CN102630337A - 检测晶圆、基底表面的等离子体处理期间的电弧事件的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种监测等离子体处理的至少一个工艺参数的方法，该方法在半导体晶圆、表面或基底上进行，且确定等离子体工具室内发生的电弧事件。该方法包括以下步骤：检测等离子体处理期间从等离子体鞘层产生的调制光、从RF传输线采样RF电压信号和RF电流信号、处理检测到的调制光信号和RF信号以产生等离子体处理的至少一个监测统计值、以及处理监测信号以确定晶圆处理期间发生的电弧作用事件。

Description

检测晶圆、基底表面的等离子体处理期间的电弧事件的方法及设备
技术领域
本发明涉及等离子体处理。更具体地，本发明涉及检测半导体晶圆(wafer)、表面或基底的等离子体处理期间发生的电弧事件(arc event)的方法及设备。
背景技术
制造半导体时所涉及的其中两个主要处理是基底上的半导体蚀刻(etchingof the semiconductor，ETCH)和材料沉积。可通过不同方法实现材料沉积，例如物理气相沉积(physical vapour deposition，PVD)、化学气相沉积(chemicalvapour deposition，CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhancedchemical vapour deposition，PECVD)和原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)。在制造各组件、例如平板显示器和光伏太阳能电池时使用相似技术。
本发明适用于各种在集成电路(integrated circuit，IC)、光子器件或太阳能电池的制造期间通常使用的蚀刻处理和沉积处理。尤其地，本发明适合用于以下过程：在处理晶圆或基底附近，涉及产生了射频(radio ffequency，RF)驱动的等离子体放电的过程；且本发明可在ETCH、PVD、CVD和PECVD系统上实施。本发明还适用于在制造薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor-LiquidCrystal display，TFTLCD)、等离子体显示面板(plasma display panel，PDP)和有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)时所涉及的等离子体处理；有机发光二极管也称为发光聚合物(light emitting polymer，LEP)或有机电致发光(organic electro luminescence，OEL)。在制造过程中的某些阶段，以上所有器件需要等离子体处理。
目前存在许多半导体行业中使用的不同的蚀刻工具。用于蚀刻处理的两种常用的蚀刻工具或反应器是电容耦合等离子体(capacitive coupled plasma，CCP)工具和变压器耦合等离子体(transformer coupled plasma，TCP)工具。
结合图1-3解释蚀刻处理的原理。图1是典型的CCP处理工具的截面图。
真空室包含底电极2和顶电极7，在所述底电极上设置晶圆或基底3。还提供进气口8和排气线9。所述真空室还包含底电极射频(RF)电源1。
图2是典型的TCP处理工具的截面图。这一处理工具包含的组件与CCP处理工具大致相同，但其不包含顶电极。该工具还包含第二射频(RF)电源12、天线13和电介质窗6。通常在RF电源1和12和供电电极/天线间设置匹配网络(未显示)。该网络的目的在于使通常为50Ω的电源阻抗与电极/天线阻抗相匹配。
结合图3解释与CCP工具有关的上述工具的典型操作。上述操作涉及将晶圆或基底3设置在底电极2上，并通过射频电源1点燃(ignite)等离子体；所述射频电源向电极2施加恒定量的能量。同样还提供选择的原料气体(feedstock gas)的受控气流，在恒定吞吐量下向室内泵入所述原料气体。
通过溅镀、化学蚀刻或反应离子蚀刻，蚀刻处理从晶圆3去除材料。去除的材料随后挥发到等离子体放电中。这些挥发性材料称为蚀刻副产物4，并且其与原料气体8一起影响等离子体放电的化学过程。通过排气口或抽气口9将蚀刻副产物4和气体8泵出。TCP工具的蚀刻处理以相似方式操作。
在制造期间通过等离子体多次处理晶圆。已经发现的是，在处理晶圆期间经常发生等离子弧(plasma arc)。这些电弧事件在处理晶圆的蚀刻步骤或沉积步骤期间发生，或在处理晶圆的蚀刻步骤或沉积步骤之后立即发生。并且这些电弧事件与RF设计、操作参数、壁和鞘层的状况以及处理工具的老化有关。
电弧事件由在室壁和/或电极与晶圆表面间流动的瞬变电流组成。电弧事件也可发生在处理室内的其他组件间。令人担忧的是，它们可能导致对正处理的基底的损坏、或可能导致对等离子体室内有价值组件的损坏。目前存在各种由发生电弧事件而导致的后果。例如，它们可通过溅镀材料使其离开室壁而产生粒子，所述粒子可能落在晶圆表面而造成缺陷，或者它们可能直接损坏处理晶圆的一些区域。
电弧是等离子体处理工具内表面上电荷积聚的结果。这一表面可能是等离子体晶圆、室壁或电极。这些可能导电的或绝缘的表面通常包覆有绝缘介电材料，从而产生绝缘介电层。其中所述绝缘介电材料是晶圆处理的产物或副产物。电荷积聚导致在等离子体、绝缘层和壁表面积聚电压差。如果电压电平超出壁或层的击穿强度，其导致可能具有雪崩效应、流入表面的电子流，从而补偿电荷差。因此，等离子体的电子布居(electron population)耗尽，仅留下剩余的正电荷(正离子)。这一电子密度耗尽发生在纳秒时标(time scale)内(称为电子等离子体频率)，而弛豫时间(即等离子体恢复稳态花费的时间)则受离子纳米时标和表面再充电速度控制，其通常达到几毫秒。
