專利名稱：具有靜電卡盤電壓反饋控制的雙偏置頻率等離子體反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有靜電卡盤(ESC)電壓的反饋控制的雙偏置頻率等離 子體反應(yīng)器，具體而言，本發(fā)明涉及具有利用偏置供應(yīng)輸出處的晶片電壓 測(cè)量進(jìn)行的ESC電壓的反饋控制的雙偏置頻率等離子體反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
用于處理半導(dǎo)體晶片的等離子體反應(yīng)器一般利用靜電卡盤(ESC)將 晶片夾持在反應(yīng)器的室內(nèi)部。晶片表面處的等離子體離子能量通過(guò)經(jīng)由 ESC向晶片施加偏置電壓來(lái)控制。ESC基本上由絕緣層構(gòu)成，絕緣層具有 用于支持晶片的頂表面。晶片下方的絕緣層內(nèi)部的電極或?qū)щ姈啪W(wǎng)接收 DC電壓，在電極和晶片之間的絕緣層上產(chǎn)生電壓降，這產(chǎn)生了將晶片鉗 制到ESC的靜電力。鉗制力由晶片電壓的時(shí)間平均和施加到ESC電極的 DC電壓之間的差確定。鉗制電壓必須被精確地控制(通過(guò)精確控制DC 供應(yīng)電壓)以避免不足量的鉗制電壓或過(guò)量的鉗制電壓。不足量的鉗制電 壓會(huì)使晶片脫離ESC。過(guò)量的鉗制電壓會(huì)使通過(guò)晶片的電流增大到可能破 壞形成在晶片表面上的電路特征的水平。(電流從ESC電極流經(jīng)介電層到 達(dá)晶片，并返回經(jīng)過(guò)室中的等離子體。鉗制力越強(qiáng)，晶片和ESC之間的電 導(dǎo)率就越大，因而通過(guò)晶片的電流就越大。)為了精確地控制鉗制電壓， 必須精確測(cè)量晶片DC電壓。晶片電壓測(cè)量中的誤差可能導(dǎo)致晶片脫離或 過(guò)量的ESC-晶片電流。
使用ESC-晶片接觸來(lái)控制晶片溫度也對(duì)鉗制電壓的精確控制提出了 更加嚴(yán)格的要求。如在2004年8月26日由Douglas Buchberger, Jr.等人提 交的題為"Gasless High Voltage High Contact Force Wafer Contact-Cooling Electrostatic Chuck"的未決美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/929,104 (被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明 的受讓人)中所公開的，ESC可被加熱或冷卻，從而以由ESC鉗制力確定
的速率對(duì)晶片進(jìn)行加熱或冷卻。因此，晶片溫度可以按需要進(jìn)行精確設(shè)置 和控制。事實(shí)上，隨著鉗制電壓增大傳熱速率也很大，以致于與以前相 比，晶片溫度可以維持在比熱負(fù)載高的多的溫度。從而，例如，晶片偏置 功率可能增大到超過(guò)先前允許的水平。然而，晶片溫度范圍是受限的，因 為在無(wú)法精確確定晶片電壓的情況下，鉗制電壓不能離上限(超過(guò)上限晶 片電流過(guò)量)或下限(低于下限晶片可能從ESC脫離)很近。(鉗制電壓
是從晶片電壓的時(shí)間平均和DC供應(yīng)電壓之間的差確定的。)當(dāng)前用于估
計(jì)晶片電壓的方法不是很精確，因而鉗制電壓范圍必須受限以確保晶片電 壓測(cè)量誤差不會(huì)導(dǎo)致鉗制電壓越過(guò)上限和下限。
用于確定晶片電壓的精確方法在Daniel Hoffman 2003年5月16日提 交的未決美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/440,364 (被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人)中有 所公開。該方法可用于這樣的等離子體反應(yīng)器，其中只有單個(gè)偏置頻率的 偏置功率從ESC耦合到晶片。當(dāng)存在多于一個(gè)偏置頻率時(shí)該方法是不精確 的。例如，反應(yīng)器可能施加具有低頻(LF)分量和高頻(HF)分量的偏 置功率，以獲得有利于諸如等離子體增強(qiáng)反應(yīng)離子蝕刻之類的等離子體處 理的離子能量分布。當(dāng)采用這種雙頻偏置時(shí)，會(huì)發(fā)生大的晶片電壓測(cè)量誤 差。我們發(fā)現(xiàn)，這種情況下的晶片電壓測(cè)量誤差可能產(chǎn)生超過(guò)ESC的DC 電壓的供應(yīng)能力的鉗制電壓誤差。
所需要的是一種測(cè)量雙頻偏置下的晶片電壓的精確方法。這可允許鉗 制電壓被設(shè)為更接近于最大或最小允許鉗制電壓的值，而不用擔(dān)心由于晶 片電壓測(cè)量誤差違反這些限度。這又相應(yīng)地允許了晶片溫度范圍的擴(kuò)展， 因此這是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
等離子體反應(yīng)器具有用于供應(yīng)分別包括第一頻率分量f(l)和第二頻率 分量f(2)的RF偏置功率的雙頻等離子體RF偏置功率供應(yīng)和具有耦合到等 離子體RF偏置功率供應(yīng)的輸入端和耦合到晶片支撐基座的輸出端的RF功 率路徑，以及提供代表RF功率路徑的輸入端附近處的測(cè)量電壓的第一頻 率分量和第二頻率分量以及測(cè)量電流的第一頻率分量和第二頻率分量的測(cè)
量信號(hào)的傳感器電路。反應(yīng)器還包括用于提供晶片電壓信號(hào)的第一頻率分 量和第二頻率分量的處理器，所述晶片電壓信號(hào)的第一頻率分量和第二頻 率分量分別是測(cè)量電壓和測(cè)量電流的第一頻率分量分別乘上第一系數(shù)和第 二系數(shù)的第一加和和測(cè)量電壓和測(cè)量電流的第二頻率分量分別乘上第三系 數(shù)和第四系數(shù)的第二加和。處理器通過(guò)利用校正因子組合晶片電壓的第一 頻率分量和第二頻率分量的DC分量來(lái)生成DC晶片電壓，校正因子是被 升高到選定功率并且乘上選定電壓的晶片電壓的第一分量和第二分量的
DC分量的乘積。校正因子補(bǔ)償了偏置功率的兩個(gè)頻率分量之間的互調(diào)制 效應(yīng)。所獲得的DC晶片電壓是高度精確的，并且可用于靜電卡盤中鉗制 電壓的精密控制。鉗制電壓可用來(lái)控制晶片溫度。


圖1A圖示了在靜電卡盤反饋控制回路中具有測(cè)量?jī)x器的等離子體反 應(yīng)器，該反應(yīng)器具有帶有低頻(LF)分量和高頻(HF)分量的偏置電壓 源。
圖IB是測(cè)量?jī)x器內(nèi)用于基于偏置供應(yīng)電壓的HF和LF分量以及反饋 控制回路的電流確定晶片電壓的裝置的框圖。
圖2圖示了測(cè)量?jī)x器采用的等離子體反應(yīng)器的電模型。 圖3A圖示了圖1的測(cè)量?jī)x器的LF部分的結(jié)構(gòu)。 圖3B圖示了圖1的測(cè)量?jī)x器的HF部分的結(jié)構(gòu)。 圖4A圖示了圖3A的LF測(cè)量?jī)x器部分的輸入相位處理器。 圖4B圖示了圖3B的HF測(cè)量?jī)x器部分的輸入相位處理器。 圖5A圖示了圖3A的測(cè)量?jī)x器LF部分中的傳輸線變換處理器。 圖5B圖示了圖3B的測(cè)量?jī)x器HF部分中的傳輸線變換處理器。 圖6A圖示了圖3A的測(cè)量?jī)x器LF部分中的柵格到地變換處理器。 圖6B圖示了圖3B的測(cè)量?jī)x器HF部分中的柵格到地變換處理器。 圖7A圖示了圖3A的測(cè)量?jī)x器LF部分中的柵格到晶片變換處理器。 圖7B圖示了圖3B的測(cè)量?jī)x器HF部分中的柵格到晶片變換處理器。 圖8A圖示了圖3A的測(cè)量?jī)x器LF部分中的組合變換處理器。
