CN113169019A - 用于等离子体处理设备的电压波形发生器 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理设备(100)，包括用于生成等离子体(103)的装置、用于支撑要处理的衬底(101)的处理平台(105)、以及电压波形发生器(10)，该电压波形发生器包括电耦合至该处理平台的输出端(19)。该电压波形发生器包括并联布置并耦合至该输出端的多个第一降压转换器(11)，这些第一降压转换器包括可主动切换的半导体开关(111)以及控制单元(130)，该控制单元被配置为通过脉宽调制信号来操作执行可主动切换的半导体开关。该控制单元被配置为以交错的方式操作该多个第一降压转换器。

Description

用于等离子体处理设备的电压波形发生器
技术领域
本发明涉及一种包括电压波形发生器的等离子体处理设备，该电压波形发生器特别是用于在要进行等离子体处理的衬底上产生电压偏置。该电压偏置有利地用于控制等离子体辅助刻蚀或等离子体辅助层沉积中的离子能量。
背景技术
在等离子体辅助刻蚀和等离子体辅助层沉积中，使用射频(RF)发生器来生成偏置电压以控制离子能量。为了改进工艺控制，准确地控制偏置电压和所产生的离子能量分布是非常重要的。生成此偏置电压是通过效率有限的(宽带)线性放大器或灵活性有限的(窄带)开关式放大器或专用脉冲发生放大器来完成的。大多数放大器仅间接控制输出电压波形(例如，控制输出功率或依赖于校准)。由于系统中的非理想性和参数变化，此方法得到有限的性能(生成的波形不太接近理想的输出电压波形，从而导致不太理想的离子能量分布)和有限的再现性(晶圆到晶圆的变化和系统到系统的变化)。
US 9208992描述了一种包括开关式电源的等离子体处理设备，该开关式电源用于在要处理的衬底的暴露表面形成周期性电压函数。该周期性电压函数实现理想的离子能量强度分布，以执行对衬底的刻蚀或在衬底上执行等离子体沉积。该开关式电源可以通过降压电源技术、升压电源技术和/或降压-升压型电源技术来实现。该开关式电源包括以半桥方式耦合的两个开关部件，并且这些开关部件基于控制器生成的驱动信号被控制。
上述开关式电源的缺点是，它只能生成具有DC电流的块形波形来补偿离子电流(参见图14)。然而，在当前的基于等离子体的处理设备中，存在通过定制的波形来对偏置施加直接电压控制的趋势。因此，本领域需要一种电压波形发生器，其具有提供可能具有高带宽的任意波形的理想灵活性。然而，用上述电源获得如此高的带宽将对开关部件施加极高的开关频率，这是不可行的。
用于生成正弦偏置电压波形的RF放大器通常具有50欧姆的输出阻抗。使用匹配网络(业内称为匹配盒，其被放置在放大器与衬底台之间)将复杂的等离子体阻抗转换为实际的50欧姆阻抗。根据工艺条件，这会导致通过匹配网络的高无功电流，从而导致重大损耗。这使得匹配盒成为昂贵的系统部件。
发明内容
各种化学工艺都是在等离子体的帮助下进行的，其中一些工艺需要高精度，而另一些工艺需要高功率。当前的等离子体处理设备不允许有足够的灵活性来满足这两种需求，或者要以增加成本或牺牲操作效率为代价来提供这种灵活性。
本发明的目的是克服以上缺点。本发明的目的是提供一种比如在等离子体处理设备中的电压波形发生器，该电压波形发生器允许在没有或有限的效率损失的情况下生成变化大的理想电压波形。
本发明的目的是提供允许在各种操作模式下使用以满足一方面对高精度以及另一方面对高功率的上述需求的等离子体处理设备。
本发明的目的是消除对用于将等离子体阻抗转换为50欧姆阻抗的匹配网络的需求。本发明的目的是提供一种不需要这种匹配网络的等离子体处理设备，因此在该等离子体处理设备中不存在这种匹配网络。
因此，根据本发明，提供了一种如所附权利要求中阐述的等离子体处理设备。该等离子体处理设备(其可以被配置为用于等离子体辅助刻蚀或等离子体辅助层沉积)包括用于生成等离子体的装置、用于支撑要处理的衬底的处理平台、以及电压波形发生器，该电压波形发生器包括电耦合至该处理平台的输出端，该电压波形发生器例如用于向该平台提供偏置电压。该电压波形发生器包括并联布置并耦合至该输出端的多个第一降压转换器(本文中称为降压单元)，这些第一降压转换器包括可主动切换的半导体开关以及控制单元，该控制单元被配置为通过脉宽调制信号来操作这些可主动切换的半导体开关。该控制单元被配置为以交错的方式操作该多个第一降压转换器。
利用上述类型的电压波形，可以生成变化较大的理想电压波形，同时保持高水平的开关效率。
