下电极组件及半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种下电极组件及半导体设备。

背景技术

在等离子刻蚀过程中，等离子体中的电子、离子、激发态原子和分子等活性粒子可以与晶圆相互作用，完成刻蚀晶圆的目的。为了吸引等离子体中带正电荷的离子加速向晶圆表面运动，目前的等离子体设备中，通常均会在下电极上外加射频激励信号，达到增大晶圆上的直流偏压值，进而达到增大粒子能量的目的。

由于外加在下电极上的射频信号的波动会造成晶圆上直流偏压的波动，影响工艺的稳定性，因此，通常在晶圆的下表面连接一个电极，且借助与电极连接的匹配器对晶圆的直流偏压进行管控。但是，由于落在晶圆上不同位置处的电子的数量不同，因此，晶圆上不同位置处的直流偏压值通常也不同，导致目前的偏压测量方式所得到的结果的精度较差。

发明内容

本发明公开一种下电极组件及半导体设备，以解决目前晶圆等待加工工件的直流偏压测量结果精度较差的问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明实施例公开一种下电极组件，所述下电极组件包括：

绝缘卡盘，用于承载待加工工件；

第一导电取样件，所述第一导电取样件设置于所述绝缘卡盘的上表面的中心；

第二导电取样件，所述第二导电取样件设置于所述绝缘卡盘的上表面的中心之外；

检测模块，所述第一导电取样件和所述第二导电取样件均与所述检测模块电连接，所述检测模块用于检测所述第一导电取样件和所述第二导电取样件测得的直流偏压值。

第二方面，本发明实施例公开一种半导体设备，其包括半导体腔室上述下电极组件，其中，所述绝缘卡盘安装于所述半导体腔室内，所述第一导电取样件和所述第二导电取样件均设置于所述绝缘卡盘上。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本申请提供一种下电极组件，其包括绝缘卡盘、第一导电取样件、第二导电取样件和检测模块，绝缘卡盘用于承载待加工工件，第一导电取样件设置在绝缘卡盘的上表面的中心，第二导电取样件设置在绝缘卡盘的上表面的中心之外，绝缘卡盘能够承载待加工工件，从而在待加工工件承载于绝缘卡盘上的情况下，使第一导电取样件和第二导电取样件均可以与待加工工件形成电连接关系，从而使第一导电取样件和第二导电取样件可以自待加工工件的不同位置进行取样，且通过检测模块检测取样结果，得到待加工工件上不同位置处的直流偏压的测量值。根据得到待加工工件上的直流偏压的多个测量值，可以更为精准地确定整个待加工工件上直流偏压的等效值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例公开的下电极组件中部分结构与绝缘卡盘的装配图；

图2为图1示出的结构的剖面示意图；

图3为本发明实施例公开的另一种下电极组件中部分结构与绝缘卡盘的装配图；

图4为图3示出的结构的剖面示意图；

图5为本发明实施例公开的半导体设备的结构示意图；

图6为本发明实施例公开的半导体设备的等效电路图。

附图标记说明：

110-第一导电取样件、120-第二导电取样件、

310-检测模块、330-计算模块、

510-绝缘卡盘、511-边缘孔、530-水冷盘、

710-电感器、730-屏蔽件、750-匹配器、770-导线、

910-半导体腔室、930-待加工工件、950-电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。

如图1-图6所示，本发明实施例公开一种下电极组件和半导体设备，下电极组件可以应用在半导体设备中。其中，半导体腔室910具体可以为半导体设备的工艺腔室，该下电极组件包括绝缘卡盘510，绝缘卡盘510能够用来承载待加工工件930。在对晶圆等待加工工件930进行加工的过程中，可以通过绝缘卡盘510承载待加工工件930，一般而言绝缘卡盘510中还设有吸附电极(图中未示出)，用于与电源连接通过静电吸附力将待加工工件930稳定地固定在半导体腔室910中。绝缘卡盘510与半导体腔室910之间可以形成有可拆卸连接关系，以在不同的加工场景下，或者绝缘卡盘510损坏时，可以更换其他的绝缘卡盘510，且安装至半导体腔室910中，半导体腔室910和本申请实施例提供的包括绝缘卡盘510的下电极组件均可以为组成半导体设备的结构。

