TWI570876B - Automatic implementation of RF power matching methods and systems - Google Patents

Description

自動實現射頻功率匹配的方法和系統

本發明關於一種將射頻功率施加到反應腔，並維持反應腔中的等離子點燃的射頻功率系統，特別是關於一種通過調節射頻匹配電路實現最小化反射功率的方法和系統。

在半導體器件、平板顯示器、太陽能板等製造領域內，利用等離子來進行加工的各種反應腔普遍存在。這樣的反應腔包括刻蝕、化學氣相沉積(CVD)、等離子增強型化學氣相沉積(PECVD)等。在這些反應腔中，具有設定頻率的射頻功率源向反應腔提供射頻功率。射頻功率通過一個射頻匹配網路被施加到電極或天線。射頻匹配網路被設計來調節從傳輸線到反應腔的阻抗，以更加有效地分配射頻功率到反應腔。

習知技術存在的一個問題是反應腔阻抗漂移或改變。比如，由於構件老化和反應腔狀態改變，如清潔情況就會導致阻抗漂移。同樣，後續的維護也會導致反應腔阻抗改變。除此之外，不同的基片也會造成反應腔阻抗改變。因此存在監控反應腔阻抗並調節射頻匹配網路以最小化反射功率並確保射頻功率有效分配的需要。另一方面，在半導體生產廠家的各種反應腔和系統基本都是由中央主機通過運行生產管理軟體來控制的。在這樣的環境下，一旦一個工藝功能表被驗證，就會被存儲到中央主機。然後主機根據存入的工藝功能表來運行系統。這個存入的工藝功能表不允許修改除非進行再次驗證。這也就意味著，如果由於反應腔狀態改變而需要修改工藝功能表，修改後的工藝功能表在取代老的工藝功能表前必須被重新驗證。這是很花時間和資源的事情，所以工廠的管理者們會儘量避免這一情況。

但是，當反應腔阻抗發生漂移或改變，工藝功能表又需要作改變以適應阻抗改變。所以業界需要一種方法和系統在不改變已存儲的工藝功能表的情況下能夠主動測量阻抗漂移和改變。

本發明的發明內容只提供一個對本發明部分方面和特點的基本理解，其不是對本發明的廣泛的概述，也不是用來特別指出本發明關鍵的要素或者勾畫發明的範圍。其唯一的目的是簡化地呈現本發明的一些概念，為後續詳細的描述本發明作一些鋪墊。

本發明所提供的實施例能夠根據反應腔阻抗的改變而主動修正，因而不需要改變工藝功能表。該主動修正可以是自動完成的，而且可以在處理過程中多次重複執行。

本發明實施例提供一種控制射頻功率施加至等離子處理腔中的方法，從而最小化反射功率並有效地施加射頻功率到等離子體中。各種實施例能夠實現自動調節射頻功率而不需要修改驗證過的工藝功能表。自動調節(auto tuning)可以被應用到頻率匹配和射頻匹配網路的調節上。

根據本發明所揭露的複數個方面，一種運行處理系統的方法，包括提供一個等離子處理腔、一個本地控制器、以及一個遠端生產控制器，該運行處理系統的方法包括：在生產控制器中存儲處理工藝功能表，包括：用於等離子腔的射頻匹配網路的設定值；用該工藝功能表給等離子反應腔供應電能；監測等離子處理腔的反射功率；改變該等離子處理腔的射頻匹配網路的設定值以獲得最小化的反射功率，在獲得最小化的反射功率時，存儲新的射頻匹配網路設定值到本地控制器，並且繼續根據該處理工藝功能表運行該等離子處理腔，其中射頻匹配網路設定值採用存儲在本地控制器中的參數。

改變該等離子處理腔的射頻匹配網路的設定值包括：比較當前反射功率和一個閥值，如果當前反射功率超出閥值，從第一方向上增加射頻匹配網路的設定值並判斷反射功率是增加或是減少；如果反射功率增加，則向與第一方向相反的第二方向增加射頻匹配網路的設定值；如果反射功率減少，則在第一方向上再次增加射頻匹配網路的設定值。

進一步揭露本發明還可以包括在減少反射功率的方向上繼續增加設定值，直到設定值增加開始造成反射功率開始增加；將當前射頻匹配網路的設定值存儲並替換到本地控制器中。射頻匹配網路設定值可以包括對射頻匹配網路中可變單元的設定，如可變電容、可變電感、可變電阻或這幾者的組合。

