CN118215982A - 用于在等离子体处理腔室中进行实时晶片电位测量的方法和装置 - Google Patents

用于在等离子体处理腔室中进行实时晶片电位测量的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例总体上涉及用于在等离子体处理期间对在等离子体处理腔室中的基板上形成的电位进行实时测量和控制的装置和方法。本公开的实施例包括一种等离子体处理***，所述等离子体处理***包括基板支撑件，所述基板支撑件设置在等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括基板支撑表面和设置在第一电极与基板支撑表面之间的介电层。所述等离子体处理***进一步包括第一产生器，所述第一产生器耦接至所述等离子体处理***的第二电极；以及传感器，所述传感器被设置为距基板支撑表面第一距离。第一产生器被配置为在处理体积内产生等离子体。所述第一电极设置成距所述基板支撑表面达第二距离，并且所述第一距离小于所述第二距离。所述传感器通常被配置为检测在等离子体处理期间在基板上形成的电场强度和/或电压。

Description

用于在等离子体处理腔室中进行实时晶片电位测量的方法和 装置
背景
技术领域
本公开的实施例总体上涉及在半导体器件制造中使用的***和方法。更具体地，本文所提供的实施例总体上包括用于在等离子体处理期间测量和控制施加到基板的偏压的装置和方法。
背景技术
可靠地生产高深宽比特征是下一代半导体器件面临的关键技术挑战之一。一种形成高深宽比特征的方法使用等离子体辅助蚀刻工艺，诸如反应性离子蚀刻(RIE)等离子体工艺，以在基板的材料层(诸如介电层)中形成高深宽比开口。在典型的RIE等离子体工艺中，在处理腔室中形成等离子体，并且使来自等离子体的离子朝向基板的表面加速以在设置在所述基板的所述表面上形成的掩模层下方的材料层中形成开口。
典型的反应性离子蚀刻(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，诸如位于“静电卡盘”(ESC)组件附近的金属板(更通常地称为“阴极”)供应RF电压。功率电极可以通过作为ESC组件的一部分的厚介电材料层(例如，陶瓷材料)电容耦合至处理***的等离子体。在电容耦合气体放电中，等离子体是通过使用耦接至功率电极的射频(RF)产生器或通过RF匹配网络(“RF匹配”)设置在ESC组件外部和处理腔室内的单独功率电极产生的，所述RF匹配网络将视在负载调谐至50Ω，以最小化反射功率并最大化功率输送效率。将RF电压施加到功率电极导致在基板的处理表面上方形成排斥电子的等离子体壳层，所述处理表面在处理期间定位在ESC组件的基板支撑表面上。等离子体壳层的非线性、二极管样特性导致所施加的RF场发生整流，使得在基板与等离子体之间出现直流(DC)电压降或“自偏压”，从而使基板电位相对于等离子体电位为负。此种电压降确定了等离子体离子向基板加速并因此进行各向异性蚀刻的平均能量。更特别地，离子方向性、特征轮廓以及对掩模和停止层的蚀刻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通常具有两个非离散峰，一个处于低能量，而另一个处于高能量；以及具有在两个峰之间延伸的能量范围的离子群。IEDF的两个峰之间的离子群的存在反映了基板与等离子体之间的电压降在RF偏压频率下振荡的事实。当使用较低频率的RF偏置产生器来实现较高的自偏置电压时，所述两个峰之间的能量差异可导致工艺相关问题，诸如在基板表面上形成的经蚀刻的特征壁的弯曲。与高能离子相比，低能离子到达经蚀刻特征的底部的角落处的效率较低(例如，由于充电效应)，但是导致掩模材料的溅射较少。这在高深宽比蚀刻应用，诸如硬掩模开口或介电质模具蚀刻中是重要的。随着特征大小继续减小和深宽比增加，与此同时特征轮廓控制要求变得更加严格，更加期望在处理期间在基板表面处具有良好控制的基板偏压以及由此的IEDF。
已经发现，仅向等离子体处理腔室中的电极中的一个或多个电极输送包含处于常规等离子体产生偏压水平的RF信号的正弦波形的常规RF等离子体辅助蚀刻工艺未充分或理想地控制壳层特性和所产生的离子能量，这导致了非期望的等离子体处理结果。非期望的处理结果可包括掩模层的过度溅射和高深宽比特征中侧壁缺陷的产生。
此外，基板电位或等离子体处理期间产生的自偏压是用于确保可控和期望的等离子体处理结果的关键参数。在基板的等离子体处理期间基板电位的确定可用于改进在处理腔室中处理的基板和后续基板上实现的等离子体处理结果。例如，实时确定基板电位可用于更好地控制由于施加到相邻定位的偏置电极的波形的电容耦合而在基板处建立的实际偏置电压并补偿由于处理环境变化导致的基板电位的任何漂移。在其他示例中，基板电位的确定可用于等离子体工艺诊断和优化，以及用于等离子体处理期间基板的静电夹持和去夹持(de-chucking)控制。常规地，基板的电位只能通过使用经验模型来推断，或者通过使用有线非生产价值虚拟基板或使用脱机非生产价值诊断过程测试方法的实验探头来实验地测量。因此，使用常规工艺，在包含生产基板的半导体器件的等离子体处理期间，直接实时测量基板电位和基于所述测量进行基板电位的实时控制是不可能的。
因此，本领域需要至少能够解决上述问题的等离子体处理设备和偏压方法。
发明内容
本公开的实施例包括一种等离子体处理***，所述等离子体处理***包括基板支撑件，所述基板支撑件设置在等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括基板支撑表面和设置在第一电极与基板支撑表面之间的介电层。所述等离子体处理***进一步包括第一产生器，所述第一产生器耦接至所述等离子体处理***的第二电极；以及传感器，所述传感器被设置为距基板支撑表面第一距离。第一产生器被配置为在处理体积内产生等离子体。所述第一电极设置成距所述基板支撑表面第二距离，并且所述第一距离小于所述第二距离。所述传感器通常被配置为在等离子体处理期间检测在基板上形成的电场强度和/或电压。
本公开的实施例包括一种等离子体处理***，所述等离子体处理***包括基板支撑件，所述基板支撑件设置在等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括基板支撑表面和设置在第一电极与基板支撑表面之间的介电层。所述等离子体处理***也包括至少一个传感器，所述至少一个传感器设置为距所述基板支撑表面第一距离，其中所述第一电极设置为距所述基板支撑表面第二距离，所述第一距离和所述第二距离是在第一方向上测量的，所述第一距离小于所述第二距离，并且所述传感器被配置为检测电场强度或电压。
