CN115079748B - 蚀刻腔体的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种蚀刻腔体的温度控制方法，所述方法包括：在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，获得蚀刻腔体上部视窗的初始温度，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，控制上部视窗温度自初始温度调整至预设温度并保温直至蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器及开启冷却装置，使上部视窗以预设升温速率升温至蚀刻工艺生产温度。本申请经改善的流程设计，可以大大减小上部视窗在自宕机到恢复蚀刻工艺(补蚀刻)过程中的温差，由此可以极大避免上部视窗上的镀膜因较大的温差产生掉落而给后续制程带来大量颗粒污染的问题，有助于提高生产良率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种蚀刻腔体的温度控制方法。
背景技术
在蚀刻工艺生产中，晶圆进入反应腔体前，腔体会加载无晶圆自动清洁菜单(WACRecipe)。该菜单完成后，腔体内壁会清除旧镀膜(Coating SiClxOy)并重新镀膜，以此确保反应腔体不会沉积污染物。此镀膜为一次性使用，稳定性不高，会随着外界温度大幅度变化发生掉落。
目前业界对TCP(transformer coupled plasma，变压器耦合等离子体)反应腔体上部视窗 (TCP Window)的温度控制方案为：机台不生产时，上部视窗加热器开启，使其温度稳定在 60℃；机台生产时，反应气体产生的电浆(Plasma)将使腔体整体温度上升，上部视窗为上电极区域，温度上升极快，此时会关闭上部视窗加热器并开启制程冷却装置进行降温，确保其温度稳定或缓慢上升。
现有的蚀刻工艺中，机台生产时，腔体内有电浆，上部视窗加热器关闭，冷却装置为开启状态，上部视窗温度缓慢上升；当机台出现宕机故障停止生产，此时腔体内无电浆，上部视窗加热器关闭，冷却装置仍为开启状态，上部视窗温度急速下降，当上部视窗度变化范围过大时，将导致镀膜结构被破坏，镀膜碎片掉落到晶圆表面，当机台继续进行补蚀刻生产时，晶圆表面的镀膜碎片会阻挡电浆与晶圆反应，从而产生缺陷。上述过程的温度变化曲线参考图1所示，从图1可以看到，从宕机到补蚀刻，上部视窗的温度在78℃-24℃-60℃间波动，温差变化大，使得镀膜受影响掉落，导致补蚀刻时晶圆产生缺陷。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种蚀刻腔体的温度控制方法，用于解决现有技术中的蚀刻工艺在发生机台宕机时，按现有的操作方式，从宕机到恢复正常蚀刻工艺(补蚀刻)，上部视窗的温度波动很大，使得镀膜受影响掉落，导致补蚀刻时晶圆产生缺陷等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种蚀刻腔体的温度控制方法，所述方法包括：在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，获得蚀刻腔体上部视窗的初始温度，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，控制上部视窗温度自初始温度调整至预设温度并保温直至蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器及开启冷却装置，使上部视窗以预设升温速率升温至蚀刻工艺生产温度。
可选地，在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，通过PID算法控制上部视窗温度自初始温度升温至预设温度。
可选地，蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器且开启冷却装置，停止使用PID算法控制上部视窗温度。
可选地，预设升温速率低于10℃/100s。
更可选地，预设升温速率为3℃/100s。
可选地，预设温度和初始温度的温差大于等于0℃且小于等于10℃。
更可选地，预设温度与初始温度的温差为5℃。
