CN112074941A - 用于空间分辨晶片温度控制的虚拟传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及用于在基板处理期间进行温度感测和控制的方法和设备。处理期间难以直接测量的基板温度可通过检查沉积的膜性质或通过测量基板加热设备随时间的功率输出的变化来确定。在处理期间确定许多基板的温度,从而显示基板温度如何随时间变化,且接着通过机器学习技术来使用温度变化建立模型。所述模型用于调整加热设备设定点以用于将来的处理操作。
Description
背景技术
技术领域
本公开内容的实施例涉及在基板处理期间进行温度感测和控制的方法和设备。
相关技术的描述
在基板的处理中,基板通常被放置在工艺腔室中的基板支撑件上,同时在工艺腔室中保持合适的工艺条件以在基板的表面上沉积、蚀刻、形成层或以其他方式处理基板的表面。例如,可使用高温等离子体处理环境来处理基板。通常希望控制在处理期间影响基板性质的各种工艺条件,诸如基板温度。
随着基板的特征尺寸减小且工艺复杂性随着先进节点而增加,将正被处理的基板的温度保持在目标基板温度的问题日益受到关注。在这种先进工艺中对基板的处理是对处理期间的温度波动高度敏感的,且利用控制基板的温度来实现在处理期间基本上不显示温度漂移的工艺。另外,随着工艺腔室部件老化并最终被替换,工艺腔室部件的热性质随时间改变,增加了维持精确温度控制的难度。此外,难以直接测量基板温度(特别是对于基于等离子体的工艺)。
因此,本领域中需要用于在处理期间控制基板温度的方法和设备。
发明内容
在一个实施例中,提供一种方法。所述方法包括:在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理所述多个基板中的一个。所述方法还包括:在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的基板温度变化以及基于所述多个基板中的每个基板的所述基板温度将所测量的工艺变量输入到基板温度变化模型中,所述基板温度变化模型包括:
其中W1是第一基板的第一基板计数、W2是所述第一基板的第二基板计数、ΔTi和ΔTo分别是内部区域和外部区域的温度从W1到W2的总变化,并且和分别是内部区域温度和外部区域温度的变化率。所述方法进一步包括:响应于所述基板温度变化模型的输出,控制所述工艺腔室的基板支撑件中的加热器设备的温度或功率设定点中的一个或多个。
在另一实施例中,提供一种方法。所述方法包括:在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理所述多个基板中的一个;在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的内部区域的温度;以及在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的外部区域的温度。所述方法还包括:基于所述多个基板中的每个基板的所述内部区域的所述温度来确定内部区域温度模型;基于所述多个基板中的每个基板的所述外部区域的所述温度来确定外部区域温度模型;基于所述内部区域温度模型控制所述工艺腔室的基板支撑件中的加热器设备的内部区域设定点;以及基于所述外部区域温度模型控制所述工艺腔室的所述基板支撑件中的所述加热器设备的外部区域设定点。
在另一个实施例中提供一种非暂态机器可读取存储介质。所述介质其上存储有计算机程序。所述计算机程序被配置为:在工艺腔室中的多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间,基于多个基板中的每个基板的基板温度来确定基板温度变化模型;以及基于基板温度模型来控制所述工艺腔室的基板支撑件中的加热器设备的设定点,基板温度变化模型包括:
附图说明
因此,以可详细地理解本公开内容的上述特征的方式,可通过参考本公开内容的方面来获得对上文所简要概述的本公开内容的更具体的描述,其中一些方面在附图中示出。然而,应注意,附图仅示出了本公开内容的典型方面,且因此不应视为限制其范围,因为本公开内容可允许其他同等有效的方面。
图1示出了根据一个实施例的工艺腔室的横截面示意图。
图2示出了根据一个实施例的方法的流程图。
