探测状况的方法以及相关的装置与流程

本发明涉及一种对与等离子体切割工艺的最终阶段的状况相关进行探测的方法。本发明还涉及相关的装置。

背景技术：

等离子体切割是用等离子体蚀刻方法来单片化(singulated)芯片(die)的一种已知技术。典型地，所述芯片由诸如硅之类的半导体材料形成并用于电子器件的应用中。由于放热化学反应、离子轰击和来自等离子体的辐射，等离子体切割方法会产生大量的热。此外，通常会将等离子体蚀刻腔室加热到一个升高的温度(典型地为约60℃)以确保副产物挥发掉。随后，挥发的副产物可被泵出。具体地，当用氟基等离子体对硅进行蚀刻时，反应si+4f→sif4产生的热焓为1.615mj/mol。这是极高放热的并导致显著的热负荷。

其他半导体衬底的切割同样具有高度相关的热预算。例如，用氯基等离子体化学切割gaas晶圆时，由于切割期间持续施加到晶圆上的rf功率，而具有高的热预算。对于150mm直径的晶圆，可达几百瓦的量级。该热负荷还未计入形成氯化镓(211kj/mol)和氯化砷(123kj/mol)的正热焓。

由于与等离子体切割方法相关的高温，通常要冷却基板。典型地，用静电或机械方法或用这两种方法的结合将基板夹紧在冷却的压板上。通常用胶带将基板安装到框架上。为此目的所使用的胶带典型地由在其上形成有一层或多层粘合层的聚合物材料形成。需要小心地使聚合物安装胶带保持凉爽以避免变形或“灼烧”。“灼烧”会发生在胶带被加热超过其热塑(玻璃化)转变点的时候，或当胶带与等离子体中的活性物质发生反应的时候，或当胶带分解为构成聚合的化合物的时候。在后一种情况下，某些构成聚合的化合物可能将状态改变为液体形式。此外，热负荷会引起脱气，这将在胶带下面产生一团积存气体，这可表现为气泡并开始“灼烧”状态。因此，由胶带变形和“灼烧”引起的损坏颇多。在等离子体切割过程中会发生胶带粘合框架的正面和背面的显著损坏。而且，脱气增加了晶圆背面的压力，并引起晶圆松脱。松脱的晶圆失去了与压板温度控制表面的热接触并迅速过热。这会导致胶带熔化。使用诸如氦冷却剂泄漏或电容传感之类的常规方法很难检测到从压板的松脱。对于变薄的、可能已经单片化的晶圆，不具有机械刚度，可能会发生局部松脱。

为了测定等离子体切割终点，已知可监测光学辐射。还已知采用对单片化突破点的终点探测将蚀刻工艺自动调整为较低能量的蚀刻速率或“软着陆”模式。然而，该途径有根本性缺陷。这是因为光学辐射终点技术仅能对单片化事件本身发出信号。这在该工艺中太迟了，而不能适当阻止胶带过热，因为在切割工艺中引起胶带灼烧的高温早已发生。

对该问题的一种解决方案是在所述终点之前将蚀刻调节至较小能量、较低的蚀刻速率或“软着陆”模式。在哪一点调节是基于标称的晶圆厚度和预期的蚀刻率来估计的。随后，采用较低的蚀刻速率会直到单片化终点。可光学地探测单片化，并且如果有需要的话，进一步实施自动工艺调整。但因为是基于估计，因此该途径不是特别令人满意。具体地，如果晶圆厚度不一致，则该途径不够理想。如果晶圆厚度不一致，那么蚀刻时间会变化，这将导致不准确地激活估计的“软着陆”模式的点。例如，对于打磨(dag)应用之后典型的切割，块状硅蚀刻速率将在22微米/分钟的水平，低蚀刻速率将为约16微米/分钟，并且“软着陆”蚀刻速率将为约6微米/分钟。对于100微米厚的晶圆设定以22微米/分钟进行蚀刻，在转换成6微米/分钟的蚀刻速率之前，目标深度为95微米，等离子体切割方法将花费大约5.2分钟。然而，如果晶圆-晶圆的厚度变化为105±5微米，最厚处的晶圆将花费大约6.8分钟来进行蚀刻。如果激活的“软着陆”模式的点设定为确保能对最薄的晶圆进行令人满意的处理，那么结果是最厚的晶圆将经历采用较低的蚀刻速率的延长的时段。从制造的角度看这是不可取的。在后端电子封装工业中，存在多种应用类型并且需要加工多种厚度的晶圆。因此极其需要能以高速率蚀刻直到接近终点的系统。

