CN111406304A - 等离子体室壁状况的实时监测方法和装置 - Google Patents

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CN111406304A CN201880076585.1A CN201880076585A CN111406304A CN 111406304 A CN111406304 A CN 111406304A CN 201880076585 A CN201880076585 A CN 201880076585A CN 111406304 A CN111406304 A CN 111406304A
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亚辛·卡布兹
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Abstract

衬底处理系统包括处理室。在处理室内布置有基座和喷头。表面等离激元共振(SPR)纤维具有设置在处理室中的中央部分和设置在处理室外部的相对末端。光源在SPR纤维的一个末端提供输入光，检测器从SPR纤维的另一末端接收输出光。表面等离激元波和消逝波构成输出光，对其进行处理和分析以确定处理室的状况。

Description

等离子体室壁状况的实时监测方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年11月28日提交的美国实用专利申请No.15/824,061的优先权。以上引用的申请的全部公开内容通过引用合并入本文。
技术领域
本公开涉及衬底处理系统，更具体地，涉及监测衬底处理系统中的处理室内的状况，并且更具体地涉及实时监测衬底处理系统中的处理室内的状况。更特别地，本公开涉及原位实时监测衬底处理系统中的处理室内的状况。
背景技术
此处提供的背景描述总体上给出了本公开的背景。在此背景技术部分中所描述的范围内，本申请署名发明人的工作，以及在申请时可能无法以其他方式视为现有技术的描述的方面，均未被明确或暗示地承认其为本公开的现有技术。
衬底处理系统可以用于对衬底(例如半导体晶片)进行蚀刻和/或其他处理。可以将衬底布置在衬底处理系统的处理室中的基座上。例如，在等离子体蚀刻机中蚀刻期间，将包括一种或多种前体的气体混合物引入处理室中，并激发等离子体以蚀刻衬底。
监测半导体处理室内的状况非常有用，这样可以优化工艺。处理室内的状况例如可以指示需要清洁，或者可以指示处理室是否被充分“时效处理”(season)以处于用于晶片制造的最佳状况。一方面，“时效处理”可以指在特定时间的处理室的状况，或者可以指处理室的稳态状态状况。
已知使用位于处理室外部的装置来监测处理室状况。半导体处理室内部的状况对许多设备非常不利。可以通过处理室中的一个或多个窗口来观察处理室状况。例如，已知将摄像机或其他感测器定位在窗口之一处以观察室内的状况。
图1示出了用于使用RF等离子体执行蚀刻的衬底处理室500的示例。衬底处理室500包括处理室502，处理室502包围衬底处理室500的其他部件并容纳RF等离子体。衬底处理室500包括上电极504和包括下电极507的基座506。边缘耦合环503由基座506支撑并且布置在衬底508周围。一个或多个致动器505可以用于移动边缘耦合环503。在操作过程中，衬底508被布置在上电极504和下电极507之间的基座506上。
仅作为示例，上电极504可以包括引入和分配工艺气体的喷头509。喷头509可包括杆部，该杆部的一端连接到处理室的顶表面。基部通常是圆柱形的，并且在与处理室的顶表面间隔开的位置处从杆部的相对端径向向外延伸。喷头的基部的面向衬底的表面或面板包括多个孔，工艺气体或吹扫气体流过这些孔。可替代地，上电极504可以包括导电板，并且可以以另一种方式引入工艺气体。下电极507可以布置在不导电的基座中。可替代地，基座506可以包括静电卡盘，该静电卡盘包括充当下电极507的导电板。
RF产生系统510产生RF电压并将RF电压输出到上电极504和下电极507中之一。上电极504和下电极507中的另一个可以是DC接地，AC接地或浮置的(floating)。仅作为示例，RF产生系统510可以包括RF电压产生器511，该RF电压产生器511产生由匹配和分配网络512馈送到上电极504或下电极507的RF电压。在其他示例中，等离子体可以是感应或远程生成。
气体输送系统530包括一个或多个气体源532-1、532-2，…和532-N(统称为气体源532)，其中N是大于零的整数。气体源供应一种或多种前体及其混合物。气体源还可以供应吹扫气体。也可以使用汽化的前体。气体源532通过阀534-1、534-2，…和534-N(统称为阀534)和质量流量控制器536-1、536-2，…和536-N(统称为质量流量控制器536)连接至歧管540。歧管540的输出被馈送到处理室502。仅作为示例，歧管540的输出被馈送到喷头509。