图3示出了根据一个实施例的方法的流程图。
图4A是根据一个实施例的从维护事件以来的基板计数相对于沉积在基板上的膜的光学吸收系数的曲线图的数据。
图4B是根据一个实施例的从维护事件以来的基板计数相对于沉积在基板上的膜的光学吸收系数的曲线图的数据。
图5示出了根据一个实施例的具有加热器设备的基板支撑件的横截面示意图。
图6是从维护事件以来的基板计数相对于每个连续基板的温度变化的曲线图的数据。
为了促进理解,尽可能地使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。另外,一个示例中的元件可有利地适于在本文描述的其他示例中使用。
具体实施方式
本公开内容涉及用于在基板处理期间的基板温度感测和控制的方法和设备。可通过检查经沉积的膜性质或通过测量基板加热设备随时间的功率输出的变化,确定处理期间通常难以直接测量的基板温度(特别是在高温(例如,高于约600℃)真空等离子体处理操作中)。在处理期间确定许多基板的温度、示出基板温度如何随时间变化,接着通过机器学习技术来使用温度变化建立模型。模型用于调整加热设备设定点以用于将来的处理操作。
应注意,加热器温度可能与基板温度不同。当额外的等离子体能量源暴露于基板时,在有或没有等离子体的情况下测量基板温度可能产生潜在误导的基板温度数据。此外,由于工艺腔室随时间老化,保持给定的加热器设定点不能保证由于基板和腔室之间的热传递的改变而保持基板温度如期望的那样。因此,本文所描述的实施例提供经改进的基板温度控制。
图1是根据一个实施例的工艺腔室100的横截面示意图。工艺腔室100可为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室,其适于在基板(诸如基板154)上沉积化学气相沉积(CVD)膜。可适于以如本文所述那样地受益的工艺腔室的示例是可从位于加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司购得的CVD工艺设备和PRECISIONTM工艺设备。也可根据本文所述的实施例来使用其他适当配置的工艺腔室(包括来自其他制造商的工艺腔室)或用于其他应用(诸如基板(诸如玻璃基板)的PECVD)的其他适当配置的工艺腔室。
工艺腔室100可用于各种等离子体工艺(包括沉积工艺和去除工艺)。在一个方面中,使用工艺腔室100以使用具有或不具有射频(RF)功率源的一种或多种前驱物气体来执行CVD。在另一个实施例中,使用工艺腔室100以用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。
工艺腔室100包括腔室主体102、盖组件106和基板支撑组件104。盖组件106定位在腔室主体102的上端。基板支撑组件104设置在腔室主体102的内部,并且盖组件106耦接到腔室主体102并将基板支撑组件104封闭在工艺容积120内。腔室主体102包括形成在其侧壁中的狭缝阀开口126。选择性地打开和关闭狭缝阀开口126,以允许通过基板处理机器人(未示出)进出工艺容积120来进行基板传送。示出了与工艺容积120流体连通的排气口152延伸穿过腔室主体102。
顶部电极108邻近腔室主体102设置,并将腔室主体102与盖组件106的其他部件分开。顶部电极108可为盖组件106的一部分,或可为单独的侧壁电极。
隔离器110(隔离器110可为诸如陶瓷或金属氧化物之类的介电材料,例如氧化铝和/或氮化铝)接触顶部电极108且将顶部电极108与气体分配器112与腔室主体102电地和热地分离。气体分配器112具有用于允许工艺气体进入工艺容积120的开口118。经由导管114将工艺气体供应到工艺腔室100,且工艺气体在流过开口118前进入气体混合区域116。气体分配器112耦接到电源142的源极,诸如RF发生器。在一个实施例中,利用脉冲RF功率以在工艺容积120中形成等离子体。在其他实施例中,利用DC功率或脉冲DC功率来在工艺容积120中形成等离子体。
