聚焦环的检测装置、系统、方法及其等离子体处理装置与流程

1.本发明涉及半导体领域的装置，特别涉及一种聚焦环的检测装置、检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.刻蚀的均匀性是刻蚀(etch)机台中的一个重要的参数，刻蚀的均匀性包括刻蚀速度(er)的均匀性和刻蚀孔大小(cd)的均匀性。
3.由于，受到等离子体分布的特性影响，晶圆边缘处的电场方向相比中心位置处的电场方向会出现角度的倾斜，从而导致晶圆边缘处的刻蚀效果与晶圆中心处的刻蚀效果相差较大。因此，基于现有的晶圆边缘阻抗主动调节系统(aeit)方案，通过调整晶圆外周的聚焦环的电容大小，可以调节晶圆边缘处的电场分布，进而实现晶圆的刻蚀均匀性。
4.其中，在aeit方案中，聚焦环为最关键的部分，但是经过一段时间的使用，聚焦环会被等离子体刻蚀，其高度以及形状都会发生改变，这会对aeit方案调整的效果带来影响。若能够知道聚焦环被刻蚀后的状态，然后对其进行相应的补偿，则可以对效果进行矫正。因此，如何能够方便快速地探测到聚焦环的高度和形状，成为了重要的一环。
5.同时，采取人工测量聚焦环变化时需要破坏整个系统的真空程度，每次开腔造成生产效率的下降，增加了维护的成本。
6.因此，需要在避免打开整个系统，保证检测精度的同时，方便快速地探测到聚焦环的高度和形状，并完成聚焦环高度和形状的补偿迫在眉睫。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种聚焦环的检测装置、检测系统及其检测方法，用以解决前述背景技术中所面临的问题。
8.为了达到上述目的，本发明的第一技术方案是提供一种聚焦环的检测装置，该聚焦环套围绕基座的承载面设置，其中，基座的承载面为基座放置晶圆的表面，且该聚焦环的内侧面与该承载面成第一角度，第一角度为钝角，且该检测装置包括：第一可调机构、反射结构、光源和检测模块。
9.其中，第一可调机构放置于基座的承载面上方，可以沿垂直承载面的方向运动；反射结构的第一端与第一可调机构的上方连接，反射结构可绕其第一端旋转；且反射结构的反射平面与承载面成第二角度；光源设置于反射结构上方，用以向反射结构沿垂直承载面方向发射光线，光线可以被反射结构和聚焦环的内侧面反射；检测模块设置于反射结构上方，用于接收经反射结构和聚焦环的内侧面反射后的光线。
10.可选地，该检测装置还包括：设置于第一可调机构上方的第二可调机构，第二可调机构与反射结构的第二端活动连接，第二可调机构可沿垂直于承载面的方向升降，用于带动反射结构绕其第一端旋转，以改变第二角度。
11.可选地，该检测调节装置还包括：无线控制系统，分别与检测模块、第一可调机构
和第二可调机构无线连接，用于调节第一可调机构和第二可调机构。
12.可选地，反射结构包括反射镜。
13.可选地，聚焦环的材料为碳化硅。
14.可选地，该检测调节装置还包括：放置于基座上方的支撑板，支撑板位于第一可调机构下方。
15.可选地，光源为相干光终点探测系统(iep)的光源。
16.可选地，iep光源发射的光线为一组平行的沿垂直承载面方向的光线。
17.可选的，所述检测装置可沿着垂直所述承载面的轴旋转。
18.为了达到上述目的，本发明的第二技术方案是提供一种聚焦环的检测方法，该检测调节方法是基于上述的一种聚焦环的检测装置实现的，该检测调节方法包括：光源沿垂直于承载面的方向向反射结构发射光线；调节反射结构的第二角度，使得光线依序通过反射结构、聚焦环的内侧面和反射结构进行三次反射，生成沿竖直方向的反射光线被检测模块接收；升高第一可调机构的竖直高度，直至检测模块接收到的反射光线消失；检测模块根据反射光线的强度变化，记录第二角度和第一可调机构的沿垂直承载面高度的调节量，进而计算出该聚焦环的高度变化量。
19.可选地，调节反射结构的第二角度包括：使得反射结构绕其第一端旋转，以实现第二角度的改变。
20.可选地，升高第一可调机构的竖直高度包括：无线控制系统根据反射光线的强度变化，调节第一可调机构直至检测模块接收到的强度最小。
