TWI794845B - 一種射頻系統狀態受控的半導體設備 - Google Patents

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Abstract

本申請案係關於射頻系統狀態受控的半導體設備。在本申請案之一實施例中，一種射頻偵測裝置包括：高通濾波器，其一端電耦接至陶瓷加熱器之射頻迴路電極，且其另一端接地；電壓量測器，其與上述高通濾波器並聯連接；以及低通電路，其與上述高通濾波器並聯連接。

Description

一種射頻系統狀態受控的半導體設備
本發明係關於半導體射頻處理裝置，尤其係關於一種射頻系統狀態受控的半導體設備。
對半導體晶圓進行例如PECVD等處理之電漿處理設備可稱為射頻(Radio Frequency，RF)系統，其包括RF控制電路。RF控制電路可提供射頻信號並傳送給電漿處理設備中之電極，從而在處理腔室之處理區域中產生電場。反應氣體在電場作用下離子化並與待處理之晶圓發生反應，例如蝕刻或沈積。
對於RF系統之日常狀態之監測對於製程開發及設備之長期穩定性具有重要意義。除監測RF電源之前向功率變化、RF系統反射功率、匹配器之可調電容外，亦須監測RF發射極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數，進而監測RF系統之狀態。通常，RF發射極信號參數之監測位置會設置在RF發射極與RF匹配器之間，並採用單獨的感測器模組或者整合在RF匹配器中之子模組來執行RF系統狀態監測。
然而，包括RF系統狀態監測功能模組之匹配器通常較為昂貴。對於自身不具有RF系統狀態監測功能模組之匹配器，則通常採用在RF發射極與RF匹配器之間額外增加系統狀態監測模組之方式，導致總成本居高不下。
因此，有必要發展一種兼顧監測實效性及低成本之RF系統狀態監測裝置，以實現相同或相似的監測功能。
本申請案旨在提供一種RF系統狀態監測裝置，以在匹配器缺少RF系統狀態監測功能模組之情況下，實現RF系統狀態監測功能。
本申請案之一實施例提供一種射頻偵測裝置，其包括：高通濾波器，其一端電耦接至陶瓷加熱器之射頻迴路電極，且其另一端接地；電壓量測器，其與上述高通濾波器並聯連接；以及低通電路，其與上述高通濾波器並聯連接。
本申請案之又一實施例提供一種射頻偵測裝置，其包括：高通濾波器，其一端電耦接至陶瓷加熱器之射頻迴路電極，且其另一端接地；電壓量測器，其與上述高通濾波器並聯連接；以及低通電路，其一端電耦接至上述陶瓷加熱器之上述射頻迴路電極，且其另一端電耦接至射頻功能模組。
應瞭解，本發明之廣泛形式及其各自特徵可以結合使用、可互換及/或獨立使用，並且不用於限制參考單獨的廣泛形式。
為更好地理解本發明之精神，以下結合本發明之部分較佳實施例對其作進一步說明。
在本說明書中，除非經特別指定或限定之外，相對性的用詞例如：「中央的」、「縱向的」、「側向的」、「前方的」、「後方的」、「右方的」、「左方的」、「內部的」、「外部的」、「較低的」、「較高的」、「水平的」、「垂直的」、「高於」、「低於」、「上方」、「下方」、「頂部的」、「底部的」以及其衍生性的用詞(例如「水平地」、「向下地」、「向上地」等等)應該解釋成引用在論述中所描述或在附圖中所描示之方向。此等相對性的用詞僅用於描述上之方便，且並不要求將本申請案以特定之方向建構或操作。
以下詳細地論述本發明之各種實施方式。儘管論述了具體的實施，但應當理解，此等實施方式僅用於示出之目的。熟習相關技術者將認識到，在不偏離本發明之精神及保護範疇之情況下，可以使用其他部件及組態。
