相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月27日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请no.10-2016-0123919的优先权，该申请全部内容以引用方式并入本文中。
本公开涉及半导体处理设备，特别是用于监控等离子体处理设备的操作的监控单元。
背景技术：
半导体制造工艺包括用于在半导体晶片(以下称为“衬底”)上形成薄膜的沉积工艺、用于选择性地从衬底上去除材料的蚀刻工艺等等。很多半导体制造工艺包含使用等离子体的处理。使用等离子体的半导体制造工艺在本文中被称为“等离子体处理工艺”，并且可以包括等离子体沉积工艺、等离子体蚀刻工艺、等离子体清洁工艺等等。等离子体处理工艺的使用可降低执行半导体制造工艺所需的时间量，并且/或者可允许更容易地控制工艺，从而可能执行更精确的操作。
在等离子体蚀刻工艺中，等离子体用于选择性地从衬底移除薄膜。通过以下方式产生等离子体：向放置衬底的腔室中供应反应气体，并将射频(rf)电磁能量施加到反应气体以产生等离子体。rf能量施加到布置在腔室内的上电极和下电极。为了改善处理效率，可围绕上电极和/或下电极布置环形绝缘构件，并且在衬底的上部分之上形成等离子体。环形绝缘构件通常由石英形成。
在等离子体工艺期间，蚀刻设备的一些部件暴露于腔室中的等离子体中。具体地，在等离子体工艺期间，环形绝缘构件暴露于等离子体中。具有高能量的等离子体可使腔室中的暴露的部件腐蚀。具体地，腔室中的石英部件易受腐蚀。当石英环形绝缘构件腐蚀时，腔室中的工艺状况可改变。因此，在环形绝缘构件腐蚀到产生工艺缺陷之前，不时地更换环形绝缘构件通常是明智的。
如果等离子体工艺(诸如，等离子体蚀刻工艺)不在合适的时间终止，则所制造的装置的质量会降低。此外，来自设备的被腐蚀部件的颗粒可污染装置。由于诸如温度、蚀刻速度等的工艺状况的差异，会产生蚀刻缺陷。当环形绝缘构件腐蚀时，工艺状况可以在衬底的表面各处有所不同。因此，例如，衬底的边缘部分相比衬底的中心，可具有更高的被损坏的风险。
通常，可使用发射光谱(oes)监控蚀刻工艺。oes是检测等离子体的光学特性的变化的方法。然而，oes存在如下问题：oes的灵敏度会随着时间而降低，和/或使用oes很难在空间上监控等离子体工艺。
在本背景技术部分公开的上述信息只是为了加强对本发明的背景技术的理解，因此它可包含不构成在本国对本领域普通技术人员而言公知的现有技术的信息。
技术实现要素：
一些实施例提供一种监控单元，其能够通过使用由压电构件形成的振动器监控等离子体处理工艺。
一些其他实施例提供一种监控单元，其能够使用等离子体处理腔室中的石英部件监控等离子体处理工艺。
一些其他实施例提供一种制造半导体装置的方法，其包括监控在等离子体处理腔室中布置的石英部件的特征。
根据一些实施例的用于监控等离子体处理腔室的监控单元包括：压电构件，其位于等离子体处理腔室内并且包括暴露的表面；第一电极，其耦接到压电构件；电源单元，其耦接到第一电极并且构造为通过第一电极将电压施加到压电构件；以及控制单元，其耦接到压电构件并且构造为检测压电构件的振动频率。响应于施加到压电构件的电压，产生振动频率。
根据一些实施例的形成半导体装置的方法包括步骤：在等离子体处理腔室中提供衬底；在等离子体处理腔室中提供压电构件；对等离子体处理腔室中的衬底执行等离子体处理工艺；以及检测压电构件的压电特性响应于等离子体处理工艺的变化。
根据一些实施例的等离子体处理设备包括：腔室；腔室中的平台，其中平台构造为支撑要经受等离子体处理工艺的衬底；顶板，其位于腔室中并且布置为面向平台；以及监控单元，其构造为监控腔室中的等离子体处理工艺。监控单元包括：压电构件，其位于腔室中并且具有暴露的表面；一对电极，其连接到电源单元并且构造为将电压施加到压电构件；以及控制单元，其构造为检测压电构件的振动频率的变化。响应于施加到压电构件的电压，产生振动频率。
附图说明