本公开的实施例包括一种等离子体处理***，所述等离子体处理***包括基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括基板支撑表面、设置在所述基板支撑件中并且距所述基板支撑表面第一距离的第一电极，以及设置在所述基板支撑表面与所述第一电极之间的介电层。所述等离子体处理***也包括脉冲电压(PV)波形产生器，所述PV波形产生器耦接至所述第一电极；射频(RF)波形产生器，所述RF波形产生器耦接至所述等离子体处理***的第二电极，其中所述射频(RF)波形产生器被配置为在所述处理体积内产生等离子体；以及传感器，所述传感器被设置成距所述基板支撑表面第二距离。所述第一距离和所述第二距离可以在垂直于所述基板支撑表面的第一方向上测量。所述第二距离小于所述第一距离，并且所述传感器被配置为检测电场强度或电压。
本公开的实施例包括一种用于夹持基板的方法，所述方法包括在处理腔室的处理区域中产生等离子体；将第一电压波形施加到设置在基板支撑件中的第一电极以将所述第一电压波形电容耦合到设置在所述基板支撑件的基板支撑表面上的基板，其中所述基板支撑件设置在处理区域中；使用电场传感器测量在第一电极与基板支撑表面之间形成的电场或电压的强度，以及基于电场或电压的所测量强度改变所述第一电压波形。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考实施例对以上简要概述的本公开进行更特别的描述，实施例中的一些实施例在附图中图示。然而，应当注意的是，附图仅图示了示例性实施例，并且因此不应被视为是对其范畴的限制，并且可以允许其他同等有效的实施例。
图1是根据一个或多个实施例的处理***的示意性横截面图，所述处理***被配置为实践本文所述的方法。
图2是根据一个或多个实施例的设置在图1的处理***中的基板支撑组件的俯视等距视图。
图3A是根据一个实施例的通过沿剖面线3-3剖切图2的基板支撑组件而形成的基板支撑组件的侧横截面图。
图3B图示了根据一个实施例的图3A中所示的基板支撑组件的横截面图的一部分。
图4A图示了根据一个或多个实施例的在设置于处理腔室的基板支撑组件上的基板上建立的电压波形。
图4B图示了根据一个或多个实施例施加到处理腔室的基板支撑组件内的偏置电极的脉冲电压波形。
图5A是根据一个实施例的包括基板电位感测组件的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。
图5B图示了根据一个实施例的可在图5A中所图示的基板支撑组件中使用的基板电位感测***的示例。
图6是根据一个实施例的包括另一种类型的基板电位感测组件的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。
图7是根据一个实施例的包括另一种类型的基板电位感测组件的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。
图8是根据一个实施例的包括另一种类型的基板电位感测组件的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。
图9是图示根据一个实施例的用于等离子体处理***中的实时晶片电位测量的方法的图。
图10是图示根据一个实施例的用于等离子体处理***中的实时晶片电位测量的方法的图。
为了促进理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图共有的组件。预期一个实施例的元件和特征可以有益地结合到其他实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开的实施例总体上涉及一种在半导体器件制造中使用的***。更具体地，本文所提供的实施例通常包括用于实时测量和控制在等离子体处理期间在等离子体处理腔室中的基板上形成的电位的装置和方法。
图1是等离子体处理***10的示意性横截面图，所述等离子体处理***被配置为执行本文所述的等离子体处理方法中的一种或多种等离子体处理方法。在一些实施例中，等离子体处理***10被配置用于等离子体辅助蚀刻工艺，诸如反应性离子蚀刻(RIE)等离子体处理。等离子体处理***10也可在其他等离子体辅助工艺，诸如等离子体增强沉积工艺(例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、等离子体增强物理气相沉积(PEPVD)工艺、等离子体增强原子层沉积(PEALD)工艺、等离子体处置工艺、基于等离子体的离子注入工艺或等离子体掺杂(PLAD)工艺中使用。在一种配置中，如图1所示，等离子体处理***10被配置为形成电容耦合等离子体(CCP)。然而，在一些实施例中，等离子体可替代地由设置在等离子体处理***10的处理区域上方的电感耦合源产生。在此种配置中，线圈可以放置在等离子体处理***10的陶瓷盖(真空边界)的顶部上。
等离子体处理***10包括处理腔室100、基板支撑组件136、气体***182、DC功率***183、RF功率***189、基板电位感测组件184和***控制器126。处理腔室100包括腔室主体113，所述腔室主体包括腔室盖123、一个或多个侧壁122和腔室基底124。所述腔室盖123、一个或多个侧壁122和腔室基底124共同限定处理体积129。所述一个或多个侧壁122和腔室基底124通常包括这样的材料：所述材料被调整大小和成形以形成用于处理腔室100的元件的结构支撑件，并且被配置为承受在处理期间在处理腔室100的处理体积129中维持的真空环境内产生等离子体101时施加至其的压力和附加能量。基板103通过侧壁122中的一个侧壁中的开口(未示出)被装载到处理体积129中和从处理体积129中移除。在基板103的等离子体处理期间，开口用狭缝阀(未示出)密封。耦接至处理腔室100的处理体积129的气体***182包括处理气体源119和穿过腔室盖123设置的气体入口128。所述气体入口128被配置为将一种或多种处理气体从多个处理气体源119输送到处理体积129。
