通过硅片自旋转及振荡机构改善蚀刻率的测试方法与流程

本发明涉及湿式蚀刻技术领域，具体地说是一种通过硅片自旋转及振荡机构改善蚀刻率的测试方法。

[

背景技术：
]

从半导体制造业一开始，湿法蚀刻就与硅片的制造联系在一起，虽然湿法蚀刻已大部分被干法蚀刻所取代，但它在漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形腐蚀应用方面仍然起着重要作用。与干法蚀刻相比，湿法蚀刻的好处在于对下层材料具有更高的选择比，对器件不会带来等离子体损伤，并且设备简单。在蚀刻过程中必须控制基本的湿法蚀刻参数，这些参数对所有的湿法蚀刻都适用。

一批硅片，通常是25片，有时多至50～100片，放置在一个合适的酸槽里，或用浸泡的方式，或用喷射的方式来进行湿法蚀刻。浸泡是最简单的方式，而喷射方式蚀刻需要的化学试剂要少，并且比浸泡方式蚀刻得快。湿法蚀刻存在一些缺点，包括湿法化学蚀刻槽的安全性，可能带来的光刻胶脱落和起泡，难以控制蚀刻槽的参数以保证均匀性，化学试剂的处理费用昂贵等。

蚀刻是采用物理或化学方法有选择地从硅片表面去除材料，湿法蚀刻采用液态化学试剂，蚀刻通常分为介质蚀刻、硅蚀刻和金属蚀刻。蚀刻有9个重要的参数：蚀刻速率、蚀刻剖面、蚀刻偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物形成、等离子体诱导损伤和颗粒沾污。蚀刻均匀性是一种衡量蚀刻工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间蚀刻能力的参数。均匀性与选择比有密切的关系，因为非均匀性蚀刻会产生额外的过蚀刻。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。难点在于蚀刻工艺必须在蚀刻具有不同图形密度的硅片上保证均匀性，例如图形密的硅片区域，大的图形间隔和高深宽比图形。均匀性的一些问题是因为蚀刻速率和蚀刻剖面与图形尺寸和密度有关而产生的。蚀刻速率在小窗口图形中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上蚀刻居然停止。例如，具有高深宽比硅槽的蚀刻速率要比具有低深宽比硅槽的蚀刻速率慢。这一现象被称为深宽比相关蚀刻(ARDE)，也被称为微负载效应。为了提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应减至最小。简单来讲，所谓的蚀刻均匀性就是指批次与批次之间、同一批次的片与片之间以及同一片的不同测试点之间蚀刻速率的一致性。为了提高产品良率，降低返工率，提高蚀刻均匀性一直是行业技术攻关的方向。

从设备供应商的角度考虑，影响蚀刻结果的几大因素(化学液浓度、蚀刻时间、蚀刻温度、搅动及批数)大部分都由客户的蚀刻工艺确定，这些工艺一般都是经过长期的试验和验证才得以优化的，包括化学液浓度、蚀刻时间、蚀刻温度及批数，在设备制造之初，客户已经明确蚀刻的工艺要求，设备供应商能够做的只是尽可能提供设备控制精度，在蚀刻时间和蚀刻温度上进行精准和严格的及控制。怎样优于竞争对手的设备性能，是各设备制造厂商努力的方向。但是显然，各设备制造商可操作的参数只有控制搅动，通过这一参数的性能优化来提高蚀刻均匀性。

[

技术实现要素：
]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种通过硅片自旋转及振荡机构改善蚀刻率的测试方法，对蚀刻均匀性有比较明显的改善，并且不同的上下振荡速率及不同的硅片旋转速率对蚀刻均匀性都有比较明显的影响。

为实现上述目的设计一种通过硅片自旋转及振荡机构改善蚀刻率的测试方法，包括以下步骤：

1)钛钨蚀刻设备前期准备：按照工艺要求进行测试准备，将蚀刻制程槽内补充化学液至规定液位，补液完成后对蚀刻制程槽内化学液进行加热，加热时通过循环磁力泵抽取，使化学液在循环管路上利用石英在线式加热器进行加热，直至温度稳定在50±1℃；