图1a是示意性示出了根据一些实施例的监控单元的示图。
图1b是示出了根据一些实施例的用于监控等离子体处理腔室的部件的腐蚀的电路的电路示意图。
图2是用于描述由图1的监控单元测量的频率变化的示图。
图3是根据一些实施例的等离子体处理设备的截面示意图。
图4是示出了图3的等离子体处理设备中监控单元中的振动器的俯视图。
图5是在图4的a-a'方向上的截面图。
图6是示出了图3的等离子体处理设备中的监控单元中的振动器的修改示例的示图。
图7是示出了图3的等离子体处理设备中的监控单元中的振动器的另一修改示例的示图。
图8是根据另外一些实施例的等离子体处理设备的截面示意图。
图9是根据另外一些实施例的等离子体处理设备的截面示意图。
图10是示出了图9的等离子体处理设备中的监控单元中的振动器的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本公开的示例性实施例的监控单元。一些实施例提供一种能实时监控等离子体处理腔室中的部件的腐蚀程度的设备和/或方法，从而可在腐蚀严重之前更换部件。
图1a是示意性示出根据一些实施例的监控单元的示图。
参照图1a，在执行使用等离子体p的工艺(以下称为等离子体处理工艺)的腔室11中设置监控单元100。腔室11可以称为“工艺腔室”、“等离子体处理腔室”和/或“反应腔室”。监控单元100包括压电构件q、一对电极e、连接到电极e并且构造为向一对电极e施加电压的电源单元140、以及感测压电构件q的振动频率的rf传感单元150。压电构件q可布置在一对电极e之间。监控单元100还包括检测压电构件q的振动频率的变化的计算单元160，以及连接到计算单元160和电源单元140的控制单元170。控制单元170控制施加到电极e的电压的频率和/或大小。
压电构件q是当被施加电压时机械地改变的构件，并且可以是例如当被施加电压时产生机械振动和/或电振动的构件。在一些实施例中，压电构件q可以由石英晶体形成，石英晶体具有压电特性，使得当将电压施加到石英晶体时，产生均匀频率的振动。压电构件q不限于石英，而可以包括其它压电材料。为了描述方便，本文仅描述石英压电构件q。
一对电极e之间布置有压电构件q，以便将电压施加到压电构件q。电极e接收由电源单元140产生的电压，电源单元140可以是外部电源单元。也就是说，当电压通过电极e施加到压电构件q上时，由于压电效应在压电构件q中产生振动。
图1b是示出了监控单元100的构造的电路图。参照图1b，电源单元140将dc或ac电压施加到压电构件q上的电极e。电极e连接到rf传感单元150，rf传感单元150可包括感测和放大压电构件q的振动频率的放大器。将感测到的频率提供给计算单元160，计算单元160测量感测到的频率的变化。
如上所述，压电构件q和一对电极e的结合可提供振动器或谐振元件。例如，当一对电极e设置在由石英形成的板状压电构件q的相对侧时，压电构件q可充当振动器。因此，当电压通过电极e施加到压电构件q上时，可在压电构件q中产生均匀频率的振动。压电构件q的振动频率受压电构件q的厚度或质量影响，使得当压电构件q变薄时，频率增加。
再次参照图1a，位于腔室11中的压电构件q暴露于等离子体p，使得压电构件q的表面会受到等离子体p和/或在执行等离子体处理工艺的同时在工艺中所使用的气体的影响而变腐蚀。可替代地或附加地，在等离子体处理工艺期间，沉积物可附着到压电构件q的表面。因此，当对响应于施加到压电构件q的电压而产生的振动频率的变化进行分析时，可检测压电构件q的腐蚀量和/或沉积物的附着度。因此根据一些实施例，通过利用当压电构件的厚度或质量发生变化时压电构件的振动频率也发生变化的特性，监控单元100可监控等离子体处理设备中的各种特征。可使用根据本文所述的不同实施例的监控单元100来监控或控制等离子体处理工艺和/或等离子体处理腔室的状况。也就是说，根据本文所述的不同实施例，可监控和/或控制在执行工艺的等离子体处理腔室中的设备的状况和/或等离子体处理工艺本身的进度。
