CN115527825A - 一种用于等离子体处理设备的检测装置及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体处理设备的检测装置及等离子体处理设备，其包括消耗环和探测模块，所述消耗环包括第一材料和第二材料，所述第一材料具有第一颜色，所述第二材料具有不同于第一颜色的第二颜色。所述探测模块可拆卸地与机械手连接，所述探测模块包括颜色传感器模块，所述颜色传感器模块用于检测所述消耗环颜色的变化，该方法检测简单准确，且不会给腔体带来污染。

Description

一种用于等离子体处理设备的检测装置及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及一种用于等离子体处理设备的检测装置，以及等离子体处理设备。

背景技术

制造半导体器件的步骤一般包括：光刻、刻蚀、灰化、离子注入、薄膜沉积等工艺。现有的半导体器件制造工艺中，可以利用等离子体在晶圆表面刻蚀形成图案。

等离子体处理设备，例如刻蚀设备，一般会在基座的四周设置聚焦环、边缘环等环体，用于调节等离子体在基座四周的浓度，从而保证了在刻蚀工艺过程中，基座四周的刻蚀均一性。但是随着刻蚀工艺次数的累加，刻蚀气体不仅会在工艺过程中刻蚀晶圆表面，同时对于聚焦环、边缘环等环体的上表面同样会产生刻蚀，这样会导致这些环体的厚度逐渐减小从而被消耗，环体厚度减小后会导致刻蚀工艺在晶圆边缘位置的劣化，边缘位置刻蚀均一性变差，这时就需要重新更换新的聚焦环来保证边缘位置的工艺质量。

但是如何检测这些被消耗的环体的消耗情况一直是该领域的痛点。现有的检测方法有以下缺点：一、通过测量消耗环的高度差的方式来判断消耗环的被腐蚀情况，这种方式需要测量高度差，因此需要一个基准值，但是工艺过程中，消耗环等位置会发生微小位移，因此基准值会发生改变，这样测出的高度差会有很大误差，且需要一系列算法。二、将传感器设置在腔体内，这样会给腔体内部带来污染影响工艺质量。三、将传感器设置在外部，并在腔体对应传感器位置设置测量窗口，但是随着刻蚀次数的增加，测量窗口容易附着污染物，从而降低传感器的测量精度。

因此需要可以精确判断消耗环的消耗情况的检测方法，且不影响工艺的质量。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，及提供能够精确判断消耗环的消耗情况的检测装置，以及包括所述检测装置的等离子体刻蚀设备。

本发明提供一种用于等离子体处理设备的检测装置，所述等离子体处理设备包含：腔体、基座以及机械手，所述基座置于所述腔体中用于支撑待处理的晶圆，所述机械手能够伸入所述腔体内取出所述晶圆；

所述检测装置包括：

消耗环，所述消耗环置于所述基座四周；所述消耗环包括第一材料和第二材料，所述第一材料具有第一颜色，所述第二材料具有不同于第一颜色的第二颜色；所述第一材料暴露于所述消耗环的上表面，所述第二材料未暴露于所述上表面；

探测模块，所述探测模块可拆卸地与机械手连接，所述探测模块包括颜色传感器模块，所述颜色传感器模块用于检测所述消耗环颜色的变化。

可选的，所述第一材料和第二材料均为环形，所述第一材料位于所述第二材料的上方。

可选的，所述第一材料和第二材料均为环形，所述第一材料具有开口向下的圆环状的凹槽，所述第二材料通过应力嵌入所述凹槽。

可选的，所述消耗环还包括预警材料环，所述预警材料环的颜色与第一材料不同，所述预警材料环置于所述第一材料和第二材料之间。

可选的，所述第一材料的材料不同于所述第二材料，所述第一材料选自硅、碳化硅或氧化铝，所述第二材料选自硅、碳化硅或氧化铝。

可选的，探测模块还包括上方部分、下方部分和连接部，所述连接部用于连接所述上方部分和下方部分，所述下方部分为圆盘状。

可选的，上方部分和下方部分之间具有容置部，所述容置部用于容纳机械手的臂。

可选的，所述探测模块还包括与颜色传感器模块电连的充电电池、控制器、信号传输器和充电接头；所述充电电池用于给颜色传感器模块、控制器、信号传输器供电，所述控制器用于接收颜色传感器模块的检测数据并运算，所述信号传输器用于将控制器的运算结果发送给终端，所述充电接头用于给充电电池充电。

