CN109417013A - 用于在等离子体处理期间控制在基板的电压波形的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

用于在等离子体处理期间控制基板处的电压波形的系统和方法包括将成形脉冲偏压波形施加到基板支撑件，所述基板支撑件包括静电吸盘、吸附极、基板支撑件表面和电极，电极与所述基板支撑件表面由介电材料层分离。所述系统和方法进一步包括捕捉代表定位于所述基板支撑件表面上的基板处的电压的电压，以及基于捕捉的信号迭代地调整所述成形脉冲偏压波形。在等离子体处理系统中，可以选择分离所述电极和所述基板支撑件表面的介电材料层的厚度和组成，使得所述电极和所述基板支撑表面之间的电容比所述基板支撑件表面和等离子体表面之间的电容大至少一个数量级。

Description

用于在等离子体处理期间控制在基板的电压波形的系统与 方法
技术领域
本公开的实施例大体涉及用于基板的等离子体处理的系统和方法，并且具体地涉及用于在基板的等离子体处理期间控制基板处的电压波形的系统和方法。
背景技术
典型的反应离子蚀刻(RIE)等离子体处理腔室包括射频(RF)偏压产生器(其向“功率电极”提供RF电压)、嵌入“静电吸盘”(ESC)中的金属底板(更常被称为“阴极”)。图1A描绘了将供应给典型处理腔室中的功率电极的典型RF电压的线图。功率电极通过作为ESC组件的一部分的陶瓷层电容耦合到处理系统的等离子体。等离子体鞘的非线性、类二极管特性导致施加的RF场整流，使得在阴极和等离子体之间出现直流(DC)电压降或“自偏压”。该电压降决定往阴极加速的等离子体离子的平均能量，并且因此确定了蚀刻各向异性(anisotropy)。
更具体而言，离子方向性、特征分布和对掩模与终止层的选择性由离子能量分布函数(IEDF)控制。在具有RF偏压的等离子体中，IEDF通常在低能量和高能量下具有两个峰，且在其间有一些离子群。图1B描绘了离子能量分布对离子能量绘制的典型IEDF的曲线图。如图1B所示，在IEDF的两个峰之间离子群的存在反映阴极和等离子体之间的电压降以偏压频率[图1A]振荡的事实。当使用较低频率(如2MHz)的RF偏压产生器来获得较高的自偏压时，这两个峰之间的能量差异可能是显著的，且由于离子在低能量峰，蚀刻为更具有均向性(isotropic)，而可能导致特征壁曲折(bowing)。相较于高能离子，在到达特征底部的角落处(例如由于充电效应)低能离子的效率不佳，但使得有较少的掩模材料的溅射。这在高深宽比蚀刻应用中是重要的，如硬掩模开口。
随着特征尺寸继续减小且深宽比增加，同时特征分布控制要求变得更加严格，在处理期间，更需要在基板表面具有良好控制的IEDF。单峰IEDF可以用于构建任何IEDF，包括具有独立控制的峰高和能量的双峰IEDF，这对于高精度等离子体处理非常有益。产生单峰IEDF需要基板表面相对于等离子体具有几乎恒定的电压，即决定离子能量的鞘电压(sheath voltage)。假设随时间恒定的等离子体电位(其通常接近零或处理等离子体中的接地电位)，则这需要基板相对于接地(即基板电压)维持几乎恒定的电压。这无法通过简单地将直流电压施加到功率电极来实现，因为离子电流恒定地对基板表面充电。结果，所有施加的直流电压将在跨基板和ESC的陶瓷部分(即夹头电容)处降减(drop)，而不是在等离子体鞘(即鞘电容)降减。为了克服这点，已经开发了一种特殊的成形脉冲偏压方案，这使得施加的电压被分配在吸盘和鞘电容之间(我们忽略了横跨基板的电压降，因为电容通常远大于鞘电容)。此方案为离子电流提供补偿，允许鞘电压和基板电压在高达每个偏压电压周期的90％期间保持恒定。更准确地说，此偏压方案允许保持特定的基板电压波形，其可以被描述为负直流偏移(negative dc-offset)顶部上的周期系列的短正脉冲。在每个脉冲期间，基板电位达到等离子体电位且鞘短暂击穿(collapse)，但是对于每个周期的90％左右，鞘电压保持恒定且等于每个脉冲结束时的负电压跳变，从而决定平均离子能量。图2A描绘了经发展产生此特定基板电压波形的特殊成形脉冲偏压电压波形的曲线图，且特殊成形脉冲偏压电压波形因而能够保持鞘电压几乎恒定。如图2A所示，成形脉冲偏压波形包括：(1)正跳变205，在补偿阶段期间正跳变205去除积累在夹头电容上的额外电荷5；(2)负跳变210(VOUT)，负跳变210设定鞘电压值(VSH)，即VOUT在串联连接的吸盘和鞘电容之间分配，并且因此决定(但通常大于)基板电压波形的负跳变；及(3)负电压斜坡215，负电压斜坡215在长的“离子电流补偿阶段”期间补偿离子电流且保持鞘电压恒定。当图2A的特殊成形脉冲偏压电压波形作为偏压施加到处理腔室时，产生如上所述及如图2B所示的单峰IEDF。
