用于提供加热的蚀刻溶液的系统和方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造的湿式蚀刻技术领域，特别涉及一种用于提供加热的蚀刻溶液的系统和方法。

背景技术

在半导体器件的制造中，离不开蚀刻工艺，目前蚀刻工艺有两大类：一是干式蚀刻，二是湿式蚀刻。其中，湿式蚀刻具有成本低、可靠性高、产能高及具备优越的蚀刻选择比的特点，湿式蚀刻是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光阻覆盖的部分，而达到蚀刻的目的。湿式蚀刻采用的溶液以酸性蚀刻溶液为主，即酸性蚀刻溶液处理和蚀刻晶片；其中，磷酸(H

在磷酸蚀刻的典型应用中，通常使用在线(in-line)加热器和/或罐壁加热器向磷酸浴液加热，并且通过向磷酸浴液中添加液态水来平衡沸腾中损失的水，从而使保持在所需的沸腾条件下。例如美国专利文献US9831107B2和US9911631B2分别公开的一种用于提供加热精密溶液的处理系统和方法(Processing system and method for providing aheated etching solution)。

在湿式蚀刻时，蚀刻溶液的温度和含水量控制对于气泡的产生有重要影响，气泡会使得蚀刻溶液无法完全与晶圆表面接触，造成蚀刻不完全及不均匀的问题，影响湿式蚀刻质量；因此，有必要对蚀刻溶液的温度和含水量实施高精度控制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于提供加热的蚀刻溶液的方法，包括以下步骤：

S100：采用液相色谱柱将蚀刻溶液送入刻蚀区域，使用前采用进样技术对液相色谱柱的毛细管进行反复洗气；

S200：采集蚀刻溶液的溶液温度、含水量和环境温度，判断溶液温度是否在蚀刻工艺的温度需求范围内，若否，则先进行温度调节，使得溶液温度满足温度需求范围要求后才实施圆晶的蚀刻工艺；

S300：在开始圆晶蚀刻前，先将溶液温度和含水量输入预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，得到单位时间的水损量数据；

S400：在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度控制。

可选的，液相色谱柱设置有吸附气泡的固定相。

可选的，在实施圆晶的蚀刻工艺时，采用磁力驱动技术让蚀刻溶液形成旋转运动。

可选的，采用的工艺预测模型通过以下方式构建：

S310：基于神经网络构建工艺预测初始模型；

S320：获取历史蚀刻工艺中的蚀刻溶液的溶液温度和含水量数据，实施数据清洗和标注，基于标注后的溶液温度和含水量数据组建训练集、验证集和测试集；

S330：依次采用训练集、验证集和测试集对工艺预测初始模型进行训练、验证调参和测试，测试通过后得到的工艺预测模型。

可选的，将采用磁力驱动技术的磁力旋转器所产生的热量用于对补充的去离子水先进行预热处理。

本发明还提供了一种用于提供加热的蚀刻溶液的系统，包括：

液相色谱柱洗气模块，用于在使用前，采用进样技术对用于输送蚀刻溶液的液相色谱柱的毛细管进行反复洗气；

工艺数据采集模块，用于采集蚀刻溶液的溶液温度、含水量和环境温度；

液温调节模块，用于在开始圆晶蚀刻前，判断溶液温度是否在蚀刻工艺的温度需求范围内，若否，则先进行温度调节，使得溶液温度满足温度需求范围要求；

水损预测模块，用于在开始圆晶蚀刻前，先将溶液温度和含水量输入预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，得到单位时间的水损量数据；

工艺条件实时控制模块，用于在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度控制。

可选的，还包括磁旋驱动模块，用于在实施圆晶的蚀刻工艺时，通过控制磁力旋转器，让蚀刻溶液形成旋转运动。

可选的，磁力旋转器包括磁力线圈和环状旋转磁铁，其中，

环状旋转磁铁可旋转式安装在蚀刻工艺的腔体壁内侧，用于在磁力作用下带动蚀刻溶液做旋转运动；

磁力线圈安装在蚀刻工艺的腔体壁上，用于接通电源产生交变磁力场，通过交变磁力场驱动环状旋转磁铁进行旋转。

可选的，磁力旋转器的磁力线圈配置有冷却液通道，向蚀刻溶液补充的去离子水流经冷却液通道进行补水。

可选的，还包括超声探测模块，用于通过超声探测获取蚀刻工艺腔体内的蚀刻溶液立体图像，经图像处理分析，进行气泡识别，获得气泡状况信息；

工艺条件实时控制模块根据气泡状况信息确定磁力旋转器的控制方案，根据控制方案实施磁力旋转器控制。

本发明的用于提供加热的蚀刻溶液的系统和方法，采用液相色谱柱在湿式蚀刻中将蚀刻溶液送入刻蚀工艺腔体内，以便蚀刻溶液在刻蚀工艺腔体内的圆晶蚀刻区域内进行化学(和/或物理)反应，从而在圆晶蚀刻区域形成所需的几何形状或图案，可以实现对复杂形状的图案的制备，并且具有高精度和高效率，可以广泛应用于微电子制造领域。在湿式蚀刻中，采用液相色谱柱作为蚀刻溶液的输送管道，液相色谱柱还可以用于控制反应条件和反应方向，以实现对蚀刻区域的高度精确控制。根据气泡的尺寸、形状和密度，选择合适的液相色谱柱，可以满足不同的分离需求，在液相色谱柱中，气泡可能会在液相色谱柱中形成大量死体积，影响液相色谱柱的柱效和灵敏度，使用气体吹扫法或液体洗气法来去除这些死体积，通过反复洗气去除气泡，可以让液相色谱柱的柱效和灵敏度得到保障；在蚀刻过程中，可以使用液相色谱来凝聚和去除气泡的气泡抑制技术来减少或排除气泡。气泡的产生与刻蚀工艺的温度和水蒸发存在密切关联，在刻蚀工艺的温度条件下，采用预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据预测得到的水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度精确控制，可以抑制或者减少气泡的产生和不利影响，从而提高蚀刻的质量和均匀性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在本申请文件中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种用于提供加热的蚀刻溶液的方法流程图；

图2为本发明的用于提供加热的蚀刻溶液的方法实施例采用的工艺预测模型构建流程图；

图3为本发明实施例中一种用于提供加热的蚀刻溶液的系统方框图；

图4为本发明实施例中一种用于提供加热的蚀刻溶液的系统采用的磁力旋转器安装截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于提供加热的蚀刻溶液的方法，包括以下步骤：

S100：采用液相色谱柱将蚀刻溶液送入刻蚀区域，使用前采用进样技术对液相色谱柱的毛细管进行反复洗气；

S200：采集蚀刻溶液的溶液温度、含水量和环境温度，判断溶液温度是否在蚀刻工艺的温度需求范围内，若否，则先进行温度调节，使得溶液温度满足温度需求范围要求后才实施圆晶的蚀刻工艺；

S300：在开始圆晶蚀刻前，先将溶液温度和含水量输入预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，得到单位时间的水损量数据；

S400：在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度控制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用液相色谱柱在湿式蚀刻中将蚀刻溶液送入刻蚀工艺腔体内，以便蚀刻溶液在刻蚀工艺腔体内的圆晶蚀刻区域内进行化学(和/或物理)反应，从而在圆晶蚀刻区域形成所需的几何形状或图案，可以实现对复杂形状的图案的制备，并且具有高精度和高效率，可以广泛应用于微电子制造领域。在湿式蚀刻中，采用液相色谱柱作为蚀刻溶液的输送管道，液相色谱柱还可以用于控制反应条件和反应方向，以实现对蚀刻区域的高度精确控制。根据气泡的尺寸、形状和密度，选择合适的液相色谱柱，可以满足不同的分离需求，在液相色谱柱中，气泡可能会在液相色谱柱中形成大量死体积，影响液相色谱柱的柱效和灵敏度，使用气体吹扫法或液体洗气法来去除这些死体积，通过反复洗气去除气泡，可以让液相色谱柱的柱效和灵敏度得到保障；在蚀刻过程中，可以使用液相色谱来凝聚和去除气泡的气泡抑制技术来减少或排除气泡。气泡的产生与刻蚀工艺的温度和水蒸发存在密切关联，在刻蚀工艺的温度条件下，采用预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据预测得到的水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度精确控制，可以抑制或者减少气泡的产生和不利影响，从而提高蚀刻的质量和均匀性。

在一个实施例中，采用的液相色谱柱内部设置有吸附气泡的固定相。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在色谱柱中添加固定相，固定相可以是活性炭、硅胶等，采用固定相来吸附气泡中的挥发性成分，从而进一步降低气泡的生成，减少气泡的不利影响，提高蚀刻的质量和均匀性。

在一个实施例中，在实施圆晶的蚀刻工艺时，采用磁力驱动技术让蚀刻溶液形成旋转运动。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案使用磁力旋转器让蚀刻溶液形成旋转运动，磁力旋转器是一种利用磁力原理来控制液体旋转的装置，磁力旋转器通常由一个磁力线圈和一个旋转磁铁组成，磁力线圈产生的磁场可以控制液体的旋转；采用连续旋转流动的蚀刻液体，通过适当的旋转让使蚀刻液体在蚀刻工艺装置中缓慢循环，一方面可以提高蚀刻液体的均匀性，从而保障蚀刻工艺品质的一致性；另一方面还可以降低气泡形成和对圆晶待蚀刻面的附着性，避免由于气泡附着使得蚀刻溶液无法完全与晶圆表面接触，避免造成蚀刻不完全及不均匀的问题，从而进一步提高湿式蚀刻质量和品质；本该案采用蚀刻溶液旋转减少气泡及其附着，而不是采用圆晶(旋转)运动的方式，还可以避免由于圆晶运动发生损伤影响质量。

