CN114446752A - 一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置，所述方法包括：通过一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；发送射频功率源的输出功率信号和反射功率信号到一个控制器，控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；在射频功率稳定输出区间内，通过控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，比值小于一个预设阈值时判定发生弧光放电。本发明实现了快速检测到有真空反应腔内电弧中的微弧，以便及时得知对应的晶圆的缺陷状态的目的。

Description

一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置技术领域，特别涉及一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置。
背景技术
目前的等离子体处理装置例如等离子体增强化学汽相沉积(PE-CVD)系统、等离子体蚀刻系统和溅射系统的半导体生产设备广泛用于在现代电子设备的生产的整个过程中。等离子处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片的加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀剂或淀积源气体的反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便分别刻蚀基片表面上的材料层或在基片表面上淀积材料层，进而对半导体基片和等离子平板进行加工。由于等离子体具有比真空反应室的侧壁更高的电势，或者基片表面电荷发生积累均可导致介电材料的击穿，从而在真空反应室内引起微弧。真空反应室中高等离子电位产生的微弧通常会持续几微秒，当发生微弧时，等离子体处理装置中必然发生大电流的放电，相应的会在输入等离子反应腔的各种电路中产生电流/功率的尖峰。如图1所示，现有技术通常检测连接到静电夹盘20的直流高压电源30的输出端的电压来判断弧光放电现象，通过一个检测器40检测直流高压电源(ESC供电电源)30的输出电压波动，PLC电路50连接在检测器的输出端，处理检测到的电压信号后将对应的信息传输到主控制器60。由于直流高压电源30中设有分压电路，该分压电路使得直流高压被降到足够的低压信号，从而能够被检测并输送到主控制器60。其中该检测器40的设计是用来检测输出高压直流电源30输出的电压稳定的直流信号的，所以采样率很低，对于放电时间极短(几个毫秒)的放电无法采样检测到。即使选用更高级别的检测器40能够采样到放电导致的电压波动信号，由于等离子体处理装置中PLC电路50与主控制器60的通讯时间现在约为200毫秒，电弧放电特别是微弧放电的时间远小于200ms(如几个毫秒)，对于现有常见的脉冲式等离子处理工艺(输出射频功率呈脉冲式快速变化，如10K脉冲频率)来说，由于射频功率本身的高速变化导致检测到的电压信号也高速变化，这会导致大量错误的放电信号产生。而且这个错误信号由于存在很大的延时，无法与当前正在进行的工艺步骤对应，所以无法分辨是输出功率突变导致的还是放电导致的。其它等离子处理工艺中也会存在多个处理参数不同的步骤，如步骤一执行第一套参数，步骤二执行第二套参数，在步骤一、二切换过程中也会导致现有检测系统检测到错误到放电信号，实际只是工艺环境的变化导致的射频阻抗失配。现有技术中，采用静电吸盘(ESC)电流或电压信号检测脉冲电弧无法以如此高的速度捕获反射的功率数据，更不能适应脉冲式等离子处理工艺的需要，由此不能及时检测到电弧中的微弧，且由于ESC供电电源中设有分压电路，由此很多微电弧产生的直流信号会被噪声淹没，无法检测到微电弧。由此也无法得知此时的放电信号是尖峰失配还是原始射频功率源自身导致的变化。而微弧的存在会引起来自真空反应室侧壁的污染物聚集在真空反应室中正在处理的晶圆10上，从而导致有缺陷的晶圆10，该有缺陷的晶圆10会影响后续制程的进度。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置，实现快速检测到有真空反应腔内电弧中的微弧，以便及时得知对应的晶圆的缺陷状态的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种等离子体处理腔内的电弧的检测方法，包括：通过至少一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体。发送至少一个射频功率源的输出功率信号和反射功率信号到一个控制器，所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间。在所述射频功率稳定输出区间内，通过所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值大于一个预设阈值时判定发生弧光放电。
优选地，两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
优选地，所述射频功率稳定输出区间内所述射频功率源的输出功率大于500W。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
优选地，还包括：计算所述反射功率信号的平均值的取样时间段长度t，200ms＜t≤400ms。
优选地，还包括：在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
优选地，还包括：当所述比值小于或等于警告的预设检测阈值时，发布警告信息。
优选地，当所述比值小于或等于警报的预设检测阈值时，发布警报信息，且立即中止晶圆制备制程。
另一方面，本发明还提供一种等离子体腔室内的电弧的检测装置，包括：等离子体处理腔，设置在所述等离子体处理腔外部的射频功率源和控制器；所述射频功率源用于向所述等离子体处理腔内输送射频功率，点燃通入等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；所述射频功率源同时检测从等离子体处理腔反射回射频功率源的反射功率信号；所述射频功率源发送其自身的输出功率信号和反射功率信号到所述控制器；所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；在所述射频功率稳定输出区间内，所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电。
优选地，所述射频功率源的数量至少为两个，两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
优选地，所述射频功率稳定输出区间内所述射频功率源的输出功率大于500W。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。
优选地，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
优选地，还包括：计算所述反射功率信号的平均值的取样时间段长度t，200ms＜t≤400ms。
