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CN107039255A - 通过电测量检测等离子体不稳定性的系统和方法 - Google Patents

通过电测量检测等离子体不稳定性的系统和方法 Download PDF

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CN107039255A
CN107039255A CN201611012304.5A CN201611012304A CN107039255A CN 107039255 A CN107039255 A CN 107039255A CN 201611012304 A CN201611012304 A CN 201611012304A CN 107039255 A CN107039255 A CN 107039255A
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阿德里安·拉瓦伊
拉梅什·钱德拉赛卡哈伦
爱德华·奥古斯蒂尼克
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Lam Research Corp
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Abstract

本发明涉及通过电测量检测等离子体不稳定性的系统和方法。晶片放置在电极下方的晶片支撑装置上，使得在晶片和电极之间存在等离子体产生区域。向电极供应射频功率以在等离子体处理操作的多个连续的等离子体处理循环期间在等离子体产生区域内产生等离子体。连接到电极的至少一个电传感器在多个连续的等离子体处理循环中的每一个期间测量电极上的射频参数。针对多个连续的等离子体处理循环中的每一个确定在电极上测得的射频参数的值。确定在多个连续的等离子体处理循环期间在电极上测得的射频参数的值中是否存在任何指示性趋势或变化，其中指示性趋势或变化指示在等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。

Description

通过电测量检测等离子体不稳定性的系统和方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造，并且更具体地涉及通过电测量检测等离子体不稳定性的系统和方法。
背景技术
许多现代半导体芯片制造工艺包括产生等离子体，来自等离子体的离子和/或自由基成分用于直接或间接影响暴露于等离子体的晶片表面上的变化。例如，各种基于等离子体的工艺可用于从晶片表面蚀刻材料，将材料沉积到晶片表面上，或修改已存在于晶片表面上的材料。通常通过向受控环境中的工艺气体施加射频(RF)功率来产生等离子体，使得工艺气体被激发并转变成期望的等离子体。等离子体的特性受许多工艺参数影响，所述工艺参数包括但不限于工艺气体的材料组成、工艺气体的流速、等离子体产生区域和周围结构的几何特征、工艺气体和周围材料的温度、施加的RF功率的频率和幅值、以及施加的将等离子体的带电成分朝向晶片吸引的偏置等。
然而，在一些等离子体工艺中，上述工艺参数可能不能提供对所有等离子体特性和行为的充分控制。具体地，在一些等离子体工艺中，在等离子体内可能发生称为“等离子体团(plasmoid)”的不稳定性，其中所述等离子体团的特征在于由较大体积的正常密度等离子体包围小区域的较大密度等离子体。等离子体团的形成可导致晶片上的处理结果的不均匀性。因此，检测等离子体团的形成是有意义的，以便实现减轻和/或校正作用。正是在这种背景下产生了本发明。
发明内容
在示例性实施方式中，公开了一种用于对晶片进行等离子体处理的方法。所述方法包括将晶片放置在晶片支撑装置上。所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域。所述方法还包括向所述电极供应射频功率，以在等离子体处理操作的多个连续的等离子体处理循环期间在所述等离子体产生区域内产生等离子体。所述方法还包括操作连接到所述电极的至少一个电传感器，以在所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个期间测量所述电极上的射频参数。所述方法还包括确定针对所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个在所述电极上测得的所述射频参数的值。所述方法还包括确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
在示例性实施方式中，公开了一种用于对晶片进行等离子体处理的系统。所述系统包括被配置为在等离子体处理操作期间支撑晶片的晶片支撑装置。所述系统还包括电极，所述电极位于所述晶片支撑装置上方以便在所述电极和所述晶片支撑装置之间形成等离子体产生区域。所述系统还包括被连接以向所述电极传送射频功率的射频电源。该系统还包括至少一个电传感器，所述至少一个电传感器连接到所述电极并且被配置为测量所述电极上的射频电压、所述电极上的射频电流、所述电极上的射频信号频率、所述电极上的射频信号频率、所述电极上的射频阻抗、所述电极上的射频相位角以及所述电极上的射频功率中的一个或多个。所述系统还包括电信号处理单元，所述电信号处理单元被连接以在所述等离子体处理操作期间从所述至少一个电传感器接收测量数据。所述电信号处理单元被配置为基于从所述至少一个电传感器接收到的所述测量数据来确定所述电极上存在的一个或多个射频参数的值。所述一个或多个射频参数包括射频电压、射频电流、射频信号频率、射频阻抗、射频相位角和射频功率。所述电信号处理单元还被配置为确定在所述射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于对晶片进行等离子体处理的方法，其包括：
将晶片放置在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；
向所述电极供应射频功率，以在等离子体处理操作的多个连续的等离子体处理循环期间在所述等离子体产生区域内产生等离子体；
操作连接到所述电极的至少一个电传感器，以在所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个期间测量所述电极上的射频参数；
确定针对所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个在所述电极上测得的所述射频参数的值；以及
确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
2.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测得的所述射频参数的所述值是循环平均值。
3.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测得的所述射频参数的所述值是瞬时值。
4.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频电压。
5.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频电流。
6.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频信号频率。
7.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频阻抗。
8.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频相位角。
9.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频功率。
10.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中确定针对所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个在所述电极上测得的所述射频参数的所述值以及确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中是否存在所述指示性趋势或变化是在完成所述等离子体处理操作之后执行的。
11.根据条款1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其进一步包括：
在向所述电极供应射频功率以产生所述等离子体的同时，操作电信号处理单元以从所述至少一个电传感器接收测量数据；
在向所述电极供应射频功率以产生所述等离子体的同时，操作所述电信号处理单元以确定针对所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个在所述电极上测得的所述射频参数的所述值；以及
在向所述电极供应射频功率以产生所述等离子体的同时，操作所述电信号处理单元以确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中是否存在任何指示性趋势或变化。
12.根据条款11所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其进一步包括：
当确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中确实存在所述指示性趋势或变化时，操作所述电信号处理单元以产生和传输控制信号以对向所述电极供应射频功率进行调整，从而减少在所述等离子体处理操作期间所述等离子体不稳定性的形成。
13.根据条款12所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中，对向所述电极供应射频功率进行的所述调整导致供应给所述电极的射频功率的减小。