21.可选地，光线进行三次反射包括：光线竖直入射到反射结构的反射平面，进行第一次反射，形成第一反射光线；第一反射光线作为第一入射光线，入射在聚焦环的内侧面，进行第二次反射，并反射出第二反射光线；第二反射光线作为第二入射光线，再次入射在反射结构的反射平面，进行第三次反射，形成垂直于承载面方向的反射光线。
22.可选地，随着第二角度的改变，检测模块接收到的反射光线强度最大时，第一入射光线垂直入射在聚焦环的内侧面上。
23.为了达到上述目的，本发明的第三技术方案是提供一种聚焦环的调整系统，该聚焦环的调整系统包括：上述的一种聚焦环的检测装置和电容更改系统；其中，该检测装置根据第一角度，第二角度及第一可调机构的沿垂直于承载面方向运动的高度，计算聚焦环的高度变化值；电容更改系统分别与聚焦环和检测装置连接，根据聚焦环的高度变化值，调整聚焦环所在电路的电容变化。
24.为了达到上述目的，本发明的第四技术方案是提供一种等离子体处理装置，等离子体处理装置包括：基座、聚焦环和上述的一种聚焦环的调整系统。
25.其中，基座设置于待处理的晶圆下方，用于吸附该晶圆；聚焦环围绕基座的承载面设置，且该聚焦环的内侧面与承载面成第一角度，第一角度为钝角；该聚焦环的调整系统中的检测装置中的第一可调机构、反射结构、光源和检测模块设置于基座上方，能够直接检测并计算由于刻蚀引起的聚焦环的高度变化值；该聚焦环的调整系统中的电容更改系统根据聚焦环的高度变化值，调整聚焦环所在电路的电容变化，以完成晶圆边缘处的刻蚀补偿。
26.与现有技术相比，本发明在无需打开刻蚀系统的前提下，利用光学探测的方法，通过远程连接控制反射结构的角度和高度，对聚焦环的高度及形状变化进行测量，可以在反
应腔体的真空度不变的条件下，为等离子体鞘层的调节提供依据，维持晶圆刻蚀的均一性，操作简便，且方便快捷，提高了检测精度，并且减少了真空环境的破坏频率，进而提高晶圆的处理效率。
附图说明
27.图1为聚焦环的结构示意图；
28.图2为本发明提供的聚焦环的检测装置结构示意图；
29.图3为本发明提供的反射结构旋转示意图；
30.图4为本发明提供的光线进行三次反射的路线示意图；
31.图5为本发明提供的第一入射光线与聚焦环内侧面的反射交点到达临界位置的示意图；
32.图6为本发明提供的等离子体处理装置结构示意图。
具体实施方式
33.为利了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施方式的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围。
34.请参阅图1至图6；图1是聚焦环的结构示意图；图2是本发明提供的聚焦环的检测装置结构示意图；图3是本发明提供的反射结构旋转示意图；图4是本发明提供的光线进行三次反射的路线示意图；图5是本发明提供的第一入射光线与聚焦环内侧面的反射交点到达临界位置的示意图；图6是本发明提供的等离子体处理装置结构示意图。
35.请参阅如图1所示，基座100的上方放置晶圆w，且基座100放置晶圆w的表面即为基座100的承载面m；聚焦环200围绕基座100的承载面m设置；其中，聚焦环200沿竖直方向的截面呈台阶状，其低台阶部分的表面与基座100的承载面m齐平，其高台阶部分围绕基座100上方的晶圆w设置，且该聚焦环200具有一连接高台阶和低台阶的内侧面n；该聚焦环200的内侧面n与该承载面m成第一角度α，且该第一角度α为钝角。其中，聚焦环200通常采用金属或半导体材料，表面较光滑，在本实施例中，聚焦环200的材料为碳化硅，碳化硅材料具有反光性能。
36.本发明的第一技术方案是提供了一种聚焦环200的检测装置，请参阅如图2所示，该聚焦环200的检测装置包括：第一可调机构301、反射结构302、光源303和检测模块304。
37.其中，第一可调机构301放置于基座100的承载面m上方，可以沿垂直于承载面m的方向运动；在本实施例中，基座100的承载面m与水平面平行，则第一可调机构301可沿竖直方向升高或降低，从而调节第一可调机构301的高度h1。
38.反射结构302的第一端与第一可调机构301的上方连接，反射结构302可绕其第一端旋转；且反射结构302的反射平面与承载面m成的锐角为第二角度β。在本实施例中，反射结构302包括反射镜。
