静电卡盘高压电源表面微等离子体抑制

一、应用场景与问题成因
静电卡盘（ESC）是半导体制造（如刻蚀、薄膜沉积）中晶圆夹持的核心部件，通过高压电源提供静电力实现晶圆无接触固定。然而，在 10-30kV 夹持电压下，晶圆与卡盘间隙（通常 5-10μm）易因电场不均产生表面微等离子体 —— 当间隙内气体（如刻蚀工艺中的 SF6、O2）在局部强电场（>10^6 V/m）作用下达到电离阈值，会形成微小放电通道，导致晶圆表面氧化、金属污染或图形损伤，严重影响芯片良率。
二、微等离子体抑制技术方案
1.电场均匀性控制
采用多电极分区供电设计，将卡盘分为 4-8 个独立电极区域，每个区域由单独的电源模块供电。通过实时监测各区域的漏电流（精度 10nA），反馈调节对应模块输出电压，使卡盘表面电场均匀性控制在 ±5% 以内，避免局部电场集中。同时，卡盘表面涂覆 10μm 厚的 Al2O3 绝缘涂层，提升表面击穿电压，延缓气体电离。
1.脉冲电压输出优化
摒弃传统直流供电模式，采用微秒级脉冲电压输出（脉冲宽度 1-10μs，占空比 20%-50%）。通过降低电压平均有效值，使间隙内气体平均电场强度低于电离阈值；同时，脉冲上升沿控制在 100ns 以内，避免电压突变引发的电场冲击。电源模块内置 “过流保护 - 快速关断” 机制，一旦检测到微等离子体产生的电流突变（>1μA），可在 50ns 内切断输出，防止放电扩大。
三、应用验证效果
在 12 英寸晶圆刻蚀工艺中，该高压电源方案使晶圆表面微等离子体产生率从 15% 降至 0.5%，晶圆表面金属杂质含量（如 Fe、Cu）降低一个数量级；刻蚀图形的线宽偏差从 3nm 缩小至 1nm，满足 3D NAND 等先进制程对晶圆表面质量的严苛要求，芯片良率提升 30%。