CN117296138A - 基于图像的原位处理监控 - Google Patents

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文卡塔考西克·沃尔提
托德·J·伊根
凯尔·R·坦蒂翁
安德烈亚斯·舒尔茨
尼兰詹·拉姆钱德拉·哈斯基瓦莱
梅迪·瓦泽-艾拉瓦尼
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Abstract

使用基于图像的原位处理监测技术监测蚀刻或沉积处理的方法和系统包括照射布置在处理腔室中的样品上的测量区域。使用远离处理腔室产生并通过第一光纤传输到处理腔室的第一观察窗的输入光束照射测量区域。从测量区域反射的第一输入光束的部分通过第二光纤从第一观察窗传输到成像传感器。在成像传感器处获得一系列图像，并确定每个图像内的像素的反射率的变化。基于反射率的变化监测蚀刻或沉积处理。

Description

基于图像的原位处理监控
交叉引用
本申请主张于2021年5月14日提交的第17/321,366号美国专利申请的优先权，该申请的公开内容出于所有目的以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本文所描述的实施方式一般涉及使用基于图像的测量来监控半导体制造处理，并且更具体地涉及基于图像中像素的反射率变化的原位处理监控。
背景技术
在半导体器件的制造中直接或间接涉及许多制造处理。例如，在半导体晶片的制造中多次发生的处理步骤包括膜沉积和蚀刻处理。在沉积腔室中需要优化和监控的众多问题中，监控沉积速率的能力尤为重要。在蚀刻腔室中需要优化和监控的众多问题中，监控蚀刻速率以及检测蚀刻处理终点的能力尤为重要。
以蚀刻为例，传统上使用干涉终点(interferometric end-pointing,IEP)技术来实现监测。IEP技术通常涉及用宽带光照射晶片表面上的给定区域并使用光谱仪监测反射光。厚度的变化会改变反射光的光谱，通过将光谱记录作为时间的函数，可以确定蚀刻速率和终点。
IEP技术基于相对较大的测量区域(例如，大约几平方毫米)的平均反射率。IEP技术在某些情况下可能是令人满意的，例如对未图案化样品或通常具有统一图案或类似结构的样品的监测处理。但是，如果样品上的结构包括不同类型的图案或不同结构，则IEP技术无法提供与测量区域内的小区域相关联的特定细节。
因此，需要以能够检测蚀刻、沉积和其他半导体制造处理中测量区域的子区域的变化的分辨率提供原位处理监控。
发明内容
本文所述的实施方式提供了提高空间分辨率的基于图像的原位处理监控技术。可以使用成像技术监控半导体制造处理，例如蚀刻或沉积处理，其中可以原位确定图像中每个像素或像素组的反射率变化。分辨率可以通过成像光学元件和传感器来确定，从而可以根据测量区域的子区域的变化来监控处理。
一个或多个计算机的系统可被配置为通过安装在系统上的在操作中可使系统执行动作的软件、固件、硬件、或以上任何组合，来执行特定的操作或动作。一个或多个计算机程序可被配置为通过包含在由数据处理设备执行时使设备执行动作的指令来执行特定操作或动作。一个一般方面包括一种使用基于图像的原位处理监控来监控蚀刻或沉积处理的方法。方法包括：使用具有第一峰值波长的第一输入光束照射设置在处理腔室中的样品上的测量区域，第一输入光束远离处理腔室产生并通过第一光纤传输到处理腔室的第一观察窗。方法还包括在成像传感器处接收从测量区域反射的第一输入光束的部分以作为第一反射光束，第一反射光束通过第二光纤从处理腔室的第一观察窗传输到成像传感器。使用在成像传感器处接收的第一反射光束获得测量区域的第一图像的序列，第一图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且第一图像中的每个图像包括对应于测量区域的不同部分的第一像素。方法还包含：确定第一图像中的每个图像内的第一像素的一个或多个像素的第一反射率，第一像素的一个或多个像素对应于测量区域内的感兴趣区域。方法还包含：确定序列中相邻第一图像之间的第一像素的一个或多个第一像素的反射率的第一变化。方法还包含：根据反射率的第一变化监测蚀刻或沉积处理。此方面的其他具体实施方式包含对应的计算机系统、设备、以及在一个或多个计算机储存装置上记录的计算机程序，其每一者被配置以执行该方法。
