專利名稱：一種控制晶片偏壓的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及在半導(dǎo)體處理技 術(shù)中用于控制晶片偏壓的裝置和方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)集成電路的集成度要求越來 越高，這就要求生產(chǎn)集成電路的企業(yè)不斷地提高半導(dǎo)體器件的加工能 力。目前，在半導(dǎo)體器件的加工、制造過程中廣泛采用等離子體刻蝕 技術(shù)。所謂等離子體刻蝕技術(shù)指的是，反應(yīng)氣體在射頻功率的激發(fā)下 產(chǎn)生電離形成含有大量電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和自由基等 活性粒子的等離子體，這些活性粒子與被刻蝕物體(例如，晶片)的 表面發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)并形成揮發(fā)性的生成物，從而使得被刻 蝕物體表面的性能發(fā)生變化。
在上述活性粒子中，由于電子比正離子輕，在相同時(shí)間內(nèi)，電 子落在晶片表面的數(shù)量比離子多，因此，待反應(yīng)穩(wěn)定后晶片表面會(huì)形 成直流自偏壓。該直流自偏壓會(huì)吸引等離子體中帶正電荷的離子等活 性粒子向晶片表面加速運(yùn)動(dòng)，并轟擊晶片以達(dá)到預(yù)期的工藝結(jié)果。上 述直流自偏壓的大小將影響帶正電荷的離子等活性粒子的轟擊能量， 進(jìn)而也將影響等離子體刻蝕工藝中的某些參數(shù)，例如刻蝕速率、沉積 速率等。
目前，在絕大多數(shù)的諸如等離子體刻蝕設(shè)備的半導(dǎo)體處理設(shè)備 中，為增大晶片上直流自偏壓，進(jìn)而相應(yīng)地增大帶正電荷的離子等活
性粒子的能量，通常需要外加射頻(RF)電源以對(duì)等離子體刻蝕設(shè)備 的下電極施加射頻激勵(lì)信號(hào)。然而，施加在下電極上的射頻信號(hào)往往 會(huì)發(fā)生波動(dòng)，而射頻信號(hào)的波動(dòng)又會(huì)造成晶片上直流自偏壓的波動(dòng)， 進(jìn)而影響工藝過程的穩(wěn)定性。因此，為保證工藝過程的穩(wěn)定性以及獲
得預(yù)期的工藝結(jié)果，有必要對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行控制，以獲得 預(yù)期的且穩(wěn)定的射頻信號(hào)，進(jìn)而在晶片上獲得穩(wěn)定的預(yù)期大小的直流 自偏壓。
在現(xiàn)有的等離子體刻蝕設(shè)備中，通常采用開環(huán)控制策略來控制 射頻電源的輸出功率。圖1就示出了這樣一種典型的等離子體刻蝕設(shè) 備的下電極控制結(jié)構(gòu)，其中，射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)與下電極相連。 通常，預(yù)先設(shè)定射頻電源的輸出功率，使射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)向下 電極施加給定的射頻信號(hào)，從而控制晶片上的直流自偏壓。
至于如何測(cè)定晶片上的直流自偏壓，現(xiàn)有技術(shù)多傾向采用這樣 的方法即，依據(jù)晶片上的直流自偏壓約為下電極上的射頻電壓峰峰 值的1/2這一通用規(guī)則，首先測(cè)量施加在下電極上的射頻信號(hào)的峰峰 值，然后將上述測(cè)量值除以2即得到晶片上的直流自偏壓的值。
盡管采用上述控制裝置或控制方法能夠?qū)系闹绷髯云珘?進(jìn)行控制，但是其不可避免地存在下述缺陷-
其一，由于匹配網(wǎng)絡(luò)本身就具有信號(hào)損失，而該信號(hào)損失又是 變化且不可預(yù)估的，因此上述預(yù)先設(shè)定的射頻電源輸出功率不能全部 穩(wěn)定地傳輸至下電極；再者，由于采用了開環(huán)控制策略，所以上述控 制裝置和控制方法不能根據(jù)晶片上的直流自偏壓的實(shí)際值實(shí)時(shí)自動(dòng) 地調(diào)節(jié)射頻電源輸出功率的設(shè)定值，也就是說，采用現(xiàn)有技術(shù)中的開 環(huán)控制策略時(shí)，射頻電源輸出功率的設(shè)定值不可控，這樣也就不能準(zhǔn) 確地控制晶片上的直流自偏壓，從而也就不能得到預(yù)期的且穩(wěn)定的工 藝結(jié)果。
其二，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然所述直流自偏壓主要是由施加到下 電極上的射頻信號(hào)產(chǎn)生的，但是它同時(shí)也會(huì)受到其他工藝參數(shù)的影 響，因此，若工藝條件發(fā)生變化，則依據(jù)前述通用規(guī)則而測(cè)定的直流 自偏壓將不夠準(zhǔn)確。于是，基于該直流自偏壓而進(jìn)行的工藝過程也將 偏離預(yù)期的工藝效果。
因此，迫切地需要提供一種新的控制方法和控制裝置，以準(zhǔn)確 地測(cè)定并控制晶片上的直流自偏壓，進(jìn)而獲得預(yù)期的且穩(wěn)定的工藝結(jié) 果。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種控制晶片偏壓的裝置和 方法，其能夠?qū)崟r(shí)可靠地測(cè)定并控制晶片偏壓，并能夠獲得預(yù)期的且 穩(wěn)定的工藝結(jié)果。
為此，本發(fā)明提供了一種控制晶片偏壓的裝置，包括下電極、 匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻電源，所述射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)與半導(dǎo)體處理設(shè)備 的下電極相連。該裝置還包括檢測(cè)模塊和控制模塊，其中所述檢測(cè)模 塊用于檢測(cè)與半導(dǎo)體處理設(shè)備中的晶片直流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的 表征參量，并將其測(cè)量值傳輸至控制模塊；所述控制模塊根據(jù)來自所 述檢測(cè)模塊的測(cè)量值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)傳輸至射頻電 源；所述射頻電源根據(jù)所述控制信號(hào)輸出給定功率的射頻信號(hào)，并將 所述射頻信號(hào)經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加到半導(dǎo)體處理設(shè)備的下電極，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)晶片直流自偏壓的控制。
