CN115584493A - 利用加热器温度控制的基板处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用加热器温度控制的基板处理方法，对可减少沉积膜的厚度方向上的介电常数偏差的基板处理方法进行揭示。根据本发明的基板处理方法包括：基板装载步骤，将基板装载到配置在反应腔室内的加热器上；稳定化步骤，将所述加热器的温度保持为第一温度；沉积步骤，将反应气体供给到反应腔室内以在基板上形成膜；以及吹扫步骤，对反应腔室内部进行吹扫，且在所述沉积步骤中，将所述加热器的温度升温到比所述第一温度高的温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基板处理方法。更详细来说，本发明涉及一种利用加热器温度控制的基板处理方法。
背景技术
作为在晶片或基板上沉积厚度约为1μm以下的薄膜的方法，代表性的具有化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)方法与物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)方法。在其中，CVD方法为在反应腔室中通过反应气体的化学反应沉积所需材料的方法。
在利用CVD方法沉积薄膜时，为了提高所沉积的薄膜的特性，从先前开始对射频(radio frequency，RF)功率、沉积时间、腔室温度等各种工艺条件进行控制。作为一例，在专利文献1中揭示了一种薄膜沉积装置，所述薄膜沉积装置包括：坩埚部，沿长度方向设定两个以上加热区域，以在位于工艺腔室内的处理空间中的基板形成薄膜；线源(linearsource)，包括与各所述加热区域对应设置的两个以上加热器部；一个以上蒸发率传感器，与所述加热区域中的一者对应设置，用于对对应的加热区域的蒸发率进行测定；以及控制部，以通过所述蒸发率传感器测定蒸发率的加热区域的测定蒸发率为基准，对与测定对象加热区域以外的其余加热区域对应设置的加热器部的发热量进行控制，以对线源的蒸发率进行控制。根据所述专利文献1，以通过蒸发率传感器测定的沉积物质的蒸发率为基础，通过对各加热器部的发热量独立地进行控制，从而可提高薄膜沉积的均匀性。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]公开专利公报第10-2017-0141486号(2017年12月26日公开)
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明欲解决的课题是提供一种通过配置在反应腔室内的加热器的温度控制来对加热器上的晶片的温度进行调整，进而可提高所沉积的薄膜的特性的利用加热器温度控制的基板处理方法。
特别是，本发明欲解决的课题是提供一种通过利用升温(ramping)、比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)、功率比(power ratio)等的加热器的作动控制对加热器上的晶片的中心部与边缘部的温度进行控制，从而可提高所沉积的薄膜的特性的利用加热器温度控制的基板处理方法。
[解决问题的技术手段]
用于解决上述课题的根据本发明的基板处理方法包括：基板装载步骤，将基板装载到配置在反应腔室内的加热器上；稳定化步骤，将所述加热器的温度保持为第一温度；沉积步骤，将反应气体供给到反应腔室内以在基板上形成膜；以及吹扫步骤，对反应腔室内部进行吹扫，且在所述沉积步骤中，将所述加热器的温度升温到比所述第一温度高的温度。
在所述沉积步骤中，可将所述加热器的温度升温到比所述第一温度高10℃至40℃的温度。
可将所述加热器的表面分为中心部、与所述中心部外廓的边缘部，且在所述沉积步骤中，使所述边缘部的温度增加量比所述中心部的温度增加量更大。
可以如下方式进行控制：与在所述稳定化步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比(以下，第一功率比)相比，在所述沉积步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比(以下，第二功率比)更高。
可将所述第二功率比控制为1.6～1.8。
可以独立于所述中心部的方式对所述边缘部的温度进行控制。
[发明的效果]
在根据本发明的基板处理方法中，可通过加热器的温度控制减小在所沉积的膜的厚度方向上的介电常数的差异。
更具体来说，在根据本发明的基板处理方法中，在沉积步骤中，将加热器的温度升温到比第一温度高的温度，因此可减小在所沉积的膜的厚度方向上的介电常数的差异。进而，通过对加热器的边缘部的附加的温度控制，可更进一步减小在所沉积的膜的厚度方向上的介电常数的差异。
