CN1270684A - 用于监视和控制气体等离子体处理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监视气体等离子体处理系统中的状态的系统和方法,其中改变或调制加于系统的RF功率,使得从系统的电路得到的信号提供关于系统的操作参数或处理状态的信息。和常规技术相比重要的改进在于提高了灵敏度和精度。此外,等离子体处理系统在交货之前可以被完整地试验和表征,以便能够利用监视控制器更精确地监视与控制整个过程,借以改进被所述系统生产的基片的质量。由调制技术获得的信息可以在显示屏上显示,以便使操作者能够精确地监视系统并诊断在系统处理过程中出现的任何问题。

Description

用于监视和控制气体等离子体处理的系统和方法
本发明涉及一种使用电产生的气体等离子体的系统和方法。本发明尤其可以用于利用等离子体制造固态器件与/或半导体器件的系统和方法。
许多半导体器件或固态器件的制造方法利用气体等离子体完成一个制造步骤。这个步骤例如可以是化学改变或薄膜刻蚀，并且可以使用氯气或氧气。通常，特别是在半导体工业中，要求反应条件和反应时间的极为精确的控制。因此，监视等离子状态、设备状态和反应进程是重要的。
常规的等离子反应系统一直使用由等离子体发出的光线的光谱分析技术，以便检测由在基片和等离子体之间的反应而产生的各个化学物种。这些物种的浓度可用于表示等离子体的状态，或者用于表示利用等离子体进行的处理的进程(例如确定处理结束时刻)。不过，对于某些处理，这一技术不够精确。具体地说，光检测方法并不总能提供处理步骤(例如光致抗蚀剂和金属层的刻蚀)完成时间的足够可靠而及时的表示。
常规的等离子体处理系统一直使用定时方法确定一个步骤的结束。为了确定反应速率，在实际的制造过程中被利用的条件下进行几个测试操作。在实际制造操作期间，在一个预定的时间内进行等离子体处理步骤，然后结束该步骤。不过，例如在周围环境、制造设备、等离子体和工件中的微小的改变便可以改变反应速率和时间，因而使得这种方法不是最佳的。
尤其是当处理步骤只需要短的时间时，结束点的精确确定是极为重要的。例如，在极薄的层的刻蚀期间，该步骤结束的延迟可能会使等离子体刻蚀到应当刻蚀的层的下面一层。随着半导体工艺要求越来越薄的膜，以及高强度的等离子体系统要求越来越短的刻蚀时间和反应时间，精确地确定一个处理阶段完成的时间也越来越重要。
此外，半导体器件的集成密度在继续增加，从而要求新的精度等级用于控制为生产半导体器件使用的反应处理。在一个处理步骤期间，仔细地控制和监视等离子体状态(例如离子浓度和气体混合物)越来越重要，这不仅直接影响反应速度，而且影响薄膜材料的性能。系统状态，例如系统的清洁度、电连接和RF连接的正确的装配和构型、RF匹配、元件的老化等等，也可以影响等离子体状态。因而，需要一种系统和方法，用于在给定的处理步骤期间精确地控制和监视等离子体和系统状态，并用于检测处理步骤的完成，以便在合适的时间关断等离子体处理。
现有的参考文献披露了使用电信号的谐波含量确定等离子体的状态，其中使用等离子体的固有的非线性。见美国专利5325019(下面称为019专利)、5025135(下面称为135专利)、5474648(下面称为648专利)、5576629(下面称为629专利)以及5472561(下面称为561专利)。
135专利披露了一种用于被采样的电信号的高通滤波器，其中利用存在的高频含量确定等离子体的存在状态。019专利使用电压和电流测量值(在等离子体电系统内的电极上进行测量)中的基波分量和高次谐波分量选择操作状态。不过，该专利没有教导谐波含量和等离子体处理输入参数，例如压力、RF输入等，之间的相关性。此外，该专利没有教导基于谐波幅值比(对于基波幅值的比)的线性与/或非线性组合的控制功能。同样，019、629和561专利认为，通过调制RF功率可以获得关于等离子体处理的信息。
有许多专利述及了等离子体处理的智能控制的一些方面，一些专利试图表征等离子体系统性能，产生数据库，在运行状态期间监视电分量，并比较所述数据库从而确定等离子体状态。例如美国专利4043889便述及这个问题。该专利披露了一种方法，其中使用对于压力特性预确定的偏压把处理处理调整到“最佳”状态(在进行薄膜的RF溅射的室内)。此外，美国专利4207137描述了一种用于控制等离子体处理的方法。
此外，许多专利教导监视等离子体系统的电性能，并使它们和等离子体状态相关。例如，美国专利5474648披露了一种控制方法，用于(a)改善处理结果的可重复性和均匀性，以及(b)监视功率、电压、电流、相位、阻抗、谐波含量以及被传递给等离子体的RF能量的直流偏置。其它的描述等离子体处理装置的电特性的参考文献包括Logan，Mazza&Davidse，“Electrical characterization of radio-frequency sputtering gas discharge(射频溅射气体放电的电特性)”J.Vac，Sci Technol.，6，p.120(1968)；Godyak，“Electrical characteristicsof parrallel-plate RF discharges in Argon(平行板射频放电(在氩气中)的电特性)，”IEEE Transactions on Plasma Sci，19(4)，p.660(1991)；以及Sobolewski，“Electrical charactrization of radio-frequencydischarges in the Gaseous...(在气体环境中的射频放电的电特性)”，J.Vac.Sci.Technol.，10(6)(1992)。关于使用多变量统计分析进行刻蚀处理的实时控制，可参见美国专利5479340。
一些专利也讨论了监视等离子体的光学特性。通过使用光谱仪，可以由监视当前光的光谱判断关于等离子体内存在的物种(以及其近似的浓度)的信息。事实上，许多光谱仪(或者包括旋转光栅的那些光谱仪)可以监视多个物种的存在，并因而对等离子体处理控制系统提供多个输入量。见美国专利5160402及“实时蚀刻等离子体监视系统”IBM Technical Disclosure Bull.，24(11A)(1983)。
美国专利4166783提出了一种用于溅射室内的淀积速率调节的计算机控制系统。该系统记录溅射装置的使用过程，并编辑其性能的历史。在该装置的将来使用期间，过去的性能、持续时间等参数被包括在在运行状态期间所作的调整中。
也已知具有一种自动阻抗匹配系统，其使用一种准智能控制器，用于监视等离子体室的电性能。事实上，一些系统试图得到不同的反应的设置值(即电容和电感)以及等离子体状态例如负载阻抗或者等离子体室输入参数(即RF输入功率，室压力等)之间的一些相关性。如果得到了这种相关性，便可以获得阻抗匹配的大致调整。例如美国专利5195045中提出了一种方法，其中使用两个阻抗改变装置的预先确定的设置点，用于解决在运行状态期间的调整问题。此外，美国专利5543689披露了由前次使用来存储匹配电路设置的方法。美国专利5621331提出了一种方法，用于快速调整可变阻抗装置的阻抗，以便使电源的阻抗(a)和等离子体处理装置中的负载的阻抗(b)相匹配。该装置包括多个电检测器、一个光敏检测器、一个数据处理器和存储器。331专利使用光谱仪和在等离子体耦合元件上取的电测量参数使(1)可变电感的设置值和(2)在等离子体内的化学物种的测量值相关。用这种方式，可以选择化学状态的设置，并通过监视可变电感的设置值进行调整。
