CN112212994A - 一种等离子体刻蚀晶圆的温度分布检测装置 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种等离子体刻蚀晶圆的温度分布检测装置，涉及半导体技术领域，通过在晶圆表面设置若干温度传感器；检测对应点的温度值，进而得到所述晶圆的温度分布情况。避免对等离子体刻蚀工艺腔室做特殊处理，具有较高的实用性，同时，可以通过设置较多的监测点，来实现检测晶圆表面较多分布点的温度，采样率相对较高，因此可获得准确度较高的晶圆表面温度分布，保证了晶圆片加工的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种等离子体刻蚀晶圆温度分布的监测装置。
背景技术
伴随着超大规模集成电路中电路功能的多样化，对于电路集成度的要求也逐渐提高，芯片中关键尺寸朝着小型化发展，各大芯片厂商也在寻求更精密的工艺，芯片的关键尺寸从7nm转向5nm成为一种发展趋势。刻蚀在半导体工艺过程中主要负责图形的转换，是关键尺寸小型化的必要过程，线宽的变窄对工艺稳定性提出了相当高的要求。相较于传统的湿法刻蚀工艺，等离子体刻蚀凭借其刻蚀的各向异性，能够提高整体的刻蚀准确性。
但面临有效线宽的不断缩小，晶圆温度分布的不均匀性对芯片加工成品率的影响也越来越大，因此，精确检测晶圆的温度对于电路的加工至关重要，检测晶圆表面的温度分布对于解决半导体制程中遇到的各种问题亦具有重要作用，但是，现阶段对于晶圆表面温度分布的检测越来越难以跟上制程的需求，例如，在晶圆加工过程中，针对温度检测主要依赖于机台自带的温度传感线，但是这种测试技术基本只能满足晶圆表面单一测试点的温度。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足与缺陷，通过对现有技术的改进，提供一种等离子体刻蚀晶圆表面温度检测装置，精确测量晶圆表面温度分布，提高芯片的良品率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种等离子体刻蚀晶圆的温度分布检测装置，该装置包括：温度探测系统、数据采集系统、数据处理系统、温度显示系统，所述温度探测系统包括多个埋设于晶圆内的温度探头，每个温度探头的数据线连接数据采集系统，数据采集系统采集到的数据传输给数据处理系统，计算出温度后给温度显示系统显示；所述温度探测系统中的温度探头为丝状热电偶，埋设于晶圆空腔结构内；所述空腔结构为底部和颈部都为圆形，且底部直径大于口部直径，所述丝状热电偶包括A段和B段，A段对应热电偶的正极成分为镍铬合金，成分比为：Ni：Cr＝7.65：1；B段对应热电偶的负极，成分为镍硅合金，成分比为：Ni：Si＝33：1；A段和B段的连接点为热电偶结，位于空腔结构底部的中点，从热电偶结开始丝状热电偶包括A段和B段沿着相同的时针方向盘绕于空腔结构底部，构成A段和B段间隔绕制的热电偶盘，且A段和B段的绕制结束点分别位于热电偶盘的两侧；A段和B段连接出空腔结构，空腔结构中的A段和B段长度相等；连接出空腔结构的A段和B段输出端为温度探头的数据输出端；所述空腔结构内部采用比例为1.35：1的聚酰亚胺：硅屑的混合材料进行填充，填充后的晶圆在100℃～140℃的环境中保温1小时；填充材料与晶圆表面齐平，采用比例为1.75：1的SiO2：Al2O3混合陶瓷浆料对空腔结构进行封口，陶瓷浆料置于40～60℃环境烘烤6～8小时。
进一步的，本发明用于直径为300mm的晶圆，温度探头为49个，均匀分布于晶圆上，间距为15mm～60mm；热电偶的直径为0.05mm，测量温度范围为25℃～400℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用与待测目标工艺相同的晶圆结构进行操作，避免了传统光学式监测技术中，需要对工艺腔室做特殊处理的步骤，同时可以避免因环境因素对传感器光学性能的影响，以至于影响最终的测温精度。操作相对简单，且成本相对较低。
2、本发明采用在晶圆表面设置多个监测点设计，避免了直接利用机台设计的温度传感器测量结果的局限性，可以实现对晶圆表面多区域的测量，测量范围更广，测量精度更高，可以更精确的表面温度分布。
