TW202022329A - 用於改善腔室匹配的混合流量計量 - Google Patents

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Abstract

一種基板處理系統之氣體輸送系統，包含氣箱，其包含質量流量控制器以控制來自氣源之氣流。氣流路徑與該氣箱呈流體聯通。混合流量計量系統係與該氣流路徑呈流體聯通，且包含控制器，該控制器設置以執行第一流量計量，用以當由該質量流量控制器的至少其中一者所供應之氣體的期望流量小於預定流量時，基於在預定時段期間在氣箱及流量計量系統之間的氣流路徑中之氣體的差動質量來校準質量流量控制器的至少其中一者。該控制器係設置以當期望流量大於該預定流量時執行第二流量計量。

Description

用於改善腔室匹配的混合流量計量
本揭露相關於基板處理系統之流量計量，且更特別是相關於基板處理系統之混合流量計量。
此處所提供之先前技術章節係為了一般性呈現揭露內容的目的。本案列名發明人的工作成果，在此先前技術段落中所述範圍、以及不適格為申請時先前技術之描述的實施態樣，不明示或暗示承認為對抗本揭露內容的先前技術。
基板處理系統可用以執行蝕刻、沉積、以及／或者諸如半導體晶圓的基板的其他處理。可在基板上執行之範例製程包含但不限於：蝕刻、沉積及清潔製程。在處理期間，基板係設置於基板處理系統之處理腔室中的諸如底座、靜電夾頭（ESC）等等的基板支撐件上。氣體輸送系統將氣體混合物供應進處理腔室以處理基板。可將電漿點燃以增強處理腔室內的化學反應。亦可將RF偏壓供應至基板支撐件以控制離子能量。
為了改善品質並減少缺陷，可使用一或更多計量系統以驗證處理腔室的操作。舉例而言，可使用流量計量系統以驗證氣體輸送系統供應氣體混合物的流量。當多個基板處理腔室設置在基板處理工具中時，使用氣體管線將處理腔室的氣體輸送系統連接至多工流量計量系統。
流量計量系統可包含基於孔口的、穩態流測量裝置。氣體輸送系統一般需要校準並供應從10-3000sccm的流量。以低流量流入氣體管線的氣體，花費長時間以到達流量計量裝置並建構用於測量的足夠壓力，這在工具起始期間對測量時間有不良影響。換句話說，校準從10到幾百sccm的流量花費長的時間。最近，製程配方亦需要校準並供應從0.1-10 sccm的流量。如所可以理解的，在使用基於孔口之方法從0.1到10 sccm之較低流率腔室匹配或校準的期間可能發生無法接受的時間延遲。
一種用於基板處理系統之流量計量系統，包含：N個初級閥，選擇性地使氣體分別從N個氣源流動，其中N係一整數。N個質量流量控制器，分別連接至該N個初級閥，用以使N個氣體分別從該N個氣源流動。N個二級閥，選擇性地使氣體分別從該N個質量流量控制器流動。一氣流路徑，將該N個二級閥連接至遠離該N個二級閥的一流量計量系統。該氣流路徑包含氣體管線。一控制器，設置以藉由以下操作對來自該N個質量流量控制器的其中一者在一期望流量的一選定氣體執行一第一流量計量：排空該氣流路徑；測量該氣流路徑中之一初始壓力；確定該氣流路徑中之一初始質量；將該選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動；測量在該氣流路徑中之一最終壓力；確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段，確定一真實流量。
在其他特徵中，該控制器更設置以確定針對該選定氣體及該期望流量之該氣流路徑的一有效容積。該控制器更設置以更進一步基於該有效容積確定該流量。該氣流路徑更包括一歧管及一閥。該控制器係設置以：當在該期望流量小於一預定流量的情況下在確定該真實流量時，使用該第一流量計量。該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
在其他特徵中，該控制器係設置以：當該期望流量大於該預定流量時，使用不同於該第一流量計量之一第二流量計量來確定該真實流量。該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
在其他特徵中，該第二流量計量包含一基於孔口的計量。一閥係連接至一孔口的一出口。一壓力感測器感測在該孔口的一入口的壓力。該控制器係設置以當期望流量大於該預定流量時，使用該閥、該壓力感測器以及該孔口來確定該真實流量。
在其他特徵中，該控制器係設置以在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期（settling period）。該控制器係設置以：在將該選定氣體在該期望流量該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
一種基板處理系統之氣體輸送系統，包含：一氣箱，包含N個質量流量控制器以控制分別來自N個氣源之氣流，其中N為一整數。一氣流路徑，與該氣箱呈流體聯通。一混合流量計量系統係與該氣流路徑呈流體聯通，且包含一控制器，該控制器設置以執行以下操作：第一流量計量，用以當由該N個質量流量控制器的至少其中一者所供應之氣體的一期望流量小於一預定流量時，基於在一預定時段期間Δt在該氣箱及一流量計量系統之間的該氣流路徑中之氣體的一差動質量來校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。該控制器係設置以執行第二流量計量，用以當該N個質量流量控制器的該至少其中一者的該期望流量大於該預定流量時，校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。
在其他特徵中，該第一流量計量及該第二流量計量係用以確定針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的一有效容積。該第一流量計量更基於針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的該有效容積來確定該差動質量。該第二流量計量係一種基於孔口的方法。
在其他特徵中，該混合流量計量系統包含一控制器，設置以確定針對一選定氣體及一選定流量之該氣流路徑的一有效容積。該控制器更設置以基於該有效容積來確定該流量。該氣流通路更包括一歧管及一閥。該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
