CN107941757A - 原位检测衬底处理系统的衬底区域中的氧的系统和方法 - Google Patents

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方浩全
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Abstract

本发明涉及原位检测衬底处理系统的衬底区域中的氧的系统和方法。用于测量衬底上方的中性气体物质的浓度的测量系统包括位于室中以支撑衬底的衬底支撑件。等离子体源在室中在衬底上方产生等离子体。等离子体产生比中性气体物质具有更高的电离能的亚稳态物质。亚稳态物质激发位于衬底上方的中性气体物质。光学发射光谱仪(OES)传感器在等离子体由等离子体源产生的同时测量来自衬底上方的位置的光谱。控制器被配置为基于测得的光谱来确定衬底上方的区域中的中性气体物质的浓度，并且被配置基于该浓度选择性地处理衬底。

Description

原位检测衬底处理系统的衬底区域中的氧的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月28日提交的美国临时申请No.62/400,860的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及衬底处理系统，更具体地涉及用于在衬底处理系统中原位检测分子氧的系统和方法。
背景技术
这里提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的背景的目的。在该背景技术部分以及在提交时不会以其他方式认为是现有技术的描述的方面中描述的程度上，目前署名的发明人的工作既不明确地也不隐含地被承认为针对本公开的现有技术。
衬底处理系统可用于在诸如半导体晶片之类的衬底上蚀刻膜。衬底处理系统通常包括处理室、气体分配装置和衬底支撑件。在处理期间，衬底被布置在衬底支撑件上。可以将不同的气体混合物引入到处理室中。射频(RF)等离子体可用于激活化学反应。
在某些情况下，重要的是在衬底的上表面附近检测分子氧(O2)的痕量水平(tracelevel)。例如，一些光致抗蚀剂剥离工艺或表面改性工艺对下伏膜的氧化非常敏感。用于测量真空室中的分子氧的痕量水平的当前方法通常使用残留气体分析仪(RGA)。使用可根据四极光谱(quadrupole spectroscopy)来电离气体并检测质量的开放式离子源(OIS)或封闭式离子源(CIS)来实现RGA的操作。RGA通常具有小于百万分之一(ppm)的灵敏度。OIS检测系统直接安装到处理室，并且其最大工作压强为10-4托。CIS检测系统通常需要差分泵送系统，因此具有降低的灵敏度。此外，由于气体腐蚀，随着时间(在分子氢(H2)工艺的情况下为约1年)的推移，RGA的灵敏度将会降低，因此需要昂贵的更换。
发明内容
用于测量衬底上方的中性气体物质浓度的测量系统包括位于室中以支撑衬底的衬底支撑件。等离子体源在所述室中在所述衬底上方产生等离子体。所述等离子体产生比中性气体物质具有更高的电离能的亚稳态物质。所述亚稳态物质激发位于所述衬底上方的所述中性气体物质。光学发射光谱仪(optical emission spectrometer，OES)传感器在由所述等离子体源产生所述等离子体的同时测量来自所述衬底上方的位置的光谱。控制器被配置为基于测得的所述光谱来确定所述衬底上方的区域中的所述中性气体物质的浓度。
在其他特征中，所述控制器被配置为基于所述浓度选择性地处理所述衬底。
在其他特征中，所述控制器通过将在预定波长下的测得的所述光谱的强度与预定参考值进行比较来确定所述中性气体物质的所述浓度。所述控制器使用由在预定波长下的测得的所述光谱的强度索引(index)的查找表来确定所述中性气体物质的所述浓度。所述控制器使用预定函数以及在预定波长下的测得的所述光谱的强度来确定所述中性气体物质的所述浓度。
在其他特征中，所述等离子体源使用不包括所述中性气体物质的等离子体气体混合物来产生所述等离子体。提供给所述等离子体源的等离子体气体混合物包括氦。所述亚稳态物质包括氦亚稳态物质。
