CN114981918A - 脉冲pvd功率的波形形状因子 - Google Patents

脉冲pvd功率的波形形状因子 Download PDF

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CN114981918A CN202180009621.4A CN202180009621A CN114981918A CN 114981918 A CN114981918 A CN 114981918A CN 202180009621 A CN202180009621 A CN 202180009621A CN 114981918 A CN114981918 A CN 114981918A
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Abstract

描述了用于控制等离子体处理的电源、波形函数发生器及方法。该电源或波形函数发生器包括用于执行该方法的部件，在该方法中，在等离子体处理期间确定波形形状变化指数，并评估该波形形状变化指数是否符合预定5容差。

Description

脉冲PVD功率的波形形状因子
技术领域
本公开内容的实施方式大体而言是关于物理气相沉积(physical vapordeposition,PVD)腔室及方法。具体而言，本公开内容的实施方式是关于使用具有控制器功率波形的脉冲PVD的PVD腔室和沉积方法。
背景技术
当前的物理气相沉积(PVD)处理腔室容易随着功率调节的变化而降低均匀性及可重复性。功率调节通常用于驱动具有特定形状的电压/电流波形的脉冲PVD等离子体腔室。此类电压/电流波形被设计为实现某些膜特征或性质。
相同的平均功率、电压或电流可以在具有不同波形形状的脉冲内传输，如图1所示。不同形状的波形对应于PVD腔室中的不同等离子体特性。由于腔室负载条件、等离子体不稳定性、腔室等离子体电弧放电或负载变化，并且有时由于电源故障以及功率传输输出线缆硬件故障，功率/电压/电流波形形状漂移或急剧变化。由于腔室等离子体条件变化，这些波形形状变化影响薄膜特性。
因此，若功率/电压/电流波形改变，则需要检测/增加/确保脉冲PVD腔室沉积膜性能的设备及方法。
发明内容
本公开内容的一个或多个实施方式是关于用于控制等离子体处理的方法。这些方法包括确定沉积处理期间的波形形状变化指数；确定波形形状指数是否在预定容差内；以及确定等离子体处理的后续动作。
本公开内容的额外实施方式是关于将等离子体处理与参考等离子体处理进行匹配的方法。这些方法包括确定等离子体处理期间的波形形状因子
Figure BDA0003749092910000011
使用该波形形状因子
Figure BDA0003749092910000012
及来自参考等离子体处理的平均参考波形形状因子
Figure BDA0003749092910000013
来确定波形形状变化指数IS；基于该波形形状指数IS确定等离子体处理是否与参考等离子体处理匹配。
本公开内容的进一步实施方式是关于包括指示故障的自诊断功能的电源。自诊断功能包括控制器，该控制器被配置为确定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000021
或波形形状变化指数IS中的一者或多者。
附图说明
为了能够详细理解本公开内容的上述特征的方式，可以参考实施方式获得以上简要概述的本公开内容的更具体的描述，实施方式中的一些实施方式在附图中图示。然而，应当注意的是，附图仅图示了本公开内容的典型实施方式，因此不应被认为是对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可以允许其他同等有效的实施方式。
图1图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的波形形状；
图2A至图2D图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的波形形状；
图3图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的方法；
图4图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的方法；并且
图5图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的电源。
具体实施方式
在描述本公开内容的各种示例性实施方式之前，应当理解的是，本公开内容不限于以下描述中所阐述的构造或处理步骤的细节。本公开内容能够具有其他实施方式，并且能够以各种方式实践或进行。
如在本说明书和随附权利要求书中所使用的，术语“基板”是指处理作用于其上的表面或表面的一部分。本领域技术人员也将理解，除非上下文明确指出，否则提及基板也可仅指基板的一部分。此外，提及在基板上沉积可意指裸基板(bare substrate)和其上沉积或形成有一个或多个膜或特征的基板两者。
