一种等离子刻蚀设备的维护方法

摘要

本发明所述的一种等离子刻蚀设备的维护方法，首先建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系；检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据上述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体。通过该方法可以相对精确地预测更换等离子刻蚀设备中易损件的时间，及时更换等离子刻蚀设备中易损件，保证硅片加工质量，维持正常的硅片加工过程，节约时间，提高效率。

权利要求

1.一种等离子刻蚀设备的维护方法，用于在等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度不能满足工艺过程要求时及时更换反应腔体，其特征在于，包括：A、建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系；

B、检测等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据步骤A建立的所述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体；

所述的步骤B中检测等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数包括：检测等离子体刻蚀设备中的生成物的光谱强度；或检测等离子体刻蚀设备中的生成物的副产物的量。

2.根据权利要求1所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A包括：A1、选择具有不同内表面粗糙度Ra的反应腔体的等离子体刻蚀设备进行工艺过程，一一对应地测试不同反应腔体内表面粗糙度Ra下等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q；

A2、根据反应腔体内表面粗糙度值Ra与等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q的一一对应值，建立表面粗糙度值Ra与谱强度值的对应关系。

3.根据权利要求2所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A1前包括：A3、建立反应腔体内表面积S与反应腔体内表面粗糙度值Ra的对应关系；

A4、选择不同内表面积S的反应腔体，根据步骤A3建立的对应关系确定所选择的反应腔体的内表面粗糙度值Ra。

4.根据权利要求3所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A3包括：A31、建立反应腔体的内表面微观颗粒的表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型，Sn＝fn(Ra)；

A32、建立不同表面形状的反应腔体的内表面上的微观颗粒分布数学模型，并得出相应的微观颗粒数量N；

A33、建立反应腔体的内表面积S与反应腔体的内表面粗糙度值Ra的对应关系：S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。

5.根据权利要求4所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A31包括：A311、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为球冠，其表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的

2 2

数学模型为：Sn＝(64+π)Ra/π；

A312、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为半球体，其表面积Sn与其表面粗糙度值Ra2

的数学模型为：Sn＝(32/π)Ra ；

A313、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为圆锥体，其表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型为：

6.根据权利要求4所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A32包括：A321、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为同心圆分布，相应的微观颗粒数量N为：式中：l为同心圆分布的层数，l＝D/4r；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；r为微观颗粒的底面的半径；

式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，在i＝1时，n1＝1；

在i＞1时，ni＝2iπ；

A322、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层状排列，相应的微观颗粒数量N为：式中：l为同心圆分布的层数，l＝D/d1；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；d1为微观颗粒层间距；

式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，ni＝ai/2r，其中ai为当前层的弦长，r为微观颗粒的底面的半径。

7.根据权利要求6所述的等离子刻蚀设备的维护方法，其特征在于，所述的步骤A322中的微观颗粒层间距d1包括：A3221、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为紧密状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：A3222、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为双层紧密状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：A3223、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层切状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：d1＝r。

说明书

一种等离子刻蚀设备的维护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微电子刻蚀技术领域，尤其涉及一种等离子刻蚀设备的维护方法。

背景技术

[0002] 随着微电子技术的发展，半导体芯片加工技术日趋严格，技术节点已经从180nm到65nm，甚至45nm以下，硅片的大小也从200mm增加到300mm，因此，对于硅片的工艺要求越来越严格。刻蚀工艺作为半导体加工中最为复杂工序之一，刻蚀过程中等离子体的状态、各项工艺过程参数等直接与刻蚀结果相关。

[0003] 在等离子刻蚀机结构中，石英部件直接接触等离子体，与反应腔室的状态密切相关，其表面的粗糙程度会随着刻蚀反应次数的增加而随之加剧，当粗糙度增大到一定程度时，就需要对石英窗进行更换，以保证腔室状态的一致性。本方法实现对石英部件表面粗糙度的定量分析，根据在线传感器在不同粗糙度下检测OES谱线的变化趋势，准确预测部件表面的粗糙情况，从而预报部件的更换。此方法避免以经验估计石英部件表面粗糙，来确定更换周期，有效防止频繁更换部件造成的时间浪费及估计更换时间过长而造成的工艺结果漂移。

