专利名称：用于检测等离子体处理系统中等离子体约束状态的方法及装置的制作方法
用于检测等离子体处理系统中等离子体约束状态的方法及装置
背景技术：
在制造半导体产品时，通过对各层进行连续沉积、蚀刻和抛光来处理衬底(例如， 半导体晶片)，从而制成半导体器件。在半导体行业内，常规手段是利用RF (射频)驱动等离子体的益处来从衬底干燥蚀刻材料。在等离子体蚀刻处理期间，最重要的是控制等离子体的稳定性和均匀性从而提高处理中的衬底的处理效率和产量。这能够通过各种方法来实现，其中一种方法是通过利用等离子体腔室内的机电元件将等离子体约束到相关的处理区域来控制等离子体形成。这些布置在本领域是公知的，在此处不再进一步详细阐述。尽管等离子体约束是很好理解的手段，还是需要检测受约束等离子体在处理腔室内变为无约束状态的时间。无约束等离子体会导致颗粒污染和等离子体非均匀性，导致处理中的衬底产量的降级和/或等离子体处理系统的损坏。当前用于检测等离子体约束变化的方法采用碳化硅插脚，碳化硅插脚与静电卡盘(ESC)的外圈联接且与等离子体直接接触。 于1998年4月7日公布的美国专利第5，737，177号公开了一种这样的方法。尽管这种器械提供了一种通过提供等离子体鞘层电位的DC测量来检测等离子体约束变化的相对可靠的方式，但是其为消耗型部件，必须频繁地更换，会在较高RF功率时引起等离子体的非均匀性，并且会导致颗粒污染问题。用于检测等离子体约束变化的另一方法是通过利用OES 技术(光发射光谱学)的技术。然而，已经发现，监测OES信号是一种非常复杂且通常不可靠的检测等离子体无约束事件的方法。因此，期望提供用于检测等离子体处理系统中的无约束等离子体事件的可选的方法和装置。
在附图的各幅图中通过举例的方式而不是通过限制的方式图示了本发明，其中相同的附图标记指代相似的元件，并且其中图I为依照本发明的实施方案用于制造约束多频电容RF等离子体的实施例系统配置。图2图示出依照本发明的实施方案的图I中的RF部件的简化电路。图3图示出依照本发明的实施方案的ESC极电压和等离子体约束状态之间的相关性。图4为依照本发明的实施方案实现等离子体无约束检测技术的实施例算法的流程图。
具体实施例方式现在将参照如附图中所示的本发明的几个实施方案对本发明进行详细说明。在下面的说明中，为了提供对本发明的全面理解，阐述了多个具体的细节。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下来实施本
4发明。在其它实例中，为了避免不必要地混淆本发明，未对公知的处理步骤和/或结构进行详细说明。在一个或多个实施方案中，公开了用于检测在电容耦合的RF驱动等离子体处理腔室内的等离子体约束状态变化的方法和装置。在一个或多个实施方案中，等离子体无约束检测方法采用模拟和/或数字电路，模拟和/或数字电路能够以静电卡盘(ESC)以及负责将晶片卡接到ESC的偏置电源(PSU)的开环响应的形式主动地轮询功率馈送电极处的RF 电压。本发明的实施方案有利于检测传送至ESC的RF电压的变化以及PSU的开环响应的变化。通过同时监测这些电信号，所公开的技术能够检测等离子体从约束状态变为无约束状态的时间。在本发明的一个或多个实施方案中，检查变化率(导数)以及任选地传送至ESC的 RF电压(RF_VDT_ESC)以及DC偏置ESC电源的开环响应(0LR_DC_BIAS)的变化的量值。在 RF_VDT_ESC的变化率为正值而0LR_DC_BIAS的变化率为负值的情况下，异常状况警告被触发。在一个或多个实施方案中，如果变化的量值在之前根据经验确定为表示等离子体无约束事件的特定阈值以上，则认为已经发生等离子体无约束状况并且产生无约束警报信号。更详细地，已经发现，当等离子体从约束状态变为无约束状态时，利用RF电压参数计算出的ESC偏置值与实际的等离子体鞘层电压成反比。在进一步考察系统时，已经发现，当等离子体从约束状态变为无约束状态时，负责驱动ESC极的基准电压的ESC电源单元 (PSU) DC/DC程序块的开环响应振荡，这是等离子体鞘层电压升高的反映。图I为用于产生约束多频电容RF等离子体的实施例系统配置，其中功率馈送电极为双极ESC。等离子体还受一组圆形石英圈的约束，控制气体的流动且因此控制等离子体所存在的空间。等离子体处理系统100为多频电容耦合等离子体处理系统，其中三个RF电源102、 104和106经由匹配网络110将RF电压传送至ESC卡盘108。在图I的实施例中，采用3 种RF频率(2MHz、27MHz和60MHz)，但是可以采用任意数量和范围的频率。ESC 108为双极ESC，其中有两个极正极120和负极122。ESCPSU 126分别经由导体128和130将箝位电压供给极120和122。中间抽头140驱动ESC 108的DC电位以偏置ESC 108的DC电位。电容器分压器网络150 (包括电容器152和154)以及RF电压探针156用于取得ESC偏压设定点信号，ESC偏压设定点信号作为反馈信号输入ESC PSU 126以控制提供给ESC 108的ESC偏压。在John Valcore, Jr.于2010年2月10日提交的题为“BIAS COMPENSATION APPARATUS AND METHODS THEREFOR” 的美国专利申请号为 61/303，628 的共有临时专利申请中以及John Valcore, Jr.于2009年11月19日提交的题为“METHOD AND DEVICE FOR COMPENSATING WAFER BIAS IN A RF DRIVEN PLASMA CHAMBER” 的美国专利申请号为61/262，886的共有临时专利申请中公开了关于RF电压探针156的进一步细节，上述两个申请的内容通过弓I用并入本文。如本文稍后将讨论的，当等离子体无约束事件发生时，该反馈环中的固有延迟导致存在瞬态响应，在中间抽头140处能够检测到所述瞬态响应。该瞬态的、主要为开环的响应是短暂的并且在能够补偿来自RF电压探针156的反馈信号之前发生。通过监测ESC PSU 125 (0LR_DC_BIAS)的该瞬态开环响应的变化率以及任选地变化量值，可以检测到表示等离子体无约束事件的两个计量信号中的一个。表示等离子体无约束事件的两个计量信号中的另一个计量信号是如之前讨论的传送至ESC卡盘108的RF电压的变化率以及任选地量值。为了图I中讨论的完整性，晶片通常布置在功率馈送电极168上，而功率馈送电极 168依次布置在ESC卡盘108的上方。在处理期间，主体等离子体170形成在晶片上方并且受成组的约束环172以及上部接地电极174约束。已经发现，当等离子体从约束状态过渡至无约束状态时，传送至ESC卡盘的RF电压的变化率以及量值增加。图2图示出图I中的RF部件的简化电路。图I中的阻抗匹配网络110和独立的RF源(102、104和106)合并到图2中的单一 RF源202中。图I中的功率馈送电极168、接地电极174和等离子体约束环172由简单的可变电容器210表示，板210a 表示功率馈送电极168，而板210b表示接地电极174。假定腔室的电容为电极的表面积的直接函数，并且约束环控制在腔室中使用的有效表面积，通过忽略电感电路部件和电阻电路部件，能够将对于图I中电容腔室的等效电路的一阶近似还原为图2。该简化电路能够用于阐释等离子体阻抗、传送至ESC卡盘的RF 电压的量值和等离子体约束状态之间的相关性。假定RF功率为电压的函数并且等离子体阻抗为电压以及腔室的电容的函数，如果RF功率保持恒定并且腔室的电容随着等离子体从约束状态移动至无约束状态而增加从而增加接地面积，那么传送至ESC卡盘的RF电压必定降低。