CN109839388A

CN109839388A - 等离子运行状态实时监控方法、晶圆监测件和监控系统

Info

Publication number: CN109839388A
Application number: CN201711230315.5A
Authority: CN
Inventors: 刘季霖; 吴狄
Original assignee: Medium And Micro Semiconductor Equipment (shanghai) Co Ltd
Current assignee: Medium And Micro Semiconductor Equipment (shanghai) Co Ltd; Advanced Micro Fabrication Equipment Inc
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-06-04

Abstract

本发明公开了等离子运行状态实时监控方法、晶圆监测件和监控系统，该方法包含：步骤1，在晶圆监测基体上设置反应物涂层制备晶圆监测件；步骤2，将晶圆监测件与第n批待等离子处理晶圆产品置于等离子反应腔中，反应物涂层面朝向待监测的等离子体；步骤3，开启等离子体反应腔，生成等离子体，按等离子处理晶圆产品同样的工艺条件进行等离子处理；步骤4，将经等离子处理后的第n批晶圆监测件与标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件进行比较，判断等离子工作是否正常，m、n取自然数，且m＜n。本发明的实时监控方法，不影响晶圆产品的生产，能大幅降低晶圆的报废率，监测成本低，操作方法简便。

Description

等离子运行状态实时监控方法、晶圆监测件和监控系统

技术领域

本发明涉及一种等离子体的检测方法，具体涉及一种反应腔等离子运行状态实时监控方法、该方法使用的晶圆监测件和监控系统。

背景技术

等离子体指部分或完全电离的气体，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

等离子体主要作用是能对各种材料的表面改性处理：如表面清洗、表面活化、表面刻蚀、表面接枝、表面沉积、表面聚合以及等离子体辅助化学气相沉积。

等离子体的主要用途包含：1）半导体IC行业，如用于蚀刻小孔，精细线路的加工；IC芯片表面清洗；绑定打线；沉积薄膜等；2）PCB制作，如清洗作用，改善可悍性；表面改性，增加亲水性，增强结合力；蚀刻作用，去钻污，去除电镀夹膜；3）纤维行业，对纺织纤维表面改性；4）生物和医疗行业，如对半透膜表面亲水的改性；医疗器械的清洗。

等离子体处理设备，通过向真空反应腔室引入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该反应腔室施加射频能量，以解离反应气体生成等离子体，用来对放置于反应腔室内的基片表面进行加工。

在用到等离子体的机台上，如容性耦合等离子体CCP (capacitively coupledplasma)，电感耦合等离子体 ICP (Inductive Coupled Plasma)，硅通孔TSV (throughsilicon via)，物理气相沉积PVD (Physical Vapor Deposition)等，等离子体的状态和稳定性对最终产品质量至关重要。

目前尚无简单、廉价、直观的办法对量产的机台等离子的运行状态进行实时监控，一旦等离子体的状态发生变化，将导致大批量晶圆报废，造成巨大损失。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术由于缺乏有效的监测手段，造成晶圆报废率较大造成生产成本居高不下的问题，提出了一种方便、简单、且廉价的监控方法，其能实时监测等离子体的运行状态，大幅地降低晶圆报废率，且不影响晶圆产品的正常生产。

为了达到上述目的，本发明提供了一种等离子运行状态实时监控方法，其包含：

步骤1，在晶圆监测基体上设置反应物涂层制备晶圆监测件；

步骤2，将晶圆监测件与第n批待等离子处理晶圆产品一起置于等离子反应腔中，反应物涂层面朝向待监测的等离子体，其中，n取自然数；

步骤3，开启等离子体反应腔，生成等离子体，按等离子处理晶圆产品同样的工艺条件进行等离子处理；

步骤4，将经等离子处理后的第n批晶圆监测件与标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件进行比较，从而判断等离子工作是否正常，其中，m取自然数，且m＜n。

较佳地，所述的晶圆监测基体选择待等离子处理晶圆样品或与晶圆样品同样的衬底。

较佳地，所述的反应物涂层的活性成分为一种或多种与等离子体反应后能发生颜色变化的化合物。

较佳地，所述的化合物包含邻苯二酸酐、苯炔、苯甲醚、环己烷、苯胺、嘌呤中的任意一种。

较佳地，所述的晶圆监测件还包含：通过背胶层粘结在晶圆监测基体上的薄膜层，其中，反应物涂层设置在薄膜层上。

较佳地，晶圆监测基体两面均设置有反应物涂层。

较佳地，步骤4是通过监控系统监测、判断等离子工作是否正常；所述的监控系统包含：检测平台、光源、摄像装置及、与摄像装置信号连接的数据处理系统。

较佳地，所述的光源为标准白光灯。

较佳地，所述的步骤4包含：

步骤4.1，将经第n批等离子体处理后的晶圆监测件置于检测平台上，采用光源进行照射；

步骤4.2，使用摄像装置拍摄记录等离子体处理后的晶圆监测件上的图像信息，并将该图像信息反馈至数据处理系统；

步骤4.3，通过数据处理系统将该图像信息与经标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件进行比较、并经逻辑判断等离子体的运行状态是否正常。

较佳地，所述的图像信息包含：图像的条纹形状信息及图像的颜色的RGB值信息。

较佳地，所述的摄像装置为高清摄像装置，能拍摄出包含条纹形状信息及图像的颜色的RGB值信息的图像。

较佳地，步骤4所述的比较方法为：若差异在阈值范围内，则认为该反应腔内等离子工作状态正常；若差异超过阈值，则表示等离子工作状态不正常，需停止工作并查找原因。

本发明还提供了一种能与等离子体发生反应的晶圆监测件，该晶圆监测件包含：

晶圆监测基体；

背胶层；

通过背胶层粘结在晶圆监测基体至少一个表面上的薄膜层；及

设置在薄膜层上的反应物涂层；

其中，反应物涂层的活性成分为一种或多种与等离子体反应后能发生颜色变化的化合物。

本发明还提供了一种能用于反应腔等离子运行状态实时监控的监控系统，该监控系统包含：检测平台、光源、摄像装置及、与摄像装置信号连接的数据处理系统；其中，检测平台用于放置经等离子处理后的晶圆监测件，光源照射到晶圆监测件上，通过摄像装置拍摄记录图像信息，并反馈至数据处理系统进行比较、判断并输出监控信息。

本发明通过表面有与等离子体反应的反应物涂层的晶圆监测件作为抽检试片，通过反应后晶圆监测件表面的颜色RGB值和条纹等图像信息的变化，可以实时监控反应腔等离子运行状态，该方法简单、廉价、直观，能够防止反应腔内等离子体的状态发生变化导致的大批量晶圆报废，且本发明的监控方法不影响晶圆产品的正常处理工艺。

附图说明

图1为本发明的能与等离子体发生反应的晶圆监测件的结构示意图。

图2为本发明的一种等离子运行状态实时监控方法的一个实施例中步骤2的工作状态示意图。

图3为用于本发明的等离子运行状态实时监控方法的一种监控系统的结构示意图。

图4为本发明的监控方法适用的一种电感耦合型等离子体反应装置的结构示意图。

图5为本发明的监控方法适用的一种电容耦合型等离子体反应装置的结构示意图。

图6为本发明的监控方法适用的一种等离子体成膜装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供了一种等离子运行状态实时监控方法，其包含：

步骤1，在晶圆监测基体上设置反应物涂层制备晶圆监测件；

步骤2，将晶圆监测件与第n批待等离子处理晶圆产品（wafer）一起置于等离子反应腔中，反应物涂层面朝向待监测的等离子体，其中，n代表批次，取自然数；

步骤4，将经等离子处理后的第n批晶圆监测件与标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件进行比较，从而判断等离子工作是否正常，m取自然数，且m＜n。本发明的方法尤其适用于如CCP 、ICP 、TSV 、PVD 等，等离子体的状态和稳定性对最终产品质量影响较大的场景。

如图1所示，本发明的一个实施例中，所述的能与等离子体发生反应的晶圆监测件10包含：

晶圆监测基体11，

薄膜层13，该薄膜层13为耐高温薄膜层，如kapton薄膜（其为杜邦公司的一种聚酰亚胺薄膜材料的商品名称），其通过耐高温背胶层12粘结在晶圆监测基体11的至少一个表面上；及

设置在薄膜层13上的反应物涂层14，该薄膜层的作用是提高反应物涂层与晶圆监测基体的结合力。所述的反应物涂层14能与待监测等离子体进行反应并产生颜色变化，其活性成分为一种或多种与等离子体反应后变色的化合物，与不同气体和浓度的等离子反应后生成的颜色不同。所述的等离子体优选通过Ar、O₂、H₂、CF₄、SF₆或Cl₂构成的组中至少一种等离子体发生用气体产生的等离子。

