TWI734094B - 內嵌粒子感測器 - Google Patents

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Abstract

一內嵌粒子感測器包括一經配置安裝在一配件內的感測頭，該感測頭包括密封並且與感測體隔離並且經配置為發射一通過該感測體之一雷射光束的一雷射光源，以及一用於偵測該感測體中通過該雷射光束之粒子的一偵測器。真空粒子感測器更包括一耦合於感測頭之一電子設備，經配置而接收來自偵測器指示粒子的一訊號並且基於該訊號提供一粒子輸出。

Description

內嵌粒子感測器
本發明係關於一種內嵌粒子感測器。
在半導體晶圓的製造期間，晶圓暴露在多種工具及製造過程。在每個步驟期間，由於微小粒子會沉積在晶圓表面上，且存在著可能因處理條件引起的潛在缺陷，而可能導致最終積體電路裝置的產量降低。這是很重要的，因為每片晶圓可能包含數十或甚至數百個積體電路裝置的電路，而一片受損的晶圓可能會變成價值數百或數千美元的報廢片。即使只是少數粒子，也會對晶圓的品質產生負面影響。因此，在半導體晶圓處理的各個階段之前和期間使用非常靈敏的感測組件來監測少量微粒是至關重要的。
在一個實施例中，一內嵌粒子感測器包括經配置安裝於一配件之一孔內之一感測頭，該感測頭係為圓柱狀，包括一雷射光源，經配置而將雷射光束發射至一感測體中，以及一偵測電路，經配置為提供指示粒子散射雷射光之一訊號。該內嵌粒子感測器更包括耦合於該感測頭並經配置而接收來自該偵測電路之該訊號的一電子構件。該電子構件產生的輸出係為指示偵測到的粒子的存在。
在另一個實施例中，一內嵌粒子感測器系統包括一真空泵、一真空泵管路、一半導體晶圓處理室；以及一配件，流體地耦合於該真空泵以及該 晶圓處理室之間的該真空泵管路。該內嵌粒子感測器系統更包括一內嵌粒子感測器，插入於該配件之一孔中並且經配置而在該感測器系統內感測粒子的特性，並產生指示粒子特徵之一感測器訊號，以及耦合於該真空粒子感測器之電子構件，經配置而接收該感測器訊號並且基於該感測器訊號而產生一粒子輸出。
在另一個實施例中，一內嵌粒子感測器系統包括一處理室、耦合於該處理室之一真空泵管路，並且經配置而允許流體自該處理室流入該真空泵管路；耦合於該真空泵管路之一第一真空泵、耦合於該真空泵管路之一第二真空泵；以及流體地耦合於該第一真空泵以及該第二真空泵之間的一配件，以及該第一真空泵或該第二真空泵與該處理室之間的該真空泵管路。該內嵌粒子感測器系統更包括一內嵌粒子感測器，耦合於該配件並且經配置而感測該系統內的粒子之特性，並且產生指示該特性之一感測器訊號；以及耦合於該感測器之一電子構件，經配置而接收該感測器訊號並且基於該感測器訊號而決定一粒子輸出。
100:內嵌粒子感測器
101:配件
102:真空泵管路
102:管路
104:處理室
106:真空泵
108:控制器
120:雷射感測頭
122:配件
124:支柱
126:任選流量限制器
128:電子構件外殼
130:纜線
200:內嵌粒子感測器
201:感測頭
202:感測蓋
250:T形連接器
300:感測器
301:電源模組
302:控制器
304:通訊模組
306:雷射聯鎖
308:雷射光源模組
308:光源
310:偵測模組
310:偵測電路
312:電子構件
第1圖為顯示根據本發明的實施例的在半導體處理環境中操作的內嵌粒子感測系統的構件之示意圖。
第2圖為顯示根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。
第3圖為顯示根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。
第4圖為顯示根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。
第5圖為顯示根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之區塊圖。
半導體晶圓處理過程通常對在處理室內的粒子汙染敏感。微粒可能源自於腔室內的機械元件或是其他來源。如下所述，內嵌粒子感測器經提供為診斷感測器，其允許使用者監測主腔室或泵管路中的粒子以查看粒子何時產生。經由將感測器輸出中的粒子突然增加或是其他合適的偵測模式與過程中的步驟相關聯，使用者可以更加容易且更有效地診斷問題。
一個特別具有挑戰性的處理過程為極紫外線(EUV)微影。在EUV中，電漿經轉換成波長約為13.5nm的光。而後，這種光從數個鏡子反射並撞擊一晶圓。EUV將允許處理範圍縮小至5nm。可以理解，由於印刷特徵變小，系統中的任何粒子或雜質所造成的影響都會被放大。EUV處理過程本身亦有可能成為多餘顆粒之來源。
下述的實施例大致上提供一種光學粒子感測器，經配置而可插入於真空系統中的主腔室或是在其中一條真空泵管路之中。所揭露之實施例的重要面包括：感測器可以被輕易地插入於真空系統中以及自真空系統中移除；感測器是如何能夠插入於泵管路中，特別是在低真空泵以及高真空泵之間的管路，以使感測器得以潛在地感測主腔室中所產生的顆粒；雷射光束在感測區域中的形狀和排列如何與散射光收集的設置互相協調，以使單個粒子的偵測最大化；以及感測器如何藉由使用高功率、短波長(例如藍光或紫外線)雷射以感測更多粒子以及更小的粒子。
第1圖係為根據本發明的實施例之在半導體處理環境中操作的內嵌粒子感測系統之構件的示意圖。如第1圖所示，內嵌粒子感測器100耦合於配件101且流體地插置在真空泵管路102上的處理室104及真空泵106之間。在一個實施例中，管路102係為用於處理室104之氫氣排氣管路。在一個特定例子中，管路102以壓力約17Pa、流速約2.73Pa m3/s輸送氫氣排氣。在一實例中，管路102為直徑約85mm之導管。如圖所示，內嵌粒子感測器100位於該處理室104之 外部並且在該真空泵106之前。然而，感測器安裝於該處理室104或是其他合適的半導體處理工具/環境之實施例亦可實行。此外，內嵌粒子感測器100亦可流體地插置於高真空泵以及低真空泵之間的真空管路上。在另一實施例中，該內嵌粒子感測器亦可位於自低真空泵至周圍環境的排氣管路中。
內嵌粒子感測器100係通訊地耦合於控制器108。控制器108收集並且可以儲存來自於內嵌粒子感測器100之訊號資訊並且處理訊號資訊，以提供指示流通過管路102的粒子的定性及或定量資訊之一輸出。此外，控制器108亦可物理地或無線地連接至設置於其他排氣管路或是流體管道上的多個附加內嵌粒子感測器，以得到相對於半導體工具(例如：處理室104)的粒子流動的更充分的指示。在一個實例中，該控制器108係經配置而連接至12個單獨的內嵌粒子感測器100。該附加內嵌粒子感測器可以耦合於不同管路及/或多個內嵌粒子感測器可以耦合於同一管路102。在這種情況下，多個內嵌粒子感測器可以設置其感測區域以偵測該流動管路之橫截面積之不同區域中的粒子。舉例而言，第一內嵌粒子感測器可以感測管路102中之流動區域的前半部分的很大一部分，而位於第一內嵌粒子感測器附近的第二內嵌粒子感測器可以感測流動區域的後半部分的很大一部分。這樣的系統可以允許更完整地感測管路中粒子的存在，同時不需要單一更大以及更複雜的感測結構。
第2圖係為根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。如第2圖所示，內嵌粒子感測器100包括雷射感測頭120，雷射感測頭120之尺寸以及圓柱狀之形狀係適配於標準配件之一孔內，例如標準KF50十字配件122。配件122係為可由任何合適的材料所形成，包括但不限於不銹鋼以及鋁。在一個實施例中，感測頭120具有約140mm的長度，以使它實質地延伸至該配件122之支柱124。在氣流中，非常小的多餘粒子密度可以指示出較差的處理狀況，因此，具有一感測體盡可能地捕捉氣體以及粒子流動是極為重要迫切的。在一實施例 中，該感測頭120經由雷射光源光學元件及散射光偵測元件之獨特幾何形狀，將感測體中之雷射光束帶配置為窄小且相對於氣體及粒子流動具有大的橫截面積。就其尺寸而言，此內嵌粒子感測器的此種光學頭設置比用於其他類型環境的粒子感測器具有更大的感測區域。舉例而言，在一個實施例中，該感測區域約6mm×6mm，允許該內嵌粒子感測器比典型現有的感測器能取樣泵管路管材的大部分。
近乎正交的氣體以及粒子流動的方向、雷射光束傳遞方向以及偵測軸之獨特幾何形狀，結合出現在粒子流動的一大的帶狀區域以及沿流動方向之一窄小雷射光束，亦允許有效率的收集散射光，從而提升了偵測單一粒子的效率。因為雷射光束具有大的橫截面積，但在粒子流動的方向上是窄小的，因此雷射光束得以保持在非常高的強度水平，相應地增加自單一粒子的散射光訊號之幅度。粒子流動的方向上之窄小雷射光束的狹小範圍導致了短期的散射光脈衝，而這使得能夠更好的區分來自背景噪音來源及其他非指示偵測到的粒子之訊號的所偵測到的散射光脈衝。
直徑以及雷射光波長近乎相同且小於近乎0.5微米及以下的粒子，通常對於控制半導體晶圓處理是最重要的。其散射的特性帶來了最大的挑戰：對於最小直徑小於雷射光波長的20%，其散射截面極快速地減少。為了可靠地偵測這些粒子，使用盡可能短的雷射波長且同時保持非常高的強度是非常重要的。在一實施例中，雷射光源以0.450微米之波長以及輸出高達3瓦運作。可以偵測到的散射光的數量強烈地取決於相對於主要的偵測方向的雷射偏極化的方向。在一實施例中，主要的偵測軸係位於一雷射帶平面中，並且雷射偏極化方向係垂直於雷射帶的平面，這使得主要偵測軸中的散射最大化。