2)硅片制程操作过程：从待制程操作的25片硅片中随机抽取6片，分别编号为测试片A、B、C、D、E、F，在每片上标记13个测试点，编号为1-13，利用四点探针分别测量测试点A1-A13、B1-B13……F1-F13蚀刻前的厚度，并记录，然后将随机抽取的6片测试片分别放置在花篮的第1、2、13、14、24、25位置，其余19片非测试硅片补充满花篮，然后将花篮放置在钛钨蚀刻设备的上货区，全自动机械手臂夹取到花篮后将其放置到蚀刻制程槽，开始蚀刻作业；蚀刻作业过程中根据测试条件，分别设定上下振荡的频率和硅片自旋转的速率，待蚀刻900s，全自动机械手臂取出花篮，搬运至DI清洗槽，冲去蚀刻液，300s清洗完成后，制程结束；

3)硅片均匀性检测过程：蚀刻制程完成后取出测试硅片，在原先标记的A1-A13、B1-B13……F1-F13测试点测试硅片厚度，根据制程前的测试结果及制程完成后的测试结果即可得到硅片被蚀刻掉的厚度△T，根据制程要求，蚀刻所用的时间t＝900s,得到每一测试点的蚀刻速率，蚀刻速率计算公式为，蚀刻速率＝△T/t，根据均方根计算得到每一片硅片的蚀刻均匀性，进而计算6片测试片的蚀刻均匀性，即可得每一批次的蚀刻均匀性。

步骤1)中，蚀刻制程槽内设有浮球液位传感器，浮球液位传感器通过线路连接PLC控制系统。

步骤2)中，上下振荡机构的上下振荡速率为10次/min，同时硅片自旋转机构的硅片自旋转速率为3rpm。

本发明同现有技术相比，通过引入硅片自旋转及振荡机构，改进蚀刻过程中槽体的流场，控制搅动性能，并经过多次试验和测试，在不同的测试条件下分别采集数据，根据最终的测试结果确定搅动的工艺方法，结合现有工艺进行改进和提升，最终对蚀刻均匀性有比较明显的改善，并且不同的上下振荡速率及不同的硅片旋转速率对蚀刻均匀性都有比较明显的影响；此外，本发明所述的方法在上下振荡速率为10次/min，同时wafer旋转速率在3rpm时，对蚀刻均匀性改善最为明显，不均匀性不超过8％，能够满足客户技术要求，同时优于客户其他的同性质设备，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明所用的蚀刻系统示意图；

图2是本发明中测试硅片放置示意图；

图3是本发明中蚀刻厚度标识示意图；

图中：1、蚀刻制程槽 2、上下振荡机构 3、硅片自旋转机构 4、花篮 5、硅片 6、石英在线式加热器 7、过滤器 8、循环磁力泵 9、DI清洗槽 10、全自动机械手臂 11、上货区 12、日光灯。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

本发明提供了一种通过硅片自旋转及振荡机构改善蚀刻率的测试方法，该测试方法是一批次25片硅片同时作业，在一批次中随机抽取6片硅片，在每片上利用四点探针测13个测试点，换算为蚀刻速率，进而比较出其蚀刻均匀性。该蚀刻速率计算公式为：蚀刻速率＝△T/t其中，△T＝去掉的材料厚度(或μm)，t＝蚀刻所用的时间(分)。该测试方法包括以下步骤：

1)Tiw(钛钨)蚀刻设备前期准备：按照工艺要求进行测试准备，蚀刻制程槽通过PLC控制自动补液(化学液：H2O2，客户厂务提供)到规定液位，蚀刻制程槽内设有浮球液位传感器，浮球液位传感器通过线路连接PLC控制系统，通过浮球液位sensor检测，反馈到PLC停止化学液补充，此时制程槽的化学液容量约为45L；补液完成后开始对蚀刻制程槽内化学液进行加热，加热时通过循环磁力泵抽取，保证化学液在循环管路上利用石英在线式加热器进行加热，直至温度稳定在50±1℃；