在其他特徵中，一閥係連接至一孔口的一出口。一壓力感測器感測在該孔口的一入口的壓力。該控制器係設置以當該期望流量大於該預定流量時，使用該閥、該壓力感測器以及該孔口以來確定該真實流量。
在其他特徵中，該控制器係設置以藉由以下操作來執行該第一流量計量：排空該氣流路徑；測量該氣流路徑中之一初始壓力；確定該氣流路徑中之一初始質量；將該選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動；測量在該氣流路徑中之一最終壓力；確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段確定一真實流量。
在其他特徵中，該控制器係設置以，在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期。該控制器係設置以，在將該選定氣體在該期望流量在該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後、以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
一種用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，包含：提供一氣箱，包含N個質量流量控制器以控制分別來自N個氣源之氣流，其中N為一整數；以及提供一氣流路徑，該氣流路徑與該氣箱呈流體聯通。該方法包含使用第一流量計量，以當由該N個質量流量控制器的至少其中一者所供應之該氣體的一期望流量小於一預定流量時，基於在一預定時段期間在該氣箱及一流量計量系統之間的該氣流路徑中之氣體的一差動質量來校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。該方法包含使用第二流量計量，以當該N個質量流量控制器的該至少其中一者的該期望流量大於該預定流量時，校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。
在其他特徵中，該第一流量計量及該第二流量計量係用以確定針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的一有效容積。
在其他特徵中，該第一流量計量更基於針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的該有效容積來確定該差動質量。
在其他特徵中，該第二流量計量係一種基於孔口的方法。該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
在其他特徵中，該第一流量計量包含：排空該氣流路徑；測量該氣流路徑中之一初始壓力；確定該氣流路徑中之一初始質量；將一選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動；測量在該氣流路徑中之一最終壓力；確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段確定一真實流量。
在其他特徵中，該方法更包含在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期。該方法更包含在將該選定氣體在該期望流量在該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
本揭露的更進一步應用領域從細節描述、所請專利範圍以及圖式將變得顯而易見。細節描述與特定示例僅意欲說明性之目的，並不意圖限制本揭露之範疇。
諸如絕對流量驗證（AFV）之基於孔口的流量計量系統將氣體從質量流量控制器（MFC）通過孔口組（orifice bank）供應到泵。孔口組包含可使用對應閥加以選定之複數精密孔口。在孔口的選定之一者的上游建構壓力並以諸如壓力計之壓力感測器加以監控。壓力閥係用以基於根據經驗建立之氣體表來確定流量，該氣體表以每個氣體為基礎將孔口壓力與氣體流量相關聯。亦可應用溫度修正以考量溫度變異並確定MFC之真實氣體流量。
由於將在MFC之下游及在選定孔口之上游的氣流路徑填充並加壓需要的時間，AFV的測量時間在較低流量下很大程度地增加。氣流路徑一般包含氣體供應管線、歧管、閥等等（位在氣箱及流量計量系統之間）。長的校準時段使在初始設置期間以及稍後在腔室匹配期間執行氣流校準所需之停機時間增加。在非常低的流量且使用較長的氣體供應管線之情況下，偵測孔口流何時穩定（以得到穩態壓力）是困難的。由於氣體管線的容積增加，難以偵測壓力積聚上的小改變。
根據本揭露之混合流量計量系統及方法，針對低於預定流量之流量使用差動質量測量（DMM, differential mass measurement）方法，且針對高於預定流量之流量使用另一流量計量方法。在某些例子中，預定流量為10 sccm，但可使用其他流量值。在某些例子中，基於孔口的流量計量係用於高於預定流量之流量，但可使用其他流量計量方法。
如將在下方更進一步描述的，DMM方法填充氣箱及流量計量系統之間之氣體管線、閥、歧管等等中的氣體容積。在某些例子中，將氣體容積排空且在調適期之後測量初始壓力。基於初始壓力、及通過氣體管線、歧管、閥之氣流路徑的有效容積、以及／或者位在氣箱及流量計量系統之間的其他容積，來確定初始質量。
在確定初始質量之後，將閥開啟且MFC將氣體以期望流量（待校準）流動一段預定的時段Δt 。氣箱及流量計量系統之間的氣體容積內的壓力穩定地上升。在預定的時段Δt之後，將閥關閉且測量最終壓力。最終質量係基於最終壓力加以計算。藉由取最終質量及初始質量之間的差除以Δt來計算流量。
儘管DMM方法相似於腔室升率（ROR），DMM方法使用氣體管線、閥、歧管等等的容積而非腔室／槽的容積來計算質量流量。在ROR中，計算質量流量之控制方程式係在取狀態方程式的時間導數之後而取得。在ROR槽中在氣體壓縮期間隨時間採樣瞬間壓力及溫度，並且計算壓力／溫度的變化率。
