CN112526242B - 半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法，所述半导体工艺设备包括上电极组件、工艺腔室、直流电源、电压检测器和直流滤波器；工艺腔室接地；工艺腔室内设置有静电卡盘；直流滤波器包括电容和电感，电容一端接地，另一端通过电感与静电卡盘中的吸附电极连接，同时与直流电源连接；直流电源通过电感与吸附电极连接；电压检测器与电容连接；上电极组件用于在工艺结束后，继续维持所述工艺腔室中的等离子体；电压检测器用于在上电极组件继续维持所述等离子体时，检测电容上的第一电压，并通过第一电压计算静电卡盘表面的电荷量。该半导体工艺设备实现了工艺腔室内的静电卡盘表面电荷量的可测量性。

Description

半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法。

背景技术

在半导体领域，需要对半导体元件进行工艺制造，例如利用刻蚀机对晶圆进行刻蚀。图1示出了一种常见的刻蚀机结构，如图1所示，1为喷嘴，2为射频线圈，3为介质窗(现有的刻蚀机中介质窗多为石英材料)，4为调整支架，5为腔室，6为内衬，7为放置晶圆的静电卡盘ESC(electrostatic chuck)，用于对晶圆进行吸附和冷却，8为晶圆，9为聚焦环，10为基环，11为下电极，12为摆阀，13为分子泵。在对晶圆进行加工时，工艺气体从喷嘴1进入腔室5，通过摆阀12控制所需要的压力，在射频线圈2的作用下进行电离，产生等离子体，并在下电极11的作用下到达晶圆8的表面，与晶圆发生物理化学反应，从而完成对晶圆的加工。等离子体与晶圆8反应时会产生反应副产物，吸附于介质窗3的下表面、内衬6的内表面以及晶圆8的周边零件。图2所示为晶圆8完成加工后，通过顶针14将晶圆8顶起，然后通过机械手搬运出腔室。

累计一定的工艺时间后，会有大量电子束缚在静电卡盘7的表面，导致晶圆8表面有残余电荷。晶圆8在升针的过程中，会和静电卡盘7表面发生粘连的情况，在由机械手搬运晶圆8的过程中，由于不同位置上的电压差以及静电卡盘7表面的汇聚电荷，导致晶圆8在机械手上发生偏移的情况出现，当偏移量大于3mm时，则会触发报警，机械手停止工作，影响整机使用。

因此，在晶圆加工过程中，亟需一种能够确定出静电卡盘表面电荷量的方法或设备。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法，用以解决晶圆加工过程中无法确定静电卡盘表面电荷量的问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种半导体工艺设备，包括上电极组件、工艺腔室、直流电源、电压检测器和直流滤波器；所述工艺腔室接地；所述工艺腔室内设置有静电卡盘；所述直流滤波器包括电容和电感，所述电容一端接地，另一端通过所述电感与所述静电卡盘中的吸附电极连接，同时与所述直流电源连接；所述直流电源通过所述电感与所述吸附电极连接；所述电压检测器与所述电容连接；

所述上电极组件用于在工艺结束后，继续维持所述工艺腔室中的等离子体；

所述电压检测器用于在所述上电极组件继续维持所述等离子体时，检测所述电容上的第一电压，并通过所述第一电压计算所述静电卡盘表面的电荷量。

采用本发明实施例的半导体工艺设备，通过在工艺腔室和直流电源之间连接一直流滤波器，该直流滤波器包括电感和一端接地的电容，且电容与电压检测器连接，使得电压检测器能够检测出电容上的第一电压，进而通过该第一电压计算出静电卡盘表面的电荷量，从而实现了工艺腔室内的静电卡盘表面电荷量的可测量性。进一步的，静电卡盘表面电荷量的计算结果还可以为晶圆加工过程提供有力支撑，例如在获知静电卡盘表面电荷量的情况下，可通过消除电荷来避免晶圆搬运过程中的倾斜情况，从而避免半导体工艺设备因晶圆倾斜而出现报警或停机现象，提升了半导体工艺设备的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据现有技术中的一种半导体工艺设备的示意性结构图；

