TWI570833B - Electrostatic clamping system in a plasma processing unit - Google Patents

Description

電漿處理裝置中的靜電夾持系統

本發明涉及一種電漿處理裝置，特別涉及一種電漿體處理裝置中具有直流偏壓補償功能的靜電夾持系統，及其吸附電壓控制方法。

近年來，隨著半導體製造工藝的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，電漿工藝被廣泛應用於半導體元件的製造中。在電漿處理裝置中待處理的晶圓首先會被送入電漿處理裝置內的靜電夾盤上表面，靜電夾盤內的電極連接到一個高壓直流電源，通過該高壓電壓使得晶圓被吸附在靜電夾盤上。習知技術一般將很高的負電壓施加到靜電夾盤的電極內，實現靜電吸附，外部施加的負電壓和隨著電漿產生而產生的負的直流偏壓疊加，最終可以使靜電夾盤穩定吸附。但是這種方法也存在問題，比如採用負電壓吸附容易對待處理晶圓造成電漿引起的損傷（plasma induced damage），這些損傷會造成晶圓上加工成型的晶片使用壽命縮短，或者性能減弱甚至報廢。為了減少這些損傷，可以選擇施加正電壓到靜電夾盤的電極，這樣也能實現對晶圓的吸附。在電漿處理過程中電漿內大量的電子會在晶圓上積累形成負電壓，也就是直流偏壓，直流偏壓的大小可以通過控制射頻偏置電源的功率來控制。但是晶圓上由於負電荷積累形成的直流偏壓與外部施加正極性直流高壓的極性相反，兩者會互相抵消，而且直流偏壓會隨著施加到電漿處理裝置的射頻功率的增加而增加，當直流偏壓增加到大於等於外部施加的直流高壓時實際的吸附電壓會接近零，吸附力會顯著減弱。如果外部給定直流高壓（HV setting）設定值遠大於可能出現的直流偏壓，能夠保證對晶圓的吸附，但是這會對直流高壓供電電路很大的負擔，不僅器件耐壓要求提高、功耗也會增加，而且在電漿處理完後需要將晶圓從靜電夾盤上脫離（Dechucking）時需要更長時間的施加一個反向高壓才能可靠的將晶圓上的電荷中和掉，對提高晶圓脫離的可靠性和效率很不利。 為了解決直流偏壓對靜電夾盤吸附電壓的影響，需要一個吸附電壓控制系統綜合外部給定高壓（HV setting）和直流偏壓（Vdc）之間的數值關係，輸出合適的吸附電壓值，使得晶圓能夠被穩定的吸附在靜電夾盤上同時減少對晶圓的PID損傷，進一步的還要保證電漿處理完成後晶圓可以可靠快速的從靜電夾盤上脫離。

本發明的主要目的在於克服習知技術的缺陷，提供一種多模式輸出的吸附電壓控制系統，可以根據直流偏壓的變化輸出不同的吸附電壓，既能保證對晶圓的穩定吸附還顯著減小了對晶圓上器件的損傷，同時實現不同電壓輸出模式之間的柔性切換。

為達成上述目的，本發明提供中的靜電夾持系統，包括：電漿處理腔和安裝於電漿處理腔內下方的靜電夾盤，晶圓固定在所述靜電夾盤上，靜電夾盤內包括至少一個吸附電極；一個吸附電壓供應系統，通過第一接收端接收吸附電壓設定值、一個第二接收端用於接收電漿處理裝置內晶圓上的直流偏壓值，還包括一個輸出端輸出吸附電壓到所述吸附電極；

所述吸附電壓供應系統比較所述接收到的吸附電壓設定值和直流偏壓值獲得一個修正吸附電壓值，根據修正吸附電壓值調節輸出到所述吸附電極的輸出電壓的幅度和極性。吸附電壓供應系統還可以包括一個比較器，使所述接收到的吸附電壓設定值和直流偏壓值相加，產生並輸出一個修正吸附電壓值。

其中吸附電壓供應系統中還可以包括一個輸出電壓切換裝置和一個觸發器，觸發器接收所述修正吸附電壓值，根據所述修正吸附電壓值與第一模式切換閥值、第二模式切換閥值的比較結果輸出第一模式切換訊號和第二模式切換訊號到所述輸出電壓切換裝置，所述輸出電壓切換裝置根據接收到的第一模式切換訊號或者第二模式切換訊號使所述輸出電壓的極性進行正負切換。所述吸附電壓供應系統還包括一個功率變換器，功率變換器包括接收並根據所述修正吸附電壓值產生相應幅度的輸出電壓，所述輸出電壓連接到所述輸出電壓切換裝置。

本發明還提供了一種電漿體處理裝置中吸附電壓控制方法，所述電漿處理裝置包括一個基座，位於基座上的靜電夾盤和放置在靜電夾盤上的晶圓，所述吸附電壓控制方法包括：通入反應氣體，並且施加射頻電場到電漿處理裝置內點燃電漿體；提供吸附電壓設定值、第一模式切換閥值、第二模式切換閥值；檢測並獲得電漿處理裝置內晶圓上的直流偏壓值；處理所述吸附電壓設定值和直流偏壓值，獲得修正吸附電壓值，根據所述修正吸附電壓值產生吸附電壓；比較所述修正吸附電壓值和所述第一模式切換閥值、第二模式切換閥值選擇輸出正的吸附電壓或者負的吸附電壓到所述靜電夾盤。其中第一切換閥值大於零，第二切換閥值小於零，修正吸附電壓值小於第二切換閥值時輸出負的吸附電壓到所述靜電夾盤；所述修正吸附電壓值大於第一切換閥值時輸出正的吸附電壓到所述靜電夾盤。所述第一切換閥值小於等於50V，等於第二切換閥值大於等於-50V。

其中所述吸附電壓設定值大於500V，所述直流偏壓值小於零，修正吸附電壓值為吸附電壓設定值與直流偏壓值的和。

其中所述修正吸附電壓值小於第一切換閥值大於第二切換閥值時，輸出吸附電壓絕對值小於30V，以實現輸出模式轉換時的柔性過渡。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語 “相連”、“電連接”應做廣義理解，例如，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

圖1顯示了本發明一種實施例提供的電漿處理裝置示意圖。如圖1所示，本發明電漿處理裝置包括電漿反應腔100，反應腔內部的頂部為一個反應氣體注入裝置11，通過管道和閥門連接到氣源110。反應腔100內下方包括一個基座22，基座內包括一個電極通過導體與至少一個射頻電源相連接。當反應氣體被通入反應腔後，通過射頻電源點燃並維持電漿體，同時也可以通過該射頻電源輸出功率的大小調節電漿體在晶圓表面積累的負電荷數量，從而調節直流偏壓（Vdc）。基座22上方包括一個靜電夾盤21，靜電夾盤內包括一個電極210，靜電夾盤上放置有待處理的晶圓20。電漿處理裝置內好包括一個邊緣環23圍繞在晶圓和靜電夾盤21周圍以調控晶圓邊緣的電場和溫度分佈。本發明電漿處理裝置還包括一個吸附電壓控制電路，包括一個加法器30，一個功率變換器31，輸出電壓切換裝置32和一個觸發器33。加法器30包括至少兩個訊號接收端301和302分別接收外部給出的設定高壓值和通過直流偏壓檢測系統獲得的直流偏壓（Vdc）。其中直流偏壓檢測系統可以是連接到電極210的一個檢測電路，該檢測電路通過一個射頻電阻連接到電極210使射頻功率衰減，然後通過包括二極體和電感、電容等元器件的整流和積分電路獲得代表直流偏壓幅度的電訊號，數學處理該電訊號就可以獲得Vdc的值，檢測Vdc的值是業內公知技術在此不再贅述。設定高壓值301是可以根據電漿處理時的工藝參數如溫度、功率、晶圓材料結構優化選擇的，該參數的選擇以既能保證晶圓被可靠吸附又不會損害晶圓為宜。下面進一步敘述本發明吸附電壓控制電路工作細節時，設定高壓值301以700V為例，但實際本發明可以選擇更寬的範圍如500-3000V。

本發明加法器將設定高壓值301和檢測獲得的直流偏壓302相加獲得代表修正高壓值的電訊號HVm，這個修正高壓值代表實際在晶圓上產生的靜電吸力。電訊號HVm輸出到後方的功率變換器31，功率變換器31根據該HVm訊號在輸出端311和312之間產生相應的直流高壓輸出，該直流高壓的電壓大小為修正高壓值。代表修正高壓值的電訊號HVm同時也被送入一個觸發器33，觸發器根據該電訊號輸出一個控制訊號到輸出電壓切換裝置32，控制內部開關的切換。輸出電壓切換裝置32包括至少兩個輸入端分別連接到311和312，兩個輸入端通過一個開關網路連接到輸出端320，通過開關網路使功率變換器31的輸出端311選擇性的電連接到靜電夾盤或者接地，同時輸出端312選擇性的接地或者電連接到靜電夾盤。功率變換器輸出電壓只能為正，且輸出的電壓值為修正高壓值，通過本發明的輸出電壓切換裝置可以實現正或負的修正高壓輸出倒靜電夾盤的電極210。

