驱使所述射频偏压电源对射频偏置功率进行调整。
优选地，所述控制器是逻辑可编程电路，把探测到的直流偏置电压转换数字信号之后进行运算处理，再把运算好的补偿值转换模拟信号，反馈到射频偏压电源或射频匹配器，以调整输出的射频偏置功率；所述等离子体处理装置还包含图形用户界面，输入直流偏置电压的设定值，并对逻辑可编程电路进行数据转换到运算处理的过程进行监视。
优选地，一耦合环围绕着基座的外周围，所述边缘环设置在所述耦合环上方；一环形电极位于所述耦合环上方；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述环形电极。
优选地，所述环形电极位于边缘环下方，或者所述环形电极埋设于由绝缘材料制成的边缘环内，或者所述环形电极埋设于所述耦合环内的上半部。
优选地，一耦合环围绕着基座的外周围，所述边缘环设置在所述耦合环上方；所述边缘环由导体或者半导体材料制成；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述边缘环。
优选地，所述基座的外周围包含一台阶部，一导电部位于所述台阶部上方，一耦合环位于所述导电部上方，所述边缘环设置在所述耦合环上方；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述导电部。
优选地，所述可变阻抗装置在所述基座下方，所述反应腔底部包括一个气密隔板，可变阻抗装置位于所述气密隔板下方的大气环境中。
优选地，所述反应腔壁由接地金属组成，所述接地金属包围形成电场屏蔽空间，所述可变阻抗装置位于所述电场屏蔽空间内。
一种等离子处理装置的直流偏置电压控制方法，提供射频偏置功率的射频偏压电源，通过相应的射频匹配器连接到放置晶片的基座；晶片周边环绕有边缘环；
在将所述射频偏置功率耦合到所述边缘环和/或直接引导到所述边缘环的电路中设置有可变阻抗装置；通过调节所述可变阻抗装置的阻抗值，对晶片边缘区域的射频功率进行调整；
在施加射频偏置功率时，对直流偏置电压进行检测；
通过调整所述射频偏压电源输出的射频偏置功率，对直流偏置电压随所述阻抗值变化而产生的变化进行补偿，将直流偏置电压保持在设定值，以使等离子体处理装置对晶片的刻蚀速率保持稳定。
优选地，进一步包含晶片刻蚀效果监测步骤：
检测晶片边缘区域的刻蚀效果，如果晶片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行晶片刻蚀效果监测步骤；
如果晶片边缘刻蚀孔倾斜超过预设角度，则通过调节所述可变阻抗装置的阻抗值对晶片边缘区域的射频功率进行调整，以及通过调整所述射频偏置功率使直流偏置电压保持在设定值，并再次进入晶片刻蚀效果监测步骤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：可以解决当电容发生变化时的蚀刻漂移，特别适用于通过调节与可变电容器的射频耦合在主动边缘倾斜控制刻蚀系统的工况中进行应用。
附图说明
图1为本发明的刻蚀装置的连接结构示意图；
图2为本发明的总刻蚀速率和直流偏置电压与电容的线性相关情况；
图3为等离子处理腔体示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明提供一种直流偏置电压控制系统及方法，适用于等离子体处理装置。如附图1、图3，所述等离子体处理装置的反应腔围绕一个放置晶片的基座120，基座120内的下电极通过射频匹配器连接到射频偏压电源40（Bias-RF Generator），其提供的射频偏置频率一般低于2MHz。反应腔包括与基座120相对的一个顶壁；基座120与反应腔顶壁之间的空间构成一个等离子体加工区，将引入到反应腔内的气体形成等离子体，用来对基座120上的晶片进行蚀刻或薄膜沉积等工艺处理。
为了形成所述等离子体，在电感耦合型的等离子体处理装置中，所述反应腔的顶壁上方设有通过另一射频匹配器连接到射频电源的线圈（图未示出的电容耦合型的等离子体处理装置中，所述顶壁包括一个接地的上电极，所述基座120内的下电极连接所述射频电源）；所述射频电源提供的射频频率高于2MHz，一般在13MHz及以上。
基座120上表面设置有一个静电夹盘121用于固定晶片122到静电夹盘上表面。基座120下部外围还包括一个突出的台阶部，台阶部上设置有耦合环125。耦合环125上方设置有一个边缘环123，其内壁围绕并紧贴晶片122。在等离子处理过程中偏置射频功率被用来控制形成在晶片上表面的和边缘环上表面的鞘层厚度，鞘层的厚度决定了等离子体中的离子入射到晶片的能量和方向。如果晶片边缘区域和边缘环的鞘层不连续分布的话会造成晶片边缘区域刻蚀速率和刻蚀倾斜（edge tilting）与晶片中心区域的差别，降低晶片加工均匀性，最终影响芯片的良率。
