CN109961998B - 等离子体处理装置及基于聚焦环厚度监测的控制方法 - Google Patents

等离子体处理装置及基于聚焦环厚度监测的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及等离子体处理装置及基于聚焦环厚度监测的控制方法。等离子体处理装置内施加有射频偏置功率时，采集射频偏置功率的直流偏置电压的实测值，根据表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的聚焦环的当前厚度，或根据表示直流偏置电压与阻抗相关性的第二函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的阻抗监测值，并驱使阻抗调整器件进行阻抗调整，对因工艺处理影响导致聚焦环厚度变化，进而引起的聚焦环阻抗变化实现补偿，以使反应腔室内整体的阻抗状态维持平稳，确保等离子体处理装置对晶片的工艺处理效果。本发明无需打开反应腔室，可以简单快速地在现场对聚焦环厚度进行监测，成本低，易于实现。

Description

等离子体处理装置及基于聚焦环厚度监测的控制方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置的聚焦环，特别涉及一种等离子体处理装置及基于聚焦环厚度监测的控制方法。
背景技术
等离子处理装置是在真空反应腔室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应腔室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便通过等离子体刻蚀晶片表面上的材料层或在晶片表面上淀积材料层。
如图1所示，现有的一种电容耦合型等离子体处理装置中，包含真空的反应腔室1，反应腔室1内的顶部设有气体喷淋头2等进气装置；气体喷淋头2同时实现上电极的功能，耦接于大地或者射频电位。反应腔室1内的底部设有基座3，通过基座3设置的静电吸盘在制程中对晶片4进行承载；基座3处设置的下电极6，与用以控制离子解离或等离子体密度的射频源功率 RF1连接，还与用以控制离子能量及其能量分布的射频偏置功率RF2连接。在晶片4外缘环绕设置有聚焦环5(又称边缘环)，能够调节晶片4边缘区域的电场大小和方向分布，保护其下方的基座3部件不会被等离子体腐蚀，并影响晶片4边缘区域的温度和聚合物沉积，以促使整个晶片4表面的等离子体具有更好的均一性。
在等离子体处理过程中，离子入射方向通常会在晶片4边缘处变形，从晶片中心区的垂直向下变成边缘区域的倾斜向下，导致刻蚀孔的特征轮廓出现倾斜角度。现有技术使用的方法，是通过仔细选择聚焦环5，使其由具有适当介电常数的材料制成，且具有精确计算的尺寸，用来平衡晶片4边缘处的等离子体鞘层高度不一，以消除产生在极端边缘处的倾斜效应。然而，随着其在等离子体中长时间(通常为数百个射频小时)的暴露，聚焦环5逐渐被侵蚀而变薄。随着厚度的变化，晶片4边缘处的等离子体鞘层再次变薄。因此，对聚焦环5厚度的监控至关重要。但测量聚焦环5厚度的现有方法，需要打开反应腔室1或安装一些额外的光学部件，较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于直流偏置电压的聚焦环厚度监测方法，可以简单而有效地实现对聚焦环厚度的监控，期间无需打开反应腔室。本发明提供的一种控制方法，能够基于对直流偏置电压的检测，实现阻抗调整，进而改善晶片工艺处理的效果。本发明还提供一种可实现上述监测方法及控制方法的等离子体处理装置。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案在于提供一种等离子体处理装置，包含可被抽真空的反应腔室，其内部形成有对晶片进行工艺处理的等离子体；所述反应腔室内的底部设有承载晶片的基座，在所述晶片的外缘环绕设置有聚焦环；射频偏置功率通过相应的阻抗匹配网络连接至所述基座设置的下电极；
所述等离子体处理装置，还包含：探测器，采集射频偏置功率的直流偏置电压，获得直流偏置电压的实测值；控制器，根据表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的聚焦环的当前厚度。