神经网络已经在许多领域中被用于预测和控制。在半导体处理中利用神经网络预测每个处理的结束时刻已经由Maynard等人在“Plasma etching endpointing by monitoring RF power systems withan artificial neural network(通过使用人工神经网络监测射频功率系统确定等离子体结束点)，”Electrochem.Soc.Proc.，95-4，p189-207，1995，和“Plasma etching endpointing by monitoring radio-frequency powersystems with an artificial neural network(通过使用人工神经网络监测射频功率系统确定等离子体结束点)，”J.Electrochem.Soc.，143(6)中讨论过了。
由上述可见，本发明的目的在于提供一种可以快速而精确地监视和控制处理的系统与方法，所述处理使用气体等离子体，例如，在使用射频(RF)功率产生等离子体的系统中。
按照本发明的一个方面，等离子体状态和系统状态通过改变或调制系统中一个元件上的RF功率的幅值、相位和频率中的一个或几个，并通过观测同一元件与/或系统中的一个或几个其它元件的响应信号的特性进行检测。所述的“元件”指系统的电气元件，特别是等离子体耦合元件，例如电极、偏置屏蔽、电感线圈或静电吸盘。所述的电气元件也可以包括用于响应功率的调制而获得信号的探针或其它检测器。
在一个示例的实施例中，每个调制信号在功率提供电路的节点被观测，功率提供电路例如可以包括电匹配网络。然后，将测量的响应信息和对于已知条件获得的存储数据相比较，并且系统状态被确定为相应于这样的一个状态，所述的存储数据(其最接近测量的数据)便是在此状态下获得的。
在目前的优选实施例中，为了合理地利用通过调制加于一个或几个系统元件上的功率所获得的信息，处理系统通过一系列的试验运行被表征。此处使用的术语“试验运行”指的是为表征系统而进行的处理系统的试验。试验运行可以在类似于这样的条件下进行，在此条件下将进行生产运行。此外，试验运行可以在相应于在进行在生产运行中要利用的设备的诊断试验时要利用的条件进行，使得在试验运行中获得的信息可被用于确定例如在处理步骤开始之前的设备的状态。试验运行通过在给定的/已知的一组等离子体状态和系统状态下操作所述系统被进行，其中向一个或几个电气元件(尤其是等离子体耦合元件)施加调制的RF功率，并测量所得的调制响应信号。试验运行是这样被进行的：系统地改变等离子体状态与/或系统状态，使得获得响应信号，并且使所述响应信号和各个系统状态相关，借以提供可作为已知状态下的特性被存储的响应信号数据。例如，可以改变被处理的功率、压力、气体混合物或材料，并且通过实验确定这些改变对调制响应信号的影响。在试验/表征运行期间改变的其它条件可以包括清洁度(进行清洁/维护后经过的时间或周期)，元件的老化，环境温度与/或湿度等等。应当理解，用于获得数据的状态变量的数量可以改变，其例如可以根据在整个处理运行中曲线被利用的程度，所需的复杂程度和控制水平，以及预算的约束来决定。例如，相当简单的系统可以只利用调制响应信息检测处理的结束时刻，或者只用于检测系统的清洁度。比较复杂的系统可以考虑在整个处理期间的其它的状态/变量。
在试验运行期间获得的响应信息形成一个数据库，其包括数据点的多维矩阵，每个数据点包含关于一个特性的信息，例如一个调制信号分量的幅值或相位。对于给定的一组等离子体和系统状态，数据点可被分组而形成调制曲线。此处使用的术语“调制曲线”指的是和一组处理/系统状态相关的一组数据，其代表由调制加于一个或几个等离子体耦合元件的功率而得到的信号的特性。借以使在数据库中存储的每组处理状态和一个调制曲线相关(即相联系)。
在试验运行期间获得的数据然后被用于实际的生产运行期间，其中通过调制加于各个等离子体耦合元件上的RF功率，观测所述调制对来自同一耦合元件或来自其它的耦合元件的信号的影响，并由这些测量构成观测的调制曲线确定/推断处理状态。为了确定当前的处理状态，系统或者使用(1)和观测的调制曲线最匹配的存储的调制曲线(在试验运行期间获得的数据库中的曲线)，或者使用(2)由观测的调制曲线预测当前处理状态的神经网络。当使用第一种方法时，数据库把存储的曲线和一组存储的处理状态相联系。因而根据这些存储的处理状态确定与推断当前的处理状态。例如，在具有等离子体耦合元件的等离子体刻蚀系统中，被提供给这个元件的RF功率可在某个调制频率和调制幅值下被进行幅值调制。通过测量在功率提供电路的节点上的电压观测所得的调制响应信号。根据在试验运行期间获得的实验数据，调制响应信号的幅值可以具有在膜的刻蚀期间的一个值以及在完成刻蚀之后的第二个值。在刻蚀期间的等离子体状态(因此处理状态)和第一调制曲线相关，在刻蚀之后的等离子体状态(因而处理状态)和第二调制曲线相关。在本例中的每个曲线将含有一个和调制响应信号的幅值相应的数据点。在处理运行期间，可以利用调制响应信号确定刻蚀处理的结束时刻，即检测到第二调制曲线的时刻。当使用第二种方法时，神经网络确定刻蚀处理的结束时刻。一个观测的调制曲线作为输入量被加于神经网络，用于确定刻蚀完成的时刻，而不需要精确的调制曲线匹配。
按照本发明，已经认识到，上述调制响应信号的特性对于等离子体状态或系统状态的变化以及反应进展可以是灵敏的。因而，和常规的系统相比，可以得到更精确或更完全的系统状态的“图像”。此外，因为处理/系统状态可以被很好地表征，所以通过改变RF功率的特性可以调节或消除与所需处理状态的偏差。此外，当使用神经网络时，可以自然地补偿小的误差。此外，当确定条件不合适时，可以采取校正作用，从而防止对设备或者被处理的半导体基片的破坏或者把破坏减到最小。因此，可以实现处理和最终产品的改进的一致性和可重复性。按照本发明的另一个方面，可以在监视屏上显示大量的处理状态和观测的调制结果，使得操作者可以快速地得到关于处理或处理状态的有用的信息。
本发明和常规系统相比具有几个优点。具体地说，通过调制RF功率并观测系统电路中的调制响应信号，和常规系统采用的光学检测或定时方法相比，可以更详细地确定等离子体的当前特性。此外，本发明能够使等离子体处理系统在交付用于制造基片之前在好的控制条件下被充分地试验和表征，从而为系统提供质量保证，并确保用于分析调制信号的数据库的精度。这些特征使得能够更精确地控制制造过程，借以改善被生产的晶片的质量保证。此外，改善质量使得能够生产较少的有缺陷的晶片，从而增加产量和降低产品成本。此外，由调制技术获得的信息可以以容易理解的形式在监视屏上显示，以便使操作者能够精确度监视系统或监视正在进行的处理，从而能够发现问题。这使得改善可靠性并可以减少操作错误。
通过结合附图阅读下面的详细说明可以更充分地理解本发明并可以更清楚地看出本发明的许多其它优点，其中：
图1是等离子体处理系统的方块图；
图2是电路原理图，其中包括用于向等离子体提供功率的匹配网络；
图3是表示和3个等离子体耦合元件耦合的等离子体的方块图；
图4A-4C是在等离子体耦合元件上测量的电压幅值的频谱部分的示例的曲线；
图4D-4F是在等离子体耦合元件上测量的电压相位的频谱部分的示例的曲线；