边缘环123通常是由石英、氧化铝等绝缘材料或者碳化硅、硅等半导体材料制成。以等离子体刻蚀装置为例，由于边缘环123是长期保留在充满刻蚀气体的等离子体中的，所以在进行长时间的等离子体处理后边缘环123表面材料必然会被腐蚀，因此边缘环上表面的高度会随之下降，下降的高度会严重影响晶片边缘区域鞘层的分布和形态。为了抵消这种长期工作中产生的等离子处理效果漂移，通过改变下电极到边缘环之间的阻抗来调整晶片边缘区域射频功率，以补偿边缘环长期使用中的损耗带来的晶片边缘倾斜刻蚀。
优选的示例中，将射频偏置频率利用串联有可变电容124的导线，引导到耦合环125上方、边缘环123下方的环形电极127。所述可变电容124位于反应腔的电场屏蔽空间内，可以设置在导电基座120下方的真空空间中，最佳的可以将可变电容124设置到反应腔内气密隔板下方的大气环境中，而使导线两端穿过气密隔板即可。通过调节可变电容124的电容值来调节输送到边缘环123的射频偏置功率。基座120内的下电极通过耦合环125耦合到边缘环123的等效电容和本发明添加的可变电容124共同决定分配到边缘环123的射频偏置功率大小。
在另一示例中，边缘环采用导体或者半导体材料（硅、碳化硅、铝等）制成时，边缘环本身就可以作为本发明的环形电极，所以此时串联有可变电容的导线的上端可以直接连接到边缘环。
当反应腔处于初始状态时可变电容处于初始值，进行长时间的等离子处理后，检测到晶片边缘区域的处理效果与中心不同，控制器可以根据设定参数，实时自动改变可变电容的数值，使得更多低频射频功率被输送到晶片边缘的边缘环，进而抬高边缘环处的鞘层，使得晶片边缘到边缘环上方具有相同高度的鞘层，改善刻蚀均一性。其中处理效果中最典型的是晶片边缘区域刻蚀孔的倾斜度（edge tilting），一旦边缘环上表面没损耗导致高度下降，相应的会使得边缘区域的鞘层降低，因此晶片边缘区域的刻蚀孔会出现倾斜向内方向的倾斜角度。继续检测晶片处理的效果，直到处理效果的均一性再次偏移超出预设的阀值，根据检测到的数据再次调整可变电容的容值。这样本发明就可以在长期不更换边缘环的情况下，只需要改变可变电容的参数设定就能长期保持等离子效果的稳定。
除可变电容以外，其它能够调节射频偏置功率阻抗的任何可变阻抗装置，如包括可变电感、电容组成的混合电路或者其它元器件组合而成的电路均可以实现阻抗调节的功能，不一一例举。
然而，随着边缘组件的阻抗发生变化，对晶片整体的刻蚀速率也将不同。研究发现，刻蚀速率不同的根本原因是由于给离子轰击提供能量的直流偏置电压（DC biasvoltage, Vdc）被改变从而引起了蚀刻漂移。如附图2显示的等离子体刻蚀装置中，总刻蚀速率（etch rate）和直流偏置电压（Vdc）与边缘环电容（capacitance）的线性相关情况：边缘环电容增大时，刻蚀速率随之变低，直流偏置电压也减小。在电容耦合型的等离子体处理装置中，刻蚀速率和直流偏置电压与边缘环电容的相关性可能不是线性的，但总体蚀刻速率仍然与直流偏置电压成正相关。因此电容量变动时，有必要调整射频偏压电源输出，对直流偏置电压（Vdc）进行控制，使整体刻蚀速率保持不变。
为此，本发明提供一种直流偏置电压控制系统及方法。如附图1，等离子体处理装置的控制系统包含一个闭环回路，设有：探测器（Vpp detector）、逻辑可编程电路（PLC）、图形用户界面（GUI）、射频偏压电源；
所述图形用户界面将设定的直流偏压信号或设定的射频偏压功率发送给到射频偏压电源，射频偏压电源在闭环回路的反馈控制下，会输出与图形用户界面设定相符的射频偏置功率到反应腔内的射频回路。
所述探测器的探针，连接到反应腔体内的下电极来收集10～X=1500V 的峰峰电压（peak-to-peak voltage），然后通过分压-滤波-整流-放大电路，输出一个0～X=10V的直流电压信号。
所述逻辑可编程电路是由图形用户界面所监控，其作用是把探测到的直流电压信号转换数字信号之后进行运算处理，根据当前测得的直流偏压信号与直流偏压信号的设定值的差值求取相应的补偿信号，再把运算好的补偿信号转换成模拟信号，反馈到射频偏压电源；射频偏压电源按照反馈信号控制射频偏置功率的输出。
