一种等离子体处理装置中的静电夹持系统及吸附电压控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子处理装置，特别涉及一种等离子体处理装置中具有直流偏置电压补偿功能的静电夹持系统，及其吸附电压控制方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子工艺被广泛应用于半导体器件的制造中。在等离子处理装置中待处理的晶圆首先会被送入等离子处理装置内的静电夹盘上表面，静电夹盘内的电极连接到一个高压直流电源，通过该高压电压使得晶圆被吸附在静电夹盘上。现有技术一般将很高的负电压施加到静电夹盘的电极内，实现静电吸附，外部施加的负电压和随着等离子产生而产生的负的直流偏置电压叠加，最终可以使静电夹盘稳定吸附。但是这种方法也存在问题，比如采用负电压吸附容易对待处理晶圆造成等离子引起的损伤(plasma induced damage)，这些损伤会造成晶圆上加工成型的芯片使用寿命缩短，或者性能减弱甚至报废。为了减少这些损伤，可以选择施加正电压到静电夹盘的电极，这样也能实现对晶圆的吸附。在等离子处理过程中等离子内大量的电子会在晶圆上积累形成负电压，也就是直流偏置电压，直流偏置电压的大小可以通过控制射频偏置电源的功率来控制。但是晶圆上由于负电荷积累形成的直流偏置电压与外部施加正极性直流高压的极性相反，两者会互相抵消，而且直流偏置电压会随着施加到等离子处理装置的射频功率的增加而增加，当直流偏置电压增加到大于等于外部施加的直流高压时实际的吸附电压会接近零，吸附力会显著减弱。如果外部给定直流高压(HV setting)设定值远大于可能出现的直流偏置电压，能够保证对晶圆的吸附，但是这会对直流高压供电电路很大的负担，不仅器件耐压要求提高、功耗也会增加，而且在等离子处理完后需要将晶圆从静电夹盘上脱离(Dechucking)时需要更长时间的施加一个反向高压才能可靠的将晶圆上的电荷中和掉，对提高晶圆脱离的可靠性和效率很不利。为了解决直流偏置电压对静电夹盘吸附电压的影响，需要一个吸附电压控制系统综合外部给定高压(HV setting)和直流偏置电压(Vdc)之间的数值关系，输出合适的吸附电压值，使得晶圆能够被稳定的吸附在静电夹盘上同时减少对晶圆的PID损伤，进一步的还要保证等离子处理完成后晶圆可以可靠快速的从静电夹盘上脱离。
【发明内容】
[0003]本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多模式输出的吸附电压控制系统，可以根据直流偏置电压的变化输出不同的吸附电压，既能保证对晶圆的稳定吸附还显著减小了对晶圆上器件的损伤，同时实现不同电压输出模式之间的柔性切换。
[0004]为达成上述目的，本发明提供中的静电夹持系统，包括:等离子处理腔和安装于等离子处理腔内下方的静电夹盘，晶圆固定在所述静电夹盘上，静电夹盘内包括至少一个吸附电极；一个吸附电压供应系统，通过第一接收端接收吸附电压设定值、一个第二接收端用于接收等离子处理装置内晶圆上的直流偏置电压值，还包括一个输出端输出吸附电压到所述吸附电极；
[0005]所述吸附电压供应系统比较所述接收到的吸附电压设定值和直流偏置电压值获得一个修正吸附电压值，根据修正吸附电压值调节输出到所述吸附电极的输出电压的幅度和极性。吸附电压供应系统还可以包括一个比较器，使所述接收到的吸附电压设定值和直流偏置电压值相加，产生并输出一个修正吸附电压值。
[0006]其中吸附电压供应系统中还可以包括一个输出电压切换装置和一个触发器，触发器接收所述修正吸附电压值，根据所述修正吸附电压值与第一模式切换阀值、第二模式切换阀值的比较结果输出第一模式切换信号和第二模式切换信号到所述输出电压切换装置，所述输出电压切换装置根据接收到的第一模式切换信号或者第二模式切换信号使所述输出电压的极性进行正负切换。所述吸附电压供应系统还包括一个功率变换器，功率变换器包括接收并根据所述修正吸附电压值产生相应幅度的输出电压，所述输出电压连接到所述输出电压切换装置。