如本文所用的“基板”是指在制造处理期间中在其上执行膜处理的任何基板或形成在基板上的材料表面。例如，取决于应用，可以在其上执行处理的基板表面包括诸如硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)、碳掺杂氧化硅、非晶硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石的材料，以及任何其他材料，诸如金属、金属氮化物、金属合金和其他导电材料。基板包括但不限于半导体晶片。可以将基板暴露于预处理处理，以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火、紫外线固化、电子束固化和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上进行膜处理之外，在本公开内容中，任何所公开的膜处理步骤也可以在基板上形成的底层上执行，如下面更详细公开的，并且术语“基板表面”意欲包括如上下文所示的此类底层。因此，例如，在膜/层或部分膜/层已经沉积到基板表面上时，新沉积的膜/层的暴露表面变成基板表面。
本公开内容的一个或多个实施方式提供了在腔室操作期间量化相对于预定或预设波形形状的波形失真/变化的设备和/或方法。在一些实施方式中，预定或预设波形形状为具有特定特性的膜提供了已知的等离子体性能。在一些实施方式中，预设或预定的波形作为最佳已知方法(best known method,BKM)储存在PVD腔室配置上。
在一些实施方式中，基于来自电源内部的硬件和/或固件的测量来计算波形形状因子。在一些实施方式中，所传输的电压和/或电流在外部被采样，并且波形形状因子由从传感器获取数据/通信的外部计算机实时地计算。
一些实施方式的波形因子用于测量随时间推移的处理腔室性能。在一些实施方式中，将实时测量的波形因子与所储存的BKM波形因子进行比较，以评估PVD腔室性能。一些实施方式的实时地测量的波形因子比较指示系统是否已经漂移或改变，或者可能遭受到可能影响腔室性能的腔室匹配问题。在一些实施方式中，将处理腔室的波形因子与所储存的参考或“黄金”腔室的波形因子进行比较，以允许腔室匹配。
参考图1，以矩形电压波形(粗实线)及三角形波形(虚线)作为示例进行了说明。在脉冲期间来自两个波形的均值电压/平均电压是相同的，如等式(I)及(II)所示。脉冲的整体形状不同，其中下降三角形脉冲的最大电压(V峰值)是矩形波形的两倍。尽管下面的示例讨论了波形的电压值，但是本领域技术人员将认识到这些值可以指示波形功率或电流。
矩形形状：
Figure BDA0003749092910000031
下降三角形形状：
Figure BDA0003749092910000032
图2A、图2B及图2D图示了其他波形形状。图2C图示了图1所示的下降三角形以用于比较目的。在图2A中，当V0线以下的“W”形区域的阴影面积等于V0线以上的阴影面积时，平均值等于V0。在图2B中，当三角形的峰值等于V0值的两倍时，平均值等于V0。图2C图示了与图1相同形状的下降三角形，其中峰值是V0的两倍，并且平均值等于V0。图2D图示了与图2C相反的另一个下降三角形形状，其中峰值是V0的两倍，并且平均值等于V0。图2A至图2D所示的不同波形中的每个波形具有相同的平均值(V平均)，该平均值等于矩形信号的V0。然而，波形形状中的每个波形形状都是不同的。
为了评估具有相同平均电压的波形的差异，可以使用等式(III)来确定波形形状因子(S)，并且可以使用等式(IV)来确定平均波形形状因子(Savg或
Figure BDA0003749092910000043
)。
Figure BDA0003749092910000041
其中v(t)是所测量的实时电压；并且v平均是通过实时测量获得的移动平均值，或者是由软件、固件或使用者预先确定的给定值。
Figure BDA0003749092910000042
应用等式(III)及(IV)，图1所示的矩形波形图案的理论平均波形形状因子
Figure BDA0003749092910000044
为0。然而，本领域技术人员将认识到，由于实际测量和数据处理变化，平均波形因子将可能偏离理论值。例如，信噪比(signal-to-noise,SNR)变化可能会影响实际平均波形因子计算。
图2C及图2D所示的实施方式尽管作为彼此的镜像出现，但是具有不同的平均波形因子
Figure BDA0003749092910000045
图2C及图2D的平均波形因子分别是76/3及1/3。本领域技术人员将认识到，平均波形因子表示不同的波形。
图3图示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的方法100。一些实施方式的方法100可用于评估由于电弧放电和/或等离子体不稳定性引起的等离子体阻抗变化而导致的等离子体处理腔室性能漂移。本文所述的方法通常将该处理称为物理气相沉积或PVD处理。然而，本领域技术人员将认识到，这些方法适用于任何等离子体处理，并且本公开内容不限于物理气相沉积处理。在一些实施方式中，该方法用于解决其他常见的波形形状，包括其他形式的三角形形状、正弦形状或包含多个主频率和振幅的包络(调制)形状(本文未图示)。本公开内容的一些实施方式用于半导体PVD处理。一些实施方式用于将复杂的功率传输到其他工业负载，如等离子体蚀刻处理、科学实验腔室波形函数发生器、RADAR发射、工业感应加热。
在主等离子体功率沉积期间，在处理110处，根据等式(IV)确定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000052
的导数，同时传输到等离子体腔室的功率是脉冲的。在处理120处，确定并储存稳定的波形形状因子
Figure BDA0003749092910000053
