半导体腔室清洗终点检测系统、方法、电子设备及存储介质与流程

本发明涉及半导体检测，具体涉及半导体腔室清洗终点检测系统、方法、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、在半导体薄膜沉积工艺中，反应腔室内部会持续累积沉积物，需定期使用含氟等离子体对腔体进行原位清洗。精确控制清洗终点至关重要——清洗不足会导致颗粒污染，过度清洗则会增加成本、损害腔室内壁并加速腔室部件的损耗。

2、相关技术中，主流的终点检测方法采用非色散红外吸收光谱技术，通过在探测器前加装窄带滤光片进行波长选择，仅允许目标气体特征波长附近极窄波段的光通过，检测过程完全受限于滤光片数值的选择及现实检测场景中气体的具体吸收情况是否有效匹配，带外光谱信息全部被丢弃，探测器最终只得到一个单一光强数值。因此相关技术每次只能监测一种预设气体，无法同步监测清洗尾气中同时存在的多种气体组分。即便通过多通道硬件增加检测气体种类，本质上仍是“一气体一通道”的堆叠，系统复杂度和成本随气体种类线性增长，且多气体共存时面临“一个方程、多个未知数”的欠定问题，交叉干扰无法从物理层面解耦。光强衰减为多种气体相互作用后的结果，单一维度光强测量无法区分各组分在光强衰减中所产生的各自贡献。同时，由于仅能获得单一光强数值，低浓度条件下信号极其微弱，检测灵敏度受限；且依赖绝对光强基准进行浓度反演，光源老化或光学窗口污染会导致系统测量漂移。相关技术中还通过干扰系数矩阵、神经网络等方法从重叠信号中推算各组分浓度进行算法补偿，但其本质上是在信息不足的前提下进行推算，进行信号的后续补偿而非从根本上获取有效信号，干扰系数随浓度变化，宽浓度范围内精度无法保证。从而导致现有半导体腔室清洗终点检测系统测得的是腔室排出气体的混合平均浓度，仅通过一个取样端口从排气口管路取样。然而在实际清洗工艺中，腔室不同高度区域的等离子体分布和沉积物厚度可能不同，上腔室区域、下腔室区域和排气口区域的清洗进度往往存在差异，单一位置的混合浓度无法反映各区域的真实清洗状态。

技术实现思路

1、本发明提供了一种半导体腔室清洗终点检测系统、方法、电子设备及存储介质，以解决相关半导体腔室清洗终点检测依赖滤光片进行波长选择而无法保留完整红外光谱信息，导致交叉干扰无法从物理层面解耦，同时无法识别腔室不同高度的清洗不均匀性的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种半导体腔室清洗终点检测系统，用于对半导体薄膜生长设备的清洁工艺过程进行实时检测，包括：红外光源模块，包括中红外超连续谱光源，用于发出红外光；光学气室，设置于所述红外光源模块的出光侧，用于通过待测气体，所述光学气室具有多个气体入口和多个气体出口；双曲超材料散射体，设置于所述红外光穿过光学气室的出射端，所述双曲超材料散射体由亚波长尺度的金属层和介质层交替堆叠的多层膜结构构成，所述多层膜结构的介电常数张量具有符号相反的介电常数主分量；环状半导体探测器阵列，环绕所述双曲超材料散射体布置，包括多个像素化探测器单元，各所述探测器单元配置为输出能量信号和位置信号；信号处理模块，包括：数据采集单元，与各所述探测器单元的输出端连接，配置为采集各所述探测器单元的能量信号和位置信号；时间符合探测单元，与所述数据采集单元连接，配置为根据同一探测器单元输出的位置信号和能量信号的到达时间差，鉴别并提取同一康普顿散射事件的成对信号，所述到达时间差小于10ns；角度计算单元，与所述时间符合探测单元连接，配置为根据所述成对信号中的位置信号所对应的探测器单元的位置，计算散射角度；能量反推单元，与所述角度计算单元和所述时间符合探测单元连接，配置为根据所述成对信号中的散射光子能量和所述散射角度，基于康普顿散射公式反推入射光子能量；光谱重建单元，与所述能量反推单元连接，配置为对多个所述入射光子能量进行统计，以小于5mev的能量箱宽度划分能量区间，生成各能量箱的计数分布，以构成红外吸收光谱；浓度输出单元，与所述光谱重建单元连接，配置为根据所述红外吸收光谱分别从第一能量箱组提取第一目标组分浓度信号、从第二能量箱组提取第二目标组分浓度信号，所述第一能量箱组和所述第二能量箱组分别对应不同的能量区间；终点确定单元，与所述浓度输出单元连接，配置为根据所述浓度信号确定清洗终点并输出清洗终点信号；控制模块，与所述信号处理模块和所述半导体薄膜生长设备的执行机构通信连接，配置为接收所述浓度信号，并根据所述浓度信号的实时变化向所述执行机构输出控制信号以调节工艺参数。