在其它特征中，所述等离子体气体混合物还包括选自由氩、氖和分子氮组成的组中的至少一种气体。所述中性气体物质包括分子氧。所述中性气体物质包括分子氮。所述OES传感器测量平行于包括所述衬底的平面行进的光谱。所述室包括视口。在所述视口和所述OES传感器之间设置准直管，以准直所述光谱。所述准直管的深宽比(aspect ratio)大于5：1。所述中性气体物质包括氧物质，并且所述氦亚稳态物质增强所述氧物质在777nm和844nm中的至少一个下的特征发射光谱。
用于测量衬底上方的中性气体物质的浓度的方法包括将衬底布置在室中的衬底支撑件上；在所述室中在所述衬底上方产生等离子体。所述等离子体产生比中性气体物质具有更高的电离能的亚稳态物质。所述亚稳态物质激发位于所述衬底上方的所述中性气体物质。所述方法包括在存在所述等离子体的同时使用光学发射光谱仪(OES)传感器测量来自所述衬底上方的位置的光谱；并且基于测得的所述光谱确定所述衬底上方的区域中的所述中性气体物质的浓度。
在其他特征中，所述方法还包括基于所述浓度选择性地处理所述衬底。
在其它特征中，确定所述中性气体物质的所述浓度包括将预定波长下的测得的所述光谱的强度与预定参考值进行比较。确定所述中性气体物质的所述浓度包括使用由在预定波长下的测得的所述光谱的强度索引的查找表。
确定中性气体物质的浓度包括使用预定函数和在预定波长下的测得的所述光谱的强度。所述方法包括提供不包括所述中性气体物质的等离子体气体混合物。所述方法包括提供包括氦的等离子体气体混合物。所述亚稳态物质包括氦亚稳态物质。
在其它特征中，所述等离子体气体混合物还包括选自氩、氖和分子氮组成的组中的至少一种气体。所述中性气体物质包括分子氧。所述中性气体物质包括分子氮。所述方法包括测量平行于包括所述衬底的平面行进的光谱。
在其他特征中，所述方法包括提供视口并在所述视口和所述OES传感器之间布置准直管，以使由所述OES传感器接收的光谱准直。所述准直管具有大于或等于5:1的深宽比。
在其他特征中，所述中性气体物质包括分子氧物质，并且所述氦亚稳态物质增强所述氧物质在777nm和844nm中的至少一个下的特征发射光谱。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于测量衬底上方的中性气体物质的浓度的测量系统，其包括：
室；
位于所述室中以支撑衬底的衬底支撑件；
等离子体源，其用于在所述室中在所述衬底上方产生等离子体，其中所述等离子体产生比中性气体物质具有更高的电离能的亚稳态物质，并且其中所述亚稳态物质激发位于所述衬底上方的所述中性气体物质；
光学发射光谱仪(OES)传感器，其用于在由所述等离子体源产生所述等离子体的同时测量来自所述衬底上方的位置的光谱；和
控制器，其被配置为基于测得的所述光谱确定所述衬底上方的区域中的所述中性气体物质的浓度。
2.根据条款1所述的测量系统，其中所述控制器被配置为基于所述浓度选择性地在所述衬底上执行处理。
3.根据条款1所述的测量系统，其中所述控制器通过将在预定波长下的测得的所述光谱的强度与预定参考值进行比较来确定所述中性气体物质的所述浓度。
4.根据条款1所述的测量系统，其中所述控制器使用由在预定波长下的测得的所述光谱的强度索引的查找表来确定所述中性气体物质的所述浓度。
5.根据条款1所述的测量系统，其中所述控制器使用预定函数以及在预定波长下的测得的所述光谱的强度来确定所述中性气体物质的所述浓度。
6.根据条款1所述的测量系统，其中所述等离子体源使用不包括所述中性气体物质的等离子体气体混合物来产生所述等离子体。
7.根据条款1所述的测量系统，其中提供给所述等离子体源的等离子体气体混合物包括氦，并且其中所述亚稳态物质包括氦亚稳态物质。
8.根据条款7所述的测量系统，其中所述等离子体气体混合物还包括选自由氩、氖和分子氮组成的组中的至少一种气体。
9.根据条款1所述的测量系统，其中所述中性气体物质包括分子氧。
10.根据条款1所述的测量系统，其中所述中性气体物质包括分子氮。
11.根据条款1所述的测量系统，其中所述OES传感器测量平行于包括所述衬底的平面行进的光谱。
12.根据条款1所述的测量系统，其中所述室包括视口，并且还包括布置在所述视口和所述OES传感器之间的准直管，以准直所述光谱。
13.根据条款12所述的测量系统，其中所述准直管具有大于5:1的深宽比。
14.根据条款7所述的测量系统，其中所述中性气体物质包括氧物质，并且其中所述氦亚稳态物质增强所述氧物质在777nm和844nm中的至少一个下的特征发射光谱。
