CN116096938A - 快速腔室真空泄漏检查硬件和维护程序 - Google Patents

快速腔室真空泄漏检查硬件和维护程序 Download PDF

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Abstract

本文描述了用于检测处理腔室内真空泄漏的方法及设备。更具体而言，所述方法及装置关于利用光谱测量装置，如光谱测量仪，来确定当处理腔室保持在泄漏测试压力下时处理腔室内的泄漏率。光谱测量装置确定处理腔室内一或多种气体的增加速率，并可用以确定处理腔室是否通过或未通过泄漏测试。

Description

快速腔室真空泄漏检查硬件和维护程序
背景
技术领域
本公开案的实施方式一般涉及用于半导体处理的设备及方法。更具体而言，所公开的方法及设备涉及半导体处理腔室内的泄漏检测。
现有技术的描述
处理半导体基板以用于广泛的应用，包括集成器件及微器件的制造。在处理期间，将基板放置在处理腔室内的基座或基板支撑件上。使用极其精确的工艺条件及气体流速来处理半导体。此在外延沉积工艺及快速热处理中尤其如此。处理腔室的真空密封对于防止外部空气或处理气体在操作期间泄漏到处理腔室中是很重要的。若真空部件或密封在工艺之间破坏，大量基板可能会在检测到泄漏之前穿过腔室运行并被污染。
传统的泄漏测试需要冷却腔室并运行标准压力上升率测试，以检测部件故障引起的任何泄漏。这种工艺可包括冷却腔室、稳定腔室内的温度及压力、在抽气及隔离腔室之后获取上升速率数据、重新加热腔室及重新定性用于半导体处理的腔室。此工艺需要大量时间来冷却处理腔室并将处理腔室重新加热到处理温度。一旦被再次加热，在能够再次处理基板之前，必须重新定性及调节处理腔室。冷却、重新加热及重新定性会导致大量停机时间及生产损失。替代方法包括使用氦泄漏测量工具来测量腔室内的氦量。尽管这些系统有时能够测量少量泄漏，但是传统工艺则需要系统的大量停机时间，这减少了腔室可用于半导体处理的时长。
因此，需要一种改进的方法及设备，用于快速检测由部件磨损或故障引起的小型真空或密封泄漏，同时将腔室保持在处理温度。
发明内容
本公开案大体关于用于检测半导体处理腔室内真空泄漏的方法及设备。在一个实施方式中，本文描述了用于检测真空泄漏的方法。所述方法包括将处理腔室从第一压力抽气至第二压力，其中第二压力小于第一压力。所述方法进一步包括启用光谱测量仪，并在将腔室抽气至第二压力后关闭腔室隔离阀。在采样时间内，使用光谱测量仪从导管收集光谱数据。根据光谱数据计算腔室泄漏率。
在另一实施方式中，处理基板的方法包括执行泄漏检测测试。泄漏检测测试包括将处理腔室抽气至泄漏测试压力，启用光谱测量仪，在将处理腔室抽气至第二压力后关闭腔室隔离阀，在采样时间内使用光谱测量仪从导管收集光谱数据；及根据光谱数据计算腔室泄漏率。在泄漏检测测试之后，处理腔室在收集光谱数据之后从泄漏测试压力泄漏到大于泄漏测试压力的处理压力，并且在将处理腔室抽气至处理压力之后，对多个基板执行基板处理操作。在对多个基板执行基板处理操作之后，重复执行泄漏检测测试。
在又一实施方式中，描述了用于处理基板的处理腔室。处理腔室包括限定处理容积的腔室主体、处理气体入口及处理气体出口。处理气体出口包括流体耦接在处理容积与排气泵之间的第一导管，设置在处理容积与排气泵之间的腔室隔离阀，及流体耦接至处理容积与腔室隔离阀之间的第一导管的光谱测量仪。控制器耦接至处理腔室。控制器被配置为将处理腔室抽气至泄漏测试压力，启用光谱测量仪，在将腔室抽气至泄漏测试压力后关闭腔室隔离阀，在采样时间内使用光谱测量仪从第一导管收集光谱数据，并根据光谱数据计算腔室泄漏率。
附图说明
为了能够详细理解本公开案的上述特征，可参考实施方式对以上简要概述的本公开案进行更具体的描述，其中一些实施方式在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了示例性实施方式，因此不应被认为是对本公开案的范围的限制，并且可允许其他同等有效的实施方式。
图1是根据一个实施方式的基板处理系统的示意性剖面图。
图2A是根据一个实施方式的处理腔室的示意性剖面图。
图2B是根据另一实施方式的处理腔室的示意性剖面图。
图3是根据一个实施方式的测量图2A或图2B的处理腔室中一个内的泄漏率的方法。
图4是根据一个实施方式的校准泄漏检测系统的方法。
图5是图示在数个试验中处理腔室内样本的测得纯度的图表。
图6是图示在数个试验中处理腔室内测得的初始及最终压力的图表。
为了便于理解，尽可能使用相同的元件符号来表示附图中相同的元件。可设想一个实施方式的元件及特征可有益地并入其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开案的实施方式大体涉及用于半导体处理的设备及方法。更具体而言，本公开案涉及热处理腔室内真空泄漏的检测。用于检测真空泄漏的设备包括附接至腔室隔离阀上方的处理腔室真空系统的光发射光谱仪。光发射光谱仪测量排气管线内不同气体的浓度，并确定泄漏率。在一些实施方式中，光发射光谱仪测量N2及/或O2向处理腔室中的泄漏。