因此，存在这样的实际需求：在切割通道上单片化突破点之前来探测等离子体切割工艺何时已进入其最终阶段。随后，相应地能够调节该工艺的状况。虽然该需求对于安装在胶带粘合框架上的基板尤其迫切，但对于不是安装在胶带粘合框架上的基板的工艺同样也有这种需求。为了优化热管理和其他工艺考虑事项，普遍需要对等离子体切割工艺最终阶段中的工艺条件进行实际调节。

进一步地，存在无需昂贵的光谱仪而能探测晶圆切割工艺终点的需求。高度需要提供一种预测终点的方法来代替直接探测终点何时发生的方法，或在直接探测终点何时发生的方法基础上进一步提供一种预测终点的方法。从而能够在所述切割工艺完成之前执行特定希望的操作(例如前面讨论的那些)。然而，目前，没有现成的技术能使用经验数据以能够将所述终点作为要预测的等离子体切割终点。

技术实现要素：

本发明至少在一些实施方式中解决了以上提及的一些或全部的问题、需求和期望。

根据本发明的第一方面，提供一种对与等离子体切割工艺的最终阶段相关的状况进行探测的方法，所述方法包括以下步骤：

提供非金属基板，所述非金属基板上限定有多个切割通道；

沿所述切割通道等离子体蚀刻穿透所述基板，其中在所述等离子体蚀刻期间，监测从所述切割通道的至少一部分发出的红外辐射，从而当观察到来自所述切割通道的红外辐射的增加时，视为进入等离子体切割操作的最后阶段；和

由所监测的红外辐射来探测与所述等离子体切割的最终阶段相关的状况。

本发明人发现来自切割通道的红外辐射能够作为等离子体切割工艺终点临近的优异的指示。令人惊奇的是，来自切割通道的红外辐射能作为等离子体切割工艺最终阶段的有效指示。这是因为，如前面所解释的，在等离子体切割过程中通过诸如等离子体本身的源产生了大量的热以及为了确保副产物挥发而进一步施加到等离子体蚀刻腔的热。

至少一个工艺变量可响应于所探测的状况而改变。可改变工艺变量来调整等离子体蚀刻。例如，可调整等离子体蚀刻以降低对基板的蚀刻速率。技术人员作为读者应理解，存在多个可以改变以便获得对等离子体蚀刻进行期望调整的工艺变量。例如，可通过调节耦合到等离子体中的功率来降低对基板的蚀刻速率。这可以是能驱动等离子体的rf功率或其他适宜形式的功率。其他可以调节的工艺变量，如气流，是作为读者的技术人员所知晓的。

可改变工艺变量以控制与等离子体切割工艺相关的温度。典型地，改变工艺变量以调节等离子体蚀刻。然而，理论上，可改变其他工艺变量以控制与等离子体蚀刻工艺相关的温度。例如，可将基板安置在基板架上。可冷却所述基板架。改变的工艺变量可以是基板架的冷却。

响应于所探测的状况，可停止等离子体蚀刻。

所述状况可为接近所述终点。

所述状况可为所述终点。可基于观察到来自切割通道的红外辐射的增加来事先预测所述终点。所述终点可通过将来自切割通道的红外辐射的增加与数值模型进行对比来预测。

或者，可由监测的红外辐射直接探测所述终点。在这些实施方式中，视为进入最终阶段的所述切割通道的红外辐射的增加之后，可随后出现红外辐射的降低。该红外辐射的降低可直接指示所述终点。

所述基板可附着到具有胶带的框架。所述框架可安置在基板架(如压板)上。响应于所述状况的探测，可改变工艺变量。在这些实施方式中，可改变工艺变量来控制所述胶带的温度。可改变工艺变量以使所述胶带的温度保持低于一个上限。可设定所述上限以避免胶带由热导致的损坏，如灼烧、起泡或脱气。

