CN116266526A - 自由基诊断系统、诊断装置和诊断装置的操作方法 - Google Patents

Abstract

公开自由基诊断系统、诊断装置和诊断装置的操作方法。所述诊断装置可包括光谱仪和同步器，光谱仪通过连接到等离子体处理腔室的至少一个光通道来接收光信号，并且响应于与施加到等离子体处理腔室的多电平脉冲的每个状态对应的同步信号而对所述光信号执行光谱分析，同步器生成与所述多电平脉冲的每个状态对应的同步信号。

Description

自由基诊断系统、诊断装置和诊断装置的操作方法

本申请要求于2021年12月17日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0181314号韩国专利申请的优先权的权益，所述韩国专利申请的公开通过引用全部包含于此。

技术领域

实施例涉及用于诊断自由基(radical)的装置、具有该装置的用于诊断自由基的系统和该装置的操作方法。

背景技术

耦合到等离子体处理腔室(plasma processing chamber)的等离子体设备可用于在半导体基底等上执行蚀刻工艺。施加到等离子体处理腔室的电力可与等离子体处理腔室内的工艺气体组合，以形成用于蚀刻工艺的等离子体。

发明内容

根据实施例，一种用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的分布的诊断装置，所述诊断装置可包括：光谱仪，通过连接到等离子体处理腔室的至少一个光通道来接收光信号，并且响应于与施加到等离子体处理腔室的多电平脉冲的每个状态对应的同步信号而对所述光信号执行光谱分析；以及同步器，生成与所述多电平脉冲的每个状态对应的同步信号。

根据实施例，一种用于诊断自由基的系统可包括：等离子体处理腔室；多电平脉冲生成器，将多电平脉冲施加到等离子体处理腔室；脉冲控制器，控制多电平脉冲生成器；偏置匹配器，使从等离子体处理腔室反射的反射功率最小化；以及诊断装置，通过至少一个光通道连接到等离子体处理腔室，通过所述至少一个光通道接收光信号，并且通过针对所述多电平脉冲的每个状态执行所述光信号的光谱分析来诊断自由基或分析自由基的行为。

根据实施例，一种用于诊断等离子体处理腔室中的自由基分布的诊断装置的操作方法可包括：根据施加到等离子体处理腔室的多电平脉冲来使控制信号同步的操作；通过根据控制信号操作图像传感器的像素来从等离子体处理腔室接收光信号的操作；以及对所述光信号执行光谱分析以分析针对所述多电平脉冲的每个状态的自由基的分布和自由基的行为的操作。

根据实施例，一种等离子体诊断装置可包括：等离子体处理腔室；第一准直器和机器保持器，设置在等离子体处理腔室的第一窗中；第二准直器和机器保持器，设置在等离子体处理腔室的第二窗中；以及光谱仪，从第一准直器和机器保持器以及第二准直器和机器保持器中的每个连接到光通道，用图像传感器收集通过所述光通道接收的光信号，并且分析收集的光信号的光谱；以及计算装置，使用从光谱仪分析的数据来分析等离子体处理腔室中的自由基的分布和自由基的行为。

