一种用于降低刻蚀工艺掉片率的装置、方法和刻蚀装置与流程

1.本发明涉及半导体深硅刻蚀技术领域，尤其涉及一种用于降低刻蚀工艺掉片率的装置、方法和刻蚀装置。


背景技术：

2.在电感耦合深硅刻蚀系统中，通过机械手载片装置进行晶圆片的转移，采用静电吸盘(esc，electro static chuck)对转移进工艺腔的晶圆片进行固定，esc的基本原理是正负电荷之间相互吸引，通过不同种电荷之间的库仑力使晶圆片稳定在电极上。最常用的是双极型esc，电源正负极接在esc的两个电极上，晶圆片在内部被极化，与esc两个电极产生相反极性的电荷，异种电荷之间的库仑力使晶圆片固定在esc上。esc除了固定晶圆片的作用外，另外一个功能是温度控制，esc加载直流高压将晶圆片吸附在esc上，esc上表面的一圈小孔喷射出氦气，工艺过程中晶圆片产生的热量通过氦气循环流动进行热传递降低晶圆片温度，从而稳定控制晶圆片的温度，顶针升降顶片也是通过氦气喷射小孔上升下降。
3.在深硅刻蚀的工艺流程中，晶圆片首先放置在机械手载片装置上，当电感耦合深硅刻蚀系统的loadlock腔与工艺腔真空度匹配后，打开隔离阀，机械手将载片装置上晶圆片传送至esc的顶针正上方后，顶针升起将晶圆片从载片装置上顶起；此时晶圆片高于载片装置，机械手退回loadlock腔，关闭隔离阀，顶针下降至esc上表面以下。将晶圆片放置在esc上，esc加载直流伏电压吸附晶圆片，通入工艺气体稳定后，在晶圆片上进行刻蚀。晶圆片厚度大约250～400微米，在深硅刻蚀的过程中，晶圆片通孔尺寸较大时需在晶圆片背面贴膜后放置在esc上，这样在工艺过程中才能保证晶圆片背面通入氦气冷却时维持在一定的压力范围内，满足晶圆片的冷却要求。
4.然而，背面贴膜的晶圆片在工艺过程结束后关闭esc加载的直流电压时，容易出现静电力释放不完全的情况，也即残余静电力粘片效应：当esc上表面的顶针将晶圆片顶起时，晶圆片外圆周向上升起，而晶圆片中心仍吸附在esc上。当外圆周处顶起一定高度后，晶圆片中心处突然脱离，导致晶圆片快速跳起，真空环境下，晶圆片在顶针上出现较大偏移甚至从顶针上脱落至工艺腔体中，使得机械手无法将晶圆片从工艺腔体中取出到loadlock腔体中，而只能手动将真空腔体充气至大气压状态后，打开真空腔的上电极，手工取出晶圆片，清洁下电极及腔体内反应物微粒后再装配上电极、抽真空。而处理过程耗时一小时以上，在背面贴膜的晶圆片加工过程中掉片率＞50％，严重影响日产能。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种用于降低刻蚀工艺掉片率的装置、方法和刻蚀装置，解决了现有刻蚀工艺中晶圆片掉片率高的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种用于降低刻蚀工艺掉片率的装置，其特征在于，包括通气控制器和陶瓷遮挡盘；通气控制器一端用于连接进气管道，另一端用于连接刻蚀设备的通气管路，陶瓷遮挡盘设置于刻蚀设备的下电极基座上；通气控制器用于在刻蚀
完成后，向刻蚀设备内通入气体，使晶圆片浮起和下落，以消除刻蚀完成后晶圆片上的残余静电力粘片效应；陶瓷遮挡盘用于限制晶圆片浮起过程中晶圆片的移动范围。
7.基于第一方面，在一些实施例中，通气控制器包括第一继电器、第二继电器、第三继电器、按钮开关、电磁截止阀和真空表；第一继电器、第二继电器、第三继电器和按钮开关用于形成通气控制器的控制回路；真空表用于检测刻蚀设备的通气管路处的实时真空值并将实时真空值上传给通气控制器的控制回路；电磁截止阀设置在进气管道上，通气控制器的控制回路根据实时真空值控制电磁截止阀，以实现控制通气控制器进气管道开闭。
8.基于第一方面，在一些实施例中，通气控制器还包括质量流量控制器；电磁截止阀连接通气控制器进气管道，质量流量控制器连接电磁截止阀，真空表设置于质量流量控制器出口，质量流量控制器连接刻蚀设备的通气管路；质量流量控制器用于调节通气控制器进气管道开启时的气体流量。