根据详细描述、权利要求书和附图、本公开的其它适用范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并不意图限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图将更全面地理解本公开，其中：
图1是包括根据本公开的检测系统的衬底处理系统的示例的功能框图；
图2是包括根据本公开的检测系统的衬底处理系统的另一示例的功能框图；
图3-4B是示出用于确定衬底处理室中的分子氧水平的流程图的示例的流程图；
图5是示出在各种波长下的测得的光谱强度的示例的曲线图；
图6是示出图5的一部分的放大曲线图。
图7是示出针对OES和RGA的测得的光谱强度与处理时间之间的函数关系的示例的曲线图；和
图8是示出针对氦和氧光发射的能量图的示例的曲线图。
在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
在一些示例中，本公开涉及用于检测衬底处理系统内的分子氧(O2)的痕量水平的检测系统和方法。更具体地，检测系统和方法采用光学发射光谱仪(OES)来确定针对氧化敏感工艺的衬底附近的残余分子氧(O2)的存在和/或浓度。在一些示例中，氧化敏感工艺可以包括光致抗蚀剂剥离工艺或其它氧敏感工艺。检测系统和方法可以用于在运行生产过程之前对材料处理系统进行限制(qualify)或者作为生产过程中的步骤。
尽管可以使用残留气体分析仪(RGA)或质谱仪在真空室中测量O2，但是这些装置非常昂贵，并且不一定测量衬底表面附近的O2。例如，在抗蚀剂剥离工艺期间使用的室压强(例如约1托)下，O2的浓度可能随着处理室中的位置的变化而变化。换句话说，O2的浓度可以在RGA通常所在的泵送排放管线的下游区域中变化。因此，RGA测量不一定对应于衬底表面附近的O2水平。
已经使用OES来测量真空室或等离子体中的被激发的物质并确定等离子体蚀刻步骤的终点。然而，将由检测系统检测到的感兴趣的气体物质是可能不会在处理衬底上方被激发的O2的中性分子。在没有激发O2的情况下，没有发射的光辐射，所以OES方法不能直接与这些工艺条件一起工作。
检测系统和方法激发等离子体源中的He等离子体。在一些示例中，也可以将一种或多种其它非含氧气体(如氩(Ar)、分子氮(N2)或氖(Ne))供应到处理室。例如，可以提供这些附加气体以稳定He等离子体或用于其它原因。
He等离子体产生具有足够高以激发或电离O2的能量的高能的且长寿命的He亚稳态物质。He亚稳态物质容易穿过喷头中的孔。此外，OES传感器被最佳地布置，使得其仅检测来自衬底上方(在喷头和衬底之间)的室体积中的气体物质的光发射。在一些示例中，高深宽比的准直管被布置在OES传感器的前面以准直入射光，使得仅检测平行于衬底表面行进的光。
检测系统和方法使用OES传感器来检测高度敏感的背景分子氧(O2)浓度。检测系统和方法与包括光学视口的现有室设计兼容。在一些示例中，检测系统和方法使用氦(He)等离子体来增强氧(O)物质的特征发射，例如在发射波长为777nm、844nm和/或其它波长下的O物质的特征发射。在一些示例中，将发射线的强度与预定值进行比较，并且如果强度小于预定值则执行后续处理。
在一些示例中，O物质的浓度也可以与O2浓度在数量上相关。对于某些气体物质和压力/功率条件，O物质的浓度大致与O2浓度成比例。在一些示例中，发射线的强度用作访问输出O2浓度的校准的查找表的索引。显示(由OES传感器输出的)O物质发射线与(由RGA传感器输出的)O2浓度之间的关系的示例在图7中示出。在其他示例中，发射线的强度用作输出O2浓度的函数的输入变量。
检测系统和方法对分子氧O2的背景浓度高度敏感。检测系统和方法能够使用直接等离子体或下游等离子体来检测位于衬底区域上方的分子氧的痕量水平。检测系统和方法进行原位检测，而无需无侵入性的检测探针。检测系统和方法可用于检测室泄漏以及来自泄漏或脱气的背景氧气。检测系统和方法也使得能够进行原子级低氧化等离子体处理。
检测系统和方法可以在用于光致抗蚀剂剥离、灰化、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、蚀刻或其它衬底处理步骤的衬底处理系统中使用。现在参考图1，示出了衬底处理室100的示例。虽然示出并描述了特定的衬底处理室，但是可以使用其它类型的衬底处理系统来实现该方法。