为了描述方便，本文所述的实施例将主要参照等离子体蚀刻工艺进行描述。然而，本发明构思不限于蚀刻工艺，并且还可适用于任何其它等离子体处理工艺。
图2是示出了由图1a和图1b的监控单元100测量的振动频率的变化的示图。
参照图2，左边的曲线图表示一个小时的蚀刻工艺之后监控单元100的压电构件q的振动的频率，右边的曲线图表示100个小时的蚀刻工艺之后监控单元100的压电构件q的振动的频率。监控单元100的压电构件q的表面会由于蚀刻工艺的操作而被腐蚀。通过比较图2中的两个曲线图可以看出，振动的频率随时间增长。结果，计算单元160可以通过实时监控压电构件q的振动频率来测量压电构件q的腐蚀程度。
再次参照图1b，压电构件q连接到传感单元150，传感单元150进而连接到计算单元160。传感单元150检测压电构件q的振动，并且计算单元160测量振动的频率。此外，电源单元140连接到一对电极e并且将使压电构件q振荡而选择的电压施加到压电构件q。
下面将参照不同附图详细描述包括监控单元100的等离子体处理设备的各种示例性实施例。
图3是根据一些实施例的等离子体处理设备的截面示意图。
下面的描述基于等离子体处理设备10是等离子体蚀刻设备的情况。
参照图3，等离子体处理设备10包括腔室11、顶板14、平台12和监控单元100。
腔室11限定了在衬底w上执行等离子体处理工艺的空间。衬底w表示待处理的材料。腔室11可以从外部密封，并且保持真空状态。腔室11可以与排出管线连接，用于在排出管线下部的一侧排出气体，并且排出管线可以连接到真空泵(未示出)。腔室11可以具有圆柱形形状或任何其它适当的形状。
顶板14构造为提供用于在腔室11内形成等离子体的反应气体。顶板14可布置在腔室11的上部空间。可以通过气体供应管线20提供反应气体。此外，为了进行有效的等离子体反应，顶板14可布置为面对其上放置有衬底w的平台12(下面描述)。此外，顶板14可包括被施加射频(rf)功率的头电极15。rf功率可以由电源16产生。因此，由于施加到头电极15的电压，从顶板14供应到衬底w上的反应气体会变成等离子体。电源16可通过滤波器17连接到头电极15，从而可将预定范围内的电压施加到头电极15。滤波器17还可减少/阻止施加到平台电极13上的rf能量干扰施加到头电极15的rf功率。
支撑衬底w的平台12可布置在腔室11的下部空间中，并且可布置为面对顶板14，从而使衬底w布置为与顶板14相邻。尽管附图中没有示出，但是平台12可包括诸如静电吸盘(未示出)的装置，用于吸附和支撑衬底w。此外，平台12可包括平台电极13，rf能量从rf偏置电源18施加到平台电极13上。在一些实施例中，平台电极13可以用直流偏压来偏置。因此，可将离子从等离子体p吸附到衬底w上，并且控制离子的能量。同时，平台电极13连接到滤波器19，从而可将具有预定范围内频率的所需电压施加到平台电极13，同时降低/防止施加到头电极15的rf分量侵入。
根据图3所示的实施例，监控单元100的压电构件q(见图1)可以形成为环形，并且可以布置在与衬底w的边缘对应的位置。因此，监控单元100可以在衬底w的边缘处监控等离子体处理工艺(例如，蚀刻工艺)的特征。
参照图3，监控单元100可包括第一石英环110。第一石英环110可以由石英形成，并可以布置为围绕与衬底w的外边缘相邻的平台12。例如，第一石英环110可包括在衬底w的蚀刻工艺期间保护平台12不被损坏的盖环。在这种情况下，盖环可以由石英形成。第一石英环110还可以包括聚焦环，用于存储衬底w的上侧附近的等离子体p并增加等离子体的密度。在这种情况下，聚焦环可以由石英形成。
如上所述，监控单元100的压电构件q(见图1)可以由围绕平台12上的衬底w的边缘布置的第一石英环110提供。一对电极可以布置在第一石英环110内，使得第一石英环110可以提供响应于所施加的电压以均匀频率振动的振动器。下面可参考附图描述配置第一石英环110的不同形式。
图4是示出了图3的等离子体处理设备中的监控单元100中的振动器的俯视图，图5是在图4的a-a'方向上的截面图。
