CN109243955B - 等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备。该等离子体起辉状态监测方法包括：在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号；对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行处理，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压；判断等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉。该等离子体起辉状态监测方法通过对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态是否正常，无需再采用等离子体光谱监测方法，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本。

Description

等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备。
背景技术
等离子体技术被广泛应用于半导体器件的制造领域中。在等离子体沉积与刻蚀系统中，射频电源向反应腔室提供能量以产生等离子体；等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀与溅射等工艺过程。PVD工艺设备中作为预清洗(Preclean)腔室，其工作原理通过一种电感耦合等离子体发生装置，将低气压的反应气体(常见气体如氩气)激发为等离子体，对晶圆表面进行物理轰击，从而将其表面以及其表面上的沟槽底部的残留物和金属氧化物清除，有利于后续物理气相沉积(金属薄膜沉积)进行，提高所沉积膜层的附着力。
因此，对Preclean腔室等离子体起辉状态的监控是工艺开发中比较关键的一项技术。一般微电子行业中采用工艺的终点控制，运用的主要控制技术为OES(OpticalEmission Spectroscopy,光学发射光谱)，其控制思想为工艺中等离子体辉光放电产生的光谱，借助阈值(Threshold,包括相对值和绝对值两种形式)控制方法或斜率(Slope)控制方法即可准确的抓取工艺的终点。但OES控制方法不仅需要昂贵的光谱仪，而且控制算法比较复杂，光谱分辨率较低、采集信号较弱，存在一定的信噪误差，影响工艺开发结果，不利于集成电路中广泛应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备。该等离子体起辉状态监测方法通过对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测方法，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测方法简单有效，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
本发明提供一种等离子体起辉状态监测方法，包括：
在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号；
对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
判断所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉。
优选地，所述在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号包括：
采用隔直通交电路采集所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号；
对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行分压。
优选地，所述对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压包括：
对经分压后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行滤波、整流和模数转换处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压。
优选地，还包括测试获得等离子体的所述起辉成功电压。
本发明还提供一种等离子体起辉状态监测装置，包括：
采集模块，用于在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号；
信号处理模块，用于对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
判断确定模块，用于判断所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉。
优选地，所述采集模块包括隔直通交电路和分压电路；
所述隔直通交电路用于采集所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号；
所述分压电路用于对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行分压。
优选地，所述信号处理模块包括滤波电路、整流电路和转换电路；
所述滤波电路用于对经分压后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行滤波，以滤除所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号中的干扰信号；
所述整流电路用于对经滤波后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行整流，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
所述转换电路用于将所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压的模拟信号转换为数字信号。
优选地，所述判断确定模块采用单片机或者可编程控制器。
本发明还提供一种半导体处理设备，包括腔室和设置在所述腔室底部的基台，所述基台用于承载待处理的基片，还包括上述等离子体起辉状态监测装置，所述等离子体起辉状态监测装置连接所述基片。
优选地，还包括射频偏压源和射频偏压匹配器，所述射频偏压匹配器连接所述射频偏压源和所述基台，用于使所述射频偏压源的特征阻抗与负载阻抗匹配；所述射频偏压匹配器包括匹配控制单元；
