CN115461494A - 用于监测半导体过程的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测半导体过程的系统和方法包括多个传感器和微控制器。所述多个传感器设置在处理腔室内。微控制器从所述多个传感器接收数据，并且基于从所述多个传感器接收到的数据来测量半导体过程的均匀性。

Description

用于监测半导体过程的系统和方法
技术领域
相关申请
本申请是根据35 U.S.C. 111和37 CFR 1.53的相关部分提交的临时申请。
背景技术
在半导体集成电路（IC）行业的装置制造期间在半导体制造工厂处广泛地和普遍地使用沉积和蚀刻过程。半导体行业为减小尺寸（这些尺寸传统上受2维结构的光刻分辨率限制）所做的努力正在转向对3维结构（例如，3D栅极和3D NAND）的沉积和蚀刻过程控制。控制沉积和蚀刻过程的能力越来越影响装置临界尺寸。话虽如此，仍需要新的技术来允许在蚀刻和沉积过程时进行更严格的过程控制。
等离子体蚀刻过程常常被用来通过等离子体状态下的点火气体（该点火气体驱动化学反应的活化能）来去除电介质、半导体或金属层。材料去除还能够通过使反应气体（处于非等离子体状态）流动或通过湿法蚀刻（液态下）站来执行。在腔室部件和经处理的衬底之上沉积膜能够通过各种方法来实施，比如等离子体增强（PE）化学气相沉积（CVD）、次大气压CVD、热CVD、原子层沉积（ALD）、等离子体增强原子层沉积等等。取决于过程步骤，蚀刻和沉积过程能够是各向同性的或各向异性的（比如反应离子蚀刻-RIE）。
在衬底沉积过程（诸如，IC制造过程）中，通过不同的反应和各种过程物质状态，能够实现在晶圆（其为衬底）之上沉积许多不同的层。示例技术包括等离子体（PECVD和高密度等离子体-HDP）、气体-次大气压CVD（SACVD）和液体（电镀）。控制沉积层和装置制造特性的关键参数的一些示例是：厚度、应力、质量、电阻、颗粒和折射率。测量和控制那些参数，这不仅针对平均值（在整个晶圆或一批晶圆上），而且还针对晶圆可变性和间隙晶圆可变性。降低过程可变性有助于改进生产线末端（EOL）过程处的成品率。
例如，在衬底蚀刻中使用以下步骤：晶圆蚀刻步骤，以将图案（结合光刻步骤）施加于所制造的装置；清洁晶圆以使其没有污染物；在晶体管之间产生沟槽；使触点和隔离器之间能够分离；在沉积之前使晶圆表面反应，并且用于去除光刻胶。控制晶圆之上的蚀刻过程的关键参数是：所定义的特征的临界尺寸，诸如蚀刻速率、厚度、应力、颗粒和缺陷控制、以及其他电气和光学参数。
衬底蚀刻和沉积可以是或可以不是在同一处理腔室中、在腔室中连续地、在腔室中非顺序地或在不同腔室中同时进行的过程（例如，在一些HDP过程中，蚀刻和沉积可连续地或同时地发生）。
在衬底沉积序列期间，来自过程的副产物能够沉积在腔室部件之上。该过程可能是不均匀的（在不同腔室位置处不同），具体取决于过程步骤或条件。在处理腔室内部没有衬底时，在衬底沉积之间发生腔室沉积。这种涂覆腔室部件的沉积（有时称为“底涂”、“预涂”、“调整（seasoning）”等）产生了增强的晶圆均匀性和控制。影响晶圆过程的衬底沉积之间的一些示例是：通过用底涂层“粘住”颗粒而在晶圆之上获得更好的颗粒性能，通过将预涂层施加到腔室部件而获得更好的晶圆过程均匀性，以及通过调整腔室来获得对沉积速率的改进控制。
当腔室内部没有衬底时，发生腔室蚀刻（在衬底蚀刻/清洁过程之间），以从腔室部件去除涂层并清洁腔室以使其没有副产物。该过程增强了颗粒性能和过程控制。在该过程中，从腔室部件蚀刻材料。
在沉积步骤（在晶圆之上）之前或之后，一些过程步骤可包括预处理或后处理以蚀刻晶圆表面。例如，预处理（在沉积之前）包括从晶圆表面去除污染物以便促进沉积层的更好粘附、以及进行后处理以使沉积层退火或“收缩”。在那些过程期间，从衬底移除的副产物可能粘到和沉积到腔室部件和/或蚀刻不同的腔室部件。例如，在衬底的等离子体预处理期间，副产物可沉积在腔室壁上，但从腔室卡盘（安置晶圆的地方）去除。
后期维护沉积和蚀刻（包括对处理腔室的后预防性或反应性维护、具有和/或不具有衬底的沉积和蚀刻循环）将适用于允许更好的颗粒性能、过程均匀性（在衬底内或/和衬底之间）、过程控制和速率控制。在该过程中，副产物可沉积在不同的腔室部件上或从不同的腔室部件移除（蚀刻）。