然而，特殊成形脉冲偏压方案具有某些缺点，这限制了用途且让结合商用蚀刻腔室的使用复杂化。具体来说，为了使离子电流补偿工作，成形脉冲偏压供应需要针对ESC电容(CCK)和杂散电容(CSTR)的值的知识，其中后者由腔室状态决定且因此而对大量的因素敏感，如部件的热膨胀等。此外，为了正确设定鞘电压，需要知道鞘电容(CSH)的值，因为供应到功率电极的脉冲电压波形的负跳变值VOUT被分配在ESC陶瓷板和等离子体鞘之间，如同两个串联连接的电容器之间。鞘电容特别难以评估，因为鞘电容取决于大量参数，包括化学气体组成、RF源频率和功率(经由等离子体密度和温度)、气体压力及正被蚀刻的基板材料。目前，在实际处理之前，必须执行一组等离子体状态下具有鞘电容列表(tabulation)的全系统校准。这种方法不仅耗时且麻烦，且因为等离子体不能完美再现而无法准确地作业。产生单峰IEDF需要在基板处保持预定的电压波形，其中负电压跳变表示几乎恒定的鞘电压并且因此表示平均离子能量。由于需要准确决定CSH和CSTR，当前的成形脉冲偏压方案在实际商业蚀刻腔室中低效率。
发明内容
用于处理基板的系统和方法通过在例如等离子体蚀刻处理期间保持基板处的预定电压波形来提供良好控制的单峰离子能量分布函数。根据本原理的各种实施例，通过以下步骤来维持基板处的电压波形：捕捉代表(即具有相同波形形状)正在处理的基板处的电压的信号(即测量相对于接地的电压)，及基于捕捉的信号迭代地调整施加于相应处理腔的成形脉冲偏压波形。直到达成捕捉的信号的(及因此基板电压的)所需脉冲电压波形时，这便完成。在一些实施例中，每个脉冲结束时的负跳变值等于目标离子能量，且脉冲之间的电压是恒定的。在一些实施例中，可以使用与基板接触的导电引线来捕捉代表基板处的电压的信号。替代地或附加地，靠近基板的电容电路可以用于捕捉代表正在处理的基板处的电压的信号(因为所有必需的信息包含在捕捉的脉冲波形的形状中，而不是在直流偏移中)。
在其他实施例中，可以使用与围绕基板的导电材料环接触的导电引线来捕捉代表基板处的电压的信号。替代地或附加地，可以使用靠近导电环的电容电路来捕捉代表正在处理的基板处的电压的信号。
根据本原理的实施例，通过以下方式来维持基板的目标电压波形：(1)使得相较于在偏压与基板电压波形的负跳变(鞘形成)阶段期间由鞘电容CSH所引起的电压降变化，由夹头电容(chuck capacitance)CCK引起的电压降变化成为可忽略的，及(2)使得相较于在偏压电压波形的离子电流补偿阶段期间通过CCK的电流，通过Cstr的电流成为可忽略的。这通过在功率电极与基板之间产生远大于鞘与杂散电容的电容来实现，从而减轻了精确测定的要求。在一些实施例中，这通过选择介电材料层的厚度和组成来实现，使得电极与基板支撑表面之间的介电层的电容比基板表面与相应处理腔室中等离子体之间的电容大至少一个数量级。因为跨CCK的电压降变化相较于跨CSH的电压降变化是可忽略的，所以施加于功率电极的信号的脉冲电压波形的形状(即偏压电压波形)几乎重现负跳变阶段期间基板电压波形的形状。因此，如以上实施例所述，电极电压波形可以用作代表基板电压波形的信号。也就是说，电极电压波形的负跳变几乎等于基板电压波形中的负跳变，且因此可以用作到成形脉冲偏压供应的反馈信号，以实现目标鞘电压降和离子能量。
替代地或附加地，为了满足上述第[0008]段中的条件(1)和(2)，通过将电压(偏压)施加于静电吸盘的吸附电极而不是施加于功率电极，使得相较于夹头电容CCK，鞘电容CSH与杂散电容CSTR成为可忽略的。注意到为了不仅在鞘形成(负跳变，VOUT)阶段期间，而且在离子电流补偿阶段期间使偏压电压波形的形状重现基板电压波形的形状，相较于偏压电压负跳变VOUT，因离子电流引起的跨CCK的电压降变化需要为可忽略的。由于吸附电极与基板支撑表面之间的相当高电容，预期在诸多实际情况下(对于处理中使用的典型离子电流)是这种情况。在以下说明书中，上述方法和实施例以及其他可能的实施例有更详尽的描述。
在一个实施例中，一种用于在等离子体处理腔室中等离子体处理期间控制基板处的电压波形的方法包括以下步骤：将成形脉冲偏压波形施加到等离子体处理腔室内的基板支撑件，捕捉代表定位于基板支撑表面上的基板处的电压的信号，以及基于捕捉的信号迭代地调整成形脉冲偏压波形，该基板支撑件包括静电吸盘、吸附极(chucking pole)、基板支撑表面和电极。
在一个实施例中，使用与基板的至少一部分接触的导电引线来捕捉代表基板处的电压的信号。在另一个实施例中，基板支撑件包括设置在电极上方的导电材料环，且使用与该导电材料环的至少一部分接触的导电引线来捕捉代表基板处的电压的信号。在另一个实施例中，使用靠近导电材料环或靠近基板的耦合电路来捕捉代表基板处的电压的信号。
在根据本原理的另一个实施例中，等离子体处理系统包括基板支撑件、传感器、偏压供应及控制器，该基板支撑件限定用于支撑待处理基板的表面，该基板支撑件包含静电吸盘、吸附极与电极，该传感器捕捉代表定位于该基板支撑表面上的基板处的电压的信号，该偏压供应向该基板支撑件提供成形脉冲偏压波形，该控制器接收来自该传感器的该捕捉的信号并产生控制信号，该控制信号被传送到该偏压供应，以根据该捕捉的信号调整该成形脉冲偏压波形。
在一个实施例中，传感器包括与基板的至少一部分接触的导电引线。在另一个实施例中，传感器包括设置在电极上方的导电材料环。在另一个实施例中，传感器包括靠近基板的耦合电路。
在另一个实施例中，系统包括与导电材料环的至少一部分接触的导电引线。在另一个实施例中，系统包括靠近导电材料环的耦合电路，以将捕捉的信号传送到控制器。
在另一个实施例中，将成形脉冲偏压波形施加到基板支撑件的电极。在另一个实施例中，成形脉冲偏压波形被施加到吸附极。
在一个实施例中，等离子体处理系统包括基板支撑件，该基板支撑件包括静电吸盘、吸附极与电极，且该基板支撑件限定表面以支撑待处理的基板，其中该电极与该基板支撑表面由介电材料层分离。该系统进一步包括等离子体以及成形脉冲偏压波形产生器，该等离子体设置在基板支撑表面上方，该成形脉冲偏压波形产生器向电极施加成形脉冲偏压波形，其中选择该介电材料层的厚度和组成，使得电极和基板支撑表面之间的介电层的电容比该基板支撑表面和该等离子体之间的电容大至少一个数量级。
在一个实施例中，介电层包括具有约三至五毫米厚度的氮化铝。在至少一个实施例中，成形脉冲偏压波形被施加到基板支撑件的电极，并且在另一实施例中，成形脉冲偏压波形被施加到基板支撑件的吸附极。在一些实施例中，等离子体处理系统包括用于将成形脉冲偏压波形和夹持电压耦合到基板支撑件的耦合电路。
本公开的其他和进一步的实施例描述如下。
附图说明
在上文中简要概述并且在下文中更详细讨论的本公开的实施例可以通过参考所附附图中描绘的本公开的实施例来理解。然而，所附附图仅示出了本公开的典型实施例，而由于本公开可允许其他等效实施例，因此所附附图并不会视为本公开范围的限制。
图1A描绘了将供应给典型处理腔室中的功率电极的典型RF电压的线图。
图1B描绘了由正供应给处理腔室的RF偏压所产生的典型离子能量分布函数的曲线图。
图2A描绘了先前决定的特殊成形脉冲偏压的曲线图，先前决定的特殊成形脉冲偏压经发展而将处理腔室的鞘电压保持恒定。
图2B描绘了由正供应给处理腔室的特殊成形脉冲偏压所产生的单峰离子能量分布函数的曲线图。
图3描绘了根据本原理的各种实施例适合用于在等离子体处理期间控制基板处的电压波形的系统的高阶(high level)示意图。
图4描绘了根据本原理的一个实施例的适于在图3的系统中使用的数字转换器(digitizer)/控制器的高阶框图。
图5描绘了根据本原理的实施例的适于在图3的系统中使用的边缘环的平面图。
图6描绘了根据本原理的实施例用于控制等离子体工艺的方法的功能框图。
图7描绘了根据本原理的实施例所维持的基板处的所得电压波形的图示。
图8描绘了根据本原理的实施例用于将夹持电压和偏压电压耦合到吸附极的变压器耦合电路的示意图。
为便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记代表图示中相同的组件。为求清楚，附图未依比例绘示且可能被简化。一个实施例中的组件与特征可有利地用于其他实施例中而无需赘述。
具体实施方式
本说明书提供用于在等离子体处理期间控制基板处的电压波形的系统和方法。本发明的系统和方法有利地通过在例如等离子体蚀刻工艺期间保持基板处的预定电压波形来提供良好控制的单峰离子能量分布函数。实施例有利地提供电压波形的成形以提供单能离子，而不需要对等离子体鞘电容作复杂模拟或精确估算。虽然本原理的实施例将主要针对特定的成形脉冲偏压进行描述，但是根据本原理的实施例可以实质应用于任何偏压并且实质与任何偏压操作。
图3描绘了根据本原理的各种实施例适用于处理基板的系统300的高阶示意图。图3的系统300示例性地包括基板支撑组件305、数字转换器/控制器320和偏压供应330。在图3的实施例中，基板支撑组件305包括支撑基座302、静电吸盘(ESC)311，静电吸盘(ESC)311包括吸附电极(chucking electrode)312(通常称为吸附极(chucking pole))，其可以是嵌入ESC中的金属底板或网格。ESC具有基板支撑表面307。吸附电极312通常耦合至吸附电源(未示出)，当吸附电极312通电时，吸附电极将基板静电夹持到支撑表面307。吸附电极312嵌入介电层314中。支撑组件305进一步包括介电层314中的功率电极313，介电层314将功率电极313与基板支撑组件305的基板支撑表面307分开。在各种实施例中，介电层314由诸如氮化铝(AlN)的陶瓷材料形成，且具有约5-7mm等级的厚度，尽管可使用其他介电材料和/或不同的层厚度。图3的基板支撑组件305进一步包括边缘环350，边缘环350通常经设置而限制用于处理基板的等离子体或者保护基板免受等离子体侵蚀。