3、有益效果：本发明提供的半导体腔室清洗终点检测系统，通过设置由亚波长金属层和介质层交替堆叠构成且介电常数张量符号相反的双曲超材料散射体，将红外光谱信息编码为散射光子的能量－角度二元组；通过环绕双曲超材料散射体布置的环状半导体探测器阵列同时捕获各散射光子的能量信号和位置信号，信号处理模块据此重建红外吸收光谱并确定目标组分浓度，使系统在不使用滤光片的情况下实现多气体同步监测，克服了相关技术中因滤光片波长选择导致无法保留完整光谱信息、多气体共存时各组分贡献无法区分的局限。

4、信号处理模块通过数据采集单元获取各探测器单元的能量信号和位置信号，时间符合探测单元根据同一探测器单元位置信号和能量信号的小于10ns到达时间差鉴别同一康普顿散射事件的成对信号，有效排除了非相关噪声；角度计算单元和能量反推单元基于康普顿散射公式从散射角度和散射光子能量反推入射光子能量，光谱重建单元以小于5mev的能量箱宽度统计各能量箱事件计数构成完整红外吸收光谱，浓度输出单元分别从两组不同能量区间提取两种目标组分浓度信号，将光子事件直接转化为目标气体的浓度值。

5、控制模块根据所述浓度信号的实时变化向所述执行机构输出控制信号以调节工艺参数，包括：调节喷淋头的气体分布模式，通过改变喷淋头喷气孔排布或调节可倾斜阀来改变排气间隙以调整腔室内不同区域的自由基浓度；通过高级过程控制单元根据各区域终点检测信号动态调整不同区域的等离子体功率或偏压，以优化清洗均匀性；调节腔室壁温或对不同区域应用差异化的涂层厚度以改善指定区域的清洗效率。上述多维度工艺参数调节使系统从被动检测升级为主动闭环控制，实现了腔室不同高度区域的同步清洗终点确认，避免了局部过清洗或清洗不足对工艺良率的影响。

6、在一种可选的实施方式中，所述多层膜结构由10至30个金属层和介质层交替堆叠的双分子层构成；各所述双分子层中的所述金属层和所述介质层的厚度比值在0.1至2范围内，以使所述双曲超材料散射体的光子局域态密度在多种目标组分的特征吸收峰处同时具有局域态密度极大值；所述双曲超材料散射体的介电常数张量在9μm至11μm波段范围内具有符号相反的介电常数主分量。

7、有益效果：多层膜结构由10至30个金属层和介质层交替堆叠的双分子层构成，金属层与介质层的厚度比值在0.1至2范围内，该结构使双曲超材料散射体的介电常数张量在9μm至11μm波段范围内具有符号相反的介电常数主分量，光子局域态密度在多种目标组分的特征吸收峰处同时具有极大值。该参数组合保证了双曲超材料散射体对红外波段康普顿散射信号的非共振宽带增强效应，使原本在红外波段极其微弱的康普顿散射信号达到可检测水平，为多气体同步监测提供了物理基础。

