用于等离子体加工设备的电压波形发生器的制作方法

1.本发明涉及一种用于等离子体加工设备的电压波形发生器，以及一种生成用于等离子体加工的电压波形的相关方法，该电压波形特别是用于在要进行等离子体加工的衬底上产生电压偏置的电压波形。该电压偏置有利地用于控制等离子体辅助刻蚀、等离子体辅助层沉积或反应离子刻蚀(rei)中的离子能量。


背景技术：

2.在等离子体辅助刻蚀和等离子体辅助层沉积中，使用射频(rf)发生器来生成偏置电压以控制离子能量。为了改进工艺控制，准确地控制偏置电压和所产生的离子能量分布(ied)是非常重要的。生成此偏置电压是通过效率有限的(宽带)线性放大器或灵活性有限的(窄带)开关式放大器或专用脉冲发生放大器来完成的。大多数放大器仅间接控制输出电压波形(例如，控制输出功率或依赖于校准)，从而得到有限的性能(生成的波形不太接近理想的输出电压波形)，从而导致不太理想的离子能量分布和有限的再现性(晶圆到晶圆的变化和系统到系统的变化)。
3.us 9208992描述了一种包括开关式电源的等离子体加工设备，该开关式电源用于在待加工衬底的暴露表面形成周期性电压函数。该周期性电压函数实现理想的离子能量强度分布，以对衬底执行刻蚀或在衬底上执行等离子体沉积。
4.上述开关式电源可以生成具有dc电流的特定形状波形来补偿离子电流(参见us 9208992的图14)。为此，该开关式电源包括以半桥方式耦合的两个开关部件，并且这些开关部件基于如us 9208992的图3所示的控制器生成的驱动信号被控制。对于这样的波形，反应器电容和杂散电感会经历换向，从而导致损耗。系统参数与换向(或开关)损耗p之间的关系可以表示为：p
反应器换向
∝
c
反应器
·
v
换向2
·
f
换向
这些参数的典型范围为：
‑
c
反应器
：500pf至10nf，
‑
v
换向
：10v至2kv，
‑
f
换向
：20khz至1mhz。根据工艺条件和反应器设计，这可能会导致超过500w的损耗。
5.在当前的等离子体工艺中，趋向于更高的换向电压水平、更大的反应器尺寸、具有更高的电容c
反应器
。因此，使用现有技术的波形发生器将带来更高的损耗，这是不可接受的。
6.此外，等离子体反应器具有固有的反应器电容，并且反应器与偏置电压发生器之间的互连具有杂散电感，它们形成具有固有谐振特性的lc电路。由于系统中的谐振，缓慢的开关速度(开关节点上的有限dv/dt)或阻尼电阻(或缓冲器)是强制性的，以防止激发谐振，此谐振会导致不希望的衬底电压振铃。这种振铃会在衬底上产生不希望的电压，这对所需的ied产生负面影响。这种缓慢的开关速度导致较长的放电时间段，有效地降低了加工/放电比，这进而导致加工衬底的时间更长。过长的放电时间还会对鞘的形成或鞘的保存产生
负面影响。然而，阻尼电阻(或缓冲器)会导致额外的不希望的损耗。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服以上缺点。本发明的目的是提供一种用于等离子体加工的电压波形发生器以及一种生成电压波形的相关方法，使得能够获得更高的效率。本发明的目的是提供这样的发生器和方法，允许在没有或有限的效率损耗的情况下增加工艺产量。
8.本发明的目的是提供允许改进工艺控制的等离子体加工设备和相关方法。特别地，本发明的目的是提供这样的设备和方法，其能够更精确地接近理想或所需电压波形和/或允许更快地收敛到这样的理想波形。
9.根据本发明的第一方面，提供了一种如在所附权利要求中所阐述的生成用于等离子体加工的电压波形的方法。该电压波形有利地是周期性偏置电压，其被施加到进行等离子体加工的衬底的暴露表面，该等离子体加工比如是等离子体辅助刻蚀、等离子体辅助层沉积或反应离子刻蚀(rei)。
10.根据本发明的第二方面，提供了一种如在所附权利要求中所阐述的用于等离子体加工设备的电压波形发生器。该电压波形发生器有利地被配置为生成要施加到经受等离子体加工的衬底的周期性偏置电压。该电压波形发生器有利地被配置为实施根据第一方面的方法。
11.根据本发明的第三方面，提供了一种等离子体加工设备，包括第二方面的电压波形发生器。