具体实施方式可包含下列特征的一者或多者。方法进一步包含：使用具有第二峰值波长的第二输入光束照射设置在处理腔室中的样品上的测量区域，第二峰值波长不同于第一峰值波长，第二输入光束远离处理腔室产生并通过第一光纤传输到处理腔室的第一观察窗；在成像传感器处接收从测量区域反射的第二输入光束的部分以作为第二反射光束，第二反射光束通过第二光纤从处理腔室的第一观察窗传输到成像传感器；使用在成像传感器处接收的第二反射光束获得测量区域的第二图像的序列，第二图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且图像中的每个图像包括对应于测量区域的不同部分的第二像素；确定第二图像中的每个图像内的第二像素的一个或多个像素的第二反射率，第二像素的一个或多个像素对应于测量区域内的感兴趣区域；确定序列中相邻第二图像之间的第二像素的一个或多个第二像素的反射率的第二变化；和根据反射率的第一变化和反射率的第二变化监测蚀刻或沉积处理。第一光纤和第二光纤是单独的光纤。第一光纤和第二光纤是相同的光纤。第二光纤是相干或成像光纤束，该相干或成像光纤束被配置为保持第二光纤的输入面和输出面之间的个别光纤的相对位置。从测量区域反射的第一输入光束的部分通过物镜系统被提供至成像传感器，该物镜系统是远心(telecentric)、宽带(broadband)、衍射受限(diffraction limited)或光谱齐焦(spectrally parfocalized)中的至少一种。第一像素中的一个或多个像素形成测量区域内的多个感兴趣区域，并且基于多个感兴趣区域上的反射率的变化来监测蚀刻或沉积处理。处理腔室包括一个或多个额外观察窗，并且对于每个观察窗，方法进一步包括以下步骤：使用另一输入光束照射设置在处理腔室中的样品上的另一测量区域，该另一输入光束远离处理腔室产生并通过另一光纤传输到处理腔室的另一个观察窗。第一光纤是第一光纤束，并且第二光纤是第二相干或成像光纤束。所描述的技术的实施方式可以包括硬件、方法或处理，或计算机可存取介质上的计算机软件。
一个一般方面包括一种处理系统。处理系统包含处理腔室，处理腔室具有设置在处理腔室的盖或侧面中的观察窗，观察窗是透明的以允许在处理期间观察样品。处理系统还包含成像系统，该成像系统包括：照明器源，其被配置为产生电磁辐射以照亮样品上的测量区域；成像传感器，其被配置为获取样品上的测量区域的图像；邻近观察窗设置的物镜系统，其中物镜系统是远心、宽带、衍射受限或光谱齐焦中的至少一种；第一光纤，其被配置为将来自照明源的电磁辐射传输到物镜系统的至少一部分，以用于样品上的测量区域的照明；第二光纤，其被配置为将图像从物镜系统传输到成像传感器；和控制器，其被配置为通过执行包括以下步骤的步骤来监控蚀刻或沉积：使用由照明源产生并由第一光纤传输到观察窗的输入光束照射样品上的测量区域；在成像传感器处接收从测量区域反射的输入光束的部分以作为反射光束，反射光束通过第二光纤从处理腔室的观察窗传输到成像传感器；使用在成像传感器处接收的反射光束获得测量区域的图像，这些图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且这些图像中的每个图像包括对应于测量区域的不同部分的像素；确定这些图像中的每个图像内的像素的一个或多个像素的反射率，像素的一个或多个像素对应于测量区域内的感兴趣区域；确定这些图像中的相邻图像之间的像素的一个或多个像素的反射率的变化；以及根据反射率的变化监测蚀刻或沉积处理。
根据权利要求、说明书、与附图，进一步的方面、优点、与特征将是显而易见的。
附图说明
通过参考以下详细描述和附图，可以最好地理解本文描述的各种实施方式，关于组织和操作方法，连同其特征和优点，其中：
图1是可用于实施本文所述的一些实施方式的示例性处理腔室的简化截面图；
图2是根据一些实施方式的示例性处理系统的简化截面图；
图3是多波长光源的简化剖面图；
图4A至图4B是根据一些实施方式的在半导体制造处理中获得的图案化基板的示例性图像；
图5是说明根据一个实施方式的用于提高处理监控灵敏度的方法的时序图；
图6至图7是根据一些实施方式的成像系统的部分的简化截面图，示出了用于降低测量噪音的示例性方法；和
图8是说明根据实施方式的用于监测半导体制造处理的示例性方法的流程图。
将理解到，为了简化并清楚地说明，附图中图示的元件并未必需按比例绘制。例如，可相对于其他元件放大一些元件的尺寸，以清楚说明。再者，在认为适当时，在附图中可重复使用附图标记以指示相应或类似的元件。
具体实施方式
在下列实施方式中，阐述了数种特定的细节以提供对本公开内容的具体实施方式的透彻理解。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种实施方式。在其他实例中，并未详细说明熟知的方法、处理程序以及部件，以避免模糊所要说明的特征。
将详细参照各种具体实施方式，这些具体实施方式的一个或多个示例被绘示于附图中。每一示例是通过解释的方式提供的，这些示例并不意为构成限制。再者，作为一个具体实施方式的部分而被绘示或说明的特征可被使用在其他具体实施方式上(或与其他具体实施方式结合使用)以得出另一具体实施方式。本说明书意欲包含这些修改与变化。