在晶圆沉积和蚀刻期间，在腔室内并且沿着衬底的不同部件之间的交叉影响（cross impact）可由于过程参数（例如，流量、局部温度、等离子体密度、压力等）产生，并且由于腔室部件的条件而变化。该交叉影响影响衬底和腔室过程（在腔室部件之上的蚀刻或沉积）两者的条件。
在腔室部件和经处理的衬底之间的交叉影响的一个示例包括通过清洁腔室（在衬底进入之前没有沉积）处理的衬底。在衬底之上的沉积速率和厚度均匀性与在已经包括涂层材料（例如，预调整层）的腔室中处理的衬底相比可能是不同的。
交叉影响的另一个示例涉及硬掩模栅极蚀刻，其中在腔室壁上累积的副产物影响衬底之上的蚀刻速率和临界尺寸。
其他形式的交叉影响包括在腔室壁上的累积膜，其中，膜应力累积到膜破裂的程度，从而诱发微粒剥落和产品晶圆的污染。这不利地影响了生产收得率并且限制了晶圆生产的累积窗口。然后必须使用等离子体清洁过程来将残留物清理出处理腔室。
使用QCM的局部和直接过程测量的术语涉及一种方法，其中，添加到QCM表面或从QCM表面去除的质量改变QCM频率（其在用于使压电晶体的振荡频率的改变与沉积在其表面上的质量相互关联的Sauerbery方程中描述）。尽管基本的Sauerbery方程没有明确描述膜应力影响，但是它将影响QCM频率并且会影响有效剪切模量。QCM的术语“直接测量”包括对沉积在压电晶体的晶体表面上的或从压电晶体的晶体表面去除的膜的测量。QCM的术语“局部测量”意指对在特定位置处局部沉积的或在特定位置附近沉积的膜的测量。
用于使用集成式传感器进行过程监测的一些已知方法包括：质谱仪、光谱仪、RF传感器和真空计。然而，这样的方法不是局部的，并且不能给出关于在不同腔室位置处累积或去除的膜的详细信息。非局部过程控制的一个示例包括等离子体清洁方法，比如发射光谱测定法、残留气体分析仪和腔室阻抗测量。然而，所有这些方法都测量来自整个腔室的复杂信号，并且不识别不同腔室位置处的过程材料的均匀性或均质性。其他已知的传感器（比如温度传感器）可沿着各种腔室部件的表面局部定位和读取测量值，但是将不提供关于与涂覆这些表面相关联的膜条件的详细信息。
美国专利申请公开号2012/0201954（Wajid）公开了QCM，该QCM提供关于膜涂覆或蚀刻的信息，但采用了单个位置，从而不能提供关于过程在不同腔室位置处的均匀性或均质性的信息。其中，过程数据的精度和值随着腔室的尺寸增加而降低。
美国专利申请公开号2014/0053779（Martinson等人）描述了在不同腔室位置之间移动的QCM探针。然而，这种解决方案限于研究实验室，并且仅与其中需要真空用于生产的生产环境兼容。另外，这种解决方案不促进在不同腔室位置处的QCM传感器的同时监测。
因此，没有直接的局部方法用于在化学气相沉积（CVD）和蚀刻腔室内部进行过程均匀性/均质性监测。
发明内容
因此，在本公开的一个实施例中，提供了一种用于监测半导体过程的系统。该系统包括多个传感器和微控制器，其中，所述多个传感器设置在处理腔室内的各种预定位置处。微控制器从所述多个传感器接收数据，并且基于从所述多个传感器接收到的数据来测量半导体过程的均匀性。传感器中的至少一个限定与另一个传感器的角取向不同的角取向。在又另一实施例中，传感器中的至少两个各自包括限定角取向的传感器表面，其中，一个传感器表面的角取向不同于另一个传感器表面的角取向。
在本公开的另一个实施例中，提供了一种用于监测半导体过程的系统，该系统包括多个传感器，所述多个传感器选择性地布置在处理腔室内并且被构造成发出指示在所述多个传感器中的每一个附近发生的材料过程的过程信号。第一传感器和第二传感器分别限定处理腔室内的第一空间位置和第二空间位置，其中，第一空间位置具有与第二空间位置不同的角取向。微控制器响应于过程信号而将由第一传感器和第二传感器感测的材料过程与当前处理腔室内发生的半导体过程相互关联。传感器获取对进行在当前处理腔室和相关处理腔室中的一者内执行的半导体过程有用的信息。
在又另一实施例中，提供了一种用于监测半导体过程的方法。该方法包括以下步骤：在处理腔室内将多个传感器放置在该处理腔室内的不同位置处，并且测量过程材料在设置在处理腔室内的衬底上的沉积或从设置在处理腔室内的衬底的去除。所述多个传感器中的第一传感器在处理腔室中具有第一角取向和第一位置，并且所述多个传感器中的第二传感器在处理腔室中具有第二角取向和第二位置。该方法还包括以下步骤：监测在处理腔室内的不同位置处过程材料的沉积或去除；以及基于在监测步骤期间从所述多个传感器接收到的数据来测量半导体过程的均匀性。第一传感器的第一角取向和第一位置以及第二传感器的第二角取向和第二位置促进测量半导体过程的均匀性。
