KR20190003749A - 이더켓 인터페이스 및 헤드룸 제어를 이용한 도금 전력 공급 - Google Patents

이더켓 인터페이스 및 헤드룸 제어를 이용한 도금 전력 공급 Download PDF

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KR20190003749A
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미카엘 알. 보르제슨
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

반도체 기판들을 전기도금하기 위한 장치의 동작을 제어하기 위한 시스템은, 채널 제어 신호를 생성하는 데 직접 사용되는 전류 또는 전압을 기성품 전력 공급부가 제공하는 높은 동작 모드, 및 채널 제어 신호를 생성하기 위해, 전류 또는 전압을 제공하는 회로를 기성품 전력 공급부가 바이어싱하는 낮은 동작 모드에서 동작하는 것을 포함한다.

Description

이더켓 인터페이스 및 헤드룸 제어를 이용한 도금 전력 공급
[0001] 본 발명의 분야는, 실리콘 웨이퍼들 및 유사한 기판들과 같은 기판들을 전기도금(electroplating)하기 위한 장치, 및 기판 전기도금 장치의 전극들에 전력을 제공하는 전력 공급부들 및 제어기들이다.
[0002] 마이크로-스케일 반도체 및 유사한 디바이스들의 제조에서, 프로세스 제어 장비는, 대부분의 다른 산업들과 비교하여 더 까다로운 요건들을 충족시켜야 한다. 이는 주로, 마이크로전자 디바이스들을 성공적으로 제조하기 위해 프로세스 파라미터들이 매우 엄밀하게 제어되어야 하기 때문에 발생한다. 예컨대, 특정 애플리케이션들에서, 기판 상에 도금된 금속 층은 기판의 모든 영역들에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 것이 중요하다. 균일한 도금 프로파일 또는 두께를 달성하는 것은, 전기도금 장치의 전극들을 통해 제공되는 전류의 정밀한 제어를 요구한다.
[0003] 반도체 제조에서의 전기도금 장치는, 다른 도금 산업들에서 사용되는 것들과 유사한 제어 시스템들을 사용해 왔다. 일반적으로, 이러한 제어 시스템들은, 프로세스 파라미터들을 판독하고 피드백 루프를 폐쇄하여 시스템이 원하는 도금 프로파일을 생성할 수 있게 하기 위해, 아날로그 회로 및 마이크로-제어기들 또는 DSP(디지털 신호 프로세서)들의 결합을 포함한다. 이러한 알려진 제어 시스템들은 다양한 수준들의 성공을 이루었다. 따라서, 개선된 제어 시스템들 및 제어 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
[0004] 도면들에서, 동일한 참조 번호들은 각각의 도면들에서 동일한 엘리먼트를 표시한다.
[0005] 도 1은, 전기도금 장치의 전기 제어 시스템의 일 예의 블록도이다.
[0006] 도 2는, 도 1에 도시된 시스템의 부가적인 엘리먼트들을 도시하는 블록도이다.
[0007] 도 3은, 전기도금 동작을 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0008] 도 4는, 전기도금 동작을 제어하기 위한 예시적인 장치의 블록도이다.
[0009] 전기도금은, 전류 또는 전압 신호를 사용하여 기판의 표면 상의 금속 또는 금속성 화합물의 증착을 제어하는 프로세스이다. 전기도금은, 예컨대, 집적 회로들의 제조를 포함하는 많은 애플리케이션들에서 사용된다. 그러한 애플리케이션에서, 높은 정확도의 금속 증착률들 및 기하학적 구조들이 바람직하다. 이는, 특히, 반도체 기판 컴포넌트들 상의 마이크로전자 컴포넌트들이 계속해서 더 소형화되고 있기 때문에, 전기도금 전류를 정확히 제어할 것을 요구한다.
[0010] 전기도금 전류는, 디지털 방식으로 또는 프로그래밍가능 제어기를 통해 유리하게 제어될 수 있다. 도금률을 최적화하기 위해 프로그래밍가능 출력이 사용될 수 있다. 반도체 제조 장비는 다양한 제품들을 제조하는 데 사용될 수 있다. 프로그래밍가능 제어기는 그러한 장비를 상이한 제품들을 전기도금하는 데 용이하게 사용될 수 있게 한다. 일부 제조 장비는, 2개 이상의 애노드들, 웨이퍼 또는 기판에 연결되는 캐소드, 및 선택적으로는 시프(thief) 전극을 갖는다. 이러한 장비에서, 프로그래밍가능 제어기는 다수의 채널들을 동시에 제어해야 하며, 이는 추가적인 엔지니어링 난제를 제시한다.
[0011] 전기도금 장비는 또한 바람직하게는, 출력 전류의 넓은 동적 범위를 정확하게 제어하는 능력을 갖는다. 전기도금 시스템은 종종, 전기도금의 효과적인 제어를 제공하기 위해, 넓은 범위의 출력 전류를 제공할 것으로 예상된다. 도금 프로세스들에 요구되는 전류들은, 넓은 범위, 예컨대, 수 밀리암페어 내지 수십(10s) 암페어에 걸쳐 변한다.