衬底处理室100包括下室区域102和上室区域104。下室区域102由室侧壁表面108、室底表面110和气体分配装置114的下表面限定。
上室区域104由气体分配装置114的上表面和圆顶118的内表面限定。在一些示例中，圆顶118搁置在第一环形支撑件121上。在一些示例中，第一环形支撑件121包括用于将工艺气体输送到上室区域104的一个或多个间隔开的孔123。在一些示例中，通过一个或多个间隔开的孔123沿向上的方向相对于包括气体分配装置114的平面成锐角地输送工艺气体，但是也可以使用其他角度/方向。在一些示例中，第一环形支撑件121中的气体流动通道134将气体供应到一个或多个间隔开的孔123。
第一环形支撑件121可以搁置在限定一个或多个间隔开的孔127的第二环形支撑件125上，一个或多个间隔开的孔127用于将工艺气体从气体流动通道129输送到下室区域102。在一些示例中，气体分配装置114中的孔131与孔127对准。在其他示例中，气体分配装置114具有较小的直径，并且不需要孔131。在一些示例中，通过一个或多个间隔开的孔127沿向下的方向相对于包括气体分配装置114的平面成锐角地朝向衬底输送工艺气体，但是可以使用其他角度/方向。
在其他示例中，上室区域104是具有平坦顶表面的圆柱形，并且可以使用一个或多个平坦感应线圈。在另外的示例中，单个室可以与位于喷头和衬底支撑件之间的间隔件一起使用。
衬底支撑件122布置在下室区域104中。在一些示例中，衬底支撑件122包括静电卡盘(ESC)，但是也可以使用其他类型的衬底支撑件。在蚀刻期间，衬底126布置在衬底支撑件122的上表面上。在一些示例中，衬底126的温度可以由加热器板117、具有流体通道的任选的冷却板和一个或多个传感器(未示出)来控制；但是也可以使用任何其它合适的衬底支撑温度控制系统。
在一些示例中，气体分配装置114包括喷头(例如，具有多个间隔开的孔135的板133)。多个间隔开的孔135从板133的上表面延伸到板133的下表面。在一些示例中，间隔开的孔135具有在0.1”至0.75”范围内的直径。在一些示例中，喷头由诸如铝之类的导电材料或具有由导电材料制成的嵌入电极的诸如陶瓷之类的非导电材料制成。
一个或多个感应线圈140围绕圆顶118的外部部分布置。当通电时，一个或多个感应线圈140在圆顶118内部产生电磁场。在一些示例中，使用上线圈和下线圈。气体注射器142从气体输送系统150-1注射一种或多种气体混合物。
在一些示例中，气体输送系统150-1包括一个或多个气体源152、一个或多个阀154、一个或多个质量流量控制器(MFC)156和混合歧管158，但是可以使用其它类型的气体输送系统。气体分离器(未示出)可用于改变气体混合物的流速。(除了来自气体注射器142的蚀刻气体之外或代替来自气体注射器142的蚀刻气体)，另一个气体输送系统150-2可用于向气体流动通道129和/或134提供蚀刻气体或蚀刻气体混合物。
合适的气体输送系统在于2015年12月4日提交的题目为“Gas Delivery System”的共同转让的美国专利申请序列No.14/945,680中示出并描述，其全部内容通过引用并入本文。在于2006年1月7日提交的题为“Substrate Processing System with MultipleInjection Points and Dual Injector”的共同转让的美国临时专利申请序列No.62/275,837中示出和描述了合适的单气体注射器或双气体注射器和其它气体注射位置，其全部内容通过引用并入本文。
在一些示例中，气体注射器142包括将沿向下的方向引导气体的中心注射位置以及以相对于向下的方向以一定角度来注射气体的一个或多个侧注射位置。在一些示例中，气体输送系统150-1将气体混合物的第一部分以第一流速输送到气体注射器142的中心注射位置，并将气体混合物的第二部分以第二流速输送到气体注射器142的一个或多个侧注射位置。在其它示例中，由气体注射器142输送不同的气体混合物。在一些示例中，气体输送系统150-1将调节气体输送到气体流动通道129和134和/或处理室中的其它位置，如下所述。
等离子体发生器170可以用于产生被输出到一个或多个感应线圈140的RF功率。等离子体190在上室区域104中产生。在一些示例中，等离子体发生器170包括RF源172和匹配网络174。匹配网络174使RF源172的阻抗与一个或多个感应线圈140的阻抗相匹配。在一些示例中，气体分配装置114连接到诸如地之类的参考电位。可以使用阀178和泵180来控制下室区域102和上室区域104内的压力并且抽空反应物。