图2是根据现有技术中的一种半导体工艺设备中晶圆移出腔室的示意性结构图；

图3是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图；

图4是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备中的静电卡盘的示意性结构图；

图5是根据本发明另一实施例的一种半导体工艺设备的示意性结构图；

图6是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的示意性等效电路图；

图7是根据本发明一实施例的一种静电卡盘表面电荷量的检测方法的示意性流程图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种半导体工艺设备及静电卡盘表面电荷量的检测方法，用以解决晶圆加工过程中无法确定静电卡盘表面电荷量的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图3是根据本发明一实施例的一种半导体工艺设备的示意性结构图，如图3所示，该半导体工艺设备包括上电极组件300、工艺腔室310、直流电源320、电压检测器330和直流滤波器340；工艺腔室310接地(图中未示出)；工艺腔室310内设置有静电卡盘311；直流滤波器340包括电容341和电感342，电容341一端接地(图中未示出)，另一端通过电感342与静电卡盘311中的吸附电极(图中未示出)连接，同时与直流电源320连接；直流电源320通过直流滤波器340与静电卡盘311连接；电压检测器330与电容341连接。

在半导体工艺设备对晶圆进行工艺处理时，直流电源320用于为静电卡盘311供电；静电卡盘311用于吸附放置于静电卡盘311上的晶圆；进入工艺腔室310的工艺气体在工艺腔室310内产生等离子体，等离子体作用于晶圆，并在静电卡盘311表面产生电荷。

上电极组件300用于在工艺结束后，继续维持工艺腔室310中的等离子体。电压检测器330用于在上电极组件311继续维持等离子体时，检测电容341上的第一电压，并通过第一电压计算静电卡盘311表面的电荷量。

本实施例中，直流电源320用于为静电卡盘311提供直流高压电(HV)。在直流高压电的作用下，静电卡盘311对晶圆产生吸附作用。

工艺腔室310的详细结构如图1所示，由于各部件为现有技术，因此不重复赘述。

采用本发明实施例的半导体工艺设备，通过在工艺腔室和直流电源之间连接一直流滤波器，该直流滤波器包括电感和一端接地的电容，且电容与电压检测器连接，使得电压检测器能够检测出电容上的第一电压，进而通过该第一电压计算出静电卡盘表面的电荷量，从而实现了工艺腔室内的静电卡盘表面电荷量的可测量性。进一步的，静电卡盘表面电荷量的计算结果还可以为晶圆加工过程提供有力支撑，例如在获知静电卡盘表面电荷量的情况下，可通过消除电荷来避免晶圆搬运过程中的倾斜情况，从而避免半导体工艺设备因晶圆倾斜而出现报警或停机现象，提升了半导体工艺设备的工作效率。

在一个实施例中，在上电极组件300继续维持等离子体时，静电卡盘311表面产生的电荷为负电荷，吸附电极在负电荷的作用下被极化，并带有正向电荷。

其中，静电卡盘311可包括依次叠放设置的陶瓷层、加热层和铝基座，其中，陶瓷层设置于最上面一层，用于承载晶圆，加热层设置于中间层，铝基座设置于最下层。在晶圆加工过程中，下射频电源输入的射频信号通常加载在铝基座上。吸附电极通常内嵌于陶瓷层内，通过对吸附电极施加直流高压电，使陶瓷层能够吸附表面的晶圆。图4示出了一种静电卡盘311的陶瓷层的结构，在图4中，陶瓷层内嵌有吸附电极DC+(正电极)和DC-(负电极)，通过对吸附电极DC+和DC-施加适当的电压，以确保正负电极对晶圆吸附力的平衡。

在一个实施例中，静电卡盘311的结构会形成电容效应，静电卡盘311可以等效为一个电容，静电卡盘311的上表面相当于该电容的上极板，吸附电极相当于该电容的下极板。

在上电极组件300继续维持等离子体时，工艺腔室310和静电卡盘311在等离子体的作用下电连接，以使静电卡盘311接地，静电卡盘311的下极板上的第二电压和第一电压相等。

本实施例中，在上电极组件300继续维持等离子体时，由于工艺腔室310内部在射频线圈的作用下持续产生射频信号，使工艺气体产生等离子体，因此在等离子体的作用下，工艺腔室310和静电卡盘311可实现电连接(即电连通)。由于工艺腔室310接地，因此静电卡盘311也相当于接地。此时，静电卡盘311上的第二电压(即静电卡盘311的下极板上的第二电压)和电容341的上极板上的第一电压相等。