下面根據圖2的電壓或者電壓訊號波形圖來描述本發明觸發器33的工作過程。圖中埠301上的設定高壓值始終固定在700V，埠302上檢測到的直流偏壓值隨時間變化而變化，包括至少A-E至少5個連續的階段。

在A階段檢測到的直流偏壓Vdc幅度逐漸增加，從0增加到-650V，經過加法器30處理獲得修正高壓值50V，輸出到功率變換器31，功率變換器31輸出50V電壓。下面以施密特觸發器為例描述觸發器33的工作原理，其中觸發器33輸出轉換的上限是50V，下限是-50V。觸發器33同時接收修正高壓值50V，由於修正高壓值50V還未到達下限，所以不發出轉換訊號到輸出電壓切換裝置32，輸出電壓切換裝置32維持在正電壓輸出狀態。最終輸出端320的輸出電壓如圖2所示，從700逐漸下降到50V。

在B階段中直流偏壓降到-650V以下-750以上，此時由於功率變換器31硬體的限制，輸出電壓在50V時無法正常輸出，所以輸出端311的輸出電壓約等於零，比如根據功率變換器31設計的不同，輸出電壓可以是在30-0V之間變動也可以直接關閉功率變換器31,使之輸出電壓為零。此時由於直流偏壓幅度遠大於功率變換器31的輸出電壓幅度，所以對晶圓吸附的起主導作用的直流偏壓。同時加法器30輸出的修正高壓值在50V到-50V範圍內變動，觸發器33也沒有偵測到修正高壓值超過轉換下限，所以仍然維持正輸出狀態。最終輸出端311接近於零的電壓被作為吸附電壓從埠320輸出到靜電夾盤。雖然輸出的吸附電壓為零，但是由於直流偏壓很高(-700±50V)，所以只靠直流偏壓就能使晶圓穩定的吸附到靜電夾盤上。由於埠320的輸出電壓為零所以輸出電壓切換裝置32內的開關上流過的電流也為零，在後續切換到其它輸出狀態時，可以避免熱切換造成的器件損傷和電磁場干擾。

在C階段直流偏壓降到-750V以下（如-800V），修正後的高壓值-100V超過轉換下限-50V，功率變換器31也恢復了向外供應穩定的電壓，同時觸發器33發出控制命令使輸出電壓切換裝置32的輸出電壓逆轉為負電壓，也就是輸出端312的輸出電壓被連接到靜電夾盤的電極210，另一輸出端311連接到接地端。此時通過輸出端320輸出的吸附電壓為-100V，直流自偏壓為-800V，兩者的電壓仍為700V，這樣就保證了靜電吸附力的穩定性，而且在從A階段到C階段轉換中沒有直接的帶電流熱切換，中間包括零電流流過的B階段，實現了柔性切換。

在D階段直流偏壓又上升到-750V以上，修正高壓值也在-50V以上+50V以下，功率變換器31再次輸出零電壓。但是由於還沒有達到觸發器33的轉換上限+50V所以輸出電壓切換裝置32仍然沒有切換C階段所處的負電壓輸出模式。

E階段中直流偏壓上升到-650V以上，修正高壓值也在+50V以上，功率變換器31再次恢復輸出修正高壓。修正高壓值也超過了轉換上限+50V，所以觸發器33控制輸出電壓切換裝置32轉換到正電壓輸出模式，320輸出正的修正高壓到靜電夾盤。

綜上所述，本發明所提出的多模式輸出的吸附電壓控制系統可以根據直流偏壓的變化輸出不同的吸附電壓，既能保證對晶圓的穩定吸附還顯著減小了對晶圓上器件的損傷，同時實現不同電壓輸出模式之間的柔性切換。本發明中的轉換上下限也可以是其它數值如±30V或±20V,上下限數值的具體設定受功率變換器31具體參數的影響，只要功率變換器31仍能保證穩定的功率輸出，就盡可能選擇較低的上下限數值。

本發明吸附電壓控制系統，除了如圖1所示的由加法器、功率變換器、觸發器、輸出電壓切換裝置組成外，也可以由其它電路結構實現，比如加法器和觸發器可以整合到同一個晶片或電路中，功率變換器中也可以整合入相應的開關，實現不同極性電壓的輸出。對於業內人士而言，選擇不同的電路均能實現本發明的功能，所以這些能實現本發明功能的電路均屬於本發明範圍。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域中具有通常知識者在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以申請專利範圍所述為准。