圖8B圖示了圖3B的測(cè)量?jī)x器HF部分中的組合變換處理器。 圖9圖示了用于提供圖1A的測(cè)量?jī)x器所用的常數(shù)或因子的裝置。
具體實(shí)施例方式
具有高接觸力晶片冷卻的ESC:
圖1A圖示了具有圓柱形側(cè)壁10、頂壁頂壁12和晶片接觸冷卻靜電卡 盤(ESC) 14的等離子體反應(yīng)器。泵浦環(huán)帶16限定在卡盤14和側(cè)壁10之 間。盡管晶片接觸冷卻靜電卡盤14可用在任何類型的等離子體反應(yīng)器或 其他反應(yīng)器(如熱處理反應(yīng)器)中，但是圖1A的示例中的反應(yīng)器是這樣 一種類型的反應(yīng)器其中處理氣體可通過(guò)構(gòu)成頂壁12很大一部分的氣體 分配板18 (或"噴淋頭")弓1入?；蛘撸磻?yīng)器可以具有與頂壁12相分 離的氣體分配入口 20 (虛線)。晶片接觸冷卻靜電卡盤14可與任何等離 子體源(未在圖中示出)結(jié)合使用，如感應(yīng)耦合RF等離子體源、電容耦 合RF等離子體源或微波等離子體源、或環(huán)形(torroidal)等離子體源。處 理氣體供應(yīng)34耦合到氣體分配板18 (或氣體噴射器20)。半導(dǎo)體晶片或 工作件40被置于卡盤14的頂部。處理區(qū)域42限定在晶片40和頂壁12 (包括氣體分配板18)之間。
來(lái)自低頻RF偏置功率發(fā)生器125和高頻RF偏置功率發(fā)生器125'的等 離子體RF偏置功率通過(guò)阻抗匹配電路130被施加到晶片支撐基座14上。 DC卡盤電壓從卡盤電壓源48施加到卡盤14上，卡盤電壓源48通過(guò)隔離 電容器50與RF偏置功率發(fā)生器125相隔離。依賴于所施加的RF等離子 體偏置功率的水平和持續(xù)時(shí)間，從RF偏置功率發(fā)生器125、 125'傳遞到晶 片40的RF功率可以將晶片40加熱到超過(guò)400攝氏度的溫度?？梢源_信 約80%或更多的RF功率在晶片40中消散為熱。
圖2的靜電卡盤14是晶片接觸冷卻靜電卡盤，其中接觸晶片的卡盤 的那一部分被冷卻。晶片接觸冷卻靜電卡盤14既不需要?dú)怏w冷卻源也不 需要內(nèi)部氣體冷卻劑通路來(lái)保持晶片冷卻并從晶片移去熱量(盡管也可包 括這樣的特征)。相反地，通過(guò)冷卻卡盤14自身，同時(shí)維持晶片40和卡
盤14之間的直接強(qiáng)力接觸，熱量以限制了等離子體處理期間的最大晶片 溫度或晶片溫度的上升的時(shí)間速率的速率被從晶片移去，這將在下面描 述?；蛘撸ūP電壓可在晶片處理期間變化，以改變所選的傳熱系數(shù)，從 而將晶片溫度控制在目標(biāo)值。該后一特征可通過(guò)監(jiān)視晶片溫度并改變卡盤 電壓以使測(cè)得的晶片溫度和目標(biāo)溫度之間的差最小來(lái)執(zhí)行。隨著測(cè)得的晶 片溫度上升超過(guò)最大目標(biāo)溫度，卡盤電壓增大，隨著測(cè)得的晶片溫度下降 低于目標(biāo)最小溫度，卡盤電壓可以減小。而且，晶片的強(qiáng)力接觸冷卻即使 在高RF偏置功率水平時(shí)也能夠控制晶片溫度。
卡盤14具有被稱為圓盤(puck)的頂層60，其由絕緣或半絕緣材料 構(gòu)成，如氮化鋁或氧化鋁，這些材料可摻雜有其他材料以控制其電屬性和 熱屬性。圓盤60內(nèi)部的金屬(例如鉬)絲網(wǎng)或金屬層62構(gòu)成了陰極(或 電極)，其中經(jīng)由同軸電纜210向陰極施加卡盤電壓和RP偏置功率。圓 盤60可由陶瓷制成?；蛘?，其可以通過(guò)等離子體或物理沉積處理、或化 學(xué)氣相沉積處理或等離子體或火焰噴涂或其他方法制成。其支持在金屬層 64上，金屬層64優(yōu)選地由諸如鋁之類的具有高熱導(dǎo)率的金屬構(gòu)成。金屬 層64位于高度絕緣層66上，選擇高度絕緣層66的厚度、介電常數(shù)和介電 損耗因數(shù)(tangent)，以向卡盤14提供與反應(yīng)器設(shè)計(jì)和處理需求相兼容的 所選的RF特性(例如電容、損耗電阻)。金屬基底層68連接到地。晶片 40通過(guò)從卡盤電壓源48向電極62施加DC電壓而保持在卡盤14上。施加 跨過(guò)絕緣層60的電壓極化了絕緣體60，并在晶片40的底面中誘導(dǎo)產(chǎn)生了 相反的(相互吸引的)鏡像電荷。在半絕緣層60的情形中，除了在晶片 的底面中誘導(dǎo)產(chǎn)生了鏡像電荷外，來(lái)自電極62的電荷遷移經(jīng)過(guò)半絕緣層 60,以積累在非常靠近半絕緣層60的頂面的位置處，從而使電荷和上層 晶片40之間的間隙最小(術(shù)語(yǔ)"半絕緣體"將在下面討論)。這在晶片 40的底面中誘導(dǎo)產(chǎn)生了相反的(相互吸引的)鏡像電荷。由于絕緣層60 中向上的電荷遷移，兩個(gè)相對(duì)的電荷層之間的有效間隙很小，以致于對(duì)于 相對(duì)較小的施加的卡盤電壓而言，卡盤和晶片40之間的吸引力非常大。 例如，電極62上僅為300V DC的卡盤電壓產(chǎn)生了晶片40上等同于約 100Torr壓強(qiáng)的夾緊力。因此，圓盤半絕緣層60由具有期望電荷遷移率的
材料構(gòu)成，從而使材料不是完全的絕緣體(因而，術(shù)語(yǔ)稱為"半絕緣 體")。該半絕緣體材料盡管不是完全的絕緣體，但在某些情況下也可以 不是典型的半導(dǎo)體。在任何情況下，由電極62上的卡盤電壓誘導(dǎo)產(chǎn)生的
電荷在圓盤層60的半絕緣體材料中都是遷移的，因此可以認(rèn)為圓盤半絕 緣體層60由"電荷遷移"材料構(gòu)成。適合于圓盤半絕緣體或電荷遷移層 60的材料的一個(gè)示例是氮化鋁。另一示例是氧化鋁，其可選地可被摻雜以 提高電荷遷移率。例如，摻雜材料可以是二氧化鈦。
來(lái)自RF偏置功率發(fā)生器125、 125'的RF偏置功率可以通過(guò)阻抗匹配 電路130施加到電極62，或者可以通過(guò)半絕緣圓盤層60施加到用于RF耦 合的金屬層64。
晶片40和圓盤60之間的非常高的傳熱系數(shù)是通過(guò)維持非常高的夾緊 力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該力的合適范圍依賴于晶片的預(yù)期熱負(fù)載，這將在說(shuō)明書的 下文中討論。晶片到圓盤的接觸面的傳熱系數(shù)(單位為W/m2°K或給定溫 差下的熱通量密度)適合于以熱量沉積在晶片上的速率移去熱量。具體而 言，傳熱系數(shù)是適當(dāng)?shù)模驗(yàn)樵诘入x子體處理期間，其或者將晶片溫度限 制在低于指定的最大溫度的范圍內(nèi)，或者將晶片溫度的上升的時(shí)間速率限 制在低于上升的最大速率的范圍內(nèi)。依賴于熱負(fù)載，可以選擇最大晶片溫 度至從100攝氏度量級(jí)到更高的實(shí)際范圍內(nèi)的任何溫度。處理期間的熱量 上升的最大速率可以是從3到20度/秒范圍內(nèi)的任何值。特定示例可以是 20度/秒、或10度/秒或3度/秒。通過(guò)比較，如果晶片未被冷卻，則在典 型的300mm硅晶片(熱負(fù)載7500W)的情形中，熱量上升的速率可以是 86.7度/秒，其中80%的熱量被晶片吸收。從而，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，溫度上升的速率減小到未冷卻時(shí)的熱量上升速率的1/4。
