CN116453931B - 晶圆处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆处理设备，包括：腔体，用于通过通入工艺气体对晶圆表面进行工艺处理；基座，设置在腔体内，用于支撑晶圆；衬套，设置在腔体的侧壁的内表面且围绕基座设置，用于将工艺气体均匀地分布在晶圆表面，且工艺处理后的工艺气体被排出腔体；监控装置，与设置在腔体侧壁的抽气口连通，用于通过所述抽气口获取腔体内的工艺气体并对气体成分进行分析。本发明可以在工艺过程中对腔体内的气体进行原位监控，对工艺稳定性影响小；并且稳定了工艺气流使气体均匀的分布在晶圆表面，保证了工艺的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种晶圆处理设备。
背景技术
在现有技术中，通过晶圆处理设备来加工晶圆，最终加工形成芯片，所述晶圆处理设备，特别是等离子发生设备中，将从远程等离子体发生器中产生的等离子体供应给工艺腔室，并进行等离子体处理流程时，需要对工艺腔室的状态和等离子体的处理流程进行适当的监控。目前，很多腔体都是通过OES（Optical Emission Spectrometry；发射光谱法）的方式观测光谱变化来指导工艺处理过程并进行腔体诊断维护，然而OES监测方式对于具有远程等离子体源的等离子发生设备不适用。另外，有些侵入式的监测手段会破坏腔室内的工艺气体的气流分布，从而对工艺造成影响。
为了解决上述问题，急需发明一种更合适的原位监测方式。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种晶圆处理设备，包括：
腔体，用于通过通入工艺气体对晶圆表面进行工艺处理；
基座，设置在腔体内，用于支撑晶圆；
衬套，设置在腔体的侧壁的内表面且围绕基座设置，用于将工艺气体均匀地分布在晶圆表面，且工艺处理后的工艺气体被排出腔体；
监控装置，与设置在腔体侧壁的抽气口连通，用于通过所述抽气口获取腔体内的工艺气体并对气体成分进行分析。
优选地，所述衬套为环形，衬套的周向间隔设置有若干个贯通衬套内、外表面的气孔，衬套的外表面设置有与气孔连通的第一通道，所述抽气口与所述第一通道连通。
优选地，所述侧壁的第一位置处设置有排气口，用于将工艺处理后的工艺气体排出腔体；所述抽气口设置在侧壁的第二位置处，所述第一位置在侧壁的周向上与第二位置相对。
优选地，所述监控装置包括：
气体收集腔，与所述抽气口连接，通过所述抽气口获取腔体内的工艺气体；
光源，与气体收集腔通过光路连接，其发出的光通过光路进入气体收集腔内；
光检测器，与气体收集腔通过光路连接，用于接收从气体收集腔穿出的光并生成数据；
处理器，与光检测器通过电路连接，用于接收光检测器的数据，根据数据分析气体成分。优选地，所述衬套的外表面还设置有与第一通道连通的第二通道，所述排气口与第二通道连通。
优选地，所述衬套包括：第一凸缘、第二凸缘和第三凸缘，所述第一凸缘设置在衬套外表面的顶部，第二凸缘设置在衬套外表面的底部，第三凸缘设置在第一凸缘与第二凸缘之间；所述第一凸缘和第三凸缘之间形成所述第一通道，所述第二凸缘和第三凸缘之间形成所述第二通道，所述第三凸缘上设置有连通口，通过所述连通口连通所述第一通道和所述第二通道。
优选地，所述晶圆处理设备还包括吹扫气体源；所述吹扫气体源与所述腔体连接，用于向所述腔体内输送吹扫气体对腔体内的部件进行吹扫；
以及所述吹扫气体源还与设置在气体收集腔顶部的至少一个气体输入件连接，所述吹扫气体通过至少一个气体输入件进入气体收集腔内，对气体收集腔的内部进行吹扫。
优选地，所述晶圆处理设备还包括：泵；所述泵与所述腔体的排气口以及所述气体收集腔分别连接，用于将腔体以及气体收集腔内的工艺气体排出。
优选地，所述气体收集腔通过第一管路与所述泵连接，第一管路上设置有第一阀。
优选地，所述吹扫气体源通过第二管路与所述气体收集腔连接，通过第三管路与所述腔体连接；所述第二管路上设置有第二阀，所述第三管路上设置有第三阀。
优选地，所述气体输入件的数量为两个，所述第二管路分成两个支路，每个支路与一个所述气体输入件连接。
优选地，所述气体收集腔与抽气口之间设置有第四阀。
