CN117457467A - 等离子体腔室阵列成像监测装置及空间不均匀性校准方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体腔室阵列成像监测装置及空间不均匀性校准方法，涉及半导体刻蚀技术领域，解决的技术问题为“开发一种实时监测等离子体放电状态的装置，并对其空间不均匀性进行评估校准”，装置包括：腔室、第一成像监测模块和第二成像监测模块，所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块的轴线垂直；方法包括：通过所述等离子体腔室阵列成像监测装置采集积分光强；基于所述积分光强计算腔室内视线交点光强；通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数，得到等离子体二维空间分布；评估所述等离子体二维空间分布的不均匀性并校准；该装置及方法通过设置两组相互垂直的光纤形成视线交点，对等离子体不均匀性进行精确的评估校准。

Description

等离子体腔室阵列成像监测装置及空间不均匀性校准方法

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀技术领域。

背景技术

等离子体刻蚀作为一种微电子器件的微观形貌结构处理过程中的重要技术，是集成电路发展过程中不可或缺的元器件制备手段。作为唯一能实现各向异性刻蚀的手段，该方法被广泛应用在半导体器件、显示器、光伏等元器件的大规模工业生产中。

随着电子信息产业的高速发展，对集成电路性能要求随之增长，这推动等离子体刻蚀朝着低开放面积、高精度方向发展。工艺的发展对等离子体刻蚀的制程控制提出了更高的要求。在等离子体加工中，接近被加工基底的各种化学物质在等离子体环境中的局部浓度是影响生产的重要参数之一。瞬时化学物种对等离子体处理结果有很大的影响，例如自由基局部浓度的升高可以加快局部处理速度，但这会造成等离子体分布的不均匀性，并影响最终产生的器件。

因此，为提高对腔室内部放电装填的控制精度，需要针对等离子体均匀性开发一种监测装置，使其能够实时监测腔室内等离子体放电状态，并对其空间不均匀性进行评估校准。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种等离子体腔室阵列成像监测装置及空间不均匀性校准方法，该装置及方法通过设置两组相互垂直的光纤形成视线交点，并将理论计算与实测的交点光强进行拟合，对等离子体不均匀性进行精确的评估校准。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种等离子体腔室阵列成像监测装置，包括腔室、第一成像监测模块和第二成像监测模块；

所述第一成像监测模块包括同轴设置的阵列化成像监测装置、腔室内光纤、光纤过真空法兰、腔室外光纤、滤波片和图像采集器；所述光纤过真空法兰设置于所述腔室壁面，所述光纤过真空法兰在所述腔室内部的一侧与所述腔室内光纤和所述阵列化成像监测装置依次连接，所述光纤过真空法兰在所述腔室外部的一侧与所述腔室外光纤、滤波片和图像采集器依次连接；

所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块结构相同，所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块的轴线垂直。

进一步地，所述阵列化成像监测装置包括竖杆、中间杆以及横杆，所述中间杆一端通过螺纹连接与所述竖杆连接，另一端通过螺纹连接与所述横杆连接，所述竖杆通过M6螺纹与所述光纤过真空法兰中央的M6螺孔连接。

进一步地，所述阵列化成像监测装置还包括光纤座，所述腔室内光纤的一端通过所述光纤座固定在所述横杆上，所述腔室内光纤的另一端与所述光纤过真空法兰连接，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的横杆垂直设置。

进一步地，所述光纤过真空法兰通过螺栓固定连接在腔室外壁上，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的光纤过真空法兰的安装位置互相垂直。

进一步地，所述光纤座通过sma螺纹与所述腔室内光纤连接，所述光纤座通过M6螺纹固定在横杆上。

进一步地，所述光纤过真空法兰包括光纤过真空装置，所述腔室内光纤与所述光纤过真空装置内侧螺纹连接，所述光纤过真空装置外侧螺纹与所述腔室外光纤连接，所述光纤过真空装置、所述腔室内光纤以及所述腔室外光纤的数目相同。

2、一种腔室内等离子体空间不均匀性校准方法，所述方法采用等离子体腔室阵列成像监测装置，包括：

通过所述等离子体腔室阵列成像监测装置采集2n路积分光强，n为所述腔室内光纤数目；

基于所述积分光强计算腔室内n²个视线交点光强；

利用谱线比法计算等离子体密度先验分布；

通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数，得到等离子体二维空间分布；

评估所述等离子体二维空间分布的不均匀性并校准。

进一步地，所述腔室内光纤数目为5时，基于所述积分光强计算腔室内n²个视线交点光强，通过如下公式表示：

；

式中，I_1×25为空间均布25个点的光强矩阵，I_1×10为10个光纤探头接收的光强矩阵，W_25×10为10个光纤探头对25个视线交点的响应矩阵，响应矩阵为光纤探头接收的光强与视线交点位置的光源发光光强之间的关系。

