TW201816827A - 用於電漿處理器的射頻電源控制裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，電漿處理器包括一下電極，下電極上方設置有一靜電夾盤，待處理晶圓設置在靜電夾盤上，一個射頻電源藉由一個匹配電路輸出射頻功率到下電極，其中射頻電源控制裝置包括一個偏置電壓檢測電路耦合到下電極以獲偏置電壓測得值，一個製程參數控制器，其特徵在於，更包括一個控制訊號轉換器，控制訊號轉換器包括第一輸入端連接到偏置電壓檢測電路，一個第二輸入端連接到製程參數控制器，一個輸出端連接到射頻電源，控制訊號轉換器將製程參數控制器輸出的偏置電壓設定值轉換為輸出功率數值輸出到射頻電源。

Description

用於電漿處理器的射頻電源控制裝置及其控制方法

本發明涉及半導體加工技術領域，尤其涉及一種 電漿處理器的射頻電源控制裝置。

電漿處理裝器被廣泛應用於半導體晶圓加工處理流程中，其中電漿處理器中的電漿的濃度和入射到晶圓的能量是藉由控制射頻電源的功率來控制的。其中輸出到處理器中基座內下電極的射頻能量（2MHz）被用來控制入射到晶圓的能量，藉由控制射頻電源的輸出功率使得晶圓上表面產生合適厚度的鞘層，維持一定的直流偏置電壓（DC Bias）。

在實際電漿處理製程運行中，部分製程步驟需要射頻電源根據製程參數的需要輸出預設的功率，但是部分製程步驟中製程參數設定不是射頻電源的輸出功率而是偏置電壓值。射頻電源需要接受兩種類型的製程參數，相應的習知射頻電源輸出功率需要工作在兩種模式下。下面以第1圖為例說明習知技術中射頻電源輸出功率控制方法，如第1圖所示，電漿處理器中包括晶圓安裝的基座10，基座10也同時作為下電極藉由一匹配電路連接到射頻電源。基座10上設置有靜電夾盤，靜電夾盤包括上下兩層絕緣材料層21、23以及位於絕緣材料層中間的靜電夾盤電極層22。靜電夾盤上方固定有待處理的晶圓30。一個偏置電壓檢測電路連接到匹配電路的輸出端以接收來自下電極的射頻訊號，偏置電壓檢測電路中的濾波電路和整流電路對接收到的射頻訊號進行處理，並獲得一個代表偏置電壓大小的直流電壓訊號，藉由偏置電壓檢測電路和射頻電源之間的導線，這個直流電壓訊號被傳送給射頻電源。一個製程參數控制器接收並儲存所要進行的電漿處理製程的製程參數。一個直流電壓源輸出高壓直流電壓到靜電夾盤中的電極層22，以保證晶圓被固定在靜電夾盤上。其中，射頻電源可以根據製程參數控制器的輸出參數選擇工作在功率輸出模式或者偏置電壓輸出模式。當製程參數控制器中輸出的對應射頻電源的控制參數是一個功率值時，射頻電源根據接收到的這個功率值輸出相應的功率。當製程參數控制器中輸出的射頻電源控制參數是一個偏置電壓值時，射頻電源會將輸出功率強制降為零，然後再進入偏置電壓輸出模式，射頻電源會根據接收到的設定偏置電壓值和偏置電壓檢測電路即時檢測到的偏置電壓測得值，調整輸出的功率，最終得到所需要的設定偏置電壓值。這樣的功率輸出模式和偏置電壓模式切換過程能夠滿足不同製程參數的需求，但是無法實現帶功率的熱切換，不僅切換過程耗時較長，而且輸出功率到零會使得電漿處理器內的電漿不穩定甚至熄滅。

所以業內需要尋求一種新的的裝置或方法，實現射頻電源的輸出功率能夠在上述兩種模式之間快速而且帶功率的熱切換。

本發明公開一種用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，使得射頻電源能夠在射頻功率輸出模式和偏置電壓輸出模式之間實現熱切換。所述電漿處理器包括：一下電極，下電極上方設置有一靜電夾盤，待處理晶圓設置在所述靜電夾盤上，一個射頻電源藉由一個匹配電路輸出射頻功率到所述下電極，一個偏置電壓檢測電路耦合到所述下電極以獲偏置電壓測得值，一個製程參數控制器，其特徵在於，更包括一個控制訊號轉換器，所述控制訊號轉換器包括第一輸入端連接到所述偏置電壓檢測電路，一個第二輸入端連接到所述製程參數控制器，一個輸出端連接到所述射頻電源，所述控制訊號轉換器將所述製程參數控制器輸出的偏置電壓設定值轉換為輸出功率數值輸出到所述射頻電源。