优选地，所述气体收集腔的内部表面设置有反射板，所述至少一个气体输入件倾斜设置在气体收集腔的顶部，使得至少一个气体输入件输出的吹扫气体能够倾斜打在所述反射板表面。
优选地，所述气体输入件整体轮廓呈钟状，厚度方向呈扁平的板状，所述气体输入件的输入端小于输出端；所述气体输入件的输出端是扁条形，其底部均匀分布若干个出气孔或其底部为出气缝。
优选地，所述光源为激光或者卤素灯。
优选地，所述晶圆处理设备还包括：等离子体源，所述等离子体源设置在所述腔体的顶部，用于将输入的工艺气体电离为等离子体后向腔体内供应。
本发明提供的晶圆处理设备优势在于：
1、本发明可以在工艺过程中对腔体内的气体实时监控，采用的光学监测设备的原位监测过程对工艺稳定性影响小；并且稳定了工艺气流使得气体均匀的分布在晶圆表面。
2、本发明的排气口设置在第一位置处，所述抽气口设置在第二位置处，所述第一位置在侧壁的周向上与第二位置相对，可以更好地保证工艺气体均匀地分布在晶圆表面，从而保证了工艺的均匀性。
3、本发明的抽气口与所述第一通道连通，因此更加靠近晶圆，那么可以增加第二位置处的抽力。
4、同时，抽气口和排气口均与泵相连，且第一阀可以替换为流量控制装置，那么可以更加精确地控制晶圆表面的气流。
附图说明
图1为本发明的等离子体处理设备结构示意图；
图2为本发明的衬套结构示意图；
图3为本发明的监控装置结构示意图；
图4为本发明的气体输入件的正视图；
图5为本发明的气体输入件的仰视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种晶圆处理设备作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
本发明提出了一种晶圆处理设备，可选的，所述晶圆处理设备是等离子发生设备，进一步可选的，该等离子发生设备用于去除晶圆表面的自然氧化物，如氧化硅。该设备可以在工艺过程中实时地检测设备内工艺气体的成分及比例。当然可选的，该设备也可以是任一具有等离子体的其他设备，如刻蚀设备、PECVD、PEALD等。本实例以用于去除晶圆表面的自然氧化物的等离子发生设备为例。
如图1所示，该设备主要包括腔体105、基座104、衬套111和监控装置200，腔体105用于通过通入工艺气体对晶圆表面进行工艺处理，所述工艺气体存储在工艺气体源122内，并通过管路通入所述腔体105内；基座104设置在腔体105内，用于支撑晶圆；衬套111设置在腔体105的侧壁的内表面且围绕基座104设置，用于将工艺气体均匀地分布在晶圆表面，且工艺处理后的工艺气体被排出腔体；监控装置200与设置在腔体105侧壁的抽气口连通，用于通过所述抽气口获取腔体105内的工艺气体并对气体成分进行分析。
其中，腔体105的底部设置有升降装置109，位于所述升降装置109的顶部设置有所述基座104，该基座104用于放置晶圆，所述基座104位于所述衬套111内部，通过升降装置109改变基座104的高度，使基座104下降，晶圆在销110的支撑下，基座104与晶圆分离，以便机械手拿取晶圆。
所述晶圆处理设备还包括等离子体源132，所述等离子体源132设置在所述腔体105的顶部，用于将输入的工艺气体电离为等离子体后向腔体105内供应。可选的，所述等离子体源132为远程等离子体源。
所述晶圆处理设备还包括第一气体分配板131、第二气体分配板133，两个气体分配板设置在腔体105顶部，用于将工艺气体均匀分布到腔体105内；具体的，两个所述气体分配板设置在所述等离子体源132的下方，且两个气体分配板呈上下设置，可以让工艺气体实现更好的匀流。
所述晶圆处理设备还包括吹扫气体源123，所述吹扫气体源123与所述腔体105连接，用于向所述腔体105内输送吹扫气体对腔体内的部件进行吹扫。可选的，所述部件可以是所述第一气体分配板131、所述第二气体分配板133，即所述吹扫气体源123与腔体内的第一气体分配板131、第二气体分配板133连接；所述部件可以是升降装置109，即所述吹扫气体源123与腔体内的升降装置109连接；当然，根据需要，所述部件也可以是腔体105内任一部件。