12.根据本发明的电压波形发生器包括例如用于等离子体加工设备中的允许生成周期性偏置电压的功率级拓扑结构。该功率级拓扑结构包括不同的电压电平(voltage levels)，这些电压电平可以相继耦合到输出端以获得周期性偏置电压。电压电平的数量为使得可以在波形的电压水平变化期间获得谐振换向，从而实现快速且无损的换向。此外，有利地，通过适当控制施加不同电压水平的开关的时序，以及通过适当选择电压电平，可以获得以下结果：在换向(放电)时段结束时，达到所需的衬底电压电平，该衬底电压电平有利地基本上等于发生器输出电压，并且通过发生器与衬底之间的互连的杂散电感的电流大约为0a。因此，系统中没有振铃，从而无需实施阻尼或慢速换向。无损换向允许以高效的方式生成偏置电压。快速换向减少了放电时段期间对鞘(sheath)的干扰。这导致更好的工艺控制。快速换向使得能够进一步缩小ied的范围。窄的ied对工艺控制至关重要。
13.根据另一方面，本文描述了一种用于控制或操作等离子体加工设备的方法。
附图说明
14.现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中，相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
15.图1表示根据本发明各方面的电压波形发生器的示例，该电压波形发生器用作icp(电感耦合等离子体)反应器的偏置发生器；
16.图2表示简化的反应器等离子体模型和与其耦合的根据本发明的电压波形发生器；
17.图3表示可以施加到图2所示节点的(周期性)电压波形(未按比例绘制)；
18.图4表示根据本发明的第一实施例的电压波形发生器；
19.图5表示图4的电压波形发生器，带有与电压波形发生器的功率级耦合的负载的简化模型；
20.图6表示图4的电压波形发生器的可能开关实施方式，带有n沟道mosfet；
21.图7表示图4的电压波形发生器，其中，dc电流源利用dc电压源和耦合的电感器、以及可选的瞬态电压抑制器(tvs)来实施；
22.图8表示曲线图，其示出了图4的电压波形发生器的功率级电压水平与开关控制信号之间的关系；
23.图9示意性地表示了图4的电压波形发生器的闭环控制实施方式；
24.图10表示图4的电压波形发生器，添加了换向电感；
25.图11表示曲线图，其示出了在根据本发明的各方面的具有开关转换速率的换向期间的电压电平和电流电平；
26.图12表示曲线图，其示出了在具有开关转换速率的非最佳换向期间的电压电平和电流电平；
27.图13表示如图4中的电压波形发生器，包括过压保护电路；
28.图14表示图13的过压保护电路的第一实施方式示例；
29.图15表示图13的过压保护电路的第二实施方式示例；
30.图16表示根据本发明的第二实施例的电压波形发生器，带有连续电流源；
31.图17表示图16的电压波形发生器的可能开关实施方式，带有n沟道mosfet。
具体实施方式
32.图1示出了偏置电压波形发生器(bvg)10在电感耦合等离子体(icp)设备100中的典型用途之一，其中，bvg 10通过控制衬底工作台电压来控制衬底101(通常为晶圆)的电压。在等离子体反应器102中，通过将等离子体形成气体104引入被感应线圈107包围的介电管108中来生成等离子体103。该布置形成等离子体喷枪，该等离子体喷枪将等离子体103朝向其上放置有衬底101的平台105(衬底工作台)引导。可选地，可以将前体109引入等离子体反应器102中。通过rf电源120和本领域已知的匹配网络121，向感应线圈107施加rf电压。rf电源120以及bvg 10可以通过系统主机控制器130来控制。适合于本发明的等离子体工艺是所谓的低压或减压等离子体，即在明显低于大气压力的压力下操作，例如在1mtorr至10torr之间。为此，等离子体反应器102有利地是气密的，并且等离子体反应器102中的所需压力通过真空泵106获得。
33.bvg 10也可以用于其他配置，如电容耦合等离子体(ccp)反应器，或在源功率发生器(rf电源)与bvg之间进行控制信号的直接互连(不经由系统主机)。可以使用不同的源来生成等离子体(例如，电容耦合等离子体、电子回旋共振、磁控管、dc电压等)。
34.图2表示等离子体反应器的(高度)简化的电气模型，示出了反应器和等离子体对bvg 10构成的负载，以解释bvg 10的操作。bvg 10包括功率级11，该功率级(power stage)通过可选的物理电容器c1耦合到bvg 10的输出端子12，以防止来自衬底101的表面上感应的电压的或来自电子卡盘的电压的dc电流流过功率级11。功率级11被配置为生成施加在输出端子12上的偏置电压。由于c1，该偏置电压的dc分量是自偏置的，例如，该电压是由于鞘