這種性能是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的首先，將圓盤維持在足夠低的溫度 (例如，低于目標(biāo)晶片溫度約80°C)，其次，向圓盤60的頂面提供足夠 平整的表面光潔度(例如，在數(shù)十微英寸RMS偏差的量級(jí)，或者優(yōu)選地 在微英寸RMS偏差的量級(jí))。為此，圓盤60的頂面60a可被高度拋光到 例如約2微英寸RMS偏差的量級(jí)的表面光潔度。此外，通過(guò)冷卻金屬層 64將熱量從圓盤60移去。為此，在金屬層64內(nèi)提供有耦合到冷卻劑泵72
和熱沉或冷卻源74的內(nèi)部冷卻劑通路70。在替換實(shí)施例中，除了延伸經(jīng) 過(guò)金屬層64外或者與延伸經(jīng)過(guò)金屬層64不同的是，內(nèi)部冷卻通路70還可 以延伸到圓盤60中或者與其背面相鄰。在任何情況下，冷卻劑通路70都 直接或通過(guò)金屬層64熱耦合到圓盤60，并且用于冷卻圓盤60。循環(huán)經(jīng)過(guò) 內(nèi)部通路70的冷卻劑液體可以例如是水、乙二醇或混合物。或者，冷卻 劑可以是全氟化合物傳熱液體，如"fluorinert"(由3M公司制造)。與 傳統(tǒng)卡盤的內(nèi)部氣體冷卻劑通路不同的是，該特征在存在高RF偏置功率 的情況下表現(xiàn)出很少的電弧或不表現(xiàn)出電弧，其中該高RF偏置功率是由 RF偏置功率發(fā)生器125施加到卡盤14上的。
這種晶片的接觸冷卻相比于采用冷卻氣體的傳統(tǒng)方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在 于，根據(jù)氣體與兩個(gè)表面(即，卡盤表面和晶片底面)的材料的熱適應(yīng)系 數(shù)，冷卻氣體和兩個(gè)表面中每一個(gè)之間的傳熱效率是非常有限的。傳熱速 率被氣體到晶片熱適應(yīng)系數(shù)和氣體到卡盤熱適應(yīng)系數(shù)的乘積衰減。如果這 兩個(gè)系數(shù)都約為0.5 (這是一個(gè)高度粗略的估計(jì))，則晶片-氣體-卡盤的熱 導(dǎo)的衰減因子約為0.25。相反地，本發(fā)明中的接觸冷卻熱導(dǎo)事實(shí)上沒(méi)有這 樣的衰減，熱適應(yīng)系數(shù)有效地對(duì)于圖1A-4的卡盤14來(lái)說(shuō)是一致的。因 此，接觸冷卻靜電卡盤14可以勝過(guò)傳統(tǒng)的靜電卡盤(即，采用氣體冷卻 的靜電卡盤)約四倍(或更大)的因子，并且在晶片和卡盤之間有足夠高 的吸引靜電力。我們已經(jīng)在初步的測(cè)試中觀察到約三倍因子的改進(jìn)。
晶片接觸冷卻靜電卡盤14中晶片40和圓盤60之間的傳熱系數(shù)受圓盤 頂面表面光潔度和夾緊力的影響。這些參數(shù)可以被調(diào)節(jié)以獲得特定環(huán)境下 所必需的傳熱系數(shù)。確定所需要的傳熱系數(shù)的一個(gè)重要的環(huán)境因素是所施 加的RF偏置功率水平?？梢源_信，來(lái)自偏置發(fā)生器125的至少80X的RF 偏置功率在晶片40中消散為熱。因此，例如，如果RF偏置功率水平是 7500W，來(lái)自偏置發(fā)生器125的80%的RF偏置功率在晶片40中消散為 熱，并且晶片面積是706cm2 (300mm直徑晶片)，在晶片40和圓盤60 之間允許有80攝氏度的溫差，則所需要的傳熱系數(shù)是h-7500 X 80%W/(706cm2X80°K)，其是1071W/m2°K。對(duì)于更大的RF偏置功率水 平，可通過(guò)增加前述因子(即跨圓盤的溫度下降，圓盤表面的夾緊力或平
整度)中的任何一個(gè)或兩者，來(lái)增大傳熱系數(shù)。這種高傳熱系數(shù)(很少在 傳統(tǒng)靜電卡盤中獲得)很容易在圖2的靜電卡盤14中獲得，例如通過(guò)施 加lkV量級(jí)的足夠高的卡盤電壓。
另外，通過(guò)提供更大的可用于與晶片背面直接接觸的圓盤表面面積來(lái) 提高熱傳導(dǎo)。在傳統(tǒng)卡盤中，可用于晶片接觸的圓盤表面由于存在開放的 冷卻氣體通道(通過(guò)機(jī)械加工、研磨或以其他方式形成在圓盤表面中)而 極大地減小。這些通道占據(jù)了圓盤表面的很大一部分。
用于增強(qiáng)的蝕刻性能的雙偏置功率頻率
圖1A的反應(yīng)器采用了兩個(gè)不同的偏置功率頻率(即fl和￡2)以優(yōu)化
蝕刻性能。第一偏置頻率fl是諸如2MHz的低頻(LF) RF信號(hào)，并且對(duì) 于等離子體殼層處的離子來(lái)說(shuō)足夠低以遵循其電場(chǎng)的振蕩。由于某些與 LF電場(chǎng)同相的離子將沿著殼層加速，而與LF電場(chǎng)異相的其他離子將沿等 離子體殼層減速，因此LF偏置源提供了相對(duì)較寬廣的離子能量譜。例 如，對(duì)于2MHz下1000V的標(biāo)稱RF偏置水平，離子能量的范圍將從約 300eV到1800eV。第二偏置頻率f2是高頻(HF) RF信號(hào)，其太高而不能 被等離子體殼層處的離子遵循，從而由HF偏置源產(chǎn)生的離子能量分布相 對(duì)較窄，并且中心位于對(duì)應(yīng)于峰-峰電壓的一半的平均值。(頻率G)的 HF偏置源的窄離子能量分布和(頻率fl)的LF偏置源的寬離子能量分布 的組合產(chǎn)生了從由HF偏置源生成的平均離子能量水平延伸到由LF偏置源 生成的較高離子能量水平的離子能量分布?？梢源_信，這種較高離子能量 水平增強(qiáng)了蝕刻性能。問(wèn)題是，兩個(gè)偏置頻率(fl和G)之間的互調(diào)制分 量使得看起來(lái)很難準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)艟妷骸?br> 晶片接觸力反饋控制
阻抗匹配電路130內(nèi)的傳統(tǒng)傳感電路132具有輸出端133，輸出端
133提供分別指示低頻電壓V(fl)、電流I(fl)和(可選的)功率Pbias(fl)以 及高頻電壓V(f2)、電流1(f2)和(可選的)功率Pbias(Q)的信號(hào)，這些信號(hào)
從阻抗匹配電路130的輸出提供到晶片支撐基座14。測(cè)量?jī)x器140使用來(lái)
自輸出端133的信號(hào)來(lái)測(cè)量晶片40上的電壓。測(cè)量?jī)x器140釆用基于下面 將描述的反應(yīng)器100的電模型的處理。處理器80周期性地計(jì)算晶片40的 DC電壓。減法器82計(jì)算DC晶片電壓和由卡盤電壓源48施加到基座14 上的DC電壓之間的差，作為凈卡盤電壓。反饋控制器84將由減法器82 提供的凈卡盤電壓與期望的凈卡盤電壓相比較以確定誤差，并施加校正信 號(hào)以改變DC電壓供應(yīng)48的DC輸出從而減小該誤差。期望的凈卡盤電壓 可由晶片溫度控制處理器提供，該處理器將用戶命令的晶片溫度轉(zhuǎn)換成期 望的凈卡盤電壓。
帶有對(duì)fl和f2的互調(diào)制分量的校正的晶片電壓的測(cè)量
參考圖1B，處理器90通過(guò)將在到電纜210的輸入處測(cè)得的電壓Vin 和電流Im乘上各個(gè)常數(shù)并對(duì)這兩個(gè)乘積加和，來(lái)確定電極或柵格62處的 電壓Vjuncti。n。如在2003年5月16日由Daniel Hoffman提交的未決美國(guó)申 請(qǐng)No. 10/440,364 (被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人)中所公開的，該乘積和加 和采用下面的形式