在又另一实施例中，提供了一种用于监测处理腔室中的半导体过程的方法，该方法包括以下步骤：（i）提供具有满足验收分布（acceptance profile）的厚度分布的基准衬底；（ii）将多个传感器放置在处理腔室内，以测量在所述多个传感器中的每一个附近发生的材料过程数据；（iii）将测量的材料过程数据与在处理腔室内产生的测试衬底的厚度分布相互关联；（iv）将测试衬底的厚度分布与基准衬底进行比较，以确定测试衬底是否满足由基准衬底的验收分布建立的验收标准；（v）当已满足测试衬底的验收标准时，记录传感器的测量的材料过程数据；以及（vi）根据记录的材料过程数据来处理随后制造的衬底。
以上实施例仅是示例性的。如本文中所描述的其他实施例在所公开的主题的范围内。
附图说明
为了能够理解本公开的特征的方式，可参考某些实施例进行详细描述，其中一些实施例在附图中图示。然而，将注意，附图仅图示某些实施例且因此将不被视为限制其范围，因为所公开的主题的范围也涵盖其他实施例。附图不一定按比例绘制，重点通常放在图示某些实施例的特征上。在附图中，使用相似的附图标记来贯穿各个视图指示相似的部分，其中：
图1A和图1B描绘了根据本文中所阐述的一个或多个方面的用于半导体处理的腔室；
图2描绘了根据本文中所阐述的一个或多个方面的来自设置在处理腔室内的多个传感器的测量值；以及
图3A和图3B描绘了由在图1的处理腔室的不同位置处的两个QCM传感器从晶圆获得的测量值的相关图。
贯穿若干视图，对应的参考字符指示对应的部分。本文中所陈述的示例图示了若干实施例，但不应被解释为以任何方式限制范围。
具体实施方式
本公开涉及半导体制造领域，包括半导体制造控制。更具体地，在一个示例中，传感器系统监测半导体制造过程工具，具体地在沉积和蚀刻过程时直接监测腔室过程均质性。例如，本文中公开了一种用于使用传感器进行直接薄膜沉积和蚀刻测量的独特方法，该传感器允许局部监测处理腔室内部的一个或多个位置处的过程均质性。这提供了关于衬底和不同腔室部分条件之间的局部交叉影响的洞察。有利地，由于过程（沉积和/或蚀刻）在处理腔室内部的非均质性，所以在不同腔室位置处部署传感器将允许测量不同的膜性质（质量密度和应力）。
可在本公开中采用许多不同类型的传感器。例如，可部署石英晶体微天平（QCM）传感器或微机电（MEM）传感器。供在本公开中使用的MEM传感器的一个示例是表面声波传感器。本领域普通技术人员将容易理解如何制造和使用QCM和MEM传感器。本公开利用了各种这样的传感器，这些传感器定位在处理腔室中的不同位置处。在讨论QCM传感器的任何实施例中，可采用任何其他传感器，诸如MEM传感器。
在一个或多个实施例中，可将任何以下传感器类型的组合用作传感器：电容器传感器、光电阴极、光电检测器传感器、微机械加工的超声换能器、被构造成测量能量或质量变化的振荡器装置、谐振电/光学装置、电阻测量传感器、具有与适合于产生等离子体反应的金属层或金属图案接触的介质波导的传感器、发光装置、电子束源、超声源、光学谐振器、微环谐振器、光子晶体结构谐振器、温度传感器。
在一个实施例中，系统使用石英晶体微天平（QCM）传感器的局部灵敏度来执行沉积和蚀刻过程（在QCM之上增加或从QCM去除质量或/和膜应力），该QCM传感器采用晶体的谐振频率（在已知的过程条件下）。本公开的一个实施例还能够使用QCM传感器来监测在已知的厚度和应力累积下的过程条件（比如，温度、流量、压力等），以监测局部过程条件。代替QCM传感器，可以以相同的方式使用MEM传感器。
通过在处理腔室内部的不同位置处使用QCM传感器，同时在不同的过程序列（例如，不同的沉积和蚀刻步骤）期间对QCM传感器进行采样，能够获得反映腔室的实时过程均质性的重要信息。代替QCM传感器，可以以相同的方式使用MEM传感器。
以上过程能够在多个腔室中使用以实施腔室和工具匹配，并且能够用于过程变化监测（在腔室和工具之间）。另一益处涉及通过使用多个传感器测量沉积速率来缩短使特定的处理腔室进入生产的时间。晶圆边缘均匀性也能够通过使用在围绕晶圆边缘的腔室半径上的多个传感器来获得。HDP沉积腔室内部的不同序列的过程均质性可包括：预涂层沉积均质性、晶圆沉积均质性、等离子体清洁均质性监测等。
