TW201604983A - 在電漿處理設備中即時診斷部件狀態之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於診斷一電漿反應室之一耗材部件狀態之裝置及方法，該耗材部件包括嵌入於其中的至少一傳導元件。該方法包括下列步驟：耦合該傳導元件至一電源供應器，致使相對於接地的一偏壓電位被施加至該傳導元件；使該耗材部件曝露於電漿腐蝕，直到在該傳導元件曝露於該電漿下該傳導元件自該電漿汲取一電流；測量該電流；及基於該測量之電流來評估歸因於該電漿所致之該耗材部件之一腐蝕程度。

Description

在電漿處理設備中即時診斷部件狀態之方法及裝置
本案係關於在電漿處理設備中即時診斷部件狀態之方法及裝置。
在許多應用(諸如半導體處理步驟)中已使用電漿。習知電漿處理設備產生具有刺鼻熱及/或化學屬性之電漿，引起在處理步驟期間曝露於電漿的許多部件磨損。歸因於電漿的侵略性質，重複接觸於電漿可造成一或多個部件逐漸腐蝕及/或突然失效，使設備效能惡化並且造成處理結果隨時間改變。
就其本身而論，重要事項係謹慎監視部件狀態並且在適當時間更換部件。如果太快更換部件，則丟棄仍然可進一步使用的部件使生產成本增加。如果部件在更換之前過長時間留用部件，則可造成設備的其它部件損壞而導致額外成本。例如，半導體處理室中邊緣環狀物(edge ring)腐蝕超過安全限制可導致破壞屬於極高成本部件的靜電吸盤(electrostatic chuck)。理想狀況係使用部件至最大安全限制且不進一步使用。
可透過將部件置於特定環境中時的惡化與失效統計分析來評估每一部件的可用壽命。但是，始終有可能部件比預期更早失效或必須替換。再者，實務上，部件的壽命可確切地取決於設備如何運作，而此可能未知或無法密切監視。另外，可需要開動設備以實行檢驗，而這使生產中斷並且導致一定停機時間。因此，希望提供一種能力以於設備運作期間且獨立於任何特定電漿處理中應用來偵測對部件之可用壽命結束、故障或失效的指示之事件。進一步希望提供一種能力以即時監視每一部件狀態，並且當抵達部件之有效操作壽命結束時呼叫警示。
根據一項具體實施例，一種診斷一電漿反應室之一耗材部件狀態之方法，該耗材部件包括嵌入於其中的至少一傳導元件，該方法包括下列步驟：耦合該傳導元件至一電源供應器，致使相對於接地的一偏壓電位被施加至該傳導元件；使該耗材部件曝露於電漿腐蝕，藉此引起在該傳導元件曝露於該電漿下該傳導元件自該電漿汲取一電流； 測量該電流；及基於該測量之電流來評估歸因於該電漿所致之該耗材部件之一腐蝕程度。
根據另一具體實施例，一種一電漿反應室之耗材部件，其中該耗材部件係由介電材料所形成並且包括一曝露於電漿之表面，該耗材部件包括：一或多個傳導元件，其被嵌入於該耗材部件中；一探針電路，其被耦合至該等傳導元件；及一電源供應器，其被耦合該探針電路及接地，以相對於該接地施加一偏壓電位至該等傳導元件，其中在該等傳導元件曝露於該電漿下該等傳導元件係操作以自該電漿汲取一電流，並且該探針電路係操作以測量該電流。
根據另一具體實施例，一種一電漿反應室之耗材部件，其中該耗材部件係由傳導材料所形成並且包括一曝露於電漿之表面，該耗材部件包括：一或多個傳導元件，其被嵌入於該耗材部件中並且藉由一介電層而電絕緣於該耗材部件；一探針電路，其被耦合至該等傳導元件；及一電源供應器，其被耦合該探針電路及接地，藉此相對於該接地施加一偏壓電位至該等傳導元件，其中在該等傳導元件曝露於該電漿下該等傳導元件係操作以自該電漿汲取一電流，並且該探針電路係操作以測量該電流。
現在請參考圖1，圖中繪示根據本發明一項具體實施例之電漿處理室100的概要剖面圖。請注意，電漿處理室100係一種產生電漿的示範性器件並且包括根據一項具體實施例之一診斷感測器。而後為了簡潔，下文之論述限於用於診斷電漿處理室100中之組件的感測器。但是，熟悉此項技術者應明白，類似感測器具體實施例可應用於其它適合的電漿產生器件。
如所示，電漿處理室包括用於形成一空間的一壁117，在該空間中佈置用於產生電容耦合之電漿的各種組件。電漿處理室亦包括：一靜電吸盤106，其用於使一基板112固持在適當位置；及一上部電極102。上部電極102及吸盤106形成經耦合至一RF電源(圖1中未繪示)的一對電極；且當藉由RF電源供電時產生電漿於基板112的頂部表面。電漿處理室100亦包括：一陶瓷環狀物108；一耦合環狀物110，其佈置於陶瓷環狀物與吸盤106之間；及一邊緣環狀物114，其經佈置成環繞基板112之邊緣。佈置於上部電極102與吸盤106之間的間隙中的若干限界環狀物104使電漿受到侷限。電漿中的一些氣體粒子行進穿過介於環狀物104之間的間隔/間隙並且自該處由一真空泵予以排出。
邊緣環狀物114實行數項功能，包括相對於吸盤106地定位基板112並且遮蔽未受基板本身保護的下方組件以防被電漿損壞。邊緣環狀物114亦增強跨基板112的電漿均勻性。在無邊緣環狀物114的情況下，基板112電氣地界定吸盤的外部邊緣並且等電位線將在基板邊緣附近急遽地向上彎曲。就其本身而論，在無邊緣環狀物114的情況下，基板邊緣遭遇的電漿環境將不同於在基板中心處存在的電漿環境，導致邊緣附近處的不良生產良率。電漿處理室的更詳細說明可參閱共同擁有的美國專利案第6,986,765號。
歸因於電漿的侵略性質，可使邊緣環狀物114隨時間磨損。隨著邊緣環狀物114磨損，可使邊緣環狀物之損害區域附近中的電漿屬性改變。電漿屬性改變繼而可造成處理結果隨時間改變，並且電漿處理室可達到必須替換邊緣環狀物114的狀況。
為了即時監視邊緣環狀物114的操作狀況及結構狀態，並且為了提供事件(諸如邊緣環狀物114的可用壽命結束)，可將一診斷感測器115耦合至邊緣環狀物114。感測器115包括一拾波單元或探針116及經由一導線119連接至探針116的探針電路118。探針116被嵌入於邊緣環狀物114中致使邊緣環狀物114徹底繞行探針。在一項示範性具體實施例中，探針116具有電線段或接針之形狀。探針116係由(但不限於)傳導材料(諸如金屬)所形成，而邊緣環狀物114係由(但不限於)電絕緣材料或介電材料所形成。
探針電路118包括一電源供應器122，用於在探針116與接地之間施加電氣電位。探針電路118亦包括一電阻器120及一測量器件124(諸如伏特計)，測量器件係用於測量跨電阻器的電壓或流動通過電阻器的電流。圖中所示之導線119延伸自探針116穿過室壁117至探針電路118。在一替代具體實施例中，探針電路118可被佈置於電漿處理室內側，且測量器件124可耦合至一顯示器單元，顯示器單元被定位於室壁117外側並運作以顯示測量器件124所測量的訊號給操作者。
探針116被嵌入於邊緣環狀物114中相對應於診斷事件(諸如邊緣環狀物114的可用壽命結束)的深度處。探針116被偏壓至相對於接地的負直流(dc)電位，較佳為10伏特至15伏特。於操作期間，覆蓋探針116以免受電漿侵略的邊緣環狀物114之部分防止電漿的高能電離子抵達探針116。但是，在重複曝露於電漿之後，邊緣環狀物114的覆蓋部分可被腐蝕並且使探針116曝露於電漿，造成探針自電漿汲取離子電流(ion current)。所汲取之離子電流流動通過探針電路118的電阻器120並且可藉由測量跨電阻器的電壓予以測量。電漿可經由壁117、上部電極102或其它適合組件而耦合至接地並且完成用於探針所汲取之離子電流的一路徑，即，電漿係離子電流來源並且形成用於離子電流的電路徑之一部份，其中接地亦形成電路徑之一部份。
在一替代具體實施例中，探針116被偏壓至相對於接地的正直流電位(圖1中未繪示)，較佳為10伏特至15伏特。在此具體實施例中，圖1中之電源供應器122的正端子被連接至電阻器120，同時電源供應器122的負端子被連接至接地。當邊緣環狀物114被磨破而使探針116曝露於電漿時，經加正偏壓的探針116可自電漿汲取負電子電流。電漿可經由壁117、上部電極102或其它適合組件而耦合至接地並且完成用於探針所汲取之電子電流的一路徑，即，電漿係電子電流來源並且形成用於電子電流的電路徑之一部件，其中接地亦形成電路徑之一部件。
圖2繪示來自圖1中之測量器件124之訊號以電漿曝露時間為函數的標繪圖。隨著覆蓋探針116以免受電漿的邊緣環狀物114之部分被磨破，藉由測量器件124所測量之流動通過電阻器120的離子電流(或等效地，跨電阻器的電壓)可突然增大，如圖2所示。訊號強度之突然增大可被用來作為何時探針116被曝露於電漿的時間點之指示項。在一項具體實施例中，當電壓增大至對應於一診斷事件(諸如邊緣環狀物114的有效操作壽命結束)的預設定臨限電壓VT時，可觸發一要求操作員注意或介入的警告或通知。在另一具體實施例中，當電壓展現出值突然變更時可觸發警告或通知。因此，藉由監視來自測量器件124的訊號，可即時實行對邊緣環狀物114之狀況(諸如腐蝕程度)及效能的原位診斷。
如上文所述，探針116可被偏壓至相對於接地的正直流電位並且汲取負電子電流。在此一情況中，圖2中的標繪圖可表示跨電阻器120之電壓的絕對值。
在一項示範性具體實施例中，感測器115可包括經嵌入於邊緣環狀物114中的多個探測接針以提供冗餘或用以監視邊緣環狀物的完整性。圖3A繪示嵌入多個探針302於其內之邊緣環狀物300的概要側面剖面圖。圖3B繪示具有八個探針302之邊緣環狀物300的沿IIIA-IIIB線為例的概要俯視剖面圖。為了簡潔，圖3A中未繪示經由導線304耦合至探針的探針電路。
如圖3A至圖3B所示，在邊緣環狀物300之中心軸附近按一預設定角間隔於周圍排列多個探針或探測接針302。請注意，可在邊緣環狀物300內嵌入任何適當數量之探針302。在另一示範性具體實施例中，探針302係經由一選用之連接電線306而彼此電連接，其中連接電線306可係由導電材料所形成並且被嵌入於邊緣環狀物300中。在此具體實施例中，所有探針302可被耦合至探針電路。
可根據探針的應用類型來選擇探針之形狀、尺寸及材料組合物。在一項示範性具體實施例中，診斷感測器可包括經耦合至一探針電路的薄板，每一板具有一大體多邊形或圓板/碟形形狀。例如，圖4A繪示邊緣環狀物400之一示範性具體實施例的概要剖面圖。如所示，在邊緣環狀物400中之周圍排列且嵌入多個探針402。每一探針402具有一扁平圓碟形狀並且經由一導線404耦合至探針電路(圖4A中未繪示)。請注意，探針402可具有其它適合形狀，諸如矩形。
視需要，嵌入於邊緣環狀物400中的多個探針402可藉由一連接電線406而彼此電連接，其中連接電線406可係由導電材料所形成並且被嵌入於邊緣環狀物中。在此具體實施例中，所有探針可經由一導線而耦合至探針電路。
圖4B繪示邊緣環狀物410之另一具體實施例的概要剖面圖。如所示，具有一輪形形狀的一探針412被嵌入於邊緣環狀物410中。為了簡潔，圖4B中未繪示經由一導線404耦合至探針412的探針電路。
圖1至圖4B之診斷感測器可應用於其它適合組件(諸如限界環狀物)，並且該等組件可因電漿之作用而被腐蝕且係由電絕緣材料或介電材料所製成。可同時監視來自於相關聯於彼等組件之多個診斷感測器的訊號，以即時診斷該等組件之狀況。對於由傳導材枓或半導體材料所製成的組件(諸如上部電極102(圖1)，探針可被介電材料所環繞，以防止介於探針與探針嵌入於其中之主組件之間的直接接觸.如結合圖5至圖7B所論述。下文，為了闡釋用途，一上部電極被描述為由傳導材料所形成的示範性主組件。
圖5繪示在圖1之電漿處理室中可使用的上部電極500之示範性具體實施例的概要剖面圖。圖6繪示上部電極500之概要剖面圖。為了簡潔，圖5至圖6中未繪示出電極的詳細組態，諸如氣體注入機制。如所示，使上部電極500相關聯於診斷感測器501，其包括嵌入於上部電極中的一或多個探針單元503。每一探針單元503具有：一探針502，其包括由傳導材料(諸如金屬)所形成的接針或電線段；及一絕緣層504，其環繞探針以使探針電絕緣於上部電極500。可藉由塗佈介電材料於探針502上來形成絕緣層504。感測器501亦包括一感測器電路506及一或多個導線508，該等導線508之各者被耦合至感測器電路506及該等探針502之一對應者。導線508可電絕緣於上部電極500。
在一項示範性具體實施例中，每一探針502可經由一導線508而個別耦合至探針電路506。在另一示範性具體實施例中，探針502係經由一選用之連接電線506而彼此電連接，其中連接電線506被嵌入於上部電極500中；並且可藉由環繞連接電線506的絕緣層(諸如介電塗層)而絕緣於上部電極。在此具體實施例中，所有探針502被耦合至探針電路506。探針電路506可具有類似於圖1中之探針電路118所示的組件及操作機制。
在另一示範性具體實施例中，每一探針可包括由(但不限於)傳導材料所形成之一薄板並且具有一大體球形或多邊形形狀。例如，圖7A繪示上部電極700之示範性具體實施例的沿VI-VI線為例(圖5)的概要剖面圖。如所示，嵌入於上部電極700中的多個探針單元703之每一者包括：一探針704，其具有一扁平圓碟形狀；及一絕緣層702，其環繞探針以使探針電絕緣於上部電極700。請注意，探針704可具有其它適合形狀，諸如矩形。亦請注意，可在上部電極中使用任何適當數量之探針。
視需要，可藉由類似於連接電線506(圖5)的連接電線706來使多個探針704彼此電連接。在此具體實施例中，所有探針係經由一導線而耦合至探針電路。
在其他示範性具體實施例中，嵌入於上部電極中的探針可具有一大體輪形形狀，如圖7B所示。圖7B繪示上部電極710之概要剖面圖。如所示，嵌入於上部電極710中的一探針單元713包括：一輪形探針714；及一絕緣層712，其環繞探針714並且使探針714電絕緣於上部電極710。探針714係由傳導材料(諸如金屬)所形成並且被耦合至探針電路(類似於圖1之探針電路118)。
圖7C繪示上部電極720之另一具體實施例的概要俯視剖面圖。如所示，多個探針單元723可被集中嵌入於上部電極720中，並且每一探針單元723包括：一輪形探針724；及一絕緣層722，其環繞探針724並且使探針724電絕緣於上部電極720。在上部電極720包括多個氣孔以具有蓮蓬頭組態之案例中，介於探針單元之間的徑向間隔可於其中包括氣體出口。絕緣層722及探針724可個別由類似於絕緣層712及探針輪形探針714之材料所形成。
請注意，圖3A至圖7C中描述的探針可被偏壓至相對於接地的正直流電位，較佳為10伏特至15伏特。例如，圖5中之電源供應器的正端子被連接至電阻器，同時電源供應器的負端子被連接至接地。為了簡潔，相對於接地加正偏壓於探針不予以詳細描述。但是，應明白，具有負偏壓之探針的感測器具體實施例之操作與結構特徵係類似於具有正偏壓之探針的感測器具體實施例之操作與結構特徵。
雖然已引用本發明之等定具體實施例來詳細描述本發明，但是熟悉此項技術者應知道可進行各種其他變更及修改，並且探用同等物，而不會脫離如隨附申請專利範圍中所定義之本發明的範疇。
100‧‧‧電漿處理室
102‧‧‧上部電極
104‧‧‧限界環狀物
106‧‧‧靜電吸盤
108‧‧‧陶瓷環狀物
110‧‧‧耦合環狀物
112‧‧‧基板
114‧‧‧邊緣環狀物
115‧‧‧診斷感測器
116‧‧‧探針(拾波單元)
117‧‧‧壁
118‧‧‧探針電路
119‧‧‧導線
120‧‧‧電阻器
122‧‧‧電源供應器
124‧‧‧測量器件
300‧‧‧邊緣環狀物
302‧‧‧探針(探測接針)
304‧‧‧導線
306‧‧‧連接電線
400‧‧‧邊緣環狀物
402‧‧‧探針
404‧‧‧導線
406‧‧‧連接電線
410‧‧‧邊緣環狀物
412‧‧‧探針
500‧‧‧上部電極
501‧‧‧診斷感測器
502‧‧‧探針
503‧‧‧探針單元
504‧‧‧絕緣層
506‧‧‧感測器電路(圖5)
506‧‧‧連接電線(圖6)
508‧‧‧導線
700‧‧‧上部電極
702‧‧‧絕緣層
703‧‧‧探針單元
704‧‧‧探針
710‧‧‧上部電極
712‧‧‧絕緣層
713‧‧‧探針單元
714‧‧‧輪狀探針
720‧‧‧上部電極
722‧‧‧絕緣層
723‧‧‧探針單元
724‧‧‧輪狀探針
圖1繪示具有根據本發明一項具體實施例之診斷感測器之電漿處理室的概要剖面圖。
圖2繪示來自圖1中之診斷感測器之訊號以時間為函數的標繪圖。
圖3A至圖3B繪示根據另一項具體實施例之邊緣環狀物的概要側面及俯視剖面圖。
圖4A及圖4B繪示邊緣環狀物之各種具體實施例的概要剖面圖。
圖5繪示在圖1之電漿處理室中待使用之類型的上部電極之示範性具體實施例的概要剖面圖。
圖6繪示圖5中之上部電極的沿VI-VI線為例的概要剖面圖。
圖7A至圖7C繪示在圖1之電漿處理室中待使用之類型的上部電極之各種示範性具體實施例的概要剖面圖。
100‧‧‧電漿處理室
102‧‧‧上部電極
104‧‧‧限界環狀物
106‧‧‧靜電吸盤
108‧‧‧陶瓷環狀物
110‧‧‧耦合環狀物
112‧‧‧基板
114‧‧‧邊緣環狀物
115‧‧‧診斷感測器
116‧‧‧探針(拾波單元)
117‧‧‧壁
118‧‧‧探針電路
119‧‧‧導線
120‧‧‧電阻器
122‧‧‧電源供應器
124‧‧‧測量器件

Claims (1)

  1. 一種一電漿反應室之耗材部件，該耗材部件包括一曝露於電漿之表面，該耗材部件包括： 一或多個傳導元件，其被嵌入於該耗材部件中； 一探針電路，其被耦合至該等傳導元件；及 一電源供應器，其被耦合至該探針電路及接地，以相對於該接地施加一偏壓電位至該等傳導元件， 其中在該等傳導元件曝露於該電漿下該等傳導元件係操作以自該電漿汲取一電流，並且該探針電路係操作以測量該電流。
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