CN110957235B - 工艺气体流量补偿的装置及方法、半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工艺气体流量补偿的装置及方法、半导体处理设备。包括工艺管路以及依次串接在所述工艺管路并选择性连通的气源罐、初级流量计、缓存罐和次级流量计；所述装置还包括压力计以及与所述压力计电连接的控制器；其中，所述压力计，用于实时检测所述缓存罐内的气体压力实际值，并将所述气体压力实际值发送至所述控制器；所述控制器，用于将所述气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整所述初级流量计的气体流量设定值，以使得所述气体压力实际值与所述气体压力标准值一致。可以有效补偿工艺气体因饱和蒸气压消耗导致温度变化而影响次级流量计流量微小波动的情况，提高工艺结果重复性，提高产品良率。

Description

工艺气体流量补偿的装置及方法、半导体处理设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种工艺气体流量补偿的装置、一种工艺气体流量补偿的方法以及一种半导体处理设备。

背景技术

当前集成电路制造工艺依然采用硅晶圆作为原料，由于硅(或者多晶硅)在大气环境中会被氧化生成氧化硅或氮化硅等物质，在某些金属沉积工艺中，生成的薄膜与硅衬底直接接触，如果衬底表面有一层氧化硅和氮化硅会增加电阻率，影响集成电路的性能，因此在镀膜前期应除去硅化物。

现有去除硅化物工艺主要包括湿法刻蚀与干法刻蚀两种。其中干法刻蚀相对湿法刻蚀优势明显，湿法刻蚀使用液体反应物，因表面张力使深空洞刻蚀硅化物不均匀，影响集成电路制成良率。干法刻蚀采用气体物质反应，一般是将两种或两种以上气体反应物通入反应腔室，在一定条件下，与硅化物发生化学反应，生成气态或固体物质，通过高温排到尾气处理设备；干法刻蚀需要经过去气→刻蚀→退火→冷却→刻蚀→退火→冷却多次循环工艺。

其中刻蚀工艺最为重要，是实际去除晶圆硅上硅化物的关键步骤，反应物多以HF气体为反应源，同其他工艺气体在一定条件完成硅化物刻蚀，HF气体的流量大小以及HF气体的流量稳定性直接影响刻蚀的速率和刻蚀量。

目前HF气体流量控制大多采用质量流量控制器(MFC)来控制气体流量。但是，MFC容易受到压力、温度等因素的影响，从而导致MFC气体流量发生变化，最终影响工艺结果。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种工艺气体流量补偿的装置、一种工艺气体流量补偿的方法以及一种半导体处理设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种工艺气体流量补偿的装置，所述装置包括工艺管路以及依次串接在所述工艺管路并选择性连通的气源罐、初级流量计、缓存罐和次级流量计；所述装置还包括压力计以及与所述压力计电连接的控制器；其中，

所述压力计，用于实时检测所述缓存罐内的气体压力实际值，并将所述气体压力实际值发送至所述控制器；

所述控制器，用于将所述气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整所述初级流量计的气体流量设定值，以使得所述气体压力实际值与所述气体压力标准值一致。

可选地，当所述气体压力实际值小于所述气体压力标准值时，增大所述初级流量计的气体流量设定值；

当所述气体压力实际值大于所述气体压力标准值时，减小所述初级流量计的气体流量设定值。

可选地，所述初级流量计的流量设定值、所述次级流量计的流量设定值、所述气体压力实际值和所述气体压力标准值之间满足下述关系式：

当G＜T时，A2＝A1+(T-G)*K1；

当G＞T时，A2＝A1-(G-T)*K2；

当G＝T时，A2＝A1；

其中，G为所述气体压力实际值，T为所述气体压力标准值，A2为所述初级流量计的流量设定值，A1为所述次级流量计的流量设定值，K1和K2均为补偿比例系数。

可选地，所述初级流量计与所述次级流量计的型号相同，补偿系数K1和补偿系数K2相同。

可选地，所述装置还包括温度计和加热器，所述温度计与所述控制器电连接；其中，

所述温度计，用于实时测量所述缓存罐内的气体温度实际值，并将所述气体温度实际值发送至所述控制器；

所述控制器，还用于将所述气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器的输出功率，以使得所述气体温度实际值与所述气体温度标准值一致。