如图1-图4所示，下电极组件还包括第一导电取样件110、第二导电取样件120和检测模块310，其中，第一导电取样件110设置在绝缘卡盘510的上表面的中心，第二导电取样件120设置在绝缘卡盘510的上表面的中心之外。具体地，第一导电取样件110和第二导电取样件120均可以采用石墨或金属等导电材料制成。可选地，第一导电取样件110和第二导电取样件120均为金属结构件，这可以提升二者的结构强度。并且，二者的形状和尺寸可以相同，亦可以根据第一导电取样件110和第二导电取样件120所安装的位置确定各自的形状和尺寸。第一导电取样件110和第二导电取样件120均通过粘接等方式固定设置在待加工工件930的上表面上，当然，亦可以通过连接件固定第一导电取样件110和第二导电取样件120。

如上所述，待加工工件930可以承载于绝缘卡盘510的上表面上，因此，通过将第一导电取样件110和第二导电取样件120设置在绝缘卡盘510的上表面上，只要待加工工件930承载于绝缘卡盘510，即可保证第一导电取样件110和第二导电取样件120能够与待加工工件930形成电性连接关系，使第一导电取样件110和第二导电取样件120可以对待加工工件930上的不同位置点进行直流偏压取样工作。

检测模块310具体可以为具备检测直流偏压的大小的器件，且检测模块310还可以具备分压和滤波等功能，以提升测量结果的准确性。第一导电取样件110和第二导电取样件120均与检测模块310电连接，以借助检测模块310检测第一导电取样件110和第二导电取样件120所测得的直流偏压值。也即，通过检测模块310提供的检测作用，可以得到待加工工件930上至少两个不同位置的直流偏压值，进而可以根据所得到的至少两个直流偏压值，测算整个待加工工件930的直流偏压的等效值，且以前述等效值作为后续工作的控制依据。

另外，如上所述，待加工工件930可以承载在绝缘卡盘510上，并且，在待加工工件930被安置在绝缘卡盘510上的过程中，通常会使待加工工件930的中心与绝缘卡盘510的中心重合，在这种情况下，第一导电取样件110可以对待加工工件930的中心的直流偏压进行取样，第二导电取样件120则可以对待加工工件930的中心之外的其他位置进行取样。并且，由于绝缘卡盘510在半导体腔室910中的位置通常也居中设置，且在加工过程中，等离子体在半导体腔室910中通常呈正态分布，这使得待加工工件930的中心所在的区域的电子密度往往会大于待加工工件930的中心之外的区域的电子密度，基于这种情况，通过在绝缘卡盘510的中心和中心之外分别布设第一导电取样件110和第二导电取样件120件，可以使所采集的样本具有一定的代表性，从而进一步提升基于所得到的直流偏压的测量值，确定整个待加工工件930的直流偏压的等效值时的准确性。

更具体地，第二导电取样件120的数量和位置均可以根据实际需求确定，并且，基于所得到的直流偏压的测量值，可以以多个测量值的平均值作为整个待加工工件930的直流偏压的等效值；或者，还可以根据第二导电取样件120的设置位置等参数，以预设的计算公式对得到的多个测量值进行计算，且得到对应的等效值。

本申请提供一种下电极组件，其包括绝缘卡盘510、第一导电取样件110、第二导电取样件120和检测模块310，绝缘卡盘510用于承载待加工工件930，第一导电取样件110设置在绝缘卡盘510的上表面的中心，第二导电取样件120设置在绝缘卡盘510的上表面的中心之外，绝缘卡盘510能够承载待加工工件930，从而在待加工工件930承载于绝缘卡盘510上的情况下，使第一导电取样件110和第二导电取样件120均可以与待加工工件930形成电连接关系，从而使第一导电取样件110和第二导电取样件120可以自待加工工件930的不同位置进行取样，且通过检测模块310检测取样结果，得到待加工工件930上不同位置处的直流偏压的测量值。根据得到待加工工件上的直流偏压的多个测量值，可以更为精准地确定整个待加工工件930上直流偏压的等效值。

