腔室泄露检测方法和半导体工艺设备与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种腔室泄露检测方法和半导体工艺设备。


背景技术：

2.在晶圆制造过程中，一些工艺的实施需要在真空条件下进行。例如在刻蚀工艺中，反应腔室需要在真空状态下产生等离子体，对晶圆进行刻蚀。
3.在真空条件下对晶圆进行加工时，若反应腔室发生泄露，会导致制造得到的晶圆不良。为了避免反应腔室发生泄露，影响晶圆质量，需要在生产过程中定期对反应腔室的漏率进行检测，以确定反应腔室是否发生泄露。在先技术中，漏率检测需要停止反应腔室，耗费较长的检测时间，会降低半导体工艺设备的生产效率。


技术实现要素：

4.本发明实施例所要解决的技术问题是在半导体工艺设备中对反应腔室进行漏率检测时，耗费时间较长，降低生产效率的问题。
5.为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种腔室泄露检测方法，应用于半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括反应腔室，所述反应腔室上设置有光谱发射仪，所述方法包括：
6.通过所述光谱发射仪获取所述反应腔室中气体的光谱信息；
7.从所述光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强度值和第二波长范围内的第二光强度值；所述第一波长范围对应的第一气体包括所述反应腔室在泄露情况下，从外部环境进入所述反应腔室的目标气体，所述第二波长范围对应的第二气体不包括所述目标气体；
8.在所述第一光强度值与所述第二光强度值的比值不低于预设比值的情况下，输出表征所述反应腔室泄露的报警信息。
9.可选地，在所述从所述光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强度值和第二波长范围内的第二光强度值之前，还包括：
10.确定所述反应腔室在执行预设工艺菜单所包括的多个工艺步骤中的目标工艺步骤；所述工艺菜单用于控制所述反应腔室依次执行所述多个工艺步骤，以对所述反应腔室内的晶圆进行加工；
11.其中，在所述目标工艺步骤中，所述反应腔室内包括的所述第一气体的含量与所述第二气体的含量之间的比值不变。
12.可选地，所述目标工艺步骤为所述工艺菜单中的腔室清洁步骤；所述腔室清洁步骤用于向所述反应腔室内通入清洁气体，将所述清洁气体形成等离子体以对所述反应腔室进行清洗，在所述腔室清洁步骤中，所述反应腔室内不包括所述晶圆。
13.可选地，在所述从所述反应腔室内的光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强
度值和第二波长范围内的第二光强度值之前，还包括：
14.在所述反应腔室的漏率低于预设漏率的情况下，获取所述第一光强度值和所述第二光强度值，并根据获取得所述第一光强度值和所述第二光强度值计算所述预设比值。
15.可选地，在所述输出表征所述反应腔室泄露的报警信息之后，还包括：
16.控制关闭所述反应腔室的所有阀门，使所述反应腔室处于密闭状态；
17.控制所述半导体工艺设备中的抽真空装置动作，将密闭状态下的所述反应腔室抽真空至预设压力，并检测所述反应腔室的压力，得到初始压力值；
18.在得到所述初始压力值之后开始计时，并在计时时长达到预设时长的情况下，检测所述反应腔室的压力，得到结束压力值；
19.根据所述初始压力值、所述结束压力值和所述预设时长，获取所述反应腔室的漏率。
20.可选地，所述第一气体包括氮气或氧气。
21.可选地，当所述第一气体包括氮气时，所述第二气体包括由银元素和氯元素组成的气体。
22.可选地，第一波长范围包括从336至338纳米的波长范围。
23.可选地，所述第二波长范围包括从520纳米至528纳米的波长范围。
24.本发明实施例还公开了一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括控制器，所述半导体工艺设备还包括反应腔室，所述反应腔室上设置有光谱发射仪；所述控制器用于执行如上所述的腔室泄露检测方法。
