TWI516175B - 在電漿處理腔室中穩定壓力的方法及其程式儲存媒體 - Google Patents

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Description

在電漿處理腔室中穩定壓力的方法及其程式儲存媒體
本發明係關於半導體製程，尤有關於電漿處理。
電漿處理的進步有助於半導體產業的成長。半導體產業係競爭激烈的市場。製造公司能夠處理不同製程條件中之基板的能力可以使其略勝過競爭者。因此，製造公司投入時間與資源以確認改善基板處理的方法與/或設備。
用以執行基板處理的典型處理系統可為電容耦合電漿(capacitively-coupled plasma，CCP)處理系統。可建構此電漿處理系統俾可於一系列製程參數中進行處理。然而，近年來，可被處理的裝置類型變得更精巧，且可能需要更精確的處理控制。例如，欲處理的裝置隨著更細微的特徵而變得更小，且為了更好的良率，可能需要更精確控制電漿參數，如整塊基板上的電漿密度與均勻性。蝕刻腔中之晶圓區域的壓力控制可為影響電漿密度與均勻性之製程參數的範例。
在電漿處理腔內，半導體裝置的製造可能需要利用電漿的多步驟處理。於半導體裝置的電漿處理期間，通常針對每一處理步驟使電漿處理腔維持在預先定義的壓力。如熟悉本技藝者所知悉的，可經由運用機械真空泵浦、渦輪泵浦、限制環的安置，與/或其組合而達成此預先定義的壓力。
按慣例，可運用閥門組件調節排氣渦輪泵浦，而實現壓力控制，用以維持電漿處理腔中之預先定義的壓力條件。另外或此外，可經調整限制環組件中限制環之間的間隙而控制此電漿處理腔之電漿生成區(如二電極所含括及限制環所圍繞的區域)的壓力。調整此間隙而控制電漿生成區中排氣的流速，從而影響壓力。自電漿生成區中傳導出的總氣流可能取決於數個因素，包括限制環的數目與限制環之間的間隙大小，但不限於此。
有鑑於需要以多步驟處理基板，當中每一步驟可能涉及不同的壓力，亟希望改善有效地控制電漿處理系統中之壓力的能力。
在一實施例中，本發明係關於穩定電漿處理腔中之壓力的方法。此方法包括設置用以處理基板的上電極與下電極(其中該上電極與該下電極形成腔室間隙)，及設置用以機械地與上電極與下電極中一者結合的第一機構。此方法更包括設置限制環組及設置用以機械地與該限制環組結合的第二機構。此方法還包括判定針對腔室間隙之不同高度值的複數個傳導曲線、使該限制環組的限制環位置(CRP)偏離值與該腔室間隙的不同高度值相互關聯、指定腔室間隙的第一高度值、移動第一機構而使腔室間隙調至該第一高度值、使用該相互關聯自當下CRP中判定第一CRP偏離值，及使用該第一CRP偏離值以開放迴路式法移動第二機構而使該限制環組調至新的CRP。
上文的總結僅關於本文所揭露之眾多實施例中一者，並不旨在限制之本發明的範圍，該範圍係闡明於本文之權利請求項中。將由下述之本發明的詳細描述與隨附之圖式而更詳盡地描述本發明的這些與其它特徵。
將參照本文中如隨附圖式所說明的幾個較佳實施例而詳細地描述本發明。於下述的描述中，為提供本發明之徹底了解而闡明眾多的具體描述。然而，對於熟悉本技藝者，明顯的是，不用這些特定細節的部分或全部即可實行本發明。在其它例子中，為了避免非必要地搞混本發明而沒有詳盡地描述眾所皆知的處理步驟與/或結構。
依據本發明的實施例，茲提供用以建構電漿處理系統的方法與設備以實現迅速控制電漿處理參數。在若干電漿處理系統中，腔室間隙(即上下電極之間的間隙)係一配方參數且可隨步驟而變化。在這些電漿處理系統中，也設置用以移動下電極組件以調整腔室間隙的機構。在其它電漿處理系統中，可移動上電極組件。本文的揭露中，假定腔室具有可移動的下電極。然而，(另外或此外)理應了解，文中本發明的實施例同樣能應用在可移動上電極的腔室。
當移動腔室間隙以應配方需求時，將改變電漿生成區的容積。此容積的改變影響到此電漿生成區的壓力，且需要針對壓力變化而做補償調整。在先前技藝中，如前述，控制排氣渦輪泵浦上游的節流閥位置及/或控制限制環的位置以改變限制環之間的間隙而達到壓力控制，從而改變自電漿生成區排出的氣體傳導。
