冷却气体管路的控制方法、工艺腔室及半导体工艺设备与流程

1.本发明属于半导体制造设备领域，更具体地，涉及一种冷却气体管路的控制方法、工艺腔室及半导体工艺设备。


背景技术：

2.在半导体刻蚀机正常工艺过程中，晶圆(wafer)首先被静电卡盘(esc，electrostatic chuck)内电极的静电力吸附(chuck)在esc表面。由于工艺过程是由等离子体(plasma)轰击晶圆表面来达到刻蚀的目的，此时会在晶圆上产生大量的热量。如果不及时把这些热量带走的话，会使得晶圆的温度迅速升高，最终导致刻蚀速率和均匀性都偏离规格。此时需要在静电卡盘中通入氦气(he)，这些气体会通过静电卡盘中的氦孔均匀地吹附在晶圆背部(背氦)，带走等离子体轰击晶圆产生的热量。
3.具体原理如图1所示，经氦气管路通入的氦气会通过静电卡盘边缘一圈氦孔均匀地吹附在晶圆背部(背氦)，由于氦气比空气和刻蚀气体轻，分子运动速率快，热传导系数约为空气的6倍，在与晶圆接触后，被与腔室连接的真空管路抽走，从而带走等离子体轰击晶圆产生的热量。
4.目前，现有刻蚀机的氦气管路只有在使用chuck流程时才会通入氦气并进行控压，在开始通入氦气并控压至稳定气流过程中，氦气管路中的气流会有较大波动，导致压力及气流稳定的时间较长，且容易出现氦气通过esc中的氦孔将晶圆吹离既定位置，发生晶圆偏转的风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种冷却气体管路的控制方法、工艺腔室及半导体工艺设备，实现缩短晶圆吸附过程的时间，并降低长时间连续工艺过程中晶圆吸附发生晶圆偏移的概率。
6.第一方面，本发明提出一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法，所述冷却气体管路包括主管路、第一支管路、第二支管路和第三支管路，所述第一支管路的一端连通所述主管路，另一端连通工艺腔室内的静电卡盘，所述第二支管路的一端连通所述主管路，另一端连通干泵，所述主管路上设有第一阀门和压力控制器，所述第一支管路上设有第二阀门、所述第二支管路上设有第三阀门和第四阀门，所述第三支管路的一端在所述静电卡盘和所述第二阀门之间与所述第一支管路连通，所述第三支管路的另一端在所述干泵和所述第四阀门之间与所述第二支管路连通，所述第三支管路上设有第五阀门，所述方法包括：
7.在所述工艺腔室进行连续工艺过程中，保持所述干泵、所述第一阀门、所述第三阀门和所述第四阀门处于开启状态，同时向所述主管路通入冷却气体，控制所述压力控制器按照设定压力进行控压，当需要对晶圆进行静电吸附时，执行以下步骤：
8.步骤s1：控制所述静电卡盘对晶圆进行静电吸附；
9.步骤s2：打开所述第二阀门；
10.步骤s3：控制所述压力控制器按照所述设定压力进行控压，使部分冷却气体经所述第一支管路流入所述静电卡盘，以对所述晶圆进行冷却。
11.可选地，在所述工艺腔室进行连续工艺过程中，还包括：
12.步骤s4：实时监测所述第二阀门是否处于打开状态，若所述第二阀门处于打开状态，则不执行任何操作，若所述第二阀门处于关闭状态，则执行步骤5；
13.步骤s5：等待设定时长；
14.步骤s6：再次判断所述第二阀门是否处于打开状态，若处于打开状态，则不执行任何操作，若处于关闭状态，则关闭所述第三阀门和所述第一阀门。
15.可选地，还包括：在所述工艺腔室结束一次工艺后并再次进行下次工艺时，执行以下步骤：
16.步骤s7：判断所述主管路中的压力是否为设定压力，若是，则执行所述步骤s1-s3，当判断所述主管路中的压力为零时，则执行以下步骤：
17.步骤21：打开所述第三阀门；
18.步骤s22：控制所述静电卡盘对所述晶圆进行静电吸附；
19.步骤s23：打开所述第一阀门；
20.步骤s24：打开所述第二阀门；
21.步骤s25：控制所述压力控制器按照所述设定压力进行控压，使部分冷却气体经所述第一支管路流入所述静电卡盘，以对所述晶圆进行冷却。可选地，所述设定压力为8torr。
22.可选地，所述冷却气体为氦气。
23.可选地，所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述第五阀门均为气动电磁阀，所述第四阀门为针阀。
24.可选地，其特征在于，所述压力控制器集成有电容压力计和流量控制计。
25.可选地，所述主管路上，所述主管路的进气口和所述第一阀门之间还依次设置有减压阀和压力计。
26.第二方面，本发明提出一种半导体工艺腔室，包括静电卡盘、用于向所述静电卡盘通入冷却气体的冷却气体管路和控制单元，所述控制单元用于执行第一方面所述的半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法。
27.第三方面，本发明提出一种半导体工艺设备，包括第二方面所述的半导体工艺腔室。
28.本发明的有益效果在于：
29.本发明的方法通过在使用工艺腔室进行连续工艺过程中，保持干泵、第一阀门、第三阀门和第四阀门处于开启状态，压力控制器处于按照设定压力的控压状态，当需要对晶圆进行静电吸附时，首先控制静电卡盘对晶圆进行静电吸附，然后打开第二阀门，之后再控制压力控制器按照设定压力进行控压，使部分冷却气体经第二支管路流入静电卡盘，对晶圆进行冷却，改善了现有晶圆吸附过程中冷却气体管路的控制方式，在工艺腔室长时间连续工艺状态下，能够有效缩短在晶圆吸附过程中控压到设定压力的时间，同时避免了晶圆吸附时压力控制器将压力稳定至设定压力的过程中，流量值波动较大的问题，能够有效降低每次执行晶圆吸附时发生晶圆偏转的概率。
30.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
31.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。
32.图1示出了现有半导体刻蚀机工艺腔室及氦气管路的结构示意图
33.图2示出了现有半导体刻蚀机工艺腔室的氦气管路结构示意图。
34.图3示出了现有技术中执行晶圆吸附的流程图。
35.图4示出了现有技术中执行晶圆吸附流程时气体压力及流量波动变化曲线图。
36.图5示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法中的冷却气体管路的结构图。
37.图6示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法的流程图。
38.图7示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法中根据第二阀门状态进行控制的流程图。
39.图8示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法中对再次进行工艺时的控制流程图。
40.图9示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法中执行晶圆吸附流程时气体压力及流量波动变化曲线图。
具体实施方式
41.图2示出了现有刻蚀机工艺腔室的氦气管路的示意图，其中，减压阀将厂务过来的氦气压力调节到所需的范围之内；通过primary阀(主阀)、stabilize阀(稳压阀)、secondary阀(辅阀)、evac阀(真空阀)这4个气动电磁阀来空气氦气的流通方向；其中，针阀用于调节氦气的流量；压力控制器包含电容压力计和流量控制计，可在设定相同压力时，允许不同的流量通过。
42.当前在调试的过程中，设定控制器的压力稳定为8t，打开primary阀和stabilize阀，通过调节针阀，在干泵(pump)作用下，使控制器的流量稳定在1sccm，过大的流量会使得晶圆脱离电极静电力的吸附而发生偏移(wafer shift)。在工艺过程中，打开secondary阀，由于控制器设定值为8t，此时的流量会略微增大至1.2sccm，多出的这0.2sccm的流量，即认为是通入esc参与晶圆降温的背氦。工艺完成之后，primary阀，secondary阀和stabilize阀会关闭，此后，会打开evac阀，将secondary和esc之间残余的氦气抽走。
43.目前，现有的chuck流程如图3所示，首先打开stabilize阀将管路接通干泵，抽走管路中残余的可氦气，然后esc对晶圆进行静电吸附。之后依次打开primary和secondary阀，且将压力控制器设置为8t，待控制器将氦气压力稳定在8t时，流程结束，即可进行等离子体的轰击刻蚀。
44.工艺前所有的阀都是关着的；工艺开始的时候会按照流程图依次打开将压力控制
器控压在8t；工艺后会打开evac阀将残余的氦气抽走，10s之后自动关闭。
45.现有技术存在以下缺点：
46.目前只有在使用到chuck流程时才会通入氦气并进行控压，此时如图4所示，控制器在将压力稳定至8t的过程中，流量值会有较大波动，最终稳定在1.2sccm，波动最大值可达10sccm，压力及流量稳定的过程大约需要92个单位时间。且10sccm流量的氦气通过esc中的氦孔，会有将晶圆吹离既定位置，发生晶圆偏转的风险。
47.本发明通过改变冷却气体管路的控制方式，能够规避现有技术中氦气流量波动的情况，缩短控压时间过长并降低晶圆偏转的风险。
48.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。
49.实施例1
50.本实施例提出一种半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法，其中，本发明涉及的冷却气体管路与现有的刻蚀机氦气管路结构相同，具体如图5所示，冷却气体管路包括主管路1、第一支管路2、第二支管路3和第三支管路4，第一支管路2的一端连通主管路1，另一端连通工艺腔室内的静电卡盘11，第二支管路3的一端连通主管路1，另一端连通干泵12，主管路1上设有第一阀门5和压力控制器10，第一支管路2上设有第二阀门6、第二支管路3上依次设有第三阀门7和第四阀门8，第三支管路4的一端在静电卡盘11和第二阀门6之间与第一支管路2连通，第三支管路4的另一端在干泵12和第四阀门8之间与第二支管路3连通，第三支管路4上设有第五阀门9。可选的，在主管路1上，主管路1的进气口和第一阀门5之间还依次设置有减压阀13和压力计14。
51.基于图5所示的冷却气体管路，如图6所示，本实施例的对该冷却气体管路的控制方法包括：
52.步骤s100：在工艺腔室进行连续工艺过程中，保持干泵12、第一阀门5、第三阀门7和第四阀门8处于开启状态，同时向主管路1通入冷却气体，控制压力控制器10按照设定压力进行控压，当需要对晶圆进行静电吸附时，执行以下步骤：
53.步骤s101：控制静电卡盘11对晶圆进行静电吸附；
54.步骤s102：打开第二阀门6；
55.步骤s103：控制压力控制器10按照设定压力进行控压，使部分冷却气体经第一支管路2流入静电卡盘11，以对晶圆进行冷却。
56.优选地，本实施例的压力控制器的设定压力优选为8torr，压力控制器10集成有电容压力计和流量控制计，冷却气体为氦气，第一阀门5、第二阀门6、第三阀门7和第五阀门9均为气动电磁阀，第四阀门8为针阀。
57.具体地，如果采用现有控制方法，由于冷却气体的流量出现波动是在最开始控压时，此时冷却气体既需要通过第二阀门6到达esc，也需要通过第三阀门7到达针阀并最终通过干泵12被抽走。冷却气体充满这么长的管路不可避免的出现流量波动的情况。基于本实施例的控制方法，在使用的过程中，可以使第一阀门5和第三阀门7始终处于开启状态，且压力控制器10也处于设定压力的控压状态。在执行晶圆吸附流程时，就可以简化为如图6所示
的流程。
58.此时chuck流程简化为esc(静电卡盘11)对晶圆进行静电吸附，然后打开第二阀门7(此时，保持第一阀门5、第三阀门7、和第四阀门8处于打开状态)，且保持压力控制器10设定为8torr。以此大大缩减了chuck过程中对各个阀的控制和控制器稳定在8torr需要的时间。
59.在长时间的连续工艺过程中，由于第一阀门5和第三阀门7长期处于开启状态且又不进行工艺的情况下，会造成氦气的浪费，增加使用成本，因此，如图8所示，本实施例中，在工艺腔室进行连续工艺过程中，还包括：
60.步骤s104：实时监测第二阀门6是否处于打开状态，若第二阀门6处于打开状态，则不执行任何操作，若第二阀门6处于关闭状态，则执行步骤105；
61.步骤s105：等待设定时长；
62.步骤s106：再次判断第二阀门6是否处于打开状态，若处于打开状态，则不执行任何操作，若处于关闭状态，则关闭第三阀门7和第一阀门5。
63.具体地，可以根据第二阀门6的开关状态判定工艺腔室中是否在使用氦气进行工艺降温，对晶圆执行chuck时就会打开第二阀门6，工艺结束之后，即会关闭第二阀门6。
64.具体流程如图7所示，图中设定计时时间可由使用者根据机台繁忙状态进行设置。若检测到第二阀门6为打开状态，则机台处于工艺状态，流程结束；若检测到第二阀门6处于关闭状态，则机台处于非工艺状态，此时根据设定的计时时间，待结束之后，判断第二阀门6开关状态：若处于打开状态，则说明机台重新进入了工艺过程，流程结束；若处于关闭状态，则机台始终处于非工艺状态，此时关闭第一阀门5和第三阀门7，实现节省氦气的目的。
65.如图8所示，本实施例的控制方法还包括：在工艺腔室结束一次工艺后并再次进行下次工艺时，执行以下步骤：
66.步骤s107：判断主管路1中的压力是否为设定压力，若是，则执行步骤s101-s103，当判断主管路1中的压力为零时，则执行以下步骤：
67.步骤201：打开第三阀门7；
68.步骤s202：控制静电卡盘11对晶圆进行静电吸附；
69.步骤s203：打开第一阀门5；
70.步骤s204：打开第二阀门6；
71.步骤s205：控制压力控制器10按照设定压力进行控压，使部分冷却气体经第一支管路2流入静电卡盘，以对晶圆进行冷却。
72.具体地，根据步骤s104-s106可知，在两次连续的工艺间隔内，冷却气体管路中可能会出现第一阀门5和第三阀门7同时开启或同时关闭的两种状态，因此需要在chuck流程中对压力控制器10的状态做出判断:如果压力维持在8torr则说明冷却气体管路处于第一阀门5和第三阀门7同时开启的状态，此时只需按照步骤s101-s103的流程执行chuck即可；如果压力没有维持在8torr(即为0torr)则说明冷却气体管路处于第一阀门5和第三阀门7同时关闭的状态，说明机台已经空闲了很长时间，再进行一个新的工艺chuck流程时，此时需要按照步骤201-步骤s205的流程执行chuck操作。
73.以刻蚀机为例，按照本实施例的控制方法执行工艺(可以将更新后的流程程序写入刻蚀机的下位机)，chuck过程中的压力及流量波动如图9所示，可以看出在压力控制器10
稳定8t的时间大约只需43个单位时间，且最大流量值仅为1.8sccm。既节省了一半的控制器稳定时间，同时气体流量也并未出现较大的波动，有效降低了发生wafer shift的概率。
74.综上，本实施例的冷却管路控制方法通过改善冷却气体的控制方式，使chuck过程中控压到设定压力的时间缩短至现有流程的一半，还增加了对工艺进程的判断方式，避免了不必要的氦气浪费，同时还兼容了机台空闲较长时间再次进程工艺时的chuck流程，满足了机台长时间处于工艺状下，减少了chuck时间和降低了发生wafer shift的概率。
75.实施例2
76.本实施例提出一种半导体工艺腔室，包括静电卡盘、用于向静电卡盘通入冷却气体的冷却气体管路和控制单元，控制单元用于执行实施例1的半导体工艺腔室冷却气体管路的控制方法。
77.其中冷却气体管路为上述实施例中图5所示的冷却气体管路，控制单元可以为下位机，所有气动电磁阀的控制方式都是由下位机发送do指令到相关的气动电磁阀实现开启或关闭。
78.实施例3
79.本实施例提出一种半导体工艺设备，包括实施例2的半导体工艺腔室。
80.其中，半导体工艺设备可以为刻蚀机等带有冷却气体管路的半导体工艺设备。
81.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。