CN101572219B - 一种腔室状态监控系统、方法以及半导体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种腔室状态监控系统，其包括被测部和激光干涉检测单元，所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光，所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉，所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值。本发明还公开一种腔室状态监控方法以及一种导体处理设备。本发明提供的系统、方法和半导体处理设备能够对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控，并且检测/监控结果较为准确。

Description

一种腔室状态监控系统、方法以及半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种用于监控腔室的状态情况的系统和方法。此外，本发明还涉及一种应用上述监控系统的半导体处理设备。 

背景技术

随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工能力。目前，在半导体器件的加工、制造过程中广泛采用等离子体刻蚀技术。所谓等离子体刻蚀技术指的是，反应气体在射频功率的激发下产生电离形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子与被刻蚀物体(例如，晶片)的表面发生各种物理和化学反应并形成挥发性的生成物，从而使得被刻蚀物体表面的性能发生变化。 

在实际应用中，上述等离子体刻蚀过程是借助于刻蚀设备而完成的。通常，刻蚀设备腔室的状态情况，特别是腔室表面的附着物情况，会对刻蚀结果产生重要影响。尤其是在深亚微米多晶硅等离子体干法刻蚀工艺中所采用的刻蚀线条更加微细化的情况下，这种影响会更加重要。也就是说，待刻蚀晶片所处的刻蚀设备腔室的状态情况不同，其最终的刻蚀结果往往也会不同。换言之，当刻蚀设备腔室的状态情况发生变化时，晶片的最终刻蚀结果通常也会发生漂移。 

因此，在实际工艺过程中，为了保证预期的刻蚀结果，就需要预先检测到刻蚀设备腔室的状态情况，以便根据该刻蚀设备腔室的实际状态情况来判断：若要得到预期的刻蚀结果是否需要对该刻蚀设备腔室的实际状态情况进行调整，以使该刻蚀设备腔室的实际状态情况能够满足预期的刻蚀结果所要求的刻蚀设备腔室状态情况。 

目前，对刻蚀设备腔室状态情况的检测包括对刻蚀设备腔室表面附着物成分的检测。比如，借助于光谱检测仪，并通过对腔室中的等离子体的元素光谱进行分析来大致判断该腔室表面附着物的成分，如图1所示。 

图1示出了通常使用的一种刻蚀设备，在该刻蚀设备的腔室1内放置有待加工处理的晶片4，在晶片4的上方分布有用以对其下方的晶片进行刻蚀等处理的等离子体，并且在该刻蚀设备腔室1的侧壁上设置有光谱检测仪10，用以检测该腔室内的等离子体所产生的光谱。通过对光谱检测仪10所获得的光谱进行分析，可以判断出这些等离子体中包含哪些元素。众所周知，刻蚀设备腔室表面的附着物通常来自于这两个方面：其一，由腔室1中的等离子体本身所产生；其二，由刻蚀等工艺过程中的附产物所生成。这样，借助于光谱分析仪10就可以大致分析出上述表面附着物中的某些成分。 

然而，上述光谱分析仪只能对腔室表面附着物的大致成分进行分析，而不能对该附着物的多少(例如厚度)进行分析。而在实际工艺过程中，附着物的多少通常也会影响工艺结果。而且采用图1所示技术，即便是仅对附着物的大致成分进行分析，也会受到反应后的工艺残余气体的影响，以致于误将残余气体中的成分当作等离子体的成分，从而影响检测结果的准确性。 

因此，目前迫切地需要寻求到一种检测结果较为准确、并且能够对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控的方法和系统。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种腔室状态监控系统和监控方法，其能够对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控，并且检测/监控结果较为准确。 

此外，本发明还提供了一种应用上述腔室状态监控系统的半导体处理设备，其同样能够对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控，并且检测/监控结果较为准确。

为此，本发明提供了一种腔室状态监控系统，其包括被测部和激光干涉检测单元，所述被测部呈镜面状并位于反应腔室内壁上，且其上可粘附有附着物；所述激光干涉检测单元设置在与所述被测部相对的那一侧的腔室壁面上。其中，所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光，所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉，所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及所述激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值。 