更特別是，當執行針對低流量之DMM方法時，MFC氣流係用以將已知容積V的包體加壓一段預定時段Δt。在包體中之初始及最終氣壓及溫度係用以基於以下氣體狀態方程式計算供應至該包體的淨氣體質量：P V = m R T Z / MW   (1) 其中P為壓力、V為容積、m為質量、MW為分子量、R為通用氣體常數，而Z為在條件（p、T）之氣體可壓縮性。
絕對氣體流量Q的方程式為：
Figure 02_image001
(2) 其中下標符號1及2分別表示初始及最終狀態。
只對多原子氣體而言且當壓力及溫度接近大氣（ATM）條件時，可壓縮性效應是重要的。由於MFC下游壓力是次大氣壓且當在DMM方法中將氣體容積加壓時可維持在比ATM壓力小一個數量級，因此即使針對多原子氣體，仍可忽略可壓縮性效應。因此，將流量方程式簡化為：
Figure 02_image003
(3)
在某些例子中，在測量初始及最終p及T之前，允許在包體中的氣體靜置一段預定的調適期。該調適期降低氣體動能的影響，這消除了由於氣流引起的壓力梯度。該適應期亦允許氣體溫度與環境穩定。換句話說，藉由環繞的包體（壁溫Tw）將氣體加熱或冷卻，這消除了分別由於氣體膨脹或壓縮引起的效應。
當將包體排空以清潔氣體殘留物（來自先前測量）時，氣體膨脹現象在計量校準的開始時發生。隨著氣體供應至包體中，氣體遭受將溫度提升的壓縮增溫。由於在氣路中使用快速溫度感測器並不實際（因為暴露於腐蝕性氣體而潛在的感測器損壞的風險），進行直接氣體溫度的準確測量是不可能的。
若是氣體允許在適應期期間穩定，初始及最終氣體溫度將與分別為
Figure 02_image005
及
Figure 02_image007
的初始及最終壁溫相同。相似地，由於沿著氣體供應管線之長度的壓力梯度以及氣體溫度之改變的消除，將初始及最終壓力（p1及p2）分別調整成
Figure 02_image009
及
Figure 02_image011
。 因此，將流量方程式簡化為：
Figure 02_image013
(4)
如上所述，用於DMM方法之包體（氣體管線、閥、歧管等等的內容積），與ROR之包體表現不同。在ROR方法中，有效容積V與槽的真實容積相同。然而，用於DMM方法之包體（氣體管線、閥、歧管等等）的實驗測試導致錯誤。換句話說，（使用已知流量計算的）有效容積Veff 與預期的內容積顯著地不同。
容積上的某些差異可歸因於幾何     製造公差的變異。而且，實驗顯示，校準的有效容積Veff 可因不同氣體及流量而不同。這些差異可歸因於各種其他因素。舉例而言，此差異可歸因於氣體供應管線的相對小容積（其更顯著地受到氣體管線、內閥以及／或者基板容積的製造公差之變異的影響）。此差異亦可歸因於，相較於在ROR方法中所使用之槽的簡單、均勻的幾何形狀而言，供應容積組件的整體複雜的幾何形狀（具有內閥的長管狀）。
ROR方法使用具有相較於包含氣體供應管線之氣流路徑而言更大容積的槽。若是沒有恰當地考慮，由於氣流黏度效應所導致的氣體供應管線中之壓力梯度對質量流量計算具有明顯的影響且將對質量流量計算造成不準確性。因此，當使用氣體管線容積作為包體且以單點進行壓力測量時，ROR方法並不適用。
然而，這個問題可藉由使用各氣體的校準之有效容積Veff （而非理論實際容積）以及／或者流量來根據經驗解決。如同將在下方更進一步描述的，可利用孔口技術或另一流量計量方法來計算該校準之有效容積。
更特別是，可使用方程式4來計算有效容積V。起初，將對應MFC設定為低流量設定值的其中一者，並且執行DMM方法。在DMM方法過程中，測量初始及最終壓力及溫度。使用孔口方法使MFC在相同流量設定值（以相同氣體）運作。孔口方法提供MFC的絕對（真實）流量Q。使用方程式4、絕對流量Q、以及初始及最終壓力及溫度來確定有效容積V。
在初始工具起動的期間以及僅針對具有低流量之氣體，僅需要一次針對有效容積的計算。一次校準亦將考量用於腔室流量匹配的工具之間的氣體供應管線之製造公差的變異。因此，使用混合方法可更快地執行腔室匹配。此外，以孔口技術方法（用於較高流量）將DMM方法校準（用於低流量），確保在兩種方法之間切換時，在流量交接或重合處沒有偏差。所提出之混合流量計量的另一優點是可追蹤並監控在流量交接處之計算作為額外系統健康檢查以確保準確度沒有隨時間偏移。
相關於AFV的額外細節可在共同授讓之美國專利第7,822,570號中找到，該美國專利於2010年10月26日授證，且其發明名稱為「Methods for Performing Actual Flow Verification」，該文獻以引用的方式整體併入本文。相關於ROR的額外細節可在共同授讓之美國專利第9,778,083號中找到。
現在參考圖1，顯示了範例基板處理系統120。儘管顯示了使用電容耦合電漿（CCP）用於蝕刻、化學氣象沉積、或原子層沉積（ALD）之處理腔室的範例，然而此處所述之流量計量系統及方法可用於任何其他類型之系統或基板處理系統。舉例而言，此處所述之流量計量系統及方法可用於使用遠端電漿或感應耦合電漿（ICP）之基板處理系統。此外，此處所述之系統及方法可在需要精確流量計量之任何其他半導體設備中使用。
基板處理系統120包含處理腔室122，處理腔室122圍起基板處理系統120的其他元件並包容RF電漿（若使用）。基板處理系統120包含上部電極124、及諸如靜電夾頭（ESC）的基板支撐件126。在運作期間，將基板128放置在基板支撐件126上。
僅為範例，上部電極124可包含諸如噴淋頭的配氣裝置129，配氣裝置129引入並分布製程氣體。配氣裝置129可包含一桿部分，其包含連接到處理腔室之頂部表面的一端。一基座部分一般是圓柱狀的且在與處理腔室頂部表面相隔開之位置處從桿部分的相對端向外徑向延伸。噴淋頭基座部分的面對基板表面或面板包含複數個通孔，前驅物、反應物、蝕刻氣體、惰性氣體、載氣、其他製程氣體或吹掃氣體流動通過該複數個通孔。替代地，上部電極124可包含導板，而製程氣體可以另一種方式引入。
基板支撐件126包含作為下部電極的底座130。底座130支撐可對應於陶瓷多區加熱板的加熱板132。可將熱阻層134設置在加熱板132及底座130之間。底座130可包含用於使冷卻劑流經過底座130的一或多個通道136。
