CN108010838B - 等离子体处理装置及硅片温度测量方法 - Google Patents

等离子体处理装置及硅片温度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包含：处理腔体；所述处理腔体内的底部设有基座；所述基座的上方设有静电夹盘，所述静电夹盘用于承载硅片；硅片顶针，竖向穿过所述基座与所述静电夹盘，并与基座及静电夹盘分别留有间隙，所述间隙作为硅片顶针的通道，在等离子体刻蚀工艺过程中，所述的硅片顶针的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在硅片的表面形成划痕；所述静电夹盘内部埋设有夹持电极。本发明还公开了一种在高功率射频下的硅片温度测量方法。本发明利用热膨胀原理，间接测量硅片的温度，适应于高射频功率高温环境，并不受射频等电学因素的干扰。

Description

等离子体处理装置及硅片温度测量方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种等离子体处理装置及在高功率射频下的硅片温度测量方法。
背景技术
硅片的温度是等离子体刻蚀工艺的重要参数之一。通常采用静电吸盘的温度控制来实现硅片的温度调节。但在实际工作环境中，高射频功率会使硅片表面接收热能远大于散热，导致硅片温度急剧上升，刻蚀工艺随之变化。因此工艺工程师常常需要知道刻蚀工艺过程中硅片的实际温度状况来指导进一步的工艺优化。现有技术中的温度测量方法(如热电偶等)均无法在射频功率和等离子体刻蚀环境中实现，主要采用两层稍薄的硅片包夹的能够进行射频环境中通讯的温度传感器阵列来采集刻蚀工艺过程中的硅片温度。这种方法可以在低功率(<7kW)低温度(<140C)条件下稳定工作。但随着3D存储器的推进，极高深宽比的需求，更高射频功率(>8kW)，更高硅片温度已经成为新的工艺条件。这种条件下的硅片温度测量成为难题。
发明内容
本发明的目的在于提供本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及硅片温度测量方法，利用热膨胀原理，间接测量硅片的温度，适应于高射频功率高温环境，并不受射频等电学因素的干扰。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种等离子体处理装置，其特点是，包含：
处理腔体；
所述处理腔体内的底部设有基座；
所述基座的上方设有静电夹盘，所述静电夹盘用于承载硅片；
硅片顶针，竖向穿过所述基座与所述静电夹盘，并与基座及静电夹盘分别留有间隙，所述间隙作为硅片顶针的通道，在等离子体刻蚀工艺过程中，所述的硅片顶针的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在硅片的表面形成划痕；
所述静电夹盘内部埋设有夹持电极。
所述的硅片顶针的顶端为一尖锐顶端。
所述的硅片顶针为可伸缩结构。
所述的硅片顶针包含一竖直顶杆及设置在竖直顶杆上方的顶帽，所述的竖直顶杆与顶帽之间通过一弹性部件连接。
所述的顶帽包含一尖锐顶端。
一种高功率射频下的硅片温度测量方法，其特点是，包含以下步骤：
等离子体刻蚀工艺过程开始前，安装划刻单元，并且划刻单元的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在等离子体刻蚀工艺过程在硅片的表面形成划痕；
等离子体刻蚀工艺过程中，划刻单元在硅片的下表面刻划出一划痕；
等离子体刻蚀工艺过程结束后，将硅片从处理腔体中取出，采用一测量单元测量硅片表面的划痕长度；
计算单元根据划痕长度，并结合线膨胀模型，计算得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的温度变化量，根据温度变化量及等离子体刻蚀工艺过程开始前的温度值，得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最高温度值。
所述的划刻单元为硅片顶针。
所述的硅片顶针的顶端为一尖锐顶端。
所述的硅片顶针为可伸缩结构。
所述的硅片顶针包含一竖直顶杆及设置在竖直顶杆上方的顶帽，所述的竖直顶杆与顶帽之间通过一弹性部件连接。
所述的顶帽包含一尖锐顶端。
所述的测量单元为扫描电镜。
所述的线膨胀模型表示为：
Figure GDA0002314819600000021
式中，ΔT表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前后的温差；L0表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前的长度；L(T)表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀后的长度；ΔL＝L(T)-L0，表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀长度，即划痕长度；α为线膨胀系数。
本发明一种等离子体处理装置及硅片温度测量方法与现有技术相比具有以下优点：采用材料的热膨胀特性来实现硅片温度的间接测量，不需要对处理腔体进行改造，成本低；本发明适应于高射频功率高温环境，不会受到射频等电学因素的干扰，测量结果准确率高。
附图说明
图1为等离子体处理装置的示意图；
图2为本发明一个实施例中刻划部件的示意图；