附图说明

通过参照附图详细描述示例实施例，特征对于本领域技术人员将变得清楚，其中：

图1是示例性地示出根据示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室的自由基的系统的示图；

图2A、图2B和图2C是概念性地示出根据示例实施例的自由基诊断装置的效果的示图；

图3是示例性地示出根据示例实施例的光谱仪210的示图；

图4A和图4B是示例性地示出根据示例实施例的像素阵列211的操作的示图；

图5是根据示例实施例的用于控制光谱仪210的门时序的示例的示图；

图6是示例性地示出根据示例实施例的在诊断装置200中通过针对每个状态控制存储、传送和复位门的电子快门的处理的示图；

图7是示例性地示出根据示例实施例的针对每个状态的评估数据的示图；

图8是示出根据示例实施例的通过诊断装置200的针对每个状态的主要自由基的时间趋势的变化的示图；

图9是示例性地示出根据另一示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的系统的示图；

图10是示例性地示出根据另一示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的系统的示图；

图11A、图11B和图11C是示例性地示出根据示例实施例的同步信号的示图；

图12是示例性地示出根据示例实施例的操作诊断装置的方法的示图；

图13是示例性地示出根据示例实施例的准直器的示图；

图14是示出等离子体处理腔室中的准直器的光路的示图；

图15A和图15B是示例性地示出使用7点光准直器的自由基的局部分析的示图；以及

图16A、图16B和图16C是示例性地示出根据示例实施例的光谱层析成像(spectrotomography)等离子体诊断装置的示图。

具体实施方式

根据示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室(plasma processing chamber)中的自由基的诊断装置、包括该诊断装置的用于诊断自由基的系统和该诊断装置的操作方法可使用射频(RF)多电平脉冲或气体脉冲(gas pulsing)，来分析等离子体处理腔室中每个状态下自由基的分布和自由基的行为。

图1是示例性地示出根据示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室的自由基的系统的示图。

参照图1，自由基诊断系统10可包括等离子体处理腔室100、诊断装置200、多电平脉冲生成器300、脉冲控制器400和偏置匹配器500。

等离子体处理腔室100可包括真空腔室(或称为真空容器)、上电极、下电极以及工艺气体供应单元。上电极可设置在真空容器上方，下电极可设置在真空容器下方。下电极可设置在上电极下方。从上电极或下电极生成的RF(射频)电力(或多电平脉冲)可与等离子体组合。在一个示例实施例中，上电极或下电极可将电力电感耦合到由工艺气体供应单元供应到真空容器内部的工艺气体。由上电极或下电极施加的RF电力可电感耦合到工艺气体，以在半导体晶片基底上的反应区中形成等离子体。从工艺气体供应单元供应的工艺气体可蚀刻半导体晶片基底上的材料。在一个示例实施例中，工艺气体可包括C_xF_y。在一个示例实施例中，从上电极施加的RF电力可点燃等离子体，从下电极施加的RF电力可控制等离子体的离子和自由基。

诊断装置200可通过光通道101连接到等离子体处理腔室100，光通道101可包括光纤。诊断装置200可被实现为通过针对等离子体处理腔室100的多电平脉冲(或RF电力)的每个状态实时执行光谱分析，来分析自由基和自由基的行为。

诊断装置200可包括光谱仪(spectrometer)210和同步器230。光谱仪210可被实现为分析通过光通道接收的光信号的光谱。例如，光谱仪210可被实现为与多电平脉冲同步，并且经由图像传感器(CMOS图像传感器、CCD图像传感器等)根据每个状态来分析光谱。状态可对应于多电平脉冲的电平。光谱仪210可被实现为对图像传感器的输出信号进行对数转换。同步器230可被实现为从外部接收触发信号，并且响应于触发信号使“用于控制光谱仪210的控制信号”同步。触发信号可从可在外部的脉冲控制器400被提供。同步器230可被实现为使多电平脉冲和控制信号同步。例如，控制信号在多电平脉冲的每个状态的区间中同步可用于控制光谱仪210的图像传感器的存储操作、传送操作和复位门(reset gate)操作。由此，可执行图像传感器的电子快门(electronic-shuttering)。结果，可获得多电平脉冲的每个状态下的等离子体发射数据。在一个实施例中，光谱仪210可通过连接到等离子体处理腔室100的至少一个光通道101来接收光信号，并且响应于与施加到等离子体处理腔室100的多电平脉冲的每个状态对应的同步信号而对光信号执行光谱分析，并且同步器230可生成与多电平脉冲的每个状态对应的同步信号。

多电平脉冲生成器300可被实现为将RF电力生成为多电平脉冲。例如，多电平脉冲生成器300可使用甚高频电力生成器和RF频率电力生成器的脉冲之间的期望相位、延迟或占空比，来生成多电平脉冲。然而，多电平脉冲可由例如RF生成器、中频(MF)生成器、高频(HF)生成器或甚高频(VHF)生成器生成。在一个实施例中，多电平脉冲生成器300可将多电平脉冲施加到等离子体处理腔室100。

脉冲控制器400可被实现为控制甚高频源电力生成器与RF偏置电力生成器的脉冲之间的期望相位、延迟或占空比。脉冲控制器400可被实现为生成与多电平脉冲的每个状态对应的触发信号，并将触发信号输出到诊断装置200的同步器230。

