一种具有自清理功能的静电颗粒收集系统和方法

技术领域

本发明属于腔室清理技术领域，具体涉及一种具有自清理功能的静电颗粒收集系统和方法。

背景技术

当前芯片产业生产日趋向小线宽高密度的方向发展，同时在生产过程中也会引入越来越多的各种材料，这些半导体相关材料在工艺生产过程中会产生及其负责的副产物，这些副产物在很多情况下会会在腔室测试depo，同时也会在腔室中悬浮。在高真空的状态下，这些颗粒呈不规则布朗运动，单纯利用分子泵，很难快速将这些颗粒进行清除。这些颗粒在芯片生产过程中会导致相关defect map，如图1所示。

同时由于工艺过程中采用的物质越来越复杂，有些金属副产物和非金属颗粒很难使用等离子气体进行清洗，有些等离子清洗会使用大功率和特种气体，清洗过程也会耗时很久，这就造成了额外的能源消耗和材料消耗，同时由于清洗步骤引入，这些清洗步骤对腔室的部件也会造成一定量的损耗，从而使的部件的使用周期缩短。这样就会导致部件的维护周期变短，增加半导体器件生产的成本，降低生产厂商的利润空间。

由于这些副产物的存在，会导致半导体器件生产过程中产生大量的不良品。一些颗粒在工艺过程中，落在晶圆表面，对相关的刻蚀产生了干扰，导致刻蚀不良，使得晶圆功能失效，如图2所示，有些金属颗粒可能直至导致晶圆的线路互联，从而使晶圆良率收到影响，严重影响芯片的功能的可靠性，使得芯片生产商蒙受相关效益损失。

半导体生产过程中，生产的颗粒有的会附着在腔室侧壁，有的会悬浮在腔室空间，一般附着在侧壁的副产物很难脱离，所以这些副产物对晶圆质量影响较小。对晶圆生产影响较大的是悬浮的颗粒，这些颗粒由于在高真空中呈现不规则颗粒运动，很容易会运动到wafer表面，从而导致芯片defect的产生，影响芯片质量和产量。

发明内容

解决的技术问题：本发明提出了一种具有自清理功能的静电颗粒收集系统和方法，在当前半导体器件日趋线宽逐渐缩小的情况下，能够有效消除悬浮颗粒，有效提高芯片品质，就提高芯片生产的良率，给芯片生产企业带来更大的利润。

技术方案：

一种具有自清理功能的静电颗粒收集系统，所述静电颗粒收集系统包括中压闸阀、静电吸附网、氮气管路、静电发生器、压力计、真空发生器和控制器；所述中压闸阀、氮气管路、静电发生器、压力计、真空发生器均与控制器连接；

所述静电吸附网水平安装在腔室本体和APC阀之间的通道内，腔室本体临近静电吸附网的底部上安装有中压闸阀，中压闸阀用于根据控制器的控制指令切换腔室本体和通道之间的连通状态；所述静电发生器与静电吸附网连接，为静电吸附网提供不同等级的静电电压；所述压力计安装在通道内，用于实时检测通道内的气压值，将检测到的气压值反馈给控制器；所述真空发生器和氮气管路分别连通至通道；

半导体制备工艺结束后，控制器开启中压闸阀，关闭APC阀，使腔室本体和通道切换为连通状态，采用静电发生器持续施加与半导体制备工艺相适配的正向静电电压在静电吸附网上，使腔室本体内的悬浮颗粒在电场作用下吸附在静电吸附网上；

当正向静电电压施加时长达到第一预设时长时，关闭中压闸阀，隔绝腔室本体和通道，采用静电发生器持续施加反向静电电压在静电吸附网上，同时打开氮气管路，使静电吸附网上的部分颗粒在反向电压和气压的双重作用下脱离静电吸附网，并悬浮在通道内；