因此，就通常的处理等离子体放电的等离子体参数而言，电弧是纳秒时标内对等离子体状态的扰动，其后紧跟有毫秒时标的等离子体弛豫。还可能发生多个电弧事件。换言之，一个事件紧跟有第二事件等等，从而总体上造成较长扰动，其在时标内高达几毫秒。
应该理解的是，能够实时监测和检测电弧事件是有益的。这将使得在预防性维修(preventive maintenance，PM)(如果需要的话)时，一旦检测到电弧事件能够从生产线取出处理工具。这是为了进一步防止晶圆报废。如果这能够实现，其将导致材料成本降低，并避免在建造时对电子设备的其他损坏。
可采用侵入型IS技术(例如静电探针(也称为朗缪尔探针))、和/或通过在处理室内设置附加电极开展以研究电弧事件为目的的研究工作，从而拾取等离子体状态的改变，所述等离子体状态例如等离子体的电势密度或电子密度。但是，这一方法在制造环境下是不实际的。
考虑到等离子弧的快速瞬变性质，可以理解的是，长时间(相对于电弧时标)的积分传感器无法拾取微电弧事件所产生的等离子体光的变化(plasmalight variation)；所述长时间的积分传感器例如典型的OES分光计和单色仪(其积分事件通常为100ms、数据输出速度为10Hz)。
如申请号为No.US6332961B1、US67369442和US2008/019784A1的美国专利所描述的，通过监测从RF光源到等离子体源的RF输电线可实现电弧事件检测。这一方法背后的原理基于以下观察：在电弧事件期间等离子体阻抗将改变，因此地，在电弧事件期间对驱动频率和/或驱动谐波的正向功率、电压和/或电流的反射比率发生变化。但是，这一阻抗变化发生得足够快，以至于处理工具RF匹配网络系统检测不到它。尽管如此，RF传输线上RF电压/电流的快速监测和处理可能揭示发生了电弧事件。
在美国专利US2008/019784A1中实现了所提到的非侵入型光学的电弧检测技术，而美国专利US6332961B1讨论了根据处理等离子体放电的闪光观察重度(high-severity)电弧事件的可能性。
发明内容
本发明提供了一种检测表面等离子体处理期间发生的电弧事件的方法，所述表面等离子体处理在供应有射频电源的等离子体室内进行，所述方法包括以下步骤：检测所述处理期间所述等离子体产生的光；以及处理检测到的光从而确定电弧事件何时发生。
通过检测所述处理期间来自等离子体的光，本发明提供了非常准确的检测电弧事件技术，这是由于光与通过鞘层和晶圆的RF电流强相关联的事实。
优选地，检测所述等离子体产生的光的步骤包括检测从等离子体鞘层发出的调制光和靠近所述等离子体鞘层的等离子体体积。
所述方法还包括以下步骤：
检测所述等离子体处理的附加工艺参数；以及
处理所述检测到的调制光和所述附加工艺参数，从而确定所述电弧事件何时发生。
优选地，所述附加工艺参数包括与所述射频电源相关联的射频信号。
由于在等离子体处理期间通过监测射频信号的变化同样可检测电弧事件，因此将射频信号用作附加工艺参数提供了检测电弧事件的其他方式。
处理所述检测到的调制光和所述射频信号的步骤可能包括以下步骤：
将所述检测到的调制光转换为数字光学波形，及将所述检测到的射频信号转换为数字射频波形；
将所述数字光学波形和所述数字射频波形从时域变换到频域；
处理所述变换的光学波形和射频波形，从而产生量值数据(magnitudedata)和相对(relative)相位数据；
从所述光学波形和所述射频波形提取产生的、一个或多个信号的量值数据或相对相位数据，所述产生的量值数据或相对相位数据对应于预先选定为过程监测统计值(process monitor statistics)的那些数据；以及
检测所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值何时在预设的上限值和下限值外，所述检测结果预示电弧事件的发生。
处理变换的光学波形和射频波形从而产生量值数据和相对相位数据的步骤可能包括以下步骤：就所述光学波形和所述射频波形的每个而言，计算变换波形的每个频率的相应实系数和虚系数的平方之和的平方根，从而确定所述量值数据；以及计算变换的光学波形的相位和变换的射频波形的相位间的差值，从而确定所述相对相位数据。
所述方法可能还包括以下步骤：在将检测到的调制光转换为数字光学波形之间、及在将检测到的射频信号转换为数字射频波形之前，放大所述检测到的调制光和所述射频信号。
可通过数值处理技术执行将光学波形和射频波形从时域变换到频域的步骤。
优选地，所述数值处理技术包括快速傅里叶变换。
所述方法可能还包括以下步骤：当检测到所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值在预设的上限值和下限值以外时，生成指示符。
所述指示符可能是视觉指示符或听觉指示符、或者是停止所述等离子体处理的控制信号。
所述射频信号可能与通过传输线的电流和电压成比例、或可能代表通过传输线的电流和电压，所述传输线连接所述射频电源与所述等离子体室。
所述方法可能还包括以下步骤：将所述等离子体产生的光滤波为特定波长，其中所述检测步骤包括仅检测滤波后的光的步骤。
可通过对所述等离子体室内的多个晶圆执行测试晶圆分析来确定所述一个或多个预先选定的过程监测统计值。
所述测试晶圆分析可能包括以下步骤：对每个测试晶圆而言，在等离子体处理期间检测所述测试晶圆的等离子体产生的光，以及检测与所述处理的所述射频电源相关联的射频信号；