进一步地，通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数时，采用等离子体分布方程进行拟合，通过如下公式表示：

；

其中，f为等离子体径向分布函数，J₀为一类零阶贝塞尔函数，r为探测点半径，r₀为等离子体放电区域的半径，为贝塞尔函数的一阶零点，s、a、b为待确定的分布系数。

进一步地，所述腔室内光纤数目为5时，所述不均匀性表示如下：

；

其中，u为等离子体光强分布不均匀性，σ为沿径向取等距10点等离子体光强的标准偏差，为等距10点中每个点的光强。

本发明提供的等离子体腔室阵列成像监测装置及空间不均匀性校准方法，至少包括如下有益效果：

（1）本发明提供的等离子体腔室阵列成像监测装置，在腔室壁上设置两个相互垂直的法兰，使得光纤在腔室内形成垂直的视线从而得到视线交点，并且通过图像采集器能够实时监测腔室内等离子体放电状态，监测精确度更高；

（2）本发明提供的腔室内等离子体空间不均匀性校准方法，通过实际测得的积分光强和理论分析得到的积分光强进行拟合，直至得到最优分布系数，确定等离子体二维空间分布，并进行不均匀性评估和校准，经过拟合的评估更为精确，能够提高对腔室内部放电装填的控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的等离子体腔室阵列成像监测装置一种实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的等离子体腔室阵列成像监测装置中的阵列化成像监测装置一种实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的等离子体腔室阵列成像监测装置中的光纤过真空法兰一种实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的腔室内等离子体空间不均匀性校准方法一种实施例的流程图。

附图标记：1-视线，2-腔室，3-阵列化成像监测装置，4-光纤过真空法兰，5-图像采集器，6-腔室内光纤，7-腔室外光纤，8-竖杆，9-M6螺纹，10-中间杆，11-横杆，12-sma螺纹，13-光纤座，14-光纤过真空装置，15-M6螺孔，16-滤波片。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

实施例一：

参见图1，在一些实施例中，提供一种等离子体腔室阵列成像监测装置，包括腔室2、第一成像监测模块和第二成像监测模块；

所述第一成像监测模块包括同轴设置的阵列化成像监测装置3、腔室内光纤6、光纤过真空法兰4、腔室外光纤7、滤波片16和图像采集器5；所述光纤过真空法兰4设置于所述腔室2壁面，所述光纤过真空法兰4在所述腔室2内部的一侧与所述腔室内光纤6和所述阵列化成像监测装置3依次连接，所述光纤过真空法兰4在所述腔室2外部的一侧与所述腔室外光纤7、滤波片16和图像采集器5依次连接；

所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块结构相同，所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块的轴线垂直。

优选的，参见图2，所述阵列化成像监测装置3包括竖杆8、中间杆10以及横杆11，所述中间杆10一端通过螺纹连接与所述竖杆8连接，另一端通过螺纹连接与所述横杆11连接，注意安装时应保证横杆11水平。

参见图3，所述竖杆8通过M6螺纹9与所述光纤过真空法兰4中央的M6螺孔15连接，在保证不接触腔室2内设备的前提下将腔室2内阵列化成像监测装置3固定在腔室2内部。

优选的，所述阵列化成像监测装置3还包括光纤座13，所述腔室内光纤6的一端通过所述光纤座13固定在所述横杆11上，所述腔室内光纤6的另一端与所述光纤过真空法兰4连接，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的横杆11垂直设置。

优选的，所述光纤过真空法兰4通过螺栓固定连接在腔室2外壁上，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的光纤过真空法兰4的安装位置互相垂直。

优选的，所述光纤座13通过sma螺纹12与所述腔室内光纤6连接，所述光纤座13通过M6螺纹9固定在横杆11上。

优选的，所述光纤过真空法兰4包括光纤过真空装置14，所述腔室内光纤6与所述光纤过真空装置14内侧螺纹连接，所述光纤过真空装置14外侧螺纹与所述腔室外光纤7连接，所述光纤过真空装置14、所述腔室内光纤6以及所述腔室外光纤7的数目相同。

作为一种较优的实施方式，2n根腔室内光纤6的视线1穿过等离子体区域，每n根光纤通过1个腔室2内空间分辨装置与1个光纤过真空法兰4连接。每个光纤过真空法兰4外接n根光纤，腔室2壁面共2个法兰呈垂直分布。每n根腔室外光纤7与1个图像采集器5相连。