一般而言，可適當地控制栓塞(參見圖1的131)的位置而調整限制環間隙。在栓塞的上升衝程中，擴大數個環110a、110b、110c、110d與110e之間的間隙。在栓塞的下降衝程中，由於環110e的下降移動受阻於下電極，及環110d的下降移動受阻於環110e等等，故自最底的環開始依序地使環110a、110b、110c、110d與110e摺疊一起。限制環組件為本技藝中眾所週知者，本文將不再進一步細說之。
當先前技藝中需要壓力控制時，通常運用閉鎖迴路式控制系統。在一範例中，吾人測得與/或取得電漿生成區內的壓力，接著與製程參數所要求的預期壓力相比。假設有差，則適當地調升或調降栓塞131以改變限制環間隙，而經由此限制環間隙控制傳導量，從而影響該電漿生成區內的壓力。步進式地(step-wise)執行這些測定與調整之迭代的循環直至達到預期的壓力設定點。
當先前技藝的方法可滿足電極係靜止之腔室的要求時，此方法對於帶有可移動電極的腔室卻證明係不太令人滿意。在這些腔室中，因下電極的重新定位而產生電漿生成區之容積的突然改變，可能會在閉鎖迴路式控制演算法嘗試重獲控制時導致閉鎖迴路式壓力暫時失去控制。既使此閉鎖迴路式控制演算法可迅速地重新獲得控制以開始調整處理，下電極的突然重新定位所引起之壓力的巨大且突然變化，也可能使該閉鎖迴路式控制演算法花費相當長的時間才使壓力穩定至預期的設定值。於此漫長壓力重新穩定的期間，基板處理實際上係中止的。假設壓力重新穩定的時間過長，可能使產能受損。
在本發明的實施例中，茲提供新穎的壓力控制演算法，用以快速地補償電漿生成區中因下電極(或上電極)的重新定位所產生之壓力之巨大且突然的變化。本發明人了解到，對於既定的壓力，腔室間隙(即上下電極之間的距離)與限制環位置(由栓塞的位置決定之)的關係略成(然非精確地)線性關係。本發明人也了解到，對於每一個腔室間隙，經由限制環的傳導量(單位為升/秒)與限制環位置(由栓塞的位置決定之)的關係略成(然非精確地)線性關係。
此外，本發明人了解到，隨著間隙變化，粗略地維持著傳導量與限制環位置之間的概略線性關係。藉由針對各種腔室間隙描繪傳導量與限制環位置之相對關係的曲線，吾人可顯示每一傳導曲線係實質線性，而且，此數條傳導曲線係實質平行。
本發明人從這些關係中了解到，可運用概略的開放迴路式控制策略，且使用這些關係所提供之限制環重新定位的參數，以迅速地重新定位限制環而快速地使電漿生成區中之壓力達大概的預期設定值。一旦以開放迴路方式完成概略的重新定位，可運用精細的閉鎖迴路式控制策略而快速地使電漿生成區中之壓力達預期設定值。然而，由於開放迴路式重新定位僅係粗略地重新定位，而精確的壓力控制並不憑靠之，故可安全地忽略各種腔室間隙之傳導量與限制環位置相對關係中的非線性。此關鍵的體現大大地簡化計算，且使粗略之開放迴路式重新定位法變得很快。
在實施例中，本發明人推斷出，可由計算一傳導曲線與另一者之間的偏移值及將限制環位置移動所計算的偏移量，而迅速地完成針對腔室間隙變化的粗略壓力補償。一旦完成此粗略壓力補償，閉鎖迴路式控制可接著使壓力穩定至預期的壓力設定值。在此方式中，於兩個相位中完成壓力補償：1)開放迴路式初始相位，其中使用自先前導出的傳導量數據中所計算的偏移值而迅速地移動限制環，及2)隨後的閉鎖迴路式相位以達到導出的壓力設定值。
參照下文的圖式與討論(先前技藝之機構與本發明之實施例對照)當可更了解本發明的特徵與優點。
圖1顯示依據本發明之實施例之電漿處理系統的簡化示意圖，該系統係用以提供上電極組件與下電極組件之間的可調式間隙。電漿處理系統100可為單頻、雙頻或三頻電容式放電系統，或可為電感式耦合電漿系統或為運用不同之電漿生成與/或維持技術的電漿系統。在圖1的範例中，射頻頻率可包括2、27與60MHz，但不限於此。
在圖1的範例，電漿處理系統100於實施例中可配有上電極組件102及下電極組件104。上電極組件102及下電極組件104可彼此相隔一腔室間隙106。上電極組件102可包括接地或由RF電源(未顯示)供電的上電極。