所述晶圆处理设备还包括泵103，所述腔体105的侧壁设置有排气口，用于将工艺处理后的工艺气体排出腔体105，该泵103与所述腔体105的排气口107连接。
所述设备的工作原理为：工艺气体源122将工艺气体输送到腔体顶部的等离子体源132内，等离子体源132将经过其中的工艺气体打火，电离形成等离子体，等离子体态的工艺气体经过腔体顶部的第一气体分配板131、第二气体分配板133被均匀地扩散，同时在两个气体分配板的作用下，等离子体湮灭，仅其中的中性粒子被均匀地输送到基座104上的晶圆表面。在工艺气体的作用下，晶圆表面完成对自然氧化物（如氧化硅）的移除，完成工艺的工艺气体在泵103的作用下，从衬套111内的晶圆表面被均匀地抽出并排出腔体105。
如图2所示，本例中所述衬套111为环形，衬套111的周向间隔设置有若干个贯通衬套111内、外表面的气孔，衬套111的外表面设置有与气孔连通的第一通道113，所述抽气口与所述第一通道113连通。所述衬套111的外表面还设置有与第一通道113连通的第二通道112。具体的，继续参见图2，所述衬套111包括：第一凸缘1113、第二凸缘1111和第三凸缘1112，所述第一凸缘1113设置在衬套111外表面的顶部，第二凸缘1111设置在衬套111外表面的底部，第三凸缘1112设置在第一凸缘1113与第二凸缘1111之间；所述第一凸缘1113和第三凸缘1112之间形成所述第一通道113，所述第二凸缘1111和第三凸缘1112之间形成所述第二通道112，所述第三凸缘1112上设置有连通口，通过所述连通口连通所述第一通道113和所述第二通道112。所述排气口107设置在腔体侧壁（或衬套）的第一位置P2处，所述排气口107与第二通道112连通，排气口107与所述泵103连接；抽气口设置在侧壁（或衬套）的第二位置处P1处；所述第一位置P2在腔体侧壁（或衬套）的周向上与第二位置P1相对。可选的，所述连通口有两个，分别设置在第三位置P3和第四位置P4，第三位置P3和第四位置P4的连线与第一位置P2和第二位置处P1的连线十字正交。
在工艺过程中，完成工艺的工艺气体在泵103的作用下从衬套111内的晶圆表面被均匀地抽出，并通过气孔进入第一通道113内形成气流F1，该气流F1中的小部分工艺气体在第二位置P1处可通过抽气口进入监控装置200，所述监控装置200对气体的成分及比例进行原位检测。剩余的所述气流F1通过第一通道113后经连通口进入第二通道112形成气流F2，气流F2通过排气口107形成气流F3，气流F3被泵103抽出所述腔体105，所述泵103设置在排气口107的下方。
由于泵103设置在第一位置P2处，且晶圆表面的工艺气体在泵103的抽力作用下，会流向泵103。由于泵103相对于晶圆是是偏心设置的，因此晶圆表面上距离泵103近的工艺气体更易被抽出，那么这样会造成晶圆表面的工艺处理出现偏心，即出现不均匀处理现象。这对于刻蚀设备来说，会出现距离泵103近的凹槽刻蚀倾斜或刻蚀深浅不一，因此晶圆加工的微观结构无法保证。而本发明提出的监控装置200，其抽气口设置在与泵103相对的位置，即第一位置P2在腔体侧壁（或衬套）的周向上与第二位置P1相对，那么在第二位置P1处同样也会产生一个负压点，那么可以一定程度拉平泵103的偏心作用，即本发明在衬套111的周向对称两处都设置了气体出口，气体不会倾向于向腔体105靠近泵103的一侧流出。除此之外，所述抽气口直接与所述第一通道113连通，因此更加靠近晶圆，那么可以增加第二位置P1处的抽力。
可选的，所述吹扫气体源123还与监控装置200连接，用于吹扫所述监控装置200。
优选的，所述泵103还与所述监控装置200连接。在工艺过程中，将监控装置200与腔体105连通，泵103可以同时从排气口107以及通过监控装置200从抽气口将腔体105内的工艺气体抽出，这样更加进一步保证了晶圆表面工艺气体分布的均匀性。