将选定频率的检测到的光转换为数字光学波形，将选定频率的检测到的射频信号转换为数字射频波形；以及
所述测试晶圆分析还包括以下步骤：
随时间计算每个测试晶圆的多个(数字)光学波形的每个频率的平均光学波形；随时间计算每个测试晶圆的多个数字射频波形的每个频率的平均射频波形；
从多个光学波形和射频波形选择一个或多个信号，所述一个或多个信号体现出与计算的平均波形的最大偏差；以及
通过向选定的一个或多个信号应用数学函数产生一个或多个过程监测统计值。
在一个实施例中，所述过程监测统计值选定为所述射频驱动频率的光学量值。
替代性地，所述过程监测统计值可选定为所述射频驱动频率的第二谐波的相对相位。
所述方法可能还包括以下步骤：
计算选定的过程监测统计值的平均值；以及
将对应于计算的过程监测统计值的平均值以上10％的值设置为每个时间点的上限值，及将对应于计算的过程监测统计值的平均值以下10％的值设置为每个时间点的下限值。
优选地，所述上限值和所述下限值是动态可更新的。
可由用户定义所述一个或多个预设的过程监测统计值。
本发明还提供一种检测表面等离子体处理期间发生的电弧事件的设备，所述表面等离子体处理在供应有射频电源的等离子体室内进行，所述设备包括：检测处理期间所述等离子体产生的光的装置；以及处理检测到的光从而确定电弧事件何时发生的装置。
优选地，所述检测等离子体产生的光的装置还包括检测从等离子体鞘层发出的调制光和靠近所述等离子体鞘层的等离子体体积的装置。
所述设备还可包括：
检测所述等离子体处理的附加工艺参数的装置；以及
处理所述检测到的调制光和所述附加工艺参数、从而确定所述电弧事件何时发生的装置。
优选地，所述附加工艺参数包括与所述射频电源相关联的射频信号。
所述处理所述检测到的调制光和所述射频信号的装置还包括：
将所述检测到的调制光转换为数字光学波形、及将检测到的射频信号转换为数字射频波形的装置；
将所述数字光学波形和所述数字射频波形从时域变换到频域的装置；
处理所述变换的光学波形和射频波形、从而产生量值数据和相对相位数据的装置；
从所述光学波形和所述射频波形提取产生的、一个或多个信号的量值数据或相对相位数据的装置，所述产生的量值数据或相对相位数据预先选定为过程监测统计值；以及
检测所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值何时在预设范围外的装置，所述检测结果预示电弧事件的发生。
处理变换的光学波形和射频波形从而产生量值数据和相对相位数据的装置可能还包括：为所述光学波形和所述射频波形的每个计算变换波形的每个频率的相应实系数和虚系数的平方之和的平方根、从而确定所述量值的装置；以及计算变换的光学波形的相位和变换的射频波形的相位间的差值、从而确定所述相对相位数据的装置。
所述设备还可能包括在将检测到的调制光转换为数字光学波形之前、及在将检测到的射频信号转换为数字射频波形之前，放大所述检测到的调制光和所述射频信号的装置。
所述设备还可能包括当检测到所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值在预设的上限值和下限值以外时生成指示符的装置。
所述设备还可能包括将所述等离子体产生的光滤波为特定波长的装置，其中所述检测装置包括仅检测滤波后的光的装置。
附图说明
结合附图、根据仅作为示例给出的实施例的以下描述将更清楚地理解本发明。附图中：
图1是典型的CCP处理工具的截面图；
图2是典型的TCP处理工具的截面图；
图3是详述蚀刻副产品的图1的CCP处理工具的截面图；
图4是电弧检测实施例的主示意图；
图5是光学传感器拾音器(pickup)的示意图；
图6是数据获取和处理的示意图；
图7是电弧检测实施例的主流程图；
图8是数据处理的流程图；
图9是采样波形的图表(plot)；
图10是图9的采样波形的FFT量值的图表；
图11是过程监测统计值和过程监测极限值的图表；
图12是详述电弧事件的过程监测统计值和过程监测极限值的图表；以及
图13是详述产生监测统计值和监测极限值的流程图。
具体实施方式
应该理解等离子体处理期间发生的电子反应，从而理解本发明背后的原理。如同等离子体处理工具中发现的一样，RF驱动的等离子体放电通过使RF电源与稀薄气体混合物耦合维持等离子体辉光。施加的大RF电压使电子加速，将这称为RF电子加热。高能电子布居通过电子轰击离子化引发构成气体混合物的中性原子和/或中性分子的电离过程。这些激发直接与电子密度成比例。然后，等离子体放电在几个RF周期后达到稳态，并发展出等离子体鞘层。这一鞘层是RF驱动电极和等离子体容积(plasma bulk)间的区域。
鞘层是外部RF电源驱动的RF电场强烈变化的区域。变化的电场驱动一显著的电子电流通过鞘层。在电子密度时间均匀的等离子体容积内，原子和分子的激发与时间无关。另一方面，鞘层区域的电子布居是时间相关的，其中所述鞘层区域具有紧跟着RF驱动电压的电子电流。最终结果是随时间变化的电子布居，所述电子布居在一半RF周期内消失、而在另一半RF周期内积聚。
等离子体的光学发射由受激中子(neutrals)的光学去激发造成。鞘层区域内随时间变化的电子布居促使了周期性的光学激发。换言之，当鞘层区域内存在电子布居时，鞘层区域内的一部分中性布居(neutral population)在一半RF周期内受电子碰撞激发，同时当电子布居消失时，在另一半周期内不会有其他的激发发生。根据受激状态的发射谱线半衰期，与鞘层区域接近的等离子体体积将发出由驱动RF频率调制的光。这里提出的警告在于：光学发射谱线半衰期必须比RF循环周期短，从而产生RF调制光。只有满足这一条件的波长选择将有助于调制光发射。应该理解的是，由于电子密度布居变化主要受限于这一区域，大多数RF调制等离子体光在等离子体鞘层产生。