於電漿處理期間，可供應處理氣體(未顯示)至腔室間隙106中。可由供應至下電極組件104的RF功率使供應至腔室間隙106的處理氣體激發成電漿態。可由限制環組件108侷限腔室間隙106中的電漿，該限制環組件至少配有一限制環組(110a、110b、110c、110d與110e)。此限制環組件也配有間隙控制機構112(包括栓塞131)，該機構用以控制限制環(110a-e)之間的間隙。腔室間隙106(即電漿生成區)中的排放氣體可通過該限制環組(110a-e)之間的限制環間隙。真空泵浦(未顯示以簡化說明)經由節流閥自腔室中排除這些排放氣體。
在實施例中，下電極組件104可配有活塞114及致動機構116，以允許下電極組件104可上下移動。因此，電漿生成區內的容積可隨之改變，導致壓力變化，從而需要限制環重新定位的補償。
參照圖1，向上移動下電極組件104以順應既定步驟的配方要求時，限制環組件108可依下電極組件104的運動而對應地移動，從而改變限制環組件108之間的間隙。因此，不僅電漿生成區內之容積的突然變化會影響電漿生成區內的壓力，且限制環間隙的變化也會影響之。
為維持預定的壓力(例如下電極移動前已存在的壓力)，需要調整限制環組件108的位置而改變排放氣體的傳導量(單位係升/秒)，以補償電漿生成區容積的變化與/或限制環間隙的變化，該等變化皆起因於下電極之移動。
圖2顯示依據本發明之實施例針對一預先定義的壓力，作為腔室間隙函數之限制環位置(CRP)的圖表。參考圖1對圖2進行討論以便於了解。
如圖2所示，垂直軸表示任意計數單位的限制環位置。在實施執行中，此任意計數單位可為用以控制栓塞131上/下移動之伺服馬達的伺服馬達指標。水平軸表示單位為公釐(mm)的腔室間隙。曲線210顯示既定壓力之限制環位置與腔室間隙之間的線性關係。
圖3顯示依據本發明之實施例之不同腔室間隙之複數個實驗導出的傳導曲線(其說明傳導量相對於限制環位置的關係)。
如圖3所示，垂直軸表示單位為公升/秒(L/s)的傳導量。水平軸表示任意計數單位的限制環位置(CRP)。曲線310係1.88公分(cm)腔室間隙的傳導曲線。曲線320係2.34cm腔室間隙的傳導曲線。曲線330係2.8cm腔室間隙的傳導曲線。曲線340係3.1cm腔室間隙的傳導曲線。
可自圖3做些觀察。首先，曲線在腔室操作區中(即4升/秒以上)係實質線性。其次，這些曲線係實質平行，其說明了當間隙在變化時，實質保有傳導量與限制環位置之間的線性關係。然後，對於任何既定的預期傳導量(如圖3中的11升/秒)，可使限制環移動x軸的偏移量(自一曲線至另一曲線之量)而簡單地補償傳導量的變化，該變化係歸因於腔室間隙的改變。參照圖3，當腔室間隙自2.34cm(曲線320)移至1.88cm(曲線310)時，可使限制環移動等同此偏離值(點344與點342之間)的量而補償傳導量的變化。限制環移動此偏離量(點342與點344之間的差值)將具有粗略地使傳導曲線310移至與傳導曲線320重疊的作用。如此行之，吾人將補償因間隙改變而產生的傳導量變化，且 以開放迴路方式完成概略的傳導量補償。
在實施例中，可以『X』表示當下腔室間隙位置。腔室間隙的變化可為±『Y』。當下的CRP則表為『A』。接著可依下述公式計算新的腔室間隙與新的CRP：新的腔室間隙位置=X±Y 方程式1
新的CRP=A±(M×Y) 方程式2，其中M係自圖3之傳導曲線所判定的斜率。
如可自前文所理解的，可在實施例中實驗地判定複數個每一腔室間隙的傳導曲線。此複數個傳導曲線於操作的傳導範圍之內係相對線性，且在實施例中給予大約M的斜率。可針對預定的晶圓區域壓力而判定偏離的CRP值，以對於腔室間隙調整進行補償。另外，可運用簡單的查表法而使腔室間隙與偏離值相互關聯。為便於開放迴路式粗略地調整，可自查表法所提供的值中獲得與/或估計特定腔室間隙之對應的偏離值。
圖4顯示依據本發明之實施例之方法400的簡化流程圖，用以隨著可調的腔室間隙即時控制晶圓區域壓力。
在步驟402中，可在實施例中實驗地判定複數個不同腔室間隙的傳導曲線。在步驟404中，將新的腔室間隙指定為製程參數的一部分。在步驟406中，可判定偏離當下限制環位置之值。稍早在討論圖3時已討論此偏離值。為簡化計算與/或查表，在實施例中可運用任選的參考腔室間隙以提供所有其它腔室間隙可參照的的參考。
