CN113430495A - 一种半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备，包括控制装置、工艺电源、工艺腔室和设置在工艺腔室中的基座，基座上设置有用于承载晶圆的承载盘，承载盘上设置有至少一个可与晶圆电接触的探头，探头通过部分穿设于基座中的导线与工艺腔室外部的工艺电源电连接，构成一断路回路；半导体工艺设备还包括检测组件，检测组件用于检测断路回路是否导通；控制装置用于在检测组件检测到断路回路导通时，控制工艺电源停止运行。在本发明中，检测组件能够在内衬等器件与晶圆导通时，及时检测到探头与工艺电源电连接并构成的断路回路导通，进而控制装置可以及时控制工艺电源停止运行，使半导体工艺停止，消除了晶圆上的器件被击穿的风险，提高了晶圆及器件的产品良率。

Description

一种半导体工艺设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备。
背景技术
随着半导体元器件制造工艺的迅速发展，对元器件性能与集成度要求越来越高，等离子体技术被广泛应用在半导体工艺中。在物理气相沉积(Physical VapourDeposition，PVD)磁控溅射沉积系统中，通过在真空反应腔室内引入各种反应气体(如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、氧气(O2)等)，利用外加电磁场(直流或交流)使气体原子内束缚电子摆脱势阱成为自由电子，获得动能的自由电子再与分子、原子或离子产生碰撞使得气体完全解离，形成等离子体。等离子体中含有大量电子、离子(包括正离子和负离子)、激发态原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体中的晶圆表面相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理化学反应，完成沉积工艺。
典型的PVD设备结构如图1所示，主要包括靶材1、腔体2、基座7、进气口8、冷泵9、冷泵门阀10和用于承载晶圆5的承载盘6，腔体2内还设置有内衬3、卡环4和沉积环11，用于保护腔体内壁和冷泵免受溅镀污染。溅射工艺开始前基座7通过电机驱动升至工艺位，作为工艺气体的氩气或氮气从进气口8进入腔内，配合冷泵的抽气作用，共同维持腔内所需要的工艺压力。当晶圆5传进腔室后，基座7升至工艺位，此时卡环4被顶起，脱离内衬3，由于基座7与腔体2间有陶瓷环绝缘，因此此时晶圆5、承载盘6、基座7、卡环4、沉积环11对地不导通，形成悬浮电位，内衬3、腔体2处于导通接地状态；工艺进行时等离子体充满整个腔室从而与晶圆反应并得到薄膜。
然而，卡环4在反复升降过程中存在偏移风险，尽管卡环4和内衬3在机械设计上有一定的活动余量，卡环4在发生偏移后仍可能与内衬3打火甚至接触连通，进而导致晶圆5上有电流通过，使晶圆5上的芯片器件产生严重的击穿现象，导致芯片器件失效，影响芯片器件的产品良率。
因此，如何提供一种能够消除晶片被击穿的隐患、提高芯片器件的产品良率的半导体工艺设备，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备能够消除晶片被击穿的隐患、提高芯片器件的产品良率。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备，包括控制装置、工艺电源、工艺腔室和设置在所述工艺腔室中的基座，所述基座上设置有用于承载晶圆的承载盘，所述承载盘上设置有至少一个可与所述晶圆电接触的探头，所述探头通过部分穿设于所述基座中的导线与所述工艺腔室外部的所述工艺电源电连接，构成一断路回路；
所述半导体工艺设备还包括检测组件，所述检测组件用于检测所述断路回路是否导通；
所述控制装置用于在所述检测组件检测到所述断路回路导通时，控制所述工艺电源停止运行。
可选地，所述检测组件包括示波器，所述探头通过所述示波器与所述工艺电源电连接，所述示波器用于通过所述探头获取所述晶圆在所述探头所接触位置的电位，以检测所述断路回路是否导通。
可选地，所述示波器还用于将所述至少一个探头检测到的电位放大，得到电位信息，并将所述电位信息发送至所述控制装置；
