DE69836857T2

DE69836857T2 - Gerät und verfahren zur steuerung der ionenenergie und plasmadichte in einer plasma-behandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69836857T2
Application number: DE69836857T
Authority: DE
Inventors: Roger Mountain View PATRICK; Norman Newark WILLIAMS
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: AU7111298A; JP2001524251A; DE69836857D1; TW434698B; KR100582096B1; EP0976141A1; WO1998047168A1; JP4531138B2; KR20010006293A; US6174450B1; EP0976141B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Plasmabearbeitungssysteme und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln der Menge von Ionenenergie und/oder der Plasmadichte in einem induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ionisiertes Gas, oder Plasma, wird häufig bei der Bearbeitung und Fertigung von Halbleiterbauteilen verwendet. Beispielsweise kann Plasma verwendet werden, um Material von Halbleiterwafern für integrierte Schaltungen zu ätzen oder zu entfernen und um Material auf halbleitende, leitende oder isolierende Oberflächen zu sputtern oder aufzudampfen. Die Erzeugung eines Plasmas für die Verwendung in Herstellungs- oder Fertigungsprozessen beginnt typischerweise, indem verschiedene Prozessgase in eine Plasmakammer in einem Plasmareaktor eingeführt werden, in der die Gase mit einem Werkstück, wie beispielsweise einem Wafer für eine integrierte Schaltung, in Berührung sind. Die Moleküle der Gase in der Kammer werden von Radiofrequenzenergie (RF-Energie), die von einer externen Leistungsquelle an die Plasmakammer geliefert wird, zu einem Plasma ionisiert. Während der Bearbeitung berühren das Plasma und ionisierte Partikel das Werkstück.
Die an die Plasmakammer angelegte RF-Energie führt ein elektrisches Feld ein, das Elektronen beschleunigt, die dann mit einzelnen Gasmolekülen kollidieren, was die weitere Erzeugung von Elektronen und Ionen bewirkt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein elektrisches Feld im Plasmareaktor einzuführen. Zwei gebräuchliche Typen von Plasmabearbeitungssystemen sind kapazitiv gekoppelte Plasmabearbeitungssysteme und induktiv gekoppelte Plasmabearbeitungssysteme.
1 ist eine Darstellung eines typischen kapazitiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystems 10, wie beispielsweise in Microchip Fabrication (Mikrochipfertigung), 3. Ausgabe, McGraw-Hill (1997), Van Zant, S. 267, 268 offenbart, für die Verwendung bei der Bearbeitung und Fertigung von Halbleiterbauteilen. Wie gezeigt, umfasst das Plasmabearbeitungssystem 10 einen Plasmareaktor 12, mit einer darin befindlichen Plasmakammer 13. In der Plasmabearbeitungskammer 13 befinden sich zwei Elektroden 14a und 14b, die einen Kondensator bilden. Die Elektrode 14a ist an Masse 20 gelegt und die Elektrode 14b ist so angeschlossen, dass sie über ein Anpassnetzwerk 18 RF-Energie von einer Leistungsversorgung 16 empfängt. Wenn die Leistungsversorgung 16 erregt ist, wird die RF-Energie an den zwischen den Elektroden 14a und 14b gebildeten kapazitiven Kreis angelegt. Wenn ionisierbare Gase in der Plasmakammer 13 bereitgestellt werden, wird ein Plasma 22 gebildet, wenn die RF-Energie angelegt wird.
Da das Plasmabearbeitungssystem 10 nur eine Leistungsversorgung 16 hat, neigt eine Erhöhung der Leistung der von der Leistungsversorgung 16 erzeugten RF-Energie dazu, sowohl die Dichte des Plasmas (d.h. die Plasmadichte) als auch die Gleichstromvorspannung (DC-Vorspannung) an Elektrode 14b und Wafer 24 zu erhöhen. Eine Erhöhung der DC-Vorspannung bewirkt üblicherweise eine entsprechende Erhöhung des Potentialabfalls über der Plasmahülle 26, was die Energie (d.h. die Ionenenergie) der den Wafer 24 berührenden ionisierten Partikel erhöht.
2 ist eine Darstellung eines herkömmlichen induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystems 30 für die Bearbeitung und Fertigung von Halbleiterbauteilen. Das in 2 dargestellte System ist von dem in US-Patenten 4,948,458 und 5,571,366 offenbarten Typ. Das induktiv gekoppelte Plasmabearbeitungssystem 30 umfasst einen Plasmareaktor 32 mit einer darin befindlichen Plasmakammer 33. Im Gegensatz zum Plasmabearbeitungssystem 10 von 1, umfasst das induktiv gekoppelte Plasmabearbeitungssystem 30 zwei Leistungsversorgungen 34 und 36, die das in der Plasmakammer 33 erzeugte Plasma beeinflussen. Die Leistungsversorgung 34 ist dazu konfiguriert, RF-Energie über ein Anpassnetzwerk 38 an eine Elektrode, ein Spannfutter (d.h. einen Werkstückhalter) 40 im Plasmareaktor 32 zu liefern. Die RF-Energieversorgung 34 bildet eine DC-Vorspannung an einem Wafer 42 aus, der sich typischerweise auf einer Oberseite 44 des Spannfutters 40 befindet.