在一个实施例中，电容341的下极板接地，上极板通过电感342与直流电源320连接。在上电极组件300继续维持等离子体时，电压检测器330用于检测电容341的上极板上的第一电压。

本实施例中，在上电极组件300继续维持等离子体时，静电卡盘311的下极板上的第二电压和电容341的上极板上的第一电压相等，静电卡盘311表面的电荷在静电卡盘311的下极板和电容341的上极板之间重新分配，使得静电卡盘311的下极板和电容341的上极板上均带有电荷。

电感342用于滤除射频信号。直流滤波器340实际上相当于一个射频过滤器，通过该射频过滤器滤除射频信号，避免了工艺腔室中的射频环境泄露，对人体和其他设备(如直流电源320、电压检测器330等)造成影响或损坏。

在一个实施例中，电压检测器330包括电压跟随器，该电压跟随器用于锁定并检测电容341的上极板上的第一电压。

本实施例中，电压检测模块330在测量第一电压时，可近似为一阶0输入响应，对应的时间常数为τ＝RC，由于电容341的电容值(如1360pF)过小，因此电压检测器330检测到的第一电压持续时间较短。通过在电压检测器330中设置电压跟随器，使得电压跟随器能够锁定检测到的第一电压，从而确保电压检测器330能够准确检测到电容341的上极板上的第一电压。

在一个实施例中，电压检测器330还包括计算模块，计算模块和电压跟随器连接。电压跟随器检测到电容341的上极板上的第一电压后，将第一电压传输至计算模块。

计算模块用于根据第一电压和电容341的电容值，计算电容341的上极板表面的第一电荷量；根据第一电压和静电卡盘311的等效电容值计算吸附电极表面的第二电荷量；计算第一电荷量和第二电荷量的和值，作为静电卡盘311表面的电荷量。

本实施例中，电荷量和电压、电容之间的关系可表征为：C＝Q/U。其中，C为电容，Q为电荷量，U为电压。在已知电容和电压的情况下，即可利用该表达式计算出相应的电荷量。

其中，电容341的电容值为已知，优选的，电容341可相当于2个容值为680pF的电容并联，因此电容341的电容值为1360pF。

静电卡盘311的等效电容值可基于静电卡盘311的上表面和吸附电极之间的相对面积、距离、静电卡盘材质的介电常数计算得到。具体表征方式为：C＝εS/d。其中，C为静电卡盘311的等效电容值，ε为静电卡盘311材质的介电常数，S为静电卡盘311的上表面和吸附电极之间的相对面积，d为静电卡盘311的上表面和吸附电极之间的距离。

在一个实施例中，电压检测模块330包括电压跟随器，电压跟随器用于输出电压检测模块330检测到的第一电压。

本实施例中，电压检测模块330在测量第一电压时，可近似为一阶0输入响应，对应的时间常数为τ＝RC，由于第一电容的电容值(如1360pF)过小，因此电压检测模块330检测到的第一电压持续时间较短。通过加入电压跟随器，使得电压跟随器能够锁定电压检测模块330检测到的第一电压，并将该第一电压输出，从而确保电压检测模块330能够准确检测到第一电容的上极板上的第一电压。

在一个实施例中，电压检测模块330包括示波器，示波器可替代电压跟随器，检测电容341上的第一电压，还可以用于显示第一电压对应的波形图。

以下通过一具体实施例，说明利用本发明提供的半导体工艺设备检测静电卡盘表面电荷的原理。

图5是根据本发明另一实施例的一种半导体工艺设备的示意性结构图，如图5所示，该半导体工艺设备包括上电极组件(图中未示出)、工艺腔室、直流电源(DC Power)、电压检测器(Test模块)和直流滤波器(DC Filter)。工艺腔室接地，工艺腔室内设置有ESC，ESC内嵌有吸附电极DC，且ESC表面吸附有晶圆。实际场景中，ESC内嵌的吸附电极DC可包括正电极DC+和负电极DC-。

直流滤波器(DC Filter)包括相互串联的电感和电容C1，电容C1的下极板接地，上极板通过电感与吸附电极DC连接，同时与直流电源(DC Power)连接。电感用于防止工艺腔室中的射频环境泄露。直流电源(DC Power)通过电感与吸附电极DC连接，电压检测器(Test模块)与电容连接。Test模块内包括有电压跟随器。Test模块可采用现有的任一种电压检测器实现。

