TW201820381A - 監測及控制晶圓基材之變形的方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種用以在電漿蝕刻一晶圓基材時監測及控制該晶圓基材之變形的方法及系統。該方法包含以下步驟： 將一晶圓基材放在一處理腔室內之一平台總成上使得該晶圓之整個上表面暴露出來； 將一處理氣體通入該處理腔室； 施加一射頻偏電壓至該平台總成； 在該處理腔室內產生一電漿； 在該蝕刻程序時，監測在該平台總成與該處理腔室間之一電壓差； 到達一臨界監測電壓後，減弱或消退該電漿以防止進一步蝕刻。

Description

監測及控制晶圓基材之變形的方法及系統
本發明係有關於在一電漿蝕刻程序中監測及控制晶圓之變形的方法及系統。
當處理供電子及光電應用使用之晶圓基材時，需要確保該等晶圓基材非常平滑及乾淨。一旦該大塊晶圓已準備好後，需要各種研磨、拋光及蝕刻步驟來產生平滑均勻表面。但是，大多因為機械研磨步驟，靠近該晶圓之表面會產生應力。在該晶圓之前面與後面間的一應力不平衡會導致晶圓彎曲，而這又對後續處理步驟具有一不利影響。為減少該應力不平衡，可使用各種方法，例如濕式化學蝕刻、化學機械拋光或電漿蝕刻、或這些程序之一組合。
當使用電漿蝕刻來釋放應力或在一晶圓基材上產生一表面紋理時，基本要求係儘可能以一高速度由該表面均勻地移除材料且不產生晶圓破壞。在這電漿蝕刻程序中固有的是會導致晶圓變形之該晶圓中的應力變化。由於該蝕刻腔室通常必須接著排氣以便移除碎屑，過度變形會導致非常不想看到之晶圓斷裂。這又會產生該電漿蝕刻工具之昂貴停工時間。
在習知電漿蝕刻中，使用機械或靜電夾扣持定位該基材，且透過使用例如氦之一冷媒冷卻該基材。但是，當該晶圓之整個表面需要蝕刻時，因為該夾具接觸晶圓且因此覆蓋該晶圓之該晶圓區域會受到對該晶圓之暴露或未覆蓋區域之一不同蝕刻速度，所以無法使用機械夾持。此外，當該基材係例如藍寶石或玻璃之一絕緣體時，無法使用一靜電夾或夾頭。
吾人已想到在一電漿蝕刻程序中監測晶圓基材之變形的一方法及系統。
依據本發明之第一態樣，提供一種在電漿蝕刻一晶圓基材時監測及控制該晶圓基材之變形的方法，該方法包含以下步驟： 將一晶圓基材放在一處理腔室內之一平台總成上使得該晶圓之整個上表面暴露出來； 將一處理氣體通入該處理腔室； 施加一射頻偏電壓至該平台總成； 在該處理腔室內產生一電漿； 在該蝕刻程序時，監測在該平台總成與該處理腔室間之一電壓差； 一旦到達一臨界監測電壓後，減弱或消退該電漿以防止進一步蝕刻。
在一實施例中，相對該平台總成監測如翹曲及彎曲之該晶圓基材的變形，且在該電漿蝕刻程序中，藉由監測在該平台總成與該腔室間之電壓差來決定一相對變形量。
在一實施例中，該方法包含藉由電感地或電容地耦合射頻(RF)功率於該處理腔室中來產生一電漿。
在一實施例中，該方法包含藉由施加一RF電位至環繞該腔室設置之一或多數天線或線圈來電感地耦合RF功率於該腔室中。替代地或另外地，該方法包含電容地耦合一RF電位至該平台總成以便在該腔室中產生一電漿。
該方法包含監測在該平台總成與該腔室間之一峰至峰電壓差(Vpp)。在另一實施例中，該方法包含或更包含監測在該平台總成與該腔室間之一直流電壓差(Vdc)。
在該晶圓包含一初始平坦構態之一實施例中，該方法包含：一旦在該平台總成與該腔室間之峰至峰電壓差超過在該蝕刻程序開始時之峰至峰電壓差的10%且最好20%後，減弱或消退該電漿。替代地或另外地，該方法可包含：一旦在該平台總成與該腔室間之直流電壓差超過在該蝕刻程序開始時之直流電壓差的50%且更佳100%後，減弱或消退該電漿。在任一種情形中，該方法係安排成防止進一步蝕刻以便防止在該蝕刻程序時該晶圓之過度翹曲及彎曲，而該晶圓之過度翹曲及彎曲會導致該晶圓基材之斷裂或破裂。
