TW201440112A - 電漿監視探針組件及倂入該組件之處理腔室 - Google Patents

Abstract

本發明提供一電漿處理腔室，該電漿處理腔室包含一或更多處理氣體入口、一或更多排氣出口、一用以在電漿處理腔室之電漿處理部產生處理氣體電漿的電漿產生硬體、一設置在該電漿處理腔室內之晶圓處理台、以及一電漿監視探針組件。該電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件。該絕緣套筒組件包含繞著該探針組件之該導電探針的縱向探針軸線的不同部分設置的一電漿側套筒部和一地下套筒部。該絕緣套筒組件之電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件的地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成，而該絕緣套筒組件的地下套筒部係由比絕緣套筒組件之電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。

Description

電漿監視探針組件及併入該組件之處理腔室

本發明關於電漿監視探針組件及併入該組件之處理腔室。

電漿處理系統可能會遭受各種特定模式的故障。許多這樣的模式在處理實際裝置晶圓前難以偵測出來，並可能導致晶圓處理上的瑕疵。已發展並將持續發展許多偵測系統、硬體和方法，以協助監視電漿處理腔室中之電漿特性和晶圓處理。這些功能可用於診斷處理的問題並偵測處理的瑕疵。本發明關於電漿處理系統且，更具體地，關於此等系統之自我診斷能力的強化。

根據本發明之一實施例，提供一電漿處理腔室，該電漿處理腔室包含一或更多處理氣體入口、一或更多排氣出口、一用以在該電漿處理腔室之電漿處理部內產生處理氣體電漿的電漿產生硬體、一設置在該電漿處理腔室內之晶圓處理台、以及一電漿監視探針組件。該電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件。該電漿監視探針組件的導電探針和絕緣套筒組件係設置在該電漿處理腔室之可操作地漸變之電場部中。該絕緣套筒組件的該電漿側套筒部係沿著該縱向探針軸線的一部分設置，該縱向探針軸線的一部分比該絕緣套筒組件的該地下套筒部更接近該電漿處理腔室的該電漿處理部。該絕緣套筒組件的地下套筒部係沿著縱向探針軸線的一部份設置，該縱向探針軸線的一部份比絕緣 套筒組件之電漿側套筒部更接近電漿處理腔室的可操作地漸變電場部之電場最大值。該絕緣套筒組件之電漿側套筒部係由比絕緣套筒組件的地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成，且絕緣套筒組件的地下套筒部係由比絕緣套筒組件之電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。

根據本發明之另一實施例，提供一電漿處理腔室，該電漿處 理腔室包含一或更多處理氣體入口、一或更多排氣出口、一用以在電漿處理腔室之電漿處理部內產生處理氣體電漿的電漿產生硬體、一設置在該電漿處理腔室內之晶圓處理台、以及一電漿監視探針組件。該電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件。該電漿處理腔室包含一或更多腔室元件，該等腔室元件係藉由該絕緣套筒組件與導電探針電隔離。該絕緣套筒組件包含繞著該探針組件之該導電探針的縱向探針軸線的不同部分設置的一電漿側套筒部和一地下套筒部。該絕緣套筒組件的該電漿側套筒部係沿著該縱向探針軸線的一部分設置，該縱向探針軸線的一部分比該絕緣套筒組件的該地下套筒部更接近該電漿處理腔室的該電漿處理部。該絕緣套筒組件的電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件的地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成。該絕緣套筒組件之該地下套筒部係由比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。

根據本發明之另一實施例，提供一種電漿監視探針組件，該 電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件。該絕緣套筒組件包含繞著該探針組件之該導電探針的縱向探針軸線的不同部分設置的一電漿側套筒部和一地下套筒部。該絕緣套筒組件的電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件的地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成。該絕緣套筒組件之該地下套筒部係由比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。

10‧‧‧電漿監視探針組件

20‧‧‧導電探針

22‧‧‧感應表面

24‧‧‧固定部

26‧‧‧導電插座

30‧‧‧絕緣套筒組件

32‧‧‧電漿側套筒部

34‧‧‧地下套筒部

35‧‧‧縱向探針軸線

40‧‧‧電場部

105‧‧‧處理氣體入口

100‧‧‧電漿處理腔室

110‧‧‧排氣出口

120‧‧‧電漿處理部

130‧‧‧下部電極

140‧‧‧限制環

150‧‧‧上部電極

160‧‧‧頂板

170‧‧‧晶圓處理台

172‧‧‧晶圓安裝部

174‧‧‧導電基座

180‧‧‧矽邊緣環

182‧‧‧陶瓷耦接環

當結合下列圖式閱讀時，可對本發明之特定實施例的以下詳 細說明有最佳之理解，在下列圖式中相似的結構係以相似的參考數字標記，且其中：圖1顯示一電容耦合電漿處理腔室的大致配置；圖2顯示可根據本發明將電漿處理腔室併入一電漿監視探針組件的方式；圖3為一更詳細的繪圖，呈現根據本發明可將圖2之電漿處理腔室併入一電漿監視探針組件的方式；且圖4為圖3所示之電漿監視探針組件的放大視圖。