通过测量在沉积序列开始时开始并以等离子体清洁序列结束（对于给定的生产方案）的QCM频率值，能够获得对过程均质性的测量。此外，在不同运行之间，结束与开始时的频率差异或差量（delta）能够给出关于给定位置处的过程稳定性的信息。
过程均质性测量的另一个示例涉及（对于相同的方案）在不同晶圆之间在晶圆沉积的开始和结束之间的频率差异。然后，能够计算特定的相关参数或方程（基于QCM位置）以预测晶圆厚度和厚度可变性。这可有助于避免使用测试晶圆进行厚度测量，或者能够用作前馈或后馈信息以在衬底沉积之前或之后控制不同的过程操作。代替QCM传感器，可以以相同的方式使用MEM传感器。
通过在等离子体清洁期间从不同的QCM位置获得最大频率还能够测量过程均质性，这允许用户知道膜在特定位置处是正在蚀刻不足还是过度蚀刻的情况下累积的。用于确定过程终点的算法能够使用来自分散在不同位置中的多个QCM传感器的频率信息，并且能够被用来优化清洁的过程终点（EP）。例如，能够监测频率导数的移动平均值，直到达到阈值，即，当达到清洁的终点时，频率的导数变得低得多。例如，能够有意地达到或实现对不同部分的这种过度蚀刻或蚀刻不足。相同或类似的方法能够应用于使用材料添加或去除的其他基于时间的过程，比如底涂、预涂等。
使用等离子体或热量（预处理或烘烤）的基于晶圆的过程（诸如，沉积、蚀刻、致密化和污染物去除）的终点检测也能够使用来自分散在不同位置处的多个QCM传感器的信号输入来实现。在处理腔室内部的不同位置处的QCM传感器能够测量不同的沉积和蚀刻速率以给出关于过程均匀性的信息，例如在塞式喷嘴（在HDP腔室处）的情况下，与该特定喷嘴相关的QCM闭合器能够测量不同的过程速率。代替QCM传感器，可以以相同的方式使用MEM传感器。
另外，通过实施至少两个QCM传感器（每个QCM传感器具有不同的角取向（相对于晶圆平面）），能够测量和/或计算在晶圆之上不同角度处的过程速率，以给出关于晶圆平面中的过程和过程速率的三维信息。而且，通过相对于腔室接地向QCM施加可变DC偏压，晶圆上的沉积溅射比能够利用工具因子在QCM之上产生。
对过程均匀性的控制是集成不同过程的关键，并且对芯片成品率具有直接影响。图1A描绘了用于半导体处理的腔室100，例如，PECVD腔室。多个QCM传感器102部署在腔室100内或附近的各种位置处，例如，侧壁、底部或顶部。支撑衬底108（即，晶圆）的经加热工作台104部署在腔室内，并且一个或多个QCM传感器102可部署在经加热工作台104中。腔室100包括顶部电极106和气体入口110，这两者同样可由附加的QCM传感器102来监测。接下来，腔室包括泵112以去除过程气体，并且那些泵112也可用附加的QCM传感器102来监测。尽管该特定示例使用QCM传感器，但可以以相同的方式使用MEM传感器。
图1B描绘了用于半导体处理的另一个腔室101。在图1B的实施例中，多个QCM传感器102部署在处理腔室中的不同位置处，并且相对于衬底在不同位置处和/或处于不同角度。有利地，多个QCM传感器102允许在遍及处理腔室的不同位置内部和在不同腔室部分处进行过程（和过程速率）均质性监测。基于从多个QCM传感器102收集的数据，可优化过程，并且可在处理腔室内部检测过程均质性问题。例如，由于使用在不同角度和不同位置处的多个QCM传感器102，所以系统允许在衬底之上进行过程和过程速率监测与控制。另外，能够使用该数据来产生过程均质性的3D图。尽管该特定示例使用QCM传感器，但可以以相同的方式使用MEM传感器。
如图2中所描绘的，由两个不同定位的QCM传感器（在沉积腔室内部）测得的沉积（或晶圆之上基频的差量）对于晶圆到晶圆的变化是不同的。虽然传感器2（FF2）数据对于晶圆到晶圆是稳定的，但传感器1反映了对于晶圆到晶圆的较高的过程变化。
例如，腔室壁清洁终点可由腔室中的单个QCM传感器来确定。预期不同的清洁方案来清洁腔室壁至其终点。不利地，单个QCM的使用并未充分地确定整个腔室壁的清洁度。将了解，QCM的有效面积与大的、分散的腔室壁面积相比非常小。因此，能够在选定的位置中使用若干QCM传感器以公平地表示平均腔室清洁条件。这不仅有助于得出腔室壁足够清洁的结论，而且蚀刻频率的斜率能够被用来理解蚀刻速率的不均匀性，该不均匀性然后能够被用来使腔室进入可接受的条件。
使用多个传感器的另一个优点涉及确定蚀刻不足条件和过度蚀刻条件之间的正确取舍。例如，腔室内部的非均质性蚀刻会过度清洁腔室的一部分并留下某个其他部分没有完全清洁，从而引起恒定的腔室壁过度蚀刻（将腔室材料转变成颗粒）或/和增量式膜积聚（最终导致颗粒的应力释放剥落）。因此，通过具有若干QCM传感器，能够实时使用关于这种非均质性的信息。进一步地，可修改过程以产生令人满意的折衷，直到找到固定的解决方案。这也有助于将给定的腔室调整到有利的（golden）腔室的条件。