本文所述的“样本(specimen)”或“样品(sample)”，包含(但不限于)半导体晶片、半导体工件、光刻掩模与其他工件(诸如存储器磁盘等)。根据可与本文所述的其他实施方式组合的一些实施方式，所描述的系统和方法被配置为用于或应用于半导体制造处理。
本文所描述的实施方式总体上涉及使用成像反射计测量来提高处理监控技术的分辨率。可以确定图像中每个像素或像素组的反射率变化。根据成像光学元件和传感器，可以根据测量区域的子区域内的反射率变化对处理进行原位监测。
图1是可用于实施本文所述的一些实施方式的示例性处理腔室100的简化截面图。该图可以示出结合了本技术的一个或多个方面的系统的概述，和/或可以执行根据本技术的具体实施方式的一个或多个沉积或其他操作的系统。腔室100的附加细节或所执行的方法可在下面进一步描述。处理腔室100可包括腔室主体102、设置在腔室主体102内部的基板支撑件104、以及与腔室主体102耦接并将基板支撑件104封闭在处理空间120中的盖组件106。可以通过开口126将基板103提供给处理空间120，开口126可以使用狭缝阀或门通过传统方式密封以用于处理。在处理期间，基板103可以位于基板支撑件104的表面105上。如箭头145所示，基板支撑件104可以沿着轴线147旋转，轴线147可以位于基板支撑件104的轴144所在的位置。
等离子体轮廓调制器111可以设置在处理腔室100中，以控制设置在基板支撑件104上的基板103上的等离子体分布。等离子体轮廓调制器111可包括第一电极108，第一电极108可邻近腔室主体102设置，并且可将腔室主体102与盖组件106的其他部件分开。第一电极108可以是盖组件106的一部分，或者可以是单独的侧壁电极。
可包括介电材料(例如陶瓷或金属氧化物，例如氧化铝和/或氮化铝)的一个或多个隔离器110a、110b可以与第一电极108接触并且将第一电极108与气体分配器112和腔室主体102电隔离和热隔离。气体分配器112可以限定用于将处理气体分配到处理空间120中的孔118。气体分配器112可以与第一电源142耦合，第一电源142诸如是RF产生器、RF电源、DC电源、脉冲DC电源、脉冲RF电源或可以与处理腔室耦合的任何其他电源。在一些具体实施方式中，第一电源142可以是RF电源。
气体分配器112可以是导电气体分配器或非导电气体分配器。气体分配器112也可以由导电和非导电部件形成。例如，气体分配器112的主体可以是导电的，而气体分配器112的面板可以是不导电的。气体分配器112可以例如由图1所示的第一电源142供电，或在一些具体实施方式中，气体分配器112可以接地。
第一电极108可以与第一调谐电路128耦合，第一调谐电路128可以控制处理腔室100的接地路径。第一调谐电路128可以包括第一电子传感器130和第一电子控制器134。第一电子控制器134可以是或包括可变电容器或其他电路元件。第一调谐电路128可以是或包括一个或多个电感器。第一调谐电路128可以是在存在于处理空间120中的等离子体条件下实现可变或可控阻抗的任何电路。在一些具体实施方式中，第一调谐电路128可以包括并联耦合在地和第一电子传感器130之间的第一电路支路和第二电路支路。第一电路支路可以包括第一电感器132A。第二电路支路可以包括与第一电子控制器134串联耦合的第二电感器132B。第二电感器132B可以设置在第一电子控制器134和将第一电路支路和第二电路支路两者连接到第一电子传感器130的节点之间。第一电子传感器130可以是电压或电流传感器，并且可以与第一电子控制器134耦合，第一电子控制器134可以提供对处理空间120内的等离子体条件的一定程度的闭环控制。
第二电极122可以与基板支撑件104耦合。第二电极122可以被嵌入在基板支撑件104内或与基板支撑件104的表面耦合。第二电极122可以是板、穿孔板、网、丝网或任何其他导电元件的分布式布置。第二电极122可以是调谐电极，并且可以通过导管146与第二调谐电路136耦合，导管146例如是设置在基板支撑件104的轴144中的具有选定电阻的电缆。第二调谐电路136可以具有第二电子传感器138和第二电子控制器140，第二电子控制器140可以是第二可变电容器。第二电子传感器138可以是电压或电流传感器，并且可以与第二电子控制器140耦合以提供对处理空间120中的等离子体条件的进一步控制。