偏置匹配器500可被实现为使从等离子体处理腔室100反射的反射功率(reflected power)最小化。偏置匹配器500可等同地匹配等离子体处理腔室100的阻抗和多电平脉冲生成器300的阻抗，以便最小化反射功率。在一个示例实施例中，等离子体处理腔室100的复阻抗和多电平脉冲生成器300的复阻抗可被匹配到50Ω。在一个示例实施例中，偏置匹配器500可被实现为实时将与多电平脉冲对应的输入阻抗匹配到等离子体负载。

当半导体晶片基底在等离子体处理腔室100中被蚀刻时，等离子体的特性可能改变。为了在等离子体的特性改变时促进动态匹配，偏置匹配器500可通过匹配网络被连续地调整，以在整个蚀刻工艺中实现和保持匹配。

通常，随着装置变得更先进(例如，随着垂直型NAND闪存装置的一代发展)，堆叠级(stage)的数量可增加。因此，可存在对能够以高纵横比蚀刻的高级蚀刻工艺和实现该高级蚀刻工艺的设施的需要。通过使用多电平脉冲等离子体，实现高选择性蚀刻是可行的。因此，支持多电平脉冲等离子体的设施正在增加。通常的自由基诊断系统通过平均并分析等离子体处理腔室相对于累积时间的等离子体发射光，不会分析特定状态的自由基。

另一方面，根据本示例实施例的自由基诊断系统10可针对使用多电平脉冲的等离子体处理腔室中的每个状态使用图像传感器执行光谱分析，使得根据每个状态的自由基的分布和自由基的行为可被分析。

图2A、图2B和图2C是用于概念性地示出根据示例实施例的自由基诊断装置的效果的示图。

通常，在多电平脉冲等离子体的情况下，因为自由基的期望分布比和效果针对每个状态是不同的，所以针对每个状态进行分析可能是重要的。

举例来说，参照图2A和图2B，第一状态(例如，状态1)指示蚀刻工艺下的多电平脉冲，第二状态(例如，状态2)指示堵塞和弯曲下的多电平脉冲，第三状态(例如，状态3)指示钝化下的多电平脉冲。例如，在第一状态的时段中，光谱仪210(参照图1)可正执行蚀刻工艺区中的蚀刻剂自由基和副产物的监测。在第三状态的区间中，光谱仪210可正执行用作顶部掩模的钝化的聚合物的自由基监测。在优化蚀刻轮廓时，在光谱仪210中监测第一状态和第三状态下的最佳自由基比和反应可能是重要的。

参照图2C，可以以三维同时分析在RF多电平脉冲的状态下各个自由基的发射分布和行为特性。例如，可执行针对每个状态的自由基的光谱分析。另外，分析针对每个状态的自由基的行为特性(产生和消失)是可行的。另外，通过针对每个状态的自由基反应的实时分析，可缩短工艺配置文件的优化时间。因此，动态地分析蚀刻工艺是可行的。这可用于例如蚀刻轮廓建模。

根据本示例实施例的诊断装置200可分析针对每个状态时段的自由基的分布比和每个主要自由基的行为。因此，诊断装置200可快速且准确地寻找最佳自由基比选择和RF多电平脉冲条件。

图3是示例性地示出根据示例实施例的光谱仪210的示图。

参照图3，光谱仪210可包括像素阵列211和控制板212。在一个示例实施例中，光谱仪210可被实现为能够门控制的图像传感器。在一个示例实施例中，图像传感器可包括电荷耦合器件(CCD)图像传感器。在另一示例实施例中，图像传感器可包括互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

像素阵列211可包括连接到多条行线(栅极线)和多条列线的多个像素。在图3中，为了便于描述，仅示出一个像素PX。

控制板212可被实现为输出用于驱动像素阵列211的门信号GATE1、GATE2和GATE3。控制板212可被实现为数字地转换从像素阵列211输出的信号。在一个实施例中，控制板212可从同步器230接收同步信号，并且生成用于控制每个像素PX的控制信号。