对于恒定RF功率而言RF电压与接地面积的这种相关性提供了检测等离子体约束的状态变化的基本要素。为了更详细说明，电容由下式限定C=K*E*A/D 等式 I其中，C为电容；K为电极的介电常数；E为自由空间的电容率；A为电极的面积；D 为电极之间的距离。在约束状态下，约束环通过约束等离子体来控制电容，从而限制电流在电极之间流动的表面积。无约束等离子体使得面积A增加。当A增加时，在每个等式I中，电容C也增加。对于理想的电容器而言，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为数学常数；f为RF源的频率；C为电容。如果f为常数，则从等式2 中可看出Z与C成反比。功率传送由下面的等式3支配。P=I*V*cos ( 0 ) 等式 3其中P为功率；1为电流；V为电压；0为V和I之间的相位。所传送的RF功率为阻抗的函数。Z=V/I 等式 4其中，Z为阻抗，V为电压，I为电流。当R=O时，Z可被简化为l/(2*Pi*f*C)(见上述等式2)假定Z近似为I/ (2*Pi*f*C)，随后从等式4中得出l/(2*Pi*f*C)=V/I 等式 5由于C=K*E*A/D (见等式1)，当A由于无约束等离子体事件而增大时，C增大且Z减小。此外，由于P=I*V*COS(0)(见等式3)，如果P为常数且0为常数，如果C增大， 则V减小且I增大。因此，从图2以及结合图2的讨论中可以看出，从约束等离子体状态过渡到无约束等离子体状态伴随着传送至ESC的RF电压的升高(正导数)。检测到传送至ESC的RF电压的这种升高代表了所提出的无约束等离子体检测方案中的一种状况。可以根据期望建立量值阈值或量值变化阈值以减小虚假正值。除了供给ESC的RF电压与等离子体约束的相关性之外，已经发现在ESC极电压和等离子体约束之间存在另外的基本相关性。图3图示出ESC极电压和等离子体约束状态之间的相关性。在图3中的该简化DC等效电路中，存在包括板302a (代表ESC箝位电极)和板302b (代表晶片)的平行板电容器302。平行板电容器302形成在ESC极和等离子体鞘层之间，其中陶瓷和晶片形成了两个板之间的电介质。ESC极由DC电源310驱动，并且鞘层电压为充当DC源的等离子体的函数。假定功率馈送电极电压与接地电极电压的比率等于接地电极面积与功率馈送电极面积的比率(同样适用于DC和RF的比率)，随着接地电极的面积由于无约束等离子体事件的发生而增大以及功率馈送电极面积保持恒定，鞘层电压升高。在图3中，ESC极处的DC电压为由ESC PSU 310供给的电压以及相对极上的电荷和由两个极形成的电容的函数。随着鞘层电压在等离子体从约束状态变为无约束状态时而升高以及电容在极之间保持恒定，ESC极将由鞘层电压充电。在等离子体变为无约束时ESC PSU 310的脉冲响应中可以看到该充电效应。特别地，中间抽头DC电压源将作为由ESC极电压的充电引起的负荷变化的函数而振荡。为了在晶片上提供持续箝位力而不论等离子体鞘层电位如何的目的，中间抽头DC电压源用于保持ESC箝位电压源的基准电压。ESC PSU 310 (存在于中间抽头处)的瞬态开环响应提供了用于检测等离子体约束状态(以及相应地等离子体无约束状态)的第二计量信号。利用响应于等离子体从约束状态变为无约束状态而使得传送至ESC的RF电压的变化以及ESC PSU开环响应的变化，来提供用于检测等离子体约束状态变化所需的参数。图4是在微处理器内和/或经由代码实现的实施例算法的流程图，输入参数为在 ESC PSU中间抽头(402)和RF电压探针参数(404)处测量到的DC电压。RF电压探针参数 404可以为表不ESC处的RF电压的奇异信号或复合信号。