若有使用電漿，RF生成系統140產生並輸出RF電壓至上部電極124與下部電極（例如ESC 126的底座130）的其中一者。上部電極124與底座130中的另外一者可為DC接地、AC接地或浮接。僅為舉例，RF生成系統140可包含RF產生器142，其產生由匹配及分配網路144饋送至上部電極124或底座130的RF功率。在其他範例中，可感應地或遠端地產生電漿。
典型氣體輸送系統150包含一或多個氣源152-1、152-2、……以及152-N（統稱為氣源152），其中N為大於零的整數。氣源152由閥154-1、154-2、……以及154-N（統稱為閥154）以及MFC 156-1、156-2、……以及156-N（統稱為MFC 156）連接至歧管160。可在MFC 156及歧管160之間使用二級閥。儘管顯示單一氣體輸送系統150，可使用二或更多氣體輸送系統。
溫度控制器163可連接至設置於加熱板132中的複數個熱控制部件（TEC）164。溫度控制器163可用以控制該複數個TCE 164以控制基板支撐件126及基板128的溫度。溫度控制器163可與冷卻劑組件166通訊以控制冷卻劑流經過通道136。舉例而言，冷卻劑組件166可包含冷卻劑泵、儲槽、以及／或者一或更多溫度感測器。溫度控制器163操作冷卻劑組件166以選擇性使冷卻劑流經通道136以冷卻基板支撐件126。閥170及泵172可用以將反應物從處理腔室122抽空。系統控制器180可用以控制基板處理系統120的元件。
現在參考圖2，此處所述之流量計量系統以及方法可用以提供供應至一或更多基板處理工具210之氣體的流量計量以降低成本。儘管顯示基板處理系統210的範例，可使用其他基板處理系統。
基板處理工具210包含設置在中央位置之機器人212。可在真空或大氣壓力下操作機器人212。基板處理工具210包含設置成環繞機器人212的複數站點（或基板處理腔室）216-1、216-2、……以及216-S（統稱為站點216）（其中S為大於一的整數）。可將站點216以等角或不規則角度的偏差加以設置環繞基板處理工具210的中心。站點216的範例可包含一或更多沉積、蝕刻、預清潔、後清潔、旋轉清潔等等。
基板可最初位在匣盒234中。一般在238識別的機器人及負載鎖可用以將基板從匣盒234移動至基板處理工具210。當處理完成時，機器人及負載鎖238可使基板返回至匣盒234以及／或者另一匣盒239。如將在下方更進一步描述的，氣體輸送系統將氣體供應至站點，且流量計量系統將氣流校準。
現在參考圖3，顯示包含複數氣箱310-1、310-2、……以及310-10（統稱為氣箱310）的氣體輸送系統300。儘管顯示十個（10）氣箱，氣體輸送系統300可包含額外的或更少的氣箱。 氣箱310-1、310-2、…、310-10由第一氣體管線312-1、312-2、……、312-10（統稱為第一氣體管線312）連接至混合流量計量系統320。第一氣體管線312可連接至歧管313且接著運送至混合流量計量系統320。來自混合流量計量系統320之返回氣體可由第二氣管線314-1、314-2、……、314-10（統稱為第二氣體管線314）連接至氣箱310-1、310-2、……、310-10。第二氣體管線314從混合流量計量系統320流入歧管315，並且分離成連接至氣箱310-1、310-2、……、310-10的獨立管線。
氣體管線316-1、316-2、……、316-10（統稱為氣體管線316）將氣箱310-1、310-2、……、310-10的輸出連接至處理腔室。在某些範例中，清潔乾空氣（CDA）源330亦連接至氣箱310-1、310-2、……、310-10。如同可了解的，混合流量計量系統320由氣箱310-1、310-2、……、310-10所共享或時間多工的，這降低了成本。
現在參考圖4，顯示了氣箱310的其中一者。氣源410-1、410-2、…以及410-G（統稱為氣源410）連接至流量控制裝置，該流量控制裝置包含：初級閥420-1、420-2、……以及420-G（其中G為大於1的整數）（統稱為初級閥420）、質量流量控制器（MFC）430-1、430-2、…、430-G（統稱為MFC 430）、以及二級閥434-1、434-2、…以及434-G（統稱為二級閥434）。二級閥434的輸出連接至混合歧管435且輸入至閥440、442、及448。閥440、442連接至混合流量計量系統320。閥442相關於在氣體管線312中流至混合流量計量系統320的氣體。閥440相關於在氣體管線314中從混合流量計量系統320返回的氣體。閥448相關於在氣體管線316中流至相關於氣箱310之處理腔室的氣體。一或更多溫度感測器480可用以感測氣體管線的溫度。在某些例子中，氣體管線的部分係由電阻加熱器（未顯示）加以加熱。
現在參考圖5，顯示了混合流量計量系統的部分。混合流量計量系統320的入口B連接至閥510。關聯於氣箱GB2、GB4、GB6、GB8以及GB10的入口B’連接至閥511。閥510及511的輸出由歧管513連接至複數氣體管線518-1、518-2、……以及518-O（其中O為大於或等於一的整數）（統稱為氣體管線518）。氣體管線518連接至精密孔口520-1、520-2、…以及520-O（統稱為精密孔口520）。
在某些例子中，精密孔口520具有變化的孔口尺寸。若是該孔口具有預定的已知尺寸及形狀且不受阻塞的，則精密孔口520被視為「精密」。當精密孔口在阻流狀態中運作時，一或更多壓力感測器530感測來自精密孔口520上游的壓力。當氣體以音速離開精密孔口時，阻流狀態發生。基於待校準之流量來選定精密孔口的其中一者。
將壓力感測器530連接至閥510及511的輸出及精密孔口520的入口。舉例而言，壓力感測器530的第一者在第一壓力範圍中運作，而壓力感測器530的第二者在與該第一壓力範圍相同或不同的第二壓力範圍中運作。舉例而言，壓力感測器530的第一者測量高達50T的壓力，而壓力感測器530的第二者測量高達500T的壓力，但可以使用其他壓力範圍。精密孔口520連接至閥524-1、524-2、……以及524-O（統稱為閥524）的入口。閥524的出口連接在一起且輸出至泵540。
