CN116762160A - 用于应力均匀的rf偏压的区域控制的方法与设备 - Google Patents

用于应力均匀的rf偏压的区域控制的方法与设备 Download PDF

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Abstract

方法与设备被用来调节基板上的膜应力分布。一种设备可包括具有基座的PVD腔室，该基座被配置为在处理期间在位于基座的最上表面上的盖上支撑基板。该盖构造有多个电极，诸如，例如第一电极、第二电极和第三电极。第二电极位于该第一电极与该第二电极之间，并且与该第一电极和该第二电极电隔离。基板应力分布调谐器电连接至该第一电极、该第二电极和该第三电极，并且被配置为独立地调节至少该第二电极和该第三电极相对于RF接地的RF电压水平，以产生更均匀的膜应力分布。

Description

用于应力均匀的RF偏压的区域控制的方法与设备
技术领域
本原理的实施方式大体而言涉及半导体制造。
背景技术
基板上的沉积膜中的应力可能会不利地影响使用这些膜的元件的性能。例如，在压电材料中，应力水平和均匀性对于压电响应和所制造的元件的产量非常关键。当使用具有磁控溅射沉积的物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)腔室来形成压电膜时，可使用通用射频(RF)偏压来调变膜中的应力水平。然而，发明人已经发现，对普遍施加的RF偏压功率的应力响应可能由于不均匀的磁场和等离子体分布而导致晶片轮廓上的不均匀应力水平，从而导致晶片内宽(wide within wafer,WIW)应力范围。
因此，本发明人已经提供了用于在于PVD腔室中沉积的膜内产生更均匀应力水平的方法与设备。
发明内容
本文提供了用于在基板中形成更均匀的应力分布的方法与设备。
在一些实施方式中，一种用于在沉积期间调节膜特性的设备可包括：物理气相沉积(PVD)腔室，该PVD腔室具有处理容积；上部电极，该上部电极连接至直流(directcurrent,DC)电源，位于该PVD腔室中且位于该处理容积上方，该DC电源被配置为在该处理容积内产生等离子体；基座，该基座被配置为在该PVD腔室中处理期间支撑基板并且位于该处理容积下方；盖，该盖被施加至该基座的最上表面上，其中该盖包括多个电极；基板应力分布调谐器，该基板应力分布调谐器电连接至该多个电极中的每个电极并且被配置为独立地调节该多个电极中的至少一个电极相对于RF接地的RF电压水平；以及RF偏压源，该RF偏压源经由匹配网络电连接至该基板应力分布调谐器。
在一些实施方式中，该设备可进一步包括：其中DC电源是脉冲DC电源，其中该PVD腔室包括磁控管组件，该磁控管组件被配置有位于该上部电极上方的至少一个旋转永磁体，其中该基座由陶瓷材料形成，并且含有在该多个电极与该基板应力分布调谐器之间的电连接，其中该多个电极包括第一电极、第二电极和第三电极，并且其中该第二电极位于该第一电极与该第二电极之间并且与该第一电极和该第二电极电隔离，并且该基板应力分布调谐器被配置为独立地调节至少该第二电极和该第三电极相对于RF接地的该RF电压水平，在该基座中的第一RF棒，该第一RF棒将该第一电极电连接至该基板应力分布调谐器，在该基座中的第二RF棒，该第二RF棒将该第二电极电连接至该基板应力分布调谐器，以及在该基座中的第三RF棒，该第三RF棒将该第三电极电连接至该基板应力分布调谐器，其中该基板应力分布调谐器被配置为独立地调节该第一电极、该第二电极和该第三电极相对于RF接地的RF偏压电压水平，其中该基板应力分布调谐器包括：第一调谐电路，该第一调谐电路位于该基板应力分布调谐器内部并且包括至少一个第一可调节电容器，其中该第一调谐电路电连接在该匹配网络与该第二电极之间，以及第二调谐电路，该第二调谐电路位于该基板应力分布调谐器内部，该第二调谐电路包括至少一个第二可调节电容器，其中该第二调谐电路电连接在该匹配网络与该第三电极之间，第一电压传感器，该第一电压传感器电气地定位于该第一可调节电容器与该第二电极之间，以及第二电压传感器，该第二电压传感器电气地定位在该第二可调节电容器与该第三电极之间，其中该基板应力分布调谐器进一步包括：第三调谐电路，该第三调谐电路位于该基板应力分布调谐器内部，该第三调谐电路包括至少一个第三可调节电容器，其中该第三调谐电路电连接在该匹配网络与该第一电极之间，第三电压传感器，该第三电压传感器电气地定位在该第三可调节电容器与该第一电极之间，其中该第一电极具有圆盘形状，该第二电极具有比该圆盘形状更大的第一环形形状，并且该第三电极具有比该第一环形形状更大的第三环形形状；应力检测器，该应力检测器被配置为确定至少一个基板的至少一个应力分布，以及应力控制器，该应力控制器被配置为从该应力检测器接收该至少一个基板的该至少一个应力分布，并且经由该基板应力分布调谐器独立地调节该多个电极中的每一个电极的RF偏压电压水平，和/或其中该应力检测器原位地位于该PVD腔室中，或者异位地远离该PVD腔室。