9.基于第一方面，在一些实施例中，通气控制器还包括针阀，针阀设置于通气控制器进气管道上，用于控制通气控制器进气管道的进气量大小。
10.基于第一方面，在一些实施例中，真空表串联第一继电器的线圈。
11.基于第一方面，在一些实施例中，电磁截止阀串联第一继电器的常闭触点，第二继电器的常开触点和第三继电器的延时断开常闭触点。
12.基于第一方面，在一些实施例中，第二继电器的常开触点并联按钮开关后串联第二继电器的线圈、第三继电器的延时断开常闭触点和第一继电器的常闭触点；第三继电器的线圈串联第二继电器的常开触点。
13.基于第一方面，在一些实施例中，陶瓷遮挡盘上设置有限位销，限位销位于陶瓷遮挡盘上表面距内圆周边缘一定距离处，限位销用于限制晶圆片的移动范围。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种用于降低刻蚀工艺掉片率的方法，适用于如上述第一方面中任一项所述的用于降低刻蚀工艺掉片率的装置，包括：通过通气控制器检测刻蚀设备通气管路内实时真空值，当实时真空值大于第一预设值时，对刻蚀设备进行真空抽取操作，当真空值小于第一预设值时，向刻蚀设备通气管路内通入气体，使晶圆片浮起；通过陶瓷遮挡盘限制浮起的晶圆片位置不偏移出预设区域；通过通气控制器检测到实时真空值大于第一预设值后，停止通气，使晶圆片落下。
15.第三方面，本发明实施例提供了一种刻蚀装置，其特征在于，包括刻蚀设备和上述第一方面中任一项所述的用于降低刻蚀工艺掉片率的装置；刻蚀设备用于对晶圆片进行刻蚀，用于降低刻蚀工艺掉片率的装置用于在刻蚀工艺完成后消除晶圆片上的残余静电力粘片效应使得晶圆片能够稳定移出刻蚀设备。
16.本技术实施例中，用于降低刻蚀工艺掉片率的装置通过陶瓷遮挡盘和通气控制器的共同使用，在刻蚀过程完成后，通过喷射气体在晶圆片背面形成均匀的气流，气压差产生浮力使得晶圆片脱离残余静电力吸附而向上浮起。使用本发明方法消除了刻蚀工艺完成后晶圆片上的残余静电力粘片效应，解决了现有刻蚀工艺中晶圆片掉片率高的问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明实施例提供的静电吸盘装置原理图；
19.图2是本发明实施例提供的电感耦合深硅刻蚀设备的结构图；
20.图3是本发明实施例提供的晶圆片圆周顶起状态的示意图；
21.图4是本发明实施例提供的晶圆片中心脱离esc出现跳片状态的示意图；
22.图5是本发明实施例提供的晶圆片跳片后回落顶针上偏移状态的示意图；
23.图6是本发明实施例提供的晶圆片跳片后落回顶针上滑落状态的示意图；
24.图7是本发明实施例提供的用于降低刻蚀工艺掉片率的装置示意图；
25.图8是本发明实施例提供的通气控制器控制回路示意图；
26.图9是本发明实施例提供的通气控制器平面结构示意图；
27.图10是本发明实施例提供的陶瓷遮挡盘示意图；
28.图11本发明实施例提供的用于降低刻蚀工艺掉片率的方法的流程图；
29.图12是本发明实施例提供的应用用于降低刻蚀工艺掉片率的方法时的工艺流程图；
30.图13是本发明实施例提供的刻蚀装置结构示意图。
31.图中：
32.101 loadlock腔；
33.102 隔离阀；
34.102 源射频；
35.104 反应腔；
36.105 电感耦合线圈；
37.106 陶瓷腔；
38.107 晶圆片；
39.108 esc；
40.109 顶针；
41.110 偏压射频；
42.111 气缸；
43.201 陶瓷遮挡盘；
44.202 通气控制器。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
46.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