加热器542可以连接到布置在基座506上的加热器线圈(未示出)。加热器542可以用于控制基座506和衬底508的温度。阀550和泵552可以用于从处理室502中排出反应物。控制器560可以用于控制衬底处理室500的部件。控制器560也可以用于控制致动器505，以调节边缘耦合环503的一个或多个部分的位置。
机械手570(robot)和传感器572可以用于测量边缘耦合环的腐蚀。在一些示例中，传感器572可以包括深度计。机械手570可以使深度计与边缘耦合环接触以测量腐蚀。或者，可以使用激光干涉仪(带有或不带有机械手570)来测量腐蚀而无需直接接触。如果激光干涉仪可以通过直接视线对准边缘耦合环定位，则可以省去机械手570。
图2A示出了用于检测室壁处的状况的方法的示例。为了便于描述，在此省略了图1中的许多元件。在图2A中，半导体处理室100包括基座110，在其上可以安装静电卡盘(ESC)115。晶片或衬底120位于ESC上。
在处理室的顶部，导管130将等离子体传递至喷头135，该喷头将等离子体分配在处理室中。随着衬底的处理，在室壁上可能会堆积。一种检测装置包括光源170和摄像机/检测器175。光源170将光照射通过第一开口180到处理室的相对端的反射镜165上。摄像机/检测器175通过第二开口185拾取从反射镜165反射的光。控制器160与摄像机/检测器175通信以操作摄像机并接收来自摄像机/检测器的输出。控制器160还控制光源170的操作。当检测设备不操作或处理室不使用时，遮光器190、195分别操作以覆盖窗口180、185。
控制器160可以使用已知的信号处理算法和/或其他计算技术来处理来自摄像机/检测器175的数据，以获得有关处理室100中壁状况的信息。或者，出于此目的，控制器160可以将获得的数据传递给其他处理设备(为了便于描述，此处未示出)。
在操作中，室壁上堆积的任何东西也会在反射镜165上堆积，从而影响反射镜将来自光源170的光反射到摄像机/检测器175的能力。控制器160获取从反射镜165反射的照相机/检测器175接收的光量，并给定光源170输出的光和沉积在室壁上(并因此沉积在反射镜165上)的材料，计算/估计反射镜上的堆积量。
在窗口180、185上也将形成堆积物，透射的光穿过所述窗口进入，而反射的光通过其离开。作为近似，为了使计算更容易，可以假设窗口上的堆积量与反射镜上的堆积量相同。
图2B示出了图2A中的设置的变型，其中，摄像机/检测器175和窗口185定位于与它们在图2A的系统中的位置相对的处理室一侧。图2B的方法消除了对处理室100内的反射镜的要求。再次，作为近似，为了易于计算，可以假定在窗口185上的堆积量将与在窗口180上的堆积量相同。
图2A的装置和检测方法存在有多种问题。关于图2A系统的一个问题是来自光源170的光必须紧密地聚焦在反射镜165上，使得从反射镜165返回的是光源170正在提供的光的可靠指示。光源170可以是激光器或其他相干光源，其能够紧密地聚焦在反射镜165上。图2中的若干元件的任一个移动会影响摄像机/检测器175正确接收反射光的能力。例如，光源170在处理室外部的移动，或者反射镜165在处理室内部的移动，或者处理室本身的移动可能需要将光源170重新聚焦到反射镜165上。另外，反射镜165的移动或者包含反射镜的处理室的移动可能需要重新定位摄像机/检测器175，因为来自反射镜165的反射角可能会改变。作为所有这些可能性的结果，必须频繁地重新定位/重新聚焦光源170和/或摄像机/检测器175。另一个问题是，就像在反射镜165上有堆积物一样，在窗口180、185上也会有堆积物，从而不仅影响光源170提供的光量，而且影响摄像机/检测器175检测的光量。尽管可以假定在室壁上(并因此在反射镜和窗口上)的材料堆积是均匀的，但取决于所采用的工艺，情况可能并非如此。结果，考虑到反射镜165与窗口180、185的不同位置，在不同位置可能存在不同的堆积量，使得难以提供在窗口上可靠的堆积估计。
图2B的方法消除了与反射镜165相关的检测和准确性问题。然而，由于窗口180、185在处理室的相对侧上，因此图2B的方法仍然有在处理室的不同部分中堆积量不同的问题。另外，通过使用光的直接透射(transmission)而不是反射传输，图2B的方法改善了与光源170、摄像机/检测器175或处理室100的移动相关的聚焦问题。然而，那些聚焦问题将在某种程度上持续存在。
已经致力于在处理室内提供检测设备，以提供更直接的测量。这种方法的一个重大困难是等离子体为该设备提供的不利环境。
对处理室状况进行更准确的监测将很有用。
发明内容
一种衬底处理系统，包括：具有室壁的处理室；以及布置在所述处理室中以保持用于处理的衬底的基座。衬底处理系统包括布置在处理室中以在室中分配等离子体的喷头。衬底处理系统还包括被配置为检测室壁状况的检测器系统。该检测器系统包括表面等离激元共振(SPR)纤维，该表面等离激元共振(SPR)纤维具有位于处理室外部的第一末端和第二末端，以及位于处理室内部的SPR纤维的内部部分。光源将输入光提供给第一SPR纤维的第一末端。控制器被配置为控制提供给SPR纤维的第一末端的光的量，并在SPR纤维的第二末端接收光作为输出光。控制器分析输入光和输出光以确定室壁的状况。