圖1顯示電容耦合電漿處理腔室100的大致配置。腔室100之具體結構和操作細節係超出本發明之範圍，且可透過本領域習知及待發展之教示，包含在美國專利公開案第2011/0022215號中所找到者加以深入了解。大致而言，所繪示之電漿處理腔室100為一平行板電漿系統，諸如Lam Research Corporation之EXELAN®2300系統。該系統包含處理腔室100，該腔室係由連接至排氣出口110的真空泵維持在期望之真空壓力。蝕刻氣體係從氣體進料器供應至電漿處理反應器，且一中等密度之電漿係經由，例如，一雙頻配置產生在腔室100的電漿處理部120中，其中，來自射頻源的射頻能量係經由匹配網路供應至受供電的下部電極130。限制環140協助對電漿之限制。上部電極150係接地並連接至一加熱的頂板160。待處理之晶圓被夾持至為靜電夾盤之形式的晶圓處理台170，該晶圓處理台係由導電矽邊緣環180所圍繞。

圖2-4繪示根據本發明可使電漿處理腔室100配置為併入一電漿監視探針組件10的方式。雖然本發明之概念係特別參照特定類型的電漿處理系統加以描述於本文中，但吾人可預期這些概念將可適用於任何電漿處理系統，在該系統中之電漿參數探針將有助於增強該系統之自我診斷能力。更具體地，儘管已結合電容耦合電漿處理腔室討論數個實施例，但本發明之概念亦適用於感應耦合電漿處理腔室、電子迴旋共振(ECR)電漿處理腔室等，其設計及操作參數可透過現有的專利和非專利文獻以及本 領域待發展之教示中加以深入了解。

參照圖2-4，所繪示之電漿處理腔室100包含一或更多處理氣體入口105、一或更多排氣出口110、以及為下部電極130及上部電極150之形式的電漿產生硬體，該電漿產生硬體可受驅動以產生一處理氣體電漿於電漿處理腔室100之電漿處理部120中。所考慮之可預期的電漿產生硬體包含，但不限於，電容耦合電漿產生硬體、感應耦合電漿產生硬體、或電子迴旋共振電漿產生硬體。吾人亦預期電漿處理腔室100可進一步包含耦接至該一或更多處理氣體入口105之各自的處理氣體源和惰性氣體源。晶圓處理台170係設置於電漿處理腔室100中。導電矽邊緣環180圍繞晶圓處理台170之晶圓安裝部172，晶圓安裝部172係由晶圓處理台170之導電基座174所支撐。導電矽邊緣環180係由電絕緣之陶瓷耦接環182支撐。

電漿處理腔室100更包含電漿監視探針組件10。如圖3和4所繪示，電漿監視探針組件10包含導電探針20和繞著該導電探針20而設置之絕緣套筒組件30。導電探針20可設置俾使探針之導電部分的感應表面22暴露至產生於電漿處理腔室100之電漿處理部120中的電漿。電漿處理腔室100可設置控制硬體，該控制硬體係用以相對於電漿處理腔室100之一電接地、浮動或偏壓元件，控制導電探針20之電偏壓。例如，探針組件10可設置在電漿腔室壁或電漿腔室之另一元件中。通常地，此元件將包含，例如，一射頻偏壓、電浮動、或接地之表面於該電漿腔室中。導電探針20之感應表面22可暴露至探針組件10附近之電漿，以測量在處理腔室100內之電漿參數。

一般而言，電漿監視探針組件10可設置在電漿處理腔室100中之任何地方，使該電漿監視探針組件可用以監視產生於腔室100中之電漿的參數。在所繪示之實施例中，電漿監視探針組件10係設置於導電矽邊緣環180中並從導電基座174延伸，穿過陶瓷耦接環182及矽邊緣環180。