[0007]本发明还提供了一种等离子体处理装置中吸附电压控制方法，所述等离子处理装置包括一个基座，位于基座上的静电夹盘和放置在静电夹盘上的晶圆，所述吸附电压控制方法包括:通入反应气体，并且施加射频电场到等离子处理装置内点燃等离子体；提供吸附电压设定值、第一模式切换阀值、第二模式切换阀值；检测并获得等离子处理装置内晶圆上的直流偏置电压值；处理所述吸附电压设定值和直流偏置电压值，获得修正吸附电压值，根据所述修正吸附电压值产生吸附电压；比较所述修正吸附电压值和所述第一模式切换阀值、第二模式切换阀值选择输出正的吸附电压或者负的吸附电压到所述静电夹盘。其中第一切换阀值大于零，第二切换阀值小于零，修正吸附电压值小于第二切换阀值时输出负的吸附电压到所述静电夹盘；所述修正吸附电压值大于第一切换阀值时输出正的吸附电压到所述静电夹盘。所述第一切换阀值小于等于50V，等于第二切换阀值大于等于-50V。
[0008]其中所述吸附电压设定值大于500V，所述直流偏置电压值小于零，修正吸附电压值为吸附电压设定值与直流偏置电压值的和。
[0009]其中所述修正吸附电压值小于第一切换阀值大于第二切换阀值时，输出吸附电压绝对值小于30V，以实现输出模式转换时的柔性过渡。
【附图说明】
[0010]图1为本发明等离子处理装置的示意图；
[0011]图2为本发明吸附电压控制系统接受的外部给定高压、直流偏置电压和输出的吸附电压的波形图。
【具体实施方式】
[0012]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0013]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“电连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0014]图1显示了本发明一种实施例提供的等离子处理装置示意图。如图1所示，本发明等离子处理装置包括等离子反应腔100，反应腔内部的顶部为一个反应气体注入装置11，通过管道和阀门连接到气源110。反应腔100内下方包括一个基座22，基座内包括一个电极通过导体与至少一个射频电源相连接。当反应气体被通入反应腔后，通过射频电源点燃并维持等离子体，同时也可以通过该射频电源输出功率的大小调节等离子体在晶圆表面积累的负电荷数量，从而调节直流偏置电压(Vdc)。基座22上方包括一个静电夹盘21，静电夹盘内包括一个电极210，静电夹盘上放置有待处理的晶圆20。等离子处理装置内好包括一个边缘环23围绕在晶圆和静电夹盘21周围以调控晶圆边缘的电场和温度分布。本发明等离子处理装置还包括一个吸附电压控制电路，包括一个加法器30，一个功率变换器31，输出电压切换装置32和一个触发器33。加法器30包括至少两个信号接收端301和302分别接收外部给出的设定高压值和通过直流偏置电压检测系统获得的直流偏置电压(Vdc)。其中直流偏置电压检测系统可以是连接到电极210的一个检测电路，该检测电路通过一个射频电阻连接到电极210使射频功率衰减，然后通过包括二极管和电感、电容等元器件的整流和积分电路获得代表直流偏置电压幅度的电信号，数学处理该电信号就可以获得Vdc的值，检测Vdc的值是业内公知技术在此不再赘述。设定高压值301是可以根据等离子处理时的工艺参数如温度、功率、晶圆材料结构优化选择的，该参数的选择以既能保证晶圆被可靠吸附又不会损害晶圆为宜。下面进一步叙述本发明吸附电压控制电路工作细节时，设定高压值301以700V为例，但实际本发明可以选择更宽的范围如500-3000V。
[0015]本发明加法器将设定高压值301和检测获得的直流偏置电压302相加获得代表修正高压值的电信号HVm，这个修正高压值代表实际在晶圆上产生的静电吸力。电信号HVm输出到后方的功率变换器31，功率变换器31根据该HVm信号在输出端311和312之间产生相应的直流高压输出，该直流高压的电压大小为修正高压值。代表修正高压值的电信号HVm同时也被送入一个触发器33，触发器根据该电信号输出一个控制信号到输出电压切换装置32，控制内部开关的切换。输出电压切换装置32包括至少两个输入端分别连接到311和312，两个输入端通过一个开关网络连接到输出端320，通过开关网络使功率变换器