TWI718365B - 晶圓電荷監測 - Google Patents

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Abstract

用以監測晶圓電荷的裝置與方法被提出。一導電針、一導電彈簧和一導電線被串聯地配置而連接晶圓背表面以及樣本導體進而使得晶圓背表面與樣本導體表面具有相等的電荷密度。因此，藉由使用位置靠近樣本導體表面的靜電傳感器，在晶圓上的電荷可以被監測。注意出現在晶圓前表面的電荷會在晶圓背表面引發電荷。通常，樣本導體是片狀導體並且與周圍環境被適當地隔離。通常，樣本導體和靜電傳感器皆係位於晶圓被放置與處理的反應室的外部，藉以簡化反應室內部裝置以及減少污染危險。

Description

晶圓電荷監測
本發明係有關於晶圓電荷監測，特別地係有關於可以在處理被夾具(chuck)所固持晶圓的處理周期內及/或處理週期外有效地監測晶圓表面電荷密度的裝置與方法。
夾具普遍地被用來固持要被處理的晶圓。例如，在用來進行電漿程序(像是化學氣相沉積、電漿增益化學氣相沉積與蝕刻)的電漿反應室，夾具被用來固持晶圓與施加電壓來從電漿將眾多離子吸引到晶圓。例如，在離子佈植機，晶圓係被夾具所固持而且眾多離子被導引到晶圓。無論如何，在某些情況下大量的電荷可能被累積在被處理的晶圓，特別是在被佈植晶圓的前表面(front surface)。電荷累積的一些常見原因列舉如下: 這些離子可能並未在與晶圓反應前被適當地中性化(naturalized)或甚至未被中性化，電漿或相關的反應氣體可能直接地與晶圓的兩側都接觸，以及晶圓可能因為不適當安裝、汙染、背表面(backside surface)的絕緣層或是其他因素而未能透過連接到晶圓背表面的針被充分地接地。無論如何，電荷為何累積及/或電荷數量都是多變的，但是非為零的電荷的存在無可避免地引發一些缺點。舉例來說，形成在晶圓表面及/或內部的裝置可能被損壞，而且在將晶圓移動離開固持晶圓的夾具(像是靜電吸盤，electrostatic chuck)的過程中晶圓可能破裂。
一些技術已經被提出來監測(或說感應或偵測)在電晶圓的電荷，例如但是不限於下列美國專利: US 7038223, US 7112810, US 7675730與 US 8111499。簡單來說，US 7112810 將感測器放置在鄰近晶圓表面處藉以監測出現在晶圓表面的電荷，US 8111499將剩餘電荷感測器沿著一個放電途徑放置藉以感應自晶圓透過放電途徑的剩餘電荷放電，US 7676730使用一個電子槍發射電子束在晶圓頂表面的上方並監測電子束的軌跡是如何被任何累積電荷影響，以及US 7038223使用電荷偵測探針陣列來感測電荷。除此之外，僅作為樣例，”Proc. Frontiers in Low Temperature Plasma Diagnostics IV, Rolduc, Netherlands, March 2001, P. 230” 這篇文章也揭露了電荷監測僅僅在電漿程序之後被執行。無論如何，如何地使用簡單的硬體與簡單的操作，甚至更少污染與夠少噪音，便能及時地達成電荷監測仍然是個需要改進的領域。
因此，需要提出新的與改善的裝置及/或方法來監測出現在被夾具所固持晶圓的電荷，特別是在被處理的晶圓。
本發明被提出來監測在晶圓上的電荷。特別地，提出的發明直接地偵測出現在晶圓背表面的電荷的密度藉以達成晶圓電荷監測。
在這個發明，一導電針(conductive pin)、一導電彈簧(conductive spring)和一導電線(conductive line)被應用電性地連接晶圓背表面(backside surface)以及樣本導體(sample conductor)。藉此，晶圓背表面與樣本導體表面應該具有相同的電荷密度(除了一些次要的變化，像是無可避免的電阻)，然然藉由偵測在樣本導體表面的電荷密度便可以適當地監測晶圓電荷狀態。一般來說，晶圓是被放置在夾具上而且嵌入在夾具內部的導電針與導電彈簧被用來電性連接晶圓背表面到導電線。通常，樣本導體是片狀導體(sheet conductor)而靜電感測器(static electricity sensor)被放置靠近於片狀導體的表面藉以偵測電荷密度。特別地，樣本導體與靜電感測器通常都被放置在晶圓被放置與被處理的反應室的外部。以這樣的方式，位置於反應室內部的硬體，特別是接近於晶圓的硬體，可以被簡化然後汙染危險可以被減少。需要注意的是使用嵌入在夾具的至少一個針來支撐晶圓是已知技術，使得導體針的使用並不會顯著地改變夾具、導體針與導體彈簧的配置。當然，根據監測結果，這些離子是怎樣被中和可以相對應地調整，這些電漿是怎樣產生與怎樣維持可以被調整，甚至晶圓是如何被處理及/或晶圓是如何被解除固持(de-chucked)與被移除也可以相對應地調整。