47.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
48.电感耦合深硅刻蚀是一种采用bosch工艺原理的半导体刻蚀工艺，在钝化过程中反应腔内通入聚合物产生气体，等离子体离化后产生的聚合物沉积在待刻蚀硅片表面，该过程具有高度的各向同性，因此会在硅片的表面和结构深槽内都均匀地覆盖一层聚合物保护膜。在随后的刻蚀过程中反应腔室内气体转换成刻蚀气体，离化后的刻蚀气体具备反应活性，等离子体在顶端产生后受下电极影响离子发生定向移动，设备周围加入磁场束缚带电离子、自由基的运动方向，从而保证良好的方向性和均匀性，实现各向异性刻蚀。通过淀积保护和刻蚀的相互交替以达到高深宽比的深硅刻蚀。
49.深硅刻蚀设备通常采用静电吸盘(esc，electro static chuck)对待刻蚀晶圆片进行固定，esc的基本原理是正负电荷之间相互吸引，通过不同种电荷之间的库仑力使晶圆片吸附在电极上。最常见的是双极型静电吸盘，如图1所示，电源正负极接在esc两个电极上，晶圆片在内部被极化，与esc两个电极产生相反极性的电荷，异种电荷之间的库仑力使晶圆片固定在esc上。
50.esc除了固定晶圆片的作用外，还具有温度控制的作用，esc加载直流高压将晶圆片吸附在上表面，上表面的一圈小孔喷射出氦气，工艺过程中晶圆片产生的热量通过氦气循环流动进行热传递降低晶圆片温度，从而稳定控制晶圆片的温度。另外，esc上表面喷射气体的小孔也作为顶针的伸出孔，当需要对晶圆片进行升降时，通过气泵控制顶针升降，将晶圆片顶起或下降。
51.图2示出了一种典型的深硅刻蚀设备，通过该种设备进行刻蚀工艺的具体流程如下：晶圆片首先放置在机械手载片装置上，当loadlock腔101与反应腔104真空度匹配后，打开隔离阀102，机械手将载片装置上晶圆片107传送至顶针109正上方后，顶针109升起将晶圆片107从载片装置上顶起；此时晶圆片107高于载片装置，机械手退回loadlock腔101，关闭隔离阀102，顶针109下降至esc108上表面以下，将晶圆片107放置在esc108上；esc108加载直流伏电压吸附晶圆片107，通入工艺气体稳定后，开启射频起辉并通入氦气，等离子在电感耦合线圈105作用下垂直向下轰击在晶圆片107上进行刻蚀，晶圆片107厚度大约250～400微米。在刻蚀通孔的过程中，晶圆片107通孔尺寸较大时需在晶圆片背面贴膜后放置在esc上，这样在工艺过程中才能保证晶圆片107背面通入气体冷却时维持在一定的压力范围内，满足晶圆片的冷却要求。
52.然而，背面贴膜的晶圆片107在工艺过程结束后关闭esc加载的直流电压时，由于晶圆片上的静电力释放不完全，容易出现残余静电力粘片效应：当esc上表面的顶针将晶圆片顶起时，晶圆片外圆周向上升起，而晶圆片中心仍吸附在esc上，如图3所示。当外圆周处顶针顶起一定高度后，晶圆片中心处突然脱离，导致晶圆片快速跳起，如图4所示。真空环境下，晶圆片在顶针上出现较大偏移甚至从顶针上脱落至工艺腔体中，依据静电力吸附情况晶圆片弹跳幅度不同，等离子轰击时间短，残余静电力小，晶圆片弹跳幅度较小，易出现偏移状态，如图5，等离子轰击晶圆片时间长残余静电力大，晶圆片弹跳幅度较大，易出现滑落状态，如图6。
53.晶圆片发生偏移甚至滑落使得机械手无法将晶圆片从工艺腔体中取出到loadlock腔体中，而只能手动将真空腔体充气至大气压状态后，打开真空腔的上电极，手工取出晶圆片，清洁下电极及腔体内反应物微粒后再装配上电极、抽真空，处理过程耗时一小
时以上，在背面贴膜的晶圆片加工过程中掉片率＞50％，严重影响日产能。
54.为解决现有刻蚀工艺中晶圆片掉片率高的问题，本发明提出一种用于降低刻蚀工艺掉片率的装置，如图7所示，包括陶瓷遮挡盘201和通气控制器202。通气控制器202一端用于连接通气控制器进气管道，另一端用于连接刻蚀设备的通气管路，刻蚀设备的通气管路连通刻蚀设备的反应腔，陶瓷遮挡盘201设置于刻蚀设备的下电极基座上。通气控制器202用于在刻蚀完成后，向刻蚀设备内通入气体，使晶圆片107浮起和下落，以消除刻蚀完成后晶圆片107上的残余静电力粘片效应。陶瓷遮挡盘201用于限制晶圆片浮起过程中晶圆片107的移动范围。
