TWI488214B - 電感耦合電漿處理裝置及其控制方法（二） - Google Patents

電感耦合電漿處理裝置及其控制方法（二） Download PDF

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Description

電感耦合電漿處理裝置及其控制方法(二)
本發明涉及電感耦合電漿處理裝置及其控制方法，更具體地說，能夠自動進行阻抗控制的電感耦合電漿處理裝置及其控制方法。
電感耦合電漿處理裝置是在半導體和顯示器製造工藝中用於進行蝕刻工藝或沉積工藝的裝置。用於進行蝕刻工藝的電感耦合電漿處理裝置，與反應性離子蝕刻裝置或電容耦合電漿蝕刻裝置相比，其蝕刻效果非常好。
但是，電感耦合電漿處理裝置難以對大面積基板進行蝕刻。通常，天線設在電感耦合電漿處理裝置的真空腔室上部。為了能夠有效地對大面積基板進行蝕刻，天線的配置和阻抗的控制是非常重要的技術要素。
此外，無論多麼有效地配置天線，由於複雜而長度較長的天線結構，不能有效地進行阻抗控制。進一步，為了 對大面積基板進行蝕刻，需要按區域分別設置天線。
此外，為了處理更大面積的基板，需要將這些螺旋天線配置在多個彼此不同區域而使用，但是這種天線的結構和用於處理大面積基板的阻抗控制上，存在更大的困難。
在先技術文獻
專利文獻
韓國公開特許號：第10-2010-0053253號，“電感耦合電漿天線”。
本發明的目的在於，提供一種通過電機使可變電容器動作從而能夠同時精確地控制多個可變電容器的電感耦合電漿處理裝置。
本發明的電感耦合電漿處理裝置，其具備：腔室；源線圈，設在所述腔室上部的電介質窗外側；可變電容器控制裝置，其包括：與所述源線圈連接而用於控制阻抗的可變電容器、使所述可變電容器自動旋轉的電機以及用於檢測所述電機的旋轉的外部編碼器；控制部，通過比較從所述外部編碼器輸出的外部編碼器輸出值與輸入至所述電機的電機動作輸入值，來判斷所述可變電容器的動作異常。
在所述控制部存儲有所述可變電容器的動作基準值，當所述控制部檢測到所述可變電容器發生動作異常時，驅動所述電機將所述可變電容器設定為所述動作基準值。所述動作異常可以是所述電機的失步。
在所述電介質窗的上側具有多個區域，在所述多個區域可以分別設有所述源線圈。
所述源線圈可以具有多個，在所述多個源線圈上分別具有所述可變電容器控制裝置，並且具有用於控制所述可變電容器控制裝置的從控制器，所述從控制器通過網路與主機電腦連接。
所述主機電腦上連接有輸入輸出部，在所述輸入輸出部上可以顯示輸入所述可變電容器的動作設定值的設定值輸入部、輸入所述動作基準值的動作基準值輸入部、所述動作設定值、所述動作基準值、所述電機動作輸入值和所述外部編碼器輸出值。
在所述可變電容器控制裝置上設有用於檢測所述可變電容器的電容量的電容量檢測感測器，所述輸出部可以顯示由所述電容量檢測感測器檢測到的所述可變電容器的電容量。所述動作基準值可以是所述可變電容器的最小電容量。
本發明涉及的電感耦合電漿處理裝置的控制方法，該電感耦合電漿處理裝置具備：源線圈，設在所述腔室上部的電介質窗外側；可變電容器控制裝置，其包括：與所述源線圈連接而用於控制阻抗的可變電容器、使所述可變電容器自動旋轉的電機以及用於檢測所述電機的旋轉的外部編碼器；控制部，用於控制所述可變電容器控制裝置的動作，所述方法通過比較從所述外部編碼器輸出的外部編碼器輸出值與向所述電機輸入的電機動作輸入值，來判斷所述可變電容器的動作異常。所述動作異常可以是所述電機的失步。
當所述控制部檢測到發生動作異常時，可以驅動所述電機以將所述可變電容器設定成所述動作基準值。
所述動作基準值可以是所述可變電容器的最小電容量。
在所述電介質窗的上側具有多個區域，在所述多個區域可以分別設有所述源線圈，所述可變電容器控制裝置分別設在所述源線圈上，以對各源線圈進行阻抗控制。
具有能夠同時控制多個所述可變電容器控制裝置的從控制器，所述從控制器通過網路與主機電腦連接，並將從所述可變電容器控制裝置傳送的資料傳送給所述主機電腦，而所述主機電腦可以向所述從控制器傳送用於同時控制多個可變電容器控制裝置的信號。
與所述主機電腦連接的多個所述從控制器可以通過網路連接。
本發明涉及的電感耦合電漿處理裝置及其控制方法，通過電機精密地控制連接於各源線圈用於調節阻抗的可變電容器的動作，以便對多個源線圈有效地進行阻抗控制，而且能夠對多個可變電容器進行精密的自動控制。
A1~A9‧‧‧分割區域
S100、S110、S120、S130、S150、S160、S170‧‧‧流程步驟
11‧‧‧排氣孔
10‧‧‧腔室
12‧‧‧工作臺
13‧‧‧靜電卡盤
14‧‧‧閘門
15‧‧‧電介質窗
16‧‧‧源線圈設置部
16a‧‧‧隔壁
17‧‧‧電氣元件部
20‧‧‧源線圈
21、22、23、24‧‧‧源線圈
30‧‧‧第一高頻電源
31‧‧‧第二高頻電源
100‧‧‧可變電容器控制裝置
110‧‧‧電機
120‧‧‧外部編碼器
121‧‧‧圓形盤
121a‧‧‧檢測孔
122‧‧‧檢測感測器
130‧‧‧絕緣法蘭
140‧‧‧可變電容器
200‧‧‧設備網
211、212‧‧‧從控制器
220‧‧‧主機電腦
230‧‧‧輸入輸出部
圖1是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的圖。
圖2是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的源線圈結構的立體圖。
圖3是示出設置在本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的一個區域的可變電容器控制裝置的狀態圖。
圖4是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的可變電容器控制裝置的圖。
圖5是示出用於控制本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的可變電容器的網路配置的圖。
圖6是示出控制本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的方法的流程圖。
下面，參照附圖說明本發明涉及的電感耦合電漿處理裝置的實施例。但是，本發明並不限定於下面公開的實施例，可以以各種形式實現，下面說明的實施例僅用於充分公開本發明，以便本領域的技術人員充分瞭解發明的保護範圍。
圖1是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的圖。如圖1所示，本發明涉及的電感耦合電漿處理裝置具備腔室10，該腔室10具備閘門14，並形成有使工藝空間內部被抽成真空所需的排氣孔11。在腔室10內部具有用於放置基板(晶片或不同尺寸的透明基板)的工作臺12。在工作臺12的上部設置有用於卡緊基板的靜電卡盤13。
在腔室10的上部設有電介質窗15。在電介質窗15的上部設有作為RF天線的源線圈20。源線圈20設在被劃分成獨立空間的源線圈設置部16。而且，在源線圈設置部16的上部 具有電氣元件部17，在該電氣元件部17設有如RF電源等的電控制裝置。
圖2是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的源線圈結構的立體圖。
如圖2所示，本發明涉及的電感耦合電漿處理裝置的源線圈設置部16形成分別設有源線圈20的九個分割區域A1~A9。其中，位元於角落部分的四個區域A1~A4中的源線圈20與第一高頻電源30連接。此外，位於其餘五個區域A5~A9的源線圈20與第二高頻電源31連接。第一高頻電源30和第二高頻電源31分別發出13.56MHz高頻。
而且，設在各區域A1~A9的源線圈20分支成四個、即第一至第四的四個源線圈21、22、23、24並向同一方向捲繞。此外，在各源線圈21、22、23、24的端部設有可變電容器控制裝置100。
圖3是示出設置在本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的一個區域的可變電容器控制裝置的狀態圖。
如圖3所示，可變電容器控制裝置100設置在在各區域設置的源線圈21、22、23、24的末端。可變電容器控制裝置100還可以設置在源線圈21、22、23、24的中間部分。此外，該可變電容器控制裝置100固定安裝在用於劃分各區域A1~A9的隔壁16a上。
圖4是示出本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的可變電容器控制裝置的圖。
如圖4所示，可變電容器控制裝置100包括：電機110 ；外部編碼器120，設置在自電機110延伸的旋轉軸上；絕緣法蘭130，經過外部編碼器120並延伸；可變電容器(VVC、Vacuum Variable Capacitor)140，自絕緣法蘭130延伸，且驅動軸與絕緣法蘭130連接；冷卻部150，設在可變電容器140的端部。
電機110採用步進電機110。外部編碼器120包括：圓形盤121，設有沿圓周以每隔7.2度形成的共計50個檢測孔121a；檢測感測器122，在圓形盤121的外周上部和下部分別設有發光部和受光部，以便能夠檢測該圓形盤121的檢測孔121a。而且，在可變電容器140上同時具有Z-掃描感測器(未圖示)。
如上所述構成的可變電容器控制裝置100，如圖3所示地分別設置在位於一個區域的各源線圈21、22、23、24上。因此，為了大面積的基板處理而配置天線時，可以使用數十個可變電容器控制裝置100。在本發明的實施例中使用共計36個可變電容器控制裝置100。
所有可變電容器控制裝置100為了控制阻抗而動作，以便個別地控制可變電容器140以保持均勻的電漿。為此，各可變電容器140需要個別控制，而且被控制成彼此間的關聯動作有效協調，要由用戶一一手動調節這些可變電容器140來調節阻抗，效率非常低。
因此，在本發明中，在電感耦合電漿處理裝置內通過網路構建控制可變電容器的設備網(Devicenet)200，以便能夠同時自動控制所有可變電容器140。
圖5是示出用於控制本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的可變電容器的網路配置的圖。
如圖5所示，位於各區域的第一至第四可變電容器控制裝置100連接於第一從控制器(slave controller)211，第n-3至第n可變電容器控制裝置100連接於第M從控制器212。在此，M和n是自然數。
因此，本發明的實施例涉及的可變電容器控制裝置100可以根據源線圈20的數量設置大量可變電容器控制裝置100，可以將網路擴大至控制該可變電容器控制裝置100所需的範圍。
另一方面，從控制器211、212確保通信線路用於將外部編碼器120和Z-掃描感測器所檢測到的檢測值傳送給主機電腦220。而且，各從控制器211、212可以具備用於控制各步進電機100的步進電機控制部和現場可程式設計閘陣列(FPGA、Field Programmable Gate Array)，並且具備與FPGA連接且通過設備網200與主機電腦220連接的ARM(Advanced RISC Machines)處理器。
此外，在主機電腦220上可以連接顯示器，該顯示器上結合有作為輸入輸出部230的觸控板。在輸入輸出部230的輸入部具有輸入對可變電容器140的動作設定值的設定值輸入部和輸入動作基準值的動作基準值輸入部，在輸出部顯示動作設定值、動作基準值、電機動作輸入值和外部編碼器輸出值。
在此，動作設定值是為了控制阻抗而由用戶設定的 可變電容器140的電容量的值，動作基準值(或負向極限值、“-limit”)可以是該可變電容器140的最小電容量值。設定該動作基準值的理由是由於所有可變電容器140實際具有10%左右的誤差(Tolerance)。
即，所有可變電容器140的最小電容量(capacitance)不是“0pF”，具有幾個~幾十個pF等不同的最小電容量值。由此，設在多個源線圈20上的所有可變電容器140的最小電容量值都不同。因此，檢測這些可變電容器140的最小電容量值之後，將該最小電容量值設定為動作基準值而作為用於操作可變電容器140的動作基準。
下面，說明如上所述構成的本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的控制方法。
向腔室10內部搬入基板並放置在靜電卡盤13上。然後，向腔室10內部供給反應氣體，而且腔室10內部通過排氣裝置保持為預設壓力。之後，打開高頻電源以規定RF功率輸出用於生成電漿的高頻，該RF功率被提供至源線圈20。由此，來自源線圈20的磁力線貫穿電介質窗15而橫跨腔室10內部的處理空間，從而產生感應電場。反應氣體通過該感應電場被分裂成分子或原子並發生碰撞，從而產生電漿。該電漿以原子團或離子形式在工藝空間內部向大處理空間擴散。此時，原子團向基板等方性地入射，離子通過直流偏置向基板移動，從而對基板進行蝕刻等處理。