本發明的一些實施例將詳細描述如下。這些實施例將伴隨圖式進行說明。然而，除了如以下實施例所描述之外，本發明的範圍並不受這些實施例之限定。相反地，本發明涵蓋其他符合本發明精神與申請專利範圍定義的替代、 修改與等效實施例。在以下的描述中，提及許多具體細節以透徹了解本發明。本發明可在缺乏部分或所有具體細節的條件下實施。在其他情況下，習知的系統設備與製程操作將不會被詳細描述以避免混淆本發明。
本發明的一個樣例實施例是晶圓電荷偵測用的裝置。如第一圖所示，這個樣例實施例至少包含導體針101、導體彈簧102、導體線103、樣本導體104以及靜電感測器105。導體針101與導體彈簧102二者都是嵌入在用以固持要被處理的晶圓的夾具111內部，而且導體針101是電性連接到導體彈簧102並被其所支撐而可以在晶圓被放置及/或維持在夾具111上的狀況時接觸晶圓背表面並支撐晶圓。導體線103的第一端電性連接到導體彈簧102而且導體線103的第二端電性連接到樣本導體104。此外，靜電感測器105被放置在靠近樣本導體104表面處並且被配置來偵測出現在樣本導體104表面的電荷，而且樣本導體104是被與周圍環境相互絕緣。
顯然地，提出的裝置僅僅偵測出現在晶圓背表面的電荷。需要注意地是提出裝置的所有元件中只有導體針101會接觸晶圓，但是導體針101僅僅機械性接觸晶圓的背表面。事實上，通常樣本導體104與靜電感測器105二者的位置都遠離夾具111，藉以簡化鄰近於要被處理晶圓(或視為被夾具固持晶圓)處的硬體以及極小化與離子及/或電漿的相互作用，甚至極小化形成在晶圓前表面上面及/或內部的微結構。特別地，將樣本導體104與靜電感測器105二者都放在夾具111所位於的反應室外部是比較好的做法，因為這可以進一步簡化反應室內部的硬體並且在極小化汙染危險下精確地量測晶圓電荷。在第一圖，反應室係以虛線大致地呈現藉以表達這樣的情境。
本發明的優點是明顯的並且可以摘要描述如下述。因為晶圓並不是由絕緣體所製作，任何出現在晶圓前表面(或背表面)的電荷都會在晶圓背表面(或正表面)感應出相對應電荷。因此，藉由偵測出現在晶圓背表面的電荷，任何出現在晶圓前表面與背表面的電荷都可以被適當地監測。特別地，藉由僅僅偵測出現在晶圓背表面的電荷，這個提出來監測晶圓電荷的裝置可以不跟與晶圓相互作用的離子(甚至電漿)相作用，甚至可以不跟形成在晶圓前表面的微結構相接觸，進而使得汙染危險與測量誤差都可以極小化。本發明的又一個優點是導體針101與導體彈簧102二者可以簡單地被嵌入在夾具中，這是因為把一或多個針嵌入在夾具藉以接觸與支撐放置在夾具上或由夾具所固持的晶圓已經是習知技術。因此，提出的裝置可以簡單地被實現，特別是因為已有許多已知的商業化靜電感測器。
當然，由於電荷通常是均勻地分布在晶圓的表面上(或說是均勻地分佈在導體表面上)，通常僅僅使用一且唯一的導體針101與一且唯一的導體彈簧102。無論如何，一些實施例具有多組的導體針101與導體彈簧102，其中不同組係被嵌入在夾具111的不同部分。一個可能的利益是晶圓電荷監測的精確度可能在晶圓背表面上不正常地出現在氧化物或汙染物時因為單一個導體針101僅僅與氧化物或污染機械性接觸但沒有機械性接觸到晶圓而衰減。也就是說，本發明不需要限制使用的導體針101與導體彈簧102的數目。附帶地，本發明並不需要限制是否這些組係連接到相同的樣本導體104或者是否不同組係連接到不同的樣本導體104，因為本發明僅僅要偵測有多少電荷出現在晶圓背表面。
更多地，本發明並不需要限制導體針101與導體彈簧102二者的組合是如合被嵌入在夾具111。因為導體針101與導體彈簧102二者的功能是將電荷自晶圓背表面導引通過導體針101與導體線103二者而抵達樣本導體104，唯一的限制是導體針101與導體彈簧102二者被適當地與夾具111的其他部分相互隔離。舉例來說，如第二A圖所示，絕緣殼體106可以被放置來圍繞導體針101與導體彈簧102二者藉以確保導體針101與導體彈簧102二者與夾具的其他部分相互分離。附帶地，絕緣殼體106可以是由聚醚醚酮(polyaryletherketone，PEEK)或其他塑膠所製作，而且絕緣殼體106的幾何形狀也不需限制。舉例來說，如第二B圖所示，導體彈簧102係機械性放置在導體片107(conductive sheet)上藉以支撐與固定導體真101與導體彈簧102的組合，在此導體線的第一端係焊接在導體片107。