可选地，所述蚀刻腔体包括TCP蚀刻腔。
可选地，蚀刻工艺包括单晶硅蚀刻工艺和多晶硅蚀刻工艺中的任意一种。
可选地，上部视窗温度自初始温度调整至预设温度的时长为40s-50s。
可选地，所述冷却装置包括冷却水，蚀刻机台恢复生产时，开启的冷却装置的流量为 0.8gal/min。
如上所述，本申请提供的蚀刻腔体的温度控制方法，具有以下有益效果：本申请经改善的流程设计，可以大大减小上部视窗在自宕机到恢复蚀刻工艺(补蚀刻)过程中的温差，由此可以极大避免上部视窗上的镀膜因较大的温差产生掉落而给后续制程带来大量颗粒污染的问题，有助于提高生产良率。
附图说明
图1显示为现有技术中的蚀刻机台的上部视窗在经历生产-宕机-补蚀刻过程中的温度变化曲线图。
图2显示为采用本申请的方法的蚀刻机台的上部视窗在经历生产-宕机-补蚀刻过程中的温度变化曲线图。
图3显示为本申请中视窗经历的温差与补蚀刻后的晶圆表面缺陷分布关系示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个组件或特征与其他组件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
现有的蚀刻工艺中，机台生产时，腔体内有电浆，上部视窗加热器关闭，冷却装置为开启状态，上部视窗温度缓慢上升；当机台出现宕机故障停止生产，此时腔体内无电浆，上部视窗加热器关闭，冷却装置仍为开启状态，上部视窗温度急速下降，当上部视窗度变化范围过大时，将导致镀膜结构被破坏，镀膜碎片掉落到晶圆表面，当机台继续进行补蚀刻生产时，晶圆表面的镀膜碎片会阻挡电浆与晶圆反应，从而产生缺陷。对此，本申请的发明人经长期研究，提出了一种改善方案。
具体地，本申请提供一种蚀刻腔体的温度控制方法，所述方法包括在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，第一时间进行测量以获得蚀刻腔体上部视窗的初始温度。宕机是指机台因死机而无法继续进行生产，此时机台一般会发出报警信息，即现有的大部分半导体生产设备都具备宕机警报功能，而导致宕机的原因可能有硬件(例如厂内突然断电)和/或软件(例如因为MES系统故障，无法持续输出控制指令)的原因，当设备出现宕机时，连接机台的各种供应源将启动应急措施，此时机台已经停止供应电浆(plasma)，因而蚀刻腔体内是没有电浆的，而本申请中需要以最快的速度获取宕机瞬间上部视窗的初始温度，以基于该初始温度采取后续的措施。如果蚀刻机台上设置有实时监控腔体温度的测温装置，例如红外测温传感器，那么机台全过程的温度，包括生产期间的温度以及到宕机时刻甚至宕机之后的温度都有记录，因而从现有测温装置测量的结果中标记出宕机时刻的上部视窗的温度即可，如果蚀刻机台内没有自带测温装置，则在宕机时尽快利用外部测温装置进行测温，在记录好上部视窗的初始温度后，以最快的速度开启视窗加热器以及关闭冷却装置，开启视窗加热器和关闭冷却装置的先后顺序并没有严格限制，但若能同步进行为最佳。由于加热器有一个预热阶段，上部视窗通常无法一开始就被加热，因而在开启视窗加热器和关闭冷却装置后，上部视窗的温度可能会有所下降，但通过控制上部视窗加热器的加热功率，上部视窗在经历短暂的降温后将开始升温(必要时可以利用外部加热装置对上部视窗进行加热)，而这个过程中，需要控制上部视窗温度自初始温度调整至预设温度，以将上部视窗经历的温差控制在预设范围内，由此防止上部视窗上的镀膜因经历较大温差而掉落，给后续的制程生产，例如给后续的补蚀刻工艺带来污染。且此处需要说明的是，由于蚀刻工艺温度通常大于常温，在宕机的瞬间，上部视窗的初始温度通常处在一个比较高温的状态，这种情况下，较佳的将预设温度设置为小于初始温度，因而宕机后控制上部视窗自初始温度降温至预设温度，这样温度管控的难度低一些，但如果因一些特殊原因，例如因腔体加热装置出现故障等原因导致上部视窗的初始温度较低时，则可以将预设温度设置为高于初始温度，宕机后控制上部视窗升温至预设温度，这样有利于后续尽快恢复至工艺温度，本实施例并不限定于某种特定情况，重要的是根据机台的既有情况尽快采取对策，使上部视窗能够在以较小温度波动的情况下尽快调整至预设温度。在上部视窗调整到预设温度后，工作人员通常需要查找宕机原因并尽快解决，此过程中，使上部视窗保持在预设温度并保温直至蚀刻机台恢复生产时(即直至宕机问题解决)的时间，也即保温时长由宕机瞬间至恢复正常生产的时长而定。