Wafer etching method and semiconductor processing equipment

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。

应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。本申请使用的术语“或”、“和/或”、“包括以下至少一个”等可被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。例如，“包括以下至少一个：A、B、C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A和B和C”，再如，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A和B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。

应当理解的是，术语“顶”、“底”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

为了便于描述，以下各实施例中，均是以水平面和竖直方向形成的正交空间为例进行说明，该前提条件不应理解为对本申请的限制。

请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种晶圆刻蚀方法的流程示意图，该晶圆刻蚀方法可以包括：

S110、获取下聚焦环在当前晶圆角度所历经的起辉总时长。

晶圆刻蚀时晶圆缺口所朝向的方向为晶圆角度，比如图2中，晶圆缺口41位于6点钟方向，可以预先定义晶圆零角度方向，例如，当定义6点钟方向为零角度方向时，图2中晶圆的当前晶圆角度为0°，又例如，当定义9点钟方向为零角度方向，并且逆时针方向为正方向，则图2中晶圆的当前晶圆角度为90°，再比如，当定义3点钟方向为零角度方向，并且逆时针方向为正方向，则图2中晶圆的当前晶圆角度为-90°。

同一下聚焦环在相同的当前晶圆角度下首次暴露于射频环境的时刻，称为该下聚焦环的起辉初始时刻，即为起辉总时长的初始计时时刻。同一下聚焦环在相同的当前晶圆角度下累计刻蚀的时间称为该下聚焦环历经的起辉总时长，即下聚焦环上与晶圆缺口处对应的区域直接暴露于射频环境中的累计时间。

请参阅图4，图4是本申请提供的一种下聚焦环所历经的起辉时间的示意图。例如，在更换新的下聚焦环后，当前晶圆角度为0°，则新的下聚焦环在晶圆角度为0°时首次进行刻蚀的时刻为起辉初始时刻，在持续刻蚀t1时间(持续起辉时间)完成N1片晶圆的刻蚀后，停机t2时间(空闲时间)，然后再次以前晶圆角度为0°继续蚀刻t3时间(再次起辉时间)完成N2片晶圆的刻蚀。则该下聚焦环所历经的起辉总时长为：t＝t1+t3。

下聚焦环所历经的起辉总时长用于表示下聚焦环同一位置被射频能量腐蚀的时间，起辉总时长越大，当前晶圆角度下的下聚焦环的剩余寿命越短。

S120、若起辉总时长大于或等于预设时长阈值，则沿预设方向将待刻蚀晶圆相对于下聚焦环改变一预设单位角度再进行刻蚀，其中，预设单位角度大于晶圆缺口所对应的圆心角。

预设时长阈值是指下聚焦环在当前晶圆角度下刻蚀预设时长阈值后仍然处于安全状态，未达到其使用寿命，预设时长阈值可以根据实验进行设定。例如，请结合图2，以下聚焦环32为Al₂O₃陶瓷材质为例，实验证明，持续地对下聚焦环32的位置2进行刻蚀，大致56h下聚焦环32中的Al就会被轰击出来，对晶圆造成金属污染，因此预设时长阈值可以设置为低于56h的值，比如，预设时长阈值可以设置为52h、50h、47h等小于56h的值即可。

当下聚焦环在当前晶圆角度所历经的起辉总时长大于或等于预设时长阈值时，意味着晶圆缺口处的下聚焦环即将达到使用寿命，因此可以在完成工艺腔室内的晶圆刻蚀后，沿预设方向将待刻蚀晶圆(下一晶圆)相对于下聚焦环改变一预设单位角度再进行刻蚀，使得刻蚀时下聚焦环新的区域暴露于待刻蚀晶圆的晶圆缺口中。作为一些示例，待刻蚀晶圆相对于下聚焦环改变一预设单位角度，可以将待刻蚀晶圆相对下聚焦环旋转上述预设单位角度，也可以旋转承载装置带动下聚焦环相对待刻蚀晶圆旋转上述预设单位角度，本申请实施例不作特别限定。下文主要以晶圆相对于下聚焦环进行旋转来改变晶圆与下聚焦环之间的角度为例进行说明，旋转承载装置的方式就不作赘述。

可以理解的是，本实施例晶圆刻蚀方法，当下聚焦环在当前晶圆角度所历经的起辉总时长大于或等于预设时长阈值时，则沿预设方向将待刻蚀晶圆相对于下聚焦环改变一预设单位角度再进行刻蚀，即按照一定的时间改变待刻蚀晶圆与下聚焦环之间的相对角度，由于每次改变的预设单位角度大于晶圆缺口所对应的圆心角，可以使下聚焦环的不同区域暴露于晶圆缺口处，每改变一次角度，相当于将下聚焦环暴露于等离子体的时间趋于归零，从而使下聚焦环的寿命成倍增长。

