CN1511334A - 用于控制施加于等离子体发生器中静电屏的电压的装置及方法 - Google Patents

用于控制施加于等离子体发生器中静电屏的电压的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于控制施加于一屏蔽的电压的装置，其中该屏蔽置于通过一匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，该装置包括屏蔽、第一反馈电路以及第二反馈电路。该电源为该屏蔽提供动力。该第一反馈电路与该感应线圈相连用来控制该电源。该第二反馈电路与该屏蔽相连用来控制该屏蔽的电压。第一反馈电路与第二反馈电路两者均工作于不同的频率范围。该第一反馈电路进一步包括第一控制器以及第一传感器。该第一传感器将表示提供给该感应线圈的该功率的第一信号发送给该第一控制器。该第一控制器调整该电源使得提供给该感应线圈的该功率由第一调整点所控制。该第二反馈电路进一步包括第二传感器、第二控制器以及可变阻抗网络。该屏蔽通过可变阻抗网络来提供动力。该第二传感器将表示该屏蔽的该电压的第二信号发送给该第二控制器。该第二控制器调整该可变阻抗网络使得该屏蔽的该电压由第二调整点所控制。

Description

用于控制施加于等离子体发生器中静电屏的 电压的装置及方法
交叉引用
本申请案是美国专利申请案序号09/676,462(存档日期为2000年9月29日)的一个部分接续申请案，而美国专利申请案序号09/676,462依次为美国专利申请案序号09/608,883(存档日期为2000年6月30日)的一个部分接续申请案，一般而言，两者均附上而被受让。
技术领域
本发明涉及一等离子体处理装置。具体而言，本发明涉及用于控制施加于一置于感应线圈与等离子体之间静电屏的电压的一种方法及装置。
背景技术
感应耦合型干法刻蚀系统通常应用于半导体制造工业。该干法刻蚀装置一般具有带有电介质墙天花板的处理室，其上布置了环形或者螺旋形射频(RF)天线。
有几种用于激励带有RF场的等离子体的现有技术，其中包括电容耦合、感应耦合以及波加热。在一标准感应耦合等离子体(ICP)发生器中，RF电流通过线圈而在一等离子体中产生电磁流感应。这些电流通过欧姆加热方式对该导电等离子体进行加热以使得其维持在稳定状态。典型地，该电流通过作为变压器的该主线圈的线圈。该等离子体作为该变压器的一单圈旋转副线圈。
在等离子体处理中，该RF天线与该处理室中所激励的等离子体不但产生感应耦合而且产生电容耦合。因此，由比如石英所构成的该电介质墙的内表面暴露于靠近该RF天线的该处理室内部空气中，并且带有相对于该等离子体的负偏压。由于该等离子体与该电介质墙的该暴露内表面之间的电势差，该等离子体中的正离子与该暴露内表面相碰撞同时被加速。结果，问题产生了：该处理室中产生了污染物并且该电介质墙很快就被破坏了。
为了解决这些问题，导电法拉第屏蔽通常布置于电介质窗口与RF天线下的绝缘层之间。在该RF天线与该等离子体之间产生的该电容耦合就被该法拉第屏蔽所破坏，以使得该电介质墙暴露的该内表面受到保护而免受来自该等离子体被加速的正离子的碰撞。该法拉第屏蔽较佳地与RF电势源相连接以控制其相对电势或者偏压。如图1所示，一种选择就是将该屏蔽连接到该天线的一点上，在此情况下该屏蔽工作于与该线圈相同的频率。然而，在该线圈外所耦合的该电流减少了与该等离子体的磁耦合。虽然这种提供动力方案简单并且有效率，但因此方法变量的控制受到限制。
如图2所示，另一可选的提供动力方案使用了外部第二辅助RF电源，其与向该线圈提供动力的该主电源相隔离。此方案的优点在于：可以选择与该天线不同的频率来操作该屏蔽、在该屏蔽与该线圈电路之间实质上更小的相互作用以及控制的简易。
因此，就需要一种装置及方法来独立控制由单个电源来提供动力的该天线电流以及该法拉第屏蔽的该电压。
发明内容
一种用于控制施加于一屏蔽的该电压的装置，其中该屏蔽置于通过一匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，该装置包括屏蔽、第一反馈电路以及第二反馈电路。该电源为该屏蔽提供动力。该第一反馈电路与该感应线圈相连用来控制该电源。该第二反馈电路与该屏蔽相连用来控制该屏蔽的电压。第一反馈电路与第二反馈电路两者均工作于不同的频率范围。该第一反馈电路进一步包括第一控制器以及第一传感器。该第一传感器将表示提供给该感应线圈的该功率的第一信号发送给该第一控制器。该第一控制器调整该电源使得提供给该感应线圈的该功率由第一调整点所控制。该第二反馈电路进一步包括第二传感器、第二控制器以及可变阻抗网络。该屏蔽通过可变阻抗网络来提供动力。该第二传感器将表示该屏蔽的该电压的第二信号发送给该第二控制器。该第二控制器调整该可变阻抗网络使得该屏蔽的该电压由第二调整点所控制。
附图说明
这些附图被并入到本说明书并且构成了本说明书的一部分。其阐明了本发明的一个或多个带有该详细描述的实施例并且用于解释本发明的原理以及实现。
附图中：
图1为阐明根据现有技术由单个电源提供动力的天线以及法拉第屏蔽的示意图。
图2为根据现有技术由第一电源提供动力的天线以及由第二电源提供动力的法拉第屏蔽的示意图。
图3为阐明根据本发明的具体方面由单个电源提供动力的天线以及法拉第屏蔽的示意图。
图4为阐明根据本发明的具体方面用于独立控制由单个电源提供动力的该天线的功率以及该屏蔽的电压的方法的流程图。
