TWI253687B - Methods and apparatus for optimizing a substrate in a plasma processing system - Google Patents
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1253687 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上關於基底製造技術，特別關於最佳化電 漿處理系統中的基底之方法及裝置。 【先前技術】 在處理例如半導體晶圓或用於平板顯示器製造之玻璃 面板等基底時，通常會使用電漿。關於基底處理的部份（ 化學汽相沈積、電漿增強化學汽相沈積、物理汽相沈積、 等等），舉例而言，基底會分成多個晶粒，或長方形區， 每一者均會變成積體電路。接著以一系列步驟處理基底， 在一系列步驟中，會將材料選擇性地移除（蝕刻）及沈積 ，以便在其上形成電元件。 在舉例說明的電漿處理中，在蝕刻之前，以硬化的乳 劑（例如光阻掩罩）薄膜塗著基底。接著選擇性地移除硬 化的乳劑區，造成下層的部份受曝光。接著將基底置於電 漿處理室中基底支撐結構上，基底支撐結構包括單極性或 雙極性電極，稱爲夾具。 適當的電漿處理氣體（例如，C4F8、C4F6、CHF3、 C Η 2 F 3 ' C F 4 λ CH3F、C2F4、N2、〇2、Ar、Xe、He' Η〗、 nh3、sf6、bci3、Cl2、wf6、等等）接著流入室入並由 第一 RF能量源離子化，第一 RF能量源通常耦合至RF結 構，例如感應線圈組。此外，第二RF能量源也會耦合至 基底，以便以電漿產生偏壓，並將電漿從電漿離開電漿處 -5- (2) (2)1253687 理系統內的結構引導至基底。 感應線圈是在目的上類似於變壓器的裝置，包含時變 電壓及電漿處理氣體中的電位差，以藉由連續地開啓及關 閉主線圈中的電流而產生電漿。通常的配置是將平面線圈 置於室的頂部，也稱爲T C P (例如，變壓器耦合電漿）。 另一配置是將電漿處理系統配置成磁簧線圈纏繞電漿處理 室的側邊。 電漿通常包括部份解離的氣體。由於電漿放電是受 RF驅動及被弱解離，所以，電發中的電子不會與離子熱 平衡。亦即，當較重的離子藉由碰撞背景離子（例如氬、 等等）而有效率地交換能量時，電子會吸收熱能。由於電 子的質量實質上小於離子的質量，所以，電子熱速度會遠 大於離子熱速度。這傾向於造成快速移動的電子損失於電 漿處理系統之內的表面，接著，在電漿與表面之間產生正 電荷離子鞘。進入鞘的離子接著會被加速至表面。 較低的RF頻率傾向於造成電漿離子在小於一 RF循 環之內通過鞘，產生大的離子能量變化。同樣地，較高的 RF頻率傾向於造成電漿離子耗費數個RF循環以通過鞘， 產生更一致的離子能量組。較高的頻率比類似的功率程度 之較低的頻率訊號激化時，造成更低的鞘電壓。 在RF電源與電漿處理室之間的耦合通常稱爲匹配網 路。一般而言，當從傳輸線端觀看時，匹配網路會將電漿 的複數阻抗轉換成RF產生器的額定輸出阻抗。舉例而言 ，假使RF產生器正配送2kW的輸出功率（稱爲入射或遞 -6 - (3) 1253687 送功率）以及匹配網路未被適當地「調諧」時（舉例而言 ，造成 50%的反射功率），接著，1 kW的功率會被反射 回去RF產生器。這意指僅有1 kW會被配送給負載（電獎 室）。具有適當尺寸（用於電流及阻抗範圍）匹配網路的 高品質、低阻抗、適當選取的長度傳輸線之組合可以提供 從產生器至電漿室之最佳功率轉換。 現在參考圖1，其顯示電漿處理系統1 〇 〇的簡化圖。 一般而言，適當的氣體組會從氣體配送系統1 22經由入口 108而流入室102中。這些電漿處理氣體可以接著被離子 化以形成電漿1 1 〇，以便處理（例如蝕刻或沈積）位於靜 電夾具1 1 6上的例如半導體晶圓或玻璃板等基底Π 4的曝 露區。伴隨有墊片1 1 2之上室板1 20有助於將電漿1 1 0最 佳地聚焦於基底1 1 4上。 氣體配送系統1 22通常包括含有電漿處理氣體（例如 ，C4F8 ' C4F6、CHF3、CH2F3、CF4、CH3F、C2F4、N2、 〇2、Ar、Xe、He、H2、NH3、SF6、BC13、Cl2、WF6、等 等）之壓縮汽缸1 24a-f。汽缸1 24a-f可以由殼1 28保護 ，殼1 2 8提供局部排氣通風。質量流量控制器1 2 6 a - f通 常是內含的用於半導體工業之裝置（由轉換器、控制閥、 及控制和訊號處理電子裝置所組成），用以量測及調節通 至電漿處理系統之氣體質量流量。 