控制板212可包括存储器和至少一个处理器，存储器用于存储执行获得并分析针对多电平脉冲的每个状态的光谱数据的操作的算法，至少一个处理器用于驱动该算法。在一个示例实施例中，控制板212可用分立模拟电路单元或集成模拟电路单元、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或它们的组合来实现。

图4A和图4B是示例性地示出根据示例实施例的像素阵列211的操作的示图。

参照图4A，像素PX可通过第一门信号至第三门信号GATE1、GATE2和GATE3被操作。例如，图4A中示出的像素PX可用包括晶体管T1至T4的4-Tr结构来实现。

参照图4B，像素PX可根据门信号GATE1、GATE2和GATE3的控制来执行复位操作、集成操作(integration operation)和信号输出操作。

在复位操作中，可根据第一门信号GATE1和第二门信号GATE2的控制来导通第一晶体管T1和第二晶体管T2，使得复位状态下的电荷(例如，复位扩散区RD的电荷)可被传送到浮动扩散区FD。

在集成操作中，可根据第一门信号GATE1和第二门信号GATE2的控制来截止第一晶体管T1和第二晶体管T2，并且可在光电二极管PD中累积与通过光通道获得的光信号对应的电荷。

在信号输出操作中，当根据第一门信号GATE1的控制导通第一晶体管T1时，与光信号对应的电荷可被传送到浮动扩散区FD。此后，当根据第三门信号GATE3的控制导通第三晶体管T4时，与发送到浮动扩散区FD的信号对应的电压可被外部地输出。

应理解，上面描述的像素操作仅是示例实施例。

图5是根据示例实施例的用于控制光谱仪210的门时序的示例的示图。

可通过控制图像传感器的存储操作、传送操作和复位门操作与RF多电平脉冲的每个状态同步，来执行电子快门。由此，可获得每个状态下的等离子体的光谱数据。

参照图5，门时序操作可被分为电子快门阻挡操作、电子快门打开操作和信号输出操作。

在电子快门阻挡操作中，不收集等离子体发射数据。在这种情况下，复位门晶体管T2处于导通状态，存储门晶体管T1处于导通状态，传送门晶体管T4处于截止状态。

在电子快门打开操作中，可收集等离子体发射数据。在这种情况下，复位门晶体管T2处于导通状态，存储门晶体管T1处于截止状态，并且传送门晶体管T4处于截止状态。

在信号输出操作中，可输出收集的数据。在这种情况下，复位门晶体管T2处于截止状态，存储门晶体管T1处于导通状态，传送门晶体管T4处于导通状态。

图6是示例性地示出根据示例实施例在诊断装置200中通过针对每个状态控制存储、传送和复位门的电子快门的处理的示图。

参照图6，在第一状态下，诊断装置200可观察通过离子蚀刻的部分。在一个示例实施例中，第一状态的时段可以是130μs。在第二状态下，诊断装置200可观察通过CFx形成保护层。在一个示例实施例中，第二状态的时段可以是536μs。应理解，第一状态的所述时段和第二状态的时段仅是示例。参照图6，可在第一状态和第二状态的时段中执行电子快门N次。

图7是示例性地示出根据示例实施例的针对每个状态的评估数据的示图。

参照图7，可通过多个电子快门操作获得针对RF多电平脉冲的每个状态的等离子体发射数据。因此，分析针对每个状态的等离子体自由基分布(即，光谱数据)的变化是可行的。通过分析针对每个状态的副产物自由基的强度的变化来分析晶片的化学反应也是可行的。

图8是示出根据示例实施例的通过诊断装置200的针对每个状态的主要自由基的时间趋势的变化的示图。

参照图8，确认每个自由基在每个状态时段中解离(dissociation)的变化是可行的。

同时获取关于针对RF多电平脉冲的每个状态的自由基的行为(产生和消失的时间趋势数据)的信息是可行的。同时分析针对每个状态的等离子体的自由基解离特性是可行的。例如，分析多原子分子和单原子分子的解离特性是可行的。参照图8，分析针对每个状态在晶片的蚀刻期间生成的基于副产物的自由基和针对钝化作用的基于CFx的行为是可行的。可通过该效果执行蚀刻的动态分析。