在一些实施方式中，一种用于在沉积期间调节膜特性的设备可包括：基座，该基座被配置为在PVD腔室中处理期间支撑基板，并且被配置为位于该PVD腔室的处理容积下方，具有圆盘形状第一电极，该第一电极位于该基座的中心区域中且靠近该基座的最上表面，其中该第一电极被配置为接受来自基板应力分布调谐器的第一RF偏压电压调节，具有第一环形形状第二电极，该第二电极围绕该第一电极且靠近该基座的最上表面，并与该第一电极电隔离，其中该第二电极被配置为接受来自该基板应力分布调谐器的第二RF偏压电压调节，以及具有第二环形形状第三电极，该第三电极围绕该第二电极且靠近该基座的最上表面，并与该第二电极电隔离，其中该第三电极被配置为接受来自该基板应力分布调谐器的第三RF偏压电压调节。
在一些实施方式中，该设备可进一步包括：其中第一电极、第二电极和第三电极通过气隙或电绝缘材料电隔离，在该基座中的第一RF棒，该第一RF棒被配置为将该第一电极电连接至该基板应力分布调谐器，在该基座中的第二RF棒，该第二RF棒被配置为将该第二电极电连接至该基板应力分布调谐器，以及在该基座中的第三RF棒，该第三RF棒被配置为将该第三电极电连接至该基板应力分布调谐器，该基板应力分布调谐器电连接至该第一电极、该第二电极和该第三电极，并且被配置为独立地调节至少该第二电极和该第三电极相对于RF接地的RF电压水平，其中该基板应力分布调谐器包括：第一调谐电路，该第一调谐电路位于该基板应力分布调谐器内部，该第一调谐电路包括至少一个第一可调节电容器，其中该第一调谐电路被配置为电连接至该第二电极，以及第二调谐电路，该第二调谐电路位于该基板应力分布调谐器内部，该第二调谐电路包括至少一个第二可调节电容器，其中该第二调谐电路被配置为电连接至该第三电极。
在一些实施方式中，一种调节基板的应力分布的方法可包括：接收在物理气相沉积(PVD)腔室中处理的至少一个基板的至少一个应力分布；以及基于该至少一个基板的该至少一个应力分布，独立地调节靠近该PVD腔室的基座的表面的多个电隔离的RF偏压电极中的至少一个RF偏压电极的至少一个RF偏压电压水平，使得在该PVD腔室中被随后处理的基板的应力分布的均匀性增加。
在一些实施方式中，该方法可进一步包括：通过改变串联定位于多个电隔离的RF偏压电极中的至少一者与RF偏压电源之间的可调谐电容器的电容值，来独立地调节该至少一个RF偏压电压水平；或者相对于该多个电隔离的RF偏压电极中的不可调节的一个电隔离的RF偏压电极，独立地调节该多个电隔离的RF偏压电极中的一者或多者的至少一个RF偏压电压水平中的一者或多者，以归一化该应力分布。
下面公开了其他及进一步的实施方式。
附图说明
通过参考附图中描绘的本原理的说明性实施方式，可以理解上面简要总结并且下面更详细论述的本原理的实施方式。然而，附图仅示出了本原理的典型实施方式，因此不应被认为是对范围的限制，因为本案原理可以允许其他同等有效的实施方式。
图1描绘了根据本原理的一些实施方式的PVD腔室的截面图。
图2描绘了根据本原理的一些实施方式的具有多个RF偏压区域的基座的等距视图。
图3描绘了根据本原理的一些实施方式的在基座中具有多个RF偏压区域的PVD腔室的截面图。
图4描绘了根据本原理的一些实施方式的具有可单独调谐的中间和外部RF偏压区域的PVD腔室的截面图。
图5描绘了根据本原理的一些实施方式的晶片应力水平的曲线图。
图6是根据本案原理的一些实施方式的偏压晶片以归一化应力水平的方法。
图7描绘了根据本原理的一些实施方式的PVD腔室的等效电路。
图8描绘了根据本原理的一些实施方式的晶片应力水平的曲线图。
为了促进理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共用的元件。附图不是按比例绘制的，并且为了清楚起见可以简化。一个实施方式的元件和特征可以有益地结合到其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
该方法与设备使得能够在以物理气相沉积(PVD)方式沉积的材料中实现更均匀的应力水平。均匀的应力水平的存在对于通过磁控溅射沉积生产压电材料尤其重要，但不限于此。本原理通过利用基座设计产生了均匀的应力水平，该基座设计使用由嵌入到基座加热器的上表面中或基座的盖中的多个RF偏压电极产生的多个RF偏压区域。在一些实施方式中，PVD溅射沉积工具中的基座盖被分成几个区域，这些区域通过大小为约几毫米的间隙彼此电隔离。来自RF偏压电源的RF偏压功率经由独立的RF偏压控制系统或调谐器施加至每个区域，每个区域的功率可通过调谐每个区域的系统阻抗来调节。独立的RF偏压功率区域控制提供了基于需求的RF偏压，并且主动改变了每个区域的RF偏压功率。因此，RF偏压区域控制有效地拉平应力分布，并减小了应力范围。
