发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体刻蚀工艺的终点控制方法及装置,能够准确预测工艺终点时间,更好的进行工艺控制,以提高产品的生产率和生产质量。
为了解决上述技术问题,本发明实施例公开了一种半导体刻蚀工艺的终点控制方法,包括:获取实时的光学干涉探测谱线;在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号,进而获得本次工艺的刻蚀周期;依据本次工艺所需刻蚀的厚度、单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度以及本次工艺的刻蚀周期,对本次刻蚀工艺进行终点控制,其中,通过下述方式在光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号:判断光学干涉探测谱线中光谱信号的变化趋势;若光谱信号先呈现出上升的趋势,则启动以波峰搜索开头的波峰波谷相间的搜索过程;若光谱信号先呈现出下降的趋势,则启动以波谷搜索开头的波峰波谷相间的搜索过程。
优选的,可以通过以下方式完成对本次刻蚀工艺的终点控制:依据本次工艺的刻蚀周期,实时计算截止到当前时间点t,本次刻蚀工艺所经过的周期数;依据本次工艺所需刻蚀的厚度和单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度,获取工艺终点所需的周期数;通过比较上述两个周期数,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
优选的,也可以通过以下方式完成对本次刻蚀工艺的终点控制:依据本次工艺的刻蚀周期以及单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度,实时计算当前时间点t的已被刻蚀掉的硅片厚度;通过比较所计算得到的厚度与本次工艺所需刻蚀的厚度,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
优选的,也可以通过以下方式完成对本次刻蚀工艺的终点控制:依据本次工艺所需刻蚀的厚度和单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度,获取工艺终点所需的周期数;进而,依据本次工艺的刻蚀周期,得到本次工艺的终点预测时间;通过比较当前时间点t与所述终点预测时间,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
优选的,所述的方法还可以包括:对所获取的光学干涉探测谱线进行预处理,所述预处理包括滤波处理和/或延迟处理,所述延迟处理用于忽略探测谱线开始一段时间的无效信号。
优选的,也可以通过以下方式在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号:直接搜索波峰信号;和/或,直接搜索波谷信号。
优选的,所述的方法还可以包括:针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,如果其与前一个波谷或波峰信号之间的时间差小于半个预设周期,则放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,重新搜索;或者,针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,如果其与前一个波峰或波谷信号之间的时间差小于一个预设周期,则放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,重新搜索。
依据本发明的另一实施例,还公开了一种半导体刻蚀工艺的终点控制装置,包括:
信号获取模块,用于获取实时的光学干涉探测谱线;
波峰波谷搜索模块,用于在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号,进而获得本次工艺的刻蚀周期;
终点控制模块,用于依据本次工艺所需刻蚀的厚度、单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度以及本次工艺的刻蚀周期,对本次刻蚀工艺进行终点控制,
其中,波峰波谷搜索模块通过下述方式在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号:
判断光学干涉探测谱线中光谱信号的变化趋势;
若光谱信号先呈现出上升的趋势,则启动以波峰搜索开头的波峰波谷相间的搜索过程;
若光谱信号先呈现出下降的趋势,则启动以波谷搜索开头的波峰波谷相间的搜索过程。
优选的,所述的装置还可以包括:预处理模块,用于对所获取的光学干涉探测谱线进行预处理,所述预处理包括滤波处理和/或延迟处理,所述延迟处理用于忽略探测谱线开始一段时间的无效信号。
