CN114695044A - 一种基座组件以及等离子体处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于等离子体处理设备的基座组件，包括设置在基座组件中的多个声发射传感器。声发射传感器能够通过声学传播检测并定位微弧放电现象。
Description
技术领域
本发明涉及半导体处理设备的技术领域，尤其涉及一种基座组件以及具有该基座组件的等离子体处理设备。
背景技术
对半导体基片或衬底的微加工是一种众所周知的技术，可以用来制造例如，处理器芯片、存储器芯片、微机电系统、光电器件、太阳能电池等。微加工制造的一个重要步骤为等离子体刻蚀步骤，该步骤在一反应室内部进行，工艺气体被输入至该反应室内。射频源被电感和/或电容耦合至反应室内部来激励工艺气体形成等离子体，进行反应离子刻蚀。
随着工艺中关键尺寸的不断缩小，需要更苛刻的工艺条件，例如输出更高的射频功率、更高的偏置电压等。这些条件将增加电压击穿或电弧放电的可能性，这将导致反应腔中各部件的损坏，甚至可能会发生该部件的不可逆转性故障。因此，检测和定位这种电弧事件对部件寿命的延长以及半导体处理工艺的优化和完善具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种用于等离子体处理设备的基座组件，包括：
基座；
静电吸盘，设置在所述基座上方，用于承载待处理基片；
结合层，用于结合所述基座与所述静电吸盘；
多个声发射传感器，用于检测电弧放电以及定位所述电弧放电在所述等离子体处理设备中的位置。
可选的，所述多个声发射传感器是至少三个声发射传感器，用于定位在所述静电吸盘上的电弧放电的位置。
可选的，所述至少三个声发射传感器设置在所述静电吸盘中，靠近所述静电吸盘的下表面。
可选的，所述至少三个声发射传感器设置在所述结合层中。
可选的，所述至少三个声发射传感器设置在所述基座中，靠近所述基座的上表面。
可选的，所述声发射传感器的工作频率范围是10kHz-100kHz。
可选的，基座组件还包括射频滤波器和处理单元，所述射频滤波器与所述声发射传感器连接，所述处理单元接收并处理来自所述射频滤波器的经滤波的电信号。
可选的，基座组件还包括射频滤波器、光电转换器和处理单元，所述射频滤波器与所述声发射传感器连接；光电转换器连接所述射频滤波器与处理单元，接收来自所述射频滤波器的电信号并将其转换为光信号；所述处理单元接收并处理来自所述光电转换器的光信号。
可选的，所述光电转换器与所述处理单元通过光纤连接。
本发明还提供一种等离子体处理设备，包括：
真空反应腔；
气体供应装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体；
上述的基座组件，所述基座组件设置在所述真空反应腔的内部。
本发明还提供一种等离子体处理设备，包括：
真空反应腔；
气体供应装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体；
基座，设置在所述真空反应腔的内部且其上承载待处理基片；
多个声发射传感器，设置在所述基座中，用于检测电弧放电以及定位所述电弧放电的在所述等离子体处理设备中的位置。
本发明提供了一种用于等离子体处理设备的基座组件，包括设置在基座组件中的多个声发射传感器。声发射传感器能够通过声学传播检测到微小的等离子体放电现象。由于声发射传感器设置在靠近基片的基座组件中，其比传统的设置在反应腔腔壁上的声发射传感器更能检测到基片与基座组件之间或者基片周围的微弧放电。此外，设置三个以上的声发射传感器不仅能够检测到基片周围的微弧放电现象，通过信号的处理还能准确定位出在基片或基座组件上微弧放电的具体位置，从而为精确的基片检测提供积极帮助，尤其是在小关键尺寸的工艺处理中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出了根据本发明的一个实施例的等离子体处理设备的结构示意图。
图2是图1中的基座组件的具体结构示意图。
图3示出了根据另一个实施例的基座组件的结构示意图。
图4示出了根据另一个实施例的基座组件的结构示意图。
图5示出了根据另一个实施例的基座组件的结构示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的定位微弧放电的位置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
