对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法及半导体工艺设备与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法及半导体工艺设备。


背景技术：

2.esc(electrostatic chuck，静电卡盘)是一种利用静电吸附原理在真空及等离子环境中固定晶圆的夹具；其主要作用是固定晶圆，防止晶圆在刻蚀过程中移动或变形，并控制晶圆的温度；静电卡盘已经广泛应用于半导体制造领域。等离子刻蚀的腔室一般包含上电极、下电极和静电卡盘。在等离子体刻蚀过程中，晶圆被吸附在静电卡盘之上，在上电极和晶圆之间产生等离子体(等离子体底部靠近晶圆区域为等离子体鞘层)，然后利用等离子体刻蚀晶圆表面的膜层，在晶圆表面形成所希望的电路；在完成等离子体刻蚀之后，晶圆被解除吸附，机械手从腔室中取出晶圆，并传送回晶圆盒(foup)。
3.随着芯片尺寸的持续缩小，刻蚀过程中产生的颗粒问题变得越来越重要，因为颗粒的数量会直接影响芯片的良率。现有等离子刻蚀中很大一部分颗粒是由晶圆在吸附和解除吸附过程中与esc表面摩擦产生的。同时，在工艺结束之后的晶圆解吸附过程中，需要在腔室内形成惰性气体的等离子体中和腔室以及晶圆上携带的正负电荷，而此时腔室内的绝大部分的小颗粒会悬浮于等离子体鞘层之中而不掉落在晶圆表面。但是现有工艺中往往在晶圆解吸附并抬升晶圆后直接关闭电源功率熄灭等离子体，在等离子体熄灭的瞬间，颗粒会在重力作用下落掉到晶圆表面，导致在后续的工艺过程中造成芯片的缺陷并影响晶圆良率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法及半导体工艺设备，解决工艺过程中晶圆在吸附和解除吸附过程中产生的颗粒问题，提高产品良率。
5.第一方面，本发明提出一种对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法，用于半导体设备中，所述半导体设备包括反应腔室和设置在所述反应腔室中的静电卡盘，包括：
6.将所述晶圆传送至所述静电卡盘上，对所述晶圆进行吸附；
7.待对所述晶圆进行工艺处理后，向所述反应腔室中通入解吸附气体，控制所述反应腔室的腔室压力为第一设定压力，并向上电极施加第一设定功率，以将所述解吸附气体激发为等离子体；
8.在维持所述等离子体后的第一设定时长内，将所述晶圆抬升至设定高度；
9.在抬升之后，在第二设定时长内，将所述上电极的功率从所述第一设定功率逐渐降至0，实现对所述等离子体的灭辉；同时将所述腔室压力从所述第一设定压力逐渐降至第二设定压力，完成对所述晶圆的解吸附。
10.可选地，对所述晶圆进行吸附，具体包括：
11.同步增加静电卡盘的吸附电压和所述晶圆背面的气体压力。
12.可选地，所述同步增加静电卡盘的吸附电压和所述晶圆背面的气体压力包括：
13.在第三设定时长内，同时控制所述静电卡盘的吸附电压从零逐渐增加至设定电压以及所述晶圆背面的气体压力从零逐渐增加至第三设定压力。
14.可选地，在维持所述等离子体后的第一设定时长内，将所述晶圆抬升至设定高度之前，还包括：
15.在第四时长内，控制所述静电卡盘的吸附电压从所述设定电压逐渐降低至零，同时控制所述晶圆背面的气体压力维持在所述第三设定压力。
16.可选地，所述第三设定时长为0.5s-3s，所述第四时长为5s，所述设定电压为1000v-4000v，所述第三设定压力为10t-30t。
17.可选地，所述第一设定功率为800w-1000w，所述第一设定压力为10mt-30mt；所述第二设定时长为7s-10s，所述第二设定压力为0mt-5mt；上电极功率的下降速率为100-500w/s。
18.可选地，所述第一设定时长为2s-5s。
19.可选地，在所述完成对所述晶圆的解吸附后，向所述工艺腔室中持续通入吹扫气体。
