CN110854010B - 冷却晶圆的方法、装置和半导体处理设备 - Google Patents

冷却晶圆的方法、装置和半导体处理设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷却晶圆的方法、装置和半导体处理设备。包括：步骤S110、实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；步骤S120、基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得当前晶圆的实时冷却气体流量值；步骤S130、根据实时冷却气体流量值向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体，以在制程晶圆完成工艺之时或在制程晶圆完成工艺之前，使得当前晶圆恰好冷却至预设温度，并停止向当前晶圆提供冷却气体；当制程晶圆转变为已完成工艺且待冷却的当前晶圆时，正在进行工艺的下一个晶圆作为制程晶圆，重复执行步骤S110至步骤S130。可以提高机台的工作效率，降低冷却成本。

Description

冷却晶圆的方法、装置和半导体处理设备
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种冷却晶圆的方法、一种冷却晶圆的装置以及一种半导体处理设备。
背景技术
一般地，在集成电路(Integrated Circuit，IC)的制造工艺中，金属刻蚀机是必不可少的设备。一般金属全自动离子体刻蚀设备包含以下八个腔室：晶圆加载/卸载腔室、晶圆传送腔室、晶圆校准腔室、两个金属反应腔室、两个去胶腔室、一个冷却腔室。晶圆传送腔室，负责将待工艺的晶圆传送至金属反应腔室，金属刻蚀工艺结束后，晶圆传送腔室将晶圆传送到去胶腔室，去胶刻蚀工艺结束后，晶圆传送腔室将晶圆传送到冷却腔室，冷却腔室冷却结束后，将结束后的晶圆传递回晶圆加载/卸载腔室。
冷却腔室是晶圆工艺制程必不可少的一个腔室，这是因为，晶圆在去胶腔室内完成去胶工艺之后温度很高，不能直接放进片盒中，需要进入冷却腔室进行冷却，由于传输平台的工位数限制，一个冷却腔室需要冷却两个或者多个去胶腔室的晶圆，因此，冷却腔室的效率对机台的工艺效率有至关重要的作用。
相关技术中，冷却腔室内的基座设置有冷却水循环系统，从而可以通过冷却水的循环带走基座上的晶圆的热量。
但是，上述技术中，晶圆的热量单独靠基座的冷却水循环系统带走热量，其效率较低，冷却时间长，这样，当两个去胶腔室间隔很短时间做完工艺之后，冷却腔室的冷却效率慢会影响整个机台效率。此外，其还无法检测晶圆的冷却之后的温度，不便于控制冷却时间。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种冷却晶圆的方法、一种冷却晶圆的装置和一种半导体处理设备。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种冷却晶圆的方法，包括：
步骤S110、实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；
步骤S120、基于所述工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得所述当前晶圆的实时冷却气体流量值；
步骤S130、根据所述实时冷却气体流量值向所述当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体，以在所述制程晶圆完成工艺之时或在所述制程晶圆完成工艺之前，使得所述当前晶圆恰好冷却至预设温度，并停止向所述当前晶圆提供所述冷却气体；
当所述制程晶圆转变为已完成工艺且待冷却的当前晶圆时，正在进行工艺的下一个晶圆作为所述制程晶圆，重复执行所述步骤S110至所述步骤S130。
可选地，所述预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为所述冷却气体流量值，T为所述工艺时间差值。
可选地，F的取值范围满足：0sccm≤F≤500sccm，T的取值范围满足：18s≤T≤90s。
可选地，所述冷却气体包括氮气和/或氦气。
本发明的第二方面，提供了一种冷却晶圆的装置，包括获取单元、计算单元、冷却单元、温度检测单元和控制器，所述冷却单元和所述温度检测单元均与所述控制器电连接：
所述获取单元，用于实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；
所述计算单元，用于基于所述工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得所述当前晶圆的实时冷却气体流量值；
所述控制器，用于控制所述冷却单元向所述当前晶圆提供与所述实时冷却气体流量值对应的冷却气体，以在所述制程晶圆完成工艺之时或在所述制程晶圆完成工艺之前，使得所述当前晶圆恰好冷却至预设温度；
所述温度检测单元，用于实时检测所述当前晶圆表面的温度；
所述控制器，还用于当所述当前晶圆表面的温度与所述预设温度相符合时，控制所述冷却单元停止向所述当前晶圆提供所述冷却气体。
可选地，所述预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为所述冷却气体流量值，T为所述工艺时间差值。
可选地，所述冷却单元包括冷却气体源、冷却管道、气体质量流量控制器和冷却喷头；其中，
所述冷却管道的进气口与所述冷却气体源连接，所述冷却管道的出气口与所述冷却喷头连接；
