CN113948359B - 静电吸盘及半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种静电吸盘，所述静电吸盘包括：一电介质层，该电介质层中设置有正电极和负电极，所述静电吸盘还包括供电系统，该供电系统包括基本电压源、基本电压控制器以及自偏压传感器，其中，基本电压源连接于正电极和负电极之间，用于供应正电极和负电极各自需要的电荷；自偏压传感器用于对自偏压进行检测，自偏压为静电吸盘所吸附的晶圆的表面在等离子体环境下形成的负的电压；基本电压控制器用于根据自偏压的值对基本电压源的输出电压进行控制，以使自偏压与静电吸盘的正电极电压之间的电压差无法形成电弧。本发明能够防止静电吸盘出现拉弧。

Description

静电吸盘及半导体工艺设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种静电吸盘及半导体工艺设备。
背景技术
在等离子体刻蚀系统中，有一个很重要的设备是静电吸盘(ElectrostaticChuck，ESC)，其作用在于利用静电力保持晶圆位置固定并将晶圆上产生的热量进行热交换。以双极性静电吸盘为例，如图1所示，静电吸盘与晶圆接触的表面有一层电介质层，在电介质层中嵌有正电极和负电极，将晶圆(wafer)放到ESC表面，通过直流电源给静电吸盘的正电极和负电极供电，在电极上导入“+”、“-”电荷，晶圆表面聚集极性相反的电荷，从而利用库伦力吸附住晶圆。
另外，射频(RF)源也是等离子体刻蚀系统不可缺少的设备，其原理是刻蚀气体(主要是F基和Cl基的气体)通过气体流量控制系统通入反应腔室，在高频电场(频率通常是13.56MHz)作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体(Plasma)。等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统，而射频源正是产生高频电场的核心设备。
但是，在形成的等离子体中，由于电子与正离子的质量不同，等离子体与静电吸盘表面附近形成一sheath层(即暗鞘层)，如图2所示，正电极与等离子体之间的sheath层的长度相对于负电极与等离子体之间的sheath层的长度更长。一般来说这个sheath层很薄，电场很强，静电吸盘表面相对于等离子体来说处于低电位，二者之间会产生一个电压差，我们称之为自偏压(self bias)。也就是说，一旦等离子体形成，晶圆表面就会产生一个负的偏置电压，且这个负的偏置电压与气体种类、RF大小、频率都有关系。
在实现本发明的过程中，发明人发现：在射频源打开初期，刚开始形成等离子体，此时等离子体是一个非常不稳定的状态，晶圆表面的负的自偏压会出现震荡，正电极电压与自偏压的电压差会变大，如图3所示，sheath层长度变长造成正电极和等离子体之间容易出现拉弧(arcing)，进而造成晶圆与ESC的不良，因此有必要防止此现象。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种静电吸盘，能够防止静电吸盘出现拉弧。
第一方面，本发明提供一种静电吸盘，所述静电吸盘包括一电介质层，所述电介质层中设置有正电极和负电极，所述静电吸盘还包括供电系统，所述供电系统包括基本电压源、基本电压控制器以及自偏压传感器，其中，
所述基本电压源，连接于所述正电极和所述负电极之间，用于供应所述正电极和所述负电极各自需要的电荷；
所述自偏压传感器，用于对自偏压进行检测，所述自偏压为所述静电吸盘所吸附的晶圆的表面在等离子体环境下形成的负的电压；
所述基本电压控制器，用于根据所述自偏压的值对所述基本电压源的输出电压进行控制，以使所述自偏压与所述静电吸盘的正电极电压之间的电压差无法形成电弧。
可选地，所述基本电压控制器，用于当所述自偏压的值经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之前，控制所述基本电压源供应到所述正电极上的电压与所述负电极上的电压相同，以及，还用于当所述自偏压的值经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之后，控制所述基本电压源供应到所述正电极上的电压为正常工作电压。
可选地，所述基本电压控制器为可编程控制芯片，用于直接接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，对所述基本电压源进行控制。