其中，所述腔室为反应腔室，并且与所述附着物有关的腔室状态参数包括所述附着物的厚度和/或数量。 

其中，所述反射光干涉强度周期满足这样的条件，即，2d/λ＝n，其中，d表示所述附着物的厚度，λ表示激光的波长，n表示周期数并且为整数。 

其中，所述激光干涉检测单元包括：激光源，其用于向外发射激光；反射光接收模块，其用于接收来自所述附着物第一界面的第一反射光、以及来自所述附着物第二界面的第二反射光，所述第一反射光和第二反射光形成干涉；光电转换模块，其用于将与所述第一反射光和第二反射光相关的光信号转换为电信号；以及控制和处理模块，其根据来自所述光电转换模块的电信号来计数所述反射光干涉强度周期，并且根据所述反射光干涉强度周期以及所采用激光的波长而得出所述附着物的厚度。 

优选地，所述激光干涉检测单元还包括放大整形模块，用于将来自所述光电转换模块的电信号进行放大并整形。 

其中，所述激光干涉检测单元设置于腔室的侧壁上，相应地，所述被测部与所述激光干涉检测单元对置。 

优选地，所述激光干涉检测单元垂直于所述腔室侧壁并设置于其上，相应地，所述被测部与所述激光干涉检测单元对置。 

其中，所述被测部通过粘贴、镶嵌的方式而设置于所述腔室的内壁上。 

其中，所述被测部呈镜面状，并且通过对所述腔室内壁上欲设定为被测部的部位进行抛光和/或沙化处理而形成，或者通过对所述腔室内壁上欲设定为被测部的部位进行淀积和/或喷涂而形成。 

其中，所述被测部相对于所述腔室内壁的表面而向所述腔室内部凸出或凹进或大致平齐，优选为大致平齐的方式。 

作为本发明的另一个技术方案，本发明还提供了一种腔室状态监控方法，其用于对设置有被测部和激光干涉检测单元的腔室的状态进行监控，其中，所述被测部呈镜面状并位于反应腔室内壁上，且其上可粘附有附着物；所述激光干涉检测单元设置在与所述被测部相对的那一侧的腔室壁面上。所述方法包括下述步骤：1)所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光；2)所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉；3)所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及所述激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值。 

其中，所述腔室为反应腔室，并且与所述附着物有关的腔室状态参数包括所述附着物的厚度和/或数量。 

其中，所述反射光干涉强度周期满足这样的条件，即，2d/λ＝n，其中，d表示所述附着物的厚度，λ表示激光的波长，n表示周期数并且为整数。 

其中，在所述步骤3)之后还包括下述步骤：4)将与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值和预先设定的相应期望值进行比较，若前者大于后者，则进入步骤5)；反之，则转到步骤1)；5)对所述腔室内的附着物进行清除，以使所述测量值小于相应期望值，或者使所述测量值大致等于相应期望值。 

作为本发明的再一个技术方案，本发明还提供了一种半导体处理设备，其包括反应腔室，并且在所述反应腔室内设置有上述腔室状态监控系统，以对反应腔室内的状态进行监控。 

相对于现有技术，本发明具有下述有益效果： 

其一，本发明提供的腔室状态监控系统和监控方法设置有激光干涉检测单元，通过该激光干涉检测单元向与其对置的被测部及其上所带有的附着物发射激光，而后接收所述激光在所述附着物第一界面处产生的第一反射光，以及在其第二界面处产生的第二反射光，并根据第一反射光和第二反射光发生干涉的干涉强度周期以及所述激光的波长而得出所述附着物的厚度。由此可见，本发明提供的腔室状态监控系统和监控方法可以对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控，进而获得期望的加工/处理结果。 

其二，由于本发明提供的腔室状态监控系统和监控方法设置有激光干涉检测单元，通过该激光干涉检测单元向与其对置的被测部及其上所带有的附着物发射激光，而后接收所述激光在所述附着物第一界面处产生的第一反射光，以及在其第二界面处产生的第二反射光，并根据第一反射光和第二反射光发生干涉的干涉强度周期以及所述激光的波长而得出所述附着物的厚度。因此，本发明提供的腔室状态监控系统和监控方法是借助于激光及其反射光的干涉而进行分析的，而不是通过光谱进行分析的，因而分析结果不会受到工艺残余气体等因素的影响，监控结果较为准确。 