本公开的一个实施例采用包括多个QCM传感器的系统来监测、学习和控制实时腔室过程均质性。该系统还提供了关于在不同或相同的时间戳处衬底处理（蚀刻和沉积）到不同腔室部分位置之间的交叉影响的洞察。通过在相同的时间戳处监测不同腔室位置，可测量过程均质性（通过比较不同位置处的QCM信号）。通过以不同的过程序列（例如：底涂、沉积、蚀刻、清洁等）监测QCM，能够针对每个过程序列或针对不同处理腔室中的后续处理的过程来监测过程均质性。
本公开的一个实施例允许对可由不同材料、不同层应力和不同密度组成的层堆叠（多于一个层）的沉积和蚀刻进行均质性监测。一个示例包括3D NAND技术中所使用的氮化物上氧化物（Oxide over Nitride）堆叠沉积的多个层。现今，没有直接测量来允许现场过程控制。在堆叠沉积腔室内的多个位置中使用QCM传感器允许实时监测。QCM数据能够作为过程参数反馈到方案中，例如能够基于QCM传感器数据实时修改堆叠中的单个层的沉积时间。
本公开的系统能够用于多个腔室中以比较并实现更好的腔室匹配，从而降低总体过程可变性。所述多个传感器提供了验证晶圆之间的均质性、给定晶圆的空间均质性的再现性的益处。该数据还通过把频移归入统计堆（bin）以理解过程步骤中的哪些特定步骤引起变化，来允许遍及步骤进行均质性分析（为了根本原因分析的目的）。
在一个示例中，系统包括多个单或双QCM传感器，这些QCM传感器安装在处理腔室上的审慎选择的位置处，以监测腔室壁上密切接近相应传感器的薄膜的沉积和/或蚀刻的变化。这样的条件，除了别的之外，可包括QCM传感器之上的质量、应力、密度和/或材料成分。QCM数据还能够被用来使其他过程条件（流量、压力、温度、等离子体均匀性等）相互关联，因为那些变化将影响测量的QCM基频（在不同谐波下）以及可能地基频变化率。尽管该特定示例使用QCM传感器，但可以以相同的方式使用MEM传感器。
在这样的情况下，软件与过程工具和QCM传感器通信。SW将可能地从过程工具接收逻辑信息，诸如生产方案名称、批次ID、槽ID、晶圆ID（WID）、序列ID等，以补充其他变量，比如，步骤号、RF功率、压力等。工具数据和QCM传感器的组合将允许测量不同过程步骤之间以及不同过程步骤内的局部过程均质性。
在另一个示例中，软件可在同一过程操作中与多个腔室通信，能够实现不同腔室之间的比较和匹配。软件可在过程中的不同操作时与多个腔室通信。也就是说，从某个操作收集的信息能够被前馈或后馈到不同的操作以改进过程稳定性并降低可变性。
通过使用QCM数据测量预测的晶圆厚度，数据能够向前流动到后面的操作并且被用来计算CMP操作中的终点时间。通过本公开的方法和系统，能够产生用于处理腔室的实时3D厚度晶圆图或任何其他计量测量。QCM系统将首先“学习”QCM传感器数据与晶圆之上的每个X/Y位置处的晶圆厚度（或任何其他计量测量）的相关因子。这能够通过以下方式来完成：使用外部独立式计量设备（或其他原位计量）的厚度计量图，来通过使用处理腔室中的不同位置（或/和不同角度）处的QCM传感器数据与晶圆之上的不同X/Y位置（坐标）的相关性来“训练”QCM传感器。基于相关因子，能够通过QCM传感器系统数据来实时导出晶圆厚度、应力图或其他感兴趣的测量值。
该方法还可包括在处理腔室内部提供多个QCM传感器以及运行过程监测器的步骤，该过程监测器能够在记录QCM数据的同时监测遍及沉积腔室的材料厚度。晶圆厚度能够由外部计量工具针对衬底或晶圆之上的多个位置测量。统计模型可使用QCM数据或QCM数据作为输入到在衬底或晶圆之上的不同位置处的衬底厚度分布数据（或到该数据的数学变换）作为输出的数学变换产生。基于所计算的数据，能够实时使用QCM数据来产生3维（X/Y位置Z=厚度）表面分布。最后，衬底厚度分布或其他计量测量能够自动地导入到QCM传感器系统，并且能够自动地优化QCM数据。
图3A和图3B描绘了在图1的遍及处理腔室的不同位置处的两个QCM传感器之间的相关图。例如，图3A和图3B示出了由外部计量工具测量的49个位置厚度图，以确定哪些区域与QCM传感器的结果强烈地相互关联。FF1表示传感器1，且FF2表示传感器2。某些区域表示强烈相关性，而其他区域表示较弱的相关性。