在各种实施例中，图3的系统300可以包括等离子体处理腔室的部件，如可从加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)取得的ADVANTEDGETM和AVATARTM或其他处理腔室。尽管在图3的系统300中，基板支撑组件305示例性地包括用于支撑基板的静电吸盘311，但是所示实施例不应被认为是限制性的。更具体而言，在根据本原理的其他实施例中，根据本原理的基板支撑组件305可以包括真空吸盘、基板固定夹或支撑基板用于处理的类似物(未示出)。
在操作中，待处理的基板定位于基板支撑组件305的表面上。返回参考图3，来自偏压供应330的电压(如成形脉冲偏压)被供应到功率电极313。如上所述，等离子体鞘的非线性特性导致施加的RF场整流，使得在阴极和等离子体之间出现直流(DC)电压降或“自偏压”。该电压降决定往阴极加速的等离子体离子的平均能量。离子方向性和特征曲线由离子能量分布函数(IEDF)控制，其应具有良好控制的单峰(图2B)。为了提供这样的单峰IEDF，偏压供应330向功率电极313供应特殊成形脉冲偏压(见图2A)，其导致施加的电压在吸盘和鞘电容之间分配，以补偿离子电流恒定地对阴极311的表面充电。特殊成形脉冲偏压使鞘电压在高达脉冲周期的90％期间保持恒定。
然而，对于使特殊成形脉冲偏压如预期运作，当前数个电容值必须是已知或有一定程度精度的估计，其可能非常难以达到。具体而言，成形脉冲偏压波形(图2A)要求将供应到功率电极313的总电压分配在ESC吸盘311和鞘电荷之间，鞘电荷在等离子体和ESC支撑表面或设置于其上的基板之间的空间中形成(称为“空间电荷鞘”或“鞘”)。虽然可以容易地确定ESC电容CCK，但已经发现杂散电容(CSTR)与鞘电容(CSH)的值相对于时间不可预测地变化。例如，杂散电容CSTR由等离子体处理腔室内的状态决定，因此杂散电容CSTR对如处理腔室部件的热膨胀等因素敏感。
在功能上，ESC和鞘作为串联连接的两个电容器，且由于施加到ESC电容器的电极中的一个电极的输入电压波形受控制，以决定总施加电压将如何在电容器之间分配以及多少电压将会在鞘上，所以两个电容值都需要知道。
如此一来，为了获得成形脉冲波形的目的，获得鞘电压降的精确估计的能力的条件在于准确地确定鞘电容CSH的能力。鞘电容是所施加电压和等离子体参数(如物质的密度、温度)的复杂函数，且因此难以分析预测。
发明人确定在处理腔室内持续的容积等离子体(bulk plasma)的特性也可以影响等离子体如何响应所施加的脉冲。例如，等离子体的密度为注入鞘中的电荷速率设定了限制。鉴于上述考虑，对鞘电容CSH的适当评估必须至少考虑化学气体成分、RF源频率和功率(通过等离子体密度和温度)、气体压力和待处理的基板的组成。基于至少上述原因，鞘电容的评估特别困难，特别是当考虑到等离子体状态不能完美地重现时。
根据本原理的各种实施例，为了克服上述缺陷，发明人提出使用代表基板电压波形的反馈信号来在基板的处理期间保持几乎恒定的离子能量。发明人确定，因为等离子体电位相当低且几乎恒定，所以基板的脉冲电压波形的负跳变可以代表鞘电压的良好估计。更准确地说，基板电压波形几乎重现鞘电压波形，但基板电压波形具有等于等离子体电位的正直流偏移。如此一来，在根据本原理的一些实施例中，本发明人提出监控代表在基板处理期间基板处的电压的信号，且将代表基板处的电压的信号传送到数字转换器/控制器320。数字转换器/控制器320又决定校正信号并将校正信号传送到偏压供应330，以调整偏压供应330所提供到功率电极313的成形脉冲偏压，使得基板处的电压所代表的鞘电压在成形脉冲偏压周期的高达90％期间(在负电压跳变之后的离子电流补偿阶段期间)保持恒定，和/或保持在预定电压位准的容差内。发明人确定在各种实施例中，离子能量或鞘电压可以在噪声(noise)水平内保持恒定，且在一个实施例中，离子能量或鞘电压可以保持在预定位准的1-5％内，而视为恒定。
图4描绘了适用于图3的系统300中的数字转换器/控制器320的高阶框图。图4的数字转换器/控制器320示例性地包括可用于根据本原理控制等离子体处理的工业设置中的通用计算器处理器。数字转换器/控制器320的存储器或计算机可读取介质410可以是一个或更多个容易取得的存储器，如本地的或远程的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他的数字单元格式。支持电路420与CPU430耦合而用传统方式支持处理器。这些电路包括高速缓存、电源供应、时钟电路、输入/输出电路与子系统等。