此外，本发明提供的半导体处理设备由于设置有上述腔室状态监控系统，因而，其同样可以对与腔室表面附着物有关的状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)进行检测/监控，以便能够获得期望的半导体加工/处理结果。而且，由于上述腔室状态监控系统的监控过程不易受到工艺残余气体等因素的影响，因而监控结果较为准确。 

附图说明

图1为现有技术提供的具有腔室状态检测功能的半导体刻蚀设 备； 

图2为本发明提供的腔室状态监控系统的一个具体实施例的原理示意图； 

图3为图2所示监控系统中的光路示意图； 

图4为图2所示监控系统中一个周期的反射光干涉强度示意图； 

图5为本发明提供的腔室状态监控方法的一个具体实施例的流程图。 

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的腔室状态监控系统、监控方法及半导体处理设备进行详细描述。 

本发明提供的腔室状态监控系统通常设置于腔室内，尤其是半导体加工/处理工艺中的反应腔室内。下面以用于反应腔室内的腔室状态监控系统为例，对本发明进行详细说明。 

本发明所提供的腔室状态监控系统通常包括被测部和激光干涉检测单元。所谓被测部指的是反应腔室内壁上作为监测点的那部分区域，并且被测部上可粘附有附着物。所述激光干涉检测单元设置在反应腔室壁面上，且与所述被测部相对。其中，所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光，所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉，所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及所述激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)的测量值。 

事实上，所述激光干涉检测单元具体包括：激光源，其用于向外发射激光；反射光接收模块，其用于接收来自所述附着物第一界面的第一反射光、以及来自所述附着物第二界面的第二反射光，所述第一反射光和第二反射光形成干涉；光电转换模块，其用于将与所述第一反射光和第二反射光相关的光信号转换为电信号；以及控制和处理 模块，其根据来自所述光电转换模块的电信号来计数所述反射光干涉强度周期，并且根据所述反射光干涉强度周期以及所采用激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数(诸如所述附着物的厚度和/或数量等)的测量值。 

而且，前述激光干涉检测单元还可以设置放大整形模块，以将来自所述光电转换模块的电信号进行放大并整形，而后传输到控制和处理模块。 

另外，本发明中所采用的激光干涉检测单元可以采用市面上现有的激光干涉检测仪；也可以采用上述分立的功能模块组合而成，以共同实现类似激光干涉检测仪的功能。 

下面结合图2来详细说明腔室状态监控系统的结构和工作原理，其中的激光干涉检测单元采用了市面上现有的激光干涉检测仪。 

如图所示，本发明提供的腔室状态监控系统包括反应腔室1、设置于反应腔室壁面上的激光干涉检测仪2、以及位于反应腔室内壁并与激光干涉检测仪2相对的被测部3(通常为镜面状)。在反应腔室1内部的下方位置处可以放置待加工/处理的晶片4等半导体器件。其中，该被测部3可以通过粘贴、镶嵌等方式设置在反应腔室1的内壁上，也可以是对所述反应腔室内壁上欲设定为被测部3的部位进行抛光和/或沙化处理而形成，或者是对所述反应腔室内壁上欲设定为被测部3的部位进行淀积和/或喷涂而形成。该被测部3的表面相对于腔室内壁表面而向腔室内部凸出或凹进或大致平齐，优选为大致平齐这种方式，这样，该被测部3和腔室内壁表面到腔室中心的距离大致相等，从而使得该被测部3所接受到的附着物与内壁表面所接受到的附着物无论成分还是厚度等均大致一致，以使通过该被测部3所获得的检测结果能够更为准确地反应出腔室内壁表面上的附着物厚度等性能。 

至于激光干涉检测单元和被测部的设置方式，例如可以采用这样的方式：即，激光干涉检测单元与同其对置的被测部之间的连线倾斜于所述腔室的轴线；或者激光干涉检测单元与同其对置的被测部之间的连线垂直于所述腔室的轴线。所述腔室的轴线指的是所述腔室的底面中心和顶面中心之间的连线。另外，激光干涉检测单元和被测部既 可以设置在腔室侧壁上，也可以设置在腔室底面和顶面，只要保证二者对置(也就是能够使激光干涉检测单元发射的激光到达被测部，并且被测部处产生的反射光到达激光干涉检测单元)即可。 