图5是在等离子体耦合元件上测量的电压幅值的频谱部分的示例的曲线；
图6A是第一个屏幕显示；
图6B是第二个屏幕显示；
图7A是具有同相和正交频道的解调器的电路图；
图7B是基于DSP解调器的示意图；
图8是用作监视器/控制器或中央处理控制器的计算机系统的方块图；
图9A示意地说明一种用于确定等离子体处理的当前处理状态的训练的神经网络；
图9B是用于根据存储在数据库中的调制曲线确定等离子体处理的当前处理状态的步骤的流程图；
图10是在等离子体处理系统中使用的用于调制边带信息的示例的流程图；
图11A是在等离子体系统的主导体中采样的电压测量值中取的除去噪声之后的头5个谐波的曲线；
图11B是图11A在除去噪声之前的曲线；
图12A-12C是在几个处理参数改变时二次谐波的谐波幅值比的曲线；以及
图13A-13D是当几个处理参数改变时3次谐波的谐波幅值比的曲线。
现在参看附图，在所有附图中，相同的标号代表相同的或相应的部分，图1说明等离子体处理系统的一个实施例，其中包括监视器/控制器1和调制信号发生器3。虽然本发明的示例的实施例是以使用RF电源的系统为例说明的，但是应当理解，本发明也可以用于以其它频率或频率范围的电源操作的系统中。此外，虽然图1的系统包括电感和电容等离子体耦合元件，但是应当理解，本发明的各个方面也可以被有利地用于其它类型的系统中。例如，本发明也可以不包括电感等离子体耦合元件的系统(例如溅射系统)中。
在图1的结构中，例如氧气或氯气通过气体入口123被引入处理室33中。使用RF电源把气体激发成等离子体状态，以便和基片例如半导体晶片40进行反应。RF电源2A，2B和2C分别向混频器M1，M2和M3的本机振荡器(LO)端子发送RF功率。一个功率改变控制器，例如调制信号发生器3分别向混频器M1，M2和M3的中频(IF)端子发送调制信号。如同本领域内所熟知的，在混频器的射频(RF)端子提供的信号含有被发送给LO和IF端子的信号的积。如果IF信号含有正弦分量而没有直流分量，则在混频器的RF端子的调制的信号的频谱含有两个边带频率(即和LO频率相邻的频率)的分量。一个边带频率等于LO的频率和IF的频率的“差频”(即LO频率减去IF频率)。另一个边带频率等于LO的频率和IF的频率的“和频”(即LO频率加上IF频率)。如果IF信号还包含直流分量，则除去上述的边带分量之外，调制的信号还包含一个本机振荡器(LO)频率分量。此外，如果IF信号含有许多不同的频率分量，则调制的信号含有附加的边带分量。每个附加的边带分量的频率相应于LO频率和IF的一个分量的频率的和或者差。在IF信号中，每个附加的分量产生两个边带，一个小于LO频率，另一个大于LO频率。
在本发明的优选实施例中，LO频率是13.56MHz，而IF分量的频率明显较低(例如低于1MHz)，这使得边带频率和LO频率之间的差明显地小于(例如小于1MHz)LO频率。即，和LO频率相比，边带的频率接近于LO分量的频率。
调制信号发生器3以及由其产生的调制的频率和幅值被监视器/控制器1控制。混频器M1，M2和M3在其RF端子提供调制响应信号，该信号分别被发送给监视检测器，例如相位/幅值检测器11，12，和13。相位/幅值检测器提供关于调制响应信号(即来自一组等离子体耦合元件的信号)的各个频率分量的特征的信息。一个频率分量的每个特征可以相应于两个可能的特征类型之一，所述两个可能的特征类型是幅值和相位。感兴趣的频率分量包括由改变由一个或几个RF电源供给的RF功率的幅值、频率与/或相位而产生的响应分量。通过使用混频器，可以改变RF功率的幅值。在所述实施例中，等离子体耦合元件包括线圈30，静电吸盘31和偏置屏蔽32。RF功率通过各自的相位/幅值检测器，并被发送给各个等离子体耦合元件。相位/幅值检测器(11，12，和13)的输出被发送给监视器/控制器1用于分析。中央处理控制器20用于控制用于本处理步骤的装置和用于其它步骤的处理设备100。
此外，功率改变控制器可以通过向电源的内部控制电路或外部控制电路发送控制信号改变RF电源的幅值、频率与/或相位。所得的RF功率可以是幅值调制的，例如使用混频器，但是也可以联合改变幅值、频率与/或相位。
在相位/幅值检测器的一个实施例中，等离子体信号的给定的响应分量的相位和幅值通过把信号分量解调为“同相”和“正交”分量被确定。图7A说明用于进行这种操作的电路的一个例子。输入电压Vin被发送给同相混频器M1(其是同相通道71的一部分)和正交混频器MQ(其是正交通道72的一部分)各自的RF端子。本机振荡器源LOD提供一个被发送给混频器MI的LO端子的信号。来自LOD的信号也被发送给移相器φ90，其把LO信号的相位移动90度，并把所述信号发送给混频器MQ的LO端子。混频器MI的IF端子和低通滤波器相连，所述低通滤波器包括电阻RI和电容CI。所得的被下变换和滤波的输出VOI代表输入信号Vin的同相分量。混频器MQ的IF端子和低通滤波器相连，所述低通滤波器包括电阻RQ和电容CQ。所得的被下变换和滤波的信号VOQ代表输入信号Vin的正交分量。输入电压的幅值|Vin|可以用下式计算： | V in | = ( V OI ) 2 + ( V OQ ) 2
相对于调制本机振荡器LOD的相位的相位(φ)Vin可以由下式确定：
φ＝tan-1(VOQ/VOI)
被测量的特定调制响应信号分量可以通过选择本机振荡器LOD的频率进行选择。应当注意，虽然图7A说明的电路是用于确定信号分量的幅值和相位的一种方法，但是也可以使用其它的技术，如同本领域技术人员所理解的那样。如图7B所示，在本发明的当前的优选形式中，监视器/控制器1(图1)包括模数(A/D)转换单元71A和数字信号处理单元(DSP)其包括非易失数据存储装置例如EPROM或盘驱动器。A/D转换单元71A包括多个A/D转换器1126，其接收来自各个相位/幅值检测器的模拟信号，并将其转换为数字信号。DSP(或被正确编程的CPU)分析并组织这一信息，并将其存储在非易失存储装置中。所述转换包括对输入信号进行快速富氏变换(FFT)，以便把输入信号从时域变为频域。DSP(或CPU)还接收来自存储装置的数据，并将其和从相位/幅值检测器接收的新的数据进行比较。
按照一个示例的实施例，监视器/控制器1是一个计算机系统，其示意图如图8所示。计算机系统1100具有壳体1102，其容纳一个母板1104，母板上含有中央处理单元(CPU)1106，存储器1108(例如DRAM，ROM，EPROM，EEPROM，SRAM，和快闪RAM)，和其它选择的专用逻辑装置(例如ASIC)，或可配置的逻辑装置(例如GAL和可重新编程的FPGA)。此外，按照本发明，所述计算机系统包括模数(A/D)输入端1126，用于接收来自各个相位/幅值检测器11，12和13(图1)的信号。所述计算机还包括通信端口1128(图8)，用于和中央处理控制器20、调制信号发生器3和RF源2A-2C(图1)通信。计算机1100(图8)还包括多个输入装置，(例如键盘1122和鼠标1124)，以及用于控制监视器1120的显示卡1110。此外，计算机系统1100包括软盘驱动器1114，其它的可除去的存储介质(例如致密盘1119，磁带和可除去的磁光介质(未示出))以及硬盘1112，或其它固定的高密度介质驱动器，这些装置使用合适的装置总线(例如SCSI总线或增强的IDE总线)连接。虽然所示的致密盘1119位于一个CD盒中，但是致密盘1119也可以被直接插入不需要盒的CD-ROM驱动器中。计算机1100也可以和同一个装置总线或和作为高密度存储介质的另一个装置总线相连，此时其还可以包括致密盘读取器1118、致密盘读取器/写入单元(未示出)或致密盘光盘机(未示出)。此外，打印机(未示出)也可以提供和处理有关的重要信息的打印件，例如边带相位和幅值、RF功率值以及由通过分析边带分量所确定的处理状态，如下面要详细讨论的。等离子体控制器的操作，例如RF功率值的记录和电弧行为也可以被显示与/或被打印。