在一實施例中，電漿監視探針組件10為一平坦離子通量(PIF)探針，如例如在美國專利申請案第2011/0022215號中所公開者。PIF探針可以電容耦合至一脈衝式射頻源的、相對大面積、平面的朗繆爾探針(Langmuir probe)之形式呈現。在施加射頻脈衝期間，偏壓電壓係發展穿過 一耦合之電容器。當射頻脈衝終止時，電容器接著提供足夠的電壓，以施加偏壓至收集表面上以收集來自電漿之離子。如果該偏壓足以達到被稱為「離子飽和」的狀態，在放電階段的「離子飽和」部份期間所收集之測量的電流，除以收集表面的面積，可作為離子通量之量測。此外，隨著穿過偏壓電容器的電壓衰減，所收集之電流亦將衰減。在整個衰減階段期間之電壓對電流的曲線圖導致一特有的軌跡，可分析該軌跡以獲得各種電漿參數之數值。如實施本發明之概念者所能理解，電漿監視探針組件可用以作為各種替代性探針類型之任何一者，該等替代性探針類型係設計以量測電漿之參數，該參數之測量值可指示電漿、電漿處理腔室、該腔室之一或更多組件、或受該電漿處理之對象的狀態。

導電探針20和絕緣套筒組件30係設置於電漿處理腔室之可 操作地漸變之電場部40中(參照圖4)。為了描述和界定本發明，吾人應注意，電漿處理腔室可描述為包含一「可操作地漸變之電場部」，其中，在操作期間，在電漿監視探針組件之一導電探針以及電漿處理腔室之浮動、接地或差異性地偏壓之硬體之間的電位漸變差異係累積。該差異係為漸變式的，因為該差異之大小從其中之探針及周圍之硬體相對靠近操作電漿之相對低規模的電場部至其中之探針及周圍之硬體相對遠離操作電漿之相對高規模的電場部而有所變化。

如圖4所繪示，電漿處理腔室100之可操作地漸變之電場部 40包含一或更多腔室元件，該等元件藉由絕緣套筒組件30與導電探針20電隔離。絕緣套筒組件30包含一電漿側套筒部32和一地下套筒部34，該電漿側套筒部32及該地下套筒部分34係繞著該探針組件10的導電探針20之縱向探針軸線35的不同部分而設置。

如在圖3和圖4所最清楚地顯示，絕緣套筒組件30之電漿 側套筒部32係沿著縱向探針軸線35的一部分設置，該電漿側套筒部比絕緣套筒組件30的地下套筒部分34更接近電漿處理腔室100的電漿處理部120。

本發明之發明人已體認，在操作時，電漿監視探針組件10 附近的各種腔室元件之間的電位差異可逐漸累積，進而在探針組件10附近 產生一可操作地漸變之電場部40。相對於探針組件10的導電探針20發展出相對高電位差異之元件(如陶瓷耦接環182)將位於可操作地漸變之電場部40所產生的電場最大值中，並且將比相對於導電探針20僅發展出相對低電位差異之元件(例如導電矽邊緣環180)更容易受操作電弧放電之影響。由於地下套筒部34係比電漿側套筒部32設置更接近所產生之電場最大值，若地下套筒部34係由比電漿側套筒部32之材料更耐電之材料所構成，則吾人可預期將可避免潛在有害之電弧。再者，由於電漿側套筒部32係設置較遠離所產生之電場最大值，吾人可預期透過使用比地下套筒部34之材料更能抗電漿所致之劣化的材料構建電漿側套筒部34，可減緩電漿破壞。

例如，由於陶瓷材料通常比玻璃材料更耐電漿側的破壞，且 玻璃材料通常為比陶瓷材料更佳的電絕緣體，因此吾人可預期電漿側套筒部32可主要由陶瓷材料製成，而地下套筒部34可主要由玻璃材料構成。 合適的陶瓷材料可，例如，選自氧化鋯、SiC、氧化鋁、Y₂O₃及YF₃、或其組合。合適的玻璃材料可，例如，包含石英或可替換為相對高電阻之SiC或其他高電阻之介電絕緣體。

在圖3和圖4中所繪示之實施例中，可包含碳化矽銷的導電 探針20之感應表面22係由導電矽邊緣環180之一部分所圍繞，且係藉由絕緣套筒組件30的電漿側套筒部32與矽邊緣環180的周圍部間隔開。導電探針20的固定部24係藉由絕緣套筒組件30的地下套筒部34與導電基座174間隔開。如該等圖所繪示，絕緣套筒組件30的電漿側套筒部32和地下套筒部34可沿縱向探針軸線35共同佔據絕緣套筒組件30的長度尺寸之實質整體。在此情況下，吾人可預期絕緣套筒組件30之電漿側套筒部32和地下套筒部34可沿著縱向探針軸線設置在一端對端拱台中。