所述控制装置还用于判断所述电位信息是否大于预设阈值，并在所述电位信息大于所述预设阈值时，控制所述工艺电源停止运行。
可选地，所述探头的数量为多个，多个所述探头在所述承载盘上的位置与所述晶圆上的多个芯片单元的位置一一对应。
可选地，多个所述探头分别与所述示波器连接，所述示波器用于获取所述晶圆与每个所述探头电接触的位置的电位。
可选地，所述控制装置还用于在所述晶圆上至少一个位置的电位对应的电位信息超出所述预设阈值时，控制所述工艺电源停止运行，并记录对应的所述探头的位置。
可选地，所述承载盘上形成有多个检测孔，多个所述探头通过高温陶瓷胶一一对应地固定设置在多个所述检测孔中。
可选地，所述基座包括基座本体和驱动轴，所述承载盘设置在所述基座本体上，所述驱动轴的第一端与所述基座本体的底壁固定连接，所述驱动轴的第二端穿过所述工艺腔室底部的通孔，延伸至所述工艺腔室的外部；
所述基座本体和所述驱动轴中形成有贯通的集线孔，所述示波器位于所述工艺腔室外，多个所述探头对应的多根所述导线穿过所述集线孔与所述示波器连接。
可选地，驱动轴位于所述工艺腔室内部的部分上套设有绝缘环，所述绝缘环位于所述工艺腔室的底壁上，用于使所述基座与所述工艺腔室绝缘。
可选地，驱动轴位于所述工艺腔室外部的部分上套设有滤波板，用于滤除干扰电信号。
在本发明提供的半导体工艺设备中，探头通过导线与工艺电源的一极电连接并构成正常情况下为断路状态的断路回路，检测组件用于检测断路回路的通断状态，从而能够在与工艺电源的另一极电连接的内衬等器件通过卡环、承载盘与晶圆导通时，及时检测到该断路回路导通，进而控制装置可以及时控制工艺电源停止运行，以避免晶圆在与工艺电源的两极短路的状态下继续进行半导体工艺，消除了晶圆上的器件被击穿的风险，提高了晶圆及器件的产品良率。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是一种现有的半导体工艺设备的结构示意图；
图2是图1中半导体工艺设备在一种状态下的等效电路示意图；
图3是图1中半导体工艺设备在另一种状态下的等效电路示意图；
图4是本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的半导体工艺设备中承载盘的表面结构示意图；
图6是本发明实施例中晶圆上多个芯片单元的排布规律示意图；
图7是本发明另一实施例提供的半导体工艺设备中承载盘的表面结构示意图；
图8是本发明实施例提供的半导体工艺设备在一种状态下的等效电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图2所示为半导体工艺设备处于正常状态时的等效电路示意图，腔室内的电流回路路径为：电源正极→腔体2→内衬3→等离子体→靶材1→电源负极。半导体工艺设备处于故障状态时，如图3所示，内衬3与基座7之间由悬浮状态转为连接状态(图中虚线所示连接关系)，此时，腔室内的电流回路包括路径一：电源正极→腔体2
→内衬3→等离子体→靶材1→电源负极；以及路径二：电源正极→
腔体2→内衬3→卡环4→沉积环11→基座7→承载盘6→晶圆5→等离子体→靶材1→电源负极。
当卡环4发生偏移并与内衬3导通后，新产生的电流路径二由卡环4导通至晶圆5，并通过晶圆5与晶圆5上方的等离子体导通形成回路。现有技术中通常采用检测电源与靶材之间的电压电流参数的方式来判断工艺腔室中是否发生了短路等故障，然而，由于等离子体(plasma)并不具有导体的导电性，即使卡环4与内衬3短路，形成的路径二回路中的电阻较大，其反馈到电源的电压波动很小(例如金属氮化物工艺所需的电源电压通常为570V左右，而发生卡环4与内衬3短路的异常情况时电源与靶材之间的电压往往只有2～3V的波动)，波动比例约0.5％，该故障产生的微小电压变化难以与其他影响工艺电压的因素区分开，因此很难被识别。
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体工艺设备，包括控制装置15(Software control)、工艺电源、工艺腔室和设置在工艺腔室中的基座7，基座7上设置有用于承载晶圆5的承载盘6，承载盘6上设置有至少一个可与承载盘6所承载的晶圆5电接触的探头6-1，探头6-1通过部分穿设于基座中的导线16与工艺腔室外部的工艺电源电连接，构成一断路回路。