感應線圈1 3 1會以介電質窗1 〇 4與電漿分離，並通常 包含電漿處理氣體中的時變電流以產生電漿1 1 〇。窗會保 護感應線圈免於電漿1 ] 0，並允許所產生的R F場穿透電 (4) (4)1253687 漿處理室。此外，匹配網路132在導線130a-b耦合至感 應線圈]3 ]，匹配網路1 3 2可以進一步耦合至R F產生器 138。如前所述，匹配網路132嘗試使典型上以13.56MHz 操作及50歐姆之RF產生器1 38的阻抗匹配於電漿]1 〇 的阻抗。 現在參考圖2，其顯示TCPTM感應線圈的簡化圖。感 應線圈可由高導電率銅管製成且必須堅固的以承受固定使 用，銅管通常視應用而爲圓形、長方形、或方形。如圖1 所示，使用導線130a-b以將感應線圈131耦合至匹配線 路 1 3 2。 但是，當室壓或功率位準改變時，匹配網路及負載會 一起變成不穩定。結果是快速波動或顫動，變動得比匹配 網路的反應還快。所造成的功率轉換不穩定性會傷害匹配 網路的元件及RF產生器，以及，實質上影響基底的產能 〇 慮及上述，需要能最佳化電漿處理系統中的基底之方 法及裝置。 【發明內容】 在一實施例中，本發明係關於處理電漿處理系統中的 半導體基底之配置。配置包含設置具有第一端及第二端的 RF耦合結構，第一端會與第一電量測裝置耦合，第二端 會與第二電量測裝置耦合。配置也包含耦合補償電路至第 二端。此配置又包含設置回饋電路，耦合成從第一電量測 -8 - (5) (5)1253687 裝置及第二電量測裝置接收資訊，回饋電路的輸出會被用 以控制補償電路，以便將第一端的第一電値與第二端的第 二電値之間的比例實質保持在預定値。 在另一實施例中，本發明係關於處理電漿處理系統中 的半導體基底之裝置。裝置包含提供具有第一端及第二端 的RF顆合結構之機構，第一端係與第一電量測裝置親合 ，第二端係與第二電量測裝置耦合。裝置也包含耦合補償 電路至第二端之機構。裝置又包含提供耦合成從第一電量 測裝置及第二電量測裝置接收資訊的回饋電路，回饋電路 的輸出會被用以控制補償電路，以便將第一端的第一電値 與第二端的第二電値之間的比例實質保持在預定値。 將於於下述實施方式中，配合附圖，更詳細說明本發 明的這些及其它特徵。 【實施方式】 現在將參考附圖中所示之數個較佳實施例，以詳細說 明本發明。在下述說明中，揭示很多細節，以助於完整瞭 解本發明。但是，對習於此技藝者而言，顯然在沒有這些 細節的部份或全部時，仍可實施本發明。在其它情形中， 未詳細說明習知的製程步驟及/或結構，以免不必要地模 糊本發明。 不希望受限於理論，發明人相信橫跨例如感應線圈等 RF耦合結構的電壓平衡會使電漿處理系統中的電漿最佳 化。舉例而言，藉由感應線圈中所產生之感應耦合的方位 -9 - (6) (6)1253687 電場，產生電漿。基本上平坦天線中，感應線圈通常是置 於介電質窗的頂部上之長方形剖面的螺旋線圈。施加至天 線之1 3。5 6 Μ Η z的電壓會產生圍繞線圈之振盪磁場，其會 穿入電漿並產生方位電場。 在理想的電漿處理系統中，在軸上方位電場爲零且在 週圍亦爲零，因此，在半徑的大約一半處之環狀區中爲峰 値。在仔細設計的電漿處理系統中，從線圈電容耦合至電 漿中的功率分量會小，因而產生射頻循環期間不會顯著地 振盪的電漿電位。如先前所述般，藉由獨立地施加RF電 位以在基底中產生偏壓，可以控制離子能量。 但是，由於匹配網路上的電漿負載會隨著基底被處理 及電漿被消耗而變，由於在電漿處理系統製造期間，匹配 網路通常會會對預測的電漿負載最佳化，所以，對於基底 處理期間寬廣範圍的處理條件或改變條件，橫跨感應線圈 的真實電壓平衡不會最佳化。所造成的電場會變成徑向扭 曲，遍及基底上，造成實質不均勻的電漿密度，潛在地影 響產能。 隨著基底上高電路密度的需求繼續成長，此條件變成 更有問題。舉例而言，在電漿蝕刻處理中，假使電漿未適 當地最佳化，則可能發生小平面。小平面是基底上非線性 的特徵輪廓，例如溝槽側壁。低電漿密度區不會從基底移 除足夠量的材料，接著降低溝槽或通孔的尺寸。同樣地， 高電漿密度區會從基底移除過量材料，接著產生凹狀下切 割。 -10- (7) (7)1253687 現在參考圖3，其顯示根據本發明的一實施例之匹配 網路的簡化電路圖。一般而言，經由耦合至感應線圈之例 如電壓量測器等電量測裝置，以量測例如電壓等電特性’ 可能無法提供足夠的資訊來推導配送的功率或阻抗。接著 ，以非顯而易知的方式，發展匹配網路的模型以從匹配的 網路設定來預測負載阻抗。從導出的負載阻抗’由於線圈 上的電壓已知，所以，可以評估配送的功率。以此方式推 導的功率値準確至約9 %。 