再次参照图1，尽管同步器230被描述为通过外部触发器与信号同步，但是同步器可通过诊断装置的内部传感器同步。

图9是示例性地示出根据示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室的自由基的系统的示图。

参照图9，用于诊断自由基的系统20可包括等离子体处理腔室100、诊断装置200a、多电平脉冲生成器300、脉冲控制器400a和偏置匹配器500。

与图1中示出的诊断装置200相比，诊断装置200a还可包括内部传感器220。内部传感器220可被实现为与光脉冲的包络信号同步。在一个实施例中，内部传感器220可检测光信号的包络，并且同步器230a可根据内部传感器220的对包络的检测来生成同步信号。在一个示例实施例中，内部传感器220可包括快时间测光计(fast time photo meter，或称为快时间测光表)。快时间测光计可以是包括光电倍增管(PMT)或光电二极管的光接收装置。快时间测光计是使用从等离子体处理腔室发射的光信号的脉冲型诊断装置。

在另一示例实施例中，同步器可由外部传感器(VI传感器)被同步。

图10是示例性地示出根据另一示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的系统的示图。

参照图10，用于诊断自由基的系统30可包括等离子体处理腔室100、诊断装置200b、多电平脉冲生成器300、脉冲控制器400b、偏置匹配器500和电压电流(voltage-current)传感器600。电压电流传感器(VI传感器)600可被实现为感测等离子体处理腔室100的电压和电流。电压电流传感器600可被实现为与RF脉冲信号的包络信号同步。在一个实施例中，电压电流传感器600可与多电平脉冲的包络信号同步地测量电压和电流中的至少一者，并且同步器230b可根据电压电流传感器600的控制(例如，由电压电流传感器600测量的电压和电流中的至少一者)来生成同步信号。

图11A、图11B和图11C是示例性地示出根据示例实施例的同步信号的示图。

参照图11A，示出通过外部触发器同步的信号。

参照图11B，示出通过内部光传感器同步的信号。

参照图11C，示出通过VI传感器同步的信号。

图12是示例性地示出根据示例实施例的操作诊断装置的方法的示图。

参照图1至图12，根据示例实施例的诊断装置可如下操作。

诊断装置200可通过与等离子体处理腔室100的多电平脉冲同步来使控制信号同步(S110)。这里，可通过响应于多电平脉冲的每个状态的外部触发信号、通过内部传感器或通过外部传感器，执行控制信号的同步操作。例如，可响应于外部触发信号来使控制信号同步。可通过检测光信号的包络来使控制信号同步。另外，可响应于多电平脉冲的每个状态的包络信号来使控制信号同步。

诊断装置200可根据控制信号通过连接到等离子体处理腔室100的光通道来接收光信号(例如，可见光)(S120)。

诊断装置200可从接收到的光信号获得光谱数据，并且分析针对每个状态的获得的光谱数据(S130)。在一个示例实施例中，诊断装置200可通过光谱数据分析来测量解离速率和消失曲线(包括复合和/或衰减)，并且通过寿命分析来监测腔室的壁(wall)状况。

图13是示例性地示出根据示例实施例的准直器的示图。

参照图13，准直器可包括连接到光路的多聚焦体。光路可包括防堵塞(anticlogging)、石英窗、密封盖以及光圈和透镜。多聚焦体可被实现为使用一个透镜接收聚焦在每条光路中的信息。

图14是示出等离子体处理腔室中的准直器的光路的示图。

参照图14，七条光路(A、B、C、中心、-A、-B和-C)可围绕中心以预定间隔设置。根据示例实施例，对于每条线，七条光路可以以6.95度至8.55度(平均7.85度)的间隔设置。七条光路可不成角度。例如，在七条光路之中，其中心部分可以以8.55度设置，其中间部分可以以8.05度设置，并且其两端可以以6.95度设置(平均7.85度)。

准直器的光路的数量和间隔可被改变。例如，可在准直器中设置三至九条光路。当九条光路被设置时，光路可以以5.2度至6.5度(平均5.8875度)的间隔设置。当三条光路被设置时，光路可以以23.55度的间隔设置。