可选地，所述供电系统，还包括计算机，所述计算机用于接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，得到自偏压的变化曲线，并根据所述自偏压的变化曲线下发指令到所述基本电压控制器，以控制所述基本电压源。
可选地，所述供电系统还包括：补偿电压源和补偿电压控制器，其中，
所述补偿电压源，用于提供所述静电吸盘需要的偏置补偿电压，以对所述自偏压进行补偿；
所述补偿电压控制器，用于根据所述自偏压，控制所述补偿电压源输出偏置补偿电压。
可选地，所述补偿电压源的负端接地，所述补偿电压源的正端分别连接至所述正电极和所述负电极。
可选地，所述补偿电压控制器直接接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，对所述补偿电压源进行控制，或者，根据所述计算机下发的指令对所述补偿电压源进行控制。
第二方面，本发明提供一种半导体工艺设备，包括：
反应腔室；
射频源，用于在所述反应腔室内形成等离子体；
上述静电吸盘，所述静电吸盘位于所述反应腔室内，用于固定进行工艺处理的晶圆。
可选地，所述半导体工艺设备为干法刻蚀设备。
本发明提供的静电吸盘及半导体工艺设备，基本电压控制器根据自偏压的值对基本电压源的输出进行控制，改变吸附电压的导入方法，能够在等离子体环境下，使得ESC和晶圆表面不会出现拉弧现象。
附图说明
图1为双极性静电吸盘的工作原理示意图；
图2为等离子体环境下晶圆表面形成暗鞘层的示意图；
图3为静电吸盘发生拉弧现象的示意图；
图4为本发明一实施例提供的静电吸盘的供电系统示意图；
图5为自偏压的变化曲线示意图；
图6为本发明一实施例提供的静电吸盘的供电系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种静电吸盘(ESC)，如图4所示，该静电吸盘包括一电介质层，该电介质层中设置有正电极和负电极，当正电极和负电极接通电源时，静电吸盘能够依靠静电力对位于其上表面的晶圆进行吸附。该静电吸盘还包括供电系统，供电系统包括基本电压源11、基本电压控制器12、补偿电压源13、补偿电压控制器14以及自偏压传感器15，其中，
基本电压源11，连接于静电吸盘的正电极和负电极之间，用于供应正电极和负电极各自需要的电荷；
基本电压控制器12，用于根据自偏压的值对基本电压源的输出电压进行控制，以使自偏压与静电吸盘的正电极电压之间的电压差无法形成电弧；
补偿电压源13，用于提供静电吸盘需要的偏置补偿电压，以对自偏压进行补偿；
补偿电压控制器14，用于根据自偏压，控制补偿电压源输出偏置补偿电压；
自偏压传感器15，用于对自偏压进行检测，这里的自偏压为静电吸盘所吸附的晶圆的表面在等离子体环境下形成的负的电压。
参考图4，补偿电压源13的负端接地，正端分别连接至正电极和负电极，本实施例中，自偏压传感器15将检测到的自偏压信号分别传输到基本电压控制器12和补偿电压控制器14。基本电压控制器12可以为一可编程控制芯片，直接接收自偏压传感器检测到的自偏压，对基本电压源11进行控制。补偿电压控制器14直接接收自偏压传感器检测到的自偏压，对补偿电压源13进行控制。
关于晶圆表面的自偏压，记为VDC，当打开射频源，形成等离子体的初期，VDC有一段时间震荡，如图5所示，分别展示了Vchuck>|VDC|*2及Vchuck<|VDC|*2时的VDC电压变化曲线，Vchuck表示吸附电压，VDC表示自偏压，VESC +为正电极电压，VESC -为负电极电压。图5还标出了容易出现电弧的危险区，危险区的结束时间分别对应于T1和T2，发明人发现，可以根据自偏压VDC的变化曲线去调节正电极的输出电压，以防止出现拉弧。具体如下：
晶圆放到ESC上之后，ESC正负电极上分别导入电荷。在起始阶段，基本电压控制器12控制基本电压源11的输出电压，使得正电极的电压与负电极的电压相同。之后，打开射频源，开始形成等离子体，这个阶段，自偏压会出现震荡，当等离子体形成之后，自偏压震荡阶段结束，且自偏压开始降低，在这个时间点，基本电压控制器12控制基本电压源11的输出电压，使得正电极的电压为正常工作电压。
也就是说，当自偏压的变化曲线经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之前，基本电压控制器12控制基本电压源11供应到正电极上的电压与负电极上的电压相同，当自偏压的变化曲线经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之后，基本电压控制器12控制基本电压源11供应到正电极上的电压为正常工作电压。自偏压的变化曲线经过震荡阶段且开始降低的时刻由基本电压控制器12直接确定。通过这样的上电顺序，能够避免自偏压与静电吸盘的正电极电压之间的电压差形成拉弧。