匹配網路3 3 2的詳細模型可以不僅包含例如真空電容 器等可見元件，也包含元件之間的每一連接之電感。在這 些連接中流動的電流會於其它感應電流’特別是在匹配網 路殼的壁中。這些感應的電流會形成通至RF產生器之複 數電流回歸路徑的部份。壁中的電阻損耗會有助於匹配網 路的有效電阻。 但是，此模型將會相當複雜並含有大量元件，難以對 每一元件定量。更簡單的方式係將匹配網路模型化成爲僅 有整批元件組。舉例而言，電感器3 3 1對應於可變電容器 C 1與C 3之間約爲1 5吋長的連接。其被假定爲具有約 ]Ο Ο nH的電感。其餘的連接僅有數吋長且被忽略。C 3以 外的所有元件會被視爲電漿負載3 1 0的部份（例如，感應 線圈、電漿、基底、等等）。連接 TCPTM線圈的端部之 導線3 03 a-b —起大約1 2吋長且爲負載阻抗的部份。 每一真空電容器具有約2 0 η Η的本質串聯電感，但是 ，這些不會特別地被包含。當以】kH ζ的頻率校正電容器 -11 - (8) (8)1253687 時，此串聯電感不會被偵測，且僅在1 3 · 5 6 MHz的操作頻 率時才會成爲可注意的。在網路殼中的感應電流傾向於降 低造成感應的元件之有效電感。在依經驗選擇電感以最佳 地配合資料時，這些可以被列入考慮。 假定匹配網路的電阻小，以致於可以使用共軛阻抗法 以從電容器設定來計算負載阻抗。電容器C 1及C3以計 數校正並顯示典型的校正曲線，從曲線可以容易地決定電 容。它們的値在此特定網路中是從約28 pF至4 8 0 pF的 範圍。電容器C2及C4會固定在它們的1〇2及208 pF標 準値，相當於2 00mm星型（STAR )配置。 V3及V4是例如RF電壓量測器等電量測裝置’設於 接近感應線圈的每一端，感應線圈接著供應電感RF功率 給電漿室。電量測裝置 V3可以量測匹配網路與感應線圈 之間的第一電壓，而電量測裝置V4量測負載與終端電容 器C4之間的第二電壓。在一實施例中，電量測裝置在設 計上類似於RF電壓峰値偵測器。一般而言，電壓量測器 會允許要量測的RF電壓高達5kV (峰値），而不會造成 電弧或其它放電。一般而言，量測器的絕對準確度從約 200V至約5Kv據估計約爲3%。 現在參考圖4，其顯示根據本發明的一實施例之線圈 及電漿負載3 1 〇的簡化模型。一般而言，線圈及電漿負載 3 1 0包括電漿處理系統元件，這些元件在電氣上是在V 3 與 V 4之間（例如，感應線圈、電獎、基底、等等）。類 似匹配網路，線圈及電漿負載3 ] 0可以模型化成爲變壓器 -12 - (9) (9)1253687 電路’變壓器電路包括代表電漿的蕊心損耗之並聯電阻 4 08、以及考慮磁通量耦合至電漿之並聯電感4〇4。 現在參考圖5 ’其顯示根據本發明的一實施例之簡化 的匹配網路之電路圖，其中，感應線圈電壓實質上最佳化 及平衡。以非顯而易知的方式，回饋電路會在v 3與V 4 之間耦合’以及藉由例如可變電容器等補償電路C 5，以 便調整第一電壓對第二電壓之比例。 如圖3所示，根據本發明的一實施例，匹配網路的簡 化模型顯示成僅爲整批元件組。電感器3 3 1對應於C 1與 C 3之間的連接。在C 3以外的所有這些元件被視爲線圈及 電漿負載3 1 0的部份（例如，感應線圈、電漿、基底、等 等）。連接TCPTM線圈的端部之導線3 03 a-b是負載阻抗 的部份。V3及V4是設於接近感應線圈的每一端，感應線 圈接著供應感應的RF功率給電漿室。V 3會量測匹配網路 與感應線圈之間的第一電壓，而V4會量測負載與終端電 容器C 5之間的第二電壓。 回饋電路5 02包括訊號路徑及耦合至電容器C5，訊 號路徑包含順向路徑5〇4、回饋路徑5 06。以非顯而易知 的方式，回饋電路5 0 2會在基底被處理及電漿被消耗時， 以實質動態的方式，將感應線圈電壓最佳化。在一實施例 中，電容器C 5會機動化。在另一實施例中，回饋電路 5 0 2接著會在基底處理期間調整C 5 ’以便使第一電壓與第 二電壓保持實質上平衡。在又另一實施例中，回饋電路可 以調整第一電壓對第二電壓比例至任何所需的値K ’以便 -13- (10)1253687 提供電漿處 一態樣中， 在本發明的 至約].2 5 ； 較佳範圍約 現在參 的匹配網路 理論，發明 相對於第一 位幾乎相同 。但是，當 質上較高。 如先前 漿複數阻抗 饋電路5 0 2 壓，並調整 在 V 3的電 相對於相位 饋電路5 0 2 的電壓或阻 被送至預防 雖然以 在本發明的 ，雖然配 理優點’例如調諧蝕刻均勻性◦在本發明的另 比例K的較佳範圍是在約〇 . 5至約1 . 5之間。 另一態、樣中，比例K的更佳範圍是在約0.75 匕間。