图15A和图15B是示例性地示出使用图15A中示出的7点光准直器的自由基的局部分析的示图。

参照图15B，可执行每个目标端口的自由基的分布和自由基的行为的分析。

根据示例实施例的等离子体时间分辨分析技术可被应用于光谱层析成像(spectrotomography)等离子体诊断装置。可通过添加示例实施例的多电平脉冲等离子体分析设备，来实现光谱层析成像等离子体诊断装置。示例实施例的光谱层析成像等离子体诊断装置可通过使等离子体处理腔室与RF多电平脉冲同步来用时间分辨率分析等离子体处理腔室，这是三维自由基分布分析。

图16A、图16B和图16C是示例性地示出根据示例实施例的光谱层析成像等离子体诊断装置的示图。

参照图16A，光谱层析成像等离子体诊断装置1000可包括等离子体处理腔室1010、光谱仪1100和计算装置1200。光谱仪1100可通过光通道连接到第一准直器和第二准直器以及机械保持器1101和1102。第一准直器和机械保持器1101以及第二准直器和机械保持器1102可设置在沿不同方向设置的窗1011以及1012上。计算装置1200可被实现为通过使用由光谱仪1100分析的光谱数据来分析自由基的分布或自由基的行为。计算装置1200可包括用于驱动程序的至少一个处理器和用于存储程序的存储器装置。

处理器可被实现为执行与参照图1至图12描述的针对多电平脉冲的每个状态的自由基的分布或自由基的行为有关的光谱分析。处理器可被配置为响应于与多电平脉冲的每个状态对应的同步信号来使控制信号同步，响应于控制信号来接收光信号，并且执行一系列指令以对接收到的光信号执行光谱分析。存储器可被实现为存储计算机可读指令。当存储在存储器中的指令由处理器执行时，可执行上述操作。存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器可包括用于存储用户数据的存储装置。

在图16A中示出的光谱层析成像等离子体诊断装置1000中，窗1011和1012设置在等离子体处理腔室1010的上侧和左侧，但这可被改变。

参照图16B，窗1011a和1012a可设置在光谱层析成像等离子体诊断装置1000a中的等离子体处理腔室1010a的右侧和左侧。光通道可连接到与窗1011a对应的第一准直器和机械保持器1101a以及与窗1012a对应的第二准直器和机械保持器1102a中的每个。

参照图16C，在光谱层析成像等离子体诊断装置1000b中，窗1011b、1012b和1013b可设置在等离子体处理腔室1010b的上侧、左侧和右侧。光通道可连接到与窗1011b对应的第一准直器和机械保持器1101b、与窗1012b对应的第二准直器和机械保持器1102b以及与窗1013b对应的第三准直器和机械保持器1103b中的每个。

上面描述的示例实施例可用硬件组件、软件组件和/或硬件组件和软件组件的组合来实现。例如，示例实施例中描述的装置、方法和组件可使用一个或多个通用计算机和专用计算机(诸如，处理器、控制器、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑单元(PLU)、微处理器或能够执行并响应指令的任何其他装置)来实现。处理装置可执行操作系统(OS)和在操作系统上运行的一个或多个软件应用。

处理装置还可响应于软件的执行而访问、存储、操纵、处理并生成数据。为了便于理解，可看出，尽管有时处理装置被描述为正在使用，但是本领域普通技术人员将认识到，处理装置可包括多个处理元件和/或多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或者一个处理器和一个控制器。其他协处理器配置也是可行的，诸如，并行处理器。

软件可包括计算机程序、代码、指令或它们中的一个或多个的组合，并且将处理装置配置为根据需要操作或者独立地或共同地命令处理装置。软件和/或数据可永久地或临时地实现在任何类型的机器、组件、物理装置、虚拟设备、计算机存储介质或装置、或发送的信号波上，以由处理装置解释或向处理装置提供指令或数据。软件可分布在经由网络连接的计算机系统上，并且以分布式方式被存储或执行。软件和数据可被存储在一个或多个计算机可读记录介质中。

根据示例实施例的光谱层析成像等离子体诊断装置可实现自由基的行为的变化的三维空间分布分析。

根据示例实施例的诊断装置可使用RF多电平脉冲，来分析针对等离子体处理设施的每个状态的自由基的行为和自由基的分布。由于半导体装置的方向性程度的增大和堆叠级的数量的增加，可需要高级蚀刻轮廓。使用RF多电平脉冲和气体脉冲来满足这些工艺特性正在扩展。实施例可提供用于使用RF多电平脉冲和气体脉冲来分析针对等离子体处理设施的每个状态的自由基的分布和自由基的行为特性的技术。