可以是偏压电极和/或静电吸盘电极的第三电极124可以与基板支撑件104耦合。第三电极可以通过滤波器148与第二电源150耦合，滤波器148可以是阻抗匹配电路。第二电源150可以是DC电源、脉冲DC电源、RF偏压电源、脉冲RF电源或偏压电源、或这些电源或其他电源的组合。在一些具体实施方式中，第二电源150可以是RF偏压功率。
图1的盖组件106和基板支撑件104可与用于等离子体或热处理的任何处理腔室一起使用。在操作中，处理腔室100可以提供对处理空间120中等离子体条件的即时控制。可以将基板103设置在基板支撑件104上，并且处理气体可以根据任何期望的流动计划使用入口114流过盖组件106。气体可以通过出口152离开处理腔室100。电力可以与气体分配器112耦合以在处理空间120中建立等离子体。在一些具体实施方式中，可以使用第三电极124对基板施加电偏压。
当在处理空间120中激发等离子体时，可以在等离子体与第一电极108之间建立电位差。还可以在等离子体和第二电极122之间建立电位差。然后，可以使用电子控制器134、140来调整由两个调谐电路128和136表示的接地路径的特性。设定点可以被传递到第一调谐电路128和第二调谐电路136，以提供处理参数(例如蚀刻速率或沉积速率)和从中心到边缘的等离子体密度均匀性的独立控制。在电子控制器可以都是可变电容器的具体实施方式中，电子传感器可以调节可变电容器以独立地最大化处理参数并且最小化厚度不均匀性。
调谐电路128、136中的每个可具有可变阻抗，该可变阻抗可使用相应的电子控制器134、140来调节。在电子控制器134、140是可变电容器的情况下，可以选择每个可变电容器的电容范围以及第一电感器132A和第二电感器132B的电感来提供阻抗范围。此范围可以取决于等离子体的频率和电压特性，其在每个可变电容器的电容范围内可以具有最小值。因此，当第一电子控制器134的电容处于最小值或最大值时，第一调谐电路128的阻抗可能很高，导致等离子体形状在基板支撑件上具有最小的空中或横向覆盖。当第一电子控制器134的电容接近使第一调谐电路128的阻抗最小化的值时，等离子体的空中覆盖范围可以增长到最大，从而有效地覆盖基板支撑件104的整个工作区域。当第一电子控制器134的电容偏离最小阻抗设置时，等离子体形状可能从腔室壁收缩并且基板支撑件的空中覆盖可能下降。第二电子控制器140可以具有类似的效果，随着第二电子控制器140的电容可以改变，增加和减少等离子体在基板支撑件上的空中覆盖。
电子传感器130、138可以用于在闭合回路中调谐各个电路128、136。取决于所使用的传感器的类型，可以将电流或电压的设定点安装在每个传感器中，并且传感器可以配备有控制软件，控制软件确定对每个相应电子控制器134、140的调整以最小化与设定点的偏差。因此，可以在处理期间选择等离子体形状并对其进行动态控制。应该理解，尽管前面的讨论是基于可以是可变电容器的电子控制器134、140，但是具有可调特性的任何电子元件都可以用来为调谐电路128和136提供可调的阻抗。
图2是根据一些实施方式的示例性处理系统的简化截面图。处理系统包括处理腔室200和成像系统290。处理腔室200可以包括上述处理腔室100的任何特征、部件或特性。例如，处理腔室200包括腔室主体202、被配置为支撑基板203的基板支撑件204和盖组件206。
处理腔室200还包括观察窗(或观察端口)260A-260C。尽管没有具体示出，图1中的处理腔室100也可以包括观察窗。观察窗260A-260C是透明的，以允许在处理期间观察基板203(或在处理期间发射辐射期间)。尽管在此示例中示出了三个观察窗260A-260C，但是根据本文描述的实施方式的处理腔室可以包括一个或多个观察窗。例如，一些处理腔室可以包括设置在盖组件中的单个观察窗，例如观察窗260B，而其他处理腔室可以包括设置在腔室的一侧的一个或多个观察窗，例如观察窗260A和/或260C。本文描述的实施方式可以用包括至少一个观察窗的任何处理腔室来实施，并且实施方式不限于观察窗的特定数量或位置，只要能通过观察窗看到基板203的表面即可。观察窗260A-260C的尺寸可以在不同的腔室设计中变化，并且在一些配置中可以是例如数厘米的量级或更大(直径或沿一侧的尺寸)。
在图2的示例中，观察窗260B用于允许成像系统290在处理期间获得基板203的图像。成像系统290被配置成以由物镜系统272和成像传感器278决定的分辨率来获取基板203上的测量区域的图像。在一些实施方式中，这些图像可以用于逐个像素地执行反射率测量。