Die Leistungsversorgung 36 ist dazu konfiguriert, RF-Energie über ein Anpassnetzwerk 46 an eine Spule 48 in der Nähe der Plasmakammer 33 zu liefern. Das Fenster 50, beispielsweise eine Keramikplatte, trennt die Spule 48 von der Plasmakammer 33. Wie außerdem gezeigt, gibt es typischerweise einen Gaszufuhrmechanismus 52, der die für den Herstellungsprozess benötigte korrekte Chemie an den Plasmareaktor 32 zuführt. Ein Gasablassmechanismus 54 entfernt Partikel aus dem Inneren der Plasmakammer 33 und hält einen bestimmten Druck in der Plasmakammer 33 aufrecht. Als Folge erzeugt die von der Leistungsversorgung 36 erzeugte RF-Energie ein Plasma 56, sofern ionisierbare Gase in die Plasmakammer 33 zugeführt werden.
Die Regelung und Abgabe der RF-Leistung in einer Plasmaentladung ist bei der Plasmabearbeitung von grundlegender Bedeutung. Die Höhe der Ist-Leistung in der Plasmakammer hat einen starken Einfluss auf die Prozessbedingungen. Erhebliche Schwankungen in der an die Plasmakammer gelieferten Ist-Leistung können den erwarteten Beitrag anderer variabler Prozessparameter wie Druck, Temperatur und Ätzgeschwindigkeit unerwartet verändern.
Wie in 1 und 2 dargestellt, besteht das am häufigsten verwendete Verfahren zum Erhalten einer vorbestimmten RF-Leistung in der Plasmakammer darin, ein Anpassnetzwerk im Leistungskreis bereitzustellen. Das Anpassnetzwerk wandelt im Wesentlichen die Impedanz (kapazitiver bzw. induktiver Widerstand) der Plasmaentladung in im Wesentlichen eine Widerstandslast für die Leistungsversorgung. Die Leistungsversorgung (bzw. Leistungsversorgungen) kann bzw. können dann abhängig von den gewünschten Prozessparametern auf ein vorbestimmtes Leistungsniveau eingestellt werden.
Zum Beispiel umfasst ein typisches Anpassnetzwerk variable Kondensatoren und/oder Induktoren als Anpasskomponenten (für niedrige bis hohe RF-Frequenzen) und variable Hohlraumabgriffe oder Abstimmleitungen (für die Verwendung bei Mikrowellenfrequenzen). Anpassnetzwerke können manuell oder automatisch eingestellt werden, die meisten Anpassnetzwerke passen sich jedoch automatisch an wechselnde Lastbedingungen an.
Um die Höhe der in die Plasmakammer gelieferten RF-Leistung möglichst weiter zu regeln, wird in einem typischen Plasmabearbeitungssystem der Ausgang von der Leistungsversorgung (bzw. den Leistungsversorgungen) überwacht und geregelt. Dies findet gewöhnlich am Ausgang der Leistungsversorgung selbst statt und zwar teilweise basierend auf der Annahme, dass die Leistungsverluste im Anpassnetzwerk vernachlässigbar sind.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die an die Plasmakammer gelieferte RF-Leistung aufgrund von unerwarteten Verlusten, beispielsweise im Anpassnetzwerk selbst, wesentlich geringer ist, als der Ausgang der RF-Leistungsversorgung. Um Verluste im Anpassnetzwerk bei kapazitiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystemen auszugleichen, wurden zusätzliche Mess- und Regelschaltungen in den Leistungskreis eingefügt. Beispielsweise offenbaren die US- Patente 5,175,472, 5,474,648 und 5,556,549 verschiedene Möglichkeiten zur Verwendung eines RF-Sensors und eines Reglers, um eine zusätzliche Rückführungs-Regelkreisschaltung bereitzustellen, die den Ausgang der Leistungsversorgung anpasst, um ein gewünschtes RF-Leistungsniveau in der Plasmakammer zu erreichen.