在各种实施例中，本说明书公开的发明方法大体可作为软件程序440存储在存储器410中，当软件程序440在I/O电路450辅助下而由CPU 430执行时，软件程序440使得处理数字转换器/控制器320执行本原理的处理。软件程序440也可由第二CPU(未示出)存储和/或执行，第二CPU位于CPU 430控制的硬件的远程位置。本公开的方法中的一些或全部也可在硬件中执行。如此一来，本公开可以以软件实现且使用计算机系统在硬件中作为如应用特殊集成电路或其他类型的硬件实施或者作为软件与硬件的组合来执行。当CPU 430执行软件程序440时，软件程序440将通用计算机转换为控制等离子体处理腔室的专用计算机(数字转换器/控制器)320，使得执行本公开的方法。
在根据本原理的一个实施例中且参考回图3，为了捕捉表示正在处理的基板处的电压的信号，可以在图3的基板支撑组件305中设置可选的导电引线(如导线)352。基板支撑组件305中可选的导电引线352被配置使得当待处理的基板定位在支撑基座310上时，导电引线352与基板的至少一部分(如背面)接触。导电引线352可以用于将代表处理期间在基板处捕捉的电压的信号传送到数字转换器/控制器320。
数字转换器/控制器320评估从导电引线352所接收的信号，且如果基板处的电压已经改变且/或不在预定电压位准的容差内，则数字转换器/控制器320决定将传送到偏压供应330的控制信号，使得偏压供应调整由偏压供应330正提供到电源电极313的电压，而导致基板处的电压保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差范围内。
例如，图7描绘了根据本原理的实施例所维持的基板处的所得电压波形的图示。如图7的实施例所示，根据本原理，例如，在等离子体蚀刻工艺期间基板处的电压波形可以随时间保持恒定。也就是说，如图7所示，根据本说明书所述的本原理的实施例，在基板的处理期间离子能量保持恒定。
在一个实施例中，数字转换器/控制器320执行迭代处理以决定传送到偏压供应的控制信号。例如，在一个实施例中，一旦决定接收到的电压需要调整时，数字转换器/控制器320将信号传送到偏压供应330，以使得由偏压供应330提供给功率电极313的电压调整。在调整之后，数字转换器/控制器320再次评估基板处的电压。如果基板处捕捉的电压已经变得更为恒定或更接近于预定电压位准的容差内，但是仍然需要更多的调整，则数字转换器/控制器320将另一个控制信号传送到偏压供应330，以使得由偏压供应330提供给电源电极313的电压以相同方向调整。在调整之后，如果基板处捕捉的电压变得较为不恒定或离预定电压位准更远，则数字转换器/控制器320将另一个控制信号传送到偏压供应330，以使得由偏压供应330提供给功率电极313的电压以相反方向调整。可以继续进行这样的调整，直到基板处的电压保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。在一个实施例中，数字转换器/控制器320将来自导电引线352的电压信号数字化并将数字化的电压信号传送到偏压供应，以周期性地调整成形脉冲偏压波形，使得基板电压保持恒定和/或保持在预定的电压位准内。
在根据本原理的其他实施例中，可以使用图3的基板支撑组件305的边缘环350捕捉代表正在处理的基板处的电压的信号。例如，在一个实施例中且参考回图3，在系统300中，边缘环350用于感测代表正被处理的基板处的电压的电压测量。在根据本原理的一个实施例中，边缘环350直接位于功率电极313的上方，且边缘环350足够大以与功率电极313的边缘重叠。因为边缘环350的组成和位置，边缘环350可以电耦合或电容耦合至正在处理的基板，以便感测代表正在处理的基板处的电压的信号，例如在基板处的实际电压的5％至7％内。
这是由发明人通过以下方法实验测定的：将金属晶片(作为正在处理的基板)放置在ESC311上以及测量金属晶片处的电压以及将金属晶片处的电压测量与在相同状态下使用边缘环350取得的电压测量比较。该测量在5％至7％内。
图5描绘了根据本原理的实施例的适于在图3的系统300中使用的边缘环350的平面图。在图5的实施例中，边缘环350示例性地外接(circumscribe)基板支撑组件305的基板支撑表面307。边缘环350示例性地包括导电材料551的环形层。边缘环350可以可选地进一步包括介电材料(未图示)的环形层，导电材料551的环形层设置在介电材料的环形层上。如图5所示，在基板支撑介电层的外周边缘和/或基板(未图示)的外周边缘与边缘环350的导电层551内周边缘表面和可选地下面的介电层(未图示)的内周边缘表面之间有小缝隙(如G所示)。如此一来，边缘环350和待处理的基板之间的任何耦合是电容性的而不是电流性的(galvanic)。