优选地，还包括：在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
优选地，还包括：与所述控制器连接的警告装置，根据所述控制器检测到的放电现象出现的频率和比值大小选择发出警告信号。
本发明至少具有以下优点之一：
本发明通过一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；发送射频功率源的输出功率和反射功率到一个控制器，所述控制器根据所述输出功率的和反射功率的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；在所述射频功率稳定输出区间内，通过所述控制器计算获取反射功率的平均值、反射功率的最大值；并将所述反射功率的平均值和所述反射功率的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电(例如弧光放电)。由此可知，所述射频功率源其内部具有高速数据收集器，其能够实时的，且以高采样率(～10μs间隔)发送或统计所述反射功率的信息并将其统计的所述反射功率信息传输至所述控制器，由此所述控制器根据所述反射功率信息确定所述等离子处理腔室内是否发生弧光放电，且由于通过所述射频功率源的采样率可以实现检测微秒级内发生的反射功率，由此还可以实现微弧的检测的目的。进一步的，可以实现快速检测到有真空反应腔内电弧中的微弧，以便及时得知对应的晶圆的缺陷状态的目的。
附图说明
图1为现有技术中的对等离子体处理腔室的电弧的检测装置的主要结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法的反射功率平均值的计算示意图；
图4为本发明一实施例提供的一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法的电弧检测的稳定区间的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种等离子体处理腔室的电弧的检测方法及检测装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图2所示，本实施例提供的一种等离子体处理腔内的电弧的检测方法，包括：步骤S1、通过至少一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；步骤S2、发送至少一个射频功率源的输出功率信号和反射功率信号到一个控制器，所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；当等离子处理腔向射频功率源反射的功率小于射频电源输出功率的约5％以下时，说明匹配器已经基本完成匹配，等离子阻抗基本达到稳定，此时再检测到反射功率突变就代表放电现象发生。步骤S3、在所述射频功率稳定输出区间内，通过所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电(例如弧光放电)。
在本实施例中，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。或者，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。或者，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
具体的，当所述反射功率信号的平均值小于所述反射功率信号的最大值时，则所述等离子体腔室内存在电弧包括微弧(微电弧)。
当所述反射功率信号的平均值等于或约等于所述反射功率信号的最大值时，则所述等离子体腔室内不存在电弧包括微弧(微电弧)。
如图4所示，所述入射频功率稳定输出区间为开始刻蚀之后的一个预设延迟时间(如图4中的1s)段之后到刻蚀结束的时间段。请继续参考图4，在本实施例中，在进行电弧检测之前，还可以通过在所述输出功率大于500W时，可以排除夹紧基片(chuck)或松开基片(dechuck)的过程，进一步确定是否进入所述射频功率稳定输出区间。即忽略开始检测之前的其所检测的反射功率信息的操作，以防止捕获了由实际上不代表电弧的射频功率变化引起的错误信号。
如图3所示，所述反射功率信号的平均值的计算包括：获取预设的取样时间段t(例如图3中的0.5s间隔)内的反射功率信号，由此计算该预设时间段内的反射功率信号的平均值(图3中曲线A表示的值)，其反射功率信号的最大值为取样时间段t内的反射功率最大值，如图3中的曲线P，显示了反射功率峰值变化曲线。该预设的取样时间段可以根据控制器与所述射频功率源之间的通信时间(例如200ms)来确定，计算所述反射功率信号的平均值的例如取样时间段长度t，200ms＜t≤400ms。优选地，可以为250ms，由此可以防止丢失数据点。完成一次工艺步骤切换后等1000ms后再次进入检测状态。
在本实施例中，等离子体处理装置一般设有至少两个射频功率源，其中，两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
当所述比值大于警告的预设检测阈值时，则忽略发布的警告信息；当所述比值小于或等于警告的预设检测阈值时，则发布警告信息。
当所述比值大于警报的预设检测阈值时，则忽略发布的警报信息；
当所述差值小于或等于警报的预设检测阈值时，则发布警报信息，且立即中止晶圆制备制程。
在本实施例中，为了便于理解上述阈值之间的关系，在此举例进行说明，所述预设阈值小于所述警报的预设检测阈值且小于警告的预设检测阈值。
例如：所述预设阈值可以为0.1，所述警报的预设检测阈值可以为0.5；所述警告的预设检测阈值可以为0.8。
上述检测器警报信息与警告信息可以为一种，也可以为两种且能够同时发布。
另一方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种等离子体腔室内的电弧的检测装置，包括：等离子体处理腔，设置在所述等离子体处理腔外部的射频功率源和控制器；所述等离子处理腔内通入有反应气体；所述射频功率源用于向所述等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；所述射频功率源同时检测从等离子体处理腔反射回射频功率源的反射功率信号；所述射频功率源发送其自身的输出功率信号和反射功率信号到所述控制器；所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；在所述射频功率稳定输出区间内，所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电(例如弧光放电)。
在本实施例中，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。或者，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。或者，所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
在本实施例中，在进行电弧检测之前，所述控制器还可以通过在所述输出功率大于500W时，以排除夹紧基片(chuck)或松开基片(dechuck)的过程，进一步确定是否进入所述射频功率稳定输出区间，防止捕获了由实际上不代表电弧的射频功率变化引起的错误信号。即，所述射频功率稳定输出区间内所述射频功率源的输出功率大于500W。