Solche Rückführungsverfahren wurden in induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystemen nicht verwendet, da lange geglaubt wurde, dass die beiden Leistungsversorgungen insofern unabhängig voneinander sind, dass die an die Spule gelieferte RF-Leistung die Plasmadichte regelt und die an das Spannfutter gelieferte RF-Leistung die Energie der den Wafer berührenden Ionen regelt (d.h. durch Regeln der DC-Vorspannung). Daher wurde angenommen, dass durch Vorhandensein der zwei Leistungsversorgungen zusätzliche Kontrolle über den Prozess inhärent bereitgestellt wurde, indem die Ausgänge der beiden Leistungsregelungen unabhängig eingestellt wurden und sie in einem Open-loop-Betrieb (d.h. ohne Rückführung) betrieben wurden.
In Wirklichkeit sind Plasmadichte und Ionenenergie nicht wirklich unabhängig, da eine Kopplung zwischen der an der Quelle bereitgestellten Leistung und dem Wafer-Spannfutter besteht. Diese Kopplung ist beispielsweise in 3 dargestellt, bei der es sich um ein Diagramm der DC-Vorspannung gegenüber der an den Wafer gelieferten RF-Leistung für verschiedene RF-Leistungseinstellungen der an die Spule gelieferten RF-Leistung und verschiedene Spalte (d.h. 4 bzw. 6 cm) zwischen der Decke der Plasmakammer und der Oberfläche des Wafers handelt. Die in 3 aufgetragenen Daten wurden von einem TCP9600SE Bearbeitungssystem gewonnen, das von der Lam Research Corporation in Fremont, Kalifornien erhältlich ist. Wie gezeigt, neigt der Betrag der DC-Vorspannung dazu, zuzunehmen, wenn die an das Spannfutter gelieferte RF-Leistung (d.h. die untere Leistung) zunimmt. Bei einer gegebenen unteren Leistung hängt die ausgebildete DC-Vorspannung jedoch auch von der an die Spule gelieferten RF-Leistung (d.h. der TCP-Leistung) ab und bis zu einem gewissen Grad vom Spaltabstand 60. Diese Kopplung zwischen den beiden RF-Leistungsversorgungen zeigt sich außerdem in der Energie der den Wafer berührenden Ionen. Währen daher die Plasmadichte scheinbar ausschließlich von der TCP-Leistungsversorgung geregelt wird, wird andererseits die Ionenenergie nicht ausschließlich von der unteren Leistungsversorgung geregelt.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum wirksameren Regeln der Plasmadichte und der Ionenenergie in einem induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung breitgestellt, zum Steuern eines RF-Plasmas zum Behandeln eines Werkstücks in einer Plasmabearbeitungskammer, mit einem Werkstückhalter mit einer Elektrode, umfassend eine erste RF-Quelle und ein erstes Anpassnetzwerk, das zwischen der ersten RF-Quelle und der Elektrode angeschlossen ist; wobei die erste Quelle, das erste Anpassnetzwerk und die Elektrode so aufgebaut und angeordnet sind, dass RF-Energie von der ersten RF-Quelle über das erste Anpassnetzwerk an die Elektrode und dann an das Plasma gekoppelt wird, um eine Vorspannung an das Werkstück anzulegen, wobei das Plasma in einer Last für die erste RF-Quelle enthalten ist; gekennzeichnet durch eine erste Sensoranordnung, um die elektrische RF-Leistung und/oder den RF-Strom und/oder die RF-Spannung zu messen, die von der ersten RF-Quelle über das erste Anpassnetzwerk an die Elektrode angelegt werden und eine Regleranordnung, die dazu angeordnet ist, auf eine Anzeige des von der ersten Sensoranordnung gemessenen RF-Parameters zu reagieren, um die elektrische RF-Leistung und/oder den RF-Strom und/oder die RF-Spannung zu regeln, die die erste RF-Quelle an das erste Anpassnetzwerk anlegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer RF-Plasmabearbeitungskammer mit einem Werkstückhalter mit einer Elektrode, umfassend Anlegen von RF von einer ersten Quelle über ein erstes Anpassnetzwerk an die Elektrode, so dass das Plasma in einer Last für die erste Quelle enthalten ist, gekennzeichnet durch Messen der elektrischen RF-Leistung und/oder dem RF-Strom und/oder der RF-Spannung, die an die Elektrode angelegt werden und Regeln der elektrischen RF-Leistung und/oder des RF-Stroms und/oder der RF-Spannung, die die erste RF-Quelle an das erste Anpassnetzwerk anlegt als Reaktion auf den an die Elektrode angelegten, gemessenen elektrischen RF-Parameter.