可选地，所述探测器的探针电性连接到基座内的下电极，对直流偏置电压的峰间电压进行采集，通过该探测器转换为相应的直流电压信号输出。
可选地，所述控制器根据表示直流偏置电压与阻抗相关性的第二函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的阻抗监测值；所述阻抗是聚焦环的阻抗或反应腔室内的阻抗。
可选地，所述等离子体处理装置包含阻抗调整器件，所述阻抗调整器件设置在聚焦环处，或设置在位于下电极到聚焦环之间的基座部件处，或设置在施加射频偏置功率的射频电源到下电极的传输路径上；
所述控制器计算出将阻抗监测值调整到阻抗参考值范围之内所需的阻抗补偿值的调整值，并产生相应的指令信号以驱使阻抗调整器件输出阻抗补偿值的调整值；所述阻抗参考值范围与直流偏置电压的阈值范围相对应；
或者，根据所述聚焦环的当前厚度与设计厚度的差值，所述控制器计算出阻抗补偿值的调整值，并产生相应的指令信号以驱使阻抗调整器件输出阻抗补偿值的调整值，对由该差值导致的处理效果漂移实现补偿控制。
可选地，在所述控制器的控制下，阻抗调整器件在检测模式及工作模式进行切换；
所述阻抗调整器件在检测模式下，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，所述探测器采集直流偏置电压的实测值，所述控制器计算聚焦环的当前厚度或阻抗监测值，进而计算出阻抗补偿值的调整值；
所述等离子体处理装置执行对晶片的工艺处理时，所述阻抗调整器件切换到工作模式，输出阻抗补偿值的调整值。
本发明的另一个技术方案在于提供一种基于聚焦环厚度监测的等离子体处理装置的控制方法：等离子体处理装置的基座的下电极施加有射频偏置功率；等离子体处理装置的阻抗调整器件切换到检测模式，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，采集射频偏置功率的直流偏置电压的实测值，根据表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的聚焦环的当前厚度，进而根据聚焦环当前厚度与设计厚度的差值计算出阻抗补偿值的调整值；
所述等离子体处理装置执行对晶片的工艺处理时，所述阻抗调整器件切换到工作模式，并输出阻抗补偿值的调整值，对由该差值造成的处理效果漂移实现补偿控制。
可选地，通过实验，在设定的工艺条件下，对使用不同厚度的聚焦环时分别对应的直流偏置电压进行采集，产生表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的一个拟合曲线，并根据所述拟合曲线得到表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数。
本发明的又一个技术方案在于提供一种等离子体处理装置的控制方法：等离子体处理装置的基座的下电极施加有射频偏置功率；等离子体处理装置的阻抗调整器件切换到检测模式，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，采集射频偏置功率的直流偏置电压的实测值，根据表示直流偏置电压与阻抗相关性的第二函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的阻抗监测值；所述阻抗是聚焦环的阻抗或反应腔室内的阻抗；
计算将阻抗监测值调整到阻抗参考值范围之内所需的阻抗补偿值的调整值，并驱使阻抗调整器件在切换到工作模式时输出阻抗补偿值的调整值，对聚焦环的阻抗变化进行补偿；所述阻抗参考值范围与直流偏置电压的阈值范围相对应。
可选地，所述阻抗调整器件设置在聚焦环处，或设置在位于下电极到聚焦环之间的基座部件处，或设置在施加射频偏置功率的射频电源到下电极的传输路径上。
可选地，等离子体处理装置的工艺处理过程使聚焦环的厚度产生变化，所述聚焦环的阻抗与聚焦环的厚度具有相关性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明无需用户打开反应腔室，就可以在现场基于对直流偏置电压的采集，实现对聚焦环厚度的监测，易于实现，无需增加额外的组件，测量时间短(几分钟内即可完成)。本发明还可以基于对直流偏置电压的检测，实现对阻抗调整的控制，对因工艺处理影响导致聚焦环厚度变化，进而引起聚焦环阻抗(电容)的变化量进行补偿，以使反应腔室内整体的阻抗状态维持平稳，确保等离子体处理装置对晶片的工艺处理效果。
