CN101166583A - 等离子体处理系统中确定清洁或调节处理终点的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过测量层的厚度来确定处理的终点的方法，该层通过先前处理沉积在表面上。该方法包括提供与表面共面的传感器，其中，该传感器被配置为测量厚度。该方法还包括：将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过暴露来改变厚度；以及确定厚度作为时间的函数。该方法还包括确定厚度中的稳态条件，该稳态条件的特征在于厚度基本上不变的测量结果，稳态条件的开始表示终点。

Description

等离子体处理系统中确定清洁或调节处理终点的方法和装置
技术领域
本发明总的来说涉及衬底制造技术，具体地说，涉及用于在等离子体处理系统中确定清洁或调节处理的终点的方法和装置。
背景技术
在诸如使用在平板显示器制造中的衬底(例如，半导体晶片、MEMS器件、或玻璃面板)的处理中，经常使用等离子体。例如，作为衬底处理的一部分(化学汽相沉积、等离子体增强型化学汽相沉积、物理汽相沉积、蚀刻等)，将衬底分成多个管芯(die)或矩形区域，每个管芯或矩形区域都将成为集成电路。接着，通过一系列步骤对衬底进行处理，其中，选择性地去除(蚀刻)并沉淀(沉积)材料，以在其上形成电子元件。
在示例性等离子体处理中，在蚀刻之前，用硬化的感光乳剂薄膜(例如，光刻胶掩模)涂覆衬底。然后，选择性地去除硬化的感光乳剂区域，使得露出底层部件。然后，将衬底放置在衬底支撑结构上的等离子体处理室中，该衬底支撑结构(称为卡盘)包括单极电极或双极电极。随后，适当的蚀刻源气体(例如，C4F8、C4F6、CHF3、CH2F3、CF4、CH3F、C2F4、N2、O2、Ar、Xe、He、H2、NH3、SF6、BCl3、Cl2等)流入室中并被撞击以形成等离子体，来蚀刻衬底的暴露区域。
为了确保得到一致的等离子体处理结果，通常的习惯是在对每个衬底进行处理之前，使用室调节处理。室调节通常是指将等离子体室条件设定或重新设定为基本已知的状态的处理。例如，在通常所说的无晶自动清洁(waferless auto clean)或WAC的处理中，在电介质蚀刻等离子体处理系统上的操作规程是，在处理下一个衬底之前(即，目前没有衬底)，从等离子体室表面去除剩余的氢氟碳聚合物。通常在处理完衬底之后执行WAC，以确保下一个衬底符合标准的、精确的室条件，从而避免污染副产品累积的累积影响。
在等离子处理期间，通常由蚀刻剂气体中的材料(例如，碳、氟、氢、氮、氧、氩、氙、硅、硼、氯等)、由衬底中的材料(例如，光刻胶、硅、氧、氮、铝、钛等)、或由等离子体处理室自身内的构成材料(例如，铝、石英等)会生成通常包含有机和无机副产品的污染物。
还可以通过在处理每个衬底之前使用精确的等离子体沉积膜预涂覆等离子体室表面来加强一致的等离子体处理结果，以确保得到标准的、精确的室条件。由于可以避免在衬底处理期间在室表面上累积不想要的材料，所以该方法可以减少恢复湿式室清洁所需的时间。
调节等离子体室还可以更加精确地控制一些等离子体室材料的表面化学性质，例如，在处理每个衬底之前去除氧化的表面膜。例如，当暴露给氧等离子体时，Si易于形成表面氧化物。相对于仅有的Si的表面氧化物的存在可能会对由于公知的与相对于导电表面的绝缘表面上的原子团再化合速率的大幅度变化而产生的处理结果产生显著的影响。另外，一些等离子体室调节处理可能还需要使用不包括显微结构的虚设衬底(dummy substrate)，以便保护静电卡盘(卡盘)。
在这些以及其他处理中，重要的是确定何时达到处理的终点。终点通常是指认为处理已经完成的等离子体处理中的一组值或范围(例如，时间)。对于调节、预涂覆、以及表面化学性质控制应用来说，所关注的材料厚度通常是最重要的值。
现在，参考图1，示出了电感耦合等离子体处理系统的简图。通常，一组适当的气体可以从气体分配系统122流入具有等离子体室壁117的等离子体室102中。这些等离子体处理气体随后可在接近喷射器109的区域处或在此区域中被电离以形成等离子体110，以便处理(例如，蚀刻或沉积)用边缘环115定位在静电卡盘116上的衬底114(例如，半导体衬底或玻璃板)的暴露区域。