現在參考圖6，顯示了混合流量計量控制器610。在某些例子中，混合流量計量控制器610包含AFV表620、Veff 表 622以及Veff 估計模組624。AFV表620係根據經驗所建立的在每個氣體的基礎上將孔口壓力與流量關聯的表。Veff 表 622包含受校準且以氣體以及／或者所欲之流量索引的Veff 值。
混合流量計量控制器610與閥634、質量流量控制器636、壓力感測器530及溫度感測器480通訊。如將在下方更進一步描述的，混合流量計量控制器610基於來自溫度感測器480及壓力感測器530的反饋來控制閥634。在某些例子中，Veff 估計模組624可用以基於使用內插法、公式、或其他技術之其他校準的Veff 值來估計Veff 。
現在參考圖7A及7B，顯示了一種用於執行混合流量計量的方法。在圖7A中，執行方法700以確定低流量氣體的校準之有效容積。換言之，僅需要針對待以低於預定流量之流量供應的氣體確定校準之有效容積，其中將使用DMM方法。此外，可對待使用之氣體及流量的每一者進行校準。替代地，可對一或更多氣體及一或更多流量進行一或更多校準。內插法、公式、或其他補償方式可用以確定其他氣體的流量以及／或者其他流量（低於預定流量），而不用對其進行單獨校準。
在710，選定用於有效容積之校準的氣體及流量。在714，使用該第一及第二流量計量方法確定在選定流量之選定氣體的有效容積。
在某些例子中，可使用方程式4來計算有效容積V。起初，將對應MFC設定為低流量設定值的其中一者，並且執行DMM方法。在DMM方法過程中，測量初始及最終壓力及溫度。使用孔口方法使MFC在相同流量設定值（以相同氣體）運作。孔口方法提供MFC的絕對（真實）流量Q。使用方程式4、絕對流量Q、以及初始及最終壓力及溫度來確定有效容積V。
若是需要額外樣品，在718繼續進行該方法，且對選定氣體的另一流量進行校準。當校準了選定氣體的所有流量時，在722繼續進行該方法，並確定是否對另一氣體進行校準。若是722為真，則方法回到710。否則，該方法結束。
在圖7B中，顯示了根據本揭露一種用於操作混合流量計量系統的方法750。在760，該方法確定是否進行流量計量。若是760為真，則該方法確定待校準之期望流率是否低於或等於第一流量閾值TH1。若是764為真，則該方法使用DMM方法以及對應於選定氣體以及／或者流量的校準之有效容積。若是764為偽，則該方法使用第二流量計量方法。在某些例子中，該第二流量計量方法包含基於孔口的方法。
現在參考圖8，顯示一種用於執行流量計量的方法800。在810，將氣體管線從氣箱至孔口加以抽取。在814，將閥關閉以將氣體管線與MFC到孔口的出口隔絕。在816，該方法等待一段調適期以允許動能消退且氣體到達壁溫。在某些例子中，該調適期係在從10秒到60秒的範圍內。在820，將壓力感測器的雜訊過濾，測量壓力且基於所測量的壓力確定初始質量。在824，將MFC的二級閥開啟且以所欲之流量供應流動。以由MFC輸出之期望流量將氣體管線、歧管以及其他結構填充一段預定時段Δt。在830，將MFC的二級閥關閉且將流動停止。在834，該方法等待一段調適期。在838，將壓力感測器的雜訊過濾，測量壓力且基於所測量的壓力及有效容積（針對選定氣體以及／或者選定流量）來確定最終質量。在842，基於最終質量、初始質量以及Δt來確定流量。
現在參考圖9，對於DMM方法的例子，將所測量之壓力顯示為時間函數。在將氣體管線抽空之後，允許氣體靜止並與諸如氣體管線之內壁的表面達到平衡溫度（
Figure 02_image015
），這造成了初始壓力p1 的些微上升。接著，將MFC設定為在一段時段Δt內待校準之期望流量。在時段Δt之後，允許氣體靜止以消除沿氣體供應管線的壓力梯度並且與諸如氣體管線之內壁的表面達到平衡溫度（
Figure 02_image017
），這造成了最終壓力p2 的些微變化。
現在參考圖10，顯示一種用於在MFC之校正上提供額外確認的方法1000。在某些範例中，在操作期間，第一流量計量系統以及第二流量計量系統將具有在可比較之預定範圍內的一或更多流量的重疊。舉例而言，第一流量計量系統可用以校準低於或等於10 sccm的流量，而第二流量計量系統可用以校準高於或等於10 sccm 的流量。在某些例子中，第一流量計量系統及第二流量計量系統兩者可用以校準相同的MFC期望流量。舉例而言，兩個計量系統可用以校準10 sccm。
可將使用第一流量計量系統及第二流量計量系統之校準的結果相比較。若是其結果落在預定容許度內，則正確地執行第一及第二流量計量系統。若是其結果不在預定容許度內，則該系統發送通知，生成警示訊息，開啟警示燈以及／或者採取其他行動。
在1010，將MFC設定為將選定氣體以在預定流量範圍內之期望流率加以流動。在某些例子中，預定流量範圍接近用於在第一計量系統及第二計量系統之間切換的預定流率。舉例而言，MFC的期望流量可在從5 sccm到15 sccm的範圍內。
在1020，使用第一計量系統測量第一流量MFR1 。在1030，使用第二計量系統測量第二流量MFR2 。在1040，將第一及第二流量MFR1 及MFR2 相比較。在1050，該系統確定第一及第二流量MFR1 及MFR2 之間的差異是否小於預定值或是否在預定容許度之內。若是1050為真，該方法結束。否則，該系統在1052發送通知、生成警示訊息，開啟警示燈或採取其他行動。
前述本質僅是用以說明性描述，而非意欲限制本揭露、其應用或用途。此揭露之廣泛教示可以多種形式實行。因此，儘管此揭露包含特定例子，然而由於經由研讀附圖、說明書以及以下專利申請範圍，其他調整將變得顯而易見，因此本揭露之真實範疇不應僅限於此。應知悉在不改變本揭露的原理之下，一個方法中的一或更多步驟可以不同順序（或同時）執行。再者，儘管每個實施例在上方所描述為具有特定特徵，然而相關於任何本揭露之實施例所描述的這些特徵中的任何一或多者可在任何其他實施例的特徵中實施以及／或者與其結合實施，就算該結合沒有明確描述。換句話說，所述之實施例並非互斥的，且一或更多實施例與另一者置換仍在此揭露的範疇內。
