药液中颗粒物浓度的检测装置及换液控制方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体芯片制造技术领域，尤其涉及一种药液中颗粒物浓度的检测装置、半导体工艺设备及换液控制方法。


背景技术：

[0002]
在半导体湿法刻蚀工艺中，常采用磷酸作为晶圆的刻蚀药液，磷酸溶液对氮化硅等材料具有良好的刻蚀均匀性和较高的刻蚀选择比。
[0003]
随着反应时间的增加，磷酸溶液内的二氧化硅等颗粒物的含量增加，从而容易影响晶圆的刻蚀速率和刻蚀效果。因此，当二氧化硅等颗粒物的含量超过预定值时，需要对磷酸溶液进行更换。
[0004]
相关技术中，通过测量磷酸容纳的电导率，进而对二氧化硅等颗粒物浓度进行测量，然而，影响电导率的导电离子较多，因此测量出的二氧化硅等颗粒物浓度的误差较大。


技术实现要素：

[0005]
本发明公开一种药液中颗粒物浓度的检测装置、半导体工艺设备及换液控制方法，以解决检测装置测量出的颗粒物浓度误差较大的问题。
[0006]
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
[0007]
一种药液中颗粒物浓度的检测装置，应用于半导体工艺设备中，用于检测所述半导体工艺设备的工艺槽中药液的颗粒物浓度，包括进液管、出液管和检测组件；
[0008]
所述检测组件包括第一阻光壳体、超声波发射器和光信号采集设备，所述第一阻光壳体通过所述进液管和所述出液管与所述工艺槽相连通，且形成药液循环回路；
[0009]
所述第一阻光壳体具有透光区域，所述光信号采集设备设置于所述第一阻光壳体的外侧壁，且与所述透光区域相对应，所述超声波发射器设置于所述第一阻光壳体的外侧壁；
[0010]
所述超声波发射器用于朝向所述第一阻光壳体内发射超声波，以使所述第一阻光壳体内产生光信号；所述光信号采集设备用于采集所述光信号，所述光信号用于获得所述药液中的颗粒物浓度。
[0011]
一种半导体工艺设备，包括上述的检测装置。
[0012]
一种换液控制方法，应用于上述的半导体工艺设备，所述的换液控制方法包括：
[0013]
s1、控制所述检测装置获取当前药液中的颗粒物浓度；
[0014]
s2、若所述颗粒物浓度未位于预设浓度的范围内，则控制从所述工艺槽中排出第一预设容量的当前药液；
[0015]
s3、控制向所述工艺槽注入所述第一预设容量的新药液；
[0016]
s4、对混合后的当前药液加热预设时长，并转向执行步骤s1；
[0017]
s5、若所述颗粒物浓度位于所述预设浓度范围内，则操作结束。
[0018]
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
[0019]
本发明公开的检测装置中，晶圆在刻蚀过程中产生二氧化硅等颗粒物，这些颗粒物在药液中的溶解度较低，常以小尺寸的颗粒的形态存在，在这些颗粒物的周围会存在小气泡，也就是说，颗粒物浓度越大，小气泡越多，因此，可以通过小气泡的含量来判断药液中颗粒物浓度，本发明公开的方案中，根据声致发光的原理，超声波发射器向第一阻光壳体发射超声波，工艺槽内药液的小气泡受到超声波的震动会迅速空化、爆裂，小气泡爆裂的瞬间会发释放出大量的能量，并产生短脉冲光，通过光信号采集设备收集光信号，光信号可以用于得出药液中的颗粒物浓度。此时，由于药液中颗粒物浓度越大，小气泡的含量越多，因此采用上述方案测量的颗粒物浓度较为精确，误差较小。
附图说明
[0020]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0021]
图1为本发明实施例公开的检测装置的结构示意图；
[0022]
图2为本发明实施例公开的换液控制方法的流程图。
[0023]
附图标记说明：
[0024]
100-工艺槽；
[0025]
200-进液管、210-第一进液管段、220-第二进液管段、230-第三进液管段；
[0026]
300-出液管、310-第一出液管段、320-第二出液管段、330-第二出液管段；
[0027]
400-检测组件、410-第一阻光壳体、420-超声波发射器、430-光信号采集设备；
[0028]
500-循环泵；
[0029]
600-流量检测器；
[0030]
700-第二阻光壳体；
[0031]
800-第三阻光壳体；
[0032]
900-取样管。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。
[0035]
如图1和图2所示，本发明实施例公开一种药液中颗粒物浓度的检测装置，所公开的检测装置应用于半导体工艺设备中，其用于检测半导体工艺设备的工艺槽100中的药液的颗粒物浓度。所公开的检测装置包括进液管200、出液管 300和检测组件400。
[0036]
检测组件400包括第一阻光壳体410、超声波发射器420和光信号采集设备430，第一阻光壳体410通过进液管200和出液管300与工艺槽100相连通，且形成药液循环回路。工艺槽100中的药液通过进液管200通入第一阻光壳体 410内，再通过出液管300流入工艺槽100内，从而实现药液的循环。
[0037]
第一阻光壳体410具有透光区域，第一阻光壳体410除了透光区域外其余的区域均
为不透光的部分，也就是说，不透光的部分的透光率为零。第一阻光壳体410的内部为黑暗环境。光信号采集设备430设置于第一阻光壳体410的外侧壁，且与透光区域相对设置，超声波发射器420设置于第一阻光壳体410 的外侧壁。
[0038]
超声波发射器420用于朝向第一阻光壳体410内发射超声波，以使第一阻光壳体410内产生光信号。光信号采集设备430用于采集光信号，光信号用于获得药液中的颗粒物浓度。
[0039]
上述药液可以但不限于刻蚀药液。
[0040]
晶圆在刻蚀过程中产生二氧化硅等颗粒物，这些颗粒物在药液中的溶解度较低，常以小尺寸的颗粒的形态存在，在这些颗粒物的周围会存在小气泡，也就是说，颗粒物浓度越大，小气泡越多。因此，可以通过小气泡的含量来判断药液中的颗粒物浓度。
[0041]
本发明公开的方案中，根据声致发光的原理，超声波发射器420向第一阻光壳体410发射超声波，药液中的小气泡受到超声波的震动会迅速空化、爆裂，小气泡爆裂的瞬间会发释放出大量的能量，并产生短脉冲光，通过光信号采集设备430收集光信号，通过测量的光信号可以得出药液中颗粒物浓度。此时，由于药液中颗粒物浓度越大，小气泡的含量越多，因此采用上述方案测量的颗粒物浓度较为精确，误差较小。
[0042]
上文提到的声致发光原理为公知技术，因此本文不再赘述。
[0043]
具体的，光信号采集设备430可以为光电倍增管、光电传感器以及其他用于采集光信号的设备。光信号采集设备430可以将测量的光信号转化为电信号，电信号的频率与药液中的颗粒物浓度可以通过建立曲线模型。通过汇总颗粒物浓度和对应电信号的频率，可以建立曲线模型图，从而可以直观的得出工艺槽 100中的药液的颗粒物浓度。例如，可以通过对药液进行电感耦合等离子体质谱分析，从而得出药液中的颗粒物浓度，在通过同等条件下的药液收集到的电信号，对这些数据进行汇总后，得出曲线模型，从而实现通过测量的电信号的频率可以得出药液中颗粒物浓度。
[0044]
可选地，第一阻光壳体410的外侧可以涂覆有不透光的涂层。
[0045]
在另一种可选的实施例中，本发明实施例公开的检测装置还可以包括循环泵500，进液管200上安装有循环泵500，循环泵500与进液管200相连通。此方案中，循环泵500能够将工艺槽100内的药液抽出，通过进液管200通入第一阻光壳体410内，从而为药液的循环提供动力。
[0046]
为了提高测量装置的测量精度，第一阻光壳体410内的药液的浓度和工艺槽100中的药液的浓度应该一致，为此，在另一种可选的实施例中，本发明实施例公开的检测装置还可以包括流量检测器600，循环泵500和流量检测器600 可以沿进液管200的延伸方向依次安装于进液管200上。循环泵500与流量检测器600均与进液管200相连通。此方案中，通过流量检测器600可以直观的观测到药液的流速，通过控制药液的流速，从而保证工艺槽100与第一阻光壳体410内的药液的浓度一致，从而能够提高药液中颗粒物浓度的测量精度。
[0047]
上述实施例中，进液管200可以为直管路，然而外部光线可以沿着直管路传播至第一阻光壳体410内，从而造成光信号采集设备430的测量误差较大。为此，在一种可选的实施例中，进液管200可以包括交错分布的第一进液管段 210、第二进液管段220和第三进液管段230，第一进液管段210和第三进液管段230可以通过第二进液管段220相连通，第一进液管段210的一端与工艺槽 100相连通，第一进液管段210的另一端与第二进液管段220相连