附图说明
图1是现有等离子体处理装置的结构示意图；
图2是本发明为等离子体处理装置设置Vpp探测器的示意图；
图3是表现直流偏置电压VDC与聚焦环厚度相关性的拟合曲线示意图；
图4是基于直流偏置电压VDC的聚焦环厚度监测方法的流程示意图；
图5是基于直流偏置电压VDC调整阻抗的控制方法的流程示意图；
图6、图7是基于直流偏置电压VDC调整阻抗的不同实施例中控制回路部分的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明所述一种基于直流偏置电压的聚焦环厚度监测方法及系统进行说明。
等离子体处理装置一般包含内部基本为真空环境的反应腔室1，反应腔室1内的顶部设有气体喷淋头2等进气装置与反应气体源连接，反应腔室1 内的底部设有承载晶片4的基座3，基座3旁设有排气系统。
以图2所示的一种电容耦合型等离子体处理装置为例，进气装置处设置有上电极，基座3处设置有下电极6；射频电源通过相应的第一阻抗匹配网络连接下电极6来施加射频源功率RF1，用以将引入反应腔室1内的反应气体生成等离子体，对晶片4表面进行蚀刻或薄膜沉积等工艺处理。或者，在另一种电感耦合型等离子体处理装置中(图未示出)，将射频源功率施加到盘绕在反应腔室顶部外侧的电感线圈上，实现对等离子体生成的控制。
在等离子体处理装置中，另有一射频电源通过相应的第二阻抗匹配网络连接下电极6，向其施加频率不同于RF1的射频偏置功率RF2，对离子轰击能量进行控制。晶片4的外缘环绕设置有聚焦环5(又称边缘环)，对等离子体的均一性起一定的调控作用。
在保持其他条件(如等离子体处理的工艺参数、聚焦环5本身材质等) 一致的情况下，聚焦环5的厚度与其电容具有相关性。比如，经过等离子体蚀刻，使聚焦环5的厚度变薄时，该聚焦环5的电容将增加，产生较小的阻抗。这一阻抗变化的结果，将导致偏置射频功率RF2对应的峰间电压Vpp 降低。表1为聚焦环5厚度与直流偏置电压VDC的关联提供了实验依据。
表1
聚焦环的厚度(mm) 偏置射频功率1200W下的VDC(V)
1.5 492.1
2.0 484.3
△(％) 1.59％
表1聚焦环的不同厚度对应偏置电压VDC的实验测量值
本发明设置有一探测器7，将其一端的探针，电性连接到反应腔室1内的下电极6处；在施加有射频偏置功率RF2时，可以通过该探测器7对直流偏置电压VDC进行检测。直流偏置电压VDC对应的峰间电压Vpp的大小范围在0-1500V，所述探测器7可以将实际测量到的峰间电压Vpp，通过分压- 滤波-整流-放大电路处理后，相应地转换为0-10V的直流电压信号输出。
可以为等离子体处理过程定义一个合适的工艺条件，使检测出的直流偏置电压VDC数值变化较大，以便探测器7的分辨率足以监测到聚焦环5厚度的相对小的变化。在这个工艺条件下，如图4所示，通过实验(如尝试调换不同厚度的聚焦环5)提取直流偏置电压VDC与聚焦环5厚度的相关性，并产生一个拟合曲线，如图3所示。之后，根据这个拟合曲线，可以得到在该工艺条件下的一个函数A。则采集到直流偏置电压VDC的实测数值时，就可以根据所述函数A和/或其拟合曲线，得到相应的聚焦环5厚度。
如图5所示，由于聚焦环5的厚度变化会引起阻抗变化，而聚焦环5的厚度变化又导致直流偏置电压VDC(峰间电压Vpp)漂移的原理，因此可以通过类似实验产生表示直流偏置电压VDC与阻抗(如聚焦环5的电容，或反应腔室1内整体阻抗)相关性的拟合曲线和函数B；还可以是利用函数A 求得的聚焦环厚度值，代入到表示聚焦环厚度与阻抗相关性的函数C中，得到相应的阻抗值，相当于结合函数A、C来生成函数B。
将探测器7针对直流偏置电压VDC实测值输出的直流电压信号，反馈到一控制器8，所述控制器8不仅可以根据函数A，求得与直流偏置电压VDC 实测值相匹配的聚焦环5厚度。该控制器8还可以根据函数B，求得与直流偏置电压VDC实测值相匹配的阻抗监测值。函数A、B等可以是由外部设备计算后写入到控制器8中，或者是在获取各次实验的VDC值及对应聚焦环5 厚度及阻抗值后，由具有足够运算能力的控制器8自行计算得到。所述控制器8还可以设置接口，用以连接外部处理设备或人机交互设备等，例如实现对实验数值、参数阈值等信息的输入，及对曲线函数、运算结果等信息的输出、显示。