優(yōu)選地，所述控制模塊包括節(jié)點(diǎn)微控制器和工藝模塊控制器。 其中，所述工藝模塊控制器用于向節(jié)點(diǎn)微控制器傳送晶片直流自偏壓 設(shè)定值，并接收來自所述節(jié)點(diǎn)微控制器的晶片直流自偏壓測(cè)量值，以 實(shí)時(shí)監(jiān)控晶片直流自偏壓控制過程以及整個(gè)半導(dǎo)體處理工藝過程；所 述節(jié)點(diǎn)微控制器用于根據(jù)來自所述檢測(cè)模塊的測(cè)量值以及來自所述 工藝模塊控制器的晶片直流自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將所述控 制信號(hào)傳輸至射頻電源，以控制所述射頻電源輸出給定功率的射頻信
號(hào)
優(yōu)選地，所述節(jié)點(diǎn)微控制器包括變換求值單元、控制算法單元 和通信單元。其中，所述變換求值單元中存儲(chǔ)有所述表征參量與晶片 直流自偏壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)所述變換求值單元接收到來自檢測(cè)模 塊的表征參量測(cè)量值后，通過查詢所述對(duì)應(yīng)關(guān)系或者通過函數(shù)反變 換，將所述表征參量測(cè)量值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的晶片直流自偏壓測(cè)量 值，并將其傳輸至所述控制算法單元和通信單元；所述通信單元用于 建立所述節(jié)點(diǎn)微控制器和工藝模塊控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn) 二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，即，從所述工藝模塊控制器獲得晶片直流自偏壓的設(shè)定值，以及實(shí)時(shí)地向所述工藝模塊控制器發(fā)送晶片直流自偏壓 的測(cè)量值；所述控制算法單元用于根據(jù)晶片直流自偏壓測(cè)量值和晶片 直流自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)傳輸至射頻電 源，以對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自 偏壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制。
優(yōu)選地，所述表征參量為射頻信號(hào)的電壓、電流、功率、阻抗 和相角這些參量其中之一；相應(yīng)地，所述檢測(cè)模塊包括與所述表征參 量相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)元件。
優(yōu)選地，所述裝置還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路。
其中，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將來自檢測(cè)模塊的表示表征參量測(cè)量
值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將其傳輸至所述節(jié)點(diǎn)微控制
器；所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路用于將來自節(jié)點(diǎn)微控制器的數(shù)字量控制信號(hào)
轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)，并將其傳輸至射頻電源。
本發(fā)明還提供了一種控制晶片偏壓的方法，其包括下述步驟1) 檢測(cè)與半導(dǎo)體處理設(shè)備中晶片直流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的表征參量；
2)根據(jù)步驟1)得到的測(cè)量值產(chǎn)生控制信號(hào)；3)射頻電源根據(jù)所述 控制信號(hào)輸出給定功率的射頻信號(hào)，并將其經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加到半導(dǎo) 體處理設(shè)備的下電極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的控制。
優(yōu)選地，在所述步驟1)之前還包括下述步驟A)測(cè)量對(duì)應(yīng)不
同的射頻信號(hào)電壓有效值時(shí)的晶片直流自偏壓；B)通過擬和方法得 出射頻信號(hào)電壓有效值與晶片直流自偏壓之間的函數(shù)關(guān)系；C)以斜 率、偏差或數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)所述函數(shù)關(guān)系。
優(yōu)選地，所述步驟2)具體包括下述步驟21)通過查詢所述對(duì)
應(yīng)關(guān)系或者通過函數(shù)反變換，將所述表征參量測(cè)量值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)
的晶片直流自偏壓測(cè)量值；22)根據(jù)晶片直流自偏壓測(cè)量值和晶片直 流自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，以對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè) 定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制。