Vin{Cosh[(Vch) (-length)]} + Iin{Zchsinh[(Veh) (-length)]}。 因此， 一個(gè)常數(shù)是cosh[(Vch) (-le喊h)]，另一個(gè)常數(shù)是Zchsinh[(Vch)(-length)]。這兩個(gè)常數(shù)分別被稱為Kl和K2。 Zch是同軸電纜210的特性阻 抗，Vch是電纜210的復(fù)相位速度，"length"是電纜長(zhǎng)度。晶片40處的電 壓V^fe是根據(jù)引用申請(qǐng)的圖5A的處理器520和圖8A的處理器830的操 作，通過(guò)將因子Z柳fo/Z印d并入到每個(gè)常數(shù)中來(lái)獲得的。Zw血是柵格62和 晶片120之間的阻抗，而Zgrid是柵格62和地之間的阻抗。利用該并入到 常數(shù)中的校正因子，其變?yōu)橐韵滦问?br> Kl = (Zwafer/Zgrid) cosh[(Vch) (-length)]
K2 = (Zwafo/Zgrid) Zchsinh[(Vch) (-length)]。
根據(jù)引用申請(qǐng)，前述內(nèi)容對(duì)于單偏置頻率有效。參數(shù)Zwafe、 Z一和
Vch中的每一個(gè)是在特定偏置頻率處估計(jì)的，從而Kl和K2依賴于頻率。
在圖1A的反應(yīng)器中，有兩個(gè)偏置源125、 125，，其分別提供LF頻率 fl處和HF頻率f2處的偏置功率。因此，圖1B的兩個(gè)處理器90和91采用在不同偏置頻率處估計(jì)的常數(shù)Kl、 K2 (具體如下Kl(fl)、 K2(fl)、 Kl(f2)、 K2(f2)),獨(dú)立計(jì)算在各個(gè)偏置頻率fl、 f2處的晶片電壓。測(cè)量
儀器132向處理器90提供LF輸入電壓Vin(fl)和輸入電流Iin(fl)，向處理
器91提供HF輸入電壓Vin(G)和輸入電流Iin(f2)。 LF處理器90采用LF常 數(shù)Kl(fl)、 K2(fl)，而HF處理器91采用HF常數(shù)Kl(f2)、 K2(f2)，以分別 產(chǎn)生LF晶片電壓Vwafo(fl)和HF晶片電壓Vwafer(f2)。然后，這兩個(gè)RF晶 片電壓V，fo(fl)和V^fe(f2)被用于如下所示的確定測(cè)得的DC晶片電壓。 首先，分別利用處理器92、 93確定兩個(gè)頻率處的晶片DC電壓VDC(fl)、
VDC(f2)，作為L(zhǎng)F和HF晶片電壓V滅r(fl)、 Vwafer(G)的固S值。
為了確定可歸因于這兩個(gè)頻率分量的晶片上的總DC電壓，我們發(fā)
現(xiàn)，在采用這兩個(gè)頻率分量的簡(jiǎn)單加法，Vtx;(fl) + VDc(f2)時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯
的誤差。這是因?yàn)檫@種簡(jiǎn)單加法并沒(méi)有考慮到兩個(gè)偏置頻率之間的互調(diào)制
效應(yīng)。如本說(shuō)明書中先前所述，誤差可能超過(guò)卡盤DC電壓供應(yīng)48的能 力。因此，從結(jié)果中減去校正因子，該校正因子包含兩個(gè)DC電壓分量 VDC(fl)、 VDc(f2)的乘積。簡(jiǎn)單加和和校正因子的組合是利用處理器94執(zhí) 行的，以確定晶片上的總DC電壓
VDC(total) = VDC(fl) + VDC(f2) + E{[VDC(fl)][VDC(f2)]}F 其中E和F是常數(shù)。理論上，F(xiàn)4/2而E4，但是在實(shí)際應(yīng)用中，我 們發(fā)現(xiàn)，獲得的較好的結(jié)果是Fi.43而E-l。這提供了高度精確的晶片上 DC電壓的測(cè)量結(jié)果VDC(wafer)， Voc(wafer)被輸入到管理施加到晶片的 ESC鉗制力的反饋控制回路82、 84、 48。減法器82確定凈晶片鉗制電壓 AVDC，作為來(lái)自處理器80的測(cè)得的DC晶片電壓Voc(total)和由DC卡盤 電壓供應(yīng)48輸出的DC電壓之間的差。反饋控制器84將該值與期望的鉗 制電壓相比較以確定誤差，并改變ESC DC電壓供應(yīng)48的輸出以便減小該 誤差。
基于室的電特性進(jìn)行的晶片電壓的測(cè)量
圖2示出了圖1A的等離子體反應(yīng)器的電模型，其限定了在測(cè)量?jī)x器 140中用來(lái)從阻抗匹配130的輸出處的RF電壓和電流確定晶片40上的電
壓的某些反應(yīng)器組件的電參數(shù)。在圖2的模型中，靜電卡盤(ESC) 14包 括包含電極或?qū)щ姈鸥?2的介電圓盤60，圓盤60被電極62劃分為很薄 的上層介電層115-2和下層介電層115-3。層115-3可對(duì)層60 (較低部 分)、64和66的組合建模，其將電極62與接地的金屬基底68相分離。 圖2還示出了將阻抗匹配電路130的輸出連接到柵格62的同軸電纜210。 同軸電纜210具有內(nèi)導(dǎo)體212和外導(dǎo)體214。
圖2中所示的電模型刻畫了等離子體反應(yīng)器的電屬性，這些屬性利用 傳統(tǒng)技術(shù)很容易確定。具體而言，同軸傳輸線或電纜210的特征在于三個(gè) 量(O其長(zhǎng)度，(2) Zeh，其特性阻抗，和(3) Veh，其傳輸線方程中
的復(fù)相位速度。由于復(fù)相位速度Veh依賴于沿同軸電纜傳播的信號(hào)的頻
率，因此其在這里被稱為Veh(f)以指示其對(duì)頻率的依賴性。ESC 14的特征 在于上層和下層的介電層115-2和115-3的電屬性。具體而言，下層介電 層115-3具有電容CD，其是以下參數(shù)的函數(shù)(1)介電層115-3的介電 常數(shù)Sd， (2)介電層115-3的導(dǎo)電損耗分量tanD， (3)介電層115-3的 厚度gap，和(4)晶片40的半徑。導(dǎo)電損耗分量tariD依賴于耦合經(jīng)過(guò)介 電層的信號(hào)頻率，因此，在這里被稱為tanD (f)以指示其對(duì)頻率的依賴性。 上層介電層115-2具有電容Cp，其是以下參數(shù)的函數(shù)(1)介電層115-2 的厚度gapp， (2)介電層115-2的介電常數(shù)sp，禾n (3)介電層115-2的 導(dǎo)電損耗分量tanp。導(dǎo)電損耗分量tanp依賴于耦合經(jīng)過(guò)介電層的信號(hào)頻 率，因此，在這里被稱為tanp(f)以指示其對(duì)頻率的依賴性。
在一種實(shí)現(xiàn)方式中，圖1A的測(cè)量?jī)x器140可被劃分為兩部分140a、 140b，這兩部分分別專用于頻率fl、 G處的晶片電壓的相應(yīng)分量的測(cè)量。 為此，來(lái)自傳感器132的與LF分量有關(guān)的輸出信號(hào)(g卩，V(fl)、 I(fl)、 P(fl))被提供到測(cè)量?jī)x器部分140a，而來(lái)自傳感器132的與HF分量有關(guān) 的輸出信號(hào)(即，V(f2)、 I(G)、 P(f2))被提供到測(cè)量?jī)x器部分140b。因 此，這兩部分140a、 140b采用不同的上述依賴于頻率的模型參數(shù)值。從 而，測(cè)量?jī)x器部分140a使用Vch(fl)、 tan。(fl)、 tanP(fl)，這些值是在LF頻 率fl處估計(jì)的依賴于頻率的參數(shù)值。類似地，測(cè)量?jī)x器部分140b使用 Vch(f2)、 tanD(f2)、 tanP(f2)，這些值是在HF頻率f2處估計(jì)的依賴于頻率的
參數(shù)值。圖3A和3B圖示了圖1A的各個(gè)測(cè)量?jī)x器部分140a、 140b的結(jié)構(gòu)。
LF測(cè)暈儀器部分140a:
參考圖3A，在測(cè)量?jī)x器部分140a中，輸入相位處理器310接收來(lái)自 圖1A的阻抗匹配傳感電路132的低頻(LF) Pbias(fl)、 V(fl)和I(fl)信號(hào)， 并產(chǎn)生指示同軸電纜210的接近末端(即，離阻抗匹配電路BO最近的末 端)處的LF輸入電流L(fl)和LF輸入電壓Vm(fl)的相應(yīng)信號(hào)。[在一個(gè)實(shí) 施例中，不采用輸入相位處理器310,從而LF輸入電流和電壓Iin(fl)、 V^(fl)與來(lái)自傳感器132的LF電壓和電流V(fl)、 I(fl)相同。這種簡(jiǎn)化避 免了如同在處理器310中進(jìn)行的復(fù)雜的相位計(jì)算。]傳輸線變換處理器320 使用來(lái)自同軸電纜210的電模型330的特性阻抗Zeh和復(fù)相位速度或損耗
系數(shù)Veh(fl)來(lái)從近電纜末端處的Im和Vm變換為遠(yuǎn)電纜末端處(即，同軸
電纜210和柵格62之間的結(jié)點(diǎn))的電壓Vjunetl。n。柵格到地變換處理器340 從柵格到地電容模型345取得半徑、gap、 ￡0和tano(fl)，并產(chǎn)生介電電阻 Ro(fl)和介電電容CD。柵格到晶片變換處理器350從柵格到晶片電容模型 355取得半徑、gapp、 sp和tanp(fl)，并產(chǎn)生等離子體電阻Rp(fl)和等離子 體電容Cp。組合變換處理器360接受所有其他處理器320、 340、 350的輸
出，并計(jì)算晶片電壓Vwafer(fl)。
總的來(lái)說(shuō)，電測(cè)量是在阻抗匹配電路130的輸出處進(jìn)行的。傳輸線變 換處理器320將電纜210的近端處的測(cè)量結(jié)果變換為遠(yuǎn)端處的電壓。柵格 到地變換處理器340提供從接近電纜遠(yuǎn)端處的地平面64到導(dǎo)電柵格62的 變換。柵格到晶片變換處理器350提供從導(dǎo)電柵格62到晶片40的變換。
傳輸線模型330、柵格到地電容模型345和柵格到晶片電容模型355 不一定是測(cè)量?jī)x器140的--部分?；蛘撸鼈兛梢允菧y(cè)量?jī)x器140內(nèi)的存 儲(chǔ)器，其分別存儲(chǔ)同軸電纜參數(shù)(Veh(fl)和Zch)、柵格到地電容參數(shù) (gap、 sD、 tano(fl)和半徑)和柵格到晶片電容參數(shù)(gapP、 sP、 tanp(fl)和 半徑)。
圖4A圖示了圖3A的輸入相位處理器310的結(jié)構(gòu)。輸出功率
(delivered power)算術(shù)邏輯單元(ALU) 410從阻抗匹配傳感電路132的
輸出I(fl)和Pbias(fl)計(jì)算輸出功率P(fl)，計(jì)算式為Pbias(fl) - (0.15) I(fl)2。
相位角ALU 420從輸出功率P(fl)以及V(fl)和I(fl)計(jì)算相位角e(fl)，計(jì)算 式為cos"[P(f1)/V(fl)I(fl)]。阻抗ALU 430計(jì)算復(fù)阻抗Z(fl)，計(jì)算式為 (V(fl)/I(fl))eie，其中i=(-l)1/2。輸入電流ALU 440計(jì)算到同軸電纜210的 輸入電流Im(fl)，計(jì)算式為[P(fl)/Re(Z(f1))]1 輸入電壓ALU 450計(jì)算到 同軸電纜210的輸入電壓Vm(fl)，計(jì)算式為Z(fl)Iin(fl)。
圖5A圖示了圖3A的傳輸線變換處理器320的結(jié)構(gòu)。傳輸線處理器接 收來(lái)自圖4A的輸入相位處理器310的IJfl)和Vin(fl)作為輸入，并使用傳 輸線模型參數(shù)Vch(fl)和Zch (來(lái)自圖3A的傳輸線模型或存儲(chǔ)器330)來(lái)按
如下方式計(jì)算電纜輸出端處的結(jié)點(diǎn)電壓Vj皿f(fl)和導(dǎo)納Yjuneti。n(fl):結(jié)點(diǎn)
電流ALU 510按如下方式計(jì)算同軸電纜210和柵格62 (圖1A)的結(jié)點(diǎn)的
電流Ij薦ti。n(fl):
Iin(f 1) {Cosh[Vch(f 1 )(-length)]} + Vm(f 1) {(1 /Zeh)Sinh[Vch(f 1 )(-length)]}
結(jié)點(diǎn)電壓ALU 520按如下方式計(jì)算同軸電纜210和柵格62之間的結(jié)
點(diǎn)的電壓Vj虛i。n(fl):
Vin(f 1) (cosh[ Vch(f 1 )(-length)]} + Iin(f 1) {Zchsinh[Vch(f 1 )(-length)]}
P余f去器530接l]女Ijunction禾口 Vjunction, 并按Ijunction/Vjunction i十算Yjunction。目U 述計(jì)算中每個(gè)電參數(shù)(電流、電壓、阻抗、導(dǎo)納等)的量都可以是既有實(shí) 部又有虛部的復(fù)數(shù)。
圖6A圖示了圖3A的柵格到地變換處理器340的結(jié)構(gòu)。柵格到地變換 處理器340接收來(lái)自圖3A的柵格到地模型或存儲(chǔ)器345的參數(shù)gap、 ￡D、 taiiD(fl)和rad (晶片半徑)，并計(jì)算介電電阻R。(fl)和介電電容CD。介電 電容CD由CD ALU 610按如下方式計(jì)算
(s。)(SD)兀(rad)2/gap
其中so是自由空間的介電常數(shù)。RD ALU 620使用來(lái)自CD ALU 610 的Cd値，并按如下方式計(jì)算介電電阻rd(fl): (taiiD(fl))/((2兀)(fl)CDgap2)
圖7A圖示了圖3A的柵格到晶片變換處理器350的結(jié)構(gòu)。柵格到晶片
變換處理器350接收來(lái)自圖3A的柵格到晶片模型或存儲(chǔ)器355的參數(shù) gapP、 sp、 tanp(fl)和rad，并計(jì)算等離子體電阻Rp(fl)和等離子體電容CP。 等離子體電容CP由CP ALU 710按如下方式計(jì)算 (So)(Sp)兀(rad)2/gapp
其中so是自由空間的介電常數(shù)。RP ALU 720使用來(lái)自CP ALU 710的
Cp值，并按如下方式計(jì)算等離子體電阻Rp(fl):
(tanp(fl))/((27i)(fl)Cpgapp2)
圖8A圖示了圖3A的組合變換處理器360的結(jié)構(gòu)。組合變換處理器 360接收來(lái)自圖3A的處理器340的參數(shù)RD(fl)、 CD，接收來(lái)自圖3A的處 理器350的參數(shù)Rp(fl)、 Cp，并接收來(lái)自圖3A的處理器320的參數(shù) YjUncti。n。柵格阻抗ALU810按如下方式計(jì)算Z一 (柵格62處的阻抗)傳輸線變換 處理器320'使用來(lái)自同軸電纜210的電模型330的特性阻抗Zeh和復(fù)相位
速度或損耗系數(shù)Veh(f2)來(lái)從近電纜末端處的Im和Vin變換為遠(yuǎn)電纜末端處
(即，同軸電纜210和柵格62之間的結(jié)點(diǎn))的電壓VjUncti。n。柵格到地變 換處理器340，從柵格到地電容模型345取得半徑、gap、化和tanD(f2)，并 產(chǎn)生介電電阻RD(G)和介電電容CD。柵格到晶片變換處理器350，從柵格到 晶片電容模型355取得半徑、gapP、 sp和tanp(G)，并產(chǎn)生等離子體電阻 Rp(f2)和等離子體電容Cp。組合變換處理器360，接受所有其他處理器 320，、 340'、 350，的輸出，并計(jì)算晶片電壓Vwafe(f2)。