在本申请的一个具体实施例中，可选地，如图1和图2所示，第二导电取样件120设置在绝缘卡盘510的上表面的中心和外缘之间。在这种情况下，第二导电取样件120可以对待加工工件930的中心和外缘之间的区域的直流偏压进行测量。其中，绝缘卡盘510的中心可以为绝缘卡盘510的中心点，亦可以为绝缘卡盘510中包括中心点的圆形区域，该圆形区域的直径大小可以根据实际情况选定，此处不作限定。绝缘卡盘510的外缘即为绝缘卡盘510的最外周的边缘。需要说明的是，在待加工工件930的直径大于或小于绝缘卡盘510的直径的情况下，需要根据待加工工件930和绝缘卡盘510的具体直径大小确定第二导电取样件120的设置位置，以保证在待加工工件930承载于绝缘卡盘510上之后，第二导电取样件120能够与待加工工件930形成稳定的电性连接关系。

如上所述，由于待加工工件930的中心区域的电子密度大于待加工工件930中位于中心区域之外的区域的电子密度，因此，为了提升所得到的整个待加工工件930的直流偏压的等效值的准确性，在采用上述技术方案的情况下，可以不采用求平均数的方式得到整个待加工工件930的直流偏压的等效值，而是可以根据第二导电取样件120的设置位置，且基于预设规则，对第一导电取样件110和第二导电取样件120测得的直流偏压值进行计算，以得到更为贴近，且更能代表待加工工件930整体直流偏压的真实值的等效值。

可选地，第二导电取样件120的数量可以为多个，多个第二导电取样件120的设置位置可以根据实际情况确定。在第二导电取样件120的数量更多的情况下，可以进一步增大对待加工工件930的直流偏压的测量结果的样本量，在样本量更大的情况下，可以进一步提升基于直流偏压的测量样本且根据预设算法或规则得到的代表整个待加工工件930的直流偏压的等效值。

可选地，第二导电取样件120的数量为三个，三个第二导电取样件120可以自待加工工件930的中心向外沿直线排布，或者说，三个第二导电取样件120沿待加工工件930的直径方向设置在绝缘卡盘510上。在本申请的另一实施例中，如图1所示，三个第二导电取样件120可以分别设置在绝缘卡盘510的中心的不同方位处，在这种情况下，一方面可以降低三个第二导电取样件120的安装难度，另一方面，还可以在一定程度上防止因任意相邻的两个第二导电取样件120之间的距离较近，而降低采样结果的随机性，达到提升采样结果的有效性和代表性的目的，使基于采样结果得到的代表整个待加工工件930的直流偏压的等效值的精确性更高。

进一步地，三个第二导电取样件120与绝缘卡盘510的中心之间的间距可以相同，亦可以不同，此处不作限定。可选地，如图1所示，三个第二导电取样件120与绝缘卡盘510的中心之间的间距相同，一方面便于第二导电取样件120安装工作的进行，另一方面，还可以通过对比多个第二导电取样件120的取样结果，判断是否某一第二导电取样件120的取样结果存在明显异常，这可以提升取样结果的准确性，以进一步提升基于取样结果得到的整个待加工工件930的直流偏压的等效值的精度。

进一步地，绝缘卡盘510上设置有中心孔和边缘孔511，第一导电取样件110自绝缘卡盘510的下侧通过中心孔伸入至绝缘卡盘510的上侧，在第二导电取样件120的数量为三个的情况下，边缘孔511的数量亦可以为三个，且三个第二导电取样件120与三个边缘孔511一一对应设置，各第二导电取样件120均自绝缘卡盘510的下侧通过边缘孔511伸入至绝缘卡盘510的上侧。在采用上述技术方案的情况下，第一导电取样件110和第二导电取样件120可以直接自绝缘卡盘510的内部伸出，防止出现线缆散乱的情况，提升下电极组件的安全性。需要说明的是，上述中心孔和边缘孔511均为绝缘卡盘510上预先设置的结构，也即，中心孔和边缘孔511并非为为了安装第一导电取样件110和第二导电取样件120而额外在绝缘卡盘510上增设的结构，在绝缘卡盘510中，中心孔和边缘孔511通常可以作为通入冷源的开孔，以在加工过程中，使冷源可以通过中心孔和边缘孔511被通入至绝缘卡盘510的上表面，为待加工工件930和绝缘卡盘510提供冷却作用。