在一个实施例中，如图2所示，采用的工艺预测模型通过以下方式构建：

S310：基于神经网络构建工艺预测初始模型；

S320：获取历史蚀刻工艺中的蚀刻溶液的溶液温度和含水量数据，实施数据清洗和标注，基于标注后的溶液温度和含水量数据组建训练集、验证集和测试集；

S330：依次采用训练集、验证集和测试集对工艺预测初始模型进行训练、验证调参和测试，测试通过后得到的工艺预测模型。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了一个可选用的工艺预测模型构建方法，采用神经网络作为构建基础，先构建形成工艺预测初始模型；然后使用已知的训练集、验证集和测试集依次对工艺预测初始模型进行训练、验证调参和测试，测试通过后即得到的工艺预测模型；其中，训练集、验证集和测试集采用历史蚀刻工艺中的蚀刻溶液的溶液温度和含水量数据标注后的分别组建，历史蚀刻工艺的溶液温度和含水量数据不限定来源，可以是来自同一蚀刻设备，也可以是来自多个不同蚀刻设备，采集保存时间可以选择距离当前较近的某一时间段，以具有当前工艺代表为宜，各集合中的数据量以能够保障模型训练效果为标准；通过该方法构建的工艺预测模型，能够更适合用于本申请采用的技术方案，可以减少使用时的预测误差，提高预测结果的精准度和可靠性。

在一个实施例中，在S400步骤中，工艺条件实时控制模块结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度控制，具体方式如下：

采用以下公式计算加热量：

上式中，Q表示加热量；m

根据上述计算得到的加热量实施加热，从而实现蚀刻工艺的温度精确控制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用上述公式计算蚀刻工艺中蚀刻溶液需求的加热量，可以实现蚀刻工艺的温度精确控制；上述公式同时考虑到了去离子水的补充量、水温以及环境温度变化的影响，还考虑到了加热方式本身的有效热效率，从而计算结果的精确度，为实施温度精确控制提供了数据支持，上述计算公式占用计算资源少，运算速度快，有利于实现即时控制。

在一个实施例中，将采用磁力驱动技术的磁力旋转器所产生的热量用于对补充的去离子水先进行预热处理。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用磁力旋转器所产生的热量用于对补充的去离子水先进行预热处理，一方面可以保障磁力旋转器不过热，有利于稳定磁力旋转器的工作温度，提高磁力旋转器的使用寿命；另一方面通过去离子水预热实现了热量的充分利用，减少了工艺中的加热量需求，降低能量损耗，具有一定的节省效果；对于经磁力旋转器所产生的热量进行第一次预热后的去离子水，还可以采用工艺中蒸发的水蒸汽进行第二次预热，从而进一步减少了工艺中的加热量需求，降低能量损耗。

如图3所示，本发明实施例提供了一种用于提供加热的蚀刻溶液的系统，包括：

液相色谱柱洗气模块10，用于在使用前，采用进样技术对用于输送蚀刻溶液的液相色谱柱的毛细管进行反复洗气；

工艺数据采集模块20，用于采集蚀刻溶液的溶液温度、含水量和环境温度；

液温调节模块30，用于在开始圆晶蚀刻前，判断溶液温度是否在蚀刻工艺的温度需求范围内，若否，则先进行温度调节，使得溶液温度满足温度需求范围要求；

水损预测模块40，用于在开始圆晶蚀刻前，先将溶液温度和含水量输入预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，得到单位时间的水损量数据；

工艺条件实时控制模块50，用于在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度控制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用液相色谱柱在湿式蚀刻中将蚀刻溶液送入刻蚀工艺腔体内，以便蚀刻溶液在刻蚀工艺腔体内的圆晶蚀刻区域内进行化学(和/或物理)反应，从而在圆晶蚀刻区域形成所需的几何形状或图案，可以实现对复杂形状的图案的制备，并且具有高精度和高效率，可以广泛应用于微电子制造领域。在湿式蚀刻中，采用液相色谱柱作为蚀刻溶液的输送管道，液相色谱柱还可以用于控制反应条件和反应方向，以实现对蚀刻区域的高度精确控制。根据气泡的尺寸、形状和密度，选择合适的液相色谱柱，可以满足不同的分离需求，在液相色谱柱中，气泡可能会在液相色谱柱中形成大量死体积，影响液相色谱柱的柱效和灵敏度，使用气体吹扫法或液体洗气法来去除这些死体积，通过反复洗气去除气泡，可以让液相色谱柱的柱效和灵敏度得到保障；在蚀刻过程中，可以使用液相色谱来凝聚和去除气泡的气泡抑制技术来减少或排除气泡。气泡的产生与刻蚀工艺的温度和水蒸发存在密切关联，在刻蚀工艺的温度条件下，采用预设的工艺预测模型进行水蒸发量预测，在实施圆晶的蚀刻工艺时，根据预测得到的水损量数据向蚀刻溶液补充去离子水，并结合补充的去离子水的水温和环境温度实施蚀刻工艺的温度精确控制，可以抑制或者减少气泡的产生和不利影响，从而提高蚀刻的质量和均匀性。

