专利名称：用于晶片处理控制和诊断的电子集成硬件的制作方法
技术领域：
本发明与半导体器件的等离子处理有关。更确切的说，本发明与一种集成了传感器和硬件控制(应用于半导体制造设备)的仪器有关，精确的说，是一种等离子蚀刻系统。
背景技术：
对离子化气体处理的不同形式，像等离子蚀刻和沉积，离子反应蚀刻和沉积等越来越重要，尤其是在半导体器件制造领域中。人们特别关注在蚀刻过程中所使用的设备。
图1描述了一种传统的电感耦合的等离子蚀刻系统100，其可用于处理和制造半导体器件。电感耦合的等离子处理系统100中包括一个带有等离子体腔104的等离子反应器102。变压器耦合电源(TCP)控制器106和一个偏压电源控制器108分别控制TCP电源110和偏压电源112，从而控制在等离子体腔104中所产生的等离子体。
TCP电源控制器106为TCP电源110设置了一个固定点，通过配置以将射频信号RF(通过TCP匹配网络114来调整)送给位于等离子体腔104附近的TCP线圈116。一个RF信号透明窗118通常用来将TCP线圈116和等离子体腔104隔离，同时允许能量从TCP线圈116中传递到等离子腔104中。
偏压电源控制器108为偏压电源供应112设置了一个固定点，其通过配置以将射频信号RF(通过偏压匹配网络120调整)送到位于等离子体发生器104内的一个电极122，用以在电极122上产生直流(DC)偏压，电极122用来接收待处理衬底124(如半导体晶片等)。
一种气体提供装置126，例如摇摆控制阀门，通常可向等离子体反应器104内部提供生产过程中所需要的适当的化学物质。一种气体排放装置128可将等离子体腔104中的颗粒排出，并使腔体中保持一定的压力。压力控制器130同时控制气体提供装置126和气体排放装置128。
一种温度控制器134将等离子体腔104中的温度控制到一个选定的固定温度，温度控制是通过等离子体腔104附近的加热器136，如加热盒等。
在等离子体腔104中，衬底蚀刻是通过将衬底104在真空下暴露于离子化的混合气体(等离子体)来实现的。当气体被输送到等离子体腔104时，蚀刻过程开始。由TCP线圈116传递、并通过TCP匹配网络(match network)110调整的RF电源将气体离子化。由电极122传递并由偏压匹配网络120调整的射频电源，包括了衬底124上的直流偏压，该直流偏压可用来控制衬底124的离子轰击方向和能量大小。在蚀刻过程中，等离子体与衬底124的表面进行化学反应，以去除没有被光阻掩模所覆盖的材料。
像离子反应器的设置等基本参数在等离子反应过程中极为重要。TCP电源，偏压电源，气体压力，气体温度和等离子体腔104中的气流的实际大小，极大地影响着过程的条件。传送到等离子体腔104的实际功率的显著差异会不可预测地可改变其他过程变量参数的预测值，比如说中性或离子化微粒的密度、温度和蚀刻率等。
但是，在已有的等离子体蚀刻系统中，基本参数是由分离的独立控制器来控制，它们之间没有实时的直接通信。图2描述了一种传统的等离子体蚀刻控制硬件系统。TCP匹配(match)200包括TCP控制器202。偏压匹配204中包括偏压控制器206。压力控制阀门208中包括压力控制器210。光发射光谱仪(OES)或者干涉仪(INTRF)212包括了光发射光谱仪或者干涉仪控制器214。VME底盘216通过串行连线218与独立的控制器202、206、210、214连通。因此，反应器的设置通过独立的控制器在相互之间以相对较慢的通信连接来进行控制。
在等离子体蚀刻系统中，一个参数的改变会影响到其他参数。例如，在一个过程中，腔体中的化学反应会使等离子体阻抗产生变化，这对功率传递、温度、压力都会有影响。所以，为了有效的减少这些影响，一个操作人员需要制定极其谨慎的步骤。这样一般会限制操作处理窗口，增加处理时间，影响等离子体蚀刻系统的吞吐能力。此外，第一晶片效应(在同一等离子体反应器中的第一个晶片处理会使此反应器发生变化，这种变化将影响到随后的处理)和长期存在的处理超时漂移(等离子体反应器经过一段较长时间的使用，会由于超长利用而失去其精度)都显示出对反应器设置的控制不仅仅是控制在腔体内部和晶片上所产生结果。
因此需要有一种方法和设备，以通过开放式结构将所有控制功能集中起来，从而允许在不同控制器之间进行实时通信。利用这种设备，操作人员可以显著提高蚀刻过程的稳定性和可重复性，最终控制与过程直接相关的参数，从而可以直接控制晶片的特性。