当反向静电电压施加时长达到第二预设时长且通道内的气压达到大气压力时，关闭氮气通道，启动真空发生器，使静电吸附网上的剩余悬浮颗粒脱离静电吸附网，同时使所有悬浮在通道内的颗粒随氮气一起排出通道，直至通道内的气压达到第一真空气压；开启APC阀，采用腔室本体的真空排气系统对通道内的悬浮颗粒进行再排除处理，直至通道内的气压达到第二真空气压，关闭APC阀，关闭真空排气系统，关闭静电发生器，开启中压闸阀。

进一步地，所述第一预设时长、第二预设时长与半导体制备工艺中产生的悬浮颗粒类型、数量相关。

进一步地，所述静电发生器施加在静电吸附网上的静电电压的取值范围为-5000V～5000V。

进一步地，所述气压计采用皮拉尼真空规。

进一步地，所述静电吸附网上安装有振动电机，振动电机与控制器连接，用于对静电吸附网进行振动。

进一步地，所述静电吸附网采用银、铜或者不锈钢材质制成。

进一步地，所述静电吸附网的表面经阳极氧化处理以形成绝缘且抗腐蚀的保护层。

一种具有自清理功能的静电颗粒收集方法，所述静电颗粒收集方法基于如前所述的静电颗粒收集系统执行；

所述静电颗粒收集方法包括以下步骤：

S1，半导体制备工艺结束后，根据半导体制备工艺参数对腔室本体内的悬浮颗粒物的类型和数量进行预估，结合预估结果计算得到静电电压值、第一预设时长和第二预设时长；

S2，开启中压闸阀，关闭APC阀，使腔室本体和通道切换为连通状态，采用静电发生器持续施加与半导体制备工艺相适配的正向静电电压在静电吸附网上，使腔室本体内的悬浮颗粒在电场作用下吸附在静电吸附网上；

S3，当正向静电电压施加时长达到第一预设时长时，关闭中压闸阀，隔绝腔室本体和通道，采用静电发生器持续施加反向静电电压在静电吸附网上，同时打开氮气管路，使静电吸附网上的部分颗粒在反向电压和气压的双重作用下脱离静电吸附网，并悬浮在通道内；

S4，当反向静电电压施加时长达到第二预设时长且通道内的气压达到大气压力时，关闭氮气通道，启动真空发生器，使静电吸附网上的剩余悬浮颗粒脱离静电吸附网，同时使所有悬浮在通道内的颗粒随氮气一起排出通道，直至通道内的气压达到第一真空气压；

S5，开启APC阀，采用腔室本体的真空排气系统对通道内的悬浮颗粒进行再排除处理，直至通道内的气压达到第二真空气压，关闭APC阀，关闭真空排气系统，关闭静电发生器，开启中压闸阀。

进一步地，当静电发生器启动时，同步启动振动电机，使静电吸附网以预设振动幅度振动。

进一步地，所述第一预设时长、第二预设时长与半导体制备工艺中产生的悬浮颗粒类型、数量相关。

有益效果：

第一，本发明提出的具有自清理功能的静电颗粒收集系统和方法，在当前半导体器件日趋线宽逐渐缩小的情况下，能够有效消除悬浮颗粒，有效提高芯片品质，就提高芯片生产的良率，给芯片生产企业带来更大的利润。

第二，本发明提出的具有自清理功能的静电颗粒收集系统和方法，静电吸附网具有自清理功能，能够采用振动、加反向电压、增大气压和使用Purge增加粘滞流中的部分或者全部手段来去除静电吸附网上的颗粒物，确保清理效果。