综上所述，在本发明了一种等离子体刻蚀晶圆温度检测装置，通过在晶圆表面设置若干温度传感器；检测对应点的温度值，进而得到所述晶圆的温度分布情况。避免对等离子体刻蚀工艺腔室做特殊处理，具有较高的实用性，同时，可以通过设置较多的监测点，来实现检测晶圆表面较多分布点的温度，采样率相对较高，因此可获得准确度较高的晶圆表面温度分布，保证了晶圆片加工的成品率。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明一实施例等离子体刻蚀晶圆温度监测系统流程图；
图2是本发明一实施例提供的晶圆表面的监测点的分布图；
图3是本发明一实施例提供的等离子体刻蚀晶圆温度监测系统结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的温度传感器结构安装俯视图示意图；
图5是本发明一实施例提供的温度传感器安装腔内热电偶结基本结构示意图；
图6是本发明一实施例提供的温度传感器结构侧视图；
图7是本发明一实施例提供的晶圆温度场重构结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
在晶圆表面不同位置安装适量的温度传感器，通过对应的导线将温度信号导出，通过温度传感器的探测，采集不同位置点的温度，进而得到所述晶圆表面的温度分布情况。温度信号经温度探测系统探测后，由数据采集系统进行相应的采集，经数据处理系统分析后，相应结果通过温度显示系统显示给使用者。在所述温度探测系统中，所述晶圆的直径为，所述监测点为49个，且均匀分布于所述晶圆上。在所述温度探测系统中，所述温度传感器主要为直径为0.05mm热电偶，在晶圆表面设置规格统一的空腔结构，将所述的热电偶的热端固定在空腔内。所述温度探测系统中，在晶圆空腔内形成了特殊的热电偶结，热电偶的A导体端和B导体端交错绕线，在该结构空腔的中心区域形成了用于感温的热电偶结，保证了热电偶结中心区域的等温环境。所述温度探测系统中，热电偶空腔的表面封装主要采用混合比例为1.75：1的SiO2/Al2O3混合陶瓷浆料，可以最大限度地减少与键合材料红外辐射吸收和发射率之间误差。
在所述温度探测系统中，针对空腔环境，针对空腔结构采用了聚酰亚胺/硅屑(1.35：1)混合材料填充物进行填充，一方面，可以保证热电偶与晶圆之间良好的接触性，另一方面，采用化学手段隔绝热电偶线与晶圆基板，可以有效防止高温环境下硅化物的形成，避免了对晶圆的污染。
在所述温度探测系统中，热电偶安装空腔主要采用微细加工的手段形成的，用高速微刀具在晶圆基板上磨出一个小孔，再将高速刀具探入孔内形成空腔；热电偶结主要是镍铬合金和镍硅合金材料通过电容放电焊接形成。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。
本发明的目的在于：克服现有技术的不足与缺陷，通过对现有技术的改进，提供一种等离子体刻蚀晶圆表面温度检测装置，精确测量晶圆表面温度分布，提高芯片的良品率。
本发明提供了一种等离子体刻蚀晶圆温度分布的检测装置，其包括：温度探测系统、数据采集系统、数据处理系统、温度显示系统。在晶圆表面不同位置安装适量的温度传感器，通过对应的导线将温度信号导出，通过温度传感器的探测，采集不同位置点的温度，进而得到所述晶圆表面的温度分布情况。温度信号经温度探测系统探测后，由数据采集系统进行相应的采集，经数据处理处理系统分析后，相应结果通过温度显示系统显示给使用者。
以下参考附图进行描述。请参考图1至图5，其中图1是本发明一实施例等离子体刻蚀晶圆温度监测系统流程图；图2是本发明一实施例提供的晶圆表面的监测点的分布图；图3是本发明一实施例提供的等离子体刻蚀晶圆温度监测系统；图4是本发明一实施例提供的温度传感器结构安装示意图；图5是本发明一实施例提供的晶圆温度场重构结果图。
在本实施例中，首先提供一晶圆，在该晶圆上设定若干监测点，进而在晶圆表面设置若干温度传感器，测量得到所述温度传感器监测点的温度，进而即可得到所述晶圆的温度分布情况。
进一步的，在所述温度探测系统中，所述晶圆的直径为300mm，所述监测点为49个，且均匀分布于所述晶圆上。在所述晶圆温度分布的检测装置中，所述若干监测点的间距在15mm～60mm之间，保证不同温度点之间间距合理，既能有效减少传感器的数量，降低系统成本，同时保证了温度场拟合的准确性。