在本發明的另一態樣中，比例κ最好的 爲1 〇 考圖6 ’其顯示根據本發明之一實施例的圖5 之部份’其中，電壓振幅平衡。不希望受限於 人相信對於第二電壓的相位之最佳平衡配置係 電壓180。。一般而言，當二RF功率的電壓相 時’電發散布，降低密度及因而降低處理速度 電壓相位差約爲1 8 0度時，電漿密度傾向於實 所述’匹配網路3 3 2會將從傳輸線端觀視之電 轉換成約穩定的5 0歐姆及約1 3 . 5 6 Μ Η z。回 會經由回饋路徑5 0 6以監視在V 3及V 4的電 C 5，以便確保線圈及電漿負載3丨〇最佳化， 壓値實質上等於在V4的電壓値，但是，具有 6 0 4約1 8 0。之相位6 0 2。在另—實施例中，回 又親合至診斷監視裝置。舉例而言，假使量到 抗値落在預定的處理範圍之外時，警告訊息會 維修系統以進一步硏究。 數個較佳實施例來說明本發明，但是，會有落 範圍之內的修改、變化、及均等性。舉例而言 合 Lam Research電漿處理系統（例如， -14 - (11) (11)1253687
Exelan 丁M 、Exelan™HP . Ε χ e 1 an 丁 Μ Η Ρ Τ 、2 3 Ο Ο 丁 Μ、 VerSysTM、Star、等等）以說明本發明，但是，可以使用 其它電漿處理系統。本發明也可用於不同直徑（例如2 0 0 m m、3 0 0 m m、等等）的基底。而且，例如可變電感等其 它的電元件可以用於取代可變電容器。此外，在電量測裝 置中，如此處所述般，可以量測例如電流、阻抗、等電壓 以外的電特性。也應注意，有很多執行本發明的方法之替 代方式。 本發明的優點包含用於最佳化電漿處理系統中的基底 之方法及裝置。其它優點包含在整個電漿處理中最佳化電 漿密度以及提供診斷資訊以用於預防維修。 已揭示舉例說明的實施例及最佳模式，但是，在後附 的申請專利範圍所界定之發明的目的及精神之內，可對所 揭示的實施例作修改及變化。 【圖式簡單說明】 在附圖之圖式中，以舉例方式而非限定方式，說明本 發明，其中，類似代號意指類似元件，其中： 圖1係說明電漿處理系統的簡化圖； 圖2係說明TCP τρ感應線的簡化圖； 圖3係說明根據本發明的一實施例之匹配網路的簡化 圖； 圖4係說明根據本發明的一實施例之電漿負載3丨〇的 簡化模型； - 15- (12) 1253687 圖5係說明根據本發明的一實施例之感應線圈電壓實 質上被最佳化及平衡的之匹配網路的簡化電路圖；及 圖6係說明根據本發明的一實施例之電壓振幅平衡之 圖5的匹配網路的部份。 【主要元件符號說明】 1 00 電 漿 處 理 系 統 1 02 室 1 04 介 電 質 窗 1 08 入 □ 110 電 漿 112 墊 片 114 電 漿 116 夾 具 1 20 上 室 板 1 2 2 氣 體 配 送 系 統 124a 壓 縮 汽 缸 1 24f 壓 縮 汽 缸 126a 流 量 質 量 控 制 ΡΠ 益 1 2 6f 流 量 質 量 控 制 器 12 8 殼 13 0a 導 線 13 0b 導 線 13 1 感 應 線 圈
-16- 1253687 (13) 13 2 匹配網路 13 8 RF產生器 3 0 3 a 導線 3 0 3 b 導線 3 10 電漿負載 33 1 電感器 332 匹配網路 404 並聯電感 408 並聯電阻 502 回饋電路 504 順向路徑 506 回饋路徑 602 相位 604 相位
Claims (1)
125^687 f Λ (1) 十、申請專利範圍 附件2Α : 第93 13 2800號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國94年12月1日修正 1 . 一種用於處理電漿處理系統中的半導體基底之配置 方法，包括： 設置具有第一端及第二端的RF耦合結構，該第一端 係與第一電量測裝置耦合，該第二端係與第二電量測裝置 耦1合； 將補償電路耦合至該第二端；及 設置回饋電路，該回饋電路耦合成從該第一電量測裝 置及該第二電量測裝置接收資訊，該回饋電路的輸出係用 以控制該補償電路，以使該第一端的第一電値與第二端的 第二電値之間的比例實質上維持在預定値。 ，該第一 ，該第一 ’該第二 ’該第二 ，該補償 2.如申請專利範圍第1項之配置方法，其中 電値是電壓。 3 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中 電値是電流。 4 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中 電値是電壓。 