[0012] 도 1에 도시된 바와 같이, 전기도금 장치(10)는, 이더캣(EtherCAT) 인터페이스(24) 및 이더넷(Ethernet) 인터페이스(22)와 함께 사용자 인터페이스 컴퓨터(12) 및 도금 제어 컴퓨터(20)를 포함한다. 단일 도금 제어 컴퓨터가 이더캣 인터페이스를 통해 하나 이상의 도금 서브시스템들(60)과 통신할 수 있다. 이더넷 인터페이스는, 별개의 사용자 인터페이스 컴퓨터에 대한 통신들과 같이 시간-임계적(time-critical)인 것으로서가 아닌 장비 통신들에 사용된다. 각각의 도금 서브시스템은 도금 챔버의 하나 이상의 애노드들을 제어한다.
[0013] 각각의 도금 서브시스템(60)은 하나 이상의 채널들(30)을 가지며, 채널들 각각은 도금 챔버(70) 내의 구역에 연결된다. 기판 상의 반경방향 도금 균일성을 제어하기 위해 다수의 도금 챔버 구역들이 사용될 수 있다. 간결성을 위해, 도금 서브시스템(60) 컴포넌트들은 본원에서 PPS(Plating Power Supply assembly)로 지칭된다. 도 1은, 3개의 상이한 샘플 PPS 구성들을 도시한다. 제1 PPS 구성은, 도금 챔버 당 2개의 채널들을 사용하여 2개의 도금 챔버들(70)을 지원하도록 연결되는 4개의 채널들을 도시한다. 제2 예는, 단일 도금 챔버를 지원하는 2개의 채널들을 갖는 PPS 구성을 도시한다. 제3 샘플은, 도금 챔버 당 3개의 채널들로 도금 챔버를 지원하는 3개의 채널들을 갖는 PPS 구성을 도시한다.
[0014] 각각의 채널에 대한 도금 전위는, 조정가능한 DC 출력을 갖는 AC-DC(AC to DC) 전력 블록(32)에 의해 생성된다. 이들은, 높은 전류들에서의 양호한 효율을 위해 스위치 모드 출력을 사용한다. 전형적으로, AC-DC 전력 블록은 완전히 0 V까지 동작하기가 어려우며, 이는, 낮은 전류들에서의 동작이 문제가 되게 한다.
[0015] 제어 보드(40)는, 이더캣 인터페이스들과 AC-DC 전력 블록 간을 인터페이싱하기 위한 회로를 포함한다. AC-DC 전력 블록을 동작시키는 것은, AC-DC 전력 블록의 동작을 제어하기 위해, 도금 제어 컴퓨터(20)로부터 이더캣 인터페이스를 통해 제어 메시지들을 통신하는 것을 포함할 수 있다. 제어 메시지들은, 출력 전기 제어 신호가 전압인지 또는 전류인지를 특정하는 디지털 제어 메시지, 및 타겟(target) 출력 전기 제어 신호 값들 및 대응하는 지속기간들을 특정하는 아날로그 제어 메시지를 포함할 수 있다.
[0016] 도 2는 하나의 도금 채널(30)에 대한 블록도를 도시한다. 제어 보드는, 하나 초과의 도금 채널에 대한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 제어 보드 상의 엘리먼트들은 다음과 같을 수 있다:
[0017] [a] 하나 이상의 전류 센서들. 더 넓은 범위의 도금 전류들을 달성하기 위해, 별개의 고범위 전류 센서(41) 및 저범위 전류 센서(42)가 제공될 수 있지만, 단일 전류 센서, 또는 2개 초과의 전류 센서들이 사용될 수 있다.
[0018] [b] 고범위 전류 센서(41)를 통해 전류를 라우팅(route)하기 위한 하나 이상의 전류 스위칭 엘리먼트들(43). 전류 스위칭 엘리먼트들(43)은, 스위칭 엘리먼트(들)의 낮은 전력 소산을 위해 트랜지스터(들)를 하드하게(hard) 턴 온(turn on)시키는 디지털 출력(DO2p)에 의해 제어되는 MOSFET일 수 있다.
[0019] [c] 저범위 전류 센서(42)를 통해 전류를 라우팅하기 위한 하나 이상의 전류 스위칭 엘리먼트들(44). 이들은, 트랜지스터(들)를 AC-DC 전력 블록(32)과 직렬이 되게 하는 제어 회로 및 아날로그 출력에 의해 제어될 수 있다. 트랜지스터는 선형 스텝-다운 레귤레이터(step-down regulator)로서 기능한다.
[0020] [d] 이더캣 디지털 및 아날로그 입력 및 출력 회로(45). 도금 제어 컴퓨터(20)에서 실행되는 소프트웨어는, 디지털 출력들을 턴 온시키고, 아날로그 출력들을 설정하여 도금 전류 또는 전압 설정점들을 제어하고, 그리고 디지털 입력들 및 아날로그 입력들을 다시 판독하여 전류 또는 전압과 같은 도금 프로세스 센서 측정들을 보고 및 기록함으로써 도금 서브시스템(60)을 제어한다.