39.光源303设置于反射结构302上方，用以向反射结构302沿垂直于承载面m的方向发射光线，光线可以先后被反射结构302和聚焦环200的内侧面n多次反射。在本实施例中，光
源303为现有的用于检测晶圆w厚度的iep光源来发射光线，简化了装置的复杂程度，与刻蚀设备内部结构有更好的融合性，对内部iep光源的功能进行了拓展，提高了iep光源的利用范围；iep光源发射的光线为一组平行的沿垂直承载面m方向的光线。
40.检测模块304设置于反射结构302上方，用于接收依次经反射结构302、聚焦环200的内侧面n以及反射结构302反射后的光线。
41.其中，该检测装置还包括：设置于第一可调机构301上方的第二可调机构305；第二可调机构305与反射结构302的第二端活动连接，第二可调机构305可沿垂直于承载面m的方向升降，用于带动反射结构302绕其第一端旋转，以改变第二角度β，在其他实施例中，也可以省略第二可调机构305，通过微型电机令反射结构302围绕第一端旋转。在本实施例中，第二可调机构305可沿竖直方向升高或降低，从而调节第二可调机构305的高度h2，以带动反射结构302绕其第一端旋转，以改变第二角度β的大小。
42.该检测调节装置还包括：无线控制系统(附图中未示出)；无线控制系统分别与检测模块304、第一可调机构301和第二可调机构305无线连接，无线控制系统根据检测模块304接收到的经反射结构302和聚焦环200的内侧面n反射后的反射光线，同时调节第一可调机构301和第二可调机构305均沿垂直承载面m的方向升降，使得光源303发射的光线在聚焦环200的内侧面n反射的位置发生变化，以检测和计算出该聚焦环200高台阶部分相对于承载面的高度h(即聚焦环200位于承载面m以上部分的高度)，由于在刻蚀过程中，对等离子体鞘层的影响主要来自于聚焦环200的上表面，因此，根据该聚焦环200高台阶部分的高度h的多次测量，即可计算出该聚焦环200的高度变化量。
43.利用三角形之间的对应关系可得到下式，其中，计算该聚焦环200高台阶部分的高度h满足：
44.h＝(h1+h2/2+d)-r/tan(π-α)
45.其中，d为晶圆w的厚度；r为晶圆的半径；且第一角度α满足：
46.α＝π-2
×
tan-1
(m/h2)
47.其中，m为第一可调机构301的长度。
48.该检测调节装置还包括：放置于基座100上方的支撑板(附图中未示出)；支撑板位于第一可调机构301下方，便于外界的机械手托着该支撑板来传送该检测装置；其中，在本实施例中，支撑板为与晶圆w相同形状的圆盘；或者支撑板也可为与晶圆w不同的其他形状，支撑板代替晶圆w放于承载面m上，支撑板的厚度即为上式晶圆的厚度。
49.本发明的第二技术方案是提供一种聚焦环200的检测方法，该检测调节方法是基于上述的一种聚焦环200的检测装置实现的；该检测调节方法包括：
50.光源303沿垂直于承载面m的方向向反射结构302发射光线；请参阅如图3和4所示，调节该反射结构302绕其第一端旋转，以改变第二角度β，使得光线依序通过反射结构302、聚焦环200的内侧面n和反射结构302进行三次反射，生成沿竖直方向的光线被检测模块304接收。
51.其中，如图4所示，光线进行三次反射包括：光线竖直入射到反射结构302的反射平面，进行第一次反射，形成第一反射光线；第一反射光线作为第一入射光线，入射在聚焦环200的内侧面n，进行第二次反射，并反射出第二反射光线；第二反射光线作为第二入射光线，再次入射在反射结构302的反射平面，进行第三次反射，形成垂直于承载面m方向的光
线。
52.请参阅如图5所示，当光线检测模块304检测到垂直于承载面的反射光线后，无线控制系统根据反射光线的强度变化，沿垂直于承载面m的方向升高第一可调机构301的高度h1，从而改变第一入射光线与聚焦环200的内侧面n的入射交点的位置，直至达到如附图5所示的临界位置处(即处于聚焦环200的内侧面n的最高点)，继而再升高第一可调机构301的高度h1，直到聚焦环200的内侧面n则无法将光线发射会入射平面为止停止升高h1，表现为检测模块304接收到的反射光线消失。
53.其中，请参阅如图4-5所示，旋转该反射结构302旋转以改变第二角度β的大小，是用于改变第一入射光线与聚焦环200的内侧面n的入射角度；当第一入射光线垂直入射在聚焦环200的内侧面n上时，第二反射光线垂直射出聚焦环200的内侧面n，相应地，第二入射光线能够沿第一反射光线的路径在反射结构302的反射平面进行第三次反射，并生成垂直于承载面m方向的反射光线，此时，检测模块304接收到的反射光线强度最大；反之，当第一入射光线不垂直入射在聚焦环200的内侧面n上时，检测模块304接收到的反射光线强度弱于第一入射光线垂直入射聚焦环200的内侧面n时检测模块304接收到的反射光线强度。
54.同时，参阅如图4-5所示，升高第一可调机构301的竖直高度，用于改变第一入射光线与聚焦环200的内侧面n的反射交点的位置；第一入射光线与聚焦环200的内侧面n的反射交点随着第一可调机构301的升高逐渐左移，直至达到如附图5所示的临界位置处(即处于聚焦环200的内侧面n的最高点)，继而再升高第一可调机构301，聚焦环200的内侧面n则无法接收到第一入射光线。
55.检测模块304根据上述调节该第一可调机构301和第二可调机构305的过程中反射光线的强度变化，记录第二角度β和第一可调机构301的沿垂直承载面m高度的调节量，进而计算出该聚焦环200的高度，通过两次高度差，就可以计算出聚焦环200的高度变化量。
56.本发明的检测装置还可以绕垂直于承载面的轴旋转，用于检测聚焦环的内侧面上多个点，来计算聚焦环上表面的不同区域被腐蚀的程度，具体可以领第一可调机构301具有旋转功能，或者令反射结构具有旋转功能。此时检测到的数据会与旋转的坐标建立对应关系，即可以通过聚焦环不同区域的高度变化来评估聚焦环上表面腐蚀程度是否均匀，可以提前发现问题。具体操作时可以在送入反应腔室之前调整角度，也可以在放到承载面以后再调整角度进行连续测量。
57.本发明的第三技术方案是提供一种聚焦环200的调整系统k，该聚焦环200的调整系统k包括：上述的一种聚焦环的检测装置和电容更改系统；其中，该检测装置根据第一角度α，第二角度β及第一可调机构301的沿垂直于承载面m方向运动的高度，计算聚焦环200的高度变化值；电容更改系统分别与聚焦环200和检测装置连接(附图中未示出)，根据聚焦环200的高度变化值，调整聚焦环200所在电路的电容变化。
58.值得一提的是，本发明的第四技术方案是提供一种等离子体处理装置，请参阅附图6所示，等离子体处理装置包括：反应腔体400、基座100、聚焦环200和上述的一种聚焦环200的调整系统k。
59.其中，反应腔体400用于容纳待处理的晶圆w；基座100设置于反应腔体400的内部底端，用于吸附该晶圆w；聚焦环200围绕基座100的承载面m设置，且该聚焦环200的内侧面n与承载面m成第一角度α，第一角度α为钝角。
60.该聚焦环200的调整系统k中的第一可调机构301、反射结构302、光源303和检测模块304设置于基座100上方，无线控制系统设置于该反应腔体400外部(附图中未示出)，能够直接根据检测模块304接收到的经反射结构302和聚焦环200的内侧面n反射的光线，在反应腔体400的外部同时调节第一可调机构301和第二可调机构305均沿垂直承载面m的方向升降，以实现等离子刻蚀过程中无需打开反应腔体400，即可直接检测并计算出由于刻蚀引起的聚焦环200的高度变化值。
61.其中，该聚焦环200的调整系统k中的电容更改系统根据聚焦环200的高度变化值，调整聚焦环200所在电路的电容变化，从而完成待测晶圆w边缘处的刻蚀补偿。
62.本发明在无需打开刻蚀系统的前提下，利用光学探测的方法，通过远程连接控制反射结构的角度和高度，对聚焦环的高度及形状变化进行测量，可以在反应腔体的真空度不变的条件下，为等离子体鞘层的调节提供依据，维持晶圆刻蚀的均一性，操作简便，且方便快捷，提高了检测精度，并且减少了真空环境的破坏频率，进而提高晶圆的处理效率。
63.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。