在該晶圓包含一初始變形或翹曲構態之一實施例中，該方法包含：一旦在該監測之峰至峰電壓差或直流電壓差減少至一值後，減弱或消退該電漿，且該值係在該平台總成上以一實質平坦方位延伸之一晶圓的一峰至峰電壓差或直流電壓差的特性值。這方法步驟係安排成可防止一初始翹曲晶圓之進一步蝕刻，其中該初始翹曲主要是由於在該晶圓上存在一不必要層而產生。在該蝕刻程序中移除該層後，該晶圓將在該平台總成上放鬆至一較佳平坦狀態。該方法因此提供該晶圓之構態的一指示使得該蝕刻程序可在適當時間終止。
在一實施例中，該方法更包含控制該平台總成之一溫度以便調整該晶圓基材之一溫度。
在一實施例中，該方法更包含施加一射頻(RF)電位至該平台總成，以便在該平台總成上提供一偏電壓。
依據本發明之第二態樣，提供一種用以在電漿蝕刻一晶圓基材之整個上表面時監測該晶圓基材之變形的系統，該系統包含： 一處理腔室； 一平台總成，其設置在該處理腔室中且組配成可收納一晶圓基材； 一入口，用以接收處理氣體進入該腔室； 用以產生一電漿之裝置； 一電壓產生器，其組配成可施加一射頻電壓至該平台總成，以便偏壓該平台總成之電壓； 一監測裝置，其組配成在該電漿蝕刻程序中監測在該平台總成與該處理腔室間之一電壓差；及 一處理器，其與該監測裝置及該用以產生一電漿之裝置通訊地耦合，且組配成一旦到達一臨界監測電壓後，減弱或消退該電漿以防止進一步蝕刻。
在一實施例中，該監測裝置係組配成輸出代表在該平台總成與該腔室間之電壓差的一信號至該處理器。該處理器係組配成依據由該監測裝置輸出之信號決定相對該平台總成之變形量且依據由該監測裝置輸出之信號輸出一信號至該用以產生一電漿之裝置。
在一實施例中，該用以產生一電漿之裝置包含一RF產生器，該RF產生器配置成電感地或電容地耦合RF功率於該腔室中。該處理器與該RF產生器通訊地耦合，用以控制RF功率於該腔室中之耦合。
該用以產生一電漿之裝置更包含環繞該腔室設置之一或多數天線或線圈，該一或多數天線或線圈與該RF產生器電氣地耦合用以在該腔室中產生一電漿。替代地或另外地，該RF產生器可與該平台總成電氣地耦合用以在該腔室中產生一電漿。
該監測裝置宜組配成可監測在該平台總成與該腔室間之一峰至峰電壓差。在另一實施例中，該監測裝置係組配成可監測或進一步監測在該平台總成與該處理腔室間之一直流(dc)電壓差。
該系統更包含用於控制該平台總成之溫度的裝置。
依據本發明之第三態樣，提供一種用以在電漿蝕刻一晶圓基材之整個上表面時監測該晶圓基材之變形的系統，該系統係組配成可實施依據該第一態樣之方法。
雖然本發明已說明如上，但它可擴展至以上或在以下說明中提出之任何發明特徵組合。雖然在此參照附圖詳細地說明本發明之所示實施例，但應了解的是本發明不限於這些明確實施例。
此外，可預期的是個別地或作為一實施例之一部份地說明的一特定特徵可與其他個別地說明之特徵或其他實施例之一部分組合，即使該等其他特徵及實施例未提及該特定特徵時亦然。因此，本發明可擴展至尚未說明之該等特定組合。
請參閱圖式之圖1，其中顯示依據本發明一實施例的一系統10，該系統10用以在電漿蝕刻一晶圓基材11(以下稱為「晶圓」)，主要是如藍寶石或玻璃晶圓之一電絕緣晶圓11時監測該晶圓11之變形。該系統10係配置成可在該蝕刻程序中監測該晶圓11之任何翹曲及彎曲，以便防止該晶圓11之任何破裂或裂縫，或者一旦到達所需晶圓構態後終止該蝕刻程序。