所述基板可不采用框架和胶带的布置而安置在基板架(如压板)上。

所述基板可为半导体衬底。

所述基板可为硅。

所述基板可为gaas、gan、inp或sic。

或者，所述基板可为电介质基板。所述基板可为玻璃或由环氧材料形成的基板。

可以使用循环的蚀刻和沉积工艺来执行等离子体蚀刻。循环的蚀刻和沉积工艺可以是通常称为“博世(bosch)工艺”的工艺，最初在us5501893中描述。

通常，红外辐射可用高温计来监测。这是极为经济的方案。进一步地，可以监测基板的整个表面，或者监测基板的部分表面。可监测基板表面相对小的部分(但大于单个芯片的面积)以避免对精确对准的需要。

或者，可用红外相机监测红外辐射。红外相机可为ccd阵列。这允许获得更多细节。可监测晶圆的整个表面或基板的部分表面。还能够就基板的中心到边缘的蚀刻均匀性提供改进的信息。

所述状况可为故障状态。所述故障状态可为所述基板从基板架松脱、钝化层中的击穿或在切割通道基底的停止层破裂。

所述状态可涉及整个基板的蚀刻均匀性。所述状态可涉及从基板的边缘到中心的蚀刻均匀性。在这些实施方式中，可监测来自大体上整个基板的红外辐射。

典型地，所述基板具有在其上形成的限定切割通道的掩膜。掩膜可由任何适宜的材料，例如铝形成。

令人惊奇的是本发明同样能够应用于其上附着有一个或多个背面金属(bsm)层的基板和不具有背面金属化的基板。由监测红外辐射来探测与等离子体切割的最终阶段相关的状况并不明显受背面金属化的存在的影响。

根据本发明的第二方面，提供一种等离子体切割装置，所述等离子体切割装置包括：

腔室；

基板架，所述基板架用于支撑具有切割通道类型的非金属基板；

等离子体发生器，所述等离子体发生器用于在腔室中产生适于沿所述切割通道蚀刻穿透所述基板的等离子体；

红外探测器，所述红外探测器用于监测从所述切割通道的至少一部分发出的红外辐射；和

状况探测器，所述状况探测器配置为由所监测的红外辐射来探测与等离子体切割工艺的最终阶段相关的状况。

所述红外探测器可为高温计或红外相机。

所述装置可进一步包括控制器，所述控制器用于响应于所探测的状况来改变至少一个工艺变量。典型地，所述状况探测器和所述控制器包括计算机或其他基于微处理器的设备。所述状况探测器和所述控制器可体现在一台计算机或一台其他基于微处理器的设备中。

虽然已对本发明进行了以上描述，但本发明可扩展至上文或者以下说明书、附图或权利要求中示出特征的任何创造性结合。例如，描述为与本发明第一方面相关的任何特征也公开为与本发明第二方面的结合中，反之亦然。作为读者的技术人员应理解，本发明第二方面的所述状况探测器和/或所述控制器可适宜地配置为执行描述为与本发明第一方面相关的工艺步骤。

附图说明

现将参考附图描述根据本发明的方法和装置的实施方式，其中：

图1示出了本发明的装置；

图2是具有切割通道的衬底晶圆的平面视图；

图3示出了在切割通道中对剩余材料的探测和包括一部分基板的截面视图；

图4示出了当蚀刻前缘接近(a)剩余10μm的硅、(b)剩余2μm的硅和(c)剩余0.2μm的硅的单片化状况时，由fem模型获得的切割通道附近的温度分布；

图5示出了随着蚀刻前缘的接近，由fem模型获得的切割通道下面硅晶圆的背面的温度；

图6示出了在循环的蚀刻和沉积工艺期间，由fem模型获得的作为时间函数的、在切割通道下面硅晶圆的背面的温度；

图7示出了在循环的蚀刻和沉积工艺的蚀刻步骤期间高温计的信号；和

图8示出了在等离子体切割工艺期间获得自高温计(实线)和光学辐射(虚线)的信号。

具体实施方式

图1示出了本发明的等离子体切割装置，整体用附图标记10来表示。装置10包括具有晶圆装载槽14的腔室12。腔室12的内部容纳有压板16，在压板上可装载工件(如晶圆)18。如图1所示的压板16处于对基板进行等离子体切割期间所采用的升高位置。压板能在该升高位置和较低位置之间移动。压板采取较低位置用于从晶圆装载槽接收基板。腔室12被电感线圈20围绕。如现有技术中公知的，该电感线圈20与rf发电机(未示出)通过阻抗匹配网络(未示出)连接。适宜的一种或多种蚀刻气通过气体入口系统(未示出)被供给到腔室12中，rf功率被施加到线圈20以在腔室12中产生等离子体22。用适宜的真空排气系统将气体从腔室中移出。