下面结合图3和图4来说明图2所示腔室状态监控系统的具体工作过程。在实际应用中，激光干涉检测仪2向位于相对侧的被测部3发射入射激光L1。入射激光L1在被测部3上的附着物的第一界面(也就是附着物上沿与被测部3垂直的方向而靠近反应腔室1的中心的那一个表面)处的反射光L2沿与入射激光L1相反的方向投射到激光干涉检测仪2。类似地，入射激光L1在被测部3上的附着物的第二界面(也就是附着物上沿与被测部3垂直的方向而远离反应腔室1的中心的那一个表面)处的反射光L3沿与入射激光L1相反的方向投射到激光干涉检测仪2。反射光L2和L3发生干涉，并且干涉强度周期满足：2d/λ＝n，其中，λ为激光的波长，n为周期数，其为整数。这样，激光干涉检测仪2根据所采用激光的波长λ以及反射光干涉强度周期可得出上述附着物的厚度d。 

由于反应腔室1内壁上的附着物厚度d与反应腔室1中的反应条件和反应状况存在对应关系，因此通过监控上述附着物的厚度d就可以间接监控诸如刻蚀等半导体加工/处理工艺的结果。换言之，如果保持上述附着物的厚度d不变，则晶片等半导体器件的加工/处理结果便会比较稳定而不会发生漂移。 

通过上述描述可以看出，本发明提供的腔室状态监控系统中借助于激光干涉的原理来对反映腔室内壁上的附着物进行检测，如果附着物的厚度超过预先设定的期望值，则启动附着物清除工艺，直至附着物的厚度大致等于或小于其设定值，从而使得能够获得期望的加工/处理结果。 

此外，本发明还提供一种腔室状态监控方法，其需要借助于前述激光干涉检测单元来实施，详细过程请参阅图5所示的一个具体实施例。 

本发明提供的腔室状态监控方法的一个具体实施例中，需要预先在反应腔室壁面上设置激光干涉检测单元，并且与激光干涉检测单元 对置而在反应腔室内壁上预置诸如镜面状的被测部。被测部的设置方法类似于前面结合图2所作的说明，在此不再赘述。 

上述激光干涉检测单元和被测部预置完毕之后，便可以实施本发明所提供的腔室状态监控方法。 

首先进入步骤110，由激光干涉检测单元向与其相对且位于反应腔室壁面上的被测部发射入射激光。该入射激光到达被测部上的附着物后分别在该附着物的第一界面和第二界面发生反射。 

其中，所谓附着物的第一界面，指的是附着物上沿与被测部垂直的方向而靠近反应腔室中心的那一个表面。所谓附着物的第二界面，指的是附着物上沿与被测部垂直的方向而远离反应腔室中心的那一个表面。 

步骤120，激光干涉检测单元接收来自所述附着物第一界面和第二界面的反射光。来自附着物第一界面的反射光和来自附着物第二界面的反射光在激光干涉检测单元处发生干涉，并且干涉强度周期满足：2d/λ＝n，其中，λ为激光的波长，n为周期数，其为整数。 

步骤130，激光干涉检测单元根据所采用激光的波长λ以及反射光干涉强度周期计算上述附着物的厚度。 

步骤140，根据计算出的附着物厚度(即，附着物厚度的测量值)以及附着物厚度的期望值来判断是否需要启动清除程序。 

具体地，为了保证能够获得期望的加工/处理结果，当附着物厚度的测量值大于附着物厚度的期望值时，将进入到步骤150；反之，则继续进行加工/处理工艺，并转到步骤110，以继续监测附着物的厚度。 

步骤150，启动附着物清除程序，以便清除沉积在反应腔室内壁上的附着物，而使其处于期望的范围内，以期获得期望的加工/处理结果。 

此外，本发明还提供这样一种半导体处理设备，其配置有本发明所涉及的腔室状态监控系统。具体地，所述腔室状态监控系统中的被测部设置在该半导体处理设备的反应腔室内壁上，激光干涉检测单元设置在反应腔室壁面上，且与被测部相对。至于该半导体处理设备所配置的腔室状态监控系统的工作原理和工作过程，类似于前面结合图 2至图5所作的说明，在此不再赘述。 