发明概述一种应用于半导体生产设备上的中央控制器，其中利用一种开放式结构集成了多个控制器，这种开放式结构可实现在不同的控制环路之间进行实时通信。该中央控制器包括至少一个中央处理单元(CPU)，用来实现高级输入输出(I/O)和控制算法；以及至少一个集成的I/O控制器，其提供集成的接口至传感器和控制硬件。该集成的I/O控制器执行基本的输入输出和低级控制功能，并通过总线与CPU连通，以实现对半导体制造设备不同的子系统的控制或使用。
一种对半导体生产设备使用中的多个传感器和多个控制硬件进行控制的方法，在该方法中将一个应用软件加载到一个连接到总线上的中央处理器板上。传感器和控制硬件与安装在单个电路板上的电控制器相连，该电路板在总线的存储空间中占据一地址块。从而，此单个电路板与总线相连，通过该应用软件对传感器和控制硬件进行控制。
附图简述图1示出传统的等离子体蚀刻系统的系统方框图。
图2示出在等离子体蚀刻系统中传统控制硬件环境的系统方框图。
图3是根据本发明的一个具体实施例的蚀刻系统中央硬件控制器的系统方框图。
图4是根据本发明的一个具体实施例的电路板的系统方框图。
优选实施例的详细说明本领域普通技术人员将理解，以下关于本发明的描述仅仅是说明性的而不是为了加以限制。本发明的其他实施例将很容易向本领域技术人员显示其具有说明书所述的益处。
半导体制造设备(例如等离子蚀刻系统)采用计算机系统来监测和控制晶片的传送、气体的流动、晶片的处理和晶片的脱模(stripping)。
在图3中描述了一个硬件控制系统，其中包含有本发明的一个优选实施例。它包括有一个中央控制器300，其中包含了至少一个中央处理单元(CPU)板304，至少一个电路板306(例如一块VIOP板)以及一个可选的通信板308。所有的板子都插接在底板312中的总线上，比如VME总线310。通信板308与等离子蚀刻系统的其他部件(例如用户接口)进行交互。在电路板306上安装有若干个I/O微控制器。这些I/O微控制器与不同的外部控制硬件和传感器连通，例如TCP匹配器314、偏压匹配器316、压力控制阀318以及OES或INTRF传感器320。特别地，由位于电路板206中的两个TCP微控制器322控制外部TCP匹配器314。位于电路板306上的两个偏压微控制器324控制外部偏压匹配器316。位于电路板306上的两个压力微控制器326控制外部压力控制阀318。位于电路板306上的一个OES或INTRF控制器328控制外部OES或INTRF传感器320。
微控制器322、324、326、328可以是内置的独立分档控制器，这些控制器连接外部驱动装置，即，TCP电容器驱动装置、偏压匹配电容器驱动装置或者摆动阀门驱动装置。该中央控制器还可以包括对OES的内置式接口，例如，Ocean Optics S2000光谱仪，或者既是OES又是INTRF，例如Ocean Optics SD2000。
在反应腔体中，晶片蚀刻是通过在真空中把晶片暴露在离子化的气体混合物中(等离子体)来实现的。蚀刻的方法包括有一系列的步骤来控制气体流动的速度、腔体压力、射频功率、隙缝间距、腔体温度、以及氦气后端冷却压力。这些数值被编程输入到计算机系统中。
操作人员在开始蚀刻过程前选择所需要的蚀刻方法。CPU304通过执行高级输入输出(I/O)和控制算法来处理蚀刻方法中的算法，并通过VME总线320与微控制器322、324、326、328连通。微控制器322、324、326、328然后执行基本的I/O和低级控制功能，并提供对传感器和控制硬件314、316、318、320的集成接口。因此，CPU 304通过VME总线310和微控制器322、324、326、328连通，以实现对等离子蚀刻系统的多种子系统的控制和启动，例如，TCP功率、偏压电源、气体压力、以及OES或INTRF传感器。
图4显示电路板306(图3)的一个目前较好的实施例。一个输入输出(I/O)处理器电路板400可具有一个24比特地址和一个16比特数据的VME总线兼容板，这个兼容板在VME的存储空间中占有一个64千字节的地址块。总线402与分档控制器接口404、数字输入(DI)和数字输出(DO)VME接口406、以及双端口存储器(DPM)408连通。