该化合物为环状化合物、芳香族化合物、杂环化合物，如邻苯二酸酐，苯炔、苯甲醚、环己烷、苯胺、嘌呤等，通过在等离子作用下发生消除反应、开环反应、重排反应、环化反应等使反应物颜色发生改变。如，以O₂作为等离子体发生用气体，邻苯二酸酐作为反应物涂层的活性物质，其在涂层中的用量以质量比计约为20%，其他为粘结剂树脂，经标准等离子体处理工艺（O₂作为导入气体）后，晶圆监测件表面呈褐色，可作为标准件用于监测对比。

所述的晶圆监测基体11选择待等离子处理晶圆样品或与晶圆样品同样的衬底。

本发明的一个实施例中，晶圆监测基体11的一个表面上通过背胶层12设置有薄膜层13，薄膜层13上设置有反应物涂层14，该晶圆监测件10放置在等离子反应腔体21的反应平台22上，该晶圆监测件10的反应物涂层14面向等离子体30放置，如图2所示。

本发明的一个实施例中，步骤4是通过监控系统监测、判断等离子工作状态是否正常。所述的监控系统包含：检测平台41、光源42、摄像装置43及、与摄像装置43信号连接的数据处理系统44，如图3所示。所述的光源可选择标准白光灯。

进一步地，所述的步骤4包含：

步骤4.1，将经第n批等离子体处理后的晶圆监测件10置于检测平台41上，采用光源42进行照射；

步骤4.2，使用摄像装置43拍摄记录所述晶圆监测件10上的图像信息，并将该图像信息反馈至数据处理系统44；

步骤4.3，通过数据处理系统44将该图像信息与经标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件的图像信息进行比较、并经逻辑判断等离子体的运行状态是否正常。

本发明的一些实施例中，将经标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件采用步骤4.1-4.2同样的方法获取图像信息，并存储于数据处理系统中用于作为标准件进行比较。

根据需要，本发明的一些实施例中，将每批等离子体处理的晶圆监测件采用步骤4.1-4.2同样的方法获取图像信息，并存储于数据处理系统中用于作为参考比较件，当监测第n批等离子处理时等离子体的运行状态时，将第n批晶圆监测件的图像信息与第m批晶圆监测件的图像信息进行比较，可判断第n批等离子处理时等离子体的运行状态甚至运行状态的趋势状况，从而尽量地降低晶圆的报废率。而且，根据上述比较情况，可以间隔批次向待处理晶圆产品中混入晶圆监测件，而不需要每批均混入，以控制成本并提高效率。

进一步地，所述的图像信息包含：图像的条纹形状信息及图像的颜色的RGB值（Red、Green、Blue）信息。所述的摄像装置为高清摄像装置，其能拍摄出包含条纹形状信息及图像的颜色的RGB值信息的图像。

进一步地，步骤4所述的比较方法为：若差异在阈值范围（根据不同的等离子处理要求，在数据处理系统中设定阈值）内，则认为该反应腔内等离子工作状态正常；若差异超过阈值，则表示等离子工作状态不正常，需停止工作并查找原因。

本发明的反应腔等离子运行状态实时监控方法可用于等离子成膜工序、蚀刻工序、灰化工序、杂质添加工序、清洗工序等。作为成膜工序，例如，在等离子体CVD(ChemicalVapor Depositon，化学气相沉积）中，能够利用等离子体，在400℃以下的低温以较快的沉积速度使膜沉积在半导体晶圆上。具体而言，将材料气体导入至减压的反应室，并通过等离子体激发使气体自由基离子化并发生反应。作为等离子体CVD，可列举电容耦合型（阳极耦合型、平行平板型）、电感耦合型、ECR(Electron Cyclotron Resonance：电子回旋共振）型的等离子体。

以下结合本发明的应用场景给出具体实施例。

实施例1

一种电感耦合型等离子体反应装置，如图4所示，该装置包括：由大致为圆柱形的反应腔外壁405围成的真空反应腔400，设置在真空反应腔400顶部的绝缘窗口430，设置在绝缘窗口430上的电感耦合线圈440，设置在电感耦合线圈440上的射频功率源（RF）445，设置在真空反应腔400底部的基座410和偏置功率源446，设置在基座410上且用于对晶圆监测件10（反应物涂层面朝等离子体）及待处理晶圆产品进行支撑和固定的静电卡盘415，设置在真空反应腔400的下方且用于将反应副产物排出真空反应腔400的内部的排气泵425，以及与真空反应腔400连通且用于提供反应气的气体供应装置4。