一方面，在处理室内的SPR纤维的一部分上，可以去除SPR纤维上的一个或多个包层部分以提供一个或多个开口。开口填充有插入物，该插入物被构造为提供表面等离激元波和消逝波，它们的特性用于确定处理室内的状况。
在一特征中，SPR纤维中的开口可以彼此足够靠近，但又相距足够远以确定处理室不同部分的状况。在另一特征中，SPR纤维中的开口可以相距足够远以在处理室周围间隔开，以确定处理室相对侧上的状况。
在一特征中，可在处理室的不同部分中提供多个SPR纤维。在另一特征中，可以将SPR纤维用作设置在处理室外部的参考，控制器使用来自参考SPR纤维的输出光与处理室内SPR纤维的输出光进行比较，从而决定用于确定室壁的状况的基线。
在其他特征中，输入光可以是激光器，例如量子级联激光器(QCL)，其提供适当的红外(IR)波段的光透射。在其他特征中，激光器可以是一种分布式反馈激光器(DFB)，其提供在更窄的波长范围内甚至在特定波长下的光传输。
一种用于测量在衬底处理系统中的处理室的内壁状况的方法，包括测量在处理室内产生的表面等离激元波和消逝波。一方面，可以使用本节前面所述的SPR纤维和相关设备来生成那些波。所得的测量结果可用于确定室壁的状况。
根据详细描述，权利要求和附图，本公开的其他应用领域将变得显而易见。详细描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图简要说明
通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：
图1是包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例的功能框图；
图2A是根据本公开的一方面的包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例以及用于检测处理室内的状况的设备的示例的功能框图；
图2B是根据本公开的一方面的包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例以及用于检测处理室内的状况的设备的示例的功能框图；
图3A是根据本公开的一方面的包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例以及用于检测处理室内的状况的设备的示例的功能框图；
图3B是根据本公开的一方面的包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例以及用于检测处理室内的状况的设备的示例的功能框图；
图4是根据本公开的另一方面的包括基座和喷头组件的衬底处理室的示例以及用于检测处理室内的状况的设备的示例的功能框图；
图5是示出根据本公开的一方面的穿过具有一个开口的SPR纤维的光的说明图；
图6是示出根据本公开的一方面的穿过具有两个开口的SPR纤维的光的说明图；
图7是示出根据本公开的一方面的穿过具有一个开口和在裸露的纤维部分上的涂层的SPR纤维的光的说明图；
图8是示出根据本公开的一方面的穿过具有两个开口和在裸露的纤维部分上的涂层的SPR纤维的光的说明图；
图9是具有一个开口和覆盖该开口的材料的SPR纤维的一部分的图；
图10是具有两个开口和覆盖该开口的材料的SPR纤维的一部分的图；
图11是根据一方面的衬底处理室中的衬垫(liner)的平面图；
图12是图11所示的衬垫的部分的放大图；
图13是光强度与波长的关系图。
在附图中，附图标记可被重复使用以标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
现在参考图3A，将描述将SPR纤维放置在衬底处理室中的特征，以及使纤维能够用作检测室内的状况的检测器的相关设备的特征。说明书的该部分集中于根据本公开的特征的检测器和检测方法，使得能够直接测量内部处理室状况。为了简洁和清楚起见，这里将不再赘述处理室的各种元件(包括ESC)的细节。
在图3A中，与图2A和图2B中的那些元件相同的某些元件具有相同的附图标记。图3A具有控制器200，该控制器200在一方面包括光源，光检测器和处理器。SPR纤维210延伸穿过馈通件(feedthrough)340、345。这种馈通件是本领域普通技术人员众所周知的，因此这里将不进行详细描述。SPR纤维210的一个末端接收来自控制器200中的光源的输入光，并向控制器200中的光检测器提供输出光。诸如纤维210的SPR纤维具有在外包层中的开口220以暴露其中的纤维。如将要解释的，根据纤维的已知物理和光学特性以及纤维的未包层部分暴露于处理室100内的状况，放置在SPR纤维210中的开口220上方的材料将以可测量的方式影响光从纤维的输入端到输出端的通过。
图3A示出了在处理室100中具有暴露部分的SPR纤维210。此外，图3A还示出了接收SPR纤维210的相应末端的各自的馈通件340、345。在一方面，特定SPR纤维的末端可以穿过相同的馈通件。
将在本文中更详细描述的插入物225覆盖暴露的纤维，以保护其免受处理室100内部的状况的影响。插入物225还具有已知的光透射和反射特性。当光通过SPR纤维210时，插入物225还将以已知的方式影响光从纤维的输入端到输出端的通过。