处理腔室100进一步包括设置在处理体积129中的上部电极(例如，腔室盖123)和下部电极(例如，基板支撑组件136)。所述上部电极和所述下部电极定位成面向彼此。如图1中所见，在一个实施例中，射频(RF)源电耦合到下部电极。RF源被配置为输送RF信号以点燃和维持上部电极与下部电极之间的等离子体(例如，等离子体101)。在一些替代配置中，RF源也可以电耦合至上部电极。例如，射频源可以电耦合至腔室盖。在另一个示例中，RF源也可以电耦合至支撑板107。
基板支撑组件136包括基板支撑件105、基板支撑基底107、绝缘板111、接地板112、多个升降杆186、一个或多个基板电位感测组件184和偏置电极104。每个升降杆186穿过在基板支撑组件136中形成的通孔185设置，并且用于促进基板103至基板支撑件105的基板支撑表面105A和从所述基板支撑件的基板支撑表面的转移。基板支撑件105由介电材料形成。介电材料可包括块状烧结陶瓷材料、耐腐蚀金属氧化物(例如，氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO)、氧化钇(Y2O3)、金属氮化物材料(例如氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN))、其混合物或其组合。
基板支撑基底107由导电材料(例如铝、铝合金或不锈钢合金)形成。基板支撑基底107通过绝缘板111与腔室基底124电绝缘，并且接地板112插置在绝缘板111与腔室基底124之间。在一些实施例中，基板支撑基底107被配置为在基板处理期间调节基板支撑件105和设置在基板支撑件105上的基板103两者的温度。在一些实施例中，基板支撑基底107包括设置在其中的一个或多个冷却通道(未示出)，所述一个或多个冷却通道流体耦合到冷却剂源(未示出)(诸如致冷剂源)或具有相对较高的电阻的基板源，并与所述冷却剂源或所述基板源流体连通。在其他实施例中，基板支撑件105包括加热器(未示出)以加热基板支撑件105和设置在基板支撑件105上的基板103。
偏置电极104嵌入在基板支撑件105的介电材料中。通常，偏置电极104由一个或多个导电部分形成。导电部分通常包括网、箔、板或其组合。在此，偏置电极104用作用于将基板103紧固(例如，静电夹持)到基板支撑件105的基板支撑表面105A的夹持极(即，静电夹持电极)。通常，平行板状结构由偏置电极104和设置在偏置电极104与基板支撑表面105A之间的介电材料层形成。介电材料的有效电容CE通常可介于约5nF与约50nF之间。通常，介电材料层(例如，氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等)的厚度介于约0.05mm与约5mm之间，诸如介于约0.1mm与约3mm之间，诸如介于约0.1mm与约1mm之间，或甚至介于约0.1mm与约0.5mm之间。偏置电极104电耦合到夹紧网络，所述夹紧网络向所述偏置电极提供夹持电压。所述夹紧网络包括DC电压供应173(例如，高压DC电源)，所述DC电压供应耦接至滤波器178中的滤波器178A，所述滤波器设置在DC电压供应173与偏置电极104之间。在一个示例中，滤波器178A是低通滤波器，其被配置为在等离子体处理期间阻止由处理腔室100内的其他偏置部件提供的RF频率和脉冲电压(PV)波形信号到达DC电压供应173。在一种配置中，静态DC电压介于约-5000V与约5000V之间，并且是使用电导体(诸如同轴功率输送线160)输送的。在一些实施例中，偏置电极104也可以使用下文进一步详细描述的脉冲电压偏压方案中的一种或多种脉冲电压偏压方案来使基板103相对于等离子体101偏置。
在一些配置中，基板支撑组件136进一步包括边缘控制电极115。所述边缘控制电极115由一个或多个导电部分形成。导电部分通常包括网、箔、板或其组合。边缘控制电极115定位在边缘环114下方并且围绕偏置电极104，和/或设置成距偏置电极104的中心一定距离。一般而言，对于被配置为处理圆形基板的处理腔室100，边缘控制电极115是环形形状的，由导电材料制成，并且被配置为围绕偏置电极104的至少一部分。如在图1中所见，边缘控制电极115定位在基板支撑件105的某一区域内，并通过使用脉冲电压(PV)波形产生器175进行偏置。在一种配置中，边缘控制电极115是通过使用不同于用于偏置电极104的PV波形产生器175的PV波形产生器进行偏置的。在另一种配置中，边缘控制电极115是通过将从PV波形产生器175提供的信号的一部分分离到偏置电极104进行偏置的。
DC功率***183包括DC电压供应173、脉冲电压(PV)波形产生器175和电流源177。RF功率***189包括射频(RF)波形产生器171、匹配172和滤波器174。如前所述，DC电压供应173提供恒定的夹持电压，而RF波形产生器171将RF信号输送至处理区域，并且PV波形产生器175在偏置电极104处建立PV波形。将足够量的RF功率施加到电极，诸如基板支撑基底107，导致在处理腔室100的处理区域129中形成等离子体101。在一种配置中，RF波形的频率范围介于约10MHz与约200MHz之间。
在一些实施例中，功率***183进一步包括滤波器组件178以电绝缘功率***183内所包括的部件中的一个或多个部件。如图1所示，功率输送线163将RF波形产生器171的输出端电连接至阻抗匹配电路172、RF滤波器174和基板支撑基底107。功率输送线160将电压供应173的输出端电连接到滤波器组件178。功率输送线161将PV波形产生器175的输出端电连接至滤波器组件178。功率输送线162将电流源177的输出端连接至滤波器组件178。在一些实施例中，电流源177通过使用设置在输送线162中的开关(未示出)选择性地耦接至偏置电极104，以允许在由PV波形产生器175产生的电压波形的一个或多个阶段(例如，离子电流阶段)期间电流源177将期望的电流输送至偏置电极104。如图1中所见，滤波器组件178可包括多个单独的滤波部件(即，分立的滤波器178A至178C)，每个滤波部件都经由功率输送线164电耦合至输出节点。功率输送线160至164包括电导体，所述电导体包括同轴电缆的组合，所述同轴电缆为诸如与刚性同轴电缆串联连接的挠性同轴电缆、绝缘高压抗电晕安装线(hookup wire)、裸线、金属棒、电连接器、或上述的任意组合。