該系統10包含一處理腔室12，且該晶圓11之電漿蝕刻在該處理腔室12內實施。該處理腔室12包含可由例如鋁之一金屬形成且通常電接地的腔室壁12a。該系統10更包含一平台總成13，且該平台總成13亦可由例如鋁之一金屬形成且設置在該腔室12內，但藉由如陶瓷斷路器14之習知裝置與該等腔室壁12a電氣地隔離。
該平台總成13包含一本體13a，且該本體13a具有用以收納該晶圓11之一支持表面13b。該晶圓11未被機械地夾持在該平台總成13上且這確保該晶圓11沒有被該夾具(未圖示)覆蓋之區域。接著，這確保該晶圓11之整個上表面11a暴露出來且可接受一實質類似之蝕刻速度，而這有助於減少在整個晶圓表面上的應力變化。該晶圓11因此在一蝕刻程序開始前只被放在該支持表面13b上。
該系統10及特別是該腔室12更包含一氣體入口15，且一處理氣體源(未圖示)可與該氣體入口15流體地耦合用以將該氣體導入該腔室12，而該氣體可包含例如氬、氯或三氯化硼氣體。該腔室12更包含一出口16，該處理氣體及該蝕刻程序之任何副產物可通過該出口16離開該腔室12。
在一實施例中，該電漿係藉由施加來自一RF電壓產生器17之一射頻(RF)至一或多數天線18來產生，且該一或多數天線18係環繞該腔室12設置並設置成與形成在該等腔室壁12a中之各介電窗段12b相鄰。該一或多數天線18可包含例如一實質平面螺旋構態、一螺旋線圈構態或一環形構態，且如同標準實務地，實行來自該產生器17之RF信號與該天線18之阻抗匹配以減少電力由該天線18反射。該等天線18環繞該腔室12放置且該電力透過該等介電窗段12b電感地耦合於該腔室12中。
一電漿產生在設置在該晶圓11上方之該腔室12的一區域19中使得該晶圓11變成暴露於該電漿。該氣體藉由如一渦輪分子泵之一泵20抽送通過該腔室12，且該泵20可設置在該腔室12之出口16中或其下游，並且該腔室12之入口15及出口16係設置在該電漿區域19之相對側使得該處理氣體必須經過該區域19及該晶圓11上方通至該出口16而通過該腔室12。
在一實施例中，該平台總成13可更包含一熱管理裝置21，且該熱管理裝置21包含延伸穿過該平台總成13用於傳送一流體通過其中之一管道裝置21a。該流體(未圖示)配置成與該平台總成13熱交換且調整該平台總成13之溫度，並因此控制該晶圓11之溫度。
該系統10更包含配置成可監測在該平台總成13與該等腔室壁12a間之一電壓差的一監測裝置22、及用以控制耦合於該腔室12中之RF功率的一處理器23。該監測裝置22可包含如一電壓計之一電壓感測裝置24，且該電壓感測裝置24係組配成可監測在該平台總成13與該等腔室壁12a間之一峰至峰電壓差及在該平台總成13與該等腔室壁12a間之一直流(dc)電壓差。該電壓感測裝置24與該處理器23通訊地耦合且配置成可輸出代表該峰至峰電壓差及該dc電壓差之一信號至該處理器23。
該系統可更包含用於施加一射頻偏電壓至該平台總成13之一電壓產生器25。例如，提供一負偏電壓至該平台總成13可有助於控制該晶圓11之表面的正電荷離子轟擊。
請參閱圖式之圖2，其中顯示與依據本發明一第一實施例之一方法100相關聯的步驟，該方法100用以在電漿蝕刻一晶圓基材11，主要是一電絕緣晶圓11時監測及控制該晶圓11之變形。在步驟101，該晶圓11先被放在該腔室12內之平台總成13上，且在步驟102，接著在使一處理氣體通過該腔室12前抽空該腔室12。該處理氣體由其一來源(未圖示)被該泵20抽入該腔室12，且在該腔室12內之壓力藉由一壓力控制器(未圖示)維持在大約5至25mT。該氣體在透過該出口16離開該腔室12前，由該入口15被抽送通過該電漿區域19及該晶圓11上方。
在步驟103a，一旦該腔室12已適當地抽空及/或用該處理氣體沖洗後，通常在2MHz與13.56MHz間操作之一RF電位施加至該天線18以便電感地耦合電力於該低壓處理氣體中，且因此產生一電漿並開始蝕刻該晶圓基材11。在步驟103b，一偏電壓亦透過使用該電壓產生器25施加至該平台總成13，且該電壓產生器25通常在380kHz與13.56MHz間操作。
吾人發現該Vpp與Vdc值取決於暴露於該電漿之支持表面13b的面積，即未與該晶圓11接觸之該支持表面13b的面積。由該蝕刻程序產生的該晶圓11之任何變形或重組態，例如特別是沿該晶圓11之一周邊的該晶圓11之任何翹曲、彎曲或甚至壓扁會導致被該晶圓11覆蓋之該支持表面13b的面積變化。這表現為暴露於該電漿之該支持表面13b的面積變化及因此Vpp與Vdc之變化。
在步驟104，藉由該監測裝置22監測Vpp與Vdc。在步驟105，在使用該方法來防止晶圓破裂或斷裂之一實施例中，記錄並使用代表在該蝕刻程序開始時Vpp與Vdc分量之監測值的一信號來預設定該等Vpp與Vdc電壓分量的一臨界值，用以使該電漿開始減弱或用以消退該電漿。該Vpp分量之臨界值通常設定在該初始Vpp值以上10至20%，而該Vdc分量之臨界值通常可設定在該初始Vdc分量以上50至100%。
在步驟106，在該蝕刻程序中周期地傳送代表Vpp與Vdc分量之監測值的信號至該處理器23，且在步驟107，若該信號顯示該Vpp或Vdc電壓分量上升至各臨界值以上，則該處理器23組配成可傳送一信號至該RF電壓信號產生器17以便減弱或消退該電漿，並因此防止進一步蝕刻。
請參閱圖式之圖3，其中顯示二150mm藍寶石晶圓之Vpp電壓分量數值及在該平台總成13中之Vdc電壓分量數值隨著該蝕刻時間(秒)的一代表變化。以下表1總結用以使用一SPTS技術先進電漿系統(APS)電漿蝕刻模組以＞150nm/分之速度蝕刻一藍寶石基材的處理條件。
在圖式之圖3a中，吾人可發現隨著用於正常操作之蝕刻時間改變的Vpp與Vdc值。在該蝕刻程序時，可發現Vpp穩定在大約1550V且可發現Vdc穩定在＜10V。但是，在產生不需要晶圓變形的圖式之圖3b中，可發現Vpp增加至＞1850V且可發現Vdc增加至＞100V。這增加在該平台總成13與該等腔室壁12a間之電壓差，且對Vpp與Vdc而言這都代表晶圓變形，因為當該晶圓11彎曲及翹曲時，該支持表面13b之更多區域暴露於該電漿。因此，可預期的是進一步蝕刻該晶圓11可能會由於過度變形而造成晶圓斷裂。但是，當在該晶圓11之研磨/拋光程序中有某種程度之變形時，變形量，即在斷裂前該晶圓11可承受之彎曲及翹曲有變化。 表1
請參閱圖式之圖4，其中顯示對各包含一150mm之直徑的七個藍寶石晶圓而言，在該平台總成13中之Vpp的數值變化圖。使用上述系統分別地蝕刻該等晶圓以達成在一前側(FS)蝕刻時移除大約1至2µm且由一背側(BS)蝕刻移除大約3µm之目的。在蝕刻晶圓2至7時為Vpp設定一1770V的臨界值，且因此該蝕刻程序一旦在Vpp到達這臨界值後終止。但是，未為晶圓1設定Vpp之臨界值，因此不論該Vpp值為何，該蝕刻程序均繼續進行。以下表2總結各晶圓之蝕刻程序的結果。
請參閱圖式之圖4，且先參閱有關於晶圓1之圖4a，可了解Vpp在該蝕刻程序開始時由大約1600V增加至在一大約870秒之程序時間時的大約1884V。這增加代表該晶圓之翹曲及彎曲且符合該晶圓在該蝕刻程序時形成一凹結構的理論，並且這變形使更多支持表面13b暴露於該電漿。但是，由於未使用Vpp之一臨界值，該蝕刻程序未在870秒終止，且可發現因此Vpp在該蝕刻程序開始時突然由1884V降低至該Vpp值，即1600V。由於當該晶圓斷裂時它由該變形、凹配置放鬆至該晶圓11覆蓋該支持表面13b之初始平坦構態，這Vpp之不連續變化係該晶圓斷裂之特性值。 表2