14.根据条款11所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其进一步包括：
当确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中不存在所述指示性趋势或变化时，操作所述电信号处理单元以产生并传输控制信号以增加供应给所述电极的射频功率量。
15.根据条款11所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其进一步包括：
在所述等离子体处理操作期间，连接直流电源以向所述晶片支撑装置供给电流，并且从所述晶片支撑装置直接供给到所述晶片的下侧；以及
当确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中确实存在所述指示性趋势或变化时，操作所述电信号处理单元以产生和传输控制信号以增加由所述直流电源供应到所述晶片支撑装置的所述电流的量，从而减少所述等离子体处理操作期间所述等离子体不稳定性的形成。
16.一种用于对晶片进行等离子体处理的系统，其包括：
晶片支撑装置，其被配置为在等离子体处理操作期间支撑晶片；
电极，其位于所述晶片支撑装置上方，以便在所述电极和所述晶片支撑装置之间形成等离子体产生区域；
被连接以将射频功率传送到所述电极的射频电源；
至少一个电传感器，其连接到所述电极并且被配置为测量所述电极上的射频电压、所述电极上的射频电流、所述电极上的射频信号频率、所述电极上的射频阻抗、所述电极上的射频相位角、以及所述电极上的射频功率中的一个或多个；以及
电信号处理单元，其被连接以在所述等离子体处理操作期间从所述至少一个电传感器接收测量数据，所述电信号处理单元被配置成基于从所述至少一个电传感器接收到的所述测量数据来确定存在于所述电极上的一个或多个射频参数的值，所述一个或多个射频参数包括射频电压、射频电流、射频信号频率、射频阻抗、射频相位角、射频功率，所述电信号处理单元被配置为确定在一个或多个所述射频参数中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
17.根据条款16所述的用于对晶片进行等离子体处理的系统，其中所述电信号处理单元被配置为确定在所述等离子体处理操作期间执行的多个处理循环期间所述指示性趋势或变化是否作为处理循环的函数而存在。
18.根据条款16所述的用于对晶片进行等离子体处理的系统，其进一步包括：
在所述电信号处理单元和所述射频电源之间的反馈连接件，所述电信号处理单元被配置为基于所述射频参数中的一个或多个中是否存在任何指示性趋势或变化的所述确定来产生控制信号并经由所述反馈连接件传输该控制信号，以控制所述射频电源。
19.根据条款16所述的用于对晶片进行等离子体处理的系统，其进一步包括：
直流电源，其被电连接以在所述等离子体处理操作期间将电流供应给所述晶片支撑装置并且直接供应给将被支撑在所述晶片支撑装置上的所述晶片的下侧；以及
在所述电信号处理单元和所述直流电源之间的反馈连接件，所述电信号处理单元被配置为基于所述射频参数中的一个或多个中是否存在任何指示性趋势或变化的所述确定来产生控制信号并经由所述反馈连接件传输该控制信号，以控制所述直流电源。
20.根据条款19所述的用于对晶片进行等离子体处理的系统，其中在所述电信号处理单元和所述直流电源之间的反馈连接件是第一反馈连接件，所述系统还包括在所述电信号处理单元和所述射频电源之间的第二反馈连接件，所述电信号处理单元被配置为基于在所述射频参数中的一个或多个中是否存在任何指示性趋势或变化的所述确定来产生控制信号并经由所述第二反馈连接件传输该控制信号，以控制所述射频电源。
从通过示例示出本发明的以下详细描述中并结合附图，本发明的其它方面和优点将变得更加明显。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一些实施方式的晶片处理系统。
图1B示出了根据本发明的一些实施方式的晶片处理系统。
图2示出了根据本发明的一些实施方式的包括四个处理站的多站式处理工具的俯视图。
图3示出了根据本发明的一些实施方式的与入站装载锁和出站装载锁接口的多站式处理工具的实施方式的示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为接收晶片以进行沉积处理的基座的示例。
图5A示出了根据本发明的一些实施方式的基座的竖直截面图。
图5B示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。
图5C也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。
图5D也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域503的近视图。
图5E也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域503的近视图。
图5F示出了根据本发明的一些实施方式的对应于如图5A所示的参考视图A-A的导电层的俯视图。
图5G示出了根据本发明的一些实施方式的对应于图5A中所示的参考视图A-A的导电层的俯视图。
图6示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源通过室的DC电流的示意图。
图7示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源通过室的DC电流的替代示意图。
图8示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。
图9示出了根据本发明的一些实施方式的具有电连接到喷头电极的电传感器的晶片处理系统。
图10示出了根据本发明的一些实施方式的喷头电极上的归一化的循环平均RF电压与所执行的处理循环的数量的函数关系的图。
图11示出了根据本发明的一些实施方式的喷头电极上的归一化的循环平均RF阻抗与所执行的处理循环的数量的函数关系的图。
图12示出了根据本发明的一些实施方式的喷头电极上的归一化的循环平均RF频率与所执行的处理循环的数量的函数关系的图。
图13示出了根据本发明的一些实施方式的在150个循环的ALD工艺中的每个循环期间作为时间的函数的电极上的示例性RF电压测量数据。
图14示出了根据本发明的一些实施方式的针对150个循环的ALD工艺中的每个循环(其RF电压数据在图13中示出)在等离子体激励之后100ms时在电极上测得的RF电压。
图15示出了根据本发明的一些实施方式的如何分析在每个循环内在电极上的RF电压变化以检测等离子体团形成的实例。
图16示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊本发明。
膜的沉积可在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中实施。PECVD系统可以采用许多不同的形式。PECVD系统包括容纳一个或多个晶片并且适于晶片处理的(有时包括多个站的)一个或多个室或“反应器”。每个室可容纳一个或多个晶片以进行处理。一个或多个室将晶片保持在限定的一个或多个位置(在该位置内有或没有运动，例如旋转、振动或其它搅动)。在处理期间，经历沉积的晶片可以在反应室内从一个站转移到另一个站。当然，膜沉积可以完全在单个站处发生，或者膜的任何部分可以在任何数目的站处沉积。在处理期间，每个晶片通过基座、晶片卡盘和/或其它晶片保持装置保持在适当位置。对于某些操作，装置可以包括加热器(例如加热板)以加热晶片。
在示例性实施方式中，本文所使用的术语晶片是指半导体晶片。此外，在各种实施方式中，本文所提及的晶片可以在形式、形状和/或尺寸上变化。例如，在一些实施方式中，本文提到的晶片可以对应于200mm(毫米)半导体晶片、300mm半导体晶片或450mm半导体晶片。此外，在一些实施方式中，本文所涉及的晶片可以对应于非圆形衬底(诸如用于平板显示器的矩形衬底等其它形状)。
图1A示出了根据本发明的一些实施方式的用于处理晶片101的晶片处理系统100。该系统包括具有下室部分102b和上室部分102a的室102。中心柱141被配置为支撑由导电材料形成的基座140。根据RF方向控制模块250的设置，导电基座140被连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号。此外，在图1A的晶片处理系统100中，根据RF方向控制模块250的设置，喷头电极150被配置并连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号。在一些实施方式中，RF方向控制模块250被配置为将从RF电源104经由匹配网络106传输的RF信号导向喷头电极150或基座140。此外，RF方向控制模块250被配置为将喷头电极150和基座140中的当前不接收RF信号的任何一个电连接到参考接地电位。以这种方式，在给定时间，RF方向控制模块250操作以确保在基座140电连接到参考接地电位时喷头电极150将从RF电源104接收RF信号，或者在喷头电极150电连接到参考接地电位时基座140将从RF电源104接收RF信号。
RF电源104由控制模块110(例如，控制器)控制。控制模块110被配置为通过执行处理输入和控制指令/程序108来操作晶片处理系统100。处理输入和控制指令/程序108可以包括工艺配方，所述工艺配方具有用于诸如功率电平、定时参数、工艺气体、晶片101的机械运动之类的参数的指令，以在晶片101上沉积或形成薄膜。
在一些实施方式中，中心柱141可以包括由升降销控制件122控制的升降销。升降销用于从基座140提升晶片101以使得端部执行器能拾取晶片101，以及用于在被端部执行器放置之后降低晶片101。晶片处理系统100还包括连接到工艺气体供应源114(例如，来自设施的气体化学物质供应源)的气体供应系统112。根据正在执行的处理，控制模块110控制工艺气体114经由气体供应系统112的输送。所选择的工艺气体然后流入喷头电极150中并且分布在限定在喷头电极150和放置在基座140上的晶片101之间的处理体积中。
此外，工艺气体可以是或不是预混合的。可以在气体供应系统112内采用适当的阀门和质量流量控制机构，以确保在工艺的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的工艺气体。工艺气体离开处理体积并流过排气出口143。真空泵(例如尤其一级或两级机械干式泵等)将工艺气体从处理体积中抽出并通过闭环反馈控制的流量限制装置(例如，节流阀或摆动阀)在处理体积中保持适当的低压。
还示出了环绕基座140的外部区域的承载环200。承载环200被配置为在将晶片101往返基座140输送期间支撑晶片101。承载环200被配置为位于承载环支撑区域上，其是基座140的中心的晶片支撑区域下的台阶。承载环200具有环形盘结构，并且包括其盘结构的外边缘侧(例如外半径)，以及其盘结构的最靠近晶片101所处位置的晶片边缘侧(例如内半径)。承载环200的晶片边缘侧包括多个接触支撑结构，所述接触支撑结构被配置为当承载环200被蜘蛛叉180提升时提升晶片101。承载环200因此与晶片101一起被提升，并且例如能在多站系统中被旋转到另一个站。由控制模块110产生承载环升降和/或旋转控制信号124，以控制蜘蛛叉180升降和/或旋转承载环200的操作。
在一些实施方式中，电绝缘层507设置在基座140的顶表面上，而导电层509设置在电绝缘层507上。导电层509被配置为支撑晶片101。此外，在这些实施方式中，导电层可以经由低通滤波器525电连接到直流(DC)电源521的正极端子。DC电源521还被连接以被控制模块110控制。因此，在一些实施方式中，根据由处理输入和控制指令/程序108提供并且由控制模块110执行的规定的配方，电流可以从DC电源521经由低通滤波器525传输到导电层509。
图1B示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为在晶片101上执行原子层沉积(ALD)工艺(例如，ALD氧化物工艺)的晶片处理系统100A。在图1B中示出了相对于图1A描述的部件相似的部件。具体地，晶片处理系统100A也包括上室部分102a、下室部分102b、控制模块110、RF电源104、匹配网络106、导电层509、DC电源521、低通滤波器525、承载环200和蜘蛛叉180。在晶片处理系统100A中，基座140A被配置为包括电介质体251。在一些实施方式中，电介质体251直接固定到柱141。并且在一些实施方式中，电介质体251由固定到柱141的导电结构252支撑。导电层509直接设置在基座140A的电介质体251的顶表面上。
在一些实施方式中，加热元件253(例如电阻加热元件)与基座140A的电介质体251一起布置。加热元件253连接到加热器电源255，加热器电源255又连接到控制模块110。在一些实施方式中，加热元件253存在时，加热器电源255可以根据规定的配方操作，规定的配方由处理输入和控制指令/程序108提供并且由控制模块110执行。还应当理解，温度测量装置可以安装在基座140A上/内和/或基座140A周围的其他位置处，以向控制模块110提供温度测量数据，从而使得能够操作在控制模块110和加热器电源255之间的闭环温度反馈控制电路。
基座140A的电介质体251包括RF电极254，根据RF方向控制模块250的设置，RF电极254被配置并连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号。此外，在图1B的晶片处理系统100A中，根据RF方向控制模块250的设置，喷头电极150A被配置和连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号。在一些实施方式中，RF方向控制模块250被配置为将从RF电源104经由匹配网络106输送的RF信号引导到喷头电极150A或RF电极254。此外，RF方向控制模块250被配置为将喷头电极150A和RF电极254中的当前没有接收RF信号的任一个电连接到参考接地电位。以这种方式，在给定时间，RF方向控制模块250操作以确保在RF电极254电连接到参考接地电位的同时喷头电极150A将从RF电源104接收RF信号，或者在喷头电极150A电连接到参考接地电位的同时RF电极254将从RF电源104接收RF信号。
图2示出了根据本发明的一些实施方式的包括四个处理站的多站式处理工具300的俯视图。该俯视图是下室部分102b的视图(例如，为了说明，移除了上室部分102a)。四个处理站由蜘蛛叉180访问。每个蛛状叉180或叉包括第一和第二臂，每个臂围绕基座140/140A的每一侧的一部分定位。使用接合和旋转机构220的蜘蛛叉180被配置为以同时的方式从处理站(即，从承载环200的下表面)提升和举起承载环200，然后在降低承载环200(其中承载环中的至少一个支撑晶片101)之前旋转至少一个或多个站的距离，使得可以在相应的晶片101上进行进一步的等离子体加工、处理和/或膜沉积。
图3示出了根据本发明的一些实施方式的与入站装载锁302和出站装载锁304接口的多站式处理工具300的实施方式的示意图。机械手306在大气压力下被配置为将晶片101从通过箱308装载的盒经由大气端口310移动到入站装载锁302中。入站装载锁302耦合到真空源/泵，使得当大气端口310关闭时，入站装载锁302可以被抽空。入口装载锁302还包括与处理室102接口的室传送端口316。因此，当室传送端口316打开时，另一个机械手312可将晶片从入站装载锁302移动到第一处理站的基座140/140A以进行处理。
所示的处理室102包括四个处理站，在图3所示的示例性实施方式中编号为1至4。在一些实施方式中，处理室102可以被配置为保持低压环境，使得可以使用承载环200在处理站1-4之间传送晶片而不经历真空中断和/或空气暴露。图3中描绘的每个处理站1-4包括基座140/140A和喷头电极150/150A以及相关的工艺气体供应连接件。而且，应当理解，在其他实施方式中，处理室102可以包括少于四个处理站或多于四个处理站。
图3还示出了用于在处理室102内传送晶片的蜘蛛叉180。如上所述，蜘蛛叉180旋转并且能够将晶片从一个处理站传送到另一个处理站。该传送通过以下方式发生：使蜘蛛叉180能够从外部下表面提升承载环200，从而提升晶片101，并且将晶片101和承载环200一起旋转到下一个处理站。在一种配置中，蜘蛛叉180由陶瓷材料制成，以在处理期间承受高水平的热量。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为接收晶片101以进行诸如原子层沉积(ALD)工艺之类的沉积工艺的基座140/140A的示例。基座140/140A包括位于基座140/140A的中心顶表面上的导电层509，其中中心顶表面由从基座140/140A的中心轴线420延伸到限定中心顶表面边缘的顶表面直径422的圆形区域限定。导电层509包括分布在整个导电层509上并且被配置为支撑晶片101的多个晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f。晶片支撑件水平由当晶片101位于晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f上时晶片101的底表面的竖直位置限定。在图4的示例中，围绕导电层509的外围对称地分布有六个晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f。然而，在其他实施方式中，在导电层509上可以存在任何数量的晶片支撑件，并且晶片支撑件可以以任何合适的布置分布在导电层509上以在沉积工艺操作期间支撑晶片101。图4还示出了被配置成容纳升降销的凹部406a、406b和406c。升降销可以用于从晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f提升晶片101，以允许通过端部执行器接合晶片101。
在一些实施方式中，每个晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f限定最小接触区域结构(MCA)。当需要高精度或公差和/或希望最小的物理接触以减少缺陷风险时，MCA用于改善表面之间的精确配合。系统中的其它表面也可以包括MCA，例如在承载环200支撑件上方，以及在承载环200的内部晶片支撑区域上方。
基座140/140A还包括从基座140/140A的顶表面直径422延伸到环形表面410的外径424的环形表面410。环形表面410限定围绕导电层509的环形区域，但是在导电层509下的台阶处。也就是说，环形表面410的竖直位置低于导电层509的竖直位置。多个承载环支撑件412a、412b和412c基本上位于/沿着环形表面410的边缘(外径)，并且相对于环形表面410对称地分布。在一些实施方式中，承载环支撑件可以限定用于支撑承载环200的MCA。在一些实施方式中，承载环支撑件412a、412b和412c延伸超过环形表面410的外径424，而在其它实施方式中，承载环支撑件412a、412b和412c不延伸超过环形表面410的外径424。在一些实施方式中，承载环支撑件412a、412b和412c的顶表面具有略高于环形表面410的高度的高度，使得当承载环200搁置在承载环支撑件412a、412b和412c上时，承载环200被支撑在环形表面410上方预定距离处。每个承载环支撑件412a、412b和412c可包括凹部(例如，承载环支撑件412a的凹部413)，当承载环200由承载环支撑件412a、412b和412c支撑时，从承载环200的下侧突出的延伸部安置在凹部中。承载环延伸部与承载环支撑件412a、412b和412c中的凹部(413)的配合提供承载环200的安全定位，并防止承载环200在安放在承载环支撑件412a、412b和412c上时移动。
在一些实施方案中，承载环支撑件412a、412b和412c的顶表面与环形表面410齐平。在其他实施方案中，没有与环形表面410分开限定的承载环支撑件，使得承载环200可以直接放置在环形表面410上，并且使得在承载环200和环形表面410之间不存在间隙。在这种实施方案中，承载环200和环形表面410之间的路径被封闭，从而阻止前体材料经由此路径到达晶片101的背侧/下侧。
在图4的示例性实施方式中，存在沿着环形表面410的外边缘区域对称地定位的三个承载环支撑件412a、412b和412c。然而，在其他实施方案中，可以存在分布在沿着基座140/140A的环形表面410的任何位置处的三个以上承载环支撑件，以将承载环200支撑在稳定的静止构造中。
当晶片101由晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f支撑时，并且当承载环200由承载环支撑件412a、412b和412c支撑时，晶片101的边缘区域设置在承载环200的内部部分上。一般来说，晶片101的边缘区域从晶片101的外边缘向内延伸约2毫米(mm)至约5mm。从而在晶片101的边缘区域和承载环200的内部部分之间限定竖直间隔。在一些实施方式中，该竖直间隔为约0.001英寸至约0.010英寸。可以控制承载环200在环形表面410上方的预定距离处的支撑件以及晶片101的边缘区域和承载环200的内部部分之间的竖直间隔，以限制在晶片101的边缘区域中的晶片101的背侧/下侧上的沉积。
用于沉积薄膜或处理晶片表面的一些等离子体在从工艺观点来看是优选的条件下是不稳定的。作为示例，在1至3托压强范围内以及在高RF功率(>200W每300mm直径的晶片处理站)下操作的Ar/O2电容耦合等离子体(CCP)放电显示等离子体内的不稳定性。一种这样的等离子体不稳定性，在本文中称为“等离子体团”，其特征在于由较大体积的正常密度等离子体包围小区域的较高密度(较亮)等离子体。当形成等离子体团时，由于膜与对应于等离子体团的局部高密度等离子体的相互作用，沉积膜在等离子体团附近局部致密化，这导致膜均匀性降低。等离子体团在晶片101上的空间分布可以在处理之间以及在给定处理内变化。此外，等离子体团可以在给定的处理期间在晶片101上移动。应当理解，等离子体团例如通过改变晶片101上不同位置处的沉积膜的厚度而导致晶片101上的工艺均匀性的降低。由等离子体团引起的膜厚度的不均匀性可以是膜总厚度的约1％至2％，这种不均匀性在需要超平坦膜轮廓的一些应用中可能是显著的。
在示例膜沉积工艺期间，执行操作以施加单层前体气体，而不施加任何RF功率。前体气体粘附到晶片101。在一些实施方式中，前体气体包括硅以使得能够在晶片上形成氧化硅。然后执行操作以将前体气体从晶片101上方的处理体积冲走，从而在晶片101上留下前体气体的单层。然后在晶片101上执行氧化工艺。在氧化工艺中，工艺气体流入晶片101上方的处理体积中，并且将RF功率施加到工艺气体以在处理体积内产生等离子体。等离子体驱动晶片101上的氧化反应。在一些实施方式中，工艺气体将包含氧气加上一种或多种其它轰击气体(例如氩等)，其中轰击气体提供等离子体的充分致密化。轰击气体是有效地使沉积膜致密化的气体。使沉积膜致密化的轰击气体是能够有效地将能量转移到沉积膜的那些气体。在一些实施方式中，轰击气体是单原子惰性气体，例如氩等，其不与沉积膜发生化学反应，并且缺乏振动或旋转分子模式。例如，在示例性工艺中，工艺气体混合物可以包括约5％至约20％的氧气，其余工艺气体混合物是氩气。并且，在其他示例工艺中，工艺气体混合物中的氧气与轰击气体的百分比可以小于5％或大于20％。
在氧化工艺中，当在晶片101上形成特定厚度的膜时，等离子体团可以开始出现在晶片101上。等离子体团的数量和尺寸与工艺气体混合物中的轰击工艺气体(例如氩)的量具有直接的相关性。因此，减少工艺气体混合物中的轰击工艺气体的量可用于降低等离子体团的强度。然而，较高百分比的轰击工艺气体通常也是必要的，以提供足够的等离子体密度以确保适当的膜形成。另外，需要大量的RF功率来产生等离子体，因为如果没有施加足够的RF功率，则等离子体密度将不足。然而，增加施加的RF功率导致形成更多的等离子体团。一些工艺应用使用约300W的施加的RF功率每300mm直径的晶片处理站。然而，其他工艺应用可能需要更高的RF功率，例如400W，或甚至更高，每300mm直径的晶片处理站。
鉴于前述，抑制等离子体团形成的一种方法是降低施加的RF功率和/或增加气体混合物内的氧气浓度。更具体地，较低的工艺功率(即，较低的所施加的RF功率)或工艺气体中(相对于氧气)较低的轰击气体(通常为氩)浓度导致较低的等离子体密度，从而抑制等离子体团的形成。不幸的是，从沉积膜质量的角度来看，这些条件不是优选的。例如，当在较低工艺功率或工艺气体内的较低轰击气体浓度下来自等离子体的离子轰击不足时，膜质量下降。因此，通过降低工艺功率和/或降低工艺气体中的轰击气体浓度(例如氩浓度)可能不总是能够在抑制等离子体团形成的同时保持沉积膜质量。
本文公开了通过调节晶片101的电势来防止/抑制等离子体不稳定性的系统和方法。在一些实施方式中，将低正DC偏置施加到晶片101的背侧/下侧。该低正DC偏置在抑制等离子体团的形成方面是有效的。本文公开的用于抑制和/或防止等离子体不稳定性的系统和方法不需要改变其它工艺条件，例如工艺气体流速、压力和/或施加的RF功率。
图5A示出了根据本发明的一些实施方式的图1A的基座140的竖直截面图。在一些实施方式中，基座140由导电材料(例如铝等材料)形成。在一些实施方式中，基座140包括加热装置505，例如电阻加热器。基座140包括顶表面502。电绝缘层507设置在基座140的顶表面502上。电绝缘层507由介电材料形成，该介电材料与在晶片101的处理中使用的材料兼容并且在晶片101的处理期间对于热膨胀是稳定的。在各种实施方式中，在晶片101的处理期间，基座140可暴露于延伸至高达约100摄氏度(℃)的范围内的温度、或暴露于约20℃延伸至约100℃的范围内的温度、或暴露于延伸直至高达约50℃的范围内的温度、或暴露于延伸至高达约250℃的范围内的温度。
在一些实施方式中，电绝缘层507由陶瓷材料形成，例如陶瓷板或陶瓷涂层。在一些实施方式中，电绝缘层507通过阳极氧化基座140的顶表面502而形成。在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1毫米(mm)的范围内、或在延伸直至约100微米的范围内、或在约10微米延伸至约50微米的范围内、或约30微米。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的电绝缘层507的竖直厚度可以不同于上述范围和值。电绝缘层507的竖直厚度被限定为确保电流不流过电绝缘层507到达基座140。
导电层509设置在电绝缘层507上。导电层509被配置为支撑晶片101。在一些实施方式中，导电层509形成为具有垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1mm的范围内、或在延伸直至约0.25英寸的范围内、或在延伸直至约0.5英寸的范围内。然而，应当理解，在其它实施方式中，在垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的导电层509的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，导电层509形成为实心板。在一些实施方式中，导电层509形成为层压膜。在一些实施方式中，导电层509形成为喷涂金属涂层。在一些实施方式中，导电层509由铝形成。然而，应当理解，在其它实施方式中，导电层509可以由基本上任何类型的导电材料形成，该导电材料与在晶片101的处理中使用的材料兼容，并且在晶片101的处理期间关于热膨胀是稳定的。
在一些实施方式中，导电层509包括被配置为接触和支撑晶片101的MCA 511的分布。在这些实施方式中，MCA 511由导电材料形成，以使得电流能够从导电层509传输到晶片101。在一些实施方式中，MCA 511由与导电层509相同的材料形成。在一些实施方式中，MCA511由与导电层509不同的材料形成，只要MCA 511由导电材料形成即可。在一些实施方式中，MCA 511与导电层509一体形成。在一些实施方式中，MCA 511被物理地附接到导电层509。在一些实施方式中，MCA 511被配置为具有接触晶片101的背侧/下侧的圆形顶表面。在一些实施方式中，MCA 511被配置为具有接触晶片101的背侧/下侧的基本平坦的顶表面。
导电层509通过延伸穿过低通滤波器525的电连接件523电连接到DC电源521。低通滤波器525防止RF信号进入和损坏DC电源521。DC电源521的正极端子连接到电连接件523，使得直流电流经由电连接件523(包括经由低通滤波器525)流到导电层509，然后经由晶片101流入位于晶片101上方的处理体积内的等离子体。DC电源521的负极端子连接到室内的电流返回结构，以提供完整的电路。在各种实施方式中，电连接件523可以以不同的方式(例如，通过焊接连接、钎焊连接、压缩连接、螺纹连接等)连接到导电层509。形成电连接件523和/或与导电层509的接触的电导体通过一个或多个电绝缘结构527与基座140电绝缘。另外，如果基座140包括加热装置505，例如电阻加热器，则电绝缘结构527被形成为使加热装置505与电连接件523电绝缘。
