TW202323580A - 用於膜沉積的生長監測系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示案大體係關於用於半導體處理的處理室。在一個實施例中，提供了用於基板處理的生長監測器。生長監測器包括感測器支架及安置在感測器支架中的晶體，該晶體具有前側及背側。在感測器支架中形成暴露晶體前側的開口。氣體入口穿過感測器支架安置，通往由晶體背側及感測器支架形成的氣室。氣體出口流體耦接到氣室。

Description

用於膜沉積的生長監測系統及方法
本揭示案的實施例大體係關於製造半導體元件的設備及方法。更具體地，本文揭示的設備係關於半導體處理室內的排氣組件及生長速率感測器。亦揭示了使用該設備的方法。
處理半導體基板用於各種應用，包括整合元件及微型元件的製造。在處理期間，基板被放置在處理室內的基座上。基座由支撐軸支撐，支撐軸可繞中心軸旋轉。對加熱源進行精確控制係較佳的，以在嚴格的容差範圍內均勻加熱基板。基板的溫度會影響沉積在基板上的材料的均勻性。
精確控制處理室內基板溫度的能力對產出量及生產良率有顯著影響。習知處理室難以滿足製造下一代元件所需的溫控標準，並同時滿足對提高生產良率、加快產出量的不斷增長的需求。在處理期間，處理氣體流過處理室內的處理容積。處理氣體平行於基板表面從處理室的一側流向處理室的相對側。可調節處理室內的加熱及氣流，以提高整個基板上的膜沉積速率。處理室內的當前傳感器壽命有限，此在處理室的日常預防性維護停機之外導致停機。額外的停機時間增加了擁有成本。由於腔室條件的變化，在校準及量測操作之間處理的基板亦具有不精確的沉積速率。
因此，需要一種用於生長速率監測的感測器組件及方法。
本揭示案大體係關於用於半導體處理的處理室。在一個實施例中，提供了用於基板處理的生長監測器。生長監測器包括感測器支架及安置在感測器支架中的晶體，該晶體具有前側及背側。在感測器支架中形成暴露晶體前側的開口。氣體入口穿過感測器支架安置，通往由晶體背側及感測器支架形成的氣室。氣體出口流體耦接到氣室。
在另一實施例中，提供了一種基板處理方法。該方法包括量測膜特徵。該方法包括使處理氣體流過具有晶體的生長監測器。該方法包括使背側氣體流過晶體的背側。該方法包括使用前側淨化氣體淨化晶體的前側。該方法包括使用晶體量測處理氣體的特徵，其中量測處理氣體的特徵發生在晶體的前側沒有被淨化時。
在另一個實施例中，提供了一種用於基板處理的排氣通道主體。排氣通道主體包括排氣氣室。穿過排氣通道主體的第一端形成排氣進入開口，該進入開口流體連接到排氣氣室。複數個鰭鄰近排氣氣室內的排氣進入開口安置。穿過排氣通道主體的第二端形成排氣退出開口，該退出開口流體連接到排氣氣室。至少一個生長監測器鄰近排氣退出開口安置，並經配置成量測沉積在生長監測器上的材料的厚度。該至少一個生長監測器包括感測器支架及安置在感測器支架中的晶體，該晶體具有前側及背側。在感測器支架中形成暴露晶體前側的開口。氣體入口穿過感測器支架安置，通往由晶體背側及感測器支架形成的氣室。氣體出口流體耦接到氣室。
本揭示案係關於半導體處理室內的生長速率感測器。生長速率感測器是石英晶體膜厚度監測器，並且能夠量測生長速率感測器上的膜厚度。生長速率感測器上的膜厚度用於計算處理室內基板上的生長速率。厚度量測用於調整處理室的處理容積內的一或更多個處理控制，並改善基板上的膜生長。
石英晶體監測器包括對處理溫度靈敏的部件，並且可與處理化學物種反應並導致腐蝕。然而，本文所述的石英晶體監測器經配置成減少與磊晶沉積處理化學物種的反應，此可能對感測器效能、感測器壽命或處理室內的處理條件產生負面影響。淨化氣體流過石英晶體監測器的部件，減少了石英晶體與處理化學物種的反應，清除了來自石英晶體監測器部件的任何碎屑，並保持了溫度條件。已經發現，在石英晶體的背側上連續流動的淨化氣體有效地控制了晶體的溫度，同時保持背側及電連接的清潔。此外，當石英晶體監測器正在取樣及進行量測時，本文描述的方法提供了在石英晶體的前側上方流動的淨化氣體。不受理論的束縛，咸信淨化石英晶體的前側尺寸亦能夠改善溫度控制，並從石英晶體中清除沉積氣體，此延長了石英晶體的壽命。
石英晶體監測器的位置及數量提高了靈敏度及感測器壽命週期。石英晶體監測器周圍的排氣系統的配置進一步使得處理容積內的氣流保持相同或具有最小的氣流影響，同時增加穿過石英晶體監測器的處理氣流以提高石英晶體監測器上的生長速率。
處理室控制器內的軟體演算法從石英晶體監測器獲取生長速率量測值，並能夠校準處理室內的其他感測器及處理室內的處理條件，以提高膜厚度生長速率。
第1圖為根據本揭示案實施例的沉積室100的示意圖。沉積室100是磊晶沉積室。沉積室100用於在諸如基板102的基板上生長磊晶膜。沉積室100在基板102的頂表面150上產生前驅物的交叉流動。
沉積室100包括上主體156、置於上主體156下方的下主體148、置於上主體156與下主體148之間的流動模組112。上主體156、流動模組112及下主體148形成腔室主體。安置在腔室主體內的是基板支撐件106、上視窗108、下視窗110、複數個上燈141及複數個下燈143。如圖所示，控制器120與沉積室100通訊，並用於控制製程，如本文所述的製程。基板支撐件106安置在上視窗108與下視窗110之間。複數個上燈141安置在上視窗108與蓋子154之間。複數個上燈141形成上燈模組155的一部分。蓋154可包括安置在其中的複數個感測器（未示出），用於量測沉積室100內的溫度。複數個下燈143安置在下部窗110與底板152之間。複數個下燈143形成下燈模組145的一部分。上視窗108是上圓頂，且由諸如石英的能量透射材料形成。下視窗110是下圓頂，且由諸如石英的能量透射材料形成。
在上視窗108與下視窗110之間形成處理容積136。處理容積136具有安置在其中的基板支撐件106。基板支撐件106包括一頂表面，基板102安置在該頂表面上。基板支撐件106連接到軸118。該軸連接到運動組件121。運動組件121包括一或更多個致動器及/或調節裝置，其提供軸118及/或基板支撐件106在處理容積136內的移動及/或調節。
基板支撐件106可包括安置在其中的升降銷孔107。升降銷孔107的尺寸經設定以容納升降銷132，用於在執行沉積製程之前或之後從基板支撐件106升舉基板102。當基板支撐件106從處理位置下降至移送位置時，升降銷132可停留在升降銷止擋件134上。
流動模組112包括複數個處理氣體入口114、複數個淨化氣體入口164及一或更多個排氣出口116。複數個處理氣體入口114及複數個淨化氣體入口164安置在流動模組112中與一或更多個排氣出口116相對的一側。一或更多個流動引導件安置在複數個處理氣體入口114及一或更多個排氣出口116下方。流動引導件安置在淨化氣體入口164上方。襯裡163安置在流量模組112的內表面上，並保護流量模組112免受沉積製程期間使用的反應性氣體的影響。處理氣體入口114及淨化氣體入口164被定位成使氣體平行於安置在處理容積136內的基板102的頂表面150流動。處理氣體入口114流體連接到處理氣體源151。淨化氣體入口164流體連接到淨化氣體源162。一或更多個排氣出口116流體連接到排氣泵157。
一或更多個排氣出口116進一步連接至或包括排氣系統。排氣系統流體連接一或更多個排氣出口116及排氣泵157。本文所述的排氣系統包括一或更多個生長監測器310（第3A圖），並經配置成有助於在基板102上進行受控的層沉積。
第2圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖的沉積室100的橫剖面平視圖。沉積室100包括跨排氣系統178安置的注射器202。注射器202包括處理氣體入口114，且流體耦接到處理氣體源151。注射器202可穿過流動模組112的至少一部分安置，或者可為流動模組112的一部分。排氣系統178安置在處理容積136中與注射器202相對的一側。排氣系統178穿過流動模組形成、附接到流動模組，或者充當流動模組的一部分。
排氣系統178進一步包括至少一個排氣通道主體204a、204b。排氣通道主體204a、204b形成氣體在進入排氣收集器206之前離開處理容積126的排氣路徑。如第2圖所示，圖示了第一排氣通道主體204a及第二排氣通道主體204b。第一排氣通道主體204a及第二排氣通道主體204b是鏡像，且在尺寸及配置上可相似。在其他實施例中，可有更多或更少的排氣通道主體204a、204b。在一些實施例中，只有一個排氣通道主體，使得兩個排氣通道主體204a、204b合併成單個主體。
第一排氣通道主體204a及第二排氣通道主體204b均耦接至排氣收集器206，該排氣收集器位於排氣通道主體204a、204b與處理容積136相對的一端。排氣收集器206經配置以收集來自第一排氣通道主體204a及第二排氣通道主體204b的排氣。隨著排氣收集器206延伸遠離排氣通道主體204a、204b，排氣收集器206變窄。
第3A圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖沉積室100的排氣系統178的橫剖面平視圖。排氣系統178經配置成在排氣流流過一或更多個生長監測器310之前控制離開處理容積126的排氣流。鰭陣列314及一或更多個擋板304定位在排氣通道主體204a、204b中的每一個內，以使排氣通道主體204a、204b變窄，同時減小變窄對穿過處理容積136的處理氣體的流動路徑的影響。
當處理氣體流出處理容積136並流入排氣系統178時，處理氣體在第一流動路徑318中流動。第一流動路徑318主要平行於基板102的表面及流出注射器202的氣體。處理氣體透過排氣進入開口305a、305b流入排氣系統178，排氣進入開口305a、305b穿過排氣通道主體204a、204b中的每一個安置。因此，第一排氣進入開口305a穿過第一排氣通道主體204a的第一端安置，而第二排氣進入開口305b穿過第二排氣通道主體204b的第一端安置。排氣進入開口305a、305b與排氣氣室312a、312b流體連通。排氣氣室312a、312b安置在每個排氣通道主體204a、204b內。因此，第一排氣氣室312a安置在第一排氣通道主體204a內，而第二排氣氣室312b安置在第二排氣通道主體204b內。第一排氣進入開口305a與第一排氣氣室312a流體連通，而第二排氣進入開口305b與第二排氣氣室312b流體連通。
排氣退出開口308a、308b安置於排氣通道主體204a、204b與排氣進入開口305a、305b相對的一側。因此，第一排氣退出開口308a安置在第一排氣通道主體204a的與第一側相對的第二側上，並與第一排氣氣室312a流體連通。第二排氣退出開口308b安置在第二排氣通道主體204b的與第一側相對的第二側上，並與第二排氣氣室312b流體連通。排氣退出開口308a、308b的寬度小於排氣進入開口305a、305b的寬度。
流經沉積室100的處理氣體穿過排氣進入開口305a、305b進入排氣通道主體204a、204b，同時在第一流動路徑318中，隨後改為流向第二流動路徑320，因為一或更多個擋板304使鄰近出口開口308a、308b的排氣氣室312a、312b變窄。第二流動路徑320將處理氣體引向排氣系統的中心線C，並引向排氣氣室312a、312b的一側，如排氣氣室312a、312b的內側。一旦處理氣體流經出口開口308a、308b，處理氣體的路徑則改為第三流動路徑322。第三流動路徑322是冷凝流動路徑。第三流動路徑322穿過收集器氣室316安置。收集器氣室316是安置在排氣收集器206內的氣室。
安置在每個排氣通道主體204a、204b內的鰭陣列314配置為保持第一流動路徑318穿過排氣氣室312a、312b的至少一部分。鰭陣列314包括複數個鰭302，使得第一複數個鰭302安置在第一排氣通道主體204a的第一排氣氣室312a內。第二複數個鰭302安置在第二排氣氣室312b及第二排氣通道主體204b內。鰭陣列314經配置成維持對穿過處理容積136的流量的控制，並從鄰近排氣進入開口305a、305b的位置起延伸。
一或更多個生長監測器310安置在鰭陣列314內，如兩個相鄰鰭302之間。在第一排氣通道主體204a及第二排氣通道主體204b的每個鰭陣列314內可安置兩個或更多個生長監測器310。鰭陣列314內的生長監測器310可協助提供對基板102上不同徑向位置處的生長速率的量測。
鰭陣列314中的每個鰭302相互平行。鰭302在平行於期望的第一流動路徑318且平行於流出注射器202的氣體的方向上延伸。可設想鰭陣列314的其他配置。
一旦處理氣體離開鰭陣列314，則處理氣體流入排氣氣室312a、312b的主要部分311。排氣氣室312a、312b的主要部分311是開放空間，且可協助減小背壓，若鰭陣列314一直延伸到擋板304，背壓將會累積。
擋板304從每個排氣通道主體204a、204b的外表面328朝向每個排氣通道主體204a、204b的內表面330延伸。外表面328是離中心線C最遠的排氣氣室312a、312b的內表面。內表面330是排氣氣室312a、312b靠近中心線C的內表面。因此，第一排氣通道主體204a內的擋板304從第一排氣氣室312a的外表面328朝向第一排氣通道氣室312a的內表面330或排氣系統178的中心線C延伸。第二排氣通道主體204b內的擋板304從第二排氣氣室312b的外表面328朝向第二排氣氣室312b的內表面330或排氣系統178的中心線C延伸。
排氣退出開口308a、308b安置在每個擋板304的最內側部分與每個排氣氣室312a、312b的內表面330之間。第一排氣退出開口308a安置在第一排氣氣室312a內，並將第一排氣氣室312a連接到收集器氣室316。第二排氣退出開口308b安置在第二排氣氣室312b內，並將第二排氣氣室312b連接到收集器氣室316。
一或更多個生長監測器310位於排氣退出開口308a、308b內或排氣退出開口308a、308b的下游。第一生長監測器310安置在第一排氣退出開口308a內或排氣退出開口308a的下游。第二生長監測器310安置在第二排氣退出開口308b內或第二排氣退出開口308b的下游。安置在排氣退出開口開口308a、308b的下游的生長監測器310被定義為安置在排氣退出開口308a、308b的10 mm內並遠離鰭陣列314的生長監測器310。
擋板304縮窄了排氣流動穿過排氣氣室312a、312b的通道，並因此增加了流經生長監測器310的排氣的密度或濃度。生長監測器310安置在排氣氣室312a、312b的頂表面326或底表面327（第3B圖），使得生長監測器310不會阻塞第三流動路徑322，而是順著第三流動路徑322安置。生長監測器310至少部分位於收集器氣室316的內部。
排氣傳遞經過生長監測器310並進入收集器氣室316，隨後透過排氣導管323的導管開口306從排氣收集器206中排出（第3B圖）。
導管開口306安置於收集器氣室316的一部分處，與出口開口308a、308b相對。導管開口306經配置為使得排氣收集器206內的排氣能夠透過排氣導管323排放到排氣泵157。鄰近導管開口306並位於收集器氣室316內的是另一個生長監測器310。鄰近導管開口306的生長監測器310安置在收集器氣室316內離出口開口308a、308b最遠的背側壁321（第3B圖）上。在一些實施例中，生長監測器310可直接安置在導管開口306上方或導管開口306內，如在排氣導管323的上部內。
第3B圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖沉積室100的排氣系統178的橫剖面側視圖。如第3B圖所示，排氣系統178的排氣氣室312a、312b延伸穿過流動模組112的至少一部分，使得排氣氣室312a、312b延伸穿過流動模組112。鰭302鄰近處理容積136安置。
鰭302及擋板304延伸達排氣氣室312a、312b的整個高度，使得鰭302及擋板304在排氣氣室312a、312b的頂表面326與底表面329之間延伸。鰭陣列314內的生長監測器安置在頂表面326上。
排氣收集器206連接至排氣系統178的後端。排氣收集器206包括頂表面324、底表面327及背側壁321。排氣退出開口308a、308b下游的生長監測器310位於排氣收集器206內的收集器氣室316的頂表面324上。另一個生長監測器310安置在收集器氣室316的背側壁321上。生長監測器310的定位使得每個生長監測器310能夠進行精確的膜生長速率量測。可映射來自每個生長監測器310的量測值以查看基板102不同位置上的生長速率差異。
導管開口306穿過收集器氣室316的底表面327安置，並通向排氣導管323。排氣導管323從導管開口306向下延伸，並流體連接到排氣泵157。另一個生長監測器310可位於收集器氣室316的背側壁321上的生長監測器310下游的排氣導管323內壁上。
在一些實施例中，可在排氣系統178內使用更多或更少的生長監測器310。在一些實施例中，只有鄰近排氣退出開口308a、308b的生長監測器310安置在排氣系統178內。在其他實施例中，鄰近排氣退出開口308a、308b的生長監測器310可為單個生長監測器310。在其他實施例中，利用了鄰近排氣退出開口308a、308b的生長監測器310及收集器氣室316的背側壁321上的生長監測器310。
第4A圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖的沉積室100內的生長監測器310。生長監測器310包括感測器支架402、安置在感測器支架402內的石英晶體406、接觸石英晶體406的第一側422（例如背側）的背側觸點408、安置在石英晶體406的第二側424（例如前側）上的保護塗層416、接觸保護塗層416的前側觸點410、穿過感測器支架402安置用於與晶體背側電接觸的饋通428、與晶體背側流體連通的氣體入口427，及穿過感測器支架402安置並將晶體前側424暴露於流經排氣系統178的氣體的感測器開口414。在一些實施例中，暴露晶體的前側424包括暴露保護塗層416。在一些實施例中，在感測器支架402與晶體406的背側觸點408或背側422之間形成氣室429。
生長監測器310配置為位於沉積室100內，並因此可考慮到排氣系統178內的反應性處理化學物種。保護塗層416及感測器支架402、背側觸點408及前側觸點410的材料影響生長監測器310與沉積室100內的處理化學物種的反應性。因此，經選擇的材料成分降低生長監測器310與沉積室100內的處理化學物種的反應性，同時仍然能夠在生長監測器310上進行精確的膜厚度量測。
感測器支架402充當於其中安置背側觸點408、前側觸點410及石英晶體406的外殼。感測器支架402由多個部分形成，如第一部分405及第二部分404。第一部分405具有形成在其中的空腔，背側觸點408位於該空腔中。石英晶體406亦位於空腔內並接觸背側觸點408。饋通428穿過第一部分405安置，通向背側觸點408。饋通428提供到晶體背側422的通路，用於電連接，如溫度監測器。在一些實施例中，溫度監測器431是熱電偶，其配置為監測晶體背側422的溫度。在一些實施例中，溫度監測器是探針，其附接到晶體感測器頭的背側並通信耦接到控制器（例如，參考第4B圖中的控制器440描述的）。亦可考慮其他溫度監測器。背側氣體入口427與饋通428及氣室429流體連通，使得氣體能夠流入饋通428及氣室429中。氣體透過氣體出口426排出氣室至排氣裝置，而不進入腔室的處理容積。已經發現，在不進入處理容積的情況下將淨化氣體引導至排氣裝置能夠進行背側淨化，而不會影響處理容積內的製程反應，如化學氣相沉積。
第二部分404包括穿過其安置的感測器開口414，並位於第一部分405的側面上方，第一部分405包括空腔。保護塗層416安置在石英晶體406的第二側424上並與其直接接觸。保護塗層416至少部分地安置在感測器開口414內，使得保護塗層416暴露於流經排氣系統178的排氣401。保護塗層416及石英晶體406至少部分地透過第一部分405與第二部分404之間的夾持力保持固定就位。一或更多個密封環412安置在第二部分404內，並接觸保護塗層416的暴露表面426。一或更多個密封環412經配置為在排氣系統178內的大氣與生長監測器310中不爲保護塗層416的其他部件之間提供密封。晶體的前側424或保護塗層416在感測器取樣之間暴露於前側淨化氣體403。淨化氣體403經配置為在取樣之間清潔保護塗層416或晶體406的前側424。
保護塗層416由氧化鋁(Al 2O 3)或氧化矽（如二氧化矽(SiO 2)）中的一種形成。保護塗層416由暴露於磊晶沉積製程條件或處理氣體時不會降解的材料形成。保護塗層416可為透鏡，或者可為塗覆到石英晶體406上的塗層。保護塗層416的厚度小於約10µm，如約1nm至約10nm，如約1nm至約5nm。較小厚度能夠保護石英晶體406，而不會顯著阻尼石英晶體406的振盪。已經發現，淨化晶體406的前側424保護了保護塗層416免受腐蝕性氣體的影響，並且在一些情況下，能夠在沒有淨化的情況下相對於感測器向下量測保護塗層416的厚度。
第4B圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖沉積室100內的生長監測系統400的示意圖。生長監測系統400包括生長監測器310、耦接到氣體源430的前側氣體進氣閥432、耦接到氣體源430的背側氣體進氣閥438及耦接到背側氣體入口管線437的熱交換器436。熱交換器436能夠加熱及/或冷卻背側氣體入口管線437中的背側氣體。在一些實施例中，熱交換器436是冷卻器。背側氣體可透過氣體出口434從生長監測系統中排出。在一些實施例中，前側進氣閥432是常開氣動閥。前側進氣閥432通信地耦接到控制器440，使得當生長監測器量測沉積氣體的特徵時，該閥關閉，而當監測器不量測特徵時，該閥打開。在一些實施例中，背側進氣閥438通信地耦接到控制器440，且能夠控制流向晶體背側422的背側氣流。背側進氣閥438是質量控制閥、限流器或其組合。在一些實施例中，晶體是石英晶體微天平(quartz crystal microbalance; QCM)。QCM感測器透過量測石英晶體諧振器的頻率變化來量測每個單位面積的質量變化。頻率變化受製程條件特徵的影響，如溫度、壓力及膜生長速率。QCM能夠量測頻率變化資料，該資料可被轉換成近似的膜沉積厚度及/或膜生長速率。本文描述的感測器特別適用於監測化學氣相沉積期間的膜生長，如磊晶生長。
第5圖繪示了監測膜生長的方法500的流程方塊圖。方法500包括使處理氣體流經包括晶體的生長監測器502，使背側氣體流經晶體的背側504，使用前側淨化氣體淨化晶體的前側506，及使用晶體量測處理氣體或由處理氣體沉積的膜的特徵508。使處理氣體的流動502暴露了晶體的前側或保護塗層。在一些實施例中，處理氣體的流速為約5 slm至約50 slm，如約20 slm至約40 slm。在一些實施例中，處理容積的壓力為約1托至約75托，如約25托至約50托。在一些實施例中，基板的溫度保持在約300℃至約1150℃，如約500℃至約800℃。處理氣體可為適用於磊晶化學氣相沉積製程的任何氣體。
在前側淨化時間內淨化晶體的前側，並基於用於量測處理氣體或沉積膜特徵的取樣窗來決定該淨化。在一些實施例中，特徵是生長監測器的一部分上的膜厚度生長。該特徵可對應於處理室內基板上的膜生長。在一些實施例中，該方法包括使用量測的特徵計算處理期間基板上的膜生長速率。當感測器不用於偵測沉積時，前側淨化可防止感測器前側上的沉積。
淨化晶體前側與量測特徵循環交替進行。基於處理沉積膜厚度、處理氣體成分、處理室預防性維護排程或其組合中的一或更多個來決定取樣窗。已經發現，淨化晶體的前側（或保護塗層）延長了晶體的壽命，使得晶體的維護可與處理室的預防性維護同步，如約1到6個月，如2到4個月。在一些實施例中，使用晶體量測特徵的總取樣時間為處理基板的總處理時間的約10%至約100%，如約15%至約50%。已經發現，減少相對於處理基板的總處理時間的總取樣時間，可增加晶體的壽命，並延長預防性維護（如更換晶體）之間的時間。在一些實施方案中，晶體的前側被淨化約10秒至1小時，如20秒至30分鐘。使用為每個製程輸入的製程配方來控制取樣窗，如前側淨化的定時、持續時間及頻率。
該方法可進一步包括使用溫度監測器431量測晶體的溫度，如在晶體的背側量測，並透過調節背側氣體的氣體流速及/或氣體溫度來調節晶體的溫度。晶體的溫度可保持在約20℃到約190℃的晶體溫度，如約50℃到約140℃。不受理論的束縛，咸信將感測器溫度保持在一溫度範圍內能夠實現量測精度的可重複性。進一步咸信，晶體上質量沉積的主要機制是冷凝，因此，保持感測器溫度低可減少晶體上的冷凝。晶體上冷凝的減少導致基板上出現更高的沉積，及更高的感測器讀取靈敏度。對於磊晶化學氣相沉積中使用的沉積氣體，如矽烷(Si xH y)、鹵素矽烷、含氯化合物、含硼化合物或其組合，觀察到晶體上的冷凝尤為顯著。晶體溫度範圍基於晶體上開始形成冷凝時的溫度及壓力來決定的，取決於沉積氣體的組成。已經發現，相對於水冷卻，如透過外殼內通道的水冷卻，前側及/或背側淨化能夠改善溫度控制。前側及背側淨化氣體中的每一者都可在與沉積氣體基本相同的方向上流動。咸信在與沉積氣體相同的方向上流動淨化氣體能夠高效地從感測器部件中清除沉積氣體。
在一些實施例中，將背側氣體流至晶體背側包括在量測特徵期間使背側氣體以第一流速流動，及在不量測特徵時使背側氣體以第二流速流動。在一些實施例中，第一流速高於第二流速，且相對於晶體的晶體溫度，背側氣體的溫度降低。在一些實施例中，第二流速在處理及取樣期間基本恆定，且可基於晶體的溫度讀數來調節。不受理論的束縛，咸信在感測器取樣期間，晶體的溫度增加。已經發現，增加流經晶體背側的氣體流速可降低感測期間的晶體溫度，且降低晶體感測與未感測之間的晶體溫差。取決於溫度監測器431提供的溫度量測，可調節淨化氣體到晶體背側的氣體流速，及/或可調節熱交換器436中淨化氣體的熱交換量。在一些實施例中，背側淨化氣體的控制方案是與前側淨化氣體的控制方案不同且獨立的控制迴路。
在一些實施例中，在淨化晶體前側及量測特徵的期間，背側氣體連續流動。背側氣體及前側淨化氣體選自氦氣、氫氣（例如H 2）、氮氣（例如N 2）、氬氣及其組合。到達背側及前側中每一者的淨化氣體流速是約0.5 slm到約5 slm。儘管背側氣體及前側淨化氣體被繪示為來自相同的氣體源，但亦可設想從不同的氣體源提供氣體。
第6圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖的沉積室100內的控制示意圖600。控制器120經配置成從每個生長監測器310接收資料或輸入作為感測器讀數602。控制器120配備有沉積室100的系統模型606或與其通信。系統模型606包括加熱模型及氣流模組。系統模型606是經配置為在整個沉積期間估計沉積室100內的氣流及加熱的程式。控制器120進一步經配置成儲存讀數及計算結果604。
讀數及計算結果604包括沉積室100內的先前感測器讀數602及任何其他先前感測器讀數。讀數及計算結果604進一步包括自感測器讀數602被控制器120量測之後儲存的計算值，並經由系統模型606運行。因此，控制器120經配置成擷取儲存的讀數及計算結果604，並保存讀數及計算結果604以供將來使用。保持先前的讀數及計算結果使得控制器120能夠隨時間推移而調節系統模型606，以反映沉積室100的更精確版本。
在本文所述的實施例中，控制器120包括可程式設計中央處理單元(central processing unit; CPU)，其與記憶體及大型儲存裝置、輸入控制單元及示出單元（未示出）一起操作。控制器120監測前驅物、處理氣體及淨化氣體流。支援電路耦接到CPU，用於以習知方式支援處理器。在一些實施例中，控制器120包括多個控制器120，使得儲存的讀數及計算結果604及系統模型606儲存在獨立於操作沉積室100控制器120的單獨控制器中。在其他實施例中，所有的系統模型606及儲存的讀數及計算結果604都保存在控制器120中。
控制器120經配置以透過向燈及氣流控件608提供輸出來控制整個沉積室100的加熱及氣流。燈及氣流控件608包括上燈141、下燈143、處理氣體源151、淨化氣體源162及排氣泵157。控制器120亦可控制沉積室100內的運動組件121。
控制器120配置為基於感測器讀數602、系統模型606及儲存的讀數及計算結果604，調節每個燈及氣流控件608的輸出。控制器120包括嵌入式軟體及補償演算法，用以校準生長監測器310向基板102上的膜厚度的頻移。可在基板102離開沉積室時或在處理操作之間量測基板102上的膜厚度，以提供使用生長監測器310量測的膜厚度生長速率的參考值。控制器120可包括機器學習演算法，並可使用迴歸或群集技術。該演算法是不受監督或受監督的演算法。
第7圖示出了根據本揭示案實施例調節第1圖沉積室100內製程條件的方法700。方法600利用沉積室100內的生長監測器310及本文所述的控制器120來提高基板102上的膜厚度均勻性及性質。
在方法700期間，在操作702中，在處理室內處理第一基板。第一基板可為基板102，且處理室是沉積室100。在操作702期間處理第一基板包括在第一基板上執行沉積製程，如磊晶沉積製程。沉積製程在第一基板上生長膜，且包括使用上燈141及下燈143加熱基板。氣體從處理氣體入口114及淨化氣體入口164流經處理容積136，隨後透過排氣退出開口116排出。
當第一基板在處理室內處理時，生長監測器310用於在另一操作704期間量測監測器上的膜厚度生長。生長監測器310上的膜厚度生長的量測作為軋製操作來執行。諸如控制器120的控制器經配置成接收來自參照第3A-3B圖描述的生長監測器310組合的輸入。該輸入用於估計第一基板上的膜生長。一旦第一基板在處理室內完成處理，在另一個操作706期間，可使用處理室內或相鄰腔室內的一或更多個其他非接觸感測器來量測膜厚度。在操作706期間量測第一基板上的膜生長是以非破壞性方式執行的，如透過使用一或更多個非接觸式感測器。非接觸式感測器可為雷射測厚儀，且可在第一基板的整個表面上進行多次離散量測，或者可掃描第一基板的長度。
操作706期間使用的非接觸式感測器不是必須用於基板處理期間的膜厚度量測的，因為處理氣體及來自熱源的輻射會干擾感測器讀數，從而降低讀數靈敏度及精度。因此，生長監測器310能夠在處理第一基板時調節處理條件，如加熱及氣流。
在另一操作708期間，對第一基板上的膜生長的量測可計算第一基板上的生長速率。在操作708期間計算第一基板上的生長速率驗證了控制器內使用的模型的準確性，並在另一操作710期間實現對處理室模型的調節。在操作710期間調節處理室模型能夠更好地將生長監測器310用於特定製程。一旦調節了模型，就執行另一基板（如第二基板）的處理，並重複操作702-710。操作702可循環執行，連續調節處理室模型710的精準度，並改善膜厚度生長結果。當對處理室執行預防性維護時，可重設或調節處理室模型，且方法700再次開始。因此，在每個基板之間的膜厚度是連續改進的結果。此進一步實現了精確的膜厚度，且當膜在處理容積內的表面上堆積、及燈老化時，克服了處理室性質的變化。
可基於使用淨化氣體的各種不同沉積製程來控制安置於生長監測器中的晶體的每一側。前側淨化可控制磊晶膜生長的取樣窗，而背側連續淨化可用於控制具有不同前驅物的不同磊晶製程的晶體溫度。控制感測器的淨化條件可延長晶體的壽命，且能夠在處理室的預防性維護期間更換晶體。
儘管前述內容針對本揭示案的實施例，但在不脫離本揭示案基本範疇的情況下，可設計出本揭示案的其他及進一步的實施例，其範圍由所附專利申請範圍決定。
100:沉積室 102:基板 106:基板支撐件 107:升降銷孔 108:上視窗 110:下視窗 112:流動模組 114:處理氣體入口 116:排氣出口 118:軸 120:控制器 121:運動元件 132:升降銷 134:升降銷止擋件 136:處理容積 141:上燈 143:下燈 145:下燈模組 148:下主體 150:頂表面 151:處理氣體源 152:底板 154:蓋子 155:上燈模組 156:上主體 157:排氣泵 162:淨化氣體源 163:襯裡 164:淨化氣體入口 178:排氣系統 202:注射器 204a:第一排氣通道主體 204b:第二排氣通道主體 206:排氣收集器 302:鰭 304:擋板 305a:第一排氣進入開口 305b:第二排氣進入開口 306:導管開口 308a:第一排氣退出開口 308b:第二排氣退出開口 310:生長監測器 311:主要部分 312a:第一排氣氣室 312b:第二排氣氣室 314:鰭陣列 316:收集器氣室 318:第一流動路徑 320:第二流動路徑 321:背側壁 322:第三流動路徑 323:排氣導管 324:頂表面 326:頂表面 327:底表面 328:外表面 329:底表面 330:內表面 401:排氣 402:感測器支架 403:前側淨化氣體 404:第二部分 405:第一部分 406:石英晶體 408:背觸點 410:前側觸點 412:密封環 414:感測器開口 416:保護塗層 422:背側 424:前側 426:暴露表面 427:氣體入口 428:饋通 429:氣室 430:氣體源 431:溫度監測器 432:前側進氣閥 434:氣體出口 436:熱交換器 437:背側氣體入口管線 438:背側氣體進氣閥 440:控制器 500:方法 502:步驟 504:步驟 506:步驟 508:步驟 600:示意圖 602:感測器讀數 604:讀數及計算結果 606:系統模型 608:燈及氣流控件 700:方法 702:操作 704:操作 706:操作 708:操作 710:操作 A:軸 X:方向 Y:方向 Z:方向
為了能夠詳細理解本揭示案的上述特徵，可參考實施例對上文已簡要概述的本揭示案進行更詳細的描述，其中一些實施例在附圖中進行了說明。然而，要注意，附圖僅示出了示例性實施例，因此不應被認為是對範疇的限制，因為本揭示可允許其他等效的實施例。
第1圖為根據本揭示案實施例的沉積室的示意圖。
第2圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖沉積室的橫剖面平視圖。
第3A圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖沉積室排氣系統的橫剖面平視圖。
第3B圖示出了根據本揭示案實施例的第1圖沉積室排氣系統的橫剖面側視圖。
第4A圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖沉積室內的生長監測器。