有利地，该电压波形发生器包括并联布置并耦合至该输出端的多个第二降压转换器，这些第二降压转换器包括由该控制单元操作的可主动切换的半导体开关。有利地，该多个第一降压转换器和该多个第二降压转换器并联布置。结果，获得了多组(两组或更多组)n个交错的降压转换器的并联布置，使得能够分配电流，从而减少各个降压转换器的半导体开关上的负载。
这些降压转换器可以经由电流或电压进行耦合。在电压耦合的情况下，该电压波形发生器有利地包括用作输入滤波器的电容器。
可选地，(高频，比如RF)变压器在这些降压转换器与该输出端之间耦合，以增大或替代地减小这些降压转换器的输出电压。
隔直流电容器有利地耦合在这些降压转换器和该输出端之间。在如上所述地设置变压器的情况下，隔直流电容器有利地耦合在该变压器的次级侧。隔直流电容器有利地具有范围在约10pF至约200nF之间、有利地在约100pF至约100nF之间的电容。这样的隔直流电容器有利地防止了变压器的饱和，并且即使在省略了变压器的情况下也可以降低降压转换器的半导体开关上的电压应力，因为DC偏置电压置于阻断电容器上而不是半导体上，从而使得能够使用更经济的半导体开关，并且因此获得更经济的电压波形发生器。
有利地，该电压波形发生器包括耦合至该输出端的线性功率放大器，该线性功率放大器有利地与这些第一降压转换器并联。每组交错的降压转换器(例如，第一降压转换器和第二降压转换器)可以具有并联耦合的单独线性功率放大器。该线性功率放大器有利地通过控制单元被操作。这样的线性功率放大器允许增大电压波形发生器的带宽和/或降低降压转换器的半导体开关的开关速度。因此，可以使用更经济的半导体开关和/或可以生成更高频率的电压波形。
根据另一方面，本文描述了一种用于控制或操作等离子体处理设备的方法。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
图1表示根据本发明各方面的电压波形发生器的示例，该电压波形发生器用作ICP(电感耦合等离子体)反应器的偏置发生器；
图2表示根据本发明的电压波形发生器的框图；
图3表示根据本发明的另一电压波形发生器的第二框图，其与图2的图不同之处在于，添加了与交错的降压单元并联的线性功率放大器；
图4表示根据本发明的又一电压波形发生器的第三框图，其与图2或图3的图不同之处在于，关于变压器不对称地设置了仅一组交错的降压单元；
图5表示根据本发明的又一电压波形发生器的第四框图，其与图3的图不同之处在于，线性功率放大器与交错的降压单元和(初级)滤波器并联耦合；
图6表示根据本发明的又一电压波形发生器的第五框图，其与图2的图不同之处在于，多组交错的降压单元通过电容器来耦合；
图7表示可以在图2至图6中使用的单个降压单元的电气方案；
图8表示用于根据各种操作模式来操作电压波形发生器的控制方法的流程图；
图9表示包括用于过电流检测的保护电路的电压波形发生器的框图，该电压波形发生器可以是如关于图2至图6所描述的任何一个电压波形发生器；
图10表示包括用于限制电流的保护电路的电压波形发生器的框图，该电压波形发生器可以是如关于图2至图6所描述的任何一个电压波形发生器；
图11表示在最优情况下，衬底电压的曲线图、所产生的任意电压波形发生器(ABVG)输出电流的曲线图、以及实现目标衬底电压所需的理想ABVG输出电压的曲线图；
图12表示在次优情况下，衬底电压的曲线图、所产生的ABVG输出电流的曲线图、以及实现目标衬底电压所需的ABVG输出电压的曲线图。
具体实施方式
等离子体可能是复杂的，并且不同配方(所使用的化学物质和工艺设置)对IED具有不同的要求，因此对理想的偏置电压波形具有不同的要求。在本发明中，提出了一种具有高效率开关式结构的灵活的宽带任意电压波形发生器(ABVG)。ABVG可以可选地通过性能提高的线性放大器来辅助(从而得到更高的整体系统带宽)。
图1示出了ABVG 10在电感耦合等离子体(ICP)设备100中的典型用途之一，其中，ABVG 10通过控制衬底工作台电压来控制衬底101(通常为晶圆)的电压。在等离子体反应器102中，通过将等离子体形成气体104引入被感应线圈107包围的介电管108中来生成等离子体103。该布置形成等离子体喷枪，该等离子体喷枪将等离子体103朝向其上放置有衬底101的工作台或平台105引导。通过RF电源120和本领域已知的匹配网络121，向感应线圈107施加RF电压。可选地，可以将前体109引入等离子体反应器102中。RF电源120和ABVG 10可以由系统主机控制器130控制。
ABVG 10也可以用在其他配置中，如：
-在电容耦合等离子体(CCP)反应器中；
-电源发生器(RF电源)与ABVG之间可以进行控制信号的直接互连(不经由系统主机)。
可以使用不同的源来生成等离子体(例如，电容耦合等离子体、电子回旋共振、磁控管、DC电压等)。
图2至图6中示出了根据本发明的电压波形发生器的可能系统结构。图4是最基本的方案。
参考图2至图6，电压波形发生器10的输出端子19处的理想输出电压由脉宽调制(PWM)控制的降压单元11生成。一个这样的降压单元11的可能实施方式是如图7所示的包括可主动切换的半导体开关111的半桥。PWM通常由PWM发生器12生成；例如，现场可编程门阵列(FPGA)。多个降压单元11可以并联放置以分配电流。将异相地施加降压单元PWM(即交错操作)以减小纹波电流并提高有效开关频率fsw_eff。降压单元输出电压由滤波器13进行滤波以去除谐波分量。
可以通过以下方式来处理降压单元电流共享：测量降压单元的线圈电流，并且以使得电流在降压单元之间均匀分布的方式来调节控制降压单元的PWM信号。
变压器14通过变压器匝数比将滤波后的降压单元输出电压增大(但也可能减小)至系统所需的水平。在变压器14之后，衬底台电位的DC偏置电压自动置于隔直流电容器15上。这将降低变压器14和降压单元11上的电压应力。隔直流电容器15还防止次级DC电流(例如，由于等离子体的DC电位)使变压器饱和。可以通过以下方式来实现防止变压器初级侧的饱和：测量电流，并且(例如，由控制器16)调节生成的PWM信号以阻止变压器初级侧上出现DC电压。使用(可选的)EMC滤波器17来对ABVG生成的高频分量进行滤波，以符合规范。
通过更复杂的变压器布置，可以并联放置2个以上交错的半桥(降压单元11)。
利用降压单元电源上的适当电压水平和理想偏置电压的适当电压水平，可以省略变压器14。注意，可能的降压单元电压水平受可用半导体开关111的限制。
变压器输出侧可以包括多个抽头，使得用户能够选择变压器的匝数比，从而选择输出电压范围。替代地，ABVG可以包括(内部)继电器，以在多个输出电压设置之间切换。
可用半导体开关111的开关速度受到限制。这可以通过具有更高带宽的线性放大器18来克服。为了增大ABVG带宽，可以以一定效率损失为代价，添加线性功率放大器18以生成一些更高次谐波(其通常包含较少的能量)。ABVG中的控制器16可以控制PWM发生12和(可选的)线性功率放大器18二者。由控制器16供应的数字输出在被馈送到线性功率放大器18之前，经由D/A转换器28转换为模拟信号。
为了防止图4中变压器的DC偏置/饱和，提供了隔直流电容器15。替代地，变压器初级可以连接到分流总线(与降压单元11共享)，而不是接地。图4中的EMC滤波器是可选的。
通过生成用于操作多个并联的降压单元的相移PWM信号，可以提高有效开关频率fsw_eff(fsw_eff＝n*2*一个降压单元的开关频率)。利用此拓扑结构，可以通过生成相应的PWM信号来合成任何波形。重复波形可以看作是其傅里叶分量的和。根据经验法则，此ABVG拓扑结构可以生成的最高频率是fsw_eff/5。可以实现的傅里叶分量越多，理想电压波形的再现就越好。利用此拓扑结构，可以生成傅里叶分量最高达大约fsw_eff/5的任何波形。
利用此拓扑结构，(在编写GaN HEMT器件时)可以用最先进的同类最佳的半导体开关来实施降压单元。这些开关可以非常快速地切换，从而降低接通和关断损耗，并因此提高效率。为了进一步提高效率，转换器可以以零电压开关(ZVS)方式操作。这可以通过减小降压单元电感器112的电感值来实现。
实施具有内部传感器和可选的外部传感器的闭环电压控制系统可以进一步改善电压波形的生成和再现性。与最新技术展现的相比，直接控制偏置电压并因此控制离子速度可以大大降低系统级的功耗(可能低一个数量级)。
根据等离子体室102中的工艺，需要高准确度(例如，原子层刻蚀)或高功率(例如，溅射)。对于如溅射等高功率工艺，可以容许较低的准确度。结果，ABVG控制器16在这种操作模式下需要较少的带宽，从而允许较低的有效开关频率。根据一个方面，控制器16通过被配置为允许选择ABVG的不同操作模式的控制程序或方法来实施。举例来说，图8的流程图示出了可能的选择。有利地，在控制器16中实施至少两种、有利地至少三种操作模式，这些操作模式对应于不同的功率水平和/或不同的开关频率水平：即分别对应于低开关频率、高开关频率或中开关频率的低功率、高功率和可能的中功率。可以基于在至少两个电压水平和/或至少两个电流水平之间的选择来选择操作模式。
