防止下电极组件发生电弧放电的方法及等离子体处理设备与流程

本发明涉及半导体，特别涉及一种防止下电极组件发生电弧放电的方法及等离子体处理设备。

背景技术：

1、在半导体制造技术领域，经常需要在等离子体处理设备内对基片进行等离子体处理。等离子体处理设备具有一个真空的反应腔，该反应腔内设有用于放置基片的静电吸盘。静电吸盘包含基座和设置在基座顶部的介电层，基座作为反应腔的下电极。

2、反应气体被输入至反应腔内，一个或多个射频电源可以被单独地施加在所述下电极上，用以将射频功率输送到下电极上，从而在反应腔内部产生射频电场。大多数电场被包含在基片上方的处理区域内，此电场对少量存在于反应腔内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在反应腔内产生等离子体（包括电子、阳离子、电中性的自由基等活性粒子）。最后等离子体和基片之间发生化学反应和/或物理作用（比如刻蚀、沉积等等）形成各种特征结构。

3、工艺制程中，由于电子比阳离子的质量小，更容易被电场加速，因而电子具有比阳离子更大的移动速度。电子逐渐在基片、聚焦环的表面累积，使基片、聚焦环逐渐的被偏压为负电压，在基片和聚焦环上产生直流自偏压。该直流自偏压与提供给静电吸盘的射频功率成正比。高深宽比刻蚀中的射频功率通常较高，因而基片和聚焦环的直流自偏压也较高，导致基片与基座之间、聚焦环与基座之间具有较大的电压差，从而大大增加了在静电吸盘的氦气孔内、聚焦环与基座之间发生电弧放电（arcing）的风险。一旦发生电弧放电将导致基片报废，甚至会损坏静电吸盘。

4、如何避免因基片、聚焦环的直流自偏压引起的基片与基座之间、聚焦环与基座之间的电压差过大，是业内亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种防止下电极组件发生电弧放电的方法及等离子体处理设备，本发明基于基片直流自偏压的测量值计算对应的自偏压补偿值，通过向下电极组件施加电压值为自偏压补偿值的第一直流电压，有效减少了基片与下电极组件之间的电压差，大大降低了高深宽比刻蚀中下电极组件发生电弧放电的风险。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种防止下电极组件发生电弧放电的方法，所述下电极组件放置在等离子体处理设备的真空反应腔内，通过所述下电极组件承载基片，所述方法包括：

3、测量基片的直流自偏压，获得对应的自偏压测量值；

4、基于所述自偏压测量值计算自偏压补偿值；

5、向所述下电极组件施加第一直流电压，所述第一直流电压的电压值为所述自偏压补偿值，实现所述下电极组件与基片之间的电压差值小于预设的第一阈值。

6、可选的，工艺制程中，通过第一射频电源向所述下电极组件提供低频的射频功率；在所述第一射频电源的整个工作周期内测量基片的所述直流自偏压，所述自偏压测量值为所述直流自偏压的时间平均值。

7、可选的，所述第一射频电源的工作模式包括脉冲模式；所述脉冲模式下，所述第一射频电源的工作周期至少包括第一阶段和第二阶段；所述第一阶段中，所述第一射频电源输出高射频功率；所述第二阶段中，所述第一射频电源输出低射频功率。

8、可选的，所述第一射频电源的工作模式包括连续波模式；在所述连续波模式下，所述第一射频电源向所述下电极组件输出恒定的射频功率，所述自偏压补偿值等于所述自偏压测量值。