可选的，信号传输器的信号传输方式为无线传输。

可选的，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述上方部分、下方部分和连接部构成的内部空间或集成于所述上方部分的上表面

可选的，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述颜色传感器模块内。

可选的，所述颜色传感器模块为四个，置于所述下方部分的下表面周向上，且各所述颜色传感器模块在所述周向上的间隔相同。

可选的，所述下方部分的下表面设有环形轨道，所述环形轨道沿着下方部分的周向设置，所述颜色传感器模块可沿所述环形轨道移动。

可选的，所述下方部分的下表面开设有向下开口的环形凹槽，所述环形凹槽的开口两侧处分别设置有台阶；所述颜色传感器模块还包括驱动部件、传动部件、转动轮和用于支撑所述转动轮的支架，所述驱动部件通过传动部件驱动所述转动轮转动；所述转动轮置于所述环形凹槽内并通过所述台阶支撑。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体处理设备，所述等离子体处理设备包含：腔体、基座以及机械手，所述基座置于所述腔体中用于支撑待处理的晶圆，所述机械手能够伸入所述腔体内取出所述晶圆；

还包括上述的检测装置，所述检测装置用于检测消耗环的消耗情况，并根据消耗环的消耗情况判断是否需要更换。

进一步的，本发明还公开了一种检测装置的运行方法包括：等离子体处理设备结束工艺过程；机械手携带探测模块进入腔体内；颜色传感器模块检测消耗环的颜色并获得检测数据，所述探测模块接收所述颜色传感器模块的检测数据并运算，并将运算结果发送给终端。

可选的，所述运算方法具体包括：将所述检测数据与预先存储的对应于第二材料的颜色数值进行比较，判断所述检测数据是否与第二材料的颜色数值匹配。

可选的，所述运算方法具体包括：得到相邻的两次所述检测的检测数据，两次所述检测数据分别为第一数据和第二数据；将第二数据和第一数据进行比较，判断第二数据与第一数据是否相等。

本发明的检测装置解决了现有技术中无法精确判断消耗环被消耗情况的问题，具有以下优点：

附图说明

图1是本发明的等离子体刻蚀设备的结构示意图。

图2是本发明的图1中沿线AA’的截面图。

图3是本发明的机械手的仰视图。

图4是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图。

图5是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图。

图6是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图。

图7是本发明的探测模块的又一实施方式的结构示意图。

图8是本发明的探测模块的又一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下参考附图具体描述本发明的检测装置的实施方式。

图1是本发明的等离子体刻蚀设备的结构示意图。现有的刻蚀设备主要有两种：电感耦合等离子体刻蚀设备和电容耦合等离子刻蚀设备，以电容耦合等离子刻蚀设备为例，如图1所示，所述刻蚀设备包括：腔体100、基座103、机械手106以及检测装置，所述腔体100具有大致圆柱形的侧壁101，所述侧壁101上设置有传输口102，所述机械手106从所述传输口102进出所述腔体100，所述机械手106用于晶圆的传输，同时也用于检测装置的载入和载出。所述基座103置于所述腔体100中用于支撑待处理的晶圆，基座103同时作为下电极；基座中还设有用于提供静电吸附力的电极109；腔体100内设置一与基座103相对的喷淋头104，所述喷淋头104与气源105连接，用于向腔体内供应反应气体，同时作为腔体的上电极，所述上电极和下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源通过匹配网络施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆的表面发生多种物理和化学反应，使得晶圆表面的形貌发生改变，完成刻蚀过程。真空腔体100的下方还设置一泵107，用于将反应副产物排出腔体，维持腔体的真空环境。在所述反应区域和非反应区域之间设置一等离子体限制环108，等离子体限制环108上设有排气通道，通过合理设置排气通道的深宽比例，在实现将反应气体排出的同时，将等离子体约束在上、下电极之间的所述反应区域，避免等离子体泄露到非反应区域，造成非反应区域的部件的损伤。