真空反应腔400上部设有上电极，下部设有下电极，射频功率源445与上电极电连接，偏置功率源446与下电极电连接。

反应腔外壁405靠近绝缘窗口430的一端设置气体喷入口450，该气体喷入口450用于连接气体供应装置4和真空反应腔400。

射频功率源445的射频功率驱动电感耦合线圈440产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体30。

等离子体30中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆产品的表面发生多种物理和化学反应，使得待处理晶圆产品表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程；同时，上述活性粒子还可以与晶圆监测件10的反应物涂层发生反应，使得晶圆监测件10表面发生颜色、图纹等形貌变化。通过监测系统比较判断等离子体运行状态是否正常：将晶圆监测件10反应物涂层面朝上，置于检测平台上，通过标准白光灯照射，摄像装置拍摄读取晶圆监测件10上的图像信息，并反馈至数据处理系统，在数据处理系统中进行比较、判断，从而输出等离子体运行状态是否正常的监测信息。

实施例2

一种电容耦合型等离子体反应装置，如图5所示，该装置包括：由大致为圆柱形的反应腔外壁205围成的真空反应腔200，设置在真空反应腔200上部的安装基座230，设置在安装基座230上的气体喷淋头250和接地环270，与气体喷淋头250连通且用于向真空反应腔200内部输送反应气体的气体供应装置2，设置在真空反应腔200底部的基座210，设置在基座210上且用于对晶圆监测件10（反应物涂层面朝等离子体）及待处理晶圆产品进行支撑和固定的静电卡盘215，设置在真空反应腔200的下方且用于将反应副产物排出真空反应腔200的内部的排气泵225，设置在真空反应腔200上的电极，以及设置在电极上的射频功率源245。

射频功率源245使得低压的反应气体被电离产生等离子体30。

等离子体30中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆产品的表面发生多种物理和化学反应，使得待处理晶圆产品表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程；同时，上述活性粒子还可以与晶圆监测件10的反应物涂层发生反应，使得晶圆监测件10表面发生颜色、图纹等形貌变化。通过监测系统比较判断等离子体运行状态是否正常：将晶圆监测件10反应物涂层面朝上，置于检测平台上，通过标准白光灯照射，摄像装置拍摄读取晶圆监测件10上的图像信息，并反馈至数据处理系统，在数据处理系统中与其中储存的经正常等离子运行状态的等离子处理的晶圆监测件的图像信息进行比较、判断，从而输出等离子体运行状态是否正常的监测信息。

实施例3

如图6所示，为一种本发明适用的等离子体成膜装置的结构示意图，该等离子体成膜装置具有第1高频电极101、第2高频电极 102、接地电极103、腔104、真空泵105、高频电源106以及位置调整机构116。其中，腔104具备气体供给口107以及排气口108。排气口108与具备真空泵105的排气路径连接。真空泵105从腔104内向排气路径进行排气。气体供给口107 与具备气体供给源（图示省略）的气体供给路径连接。气体供给源向腔104内供给成膜气体。第1高频电极101、第2高频电极102以及接地电极103设置于腔104内部。第1高频电极101所具备的第1电极面111、和第2高频电极102所具备的第2电极面112相互平行。另外，以使第1电极面111以及第2电极面112形成规定的间隔的方式，配置了第1高频电极101以及第2高频电极102。高频电源106对第1高频电极101 以及第2高频电极102供给同等的高频电力。接地电极103配置于第1高频电极101以及第2高频电极102 之间。在接地电极103上，载置被成膜物100。被成膜物100是指待等离子处理晶圆产品，需要进行等离子监测时，其中混入晶圆监测件。本实施例的晶圆监测件中，晶圆监测基体的上下表面均设置有反应物涂层。使第1被成膜面113与第1电极面111相向地将被成膜物100配置到接地电极103上。在接地电极103中，设置有开口115。跨越开口115而载置了被成膜物100。关于被成膜物100中的与第1被成膜面113相反一侧的第2被成膜面114，开口115内的部分与第2电极面112相向。被成膜物100在第2被成膜面114中的开口115以外的部分中与接地电极103接触。