稳定的波形形状因子是当波形形状因子
Figure BDA0003749092910000054
的导数接近0时所确定的。一些实施方式的稳定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000055
储存在处理腔室的存储器或固件、处理工具软件、处理控制服务器或移动应用程序中，或者储存在电源本身内部。
在一些实施方式中，稳定的波形形状因子
Figure BDA0003749092910000056
被预设或加载到系统控制器中。例如，在腔室匹配处理中，一些实施方式的稳定波形形状因子由“黄金”腔室或参考处理确定。预设的稳定波形形状因子代表为特定等离子体处理或特定处理腔室而定义/开发的特定脉冲形状。
在处理130中，在等离子体处理期间连续地计算波形形状因子
Figure BDA0003749092910000057
将在任何时间t处确定的波形形状因子
Figure BDA0003749092910000058
与在处理120中储存的稳定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000059
进行比较。在一些实施方式中，使用等式(V)计算波形形状变化指数IS。
除了等式(III)及(IV)中定义的波形形状因子
Figure BDA00037490929100000510
之外，在一些实施方式中，其他波形或脉冲特征被构建到更复杂的因子公式中。例如，在一些实施方式中，(多个)脉冲频率F以及F相对于所请求的值F0的偏差(ΔF)、脉冲开/关占空比(DT)以及所请求的DT的偏差、输出功率P以及P与所请求的功率P0的偏差、相位角φ/相位角变化Δφ。在一些实施方式中，任何或所有参数是由传感器在内部或外部测量的。在一些实施方式中，所测量的变数被加权(经由系数K，其是乘数)并且被加到
Figure BDA00037490929100000511
(补充)中，以形成综合因子来指示所传输的波形的品质及特性的广阔画面。等式(III)可以演变成等式(V)。
Figure BDA0003749092910000051
最后一个未指明的术语(+…)是指取决于特定的处理条件及所使用的硬件添加到等式(V)中的任何额外参数。例如，二次频率、功率、相位角等。
ΔF(t)＝F(t)-F0，其中F(t)是测量的实时频率，F0是测量频率移动平均值或每个应用的预定输入频率。ΔDT(t)＝DT(t)-DT0，其中DT(t)是测量的实时占空比，DT0是移动平均值或每个应用的预定值。ΔP(t)＝P(t)-P0，其中P(t)是测量的实时功率，且P0是移动平均值或每个应用的预定值。
Sinit>＝0，是针对特定应用的固定选定实数，其必要时用于偏移基线；可相对于等式中的小计贡献的量值而设置为0或较小的数字(例如，10％或更小)。>0的值也可有助于调谐S(t)信号监测的灵敏度。在一些实施方式中，相对于其余项目的小计贡献的较高相对值降低了监测灵敏度。
等式(V)也可以拆分为等式(V')及(V”)。
Figure BDA0003749092910000061
Figure BDA0003749092910000062
其中K是0或其他实数以指示参数变化的影响的权重。当Kf、Kdt或Kp都设置为0，并且Kv＝1时，则等式(V')简化为等式(III)的基本格式。
Figure BDA0003749092910000063
在判定点140处，评估波形形状因子指数IS，以确定该值是否在处理或处理腔室的预定容差值内。若波形形状因子指数IS在容差范围内，则方法100在处理130处继续，从而继续确定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000064
若波形形状因子指数IS在预定容差之外，则一些实施方式的方法在处理150处警告使用者存在故障或容差故障和/或自动地停止等离子体处理。
在图3所示的方法中，前两个处理110、120是使用与方法100的剩余部分相同的处理腔室和/或等离子体处理来确定的。这种方法监测处理腔室和/或等离子体处理随时间推移的偏差，以确保该腔室的稳定操作。
图4图示了另一个实施方式，其中方法200用于腔室匹配。在处理230处，确定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000065
并与来自参考或“黄金”腔室的预定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000066
进行比较。一些实施方式的参考腔室包括处理腔室硬件、处理设备制造商和/或处理方法。
在处理240处，将计算出的波形形状变化指数IS与预定容差进行比较。若波形形状变化指数IS大于或超出容差，则在处理250处生成故障信息和/或停止等离子体处理。超出容差范围的波形形状变化指数表明腔室或等离子体处理与参考或“黄金”处理腔室不匹配。
在一些实施方式中，波形形状变化指数IS是基于形状因子计算并且用于原位处理控制，以识别可能已经经历由电源故障或腔室硬件故障和/或导致等离子体负载变化的性能漂移所引起的问题的晶片。
在一些实施方式中，波形形状因子
Figure BDA0003749092910000071
和/或波形形状变化指数IS被并入到电源或波形函数发生器中，以确保电源或波形发生器输出相对于预定或默认形状的波形形状。在一些实施方式中，将波形形状因子
