本發(fā)明涉及半導體，特別涉及一種防止下電極組件發(fā)生電弧放電的方法及等離子體處理設備。

背景技術：

1、在半導體制造技術領域，經常需要在等離子體處理設備內對基片進行等離子體處理。等離子體處理設備具有一個真空的反應腔，該反應腔內設有用于放置基片的靜電吸盤。靜電吸盤包含基座和設置在基座頂部的介電層，基座作為反應腔的下電極。

2、反應氣體被輸入至反應腔內，一個或多個射頻電源可以被單獨地施加在所述下電極上，用以將射頻功率輸送到下電極上，從而在反應腔內部產生射頻電場。大多數電場被包含在基片上方的處理區(qū)域內，此電場對少量存在于反應腔內部的電子進行加速，使之與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致反應氣體的離子化和等離子體的激發(fā)，從而在反應腔內產生等離子體（包括電子、陽離子、電中性的自由基等活性粒子）。最后等離子體和基片之間發(fā)生化學反應和/或物理作用（比如刻蝕、沉積等等）形成各種特征結構。

3、工藝制程中，由于電子比陽離子的質量小，更容易被電場加速，因而電子具有比陽離子更大的移動速度。電子逐漸在基片、聚焦環(huán)的表面累積，使基片、聚焦環(huán)逐漸的被偏壓為負電壓，在基片和聚焦環(huán)上產生直流自偏壓。該直流自偏壓與提供給靜電吸盤的射頻功率成正比。高深寬比刻蝕中的射頻功率通常較高，因而基片和聚焦環(huán)的直流自偏壓也較高，導致基片與基座之間、聚焦環(huán)與基座之間具有較大的電壓差，從而大大增加了在靜電吸盤的氦氣孔內、聚焦環(huán)與基座之間發(fā)生電弧放電（arcing）的風險。一旦發(fā)生電弧放電將導致基片報廢，甚至會損壞靜電吸盤。

4、如何避免因基片、聚焦環(huán)的直流自偏壓引起的基片與基座之間、聚焦環(huán)與基座之間的電壓差過大，是業(yè)內亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種防止下電極組件發(fā)生電弧放電的方法及等離子體處理設備，本發(fā)明基于基片直流自偏壓的測量值計算對應的自偏壓補償值，通過向下電極組件施加電壓值為自偏壓補償值的第一直流電壓，有效減少了基片與下電極組件之間的電壓差，大大降低了高深寬比刻蝕中下電極組件發(fā)生電弧放電的風險。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種防止下電極組件發(fā)生電弧放電的方法，所述下電極組件放置在等離子體處理設備的真空反應腔內，通過所述下電極組件承載基片，所述方法包括：

3、測量基片的直流自偏壓，獲得對應的自偏壓測量值；

4、基于所述自偏壓測量值計算自偏壓補償值；

5、向所述下電極組件施加第一直流電壓，所述第一直流電壓的電壓值為所述自偏壓補償值，實現(xiàn)所述下電極組件與基片之間的電壓差值小于預設的第一閾值。

6、可選的，工藝制程中，通過第一射頻電源向所述下電極組件提供低頻的射頻功率；在所述第一射頻電源的整個工作周期內測量基片的所述直流自偏壓，所述自偏壓測量值為所述直流自偏壓的時間平均值。

7、可選的，所述第一射頻電源的工作模式包括脈沖模式；所述脈沖模式下，所述第一射頻電源的工作周期至少包括第一階段和第二階段；所述第一階段中，所述第一射頻電源輸出高射頻功率；所述第二階段中，所述第一射頻電源輸出低射頻功率。

8、可選的，所述第一射頻電源的工作模式包括連續(xù)波模式；在所述連續(xù)波模式下，所述第一射頻電源向所述下電極組件輸出恒定的射頻功率，所述自偏壓補償值等于所述自偏壓測量值。