优选的,所述的装置还可以包括检验模块,用于:针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,当其与前一个波谷或波峰信号之间的时间差小于半个预设周期时,放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,通知波峰波谷搜索模块重新搜索;或者,针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,当其与前一个波峰或波谷信号之间的时间差小于一个预设周期时,放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,通知波峰波谷搜索模块重新搜索。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
为了满足复杂工艺的需求,以及能够获取层内工艺的终点时间,本发明放弃了传统常用的光学发射光谱信号,采用了IEP探测谱线(Interferometry End Point),即光学干涉光谱信号,以实现对层内工艺刻蚀过程进行监控。
其次,本发明在利用IEP探测谱线抓取工艺终点的过程中,采用了针对IEP探测谱线搜索波峰波谷的计算过程,而避免采用一些复杂算法(例如,时域信号和频域信号相互转换的傅立叶变换等等),其计算量相对较小,不 但可以实现层内工艺终点的控制,而且不容易造成所抓取的工艺终点时间的延时,更加准确。
再者,本发明还可以通过预处理步骤以及检验步骤,去除无效信号或者噪声信号的干扰,提高了终点时间控制的准确性。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图2,示出了本发明的一种半导体刻蚀工艺的终点控制方法的实施例1,具体可以包括以下步骤:
步骤201、获取实时的光学干涉探测谱线;
步骤202、在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号,进而获得本次工艺的刻蚀周期;
步骤203、依据本次工艺所需刻蚀的厚度、单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度以及本次工艺的刻蚀周期,对本次刻蚀工艺进行终点控制。
参照图3,示出了在一复杂膜层工艺中的IEP谱线的典型示例。该IEP 谱线的纵轴为谱线强度,横轴为工艺时间;从图中可以看出,在工艺时间为120秒的前后,该IEP谱线的周期性非常均匀。简单而言,工艺时间120秒的时刻,是层与层之间的变化时刻;在之前该IEP谱线所呈现出来的周期性波动表征了某个层内的工艺过程,之后的周期性波动表征了另一层内的工艺过程。本发明就是期望利用该IEP谱线在一个层内均匀的周期性波动来对层内刻蚀过程进行终点控制。
本发明所采用的主要技术原理是:根据光的干涉原理可知,对于波长为λ的发射光谱,在其每个周期内刻蚀掉的wafer的膜层厚度为:D=λ/2n,式中n为发射光谱穿透膜层的折射率。在此基础之上,由于每次工艺开始前,都会已知wafer要被刻蚀掉的厚度,则可以依据发射光谱的参数λ和n,计算出本次刻蚀所需的刻蚀周期情况,而从图3所示的IEP谱线特性中,可以得知其能够很好的表征本次工艺的刻蚀周期波动情况,从而实现工艺的终点控制。
在对实时IEP谱线的特性分析中,可以采用将IEP谱线实时的时域信号变换成频域信号,然后分析或者周期数的方式。但是该方式在终点控制的过程中需要不断的对实时信号进行复杂的傅立叶变换(快速傅立叶变换),计算量非常大,很容易导致终点信号的延时;本发明对其进行了改进,采用了搜索波峰波谷的方式(具体过程在后面详述),其计算量比较少,可以降低对控制器计算资源的占用,避免延迟。
从图3的示意图,我们可以看出,在工艺时间从40秒到120秒的时间间隔内,通过本发明可以识别出多个波峰和波谷,每一个相邻的波峰和波谷就可以构成一个刻蚀周期,而实际中每个刻蚀周期的时间数值可能并不完全相等,例如,图3中在工艺时间从40秒到120秒的时间间隔内,前端的刻蚀周期在6.5秒左右,后端的刻蚀周期则在6秒左右。因此,在实际应用中,当进行终点控制时,可以采用已进行的多个刻蚀周期的平均值,也可以采用最新刻蚀周期的实际值。
参考图4,示出了本发明的一种半导体刻蚀工艺的终点控制方法的实施例2,实施例2和实施例1相比,增加了一些优选步骤,具体可以包括 以下步骤:
步骤401、获取实时的光学干涉探测谱线;
步骤402、对所获取的光学干涉探测谱线进行预处理,所述预处理包括滤波处理和/或延迟处理(Delay),所述延迟处理用于忽略探测谱线开始一段时间的无效信号;
滤波处理可以去除一些噪声信号等,具体滤波方法有很多,优选的,可以采用中位值滤波法、算术滤波法以及一阶滞后滤波法等等,本发明无需对此加以限制。由于在本次工艺最开始的一段时间内,并没有真正开始刻蚀,这些光谱信号并不能正确反正层内的刻蚀工艺过程,因此需要将其去除,以便在后续步骤中得到的波峰波谷信号是正确的。
步骤403、在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号;