[0021] [e] 격리 회로들(46). 이러한 선택적 회로는, 전기도금 전력 전달 회로들과 다른 인터페이스 및 제어 회로들 사이의 전기적 상호작용을 방지하는 데 사용된다.
[0022] [f] 폐쇄 루프 제어를 제공하기 위한 OP 앰프 회로들(47 및 48). 회로(47)는 AC-DC 전력 블록(32)을 제어한다. 회로(48)는 저범위 트랜지스터(44)를 제어한다. AC-DC 전력 블록은 전형적으로 온/오프 제어가 되며, 이는, 디지털 출력(DO1p)을 사용하여, 도금 제어 컴퓨터(20)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
[0023] 장치(10)는, AC-DC 전력 블록들이 도금 챔버에서 함께 연결될 때 그들 사이의 상호작용을 방지하기 위해 차단 다이오드(들)(33)를 더 포함할 수 있다. 때때로, 일부 구역들에서 도금하는 것과 동시에 상이한 구역에서 디플레이팅(de-plate)하는 것이 바람직하다. 일 구역이 디플레이팅을 위해 설계된 경우, 다이오드(33)는 반전될 것이고, AC-DC 전력 블록으로부터 비롯되는 전압의 극성이 반전될 것이다.
[0024] 시스템 동작 예들
[0025] 오퍼레이터(operator)는 원하는 도금 프로세스 또는 타겟 도금 프로세스를 사용자 인터페이스 컴퓨터(12)에 입력한다. 이는 일반적으로, 도금 시스템의 채널에 의해 사용될 원하는 모드(이를테면, 전압 또는 전류), 설정점(이를테면, 2.5 암페어), 및 지속기간(이를테면, 1 분)을 포함한다. 원하는 프로세스는 도금 제어 컴퓨터(20)에 전송되며, 도금 제어 컴퓨터(20)는, 전기도금을 포함하는 장비의 시간에 민감한 전기도금 동작들을 제어한다.
[0026] 반도체 프로세싱 장비는, 전형적으로는 로봇을 통해, 도금 챔버(70)로 기판을 가져와 기판을 도금 용액에 침지(immerse)시킨다. 도금 제어 컴퓨터의 소프트웨어는, 원하는 설정들을 통신하기 위해 이더캣 커맨드들을 전송하여 PPS의 디지털 및 아날로그 출력들을 턴 온시킴으로써 PPS를 제어한다. 디지털 출력들(DO)은, 동작 모드(전류 또는 전압), 범위(예컨대, 고범위 또는 저범위 전류), 및 전력 전달 상태(온 또는 오프(off))를 제어한다. 아날로그 출력(들)(AO)은, PPS가 전달해야 할 원하는 설정점 전류 또는 전압을 표현한다. 도금 제어 컴퓨터(20)는, 각각의 특정 채널에 대한 교정 결과들을 고려하여 원하는 설정점(예컨대, 암페어 단위의 도금 전류)을 통신하는 데 사용되는, 각각의 PPS의 각각의 채널, 모드, 및 범위에 대한 교정 테이블들을 갖는다. 설명된 방법들은, 이더캣 인터페이스를 통해 수신된 제어 메시지들로부터, 출력 전기 제어 신호를 생성하는 전기 회로에 대한 대응하는 동작점을 획득하기 위해 교정 테이블을 검색하는 것을 포함할 수 있다. 도금 제어 컴퓨터에 또는 도금 서브시스템(60)에 저장된 교정 테이블은, 암페어 또는 볼트 단위의 사용자 프로그래밍된 설정점을 제어 회로에 대한 대응하는 동작 설정점들로 변환하는 데 사용된다. 이러한 변환은, 이더캣 인터페이스 메시지가 교정된 설정점(예컨대, DAC 카운트(count)들)인 도금 제어 컴퓨터에서 발생하거나, 이더캣 인터페이스 메시지가 타겟 암페어 또는 볼트인 도금 서브시스템에서 발생할 수 있다.
[0027] PPS가 다수의 전류 센서들을 갖는 경우, 도금 제어 컴퓨터(20)에서 실행되는 소프트웨어는, AC-DC 전력 블록의 원하는 설정점 및 최소 동작 범위에 기반하여 프로세스의 각각의 단계에 어떤 범위가 사용되어야 하는지를 결정한다. 예컨대, 고범위를 사용하는 것이 적절할 때, 고범위 센서(41)를 통해 전류를 라우팅하기 위한 제어가 선택되며, 저범위 센서(42)를 통해 전류를 라우팅하기 위한 제어 입력은 턴 오프(turn off)된다.