9、可選的，所述第一階段的時長小于所述第二階段的時長；所述自偏壓測量值、自偏壓補償值均為負值，所述自偏壓補償值的絕對值大于所述自偏壓測量值的絕對值。

10、可選的，令表示所述自偏壓測量值、v1表示所述自偏壓補償值，；α為比例系數，1<α<1/x；x為所述高射頻功率的占空比。

11、可選的，所述下電極組件包含靜電吸盤，所述靜電吸盤包含介電層和位于所述介電層下方的金屬基座，所述介電層內設置有靜電電極；所述第一直流電壓施加在所述基座上。

12、可選的，所述防止下電極組件發(fā)生電弧放電的方法還包括：

13、計算反應腔空閑時，為使所述靜電吸盤產生預設的靜電吸力，需要向所述靜電電極施加的直流電壓的電壓值；

14、令表示所述自偏壓測量值；工藝制程中，向所述靜電電極施加第二直流電壓，所述第二直流電壓的電壓值為。

15、可選的，所述第一射頻電源在所述靜電電極產生第一耦合電壓；工藝制程中，通過測量所述第一耦合電壓的幅值，實現(xiàn)測量基片的所述直流自偏壓。

16、可選的，在所述第一射頻電源的所述工作周期內，測量所述第一耦合電壓的幅值，得到對應的第一幅值測量值；所述第一幅值測量值為所述第一耦合電壓的幅值的時間平均值；

17、令表示所述自偏壓測量值、表示所述第一幅值測量值，；β為與所述工藝制程的工藝參數關聯(lián)的比例系數，表示取絕對值。

18、可選的，工藝制程開始之前，通過以下步驟獲得比例系數β：

19、使與所述比例系數β關聯(lián)的所述工藝參數滿足工藝要求；

20、提供測試基片；令所述第一射頻電源的工作模式為連續(xù)波模式，所述第一射頻電源在所述連續(xù)波模式下向所述下電極組件輸出恒定的射頻功率；

21、通過探針測量所述測試基片的直流自偏壓，得到對應的測量值vpin；

22、測量所述第一射頻電源在所述靜電電極產生的第二耦合電壓的幅值；

23、。

24、可選的，所述工藝參數包含：工藝制程中，所述反應腔內的氣壓值。

25、可選的，所述比例系數β及與其關聯(lián)的所述工藝參數被存儲在表格中，通過查詢所述表格獲取所述比例系數β。

26、可選的，所述下電極組件還包含聚焦環(huán)和邊緣電極；

27、所述聚焦環(huán)圍繞在基片的外周，所述邊緣電極設于所述聚焦環(huán)的內部或位于所述聚焦環(huán)的下方；通過向所述邊緣電極提供低頻的射頻功率以控制待處理基片邊緣的射頻電場分布；

28、所述第一直流電壓施加在所述邊緣電極上。

29、可選的，所述下電極組件還包含聚焦環(huán)和邊緣電極；

30、所述聚焦環(huán)圍繞在基片的外周，所述邊緣電極設于所述聚焦環(huán)的內部或位于所述聚焦環(huán)的下方；通過向所述邊緣電極提供低頻的射頻功率以控制待處理基片邊緣的射頻電場分布；

31、工藝制程中，向所述邊緣電極施加第三直流電壓，所述第三直流電壓為負電壓；

32、令v3表示所述第三直流電壓的電壓值，表示所述第一射頻電源的射頻功率值，；為預設的比例系數。

33、本發(fā)明還提供一種等離子體處理設備，用于實現(xiàn)如本發(fā)明所述的方法，包括：

34、真空的反應腔，所述反應腔內設有下電極組件；通過所述下電極組件承載基片；

35、自偏壓測量模塊，用于測量基片的直流自偏壓，獲得對應的自偏壓測量值；

36、第一高壓輸出模塊，其信號連接所述自偏壓測量模塊，以獲取所述自偏壓測量值；所述第一高壓輸出模塊還基于所述自偏壓測量值計算自偏壓補償值；工藝制程中，通過所述第一高壓輸出模塊向所述下電極組件施加第一直流電壓，所述第一直流電壓的電壓值為所述自偏壓補償值，實現(xiàn)所述下電極組件與基片之間的電壓差值小于預設的第一閾值。

37、可選的，所述等離子體處理設備還包括：第一射頻電源，其工作周期至少包括第一階段和第二階段；工藝制程中，所述第一射頻電源在所述第一階段、第二階段分別向所述下電極組件輸出高射頻功率、低射頻功率；所述自偏壓測量值為在所述第一射頻電源的整個工作周期中測量的所述直流自偏壓的時間平均值。

38、可選的，所述第一階段的時長小于所述第二階段的時長；令表示所述自偏壓測量值、v1表示所述自偏壓補償值，；α為比例系數，1<α<1/x；x為所述高射頻功率的占空比。

39、可選的，所述下電極組件包含靜電吸盤，所述靜電吸盤包含介電層和位于所述介電層下方的金屬基座，所述介電層內設置有靜電電極；所述第一直流電壓施加在所述基座上。

40、可選的，所述的等離子體處理設備還包括：第二高壓輸出模塊，其通訊連接所述自偏壓測量模塊，以獲取所述自偏壓測量值；

41、工藝制程中，通過所述第二高壓輸出模塊向所述靜電電極施加第二直流電壓，所述第二直流電壓的電壓值為；

42、為所述自偏壓測量值；為反應腔空閑時，為使所述靜電吸盤產生預設的靜電吸力，需要向所述靜電電極施加的直流電壓的電壓值。

43、可選的，所述自偏壓測量模塊電性連接所述靜電電極；所述第一射頻電源在所述靜電電極產生第一耦合電壓；工藝制程中，所述自偏壓測量模塊通過測量所述第一耦合電壓的幅值，實現(xiàn)測量基片的所述直流自偏壓。