進一步地，任何具有高導電性的材料都可用來形成導體針101、導體彈簧102、導體線103和樣本導體104。無論如何，為了進一步減少對出現在夾具111所固持晶圓(或視為形成在晶圓上的微結構)的任何汙染或負面影響，一個選項是導體針101係由任何會對夾具所固持晶圓引發較少污染的材料所形成。舉例來說，鎳(Nickle) 和鈦(Titanium) 是比銅、鐵和鈷(Cobalt)較為合適的選項。相似地，為了有效地支撐和移動導體針101，一個選項是導體彈簧102是由具有高彈性的材料所製作，像是鎳或不銹鋼 (Stainless steel) 。此外，為了有效地傳導與散佈電荷，一個選項是使用鎳及/或銅來製作導體線103及/或樣本導體104。
一般來說，如第三A圖所示，樣本導體104係被絕緣體108所圍繞而只有面對靜電感測器105的表面並沒有完全被絕緣體108所覆蓋，並且沒有其他的硬體被連接到這個表面或是被放置在這個表面的附近藉以使得樣本導體104與其周圍環境被適當的隔離。絕緣體108的材料可以是任何的塑膠，特別可以是任何具有高介電系數的塑膠。此外，樣本導體104的厚度通常是小於面對靜電感測器105的相面對表面(facing surface)的長度與寬度，這是因為靜電感測器105僅僅偵測出現在相面對表面的電荷而沒有偵測出現在樣本導體104其他表面的電荷。
特別地，靜電感測器105可以是任何已知的、發展中的或將來出現的具有一個可偵測區域(detectable area)的產品，而且樣本導體104與靜電感測器105的配置係取決於可偵測區域的細節。僅作為範例但不限於此，目前商業化靜電感測器的可偵測區域通常係成比例於靜電感測器105與樣本導體104的相面對表面二者間的距離。第三B圖摘要地描繪出當靜電感測器105是由Keyence公司提供的商業化感測器時，可偵測區域的半徑係非線性地自五公厘(milometer，mm)增加到一百二十公厘並且成比例於與靜電感測器105的距離。通常，為了極少化雜訊與改善測量精確，樣本導體104與靜電感測器105係配置來使得靜電感測器105的可偵測區域完全地位於樣本導體104相面對表面的內部。也就是說，二者間的距離是成比例於樣本導體104的表面面積，而且較佳的選項是樣本導體104的形狀相符於靜電感測器105的可偵測區域的形狀。當然，為了充分地使用樣本導體104與極小化不需要的缺點，樣本導體104與靜電感測器105係被配置成靜電感測器105的可偵測區域與樣本導體104的相對面表面的曝露部分是相互地充分重疊。第三C圖摘要地描繪出樣本導體104的表面除了被絕緣體108所覆蓋的部分外都與靜電感測器105完全地重疊的情境。附帶地，在一些其他的實施例，好幾個靜電感測器105係同時地被使用並且每一個靜電感測器皆面對樣本導體104這個相面對表面的一部份。相似地，在如此情境，一個選項是樣本導體104與這些靜電感測器105是被配置成為這些靜電感測器105的可偵測區域係完全地位於樣本導體104的表面內，而另一個選項是樣本導體104與這些靜電感測器105是被配置成為這些靜電感測器105的多數個可偵測區域與樣本導體104的表面是彼此完全地重覆。
顯然地，本發明可以被應用來實現即時性的晶圓電荷監測，因為出現在晶圓背表面的電荷可以立即地被導引通過這些導體元件而抵達樣本導體的表面然後被靜電感測器連續地偵測。此外，藉由暫時地及/或連續地使用靜電感測器，本發明可以被應用來在一個特殊時刻及/或在一個時間周期內監測晶圓電荷(亦即監測電荷是如何地累積在晶圓上)，因為這些導體元件與這個樣本導體係可以連續地相互連接。也就是說，本發明可以用來在處理晶圓的周期之內及/或之外監測晶圓電荷。此外，本發明可以被應用來在較少污染與較高精確度下實現晶圓電荷偵測，因為所有的這些導體元件、樣本導體與靜電感測器都可以不與晶圓以及會與晶圓作用的離子/電漿相互作用，特別是在樣本導體與靜電感測器二者都位於夾具外部的情境，甚至是在樣本導體與靜電感測器二者都位於夾具位於其內部的反應室的外部的情境。需要注意提出的裝置也幾乎不需要與夾具相互作用，因為導體針與導體彈簧僅僅是嵌入在夾具內部，而甚至是與夾具其他部分相互絕緣。
本發明一個樣例的實施例是晶圓電荷偵測的方法。如第四A圖所示，這個樣例實施例包含下列的基本步驟。首先，如方塊401所示，電性地連接夾具所固持晶圓的背表面以及樣本導體。其次，如方塊402所示，使用位置鄰近於樣本導體表面的靜電感測器偵測出現在樣本導體表面的電荷，在此樣本導體係與周圍環境相互絕緣。此外，為了更多地簡化位於反應室內的機器以及減少汙染危險，如第四B圖的方塊403所示，一個可選擇的步驟是將樣本導體與靜電感測器二者都放置在夾具與晶圓二者都位於其內部的反應室的外部。更多地，為了使用描述如上的裝置，如第四C圖的方塊404所示，另一個可選擇的步驟是使用導體針、導體彈簧與導體線使得樣本導體可以電性地連接到晶圓的背表面，在此導體針與導體彈簧是嵌入在夾具內部，在此導體針是被導體彈簧所支撐，在此導體線的兩端是分別地電性連接到導體彈簧以及樣本導體的表面。