導電探針20和絕緣套筒組件30可在電漿監視探針組件10 之電漿側套筒部32以及地下套筒部34中同心地間隔開。為了維持同心之間隔，電漿監視探針組件10可設置一導電插座26，該導電插座係用以維持導電探針20和絕緣套筒組件30之間的同心間隔。

吾人亦應注意，本文所述之「至少一」元件、元素等，不應 該被用以建立冠詞「一」之替代用法應侷限於單一元件、元素之推論。

吾人應注意，本文所述之本發明的元件以一特定方式「配 置」，以特定方式體現特定之特性、或功能，相對於其使用目的之敍述，係為結構性之敍述。更具體地，本文中所提及之元件「配置」的方式，表示該元件之既有物理狀態且，因此，應被視為對該元件之結構性特徵的明確敘述。

吾人應注意，當用於本文時，如「較佳地」、「普遍地」和「通 常地」之用語，並非用以限制所申請之發明的範圍或暗示某些特徵為關鍵、必要、或甚至對於所申請之發明的結構或功能而言很重要。相反地，這些用語僅旨在標識本發明之一實施例的特定實施態樣或強調可能或可能不會用於本發明之特定實施例中的替代或額外的特徵。

為了描述和界定本發明，吾人應注意在本文中，用語「實質 上」或「大約」係用以表示不確定性的固有程度，此不確定性可歸因於任何定量之比較、數值、量測值、或其它表示法。用語「實質上」或「大約」在本文中亦用以代表，在不導致所論述之標的之基本功能改變的情況下，定量表示可從所述之參考值變動的程度。

由於已詳細並參照其特定實施例描述本發明之標的，因此吾 人應注意，即使當一特定元素係繪示於隨附在本說明書中之數個圖式中，本文所揭露之各種細節不應被視為暗示此等細節與本文所述之各種實施例之主要元件有關。相反地，本文隨附之請求項應被視為本發明之廣度及本文所述之各種發明的對應範圍之唯一表示。此外，將顯而易見地，在不脫離由隨附請求項所定義之本發明的精神和範圍之情況下，修改和變化均為可能的。更具體地，雖然本發明的一些實施態樣在本文中係區別為較佳的或特別有利的，吾人將可預期本發明並不一定侷限於這些實施態樣。

吾人應注意以下請求項之一或更多者利用用語「其中」作為 轉折語。為了界定本發明，吾人應注意此用語在請求項中係用以作為開放式的轉折語，用以引導對該結構之一連串特徵之敍述，且應以與更常用之開放式的前言用語「包含」相同的方式加以解釋。

20‧‧‧導電探針

22‧‧‧感應表面

24‧‧‧固定部

26‧‧‧導電插座

30‧‧‧絕緣套筒組件

32‧‧‧電漿側套筒部

34‧‧‧地下套筒部

120‧‧‧電漿處理部

130‧‧‧下部電極

150‧‧‧上部電極

170‧‧‧晶圓處理台

172‧‧‧晶圓安裝部

174‧‧‧導電基座

180‧‧‧矽邊緣環

182‧‧‧陶瓷耦接環

Claims (18)