優(yōu)選地，在所述步驟21)之后還包括這樣的步驟g卩，將所述
晶片直流自偏壓測(cè)量值傳輸至上位機(jī)，以便上位機(jī)監(jiān)控晶片直流自偏 壓控制過程以及整個(gè)半導(dǎo)體處理工藝過程。
優(yōu)選地，在所述步驟22)之前還包括從上位機(jī)接收晶片直流自 偏壓設(shè)定值的步驟。
優(yōu)選地，在所述步驟l)和步驟2)之間還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換步驟， 以將表示表征參量測(cè)量值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；在所述 步驟2)和步驟3)之間還包括數(shù)/模轉(zhuǎn)換步驟，以將數(shù)字量控制信號(hào) 轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)。
優(yōu)選地，所述表征參量為射頻信號(hào)的電壓、電流、功率、阻抗 和相角這些參量其中之一。
通過上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝 置和方法通過構(gòu)建閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)而能夠?qū)系闹绷髯云珘?進(jìn)行控制，并能夠獲得良好的刻蝕速率和沉積速率等工藝參數(shù)，從而 減小了在相同工藝條件下，晶片與晶片之間、腔室與腔室之間由晶片 直流自偏壓的不穩(wěn)定而造成的差異。
此外，在本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法的優(yōu)選實(shí)施
例中，由于采用了分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，即采用了例如節(jié)點(diǎn)微控
制器這樣的專門資源來處理半導(dǎo)體加工/處理工藝過程中與晶片直流
自偏壓的控制有關(guān)的專門任務(wù)，而作為上位機(jī)的工藝模塊控制器只負(fù)
責(zé)與節(jié)點(diǎn)微控制器交互相關(guān)的控制信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行情況，并 不參與具體的控制運(yùn)算工作，這將大大加快信號(hào)的響應(yīng)速度，提高信
息處理能力。同時(shí)，采用上述專門資源來處理上述專門任務(wù)也會(huì)避免 出現(xiàn)因系統(tǒng)中一個(gè)環(huán)節(jié)失效而造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問題，從而提高了 整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中控制晶片直流自偏壓的下電極結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明控制晶片偏壓的裝置的原理示意圖3為本發(fā)明控制晶片偏壓的裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意
圖4為本發(fā)明控制晶片偏壓的方法一個(gè)具體實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法的技術(shù)核心是，通過構(gòu) 建閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)(尤其是分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng))來對(duì)晶片上 的直流自偏壓進(jìn)行控制，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中開環(huán)控制策略的不足。
為使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合 附圖對(duì)本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明提供的控制等離子體刻蝕設(shè)備中晶片直流自 偏壓的裝置包括射頻電源110、匹配網(wǎng)絡(luò)120、下電極130、檢測(cè)模 塊140和控制模塊150。
其中，射頻電源IIO通過匹配網(wǎng)絡(luò)120向等離子體刻蝕設(shè)備的下 電極130輸出給定功率的射頻信號(hào)。
檢測(cè)模塊140用于檢測(cè)晶片上的直流自偏壓，并將該直流自偏壓 的測(cè)量值傳輸至控制模塊150。
在實(shí)際工藝過程中，直接在等離子體刻蝕設(shè)備的反應(yīng)腔室內(nèi)部對(duì) 晶片上的直流自偏壓進(jìn)行測(cè)量是非常困難的，并且探頭直接接觸晶片 也會(huì)給晶片帶來污染等負(fù)面影響。為此，可以選擇與晶片直流自偏壓 存在對(duì)應(yīng)關(guān)系且便于測(cè)量的參量來作為表征參量，通過測(cè)量該表征參 量而間接獲得直流自偏壓的值。由于晶片上的直流自偏壓主要是由加 載到下電極上的射頻信號(hào)產(chǎn)生的，因此與該射頻信號(hào)相關(guān)的參量，如 射頻信號(hào)的電壓、電流、功率、阻抗以及相角等參量均與晶片上的直 流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，并能夠反映晶片直流自偏壓的大小，因而均 可作為表征參量。確定表征參量后，檢測(cè)模塊140就可以通過檢測(cè)該 表征參量來間接地得到晶片直流自偏壓的大小。檢測(cè)模塊140將檢測(cè) 到的表征參量的測(cè)量值向控制模塊150傳輸。
控制模塊150根據(jù)來自檢測(cè)模塊140的測(cè)量值以及預(yù)置的設(shè)定值 而產(chǎn)生控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳輸至射頻電源110，以控制射頻電 源IIO經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)120向下電極130輸出給定功率的射頻信號(hào)。
具體而言，首先，由檢測(cè)模塊140檢測(cè)表示晶片直流自偏壓的表 征參量，并將其測(cè)量值迸行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸至控制模塊150;然后， 控制模塊150根據(jù)事先實(shí)驗(yàn)確定的該表征參量與晶片直流自偏壓之間
的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到晶片直流自偏壓的值，并將該值作為晶片直流 自偏壓的測(cè)量值?？刂颇K150將晶片直流自偏壓的測(cè)量值與預(yù)先存 儲(chǔ)的或通過I/O接口輸入的晶片直流自偏壓的設(shè)定值進(jìn)行比較，得到 二者之間的差值，而后根據(jù)預(yù)定的控制算法對(duì)所述差值進(jìn)行計(jì)算，得 到相應(yīng)的控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳輸至射頻電源110，用以對(duì)射頻 電源110的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的閉 環(huán)負(fù)反饋控制。
可以理解，確定表征參量后，可以利用實(shí)驗(yàn)在不同工藝條件下測(cè) 量對(duì)應(yīng)不同的表征參量時(shí)的晶片直流自偏壓，通過擬和等方法確定該 表征參量與晶片上直流自偏壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
下面結(jié)合圖3對(duì)本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置的一個(gè)具體實(shí)
施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在本實(shí)施例中，選擇能夠間接反映(表征)晶片 直流自偏壓大小的射頻信號(hào)電壓作為表征參量。
如圖3所示，本實(shí)施例中的控制晶片偏壓的裝置包括下電極、 匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻電源、電壓傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、節(jié)點(diǎn)微控制器、 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、工藝模塊控制器(在本實(shí)施例中，其為上位機(jī))等。 所述射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)與下電極相連。
其中，電壓傳感器用于檢測(cè)施加在下電極上的射頻信號(hào)的電壓， 并將其測(cè)量值傳輸至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。具體地，電壓傳感器接收從下電 極引出的射頻電壓交流信號(hào)，經(jīng)過分壓、整流和濾波等一系列處理后， 輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓有效值信號(hào)。由于該信號(hào)為模擬量，而節(jié)點(diǎn)微控 制器要求的輸入信號(hào)是數(shù)字量，故需要在該電壓傳感器和節(jié)點(diǎn)微控制 器之間設(shè)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，這樣，電壓傳感器輸出的電壓有效值信號(hào) 就需要先傳輸至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將來自電壓傳感器的表示電壓有效值的模擬信號(hào) 進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，即，將所述模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)微控制器能夠識(shí)別的 數(shù)字信號(hào)，并將其傳輸至節(jié)點(diǎn)微控制器。
節(jié)點(diǎn)微控制器根據(jù)來自模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的對(duì)應(yīng)于晶片直流自偏壓 的電壓測(cè)量值以及來自工藝模塊控制器的設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將 該控制信號(hào)傳輸至數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，從而對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行控
制，進(jìn)而控制晶片偏壓。
可以理解，由于節(jié)點(diǎn)微控制器輸出的控制信號(hào)為數(shù)字量，而被控 對(duì)象射頻電源要求的輸入信號(hào)為模擬量，故而需要在節(jié)點(diǎn)微控制器的 輸出端與射頻電源的輸入端之間設(shè)置數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路。
數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路將來自節(jié)點(diǎn)微控制器的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻 電源所要求的模擬信號(hào)，并將其作為射頻電源輸出功率的設(shè)定值傳輸 至射頻電源。
射頻電源根據(jù)該設(shè)定值輸出給定功率的射頻信號(hào)，并將其經(jīng)由匹 配網(wǎng)絡(luò)施加到下電極。
工藝模塊控制器用于實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)工藝過程，并向節(jié)點(diǎn)微控制器 發(fā)送晶片直流自偏壓的設(shè)定值，以及接收來自節(jié)點(diǎn)微控制器的晶片直 流自偏壓的測(cè)量值。
在本實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)微控制器具體包括下述單元變換求值單元、 控制算法單元以及通信單元。
其中，變換求值單元中保存有根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的下電極上的射頻信 號(hào)的電壓有效值與晶片直流自偏壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該變換求值單元 連接前述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和控制算法單元。當(dāng)變換求值單元接收到來自 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的表示電壓有效值的數(shù)字信號(hào)后，通過查詢前述對(duì)應(yīng)關(guān) 系或者通過函數(shù)反變換，將所述的表示電壓有效值的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為 實(shí)際工藝過程中晶片直流自偏壓的值，并將其作為晶片直流自偏壓的
通信單元連接控制算法單元和工藝模塊控制器，用于建立節(jié)點(diǎn)微 控制器和工藝模塊控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，以實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù) 據(jù)傳輸，S卩，從工藝模塊控制器得到晶片直流自偏壓的設(shè)定值，以及 將來自變換求值單元的晶片直流自偏壓的測(cè)量值實(shí)時(shí)地向工藝模塊控 制器發(fā)送，以便工藝模塊控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)工藝過程。
控制算法單元根據(jù)晶片直流自偏壓的測(cè)量值和晶片直流自偏壓的 設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳輸至射頻電源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 射頻電源輸出功率的自動(dòng)設(shè)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的閉環(huán)負(fù) 反饋控制。具體地，控制算法單元將來自變換求值單元的晶片直流自
偏壓的測(cè)量值與來自通信單元的晶片直流自偏壓的設(shè)定值進(jìn)行比較， 并對(duì)二者的差值進(jìn)行預(yù)定的算法計(jì)算，最終得到射頻電源輸出功率的 設(shè)定值，并將射頻電源輸出功率的該設(shè)定值輸出至射頻電源，以對(duì)射 頻電源的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。
需要指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中也可以選擇類似的表征參量，例如 可以選擇射頻信號(hào)的電流、功率以及阻抗和相角等。只是不同的表征 參量需要配備不同的檢測(cè)器件(傳感器)進(jìn)行測(cè)量，例如，本實(shí)施例 中選擇射頻信號(hào)的電壓參量為表征參量，因此相應(yīng)地選用了電壓傳感 器作為測(cè)量器件。
可以理解的是，本發(fā)明中所采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)既可以為前述實(shí) 施例中所述的分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，也可以為集中式閉環(huán)反饋控 制系統(tǒng)。若采用集中式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，則圖3所示節(jié)點(diǎn)微控制器 和工藝模塊控制器合二為一，例如將節(jié)點(diǎn)微控制器的功能也整合于工 藝模塊控制器中，換言之，將信號(hào)采集、處理、計(jì)算、控制等功能均 集成在工藝模塊控制器這一個(gè)控制器中。這樣，工藝模塊控制器就成 為一個(gè)多任務(wù)的控制器。然而，作為多任務(wù)的控制器，需要考慮整個(gè) 控制器系統(tǒng)資源調(diào)配的平衡性，因此，在實(shí)時(shí)可靠地響應(yīng)快速變化的 底層信號(hào)這方面，前述分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)優(yōu)于集中式閉環(huán)反饋 控制系統(tǒng)。此外，若采用集中式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，由于晶片直流自 偏壓的控制環(huán)節(jié)集成在工藝模塊控制器的上層系統(tǒng)中，這個(gè)控制環(huán)節(jié) 的工作情況會(huì)直接影響整個(gè)控制器的工作，因此，分布式閉環(huán)反饋控 制系統(tǒng)在可靠性方面也優(yōu)于集中式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。由此可見，盡 管本發(fā)明可以采用集中式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)或分布式閉環(huán)反饋控制系 統(tǒng)，但是優(yōu)選地采用分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。
本發(fā)明還提供一種控制晶片偏壓的方法。下面結(jié)合附圖4進(jìn)行詳 細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖4，本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的方法的一個(gè)具體實(shí)施
例包括準(zhǔn)備工作過程和工藝實(shí)驗(yàn)過程。在本實(shí)施例中，以射頻信號(hào)的 電壓作為表征參量。
下面先詳細(xì)說明準(zhǔn)備工作過程。所謂準(zhǔn)備工作指的是，通過實(shí)驗(yàn)