25.与背景技术相比，本发明包括以下优点：半导体工艺设备通过光谱发射仪获取反应腔室中气体的光谱信息，从光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强度值和第二波长范围内的第二光强度值，在第一光强度值与第二光强度值的比值不低于预设比值的情况下，输出表征反应腔室泄露的报警信息。通过反应腔室内气体的光谱信息确定反应腔室是否发生泄露，并不需要根据反应腔室的漏率判断反应腔室是否发生泄露，因此并不需要停止反应腔室对漏率进行检测，同时由于不需要控制反应腔室上的阀门动作，避免了因频繁开启阀门，导致阀门动作产生的副产物回流至反应腔室内的问题，不需要设置额外的清洁步骤清洁回流至反应腔室内的副产物，可以提高半导体工艺设备的生产效率。
附图说明
26.图1示出了本发明的一种腔室泄露检测方法实施例的步骤流程图；
27.图2示出了本发明的一组实验数据图；
28.图3示出了本发明的另一组实验数据图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
30.为了便于理解本发明，首先对在先技术中反应腔室的泄漏检测方法进行介绍，在先技术中，为了检测反应腔室是否泄漏，需要停止半导体工艺设备，并关闭反应腔室上的所有阀门，使反应腔室处于密闭状态，在密闭状态下检测反应腔室的漏率，通过漏率大小判断
反应腔室是否发生泄漏。在漏率检测过程中，需要多次开启反应腔室上的阀门，在阀门动作过程中，附着在阀门上的副产物会进入反应腔室，因此在漏率检测完成后需要对反应腔室进行清洁。也就是说，在漏率检测过程不仅需要停止半导体工艺设备，而且在检测完成后需要对反应腔室进行清洁，需要耗费较长的时间，会降低半导体工艺设备的生产效率。
31.参照图1，示出了本发明的一种腔室泄露检测方法实施例的步骤流程图，该方法可以包括如下步骤：
32.步骤101、通过光谱发射仪获取反应腔室中气体的光谱信息。
33.步骤102、从光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强度值和第二波长范围内的第二光强度值。
34.其中，第一波长范围对应的第一气体包括反应腔室在泄露情况下，从外部环境进入反应腔室的目标气体，第二波长范围对应的第二气体不包括目标气体。
35.本实施例中，腔室泄露检测方法可以由半导体工艺设备中的控制器实施，控制器可以是半导体工艺设备中包括的上位机中的控制器或者下位机中的控制器。半导体工艺设备中包括一个或多个反应腔室，反应腔室例如对晶圆进行等离子体刻蚀的反应腔室，也可以是对晶圆进行其他工艺处理的反应腔室。反应腔室上安装有光谱发射仪(optical emission spectrometer，oes)，oes与控制器通信连接，oes可以采集反应腔室内气体的光谱信息，并向控制器发送采集到的光谱信息。光谱信息中包括不同波长的谱线，不同波长的谱线对应不同的气体，谱线的光强度值越大，表示该谱线对应的气体在反应腔室内的含量越大。
36.第一气体包括的目标气体可以是反应腔室所处的外部环境，例如大气环境中的一种或多种气体，在反应腔室发生泄露时，大气环境中的目标气体(即第一气体)可以从泄露位置进入反应腔室，可以使反应腔室内第一气体的含量增加。第二气体作为参考气体，可以是反应腔室内的一种或多种气体，第二气体中不包括目标气体，因此在反应腔室发生泄露时，反应腔室内第二气体的含量不因反应腔室的泄露发生变化。在反应腔室未泄露的情况下，反应腔室内的第一气体的含量和第二气体的含量不变，或者同步增加，或者同步减少，因此反应腔室内第一气体的含量和第二气体的含量之间的比值恒定。在反应腔室泄露的情况下，外部环境中的第一气体从泄露位置进入反应腔室，使反应腔室内第一气体的含量增加，从而使反应腔室内第一气体的含量和第二气体的含量之间的比值发生变化。
37.相应的，在反应腔室未泄露时，由于反应腔室内第一气体的含量和第二气体的含量之间的比值恒定，在光谱信息中，第一气体对应的第一波长范围内的第一光强度值与第二气体对应的第二波长范围内的第二光强度值之间的比值恒定，或者位于预设范围内。相反的，当反应腔室泄露时，外部环境中的第一气体进入反应腔室，导致反应腔室内第一气体的含量增加，从而导致第一气体的含量和第二气体的含量之间的比值发生变化，此时第一波长范围内的第一光强度值与第二波长范围内的第二光强度值之间的比值发生变化。当第一光强度值与第二光强度值之间的比值大于预设比值时，可以确定反应腔室发生泄露，无法对晶圆进行正常的工艺处理。
38.本实施例中，可以从反应腔室所处的外部环境和反应腔室内包括的所有气体中，选择既存在于反应腔室，也存在于外部环境的气体作为第一气体，以及选择存在于反应腔室，但不存在于外部环境的气体作为第二气体。结合上述举例，当反应腔室为反应腔室时，