基板支撑组件104包括设置在其上端的基板支撑表面180。基板支撑组件104由金属或陶瓷材料形成,例如金属氧化物或氮化物或氧化物/氮化物混合物,诸如铝、氧化铝、氮化铝或氧化铝/氮化铝混合物。基板支撑表面180被配置为在处理期间支撑基板154。基板支撑表面180通过轴144耦接到升降机构,轴144延伸穿过腔室主体102的底表面。升降机构通过波纹管柔性地密封到腔室主体102,所述波纹管防止真空从轴144周围泄漏。升降机构使得基板支撑表面180能够在腔室主体102内在下部转移位置与一个或多个升高的工艺位置之间垂直移动。
静电卡盘(ESC)160设置在基板支撑组件104中。静电卡盘160包括一个或多个电极162和介电材料164。在一些实施例中,静电卡盘160的介电材料164形成基板支撑表面180。通过图1中的虚线描绘四个电极162,然而,可构想到的是,可根据本文所述的实施例利用更多数量或更少数量的电极162。介电材料164是适用于静电卡盘的介电材料。在静电卡盘160的实施例中,介电材料164包括氧化物和/或氮化物材料,诸如氧化铝、氮化铝或氧化铝/氮化铝混合物。
在一个实施例中,电极162嵌入介电质材料164中。在另一个实施例中,电极162嵌入基板支撑组件104内或耦合到基板支撑组件104的表面。一个或多个电极162可以是板、穿孔板、网、丝网或任何其他的分布式布置。一个或多个电极162通过电极控制线168耦接到电极电源166,以向电极162提供功率,并有助于在处理基板154期间夹持基板154。
用电极电源166为电极162供能产生了电场以将基板154吸引向电极162和基板支撑表面180,从而将基板154固定到基板支撑组件104的基板支撑表面180。电极电源166可将DC电压施加到电极162。漏电传感器178经由电极电源166耦接到电极162,以测量在基板154与电极162之间流动的漏电流。在一些实施例中,漏电传感器178直接耦接到电极控制线168。
在一些实施例中,基板支撑组件104包括附加电极162,附加电极162用于与顶部电极108结合以在基板154的处理期间产生等离子体。经设置在基板支撑组件104中或靠近基板支撑组件104以产生等离子体的顶部电极108和附加电极162的使用可具有多种实施例。另外,一个或多个电极162可与顶部电极108结合使用,以在处理基板154期间产生等离子体。
在一些实施例中,电极电源166以例如大约13.56MHz的频率提供高达约1000W(但不限于约1000W)的RF能量,尽管可取决于应用程序而提供其他频率和功率。电极电源166能够产生连续功率或脉冲功率中的任一者或两者。在一些方面中,偏置源可为DC或脉冲DC源。在一些方面中,偏置源能够提供多个频率,诸如13.56MHz和2MHz。
基板支撑组件104进一步包括设置在其中的加热器设备170。加热器设备170用于加热基板154,并且可在处理基板154期间附带地加热工艺腔室100的工艺容积120。加热器设备170通过加热器控制线174耦接到加热器电源172。加热器设备170包括输出热量的加热器元件176。在一个实施例中,加热器元件172是电阻式加热器。基板支撑组件104中的导管(未示出)提供加热器设备170与基板支撑表面180和工艺容积120之间的通路,以便于将热量施加到基板154。在一些实施例中,加热器设备170设置在基板支撑组件104外部且靠近工艺容积120,以在处理基板154的处理操作期间加热基板154。在此实施例中,加热器设备170设置在盖组件106中。
使用加热器温度传感器182以确定加热器设备170的温度。加热器温度传感器182利用热电偶来确定加热器设备170的温度。加热器温度传感器182可以是其他形式的用于测量加热器设备170的温度的传感器(包括热敏电阻器和晶格振动传感器)。加热器温度传感器182通过传感器控制线184耦接到系统控制器186。系统控制器186耦接到加热器电源172以控制加热器设备170的温度。系统控制器186调整加热器设备170的参数以调整和控制加热器设备170的温度。
在一个示例中,系统控制器186是通用计算机,其包括用于存储软件的存储器。在另一个示例中,系统控制器186是专用计算机,其被配置为促进软件实施对于一个或多个基板处理操作的控制。软件包括用于控制工艺腔室100的指令,所述控制包括加热器设备170的温度以在处理期间控制基板154的温度。
随着时间的推移,随着在工艺腔室100中处理更多的基板154,尽管加热器设备170的设定点保持固定,但是基板温度可在工艺期间变化。基板温度的这种变化可能是由于到基板154的各种热量输入和输出。例如,工艺腔室100的辐射边界条件可能由于工艺腔室100中的部件表面上的涂层或部件的老化而改变,所述部件包括围绕工艺容积120的部件。
