專利名稱：用于檢測等離子體處理系統(tǒng)中等離子體約束狀態(tài)的方法及裝置的制作方法
用于檢測等離子體處理系統(tǒng)中等離子體約束狀態(tài)的方法及裝置
背景技術：
在制造半導體產品時，通過對各層進行連續(xù)沉積、蝕刻和拋光來處理襯底(例如， 半導體晶片)，從而制成半導體器件。在半導體行業(yè)內，常規(guī)手段是利用RF (射頻)驅動等離子體的益處來從襯底干燥蝕刻材料。在等離子體蝕刻處理期間，最重要的是控制等離子體的穩(wěn)定性和均勻性從而提高處理中的襯底的處理效率和產量。這能夠通過各種方法來實現(xiàn)，其中一種方法是通過利用等離子體腔室內的機電元件將等離子體約束到相關的處理區(qū)域來控制等離子體形成。這些布置在本領域是公知的，在此處不再進一步詳細闡述。盡管等離子體約束是很好理解的手段，還是需要檢測受約束等離子體在處理腔室內變?yōu)闊o約束狀態(tài)的時間。無約束等離子體會導致顆粒污染和等離子體非均勻性，導致處理中的襯底產量的降級和/或等離子體處理系統(tǒng)的損壞。當前用于檢測等離子體約束變化的方法采用碳化硅插腳，碳化硅插腳與靜電卡盤(ESC)的外圈聯(lián)接且與等離子體直接接觸。 于1998年4月7日公布的美國專利第5，737，177號公開了一種這樣的方法。盡管這種器械提供了一種通過提供等離子體鞘層電位的DC測量來檢測等離子體約束變化的相對可靠的方式，但是其為消耗型部件，必須頻繁地更換，會在較高RF功率時引起等離子體的非均勻性，并且會導致顆粒污染問題。用于檢測等離子體約束變化的另一方法是通過利用OES 技術(光發(fā)射光譜學)的技術。然而，已經發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測OES信號是一種非常復雜且通常不可靠的檢測等離子體無約束事件的方法。因此，期望提供用于檢測等離子體處理系統(tǒng)中的無約束等離子體事件的可選的方法和裝置。


在附圖的各幅圖中通過舉例的方式而不是通過限制的方式圖示了本發(fā)明，其中相同的附圖標記指代相似的元件，并且其中圖I為依照本發(fā)明的實施方案用于制造約束多頻電容RF等離子體的實施例系統(tǒng)配置。圖2圖示出依照本發(fā)明的實施方案的圖I中的RF部件的簡化電路。圖3圖示出依照本發(fā)明的實施方案的ESC極電壓和等離子體約束狀態(tài)之間的相關性。圖4為依照本發(fā)明的實施方案實現(xiàn)等離子體無約束檢測技術的實施例算法的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照如附圖中所示的本發(fā)明的幾個實施方案對本發(fā)明進行詳細說明。在下面的說明中，為了提供對本發(fā)明的全面理解，闡述了多個具體的細節(jié)。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，可以在不具有這些具體細節(jié)中的一些或全部的情況下來實施本
4發(fā)明。在其它實例中，為了避免不必要地混淆本發(fā)明，未對公知的處理步驟和/或結構進行詳細說明。在一個或多個實施方案中，公開了用于檢測在電容耦合的RF驅動等離子體處理腔室內的等離子體約束狀態(tài)變化的方法和裝置。在一個或多個實施方案中，等離子體無約束檢測方法采用模擬和/或數(shù)字電路，模擬和/或數(shù)字電路能夠以靜電卡盤(ESC)以及負責將晶片卡接到ESC的偏置電源(PSU)的開環(huán)響應的形式主動地輪詢功率饋送電極處的RF 電壓。本發(fā)明的實施方案有利于檢測傳送至ESC的RF電壓的變化以及PSU的開環(huán)響應的變化。通過同時監(jiān)測這些電信號，所公開的技術能夠檢測等離子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)的時間。在本發(fā)明的一個或多個實施方案中，檢查變化率(導數(shù))以及任選地傳送至ESC的 RF電壓(RF_VDT_ESC)以及DC偏置ESC電源的開環(huán)響應(0LR_DC_BIAS)的變化的量值。在 RF_VDT_ESC的變化率為正值而0LR_DC_BIAS的變化率為負值的情況下，異常狀況警告被觸發(fā)。在一個或多個實施方案中，如果變化的量值在之前根據(jù)經驗確定為表示等離子體無約束事件的特定閾值以上，則認為已經發(fā)生等離子體無約束狀況并且產生無約束警報信號。