中离子和电子迁移率的差异而设置的。等离子体反应器可以如图2所示地建模，但也可以使用更复杂或不那么复杂的模型。l1是集总电感，表示由bvg输出功率互连和返回路径引起的电感。c2是表示从衬底工作台105和衬底工作台功率互连到地的电容的集总电容。该电容通常以从衬底台到暗屏蔽件的电容为主，该暗屏蔽件即与平台105相邻的防止等离子体传播超出平台(例如，进入泵106)的金属屏蔽件。c3是介电衬底和/或介电材料的台下工作台(例如，由于衬底工作台之上/之中的静电卡盘支架)的组合电容。r
p
表示在工艺时段期间由鞘中有限的离子迁移率引起的鞘阻抗。d
p
表示在放电时段期间鞘中的高电子迁移率。v
pl
是衬底上方的鞘处的等离子体电位。
35.鞘上的dc(偏置)电压理想地导致窄ied，而dc电压的水平控制(平均)离子能量的水平。由于表面上收集的带正电荷的离子，在介电衬底和/或介电材料的台下工作台(例如，静电卡盘支架)上发生电荷积聚。需要补偿衬底和/或衬底工作台上的这种电荷积聚，以使鞘上的电压电位(以及因此离子能量)保持恒定。需要限制衬底和/或衬底工作台上的电荷积聚并因此限制其上的电位，以防止损坏衬底和/或衬底工作台。这种补偿可以通过在连续的工艺时段t
p
之间的放电时段t
d
期间对衬底和/或衬底工作台进行周期性放电来实现，如图3所示。图3示出了要由bvg生成的理想周期性电压波形v
p
，以便在衬底的暴露表面上获得理想电压波形v
s
。在图2中示出了在其中评估波形的节点v
p
、v
t
、v
s
，其中，v
p
表示由功率级11输出的电压，v
t
表示衬底工作台(台)105处的电压，并且v
s
表示衬底电压，即衬底101的暴露表面上的电压。放电时段t
d
的典型值可以为约500ns。加工时段t
p
的典型值可以为约10μs。
36.根据本发明，通过在bvg 10的功率级11中实施特定换向(称为谐振换向)来弥补与过度换向损耗和不受控制的谐振振铃相关的现有技术缺点。参考图4，为了使谐振换向成为可能，功率级11包括第一dc电源，该电源被实施为被配置为输出第一幅值v1的dc电压的电压源21。dc电压源21通过第一开关sw1连接到功率级11的输出节点14。功率级11进一步包括第二dc电源以及提供地电位的接地端子13，该电源被实施为被配置为输出第二幅值的dc电流i2的电流源51。在本实施例中，dc电流源51通过第二开关sw2连接到输出节点14。接地端子13通过旁路开关sw5连接到电流源51与第二开关sw2之间的中间节点15。
37.闭合开关sw2和sw5二者会将接地端子13连接到输出节点14。输出节点连接到bvg 10的输出端子12，该输出端子进而可以耦合到衬底工作台105。dc阻隔电容器c1可以可选地耦合在输出节点14与输出端子12之间。
38.此外，功率级11包括第三dc电源和第四dc电源，这两个电源分别被实施为电压源31、41并且被配置为分别输出第三幅值v3和第四幅值v4的dc电压。dc电压源31和41通过相应的第三开关sw3和第四开关sw4连接到输出节点14。电压源31和41与输出节点14之间的互连线可以有利地分别包括二极管d3和d4，以便仅允许一个方向的电流。所有电压源21至41都并联连接到输出节点14。
39.从输出节点14看到的负载的简化模型如图5所示。图6示出了使用n沟道mosfet的开关sw1至sw5的可能实施方式。
40.参考图7，dc电流源51可以可替代地使用与电感器53串联的dc电压源52来实施，该电感器通常具有大电感，例如0.5mh或更大。瞬态电压抑制器54有利地放置在sw5之上，以为电感器53提供连续电流路径，并且限制sw5上的电压。其他替代实施方式使用生成可变dc电流的功率放大器，例如用于补偿由电压偏置引起的介电常数变化。同样，电压源21、31和41
的替代实施方式是可能的，例如基于具有连接在电流源输出端与接地之间的电容器的电流源。可替代地，可以将电压源41的低压侧(在图7中连接到接地)连接到电压源52的低压侧。这允许仅使用提供正电压的电压源。
41.根据本发明，附加的dc电压源31和41允许当获得所需的偏置电压波形时，减少或消除换向期间或之后的换向损耗和谐振振铃。参考图8，可以使用控制信号按照所示的顺序对开关sw1至sw5进行操作。为了在衬底101处获得所需的周期性电压波形v