總的來(lái)說(shuō)，電測(cè)量是在阻抗匹配電路130的輸出處進(jìn)行的。傳輸線變 換處理器320'將電纜210的近端處的測(cè)量結(jié)果變換為遠(yuǎn)端處的電壓。柵格 到地變換處理器340，提供從接近電纜遠(yuǎn)端處的地平面64到導(dǎo)電柵格62的 變換。柵格到晶片變換處理器350'提供從導(dǎo)電柵格62到晶片40的變換。
傳輸線模型330'、柵格到地電容模型345和柵格到晶片電容模型355 不一定是測(cè)量?jī)x器140的一部分。或者，它們可以是測(cè)量?jī)x器140內(nèi)的存 儲(chǔ)器，其分別存儲(chǔ)同軸電纜參數(shù)(V。h(f2)和Zeh)、柵格到地電容參數(shù)
(gap、 sD、 tano(f2)和半徑)和柵格到晶片電容參數(shù)(gapP、 ￡P(guān)、 tanp(G)禾口 半徑)。
圖4B圖示了圖3B的輸入相位處理器310，的結(jié)構(gòu)。輸出功率算術(shù)邏輯 單元(ALU) 410，從阻抗匹配傳感電路132的輸出I(f2)和Pbaf2)計(jì)算輸出 功率P(f2)，計(jì)算式為Pbias(f2) - (0.15) 1(f2)2。相位角ALU 420，從輸出功率
P(G)以及V(f2)和1(f2)計(jì)算相位角e(G)，計(jì)算式為cos"[P(f2)/ V(f2)I(f2)]。 阻抗ALU 430，計(jì)算復(fù)阻抗Z(f2)，計(jì)算式為(V(f2)/I(f2))e16，其中i=(-l)1/2。 輸入電流ALU 440'計(jì)算到同軸電纜210的輸入電流Ih(f2)，計(jì)算式為 [P(f2)/Re(Z(f2))]1/2。輸入電壓ALU 450，計(jì)算到同軸電纜210的輸入電壓
Vln(f2)，計(jì)算式為Z(f2)Im(f2)。
圖5B圖示了圖3B的傳輸線變換處理器320，的結(jié)構(gòu)。傳輸線處理器接 收來(lái)自圖4B的輸入相位處理器310，的IJf2)和Vm(f2)作為輸入，并使用傳 輸線模型參數(shù)Veh(f2)和Zeh (來(lái)自圖3B的傳輸線模型或存儲(chǔ)器330')來(lái)按 如下方式計(jì)算電纜輸出端處的結(jié)點(diǎn)電壓Vj?？?G)和導(dǎo)納Yjuneti。n(f2):結(jié)點(diǎn) 電流ALU 510'按如下方式計(jì)算同軸電纜210和柵格62 (圖1A)的結(jié)點(diǎn)處
的電流I—cti加(f2):
Iin(G){C0Sh[Vch(f2)(-length)]} + Vin(G){(l/Zch)Sinh[Vch(f2)(-length)]}。 結(jié)電壓ALU 520，按如下方式計(jì)算同軸電纜210和柵格62之間的結(jié)點(diǎn)
的電壓V，ti。n(f2):
Vin(f2){COSh[Vch(f2)(-length)]} + Iin(f2){ZchSinh[Vch(f2)(-length)]}。 除法器530'接收
Ijunction 禾口 Vjuncti0n， 并按Ijunction/Vjuncti。n計(jì)算Yjunction。冃U 述計(jì)算中每個(gè)電參數(shù)(電流、電壓、阻抗、導(dǎo)納等)的量都可以是既有實(shí) 部又有虛部的復(fù)數(shù)。
圖6B圖示了圖3B的柵格到地變換處理器340，的結(jié)構(gòu)。柵格到地變換 處理器340，接收來(lái)自圖3B的柵格到地模型或存儲(chǔ)器345的參數(shù)gap、 sD、 tanD(f2)和rad (晶片半徑)，并計(jì)算介電電阻Ro(f2)和介電電容CD。介電 電容CD由CD ALU 610'按如下方式計(jì)算
(so)(so)兀(rad)2/gap
其中s。是自由空間的介電常數(shù)。RD ALU 620'使用來(lái)自CD ALU 610'
的Cd僮，并按如下方式計(jì)算介電電阻rd(G):
(tanD(f2))/((27i)(f2)CDgap2)。
圖7B圖示了圖3B的柵格到晶片變換處理器350，的結(jié)構(gòu)。柵格到晶片 變換處理器350，接收來(lái)自圖3B的柵格到晶片模型或存儲(chǔ)器355的參數(shù) gapP、 sp、 tanp(f2)和rad，并計(jì)算等離子體電阻Rp(f2)和等離子體電容CP。 等離子體電容CP由CP ALU 710，按如下方式計(jì)算
(￡0)(sP)7u(rad)2/gapP
其中so是自由空間的介電常數(shù)。RPALU720'使用來(lái)自CPALU710'的
Cp值，并按如下方式計(jì)算等離子體電阻Rp(f2):
(tanp(f2))/((2兀)(f2)Cpgapp2)
圖8B圖示了圖3B的組合變換處理器360'的結(jié)構(gòu)。組合變換處理器 360'接收來(lái)自圖3B的處理器340，的參數(shù)RD(G)、 CD，接收來(lái)自圖3B的處 理器350，的參數(shù)Rp(f2)、 Cp，并接收來(lái)自圖3B的處理器320，的參數(shù) Yjuncti。n。柵格阻抗ALU810'按如下方式計(jì)算Zgrid (柵格62處的阻抗)—1
晶片阻抗ALU 820'使用柵格阻抗ALU 810'的輸出按如下方式來(lái)計(jì)算 Zwafer (圖2的晶片120處的阻抗)
Z"f2) - 1/( RP(f2) + (1/(i2兀(fl)Cp)))。
晶片電壓ALU 830，使用ALU 810'和820'的輸出以及來(lái)自圖5B的除 法器530'的VjUnctl。n(f2)，按如下方式來(lái)計(jì)算圖2的晶片40上的電壓
Vj腦tion(f2) Zwafer(f2)/Zgrid(G)
應(yīng)當(dāng)注意，Zgrid(f2)的精確計(jì)算依賴于上述用于電壓和電流
VJuncti。n(G)、 I萍cti。n(f2)的相應(yīng)傳輸線方程中的Vin(f2)和Iin(G)，從而Zgrfd(f2)
不一定是常數(shù)。為了簡(jiǎn)化晶片電壓V^fo(f2)的計(jì)算，因子Zw^(f2)/Zgrid(G) 被忽略(被分配均一值)?；蛘撸瑸榱撕?jiǎn)化計(jì)算，可將可用操作處理窗口
內(nèi)的Zgrid(f2)的平均值選為常數(shù)來(lái)替代在確定Vw血(f2)中的Z一(f2)的精確 計(jì)算。利用該簡(jiǎn)化，因子Zwafer(G)/Zgrid(f2)變?yōu)槌?shù)，從而由ALU 830，進(jìn) 行的晶片電壓Vw^(f2)的確定變?yōu)殡娎|/電極結(jié)點(diǎn)電壓V—ti。n(G)乘上常數(shù) (即，因子Zwafe(f2)/Z^d(f2))。這可能略微降低精度，但是具有簡(jiǎn)化 Vwafer(f2)的計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。
如果需要，f2處的晶片電流可由處理器840'來(lái)測(cè)量，處理器840'將晶
片電壓V肌fo(f2)除以晶片阻抗Zwafo(f2)。
圖1A的處理器所用的常數(shù)的確定
兩個(gè)測(cè)量?jī)x器部分140a、 140b分別提供了晶片電壓的LF和HF分量 VwafOT(fl)、 Vwafo(f2)。這兩個(gè)分量被用在圖IB的處理器中，用來(lái)在考慮到 由于兩個(gè)頻率之間的互調(diào)制而引起的電壓損耗的同時(shí)計(jì)算總晶片DC電 壓，如上參考圖1B所述。圖1B的處理器90用來(lái)確定晶片電壓的LF分量 的LF常數(shù)Kl(fl)、 K2(fl)是根據(jù)圖3A、 4A、 5A、 6A、 7A和8A的公開 按如下方式定義的