在大多数使用单个电极来偏压基板的PVD腔室中，本发明人发现形成了“W”应力分布512，诸如图5的曲线图500所示。使用单个电极，可以为整个基板调节RF偏压。因为基板表面上的等离子体能量分布不均匀并且磁场强度不同，所以结果是具有峰和谷的应力分布，如曲线图500中所示。竖直轴线504表示在方向520上增加的以MPa为单位的应力。水平轴线502表示距基板的中心轴线506的不断增加的径向距离522。在基板的中心区域或零点中，图示了第一应力峰514。第一应力峰514通常是基板中发现的最高应力水平。在距基板中心的中点508处，发现了应力的最低水平516。该应力水平朝着基板的边缘510再次上升至第二应力峰518，从而形成“W”分布形状。在一些单电极PVD腔室中，本发明人发现了类似于图8的曲线图800中所示的边缘高应力分布812。竖直轴线804表示在方向820上增加的以MPa为单位的应力。水平轴线802表示距基板中心轴线806的不断增加的径向距离822。在基板的中心区域或零点中，第一应力峰814的应力比基板的外边缘要低得多。第一应力峰814通常接近基板中发现的最低应力水平。在中点808附近发现了应力的最低水平816。在高边缘应力分布中，应力水平实质上在基板的边缘810处上升至第二应力峰818，从而形成边缘高分布形状。
扁平或均匀的线524和均匀的线824代表期望的应力均匀性水平(减少的峰)。理想地，均匀的线524和均匀的线824两者将是均匀的，并且处于可能的最低总应力水平。本发明人试图通过首先确定应力背后的影响力并探索如何使应力水平更均匀来解决非均匀的应力分布的技术问题。本发明人发现，不稳定的应力水平是由多种因素引起的，包括不均匀的等离子体、磁控管中磁体的旋转产生不均匀的磁场，以及整个基板的单一源RF偏压。本发明人发现，应力水平直接受到RF偏压的量的影响，并且通过实施RF偏压“区域”，可成型不稳定的应力水平，从而使得基板的应力分布更加均匀。简而言之，增加区域中的RF偏压会减少基板中该点处的应力的量，而减少区域中的RF偏压会增加基板中的该点处的应力的量。
若使用例如但不限于三个区域，则中心区域可以具有增加的RF偏压以降低第一应力峰514的应力水平，而外部区域可以具有稍微小一些的增加的RF偏压以降低第二应力峰518的应力水平，从而增加了图5中“W”应力分布情况的应力水平均匀性。在一些情况下，若需要，则中点区域可以具有降低的RF偏压水平以允许应力水平略微增加，从而有助于获得均匀的应力分布以提高基板上的结构的性能。例如，若使用三个区域并将其应用于图8的示例，则中心区域可以具有略微减小的RF偏压以提高第一应力峰814的应力水平，而外部区域可以具有增大的RF偏压以降低基板边缘处的第二应力峰818的应力水平，从而提高边缘高应力分布情况下图8中的应力水平均匀性。若需要，中点区域可以具有降低的RF偏压水平以允许应力水平略微增加，从而有助于获得更均匀的应力分布以提高基板上的结构的性能。
本领域技术人员将会理解，尽管为了解释概念的简洁和简单起见，所图示和描述的示例使用了三个区域，但是任何数量的区域都可以用于本文所述的方法与设备。图1描绘了根据一些实施方式的PVD腔室100的截面图。PVD腔室100代表示例性腔室(不意欲为限制性的)，本原理的方法与设备可以结合在该示例性腔室中。PVD腔室100可用于例如但不限于将基于氮化铝的材料(用于微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)型元件等)和其他材料沉积至可包含半导体结构的基板110上。PVD腔室100包括腔室主体102和源190，源190包括磁控管组件104和靶112。基板110搁置在基座192的顶部上的盖108上，基座192具有或不具有由基座支撑件106支撑的静电卡盘(electrostatic chuck,ESC)。一种或多种气体可以从气体源184供应至PVD腔室100的处理容积118中。泵182连接至PVD腔室100，以用于排空PVD腔室100的内部并有助于维持PVD腔室100内部的期望压力。
在处理容积118的顶部处的是带有背板或上部电极114的靶112。在一些实施方式中，靶112可以是铝或导电金属或导电金属化合物，其中靶112也可以充当上部电极。DC电源128经由上部电极114向靶112提供DC功率，以在处理期间溅射靶112。在一些实施方式中，脉冲DC电源128可以提供脉冲DC功率等。上部电极114可包含导电材料，诸如Mo、Mo-Ti、Ru、Ru-Ti、Pt、Pt-Ti、铜-锌、铜-铬、或与靶112相同的材料，使得DC功率可以经由上部电极114耦合至靶112。或者，上部电极114可以是非导电的，并且可以包括导电元件(未图示)，诸如电馈通等。上部电极114可以是盘形、矩形、正方形、或PVD腔室100可以容纳的任何其他形状。上部电极114被配置为支撑靶112，使得靶112的前表面在存在时与基板110相对。靶112可以通过任何合适的方式耦接至上部电极114。例如，在一些实施方式中，靶112可以扩散结合至上部电极114。