通过利用本文描述的光发射光谱仪及方法，能够以小于0.5毫托/分钟的泄漏率检测腔室泄漏。在与处理腔室相同的温度下，每隔几个小时，能够在不到三分钟的时间内检测到腔室泄漏。因此，不需要降低处理腔室的温度，并且可在短时框内检测到少量泄漏，而无需人工干预或处理腔室的大量停机时间。每四小时运行一次测试泄漏的先前方法会导致工具可用性下降约3％。本公开案的实施方式将工具可用性的下降减少至工具可用性的仅0.5％下降。
图1是根据一个实施方式的基板处理系统100的示意性剖面图。系统100是群集工具，包括第一腔室102、第二腔室104、第三腔室106、第四腔室108、第五腔室110及中央传送腔室112，所述中央传送腔室112限定包含中央传送机器人116的传送空间118。系统100进一步包括耦接至系统100的控制器120。控制器120经程序设计为执行多个指令，用于系统100的操作以制造半导体器件，包括中央传送机器人116的操作及腔室102-110及装载腔室114的操作。如图2A所示，控制器120包括用存储器255及大型储存装置操作的可程序设计中央处理单元(central processing unit；CPU)、输入控制单元及显示单元(未示出)。控制器120包括用于通过处理腔室中的传感器监控基板处理的硬件，并监控前驱物、处理气体及净化气体流。支持电路258耦接至中央处理单元252，用于以传统方式支持处理器。腔室102-110各自设置在中央传送腔室112周围并与中央传送腔室112耦接。中央传送机器人116被配置成通过传送空间118在装载腔室114与一或多个腔室102-110之间传送基板。
尽管未在图1中示出，但是系统100的腔室102、104、106、108及/或110可进一步包括一或多个远程等离子体源，及一或多个用于前驱气体、载气及其他处理气体的气体源。系统100亦可包括多个部件，如传感器及控制器，所述控制器被配置成控制一些或所有腔室102-110中的压力、温度、气流及气体组成。系统100因此可被配置成形成期望的结构及装置。腔室102、104、106、108及/或110中的每一个可为多种不同类型的半导体处理腔室之一。示例性腔室包括外延沉积腔室、快速热处理(rapid thermal processing；RTP)腔室、蚀刻腔室、热化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)腔室、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced CVD；PECVD)腔室或清洁腔室。
图2A是根据一个实施方式的沉积腔室200a的示意性剖面图。沉积腔室200a可为图1中的腔室102-110中的任何一个。本文描述的沉积腔室200a是外延沉积腔室或热沉积腔室。沉积腔室200a大体用于在诸如基板202的基板上生长外延膜。沉积腔室200a在基板202的整个顶表面250上产生前驱物的交叉流。
沉积腔室200a包括上主体256、设置在上主体256下方的下主体248及设置在上主体256与下主体248之间的流动模块212。上主体256、流动模块212及下主体248形成腔室主体。设置在腔室主体内的是基座206、上圆顶208、下圆顶210、多个上灯241及多个下灯243。控制器120耦接至腔室200a，并且可用于控制本文描述的所有腔室工艺。基座206设置在上圆顶208与下圆顶210之间。多个上灯241设置在上圆顶208与盖254之间。盖254包括设置在其中的多个传感器(未示出)，用于测量沉积腔室200a内的温度。多个下灯243设置在下圆顶210与地面201之间。多个下灯243形成下灯组件245。
在上圆顶208与下圆顶210之间形成处理容积236。处理容积236中设置有基座206。基座206包括顶表面上设置有基板202的顶表面。基座206附接至轴218。所述轴连接至运动组件220。运动组件220包括一或多个致动器230及/或调节装置，上述各者提供轴218及/或基座206在处理容积236内的移动及/或调节。
基座206可包括设置在基座206中的升降杆孔207。升降杆孔207的经尺寸设定以容纳升降杆232，用于在执行沉积工艺之前或之后从基座206提升基板202。当基座206从处理位置下降到传送位置时，升降杆232可搁置在升降杆止动件234上。
流动模块212包括多个处理气体入口214、多个净化气体入口264及一或多个排气出口216。多个处理气体入口214及多个净化气体入口264设置在流动模块212中与一或多个排气出口216相对的一侧。衬垫263设置在流动模块212的内表面上，并且保护流动模块212免受沉积工艺期间使用的反应性气体的影响。处理气体入口214及净化气体入口264的定位使得气体平行于设置在处理容积236内基板202的顶表面250而流动。
处理气体入口214经由处理气体导管253流体连接至处理气体源251。净化气体入口264经由净化气体导管260流体连接至净化气体源262。一或多个排气出口216经由排气导管278流体连接至排气泵257。