目标气体可以为大气环境中的氮气，氮气对应的谱线的波长范围在336至338纳米(nm)之间，可以选择336至338纳米之间的任意数值，例如337纳米。第二气体可以是由银元素和氯元素组成的气体，银元素和氯元素组成的气体的谱线的波长范围在520纳米至528纳米之间，可以选择520纳米至528纳米之间的任意数值，例如526纳米。其中，第一气体和第二气体可以根据反应腔室的工艺特点选择，本实施例对此不做限制。
39.结合上述举例，控制器在检测反应腔室是否发生泄露时，首先可以通过oes设备获取反应腔室内气体的光谱信息，然后从光谱信息中确定第一波长范围内的第一光强度值，即337纳米对应的谱线的光强度值，以及确定第二波长范围内的第二光强度值，即526纳米对应的谱线的光强度值。获取光谱信息，从光谱信息中获取光强度值的具体过程可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。
40.需要说明的是，在选择第一气体和第二气体的过程中，可以根据反应腔室的工艺特点选择，如在正常工艺处理过程中，需要向反应腔室内通入氮气，导致反应腔室内氮气的含量增加，可以不将氮气作为第一气体，而选择其他气体作为第一气体。例如，若在正常工艺处理过程中，反应腔室在工艺过程中不会产生氧气也不会通入氧气，可以将氧气作为第一气体。由于氧气和氮气在大气环境中所含的比例较高，在第一气体包括氧气或氮气时，可以快速的检测腔室是否泄漏。
41.步骤103、在第一光强度值与第二光强度值的比值不低于预设比值的情况下，输出表征反应腔室泄露的报警信息。
42.其中，在反应腔室未泄露的情况下，第一光强度值与第二光强度值之间的比值位于预设范围内、且低于预设比值。本实施例中，首先可以检测确定反应腔室在未泄露的情况下，第一光强度值与第二光强度值之间的比值范围(即预设范围)，在获取到第一光强度值和第二光强度值之后，可以计算第一光强度值和第二光强度值之间的比值，当第一光强度值与第二光强度值之间的比值大于或等于预设比值时，可以确定反应腔室发生泄露。结合上述举例，首先可以在反应腔室未泄露的情况下，检测确定337纳米对应的谱线的光强度值与526纳米对应的谱线的光强度值之间的比值范围，并确定预设比值，预设比值可以是比值范围内的最大值或平均值。在泄露检测过程中，当从光谱信息中确定第一光强度值和第二光强度值之后，计算第一光强度值和第二光强度值之间的比值，若比值大于或等于预设比值，说明反应腔室内氮气的含量增加，导致反应腔室内第一气体的含量与第二气体的含量之间的比值发生变化，此时可以确定反应腔室内存在从外部环境进入反应腔室的氮气，从而可以确定反应腔室发生泄露。在确定反应腔室发生泄露之后，控制器可以控制声光报警装置输出声光报警信号，或者在上位机的显示界面显示提示信息，提示工作人员反应腔室发生泄露。进一步的，在反应腔室发生泄露之后，控制器可以控制停止整个半导体工艺设备，停止对晶圆进行加工，以避免在泄露情况下加工得到不符合质量要求的晶圆。相反的，当第一光强度值和第二光强度值之间的比值低于预设比值时，可以确定反应腔室未发生泄露，可以继续对晶圆进行工艺处理。
43.可选地，在步骤102之前，该方法还可以包括：
44.确定反应腔室在执行预设工艺菜单所包括的多个工艺步骤中的目标工艺步骤；工艺菜单用于控制反应腔室依次执行多个工艺步骤，以对反应腔室内的晶圆进行加工；
45.其中，在目标工艺步骤中，反应腔室内包括的第一气体与第二气体的比值不变。
46.本实施例中，半导体工艺设备可以通过预设工艺菜单中的多个工艺步骤控制反应腔室动作，对反应腔室内的晶圆进行加工处理。结合上述举例，反应腔室的工艺菜单中包括刻蚀步骤、去光刻胶步骤和腔室清洁步骤等，在刻蚀步骤的配方(recipe)中限定了等离子体刻蚀过程中通入反应腔室的气体类型、流量和压力等参数，在去光刻胶步骤的配方中限定了通入反应腔室的气体类型、流量和压力等参数，在腔室清洁步骤的配方中限定了通入反应腔室的气体类型、流量和压力等参数。控制器可以在晶圆放入反应腔室之后，先根据刻蚀步骤的配方中的气体类型、流量和压力等参数，控制反应腔室中的各个装置动作，对晶圆进行刻蚀，然后在刻蚀步骤完成之后，根据去光刻胶步骤的配方中的气体类型、流量和压力等参数，控制反应腔室中的各个装置动作，进行去光刻胶，最后根据腔室清洁步骤的配方中的气体类型、流量和压力等参数，控制反应腔室中的各个装置动作，对反应腔室进行清洗。可以从刻蚀步骤、去光刻胶步骤和腔室清洁步骤中选择一个步骤作为目标工艺步骤，在执行目标步骤工艺步骤的过程中，反应腔室内第一气体和第二气体的含量均保持不变，或者同步增加，或者同步减少，二者的比值不变。进一步的，第一光强度值和第二光强度值之间的比值不变，低于预设比值。