使用各種用語描述之部件之間（例如，在模組、電路元件、半導體層等等之間）的空間及功能關係，包含「連接」、「契合」、「耦合」、「毗連」、「相鄰」、「在頂部」、「上方」、「下方」、以及「設置」。除非明確的描述為「直接」，當在上述揭露中描述第一與第二部件之間的關係時，該關係可以是在該第一與第二部件之間沒有其他中介部件存在的直接關係，也可以是在該第一與第二部件之間（空間上或功能上）存在一或更多中介部件的間接關係。如此處所使用，用語至少為A、B及C其中之一應被解釋為使用非排他性的「或者」表示邏輯（A或B或C），並且不應解釋為表示「至少A其中之一、至少B其中之一以及至少C其中之一」。
在某些實例中，控制器是系統的一部分，其可能是上述例子中的一的部分。該系統可包括半導體處理設備，包含處理工具、腔室、平台以及／或者特定處理元件（晶圓底座、氣流系統等等）。這些系統可能整合電子產品以控制他們在半導體晶圓或基板之處理前、中、及後的作業。該電子產品可稱為「控制器」，可控制各種系統的元件或子部件。該控制器可能被設計用以控制任何此處所揭露的製程，包含製程氣體輸送、溫度設定（例如加熱以及／或者冷卻）、壓力設定、真空設定、功率設定、射頻（RF）生成器設定、RF匹配電路設定、頻率設定、流量設定、流體輸送設定、位置與操作設定、晶圓輸送進出工具與其他輸送工具以及／或者連接到特定系統或與之介面的負載鎖，端看處理需求以及／或者系統類型。
廣泛地說，控制器可被定義為具有各種積體電路、邏輯、記憶體以及／或者軟體，可接受指令、發送指令、控制操作、啟用清潔操作、啟用端點測量等等的電子產品。該積體電路可能包含韌體形式儲存程式指令的晶片、數位訊號處理器（DSPs）、定義為特殊用途積體電路（ASICs）的晶片、以及／或者執行程式指令（例如軟體）的一或更多微處理器或微控制器。程式指令可能係以各種單獨設定（或程式文件）的形式傳達至控制器的指令，定義在半導體晶圓或系統上執行的特定製程之操作參數。在一些實施例中，該操作參數可能是在由製程工程師定義於製造晶圓的一或多層、材料層、金屬層、氧化層、矽晶層、二氧化矽層、表面、電路以及／或者晶粒的過程中，用以完成一或更多製程步驟的配方的一部分。
在某些實施方式中，該控制器可能為一與系統整合、與系統耦合要不然就是與系統聯網或者結合以上方式的電腦的一部分或是與之耦合。舉例而言，該控制器可能在「雲端」或是工廠主機電腦系統的一部分或全部，可允許遠端存取晶圓製程。該電腦可能可以遠端連接至系統以監控現行製造作業進程、查看過去製造作業之歷史紀錄、查看多個製造作業的趨勢或性能矩陣、修改現行製程參數、設定製程步驟以接續現行製程，或是開始新製程。在某些例子中，遠端電腦（例如伺服器）可透過可包含區域網路或網際網路的聯網提供製程配方至系統。該遠端電腦可能包含可以進入或設計參數以及／或者設定的使用者介面，這些設定會接著從遠端電腦連接至系統。在某些例子中，控制器收到資料形式的指令，該資料指定在一或更多操作過程中待執行之每個製程步驟的參數。應知悉，參數可以特定針對待執行製程的類型以及控制器設置以與之介面或將其控制的工具類型。因此如上所述，控制器可能是分散的，一如經由組合一或更多個別控制器透過聯網合作並朝一個共同目的工作，正如此處描述的製程與控制。一個用於此目的的分散式控制器例子可以是在一個腔室上一或更多積體電路連接一或更多位於遠端的積體電路（例如在平台水平或是遠端電腦的一部分）兩者結合以控制該腔室的製程。
不受限地，範例系統可能包含電漿蝕刻腔室或模組、沉積腔室或模組、旋轉沖洗腔室或模組、金屬電鍍腔室或模組、清洗腔室或模組、斜邊蝕刻腔室或模組、物理氣相沉積（PVD）腔室或模組、化學氣相沉積（CVD）腔室或模組、原子層沉積（ALD）腔室或模組、原子層蝕刻（ALE）腔室或模組、離子佈植腔室或模組、徑跡腔室或模組，以及任何其他可能相關聯或用於生產以及／或者製造半導體晶圓的半導體製程系統。
如上所述，控制器會聯絡一或更多其他工具電路或模組、其他工具部件、群組工具、其他工具介面、毗連工具、相鄰工具、遍布工廠的工具、主電腦、另一控制器，或將晶圓容器傳送出或傳送至半導體製造工廠中工具位置以及／或者裝載端口的材料輸送工具，視工具執行的製程步驟而定。
120:基板處理系統 122:處理腔室 124:上部電極 126:基板支撐件 128:基板 129:配氣裝置 130:底座 132:加熱板 134:熱阻層 136:通道 140:RF生成系統 142:RF產生器 144:匹配及分配網路 150:氣體輸送系統 152:氣源 152-1:氣源 152-2:氣源 152-N:氣源 154-1:閥 154-N:閥 156-1:MFC 156-N:MFC 160:歧管 163:溫度控制器 164:TEC 166:冷卻劑組件 170:閥 172:泵 180:系統控制器 210:基板處理工具 212:機器人 216-1:站點 216-2:站點 216-S:站點 234:匣盒 238:機器人及負載鎖 239:匣盒 300:氣體輸送系統 310:氣箱 310-1:氣箱 310-2:氣箱 310-3:氣箱 310-10:氣箱 312:氣體管線 312-1:氣體管線 312-2:氣體管線 312-3:氣體管線 313:歧管 314:第二氣體管線 314-1:第二氣體管線 314-2:第二氣體管線 314-3:第二氣體管線 315:歧管 316:氣體管線 316-1:氣體管線 316-2:氣體管線 316-3:氣體管線 320:混合流量計量系統 330:清潔乾空氣源 410-1:氣源 410-2:氣源 410-G:氣源 420-1:初級閥 420-2:初級閥 420-G:初級閥 430-1:MFC 430-2:MFC 430-G:MFC 434-1:二級閥 434-2:二級閥 434-G:二級閥 435:歧管 440:閥 442:閥 448:閥 480:溫度感測器 510:閥 511:閥 513:歧管 518-1:氣體管線 518-2:氣體管線 518-O:氣體管線 520-1:精密孔口 520-2:精密孔口 520-O:精密孔口 524-1:閥 524-2:閥 524-O:閥 530:壓力感測器 540:泵 610:混合流量計量控制器 620:AFV表 622:Veff 表 624:Veff 估計模組 634:閥 636:質量流量控制器 B:入口 B’:入口 GB2:氣箱 GB4:氣箱 GB6:氣箱 GB8:氣箱 GB10:氣箱
從詳細描述與隨附圖示將變得更全面地理解本揭露，其中：
圖1為基板處理系統之範例的功能性框圖；
圖2為基板處理系統之範例的功能性框圖；