等离子体放电是经常发生在等离子体处理设备中的事件。当在等离子体处理腔体中激发出等离子体时，在腔体的部件之间或者部件表面会产生等离子体放电现象，例如在气体喷淋头的气孔内部、在静电吸盘的氦气通孔或升降孔中、或者在静电吸盘上表面和待处理基片的下表面之间等。等离子体放电满足“帕邢定律”，该定律是表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。具体而言，两个物体(例如，电极)之间的击穿电压与气体气压和两物体之间的距离之乘积呈一定的函数关系。通常来说，该击穿电压与该乘积的关系是：随着乘积值的变大，击穿电压值先迅速降低至最小值然后增大。因此，为了使击穿电压的阈值较高，需避开最小值附近的气压与距离的乘积取值，也就是说气压与距离的取值越大越好。但由于气压受到真空环境的限制以及距离受到反应腔中各部件的结构约束，使得它们的乘积并不能符合所需的较大值，从而放电现象在腔体中时有发生。
微弧放电是等离子体放电的一种形式，它会突然发生在制造集成电路的反应腔体中并损坏部分零部件。微弧放电通常发生在基片、基座、电极和溅射靶材中。它不仅降低了大规模集成电路的产品良率，还降低了等离子体处理设备的处理效率，因为处理设备必须停留较长时间以找到放电位置以修复被损坏的部件。微弧放电和普通的等离子体放电相比放电量较小，易被忽视。然而，当微弧放电发生在基片周围时，即使较小的电量也会对基片产生实质影响。此外，随着大规模集成电路的制造工艺中的关键尺寸越来越小，在基片上的微结构之间的微弧放电的强度也会相应变小，使其变得更不易察觉。但是，有缺陷的基片会进入下一步的处理工艺，从而造成成品基片的良率变低。因此，需要检测并定位这种处理工艺中发生的微弧放电。
利用声发射传感器能有效地检测等离子处理设备中的微弧放电事件。声发射传感器是声发射检测系统的重要部分，其基于晶体元件的压电效应。压电效应即为压电陶瓷在受力产生变形时表面出现电荷的现象。声波的传播实质是一种质点运动。质点的运动传递到传感器的接触面的时候，带动压电陶瓷上的质子运动，从而对压电陶瓷产生压缩和拉伸的效果，进而转换为电压信号，送入信号处理器，完成声波到电信号波的转变过程。声发射传感器主要有4种，分别是谐振式传感器、宽带传感器、差动(差分)型传感器和内置前放传感器。在声发射检测中，大多使用的是谐振式声发射传感器和宽带响应的声发射传感器。
图1示出了根据本发明的一个实施例的等离子体处理设备的结构示意图，特别地，该等离子体处理设备为等离子体刻蚀设备100。等离子体刻蚀设备100具有一个处理腔体，处理腔体基本上为圆柱形，且处理腔体侧壁101基本上垂直，处理腔体内具有相互平行设置的基座组件102和气体供应装置。在该实施例中，该气体供应装置为气体喷淋头103。通常，在基座组件102与气体喷淋头103之间的区域为等离子体处理区域P，基座组件102和气体喷淋头103作为上下电极被馈入高频能量以点燃和维持等离子体。在基座组件102上方放置待要加工的基片W，该基片W可以是待要刻蚀或加工的半导体基片或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。其中，所述基座组件102用于夹持基片W。基座组件102中设置有若干个声发射传感器107，用于检测与定位基座组件102或者等离子体刻蚀设备100中的其他部件的等离子体放电，尤其是微弧放电事件。下文将具体描述声发射传感器107的结构和作用。
反应气体从气体源105中被输入至处理腔体内的气体喷淋头103。在一个实施例中，该反应气体可以是氟化物气体、氧气和氯气中的一种或多种气体。一个或多个射频电源104可以被单独地施加在基座组件102上或同时被分别地施加在基座组件102与气体喷淋头103上，用以将射频功率输送到这些部件上，从而在处理腔体内部产生大的电场。大多数电场线被包含在基座组件102与气体喷淋头103之间的处理区域P内，此电场对少量存在于处理腔体内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，进行基片加工，如刻蚀、沉积等。在等离子体刻蚀腔室的合适的某个位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置(例如真空泵106)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出腔室。其中，等离子体约束环108用于将等离子体约束于处理区域P内。腔室侧壁101连接接地端。在该实施例中，等离子体刻蚀设备100还包括气体通道，所述气体通道设置于基座组件102之中。其中，所述气体通道的长度足够贯通整个基座组件102，并且气体通道在靠近基片W的一端具有一喷气口，该喷气口能够对着其上放置的基片W背面吹入冷却气体以冷却处理中的基片。