图5为阐明根据本发明的具体方面功率控制器的算法的流程图。
图6为阐明根据本发明的具体方面电压控制器的算法的流程图。
具体实施方式
在用于控制施加于一置于感应线圈与所发生的该等离子体之间的静电屏的电压的装置及方法的上下文中描述了本发明的实施例。所属技术领域的技术人员将认识到本发明的如下详细描述仅仅用于阐述而非希望以任何方式进行限制。本发明的其它实施例乐意将其建议给所属技术领域的技术人员并使其受益于本发明。如附图所示，本发明的实现将有详细参考。通过所有附图以及如下详细描述，相同的参考指标将被用于指代相同或相似部分。
考虑到清晰明了，此处描述的实现中并非所有的常规特征均被显示及描述。当然，应当了解到在任何如此实际的实现的开发中，必须作出大量的具体实现的决定以实现该开发者的具体目标，例如顺从于与申请案相关以及与商业相关的约束，并且这些具体目标将因为不同的实现以及不同的开发者而发生变化。此外，应当了解到这样一个开发可能会很复杂并且相当耗时，但是对于受益于本发明的所属技术领域的技术人员而言仍然是工程的一个常规任务。
根据本发明，组件、处理步骤以及/或者数据结构可使用不同类型的操作系统、计算平台、计算机程序以及/或者通用机床来实现。此外，所属技术领域的技术人员应当认识到具有一较少通用特征的那些装置，例如硬件装置、现场可编程门阵列(FPGAs)、专用集成电路(ASICs)、或者类似也可在不脱离此处所揭示的发明概念的该范围及精神而使用。
图3为阐明根据本发明的一具体方面由单个电源306提供动力的天线302以及法拉第屏蔽304的示意图。该电源306优选地通过匹配网络308对例如一螺旋线圈形状的该天线306发生射频(RF)电流。第一反馈电路包括电连接到功率控制器312的传感器310。该传感器310可以是任何能够测量功率或者电流的传感器。该传感器与电源线314中的一根线相耦合，优选地产生磁耦合，而该电源线将匹配网络308与该天线302连接起来。该功率控制器314监视通过该天线302的该电流或者功率，并且基于从该传感器310所获得的该信号来调整该电源306以产生需要的电流或者功率。此信号可被用作为一反馈来与外部调整点316以及/或者该匹配网络308设定值进行比较，以使得通过该天线的电流或者功率保持稳定。或者，该匹配网络308可允许跟踪该天线变化，使用标准自动调谐算法，或者其可在一固定值处保持固定，或者转换以预调固定值。关于这些算法的进一步细节在图5中有描述。
请注意该法拉第屏蔽表示的是可作为法拉第屏蔽的任何金属板。该屏蔽304置于该天线306与等离子体室(未显示)之上的ICP窗口(未显示)之间并且实际上与该ICP窗口平行。该屏蔽304由来自该天线302的分流能源提供动力。本质上该屏蔽304与该天线302电路并联运行作为一载荷，在该天线302的输入端或者终端拾取一高压点。该屏蔽304优选地通过一可变阻抗组件或者网络318来较佳地连接电机驱动的真空电容器。传感器320，优选地为电压传感器，在该系列控制元件318之后的该屏蔽输入点处相连接，使得该屏蔽电压可被测量并且被用作反馈控制变量。或者，该电流或者功率可在该相同传感点处被测量。该传感器320测量该屏蔽304的电压并且将表示该被测电压的信号发送给电压控制器322以形成另一反馈电路。该电压控制器322将该电压信号与外部调整点324进行比较。所比较的该结果对该可变阻抗组件318产生一信号以调整该屏蔽304的该电压。该电压控制器322的该算法在图6中有进一步描述。
如果该网络不能精确地与该总载荷也就是该天线302电路以及该屏蔽304电路进行动态匹配，那么将对反射功率进行测量。然而，只要该效率没有过分地降低，并且只要该电源306能够容许该反射功率，那么该反射功率效应就可被忽略。
这些反馈算法可使用模拟电路或者更可能将数字控制器加入到该模拟电子装置中来实现。如先前所描述的那样，该装置工作于两个反馈回路并同时控制两个相关变量，而不需要设置任何优先权。为了确保这两个反馈回路实质上能够独立工作，有必要通过在该频域将这两个回路进行隔离来在该响应中设置一主导极点。也就是一个反馈电路可能具有更快的响应速度而另一个反馈电路则具有稍慢的响应速度。优选地在快速时间量程比如从1KHz到1MHz内稳定该天线302中的该电流，以提高该等离子体的稳定性。优选地在一相对慢的时间量程比如从10Hz到100Hz内稳定该屏蔽304的该电压。否则，该相互作用可能会如此强以致于该系统处于永久浑沌振荡状态。
图4为阐明根据本发明的具体方面用于独立控制由单个电源306提供动力的天线302的该功率以及该屏蔽304的该电压的方法的流程图400。在第一个块402中，如图3所示该电源306通过匹配网络308对该天线302发生射频(RF)电流。在块404中，该屏蔽304通过可变阻抗网络318由来自该天线302的分流能源提供动力。在块406中，该传感器310测量提供给该天线302的电流并且通过电源线314中的一根线将表示该功率或者电流的信号发送给该功率控制器312。请注意该天线电流可在该天线输入、输出、两者组合处，或者在由该天线的损耗以及驻波所需求的一些集成分布值处被监视。在块408中，该功率控制器312将来自该传感器310的该信号与一外部调整点316进行比较，并且调整该电源以稳定该天线302中的该电流。块406与408两者均以一相对快的响应速度也就是在更高的频率处工作。