可选地，所述温度计包括热电偶，所述热电偶插置在所述缓存罐内部；

所述加热器包括加热棒，所述加热棒插置在所述缓存罐内部。

可选地，所述装置还包括清扫管路，所述清扫管路将所述气源罐与所述工艺管路、所述初级流量计、所述次级流量计和所述缓存罐选择性地连通。

本发明的第二方面，提供了一种工艺气体流量补偿的方法，采用前文记载的所述的工艺气体流量补偿的装置，所述方法包括：

步骤S110、所述压力计实时检测所述缓存罐内的气体压力实际值，并将所述气体压力实际值发送至所述控制器；

步骤S120、所述控制器将所述气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整所述初级流量计的气体流量设定值，以使得所述气体压力实际值与所述气体压力标准值一致。

可选地，步骤S120具体包括：

当所述气体压力实际值小于所述气体压力标准值时，增大所述初级流量计的气体流量设定值；

当所述气体压力实际值大于所述气体压力标准值时，减小所述初级流量计的气体流量设定值。

可选地，所述初级流量计的流量设定值、所述次级流量计的流量设定值、所述气体压力实际值和所述气体压力标准值之间满足下述关系式：

当G＜T时，A2＝A1+(T-G)*K1；

当G＞T时，A2＝A1-(G-T)*K2；

当G＝T时，A2＝A1；

其中，G为所述气体压力实际值，T为所述气体压力标准值，A2为所述初级流量计的流量设定值，A1为所述次级流量计的流量设定值，K1和K2均为补偿比例系数。

可选地，所述装置为权利要求5或6所述的装置，所述方法还包括：

步骤S130、所述温度计实时测量所述缓存罐内的气体温度实际值，并将所述气体温度实际值发送至所述控制器；

步骤S140、所述控制器将所述气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器的输出功率，以使得所述气体温度实际值与所述气体温度标准值一致。

本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备，所述半导体处理设备包括前文记载的所述的工艺气体流量补偿的装置。

本发明的工艺气体流量补偿的装置及方法、半导体处理设备。该装置中的压力计用于实时检测缓存罐内的气体压力实际值，并将气体压力实际值发送至控制器；进而控制器可以将气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整初级流量计的气体流量设定值，以使得气体压力实际值与气体压力标准值一致。这样，可以使得工艺气体通过次级流量计前的压力保持恒定，从而可以使得工艺气体通过次级流量计的温度不变，进而可以使得工艺气体流量保持恒定值，可以有效补偿工艺气体因饱和蒸气压消耗导致温度变化而影响次级流量计流量微小波动的情况，提高工艺结果重复性，提高产品良率。

附图说明

附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中的工艺气体流量控制结构的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中工艺气体流量补偿的装置的结构示意图；

图3为本发明第二实施例中缓存罐内部控压过程的流程图；

图4为本发明第三实施例中A2与G的线性关系图；

图5为本发明第四实施例中工艺气体流量补偿的方法的流程图；

图6为本发明第五实施例中工艺气体流量补偿的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，为现有技术中的工艺气体流量控制结构的结构示意图。其包括两个气源罐(其中气源罐1用于容纳工艺气体，例如，HF气体，气源罐2用于容纳其他反应气体)，对应气源罐1的清扫管路3、气体质量流量控制器(MFC)4，对应气源罐2的气体质量流量控制器(MFC)5、清扫管路6。

具体地，在图1中，工艺气体和其他反应气体的流量控制主要采用MFC4和MFC5，例如，气源罐1通过加热产生的饱和蒸气压通过管路传送到MFC4，最后输送到反应腔室7。MFC为质量流量控制器，采用的原理是控制气体质量，即气体摩尔量来实现流量控制，且大部分MFC都有压力补偿功能，在前端压力值在有效范围内波动时，使控制流量保持恒定。

但是，本发明的发明人发现，采用上述结构进行工艺时，饱和蒸气压不断被消耗，气源罐加热功率不能满足蒸气压消耗，会导致饱和蒸汽压不断减少，由气体状态方程：PV＝nRT，其中，P为气体压力，V为气体体积，n为气体物质的量，T为气体热力学温度，R为气体常数，当饱和蒸气压在消耗的过程中，气体压力P减小，气体体积V为固定值，气体常数R为固定值，MFC采用质量控制的原理，即气体物质的量n为恒定值，因此，随着气体压力P的减小，导致气体温度T会降低。

本发明的发明人发现，现有的MFC没有温度补偿功能，对于温度降低会有较小的控制流量大小的影响，如目前工艺过程中HF气体的MFC流量为116sccm，在工艺持续过程中，HF前端管路压力值降低，数据显示晶圆硅的刻蚀量随压力降低而逐渐增加，并有明显的对应关系，此时，如果将HF气体的MFC流量修改为118sccm，这会对刻蚀量结果产生较大影响。因此由于饱和蒸汽压的消耗，导致气体温度降低，使得通过MFC的实际气体的量发生改变，导致工艺结果重复性差，工艺对照和参考性受到影响。

因此，现有气体流量技术缺少温度补偿，对饱和蒸汽压消耗导致的温度降低而使通过流量改变无法解决，直接影响了工艺结果，导致工艺重复性非常差。基于此，本发明的发明人设计出了本发明。

如图2所示，本发明的第一方面，涉及一种工艺气体流量补偿的装置，该装置包括工艺管路8以及依次串接在工艺管路8并选择性连通的气源罐1(该气源罐1内部一般用于容纳工艺气体，例如HF气体等)、初级流量计3(一般为气体质量流量控制器MFC)、缓存罐4和次级流量计9(一般为气体质量流量控制器MFC)。该装置还包括压力计5以及与压力计5电连接的控制器(图中并未示出，该控制器，例如可以是PLC等控制结构)。其中，压力计5，用于实时检测缓存罐4内的气体压力实际值，并将气体压力实际值发送至控制器。控制器，用于将气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整初级流量计3的气体流量设定值，以使得气体压力实际值与气体压力标准值一致。

具体地，如图2所示，工艺气体(HF气体)进入反应腔室的过程：初级流量计3和次级流量计9设定一定的流量值，气动阀103、104、105、106、108、109、111、112打开，HF气体经过加热产生的饱和蒸气压从气源罐1传出，经过初级流量计3、缓存罐4和次级流量计9，最后进入反应腔室。因为次级流量计9可以实现最后HF气体的流量控制，所以缓存罐4内的气体压力控制尤为重要，应当使得初级流量计3和次级流量计9的流进HF气体和流出HF气体的流量达到动态平衡，即缓存罐4内的压力值为恒定，为此，可以通过所设置的压力计5实时读取缓存罐4内的气体压力实际值，控制器将该气体实际压力值与预设的气体压力标准值进行比较，根据比较结果，控制初级流量计3的流量设定值，从而可以将缓存罐4内的气体压力实际值稳定在气体压力标准值。

本实施例结构的工艺气体流量补偿的装置，可以使得HF气体通过次级流量计9前的压力保持恒定，从而可以使得HF气体通过次级流量计9的温度不变，进而可以使得HF流量保持恒定值，可以有效补偿HF气体因饱和蒸气压消耗导致温度变化而影响次级流量计9流量微小波动的情况，提高工艺结果重复性，提高产品良率。