[0028] 제어 보드 상의 회로들은, 피드백 신호가 설정점 신호에 매칭하게 AC-DC 전력 블록의 제어 핀을 드라이빙(drive)하기 위해, 잘 정립된 기법들(이를테면, 비례, 적분, 및 미분 제어 또는 PID 제어)을 사용한다. 예컨대, 고범위 전류 제어 모드에 대한 PID 제어의 I-항을 구현하기 위해, 회로(47)는, 제어 출력
Figure pct00001
를 생성하도록 구성될 것이며, 여기서, FBi = FB2i(고범위 전류 센서(41)로부터의 고범위 전류 피드백 신호)이고, A0은 도금 제어 컴퓨터(20)로부터의 설정점 신호이다. 디지털 출력(DO)이 전류 모드 대신 전압 제어 모드가 사용되어야 한다는 것을 시그널링하는 경우, FBi = FB3i이며, 전압 피드백 신호(FB3i)는 피드백 감지 회로(50)로부터 비롯된다. 회로(47)는, 원하는 제어 신호를 생성하기 위해, 연산 증폭기들 및 아날로그 멀티플렉서들을 사용할 수 있다. 제1 및 제2, 또는 고범위 및 저범위 전류 센서들은, 각각, 고범위 및 저범위 동작 동안 출력 전기 제어 신호의 크기를 표시하는 피드백 신호를 생성할 수 있다.
[0029] 회로들(47 및 48)은, 격리 회로들(46)의 어느 한 측 상에 구현될 수 있다. 초기 구현에서, 그 회로들은 격리된 측 상에 있었다.
[0030] PPS가 AC-DC 전력 블록의 최소 동작 범위 미만의 전류들을 갖는 전류 모드를 전달할 것을 요청받을 때, 또는 저범위 전류 제어 회로가 더 정확한 도금 결과들을 제공할 것으로 예상되는 경우, 저범위 센서(42)를 통해 전류를 라우팅하는 PPS 제어 신호가 선택되며, 고범위 센서(41)를 통해 전류를 라우팅하는 제어 신호(DO2p)는 턴 오프된다.
[0031] 이러한 모드에서, 2개의 별개의 제어 루프들이 사용된다. 하나의 루프는 회로(47)에 있으며, 회로(47)는, 고정된 드레인-소스(drain-to-source) 전압("헤드룸(headroom) 전압")을 저범위 트랜지스터(44)에 제공하도록 AC-DC 전력 블록을 제어한다. 이러한 모드에서, 회로(47)는, 출력
Figure pct00002
제어 신호를 AC-DC 전력 블록(32)에 제공하기 위해 헤드룸 전압 감지 회로(49)를 사용한다.
Figure pct00003
= 트랜지스터의 정상 동작을 위한 원하는 헤드룸 전압이고,
Figure pct00004
= 측정된 헤드룸 전압이다.
[0032] 회로(48)로부터의 제2 루프는 저범위 트랜지스터(44)를 제어하며, 저범위 트랜지스터(44)는, AC-DC 전력 블록에 대한 포스트-레귤레이터(post-regulator)로서 작용하고, 자신의 출력을, 더 낮은 전류들에 최적화된 전류 센서로 향하게 한다.
[0033] 회로(48)는 제어를 위해 잘 정립된 제어 기법들을 사용한다. 그러므로, 예컨대, 저범위 전류 제어 모드에 대한 PID 제어의 I-항을 구현하기 위해,
Figure pct00005
이며, 여기서, FBi = FB1i(저범위 전류 센서 판독)이고, A0은 도금 제어 컴퓨터(20)로부터의 설정점 신호이다.
[0034] 제어 보드는, 범위들 사이에서 시프팅(shift)할 때 과도상태(transient)들을 최소화하기 위한 회로를 포함한다. 도금 프로세스 동안 레이트(rate)들을 변경하는 반도체 도금의 경우, 그러한 프로세스에서 프로세싱은 일반적으로, 더 낮은 도금 전류들로 시작한 다음 이후 더 높은 도금 전류들로 시프팅한다. AC-DC 전력 블록은 두 범위들 모두에 대한 전력을 생성하지만, 저범위 트랜지스터(들)는 적절한 동작을 위해 약간의 전압 강하("헤드룸")를 요구한다. 저범위에서 동작하는 동안, 이는, AC-DC 전력 블록이 원하는 출력에서 정확히(또는 전혀) 동작할 수 없더라도 트랜지스터가 원하는 값으로 전류를 레귤레이팅(regulate)하도록 조정들을 행하게 할 수 있다. AC-DC 전력 블록 조정 속도가 전형적으로 저범위 트랜지스터보다 느리므로, 저범위로부터 고범위로 스위칭할 때, 저범위 동작에 바람직한 헤드룸이 설정될 수 있음으로써, AC-DC 전력 블록이 후속 고범위 단계에서 원하는 것보다 더 높은 전류를 생성하는 것이 가능하다. 예컨대, 저범위 전류가 2.0 암페어이고 고범위 전류가 2.5 암페어이며, 부하가 1 옴이고 헤드룸이 3볼트인 경우, 요구되는 PPS 출력 전압은 2 x 1= 2 V이다. 3 V 헤드룸을 달성하기 위한 AC-DC 전력 블록의 출력은 2 + 3 = 5 V일 것이다. 유닛이 즉시 고범위로 스위칭하는 경우, 예상되는 전류는, 원하는 2.5 A 설정점보다 높은, 5 V / 1 옴 = 5 A일 것이다. 이는, AC-DC 전력 블록이 고범위 전류 스텝에 필요한 레벨로 자신의 출력을 하향 조정할 때까지, 원하는 설정점을 초과하는 전류 스파이크(spike)를 초래할 것이다.