图3A示出了相关图，其中QCM传感器S1已相对于衬底或晶圆大致位于11点钟位置处。图3B示出了相关图，其中QCM传感器S2已相对于衬底或晶圆大致位于6点钟位置处。因此，如果关于所述至少两个传感器S1、S2组合数据，则能够确定对衬底或晶圆的厚度分布的更好理解。例如，能够使用传感器数据的加权平均值，其中，传感器越靠近感兴趣区域，可给予该传感器的权重就越多。尽管该特定示例使用QCM传感器，但可以以相同的方式使用MEM传感器。
可能的是，在与晶圆之上的X/Y位置相邻的传感器之间（在X/Y位置厚度数据与传感器数据之间）获得较高的相关因子。例如，传感器S1在定位于传感器附近时表示与厚度数据的相关性较高，而对于传感器S2也一样。所使用的多QCM系统能够是同一晶体切割或不同切割的组合中的任一者，不同切割的组合取决于给定QCM传感器的位置被选择为使温度或压力的影响最小。
QCM类型的选择也基于过程步骤，因为对于不同的过程步骤，在同一位置中能够有多于一次的切割。QCM传感器能够刚性地安装到腔室，或者被允许动态地延伸、缩回、倾斜或/和旋转（使用马达），以在处理腔室中在不同角度和不同位置处捕获不同的过程条件（质量去除、质量沉积、致密化、温度、压力、膜应力）。
在不同过程序列期间使用原位动态调整QCM传感器位置和角度将允许测量和可能地控制在腔室的不同部分处的不同过程/过程速率条件或终点、以及监测和/或控制晶圆规划中针对不同角度和位置的不同过程序列。
也可如下修改上文所描述的一个或多个实施例。例如，在一些实施例中，QCM（或MEM）传感器可使用以下电源供应装置中的一者或多者：有线电源供应装置、无线充电、电池、电容器或所谓的超级电容器或任何其他热电源。另外，在其他实施例中，信号从QCM传感器传输，信号可通过有线或以任何其他无线方法（比如，蓝牙或RF）进行传输。
可以以下述方式执行例如圆形衬底和圆柱形处理腔室之间的相关方法。在该示例中，圆柱形处理腔室可被分成八（8）个或更多个扇区，每个扇区具有基本上饼形的几何形状，即，从腔室的中心发出的两个半径、处理腔室的圆柱形内壁的外弧、以及竖直高度。对于每个扇区，QCM或MEM传感器放置在该扇区内的预定义位置处以获取在传感器上累积的质量的感测值。由QCM传感器提供的信号是频率的变化或差量频率值，其指示累积的质量值。如果圆形衬底居中地位于处理腔室内，则八个扇区将限定八个饼形区域。
任何感兴趣的过程参数（诸如，厚度值）都可针对衬底的每一区域来定义并被表示为厚度值T1-T8。然后，可通过形式为Ti=F(fS1, .. fS8)的数学方程将传感器读数S1-S8的值与厚度值T1-T8数学上相互关联，其中fsi是传感器值S1-S8的函数，并且F是所有fsi的函数。如本领域普通技术人员将了解的，然后可由8x8矩阵来表示函数F，该矩阵将传感器值中的每一个与衬底的厚度值相互关联。该相关性采用T=C(f)的形式，其中T是八个厚度值T1-T8的向量，C是常数的8x8矩阵，且f是传感器值S1-S8的向量。
申请人发现，对于给定的一组过程参数（诸如，压力、流量、等离子体功率等），C矩阵是非时变的。因此，能够执行一个或多个校准运行以确定在特定时间的C矩阵。此后，C矩阵的值能够被用来测量用于过程的后续运行的过程参数。例如，校准或基准晶圆衬底能够在具有如上文所描述的那样定位的八个传感器的腔室中暴露于给定的过程方案。此后，能够使用各种技术中的任一者（诸如，椭圆测量术）来测量校准晶圆。根据这些测量，能够确定C矩阵。通过使用上述矩阵方程来确定过程参数（诸如，厚度），能够针对是否符合设计公差来周期性地检查在生产晶圆衬底上的过程的后续运行。
附加实施例包括上文所描述的实施例中的任一个，其中其部件、功能或结构中的一个或多个与上文所描述的不同实施例的部件、功能或结构中的一个或多个互换、替换为后者或通过后者来增强。
应理解，对本文中所描述的实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。在不脱离本公开的精神和范围的情况下以及在不削弱其预期优点的情况下，能够进行这样的改变和修改。因此，这样的变化和修改旨在由所附权利要求涵盖。