55.在一些实施例中，如图8所示，通气控制器202包括第一继电器k1、第二继电器k2、第三继电器k3、按钮开关z1、电磁截止阀和真空表。
56.第一继电器k1、第二继电器k2、第三继电器k3和按钮开关z1用于形成通气控制器的控制回路，电磁截止阀用于控制通气控制器进气管道开闭，真空表用于检测刻蚀设备的通气管路处的实时真空值并将实时真空值上传给通气控制器的控制回路。
57.在一些实施例中，通气控制器还包括质量流量控制器(mass flow controller，mfc)。电磁截止阀连接通气控制器进气管道，质量流量控制器连接电磁截止阀，真空表设置于质量流量控制器出口，质量流量控制器连接刻蚀设备的通气管路。质量流量控制器用于调节通气控制器进气管道开启时的气体流量。
58.在一些实施例中，真空表串联第一继电器k1的线圈。电磁截止阀串联第一继电器k1的常闭触点、第二继电器k2的常开触点和第三继电器的延时断开常闭触点。第二继电器k2的常开触点并联按钮开关后，与第二继电器k2的线圈、第三继电器k3的延时断开常闭触点和第一继电器k1的常闭触点串联。第三继电器k3的线圈串联第二继电器k2的常开触点。
59.当刻蚀工艺完成后，顶针升起顶片前，启动通气控制器点动按钮z1，第二继电器k2得线圈得电，第二继电器k2的常开触点闭合。第二继电器k2常开触点闭合使得第三继电器k3的线圈得电，第三继电器k3的延时断开常闭触点闭合，延时断开功能启动。当真空表检测实时真空值小于第一预设值时，第一继电器k1的线圈不加电，第一继电器k1的常闭触点处于闭合状态，此时电磁截止阀开启，通过质量流量控制器控制气体所需流量通入设备管路，当真空表检测实时真空值大于预设值后，真空表输出电压，使得第一继电器k1的线圈得电，第一继电器k1的常闭触点断开，使得电磁截止阀线圈失电，电磁截止阀关闭，气体不再通入刻蚀设备的通气管路。同时第一继电器的常闭触点断开后使得第二继电器k2的线圈失电，第二继电器k2闭合的常开触点断开，第二继电器k2常开触点断开后使得第三继电器k3的线圈失电，第三继电器k3的延时断开常闭触点断开，延时断开功能关闭。延时断开功能和真空表实时真空值控制下的断开功能同时启用时，二者均可以控制电磁截止阀关闭。
60.在一些实施例中，通气控制器202的前面板如图5所示，包括质量流量控制器的流量显示屏，真空表显示屏和启动按钮，其中，流量显示屏设置有控制按钮，控制按钮fn可以选择气体流量显示模式，控制按钮+可以增加流量，控制按钮-可以降低流量，真空表显示屏可以显示刻蚀设备的通气管路处的实时真空值，启动按钮用于控制上述通气控制器控制回路中的点动开关。点动开关采用非自锁型点动按钮，通过继电器自锁控制。
61.通气控制器202的后面板上开有安装进气管道穿板接头的圆孔和电源接头的方孔。通气控制器进气管道上还设置有针阀，针阀用于控制通气控制器进气管道的进气量大
小。针阀可以粗略控制通气控制器进气管道的进气量大小，质量流量控制器可以精确控制进气量大小，可根据多次实验测试确定进气量优选值。
62.在一些实施例中，通气控制器采用24vdc开关电源，用于给电磁截止阀、mfc、继电器和点动开关供电。
63.在一些实施例中，如图9所示，图9左为陶瓷遮挡盘剖视图，图9右为陶瓷遮挡盘俯视图。陶瓷遮挡盘201上设置有限位销，限位销位于陶瓷遮挡盘201上表面距内圆周边缘一定距离处，限位销用于限制晶圆片的移动范围。
64.陶瓷遮挡盘201放置在刻蚀设备的铝制下电极上，可以保护下电极不被等离子损伤，中间开有带直边的圆孔，圆孔部分形状与esc相同，尺寸略大，可以与esc配合使用。在距陶瓷遮挡盘内部圆孔边缘一段距离处均布多个盲孔，例如，可以为三个盲孔，且其中2个盲孔对称分布于带直边圆孔的两侧。
