CN117810130A - 测量气体流量的方法和校准流量控制器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量气体流量的方法，包含以下步骤：S1、提供一具有固定体积的用于处理晶圆的腔室，提供至少一测量准确的第一流量控制器，以及至少一第二流量控制器，所述第一流量控制器与所述第二流量控制器并联；S2、仅利用一所述第一流量控制器向所述腔室提供已知流量的第一气体，获得校准因子；S3、仅利用一所述第二流量控制器向所述腔室提供第二气体，根据所述腔室的压力随时间的变化和所述校准因子获得所述第二流量控制器的流量。本发明提供的测量气体流量的方法可适用于大流量的流量控制器的校准，且可在高温环境下进行流量校准。

Description

测量气体流量的方法和校准流量控制器的方法

技术领域

本发明涉及半导体气体流量检测领域，具体涉及测量气体流量的方法和校准流量控制器的方法。

背景技术

在半导体生产制造过程中，需要对各类工艺气体的气体流量有准确的控制与监控。

半导体设备中气体常用的流量控制装置包括质量流量控制器(Mass FlowController，MFC)和限流器(Flow Restrictor，FR)。其中MFC存在以下问题：在量程范围内存在设定值±2％的精度误差，且误差在量程范围内成非线性分布，随着使用时间的增加，精度误差会发生变化。FR存在以下问题：由于制造误差的存在，无法获得使用过程中限制的准确流量。

目前常见的对MFC校准的设备质量流量检测器(Mass Flow Verifier，MFV)只能对小流量的MFC或FR(3000sccm以下)进行校准，且对环境温度要求高(300K)，无法满足大流量MFC、FR以及高温环境下的校准需求，且FR使用前需要校准以确定使用过程中限制的准确流量。

发明内容

为了解决大流量流量控制器的流量校准和测量问题，本发明提出了一种测量气体流量的方法，包含以下步骤：

S1、提供一具有固定体积的用于处理晶圆的腔室，提供至少一测量准确的第一流量控制器，以及至少一第二流量控制器，所述第一流量控制器与所述第二流量控制器并联；

S2、仅利用一所述第一流量控制器向所述腔室提供已知流量的第一气体，获得校准因子；

S3、仅利用一所述第二流量控制器向所述腔室提供第二气体，根据所述腔室的压力随时间的变化和所述校准因子获得所述第二流量控制器的流量。

进一步地，所述校准因子是根据理想气体状态方程推导获得的当前条件下所述第一气体的所述已知流量与所述腔室的压力随时间变化的倒数之间的数学关系。

进一步地，所述校准因子是：

k＝f₁·Δt₁/ΔP₁；

其中，所述f₁是第一气体的已知流量，Δt₁/ΔP₁是第一气体在所述腔室内的腔室的压力随时间变化的倒数。

进一步地，所述第二流量控制器的流量f₂通过公式f₂＝(ΔP₂/Δt₂)·k获得，其中，所述k是所述校准因子，所述ΔP₂/Δt₂是第二气体在所述腔室内的腔室的压力随时间的变化。

进一步地，所述第一气体和所述第二气体为相同气体。

进一步地，第一流量控制器为一个，所述第二流量控制器为两个。

进一步地，所述测量准确的第一流量控制器通过质量流量检测器进行标定。

进一步地，所述腔室为外延腔室、CVD腔室、快速热处理腔室和刻蚀腔室的至少一种。

进一步地，所述校准因子是与气体类型和气体温度相关的常数。

进一步地，所述校准因子是：k＝V/(R·T·a)；V是所述腔室的体积，T是所述腔室内气体的温度，R是摩尔气体常数，a是与气体类型相关的系数。

本发明还提出了一种校准流量控制器的方法，采用所述的测量气体流量的方法获取的流量校准流量控制器。

本发明提供的测量气体流量的方法可适用于大流量的流量控制器的校准，且可在高温环境下进行流量校准。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种外延设备结构示意图；

图2为本发明测量气体流量的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的测量气体流量的方法和校准质量流量控制器的方法作进一步详细说明。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提出一种测量气体流量的方法和校准流量控制器的方法，上述方法主要应用于半导体设备上测量气体流量，所述半导体设备应具有一固定体积的腔室，该腔室可以是外延腔室、CVD腔室、快速热处理腔室和刻蚀腔室的至少一种。以外延设备为例，如图1所示，本例提供了一种外延设备用以说明本发明的内容，所述外延设备包括腔室、供气管路、加热装置104、测温仪105、连接管路、供气设备110、压力传感器12、质量流量检测器14(MFV)、排气管路和泵109，所述腔室包括石英制的上穹顶101和下穹顶102，所述上穹顶101和下穹顶102通过法兰106连接，形成密封的腔室。所述腔室内还设置有用于承载晶圆的基座103，所述基座103通过支撑体被水平地支撑在所述腔室内。所述加热装置104和测温仪105设置于腔室的顶部以及底部，加热装置104用于向腔室辐射红外线给晶圆加热，所述测温仪105用于监测腔室内的温度。腔室侧边设置有进气口107和与进气口相对的排气口108，所述进气口107与并联的供气管路的一端连接，供气管路的另一端通过连接管路与供气设备110连接；所述每条供气管路上设置一流量控制器和一第一阀门，所述第一阀门用于控制相应供气管路的通断；所述流量控制器的数量与所述供气管路的数量相同，以在晶圆表面实现分区控气。可选的，供气管路至少为两路；例如，四个供气管路，每个供气管路上设置一流量控制器，那么晶圆表面将形成分别独立控制气流的四个区。所述排气口108通过排气管路与所述泵109连接，用于将工艺后的工艺气体排出腔室。所述压力传感器12设置于所述排气口108，用于测量所述腔室内的压力值。

