TW512412B - Semiconductor processing system and method for controlling moisture level therein - Google Patents

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TW512412B
TW512412B TW090123874A TW90123874A TW512412B TW 512412 B TW512412 B TW 512412B TW 090123874 A TW090123874 A TW 090123874A TW 90123874 A TW90123874 A TW 90123874A TW 512412 B TW512412 B TW 512412B
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Taiwan
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patent application
water
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TW090123874A
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Jean-Marc Girard
Benjamin Jurcik
Jean Friedt
James J F Mcandrew
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Air Liquide
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    • C23C8/16—Oxidising using oxygen-containing compounds, e.g. water, carbon dioxide
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Description

512412 A7 ________B7_»______ 五、發明說明（/ ) 發明背景 1.發明之頜域 本發明係有關於一種新穎的半導體處理系統。本發明 也有關於一種用來控制半導體處理室之內濕度準位的方法 。本系統及方法可以用來準確控制半導體處理工具中的濕 度準位。本發明對於在處理中使用水氣作爲處理氣體的半 導體裝置製造中，具有特別的可應用性。 2 ·相關先前技術之說明 近來，幾種使用在半導體製造工業中的乾式（也就是， 氣相)處理已經使用水氣作爲處理氣體。在處理室中以水氣 的形態存在之濕氣典型地與其他處理氣體一同出現。這種 處理包含，例如，濕氧化、銅化學氣相沈積（銅-CVD)、光 阻及後蝕刻殘餘移除處理。 在這些處理中，要被進行處理的半導體晶片被引入半 導體處理工具中的處理室。濕氣可以以液體形態被引入遘 理室中，其接著被汽化、或是形成例如載體氣體的蒸氣形 態。替換地，水氣可以在原位置例如處理室中，由氫氧 (H2)以及氧氣(02)以提高的溫度來反應而形成。然而，在所 .有的情況中，由於在氣體導管中發生吸收-脫附現象造成極 大的影響，使得處理室中的濕度準位很難控制，該氣體_ 管係前進到處理室以及/或是在處理室本身之中。 鑑於上述之情況，已經發現到在處理室中原位置的_ 度準位量測對於製程開發是非常有用的工具，同樣的，每 3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂· ·· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 512412 A7 ____B7____ 五、發明說明（/ ) 在大量生產中，亦有助於評估不同批之間製程可重複性， 以協助確保半導體處理之均一性。 可以用在水氣量測的幾種分析工具中，質譜儀是其中 的一種型態，其通常被稱做殘餘氣體分析儀(RGA)。參考 例如 1990 年之 J· Vac. Sci· Technol·，A 8(3)，D. Lichtman 之”殘餘氣體分析：過去、現在與未來“(Residual Gas Analysis: Past，Present and Future)。質譜儀通常需要在大約 1(T5 ton:的壓力範圍中操作，而半導體處理工具的操作壓 力通常是較高的，例如在大約0.1到760 torr的壓力範圍 中。因此，質譜儀需要取樣系統以及專用之真空幫浦，也 因此通常是比較昂貴而且在結構上不是很小型經濟的。甚 且，在其中保護放置質譜儀的差動抽氣處理室通常會提供 一個高準位的殘餘水氣，其很難被移除而且會嚴格限制質 . 譜儀用於水氣量測時之的靈敏度。 光學放射光譜儀已經廣泛地被用來監視電漿處理。原 則上，在處理工具中，用光學放射光譜儀來監測水氣應該 是很有用的。然而，光學放射光譜儀非常複雜，尤甚是， 這種方法不能用在非電漿處理中。 其他的光譜儀技術已經被廣泛地用在製程化學硏究情 ，況中。例如參考，1985年Dreyfus等人之”低壓電漿光學診 斷，理論與應用化學”（Optical Diagnostic of Low Pressure Plasma，Pure and Applied Chemistry)，57(9)，第 1265-1276 頁。然而，這種技術通常需要對處理室進行特別的修改。 例如，以腔內雷射光譜儀來進行原位置濕度監測之可能性 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 512412 A7 __B7___ 五、發明說明（3 ) 已在評估該技術時被大致地提及。例如參考，1994年Ον. Atkinson 之”利用腔內雷射光譜之水高靈敏度偵測.微污 染.94 f了動 Cannon 通訊 ”（High Sensitivity Detection of Water via Intracavity Laser Spectroscopy, Microcontamination, 94 Proceedings Canon Communication) ° 最後，傳統的氣體分析儀已經被用於原位置的濕度量 測中，通常用在大氣壓力或是靠近大氣壓力的製程運轉中 。例如參考，1990年6月Smoak等人於“氣體控制改善磊 晶良率·國際半導體 ”(Gas Control Improves Epi Yield， Semiconductor International)第 87-92 頁之文章。根據這 種技術，一部分的處理氣體被抽取到探針中，然後探針將 該樣品運送到分析儀中。然而在濕度的量測中，由於濕氣 傾向於吸附在該探針的表面，因此這種針並非必要的。甚 且，這種方法通常是不實際的，因爲其需要相當大的空間 來容納傳統的氣體分析儀，這個空間典型地最少是在半導 體製造無塵室之內。 用來量測一處理環境中之瞬時濕氣濃度以及乾化特徵 的方法被揭示在Tapp等人之美國專利第5,241，851號 。根據這種方法，濕氣分析儀替換地將來自處理室之流出 ，物以及從標準氣體產生器產生的氣體中取樣。標準氣體產 生器的輸出被調整，直到分析儀顯示出在該流出物以及標 準氣體流之間沒有差別。由於在標準氣體產生器中的濕氣 含量是已知的，因此該流出物的濕度準位可以被決定。然 而，由於其需要一個標準氣體產生器及複雜的接管來實施 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 川412 A7 '^ ---B7 五、發明說明（+ ) 介於該流出物以及標準氣體流之間的切換，因此這種系統 是不方便而且複雜的。甚且，其中存在著從標準氣體產生 器回流到處理室的風險，會造成有害於在其中製造之產品 的污染。 爲了要符合這些半導體製造工業的需求以及克服相關 習知技術的缺點，本發明的一個目的是要提供一個半導體 處理系統，其可以用來以一種精確以及快速的方式，監測 以及控制作爲處理氣體的水氣準位。 本發明的一個更進一步的目的是提供一個用來控制在 半導體處理室中濕度準位的方法，其可以被實施在本發明 的系統中。 當一般熟悉本項技術的人在閱讀本說明書、圖式以及 申請專利範圍之後，便會了解其他本發明的目的以及觀點。 發明槪要 根據本發明的第一個觀點，係提供新穎的半導體處理 系統。該系統包含一個處理室，用於以一種或是多種含有 水氣的處理氣體來處理半導體基板；用來在其中運送水氣 或是一個或多個則驅物到處理室的裝置；一個連接到該處 理室的排放導管；一個用來在取樣區感知水氣的吸收光譜 儀系統；以及一個在該處理室中控制水氣含量的控制系統 。該控制系統包含一個控制器，其響應從該吸收光譜儀量 測系統來的信號，該控制器係送出一個控制信號到該運送 水氣或是前驅物的裝置。 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） II-----.---Γ·裝--------訂------------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 512412 A7 B7 -------------------- 五、發明說明（f ) 根據本發明的進一步觀點，係提供在半導體處理室中 用來控制濕度準位的方法。水氣或是一個或多個用來形成 水氣的前驅物被導引到處理室中。該水氣是要被用來作爲 處理氣體的。在取樣區的水氣準位係以吸收光譜儀量測。 在處理室中的水氣含量係根據吸1收：光譜儀的測量結果所控 制。 圖式簡單說明 以下將配合圖式詳細的說明較佳實施例’經由該說明 後將會對本發明的目的以^及^點更加了 ^ +彳目胃之元 件符號係代表相同之元件，而其中： 圖1係一個根據本發明範例觀點之半導體處理系統剖 面圖， 圖2A以及2B係範例濕氣產生器圖式，該產生器可用 於根據本發明的半導體處理系統及方法中； 圖3係一個範例吸收光譜儀量測系統平面圖，該系統 可用於本發明之半導體處理系統中； 圖4係一個由根據本發明半導體處理系統根據所產生 的紅外光譜。 圖5係一個根據本發明的範例濕氣稀釋示意圖； 圖6係一個根據本發明的範例半導體處理系統示意圖 j 圖7係一個根據本發明的進一步範例半導體處理系統 示意圖；以及 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 鑣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 297公釐） 512412 A7 _B7__ 五、發明說明（各） 圖8係一個根據本發明的進一步範例半導體處理系統 示意圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 元件符號說明 1 ·半導體處理系統 2 ·處理室 3 ·半導體基板(晶片） 4·基板固定器 5·氣體入口 5’ ·混合歧管 6·排放開口 7·排放導管 8·吸收光譜儀量測系統 9 ·光源 10 ·偵測器 11 ·取樣區 12 ·光束 13 ·光傳遞窗 14 ·光反射表面 15 ·水氣產生裝置 16 ·第一鏡子 17 ·第二鏡子 20 ·真空幫浦 21 ·控制器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 512412 A7 _B7______ 五、發明說明（1 ) 22 ·汽化器 23、23,、25、31 ·導管 24 ·容器 26、28 ·加熱器 27 ·滲透管 29 ·匣 30 ·高分子材料 32 、 33 ·閥 34 ·幫浦 35 ·稀釋氣體流· 36 ·質量流量控制器 40 ·量測腔 本發明較佳實施例詳細說明 現在將參考圖1來說明根據本發明的半導體處理系統 以及方法，圖1以剖面方式展示了一個根據本發明範例觀 點的半導體處理系統1。 半導體處理系統1包含一個半導體處理室2,在其內 部一個半導體基板(晶片)3被放置在一基板固定器4上面。 一個單一晶片處理器僅爲了解釋的目而表示。本發明也用 在多重晶片處理器中。 一個或是多個氣體入口 5被提供用來運送一個處理氣 體或是多個處理氣體到處理室2中。爲了確保處理氣體的 .均勻度，它們最好是在引入處理室2之前，預先混合在混 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 ^格（210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 i]·' 512412 A7 ______Bl__ 五、發明說明（S ) 合歧管5’中。從處理室2來的流出物經過處理室2的排放 開口 6然後經由排放導管7排放。 根據本發明的一個觀點，處理系統適合於進行真空處 理，諸如蝕刻以及特定的化學氣相沉積（CVD)處理。在此 一例中，處理室2可以是具有一真空幫浦20的真空處理室 ，其被連接到排放導管7。替換地，處理系統可以實質地 在大氣壓力中進行處理，例如大氣壓力CVD以及熱氧化處 理，其中處理室2係以些微真空而維持在約爲大氣壓力中 〇 水氣被包含在處理材料中，其在處理過程中是要存在 處理室2中的。本發明因此對於使用水氣做爲處理材料之 特定氧化、CVD以及乾式蝕刻處理具有特定的可應用性。 尤其，本發明對於以下的製程具有特別的可應用性，包括 例如：濕氧化、銅-CVD、光阻以及後蝕刻殘餘移除處理。 這些處理要求水氣外還有反應或是非反應（惰性）氣體， 該反應氣體可以爲電漿或是非電漿狀態。 在該等處理中，水氣可以以多種方式被導引到處理室 2中。例如，水氣可以用配合或是不配合載體氣體的方式 引入。水氣可以在一水氣產生裝置15中產生，然後被引入 .混合歧管5’中，使得在被引入處理室2之前與其他處理氣 體混合。該水氣可以被直接引入處理室2中。 製程中需求的水氣含量可以不同，其中包括沒有水氣 含量的階段，其係依特定的處理而定。在一些例子中如果 幾個特定處理步驟中含有水氣，或是在不同的處理步驟中 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 __B7_____；_ 五、發明說明（1 ) 具有不同的準位會是有好處的。 以圖2A作爲參考，水氣產生裝置可以是’例如一個 起泡器或是汽化器22。載體氣體被經由一導管23引入容 器24，然後該氣體通過含在其中的水而發泡。該含濕氣之 載體氣體經由導管23’，被從起泡器中移除。水氣之濃度是 載體氣體在水中之接觸時間、溫度以及壓力的函數。當水 氣被從容器中抽出時，在容器24中的液體準位降低，然後 純淨的水可以被經由導管25引入。容器24中水溫可以用 一外部加熱器26來控制。 以圖2B作爲參考，水氣產生裝置可以選擇性的是一 個或是多個加熱滲透管27，其溫度可以被一加熱器28控 制。滲透管27包含一個含有液態水的匣29。匣29係典型 地以高分子材料30封住，而透過高分子材料30濕氣可以 擴散。載體氣體流過導管.31，因此掃過高分子表面然後變 成潮濕。在載體氣體中之濕氣濃度反比於載體氣體流量， 而且跟隨容器筒的溫度增加。 直接將液態水引入處理室2是進一步可能的，其中其 被昇高的溫度汽化。在這種情況中，一液態質量流量控制 器可以被做爲流入處理室的流量控制。 作爲另一類的選擇，水氣可以在處理室2原位置中由 起始材料（前驅物）產生，其包含被經由分別的導管引入 處理室2的氧氣及氫氣。這些物質流入處理室可以被在每 個導管中的質量流量控制器所控制。 導引水氣到處理室的特定方法會因爲處理過程中所進 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 B7 ：-a{v)cl 五、發明說明（ 行的不同部分而不同。例如，在銅-CVD的處理中，水氣 可以被加到含有銅前驅物的進料流裏，而在光阻以及後蝕 刻殘餘移除處理中，水氣以濕臭氧（〇3)形態引入處理室裏 是需要的。在濕氧化過程中，在原位置將氧氣以及氫氣引 入氧化室是需要的。 1 ·操作量J1I系統的原理 在頻率 > 之光線路徑中，當光線被分子吸收時，根據 定律，量得的吸收率可以被轉換爲標的種類的分壓 ，其係根據以下的方程式： T{v)- ~~ = exp(-a(v)c/) 或是在少量吸收的情況下，根據以下的方程式： W -/(V) 一以V) 在上面的該等方程式中，Γ⑻是在頻率爲的透光率 ’ /(▽)是通過取樣區後在偵測器中量得的光線強度，/。〇)是 在沒有吸收的情況下的光線強度，α(ν)爲在頻率爲V的吸 收係數，C是吸收種類的濃度而/爲路徑長度。吸收係數 α(ν)典型地以線型函數以及強度因子S來根據以下的方 程式表式： a(v) = Sk(v) 其中具有習知的高斯、羅倫茲或是Voigt形態。 爲了去除低頻雜訊源，感知器最好是使用以第二諧振 偵測的波長調變光譜儀。雷射輸出是根據以下的方程式， 12 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 512412 A7 ^____B7___ 五、發明說明（（丨） 在頻率/以調變波幅m調變： v -> v + mcos(2^) = v-\-mcos9 偵測信號被解調以獲得與2/同相的分量。該解調信號 (6)是正比於α(ν)傅立葉展開式中的2/項，如以下方程式 所表示的： V2 - CI0Scl^K(v + mcosO)cos(20)de 其中S以及卟)可用在常見於半導體處理工具之排放管 中之壓力與溫度範圍中之水氣吸收光譜。該積分假設是 Voigt形態以數値估算。正比常數C係以偵測器以及信號 處理電路之響應來決定。原則上，C可以以第一原理來估 算，但可以更實際地在c、/、Α(ν)以及m已知的情況下以 測量V2/IQ來導出C。查驗信號處理電路是否產生響應是很 重要的，該響應必須隨著水氣濃度線性地變化，並且需要 週期性地重複校正以確定長時間發生的電路響應中沒有明 顯飄移。每年校正一次相信是足夠的。 2.測量系統組件 參考圖1以及3，該半導體處理系統包含一個吸收光 譜儀量測系統8來偵測及量測處理工具中水氣的濃度。一 .個合適的量測系統可以從SOPRA SA，Bois Colombes， France市面上取得，其並且已說明於一個或是多個美國專 利第 5,742,399、 5,818,578、 5,835,230、 5,880,850、 5,949,537、 5,963,336、 5,991，696、以及 6,084,668 號 中。 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 __B7 五、發明說明（/> ) 吸收光譜儀量測系統8包含一個光源9以及一個偵測 器10，其可以是光電二極體，與一取樣區11光連通。在 這個範例實施例中，該取樣區位在處理室排放導管7之中 。然而，該取樣區可以被放置在除了該排放導管以外的地 方，例如處理室的上游。這可以允許將引入處理室的氣體 進行取樣。此外，該取樣區可以在處理室本身內側或是在 處理室下游的其他位置中，例如使得排放的取樣部分可以 被分析之處。 爲了要偵測水氣，很重要的是必須使用發出特徵波長 的光的作爲光源。雷射光源在幾個光譜區發出光線，在該 區水氣分子具有最強的吸收性，該等雷射光源導致了測量 靈敏度的改善。 任何合適的可調波長光源都可以被使用。在目前可應 用的光源裏，二極雷射光源是較佳的，因爲其在發射波長 中線寬較窄（大約小於lO^cnf1)而且相對地強度較高（ 大約從〇. 1到幾個毫瓦）。該二極體最好是分散回饋（ DFB)型以確定單模發射，也就是，確定二極體在單一的 頻率發射，正如在M. Feher等人於1995年 Spectrochimica Acta A 51 第 1579-1599 頁所描述的。根據 ，本發明的較佳觀點，一個操作在大約1.368m的 InGaAsP/InP分散回饋（DFB)二極體雷射，被用來作爲 光源9，以便在近紅外光中對H20使用最強吸收線。 然而，在本發明中使用的合適光源並不限於二極體雷 射。例如，其他型態的雷射其若具有相似的大小以及使用 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 DU412 A7 ____________B7___ 五、發明說明（0 ) 簡單電氣裝置可調之雷射都可以被使用，如光纖雷射及量 子串級雷射等。在此考量者爲，使用的雷射係爲商業化產 品。 光源電路用來控制加到二極體雷射或是其他光源的電 流’以使其發出可以被水蒸汽吸收的特定波長。當被加到 雷射二極體的電流增加時，波長因二極體型態的不同被增 加或是減少。雷射電流控制器在本項技術中係爲已知的並 且已經被商業化，例如，ILX Lightwave IDX-3620。 由所述光源9產生的光束12，經由至少一個光傳遞窗 13被傳送到取樣區11。量測系統可以配置爲，光束12係 被取樣區中的一個或是多個光反射表面14所反射，並且經 由其進入取樣區時所通過的相同傳遞窗13來離開取樣區 11。替換地，光束進入以及離開取樣區的窗口可以不同， 而且可以被放置入在取樣區11之不同的兩邊。該量測系統 也可以被配置以使得光束從光線入口窗到光線出口窗之間 於取樣區沒有被反射，而直線地穿過取樣區。 光反射表面14可以與界定取樣區的牆壁分開或是整合 一起而形成。光反射表面14最好是拋光的金屬。由於這個 表面需爲高反射性，因此該表面可以用一種或是多種反射 .物質層如金、其他金屬層或是高反射介電層來塗覆，以加 強其上的反射性。甚且，爲了將在光反射表面形成之沉積 物所產生的有害的效應降至最低，亦可使用一個用來加熱 光反射表面的加熱器。 圖3表示了一個範例吸收光譜儀量測系統8，其可以 15 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 512412 五、發明說明（丨今） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 配合本發明使用。如所顯示的，一量測腔40包含多個鏡子 (或是一個具有多重表面的鏡子）’其可以被放置在排放 導管7 (或是處理室2)之中，因此形成一個多通道腔，可 以使光束多次通過取樣區。以這種方式增加有效的路徑長 度，量測系統的靈敏度因而被增加。這種腔可以具有一個 例如長達17公尺的路徑長度。在各種多通設計中，本發明 所使用的腔最好是如所表示之Herriott型腔。 吸收光譜儀量測系統8可以進一步包含第一以及第二 鏡子16、17，以使光束12從光源9經過光傳遞窗13進入 取樣區。可考量採用其他用來操縱光束的鏡子結構。弟一 以及第二鏡子16、Π如所顯示的是平的，但是如果要校準 光束的話，可以替代爲彎曲的。 一偵測器10，例如一個光電二極體’對於由二極體雷 射發出之相同波長光產生反應。偵測器1〇對於經由光傳遞 窗13離開取樣區的光束12產生反應。偵測器10最好是一 種InGaAs光電二極體。合適的偵測器已經被商業化，例 如用在近紅外光偵測中，以ΊΟ-MHz頻寬放大器用於近紅 外光偵測的 EG&G InGaAs C30641。 偵測器電路接收偵測器的輸出，並且產生一個與需求 .波長光吸收率相關之輸出。該吸收率（A)被界定爲A=l-T，其中T是透光率，也就是在具有水氣下量測所偵測到 的光線強度與沒有水氣下觀察到的光線強度比率。該吸收 率可以藉由電腦以已知的校正數據轉換爲分子不純度。 可以使用各種用來控制二極體雷射發出之光線波長的 16 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 512412 A7 B7 __ 五、發明說明（β ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 方法。例如雷射波長可以被回饋統鎖:定在所胃値 中。替換地，其可以藉由以鋸齒函數在一個包含濕氣吸收 線所要求的波長區域中調變二極體電流而快速及重複地掃 描，以產生一個光譜。該區域的選定係爲了不受處理中其 他的所使用或產生種類之干擾。連續光譜可以取平均來改 善靈敏度。這兩種技術都是已知的。例如參考，Feher等 人之，，大氣追蹤氣體組成之可調二極體雷射監測”（Tunable Diode Laser Monitoring of Atmospheric Trace Gas
Constituents)、1995 年之 Spectrochimica Acta，A 51，第 1579-1599 頁以及 Webster 等人之 1988 年 R· Μ·
Measuews (Ed.)，Wiley，紐約”紅外線雷射吸收：雷射遙遠化 學分析之理論及應用 ”（Infrared Laser Absorption: Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis) 〇 爲達成靈敏度的進一步改善，其方式可爲，調變二極 體電流及波長以及在調變頻率或是較高諧振時解調偵測器 信號。這種技術被稱爲諧振偵測光譜儀。參考Feher等人 之”大氣追蹤氣體組成之可調二極體雷射監測”（Tunable Diode Laser Monitoring of Atmospheric Trace Gas
Constituents)、1995 年之 Spectrochimica Acta，A 51，第 1579-1599 頁以及 Webster 等人之 1988 年 R. M.
Measuews (Ed.)，Wiley，紐約”紅外線雷射吸收：雷射遙遠化 學分析之理論及應用 ”（Infrared Laser Absorption: Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis) 〇 利用合適的信號解調以及數値資料處理便可實施 17 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 512412 A7 ___B7____ 五、發明說明（l W ) 0.5Hz取樣頻率之濕氣分壓量測。此外，感知器原則上不 需要校正，因爲其係基於入射雷射光的吸收作用，而其僅 僅與濕氣濃度、光學路徑長度、氣體壓力以及分子參數（ 例如震盪強度）相關。 根據本發明範例實施例’雷射波長在例如10Hz時是 可調變的，其係利用一重複電流斜坡在水氣之吸收入射光 波長範圍中掃描。亦對該二極體施加一 128Hz之第二調變 ，而且使用相靈敏度偵測來選擇偵測器信號的分量’該信 號可以與該第二調變信號（ 256 kHz)的第二諧振同相，如 所上述。這造成如圖4中顯示的光譜。 .軟體被用來在掃瞄過程中確定最小以及最大信號値。 其中的差異被稱作”峰至峰”信號或是”PP2f’。光線強度的 絕對値由對應於吸收峰之偵測器信號直流分量決定。在該 峰其中一側的直流信號追蹤內差法被用來修正基於吸收產 生的光強度變化。 對一個壓力、溫度以及選定的調變波幅m値範圍來評 估上面的方程式（2)，藉此事先計算pp2f的數値矩陣。 當感知器啓動時其被輸入記憶體中。可以使用該矩陣、光 線強度以及一個造成電路增益的常數因子而將觀察到的 .pp2f値轉換爲吸收率。該吸收率然後根據Beer’s定律以方 程式（1)轉換爲濕氣濃度。 一個監視器可以直接連接，來提供濕氣濃度以及幾個 關鍵參數如系統壓力、雷射強度等的即時顯示。一個直流/ 交流轉換器被用來提供正比於濕度信號的〇-5伏特類比輸 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 -------B7_— __ 五、發明說明（d ) 出’如有需求時亦可提供警告信號。 該系統連續紀錄濕度數據，以做爲時間函數。該等資 料可週期性地被儲存在一個諸如可攜式硬碟記億元件中的 ASCII檔案中。已經發現到以一個每兩秒收集的數據點來 每20分鐘儲存該等資料是足夠的。 3.濕度進位的捽制 根據本發明，一個對應於在取樣區11所測得的水氣準 位信號被用來控制濕氣引入系統，以使得濕度準位可以用 所需求的方式來控制。一個來自吸收光譜儀量測系統8之 控制信號被送到一控制器21，接著該控制器21送出一個 控制信號到水氣產生裝置15。該控制器21可以採用爲熟 悉本項技術已知的各種方式，但最好是一個可程式邏輯控 制器（PLC)或是其他型態的邏輯控制器。 在選定之排放位置或是其他量測位置的濕氣定點可先 予以界界定。一旦該濕氣定點在給定點建立後，一個回饋 控制迴路技術（例如，比例-積分-微分）可以由控制器以 及濕氣產生器實施。以這種方式，濕氣產.生器15的輸出可 以由該濕氣產生器的控制變數調整來控制之。該控制變數 .可以是例如，溫度、載體氣體流量、氣體或液體流量等等 ，因使用之特定濕氣產生器型態不同而不同。 這種濕度準位的控制方式將因水氣產生的性質不同而 不同。例如，當濕度增加係經由具有或是不具有載體氣體 的水氣流的情況下，控制器21可以傳送一個控制信號到質 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 _B7__ 五、發明說明（丨s ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 量流量控制器中，其可以調整流入處理室中的總濕氣流。 相同的，在液態水直接注入處理室的情況中，一個液態質 量流量控制器可根據濕度量測値來控制。 當一個含有水的起泡器或是汽化器被用來作爲濕氣引 入時，控制器21送出一個控制信號到加熱器26來控制在 容器24中的水溫度。額外地或是替換地，如果有載體氣體 的話，經由導管23被引入該起泡器或汽化器的載體氣體流 量可以被控制。 當溫度敏感滲透管27被用來作爲水氣的引入時，從控 制器21來的信號可以被用來以與上述的類似方式，經由加 熱器28控制該滲透管的溫度，以及/或是可控制載體氣體 在導管30的流量。 爲了要改善調整濕氣含量的反應時間，可以使用一種 濕氣稀釋體系。圖5表示了一個實施該體系的範例。一個 或是更多的稀釋氣體流35被提供，以調整濕氣產生器15 的出口濕氣濃度。質量流量控制器36係設於濕氣產生器出 口線以及/或是稀釋氣體流35上，以便根據控制器21來的 信號，控制含濕氣氣體流以及/或是稀釋氣體流的流量。 因此，可藉由改變含濕氣氣體流以及稀釋氣體流的相 .對流量來控制在最末流的濕氣含量。該稀釋氣體流可以爲 惰性氣體，最好是與含有濕氣流中之載體氣體相同型態的 氣體。可以使用其他的或者是額外形態的氣體，例如，稀 釋氣體可以包含一種或是多種處理氣體，例如用在處理過 程中的反應氣體。稀釋氣體之濕氣成分應該低於比濕氣流 20 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) — 512412 A7 ^__B7___ 五、發明說明（丨;/ ) 之濕氣成分。 美國專利第 5,635,620、 5,587,519、 5,937,886 > 5,928,415、5,922,286及5,900,214號中說明各種用來將 氣體混合及傳送到設備中的技術。上面說明的濕氣稀釋體 系配置可以根據這些文件來做進一步修改，以便進一步改 善反應時間。 對於原位置的濕氣產生而言，例如經由氫及氧的反應 ，系統可以藉由控制導管上之質量流量控制器，來控制其 中一個或兩個反應物的流量。最好是，限制反應進行的反 應物流量，也就是，當氧氣過量時氫氣被控制。控制器21 選擇性地可以被用來經由處理室加熱器控制一個例如反應 溫度之物理變量，以便控制由反應所形成的水氣。 圖6係爲本發明第一範例實施例示意圖。在這種配置 中，取樣區在處理室的排放導管7中。感知器8連接到處 理室2之排放導管7，例如以圖1的方式設置。該感知器 提供指示取樣區中的濕度準位之信號給控制器21，控制器 21接著送出一個控制信號到濕氣產生元件15。根據這種信 號，藉由濕氣產生元件15，濕氣被直接加到氣體混合歧管 5’的處理氣體中，其含有或是不含有載體氣體。 在氣體導管5中的處理氣體可有利地在進入處理室2 之前事先混合在氣體混合歧管5’中。處理氣體的事先混合 係有利地確保反應混合的均勻性，以產生較爲均一的製程。 在這個實施例中，由於使用濕度感知器8監測離開處 理室2之氣體濕度準位，因此由感知器在處理室2中造成 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 _____ B7___ 五、發明說明（P) 製程污染的潛在性可以被避免。此外，可完成現存設備的 更新，而毋須修改通往處理室入口之現存氣體管路以及控 制。 在處理室2中進行的製程化學可以導致處理過程中濕 氣的產生以及消耗。結果是，排放氣體或是在處理室中選 定點的濕度量測可能無法提供被加到系統中之濕氣的直接 指示。 圖7是一個用來表示根據本發明進一步觀點之半導體 處理系統示意圖，其係強調該問題。這個實施例可直接量 測將被引入處理室2之混合氣體的濕度準位。 從氣體混合歧管5’來的處理氣體混合物在被引入處理 室2之前，通過一個濕氣感知器8的取樣區。氣體混合物 中的濕度準位的指示信號被濕度感知器8送到控制器21。 藉由使用上述之控制方式（也就是，比例-積分-微分）， 濕氣產生元件15的輸出可予以適當地控制。具有或是不具 有載體氣體的水氣、或是水氣前驅物被引入氣體混合歧管 5’或是直接進入處理室2。 一繞流管閥31可以選擇性地使用在濕度感知器8的下 游以及處理室2的上游。當該繞流管閥開啓時，其可以允 .許混合氣體進入處理室2中，而當該閥關閉時可以將混合 氣體直接引導到排放口中。如果混合氣體的濕氣含量是在 預先決定的準位或是範圍中，則該繞流管閥係爲開通的而 且氣體被導引到處理室2中。否則，該繞流管閥係爲關閉 的，且將混合氣體導引到排放孔。以這種方式，均勻反應 22 Ϊ紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱Ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 勺· 512412 A7 五、發明說明（/1 ) 混合物中的濕氣濃度在啓動處理室2的處理之前对以穩疋 下來。 根據本發明觀點的一個較佳方法牽渉到如何將半導體 基板導引到處理室2之中。處理氣體流在其個別定點以繞 流管閥31關閉（也就是，處理室繞流）位置而啓動。均勻 氣體混合物的濕氣濃度被連續量測並且被一個濕氣感知器 控制在一個預先決定的準位或是範圍中。當濕氣濃度在規 定範圍內以及選擇性地在這種狀況下已經歷經一個預定時 間長度時，處理繞流管閥31被開啓。均勻反應混合物因此 可流入處理室2中。然後選擇性地以濕氣感知器連續監測 及控制的方式啓動半導體之處理過程。 圖8係爲本發明的進一步範例實施例。在這個配置中 ，處理氣體在氣體混合歧管5’中混合之後，處理氣體混合 物被閥32分爲兩個部分。第一混合處理氣體取樣部分通過 閥32，然後連續地流經濕度感知器8以進行濕度準位分析 。這個第一部分被幫浦34經過該系統而吸走，而且被當作 排放氣體移除。第二處理氣體混合物取樣部分通過閥32傳 送，而且當閥33在開啓的位置時被引入處理室2。閥33 通常是關閉的，但當濕度感知器8量到的氣體混合物濕度 ‘準位達到一個預定準位或是範圍之後便開啓。通過濕度^ 知窃1 8的^里^被獨JX控制’與流到處理室2的總氣_流量 無關。供應到氣體混合歧管51的所有氣體因此應該滿足濕 氣感知器及處理過程兩者的流量需求。 根據本發明觀點的一個較佳方法牽渉到半導體基板被 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 512412 A7 B7 五、發明說明（#) 引入處理室2的過程。處理氣體流量在其分別的定點以闕 33關閉的位置而啓動。均勻氣體混合物的濕氣濃度被濕度 感知器8連續地量測，而且被控制器21及濕氣產生元件 15以上述的方式控制在一個預定的準位或是範圍中。當濕 氣濃度在規定範圍之內以及選擇性地在這種狀況下歷經一 個預定的時間長度之後，一控制信號被送到閥33，閥33 被開啓，以允許均勻反應混合物流入處理室2中。然後選 擇性地以濕氣感知器連續監測及控制，啓動半導體處理過 程。 藉由使用上述的一個適當控制迴路，這個配置允許在 反應氣體混合物被送到處理室2之前，得到一個穩定的濕 氣濃度。這個實施例進一步確保引入處理室的氣體不會通 過該濕氣感知器。因此可消除因濕氣感知器所造成的潛在 製程污染。此外由於在這種配置中，濕氣感知器並不是供 應處理室之氣體系統一個整體之部分，因此在失效的狀況 下，於毋須停止處理室的情況下將感知器分開是可能的。 雖然本發明已經參考其中的特定實施例予以詳細說明 ，然而熟悉本項技術之人士將明瞭，於未違離本發明申請 專利範圍範疇前提下，可進行各種變化以及修改，並可使 .用其均等物。 24 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項戽填寫本頁) 裝
一-ο, I

Claims (1)

  1. 512412 A8 C8 --- --^____-^一 六、申請專利範圍 I 一種半導體處理系統，包含： 一個處理室，用來以一種或是多種含有水氣的處理氣 體來處理一半導體基板； 用來在其中運送水氣或是一種或多種前驅物到該處理 室的裝置； 一個連接到該處理室的排放導管； 一個用來在一取樣區感知水氣的吸收光譜儀系統；以 及 一個控制該處理室中水氣含量的控制系統，該控制系 統包含一個控制器，其響應從該吸收光譜儀量測系統中來 的信號，並且送出一個控制信號到該運送水氣或是前驅物 的裝置。 2.如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中， 該取樣區係在該處理室的下游。 3·如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，進一步 包含一該處理室上游之氣體混合歧管’用來預先將水氣以 外的一種或多種處理氣體與該水氣或是其中的前驅物混合 〇 4..如申請專利範圍第3項之半導體處理系統，其中， 該取樣區在該處理室的下游。 5. 如申請專利範圍第3項之半導體處理系統，其中， 該取樣區在該氣體混合歧管的下游以及該處理室的上游。 6. 如申請專利範圍第5項之半導體處理系統，進一步 包含在該取樣區下游以及該處理室上游的一個1閥’根據從 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公f) (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) -裝 、一 1^________ 512412 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 該控制器來的控制信號控制該閥，以讓來自該取樣區的氣 體通過而進入該處理室。 7. 如申請專利範圍第3項之半導體處理系統，其中， 該取樣區係在該氣體混合歧管的下游並且與該處理室平行 〇 8. 如申請專利範圍第7項之半導體處理系統，進一步 包含在該氣體混合歧管下游以及該處理室上游的一個閥， 根據從該控制器來的控制信號控制該閥，以讓來自該取樣 區的氣體通過而進入該處理室。 9. 如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中， 該用來運送水氣或是其中之前驅物的裝置包含一個起泡器 ，該起泡器由一個含有水氣的容器以及一個載體氣體入口 所組成，利用該入口使該載體氣體產生氣泡並通入水中。 10·如申請專利範圍第9項之半導體處理系統，其中 ，該起泡器進一步包含一個根據k該控制器來的控制信號 所控制的加熱器。 11.如申請專利範圍第9項之半導體處理系統，進一 步包含一個在該載體氣體入口的流量控制裝置，該流量控 制裝置係根據從該控制器來的控制信號而被控制。 12·如申請專利範圍第1項之半導體處埋系統，其中 ，該用來運送水氣或是其中之前驅物的裝置包含一個或是 多個連接至一載體氣體導管的溫度敏感滲透管。 13.如申請專利範圍第Π項之半導體處裡系統，其中 ，該一個或是多個溫度敏感滲透管包含〜個根據從該控制 2 f紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 公 - (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) -裝 512412 098895 ABCD 六、申請專利範圍 器來的控制信號所控制的加熱器。 14 ·如申請專利範圍弟12項之丰導體處理系統，進一 步包含一個在該載體氣體導管的流量控制裝置，該流量控 制裝置根據從該控制器來的控制信號而被控制。 15 ·如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中 ，該用來運送水氣或是其中之前驅物的裝置包含一個連接 至一氧氣源的氧氣導管以及一個連接至一氫氣源的氫氣導 管。 16·如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中 ，該用來運送水氣或是其中之前驅物的裝置包含一個連接 至一液態水源的液態水導管。 17·如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中 ，該處理室形成一氧化系統、一飩刻系統或是一化學氣相 沈積系統的一部分。 18·如申請專利範圍第17項之半導體處理系統，其中 ，該處理室形成一個銅化學氣相沈積系統的一部分。 19·如申請專利範圍第1項之半導體處理系統，其中 ，該用來運送水氣或是其中之前驅物的裝置包含一個連結 來接收一含有水氣氣體的第一導管、一個連結來接收一稀 釋氣體的第2導管，該第一導管係與第2導管連結以將該 含有水氣的氣體與該稀釋氣體混合、並包含一個連結到該 處理室以將該混合氣體傳送到該處的第3導管、一個連結 到該第一導管的流量控制裝置以及/或是一個連結到該第2 導管的流量控制裝置，該流量控制裝置係響應從該控制器 3 -----------------------^裝---------------訂----------------« (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 一國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐) 一 512412 A8B8C8D8 六、申請專利範圍 來的控制信號。 20. —種在一半導體處理室中用來控制水氣準位的方 法，包含之步驟爲： 引導水氣或是一個或多個形成水氣的前驅物進入該處 理室，其中該水氣係被用來作爲一處理氣體； 以吸收光譜儀來量測在一取樣區的水氣準位；以及 根據該吸收光譜儀測量結果來控制在該處理室中的水 氣含量。 21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該取樣區 係在該處理室的下游。 22. 如申請專利範圍第20項之方法，進一步將一種或 是多種除了該水氣以外的處理氣體與水氣或是處理室上游 的前驅物事先混合。 23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中，該取樣區 係在該處理室的下游。 24·如申請專利範圍第22項之方法，其中，該取樣區 係在該事先混合點的下游以及該處理室的上游。 25·如申請專利範圍第24項之方法，進一步包含控制 一個放置在該取樣區下游以及該處理室上游的一個閥，該 閥係根據該吸收光譜儀的測量結果，來讓來自該取樣區的 氣體通過而進入該處理室。 26.如申請專利範圍第22項之方法，其中，該取樣區 係在該事先混合點的下游並且與該處理室平行。 27·如申請專利範圍第26項之方法，進一步包含控制 ____ _4 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝 、\έ 馨 512412 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 放置在該事先混合點下游以及該處理室上游的一個閥’該 閥係根據該吸收光譜儀的測量結果，來讓來自該混合點的 氣體通過而進入該處理室。 28. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該水氣是 由將一載體氣體通過一起泡器中的水而產生。 29. 如申請專利範圍第28項之方法，進一步包含根據 該吸收光譜儀的測量結果來控制的該起泡器溫度。 30. 如申請專利範圍第28項之方法，進一步包含根據 該吸收光譜儀的測量結果來控制的該載體氣體流量。 31. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該水氣是 由將該載體氣體通過一個或是多個溫度敏感滲透管所產生 〇 32. 如申請專利範圍第31項之方法，進一步包含根據 該吸收光譜儀的測量結果來控制一個或多個溫度敏感滲透 管的溫度。 33·如申請專利範圍第31項之方法，進一步包含根據 該吸收光譜儀的測量結果來控制該載體氣體流量。 34·如申請專利範圍第20項之方法，其中，該一個或 多個用來形成水氣的前驅物包含氧氣及氫氣。 35. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該水氣是 由將液態水引入該處理室並且加熱該液態水來產生。 36. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該處理室 形成一氧化系統、一鈾刻系統或是一化學氣相沈積系統的 一部分。 5 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） ' ' 512412 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 37. 如申請專利範圍第36項之方法，其中，該處理室 形成一個銅化學氣相沈積系統的一部分。 38. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該水氣含 量係在引入處理室之前被控制，其係以將一稀釋氣體流添 加到一含有該水氣的氣體流中，並且調整該稀釋氣體流以 及/或是含有該水氣的氣體流流量，因此形成一具有需求水 氣含量的結合氣體流，其中該結合氣體流係被引入該處理 室中。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 一裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
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