更詳細地，已經發(fā)現(xiàn)，當?shù)入x子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)時，利用RF電壓參數(shù)計算出的ESC偏置值與實際的等離子體鞘層電壓成反比。在進一步考察系統(tǒng)時，已經發(fā)現(xiàn)，當?shù)入x子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)時，負責驅動ESC極的基準電壓的ESC電源單元 (PSU) DC/DC程序塊的開環(huán)響應振蕩，這是等離子體鞘層電壓升高的反映。圖I為用于產生約束多頻電容RF等離子體的實施例系統(tǒng)配置，其中功率饋送電極為雙極ESC。等離子體還受一組圓形石英圈的約束，控制氣體的流動且因此控制等離子體所存在的空間。等離子體處理系統(tǒng)100為多頻電容耦合等離子體處理系統(tǒng)，其中三個RF電源102、 104和106經由匹配網(wǎng)絡110將RF電壓傳送至ESC卡盤108。在圖I的實施例中，采用3 種RF頻率(2MHz、27MHz和60MHz)，但是可以采用任意數(shù)量和范圍的頻率。ESC 108為雙極ESC，其中有兩個極正極120和負極122。ESCPSU 126分別經由導體128和130將箝位電壓供給極120和122。中間抽頭140驅動ESC 108的DC電位以偏置ESC 108的DC電位。電容器分壓器網(wǎng)絡150 (包括電容器152和154)以及RF電壓探針156用于取得ESC偏壓設定點信號，ESC偏壓設定點信號作為反饋信號輸入ESC PSU 126以控制提供給ESC 108的ESC偏壓。在John Valcore, Jr.于2010年2月10日提交的題為“BIAS COMPENSATION APPARATUS AND METHODS THEREFOR” 的美國專利申請?zhí)枮?61/303，628 的共有臨時專利申請中以及John Valcore, Jr.于2009年11月19日提交的題為“METHOD AND DEVICE FOR COMPENSATING WAFER BIAS IN A RF DRIVEN PLASMA CHAMBER” 的美國專利申請?zhí)枮?1/262，886的共有臨時專利申請中公開了關于RF電壓探針156的進一步細節(jié)，上述兩個申請的內容通過弓I用并入本文。如本文稍后將討論的，當?shù)入x子體無約束事件發(fā)生時，該反饋環(huán)中的固有延遲導致存在瞬態(tài)響應，在中間抽頭140處能夠檢測到所述瞬態(tài)響應。該瞬態(tài)的、主要為開環(huán)的響應是短暫的并且在能夠補償來自RF電壓探針156的反饋信號之前發(fā)生。通過監(jiān)測ESC PSU 125 (0LR_DC_BIAS)的該瞬態(tài)開環(huán)響應的變化率以及任選地變化量值，可以檢測到表示等離子體無約束事件的兩個計量信號中的一個。表示等離子體無約束事件的兩個計量信號中的另一個計量信號是如之前討論的傳送至ESC卡盤108的RF電壓的變化率以及任選地量值。為了圖I中討論的完整性，晶片通常布置在功率饋送電極168上，而功率饋送電極 168依次布置在ESC卡盤108的上方。在處理期間，主體等離子體170形成在晶片上方并且受成組的約束環(huán)172以及上部接地電極174約束。已經發(fā)現(xiàn)，當?shù)入x子體從約束狀態(tài)過渡至無約束狀態(tài)時，傳送至ESC卡盤的RF電壓的變化率以及量值增加。圖2圖示出圖I中的RF部件的簡化電路。圖I中的阻抗匹配網(wǎng)絡110和獨立的RF源(102、104和106)合并到圖2中的單一 RF源202中。圖I中的功率饋送電極168、接地電極174和等離子體約束環(huán)172由簡單的可變電容器210表示，板210a 表示功率饋送電極168，而板210b表示接地電極174。假定腔室的電容為電極的表面積的直接函數(shù)，并且約束環(huán)控制在腔室中使用的有效表面積，通過忽略電感電路部件和電阻電路部件，能夠將對于圖I中電容腔室的等效電路的一階近似還原為圖2。該簡化電路能夠用于闡釋等離子體阻抗、傳送至ESC卡盤的RF 電壓的量值和等離子體約束狀態(tài)之間的相關性。