本例中，供气管路设置为三路，且其中至少一路供气管路设置有测量准确的第一流量控制器10，用于向所述腔室供应已知流量的气体，至少一路供气管路设置有第二流量控制器11，所述第二流量控制器11的流量通过第一流量控制器10来测量和校准。可选的，第一流量控制器10的数量为一个，第二流量控制器11的数量为两个。当然可选的，第一流量控制器10可以是大于一个，第二流量控制器10也可以是一个或者大于两个。需要说明的是，本例提供的设备仅用于示例性说明实现本发明测量气体流量的方法的设备构造，对设备的种类以及结构不做具体地限制。

所述第一流量控制器10还与质量流量检测器14连接，并通过所述质量流量检测器14连接所述泵109。所述第一流量控制器10可通过所述质量流量检测器14在小流量下校准其流量从而实现测量准确的流量，校准后的气体通过所述泵109抽走。可选的，所述质量流量检测器14的一端通过气路与设置有第一流量控制器10的供气管路连接，所述质量流量检测器14的另一端通过气路与排气管路连接；所述质量流量检测器14上游的气路设置于所述第一流量控制器10的下游；所述质量流量检测器14上游的气路还设置有第二阀门，所述质量流量检测器14下游的气路设置有第三阀门，所述第二阀门和第三阀门用于控制质量流量检测器14是否通入气体。

本发明中，第一流量控制器10可以通过质量流量检测器14校准，但是第二流量控制器11在使用一段时间后，其精度发生改变，因此也需要校准。

对此，本发明还提出一种测量气体流量的方法，可用于校准大流量的流量控制器，如图2所示，所述方法包含以下步骤：

S1、提供一具有固定体积的用于处理晶圆的腔室，提供至少一测量准确的第一流量控制器10，以及至少一第二流量控制器11，所述第一流量控制器10与所述第二流量控制器11并联；其中所述腔室为图1中所述的半导体设备的腔室。

S2、仅利用一所述第一流量控制器10向所述腔室提供已知流量的第一气体，获得校准因子；

S3、仅利用一所述第二流量控制器11向所述腔室提供第二气体，根据所述腔室的压力随时间的变化和所述校准因子获得所述第二流量控制器的流量。

本发明提出的测量气体流量的方法可对任意量程，特别是大量程的MFC或者FR进行测量和校准，并且不受温度的限制，以及能够在宽温度范围下进行流量测量和校准。

可选的，所述步骤S1中，提供至少一测量准确的第一流量控制器10的具体方法为：通过质量流量检测器14校准所述第一流量控制器10的流量，从而提供测量准确的第一流量控制器10。具体地，打开设置有第一流量控制器10的供气管路上的第一阀门，关闭其他供气管路上的第一阀门，同时打开第二阀门和第三阀门，仅利用一设置有第一流量控制器10的供气管路向质量流量检测器14通入气体，此时气体不进入腔室，仅进入质量流量检测器14，然后被泵抽走，实现对第一流量控制器10的校准。

所述步骤S2中，具体地，如图1所示，打开设置有第一流量控制器10的供气管路上的第一阀门，关闭其他供气管路上的第一阀门，关闭第二阀门和第三阀门，仅利用一设置有第一流量控制器10的供气管路向所述腔室提供第一气体，由于该第一流量控制器10为测量准确的，因此其可以测量出此时准确的流量，即已知流量。通过上述步骤可以获得校准因子。

所述步骤S3中，具体地，如图1所示，打开一设置有第二流量控制器11的供气管路上的第一阀门，关闭其他供气管路上的第一阀门，关闭第二阀门和第三阀门，仅利用一设置有第二流量控制器11的供气管路向所述腔室提供第二气体，获得腔室的压力随时间的变化，根据所述腔室的压力随时间的变化和所述校准因子获得所述第二流量控制器11的流量。

可选的，所述校准因子是根据理想气体状态方程推导获得的当前条件下所述第一气体的所述已知流量与所述腔室的压力随时间变化的倒数之间的数学关系。具体地推导过程如下：

根据理想气体状态方程P·V＝n·R·T得到下式，

Δn/Δt＝(ΔP·V)/(Δt·R·T)＝a·F (1)；

因此，由上式(1)可得：

F＝(ΔP·V)/(Δt·R·Ta) (2)

又因为，

F＝(ΔP/Δt)·k (3)