圖3為可用於圖1及2之系統中根據本揭露的氣體輸送系統的功能性框圖；
圖4為根據本揭露之氣箱之範例的功能性框圖；
圖5為根據本揭露之混合流量計量系統之範例的功能性框圖；
圖6為根據本揭露之混合流量計量控制器之範例的功能性框圖；
圖7A及7B為描繪根據本揭露執行混合流量計量之方法的範例的流程圖；
圖8為描繪根據本揭露之差動質量方法之範例的流程圖；
圖9為描繪根據本揭露之差動質量方法期間壓力的時間函數的圖；以及
圖10為描繪根據本揭露之一種用於將給定氣體之有效體積計算隨時間之變化使用作為額外計量確認之方法的範例的流程圖。
在圖示中，可重複使用索引號碼以識別相似以及／或者相同的部件。
312:氣體管線
314:第二氣體管線
320:混合流量計量系統
480:溫度感測器
510:閥
511:閥
513:歧管
518-1:氣體管線
518-2:氣體管線
518-O:氣體管線
520-1:精密孔口
520-2:精密孔口
520-O:精密孔口
524-1:閥
524-2:閥
524-O:閥
530:壓力感測器
540:泵
B:入口
B’:入口

Claims (32)

  1. 一種用於基板處理系統之氣體流量計量系統，包含： N個初級閥，選擇性地使氣體分別從N個氣源流動，其中N係一整數； N個質量流量控制器，分別連接至該N個初級閥，用以使N個氣體分別從該N個氣源流動； N個二級閥，選擇性地使氣體分別從該N個質量流量控制器流動； 一氣流路徑，將該N個二級閥連接至遠離該N個二級閥的一流量計量系統，其中該氣流路徑包含氣體管線；以及 一控制器，設置以藉由以下操作對來自該N個質量流量控制器的其中一者在一期望流量的一選定氣體執行一第一流量計量： 排空該氣流路徑； 測量該氣流路徑中之一初始壓力； 確定該氣流路徑中之一初始質量； 將該選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動； 測量在該氣流路徑中之一最終壓力； 確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及 基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段，確定一真實流量。
  2. 如請求項1之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器更設置以確定針對該選定氣體及該期望流量之該氣流路徑的一有效容積。
  3. 如請求項2之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器更設置以更進一步基於該有效容積確定該真實流量。
  4. 如請求項1之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該氣流路徑更包括一歧管及一閥。
  5. 如請求項1之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以：當在該期望流量小於一預定流量的情況下確定該真實流量時，使用該第一流量計量。
  6. 如請求項5之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
  7. 如請求項5之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以：當該期望流量大於該預定流量時，使用不同於該第一流量計量之一第二流量計量來確定該真實流量。
  8. 如請求項7之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
  9. 如請求項7之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該第二流量計量包含一基於孔口的計量。
  10. 如請求項5之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，更包含： 一孔口； 一閥，連接至該孔口的一出口；以及 一壓力感測器，用以感測在該孔口的一入口的壓力， 其中該控制器係設置以當該期望流量大於該預定流量時，使用該閥、該壓力感測器以及該孔口來確定該真實流量。
  11. 如請求項1之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期（settling period）。
  12. 如請求項1之用於基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以：在將該選定氣體在該期望流量在該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後、以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
  13. 一種基板處理系統之氣體流量計量系統，包含： 一氣箱，包含N個質量流量控制器以控制分別來自N個氣源之氣流，其中N為一整數； 一氣流路徑，與該氣箱呈流體聯通； 一混合流量計量系統，與該氣流路徑呈流體聯通，且包含一控制器，該控制器設置以執行以下操作： 第一流量計量，用以當由該N個質量流量控制器的至少其中一者所供應之氣體的一期望流量小於一預定流量時，基於在一預定時段期間在該氣箱及一流量計量系統之間的該氣流路徑中之氣體的一差動質量來校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者；以及 第二流量計量，用以當該N個質量流量控制器的至少其中一者的該期望流量大於該預定流量時，校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。
  14. 如請求項13之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該第一流量計量及該第二流量計量係用以確定針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的一有效容積。