9、可选的，所述第一阶段的时长小于所述第二阶段的时长；所述自偏压测量值、自偏压补偿值均为负值，所述自偏压补偿值的绝对值大于所述自偏压测量值的绝对值。

10、可选的，令表示所述自偏压测量值、v1表示所述自偏压补偿值，；α为比例系数，1<α<1/x；x为所述高射频功率的占空比。

11、可选的，所述下电极组件包含静电吸盘，所述静电吸盘包含介电层和位于所述介电层下方的金属基座，所述介电层内设置有静电电极；所述第一直流电压施加在所述基座上。

12、可选的，所述防止下电极组件发生电弧放电的方法还包括：

13、计算反应腔空闲时，为使所述静电吸盘产生预设的静电吸力，需要向所述静电电极施加的直流电压的电压值；

14、令表示所述自偏压测量值；工艺制程中，向所述静电电极施加第二直流电压，所述第二直流电压的电压值为。

15、可选的，所述第一射频电源在所述静电电极产生第一耦合电压；工艺制程中，通过测量所述第一耦合电压的幅值，实现测量基片的所述直流自偏压。

16、可选的，在所述第一射频电源的所述工作周期内，测量所述第一耦合电压的幅值，得到对应的第一幅值测量值；所述第一幅值测量值为所述第一耦合电压的幅值的时间平均值；

17、令表示所述自偏压测量值、表示所述第一幅值测量值，；β为与所述工艺制程的工艺参数关联的比例系数，表示取绝对值。

18、可选的，工艺制程开始之前，通过以下步骤获得比例系数β：

19、使与所述比例系数β关联的所述工艺参数满足工艺要求；

20、提供测试基片；令所述第一射频电源的工作模式为连续波模式，所述第一射频电源在所述连续波模式下向所述下电极组件输出恒定的射频功率；

21、通过探针测量所述测试基片的直流自偏压，得到对应的测量值vpin；

22、测量所述第一射频电源在所述静电电极产生的第二耦合电压的幅值；

23、。

24、可选的，所述工艺参数包含：工艺制程中，所述反应腔内的气压值。

25、可选的，所述比例系数β及与其关联的所述工艺参数被存储在表格中，通过查询所述表格获取所述比例系数β。

26、可选的，所述下电极组件还包含聚焦环和边缘电极；

27、所述聚焦环围绕在基片的外周，所述边缘电极设于所述聚焦环的内部或位于所述聚焦环的下方；通过向所述边缘电极提供低频的射频功率以控制待处理基片边缘的射频电场分布；

28、所述第一直流电压施加在所述边缘电极上。

29、可选的，所述下电极组件还包含聚焦环和边缘电极；

30、所述聚焦环围绕在基片的外周，所述边缘电极设于所述聚焦环的内部或位于所述聚焦环的下方；通过向所述边缘电极提供低频的射频功率以控制待处理基片边缘的射频电场分布；

31、工艺制程中，向所述边缘电极施加第三直流电压，所述第三直流电压为负电压；

32、令v3表示所述第三直流电压的电压值，表示所述第一射频电源的射频功率值，；为预设的比例系数。

33、本发明还提供一种等离子体处理设备，用于实现如本发明所述的方法，包括：

34、真空的反应腔，所述反应腔内设有下电极组件；通过所述下电极组件承载基片；

35、自偏压测量模块，用于测量基片的直流自偏压，获得对应的自偏压测量值；

36、第一高压输出模块，其信号连接所述自偏压测量模块，以获取所述自偏压测量值；所述第一高压输出模块还基于所述自偏压测量值计算自偏压补偿值；工艺制程中，通过所述第一高压输出模块向所述下电极组件施加第一直流电压，所述第一直流电压的电压值为所述自偏压补偿值，实现所述下电极组件与基片之间的电压差值小于预设的第一阈值。

37、可选的，所述等离子体处理设备还包括：第一射频电源，其工作周期至少包括第一阶段和第二阶段；工艺制程中，所述第一射频电源在所述第一阶段、第二阶段分别向所述下电极组件输出高射频功率、低射频功率；所述自偏压测量值为在所述第一射频电源的整个工作周期中测量的所述直流自偏压的时间平均值。

38、可选的，所述第一阶段的时长小于所述第二阶段的时长；令表示所述自偏压测量值、v1表示所述自偏压补偿值，；α为比例系数，1<α<1/x；x为所述高射频功率的占空比。

39、可选的，所述下电极组件包含静电吸盘，所述静电吸盘包含介电层和位于所述介电层下方的金属基座，所述介电层内设置有静电电极；所述第一直流电压施加在所述基座上。

40、可选的，所述的等离子体处理设备还包括：第二高压输出模块，其通讯连接所述自偏压测量模块，以获取所述自偏压测量值；

41、工艺制程中，通过所述第二高压输出模块向所述静电电极施加第二直流电压，所述第二直流电压的电压值为；

42、为所述自偏压测量值；为反应腔空闲时，为使所述静电吸盘产生预设的静电吸力，需要向所述静电电极施加的直流电压的电压值。

43、可选的，所述自偏压测量模块电性连接所述静电电极；所述第一射频电源在所述静电电极产生第一耦合电压；工艺制程中，所述自偏压测量模块通过测量所述第一耦合电压的幅值，实现测量基片的所述直流自偏压。

44、可选的，所述等离子体处理设备还包含滤波器，通过所述滤波器抑制自所述静电电极传递至所述自偏压测量模块和第二高压输出模块的射频能量，以及抑制自所述基座传递至所述第一高压输出模块的射频能量。