为了提供有效的溅射，磁控管组件104被设置在靶112上方。磁控管组件104可以设置在位于靶112上方的磁控管空腔132中。磁控管组件104包括多个磁体120、122，以在腔室主体102内产生磁场。多个磁体120、122可以通过背板134耦接。每个磁体120可以被布置为使得一个极面向靶112，并且每个磁体122可以被布置为使得另一个极面向靶112。例如，如图1所示，每个磁体120被布置为使得南极面向靶112，并且每个磁体122被布置为使得北极面向靶112。如图1所示，磁体120和磁体122可以沿着磁控管组件104的纵向尺寸(在X轴线方向上)交替布置。在一些实施方式中，一对相邻的磁体120、122可以用单个U形磁体代替，并且磁控管组件104包括多个U形磁体。在一个实施方式中，磁控管组件104围绕中心轴线154旋转，因此中心轴线154也是磁控管组件104的旋转轴线。磁控管组件104耦接至由马达174驱动的轴138。马达174也能够沿着Z轴线移动磁控管组件104。在一个实施方式中，如图1所示，磁控管组件104被定位为使得中心轴线154是磁控管组件104的纵向尺寸的对称轴线。
RF偏压电源126可以耦接至第一电极160、第二电极162和第三电极164，以便在基板110上感应分区偏压控制。第一电极160、第二电极162和第三电极164经由应力分布调谐器166馈送RF偏压功率，应力分布调谐器166经由匹配网络168控制由来自RF偏压电源126的RF偏压功率馈送至每个单独区域的偏压功率的量，匹配网络168例如是自动补偿阻抗负载以最大化RF偏压电源126的功率传输的自动匹配。例如，由RF偏压电源126供应的RF能量的频率可以在从约2MHz至约60MHz的范围内，例如，可以使用诸如2MHz、13.56MHz、或60MHz的非限制性频率。在一些实施方式中，RF功率可以由RF偏压电源126在从约几十瓦至几百瓦的范围内供应。在一些实施方式中，由RF偏压电源126供应的RF功率可以是约几千瓦至10kW。在一些实施方式中，DC或脉冲DC电源128可以提供范围从约1kW至约20kW的DC或脉冲DC功率。在一些实施方式中，DC或脉冲DC电源128可以提供范围从约20kW至约60kW的DC或脉冲DC功率。在其他应用中，基座192可以接地或保持电浮动。
PVD腔室100也包括处理套件屏蔽件或屏蔽件152，以围绕PVD腔室100的处理容积118，并以保护其他腔室部件免受处理的损坏和/或污染。在一些实施方式中，屏蔽件152可以在最上方点196处接地至腔室主体，以提供RF接地返回路径。屏蔽件152向下延伸，并且可包括具有大致恒定的直径的大致管状部分，该大致管状部分大致围绕处理容积118。屏蔽件152沿着腔室主体102的壁向下延伸至盖108的最上表面198。
控制器144可以被提供并耦接至PVD腔室100的各种部件，以控制PVD腔室100的操作。控制器144包括中央处理单元(central processing unit,CPU)146、存储器148、和支援电路150。控制器144可以直接控制PVD腔室100，或者经由与特定处理腔室和/或支援系统部件相关联的计算机(或控制器)来控制PVD腔室。控制器144可以是可在工业环境中用于控制各种腔室和子处理器的任何形式的通用计算机处理器中的一者。控制器144的存储器或计算机可读取介质148可以是一个或多个容易获得的存储器，诸如随机存取存储器(randomaccess memory,RAM)、只读存储器(read only memory,ROM)、软盘、硬盘、光学储存介质(例如，光盘或数字视频光碟)、闪存驱动器、或任何其他形式的本地或远程数字储存装置。支援电路150耦接至CPU 146以用于以已知方式支援处理器。这些电路包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路系统和子系统等。控制PVD腔室100的方法和/或过程可以作为软件例程储存在存储器148中，该软件例程可以被执行或调用来以本文所述的方式控制PVD腔室100的操作。软件例程也可以由远离由CPU 146控制的硬件定位的第二CPU(未图示)储存和/或执行。例如，在一些实施方式中，配方和/或应力分布可以储存在控制器144中，并且控制器144可以与应力分布调谐器166对接以促进控制施加至基板110的分区RF偏压。
图2描绘了根据一些实施方式的具有多个RF偏压区域的基座192的等距视图200。基座192包括盖108，盖108被配置为支撑基板110并容纳第一电极160、第二电极162和第三电极164。在一些实施方式中(未图示)，第一电极160、第二电极162和第三电极164可以包括在基座支撑件106顶上的基座加热器组件中。第一电极160、第二电极162和第三电极164分别经由电连接202、204、206电连接至应力分布调谐器166。在一些实施方式中，第一电极与第二电极210之间的间距为约几毫米。在一些实施方式中，第二电极与第三电极之间的间距212为约几毫米。在一些实施方式中，间距212是气隙或填充有电绝缘材料。该间距经选择以使得该间距足够大，以确保在第一电极、第二电极与第三电极之间维持电绝缘，但不会相距太远，以免在各电极之间出现偏压“死区”或减小的偏压区域。