如此处所示，构成振动器的一对电极中的至少一个可插入至或安装在压电构件q(见图1)内部，从而不暴露于等离子体中。因此，可降低/防止等离子体由于暴露的电极而受到影响，由此减少/防止工艺受到影响。
参照图4，电极可以插入且布置在第一石英环110的内部外围部分和外部外围部分中的每一个中。也就是说，该对电极111和112可以都插入或安装在第一石英环110内部。该对电极111和112可以形成为环形。因此，其内插入有该对电极111和112的第一石英环110可以充当振动器，使得当电压通过该对电极111和112施加到第一石英环110上时，第一石英环110以均匀的频率振动。
参照图5，在蚀刻工艺的情况下，第一石英环110的位于第一石英环110中的一对电极111和112之间的部分可以暴露于等离子体p中并且被等离子体p腐蚀。因此，随着蚀刻工艺的进行，第一石英环110的位于一对电极111和112之间的部分的厚度减小，这会改变第一石英环110振动的频率。否则，即使第一石英环110不直接暴露于等离子体p中，在等离子体处理工艺进行期间第一石英环110可以被各种因素轻微地消耗，使得第一石英环110振动的频率也会发生改变。虽然在附图中没有示出，在沉积工艺的情况下，材料会沉积在第一石英环110中的位于一对电极111和112之间的部分中，使得随着沉积工艺的进行，第一石英环110中的位于一对电极111和112之间的部分的厚度增加，这也会引起第一石英环110振动的频率发生变化。
为了方便将一对电极111和112插入第一石英环110中，第一石英环110可以分成多块。图5是通过将第一石英环110分成两块110a和110b来制造第一石英环110，以方便将一对电极111和112插入到第一石英环110的内部外围部分和外部外围部分的示例。可以通过以下方式来制造振动器：将一对电极111和112插入到由分割的两块110a和110b制造的第一石英环110中，然后将两块110a和110b结合在一起。两块110a和110b的结合可以使用任何合适的紧固装置，诸如粘合剂和/或螺栓。紧固装置可以由对等离子体不具有反应性的材料形成。此外，可以结合两块110a和110b使得在分割的块之间不产生空隙。
图6是示出图3的等离子体处理设备中监控单元中的振动器的修改示例的俯视图。
在图6的实施例中，压电构件q可以沿压电构件q的圆周被径向地分为多个弧形元件n。通过将压电构件q分成多个圆周块或元件，可监控等离子处理工艺的空间均匀性。
参照图6，第一石英环110可以由多个径向分割的块n形成。例如，第一石英环110可以由四块n形成，并且一对电极111和112可以插入和安装在四个分割的块n中的每一个的内部外围表面和外部外围表面中。在这种情况下，电压可以施加到设置在分割的块n中的每一个中的一对电极的每一个上。此外，多个分割的块n可以布置成彼此不分隔开，使得它们不会不利地影响第一石英环110的功能。图6示出了由第一石英环110和一对电极111和112形成的振动器被分割成四块的情况作为示例，但是本公开不限于此，并且振动器可以例如分割成三块或更少的块或者五块或更多的块。
因为第一石英环110被径向分割，所以可容易地监控蚀刻工艺是否在空间上均匀。参照图6，第一石英环110沿衬底w的边缘布置，使得当第一石英环110被分割成四块n时，可检测蚀刻工艺是否在衬底w的与每一块对应的部分上均匀地执行。
例如，当根据蚀刻工艺的进行四块n之间的振动频率的差异在参考范围内时，可以确定在与四块n对应的上部空间中蚀刻工艺是均匀的。与此相反，当四块n之间的振动频率的差异在参考范围之外时，可以确定在与四块n对应的上部空间中蚀刻工艺不均匀。此外，通过将各个块的频率进行比较可检测出第一石英环110被蚀刻得较严重的部分和被蚀刻得不太严重的部分。
图7是示出了根据其他实施例的图3的等离子体处理设备中的监控单元中的振动器的截面的图。
如其中所示，监控单元100的振动器的一对电极中的一个电极可以由用于在腔室11内产生等离子体的电极提供。因此，在现有的等离子体蚀刻设备中设置的电极可用作监控单元100的振动器的电极。