其中所述製程參數控制器儲存了至少兩個製程參數，第一製程參數包括射頻電源輸出功率設定值，第二製程參數包括偏置電壓設定值。

所述偏置電壓檢測電路包括濾波器和整流器，所述偏置電壓檢測電路可以電連接到所述下電極或者靜電夾盤。

直流電壓源輸出直流電壓到所述靜電夾盤內的電極，所述偏置電壓檢測電路包括一個輸出端輸出所述偏置電壓測得值到所述直流電壓源，以調整直流電壓源輸出的直流電壓。

本發明還提供了一種用於電漿處理器的射頻電源控制方法，利用所述的射頻電源控制裝置，其特徵在於，所述製程參數控制器輸出到控制訊號轉換器的為設定功率值時，所述控制訊號轉換器將所述設定功率值輸出到射頻電源，射頻電源工作在功率輸出模式下，射頻電源根據接收到的設定功率值輸出射頻功率。

其中所述製程參數控制器輸出到控制訊號轉換器的是偏置電壓設定值時，所述控制訊號轉換器根據預設程式將所述偏置電壓設定值轉換為輸出功率數值輸出到射頻電源，射頻電源工作在功率輸出模式下，根據接收到的輸出功率數值輸出射頻功率。所述預設程式包括下列步驟：

A.比較偏置電壓設定值和偏置電壓測得值的差，如果差值小於預設限值則保持當前射頻電源的輸出功率，如果差值大於預設限值，則進入步驟B;

B.根據所述比較獲得的差值，改變輸出功率數值並輸出到射頻電源，等待一個預設時間段後再次獲取偏置電壓測得值，再次進入步驟A。其中所述預設時間段為0.2-1.5秒。

以下結合第2圖進一步說明本發明的具體實施例。

本發明公開了一種用於電漿處理器的射頻電源控制裝置， 與第1圖所示的習知技術具有基本相同的硬體設置，主要的區別在於本發明中偏置電壓檢測電路將檢測到的偏置電壓訊號藉由一輸出導線輸出到一個控制訊號轉換器的第一輸入端，控制訊號轉換器更包括一第二輸入端藉由導線與製程參數控制器相連，藉由第二輸入端接收來自製程參數控制器的製程參數。控制訊號轉換器更包括一個輸出端輸出控制訊號到射頻電源，使得射頻電源輸出的射頻功率能夠在功率輸出模式和偏置電壓模式之間實現熱切換。

當製程參數控制器輸出的設定參數為一個射頻功率值時，控制訊號轉換器直接將該功率值輸出到射頻電源，使得射頻電源輸出具有設定功率的射頻訊號。

當製程參數控制器輸出的射頻參數為一個設定偏置電壓值時，控制訊號轉換器會比較接收到的偏置電壓測得值與設定偏置電壓值，根據兩者的差值調整射頻電源的輸出功率。如果射頻偏置電壓值高於偏置電壓測得值，則控制訊號轉換器根據比較結果，輸出一個高於原有輸出功率設定值的修正設定值到射頻電源，經過一定時間（如0.2-1.5秒）後射頻電源的輸出功率穩定在修正後的輸出功率設定值。隨後，再次執行偏置電壓測得值與偏置電壓設定值的比較，如果兩者的差距小於預設限值則停止對射頻電源輸出功率的調整，如果兩者的差距仍然大於預設限值，則根據偏置電壓測得值與偏置電壓設定值的比較結果再次輸出一個修正後的輸出功率設定值到射頻電源。這樣經過多個比較判斷的迴圈最終使得控制訊號轉換器輸出的修正設定值正好能夠使得偏置電壓測得值為製程參數控制器中輸入的偏置電壓設定值。