8、在一种可选的实施方式中，所述金属层的材料为氮化钛，厚度为5nm至20nm；所述介质层的材料为氧化铝，厚度为10nm至50nm。

9、有益效果：金属层采用氮化钛、介质层采用氧化铝的材料组合，使双曲超材料散射体在具备双曲超材料光学性能的同时与互补金属氧化物半导体（complementary metaloxide semiconductor，cmos）工艺完全兼容。5nm至20nm的金属层厚度和10nm至50nm的介质层厚度均为亚波长尺度，满足有效介质近似条件，保证了多层膜结构在中红外波段形成双曲型色散关系，实现康普顿散射截面的有效增强。

10、在一种可选的实施方式中，所述环状半导体探测器阵列呈环状布置，所述环状半导体探测器阵列的内半径为30mm至60mm，外半径为50mm至80mm，所述环状半导体探测器阵列的工作温度为80k至150k，时间分辨率小于10ns，单光子计数模式的暗计数率小于100counts/s；所述探测器单元数量为64个至256个，各所述探测器单元的像元尺寸为10μm×10μm，各所述探测器单元的探测器材料采用镉组分取值为0.20至0.25且响应截止波长大于14μm的碲镉汞材料，或者粒径为1nm至20nm且响应截止波长大于14μm的量子点红外探测器材料。

11、有益效果：环状半导体探测器阵列呈环状布置于双曲超材料散射体周围，内半径30mm至60mm、外半径50mm至80mm的几何参数将探测器单元布置在散射光子概率密度最高的位置，提高了探测效率；碲镉汞材料（cd组分0.20-0.25）或量子点材料（粒径1-20nm）的截止波长大于14μm，覆盖全部目标气体特征吸收峰；80k至150k工作温度、小于10ns时间分辨率和小于100counts/s的暗计数率使系统在单光子计数模式下具备极低噪声基底，确保低浓度目标气体的真实信号不被暗计数淹没。

12、在一种可选的实施方式中，所述光学气室包括：压电自清洁结构，设置于所述光学气室的光学窗口表面，所述压电自清洁结构配置为通过产生超声频率振荡清除所述光学窗口表面的污染物；参考光路，所述参考光路经过所述光学气室的窗口区域，所述窗口区域与所述光学气室内部的气体流通通道相隔离，所述参考光路配置为监测所述光学窗口的污染程度；所述信号处理模块还配置为根据所述参考光路的光强衰减量生成窗口污染补偿系数，并根据所述窗口污染补偿系数对所述浓度信号进行补偿校正。

13、有益效果：光学气室的压电自清洁结构通过超声频率振荡物理清除光学窗口表面的沉积物，参考光路经过窗口区域但不经过待测气体吸收光程以监测窗口污染程度，信号处理模块根据参考光路光强衰减量生成补偿系数对浓度信号进行校正。物理清除与软件补偿的双重保障有效解决了光学窗口在fab（fabrication，半导体制造工厂）的严苛环境中易受污染导致的信号衰减和测量漂移问题，避免了窗口污染引起的假终点误判。

14、在一种可选的实施方式中，所述终点确定单元包括：第一微分器，配置为对所述第一目标组分浓度信号进行时间微分，输出第一目标组分生成速率信号；第二微分器，配置为对所述第二目标组分浓度信号进行时间微分，输出第二目标组分消耗速率信号；比值比较器，配置为计算所述第一目标组分生成速率信号与所述第二目标组分消耗速率信号的归一化比值；终点触发器，配置为在所述归一化比值小于第一阈值且持续超过第一持续时间时输出清洗终点信号。