所述气体质量流量控制器串接设置在所述冷却管道的进气口和所述冷却喷头之间，所述气体质量流量控制器与所述控制器电连接。
可选地，所述温度检测单元包括红外测温仪，所述红外测温仪与所述控制器电连接。
本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备，所述半导体处理设备包括前文记载的所述的冷却晶圆的装置。
可选地，所述半导体处理设备还包括冷却腔室和两个去胶腔室，其中，两个所述去胶腔室对应一个所述冷却腔室，所述冷却腔室用于依次对已完成工艺的晶圆进行冷却。
本发明的冷却晶圆的方法、冷却晶圆的装置和半导体处理设备，首先，通过实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值，其次，基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得当前晶圆的实时冷却气体流量值，再次，根据实时冷却气体流量值向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体。因此，本实施例中的冷却晶圆的方法S100，针对当前晶圆与制程晶圆之间不同的工艺时间差值，可以提供不同的冷却气体流量值，从而可以提高机台的工作效率，降低晶圆的冷却成本。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明第一实施例中冷却晶圆的方法的流程图；
图2为本发明第二实施例中冷却时间与晶圆温度之间的关系曲线图；
图3为本发明第三实施例中冷却晶圆的装置的结构示意图；
图4为本发明第四实施例中半导体处理设备的结构示意图。
附图标记说明
100：冷却晶圆的装置；
110：获取单元；
120：计算单元；
130：冷却单元；
131：冷却气体源；
132：冷却管道；
133：气体质量流量控制器；
134：冷却喷头；
140：温度检测单元；
141：红外测温仪；
141a：红外测温探头；
150：控制器；
200：半导体处理设备；
210：冷却腔室；
211：基座；
211a：水道；
212：冷却水进水管；
213：冷却水回水管；
300：当前晶圆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种冷却晶圆的方法S100，该方法包括：
S110、实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值。
如背景技术部分的记载，一个冷却腔室往往对应两个或者多个去胶腔室，为了提高冷却腔室的冷却效率，在本步骤中，可以实时获取已完成工艺(在去胶腔室内已经完成去胶工艺)且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺(在去胶腔室内正在进行去胶工艺)的制程晶圆的工艺时间差值。
具体地，在本步骤中，对于如何获取已完成工艺的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值并没有作出具体限定，例如，在实际工艺时，可以根据去胶腔室内所设置的阀门的动作时间或者去胶腔室内所设置的传感器的反馈的信号，从而当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值。
S120、基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得当前晶圆的实时冷却气体流量值。
具体地，在本步骤中，可以通过步骤S110中所获得的当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值，确定当前晶圆的冷却气体流量值，以两个去胶腔室为例进行说明，假设当前晶圆在去胶腔室A完成去胶工艺的工艺完成时间为10s，制程晶圆在去胶腔室B完成去胶工艺的工艺完成时间为40s，两者之间的工艺时间差值为30s。显然，当前晶圆比制程晶圆提前30s完成去胶工艺。这样，可以根据工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，确定对应当前晶圆的冷却气体流量值。
S130、根据实时冷却气体流量值向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体(该冷却气体，例如，可以是氮气或氦气等)，以在制程晶圆完成工艺之时或在制程晶圆完成工艺之前，使得当前晶圆恰好冷却至预设温度，并停止向当前晶圆提供冷却气体。
还是以步骤S120中所作的假设为例进行说明，具体地，当前晶圆比制程晶圆提前30s完成工艺，向当前晶圆所提供的冷却气体流量值应当满足在制程晶圆完成工艺之时或在制程晶圆完成工艺之前，使得当前晶圆恰好冷却至预设温度。也就是说，在30s以内或者30s使得当前晶圆的温度冷却至预设温度。
当制程晶圆转变为已完成工艺且待冷却的当前晶圆时，正在进行工艺的下一个晶圆作为制程晶圆，重复执行步骤S110至步骤S130。
本实施例中的冷却晶圆的方法S100，首先，通过实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值，其次，基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得当前晶圆的实时冷却气体流量值，再次，根据实时冷却气体流量值向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体。因此，本实施例中的冷却晶圆的方法S100，针对当前晶圆与制程晶圆之间不同的工艺时间差值，可以提供不同的冷却气体流量值，从而可以提高机台的工作效率，降低晶圆的冷却成本。