47.在本发明实施例中，在工艺菜单中的目标工艺步骤检测反应腔室是否泄露，在半导体工艺设备的使用过程中，可以实现定期检测，从而可以避免反应腔室在泄露情况下对晶圆进行处理。
48.可选地，目标工艺步骤为工艺菜单中的腔室清洁步骤；腔室清洁步骤用于向反应腔室内通入清洁气体，将清洁气体形成等离子体以对反应腔室进行清洗，在腔室清洁步骤中，反应腔室内不包括晶圆。
49.在一种实施例中，可以在腔室清洁步骤中通过光谱发射仪获取反应腔室内所包括气体的光谱信息。结合上述举例，腔室清洁步骤包括两个子步骤，第一子步骤是向反应腔室内通入三氟化氮(nf3)气体，用于与反应腔室内的氧化硅气体反应，以清除反应腔室内的氧化硅气体，第二个子步骤是向反应腔室内通入氧气，氧气通入反应腔室后，可以形成等离子体，与反应腔室内的碳氢化合物反应，以清除反应腔室内的碳氢化合物。第二子步骤为不带有晶圆的腔室清洁步骤(waferless chamber clean，wac)，目标工艺步骤可以是第二子步骤，此时反应腔室内包括氧气、碳氢化合物，在该步骤中反应腔室内不产生氮气，不影响反应腔室内的氮气含量。在确定反应腔室执行第二子步骤的过程中，可以触发执行步骤101至步骤103，检测反应腔室是否发生泄露。
50.在本发明实施例中，在腔室清洁步骤检测反应腔室是否发生泄露，腔室清洁步骤中，反应腔室内不包括晶圆，可以避免晶圆影响泄露检测结果。
51.如图2所示，图2示出了本发明的一组实验数据图，对应腔室清洁步骤中的第二子步骤，图2中的横坐标为时间轴，纵坐标为氮气对应的337纳米的第一光强度值。在控制反应腔室执行第二子步骤的过程中，人为向反应腔室内通入一定比例的氮气，模拟腔室泄露情况下从外部环境进入反应腔室的氮气。图2中的横坐标分为四个阶段，在第一阶段201、第二阶段202、第三阶段203和第四阶段204，人为控制通入反应腔室内的所有气体的流量为200标准毫升每分钟(standard cubic centimeter per minute，sccm)，在第一阶段201，通入反应腔室的气体全部为氧气；在第二阶段202，通入反应腔室的所有气体中包括氧气和氮气，氮气占比为2.5％；在第三阶段203，通入反应腔室的所有气体中包括氧气和氮气，氮气
占比为5％；在第四阶段204，通入反应腔室的所有气体中包括氧气和氮气，氮气占比为10％。结合第一阶段至第四阶段的数据可知，当进入反应腔室内的氮气含量增加时，氮气对应的337纳米的第一光强度值变大。
52.如图3所示，图3示出了本发明的另一组实验数据图，图3与图2对应，图3中的横坐标为氮气占通入反应腔室的所有气体的比例，纵坐标为第一光强度值和第二光强度值之间的比值，图3中的第一个比值301为图2中第一阶段201的第一光强度值和第二光强度值之间的比值，第二个比值302为图2中第二阶段202的第一光强度值和第二光强度值之间的比值，第三个比值303为图2中第三阶段203的第一光强度值和第二光强度值之间的比值，第四个比值304为图2中第四阶段204的第一光强度值和第二光强度值之间的比值，第五个比值305为第四阶段之后第五阶段的第一光强度值和第二光强度值之间的比值。结合图2所示，在第一阶段，当氮气占比为0时，第一光强度值和第二光强度值之间的比值位于0至1之间，在第二阶段，当氮气占比为2.5％时，第一光强度值和第二光强度值之间的比值位于1至2之间，在第三阶段，当氮气占比为5％时，第一光强度值和第二光强度值之间的比值位于2至3之间，在第四阶段，当氮气占比为10％时，第一光强度值和第二光强度值之间的比值位于4至5之间，在第五阶段，当氮气占比为20％时，第一光强度值和第二光强度值之间的比值位于8至9之间，可以确定五个阶段的拟合曲线为y＝0.1819x 0.6875(x为横坐标，y为纵坐标)，拟合度r2＝0.9979。也就是说，当氮气含量增加时，第一光强度值与第二光强度值之间的比值增加，即在反应腔室泄露的情况下，当外部环境中的氮气进入反应腔室，使反应腔室内的氮气含量增加时，会导致第一光强度值和第二光强度值之间的比值增加。预设比值可以设置为图3中的第一个比值，当第一光强度值和第二光强度值之间的比值大于第一个比值时，可以确定反应腔室发生泄露。
53.可选地，在步骤103之后，该方法还可以包括：