在本实施例中，等离子体处理装置一般设有至少两个射频功率源，其中，两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
上述装置还包括：与所述控制器连接的警告装置，根据所述控制器检测到的放电现象出现的频率和比值大小选择发出警告信号。当所述控制器判断所述比值大于警告的预设检测阈值时，则忽略所述警告装置发布的警告信息；当所述控制器判断所述比值小于或等于警告的预设检测阈值时，所述警告装置发布警告信息。
上述装置还包括：与所述控制器连接的警报装置，根据所述控制器检测到的放电现象出现的频率和比值大小选择发出警报信号。当所述控制器判断所述比值大于警报的预设检测阈值时，则忽略所述警报装置发布的警报信息；当所述控制器判断所述差值小于或等于警报的预设检测阈值时，所述警报装置发布警报信息，且通过所述控制器控制立即中止晶圆制备制程。
综上所述，本实施例通过一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；发送射频功率源的输出功率和反射功率到一个控制器，所述控制器根据所述输出功率的和反射功率的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；在所述射频功率稳定输出区间内，通过所述控制器计算获取反射功率的平均值、反射功率的最大值；并将所述反射功率的平均值和所述反射功率的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电。由此可知，所述射频功率源其内部具有高速数据收集器，其能够实时的，且以高采样率(～10μs间隔)发送或统计所述反射功率的信息并将其统计的所述反射功率信息传输至所述控制器，由此所述控制器根据所述反射功率信息确定所述等离子处理腔室内是否发生弧光放电，且由于通过所述射频功率源的采样率可以实现检测微秒级内发生的反射功率，由此还可以实现微弧的检测的目的。进一步的，可以实现快速检测到有真空反应腔内电弧中的微弧，以便及时得知对应的晶圆的缺陷状态的目的。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种等离子体处理腔内的电弧的检测方法，其特征在于，包括：
通过至少一个射频功率源向等离子体处理腔内输送射频功率，点燃等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；
发送至少一个射频功率源的输出功率信号和反射功率信号到一个控制器，所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；
在所述射频功率稳定输出区间内，通过所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电。
2.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，
两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
3.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，还包括：所述射频功率稳定输出区间内所述射频功率源的输出功率大于500W。
4.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。
5.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。
6.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
7.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，还包括：
计算所述反射功率信号的平均值的取样时间段长度t，200ms＜t≤400ms。
8.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，还包括：
在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
9.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，还包括：
当所述比值小于或等于警告的预设检测阈值时，发布警告信息。
10.如权利要求1所述的等离子体腔室内的电弧的检测方法，其特征在于，
当所述比值小于或等于警报的预设检测阈值时，则发布检测器警报信息，且立即中止晶圆制备制程。
11.一种等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，包括：
等离子体处理腔，设置在所述等离子体处理腔外部的射频功率源和控制器；
所述射频功率源用于向所述等离子体处理腔内输送射频功率，点燃通入等离子体处理腔内的反应气体形成等离子体；所述射频功率源同时检测从等离子体处理腔反射回射频功率源的反射功率信号；
所述射频功率源发送其自身的输出功率信号和反射功率信号到所述控制器；
所述控制器根据所述输出功率信号的和反射功率信号的比值确定是否进入射频功率稳定输出区间；
在所述射频功率稳定输出区间内，所述控制器计算获取反射功率信号的平均值、反射功率信号的最大值；并将所述反射功率信号的平均值和所述反射功率信号的最大值进行比较获得一个比值，所述比值小于一个预设阈值时判定发生放电。
12.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，所述射频功率源的数量至少为两个，两个或多个射频功率源输出高频和低频射频功率输出到反应腔，至少一个射频功率源发送射频功率信号到所述控制器。
13.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，
所述射频功率稳定输出区间内所述射频功率源的输出功率大于500W。
14.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/2。
15.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/4。
16.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，
所述反射功率信号的平均值和反射功率信号的最大值的比值小于1/10。
17.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，还包括：
计算所述反射功率信号的平均值的取样时间段长度t，200ms＜t≤400ms。
18.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，还包括：
在脉冲式处理工艺中，所述射频功率源输出脉冲式功率，脉冲频率100-100KHz，所述控制器接收射频功率信号，以获得每个脉冲步骤中阻抗稳定匹配阶段的微弧信号。
19.如权利要求11所述的等离子体腔室内的电弧的检测装置，其特征在于，还包括：与所述控制器连接的警告装置，根据所述控制器检测到的放电现象出现的频率和比值大小选择发出警告信号。
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