CN1293618C - 带厚度测量系统的旋转刻蚀器 - Google Patents

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Abstract

一种带有厚度测量系统的旋转刻蚀器，包括可旋转的自旋头、蚀刻剂供应装置和蚀刻剂供应控制器。衬底被安装在自旋头上。蚀刻剂供应装置被置于衬底上方，并且向衬底喷射蚀刻剂。蚀刻剂供应控制器控制蚀刻剂的供应。该旋转蚀刻器还包括一个主控制器，它用于将停止供应蚀刻剂的信号传送给厚度测量系统和蚀刻剂供应控制器。厚度测量系统允许光照射到衬底表面，并且通过对来自衬底的反射光的干涉信号进行分析以测量薄膜的厚度。主控制器对厚度测量系统测量的结果与一参考值进行比较，并在测量结果达到该参考值之前将停止供应蚀刻剂的信号传送给蚀刻剂供应控制器。在蚀刻剂的供应被停止后的一个预定时间内，薄膜受到残留在衬底上的蚀刻剂的再一次蚀刻。作为结果，薄膜的厚度达到了上述参考值。

Description

带厚度测量系统的旋转刻蚀器
技术领域
本发明涉及一种制造半导体器件的设备，更具体地说，本发明涉及一种通过将蚀刻剂喷射到安装于旋转的自旋头之上的衬底上以对特定层进行蚀刻的旋转刻蚀器。
背景技术
半导体器件一般是通过复杂的过程被制成的，例如：将薄膜淀积在衬底上的淀积过程、将光刻胶形成在衬底上的光刻过程、将杂质注入衬底的离子注入过程以及消除特定层的蚀刻过程。蚀刻过程包括干蚀刻过程和湿蚀刻过程。在干蚀刻过程中，真空室中产生的等离子体消除了形成于衬底之上的薄膜。在湿蚀刻过程中，衬底被浸入化学浴槽中以消除薄膜。旋转刻蚀器在近年来得到了采用，其中，气化的蚀刻剂被喷射在旋转的衬底的上面、下面或边缘以对衬底的特定区域进行蚀刻。由于旋转刻蚀器具有极好的区域选择性并且容易控制薄膜的蚀刻厚度，故它被广泛的应用于蚀刻薄膜。此处，“区域选择性”代表了仅对特定区域进行蚀刻的特性。因此，为了调整薄膜的厚度，测量蚀刻端点就变得非常重要。
常规上，对蚀刻端点的探测是通过利用分光计对由蚀刻副产品产生的气体元素进行分析而得到实现的。在这种情况下，有可能因蚀刻剂浓度的变化和处理条件的变化而产生蚀刻量的误差。这种蚀刻量的误差使得精确调整蚀刻厚度变得困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有蚀刻端点探测器的旋转刻蚀器，该蚀刻端点探测器能够通过对形成于衬底上的薄膜的厚度进行实时测量以探测蚀刻端点。
为了实现这个目的，本发明提供了一种带有厚度测量系统的旋转刻蚀器，它包括：一个可旋转的自旋(spin)头、蚀刻剂供应装置和蚀刻剂供应控制器。衬底被安装在自旋头之上。蚀刻剂供应装置被置于衬底上方，并且向衬底上喷射蚀刻剂。蚀刻剂供应控制器控制蚀刻剂的供应。所述旋转蚀刻器还包括一个主控制器，用来将停止供应蚀刻剂的信号传送给厚度测量系统和蚀刻剂供应控制器。厚度测量系统允许光照射在衬底表面，然后通过分析从衬底上反射回的光的干涉信号来测量膜的厚度。主控制器将厚度测量系统测量的结果与一参考值进行比较，并在测量结果达到参考值之前将停止供应蚀刻剂的信号传送给所述蚀刻剂供应控制器。在蚀刻剂的供应被停止一个预定时间之后，膜受到残留在衬底上的蚀刻剂的再一次蚀刻。作为结果，膜的厚度达到参考值。