图3示出了监控装置200的结构示意图，如图3所示，所述监控装置200包括：气体收集腔205、光源201、光检测器202和处理器203。气体收集腔205与抽气口连接，通过所述抽气口获取腔体105内的工艺气体。所述泵103与所述气体收集腔205连接，用于将气体收集腔205内的工艺气体排出。光源201与气体收集腔205通过光路连接，其发出的光通过光路进入气体收集腔205内，光与气体收集腔205内的气体作用后排出；光检测器202与气体收集腔205通过光路连接，用于接收从气体收集腔205穿出的光并生成数据信号；处理器203与光检测器202通过电路连接，用于接收光检测器202的数据信号，并分析出气体成分及比例。气体收集腔205与光源201以及光检测器202通过光纤204连接。由于不同气体对光的吸收波长不同，因此可以借助此特性分析气体成分。光检测器202可以是光谱仪，所述光源201是能够发出特定波长光的激光器或者卤素灯。当气体成分变化时，光检测器202收到的光谱也会发生变化，处理器203可以通过比对接收到了光谱来确定气体的成分及比例。可选的，所述处理器203与光源201连接，用于控制光源201的功率及调节波长。
气体收集腔205为圆柱体，所述气体收集腔205包括圆柱腔和设置在圆柱腔两端的反射板，所述反射板可以减少圆柱腔对光的吸收，即可以减少背景吸收的干扰，使光充分的在圆柱腔内多次反射与工艺气体接触，以提高光谱信息的精度。另外，一个反射板上设置工艺气体进口和光源进口，另一个反射板上设置工艺气体出口和光出口；所述抽气口与气体收集腔205的所述工艺气体进口连接，泵103与气体收集腔205的所述工艺气体出口连接；光源201发出的光通过光源进口进入气体收集腔205，并通过反射板反射，最后通过光出口从气体收集腔205出去。
为了防止工艺气体损坏反射板及进一步减少背景吸收，在其他优选例中，监控装置200还具有至少一个气体输入件206，其与吹扫气体源123连接，所述至少一个气体输入件206倾斜设置在气体收集腔205的顶部，气体输入件206输出的吹扫气体能够倾斜吹在所述反射板的表面。在工艺过程中，反射板会被污染，为了保护反射板，需通过气体输入件206吹扫反射板。
进一步地，如图4、5所示，所述气体输入件206的整体轮廓呈钟状，厚度方向呈扁平的板状，所述气体输入件的输入端小于输出端；所述气体输入件206的输出端是扁条形，其底部均匀分布若干个出气孔或其底部为出气缝。这样设置可以使得吹扫气体均匀地分布在反射板上，以提高清洁效果。且钟状使气体进口小，出口宽，这时吹扫气流流速会放缓，分布更加均匀，且流速小不会影响气体收集腔205内部的工艺气体。
本发明还将介绍晶圆处理设备的管路连接方式，以及工作方式。如图1、3所示，所述监控装置200的气体收集腔205通过第一管路151与所述泵103连接，第一管路151上设置有第一阀V1。所述吹扫气体源123通过一管路152分成第二管路和第三管路分别与所述气体收集腔205、所述腔体105连接；第二管路和第三管路上分别设置有第二阀V2、第三阀V3。其中与气体收集腔205连接的第二管路分为两个支路分别与两个所述气体输入件206连接。所述气体收集腔205与腔体105的抽气口通过第三管路153连接，第三管路153上设置有第四阀V4。
在工艺过程中，可以选择性控制第二阀V2和第三阀V3的状态以控制不同功能，例如，仅打开第二阀V2可以向气体收集腔内205提供吹扫气体，防止工艺气体破坏反射板；或仅打开第三阀V3可以向腔体105内提供吹扫气体。当然，也可以同时打开第二阀V2和第三阀V3。还可将第二阀V2和第四阀V4关闭，以关闭整个监控装置200。
可选的，第一阀V1可以替换为流量控制装置，这样，在监控装置200工作时，可以控制从腔体内抽出工艺气体的流量，那么可以更好地保证工艺气体在晶圆表面分布的均匀性。
在工艺结束后，可以执行单独的气体收集腔内205的清洁工艺，此时仅需打开第一阀V1和第二阀V2即可；当然也可以单独对腔体105内部进行清洗及同时清洁气体收集腔205和腔体105，在此不做赘述。
综上所述，本发明可以在工艺过程中对腔体内的气体实时监控；并且稳定了工艺气流使得气体均匀的分布在晶圆表面，保证了工艺的稳定性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (13)
1.一种晶圆处理设备，其特征在于，包括：
腔体，用于通过通入工艺气体对晶圆表面进行工艺处理；
基座，设置在腔体内，用于支撑晶圆；
衬套，设置在腔体的侧壁的内表面且围绕基座设置，用于将工艺气体均匀地分布在晶圆表面，且工艺处理后的工艺气体被排出腔体；