具体地，当气体压力实际值小于气体压力标准值时，增大初级流量计3的气体流量设定值。当气体压力实际值大于气体压力标准值时，减小初级流量计3的气体流量设定值。

如图2和图3所示，其中，图3示意了缓存罐的控压流程图。具体包括：

S1、控制器实时读取压力计的气体压力实际值G。

S2、将缓存罐需要控制的气体压力标准值T写入控制器。

S3、判断气体压力实际值G是否大于等于气体压力标准值T，若是，执行步骤S4，若否，执行步骤S5。

S4、判断气体压力实际值G是否大于气体压力标准值T，若是，执行步骤S7，若否，返回执行步骤S1。

S5、控制器读取次级流量计的流量设定值A1。

S6、控制器写入初级流量计的流量设定值A2，并返回执行步骤S1。

具体地，在本步骤中，控制器根据次级流量计的流量设定值A1，并基于气体压力实际值G与气体压力标准值T的差值，写入初级流量计的流量设定值A2，并返回继续执行步骤S1。可以理解的是，初级流量计的流量设定值A2要大于A1。A2的值具体大小可以通过G与T的差值的绝对值(用M表示)来计算，当M值越大，A1与A2差值的绝对值就越大。

S7、控制器读取次级流量计的流量设定值A1。

S8、控制器写入初级流量计的流量设定值A2，并返回继续执行步骤S1。

具体地，在本步骤中，控制器根据次级流量计的流量设定值A1。并基于气体压力实际值G与气体压力标准值T的差值，写入初级流量计的流量设定值A2，并返回继续执行步骤S1。可以理解的是，次级流量计的流量设定值A1值要大于初级流量计的流量设定值A2值，当M值越大，A1与A2差值的绝对值就越大。

经过算法压力补偿判断，由分析不难发现，初级流量计的流量设定值A2与读取次级流量计的流量设定值A1、压力计的气体压力实际值G、气体压力标准值T存在一定线性关系，可列出以下A2值的算法公式，其中K1、K2为补偿比例系数：

G<T时，A2＝A1+(T-G)*K1 (1)

G>T时，A2＝A1-(G-T)*K2 (2)

G＝T时，A2＝A1 (3)

在同一个***中，两个MFC采用统一型号，补偿比例系数K1和K2应该相同，由(1)(2)(3)公式可统一整理为：

A2＝A1+(T-G)*K (4)

其中K为补偿比例系数，是正值，因压力计的气体压力实际值G，初级流量计的流量设定值A2，读取次级流量计的流量设定值A1三个变量，但是每次读取次级流量计的流量设定值A1是固定值，可作为常量，因此G和A2是线性关系，如图4所示。因此(T-G)*K可作为A2流量补偿值，通过流量补偿来补充压力，最后使缓存罐4压力维持在稳定值。补偿比例系数K可以通过调整，来调节缓存罐4压力达到设定压力T的时间，提高响应速度和稳定性。

此外，缓存罐4容积V的计算，目前HF气体加热温度T为45℃，MFC 300sccm满量程建议压差为15PSI-45PSI之间，HF饱和蒸汽压的初始压力为9PSI，因此设置给定压力值P为21PSI，为144.69KPa，管路采用4inch，长度1.5米，管路体积V1，因此由P(V+V1)＝nRT可知，因此在缓存罐饱和蒸汽压的物质的量一定的情况下，缓存罐4容积V就可算得，现0.1摩尔的气体大约为2L容积，2L容积的缓存装置的饱和蒸汽压在MFC量程为300sccm时能够更好满足流量补偿响应速度。

可选地，装置还包括温度计6和加热器7，温度计6与控制器电连接；其中，温度计6，用于实时测量缓存罐4内的气体温度实际值，并将气体温度实际值发送至控制器。控制器，还用于将气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器7的输出功率，以使得气体温度实际值与气体温度标准值一致。