[0035] 많은 반도체 전기도금 프로세스들은, 설정점 미만의 전류들보다 설정점을 초과하는 전류들에 더 민감하다. 범위 전환 동안, 전류가 원하는 설정점을 초과하는 가능성을 감소시키기 위해, 고범위 및 저범위 전류 제어를 위한 별개의 제어 DAC들 및 회로들이 사용될 수 있다. 또한, 저범위 모드에 대한 원하는 헤드룸을 선택하기 위한 회로들이 제공될 수 있다. 정상 헤드룸 설정(
Figure pct00006
)은, 저범위 트랜지스터가 출력을 제어하는 데 더 큰 마진(margin)을 제공한다. 고범위 모드로 변경하기 직전에, 더 낮은 헤드룸 설정(
Figure pct00007
)이 선택될 수 있다. 이는, AC-DC 전력 블록의 출력을 최소 헤드룸 레벨로 감소시킨다(부하 변화들에 대한 응답으로, 저범위 트랜지스터가 출력을 제어하기 위한 마진이 감소됨). 그런 다음, PPS 제어기가 고범위로 변경할 때, 시스템이 원하는 설정점을 오버슈팅(overshoot)할 가능성이 더 적다.
[0036] 저범위 모드에서, 저범위 트랜지스터들은, AC-DC 전력 블록들보다 더 신속하게 변화들에 응답할 수 있다. 회로들은, "설정점 미만"의 조건보다 "설정점 초과"의 조건에 더 신속하게 반응하도록 설계될 수 있으며, 이는 종종, 프로세스 관점에서 뿐만 아니라, 전력 소산 제한들로 인한 손상으로부터 저범위 트랜지스터들을 보호하는 데 또한 바람직하다. 부가적으로, 제어 회로 응답 속도의 I 항(적분 항)은, 헤드룸이 임계 레벨 아래로 떨어질 때 자동적으로 느려진다. 이는, 충분한 헤드룸이 이용가능할 때에는 빠른 응답을 허용하지만, 헤드룸이 불충분할 때에는 AC-DC 전력 블록 응답에 뒤이어 일어나도록 응답을 둔화시킨다.
[0037] 이는, 저범위 제어 회로에서 I-항이 축적되는 것, 및 이러한 특징이 없으면 초래될 후속 오버슈트를 방지하는 것을 돕는다.
[0038] 예시적인 이점들
[0039] 설명된 아키텍쳐는, 저비용의 더 용이하게 입수가능한 상업적 AC-DC 전력 블록들의 사용을 (그들의 출력이 애플리케이션에 요구되는 전체 범위에 걸쳐 조정가능하지 않더라도) 허용한다. 이는, 맞춤형 AC-DC 전력 블록에 대한 필요성을 제거하고 시스템 비용을 감소시킨다.
[0040] 선형 포스트-레귤레이터와 함께 스위칭 모드 AC-DC 전력 블록을 사용하는 것은, 특성들의 선호되는 조합을 갖는 시스템을 생성한다. 높은 전류들이 필요할 때, 스위치 모드 설계는 높은 효율을 제공하며, 이는, 사이즈, 비용, 및 열을 감소시킨다. 덜 효율적인 선형 포스트-레귤레이터가 낮은 전류들이 필요할 때에만 사용되며, 0 V 또는 0 A 출력까지의 조정능력, 및 설계의 선택된 헤드룸 전압 내에서의 더 빠른 응답 시간을 허용한다.
[0041] 저범위 제어 트랜지스터들을 초과하는 알려진 헤드룸 전압을 유지함으로써, 저범위 제어 트랜지스터들에서의 전력 소산이 감소되므로, 트랜지스터들 및 히트 싱크(heat sink)들이 더 작아질 수 있다. 이는 시스템 사이즈 및 비용을 감소시킨다. 더 낮은 온도가 또한 트랜지스터 수명을 개선하여 신뢰성을 개선한다.
[0042] 이더캣 프로토콜이 알려진 시간 지연으로 데이터가 전송 및 수신되는 것을 보증하기 때문에, 간헐적인 지연 변동을 겪을 수 있는 다른 통신 프로토콜들과 비교할 때 타이밍 불확실성이 감소된다. 이는, 보다 반복가능한 프로세스 결과를 제공한다.