图3描绘了根据一些实施方式的在基座中具有多个RF偏压区域的PVD腔室302的截面图300。PVD腔室302包括上部电极304，上部电极304连接至用于产生等离子体312的DC电源306、处理容积308、和基座310。基座310包括第一电极314、第二电极316和第三电极318。第一电极314、第二电极316和第三电极318分别电连接至第一RF棒320、第二RF棒322和第三RF棒324。第一RF棒320、第二RF棒322和第三RF棒324电连接至应力分布调谐器326，应力分布调谐器326经由匹配网络330(诸如自动匹配)电连接至RF偏压电源328。在一些实施方式中，应力分布调谐器326包括第一调谐电路，该第一调谐电路包括与第一RF棒320和匹配网络330电串联的第一电感器332和第一可调谐电容器334。应力分布调谐器326也包括第二调谐电路，该第二调谐电路包括与第二RF棒322和匹配网络330电串联的第二电感器336和第二可调谐电容器338。应力分布调谐器326亦包括第三调谐电路，该第三调谐电路包括与第三RF棒324和匹配网络330电串联的第三电感器340和第三可调谐电容器342。应力分布调谐器326通过调节电容来改变施加到电极中的每个电极的偏压功率的量，从而独立地调节每个电极的谐振。通常，在给定频率下谐振越多，则提供的RF偏压功率就越大。为了确定用可调谐电容器调节谐振的程度，使用电压/电流(voltage/current,VI)传感器来确定每个电极的RF电压。第一VI传感器344电连接在第一RF棒320与第一电感器332之间，第二VI传感器346电连接在第二RF棒322与第二电感器336之间，并且第三VI传感器348电连接在第三RF棒324与第三电感器340之间。在一些实施方式中，应力分布调谐器326可以仅具有用于调节第一电极314的第一可调谐电容器334、用于调节第二电极316的第二可调谐电容器338和用于调节第三电极318的第三可调谐电容器342，而没有第一电感器332、第二电感器336和第三电感器340。
应力分布调谐器326使用每个电极的RF电压水平来单独调节施加到电极的RF偏压以形成更均匀的应力分布。每个电极上的RF偏压的单独调节可以基于先前的应力分布、配方要求或膜沉积要求等而手动或自动调节。例如，在一些实施方式中，可以使用伺服机构，该伺服机构接受来自控制器(例如，应力控制器350、控制器144等)的电信号，并随后机械地调节与电极电串联的可变电容器以改变电极的阻抗。也可以基于腔室参数等(所使用的磁控管、靶至晶片的距离、功率范围、功率类型等)进行调节。在一些实施方式中，可以使用应力控制器350。应力控制器350可以是用于应力分布变化的专用控制器，其包括CPU 352、存储器354和支援电路356。在一些实施方式中，应力控制器350也可以驻留于系统控制器内，诸如图1所示的控制器144。在一些实施方式中，应力控制器350可以嵌入在应力分布调谐器326中。在一些实施方式中，压力控制器350可以诸如从配方处理、测试数据等接受关于压力分布的使用者输入和/或系统输入。在一些实施方式中，应力控制器350也可以从应力检测器358接收应力分布和/或关于应力的信息。应力检测器358可以与PVD腔室302异位。换言之，样品基板可以被送出进行分析，且随后信息可以被反馈至应力控制器350中以确定所基于的电极的RF偏压变化。压力控制器350也可以在做出调节决策之前将接收到的信息与历史数据进行比较。在一些实施方式中，应力检测器358可以原位处于PVD腔室中。如此，可以或多或少地即时获得应力分布和/或信息，并反馈至应力控制器350以用于评估和确定RF偏压的变化，从而在PVD腔室中被随后处理的基板中产生快得多的应力分布变化。
图4描绘了根据一些实施方式的PVD腔室402的截面图400，其中中间和外部RF偏压区域是单独可调谐的。PVD腔室402包括上部电极404，上部电极404连接至用于产生等离子体412的DC电源406、处理容积408、和基座410。基座410包括第一电极414、第二电极416和第三电极418。第一电极414、第二电极416和第三电极418分别电连接至第一RF棒420、第二RF棒422和第三RF棒424。第一RF棒420、第二RF棒422和第三RF棒424电连接至应力分布调谐器426，应力分布调谐器426经由匹配网络430(诸如自动匹配)电连接至RF偏压电源428。在一些实施方式中，应力分布调谐器426包括第一调谐电路，该第一调谐电路包括与第二RF棒422和匹配网络430电串联的第一电感器436和第一可调谐电容器438。应力分布调谐器426也包括第二调谐电路，该第二调谐电路包括与第三RF棒424和匹配网络430电串联的第二电感器440和第二可调谐电容器442。应力分布调谐器426通过调节电容以改变施加到第二电极416和第三电极418中的每一者的偏压功率的量，来相对于第一电极414中的RF偏压功率的量独立地调节第二电极416和第三电极418中的每一者的谐振。通常，在给定频率下谐振越多，则提供的RF偏压功率就越大。为了确定用可调谐电容器调节谐振的程度，使用电压/电流(VI)传感器来确定第二电极416和第三电极418中的每一者的RF电压。第一VI传感器446电连接在第二RF棒422与第一电感器436之间，并且第二VI传感器448电连接在第三RF棒424与第二电感器440之间。在一些实施方式中，应力分布调谐器426可以仅具有用于调节第二电极416的第一可调谐电容器438和用于调节第三电极418的第二可调谐电容器442，而没有第一电感器436和第二电感器440。