一旦取得偏離值，則可使用該偏離值以開放迴路方式調整限制環位置，而迅速地(但粗略地)重新定位限制環(步驟408)。此迅速的重新定位粗略地補償電漿生成區中容積的變化及限制環間隙的變化，該等變化係由下電極之移動所致。一旦完成粗略的重新定位，可運用精細的(但較慢的)閉鎖迴路式控制(先前技藝中所用的方式)，以精確地使電漿生成區中的壓力建立在預期的設定壓力上。一旦重新穩定壓力，可使用先前技藝中所知的技術而完成壓力中的其它變化(如順應不同步驟中的壓力變化)。
如可自前文所理解的，本發明的實施例允許以二步驟法迅速地重新定位限制環，而以迅速的方式執行壓力補償。在第一步驟中，使用偏離值以開放迴路方式迅速地重新定位限制環，該偏離值取自先前已獲得的傳導數據(其使各種腔室間隙之傳導量與限制環位置相互關聯)。在第二步驟中，可運用習知的閉鎖迴路式控制，更精確地使壓力穩定在預期之值。藉由迅速地補償因移動電極而引起的壓力變化，可縮短壓力穩定步驟，且導致改善產能。此外，本發明的實施例可隨處理步驟的進行而改善與/或能夠維持電漿的引燃，當中每一個步驟可能要求不同的腔室間隙與不同的壓力設定。
雖然已按照數個較佳實施例而敘述本發明，在不離開本發明之範圍內，當可做替換、修正、交換及各式取代的等價動作。也應注意到，有許多替換方法可執行本發明之方法與設備。舉例而言，本發明可藉由程式儲存媒體而實施，該程式儲存媒體具有收錄於其中的電腦可讀碼，且該電腦可讀碼係配置以執行本發明之上述方法。因此有意將下列附加的專利請求項解釋為在不離開本發明之精神與範圍內，包括所有替換、修正、交換及各式取代的等價動作。
100‧‧‧電漿處理系統
102‧‧‧上電極組件
104‧‧‧下電極組件
106‧‧‧腔室間隙
108‧‧‧限制環組件
110a‧‧‧環
110b‧‧‧環
110c‧‧‧環
110d‧‧‧環
110e‧‧‧環
112‧‧‧間隙控制機構
114‧‧‧活塞
116‧‧‧致動機構
131‧‧‧栓塞
210‧‧‧曲線
310‧‧‧曲線
320‧‧‧曲線
330‧‧‧曲線
340‧‧‧曲線
342‧‧‧點
344‧‧‧點
400‧‧‧方法
本發明係藉由隨附圖示之圖表中的例子說明且不限於此，而圖中同樣的參照數字代表相似的元件，其中圖式為：圖1顯示依據本發明之實施例之電漿處理系統的簡化示意圖，該系統係用以提供上電極組件與下電極組件之間的可調式間隙。
圖2顯示依據本發明之實施例針對一預先定義的壓力，作為腔室間隙函數之限制環位置(CRP)的圖表。
圖3顯示依據本發明之實施例之不同腔室間隙之複數個實驗導出的傳導曲線(其說明傳導量相對於限制環位置的關係)。
圖4顯示依據本發明之實施例之方法400的簡化流程圖，用 以隨著可調的腔室間隙即時控制晶圓區域壓力。
100．．．電漿處理系統
102．．．上電極組件
104．．．下電極組件
106．．．腔室間隙
108．．．限制環組件
110a．．．環
110b．．．環
110c．．．環
110d．．．環
110e．．．環
112．．．間隙控制機構
114．．．活塞
116．．．致動機構
131．．．栓塞

Claims (18)

  1. 一種在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，該方法包括：設置一上電極與一下電極，用以處理該電漿處理腔室中之基板，該上電極與該下電極形成一腔室間隙；設置一第一機構，用以機械地與該上電極與該下電極中一者相結合；設置一限制環組；設置一第二機構，用以機械地與該限制環組相結合；判定該腔室間隙之不同高度值的複數個傳導曲線，其中該複數個傳導曲線說明針對該腔室間隙之不同高度值之傳導量相對於限制環位置(CRP)的關係；基於該複數個傳導曲線，使該限制環組的CRP值與該腔室間隙的該不同高度值相互關聯；指定該腔室間隙的一第一高度值；移動該第一機構而使該腔室間隙調至該第一高度值；使用該相互關聯步驟自一當下CRP值判定一新的CRP值；以一開放迴路方式移動該第二機構而使該限制環組調至該新的CRP值；及在調整該限制環組後，針對該電漿處理腔室以一閉鎖迴路方式提供精細的壓力調節。
  2. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中實驗地判定該複數個傳導曲線。