如果是常规问题导致宕机，那工程师可以根据既往的SOP(标准作业流程)估计恢复生产所需的时间，即预估出保温时长。当然，很多时候导致宕机的原因比较复杂，因而可能自宕机至恢复生产的时间难以准确预估，只能耐心等待宕机问题彻底解决之后尽快关闭视窗加热器并开启冷却装置，机台进入恢复生产的程序，重新开始供应电浆，使得上部视窗在电浆的温度影响下以较低的预设升温速率(预设升温速率较佳地为低于10℃/100s)缓慢升温至蚀刻工艺生产温度。本申请提供的蚀刻腔体的温度控制方法中，蚀刻机台的上部视窗在经历生产-宕机-补蚀刻过程中的温度变化曲线图参考图2所示。图2中，当蚀刻机台处于生产时，此时腔体内有电浆，上部视窗加热器处于关闭状态且冷却装置开启，上部视窗会经历一个缓慢升温的过程，这个阶段与现有技术相差不大，而本申请主要是对机台发生宕机时候的处理流程进行了改善。从图2可以看到，相较于现有技术，本申请中，上部视窗在自宕机到恢复蚀刻工艺(补蚀刻)过程中的温差大大减小，这可以极大避免上部视窗上的镀膜因较大的温差而产生掉落，给后续制程带来大量颗粒污染的问题，有助于提高生产良率。
本申请中，作为示例，在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，通过PID算法控制上部视窗温度自初始温度升温至预设温度。PID是Proportional (比例)、Integral(积分)及Differential(微分)的缩写，即PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，是一种闭环控制，它根据控制对象输出反馈来进行校正，在测量出实际值与计划值发生偏差时，会按定额或标准来进行纠正，因此尤其适用于半导体制程工艺控制，可以根据需要进行精确控制，例如在设置好预设温度后，视窗加热器对上部视窗进行直接加热，并以预设温度作为目标值，加热过程中根据上部视窗的温度调整视窗加热器的加热功率等参数，由此进行闭环控制，以使上部视窗逐步自初始温度调整至预设温度，例如使上部视窗升温至预设温度。而当蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器且开启冷却装置后，较佳地为停止使用PID算法控制上部视窗温度，因为这时蚀刻腔体内已经开始供应电浆，电浆具有一定温度，在周围环境影响下，将使上部视窗逐渐升温，但这个升温的过程不再继续适用PID算法控制，故使上部视窗在电浆作用下缓慢升温即可。
本申请的发明人针对上部视窗在宕机-补蚀刻过程中经历的温差与补蚀刻后晶圆表面缺陷的分布关系进行了大量实验，得到类似图3的温差与晶圆缺陷分布关系图，图3中的黑点代表晶圆上的缺陷。从图3可以看到，上部视窗经历的温差越小，上部视窗表面的镀膜掉落的概率越小，则补蚀刻后晶圆表面的缺陷越少。理论上，上部视窗经历的温差为零时，即前述提及的上部视窗的初始温度与预设温度一致时，上部视窗上的镀膜一直处于恒定的状态，因而基本上不会产生掉落。但在实际生产中，保证上部视窗的温度在宕机后至补蚀刻过程中完全不变是难以实现的。通常，上部视窗经历的温差在10℃以内，即预设温度与初始温度的温差大于等于0℃且小于等于10℃时，所产生的缺陷分布都在工艺可控范围内，且发明人经大量实验发现，将上部视窗经历的温差控制在5℃，也即，使预设温度与初始温度的温差控制在5℃是可能的，因而5℃的温差是一个兼具生产良率和现实可能性的最佳参数。
理论上，蚀刻机台凡在WAC(无晶圆清洁)步骤中涉及到预镀膜(pre-coating)，都需要考虑镀膜掉落的问题，因而都可以采用本申请解决镀膜掉落问题。但是像介质层的蚀刻一般使用CCP(Capacitively Coupled Plasmas,容性耦合等离子源)或RIE(ReactiveIon Etching，反应离子蚀刻)技术，蚀刻腔体采用喷淋头(shower head)通入反应气体，喷淋头气孔很小，容易堵塞，所以在WAC中没有加入预镀膜技术，故而本申请提供的方法更适合TCP蚀刻工艺，即所述蚀刻腔体较佳地为TCP蚀刻腔，但不仅限于此，适用的蚀刻工艺包括单晶硅蚀刻工艺和多晶硅蚀刻工艺中的任意一种。
通常，在发生宕机后，解决宕机的速度需越快越好，如果时间过长，上部视窗镀膜和/或机台内的晶圆可能发生氧化污染等问题，此时再进行补蚀刻可能意义不大，而只能进行报废处理。但在实际工作中，由于人员经验有限，宕机原因复杂等因素，机台自宕机到重启都需要一定的时间。较佳地，发明人经大量实验发现，上部视窗温度自初始温度调整至预设温度的时长为40s-50s时，后续的补蚀刻才是有意义的，即需在这个时间段内尽快完成机台的检修重启。
较佳地，所述预设升温速率控制在3℃/100s(秒)是比较好的，较为缓慢的升温可以确保蚀刻腔体保持在一个较为稳定的氛围，避免腔体内器件因快速升温产生不良。本实施中，所述冷却装置可以采用制冷片等结构，但较佳地为包括冷却水，便于对上部视窗进行均匀控温，且冷却水可与厂务系统兼容，当蚀刻机台恢复生产时，开启的冷却水的流量可以根据工艺需要而定，但在一较佳示例中，冷却水的流量为0.8gal/min，该流量的冷却水能够使上部视窗的温度变化保持平稳。
综上所述，本申请提供一种蚀刻腔体的温度控制方法，所述方法包括：在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，获得蚀刻腔体上部视窗的初始温度，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，控制上部视窗温度自初始温度调整至预设温度并保温直至蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器及开启冷却装置，使上部视窗以预设升温速率升温至蚀刻工艺生产温度。本申请经改善的流程设计，可以大大减小上部视窗在自宕机到恢复蚀刻工艺(补蚀刻)过程中的温差，由此可以极大避免上部视窗上的镀膜因较大的温差而产生掉落而给后续制程带来大量颗粒污染的问题，有助于提高生产良率。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，获得蚀刻腔体上部视窗的初始温度，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，控制上部视窗温度自初始温度调整至预设温度并保温直至蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器及开启冷却装置，使上部视窗以预设升温速率升温至蚀刻工艺生产温度。
2.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，在蚀刻机台生产过程中出现宕机异常时，开启视窗加热器以及关闭冷却装置，通过PID算法控制上部视窗温度自初始温度升温至预设温度；蚀刻机台恢复生产时，关闭视窗加热器且开启冷却装置，停止使用PID算法控制上部视窗温度。
3.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，所述预设升温速率低于10℃/100s。
4.根据权利要求3所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，预设升温速率为3℃/100s。
5.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，预设温度和初始温度的温差大于等于0℃且小于等于10℃。
6.根据权利要求5所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，预设温度和初始温度的温差为5℃。
7.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，所述蚀刻腔体包括TCP蚀刻腔。
8.根据权利要求7所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，蚀刻工艺包括单晶硅蚀刻工艺和多晶硅蚀刻工艺中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，上部视窗温度自初始温度调整至预设温度的时长为40s-50s。
10.根据权利要求1所述的蚀刻腔体的温度控制方法，其特征在于，所述冷却装置包括冷却水，蚀刻机台恢复生产时，开启的冷却水的流量为0.8gal/min。
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