有鉴于此，本发明还提供一种基于直流偏置电压检测实现阻抗调整的控制方法及控制系统。假设预先设定有一个阈值范围，存在与之对应的阻抗参考值范围；直流偏置电压VDC在该阈值范围内时，工艺处理后的晶片4符合要求。当探测器7检测到直流偏置电压VDC实测值时，该控制器8可计算出与VDC实测值相应的阻抗监测值；若控制器8判断VDC实测值超出阈值范围，或判断阻抗监测值超出阻抗参考值范围时，可以进一步计算将所述阻抗监测值调整到阻抗参考值范围之内所需的阻抗补偿值。例如，是求取阻抗监测值与阻抗参考值范围上限的第一差值，或求取阻抗监测值与阻抗参考值范围下限的第二差值，或同时求取第一差值及第二差值并将其中较小的一个作为阻抗补偿值。
根据求得的阻抗补偿值，所述控制器8输出相应的指令信号，发送给可以实现阻抗调整的器件。本发明对阻抗调整器件的实现方式不做限制，以下仅提供一些对总电容进行调整的实施例。
如图6所示的一个示例中，聚焦环5处设置有可变电容91，其与聚焦环 5的等效电容的串并联关系可以根据实际应用情况决定。或者，还可以将可变电容92串联或并联在射频偏置功率RF2到下电极6的传输路径上的任意位置。可变电容91和/或92能够根据控制器8输出的指令信号来改变自身的电容值，以补偿因聚焦环5厚度变化导致的阻抗变化。
又例如，如图7所示的另一个示例中，在射频偏置功率RF2到下电极6 的传输路径上的任意位置(如第二匹配阻抗网络)，接入有并联的4个电容器，其各自的开关根据控制器8输出的指令信号来闭合或断开，可以产生16个电容值的组合(从0到Cmax＝C1+C2+C3+C4)实现阻抗调整。根据不同分辨率的要求，还可以通过类似方法布置其他数量的电容器，或者通过控制开关启闭使电容器之间产生新的串联和/或并联的组合，进而得到更多的电容值的调整方案，以针对因聚焦环5的厚度变化引起的阻抗变化进行相应地补偿。
在进行等离子体蚀刻的处理装置中，聚焦环5通常会因蚀刻而变薄，使该聚焦环5的电容增加，因此，优选地是增加阻抗调整器件输出的电容值来予以补偿。
本发明通过上述列举的两种检测方法，通过VDC和相关的函数曲线计算出聚焦环的厚度值或者反应腔室/聚焦环的阻抗等关键参数，通过上述关键参数的获取，可以通过相应的动作部件修正等离子处理过程中晶片边缘区域出现的刻蚀速率变化和刻蚀孔倾斜问题。等离子处理装置经过长期等离子处理使得聚焦环变薄，需要通过上述可变电容91/92进行补偿，但是一旦发生补偿之后VDC又会再次变化，导致下次无法根据所述函数曲线计算在补偿发生后的聚焦环厚度。所以本发明还需要通过控制器使得可变电容91/92工作在检测模式和工作模式两种模式下，在检测模式下可变电容维持在初始值，此时检测到的VDC可以通过上述函数曲线计算得到实际的聚焦环厚度等参数；在工作模式下，可变电容需要根据检测模式中检测到的聚焦环厚度或者聚焦环阻抗值相应地改变可变电容的容值，以补偿上述聚焦环被腐蚀带来的处理效果漂移。所以本发明控制器控制可变电容工作在检测模式和工作模式两种模式下，绝大部分时间都是在工作模式下刻蚀，只有经过足够长时间的 (如RF时间100小时)等离子处理后，才进入一次检测模式进行测量。
除了上述可变电容91/92外，本发明也可以通过其它装置实现改变下电极6到聚焦环5上表面之间的电容，比如下电极6外圈厚度低于中心区域，出现一个台阶，外围台阶上包括一个绝缘环，聚焦环5设置在该绝缘环上，通过绝缘环的升降或者绝缘环内设置一个容纳可变液位高度的介电液空腔，多种结构都能实现改变下电极6到聚焦环5之间的电容。
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，包含可被抽真空的反应腔室，通过接受射频源功率，在反应腔室的内部形成有对晶片进行工艺处理的等离子体；所述反应腔室内的底部设有承载晶片的基座，在所述晶片的外缘环绕设置有聚焦环；设有频率不同于所述射频源功率的射频偏置功率，所述射频偏置功率用于对等离子轰击能量进行控制，通过相应的阻抗匹配网络连接至所述基座设置的下电极，其特征在于，
所述等离子体处理装置，还包含：
探测器，采集射频偏置功率的直流偏置电压，获得直流偏置电压的实测值；