Die obigen sowie weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Wie beschrieben, ist 1 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen, kapazitativ gekoppelten Plasmabearbeitungssystems mit einer einzigen Leistungsversorgung;
wie beschrieben, ist 2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystems mit zwei Leistungsversorgungen;
wie beschrieben, ist 3 ein Diagramm des Gleichstrom-(DC-)Vorspannungsniveaus als Funktion der an die Spule von 2 gelieferten Leistung und der an den Werkstückhalter von 2 gelieferten Leistung;
4a ist ein Blockdiagramm eines verbesserten, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystems mit einem Rückführungskreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4b ist ein Blockdiagramm eines verbesserten, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystems mit zwei Rückführungskreisen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Rückführungskreises gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in den induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystemen in 4a und 4b verwendet werden kann;
6a ist ein Diagramm der an die Plasmakammer gelieferten resultierenden Lastleistung in einem herkömmlichen, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem, wie dem in 2 gezeigten;
6b ist ein Diagramm der an die Plasmakammer gelieferten Lastleistung in einem verbesserten, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem, wie dem in 4a gezeigten, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein vereinfachtes Schaltschema eines beispielhaften Anpassnetzwerks und der Prozesskammerlast aus der Sicht der Leistungsversorgung in einem herkömmlichen, induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem, wie dem in 2 gezeigten; und
8 ist ein Diagramm des Leistungsabgabewirkungsgrads gegenüber dem Lastwiderstand, der den in 6a und 6a aufgetragenen Daten entspricht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Plasmaprozesse werden charakterisiert und schlussendlich optimiert, indem die Prozessergebnisse an einem Werkstück, wie beispielsweise einem Halbleiter-Wafer, ausgewertet werden. Die Prozessergebnisse können als Funktion der Plasmaprozessparameter charakterisiert werden, z.B. RF-Leistung, Plasmagasdruck, Temperatur, Plasmakammerspaltabstand, Typen der zum Bilden des Plasmas verwendeten Gase und die Gasdurchflüsse. Wie oben erwähnt, ist es zur besseren Regelung des Plasmaprozesses vorzuziehen, die Eigenschaften der tatsächlich an die Prozesskammer gelieferten RF-Leistung zu regeln.
Die Verfahren und Vorrichtungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten eine verbesserte Regelung der Plasmadichte und/oder der Ionenenergie in einem induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem. Beispielsweise können bei der vorliegenden Erfindung Plasmadichte und Ionenenergie unabhängig durch einen oder mehrere Rückführungs-Regelkreise geregelt werden, die im Wesentlichen die RF-Leistungsbeiträge jeder der Leistungsversorgungen, die an die Plasmakammer angelegt werden, entkoppeln.
4a ist demnach ein Blockdiagramm, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein verbessertes induktiv gekoppeltes Plasmabearbeitungssystem 30' darstellt, das dem in 2 obenstehend gezeigten Plasmabearbeitungssystem ähnlich ist, außer dass es einen zusätzlichen Rückführungskreis 100 im Vorspannungs-Leistungskreis hat.
Wie gezeigt, misst der Rückführungskreis 100, der zwischen das Spannfutter 40 und die Leistungsversorgung 34 gekoppelt ist, mindestens einen Parameter des vom Anpassnetzwerk 38 an das Spannfutter 40 angelegten RF-Signals. Die Parameter können beispielsweise den Strom, die Spannung, die Leistung, eine Impedanz und/oder einen Phasenwinkel umfassen, die mit dem Leistungskreis und dem am Spannfutter 40 angelegten RF-Signal und der Last im Plasmareaktor 32 assoziiert sind. Basierend auf einem oder mehreren dieser gemessenen Parameter, kann beispielsweise die abgegebene RF-Leistung oder Lastimpedanz gemessen und/oder abgeleitet werden.
Der Rückführungskreis 100 kann beispielsweise Logik- und/oder Rechenschaltungen enthalten, die dazu konfiguriert sind, die Spannung (z.B. Wirkspannung) des an das Spannfutter 40 angelegten RF-Signals zu überwachen, die abgegebene Leistung zu berechnen und die abgegebene Leistung mit einem gewünschten Leistungsniveau zu vergleichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs können dann, beispielsweise als ein Rückführungs-Regelsignal, an die Leistungsversorgung 34 geliefert werden. Das Rückführungs-Regelsignal passt den Ausgang der Leistungsversorgung 34 so an, dass er dem gewünschten Leistungsniveau entspricht.
Der Fachmann wird erkennen, dass andere Parameter überwacht und ähnlich verwendet werden können, um das an das Spannfutter 40 angelegte RF-Signal anzupassen. Wenn beispielsweise ein Benutzer eine feste Ionenenergie aufrecht erhalten möchte, während andere Prozessparameter wie Druck, Gasdurchfluss oder TCP-Leistung verändert werden, kann der Regler so eingerichtet werden, dass am Spannfutter 40 eine feste Wirkspannung aufrecht erhalten wird. Das würde seinerseits dem Fixieren der DC-Vorspannung und der Ionenenergie entsprechen.