基板电位感测组件184包括一个或多个传感器176和信号检测组件188。基板电位感测组件184经由通信线路165通信耦合至***控制器126。信号检测组件188通常包括被配置为从传感器176接收信号并形成可由***控制器126使用的输出信号的部件。***控制器126随后可以使用所接收到的输出信号来显示由传感器176执行的测量的结果和/或控制处理腔室100的某一部分或在所述处理腔室中执行的工艺。一个或多个传感器176经由一个或多个通信线路158耦接至信号检测组件188。如在图5A、图6、图7和图8中进一步解释的，所述一条或多条通信线路158包括各种不同的通信构件，包括光纤电缆、同轴电缆和/或双绞线电缆。
基板电位感测组件184包括信号检测组件188和传感器176。如下面进一步详细解释的，信号检测组件188包括多个不同的实施例，所述实施例都向***控制器126提供反馈。传感器176检测到的感测参数的变化被使用从所述传感器176提供的感测信号传送到信号检测组件188。所述信号检测组件188接收感测信号，并随后将所述信号中继到***控制器126。***控制器126随后使用从基板电位感测组件184接收到的输入来改变一个或多个等离子体处理变量，诸如改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，和/或从电流源177提供到偏置电极104的电流量。
***控制器126(在本文中也称为处理腔室控制器)包括中央处理单元(CPU)133、存储器134和支持电路135。***控制器126用于控制用于处理基板103的处理顺序。CPU是通用计算机处理器，其被配置为在工业环境中使用，用于控制处理腔室和与其相关的子处理器。本文所述的存储器134通常是非易失性存储器，可包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器或其他合适形式的本地或远程数字存储装置。支持电路135通常耦接至CPU 133并且包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子***、电源等及其组合。软件指令(程序)和数据可以被编码并存储在存储器134内以用于指示CPU 133内的处理器。***控制器126中的CPU133可读的软件程序(或计算机指令)确定哪些任务是等离子体处理***10中的部件可执行的。
通常，***控制器126中的CPU 133可读取的程序包括代码，所述代码当由CPU 133执行时执行与本文所述的等离子体处理方案相关的任务。所述程序可包括用于控制等离子体处理***10内的各种硬件和电子部件执行用于实施本文所述的方法的各种工艺任务和各种工艺序列的指令。在一个实施例中，所述程序包括用于执行下面关于图9和图10所述的操作中的一个或多个操作的指令。
图2是基板支撑组件136的基板支撑件105的基板支撑表面105A的俯视等距视图。基板支撑组件136可包括一个或多个传感器176、用于支撑多个升降杆186的升降杆支撑结构282(即，升降杆箍)、和升降杆致动器281。基板支撑件105包括多个通孔185，所述多个通孔与所述多个升降杆186对准，所述多个升降杆186穿过所述多个通孔。升降杆箍结构282位于基板支撑组件136下方。在使用期间，所述多个升降杆186行进穿过基板支撑件105和基板支撑基底107中的销通孔185以将基板103提升离开基板支撑表面105A。通常，升降杆186将基板103提升离开基板支撑件105，以将所述基板转移到处理腔室100和从所述处理腔室转移出。
如图2中所见，一个或多个传感器176被定位以在等离子体处理期间测量设置在基板支撑表面105A上的基板103的电位。图3A是根据一个实施例的基板支撑组件136的侧横截面图，所述侧横截面图是通过沿着图2中所示的剖面线3-3剖切基板支撑组件136而形成的。如图3A中所见，基板电位感测组件184的信号检测组件188耦接至一个或多个传感器176中的一个传感器。在一个实施例中，所述一个或多个传感器176设置在基板支撑件105内并且定位于与基板支撑表面105A相同的平面上。在另一实施例中，一个或多个传感器176定位于基板支撑表面105A下方一定距离处，所述距离可在垂直于基板支撑表面105A的方向上测量。传感器176通常可设置为距基板支撑表面105A第一距离D1，其中所述第一距离D1为距所述基板支撑表面105A介于0mm与5mm之间，诸如小于2mm，或距所述基板支撑表面105A介于0.1mm与1mm之间，或甚至距所述基板支撑表面105A介于0.1mm与0.5mm之间。偏置电极104设置为距基板支撑表面105A第二距离D2，使得在一些实施例中，第一距离D1小于第二距离D2。在一些实施例中，传感器176设置在偏置电极104与基板支撑表面105A之间的空间中。在一些应用中，传感器176放置在偏置电极104与基板支撑基底107的顶表面之间的空间中。在一些实施例中，存在设置在不同高度处的多个传感器。例如，第一传感器定位于偏置电极104与基板支撑表面105A之间，并且第二传感器定位于偏置电极104与基板支撑基底107的顶表面之间。
图3B图示了根据一个实施例的图3A中所示的基板支撑组件136的横截面图的一部分。如图3B所示，基板电位感测组件184包括传感器176，所述传感器定位在升降杆186上以在等离子体处理期间测量基板电位。如图3B中所见，传感器176经由通信线路158通过升降杆186通信耦合到信号检测组件188，并且在等离子体处理期间定位在升降杆186的面向基板端上，距基板支撑表面105A第一距离D1。在一些实施例中，升降杆186由介电材料形成或包括电绝缘区域(例如，包括介电质涂层或绝缘体)，所述电绝缘区域允许从传感器176并沿着通信线路158提供的电信号到达信号检测组件188，而没有明显的信号损失。
图4A图示了根据一个或多个实施例，在等离子体处理期间由于将PV波形输送至偏置电极104而在设置在基板接收表面105A上的基板103处建立的电压波形的示例。波形425是在基板103处建立的非补偿波形的示例。波形430是在基板处建立的补偿波形的示例。图4B图示了根据一个或多个实施例施加到处理腔室的偏置电极104的脉冲电压(PV)波形的示例。在一些实施例中，波形441包括PV波形，其包括第一部分(例如，离子电流部分445)，所述第一部分包括负斜率(例如，每单位时间的电压)，所述第一部分在PV波形的离子电流阶段期间被输送至电极104，以在基板处形成补偿波形，如将在下面进一步论述。