计算机系统还包括至少一个计算机可读介质。这种计算机可读介质的例子有致密盘、PROM(EPROM，EEPROM，快闪EPROM)、DRAM、SRAM等。
本发明被存储在在任何一种计算机可读介质或几种计算机可读介质的组合上，本发明包括软件和被控制的系统，所述软件用于控制计算机1100的硬件，并用于使计算机1100和操作者交互作用。这种软件可以包括但不限于装置装置驱动程序，操作系统和用户应用程序，例如开发工具。所述计算机可读介质还包括按照本发明用于操作监视器/控制器的计算机程序。
监视器/控制器可作为一个远程计算机，并能使操作者“登录”在主机上，所述主机可以是中央处理控制器20(图1)，其不仅控制这个具体的处理，而且控制在使用各自的设备100的生产线中的其它的处理。主机的形式可以和图8所示的计算机系统类似，其可以限制操作者在进行该处理步骤的同时选择其它的步骤，因而减少操作错误的危险，并且使得可以使用不太熟练的操作者而不妨害整个处理的控制。类似地，在另一个实施例中，等离子体控制器通过GUI被控制，例如客户服务器程序，或者使用WWW接口(包括CGI脚本，ActiveX部件和Javascript)。
正如可以理解的那样，本发明可以使用常规的通用数字计算机或者按照本说明的教导编程的微处理器来方便地实现，对于计算机领域的技术人员，这是显而易见的。可以根据本说明的教导进行合适的软件编码，这对于软件领域的技术人员是显而易见的。本发明也可以通过制造专用集成电路或者通过把常规的部件电路互连成为合适的网络来实现。
图3是按照本发明的装置的方块图，其包括和等离子体耦合的3个等离子体耦合元件E1，E2，和E3，以及3个独立的幅相检测器PA1，PA2和PA3，其测量等离子体耦合元件上的电压V01-V03的幅值和相位。图中还示出了监视器/控制器1，其接收来自每个幅相检测器的幅值和相位信息(因而作为接收来自等离子体耦合元件的响应信号的监视检测器)。
进入等离子体耦合元件E1，E2和E3的RF信号分别以调制频率FM1，FM2，和FM3被调制。在一个实施例中，E1，E2，和E3是等离子体耦合线圈30，静电屏蔽32和晶片保持吸盘31。FM1，FM2，和FM3的示例的操作值分别是是240kHz，116kHz，和500kHz。如图4A-4F所示，调制结果产生了在输出电压V01，V02，和V03的基波频率两侧的边带信号(即边带分量)，所述输出电压分别相应于在等离子体耦合元件E1，E2，和E3上测量的电压。每个输出电压含有RF源的基波频率分量，并可能含有该基波频率的谐波频率分量。边带分量在每个基波频率分量和每个谐波频率分量附近。
图4A-4C说明在等离子体耦合元件上测量的电压分量的信号幅值的示例的频谱。各个分量的频率为fF-fM3，fF-fM2，fF-fM1，fF，fF+fM1，fF+fM2，fF+fM3，其中fF是基波频率，FM1，FM2，和FM3是上述的调制频率。图4D-4F说明图4A-4C所示的各个信号的相位。为了简化，在这些图中只示出了基波频率附近的频率范围。在每个谐波附近的频率范围也包含如图5所示的边带信号，图5是在比图4A-4F表示的频率范围宽的频率范围内的V01的曲线。例如，在二次谐波f2附近的频率范围含有频率为f2-fM3，f2-fM2，f2-fM1，f2，f2+fM1，f2+fM2，f2+fM3的分量。图5的曲线不仅表示基波频率附近的频率范围，而且也表示最低的5个谐波附近的频率范围。
每个边带分量具有一个相对于基波频率分量的相位的相位和幅值。边带分量的相位和幅值和几种因素有关，其中包括等离子体状态(例如离子密度、气体混合物和气体压力)、系统状态(例如RF连接以及其它元件的正确的装配，积聚的反应产物的厚度，系统或系统元件的老化，RF匹配，与/或系统的其它污染与损坏)、接收相应的调制的RF源的特定的等离子体耦合元件、正在被监测的特定的等离子体耦合元件和反应的进展情况(例如刻蚀步骤是否完成)。
监测的电信号或等离子体耦合元件的调制响应信号例如可以从功率提供电路的节点接收，功率提供电路的一个例子的示意图如图2所示。在这个例子中，功率提供电路包括RF源2，其通过电缆70向匹配网络MN发送功率。匹配网络MN在这个例子中包括电感L和可变电容C1与C2，其使源的输出阻抗和负载300的阻抗相匹配。负载300是一个等离子体耦合元件，其接收来自RF源的RF功率。按照一种结构，由监视器/控制器(图1中标号为1)测量的电信号从功率提供电路的匹配网络的节点被接收(图2)。此外，监测的电信号或等离子体耦合元件的调制响应信号例如可以通过从等离子体耦合元件直接地获得信号而被更直接地获得。应当理解，包含有用信息的信号可以从等离子体处理系统的其它元件被接收。可以用于提供信号的其它元件包括但不限于RF源和天线或和等离子体相连的探针(例如利用设置在处理室内的探针或天线)。此外，应当理解，信号可以从一个元件或几个元件取得，以便提供关于处理状态的信息，这些都在本发明的范围内。
监视器/控制器1分析边带分量的相对幅值和相位，并构成相应于等离子体与/或系统设备的当前状态的调制曲线。图5中说明的V01的幅值频谱含有42个信号分量，每个具有一个可以测量的幅值。因此，这个频谱可用于获得至少42个数据点。不过，这可能仅仅是完整的调制曲线的一小部分。曲线也可以包含V01的相位的数据点以及V02和V03的幅值和相位的数据点。此外，虽然图5中的曲线只示出了6次以下的谐波，但也可以包含更高次谐波的数据点。此外，虽然本例对于3个等离子体耦合元件只分别使用3个固定的调制频率FM1，FM2，和FM3，但是，调制曲线也可以包括相应于多个不同调制频率的数据点。如上所述，所获得和被利用的信息量根据特定系统的复杂程度而不同，并且还取决于系统是用于监视有限数量的状态(例如端点检测)还是用于智能化地监视一个宽范围的状态。
目前的专利已经提出了两种用于智能控制等离子体处理的主要方法，(1)使用存储的调制曲线(即来自在试验运行期间获得的数据库的曲线)，或(2)神经网络。两种方法都使用一个试验运行的矩阵表征等离子体系统的行为。第一种方法存储代表等离子体状态的调制曲线(其以后可以在运行状态期间从数据库中提取)。第二种方法使用系统的电性能(例如调制曲线)，按照等离子体系统的正常行为训练神经网络。
下面将根据曲线技术和神经网络处理讨论按照本发明的分析。不过，对于本领域的普通技术人员，显而易见，调制曲线也可以应用于其它的智能控制系统例如模糊逻辑或专家系统。模糊逻辑系统的输出具有能够综合描述状态的优点，例如低压或高压的媒体气体混合物。
按照本发明的曲线方面，通过在处理运行期间观测调制曲线，并比较这观测的曲线和在数据库中预先存在的已知的曲线，可以确定关于处理状态与/或处理步骤的进程的信息。表征处理系统一组调制曲线作为数据点的阵列被存储，其中每个相应于一组特定的参数值。代表一组特定的处理状态的参数表示应当参考哪一组调制曲线。规定要参考哪一组调制曲线的参数表示一个特定的谐波或基波频率、其信号被调制的特定的等离子体耦合元件、被观测的特定的等离子体耦合元件、RF功率的特定的相位和幅值、与/或在匹配网络中的可变元件的特定的值。