第4B圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖沉積室內的生長監測器。
第5圖示出了根據本揭示案實施例的監測膜生長的方法的流程方塊圖。
第6圖示出了根據本揭示案實施例的用於第1圖沉積室內的控制示意圖。
第7圖示出了根據本揭示案實施例調節第1圖沉積室內製程條件的方法。
為便於理解，儘可能使用相同的元件符號來表示圖中相同的元件。預期一個實施例的元件及特徵可有利地併入其他實施例中，而無需進一步敘述。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
310:生長監測器
401:排氣
402:感測器支架
403:前側淨化氣體
404:第二部分
405:第一部分
406:石英晶體
408:背觸點
410:前側觸點
412:密封環
414:感測器開口
416:保護塗層
422:背側
424:前側
426:暴露表面
427:氣體入口
428:饋通
429:氣室
431:溫度監測器

Claims (20)

  1. 一種膜生長監測器，包括： 一感測器支架； 安置在該感測器支架中的一晶體，其具有一前側及一背側； 在該感測器支架中形成的暴露該晶體的一前側的一開口； 穿過該感測器支架安置的一氣體入口，通往由該晶體的該背側及該感測器支架形成的一氣室；及 一氣體出口，其流體耦接到該氣室。
  2. 如請求項1所述的膜生長監測器，進一步包括能夠控制流向該晶體的該前側的一前側氣流的一前側進氣閥。
  3. 如請求項2所述的膜生長監測器，其中該前側進氣閥是一常開氣動閥。
  4. 如請求項1所述的膜生長監測器，其中進一步包括與該氣體入口耦接的一背側進氣閥，其中該背側入口能夠控制流向該晶體的該背側的一背側氣流。
  5. 如請求項4所述的膜生長監測器，其中該背側進氣閥是一質量控制閥、一限流器或其組合。
  6. 如請求項1所述的膜生長監測器，進一步包括耦接到該晶體該背側的一熱電偶。
  7. 如請求項1所述的膜生長監測器，進一步包括安置在該晶體的該背側上的一背側觸點。
  8. 如請求項1所述的膜生長監測器，進一步包括與該氣體入口耦接的一熱交換器。
  9. 一種量測用於磊晶化學氣相沉積的一膜特徵的方法，包括以下步驟： 使一處理氣體流經包括一晶體的一生長監測器； 使一背側氣體流經該晶體的一背側； 使用一前側淨化氣體淨化該晶體的一前側；及 使用該晶體量測該處理氣體的該特徵，其中在該晶體的該前側未淨化時測量該處理氣體的該特徵。
  10. 如請求項9所述的方法，其中基於用於量測該處理氣體的該特徵的一取樣頻率，來決定一前側淨化時間，其中淨化該晶體的該前側與量測該特徵循環交替。
  11. 如請求項10所述的方法，其中該取樣頻率及一取樣持續時間是基於製程沉積膜厚度、處理氣體成分、處理室預防性維護排程或其組合中的一或更多者來決定的。
  12. 如請求項9所述的方法，進一步包括以下步驟： 量測該晶體的一溫度；及 透過調節該背側氣體的一氣體流速及/或一氣體溫度，來調節該晶體的該溫度。
  13. 如請求項12所述的方法，其中調節該晶體的該溫度之步驟包括以下步驟：保持約20℃到約190℃的一晶體溫度。
  14. 如請求項12所述的方法，其中使該背側氣體流向該晶體的該背側之步驟包括以下步驟：在量測該特徵期間使該背側氣體以一第一流速流動，及在不量測該特徵時使該背側氣體以一第二流速流動，其中該第一流速高於該第二流速，其中相對於該晶體的一晶體溫度，該背側氣體的一溫度降低。
  15. 如請求項9所述的方法，其中在淨化該晶體前側及量測該特徵的期間，連續流動該背側氣體。
  16. 如請求項9所述的方法，其中該背側氣體及該前側淨化氣體選自氦氣、氫氣、氮氣及其組合。
  17. 如請求項9所述的方法，其中該特徵是該生長監測器的一部分上的一膜厚度生長。
  18. 如請求項17所述的方法，進一步包括以下步驟：使用所量測的該特徵來計算處理期間一基板上的一膜生長速率。
  19. 如請求項9所述的方法，其中量測該特徵的一總取樣時間約為一總處理時間的10%至50%。
  20. 一種用於基板處理的排氣通道主體，包括： 一排氣氣室； 穿過該排氣通道主體的一第一端形成並流體連接到該排氣氣室的一排氣進入開口； 穿過該排氣通道主體的一第二端形成並流體連接到該排氣氣室的一排氣退出開口；及 至少一個生長監測器，安置在該排氣退出開口附近，並配置成量測沉積在該生長監測器上的一材料的一厚度，其中該至少一個生長監測器包括： 一感測器支架； 安置在該感測器支架中的一晶體，其具有一前側及一背側； 在該感測器支架中形成的暴露該晶體的一前側的一開口； 穿過該感測器支架安置的一氣體入口，通往由該晶體的該背側及該感測器支架形成的一感測器氣室；及 流體連接到該氣室的一氣體出口。
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