控制器，根据表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的聚焦环的当前厚度。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述探测器的探针电性连接到基座内的下电极，对直流偏置电压的峰间电压进行采集，通过该探测器转换为相应的直流电压信号输出。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述控制器根据表示直流偏置电压与阻抗相关性的第二函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的阻抗监测值；所述阻抗是聚焦环的阻抗或反应腔室内的阻抗。
4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述等离子体处理装置包含阻抗调整器件，所述阻抗调整器件设置在聚焦环处，或设置在位于下电极到聚焦环之间的基座部件处，或设置在施加射频偏置功率的射频电源到下电极的传输路径上；
所述控制器计算出将阻抗监测值调整到阻抗参考值范围之内所需的阻抗补偿值的调整值，并产生相应的指令信号以驱使阻抗调整器件输出阻抗补偿值的调整值；所述阻抗参考值范围与直流偏置电压的阈值范围相对应；或者，根据所述聚焦环的当前厚度与设计厚度的差值，所述控制器计算出阻抗补偿值的调整值，并产生相应的指令信号以驱使阻抗调整器件输出阻抗补偿值的调整值，对由该差值导致的处理效果漂移实现补偿控制。
5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，
在所述控制器的控制下，阻抗调整器件在检测模式及工作模式进行切换；
所述阻抗调整器件在检测模式下，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，所述探测器采集直流偏置电压的实测值，所述控制器计算聚焦环的当前厚度或阻抗监测值，进而计算出阻抗补偿值的调整值；
所述等离子体处理装置执行对晶片的工艺处理时，所述阻抗调整器件切换到工作模式，输出阻抗补偿值的调整值。
6.一种基于聚焦环厚度监测的等离子体处理装置的控制方法，其特征在于，等离子体处理装置的基座的下电极施加有射频偏置功率；等离子体处理装置的阻抗调整器件切换到检测模式，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，采集射频偏置功率的直流偏置电压的实测值，根据表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的聚焦环的当前厚度，进而根据聚焦环当前厚度与设计厚度的差值计算出阻抗补偿值的调整值；
所述等离子体处理装置执行对晶片的工艺处理时，所述阻抗调整器件切换到工作模式，并输出阻抗补偿值的调整值，对由该差值造成的处理效果漂移实现补偿控制。
7.如权利要求6所述基于聚焦环厚度监测的等离子体处理装置的控制方法，其特征在于，
通过实验，在设定的工艺条件下，对使用不同厚度的聚焦环时分别对应的直流偏置电压进行采集，产生表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的一个拟合曲线，并根据所述拟合曲线得到表示直流偏置电压与聚焦环厚度相关性的第一函数。
8.一种等离子体处理装置的控制方法，其特征在于，
等离子体处理装置的基座的下电极施加有射频偏置功率；等离子体处理装置的阻抗调整器件切换到检测模式，使其输出的阻抗补偿值维持在初始值时，采集射频偏置功率的直流偏置电压的实测值，根据表示直流偏置电压与阻抗相关性的第二函数，计算与直流偏置电压的实测值对应的阻抗监测值；所述阻抗是聚焦环的阻抗或反应腔室内的阻抗；
计算将阻抗监测值调整到阻抗参考值范围之内所需的阻抗补偿值的调整值，并驱使阻抗调整器件在切换到工作模式时输出阻抗补偿值的调整值，对聚焦环的阻抗变化进行补偿；所述阻抗参考值范围与直流偏置电压的阈值范围相对应。
9.如权利要求8所述等离子体处理装置的控制方法，其特征在于，所述阻抗调整器件设置在聚焦环处，或设置在位于下电极到聚焦环之间的基座部件处，或设置在施加射频偏置功率的射频电源到下电极的传输路径上。
10.如权利要求8所述等离子体处理装置的控制方法，其特征在于，等离子体处理装置的工艺处理过程使聚焦环的厚度产生变化，所述聚焦环的阻抗与聚焦环的厚度具有相关性。
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