例如，参数B“前或后”表示调制曲线是相应于在完成刻蚀步骤(B＝0)之前或者在完成刻蚀步骤之后(B＝1)进行的处理。“几次谐波”参数H表示在该调制曲线内参考几次谐波。例如，H＝1表示参考基波，H＝2表示参考二次谐波，等等。“哪个边带”参数S表示上述谐波附近的特定的边带。例如，S＝1表示最接近于和大于特定的谐波的边带，S＝-1表示最接近于和小于特定的谐波，S＝2表示在特定谐波以上的下一个最远的边带，S＝-2表示在特定谐波以下的下一个最远的边带等等。通过规定这3个参数，便能唯一地识别在数据库中的数据点，从而使得能够检索数据。在本例中，数据是特定边带的幅值。更具体地说，相应于特定处理状态的特定边带的幅值｜V(B，H，S)｜取决于参考哪一个边带以及规定哪一个处理条件。例如，｜V(0，2，1)｜可以等于1mV，而｜V(1，2，1)｜等于2mV。这表示在刻蚀步骤完成之前在二次谐波以上的第一边带具有1mV的幅值，而在刻蚀步骤完成之后的同一个边带具有2mV的幅值。应当容易理解，因为这个例子的系统考虑3个参数(B，H，S)，所以可以按照这3个参数在三维矩阵中排列这些数据。如果考虑一个附加参数，例如气体压力，则数据被组织成4维矩阵。如果还有另外的参数要考虑，例如气体混合物内的特定气体的比例，则把数据组织成5维矩阵。不过，数据通常被用于逆处理。例如，在测量1.1mV的一个幅值之后，系统便可以通过所有的B值循环，以便求得一对固定的H和S值，从而确定当前系统类似于哪一个已知的状态。通过利用上述参数进行这种处理，系统可以确定当前幅值(1.1mV)和“之后”状态存储的值(2mV)相比，更接近于“之前”状态存储的值(1mV)。
所述矩阵的维数取决于用于确定所需的有关状态，或处理状态或系统状态的所需信息所需的调制参数的数量。例如，如果数据按照每个可能的压力组合，两种不同气体的相关的比例，在每个等离子体耦合元件E1，E2，E3中的RF功率值，反应进展B，谐波H和边带S被组织，则数据库应当含有7维矩阵的数据。如同在3维的例子中一样，系统可以使用7个以下的参数标引数据库，从而检索具有这些特征的曲线。然后，可以使用幅值数据确定哪个曲线(最接近地)匹配，借以给出有关当前状态的估计。上述的参数只作为例子，本发明并不限于这些参数。其它的参数也可以使用，其中包括但不限于RF频率，等离子体耦合元件接收的功率波形的相对相位，以及在匹配网络中的可调整元件的值。
用于获得并在数据库中存储数据的步骤的例子如图10所示。在本例中，具有3个单独的等离子体耦合元件的系统被试验，并在一个处理完成前后使用供给3个等离子体耦合元件的功率值的各种不同的组合被表征。为简单起见，其它的输入参数，例如RF匹配，被假定在处理过程期间保持恒定，并且以一些感兴趣的输出参数，例如温度、清洁度被定期地测量。在步700和701中，系统参数被初始化为一组初始值。然后，供给3个等离子体耦合元件的功率值被增加一个预定数量(步702，703和704)。一旦功率值被设置，被送到至少一个等离子体耦合元件的RF功率便被调制，并和上述的输出参数一道测量所得边带的相位和幅值(步705)。然后，在步706，这一边带信息和输出参数的任何信息，以及表示是否处理已被完成的信息和被提供给等离子体耦合元件的功率值一道被存储在数据库中。如果在步701确定P1的当前值是要被试验的终值，(即要被试验的P1的最大值)，则进行步708。如果不是，则返回步704，此时，供给第一等离子体耦合元件的功率值P1被增加一个预定量，并以新的值P1重复增加循环。在步708，P1被设置为其初始值，并且，如果当前状态不相应于P2的最后值(步709)，则系统返回步703，此时，P2被增加一个预定量，并利用这个P2值重复测量环。如果在步709P2是终值，则处理进行步703，其把P2复位为其初始值，此时进行步712(检查确定当前值P3是否是终值)。如果P3不是终值，则返回步702，此时P3被增加一个预定量，并利用新的值P3重复测量循环，处理继续进行步731，此时，如果没有其它的系统参数(即RF功率的各个值之外的参数)要被研究，则处理结束(步715)。如果有其它感兴趣的参数(例如RF匹配参数)，则处理继续进行步714，此时其它的参数被改变，从步701开始重复所述的处理。
应当理解，图10的步骤代表其中只改变RF功率值的一个例子，本领域技术人员显然能够理解，也可以改变其它的参数，并且在系统表征期间可以利用其它不同的顺序。例如，在另一个条件例如气体流量被改变的同时功率可以保持恒定。
可按照本发明进行分析的处理步骤的一个例子是在硅片上的铝金属化层的刻蚀。在生产运行中使用用于这一处理的系统之前，通过进行一系列的系统试验运行获得处理系统的调制曲线特征。一些试验运行在和刻蚀期间的生产运行条件相同的条件下进行，其它的试验运行在和完成刻蚀之后的生产条件相匹配的条件下进行。这数据可以在系统的预生产阶段用实验方法获得，使得所述数据可以被存储在监视器/控制器1(图1和3)中，或者在系统被制造时存储在中央处理控制器20(图1)中。此外，对于现有的设备，可以获得那类设备的数据并被提供在控制器/存储器模块中，使得在一种改型的基础上利用本发明。当使用神经网络时，测量曲线的输入参数被输入一个如图9A所示的被训练的神经网络中。该神经网络被训练以便使用存储的调制曲线和已知的所需输出预测“正常的”和“完成的”状态。任何合适的训练算法，例如向后传播法都可以使用。关于训练神经网络的其它细节见Paul Werbos的 The Roots of Backpropagation。训练周期被重复，直到网络能够由输入识别正常和完成状态为止。如同本领域的技术人员熟知的那样，其中具有一个输入层，一个输出层和至少一个隐含层，并且在每层中的神经数可以改变。同样，调制曲线可以用于检测其它状态，例如微小的或严重的起弧。
当使用曲线时，在实际的生产运行期间，测量的调制曲线和数据库中存储的曲线比较。在这个例子中，为了简化，大部分处理参数，例如气体流量和RF功率值被保持恒定。唯一要改变的参数是反应的进展(即反应是否完成)。当反应进行时，监视器/控制器1重复地测量处理的调制曲线。在铝的刻蚀期间，等离子体气体混合物含有某个百分数的铝，而在刻蚀处理已经完全除去铝膜的部分之后(借以暴露硅)，气体混合物则含有少量的铝。实际上，根据所述处理，在一旦硅被暴露之后，尤其是在完成铝刻蚀步骤之后，气体混合物可以含有某个百分数的硅。
由于上述的等离子体成分的改变，在铝的刻蚀期间的处理具有和刻蚀完成之后的处理期间不同的调制曲线。因此，监视器/控制器1能够确定这个处理步骤结束的时刻。此时，向操作者发出一个指示，并且/或者向中央处理控制器20发送一个信号，表明这个处理步骤应当结束以及下一个处理步骤应当开始。所述处理还可以具有可单独识别的中间步骤，其也可以通过曲线或者通过神经网络用另一个实施例被单独地识别。