可在处理期间通过沉积物涂覆处理腔室100中的腔室部件的表面。对于工艺循环中的每个额外的处理运行,涂层可递增地增加。在每次处理运行期间递增地增加处理腔室100中的涂层可能导致处理腔室100的操作发生变化。例如,当涂层变得更厚时,给定的加热器设定点可能导致不同的基板温度。
基板温度可能受到各种因素的影响。等离子体功率可添加热量源以在处理操作期间向基板154提供热能。另外,由于各种原因(包括等离子体耦接和各种腔室部件的发射率的变化),处理腔室100中的某些部件可在不同的温度下操作。不同的条件经常导致在处理操作期间在选定的加热器温度设定点处输入到基板154的热量和基板温度的变化。
图2示出了根据一个实施例的用于预测基板温度变化和调整加热器设备设定点的方法200的流程图。在操作201处,方法200包括在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理多个基板中的一个。在操作202处,在相关联的基板处理操作期间确定多个基板中的每个基板的基板温度。在操作203处,确定的基板温度用于产生基板温度变化模型。在操作204处,使用基板温度变化模型来控制加热器设备的设定点以用于将来的基板处理操作。因此,方法200能够响应于可变的工艺腔室特性而对基板进行自适应温度控制。
图3示出了根据一个实施例的用于预测基板的内部区域和外部区域中的温度变化及调整用于内部区域和外部区域两者的加热器设备设定点的方法300的流程图。如本文所使用,内部区域是指包括基板中心的区域,并且外部区域是指围绕内部区域并延伸到基板边缘的区域。例如,对于直径为300mm的圆形基板,内部区域可以是直径为100mm的圆形区域,而外部区域可以是从内部区域的边缘延伸到基板边缘的环形区域。
在操作301处,方法300包括:在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理多个基板中的一个。在操作302处,在相关联的基板处理操作期间确定每个基板的内部区域温度。在操作303处,在基板的相关联的基板处理操作期间确定每个基板的外部区域温度。在操作304处,使用确定的内部区域温度来建立内部区域温度模型。在操作305处,使用确定的外部区域温度来建立外部区域温度模型。在操作306处,内部区域温度模型用于控制加热器设备的内部区域设定点。且在操作307处,外部区域温度模型用于控制加热器设备的外部区域设定点。
在方法200的操作202处以及方法300的操作302和操作303处,可用多种方式确定温度。在一些实施例中,基板处理操作包括在基板154上沉积膜。例如,膜可以是碳硬掩模。可以测量膜的温度相关的性质并基于温度相关的性质确定温度。例如,温度相关的性质可以是膜的光学吸收系数(光学k)。图4A和图4B是说明此种关系的数据曲线,所述数据曲线示出了基板温度(以及因此沉积膜的光学k)如何在随后的基板处理操作中漂移。
图4A是根据一个实施例的从维护事件以来的基板计数相对于沉积在基板上的膜的光学吸收系数的曲线图。数据401和数据402适于在其中所使用的工艺腔室装配有“新”部件(即,没有看到或看到少量基板处理操作的部件)的实验设置中所测量的变量。数据401示出了基板内部区域的基板数量相对于光学k的关系,且数据402示出了基板外部区域的基板数量相对于光学k的关系。由于沉积膜的光学k取决于处理期间的基板温度,因此数据401和数据402不仅示出了基板温度在连续的基板处理操作中漂移,且示出了内部区域温度比外部区域温度漂移得更快。
图4B是根据一个实施例的从维护事件以来的基板计数相对于沉积在基板上的膜的光学吸收系数的曲线图。数据403和数据404适于在其中所使用的工艺腔室装配有“旧”部件(即,已看到大量基板处理操作的部件)的实验设置中测量的变量。数据403示出了基板内部区域的基板计数相对于光学k的关系,且数据404示出了基板外部区域的基板计数相对于光学k的关系。由于沉积膜的光学k取决于处理期间的基板温度,因此数据403和数据404不仅示出基板温度在连续的基板处理操作中漂移,且示出了内部区域温度比外部区域温度漂移得更快。