为了使检测系统准备就绪以进行操作，光检测和处理系统获取有关SPR纤维210如何处理在室100中的光传输和接收的信息。在运行衬底处理系统之前，获取在处理室100中SPR纤维210的光谱数据以允许识别基线。可以通过若干种方式来确定基线。在一方面，可以首先通过使用处理室100中的SPR纤维210的纯粹未覆盖的、不包层的开口进行光测量来识别基线，然后在添加插入物225之后进行相同的测量。在另一方面，可以通过仅对带有插入物225的SPR纤维210进行测量来识别基线。在另一方面，可以通过测量穿过完全覆盖的包层纤维的光来识别基线。
完成基线识别后，可以获得其他参考测量值。例如，衬底处理系统可以在放置在ESC上的试样(coupon)上运行。随着衬底处理系统的操作，沉积材料将积聚在处理室100的各个暴露部分上，包括SPR纤维210上。不同的沉积材料还具有不同的光谱特性，这些特性可以唯一地识别它们。当将特定沉积材料引入处理室100中并沉积到试样上时，可以进行光测量。沉积可发生一段时间，在此期间，在SPR纤维210上沉积的材料的厚度将增加。进行通过SPR纤维210传输的光的周期性或连续测量，并将其与沉积厚度相关联。可替代地，处理室100可以周期性地打开，并且直接进行厚度测量。也可以直接进行沉积在室壁上的材料的厚度测量，并将其与在SPR纤维210中的插入物225上测量的沉积厚度进行比较。
在一方面，可以将多根纤维布置在处理室100周围的多个位置，并为每根纤维的相应末端提供相应的馈通件。图3B示出了在处理室的与图3A所示的第一SPR纤维布置相对的一侧上的第二SPR纤维布置。
图3B具有控制器200′，在一方面该控制器200′包括光源，光检测器和处理器。除了延伸穿过馈通件340、345的SPR纤维210之外，另一根SPR纤维210′延伸穿过馈通件340′、345′。上面已经讨论了SPR纤维210，为简洁起见，这里不再赘述。SPR纤维210′的一个末端接收来自控制器200′中的光源的输入光，并向控制器200′中的光检测器提供输出光。SPR纤维(例如纤维210')具有在外包层中的开口220'，以暴露出其中的纤维。如将要解释的，根据纤维的已知物理和光学特性以及纤维的未包层部分暴露于处理室100内的状况，放置在SPR纤维210'中的开口220'上方的材料将以可测量的方式影响光从纤维的输入端到输出端的通过。
图3B示出了在处理室100中具有暴露部分的SPR纤维210'。此外，图3B还示出了接收SPR纤维210'的各末端的各自的馈通件340'、345'。在一方面，特定SPR纤维的末端可以穿过相同的馈通件。
插入物225'覆盖暴露的纤维，以保护其免受处理室100内部的影响。插入物225'也具有已知的光透射和反射特性。当光通过SPR纤维210'时，插入物225'还将以已知的方式影响光从纤维的输入端到输出端的通过。
图3B所示的系统的其他方面操作等效于图3A所示的系统。
图4示出了根据本公开的一方面的在衬底处理室中使用的检测系统。为了便于讨论，已经去除了处理室的其他元件。具有两个开口的SPR纤维(具有开口的纤维部分位于衬底处理室内)和位于处理室外的参考纤维(不具有此类开口)以示意性方式显示，且未旨在显示处理室内部和外部的实际位置，以及未按比例绘制。
更仔细地观察图4，衬底处理系统300具有带有馈通件340、345的处理室350。SPR纤维310穿过馈通件340、345。SPR纤维310具有暴露的开口，在其上设置有插入物330、335。采集/处理装置390与光源380通信，光源380使光通过SPR纤维310的一个末端。检测器385接收通过SPR纤维310的另一个末端的光，并将与检测到的光有关的信息传递给采集/处理装置390。
在一方面，第二或参考SPR纤维320可以使光从光源380传递到检测器385。第二SPR纤维320具有与SPR纤维310相同的芯和包层，没有开口，并且被布置在处理室350外部，且在光从光源380传递到检测器385时，可以用作从SPR纤维310接收到的信息的参考。例如，当室350的壁是清洁的和/或在衬底处理系统300开始或恢复操作之前，第二SPR纤维320可以提供基线数据，以用于与从处理通过SPR光纤310的光获取的数据进行比较。当系统300被操作并且材料在处理室350的壁上积聚时，基线数据也可以与从处理通过SPR纤维310的光获得的后续数据进行比较。在一方面，除了查看基线数据和来自SPR纤维310的操作前数据和/或操作之间(inter-operational)的数据之间的差异，以及查看来自SPR纤维310的操作前数据和/或操作之间的数据与来自SPR纤维310的操作中数据之间的差异以外，还可以提供有关处理室350的壁的状况的其他信息。
现在更仔细地观察形成根据本公开的方面的检测系统的一部分的SPR纤维。图5和图6示出了SPR纤维500的开口部分。图5示出了在纤维500中覆盖纤维芯的包层部分510和520之间的单个暴露部分530。图6示出了两个暴露部分530、550。暴露部分530在包层部分510和520之间，并且暴露部分550在包层部分520和540之间。
图6示意性示出暴露部分530、550。可以根据需要确定暴露部分530、550之间的间隔，以有助于检测在衬底处理室的不同部分中的材料堆积。而且，根据本公开的一方面，在SPR纤维500中可以存在两个以上的暴露部分530、550。