物镜系统272是远心(telecentric)、宽带(broadband)、衍射受限(diffractionlimited)或光谱齐焦(spectrally parfocalized)中的至少一种。在一些实施方式中，物镜系统272不包括任何导体和/或不具有会干扰处理腔室中的等离子体的电磁特性。相反的，产生等离子体的强电磁场可能不会对成像物镜的结构产生任何不利影响。在一些具体实施方式中，物镜系统272是远心、宽带、衍射受限且光谱齐焦的。这些特征允许物镜系统272在光纤图像导管270的入口处以能够对测量区域内的一个或多个子区域(例如，像素或像素组)进行处理监控的分辨率形成图像。仅仅收集从样品反射的光并不足以实现此级别的处理监控。
成像传感器278可以是包括例如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)传感器的数码照相机。
光纤图像导管270允许成像传感器278和照明源274位于远离处理腔室200的位置，这是因为紧邻观察窗260B的空间通常处于对成像系统290的电子部件不利的环境中。光纤图像导管270可以是相干(coherent)或成像光纤束。在使用相干或成像光纤束的实施方式中，可以在相干光纤束的输入面和输出面之间保留各个光纤的相对位置。物镜系统272在光纤图像导管270的入口处形成通过观察窗260B观察到的测量区域的图像，并且图像被无失真地传输到成像传感器278。中继透镜系统280可用于将光纤图像导管270末端的图像形成到成像传感器278处的检测器表面上。
透镜系统276可用于将来自照明源274的电磁辐射聚焦或引导到光纤图像导管270中。分束器282可用于允许照明源274和成像传感器278使用相同的光纤图像导管270。来自照明源274的电磁辐射被传输到观察窗260B以照亮基板203上的测量区域。在一个实施方式中，照明源274包括一个或多个发光二极管(LED)和/或激光二极管，其被配置为提供特定波长的照明。在另一个实施方式中，照明源274包括被配置为提供宽带照明的宽带源，或者宽带源可以被过滤以提供特定波长的照明。
在使用多个LED和/或激光二极管的一些实施方式中，可以改变照明以改善测量结果。例如，如果基板203或基板203上的特定区域在特定波长下具有低反射率，则可以增加在此波长下的入射照明功率以提高检测灵敏度。这可以通过增加特定波长的输出功率或增加特定波长的积分时间来实现。
图3是可以在一些实施方式中使用的多波长照明源374的简化截面图。例如，多波长照明源374可以用作图2的照明源274的一部分。此示例中的多波长照明源374包括多个源392、多个光纤394以及光纤或光纤束396。源392可以各自包括一个或多个发光二极管(LED)和/或激光二极管(LD)。源392的每一者产生电磁辐射束，并且至少一些束可以以不同的标称波长产生。使用多个光纤394将来自源392的电磁辐射传输到光纤或光纤束396。
在一个实施方式中，多波长照明源374顺序地产生不同的光束和/或顺序地产生多个光束的组合。每个源392的输出功率可以被独立地控制和调整，使得成像传感器278处的信号在每个波长处接近饱和，以最大化信噪比。每个源392可以具有足够的输出功率以实现高速测量(或实现以成像传感器278的读出速度(或接近读出速度)的测量)。
图4A是根据一些实施方式获得的图案化基板的示例性图像。结构的细节在图4B中以更高的分辨率显示，其中可以看到个别光纤。在光纤图像导管270包括相干光纤束的实施方式中，当选择处理期间要观察的基板203的区域时，可以考虑相干光纤束中的任何缺陷。此外，可以通过预先映射光纤透射率来平衡图像，从而解决个别光纤透射率的变化。
在图2所示的例子中，光纤图像导管270执行将测量区域的图像传输到成像传感器278和将来自照明源274的电磁辐射传输到物镜系统272的双重作用。物镜系统272可以是远心的、衍射受限的并且在宽波长范围(例如350nm-1100nm)上被校正。其他波长范围也是可能的。物镜系统272在测量区域上提供实质上远心的照明。实质上远心的照明在350nm-1100nm的波长范围内可能具有0.1度或更小的远心度误差。这确保了提供的电磁辐射实质上垂直于基板203的表面。以这种方式，系统的图像品质和光学行为与测量区域内任何给定点的位置无关。换言之，基板203的表面可以在整个测量区域上逐点地充当真反射计。进一步的细节在第2020/0355609号美国专利公开中提供，其全部内容通过引用并入本文。
图2的系统还可以用于监测在处理空间220中在基板203上方形成的等离子体的特性。等离子体可以发射可以被物镜系统272获取的辐射，从而可以使用成像传感器278确定等离子体的空间分布。在一些实施方式中，滤光器(例如，旋转轮或液晶)可以包括在成像传感器278中并且设置在检测器的前面。在其他实施方式中，滤光器可以被包括在物镜系统272中并且设置在光纤图像导管270的前面。可以针对特定的透射波长获取等离子体的个别全帧图像。例如，成像传感器278的帧速率可以与旋转轮的位置同步，使得每个图像获取特定波长的发射。