另一方面，為了有效地處理如電漿處理工藝，電漿密度需要均勻。為了使電漿密度均勻，需要調節源線圈20的 阻抗。因此，可以利用設在各源線圈20上的可變電容器控制裝置來調節各源線圈20的阻抗。
例如，如圖2所示，源線圈20被分散設置在共計九個區域A1~A9時，即便設在所有區域的源線圈20上流過相同的高頻電流，也不能確保電漿密度或基板處理的均勻性。
即，根據工藝環境，需要對設在九個區域A1~A9的每個源線圈20進行固有阻抗調節。因此，為了確保適合各區域A1~A9的阻抗，利用可變電容器控制裝置100進行對各源線圈20的阻抗調節。
另一方面，在本發明的實施例中，對可變電容器140的調節動作由步進電機110來執行。但是，因為無法預料的原因，步進電機110可能發生失步(step out)的情況。若步進電機110發生失步，即使為了驅動可變電容器140而向步進電機110輸入規定的輸入值，步進電機110實際不會按照該輸入值進行動作。在該狀態下，不能控制阻抗，所以也不能調節電漿的均勻度，不能實現有效的基板處理。
為瞭解決這些問題，為驅動步進電機110而輸入的值以脈衝值表示，電機110的實際動作由外部編碼器120來檢測，且將電機110的實際輸出值以脈衝值表示。另外，將為了驅動步進電機110而輸入的脈衝值和由外部編碼器120檢測輸出的輸出值進行比較，若顯示這兩個值不均等時，可以判斷為發生了失步。
圖6是示出控制本發明的實施例涉及的電感耦合電漿處理裝置的方法的流程圖。
如圖6所示，首先確認設置的可變電容器140的基準值(或最小電容量值)(S100)。雖然設置的每個可變電容器140的基準值都不同，但若最初確認之後設置，則除非更換可變電容器140，該值不變。
之後，將該基準值作為動作基準值向主機電腦220輸入(S110)。對所有可變電容器140進行相同的上述動作，並確認所有可變電容器140的動作基準值之後向主機電腦220輸入。
輸入動作基準值之後，進行電感耦合電漿處理裝置的動作。根據電漿的產生狀態，進行最初的電感耦合電漿處理裝置的設定，此時，進行可變電容器140的電容量的調節。
為了調節可變電容器140的電容量，驅動電機110。輸入用於使電機110動作的輸入值即輸入電流值，則步進電機110進行與該輸入電流值對應的步進動作(S120)。
然後，根據步進電機110的步進動作，外部編碼器120檢測該動作而生成作為輸出值的輸出電流值(S130)。接著，檢測輸入電流值和輸出電流值並比較該兩個值(S150)。若輸入電流值和輸出電流值相同，則意味著步進電機110旋轉至所需旋轉角。由此，可以判斷可變電容器140已動作至所需狀態。
與此相反，若輸入電流值和輸出電流值不相同，則可以判斷為步進電機110發生了失步。此時，生成失步錯誤信號(S160)，為了消除該錯誤狀態進行起始驅動(S170)。
起始驅動使可變電容器140以上述動作基準值動作 。通過起始驅動命令，步進電機110使可變電容器140的電容量恢復至動作基準值。若可變電容器140達到動作基準值，則停止步進電機110的動作，使得可變電容器140處於調節阻抗的準備狀態。之後，可以通過步進電機110的動作進行再次調節所需阻抗。
如上所述，本發明的實施例，並不應該解釋為用於限定本發明的技術思想。本發明的保護範圍僅以申請專利範圍的記載為准，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，可以將本發明的技術思想進行各種形式的改進變更。因此，這些改進和變更對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說是顯而易見的，屬於本發明的保護範圍內。
A1‧‧‧分割區域
16a‧‧‧隔壁
21、22、23、24‧‧‧源線圈
100‧‧‧可變電容器控制裝置

Claims (15)

  1. 一種電感耦合等離子體處理裝置，其具備：腔室；源線圈，設在所述腔室的上部的電介質窗外側；可變電容器控制裝置，其包括與所述源線圈連接而用於控制阻抗的可變電容器、使所述可變電容器自動旋轉的電機以及用於檢測所述電機的旋轉的外部編碼器；控制部，通過比較從所述外部編碼器輸出的外部編碼器輸出值與輸入至所述電機的電機動作輸入值，來判斷所述可變電容器的動作異常。
