專利名稱：等離子體參數(shù)非侵入測(cè)量和分析的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體處理工具，尤其涉及對(duì)等離子體處理工具的參數(shù)進(jìn)行非侵入式測(cè)量和分析的感測(cè)設(shè)備。
背景技術(shù)：
等離子體處理系統(tǒng)在材料處理中以及半導(dǎo)體、集成電路、顯示器和其他電子設(shè)備的制造和處理中具有相當(dāng)廣的用途，用于在襯底(例如半導(dǎo)體片)上進(jìn)行蝕刻和層淀積。一般來講，等離子體處理系統(tǒng)的基本元件包括一個(gè)腔室，其中形成等離子體，一個(gè)泵區(qū)域，它連接到一個(gè)真空端口，用于注入和抽除處理氣體，以及一個(gè)能量源，用于在腔內(nèi)形成等離子體。其他元件可包括，一個(gè)卡盤，用于支持一個(gè)晶片，以及一個(gè)能量源，用于加速等離子體離子，以便離子能夠以所希望的能量撞擊晶片表面，從而蝕刻晶片或在其上形成淀積。用于形成等離子體的能量源也可用于加速離子，或者可以將不同的能量源用于不同的任務(wù)。
為確保形成精確的晶片，通常用一個(gè)傳感器監(jiān)控等離子體系統(tǒng)以確定等離子體處理系統(tǒng)的狀態(tài)。一般在這種系統(tǒng)中傳感器放置在等離子體內(nèi)以監(jiān)控特定參數(shù)，或者放置在耦合到處理腔室內(nèi)的一個(gè)電極的傳輸線中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新方法和裝置，用于測(cè)量和分析等離子體處理參數(shù)。
一個(gè)感測(cè)等離子體處理參數(shù)的RF傳感器被提供有一個(gè)等離子體處理工具和一個(gè)接收從等離子體處理工具輻射的RF能量的天線。所述天線位于在等離子體處理工具附近，以便是非侵入式的。所述天線可以是一個(gè)寬帶單極點(diǎn)天線。
在本發(fā)明的一方面內(nèi)容中，一個(gè)RF傳感器耦合到一個(gè)處理器，該處理器包括一個(gè)高通濾波器、一個(gè)放大器和一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備。此外，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備可耦合到一個(gè)用戶接口，以便與用戶交互，也可耦合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以便能夠遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)處理設(shè)備。


圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)RF傳感器；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)天線和處理器的簡(jiǎn)化框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)天線的簡(jiǎn)化框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)等離子體處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的期望的諧波數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考提出的說明性實(shí)施例更詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)RF傳感器。一個(gè)等離子體處理工具包括一個(gè)腔室110。該等離子處理工具一般由一個(gè)RF能量源(未顯示)提供能量。來自RF能量源的RF 120在等離子體處理工具的腔室110中產(chǎn)生和維持一個(gè)等離子體130，其中等離子體處理工具一般用在襯底的處理中。該等離子處理工具可以按照多種已知配置中的任何一種裝配，所有已知配置都包括一個(gè)腔室110，其中有等離子體130用于處理。這些配置中的某些包括，例如，一個(gè)感性耦合等離子體(ICP)源、一個(gè)靜電屏蔽射頻(ESRF)等離子源、一個(gè)變壓器耦合等離子體(TCP)源以及一個(gè)容性耦合等離子體(CCP)源。不論是哪種RF能量源，腔室110內(nèi)的等離子體130都是通過由RF能量源生成的RF能量激勵(lì)的。因此，RF能量以RF基頻和RF基頻的諧波從腔室110輻射出。諧波頻率在等離子體130中生成。諧波頻率的幅度和相位提供了關(guān)于等離子體130和腔室110的狀態(tài)的信息。例如，在不同功率、壓強(qiáng)和流速下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示了輻射能量和處理參數(shù)之間的高度相關(guān)。特別地，分析結(jié)果顯示第一和第二諧波以高于99％的匹配與等離子體的電子密度相關(guān)。
在等離子體腔室110外提供了一個(gè)天線140，用于接收從等離子體130輻射出的RF能量，并且將RF能量轉(zhuǎn)換為一個(gè)RF信號(hào)。在圖1中，天線140被描繪為在腔室110外。它也可以位于腔室110內(nèi)，但是位于等離子體130的處理區(qū)域外。由于已知侵入式傳感器會(huì)改變處理參數(shù)，因此在此配置中，天線具有不侵入等離子體130的優(yōu)點(diǎn)。天線140耦合到一個(gè)處理器150。處理器150從天線140接收RF信號(hào)，從而被配置為處理RF信號(hào)以提供所需要的關(guān)于等離子體的狀態(tài)的信息。此外，由于能量源的基頻可能是兆赫量級(jí)，因此天線140可以是寬帶、單極點(diǎn)天線，以便能夠接收輻射出的RF能量的大帶寬。例如，一個(gè)天線研究模型RAM-220可被用作寬帶單極點(diǎn)天線。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)天線和處理器的簡(jiǎn)化框圖。在所示實(shí)施例中，天線140耦合到一個(gè)高通濾波器210。天線也可耦合到另一類型的濾波器，例如帶阻、帶通或低通濾波器。高通濾波器210的輸出耦合到一個(gè)低噪聲放大器(LNA)220，然后放大后的信號(hào)輸入到處理器230。高通濾波器可用于從接收到的信號(hào)中去除基頻，因?yàn)橥ǔ；l中可能沒有有用信息，有用信息可能包括在RF能量的諧波內(nèi)。當(dāng)然可通過去除或調(diào)整高通濾波器210的截止頻率來收集關(guān)于基頻的數(shù)據(jù)。在高通濾波器的截止頻率之下的信號(hào)的典型衰減可在40dB范圍內(nèi)。LNA 220放大從高通濾波器提供的RF信號(hào)，以便信號(hào)能被處理器230適當(dāng)處理。LNA的典型增益可在20-30dB范圍內(nèi)。
處理器230可配置為支持多個(gè)輸入，如圖2所示。在此情況下，幾個(gè)處理過程可被單個(gè)處理器230獨(dú)立監(jiān)控和處理。處理器230可包括一個(gè)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，用于將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣。可以以多種方法確定信號(hào)采樣率。例如，如果RF能量的基頻為13.56MHz，則125MHz的帶寬將適于測(cè)量8個(gè)諧波(第8諧波的頻率為122.04MHz)。在此情況下，如果A/D轉(zhuǎn)換器的采樣間隔為100ms，并且選擇10KHz的頻率庫，則按Nyquist準(zhǔn)則計(jì)算的采樣率將為至少250MS/s，采樣量將為25000。
耦合到處理器230的是一個(gè)用戶接口240、一臺(tái)外部計(jì)算機(jī)250以及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)260。用戶接口250可包括多個(gè)已知元件，其用途是使用戶能夠與處理器230交互。例如，如果處理器在采樣后要執(zhí)行采樣數(shù)據(jù)的FFT(快速傅立葉變換)，則結(jié)果將顯示在一個(gè)觸摸屏上，使用戶能夠與系統(tǒng)交互。外部計(jì)算機(jī)250可提供多種用途，包括對(duì)處理參數(shù)和腔室110的實(shí)時(shí)控制。網(wǎng)絡(luò)260起的作用是使得用戶能夠遠(yuǎn)程訪問處理器。例如，可以使FFT信息對(duì)外部計(jì)算機(jī)250或網(wǎng)絡(luò)260可用。
