CN1845299A - 一种控制晶片上的直流偏压的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子技术领域，它提供一种控制晶片上的直流偏压的装置，包括下电极、静电吸附电极，射频电源、射频匹配器、直流电源、滤波器，射频电源连接到射频匹配器，射频匹配器直接或通过射频电容器与下电极连接，直流电源通过滤波器与静电吸附电极连接，还设有峰值检测电路和射频控制装置，峰值检测电路与下电极连接，射频控制装置分别与峰值检测电路和射频电源连接。本装置可以稳定地控制晶片上的直流偏压的装置；本发明还可以径向调节被刻蚀晶片上的直流偏压，对原有的晶片上的刻蚀速率分布进行补偿，实现均匀的刻蚀速率。

Description

一种控制晶片上的直流偏压的装置
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种控制晶片上的直流偏压的装置。
背景技术
等离子体装置广泛地应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中，其中控制晶片上的直流偏压的方法和装置被广泛应用于刻蚀等工艺中。在低压下，反应气体在射频功率的激发下，产生电离形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些带电荷的活性反应基团在晶片上的直流偏压作用下，向被刻蚀物质表面加速运动，轰击被刻蚀物质表面，与其发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使材料表面性能发生变化。
在半导体加工中，进入刻蚀设备反应腔室的工艺气体被激活产生的等离子体在晶片上的直流偏压的加速作用下刻蚀晶片表面的材质。晶片上直流偏压的大小和分布直接影响对晶片表面物质的刻蚀速率和刻蚀速率的均匀性分布。此外，晶片表面上的刻蚀速率均匀性还与等离子体的分布及晶片上温度分布等因素有关。目前的晶片的尺寸从100mm增加到300mm。反应腔室的体积也相应的增大，这使得要想提供更加均匀的等离子体分布、晶片上的温度分布和晶片上的直流偏压分布更加困难。通过适当地调整喷气入口的进气方式，线圈或上电极的形状，反应腔室抽气方式等因素，可以将晶片上的刻蚀速率和均匀性调整为基本上环形轴对称分布，但如何消除晶片上的刻蚀速率的径向差异，进一步提高整个硅片上的刻蚀速率均匀性，存在比较大的困难。
图1～3所示的系统是目前半导体刻蚀设备中大多数采用的下电极系统结构，使用者通过设定射频电源的输出功率来控制晶片上的直流偏压。这种方法存在以下问题：(1)使用者只能间接控制晶片上的直流偏压，因为在匹配网络中的能量损失是不定和不可预测的，晶片上的直流偏压不能通过简单的设定一个射频输出功率来保持；(2)由于喷气入口的进气方式，线圈或上电极的形状，反应腔室抽气方式等原因，晶片上的刻蚀速率均匀性呈现径向分布，希望通过下电极系统调节晶片上的直流偏压的径向分布，以补偿原有分布，实现整个晶片上均匀的刻蚀速率，图1～3所示的系统显然均不具备这一功能。
因此目前大多数的刻蚀设备都面临着刻蚀速率不均匀的问题，这对半导体制造工艺造成了很大的局限性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可以稳定地控制晶片上的直流偏压的装置；本发明另一个目的是提供可以径向调节被刻蚀晶片上的直流偏压的装置，对原有的晶片上的刻蚀速率分布进行补偿，实现均匀的刻蚀速率。
本发明的目的是采用以下技术方案实现的：
一种控制晶片上的直流偏压的装置，包括下电极、静电吸附电极，射频电源、射频匹配器、直流电源、滤波器，射频电源连接到射频匹配器，射频匹配器直接或通过射频电容器与下电极连接，直流电源通过滤波器与静电吸附电极连接，为了稳定地控制晶片上的直流偏压，还设有峰值检测电路和射频控制装置，峰值检测电路与下电极连接，射频控制装置分别与峰值检测电路和射频电源连接。
为了径向调节被刻蚀晶片上的直流偏压，对原有的晶片上的刻蚀速率分布进行补偿，实现均匀的刻蚀速率，将下电极制作成同心的两个电极，即下电极一和下电极二，分别通过各自的峰值检测电路与射频控制装置连接；射频电源和射频匹配器各设置两个，即射频电源一和射频电源二，两个射频电源分别连接射频控制装置，其中射频电源一通过射频匹配器一连接到下电极一，射频电源二通过射频匹配器二连接到下电极二；两个射频匹配器与两个下电极之间也可各自连接一个射频电容即射频电容一和射频电容二；静电吸附电极也制成同心的两个电极，即静电吸附电极一和静电吸附电极二，直流电源通过滤波器分别与两个静电吸附电极连接。
下电极与静电吸附电极可以是各自独立的电极，也可以是相同的电极，即一个电极可以同时作为下电极和静电吸附电极使用，如下电极一与静电吸附电极一为同一个电极，下电极二与静电吸附电极二为同一个电极。
射频控制装置可以是计算机系统，通过软件实现PID算法调节，也可采用硬件形式PID控制模块。
通过峰值检测电路反馈由射频控制装置控制晶片上的直流偏压的设计，可以稳定地控制晶片上的直流偏压，从而消除了反应环境变化对晶片上的直流偏压的影响，减小了片到片(wafer to wafer)，批到批(lot to lot)，腔室到腔室(chamber to chamber)的刻蚀速率差异；而设置两个同心的下电极或静电吸附电极在方式，可以控制晶片上的直流偏压的径向分布，对晶片上原有的刻蚀速率径向分布差异进行补偿，从而使得在晶片表面上各点的刻蚀速率更加相近。即使随着晶片尺寸的增大，该技术方案也能很好的控制从晶片中央到边缘的刻蚀速率和均匀性。
附图说明
图1是现有的下电极系统结构之一；
图2是现有的下电极系统结构之二；
图3是现有的下电极系统结构之三；
图4是本发明中的单下电极控制系统图；
图5是本发明中的双下电极控制系统图；
图6是本发明中的双下电极控制系统图之二。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。
实施例1
参考图4，为实现本发明的第一目的而设计的下电极系统图。
控制晶片上的直流偏压的装置包括下电极1和静电吸附电极2、射频电源、射频匹配器、直流电流和滤波器。其中，下电极1和静电吸附电极2制成同一电极。射频电源连接到射频匹配器，射频匹配器通过射频电容器C与下电极1连接，直流电源通过滤波器与静电吸附电极2连接，射频电源通过射频匹配器将射频功率施加到下电极1，从而在晶片上产生直流偏压。一个峰值检测电路与下电极1，利用峰值检测电路检测下电极上的射频电压峰峰值，将该值传送给计算机或者硬件PID算法模块，通过计算机或硬件PID算法模块内的算法计算出的结果而调整射频电源的设定值，从而进行反馈控制，达到准确控制晶片上的直流偏压的目的。本发明中的射频匹配器也可以直接与下电极1连接。
经试验测定，晶片上的直流偏压约为下电极上的射频电压峰峰值的1/2，而在工艺过程中，直接检测晶片上的直流偏压是非常困难的，因此通过控制下电极上的射频电压峰峰值来确定晶片上的直流偏压。
实施例2
参考图5，为实现本发明的第二目的而设计的下电极系统图。
控制晶片上的直流偏压的装置包括射频电源一、射频电源二、射频匹配器一、射频匹配器二、射频电容器一C1、射频电容器二C、直流电流、滤波器和两个同心的彼此电绝缘的下电极和静电吸附电极，即下电极11和静电吸附电极一21、下电极12和静电吸附二22。直流电源通过滤波器分别与静电吸附电极一21和静电吸附电极二2连接，射频电源一和射频电源二分别通过射频匹配器一和射频匹配器二将射频功率施加到下电极一11和下电极二12，其中射频电源一和射频电源二的输出功率分别可调，利用两个峰值检测电路分别检测下电极一11与下电极二12上的射频电压峰的峰值，将该值传送给计算机或者硬件PID算法模块，通过计算机或硬件PID算法模块内的算法计算出的结果而调整射频电源一和射频电源二的设定值，从而进行反馈控制，达到准确控制晶片上的直流偏压的目的。
其中，射频匹配器一与下电极一12之间可以直接连接，也可以通过射频电容一C1连接；射频匹配器二与下电极二12之间可以直接连接，也可以通过射频电容二C2连接。
两个射频电源可以加上移相控制器(诸如ENI公司的VL400移相控制器)移相(大于20度)以避免互相干扰。两个射频电源也可利用射频控制装置的共同激发(CEX)功能避免互相干扰(诸如AE公司的Navigator)。
实施例3
参考图6，为实现本发明的第二目的而设计的另一种下电极系统图。
本实施例中除下电极和静电吸附电极设置在表面绝缘层内，其余与实施例2相同，不再详述。
本发明适用于任何需要控制晶片上的直流偏压的场合。

Claims (4)

1、一种控制晶片上的直流偏压的装置，包括下电极(1)、静电吸附电极(2)，射频电源、射频匹配器、直流电源和滤波器，其中射频电源连接到射频匹配器，射频匹配器直接或通过射频电容器(C)与下电极(1)连接，直流电源通过滤波器与静电吸附电极(2)连接，其特征在于，还设有峰值检测电路和射频控制装置，峰值检测电路与下电极连接，射频控制装置分别与峰值检测电路和射频电源连接。
2、如权利要求1所述的控制晶片上的直流偏压的装置，其特征在于，所述的下电极(1）为同心的两个电极(11、12)，分别通过各自的峰值检测电路与射频控制装置连接；所述的射频电源和射频匹配器为两个，两个射频电源分别连接射频控制装置，其中射频电源一通过射频匹配器一直接或经过射频电容一(C1)连接到下电极一(11)，射频电源二通过射频匹配器二直接或通过射频电容二(C2)连接到同心的下电极二(12)；所述的静电吸附电极为同心的两个电极(21、22)，所述直流电源通过滤波器分别与两个静电吸附电极(21、22)连接。
3、如权利要求1或2所述的控制晶片上的直流偏压的装置，其特征在于，所述下电极与静电吸附电极为相同电极。
4、如权利要求1或2所述的控制晶片上的直流偏压的装置，其特征在于，所述的射频控制装置是计算机或硬件PID算法控制模块。
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