CN111989559B

CN111989559B - 内联粒子传感器

Info

Publication number: CN111989559B
Application number: CN201980025439.0A
Authority: CN
Inventors: 菲利克斯·J·舒达; 费里斯·J·陈
Original assignee: Cyberoptics Corp
Current assignee: Cyberoptics Corp
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2024-07-02
Anticipated expiration: 2039-04-10

Abstract

一种内联粒子传感器(100)包括被配置为安装在装配件(122)内的传感器头(120)，传感器头(120)包括密封并与感测空间隔离且被配置为发射穿过感测空间的激光束的激光源，以及被布置为检测感测空间中的穿过激光束的粒子的检测器。内联粒子传感器(108)还包括电子器件(302)，电子器件(302)耦接到传感器头(120)，并且被配置为从检测器(310)接收指示粒子的信号，且基于该信号提供粒子输出。

Description

内联粒子传感器

背景技术

在半导体晶片的制造期间，存在晶片暴露于其的多种工具和工序。在这些步骤中的每一个步骤中都存在可能因工艺条件引起的潜在缺陷，该潜在缺陷可能导致因微观粒子沉积在晶片表面上而使得最终集成电路装置的成品率下降。这很重要，因为每个晶片可能包含用于数十甚至数百个集成电路装置的电路，并且单个丢失的晶片可能会导致价值数百或数千美元的废料。甚至很少的粒子也可能会对晶片的质量产生负面影响。因此，至关重要的是在半导体晶片加工的各个阶段之前和期间采用非常灵敏的感测装置来监测少量的粒子。

发明内容

在一个实施例中，一种内联粒子传感器包括被配置为安装在装配件内的传感器头，所述传感器头包括被配置为发射穿过感测空间(sensing volume)的光束的激光源以及被布置为检测从穿过所述感测空间的粒子散射的激光的检测器。所述内联粒子传感器还包括电子器件，所述电子器件耦接到所述传感器头并被配置为从所述检测器接收指示所述粒子的信号。所述电子器件产生指示检测到的粒子的存在的输出。

在另一个实施例中，一种内联粒子传感器系统包括真空泵、真空泵管线、半导体晶片处理室以及装配件，所述装配件流体耦接到所述真空泵和所述晶片处理室之间的所述真空泵管线。所述内联粒子传感器系统还包括：内联粒子传感器，所述内联粒子传感器耦接到所述装配件并且被配置为利用所述传感器系统感测粒子的特性，并产生指示所述粒子的特性的传感器信号；以及电子器件，所述电子器件耦接到真空的粒子传感器，所述电子器件被配置为接收所述传感器信号并基于所述传感器信号产生粒子输出。

在另一个实施例中，一种内联粒子传感器系统包括：处理室；真空泵管线，所述真空泵管线耦接到所述处理室并且被配置为允许流体从所述处理室流入所述真空泵管线中；第一真空泵，所述第一真空泵耦接到所述真空泵管线；第二真空泵，所述第二真空泵耦接到所述真空泵管线；以及装配件，所述装配件流体耦接到所述第一真空泵和所述第二真空泵之间以及所述第一真空泵或所述第二真空泵中的一者和所述处理室之间的所述真空泵管线。所述内联粒子传感器系统还包括内联粒子传感器，所述内联粒子传感器耦接到所述装配件并且被配置为感测所述系统内的所述粒子的特性且产生指示所述特性的传感器信号；以及电子器件，所述电子器件耦接到所述传感器，所述电子器件被配置为接收所述传感器信号并基于所述传感器信号确定粒子输出。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的在半导体加工环境中操作的内联粒子感测系统的部件的示意图。

图2是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。

图3是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。

图4是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。

图5是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的框图。

具体实施方式

半导体晶片工艺通常对处理室内的粒子污染敏感。粒子可能来自处理室内的机械元件或其他源头。如下所述，提供了一种内联粒子传感器作为诊断传感器，该诊断传感器允许用户监测主腔室或泵管线中的粒子，以查看何时产生粒子。通过将传感器输出中的粒子爆发或其他合适的检测模式与该过程中的步骤相关联，用户可以更轻松有效地诊断问题。