参考泄漏装置295经由参考泄漏导管256流体耦接至处理气体导管253。参考泄漏隔离阀259沿着参考泄漏导管256设置，并且位于参考泄漏隔离阀259与处理气体导管253之间。在泄漏检测的校准期间，参考泄漏装置295可在泄漏气体进入处理容积236之前通过参考泄漏导管256排放少量泄漏气体进入处理气体导管253。可由参考泄漏装置295排放的少量泄漏可为约0.005sccm到约3sccm，如约0.01sccm到约2sccm，如约0.02sccm到约1sccm。在一些实施方式中，泄漏气体的量小于约0.03sccm，如小于约0.025sccm。在一些实施方式中，参考泄漏装置295是小型气体面板。参考泄漏隔离阀259可打开，以允许泄漏气体通过参考泄漏导管256散逸。参考泄漏隔离阀259以其他方式关闭，并将参考泄漏装置295密封隔离处理容积236。在一些实施方式中，参考泄漏隔离阀259用于在处理气体流经处理气体入口214期间保护参考泄漏装置295。
腔室隔离阀271沿着排气导管278设置在排气出口216与排气泵257之间。腔室隔离阀271能够打开或关闭，以在排气出口216与排气泵257之间形成密封，使得当腔室隔离阀271关闭时，没有气体通过排气导管278从处理容积236散逸。光谱测量仪292及真空计293流体连接至排气出口216与腔室隔离阀271之间的排气导管278。
在腔室隔离阀271与排气泵257之间额外设置有节流阀272。节流阀272被配置成在基板处理期间控制穿过排气导管278的气体流速。在一些实施方式中，节流阀272及腔室隔离阀271可为相同的。然而，有时很难仅用节流阀272或腔室隔离阀271中的一个来控制穿过排气导管278的处理气体流。例如，节流阀272可能不会在处理容积236与排气泵257之间形成完全密封。尽管隔离阀271大体能够在处理容积236与排气泵257之间形成密封，但是隔离阀271在基板处理期间精确控制处理气体流量方面可能效率较低。然而，在一些实施方式中，可使用能够形成充分密封的阀，同时执行泄漏校准并在基板处理期间精确控制穿过排气导管278的气体流速。
光谱测量仪292流体地或光学地耦接至排气导管278。光谱测量仪292是光谱仪，且用于测量排气导管278内的气体组成。光谱测量仪292可通过第一测量仪导管269流体耦接至排气导管278。第一测量仪导管269可具有设置在第一测量仪导管269上的第一阀267，使得第一阀267流体地设置在光谱测量仪292与第一测量仪导管269到排气导管278的连接部之间。第一阀267被配置为在处理容积236内的基板处理期间关闭。关闭第一阀267防止处理气体流向光谱测量仪292，因为光谱测量仪292可能对暴露于处理气体较为敏感。在沉积腔室200a内的真空泄漏检查期间，第一阀257打开。来自排气导管278的气体流入光谱测量仪292，且光谱测量仪292确定排气导管278内一或多种气体的浓度。
在一些实施方式中，光谱测量仪292是光发射光谱仪，如远程等离子体光发射光谱仪。光谱测量仪292用于测量250nm至约1000nm，如约300nm至约900nm，如300nm至约880nm范围内的光发射。在一些实施方式中，在原位等离子体腔中测量气体样本的光发射范围。在其他实施方式中，光谱测量仪292可光学耦接至排气导管278，并通过设置贯穿排气导管278侧面的窗口(未示出)测量排气导管278内的气体浓度。所述窗口可伴随有设置在排气导管278的一部分的内表面周围的一或多个反射器。
真空计293流体耦接至排气导管278。真空计293被配置成测量排气导管278内的压力。真空计293有助于确定系统内是否存在任何重大泄漏，并且亦在光谱测量仪292的校准期间使用。真空计293可为压力计，并且可具有小于0.01托的精度，如小于5毫托，如小于1毫托。在一些实施方式中，真空计293经由第二真空计导管299流体耦接至排气导管278。第二测量仪导管299一端耦接至排气导管278，且相对端耦接至真空计293。设置在第二测量仪导管299上的是第二阀266。第二阀266沿着第二测量仪导管299设置在排气导管278与真空计293之间。第二阀266类似于第一阀267，因为第二阀266可在基板处理期间关闭，并在如本文所述的真空泄漏检查期间打开。当关闭时，第二阀266可将真空计293关闭而与排气导管278隔离，使得处理气体不会到达真空计293。
排气泵257可为在基板处理腔室内使用的任何合适的气体泵。排气泵257可为排气组件(未示出)的一部分。在一些实施方式中，排气泵257与多个处理腔室一起使用，并且取决于处理腔室内的期望压力及真空来调节强度。
图2B是根据另一实施方式的沉积腔室200b的示意性剖面图。沉积腔室200b可为图1中的腔室102-110中的任何一者。沉积腔室200b是快速热处理(rapid thermalprocessing；RTP)腔室。示例性RTP腔室可包括可从加州圣克拉拉市的应用材料公司获得的
Figure BDA0004113326760000071
或RADIANCEPlus腔室；然而，亦可考虑其他制造商提供的腔室。沉积腔室200b大体用于在基板(如基板202)上沉积膜，以形成半导体器件。沉积腔室200b将前驱物沉积到基板202的顶表面250上。
沉积腔室200a包括上加热组件275、主体274、基底285、基座281、第一窗口284、多个高温计289、多个光导管286、处理气体源251、排气泵257及净化气体源262。