Kl(fl) = [Zwafer(fl)/Z"f1)] C0Sh[Vch(fl)(-leilgth)]
K2(fl) = [Zw由(fl)/Zgrid(f1)] ZchSinh[Vch(fl)(-length)]
圖1B的處理器91用來(lái)確定晶片電壓的HF分量的HF常數(shù)Kl(f2)、 K2(f2)是根據(jù)圖3B、 4B、 5B、 6B、 7B和8B的公開按如下方式定義的
Kl(f2) = [Zw"f2)/Z"G)] cosh[Vch(G)(-length)]
K2(f2) = [Zwafer(G)/Zgrid(f2)] Zchsinh[Vch(f2)(-length)]
圖9示出了分別用于生成常數(shù)Kl(fl)、 K2(fl)、 Kl(f2)、 K2(f2)的處理 器95、 96、 97、 98。對(duì)于處理器95和96， Z，fe(fl)和Zgrfd(fl)的值分別來(lái) 自(圖8A的)處理器820和810，如圖9中所示。對(duì)于處理器97和98， Zwafo(G)和Zgrid(f2)的值分別來(lái)自(圖8B的)處理器820，和810，，如圖9 中所示。這些常數(shù)可分別存儲(chǔ)在圖1B的寄存器90a、 90b、 91a、 91b中。
在高效的實(shí)現(xiàn)方式中，來(lái)自傳感器132的相位信息是不需要的。在該 實(shí)現(xiàn)方式中，不采用相位處理器310，并且傳感器電壓和電流V(fl)、 I(fl)、 V(f2)、 I(G)以圖1B所示的方式乘上存儲(chǔ)在寄存器90a、 90b、 91a、 91b中的常數(shù)。為了確保Kl(fl)、 K2(fl)、 Kl(f2)、 K2(G)是真常數(shù)，量 Zgrid被替代以預(yù)測(cè)的操作處理窗口上可用的Z^d的平均值，如前在說(shuō)明書 中所述。
盡管已經(jīng)結(jié)合獨(dú)立處理器描述了在測(cè)量?jī)x器140中執(zhí)行的每個(gè)操作， 但是測(cè)量?jī)x器140內(nèi)的若干處理器也可以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)處理器中，這單個(gè)處 理器的資源是共享的以在不同時(shí)間執(zhí)行不同的操作?；蛘撸瑴y(cè)量?jī)x器140 內(nèi)的所有處理器由單個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)，這單個(gè)處理器是測(cè)量?jī)x器所執(zhí)行的不 同操作之間的共享資源，從而測(cè)量?jī)x器140可實(shí)現(xiàn)為利用中央處理單元
(CPU)來(lái)執(zhí)行所有操作的計(jì)算機(jī)。
相位處理器310a、 310b將傳感器132感應(yīng)到的電壓和電流的測(cè)量值變 換為輸入電壓和電流Vin(fl)、 Iin(fl)、 Vin(G)、 Iin(f2)。因此，出于權(quán)利要求 的原因，相位處理器310a、 310b可被認(rèn)為是傳感器132的一部分，從而相 位處理器310a、 310b的輸出Vin(fl)、 Iin(fl)、 Vin(f2)、 1;[1(￡2)被認(rèn)為是來(lái)自 傳感器132的測(cè)量電壓和電流。事實(shí)上，在某些情況下，可以去除或旁路 相位處理器310。
存儲(chǔ)常數(shù)Kl(fl)、 K2(fl)、 Kl(f2)、 K2(f2)的使用極大地簡(jiǎn)化了晶片電 壓頻率分量的計(jì)算，其將該計(jì)算簡(jiǎn)化為傳感電流和電壓與相應(yīng)常數(shù)的簡(jiǎn)單 乘法和所得到的乘積的加和。這使得沒(méi)有必要測(cè)量相位以確定晶片電壓。
本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明可用于蝕刻處理中的Johnson-Raybeck靜電卡盤(ESC)(即， 在圖1A中描述的卡盤類型)，以精確地控制晶片DC電壓，從而使偏置 功率可增大到處于非常高的晶片溫度(例如60攝氏度)處的ESC的容量 (例如10kW)，以在非常低的室壓強(qiáng)(例如5mT)下實(shí)現(xiàn)更直的蝕刻分 布特性，從而獲得更好的蝕刻選擇性。來(lái)自晶片的熱傳導(dǎo)通過(guò)控制靜電鉗 制力來(lái)加以調(diào)節(jié)，如上所述。如果沒(méi)有本發(fā)明所提供的晶片DC電壓的精 確測(cè)量和控制，則運(yùn)行這樣高的晶片偏置功率可能有如下的風(fēng)險(xiǎn)即晶片 DC電壓中的誤差可能引起兩種災(zāi)難性事件之一(1)如果DC晶片電壓 太小，則晶片可能被不適當(dāng)?shù)劂Q制，從而其溫度上升失控或者晶片與ESC 脫離；(2)如果DC晶片電壓太大，則晶片可能被鉗制過(guò)當(dāng)，導(dǎo)致由于 DC晶片電流過(guò)量而處理失敗。問(wèn)題在于，盡管Johnson-Raybeck ESC可以 容忍低室壓強(qiáng)(例如5-10mT)下的非常高的晶片偏置功率水平(例如 10kW)而不會(huì)引起擊穿，但是其絕緣層在蝕刻所需的高溫下變得非常易 損，從而要求更多的偏置功率以維持給定的DC晶片電壓，這導(dǎo)致更高的 晶片電流。在本發(fā)明之前，該問(wèn)題不得不通過(guò)限制晶片溫度或晶片偏置電 壓(或兩者)以防止晶片DC電壓中的任何誤差超過(guò)可允許限度來(lái)加以避 免。利用本發(fā)明，以完全無(wú)害的方式高精度地實(shí)時(shí)監(jiān)視晶片DC電壓(和
電流)。利用對(duì)偏置功率水平的控制反饋，可以使得晶片DC電壓和(由 此引起的)晶片鉗制電壓接近可允許限度(即，接近最大晶片電流限度或 接近最小鉗制電壓)，而不會(huì)有任何違反這些限度的可能，這是通過(guò)本發(fā)
明的精確晶片DC電壓測(cè)量和RF偏置功率水平之間的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng) 防止的。結(jié)果，偏置功率可以增大到處于高晶片溫度(例如60攝氏度) 和相對(duì)較低的室壓強(qiáng)(例如5mT)下的非常高的水平(例如10kW)。這 些處理參數(shù)值限定了新的高性能蝕刻處理窗口，該窗口只有本發(fā)明才可獲 得。
盡管通過(guò)參考特定優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫 離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下可以進(jìn)行變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種等離子體反應(yīng)器，包括真空室和所述室內(nèi)用于支持要處理的晶片的靜電卡盤，以及靜電卡盤供應(yīng)電壓源；用于將處理氣體供應(yīng)到所述室內(nèi)的處理氣體入口；等離子體射頻偏置功率供應(yīng)和射頻功率路徑，所述射頻功率路徑具有耦合到所述等離子體射頻偏置功率供應(yīng)的輸入端和耦合到所述晶片的支撐基座的輸出端，以及提供代表所述射頻功率路徑的輸入端附近處的測(cè)量電壓和測(cè)量電流的測(cè)量信號(hào)的傳感器電路；用于提供晶片電壓信號(hào)的處理器，所述晶片電壓信號(hào)是所述測(cè)量電壓和所述測(cè)量電流分別乘上第一系數(shù)和第二系數(shù)的加和，所述晶片電壓信號(hào)代表所述晶片的支撐基座上支撐的晶片上的電壓；以及控制所述靜電卡盤的直流供應(yīng)電壓以管理鉗制電壓的反饋控制回路，所述鉗制電壓包括所述晶片電壓的直流分量和所述靜電卡盤的所述供應(yīng)電壓源的電壓之間的差。