尽管已在前面的说明书中公开了本公开的若干实施例，但是本领域技术人员应理解，受益于前面的描述和相关联的附图中呈现的教导，将想到本公开的许多修改和其他实施例，这些修改和其他实施例与本公开有关。因此，应理解，本公开不限于上文中所公开的特定实施例，并且许多修改和其他实施例旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，尽管在本文中以及在以下所附权利要求中采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是为了限制本公开或以下所附权利要求的目的。

Claims (29)

1.一种用于监测半导体过程的系统，所述系统包括：
多个传感器，其选择性地布置在处理腔室内并且被构造成发出指示在所述多个传感器中的每一个附近发生的材料过程的过程信号，第一传感器限定所述处理腔室内的第一空间位置，并且第二传感器限定所述处理腔室内的第二空间位置，所述第一空间位置具有与所述第二空间位置不同的角取向；以及
微控制器，其响应于所述过程信号，用于将由所述第一传感器和所述第二传感器感测的所述材料过程与当前处理腔室内发生的半导体过程相互关联，以获取对进行在当前处理腔室和相关处理腔室中的一者内执行的半导体过程有用的信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述半导体过程涉及在衬底上的沉积过程或从衬底的去除过程。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述半导体过程涉及衬底的材料厚度分布。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述微控制器确定所述材料厚度分布的均匀性。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，由至少两个传感器发出的过程信号相互关联，以获取关于在所述至少两个传感器之间的区域中发生的半导体过程的信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器围绕衬底的边缘设置，并且其中，所述微控制器控制半导体过程以维持衬底边缘均匀性。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理腔室内的衬底限定二维平面，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个相对于所述二维平面未对准，并且其中，所述微控制器产生与所述衬底有关的三维、厚度分布数据。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器包括石英晶体微天平（QCM）传感器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器包括微机电（MEM）传感器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个传感器包括石英晶体微天平（QCM）传感器和微机电（MEM）传感器中的一者或多者。
11. 一种用于监测半导体过程的系统，所述系统包括：
设置在处理腔室内的多个传感器，所述多个传感器被构造成监测所述处理腔室内的不同位置处的沉积或去除过程，其中，所述多个传感器中的第一传感器在所述处理腔室中具有第一角取向和第一位置，并且所述多个传感器中的第二传感器在所述处理腔室中具有第二角取向和第二位置；以及
微控制器，其用于从所述多个传感器接收数据，其中，所述微控制器基于从所述多个传感器接收到的所述数据来测量所述半导体过程的均匀性，其中，所述第一传感器的所述第一角取向和所述第一位置以及所述第二传感器的所述第二角取向和所述第二位置促进测量所述半导体过程的所述均匀性。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个传感器包括石英晶体微天平（QCM）传感器。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个传感器包括微机电（MEM）传感器。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个传感器包括石英晶体微天平（QCM）传感器和微机电（MEM）传感器中的一者或多者。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述半导体过程是材料沉积过程，并且所述微控制器测量在所述腔室中材料沉积的均匀性。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述半导体过程包括材料沉积过程，并且所述微控制器测量所述腔室中的材料厚度。