在其他实施例中,通过在基板处理操作期间的时间间隔期间测量加热器设备的功率输出来确定方法200的操作202以及方法300的操作302和操作303的温度。相关于下文的图5和图6来论述此方法。
图5示出了具有图1的加热器设备170的基板支撑件104的横截面示意图。基板支撑件104支撑基板154,且加热器设备170设置在基板支撑件104中。将基板支撑件104分成内部区域501和外部区域502。加热器设备170(显示为电阻式加热器)包含用于每个区域的单独的加热器:用于内部区域501的内部加热器510和用于外部区域502的外部加热器520。内部加热器510包括功率计511、电源512和电阻式加热元件513。同样地,外部加热器520包括功率计521、电源522和电阻式加热元件523。电源512和522可为图1所示的加热器电源172的一部分。内部加热器510和外部加热器520也耦接到加热器温度传感器(未示出),所述加热器温度传感器耦接到如图1中所示的控制器186。
在操作期间,加热器设备170通过改变电源512或电源522的功率输出来对应于内部区域501或外部区域502的温度变化。构想到,功率输出的变化与温度变化成正比。然而,由于电源512和513的频率(例如,50Hz),试图瞬时测量功率输出导致难以从中提取温度的噪声数据集。
相反,功率计511和功率计521记录与电源512和513的循环周期相比相对长的一段时间内的总功率输出。例如,对于50Hz电源,功率计511和功率计521测量在约1秒至约10分钟的时间段(诸如约2分钟)内的总功率输出。因此,并非试图从瞬时功率测量中提取温度,而是可从跨连续时间间隔的功率输出变化中提取温度变化。在一个实施例中,功率计511和功率计521测量峰至峰功率波动,且通信地耦合到功率计511和功率计521的软件计算平均功率输出以实现较低频率数据采集。
图6是从维护事件以来的基板计数相对于每个连续基板的温度变化的曲线图。无论用于确定温度的方法如何,之后皆可将温度变化绘制为从上次维护事件以来的基板计数的函数。在图6中,y轴是每个基板的温度变化(乘以100以使标度标准化),单位为摄氏度。x轴是从上次维护事件以来的基板计数。数据601、602和603适于关于图4A和图4B描述的类似工艺的结果。数据601代表内部区域、数据603代表外部区域,且数据602代表跨基板154的平均值。类似于图4A和图4B,数据601和数据603示出了基板温度在内部区域中比在外部区域中变化更快。
一旦确定了温度,无论是针对方法200的整个基板还是针对方法300的内部区域和外部区域,在方法200的操作203以及方法300的操作304和操作305中使用温度随时间的变化来建立温度模型。构建这些模型的一种方法是通过机器学习技术。例如,基于温度变化数据,可使用以下等式来预测来自第一基板W1和第二基板W2的基板的内部区域和外部区域的温度变化:
其中ΔTi和ΔTo分别是内部区域和外部区域的温度从W1到W2的总变化。和分别是从上次维护事件以来的每个晶圆计数W的内部区域温度和外部区域温度的变化率。应注意,W由软件追踪并在维护事件时重置。在一个实施例中,W1是第一基板的第一基板计数,W2是第一基板的第二基板计数。一旦建立了这些模型,所述模型可用于调整加热器设备设定点以用于将来的基板处理操作,如方法200的操作204以及方法300的操作306和操作307。
本文描述的方法使得能够对基板处理操作进行许多改进。本公开内容提供了间接确定基板温度的各种方法。通过确定温度和建立模型来预测基板温度在腔室和部件的寿命期间将如何变化,可调整加热器设定点以帮助基板温度保持在期望的工艺参数内。这样做既可减少维护停机时间,也可改进装置品质(尤其是当工艺参数规定仅为几摄氏度的摄氏温度范围时)。
尽管前述内容针对本公开内容的示例,但可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的示例;并且本公开内容的范围由所附权利要求所确定。
Claims (15)
1.一种方法,包括:
在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理所述多个基板中的一个;
在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的基板温度变化;