20.可选地，所述吹扫气体为惰性气体或氮气，所述吹扫气体的流量为100sccm-500sccm。
21.第二方面，本发明提出一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室和晶圆传输机构，所述工艺腔室内设有静电卡盘，所述静电卡盘包括基座和设置于所述基座上的绝缘体，所述绝缘体内设有下电极；所述基座上方设有上电极；所述晶圆传输机构用于将晶圆传入或传出所述工艺腔室；
22.还包括控制单元，所述控制单元用于执行第一方面所述的对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明的方法在对晶圆进行解吸附时，在完成对晶圆的抬升后，通过逐渐降低腔室上电极功率和腔室压力，使等离子体逐渐灭辉，实现增加等离子体鞘层与晶圆表面之间的距离，从而增加等离子体鞘层中的悬浮颗粒与晶圆表面之间的距离，进而能够在灭辉过程中让悬浮于等离子体鞘层中的颗粒被分子泵抽走而不是掉落到晶圆上，有效避免颗粒掉落在晶圆表面上，减少晶圆表面的颗粒，提高晶圆的良率。
25.进一步地，本发明在对晶圆吸附的过程中，同步增加静电卡盘的吸附电压和晶圆背面的气体压力，能够有效避免晶圆表面与静电卡盘表面直接摩擦产生颗粒，从源头减少颗粒的产生。在等离子体灭辉后，通过向工艺腔室内持续通入吹扫气体，能够将掉落在晶圆表面的颗粒吹离晶圆，进一步减少晶圆表面的颗粒，有效提高晶圆的良率。
26.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
27.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。
28.图1示出了根据本发明实施例1的一种对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法的步骤图。
29.图2示出了实施例2的一种半导体工艺设备的工艺腔室结构示意图。
具体实施方式
30.现有技术主要集中于研究吸附及解除吸附过程、晶圆的温度控制、以及防止晶圆被电弧放电(arcing)所损伤。而鲜有技术提出如何在吸附及解除吸附过程中减少产生颗粒，以及如何防止此类颗粒掉落在晶圆表面而造成的芯片缺陷问题。
31.经研究发现，颗粒在等离子灭辉时掉落在晶圆表面的机率，与该颗粒距离晶圆表面的高度有关；当高度大于6mm时，颗粒会被分子泵抽走，一般不会掉在晶圆表面；当高度小于6mm时，颗粒大概率会在等离子体灭辉时掉落在晶圆上而造成缺陷。本发明提出一种晶圆吸附和解吸附方法，通过在吸附和解除吸附的过程中，采用控制颗粒距离晶圆表面的高度、减少晶圆和esc背面的摩擦产生的颗粒、以及调整腔室内气体流量等优化方案来降低刻蚀过程中的产生的颗粒问题。
32.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。
33.实施例1，本实施例提出一种对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法，用于半导体设备中，该半导体设备包括反应腔室和设置在反应腔室中的静电卡盘，对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法包括：
34.步骤s1：将晶圆传送至静电卡盘上，对晶圆进行吸附；
35.具体地，本步骤中对晶圆进行吸附具体包括：同步增加静电卡盘的吸附电压和晶圆背面的气体压力。
36.同步增加静电卡盘的吸附电压和晶圆背面的气体压力的具体方法为：
37.在第三设定时长内，同时控制静电卡盘的吸附电压从零逐渐增加至设定电压以及晶圆背面的气体压力从零逐渐增加至第三设定压力。优选地，第三设定时长为0.5s-3s，设定电压为1000v-4000v，本实施例优选为1800v，所述第三设定压力为10t-30t，本实施了优选为10t。