在这样的实施例中且参考回图3，可选的导电引线353被配置与边缘环350的至少一部分(如背侧)接触。导电引线353可以用于将代表处理期间在基板处的电压的信号(其由边缘环350电感测和/或电容感测)传送到数字转换器/控制器320。
数字转换器/控制器320评估来自边缘环350的所接收的表示基板处的电压的信号，并且如果电压已经改变且/或不在预定电压位准的容差内，则数字转换器/控制器320将控制信号传送到脉冲偏压供应330，使得脉冲偏压供应调整由偏压供应330提供给功率电极313的电压，以使正在处理的基板处的电压保持恒定和/或保持在如上所述的预定电压位准内。
在根据本原理的其他实施例中并且如上所述，可以通过不使用导电引线而是提供电耦合或电容耦合电路(未图示)来捕捉正在处理的基板处的电压或边缘环处的感测电压。在这种实施例中，导电引线(如导电引线352、353)不必与正在处理的基板或边缘环350接触以捕捉相应的电压信号。反之，可以使用电耦合或电容耦合电路(未图示)来捕捉代表直接来自正在处理的基板的基板处的电压的信号或者，替代地或附加地，来自边缘环捕捉的代表基板处的电压的信号，该边缘环电感测或电容感测正在处理的基板处的电压。在这样的实施例中，如上所述，可以使用导电引线将来自各个耦合电路的相应信号传送到数字转换器/控制器320。
图6描绘了根据本原理的实施例用于控制在等离子体处理期间基板处的电压波形的方法600的功能框图。该处理可以在602开始，在步骤602期间，将成形脉冲偏压波形施加到等离子体处理腔室内的基板支撑件。如上所述，在根据本原理的一个实施例中，将成形脉冲偏压波形施加到基板支撑组件的功率电极。处理600可以接着进行到604。
在604，捕捉代表定位在等离子体处理腔室的基板支撑组件上的基板处的电压的信号。如上所述，在一个实施例中，使用接触正在处理的基板的一部分的导电引线来捕捉正在处理的基板处的电压。在其他实施例中且如上所述，边缘环经由例如电耦合和/或电容耦合来感测表示正在处理的基板处的电压的信号。接触边缘环的一部分的导电引线捕捉代表正在处理的基板处的电压的信号。处理600可以接着进行到606。
在606，基于所捕捉的信号，迭代地调整成形脉冲偏压波形。如上所述，在一个实施例中，所捕捉的代表正在处理的基板处的电压的信号被传送到数字转换器/控制器。响应所接收到的电压信号，通过向偏压供应提供控制信号，数字转换器/控制器迭代地调整由偏压供应施加到例如功率电极的成形脉冲偏压波形，导致偏压供应调整偏压波形，使得基板处的电压保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。接着可以退出处理600。
根据本原理的其他实施例，为了克服对等离子体鞘电容CSH和腔室杂散电容CSTR的复杂模拟或精确估计的需求，本发明人提出：(1)使得相较于在偏压与基板电压波形的负跳变(鞘形成)阶段期间由鞘电容CSH所引起的电压降变化，由夹头电容CCK引起的电压降变化成为可忽略的，以及(2)使得相较于在偏压电压波形的离子电流补偿阶段期间通过CCK的电流，通过Cstr的电流成为可忽略的。这通过在功率电极与基板之间产生远大于鞘与杂散电容的电容来实现，从而减轻了精确测定的要求。因为在偏压与基板电压波形的负跳变阶段期间跨CCK的电压降变化相较于跨CSH的电压降变化是可忽略的，所以施加于功率电极的信号的脉冲电压波形的形状(即偏压电压波形)几乎等于基板电压波形的负跳变(即鞘电压降与平均离子能量的值)。因此，要设定得到鞘电压的目标值的偏压电压波形中的负跳变的值不需要对CSH作准确的判定。此外，因为在离子电流补偿阶段期间通过CSTR的电流比通过CCK的电流远小得多，所以通过成形脉冲偏压供应的总电流、基板电流IS近乎等于通过CCK的电流(等于到基板的离子电流Ii)。因此，要得到在离子电流补偿阶段期间恒定基板电压设定偏压电压斜坡的斜率不需要对CSTR作准确判定。如果CCK>>CSTR，则此斜率(其总是等于IS/(CCK+CSTR))近乎等于IS/CCK。在根据本原理的一个实施例中，选择功率电极和基板支撑件表面之间的介电层的组成和厚度，使得功率电极和基板支撑件表面之间的介电层的夹头电容CCK相对于杂散电容CSTR和鞘电容CSH是非常大的(即至少大于一个数量级)。例如且参考回图3，可以选择功率电极313和基板支撑件表面之间的陶瓷厚度为约0.3mm，其中成形脉冲偏压施加到功率电极。或者，可以选择功率电极313和基板支撑件表面之间的陶瓷厚度为约3-5mm，且可以选择吸附电极312和基板支撑表面307之间的陶瓷厚度为约0.3mm，其中成形脉冲偏压施加到吸附电极。