基于所述多个基板中的每个基板的所述基板温度来将所测量的工艺变量输入到基板温度变化模型中,所述基板温度变化模型包括:
响应于所述基板温度变化模型的输出,控制所述工艺腔室的基板支撑件中的加热器设备的温度或功率设定点中的一个或多个。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的基板温度进一步包括:
测量在所述多个基板处理操作期间沉积在所述多个基板中的每个基板上的膜的温度相关的膜性质;以及
基于所述温度相关的膜性质来确定所述多个基板中的每个基板的所述基板温度。
3.如权利要求2所述的方法,其中所述温度相关的膜性质是光学吸收系数。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的基板温度进一步包括:
在所述多个基板处理操作的每个基板处理操作期间,在多个时间间隔中的每个时间间隔期间测量所述加热器设备的功率输出;以及
在所述多个时间间隔中的每个时间间隔期间,基于所述功率输出确定所述多个基板中的每个基板的所述基板温度。
5.如权利要求4所述的方法,其中使用功率计测量所述功率输出。
6.一种方法,包括:
在工艺腔室中的多个基板上执行多个基板处理操作,其中在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间处理所述多个基板中的一个;
在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的内部区域的温度;
在所述多个基板处理操作期间确定所述多个基板中的每个基板的外部区域的温度;
基于所述多个基板中的每个基板的所述内部区域的所述温度来确定内部区域温度模型;
基于所述多个基板中的每个基板的所述外部区域的所述温度来确定外部区域温度模型;
基于所述内部区域温度模型来控制所述工艺腔室的基板支撑件中的加热器设备的内部区域设定点;以及
基于所述外部区域温度模型来控制所述工艺腔室的所述基板支撑件中的所述加热器设备的外部区域设定点。
7.如权利要求6所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的内部区域温度进一步包括:
测量在所述多个基板处理操作期间沉积在所述多个基板中的每个基板上的膜的所述基板的所述内部区域中的温度相关的膜性质;以及
基于所述温度相关的膜性质来确定所述多个基板中的每个基板的所述内部区域温度。
8.如权利要求6所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的外部区域温度进一步包括:
测量在所述多个基板处理操作期间沉积在所述多个基板中的每个基板上的膜的所述基板的所述外部区域中的温度相关的膜性质;以及
基于所述温度相关的膜性质来确定所述多个基板中的每个基板的所述外部区域温度。
9.如权利要求7所述的方法,其中所述温度相关的膜性质是光学吸收系数。
10.如权利要求8所述的方法,其中所述温度相关膜性质是光学吸收系数。
11.如权利要求6所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的内部区域温度进一步包括:
在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间,在多个时间间隔中的每个时间间隔期间测量与所述基板的所述内部区域相对应的所述加热器设备的功率输出;以及
基于在所述多个时间间隔中的每个时间间隔期间的所述功率输出来确定所述多个基板中的每个基板的所述内部区域温度。
12.如权利要求6所述的方法,其中所述确定所述多个基板中的每个基板的内部区域温度进一步包括:
在所述多个基板处理操作中的每个基板处理操作期间,在多个时间间隔中的每个时间间隔期间测量与所述基板的所述内部区域相对应的所述加热器设备的功率输出;以及
基于在所述多个时间间隔中的每个时间间隔期间的所述功率输出来确定所述多个基板中的每个基板的所述内部区域温度。
13.如权利要求11所述的方法,其中使用功率计测量所述功率输出。
14.如权利要求12所述的方法,其中使用功率计测量所述功率输出。
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