54.控制关闭反应腔室的所有阀门，使反应腔室处于密闭状态；
55.控制半导体工艺设备中的抽真空装置动作，将密闭状态下的反应腔室抽真空至预设压力，并检测反应腔室的压力，得到初始压力值；
56.在得到初始压力值之后开始计时，并在计时时长达到预设时长的情况下，检测反应腔室的压力，得到结束压力值；
57.根据初始压力值、结束压力值和预设时长，获取反应腔室的漏率。
58.在一种实施例中，半导体工艺设备在确定反应腔室泄露的情况下，可以检测反应腔室的漏率。结合上述举例，在确定反应腔室泄露之后，控制器可以向反应腔室上的所有阀门发送关闭信号，控制所有阀门关闭，使反应腔室处于密闭状态。进一步的，可以控制抽真空装置(例如反应腔室中的真空泵)动作，将反应腔室抽真空至预设压力。在抽真空至预设压力之后，可以停止抽真空装置，并通过反应腔室内的压力传感器采集反应腔室内的压力，将采集到的压力值作为初始压力值，初始压力值可以用符号p1表示。在采集到初始压力值p1之后开始计时，并在计时时长达到预设时长的情况下，再次采集反应腔室内的压力值，将采集到的压力值作为结束压力值，结束压力值可以用符号p2表示，预设时长可以用符号t表示，则反应腔室的漏率可以通过公式(p2－p1)
÷
t计算得到。预设压力和预设时长的具体值可以根据需求设置，根据初始压力值、结束压力值和预设时长计算漏率的方法可以包括但不限于上述举例。
59.本发明实施例中，在确定反应腔室泄露之后，控制关闭反应腔室的阀门，对反应腔室的漏率进行检测，可以确定反应腔室的具体漏率，对反应腔室的泄露情况进行定量检测，便于用户根据漏率大小，确定反应腔室的泄露位置。
60.可选地，该方法还可以包括：
61.在反应腔室的漏率低于预设漏率的情况下，获取第一光强度值和第二光强度值，并根据获取得第一光强度值和第二光强度值计算预设比值。
62.在一种实施例中，预设比值可以通过采集得到的第一光强度值和第二光强度值计算得到的。结合上述举例，反应腔室的漏率小于预设漏率时，表示反应腔室未发生泄露，在通过上述方法检测确定反应腔室的漏率低于预设漏率时，可以确定反应腔室未发生泄露，此时可以通过oes采集反应腔室内气体的光谱信息，并从光谱信息中获取第一光强度值和第二光强度值，然后计算第一光强度值和第二光强度值之间的比值，将计算得到的比值作为预设比值，以在反应腔室的运行过程中，根据计算得到的预设比值检测反应腔室是否发生泄露。
63.本发明实施例中，获取反应腔室未泄露情况下的第一光强度值和第二光强度值，根据第一光强度值和第二光强度值可以准确计算预设比值，便于对检测反应腔室的泄露情况进行准确检测。
64.本发明实施例还公开了一种半导体工艺设备，半导体工艺设备包括控制器，半导体工艺设备还包括反应腔室，反应腔室上设置有光谱发射仪；控制器用于执行上述实施例中的腔室泄露检测方法。反应腔室的排气端通过真空管路与真空泵连接，真空泵和反应腔室之间设有摆阀，摆阀可控制真空管路开闭。
65.半导体工艺设备通过光谱发射仪获取反应腔室中气体的光谱信息，从光谱信息中获取第一波长范围内的第一光强度值和第二波长范围内的第二光强度值，在第一光强度值与第二光强度值的比值不低于预设比值的情况下，输出表征反应腔室泄露的报警信息。通过反应腔室内气体的光谱信息确定反应腔室是否发生泄露，并不需要根据反应腔室的漏率判断反应腔室是否发生泄露，因此并不需要停止反应腔室对漏率进行检测，避免了因频繁开启摆阀，导致摆阀动作产生的微小颗粒，并回流至反应腔室内，影响刻蚀良率，可以提高半导体工艺设备的生产效率。
66.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
67.尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
68.最后，还需要说明的是，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、物品或者移动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、物品或者移动设备所固有的要素。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、物品或者移动设备中还存在另外的相同要素。
69.以上对本发明实施例所提供的腔室泄露检测方法和半导体工艺设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明实施例的限制。