晶圆卸载方法及半导体工艺设备与流程

1.本发明属于半导体加工技术领域，更具体地，涉及一种晶圆卸载方法及半导体工艺设备。


背景技术：

2.等离子体刻蚀设备、物理气相沉积设备和化学气相沉积设备等的半导体加工设备，较多采用静电卡盘来支撑和固定基片、以及对基片进行温度控制。
3.采用静电卡盘，在工艺开始前需要加载吸附电压，保证晶圆吸附在静电卡盘上，然后通入工艺气体，在一定的腔室压力下开启icp功率及rf功率，工艺结束后，在撤离加载电压后，需要消除晶圆背面的残留电荷，保证晶圆正常传出反应腔室。针对一些特殊晶圆及特殊工艺制程(如绝缘或半绝缘衬底、静电卡盘表面残留金属副产物等)，在工艺结束后经常存在静电荷无法充分释放导致的粘片问题，需要开腔取片，影响设备产能，严重时会导致晶圆碎裂报废。因此需要充分释放晶圆残余电荷保证晶圆可以安全卸载，并传出腔室。
4.现有的消除静电荷及晶圆卸载方法存在晶圆上残余电荷无法消除完全导致的粘片和碎片风险大的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种晶圆卸载方法及半导体工艺设备，解决晶圆卸载过程中晶圆上残余电荷无法消除完全导致的粘片和碎片风险大的问题。
6.第一方面，本发明提出了一种晶圆卸载方法，应用于半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括反应腔室和设置在所述反应腔室中的静电卡盘和顶针，所述顶针可升降地设置于所述静电卡盘内，所述晶圆在工艺过程中吸附于所述静电卡盘上，所述晶圆卸载方法包括：
7.向所述静电卡盘加载反向电压，并向所述反应腔室内通入不与所述晶圆反应的工艺气体，使所述工艺气体电离，用以中和所述晶圆上的残余电荷；
8.向所述晶圆的背面通入预设压力的背吹气体，以将所述晶圆从所述静电卡盘表面吹起上升至第一抬升位；
9.逐渐升起所述顶针将所述晶圆从所述第一抬升位抬升至取片位。
10.可选地，在所述逐渐升起所述顶针将所述晶圆从所述第一抬升位抬升至取片位之前，还包括：
11.检测所述晶圆是否黏附在所述静电卡盘表面，若所述晶圆未黏附在所述静电卡盘表面，则逐渐升起所述顶针将所述晶圆从所述第一抬升位抬升至取片位，若所述晶圆黏附在所述静电卡盘表面，则开腔取片。
12.可选地，所述检测所述晶圆是否黏附在所述静电卡盘表面，包括：
13.停止使所述工艺气体电离，并检测所述背吹气体的流量是否大于设定流量值，若是，则所述晶圆未黏附在所述静电卡盘表面。
14.可选地，所述预设压力为2-4t。
15.可选地，所述工艺腔室还包括背吹气体主管路和背吹气体旁路，所述背吹气体主管路用于向所述晶圆的背面通入所述背吹气体，所述背吹气体旁路与干泵连接；
16.所述设定流量值为所述背吹气体主管路中背吹气体的流量，所述预设压力为4t，所述设定流量值为2-5sccm；
17.或者，
18.所述设定流量值为所述背吹气体旁路中背吹气体的流量，所述预设压力为4t，所述设定流量值为0.5sccm。
19.可选地，所述将所述晶圆从所述静电卡盘表面吹起上升至第一抬升位，包括：
20.在所述晶圆上升至所述第一抬升位的过程中以及所述晶圆到达所述第一抬升位后的第一预设时长内，均保持所述工艺气体为电离状态。
21.可选地，所述逐渐升起所述顶针将所述晶圆从所述第一抬升位抬升至取片位，包括：
22.在所述晶圆从所述第一抬升位抬升至所述取片位的过程中以及所述晶圆到达所述取片位的第二预设时长内，均保持所述工艺气体为电离状态。
23.可选地，所述第一抬升位与所述静电卡盘表面之间的距离小于2mm；
24.所述取片位位于所述静电卡盘上方14mm。
25.可选地，所述检测所述晶圆是否黏附在所述静电卡盘表面，包括：
26.停止使所述工艺气体电离，并检测所述晶圆上的电荷量是否小于设定电荷量值，若是，则所述晶圆未黏附在所述静电卡盘表面。
27.第二方面，本发明提出一种半导体工艺设备，包括：
28.反应腔室；