选择低电压会导致总线电压(降压单元的电源电压)降低。选择低电流会导致ABVG保护电路的电流水平降低。此保护电路可以被配置为以两种方式工作。在第一种情况下，参考图9，保护电路161被配置为过电流检测电路，该过电流检测电路被配置为测量输出电流(例如，在变压器14的次级侧)；当电流过高时，保护电路161将发出禁用信号以禁用ABVG功率级，并且引起错误。在第二种情况下，参考图10，保护电路162被配置为电流限制电路，该电流限制电路被配置为测量输出电流(例如，在变压器14的次级侧)；当电流过高时，保护电路162降低输出电压，这会降低/限制输出电流(类似于典型实验室供电的行为)。
参考图9和图10，很容易注意到，控制器16、PWM发生器12、波形发生器26、任何D/A转换器(例如，用于线性放大器)、控制(反馈)回路和(多个)保护电路161、162可以集成在一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)36中。波形发生器26可以被配置为提供输出电压设定点、可选地带有预失真。控制器16可以包括具有反馈的控制回路。
对于窄离子能量分布(IED)，如图11所示，衬底电压在tON期间应有利地为平坦的。为了实现这一点，通过调节tON期间的ABVG输出电压dVOUT/dt来有利地补偿衬底(和保持器)的电容性充电。tON期间的平坦衬底电压导致连续的离子电流，因此在tON期间产生连续的ABVG输出电流。这可以由ABVG通过提供电流测量单元来获得，该电流测量单元被配置为测量ABVG输出电流并耦合至控制器，该控制器被配置为调节tON期间的dVOUT/dt。这是间接测量的工艺参数的一个示例，该工艺参数用于调节ABVG输出电压。这可以提高工艺性能，在本案中，结果是更好地控制IED。参考图12，示出了在次优情况下的衬底电压、所产生的ABVG输出电流、以及实现目标衬底电压所需的ABVG输出电压。
在其他示例中，ABVG被配置为测量ION通量或IED，并使用此信息控制ABVG输出电压(设定点)。
在一方面，用于操作ABVG和/或等离子体处理设备的方法包括控制程序实施方式，该控制程序实施方式包括多种操作模式。第一操作模式可以对应于高功率模式。第二操作模式可以对应于高精度模式。该多种操作模式可以通过以下各项之一或组合来区分：不同的开关频率、不同的输出电压、不同的输出电流。
对应于高功率模式的第一操作模式有利地对应于开关频率为低、输出电压和输出电流为高(例如，它们处于最大水平)的模式。低开关频率有利地导致低开关损耗，并且进而可以允许更高的传导损耗，因此，可以增大输出电流水平。当使用高输出电压来限制开关损耗时，低开关频率是有利的。
可以以不同的方式获得对应于高精度模式的第二操作模式。可能地，这些方式中的每一种都可以是不同的操作模式。在第一选项中，可以限制输出电流，从而降低传导损耗。较低的传导损耗可以允许相对于第一模式提高开关频率。在此选项中，开关频率和输出电压可以保持在较高的水平。高开关频率导致高带宽，因此实现更高的精度。
在第二模式的第二选项中，输出电压受到限制。相对于第一模式降低输出电压降低了开关损耗，这可以允许相对于第一模式提高开关频率。因此，可以获得更高的精度。
在第二模式的第三选项中，相对于第一模式(高功率模式)，输出电压和输出电流都受到限制。这降低了传导损耗(由于较低的电流)和开关损耗(由于较低的输出电压)，因此允许将开关频率提高到最大水平。此选项可以得到最大精度的操作模式。
在第三选项中，输出功率可能最低。在第一和/或第二选项中，输出功率可以介于在第一模式下获得的输出功率与在第三选项中获得的输出功率之间。
该设备可以包括用户界面，使得操作员能够在不同操作模式之间进行选择。第一选项到第三选项中的任何一个选项都可以在控制单元中实施为ABVG的独特操作模式。
可以在该设备中实施反馈。反馈可以基于电流反馈和/或电压反馈。有利地，反馈控制回路可以基于测量的工艺参数，比如通过衬底的离子能量密度和/或离子电流。

Claims (23)

1.一种等离子体处理设备(100)，包括：
用于生成等离子体的装置，
用于支撑要处理的衬底(101)的处理平台(105)，以及
电压波形发生器(10)，该电压波形发生器包括电耦合至该加工平台(105)的输出端(19)，
其特征在于，该电压波形发生器(10)包括：
并联布置并耦合至该输出端(19)的多个第一降压转换器(11)，这些第一降压转换器(11)包括可主动切换的半导体开关(111)；
控制单元(16)，该控制单元被配置为通过脉宽调制信号来操作这些可主动切换的半导体开关(111)，