5 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中 電値是電流。 6 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中 (2) 1253687 電路是可變電容器。 7. 如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該補償 電路是可變電感器。 8. 如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該補償 電路及該回饋電路是整合的。 9. 如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該補償 電路耦合至接地。
I 0 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該第 一端耦合至匹配網路。 II .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該匹 配網路耦合至RF產生器。 1 2 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該預 定値是在約〇 . 5與約1 . 5之間。 1 3 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該預 定値是在約〇 . 7 5與約1 . 2 5之間。
1 4 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該預 疋値約爲1。 1 5 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，該回 饋電路是受控的微處理器。 1 6 .如申請專利範圍第1項之配置方法，其中，對於 製程配方的每一步驟，該預定値會設定在新値。 1 7 . —種用於處理電漿處理系統中的半導體基底之裝 置，包括： 設置RF耦合結構之機構，該RF耦合結構具有第-- -2 - (3) 1253687 端及第二端，該第一端係與第一電量測裝置耦合，該第二 端係與第二電量測裝置耦合； 耦合機構，將補償電路耦合至該第二端；及 設置回饋電路機構，該回饋電路耦合成從該第一電量 測裝置及該第二電量測裝置接收資訊，該回饋電路的輸出 係用以控制該補償電路，以使該第一端的第一電値與第二 端的第二電値之間的比例實質上維持在預定値。
1 8 .如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中，該第一電 値是電壓。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中，該第一電 値是電流。 2 0.如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該第二電 値是電壓。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中，該第二電 値是電流。
22.如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該補償電 路是可變電容器。 2 3.如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該補償電 路是可變電感器。 2 4.如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該補償電 路及該回饋電路是整合的。 2 5.如申請專利範圍第17項之裝置，其中，該補償電 路耦合至接地。 2 6 .如申請專利範圍第1 7項之裝置，其中，該第一端 (4) 1253687 耦合至匹配網路。 27.如申請專利範圍第17 路耦合至RF產生器。 2 8 .如申請專利範圍第1 7 是在約〇 . 5與約1 . 5之間。 29.如申請專利範圍第17 是在約0.75與約1.25之間。 3 0 .如申請專利範圍第1 7 約爲1。 3 1 .如申請專利範圍第1 7 路是受控的微處理器。 3 2 .如申請專利範圍第1 7 配方的每一步驟，該預定値會 項之裝置，其中，該匹配網 項之裝置，其中，該預定値 ' 項之裝置，其中，該預定値 項之裝置，其中，該預定値 __ 項之裝置，其中，該回饋電 項之裝置，其中，對於製程 設定在新値。
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