於第2圖所示之實施例中，感測頭120包括前置放大器以及雷射驅動電路，其經由纜線130電而耦合於電子構件外殼128。電子構件外殼128內之電 子構件能夠驅動感測頭120內的雷射光源(第2圖並未示出)並監測光學偵測電路(第2圖並未示出)之電氣響應，以偵測粒子通過感測頭120之感測區域時粒子的存在、大小，以及/或數量。此外，電子構件外殼128內之該電子構件係經配置而對控制器提供電輸出，例如控制器108(如第1圖所示)。這可以藉由發送訊號通過纜線耦合的外殼而至控制器108(如第1圖所示)來完成，或是可以使用無線通訊協定來完成，例如已知的藍牙或WiFi協定。
第3圖係為根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。第3圖所示的實施例係與第2圖所示之實施例相似，構件編號亦相似。內嵌粒子感測器200經配置而適配於標準配件之一孔內，例如KF50十字配件122。此外，任選流量限制器126可以放置在內嵌粒子感測器200之上游，以引導粒子通過內嵌粒子感測器200之感測區域。內嵌粒子感測器200以及內嵌粒子感測器100之主要區別在於該內嵌粒子感測器200所需的所有電子構件皆設置於感測頭201以及感測蓋202內。在一實施例中，感測蓋202可以由RF透明材料所形成，例如塑膠。此外，感測蓋202可以包括電源輸入端口，其允許電源供應器(例如5 VDC)電力耦合於感測頭201以及感測蓋202之內的電構件。此外，感測蓋202可包括一個以上指示器LEDs。這樣的指示器LED可以針對以下事件提供有用資訊：通電、雷射接合、粒子偵測及/或合適的故障排除代碼。內嵌粒子感測器200可以電性地或通訊地耦合於控制器(例如：控制器108)。
如第2圖至第3圖所示的實施例，該電子構件(例如電子構件、雷射光源以及偵測電路)經密封並且與流通過連接器的氣體隔離。這是內嵌粒子感測器之重要特徵，特別是那些操作來支持半導體加工業之感測器。
第4圖係為根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。內嵌粒子感測器200係耦合於T形連接器250而非配件122(例如KF50十字連接器)，如第3圖所示。因此，在此所述之實施例可以用任何合適類型及/或大小的連接器 或是耦合器來實施，包括但不限於快速法蘭(quick flanges)、ISO配件(例如ISO63)，以及大於或小於50mm之配件。實施例通常提供一種內嵌粒子感測器，其可以容易地被移除以進行重新校準或是修復而不會干擾真空系統。
如第2圖至第4圖所示的實施例，內嵌粒子感測器係便利地耦合於配件、泵管路、及/或處理室或是其他合適的半導體處理工具/環境並與之分離，以使它可以單獨地自系統移除，以用於檢查、維修、更換、校準及/或其他維護作業。此外，由於電子構件完全包含在內嵌粒子感測器內，或是外部耦合於內嵌粒子感測器，因此，作業員可以更容易地接取或移除電子構件連同內嵌粒子感測器。
第5圖係為根據本發明的實施例的內嵌粒子感測器之示意圖。感測器300可包含上述的任何實施例。感測器300包括電源模組301。在實施例中，感測器300係由電池供電，電源模組301可包括電池，例如可充電電池。然而，電源模組300亦包括合適的限流及功率調節電路以供電給該感測器300之其他構件。在另一實施例中，電源模組301可包含電耦合於感測器300的外部電源，例如，經由電源輸入端口耦合於感測器300的5 VDC。控制器302係耦合於電源模組301、通訊模組304、雷射聯鎖306、雷射光源模組308及偵測模組310。控制器302可包括能夠接收來自偵測電路310之訊號、基於來自偵測電路310之訊號辨識或以其他量化粒子，並且經由通訊模組304提供輸出之任何合適的邏輯或是電路。在一個實施例中，控制器302係為微處理器。
光源308電耦合於控制器302並且經配置而將照射引導致該真空管路中。較佳地，光源308經配置而產生具有藍光至紫外線之波長範圍(即紫外線波長高達約480nm)之雷射照射。此外，光源308經配置而提供相對高輸出之雷射照射。在一個例子中，使用高功率藍光雷射二極體之輸出約3.5瓦。然而，只要輸出功率不足以汽化真空管路內之粒子，就可以使用更高功率之雷射照 射。在給定高輸出功率的情況下，感測器300亦較佳地包括雷射聯鎖306，以確保僅在雷射聯鎖306安全地包含在真空管路(例如管路102)內時才驅動高功率雷射。在一實施例中，雷射聯鎖係利用耦合於控制器302之真空開關或是壓力感測器所產生，使得控制器302僅在真空度足夠時才驅動光源308。然而，根據本發明的實施例，其他類型的聯鎖亦可使用。這種聯鎖包括手動開關、手動聯接器或是任何其他合適的手動或自動結構，其設計以確保雷射僅在該流動管路(例如管路102)內安全地操作時才會被驅動。