38.即本实施例的晶圆吸附过程为：设定在2s内，将静电卡盘的吸附电压从0逐渐增加到1800v，同时把晶圆背面的气体压力(背压)从0逐渐加大到10t，逐渐增加吸附电压和晶圆背压的方式可以为线性上升或梯级上升方式，通入静电卡盘与晶圆背面的气体一般为氦气。
39.在晶圆吸附过程中，同步增加吸附电压和背面气体压力，通入的氦气的压力随着吸附电压的增加而逐渐增加，能够在晶圆背面与静电卡盘表面之间始终形成气垫，进而避免晶圆表面和静电卡盘表面直接摩擦，可以从源头减少颗粒的产生。
40.在对晶圆完成吸附之后，在晶圆上运行设定好的工艺条件，如对晶圆进行等离子
体刻蚀工艺，工艺完成后执行步骤s2。
41.s2：待对晶圆进行工艺处理后，向反应腔室中通入解吸附气体，控制反应腔室的腔室压力为第一设定压力，并向上电极施加第一设定功率，以将解吸附气体激发为等离子体；
42.具体地，工艺结束后，在对晶圆进行解吸附之前，需要将腔室从之前的工艺条件调整为解吸附的设定条件，包括：向反应腔室中通入解吸附气体，解吸附气体可以为氩气、氧气或氮气中的任意一种，然后控制腔室压力为第一设定压力，并向上电极施加第一设定功率，以将解吸附气体激发为等离子体；优选地，第一设定功率为800w-1000w，本实施例优选为1000w，第一设定压力为10mt-30mt，本实施例优选为30mt。
43.s3：在维持等离子体后的第一设定时长内，将晶圆抬升至设定高度；
44.在执行步骤s3之前，在第四时长内，控制静电卡盘的吸附电压从设定电压逐渐降低至零，同时控制晶圆背面的气体压力维持在第三设定压力，以解除静电卡盘对晶圆的静电吸附，之后执行步骤s3。优选地，第四时长为5s。
45.具体地，静电卡盘对晶圆解除静电吸附至完成晶圆抬升的过程一般是7s-10s，首先静电卡盘在5s时间左右对晶圆进行正常的解吸附并释放静电，该过程通过降低静电卡盘的吸附电压实现，即将静电卡盘的吸附电压从所述设定电压(如1800v)逐渐降低至0，此过程中通入晶圆背面的气体压力需要维持在第三设定压力(如10t)，以保证晶圆与静电卡盘之间始终存在气垫，晶圆表面与静电卡盘之间不会接触产生颗粒。
46.解除对晶圆的静电吸附之后，在等离子体灭辉之前的第一设定时长内，对晶圆做抬升动作，优选第一设定时长为2-5秒。抬升动作可以通过静电卡盘下方的顶针组件完成，抬升晶圆过程需要保持等离子体直到晶圆完全被抬起，晶圆被完全抬起至设定高度后等离子体开始灭辉，晶圆抬起的设定高度为机台的设定值，该设定值为传输机构(如机械手)将晶圆从工艺腔室内传出的设定高度。
47.在上述静电卡盘对晶圆解除静电吸附至完成晶圆抬升的过程中，由于等离子体处于保持状态，通入腔室内的解吸附气体流量不变，分子泵抽力保持恒定，腔室压力保持在第一设定压力，在等离子体鞘层中悬浮的颗粒并不会直接落到晶圆表面，等离子体鞘层中悬浮的颗粒会在等离子体扩散的同时被带离至分子泵，从而避免颗粒掉落到晶圆上。
48.步骤s4：在抬升之后，在第二设定时长内，将上电极的功率从第一设定功率逐渐降至0，实现对等离子体的灭辉；同时将腔室压力从第一设定压力逐渐降至第二设定压力，完成对晶圆的解吸附。
49.具体地，在抬升晶圆之后，开始对等离子体的灭辉过程：在第二设定时长内，将上电极的功率从第一设定功率逐渐降至0，灭辉同时将腔室压力从第一设定压力逐渐降至第二设定压力，完成对晶圆的解吸附。优选地，第二设定时长为7s-10s，第二设定压力为0mt-5mt；上电极功率的下降速率为100-500w/s。
50.本实施例中优选第一设定功率为1000w,第一设定压力为30mt，第二设定压力值为5mt，即在7-10秒之间，上电极功率从1000w下降至0w；压力从30mt下降至5mt。其中，上电极功率需要从1000w逐渐降低至0w，保证等离子体完全熄灭，腔室压力降到5mt主要是考虑机台控压力的极限，可以根据机台控压能力设置。
51.在等离体子灭辉过程中，通过逐渐降低腔室上电极功率和腔室压力，能够增加等离子体鞘层底部到晶圆表面的距离，以此能够控制悬浮于等离子体鞘层的颗粒距离晶圆表
面的高度，等离子体灭辉过程中，上电极功率的逐渐减小，腔室压力逐渐减小(通入腔室的解吸附气体流量和分子泵的抽力也逐渐减小)，悬浮于等离子体鞘层的部分颗粒受重力作用影响的作用越大越容易向下掉落，但该过程中由于晶圆表面与等离子体鞘层之间的距离逐渐增加且分子泵仍始终具有一定的抽力，因此下落的颗粒在掉落到晶圆表面之前就被分子泵抽走而不是掉落到晶圆上。以此能够有效避免晶圆解吸附过程中晶圆表面被颗粒污染，提高晶圆的良率。
52.本实施例中，在完成对所述晶圆的解吸附后，还包括：
53.步骤s5：向工艺腔室中持续通入吹扫气体。
54.优选地，吹扫气体可以为不与晶圆材料反应的任意气体，优选为氩气或氮气等惰性气体，吹扫气体的流量优选为100sccm-500sccm。
55.具体地，在等离子体灭辉后，晶圆已经解除吸附，向工艺腔室内持续通入吹扫气体，在晶圆表面持续形成流气，优选地，本实施例中通入腔室的气体流量优选为200-300sccm；吹扫气体为惰性气体，例如ar或者n2。通入工艺腔室内的气流能够将掉落在晶圆表面的颗粒吹离晶圆，最后被分子泵抽走。以此能够进一步减少晶圆表面的颗粒，进一步提高晶圆的良率。
56.本实施例中，在向工艺腔室内持续通入吹扫气体之后，还包括：
57.步骤s6：将晶圆传出工艺腔室。
58.具体地，在完成晶圆解吸附和完成腔室的吹扫之后，最大限度的避免晶圆表面出现颗粒污染，之后可以通过传输机构将晶圆传出至工艺腔室。
59.本发明的方法通过同步升高或降低吸附电压和晶圆背面氦气压力，让晶圆在吸附和解除吸附的过程中不与esc有硬接触摩擦，能够从根源上减少颗粒的产生；通过调整上电极功率和腔室压力来控制悬浮于等离子体鞘层中的颗粒距离晶圆表面的高度，从而减少或避免颗粒掉落在晶圆表面。而且在晶圆解除吸附之后持续向晶圆表面通入气流，能够进一步减少晶圆表面颗粒数量。经实验验证本发明的方法能够减少晶圆表面因吸附和解除吸附过程中产生的90％以上的颗粒。
60.实施例2
61.如图2所示，本实施例提出一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室1和晶圆传输机构，工艺腔室内1设有静电卡盘2，静电卡盘2包括基座3和设置于基座3上的绝缘体4，绝缘体4内设有下电极5；基座3上方设有上电极6；晶圆传输机构用于将晶圆7传入或传出工艺腔室；
62.还包括控制单元，控制单元用于执行实施例1的对晶圆进行吸附及解吸附的控制方法。
63.本实施例中，晶圆传输机构包括机械手，基座上还设有用于抬升晶圆的顶针组件。本实施例的半导体工艺设备还包括现有等离子体工艺设备所具有的供气管路和控压系统等。
64.本实施例的半导体工艺设备包括等离子体刻蚀机等等离子体设备，如图2所示，在工艺完成后的晶圆解吸附过程中，工艺腔室内通入解吸附气体，并在上电极与晶圆之间激发等离子体8，等离子体底部为等离子体鞘层9，等离子体鞘层9内会有悬浮的颗粒。
65.本实施例的半导体工艺设备通过采用实施例1的对晶圆进行吸附及解吸附的控制
方法，能够在晶圆吸附过程中避免晶圆与静电卡盘之间产生颗粒，在晶圆解吸附过程中，在等离子体灭辉过程通过逐渐降低上电极功率和腔室压力控制悬浮于等离子体鞘层中的颗粒距离晶圆表面的高度，从而减少或避免颗粒掉落在晶圆表面，且在晶圆解吸附完成之后通过向腔室内通入吹扫气体能够进一步较少晶圆表面颗粒，从而有效解决工艺过程中晶圆在吸附和解除吸附过程中产生的颗粒问题，提高产品良率。
66.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。