进一步的，在所述温度探测系统中，所述温度传感器主要为直径为0.05mm热电偶，在晶圆100表面设置规格统一的空腔结构301，将所述的热电偶302、303的热端固定在空腔内。
进一步的，在所述温度探测系统中，热电偶采用了特殊的安装方式，在晶圆表面内形成了特殊的热电偶结305，如图5所示，该热电偶结安装于圆形结构304中，热电偶的A导体端302和B导体端303交错绕线，在该结构空腔的中心区域形成了用于感温的热电偶结305，保证了热电偶结中心区域的等温环境。热电偶空腔的表面封装306主要采用陶瓷材料，具有最小的表面积，可以最大限度地减少与键合材料红外辐射吸收和发射率之间误差。
进一步的，在所述温度探测系统中，热电偶的安装空腔采用了特殊处理，针对空腔环境，采用掺杂于聚酰亚胺中的硅屑作为填充物304进行填充，一方面，可以保证热电偶与晶圆之间良好的接触性，另一方面，采用化学手段隔绝热电偶线(302、303)与晶圆基板301，可以有效防止高温环境下硅化物的形成，避免了对晶圆的污染。
进一步的，在所述温度探测系统中，热电偶安装空腔主要采用微细加工的手段形成的，用高速微刀具在晶圆基板上磨出一个小孔，再将高速刀具探入孔内形成空腔304；热电偶结主要是将两种合金热电偶丝(303、302)通过电容放电焊接等常规技术形成的，本实施例中，主要采用了镍铬合金和镍硅合金材料制作了热电偶结；同时采用了物理气相淀积技术在热电偶导线和热电偶结上淀积了绝缘层；最终将热电偶结和热电偶线插入并固定在晶圆表面的空腔内，针对空腔结构采用了聚酰亚胺/硅屑(1.35：1)混合材料填充，填充后的晶圆在100℃～140℃的环境中保温1小时，实现对填充物的固化；最后采用了陶瓷浆(SiO2/Al2O3＝1.75：1)组成的粘结材料填充空腔开口，陶瓷浆料置于40～60℃环境低温烘烤6～8小时，实现固化；空腔填充物和陶瓷封口浆料与热电偶空腔结构几何结构基本一致，同时空腔填充物和陶瓷封口浆料的热膨胀系数与晶圆基板基本相同，保证了热电偶线与热电偶结的高可靠性固定。
进一步的，在所述温度探测系统中，所述的晶圆直径为300mm，所述监测点110为49个，且均匀分布于所述晶圆100上。下表1为该49个监测点110的坐标(单位为mm)，其中，以晶圆100的圆心为坐标原点：
表1
| 0.0000，0.0000， | 0.0000，-97.9995， | -97.9995，0.0000， |
| 97.9995，0.0000， | 141.9915，38.0475， | 103.9455，-103.9440， |
| 38.0460，141.9915， | -147.0000，0.0000， | -73.5015，127.3050 |
| -73.5000，-127.3070， | 0.0000，-49.0005， | ，0.0000，97.9995， |
| 0.0000，49.0005， | -37.5030，-90.5400， | -90.5400，37.5030， |
| 90.5400，-37.5030， | 147.0000，0.0000， | 73.5000，-127.3070， |
| 73.5000，127.3065 | -141.9920，38.0460， | -38.0475，141.9915， |
| -103.9440，-103.9460， | -34.6485，-34.6485， | 37.5030，90.5400， |
| 34.6485，34.6485， | -69.2955，-69.2970， | -69.2970，69.2955， |
| 69.2970，-69.2955， | 141.9915，-38.0460， | 38.0475，-141.9920， |
| 103.9455，103.9455， | -127.3070，73.4985， | 69.2955，69.2970， |
| -127.3050，-73.5000， | -49.0005，0.0000， | -37.5030，90.5400， |
| 49.005，0.0000， | -90.5400，-37.5030， | 0.0000，-147.0000 |
| 37.5030，-90.5400， | 127.3065，-73.5000， | ，90.5400，37.5030， |