调制光的幅值与工具和等离子体状态有关。这包含：气体压力；原料气体；副产物；壁排气；电子密度能量和空间分布；离子密度能量和空间分布、室几何形状；RF源类型、RF驱动频率和功率电平。
应该理解的是，电弧事件可能严重影响遍布整个等离子体的等离子体电子密度。通过监测等离子体鞘层的调制发射，例如调制等离子体光的一个或多个谐波信号的幅值，可直接观察电子密度变化的效应。可以理解的是，这是直接测量电弧事件引起的对等离子体稳态的破坏。
应该理解的是，接近鞘层的电弧事件将影响鞘层的电动态(electricaldynamic)和空间动态，其将表现为调制电子、及因此的调制光发射的瞬时能量的改变。
本发明提供了一种检测晶圆处理期间电弧事件的方法，该方法包括监测来自RF等离子体鞘层的RF调制光发射。
在单频率蚀刻工具中，通常期望调制光与驱动射频和驱动谐波相对应。在双频率系统中，很可能发现在两个驱动频率的混乱产物下调制的光，以及在它们自身的射频和它们的谐波下调制的光。
本发明通过监测调制光提供了对微电弧事件的发生更敏感的技术，这是由于调制光与通过鞘层和晶圆的RF电流强相关联的事实。通过监测等离子体的调制光可清楚地检测到电弧事件对这一电流的任何扰动。
同样可通过监测电弧事件期间等离子体阻抗的改变来检测电弧事件。这表现为通过传输线的电参数的改变，所述电参数例如电流、电压和功率。典型的RF等离子体工具包含RF电源和等离子体室之间的匹配网络，从而使传输至等离子体放电的输出功率最大化。然后，通过在匹配网络前或后、在线路中设置电RF拾音器(RF pick up)，可测量通过传输线的RF电压和RF电流。
因此，本发明的监测参数不仅可包括调制光驱动频率和/或谐波频率的幅值，而且另外可选地包括以下过程参数的一个或多个：调制光驱动频率和/或谐波频率相对于RF线路上相应信号和/或谐波的相位，以及RF传输线的驱动频率和/或谐波频率的电压幅值和/或电流幅值。
通过传感器的组合执行检测，其中所述传感器对晶圆处理期间等离子体发出的时间相关辐射以及维持和驱动等离子体放电的RF电压和RF电流敏感。传感器(例如光倍增器或光二极管)可将调制光发射转换为模拟信号，并进一步使其数码化而用于分析。应该理解的是，由于等离子体鞘层的类二极管特性，鞘层内的电子布居变化是非正弦的，因此这种波形将富含谐波。
在电弧事件发生前，等离子体状态随时可改变。在传感器所测量的调制光学发射中可观察到这一不稳定性，且这一不稳定性可用作电弧事件的预测器。这种情况下，用户可能想要采取一些回避动作来预防电弧作用发生，从而保护处理的产品和处理设备的完整性。例如，在处理工具的闭环控制方案中，通过调节压力或功率等可改变等离子体的工况。
然后，传感器采集的数据用于产生一个或多个统计值，所述一个或多个统计值用于监测正处理的晶圆、且随后用于确定在晶圆处理期间发生的电弧事件。术语“统计值”的意思是，由一个或多个原始信号的数学组合产生的信号。在本发明的一个实施例中，对这些原始数据信号的处理包括使用快速傅里叶变化(FFT)算法。但应该理解的是，通过任何合适装置可开展该处理，且不应该认为该处理受限于这一数值方法。
通过设置晶圆处理期间监测参数的上限值和下限值可检测电弧事件。如果监测信号超出设置的极限值或降到设置的极限值的水平以下，可激活警报来表明显著的信号偏差。同样应该理解的是，监测信号可显示出电弧事件在纳米时标的快速初始变化。也可通过实时获取同一参数信号的导数监测参数信号改变的速率。急剧变化和超出预设极限值的偏差可能表明有电弧事件发生。
本发明的一个实施例包括使用调制等离子体光检测传感器产生一个或多个监测统计值，所述一个或多个监测统计值用于确定晶圆处理期间发生的电弧事件。这纯粹是非侵入型实施例。
替代性地，本发明可包括通过共同使用调制等离子体光检测传感器和检测其他过程参数的传感器检测电弧事件。在一个实施例中，这通过使用RF电压和RF电流传感器以及调制等离子体光检测传感器来进行，从而产生一个或多个监测统计值，以便确定晶圆处理期间发生的电弧事件。这一实施例需要一定程度地侵入RF电源、匹配网络和处理工具室之间的RF传输线，以便采样RF电压和RF电流信号。
虽然本发明的详细描述基于上述第二实施例，但应该注意的是，这仅用于解释目的，而不是用于将本公开的范围限制为这一实施例。
图4是本发明的各组件的一个实施例的框图。RF电源41通过传输线与处理工具的等离子体室连接。RF采样传感器拾音器(RF sampling sensor pickup)42设置在等离子体室43和RF电源41间的RF传输线内，从而检测传输线内的RF信号。在这一实施例中，传输线是同轴电缆(包括介电材料和电屏蔽(electric shield)围绕的中央导线)，而RF采样传感器拾音器42是具有RF连接器的金属组件，所述RF连接器用于RF电源41和等离子体室间的连接。光学传感器拾音器44与等离子体室连接，从而检测等离子体的光学发射。这包含检测从等离子体鞘层发出的调制光和靠近等离子体鞘层的体积。
然后，光学传感器拾音器44和RF传感器拾音器42的输出与数据获取和处理单元45连接。在所描述的实施例中，光学传感器通过使用将传感器与处理单元45连接起来的导线与数据获取和处理单元45连接，而RF传感器拾音器42通过屏蔽电缆与该单元连接。数据获取和处理单元45还与个人计算机46连接。