参考图6，本发明另一实施例中，供电系统还包括计算机16，自偏压传感器15检测到的自偏压信号传输到计算机16，然后由计算机16下发控制指令到基本电压控制器12，以控制基本电压源11的输出。自偏压的变化曲线经过震荡阶段且开始降低的时刻由计算机16确定。同时，计算机16下发控制指令到补偿电压控制器14，以控制补偿电压源13的输出。
本实施例提供的静电吸盘，对其供电系统进行了改进，基本电压控制器根据自偏压的变化曲线对基本电压源的输出进行控制，改变吸附电压的导入方法，能够在等离子体环境下，使得ESC和晶圆表面不会出现拉弧现象。
进一步地，本发明另一实施例提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备包括：
反应腔室；
射频源，用于在反应腔室内形成等离子体；
上述实施例中的静电吸盘，该静电吸盘位于反应腔室内，用于固定进行工艺处理的晶圆。
特别地，上述半导体工艺设备为一种干法刻蚀设备。在打开射频源之前，即起始阶段，保持静电吸盘的正电极电压与负电极电压相同。之后打开射频源，在等离子体形成之后，自偏压开始降低，此时，将静电吸盘的正电极电压恢复到正常工作电压。本发明实施例能够在等离子体环境下，打开射频源刚开始形成等离子体的初期，防止自偏压和正电极之间的电压差导致的电弧，进而防止晶圆不良，延长静电吸盘的寿命。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种静电吸盘，所述静电吸盘包括一电介质层，所述电介质层中设置有正电极和负电极，其特征在于，所述静电吸盘还包括供电系统，所述供电系统包括基本电压源、基本电压控制器以及自偏压传感器，其中，
所述基本电压源，连接于所述正电极和所述负电极之间，用于供应所述正电极和所述负电极各自需要的电荷；
所述自偏压传感器，用于对自偏压进行检测，所述自偏压为所述静电吸盘所吸附的晶圆的表面在等离子体环境下形成的负的电压；
所述基本电压控制器，用于当所述自偏压的值经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之前，控制所述基本电压源供应到所述正电极上的电压与所述负电极上的电压相同，以及，还用于当所述自偏压的值经过震荡阶段且开始降低的时刻到达之后，控制所述基本电压源供应到所述正电极上的电压为正常工作电压，以使所述自偏压与所述静电吸盘的正电极电压之间的电压差无法形成电弧。
2.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述基本电压控制器为可编程控制芯片，用于直接接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，对所述基本电压源进行控制。
3.根据权利要求1所述的静电吸盘，其特征在于，所述供电系统，还包括计算机，所述计算机用于接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，得到自偏压的变化曲线，并根据所述自偏压的变化曲线下发指令到所述基本电压控制器，以控制所述基本电压源。
4.根据权利要求1-3任一项所述的静电吸盘，其特征在于，所述供电系统还包括：补偿电压源和补偿电压控制器，其中，
所述补偿电压源，用于提供所述静电吸盘需要的偏置补偿电压，以对所述自偏压进行补偿；
所述补偿电压控制器，用于根据所述自偏压，控制所述补偿电压源输出偏置补偿电压。
5.根据权利要求4所述的静电吸盘，其特征在于，所述补偿电压源的负端接地，所述补偿电压源的正端分别连接至所述正电极和所述负电极。
6.根据权利要求4所述的静电吸盘，其特征在于，所述补偿电压控制器直接接收所述自偏压传感器检测到的自偏压，对所述补偿电压源进行控制，或者，根据计算机下发的指令对所述补偿电压源进行控制。
7.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：
反应腔室；
射频源，用于在所述反应腔室内形成等离子体；
如权利要求1-6任一项所述的静电吸盘，所述静电吸盘位于所述反应腔室内，用于固定进行工艺处理的晶圆。
8.根据权利要求7所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备为干法刻蚀设备。
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