專利名稱：一種等離子刻蝕設備的維護方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子刻蝕技術領域，尤其涉及一種等離子刻蝕設備的維護方法。

背景技術：
隨著微電子技術的發(fā)展，半導體芯片加工技術日趨嚴格，技術節(jié)點已經從180nm到65nm，甚至45nm以下，硅片的大小也從200mm增加到300mm，因此，對于硅片的工藝要求越來越嚴格?？涛g工藝作為半導體加工中最為復雜工序之一，刻蝕過程中等離子體的狀態(tài)、各項工藝過程參數等直接與刻蝕結果相關。
在等離子刻蝕機結構中，石英部件直接接觸等離子體，與反應腔室的狀態(tài)密切相關，其表面的粗糙程度會隨著刻蝕反應次數的增加而隨之加劇，當粗糙度增大到一定程度時，就需要對石英窗進行更換，以保證腔室狀態(tài)的一致性。本方法實現對石英部件表面粗糙度的定量分析，根據在線傳感器在不同粗糙度下檢測OES譜線的變化趨勢，準確預測部件表面的粗糙情況，從而預報部件的更換。此方法避免以經驗估計石英部件表面粗糙，來確定更換周期，有效防止頻繁更換部件造成的時間浪費及估計更換時間過長而造成的工藝結果漂移。
對于在等離子刻蝕設備中石英部件的維護，目前常用方法是利用經驗估計維護時間，進行定期維護。這種方法通常在刻蝕設備測試階段，根據實驗和工藝結果確定維護時間，指導石英部件的使用和維護。此方法對于石英部件的表面粗糙情況進行大概的經驗估計，在線條較寬的工藝因為工藝對設備的精確度要求不高可以適用，但是在低于90nm的工藝中會有較大的困難。
利用這種方法只能從經驗上估計石英部件維護的周期，不能準確、定量的對維護周期做出預測。經驗上得到的維護周期偏差較大，同時隨著工藝進行的過程、設備老化等條件的變化而發(fā)生漂移，如果經驗數據發(fā)生了漂移，會使工藝過程及結果發(fā)生漂移。過大的維護周期使得工藝狀態(tài)的變化引起工藝結果變化，導致硅片加工質量變差，成品率變低；過小的維護周期使得設備維護過于頻繁，影響了正常的硅片加工過程，浪費時間，降低效率。


發(fā)明內容
針對現有技術方案中存在的技術缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種等離子刻蝕設備的維護方法，通過該方法可以相對精確地預測更換等離子刻蝕設備中易損件的時間，及時更換等離子刻蝕設備中易損件，保證硅片加工質量，維持正常的硅片加工過程，節(jié)約時間，提高效率。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現的 一種等離子刻蝕設備的維護方法，用于在等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度不能滿足工藝過程要求時及時更換反應腔體，包括 A、建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系； B、檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據步驟A建立的所述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。
所述的步驟A包括 A1、選擇具有不同內表面粗糙度Ra的反應腔體的離子體刻蝕設備進行工藝過程，一一對應地測試不同反應腔體內表面粗糙度Ra下等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q； A2、根據反應腔體內表面粗糙度值Ra與等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q的一一對應值，建立表面粗糙度值Ra與譜強度值Q的對應關系。
所述的步驟A1前包括 A3、建立反應腔體內表面積S與反應腔體內表面粗糙度值Ra的對應關系； A4、選擇不同內表面積S的反應腔體，根據步驟建立的對應關系確定所選擇的反應腔體的內表面粗糙度值Ra。
所述的步驟A3包括 A31、建立反應腔體的內表面微觀顆粒的表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型，Sn＝fn(Ra)； A32、建立不同表面形狀的反應腔體的內表面上的微觀顆粒分布數學模型，并得出相應的微觀顆粒數量N； A33、建立反應腔體的內表面積S與反應腔體的內表面粗糙度值Ra的對應關系S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。
所述的步驟A31包括 A311、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為球冠，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為Sn＝(64+π2)Ra2/π； A312、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為半球體，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為Sn＝(32/π)Ra2； A313、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為圓錐體，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為 所述的步驟A32包括 A321、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為同心圓分布，相應的微觀顆粒數量N為 式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/4r；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；r為微觀顆粒的底面的半徑； 式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，在i＝1時，n1＝1； 在i＞1時，ni＝2iπ； A322、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層狀排列，相應的微觀顆粒數量N為 式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/d1；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；d1為微觀顆粒層間距； 式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，ni＝ai/2r，其中ai為當前層的弦長，r為微觀顆粒的底面的半徑。
7、根據權利要求6所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A322中的微觀顆粒層間距d1包括(此處的d0和下面的d1本質是一樣的，為什么表示成2種，感覺只用d0比較清楚) A3221、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為緊密狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為 A3222、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為雙層緊密狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為 A3223、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層切狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為d1＝r。
所述的步驟B中檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數包括 檢測等離子體刻蝕設備中的生成物的光譜強度；或 檢測等離子體刻蝕設備中的生成物的副產物的量。
由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明所述的一種等離子刻蝕設備的維護方法，首先建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系；檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據上述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。通過該方法可以相對精確地預測更換等離子刻蝕設備中易損件的時間，及時更換等離子刻蝕設備中易損件，保證硅片加工質量，維持正常的硅片加工過程，節(jié)約時間，提高效率。



圖1為常用的計算表面粗糙度的示意圖； 圖2為計算圓形石英窗表面粗糙度的示意圖； 圖3為球冠狀表面微觀顆粒示意圖； 圖4為半球體表面微觀顆粒示意圖； 圖5為圓錐體表面微觀顆粒示意圖； 圖6表面微觀顆粒同心圓排列示意圖； 圖7表面微觀顆粒層狀排列示意圖； 圖8表面微觀顆粒緊密層狀排列示意圖； 圖9表面微觀顆粒雙層緊密層狀排列示意圖； 圖10表面微觀顆粒層切層狀排列示意圖； 圖11腔室中生成物光譜強度和石英窗體粗糙度的關系曲線。

具體實施例方式 本發(fā)明所述的一種等離子刻蝕設備的維護方法，用于在等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度不能滿足工藝過程要求時及時更換反應腔體，其核心是建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系；檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據上述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。
其具體實施方式
包括以下步驟 第一步，建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系。
在此過程中，可先建立反應腔體內表面積S與反應腔體內表面粗糙度值Ra的對應關系，具體包括 (一)建立反應腔體的內表面微觀顆粒的表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型，Sn＝fn(Ra)。
首先，建立石英部件表面顆粒的模型，根據粗糙度的定義計算出不同粗糙度下的顆粒半徑r。在刻蝕機中的石英部件中主要是指石英窗，這里以石英窗為例分析。石英窗形為規(guī)則圓盤，假設其表面顆粒為規(guī)則實體，大小相等且底面半徑為R。
在國家標準中，評定實際輪廓需要分別從兩個方向高度方向和水平方向規(guī)定適當的參數來表征，即表明微觀幾何形狀表面輪廓的高度特征參數、間距特征參數和形狀特征參數三個方面。由于間距特征參數和形狀特征參數沒有一個明確的定值來衡量，在實際的石英部件的加工中只考慮表面輪廓的高度特征參數，而高度特征的表示有三種方法Ra(中心線平均粗糙度)、Ry(最大高度粗糙度)、Rz(十點平均粗糙度)，此處采用最常用的中心線平均粗糙度Ra。
如圖1所示，若從加工表面粗糙曲線上，截取一段測量長度L，并以該長度內粗糙深度的中心線為x軸，取中心線的垂直線為y軸，則粗糙曲線可用y＝f(x)表示。以中心線為基準將下方曲線反折，然后計算中心線上方經反折后全部曲線所涵蓋面積，再以除以L，即為該加工面測量長度內的中心線平均粗糙度值Ra，其數學定義為 或Ra＝(S1+S2+......+Sn)/L 如圖2所示，為石英窗表面顆粒模型，設其顆粒模型為圓錐形，其中Si為各個圓錐的表面積、L為石英窗直徑D，則表面粗糙度表示為 Ra＝(S1+S2+......+Sn)/D公式(1) 而對于不同粗糙度的石英窗，其表面顆粒模型又有所不同，根據粗糙度理論得知表面粗糙度越大則表面顆粒越大。在刻蝕機中一般加工石英窗的表面粗糙度為1～10μm，此處主要討論以下三種估計表面顆粒的表面積的情況 第一種情況，假設表面顆粒為球冠形狀，以Ra＝1為例，如圖3所示，反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為球冠，球冠的底面半徑為r；由公式(1)可知 Ra＝(D/2r)＊0.25＊π＊r＊r/D；則r＝(8/π)＊Ra； 由球冠的表面積公式，Sn＝2π*R*h，其中h為球冠的高，R為球冠所在球的半徑，這里也就是表面粗糙度Ra，因此，球冠的表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為 Sn＝(64+π2)Ra2/π； 第二種情況，假設表面顆粒為半球體形狀，以Ra＝6為例，如圖4所示，反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為半球體，半球體的半徑為r；由公式(1)可知 Ra＝(D/2r)＊(0.5＊π＊r＊r)/D，則r＝(4/π)＊Ra 由球的表面積公式，半球體的球面表面積Sn＝2πr＊r，r為半球體的半徑，這里也就是表面粗糙度Ra，因此，半球體的表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為 Sn＝(32/π)Ra2； 第三種情況，假設表面顆粒為圓錐體形狀，以Ra＝9為例，如圖5所示，反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為圓錐體，圓錐體的底面半徑為r；由公式(1)可知 ，則 由圓錐體的側表面積公式，Sn＝πrl；l為法線的長度，，H為圓錐體的高，這里就是表面粗糙度Ra，因此，圓錐體的表面積Sn與其表面粗糙度 (二)建立不同表面形狀的反應腔體的內表面上的微觀顆粒分布數學模型，并得出相應的微觀顆粒數量N； 建立不同的石英部件表面顆粒的分布模型，計算不同粗糙度下表面顆粒的總個數，對比結果并驗證假設模型的正確性。由于石英窗的加工工藝和表面處理的方法各不相同，所以模擬真實的石英表面顆粒的分布是非常困難的，但是在刻蝕機中石英窗表面直接接觸等離子體，其表面的顆粒分布的均勻與否與反應腔室的狀態(tài)密切相關，會影響等離子體的均勻性。而石英窗表面顆粒的同心圓式排列和層狀排列是均勻性最好的排列方式，也最接近真實的表面顆粒的分布狀態(tài)，因此建立兩種表面顆粒分布模型同心圓式排列和層狀排列。