在一个实施例中，还包括磁旋驱动模块，用于在实施圆晶的蚀刻工艺时，通过控制磁力旋转器，让蚀刻溶液形成旋转运动。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案使用磁力旋转器让蚀刻溶液形成旋转运动，磁力旋转器是一种利用磁力原理来控制液体旋转的装置，磁力旋转器通常由一个磁力线圈和一个旋转磁铁组成，磁力线圈产生的磁场可以控制液体的旋转；采用连续旋转流动的蚀刻液体，通过适当的旋转让使蚀刻液体在蚀刻工艺装置中缓慢循环，一方面可以提高蚀刻液体的均匀性，从而保障蚀刻工艺品质的一致性；另一方面还可以降低气泡形成和对圆晶待蚀刻面的附着性，避免由于气泡附着使得蚀刻溶液无法完全与晶圆表面接触，避免造成蚀刻不完全及不均匀的问题，从而进一步提高湿式蚀刻质量和品质；本该案采用蚀刻溶液旋转减少气泡及其附着，而不是采用圆晶(旋转)运动的方式，还可以避免由于圆晶运动发生损伤影响质量。

在一个实施例中，如图4所示，磁力旋转器包括磁力线圈2和环状旋转磁铁3，其中，

环状旋转磁铁3可旋转式安装在蚀刻工艺的腔体壁1的内侧，用于在磁力作用下带动蚀刻溶液做旋转运动；环状旋转磁铁3的内壁圆周面可以呈环形阵列均匀间隔设置肋片式凸起31。

磁力线圈2安装在蚀刻工艺的腔体壁1上，用于接通电源产生交变磁力场，通过交变磁力场驱动环状旋转磁铁3进行旋转。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过磁旋驱动模块控制磁力线圈的电力供应，使用磁力线圈产生交变磁力场，在交变磁力场的交变作用下，环状旋转磁铁会进行旋转，通过磁力线圈的交变磁力场控制，环状旋转磁铁可以做顺时针旋转，也可以做逆时针旋转，或者还可以采用顺时针和逆时针交替变化旋转方式；环状旋转磁铁的旋转可从腔体内部周边带动使得蚀刻工艺的蚀刻液体做旋转运动，从而降低气泡在需要进行蚀刻的圆晶表面的附着性，避免由于气泡附着使得蚀刻溶液无法完全与晶圆表面接触，避免造成蚀刻不完全及不均匀的问题，从而进一步提高湿式蚀刻质量和品质；从腔体内部周边带动蚀刻液体做旋转运动不会给圆晶的蚀刻过程产生运动干扰，从而进一步保障工艺品质；另外在环状旋转磁铁的内壁圆周面设置肋片式凸起，可以提升环状旋转磁铁带动蚀刻液体做旋转运动的效率。

在一个实施例中，磁力旋转器的磁力线圈配置有冷却液通道，向蚀刻溶液补充的去离子水流经冷却液通道进行补水。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在磁力旋转器的磁力线圈配置冷却液通道用于补充去离子水输送，采用磁力旋转器所产生的热量用于对补充的去离子水先进行预热处理，一方面可以保障磁力旋转器不过热，有利于稳定磁力旋转器的工作温度，提高磁力旋转器的使用寿命；另一方面通过去离子水预热实现了热量的充分利用，减少了工艺中的加热量需求，降低能量损耗，具有一定的节省效果。

在一个实施例中，还包括超声探测模块，用于通过超声探测获取蚀刻工艺腔体内的蚀刻溶液立体图像，经图像处理分析，进行气泡识别，获得气泡状况信息；气泡状况信息可以包括气泡的产生数量、附着数量以及尺寸大小等；

工艺条件实时控制模块根据气泡状况信息确定磁力旋转器的控制方案，根据控制方案实施磁力旋转器控制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过引入超声探测技术，用于实时探测蚀刻工艺蚀刻溶液的气泡状况信息，并据此确定磁力旋转器的控制方案，实施磁力旋转器控制；例如气泡的产生数量较多、附着数量较多和/或气泡尺寸较大，则可以采用提高旋转速度和/或交替变化旋转方向的控制方案，从而达到将气泡的产生数量、附着数量以及尺寸大小等控制在一个可接受的范围内的目的，实现工艺加工精度要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。