本發明的另一方面，提供一個等離子處理系統，包括：複數個等離子處理平臺，每個等離子處理平臺具有一個各自的射頻功率發射裝置；複數個射頻匹配網路，每個都包括一個可變單元並且分別耦合到一個該的射頻功率發射裝置；複數個射頻發生器，每個分別耦合到該射頻匹配網路；一個本地控制器耦合到生產控制器，本地控制器根據存儲在生產控制器中的工藝功能表運行該複數個等離子處理平臺，並進一步根據存儲在生產控制器中的工藝功能表或者存儲在該本地控制器的參數來選擇性的調整每個射頻匹配網路中的可變單元。其中本地控制器監測每個等離子處理平臺的反射功率並調整各自射頻匹配網路中的可變單元以最小化反射功率。當控制器調整可變單元以最小化反射功率後，存儲調整後的設定值到本地控制器但不改變存儲在生產控制器中的工藝功能表。可變單元包括可變電容、可變電感、可變電阻或者是這幾者的組合。

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其他特徵、目的和優點將會變得更明顯。如下附圖構成了本說明書的一部分，和說明書一起列舉了不同的實施例，以解釋和闡明本發明的宗旨。以下附圖並沒有描繪出具體實施例的所有技術特徵，也沒有描繪出部件的實際大小和真實比例。

本發明實施例提供一種對施加到等離子處理腔的射頻功率進行控制的系統和方法，以實現最小化反射功率並有效地將射頻功率施加到等離子中。各種實施例都在不需要修改驗證過的工藝功能表的情況下實現自動調節射頻功率。這一自動調節可以用調節頻率匹配的和射頻匹配網路參數的方式來實現。

圖1顯示了一個在遠端生產控制器176控制下運行的處理腔100的例子，等離子處理腔100基本包括腔體110、頂板120、基座130。在這個實施例中，射頻功率是電容式耦合到等離子體空間，所以頂板120以本技術領域內熟知的方式作為一氣體個噴淋頭而向反應腔注入反應氣體。該氣體噴淋頭包括電極126，在這個實施例中是為接地的。基座130支撐了一個基片夾盤132，如靜電夾盤，基片115位於夾盤132上。射頻功率通過導體180耦合到基座130以點燃並維持等離子112。射頻功率產生自射頻發生器175並被傳輸到匹配網路170。控制器174控制射頻發生器和匹配網路的運行以實現自動調節，即使在腔體阻抗變化的情況下仍然能最小化反射功率並且有效分配功率到等離子。

圖2顯示了一個可以用於實現本發明自動調節功能的匹配網路的例子。匹配網路270可以包括一系列容性和感性單元230。為了改變匹配網路270的參數，一個可控的調節單元，如可變電容、電感或電阻、以及這幾者的組合需要被採用到。在本實施例中，匹配網路270包括一個固定的旁路電容210和一個可變的旁路電容215，作為可變的調節單元。在本實施例中，調節電容215可以是由控制器274控制的電機驅動的真空電容，當然其他可控的具有可變參數的器件也可以採用。同時這些可控調節單元不一定作為旁路單元工作。

整體上，可變調節單元是根據存儲在遠端生產控制器276中的工藝功能表運行的。比如當系統在正常工作模式下遠端生產控制器276發送控制信號到本地控制器274，以使反應腔根據存儲在控制器276中的工藝功能表來運行。遠端存儲的工藝功能表包括對可變調節單元的設置，整體上本地控制器274用來自該工藝功能表的設置來調整可變調節單元。但是，一旦這些設置被驗證通過後，就不允許再作改動，除非經過漫長的再次驗證。因此，根據本實施例，控制器包括本地記憶體以改變對可變調節單元的設置。如果本地控制器274發現到來自反應腔的反射功率超過允許值，本地控制器274就要調整可變調節單元的設置並存儲新的本地數值。然後在下一步運行中，本地控制器274採用本地存儲的數值而不是來自於遠端控制器276的數值。

圖3顯示了另一個實施例處理模組300包括兩個等離子處理平臺：等離子處理平臺1(ST1)和等離子處理平臺2(ST2)。比如，兩個半導體晶圓可以同時處理，每個晶圓放在ST1和ST2其中一個等離子處理平臺內。在這個實施例中，每個處理腔由兩個射頻電源供電，低頻可以是如2MHz、或者13.56MHz等頻率，高頻可以是如24MHz、60MHz、100MHz等頻率。在這個實施例中每個等離子處理平臺都有各自的射頻供電管道，該管道包括一個低頻射頻發生器(LFG)、低頻匹配網路(LFM)、高頻射頻發生器(HFG)、高頻匹配網路(HFM)。在一個實施例中每個系統包括三個處理模組，每個處理模組包括兩個等離子處理平臺，這樣獲得12個射頻管道。如圖3所示，所有這些管道由控制器374控制。在這個實施例中，控制器374通過RS232線連接到每個射頻功率發生器和射頻匹配網路。