同心圓式排列 如圖6所示，表面顆粒的每一層都以石英窗體中心作為圓心做環(huán)繞狀分布，而每一層顆粒的圓心則構成同心圓，且層與層之間的顆粒相切。也就是說反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為同心圓分布，相應的微觀顆粒數量N為 式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/4r；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；r為微觀顆粒的底面的半徑； 式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，在i＝0時，也就是在石英窗體的正中心，只有一個微觀顆粒，n1＝1；在i＞0時，也就是從中心開始的第i圈 ni＝2iπ； 具體算法如下第i層的顆粒圓心所對應的周長為4πir，而顆粒的直徑為2r，因此，第i層的顆粒個數為ni＝4πir/2r＝2iπ個。
層狀排列 如圖7所示，表面顆粒以石英窗體直徑作為基準，顆粒沿直徑方向緊密排列，且層與層之間的顆粒保持相切，每一層顆粒的圓心則構成平行線。也就是說反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層狀排列，相應的微觀顆粒數量N為 式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/d1；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；d1為微觀顆粒層間距；但由于相鄰兩層顆粒的層間距d1的不同，排列顆粒的層數l也不相同。此時分為三種排列方式緊密層狀排列、雙層緊密層狀排列和層切層狀排列，具體為 緊密層狀排列 如圖8所示，反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為緊密層狀排列，其雙層微觀顆粒層間距d0為；故相鄰兩層顆粒的層間距d1為 。r為微觀顆粒的底面的半徑。
雙層緊密層狀排列 如圖9所示，反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為雙層緊密層狀排列，其雙層微觀顆粒層間距d0為；故相鄰兩層顆粒的層間距d1為 。r為微觀顆粒的底面的半徑。
層切層狀排列 如圖10所示，反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層切層狀排列，其雙層微觀顆粒層間距d0為d0＝2r。；故相鄰兩層顆粒的層間距d1為 d1＝r。r為微觀顆粒的底面的半徑。
式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，為了計算方便，將整圓分成兩個半圓計算，從半圓的直徑處起算為第1層，第i層的弦長ai為 由于任意一層的每一個顆粒所占據的橫向距離為2r，故該層顆粒的個數為 (三)建立反應腔體的內表面積S與反應腔體的內表面粗糙度值Ra的對應關系S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。
因此，可以選擇不同內表面積S的反應腔體，根據上述過程建立的對應關系確定所選擇的反應腔體的內表面粗糙度值Ra。
由此，選擇具有不同內表面粗糙度Ra的反應腔體的離子體刻蝕設備進行工藝過程，一一對應地測試不同反應腔體內表面粗糙度Ra下等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q； 然后，根據反應腔體內表面粗糙度值Ra與等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q的一一對應值，建立表面粗糙度值Ra與譜強度值Q的對應關系。
第二步，檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據前述過程建立的所述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。
上述的檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數指的是檢測離子體刻蝕設備中的生成物的光譜強度； 基于以上步驟，本發(fā)明首先通過計算出不同粗糙度下石英窗的表面積，實現定量分析部件表面粗糙度，計算得到工藝前初始值Ramax/Ramin和需要更換石英窗體時所對應的Ramax/Ramin，然后利用發(fā)射光譜OES檢測腔室中生成物，建立腔室中生成物光譜強度和石英窗體粗糙度的關系，并通過實驗不斷的調整工藝前初始值Ramax/Ramin和需要更換石英窗體時所對應的Ramax/Ramin，從而得到一組優(yōu)化粗糙度參數，并將它們作為控制界限。隨著刻蝕硅片數量增加時，OES強度逐漸降低，表明OES石英窗口逐漸污染，當OES強度低于控制限時，需要進行OES石英窗口的清洗或更換，從而正確、實時的預測石英窗體的更換，其建立的監(jiān)控曲線如圖11所示。
另外，本發(fā)明還可以通過檢測離子體刻蝕設備中的生成物的副產物的量來與石英窗的粗糙度建立對應關系。是通過監(jiān)測干法清洗過程反應物或生成物的變化得到刻蝕過程中副產物的多少，實時監(jiān)控干法清洗時間的變化來推測石英窗的粗糙程度，進而預測其是否需要清洗和更換。
綜上所述，本發(fā)明提出一種定量分析石英部件表面粗糙度的方法，建立不同情況下部件表面顆粒分布的模型并精確計算出不同粗糙度下石英部件的表面積，再根據OES傳感器檢測到刻蝕后工藝的譜線，根據譜線與石英部件表面粗糙度的一一對應關系，通過實驗建立表面粗糙度的控制線，從而精確預測石英部件的更換時間。本發(fā)明避免以傳統(tǒng)的經驗法，對石英表面積進行主觀估計來確定部件維護時間和周期。利用本方法后，縮短了部件維護的時間，實現定量預測維護時間及周期，提高了硅片加工的生產率。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種等離子刻蝕設備的維護方法，用于在等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度不能滿足工藝過程要求時及時更換反應腔體，其特征在于，包括