可选地，预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为冷却气体流量值，T为工艺时间差值。
可选地，F的取值范围满足：0sccm≤F≤500sccm，T的取值范围满足：18s≤T≤90s。
具体地，可以通过实验晶圆在不同冷却环境下冷却到目标温度得到对应的曲线图，如图2所示。S1为气体质量流量控制器MFC(将在下文中进行描述，在此先不作详细描述)设置最大流量时+基座冷却水循环的温度与时间关系图；S2是单独使用基座冷却水循环的温度与时间关系图。通过改变气体质量流量控制器的流量大小可以得到B区域内的不同流量值对应的温度与时间关系图。
通过仿真算法软件(如matlab)进行实验数据分析，将矩阵式的数据进行拟合，从而得到输入(工艺时间差值)、输出(MFC流量值)关系对应的关系函数。通过上述试验过程，完成了用于控制晶圆快速冷却方法的实现，后期通过实验中具体表现，根据需要对关系函数加以修正，以便更好的适应整个系统。
使用本发明提供的温度冷却控制方案，当去胶腔室A快于去胶腔室B进行工艺，也即当前晶圆比制程晶圆提前完成去胶工艺，控制系统读取到当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值为T，通过拟合函数可以得到相应的流量值F，控制系统控制MFC输出F流量为去胶腔室A完成工艺的当前晶圆进行冷却降温，T秒钟之后完成冷却，接着冷却腔室可以为去胶腔室B完成制程晶圆进行降温。
下文以具体示例进行说明：
去胶腔室A比去胶腔室B快T＝30s做完工艺，也即当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值T＝30s，控制系统通过输入变量T＝30s得到MFC的流量F＝250sccm，控制系统控制MFC输出F＝250sccm的HE气进行冷却，30s之后冷却到预设温度，这时机械手携带去胶腔室B的制程晶圆到达冷却腔室门口，机械手取出去胶腔室A的当前晶圆，并将去胶腔室B的制程晶圆放入冷却腔室进行冷却。当时间T变化为25s时，控制系统通过输入变量T＝25s得到MFC的流量F＝380sccm，控制器控制MFC输出F＝380sccm的He气进行冷却，从而达到动态调节的冷却效果。
本发明的冷却晶圆的方法，其降温时间T可以动态的根据当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值进行调节，从而达到提高整机工艺效率的效果。
本发明的第二方面，如图3所示，提供了一种冷却晶圆的装置100，该装置可以适用于前文记载的冷却晶圆的方法，下文未提及的相关内容均可以参考前文相关记载，在此不作赘述。该装置包括获取单元110、计算单元120、冷却单元130、温度检测单元140和控制器150，冷却单元130和温度检测单元140均与控制器150电连接。
获取单元110，用于实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；
计算单元120，用于基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得当前晶圆的实时冷却气体流量值；
控制器150，用于控制冷却单元130向当前晶圆提供与实时冷却气体流量值对应的冷却气体，以在制程晶圆完成工艺之时或在制程晶圆完成工艺之前，使得当前晶圆恰好冷却至预设温度；
温度检测单元140，用于实时检测当前晶圆表面的温度；
控制器150，还用于当当前晶圆表面的温度与预设温度相符合时，控制冷却单元停止向当前晶圆提供冷却气体。
本实施例中的冷却晶圆的装置100，首先，利用获取单元110获取当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值，其次，利用计算单元120基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过当前晶圆的工艺时间差值获得对应的冷却气体流量值。再次，控制器150控制冷却单元130向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体，并且，还利用温度检测单元140实时检测当前晶圆表面的温度，控制器150在当该当前晶圆表面的温度与预设温度相符合时，控制冷却单元130停止供应冷却气体。因此，本实施例中的冷却晶圆的装置100，针对不同的工艺时间差值，提供不同的冷却气体流量值，从而可以提高机台的工作效率，降低晶圆的冷却成本。
可选地，预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为冷却气体流量值，T为工艺时间差值。
可选地，F的取值范围满足：0sccm≤F≤500sccm，T的取值范围满足：18s≤T≤90s。
可选地，如图3和图4所示，冷却单元130包括冷却气体源131、冷却管道132、气体质量流量控制器(MFC)133和冷却喷头134；其中，冷却管道132的进气口与冷却气体源131连接，冷却管道132的出气口与冷却喷头134连接。气体质量流量控制器133串接设置在冷却管道132的进气口和冷却喷头134之间，气体质量流量控制器133与控制器150电连接。
可选地，如图4所示，冷却喷头134对应于当前晶圆300的中部区域，这样，冷却气体从冷却喷头134可以从当前晶圆300的中部区域均匀向当前晶圆300的边缘区域扩散，从而可以使得当前晶圆300冷却均匀。