[0004] 对于在等离子刻蚀设备中石英部件的维护，目前常用方法是利用经验估计维护时间，进行定期维护。这种方法通常在刻蚀设备测试阶段，根据实验和工艺结果确定维护时间，指导石英部件的使用和维护。此方法对于石英部件的表面粗糙情况进行大概的经验估计，在线条较宽的工艺因为工艺对设备的精确度要求不高可以适用，但是在低于90nm的工艺中会有较大的困难。

[0005] 利用这种方法只能从经验上估计石英部件维护的周期，不能准确、定量的对维护周期做出预测。经验上得到的维护周期偏差较大，同时随着工艺进行的过程、设备老化等条件的变化而发生漂移，如果经验数据发生了漂移，会使工艺过程及结果发生漂移。过大的维护周期使得工艺状态的变化引起工艺结果变化，导致硅片加工质量变差，成品率变低；过小的维护周期使得设备维护过于频繁，影响了正常的硅片加工过程，浪费时间，降低效率。

发明内容

[0006] 针对现有技术方案中存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种等离子刻蚀设备的维护方法，通过该方法可以相对精确地预测更换等离子刻蚀设备中易损件的时间，及时更换等离子刻蚀设备中易损件，保证硅片加工质量，维持正常的硅片加工过程，节约时间，提高效率。

[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0008] 一种等离子刻蚀设备的维护方法，用于在等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度不能满足工艺过程要求时及时更换反应腔体，包括：

[0009] A、建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系；

[0010] B、检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据步骤A建立的所述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体。

[0011] 所述的步骤A包括：

[0012] A1、选择具有不同内表面粗糙度Ra的反应腔体的离子体刻蚀设备进行工艺过程，一一对应地测试不同反应腔体内表面粗糙度Ra下等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q；

[0013] A2、根据反应腔体内表面粗糙度值Ra与等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q的一一对应值，建立表面粗糙度值Ra与谱强度值Q的对应关系。

[0014] 所述的步骤A1前包括：

[0015] A3、建立反应腔体内表面积S与反应腔体内表面粗糙度值Ra的对应关系；

[0016] A4、选择不同内表面积S的反应腔体，根据步骤建立的对应关系确定所选择的反应腔体的内表面粗糙度值Ra。

[0017] 所述的步骤A3包括：

[0018] A31、建立反应腔体的内表面微观颗粒的表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型，Sn＝fn(Ra)；

[0019] A32、建立不同表面形状的反应腔体的内表面上的微观颗粒分布数学模型，并得出相应的微观颗粒数量N；

[0020] A33、建立反应腔体的内表面积S与反应腔体的内表面粗糙度值Ra的对应关系：S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。

[0021] 所述的步骤A31包括：

[0022] A311、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为球冠，其表面积Sn与其表面粗糙度值2 2
Ra的数学模型为：Sn＝(64+π)Ra/π；

[0023] A312、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为半球体，其表面积Sn与其表面粗糙度2
值Ra的数学模型为：Sn＝(32/π)Ra ；

[0024] A313、反应腔体的内表面微观颗粒的形状为圆锥体，其表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型为：

[0025] 所述的步骤A32包括：

[0026] A321、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为同心圆分布，相应的微观颗粒数量N为：

[0027] 式中：l为同心圆分布的层数，l＝D/4r；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；r为微观颗粒的底面的半径；

[0028] 式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，在i＝1时，n1＝1；

[0029] 在i＞1时，ni＝2iπ；

[0030] A322、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层状排列，相应的微观颗粒数量N为：

[0031] 式中：l为同心圆分布的层数，l＝D/d1；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；d1为微观颗粒层间距；

[0032] 式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，ni＝ai/2r，其中ai为当前层的弦长，r为微观颗粒的底面的半径。

[0033] 所述的步骤A322中的微观颗粒层间距d1包括：

[0034] A3221、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为紧密状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：