作为一种较优的实施方式，每5根光纤固定在1个横杆11上。两个横杆11互相垂直安装，使10根腔室内光纤6的视线1在等离子体区域中形成25个视线1交点。每5个光纤过真空装置14焊接在一个光纤过真空法兰4上，每5根腔室内光纤6通过1个腔室2内阵列化成像监测装置3与1个光纤过真空法兰4连接。

每5根腔室外光纤7经过滤波片16与图像采集器5件耦合连接。本实施例由于是CF4混合O2放电，滤波片16共选择了两个型号，分别为F(686nm)滤波片16及F(703nm)滤波片16。图像采集器5使用工业CCD相机。

需要说明的是，尽管图1、图2和图3中给出的是n=5的情况（n为光纤数目），但此处仅是处于实例的方便而非本发明的限制。在实际操作中，可以在n>1的条件下任意增加光纤的数量，且可以根据实际测量的需要修改光纤座13之间的距离。

可选的，图像采集器5可另外选择但不限于光谱仪或在CCD相机前增加滤波片16或光栅，分波段采集光谱信息，以此计算等离子体中电子温度、电子密度以及特定粒子浓度的二维空间分布。

实施例二：

参见图4，在一些实施例中，提供一种腔室内等离子体空间不均匀性校准方法，所述方法采用实施例一的等离子体腔室阵列成像监测装置，包括：

S1、通过所述等离子体腔室阵列成像监测装置采集2n路积分光强，n为所述腔室内光纤数目；

S2、基于所述积分光强计算腔室内n²个视线交点光强；

S3、利用谱线比法计算等离子体密度先验分布；

S4、通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数，得到等离子体二维空间分布；

S5、评估所述等离子体二维空间分布的不均匀性并校准。

本实施例以n=5为例进行说明。

步骤S1中，通过阵列化成像监测装置采集n路积分光强。具体地，利用等离子体腔室的阵列化成像监测装置，通过光学图像采集及图像处理的方法获得F(686nm)和F(703nm)两个波段的10路光强I_n, n∈1～10。需要注意的是，这10路光强为沿光纤探头视线方向光路的积分光强。

步骤S2中，腔室内等离子体分布计算，利用测量得到的10路积分光强与光学探头对25个视线交点位置的响应计算25个交点光强。基于所述积分光强计算腔室内25个视线交点光强，通过如下公式表示：

；

式中，I_1×25为空间均布25个点的光强矩阵，I_1×10为10个光纤探头接收的光强矩阵，W_25×10为10个光纤探头对25个视线交点的响应矩阵，响应矩阵为光纤探头接收的光强与视线交点位置的光源发光光强之间的关系。实验时，已经预先测量了W_25×10。

步骤S3中，利用谱线比法计算等离子体密度。本实施例等离子体为CF₄与O₂混合气体经电容耦合放电产生的等离子体，采集F(686nm)和F(703nm)两个波段的光强，通过谱线比计算等离子体密度。

谱线比是等离子体特征参数的函数，如下式所示：

；

式中，R表示谱线比向量，其与谱线强度向量I间的关系可由函数g表示，与等离子体特征参数x间的函数关系为向量值函数h，发射光谱诊断方法实际是通过光谱测量实验获得了上式左侧的函数值R，通过构建函数表达式，以此推知函数h的自变量x的方法。在本实验中，F(686nm)和F(703nm)可以通过谱线比法诊断等离子体密度，其计算公式为：

，/>；

其中，为等离子体密度，/>及/>分别为F(703nm) 及F(686nm)的光强。

步骤S4中，利用先验分布与交点光强计算等离子体二维分布。根据现有理论，贝塞尔函数是扩散描述的标准解。ICP及CCP放电产生等离子体密度的径向分布满足如下函数分布，通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数时，也采用下述函数进行拟合：

；

其中，f为等离子体径向分布函数，J₀为一类零阶贝塞尔函数，r为探测点半径，r₀为等离子体放电区域的半径，为贝塞尔函数的一阶零点，s、a、b为待确定的分布系数。

由上式可以看出，等离子体密度分布函数由两部分组成：（1）一类零阶贝塞尔函数；（2）具有两个可调参数a和b的指数函数。s（0≤s≤1）、a（a>0）、b（≥0）为需要确定的分布系数。确定三个分布系数即可确定等离子体二维空间分布。通过计算的25点光强与等离子体分布方程拟合求解最优分布系数，即可计算等离子体二维空间不均匀性分布。