請參閱圖式之圖4c與4d及表2，晶圓3與4顯示類似預蝕刻彎曲及翹曲值，但是，可發現的是晶圓3與4隨著時間顯示不同Vpp軌跡(可能是因為在該等晶圓之前側與背側間之不同應力分布造成不同變形出現在該等二晶圓上)。由於晶圓4之Vpp在1134s快速增加至1770V，該程序在完成該3µm背側蝕刻前終止以減少晶圓斷裂之可能性。由於Vpp值上升超過Vpp之預設臨界值，晶圓2與5亦需要縮短該程序，分別如圖式之圖4b與4e所示。但是，請參閱圖式之圖4c、4f與4g，可發現的是晶圓3、6與7之Vpp值分別未上升至該預設臨界值以上且因此，不需要終止該蝕刻程序。
請參閱圖式之圖5，其中顯示依據本發明一第二實施例之一方法200，該方法200用以在電漿蝕刻一晶圓基材11，主要是一電絕緣晶圓11時監測及控制該晶圓11之變形。該第二之方法200係安排成終止例如包括一初始翹曲或彎曲晶圓11之一蝕刻程序。該晶圓11可包含一翹曲或彎曲初始構態，而該初始構態係由於設置在一晶圓11上之一不必要材料塗層或層(未圖示)的存在，，於該晶圓11之一前與後表面間產生一應力變化所致。在這情形中，隨著該蝕刻程序進行，該塗層或層會被移除而導致該晶圓11放鬆至它覆蓋該平台總成13之支持表面13b的一平坦狀態。
該第二實施例之方法200與該第一實施例之方法100實質上相同且因此類似步驟以相同符號表示，但數字增加100。在這實施例中，在步驟204，藉由該監測裝置22監測Vpp與Vdc，使得該蝕刻程序可在一旦該晶圓11已達到所需重構態或變形(即一平坦構態)後終止。
在步驟205，使用代表設置在該支持表面13b上之一平坦晶圓的Vpp與Vdc分量的一信號預設定該Vpp與Vdc電壓分量之一臨界值，用以使該電漿開始減弱或用以消退該電漿。在步驟206，在該蝕刻程序中周期地傳送代表Vpp與Vdc分量之監測值的信號至該處理器23，且在步驟107，一旦該信號顯示該Vpp或Vdc電壓分量已減少至各臨界值(這代表一平坦晶圓)後，該處理器23組配成可傳送一信號至該RF電壓信號產生器17以便減弱或消退該電漿，並因此防止進一步蝕刻。
因此，由前述可知上述方法及系統提供在一電漿蝕刻程序時一晶圓之變形或重構態的一指示。
10‧‧‧系統
11‧‧‧晶圓(基材)
11a‧‧‧上表面
12‧‧‧(處理)腔室
12a‧‧‧腔室壁
12b‧‧‧介電窗段
13‧‧‧平台總成
13a‧‧‧本體
13b‧‧‧支持表面
14‧‧‧陶瓷斷路器
15‧‧‧(氣體)入口
16‧‧‧出口
17‧‧‧RF電壓(信號)產生器
18‧‧‧天線
19‧‧‧區域
20‧‧‧泵
21‧‧‧熱管理裝置
21a‧‧‧管道裝置
22‧‧‧監測裝置
23‧‧‧處理器
24‧‧‧電壓感測裝置
25‧‧‧電壓產生器
100,200‧‧‧方法
101,102,103a,103b,104-107, 201-207‧‧‧步驟
本發明可以各種方式實施，且以下只透過舉例參照附圖說明其實施例，其中： 圖1係依據本發明一實施形態之一系統的示意圖，該系統用以在電漿蝕刻一晶圓基材時監測該晶圓基材之變形； 圖2係與依據本發明第一實施形態之一方法相關聯的步驟的示意圖，該方法用以在電漿蝕刻一晶圓基材時監測該晶圓基材之變形； 圖3係在電漿蝕刻產生(a)極小變形及(b)可察覺變形之一晶圓基材時，在該平台總成中之感應ac與dc電壓分量的數值變化的圖； 圖4a至g係在蝕刻七個晶圓基材時，在該平台總成中之感應ac電壓分量的數值變化的圖；及 圖5係與依據本發明第二實施形態之一方法相關聯的步驟的示意圖，該方法用以在電漿蝕刻一晶圓基材時監測該晶圓基材之變形。