  2. 根據權利要求1所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中在所述控制部存儲有所述可變電容器的動作基準值，當所述控制部檢測到所述可變電容器發生動作異常時，驅動所述電機以將所述可變電容器設定為所述動作基準值。
  3. 根據權利要求2所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述動作異常是所述電機的失步。
  4. 根據權利要求2所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中在所述電介質窗的上側具有多個區域，在所述多個區域分別設有所述源線圈。
  5. 根據權利要求2所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中具有多個所述源線圈，在所述多個源線圈上分別具有所述可變電容器控制裝置，並且具有用於控制所述可變電容器控制裝置的從控制器，所述從控制器通過網路與主機電腦連接。
  6. 根據權利要求5所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中 所述主機電腦上連接有輸入輸出部，在所述輸入輸出部上顯示輸入所述可變電容器的動作設定值的設定值輸入部、輸入所述動作基準值的動作基準值輸入部、所述動作設定值、所述動作基準值、所述電機動作輸入值和所述外部編碼器輸出值。
  7. 根據權利要求5所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中在所述可變電容器控制裝置上設有用於檢測所述可變電容器的電容量的電容量檢測感測器，所述輸出部顯示由所述電容量檢測感測器檢測到的所述可變電容器的電容量。
  8. 根據權利要求6所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中所述動作基準值是所述可變電容器的最小電容量。
  9. 一種電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，該電感耦合等離子體處理裝置具備：源線圈，設在所述腔室上部的電介質窗外側；可變電容器控制裝置，其包括與所述源線圈連接而用於控制阻抗的可變電容器、使所述可變電容器自動旋轉的電機以及用於檢測所述電機的旋轉的外部編碼器；控制部，用於控制所述可變電容器控制裝置的動作，所述控制方法的特徵在於，通過比較從所述外部編碼器輸出的外部編碼器輸出值與向所述電機輸入的電機動作輸入值，來判斷所述可變電容器的動作異常。
  10. 根據權利要求9所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，其中所述動作異常是所述電機的失步。
  11. 根據權利要求9所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制 方法，其中當所述控制部檢測到發生所述動作異常時，驅動所述電機以將所述可變電容器設定為動作基準值。
  12. 根據權利要求11所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，其中所述動作基準值是所述可變電容器的最小電容量。
  13. 根據權利要求12所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，其中在所述電介質窗的上側具有多個區域，在所述多個區域分別設有所述源線圈，所述可變電容器控制裝置分別設在所述源線圈上，以對各源線圈進行阻抗控制。
  14. 根據權利要求13所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，其中具有能夠同時控制多個所述可變電容器控制裝置的從控制器，所述從控制器通過網路與主機電腦連接，以將從所述可變電容器控制裝置傳送的資料傳送給所述主機電腦，而所述主機電腦向所述從控制器傳送用於同時控制多個可變電容器控制裝置的信號。
  15. 根據權利要求14所述的電感耦合等離子體處理裝置的控制方法，其中與所述主機電腦連接的多個所述從控制器通過網路連接。
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