图5是光学传感器拾音器44的其他细节的示意图。术语光学传感器“拾音器”的意思是，对光学输出敏感、且将产生与光学输出成比例或代表光学输出的电输出信号的传感器。光学传感器拾音器包括两个组件，即光传感器52和位于等离子体和光传感器52之间的滤光器51。滤光器51的作用在于：使至传感器的输入光的光带(band)变窄为集中于特定波长的几纳米。这使能从等离子体的特定种类选择光，且因此去除不想要的波段。
传感器52可采取任何合适形式，例如光二极管或光倍增器。但是，传感器52应该具有快速响应时间，以便成功检测等离子体光调制。光传感器52将其接收的光学信号转换为电信号。
应该理解的是，可使用适合各种滤光器的一个或多个光学传感器拾音器，每个滤波器适用于检测特定的光学波段。通过将光学信道的视野导向感兴趣的各个组件，多个光学信道也可用于检测与处理室内的不同组件有关的电弧事件。
在本发明的一个实施例中，RF传感器拾音器42形成主要的RF传输线的改性部分(modified section)，且包含其中央导线附近的小环天线(small loopantenna)及小电极。这一设计确保了天线和电极对传输线造成最小扰动。通过流过中央导线的电流在天线内诱发电压信号，电压信号接着通过中央导线上的电压与电极耦合。产生的电信号与通过主传输线的中央导线的电流和电压成比例，或者其代表通过主传输线的中央导线的电流和电压。
然后，将来自光学传感器拾音器和RF传感器拾音器的输出的电信号输入信号调节装置53，从而在传递到数据获取和处理模块前放大。在本发明的一个实施例中，通过跨阻抗放大器(trans-impedance amplifier，TIA)和可编程可变增益电压放大器(variable gain voltage amplifier，VGA)实施调节。跨阻抗放大器将来自传感器的信号转换为电压信号，而电压放大器则放大这些电压信号。
图6是图4的RF和光学数据获取和处理模块45的主要组件的示意图。多个数字化仪单元63和64适用于接收已调节RF信号61和已调节光学信号62。在本发明的一个实施例中，通过模数转换器(ADC)实施数字化，通过单独的ADC同时使光学波形和RF波形数字化。在本发明的优选实施例中，ADC在高达30MHz的频率下运行。处理器65为将数字信号处理为所需格式做好准备，从而如以下所进一步解释的、使能个人计算机46检测电弧事件。处理器65可能是任何合适的处理器件，例如专用集成电路(application specificintegrated circuit ASIC)微控制器或现场可编程门阵列(field programmable gatearray，FPGA)。
计算机46为处理器输出信号的进一步处理做好准备，以便检测电弧事件并在电弧事件发生时产生一个或多个指示符。通信设备66提供处理单元65和个人计算机46之间的链路。在优选实施例中，这一器件是包含微控制器的USB模块，其负责计算机和处理器之间的通信。但是，通信设备可以是任何合适器件，例如串口模块或以太网模块。
应该理解的是，尽管将RF和光学数据获取和处理模块45以及计算机46描述为单独组件，但是同样地，这些组件也可作为集成处理系统提供。
图7是本发明一个实施例的主要步骤的工序流程图。在步骤71，在晶圆等离子体处理期间通过各个光学传感器和RF传感器捕获等离子体调制光信号和等离子体调制RF信号。接着采样捕获信号(步骤72)。这两个步骤这样实现：通过光学传感器拾音器44连续检测从等离子体鞘层发出的调制光，而RF传感器拾音器42连续采样通过RF电源和等离子体室之间传输线的电压信号和电流信号。另外，可通过使用一个或多个滤光器滤波等离子体光，从而仅检测特定光学波段的光。在步骤73，通过处理器45实时处理检测到的调制等离子体光信号和调制RF信号，然后将检测到的调制等离子体光信号和调制RF信号输入个人计算机46，从而产生正在进行的等离子体处理的一个或多个监测统计值。通过个人计算机46内的电弧检测算法进一步处理产生的统计值，从而确定在晶圆等离子体处理期间是否发生一个或多个电弧事件(步骤74)。然后，当该算法返回阳性电弧检测输出时生成指示符。
图8显示了本发明的信号处理步骤和统计值产生步骤的工序流程图的其他细节。一旦向处理单元输入数字化光学波形信号和数字化RF波形信号(步骤81和82)，处理器6接着对光学波形和RF波形进行快速傅里叶变化(FFT)(步骤83)。FFT将数字信号变换到频域。通过执行FFT，通过使频谱分解以及将其以强度和频率的数据格式呈现，可识别给定波形的频率分量。然后，进一步处理产生的每个FFT的实分量和虚分量，从而产生每个波形的量值FFT以及光学波形和电波形FFT之间的相对相位(步骤84)。
根据光学信号波形和RF信号波形的相位FFT的差别计算相对相位FFT。每个波形的相位与采样数字化仪的相位有关。应该理解的是，由于各个光学信号ADC和RF信号ADC同时锁定的事实，每个波形的参考相位相同。因此，FFT相位间的简单差别足以计算相对相位FFT。
通过取每个FFT频率的相应实部和虚部的平方和的平方根计算每个波形的量值FFT。图9是时域的采样RF波形的示意图。这一采样RF波形的相应量值FFT随后在图10中显示。
然后，从处理器向个人计算机输出产生的、计算得到的FFT量值和相位(步骤85)。在步骤86，PC读取FFT并对其作进一步处理，从而产生用于监测晶圆等离子体处理和检测电弧事件的一个或多个统计值。这通过计算机从接收的FFT信号提取一个或多个信号来实现，将所述一个或多个信号预先选来用作过程监测统计值。一般而言，将确定提供过程状态的最准确评估的那些信号选作过程监测统计值；所述过程状态即处理等离子体的稳定性和电弧事件何时已发生。在捕获和分析一系列产生的晶圆数据后开展过程监测统计值的选择，稍后对其的细节进行描述。