为了不仅在鞘形成(负跳变，VOUT)阶段期间，而且在离子电流补偿阶段期间使偏压电压波形的形状重现基板电压波形的形状，相较于偏压电压负跳变VOUT，因离子电流引起的跨CCK的电压降变化需要为可忽略的。因为基板电压在此阶段保持恒定，所以跨CCK的电压降变化率等于补偿离子电流所需的偏压电压变化率，且等于Ii/CCK或如果CCK>>CSTR，则近乎等于IS/CCK。如此一来，偏压电压波形的离子电流补偿阶段期间的总偏压电压变化等于Ii*T/CCK，其中T是离子电流补偿阶段的持续时间。如果Ii*T/CCK远小于VOUT，其中VOUT是偏压电压波形中的负跳变，则偏压电压波形补偿阶段期间的电压斜坡可忽略，而简化了脉冲形状要求。在这样的实施例中，因为施加到功率电极的信号的脉冲电压波形的形状(即偏压电压波形)完全重现基板电压波形的形状，所以不需要满足条件CCK>>CSTR，且可以用作反馈信号以在离子电流补偿阶段期间保持预定(几乎恒定的)基板电压波形，如以上一些实施例中所述。
在根据本原理的另一实施例中，为了满足上述第[0054]段中的条件(1)和(2)，通过将来自偏压供应的电压提供到吸附极(例如嵌入于静电吸盘中的金属基底板或网格)而不是提供到功率电极，使得相较于夹头电容CCK，鞘电容CSH与杂散电容CSTR成为可忽略的。
例如且参考回图3的系统300，在根据本原理的实施例中，为了使相较于鞘电容CSH引起的电压降，夹头电容CCK引起的电压降成为可忽略的，来自偏压供应330的电压(偏压)施加到静电吸盘311的吸附电极312而不是施加到功率电极313。通过将诸如特殊波形偏压(图2A)的偏压施加到吸附电极312而不是施加到电源电极313，跨夹头电容的电压降小，使得在基板表面处的可测量到的电压幅度可以在施加偏压脉冲期间的任何时间实质接近于脉冲的电压幅度(即变化不超过0至5％)。
在这样的实施例中，将吸附电极和基板支撑表面之间的陶瓷厚度之间的差值保持在小于功率电极和基板支撑表面之间的陶瓷厚度至少一个数量级是重要的。例如且参考回图3的系统300，在介电层314包括氮化铝的一个实施例中，吸附电极312和基板支撑表面307之间的陶瓷厚度可以是约0.3mm，而底板和晶片之间的厚度可以为约3-5mm。因此，电容增加至少10个数量级。
根据本原理，在偏压电压提供给吸附极的等离子体处理系统的实施例中，应该考虑的是，通常也向吸附极提供-2kV数量级的DC夹持电压。因为所需的夹持电流极度小，在一些实施例中，发明人提出用电容器将高压DC供应与大电阻器(如1M欧姆)隔离。可以使用阻隔电容器或脉冲变压器将偏压(如脉冲波形)耦合到吸附极。例如，图8描绘了根据本原理的实施例用于将夹持电压和偏压电压耦合到吸附极的变压器耦合电路800的示意图。图8的变压器耦合电路800示例性地包括电压偏压源802、夹持电压源804、两个电阻器R1和R5以及三个电容器C2、C3和C4。也就是说，图8描绘了能够同时将吸附极使用于成形脉冲偏压和吸附电压的二者的应用的电路的示例。在其他实施例(未图示)中，偏压和夹持功率源可以组合成一个能够输出所需的相加波形的电源。
根据本原理的上述实施例不是互斥的。更具体而言，根据本原理，在一个实施例中，基板支撑基座的夹头电容CCK可以实质大于如上所述的鞘电容CSH，且代表鞘电压的信号可以用作反馈信号以调整由偏压供应提供的成形脉冲偏压波形，使得代表鞘电压的信号在离子电流补偿阶段期间保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。
在一个这样的实施例中，根据本原理，将来自偏压供应的成形脉冲偏压波形提供给基板支撑基座的静电吸盘的金属底板或网格。接着捕捉正在处理的基板处的电压并将其传送到控制器。控制器决定控制信号以传送给偏压供应，以调整由偏压供应提供到静电吸盘的金属底板或网格的成形脉冲偏压波形，使得在基板处捕捉的电压在离子电流补偿阶段期间保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。
在另一个这样的实施例中，选择将功率电极与基板支撑件表面分离的介电材料层的厚度和组成，使得介电层的电容(夹头电容)相对于杂散电容和鞘电容是非常大的。接着捕捉围绕正在处理的基板的边缘环处的电压并将其传送到控制器。控制器决定控制信号以传送给偏压供应，以调整由偏压供应提供到基板支撑件的功率电极的成形脉冲偏压波形，使得在基板处捕捉的电压在离子电流补偿阶段期间保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。