一种特别具有挑战性的工艺是极紫外(EUV)光刻。在EUV中，等离子体被转换成具有约13.5纳米的波长的光。然后，该光从几个反射镜反射并入射到晶片上。相信EUV将允许加工至5纳米的级别。可以理解，随着印刷特征的变小，系统中任何粒子或杂质的影响都被放大。EUV工艺本身也可能是不需要的粒子的源头。

以下描述的实施例总体提供一种光学粒子传感器，该光学粒子传感器被配置为可插入到真空系统中，该真空系统可以在主腔室中或者在真空泵管线之一中。所公开的实施例的重要方面包括：容易地将传感器插入真空系统并从真空系统中移除传感器；如何将传感器插入泵管线中，特别是低真空泵和高真空泵之间的管线中，以便传感器可以潜在地感测到在主腔室内产生的粒子；感测区域中的激光束的形状和排列如何与散射光收集的布置相协调，从而最大程度地检测单个粒子；以及传感器如何通过使用高功率、短波长(例如，蓝色或UV)激光来感测更多的粒子和更小的粒子。

图1是根据本发明的实施例的在半导体加工环境中操作的内联粒子感测系统的部件的示意图。如图1所示，内联粒子传感器100耦接到装配件101，并在真空泵管线102上流体地插入处理室104和真空泵106之间。在一个实施例中，管线102是用于处理室104的氢气排气管线。在一个特定的示例中，管线102在约17Pa的压力下以约2.73Pa m³/s的流量输送氢气排气。在一个示例中，管线102是直径为约85mm的管。如图所示，内联粒子传感器100位于处理室104的外部并且在真空泵106之前。但是，可以在将传感器安装到处理室104或其他合适的半导体加工工具/环境的情况下实施实施例。此外，传感器100还可以流体地插入高真空泵和低真空泵之间的真空线上。在另一个实施例中，内联粒子传感器还可以位于从低真空泵到大气的排气管线中。

传感器100通信地耦接到控制器108。控制器108收集并存储来自传感器100的信号信息，并处理该信号信息，以便提供指示流过管线102的粒子的性质信息和/或数量信息的输出。另外，控制器108还可以物理地或无线地连接到设置在其他排气管线或流体导管上的多个附加的内联粒子传感器，以获得相对于半导体工具(例如，处理室104)的粒子流的更全面的指示。在一个示例中，控制器108被配置为连接到十二个单独的内联粒子传感器100。附加的传感器可以耦接到不同的管线和/或多个内联粒子传感器可以耦接到相同的管线102。在这种情况下，多个传感器的感测区域可以设置为检测流动管线的截面区域的不同区域中的粒子。例如，第一粒子传感器可以感测管线102中流动区域的前一半的大部分，而位于第一内联粒子传感器附近的第二内联粒子传感器可以感测该流动区域的后一半的大部分。这种系统可以允许更完整地感测管线中粒子的存在，而无需单个更大且更复杂的感测结构。

图2是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。传感器100包括激光感测头120，激光感测头120的尺寸和形状被设置成装配在诸如标准KF50十字装配件122之类的标准装配件内。装配件122可以由任何合适的材料形成，该任何合适的材料包括但不限于不锈钢和铝。在一个实施例中，感测头120具有约140mm的长度，使得其基本上延伸到装配件122的支腿124中。气流中非常小密度的不需要的粒子都可以表明工艺条件差，因此必须具有捕获尽可能多的气流和粒子流的感测空间。在一个实施例中，感测头120通过激光源光学元件和散射光检测元件的独特几何形状，将感测空间中的激光束“带”配置为相对于气流和粒子流而言较薄且具有较大的横截面面积。对于其尺寸，内联粒子传感器的这种光学头布置比用于其他类型环境的粒子传感器具有大得多的感测区域。例如，在一个实施例中，感测区域为大约6mm×6mm，从而允许内联粒子传感器比典型的现有传感器对泵管线管的更大部分进行采样。

近似正交的气体和粒子流动方向、激光束传播方向和检测轴线的独特几何形状，结合呈现给粒子流的大的带状区域和流动方向上的薄的激光束，也允许有效收集散射光，从而提高了检测单个粒子的效率。因为激光束具有大的横截面面积，但是在粒子流向上较薄，所以可以将激光束保持在非常高的强度水平，从而相应地增加了来自单个粒子的散射光信号的强度。较薄激光束沿粒子流向的小范围也会导致持续时间短的散射光脉冲，这使得可以将检测到的散射光脉冲与未指示检测到粒子的其他信号和背景噪声源更好地区分开。