基于上述内容，在将第一导电取样件110结合至中心孔，且将第二导电取样件120结合至边缘孔511的过程中，需要防止第一导电取样件110堵塞中心孔，且防止任一第二导电取样件120堵塞对应的边缘孔511，以保证安装有上述下电极组件的绝缘卡盘510的基本作用不会丧失。具体地，第一导电取样件110和第二导电取样件120均可以穿设在绝缘卡盘510中，且通过使第一导电取样件110和第二导电取样件120的端部粘接或卡接在绝缘卡盘510的上表面，即可保证第一导电取样件110和第二导电取样件120均能够被稳定地安装在绝缘卡盘510上。

进一步地，第一导电取样件110和第二导电取样件120的结构相同，这便于本申请实施例提供的下电极组件的备件工作和组装工作的进行。第一导电取样件110和第二导电取样件120均包括取样部和连接部，取样部和连接部相互连接，取样部固定在绝缘卡盘510的上表面。连接部为圆筒状结构件，中心孔和边缘孔511内均嵌设有连接部，或者说，第一导电取样件110的连接部嵌设在中心孔中，第二导电取样件120的连接部嵌设在边缘孔511中，且各连接部分别与对应的取样部连接。

在本实施例提供的下电极组件中，第一导电取样件110和第二导电取样件120不会影响绝缘卡盘510上中心孔和边缘孔511的基本功能，且连接部嵌设在中心孔和边缘孔511内，可以尽可能地降低连接部所占用的中心孔和边缘孔511内的空间，进而降低因设置第一导电取样件110和第二导电取样件120而对中心孔和边缘孔511的流量产生的不利影响；另外，在第一导电取样件110和第二导电取样件120采用上述结构的情况下，可以提升第一导电取样件110和第二导电取样件120与绝缘卡盘510之间的连接可靠性。

具体地，以第一导电取样件110为例，取样部和连接部均可以采用金或银等导电性能较好的金属材料制成，且可以使取样部的尺寸大于中心孔的直径，取样部在自身径向上的尺寸可以为2～4mm，厚度可以为10～20um。在连接部嵌入中心孔，且取样部设置在绝缘卡盘510的上表面上之后，可以通过焊接等方式将取样部和连接部固定连接在一起，这也可以保证第一导电取样件110能够与中心孔形成稳定可靠的固定连接关系。另外，在第一导电取样件110采用上述组装方式的情况下，可以不再单独固定第一导电取样件110和绝缘卡盘510，进而可以在一定程度上降低下电极组件的安装难度。或者，取样部和连接部还可以通过丝网印刷或电镀等方式形成，并且，可以在连接部背离取样部的一侧亦设置一与取样部结构相似的结构，从而在中心孔的轴向上，使第一导电取样件110与绝缘卡盘510形成更为稳定的连接关系。对应地，第二导电取样件120的组装过程也与第一导电取样件110的组装过程相似。

在本申请的另一实施例中，可选地，如图3所示，第二导电取样件120的数量为一个，且该第二导电取样件120围绕绝缘卡盘510的上表面的外缘设置。在这种情况下，可以增大第二导电取样件120的取样范围，且使第二导电取样件120可以预先对待加工工件930的外缘区域的直流偏压进行平均，以获取更能够代表待加工工件930外缘区域的直流偏压的平均值作为第二导电取样件120的采样值。具体地，本实施例中的第二导电取样件120的结构可以与上述实施例提供的第二导电取样件120的结构相似，当然，在需求不同的情况下，亦可以对应改变本实施例提供的第二导电取样件120的具体结构。