在另一个这样的实施例中，选择将功率电极与基板支撑件表面分离的介电材料层的厚度和组成，使得介电层的电容(夹头电容)相对于如上所述的杂散电容和鞘电容是非常大的。接着捕捉正在处理的基板处的电压并将其传送到控制器。控制器决定控制信号以传送给偏压供应，以调整由偏压供应提供到基板支撑件的功率电极的成形脉冲偏压波形，使得在基板处捕捉的电压在离子电流补偿阶段期间保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。
在另一个这样的实施例中，根据本原理，将来自偏压供应的成形脉冲偏压波形提供给基板支撑基座的静电吸盘的金属底板或网格。接着捕捉围绕正在处理的基板的边缘环处的电压并将其传送到控制器。控制器决定控制信号以传送给偏压供应，以调整由偏压供应提供到静电吸盘的金属底板或网格的成形脉冲偏压波形，使得在基板处捕捉的电压在离子电流补偿阶段期间保持恒定和/或保持在预定电压位准的容差内。
虽然前面所述是针对本公开的实施例，但在不背离本发明基本范围下，可设计本公开的其他与进一步的实施例。

Claims (15)

1.一种用于在等离子体处理腔室中在等离子体处理期间控制基板处的电压波形的方法，包括：
对所述等离子体处理腔室内的基板支撑件施加成形脉冲偏压波形，所述基板支撑件包含静电吸盘、吸附极、基板支撑表面与电极；
捕捉代表定位在所述基板支撑表面上的基板处的电压的信号；以及
基于捕捉的信号迭代地调整所述成形脉冲偏压波形。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述迭代地调整包括：评估代表所述基板处的所述电压的所述捕捉的信号，以及响应于所述评估而产生控制信号，所述控制信号被施加于偏压供应以调整所述成形脉冲偏压波形，以维持所述基板处的所述电压恒定或将所述基板处的所述电压维持在预定电压位准的容差内。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
将所述成形脉冲偏压波形施加到所述基板支撑件的所述电极。
4.如权利要求1所述的方法，包括：
将所述成形脉冲偏压波形施加到所述吸附极。
5.一种等离子体处理系统，包括：
基板支撑件，所述基板支撑件限定用于支撑待处理基板的表面，所述基板支撑件包含静电吸盘、吸附极与电极；
传感器，所述传感器捕捉代表定位于所述基板支撑件表面上的基板处的电压的信号；
偏压供应，所述偏压供应向所述基板支撑件提供成形脉冲偏压波形；以及
控制器，所述控制器接收来自所述传感器的捕捉的信号，以及产生控制信号，所述控制信号被传送到所述偏压供应以根据所述捕捉的信号调整所述成形脉冲偏压波形。
6.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述传感器包括与所述基板的至少一部分接触的导电引线。
7.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述传感器包括设置在所述电极上方的导电材料环。
8.如权利要求7所述的等离子体处理系统，包括与所述导电材料环的至少一部分接触的导电引线。
9.如权利要求7所述的等离子体处理系统，包括靠近所述导电材料环的耦合电路，以将所述捕捉的信号传送到所述控制器。
10.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述传感器包括靠近所述基板的耦合电路。
11.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述成形脉冲偏压波形被迭代地调整以维持所述基板处的所述电压恒定或将所述基板处的所述电压维持在预定电压位准的容差内。
12.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述成形脉冲偏压波形被施加到所述基板支撑件的所述电极。
13.如权利要求5所述的等离子体处理系统，其中所述成形脉冲偏压波形被施加到所述基板支撑件的所述吸附极。
14.一种等离子体处理系统，包括：
基板支撑件，所述基板支撑件包括静电吸盘、吸附极与电极，并且所述基板支撑件限定表面以支撑待处理的基板，其中所述电极与所述基板支撑表面由介电材料层分离；
等离子体，所述等离子体设置在所述基板支撑表面上方；
以及
成形脉冲偏压波形产生器，所述成形脉冲偏压波形产生器将成形脉冲偏压波形施加到所述电极，
其中选择所述介电材料层的厚度和组成，使得所述电极和所述基板支撑表面之间的所述介电层的电容比所述基板支撑表面和所述等离子体之间的电容大至少一个数量级。
15.如权利要求14所述的等离子体处理系统，包括耦合电路，所述耦合电路用于将所述成形脉冲偏压波形和夹持电压耦合至所述基板支撑件。
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