直径与激光的波长大致相同且小于该波长且大约为0.5微米或更小的粒子通常对控制半导体晶片加工最重要。它们的散射特性带来了最大的挑战：对于小于激光波长的20％的最小直径，散射横截面迅速减小。为了可靠地检测这些粒子，必须使用尽可能短的激光波长，同时保持非常高的强度。在一个实施例中，激光源在0.450微米波长下工作并输出高达3瓦的功率。可以检测到的散射光量在很大程度上取决于激光偏振相对于主要检测方向的方向。在一个实施例中，主要检测轴线位于激光带平面中，并且激光偏振方向垂直于激光带的平面，这最大化了主要检测轴线上的散射。

在图2所示的实施例中，感测头120包括前置放大器和激光驱动器电路，激光驱动器电路通过电缆130与电子器件外壳128电耦接。外壳128内的电子器件能够驱动感测头120内的激光源(图2中未示出)并监测光学检测器(图2中未示出)的电响应，以检测穿过感测头120的感测区域的粒子的存在、尺寸和/或数量。此外，外壳128内的电子器件被配置为向控制器，例如控制器108(如图1所示)提供电输出。这可以通过电缆耦接的外壳向控制器108(如图1所示)传输信号来完成，或者可以使用诸如已知的蓝牙或WiFi协议之类的无线通信协议来完成。

图3是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。图3中所示的实施例与图2中的实施例相似，并且相似部件的编号类似。内联粒子传感器200被配置为安装在标准装配件(例如，KF50十字装配件122)内。此外，可以将可选的限流器126放置在传感器200的上游，以将粒子引导通过传感器200的感测区域。传感器200和传感器100之间的主要区别在于，传感器200所需的所有电子器件均设置在传感器头201和端盖202内。在一个实施例中，端盖202可以由诸如塑料的RF透明材料形成。此外，端盖202可以包括电力输入端口，该电力输入端口允许电源(例如，5VDC)供电以耦接到传感器头201和端盖202内的电子器件。另外，端盖202可以包括一个或多个指示器LED。这种指示器LED可以提供有关以下事件的有用信息：开机、激光接合、检测到粒子和/或适当的故障排除代码。传感器200可以电子地或以其他方式通信地耦接到控制器(例如，控制器108)。

在关于图2和图3所述的两个实施例中，电气部件(例如，电子器件、激光源和检测器)被密封并与流过连接器的气体隔离。对于内联传感器，特别是那些工作以支持半导体加工行业的内联传感器，这是一个重要特征。

图4是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的示意图。传感器200耦接到代替图3中所示装配件122(例如，KF50十字连接器)的T形连接器250。因此，本文描述的实施例可以用包括但不限于快速法兰、ISO装配件(例如，ISO63)以及大于或小于50mm的装配件的任何合适类型和/或尺寸的连接器或耦接器来实践。实施例总体上提供了一种内联粒子传感器，该内联粒子传感器可以被容易地去除以用于重新校准或维修而不会干扰真空系统。

利用关于图2、图3和图4所描述的实施例，传感器与装配件、泵管线和/或处理室或其他合适的半导体加工工具/环境方便地耦接和分离，使得可以将传感器从系统中单独去除以进行检查、维修、更换、校准和/或其他维护操作。另外，因为电子器件要么完全容纳在传感器中，要么从外部耦接到传感器，因此操作者可以更轻松地接近或拆卸电子器件和传感器。

图5是根据本发明的实施例的内联粒子传感器的框图。传感器300可以包括任何上述实施例。传感器300包括电力模块301。在传感器300由电池供电的实施例中，电力模块301可以包括电池，例如充电电池。但是，电力模块300还包括合适的电流限制和电源调节电路，以为传感器300的其他部件供电。在另一个实施例中，电力模块301可以包括电耦接到传感器300的外部电源，例如，通过电力输入端口与传感器300耦接的5VDC。控制器302耦接到电力模块301、通信模块304、互锁装置306、激光源模块308和检测模块310。控制器302可以包括能够接收来自检测电路310的信号、基于来自检测电路310的信号识别或以其他方式量化粒子并经由通信模块304提供输出的任何合适的逻辑或电路。在一个实施例中，控制器302是微处理器。