图7和图8示出了与图5和图6类似的视图，但是另外示出了布置在暴露部分530上方的金属膜的薄层。膜部分560一直围绕暴露部分530延伸。膜部分565部分地围绕暴露部分530延伸，以示出纤维500的暴露的和覆盖的部分。膜部分560、565可以由金制成，与SPR纤维的通常情况一样。金不具有等离子抗性，并且当暴露于等离子蚀刻时会污染处理室。因此，如将在下面关于图9和图10讨论的，设置在最靠近暴露部分的膜部分上的其他材料将更耐等离子体，并避免污染问题。
与图6一样，示意性示出图8中的暴露部分。可以根据需要确定暴露部分530、550之间的间隔，以有助于检测在衬底处理室的不同部分中的材料堆积。
类似于图7和图8，图9和图10分别示出了具有一个开口和两个开口的SPR纤维的部分。与图6和图8一样，在图10中的开口根据其间隔程度示意性描绘出，并且未按比例绘制。
在图9和图10中，SPR纤维600具有直径为D的内部部分605。在一方面，内部部分605被构造为提供全内反射或TIR，直至特定的入射角，该入射角尤其取决于：内部部分605的直径D和折射率。更仔细地观察图9，金属层610沉积在暴露的内部部分605上方。在一方面，金属层610由金制成。在金属层610上方提供电介质材料620，并且在电介质材料620上方提供电介质感测层630。层610、620和630一起对应于图3和4中的插入物225、330和335。在图9和图10中，内部部分605在其整个外周上暴露，尽管这对于操作不是必需的。
因为如前所述，诸如金之类的金属可能无法抵抗等离子体蚀刻，所以金会污染处理室。结果，有必要在层610(可以是金的金属层)上提供一层，该层具有高反射率，足够的耐蚀刻性和允许消逝波的光学指数。诸如MgF2和BaF2的材料可能适用于保护金层免受HF、HCl和/或氟反应性气体的侵害。使用MgF2或BaF2时，可以用铝代替金。铬(Cr)也是抗等离子体的，无论有无MgF2或BaF2涂层，铬都可以代替金。在一方面，电介质材料620还将具有有利的抗等离子体特性。
在一方面，层610可以由金制成，并且可以是100nm厚。虽然在图中示出的层620或630较厚或厚度相同，但也可以较薄，例如1至5nm。
关于SPR纤维在衬底处理室中的放置，在一方面，参考图11，衬垫1012具有多个开口1015。在一方面，衬垫1012由钇制成。图11示出了位于衬垫1012的内部中的SPR纤维1030。SPR纤维1030的末端穿过开口1015延伸到衬垫1012的外部。在一方面，延伸到衬垫1012外部的纤维末端被插入到钇管(未示出)中以保护它们免受衬底处理室中的蚀刻剂的腐蚀。
在一方面，大部分SPR纤维1030在衬垫1012后面延伸，衬垫1012内的有源或感测区域与可用于高气体传导的开口1015之一对准。以这种方式，可以保护SPR纤维1030的大部分长度不受直接等离子体的影响。在图11中，示出了在衬垫1012内不同长度的SPR纤维1030、1030'。为了保护纤维1030、1030'不受直接等离子体的影响，可以仅将纤维1030、1030'的暴露的(去除包层的)部分定位在衬垫1012内。在一方面，SPR纤维1030'可以水平地(而不是垂直地)定位在处理室内，在这种情况下，SPR纤维1030'将延伸穿过开口1015中的两个，如图所示。
与图11类似，图12示出了开口1015的放大图，其中SPR纤维1030延伸以穿过开口1015之一。所示的SPR纤维1030的一部分在衬垫1012内部，并且在衬底处理室的操作期间暴露于直接等离子体。为了便于描述和说明，图11和图12未示出SPR纤维1030(或者，在图11的情况下，SPR纤维1030')的未包层部分。
在用于电介质蚀刻的衬底处理室的情况下，护罩(shroud)1050可以围绕衬垫1012。在一方面，护罩1050由硅制成。SPR纤维1030、1030'的末端可以延伸穿过护罩1050。在那种情况下，代替在衬垫1012内，SPR纤维1030、1030'可以保留在衬垫1012的外部，而SPR纤维1030、1030'的暴露(未包层)部分与开口1015之一对准。SPR纤维1030、1030'在护罩1050后方延伸的部分可以插入硅管中以保护它们免受衬底处理室中的蚀刻剂的影响。
SPR纤维的工作原理是众所周知的，为简洁起见，此处不再赘述。作为简要概述，更仔细地观察SPR纤维600的操作，由于金属层610和介电材料620之间的界面，表面等离激元波(SPW)将沿着该界面传播。在一方面，SPW是p极化电磁波。当该波入射到金属-电介质界面上，使得所产生的消逝波的传播常数(以及随之产生的能量)(即所谓的因为它随距离呈指数衰减)等于SPW的传播常数时，将发生强烈的光吸收。产生的输出信号将在特定波长(共振波长)处大幅下降。表达这种共振条件的一种方法如下：
Figure BDA0002510620930000121
上式左侧的项是由于光以角度θ入射通过折射率为nc的光耦合装置(例如棱镜或光纤)的衰减全反射(ATR)所产生的消逝波的传播常数(Kinc)。右边的项是SPW传播常数(KSP)，其中εmr是金属介电常数(εm)的实数部分，而ns是传感(介电)层的折射率。