控制器176与气体输送系统150-1和150-2、阀178、泵180和/或等离子体发生器170通信，以控制工艺气体的流动、吹扫气体、RF等离子体和室压力。在一些示例中，等离子体通过一个或多个感应线圈140维持在圆顶118内。使用气体注射器142(和/或孔123)从室的顶部引入一个或多个气体混合物，并且使用气体分配装置114将等离子体限制在圆顶118内。在一些示例中，控制器176可以包括由中性气体物质的线强度值索引的查找表177。仅举例而言，查找表177可以基于在777nm下的O的线强度值来输出O2浓度。
在一些示例中，RF偏置184被提供并且包括RF源186和可选的匹配网络188。RF偏置功率可用于在气体分配装置114和衬底支撑件之间产生等离子体，或者在衬底126上产生自偏置以吸引离子。控制器176可用于控制RF偏置功率。
光学发射光谱仪(OES)传感器196连接到视口198或连接到进入下室区域102的窗口，并且连接到控制器176(或另一计算机(未示出))。在一些示例中，准直管197可以布置在OES传感器196和视口198之间以准直光。在一些示例中，准直管197具有高深宽比。在其他示例中，OES传感器196直接附接到视口附近，而没有准直管。在一些示例中，深宽比大于5。在一些示例中，深宽比大于10。在一些示例中，视口198和准直管197布置在平行于衬底126的表面上方的区域的平面中。
现在参考图2，示出了根据本公开的另一衬底处理系统210的示例。衬底处理系统210包括处理室212和气体分配装置213，气体分配装置213包括具有间隔开的通孔215的板214或喷头。在一些示例中，远程等离子体可以被供应到气体分配装置213或在气体分配装置213中产生，如下面将进一步描述的。诸如基座或压板之类的衬底支撑件216可以布置在处理室212中。在使用期间，可以在衬底支撑件216上布置诸如半导体衬底或其它类型的衬底之类的衬底218。
衬底处理系统210包括气体输送系统220。例如，气体输送系统220可以包括一个或多个气体源222-1、222-2、...和222-N(统称为气体源222)，阀224-1、224-2、...和224-N(统称为阀224)和质量流量控制器(MFC)226-1、226-2、...和226-N(统称为MFC 226)，其中N是大于零的整数。气体输送系统220的输出可以在歧管230中混合并输送到远程等离子体源和/或气体分配装置213。气体输送系统220提供等离子体气体化学物质。
控制器240可以连接到监测处理室212中的操作参数(例如温度、压力等)的一个或多个传感器241。可以提供加热器242以根据需要加热衬底支撑件216和衬底218。可以提供阀250和泵252以从处理室212排出气体。
仅举例而言，可以提供等离子体发生器228。在一些示例中，等离子体发生器228是下游等离子体源。等离子体发生器228可以包括等离子体管、感应线圈或其他装置以产生远程等离子体。仅举例而言，等离子体发生器228可以使用射频(RF)或微波功率来利用上述气体化学物质产生远程等离子体。在一些示例中，感应线圈缠绕在喷头的上杆部分周围，并且由通过RF源和匹配网络产生的RF信号激发。流过杆部分的反应气体被通过感应线圈的RF信号激发成等离子体状态。控制器240可用于控制气体输送系统220、加热器242、阀250、泵252以及由远程等离子体发生器228产生的等离子体。
OES传感器260连接到视口264或进入处理室212的窗口并且连接到控制器240(或另一计算机(未示出))。在一些示例中，视口264平行于衬底218的表面设置。在一些示例中，可以使用准直管265。在一些示例中，准直管265具有高深宽比。在其他示例中，省略了准直管。在一些示例中，深宽比大于5。在一些示例中，深宽比大于10。在一些示例中，视口198和准直管265布置在平行于衬底126的表面上方的区域的平面中。
He等离子体激发产生高能亚稳态物质，以增强来自背景O2的特征发射。检测系统和方法可用于原位检测，而无需侵入性探针，并且是一种高度灵敏的检测方法。检测系统和方法针对O2检测具有超过60年的很高的动态范围。系统的组件寿命长，维护比较容易。