如图1所述，所述检测装置包括：消耗环300和探测模块200，所述消耗环300置于所述基座103的四周，所述探测模块200可拆卸地与机械手106连接。

如图1所述，所述消耗环300包括第一材料301和第二材料302，所述第一材料301具有第一颜色，所述第二材料302具有不同于第一颜色的第二颜色；所述第一材料301暴露于所述消耗环的上表面，所述第二材料302未暴露于所述上表面，所述第一材料301和第二材料302均为具有一定厚度的环形，第一材料301置于第二材料302的上表面。所述第一材料301的厚度取决于该厚度的消耗是否会影响工艺质量，即：第一材料301的厚度被消耗后对工艺质量的影响不大。

如图1所述，所述探测模块200包括颜色传感器模块401，所述颜色传感器模块401用于检测所述消耗环300颜色的变化，由于第一材料301和第二材料302的颜色不同，因此一旦第一材料301被腐蚀消耗殆尽，颜色传感器模块就会检测到消耗环300颜色的变化，说明第一材料301已经被腐蚀，消耗环300厚度减小，由于消耗环300的厚度减小会导致其调节基座四周等离子体浓度的功能减弱，那么就会在接下来的刻蚀工艺过程中影响晶圆边缘的工艺质量，这时就需要更换新的消耗环以解决上述问题。

图2是本发明的图1中沿线AA’的截面图。如图2所示，探测模块200还包括上方部分201、下方部分202和连接部203，所述连接部203用于连接所述上方部分201和下方部分202。图3是本发明的机械手的仰视图，由图3可以看出，机械手106具有两个臂1061，所述下方部分202为圆盘状，在所述下方部分202的下表面设置有四个颜色传感器模块401，所述颜色传感器模块401置于所述下方部分的下表面的周向上，且各所述颜色传感器模块401在所述周向上的间隔相同或不相同，这样的优点在于：如果消耗环在某一个方位上被腐蚀的速率过快，有可能在该方位的消耗环率先被消耗到可以更换的要求，如果仅设置一个颜色传感器模块，很可能错过了更换时间导致下一次的工艺质量被影响。

由图2，上方部分、下方部分和连接部的截面呈“工”字型，所述颜色传感器模块401位于下方部分202的下表面，在消耗环300的正上方。所述上方部分201和下方部分202之间具有容置部，所述容置部用于容纳机械手106的臂1061，所述臂1061可以插入容置部，可以将探测模块200整体载入腔体100中，同时，机械手106还可以用于晶圆的载入和载出。这样探测模块200可以像晶圆一样被载入和载出腔体100，其设置并未对腔体有任何影响，因此不会影响工艺质量，探测模块200的颜色传感器模块401也不会被刻蚀气体或污染物影响，可以保证测量准确性。

由图2，所述探测模块200还包括与颜色传感器模块401电连的充电电池402、控制器403、信号传输器404和充电接头405，所述充电电池402用于给颜色传感器模块401、控制器403、信号传输器404供电，所述控制器403用于接收颜色传感器模块的检测数据并运算，所述信号传输器404用于将控制器的运算结果发送给终端，所述充电接头405用于给充电电池充电。所述终端可以是等离子体处理设备的控制面板或者移动通信设备，例如手机或平板电脑。对于设置的位置，可选的，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述上方部分、下方部分和连接部构成的内部空间；可选的，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述颜色传感器模块401内，这样两种设置可以防止携带的颗粒物污染腔体内部。同样可选的，也可以集成于所述上方部分的上表面。

检测装置的运行方法。在工艺过程结束后，机械手106从传输口102进入将晶圆传输到腔体100外，然后机械手106将探测模块200载入腔体内，颜色传感器模块401内的颜色传感器工作，向消耗环300发射光束，消耗环300的表面将光束反射，颜色传感器接收到反射光的信号，并将光信号转换为电信号形成检测数据，所述控制器403接收所述检测数据并运算，具体的运算过程为：将该检测数据与控制器403内预先存储的对应于第二材料302的颜色数值进行比较，判断所述检测数据是否与第二材料302的颜色数值匹配，并将匹配结果传输给信号传输器404，信号传输器404将运算结果发送给终端，工作人员在终端可以看到检测结果，如果结果显示与第二材料302的颜色数值匹配，那么工作人员便执行更换消耗环300的步骤，如果不匹配，则继续使用现有的消耗环300。该检测方法无需精确的计算消耗环300的厚度，方法简单，且不会随着工艺次数的增加降低检测准确度，更不会给腔体内部带来污染影响工艺质量。