图2是图1中的基座组件的具体结构示意图。为了描述清楚、简洁，跟图1中相同的零部件采用相同的标号进行描述。如图2所示，基座组件102包括静电吸盘201、结合层202和基座203。该静电吸盘201通过结合层203结合到基座203上。静电吸盘201上方承载待处理基片W，其内部嵌有电极204，直流电压输入该电极以产生静电而吸附上方的待处理基片W。静电吸盘201通常由半导体或绝缘陶瓷材料制成，例如氧化铝、氮化铝、碳化硅等。基座203通常由导电金属材料制成，例如铝、不锈钢或钛等。射频(RF)功率通过射频电源输送到基座203以激发等离子体。结合层202用于粘合静电吸盘201与基座203，通常为硅胶。
在该实施例中，在基座203的上表面处还设置有声发射传感器107。如图2所示，若干个(例如，至少三个)声发射传感器107设置在基座203的上部，其耦合面与基座203的上表面齐平，并与结合层202接触。声发射传感器107包括耦合面、压电元件以及导线。压电元件的一面通过导电胶与耦合面粘结，另一面通过导线与外部设备(诸如信号处理单元、滤波器等)连接。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等陶瓷晶片，当发生微弧放电时起到声电转换作用；耦合面起到绝缘和保护压电元件的作用。在另一个实施例中，声发射传感器107还包括接地的外壳体，起到屏蔽电磁干扰的作用。在另一个实施例中，声发射传感器107还包括阻尼材料，其设置在外壳体内部的压电元件周围，起到抑制部分谐振的作用。
通常，金属基座中的声学阻抗接近于绝缘材料中的10倍，所以，声发射传感器还可以设置在静电吸盘或结合层之类的绝缘材料中以更灵敏地测量微弧放电信号。此外，声发射传感器设置在更靠近基片的静电吸盘或结合层也能提高放电信号的精确度。如图3所示，若干个声发射传感器107设置在基座203与静电吸盘201之间的结合层中。声发射传感器107的上表面(即耦合面)与静电吸盘201的下表面接触。在另一个实施例中，发射传感器107的上表面(即耦合面)可以与静电吸盘201的下表面不接触。或者，如图4所示，若干个声发射传感器107设置在静电吸盘201中。具体地，声发射传感器107设置在静电吸盘201中的电极204与静电吸盘201的下表面之间。在另一个实施例中，声发射传感器107设置在静电吸盘201中的电极204与静电吸盘201的上表面之间。
回到图2，声发射传感器107中的压电元件的与耦合面相对的另一面通过导线与基座203外部的处理单元211连接，该处理单元211接收并处理来自声发射传感器107的经转换的电信号。连接方式可具有多种形式。例如，每个声发射传感器107通过各自的导线连接至处理单元211；或者，每个声发射传感器107的导线连接到基座中的某一汇聚点，再通过一条总线连接到处理单元211。各个声发射传感器107与处理单元211之间设置有射频滤波器210。声发射传感器107的工作频率是10kHz至100kHz的范围，而等离子体处理设备的射频电源的频率大于400KHz。因此，通过射频滤波器210能很好地解耦合射频功率和声发射传感器107的信号。
图5是根据本发明的另一实施例的基座组件的结构示意图。为了描述清楚、简洁，跟图2所示的实施例中的相同的零部件采用相同的标号进行描述。与图2所示的实施例的不同之处为，在射频滤波器210和处理单元211之间设置有光电转换器212。光电转换器212接收来自射频滤波器210的电信号并将其转换为光信号；并发送该光信号至处理单元211。光电转换器212与射频滤波器210之间通过电线或电缆连接；光电转换器212与处理单元211之间通过光纤连接(如图中虚线部分)，该光纤可以是单模光纤或多模光纤。将从声发射传感器107接收的电信号转换为光信号发送至处理单元211处理，能够有效避免射频环境中的电磁干扰，增加信号传输的稳定性和准确性，以供后续的正确处理。
在基座组件中设置三个及三个以上声发射传感器不仅能检测到微弧放电事件，还能定位出微弧放电在静电吸盘中的位置。图6描绘了根据本发明的一个实施例的定位微弧放电的位置的示意图。在该实施例中，在静电吸盘201中设置有三个声发射传感器107。需说明，对声发射传感器的位置不作限定，在其他实施例中，声发射传感器还能如上所述设置在结合层和基座中；并且，声发射传感器的个数可以大于三个。如图6所示，在T0时刻，微弧放电发生在静电吸盘201的P点，该声波以P点为圆心向周围以均匀的速度传播。三个声发射传感器在不同时刻接收到该声波，例如，声发射传感器A在Ta时刻接收到声波，声发射传感器B在Tb时刻接收到声波，声发射传感器C在Tc时刻接收到声波。声发射传感器将信号传输至处理单元，处理单元记录下上述Ta、Tb、Tc时刻。可知，对于声发射传感器A，微弧放电发生在以传感器A为圆心，半径为(Ta-T0)×V(V为声波传播速度)的圆周上。类似地，对于声发射传感器B,微弧放电发生在以传感器A为圆心，半径为(Ta-T0)×V(V为声波传播速度)的圆周上；对于声发射传感器C，微弧放电发生在以传感器C为圆心，半径为(Tc-T0)×V(V为声波传播速度)的圆周上。而三个圆周的相交点即为微弧放电的位置P点。因此，处理单元基于声发射传感器的初始位置、声波的速度以及各声发射传感器接收到声波信号的时刻，就可以判断出微弧放电发生的位置。
上文公开了用于等离子体刻蚀设备中的基座组件，在该基座组件中设置有声发射传感器。实际上，这一装置也可用于利用等离子体或离子束进行基片表面处理的其他设备中，例如，等离子体气相沉积设备、化学气相沉积设备等。在这些设备中，包括：真空反应腔；气体供应装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体；基座，设置在所述真空反应腔的内部且其上承载待处理基片；多个声发射传感器，设置在所述基座中，用于检测电弧放电以及定位所述电弧放电的在所述等离子体处理设备中的位置。声发射传感器可对微弧放电进行检测和定位。
本发明提供了一种用于等离子体处理设备的基座组件，包括设置在基座组件中的多个声发射传感器。声发射传感器能够通过声学传播检测到微小的等离子体放电现象。由于声发射传感器设置在靠近基片的基座组件中，其比传统的设置在反应腔腔壁上的声发射传感器更能检测到基片与基座组件之间或者基片周围的微弧放电。此外，设置至少三个声发射传感器不仅能够检测到基片周围的微弧放电现象，通过信号的处理还能准确定位出在基片或基座组件上微弧放电的具体位置，从而为精确的基片检测提供积极帮助，尤其是在小关键尺寸的工艺处理中。
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 (12)
1.一种用于等离子体处理设备的基座组件，其特征在于，包括：
基座；
静电吸盘，设置在所述基座上方，用于承载待处理基片；
结合层，用于结合所述基座与所述静电吸盘；
多个声发射传感器，用于检测电弧放电以及定位所述电弧放电在所述等离子体处理设备中的位置。
2.如权利要求1所述的基座组件，其特征在于，所述多个声发射传感器是至少三个声发射传感器，用于定位在所述静电吸盘上的电弧放电的位置。
3.如权利要求2所述的基座组件，其特征在于，所述至少三个声发射传感器设置在所述静电吸盘中，靠近所述静电吸盘的下表面。
4.如权利要求2所述的基座组件，其特征在于，所述至少三个声发射传感器设置在所述结合层中。
5.如权利要求2所述的基座组件，其特征在于，所述至少三个声发射传感器设置在所述基座中，靠近所述基座的上表面。
6.如权利要求1所述的基座组件，其特征在于，所述声发射传感器的工作频率范围是10kHz-100kHz。
7.如权利要求1所述的基座组件，其特征在于，还包括射频滤波器和处理单元，所述射频滤波器与所述声发射传感器连接，所述处理单元接收并处理来自所述射频滤波器的经滤波的电信号。
8.如权利要求1所述的基座组件，其特征在于，还包括射频滤波器、光电转换器和处理单元，所述射频滤波器与所述声发射传感器连接；光电转换器连接所述射频滤波器与处理单元，接收来自所述射频滤波器的电信号并将其转换为光信号；所述处理单元接收并处理来自所述光电转换器的光信号。
9.如权利要求8所述的基座组件，其特征在于，所述光电转换器与所述处理单元通过光纤连接。
10.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：
真空反应腔；
气体供应装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体；
如权利要求1-9中任一项所述的基座组件，所述基座组件设置在所述真空反应腔的内部。
11.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：
真空反应腔；
气体供应装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体；
基座，设置在所述真空反应腔的内部且其上承载待处理基片；
多个声发射传感器，设置在所述基座中，用于检测电弧放电以及定位所述电弧放电的在所述等离子体处理设备中的位置。
12.如权利要求11所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述多个声发射传感器是至少三个声发射传感器，用于定位在所述基座上的电弧放电的位置。
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