半导体工艺设备还包括检测组件，检测组件用于检测断路回路是否导通；控制装置15用于在检测组件检测到断路回路导通时，控制工艺电源停止运行。
在本发明中，半导体工艺设备还包括探头6-1和检测组件，探头6-1通过导线16与工艺电源的一极电连接并构成正常情况下为断路状态的断路回路，检测组件用于检测断路回路的通断状态，从而能够在与工艺电源的另一极电连接的内衬3等器件通过卡环4、承载盘6与晶圆5导通(即，将工艺电源的另一极与晶圆5导通)时，及时检测到该断路回路导通，进而控制装置15可以及时控制工艺电源停止运行，以避免晶圆5在与工艺电源的两极短路的状态下继续进行半导体工艺，消除了晶圆5上的器件被击穿的风险，提高了晶圆及器件的产品良率。
本发明对半导体工艺设备中工艺电源的种类不做具体限定，例如，可选地，该工艺电源可以为直流稳压电源(voltage-stabilized source，DC)。如图4所示，直流稳压电源通过导线18与靶材1以及工艺腔室的腔体电连接，控制装置15通过互联控制线17与直流稳压电源连接。
本发明实施例对检测组件如何检测断路回路是否导通不做具体限定，例如，可选地，如图4所示，检测组件包括示波器14(oscilloscope，OSC)，探头6-1通过导线16(示波器探测线)与示波器14电连接，并通过示波器14与工艺电源电连接，示波器14用于通过探头6-1获取晶圆5在探头6-1所接触位置的电位，以检测断路回路是否导通。
示波器14作为一种用途十分广泛的电子测量仪器，能够将电信号变换成便于观测的电压、电流信号幅度随时间变化的波形曲线图像。在本发明实施例中，探头6-1设置在承载盘6上，示波器14通过探头6-1可以直接精确地获取承载盘6所承载的晶圆5上的电位，从而可以直观地观测晶圆5的电位是否发生变化，进而提高故障检测精度。
如图8所示，当内衬3与基座7之间由悬浮状态转为连接状态时(即腔室内的电流路径二导通时)，晶圆5上的电位发生变化，从而被示波器14检测并生成包含该异常电位的电位信息，控制装置15根据该电位信息判断发生了异常并通过互联控制线17控制直流稳压电源停止工作。
需要说明的是，探头6-1仅用于接触晶圆5的底面，并不用于支撑承载盘6上的晶圆5，且探头6-1的体积极小(为便于识别，图中探头6-1图案点径较大)，不会影响晶圆5放置在承载盘6上的水平度。
为保证晶圆5在承载盘6上的水平度并提高晶圆5位置的稳定性，优选地，如图5、图7所示，承载盘6的承载面上形成有外支撑凸起6-2和内支撑凸起6-3，外支撑凸起6-2和内支撑凸起6-3均为绕承载盘6轴线的不连续环状凸起图案，用于支撑晶圆5并防止晶圆5在承载盘6的承载面上发生滑片。外支撑凸起6-2和内支撑凸起6-3的高度(即沿承载盘6的厚度方向、图中上下方向的尺寸)一致，本发明实施例对外支撑凸起6-2和内支撑凸起6-3的高度不做具体限定，例如，可选地，外支撑凸起6-2和内支撑凸起6-3的高度可以为0.2mm。
为便于对晶圆5的放置位置进行定位，优选地，如图5、图7所示，承载盘6的承载面上还形成有中心孔6-5，中心孔6-5的位置与承载盘6的轴线位置重合。如图5、图7所示，承载盘6上还形成有多个(如，3个)沿厚度方向贯穿承载盘6的Pin针孔6-4，在基座7、承载盘6下降并脱离晶圆5时，由多个Pin针穿过多个Pin针孔6-4并顶起晶圆5，以便机械手等装置将晶圆5由工艺腔室中取出。
为进一步提高故障检测精度，优选地，示波器14还用于将至少一个探头6-1检测到的电位放大，得到电位信息，并将电位信息发送至控制装置。控制装置51还用于判断电位信息是否大于预设阈值，并在电位信息大于预设阈值时，控制工艺电源停止运行。在本发明实施例中，示波器14将放大后的电位信号(电位信息)发送至控制装置15，控制装置15将放大后的每个电位信号与晶圆5对应的正常电位范围等比例放大后的范围进行比较(即与预设阈值进行比较)，以确定晶圆5上各位置的电位是否超出正常电位范围，并在晶圆5上的电位超出正常电位范围时及时控制工艺电源停止运行。
为进一步提高半导体工艺的安全性，优选地，如图5所示，探头6-1的数量为多个，多个探头6-1在承载盘6上的位置与承载盘6所承载的晶圆5上的多个芯片(Die)单元的位置一一对应。