44、可選的，所述等離子體處理設備還包含濾波器，通過所述濾波器抑制自所述靜電電極傳遞至所述自偏壓測量模塊和第二高壓輸出模塊的射頻能量，以及抑制自所述基座傳遞至所述第一高壓輸出模塊的射頻能量。

45、可選的，所述下電極組件包含聚焦環(huán)和邊緣電極；

46、所述聚焦環(huán)圍繞在基片的外周，所述邊緣電極設于所述聚焦環(huán)的內部或位于所述聚焦環(huán)的下方；通過向所述邊緣電極提供低頻的射頻功率以控制待處理基片邊緣的射頻電場分布；

47、所述第一直流電壓施加在所述邊緣電極上。

48、可選的，所述的等離子體處理設備，還包含第三高壓輸出模塊，其電性連接所述第一射頻電源；

49、所述下電極組件包含聚焦環(huán)和邊緣電極；

50、所述聚焦環(huán)圍繞在基片的外周，所述邊緣電極設于所述聚焦環(huán)的內部或位于所述聚焦環(huán)的下方；通過向所述邊緣電極提供低頻的射頻功率以控制待處理基片邊緣的射頻電場分布；

51、所述第三高壓輸出模塊基于所述第一射頻電源的射頻功率向所述邊緣電極施加第三直流電壓；所述第三直流電壓為負電壓；

52、令v3表示所述第三直流電壓的電壓值，表示所述第一射頻電源的射頻功率值，；為預設的比例系數。

53、可選的，所述等離子體處理設備還包含隔離電路，用于避免施加在所述邊緣電極的射頻功率對所述第三高壓輸出模塊產生干擾。

54、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

55、1）本發(fā)明的防止下電極組件發(fā)生電弧放電的方法及等離子體處理設備，基于對基片直流自偏壓的測量結果計算對應的自偏壓補償值，并向下電極組件施加電壓值為自偏壓補償值的第一直流電壓，有效減少了基片與下電極組件之間的電壓差，大大降低了下電極組件發(fā)生電弧放電的概率，提高了基片加工的安全性。

56、2）本發(fā)明在工藝制程中，通過第一射頻電源偏置基片，第一射頻電源向下電極組件交替地輸出高、低射頻功率，因此基片的直流自偏壓也周期性的呈高、低變化。由于第一射頻電源輸出高射頻功率的占空比通常小于50%，且自偏壓測量值為直流自偏壓的時間平均值（對直流自偏壓進行測量時無法達到足夠的時間精度），因此自偏壓測量值趨近于第一射頻電源輸出低射頻功率時的直流自偏壓值?；谧云珘簻y量值補償下電極組件的電壓以減小基片與下電極組件之間的電壓差時，容易出現(xiàn)對下電極組件的電壓補償不足，下電極組件與基片之間仍然容易發(fā)生電弧放電的問題。本發(fā)明使自偏壓補償值趨近于第一射頻電源輸出高射頻功率和低射頻功率時的直流自偏壓值的中間值。根據自偏壓補償值決定補償在下電極組件上的第一直流電壓的大小，在第一射頻電源輸出高射頻功率時，能夠大大降低下電極組件發(fā)生電弧放電的風險。

57、3）本發(fā)明中，基于第一射頻電源輸出高射頻功率的占空比控制自偏壓補償值的范圍，可以有效避免第一直流電壓對下電極組件的電壓欠補償以及過補償，在第一射頻電源的整個工作周期內，大大降低了下電極組件發(fā)生電弧放電的風險。

58、4）當反應腔空閑時，為使靜電吸盤產生預設的靜電吸力，需要向靜電電極施加的直流電壓的電壓值為。本發(fā)明中向靜電電極施加第二直流電壓，并且第二直流電壓的電壓值與自偏壓測量值的差值為，以補償因基片直流自偏壓引起的靜電吸力不足，確保在第一射頻電源的整個工作周期內，靜電吸盤實際產生的靜電吸力與預設靜電吸力的差值落在合理的范圍內，保證對基片穩(wěn)定吸附的同時，還可以使基片易于解吸附。

59、5）本發(fā)明在工藝制程中不需要使用探針測量基片直流自偏壓，可以大大減少對基片造成的污染。

60、6）本發(fā)明的第一直流電壓可以施加在基座、邊緣電極上，以減小基片與基座之間、基片與聚焦環(huán)之間的電壓差。本發(fā)明還可以根據第一射頻電源的輸出功率（其與聚焦環(huán)表面的直流自偏壓正相關）向邊緣電極施加第三直流電壓，以減小基片與聚焦環(huán)之間的電壓差。通過多種方式，提高下電極組件工作的安全性。