根据本发明所述，它提供了一种旋转刻蚀器，包括：其上安装有衬底的可旋转的自旋头；用于将蚀刻剂喷射到衬底上的蚀刻剂供应装置，所述蚀刻剂供应装置被布置在衬底上方；用来控制蚀刻剂供应的蚀刻剂供应控制器；厚度测量系统，用于使光照射在衬底表面并通过对来自衬底的反射光的干涉信号进行分析来测量形成在衬底表面上的膜的厚度；以及主控制器，用于对所述厚度测量系统的测量结果与一参考值进行比较，并且在测量出的结果达到所述参考值之前将停止供应蚀刻剂的信号传送给所述蚀刻剂供应控制器，其中，所述厚度测量系统包括多个安装在光探针单元之中的光探针，所述光探针单元位于所述衬底的上方，并且所述光探针单元具有倾斜地安装在所述光探针的前方、用于保护所述光探针的透明窗。
根据本发明所述，所述厚度测量系统包括多个光探针，一个光源单元，一个探测器以及一个厚度测量控制器。所述光探针被定位在衬底的上方，并且允许光照射在衬底表面上并检测反射光。所述光源单元提供特定波长的光到各个所述光探针上。所述探测器检测从各个光探针传回的反射光的干涉信号。所述厚度测量控制器通过对所述探测器探测到的干涉信号进行估计来测量厚度，并将测得的厚度数据传递给所述主控制器。所述光探针被安装在一个光探针单元里用以防止它们受到蚀刻剂的腐蚀。
附图说明
图1示出了根据本发明所述的带有厚度测量系统的旋转刻蚀器；
图2的分解图用来解释根据本发明所述的光探针单元；
图3是图2所示光探针单元的截面图；
图4用于解释根据本发明所述的光探针；
图5和图6用于解释一种在本发明所述旋转刻蚀器中用于对形成在衬底表面上的薄膜的厚度进行测量的方法。
具体实施方式
参考图1，根据本发明所述的旋转刻蚀器包括：自旋头2，蚀刻剂供应装置80以及厚度测量系统。衬底4被置于自旋头2之上。自旋头2被安装在一个可旋转的轴上并以恒定速度旋转。厚度测量系统包括光探针单元10，光源单元18，探测器20以及厚度测量控制器22。光探针单元10被安装在衬底4的上方并与衬底4分开一个预定的距离，而且光探针单元10具有一个用于发光的发光部分和一个用于接收从衬底上反射的光的光接收部分。光源18利用紫外灯或氙灯而产生一束短波长的光，并将这个短波长的光传输至光探针单元10的发光部分。探测器20的作用是消除来自光探针单元10的光接收部分的噪声，并提取所需的干涉信号。厚度测量控制器22接收由探测器20提取的干涉信号，并利用可执行快速傅立叶变换(FFT)、拟合以及运算步骤的微处理器来测量薄膜的厚度。光探针单元10与光源单元18之间的光传输以及光源单元18与探测器20之间的光传输是通过含有多个光纤的信号传输线26来完成的。也就是说，光探针单元10通过信号传输线26接收来自光源单元18的光。被接收的光照射在衬底4上。被衬底4反射的光通过信号传输线26被传输给探测器20。为了精确地测量薄膜厚度，厚度测量系统具有多个光探针单元10。在这种情况下，厚度测量系统具有多个通道以分别接收来自光探针单元10的光信号。从各个光探针单元10传输的光信号分成多个分枝以被输入到至各个通道。