當為如圖3中所示的處理模組驗證工藝功能表時，匹配值被存儲作為工藝功能表的一部分。例如，如果匹配網路利用一個可變電容，就如圖2所示的那樣，可控可調節電容的值作為工藝功能表的一部分存儲起來。比如圖3中的處理模組下列數值可以存儲作為工藝功能表的一部分：

這些數值存儲在主機的生產控制器作為工藝功能表的一部分用來運行到處理模組上。

根據其中一個實施例，在工藝功能表驗證時，這4個值會作調節以獲得最小的反射功率。然後這些預設值與其他工藝功能表一起被存儲到遠端的控制主機，也會同時被存儲到各個處理模組本地控制器的獨立檔中，比如控制器374。自此，不論何時主機在這個處理模組上運行這個工藝，自動調節控制器，如控制器374會檢測反射功率。如果反射功率超過預設閥值，每個匹配網路的值會被調整，直到反射功率達到一個可接受的值。這個新的值，對應於新尋找到的最小反射功率隨後被存儲到本地控制器，而不需要修改遠端主機中的工藝功能表值。因此，當主機繼續執行該存儲的工藝功能表時，匹配網路的實際調節是與工藝功能表獨立的，這樣的自動調節不需要再次驗證工藝功能表的步驟。

圖4顯示了一張本發明通過控制器實現自動調節功能的流程圖。步驟400確認自動調節是否使能。也就是運算器可以選擇禁止自動調節功能並強制系統採用存儲的工藝功能表運行。假如自動調節被禁用，該流程就結束。假如自動調節被採用，步驟405中控制器取得匹配網路的預設值。在步驟410中控制器讀取反射功率值並且在步驟415中對讀取的數值和預設閥值進行比較。如果讀取反射功率值小於預設閥值，控制器返回步驟410讀取下一個週期的反射功率值。控制器可以在每個設定週期中讀取一次資料，比如1-5秒。

如果在步驟415中讀取的反射功率值大於預設值，在步驟420中控制器在一個方向上增加匹配網路的數值一步，比如增加電容值一小步。在增加匹配網路數值之後還要延遲一定時間以便等待讀取反射功率值，該延遲時間可以是1秒左右，比如0.5-2秒，具體不同的系統設置有不同的要求。延遲時間結束之後進入步驟425，控制器再一次讀取反射功率值並且在步驟430中確認是否這個新的讀取值小於先前的讀取值。如果是，就確認是否新的讀取值小於預設閥值。如果新的讀取反射功率值是在設定的閥值範圍內，進入步驟440，控制器就存儲新的匹配網路的設定數值，而不需要改變匹配網路的存儲在遠端主機中的數值。

如果在步驟430控制器判定新讀取的數值大於原先讀取的數值，也就意味著增加是個錯誤的方向，控制器應該向相反方向改變進入步驟435。比如如果在步驟420中電容增加了，步驟430中判斷新的讀取反射值大於原先的值，隨後控制反向動作，在增加了一小步後變為減少電容值一小步。也就是在步驟435之後控制器開始反方向的增加。在這個實施例中每一次增加都是以預設幅度，比如1%。一旦獲得合適的設定，新的數值會被控制器存儲在本地，步驟440，不需要改變存儲在工藝功能表中的值。這樣，反射功率可以在處理過程中被最小化，而不必改變工藝功能表和重新驗證工藝功能表。

如圖4所示的曲線，反射功率(Y軸)會隨著電容設定值(X軸)的改變而改變。這一變化曲線具有控制器想要找到的一個最小值。在圖中的設定點S0，反射功率大於可能的最小值Sm。因此控制器在一個方向上移動設定值一小步(箭頭所指方向中的一個)，以確認反射功率會隨之變大還是變小。如果變大了則控制器改變設定值移動方向。這一過程持續直到控制器發現設定值Sm，也就是最小反射功率對應的設定值。注意到控制器增加設定值向著箭頭所指的右側移動，反射功率值會逐步減少直到進一步移動會越過最小值Sm，在這一點反射功率會再次開始增加。然後控制器重新存儲設定值並且存儲的是反射功率開始變大前的最後一個數值。

本說明書實施例中所用的術語和表達方式是用來描述發明而不是限制，所以這些表達都不應排除任何等同物或者可替換物。此外，本領域技術人員通過對本發明說明書的理解和對本發明的實踐，能夠容易地想到其他實現方式。本文所描述的複數個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨採用或者組合採用。需要強調的是，說明書和實施例僅作為舉例，本發明實際的範圍和思路通過下面申請專利範圍來定義。