所述等离子体起辉状态监测装置的转换电路复用所述匹配控制单元。
本发明的有益效果：本发明所提供的等离子体起辉状态监测方法，通过对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测方法，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测方法简单有效，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
本发明所提供的等离子体起辉状态监测装置，通过设置采集模块、信号处理模块和判断确定模块，对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测系统，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测装置结构简单，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
本发明所提供的半导体处理设备，通过采用上述等离子体起辉状态监测装置，在有效监测等离子体起辉状态的同时，还降低了该半导体处理设备的监测成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中等离子体起辉状态监测方法的流程图；
图2为等离子体鞘层对地电位的变化示意图；
图3为相同工艺条件下，不同工艺过程中的等离子体鞘层的对地交流电压变化曲线图；
图4为不同工艺条件下，不同工艺过程中的等离子体鞘层的对地交流电压变化曲线图；
图5为本发明实施例2中等离子体起辉状态监测装置的原理框图；
图6为图5中等离子体起辉状态监测装置的电路图；
图7为本发明实施例3中半导体处理设备的结构示意图。
其中的附图标记说明：
1.采集模块；11.隔直通交电路；12.分压电路；2.信号处理模块；21.滤波电路；22.整流电路；23.转换电路；3.判断确定模块；4.腔室；5.基台；6.基片；7.等离子体起辉状态监测装置；8.射频偏压源；9.射频偏压匹配器。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种等离子体起辉状态监测方法及监测装置和半导体处理设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种等离子体起辉状态监测方法，如图1所示，包括：步骤S101：在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号。
该步骤具体包括：步骤S1011：采用隔直通交电路采集等离子体鞘层的对地交流电压信号。
该步骤中，通过隔直通交电路能够将等离子体鞘层电位中的对地交流电压信号采集出来，以便后续通过等离子体鞘层的对地交流电压信号对等离子体的起辉状态进行监测。
步骤S1012：对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行分压。
该步骤中，通过分压能使后续的信号处理电路能够更好地对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行信号处理，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。
步骤S102：对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行处理，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。
该步骤具体包括：对经分压后的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行滤波、整流和模数转换处理，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。
其中，滤波处理能够滤除等离子体鞘层对地交流电压信号中的高频干扰成分，以便更加准确地获得等离子体鞘层对地交流电压信号的最大峰值电压。整流和模数转换处理便于后续对数字信号形式的等离子体鞘层对地交流电压信号的最大峰值电压与等离子体的起辉成功电压进行比较，以更好地判断等离子体是否起辉。
步骤S103：判断等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉。
在该步骤之前，还包括测试获得等离子体的起辉成功电压。其中，等离子体的起辉成功电压是通过多次实验测试获得的确定值。通过将监测获得的等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压与该确定值进行比较，即可准确地判断等离子体是否起辉。通常，当等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压的绝对值大于等于等离子体的起辉成功电压的绝对值时，可以判断等离子体正常起辉；否则，等离子体未起辉，工艺过程需要停止。
通过等离子体鞘层的对地交流电压信号对等离子体起辉进行监测的原理为：当等离子体开始起辉时，由于等离子体中的电子与正电荷的迁移率不同，电子的迁移率比较大，运动速度较快，会逐渐在基片表面形成一层主要由电子组成的等离子体鞘层，等离子体鞘层对地产生鞘层电位，如图2所示，该等离子体鞘层对地鞘层电位包括等离子体鞘层对地交流电压V1和等离子体鞘层对地直流负偏压V2；通过表征等离子体鞘层对地的交流电压变化情况，可以准确地判断等离子体的起辉状态(即等离子体是否起辉)，更好进行工艺节点预判(即每个工艺阶段的等离子体是否起辉，每个工艺阶段是否继续)。
其中，采用等离子体鞘层对地的交流电压变化情况(即V1)对等离子体起辉状态进行监测，而不用等离子体鞘层对地的直流负偏压(即V2)对等离子体起辉状态进行监测的主要原因为：1)当等离子体刚发生辉光放电时，其形成的等离子体鞘层直流负偏压V2较小(大约-2V左右)，信号较弱，容易被干扰，导致工艺节点误判；2)针对相同的工艺过程，不同的基片时，等离子体鞘层直流负偏压V2会出现较大的波动，影响工艺过程的监测；3)相同工艺条件下，随着工艺循环次数的增加，等离子体鞘层直流负偏压V2的重复性较低，稳定性也较差。因此，本发明中通过等离子体鞘层对地的交流电压变化情况，来表征等离子体的辉光放电状态以及对工艺过程中工艺节点的预判。
该等离子体起辉状态监测方法，通过对形成在基片表面的等离子体鞘层(即Sheath层)的对地交流电压信号(即等离子体鞘层电压)进行监测，能够判断等离子体的起辉状态(即等离子体是否起辉)及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测方法(即OES监测方法)，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测方法简单有效，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
本实施例中，如图3和图4所示，通过准确监测等离子体鞘层的对地交流电压变化情况，可以动态地反应等离子体的变化情况，从而监测等离子体的起辉状态。其中，图3中的曲线表征的是某一工艺条件下，不同工艺过程(即不同工艺阶段)的等离子体鞘层的对地交流电压的变化情况；当等离子体开始起辉时，等离子体鞘层的对地交流电压V1由0V变到某一确定电压值(如图3中的Step1台阶对应的电压值)；随着工艺的进行，其等离子体鞘层对地交流电压也会发生相应的变化(如图3中的Step2、Step3台阶对应的电压值)。其中Step1、Step2、Step3等工艺过程中的等离子体的起辉成功电压(即各工艺过程能够继续进行所要求达到的电压)分别为某一确定电压值(该确定电压值经过多次实验获得，如Step1台阶对应的电压值为Step1工艺阶段的起辉成功电压，Step2台阶对应的电压值为Step2工艺阶段的起辉成功电压，Step3台阶对应的电压值为Step3工艺阶段的起辉成功电压)，本实施例中通过监测获得的不同工艺过程中的等离子体鞘层的对地交流电压值与实验中获得确定电压值进行比较，即可准确地判断各个工艺过程中的等离子体是否成功起辉，从而判断各个工艺过程是否能够继续进行。此外，如图4所示，工艺1曲线和工艺2曲线分别表示在不同工艺条件下，针对不同工艺过程，通过采用上述监测原理，也可以准确预判各个工艺过程中的等离子体的起辉状态。
实施例1的有益效果：实施例1中所提供的等离子体起辉状态监测方法，通过对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测方法，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测方法简单有效，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
实施例2：
基于实施例1中的等离子体起辉状态监测方法，本实施例提供一种采用该等离子体起辉状态监测方法的等离子体起辉状态监测装置，如图5所示，包括：采集模块1，用于在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号。信号处理模块2，用于对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行处理，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。判断确定模块3，用于判断等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉。
该等离子体起辉状态监测装置通过设置采集模块1、信号处理模块2和判断确定模块3，对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测系统，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测装置结构简单，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
本实施例中，如图6所示，采集模块1包括隔直通交电路11和分压电路12；隔直通交电路11用于采集等离子体鞘层的对地交流电压信号。分压电路12用于对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行分压。其中，隔直通交电路11是由电容C1、C2组成的电路，其主要作用为隔直流通交流，从而能够将等离子体鞘层的对地交流电压信号从等离子体鞘层电位中采集出来。分压电路12采用电阻R1分压，从而将等离子体的鞘层对地交流电压降低，以便后续信号处理模块2对该信号的处理。
本实施例中，信号处理模块2包括滤波电路21、整流电路22和转换电路23；滤波电路21用于对经分压后的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行滤波，以滤除等离子体鞘层的对地交流电压信号中的干扰信号。整流电路22用于对经滤波后的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行整流，以获得等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。转换电路23用于将等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压的模拟信号转换为数字信号。其中，信号处理模块2中C4之前的部分为滤波电路21，能够滤除等离子体鞘层的对地交流电压信号中的高频干扰信号，以使后续获得的等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压更加准确。信号处理模块2中D1到DSP之前的部分为整流电路22，整流电路22能够将输入DSP(数字信号处理器)的对地交流电压信号整流为正半周期的电压信号，同时保证其峰值电压为等离子体鞘层的对地交流电压信号的最大峰值电压。转换电路23设置于DSP(数字信号处理器)中，能将输入至DSP中的模拟信号转换为数字信号输出，从而便于后续判断确定模块3将该信号与等离子体的起辉成功电压进行比较判断。
需要说明的是，DSP(数字信号处理器)中不仅设置有转换电路23，还设置有一些其他的电路，这里由于其他电路不用于对等离子体鞘层的对地交流电压信号进行处理，所以不再赘述。
本实施例中，判断确定模块3采用单片机或者可编程控制器。判断确定模块3能够接收转换电路23输出的等离子体鞘层对地交流电压信号的最大峰值电压的数字信号，并将其与预存的经过多次实验获得的等离子体的起辉成功电压进行比较，从而判断确定等离子体是否起辉。判断确定模块3无需运行复杂的控制算法和数据处理，从而有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本。
实施例2的有益效果：实施例2中所提供的等离子体起辉状态监测装置，通过设置采集模块、信号处理模块和判断确定模块，对形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号进行监测，能够判断等离子体的起辉状态及工艺过程中的节点状态是否正常，相比于现有技术，无需再采用等离子体光谱监测系统，从而不仅能够有效地监测等离子体辉光放电状态，而且该监测装置结构简单，无需复杂的控制算法和数据处理，有效地降低了等离子体起辉状态的监测成本，便于更好地推广应用。
实施例3：
本实施例提供一种半导体处理设备，如图7所示，包括腔室4和设置在腔室4底部的基台5，基台5用于承载待处理的基片6，还包括实施例2中的等离子体起辉状态监测装置7，等离子体起辉状态监测装置7连接基片6。
通过采用实施例2中的等离子体起辉状态监测装置7，使该半导体处理设备在有效监测等离子体起辉状态的同时，还降低了其监测成本。
本实施例中，半导体处理设备还包括射频偏压源8和射频偏压匹配器9，射频偏压匹配器9连接射频偏压源8和基台5，用于使射频偏压源8的特征阻抗与负载阻抗匹配；射频偏压匹配器9包括匹配控制单元；等离子体起辉状态监测装置7的转换电路复用匹配控制单元。即转换电路采用射频偏压匹配器9中的匹配控制单元。
其中，等离子体起辉状态监测装置7可以设置在射频偏压匹配器9内，也可以设置在射频偏压匹配器9外。
本实施例中的半导体处理设备对基片进行等离子体预清洗，当然，该半导体处理设备也可以对基片进行其他的等离子体处理，如对基片进行等离子体刻蚀等。
实施例3的有益效果：实施例3中所提供的半导体处理设备，通过采用实施例2中的等离子体起辉状态监测装置，在有效监测等离子体起辉状态的同时，还降低了该半导体处理设备的监测成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体起辉状态监测方法，其特征在于，包括：
在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号；
对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
判断所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉；
其中，所述等离子体的起辉成功电压通过实验测试获得。
2.根据权利要求1所述的等离子体起辉状态监测方法，其特征在于，所述在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号包括：
采用隔直通交电路采集所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号；
对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行分压。
3.根据权利要求2所述的等离子体起辉状态监测方法，其特征在于，所述对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压包括：
对经分压后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行滤波、整流和模数转换处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压。
4.根据权利要求1所述的等离子体起辉状态监测方法，其特征在于，还包括测试获得等离子体的所述起辉成功电压。
5.一种等离子体起辉状态监测装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于在等离子体开始起辉时，采集形成在基片表面的等离子体鞘层的对地交流电压信号；
信号处理模块，用于对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行处理，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
判断确定模块，用于判断所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压是否达到了等离子体的起辉成功电压，以确定等离子体是否起辉；
其中，所述等离子体的起辉成功电压通过实验测试获得。
6.根据权利要求5所述的等离子体起辉状态监测装置，其特征在于，所述采集模块包括隔直通交电路和分压电路；
所述隔直通交电路用于采集所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号；
所述分压电路用于对所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行分压。
7.根据权利要求6所述的等离子体起辉状态监测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括滤波电路、整流电路和转换电路；
所述滤波电路用于对经分压后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行滤波，以滤除所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号中的干扰信号；
所述整流电路用于对经滤波后的所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号进行整流，以获得所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压；
所述转换电路用于将所述等离子体鞘层的所述对地交流电压信号的最大峰值电压的模拟信号转换为数字信号。
8.根据权利要求5所述的等离子体起辉状态监测装置，其特征在于，所述判断确定模块采用单片机或者可编程控制器。
9.一种半导体处理设备，包括腔室和设置在所述腔室底部的基台，所述基台用于承载待处理的基片，其特征在于，还包括权利要求5-8任意一项所述的等离子体起辉状态监测装置，所述等离子体起辉状态监测装置连接所述基片。
10.根据权利要求9所述的半导体处理设备，其特征在于，还包括射频偏压源和射频偏压匹配器，所述射频偏压匹配器连接所述射频偏压源和所述基台，用于使所述射频偏压源的特征阻抗与负载阻抗匹配；所述射频偏压匹配器包括匹配控制单元；
当所述等离子体起辉状态监测装置为权利要求7所述的等离子体起辉状态监测装置时，所述等离子体起辉状态监测装置的转换电路复用所述匹配控制单元。
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CN102630337A (zh) * 2009-08-17 2012-08-08 真实仪器公司 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

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