具体地，为了使得HF气体的温度维持稳定值，整个***温度加热采用的是控制器控温，利用温度计6(一般为热电偶)采集的温度信号作为控温信号，对加热器7(一般为加热棒或加热带)进行一定功率输出加热。一般从气源罐1到反应腔室都需要加热，气源罐1外部套设有加热带2，工艺管路8采用内部缠加热带，外部加保温层，热电偶埋藏于加热带内的方式加热，MFC采用定制加热带包裹整个MFC来加热，缓存罐4为不锈钢圆瓶，热电偶***其内部，直接测量饱和蒸汽压的温度，圆瓶侧壁打洞，***加热棒用来缓存罐4的加热。

如图2所示，装置还包括清扫管路10，清扫管路10将气源罐1与工艺管路8、初级流量计3、次级流量计9和缓存罐4选择性地连通。

具体地，如图2所示，清扫管路10可以通过气动阀102、105、106、109、108、110将气源罐1与工艺管路8、初级流量计3、次级流量计9和缓存罐4选择性地连通。例如，缓存罐4内部吹扫流程：气动阀102、105、106、109、108、110打开，进入前级管路11，最后进入尾气处理设备；也可以只吹扫工艺管路8，此时气动阀102、105、107、108、110打开；也可以对MFC进行吹扫，保证管路内部的颗粒数量维持在较低的值。

本发明的第二方面，如图5所示，提供了一种工艺气体流量补偿的方法S100，采用前文记载的的工艺气体流量补偿的装置，该装置的具体结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。方法包括：

步骤S110、压力计实时检测缓存罐内的气体压力实际值，并将气体压力实际值发送至控制器；

步骤S120、控制器将气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整初级流量计的气体流量设定值，以使得气体压力实际值与气体压力标准值一致。

本实施例结构的工艺气体流量补偿的方法S100，可以使得HF气体通过次级流量计前的压力保持恒定，从而可以使得HF气体通过次级流量计的温度不变，进而可以使得HF流量保持恒定值，可以有效补偿HF气体因饱和蒸气压消耗导致温度变化而影响次级流量计流量微小波动的情况，提高工艺结果重复性，提高产品良率。

可选地，步骤S120具体包括：

当气体压力实际值小于气体压力标准值时，增大初级流量计的气体流量设定值；

当气体压力实际值大于气体压力标准值时，减小初级流量计的气体流量设定值。

可选地，初级流量计的流量设定值、次级流量计的流量设定值、气体压力实际值和气体压力标准值之间满足下述关系式：

当G＜T时，A2＝A1+(T-G)*K1；

当G＞T时，A2＝A1-(G-T)*K2；

当G＝T时，A2＝A1；

其中，G为气体压力实际值，T为气体压力标准值，A2为初级流量计的流量设定值，A1为次级流量计的流量设定值，K1和K2均为补偿比例系数。

可选地，如图6所示，提供了另一种工艺气体流量补偿的方法S100’，具体包括：

步骤S110’、温度计实时测量缓存罐内的气体温度实际值，并将气体温度实际值发送至控制器；

步骤S120’、控制器将气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器的输出功率，以使得气体温度实际值与气体温度标准值一致。

本发明的第三方面，提供了一种半导体处理设备(图中并未示出)，半导体处理设备包括前文记载的的工艺气体流量补偿的装置

本实施例结构的半导体处理设备，具有前文记载的工艺气体流量补偿的装置，其可以使得HF气体通过次级流量计9前的压力保持恒定，从而可以使得HF气体通过次级流量计9的温度不变，进而可以使得HF流量保持恒定值，可以有效补偿HF气体因饱和蒸气压消耗导致温度变化而影响次级流量计9流量微小波动的情况，提高工艺结果重复性，提高产品良率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，所述装置包括工艺管路以及依次串接在所述工艺管路并选择性连通的气源罐、初级流量计、缓存罐和次级流量计；其中，所述气源罐的容积为指定值，用于通过加热产生饱和蒸气；所述装置还包括压力计以及与所述压力计电连接的控制器；其中，

