TW446816B - Particle monitoring instrument - Google Patents

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經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 4 468 ΐ β Α7 Β7 五、發明說明（1) 發明背景： 1. 發明領域： 本發明乃有關一運用光散射可即時即地測量自一運 轉中之反應器剝離之顆粒及運轉間出現、發光及衰退之顆 粒監視裝置。 2. 相關技術描述： 在大型積體電路（以下稱為LSi，lar§e scale inte§rated circuit)製造階段出現於製造儀器中之顆粒是導致降低該 LSI產量及製造儀器工作壽命之主要原因。為了改善產量 及工作時間就產生的監視產生顆粒的儀器。 這儀器是由雷射光源及光偵測器組成。有兩類儀器： 其一是裝在反應器排氣管上’另一個是自反應器吸出氣 體。兩種均將樣本流體流過一有雷射光之空間’然後測量 散射光之強度。這種儀器的傳統例子’如曰本發明專利公 開公報 4-297852/1992，3-116944/1991 ’ 63-11838/1988 ’ 5-206235/1993，5-206236/1993，7-12707/1995 及 5-288669/1993還有日本新型專利公報（Utility Model Publication)第 62-37160/1987。 測量樣本流體内的顆粒意味著偵測到的顆粒數與LSI 產量間，還有偵測到的顆粒與製造儀器工作時間間的關係 並不存在。為了解決這個問題，就試著即時即地的測量反 應器中的懸浮顆粒。 這種測量是以下面的方式進行。在反應器上安裝可使 雷射光通過及測量散射光之窗戶，顆粒散射之雷射光則以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公髮） — — — — ΊΙ—Jilm I I I Γ I I I i! I (請先閲讀皆面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 446816 A7 _____ 五、發明說明（2) CCD相機記錄在錄影帶上。再放出來看散射光發生的時間 及強度變化，最後就可以測量顆粒的蹤跡。 有一些文獻上有這種傳統方法的例子：Gary S. Selwyn5 Journal of Vacuum Science and Technology > Vol. B9, 1991，pp. 3487-3492 及 Vol. A14，1996，pp. 649-654。還 有，也有文獻 Watanabe et al.，Applied Physics Letters， Vol.61, 1992，pp. 1510-1512 及 Shiratani et al.，Journal of Vacuum Science and Technology，Vol· A14, 1996 5 pp. 603-607 c 前述之傳統技術有下述之間題： 曰本發明專利公開公報 4-297852/1992，3-116944/1991 » 63-11838/1988 > 5-206235/1993 > 5- 206236/1993，7-12707A995 及 5-288669/1993 還有日本新 型專利公報（Utility Model Publication)第 62-37160/1987 中 所提及的技術為傳統技術測量樣品流體中之顆粒的方法。 由於這些方法測量樣品流體散射之光線，要想因此得知顆 粒的位置相當困難。因此要得到儀器工作時間與產生的顆 粒，還有生產量與產生的顆粒間之關係是相當困難。 在 Gary S. Selwyn 5 Journal of Vacuum Science and Technology，Vol· B9, 1991，pp. 3487-3492 及 Vol‘ A14， 1996，pp. 649-654。還有，也有文獻 Watanabe et al. ’ Applied Physics Letters，Vol.61，1992，pp. 1510-1512 及 Shiratani et al. » Journal of Vacuum Science and Technology » Vol. AI4, 1996，pp. 603-607中在反應器中懸浮的顆粒，還有他的空 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I I--.----T!---裝·-------丨丨訂 -----線 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3) 間分布及隨時間的變化，是用雷射光散射法偵測。但是要 知道觀測到的顆粒是否造成晶圓缺陷，顆粒來源及顆粒經 田什麼途從達到晶圓卻很困難。因此’晶圓產品上之缺陷 到底是來自何顆粒就無法確定。因此就不知道是反應器的 哪一部份需要修改’還有不知道設備是否乾淨。尤其，沒 有方法可以阻止顆粒出現，因此無法因反應器及準備過程 乾淨而改進操作時間。 當偵測顆粒改採雷射光空間掃描或者雷射光空間擴 張法來測量顆粒空間分布時，偵測器對不同散射光處的距 離就不一樣’偵測器上散射光的強度反比於散射點與偵測 器間的距離的平方。尤其當用散射光強度來估計顆粒大小 時，必須根據距離來修正散射光的強度。但是前面這些方 法都沒有做這個修正。 尤有甚者，要藉由散射光強度來估計顆粒大小必須假 設顆粒形狀為完美的球形。但是人們早就知道LSI製造過 程中出現的許多顆粒是燒瓶或者針形的。這種形狀的顆粒 散射光的強度與入射光束與顆粒間之方向極有關係。因此 若用球形來估計顆粒的大小，大小誤差、大小分布及顆粒 的數值密度都變大了。 目前光散設法中乃以下法測量顆粒的空間分布。反應 器中射入往某方向偏極化的光，然後測量散射光偏極化方 向受浮游顆粒的改變。只用光源中的某一波長的光。當觀 測到的顆粒大小比照射光波長小時，散射光強度以萊禮散 射公式（Rayleigh scattering formula)估計。當觀測到的顆粒 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ----------------- 裝- -------- 訂 ---I----線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 大小比照射光波長大時’散射光強度以瞇散射公式（Mie scattering formula)估計。雖然瞇散射公式給出的是嚴格 解’其方程式複雜，因此數值計算所需的時間較長。因此 由散射光強度測量仍然無法即時得知顆粒大小及密度的有 力資訊。 發明概要 本發明之目的在提供一可輕易估計原點、目標點、顆 粒質量、修正散射光強度因散射點與偵測器之距離改變而 改變量、擴大可適用萊禮散射公式範圍之顆粒大小以做簡 羊之數值計算及藉由估計顆粒形狀以精確估計顆粒大小之 顆粒監視裝置。 首先，本發明之顆粒監視裝置包括：讓雷射光進入反 應器之裝置及測量顆粒散射光的裝置；還有藉由提高雷射 光重複發生率或者當某一光偵測散射光之偵測器所得到的 訊號強度超過某一預定值時，增加雷射光脈衝寬度，使偵 測器長時間曝光以散射光軌跡顯示顆粒運動；還有顯示一 連接軌跡之始點與終點連接線及將之疊加於軌跡之上並延 伸致始點以外以估计顆粒出現點、延伸至終點以外以估叶 顆粒之目標點、將直線於垂直方向之投影長度除以散射光 曝光時間以估計顆粒質量的裝置。 其次，本發明之顆粒監視裝置包括：讓雷射光進入反 應器之裝置及測皇顆粒散射光的裝置；本顆粒監視裝置更 有一可在一雷射光源前預設之旋轉角度範圍内旋轉交換一 鏡子使雷射光做水平或者垂直扇形掃描一晶圓表面，在鏡 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格_Ϊ210 X 297公楚） — 1 ! ί I I I I I · I I I fc— I I I 訂 — (請先閲頡背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4468 1 6 A7 —------ B7 五、發明說明（5) 子旋轉控制器之旋轉角度到資料處理器之鏡子旋轉角度及 光偵測器之散射光訊號間之一對一對映裝置；將所有散射 光強度藉由一鏡子旋轉角度、資料線到光偵測器間之距 離、散射點到偵測器間之連線以直角交資料線間之距離、 及鏡子反射點到資料線上之散射點與資料線間之距離間之 相關公式轉換為雷射光之中線且垂直於光偵測器之資料線 強度之裝置。 第三’本發明之顆粒監視裝置包括：讓雷射光進入反 應益之裝置及測量顆粒散射光的裝置；本顆粒監視裝置更 有一可在雷射光前平行移動鏡子组以將雷射光以窄頻掃描 於水平或垂直之晶圓表面；在鏡子旋轉控制器之旋轉角度 到資料處理器之鏡子位置及光偵測器之散射光訊號間之一 對一對映裝置；將所有散射光強度藉由一鏡子速度、由雷 射光在資料線時起經過的時間、資料線到光偵測器間的距 離、散射點到偵測器間之連線以直角交資料線間之距離間 之相關公式轉換為資料線強度之裝置。 第四，本發明之顆粒監視裝置包括：讓雷射光進入反 應器之裝置及測量顆粒散射光的裝置： 本顆粒監視裝置更有估計顆粒大小’或者顆粒之數值 密度或者散射光之折射係數，視顆粒大小及雷射光波長計 算參數；及 當顆粒大小超過某預定值時，藉由增長雷射光波長擴 大可適用萊禮散射公式範圍之顆粒大小的裝置。 第五，本發明之顆粒監視裝置包括：讓雷射光進入反 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） I. 1-----裝·! f — ---訂 ----!線 (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) A7 B7 fi 446 8 五、發明說明（6) 應器之裝置及測量顆粒散射光的裝置； 本顆粒監視裝置更有藉由一串脈衝方式雷射照射一 下落顆粒軌跡及以測量偵測器所受散射光束或數十脈衝顯 示散射光之裝置及藉由在預定時間内追縱散射光軌跡估計 顆粒形狀之裝置；還有視時間或散射光最大最小值之比分 析散射光強度之改變。 更完整的描述’當散射光強度改變或散射光最大最小 值之比小於某預定值時假設球形顆粒形狀之裝置，及當顆 粒形狀估計為盤形時當散射光強度改變或散射光最大最小 值之比大於某預定值時假設盤狀顆粒形狀之裝置，及由散 射光最大強度估計盤形面積還有最小強度估計盤厚。 總和如下，本發明之顆粒監視裝置可輕易估計顆粒的 出現及目的還有其質量’為了估計顆粒大小視距離修正散 射光強度，擴大萊禮公式適用之顆粒大小範圍及藉由估計 顆粒形狀精確估計顆粒大小。 附圖描述： 為了更瞭解本發明及其長處請參考下列敘述及附 圖，其中； 第1圖是本發明第一實施例獲取散射光之儀器之概 圖， 第2圖是修正散射光強度的儀器概圖，為本發明之第 二實施例； 第3圖是修正散射光強度的儀器概圖，為本發明之第 三實施例； 本纸張尺度適用t B國家標準（CNS)A4 Λ格（210 X 297公釐〉 — · i I — t ί I 訂111!! f靖先閱讀背面之注f項再填寫本頁> 經濟部暫慧財產局員工消费合作杜印製 d 46 8 1 6 A7 --—--------B7 ______ 五、發明說明（7 ) 第4圓是在某一顆粒大小範圍内測量散射光強度的 儀為概圖，為本發明之第四實施例；以及 第5圖是在來禮散射公式適用範圍内以數值方法修 正貧料處理方法之流程圖，為本發明之第五實施例。 實施例細述： 其次參照附圖描述本發明之實施例。 第一霄施例_ ' 為了估計飄落的顆粒及顆粒到晶圓的目的地，只是暫 時測量顆粒散射光還不夠，還必須追蹤特定時間的散射 光。因此’當一個顆粒的散射光強度超過預定值時散射光 偵測器的曝光時間將延長，且增加脈衝雷射的反復頻率或 者CW雷射（連續波雷射）的截斷頻率變得低—點以得到一 個散射光的二維影像。 用這些方法，可以顯示下落顆粒散射光之執跡，還有 原點及目的可由軌跡之始點及終點估計。顆粒質量可由軌 跡長度除以測量時間估計。 下面’參考第1圖，描述估計顆粒原點及晶圓上的目 的點的方法。 一雷射光源U由YAG雷射及一個二次諧頻光波產生 器。雷射震盪器的頻率為10Hz。雷射光13的波長為532nm 還有雷射光束的形狀弄成垂直面上的片狀。然後，雷射光 被弓丨入處理反應器19。雷射光13由在處理反應器19中懸 浮或者掉落的顆粒20散射。散射光21經過過濾介面22 還有每5秒鐘用一個以二維光偵測器Η偵測閘打開時間為 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 i i ii- I I ΐ I I 裝 i J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 446816 五、發明說明< 8) _ns的Μ量—次。散射光的空間分布顯示在資料處理 器15上。 資料處理器15判斷二維光伽器14收到的光強度是 否超過預定值。如果光偵測器14收到的散射光筆預定值 強’則二维光谓測器14的曝光時間藉增長閘開放的時間擗 長致2_s，還有顆粒的運動以散射光執跡23取得。同樣 的效應可以一秒長的時間測量而不延長打開閘的時間。

同樣的目的，可以藉由震動控制器24增加雷射頻率 由_到魔HZ增加雷射散射光鮮，而補由增加閉 打開的時間或者測量時間來增加散射光之曝光時間。CW 雷射時，則改用一個雷射脈衝頻率裁斷器13。藉由增寬脈 衝寬度及截斷器之慢旋轉速度可達到同樣的效應。S 用廷個方法，可顯示散射光的軌跡23於資料處理器 15的顯不器上。還有一個連接執跡23的始點與終點的疊 加直線。還有，經由自始點延長該直線，可估計顆粒的始 點。還有，字終點延長該直線可估計顆粒的終點。由直線 在垂直方向的投影大小除以直線的曝光時間可以估計顆粒 的質量。 7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如上面描述，測量散射光線的軌跡可估計顆粒的原點 及終點還有質量也可以估計因此可用來指導選取反應器材 料還有設計反應器的形狀’以減低顆粒出現d 第二實施例 一個與顆粒大小相關的散射光強度。另方面，散射光 的強度與散射點及測量點間的距離平方成反比。由其，相 Π 本紙張尺度適用尹國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4468 1 6 A7 ---------B7________ 五、發明說明（9 ) 同大小的顆粒的散射光強度相同。雖然測量點與散射點間 的距離不同，量得的相同大小的顆粒散射光的強度不同。 因此為了要由散射光強度的二維影像估計顆粒大小，散射 光強度必須在相同距離下蒐集。達成這個目標的方法之一 的描述參見附第1圖。 雷射光源Η包括一 YAG及一個二次諧頻光波產生 器。震盪頻率為10Hz。雷射光束13的波長為532nm。雷 射光束13由鏡子12反射引入處理反應器19内部。鏡子 12在中線之左右做轉動反轉。最大轉角為1〇度。還有雷 ^光13由活動鏡子12在晶圓之水平及垂直面方向扇型掃 描。當顆粒存在於二維光偵測器14的視覺範圍内時，可得 到顆粒散射光的空間分布。當顆粒散射光之空間分布顯示 於資料處理器15上時，以下面的方法修正散射光之強度。 旋轉角度?i由鏡子轉動控制器16傳入資料處理器15。每個 散射光均由二維光偵測器14在對映於光散射的位置偵 測0 光偵測器元件14偵測到的散射光的強度視距離而 定。散射光強度I在萊禮散射或者瞇散射時成下面公式的 形式。 I = F/r2 其中F是顆粒大小的函數，是顆粒與折射係數 密度。中線η應該是雷射光束η的—個資料點。=距 離中線17的距離作為到二維光偵測器14的資料位置，還 有r作為中線Π上的散射位置18到二維光偵測器14的垂 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS>A4規格（210 κ 297公楚〉 !-*-!* 裝 i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4468 1 β

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 直距離。L是作為鏡子12散射點及由散射點㈣中線口 的垂直線的交點間的距離。在距離與角度間有如下之關 係。 r=r〇+L tan θ 無論是莱禮或者瞇公式，如果用r。做為公式中的距離來計 算散射光強度’所有的散射光強度都轉換為中線17上的強 度。結果’顆粒大小及顆粒的數值密度可藉由比較散射光 強度與其他比較。 第三實施例 本實施例中另一個修正散射光強度的方法描述請參 見附第3圖。鏡子12平行移動，以掃描雷射光13成帶狀 水平面。雷射光源之波長及震動頻率與第二實施例相同。 當散射光的空間分布顯示在資料處理器15上時，散 射光強度以下面的方法修正。鏡子12的位置資料由鏡子直 線運動控制器25傳入資料處理器15。每個散射光都以二 維光偵測器14元件在對映於光散射的位置上偵測。每個元 件债測到的散射光的強度視距離而定。散射光強度在萊禮 或者瞇散射中以下列公式表示， 1= F/r2 其中F為顆粒大小的函數’一個顆粒還有折射係數的 數值密度。為了修正雷射光束散射點18與二維光偵測器 14間的距離，顆粒與偵測器間的距離用r=r〇;t vt，其中v 為鏡子12的運動速度還有t為鏡子由中線17運動起所於 過的時間。藉由以r計算，散射光的強度轉換成中線17的 1ΙΙΙΙΊΙΙ4 — — — ! 11 f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· ;線· 13

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 五、發明說明（1J) 值。結果’可以比較顆粒大小及顆粒的數值密度。 在第二及第三實施例中，描述了雷射光以水平平面掃 描的例子。但是也可以改成雷射光以垂直面掃描。 第四實施你丨 其次，當顆粒半徑及顆粒之數值密度由散射光強度诂 計時’數值計算在萊禮公式適用範圍内可以套甩。但是在 必須使用瞇理論的較大顆粒大小範圍，必須使用大量時間 來作數值計算。為了解決這樣一個問題，當顆粒散射光的 強度大於預定值時，就把雷射光束的波長弄長到顆粒大小 的範圍使得萊禮散射公式可以使用。當顆粒大小參數（χ=2 πα/λ，其中a是半徑，λ是光波長）大約是0 7以上’用萊禮 公式异出的強度會變得比用随理論估計的實際值大出約 5%。當參數X在資料處理來計算顆粒大小的過程中變成大 於某一預定值或等於0.7時，雷射光波長改為較長的波長 以使參數X變得小一點，這樣就可以一直使用莱禮公式。 當顆粒大小，顆粒的數值密度還有折射係數用散射光 的二維影像來估計，儀器可用相對說來較簡單的萊禮散射 公式來計算。儀器的組成可以參看第4圖。 個由YAG雷射震盤器26來的1 ·〇64μηι的雷射照入 光學元件27以產生二次错振然後產生一個532nm的光。 波長轉換器28附屬於光學元件28的輸出方以產生二次諧 振。波長轉換器28可轉至基頻光〖.恥邮饥或者532nm由 YAG雷射震盡gg 26乱5虎來自資料處理器Η。波長轉換器 28引導雷射入處理反應器19。起初，532nm光引入反應器 14 !! .. ------ - Π -Γ- -........ .. --------------裝---------訂---------線------------------------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4468 1 6

五、發明說明（12> 19。顆粒21散射的光經過一些光學元件，然後達到二維光 偵測器14。偵測器Μ來的訊號經過資料處理器15數值計 算，然後就可以得到顆粒大小的資料還有顆粒的數值密 度。 關於資料處理器15處理資料的方法，插入一個比較 參數X及預設值f之步驟（S1)如第5圖所示。如果滿足x ，波長轉換器28截斷二次譜振光532nm而用基頻光 1.064pm(S2)。另方面’如果滿足x< $，則保持用532nm 二次諧波測量（S3)。確立f為〇.7,可用萊禮公式進行數值 計算精度達到10%以下。 引入這些步驟，可在實驗條件下達到總是用萊禮公式 使得資料處理不要加太多負荷於資料處理器丨5上。 在本實施例，描述了一個交換光的基頻與二次諧波的 例子。另一個例子，用汞離子雷射，可發出數個波長的光， 每當發現xg f時就用光栅改用較長的波長β還有另一個 例子，用數個可發出不同波長的雷射光源，每當發現χ2 t則雷射光丨原以較長的波長振盤。還有，不必將$固定於 0.7，可依所要求的精度改變。 弟五實施例 當顆粒為盤狀或者針狀時，散射光強度與顆粒輕與入 射光方向間的角度有關。藉由追蹤起始期間散射光軌跡， 然後分析強度隨時間的變化’可以估計顆粒的形狀。還有， 顆粒的大小可以更精確的由散射光強度的最大最小值估 計0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵〇 x 297公楚） ί I 11 ---I-------- (請先閲讀背&之注寺¥項再填寫本頁) 訂· -線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 446816 A7 B7 五、發明說明（13 在本實施例，描述了可估計顆粒形狀以修正顆粒大小 的儀器的組成，顆粒的數值密度，還有基於散射光的二維 影像的折射係數。

和第1圖所示的第一實施例相似，一包括YAG雷射 的雷射光源11還有雷射振蘯控制器24。雷射震盡器的頻 率為10Hz。雷射光13的波長為532nm還有雷射光束的形 狀弄成垂直面上的片狀，然後，雷射光被引入處理反應器 19。雷射光束13由在處理反應器19中懸浮或者掉落的顆 粒20散射❶散射光21經過干涉過濾介面22，用一個以二 維光偵測器14偵測閘打開時間為1 〇〇ns.的閘測量一次。散 射光的空間分布顯示在資料處理器15上。用上面描述的方 法’侍到散射光顆粒運動的軌跡23，轨跡23有連續亮點D 如果垂直掉落的顆粒為球形，散射光的強度I，無論 顆粒與入射雷射光間採取何種、角在，從不改變^另方面， 如果顆粒為盤狀散射光的強度I就會因顆粒與入射光間的 角度而有極大的改變。因此，當執跡亮點的強度改變比值 Γ小於50% ’就認為顆粒為球形，用菜禮散射公式或者喊 理論估計顆粒大小。另方面，當軌跡亮點的強度改變比值 Γ大於或等於5 0°/。’就認為顆粒為盤狀，顆粒的盤面積由 散射光的最大強度估計還有厚度由散射光的最小強度估 計。 判斷顆粒形狀的標準不只是基於連續亮點執跡23的 強度變化比Γ ’也可由最大強度與最小強度比5決定。還 有’強度變化比Γ不一定要固定為50%，可一索要求的精 ϋ I n rl·» I —J I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) iJ·. 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製

Claims (1)

1. 4 4 6 8 ί ,， ° Α8 Β8 C8 44-6 8 1 6__ 六、申請專利範圍 1.一種顆粒監視裝置，包括： 引導雷射進入處理反應器的裝置； 測量顆粒散射光的裝置； 由該散射光強度估計顆粒大小的裝置，該顆粒之數值 密度或者折射係數； 視該顆粒大小及該雷射波長計算參數的裝置；以及 當該參數超過預定值時，藉由改變該雷射之波長到長 波長擴大適用萊禮公式範圍的顆粒大小的裝置。 -------------裝--------訂------I--線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作Fi中a： 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐）