TWI429920B - 半導體處理環境中之環境條件所造成的電容感測器量測值之變異的補償裝置及方法 - Google Patents

半導體處理環境中之環境條件所造成的電容感測器量測值之變異的補償裝置及方法 Download PDF

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Description

半導體處理環境中之環境條件所造成的電容感測器量測值之變異的補償裝置及方法
本發明係相關於半導體處理環境中之環境條件所造成的電容感測器量測值之變異的補償裝置及方法。
半導體晶圓處理係一種精確及嚴謹的科學，其中各種晶圓及/或基材被處理以變成積體電路、LCD平板顯示器及其他此類電子裝置。半導體處理之目前技術水準推動現代微影蝕刻以到達隨著目前商業應用正在45奈米規模運轉的新限制。因此，半導體之現代處理需求處理設備之愈來愈嚴格之製程控制。
通常一半導體處理沈積或蝕刻處理室使用稱為「噴頭(showerhead)」之裝置以將一反應氣體導至基板。該裝置稱為「噴頭」在於其頗類似大體上圓形之噴頭，且具有一些孔徑，透過其反應氣體被噴至基材上。
在半導體製造之領域中，在此一沈積或蝕刻處理室內之噴頭與基材支撐基座間的距離之精確及準確量測及調整係需要，以有效地控制該製程。若噴頭與基材支撐基座間之間隙的距離無法準確地知悉，沈積或蝕刻發生之速率可能自一標稱速率不合需求地變異。此外，若基座相對於噴頭傾斜至某種程度，基材經由沈積或蝕刻製程處理之一部分的速率將會與經處理的其他部分之速率不同。因此，在半導體處理中準確地決定間隙的距離，及基板支撐基座相 對於噴頭之任何傾斜兩者係極為重要。如在此所述，「鄰近度」係欲意指間隙的距離，基板支撐基座相對於噴頭之任何傾斜，或其任何組合。
近來，具有一整合式噴頭距離量測裝置之半導體處理系統，係揭示於美國專利申請案序號第12/055,744號中。本文揭示之該系統允許基座及噴頭間之間隙，及/或噴頭或基座彼此相對之傾斜的精確量測。
大體上，以電容為基之感測器係基於包括被量測物件之一電容器中電容的存在及改變。例如，在以上所列美國專利申請案中所揭示之以電容為基的量測之情況下，在感測器表面及噴頭間係有一電容，或在噴頭及相關金屬物件間係有一電容，且此電容隨著噴頭及物件間之分離反向地改變。該分離之決定可藉由知悉分離對於電容之關係，或一取決於該電容之電路的功能(例如振盪頻率)。
具有此以電容為基量測的困難之一係該電容亦可能受到外界因子影響(不直接相關於與噴頭之鄰近度的影響)。大體上，此等外界因子將包括環境條件，例如相對濕度或溫度，以及被視為由於老化在電路中發生之改變的較不瞭解因子。在量測功能中，由於感測中之物件，此等外界因子大體上無法自量測電容中分離。因此，環境或老化引致的電容改變或確實非由於被量測物件之改變產生的任何改變，可造成間隙及/或平行度之量測中的誤差。
本發明提供一種感測與一半導體處理系統中之噴頭之鄰近度的方法。該方法包括量測一參數，其隨著鄰近至噴頭，以及隨著至少一外界因子而變異。該方法亦包括量測一不隨著鄰近至噴頭而變異，但確實隨著至少一因子變異之參數。一補償鄰近度輸出係基於量測到參數計算且提供作為一輸出。
本發明之具體實施例大體上使用在噴頭及/或基材支撐基座上之一或多數電容區以形成一電容器，其電容隨著兩電容表面間之距離變異。此外，本發明之具體實施例大體上包括一對形成一參考電容器之導體，該參考電容器對於基座及噴頭間之距離的改變不敏感，但較佳係對於所有其他變數敏感。
第1圖係其中本發明之具體實施例特別可應用之半導體處理室的示意圖。處理室100包括一置於基座104之上或至少與其隔開之噴頭102。典型地，當晶圓或基板在處理室100中處理時其將係停留在基座104上。如第1圖中說明，一無線電頻率能量來源106係經由個別導體108及110電耦合至噴頭102及基座104。藉由提供無線電頻率能量至噴頭102及基座104，自噴頭102導入之反應氣體可在基座104及噴頭102間之區112形成電漿以處理晶圓或半導體基材。
第2圖係其中本發明之具體實施例係特別可應用之半導體處理室的更詳細示意圖。室200載有對於室100之一些 類似性，且相似組件係類似地編號。處理室200包括基座204及噴頭202，其兩者較佳係不導電。基座204包括一導電電子層或板206，其係配置在基座204面對噴頭202之一表面上。同樣地，噴頭202較佳係包括複數電子層或導電表面208、210及212。電極208、210及212之各者與板206形成一個別電容器。各個別電容器的電容係與噴頭202上之各個別電容板，及基座204上的板206間之距離有關。
如第2圖中所說明，該系統不僅包括RF能量源106，亦包括一電容量測電路214，其可藉由各種開關交替地耦合至板208、210及212。用於量測電容之電路係為人已知。此電路可包括已知類比至數位轉換器及適當的激發及/或驅動器電路。如第2圖中所說明，RF能量源106及電容量測電路214之各者係耦合至一個別開關4、5，以致RF能量源106及電容量測電路214係不在同時耦合至電容板。因此，在正常處理期間，開關5係斷開且開關4係關閉，因而耦合RF能量源106至處理室。此外，在正常處理期間，所有開關1、2及3係關閉，以致RF能量源106係同時耦合至所有板208、210及212。在間隙量測期間，開關4係斷開而開關5係關閉。此外，開關1、2及3中一次僅有一者關閉而其他開關係斷開。此允許在例如208、210及212之一特定電容板與板206間的電容被量測以決定在個別電容板之位置處的噴頭202與基座204間之距離。如第2圖中進一步說明，一例如控制器230之控制器較佳係耦合至開關1至5(如參考數字232所示)，且亦至RF能量源106與電容量測電路214。依此方式， 控制器230可適當地啟動各種開關1至5，且當適當時接合RF能量源106或電容量測電路214。此外，電容量測電路214可將各種電容量測值例如藉由數位通訊向控制器230報告。
以上相對於第1及2圖的描述實質上說明在美國專利申請案序號第12/055,744號中所提出之系統。本發明之具體實施例大體上提供一在該系統上之改進。明確言之，係使一電路包括一參考電容器，其較佳係依感測電容器形成之相同方式在感測器的印刷電路板表面上形成。參考電容器較佳係經受與感測電容器相同之環境條件及改變，且因此經歷並非由於鄰近待感測物件造成之電容的相同改變。然而，參考電容器被置於其中不會經歷由於至待感測之物件的距離改變之電容中的任何改變之處。
第3圖係一依據本發明之具體實施例的半導體處理環境之示意圖。系統300具有對於參考第1及2圖描述之系統的一些類似性，且相似組件係類似地編號。系統300包括一對電容板302、304，其產生一具有目標物件(或噴頭102)的電容器，其電容隨著板302、304與目標物件102間之距離306變異。此外，如上文所提，電容亦隨著一些包括溫度及/或相對濕度之其他變數，以及其他較不瞭解的原因而變異。電容板302、304之各者係耦合至開關電路308，其選擇性地耦合板302、304至電容量測電路310。電容量測電路310可為用於量測或觀察一電容之任何適合電路。此外，電容量測電路310可與以上相對於第2圖描述之電容量測電路214相同。電容量測電路310與開關電路308係耦合至控制器 312，以致控制器312可選擇性地接合開關電路308以耦合電容量測電路310至板302、304，或至參考電容器318中之參考板314、316。此外，控制器312自電容量測電路310接收有關其透過開關電路308耦合之板的電容的資訊(較佳係數位資訊)。控制器312可為任何適合控制器，包括相對於第2圖描述之控制器230。此外，儘管第3圖中說明之具體實施例係說明一由板302、304構成之單一量測電容器，開關電路308可包括一些額外接點(如相對於第2圖提出之該等)，以致可使用各種額外電容板，包括置於目標物件102上或嵌入其內之電容板。依此方式，可感測各種位置及傾斜。
參考電容器318較佳係置於相同感測器外殼內，如板302及304。更明確言之，較佳係參考電容器318形成在包含感測器的各種電組件之印刷電路板的表面上。此等電組件包括控制器312、量測電路310及開關電路308。依此方式，參考電容器318將會經歷並非由於目標物件102的鄰近度產生之電容的相同改變。例如，參考電容器318將會經受與電容板302及304相同之溫度及相對濕度。控制器312將造成開關電路308可操作以將板314及316耦合至電容量測電路310。電容量測電路310則將量測參考電容器318之電容，且將該電容之一指示提供至控制器312。控制器312則可使用該參考電容器之電容以補償(或移除)在從板302、304量測到之電容上的影響，其係並非由於間隙306造成。參考電容器318無須與感測電容器板302、304相同大小(在實體或電氣上)。此係因為參考電容改變可於補償前按比例調整。例 如，若參考電容具有一係該感測電容器之半的標稱值，則在參考電容器上量測之改變將會在針對感測電容器中的改變補償之前加倍。
雖然第3圖中說明之配置明確地顯示一開關電路308(其係用以選擇性地耦合感測板302、304至量測電路310，或參考板314、316至量測電路310)，但其他配置可用於依據本發明之具體實施例。明確言之，若使用兩電容量測電路，一種此量測電路可直接耦合至板302、304，而一第二電路可耦合至參考電容器318，因而排除開關電路308之需要。又進一步，本發明之具體實施例包括電連接、配置或電路，其自動地造成參考電容器318之電容自橫跨板302、304量測之電容減去或自其補償。此外，雖然較佳係各次及每一次量測一感測電容時量測參考電容，但無須如此。明確言之，參考電容可週期性地、基於時間、參考電容之相對改變、感測電容量測之一間隔或任何適合間隔來量測。
第3圖亦說明一可選用溫度感測器322的使用。溫度感測器322較佳係透過溫度量測電路320(其可為用於量測溫度感測器322之電氣性質的任何適合電路)耦合至控制器312。溫度感測器322可為任何適合溫度感測裝置，如電阻溫度裝置(RTD)、熱電偶、熱阻器。因此，電路320係能量測電特性(如在熱電偶之情況中的電壓)及將量測到參數之一指示提供至控制器312。控制器312較佳係使用量測到溫度值，以補償由於熱致尺寸改變，而在鄰近度感測器中之 實體改變。
第4圖係一依據本發明之具體實施例的基板狀感測器之示意圖。感測器350包括許多以上所述之相同組件，且相似組件係類似地編號。雖然感測器350係依方塊圖形式說明，感測器350之實體尺寸及形狀較佳係選定以近似一藉由半導體處理系統處理之基材，如半導體晶圓或LCD平面板。因此，方塊圖形式係提供用於容易說明且不應視為指示感測器350之實體特性。感測器350停留在平台352上且包括形成一電容器之複數電容板302、304，其具有隨著至目標102之距離變異的電容。此外，在感測器350之外殼內，參考電容板314及316亦耦合至開關電路308。此允許控制器312選擇性地量測並非歸因於至目標102之距離的電容效應。此等效應接著被移除(以電氣或軟體方式)，且提供一經補償間隙量測值(間隙距離、形狀或兩者)。
第5圖係依據本發明之具體實施例相對於半導體處理環境中之一基座與一噴頭間的間隙補償一電容感測器量測值之方法的流程圖。方法400在步驟402開始，其中係量測相對於一在一噴頭及一基座(或一停留在該基座上之感測器)間之間隙的至少一電容。其次，在步驟404，係量測一參考電容。如以上所述，該參考電容較佳係一構造類似感測電容器之電容器，但不組態以具有一隨著對於噴頭之距離變異的電容。其次，在步驟406，參考電容係視需要按比例調整。若參考電容器經組態以具有感測電容器之確切標稱電容，則可省略比例調整步驟406。其次，在步驟408， 相對於間隙量測之電容係基於量測到參考電容補償或調整。此補償函數可包括任何適合的數學函數，包括：C＝(c－(k＊ (Cr －Cr0 )))；其中：C＝所得之補償電容；c＝被讀取之未補償電容；Cr ＝被讀取之參考電容；Cr0 ＝在時間t0 處之參考電容；k＝用於電容之比例調整因子。
對於使用可選用溫度感測器之具體實施例，該函數可如下：C＝(c－(k＊ (Cr －Cr0 )))－h(T－T0 ))；其中：h＝用於溫度之比例調整因子；T＝被讀取之目前溫度；T0 ＝在時間t0 處之溫度。
在一較佳實施中，補償計算係依以下方式進行。在一校準時間處，間隙電容係針對一組已知間隙量測且連同相關聯間隙一起記錄。此導致間隙相對於量測到電容之一表。為了量測一未知間隙，電容被量測且與表比較。該間隙可自該表藉由發現最接近間隙，或藉由內插決定。另外在校準時間，參考電容係量測及記錄。
間隙電容C係已知為由於間隙Cg(其隨著間隙改變而改變)之電容，加上其他寄生電容Cp1(其不隨著間隙改變， 但隨著如周圍條件之其他因子改變)的和。依方程式形式，此係C＝Cg＋Cp1。參考電容Cr 係已知為參考電容Cr(其不改變)加上其他寄生電容Cp2(其隨著如周圍條件之因子改變但不隨間隙改變)的和。依方程式形式Cr ＝Cr＋Cp2。
在一後續時間(當欲進行一間隙量測)處，周圍條件可能已改變，造成一對於關聯間隙電容器之寄生電容，及參考電容器的寄生電容兩者之改變。經改變之寄生電容係指定為Cp1’及Cp2’。間隙電容現係C’＝Cg＋Cp1’。參考電容係Cr ’＝Cr＋Cp2’。Cr 中之任何改變係由於寄生電容中之改變，因此Cr －Cr ’＝Cp2－Cp2’。寄生電容中之任何改變同樣應用至Cp1及Cp2，連同一可能之比例調整因子k，其可自間隙電容器及參考電容器之相對大小決定，或依經驗決定，且在任何情況中係稱為一先驗。因此Cp1’＝Cp1＋k(Cp2－Cp2’)。將此代入方程式中用於C’，則得到C’＝Cg＋Cp1＋k(Cp2－Cp2’)。因為k(Cp2－Cp2’)係已知，其可自C’之量測值中減去，或C’－k(Cp2－Cp2’)＝Cg＋Cp1＝C。此有效地將C’轉換成C。簡言之，C’被量測，Cr ’被量測，且Cr 及Cr ’間之比例調整差值係從C’減去以達到C。C係接著用以從在校準時間所記錄之表中發現該間隙。其次，在步驟410，該間隙被輸出。此輸出可依一至一能自動地調整間隙及/或傾斜之機器的輸出，或簡單為一透過適合顯示裝置顯示至使用者的輸出之形式。
雖然本發明已參考較佳具體實施例描述，熟習此項技術人士將會瞭解可在不脫離本發明之精神及範疇下在形式及細節中進行改變。
1‧‧‧開關
2‧‧‧開關
3‧‧‧開關
4‧‧‧開關
5‧‧‧開關
100‧‧‧處理室
102‧‧‧噴頭
104‧‧‧基座
106‧‧‧無線電頻率能量來源
108‧‧‧個別導體
110‧‧‧個別導體
112‧‧‧區
200‧‧‧處理室
202‧‧‧噴頭
204‧‧‧基座
206‧‧‧導電電子層/板
208‧‧‧電子層/導電表面/電極
210‧‧‧電子層/導電表面/電極
212‧‧‧電子層/導電表面/電極
214‧‧‧電容量測電路
230‧‧‧控制器
300‧‧‧系統
302‧‧‧電容板
304‧‧‧電容板
306‧‧‧距離
306‧‧‧開關電路
310‧‧‧電容量測電路
312‧‧‧控制器
314‧‧‧參考板
316‧‧‧參考板
318‧‧‧參考電容器
320‧‧‧溫度量測電路
322‧‧‧溫度感測器
350‧‧‧感測器
352‧‧‧平台
第1圖係一其中本發明之具體實施例係特別可應用之半導體處理室的示意圖。
第2圖係一其中本發明之具體實施例係特別可應用之半導體處理室的更詳細示意圖。
第3圖係一依據本發明之具體實施例的半導體處理室之示意圖。
第4圖係一依據本發明之具體實施例係的基材狀感測器之示意圖。
第5圖係依據本發明之具體實施例，在一半導體處理環境中，相關於一基座與一噴頭間之鄰近度之補償電容感測器的方法之流程圖。
無(流程圖)

Claims (12)

  1. 一種感測與一半導體處理系統中之一噴頭之鄰近度的方法，該方法包含下列步驟：提供一第一感測電容板，該第一感測電容板係藉由一基材支撐基座可操作地支撐；提供一第二感測電容板，該第二感測電容板係與該第一感測電容板形成一感測電容器，其中該感測電容器具有之一電容量隨著該基材支撐基座與該噴頭間之距離變異，且該電容量亦隨著至少一外界因子變異；提供一第一及一第二參考電容板以形成一參考電容器，該參考電容器具有之一參考電容量不隨著該基材支撐基座與該噴頭間之距離變異，但該參考電容量確實隨著該至少一外界因子變異；量測該感測電容器之該電容量；週期性地量測該參考電容器之該參考電容量；以及基於該感測電容器的該電容量及該參考電容器之該參考電容量，提供相關於該噴頭之鄰近度的一輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二感測電容板係藉由該基材支撐基座可操作地支撐。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一外界因子包括溫度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一外界因子包括相對濕度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一外界因子包括複數外界因子。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該輸出係藉由一控制器計算。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，且更包含按比例調整該所量測參考電容量。
  8. 一種用於感測至一半導體處理系統中之一噴頭的鄰近度的感測器，該感測器包含：一控制器；一電容量測電路系統，該電容量測電路系統係可操作地耦合至該控制器；一鄰近度感測電容器，該鄰近度感測電容器係可操作地耦合至該電容量測電路系統；一參考電容器，該參考電容器係可操作地耦合至該電容量測電路系統，其中該參考電容器係由置於該感測器內的複數個電容板所形成，該等複數個電容板在該感測器之一電路板上；及其中該控制器係經組態以基於一感測電容量及一 參考電容量提供一補償鄰近度輸出。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之感測器，其中該鄰近度感測電容器係由置於該感測器上之複數個電容板形成。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之感測器，其中該鄰近度感測電容器及該參考電容器具有相同標稱電容量。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之感測器，且更包含一開關電路系統，該開關電路系統係可操作地耦合至該控制器、該電容量測電路系統、該鄰近度感測電容器及該參考電容器。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之感測器，且更包含一溫度感測器，該溫度感測器係可操作地耦合至該控制器。
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