蚀刻剂供应装置80具有一个用来将蚀刻剂喷射在衬底4上的喷嘴8。喷嘴8被连接在传递臂6上，并远离晶片上方一个预定的距离。蚀刻剂供应装置80还包括一个蚀刻剂供应控制器12，它用于供应或阻止特定的蚀刻剂，并通过控制安装在蚀刻剂供应线上的阀门14以供应和切断蚀刻剂。根据本发明所述的旋转刻蚀器包括一个用于监视和控制整个系统的主控制器16。形成在衬底上的薄膜厚度由厚度测量控制器22进行实时测量。测得的厚度数据被传递给主控制器16。当薄膜厚度达到一个预定水平时，主控制器16向蚀刻剂供应控制器12传送一个停止供应蚀刻剂的命令。虽然蚀刻剂被停止喷射到衬底上，但是薄膜会受到残留的蚀刻剂的蚀刻。旋转刻蚀器在薄膜厚度达到参考值之前停止供应蚀刻剂，是考虑到薄膜的厚度还会受到残留的蚀刻剂的蚀刻。通过利用残留的蚀刻剂来执行第二次蚀刻，旋转刻蚀器使得薄膜厚度达到一个参考值。第二次蚀刻优选地经过10微秒到2秒完成。光探针单元10优选地被安装在距离衬底表面30cm的位置上，用以防止光探针受到损坏。
下面参考图2对根据本发明所述的光探针单元进行说明。如图2所示，光探针单元10包括上部装配块40，下部装配块42以及装配块支架60。上部装配块40和下部装配块42被第一个连接装置54接合在一起。滑槽44形成于上部装配块40的下面。滑槽44的倾角约为1至4度。下部装配块42被连接在上部装配块的下面。这样，滑槽44被放置在下部和上部装配块42和40之间。滑槽44沿着上部、下部装配块40和42之间的一个方向开口。一块透明的窗口52被插入到滑槽44中。该透明窗52优选地长于滑槽44的深度，从而在装配块的外部具有一个预定的凸起。如果透明窗52的表面被损坏，则透明窗52可以被更换。一个上孔62t和一个下孔62b被分别形成于上部装配块40和下部装配块42的旋转轴心上。如果透明窗52被移走，则上下孔62t和62b够彼此连通。光探针50被插入到上孔62t中。这样，上孔和下孔62t和62b被提供作为光探针50发射或接收光的路径。因为滑槽44具有约为1至5度的倾角，所以被插入滑槽44的透明窗52也具有约为1至5度的倾角。在传播至透明窗52的光的入射角与透明窗52的法线方向相平行的情况下，由于来自透明窗52的反射光和来自衬底的反射光的干涉而可能产生噪声。因此，透明窗被安装成具有一个预定的倾斜角，以防止来自透明窗52的反射光所引起的噪声。
下部装配块42的下端通过第二连接装置58与装配块支架60相连。装配块支架60具有一个光通路62h。当下部装配块42被与装配块支架60连接时，光通道62h和下孔62b连通。虽然没有表现在图中，但是装配块支架60包括空气供应装置，它用于将空气喷射入光通路62h以形成一个空气幕。
图3是图2所示光探针单元的截面图。参考图3，透明窗52被以1至5度的倾角插在上部装配块40与下部装配块42之间的滑槽44里。与光纤26相连的光探针单元10被插入上部装配块40的上部。下部装配块42被与装配块支架60相连。气体喷射装置70被安装在形成于装配块支架60上的光通路62h的侧壁上。气体喷射装置70将氮气或空气喷射进光通路62h以形成空气幕。如果在蚀刻过程中蒸发的蚀刻剂通过光通路62h附着在透明窗52上，则透射率可能变差或者透明窗52的表面可能受到蚀刻剂的腐蚀。因此，空气屏蔽被产生在透明窗52的前面以防止蒸发的蚀刻剂接触到透明窗52。
下面参考图4对根据本发明所述的光探针单元进行说明。参考图4，光探针50包括多个光接收部分64和多个发光部分66。光纤56s被连接在各光接收部分64与各发光部分66之间。光纤56s被与包含有一束光纤的光信号传输线26相连。