圖1展示根據本發明一實施例的RF系統狀態監測裝置。RF系統100之前端可包括RF信號發生器101、匹配器102、RF系統狀態監測裝置103以及噴淋板104。RF信號發生器101輸出RF信號並將其提供至匹配器102。匹配器102接收RF信號並對其執行電路調變，以使RF信號之阻抗與負載之阻抗匹配。經匹配的RF信號最終提供至噴淋板104，噴淋板104構成RF發射極。RF系統狀態監測裝置103串聯在匹配器102與噴淋板104之間以監測RF發射極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數，從而直接監測RF系統100之系統狀態。在圖1中，位於虛線框內之RF系統狀態監測裝置103及匹配器102可用以表示具備RF系統狀態監測功能之匹配器，此種匹配器通常較為昂貴。反之，若忽略圖1中之虛線框，則表示匹配器102僅具有匹配功能而不具備Vdc及Vpp狀態監測功能。此時，為滿足系統狀態監測之需要，圖1所示之技術亦需要在噴淋板104與匹配器102之間額外地增設RF系統狀態監測裝置103，此種改造仍使總成本居高不下。
RF系統100之後端可包括陶瓷加熱盤105、加熱電路低通濾波器(LPF) 106、加熱電路107、交流(AC)功率控制器108、溫度控制器109、溫控電路110以及RF迴路線111。陶瓷加熱盤105構成RF接收極，並藉由陶瓷加熱盤105上之RF迴路電極105'經由RF迴路線111直接接地。加熱電路107之一端可安置於陶瓷加熱盤105內部(如圖1陶瓷加熱盤105內部虛線所示)，另一端可與加熱電路LPF 106相連。AC功率控制器108輸出之AC功率或電力藉由加熱電路低通濾波器106濾波後經由加熱電路107加熱陶瓷加熱盤105，進而加熱位於陶瓷加熱盤105上方之晶圓，促進PECVD處理。溫控電路110可與加熱電路107安置於陶瓷加熱盤105內部之一端相連，以採集溫度資訊並將其傳遞至溫度控制器109，溫度控制器109可根據採集到之溫度資訊提供回饋信號至AC功率控制器108以調節AC加熱功率，從而實現對加熱盤溫度之回饋控制。
圖2A展示根據本發明一實施例的RF系統狀態監測裝置。RF系統200之前端可包括RF信號發生器201、匹配器202以及噴淋板204。RF信號發生器201輸出RF信號並將其提供至匹配器202。匹配器202接收RF信號並對其執行電路調變，以使RF信號之阻抗與負載之阻抗匹配。經匹配的RF信號直接提供至噴淋板204，噴淋板204構成RF發射極。在圖2A中，RF系統200之前端不包括Vdc及Vpp狀態監測裝置，自匹配器202輸出之RF信號被直接提供至噴淋板204。亦即，根據本發明之實施例，圖2A所示RF系統200之前端可不需藉由監測RF發射極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數來直接監測RF系統200之系統狀態。
RF系統200之後端可包括陶瓷加熱盤205、加熱電路低通濾波器(LPF) 206、加熱電路207、交流(AC)功率控制器208、溫度控制器209、溫控電路210以及RF迴路線211。陶瓷加熱盤205構成RF接收極，並具有RF迴路電極205'。在圖2A所示之RF系統200之後端，RF系統狀態監測裝置203串聯於陶瓷加熱盤205之RF迴路電極205'與接地之間，故陶瓷加熱盤205不經由RF迴路線211直接接地。RF系統狀態監測裝置203可對RF迴路線211上之信號(例如RF接收極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數)進行監測，從而間接地監測RF系統200之系統狀態。