[0043] 이더캣 인터페이스는 또한, 대형 시스템의 다수의 PPS 제어기들과의 통신들을 매우 간단하게 만든다. PPS 제어기의 회로들이 폐쇄 루프 제어를 담당하므로, 소프트웨어는 단지 프로세스 설정점들 및 모드들의 시퀀스만을 제어할 필요가 있다.
[0044] PPS 제어기가 내부 마이크로프로세서를 갖지 않는 실시예들에서, 개시된 기법은, PPS 제어기들과 도금 제어 컴퓨터 사이의 통신 프로토콜 문제들을 제거한다. 이는, 소프트웨어 개발을 단순화하고, 소프트웨어 복잡도 및 개발 시간을 감소시키고, 신뢰성을 개선하고, 그리고 문제해결 시간을 감소시킨다. 소프트웨어 복잡도가 감소되므로, 도금 제어 컴퓨터가 더 많은 채널들을 제어할 수 있거나 더 낮은 성능의 도금 제어 컴퓨터가 활용될 수 있어서, 시스템 비용이 감소된다.
[0045] 도 3은, 반도체 기판을 전기도금하는 동작을 제어하는 방법(300)의 예시적인 흐름도를 도시한다.
[0046] 방법(300)은, 302에서, 타겟 전기도금 프로세스로부터, 타겟 출력 전기 제어 신호 값들 및 대응하는 지속기간들의 출력 전기 제어 신호 스케줄을 생성하는 단계를 포함한다.
[0047] 방법(300)은, 304에서, 적어도 2개의 모드들로 출력 제어 스케줄을 따라 DC 전압을 생성하도록 교류(AC)-직류(DC) 전력 블록을 동작시키는 단계를 포함한다.
[0048] 방법(300)은, 높은(high) 동작 모드에서, AC-DC 전력 블록이 출력 전기 제어 신호를 전기도금 채널에 직접 제공하고, 그리고 낮은(low) 동작 모드에서, AC-DC 전력 블록이 저범위 제어기 트랜지스터 스테이지를 바이어싱하기 위해 헤드룸 전압 신호를 제공하도록, AC-DC 전력 블록 동작을 제어하는 단계(306)를 포함하며, 여기서, 저범위 제어 트랜지스터는 포스트-레귤레이터로서 작용하여, 전기도금 채널에 대한 출력 전기 제어 신호를 제어한다.
[0049] 방법(300)은, 308에서, 낮은 동작 모드로부터 높은 동작 모드로의 전환 동안 출력 전기 제어 신호의 급격한 변동들을 제어하기 위해 헤드룸 전압을 조정하는 단계를 포함한다. 헤드룸 전압의 선택적 제어는, 예컨대, 요구되는 고범위 전압이 저범위 이전 단계 + 정상 헤드룸 미만일 때 잠재적 오버슈트를 감소시키기 위해, 낮은 동작 모드로부터 높은 동작 모드로 스위칭하기 전에 순간적으로 헤드룸 전압을 감소시키는 것일 수 있다.
[0050] 도 4는, 반도체 기판들의 전기도금을 제어하는 데 사용될 수 있는 예시적인 전기도금 제어 장치(400)를 도시한다.
[0051] 장치(400)는 하나 이상의 도금 서브시스템들(402)을 포함하며, 하나 이상의 도금 서브시스템들 각각은, 스케줄에 따라 반도체 웨이퍼를 전기도금하는 데 사용되는 도금 챔버의 개별 구역들(전형적으로, 애노드들)의 전기도금 동작을 드라이빙하기 위해 제어된 양의 전기 제어 신호를 생성하는 하나 이상의 채널들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 도금 서브시스템들(402)은, 위에 설명된 도금 서브시스템들(60)과 유사할 수 있다.
[0052] 장치(400)는, 이더캣 인터페이스를 통해 하나 이상의 도금 서브시스템들과 커플링되는 도금 제어 컴퓨터(404)를 포함하며, 도금 제어 컴퓨터는 스케줄을 제공한다. 일부 실시예들에서, 도금 제어 컴퓨터(404)는, 위에 설명된 도금 제어 컴퓨터(20)와 유사할 수 있다.
[0053] 장치(400)는, 각각의 채널에 대한 도금 전위를 제공하는 조정가능한 출력을 갖는 교류(AC)-직류(DC) 전력 블록(406)을 포함한다. 일부 실시예들에서, AC-DC 전력 블록은, 본원에 설명된 AC-DC 전력 블록(32)과 유사할 수 있다.
[0054] 장치(400)는, 이더캣 인터페이스와 AC-DC 전력 블록 사이의 전기적 인터페이스를 제공하여 이더캣 인터페이스로부터 수신되는 스케줄에 따른 AC-DC 전력 블록의 동작을 가능하게 하는 제어 회로(408)를 포함하며, 제어 회로는, 하나 이상의 전류 센서들, 하나 이상의 전류 스위칭 엘리먼트들, 및 격리 회로를 포함하며, 격리 회로는, 도금 제어 컴퓨터와 이더캣 인터페이스 사이의 전기적 상호작용을 방지하기 위해(즉, 그들을 서로 격리시키기 위해) 배치된다. 일부 실시예들에서, 제어 회로(408)는, 본원에 설명된 제어 보드(40)로서 구현될 수 있다.