作为可选的检测装置的运行方法，在工艺过程前，机械手106将探测模块200载入腔体内，颜色传感器模块401内的颜色传感器工作，向消耗环300发射光束，消耗环300的表面将光束反射，颜色传感器接收到反射光的信号，并将光信号转换为电信号形成检测数据，所述控制器403将所述检测数据记录形成第一数值，那么所述第一数值即对应了第一材料301的颜色数值，在工艺过程结束后，机械手106从传输口102进入将晶圆传输到腔体100外，然后机械手106将探测模块200载入腔体内，颜色传感器模块401内的颜色传感器工作，向消耗环300发射光束，消耗环300的表面将光束反射，颜色传感器接收到反射光的信号，并将光信号转换为电信号形成检测数据，所述控制器403接收所述检测数据形成第二数值，那么所述第二数值即对应了第二材料302的颜色数值，然后运算，具体的运算过程为：将所述第二数据与所述第一数据比较，得到运算结果，当第二数据与第一数据不同时，说明需要更换消耗环300，控制器将运算结果传输给信号传输器404，信号传输器404将运算结果发送给终端，工作人员在终端可以看到检测结果决定是否更换消耗环300。

由于本发明检测结果并非实时检测，因此存在以下问题：一次工艺结束后测量结果显示第一材料301并未消耗完，于是进行下一次工艺，这一次工艺过程中，第一材料301被腐蚀殆尽，因此这次工艺过程中会有部分时间工艺质量衰减，工艺过程结束后再更换消耗环300会滞后，影响了这次工艺的质量。图4是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图，如图4，作为一个可选的实施方式，消耗环300还包括一预警材料环303，所述预警材料环303置于所述第一材料301和第二材料302之间，可选的，所述预警材料环303的颜色与第一材料301不同，或与第一材料和第二材料的颜色均不同。所述预警材料303具有一定厚度，所述厚度等于一次或多次工艺所消耗的消耗环的厚度，这样的厚度虽然不够精确，但是可以根据多次工艺推算得到，这样就可以在测量到预警材料环303时，根据下次工艺的时间判断是否需要更换消耗环。

对于如图4这样的层状的消耗环300，各层之间需要通过粘接层粘接，但是粘接层会在工艺过程中给腔体内带来污染物，从而影响了工艺质量。图5是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图，所述第一材料301和第二材料302均为环形，所述第一材料301具有开口向下的圆环状的凹槽，所述第二材料302通过应力嵌入所述凹槽，这样避免了采用粘接层粘接的问题。图6是本发明的消耗环的又一实施方式的结构示意图，在所述第一材料301和第二材料302之间还夹设有预警材料环303。

消耗环300材料的选择。消耗环300选择现有技术中常用的消耗环的材料，例如：硅、碳化硅或氧化铝，这些材料腐蚀后不会对腔体带来污染，且硅的颜色为灰金，碳化硅的颜色为灰白，氧化铝的颜色为黄。因此第一材料和第二材料可以分别从中选择两种不同的材料。

图7是本发明的探测模块的又一实施方式的结构示意图。如图2所式的实施方式，采用了四个颜色传感器模块401，但是也仅能测量四个方位的消耗环300的消耗状况，且四个颜色传感器模块还会带来成本上的上升。作为一个可选的实施方式，所述下方部分202的下表面设有环形轨道406，所述环形轨道406沿着下方部分202的周向设置，所述颜色传感器模块401为一个，且可沿所述环形轨道406移动。在检测装置运行时，每次颜色传感器模块401在环形轨道406上运行一周，判断消耗环是否在某一方位已经消耗到需要更换的厚度，增加了准确性。

图8是本发明的探测模块的又一实施方式的结构示意图。作为一个可选的实施方式，所述下方部分202的下表面开设有向下开口的环形凹槽500，所述环形凹槽500的开口两侧处分别设置有台阶501；所述颜色传感器模块还包括驱动部件、传动部件、转动轮408和用于支撑所述转动轮408的支架407，所述驱动部件通过传动部件驱动所述转动轮408转动；所述转动轮408置于所述环形凹槽500内并通过所述台阶501支撑。在检测装置运行时，每次颜色传感器模块401沿着环形凹槽500运行一周，判断消耗环是否在某一方位已经消耗到需要更换的厚度。

需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (18)