下面参考图5和图6对一种在本发明所述旋转刻蚀器中对形成在衬底上的薄膜的厚度进行测量的方法。参考图5和图6，薄膜102被形成在半导体衬底100上。喷嘴8被放置远离衬底100一个预定的距离以喷射蚀刻剂。衬底100被装在旋转的自旋头(没有图示出来)上以恒定速度旋转。光探针单元10被放置在衬底100的上方并远离衬底100一个预定的距离。当薄膜受到蚀刻时，光被从放置在衬底100上方的光探针50照射到衬底100的表面上。图6是光照射区域“A“的放大视图。如图6所示，其中有被薄膜102表面反射的第一反射光I1和穿过薄膜102待被衬底100表面反射的第二反射光I2。第一和第二反射光I1和I2相互作用引起干涉，从而在薄膜102受到蚀刻时产生一束具有偏移性(offset)和破坏性(destructive)的干涉信号。在这种情况下，干涉信号被输入至光探针50，并通过光学传输线被传送给厚度测量控制器。厚度测量控制器对输入的干涉信号做出估计以实时地测量出薄膜的厚度。
如上所述，在旋转蚀刻器以一个恒定速度旋转时，蚀刻剂被喷射在装在自旋头上的衬底表面上。因此，当薄膜受到蚀刻时，形成在衬底上的薄膜厚度就能够被实时地精确测量出来。而且，它还能够防止蚀刻剂蒸汽对光纤产生破坏。

Claims (7)

1.一种旋转刻蚀器，包括：
其上安装有衬底的可旋转的自旋头；
用于将蚀刻剂喷射到衬底上的蚀刻剂供应装置，所述蚀刻剂供应装置被布置在衬底上方；
用来控制蚀刻剂供应的蚀刻剂供应控制器；
厚度测量系统，用于使光照射在衬底表面并通过对来自衬底的反射光的干涉信号进行分析来测量形成在衬底表面上的膜的厚度；以及
主控制器，用于对所述厚度测量系统的测量结果与一参考值进行比较，并且在测量出的结果达到所述参考值之前将停止供应蚀刻剂的信号传送给所述蚀刻剂供应控制器，
其中，所述厚度测量系统包括多个安装在光探针单元之中的光探针，所述光探针单元位于所述衬底的上方，并且所述光探针单元具有倾斜地安装在所述光探针的前方、用于保护所述光探针的透明窗。
2.根据权利要求1所述的旋转刻蚀器，其特征在于，所述厚度测量系统还包括：
用于向各个所述光探针提供特定波长的光的光源单元；
用于检测来自所述各光探针的反射光的干涉信号的探测器；以及
用于通过对所述探测器探测到的干涉信号进行估计以测量厚度并将测得的厚度数据传送给所述主控制器的厚度测量控制器。
3.根据权利要求2所述的旋转刻蚀器，其特征在于，所述光源单元是紫外灯或氙灯。
4.根据权利要求2所述的旋转刻蚀器，其特征在于，各个所述光探针包括多个发光部分(66)和多个光接收部分(64)，所述发光部分允许所述光源单元提供的光照射到衬底表面，所述光接收部分用于检测从衬底反射的反射光。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的旋转刻蚀器，其特征在于所述光探针单元包括：
一上部装配块，其旋转轴心上装有一个上孔，其下部形成有一个滑槽，其中，所述光探针被插入到所述上孔中；
一下部装配块，它具有一个与所述上孔同轴的下孔，所述下部装配块被连接在所述上部装配块的下部；以及
一装配块支架，它具有与所述下孔连通的光通路以及安装在所述光通路的内壁上的喷射装置，
其中，所述下部装配块与所述装配块支架连接，并且所述透明窗可拆卸地插入所述滑槽中。
6.根据权利要求5所述的旋转刻蚀器，其特征在于，所述滑槽被形成为具有1至5度的倾角，从而使所述透明窗相对于所述光探针单元倾斜。
7.根据权利要求1所述的旋转刻蚀器，其特征在于，在蚀刻剂的供应被停止之后，用于膜的第二次蚀刻被执行10微秒至2秒钟。
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