第三，腔室和通道之间的气体呈单向流动，可以有效避免通道内的颗粒反向流入腔室。

附图说明

图1为颗粒物落在晶圆表面的其中一种表现形式示意图。

图2为金属颗粒物导致刻蚀后的电极短路的表现形式示意图。

图3为传统腔室结构示意图。

图4为半导体制备工艺后充满悬浮颗粒物的传统腔室结构示意图。

图5为本发明实施例的具有自清理功能的静电颗粒收集系统(SSEPCS系统)结构示意图。

图6为半导体制备工艺后的改进腔室结构示意图。

图7为采用静电吸附方式去除悬浮颗粒的原理示意图。

图8为SSEPCS系统的自清理原理示意图。

图9为SSEPCS系统的再清理原理示意图。

图10为自清理后的改进腔室结构示意图。

图11为本发明实施例的具有自清理功能的静电颗粒收集方法流程图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

图3为传统腔室结构示意图。传统腔室在工艺过程中，腔室的副产物通常会附着在腔室内衬，有些颗粒会悬浮在腔室空间，如图4所示。这些悬浮颗粒容易在wafer工艺工程中，出现在wafer表面，引起芯片生产不良。

为了清除这些悬浮颗粒，本实施例引入一种具有自清理功能的静电颗粒收集系统(Self-Clean Statics Electrical Particle collection system，简称为SSEPCS)。参见图5，所述静电颗粒收集系统包括中压闸阀、静电吸附网、氮气管路、静电发生器、压力计、真空发生器和控制器；所述中压闸阀、氮气管路、静电发生器、压力计、真空发生器均与控制器连接。

所述静电吸附网水平安装在腔室本体和APC阀之间的通道内，腔室本体临近静电吸附网的底部上安装有中压闸阀，中压闸阀用于根据控制器的控制指令切换腔室本体和通道之间的连通状态；所述静电发生器与静电吸附网连接，为静电吸附网提供不同等级的静电电压；所述压力计安装在通道内，用于实时检测通道内的气压值，将检测到的气压值反馈给控制器；所述真空发生器和氮气管路分别连通至通道。

半导体制备工艺结束后，控制器开启中压闸阀，关闭APC阀，使腔室本体和通道切换为连通状态，采用静电发生器持续施加与半导体制备工艺相适配的正向静电电压在静电吸附网上，使腔室本体内的悬浮颗粒在电场作用下吸附在静电吸附网上。当正向静电电压施加时长达到第一预设时长时，关闭中压闸阀，隔绝腔室本体和通道，采用静电发生器持续施加反向静电电压在静电吸附网上，同时打开氮气管路，使静电吸附网上的部分颗粒在反向电压和气压的双重作用下脱离静电吸附网，并悬浮在通道内。当反向静电电压施加时长达到第二预设时长且通道内的气压达到大气压力时，关闭氮气通道，启动真空发生器，使静电吸附网上的剩余悬浮颗粒脱离静电吸附网，同时使所有悬浮在通道内的颗粒随氮气一起排出通道，直至通道内的气压达到第一真空气压；开启APC阀，采用腔室本体的真空排气系统对通道内的悬浮颗粒进行再排除处理，直至通道内的气压达到第二真空气压，关闭APC阀，关闭真空排气系统，关闭静电发生器，开启中压闸阀。

相对于传统腔室，改进腔室增加了一下相关部件：

1.中压闸阀，其主要功能是用来隔绝SSEPCS系统和process chamber。

2.静电吸附网，其主要功能能是提供高压静电，对悬浮颗粒进行吸附。

3.N2管路，用来对SSEPCS系统进行vent的功能。

4.HV emission，用来给静电吸附网提供静电，静电发生器可以提供不同等级的静电电压(-1000V，-2000V，-3000V，-4000V，-5000V，+1000V，+2000V，+3000V，+4000V，+5000V…..)。