波形425、430和441通常包括两个主要阶段：离子电流阶段和壳层塌缩阶段。在基板103处建立的波形425和430的离子电流阶段部分和壳层塌缩阶段部分都图示在图4A中。在离子电流阶段开始处，由于PV波形产生器175提供给偏置电极104的PV波形的负部分(例如，离子电流部分445)的输送，在基板103处创建了电压降，所述电压降在基板103上方创建高压壳层。高压壳层允许使等离子体产生的正离子朝向偏置的基板加速。随着更多的正离子轰击基板的表面，一定量的正电荷随时间推移在基板103的表面上累积。基板表面上正电荷的增加逐渐增加了基板的电压，或“基板电位”。如图4A中所见，波形425从离子电流阶段开始处的较负电压逐渐且不合期望地增加到离子电流阶段的后期部分期间的较不负的电压。若不受控制，则正电荷在基板表面上的逐渐累积会导致高压壳层和卡盘电容的逐渐放电，从而缓慢降低壳层电压并使基板电位更接近零。离子电流阶段开始与结束之间的电压差确定了离子能量分布函数(IEDF)的宽度。电压差越大，则IEDF宽度越宽，出于多种原因这是不合期望的，如上所论述。为了实现单能离子和更窄的IEDF宽度，执行操作以补偿离子电流阶段期间不断变化的基板电位，并创建实质上平坦形状的区域(例如，接近零斜率)，诸如由波形430的离子电流阶段部分所示。为了在基板处建立的电压波形中建立实质上平坦形状的区域，可以将在离子电流阶段(即，图4B中存在的离子电流部分445)期间包括负斜率的波形441输送至偏置电极104。在偏置电极104处驱动和/或实施负电压斜率也被称为电流补偿，其可以通过使用耦接至偏置电极104的电流源177来创建。在离子电流部分445期间实施的负电压斜率是通过以下方式创建的：增加提供给偏置电极104的电子的量，以抵消其他情况下由进入离子引起的累积正电荷所导致的增加的场。因此，通过使用基板电位感测组件184的传感器176检测在基板103处建立的电压波形的实际斜率(dV/dt)，***控制器126可以调整电流源177所提供的电流和/或改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，从而在基板103处建立的波形的整个离子电流阶段维持恒定的壳层电位。在一些实施例中，DC供应电流用于在离子电流阶段期间实施具有期望斜率的斜坡。因此，本文所提供的基板电位感测组件184的实施例中的一个或多个实施例可用于检测和补偿所产生的离子电流(I离子)，所述离子电流将随着等离子体处理工艺参数(例如，脉冲波形偏置电压、压力等)的变化而变化。
图5A是根据一个实施例的包括基板电位感测组件184的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。如前所述，基板电位感测组件184包括信号检测组件188和一个或多个传感器176。在此，一个或多个传感器176包括一个或多个光纤传感器550，并且信号检测组件188包括经由一个或多个光纤512通信地耦接至所述一个或多个光纤传感器550的光纤信号检测组件525。如上文关于图2和图3A至图3B中所示的传感器176类似论述的，光纤传感器550可分布在基板支撑表面105A上和/或定位在一个或多个升降杆186上。光纤传感器550也可以定位在距基板支撑表面105A第一距离D1处。光纤信号检测组件525被配置为从光纤传感器550接收感测信号，且随后将所述信号中继或调节并中继到***控制器126。***控制器126随后使用从光纤信号检测组件525接收的输入来改变一个或多个等离子体处理变量，诸如改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，和/或从电流源177提供到偏置电极104的电流量。
图5B图示了光纤信号检测组件525的示例。光纤信号检测组件525包括激光器510和光电检测器511，所述激光器和光电检测器通过使用光纤512光学耦合到一个或多个光纤传感器550(例如，晶体)。所述一个或多个光纤512包括第一光纤513和第二光纤514。激光器510经由第一光纤电缆513耦接至光纤传感器550。光纤传感器550经由第二光纤电缆514耦接至光电检测器511。光纤传感器550位于基板103与偏置电极104之间，例如第一距离D1处。光纤传感器550被配置为在等离子体处理期间测量在基板103与偏置电极104之间创建的电场。
光纤传感器550包括电光(EO)效应感测组件(例如，晶体)，所述EO效应感测组件被配置为检测穿过其中的电场的变化，所述电场为诸如在电场等离子体处理期间在基板103与偏置电极104之间创建的电场。在一个实施例中，电光(EO)效应感测组件包括使用普克尔效应的晶体，其中所述晶体的双折射率与施加到光纤传感器550内的光学晶体的电场成比例地变化。由于电场的变化对穿过其中的由EO效应感测组件和激光器510产生的光的影响，所以电场的任何变化都将导致光电探测器511接收到的光的特性发生变化。与光电检测器511所接收到的光的特性变化相关联的值可以随后被中继到***控制器126，以确定在基板上形成的电压以及是否需要调整电流补偿和/或脉冲波形参数。在一些实施例中，先进的聚合物光学传感器探头或平板耦合光学传感器可用作传感器探头。
图6是根据一个实施例的包括基板电位感测组件184的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。如前所述，基板电位感测组件184包括信号检测组件188和一个或多个传感器176。在此，信号检测组件188包括导数(D点)电场感测组件605，并且一个或多个传感器176包括一个或多个D点传感器650。如上文关于图2和图3A至图3B中所示的传感器176类似论述的，D点传感器650可分布在基板支撑表面105A上和/或定位在一个或多个升降杆186上。D点传感器650也可以定位在距基板支撑表面105A第一距离D1处。导数(D点)电场感测组件605经由通信线路612通信耦合至一个或多个D点传感器650。
D点传感器650是测量电磁位移随时间推移的变化率的高频电场传感器。通常，D点传感器包含介电材料，所述介电材料的相对介电常数随RF频率而变化。当被浸入在等离子体处理期间基板103所经历的随时间变化的电磁场时，D点电场传感器产生小输出电压。由于D点传感器650相对于基板103的位置，所以由D点传感器650检测到的感测参数(例如，电场)的变化被传送到D点电场感测组件605。D点电场感测组件605接收感测信号，并将所述信号中继或调节并中继到***控制器126。***控制器126随后使用从D点电场感测组件605接收的输入来改变一个或多个等离子体处理变量，诸如改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，和/或从电流源177提供到偏置电极104电流量。
图7是根据一个实施例的包括基板电位感测组件184的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。如前所述，基板电位感测组件184包括信号检测组件188和传感器176。在此，信号检测组件188包括MOSFET器件感测组件740。传感器176包括MOSFET720、滤波器710和探头750。探头750经由通信线路705通信耦合到滤波器，并经由通信线路703通信耦合到MOSFET。滤波器710防止RF和/或脉冲电压信号负面地影响MOSFET 720所执行的感测功能。
MOSFET 720是用作开关的场效应晶体管，其被配置为基于耦接至MOSFET 720的闸极的探头750所接收到的电压量在打开状态与关闭状态之间切换。如上文关于图2和图3A至图3B中所示的传感器176的类似论述的，一个或多个探头750可分布在基板支撑表面105A上和/或定位在一个或多个升降杆186上，以便在等离子体处理期间检测基板103的电压并将所述电压传输到MOSFET 720的闸极。探头750也可以定位在距基板支撑表面105A第一距离D1处。由探头750感测并施加到闸极的电压的施加将打开或关闭MOSFET的通道区域，并由此控制由于电源(未示出)在源极与汲极之间施加的单独偏压而在源极与汲极之间流动的电流。需要经由通信线路703施加的阈值电压来导通MOSFET器件，并且由此MOSFET 720被配置为具有基于待由探头750检测的所需电压的所需闸极阈值电压Vt。阈值电压是允许电荷通过MOSFET器件的通道传导所必须施加的最小闸极至源极电压。由MOSFET 720检测到的感测参数(例如，基板电压)的变化被转换为1和0，或MOSFET 720的“开”和“关”状态，所述状态由MOSFET器件感测组件740检测。MOSFET 720的“开”和“关”状态用于确定基板电压是大于还是小于已知值，并且MOSFET器件感测组件740将“开”和“关”状态信息传输到***控制器126。***控制器126随后使用从MOSFET器件感测组件740接收到的输入来改变一个或多个等离子体处理变量，诸如改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，和/或从电流源177提供到偏置电极104的电流量。在一些实施例中，包括MOSFET传感器720的基板电位感测组件184可进一步包括连接至探头750的多个不同配置的MOSFET器件720，并且所述MOSFET器件720中的每个MOSFET器件被配置为具有不同的闸极阈值电压Vt，使得不同的基板电压水平可以被所述不同配置的MOSFET检测到并且由***控制器126用来控制等离子体处理变量中的一个或多个等离子体处理变量。
图8是根据一个实施例的包括基板电位感测组件184的等离子体处理***的基板支撑组件的示意性横截面图。如前所述，基板电位感测组件184包括信号检测组件188和传感器176。在此，信号检测组件188包括变容二极管感测组件840，并且传感器176包括变容二极管820和探头850。如上文关于图2和图3A至图3B中所示的传感器176的类似论述的，一个或多个探头850可分布在基板支撑表面105A上和/或定位在一个或多个升降杆186上，以便在等离子体处理期间检测基板103的电压并将所述电压传输到变容二极管820。探头850也可以定位在距基板支撑表面105A第一距离D1处。探头850经由通信线路815通信耦合到变容二极管820。变容二极管820经由通信线路813通信耦合到滤波器810。滤波器810经由通信线路811通信耦合到变容二极管感测组件840。滤波器810防止RF和/或脉冲电压信号负面地影响由滤波器810执行的感测功能，防止电压反馈负面地影响变容二极管感测组件840。
变容二极管820是电压依赖性半导体器件，其具有基于变化的反向偏置电压的量而变化的内部电容，所述变化的反向偏置电压是通过耦合到探头850的通信线路815施加到变容二极管820的。当施加反向偏置电压时，变容二极管820的二极管部分中的耗尽区域的宽度增加并且电容减小。因此，增加反向偏置电压会增加变容二极管820的电容，而降低反向偏置电压会降低变容二极管820的电容。由变容二极管820检测到的感测参数(例如，基板电压)的变化被传输到变容二极管感测组件840。变容二极管感测组件840接收由变容二极管820提供的感测信号，并将所述信号中继到***控制器126。***控制器126随后使用从变容二极管感测组件840接收到的输入来改变一个或多个等离子体处理变量，诸如改变由PV波形产生器175产生的PV波形的特性，和/或从电流源177提供到偏置电极104的电流量。
处理方法示例
图9是图示用于等离子体处理腔室中基板的实时晶片电位测量的方法的图。方法900包括将电压波形提供至偏置电极104；监测在基板103上建立的电压波形的电气特性；基于所述电气特性形成参数集；基于所述参数集产生补偿电流；以及在电压波形循环的一部分期间将所述补偿电流输送至偏置电极104。
在活动902处，方法900包括将电压波形提供至偏置电极104。所述电压波形是由波形产生器产生的，并且经由通信线路提供至偏置电极104。在一些实施例中，电压波形可以是类似于图4B中所示的波形441的脉冲电压波形。所述方法进一步包括至少部分地由于从RF功率***189的RF波形产生器171提供的RF信号被输送至处理腔室100内的电极而在处理腔室100中形成等离子体101。
在活动904处，方法900包括检测感测参数。在一些实施例中，感测参数包括基板103的一种或多种电气特性，诸如在等离子体处理期间在基板103处实时建立的电压斜率和电压幅值。
在一种配置中，所述一种或多种特性是使用图5的基板电位感测组件184测量的。在此种示例中，在脉冲电压波形的离子电流阶段期间在基板103处建立的电压波形的斜率是通过以下方式来检测的：使用被设置成距基板支撑表面105A第一距离D1的一个或多个光纤传感器550，感测在基板103与偏置电极104之间形成的电场的变化率。在另一种配置中，所述一种或多种特性是使用图6的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括一个或多个D点电场传感器650和D点电场感测组件605。在又一配置中，所述一种或多种特性是使用图7的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括MOSFET器件感测组件和MOSFET 720。在又一配置中，所述一种或多种特性是使用图8的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括变容二极管感测组件840和变容二极管820。
在活动906处，方法900包括监测和分析由基板电位感测组件184检测到的感测参数的变化。使用从一个或多个传感器176提供的感测信号将由一个或多个传感器176检测到的感测参数的变化传输到信号检测组件188。所述信号检测组件188接收感测信号，并将所述信号中继到***控制器126。在方法900的一些实施例中，***控制器126将所检测到的感测参数与存储在***控制器126的存储器中的信息进行比较，以确定补偿在所建立的脉冲波形的离子电流阶段期间等离子体产生的离子电流所需的期望校正量。所存储的信息可包括等式或查找表，所述等式或查找表被配置为基于当前感测参数值相对于期望感测参数值提供校正量(例如，误差量)。在一个示例中，感测参数是电场强度随时间推移的变化(即，斜率)，其与基板电压随时间推移的变化成比例，所述基板电压随时间推移的变化是通过使用光纤传感器550和光纤信号检测组件525测量的。***控制器126随后使用从信号检测组件188接收到的电压随时间推移的变化输入来产生控制信号并将所述控制信号输送至电流源177，使得电流源177将改变提供至偏置电极104的电流量。
在活动908处，方法900包括由电流源177基于在活动906中执行的分析和在由***控制器126提供的控制信号内提供的参数集产生补偿电流。
在活动910处，方法900包括在电压波形(诸如图4A中所示的电压波形)的离子电流阶段期间将补偿电流输送至偏置电极。在一个示例中，在脉冲波形441的离子电流阶段期间在偏置电极104处建立负电压斜率，以补偿由光纤信号检测组件525的一个或多个光纤传感器550感测的电场的所检测变化。
图10是图示用于等离子体处理腔室中基板的实时晶片电位测量的方法的图。方法1000包括将脉冲电压波形和夹持电压提供至偏置电极；形成感测参数；监测偏置电极与基板之间的感测参数变化；以及基于感测参数的变化改变脉冲电压波形和/或夹持电压。
在活动1002处，方法1000包括将电压波形提供至偏置电极104。所述电压波形是由波形产生器产生的，并且经由通信线路提供至偏置电极104。在一些实施例中，电压波形可以是类似于图4B中所示的波形441的脉冲电压波形。所述方法1000进一步包括至少部分地由于从RF功率***189的RF波形产生器171提供的RF信号被输送至处理腔室100内的电极而在处理腔室100中形成等离子体101。
在活动1004处，方法1000包括检测感测参数。在一些实施例中，感测参数包括基板103的一种或多种电气特性，诸如在等离子体处理期间在基板103处实时建立的电压斜率或电压幅值。
在一种配置中，所述一种或多种特性是使用图5的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括一个或多个光纤传感器550和光纤信号检测组件525。在另一种配置中，所述一种或多种特性是使用图6的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括一个或多个D点电场传感器650和D点电场感测组件605。在另一种配置中，所述一种或多种特性是使用图7的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括MOSFET器件感测组件和MOSFET 720。在又一配置中，所述一种或多种特性是使用图8的基板电位感测组件184测量的，所述基板电位感测组件包括变容二极管感测组件840和变容二极管820。
在活动1006处，方法1000包括监测和分析由基板电位感测组件184检测到的感测参数的变化。在一些实施例中，基板电位感测组件184的传感器176设置在偏置电极104与基板103之间。使用从一个或多个传感器176提供的感测信号将由一个或多个传感器176检测到的感测参数的变化传输到信号检测组件188。信号检测组件188接收感测信号，并将所述信号中继或调节并中继到***控制器126。在方法900的一些实施例中，***控制器126将所检测到的感测参数与存储在***控制器126的存储器中的信息进行比较以确定期望校正量。所存储的信息可包括等式或查找表，所述等式或查找表被配置为基于当前感测参数值相对于期望感测参数值提供校正量(例如，误差量)。在一个示例中，感测参数是任何时刻的基板电压幅值。***控制器126随后使用从信号检测组件188接收到的检测电压来产生控制信号并将所述控制信号输送到PV波形产生器175和/或电压供应173，使得PV波形产生器175和/或电压供应173将改变提供至偏置电极104和/或边缘控制电极115的电压。在一个示例中，PV波形产生器175将基于在彼时刻所检测到的在基板103处建立的电压的幅值来改变提供至偏置电极的PV波形。因此，基板电位感测组件184和***控制器可用于补偿由基板电位感测组件184检测的脉冲波形电压的漂移。在另一个示例中，电压供应173基于来自***控制器126的控制信号的输送改变提供至偏置电极104的夹持电压，所述控制信号基于所检测到的在基板103处建立的电压的幅值。
在活动1008处，方法1000包括由PV波形产生器175产生改变的PV波形；和/或由至少一个电压供应173产生施加至偏置电极104和/或边缘控制电极115的改变的夹持电压。在一些实施例中，施加至偏置电极104和/或边缘控制电极的改变的夹持电压是由多于一个电压供应产生的。在一个示例中，产生改变的夹持电压包括通过使用电压供应173将DC偏置电压施加至偏置电极104来改变施加到偏置电极104的脉冲电压波形。所施加的DC偏置电压被提供为使得所施加的DC偏置电压改变由PV波形产生器175施加的电压波形的DC电压水平，并且由此改变施加至基板的静电夹持力。在一个实施例中，可以测量静电夹持力以确定基板在去夹持过程中何时完全放电。在一些情况下，可以测量基板和/或偏置电极处的电压以确定基板是否在去夹持过程中完全放电和/或何时在去夹持过程中完全放电。一旦残余电荷放电，升降杆就可以安全地向上移动以防止由于残余静功率阻碍升降杆从基板支撑表面提升基板的能力而导致的基板断裂。