s
，bvg 10将需要在输出节点14处输出电压波形v
p
，这取决于所建模的负载(例如，参见图2)。v
p
可以包括正电压峰值以获得衬底放电，然后是在衬底的加工时间期间的电压下降和斜降。
42.有利地，波形v
p
可以包括至少三个不同的电压水平：幅值为v1的第一正电压，其有利地由电压源21供应；幅值为v5的第二负电压，通过当将电流源51连接到负载时使电压斜降来获得；以及接地电位v0。根据本发明的电压波形发生器10有利地允许通过以下方式来获得这样的波形：使用附加的电压源31和41在波形v
p
中提供中间电压水平v3和v4，以便一方面实现电压向v1上升，并且另一方面实现电压下降到接地电位v0、或甚至下降到v5。这些附加(中间)电压水平允许通过使用不同电压水平之间的适当切换定时来避免换向事件之后的不希望的电压振荡。
43.举例来说，仍然参考图8，从时间t0开始，衬底放电时段t
d
开始，其中，衬底电压v
s
变为正值。为此，开关sw4在t0闭合，而其他开关sw1、sw2和sw3(除了旁路开关sw5，其可以闭合以便为电流i2提供电流路径)保持断开。闭合sw4导致v
p
上升到电压源41的幅值v4。接下来，在t1，sw1闭合，导致v
p
上升到电平v1。sw4有利地稍微在t1之后断开，因为v4低于v1并且由于二极管d4的存在。有利地，将幅值v1选择为使得衬底电压v
s
为正。
44.为了在衬底放电时段t
d
之后开始新的加工时段t
p
，再次使v
s
为负。为此，有利地断开开关sw1以及还有sw4(例如在时间t2)，并且稍后，在t3，开关sw3闭合，导致电压v
p
下降到电压源31的幅值v3，直到开关sw2在时间t4闭合从而将输出节点连接到接地电位(导致vp的(进一步)下降)，因为开关sw5保持闭合直到稍后的时间t5。这标志着加工时段t
p
的开始。幅值v3、v4和v1在相应开关闭合期间有利地保持恒定，并且幅值可以在整个操作过程中持续恒定。
45.在t5，sw5断开而sw2保持闭合。这导致输出节点14连接到电流源51，并且电流i2将影响v
p
的电压斜降，从而有利地允许通过补偿衬底和/或衬底工作台上的电荷积聚来将衬底电压v
s
维持在恒定水平。就在开始新的放电时段之前，旁路开关sw5在时间t7闭合(有利地稍微在时间t6断开开关sw2之后)。
46.由于二极管d3，开关sw3可以在超过t4并且甚至可能超过t5的某个时间断开。注意，sw4与sw1之间(由于二极管d4)以及sw3与sw2之间(由于二极管d3)有利地不需要死区时间。死区时间t3‑
t2是为了防止v1和v3短路而需要的。
47.如本文所描述的功率级11允许以这样的方式被操作(通过为开关sw1至sw5生成适当的开关控制信号)，以最小化输出上的振荡并防止系统中的寄生谐振。为此，功率级有利地被操作成使得在换向时段结束时通过l1的电流变为0a。在图8的波形中，基本上有两个换向时段。第一次换向是在电压上升阶段期间，特别地开始于t0，即sw4的闭合，并结束于t1，即sw1的闭合。第二次换向是在电压下降阶段期间。该换向时段开始于t3，即sw3的闭合，并结束于t4，即sw2的闭合。
48.为了确保在换向时段结束时(特别是在t4，并且有利地还在t1)通过l1的电流可以变为0a，有利地适当地选择分别闭合开关sw1和sw2的时刻t1和t4(或者，等效地，开关间隔t1‑
t0和t4‑
t3)。如果开关(sw1或sw2)闭合太晚，则由于输出节点14上的电容以及该电容上的电压不等于c4上的电压这一事实，会引起l1与输出节点14上的电压v
p
之间的振荡。如果开关(sw1或sw2)闭合太早，则通过l1的电流不是0a，并且这将导致l1与c4之间出现振铃。在图11和图12中示出了选择适当开关时间的关键性。在图11和图12中，t0和t1表示将控制信号施加到开关sw4和sw1以闭合相应开关的时刻。在实践中，开关将具有有限的开关速度，如图11和图12中输出节点14处的电压v
p
的有限dv/dt所示。结果，开关sw4将在t0开始闭合，并且将在时刻t
sw4
实现闭合状态。类似地，开关sw1在t1开始闭合，并且将在时刻t
sw1
实现闭合状态。
49.从图11可以看出，在时刻t
sw1
实现开关sw1的闭合状态，在该时刻，通过l1的电流i
l1
已经下降到零，并且防止了衬底工作台处的电压v