1.一种用于等离子体处理设备的检测装置，所述等离子体处理设备包含：腔体、基座以及机械手，所述基座置于所述腔体中用于支撑待处理的晶圆，所述机械手能够伸入所述腔体内取出所述晶圆；

其特征在于，所述检测装置包括：

消耗环，所述消耗环置于所述基座四周；所述消耗环包括第一材料和第二材料，所述第一材料具有第一颜色，所述第二材料具有不同于第一颜色的第二颜色；所述第一材料暴露于所述消耗环的上表面，所述第二材料未暴露于所述上表面；

探测模块，所述探测模块可拆卸地与机械手连接，所述探测模块包括颜色传感器模块，所述颜色传感器模块用于检测所述消耗环颜色的变化。

2.如权利要求1所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述第一材料和第二材料均为环形，所述第一材料位于所述第二材料的上方。

3.如权利要求1所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述第一材料和第二材料均为环形，所述第一材料具有开口向下的圆环状的凹槽，所述第二材料通过应力嵌入所述凹槽。

4.如权利要求2或3所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述消耗环还包括预警材料环，所述预警材料环的颜色与第一材料不同，所述预警材料环置于所述第一材料和第二材料之间。

5.如权利要求1或2所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述第一材料的材料不同于所述第二材料，所述第一材料选自硅、碳化硅或氧化铝，所述第二材料选自硅、碳化硅或氧化铝。

6.如权利要求1所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述探测模块还包括上方部分、下方部分和连接部，所述连接部用于连接所述上方部分和下方部分，所述下方部分为圆盘状。

7.如权利要求6所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述上方部分和下方部分之间具有容置部，所述容置部用于容纳机械手的臂。

8.如权利要求7所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述探测模块还包括与颜色传感器模块电连的充电电池、控制器、信号传输器和充电接头；所述充电电池用于给颜色传感器模块、控制器、信号传输器供电，所述控制器用于接收颜色传感器模块的检测数据并运算，所述信号传输器用于将控制器的运算结果发送给终端，所述充电接头用于给充电电池充电。

9.如权利要求8所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述信号传输器的信号传输方式为无线传输。

10.如权利要求8所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述上方部分、下方部分和连接部构成的内部空间或集成于所述上方部分的上表面。

11.如权利要求8所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述充电电池、控制器、信号传输器和充电接头集成于所述颜色传感器模块内。

12.如权利要求6所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述颜色传感器模块为四个，置于所述下方部分的下表面周向上，且各所述颜色传感器模块在所述周向上的间隔相同。

13.如权利要求11所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述下方部分的下表面设有环形轨道，所述环形轨道沿着下方部分的周向设置，所述颜色传感器模块可沿所述环形轨道移动。

14.如权利要求11所述的用于等离子体刻蚀设备的检测装置，其特征在于，所述下方部分的下表面开设有向下开口的环形凹槽，所述环形凹槽的开口两侧处分别设置有台阶；所述颜色传感器模块还包括驱动部件、传动部件、转动轮和用于支撑所述转动轮的支架，所述驱动部件通过传动部件驱动所述转动轮转动；所述转动轮置于所述环形凹槽内并通过所述台阶支撑。

15.一种等离子体处理设备，所述等离子体处理设备包含：腔体、基座以及机械手，所述基座置于所述腔体中用于支撑待处理的晶圆，所述机械手能够伸入所述腔体内取出所述晶圆；

其特征在于，还包括如权利要求1-14任意所述的检测装置，所述检测装置用于检测消耗环的消耗情况，并根据消耗环的消耗情况判断是否需要更换。

16.一种如权利要求1-14所述的检测装置的运行方法，其特征在于，包括：

等离子体处理设备结束工艺过程；

机械手携带探测模块进入腔体内；

颜色传感器模块检测消耗环的颜色并获得检测数据，所述探测模块接收所述颜色传感器模块的检测数据并运算，并将运算结果发送给终端。

17.一种如权利要求16所述的检测装置的运行方法，其特征在于，所述运算方法具体包括：

将所述检测数据与预先存储的对应于第二材料的颜色数值进行比较，判断所述检测数据是否与第二材料的颜色数值匹配。

18.一种如权利要求16所述的检测装置的运行方法，其特征在于，所述运算方法具体包括：

得到相邻的两次所述检测的检测数据，两次所述检测数据分别为第一数据和第二数据；

将第二数据和第一数据进行比较，判断第二数据与第一数据是否相等。

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