图9B的流程图说明使用曲线监视上例的处理的步骤。首先，在步900开始进行刻蚀处理，在步902，RF功率被调制。然后，在步904，监视器/控制器测量边带的相位和幅值，使得在步906构成测量的调制曲线。此时，在步908，监视器/控制器检索数据库，查找和测量的调制曲线匹配的调制曲线。如果在步910找到一个匹配曲线，则继续执行步912的处理。如果没有找到匹配曲线，则处理执行步916，此时，产生一个报警信号，或者检测的曲线可以和一个和其最接近的存储的曲线相匹配，或者可以执行内插操作。在步912，监视器/控制器检查匹配的曲线是否相应于刻蚀步骤的终止。如果是，则继续步920。如果不是，则执行步914。在步914，监视器/控制器检查，以便确保匹配曲线相应于部分地结束刻蚀的可接受的处理条件。如果是，处理继续步904，并重复测量程序。如果不是，则执行步922。
在步916，920和922，给予操作者(或者图1的中央处理控制器)重要信息。而后，图9B的处理结束。步916警告操作者在数据库中没有找到可接受的匹配曲线，表示处理处于未知状态。步920通知操作者刻蚀完成。步922警告操作者，虽然处理处于已知状态，但仍然是一个不合适的状态。还应当注意，虽然这个处理方法代表一种用于监视处理状态的示例的方法，但是，对于本领域的技术人员，可以作出各种改变。
按照本发明的另一个方面，用于积累表征系统的数据的前述的处理(图10所示)被自动地实现。这个处理例如可以在系统研制期间(即在形成产品模型之前)、在系统生产期间(即在系统被提供给最终用户之前)、或者当监视器/控制器要根据改型被提供时则在生产之后进行。在每种情况下，监视器/控制器，当发货或改装时，都含有完整的数据库。这个特征的优点在于，除去对用户提供附加的方便之外，还有利于保证质量，因为制造者对数据采集和表征处理具有良好的控制。由于不需要现场表征，制造者可以确保由具有经验的有资格的人员进行表征处理。结果，减少了操作者发生错误的可能性，因而改善了处理结果的重复性和一致性。这一方面对于阻止破坏昂贵的半导体芯片或设备元件方面尤其有利。
按照本发明的一个选择的方面，可以在数据库的调制曲线之间内插数据，以便获得关于在处理运行期间处理系统状态的更加详细的信息。神经网络系统根据神经之间的加权进行自动内插。下面说明使用曲线进行内插的方法。在处理运行期间，上述的RF调制功率被供给系统的等离子体耦合元件的输入端。处理的当前状态的调制曲线通过测量上述的边带分量来获得。为了确定处理的当前状态，首先由测量的边带分量而确定的数据矩阵(即测量的调制曲线)和在数据库中存储的曲线进行比较。和测量的曲线最接近匹配的存储曲线被用作测量的调制曲线的近似物。因为在数据库中的每个曲线都和一种也被存储在数据库中的特定的状态相关，所以可以确定或近似地确定实际的处理状态。不过，在处理运行期间测量的曲线可能落在存储在数据库中的两个曲线之间。在这种情况下，可以使用内插更精确地确定处理的状态。在确定或近似得到处理状态之后，监视器/控制器认为所得的处理状态相应于数据库中的参数的接近的值。然后，利用接近的处理状态更精确地确定实际的处理状态。
按照一个例子，如果测量的调制曲线相应于在刻蚀系统中的一个已知的刻蚀速率，并且这个刻蚀速率直接落在数据库中的相应于两个最接近的刻蚀速率的存储的调制曲线之间，则取两个最接近的数据点的加权平均数，这样可以精确地确定实际的刻蚀速率。按照另一个例子，如果第一个存储的调制曲线相应于在刻蚀完成之前的刻蚀处理，并且第二个存储的调制曲线相应于在刻蚀完成之后的相同的刻蚀处理，则在第一和第二个存储的调制曲线之间的中间调制曲线可以相应于刻蚀步骤完成或接近完成的时刻。这个中间的调制曲线可以使用内插方法由第一和第二存储的调制曲线进行计算。通过监视测量的调制曲线并确定其和上述的中间调制曲线匹配的时刻，便可以精确地确定刻蚀步骤完成的时刻。内插方法的优点在于，在系统的表征期间，不要求试验的处理状态非常靠近。数据之间的间隙可以由内插处理填充。这使得表征处理能够更快地完成，并使得系统能够适应不和存储的曲线相同的测量的曲线。
除去用于检测处理步骤的完成之外，监视器/控制器还可以被这样构成，使得其可以调整加于各个等离子体耦合元件的RF功率的相位，幅值或频率。如果系统已经被足够地表征，则可以获得关于由改变提供给等离子体耦合元件的功率的特性可以得到的结果的信息。如果监视器/控制器通过在运行期间确定调制曲线确定处理状态是不合适的，则可以调整加于一个或几个等离子体耦合元件上的功率的相位，幅值或频率，以便补偿这一差别。RF功率的相位可以通过调整匹配网络中的可变元件进行调整。通过对RF源中的控制电路发送指令可以调整幅值和频率。通过利用这些技术，可以获得较好的处理一致性和可重复性。例如，已经处理过许多基片的系统因为可以进行最后的清洁/维护操作而产生和刚刚进行过清洁和维护操作的系统相同的结果。
能够可控地调整等离子体的状态因而调整等离子体的状态的优点通过参看下面的例子可以更容易地理解。按照第一个例子，一系列的试验运行已经(1)充分地表征了刻蚀处理，或者(2)训练了一个用于控制/预测刻蚀处理的神经网络。在这个处理的生产运行期间，监视器/控制器根据调制曲线的测量确定当前处理状态不和所需的处理状态匹配，以及由一个等离子体耦合元件接收的功率数量太低。结果，监视器/控制器得知刻蚀处理得太慢。监视器/控制器分别根据(1)数据库中的信息或者(2)神经网络中的加权进一步确定增加由一个RF源提供的功率将增加刻蚀的速率。因此，监视器/控制器增加由合适的RF源提供的功率值，从而补偿慢的刻蚀速率。此外，监视器/控制器可以确定通过调整由一个等离子体耦合元件吸收的RF功率的相位可以增加刻蚀速率。在这种情况下，监视器/控制器调整合适的匹配网络，使得提供所需的相位移，从而校正所述的问题。容易理解，监视调制响应信号和补偿任何偏差的技术对系统的控制和可重复性提供了极大的改进，因此，改善了所得产品的一致性。
第二个例子涉及经常使用例如30％的HCI和70％的Ar的气体混合物进行的刻蚀处理。第二个例子的刻蚀处理在多种不同的条件下通过一系列的试验运行被充分地表征了，其中包括从15％的HCI到50％的HCI的各种不同的气体混合物。在这一处理的生产运行期间，监视器/控制器根据测量的调制响应信号/调制曲线确定当前处理状态的气体混合物只含有20％的HCl。结果，监视器/控制器得知刻蚀速率太慢，因而通过增加由一个RF源提供的功率进行补偿。或者通过增加氯气的流量进行补偿。
上述的例子表示不足的功率和不正确的气体混合物的影响。不过，监视器/控制器1能够补偿各个不同的处理参数的偏差，例如，但不限于，气体压力，系统洁净度和RF匹配。虽然在上述的例子中监视器/控制器通过调整由一个RF源产生的RF功率校正了处理中的问题，但是也可以根据实验确定而调整其它的参数，其中包括但不限于，混合物中特定气体的流量(通过向气体流量控制器发送一个信号进行调整)和气体压力(通过向一个或几个气体流量控制器发送信号或者通过向在室的出口部分上的可调整的阀发送信号进行调整)。
由上述容易理解，按照本发明，可以获得关于等离子体状态和系统状态的详细数据。在进行处理期间，利用所述数据监视处理的状态与/或处理的进展，或者检测存在的问题。处理的状态和进展的精确的监视使得系统能够生产更加一致和可靠的产品。此外，早期纠正问题使得能够及时进行维护，从而阻止晶片/基片在功能不良的系统中进行处理，这又带来较好的质量保证。