步骤404、对所得到的波峰信号和/或波谷信号进行检验,依据检验合格的波峰信号和/或波谷信号获得本次工艺的刻蚀周期;
步骤405、依据本次工艺所需刻蚀的厚度、单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度以及本次工艺的刻蚀周期,对本次刻蚀工艺进行终点控制。
由于在搜索波峰波谷的过程中,有可能将一些光谱信号的噪声点误抓取为波峰或波谷信号,为了避免这种情况,提高识别准确率,本实施例优选增加了步骤404。步骤404可以对所有搜索到的波峰波谷信号进行检验,也可以仅针对部分满足某种条件的信号进行检验,本发明对此都无需加以限制。
具体的,步骤404可以采用以下方式进行检验。
方式1:针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,如果其与前一个波谷或波峰信号之间的时间差小于半个预设周期,则放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,重新搜索。
方式2:针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,如果其与前一个波峰或波谷信号之间的时间差小于一个预设周期,则放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,重新搜索。
上述方式可以择一执行,也可以同时采用。其中的预设周期值,可以为依据经验数据直接设定的,也可以为依据实时周期计算值而设定的。 例如,以相同工艺相同波长下谱线的最小刻蚀周期值作为衡量标准,如果所搜索出来的波峰波谷之间的时间差小于半个最小周期(最小半周期),或者波峰与波峰之间(波谷与波谷之间)的时间差小于一个最小周期,则说明所搜索出来的信号点是不正确的,需要重新搜索。
参照图5,给出了本发明实施例可以采用的一种在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号的方法,具体可以包括
步骤501,判断光学干涉探测谱线中光谱信号的变化趋势;若光谱信号先呈现出上升的趋势,则执行步骤502-503-504;若光谱信号先呈现出下降的趋势,则执行步骤505-506-507;
步骤502,搜索波峰信号;
步骤503,然后搜索波谷信号;
步骤504,检验所搜索得到的波峰信号和波谷信号之间是否满足最小半周期,如果满足,则返回执行步骤502,进行下一波峰的搜索;如果不满足,则返回执行步骤503,重新搜索波谷信号。
步骤505,搜索波谷信号;
步骤506,然后搜索波峰信号;
步骤507,检验所搜索得到的波峰信号和波谷信号之间是否满足最小半周期,如果满足,则返回执行步骤505,进行下一波谷的搜索;如果不满足,则返回执行步骤506,重新搜索波峰信号。
具体的,光学干涉探测谱线中光谱信号的变化趋势可以主要采用连续k个点信号的光强值与基准点光强值的差值进行判断,即若存在信号点E(i)满足:
E(i+1)-E(i)≥0 E(i+2)-E(i)≥0......E(i+k)-E(i)≥0
则表示IEP光谱信号呈现出上升的趋势,反之若存在信号点E(i)满足:
E(i+1)-E(i)≤0 E(i+2)-E(i)≤0......E(i+k)-E(i)≤0
则表示IEP光谱信号呈现出下降的趋势。
这一步骤的核心与关键就是参数k的确定,参数k的取值与信号采样频 率密切相关,若采样频率越大,参数k的取值可相应增大。
具体的,对于波峰和波谷的搜索判定,可以采用目标点的左右连续m点的光强值与目标点光强值的差值来实现。例如,
对于需要在当前信号点中搜索波峰时,则如果存在信号点E(i)满足下式,那么信号点E(i)为光谱信号的一个波峰:
E(i)-E(i-1)≥0 E(i)-E(i-2)≥0...... E(i)-E(i-m)≥0
E(i)-E(i+1)≥0 E(i)-E(i+2)≥0...... E(i)-E(i+m)≥0
对于需要在当前信号点中搜索波谷时,则如果存在信号点E(i)满足下式成立,那么信号点E(i)为光谱信号的一个波谷:
E(i)-E(i-1)≤0 E(i)-E(i-2)≤0...... E(i)-E(i-m)≤0
E(i)-E(i+1)≤0 E(i)-E(i+2)≤0...... E(i)-E(i+m)≤0
式中,参数m为波峰波谷信号的判断条件数,m越大,波峰或波谷的信号越真。
参照图6,给出了本发明实施例可以采用的另一种在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号的方法,图6所示流程和图5所示流程的区别在于,图6的流程无需判定信号趋势,而是直接开始搜索。具体可以包括:
步骤601,选择搜索波峰或者波谷信号;如果选择搜索波峰,则执行步骤602,如果选择搜索波谷,则执行步骤606;
步骤602,搜索波峰信号;
步骤603,搜索下一波峰信号;
步骤604,检验前述相邻的两个波峰是否满足最小周期,如果满足,则执行步骤603,搜索下一波峰信号;如果不满足,则执行步骤605,重新搜索当前的波峰信号,直到其符合条件后再执行步骤603,搜索下一波峰信号。
步骤606,搜索波谷信号;
步骤607,搜索下一波谷信号;
步骤608,检验前述相邻的两个波谷是否满足最小周期,如果满足, 则执行步骤607,搜索下一波谷信号;如果不满足,则执行步骤609,重新搜索当前的波谷信号,直到其符合条件后再执行步骤607,搜索下一波谷信号。
上述图5和图6所示的流程仅仅是本发明用于搜索波峰波谷信号的示例,实际上,还有很多可行的方案,本发明在此不再一一详述。例如,图6所示的流程中波峰和波谷信号的搜索过程可以都进行,而不用择一进行;再例如,对于光谱开始一段时间内的光谱信号,既判断其是不是波峰信号,又判断其是不是波谷信号,等确定了一个信号后,不管是波峰还是波谷,其后的判断流程也就确定了,因为波峰波谷一定是间隔出现的。
下面对本发明可能采用的具体控制过程进行简单举例描述。
控制方式1
步骤a、依据本次工艺的刻蚀周期,实时计算截止到当前时间点t,本次刻蚀工艺所经过的周期数;
例如,本次工艺的刻蚀周期为T,那么,对于当前时间点t,本次刻蚀工艺所经过的周期数Count=t/T。
步骤b、依据本次工艺所需刻蚀的厚度和单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度,获取工艺终点所需的周期数;
步骤c、通过比较上述两个周期数,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
具体的,由于实际工艺中,每个刻蚀周期的时间值并不绝对相同,所以可以依据已经计算得到的多个刻蚀周期的平均值,实时计算当前时间点t的周期数。当然,也可以对于已经计算得到的整数个的刻蚀周期,采用实际数值计入,对于最新的不足一个刻蚀周期的,则采用当前刻蚀周期的时间值进行计算即可。由于具体计算方法很多,本发明在此就不一一详述了。
控制方式2
步骤a、依据本次工艺的刻蚀周期以及单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片 厚度,实时计算当前时间点t的已被刻蚀掉的硅片厚度;
对于波长为λ的发射光谱,在其每个周期内刻蚀掉的wafer的膜层厚度为:D=λ/2n,式中n为发射光谱穿透膜层的折射率。那么,当前时间点t,已被刻蚀掉的硅片厚度为:h=Count*λ/2n,其中Count=t/T。
步骤b、通过比较所计算得到的厚度h与本次工艺所需刻蚀的厚度H,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
控制方式3
步骤a、依据本次工艺所需刻蚀的厚度和单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度,获取工艺终点所需的周期数;进而,依据本次工艺的刻蚀周期,得到本次工艺的终点预测时间T;
步骤b、通过比较当前时间点t与所述终点预测时间T,获知当前时间点t是否到达工艺终点,进而执行相应的控制。
控制方式1、2、3的控制原理基本相似,相通之处就不再赘述。
参照图7,示出了本发明一种半导体刻蚀工艺的终点控制装置实施例,包括:
信号获取模块701,用于获取实时的光学干涉探测谱线;
波峰波谷搜索模块702,用于在所述光学干涉探测谱线中搜索波峰信号和/或波谷信号,进而获得本次工艺的刻蚀周期;
终点控制模块703,用于依据本次工艺所需刻蚀的厚度、单刻蚀周期所能刻蚀掉的硅片厚度以及本次工艺的刻蚀周期,对本次刻蚀工艺进行终点控制。
优选的,图7所示实施例还可以包括:预处理模块704,用于对所获取的光学干涉探测谱线进行预处理,所述预处理包括滤波处理和/或延迟处理,所述延迟处理用于忽略探测谱线开始一段时间的无效信号。预处理后的谱线信号再输出给波峰波谷搜索模块702,用于进行波峰波谷的搜索。
优选的,图7所示实施例还可以包括:检验模块705,用于对波峰波 谷搜索模块702所得到的波峰波谷信号进行检验,以防止将噪声信号误确认为波峰或波谷信号。
具体的,可以采用以下方式进行检验:
针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,当其与前一个波谷或波峰信号之间的时间差小于半个预设周期时,放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,通知波峰波谷搜索模块重新搜索;
或者,针对当前搜索得到的波峰或波谷信号,当其与前一个波峰或波谷信号之间的时间差小于一个预设周期时,放弃当前搜索得到的波峰或波谷信号,通知波峰波谷搜索模块重新搜索。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。另外,由于图7所示的装置实施例可以对应适用于前述的方法实施例中,所以描述较为简略,未详尽之处可以参见本说明书前面相应部分的描述。
以上对本发明所提供的一种半导体刻蚀工艺的终点控制方法和装置进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。