  15. 請求項14之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該第一流量計量更基於針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的該有效容積來確定該差動質量。
  16. 如請求項13之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該第二流量計量係一種基於孔口的方法。
  17. 如請求項14之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該混合流量計量系統包含一控制器，該控制器設置以確定針對一選定氣體及一選定流量之該氣流路徑的一有效容積。
  18. 如請求項17之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器更設置以更進一步基於該有效容積來確定該真實流量。
  19. 如請求項13之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該氣流通路更包括一歧管及一閥。
  20. 如請求項13之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
  21. 如請求項13之基板處理系統之氣體流量計量系統，更包含： 一孔口； 一閥，連接至該孔口的一出口；以及 一壓力感測器，用以感測在該孔口的一入口的壓力， 其中該控制器係設置以當該期望流量大於該預定流量時，使用該閥、該壓力感測器以及該孔口以來確定一真實流量。
  22. 如請求項17之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以藉由以下操作來執行該第一流量計量： 排空該氣流路徑； 測量該氣流路徑中之一初始壓力； 確定該氣流路徑中之一初始質量； 將該選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動； 測量在該氣流路徑中之一最終壓力； 確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及 基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段確定一真實流量。
  23. 如請求項22之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以，在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期。
  24. 如請求項22之基板處理系統之氣體流量計量系統，其中該控制器係設置以在將該選定氣體在該期望流量在該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後、以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
  25. 一種用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，包含： 提供一氣箱，包含N個質量流量控制器以控制分別來自N個氣源之氣流，其中N為一整數； 提供一氣流路徑，該氣流路徑與該氣箱呈流體聯通； 使用第一流量計量，以當由該N個質量流量控制器的至少其中一者所供應之該氣體的一期望流量小於一預定流量時，基於在一預定時段期間在該氣箱及一流量計量系統之間的該氣流路徑中之氣體的一差動質量來校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者；以及 使用第二流量計量，以當該N個質量流量控制器的至少其中一者的該期望流量大於該預定流量時，校準該N個質量流量控制器的該至少其中一者。
  26. 如請求項25之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，其中該第一流量計量及該第二流量計量係用以確定針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的一有效容積。
  27. 如請求項26之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，其中該第一流量計量更基於針對在該期望流量之該氣體的該氣流路徑的該有效容積來確定該差動質量。
  28. 如請求項25之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，其中該第二流量計量係一種基於孔口的方法。
  29. 如請求項25之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，其中該預定流量係在從5 sccm到15 sccm之一範圍中。
  30. 如請求項25之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，其中該第一流量計量包含： 排空該氣流路徑； 測量該氣流路徑中之一初始壓力； 確定該氣流路徑中之一初始質量； 將一選定氣體在該期望流量在一預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動； 測量在該氣流路徑中之一最終壓力； 確定在該氣流路徑中之一最終質量；以及 基於該初始質量、該最終質量、及該預定時段確定一真實流量。
  31. 如請求項30之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，更包含在排空該氣流路徑之後及在測量該氣流路徑中之該初始壓力之前，等待一段第一預定調適期。
  32. 如請求項31之用於在基板處理系統中執行氣體流量計量的方法，更包含在將該選定氣體在該期望流量在該預定時段期間從該N個質量流量控制器的該其中一者流動之後以及在測量該氣流路徑中之該最終壓力之前，等待一段第二預定調適期。
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