2)硅片制程操作过程：操作人员从待制程操作的25片硅片中随机抽取6片，分别编号为测试片A、B、C、D、E、F，在每片上标记13个测试点，编号为1-13，利用四点探针分别测量测试点A1-A13、B1-B13……F1-F13蚀刻前的厚度，并记录在册；操作人员将随机抽取的6片测试片分别放置在花篮的第1、2、13、14、24、25位置(如附图2所示)，其余19片非测试硅片补充满花篮，然后将花篮放置在Tiw(钛钨)蚀刻设备的上货区，全自动机械手臂夹取到花篮后将其放置到蚀刻制程槽，开始蚀刻作业；蚀刻作业过程中根据测试条件，分别设定上下振荡的频率和硅片自旋转的速率，待蚀刻900s，全自动机械手臂取出花篮，搬运至DI清洗槽，冲去蚀刻液，300s清洗完成后，制程结束；其中，上下振荡机构的上下振荡速率为10次/min，同时硅片自旋转机构的硅片自旋转速率为3rpm；

3)硅片均匀性检测过程：蚀刻制程完成后取出测试硅片，在原先标记的A1-A13、B1-B13……F1-F13测试点测试硅片厚度，根据制程前的测试结果及制程完成后的测试结果即可得到硅片被蚀刻掉的厚度△T，根据制程要求，蚀刻所用的时间t＝900s,得到每一测试点的蚀刻速率，蚀刻速率计算公式为，蚀刻速率＝△T/t，根据均方根计算得到每一片硅片的蚀刻均匀性，进而计算6片测试片的蚀刻均匀性，即可得每一批次的蚀刻均匀性。

其测试条件及测试结构如下表所示：

以上测试，保证化学液浓度、蚀刻时间、蚀刻温度及批数完全一致，仅改动搅动性能。

经过多次的测试比较，加入硅片自旋转及振荡机构对蚀刻均匀性有比较明显的改善，并且不同的上下振荡速率及不同的wafer旋转速率对蚀刻均匀性都有比较明显的影响。根据多次测试结果，总结经验，得出在上下振荡速率为10次/min同时wafer旋转速率在3rpm时，对蚀刻均匀性改善最为明显，不均匀性不超过8％，满足客户技术要求，同时优于客户其他的同性质设备。

根据与客户的讨论和测试，加入硅片自旋转及振荡机构提高了蚀刻均匀性的主要原因在于确保了硅片浸泡在蚀刻液中的时间高度一致及硅片蚀刻过程中的流场更为均匀，未加入硅片自旋转机构时，同一批次硅片放入蚀刻制槽时，下半部分的硅片最先接触到蚀刻液，而取出蚀刻制程槽时，最先浸泡到化学液的硅片下半部分却最晚脱离化学液，这在实际上导致了硅片下半部分蚀刻时间延长，在以秒为制程单位的制程操作中，几秒钟的差异已经极大地导致了蚀刻均匀性的降低。并且未加入上下振荡机构时，硅片浸泡在静置的流场中，根据化学液密度沉积，下半部分的溶液浓度一般较高，这也导致了蚀刻均匀性的降低。综合以上，加入硅片自旋转及振荡机构，既保证了制程槽中流场及化学液浓度的均匀，也确保最先浸泡到化学液的硅片局部最先脱离化学液，保证蚀刻时间的高度一致。基于此，最终确定了加入硅片自旋转及振荡机构，并且明确搅动性能参数(上下振荡10次/min，wafer自旋转3rpm)，以此改进蚀刻均匀性的工艺方法。

本发明的原理为：通过引入改进型硅片自旋转及振荡机构，改进蚀刻过程中槽体的流场，控制搅动性能，经过与客户方多次的试验和测试，在不同的测试条件下分别采集数据，根据最终的测试结果确定搅动的工艺方法，结合客户现有工艺进行改进和提升。

现有技术存在的问题和缺点主要如下表：

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。