在所有图3-10中，SPR纤维未按比例绘制。特别地，纤维中的开口和纤维的直径未按比例显示。通过纤维的光的波长，以及在纤维的暴露部分附近的表面等离激元波(SPW)的形成和消逝波的形成，除了前面描述的标准以外，还将与开口长度和纤维直径成函数关系。
已知各种类型的材料具有抗等离子体的特征或能力，包括例如各种元素的氧化物和氮化物。取决于要监测的材料堆积，并考虑到这些抗等离子材料的光谱特性，某些此类材料可能比其他更适合用作SPR纤维的涂层。在一方面，考虑要监测的材料堆积的类型很重要。例如，硅或氯的氧化物或碳的氟化物可在化学蚀刻(CE)处理室的壁上堆积。用于SPR纤维的暴露部分中的插入物的材料应具有透射光谱，该透射光谱与正在监测其堆积的材料的光谱是可区分的。
考虑到前述内容，氮化锆(ZrN)是可以使用的一种抗等离子体材料。还有其他满足刚刚列出的标准的材料。
在衬底处理室中使用SPR纤维作为检测器可以提供若干个优点。没有特定的排序，优点包括以下。该结构可以更简单，并且可以使用与现有测量技术相同的检测和处理电路及方法。纤维(特别是纤维开口)在处理室内的位置更灵活，只希望不影响在处理室内进行的过程。
此外，不必处理衬底处理室壁周围多个位置的材料堆积，仅需要解决SPR纤维本身上的材料堆积。无需估计多个位置的堆积。
如前所述，在一方面，输入光可以来自QCL，在另一方面，输入光可以来自DFB激光器。QCL的一个方面是QCL可以扫描较大的波段，例如从5到12微米，覆盖红外(IR)光谱中多个分子的特征。该覆盖范围与可以覆盖IR域中相对较大波段的IR检测器密切相关。相比之下，DFB激光器可处理小于或等于1的波数的非常窄的波段，这意味着DFB激光器的使用将主要限于检测单个分子。
图13示出了光强度与波长的关系图。实心直线表示没有激光发射的状态，因此在SPR纤维中没有吸收。向上倾斜的实线对应于从波段的开始到波段的结束的斜坡。实心曲线1310和虚线曲线1320描绘了代表特定分子的特征的峰或谷。例如，在衬底处理期间，CF，CFx，SiClx，SiOx，CHx或OH(湿气)沉积物可能会在衬底处理室的壁上生长。实心曲线1310可以代表一定量的沉积物，而虚线曲线1320可以代表不同量的沉积物，导致峰或谷的幅度不同。点划线1330追踪了由室壁上的沉积物引起的偏差，然后在清洁壁之后返回到更接近于清洁室壁的状态(即，没有沉积物)。
就检测在SPR纤维的未包层部分上的堆积而言，可以使用各种已知技术来获取和处理由于光通过衬底处理室中的SPR纤维的传输而产生的数据。在一方面，可以进行单独的测量并进行分析以确定堆积厚度。可以在衬底处理室的操作之间进行测量。这些操作可能会或可能不会以固定的时间间隔进行，但这对检测系统的效率并不重要。取决于所使用的过程及其持续时间，衬底处理系统的不同操作可能导致不同的堆积量。在另一方面，可以以特定间隔进行多次测量，并且将那些测量进行积分以确定堆积厚度，堆积速率或与确定衬底处理室的壁的状况有关的其他参数。
在一方面，如上所述，SPR纤维的开口部分可以为大约1cm。可以优化开口的大小(使其更大或更小)，以增加或最小化吸收有效面积。而且，如上所述，有可能在处理室的不同区域中提供多个开口，这再次希望不影响在处理室内进行的处理。利用每个开口处的已知吸收特性以及每个开口处的涂层的已知特性，可以在进行处理的同时观察处理室不同部分中的状况。
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后，其他修改将变得显而易见。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”。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序(或同时)执行方法内的一个或多个步骤。
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)产生器设置、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、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的加载锁。
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、启用端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)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统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”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，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测制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、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/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。