  3. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中為了該相互關聯步驟之目的，該複數個傳導曲線係於一操作傳導值附近呈實質線性。
  4. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中針對一預定的基板區域壓力而執行該相互關聯步驟。
  5. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，更包括選擇該腔室間隙之一參考值。
  6. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方 法，其中該上電極係可移式。
  7. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中該下電極係可移式。
  8. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中控制一渦輪泵浦的排氣速率而執行該精細的壓力調節。
  9. 如申請專利範圍第1項之在一電漿處理腔室中穩定壓力的方法，其中調整該限制環之間的間隙而執行該精細的壓力調節。
  10. 一種程式儲存媒體，該程式儲存媒體具有收錄於其中的電腦可讀碼，由一電腦執行該電腦可讀碼以穩定電漿處理腔室中的壓力，該電漿處理腔室具有處理基板用之上電極、下電極、及限制環組，該程式儲存媒體包括：第一電腦可讀碼，用以提供由該上電極與該下電極所形成之腔室間隙之不同高度值的複數個傳導曲線，其中該複數個傳導曲線說明針對該腔室間隙之不同高度值之傳導量相對於限制環位置(CRP)的關係；第二電腦可讀碼，用以基於該複數個傳導曲線而使該限制環組的CRP值與該腔室間隙的該不同高度值相互關聯；第三電腦可讀碼，用以指定該腔室間隙的一第一高度值；第四電腦可讀碼，用以移動一第一機構而使該腔室間隙調至該第一高度值，該第一機構係機械地與該上電極與該下電極中一者相結合；第五電腦可讀碼，用以使用該相互關聯步驟自一當下CRP值判定一新的CRP值；第六電腦可讀碼，用以以一開放迴路方式移動一第二機構而使該限制環組調至該新的CRP值，該第二機構係機械地與該限制環組相結合；及第七電腦可讀碼，用以在調整該限制環組後，針對該電漿處理腔室以一閉鎖迴路方式提供精細的壓力調節。
  11. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中實驗地判定該 複數個傳導曲線。
  12. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中為了該相互關聯步驟之目的，該複數個傳導曲線係於一操作傳導值附近呈實質線性。
  13. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中針對一預定的基板區域壓力而執行該相互關聯步驟。
  14. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，更包括用以選擇該腔室間隙之一參考值的電腦可讀碼。
  15. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中該上電極係可移式。
  16. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中該下電極係可移式。
  17. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中控制一渦輪泵浦的排氣速率而執行該精細的壓力調節。
  18. 如申請專利範圍第10項之程式儲存媒體，其中調整該限制環之間的間隙而執行該精細的壓力調節。
TW098103694A 2008-02-08 2009-02-05 在電漿處理腔室中穩定壓力的方法及其程式儲存媒體 TWI516175B (zh)

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