29.设置在所述反应腔室中的静电卡盘和顶针，所述顶针可升降地设置于所述静电卡盘内，所述静电卡盘用于在工艺过程中吸附晶圆；
30.工艺气体管路，用于向所述反应腔室内通入工艺气体；
31.与所述静电卡盘连接的背吹气体管路，所述背吹气体管路用于向所述晶圆的背面通入背吹气体；
32.icp功率源，用于使通入所述反应腔室内的工艺气体电离；
33.控制单元，所述控制单元与所述静电卡盘、所述顶针、所述工艺气体管路、所述背吹气体管路和所述icp功率源连接，所述控制单元用于执行第一方面任意一项所述的晶圆卸载方法。
34.本发明的有益效果在于：
35.本发明的晶圆卸载方法在工艺结束并撤离静电卡盘的静电电压后，首先通过施加反向电压去除晶圆上的部分残余电荷，之后使通入反应腔室内的工艺气体电离，并向晶圆背面通入背吹气体将晶圆吹离静电卡盘表面并上升至第一抬升位，此时腔室内的等离子体能够中和晶圆边缘的残余电荷，然后逐渐升起顶针将晶圆从第一抬升位抬升至取片位，在晶圆从第一抬升位抬升至取片位的过程中，反应腔室内的等离子体能够晶圆中心位置的残余电荷，从而能够在晶圆卸载过程中完全消除晶圆上的残余电荷，避免了因电荷释放不完全导致的晶圆粘片需开腔取片及碎片风险大的问题。
36.本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
37.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
38.图1示出了根据本发明实施例1的一种晶圆卸载方法的步骤流程图。
39.图2示出了根据本发明实施例1的一种晶圆卸载方法中工艺腔室及背吹气体管路的示意图。
具体实施方式
40.现有技术一提供了一种消除静电荷的方法及基片卸载方法，该消除静电荷的方法，包括以下步骤：向基片背面吹第一气体，以使基片和静电卡盘之间存在间隙；同时向腔室内通入第二气体，并激发所述第二气体形成等离子体。
41.但针对粘片较严重情况，现有技术一在向基片背面吹第一气体时，静电荷吸引力大于第一气体压力时，基片和静电卡盘之间间隙较小，在通入第二气体并激发第二气体形成的等离子体无法有效流入间隙并中和间隙内的残余电荷。
42.现有技术二提供一种晶片提升方法，其用于在工艺过程结束后利用顶针顶起晶片，以使晶片脱离静电卡盘，该方法包括以下步骤：1)在静电卡盘的电极上施加与其工作时的电压极性相反的反向电压，以减小晶片与静电卡盘之间的静电引力；2)顶针自最低位置上升至中间位置，以顶起晶片，从而使晶片下表面与静电卡盘上表面之间具有预定间隙；3)向反应腔室内通入气体，并开启激励电源，以激发该气体形成等离子体，从而消除残留在晶片上下表面以及静电卡盘上表面上的电荷；4)顶针自所述最低位置上升至预设的最高位置。
43.针对粘片较严重情况，现有技术二在仅加载方向电压后，无法保证晶圆与静电卡盘电荷释放彻底，此时将顶针从最低位置升高到中间位置时，存在较大的碎片风险。
44.现有技术三提供一种容易进行被处理体从静电卡盘的脱离控制方法和等离子体处理装置。使被静电吸附于静电卡盘的被处理体脱离的脱离控制方法具有以下工序：在利用支承机构升起所述被处理体的期间，一边向静电卡盘的电极施加规定的静电电压一边使被处理体脱离。
45.现有技术三采用控制反向电压及阈值判断的方式解决晶圆黏附问题，规避了碎片问题。但流程复杂，需要多次判断力矩是否满足阈值条件。仅通过改变电压中和晶圆及静电卡盘表面残余电荷，效果不明显。
46.本发明为解决晶圆加工结束后黏附在静电卡盘问题，提供一种晶圆卸载方法及半导体工艺设备。本发明采用背面气体压力、顶针调节晶圆距离静电卡盘的距离，在不同高度下采用等离子体中和电荷方式释放晶圆及静电卡盘表面电荷，从而完全释放晶圆上的残余电荷，同时结合晶圆背面气体流量阈值检测方式，有效解决因粘片后导致的碎片问题，提升
系统稳定性。
47.下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
48.实施例1
49.本实施例提供一种晶圆卸载方法，该方法应用于半导体工艺设备，半导体工艺设备包括反应腔室1和设置在反应腔室1中的静电卡盘2和顶针，顶针可升降地设置于静电卡盘2内，晶圆3在工艺过程中吸附于静电卡盘2上，，晶圆3在工艺过程中吸附于静电卡盘2上，在晶圆加工阶段，首先会向静电卡盘2加载吸附电压，向晶圆3背面通入背吹气体，反应腔室1通入所需的工艺气体，并控制一定的压力，之后开启icp功率，持续一定的工艺时间，在工艺结束后，关闭icp功率，关闭工艺气体和背吹气体，之后将静电卡盘2的静电电压撤离归零。
50.如图1所示，本实施例的晶圆卸载方法包括：
51.s1：向静电卡盘2加载反向电压，并向反应腔室1内通入不与晶圆3反应的工艺气体，使工艺气体电离，用以中和晶圆3上的残余电荷；
52.具体地，通过向静电卡盘2加载反向电压一定时长能够消除晶圆3和静电卡盘2上的部分残留电荷，本实施例中施加反向电压的时长可设置为1-5s，向静电卡盘提供的反向电压可以为负电压，例如-3.0kv。
53.然后向反应腔室1内通入不与晶圆3反应的气体通入工艺气体，通入的工艺气体可以为ar、n2、或o2等不与晶圆3反应的工艺气体，控制反应腔室1保持在一定的压力范围，例如50-80mt。
54.之后开启icp功率一定时长能够激发上述工艺气体，在反应腔室1内产生能够中和晶圆3上残余电荷的等离子体，开启icp功率的时长可以设定为3-10s。一般地，当设备之前的工艺时间小于10min，开启icp功率的时长优选为3s；当工艺时间为10-30min，开启icp功率的时长优选为5s，当工艺时间大于30min，开启icp功率的时长优选为10s。
55.s2：向晶圆3的背面通入预设压力的背吹气体，以将晶圆3从静电卡盘2表面吹起上升至第一抬升位；
56.优选地，在晶圆3抬升至第一抬升位的过程中以及晶圆3到达第一抬升位后的第一预设时长内，均保持工艺气体为电离状态。
57.具体地，本步骤中，背吹气体采用he气，优选背吹气体的预设压力为2-4t，该压力较小，能够保证晶圆3不被吹偏。通过背吹气体能够将晶圆3从静电卡盘2上吹气抬升至第一抬升位，同时根据晶圆3的重量及尺寸，一般吹起的高度小于2mm，即第一抬升位与静电卡盘2表面之间的距离小于2mm。本步骤的目的在于，向晶圆3背面通背吹气体使其升起一定高度，晶圆3脱离静电卡盘表面一定距离，此时晶圆3背面和静电卡盘2上表面之间形成缝隙，由于背吹气体的作用，反应腔室内的等离子体能够进入缝隙并中和晶圆3背面及静电卡盘2表面边缘区域的电荷，在晶圆3到达第一抬升位后的第一预设时长内，仍保持工艺气体为电离状态，该过程的持续时间，即第一预设时长优选为3-10s。
58.s3：逐渐升起顶针将晶圆3从所述第一抬升位抬升至取片位。
59.优选地，在晶圆3从第一抬升位抬升至取片位的过程中以及晶圆3到达取片位的第二预设时长内，均保持工艺气体为电离状态。
60.具体地，此步骤为升针步，保持工艺气体为电离状态，然后逐渐抬升顶针将晶圆3从第一抬升位抬升至取片位(机械手取片位)，取片位一般位于静电卡盘上方14mm，在顶针逐渐抬升晶圆3的过程中，随着顶针高度升高，等离子体可以更多的进入到晶圆3背面及静电卡盘2表面，从而中和晶圆中心位置的残余电荷。当晶圆3升至取片位后，继续保持icp功率开启维持工艺气体为电离状态至第二预设时长，从而完全中和晶圆3中央区域的残余电荷，之后关闭icp功率并停止通入工艺气体和背吹气体，最终工艺结束，可以将晶圆3传出反应腔室1。其中，第二设定时长优选为3-10s。
61.进一步地，本实施例为解决因晶圆粘片直接升针顶碎晶圆的问题，在执行升针将晶圆3从第一抬升位抬升至取片位之前，还包括：
62.步骤s4：检测晶圆3是否黏附在静电卡盘2表面，若晶圆3未黏附在静电卡盘2表面，则逐渐升起顶针将晶圆3从第一抬升位抬升至取片位，若晶圆3黏附在静电卡盘2表面，则开腔取片。
63.具体地，可以在执行步骤s3之前，关闭icp功率，检测晶圆3是否黏附在静电卡盘2表面，若检测出晶圆3未黏附在静电卡盘2表面，则执行步骤s3，若检测出晶圆3黏附在静电卡盘2表面，则执行开腔取片；
64.本步骤主要用于检测晶圆3与静电卡盘2之间的黏附程度是否达到执行解吸附的条件，如图2所示，本实施例的反应腔室1还包括背吹气体主管路4和背吹气体旁路5，背吹气体主管路4用于向晶圆3的背面通入背吹气体，背吹气体旁路5与干泵6连接。
65.本实施例检测晶圆3是否黏附在静电卡盘2表面采用的方法为：
66.在关闭icp功率之后，检测当前背吹气体的流量是否大于设定流量值。即，检测晶圆2背面的背吹气体的流量flowi，若流量flowi高于设定流量值flow
th
，则说明粘片不严重，可以进入下一步升针解吸附，若低于设定流量值flow
th
，则说明粘片严重，需要人为干预进行开腔取片。
67.其中，当前背吹气体的流量flowi可以为背吹气体主管路4中背吹气体的流量，当第二设定压力为4t时，设定流量值flow
th
优选为2-5sccm(即2-5sccm@4t)。
68.在通入背吹气体时，背吹气体旁路5会有气体流通，晶圆卸载流程会按照比例进行流通。如背吹气体压力是4t时，背吹气体旁路5的流量会在0.5sccm；压力在8t时，背吹气体旁路5的流量会在1sccm，可用于更好的控压。
69.因此当前背吹气体的流量flowi也可以为背吹气体旁路5中背吹气体的流量，第二设定压力为4t时，设定流量值flow
th
优选为0.5sccm(即0.5sccm@4t)。
70.当通过步骤s4判断晶圆与静电卡盘之间的黏附程度较小满足解吸附的要求时，可以再次开启icp功率使工艺气体发生电离，然后执行上述步骤s3，从而通过本步骤对粘片程度的检测判断，有效避免了因晶圆局部粘片在升针时导致的晶圆碎片问题。
71.在其他实施例中，对于上述步骤s4中检测晶圆是否黏附在静电卡盘表面的方法，还可以通过检测晶圆3上当前的电荷量是否小于设定电荷量值这种方式判断晶圆3黏附在静电卡盘2表面的程度，进而判断能否执行步骤s3的升针解吸附步骤。
72.具体地，可以在执行步骤s3之前，停止使工艺气体电离，并检测晶圆3上的电荷量
是否小于设定电荷量值，若是，则认为晶圆3未黏附在静电卡盘2表面，可以执行步骤s3的升针步骤。
73.或者，也可以通过检测顶针当前的力矩是否小于设定力矩值这种方式判断晶圆3黏附在静电卡盘2表面的程度。
74.例如：在执行步骤s3之前，可以先升起顶针使顶针与晶圆3接触，然后缓慢升针并检测顶针当前的力矩是否小于设定力矩值，若是，则判断晶圆3未黏附在静电卡盘2表面，进而可以执行步骤s3的升针解吸附的步骤。
75.综上，本实施例的方法采用背吹气体和顶针调节晶圆距离静电卡盘的距离，在不同高度下采用等离子体中和电荷方式释放晶圆及静电卡盘表面电荷，同时结合晶圆背面气体流量阈值检测晶圆是否粘片的方式，有效解决了因粘片后导致的碎片问题。从而解决现有技术中解决因金属黏附、晶圆导电性差问题引起的电荷释放不彻底导致的晶圆黏附问题，实现较高的设备稳定性。
76.需要说明的是，本发明的方法对于采用静电卡盘吸附进行晶圆加工的半导体工艺设备均适用，如离子体刻蚀、如物理气相沉积及化学气相沉积等半导体设备。
77.实施例2
78.本实施例提供一种半导体工艺设备，包括：
79.反应腔室；
80.设置在反应腔室中的静电卡盘和顶针，顶针可升降地设置于静电卡盘内，静电卡盘用于在工艺过程中吸附晶圆；
81.工艺气体管路，用于向反应腔室内通入工艺气体；
82.与静电卡盘连接的背吹气体管路，背吹气体管路用于向晶圆的背面通入背吹气体；
83.icp功率源，用于使通入反应腔室内的工艺气体电离；
84.控制单元，控制单元与静电卡盘、顶针、工艺气体管路、背吹气体管路和icp功率源连接，控制单元用于执行实施例1的晶圆卸载方法，从而解决现有技术中解决因金属黏附、晶圆导电性差问题引起的电荷释放不彻底导致的晶圆黏附问题，实现较高的设备稳定性。
85.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。