源308电耦接到控制器302，并被配置为将光照引导至真空管线。优选地，源308被配置为产生具有蓝色-UV范围内的波长(即，高达约480nm的UV波长)的激光光照。此外，源308被配置为提供相对较高的输出激光光照。在一个示例中，使用高功率蓝色激光二极管，输出约为3.5瓦。但是，只要输出功率不足以汽化真空管线内的粒子，就可以使用更高功率的激光光照。在高输出功率的情况下，传感器300还优选地包括激光互锁装置306，以确保大功率激光器仅在安全地容纳在真空管线(例如，管线102)内时才被接合。在一个实施例中，利用与控制器302耦接的真空开关或压力传感器来产生激光互锁，从而使得控制器302仅在存在足够真空时才接合源308。但是，根据本发明的实施例，也可以使用其他类型的互锁装置。这种互锁装置包括被设计为确保激光器仅当在流动管线(例如，管线102)内安全操作时才被接合的手动开关、手动耦接器或任何其他合适的手动或自动结构。

传感器300还包括其他电子器件312。电子器件312可以通过有线连接从外部耦接到传感器300(例如，如图2所示)，或者可以容纳在传感器300内(例如，如图3和图4所示)。电子器件312可以包括对于在内联粒子传感器而言有必要或有利的任何数量的电子部件，该电子部件包括但不限于WiFi或蓝牙部件、附加电源、显示器等。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在不背离本发明的精神和范围内在形式和细节上进行改变。例如，尽管实施例已经对真空传感器进行了描述，但是鉴于将电子器件与感测区域隔离的优点，实施例可以用于气体具有腐蚀性和/或毒性的非真空环境中。

Claims

1.一种内联粒子传感器，包括：

圆柱形的传感器头，所述传感器头被配置为安装在装配件的膛孔内，所述传感器头包括被配置为将激光发射至真空管线内的激光源，所述传感器头包括配置成提供指示激光散射的粒子的信号的检测电路；以及

电子器件，所述电子器件耦接到所述传感器头并被配置为从所述检测电路接收所述信号，并基于来自所述检测电路的所述信号提供粒子输出。

2.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，散射光检测的主要轴线与粒子流的主要方向大致正交，并且同时与主要激光束方向大致正交。

3.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，所述激光源发射从真空UV至约480nm的波段内的一种波长或多种波长。

4.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，还包括激光互锁装置。

5.根据权利要求4所述的内联粒子传感器，其中，所述激光互锁装置是真空开关，所述真空开关被配置为在选定的真空阈值以下闭合。

6.根据权利要求4所述的内联粒子传感器，其中，所述激光互锁装置包括压力传感器。

7.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，还包括限流器，所述限流器被配置为定位在所述装配件中的端口中的一个端口中。

8.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，所述装配件在真空泵和处理室之间耦接到真空泵管线。

9.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，所述装配件在低压真空泵和高压真空泵之间耦接到真空泵管线。

10.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，所述电子器件从外部耦接到所述传感器头。

11.根据权利要求1所述的内联粒子传感器，其中，所述电子器件容纳在所述传感器头内。

12.一种内联粒子传感器系统，包括：

真空泵；

真空泵管线；

处理室；

装配件，所述装配件流体在所述真空泵和所述处理室之间耦接到所述真空泵管线；

内联粒子传感器，所述内联粒子传感器被插入至所述装配件的膛孔中并且被配置为感测所述传感器系统内的粒子的散射光并产生指示所述粒子的存在的传感器信号；以及

电子器件，所述电子器件耦接到真空粒子传感器，所述电子器件被配置为接收所述传感器信号并基于所述传感器信号产生粒子输出。

13.根据权利要求12所述的内联粒子传感器系统，其中，所述真空泵是低压真空泵或高压真空泵。

14.根据权利要求12所述的内联粒子传感器系统，其中，所述内联粒子传感器包括激光源，所述激光源被配置为发射从UV至约480nm的波长的激光。

15.根据权利要求14所述的内联粒子传感器系统，其中，所述激光源具有约为3.5瓦的输出功率。

16.根据权利要求12所述的内联粒子传感器系统，还包括第二内联粒子传感器，所述第二内联粒子传感器耦接到第二装配件，其中，所述第二装配件在所述真空泵和所述处理室之间流体耦接到所述真空泵管线。