参照图7，振动器的一对电极中的一个电极112可以插入和安装在第一石英环110中，另一个电极可以是顶板14的头电极15(见图3)，头电极15被施加rf电压用于产生等离子体p。例如，一个电极(即，头电极15)可以布置在第一石英环110之上，等离子体p置于它们之间，并且另一个电极可以插入和安装在第一石英环110下部分。因此，当电压施加到头电极15上时，电流可通过作为导体的等离子体p传送到第一石英环110，并且可以流向面对头电极15设置在第一石英环110内部的另一电极112。在等离子体处理工艺期间，暴露于等离子体p中的第一石英环110的上部分被腐蚀。当第一石英环的上部分被腐蚀时，振动器的频率发生变化。在该实施例中，只有一个电极设置在第一石英环110中，并且等离子体蚀刻设备的头电极15可用作振动器的电极。在该实施例中，可无需提供单独的电压供应装置(例如，电源单元140，见图1)以向振动器提供电压。
虽然没有示出，但是即使在图7所示的形式的情况下，振动器可以被径向地分割成多个圆周块。在这种情况下，插入到第一石英环110中的电极112也可被分割成多块。然而，头电极15可以是用于多块中的每一个的振动器的公共电极。相关内容不再重复描述，并且上述内容可以原样应用于此。
图8是根据第二示例实施例的等离子体处理设备的截面示意图。在下面的描述中，仅描述与前面所公开的实施例的不同之处，并且省略类似元件的描述。
参照图8，监控单元100可包括第二石英环120。第二石英环120可以由石英形成，并可以围绕顶板14的外围布置。例如，第二石英环120可以包括屏蔽环，用于存储在衬底w的上侧的等离子体p并增加等离子的密度。在这种情况下，屏蔽环可以由石英形成。
如上所述，监控单元100的压电构件q(见图1)可以由围绕顶板14的边缘布置的第二石英环120形成，并且一对电极可以布置为将第二石英环120夹设在它们之间，使得压电构件q可以提供以均匀的频率振动的振动器。在一些实施例中，构成振动器的一对电极可以插入和安装在第二石英环120的内部外围部分和外部外围部分中。在其他实施例中，构成振动器的一对电极中的一个电极可以插入和安装在第二石英环120的上部分中，并且构成振动器的一对电极中的另一个电极可以由包括在平台12中的平台电极13提供。在一些实施例中，如上所述，第二石英环120和/或布置在其中的电极可以由多个分割的块形成。
图9是根据另外的实施例的等离子体处理设备的截面示意图，图10是示出了图9的等离子体处理设备中的监控单元中的振动器的示意图。
参照图9，监控单元100可包括透明窗130。窗130可以由石英形成，并可以插入和安装在腔室11的侧壁上形成的开口中。例如，窗130可包括终点检测(epd)窗，其允许在蚀刻工艺期间所产生的光通过。工艺的终点可以通过工艺所产生的光的波长的变化来确定。在一些实施例中，epd窗可以由石英形成。
参照图10，构成振动器的一对电极中的一个电极132可以安装在窗130中或窗130上，并且另一个电极可以是顶板14的头电极15(见图3)，头电极15被施加rf电压用于产生等离子体p。例如，在蚀刻工艺的情况下，窗130的一侧(即，面对腔室11的内部的一侧)可以暴露于等离子体p中并且在等离子体p中被腐蚀，并且一个电极132可以附接到窗130的另一侧(即，面对腔室11的外部的一侧)。因此，当电压施加到头电极15上时，电流通过作为导体的等离子体p传送到窗130的一侧，并且可以流向在窗130的另一侧布置的另一电极132。因此，窗130可以充当振动器，并且由于暴露于等离子体p中的窗130的一侧被腐蚀，所以振动器的频率会发生改变。在这种情况下，在窗130中安装仅一个电极就足够了，并且等离子体蚀刻设备的头电极15可以用作振动器的电极。在这种情况下中，可无需提供单独的电压供应装置(诸如电源单元140，见图1)以向振动器提供电压。