步骤S5中，所述腔室内光纤数目为5时，所述不均匀性表示如下：

；

其中，u为等离子体光强分布不均匀性，σ为沿径向取等距10点等离子体光强的标准偏差，为等距10点中每个点的光强。

通过相移实现工业CCP源的不均匀性校准。据研究表明，随着两极板间相位差的增加，放电产生等离子体趋向于均匀。通过改变上下极板之间电压的相位差可以调整等离子体的均匀性，使均匀性满足刻蚀流程的需求。

至此，得到等离子体二维空间分布及其不均匀性评估校准。利用本发明实施例的装置及方法，通过对CF₄混合O₂放电腔室内等离子体的成像监测，可以获得腔室内等离子体二维空间分布并能够根据评估结果与需求的差异调整使装置达到理想放电条件。

实施例一提供的等离子体腔室阵列成像监测装置，在腔室壁上设置两个相互垂直的法兰，使得光纤在腔室内形成垂直的视线从而得到视线交点，并且通过图像采集器能够实时监测腔室内等离子体放电状态，监测精确度更高；实施例二提供的腔室内等离子体空间不均匀性校准方法，通过实际测得的积分光强和理论分析得到的积分光强进行拟合，直至得到最优分布系数，确定等离子体二维空间分布，并进行不均匀性评估和校准，经过拟合的评估更为精确，能够提高对腔室内部放电装填的控制精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种等离子体腔室阵列成像监测装置，其特征在于，包括腔室、第一成像监测模块和第二成像监测模块；

所述第一成像监测模块包括同轴设置的阵列化成像监测装置、腔室内光纤、光纤过真空法兰、腔室外光纤、滤波片和图像采集器；所述光纤过真空法兰设置于所述腔室壁面，所述光纤过真空法兰在所述腔室内部的一侧与所述腔室内光纤和所述阵列化成像监测装置依次连接，所述光纤过真空法兰在所述腔室外部的一侧与所述腔室外光纤、滤波片和图像采集器依次连接；

所述第二成像监测模块与所述第一成像监测模块结构相同，所述第二成像监测模块的轴线与所述第一成像监测模块的轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阵列化成像监测装置包括竖杆、中间杆以及横杆，所述中间杆一端通过螺纹连接与所述竖杆连接，另一端通过螺纹连接与所述横杆连接，所述竖杆通过M6螺纹与所述光纤过真空法兰中央的M6螺孔连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述阵列化成像监测装置还包括光纤座，所述腔室内光纤的一端通过所述光纤座固定在所述横杆上，所述腔室内光纤的另一端与所述光纤过真空法兰连接，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的横杆垂直设置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤过真空法兰通过螺栓固定连接在腔室外壁上，所述第一成像监测模块与所述第二成像监测模块的光纤过真空法兰的安装位置互相垂直。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光纤座通过sma螺纹与所述腔室内光纤连接，所述光纤座通过M6螺纹固定在横杆上。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光纤过真空法兰包括光纤过真空装置，所述腔室内光纤与所述光纤过真空装置内侧螺纹连接，所述光纤过真空装置外侧螺纹与所述腔室外光纤连接，所述光纤过真空装置、所述腔室内光纤以及所述腔室外光纤的数目相同。

7.一种腔室内等离子体空间不均匀性校准方法，所述方法采用如权利要求1-6任一所述的等离子体腔室阵列成像监测装置，其特征在于，包括：

通过所述等离子体腔室阵列成像监测装置采集2n路积分光强，n为所述腔室内光纤数目；

基于所述积分光强计算腔室内n²个视线交点光强；

利用谱线比法计算等离子体密度先验分布；

通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数，得到等离子体二维空间分布；

评估所述等离子体二维空间分布的不均匀性并校准。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述腔室内光纤数目为5时，基于所述积分光强计算腔室内n²个视线交点光强，通过如下公式表示：

；

式中，I_1×25为空间均布25个点的光强矩阵，I_1×10为10个光纤探头接收的光强矩阵，W_25×10为10个光纤探头对25个视线交点的响应矩阵，响应矩阵为光纤探头接收的光强与视线交点位置的光源发光光强之间的关系。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述视线交点光强与所述先验分布拟合求解最优分布系数时，采用等离子体分布方程进行拟合，通过如下公式表示：

；

其中，f为等离子体径向分布函数，J₀为一类零阶贝塞尔函数，r为探测点半径，r₀为等离子体放电区域的半径，为贝塞尔函数的一阶零点，s、a、b为待确定的分布系数。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述腔室内光纤数目为5时，所述不均匀性表示如下：

；

其中，u为等离子体光强分布不均匀性，σ为沿径向取等距10点等离子体光强的标准偏差，为等距10点中每个点的光强。