为了简化的原因，RF电压参数被标示为宽带RF (BB RF)信号，并且下文中将被称为BB RF。BB RF信号和ESC PSU中间抽头电压是通过独立的低通滤波器(分别为408和406) 馈送的。图4是指称为简单移动平均的一阶低通滤波器。然而，应当理解的是，还可以采用任何其它适当的滤波器，无论是模拟滤波器还是数字滤波器。然后，将每个相应滤波器的输出与每个相应信号(410和412)的当前采样进行比较。在块414和416中示出了比较。如果存在ESC PSU中间抽头电压(414)的充分正量值变化(dv/dt>>0)，则事件标记被设定，在图4的块420中标示为‘PSU_Event=r。以类似的方式，如果BB RF信号具有充分负量值(dv/dt〈〈0)(块416)，则事件标记被设定，标示为‘RF_Event=r (块422)。如果任一事件标记未能被设定为等同的数字“导通”状态，则检测环将继续轮询并且比较每个相应的信号(块424和426)的下一个可用采样。如果两个事件标记均被触发(块430)，则计算5函数。该5函数计算相对于ESC PSU中间抽头导数的量值的RF BB导数的量值。如果导数具有相对于彼此的充分量值(块 432),则‘Unconfined_Plasma=l’事件标记(434)被发送到工具主机(436),负责控制等离子体腔室，从而能够采取校正措施，诸如改变RF传送功率，改变压力或流向腔室的气体，或者调节约束环的位置，等等。可选地，可以监测通往ESC基板的中间抽头电流，而并非中间抽头电压，或者也监测中间抽头电压。在无约束事件期间对图2所示的电容器进行充电所需的突发电流也是可能不受控制的处理状况事件的另一适当指示。在一个或多个实施方案中，可以利用模拟低通滤波器和比较器在模拟域内实现等离子体无约束检测方案，和/或利用DSP、FPGA/CPLD或微处理器在数字域内实现等离子体无约束检测方案。在一个或多个实施方案中，RF电压探针可位于沿着阻抗匹配网络和功率馈送电极之间的传输线的任何位置，如图I所示。在一个或多个实施方案中，能够在ESC 和ESC PSU内部电路之间的任意位置处来测量ESC PSU中间抽头电压。在一个或多个实施方案中，采用位于ESC基座内的高阻抗分压器，如图I所示，并且ESC PSU中间抽头电压位于ESC PSU的直接输出。在一个或多个实施方案中，这两个信号随后可馈送至带有等效的 40MHz 时钟的 PIC 18F4523 8 位(8_bit)微处理器(可由 Microchip Technology, Inc. of Chandler, AZ 提供)。在一个或多个实施方案中，暂态响应的时标和方向可以为驱动RF频率以及与每个RF频率相关联的功率量的函数。在一个或多个实施方案中，带有更大功率的RF信号趋于占优，并且这些频率处的响应可更加显著，这使得检测更加可靠。在一个或多个实施方案中,这些是可并入检测中的常规观察。从前述内容可以理解的是，本发明的实施方案使能检测异常等离子体状况(其中等离子体无约束是一个实施例)，而无需使用干涉性的现场监测器械。在这样做时，消除了关于与这种现场监测器械相关联的等离子体诱发的磨损、污染和更换/清洁的问题。通过监测传送至ESC的RF电压的变化以及ESC PSU的开环响应的变化以及任选地采用阈值法来减少虚假正值，本发明的实施方案提供了用于检测异常等离子体状况的稳健技术，从而使工具主机能够提供及时的校正措施或者关断工具以避免进一步损坏。已经公开了示例性的实施方案和最佳的实施方式，所公开的实施方案可以进行改进和变型，而仍在如由随后的权利要求书限定的本发明的主题和主旨之内。
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权利要求