仍參見圖2A，串聯於陶瓷加熱盤205與接地之間的RF系統狀態監測裝置203包括高通濾波器(HPF) 213、低通電路223及電壓量測器233。高通濾波器213及低通電路223分別構成RF迴路線211之高頻支路及低頻支路。高通濾波器213之一端電耦接至陶瓷加熱器205之RF迴路電極205'，另一端接地，從而串聯在RF迴路線211上。高通濾波器213可經組態以確保射頻迴路之正常工作。低通電路223與高通濾波器213並聯連接，以分流低頻RF電流。電壓量測器233並聯在高通濾波器213及低通電路223兩端，以對高通濾波器213及低通電路223之並聯電壓執行即時或非即時量測，從而監測例如(但不限於) RF發射極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數，進而間接監測RF系統之狀態。當射頻迴路正常工作時，電壓量測器233之量測值例如可為0或極小值。在一實施例中，電壓量測器可為電壓錶或任意類型之電壓量測裝置。在另一實施例中，可在RF迴路線211上進一步串聯電流錶243以量測流經高通濾波器213及低通電路233之總電流，從而輔助監測RF系統之狀態。
圖2B展示根據本發明另一實施例的RF系統狀態監測裝置。與圖2A所示RF系統200之區別在於，低通電路233之一端電耦接至陶瓷加熱器205之RF迴路電極205'，另一端與其他功能模組212連接，因而不與高通濾波器213並聯連接。其他功能模組212可為例如(但不限於)靜電卡盤(Electrostatic Chuck，簡稱E-Chuck、ESC)。在圖2B所示實施例中，電壓量測器233仍保持與高通濾波器213並聯，以對高通濾波器213之並聯電壓執行即時或非即時量測，從而監測例如(但不限於) RF發射極之直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)等信號參數，進而間接監測RF系統之狀態。
圖3展示圖2A、2B中低頻支路之一實施例。如圖3所示，構成RF迴路線211低頻支路之低通電路223可包括低通濾波器(LPF) 2231，以實現所有低頻電流之接地導通。在一實施例中，低通電路223亦可包括與低通濾波器串聯之電阻(R) 2232，以進一步提供限流功能。
圖4展示圖2A、2B中低頻支路之另一實施例。如圖4所示，構成RF迴路線211低頻支路之低通電路223可僅由高壓電阻(R H) 2233構成，以替代如圖3所示之低通濾波器2231及/或電阻2232。應可理解，圖3及圖4中展示之低頻支路之實施例均可用以實現如圖2A及圖2B所示RF系統200之低通電路223。
針對不同頻率之RF系統，可組態不同濾波效能之高頻支路及低頻支路來最佳化監測效能。例如(但不限於)，可藉由組態高通濾波器及低通濾波器之濾波範圍來對不同頻率之RF系統提供不同之濾波效能。
本發明各個實施例所提供之半導體設備能夠對缺少RF系統狀態監測功能模組之RF處理系統，藉由在陶瓷加熱器迴路上設置電壓及/或電流量測裝置以及配套的電氣組件來實現RF系統監測功能。應可理解，本發明各個實施例可對RF信號參數之異常變化實施人工監測或在線監測，並根據監測結果對RF系統進行回饋控制。
本發明各個實施例能夠兼顧監測實效性及低改造成本，且改造十分簡便易行。本發明各個實施例亦可應用於ALD、PECVD、3D等一切利用射頻之半導體製程設備，且可針對不同射頻系統自行定義相關參數，從而有效降低了設計門檻，從而針對圖1所示之技術之缺陷提供了經濟、靈活的替代方案。
例如(但不限於)，對於圖1所示之採用陶瓷加熱盤之PECVD設備，本發明各個實施例可作為射頻系統功能升級改造之備選方案；對於新建採用陶瓷加熱盤之PECVD設備，本發明各個實施例可作為原型設備測試或者RF系統監測模組之經濟性替代方案。
本發明之技術內容及技術特點已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。熟習此項技術者仍可能基於本發明之教示及揭示內容而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明已揭示之實施例並未限制本發明之範疇。相反地，包括於申請專利範圍之精神及範疇之修改及均等設置均包含於本發明之範疇內。