預(yù)先測(cè)量對(duì)應(yīng)不同的射頻信號(hào)電壓有效值時(shí)的晶片直流自偏壓，然后 通過擬和等方法得出二者之間的函數(shù)關(guān)系，并將該函數(shù)關(guān)系存儲(chǔ)于節(jié) 點(diǎn)微控制器內(nèi)。所述準(zhǔn)備工作具體包括下述步驟
步驟410，在等離子體刻蝕設(shè)備反應(yīng)腔室內(nèi)的靜電卡盤上放置實(shí) 驗(yàn)用晶片。
步驟420，射頻電源通過匹配網(wǎng)絡(luò)向下電極施加射頻信號(hào)。
步驟430，測(cè)量對(duì)應(yīng)不同的射頻信號(hào)電壓有效值時(shí)的晶片直流自偏壓。
步驟440，通過擬和等方法得出射頻信號(hào)電壓有效值與晶片直流 自偏壓之間的函數(shù)關(guān)系，并以斜率、偏差或數(shù)據(jù)表的形式將所述函數(shù) 關(guān)系存儲(chǔ)于節(jié)點(diǎn)微控制器內(nèi)。
通過上述步驟410至步驟440即完成了準(zhǔn)備工作過程。
下面再詳細(xì)說明本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的方法在實(shí)際刻蝕工 藝中的工作原理和工作過程。
首先，執(zhí)行步驟510， g卩，在工藝試驗(yàn)開始時(shí)，在靜電卡盤上放 置待刻蝕的晶片。
然后，執(zhí)行步驟520，由射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)向下電極施加射 頻信號(hào)。
再后，執(zhí)行步驟530，采用電壓傳感器對(duì)施加在下電極上的射頻 信號(hào)的電壓有效值進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值傳輸至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
再后，執(zhí)行步驟540，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路接收到來自電壓傳感器的電 壓有效值后，將該模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)微控制器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)， 并將其傳輸至節(jié)點(diǎn)微控制器。
再后，執(zhí)行步驟550，節(jié)點(diǎn)微控制器的變換求值單元接收到來自 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的表示電壓有效值的數(shù)字信號(hào)后，通過查表或函數(shù)反變 換獲得與該電壓有效值相對(duì)應(yīng)的晶片直流自偏壓測(cè)量值。
再后，執(zhí)行步驟560，節(jié)點(diǎn)微控制器的通信單元接收來自工藝模 塊控制器的晶片直流自偏壓設(shè)定值信號(hào)，并將其傳輸至節(jié)點(diǎn)微控制器 的控制算法單元。
再后，執(zhí)行步驟570，節(jié)點(diǎn)微控制器的控制算法單元將上述晶片直流自偏壓測(cè)量值與晶片直流自偏壓設(shè)定值進(jìn)行比較，對(duì)二者的差值 進(jìn)行算法計(jì)算，得到數(shù)字量控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳輸至數(shù)/模轉(zhuǎn) 換電路。
再后，執(zhí)行步驟580，數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路接收到上述數(shù)字量控制信號(hào)
后，將其轉(zhuǎn)換為射頻電源可以識(shí)別的模擬量控制信號(hào)，并將其作為射 頻電源輸出功率的設(shè)定值輸入到射頻電源。
最后，執(zhí)行步驟590，射頻電源根據(jù)該輸出功率設(shè)定值輸出給定 功率的射頻信號(hào)，并將該射頻信號(hào)經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)傳輸至等離子體刻蝕 設(shè)備的下電極。
重復(fù)執(zhí)行上述步驟530至步驟590，即實(shí)現(xiàn)了采用閉環(huán)反饋控制 系統(tǒng)實(shí)時(shí)穩(wěn)定地控制晶片上的偏壓。
與前述控制晶片直流自偏壓的裝置類似，本發(fā)明提供的控制晶片 偏壓的方法同樣可以采用分布式閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)或集中式閉環(huán)反饋 控制系統(tǒng)，在此不再贅述。
至于在本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法中所采用的節(jié)點(diǎn) 微控制器和工藝模塊控制器，它們可以是任何能夠完成前述功能的微 控制器，例如可以是單片機(jī)、DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)、A脂(Advanced RISC Machines)等微控制器，但并不僅局限于此。
通過上述描述可以看出，本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方 法通過構(gòu)建閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)(優(yōu)選地采用分布式閉環(huán)反饋控制系 統(tǒng))，能夠穩(wěn)定地控制晶片上的偏壓，獲得良好的刻蝕速率和沉積速 率等工藝參數(shù)，從而減小了在相同工藝條件下，晶片與晶片之間、腔 室與腔室之間由晶片直流自偏壓的不穩(wěn)定而造成的差異。