第一RF发生器134生成等离子体并控制等离子体密度，而第二RF发生器138生成通常用于控制DC偏压和离子轰击能量的偏压RF。另外，匹配网络136a连接至源RF发生器134，以及匹配网络136b连接至偏压RF发生器138，这两个匹配网络试图使RF电源的阻抗与等离子体110的阻抗相匹配。另外，包括阀112和一组泵111的真空系统113通常用于从等离子体室102中抽空环境大气，以达到维持等离子体110的所需压力以及/或者去除处理副产品。
现在，参考图2，示出了电容耦合等离子体处理系统的简图。通常，电容耦合等离子体处理系统可以配置有单个或多个单独的RF电源。由源RF发生器234生成的源RF通常用于生成等离子体以及通过电容耦合控制等离子体密度。而由偏压RF发生器238生成的偏压RF通常用于控制DC偏压和离子轰击能量。另外，匹配网络236连接至源RF发生器234和偏压RF发生器238，该匹配网络试图使RF电源的阻抗与等离子体220的阻抗相匹配。其他形式的电容反应器具有RF电源和连接至顶部电极204的匹配网络。此外，还存在也遵循类似RF和电极配置的多正极系统(例如，三极管)。
通常，一组适当的气体通过顶部电极204的入口从气体分配系统222流入具有等离子体室壁217的等离子体室202中。这些等离子体处理气体可被顺序电离以形成等离子体220，以便处理(例如，蚀刻或沉积)用边缘环215定位在还用作电极的静电卡盘216上的衬底214(例如，半导体衬底或玻璃板)的暴露区域。此外，包括阀212和一组泵211的真空系统213通常用于从等离子体室202中抽空环境大气，以达到维持等离子体220所需的压力。
鉴于上述问题，需要用于在等离子体处理系统中确定清洁或调节处理的终点的方法和装置。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种通过测量层的厚度来确定处理的终点的方法，该层通过先前处理沉积在表面上。该方法包括提供与表面共面的传感器，其中，该传感器被配置为测量厚度。该方法还包括：将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过暴露来改变厚度；以及确定厚度作为时间的函数。该方法还包括确定厚度中的稳态条件，该稳态条件的特征在于厚度基本上不变的测量结果，稳态条件的开始表示终点。
在另一个实施例中，本发明涉及一种通过测量层的厚度来确定处理的终点的方法，该层通过先前处理沉积在表面上。该方法包括提供从表面凹进的传感器，其中，该传感器被配置为测量厚度。该方法还包括：将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过暴露来改变厚度；以及确定厚度作为时间的函数。该方法还包括确定厚度中的稳态条件，该稳态条件的特征在于厚度基本上不变的测量结果，稳态条件的开始表示终点。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于通过测量层的厚度来确定处理的终点的装置，该层通过先前处理沉积在表面上。该装置包括用于提供与表面共面的传感器的装置，其中，该传感器被配置为测量厚度。该装置还包括：用于将等离子体室暴露给等离子体的装置，其中，通过暴露来改变厚度；以及用于确定厚度作为时间的函数的装置。该装置还包括用于确定厚度中的稳态条件的装置，该稳态条件的特征在于厚度基本上不变的测量结果，稳态条件的开始表示终点。
下面，将结合附图和本发明的详细描述更详细地描述本发明的这些和其它特性。
附图说明
通过实例示出了本发明，但并不用于限制本发明，在附图中，相同的参考标号表示相同的元件，其中：
图1示出了电感耦合等离子体处理系统的简图；
图2示出了电容耦合等离子体处理系统的简图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的电介质蚀刻等离子体处理的实例，其中，在RF电源的脉冲施加期间探针上所感应的偏压与沉积在探针上的聚合物的厚度相关；
图4示出了根据本发明的一个实施例的图3中的探针数据与其他诊断数据的比较关系，其中，所示的探针感应偏压是用于检测聚合物去除的真正终点的基本上精确的方法；
图5示出了根据本发明的一个实施例的具有共面离子流探针的等离子体室壁的简图；
图6示出了根据本发明的一个实施例的具有共面QCM的等离子体室壁的简图；
图7示出了根据本发明的一个实施例的具有共面干涉仪的等离子体室壁的简图；以及
图8示出了根据本发明的一个实施例的通过测量层的厚度来确定处理的终点的简化方法，该层通过先前处理沉积在表面上。
具体实施方式
现在，将参考附图中所示的本发明的几个优选实施例详细描述本发明。在以下的描述中，为了提供对本发明的透彻理解，将阐述多个具体细节。然而，本领域的技术人员应该明白，没有这些具体细节的一些或全部也可实施本发明。在其它情况下，为了避免对本发明造成不必要的混淆，没有详细描述众所周知的处理步骤和/或结构。
尽管不希望被理论所束缚，但这里发明人相信，可以使用基本上与等离子体室表面共面的传感器、或者可选地凹进等离子体室壁中的传感器来确定可以改变等离子体室表面上的层厚度的处理的终点。
共面是指传感器相对于等离子体室表面的位置，其中，传感器的测量表面和等离子体室的表面基本上在同一平面上。凹进是指传感器相对于等离子体室表面的位置，其中，等离子体室的表面在传感器的测量表面和等离子体之间。
不同于其他间接测量技术(例如，使用常失真的非共面或非凹进的干涉仪)，共面或凹进传感器可以直接测量等离子体室内的表面条件。例如，在用精确的等离子体沉积膜预涂覆等离子体室表面的情况下，由于沉积期间的等离子体条件不受膜厚度的影响，所以可能难以使用传统的传感器来确定沉积膜的厚度。类似地，间接传感器可能对室材料的表面氧化状态的改变是不敏感的。
在一个实施例中，以不明显的方式，共面离子流探针可以用于主要检测室调节处理的终点。通常，由于RF能量被感应到等离子体室中以维持等离子体，所以通常由等离子体中的离子在室表面上形成电势。随后，在共面离子流探针中感应电容，该共面离子流探针也被暴露给等离子体。随着缓慢的瞬态电流使电容充电和放电，可以随后确定离子流探针的I-V特征。
在测量之前，通过施加RF电势的短脉冲群，使共面离子流相对于其稳定的浮动电势偏压。等离子体壳层的非线性使电容充电。在RF脉冲群结束时，开始通过来自等离子体的正电荷的到达，探针电势随着电容放电而返回其开始的浮动电势。
然而，副产品累积可能影响感应电容量。由于副产品沉积易于包括大量的电介质材料，所以它们易于使下层共面离子流探针与等离子体部分绝缘，从而产生更小的电势。即，基本上无污染的等离子体室表面可能具有更接近等离子体电势的电势，而具有副产品沉积的等离子体室表面通常具有小于等离子体电势的电势。最后，电势放电并且室表面返回到正常的dc浮动电势。通常，电势差、或偏压与副产品沉积的厚度的变化成比例。
现在，参考图3，示出了电介质蚀刻等离子体处理系统的实例，其中，在RF电源的脉冲施加期间探针上所感应的偏压与沉积在探针上的聚合物的厚度有关。在该实例中，使聚合物预沉积，然后，使用清洁型配方(recipe)来去除膜。高速收集探针数据，从而能够实时测量聚合物膜的去除程度。在该实例中，相对于在水平轴上以秒为单位的时间绘出在垂直轴上以a.u.(原子单位)为单位的RF感应探针偏压。通常，原子单位是随机定义的电荷单位。质子具有+1原子单位的电荷，以及电子具有-1原子单位的电荷。
曲线302表示没有经过预调节的等离子体室的作为时间函数的RF感应探针偏压。由于实际上不存在任何副产品来使共面离子流探针部分绝缘，所以RF感应探针偏压基本上恒定在约-2.7a.u.(原子单位)。曲线304表示经过60秒聚合物预调节沉积的等离子体室的作为时间函数的RF感应探针偏压。不同于曲线302，RF感应探针偏压在电介质蚀刻等离子体处理的时间0秒处略低于约-2.0a.u.，在约25秒处(在该点基本上变为恒定)高于约-2.6a.u.，因此，已基本上达到终点。曲线306表示经过120秒聚合物预调节沉积的等离子体室的作为时间函数的RF感应探针偏压。像曲线304一样，RF感应探针偏压在电介质蚀刻等离子体处理的时间0秒、约-1.4a.u.处略低于曲线302，在约60秒处高于约-2.5a.u.。不同于304，在曲线基本上变为恒定的60秒内不存在任何点。这是指仍未达到处理的终点。
现在，参考图4，示出了图3的探针数据与其他诊断数据的比较关系，其中，所示的探针感应偏压是用于检测聚合物去除的真正终点的基本上精确的方法。该实例表明使用探针来标示从室表面去除聚合物膜的终点。为了室调节的目的，该数据还示出了应如何使用探针来标示等离子体室中电介质膜的沉积的终点。对于所示的数据，探针头是钨。
然而，探针还可以使用掺杂硅的探针头，其与电介质蚀刻反应堆中所使用的材料相匹配。在此情况下，认为探针可以检测薄的表面氧化物并可以用于检测硅室部分的表面氧化状态，从而标示出添加表面氧化物或从硅中去除表面氧化物的室调节处理的终点。
曲线402表示等离子体室中作为时间函数的以a.u.为单位的氢分子。即，当蚀刻表面氧化物时，在蚀刻处理中消耗了氢。一旦基本上完成了蚀刻处理，由于所增加的数量约等于所去除的数量，所以等离子体室中的氢的数量达到稳定。
曲线404表示等离子体室中作为时间函数的也以a.u.为单位的CN物种(species)。即，当蚀刻表面氧化物时，在蚀刻处理中产生了作为挥发性副产品的CN。一旦基本上完成了蚀刻处理，就会大大减少等离子体中CN的数量。
曲线406表示作为时间函数的探针感应偏压(如图3所示)。如前所述，副产品累积影响了感应电容量，该副产品累积易于使共面离子流探针与等离子体绝缘。随后，当蚀刻表面氧化物时，感应电容增大。一旦基本上完成了蚀刻处理，感应电容接近等离子体本身的感应电容，并且达到了基本上稳态条件。在时间20秒处，探针感应偏压曲线406基本上恒定在约-65V处，从而表示已充分蚀刻了表面氧化物。可以看出，也可以在其余的四条曲线中检测出时间20秒处的终点。
曲线408表示作为时间函数的2MHz处的电压反应堆。
曲线410表示作为时间函数的以mA/cm2为单位的离子饱和电流。
现在参考图5，示出了根据本发明的一个实施例的具有共面离子流探针的等离子体室壁的简图。层502表示预调节的等离子体沉积膜或污染副产品累积，并且保护(shield)位于等离子体室壁517中的共面离子流探针504不会直接暴露给等离子体510。如前所述，副产品累积影响了感应电容量，该副产品累积易于使共面离子流探针与等离子体绝缘。随后，当蚀刻表面氧化物时，感应电容增大。一旦基本上完成了蚀刻处理，感应电容接近等离子体本身的感应电容。
在另一个实施例中，使用了基本上共面的石英晶体微量天平(QCM)。通常，QCM通过测量5MHz、AT切割的石英晶体的共振频率和电阻来测量在表面处或表面附近、或在薄膜内进行的处理中的质量。共振频率作为沉积在晶体表面上的材料的质量的线性函数而变化。共振电阻随着与晶体表面接触的材料(膜或液体)的弹性而变化。作为重量分析仪器，QCM可以测量范围从微克到几分之一毫微克的质量。检测极限对应于原子的亚单原子层(submonolayer)。
现在参考图6，示出了根据本发明的一个实施例的具有共面QCM的等离子体室壁的简图。层602表示预调节的等离子体沉积膜或污染副产品累积，并且保护位于等离子体室壁617中的共面QCM604不直接暴露给等离子体610。如前所述，共面QCM测量层602的质量，该层的位置接近该共面QCM。
在另一个实施例中，使用凹进等离子体室壁中的干涉仪。在单波长干涉仪中，可以使光束指向沉积聚合物和等离子体室表面之间的聚合物层的表面上。然后，使所反射的信号相长或相消地结合来产生周期性的干涉条纹。通过测量条纹的数量，可以确定材料的厚度。干涉仪对于各项特征通常都精确到0.25微米。
现在参考图7，示出了根据本发明的一个实施例的具有共面干涉仪的等离子体室壁的简图。层702表示预调节的等离子体沉积膜或污染副产品累积，并且保护位于等离子体室壁717附近的光束源704和干涉仪706不直接暴露给等离子体710。如前所述，通过测量条纹的数量，可以确定沉积聚合物的厚度。
现在参考图8，示出了根据本发明的一个实施例的通过测量层的厚度来确定处理的终点的简化方法，该层通过先前的处理沉积在表面上。首先，在步骤802中，提供与表面共面的传感器，其中，传感器被配置为测量厚度。接着，在步骤804中，将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过暴露来改变厚度。然后，在步骤806中，确定厚度作为时间的函数。最后，在步骤808中，确定厚度中的稳态条件，稳态条件的特征在于厚度基本上稳定的测量结果，稳态条件的开始表示终点。