上加热组件275设置在沉积腔室200a的主体274的顶部上。主体274可为环绕基底285并支撑上加热组件275的一个部件或多个部件。主体274可包括处理气体入口215、净化气体入口217及排气出口279。具有穿过第一窗口284形成的多个孔278的第一窗口284设置在主体274的上部内，使得第一窗口284搁置在主体274的一部分的顶部上。第一窗口284进一步用作由上加热组件275发射的辐射的辐射窗口。在一些实施方式中，第一窗口284是石英窗口。
上加热组件275设置在第一窗口284上方，并由第二窗口276与第一窗口284分开。第二窗口276及第一窗口284在处理容积280上方形成分配气室。上加热组件275耦接至上板276，并包括多个灯277，用于快速加热处理空间280及基板250的顶表面。灯277被一或多个冷却通道包围。上加热组件275内的灯可由如控制器120的控制器控制。来自上加热组件275的辐射穿过第一窗口284及第二窗口276进入处理空间280。或者(未示出)，上加热组件275是下加热组件，并且被配置为加热基板202的背面，例如，将上加热组件275设置在基板202下方并将辐射引导到基板202的背面。
基底285设置在主体274内及基座281下方。基底285可用于支撑基座281。基底285可为水冷基底，并且具有安装在顶表面上以反射辐射的反射器283，使得反射器283将来自上加热组件275的辐射反射到基座281及基板202的背面。基座281被配置为支撑基板202，并且被设置在基底285的顶部及第一窗口284的下方。
基板202的局部区域的温度由高温计289测量。高温计289被配置成通过测量由基板202发射的辐射来测量基板202的温度。来自基板202的辐射被发射到穿过基底285设置的光导管286中。光导管286经定位以接收来自沿着基板202的不同径向位置的辐射。每个光导管286的上部282邻近基板202及基座281的下侧定位，而每个光导管286的下部287则附接至柔性光纤288。柔性光纤288设置在光导管286与高温计289之间，并将光导管286的下端光学耦接至高温计289，使得光导管286及柔性光纤288将由基板202及/或基座281发射的辐射传输到高温计289。每个光导管286位于基底285内，使得光导管上部282与基底285的上表面齐平或略低于基底285的上表面，如略低于反射器283的上表面或与所述上表面齐平。在一些实施方式中，光导管286直接连接至高温计289，而不使用柔性光纤288。
高温计289连接至控制器120，控制器120响应于测量的基板温度来控制供应到上加热组件275的功率。在一些实施方式中，如对于200毫米的基板，上加热组件275使用多个灯，如187个灯277，以将高度准直的辐射从钨卤素灯传送至处理空间280。在一些实施方式中，如对于300毫米的基板，上加热组件275可使用多个灯，如409个灯277。本文公开的灯的数量及配置是示例性的，可使用其他数量及配置的灯。
类似于图2A的沉积腔室200a的处理气体入口214，处理气体入口215经由处理气体导管253流体连接至处理气体源251。净化气体入口217经由净化气体导管260流体连接至净化气体源262。排气出口279经由排气导管278流体连接至排气泵257。
如参考图2A所述，参考泄漏装置295经由参考泄漏导管256流体耦接至处理气体导管253，并且参考泄漏隔离阀259沿着参考泄漏导管256设置在参考泄漏隔离阀259与处理气体导管253之间。
如参考图2A所述，腔室隔离阀271沿着排气导管278设置在排气出口279与排气泵257之间。光谱测量仪292及真空计293流体连接至排气出口279与腔室隔离阀271之间的排气导管278。节流阀272额外设置在腔室隔离阀271与排气泵257之间。
排气泵257可为在基板处理腔室内使用的任何合适的气体泵。排气泵257可为排气组件(未示出)的一部分。在一些实施方式中，排气泵257与多个处理腔室一起使用，并且取决于处理腔室内的期望压力及真空在强度上是可调节的。
控制器120可控制高温计289、上加热组件275、处理气体源251、参考泄漏装置295、排气泵257、光谱测量仪292、真空计293中的任何一个，及阀259、267、268、271、272中的任何一个。
图3是根据一个实施方式的测量图2A或图2B的处理腔室中的一个内的泄漏率的方法300。方法300包括如本文所述的第一操作302、第二操作304、第三操作306、第四操作308、第五操作310、第六操作312、第七操作314、第八操作316、第九操作318及第十操作320。
第一操作302是校准操作。在处理系统或群集工具上执行安装或维护之后，执行第一操作302。第一操作302用于校准光谱测量仪292及/或真空计293。第一操作302可包括参照图4描述的所有操作或其他替代校准方法。在一些实施方式中，光谱测量仪292及/或真空计293在整个方法300中在额外或替代点处进行校准。本文参照图4进一步详细描述第一操作302。
第二操作304包括将处理腔室从第一压力泵降至第二压力，第二压力小于第一压力。第一压力可为在沉积操作的最后部分期间或者在校准工艺之后腔室已经被加压后的处理腔室(如沉积腔室200a、200b中的一个)的压力。在一些操作中，若在没有将腔室恢复到基板处理压力的情况下校准腔室，则第一压力及第二压力可相等。在第二操作304期间，没有气体从处理气体或净化气体源流入腔室。在第二操作304期间或之前，气体停止从处理气体及/或净化气体源流入腔室。第二压力是每个导管(如导管253、256、260、266、278或299)内的最少量气体泄漏到处理容积(如处理容积236及280)中的压力。第二压力亦可称为测试压力或泄漏测试压力。