100‧‧‧反應腔
11‧‧‧反應氣體注入裝置
110‧‧‧氣源
20‧‧‧晶圓
21‧‧‧靜電夾盤
210‧‧‧電極
22‧‧‧基座
23‧‧‧邊緣環
30‧‧‧加法器
301、302‧‧‧訊號接收端
31‧‧‧功率變換器
311、312、320‧‧‧輸出端
32‧‧‧輸出電壓切換裝置
33‧‧‧觸發器

圖1為本發明電漿處理裝置的示意圖； 圖2為本發明吸附電壓控制系統接受的外部給定高壓、直流偏壓和輸出的吸附電壓的波形圖。

100‧‧‧反應腔

11‧‧‧反應氣體注入裝置

110‧‧‧氣源

20‧‧‧晶圓

21‧‧‧靜電夾盤

210‧‧‧電極

22‧‧‧基座

23‧‧‧邊緣環

30‧‧‧加法器

301、302‧‧‧訊號接收端

31‧‧‧功率變換器

311、312、320‧‧‧輸出端

32‧‧‧輸出電壓切換裝置

33‧‧‧觸發器

Claims (9)

1. 一種電漿體處理裝置中吸附電壓控制方法，所述電漿處理裝置包括一個基座，位於基座上的靜電夾盤和放置在靜電夾盤上的晶圓，所述吸附電壓控制方法包括：通入反應氣體，並且施加射頻電場到電漿處理裝置內點燃電漿體；提供吸附電壓設定值、第一模式切換閥值、第二模式切換閥值；檢測並獲得電漿處理裝置內晶圓上的直流偏壓值；處理所述吸附電壓設定值和直流偏壓值，獲得修正吸附電壓值，根據所述修正吸附電壓值產生吸附電壓；以及比較所述修正吸附電壓值和所述第一模式切換閥值、第二模式切換閥值選擇輸出正的吸附電壓或者負的吸附電壓到所述靜電夾盤，其中所述輸出的吸附電壓與直流偏壓值的差值係為穩定，使得晶圓吸附到靜電夾盤上的靜電吸附力穩定。
2. 如請求項1所述的吸附電壓控制方法，其中所述第一切換閥值大於零，第二切換閥值小於零，所述修正吸附電壓值小於第二切換閥值時輸出負的吸附電壓到所述靜電夾盤；所述修正吸附電壓值大於第一切換閥值時輸出正的吸附電壓到所述靜電夾盤。
3. 如請求項1所述的吸附電壓控制方法，其中所述吸附電壓設定值大於500V，所述直流偏壓值小於零，修正吸附電壓值為吸附電壓設定值與直流偏壓值的和。
4. 如請求項2所述的吸附電壓控制方法，其中所述第一切換閥值小於等於50V，等於第二切換閥值大於等於-50V。
5. 如請求項4所述的吸附電壓控制方法，其中所述修正吸附電壓值小於第一切換閥值大於第二切換閥值時，輸出吸附電壓小於30V。
6. 一種電漿處理裝置中的靜電夾持系統，包括：電漿處理腔和安裝於電漿處理腔內下方的靜電夾盤，晶圓固定在所述靜電夾盤上，靜電夾盤內包括至少一個吸附電極；一個吸附電壓供應系統，通過第一接收端接收吸附電壓設定值、一個第二接收端用於接收電漿處理裝置內晶圓上的直流偏壓值，還包括一個輸出端輸出吸附電壓到所述吸附電極；以及所述吸附電壓供應系統比較所述接收到的吸附電壓設定值和直流偏壓值獲得一個修正吸附電壓值，根據修正吸附電壓值調節輸出到所述吸附電極的輸出電壓的幅度和極性，其中所述輸出的吸附電壓與直流偏壓值的差值穩定，使得晶圓吸附到靜電夾盤上的靜電吸附力穩定。
7. 如請求項6所述的靜電夾持系統，其中所述吸附電壓供應系統包括一個輸出電壓切換裝置和一個觸發器，觸發器接收所述修正吸附電壓值，根據所述修正吸附電壓值與第一模式切換閥值、第二模式切換閥值的比較結果輸出第一模式切換訊號和第二模式切換訊號到所述輸出電壓切換裝置，所述輸出電壓切換裝置根據接收到的第一模式切換訊號或者第二模式切換訊號使所述輸出電壓的極性進行正負切換。
8. 如請求項7所述的靜電夾持系統，其中所述吸附電壓供應系統還包括一個功率變換器，功率變換器接收並根據所述修正吸附電壓值產生相應幅度的輸出電壓，所述輸出電壓連接到所述輸出電壓切換裝置。
9. 請求項6所述的靜電夾持系統，其中所述吸附電壓供應系統還包括一個加法器，使所述接收到的吸附電壓設定值和直流偏壓值相加，產生並輸出一個修正吸附電壓值。