另外，在一些实施方式中，基座140内的升降销中的至少一个由导电材料形成，并且被配置为在基座140内缩回到其向下位置时电接触导电层509，并且通过电连接件523和低通滤波器525电连接到DC电源521。在这些实施方式中，代替或者除了在导电层509和电连接件523之间形成永久接触之外，至少一个DC供电的升降销可用于提供与导电层509的电连接。
图5A还示出了承载环200，承载环200位于承载环支撑表面513上方的基座140的外部区域中。承载环200可以包括多个延伸部515，延伸部515固定承载环200以防止承载环200在晶片101的处理期间偏移。延伸部515被配置为位于承载环支撑件412a、412b和412c中，如图4A所示。图5B示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。图5C也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。在图5C的示例性实施方式中，基座140包括保持器结构142，保持器结构142被配置为从基座140的顶表面502向上延伸，并且被配置为围绕其中形成电绝缘层507和导电层509的区域。此外，在图5C的示例性实施方式中，电绝缘层507形成为沿保持器结构142的内表面向上延伸，以在保持器结构142和导电层509之间提供电绝缘。
图5D还示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中所参考的区域503的近视图。在图5D的示例性实施方式中，电连接件512被示为形成在导电层509和电连接件523之间。在各种实施方式中，电连接件523可以是焊接连接件、钎焊连接件、压缩连接件、螺纹连接件等。图5E也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中所参考的区域503的近视图。在图5E的示例性实施方式中，电连接件512形成为导电层509和电连接件523之间的较宽的衬垫型结构。在图5E的示例性实施方式中，电绝缘层507形成为环绕电连接件523。
在操作期间，DC电源521可以被操作以引起DC电流从DC电源521经由电连接件523(包括经由低通滤波器525)流到导电层509，经由支撑晶片101的MCA 511，经由晶片101流到覆盖晶片101的等离子体，并且经由等离子体流到与等离子体接触的导电返回结构。由DC电流引起的晶片101附近的正电荷用于排斥覆盖在晶片101上的等离子体内的带正电荷的离子，这用于抑制晶片101表面处的等离子体团的形成。在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流在延伸直至100毫安(mA)的范围内、或在从约30mA延伸至约70mA的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，由DC电源521施加到电连接件523的电压在延伸直至约+30伏(V)的范围内、或在从约-10V延伸至约+50V的范围内、或在从约+20V延伸至约+40V延伸的范围内，或在从约+10V延伸至约+30V的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，由DC电源521施加的电压可以不同于上述范围和值。
因为从DC电源521供应的DC电流经由MCA 511流到晶片101，所以MCA 511的空间布置可能对从晶片101流到等离子体的DC电流的空间分布具有影响并且进而对晶片101上的等离子体团形成的抑制具有空间效应。图5F示出了根据本发明的一些实施方式的对应于图5A中标识的参考视图A-A的导电层509的俯视图。在图5F的示例性实施方式中，MCA 511(对应于由511表示的小圆圈(典型的))以基本上均匀的方式分布在整个导电层509上，以便以基本均匀的空间布置接触晶片101的背侧/下侧。MCA 511的空间布置可以用于在不同的空间区域中增加/减少到晶片101的电导，并且由此提供对等离子体团抑制的空间控制。例如，在一些实施方式中，可以在预期较高的等离子体团形成的位置处提供更多的MCA 511，以便增加在这些位置处通过晶片101的DC电流的流动。
图5G示出了根据本发明的一些实施方式的对应于如图5A所示的参考视图A-A的导电层509的俯视图。在图5G的示例性实施方式中，MCA 511的空间密度朝向导电层509的外径周边增加。因此，图5G的示例性实施方式中的MCA 511的空间布置可以用于其中增加的等离子体团形成预期在晶片101的外径区域附近这样的处理应用中。应当理解，提供图5F和5G的示例性实施方式中描绘的MCA 511空间布置是用于描述的目的，并且不代表MCA 511在导电层509上的所有可能的空间布置。在其他实施方式中，MCA 511可以具有基本上任何空间布置，该空间布置提供对晶片101的足够的结构支撑，并且提供从导电层509流到晶片101的DC电流的合适分布。
图6示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源521流经室102的DC电流的示意图。图6示出了喷头电极150/150A，其被连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号，以在覆盖晶片101的区域内产生等离子体601。在图6的示例性实施方式中，喷头电极150/150A连接到DC电源521的返回端(负极端子)，如电连接件605所示，其中DC电源521的返回端(负极端子)电连接到参考接地电位。以这种方式，DC电流(i)从DC电源521通过低通滤波器525流到导电层509，如电连接件523所示，并且通过MCA 511流到晶片101，并且穿过晶片101流到等离子体601，并且通过等离子体601流到喷头电极150/150A，并且从喷头电极150/150A通过电连接件605流到直流电源521的返回端(负极端子)。
图7示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源521流经室102的DC电流的替代示意图。图7的示例性实施方式对应于低压处理应用，其中等离子体601接触室102的壁。在图7的示例性实施方式中，室102的壁用作从直流电源521流出的直流电流(i)的返回电极。更具体地，室102的壁经由电连接件701电连接到直流电源521的返回端(负极端子)。在操作期间，DC电流(i)从DC电源521经由低通滤波器525流到导电层509，如电连接件523所示，并且通过MCA 511流到晶片101，并且通过晶片101流到等离子体601，并且通过等离子体601流到室102的壁，并且从室102的壁经由电连接件701流到DC电源521的返回端(负极端子)。
如上所述，在各种晶片101处理应用中，晶片101被装载到诸如沉积站之类的处理站上，并且被放置在基座140/140A的导电层509上。晶片101由与导电层509电连接的成组的导电销/结构(例如MCA 511)支撑。然后，从外部DC电源521经由导电层509以及经由导电销/结构(例如经由MCA 511)将DC电压施加到晶片101。所施加的DC电压用于减小入射在晶片101上的等离子体内的(正)离子的能量通量。来自等离子体的高能粒子可从沉积在晶片101上的膜材料中喷射二次电子。这些二次电子在通过等离子体鞘拉入体等离子体时可被加速到高能量。这些加速的电子可以形成高密度、不稳定的等离子体的区域，例如等离子体团。当放电与特定表面(例如，具有特定组成和厚度的膜)相互作用时，在富氩气体混合物中观察到这种行为。为了改变晶片电位，所施加的DC电压产生非零的DC电流流动。没有DC电流的非零流动，外部DC电压的施加可能是无效的，这是由于等离子体能用相反符号的电荷遮蔽晶片101表面电荷从而恢复晶片101的浮动电位的能力。
应当理解，本文公开的用于抑制等离子体不稳定性(例如等离子体团)的系统和方法向处理系统增加了最小扰动。施加到晶片101的背侧/下侧的DC偏置用作工艺调整参数，其可以被调整以消除等离子体团，同时对放电和工艺具有最小的影响。在向晶片101的背侧/下侧施加DC偏置时，流速、压力、RF功率和其它参数可以保持不变。
将DC偏置施加到晶片101的晶片背侧/下侧是不常见的。在一些情况下，可将DC偏置施加到RF供电电极，例如施加到喷头电极150/150A，以调制全局等离子体结构。然而，向喷头电极150/150A施加DC偏置不会抑制等离子体团，因为DC电流主要在喷头电极150/150A和室102的壁之间流动，而对等离子体到晶片的界面具有最小的影响。与向喷头电极150/150A施加DC偏置相反，本文公开的系统和方法建立与晶片101的背侧/下侧的DC电连接。并且，在一些实施方式中，与晶片101的背侧/下侧的DC电连接通过在晶片101的背侧/下侧空间分布的多个导电晶片支撑结构(例如，MCA 511)建立。这些多个导电晶片支撑结构产生与晶片101的低电阻接触，并将DC电流传导到晶片101，以便改变晶片101的电位。一般来说，用于增加晶片101的电位的各种方法可以用于减少等离子体团形成的可能性。在替代实施方式中，与使晶片101处于浮动电位相反，甚至晶片101的DC接地可用于减少一些等离子体不稳定性。这种替代实施方式可以被认为是具有零电压的DC偏置的特殊情况。
鉴于前述内容，应当理解，本文公开了一种用于在等离子体处理操作期间支撑晶片的装置。该装置包括被构造为具有底表面和顶表面的基座140/140A。该装置还包括被配置为在基座140/140A的底表面的中心区域处支撑基座140/140A的柱141。在一些实施方式中，柱141被配置成旋转。并且，在这些实施方式中，柱141固定到基座140/140A，使得柱141的旋转引起基座140/140A的相应旋转。该装置包括设置在基座140/140A的顶表面上的电绝缘层507。在一些实施方式中，电绝缘层507与基座一体形成，如图1B所示。该装置还包括设置在电绝缘层507的顶表面上的导电层509。该装置还包括分布在导电层509上的至少三个支撑结构511。至少三个支撑结构511中的每一个由导电材料形成并且被固定成与导电层509电接触。至少三个支撑结构511被配置为与晶片101的底表面配合以物理地支撑晶片101并电连接到晶片101。该装置还包括从导电层509延伸到基座140/140A外部的位置的电连接件523。电连接件523电连接到直流电源521的正极端子。