Claims (17)

  1. 一種在電漿蝕刻一晶圓基材時監測及控制該晶圓基材之變形的方法，該方法包含以下步驟： 將一晶圓基材放在一處理腔室內之一平台總成上使得該晶圓之整個上表面暴露出來； 將一處理氣體通入該處理腔室； 施加一射頻偏電壓至該平台總成； 在該處理腔室內產生一電漿； 在該蝕刻程序時，監測在該平台總成與該處理腔室間之一電壓差； 一旦到達一臨界監測電壓後，減弱或消退該電漿以防止進一步蝕刻。
  2. 如請求項1之方法，其中相對該平台總成監測該變形。
  3. 如請求項2之方法，其中當該氣體蝕刻該晶圓基材時，藉由監測在該平台總成與該腔室間之該電壓差來決定一相對變形量。
  4. 如請求項1之方法，其中該基材係電絕緣。
  5. 如請求項1至4中任一項之方法，其中藉由電感地或電容地耦合射頻(RF)功率於該處理腔室中來產生該電漿。
  6. 如請求項5之方法，更包含：藉由施加一RF電位至環繞該腔室設置之一或多數天線來電感地耦合RF功率於該腔室中。
  7. 如請求項1至6中任一項之方法，包含：監測在該平台總成與該腔室間之一峰至峰電壓差(Vpp)。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，包含或更包含：監測在該平台總成與該腔室間之一直流電壓差(Vdc)。
  9. 如請求項7之方法，更包含：一旦在該平台總成與該腔室間之該Vpp超過在該蝕刻程序開始時之Vpp的10%後，減弱或消退該電漿。
  10. 如請求項7之方法，更包含：一旦在該平台總成與該腔室間之該Vpp超過在該蝕刻程序開始時之Vpp的20%後，減弱或消退該電漿。
  11. 如請求項8之方法，更包含：一旦在該平台總成與該腔室間之該Vdc超過在該蝕刻程序開始時之Vdc的50%後，減弱或消退該電漿。
  12. 如請求項8之方法，更包含：一旦在該平台總成與該腔室間之該Vdc超過在該蝕刻程序開始時之Vdc的100%後，減弱或消退該電漿。
  13. 如請求項7之方法，更包含：一旦在該監測之峰至峰電壓差減少至一值後，減弱或消退該電漿，且該值係一晶圓在該平台總成上以一實質平坦方位延伸的一峰至峰電壓差的特性值。
  14. 如請求項8之方法，更包含：一旦在該監測之直流電壓差減少至一值後，減弱或消退該電漿，且該值係一晶圓在該平台總成上以一實質平坦方位延伸的一直流電壓差的特性值。
  15. 如請求項1至14中任一項之方法，更包含：控制該平台總成之一溫度以便調整該晶圓基材之一溫度。
  16. 一種用以在電漿蝕刻一晶圓基材之整個上表面時監測該晶圓基材之變形的系統，該系統包含： 一處理腔室； 一平台總成，其設置在該處理腔室中且組配成可收納一晶圓基材； 一入口，用以接收處理氣體進入該腔室； 用以產生一電漿之裝置； 一電壓產生器，其組配成可施加一射頻電壓至該平台總成，以便偏壓該平台總成之該電壓； 一監測裝置，其組配成在該電漿蝕刻程序中監測在該平台總成與該處理腔室間之一電壓差；及 一處理器，其與該監測裝置及該用以產生一電漿之裝置通訊地耦合，且組配成一旦到達一臨界監測電壓後，減弱或消退該電漿以防止進一步蝕刻。
  17. 一種用以在電漿蝕刻一晶圓基材之整個上表面時監測該晶圓基材之變形的系統，該系統係組配成可實施請求項1之方法。
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