4b ist ein Blockdiagramm, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein verbessertes induktiv gekoppeltes Plasmabearbeitungssystem 30'' darstellt, das dem in 4a obenstehend gezeigten Plasmabearbeitungssystem ähnlich ist, außer dass es einen zweiten Rückführungskreis 102 im Plasmaerzeugungs-Leistungskreis hat.
Wie gezeigt, misst der Rückführungskreis 102, der zwischen die Spule 48 und die Leistungsversorgung 36 gekoppelt ist, mindestens einen Parameter des vom Anpassnetzwerk 46 an die Spule 48 angelegten RF-Signals. Wie beim Rückführungskreis 100, können die Parameter beispielsweise den Strom, die Spannung, die Leistung, eine Impedanz und/oder einen Phasenwinkel umfassen, die mit dem Leistungskreis und der an der Spule 48 angelegten RF-Energie und der Last im Plasmareaktor 32 assoziiert sind. Basierend auf einem oder mehreren dieser gemessenen Parameter, kann beispielsweise die abgegebene RF-Leistung oder Lastimpedanz berechnet werden.
Beispielsweise kann der Rückführungskreis 102 Logik- und/oder Rechenschaltungen enthalten, um die Spannung (z.B. Wirkspannung) des an die Spule 48 angelegten RF-Signals zu überwachen, die abgegebene Leistung zu berechnen und die abgegebene Leistung mit einem gewünschten Leistungsniveau zu vergleichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs können dann, beispielsweise als ein Rückführungs-Regelsignal, an die Leistungsversorgung 36 geliefert werden. Das Rückführungs-Regelsignal passt den Ausgang der Leistungsversorgung 36 so an, dass er dem gewünschten Leistungsniveau entspricht.
Außerdem können die Rückführungskreise 100 und 102 eine gemeinsame Rechenschaltung gemeinsam nutzen, beispielsweise ein Computersystem, das computerimplementierte Anweisungen ausführt. Die gemeinsam genutzte Rechenschaltung kann Daten enthalten, die beim Erzeugen eines oder mehrerer der Rückführungs-Regelsignale den Status des Fertigungsprozesses sowie jeden der gemessenen Parameter von den Leistungsversorgungen berücksichtigen.
5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Rückführungskreises 100', der verwendet werden kann, beispielsweise in 4a und 4b, um ein Rückführungs-Regelsignal an eine Leistungsversorgung in einem induktiv gekoppelten Plasmabearbeitungssystem bereitzustellen. Der Rückführungskreis 100' umfasst einen Sensor 104 und einen Regler 106. Der Sensor 104 misst oder erfasst einen oder mehrere Parameter der an die Last (z.B. Kabel, Stecker, Spannfutter oder Spule/Resonator, Plasma, Wafer oder ähnliches und allfällige zugehörige Streuelemente) angelegten RF-Energie und gibt ein erfasstes Parametersignal an den Regler 106 aus.
In einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor 104 um eine RFZ 60 RF-Sonde, die von der Advanced Energy Corporation, Fort Collins, Colorado erhältlich ist. Bei Verwendung der RFZ 60 können Leistung, Spannung, Strom und komplexe Impedanz aus Tiefpegelsignalen abgeleitet werden, die für die Vektorkombinationen der vorwärtsgerichteten und reflektierten RF-Welle repräsentativ sind. Der Sensor wird unter Verwendung verschiedener bekannter Lasten und eines Extrapolationsalgorithmus (von Advanced Energy Corporation bereitgestellt) kalibriert und Oberwellen werden mit Filtern in der Sonde unterdrückt.
Der Regler 106 empfängt das erfasste Parametersignal vom Sensor 104 und liefert ein Rückführungs-Regelsignal an eine Leistungsversorgung (z.B. Leistungsversorgung 34 oder 36). Der Regler 106 empfängt außerdem eine Anzeige eines gewünschten Parameterniveaus, die das gewünschte Betriebsniveau für die Leistungsversorgung definiert. Beispielsweise kann es sich bei dem gewünschten Parameterniveau um eine Einstellung oder einen Signaleingang vom Benutzer direkt an den Regler handeln oder an eine andere Schaltung/Vorrichtung (wie beispielsweise die Leistungsversorgung selbst), die die Information an den Regler 106 liefert. Bei dem Regler 106 kann es sich beispielsweise um ein Computersystem mit einem Prozessor, einem Speicher und einem Eingabe/Ausgabemechanismus handeln.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Regler 106 eine intelligente Kabelvorrichtung, die von der Advanced Energy Corporation erhältlich ist. Die intelligente Kabelvorrichtung ist an die RFZ 60 Sonde und den Leistungsregelkreis der Leistungsversorgung gekoppelt. Das intelligente Kabel führt allfällige verbleibende Berechnungen aus und erzeugt das Rückführungs-Regelsignal basierend auf einem gewünschten Parameterniveau, das von einem Leistungsregelkreis (nicht abgebildet) in der Leistungsversorgung empfangen wird. Außerdem kann das intelligente Kabel an ein Computersystem, wie beispielsweise ein Personal Computer (PC) gekoppelt werden, um zusätzliche Parameterüberwachungs- und/oder Regelungsfähigkeiten bereitzustellen.
Ohne den Rückführungskreis 100' arbeitet der Leistungskreis im Wesentlichen in einem Open-loop-Betrieb, wobei die gewünschte Leistung eingestellt wird, beispielsweise an einer Maschinenkonsole, und die Leistungsversorgung Leistung in dieser Höhe an Anpassnetzwerk und Last liefert. Mit dem Rückführungskreis 100' arbeitet der Leistungskreis jedoch im Wesentlichen in einem Closed-loop-Betrieb, um die Höhe von RF-Leistung, Spannung und/oder Strom zu regeln, die von der Leistungsversorgung geliefert werden, um sicherzustellen, dass das gewünschte Leistungsniveau tatsächlich an die Last angelegt wird, was vom Sensor 104 gemessen wird.
Die Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in 6a und 6b grafisch dargestellt, die die Testergebnisse von Daten zeigen, die von einem Lam Research TCP 9600SE System erfasst wurden. Die Daten von 6 wurden erfasst, als das System, wie in 2 gezeigt, konfiguriert war, außer dass eine RF-Sonde in einem Open-loop-Betrieb erfasste und lief. Die Daten von 6b wurden erfasst, als das System gemäß 4a und 5 angeordnet war und in einem Closed-loop-Betrieb lief.
Im Open-loop-Betrieb, wie in 6a gezeigt, ist die gemessene Spannung der abgegebenen RF-Leistung am Spannfutter eine Funktion der Ausgänge der Leistungsversorgung 34 (Bias- Leistung) und der Leistungsversorgung 36 (TCP-Leistung). Die von der Leistungsversorgung 34 erzeugte Spannung ist auf der senkrechten Achse aufgetragen und die vom Sensor 104 gemessene Ist-Lastleistung ist entlang der waagrechten Achse aufgetragen. In diesem Beispiel liegt die Bias-Leistung im Bereich zwischen 100 Watt und 500 Watt und die TCP-Leistung zwischen 0 Watt und 800 Watt, jeweils in 100-Watt-Schritten.
Im Closed-loop-Betreib, wie in 6b gezeigt, ist die von der Leistungsversorgung 34 erzeugte Spannung wieder entlang der senkrechten Achse aufgetragen und die vom Sensor 104 gemessene Ist-Lastleistung ist entlang der horizontalen Achse aufgetragen. Auch in diesem Beispiel liegt die Bias-Leistung im Bereich zwischen 100 Watt und 500 Watt und die TCP-Leistung zwischen 0 Watt und 800 Watt, jeweils in 100-Watt-Schritten. Wie gezeigt, ist die abgegebene RF-Leistung nun im Wesentlichen konstant und unabhängig von der TCP-Leistung.
Unter Beachtung der obigen Ausführungen wird nun der Wirkungsgrad der Leistungskreise betrachtet. Der Wirkungsgrad der Leistungsabgabe an die Last ist von erheblichem Interesse und von erheblicher Bedeutung, wenn Rezepturen zwischen verschiedenen Systemen übertragen werden. Der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung durch das Netzwerk kann definiert werden durch: Wirkungsgrad = (PL/PG) (Gleichung 1)wobei P_L die an die Last abgegebene Leistung ist und P_G die von der Leistungsversorgung gelieferte Leistung (unter Vernachlässigung von Leistungsverlusten im Kabel und unter der Annahme, dass die reflektierte Leistung gering ist). Beispielsweise können sowohl P_L als auch P_G vom Sensor und Regler gemessen und in definierten Abständen aufgezeichnet werden.
7 ist eine vereinfachte schematische Schaltung 200 eines beispielhaften Anpassnetzwerks und einer Prozesskammerlast aus der Sicht der Leistungsversorgung. Die Schaltung 200 umfasst einen Anpasswiderstand R_M 202, eine Anpassimpedanz 204, eine Anpassreihenkapazität 206, eine Lastimpedanz 208 und einen Strom (i) 210.