15、有益效果：终点确定单元通过第一微分器对第一目标组分浓度信号进行时间微分获得生成速率信号，通过第二微分器对第二目标组分浓度信号进行时间微分获得消耗速率信号，比值比较器计算两者的归一化比值，终点触发器在该比值小于第一阈值且持续超过第一持续时间时输出清洗终点信号。该方案利用副产物生成速率与刻蚀剂消耗速率的同步变化进行双信号交叉验证判断终点，避免了传统单一浓度阈值法因浓度波动导致的误判，提高了终点检测的可靠性。

16、在一种可选的实施方式中，所述终点触发器存储有多组预设阈值，各组预设阈值分别对应于不同的沉积材料类型和不同的沉积厚度；所述终点触发器具有工艺参数输入端，配置为接入当前沉积材料类型信号、当前沉积厚度信号、当前腔体温度信号和当前腔体压力信号；所述终点触发器配置为根据所述当前沉积材料类型信号、所述当前沉积厚度信号、所述当前腔体温度信号和所述当前腔体压力信号，从所述多组预设阈值中选择对应的一组作为所述第一阈值和所述第一持续时间。

17、有益效果：终点触发器存储有多组分别对应不同沉积材料类型和沉积厚度的预设阈值，并通过工艺参数输入端接入当前沉积材料类型、沉积厚度、腔体温度和腔体压力信号，根据这些工艺参数自动选择对应的一组作为第一阈值和第一持续时间。不同沉积材料的清洗终点特征不同，该自适应阈值配置使终点判断精度提高，避免了固定阈值方案在不同工艺条件下可能出现的过清洗或清洗不足。

18、在一种可选的实施方式中，所述终点确定单元还包括：第一微分器，配置为对所述第一目标组分浓度信号进行时间微分，输出第一目标组分生成速率信号；速率变化率计算器，配置为对所述第一目标组分生成速率信号进行时间微分，输出所述第一目标组分生成速率的速率变化率信号；终点触发器，配置为：在所述第一目标组分生成速率信号小于零，且超过第二持续时间时，输出预备终点信号并进入预备终点状态；在所述预备终点状态下，所述速率变化率信号小于零且速率变化率信号的绝对值呈整体增大趋势；当浓度信号小于预设浓度阈值，且第一目标组分生成速率信号小于零并超过第二持续时间，则输出所述清洗终点信号。

19、有益效果：终点确定单元设置速率变化率计算器对第一目标组分生成速率信号进行时间微分，输出速率变化率信号，用于表征所述第一目标组分浓度下降速率的变化趋势；终点触发器在所述第一目标组分生成速率信号小于零且超过第二持续时间时输出预备终点信号，并在所述速率变化率信号小于零且其绝对值呈整体增大趋势（表明浓度下降速率持续加快、已进入稳定衰减阶段）时保持预备终点状态，当第一目标组分浓度信号低于预设浓度阈值且生成速率信号持续小于零超过第二持续时间时输出清洗终点信号。该方案通过在预备终点状态下持续监测浓度下降速率的变化趋势，有效区分真实终点与因工艺波动导致的浓度反弹，避免了信号波动引起的假终点误判。

20、在一种可选的实施方式中，所述第一目标组分包括sif4、sicl4、sih4、si2h6、sih2cl2、sihcl3或teos中的至少一种；所述第二目标组分包括nf3、sf6、cf4、c2f6、c3f8、c4f8、chf3、ch2f2或hf中的至少一种。

21、有益效果：系统可检测的第一目标组分为清洁工艺生成气体产物、第二目标组分为清洁工艺反应消耗气体，通过同时监测含硅副产物生成速率与含氟清洗剂消耗速率，构建双维度终点判据，可有效区分“沉积物真正清除”与“刻蚀剂供应异常”导致的信号变化，提升终点判断可靠性。同时，第一和第二目标组分涵盖多种具体气体，使系统能够适配不同沉积材料和清洗气体配方，具备广泛的工艺兼容性。