在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度至少足够大以防止电流从导电层509流向位于电绝缘层507下方的基座140/140A内的导电材料。在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1000微米的范围内、或在延伸直至约100微米的范围内、或在约10微米延伸至约50微米的范围内、或约30微米。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的电绝缘层507的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，导电层509具有在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸至大约1毫米的范围内、或在延伸至大约7毫米的范围内、或在延伸至约13毫米的范围内。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的导电层509的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在各种实施方式中，导电层509形成为板、或层压膜或喷涂涂层。
在一些实施方式中，例如，至少三个支撑结构511以基本均匀的方式分布在导电层509上，如图5F所示。在一些实施方式中，例如，至少三个支撑结构511以不均匀的方式分布在导电层509上，如图5G所示。在一些实施方式中，与导电层509的中心区域附近相比，至少三个支撑结构511中的更多数量位于导电层509的外围区域附近。
在一些实施方式中，至少三个支撑结构511和导电层509都由相同的材料形成。并且，在一些实施方式中，导电层509由与形成至少三个支撑结构511的材料不同的材料形成，其中至少三个支撑结构511由导电材料形成。在一些实施方式中，至少三个支撑结构511和导电层509都形成为单个整体结构。在一些实施方式中，至少三个支撑结构511被附接到导电层509。此外，在一些实施方式中，至少三个支撑结构511中的每一个被配置为具有圆形顶表面以与晶片101的底表面配合。
此外，鉴于前述，应当理解，本文公开了用于对晶片进行等离子体处理的系统。该系统包括具有正极端子和负极端子的直流电源521。该系统还包括具有输入连接件和输出连接件的低通滤波器电路，例如低通滤波器525，其中低通滤波器电路525的输入连接件电连接到直流电源521的正极端子。该系统还包括晶片支撑装置，晶片支撑装置包括分布为物理接触并支撑晶片101的底表面的至少三个支撑结构511。至少三个支撑结构511中的每一个由导电材料形成。并且，至少三个支撑结构511中的每一个电连接到低通滤波器电路525的输出连接件。
在一些实施方式中，晶片支撑装置包括导电层509，其中至少三个支撑结构511物理地和电连接到导电层509，并且导电层509电连接到低通滤波器电路525的输出连接件。此外，在一些实施方式中，晶片支撑装置包括被配置为具有底表面和顶表面的基座140/140A。并且，晶片支撑装置包括设置在导电层509下面的电绝缘层507。并且，在一些实施方式中，晶片支撑装置包括柱141，柱141被配置为在基座140/140A的底表面的中心区域处支撑基座140/140A。在一些实施方式中，柱141被配置成旋转，柱141固定到基座140/140A，使得柱141的旋转引起基座140/140A的相应旋转。
该系统还包括例如位于晶片支撑装置上方的电极，例如喷头电极150/150A。等离子体产生区域位于电极150/150A和晶片支撑装置之间。该系统还包括被连接以向电极150/150A传送射频功率的射频电源104。该系统还具有直流电源521的负极端子，负极端子电连接到暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构。在一些实施方式中，例如图6所示，暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构是电极150/150A。在一些实施方式中，例如图7所示，暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构是室102的壁，室102中设置有电极150/150A和晶片支撑装置。
图8示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。该方法包括操作801，操作801用于将晶片(101)放置在被分布以物理接触并支撑晶片(101)的底表面的至少三个支撑结构(511)上。至少三个支撑结构(511)中的每一个由导电材料形成。此外，至少三个支撑结构(511)中的每一个电连接到直流电源(521)的正极端子。
该方法还包括操作803，操作803用于提供从覆盖晶片(101)的等离子体产生区域到直流电源(521)的负极端子的电流返回路径。在一些实施方式中，例如图6所示，例如，从等离子体产生区域经由电极(例如喷头电极150/150A)以及从电极(150/150A)到直流电源(521)的负极端子来提供电流返回路径。在一些实施方式中，例如如图7所示，例如，从等离子体产生区域经由其中形成等离子体产生区域的室(102)的壁以及从室(102)的壁到直流电源(521)的负极端子来提供电流返回路径。
该方法还包括用于在覆盖晶片(101)的等离子体产生区域内产生等离子体(601)的操作805。在一些实施方式中，在操作805中在等离子体产生区域内产生等离子体(601)包括向覆盖等离子体产生区域的电极(例如喷头电极150/150A)供应射频功率。该方法还包括操作807，操作807用于操作直流电源(521)以驱动通过所述至少三个支撑结构(511)、以及从所述至少三个支撑结构(511)通过晶片(101)、以及从晶片(101)通过等离子体(601)，以及从等离子体(601)通过电流返回路径到达直流电源(521)的负极端子的电流。在操作807中的驱动电流与在操作805中的产生等离子体(601)一起执行。
在一些实施方式中，操作807包括操作直流电源(521)以产生电流，该电流在延伸直至约100毫安的范围内、或者从约30毫安延伸至约70毫安的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，操作807包括操作直流电源(521)以产生电压，该电压在延伸直至约+30伏特的范围内、或在从约-10伏特延伸至约+50伏特的范围内、或在从约+20伏特延伸到约+40伏特的范围内、或在从约+10伏特延伸到约+30伏特的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，由DC电源521施加的电压可以不同于上述范围和值。
本文还公开了通过测量和分析存在于喷头电极150/150A上的电参数来检测等离子体不稳定性(例如等离子体团的形成)的方法。图9示出了根据本发明的一些实施方式的晶片处理系统100/100A，其具有电连接到喷头电极150/150A的电传感器1101，如电连接1103所示。电传感器1101被配置为测量喷头电极150/150A上的RF电压、和/或喷头电极150/150A上的RF电流、和/或喷头电极150/150A处的RF频率、和/喷头电极150/150A处的RF相位角、和/或喷头电极150/150A处的RF相位角、和/或喷头电极150/150A处的RF功率。
在一些实施方式中，晶片处理系统100/100A可以包括如先前关于图6和图7所描述的DC电源521、低通滤波器525和电连接件523。此外，在一些实施方式中，晶片处理系统100/100A可以包括在喷头电极150/150A和DC电源521的负极端子之间的电连接件605，和/或在室102的壁和DC电源521的负极端子之间的电连接件701。
在一些实施方式中，电传感器1101被操作以在等离子体处理操作期间测量喷头电极150/150A上的RF电压。工具测试指示当形成等离子体团时，喷头电极150/150A上的循环平均RF电压和/或瞬时RF电压降低。图10示出了根据本发明的一些实施方式的喷头电极150/150A上的归一化的循环平均RF电压与所执行的处理循环的数量的函数关系图。图10中所示的数据表示每个处理循环的平均RF电压。如图10所示，当形成等离子体团时，喷头电极150/150A上的归一化循环平均RF电压降低。因此，通过使用电传感器1101在等离子体处理操作期间测量喷头电极150/150A上的RF电压，并通过分析测得的RF电压数据来检测在喷头电极150/150A上的循环平均RF电压和/或瞬时RF电压的指示性趋势/变化，可以确定/检测何时形成等离子体团。
图11示出根据本发明的一些实施方式的喷头电极150/150A上的归一化的循环平均RF阻抗与所执行的处理循环的数量的函数关系图。图11中所示的数据表示每个处理循环的平均RF阻抗。如图11所示，当形成等离子体团时，在喷头电极150/150A上的归一化的循环平均RF阻抗降低。因此，通过使用电传感器1101在等离子体处理操作期间测量喷头电极150/150A上的RF阻抗，并通过分析测得的RF阻抗数据来检测在喷头电极150/150A上的循环平均RF阻抗和/或瞬时RF阻抗的指示性趋势/变化，可以确定/检测何时形成等离子体团。
图12示出了根据本发明的一些实施方式的喷头电极150/150A上的归一化的循环平均RF频率与所执行的处理循环的数量的函数关系图。图12中所示的数据表示每个处理循环的平均RF频率。如图12所示，当形成等离子体团时，喷头电极150/150A上的归一化循环平均RF频率降低。因此，通过使用电传感器1101在等离子体处理操作期间测量喷头电极150/150A上的RF频率，并且通过分析测得的RF频率数据以检测在喷头电极150/150A上的循环平均RF频率和/或瞬时RF频率的指示性趋势/变化频率，可以确定/检测何时形成等离子体团。