过程监测统计值可以是任何数量的FFT输出值的组合。这里可使用各种统计处理技术、尤其使用多变量分析(multi-vahate analysis，MVA)，例如主成分分析(principal component analysis，PCA)。在本发明的一个实施例中，RF驱动频率的光学FFT量值用作监测统计值。本发明的替代性实施例将RF驱动频率的第二谐波的相对相位值用作监测信号。
在所描述的本发明的实施例中，如图11所示，首先设定一个或多个过程监测统计值的上限值和下限值，从而确定电弧事件是否发生。在这一实施例中，上限值111和下限值113可设定为典型的统计时间信号的+/-10％。然后，如果监测统计值112的变化超出这些预定极限值，则认为检测到电弧事件。在使用多于一个的监测统计值的情况下，它们可视为一组警铃(bell)；其中，如果它们的至少一个“发出铃声”、表示统计值离开了极限值，则认为电弧事件发生。
应该理解的是，基于未检测到电弧事件的晶圆的监测统计值，晶圆间和批次间的上限值和下限值可动态更新。这样，电弧检测算法可补偿在工具预防性维修(PM)服务中间的工具漂移和老化(tool drift and ageing)。
图12是一旦设置过程监测统计值的上限值和下限值后电弧检测过程的示意图。与其确定的上限值121和下限值123一起共同绘制监测统计值122。在这一示例中可看出的是，监测统计值体现出脱离正常运行状态的快速信号偏差124。这些快速偏差或快速瞬态等同于电弧作用事件。当确定监测统计值的变化已经超出这些极限值时，激活指示符。
可使用任何合适的指示装置(means of indicating)。在本发明的一个实施例中，计算机产生的指示符是视觉指示符或听觉指示符。在本发明的另一实施例中，指示符是等离子体处理工具停止处理的控制信号。相反，采用以下电弧检测算法也可将处理设为连续的：对所述电弧检测算法进行编程、以记录检测到电弧事件的次数。
应该理解的是，如果检测到电弧事件，根据晶圆处理期间检测电弧事件的终端用户需求，处理器还可执行许多替代性任务。
同样地，可使用其他数值处理技术来代替电弧检测实施例的傅里叶变化(FFT)。
在等离子体处理工具中使用相同的光学传感器和RF传感器以及记录的采集数据(data collected recorded)测试给定数量批次的许多晶圆，以便确定用于电弧检测的最合适的过程监测统计值；其中当为特定晶圆执行实际的电弧检测时将使用所述光学传感器和RF传感器。希望处理大量晶圆。其有双重目的：首先创建数据集记录，以确定工艺复现性和工艺漂移；其次增加捕获一个或多个电弧事件、以及它们可能体现的任何特定特征(signature)的可能性。因此，稳定过程统计值的大型数据集记录需要建立电弧事件监测统计值的免费采样(free sample)，以便实时的监测统计值可与设为确定工艺漂移和电弧事件的采样作比较。
工艺漂移可包括信号密度和/或信号形状的整体变化。这是在预防性维修(PM)周期中、即在连续使用工具时，由等离子体室的老化引起的典型的等离子体工艺行为；例如在室壁和视见区上积聚的材料沉积影响等离子体室阻抗(光学信号和RF信号影响)和视见区混浊(clouding)(光强影响)的事实。
图13是在确定过程监测统计值以及统计值的上限值和下限值时涉及的典型步骤的示意图。在步骤131，光学传感器和RF传感器以与之前所描述的相同的方式检测RF信号和光学信号。然后，通过快速傅里叶变换将那些信号强度从时域转换为频率；其中所述信号强度与处理工具的驱动频率和/或谐波相对应。直到记录了多个晶圆和批次的数据才停止执行这一步骤(步骤131)。在步骤132，关于在选定频率的数据记录内是否捕获到任何电弧事件做出决定。在本发明的一个实施例中，这通过来自光学传感器的驱动频率时间信号的数据来实现，对所述数据绘图并在所有的捕获晶圆内比较所述数据。然后，计算所有那些似乎没有经历电弧事件的驱动频率时间信号波形的平均时间信号波形或平均时间信号曲线，并将每个单独的波形与平均值进行比较。在特定信号上观察到的脱离平均波形的任何快速偏差可标记为电弧事件。此外，通过执行晶圆表面的缺陷扫描可确认电弧事件。如果带标记晶圆返回许多在正常值以上的缺陷，那么记录数据和晶圆表面状态间的相关性得到确认。
如果在数据记录期间捕获到电弧事件(步骤133)，那么下一步骤是根据体现出电弧事件的那些波形，确定用来产生鲁棒统计值以监测等离子体处理的最佳组合(步骤134)。
在本发明的一个实施例中可发现，对受监测的处理而言，驱动频率的光学信号及其二次谐波对所发生的电弧事件显示出相反的信号变化，一个为阳性而第二个为阴性。因此，数学函数可应用于这些信号，所述数学函数的结果是过程监测统计值。这种情况下，这两个信号的差值组成了一良好组合，与任何一个信号相比，所述良好组合产生对电弧事件更敏感的统计值。但同样可使用光学传感器和RF传感器的任何数量的输出信号的线性或非线性组合所产生的其他合适的统计值选择。
如果在数据记录中未捕获到电弧事件，可基于终端用户的最佳判断和经验对最合适的过程监测统计值做出选择(步骤135)。待使用的信号的选择应基于那些评估为对电弧事件的发生具有最高可能性灵敏度的信号。根据进一步的处理监测，发生电弧事件是可能的。如早期所讨论到的，监测统计值也可更新，从而改善电弧检测算法。