图3为热膨胀原理示意图；
图4为不同半径处的硅片划痕长度示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种等离子体处理装置，包含：处理腔体；所述处理腔体内的底部设有基座101(材质为铝)；所述基座101的上方设有静电夹盘102，静电夹盘102用于承载硅片；硅片顶针103，竖向穿过所述基座101与静电夹盘102，并与基座101及静电夹盘102分别留有间隙，所述间隙作为硅片顶针103的通道；所述静电夹盘102内部埋设有夹持电极104；所述处理腔体101内的顶部设有与夹持电极104对应的上电极105。本发明处理腔顶部也可以不设上电极，设置一个连接到射频电源的电感线圈也能形成高浓度的等离子体。
图1中为现有技术中的等离子体处理装置，其不具备测量硅片温度的功能，发明人在实际的操作过程中注意到，在等离子体刻蚀工艺过程中，硅片比静电吸盘的热膨胀系数要大，且在高射频功率条件下，硅片与静电吸盘表面存在可观的温度梯度，因此二者的热膨胀物理尺寸会有差距。据此差距，硅片边缘与静电吸盘间存在相对位移，通过测量相对位移量，再进行适当数学处理即可计算出硅片在高射频功率下所达到的最大温度。即，采用材料热膨胀特性来达到间接测量硅片温度的目的。
为了获取到硅片与静电吸盘之间发生的相对位移，可以通过一个划刻单元，能够在等离子体刻蚀工艺过程中在硅片的表面形成一划痕，通过测量划痕的长度来获知相对位移。发明人发现，可以通过改进现有技术中的硅片顶针的结构来实现，这样对现有的处理腔体不会造成很大大改观，并且适应于高射频功率高温环境，并不受到射频等电学因素的任何干扰，采用一个顶端尖锐的硅片顶针来取代现有技术中的硅片顶针。在硅片顶针顶部设置尖锐的顶端也会带来一些问题，比如硅片顶针抬升硅片时如果硅片上还残余有部分静电，其残余的吸附力与抬升的力相互作用会使得顶针顶碎硅片，造成重大损失。所以硅片顶针的顶端可以设置一个可上下升缩的刻划部件，刻划部件的顶端尖锐。在进行高功率等离子处理过程中，刻划部件上升到较高位置在硅片背面形成划痕，当等离子处理过程完成后该刻划部件下降到硅片顶针顶部支撑面之下，使得具有较大面积的支撑面支撑晶圆向上抬升硅片。其中硅片顶针顶端支撑面可以是如图1所示的平面形或者其它与晶圆具有较大接触面的，只是在硅片顶针内部设置一个可升出该支撑面的刻划部件。
在垂直方向上具有伸缩性能的刻划部件，当硅片在高射频功率下发生热膨胀时，会与静电吸盘发生相对位移，刻划部件在此相对运动中始终与硅片下表面接触，因此当力度适中时会留下一道浅浅划痕但不会造成硅片破裂，通过测量划痕长度再结合线膨胀模型，可计算得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的温度变化量，根据温度变化量及等离子体刻蚀工艺过程开始前的温度值，得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最高温度值。
如图2所示，为本发明一个实施例中刻划部件200的结构示意图，刻划部件200包含一竖直顶杆201及设置在竖直顶杆201上方的顶帽202，所述的竖直顶杆201与顶帽202之间通过一弹性部件203连接。在其他实施例中，可以在静电吸盘的顶表面设置一个凸起，凸起能够在等离子体刻蚀工艺过程中在硅片的表面形成一划痕，或者其他能够在硅片的表面形成一划痕结构，然后再对划痕进行测量，达到间接测量硅片温度的目的
本发明还公开了一种高功率射频下的硅片温度测量方法，包含以下步骤：
S1、等离子体刻蚀工艺过程开始前，安装划刻单元，并且划刻单元的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在等离子体刻蚀工艺过程在硅片的表面形成划痕。
S2、等离子体刻蚀工艺过程中，划刻单元在硅片的下表面刻划出一划痕，如图3所示硅片301相对于静电吸盘302存在位移，硅片顶针303会在硅片301的下表面刻划出一划痕。
S3、等离子体刻蚀工艺过程结束后，将硅片从处理腔体中取出，采用一测量单元测量硅片表面的划痕长度L。
具体地，在扫描电镜(SEM)下测量出划痕长度，即为硅片与静电吸盘在热膨胀过程中发生的最大相对位移。
S4、计算单元根据划痕长度，并结合线膨胀模型，计算得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的温度变化量，根据温度变化量及等离子体刻蚀工艺过程开始前的温度值，得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最高温度值。
具体地，将热膨胀等效成线膨胀模型，其膨胀系数不随温度变化。静电吸盘具有冷却系统且温度变化量不大，一般可忽略其线膨胀(如需要亦可通过温度计算得出)。普通硅片的线膨胀系数已知，通过计算可得出硅片的温度变化量，从而得到其在高射频功率下的最高温度。
线膨胀计算公式为：
L(T)＝L0(1+α×ΔT)
可得：
Figure GDA0002314819600000051
式中，ΔT表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前后的温差；L0表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前的长度；L(T)表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀后的长度；ΔL＝L(T)-L0，表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀长度，即划痕长度；α为线膨胀系数，单晶硅片为2.5×10-6/℃。