本发明的效果不限定于以上所提及的效果，未提及的另一效果通过以下详细的说明对本领域技术人员而言可清楚地理解。
附图说明
图1概略性地示出通过两次沉积工艺形成在基板上的非晶碳膜。
图2示出在于各沉积工艺中形成的非晶碳膜的厚度方向上各种位置处的介电常数(K值)。
图3示出在非晶碳膜的厚度方向上与介电常数的差异对应的蚀刻轮廓。
图4示出理想的蚀刻轮廓。
图5示出加热器的温度控制系统的例子。
图6示出加热器表面的中心部与边缘部。
图7是概略性地示出根据本发明实施例的基板处理方法的顺序图。
图8a至图8c示出在沉积步骤中包括加热器的温度的升温的基板处理方法的温度轮廓的例子。
图9a至图9c示出在沉积步骤中包括提高加热器的边缘部的功率比的基板处理方法的功率轮廓的例子。
图10示出晶片的49个测定点。
图11a至图11c示出在于610℃下应用边缘部对中心部的功率比1.5来沉积
及
厚度的非晶碳膜时，(a)不同晶片测定点的介电常数(K值)、(b)各不同步骤的加热器设定温度、(c)各不同步骤中作用于中心部与边缘部的功率。
图12a至图12c示出在610℃下应用边缘部对中心部的功率比1.5来沉积
及
厚度的非晶碳膜后，(a)在于沉积步骤中不进一步将加热器的温度升温时、(b)在于沉积步骤中将加热器的温度升温10℃时、(c)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃时的不同晶片测定点的介电常数(K值)。
图13a至图13c示出在610℃下沉积
及
厚度的非晶碳膜后，在沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，另外(a)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时、(b)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.7时、(c)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比2.0时不同晶片测定点的介电常数(K值)。
图14a至图14f示出在610℃下沉积
及
厚度的非晶碳膜后在以下情形不同晶片测定点的介电常数(K值)：(a)在于沉积步骤中不将加热器的温度升温，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时，(b)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时，(c)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.7时，(d)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比2.0时，(e)在各别地对加热器的中心部的温度、边缘部的温度应用610℃、595℃，且在于沉积步骤中不将加热器的温度升温时，(f)在各别地对加热器的中心部的温度、边缘部的温度应用610℃、595℃，且在于沉积步骤中将加热器的温度升温10℃时。
具体实施方式
本发明的优点及特征、以及达成其等的方法将参照以下详细描述的实施例以及附图而变得明确。然而，本发明不限定于以下揭示的实施例，而是以彼此不同的各种形式实现，本实施例仅是使本发明的揭示完整，且是为了对本发明所属技术领域中具有通常知识者完整地告知本发明的范畴而提供，且本发明仅由权利要求的范畴定义。贯穿整个说明书，相同的参考符号指代相同的构成要素。为了说明的明了性，对图中层及区域的大小及相对大小可进行夸张说明。
称要素或层在另一元件“上方”或“上”的情形不仅包括直接位于另一元件或层的上面，而且包括在中间介置其他层或其他元件的情形。相反，元件被称为“直接位于…上方”或“正上”的情形表示在中间不介置其他元件或其他层。另外，应理解的是，在某种构成要素被记载为与另一构成要素“连接”、“结合”或“相连”的情况，虽然所述构成要素可彼此直接连接或相连，但在各构成要素之间也可“介置”其他构成要素，或者各构成要素通过其他构成要素进行“连接”、“结合”或“相连”。
作为空间相对性用语的“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等可用于容易地记述如图所示一个元件或构成要素与另一元件或构成要素的相关关系。空间相对性用语应理解为除图中所示的方向以外还包括元件在使用或操作时彼此不同的方向的用语。例如，在将图中所示的元件翻转的情况，被记述为另一元件的“下方”的元件可能被置于另一元件的“上方”。因此，作为例示性的用语的“下方”可包括下方与上方两个方向。