A、建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系；
B、檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據步驟A建立的所述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。
2.根據權利要求1所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A包括
A1、選擇具有不同內表面粗糙度Ra的反應腔體的離子體刻蝕設備進行工藝過程，一一對應地測試不同反應腔體內表面粗糙度Ra下等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q；
A2、根據反應腔體內表面粗糙度值Ra與等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數值Q的一一對應值，建立表面粗糙度值Ra與譜強度值Q的對應關系。
3.根據權利要求2所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A1前包括
A3、建立反應腔體內表面積S與反應腔體內表面粗糙度值Ra的對應關系；
A4、選擇不同內表面積S的反應腔體，根據步驟建立的對應關系確定所選擇的反應腔體的內表面粗糙度值Ra。
4.根據權利要求3所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A3包括
A31、建立反應腔體的內表面微觀顆粒的表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型，Sn＝fn(Ra)；
A32、建立不同表面形狀的反應腔體的內表面上的微觀顆粒分布數學模型，并得出相應的微觀顆粒數量N；
A33、建立反應腔體的內表面積S與反應腔體的內表面粗糙度值Ra的對應關系S＝N×Sn＝N×fn(Ra)。
5.根據權利要求4所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A31包括
A311、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為球冠，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為Sn＝(64+π2)Ra2/π；
A312、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為半球體，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為Sn＝(32/π)Ra2；
A313、反應腔體的內表面微觀顆粒的形狀為圓錐體，其表面積Sn與其表面粗糙度值Ra的數學模型為
6.根據權利要求4所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A32包括
A321、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為同心圓分布，相應的微觀顆粒數量N為
式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/4r；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；r為微觀顆粒的底面的半徑；
式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，在i＝1時，n1＝1；
在i＞1時，ni＝2iπ；
A322、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層狀排列，相應的微觀顆粒數量N為
式中l(wèi)為同心圓分布的層數，l＝D/d1；其中D為反應腔體的圓形內表面的直徑；d1為微觀顆粒層間距；
式中ni為同一層中微觀顆粒的個數，ni＝ai/2r，其中ai為當前層的弦長，r為微觀顆粒的底面的半徑。
7.根據權利要求6所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟A322中的微觀顆粒層間距d1包括
A3221、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為緊密狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為
A3222、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為雙層緊密狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為
A3223、反應腔體的圓形內表面上的微觀顆粒為層切狀層狀排列，其微觀顆粒層間距d1為d1＝r。
8.根據權利要求1所述的等離子刻蝕設備的維護方法，其特征在于，所述的步驟B中檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數包括
檢測等離子體刻蝕設備中的生成物的光譜強度；或
檢測等離子體刻蝕設備中的生成物的副產物的量。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種等離子刻蝕設備的維護方法，首先建立等離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數與等離子體刻蝕設備的反應腔體內表面粗糙度的對應關系；檢測離子體刻蝕設備中的生成物的性能參數，根據上述的對應關系判斷反應腔體內表面粗糙度是否滿足工藝過程要求，如不滿足則更換反應腔體。通過該方法可以相對精確地預測更換等離子刻蝕設備中易損件的時間，及時更換等離子刻蝕設備中易損件，保證硅片加工質量，維持正常的硅片加工過程，節(jié)約時間，提高效率。
文檔編號H01L21/00GK101217103SQ200710063229
公開日2008年7月9日 申請日期2007年1月4日 優(yōu)先權日2007年1月4日
發(fā)明者峰 楊 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司