假定RF功率為電壓的函數(shù)并且等離子體阻抗為電壓以及腔室的電容的函數(shù)，如果RF功率保持恒定并且腔室的電容隨著等離子體從約束狀態(tài)移動至無約束狀態(tài)而增加從而增加接地面積，那么傳送至ESC卡盤的RF電壓必定降低。對于恒定RF功率而言RF電壓與接地面積的這種相關性提供了檢測等離子體約束的狀態(tài)變化的基本要素。為了更詳細說明，電容由下式限定C=K*E*A/D 等式 I其中，C為電容；K為電極的介電常數(shù)；E為自由空間的電容率；A為電極的面積；D 為電極之間的距離。在約束狀態(tài)下，約束環(huán)通過約束等離子體來控制電容，從而限制電流在電極之間流動的表面積。無約束等離子體使得面積A增加。當A增加時，在每個等式I中，電容C也增加。對于理想的電容器而言，阻抗由下式限定Z=SQRT(R~2+(I/(2*Pi*f*C)~2) 等式 2其中R=O ；Pi為數(shù)學常數(shù)；f為RF源的頻率；C為電容。如果f為常數(shù)，則從等式2 中可看出Z與C成反比。功率傳送由下面的等式3支配。P=I*V*cos ( 0 ) 等式 3其中P為功率；1為電流；V為電壓；0為V和I之間的相位。所傳送的RF功率為阻抗的函數(shù)。Z=V/I 等式 4其中，Z為阻抗，V為電壓，I為電流。當R=O時，Z可被簡化為l/(2*Pi*f*C)(見上述等式2)假定Z近似為I/ (2*Pi*f*C)，隨后從等式4中得出l/(2*Pi*f*C)=V/I 等式 5由于C=K*E*A/D (見等式1)，當A由于無約束等離子體事件而增大時，C增大且Z減小。此外，由于P=I*V*COS(0)(見等式3)，如果P為常數(shù)且0為常數(shù)，如果C增大， 則V減小且I增大。因此，從圖2以及結合圖2的討論中可以看出，從約束等離子體狀態(tài)過渡到無約束等離子體狀態(tài)伴隨著傳送至ESC的RF電壓的升高(正導數(shù))。檢測到傳送至ESC的RF電壓的這種升高代表了所提出的無約束等離子體檢測方案中的一種狀況?？梢愿鶕?jù)期望建立量值閾值或量值變化閾值以減小虛假正值。除了供給ESC的RF電壓與等離子體約束的相關性之外，已經發(fā)現(xiàn)在ESC極電壓和等離子體約束之間存在另外的基本相關性。圖3圖示出ESC極電壓和等離子體約束狀態(tài)之間的相關性。在圖3中的該簡化DC等效電路中，存在包括板302a (代表ESC箝位電極)和板302b (代表晶片)的平行板電容器302。平行板電容器302形成在ESC極和等離子體鞘層之間，其中陶瓷和晶片形成了兩個板之間的電介質。ESC極由DC電源310驅動，并且鞘層電壓為充當DC源的等離子體的函數(shù)。假定功率饋送電極電壓與接地電極電壓的比率等于接地電極面積與功率饋送電極面積的比率(同樣適用于DC和RF的比率)，隨著接地電極的面積由于無約束等離子體事件的發(fā)生而增大以及功率饋送電極面積保持恒定，鞘層電壓升高。在圖3中，ESC極處的DC電壓為由ESC PSU 310供給的電壓以及相對極上的電荷和由兩個極形成的電容的函數(shù)。隨著鞘層電壓在等離子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)時而升高以及電容在極之間保持恒定，ESC極將由鞘層電壓充電。在等離子體變?yōu)闊o約束時ESC PSU 310的脈沖響應中可以看到該充電效應。特別地，中間抽頭DC電壓源將作為由ESC極電壓的充電引起的負荷變化的函數(shù)而振蕩。為了在晶片上提供持續(xù)箝位力而不論等離子體鞘層電位如何的目的，中間抽頭DC電壓源用于保持ESC箝位電壓源的基準電壓。ESC PSU 310 (存在于中間抽頭處)的瞬態(tài)開環(huán)響應提供了用于檢測等離子體約束狀態(tài)(以及相應地等離子體無約束狀態(tài))的第二計量信號。利用響應于等離子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)而使得傳送至ESC的RF電壓的變化以及ESC PSU開環(huán)響應的變化，來提供用于檢測等離子體約束狀態(tài)變化所需的參數(shù)。圖4是在微處理器內和/或經由代碼實現(xiàn)的實施例算法的流程圖，輸入?yún)?shù)為在 ESC PSU中間抽頭(402)和RF電壓探針參數(shù)(404)處測量到的DC電壓。