为了提高晶圆刻蚀的均匀性，在一个实施例中，请参阅图5，图5是本申请实施例提供的另一种晶圆刻蚀方法的流程示意图，步骤S120之后还可以包括S210-S220。

S210、获取当前晶圆角度相对于起辉初始时刻的初始晶圆角度沿预设方向所累计改变的角度，其中，起辉初始时刻为与起辉总时长对应的首次起辉时刻。

当待刻蚀晶圆沿预设方向累计改变的角度过大时，会对刻蚀效果的一致性造成影响。因此在上一片晶圆刻蚀完成后，可以获取当前晶圆角度相对于起辉初始时刻的初始晶圆角度沿预设方向所累计改变的角度，即晶圆累计旋转的总角度。

S220、若累计改变的角度小于预设总角度阈值，则返回至S110。

由于晶圆累计改变的角度过大时，会对刻蚀效果的一致性造成影响，因此可以根据实验确定预设总角度阈值，只要累计改变的角度不超过该预设总角度阈值，就可以确保晶圆刻蚀的一致性。在获取晶圆累计旋转的角度后，将累计旋转的角度与预设总角度阈值进行比较。若累计旋转的角度小于预设总角度阈值，则可以返回至步骤S110。

进一步的，在S210之后还可以包括：

S230、若累计旋转的角度大于或等于预设总角度阈值，则停止进行刻蚀。

如前所述，当晶圆累计改变的角度过大时，会对刻蚀效果的一致性造成影响。因此，若累计改变的角度大于或等于预设总角度阈值，则停止进行刻蚀。此时可以进行设备维护，比如更换新的下聚焦环。

可以理解的是，本实施例由于刻蚀时按照一定的时间改变待刻蚀晶圆与下聚焦环之间的相对角度，改变的预设单位角度大于晶圆缺口所对应的圆心角，可以使下聚焦环的不同区域暴露于晶圆缺口处，每改变一次角度相当于将下聚焦环暴露于等离子体的时间趋于归零，从而使下聚焦环的寿命成倍增长，此外，本实施例还获取当前晶圆角度相对于起辉初始时刻的初始晶圆角度沿预设方向所累计改变的角度，若累计改变的角度小于预设总角度阈值，才进行下一次的刻蚀，以确保晶圆刻蚀的均匀性。以晶圆相对于下聚焦环进行旋转来改变晶圆与下聚焦环之间的角度为例，例如，请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种刻蚀过程的示意图，从初始晶圆角度为0°开始进行刻蚀，当刻蚀至起辉总时长大于或等于预设时长阈值，可以将晶圆沿顺时针旋转预设单位角度，比如2°，晶圆缺口对应的圆心角大概为1.15°，旋转2°可以确保每次旋转后下聚焦环暴露于晶圆缺口的区域为不同的区域，避免同一区域被腐蚀的时间过长。依次类推，晶圆从0°开始，每次刻蚀到一定的时间旋转2°，只要累计旋转的角度(累计角度)未超出预设总角度阈值(例如30°)即可。

需要说明的是，为了避免晶圆转动对蚀刻结果造成影响，作为一个示例，请参阅图7，图7是本申请实施例提供的一种晶圆旋转方式的示意图，以工艺腔室的阀门为参考，并且(起辉初始时刻)待刻蚀晶圆传输至工艺腔室时晶圆的边缘正对阀门的位置为基准点B，初始晶圆角度为晶圆缺口N和基准点B对应的圆心角θ，其中，基准点B避开晶圆缺口N。预设方向为晶圆缺口N至基准点B的旋转方向，如图中箭头所示，并且预设总角度阈值为晶圆缺口N和基准点B对应的圆心角θ的两倍。例如，当预设总角度阈值为30°时，基准点B对应0°，可以从-15°(点N)开始旋转，累计旋转至15°(点N’)即止。请参阅图8，图8是本申请实施例提供的一种晶圆缺口在6点方向(0°)和晶圆缺口旋转至15°后的蚀刻效果对比图，ER(刻蚀速率)最快点略有旋转，ER最慢点无明显变化。晶圆缺口位于0°时的ER平均值为11911A/min，U值为10.1％，晶圆缺口位于15°时的ER平均值为11460A/min，U值为9.7％，ER平均值变化3.9％，在正常波动范围；U值均满足spec要求。由此证明正负转动wafer角度15°对工艺结果无影响。

可以理解的是，以Al₂O₃陶瓷材质为例，现有技术在刻蚀时晶圆角度不变，下聚焦环的寿命只有56h，而采用本实施例的方法进行刻蚀，预设时长阈值设置为50h为例，下聚焦环的寿命为50h×(1+30°/2°)＝800h。大大提高了下聚焦环的使用寿命，减小了下聚焦环的维护周期。