100．．．處理腔

110．．．腔體

112．．．等離子

115．．．基片

120．．．頂板

126．．．電極

130．．．基座

132．．．夾盤

170．．．匹配網路

174．．．控制器

175．．．射頻發生器

176．．．遠端生產控制器

180．．．導體

210．．．旁路電容

215．．．旁路電容

230．．．感性單元

270．．．匹配網路

274．．．本地控制器

275．．．射頻發生器

276．．．遠端生產控制器

300．．．處理模組

374．．．控制器

400、405、410、415、420、425、430、435、440．．．步驟

S0、Sm．．．設定值

圖1顯示本發明一個實施例具有一個控制器的反應腔圖示。

圖2顯示根據本發明一個實施例的一個能夠實現自動調節功能的匹配網路的範例。

圖3顯示本發明另一個實施例中處理模組具有兩個等離子處理平臺。

圖4顯示本發明一個實施例的加工流程圖，該流程可以由控制器執行並實現自動調節功能。

100．．．處理腔

110．．．腔體

112．．．等離子

115．．．基片

120．．．頂板

126．．．電極

130．．．基座

132．．．夾盤

170．．．匹配網路

174．．．控制器

175．．．射頻發生器

176．．．遠端生產控制器

180．．．導體

Claims (11)

1. 一種運行處理系統的方法，該處理系統包括一等離子處理腔、一本地控制器、一遠端生產控制器，該方法包括：在該遠端生產控制器內存儲一處理工藝功能表，該處理工藝功能表包括對該等離子處理腔的一射頻匹配網路的設定值；用該處理工藝功能表的設定值激發該等離子處理腔；監測該等離子處理腔的反射功率；改變該等離子處理腔的射頻匹配網路的設定值，以獲得最小化的一反射功率，以及，在獲得最小化的該反射功率時，存儲一新的射頻匹配網路設定值到該本地控制器，並且，繼續根據該遠端生產控制器的該處理工藝功能表以運行該等離子處理腔，而該等離子處理腔之射頻匹配係採用存儲在該本地控制器中的該新的射頻匹配網路設定值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之運行處理系統的方法，其中改變該等離子處理腔的射頻匹配網路的設定值的步驟包括：比較當前的該反射功率和一個閥值，如果當前的該反射功率超出該閥值，則執行：在一第一方向上增加該射頻匹配網路的設定值，並判斷該反射功率是增加或是減少；如果該反射功率增加，則向與該第一方向相反的一第二方向增加該射頻匹配網路的設定值；如果該反射功率減少，則在該第一方向上再次增加該射頻匹配網路的設定值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之運行處理系統的方法，其中該反射功率的每次增加都是以預設幅度進行。
4. 如申請專利範圍第3項所述之運行處理系統的方法，還包括繼續沿該反射功率減少的方向增加該射頻匹配網路的設定值，直到某一次該設定值的增加顯示該反射功率開始增加，在這一點下，存儲一個替換的設定值到該本地控制器中。
5. 如申請專利範圍第1項所述之運行處理系統的方法，其中 對該射頻匹配網路的設定包括對該射頻匹配網路中的一可變單元的設定。
6. 如申請專利範圍第5項所述之運行處理系統的方法，其中該可變單元包括一可變電容。
7. 如申請專利範圍第5項所述之運行處理系統的方法，其中該可變單元包括一可變電感。
8. 一種等離子處理系統，包括：複數個等離子處理平臺，每個等離子處理平臺具有一個各自的射頻功率發射裝置；複數個射頻匹配網路，每個射頻匹配網路分別耦合到一個該射頻功率發射裝置並且該每個射頻匹配網路都包括一個可控的可變單元；複數個射頻發生器，每個射頻發生器分別耦合到該射頻匹配網路；一耦合到一生產控制器的本地控制器，該本地控制器根據存儲在該生產控制器中的工藝功能表運行該複數個等離子處理平臺，並進一步根據從該工藝功能表中接收的參數或者存儲在該本地控制器的參數來選擇性地調整該每個射頻匹配網路中的該可控的可變單元，其中該本地控制器監測每個該等離子處理平臺的反射功率並調整每個該等離子處理平臺各自的射頻匹配網路中的可變單元以最小化的該反射功率。
9. 如申請專利範圍第8項所述之等離子處理系統，其中當該本地控制器調整該可控的可變單元以最小的該反射功率後，該本地控制器存儲調整後的設定值到該本地控制器但不改變存儲在該生產控制器中的工藝功能表。
10. 如申請專利範圍第9項所述之等離子處理系統，其中該可控的可變單元包括可變電容、可變電感和可變電阻之一。
11. 如申請專利範圍第9項所述之等離子處理系統，其中該可控的可變單元包括一個可變旁路電容或一可變旁路電容與其他 部件的組合體。