100:RF系統 101:RF信號發生器 102:匹配器 103:RF系統狀態監測裝置 104:噴淋板 105:陶瓷加熱盤 105':RF迴路電極 106:加熱電路低通濾波器(LPF) 107:加熱電路 108:交流(AC)功率控制器 109:溫度控制器 110:溫控電路 111:RF迴路線 200:RF系統 201:RF信號發生器 202:匹配器 203:RF系統狀態監測裝置 204:噴淋板 205:陶瓷加熱盤 205':RF迴路電極 206:加熱電路低通濾波器(LPF) 207:加熱電路 208:交流(AC)功率控制器 209:溫度控制器 210:溫控電路 211:RF迴路線 212:其他功能模組 213:高通濾波器(HPF) 223:低通電路 233:電壓量測器 243:電流錶 2231:低通濾波器(LPF) 2232:電阻(R) 2233:高壓電阻(R H)
圖1展示根據本發明一實施例的RF系統狀態監測裝置。 圖2A展示根據本發明一實施例的RF系統狀態監測裝置。 圖2B展示根據本發明另一實施例的RF系統狀態監測裝置。 圖3展示圖2A、2B中低頻支路之一實施例。 圖4展示圖2A、2B中低頻支路之另一實施例。
200:RF系統
201:RF信號發生器
202:匹配器
203:RF系統狀態監測裝置
204:噴淋板
205:陶瓷加熱盤
205':RF迴路電極
206:加熱電路低通濾波器(LPF)
207:加熱電路
208:交流(AC)功率控制器
209:溫度控制器
210:溫控電路
211:RF迴路線
213:高通濾波器(HPF)
223:低通電路
233:電壓量測器
243:電流錶

Claims (13)

  1. 一種射頻偵測裝置，其包括：高通濾波器，其一端電耦接至陶瓷加熱器之射頻迴路電極，且其另一端接地；電壓量測器，其與上述高通濾波器並聯連接；以及低通電路，其與上述高通濾波器並聯連接，其中該電壓量測器經組態以對該高通濾波器及該低通電路之並聯電壓執行即時或非即時量測，從而監測該射頻迴路電極之信號參數，其中該射頻迴路電極之該等信號參數包括直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)。
  2. 如請求項1之裝置，其中上述低通電路包括低通濾波器。
  3. 如請求項2之裝置，其進一步包括電阻，上述電阻與上述低通濾波器串聯連接。
  4. 如請求項1之裝置，其中上述低通電路包括高壓電阻。
  5. 如請求項1之裝置，其中上述電壓量測器包括電壓錶，且該電壓量測器一端接地。
  6. 如請求項1之裝置，其中上述裝置包括電流量測器，其經組態以電連 接至上述高通濾波器及上述低通電路，從而量測流經上述高通濾波器及上述低通電路之總電流。
  7. 一種射頻偵測裝置，其包括：高通濾波器，其一端電耦接至陶瓷加熱器之射頻迴路電極，且其另一端接地；電壓量測器，其與上述高通濾波器並聯連接；以及低通電路，其一端電耦接至上述陶瓷加熱器之上述射頻迴路電極，且其另一端電耦接至射頻功能模組，其中該電壓量測器經組態以對該高通濾波器之並聯電壓執行即時或非即時量測，從而監測該射頻迴路電極之信號參數，其中該射頻迴路電極之該等信號參數包括直流偏壓(Vdc)及射頻偏壓幅值(Vpp)。
  8. 如請求項7之裝置，其中上述低通電路包括低通濾波器。
  9. 如請求項8之裝置，其進一步包括電阻，上述電阻與上述低通濾波器串聯連接。
  10. 如請求項7之裝置，其中上述低通電路包括高壓電阻。
  11. 如請求項7之裝置，其中上述電壓量測器包括電壓錶，且該電壓量測器一端接地。
  12. 如請求項7之裝置，其中上述裝置包括電流量測器，其經組態以電連接至上述高通濾波器及上述低通電路，從而量測流經上述高通濾波器及上述低通電路之總電流。
  13. 如請求項7之裝置，其中上述射頻功能模組為靜電卡盤或直流電源。
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