监控装置，与设置在腔体侧壁的抽气口连通，用于通过所述抽气口获取腔体内的工艺气体并对气体成分进行分析；
所述衬套为环形，衬套的周向间隔设置有若干个贯通衬套内、外表面的气孔，衬套的外表面设置有与气孔连通的第一通道，所述抽气口与所述第一通道连通；
所述侧壁的第一位置处设置有排气口，用于将工艺处理后的工艺气体排出腔体；所述抽气口设置在衬套的第二位置处，所述第一位置在衬套的周向上与第二位置相对；
所述监控装置包括：
气体收集腔，与所述抽气口连接，通过所述抽气口获取腔体内的工艺气体；
光源，与气体收集腔通过光路连接，其发出的光通过光路进入气体收集腔内；
光检测器，与气体收集腔通过光路连接，用于接收从气体收集腔穿出的光并生成数据；
处理器，与光检测器通过电路连接，用于接收光检测器的数据，根据数据分析气体成分。
2.如权利要求1所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述衬套的外表面还设置有与第一通道连通的第二通道，所述排气口与第二通道连通。
3.如权利要求2所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述衬套包括：第一凸缘、第二凸缘和第三凸缘，所述第一凸缘设置在衬套外表面的顶部，第二凸缘设置在衬套外表面的底部，第三凸缘设置在第一凸缘与第二凸缘之间；所述第一凸缘和第三凸缘之间形成所述第一通道，所述第二凸缘和第三凸缘之间形成所述第二通道，所述第三凸缘上设置有连通口，通过所述连通口连通所述第一通道和所述第二通道。
4.如权利要求1所述的晶圆处理设备，其特征在于，还包括吹扫气体源；
所述吹扫气体源与所述腔体连接，用于向所述腔体内输送吹扫气体对腔体内的部件进行吹扫；
以及所述吹扫气体源还与设置在气体收集腔顶部的至少一个气体输入件连接，所述吹扫气体通过至少一个气体输入件进入气体收集腔内，对气体收集腔的内部进行吹扫。
5.如权利要求4所述的晶圆处理设备，其特征在于，还包括：泵；
所述泵与所述腔体的排气口以及所述气体收集腔分别连接，用于将腔体以及气体收集腔内的工艺气体排出。
6.如权利要求5所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述气体收集腔通过第一管路与所述泵连接，第一管路上设置有第一阀。
7.如权利要求4所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述吹扫气体源通过第二管路与所述气体收集腔连接，通过第三管路与所述腔体连接；所述第二管路上设置有第二阀，所述第三管路上设置有第三阀。
8.如权利要求7所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述气体输入件的数量为两个，所述第二管路分成两个支路，每个支路与一个所述气体输入件连接。
9.如权利要求1所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述气体收集腔与抽气口之间设置有第四阀。
10.如权利要求4所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述气体收集腔的内部表面设置有反射板，所述至少一个气体输入件倾斜设置在气体收集腔的顶部，使得至少一个气体输入件输出的吹扫气体能够倾斜吹在所述反射板表面。
11.如权利要求4所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述气体输入件整体轮廓呈钟状，厚度方向呈扁平的板状；所述气体输入件的输入端小于输出端；所述气体输入件的输出端是扁条形，其底部均匀分布若干个出气孔或其底部为出气缝。
12.如权利要求1所述的晶圆处理设备，其特征在于，所述光源为激光或者卤素灯。
13.如权利要求1所述的晶圆处理设备，其特征在于，还包括：等离子体源，所述等离子体源设置在所述腔体的顶部，用于将输入的工艺气体电离为等离子体后向腔体内供应。
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