在采用上述技术方案的情况下，亦可以对第一导电取样件110和第二导电取样件120各自的取样结果的直流偏压值进行平均，且以得到的平均值作为整个待加工工件930的直流偏压的等效值。当然，亦可以根据工艺参数等实际因素的不同，对应设计预设算法，且基于该预设算法，对第一导电取样件110和第二导电取样件120所获取的样本的直流偏压的测量值进行计算，以得到整个待加工工件930的直流偏压的等效值。

可选地，在通过第一导电取样件110、第二导电取样件120和检测模块310获取待加工工件930上不同位置处的直流偏压的测量值之后，工作人员可以直接对测量值进行计算，求平均值或以预设算法计算多个测量值，以得到整个待加工工件930的直流偏压的等效值，之后，再依据前述等效值对应控制加载在待加工工件930上的射频激励信号的具体参数，以提升工艺结果的稳定性。

在本申请的另一实施例中，下电极组件还包括计算模块330，计算模块330能够接收检测模块310测得的直流偏压值，并按预设条件进行计算，以通过在下电极组件中增设计算模块330，扩大下电极组件的功能，提升下电极组件的易用性，且可以提升下电极组件，以及与下电极组件配合的其他器件的响应速度，进而提升对待加工工件930的加工效果。

具体地，可以将预设条件预先输入或提前写入计算模块330中，从而在计算模块330接收到检测模块310所测得的直流偏压值之后，即可对直流偏压值按照预设条件进行计算。其中，预设条件可以为求平均值，或者，还可以将多个预设值以相应权重进行运算，得到对应的值。对此，本文不作限定。

在工艺过程中，半导体腔室910对地的通路包括通过待加工工件930的等效电容Cw，第一导电取样件110和第二导电取样件120，以及连接检测模块310的导线770的阻抗可以等效为Z(C,L)，检测模块310对地的等效电容为C0，因此，半导体腔室910对地的阻抗表达为Zc＝X

进一步地，本申请实施例提供的下电极组件还可以包括电感器710，第一导电取样件110和第二导电取样件120均一一对应地配设有一个电感器710，且各电感器710均与检测模块310电连接。也就是说，每个第一导电取样件110和每个第二导电取样件120均配设有一个电感器710。在这种情况下，如图6所示，半导体腔室910的对地阻抗Zc＝X

具体地，电感器710可以为空心螺线管或磁芯螺线管，绝缘卡盘510的下方可以设置有水冷盘530，通过水冷盘530可以为绝缘卡盘510提供冷却作用。在这种情况下，各电感器710均可以安装在水冷盘530中，且通过在水冷盘530中设置开孔等方式，可以为电感器710提供安装空间。

在电感器710的连接过程中，以与第一导电取样件110配设的电感器710为例，电感器710为一二端口器件，一个端口连接在第一导电取样件110上，且在安装电感器710的过程中，可以使电感器710尽可能得靠近第一导电取样件110，以减小分布参数对半导体腔室910的阻抗影响，电感器710的另一端口可以通过导线770与检测模块310连接。电感器710的阻抗具体可以根据半导体腔室910的射频频率对应设计，一般应大于3KΩ。例如，在半导体腔室910的射频频率为13.56MHz的情况下，电感器710的电感可以设计为40uH。

基于上述任一实施例提供的下电极组件，如图5和图6所示，本申请实施例还提供一种半导体设备，其包括半导体腔室910和上述任一实施例提供的下电极组件。其中，下电极组件包括的绝缘卡盘510安装在半导体腔室910内，第一导电取样件110和第二导电取样件120均设置在绝缘卡盘510上。另外，如图5所示，半导体设备中设置有屏蔽件730和匹配器750，屏蔽件730可以连接绝缘卡盘510和检测模块310，匹配器750用于与电源950连接，向绝缘卡盘510中的吸附电极提供射频信号。匹配器750具体可包括可变电容，可调电感等，借助匹配器750可以满足电源950最大功率输出。

本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。