通，第三进液管段230的一端与第一阻光壳体410相连通，第三进液管段230的另一端与第二进液管段220相连通。
[0048]
上文中的第一进液管段210、第二进液管段220和第三进液管段230交错分布是指，在沿进液管200的延伸方向上，第一进液管段210和第三进液管段 230无正对面积，也就是说，在第二进液管段220的延伸方向上，第一进液管段210与第三进液管段230在第二进液管段220上的安装高度不同。
[0049]
具体地，第一进液管段210可以位于第二进液管段220的一端的端部，第三进液管段230可以位于第二进液管段220的另一端的端部，并且第一进液管段210和第二进液管段220具有夹角，第二进液管段220和第三进液管段230 也具有夹角。
[0050]
进一步地，第一进液管段210与第二进液管段220之间的夹角可以为直角，第二进液管段220与第三进液管段230之间的夹角也可以为直角，同时，第一进液管段210和第三进液管段230相平行，且第一进液管段210和第三进液管段230朝向相反的方向延伸。即将进液管200设计成“之”字形结构。上述进液管200的结构如图1中所示。
[0051]
此方案中，进液管200为多段弯折结构，从而使得光线不容易延伸至管路传递至第一阻光壳体410内，进而能够减少光线进入到第一阻光壳体410内，进一步降低了光信号采集设备430的测量误差，进而能够提高检测装置的精准度。
[0052]
进一步地，本发明实施例公开的检测装置还可以包括第二阻光壳体700，第一进液管段210的部分、第二进液管段220和第三进液管段230均可以位于第二阻光壳体700内。此方案中，第二阻光壳体700内部为不透光环境，因此第一进液管段210的部分、第二进液管段220和第三进液管段230位于第二阻光壳体700内，能够进一步避免环境中的光线进入第一阻光壳体410内，从而进一步提高了光信号采集设备430的测量的可靠性。
[0053]
在另一种可选的实施例中，出液管300可以包括交错分布的第一出液管段310、第二出液管段320和第三出液管段330，第一出液管段310和第三出液管段330通过第二出液管段320相连通，第一出液管段310的一端与工艺槽100 相连通，第一出液管段310的另一端与第二出液管段320相连通，第三出液管段330的一端与第一阻光壳体410相连通，第三出液管段330的另一端与第二出液管段320相连通。
[0054]
上文中的第一出液管段310、第二出液管段320和第三出液管段330交错分布是指，在沿出液管300的延伸方向上，第一出液管段310和第三出液管段 330无正对面积，也就是说，在第二出液管段320的延伸方向上，第一出液管段310与第三出液管段330在第二出液管段320上的安装高度不同。
[0055]
具体地，第一出液管段310可以位于第二出液管段320的一端的端部，第三出液管段330可以位于第二出液管段320的另一端的端部，并且第一出液管段310和第二出液管段320具有夹角，第二出液管段320和第三出液管段330 也具有夹角。
[0056]
进一步地，第一出液管段310与第二出液管段320之间的夹角可以为直角，第二出液管段320与第三出液管段330之间的夹角也可以为直角，同时，第一出液管段310和第三出液管段330相平行，且第一出液管段310和第三出液管段330朝向相反的方向延伸。即将出液管300设计成“之”字形结构。上述出液管300的结构如图1中所示。
[0057]
此方案中，出液管300为多段弯折结构，从而使得光线不容易延伸至管路传递至第一阻光壳体410内，进而能够减少光线进入到阻光壳体内，进一步降低了光信号采集设备
430的测量误差，进而能够提高检测装置的精准度。
[0058]
进一步地，本发明实施例公开的检测装置还可以包括第三阻光壳体800，第一出液管段310的部分、第二出液管段320和第三出液管段330均可以位于第三阻光壳体800内。此方案中，第三阻光壳体800内部为不透光环境，因此第一出液管段310的部分、第二出液管段320和第三出液管段330可以位于第三阻光壳体800内，能够进一步避免环境中的光线进入第一阻光壳体410内，从而进一步提高了光信号采集设备430的测量的可靠性。
[0059]