分档控制器接口404可以包括用于TCP匹配器的两个轴(TCP电容器一410和TCP电容器二412)，用于偏压匹配器316的两个轴(偏压电容器一414和偏压电容器二416)，用于压力控制阀318的一个轴(摆动阀门418)，以及一个备用轴420。分档控制器接口发送指令到控制该轴的微处理器422。在多个速率表中，速度数据可用4比特表示步进率，用1比特表示方向。一个微控制器固件会在步进率变化时自动执行加速/减速。
数字输入(DI)和数字输出(DO)VME接口406映射VME存储空间中的DI和DO 424。数字输入(DI)可以是一个24伏特的源类型，因为传感器需要一个源电压。数字输出(DO)可以为24伏特源类型，并且有回读的能力。
DPM 408与微控制器426和OES和/或INTRF VME接口428连通。通过DPM 408的运用，模拟输入(AI)和模拟输出(AO)430被直接映射到VME存储空间。通过采用受微控制器426控制的转换器ADC 430，对模拟输入AI 430进行转换。受微控制器426控制的DAC 430对数字信号AO 430进行转换。VIOP 400可具有32个模拟输入和12个模拟输出。在-10伏特和+10伏特之间，模拟输入具有12比特分辨率，通过主机启动的自校准，保证具有0.1％的精度。在0到10伏特之间，该模拟输出可以具有精度为0.1％的12比特分辨率，并具有用于自检测的回读能力。
VIOP 300也可包括一个到OES和/或INTRF 432的VME接口428，其中的控制和数据都映射到VME存储空间上。OES可以是Ocean Optics S2000。OES和INTRF可以是Ocean Optics SD2000。光谱数据可以是12比特宽，并可以同步采集OES和/或INTRF光谱。光谱的累积由控制器428来执行，例如一个基于PLD类型的控制器，其具有可编程积分周期，在序列1，1.4，2，2.8…上可以表示从4毫秒到250毫秒。
因此，为了得到最优性能，本发明将控制功能进行划分。它促进了时间紧要环路(time critical loop)的紧密耦合，同时允许对非时间紧要子系统进行“本地”控制。这种集成接口通过最大限度地利用资源和减少软硬件的冗余来减少了设备成本。这种开放式结构也允许控制器实时地相互配合，使得处理过程是稳定和一致的。
图5的流程图描述了在软件应用程序、传感器和控制硬件之间的交互。在方块500中，一个应用软件驻留在CPU板上，例如CPU板304，该软件使得操作人员可以输入必要参数，以在等离子体蚀刻和沉积反应器中的晶片上建立所需要的表面轮廓。此应用软件和方框502中的驱动程序进行交互。这些驱动程序是低级的驱动例行程序，它们将方框500中的应用软件与方框504中的控制传感器和控制硬件连接起来。电路板306(图3)已经为每个传感器和控制硬件分配了特定的映射地址。例如，VME存储空间FAC2000h-FAC21FFFh已经被分配给VIOP状态/控制和DI/DO。这时通过引用相应的存储映射地址，驱动程序可以执行由应用软件传递给特定的传感器或者控制硬件的高级指令。
一种对应用在半导体制造设备中的传感器和控制硬件进行控制的方法，如图6中的流程图所示。在第一个方框600中，应用软件允许操作人员选择一种处理方法，其中包括具体的参数，以在等离子体蚀刻和沉积系统中产生所需要的表面轮廓，此应用软件被加载到CPU板上，例如图3中的CPU板304。在方框602中，CPU板插接总线，如VME总线310。在方框604中，传感器和控制硬件，例如TCP匹配器314、偏压匹配器316、压力控制阀318、OES/干涉仪320都被连接到若干微控制器上。在方框606中，电控制器，例如微控制器322，324，326和328，都被安置在一个单个电路板上，例如VIOP板306。在方框608中，此单个电路板插接总线上。在方框610中，操作人员通过加载到CPU板上的应用软件来控制传感器和控制硬件。在单个电路板上具有这种对控制器的中央控制设备，有利于多个时间紧要环路的紧密耦合，同时也允许对多个时间紧要子系统进行本地控制。图6中所示的该方法的其他实施例可以具有以任意顺序排列的方框600到方框608。
因为在单个电路板上的微控制器以实时方式通信，它们可以交换关于等离子体晶片处理状态的关键信息，使CPU能够控制整个操作。通过CPU发送高级指令到单个电路板上的微控制器和接口，可配合这种等离子体晶片处理过程。然后，这些指令由专门执行“简单”任务的微控制器来执行。这种结构使得每个控制器的闭合环路可以进行相互通信。因为有许多影响等离子体蚀刻和沉积过程的互相依存的参数和变量，对TCP、偏压或压力等参数宏观的“同步”控制，使得操作人员可以显著地改善蚀刻和沉积过程的精度、稳定性和可重复性。