在本说明书中使用的用语用于对实施例进行说明，因此并非对本发明进行限制。在本说明书中，除非在句子中特别提及，否则单数形也包括复数形。在说明书中使用的“包括”和/或“包括的”提及的构成要素、步骤、动作和/或元件不排除存在或附加一个以上的其他构成要素、步骤、动作和/或元件。
以下，参照附图关于根据本发明优选实施例的基板处理方法详细地如下进行说明。
图1概略性地示出通过两次沉积工艺形成在基板上的非晶碳膜。图2示出在于各沉积工艺中形成的非晶碳膜的厚度方向上各个位置处的介电常数(K值)。
参照图1及图2，在通过CVD方式形成在基板上的非晶碳膜101、102的情况，可观察到在厚度方向上显示出不同的介电常数(K值)。可观察到，在膜的下部部分、即在各沉积工艺初期形成的部分中显示出约0.57左右的相对高的K值，但在膜的上部部分、即在各沉积工艺后期形成的部分中显示出约0.55左右的相对低的K值。
另外，如在图2中可观察到的情形所示，在膜的厚度方向上显示出不同的介电常数的现象在通过第一次工艺形成的膜101与通过第二次工艺形成的膜102中共同体现出。
图3示出在非晶碳膜的厚度方向上与介电常数的差异对应的蚀刻轮廓。图4示出理想的蚀刻轮廓。
参照图3，可观察到在各非晶碳膜101、102中，在膜的下部部分与膜的上部部分之间存在相当程度的蚀刻不均匀。如上所述，可观察到这种蚀刻不均匀是缘于在膜的厚度方向上的介电常数的差异。即，在膜的下部部分、即在各沉积工艺初期形成的部分中显示出相对高的K值，因此蚀刻量相对小，反之，在膜的上部部分、即在各沉积工艺后期形成的部分中显示出相对低的K值，因此蚀刻量相对大。
在这种图3的蚀刻轮廓的情况，提高工艺不良的可能性，需要改善蚀刻轮廓以接近图4所示的理想的蚀刻轮廓。为了改善这种蚀刻轮廓，需要减小在膜的厚度方向上的介电常数的差异。
这种在膜的厚度方向上的介电常数的差异被认为缘于在沉积步骤中喷头的辐射热的变化。随着在基板上进行沉积，在喷头处也逐渐进行沉积，且这种在喷头处进行沉积的情形成为使喷头辐射热减少的主要原因。
因此，即便向加热器提供相同的功率并设定为相同的温度，随着进行沉积，喷头辐射热逐渐减少，因此与沉积初期相比，在沉积后期在相对低的温度下进行沉积。
本发明的发明者通过长期研究结果了解到，若在沉积步骤中进一步对加热器的温度进行控制，则可补偿这种喷头辐射热，因此可减小在膜的厚度方向上的介电常数的差异。
图5示出加热器的温度控制系统的例子。
参照图5，为了进行加热器501温度控制，温度控制部510对测定加热器501的温度的热电偶(thermo couple，TC)等的信号作出回应，且向加热器中心部功率供给部520a及加热部边缘部功率供给部520b发送控制信号S1、S2。加热器中心部功率供给部520a对控制信号S1作出回应，且对加热器的中心部供给预先确定的功率P1。另外，加热器边缘部功率供给部520b对控制信号S2作出回应，且对加热器的边缘部供给预先确定的功率P2。
图6示出加热器表面的中心部与边缘部。
加热器501可分成中心部501a、与中心部外廓的边缘部501b。若将加热器整体的半径设为r1+r2，则中心部501a的宽度可为r1，边缘部501b的宽度可为r2。中心部501a的宽度r1与边缘部501b的宽度r2之比(r1：r2)可设定为例如3:1、2.5:1、2:1等。
可利用两种方式对加热器表面的中心部与边缘部的温度进行控制。第一种方式为以下方式：通过热电偶、灯丝(filament)等对中心部的温度进行控制，且对边缘部对中心部的功率比进行控制从而对边缘部的温度进行控制。另一方式为通过热电偶对中心部的温度进行控制，并通过热线温度控制对边缘部的温度进行控制的方式。
图7是概略性地示出根据本发明实施例的基板处理方法的顺序图。
参照图7，根据本发明的基板处理方法包括基板装载步骤S710、稳定化步骤S720、沉积步骤S730及吹扫步骤S740。
在根据本发明的实施例中，主要以在晶片上沉积非晶碳膜的情形为主进行说明，但本发明不限定于此，也可适用于其他种类的膜的沉积。
在基板装载步骤S710中，将基板装载到配置在反应腔室内的加热器上。在基板装载步骤S710之前，可额外包括预先对加热器进行加热的预热(pre-heating)步骤。在稳定化步骤S720中，将加热器的温度保持为预先确定的第一温度(例如在沉积非晶碳膜的情况为610℃)。在沉积步骤S730中，将反应气体供给到反应腔室内以在基板上形成膜。在吹扫步骤S740中，向反应腔室内部供给氩气、氮气等以去除反应腔室内的未反应气体、反应副产物等。
此时，在本发明中，在沉积步骤S730中，将加热器的温度升温到比第一温度高的温度。如上所述，即便向加热器提供相同的功率并设定为相同的温度，随着进行沉积，喷头辐射热逐渐减少，因此与沉积初期相比，在沉积后期会在相对低的温度下进行沉积，如本发明中所示，若在沉积步骤S730中将加热器的温度升温到比第一温度高的温度，则可补偿这种喷头辐射热减少。因此，如同经过沉积步骤全程在基板上在大体相同的温度下进行沉积，因此可减小在膜的厚度方向上介电常数的差异。
在沉积步骤S730中，优选为加热器经过整个沉积步骤逐渐升温。由此，随着进行沉积，可补偿喷头辐射热逐渐减少的情形。
在沉积步骤S730中，优选为将加热器的温度升温到比第一温度高10℃至40℃的温度，更优选为升温到比第一温度高10℃至20℃的温度。若加热器的温度增加量过小，则由升温带来的效果可能不充分，若加热器的温度增加量过大，考虑到所沉积的膜的特性可能发生变化的方面，加热器的温度增加量优选为10℃至40℃，更优选为10℃至20℃。
图8a至图8c示出在沉积步骤中包括加热器的温度的升温的基板处理方法的温度轮廓的例子。更具体来说，在图8a至图8c中示出包括以下步骤的基板处理方法的温度轮廓的例子：加热器预热(Preheat)步骤、基板配置(Place)步骤、稳定化(Stable)步骤(包括He等离子体)、沉积(Dep)步骤、吹扫(Purge)步骤(包括抽气)。
图8a示出在施加到边缘部的功率对施加到中心部的功率之比为1.5的情况的温度轮廓，图8b示出施加到边缘部的功率对施加到中心部的功率之比为1.7的情况的温度轮廓，图8c示出施加到边缘部的功率对施加到中心部的功率之比为2.0的情况的温度轮廓。
如图8a至图8c所示的温度轮廓是用于分别形成
厚度的非晶碳膜，且欲沉积的非晶碳膜的厚度越厚，沉积时间、随之而来的升温时间变得更长。
参照图8a至图8c，在稳定化步骤中，在将加热器的温度保持为约610℃后，在沉积步骤中将加热器的温度逐渐升温到约630℃至650℃。
另一方面，在吹扫步骤S740中，根据沉积种类，加热器的温度可再次恢复到第一温度。
另外，在沉积步骤S730中，可使边缘部的温度增加量比中心部的温度增加量更大。
作为一例，可以如下方式进行控制：与在稳定化步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到中心部的功率之比(以下，第一功率比)(例如1.5)相比，在沉积步骤中施加到边缘部的功率对施加到中心部的功率之比(以下，第二功率比)(例如1.7或2.0)更高。
实验结果为，在第一功率比为1.5时，在将第二功率比控制为1.7～2.0时，可有效地减小膜厚度方向的介电常数差异。
在吹扫步骤S740中，根据沉积种类，可恢复到第一功率比。
图9a至图9c示出在沉积步骤中包括提高加热器的边缘部的功率比的基板处理方法的功率轮廓的例子。
如图9a至图9c所示的功率轮廓表示用于分别形成
厚度的非晶碳膜的中心部(CENTER)与边缘部(EDGE)的功率(PWR)变化。
图9a是贯穿全程将边缘部对中心部的功率保持为1.5的情况，图9b是在沉积步骤中将边缘部对中心部的功率提高到1.7的情况，图9c是在沉积步骤中将边缘部对中心部的功率提高到2.0的情况。
参照图9a至图9c，可观察到仅在沉积步骤中增加施加到边缘部的功率的情形。
另一方面，在沉积步骤中除了对边缘部对中心部的功率进行控制的方式之外，也可以独立于中心部的方式对边缘部的温度进行控制。
图10示出晶片的49个测定点。从中心开始从1开始向边缘编49号。在以下的例子中，介电常数(K值)是在形成在晶片上的沉积膜的49个位置处进行测定。
图11a至图11c示出在于610℃下应用边缘部对中心部的功率比1.5来沉积
厚度的非晶碳膜时，(a)不同晶片测定点的介电常数(K值)、(b)各不同步骤的加热器设定温度、(c)各不同步骤中作用于中心部与边缘部的功率。图11a至图11c的数据为在沉积步骤中不执行升温和/或增加边缘部功率的数据，可看作对以下图12a-图12c至图14a-图14c的数据的参考数据。
图12a至图12c示出在610℃下应用边缘部对中心部的功率比1.5来沉积
及
厚度的非晶碳膜后，(a)在于沉积步骤中不进一步将加热器的温度升温时、(b)在于沉积步骤中将加热器的温度升温(Rmp)10℃时、(c)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃时不同晶片测定点的介电常数(K值)。
参照12a至图12c，可观察到在于沉积步骤中将加热器的温度升温10℃及20℃时，与非晶碳膜的厚度对应的介电常数的差异减小。
图13a至图13c示出在610℃下沉积
及
厚度的非晶碳膜后，在沉积步骤中将加热器的温度升温(Rmp)20℃，另外(a)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时、(b)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.7时、(c)在于沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比2.0时不同晶片测定点的介电常数(K值)。
参照图13a至图13c，可观察到通过在沉积步骤中使边缘部对中心部的功率比增加到1.7或2.0，在进一步将边缘部的温度升温时，与非晶碳膜的厚度对应的介电常数的差异减小。
图14a至图14f示出在610℃下沉积
及
厚度的非晶碳膜后在以下情形不同晶片测定点的介电常数(K值)：(a)在于沉积步骤中不将加热器的温度升温，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时，(b)在于沉积步骤中将加热器的温度升温(Rmp)20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.5时，(c)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比1.7时，(d)在于沉积步骤中将加热器的温度升温20℃，且在沉积步骤中应用边缘部对中心部的功率比2.0时，(e)在各别地对加热器的中心部的温度、边缘部的温度应用610℃、595℃，且在于沉积步骤中不将加热器的温度升温时，(f)在各别地对加热器的中心部的温度、边缘部的温度应用610℃、595℃，且在于沉积步骤中将加热器的温度升温10℃时。
参照图14a至图14f，可看到与在沉积步骤中不升温或调节边缘部功率的图14a及图14e相比，在于沉积步骤中将加热器升温或者进一步对边缘部功率进行控制的图14b、图14c、图14d、图14f的情况，表现出明显改善的膜厚度方向的介电常数差异。
如上所述，在根据本发明的基板处理方法中，通过在沉积步骤中将加热器的温度升温到比第一温度高的温度，可减小在所沉积的膜的厚度方向上的介电常数的差异。进而，通过对加热器的边缘部进行附加的温度控制，可更进一步减小在所沉积的膜的厚度方向上的介电常数的差异。
另外，根据本发明，由于可减小在膜厚度方向上的介电常数差异，因此可在一次沉积工艺中在基板上形成相对厚的膜。
以上，虽然以本发明的实施例为中心进行说明，但可在本领域技术人员的水准上进行各种变更或变形。这种变更与变形在不脱离本发明的范围的情况下则均可属于本发明。因此，本发明的权利范围应根据以上所记载的权利要求来判断。
Claims (7)
1.一种基板处理方法，其特征在于，包括：
基板装载步骤，将基板装载到配置在反应腔室内的加热器上；
稳定化步骤，将所述加热器的温度保持为第一温度；
沉积步骤，将反应气体供给到反应腔室内以在基板上形成膜；以及
吹扫步骤，对反应腔室内部进行吹扫，
在所述沉积步骤中，将所述加热器的温度升温到比所述第一温度高的温度。
2.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
所述加热器经过整个沉积步骤逐渐升温。
3.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
在所述沉积步骤中，将所述加热器的温度升温到比所述第一温度高10℃至40℃的温度。
4.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
将所述加热器的表面分为中心部、与所述中心部外廓的边缘部，
在所述沉积步骤中，使所述边缘部的温度增加量比所述中心部的温度增加量更大。
5.根据权利要求4所述的基板处理方法，其特征在于，
以如下方式进行控制：与在所述稳定化步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比相比，在所述沉积步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比更高，其中在所述稳定化步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比为第一功率比，在所述沉积步骤中施加到所述边缘部的功率对施加到所述中心部的功率之比为第二功率比。
6.根据权利要求5所述的基板处理方法，其特征在于，
所述第一功率比为1.5时，将所述第二功率比控制为1.7～2.0。
7.根据权利要求4所述的基板处理方法，其特征在于，
以独立于所述中心部的方式对所述边缘部的温度进行控制。
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