[0035] A3222、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为双层紧密状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：

[0036] A3223、反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层切状层状排列，其微观颗粒层间距d1为：d1＝r。

[0037] 所述的步骤B中检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数包括：

[0038] 检测等离子体刻蚀设备中的生成物的光谱强度；或

[0039] 检测等离子体刻蚀设备中的生成物的副产物的量。

[0040] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种等离子刻蚀设备的维护方法，首先建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系；检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据上述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体。通过该方法可以相对精确地预测更换等离子刻蚀设备中易损件的时间，及时更换等离子刻蚀设备中易损件，保证硅片加工质量，维持正常的硅片加工过程，节约时间，提高效率。

附图说明

[0041] 图1为常用的计算表面粗糙度的示意图；

[0042] 图2为计算圆形石英窗表面粗糙度的示意图；

[0043] 图3为球冠状表面微观颗粒示意图；

[0044] 图4为半球体表面微观颗粒示意图；

[0045] 图5为圆锥体表面微观颗粒示意图；

[0046] 图6表面微观颗粒同心圆排列示意图；

[0047] 图7表面微观颗粒层状排列示意图；

[0048] 图8表面微观颗粒紧密层状排列示意图；

[0049] 图9表面微观颗粒双层紧密层状排列示意图；

[0050] 图10表面微观颗粒层切层状排列示意图；

[0051] 图11腔室中生成物光谱强度和石英窗体粗糙度的关系曲线。

具体实施方式

[0052] 本发明所述的一种等离子刻蚀设备的维护方法，用于在等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度不能满足工艺过程要求时及时更换反应腔体，其核心是建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系；检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据上述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体。

[0053] 其具体实施方式包括以下步骤：

[0054] 第一步，建立等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数与等离子体刻蚀设备的反应腔体内表面粗糙度的对应关系。

[0055] 在此过程中，可先建立反应腔体内表面积S与反应腔体内表面粗糙度值Ra的对应关系，具体包括：

[0056] (一)建立反应腔体的内表面微观颗粒的表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型，Sn＝fn(Ra)。

[0057] 首先，建立石英部件表面颗粒的模型，根据粗糙度的定义计算出不同粗糙度下的颗粒半径r。在刻蚀机中的石英部件中主要是指石英窗，这里以石英窗为例分析。石英窗形为规则圆盘，假设其表面颗粒为规则实体，大小相等且底面半径为R。

[0058] 在国家标准中，评定实际轮廓需要分别从两个方向高度方向和水平方向规定适当的参数来表征，即表明微观几何形状表面轮廓的高度特征参数、间距特征参数和形状特征参数三个方面。由于间距特征参数和形状特征参数没有一个明确的定值来衡量，在实际的石英部件的加工中只考虑表面轮廓的高度特征参数，而高度特征的表示有三种方法：Ra(中心线平均粗糙度)、Ry(最大高度粗糙度)、Rz(十点平均粗糙度)，此处采用最常用的中心线平均粗糙度Ra。

[0059] 如图1所示，若从加工表面粗糙曲线上，截取一段测量长度L，并以该长度内粗糙深度的中心线为×轴，取中心线的垂直线为y轴，则粗糙曲线可用y＝f(×)表示。以中心线为基准将下方曲线反折，然后计算中心线上方经反折后全部曲线所涵盖面积，再以除以L，即为该加工面测量长度内的中心线平均粗糙度值Ra，其数学定义为：

[0060] 或Ra＝(S1+S2+……+Sn)/L

[0061] 如图2所示，为石英窗表面颗粒模型，设其颗粒模型为圆锥形，其中Si为各个圆锥的表面积、L为石英窗直径D，则表面粗糙度表示为：

[0062] Ra＝(S1+S2+……+Sn)/D 公式(1)

[0063] 而对于不同粗糙度的石英窗，其表面颗粒模型又有所不同，根据粗糙度理论得知表面粗糙度越大则表面颗粒越大。在刻蚀机中一般加工石英窗的表面粗糙度为1～10μm，此处主要讨论以下三种估计表面颗粒的表面积的情况：