为进一步提高芯片器件的产品良率，优选地，多个探头分别(通过独立的导线16)与示波器14连接，示波器14用于获取晶圆与每个探头6-1电接触的位置的电位。如图6所示为晶圆5上的多个芯片单元在晶圆5上阵列排列的示意图(晶圆5边缘的黑色块表示不完整的芯片单元，在将加工后的晶圆5裁切为多个芯片器件时黑色块对应的部分废弃)。如图5、图6所示，检测组件的多个探头6-1在承载盘6上的位置与晶圆5上的多个芯片单元的位置一一对应，从而在任一芯片单元的电位发生变化时，检测组件均可通过对应位置的探头6-1检测到，提高了对晶圆5上各芯片单元的检测效果，进一步提高了半导体工艺的安全性。
作为本发明的一种可选实施方式，如图8所示，半导体工艺设备还包括汇线盒靶材1以及示波器14均通过汇线盒与工艺电源连接。
为进一步提高芯片器件的产品良率，优选地，控制装置15还用于在晶圆5上至少一个位置的电位对应的电位信息超出预设阈值时，控制工艺电源停止运行，并记录对应的探头6-1的位置。
在本发明实施例中，控制装置15还用于在晶圆5上存在电位异常的芯片单元时，对该芯片单元的位置(即对应的探头6-1的位置)进行记录，以便于在晶圆5加工完成后，根据记录的位置信息对出现过电位异常情况的芯片单元进行排查，从而及时筛除因电位异常而被击穿损坏的残次品，进一步提高了芯片器件的产品良率。
为提高承载盘6上温度的均匀性，优选地，探头6-1固定设置在承载盘6中，具体地，承载盘6上形成有多个检测孔，多个探头6-1通过高温陶瓷胶一一对应地固定设置在多个检测孔中。
在本发明实施例中，探头6-1通过高温陶瓷胶(最高耐受温度大于1000℃)固定设置在承载盘6中，检测孔与探头6-1之间的间隙被高温陶瓷胶填充，在确保探头不松动的同时，还能够避免出现间隙大小不一致的情况，保证了基座7中的加热组件或水冷组件通过承载盘6与晶圆5进行热量交换时承载盘6各位置热量分布的均匀性，此外各检测孔位置与探头6-1对应，即多个检测孔在承载盘6上阵列排布，进一步保证了承载盘6各处温度的均匀性。
作为本发明的一种可选实施方式，如图4所示，基座7包括基座本体和驱动轴，承载盘6设置在基座本体上，驱动轴的第一端与基座本体的底壁固定连接，驱动轴的第二端穿过工艺腔室底部的通孔，延伸至工艺腔室的外部。
为提高半导体工艺的安全性，延长示波器14、控制装置15的使用寿命，优选地，如图4所示，基座本体和驱动轴中形成有贯通的集线孔，示波器14位于工艺腔室外，多个探头6-1对应的多根导线16穿过集线孔与示波器14连接。
在本发明实施例中，示波器14位于工艺腔室外，导线16穿过集线孔与工艺腔室内部的承载盘6上的探头6-1连接，从而可以避免示波器14、控制装置15受工艺腔室中的环境影响，延长了示波器14、控制装置15的使用寿命，并消除了示波器14、控制装置15在半导体工艺过程中发生故障干扰半导体工艺的安全隐患。
优选地，如图4所示，驱动轴位于工艺腔室内部的部分上套设有绝缘环12，绝缘环12位于工艺腔室的底壁上，用于使基座与工艺腔室绝缘。本发明实施例对绝缘环12的材质不做具体限定，为避免绝缘环12与驱动轴之间摩擦产生颗粒物污染腔室环境，优选地，绝缘环12可以为陶瓷材质。
优选地，如图4所示，驱动轴位于工艺腔室外部的部分上套设有滤波板13，用于滤除干扰电信号。本发明实施例对滤波板13的结构不作具体限定，例如，滤波板13可以为PCB电路板，滤波板13上的电路结构设置为能够滤除基座7中的加热丝等电子器件产生的交流信号(干扰电信号)，以避免这些交流信号干扰承载驱动组件并影响基座7的悬浮状态。
为避免示波器14与工艺腔室中的结构之间发生短路，优选地，示波器14的绝缘电阻大于100MΩ、基座7的绝缘电阻大于79.5MΩ。
为便于操作人员及时发现并处理内衬3位置偏移等异常情况，优选地，控制装置15还用于在晶圆5上至少一个位置的电位超出预设电位范围时，发出报警提示信号。
本发明实施例对该报警提示信号的种类不做具体限定，例如，可选地，该报警提示信号可以包括发光装置(如灯泡)闪烁、蜂鸣器鸣响。或者，优选地，在半导体工艺设备包括显示屏的情况下，该报警提示信号可以包括在显示屏显示画面中弹出报警窗口。
在多个探头6-1在承载盘6上的位置与承载盘6所承载的晶圆5上的多个芯片(Die)单元的位置一一对应的情况下，进一步优选地，该报警提示信号包括异常芯片的位置信息。