应力分布调谐器426使用第二电极416和第三电极418中的每一者的RF电压水平来单独调节施加到第二电极416和第三电极418的RF偏压，以形成相对于第一电极414(非电容可调的RF偏压电极)的更均匀应力分布。第二电极416和第三电极418的每一者上的RF偏压的单独调节可以基于先前的应力分布、配方要求或薄膜沉积要求等手动或自动地调节。例如，在一些实施方式中，可以使用伺服机构，该伺服机构接受来自控制器(例如，应力控制器450、控制器144等)的电信号，并随后机械地调节与电极电串联的可变电容器以改变电极的阻抗。也可以基于腔室参数等(所使用的磁控管、靶至晶片的距离、功率范围、功率类型等)进行调节。在一些实施方式中，可以使用应力控制器450。应力控制器450可以是用于应力分布变化的专用控制器，其包括CPU 452、存储器454和支援电路456，如上文针对图1的控制器144所述。在一些实施方式中，应力控制器450也可以驻留于系统控制器(诸如控制器144)内。在一些实施方式中，应力控制器450可以嵌入在应力分布调谐器426中。在一些实施方式中，应力控制器450可以诸如从配方处理、测试数据等接受关于压力分布的使用者输入和/或系统输入。在一些实施方式中，应力控制器450也可以从应力检测器458接收应力分布和/或关于应力的信息。应力检测器458可以与PVD腔室402异位。换言之，样品基板可以被送出进行分析，且随后信息可以被反馈至应力控制器450中以确定所基于的电极的RF偏压变化。压力控制器450也可以在做出调节决策之前将接收到的信息与历史数据进行比较。在一些实施方式中，应力检测器458可以原位处于PVD腔室中。如此，可以或多或少地即时获得应力分布和/或信息，并反馈至应力控制器450以用于评估和确定RF偏压的变化，从而在PVD腔室中随后处理的基板中产生快得多的应力分布变化。
为了更好地理解应力分布调谐器702的操作，在图7中描绘了PVD腔室的等效电路700。为了简洁起见，等效电路描绘了经由单个RF棒704调谐单个电极的应力分布调谐器702。应力分布调谐器702包括可调谐电容(Ct)710、电感(Lt)712、和电阻(Rt)714。RF棒704具有电感(Lr)718和电阻(Rr)720。晶片706具有电容(Cw)722和电阻(Rw)746。PVD腔室的处理容积708具有带有电阻(Rp)734的等离子体732。等离子体732具有带有并联的电容(Cs2)730和电阻(Rs2)728的上部等离子体鞘。等离子体732具有带有并联的电容(Cs1)726和电阻(Rs1)724的下部等离子体鞘。
应力分布调谐器702调制到电极的每一者的RF路径阻抗，从而导致至不同电极中的每个电极的RF电压不同。例如，当可调谐电容(Ct)710改变时，总阻抗Ztot 736(总输入阻抗)改变，而阻抗ZwpG 738(晶片顶部至等离子体至接地)保持相对不变(等离子体732主要由施加到PVD腔室中的上部电极的DC功率744驱动和确定)。经由分压器，Vwft 740(晶片顶部处的电压)除以V0 742(输入电压)等于阻抗ZwpG 738除以总阻抗Ztot 736。因此，直接施加至沉积的膜上的Vwft 740相应地改变。当沿着从输入电压V0 742指示的位置经由应力分布调谐器702和RF棒704到达晶片706的顶部的RF路径的电容阻抗等于沿着相同路径的电感阻抗的幅值时，达到串联谐振，使得该两个阻抗被抵消，这导致沿着该路径的最低阻抗。由于总阻抗Ztot被调谐至最低，所以Vwft 740上的最大RF电压由ZwpG 738比Ztot 736(分母)的分压器实现。VI传感器716可用于测量RF电极的基部的电压，该电压可用于外推Vwft740，而不需要将VI传感器嵌入基座中，从而降低了基座的复杂性并降低了成本。VI传感器716通过允许应力分布调谐器702在应力达到峰值的区域维持较高的电压并在应力下降的区域保持较低的电压，从而允许对膜应力分布的闭环控制。施加在基板或晶片的顶部上的RF电压将直接驱动离子轰击进入沉积的膜，从而使膜致密化并改变膜的应力。较高的RF电压值倾向于以压缩方式驱动膜应力(降低或变为负值)。较低的RF电压值倾向于使膜应力拉伸(增加或变为正值)。因此，晶片上的膜应力可以在与每个电极相关联的区或区域中被局部调制。当应力分布在每个区域中被单独地调制和补偿时，可以获得更好的膜应力均匀性。