45、可选的，所述下电极组件包含聚焦环和边缘电极；

46、所述聚焦环围绕在基片的外周，所述边缘电极设于所述聚焦环的内部或位于所述聚焦环的下方；通过向所述边缘电极提供低频的射频功率以控制待处理基片边缘的射频电场分布；

47、所述第一直流电压施加在所述边缘电极上。

48、可选的，所述的等离子体处理设备，还包含第三高压输出模块，其电性连接所述第一射频电源；

49、所述下电极组件包含聚焦环和边缘电极；

50、所述聚焦环围绕在基片的外周，所述边缘电极设于所述聚焦环的内部或位于所述聚焦环的下方；通过向所述边缘电极提供低频的射频功率以控制待处理基片边缘的射频电场分布；

51、所述第三高压输出模块基于所述第一射频电源的射频功率向所述边缘电极施加第三直流电压；所述第三直流电压为负电压；

52、令v3表示所述第三直流电压的电压值，表示所述第一射频电源的射频功率值，；为预设的比例系数。

53、可选的，所述等离子体处理设备还包含隔离电路，用于避免施加在所述边缘电极的射频功率对所述第三高压输出模块产生干扰。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

55、1）本发明的防止下电极组件发生电弧放电的方法及等离子体处理设备，基于对基片直流自偏压的测量结果计算对应的自偏压补偿值，并向下电极组件施加电压值为自偏压补偿值的第一直流电压，有效减少了基片与下电极组件之间的电压差，大大降低了下电极组件发生电弧放电的概率，提高了基片加工的安全性。

56、2）本发明在工艺制程中，通过第一射频电源偏置基片，第一射频电源向下电极组件交替地输出高、低射频功率，因此基片的直流自偏压也周期性的呈高、低变化。由于第一射频电源输出高射频功率的占空比通常小于50%，且自偏压测量值为直流自偏压的时间平均值（对直流自偏压进行测量时无法达到足够的时间精度），因此自偏压测量值趋近于第一射频电源输出低射频功率时的直流自偏压值。基于自偏压测量值补偿下电极组件的电压以减小基片与下电极组件之间的电压差时，容易出现对下电极组件的电压补偿不足，下电极组件与基片之间仍然容易发生电弧放电的问题。本发明使自偏压补偿值趋近于第一射频电源输出高射频功率和低射频功率时的直流自偏压值的中间值。根据自偏压补偿值决定补偿在下电极组件上的第一直流电压的大小，在第一射频电源输出高射频功率时，能够大大降低下电极组件发生电弧放电的风险。

57、3）本发明中，基于第一射频电源输出高射频功率的占空比控制自偏压补偿值的范围，可以有效避免第一直流电压对下电极组件的电压欠补偿以及过补偿，在第一射频电源的整个工作周期内，大大降低了下电极组件发生电弧放电的风险。

58、4）当反应腔空闲时，为使静电吸盘产生预设的静电吸力，需要向静电电极施加的直流电压的电压值为。本发明中向静电电极施加第二直流电压，并且第二直流电压的电压值与自偏压测量值的差值为，以补偿因基片直流自偏压引起的静电吸力不足，确保在第一射频电源的整个工作周期内，静电吸盘实际产生的静电吸力与预设静电吸力的差值落在合理的范围内，保证对基片稳定吸附的同时，还可以使基片易于解吸附。

59、5）本发明在工艺制程中不需要使用探针测量基片直流自偏压，可以大大减少对基片造成的污染。

60、6）本发明的第一直流电压可以施加在基座、边缘电极上，以减小基片与基座之间、基片与聚焦环之间的电压差。本发明还可以根据第一射频电源的输出功率（其与聚焦环表面的直流自偏压正相关）向边缘电极施加第三直流电压，以减小基片与聚焦环之间的电压差。通过多种方式，提高下电极组件工作的安全性。

技术特征：

1.一种防止下电极组件发生电弧放电的方法，所述下电极组件放置在等离子体处理设备的真空反应腔内，通过所述下电极组件承载基片，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，工艺制程中，通过第一射频电源向所述下电极组件提供低频的射频功率；在所述第一射频电源的整个工作周期内测量基片的所述直流自偏压，所述自偏压测量值为所述直流自偏压的时间平均值。

3.如权利要求2所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述第一射频电源的工作模式包括脉冲模式；所述脉冲模式下，所述第一射频电源的工作周期至少包括第一阶段和第二阶段；所述第一阶段中，所述第一射频电源输出高射频功率；所述第二阶段中，所述第一射频电源输出低射频功率。