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，控制器被布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)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。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)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 (25)

1.一种衬底处理系统，其包括：
具有室壁的处理室；
布置在所述处理室中的基座，以保持用于处理的衬底；
喷头，其布置在所述处理室中以在所述处理室中分配等离子体；
和
检测器系统，被配置为检测所述室壁的状况，所述检测器系统包括：
第一表面等离激元共振(SPR)纤维，其具有位于所述处理室外部的第一末端和第二末端，以及位于所述处理室内部的所述第一SPR纤维的内部部分；
光源，其将光作为第一输入光提供到所述第一SPR纤维的所述第一末端；和
控制器，其被配置为控制提供给所述第一SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述第一SPR纤维的所述第二末端接收光作为第一输出光，所述控制器分析所述第一输入光和所述第一输出光以确定所述室壁的状况。
2.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其中，所述处理室还包括第一馈通件；以及其中所述第一SPR纤维的所述第一末端和所述第二末端延伸穿过所述第一馈通件。
3.根据权利要求2所述的衬底处理系统，其中，所述处理室还包括第二馈通件，并且所述第一SPR纤维的所述第一末端延伸穿过所述第一馈通件，并且所述第一SPR纤维的所述第二末端延伸穿过所述第二馈通件。
4.根据权利要求3所述的衬底处理系统，其中，所述第一馈通件和所述第二馈通件在所述处理室的一侧上彼此接近。
5.根据权利要求3所述的衬底处理系统，其中，所述第一馈通件和所述第二馈通件在所述处理室的相对侧上。
6.根据权利要求1所述的衬底处理系统，其中，所述第一SPR纤维包括第一中心光纤，所述第一中心光纤具有围绕所述第一中心光纤的第一包层，所述第一包层具有第一开口，所述第一开口被定位为使得所述第一开口位于所述处理室内部，所述第一SPR纤维还包括在所述第一开口内的：
第一金属膜，其设置在所述第一中心光纤上方；和
设置在所述第一金属膜上方的第一层抗等离子体材料。
7.根据权利要求6所述的衬底处理系统，其中，所述抗等离子体材料包括选自锆和钇的氮化物和氧化物的材料。
8.根据权利要求6所述的衬底处理系统，其中，所述第一包层具有位于所述处理室内部的第二开口，所述第一SPR纤维还包括在所述第二开口内的：
第二金属膜，其设置在所述第一中心光纤上方；和
设置在所述第二金属膜上方的第二层抗等离子体材料。
9.根据权利要求3所述的衬底处理系统，其中，所述处理室还包括第三馈通件和第四馈通件，所述检测器系统还包括第二SPR纤维，所述第二SPR纤维具有位于所述处理室外部的第一末端和第二末端，以及位于所述处理室内部的与所述第一SPR纤维相反的一侧上的第二SPR纤维的内部部分；
所述光源，其将光作为第二输入光提供到所述第二SPR纤维的所述第一末端；以及
所述控制器，其被配置为控制提供给所述第二SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述第二SPR纤维的所述第二末端接收光作为第二输出光，所述控制器分析所述第二输入光和所述第二输出光以确定所述室壁的状况。
10.根据权利要求9所述的衬底处理系统，其中，所述第二SPR纤维包括第二中心光纤，所述第二中心光纤具有围绕所述第二中心光纤的第二包层，所述第二包层具有第三开口，所述第三开口被定位为使得所述第三开口位于所述处理室内部，所述第二SPR纤维还包括在所述第三开口内的：
第三金属膜，其设置在所述第二中心光纤上方；和
设置在所述第三金属膜上方的第三层抗等离子体材料。
11.根据权利要求10所述的衬底处理系统，其中，所述第二包层具有位于所述处理室内部的第四开口，所述第二SPR纤维还包括在所述第四开口内的：
第四金属膜，其设置在所述第二中心光纤上方；和
设置在所述第四金属膜上方的第四层抗等离子体材料。
12.根据权利要求3所述的衬底处理系统，所述检测器系统还包括：
具有第一末端和第二末端并位于所述处理室外部的参考表面等离激元共振(SPR)纤维；
所述光源，其将光作为参考输入光提供给所述参考SPR纤维的所述第一末端；和
所述控制器，其被配置为控制提供给所述参考SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述参考SPR纤维的所述第二末端接收光作为参考输出光，所述控制器将所述参考输出光与所述第一输出光进行比较，以决定用于确定所述室壁的状况的基线。
13.根据权利要求12所述的衬底处理系统，在所述处理室壁已经被清洁之后并且在随后使用所述衬底处理系统之前，所述控制器将所述参考输出光与所述第一输出光进行比较。
14.一种在衬底处理系统中的检测器系统，所述衬底处理系统包括具有室壁和至少一个馈通件的处理室、布置在所述处理室中以保持用于处理的衬底的基座、以及布置在所述处理室中以在所述处理室中分配等离子体的喷头；
所述检测器系统被配置为检测所述室壁的状况，所述检测器系统包括：
第一表面等离激元共振(SPR)纤维，其具有位于所述处理室外部的第一末端和第二末端，以及位于所述处理室内部的所述第一SPR纤维的内部部分；
光源，其将光作为第一输入光提供到所述第一SPR纤维的所述第一末端；和
控制器，其被配置为控制提供给所述第一SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述第一SPR纤维的所述第二末端接收光作为第一输出光，所述控制器分析所述第一输入光和所述第一输出光以确定所述室壁的状况。
15.根据权利要求1所述的检测器系统，其中，所述第一SPR纤维包括第一中心光纤，所述第一中心光纤具有围绕所述第一中心光纤的第一包层，所述第一包层具有第一开口，所述第一开口被定位为使得所述第一开口位于所述处理室内部，所述第一SPR纤维还包括在所述第一开口内的：
第一金属膜，其设置在所述第一中心光纤上方；和
设置在所述第一金属膜上方的第一层抗等离子体材料。
16.根据权利要求15所述的检测器系统，其中，所述第一包层具有位于所述处理室内部的第二开口，所述第一SPR纤维还包括在所述第二开口内的：
第二金属膜，其设置在所述第一中心光纤上方；和
设置在所述第二金属膜上方的第二层抗等离子体材料。
17.根据权利要求14所述的检测器系统，还包括第二SPR纤维，所述第二SPR纤维具有位于所述处理室外部的第一末端和第二末端，以及位于所述处理室内部的与所述第一SPR纤维相反的一侧上的所述第二SPR纤维的内部部分；
光源，其将光作为第二输入光提供到所述第二SPR纤维的所述第一末端；和
所述控制器被配置为控制提供给所述第二SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述第二SPR纤维的所述第二末端接收光作为第二输出光，所述控制器分析所述第二输入光和所述第二输出光以确定所述室壁的状况。
18.根据权利要求17所述的检测器系统，其中，所述第二SPR纤维包括第二中心光纤，所述第二中心光纤具有围绕所述第二中心光纤的第二包层，所述第二包层具有第三开口，所述第三开口被定位为使得所述第三开口位于所述处理室内部，所述第二SPR纤维还包括在所述第三开口内的：
第三金属膜，其设置在所述第二中心光纤上方；和
设置在所述第三金属膜上方的第三层抗等离子体材料。
19.根据权利要求18所述的检测器系统，其中，所述第二包层具有位于所述处理室内部的第四开口，所述第二SPR纤维还包括在所述第四开口内的：
第四金属膜，其设置在所述第二中心光纤上方；和
设置在所述第四金属膜上方的第四层抗等离子体材料。
20.根据权利要求14所述的检测器系统，所述检测器系统还包括：
具有第一末端和第二末端并位于所述处理室外部的参考表面等离激元共振(SPR)纤维；
所述光源，其将光作为参考输入光提供给所述参考SPR纤维的所述第一末端；和
所述控制器，其被配置为控制提供给所述参考SPR纤维的所述第一末端的光量，并在所述参考SPR纤维的所述第二末端接收光作为参考输出光，所述控制器将所述参考输出光与所述第一输出光进行比较以决定用于确定所述室壁的状况的基线。
21.根据权利要求20所述的检测器系统，在所述处理室壁已经被清洁之后并且在随后使用所述衬底处理系统之前，所述控制器将所述参考输出光与所述第一输出光进行比较。
22.一种用于确定衬底处理系统中的处理室的室壁的状况的方法，该方法包括：
在所述处理室内产生第一表面等离激元波和第一消逝波；
周期性地测量所述第一表面等离激元波和所述第一消逝波，以获得第一测量数据；和
响应于所述第一测量数据，确定所述室壁的状况。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括获得与所述室壁的基线状况有关的基线数据，并将所述基线数据与所述第一测量数据进行比较以确定所述室壁的状况。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括：
在所述处理室内产生第二表面等离激元波和第二消逝波；
周期性地测量所述第二表面等离激元波和所述第二消逝波，以获得第二测量数据；和
响应于所述第二测量数据，确定所述室壁的状况。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括获得与所述室壁的基线状况有关的基线数据，并将所述基线数据与所述第一测量数据和所述第二测量数据进行比较以确定所述室壁的状况。
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