由图5可看出，ESC表面汇聚了负向电荷，吸附电极DC受负向电荷的极化产生了正向电荷。

图5所示的半导体工艺设备检测ESC表面电荷的原理如下：

在对晶圆进行工艺处理时，直流电源(DC Power)产生直流高压电后，经过直流滤波器(DC Filter)后连入ESC中的吸附电极DC，使吸附电极DC带电，从而对晶圆产生吸附作用。在工艺腔室内的射频线圈(图中未示出)的激发下，工艺腔室内产生了等离子体的射频。在工艺结束后，通过半导体工艺设备中的上电极组件继续维持工艺腔室内的等离子体，即图5所示的SRF(Source RF)，使工艺腔室内持续处于射频环境，这就使得ESC上表面和工艺腔室之间通过等离子体实现了电连接，由于工艺腔室接地，因此此时ESC的上表面也就相当于接地了。由于直流滤波器(DC Filter)中的电容C1的下极板接地，因此此时的电路可等效为图6所示的电路。

如图6所示，假设ESC表面的电荷为Q，在上电极组件继续维持所述等离子体时，ESC表面的电荷Q会在ESC下极板和直流滤波器(DC Filter)的上极板上重新分配，假设重新分配之后，ESC下极板上的电荷记为Q1，直流滤波器(DC Filter)的上极板上的电荷记为Q2，则Q＝Q1+Q2。

通过Test模块检测出直流滤波器(DC Filter)的上极板上的第一电压后，该第一电压也即为ESC下极板上的电压，通过表达式C＝Q/U即可计算出直流滤波器(DC Filter)的上极板上的电荷Q2以及ESC下极板上的电荷Q1，进而通过Q＝Q1+Q2计算出ESC表面的电荷Q。其中，表达式C＝Q/U中的各符号含义已在上述实施例中详述，此处不再赘述。

可见，本实施例提供的半导体工艺设备实现了不易测量的ESC表面电荷量的测量，为晶圆工艺处理过程提供了有力支撑，例如，在获知ESC表面电荷量的情况下，可通过消除电荷来避免晶圆搬运过程中的倾斜情况，从而避免半导体工艺设备因晶圆倾斜而出现报警或停机现象，提升了半导体工艺设备的工作效率。再例如，通过更换ESC内嵌的两个电极的极性，分别测量不同情况下ESC表面积累的电荷，从而验证出ESC内嵌的两个电极的极性更换对电荷积累的影响。

图7是根据本发明一实施例的一种静电卡盘表面电荷量的检测方法的示意性流程图。静电卡盘表面电荷量的检测方法应用于上述任一实施例中的半导体工艺设备，该半导体工艺设备的具体结构已在上述实施例中详细说明，此处不再赘述。如图7所示，静电卡盘表面电荷量的检测方法包括：

S702，在工艺结束后，继续维持工艺腔室中的等离子体。

该步骤中，通过半导体工艺设备中的上电极组件在工艺结束后，继续维持工艺腔室中的等离子体。

S704，检测电容上的第一电压，并通过第一电压计算静电卡盘表面的电荷量。

该步骤中，可通过半导体工艺设备中的电压检测器检测电容上的第一电压。

在一个实施例中，电容的下极板接地，电容的上极板和吸附电极连接，电压检测器包括电压跟随器(可替换为示波器)和计算模块。基于此，在检测电容上的第一电压时，可通过电压跟随器锁定并检测电容的上极板上的第一电压，将检测到的第一电压传输给计算模块，由计算模块通过第一电压计算静电卡盘表面上的电荷量。

在一个实施例中，通过第一电压计算静电卡盘表面的电荷量时，可首先根据第一电压和电容的电容值，计算电容的上极板表面的第一电荷量；然后根据第一电压和静电卡盘的等效电容值计算吸附电极表面的第二电荷量；进而计算第一电荷量和第二电荷量的和值，作为静电卡盘表面的电荷量。

本实施例中，可根据以下公式计算静电卡盘的等效电容值：

C＝εS/d，

其中，C为等效电容值，ε为静电卡盘材质的介电常数，S为静电卡盘上表面与吸附电极之间的相对面积，d为电卡盘上表面与吸附电极之间的距离。

采用本发明实施例的技术方案，实现了工艺腔室内的静电卡盘表面电荷量的可测量性。并且，静电卡盘表面电荷量的计算结果还可以为晶圆加工过程提供有力支撑，例如在获知静电卡盘表面电荷量的情况下，可通过消除电荷来避免晶圆搬运过程中的倾斜情况，从而避免半导体工艺设备因晶圆倾斜而出现报警或停机现象，提升了半导体工艺设备的工作效率。