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 (15)

1.一种腔室状态监控系统，其特征在于包括被测部和激光干涉检测单元，所述被测部呈镜面状并位于反应腔室内壁上，且其上可粘附有附着物；所述激光干涉检测单元设置在与所述被测部相对的那一侧的腔室壁面上，其中

所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光，所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉，所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及所述激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值。

2.根据权利要求1所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述腔室为反应腔室，并且与所述附着物有关的腔室状态参数包括所述附着物的厚度和/或数量。

3.根据权利要求2所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述反射光干涉强度周期满足这样的条件，即，2d/λ＝n，其中，d表示所述附着物的厚度，λ表示激光的波长，n表示周期数并且为整数。

4.根据权利要求3所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述激光干涉检测单元包括：

激光源，其用于向外发射激光；

反射光接收模块，其用于接收来自所述附着物第一界面的第一反射光、以及来自所述附着物第二界面的第二反射光，所述第一反射光和第二反射光形成干涉；

光电转换模块，其用于将与所述第一反射光和第二反射光相关的光信号转换为电信号；

控制和处理模块，其根据来自所述光电转换模块的电信号来计数所述反射光干涉强度周期，并且根据所述反射光干涉强度周期以及所采用激光的波长而得出所述附着物的厚度。

5.根据权利要求4所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述激光干涉检测单元还包括放大整形模块，用于将来自所述光电转换模块的电信号进行放大并整形。

6.根据权利要求2所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述激光干涉检测单元设置于腔室的侧壁上，相应地，所述被测部与所述激光干涉检测单元对置。

7.根据权利要求6所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述激光干涉检测单元垂直于所述腔室侧壁并设置于其上，相应地，所述被测部与所述激光干涉检测单元对置。

8.根据权利要求1所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述被测部通过粘贴、镶嵌的方式而设置于所述腔室的内壁上。

9.根据权利要求1所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述被测部呈镜面状，并且通过对所述腔室内壁上欲设定为被测部的部位进行抛光和/或沙化处理而形成，或者通过对所述腔室内壁上欲设定为被测部的部位进行淀积和/或喷涂而形成。

10.根据权利要求1所述的腔室状态监控系统，其特征在于，所述被测部相对于所述腔室内壁的表面而向所述腔室内部凸出或凹进或大致平齐。

11.一种腔室状态监控方法，其用于对设置有被测部和激光干涉检测单元的腔室的状态进行监控，其中，所述被测部呈镜面状并位于反应腔室内壁上，且其上可粘附有附着物；所述激光干涉检测单元设置在与所述被测部相对的那一侧的腔室壁面上；其特征在于所述方法包括下述步骤：

1)所述激光干涉检测单元向所述被测部发射入射激光；

2)所述入射激光在所述附着物的第一界面发生反射而形成第一反射光，并且在所述附着物的第二界面发生反射而形成第二反射光，所述第一反射光和第二反射光投射到所述激光干涉检测单元并发生干涉；

3)所述激光干涉检测单元根据所述反射光干涉强度周期以及所述激光的波长而得出与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值。

12.根据权利要求11所述的腔室状态监控方法，其特征在于，所述腔室为反应腔室，并且与所述附着物有关的腔室状态参数包括所述附着物的厚度和/或数量。

13.根据权利要求12所述的腔室状态监控方法，其特征在于，所述反射光干涉强度周期满足这样的条件，即，2d/λ＝n，其中，d表示所述附着物的厚度，λ表示激光的波长，n表示周期数并且为整数。

14.根据权利要求11至13中任意一项所述的腔室状态监控方法，其特征在于，在所述步骤3)之后还包括下述步骤：

4)将与所述附着物有关的腔室状态参数的测量值和预先设定的相应期望值进行比较，若前者大于后者，则进入步骤5)；反之，则转到步骤1)；

5)对所述腔室内的附着物进行清除，以使所述测量值小于相应期望值，或者使所述测量值大致等于相应期望值。

15.一种半导体处理设备，包括反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室内设置有如权利要求1至10中任意一项所述的腔室状态监控系统，以对反应腔室内的状态进行监控。

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