那么，由式(2)和式(3)可得：

F＝(ΔP·V)/(Δt·R·T·a)＝(ΔP/Δt)·K (4)；

因此，

k＝V/(R·T·a)＝F·Δt/AP (5)；

其中，P是所述腔室的压力，V是所述腔室的体积，T是所述腔室内气体的温度，n是气体的物质的量，R是摩尔气体常数，ΔP表示在Δt时间内腔室压力的变化值，a是与气体类型相关的系数，F表示流量，k表示所述校准因子。

由上式(5)可以看出，校准因子k可以是所述第一气体的所述已知流量(f₁)与所述腔室的压力随时间变化的倒数(Δt₁/ΔP₁)之间的数学关系，即k＝f₁·Δt₁/ΔP₁；

由上式(5)可以看出，所述校准因子k还可以是与气体类型和气体温度相关的常数，即k＝V/(R·T·a)。

所述第二流量控制器11的流量f₂通过公式f₂＝(ΔP₂/Δt₂)·k获得，其中，所述k是上述校准因子(可以是f₁·Δt₁/ΔP_I或V/(R·T·a))，所述ΔP₂/Δt₂是第二气体在所述腔室内的腔室的压力随时间的变化。

对于校准因子k＝f₁·Δt₁/ΔP₁，其中，已知流量f₁和腔室的压力随时间变化的倒数Δt₁/ΔP₁均很容易获得，所述ΔP₁通过压力传感器12获得，因此通过该校准因子可以方便的计算出第二流量控制器11的流量f₂。

对于校准因子k＝V/(R·T·a)，其中，摩尔气体常数R、腔室内气体的温度T、与气体类型相关的系数a很容易获得；腔室内气体的温度T通过测温仪105获得，但是所述腔室的体积V不易获得精确的数值，因此通过该校准因子获得的第二流量控制器11的流量f₂不准确，但是腔室的体积V可以通过校准因子k＝f₁·Δt₁/ΔP₁计算获得，具体通过式(5)计算获得，因此该校准因子k＝V/(R·T·a)可以实现二次辅助校准，即先通过校准因子k＝f₁·Δt₁/ΔP₁校准，再通过校准因子k＝V/(R·T·a)辅助校准。

并且，通过上述式子，可知所述校准因子k＝V/(R·T·a)是与气体类型和气体温度相关的常数，基于此，第一气体和第二气体应为相同气体，优选地，所述第一气体和所述第二气体均为氢气，可以进一步提升获得的流量f₂的精度，从而提升对第二流量控制器11校准的精度。

本发明中，通过公式f₂＝(ΔP₂/Δt₂)·k计算获得的第二流量控制器11的流量f₂，可以用于校准该第二流量控制器11的流量。

本例中，第一流量控制器为质量流量控制器(MFC)，所述第二流量控制器为质量流量控制器(MFC)、质量流量计(MFM)或限流器(FR)中的至少一者。

本发明提供的测量气体流量的方法可适用于大流量的流量控制器的校准，且可在高温环境下进行流量校准。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种测量气体流量的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、提供一具有固定体积的用于处理晶圆的腔室，提供至少一测量准确的第一流量控制器，以及至少一第二流量控制器，所述第一流量控制器与所述第二流量控制器并联；

S2、仅利用一所述第一流量控制器向所述腔室提供已知流量的第一气体，获得校准因子；

S3、仅利用一所述第二流量控制器向所述腔室提供第二气体，根据所述腔室的压力随时间的变化和所述校准因子获得所述第二流量控制器的流量。

2.如权利要求1所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述校准因子是根据理想气体状态方程推导获得的当前条件下所述第一气体的所述已知流量与所述腔室的压力随时间变化的倒数之间的数学关系。

3.如权利要求1所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述校准因子是：

k＝f₁·Δt₁/ΔP₁；

其中，所述f₁是第一气体的已知流量，Δt₁/ΔP₁是第一气体在所述腔室内的腔室的压力随时间变化的倒数。

4.如权利要求3所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述第二流量控制器的流量f₂通过公式f₂＝(ΔP₂/Δt₂)·k获得，其中，所述k是所述校准因子，所述ΔP₂/Δt₂是第二气体在所述腔室内的腔室的压力随时间的变化。

5.如权利要求1-4任一所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述第一气体和所述第二气体为相同气体。

6.如权利要求1-4任一所述的测量气体流量的方法，其特征在于，第一流量控制器为一个，所述第二流量控制器为两个。

7.如权利要求1所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述测量准确的第一流量控制器通过质量流量检测器进行标定。

8.如权利要求1所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述腔室为外延腔室、CVD腔室、快速热处理腔室和刻蚀腔室的至少一种。

9.如权利要求1所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述校准因子是与气体类型和气体温度相关的常数。

10.如权利要求9所述的测量气体流量的方法，其特征在于，所述校准因子是：k＝V/(R·T·a)；V是所述腔室的体积，T是所述腔室内气体的温度，R是摩尔气体常数，a是与气体类型相关的系数。

11.一种校准流量控制器的方法，其特征在于，采用所述权利要求1-10任一所述的测量气体流量的方法获取的流量校准流量控制器。