2. 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述反饋控制回路使所述鉗制電 壓和目標(biāo)鉗制電壓之間的差最小。
3. 如權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，還包括用于根據(jù)期望晶片溫度選擇所 述目標(biāo)鉗制電壓的控制器。
4. 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述射頻功率路徑包括同軸傳輸 線，并且所述第一系數(shù)和第二系數(shù)分別包括對(duì)應(yīng)于所述同軸傳輸線的傳輸 線方程的電壓系數(shù)和電流系數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其中所述晶片的支撐基座包括耦合到所述同軸傳輸線的輸出端的導(dǎo)電柵格；所述加和被在所述處理器內(nèi)乘上校正因子，所述校正因子包括柵格到 晶片阻抗Z^fo和柵格到地阻抗ZgHd之間的比。
6. 如權(quán)利要求5所述的反應(yīng)器，其中所述處理器包括用于生成所述電 壓系數(shù)和所述電流系數(shù)的傳輸線變換處理器、用于生成所述柵格到地阻抗 Z一的柵格到地變換處理器和用于生成所述柵格到晶片阻抗Zwafe的柵格到 晶片變換處理器。
7. —種等離子體反應(yīng)器，包括 真空室和所述室內(nèi)用于晶片支持的支撐； 用于將處理氣體供應(yīng)到所述室內(nèi)的處理氣體入口 ；用于供應(yīng)分別包括第一頻率分量f(l)和第二頻率分量f(2)的射頻偏置 功率的等離子體射頻偏置功率供應(yīng)，以及具有耦合到所述等離子體射頻偏 置功率供應(yīng)的輸入端和耦合到所述晶片的支撐基座的輸出端的射頻功率路 徑，以及提供代表所述射頻功率路徑的輸入端附近處的測(cè)量電壓的第一頻 率分量和第二頻率分量以及測(cè)量電流的第一頻率分量和第二頻率分量的測(cè) 量信號(hào)的傳感器電路；用于提供晶片電壓信號(hào)的第一頻率分量和第二頻率分量的處理器，所 述晶片電壓信號(hào)的第一頻率分量和第二頻率分量分別是所述測(cè)量電壓和測(cè) 量電流的第一頻率分量分別乘上第一系數(shù)和第二系數(shù)的第一加和和所述測(cè) 量電壓和測(cè)量電流的第二頻率分量分別乘上第三系數(shù)和第四系數(shù)的第二加 和；以及用于通過(guò)利用校正因子組合所述晶片電壓的所述第一頻率分量和第二 頻率分量的直流分量來(lái)生成直流晶片電壓的處理器，所述校正因子包括被 升高到選定功率并且乘上選定系數(shù)的所述晶片電壓的所述第一分量和第二 分量的所述直流分量的乘積。
8. 如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述選定功率約為0.5，所述選 定系數(shù)約為0.3。
9. 如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述選定功率約為0.43，所述選 定系數(shù)約為1。
10. 如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述晶片支撐包括靜電卡盤和 連接到所述靜電卡盤的直流供應(yīng)電壓源，所述反應(yīng)器還包括控制所述靜電卡盤的所述直流供應(yīng)電壓源以管理鉗制電壓的反饋控制 回路，所述鉗制電壓包括所述直流晶片電壓和所述靜電卡盤的所述直流供 應(yīng)電壓的電壓之間的差。
11. 如權(quán)利要求IO所述的反應(yīng)器，其中所述反饋控制回路使所述鉗制 電壓和目標(biāo)鉗制電壓之間的差最小。
12. 如權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，還包括用于根據(jù)期望晶片溫度選擇 所述目標(biāo)鉗制電壓的控制器。
13. 如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述射頻功率路徑包括同軸傳輸線，并且其中所述第一系數(shù)和第二系數(shù)分別包括對(duì)應(yīng)于所述同軸傳輸線的傳輸線方 程的第一頻率電壓系數(shù)和第一頻率電流系數(shù)；并且所述第三系數(shù)和第四系數(shù)分別包括對(duì)應(yīng)于所述同軸傳輸線的傳輸線方 程的第二頻率電壓系數(shù)和第二頻率電流系數(shù)。
14. 如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中所述晶片支撐基座包括耦合到所述同軸傳輸線的輸出端的導(dǎo)電柵格；所述第一加和被在所述處理器內(nèi)乘上某一校正因子，該校正因子包括柵格到晶片阻抗的第一頻率分量Z柳fe(fl)和柵格到地阻抗的第一頻率分量 Zgrid(fl)之間的比；并且所述第二加和被在所述處理器內(nèi)乘上某一校正因子，該校正因子包括 柵格到晶片阻抗的第二頻率分量Z^fo(f2)和柵格到地阻抗的第二頻率分量Zgrid(f2)之間的比。
15. 如權(quán)利要求14所述的反應(yīng)器，其中所述處理器包括用于生成所述 第一頻率電壓系數(shù)、第二頻率電壓系數(shù)和第一頻率電流系數(shù)、第二頻率電 流系數(shù)的傳輸線變換處理器、用于生成所述第一頻率分量和第二頻率分量 柵格到地阻抗Zgrid(fl)、 Zgrid(f2)的柵格到地變換處理器和用于生成所述第一頻率分量和第二頻率分量柵格到晶片阻抗Zwafe(fl)、 Zwafo(f2)的柵格到晶片變換處理器。
16. 如權(quán)利要求7所述的反應(yīng)器，其中所述第一頻率分量對(duì)應(yīng)于幾 MHz量級(jí)的低頻，所述第二頻率分量對(duì)應(yīng)于約為10MHz量級(jí)的高頻，并 且所述校正因子補(bǔ)償了所述第一和第二頻率分量之間的互調(diào)制。
全文摘要
等離子體反應(yīng)器具有用于供應(yīng)分別包括第一頻率分量和第二頻率分量的RF偏置功率的雙頻等離子體RF偏置功率源和具有耦合到等離子體RF偏置功率源的輸入端和耦合到晶片支撐基座的輸出端的RF功率路徑，以及提供代表RF功率路徑的輸入端附近處的測(cè)量電壓的第一頻率分量和第二頻率分量以及測(cè)量電流的第一頻率分量和第二頻率分量的測(cè)量信號(hào)的傳感器電路。反應(yīng)器還包括用于提供晶片電壓信號(hào)的第一頻率分量和第二頻率分量的處理器，所述晶片電壓信號(hào)的第一頻率和第二頻率分量分別是測(cè)量電壓和測(cè)量電流的第一頻率分量分別乘上第一系數(shù)和第二系數(shù)的第一加和，以及測(cè)量電壓和測(cè)量電流的第二頻率分量分別乘上第三系數(shù)和第四系數(shù)的第二加和。處理器通過(guò)利用互調(diào)制校正因子組合晶片電壓的第一頻率分量和第二頻率分量的DC分量來(lái)生成DC晶片電壓，互調(diào)制校正因子是被升高到選定功率并且乘上選定系數(shù)的晶片電壓的第一分量和第二分量的DC分量的乘積。
文檔編號(hào)H05H1/00GK101110347SQ20061009933
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者丹尼爾·J·霍夫曼, 史蒂文·C·香農(nóng), 柯康蘇, 翁瑟科·李, 蔣國(guó)楊, 道格拉斯·H·伯恩斯 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司