17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述半导体过程包括材料去除过程，并且所述微控制器测量在所述腔室中材料去除的均匀性。
18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述半导体过程包括材料去除过程，并且所述微控制器测量所述腔室中的材料厚度。
19.一种用于监测半导体过程的方法，所述方法包括：
在处理腔室内提供多个传感器，所述多个传感器中的第一传感器在所述处理腔室中具有第一角取向和第一位置，并且所述多个传感器中的第二传感器在所述处理腔室中具有第二角取向和第二位置；
监测在所述处理腔室内的不同位置处的沉积或去除过程；以及
基于在所述监测步骤期间从所述多个传感器接收到的数据来测量所述半导体过程的均匀性，其中，所述第一传感器的所述第一角取向和所述第一位置以及所述第二传感器的所述第二角取向和所述第二位置促进测量所述半导体过程的所述均匀性。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述多个传感器包括多个石英晶体微天平（QCM）传感器。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述多个传感器包括微机电（MEM）传感器。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述多个传感器包括石英晶体微天平（QCM）传感器和微机电（MEM）传感器中的一者或多者。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述半导体过程是材料沉积过程，并且所述微控制器测量在所述腔室中材料沉积的均匀性。
24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述半导体过程是材料沉积过程，并且所述微控制器测量所述腔室中的材料厚度。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述半导体过程是材料去除过程，并且所述微控制器测量在所述腔室中材料去除的均匀性。
26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述半导体过程是材料去除过程，并且所述微控制器测量所述腔室中的材料厚度。
27.一种用于监测处理腔室中的半导体过程的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有满足验收分布的厚度分布的基准衬底；
将多个传感器放置在处理腔室内，以测量在所述多个传感器中的每一个附近发生的材料过程数据，第一传感器限定所述处理腔室内的第一空间位置，并且第二传感器限定所述处理腔室内的第二空间位置，所述第一空间位置具有与所述第二空间位置不同的角取向；
将测量的材料过程数据与在所述处理腔室内产生的测试衬底的厚度分布相互关联；
将所述测试衬底的所述厚度分布与所述基准衬底进行比较，以确定所述测试衬底是否满足由所述基准衬底的所述验收分布建立的验收标准，并且当已满足所述测试衬底的所述验收标准时，记录所述传感器的测量的材料过程数据；以及
根据记录的材料过程数据来处理随后制造的衬底。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述处理腔室内的所述衬底限定二维平面，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个相对于所述二维平面未对准，并且其中，所述微控制器产生与所述衬底有关的三维、厚度分布数据。
29.根据权利要求27所述的方法，其进一步包括以下步骤：动态地安装所述多个传感器中的至少一个传感器以将所述至少一个传感器从初始位置重新定位到最终位置；测量所述至少一个传感器在所述初始位置和所述最终位置中的所述材料过程数据；以及将测量的材料过程数据与所述测试衬底的所述厚度分布相互关联。
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