因此，在改变下电极到边缘环的电容值来调节边缘环处射频偏置功率的控制过程中，本发明进一步实时检测出直流偏置电压发生的变化，并通过闭环回路控制来调整射频偏置功率的输出，从而使直流偏置电压保持在设定的数值或范围。由此可见，本发明既可以有效控制边缘倾斜问题，还通过直流偏置电压控制，使晶片整体的刻蚀速率保持不变。
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 (10)

1.一种等离子体处理装置，其反应腔环绕一放置晶片的基座，反应腔内形成有等离子体对晶片进行工艺处理，所述晶片的周边环绕设置有边缘环；提供射频偏置功率的射频偏压电源，通过相应的射频匹配器连接到所述基座；其特征在于，所述等离子体处理装置还包含：
可变阻抗装置，连接在将射频偏置功率耦合到边缘环的电路和/或直接引导到边缘环的电路中；
探测器，对射频偏置功率施加时的直流偏置电压进行检测；
控制器，对所述可变阻抗装置提供的阻抗值进行控制，以通过所述阻抗值对晶片边缘区域的射频功率进行调整；所述控制器还根据检测到的直流偏置电压，计算将直流偏置电压调整到设定值所需的补偿值，并形成与补偿值相应的控制信号来驱使所述射频偏压电源对射频偏置功率进行调整。
2.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述控制器是逻辑可编程电路，把探测到的直流偏置电压转换数字信号之后进行运算处理，再把运算好的补偿值转换模拟信号，反馈到射频偏压电源或射频匹配器，以调整输出的射频偏置功率；所述等离子体处理装置还包含图形用户界面，输入直流偏置电压的设定值，并对逻辑可编程电路进行数据转换到运算处理的过程进行监视。
3.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，一耦合环围绕着基座的外周围，所述边缘环设置在所述耦合环上方；一环形电极位于所述耦合环上方；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述环形电极。
4.如权利要求3所述等离子体处理装置，其特征在于，所述环形电极位于边缘环下方，或者所述环形电极埋设于由绝缘材料制成的边缘环内，或者所述环形电极埋设于所述耦合环内的上半部。
5.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，一耦合环围绕着基座的外周围，所述边缘环设置在所述耦合环上方；所述边缘环由导体或者半导体材料制成；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述边缘环。
6.如权利要求1所述等离子体处理装置，其特征在于，所述基座的外周围包含一台阶部，一导电部位于所述台阶部上方，一耦合环位于所述导电部上方，所述边缘环设置在所述耦合环上方；串联有所述可变阻抗装置的导线，一端连接至与射频偏置电源导电连接的基座，另一端连接至所述导电部。
7.如权利要求1-6中任意一项所述等离子体处理装置，其特征在于，所述可变阻抗装置在所述基座下方，所述反应腔底部包括一个气密隔板，可变阻抗装置位于所述气密隔板下方的大气环境中。
8.如权利要求1-6中任意一项所述等离子体处理装置，其特征在于，所述反应腔壁由接地金属组成，所述接地金属包围形成电场屏蔽空间，所述可变阻抗装置位于所述电场屏蔽空间内。
9.一种等离子处理装置的直流偏置电压控制方法，其特征在于，提供射频偏置功率的射频偏压电源，通过相应的射频匹配器连接到放置晶片的基座；晶片周边环绕有边缘环；
在将所述射频偏置功率耦合到所述边缘环和/或直接引导到所述边缘环的电路中设置有可变阻抗装置；通过调节所述可变阻抗装置的阻抗值，对晶片边缘区域的射频功率进行调整；
在施加射频偏置功率时，对直流偏置电压进行检测；
通过调整所述射频偏压电源输出的射频偏置功率，对直流偏置电压随所述阻抗值变化而产生的变化进行补偿，将直流偏置电压保持在设定值，以使等离子体处理装置对晶片的刻蚀速率保持稳定。
10.如权利要求9所述等离子处理装置的直流偏置电压控制方法，其特征在于，进一步包含晶片刻蚀效果检测步骤：
检测晶片边缘区域的刻蚀效果，如果晶片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行晶片刻蚀效果检测步骤；
如果晶片边缘刻蚀孔倾斜超过预设角度，则通过调节所述可变阻抗装置的阻抗值对晶片边缘区域的射频功率进行调整，以及通过调整所述射频偏置功率使直流偏置电压保持在设定值，并再次进入晶片刻蚀效果检测步骤。
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