[发明专利]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

说明书

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。

附图说明

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1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1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（OLR_DC_BIAS）的变化的量值。在RF_VDT_ESC的变化率为正值而OLR_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1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1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。