步骤136在于确定一个或多个过程监测统计值的上限值和下限值。通过记录的处理数据确定采样过程监测统计值。在本发明的一个实施例中，根据与最后捕获的晶圆批次相对应的数据计算采样，所述采样是过程监测统计值的平均值。这种情况下，通过使最后晶圆批次的统计值平均可动态更新监测统计值。然后，可将监测统计值的上限值和下限值设定为作为时间函数的统计值平均波形曲线以上和以下的范围值。图11阐述了这一选择的极限值。可看出的是，如果把112看作批次的平均监测统计值曲线，那么上限值曲线111和下限值曲线113设为在每个时间点大于和小于统计值曲线的值；其中所述上限值曲线和所述下限值曲线比相应时间的统计值大和小给定百分比。
结合附图描述的本发明的各实施例包括计算机设备和/或在计算机设备中执行的处理。但是，本发明还可扩展为计算机程序，特别是储存在载体上或载体内、且适于实行的计算机程序。程序可能是源代码、目标代码或代码中间源和目标代码的形式(例如以部分编译的形式)，或者可能是适用于根据本发明的方法的实施方式中的其他形式。载体可包括如ROM(例如CD ROM)或磁记录介质(例如软盘或硬盘)的存储介质。载体可能是可通过电缆或光缆、或者通过无线电或其他装置传输的电信号或光信号。
本发明并不受限于本文之前描述的实施例，而是可以在构造和细节上发生变化。结合本发明此处使用的词“包含/包括”和词“具有/含有”，其用于指定存在所阐述的特征、整数、步骤或组件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其群组。
应该理解的是，也可在单个实施例中组合提供为清楚可见在独立实施例的情况下所描述的本发明的特定特征。相反，也可单独提供或以任何合适的子组合的形式提供为简明起见而在单个实施例的情况下所描述的本发明的各个特征。
应该理解的是，为清楚可见而在单独的实施例中描述本发明的特定特征；这种情况下，也可在单个实施例中组合提供所述本发明的特定特征。相反，为简明起见而在单个实施例中描述本发明的各个特征；这种情况下，也可单独提供或以任何合适的子组合的方式提供所述本发明的各个特征。

Claims (29)

1.一种检测表面等离子体处理期间发生的电弧事件的方法，其特征在于，所述表面等离子体处理在供应有射频电源的等离子体室内进行，所述方法包括以下步骤：
检测所述处理期间所述等离子体产生的光；以及
处理检测到的光从而确定电弧事件何时发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测所述等离子体产生的光的步骤包括检测从等离子体鞘层发出的调制光和靠近所述等离子体鞘层的等离子体体积。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
检测所述等离子体处理的附加工艺参数；以及
处理所述检测到的调制光和所述附加工艺参数，从而确定所述电弧事件何时发生。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述附加工艺参数包括与所述射频电源相关联的射频信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述处理所述检测到的调制光和所述射频信号的步骤包括以下步骤：
将所述检测到的调制光转换为数字光学波形，及将所述检测到的射频信号转换为数字射频波形；
将所述数字光学波形和所述数字射频波形从时域变换到频域；
处理所述变换的光学波形和射频波形，从而产生量值数据和相对相位数据；
从所述光学波形和所述射频波形提取产生的、一个或多个信号的量值数据或相对相位数据，所述产生的量值数据或相对相位数据对应于预先选定为过程监测统计值的那些数据；以及
检测所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值何时在预设的上限值和下限值外，所述检测结果预示电弧事件的发生。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述处理变换的光学波形和射频波形从而产生量值数据和相对相位数据的步骤包括以下步骤：
就所述光学波形和所述射频波形的每个而言，计算变换波形的每个频率的相应实系数和虚系数的平方之和的平方根，从而确定所述量值数据；以及
计算变换的光学波形的相位和变换的射频波形的相位间的差值，从而确定所述相对相位数据。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在将检测到的调制光转换为数字光学波形之前、及在将检测到的射频信号转换为数字射频波形之前，放大所述检测到的调制光和所述射频信号。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过数值处理技术执行将光学波形和射频波形从时域变换到频域的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述数值处理技术包括快速傅里叶变换。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：当检测到所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值在预设的上限值和下限值以外时，生成指示符。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述指示符是视觉指示符或听觉指示符、或者是停止所述等离子体处理的控制信号。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频信号与通过传输线的电流和电压成比例、或代表通过传输线的电流和电压，所述传输线连接所述射频电源与所述等离子体室。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述等离子体产生的光滤波为特定波长，其中所述检测步骤包括仅检测滤波后的光的步骤。