Figure BDA0003749092910000072
和/或波形形状变化指数IS测量并入电源或波形函数发生器提供了对波形形状的控制，而无需通过外部感测探头(传感器)/计算机对波形输出进行额外测量、采样和/或监测。
在一些实施方式中，波形形状因子
Figure BDA0003749092910000073
和/或波形形状变化指数IS测量系统被并入到电源(或波形函数发生器)中，以提供指示仪器故障的自诊断功能。因此，如图5所示，本公开内容的一些实施方式涉及并入有控制器310的电源300(或波形函数发生器)，该控制器300被配置为实时地确定波形形状因子
Figure BDA0003749092910000074
或波形形状变化指数IS中的一者或多者。如本文所用，术语“电源”包括传统电源模块及波形函数发生器两者。在一些实施方式中，电源300包括输入/输出(I/O)320以接受使用者输入并提供反馈。一些实施方式的I/O 320包括合适的部件以允许使用者输入预定的波形形状因子或波形形状变化指数。数据输入部件可为本领域技术人员已知的任何合适的部件，包括但不限于小键盘322或存储器卡读取器324。在一些实施方式中，I/O 320包括连接至控制器310的显示器326，并且该控制器310被配置为实时地或以预定的时间增量向显示器输出所测量的波形形状因子或波形形状变化指数。
控制器310可为可以在工业环境中使用的任何形式的通用计算机处理器、微控制器、微处理器等中的一者。在一些实施方式中，存在至少一个控制器310。该至少一个控制器310可以具有处理器、连接至处理器的存储器、连接至处理器的输入/输出装置320，以及用于在不同电子部件之间进行通信的支援电路。存储器可以包括暂时性存储器(例如，随机存取存储器)和非暂时性存储器(例如，储存装置)中的一者或多者。
处理器的存储器或计算机可读取介质可为易得存储器，例如随机存取存储器(random access memory；RAM)、只读存储器(read-only memory；ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的本地或远程数字储存装置中的一者或多者。存储器可以保存指令集，该指令集可由处理器操作以控制系统的参数和部件。支持电路耦接至处理器以用于以已知方式支持处理器。电路可以包括例如高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。
处理通常可以作为软件例程储存在存储器中，该软件例程当由处理器执行时使得处理腔室执行本公开内容的处理。软件例程也可以由远离由处理器控制的硬件的第二处理器(未图示)储存和/或执行。本公开内容的方法中的一些或所有方法也可以在硬件中执行。如此，处理可以在软件中实施并使用计算机系统在硬件中执行，以作为例如专用集成电路或其他类型的硬件实施，或者作为软件和硬件的组合。当由处理器执行时，软件例程将通用计算机转换成控制腔室操作的专用计算机(控制器)，使得处理被执行。
在一些实施方式中，控制器具有一个或多个配置来执行单独的处理或子处理，以执行该方法。控制器可以连接至中间部件并被配置成操作这些中间部件来执行方法的功能。例如，控制器可以连接至电源并被配置为控制电源的功率或频率。
在整个说明书中对“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一或多个实施方式”或“一实施方式”的引用是指结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。因此，在本说明书各处的出现的诸如“在一或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”的用语不一定指本公开内容的同一实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式组合。
尽管已经参考特定实施方式描述了本文所公开的内容，但是本领域技术人员将理解，所描述的实施方式仅仅是本公开内容的原理和应用的说明。对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本公开内容的方法和装置进行各种修改和变化。因此，本公开内容可包括在随附权利要求书及其等同物的范围内的修改和变化。

Claims (20)

1.用于控制等离子体处理的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述沉积处理期间的波形形状变化指数；
确定所述波形形状指数是否在预定容差内；以及
确定所述等离子体处理的后续动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用等式(V)实时地确定所述波形形状变化指数
Figure FDA0003749092900000011
其中
Figure FDA0003749092900000012
是平均波形形状因子，
Figure FDA0003749092900000013
是平均参考波形形状因子。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述平均波形形状因子
Figure FDA0003749092900000014
是使用等式(IV)计算的
Figure FDA0003749092900000015