当处理腔室内的压力降低时，来自导管的气体回流到腔室内，并从腔室内的气体沉积物中除气。此使得检测进入处理腔室的泄漏更加困难。因此，腔室内的压力应足够低，以移除腔室内的气体，从而形成真空，但亦应足够高，以减少任何回流效应。第二压力可在第二操作304期间透过在抽气循环期间监测来自导管253、256、260、266、278或299中的一或更多者的排放来决定，使得排放强度在第二压力下低于可接受临限值。或者，可在第一操作302期间预先决定第二压力。在一些实施方式中，第一压力为约20托至约200托，如约50托至约150托，如约60托至约100托，如约70托至约90托，如约80托。在一些实施方式中，第二压力小于约500毫托，如约20毫托至约300毫托，如约30毫托至约250毫托，如约50毫托至约200毫托，如约75毫托至约150毫托，如约80毫托至约120毫托，如约100毫托。
在这个操作期间，处理腔室可保持在基板处理温度。在测量泄漏率的方法300期间，将处理腔室保持在基板处理温度缩短了处理腔室的停机时间，且因此增加了腔室的可用性。基板处理温度可为约100℃到约800℃，如约100℃到约750℃，如约200℃到约750℃。在使用外延沉积腔室的实施方式中，如图2A的沉积腔室200a，基板处理温度是约250℃到约800℃，如约300℃到约750℃。在使用RTP腔室的实施方式中，如图2B的沉积腔室200b，基板处理温度为约150℃至约450℃，如约200℃至约400℃。在热板加热器系统中，基板处理温度为约100℃至约700℃，如约100℃至约650℃。
第三操作306包括启用光谱测量仪，如光谱测量仪292。启用光谱测量仪292可包括打开光谱测量仪292或开始用光谱测量仪292采样。在一些实施方式中，光谱测量仪292在后台连续运行，但是在第三操作306期间，开始收集及/或保存光谱采样数据。光谱采样数据可储存在控制器内，如控制器120。当启用光谱测量仪时，打开排气导管与光谱测量仪之间的阀，如第一阀267，以允许气体从排气导管流到光谱测量仪。
第四操作308包括关闭腔室隔离阀，如腔室隔离阀271。腔室隔离阀关闭以密封处理容积，如处理容积236、280。当腔室隔离阀关闭时，光谱测量仪测量排气导管内不同气体的浓度，并通过在处理容积中延伸，使得第三操作306及第四操作308重迭或同时执行。此在稳定时间内进行，与此同时腔室隔离阀关闭以形成密封。稳定时间可从约1秒到约20秒，如约1秒到约15秒，如约2秒到约10秒。稳定时间后，应关闭腔室隔离阀，并将处理容积与排气泵隔离。在一些实施方式中，在隔离阀271关闭后，光谱测量仪与排气导管之间的阀打开。
第五操作310包括使用光谱测量仪从排气导管(如排气导管278)内采样光谱数据。光谱数据是使用光发射光谱学(optical emission spectroscopy；OES)获得的。在第五次操作期间收集OES光谱数据，以确定排气导管内一或多种气体的浓度。光谱数据的采样可通过从排气导管获取多个气体样本来执行。此可包括使排气导管中存在的少许固定量的气体流入光谱测量仪内的样本容积，如光谱测量仪的原位等离子体腔。随后对样本体积内的气体进行光学分析，以确定样本容积内一或多种气体的浓度。在本文描述的操作中，测量N2、N、O、O2、H或Ar中的一或多种的浓度。第五操作310及第二、第三、第四及第六操作304、306、308、312可在与第十操作320期间处理基板的温度相似的温度下执行。在一些实施方式中，第五操作310期间的温度大于约250℃，如大于约400℃，如大于约500℃，如大于约750℃。
收集排气导管内气体的多个样本。在一些实施方式中，排气导管内的气体以约20个样本/分钟至约150个样本/分钟的速率测量，如约30个样本/分钟至约120个样本/分钟，如约45个样本/分钟至约100个样本/分钟，如约60个样本/分钟。样本可被收集达共计约15秒至约100秒的时长，如约20秒至约90秒，如约30秒至约75秒，如约30秒至约50秒，如约32秒。因此，可采集约5个样本到约180个样本，如约20个样本到约180个样本，如约30个样本到约120个样本。
增大采样数量及频率可提高数据及趋势分析的分辨率，从而揭示处理腔室内的泄漏。采样大体进行不到约两分钟，以减少泄漏检测期间处理腔室的停机时间。当使用OES采集样本时，能够确定排气导管内气体的元素组成，并且能够确定一或多种气体的浓度，无论使用何种处理气体。
第六操作312在第五操作310之后执行，并且包括计算光谱数据的一或多个样本内的气体浓度增大的强度。通过测量与空气泄漏相关的一或多种气体浓度的增大速率来决定样本中气体浓度增大的强度。在本文描述的实施方式中，测量的气体包括N2、N、O、O2及Ar。在控制器120中计算气体浓度增大的强度。从外部环境、另一个腔室、排气系统部件或气体面板部件中的一个进入处理腔室的可接受的大气泄漏率由使用者决定。可接受的泄漏率决定了一或多种气体浓度的可接受的增大率。在一些操作中，第六操作312可在第五操作310期间与光谱数据的收集同时执行。在其他实施方式中，收集所有光谱数据，随后计算处理腔室内的纯度。
第七操作314包括停用光谱测量仪并打开腔室隔离阀。在第五操作310期间已经采集了光谱数据样本之后，可关闭光谱测量仪与排气导管之间的阀，并且停用光谱测量仪。可同时或直接在此后重新打开腔室隔离阀以解封处理腔室。光谱测量仪与排气导管之间的阀可关闭，以在基板处理期间保护光谱测量仪免受处理气体的影响。第七操作314可视情况在第六操作312之前、继此操作之后或在之后执行，使得当光谱测量仪被停用且腔室隔离阀打开时，或者在光谱测量仪被停用且腔室隔离阀打开之后，计算处理腔室的气体浓度增大的强度。
第八操作316包括将样本的气体浓度增大的强度与在第一操作302期间测量的气体浓度增大的校准强度进行比较，以确定泄漏率并决定处理腔室通过还是未通过泄漏测试。气体浓度增大的校准强度可为增大值的速率，在所述速率下处理腔室将不能通过泄漏测试，使得一旦强度值超过校准强度，处理腔室将具有超过预定最大泄漏值的泄漏。参考图4更详细地描述了确定校准纯度的方法。在一些实施方式中，在光谱测量仪被停用并且腔室隔离阀打开之前执行第八操作316。可替代地继第六操作312之后执行第八操作。
在一些实施方式中，若在第八操作316期间，确定处理腔室具有超过预定限值的泄漏，则可执行额外的处理操作。在额外操作期间，通过打开参考泄漏装置与处理气体导管(如处理气体导管253)之间的阀来启动参考泄漏装置，如参考泄漏装置295，并且所述参考泄漏装置释放预设量的泄漏气体。在一些实施方式中，预设量的泄漏气体为约0.005sccm至约3sccm，如约0.01sccm至约2sccm，如约0.02sccm至约1sccm。在一些实施方式中，预设量的泄漏气体小于约0.03sccm，如小于约0.025sccm。光谱测量仪随后可以类似于关于第五操作510描述的方式测量排气导管内的气体浓度。随着可预测量的预知气体被释放到处理腔室中，控制器随后可确定根据原始泄漏确定的纯度计算是否正确，或者系统是否应该被重新校准及/或泄漏测试是否执行了额外的时间。可在第八操作316先于第七操作314执行的实施方式中执行这种额外操作。在第七操作314之前执行额外操作，使得光谱测量仪仍然处于活动状态，并且腔室隔离阀仍然关闭。此确保了纯度测试与泄漏测试之间的测量一致性，同时参考泄漏装置主动提供参考泄漏。
第九操作318包括将处理腔室抽气至处理压力。处理压力可为第三压力，使得第三压力大于第二压力。在一些实施方式中，第三压力与第一压力相同。在其他实施方式中，第一压力与第三压力不同。在本文公开的实施方式中，第三压力为约20托至约200托，如约50托至约150托，如约60托至约100托，如约70托至约90托，如约80托。增大处理腔室内的压力可通过使一或多种气体从处理气体入口或净化气体入口流动来实现。
第十操作320包括在诸如沉积腔室200a、200b中的一个的处理腔室内处理一或多个基板。一或多个基板的处理包括在基板上执行半导体形成操作，如沉积操作。在第十操作320期间已经处理了一或多个基板之后，可重复或循环第二至第十操作302-320。这种循环可在预定的时间段内重复，或者在处理腔室内处理了设定数量的基板之后重复。在重复循环第二至第十操作302-320之后，可再次执行预防性维护，并且可重新开始执行整套方法300。
在一些操作中，在每n个基板之前/之后执行泄漏检测操作，使得在处理腔室内处理n个基板之前/之后执行泄漏检测操作。在其中在处理预定数量的基板之间执行泄漏测试的实施方式中，泄漏测试在处理腔室内已经处理了约2至约2000个基板之后执行，如约25至约1000个基板，如约100至约750个基板。在其他实施方式中，在预定操作时间之后，如约1小时至约24小时，如约2小时至约12小时，如约3小时至约5小时之后执行泄漏检测操作。在一些实施方式中，至少每24小时系统运行一次泄漏检测操作。在其他实施方式中，在已经执行系统维护及/或处理腔室已经长时间闲置之后执行泄漏检测操作。
图4是根据一个实施方式的在维护后校准泄漏检测系统的详细校准操作302。操作302包括在第一操作402期间对处理腔室执行预防性维护，在第二操作404期间将处理腔室抽气至第一压力，在第三操作406期间对光谱数据进行采样并测量处理腔室内随时间的压力，在第四操作408期间填充校准表，及在第五操作410期间计算处理腔室的合格/不合格纯度值。
对处理腔室执行预防性维护的第一操作402视情况在校准操作302开始时完成。预防性维护可包括处理腔室的定期清洁、处理腔室内部件的维修、处理腔室内部件的更换或处理腔室的改装。预防性维护可在处理腔室的整个寿命期间进行。
在对处理腔室执行预防性维护之后，处理腔室大体执行数个初始操作程序来预热处理腔室。此包括将处理腔室抽气至处理压力，并使一或多个测试基板运行穿过处理腔室。
将处理腔室抽气至第一压力的第二操作404包括将处理腔室内的压力从维护后压力或处理压力降低至类似于上述第二压力的压力。在一些实施方式中，压力降低至约20毫托至约300毫托，如约30毫托至约250毫托，如约50毫托至约200毫托，如约75毫托至约150毫托，如约80毫托至约120毫托，如约100毫托。将处理腔室抽气至校准压力可分阶段进行，使得在抽气停止之前，处理腔室被抽气达设定的时长，并且腔室被隔离以执行第三操作406，如下所述。在一些实施方式中，在不到60秒，如不到30秒的时间内，将处理腔室抽气至校准压力。在一些实施方式中，以约0.1秒至约60秒，如约3秒至60秒，如约5秒至约15秒，执行将处理腔室抽气至校准压力的步骤。
在第二操作404的同时，可执行第三操作406，从处理腔室采样光谱数据并测量压力随时间的变化。如上所述，光谱数据的采样由光谱测量仪执行，如光谱测量仪292。可以与图3的方法300在第五操作310期间测量光谱数据类似的方式，来执行光谱数据的采样。在第三操作406期间，暂时停止处理腔室的抽气，并且使用腔室隔离阀271隔离所述腔室，从而可针对抽气停止时的压力来确定腔室内气体的上升速率。
使用压力计，如真空计293，测量压力及压力随时间的变化。当处理腔室被抽气至校准压力时，可透过进行周期性的压力测量来计算压力随时间的变化。可将曲线拟合至压力变化测量值，以决定压力随时间的变化。
在第三操作406期间获得光谱数据及压力数据之后，可通过计算处理腔室内一或多种气体浓度的变化率来将光谱数据转换成强度值。
在第四操作408期间，计算得出的强度值及压力值相对于彼此绘制，以形成校准表。可针对约0.2毫托/分钟至约100毫托/分钟，如约0.3毫托/分钟至约75毫托/分钟，如约0.4毫托/分钟至约50毫托/分钟，如约0.5毫托/分钟至约40毫托/分钟的移除速率确定校准表。强度值可为任意值，所述任意值由处理腔室内一或多种气体浓度的变化率决定。大体上，较高的强度值等于处理腔室内一或多种气体浓度的较大变化率。校准表亦可用于确定在图3的泄漏测试操作期间使用的最佳压力，如关于图3的方法300的第二操作304描述的第二压力。
可循环第二操作404、第三操作406及第四操作408以填充完整的校准表。如上所述，执行第二操作404以在处理腔室被隔离之前将处理腔室抽气至设定压力，并且执行处理腔室内气体的采样以获得光谱数据。光谱数据伴随有腔室内气体的标准上升操作速率，以决定设定压力下处理腔室的泄漏率。这种操作的循环填充了处理腔室内不同压力的完整校准表。
在第五操作410期间，确定合格/不合格纯度值。使用在第四操作408期间形成的校准表及最大可接受的泄漏值来确定合格/不合格纯度值。最大可接受的泄漏值可为使用者输入，并且在一些实施方式中为约0.1毫托/分钟至约1毫托/分钟，如约0.3毫托/分钟至约0.7毫托/分钟，如约0.5毫托/分钟。当被输入校准表时，通过外推法或通过将可接受的纯度值与先前测得的泄漏率相匹配，确定泄漏试验合格或不合格的可接受纯度值。每次对腔室进行预防性维护时，可重新计算合格/不合格纯度限值。
在一些实施方式中，利用校准泄漏来确定合格/不合格临限值。在这个实施方式中，在第二操作404及第三操作406期间，在处理腔室已经显示为不泄漏之后，在校准泄漏打开的情况下重复使用光谱测量仪进行强度测试。校准泄漏打开，以为使用者合格/不合格标准的速率释放气体。因此，在使用校准泄漏期间计算的气体浓度增大的强度成为合格/不合格的临限值。
图5是图表500，示出了数个试验中处理腔室内样本的测量纯度。使用与上述方法类似的方法来使用测量的纯度。在所述图表上，纯度值由y轴上的任意污染率(即一或多种气体浓度随时间的增大)表示。图表左侧502示出了无泄漏时执行的试验。图中显示了未泄漏O2 506的测得污染率及未泄漏N2508的测得污染率。图表右侧504示出了存在泄漏时执行的试验，如由参考泄漏装置295发出的泄漏。参考泄漏可能是约0.3毫托/分钟的泄漏。图中示出了泄漏O2 510的测得污染率及泄漏N2 512的测得污染率。如图表500所示，当将未泄漏N2 508试验值与泄漏N2 512试验值进行比较时，能够看出进入处理腔室的N2污染率显著更高。当将未泄漏O2 506试验值与泄漏O2 510试验值进行比较时，进入处理腔室的O2污染率亦显著更高。
图6是图表600，示出了数个试验中处理腔室内的测得压力。图表600比较了在纯度测试开始及结束时，当存在泄漏时及当处理腔室内无泄漏时的压力测量值。在左侧602，使用压力计(如真空计293)确定无泄漏的初始压力606，并与无泄漏的最终压力608进行比较。如图所示，即使无泄漏，处理腔室内的压力亦会有很小的变化。在右侧604，使用压力计确定具有泄漏的初始压力610，并与具有泄漏的最终压力612进行比较。处理腔室内的压力变化很小，但即使不存在泄漏，压力变化亦大致相当于所示的压力变化。因此，处理腔室内的压差检测处理腔室内少量泄漏的能力有限，如小于约1毫托的泄漏，如小于约0.5毫托的泄漏。如图5所示，使用光谱测量及检测某些气体浓度的增大率来计算纯度值，更容易检测到泄漏。
如本文所述，当依赖压力数据时，确定处理腔室内泄漏的存在或严重程度的难度通常是较为困难的。因此，诸如本文所述的方法可提供检测处理腔室内的泄漏或泄漏率的改进方法。低压下处理腔室的光谱测量可提供准确及精确的泄漏率值。监控腔室的泄漏率可有助于确定腔室部件是否已出现故障，并减少被腔室污染的基板数量。最大泄漏率可由用户输入，使得系统此后可自动化，并且若泄漏率超过最大泄漏率输入，系统会警告用户。