22、在一种可选的实施方式中，所述信号处理模块还包括：滞后补偿单元，与所述终点确定单元的输出端连接，配置为在所述清洗终点信号输出后等待气体传输延迟时间再输出所述清洗终点信号；所述气体传输延迟时间通过以下方式获得：在所述半导体腔室清洗工艺开始时，向所述半导体腔室内注入示踪气体，测量所述示踪气体从注入时刻至到达所述光学气室的时刻之间的时间差，并将所述时间差乘以校正系数后作为所述气体传输延迟时间；所述校正系数根据所述示踪气体与所述清洗气体的分子量和黏度差异确定。

23、有益效果：滞后补偿单元将清洗终点信号延迟气体传输延迟时间后输出，该延迟时间通过在清洗工艺开始时向腔室内注入示踪气体、测量其从注入时刻至到达光学气室的时刻之间的时间差来实时获得。由于示踪气体与清洗气体的分子量和黏度不同，两者在相同管路中的传输速度存在差异，本方案通过校正系数对测量结果进行修正，以准确计算出清洗气体的实际传输延迟时间。该方案消除了气体从腔室传输至光学气室存在的数秒至数十秒延迟导致的终点判断滞后，使等离子体关断时刻与腔室实际清洗完成时刻精确同步，避免了过清洗对腔室部件的损害。

24、在一种可选的实施方式中，所述光学气室具有多个气体入口和多个气体出口，各所述气体入口分别与半导体腔室壁体在不同高度处设置的多个独立取样端口连通；所述光学气室内部具有多个沿所述半导体腔室的高度方向排列且相互隔离的气体流通通道，各所述气体流通通道分别与各所述气体入口连通，各所述气体流通通道内的气体保持空间分离状态；所述红外光源模块配置为输出多束并行红外光，各束所述红外光分别沿垂直于各所述气体流通通道的方向透射通过所述光学气室的对应气体流通通道；所述环状半导体探测器阵列沿所述光学气室的高度方向间隔布置有多个探测器层，各所述探测器层分别对应接收穿过各所述气体流通通道的透射光信号，独立输出能量信号和位置信号；所述信号处理模块还包括多个并行处理子模块，各所述并行处理子模块分别与各所述探测器层对应连接，分别独立对对应探测器层的信号进行处理并实时输出局部浓度信号；所述终点确定单元还配置为接收各所述并行处理子模块输出的所述局部浓度信号，根据各通道的浓度信号计算不同高度区域之间的浓度差异，当任一所述局部浓度信号输出且各通道之间的浓度差异超过预设差异阈值时，生成调节指令，所述调节指令用于调整所述半导体薄膜生长设备的工艺参数，当全部所述局部浓度信号均达到清洗完成的预设浓度阈值时，输出清洗终点确认信号。

25、有益效果：光学气室具有多个分别连接不同高度取样端口的气体入口和相互隔离的气体流通通道，红外光源模块输出多束并行红外光分别透射通过对应通道，环状半导体探测器阵列沿高度方向间隔布置多个探测器层分别接收对应通道信号，各并行处理子模块独立判断各通道终点。终点确定单元在任一端点预警信号输出且各通道浓度差异超过预设阈值时，生成调节指令调整工艺参数使各区域清洗进度趋于同步，仅在全部通道均完成清洗时输出确认信号。实现了对腔室不同高度区域的独立取样和主动闭环调节，克服了单点检测的空间盲区缺陷，使全腔室同步到达清洗终点。

26、在一种可选的实施方式中，所述信号处理模块还包括清洗均匀性评估单元，分别与各所述并行处理子模块的浓度输出端连接，所述清洗均匀性评估单元配置为：在各所述并行处理子模块的浓度信号由稳定阶段转入下降阶段时，计算各通道之间的浓度差异；当所述浓度差异超过预设差异阈值时，生成调节指令，所述调节指令用于调整所述半导体薄膜生长设备的工艺参数，以使各高度区域的清洗进度趋于同步。