等离子体成膜装置使用在等离子体发生工序中第1高频电极 101以及接地电极103之间发生的等离子体，对被成膜物100的第1被成膜面113进行成膜。另外，等离子体成膜装置使用在等离子体发生工序中在第2高频电极102以及接地电极103之间发生的等离子体，对被成膜物100的第2被成膜面114进行成膜。

第1高频电极101、第2高频电极102以及接地电极103使第1 高频电极101与接地电极103之间的等离子体、以及第2高频电极102 与接地电极103之间的等离子体同时发生。由此，等离子体成膜装置同时进行第1被成膜面113的成膜和第2被成膜面114的成膜。晶圆监测件上下两个反应物涂层均与等离子体发生反应，使得晶圆监测件的上下表面发生颜色、图纹等形貌变化。通过监测系统比较判断等离子体运行状态是否正常：分别将晶圆监测件的两个反应物涂层面朝上，置于检测平台上，通过标准白光灯照射，摄像装置拍摄读取晶圆监测件上的图像信息，并反馈至数据处理系统，在数据处理系统中与其中储存的经正常等离子运行状态的等离子处理的晶圆监测件的图像信息进行比较、判断，从而输出等离子体运行状态是否正常的监测信息。

综上所述，本发明以晶圆样品或与晶圆样品同样材质的衬底作为晶圆监测基体，在其至少一面设置反应物涂层，制备晶圆监测件，在晶圆产品等离子处理过程中，在每批或间隔批次中混入晶圆监测件，使得等离子体与反应物涂层发生反应发生颜色或图案等图像信息的变化，再通过监测系统进行信息处理，从而输出等离子体运行状态是否正常的信息。本发明的实时监控方法，不影响晶圆产品的生产，能大幅降低晶圆的报废率，且监测成本低，操作方法简便。

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

1.一种等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，该监控方法包含：

步骤1，在晶圆监测基体上设置反应物涂层制备晶圆监测件；

步骤2，将晶圆监测件与第n批待等离子处理晶圆产品一起置于等离子反应腔中，反应物涂层面朝向待监测的等离子体；

步骤4，将经等离子处理后的第n批晶圆监测件与标准等离子运行状态的等离子体处理的晶圆监测件或第m批等离子体处理的晶圆监测件进行比较，从而判断等离子工作是否正常，其中，n、m均取自然数，且m＜n。

2.如权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的晶圆监测基体选择待等离子处理晶圆样品或与晶圆样品同样的衬底。

3.如权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的反应物涂层的活性成分为一种或多种与等离子体反应后能发生颜色变化的化合物。

4.如权利要求3所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的化合物包含邻苯二酸酐、苯炔、苯甲醚、环己烷、苯胺、嘌呤中的任意一种。

5.如权利要求3所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的晶圆监测件还包含：通过背胶层粘结在晶圆监测基体上的薄膜层，其中，反应物涂层设置在薄膜层上。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，晶圆监测基体两面均设置有反应物涂层。

7.如权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，步骤4是通过监控系统监测、判断等离子工作是否正常；所述的监控系统包含：检测平台、光源、摄像装置及、与摄像装置信号连接的数据处理系统。

8.如权利要求7所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的光源为标准白光灯。

9.如权利要求7所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的步骤4包含：

10.如权利要求9所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的图像信息包含：图像的条纹形状信息及图像的颜色的RGB值信息。

11.如权利要求10所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，所述的摄像装置为高清摄像装置，能拍摄出包含条纹形状信息及图像的颜色的RGB值信息的图像。

12.如权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法，其特征在于，步骤4所述的比较方法为：若差异在阈值范围内，则认为该反应腔内等离子工作状态正常；若差异超过阈值，则表示等离子工作状态不正常，需停止工作并查找原因。

13.一种用于权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法的晶圆监测件，其特征在于，该晶圆监测件包含：

晶圆监测基体；

背胶层；

设置在薄膜层上的反应物涂层；

14.如权利要求13所述的晶圆监测件，其特征在于，所述的化合物包含邻苯二酸酐、苯炔、苯甲醚、环己烷、苯胺、嘌呤中的任意一种。

15.一种用于权利要求1所述的等离子运行状态实时监控方法的监控系统，其特征在于，该监控系统包含：检测平台、光源、摄像装置及、与摄像装置信号连接的数据处理系统；其中，检测平台用于放置经等离子处理后的晶圆监测件，光源照射到晶圆监测件上，通过摄像装置拍摄记录图像信息，并反馈至数据处理系统进行比较、判断并输出监控信息。