本文描述的方法可用于任何数量的处理腔室，但是本文提供了外延沉积腔室及RTP腔室的实例。本文描述的方法特别适用于外延沉积腔室及RTP腔室，因为通常在所述腔室中执行的沉积步骤对外部大气泄漏导致的污染高度敏感。
尽管前述针对本公开案的实施方式，但是在不脱离本公开案的基本范围的情况下，可设计本公开案的其他及进一步的实施方式，并且本公开案的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种检测真空泄漏的方法，包括：
将处理腔室从第一压力抽气至第二压力，其中所述第二压力小于所述第一压力；
启用光谱测量仪；
在将所述腔室抽气至所述第二压力后关闭腔室隔离阀；
在采样时间内使用所述光谱测量仪从导管收集光谱数据；及
利用所述光谱数据计算腔室泄漏率。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
在收集所述光谱数据之后，将所述处理腔室从所述第二压力抽气至大于所述第二压力的第三压力；及
在将所述处理腔室抽气至所述第三压力之后，执行基板处理操作。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述腔室隔离阀位于所述光谱测量仪下游的所述腔室的排气导管中，并且隔离所述处理腔室。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述收集所述光谱数据执行达约15秒至约100秒。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述光谱数据包括所述导管内氧、氮或氧及氮的浓度。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过将所述导管内气体浓度随时间增大的强度与气体浓度随时间增大的预定校准强度进行比较，来计算所述腔室泄漏率。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二压力是在校准操作期间计算的预定压力。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第二压力是前级管线气体流最低的压力。
9.一种处理基板的方法，包括：
执行泄漏检测测试，包括：
将处理腔室抽气至泄漏测试压力；
启用光谱测量仪；
在将所述腔室抽气至所述第二压力后关闭腔室隔离阀；
在采样时间内使用所述光谱测量仪从导管收集光谱数据；及
利用所述光谱数据计算腔室泄漏率；
在收集所述光谱数据之后，将所述处理腔室从所述泄漏测试压力抽气至大于所述泄漏测试压力的处理压力；及
在将所述处理腔室抽气至所述处理压力之后，对多个基板执行基板处理操作；及
重复执行泄漏检测测试。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述多个基板包括多个基板。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述泄漏检测测试在小于300秒的时间内进行。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述泄漏检测测试在高于约250℃的温度下进行。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述泄漏测试压力为约20毫托至约300毫托。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述光谱测量仪在为约250nm至约1000nm的波长下测量辐射。
15.一种用于处理基板的处理腔室，包括：
腔室主体，所述腔室主体限定处理容积；
处理气体入口；
处理气体出口，所述处理气体出口包括：
流体耦接在所述处理容积与排气泵之间的第一导管；
设置在所述处理容积与所述排气泵之间的腔室隔离阀；及
光谱测量仪，流体耦接至所述处理容积与所述腔室隔离阀之间的所述第一导管；及
控制器，所述控制器被配置成：
将所述处理腔室抽气至泄漏测试压力；
启用所述光谱测量仪；
将所述腔室抽气至所述泄漏测试压力后，关闭所述腔室隔离阀；
在采样时间内使用所述光谱测量仪从所述第一导管收集光谱数据；及
根据所述光谱数据计算腔室泄漏率。
16.如权利要求15所述的处理腔室，所述处理腔室进一步包括：
第二导管，所述第二导管流体耦接在所述第一导管与所述光谱测量仪之间；及
测量仪隔离阀，所述测量仪隔离阀沿着所述第二导管设置在所述第一导管与所述光谱测量仪之间。
17.如权利要求15所述的处理腔室，所述处理腔室进一步包括：
处理气体源；
处理气体导管，所述处理气体导管设置在所述处理气体源与所述处理气体入口之间；及
参考泄漏装置，所述参考泄漏装置流体耦接至所述处理气体源与所述处理气体入口之间的所述处理气体导管。
18.如权利要求17所述的处理腔室，其中参考泄漏隔离阀设置在所述参考泄漏装置与所述处理气体导管之间。
19.如权利要求15所述的处理腔室，其中真空计流体耦接至所述腔室隔离阀与所述处理容积之间的所述第一导管。
20.如权利要求15所述的处理腔室，其中所述光谱测量仪是光发射光谱仪。
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