4.如权利要求2所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述第一射频电源的工作模式包括连续波模式；在所述连续波模式下，所述第一射频电源向所述下电极组件输出恒定的射频功率，所述自偏压补偿值等于所述自偏压测量值。

5.如权利要求3所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述第一阶段的时长小于所述第二阶段的时长；所述自偏压测量值、自偏压补偿值均为负值，所述自偏压补偿值的绝对值大于所述自偏压测量值的绝对值。

6.如权利要求5所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，令表示所述自偏压测量值、v1表示所述自偏压补偿值，；α为比例系数，1<α<1/x；x为所述高射频功率的占空比。

7.如权利要求2所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述下电极组件包含静电吸盘，所述静电吸盘包含介电层和位于所述介电层下方的金属基座，所述介电层内设置有静电电极；所述第一直流电压施加在所述基座上。

8.如权利要求7所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，还包括：

9.如权利要求7所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述第一射频电源在所述静电电极产生第一耦合电压；工艺制程中，通过测量所述第一耦合电压的幅值，实现测量基片的所述直流自偏压。

10.如权利要求9所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，在所述第一射频电源的所述工作周期内，测量所述第一耦合电压的幅值，得到对应的第一幅值测量值；所述第一幅值测量值为所述第一耦合电压的幅值的时间平均值；

11.如权利要求10所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，工艺制程开始之前，通过以下步骤获得比例系数β：

12.如权利要求10所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述工艺参数包含：工艺制程中，所述反应腔内的气压值。

13.如权利要求10所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述比例系数β及与其关联的所述工艺参数被存储在表格中，通过查询所述表格获取所述比例系数β。

14.如权利要求2所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述下电极组件还包含聚焦环和边缘电极；

15.如权利要求2所述的防止下电极组件发生电弧放电的方法，其特征在于，所述下电极组件还包含聚焦环和边缘电极；

16.一种等离子体处理设备，用于实现如权利要求1至15任一所述的方法，其特征在于，包括：

17.如权利要求16所述的等离子体处理设备，其特征在于，还包括：第一射频电源，其工作周期至少包括第一阶段和第二阶段；工艺制程中，所述第一射频电源在所述第一阶段、第二阶段分别向所述下电极组件输出高射频功率、低射频功率；所述自偏压测量值为在所述第一射频电源的整个工作周期中测量的所述直流自偏压的时间平均值。

18.如权利要求17所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述第一阶段的时长小于所述第二阶段的时长；令表示所述自偏压测量值、v1表示所述自偏压补偿值，

19.如权利要求17所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述下电极组件包含静电吸盘，所述静电吸盘包含介电层和位于所述介电层下方的金属基座，所述介电层内设置有静电电极；所述第一直流电压施加在所述基座上。

20.如权利要求19所述的等离子体处理设备，其特征在于，还包括：第二高压输出模块，其通讯连接所述自偏压测量模块，以获取所述自偏压测量值；

21.如权利要求19所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述自偏压测量模块电性连接所述静电电极；所述第一射频电源在所述静电电极产生第一耦合电压；工艺制程中，所述自偏压测量模块通过测量所述第一耦合电压的幅值，实现测量基片的所述直流自偏压。

22.如权利要求20所述的等离子体处理设备，其特征在于，还包含滤波器，通过所述滤波器抑制自所述静电电极传递至所述自偏压测量模块和第二高压输出模块的射频能量，以及抑制自所述基座传递至所述第一高压输出模块的射频能量。

23.如权利要求17所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述下电极组件包含聚焦环和边缘电极；

24.如权利要求17所述的等离子体处理设备，其特征在于，还包含第三高压输出模块，其电性连接所述第一射频电源；

25.如权利要求24所述的等离子体处理设备，其特征在于，还包含隔离电路，用于避免施加在所述边缘电极的射频功率对所述第三高压输出模块产生干扰。

技术总结
本发明提供一种防止下电极组件发生电弧放电的方法及等离子体处理设备，所述方法包括：测量基片的直流自偏压，获得对应的自偏压测量值；基于所述自偏压测量值计算自偏压补偿值；向所述下电极组件施加第一直流电压，所述第一直流电压的电压值为所述自偏压补偿值，实现所述下电极组件与基片之间的电压差值小于预设的第一阈值。其优点是：通过向下电极组件施加电压值为自偏压补偿值的第一直流电压，有效减少了基片与下电极组件之间的电压差，大大降低了高深宽比刻蚀中下电极组件发生电弧放电的概率，提高了基片加工的安全性。

技术研发人员：田宁,叶如彬,刘志强
受保护的技术使用者：中微半导体设备（上海）股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5