图6是根据一些实施方式的使晶片偏压以归一化应力水平的方法600。在方块602中，接收在物理气相沉积(PVD)腔室中处理的至少一个基板的至少一个应力分布。应力分布图可来自测试测量设置，该测试测量设置与PVD腔室异位或原位处于PVD腔室内。测试测量设置可包括X光萤光(X-ray fluorescence,XRF)光谱处理等。使用原位XRF测试的优点是在单独电极中的RF偏压调节与给定基板中实现的应力分布之间接近即时的反馈。应力分布信息可用于手动或自动调节各个电极。在方块604中，基于至少一个应力分布，独立地调节靠近PVD腔室的基座的表面的多个电隔离的RF偏压电极中的至少一者的至少一个RF偏压电压水平，使得PVD腔室中被随后处理的基板的应力分布的均匀性增加。在一些实施方式中，方法600可进一步包括通过改变串联定位在多个电隔离的RF偏压电极中的至少一者与RF偏压电源之间的可调谐电容器的值，来独立地调节至少一个RF偏压电压水平。在一些实施方式中，方法600可包括相对于多个电隔离的RF偏压电极中的不可调节的一个电隔离的RF偏压电极，独立地调节多个电隔离的RF偏压电极中的至少一者的一个或多个的至少一个RF偏压电压水平中的一者或多者，以归一化该应力分布。在一些实施方式中，VI传感器可以用于每个单独的电极，以确定电极中的每个电极上的RF电压水平。
根据本原理的实施方式可以用硬件、固件、软件或其任意组合来实施。实施方式也可以实施为使用一个或多个计算机可读取介质储存的指令，这些指令可以由一个或多个处理器读取及执行。计算机可读取介质可以包括用于以机器(例如，计算平台或在一个或多个计算平台上运行的“虚拟机”)可读的形式储存或传输信息的任何机构。例如，计算机可读取介质可包括任何合适形式的易失性或非易失性存储器。在一些实施方式中，计算机可读取介质可以包括非暂时性计算机可读取介质。
尽管上文涉及本原理的实施方式，但是在不脱离本原理的基本范围的情况下，可以设计本原理的其他及进一步的实施方式。

Claims (20)

1.一种用于在沉积期间调节膜特性的设备，包括：
物理气相沉积(PVD)腔室，所述PVD腔室具有处理容积；
上部电极，所述上部电极位于所述PVD腔室中并位于所述处理容积上方并且连接至直流(DC)电源，所述DC电源被配置为在所述处理容积内产生等离子体；
基座，所述基座被配置为在所述PVD腔室中处理期间支撑基板并且位于所述处理容积下方；
盖，所述盖被配置为支撑基板，所述基板位于所述基座的最上表面上，其中所述盖包括多个电极；
基板应力分布调谐器，所述基板应力分布调谐器电连接至所述多个电极中的每个电极并且被配置为独立地调节所述多个电极中的至少一个电极相对于RF接地的RF电压水平；以及
RF偏压源，所述RF偏压源经由匹配网络电连接至所述基板应力分布调谐器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述DC电源是脉冲DC电源。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述PVD腔室包括磁控管组件，所述磁控管组件被配置有位于所述上部电极上方的至少一个旋转永磁体。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述基座由陶瓷材料形成，并且含有在所述多个电极与所述基板应力分布调谐器之间的电连接。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个电极包括第一电极、第二电极和第三电极，并且其中所述第二电极位于所述第一电极与所述第二电极之间并且与所述第一电极和所述第二电极电隔离，并且所述基板应力分布调谐器被配置为独立地调节至少所述第二电极和所述第三电极相对于RF接地的所述RF电压水平。
6.根据权利要求5所述的设备，进一步包括：
在所述基座中的第一RF棒，所述第一RF棒将所述第一电极电连接至所述基板应力分布调谐器；
在所述基座中的第二RF棒，所述第二RF棒将所述第二电极电连接至所述基板应力分布调谐器；以及
在所述基座中的第三RF棒，所述第三RF棒将所述第三电极电连接至所述基板应力分布调谐器。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述基板应力分布调谐器被配置为独立地调节所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极相对于RF接地的RF偏压电压水平。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述基板应力分布调谐器包括：
第一调谐电路，所述第一调谐电路位于所述基板应力分布调谐器内部并且包括至少一个第一可调节电容器，其中所述第一调谐电路电连接在所述匹配网络与所述第二电极之间；以及
第二调谐电路，所述第二调谐电路位于所述基板应力分布调谐器内部，所述第二调谐电路包括至少一个第二可调节电容器，其中所述第二调谐电路电连接在所述匹配网络与所述第三电极之间。