在活动1010处，方法1000包括在图4A的电压波形的一个或多个阶段期间将改变的PV波形和/或改变的夹持电压输送到偏置电极104。
尽管前面针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范畴的情况下可以设计本公开的其他和进一步实施例，并且本公开的范畴由所附权利要求确定。

Claims (20)

1.一种等离子体处理***，包括：
基板支撑件，设置在所述等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括：
基板支撑表面；以及
介电层，设置在第一电极与所述基板支撑表面之间；以及
至少一个传感器，被设置成距所述基板支撑表面第一距离，其中
所述第一电极被设置成距所述基板支撑表面第二距离；
所述第一距离和所述第二距离是在第一方向上测量的；
所述第一距离小于所述第二距离；并且
所述传感器被配置为检测电场强度或电压。
2.如权利要求1所述的等离子体处理***，进一步包括第一产生器，所述第一产生器耦接至所述等离子体处理***的第二电极，其中所述第一产生器被配置为在所述处理体积内产生等离子体。
3.如权利要求2所述的等离子体处理***，进一步包括：
脉冲电压(PV)波形产生器，耦接至所述第一电极；
直流(DC)电压供应，耦接至所述第一电极；
电流源，选择性地耦接至所述第一电极；
一个或多个滤波器，设置在所述脉冲波形产生器与所述第一电极之间；以及
一个或多个滤波器，设置在所述电压供应与所述第一电极之间，
其中所述第一产生器包括射频(RF)波形产生器。
4.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括被配置为检测电场强度的光纤电场传感器。
5.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括被配置为检测电场强度的电场导数传感器。
6.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括MOSFET器件。
7.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括变容二极管。
8.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述第一电极是静电卡盘电极。
9.如权利要求1所述的等离子体处理***，其中所述第二距离小于或等于5mm。
10.如权利要求1所述的等离子体处理***，进一步包括控制器，所述控制器具有处理器，所述处理器被配置为执行计算机可读取指令，所述计算机可读取指令使所述***：
通过使用脉冲电压(PV)波形产生器，将第一电压波形施加至所述第一电极，
使用所述传感器测量随时间推移的所述电场的强度；以及
改变由所述脉冲电压(PV)波形产生器产生的脉冲电压(PV)波形或改变由电耦合到所述第一电极的电流源施加至所述第一电极的电流。
11.一种等离子体处理***，包括：
基板支撑件，设置在所述等离子体处理***的处理体积内，所述基板支撑件包括：
基板支撑表面；
第一电极，设置在所述基板支撑件中并且距所述基板支撑表面第一距离；以及
介电层，设置在所述基板支撑表面与所述第一电极之间；
脉冲电压(PV)波形产生器，耦接至所述第一电极；
射频(RF)波形产生器，耦接至所述等离子体处理***的第二电极，其中所述射频(RF)波形产生器被配置为在所述处理体积内产生等离子体；以及
传感器，被设置成距所述基板支撑表面第二距离，其中
所述第一距离和所述第二距离是在第一方向上测量的；
所述第二距离小于所述第一距离，并且
所述传感器被配置为检测电场强度或电压。
12.如权利要求11所述的等离子体处理***，进一步包括：
DC电压源，耦接至所述第一电极；以及
一个或多个滤波器，用于将DC电压波形与PV波形电气分离。
13.如权利要求11所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括光纤电场传感器。
14.如权利要求11所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括电场导数传感器。
15.如权利要求11所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括MOSFET器件。
16.如权利要求11所述的等离子体处理***，其中所述传感器包括变容二极管。
17.如权利要求11所述的等离子体处理***，进一步包括控制器，所述控制器具有处理器，所述处理器被配置为执行计算机可读取指令，所述计算机可读取指令使所述***：
通过使用脉冲电压(PV)波形产生器，将第一电压波形施加至所述第一电极，
使用所述传感器测量随时间推移的所述电场的所述强度；以及
改变由所述脉冲电压(PV)波形产生器产生的脉冲电压(PV)波形或改变由电耦合到所述第一电极的电流源施加至所述第一电极的电流。
18.一种用于夹持基板的方法，包括：
在处理腔室的处理区域中产生等离子体；
将第一电压波形施加至设置在基板支撑件中的第一电极，以将所述第一电压波形电容耦合到设置在所述基板支撑件的基板支撑表面上的基板，其中所述基板支撑件设置在所述处理区域中；
使用电场传感器测量在所述第一电极与所述基板支撑表面之间形成的电场的强度；以及
基于所测量的所述电场的所述强度改变所述第一电压波形。
19.如权利要求18所述的方法，其中产生所述等离子体包括：将射频(RF)波形输送至一个或多个第二电极。
20.如权利要求19所述的方法，其中改变所述第一电压波形包括：将DC偏置电压施加至所述第一电极，其中所述DC偏置电压被配置为改变施加至所述基板的静电夹持力。
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