其中积分是从时间0至时间Ton的脉冲长度，并且S(t)是所述波形形状因子。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在时间t处的所述波形形状因子S(t)是使用等式(III)或等式(V)计算的
Figure FDA0003749092900000016
Figure FDA0003749092900000017
5.根据权利要求4所述的方法，其中
Figure FDA0003749092900000018
是平均参考波形形状因子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述平均参考波形形状因子由所述等离子体处理中的第一功率脉冲确定。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述波形形状因子指数是所述处理腔室和/或等离子体处理的随时间推移的偏差的监测器，以确保所述腔室的稳定操作。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述平均参考波形形状因子是由参考等离子体处理或参考处理腔室确定的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述波形形状因子指数分别将目标等离子体处理或处理腔室与所述参考等离子体处理或参考处理腔室进行匹配。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，若所述波形形状指数在所述预定容差内，则所述后续动作包括继续所述沉积处理，并且重复确定所述沉积处理期间的所述波形形状变化指数，重复确定所述波形形状指数是否在预定容差内，并且重复确定所述沉积处理的后续动作。
11.根据权利要求4所述的方法，其中，若所述波形形状变化指数在所述预定容差之外，则所述后续动作包括警告使用者存在故障或容差故障，或者自动停止所述等离子体处理中的一者或多者。
12.一种将等离子体处理与参考等离子体处理进行匹配的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述等离子体处理期间的波形形状因子
Figure FDA0003749092900000021
使用所述波形形状因子
Figure FDA0003749092900000022
及来自所述参考等离子体处理的平均参考波形形状因子
Figure FDA0003749092900000023
来确定波形形状变化指数IS；
基于所述波形形状指数IS确定所述等离子体处理是否与所述参考等离子体处理匹配。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述波形形状因子
Figure FDA0003749092900000024
是使用等式(IV)计算的
Figure FDA0003749092900000025
其中积分是从时间0至时间Ton的脉冲长度，并且S(t)是所述波形形状因子。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述波形形状变化指数IS是使用等式(V)实时地确定的
Figure FDA0003749092900000026
其中
Figure FDA0003749092900000027
是平均波形形状因子，
Figure FDA0003749092900000028
是平均参考波形形状因子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在时间t处的所述波形形状因子S(t)是使用等式(III)计算的
Figure FDA0003749092900000031
其中vt是在时间t处的电压、电流或功率，且v平均是平均电压、电流或功率，或是使用等式(V)计算的
Figure FDA0003749092900000032
16.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述等离子体处理是否与所述参考等离子体处理匹配的步骤包括以下步骤：将所述波形形状变化指数IS与预定容差进行比较。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，若所述波形形状指数在所述预定容差内，则所述后续动作包括继续所述沉积处理，并且重复确定所述沉积处理期间的所述波形形状变化指数，重复确定所述波形形状指数是否在预定容差内，并且重复确定所述沉积处理的后续动作。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，若所述波形形状变化指数在所述预定容差之外，则所述后续动作包括警告使用者存在故障或容差故障，或者自动停止所述等离子体处理中的一者或多者。
19.一种电源，包括自诊断功能，所述自诊断功能指示故障，所述自诊断功能包括控制器，所述控制器被配置为确定波形形状因子
Figure FDA0003749092900000033
或波形形状变化指数IS中的一者或多者。
20.根据权利要求19所述的电源，其中所述电源进一步包括一个或多个输入/输出以接受使用者输入和/或提供使用者反馈，所述使用者反馈报告测量的波形形状因子或波形形状变化指数中的一者或多者。
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