[0064] 第一种情况，假设表面颗粒为球冠形状，以Ra＝1为例，如图3所示，反应腔体的内表面微观颗粒的形状为球冠，球冠的底面半径为r；由公式(1)可知：

[0065] Ra＝(D/2r)＊0.25＊π＊r＊r/D；则r＝(8/π)＊Ra；

[0066] 由球冠的表面积公式，Sn＝2π＊R＊h，其中h为球冠的高，R为球冠所在球的半径，这里也就是表面粗糙度Ra，因此，球冠的表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型为：2 2

[0067] Sn＝(64+π)Ra/π；

[0068] 第二种情况，假设表面颗粒为半球体形状，以Ra＝6为例，如图4所示，反应腔体的内表面微观颗粒的形状为半球体，半球体的半径为r；由公式(1)可知：

[0069] Ra＝(D/2r)＊(0.5＊π＊r＊r)/D，则r＝(4/π)＊Ra

[0070] 由球的表面积公式，半球体的球面表面积Sn＝2πr＊r，r为半球体的半径，这里也就是表面粗糙度Ra，因此，半球体的表面积Sn与其表面粗糙度值Ra的数学模型为：

[0071] Sn＝(32/π)Ra2；

[0072] 第三种情况，假设表面颗粒为圆锥体形状，以Ra＝9为例，如图5所示，反应腔体的内表面微观颗粒的形状为圆锥体，圆锥体的底面半径为r；由公式(1)可知：

[0073] 则

[0074] 由圆锥体的侧表面积公式，Sn＝πrl；l为法线的长度， H为圆锥体的高，这里就是表面粗糙度Ra，因此，圆锥体的表面积Sn与其表面粗糙度：

[0075]

[0076] (二)建立不同表面形状的反应腔体的内表面上的微观颗粒分布数学模型，并得出相应的微观颗粒数量N；

[0077] 建立不同的石英部件表面颗粒的分布模型，计算不同粗糙度下表面颗粒的总个数，对比结果并验证假设模型的正确性。由于石英窗的加工工艺和表面处理的方法各不相同，所以模拟真实的石英表面颗粒的分布是非常困难的，但是在刻蚀机中石英窗表面直接接触等离子体，其表面的颗粒分布的均匀与否与反应腔室的状态密切相关，会影响等离子体的均匀性。而石英窗表面颗粒的同心圆式排列和层状排列是均匀性最好的排列方式，也最接近真实的表面颗粒的分布状态，因此建立两种表面颗粒分布模型：同心圆式排列和层状排列。

[0078] 同心圆式排列

[0079] 如图6所示，表面颗粒的每一层都以石英窗体中心作为圆心做环绕状分布，而每一层颗粒的圆心则构成同心圆，且层与层之间的颗粒相切。也就是说反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为同心圆分布，相应的微观颗粒数量N为：

[0080] 式中：1为同心圆分布的层数，l＝D/4r；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；r为微观颗粒的底面的半径；

[0081] 式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，在i＝0时，也就是在石英窗体的正中心，只有一个微观颗粒，n1＝1；在i>0时，也就是从中心开始的第i圈：

[0082] ni＝2iπ；

[0083] 具体算法如下：第i层的颗粒圆心所对应的周长为4πir，而颗粒的直径为2r，因此，第i层的颗粒个数为ni＝4πir/2r＝2iπ个。

[0084] 层状排列

[0085] 如图7所示，表面颗粒以石英窗体直径作为基准，颗粒沿直径方向紧密排列，且层与层之间的颗粒保持相切，每一层颗粒的圆心则构成平行线。也就是说反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层状排列，相应的微观颗粒数量N为：

[0086] 式中：1为同心圆分布的层数，1＝D/d1；其中D为反应腔体的圆形内表面的直径；d1为微观颗粒层间距；但由于相邻两层颗粒的层间距d1的不同，排列颗粒的层数1也不相同。此时分为三种排列方式：紧密层状排列、双层紧密层状排列和层切层状排列，具体为：

[0087] 紧密层状排列

[0088] 如图8所示，反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为紧密层状排列，其双层微观颗粒层间距d0为： 故相邻两层颗粒的层间距d1为：

[0089] 。r为微观颗粒的底面的半径。

[0090] 双层紧密层状排列

[0091] 如图9所示，反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为双层紧密层状排列，其双层微观颗粒层间距d0为： 故相邻两层颗粒的层间距d1为：

[0092] r为微观颗粒的底面的半径。

[0093] 层切层状排列

[0094] 如图10所示，反应腔体的圆形内表面上的微观颗粒为层切层状排列，其双层微观颗粒层间距d0为：d0＝2r。；故相邻两层颗粒的层间距d1为：

[0095] d1＝r。r为微观颗粒的底面的半径。

[0096] 式中：ni为同一层中微观颗粒的个数，为了计算方便，将整圆分成两个半圆计算，从半圆的直径处起算为第1层，第i层的弦长ai为：

[0097]

[0098] 由于任意一层的每一个颗粒所占据的横向距离为2r，故该层颗粒的个数为：

[0099]

[0100] (三)建立反应腔体的内表面积S与反应腔体的内表面粗糙度值Ra的对应关系：S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。

[0101] 因此，可以选择不同内表面积S的反应腔体，根据上述过程建立的对应关系确定所选择的反应腔体的内表面粗糙度值Ra。

[0102] 由此，选择具有不同内表面粗糙度Ra的反应腔体的离子体刻蚀设备进行工艺过程，一一对应地测试不同反应腔体内表面粗糙度Ra下等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q；

[0103] 然后，根据反应腔体内表面粗糙度值Ra与等离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数值Q的一一对应值，建立表面粗糙度值Ra与谱强度值Q的对应关系。

[0104] 第二步，检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数，根据前述过程建立的所述的对应关系判断反应腔体内表面粗糙度是否满足工艺过程要求，如不满足则更换反应腔体。

[0105] 上述的检测离子体刻蚀设备中的生成物的性能参数指的是检测离子体刻蚀设备中的生成物的光谱强度；

[0106] 基于以上步骤，本发明首先通过计算出不同粗糙度下石英窗的表面积，实现定量分析部件表面粗糙度，计算得到工艺前初始值Ramax/Ramin和需要更换石英窗体时所对应的Ramax/Ramin，然后利用发射光谱OES检测腔室中生成物，建立腔室中生成物光谱强度和石英窗体粗糙度的关系，并通过实验不断的调整工艺前初始值Ramax/Ramin和需要更换石英窗体时所对应的Ramax/Ramin，从而得到一组优化粗糙度参数，并将它们作为控制界限。随着刻蚀硅片数量增加时，OES强度逐渐降低，表明OES石英窗口逐渐污染，当OES强度低于控制限时，需要进行OES石英窗口的清洗或更换，从而正确、实时的预测石英窗体的更换，其建立的监控曲线如图11所示。

[0107] 另外，本发明还可以通过检测离子体刻蚀设备中的生成物的副产物的量来与石英窗的粗糙度建立对应关系。是通过监测干法清洗过程反应物或生成物的变化得到刻蚀过程中副产物的多少，实时监控干法清洗时间的变化来推测石英窗的粗糙程度，进而预测其是否需要清洗和更换。

[0108] 综上所述，本发明提出一种定量分析石英部件表面粗糙度的方法，建立不同情况下部件表面颗粒分布的模型并精确计算出不同粗糙度下石英部件的表面积，再根据OES传感器检测到刻蚀后工艺的谱线，根据谱线与石英部件表面粗糙度的一一对应关系，通过实验建立表面粗糙度的控制线，从而精确预测石英部件的更换时间。本发明避免以传统的经验法，对石英表面积进行主观估计来确定部件维护时间和周期。利用本方法后，缩短了部件维护的时间，实现定量预测维护时间及周期，提高了硅片加工的生产率。

[0109] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。