14.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过对所述等离子体室内的多个晶圆执行测试晶圆分析来确定所述一个或多个预先选定的过程监测统计值。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述测试晶圆分析包括以下步骤：对每个测试晶圆而言：
在等离子体处理期间检测所述测试晶圆的等离子体产生的光，以及检测与所述处理的所述射频电源相关联的射频信号；
将选定频率的检测到的光转换为数字光学波形，将选定频率的检测到的射频信号转换为数字射频波形；以及
所述测试晶圆分析还包括以下步骤：
随时间计算每个测试晶圆的多个数字光学波形的每个频率的平均光学波形；随时间计算每个测试晶圆的多个数字射频波形的每个频率的平均射频波形；
从多个光学波形和射频波形选择一个或多个信号，所述一个或多个信号体现出与计算的平均波形的最大偏差；以及
通过向选定的一个或多个信号应用数学函数产生一个或多个过程监测统计值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述过程监测统计值选定为所述射频驱动频率的光学量值。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述过程监测统计值可选定为所述射频驱动频率的第二谐波的相对相位。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
计算选定的过程监测统计值的平均值；以及
将对应于计算的过程监测统计值的平均值以上10％的值设置为每个时间点的上限值，及将对应于计算的过程监测统计值的平均值以下10％的值设置为每个时间点的下限值。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述上限值和所述下限值是动态可更新的。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，由用户定义所述一个或多个预设的过程监测统计值。
21.一种检测表面等离子体处理期间发生的电弧事件的设备，其特征在于，所述表面等离子体处理在供应有射频电源的等离子体室内进行，所述设备包括：
检测处理期间所述等离子体产生的光的装置；以及
处理检测到的光从而确定电弧事件何时发生的装置。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述检测等离子体产生的光的装置还包括检测从等离子体鞘层发出的调制光和靠近所述等离子体鞘层的等离子体体积的装置。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
检测所述等离子体处理的附加工艺参数的装置；以及
处理所述检测到的调制光和所述附加工艺参数、从而确定所述电弧事件何时发生的装置。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述附加工艺参数包括与所述射频电源相关联的射频信号。
25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述处理所述检测到的调制光和所述射频信号的装置还包括：
将所述检测到的调制光转换为数字光学波形、及将检测到的射频信号转换为数字射频波形的装置；
将所述数字光学波形和所述数字射频波形从时域变换到频域的装置；
处理所述变换的光学波形和射频波形、从而产生量值数据和相对相位数据的装置；
从所述光学波形和所述射频波形提取产生的、一个或多个信号的量值数据或相对相位数据的装置，所述产生的量值数据或相对相位数据预先选定为过程监测统计值；以及
检测所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值何时在预设范围外的装置，所述检测预示电弧事件的发生。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，处理变换的光学波形和射频波形从而产生量值数据和相对相位数据的装置可能还包括：
为所述光学波形和所述射频波形的每个计算变换波形的每个频率的相应实系数和虚系数的平方之和的平方根、从而确定所述量值的装置；以及
计算变换的光学波形的相位和变换的射频波形的相位间的差值、从而确定所述相对相位数据的装置。
27.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述设备还包括在将检测到的调制光转换为数字光学波形之前、及在将检测到的射频信号转换为数字射频波形之前，放大所述检测到的调制光和所述射频信号的装置。
28.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述设备还包括当检测到所述一个或多个过程监测统计值的至少一个的值在预设的上限值和下限值以外时生成指示符的装置。
29.根据权利要求21至28任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备还包括将所述等离子体产生的光滤波为特定波长的装置，其中所述检测装置包括仅检测滤波后的光的装置。
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