尽管以上图示及说明了本发明的实施例和应用，对于本领域技术人员来说，在本发明思想范围内，可提出除上面所述之外的更多修改。例如，各种不同的控制环路在集成I/O板上的集成程度可根据所期望的特定应用而升级。例如带有其低级固件的OES，可被抽取出来并与CPU板结合，以作为一个“便携式”光发射光谱仪。这种新的控制器也可以应用于现有技术，来提高其现有能力。
另外，对非常复杂的半导体制造设备来说，也可以利用这些“中央”控制器的多级，以优化控制分解、布线管理(wire harnessing)和空间分配。
因此，此发明除了在所附权利要求中声明以外不受限制。
权利要求
1.一种用于半导体生产设备中的中央控制器，其包括一总线；至少一个中央处理单元(CPU)卡，所述CPU卡插接所述总线，并执行至少一种高级输入输出控制算法；至少一个电路板，所述电路板插接上述总线，并提供一个集成接口至所述半导体生产设备的多个传感器和多个控制硬件。
2.如权利要求1中所述的中央控制器，其中，所述电路板执行基本的输入输出或低级控制功能。
3.如权利要求1中所述的中央控制器，其中，所述电路板通过所述总线与所述CPU连通，以使用或者启动所述半导体制造设备的多个传感器和多个控制硬件。
4.如权利要求1中所述的中央控制器，其中所述总线是VME(Versa Modular European)总线。
5.一种在半导体制造设备中应用的电路板，其包括一分档控制器接口，其与VME总线和多个微控制器连通，所述多个微控制器控制多个轴；一数字输入和数字输出接口，其与VME总线连通，并将所述数字输入和数字输出映射到VME存储空间；第一双端口存储器，其与VME总线连通，并将模拟输入和模拟输出映射到VME存储空间；以及第二双端口存储器，其与VME总线以及OES或者INTRF连通。
6.一种用于控制在半导体制造设备中使用的多个传感器和多个控制硬件的方法，该方法包括加载一应用软件到一个CPU板上；将所述CPU板插接到总线上；将该多个传感器和该多个控制硬件连接到多个电控制器上；将所述多个电控制器安装在单个电路板上，所述单个电路板在所述总线的存储空间中占据一个地址块；将所述单个电路板插接到所述总线上；以及通过所述应用软件控制该多个传感器和该多个控制硬件。
7.如权利要求6中所述的方法，其中，所述地址块的大小为64千字节。
8.如权利要求6中所述的方法，其中，所述应用软件通过多个驱动程序与该多个传感器和该多个控制硬件进行通信，所述多个驱动程序将上述应用软件定位到多个相应的存储映射地址。
9.如权利要求6中所述的方法，其中，所述多个电控制器进一步促进了多个时间紧要环路的紧密耦合，并允许对多个非时间紧要子系统进行本地控制。
10.一种可以被机器读取的程序存储设备，其可明确实施可由该机器读取的指令程序，以实现一种控制半导体制造设备中所用的多个传感器和多个控制硬件的方法，该方法包括加载一应用软件到CPU板上；将所述CPU板插接到一总线上；将该多个传感器和该多个控制硬件连接到多个电控制器上；将所述多个电控制器安装在单个电路板上，所述单个电路板在所述总线的存储空间中占据一地址块；将所述单个电路板插接到所述总线上；并且通过所述应用软件控制该多个传感器和该多个控制硬件。
全文摘要
一种用于半导体制造设备的中央控制器，其中集成了多个控制器，具有开放式结构以在不同的控制环路间进行实时通信。该中央控制器中包括至少一个中央处理单元，用来执行高级输入输出(I/O)和控制算法，以及至少一个集成的输入输出控制器，其提供与传感器和控制硬件的集成接口。集成的I/O控制器执行基本的输入输出和低级控制功能，并通过总线与中央处理单元连通，以实现对半导体生产设备的多种子系统的使用或控制。一种对半导体生产设备中所用的多个传感器和多个控制硬件进行控制的方法，在该方法中将一个应用软件加载到一个插接到总线上的CPU板。传感器和控制硬件与安装在单个电路板上的电控制器相连，该电路板在总线的存储空间中占据一地址块。然后，此单个电路板与总线插接，通过应用软件对传感器和控制硬件进行控制。
文档编号H01L21/3065GK1449514SQ01814945
公开日2003年10月15日 申请日期2001年6月29日 优先权日2000年6月30日
发明者图安·努, 法罗·卡尔赫, 康妮·拉姆, 黄中和, 倪图强, 安东尼·T·勒, 史蒂文·萨尔高 申请人:蓝姆研究公司