高壓電源多參數(shù)協(xié)同控制在半導(dǎo)體蝕刻設(shè)備中的應(yīng)用研究

引言
在半導(dǎo)體制造中，等離子體蝕刻是決定器件精度的核心工藝之一。蝕刻設(shè)備的高壓電源系統(tǒng)直接控制等離子體的密度、能量分布及反應(yīng)活性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響蝕刻速率、選擇比和關(guān)鍵尺寸均勻性。傳統(tǒng)的單參數(shù)閉環(huán)控制（如恒壓或恒流模式）難以應(yīng)對(duì)工藝氣體成分變化、晶圓負(fù)載效應(yīng)等非線性干擾。因此，多參數(shù)協(xié)同控制（Multi-Parameter Collaborative Control, MPCC）成為提升蝕刻工藝窗口的關(guān)鍵技術(shù)路徑。 
技術(shù)挑戰(zhàn)
1. 多物理場(chǎng)耦合 
   等離子體蝕刻過(guò)程涉及電磁場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)流與熱力學(xué)多場(chǎng)耦合。高壓電源的輸出特性（如頻率、脈寬、相位）直接影響鞘層電壓分布，進(jìn)而改變離子轟擊能量角度分布。單一參數(shù)調(diào)整可能引發(fā)連鎖效應(yīng)，例如： 
   • 頻率升高可能降低等離子體密度，但增加電子溫度； 
   • 脈寬調(diào)制過(guò)大會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱，破壞掩膜選擇比。 
2. 時(shí)變負(fù)載干擾 
   隨著蝕刻深度增加，腔室阻抗呈非線性變化。以深硅刻蝕（Bosch工藝）為例，交替通入SF?和C?F?氣體時(shí)，等離子體阻抗在10–200Ω范圍內(nèi)躍變，要求電源在毫秒級(jí)完成阻抗匹配重構(gòu)。 
協(xié)同控制架構(gòu)
提出三級(jí)控制框架： 
1. 底層：多模態(tài)電源拓?fù)?nbsp;
   采用高頻逆變+諧振網(wǎng)絡(luò)方案，支持四種工作模態(tài)： 
   • 電壓優(yōu)先模式：精度±0.1%（50–1500V），用于淺層蝕刻； 
   • 電流優(yōu)先模式：動(dòng)態(tài)響應(yīng)<5μs，應(yīng)對(duì)射頻反向偏壓突變； 
   • 功率密度均衡模式：通過(guò)相位調(diào)制抑制邊緣效應(yīng)； 
   • 脈沖串協(xié)同模式：在5kHz脈沖下實(shí)現(xiàn)占空比與幅值的解耦控制。 

   引入前饋-反饋復(fù)合控制器，通過(guò)奇異值分解（SVD）降低電壓-頻率交叉增益至0.05以下。 
3. 上層：工藝指標(biāo)映射 
   構(gòu)建蝕刻速率（ER）、選擇比（SR）與電參數(shù)的響應(yīng)曲面模型： 
   \[
   ER = k_1 \cdot \left( \frac{V_{pp}^{2.3}}{P_{avg}} \right) e^{-E_a / kT_e} 
   \] 
   基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)： 
   \[
   \min \sum_{t=0}^{N_p} \SR_{target} SR_t \ ^2 + \lambda \cdot \ \Delta V_{dc} \
^2
   \] 
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在某深硅刻蝕設(shè)備中實(shí)施MPCC方案： 
• 均勻性提升：300mm晶圓的刻蝕深度極差從±4.1%降至±1.7%； 
• 選擇比控制：SiO?/Si選擇比在20:1至100:1區(qū)間精準(zhǔn)可調(diào)； 
• 瞬態(tài)恢復(fù)：工藝氣體切換時(shí)的功率波動(dòng)由23%壓縮至5%以?xún)?nèi)。 
結(jié)論
高壓電源的多參數(shù)協(xié)同控制通過(guò)解耦電參數(shù)與工藝指標(biāo)的復(fù)雜映射關(guān)系，顯著拓展了蝕刻工藝窗口。未來(lái)需進(jìn)一步研究等離子體阻抗在線診斷與數(shù)字孿生技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)更高階的自主工藝調(diào)控。