本發明在製程參數控制器的輸出為偏置電壓值時，不需要射頻電源從功率輸出模式調整為偏置電壓模式，而是保持原有的功率輸出模式，藉由控制訊號轉換器將接收到的偏置電壓值與偏置電壓測得值比較，獲得射頻電源的輸出功率需要改變的方向和幅度，最終使得控制訊號轉換器將接收到的偏置電壓值轉換為功率輸出模式下對應輸出功率值。本發明由於設置了控制訊號轉換器所以能夠使得射頻電源持續工作在功率輸出模式，同時不需要將輸出功率強制歸零就能獲得原有偏置電壓模式才能獲得的晶圓30上精確的偏置電壓，所以能夠實現射頻電源的輸出功率在功率輸出模式和偏置電壓模式的熱切換。

本發明中的偏置電壓檢測電路除了如第1、2圖所示可以從匹配電路的輸出端採樣下電極上的射頻功率訊號，也可以從直流電壓源的輸出端採樣靜電夾盤電極層22上的射頻功率訊號，其它能夠採樣到下電極射頻訊號的位置都可以用來獲得射頻訊號的峰值Vpp，藉由對Vpp的濾波和整流就能夠或得反應偏置電壓幅度的直流訊號，該訊號作為偏置電壓測得值用以實現控制訊號轉換器的訊號轉換功能。

在偏置電壓模式下，靜電夾盤上的偏置電壓會發生大幅度的變化，這會影響直流電壓源對晶圓30的靜電吸附能力，偏置電壓和靜電電壓會在晶圓30上發生疊加，所以偏置電壓測得值還需要藉由導線傳輸到直流電壓源，使得直流電壓源輸出的直流電壓值與受射頻電源輸出功率影響產生的偏置電壓值互補，最終兩者綜合作用在晶圓30上產生的靜電吸力保持穩定，不會過大或過小。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。

10‧‧‧基座

21‧‧‧絕緣材料層

22‧‧‧電極層

23‧‧‧絕緣材料層

30‧‧‧晶圓

第1圖為習知技術電漿處理器中射頻電源控制裝置示意圖。

第2圖為本發明電漿處理器中射頻電源控制裝置示意圖。

Claims (9)

1. 一種用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，該電漿處理器包括： 下電極，該下電極上方設置有靜電夾盤，待處理晶圓設置在該靜電夾盤上，一個射頻電源藉由一個匹配電路輸出射頻功率到該下電極，一個偏置電壓檢測電路耦合到該下電極以獲偏置電壓測得值，一個製程參數控制器，其更包括一個控制訊號轉換器，該控制訊號轉換器包括第一輸入端連接到該偏置電壓檢測電路，一個第二輸入端連接到該製程參數控制器，一個輸出端連接到該射頻電源，該控制訊號轉換器將該製程參數控制器輸出的偏置電壓設定值轉換為輸出功率數值輸出到該射頻電源。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，其中該製程參數控制器儲存了至少兩個製程參數，第一製程參數包括射頻電源輸出功率設定值，第二製程參數包括偏置電壓設定值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，其中該偏置電壓檢測電路包括濾波器和整流器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，其中該偏置電壓檢測電路電連接到該下電極或者靜電夾盤。
5. 如申請專利範圍第1項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制裝置，其中直流電壓源輸出直流電壓到該靜電夾盤內的電極，該偏置電壓檢測電路包括一個輸出端輸出該偏置電壓測得值到該直流電壓源，以調整直流電壓源輸出的直流電壓。
6. 一種用於電漿處理器的射頻電源控制方法，利用申請專利範圍第1項所述之射頻電源控制裝置，其中該製程參數控制器輸出到控制訊號轉換器的為設定功率值時，該控制訊號轉換器將該設定功率值輸出到射頻電源，射頻電源工作在功率輸出模式下，射頻電源根據接收到的設定功率值輸出射頻功率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制方法，其中該製程參數控制器輸出到控制訊號轉換器的是偏置電壓設定值時，該控制訊號轉換器根據預設程式將該偏置電壓設定值轉換為輸出功率數值輸出到射頻電源，射頻電源工作在功率輸出模式下，根據接收到的輸出功率數值輸出射頻功率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制方法，其中該預設程式包括下列步驟： A.比較偏置電壓設定值和偏置電壓測得值的差，如果差值小於預設限值則保持當前射頻電源的輸出功率，如果差值大於預設限值，則進入步驟B;以及 B.根據該比較獲得的差值，改變輸出功率數值並輸出到射頻電源，等待一個預設時間段後再次獲取偏置電壓測得值，再次進入步驟A。
9. 如申請專利範圍第8項所述之用於電漿處理器的射頻電源控制方法，其中該預設時間段為0.2-1.5秒。