在一个实施例中，请继续参阅图5，在S110之后还可以包括：

S310、若起辉总时长小于预设时长阈值，则继续以当前晶圆角度进行刻蚀。

可以理解的是，若起辉总时长小于预设时长阈值，则表示下聚焦环暴露于晶圆缺口的区域被刻蚀的时间较短，未到预设时长阈值，传片时可以保持当前的晶圆角度，继续以当前晶圆角度进行刻蚀。

本申请实施例还提供了一种半导体处理设备，请参阅图1和图9，图9是本申请实施例提供的一种半导体处理设备的结构示意图，该半导体处理设备包括工艺腔室100和控制器，工艺腔室100内设置有用于承载晶圆的承载装置，承载装置包括下电极基盘22，以及套设在下电极基盘22外侧的下聚焦环32。控制器包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上各实施例所述的晶圆刻蚀方法。

作为一个示例，该半导体处理设备还可以包括用于装载晶圆的装载装置210，装载装置210为晶圆传输的起始工位。

在一个实施例中，控制器可以用于控制承载装置带动下聚焦环旋转预设单位角度。即保持晶圆不旋转，通过控制承载装置带动下聚焦环旋转来改变待刻蚀晶圆相对于下聚焦环的晶圆角度。

在一个实施例中，半导体处理设备还可以包括校准装置220和传输装置230；校准装置220用于在转动时调整位于校准装置上的待刻蚀晶圆的晶圆角度；传输装置230用于将待刻蚀晶圆从校准装置上传输至工艺腔室100中，作为一个示例，传输装置230可以包括依次连接的预抽真空腔231和真空传输腔232，预抽真空腔231作为真空传输腔232的过渡腔室，真空传输腔232与工艺腔室100连接。工艺腔室100用于对待刻蚀晶圆进行刻蚀；控制器用于控制校准装置转动以使待刻蚀晶圆相对于下聚焦环改变一预设单位角度。

本实施例控制器通过控制校准装置对待刻蚀晶圆进行旋转，以使待刻蚀晶圆相对于下聚焦环改变预设单位角度，而工艺腔室100的承载装置保持固定(即下聚焦环不旋转)。

作为一个示例，控制器可以控制待刻蚀晶圆从装载装置210依次传输至校准装置220、传输装置230，最后传输至工艺腔室100中，并且在传输至校准装置220时，可以控制校准装置220进行旋转以改变待刻蚀晶圆的晶圆角度，控制器还可以控制工艺腔室100对待刻蚀晶圆进行刻蚀。

需要说明的是，上述晶圆传输过程可以通过机械手完成。此外，为了提高效率，部分装置可以一对多或多对多设置。比如，可以围绕真空传输腔232布置四个工艺腔室100以提高真空传输腔232的使用率。

在一个实施例中，请参阅图1和图10，图10是本申请实施例提供的一种改善前后下聚焦环和晶圆之间的位置关系对比示意图。下聚焦环32可以包括环本体321，环本体321的顶面设置有与下电极基盘22配合的环形凹槽322，在一个实施例中，环本体321的外侧面还可以设置环形凸起323，环形凸起323的顶面低于环本体321的顶面。当晶圆置于下电极基盘22上时，晶圆的晶圆缺口离晶圆的中心的最短距离大于环本体321的外径。比如，图10中下聚焦环位置1、下聚焦环位置2和下聚焦环位置3分别对应图1中的位置1、2、3。即下聚焦环位置1对应环形凸起323的边缘，下聚焦环位置2对应环本体321的外侧面，下聚焦环位置3对应环本体321的内侧面。通过限定晶圆缺口离晶圆的中心的最短距离L1大于环本体321的外径L0，可以确保下聚焦环整个都被晶圆遮挡，避免下聚焦环部分区域暴露于晶圆缺口中，从而可以提高下聚焦环的寿命。

例如，图10中左图，原有下聚焦环环本体321的外径是298.5mm，而12寸wafer直径是300mm，经测量，wafer 6点钟方向晶圆缺口横向宽约3.5mm，纵向深约1.3mm。原有下聚焦环和wafer单边距离是两个直径的差值的一半，即(300-298.5)/2＝0.75mm＜1.3mm，所以蚀刻时下聚焦环的部分区域会直接暴露在等离子体中。现将下聚焦环(图10中右图)环本体321的外径缩小至296.5mm后，环本体321的内径可根据需要进行缩小。改进后的下聚焦环和wafer单边距离是(300-296.5)/2＝1.75mm＞1.3mm，下聚焦环正面会直接被wafer保护住，避免plasma直接损耗。实验证明，经200h RF轰击后，下聚焦环无明显损耗，且缩小尺寸对于工艺结果无直接影响。

有关本实施例半导体处理设备的其他工作原理和过程，参见前述本发明实施例关于晶圆刻蚀方法的说明，此处不再赘述。

以上对本申请所提供的一种晶圆刻蚀方法及半导体处理设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述。需要说明的是，在本申请中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本申请技术方案的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本申请记载的范围。