Daher kann der Wirkungsgrad geschrieben werden als: Wirkungsgrad = PL/(PL + PM) = (i2 × PL)/{(i2 × PL) + (i2 × RM)} = RL/(RL + RM) (Gleichung 2)wobei P_M die im Anpassnetzwerk verlorene Leistung ist. Bei konstantem Anpasswiderstand R_M sollte der aus Gleichung 1 erhaltene Wirkungsgrad, über R_L aufgetragen, die einfache Form von Gleichung 2 haben, woraus ein Wert von R_M ausgezogen werden kann. Der Wirkungsgrad würde von 0, wenn R_L gleich 0, auf Eins, wenn R_L viel größer ist als R_M, ansteigen und der Graph sollte unabhängig von Chemie, Leistung, Druck usw. sein und nur vom Anpassnetzwerk und Lastwiderständen abhängen. Anpassnetzwerke könnten daher zu verschiedenen abgegebenen Leistungen für die selbe Leistungsversorgung führen, wenn die Anpassnetzwerke unterschiedliche interne Widerstände haben. Durch Kenntnis des Wirkungsgrads des Anpassnetzwerks und unter Verwendung eines Rückführungskreises kann die abgegebene Leistung trotzdem wirksamer geregelt werden.
8 ist ein Diagramm des Leistungsabgabewirkungsgrads gegenüber dem Lastwiderstand, der den Daten von 6a und 6b entspricht. Die Daten liegen eng um eine Kurve herum, die durch obenstehende Gleichung 2 beschrieben wird und zeigen, dass der Wirkungsgrad der Leistungsversorgung deutlich geringer ist als Eins und dass sich der Wirkungsgrad mit dem Betrag der Plasmalast verändert. Im Open-loop-Betrieb ist daher die wirkliche, in das Plasma abgegebene Leistung im Wesentlichen unbekannt, während im Closed-loop-Betrieb die abgegebene Leistung genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann.
Außerdem besteht bei der in 4b dargestellten Konfiguration (d.h. zwei Rückführungskreise) der zusätzliche Vorteil, dass die abgegebene Leistung an der Quelle geregelt werden kann, theoretisch unabhängig von allfälligen Verlusten des Wirkungsgrads infolge Anpassnetzwerk, Streukapazitäten, Induktivitäten oder anderen Elementen des Leistungskreises und des Bearbeitungssystems.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Regeln der Ionenenergie in einem Plasmareaktor (a) Bereitstellen von RF-Energie von einer ersten Quelle an den Plasmareaktor, (b) Erzeugen einer Gleichstromvorspannung, wobei die RF-Energie von der ersten Quelle an ein im Plasmareaktor befindliches Werkstück gekoppelt wird, (c) Liefern von RF-Energie von einer zweiten Quelle an den Plasmareaktor und Beaufschlagen eines Plasmas im Plasmareaktor mit der Energie von der zweiten RF-Quelle, (d) Erfassen eines Parameters der Energie mit einem RF-Sensor, wobei der Parameter erfasst wird, nachdem die RF-Energie von der ersten Quelle von einem Anpassnetzwerk konditioniert wurde, (e) Vergleichen des erfassten Parameters mit einem gewünschten Parameterniveau, und (f) Verändern des RF-Ausgangs der ersten Quelle basierend auf dem Vergleich, so dass das Niveau der Energie der ionisierten Partikel, die das Werkstück berühren, als Folge des Betrags der von der ersten RF-Quelle aufgebauten Gleichstromvorspannung, geregelt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung regelt ein dem eben beschriebenen ähnliches Verfahren die Plasmadichte. So umfasst das ähnliche Verfahren das Erfassen eines zweiten Parameters von RF, die von einer zweiten RF-Quelle an das Plasma geliefert wird, das Vergleichen des zweiten Parameters mit einem zweiten gewünschten Parameter und das Verändern des Ausgangs der zweiten RF-Quelle basierend auf diesem zweiten Vergleich, so dass die Dichte des Plasmas im Plasmareaktor geregelt wird.
Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind anwendbar auf andere Plasmabearbeitungssysteme mit mindestens zwei Leistungsversorgungen – eine zum Erzeugen des Plasmas und der andere zum Erzeugen einer Gleichstromvorspannung. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung anwendbar auf Plasmabearbeitungssysteme mit induktiv gekoppeltem Plasma (Inductively Coupled Plasma, ICP), transformatorgekoppeltem Plasma (Transformer Coupled Plasma, TCP), Elektron-Zyklotron-Resonanz-(ECR) und Helicon- oder Spiralresonanz-Plasmabearbeitungssystemen.