RF電壓探針參數(shù) 404可以為表不ESC處的RF電壓的奇異信號或復合信號。為了簡化的原因，RF電壓參數(shù)被標示為寬帶RF (BB RF)信號，并且下文中將被稱為BB RF。BB RF信號和ESC PSU中間抽頭電壓是通過獨立的低通濾波器(分別為408和406) 饋送的。圖4是指稱為簡單移動平均的一階低通濾波器。然而，應當理解的是，還可以采用任何其它適當?shù)臑V波器，無論是模擬濾波器還是數(shù)字濾波器。然后，將每個相應濾波器的輸出與每個相應信號(410和412)的當前采樣進行比較。在塊414和416中示出了比較。如果存在ESC PSU中間抽頭電壓(414)的充分正量值變化(dv/dt>>0)，則事件標記被設定，在圖4的塊420中標示為‘PSU_Event=r。以類似的方式，如果BB RF信號具有充分負量值(dv/dt〈〈0)(塊416)，則事件標記被設定，標示為‘RF_Event=r (塊422)。如果任一事件標記未能被設定為等同的數(shù)字“導通”狀態(tài)，則檢測環(huán)將繼續(xù)輪詢并且比較每個相應的信號(塊424和426)的下一個可用采樣。如果兩個事件標記均被觸發(fā)(塊430)，則計算5函數(shù)。該5函數(shù)計算相對于ESC PSU中間抽頭導數(shù)的量值的RF BB導數(shù)的量值。如果導數(shù)具有相對于彼此的充分量值(塊 432),則‘Unconfined_Plasma=l’事件標記(434)被發(fā)送到工具主機(436),負責控制等離子體腔室，從而能夠采取校正措施，諸如改變RF傳送功率，改變壓力或流向腔室的氣體，或者調節(jié)約束環(huán)的位置，等等?？蛇x地，可以監(jiān)測通往ESC基板的中間抽頭電流，而并非中間抽頭電壓，或者也監(jiān)測中間抽頭電壓。在無約束事件期間對圖2所示的電容器進行充電所需的突發(fā)電流也是可能不受控制的處理狀況事件的另一適當指示。在一個或多個實施方案中，可以利用模擬低通濾波器和比較器在模擬域內實現(xiàn)等離子體無約束檢測方案，和/或利用DSP、FPGA/CPLD或微處理器在數(shù)字域內實現(xiàn)等離子體無約束檢測方案。在一個或多個實施方案中，RF電壓探針可位于沿著阻抗匹配網(wǎng)絡和功率饋送電極之間的傳輸線的任何位置，如圖I所示。在一個或多個實施方案中，能夠在ESC 和ESC PSU內部電路之間的任意位置處來測量ESC PSU中間抽頭電壓。在一個或多個實施方案中，采用位于ESC基座內的高阻抗分壓器，如圖I所示，并且ESC PSU中間抽頭電壓位于ESC PSU的直接輸出。在一個或多個實施方案中，這兩個信號隨后可饋送至帶有等效的 40MHz 時鐘的 PIC 18F4523 8 位(8_bit)微處理器(可由 Microchip Technology, Inc. of Chandler, AZ 提供)。在一個或多個實施方案中，暫態(tài)響應的時標和方向可以為驅動RF頻率以及與每個RF頻率相關聯(lián)的功率量的函數(shù)。在一個或多個實施方案中，帶有更大功率的RF信號趨于占優(yōu)，并且這些頻率處的響應可更加顯著，這使得檢測更加可靠。在一個或多個實施方案中,這些是可并入檢測中的常規(guī)觀察。從前述內容可以理解的是，本發(fā)明的實施方案使能檢測異常等離子體狀況(其中等離子體無約束是一個實施例)，而無需使用干涉性的現(xiàn)場監(jiān)測器械。在這樣做時，消除了關于與這種現(xiàn)場監(jiān)測器械相關聯(lián)的等離子體誘發(fā)的磨損、污染和更換/清潔的問題。通過監(jiān)測傳送至ESC的RF電壓的變化以及ESC PSU的開環(huán)響應的變化以及任選地采用閾值法來減少虛假正值，本發(fā)明的實施方案提供了用于檢測異常等離子體狀況的穩(wěn)健技術，從而使工具主機能夠提供及時的校正措施或者關斷工具以避免進一步損壞。已經公開了示例性的實施方案和最佳的實施方式，所公開的實施方案可以進行改進和變型，而仍在如由隨后的權利要求書限定的本發(fā)明的主題和主旨之內。
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權利要求