上述实施例中，光信号采集设备430与透光区域的连接处容易发生漏光，从而容易造成光信号采集设备430的测量误差较大，为此，在另一种可选的实施例中，光信号采集设备430与透光区域的连接处的边缘可以覆盖有遮光层，从而可以防止光信号采集设备430与透光区域的连接处漏光，进而能够提高光信号采集设备430的测量精度。
[0060]
为了方便对采用本发明实施例公开的测量装置的测量结果进行验证，因此也可以对工艺槽100中的药液进行取样分析，从而验证测量装置的测量结果，但是直接从工艺槽100中取样的难度较大。为此，在另一种可选的实施例中，出液管300的侧壁可以设置有取样管900，取样管900可以与出液管300相连通，取样管900可以设置有阀体。此方案中，当用户需要取样时，可以打开阀体，从取样管900取样，从而使得药液的取样操作更加简单。
[0061]
基于本发明上述任一实施例的检测装置，本发明实施例还可以包括一种半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备包括上述任一实施例的检测装置。此方案中，检测装置的颗粒物浓度的精度较高，从而能够提高半导体工艺设备的工作效率。
[0062]
该半导体工艺设备可以为刻蚀机，也可以为其他晶圆加工设备，本文对此不作限制。
[0063]
基于本发明实施例公开的半导体工艺设备，本发明实施例还公开一种换液控制方法，所公开的换液控制方法应用于如上文所述的半导体工艺设备中，所公开的换液控制方法包括：
[0064]
s1、控制检测装置获取当前药液中的颗粒物浓度。
[0065]
超声波发射器420向第一阻光壳体410发射超声波，药液中的小气泡受到超声波的震动会迅速空化、爆裂，小气泡爆裂的瞬间会发释放出大量的能量，并产生短脉冲光，通过光信号采集设备430收集光信号，通过测量的光信号可以得出药液中的颗粒物浓度。
[0066]
s2、若颗粒物浓度未位于预设浓度的范围内，则控制从工艺槽100中排出第一预设容量的当前药液。
[0067]
此时，当当前药液的颗粒物浓度较大时，可以先排掉一小部分当前药液，排掉的当前药液的容量较小，因此对药液的整体温度影响较小。
[0068]
s3、控制向工艺槽100注入第一预设容量的新药液。
[0069]
此时，为了保证工艺槽内的药液的总量不变，因此工艺槽100内要加入新药液，从而使得工艺槽内剩余的旧药液与加入的新药液进行混合，所得到的当前药液的颗粒物浓度降低，进而不容易影响晶圆的刻蚀选择比。
[0070]
s4、对混合后的当前药液加热预设时长，并转向执行步骤s1。
[0071]
将混合后的当前药液加热到晶圆刻蚀所需的工艺温度，而后对混合后的当前药液进行重新检测，以检测混合后的当前药液的颗粒物浓度是否位于预设浓度的范围内。
[0072]
s5、若颗粒物浓度位于预设浓度范围内，则操作结束。
[0073]
当更换掉工艺槽100内的部分药液后工艺槽内的药液的颗粒物浓度还未位于预设浓度范围内时，可以再次循环换液操作，直至工艺槽内的药液的颗粒物浓度达到工艺需求。
[0074]
上述方案中，检测装置可以实时检测药液中颗粒物浓度，当颗粒物浓度较高时，排掉少量的旧药液，补偿少量的新药液，由于换液量较小，温度可以在短时间内上升到工艺温度，并且药液的波动不会太大，进而容易控制药液的刻蚀速率和选择比。
[0075]
上述方案中，半导体工艺设备内的药液采用多次更换的方法，能够有效缩短药液的换液时间和药液的升温时间，从而提高半导体工艺设备的工作效率。同时每次更换药液时仅排出部分药液，从而能够提高药液的使用寿命。
[0076]
上述实施例中，检测装置可以接入计算机，从而可以实现药液的在线换液控制。
[0077]
例如，当当前药液的颗粒物浓度大于预设浓度的情况下，可以排掉5l当前药液，然后再加入5l的新药液。再然后将混合后的当前药液加热20min，从而完成药液的换液操作。当换液完成时，可再次对药液的颗粒物浓度进行测量，如果当前药液的颗粒物浓度小于预设浓度，则完成换液，当当前药液的颗粒物浓度大于预设浓度，则循环上述的换液过程。
[0078]
本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
[0079]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。