1. 一種電漿處理腔室，包含一或更多處理氣體入口、一或更多排氣出口、一用以在電漿處理腔室之電漿處理部內產生處理氣體電漿的電漿產生硬體、一設置在該電漿處理腔室內之晶圓處理台、以及一電漿監視探針組件，其中：該電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件；該電漿監視探針組件之該導電探針及該絕緣套筒組件係設置於該電漿處理腔室之一可操作地漸變之電場部內；該電漿處理腔室之該可操作地漸變之電場部包含一或更多腔室元件，該等腔室元件係藉由該絕緣套筒組件與該導電探針電隔離；該絕緣套筒組件包含一電漿側套筒部和一地下套筒部，該電漿側套筒部及該地下套筒部係繞著該探針組件的該導電探針之一縱向探針軸線的不同部分而設置；該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部係沿著比該絕緣套筒組件之該地下套筒部更接近該電漿處理腔室之該電漿處理部之該縱向探針軸線的一部分設置；該絕緣套筒組件之該地下套筒部係沿著比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部更接近該電漿處理腔室之該可操作地漸變電場部之電場最大值之該縱向探針軸線的一部份設置；該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件之該地下套筒部的材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成；且該絕緣套筒組件之該地下套筒部係由比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。
2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中：該導電探針係設置俾使該導電探針的一感應表面暴露至產生在該電漿處理腔室之該電漿處理部中的電漿；且該電漿處理腔室包含控制硬體，該控制硬體係用以相對於該電漿處理 腔室之一電接地、浮動或偏壓元件控制該導電探針之電偏壓。
3. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中：該電漿側套筒部係主要由一陶瓷材料所構成；且該地下套筒部係主要由一玻璃材料或具有類似電阻之另一介電材料所構成。
4. 如申請專利範圍第3項之電漿處理腔室，其中該陶瓷材料係選自氧化鋯、SiC、氧化鋁、Y₂O₃及YF₃、或其組合。
5. 如申請專利範圍第3項之電漿處理腔室，其中該玻璃材料包含石英。
6. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中該電漿側套筒部為一陶瓷套筒且該地下套筒部為一石英套筒。
7. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部及該地下套筒部沿該縱向探針軸線共同佔據該絕緣套筒組件的長度尺寸之實質整體。
8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理腔室，其中該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部及該地下套筒部係沿著該縱向探針軸線設置在一端對端拱台中。
9. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中：該電漿處理腔室更包含圍繞該晶圓處理台的晶圓安裝部之一導電矽邊緣環；且該電漿監視探針組件係設置於該導電矽邊緣環中。
10. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中：該晶圓處理台包含由一導電基座支撐的晶圓安裝部； 該電漿處理腔室更包含由一電絕緣之陶瓷耦接環所支撐的一導電矽邊緣環；該矽邊緣環圍繞該晶圓處理台之該晶圓安裝部；且該電漿監視探針組件從該導電基座延伸，穿過該陶瓷耦接環及該矽邊緣環。
11. 一種如申請專利範圍第10項之電漿處理腔室，其中：該導電探針之一感應表面係由該導電矽邊緣環之一部分圍繞，且係藉由該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部與該矽邊緣環之周圍部分間隔開；且該導電探針之固定部係藉由該絕緣套筒組件的該地下套筒部與該導電基座間隔開。
12. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中該導電探針和該絕緣套筒組件係在該電漿監視探針組件之該電漿側套筒部及該地下套筒部中同心地間隔開。
13. 如申請專利範圍第12項之電漿處理腔室，其中該電漿監視探針組件更包含一導電插座，該導電插座係用以維持該導電探針及該絕緣套筒組件之間的同心間隔。
14. 如申請專利範圍第13項之電漿處理腔室，其中該導電探針包含一碳化矽銷。
15. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中該電漿產生硬體包含電容耦合電漿產生硬體、感應耦合電漿產生硬體、或電子迴旋共振電漿產生硬體。
16. 如申請專利範圍第1項之電漿處理腔室，其中該電漿處理腔室更包含：耦接至該一或更多處理氣體入口之各自的處理氣體源；以及 耦接至該一或更多處理氣體入口之一或更多惰性氣體源。
17. 一種電漿處理腔室，包含一或更多處理氣體入口、一或更多排氣出口、一用以在電漿處理腔室之電漿處理部內產生處理氣體電漿的電漿產生硬體、一設置在該電漿處理腔室內之晶圓處理台、以及一電漿監視探針組件，其中：該電漿監視探針組件包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件；該電漿處理腔室包含一或更多腔室元件，該等腔室元件係藉由該絕緣套筒組件與該導電探針電隔離；該絕緣套筒組件包含繞著該探針組件之該導電探針的一縱向探針軸線之不同部分設置的一電漿側套筒部和一地下套筒部；該絕緣套筒組件的該電漿側套筒部係沿著比該絕緣套筒組件之該地下套筒部更接近該電漿處理腔室之該電漿處理部之該縱向探針軸線之一部分設置；該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件的該地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成；且該絕緣套筒組件之該地下套筒部係由比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。
18. 一種電漿監視探針組件，包含一導電探針和繞著該導電探針設置的一絕緣套筒組件，其中：該絕緣套筒組件包含繞著該探針組件的該導電探針之一縱向探針軸線的不同部分設置的一電漿側套筒部和一地下套筒部；該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部係由比該絕緣套筒組件的該地下套筒部之材料更能耐受電漿所致之劣化的材料所構成；且該絕緣套筒組件之該地下套筒部係由比該絕緣套筒組件之該電漿側套筒部的材料更耐電之材料所構成。