[0055] 하나 이상의 도금 서브시스템들은, AC-DC 전력 블록이 제1 출력 전기 제어 신호를 직접 제공하는 높은 동작 모드, 및 AC-DC 전력 블록이, AC-DC 전력 블록에 대한 포스트-레귤레이터로서 작용하는 저범위 제어 트랜지스터를 바이어싱하고 그리고 제1 출력 전기 제어 신호보다 크기가 더 작은 제2 출력 전기 제어 신호를 제공하는 낮은 동작 모드에서 동작가능하다.
[0056] 일부 실시예들에서, 전기도금 장치를 제어하기 위한 방법은, 고범위 회로 및 저범위 회로 중 하나를 선택적으로 동작시켜 고범위 및 저범위의 선형 가변 전기 출력 신호를 각각 출력하기 위해 전기 스위치를 사용하여, 임계치를 초과하는 전압을 출력할 때 선형 동작을 그리고 임계치 미만의 전압을 출력할 때 비선형 동작을 나타내는 가변 출력 직류(DC) 전력 공급부로부터 선형 가변 전기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 고범위에서, 선형 가변 전기 출력 신호는, DC 전력 공급부의 출력을 직접 사용하여 생성된다. 저범위에서, 선형 가변 전기 출력 신호는, 트랜지스터에 대한 일정한 드레인-소스 전압을 유지하도록 DC 전력 공급부를 제어하고 그리고 DC 전력 공급부에 대한 포스트 레귤레이터로서 트랜지스터를 사용하여 생성된다. 방법은, 출력 전기 제어 신호의 급격한 변동들을 제어하기 위해, 저범위 회로로부터 고범위 회로로 스위칭하기 전에 순간적으로 상수 값을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0057] 전체 범위에 걸쳐 선형이 아닐 수 있는 기성품(off-the-shelf) 전력 블록을 사용하여 전기도금 전류를 정밀하고 선형적으로 제어하기 위한 다양한 실시예들 및 기법들이 설명되었다. 일부 실시예들에서, 정밀한 제어는, 적어도 2개의 동작 모드들 ― DC 전력 블록의 선형 동작 범위에 대응하는 높은 모드, 및 가변적인 선형 저범위 출력 전류를 생성하기 위해 트랜지스터 회로를 사용하여 DC 전력 블록의 출력이 선형으로 레귤레이팅되는 낮은 모드 ― 사이의 전기적 스위칭을 사용함으로써 달성된다. 낮은 모드와 높은 모드 사이의 전환은, 전환 동안의 전류 스윙(swing)들을 최소화하기 위해 스위칭 전에 순간적으로 DC 전력 블록 출력을 조정함으로써 주의 깊게 제어될 수 있다. 높은 동작 모드와 낮은 동작 모드 사이의 전환은, AC-DC 전력 블록의 동작점(동작점 아래에서 AC-DC 전력 블록은 동작의 비-선형성을 나타냄)에서 발생하도록 선택될 수 있다. 고범위 및 저범위를 갖는 시스템은 유리하게, 낮은 설정점들에서, 단일 범위만을 갖는 시스템보다 더 양호한 정확도 및 응답을 갖는다.
[0058] AC-DC 전력 블록은 다수의 개별적으로 동작가능한 전력 공급 유닛들을 포함할 수 있고, 전력 공급 유닛들 사이의 전기적 상호작용을 방지하기 위해 다이오드가 제공될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전기도금(electroplating) 장치의 동작을 제어하는 방법으로서,
    타겟(target) 전기도금 프로세스로부터, 타겟 출력 전기 제어 신호 값들 및 대응하는 지속기간들의 출력 전기 제어 신호 스케줄을 생성하는 단계;
    적어도 2개의 모드들로 상기 출력 제어 스케줄을 따라 DC 전압을 생성하도록 교류(AC)-직류(DC) 전력 블록을 동작시키는 단계 ― 높은 동작 모드에서, 상기 AC-DC 전력 블록은 출력 전기 제어 신호를 전기도금 채널에 직접 제공하고, 낮은 동작 모드에서, 상기 AC-DC 전력 블록은 저범위 제어기 트랜지스터 스테이지를 바이어싱하기 위해 헤드룸(headroom) 전압 신호를 제공하고, 저범위 제어 트랜지스터는, 상기 전기도금 채널에 대한 상기 출력 전기 제어 신호를 제어하기 위한 포스트-레귤레이터(post-regulator)로서 작용함 ―; 및
    상기 낮은 동작 모드로부터 상기 높은 동작 모드로의 전환 동안 상기 출력 전기 제어 신호의 급격한 변동들을 제어하고 상기 저범위 제어 트랜지스터에서의 전력 소모를 최소화하기 위해 헤드룸 전압을 조정하는 단계를 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기도금 채널 상에 출력되는 상기 출력 전기 제어 신호의 피드백을 제공하기 위해 하나 이상의 센서들을 사용하는 단계를 더 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전기 제어 신호는 전압 신호인, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 AC-DC 전력 블록을 동작시키는 단계는, 상기 AC-DC 전력 블록의 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터로부터 이더캣(EtherCAT) 인터페이스를 통해 메시지들을 통신하는 단계를 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메시지들은, 상기 출력 전기 제어 신호가 전압인지 또는 전류인지를 특정하고,