1.一种用于检测等离子体处理腔室中的等离子体无约束的方法，所述等离子体处理腔室具有静电(ESC)卡盘，所述方法包括将RF电压提供给所述ESC卡盘；设置ESC电源单元，所述ESC电源单元被配置为将DC偏压提供给所述ESC卡盘，所述 ESC电源单元连接有中间抽头以接收所述RF电压；同时监测所述RF电压和所述中间抽头的变化，所述变化指示等离子体无约束状况；以及如果通过所述监测检测到所述等离子体无约束状况，则提供指示所述等离子体无约束状况存在的信号。
2.如权利要求I中所述的方法,其中，所述RF电压为包括至少两个RF频率的宽带RF 电压。
3.如权利要求中所述的方法，其中，所述监测包括检测所述RF电压的变化。
4.如权利要求中所述的方法，其中，所述监测进一步包括判定所述变化的量值是否超过预定阈值。
5.如权利要求所述的方法，其中，所述监测包括检测所述RF电压的正变化。
6.如权利要求所述的方法，其中，所述监测包括检测所述中间抽头上的开环DC响应的变化。
7.如权利要求过预定阈值。
8.如权利要求的正变化。
9.如权利要求I所述的方法，其中，所述开环DC响应代表开环DC电压。
10.如权利要求I所述的方法，其中，所述开环DC响应代表开环DC电流。
11.如权利要求I所述的方法，其中，所述监测包括检测所述RF电压的变化以及检测所述中间抽头上的开环DC响应的变化。
12.如权利要求I所述的方法，其中，所述信号用作响应于检测到所述等离子体无约束状况而自动启动校正措施的反馈信号。
13.一种用于检测等离子体处理腔室中的等离子体无约束的装置，所述等离子体处理腔室具有静电(ESC)卡盘，所述ESC卡盘被配置为接收RF电压，所述装置包括ESC电源单元，其被配置为将DC偏压提供给所述ESC卡盘，所述ESC电源单元连接有中间抽头以接收所述RF电压；以及用于分析所述RF电压和所述中间抽头上的开环DC响应的变化的器件，所述变化指示等离子体无约束状况。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述RF电压为包括至少两种RF频率的宽带RF 电压。
15.如权利要求13所述的装置，其中，所述用于分析的器件被配置为至少检测所述RF 电压的正变化。
16.如权利要求13所述的装置，其中，所述用于分析的器件还被配置为判定所述RF电压的变化的量值是否超过预定阈值。6所述的方法，其中，所述监测进一步包括判定所述变化的量值是否超 I所述的方法，其中，所述监测包括检测所述中间抽头上的开环DC响应
17.如权利要求13所述的装置，其中，所述用于分析的器件被配置为至少检测所述中间抽头上的开环DC响应的正变化。
18.如权利要求13所述的装置，其中，所述用于分析的器件还被配置为判定所述开环 DC响应的变化的量值是否超过预定阈值。
19.如权利要求13所述的装置，其中，所述开环DC响应代表开环DC电压。
20.如权利要求13所述的装置，其中，所述开环DC响应代表开环DC电流。
全文摘要
公开了用于检测在电容耦合RF驱动的等离子体处理腔室内的等离子体约束状态的变化的方法和系统。在一个或多个实施方案中，等离子体无约束检测方法采用了模拟电路或数字电路，模拟电路或数字电路能够主动轮询具有静电卡盘(ESC)形式的功率馈送电极处的RF电压以及负责将晶片卡接到ESC的电源(PSU)的开环响应。电路提供了检测传送至ESC的RF电压的变化以及PSU的开环响应的变化的器件。通过同时监测这些电信号，所公开的算法能够检测等离子体从约束状态变为无约束状态的时间。
文档编号H01L21/687GK102612738SQ201080051817
公开日2012年7月25日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者约翰·C·小瓦尔科, 詹姆斯·罗格斯 申请人:朗姆研究公司