9.根据权利要求8所述的设备，进一步包括：
第一电压传感器，所述第一电压传感器电气地定位于所述第一可调节电容器与所述第二电极之间；以及
第二电压传感器，所述第二电压传感器电气地定位于所述第二可调节电容器与所述第三电极之间。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述基板应力分布调谐器进一步包括：
第三调谐电路，所述第三调谐电路位于所述基板应力分布调谐器内部，所述第三调谐电路包括至少一个第三可调节电容器，其中所述第三调谐电路电连接在所述匹配网络与所述第一电极之间。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：
第三电压传感器，所述第三电压传感器电气地定位于所述第三可调节电容器与所述第一电极之间。
12.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一电极具有圆盘形状，所述第二电极具有比所述圆盘形状更大的第一环形形状，并且所述第三电极具有比所述第一环形形状更大的第三环形形状。
13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：
应力检测器，所述应力检测器被配置为确定至少一个基板的至少一个应力分布；以及
应力控制器，所述应力控制器被配置为从所述应力检测器接收所述至少一个基板的所述至少一个应力分布，并且经由所述基板应力分布调谐器独立地调节所述多个电极中的每一个电极的RF偏压电压水平。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述应力检测器原位地位于所述PVD腔室中，或者远离所述PVD腔室。
15.一种用于在沉积期间调节膜特性的设备，包括：
基座，所述基座被配置为在PVD腔室中处理期间支撑基板，并且被配置为位于所述PVD腔室的处理容积下方；
具有圆盘形状的第一电极，所述第一电极位于所述基座的中心区域中且靠近所述基座的最上表面，其中所述第一电极被配置为接受来自基板应力分布调谐器的第一RF偏压电压调节；
具有第一环形形状的第二电极，所述第二电极围绕所述第一电极且靠近所述基座的最上表面，并与所述第一电极电隔离，其中所述第二电极被配置为接受来自所述基板应力分布调谐器的第二RF偏压电压调节；以及
具有第二环形形状的第三电极，所述第三电极围绕所述第二电极且靠近所述基座的最上表面，并与所述第二电极电隔离，其中所述第三电极被配置为接受来自所述基板应力分布调谐器的第三RF偏压电压调节。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极通过气隙或电绝缘材料电隔离。
17.根据权利要求15所述的设备，进一步包括：
在所述基座中的第一RF棒，所述第一RF棒被配置为将所述第一电极电连接至所述基板应力分布调谐器；
在所述基座中的第二RF棒，所述第二RF棒被配置为将所述第二电极电连接至所述基板应力分布调谐器；以及
在所述基座中的第三RF棒，所述第三RF棒被配置为将所述第三电极电连接至所述基板应力分布调谐器。
18.根据权利要求15所述的设备，进一步包括：
所述基板应力分布调谐器，所述基板应力分布调谐器电连接至所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极，并且被配置为独立地调节至少所述第二电极和所述第三电极相对于RF接地的RF电压水平，并且
其中所述基板应力分布调谐器包括：
第一调谐电路，所述第一调谐电路位于所述基板应力分布调谐器内部，所述第一调谐电路包括至少一个第一可调节电容器，其中所述第一调谐电路被配置为电连接至所述第二电极；以及
第二调谐电路，所述第二调谐电路位于所述基板应力分布调谐器内部，所述第二调谐电路包括至少一个第二可调节电容器，其中所述第二调谐电路被配置为电连接至所述第三电极。
19.一种调节基板的应力分布的方法，包括以下步骤：
接收在物理气相沉积(PVD)腔室中处理的至少一个基板的至少一个应力分布；以及
基于所述至少一个基板的所述至少一个应力分布，独立地调节靠近所述PVD腔室的基座的表面的多个电隔离的RF偏压电极中的至少一个RF偏压电极的至少一个RF偏压电压水平，使得在所述PVD腔室中被随后处理的基板的应力分布的均匀性增加。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过改变串联定位于多个电隔离的RF偏压电极中的至少一者与RF偏压电源之间的可调谐电容器的电容值，来独立地调节所述至少一个RF偏压电压水平；或者
相对于所述多个电隔离的RF偏压电极中的不可调节的一个电隔离的RF偏压电极，独立地调节所述多个电隔离的RF偏压电极中的一者或多者的至少一个RF偏压电压水平的一者或多者，以归一化所述应力分布。
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