特別是，當(dāng)本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法采用分布式 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)時(shí)，由于采用了例如節(jié)點(diǎn)微控制器這樣的專門資源 來處理刻蝕工藝過程中與晶片直流自偏壓的控制有關(guān)的專門任務(wù)，艮口， 將晶片直流自偏壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中的信號(hào)采集處理、計(jì)算、控制等功 能從工藝模塊控制器中分離出來，放在一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)微控制器(該 節(jié)點(diǎn)微控制器相當(dāng)于上層工藝模塊控制器的一個(gè)底層節(jié)點(diǎn)，所有與晶 片直流自偏壓閉環(huán)控制相關(guān)的功能都在這個(gè)底層的節(jié)點(diǎn)中完成)中實(shí)
現(xiàn)，而作為上位機(jī)的工藝模塊控制器只負(fù)責(zé)與節(jié)點(diǎn)微控制器交互相關(guān) 的控制信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行情況，并不參與具體的控制運(yùn)算工作， 因此，這將大大加快信號(hào)的響應(yīng)速度，提高信息處理能力。同時(shí)，采 用上述專門資源來處理上述專門任務(wù)也會(huì)避免出現(xiàn)因系統(tǒng)中一個(gè)環(huán)節(jié) 失效而造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問題，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
需要指出的是，本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法不僅僅
應(yīng)用于前述實(shí)施例所述的等離子體刻蝕設(shè)備，也可以應(yīng)用于其他適合 的半導(dǎo)體加工設(shè)備。
可以理解的是，以上實(shí)施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采 用的示例性實(shí)施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普 通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下，可以做出 各種變型和改進(jìn)，這些變型和改進(jìn)也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種控制晶片偏壓的裝置，包括下電極、匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻電源，所述射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)與半導(dǎo)體處理設(shè)備的下電極相連，其特征在于還包括檢測(cè)模塊和控制模塊，其中所述檢測(cè)模塊用于檢測(cè)與半導(dǎo)體處理設(shè)備中的晶片直流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的表征參量，并將其測(cè)量值傳輸至控制模塊；所述控制模塊根據(jù)來自所述檢測(cè)模塊的測(cè)量值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)傳輸至射頻電源；所述射頻電源根據(jù)所述控制信號(hào)輸出給定功率的射頻信號(hào)，并將所述射頻信號(hào)經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加到半導(dǎo)體處理設(shè)備的下電極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制晶片偏壓的裝置，其特征在于，所 述控制模塊包括節(jié)點(diǎn)微控制器和工藝模塊控制器，其中所述工藝模塊控制器用于向節(jié)點(diǎn)微控制器傳送晶片直流自偏壓 設(shè)定值，并接收來自所述節(jié)點(diǎn)微控制器的晶片直流自偏壓測(cè)量值，以 實(shí)時(shí)監(jiān)控晶片直流自偏壓控制過程以及整個(gè)半導(dǎo)體處理工藝過程；所述節(jié)點(diǎn)微控制器用于根據(jù)來自所述檢測(cè)模塊的測(cè)量值以及來 自所述工藝模塊控制器的晶片直流自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將 所述控制信號(hào)傳輸至射頻電源，以控制所述射頻電源輸出給定功率的 射頻信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求2所述的控制晶片偏壓的裝置，其特征在于，所 述節(jié)點(diǎn)微控制器包括變換求值單元、控制算法單元和通信單元，其中所述變換求值單元中存儲(chǔ)有所述表征參量與晶片直流自偏壓之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)所述變換求值單元接收到來自檢測(cè)模塊的表征參量 測(cè)量值后，通過查詢所述對(duì)應(yīng)關(guān)系或者通過函數(shù)反變換，將所述表征 參量測(cè)量值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的晶片直流自偏壓測(cè)量值，并將其傳輸至 所述控制算法單元和通信單元； 所述通信單元用于建立所述節(jié)點(diǎn)微控制器和工藝模塊控制器之 間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，即，從所述工藝模塊 控制器獲得晶片直流自偏壓設(shè)定值，以及實(shí)時(shí)地向所述工藝模塊控制 器發(fā)送晶片直流自偏壓測(cè)量值；所述控制算法單元用于根據(jù)晶片直流自偏壓測(cè)量值和晶片直流 自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)傳輸至射頻電源，以 對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的 閉環(huán)負(fù)反饋控制。