在這種天線和處理器的一個(gè)例子中，腔室參數(shù)特征可在一個(gè)校準(zhǔn)狀態(tài)中被表征，并且由天線140收集的數(shù)據(jù)可施加到一個(gè)聯(lián)系腔室和等離子體的各參數(shù)的模型。例如，某些參數(shù)可包括電子密度、裝配清潔度、電子溫度和端點(diǎn)檢測(cè)。通過使用這樣的模型可以在不考慮天線的絕對(duì)標(biāo)度的情況下使用天線，這樣簡(jiǎn)化了傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)天線的簡(jiǎn)化框圖。腔室110、等離子體130、天線140和處理器150可以與圖1和2所示的相同。天線140放置在一個(gè)外殼340中，外殼340通過連接壁310連接到腔室110。連接壁310被設(shè)計(jì)為傳遞從等離子體130輻射的RF能量，它可以是石英、氧化鋁或其他任何合適的材料。也可在連接壁310中提供了一個(gè)孔，使RF能量能夠經(jīng)它傳遞。吸收器320和330用于吸收來自不必要的源的RF能量，以及減少由外殼340的諧振引起的失真，即，如果沒有吸收器320和330，天線可能接收到不必要的諧振，使應(yīng)該接收到的信號(hào)失真。一般來說，吸收器可包括在離散或?qū)拵ьl率吸收能量的材料。
雖然顯示為在外殼340的背部，吸收器320和330也可放置于外殼340周圍的五側(cè)面上(如果考慮外殼為矩形盒)。吸收器的這種配置方式使得當(dāng)吸收器在盒的另外五個(gè)側(cè)面上時(shí)，RF能量能夠經(jīng)過連接壁310從等離子體輻射出以及在外殼中輻射。
在實(shí)施例中，可選擇吸收器320和330使得吸收器320被選擇為吸收基頻，而吸收器330被選擇為吸收第一諧波。四分之一波配置可提供所選頻率的最大衰減。此外，如果需要的話可提供額外的吸收層。雖然以上說明了特定的吸收器配置方式，但也可利用任何減少不必要的干擾的吸收器配置。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)等離子處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。為了進(jìn)行說明，腔室110被顯示為一個(gè)具有上電極125的容性耦合的腔室，但是，也可類似地采用任何類型的系統(tǒng)。等離子體130、天線140和處理器150可以與上文所述的相同。如前所述，等離子體130被一個(gè)RF生成器420激勵(lì)。RF生成器420可直接耦合到腔室110，或者如圖4所示，通過一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)410或440耦合到腔室110。在圖4中，為了說明顯示了兩個(gè)RF生成器，但是根據(jù)腔室110的配置，可以只用一個(gè)RF生成器420。上電極(UEL)匹配網(wǎng)絡(luò)410耦合到上電極125，而下電極(LEL)匹配網(wǎng)絡(luò)440耦合到下電極450。等離子體130被一個(gè)或多個(gè)RF生成器420激勵(lì)。從而等離子體以基頻和基頻的諧波輻射RF能量。RF能量從腔室110中輻射出，并被天線140接收，天線140位于等離子130外。天線140耦合到一個(gè)處理器150，先前已經(jīng)部分說明了該處理器。正如參考圖1所說明的那樣，上述配置提供了一種接收等離子處理參數(shù)的非侵入式方法。
處理器150接收RF能量，并通過一個(gè)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字信號(hào)。通常，模擬信號(hào)的采樣率取決于感興趣的帶寬(即帶寬是感興趣的基頻和諧波的一個(gè)函數(shù))。例如，500MHz的帶寬通常以每秒10億個(gè)采樣的采樣率采樣。當(dāng)然，可根據(jù)需要確定采樣率，不必限于以上例子。RF能量的幅度和相位，包括諧波，可提供關(guān)于等離子體130的狀態(tài)的信息，從而可提供關(guān)于腔室110的狀態(tài)的信息。然后可用處理器150處理數(shù)據(jù)，并且通?？捎弥T如快速傅立葉變換(FFT)和主成分分析(PCA)這樣的操作來從RF信號(hào)搜集信息。由處理器150獲得的信息可提供對(duì)諸如裝配清潔度、等離子密度、電子溫度和端點(diǎn)檢測(cè)等參數(shù)的了解。
在處理器的一個(gè)實(shí)施例中，可通過使用包括FFT的常規(guī)技術(shù)將接收到的RF能量的軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域輸出信號(hào)。然后可提取出諧波頻率的信息，并用在等離子處理系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中獲得并通過PCA確定的系數(shù)與之相乘。PCA可用于確定系數(shù)，因?yàn)樗沟孟嚓P(guān)值的一個(gè)大集合能夠被轉(zhuǎn)換為主值的一個(gè)較小集合。通過將原來的值集合轉(zhuǎn)換成原來的(較大的)集合的不相關(guān)的線性組合的一組新集合，從而實(shí)現(xiàn)集合大小的減小。
通過使用接收到的RF能量的基頻和諧波頻率的幅度，可以進(jìn)行幾種不同的分析，包括能量分析、流分析和壓強(qiáng)分析。通過處理根據(jù)幅度值獲得的信息，還能進(jìn)一步確定最大相關(guān)存在于哪些諧波之間，從而確定每個(gè)頻率成分的可接受的系數(shù)。也可進(jìn)行依賴性分析，以確定系統(tǒng)中一個(gè)參數(shù)的變化是否會(huì)影響另一個(gè)參數(shù)，但是，最初的結(jié)果顯示參數(shù)可被獨(dú)立調(diào)整。
此外，可以根據(jù)對(duì)軌跡數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。一旦被繪出，則容易看出在接收到的RF能量的諧波中有顯著變化。尤其地，在處理完成時(shí)，主要諧波的貢獻(xiàn)可能變化。
例如，如描繪簡(jiǎn)化的期望的數(shù)據(jù)的圖5所示，在T1時(shí)刻第3諧波的變化很明顯，而在T2時(shí)刻，基頻和第3諧波的變化都很明顯。對(duì)處理過程的分析顯示這些變化歸因于處理過程的完成。這種端點(diǎn)檢測(cè)方法可以是一種精確并且成本效率高的端點(diǎn)檢測(cè)方法。
然后處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)工具控制430。該工具控制430可配置為執(zhí)行幾項(xiàng)任務(wù)。某些任務(wù)是工具控制430可執(zhí)行包括端點(diǎn)確定、能量控制和氣體控制(流速、壓強(qiáng)等)。如圖4所示，工具控制430耦合到腔室110和RF生成器420。通過這種方式，工具控制可以根據(jù)從處理器150接收到的數(shù)據(jù)調(diào)整這些設(shè)備的參數(shù)，以便能在腔室110中維持可重復(fù)的處理過程。
如上所述，PCA是一個(gè)多變量統(tǒng)計(jì)過程，它允許相關(guān)變量的一個(gè)較大的集合減少到主成分的一個(gè)較小的集合。因此，在校準(zhǔn)階段，PCA可用于首先根據(jù)一個(gè)包括各諧波的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集合生成一個(gè)協(xié)方差矩陣。接下來，可根據(jù)協(xié)方差矩陣獲得一個(gè)特征解，從而可計(jì)算一組特征向量集合。根據(jù)特征解可計(jì)算每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)百分比。通過使用這些百分比，可使用帶有獲得的百分比的特征向量的加權(quán)和來相應(yīng)地選擇系數(shù)。可對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行此計(jì)算，這些參數(shù)包括能量、氣體流速和腔室壓強(qiáng)。一旦完成校準(zhǔn)并確定了各參數(shù)，則工具控制可在控制循環(huán)中利用該信息，正如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)熟練者顯而易見的那樣。在這種類型的反饋循環(huán)中可維持一個(gè)可再現(xiàn)的處理過程。
處理器150可耦合到幾個(gè)設(shè)備，如圖2所示。某些本實(shí)施例中重要的設(shè)備包括用戶接口240和外部計(jì)算機(jī)250。此外可能用戶接口240和外部計(jì)算機(jī)250二者是一個(gè)設(shè)備，例如一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)。
最后，正如本領(lǐng)域技術(shù)熟練者將意識(shí)到的那樣，由處理器150處理的數(shù)據(jù)量可以相當(dāng)大。因此可能要求使用一個(gè)外部?jī)?chǔ)存設(shè)備(未顯示)。連接存儲(chǔ)設(shè)備的一個(gè)可能的配置可以是直接連接到處理器150。通過網(wǎng)絡(luò)260使用遠(yuǎn)程儲(chǔ)存也可能是有利的(在圖2中顯示)。但是，任何儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的方法都是可接受的。儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的一個(gè)好處是用于將來的處理和分析。此外，實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)可用于建模一個(gè)可接受的操作工具控制430的控制系統(tǒng)，從而控制等離子處理。