具体地，异常芯片的位置信息可通过图6所示画面进行展示，在本发明实施例中，控制装置15对示波器14连接的每个探头6-1进行标记定位，并反馈到软件界面，再将芯片图形可视化处理到软件中，以区分每个位置的芯片，从而实现芯片的精确定位，确保当某个芯片出现电位异常时，软件可以通过对每个探头的定位快速识别该芯片位置，并对发生异常的芯片进行软件预警，并通过图6所示画面展示给操作人员，提高了定位潜在报废芯片器件的效率。
在本发明中，探头6-1通过导线16与工艺电源的一极电连接并构成正常情况下为断路状态的断路回路，检测组件用于检测断路回路的通断状态，从而能够在与工艺电源的另一极电连接的内衬3等器件通过卡环4、承载盘6与晶圆5导通(即，将工艺电源的另一极与晶圆5导通)时，及时检测到该断路回路导通，进而控制装置15可以及时控制工艺电源停止运行，以避免晶圆5在与工艺电源的两极短路的状态下继续进行半导体工艺，消除了晶圆5上的器件被击穿的风险，提高了晶圆及器件的产品良率。
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 (10)

1.一种半导体工艺设备，包括控制装置、工艺电源、工艺腔室和设置在所述工艺腔室中的基座，其特征在于，所述基座上设置有用于承载晶圆的承载盘，所述承载盘上设置有至少一个可与所述晶圆电接触的探头，所述探头通过部分穿设于所述基座中的导线与所述工艺腔室外部的所述工艺电源电连接，构成一断路回路；
所述半导体工艺设备还包括检测组件，所述检测组件用于检测所述断路回路是否导通；
所述控制装置用于在所述检测组件检测到所述断路回路导通时，控制所述工艺电源停止运行。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述检测组件包括示波器，所述探头通过所述示波器与所述工艺电源电连接，所述示波器用于通过所述探头获取所述晶圆在所述探头所接触位置的电位，以检测所述断路回路是否导通。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述示波器还用于将所述至少一个探头检测到的电位放大，得到电位信息，并将所述电位信息发送至所述控制装置；
所述控制装置还用于判断所述电位信息是否大于预设阈值，并在所述电位信息大于所述预设阈值时，控制所述工艺电源停止运行。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述探头的数量为多个，多个所述探头在所述承载盘上的位置与所述晶圆上的多个芯片单元的位置一一对应。
5.根据权利要求4所述的半导体工艺设备，其特征在于，多个所述探头分别与所述示波器连接，所述示波器用于获取所述晶圆与每个所述探头电接触的位置的电位。
6.根据权利要求5所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述晶圆上至少一个位置的电位对应的电位信息超出所述预设阈值时，控制所述工艺电源停止运行，并记录对应的所述探头的位置。
7.根据权利要求4所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述承载盘上形成有多个检测孔，多个所述探头通过高温陶瓷胶一一对应地固定设置在多个所述检测孔中。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述基座包括基座本体和驱动轴，所述承载盘设置在所述基座本体上，所述驱动轴的第一端与所述基座本体的底壁固定连接，所述驱动轴的第二端穿过所述工艺腔室底部的通孔，延伸至所述工艺腔室的外部；
所述基座本体和所述驱动轴中形成有贯通的集线孔，所述示波器位于所述工艺腔室外，多个所述探头对应的多根所述导线穿过所述集线孔与所述示波器连接。
9.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，驱动轴位于所述工艺腔室内部的部分上套设有绝缘环，所述绝缘环位于所述工艺腔室的底壁上，用于使所述基座与所述工艺腔室绝缘。
10.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，驱动轴位于所述工艺腔室外部的部分上套设有滤波板，用于滤除干扰电信号。
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