或者，成像传感器278可以包括二维高光谱成像器，该二维高光谱成像器具有嵌入在焦点阵列检测器前面的波长滤光器，使得检测器的相邻像素可以接收不同波长的光。
在典型的干式蚀刻处理中使用的等离子体将在处理腔室内发射辐射。即使在不使用照明源274时，成像传感器278也可以检测到来自这种辐射的发射(其光谱分量表示存在的各种成分)。等离子体发射在成像传感器278处提供背景信号，该背景信号会减小检测器处可用的动态范围，引入错误的反射率测量，和/或在检测电子设备中产生散粒噪音(shotnoise)。
在一些实施方式中，等离子体发射的影响可以被量化，并且减少它们对基板反射率测量的影响。作为如何做到这一点的一个例子，图5提供了说明根据实施方式的用于提高处理监控灵敏度的方法的时序图。该图显示了用于逐帧获取图像的时序。底部的序列显示了用于循序开启和关闭照明源274的时间表。在第一帧t1中，源开启并且由成像传感器278获取的电磁辐射是由于特定波长下的瞬时样品反射率加上背景等离子体发射所造成的。在下一帧t2中，源关闭，因此仅获取等离子体发射。在接下来的帧t3中，使用与第一帧相同或不同波长的电磁辐射来开启源，等等。
顶部的序列显示了使用成像传感器278获取图像的时间表。由于等离子体发射可能是连续变化的，因此可以构建在给定波长下的基板反射率的“校正”图像。在一个实施方式中，可以使用通过使用给定开启条件之前的帧和之后的帧形成的平均等离子体发射图像来构建校正图像。可以从在开启条件期间获得的图像中减去平均等离子体发射图像。根据帧速率和等离子体发射的变化，该处理可以消除或减少等离子体发射对基板反射率测量的直接影响。可能会保留一定量的附加散粒噪音，但应该可以忽略不计。
如前所述，图2中所示的光纤图像导管270执行传输来自照明源274的电磁辐射和将基板203的图像传输到成像传感器278的双重作用。在这个处理中，电磁辐射遇到许多表面，开始于光纤图像导管270的近端和远端，然后是物镜系统272的各种组成透镜，以及观察窗口260B的表面，然后到达基板203上的测量区域。在每个表面处，一定量的电磁辐射被反射回分束器282并进入成像传感器278。因此，所获得的基板203上的测量区域的图像包括背向反射(back reflected)电磁辐射。这会降低检测器可用的动态范围，并在检测电子设备中产生散粒噪音。
在一些实施方式中，可以减少背反射电磁辐射的影响。作为如何做到这一点的一个例子，图6是成像系统的一部分的简化截面图，其示出了根据实施方式的用于降低测量噪音的示例性方法。在此作法中，来自照明源674的光束的中心轴相对于光纤图像导管670的近端倾斜。如此示例中所示，在光束的中心轴倾斜的情况下，背向反射的电磁辐射不会进入成像传感器678。如果光纤图像导管670的接收角大于成像传感器678的接收角，则对进入光纤图像导管670的电磁辐射的影响可能最小。
图7提供了用于减少背向反射电磁辐射的影响的另一个示例。在这种作法中，照明和成像通道是分开的。如此图所示，物镜系统772包括分束器以提供两个单独的端口。使用光纤光导770B将来自照明源的电磁辐射提供到端口之一中。从基板203反射的电磁辐射继续通过物镜系统772的其余元件以在光纤图像导管770A的远端产生图像。照明电磁辐射和反射电磁辐射穿过处理腔室的盖组件706中的观察窗760。这种配置避免了来自物镜系统772的许多透镜元件的背向反射电磁辐射。另外，能够减少来自光纤光导770B的近端的背向反射光。结果是，更好地利用了检测器的动态范围，并且减少了由于背向反射电磁辐射引起的散粒噪音。这种方法还减少了光纤图像导管770A和物镜系统772的数值孔径(NA)的失配。
图8是说明根据实施方式的用于监测半导体制造处理的示例性方法的流程图。在此示例中，半导体制造处理是蚀刻或沉积处理。方法包括：使用具有第一峰值波长的第一输入光束照射设置在处理腔室中的样品上的测量区域，第一输入光束远离处理腔室产生并通过第一光纤传输到处理腔室的第一观察窗(810)。第一输入光束可以在照明源处产生并使用如关于图2描述的光纤图像导管传输到处理腔室的第一观察窗。照明源可以包括如关于图3所描述的多波长照明源。
方法还包括在成像传感器处接收从测量区域反射的第一输入光束的部分以作为第一反射光束，第一反射光束通过第二光纤从处理腔室的第一观察窗传输到成像传感器(820)。第一光纤和第二光纤可以是相同或不同的相干光纤和/或相干光纤束。类似于关于图2所描述的物镜系统可用于照亮测量区域并在第二光纤的输入处提供测量区域的图像。
方法还包括使用在成像传感器处接收的第一反射光束获得测量区域的图像的序列，这些图像的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且这些图像的每个图像包括对应于测量区域不同部分的像素(830)。