以上對(duì)所述實(shí)施例的介紹是用來使任何本領(lǐng)域技術(shù)熟練者能夠利用本發(fā)明的?？赡軐?duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改，并且此處介紹的用于半導(dǎo)體處理參數(shù)的測(cè)量的一個(gè)RF傳感器的一般原理也可用于其他實(shí)施例。從而，本發(fā)明不傾向于限于以上所示的實(shí)施例，而是根據(jù)此處以任何方式提出的原理和新特征一致的最廣的范圍的。
權(quán)利要求
1.一種用于感測(cè)等離子體處理的參數(shù)的RF傳感器，所述RF傳感器包括一個(gè)等離子體處理工具，它具有一個(gè)等離子體處理區(qū)域；以及一個(gè)天線，用于接收從所述等離子體處理工具輻射的RF能量；其中，所述的接收到的RF能量包括一個(gè)基頻和多個(gè)諧波頻率，并且其中，所述天線位于所述等離子體處理區(qū)域之外。
2.權(quán)利要求1所述的RF傳感器進(jìn)一步包括一個(gè)處理器，所述處理器耦合到所述天線，用于處理從所述天線接收到的所述RF能量。
3.權(quán)利要求2所述的RF傳感器，其中所述處理器進(jìn)一步包括耦合到所述天線的一個(gè)濾波器；耦合到所述濾波器的一個(gè)放大器；以及耦合到所述放大器的一個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
4.權(quán)利要求3所述的RF傳感器，其中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備可配置為獨(dú)立地支持至少兩個(gè)輸入信號(hào)。
5.權(quán)利要求3所述的RF傳感器，其中所述濾波器是一個(gè)高通濾波器。
6.權(quán)利要求3所述的RF傳感器，其中所述放大器是一個(gè)低噪聲放大器。
7.權(quán)利要求3所述的RF傳感器，進(jìn)一步包括耦合到所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備的一個(gè)用戶接口；以及耦合到所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備的一臺(tái)外部計(jì)算機(jī)；其中所述用戶接口和所述外部計(jì)算機(jī)被配置為使用戶能夠與所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備交互。
8.權(quán)利要求7所述的RF傳感器，其中所述用戶接口是一個(gè)觸摸屏監(jiān)示器。
9.權(quán)利要求3所述的RF傳感器，其中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備耦合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用于允許用戶遠(yuǎn)程地與所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備交互。
10.權(quán)利要求2所述的RF傳感器，其中所述處理器被配置為進(jìn)行所述RF能量的頻譜分析和諧波內(nèi)容分析中的至少一個(gè)。
11.權(quán)利要求1所述的RF傳感器，其中所述天線是一個(gè)寬帶單極點(diǎn)天線。
12.一種用于感測(cè)等離子體處理參數(shù)的方法，所述方法包括提供一個(gè)天線，所述天線靠近一個(gè)等離子體處理工具但在等離子體處理區(qū)域之外；以及感測(cè)從所述等離子體處理工具輻射的RF能量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括處理所述RF能量，其中所述處理包括對(duì)所述RF能量的頻譜分析和諧波內(nèi)容分析中的至少一個(gè)。
全文摘要
一種用于傳感和分析等離子體處理的參數(shù)的RF傳感器。所述RF傳感器具有等離子體處理工具和一個(gè)用于接收從等離子體處理工具輻射的RF能量的天線。天線位于非常接近等離子處理工具處，以便是非侵入式的。此外，RF傳感器可配置為從等離子體處理工具輻射的RF能量的多諧波的寬帶接收。另外，RF傳感器可耦合到一個(gè)高通濾波器和一個(gè)用于處理接收到的RF能量的處理器。此外，天線可位于一個(gè)外殼內(nèi)，所述外殼帶有吸收器，用于減少RF傳感器受到的干擾。此外，一個(gè)工具控制可耦合到處理器以便根據(jù)由接收到的RF能量提供的信息調(diào)整和維持等離子體處理的各參數(shù)。
文檔編號(hào)H01J37/32GK1666315SQ03815550
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者理查德·帕森斯 申請(qǐng)人:東京電子株式會(huì)社