在一些实施方式中，对喷头电极150/150A上的测得的电参数(RF电压、RF电流、RF阻抗、RF相位角、RF功率、RF频率)的分析可以离线执行，即与晶片101的实际等离子体处理分开执行。在一些实施方式中，可以在线并且实时地执行对喷头电极150/150A上的测得的电参数的分析。在这些实施方式中，可以通过在晶片处理系统100/100A内实现一个或多个电信号处理单元1102来进行对等离子体团形成的实时检测。电信号处理单元1102被配置并连接以从电传感器1101接收测量信号，如连接件1104所示；并且分析所接收的测量信号以确定以下参数的实时值：循环平均RF电压和/或瞬时RF电压、和/或循环平均RF电流和/或瞬时RF电流、和/或循环平均RF阻抗和/或瞬时RF阻抗、和/或循环平均RF相位角和/或瞬时RF相位角、和/或循环平均RF功率和/或瞬时RF功率、和/或循环平均RF频率和/或瞬时RF频率；并且鉴于相应的先前确定的值来确定所确定的实时值的指示性趋势/变化是否指示等离子体团的形成。
利用通过电信号处理单元1102提供的等离子体团形成的实时检测，可以在电信号处理单元1102和RF电源104之间建立反馈回路，如连接件1106所示，以提供对等离子体工艺的调节从而实时抑制等离子体团的形成。在一些实施方式中，调节等离子体工艺以抑制等离子体团形成可以包括改变所施加的RF功率的特性。上述反馈回路可以提供对等离子体团形成的实时抑制。更具体地，因为可以通过降低施加的用于产生和维持等离子体601的RF功率或通过改变另一个RF产生参数来抑制等离子体团形成，所以通过分析使用电传感器1101测得的数据来检测等离子体团形成可以用于触发RF电源104以降低其输出RF功率或改变另一个RF生成参数，直到不再检测到等离子体团。
此外，在一些实施方式中，电信号处理单元1102被配置并连接以将控制信号传送到DC电源521，如连接件1108所示，以提供对等离子体工艺的调谐以通过指令增加或减小提供给晶片101的DC功率来实时抑制实际的等离子体团形成。如本文所讨论的，通过DC电源521经由电连接件523和导电层509施加到晶片101的背侧/下侧的DC偏置用作工艺调谐参数，其可以被调节以消除等离子体团，同时对放电和处理具有最小的影响。
考虑到上述内容，应当理解，本文公开了用于对晶片进行等离子体处理的系统(例如图9的晶片处理系统100/100A)。系统100/100A包括被配置为在等离子体处理操作期间支撑晶片101的晶片支撑装置140/140A。系统100/100A还包括位于晶片支撑装置140/140A上方的电极150/150A，以在电极150/150A和晶片支撑装置140/140A之间形成等离子体产生区域。系统100/100A还包括被连接以向电极150/150A传送射频功率的射频电源104。系统100/100A还包括至少一个电传感器1101，所述至少一个电传感器1101连接到电极150/150A并且配置成测量电极150/150A上的射频电压、电极150/150A上的射频电流、电极150/150A上的射频相位角、电极150/150A上的射频功率、电极150/150A上的射频信号频率以及电极150/150A上的射频阻抗中的一个或多个。
系统100/100A还包括电信号处理单元1102，电信号处理单元1102被连接以在等离子体处理操作期间从至少一个电传感器1101接收测量数据。电信号处理单元1102被配置为基于从至少一个电传感器1101接收的测量数据来确定存在于电极150/150A上的一个或多个循环平均和/或瞬时射频参数。一个或多个循环平均和/或瞬时射频参数包括射频电压、射频电流、射频信号相位角、射频功率、射频信号频率和射频阻抗。
电信号处理单元1102还被配置为确定在循环平均和/或瞬时射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势/变化，其中指示性趋势/变化指示在等离子体处理操作期间的等离子体不稳定性的形成。电信号处理单元1102被配置为确定在等离子体处理操作期间执行的多个处理循环期间指示性趋势/变化是否作为处理循环的函数而存在。在一些实施方式中，当作为等离子体处理循环的函数的射频参数的循环平均值和/或瞬时值相对于先前运行的射频参数值的循环平均值和/或瞬时值的平均值改变了阈值百分比时，指示性趋势/变化存在。
在各种实施方式中，可以以不同的方式来确定在一个或多个循环平均和/或瞬时射频参数中是否存在指示性趋势或变化。例如，在一些实施方式中，可以通过分析电极150/150A上的RF电压来确定在循环平均和/或瞬时射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势或变化。图13示出根据本发明的一些实施方式的在150个循环的ALD工艺中的每个循环期间作为时间的函数的电极150/150A上的示例性RF电压测量数据。在一些实施方式中，诸如图13所示的RF电压数据可以提供用于研究等离子体团形成的数据源。然而，应当理解，其他实施方式可以测量和分析诸如RF电流、RF相位角、RF功率、RF频率和/或RF阻抗之类的其它RF参数。
在示例性实施方式中，可以在多个循环期间/之间分析电极150/150A上的RF电压的变化，以检测等离子体团形成。用于确定指示性趋势或变化是否存在于瞬时RF电压参数数据中的一个示例性分析方法包括确定目标电压差值，以及将所确定的目标电压差值与阈值电压比较，其中具有大于或等于阈值电压的目标电压差值指示存在等离子体团形成。可以通过测试来确定适当的阈值电压。在一些实施方式中，目标电压差值是在选定组的循环中的每一个循环中的激励后的特定时间在电极150/150A上测得的电压与参考电压之差。
例如，图14示出了根据本发明的一些实施方式，在150个循环的ALD工艺中的每个循环(其RF电压数据在图13中示出)的等离子体激励之后在100ms时在电极150/150A上测得的RF电压。在图14的示例中，特定的激励后时间是100ms，并且所选择的一组循环包括循环50直到循环100，并且参考电压是在激励后时间为100ms的在ALD工艺的最后循环中(即在循环150中)的电极150/150A上的电压。应当理解，在其他实施方式中，参考电压可以任意设置，并且不一定必须对应于电极150/150A上的给定测得的RF电压。在图14的示例中，可以看出，目标电压差值在循环60附近达到约3-4V的最大值。因此，基于图14，如果阈值电压设置为约3V，则目前讨论的实例分析方法将指示在循环55-65期间可能形成等离子体团。
在另一示例性实施方式中，可以在每个循环内分析电极150/150A上的RF电压的变化以检测等离子体团形成。例如，给定循环的目标电压差值可以被定义为在给定循环期间的两个不同时间的电极150/150A上的电压之间的差。图15示出了根据本发明的一些实施方式的如何分析在每个循环内电极150/150A上的RF电压的变化以检测等离子体团形成的实例。在图15的示例中，每个循环的目标电压差值是在后激励时在30ms至40ms的范围内测得的电极150/150A上的RF电压和在后激励时在100ms至120ms的范围内测得的电极150/150A上的RF电压之差。将每个循环的目标电压差值与阈值电压进行比较，其中具有大于或等于阈值电压的目标电压差值指示等离子体团形成的存在。例如，在图15中，如果阈值电压为5V，则当前讨论的示例性分析方法将再次指示在循环55-65期间可能的等离子体团形成。应当理解，通过示例提供了上面讨论的用于确定在循环平均和/或瞬时射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势或变化的特定的基于RF电压的分析方法。在其他实施方式中，可以使用不同的分析方法来确定是否发生了等离子体不稳定性，并且各种分析方法可以取决于所分析的特定RF参数。
在一些实施方式中，系统100/100A还可以包括在电信号处理单元1102和射频电源104之间的反馈连接件1106。电信号处理单元1102被配置为基于在循环平均和/或瞬时射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势/变化的确定，生成控制信号并通过反馈连接件1106发送该控制信号，以控制射频电源104。
此外，在一些实施方式中，系统100/100A可以包括直流电源521，直流电源521被电连接以向晶片支撑装置140/140A提供电流，并且直接连接到晶片101的下侧，以在等离子体处理操作期间被支撑在晶片支撑装置140/140A上。另外，在这些实施方式中的一些实施方式中，系统100/100A可以包括在电信号处理单元1102和直流电源521之间的反馈连接件1108。在这些实施方式中，电信号处理单元1102被配置为基于在循环平均和/或瞬时射频参数中的一个或多个中是否存在指示性趋势/变化的确定，生成控制信号并通过反馈连接件1108发送该控制信号，以控制直流电源521。还应当理解，在一些实施方式中，系统100/100A包括电信号处理单元1102和直流电源521之间的反馈连接件1108以及电信号处理单元1102和射频电源104之间的反馈连接件1106，如上所述。
图16示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。应当理解，图16的方法可以使用图9的晶片处理系统100/100A来实现。该方法包括用于将晶片(101)放置在晶片支撑装置(140/140A)上的操作1601。晶片支撑装置(140/140A)位于电极(150/150A)的下方，使得在晶片(101)和电极(150/150A)之间存在等离子体产生区域。该方法还包括操作1603，操作1603用于在等离子体处理操作的多个连续的等离子体处理循环期间向电极(150/150A)供应射频功率以在等离子体产生区域内产生等离子体(601)。该方法还包括操作1605，操作1605用于操作连接到电极(150/150A)的至少一个电传感器1101以在多个连续的等离子体处理循环中的每一个期间测量电极(150/150A)上的射频参数。在各种实施方式中，在电极上测量的射频参数是射频电压、射频电流、射频信号频率、射频相位角、射频功率、和射频阻抗中的一个或多个。