65.如图10所示，从左至右分别为限位销的剖视图，主视图和左视图。限位销顶端加工成半球型，下部为长直圆柱，限位销位于盲孔内，限位销使得晶圆片浮起过程中偏移限制在一定范围内。限位销选用与遮挡盘相同的氧化铝陶瓷，设计限位销的高度在安装到陶瓷遮挡盘后凸出遮挡盘上表面一定高度但低于机械手载片装置取片时距离陶瓷遮挡盘上方的高度。限位销顶端设计成圆弧状，可以避免小尺寸陶瓷边缘在真空腔内引起尖端放电。
66.适用于上述用于降低刻蚀工艺掉片率的装置，本发明还提供了一种用于降低刻蚀工艺掉片率的方法，如图11所示，该方法可以包括步骤101至步骤103。
67.步骤101：通过通气控制器检测刻蚀设备通气管路内真空值，当真空值大于第一预设值时，进行真空抽取操作，当真空值小于第一预设值时，向通气管路内通入气体，使晶圆片浮起。
68.在一些实施例中，设置第一预设值为v，真空值为v1。当真空值v1大于第一预设值v时，进行真空抽取操作，当真空值v1小于第一预设值v时，向通气管路内通入气体，使晶圆片浮起，其中，第一预设值v可以通过实验进行测定。
69.步骤102：通过陶瓷遮挡盘限制浮起的晶圆片位置不偏移出预设区域。
70.当通入气体使得晶圆片与esc上表面脱离时，晶圆片出现偏移，陶瓷遮挡盘上的限位销使得晶圆片不偏移出预设区域，预设区域可以为esc上表面以上表面中心为圆心的圆形区域，该圆形区域半径大于晶圆片半径一定距离。
71.步骤103：通过通气控制器检测到真空值大于第一预设值后，停止通气，使晶圆片落下。
72.实施例1，
73.如图12所示，应用用于降低刻蚀工艺掉片率的方法和用于降低刻蚀工艺掉片率的装置的刻蚀反应工艺流程包括以下步骤：
74.1)机械手将loadlock腔的晶圆片传送至反应腔的esc正上方，顶针从氦气喷射孔升起顶起晶圆片至脱离机械手，机械手退回loadlock腔，顶针下降，晶圆片放置在esc上。
75.2)运行刻蚀工艺程序。
76.3)刻蚀程序完成后，关闭背冷气体，刻蚀设备的通气管路抽成真空。
77.4)启动用于降低刻蚀工艺掉片率的装置。
78.5)真空表检测刻蚀设备的通气管路内实时真空值v1，真空表预设真空值v。
79.6)当v1＞v时，执行步骤3)；当v1＜v时，用于降低刻蚀工艺掉片率的装置内电磁截止阀打开，刻蚀设备的通气管路内通入氮气。
80.7)氮气进入到刻蚀设备的通气管路后通入到晶圆片背部，在气压差作用下将晶圆片浮起，并限制在限位销内偏移。
81.8)直至真空表检测到v1＞v时，电磁截止阀关闭，晶圆片缓慢落回esc上，刻蚀设备的通气管路抽成较高真空。
82.9)顶针升起将晶圆片顶起。
83.10)机械手从loadlock腔进入到反应腔esc上方，顶针下降，晶圆片落到机械手上取回到loadlock腔。
84.通过采用用于降低刻蚀工艺掉片率的装置和用于降低刻蚀工艺掉片率的方法，在刻蚀过程完成后，向通气管路内通入氮气，氮气通过喷射口进入到晶圆片背面，此时在晶圆片背面形成均匀的气流向上托起晶圆片，晶圆片上部处于1mtorr以下的真空环境，背部受充入氮气的低气压作用，气压差产生足够大的浮力使得晶圆片脱离残余静电力吸附而向上浮起。
85.将晶圆片在esc上微微浮起并限定在限位销限定区域内后再落下，然后再利用顶针顶起晶圆片，机械手即可正常取片至loadlock中。使用本发明方法解决了因esc残余静电力粘片效应而导致的跳片问题，经实际检测掉片率由＞50％降低到≤3％。
86.如图13所示，本发明实施例还提供了一种刻蚀装置4，包括刻蚀设备40和上述用于降低刻蚀工艺掉片率的装置41。刻蚀设备40用于对晶圆片进行刻蚀，用于降低刻蚀工艺掉片率的装置41用于在刻蚀工艺完成后消除晶圆片上的残余静电力粘片效应使得晶圆片能够稳定移出刻蚀设备。
87.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。