方法还包括确定这些图像的每个图像内的一个或多个像素的反射率，一个或多个像素对应于测量区域内的感兴趣区域(840)。可以确定所有像素的反射率，或者可以确定对应于感兴趣区域的仅某些像素或像素组的反射率。
方法还包括确定序列中相邻图像之间的一个或多个像素的反射率变化(850)，以及基于反射率变化监测蚀刻或沉积处理(860)。监测可包括确定蚀刻处理的蚀刻速率和/或终点，或确定沉积处理的沉积速率。
应当理解，图8中所示的具体步骤提供了根据一些实施方式的用于监控半导体制造处理的特定方法。根据替代具体实施方式，也可以执行其他步骤顺序。例如，替代具体实施方式可以以不同顺序执行以上概述的步骤。此外，图8中所示的各个步骤可以包括可以以各种顺序执行的多个子步骤。此外，可以根据特定应用添加或删除额外的步骤。
尽管前述内容针对特定实施方式，但在不脱离其基本范围的情况下可以设计其他和进一步的实施方式。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的一个或多个实施方式的特征可以与其他实施方式的一个或多个特征组合。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围不应参照以上说明书来确定，而应参照随附权利要求及其等效范围的全部范围来确定。

Claims (16)

1.一种使用基于图像的原位处理监控来监控蚀刻或沉积处理的方法，所述方法包括以下步骤：
使用具有第一峰值波长的第一输入光束照射设置在处理腔室中的样品上的测量区域，所述第一输入光束远离所述处理腔室产生并通过第一光纤传输到所述处理腔室的第一观察窗；
在成像传感器处接收从所述测量区域反射的所述第一输入光束的部分以作为第一反射光束，所述第一反射光束通过第二光纤从所述处理腔室的所述第一观察窗传输到所述成像传感器；
使用在所述成像传感器处接收的所述第一反射光束获得所述测量区域的第一图像的序列，所述第一图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且所述第一图像中的每个图像包括对应于所述测量区域的不同部分的第一像素；
确定所述第一图像中的每个图像内的所述第一像素的一个或多个像素的第一反射率，所述第一像素的所述一个或多个像素对应于所述测量区域内的感兴趣区域；
确定所述序列中相邻第一图像之间的所述第一像素的所述一个或多个第一像素的所述反射率的第一变化；和
根据所述反射率的所述第一变化监测所述蚀刻或沉积处理。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含以下步骤：
使用具有第二峰值波长的第二输入光束照射设置在所述处理腔室中的所述样品上的所述测量区域，所述第二峰值波长不同于所述第一峰值波长，所述第二输入光束远离所述处理腔室产生并通过所述第一光纤传输到所述处理腔室的所述第一观察窗；
在所述成像传感器处接收从所述测量区域反射的所述第二输入光束的部分以作为第二反射光束，所述第二反射光束通过所述第二光纤从所述处理腔室的所述第一观察窗传输到所述成像传感器；
使用在所述成像传感器处接收的所述第二反射光束获得所述测量区域的第二图像的序列，所述第二图像中的每个图像在是所述监测周期内的不同时间获得的，并且所述图像中的每个图像包括对应于所述测量区域的不同部分的第二像素；
确定所述第二图像中的每个图像内的所述第二像素的一个或多个像素的第二反射率，所述第二像素的所述一个或多个像素对应于所述测量区域内的感兴趣区域；
确定所述序列中相邻第二图像之间的所述第二像素的所述一个或多个第二像素的所述反射率的第二变化；和
根据所述反射率的所述第一变化和反射率的所述第二变化监测所述蚀刻或沉积处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光纤和所述第二光纤是单独的光纤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光纤和所述第二光纤是相同的光纤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二光纤是相干或成像光纤束，所述相干或成像光纤束被配置为保持所述第二光纤的输入面和输出面之间的个别光纤的相对位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中从所述测量区域反射的所述第一输入光束的所述部分通过物镜系统被提供至所述成像传感器，所述物镜系统是远心、宽带、衍射受限或光谱齐焦中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一像素中的所述一个或多个像素形成所述测量区域内的多个感兴趣区域，并且基于所述多个感兴趣区域上的所述反射率的所述变化来监测所述蚀刻或沉积处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理腔室包括一个或多个额外观察窗，并且对于每个观察窗，所述方法进一步包括以下步骤：使用另一输入光束照射设置在所述处理腔室中的所述样品上的另一测量区域，所述另一输入光束远离所述处理腔室产生并通过另一光纤传输到所述处理腔室的另一个观察窗。