除此之外，由靜電感測器所偵測的電荷訊息還可以被應用來執行一些不同的應用。注意出現在晶圓上電荷的一個主要來源是離子束在被佈植到晶圓之前並沒有適當地中和化(neutralized)，一個選項是根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整電漿噴頭(plasma shower)的運作來中和化離子束。當然，是否調整輸入到電漿噴頭的氣體的流動速率或者調整流經電漿噴頭內部燈絲的電流都是未被限制的，甚至電漿噴頭的其他部分也都可以相對應地調整。此外，因為在晶圓上的剩餘電荷會改變晶圓與夾具間的相互作用，一個選項是根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整解除固除過程的運作藉以適當地將晶圓移動離開夾具。舉例來說，接地程序可以被反覆地進行來消除剩餘電荷，透過針施加來將晶圓推離開夾具的力量可以增加，而且解除固持程序的其他部分也可以被調整。此外，因為出現在晶圓的電荷會影響離子束是如何地被傳導進入晶圓，一個選項是根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整將會被傳輸到晶圓的離子束的產生及/或調整，而另一個選項是根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整夾具所固持晶圓的移動。相似地，對於電漿與晶圓相作用或是離子被導引離開電漿並被導引到晶圓的電漿程序，可以根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整施加到夾具的電壓及/或維持電漿。因此，僅作為範例，在電漿程序後遺留在晶圓上的電荷可以被極少化。附帶地，可能的電漿程序包含但不限於下列項目:化學氣相沉積、電漿增益化學氣相沉積與蝕刻。
第五圖摘要地顯示一實施例的利益的圖示，這個實施例彈性地調整會被引導進入晶圓的離子束的能量以及介於固持晶圓的夾具與接地點間的電阻這二者，在此一維的點狀離子束被應用來反覆地掃描通過晶圓。在第五圖，水平軸是處理時間軸而垂直軸是電壓軸(商業化靜電感測器偵測電荷並相對應地輸出電壓訊號)。每一次點狀離子束被掃描通過晶圓時，正比與電荷數量的電壓隨著點狀離子束自晶圓邊緣移動到晶圓中心而逐漸地增加並且隨著點狀離子束自晶圓中心移動到晶圓邊緣而逐漸地減少。明顯地，藉由適當地調整，出現在晶圓的電荷的數量可以被適當地監測，在此實質相等的測量結果係接連地出現。
顯然地，依照上面實施例中的描繪，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項的範圍內加以理解，除上述詳細描繪外，本發明還可以廣泛地在其它的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
101‧‧‧導體針102‧‧‧導體彈簧103‧‧‧導體線104‧‧‧樣本導體105‧‧‧靜電感測器106‧‧‧絕緣殼體107‧‧‧導體片108‧‧‧絕緣體401‧‧‧方塊402‧‧‧方塊403‧‧‧方塊404‧‧‧方塊
［第一圖］是一實施例提出的用以晶圓電荷監測的裝置的橫截面剖視圖； ［第二圖］A至B是第一圖所示實施例的兩個變化的摘要剖視圖； ［第三圖］A至C是第一圖所示實施例的三種變化的摘要剖視圖； ［第四圖］A至C是三種晶圓電測監測方法的基本流程圖； ［第五圖］是摘要地顯示一實施例的利益的圖示。
101‧‧‧導體針
102‧‧‧導體彈簧
103‧‧‧導體線
104‧‧‧樣本導體
105‧‧‧靜電感測器
111‧‧‧夾具

Claims (19)

  1. 一種用來晶圓電荷監測的裝置，包含：導體針，嵌入在夾具；導體彈簧，嵌入在夾具內並與導體針電性地連接；導體線，導體線的第一端電性地連接到導體彈簧；樣本導體，導體線的第二端電性地連接到樣本導體；以及靜電感測器，放置在靠近樣本導體的表面處並被配置來偵測出現在樣本導體的表面的電荷；在此，導體針係被導體彈簧所支撐藉以在晶圓被放置及/或被維持在夾具上時接觸與支撐晶圓的背表面；在此，樣本導體係與周圍環境相互絕緣；在此，樣本導體與靜電感測器都是被放置在夾具位於其內部的反應室的外部；以及樣本導體與靜電感測器都是被放置在遠離夾具處。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，更包含嵌入在夾具內部的多數組的導體針與導體彈簧，在此或是所有這些組都連接到相同的樣本導體或是不同組是連接到不同的樣本導體。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，在此導體針的材料在夾具所固持的晶圓引發較少的汙染。