t
或衬底处的电压v
s
的振荡。图12中的情况并非如此，其中在i
l1
在t
sw1
时不为零的时刻实现sw1的闭合状态(t
sw1
)。
50.除上述内容以外，通过适当选择在换向时段期间施加的电压水平(分别为v3和v4)来有利地防止振荡。电压水平有利地落在换向开始(分别为时刻t0和t3)时的电压水平与换向结束(分别为时刻t1和t4)时的电压水平之间。可以看出，v3和v4的最佳电压水平等于(v
换向结束
v
换向开始
)/2。换句话说，v3的最佳幅值是v
p
在t0和t1的平均值。v4的最佳幅值是v
p
在t3和t4的平均值。
51.当在输出节点14看到的bvg 10的负载可以建模为具有反应器电感l1和总电容c4的串联lc电路时，如图5所示，分别等于t1‑
t0和t4‑
t3的最佳换向时间t
换向
可以设置为其中c4表示从输出节点14看到的等效电容，例如图2的模型中的c1、c2和c3的总和。更一般地，可以说，假设理想条件的最佳换向时间t
换向
对应于与负载的基本自然频率f0(谐振频率)相对应的周期的一半，或者t
换向
＝0.5/f0。
52.在上文假设所有部件(例如开关、二极管和等离子体反应器的集总模型)都是理想的且无损的。由于这不符合实际情况，因此可以进一步调整换向参数以将非理想情况考虑在内。可以基于以上确定的换向参数(换向时间、换向电压)的值开始操作。在操作期间，有利地通过实施适当的工艺控制来调整这些换向参数中的一个或多个，例如通过闭环控制算法，例如基于电流反馈。参考图9，bvg 10包括被配置为控制功率级11的操作的控制器16。特别地，控制器16被配置为输出开关控制信号161以控制开关sw1至sw5的操作。控制器16可以被配置为输出电压设定点162，以设定dc电压源21、31、41以及可能52中的一者或多者的幅值。控制器16可以进一步被配置为输出电流设定点163，以设置由电流源51输出的dc电流i2的水平。可替代地，dc电压源21、31、41和52中的一者或多者和/或电流源51可以具有固定幅值的电压输出或电流输出。
53.控制器16有利地包括反馈控制回路，有利地是电流反馈控制回路164。电流控制回路164包括被配置为测量由功率级11输出的电流的电流传感器165。电流传感器165可以布置在输出节点14处。控制器16可以包括耦合到电流控制回路164的第一输入167，该电流控制回路被配置为将由电流传感器165测量的输出电流的值馈送到控制器16。通过第二输入端166，控制器16可以被配置为接收开关控制信号161、电压设定点162和电流设定点163中的一者或多者的设定点。这些设定点可以从系统主机控制器或用户接口接收，该系统主机
控制器或用户接口可以被配置为基于bvg 10的负载的模型(例如，如在前面的段落中确定的)来确定设定点。控制器16可以被配置为基于从电流传感器165反馈的输入167来调节设定点，特别是开关控制信号161和/或电压设定点162。
54.参考图10，为了在具有高自谐振频率(例如低c4和/或低l1)的反应器的情况下改善对换向时段的控制并使换向对sw1或sw2的闭合时刻不那么敏感，可以以与换向开关sw3和sw4串联的方式添加换向电感器l3和l4。可替代地或另外地，可以以与输出阻隔电容器c1串联的方式添加电感器(未示出)。
55.图10的图另外包括过压保护电路，其通过二极管d
fw
和双向瞬态电压抑制器tvs
fw
来实施，从而允许保护sw4与l4之间的过压。
56.参考图13，过压保护电路17可以设置在功率级11或bvg 10的输出端，并被配置为通过钳位输出电压来保护功率级11。过压保护电路的可能实施方式如图14和图15所示。过压保护电路可以包括在输出节点14与电压源21之间的二极管d1。在输出节点14与地电位之间，二极管d2和单向瞬态电压抑制器tvs1以相反的电流方向耦合。当电流测量传感器171、172或173检测到通过钳位二极管和/或tvs的电流时，可以关闭功率级11以减少损耗。
57.参考图16和17，在bvg 10的功率级110的替代实施例中，电流源51耦合在输出节点14与输出端子12之间，有利地耦合在输出节点14与输出阻隔电容器c1之间。这允许具有连续的补偿电流i2，尽管电流源51两端的电压将高于功率级11两端的电压。在功率级110中，旁路开关sw5可以省略，即使开关sw2应该具有双向电压阻隔和电流传导能力。