装置10进一步包括红外探测器24，该红外探测器被安装以监测基板18在等离子体切割工艺期间发出的红外辐射。常规地，红外探测器24可被安装在腔室12顶部或之上。然而，理论上，红外探测器能安装在其他位置，前提是它处于的位置适宜监测从基板18发出的红外辐射。在图1所示的实施方式中，红外探测器被安装在形成在腔室12的顶部部分中的通路26的一个末端。可以预期安装红外探测器的其他方式，如直接将红外探测器24安装在腔室12的顶表面上。红外探测器24可为任何适宜的形式，尽管已发现使用高温计或诸如ccd阵列的红外相机有诸多优点。装置10进一步包括控制器28。控制器接收红外探测器24的输出，并处理所述输出以探测与等离子体切割工艺的最终阶段相关的一种或多种状况。下面更详细地描述运行控制器28以识别所述一种或多种状况的方式。在识别到状况时，控制器可调节或以其他方式控制所述装置的一种或多种操作。具体地，一旦探测到与等离子体切割工艺的最终阶段相关的状况，即可调节或停止等离子体切割工艺。控制器28可包括适宜的图形用户界面或被连接到适宜的图形用户界面，以显示与等离子体切割工艺相关的信息。该信息可包括已探测到的状况的指示。

图2(a)是晶圆衬底120的平面视图。晶圆衬底120具有由适宜材料(如铝)在其上表面形成的掩膜。掩膜限定了多个切割通道122。每条切割通道122对应于掩膜中使下面的衬底材料暴露于等离子体22的线性间隙。典型地，布置掩膜以限定大体如图2所示的多个切割通道，即多条共线切割通道沿一个方向延伸，且多条共线切割通道沿正交方向延伸。以这种方式，获得切割通道的十字交叉图案。图2(b)和图2(c)更详细地示出了衬底晶圆120的部分表面。更具体地，图2(b)示出了两条共线切割通道与两条垂直的切割通道相交的区域。图2(c)示出了一条切割通道与一条垂直的切割通道的交叉。可配置和布置红外探测器以监测衬底晶圆120的整个上表面或者仅监测衬底晶圆120的一部分。例如，可具体监测图2(b)所示的部分或图2(c)所示的部分。可采用适宜的光学器件，从而能够用红外探测器监测所需的区域。

图3显示了在等离子体切割工艺过程中晶圆衬底130的部分截面。衬底晶圆130包括主体衬底材料130a，其上形成有限定切割通道130c的掩膜130b。晶圆衬底130安装在胶带132上，胶带132使晶圆衬底130附着到框架(未示出)。在一些实施方式中，130的主体衬底材料130a在其后表面具有背面金属的薄层(厚度达到5微米)。背面金属可安装到胶带132上。图3还示出了红外探测器134。红外探测器134被布置为监测来自切割通道130c的红外辐射。晶圆衬底130被布置在诸如图1所示的适宜的装置中。红外探测器134形成该装置的一部分。图3以半示意性(semi-schematic)的形式示出了在等离子体切割工艺的主要部分已完成之后形成的切割通道130c的外观。切割通道130c已大体上被蚀刻从而形成了沟槽结构。该沟槽结构的底部136对应于该工艺中这个时刻的蚀刻前缘。在如图3所示的实例中，在切割通道130c中材料的相对小的剩余厚度(t)的材料还未被蚀刻。

当在切割通道130c中材料的相对小的剩余厚度(t)还未被蚀刻时，建立fem(有限单元法)模型对等离子体切割工艺进行更详细的检测。图4示出了切割通道附近温度分布的图像序列。更具体地，图4所示结果大体对应于图2(c)所示的部分衬底，其中截取了两条相互垂直的切割通道。假定硅衬底用于sem模型的目的。图4(a)示出了当切割通道中剩余10微米厚的硅时的温度分布。可以看出大量的热传递到相邻的芯片中。图4(b)示出了当切割通道中剩余2微米厚的硅时的温度分布。可以看出传递到周围的芯片中的热的传递效率低得多。图4(c)示出了当切割通道中仅剩余200纳米厚的硅时的温度分布。可以看出传递到相邻的芯片中的热最少，且相反地，热流集中在切割通道中。两条相互垂直的切割通道的交叉点引起了特别高的热流。fem基于在不同蚀刻深度的一致的热负荷。硅的蚀刻速率以及因此在蚀刻前缘产生的总热负荷在所有情况下是相同的。不希望受限于任何特定的理论或猜想，相信能容易地解释图4示出的结果。硅是相对好的热导体，在图4(a)中，在等离子体切割工艺期间产生的热非常有效地传导到相邻的芯片中。随着蚀刻继续进行，切割通道中硅的剩余厚度减少。相信这限制了热量向周围芯片的有效传导。换句话说，随硅的剩余厚度减少，剩余硅的横向热导率减小。图5示出了当蚀刻前缘接近硅晶圆的背表面时该硅晶圆背面的温度。当蚀刻前缘到达晶圆的背表面时，就达到了单片化点。与用于产生图4所示结果相同的fem模型也用于产生图5所示的温度曲线150。显然，当切割通道中剩余硅的厚度接近零时，切割通道正下方的局部温度大幅升高。在大约1.5微米剩余硅处温度升高的速率加快，并且在大约500nm～600nm的剩余硅时温度升高的速率大幅加快。

图4和图5示出了硅蚀刻期间的时间平均化的温度。对于采用蚀刻和沉积循环步骤的转换蚀刻工艺，热负荷和蚀刻前缘的温度与蚀刻和沉积循环的交替相关，这种情况甚至更加复杂。这在图6中示出，其中示出了在循环(博世)硅蚀刻工艺中，蚀刻前缘正下方的硅晶圆背面的时间依赖温度160。该结果基于以上描述的fem模型，具有任意幅度的周期性时间-依赖热负荷。

本发明人实现了通过检查蚀刻通道发出的红外辐射来灵敏地探测直至或包含单片化终点的等离子体切割工艺的最终阶段。令人惊奇地，本发明能够在等离子体切割腔室中的热辐射背景下从诸如等离子体自身的其他能量热源中实现敏锐探测。更令人惊奇的是，相对简单和便宜的设备，如高温计，可用于这些目的。或者，红外相机能提供优异的结果。红外探测器实时监测切割通道发出的红外辐射。能监测平均晶圆温度或晶圆具体区域中的温度或具体切割通道中的温度。或者，所述装置能监测在视野中任何地方所要记录的预设最高温度。本发明人实现了，当蚀刻前缘接近单片化点时，切割通道中的温度显著升高，这表示进入了等离子体切割工艺的最终阶段。此外，该现象使得通过监测切割通道发出的红外辐射能以良好的灵敏度探测该最终阶段。使红外探测器的信号反馈至控制器。一旦探测到特定状况，控制器能将所述工艺转换为其他模式。这个触发状况可以是要蚀刻的通道中材料剩余的特定厚度。这是能够实现的，因为在切割通道中探测到的局部温度是该通道中剩余材料的函数，而不是蚀刻深度的函数。因此，控制器能从红外探测器产生的信号识别出切割通道中还剩余多少材料。例如，控制器能将输出信号与数字模型相比较。工艺所转换的模式可利用较不严苛的蚀刻条件以减少热负荷。例如，可采用较低的蚀刻速率。或者，蚀刻可完全停止，从而少量材料将剩余在切割通道底部。