在一些实施例中，可以在附接到窗130的一个电极132中形成开口133。如上所述，窗130可以是epd窗，并且在这种情况下，在蚀刻工艺期间所产生的副产物的光波长将传输通过窗130。因此，开口133可以形成在附接到窗130的电极132中，以允许光通过。在这种情况下，为了充分地传送光量，可以形成多个开口。在其他实施例中，电极132可以是允许光波长通过的透明电极。透明电极在本领域中是公知的。
在其他实施例中，构成包括窗130的振动器的一对电极中的一个电极可以是平台12的平台电极13(见图3)。也就是说，由石英形成的窗130、平台电极13和附接到窗130上的电极132可以形成振动器。
此外，虽然附图中没有示出，但是多个窗130可以设置在腔室11的内壁上。在这种情况下，可监控等离子体处理工艺的腔室11中的空间特征。
现将描述通过使用等离子体处理设备在衬底上执行等离子体处理工艺来制造半导体芯片的方法。作为制造半导体芯片的方法的一部分，将描述在通过使用根据一些实施例的等离子体处理设备对等离子体处理工艺进行监控的同时，在衬底上执行等离子体处理工艺的过程。
首先，将待进行等离子体处理的衬底w放置在腔室11中。在这种情况下，衬底w可以具有盘形式，并且可以被固定或放置在平台12上。
接下来，在腔室11中形成等离子体。例如，可以将反应气体从顶板14供应到衬底w上，并且可以将rf电压施加到头电极15和平台电极13，以在腔室11中形成等离子体。
接下来，将电压施加到在腔室11中布置的压电构件。在这种情况下，压电构件可以暴露于等离子体中，并且一对电极布置为将压电构件夹设到它们之间以提供振动器。例如，腔室11中设置的第一石英环110、第二石英环120或窗130与一对电极一起可提供振动器。在这种情况下，一对电极中的至少一个电极可插入和安装到压电构件内部，从而不暴露于等离子体中。另外，一对电极中的一个电极可以安装在压电构件中，并且另一个电极可以是头电极15或平台电极13。在电极插入和安装到压电构件中的实施例中，一对电极可以连接到单独的电源单元。在提供振动器的一对电极中的一个电极是头电极15或平台电极13的实施例中，可以使用施加到头电极15或平台电极13上的功率本身，而无需单独的电源单元。如上所述，当电压施加到压电构件时，压电构件会振动。
当压电构件振动时，监控压电构件的频率振动。在这种情况下，可通过监控压电构件的振动频率，实时监控等离子体处理工艺。
例如，在蚀刻工艺的情况下，压电构件的暴露于等离子体中的表面由于蚀刻工艺而被腐蚀，由于压电构件的腐蚀，压电构件的振动频率改变。通过分析振动频率的变化，可检测压电构件的腐蚀量。通过使用所检测的压电构件的腐蚀量，可监控压电构件(例如，由石英形成的第一石英环110、第二石英环120或窗130)的更换时间。此外，在振动器由第一石英环110或第二石英环120形成的实施例中，可通过分析振动器的振动频率的变化，分析衬底w的边缘的周围区域的蚀刻工艺的特征变化。通常，在围绕衬底w的边缘的区域中会不均匀地执行蚀刻工艺。当监控围绕衬底w的边缘的区域中的蚀刻工艺的特征变化时，可能更有效地改善蚀刻工艺。例如，可将围绕衬底w的边缘的区域的蚀刻工艺的特征建立为数据，并且当改进蚀刻工艺时，可利用所建立的数据。此外，在第一石英环110和第二石英环120被分割为多块的情况下，可通过分析每一块的振动频率的改变来确定蚀刻工艺的空间均匀性。蚀刻工艺的空间均匀性可直接影响半导体芯片的质量，从而可改善衬底上制造的半导体芯片的质量。
可根据压电构件的振动频率的监控结果控制等离子体处理工艺。也就是说，监控压电构件的振动频率的结果可以反馈给等离子体处理工艺。例如，当确定到了更换压电构件的时候时，可中断等离子体处理工艺，并且可更换压电构件。此外，如果确定在围绕衬底的边缘的区域中蚀刻工艺异常，或者如果确定蚀刻工艺的空间均匀性存在问题，则可通过检查设备、调整工艺状况等修正工艺。
如上所述，已经通过有限的示例性实施例和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，并且本领域的技术人员可以在本公开的技术精神和以下所述的权利要求的等效范围内进行各种调整及修改。