所述压力计，用于实时检测所述缓存罐内的气体压力实际值，并将所述气体压力实际值发送至所述控制器；

所述控制器，用于将所述气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整所述初级流量计的气体流量设定值，以使得所述气体压力实际值与所述气体压力标准值一致。

2.根据权利要求1所述的工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，当所述气体压力实际值小于所述气体压力标准值时，增大所述初级流量计的气体流量设定值；

当所述气体压力实际值大于所述气体压力标准值时，减小所述初级流量计的气体流量设定值。

3.根据权利要求2所述的工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，所述初级流量计的流量设定值、所述次级流量计的流量设定值、所述气体压力实际值和所述气体压力标准值之间满足下述关系式：

当G＜T时，A2＝A1+(T-G)*K1；

当G＞T时，A2＝A1-(G-T)*K2；

当G＝T时，A2＝A1；

其中，G为所述气体压力实际值，T为所述气体压力标准值，A2为所述初级流量计的流量设定值，A1为所述次级流量计的流量设定值，K1和K2均为补偿比例系数。

4.根据权利要求3所述的工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，所述初级流量计与所述次级流量计的型号相同，补偿系数K1和补偿系数K2相同。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，所述装置还包括温度计和加热器，所述温度计与所述控制器电连接；其中，

所述温度计，用于实时测量所述缓存罐内的气体温度实际值，并将所述气体温度实际值发送至所述控制器；

所述控制器，还用于将所述气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器的输出功率，以使得所述气体温度实际值与所述气体温度标准值一致。

6.根据权利要求5所述的工艺气体流量补偿的装置，其特征在于，所述温度计包括热电偶，所述热电偶插置在所述缓存罐内部；

所述加热器包括加热棒，所述加热棒插置在所述缓存罐内部。

7.一种工艺气体流量补偿的方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任意一项所述的工艺气体流量补偿的装置，所述方法包括：

步骤S110、所述压力计实时检测所述缓存罐内的气体压力实际值，并将所述气体压力实际值发送至所述控制器；

步骤S120、所述控制器将所述气体压力实际值与预设的气体压力标准值进行比较，并根据比较结果，调整所述初级流量计的气体流量设定值，以使得所述气体压力实际值与所述气体压力标准值一致。

8.根据权利要求7所述的工艺气体流量补偿的方法，其特征在于，步骤S120具体包括：

当所述气体压力实际值小于所述气体压力标准值时，增大所述初级流量计的气体流量设定值；

当所述气体压力实际值大于所述气体压力标准值时，减小所述初级流量计的气体流量设定值。

9.根据权利要求8所述的工艺气体流量补偿的方法，其特征在于，所述初级流量计的流量设定值、所述次级流量计的流量设定值、所述气体压力实际值和所述气体压力标准值之间满足下述关系式：

当G＜T时，A2＝A1+(T-G)*K1；

当G＞T时，A2＝A1-(G-T)*K2；

当G＝T时，A2＝A1；

其中，G为所述气体压力实际值，T为所述气体压力标准值，A2为所述初级流量计的流量设定值，A1为所述次级流量计的流量设定值，K1和K2均为补偿比例系数。

10.根据权利要求7至9中任意一项所述的工艺气体流量补偿的方法，其特征在于，所述装置为权利要求5或6所述的装置，所述方法还包括：

步骤S130、所述温度计实时测量所述缓存罐内的气体温度实际值，并将所述气体温度实际值发送至所述控制器；

步骤S140、所述控制器将所述气体温度实际值与预设的气体温度标准值进行比较，并根据比较结果，调整加热器的输出功率，以使得所述气体温度实际值与所述气体温度标准值一致。

11.一种半导体处理设备，其特征在于，所述半导体处理设备包括权利要求1至6中任意一项所述的工艺气体流量补偿的装置。

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