根据示例实施例的传感器控制器和光纤可包括图像传感器驱动器和转换板以及同步模块。同步模块可以是接收外部触发信号和内部传感器光信号/外部传感器电信号以使其同步的装置。传感器控制器和光纤还可包括快时间测光计。快时间测光计可实现等离子体脉冲形状诊断。在一个示例实施例中，光谱仪可用门型CCD图像传感器或CMOS图像传感器和栅型光学台(grating type optic bench)(光谱仪)来实现。

在根据示例实施例的用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的设备和该设备的操作方法中，在与RF多电平脉冲的每个状态同步的状态下，可通过控制CCD图像传感器/CMOS图像传感器的存储、传送和复位门来执行电子快门。因此，可针对每个状态获得等离子体的光谱数据。此外，可执行针对RF多电平脉冲的每个状态的自由基的发射分布和行为特性的三维同时分析。因此，可执行自由基的光谱的分析。另外，表征针对每个状态的自由基的行为(产生和消失)是可行的。

如以上所阐述的那样，根据示例实施例，在用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的装置、包括该装置的用于诊断自由基的系统和该装置的操作方法中，通过提供使用图像传感器的光谱仪，可实时分析自由基的分布和自由基的行为。

在此，诸如下侧、下部、下表面等的术语可用于表示相对于附图的横截面朝向安装表面的方向，而上侧、上部、上表面等可用于表示与该方向相反的方向。然而，这些方向为了便于解释而被定义，并且权利要求不受如上所述定义的方向的特别限制。

在描述中，组件与另一组件的“连接”的含义包括通过粘合剂层的间接连接以及两个组件之间的直接连接。另外，“电连接”在概念上包括物理连接和物理断开。可理解，当用诸如“第一”和“第二”的术语表示元件时，该元件不限于此。这些术语可仅用于将元件与其他元件区分开的目的，并且可不限制元件的顺序或重要性。在一些情况下，在不脱离在此阐述的权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件。类似地，第二元件也可被称为第一元件。

在此使用的术语“示例实施例”不是表示相同的示例实施例，并且被提供以强调与另一示例实施例的特定特征或特性不同的特定特征或特性。然而，在此提供的示例实施例被认为能够通过彼此整体或部分地组合来实现。例如，除非在另一示例实施例中提供了相反或矛盾的描述，否则即使在另一示例实施例中未被描述，在特定示例实施例中描述的一个元件也可被理解为与另一示例实施例有关的描述。

在此使用的术语仅用于描述示例实施例而不是限制本公开。在这种情况下，除非在上下文中另有解释，否则单数形式包括复数形式。

通过总结和回顾，脉冲等离子体设备可通过匹配网络耦合到等离子体处理腔室。匹配网络可使等离子体处理腔室的反射功率最小化，以使RF电源的输出耦合到等离子体的电力的量最大化。匹配网络可使等离子体的复阻抗(通常为50Ω)匹配。可用来自RF电力生成器或RF电源的电力来动态地调谐匹配网络。为了在等离子体性质改变时(例如，在蚀刻工艺被执行时)促进动态匹配，匹配网络可以是连续可调节的，以确保贯穿工艺实现并保持匹配。脉冲电力可从等离子体处理腔室中的电极与等离子体处理腔室内部工艺气体组合，以形成在蚀刻工艺中使用的等离子体。

如上所述，实施例可提供能够在多电平脉冲的每个状态下实时执行光谱分析的用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的装置、包括该装置的用于诊断自由基的系统和该装置的操作方法。

已经在此公开了示例实施例，尽管特定的术语被采用，但是它们仅以一般性和描述性的意义被使用并将被解释，而不出于限制的目的。在一些情况下，自提交本申请起，对本领域的普通技术人员将清楚的是，除非另有具体地指示，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可被单独使用，或者与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的分布的诊断装置，所述诊断装置包括：