该方法还包括操作1607，操作1607用于确定对于多个连续的等离子体处理循环中的每一个在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值。并且，该方法包括操作1609，操作1609用于确定在多个连续的等离子体处理循环期间在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中是否存在指示性趋势或变化，其中指示性趋势或变化指示在等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
在一些实施方式中，确定针对多个连续的等离子体处理循环中的每一个在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值以及确定在多个连续的等离子体处理循环期间在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中是否存在指示性趋势或变化都是在等离子体处理操作完成之后执行的。然而，在一些实施方式中，确定针对多个连续的等离子体处理循环中的每一个在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值以及确定在多个连续的等离子体处理循环中在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中是否存在指示性趋势或变化都是实时地执行的，由此实现实时闭环反馈控制以减少在等离子体处理操作期间任何等离子体不稳定性的形成。
在一些实施方式中，所述方法包括在向所述电极(150/150A)供应射频功率以产生等离子体601)的同时操作电信号处理单元(1102)以从所述至少一个电传感器(1101)接收测量数据。此外，在这些实施方式中，该方法包括在向所述电极(150/150A)供应射频功率以产生等离子体601)的同时操作电信号处理单元(1102)以确定针对多个连续的等离子体处理循环中的每一个在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值。此外，在这些实施方式中，该方法包括在向所述电极(150/150A)供应射频功率以产生等离子体601)的同时操作电信号处理单元(1102)以确定在多个连续的等离子体处理循环期间在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中是否存在指示性趋势或变化。
在一些实施方式中，在确定在多个连续的等离子体处理循环期间在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中确实存在指示性趋势或变化时，该方法包括操作电信号处理单元(1102)以产生并发送控制信号，以对向电极(150/150A)供应射频功率进行调整以在等离子体处理操作期间减少等离子体不稳定性的形成。在一些实施方式中，对向电极(150/150A)供应射频功率的调整导致供应到电极(150/150A)的射频功率的减小。然而，应当理解，在各种实施方式中，对向电极(150/150A)供应射频功率的调整可以包括根据需要对射频信号的产生以及射频信号从射频电源(104)到电极(150/150A)的传输的任何类型的调整，以减少等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。此外，在一些实施方式中，在确定多个连续的等离子体处理循环期间在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中不存在指示性趋势或变化时，该方法包括操作电信号处理单元(1102)以产生和发射控制信号到射频电源(104)，以增加提供给电极(150/150A)的射频功率的量。
在一些实施方式中，该方法包括在等离子体处理操作期间操作直流电源(521)以将电流提供到晶片支撑装置(140/140A)、以及从晶片支撑装置(140/140A)直接提供到晶片(101)的下侧。并且，在一些实施方式中，在确定多个连续的等离子体处理循环中在电极(150/150A)上测得的射频参数的循环平均值和/或瞬时值中确实存在指示性趋势或变化时，该方法包括操作所述电信号处理单元(1102)以产生控制信号并发送控制信号到所述直流电源(521)，以增加由所述直流电源(521)提供给所述晶片支撑装置(140/140A)并最终到达晶片(101)的电流量，从而减少等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
应当理解，用于测量和分析喷头电极150/150A上存在的电参数以检测等离子体团形成的方法不需要测量晶片101上的膜厚度。通过电传感器1101测得的在喷头电极150/150A处的RF特性以及相关联的数据分析使得能够识别何时形成等离子体团以及在哪个晶片上形成等离子体团。用于测量和分析喷头电极150/150A上的电参数RF电压、和/或RF电流、和/或RF阻抗、和/或RF频率和/或RF相位角和/或RF功率以检测等离子体团形成的方法节省了显著的成本和时间。例如，如果没有本文公开的方法，就必须测量并监测每个晶片的沉积膜的晶片上厚度分布，以检测在处理期间是否发生等离子体团形成以及等离子体团是否不利地影响晶片上的膜厚度分布。在每天处理数千个晶片的制造设备处，晶片上的沉积膜厚度分布的测量受限于统计采样，并且不能识别在处理期间暴露于等离子体团的每个单个晶片。相反，本文所公开的方法在每个晶片的处理期间(例如在所有经处理的晶片的所有ALD循环期间)提供对喷头电极150/150A上的电参数(RF电压、和/或RF电流、和/或RF阻抗、和/或RF频率、和/或RF相位角、和/或RF功率)的连续监测和分析。因此，可以单独地分析每个晶片以确定其在等离子体处理期间是否暴露于等离子体团。
虽然为了清楚理解的目的已经相当详细地描述了前述发明，但是显而易见的是，可以在所附权利要求的范围内实施某些改变和修改。因此，本实施方式被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在所描述的实施方式的范围和等同方案内进行修改。

Claims (10)

1.一种用于对晶片进行等离子体处理的方法，其包括：
将晶片放置在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；
向所述电极供应射频功率，以在等离子体处理操作的多个连续的等离子体处理循环期间在所述等离子体产生区域内产生等离子体；
操作连接到所述电极的至少一个电传感器，以在所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个期间测量所述电极上的射频参数；
确定针对所述多个连续的等离子体处理循环中的每一个在所述电极上测得的所述射频参数的值；以及
确定在所述多个连续的等离子体处理循环期间在所述电极上测得的所述射频参数的所述值中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
2.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测得的所述射频参数的所述值是循环平均值。
3.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测得的所述射频参数的所述值是瞬时值。
4.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频电压。
5.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频电流。
6.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频信号频率。
7.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频阻抗。
8.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频相位角。
9.根据权利要求1所述的用于对晶片进行等离子体处理的方法，其中在所述电极上测量的所述射频参数是射频功率。
10.一种用于对晶片进行等离子体处理的系统，其包括：
晶片支撑装置，其被配置为在等离子体处理操作期间支撑晶片；
电极，其位于所述晶片支撑装置上方，以便在所述电极和所述晶片支撑装置之间形成等离子体产生区域；
被连接以将射频功率传送到所述电极的射频电源；
至少一个电传感器，其连接到所述电极并且被配置为测量所述电极上的射频电压、所述电极上的射频电流、所述电极上的射频信号频率、所述电极上的射频阻抗、所述电极上的射频相位角、以及所述电极上的射频功率中的一个或多个；以及
电信号处理单元，其被连接以在所述等离子体处理操作期间从所述至少一个电传感器接收测量数据，所述电信号处理单元被配置成基于从所述至少一个电传感器接收到的所述测量数据来确定存在于所述电极上的一个或多个射频参数的值，所述一个或多个射频参数包括射频电压、射频电流、射频信号频率、射频阻抗、射频相位角、射频功率，所述电信号处理单元被配置为确定在一个或多个所述射频参数中是否存在指示性趋势或变化，其中所述指示性趋势或变化指示在所述等离子体处理操作期间等离子体不稳定性的形成。
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