    아날로그 제어 메시지는, 상기 타겟 출력 전기 제어 신호 값들 및 대응하는 지속기간들을 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이더캣 인터페이스를 출력 전기 제어 신호들로부터 전기적으로 격리시키기 위해 전기 격리 회로를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이더캣 인터페이스를 통해 수신된 상기 메시지들로부터, 상기 출력 전기 제어 신호를 생성하는 전기 회로에 대한 대응하는 동작점을 획득하기 위해, 교정 테이블을 검색하는 단계를 더 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 AC-DC 전력 블록은 다수의 개별적으로 동작가능한 전력 공급 유닛들을 포함하고,
    상기 방법은, 상기 전력 공급 유닛들 사이의 전기적 상호작용을 방지하기 위한 다이오드를 제공하는 단계를 더 포함하는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 AC-DC 전력 블록의 동작점에서 발생하도록 상기 높은 동작 모드와 상기 낮은 동작 모드 사이의 전환을 선택하는 단계를 더 포함하며,
    상기 AC-DC 전력 블록은 상기 동작점 아래에서 동작의 비-선형성을 나타내는, 전기도금 장치의 동작을 제어하는 방법.
  10. 전기도금 제어 장치로서,
    하나 이상의 도금 서브시스템들 ― 상기 하나 이상의 도금 서브시스템들 각각은, 스케줄에 따라 반도체들을 전기도금하는 데 사용되는 도금 챔버의 개별 구역들의 전기도금 동작을 드라이빙(drive)하기 위해, 제어된 양의 전기 제어 신호를 생성하는 하나 이상의 채널들을 포함함 ―;
    이더캣 인터페이스를 통해 상기 하나 이상의 도금 서브시스템들과 커플링되는 도금 제어 컴퓨터 ― 상기 도금 제어 컴퓨터는 상기 스케줄을 제공함 ―;
    각각의 채널에 대한 도금 전위를 제공하는 조정가능한 출력을 갖는 교류(AC)-직류(DC) 전력 블록; 및
    상기 이더캣 인터페이스와 상기 AC-DC 전력 블록 사이의 전기적 인터페이스를 제공하여 상기 이더캣 인터페이스로부터 수신되는 상기 스케줄에 따른 상기 AC-DC 전력 블록의 동작을 가능하게 하는 제어 회로를 포함하며,
    상기 제어 회로는, 하나 이상의 전류 센서들, 하나 이상의 전류 스위칭 엘리먼트들, 및 격리 회로를 포함하고, 상기 격리 회로는, 상기 도금 제어 컴퓨터와 상기 이더캣 인터페이스 사이의 전기적 상호작용을 방지하기 위해 배치되고,
    상기 하나 이상의 도금 서브시스템들은, 상기 AC-DC 전력 블록이 제1 출력 전기 제어 신호를 직접 제공하는 높은 동작 모드, 및 상기 AC-DC 전력 블록이, 상기 AC-DC 전력 블록에 대한 포스트-레귤레이터로서 작용하는 저범위 제어 트랜지스터를 바이어싱하고 그리고 상기 제1 출력 전기 제어 신호보다 크기가 더 작은 제2 출력 전기 제어 신호를 제공하는 낮은 동작 모드에서 동작가능한, 전기도금 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 장치의 실제 출력되는 전기 제어 신호 출력을 감지하기 위해 상기 제1 출력 전기 제어 신호 및 상기 제2 출력 전기 제어 신호에 하나 이상의 전기 센서들이 커플링되는, 전기도금 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력 전기 제어 신호는 전류 신호인, 전기도금 제어 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 이더캣 인터페이스를 상기 출력 전기 제어 신호로부터 전기적으로 격리시키기 위해 상기 이더캣 인터페이스와 상기 출력 전기 제어 신호 사이에 배치되는 전기 격리 회로를 더 포함하는, 전기도금 제어 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 도금 제어 컴퓨터는, 교정 테이블이 내부에 저장된 메모리를 포함하고,
    상기 교정 테이블은, 상기 이더캣 인터페이스로부터의 메시지들과 상기 제어 회로에 대한 대응하는 동작 설정점들 사이의 변환을 위한 엔트리(entry)들을 포함하는, 전기도금 제어 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 AC-DC 전력 블록은 다수의 개별적으로 동작가능한 전력 공급 유닛들을 포함하고,
    상기 장치는, 동작 동안 상기 전력 공급 유닛들 사이의 전기적 상호작용을 방지하기 위한 하나 이상의 다이오드들을 더 포함하는, 전기도금 제어 장치.
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