光谱仪，被配置为：通过连接到等离子体处理腔室的至少一个光通道来接收光信号，并且响应于与施加到等离子体处理腔室的多电平脉冲的每个状态对应的同步信号而对所述光信号执行光谱分析；以及

同步器，被配置为：生成与所述多电平脉冲的每个状态对应的同步信号。

2.根据权利要求1所述的诊断装置，其中，光谱仪包括图像传感器。

3.根据权利要求2所述的诊断装置，其中，图像传感器是互补金属氧化物半导体图像传感器或电荷耦合器件图像传感器。

4.根据权利要求2所述的诊断装置，其中，图像传感器被配置为：通过针对所述多电平脉冲的每个状态控制存储操作、传送操作和复位门操作，执行电子快门。

5.根据权利要求2所述的诊断装置，其中，图像传感器包括：

像素阵列，具有多个像素；以及

控制板，被配置为：从同步器接收所述同步信号，并且生成用于控制所述多个像素中的每个的控制信号。

6.根据权利要求1所述的诊断装置，其中，同步器被配置为：根据脉冲控制器的触发信号来生成所述同步信号，脉冲控制器被配置为控制所述多电平脉冲的生成。

7.根据权利要求1所述的诊断装置，还包括：内部传感器，被配置为检测所述光信号的包络，

其中，同步器被配置为：根据内部传感器的对包络的检测来生成所述同步信号。

8.根据权利要求7所述的诊断装置，其中，内部传感器包括快时间测光计。

9.根据权利要求1所述的诊断装置，还包括：电压电流传感器，被配置为与所述多电平脉冲的包络信号同步地测量电压和电流中的至少一者，

其中，同步器被配置为：根据电压电流传感器的控制来生成所述同步信号。

10.根据权利要求1至权利要求9中的任一项所述的诊断装置，其中，所述至少一个光通道包括七条光路，所述七条光路分别从等离子体处理腔室的准直器被输出。

11.一种自由基诊断系统，包括：

等离子体处理腔室；

多电平脉冲生成器，被配置为将多电平脉冲施加到等离子体处理腔室；

脉冲控制器，被配置为控制多电平脉冲生成器；

偏置匹配器，被配置为使从等离子体处理腔室反射的反射功率最小化；以及

诊断装置，通过至少一个光通道连接到等离子体处理腔室，并且被配置为：通过所述至少一个光通道接收光信号，并且通过针对所述多电平脉冲的每个状态执行所述光信号的光谱分析来诊断自由基。

12.根据权利要求11所述的自由基诊断系统，其中，诊断装置包括同步器，同步器被配置为生成与所述多电平脉冲的每个状态对应的同步信号。

13.根据权利要求12所述的自由基诊断系统，其中，同步器被配置为：通过外部触发信号、内部传感器或外部传感器生成所述同步信号。

14.根据权利要求13所述的自由基诊断系统，其中，脉冲控制器被配置为生成触发信号。

15.根据权利要求11至权利要求14中的任一项所述的自由基诊断系统，其中，诊断装置包括用于接收所述光信号的电荷耦合器件图像传感器或互补金属氧化物半导体图像传感器。

16.一种用于诊断等离子体处理腔室中的自由基的分布的诊断装置的操作方法，所述操作方法包括：

根据施加到等离子体处理腔室的多电平脉冲来使控制信号同步；

通过根据控制信号操作图像传感器的像素，从等离子体处理腔室接收光信号；以及

对所述光信号执行光谱分析，以分析针对所述多电平脉冲的每个状态的自由基的分布和自由基的行为。

17.根据权利要求16所述的操作方法，其中，使控制信号同步的步骤包括：响应于外部触发信号来使控制信号同步。

18.根据权利要求16所述的操作方法，其中，使控制信号同步的步骤包括：通过检测所述光信号的包络来使控制信号同步。

19.根据权利要求16所述的操作方法，其中，使控制信号同步的步骤包括：响应于所述多电平脉冲的每个状态的包络信号来使控制信号同步。

20.根据权利要求16至权利要求19中的任一项所述的操作方法，其中，执行光谱分析的步骤包括：

测量解离速率以及复合和/或衰减；以及

通过自由基的寿命分析来监测壁状况。

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