在块410中，使用该系列控制元件也就是该可变阻抗组件318之后的传感器320例如电压传感器来测量该屏蔽304的该电压。该传感器320将表示该屏蔽304的该电压的信号发送给该电压控制器322。在块412中，该电压控制器412将来自该传感器320的该信号与外部调整点324进行比较并且调整该可变阻抗组件318以稳定该屏蔽304中的该电压。块410与412两者均以相对慢的响应速度也就是在更低的频率处工作。
块406与408两者与块410与412两者一起同时工作但其响应速度不同。请注意另一个可测量的反馈控制变量为该电源以及可测量载荷阻抗的该输出功率。在该电源输出处的这些测量一般用于自动调谐或者设置该匹配网络308以及稳定该天线302的该输出功率。
该优选实施例将该天线302的电流或者功率以及该屏蔽304的电压视为独立调整点，并且测量对应输出参数值作为主反馈变量。通过调整该电源调整点326来稳定该天线302的该电流或者功率以及调整该可变阻抗网络318来稳定该屏蔽304的该电压可实现控制。然后该匹配网络值可被自动调整以优化功率传递，或者至少在由该电源输出传感器(未显示)所检测的可接受操作范围内保持由该电源306所提供的该载荷。该天线302中所设定的该驻波模式可通过调整其对地终端阻抗来设置。因此，应当了解到本发明允许对该天线电流以及该屏蔽的该电压进行独立稳定地控制，即使该载荷发生变化。此可通过共享单个电源以及一个匹配网络来实现。
图5为阐明根据本发明的具体方面功率控制器的算法的流程图。在块502中，用户设置设定功率作为该功率控制器的一个独立调整点。在块504中，可使用任何合适的传感器对该天线的电流进行测量。在块506中，将测量后的该电流与该独立调整点进行比较，并且因此调整该电源以使该功率稳定为该设定的功率。
图6为阐明根据本发明的具体方面电压控制器的算法的流程图。在第一个块602中，用户设置设定的电压作为一个独立调整点。在块604中，可使用任何合适的传感器对该屏蔽的电压进行测量。在块606中，将测量后的该屏蔽的该电压与该独立调整点进行比较，并且因此通过调整该系列阻抗网络来稳定该电压。
虽然显示及描述了本发明的多个实施例以及应用，但是很显然对于受益于本发明的所属技术领域的技术人员而言，在不脱离此处发明概念范围下可对以上所述进行更多更改。因此只要不偏离附加权利要求书所阐述的精神，本发明便不受限制。

Claims (39)

1.一种用于控制施加于一屏蔽的电压的装置，该屏蔽置于通过一匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，该装置包括：
由该电源提供动力的屏蔽；
与该感应线圈相连用于控制该电源的第一反馈电路；以及
与所述屏蔽相连用于控制该屏蔽的电压的第二反馈电路。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一反馈电路与所述第二反馈电路工作于不同的频率范围。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一反馈电路在从大约1KHz到大约1MHz的范围内的一个频率上工作。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二反馈电路在从大约10Hz到大约100Hz的范围内的一个频率上工作。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一反馈电路进一步包括第一控制器以及第一传感器。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第一传感器将表示提供给该感应线圈的该功率的第一信号发送给该第一控制器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一控制器调整该电源以使得提供给该感应线圈的该功率由第一调整点所控制。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二反馈电路进一步包括第二传感器、第二控制器以及可变阻抗网络。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述屏蔽通过所述可变阻抗网络来提供动力。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述可变阻抗网络进一步包括可变电容器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二传感器将表示所述屏蔽的该电压的第二信号发送给该第二控制器。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二控制器调整所述可变阻抗网络以使得所述屏蔽的该电压由第二调整点所控制。
13.一种用于控制施加于一屏蔽的电压的装置，该屏蔽置于通过匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，该装置包括：
与该感应线圈相连的可变阻抗网络；
通过所述可变阻抗网络由该电源来提供动力的屏蔽；
与所述屏蔽相连用来测量所述屏蔽的该电压的第一传感器，所述第一传感器发送表示该测量的电压的第一信号；以及