尽管已使用几个优选实施例来描述本发明，但在本发明的范围内可以存在各种变化、改变、和等同替换。应注意，存在许多可选方式来实现本发明的方法。
本发明的优点包括用于在等离子体处理系统中的清洁或调节处理的终点的方法和装置。其他优点包括使处理阈值检测最优化、使生产合格率问题最小化、以及使等离子体处理生产量最优化。
尽管已经公开了示例性实施例和最佳模式，但在由所附权利要求限定的本发明的主题和精神的范围内，可对所公开的实施例做出各种更改和改变。

Claims (18)

1.一种通过测量层的厚度来确定处理的终点的方法，所述层通过先前处理沉积在表面上，所述方法包括以下步骤：
提供与所述表面共面的传感器，其中，所述传感器被配置为测量所述厚度；
将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过所述暴露来改变所述厚度；
确定所述厚度作为时间的函数；以及
确定所述厚度中的稳态条件，所述稳态条件的特征在于所述厚度基本上不变的测量结果，所述稳态条件的开始表示所述终点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器为共面离子流探针。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器为共面石英晶体微量天平。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理为室预调节处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理为无晶自动清洁处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理为表面化学性质控制处理。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体处理室为电容耦合的等离子体处理室。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体处理室为电感耦合的等离子体处理室。
9.一种通过测量层的厚度来确定处理的终点的方法，所述层通过先前处理沉积在表面上，所述方法包括以下步骤：
提供从所述表面凹进的传感器，其中，所述传感器被配置为测量所述厚度；
将等离子体室暴露给等离子体，其中，通过所述暴露来改变所述厚度；
确定所述厚度作为时间的函数；以及
确定所述厚度中的稳态条件，所述稳态条件的特征在于所述厚度基本上不变的测量结果，所述稳态条件的开始表示所述终点。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述传感器为干涉仪。
11.一种用于通过测量层的厚度来确定处理的终点的装置，所述层通过先前处理沉积在表面上，所述装置包括：
用于提供与所述表面共面的传感器的装置，其中，所述传感器被配置为测量所述厚度；
用于将等离子体室暴露给等离子体的装置，其中，通过所述暴露来改变所述厚度；
用于确定所述厚度作为时间的函数的装置；以及
用于确定所述厚度中的稳态条件的装置，所述稳态条件的特征在于所述厚度基本上不变的测量结果，所述稳态条件的开始表示所述终点。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述传感器为共面离子流探针。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述传感器为共面石英晶体微量天平。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理为室预调节处理。
15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理为无晶自动清洁处理。
16.根据权利要求11所述的装置，其中，所述处理为表面化学性质控制处理。
17.根据权利要求11所述的装置，其中，所述等离子体处理室为电容耦合等离子体处理室。
18.根据权利要求11所述的装置，其中，所述等离子体处理室为电感耦合等离子体处理室。
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