按照本发明的另一个方面，已经认识到监视器/控制器1显示可被有利地用于向操作者提供不同的数据。可被显示的数据的例子包括在匹配网络中的可调整元件的维护值或维护状态，在各个等离子体耦合元件测量的谐波或边带的幅值或相位，两个或多个谐波或边带的相对相位(相位差)，谐波之间的信号的幅值或相位，在谐波之间的两个或多个信号的相对相位，各个匹配网络的输入阻抗的幅值或相位，来自等离子体的被观测的不同波长的光，或者作为时间函数的任何这些变量的曲线。这些曲线可以“实时地”(即随着时间进展)被显示，或者它们可以被按照“事件时间”被显示。事件时间是一种操作方式，其中一个特定的事件触发系统使其对数据采样。这一事件可以是燃弧事件，处理步骤的结束，或者另一个用户限定的事件。根据被观测的特定的处理，可被监视和显示的其它参数包括被发送给各个等离子体耦合元件的由中央处理控制器命令的功率的数量，在各个等离子体耦合元件或其各个匹配网络实际测量的功率的数量，宽带频谱(即频率箱)的不同谐波或者不同部分的比，在一个节点测量的谐波的幅值和在另一个节点测量的谐波的幅值的比，或者在一个节点测量的频谱的一部分中的宽带信号功率和在不同节点测量的频谱的相同部分中的信号功率的比。
在本发明的优选实施例中，可以显示来自功率提供电路的一个节点的信号的频谱曲线，其中包括基波、谐波和边带，如图6A所示。该信息可以按照用户规定的速率(询问方式)，以控制器规定的速率(推进方式)，或者使用两种方式的组合进行检索。此外，某些类型的信息(例如错误信息)可以被规定总是以推进方式被检索，使得可以尽快地引起操作者的注意。在询问方式中，可以使用自刷新的WWW浏览器或ActiveX控制以标准格式定期地采集数据并显示数据。按照另一个实施例，如图6B所示，可以以文本格式显示不同谐波的幅值的比例表。此外，可以以图6A和图6B相结合的形式，或者甚至结合其它的形式，以分屏的形式(例如使用WWW浏览器中的帧)显示。此外，图6A和6B或者其它的图可以按照顺序被交替地显示。应当理解，这些显示方案只是一些例子，可以使用其它的显示格式。
上述的显示数据的方法能够使操作者清楚地了解处理的状态，使得操作者能够较好地监视或控制所示系统，并且可以在问题导致破坏之前检测出所述问题，或者即使破坏已经发生，也能使其影响减到最小。结果，可以获得改进的产品的一致性，并且避免对系统的破坏，借以降低维护成本。
由上所述容易理解，本发明的各个方面和特点比常规系统具有许多优点。例如，通过提供处理状态的详细而精确的确定，可以实现处理的改进的控制。此外，通过充分监视处理过程并显示重要数据，在破坏发生之前可以发现潜在的破坏性问题，从而可以使破坏减低到最小的程度。结果，改进了质量控制/保证和产量，并且可以减少维护成本。
近来，从等离子体刻蚀室获得的实验结果表明，从等离子体耦合元件取得的电信号中的谐波含量对于阻抗匹配网络是一种可行的诊断变量(或控制变量)。被研制的等离子体刻蚀室包括具有各自的阻抗匹配网络的两个单独的RF输入。第一个RF输入通过螺旋线圈感性地把RF能量耦合到等离子体，第二个RF输入通过基片保持吸盘向基片提供RF偏置(和直流自偏置)。
在从阻抗匹配网络向吸盘的基底使用Tektronix高压探针传送RF功率的主导体上进行电压的测量。电压以200MHZ的速率被采样13.6MHZ输入的15个RF周期。这个采样频率足以分解超过5次谐波的范围。图11A和11B说明电压时间曲线的典型的富氏变换(频谱)，其中基波驱动频率以及二到五次谐波可以被容易地识别。为清楚起见，在图11A中除去了噪声。在图11B中示出了包括噪声的原始信号。显然，谐波幅值随着谐波次数的增加而减少，不过即使是5次谐波，也具有至少等于10的信噪比(S/N)。对于在处理室内存在的一组给定的状态，可以记录唯一的一组谐波比，借以使谐波比被定义为由基波(一次谐波)驱动频率(即在本例中13.56MHZ)标称化的每个谐波频率的谐波幅值。在吸盘上进行的谐波幅值比的测量被确定具有很好的可重复性(在状态之间，室的维护之间等等)，测量误差被确定为，对于二次谐波，小于10％，对于奇次谐波，小于2.5％。
已经表明，在吸盘上使用高压探针监视谐波幅值比能够使用户与/或反馈控制器调整阻抗匹配网络，使得对于一定的RF偏置传输的功率最大而反射功率最小。图12A-13D说明在三维参数空间的谐波幅值比，其中室的压力、输入给螺旋线圈的功率以及输入给吸盘的RF偏置功率被改变。谐波幅值比En∶1被定义为n次谐波频率的幅值对基波频率的幅值的比。例如，图12A-12C分别说明在3个不同的RF偏置功率输入下，即120W，80W和40W，比E2∶1(即对于二次谐波)随着RF源功率的变化，室的压力范围从1到20mTorr。图12A表示在高的RF偏置功率下(120W)，室的压力对测量的灵敏度的影响是可以忽略的，或者说处在误差限制之内(尤其是对E2∶1)。不过，随着RF偏置功率的减少(图12B和12C)，便可以观察到压力的影响。具体地说，20mTorr的压力和10mTorr相比具有明显的变化。这可能是由于在20mTorr下和平均自由路径减少相关的较大的碰撞效果所致，其是一个比1mTorr时的平均自由路径大的数量级，并且平均自由路径的比例相对于等离子体层。此外，除去低的偏置功率(40W)之外，RF偏置功率对E2∶1有一个小的影响。因此，根据E2∶1，一系列的测量(来自以前的室表征)可以确定对螺旋线圈输入的RF源功率。
图3A-图3C说明3次谐波的测量，即E3∶1，显然，3次谐波对室压力是敏感的。图3D说明谐波幅值比E3∶1在RF源功率为1kW以及3个RF偏置功率输入(分别为40W，80W和120W)的条件下随压力的变化。显然，E3∶1在很大程度上依赖于压力和RF偏置功率。因此，使用图12A-12C的信息，可以确定从E2∶1输入的RF源功率，由图13D可以确定室压力和RF偏置功率输入。不过，观测到附加的数据关系导致基于谐波含量的输入参数的失真。例如，在相同的室条件下可以明显看出谐波幅值比的不同。事实上，对参数空间的尺寸没有限制，只是相关将成为非常困难的。特别是三维空间趋于扩大用于分析数据的约束。此时，则需要一种包括计算机和检测装置的智能控制系统，其或者和预定的室特性的数据库或者和神经网络协同操作。
综上所述，可以看出，在等离子体状态和在基片保持吸盘上取得的谐波幅值比之间具有直接的相关。此外，还可以看出，对于给定的系统，可以使用谐波信息的子集在每个等离子体处理输入之间进行分离，即压力，对源的RF输入功率和对吸盘的RF输入功率。因而，谐波特征可以识别处理输入和由这些条件描述的等离子体状态。谐波信息的子集可以包括谐波幅值比，谐波幅值比的线性组合，与/或谐波幅值比的非线性组合。更重要的是，等离子体耦合元件上的谐波特征，或者这些元件的组合的谐波特征可用于使直接影响处理的物理参数，即离子能量、离子能量分布、等离子体密度、化学物种等等相关联。当使用等离子体耦合元件的组合时，谐波幅值和其与基波幅值的比的使用不限于吸盘，而可应用于各种电气等离子体耦合元件，例如螺旋线圈、偏置屏蔽等等。
显然，根据上述教导可以作出各种改变和改型。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明都可以实施，而不限于本说明的某个实施例。

Claims (18)

1 一种等离子体系统，包括：
电源；
第一等离子体耦合元件，用于从所述电源向所述等离子体提供功率；
功率改变控制器，用于改变所述功率的幅值、频率和相位中的至少一个；以及
监视检测器，用于接收所述第一等离子体耦合元件的响应信号，其中所述响应信号是由所述功率改变控制器引起的。
2 如权利要求1所述的系统，其中所述监视检测器包括频率检测器，用于测量第一频率的所述响应信号的第一分量的第一检测的特征，和第二频率的所述响应信号的第二分量的第二检测的特征；
所述系统还包括：
用于存储被存储的数据的存储器，所述被存储的数据包括第一被存储的特征和第二被存储的特征，其中所述第一被存储的特征相应于所述第一预定频率，所述第二被存储的特征相应于所述第二预定频率；以及
中央处理单元，其比较所述第一检测的特征和所述第二检测的特征中的至少一个和所述第一存储的特征和所述第二存储的特征中的至少一个，
其中所述第一检测的特征和所述第一存储的特征均是幅值和相位之一，并且其中所述第二检测的特征和所述第二存储的特征均是幅值和相位之一。
3 如权利要求1所述的系统，还包括视频显示装置，用于显示以下之一：
所述响应信号的一个分量的幅值；
所述响应信号一个分量的相位；
所述响应信号的第一分量的第一幅值和响应信号的所述第二分量的第二幅值的比；以及
所述响应信号的第一分量相对于所述响应信号的第二分量的相对相位，所述相对相位是所述第一分量的相位和所述第二分量的相位的差。
4 如权利要求1所述的系统，其中所述监视检测器包括一个频率检测器，用于在检测时间测量具有第一预定频率的所述响应信号的第一分量的第一检测的特征；
所述系统还包括：
用于存储被存储的数据的存储器，所述被存储的数据包括相应于所述第一预定频率的第一被存储的特征和第二被存储的特征；以及
中央处理单元，其比较所述第一检测的特征和所述第一与第二存储特征，其中所述第一检测的特征和所述第一与第二被存储的特征都是幅值和相位之一，其中所述第一被存储的特征相应于所述等离子体处理的处理参数的第一状态，并且所述第二被存储的特征相应于所述等离子体处理的所述处理参数的第二状态，并且其中所述处理参数是以下之一：
处理的进展；
等离子体的离子密度；
等离子体的气体混合物；
等离子体的气体压力；
和等离子体耦合的电气元件的合适的装配；
处理室的清洁度；
处理室内的表面上的涂层的厚度；以及
等离子体耦合元件和电源匹配的质量。
5 权利要求1所述的系统，其中所述等离子体耦合元件包括以下之一：
电极；
电感线圈；
偏置屏蔽；以及
静电吸盘。
6 如权利要求1所述的系统，其中所述功率改变控制器调制所述相位、幅值和频率中的至少一个，并且其中所述响应信号包括由所述功率改变控制器引起的边带分量，其中所述边带分量的频率相应于以下之一：
(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及
(b)所述基波频率的谐波频率的边带频率。
7 如权利要求2所述的系统，其中所述响应信号包括由所述功率改变控制器产生的边带分量，所述边带分量发生在以下之一的频率：
(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及
(b)所述基波频率的谐波频率的边带频率。
8 如权利要求3所述的系统，其中所述响应信号包括由所述功率改变控制器产生的边带分量，所述边带分量发生在以下之一的频率：
(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及
(b)所述基波频率的谐波频率的边带频率。
9 如权利要求4所述的系统，其中所述响应信号包括由所述功率改变控制器产生的边带分量，所述边带分量发生在以下之一的频率：
(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及
(b)所述基波频率的谐波频率的边带频率。
10 如权利要求1所述的系统，还包括和所述等离子体耦合的第二等离子体耦合元件。
11 如权利要求10所述的系统，其中所述响应信号包括由所述功率改变控制器产生的边带分量，所述边带分量发生在以下之一的频率：
(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及
(b)所述基波频率的谐波频率的边带频率。
12 一种用于控制等离子体系统的方法，包括以下步骤：
提供电源；
提供等离子体耦合元件；
从所述电源向等离子体提供功率；
改变所述功率的幅值、相位和频率的至少一个，以便产生所述等离子体耦合元件的响应信号；以及
接收所述响应信号。
13 如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
测量第一频率的所述响应信号的第一分量的第一检测的特征；
测量第二频率的所述响应信号的第二分量的第二检测的特征；
存储被存储的数据，所述被存储的数据包括第一被存储的特征和第二被存储的特征，其中所述第一被存储的特征相应于所述第一频率，所述第二被存储的特征相应于所述第二频率；以及
比较所述第一检测的特征和所述第二检测的特征中的至少一个和所述第一存储的特征和所述第二存储的特征中的至少一个，其中所述第一和第二检测的特征和所述第一和第二存储的特征是幅值和相位之一。
14 如权利要求12所述的方法，还包括显示步骤，用于显示以下之一：
所述响应信号的一个分量的幅值；
所述响应信号一个分量的相位；
所述响应信号的第一分量的第一幅值和所述响应信号的第二分量的第二幅值的比；以及
所述响应信号的第一分量相对于所述响应信号的第二分量的相对相位，所述相对相位是所述第一分量的相位和所述第二分量的相位的差。
15 如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
处理第一基片；
测量相应于处理参数的第一值的频率的所述响应信号的分量的第一检测的特性，其中所述处理参数是以下之一：
(1)处理的进展；
(2)等离子体的离子密度；
(3)等离子体的气体混合物；
(4)等离子体的气体压力；
(5)和等离子体耦合的电气元件的合适的装配；
(6)处理室的清洁度；
(7)处理室内的表面上的涂层的厚度；以及
(8)等离子体耦合元件和电源匹配的质量；
存储所述第一检测的特征；
处理第二基片；
测量相应于所述处理参数的第二值的所述频率的所述响应信号的分量的第二检测的特性；
存储所述第二检测的特性；
处理第三基片；
测量具有所述频率的所述响应信号的第三检测的特性；以及
比较所述第三检测的特性和所述第一与第二检测的特性，以便分析所述第三基片的所述响应信号，其中所述第一、第二和第三检测的特性是幅值与相位之一。
16 如权利要求12所述的方法，其中所述改变步骤包括
调制所述功率的相位、幅值和频率中的至少一个，以便提供所述等离子体耦合元件的所述响应信号的边带分量，其中所述边带分量的频率相应于以下之一：(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及(b)所述电源的基波频率的谐波频率的边带频率。
17 如权利要求13所述的方法，其中所述改变步骤包括
调制所述功率的相位、幅值和频率中的至少一个，以便提供所述等离子体耦合元件的所述响应信号的边带分量，其中所述边带分量的频率相应于以下之一：(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及(b)所述电源的基波频率的谐波频率的边带频率。
18 如权利要求15所述的方法，其中所述改变步骤包括
调制所述功率的相位、幅值和频率中的至少一个，以便提供所述等离子体耦合元件的所述响应信号的边带分量，其中所述边带分量的频率相应于以下之一：(a)所述电源的基波频率的边带频率；以及(b)所述电源的基波频率的谐波频率的边带频率。
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