高壓電源多參數協同控制在半導體蝕刻設備中的應用研究

引言
在半導體制造中，等離子體蝕刻是決定器件精度的核心工藝之一。蝕刻設備的高壓電源系統直接控制等離子體的密度、能量分布及反應活性，其動態響應特性直接影響蝕刻速率、選擇比和關鍵尺寸均勻性。傳統的單參數閉環控制（如恒壓或恒流模式）難以應對工藝氣體成分變化、晶圓負載效應等非線性干擾。因此，多參數協同控制（Multi-Parameter Collaborative Control, MPCC）成為提升蝕刻工藝窗口的關鍵技術路徑。 
技術挑戰
1. 多物理場耦合 
   等離子體蝕刻過程涉及電磁場、化學反應流與熱力學多場耦合。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，進而改變離子轟擊能量角度分布。單一參數調整可能引發連鎖效應，例如： 
   • 頻率升高可能降低等離子體密度，但增加電子溫度； 
   • 脈寬調制過大會導致局部過熱，破壞掩膜選擇比。 
2. 時變負載干擾 
   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，等離子體阻抗在10–200Ω范圍內躍變，要求電源在毫秒級完成阻抗匹配重構。 
協同控制架構
提出三級控制框架： 
1. 底層：多模態電源拓撲 
   采用高頻逆變+諧振網絡方案，支持四種工作模態： 
   • 電壓優先模式：精度±0.1%（50–1500V），用于淺層蝕刻； 
   • 電流優先模式：動態響應<5μs，應對射頻反向偏壓突變； 
   • 功率密度均衡模式：通過相位調制抑制邊緣效應； 
   • 脈沖串協同模式：在5kHz脈沖下實現占空比與幅值的解耦控制。 

   引入前饋-反饋復合控制器，通過奇異值分解（SVD）降低電壓-頻率交叉增益至0.05以下。 
3. 上層：工藝指標映射 
   構建蝕刻速率（ER）、選擇比（SR）與電參數的響應曲面模型： 
   \[
   ER = k_1 \cdot \left( \frac{V_{pp}^{2.3}}{P_{avg}} \right) e^{-E_a / kT_e} 
   \] 
   基于模型預測控制（MPC）實時優化目標函數： 
   \[
   \min \sum_{t=0}^{N_p} \SR_{target} SR_t \ ^2 + \lambda \cdot \ \Delta V_{dc} \
^2
   \] 
實驗驗證
在某深硅刻蝕設備中實施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區間精準可調； 
• 瞬態恢復：工藝氣體切換時的功率波動由23%壓縮至5%以內。 
結論
高壓電源的多參數協同控制通過解耦電參數與工藝指標的復雜映射關系，顯著拓展了蝕刻工藝窗口。未來需進一步研究等離子體阻抗在線診斷與數字孿生技術的融合，實現更高階的自主工藝調控。