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，在此導體針的材料係從包含以下的群組所選擇的：鎳與鈦。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，在此導體彈簧的材料具有高彈性。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的裝置，在此導體彈簧的材料係從包含以下的群組所選擇的：鎳與不銹鋼。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，在此導體線的材料係從包含以下的群組所選擇的：鎳與銅。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，在此樣本導體的材料係從包含以下的群組所選擇的：鎳與銅。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包含導體片，在此導體彈簧機械性地放置在導體片上並且導體線的第一端係焊接在導體片。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包含絕緣殼體，在此絕緣殼體圍繞導體針與導體彈簧二者而使得導體針與導體彈簧二者與夾具其他部分相互隔離。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，在此樣本導體係被絕緣體所圍繞，在此只有面對靜電感測器的表面並未被絕緣體所完全覆蓋。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，在此樣本導體的厚度係小於樣本導體面對靜電感測器的表面的長度與寬度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包含下列之一：樣本導體與靜電感測器是被配置成靜電感測器的可偵測區域完全地位於樣本導體的表面內；以及樣本導體與靜電感測器是被配置成靜電感測器的可偵測區域以及樣本導體的表面相互完全重疊。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，更包含數個靜電感測器，在此每個靜電感測器分別面對樣本導體的表面的一部份。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，更包含下列之一：樣本導體與這些靜電感測器被配置成這些靜電感測器的可偵測區域都位於樣本導體的表面內部；以及樣本導體與這些靜電感測器被配置成這些靜電感測器的可偵測區與這樣本導體的表面相互完全重疊。
  16. 一種晶圓電荷偵測的方法，包含：電性地連接樣本導體以及夾具所固持的晶圓的背表面；以及使用位置鄰近於樣本導體表面的靜電感測器偵測出現在樣本導體表面的電荷，在此樣本導體係與周圍環境相互絕緣。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，更包含將樣本導體與靜電感測器二者都放置在夾具與晶圓二者都位於其內部的反應室的外部。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，更包含使用導體針、導體彈簧與導體線使得樣本導體可以電性地連接到晶圓的背表面，在此導體針與導體彈簧是嵌入在夾具內部，在此導體針是被導體彈簧所支撐，在此導體線的兩端是分別地電性連接到導體彈簧以及樣本導體的表面。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的方法，更包含至少下列之一：根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整電漿噴頭的運作來中和化會被佈植到晶圓的離子束；根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整解除固除過程的運作藉以適當地將晶圓移動離開夾具； 根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整將會被傳輸到晶圓的離子束的產生及/或調整；根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整電漿的產生及/或維持，在此或是電漿與晶圓相作用或自電漿引出的離子被導引至晶圓；根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整施加到夾具的電壓及/或維持電漿；以及根據靜電感測器所偵測到的電荷訊息調整夾具所固持晶圓的移動。
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