如图4所示，通过测量硅片不同半径处的划痕长度，可得到膨胀前后温差可达～150℃；膨胀前温度为80℃，即高功率下硅片最大温度可达～230℃。在其他实施例中，为了更准确的获得硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最大温度，可以在相同半径处设置多个硅片顶针，通过对划痕长度取平均值，来克服刻蚀时各项异性带来的差异。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种高功率射频下的硅片温度测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
等离子体刻蚀工艺过程开始前，安装划刻单元，并且划刻单元的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在等离子体刻蚀工艺过程在硅片的表面形成划痕；
等离子体刻蚀工艺过程中，划刻单元在硅片的下表面刻划出一划痕；
等离子体刻蚀工艺过程结束后，将硅片从处理腔体中取出，采用一测量单元测量硅片表面的划痕长度；
计算单元根据划痕长度，并结合线膨胀模型，计算得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的温度变化量，根据温度变化量及等离子体刻蚀工艺过程开始前的温度值，得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最高温度值。
2.如权利要求1所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的划刻单元为硅片顶针。
3.如权利要求2所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的硅片顶针的顶端为一尖锐顶端。
4.如权利要求2或3所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的硅片顶针为可伸缩结构。
5.如权利要求4所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的硅片顶针包含一竖直顶杆及设置在竖直顶杆上方的顶帽，所述的竖直顶杆与顶帽之间通过一弹性部件连接。
6.如权利要求5所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的顶帽包含一尖锐顶端。
7.如权利要求1所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的测量单元为扫描电镜。
8.如权利要求1所述的硅片温度测量方法，其特征在于，所述的线膨胀模型表示为：
Figure FDA0002592068560000011
式中，ΔT表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前后的温差；L0表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀前的长度；L(T)表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀后的长度；ΔL＝L(T)-L0，表示等离子体刻蚀工艺过程中，硅片膨胀长度，即划痕长度；α为线膨胀系数。
9.一种等离子体处理装置，其特征在于，包含：
处理腔体；
所述处理腔体内的底部设有基座；
所述基座的上方设有静电夹盘，所述静电夹盘用于承载硅片；
硅片顶针，竖向穿过所述基座与所述静电夹盘，并与基座及静电夹盘分别留有间隙，所述间隙作为硅片顶针的通道，在等离子体刻蚀工艺过程中，所述硅片顶针的顶端始终接触硅片的下表面，以保证在硅片的表面形成划痕，等离子体刻蚀工艺过程结束后，将硅片从处理腔体中取出，采用一测量单元测量硅片表面的划痕长度，采用计算单元根据划痕长度，并结合线膨胀模型，计算得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的温度变化量，根据温度变化量及等离子体刻蚀工艺过程开始前的温度值，得到硅片在等离子体刻蚀工艺过程中的最高温度值；
所述静电夹盘内部埋设有夹持电极。
10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的硅片顶针的顶端为一尖锐顶端。
11.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的硅片顶针顶部包括一支撑面和一个刻划部件，所述刻划部件顶部可在所述支撑面上方和下方之间移动。
12.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的硅片顶针包含一竖直顶杆及设置在竖直顶杆上方的顶帽，所述的竖直顶杆与顶帽之间通过一弹性部件连接。
13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述的顶帽包含一尖锐顶端。
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