与所述传感器相连用来接收所述第一信号的第一控制器，所述控制器调整所述可变阻抗网络以使得所述第一信号接近第一指定调整点；
与该感应线圈相连用来测量该感应线圈中的功率通量的第二传感器，所述第二传感器发送表示该测量功率的第二信号；以及
与所述第二传感器相连用来接收所述第二信号的第二控制器，所述第二控制器调整该电源以使得所述第二信号接近第二指定调整点。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述可变阻抗网络进一步包括可变真空电容器。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一反馈电路在从大约1KHz到大约1MHz的范围内的一个频率上工作。
16.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二反馈电路在从大约10Hz到大约100Hz的范围内的一个频率上工作。
17.一种用于控制施加于一屏蔽的电压的方法，该屏蔽置于通过匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，该方法包括：
由该电源为该屏蔽提供动力；
基于第一反馈电路调整该电源；以及
基于第二反馈电路调整该屏蔽的该电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一反馈电路在从大约1KHz到大约1MHz的范围内的一个频率上工作。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二反馈电路在从大约10Hz到大约100Hz的范围内的一个频率上工作。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一反馈电路进一步包括第一传感器以及第一控制器。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二反馈电路进一步包括第二传感器、第二控制器以及可变阻抗网络。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述屏蔽通过该可变阻抗网络来提供动力。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述可变阻抗网络进一步包括可变电容器。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一传感器将表示提供给该感应线圈的该功率的第一信号发送给该第一控制器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一控制器调整该电源以使得提供给该感应线圈的该功率由第一调整点所控制。
26.根据权利要求21所述的装置，其中所述第二传感器将表示所述屏蔽的该电压的第二信号发送给该第二控制器。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述第二控制器调整所述可变阻抗网络以使得所述屏蔽的该电压由第二调整点所控制。
28.一种用于控制施加于一屏蔽的电压的装置，该屏蔽置于通过匹配网络由电源提供动力的感应线圈与所发生的该等离子体之间，所述装置包括：
为该屏蔽提供动力的装置；
基于第一反馈电路用于调整该电源的装置；以及
基于第二反馈电路用于调整该屏蔽的电压的装置。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一反馈电路与所述第二反馈电路工作于不同的频率范围。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述第一反馈电路在从大约1KHz到大约1MHz的一个范围内的一个频率上工作。
31.根据权利要求29所述的装置，其中所述第二反馈电路在从大约10Hz到大约100Hz的一个范围内的一个频率上工作。
32.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一反馈电路进一步包括第一控制器以及第一传感器。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述第一传感器将表示提供给该感应线圈的该功率的第一信号发送给所述第一控制器。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述第一控制器调整该电源以使得提供给该感应线圈的该功率由第一调整点所控制。
35.根据权利要求28所述的装置，其中所述第二反馈电路进一步包括第二传感器、第二控制器以及可变阻抗网络。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述屏蔽通过所述可变阻抗网络来提供动力。
37.根据权利要求36所述的装置，其中所述可变阻抗网络进一步包括可变电容器。
38.根据权利要求35所述的装置，其中所述第二传感器将表示该屏蔽的该电压的第二信号发送给该第二控制器。
39.根据权利要求35所述的装置，其中所述第二控制器调整所述可变阻抗网络使得所述屏蔽的该电压由第二调整点所控制。
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