如果允许进行蚀刻直到切割通道中的材料完全被蚀刻掉的单片化点，则切割通道中的温度将突然降低。这是因为一旦完成单片化，就仅发生极少的放热化学反应或不发生放热化学反应，因此，晶圆的温度降低。这可用作通过由切割通道发出的红外辐射来探测终点的一种方式。终点的探测可用于触发工艺结束。这代表了基于光学辐射的终点探测的替代终点探测方法。出于诸如成本、简便性以及期望使用相同的硬件进行终点指示和其他工艺状况的原因，有利地使用红外辐射来直接探测所述终点。利用基于光学辐射的终点探测和基于切割通道发出的红外辐射的探测已进行了实验。图8示出了光学辐射信号182和使用高温计获得的信号180。观察到两组信号之间良好的一致性。具体地，两组信号均指示了两个独立的切割工艺在大约250秒的时间点的单片化终点。作为技术人员的读者应理解，在达到终点后，许多工艺进行一个‘过蚀刻’步骤以从蚀刻件清除残余材料。然而，在过蚀刻中释放的化学能量是在主要体蚀刻中所产生的一部分。因此，一旦达到所述终点，仍能预期红外辐射可识别的降低。

此外，本发明可用于在终点实际发生之前提前预测所述终点。可在直接的终点探测之外进一步进行终点的预测，或者代替直接的终点探测而进行终点的预测。这是本发明极为有益的方面。本发明能够探测与等离子体切割工艺中的最终阶段相关的特定状况，如探测切割通道中材料的特定剩余厚度。由此，可以用适宜的手段(如数字模型、查找表格或者人工智能)得到达到所述终点的时间。当蚀刻进行时，可使终点的预测精确。如上注意到的，一旦探测到给定状况，就可改变工艺变量，并且过程变量的任何这种改变可在预测所述终点时予以考虑。

还可以完成故障探测。图7示出了在转换(循环)蚀刻沉积工艺的蚀刻步骤期间获得的高温计信号。高温计信号170(蓝色数据)对应于晶圆/胶带/框架成功夹紧至冷却的静电卡盘的情况。高温计信号172对应于晶圆/胶带/框架成功从静电卡盘部分松脱的情况。高温计信号174对应于晶圆/胶带/框架完全从静电卡盘松脱的情况。对于成功夹紧的情况，在所述循环的各个蚀刻期间，温度的增高实际上随着升高的温度会下降。当蚀刻进行时，温度随时间的推移而增高。当所述晶圆/胶带/框架部分松脱时，热接触丧失，在各个蚀刻深度期间，发生更快的温度增高。在完全松脱的情况下，发生显著的热失控，这显然在各个蚀刻步骤期间造成更快的温度增高。在这种情况下，存在胶带完全熔化的严重风险。本发明能用于探测热失控的发生。在探测到松脱和/或热失控时，控制器能中止蚀刻工艺，并开始适当的恢复操作。当切割通道的侧壁上的钝化层击穿或当工件底部的停止层破裂时，会发生其他故障。在这些情况下，将发生化学加热，这可通过监测红外辐射来探测。这还能由控制器标记为处理故障。

能够在等离子体腔室中对衬底晶圆进行热监测因为大部分信号来自衬底发出的红外辐射。这意味着，衬底的材料和表面不像预想的那样重要。例如在此示出的数据获得自具有铝掩膜的晶圆，其中，该铝掩膜覆盖约75％的晶圆表面积。然而，用高温计作为红外探测器仍然能清楚地识别博世工艺蚀刻的循环。基板的材料表面和红外探测器的视角由于来自腔室壁的反射的确造成了信号背景层的不同。这使得从红外辐射得到绝对的基板温度有些困难。然而，在许多情况下，如故障、终点和均一性的探测，不需要绝对温度。

能够对以上描述的方法和装置进行许多改变。例如，如上所述，随着蚀刻前缘接近单片化点，切割通道下面的基板背面的局部温度升高。这个效果在蚀刻件的横向尺度增加时变得更强。对于非常窄的切割通道，有可能温度的急剧上升在给定的红外探测器的灵敏度水平之下。这可通过在该红外探测器的视野内使基板包括一测试结构来克服。以这种方式，能提供更容易可探测的局部温度。本发明同样地可应用于附着有一个或多个背面金属(bsm)层的基板以及没有背面金属层的基板。虽然关于由胶带和框架布置的基板进行了示例，这并不限制发明的方面。相反，本发明能够应用于不使用胶带和框架布置的系统，这样的系统中基板直接支撑在压板或其他基板支撑件上。