1.一種用于檢測等離子體處理腔室中的等離子體無約束的方法，所述等離子體處理腔室具有靜電(ESC)卡盤，所述方法包括將RF電壓提供給所述ESC卡盤；設置ESC電源單元，所述ESC電源單元被配置為將DC偏壓提供給所述ESC卡盤，所述 ESC電源單元連接有中間抽頭以接收所述RF電壓；同時監(jiān)測所述RF電壓和所述中間抽頭的變化，所述變化指示等離子體無約束狀況；以及如果通過所述監(jiān)測檢測到所述等離子體無約束狀況，則提供指示所述等離子體無約束狀況存在的信號。
2.如權利要求I中所述的方法,其中，所述RF電壓為包括至少兩個RF頻率的寬帶RF 電壓。
3.如權利要求中所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括檢測所述RF電壓的變化。
4.如權利要求中所述的方法，其中，所述監(jiān)測進一步包括判定所述變化的量值是否超過預定閾值。
5.如權利要求所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括檢測所述RF電壓的正變化。
6.如權利要求所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括檢測所述中間抽頭上的開環(huán)DC響應的變化。
7.如權利要求過預定閾值。
8.如權利要求的正變化。
9.如權利要求I所述的方法，其中，所述開環(huán)DC響應代表開環(huán)DC電壓。
10.如權利要求I所述的方法，其中，所述開環(huán)DC響應代表開環(huán)DC電流。
11.如權利要求I所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括檢測所述RF電壓的變化以及檢測所述中間抽頭上的開環(huán)DC響應的變化。
12.如權利要求I所述的方法，其中，所述信號用作響應于檢測到所述等離子體無約束狀況而自動啟動校正措施的反饋信號。
13.一種用于檢測等離子體處理腔室中的等離子體無約束的裝置，所述等離子體處理腔室具有靜電(ESC)卡盤，所述ESC卡盤被配置為接收RF電壓，所述裝置包括ESC電源單元，其被配置為將DC偏壓提供給所述ESC卡盤，所述ESC電源單元連接有中間抽頭以接收所述RF電壓；以及用于分析所述RF電壓和所述中間抽頭上的開環(huán)DC響應的變化的器件，所述變化指示等離子體無約束狀況。
14.如權利要求13所述的裝置，其中，所述RF電壓為包括至少兩種RF頻率的寬帶RF 電壓。
15.如權利要求13所述的裝置，其中，所述用于分析的器件被配置為至少檢測所述RF 電壓的正變化。
16.如權利要求13所述的裝置，其中，所述用于分析的器件還被配置為判定所述RF電壓的變化的量值是否超過預定閾值。6所述的方法，其中，所述監(jiān)測進一步包括判定所述變化的量值是否超 I所述的方法，其中，所述監(jiān)測包括檢測所述中間抽頭上的開環(huán)DC響應
17.如權利要求13所述的裝置，其中，所述用于分析的器件被配置為至少檢測所述中間抽頭上的開環(huán)DC響應的正變化。
18.如權利要求13所述的裝置，其中，所述用于分析的器件還被配置為判定所述開環(huán) DC響應的變化的量值是否超過預定閾值。
19.如權利要求13所述的裝置，其中，所述開環(huán)DC響應代表開環(huán)DC電壓。
20.如權利要求13所述的裝置，其中，所述開環(huán)DC響應代表開環(huán)DC電流。
全文摘要
公開了用于檢測在電容耦合RF驅動的等離子體處理腔室內的等離子體約束狀態(tài)的變化的方法和系統(tǒng)。在一個或多個實施方案中，等離子體無約束檢測方法采用了模擬電路或數(shù)字電路，模擬電路或數(shù)字電路能夠主動輪詢具有靜電卡盤(ESC)形式的功率饋送電極處的RF電壓以及負責將晶片卡接到ESC的電源(PSU)的開環(huán)響應。電路提供了檢測傳送至ESC的RF電壓的變化以及PSU的開環(huán)響應的變化的器件。通過同時監(jiān)測這些電信號，所公開的算法能夠檢測等離子體從約束狀態(tài)變?yōu)闊o約束狀態(tài)的時間。
文檔編號H01L21/687GK102612738SQ201080051817
公開日2012年7月25日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權日2009年11月19日
發(fā)明者約翰·C·小瓦爾科, 詹姆斯·羅格斯 申請人:朗姆研究公司