可选地，如图3和图4所示，温度检测单元140包括红外测温仪141，其包括红外测温探头141a。红外测温仪141与控制器150电连接。当然，温度检测单元140除了可以是红外测温仪141以外，还可以是其他的能够测量温度的器件。
本发明的第三方面，如图4所示，提供了一种半导体处理设备200，该半导体处理设备200包括前文记载的冷却晶圆的装置100、冷却腔室210以及两个去胶腔室(图中并未示出)，该两个去胶腔室对应一个冷却腔室，冷却腔室用于依次对已完成工艺的晶圆进行冷却。其中，冷却腔室210内设置有基座211以及设置在基座211底部的冷却水循环组件，该冷却水循环组件包括冷却水进水管212和冷却水回水管213，基座211内部设置有与冷却水进水管212和冷却水回水管213连通的水道211a。这样，可以同时利用冷却水进水管212、冷却水回水管213和冷却晶圆的装置100共同对当前晶圆300进行冷却。
本实施例中的半导体处理设备200，其包括前文记载的冷却晶圆的装置100，首先，利用获取单元110获取当前晶圆与制程晶圆的工艺时间差值，其次，利用计算单元120基于工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过当前晶圆的工艺时间差值获得对应的冷却气体流量值。再次，控制器150控制冷却单元130向当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体，并且，还利用温度检测单元140实时检测当前晶圆表面的温度，控制器150在当该当前晶圆表面的温度与预设温度相符合时，控制冷却单元130停止供应冷却气体。因此，本实施例中的冷却晶圆的装置100，针对不同的工艺时间差值，提供不同的冷却气体流量值，从而可以提高机台的工作效率，降低晶圆的冷却成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种冷却晶圆的方法，其特征在于，包括：
步骤S110、实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；
步骤S120、基于所述工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得所述当前晶圆的实时冷却气体流量值；
步骤S130、根据所述实时冷却气体流量值向所述当前晶圆提供对应的冷却气体流量值的冷却气体，以在所述制程晶圆完成工艺之时或在所述制程晶圆完成工艺之前，使得所述当前晶圆恰好冷却至预设温度，并停止向所述当前晶圆提供所述冷却气体；
当所述制程晶圆转变为已完成工艺且待冷却的当前晶圆时，正在进行工艺的下一个晶圆作为所述制程晶圆，重复执行所述步骤S110至所述步骤S130。
2.根据权利要求1所述的冷却晶圆的方法，其特征在于，所述预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为所述冷却气体流量值，T为所述工艺时间差值。
3.根据权利要求2所述的冷却晶圆的方法，其特征在于，F的取值范围满足：0sccm≤F≤500sccm，T的取值范围满足：18s≤T≤90s。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的冷却晶圆的方法，其特征在于，所述冷却气体包括氮气和/或氦气。
5.一种冷却晶圆的装置，其特征在于，包括获取单元、计算单元、冷却单元、温度检测单元和控制器，所述冷却单元和所述温度检测单元均与所述控制器电连接；
所述获取单元，用于实时获取已完成工艺且待冷却的当前晶圆与正在进行工艺的制程晶圆的工艺时间差值；
所述计算单元，用于基于所述工艺时间差值与冷却气体流量值之间的预设函数关系式，通过实时工艺时间差值获得所述当前晶圆的实时冷却气体流量值；
所述控制器，用于控制所述冷却单元向所述当前晶圆提供与所述实时冷却气体流量值对应的冷却气体，以在所述制程晶圆完成工艺之时或在所述制程晶圆完成工艺之前，使得所述当前晶圆恰好冷却至预设温度；
所述温度检测单元，用于实时检测所述当前晶圆表面的温度；
所述控制器，还用于当所述当前晶圆表面的温度与所述预设温度相符合时，控制所述冷却单元停止向所述当前晶圆提供所述冷却气体。
6.根据权利要求5所述的冷却晶圆的装置，其特征在于，所述预设函数关系式满足下述公式：
F＝-1*107*T6+4×105*T5-0.0046*T4+0.286*T3-8.8449*T2+108.12*T+184.51
其中，F为所述冷却气体流量值，T为所述工艺时间差值。
7.根据权利要求5或6所述的冷却晶圆的装置，其特征在于，所述冷却单元包括冷却气体源、冷却管道、气体质量流量控制器和冷却喷头；其中，
所述冷却管道的进气口与所述冷却气体源连接，所述冷却管道的出气口与所述冷却喷头连接；
所述气体质量流量控制器串接设置在所述冷却管道的进气口和所述冷却喷头之间，所述气体质量流量控制器与所述控制器电连接。
8.根据权利要求5或6所述的冷却晶圆的装置，其特征在于，所述温度检测单元包括红外测温仪，所述红外测温仪与所述控制器电连接。
9.一种半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备包括权利要求5至8中任意一项所述的冷却晶圆的装置。
10.根据权利要求9所述的半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备还包括冷却腔室和两个去胶腔室，其中，两个所述去胶腔室对应一个所述冷却腔室，所述冷却腔室用于依次对已完成工艺的晶圆进行冷却。
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