其中，该控制单元(16)被配置为以交错的方式操作该多个第一降压转换器(11)。
2.如权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，每个降压转换器中的这些可主动切换的半导体开关包括以半桥配置布置的第一半导体开关和第二半导体开关。
3.如权利要求2所述的等离子体处理设备，其中，该控制单元被配置为生成施加到该多个第一降压转换器的相移脉宽调制信号。
4.如权利要求1或2所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器包括并联布置并耦合至该输出端的多个第二降压转换器，这些第二降压转换器包括可主动切换的半导体开关，
其中，该控制单元被配置为通过脉宽调制信号来操作这些第二降压转换器的可主动切换的半导体开关，并且被配置为以交错的方式操作该多个第二降压转换器，并且
其中，该多个第一降压转换器和该多个第二降压转换器并联布置。
5.如权利要求4所述的等离子体处理设备，其中，这些第二降压转换器的可主动切换的半导体开关在每个第二降压转换器中包括以半桥配置布置的第三半导体开关和第四半导体开关。
6.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器包括在该多个第一降压转换器与该输出端之间的变压器。
7.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器包括在这些第一降压转换器与该输出端之间的隔直流电容器。
8.如权利要求7结合权利要求6所述的等离子体处理设备，其中，该隔直流电容器耦合在该变压器的次级侧与该输出端之间。
9.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器包括耦合至该输出端的线性功率放大器。
10.如权利要求9所述的等离子体处理设备，其中，该控制单元可操作以控制该线性功率放大器的操作。
11.如权利要求9或10所述的等离子体处理设备，其中，该线性功率放大器与这些第一降压转换器并联耦合。
12.如权利要求9或10所述的等离子体处理设备，包括与这些第一降压转换器和/或可选的第二降压转换器串联布置并耦合至该输出端的滤波器，其中，该线性功率放大器与这些第一降压转换器和/或可选的第二降压转换器以及该滤波器并联耦合。
13.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器可操作以向该衬底的暴露表面提供电压偏置。
14.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该控制单元被配置为操作这些第一降压转换器和可选的第二降压转换器的可主动切换的半导体开关，以在该输出端处生成预定电压波形。
15.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该电压波形发生器可操作以在该输出端处生成AC电压。
16.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该控制单元通过该电压波形发生器的多种操作模式来实施。
17.如权利要求16所述的等离子体处理设备，其中，该多种操作模式包括导致不同输出电压水平的操作模式。
18.如权利要求16或17所述的等离子体处理设备，其中，该多种操作模式包括导致不同输出电流水平的操作模式。
19.如权利要求16至18中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该多种操作模式中的至少一种操作模式包括在有限的输出电流和/或有限的输出电压下操作。
20.如权利要求16至19中任一项所述的等离子体处理设备，其中，该多种操作模式通过这些可主动切换的半导体开关的不同开关频率来区分。
21.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，被布置成测量工艺参数，该工艺参数是通过该衬底的离子能量密度和离子电流中的一项或多项，并且其中，该电压波形发生器包括基于所测量的工艺参数的控制回路。
22.如前述权利要求中任一项所述的等离子体处理设备，为干法刻蚀设备。
23.如权利要求1至21中任一项所述的等离子体处理设备，为等离子体辅助层沉积设备。
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