4. 如權(quán)利要求1所述的控制晶片偏壓的裝置，其特征在于，所述表征參量為射頻信號(hào)的電壓、電流、功率、阻抗和相角這些參量其中之一；相應(yīng)地，所述檢測(cè)模塊包括與所述表征參量相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)元 件。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的控制晶片偏壓的裝置，其特征在于還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，其中所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將來自檢測(cè)模塊的表示表征參量測(cè)量 值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將其傳輸至所述節(jié)點(diǎn)微控制 器；所述數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路用于將來自節(jié)點(diǎn)微控制器的數(shù)字量控制信 號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)，并將其傳輸至射頻電源。
6. —種控制晶片偏壓的方法，其特征在于，包括下述步驟1) 檢測(cè)與半導(dǎo)體處理設(shè)備中晶片直流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的表 征參量；2) 根據(jù)步驟l)得到的測(cè)量值產(chǎn)生控制信號(hào)；3) 射頻電源根據(jù)所述控制信號(hào)輸出給定功率的射頻信號(hào)，并將 其經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)施加到半導(dǎo)體處理設(shè)備的下電極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流 自偏壓的控制。
7. 如權(quán)利要求6所述的控制晶片偏壓的方法，其特征在于，在 所述步驟l)之前還包括下述步驟-A) 測(cè)量對(duì)應(yīng)不同的射頻信號(hào)電壓有效值時(shí)的晶片直流自偏壓；B) 通過擬和方法得出射頻信號(hào)電壓有效值與晶片直流自偏壓之 間的函數(shù)關(guān)系；C) 以斜率、偏差或數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)所述函數(shù)關(guān)系。
8. 如權(quán)利要求6所述的控制晶片偏壓的方法，其特征在于，所述步驟2)具體包括下述步驟21) 通過查詢所述對(duì)應(yīng)關(guān)系或者通過函數(shù)反變換，將所述表征 參量測(cè)量值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的晶片直流自偏壓測(cè)量值；22) 根據(jù)晶片直流自偏壓測(cè)量值和晶片直流自偏壓設(shè)定值產(chǎn)生 控制信號(hào)，以對(duì)射頻電源的輸出功率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片 直流自偏壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制。
9. 如權(quán)利要求8所述的控制晶片偏壓的方法，其特征在于，在 所述步驟21)之后還包括這樣的步驟即，將所述晶片直流自偏壓 測(cè)量值傳輸至上位機(jī)，以便上位機(jī)監(jiān)控晶片直流自偏壓控制過程以及 整個(gè)半導(dǎo)體處理工藝過程。
10. 如權(quán)利要求8所述的控制晶片偏壓的方法，其特征在于， 在所述步驟22)之前還包括從上位機(jī)接收晶片直流自偏壓設(shè)定值的 步驟。
11. 如權(quán)利要求6所述的控制晶片偏壓的方法，其特征在于 在所述步驟1)和步驟2)之間還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換步驟，以將表示表征參量測(cè)量值的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；在所述步驟2)和步驟3)之間還包括數(shù)/模轉(zhuǎn)換步驟，以將數(shù) 字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量控制信號(hào)。
12.如權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的控制晶片偏壓的方法，
全文摘要
本發(fā)明提供了一種控制晶片偏壓的裝置，其包括下電極、匹配網(wǎng)絡(luò)、射頻電源、檢測(cè)模塊和控制模塊。其中，射頻電源經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)與等離子體刻蝕設(shè)備的下電極相連；檢測(cè)模塊用于檢測(cè)與等離子體刻蝕設(shè)備中的晶片直流自偏壓存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的表征參量，并將其測(cè)量值傳輸至控制模塊；控制模塊根據(jù)該測(cè)量值產(chǎn)生控制信號(hào)，并將其傳輸至射頻電源；射頻電源根據(jù)控制信號(hào)經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)向等離子體刻蝕設(shè)備的下電極輸出給定功率的射頻信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片直流自偏壓的控制。本發(fā)明還提供了一種控制晶片偏壓的方法。本發(fā)明提供的控制晶片偏壓的裝置和方法能夠?qū)崟r(shí)可靠地測(cè)定并控制晶片上的偏壓，并能夠獲得預(yù)期的且穩(wěn)定的工藝結(jié)果。
文檔編號(hào)H01L21/67GK101383267SQ20071012139
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者祎 趙 申請(qǐng)人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司