在使用感应耦合等离子体的一些示例中，ICP功率设置在介于500W-5kW之间的范围内，但是也可以使用其他功率电平。在一些示例中，室压强设定在介于20mT至10T之间的范围内，但是也可以使用其它室压强。在一些示例中，He的流速设定在50sccm至20000sccm的范围内。在一些示例中，等离子体气体包括He。在一些示例中，等离子体气体包括He和一种或多种其它载气(例如氩(Ar)、分子氮(N2)或分子氢(H2))。
现在参考图3，示出了用于检测衬底上方区域中的分子氧水平的方法300。在310处，将衬底布置在处理室中的衬底支撑件上。在314，将氦气供给到处理室。在一些示例中，可以与氦气一起提供诸如载气之类的附加气体。在318处，在处理室中激励等离子体。在322处，使用OES传感器在处理室中获取测得的光谱。在326处，随着时间的推移追踪氧发射线和/或识别和追踪幅度。在328处，将测得的光谱的一或多个发射线与用于参考光谱的一或多个发射线进行比较。在332处，基于该比较来确定室中的分子氧的水平。
现在参考图4A，方法350包括上述步骤310至326。在326之后，该方法在360处将氧气发射线强度值与预定值进行比较。在364，该方法确定氧发射线强度是否小于预定值。如果364是真的，则氧化水平足够低，并且在370处理衬底。如果364是假的，则氧化水平太高，并且在374处不处理衬底。
在一些示例中，当测得的氧化水平大于预定水平时，则处理进行，并且当测得的氧化水平小于预定水平时，该处理不进行。
现在参考图4B，示出了类似于图4A中的方法350的方法380。在方法380中，一旦线强度降到预定值以下，则处理衬底。否则，方法380将在确定不能处理衬底之前继续比较线强度与预定值持续一段预定时间段。如果364为假(线强度不小于预定值)，则方法380继续到382并确定预定时间段是否结束。如果382为假，则该方法返回到364。如果382为真，则该方法继续到384，不处理衬底并且方法380结束。
现在参考图5-6，可以使用He等离子体来增强氧O峰强度。在777nm和844nm处检测到峰，其与来自He等离子体发射线的本征峰(native peak)明显不同。在777nm下的O的特征发射线距离He发射线至少15nm，这很好地在典型的OES分辨率极限内。在一些示例中，777nm峰强度衰减与RGA O2(质量32)信号衰减相关。
现在参考图7，利用He等离子体增强777nm的发射强度。O发射强度比单独的氧基等离子体显著更高(例如高4倍)。测得的信号强度与S/N比率相比使得该方法能够检测超过60年的O浓度差异。O物质的OES信号强度衰减可以与由连接到室前级管线的RGA进行的测量相关，如图7所示。
现在参考图8，检测系统和方法利用由ICP等离子体源激发并通过喷头扩散的高能He亚稳态物质。He亚稳态物质的能级在20-23ev之间，这可以激活衬底上方的O2物质。O2电离极限在12-14eV之间。在一些示例中，OES视口被布置和定向成平行于衬底表面，这使得能够检测衬底上方的O2痕量。
假定He亚稳态原子能量足以用于激发或电离，则除了检测氧物质之外，检测系统和方法还可以用于检测其他中性气体物质。例如，检测系统和方法可用于检测氮气N2，氮气N2与He亚稳态原子的20-23eV电离能相比具有约15.4eV的电离能。虽然相同的等离子体源可以用于先前的等离子体工艺以及衬底附近的O2水平的测定，但也可以使用单独的等离子体源来产生He等离子体，以将亚稳态He原子注入到衬底附近的区域中。此外，虽然公开了He，但是可以也使用其它气体，其相应的亚稳态原子比待检测的中性气体物质具有更高的电离能。
前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方式在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方式描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施方式的特征中实现和/或与任何其它实施方式的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的置换保持在本公开的范围内。
使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括工艺气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)发生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、进出工具和其他输送工具和/或连接到特定系统或与特定系统接口的装载锁的晶片输送。
概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用终点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式输送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或在晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分中，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、从多个制造操作研究趋势或性能度量，以改变当前处理的参数、设置要跟随当前处理的处理步骤、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户接口，然后将该参数和/或设置从远程计算机输送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个离散控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)定位的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。
示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。

Claims (10)

1.一种用于测量衬底上方的中性气体物质的浓度的测量系统，其包括：
室；
位于所述室中以支撑衬底的衬底支撑件；
等离子体源，其用于在所述室中在所述衬底上方产生等离子体，其中所述等离子体产生比中性气体物质具有更高的电离能的亚稳态物质，并且其中所述亚稳态物质激发位于所述衬底上方的所述中性气体物质；
光学发射光谱仪(OES)传感器，其用于在由所述等离子体源产生所述等离子体的同时测量来自所述衬底上方的位置的光谱；和
控制器，其被配置为基于测得的所述光谱确定所述衬底上方的区域中的所述中性气体物质的浓度。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述控制器被配置为基于所述浓度选择性地在所述衬底上执行处理。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述控制器通过将在预定波长下的测得的所述光谱的强度与预定参考值进行比较来确定所述中性气体物质的所述浓度。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述控制器使用由在预定波长下的测得的所述光谱的强度索引的查找表来确定所述中性气体物质的所述浓度。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述控制器使用预定函数以及在预定波长下的测得的所述光谱的强度来确定所述中性气体物质的所述浓度。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述等离子体源使用不包括所述中性气体物质的等离子体气体混合物来产生所述等离子体。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其中提供给所述等离子体源的等离子体气体混合物包括氦，并且其中所述亚稳态物质包括氦亚稳态物质。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其中所述等离子体气体混合物还包括选自由氩、氖和分子氮组成的组中的至少一种气体。
9.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述中性气体物质包括分子氧。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其中所述中性气体物质包括分子氮。
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