5.压力计(Pirani Guage),用来监控SSEPCS系统的压力变化。

具有SSEPCS系统的改进腔室，在半导体制备工艺之后，腔室内也会有一定量的悬浮颗粒，如图6所示

在此时，开清HV Emission，对静电吸附网施加一个高压静电，高压静电可以更具实际需求进行调整，一旦静电吸附网商存在高压，腔室内的悬浮颗粒会受电场影响，聚集在静电吸附网上，腔室颗粒大幅减少，如图7所示。当静电吸附网上吸附足够多的颗粒之后，采用增加SSEPCS压力和静电吸附网调整为反向电压的方式来清除吸附的颗粒。具体步骤如下：1.关闭Gate valve，2.关闭APC,3.关闭Fast/slow vacuum valve，4.打开N2 flow，5.监控Pirani gauge，直至SSEPCS压力达到大气压力，如图8所示。由于压力的增大和反向电压的添加，聚集在静电吸附网的颗粒会扩散到SSEPCS，静电吸附网会回归清洁。此时打开Slowvacuum valve，然后再开启Fast vacuum valve，此时SSEPCS系统内的颗粒会被vacuum带走，从而避免悬浮颗粒在腔室内的持续存在，也保证了静电吸附网的持续整洁，如图9所示。当SSEPCS压力达到高真空之后，关闭Slow/fast Vacuum valve，打开APC,打开Gate valve，腔室恢复到正常状态，腔室的悬浮颗粒得到有效的清除，如图10所示。

本实施例的SSEPCS系统主要采用静电颗粒吸附原理对腔室悬浮颗粒进行收集。SSEPCS系统在对悬浮颗粒进行收集后，采用转换静电电压和升高SSEPCS腔室压力的作用，实现颗粒在SSEPCS中有效脱离。颗粒脱离后，使用Rough vacuum让SSEPCS实现气体的粘滞流，粘滞流可以有效带走SSEPCS中的相关副产物的颗粒，从而实现腔室的Clean环境。为了监控SSEPCS的压力，采用Pirani gauge来监控SSEPCS的压力情况，保证腔室环境不受影响，可以在不影响腔室环境的情况下实现颗粒清除。当SSEPCS达到高真空后，保持Gate valve的关闭，打开APC，使用TMP对SSEPCS再次进行颗粒排除，实现悬浮颗粒的双倍排出力度。静电网为了避免化学腐蚀和有效的导电性，所以静电网需要采用导电材质较好的物质，如Ag,Cu或者不锈钢材质，为了避免可能产生的化学腐蚀，需要对静电网的表面进行阳极氧化处理，形成一层绝缘并抗腐蚀表面，从而实现SSEPCS的长期使用的有效性。

参见图11，本实施例还公开了一种具有自清理功能的静电颗粒收集方法，所述静电颗粒收集方法基于如前所述的静电颗粒收集系统执行；

所述静电颗粒收集方法包括以下步骤：

S1，半导体制备工艺结束后，根据半导体制备工艺参数对腔室本体内的悬浮颗粒物的类型和数量进行预估，结合预估结果计算得到静电电压值、第一预设时长和第二预设时长；

S2，开启中压闸阀，关闭APC阀，使腔室本体和通道切换为连通状态，采用静电发生器持续施加与半导体制备工艺相适配的正向静电电压在静电吸附网上，使腔室本体内的悬浮颗粒在电场作用下吸附在静电吸附网上；

S3，当正向静电电压施加时长达到第一预设时长时，关闭中压闸阀，隔绝腔室本体和通道，采用静电发生器持续施加反向静电电压在静电吸附网上，同时打开氮气管路，使静电吸附网上的部分颗粒在反向电压和气压的双重作用下脱离静电吸附网，并悬浮在通道内；

S4，当反向静电电压施加时长达到第二预设时长且通道内的气压达到大气压力时，关闭氮气通道，启动真空发生器，使静电吸附网上的剩余悬浮颗粒脱离静电吸附网，同时使所有悬浮在通道内的颗粒随氮气一起排出通道，直至通道内的气压达到第一真空气压；

S5，开启APC阀，采用腔室本体的真空排气系统对通道内的悬浮颗粒进行再排除处理，直至通道内的气压达到第二真空气压，关闭APC阀，关闭真空排气系统，关闭静电发生器，开启中压闸阀。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。