综上，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

还需要说明的是，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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括上电极组件、工艺腔室、直流电源、电压检测器和直流滤波器；所述工艺腔室接地；所述工艺腔室内设置有静电卡盘；所述直流滤波器包括电容和电感，所述电容一端接地，另一端通过所述电感与所述静电卡盘中的吸附电极连接，同时与所述直流电源连接；所述直流电源通过所述电感与所述吸附电极连接；所述电压检测器与所述电容连接；

所述上电极组件用于在工艺结束后，继续维持所述工艺腔室中的等离子体，以使所述工艺腔室和所述静电卡盘通过所述等离子体实现电连接；

所述电压检测器用于在所述上电极组件继续维持所述等离子体时，检测所述电容上的第一电压，并通过所述第一电压计算所述静电卡盘表面的电荷量；

所述电容的下极板接地，所述电容的上极板通过所述电感与所述吸附电极连接；

所述电压检测器用于检测所述电容的上极板上的所述第一电压；

所述静电卡盘包括依次叠放设置的陶瓷层、加热层和铝基座；所述吸附电极内嵌于所述陶瓷层内。

2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压检测器包括电压跟随器，所述电压跟随器用于锁定并检测所述电容的上极板上的所述第一电压。

3.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压检测器包括示波器，所述示波器用于检测所述电容的上极板上的所述第一电压，并显示所述第一电压对应的波形图。

4.根据权利要求2或3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压检测器还包括计算模块，所述计算模块和所述电压跟随器或所述示波器连接；

所述计算模块用于根据所述第一电压和所述电容的电容值，计算所述电容的上极板表面的第一电荷量；根据所述第一电压和所述静电卡盘的等效电容值计算所述吸附电极表面的第二电荷量；计算所述第一电荷量和所述第二电荷量的和值，作为所述静电卡盘表面的电荷量。

5.根据权利要求4所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述计算模块还用于根据以下公式计算所述静电卡盘的等效电容值：

C＝εS/d，

其中，C为所述等效电容值，ε为所述静电卡盘材质的介电常数，S为所述静电卡盘上表面与所述吸附电极之间的相对面积，d为所述静电卡盘上表面与所述吸附电极之间的距离。

6.一种静电卡盘表面电荷量的检测方法，应用于权利要求1至5任一项所述的半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括上电极组件、工艺腔室、直流电源、电压检测器和直流滤波器；所述工艺腔室接地；所述工艺腔室内设置有静电卡盘；所述直流滤波器包括电容和电感，所述电容一端接地，另一端通过所述电感与所述静电卡盘中的吸附电极连接，同时与所述直流电源连接；所述直流电源通过所述电感与所述吸附电极连接；所述电压检测器与所述电容连接；

所述检测方法包括：

在工艺结束后，继续维持所述工艺腔室中的等离子体；

检测所述电容上的第一电压，并通过所述第一电压计算所述静电卡盘表面的电荷量。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述电容的下极板接地，所述电容的上极板和所述吸附电极连接，所述电压检测器包括电压跟随器或示波器；

所述检测所述电容上的第一电压，包括：

通过所述电压跟随器锁定并检测所述电容的上极板上的所述第一电压；或者

通过所述示波器检测所述电容的上极板上的所述第一电压，并显示所述第一电压对应的波形图。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述通过所述第一电压计算所述静电卡盘表面的电荷量，包括：

根据所述第一电压和所述电容的电容值，计算所述电容的上极板表面的第一电荷量；

根据所述第一电压和所述静电卡盘的等效电容值计算所述吸附电极表面的第二电荷量；

计算所述第一电荷量和所述第二电荷量的和值，作为所述静电卡盘表面的电荷量。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，根据以下公式计算所述静电卡盘的等效电容值：

C＝εS/d，

其中，C为所述等效电容值，ε为所述静电卡盘材质的介电常数，S为所述静电卡盘上表面与所述吸附电极之间的相对面积，d为所述静电卡盘上表面与所述吸附电极之间的距离。