Claims

Vorrichtung zum Steuern eines RF-Plasmas zum Behandeln eines Werkstücks (42) in einer Plasmabearbeitungskammer (32), mit einem Werkstückhalter (40) mit einer Elektrode (40), umfassend eine erste RF-Quelle (34) und ein erstes Anpassnetzwerk (38), das zwischen der ersten RF-Quelle (34) und der Elektrode (40) angeschlossen ist; wobei die erste RF-Quelle (34), das erste Anpassnetzwerk (38) und die Elektrode (40) so aufgebaut und angeordnet sind, dass RF-Energie von der ersten RF-Quelle über das erste Anpassnetzwerk an die Elektrode und dann an das Plasma gekoppelt wird, um eine Vorspannung an das Werkstück anzulegen, wobei das Plasma in einer Last für die erste RF-Quelle (34) enthalten ist; gekennzeichnet durch eine erste Sensoranordnung (104), um die elektrische RF-Leistung und/oder den RF-Strom und/oder die RF-Spannung zu messen, die von der ersten RF-Quelle über das erste Anpassnetzwerk an die Elektrode angelegt werden und eine Regleranordnung (100, 106), die dazu angeordnet ist, auf eine Anzeige des von der ersten Sensoranordnung (104) gemessenen RF-Parameters zu reagieren, um die elektrische RF-Leistung und/oder den RF-Strom und/oder die RF-Spannung zu regeln, die die erste RF-Quelle (34) an das erste Anpassnetzwerk (38) anlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Plasmabearbeitungskammer (32) gekoppelt ist mit einer Spule (48), um Gas in der Kammer zu einem Plasma zu erregen, einer zweiten RF-Quelle (36) und einem zweiten Anpassnetzwerk (46), das zwischen der Spule (48) und der zweiten RF-Quelle (36) angeschlossen ist, so dass das Plasma eine Last für die zweite RF-Quelle (36) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Regleranordnung dazu angeordnet ist, auf eine zweite Sensoranordnung zu reagieren, um RF-Energie zu regeln, die von der zweiten RF-Quelle (36) über die Spule an die Last angelegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Sensoranordnung zum Regeln von RF-Energie, die von der zweiten RF-Quelle (36) über die Spule (48) an die Last angelegt wird, dazu angeordnet ist, einen elektrischen Parameter der Last an der zweiten RF-Quelle (36) zu messen und die Regleranordnung (102) dazu angeordnet ist, auf den gemessenen elektrischen Parameter der Last an der zweiten RF-Quelle zu reagieren, um einen elektrischen Parameter der zweiten RF-Quelle (36) zu regeln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die Regleranordnung (100) dazu angeordnet ist, die erste und die zweite RF-Quelle unabhängig voneinander zu regeln, so dass die Plasmaionenenergie unabhängig von der Plasmadichte, die von der Energie geregelt wird, die die zweite RF-Quelle über die Spule an das Plasma anlegt, von der Energie geregelt wird, die die erste RF-Quelle an die Elektrode anlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die erste Quelle (34) und das Plasma dazu angeordnet sind, eine DC-Vorspannung am Werkstück (42) auszubilden und die erste Sensoranordnung (104) und die Regleranordnung (100) dazu angeordnet sind, die erste RF-Quelle zu regeln, um das Energieniveau ionisierter Teilchen im auf das Werkstück (42) einfallenden Plasma zu regeln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung dazu angeordnet ist, die an die Elektrode angelegte Wirkspannung zu messen.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (42) mit einem RF-Plasma in einer Plasmabearbeitungskammer (32) mir einem Werkstückhalter (40) mit einer Elektrode (40), umfassend Anlegen von RF von einer ersten Quelle (34) über ein erstes Anpassnetzwerk (38) an die Elektrode (40), so dass das Plasma in einer Last für die erste Quelle (34) enthalten ist, gekennzeichnet durch Messen der elektrischen RF-Leistung und/oder dem RF-Strom und/oder der RF-Spannung, die an die Elektrode (40) angelegt werden und Regeln (100) der elektrischen RF-Leistung und/oder des RF-Stroms und/oder der RF-Spannung, die die erste RF-Quelle (34) an das erste Anpassnetzwerk (38) anlegt als Reaktion auf den an die Elektrode (40) angelegten, gemessenen elektrischen RF-Parameter.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend das Regeln der RF-Energie, die von einer zweiten RF-Quelle (36) über eine Spule (48) an die Last angelegt wird als Reaktion auf einen mit der an die Spule gekoppelten Plasmalast assoziierten, gemessenen elektrischen Parameter.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend das unabhängige Regeln des elektrischen RF-Parameters, den die erste RF-Quelle (34) an das erste Anpassnetzwerk (38) anlegt und des elektrischen Parameters der zweiten RF-Quelle (36), so dass die elektrischen Parameter der ersten und der zweiten Quelle jeweils unabhängig als Reaktion auf den an die Elektrode (40) angelegten, gemessenen elektrischen RF-Parameter und den mit der an die Spule (48) gekoppelten Plasmalast assoziierten, gemessenen elektrischen Parameter geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7–10, wobei die an die Elektrode angelegte Wirkspannung gemessen wird.