該感測器300更包括其他該電子構件312。該電子構件312可以經由有線連接(例如第2圖所示)而外部地耦合於該感測器300，或是可以包含在該感測器300內(例如第3圖及第4圖所示)。該電子構件312可以包含對於該內嵌粒子感測器必需或是有利的任何數量的電子元件，包括但不限於WiFi或藍牙構件、附加電源及顯示器等。
儘管已經由較佳的實施例描述了本發明，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，本領域具有通常知識者可以在形式以及細節上進行改變。例如：雖然已經描述了關於真空感測器的實施例，但是考慮到將電子構件與感測區域隔離的優點，實施例可以使用於氣體具有腐蝕性以及/或毒性的非真空環境中。
100‧‧‧內嵌粒子感測器
101‧‧‧配件
102‧‧‧真空泵管路
104‧‧‧處理室
106‧‧‧真空泵
108‧‧‧控制器

Claims (16)

  1. 一種內嵌粒子感測器，包含：一感測頭，係為圓柱狀，經配置安裝於一配件之一孔內，該感測頭包括一雷射光源及一偵測電路，該雷射光源經配置而將雷射光束發射至一感測體中，該偵測電路經配置以提供作為指示粒子散射雷射光之一訊號；以及一電子構件，耦合於該感測頭且經配置而接收來自於該偵測電路的該訊號並且基於來自於該偵測電路之該訊號而提供一粒子輸出。
  2. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中一散射光偵測的主要軸線係近乎正交於所述粒子流動的主要方向且同時近乎正交於一主要的雷射光束方向。
  3. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中該雷射光源發射出波長在自真空UV至約480nm之波段內的一個或複數個波長。
  4. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，以及更包含一雷射聯鎖。
  5. 如請求項4所述之內嵌粒子感測器，其中該雷射聯鎖係為一真空開關，該真空開關經配置在低於一選擇的真空閾值而關閉。
  6. 如請求項4所述之內嵌粒子感測器，其中該雷射聯鎖包括一壓力感測器。
  7. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，更包含經配置而安置於該配件的其中一個端口之一流量限制器。
  8. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中該配件係耦合於一真空泵與一處理室之間的一真空泵管路。
  9. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中該配件係耦合於低壓真空泵與一高壓真空泵之間的一真空泵管路。
  10. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中該電子構件係外部耦合於該感測頭。
  11. 如請求項1所述之內嵌粒子感測器，其中該電子構件係為包含在該感測頭內。
  12. 一種內嵌粒子感測器系統，包含：一真空泵；一真空泵管路；一處理室；一配件，流體地耦合於該真空泵以及該處理室之間的該真空泵管路；一內嵌粒子感測器，插入於該配件之一孔中並經配置而感測在該感測器系統內的粒子的散射光，並且產生指示該粒子的存在的一感測器訊號；以及一電子構件，耦合於該真空粒子感測器，經配置而接收該感測器訊號並且基於該感測器訊號而產生一粒子輸出。
  13. 如請求項12所述之內嵌粒子感測器系統，其中該真空泵係為一低壓真空泵或一高壓真空泵。
  14. 如請求項12所述之內嵌粒子感測器系統，其中該內嵌粒子感測器包含一雷射光源，經配置而發射波長自UV至約480nm之一雷射光。
  15. 如請求項14所述之內嵌粒子感測器系統，其中該雷射光源具有約3.5瓦特的一輸出功率。
  16. 如請求項12所述之內嵌粒子感測器系統，更包含耦合於一第二配件之一第二內嵌粒子感測器，其中該第二配件係流體地耦合於該真空泵以及該處理室之間的該真空泵管路。
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