27、有益效果：清洗均匀性评估单元在各并行处理子模块的浓度信号由稳定阶段转入下降阶段时，计算各通道之间的浓度差异，当差异超过预设阈值时生成调节指令调整工艺参数，使各高度区域的清洗进度趋于同步。该方案在清洗后期主动介入调节，避免了各区域因清洗速率差异导致的不同步问题，确保了全腔室同步到达清洗终点。

28、在一种可选的实施方式中，所述系统还包括等离子体源控制器，与所述控制模块连接，配置为响应于清洗终点确认信号关闭等离子体源；所述控制模块还包括多级控制输出单元，与所述半导体薄膜生长设备的工艺参数控制器连接，所述多级控制输出单元配置为：在所述终点确定单元输出所述清洗终点确认信号后，向等离子体源控制器输出功率降低指令，将等离子体源功率降低至预设的第一功率水平；在所述等离子体源功率降低至第一功率水平的第一预设时间间隔后，向所述等离子体源控制器输出功率关断指令，关闭等离子体源；在所述等离子体源关闭的第二预设时间间隔后，向所述半导体腔室的气体供应系统输出气体切换指令，将清洗气体切换为惰性吹扫气体。

29、有益效果：控制模块的多级控制输出单元在终点确认后依次向等离子体源控制器输出功率降低指令、功率关断指令和向气体供应系统输出气体切换指令，形成多级控制序列；等离子体源控制器响应于清洗终点确认信号关闭等离子体源，形成从检测到执行的完整闭环控制链路。

30、在一种可选的实施方式中，所述信号处理模块还包括：安全联锁单元，配置为在所述浓度信号中的任一者超过对应的安全阈值时，输出安全联锁信号；所述安全联锁信号发送至所述半导体腔室的气体供应系统的紧急切断阀。

31、有益效果：安全联锁单元在任一目标组分浓度信号超过对应安全阈值时输出安全联锁信号至气体供应系统紧急切断阀，在清洗工艺异常时自动终止气体供应，保障了设备和人员安全。

32、第二方面，本发明提供了一种半导体腔室清洗终点检测方法，应用于上述第一方面或其对应的任一实施方式的系统，包括：通过设置于半导体腔室壁体不同高度处的多个独立取样端口，分别从所述半导体腔室的不同高度区域独立抽取气体；通过中红外超连续谱光源输出的红外光穿过容纳所述气体的光学气室；将穿过所述光学气室的红外光入射至所述双曲超材料散射体，以使入射光子与所述双曲超材料散射体内的电子发生康普顿散射；通过环绕所述双曲超材料散射体布置的环状半导体探测器阵列捕获散射光子，各探测器单元输出能量信号和位置信号；根据所述能量信号和所述位置信号重建红外吸收光谱，并根据所述红外吸收光谱确定各目标组分的浓度；根据各目标组分的浓度判断清洗终点。

33、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的半导体腔室清洗终点检测方法。

34、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的半导体腔室清洗终点检测方法。

35、本发明通过双曲超材料散射体将红外光谱信息完整编码为散射光子的能量－角度二元组，替代了传统非色散红外吸收光谱技术中依赖滤光片进行波长选择而丢弃绝大部分光谱信息的测量方式；通过环绕双曲超材料散射体布置的环状半导体探测器阵列同时捕获各散射光子的能量信号和位置信号，信号处理模块据此重建完整红外吸收光谱并确定多目标组分浓度，同时通过多通道空间分辨监测实现对腔室不同高度区域的独立取样和同步终点判断，从而在不使用滤光片的情况下实现多气体同步监测，克服了相关技术中因滤光片波长选择导致无法保留完整光谱信息、多气体共存时各组分贡献无法区分、单点检测无法识别腔室不同高度区域清洗进度差异的技术问题，能够提升检测灵敏度，并实现全腔室不同高度空间均匀的清洗终点确认。