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光纤是第一光纤束，并且所述第二光纤是第二相干或成像光纤束。
10.一种处理系统，包含：
处理腔室，所述处理腔室具有设置在所述处理腔室的盖或侧面中的观察窗，所述观察窗是透明的以允许在处理期间观察样品；
成像系统，所述成像系统包括：
照明器源，所述照明器源被配置为产生电磁辐射以照亮所述样品上的测量区域；
成像传感器，所述成像传感器被配置为获取所述样品上的所述测量区域的图像；
物镜系统，所述物镜系统邻近所述观察窗设置，其中所述物镜系统是远心、宽带、衍射受限或光谱齐焦中的至少一种；
第一光纤，所述第一光纤被配置为将来自所述照明源的所述电磁辐射传输到所述物镜系统的至少一部分，以用于所述样品上的所述测量区域的照明；
第二光纤，所述第二光纤被配置为将所述图像从所述物镜系统传输到所述成像传感器；和
控制器，所述控制器被配置为通过执行包括以下步骤的步骤来监控蚀刻或沉积：
使用由所述照明源产生并由所述第一光纤传输到所述观察窗的输入光束照射样品上的所述测量区域；
在所述成像传感器处接收从所述测量区域反射的所述输入光束的部分以作为反射光束，所述反射光束通过所述第二光纤从所述处理腔室的所述观察窗传输到所述成像传感器；
使用在所述成像传感器处接收的所述反射光束获得所述测量区域的所述图像，所述图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且所述图像中的每个图像包括对应于所述测量区域不同部分的像素；
确定所述图像中的每个图像内的所述像素的一个或多个像素的反射率，所述像素的所述一个或多个像素对应于所述测量区域内的感兴趣区域；
确定所述图像中的相邻图像之间的所述像素的所述一个或多个像素的所述反射率的变化；以及
根据所述反射率的所述变化监测所述蚀刻或沉积处理。
11.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述第一光纤和所述第二光纤是单独的光纤。
12.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述第一光纤和所述第二光纤是相同的光纤。
13.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述第二光纤是相干或成像光纤束，所述相干或成像光纤束被配置为保持所述第二光纤的输入面和输出面之间的个别光纤的相对位置。
14.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述物镜系统是远心、宽带、衍射受限或光谱齐焦中的至少一种。
15.根据权利要求10所述的处理系统，其中所述第一光纤是第一光纤束，并且所述第二光纤是第二相干或成像光纤束。
16.一种存储指令集的非暂态计算机可读取介质，所述指令集包括：
一个或多个指令，当由处理控制器的一个或多个处理器执行所述一个或多个指令时，使所述处理控制器：
使用具有第一峰值波长的第一输入光束照射设置在蚀刻或沉积腔室中的样品上的测量区域，所述第一输入光束远离所述蚀刻或沉积腔室产生并通过第一光纤传输到所述蚀刻或沉积腔室的第一观察窗；
在成像传感器处接收从所述测量区域反射的所述第一输入光束的部分以作为第一反射光束，所述第一反射光束通过第二光纤从所述蚀刻或沉积腔室的所述第一观察窗传输到所述成像传感器；
使用在所述成像传感器处接收的所述第一反射光束获得所述测量区域的图像的序列，所述图像中的每个图像是在监测周期内的不同时间获得的，并且所述图像中的每个图像包括对应于所述测量区域的不同部分的像素；
确定所述图像中的每个图像内的所述像素的一个或多个像素的反射率，所述像素的所述一个或多个像素对应于所述测量区域内的感兴趣区域；
确定所述序列的相邻图像之间的所述像素的所述一个或多个像素的所述反射率的变化；以及
根据所述反射率中的所述变化监测所述蚀刻或沉积处理。
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