| 127.3065，73.5000， | -103.9460，103.9440， | 0.0000，147.0000， |
| -141.9920，-38.0475， | -73.5015，127.3050 | -38.0460，-141.9920 |
| 34.6485，-34.6485， |
需理解，这里监测点110均匀分布与晶圆100上，可以是呈网格状分布，也可以是围绕晶圆100的圆心呈圆周分布等。此外，监测点101也不限于为49个，本领域技术人员可根据采样精度的需求自行设定，本发明对此不限。通过设置较多的监测点110，来实现检测晶圆100表面较多分布点的温度，采样率相对较高，因此可获得的晶圆100的温度分布情况更真实，实用性更强。
综上所述，在本发明了一种等离子体刻蚀晶圆温度检测装置，通过在晶圆表面设置若干温度传感器；检测对应点的温度值，进而得到所述晶圆的温度分布情况。避免对等离子体刻蚀工艺腔室做特殊处理，具有较高的实用性，同时，可以通过设置较多的监测点，来实现检测晶圆表面较多分布点的温度，采样率相对较高，因此可获得准确度较高的晶圆表面温度分布，保证了晶圆片加工的成品率。
Claims (2)
1.一种等离子体刻蚀晶圆的温度分布检测装置，该装置包括：温度探测系统、数据采集系统、数据处理系统、温度显示系统，所述温度探测系统包括多个埋设于晶圆内的温度探头，每个温度探头的数据线连接数据采集系统，数据采集系统采集到的数据传输给数据处理系统，计算出温度后给温度显示系统显示；所述温度探测系统中的温度探头为丝状热电偶，埋设于晶圆空腔结构内；所述空腔结构为底部和颈部都为圆形，且底部直径大于口部直径，所述丝状热电偶包括A段和B段，A段对应热电偶的正极成分为镍铬合金，成分比为：Ni：Cr＝7.65：1；B段对应热电偶的负极，成分为镍硅合金，成分比为：Ni：Si＝33：1；A段和B段的连接点为热电偶结，位于空腔结构底部的中点，从热电偶结开始丝状热电偶包括A段和B段沿着相同的时针方向盘绕于空腔结构底部，构成A段和B段间隔绕制的热电偶盘，且A段和B段的绕制结束点分别位于热电偶盘的两侧；A段和B段连接出空腔结构，空腔结构中的A段和B段长度相等；连接出空腔结构的A段和B段输出端为温度探头的数据输出端；所述空腔结构内部采用比例为1.35：1的聚酰亚胺：硅屑的混合材料进行填充，填充后的晶圆在100℃～140℃的环境中保温1小时；填充材料与晶圆表面齐平，采用比例为1.75：1的SiO2：Al2O3混合陶瓷浆料对空腔结构进行封口，陶瓷浆料置于40～60℃环境烘烤6～8小时。
2.如权利要求1所述的一种等离子体刻蚀晶圆的温度分布检测装置，其特征在于，所述检测装置用于直径为300mm的晶圆，温度探头为49个，均匀分布于晶圆上，间距为15mm～60mm；热电偶的直径为0.05mm，测量温度范围为25℃～400℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Chao Inventor after: Niu Yi Inventor after: Zhang Zezhan Inventor after: Jia Jingcai Inventor after: Jiang Jing Inventor after: Yu Peifeng Inventor after: Zhong Yekui Inventor after: Qiu Anmei Inventor before: Wang Chao Inventor before: Zhong Yekui Inventor before: Jia Jingcai Inventor before: Qiu Anmei Inventor before: Zhang Zezhan Inventor before: Yu Peifeng Inventor before: Niu Yi Inventor before: Jiang Jing |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210112 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |