CN1666314A - 半导体等离子体参数非侵入性测量和分析的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于检测和分析等离子体工艺参数的RF传感器。该RF传感器配备有一个等离子体工艺设备和一个接收从等离子体工艺设备上辐射的RF能量的天线。该天线置于等离子体工艺设备附近使得它是非侵入的。另外该RF传感器的配置可以用于宽带接收从等离子体工艺设备辐射出的RF能量的多谐波。进一步，该RF传感器可以耦合到一个高通滤波器上以及一个用于处理接收的RF能量的处理器上。另外，天线可以置于含有吸收体的外壳中，以减少由RF传感器经受的干扰。另外，一个设备控制可以耦合到处理器中，根据由接收到的RF能量提供的信息来提供调节和维护各种等离子体工艺参数。

Description

半导体等离子体参数非侵入性 测量和分析的方法和设备

本申请是基于并要求美国临时专利申请60/393,105的优先权，其申请于2002年7月3日，其全部内容均被包括作为参考。

技术领域

本发明涉及等离子体工艺设备的，尤其是，本发明涉及等离子体工艺设备参数的非侵入性测量和分析所使用的传感设备。

背景技术

等离子体工艺系统在如下方面有重要的用途，如材料加工，半导体制造和工艺，集成电路，显示和其他用于蚀刻或在例如半导体晶片的衬底上形成层沉淀的电子仪器。通常，等离子体工艺系统的基本组成包括形成等离子体的腔体，连接到一个用于注入和去除处理气体的真空端口上的泵浦区，和一个在腔体内部形成等离子体的电源。附加的组件可以包括：一个支撑晶片的卡盘，一个电源，用于加速等离子体离子使其以预定能量撞击晶片表面进行蚀刻或在晶片表面形成沉淀。用于产生等离子体的电源也可以被用来加速离子，或者不同的电源可以被用来完成不同的任务。

为了确保产生精确的晶片，典型地，等离子体工艺系统使用一个确定等离子体工艺系统状况的传感器来进行监控。通常，在这样一个系统中，传感器置于等离子体内部来监控特定参数，或者置于耦合到腔体内部一个电极上的传输线内部。

发明内容

本发明提供了一个用于测量和分析等离子体工艺参数的新方法和设备。

提供一种用于检测等离子体工艺过程参数的射频传感器，配备有一个等离子体工艺设备和一个接收从等离子体工艺设备上辐射的RF能量的天线。该天线置于等离子体工艺设备附近使得它是非侵入的。天线可以是一宽频单级天线。

本发明的一个方面中，一种设备控制可以耦合到处理器上，基于从天线接收到的RF能量所提供的信息来控制和维护等离子体工艺。该设备控制可以控制等离子体工艺设备，电源或其他等离子体工艺中出现的不同组件。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的一个射频(RF)传感器的图示；

图2是根据本发明一个实施例的一个天线和处理器的简化框图；

图3是根据本发明一个实施例的一个天线的简化框图；

图4是根据本发明一个实施例的一个等离子体工艺系统的简化框图；以及

图5是根据本发明一个实施例的一个预定谐波数据的简化曲线图。

具体实施方式

将参考公开的说明性的实施例在下面详述本发明。

图1是根据本发明一个实施例的一个RF传感器的图示。一个等离子体工艺设备包括一个腔体110。等离子体工艺设备通常由一个RF电源(未示出)提供动力。RF电源的RF能量120产生和维护等离子体工艺设备的腔体110中的等离子体130，该设备通常用于衬底的处理。等离子体工艺设备可以由任何一种已知的配置装配而成，所有配置都包括一个等离子体130进行加工处理的腔体110。其中一些配置包括，例如一个电感耦合等离子体(ICP)源，一个静电屏蔽无线电频带(ESRF)源，一个变压器耦合等离子体(TCP)源，一电容耦合等离子体(CCP)源。无论RF能量源是什么，腔体110内部的等离子体130是由RF电源产生的RF能量激发的。相应地，从腔体110辐射的RF能量以基本RF频率及其谐波进行辐射。谐波频带是在等离子体130中产生的。谐波频带的幅度和位相提供了关于等离子体130和腔体110状态的信息。例如，不同功率，压强，和流速下的实验表明了辐射能量和工艺参数的高度的相关关系。特别地，分析表明第一和第二谐波与等离子体的电子密度匹配率高于99％。

天线140被置于等离子体腔体110外部以接收从等离子体130上辐射的RF能量，并将RF能来那个转化成RF信号。图1中示出的天线140在腔体110外部。可选择地，它也可以置于腔体110内部，但在等离子体130的处理区域之外。在这种配制下，天线可以对等离子体130具有非侵入性的优势，既然众所周知侵入性传感器可以改变过程参数。天线140耦合到处理器150上。该处理器150从天线140接收RF信号，从而配置成来处理RF信号以提供关于等离子体状态所希望的信息。另外，既然能源的基本频率是兆赫兹量级的，天线140可以是宽频单级天线，从而能够接收大而宽频带的辐射的RF能量。例如，一个天线研究模型(型号)RAM-220(Antenna Research ModelRAM-220)可以被用作宽频单级天线。

图2与根据发明一个实施例的一个天线和处理器的简化框图。在示出的实施例中，天线140被耦合到一高通滤波器210。可选择地，天线140可以被耦合到另一种类型的滤波器上，例如一个带阻，一个带通和一个低通滤器。高通滤波器210的输出端被耦合到一个低噪声放大器(LNA)220上，然后放大的信号被输入处理器230。既然传统地，有用的信息包括在RF能量的谐波中而不在基本频率中，高通滤波器可以用来去除接收信号的基本频率。当然，关于基本频率的数据可以通过消除和调整高通滤波器的截止频率来收集。高通滤波器截止频率之下的信号典型的衰减在40dB的范围内。LNA220对高通滤波器提供的RF信号进行放大，这样信号可以由处理器230进行适当处理。LNA的典型增益在20-30dB的范围内。

处理器230可以被配置来支持多重输入，如图2所示。在这种情况下，多个过程可以通过一个处理器230来独立地监控和处理。处理器230可以包括一个模拟数字转换器(A/D)，把接收到的模拟信号转换成数字抽样。信号的抽样速率可以用不同的方法来决定。例如，如果RF能量的基本频率为13。56MHz，那么用125MHz的带宽来测量8次谐波(8次谐波的频率为122。4MHz)是合适的。在这种情况下，如果抽样中选择的A/D转换器的抽样间隔为100ms，频率箱(frequency bin)为10KHz，根据奈奎斯特准则抽样速率计算至少为250MS/s，抽样大小为25000。

耦合到处理器230的是一个用户界面240，一个外置计算机和一个网络260。用户界面240可以包括多种已知的组件，目的是允许用户和处理器230互动。例如，如果处理器抽样以后要进行抽样速据的FFT(快速傅立叶变换)，结果可以在一个可触屏幕上显示，允许用户和系统通过界面连接。外置计算机250可以用于不同目的，包括工艺参数和腔体110的实时控制。网络260用来允许用户对处理器的远程登陆。例如，FFT信息可以通过外置计算机250和网络260得到。

在上述天线和处理器的一个实例中，在校准状态下可以描述腔体参数，天线140收集的数据可以应用于一个关联不同腔体和等离子体参数的模型中。例如，一些参数可以包括电子浓度，组件清洁度，电子温度，终点检测等。这种模型的采用可以允许使用天线，而不用考虑绝对校正天线，这可以简化传感器设计参数。

图3是根据本发明一个实施例的一个天线的简化框图。腔体110，等离子体130，天线140和处理器150可以和图1，2公开的一样。天线140置于通过连接壁310连接到腔体110上的外壳340中。设计连接壁310用来传送从等离子体辐射的RF能量，可以是石英，氧化铝或者任何其他合适的材料。可选择地，可以在连接壁310开一个孔使RF能量从那儿通过。吸收体320和330可以用来吸收多余来源产生的RF能量以及减少外壳340谐振引起的畸变，即，如果没有吸收体320和330，天线可能会接收到多余的谐振，使应该接收到的信号发生畸变。总的来说，吸收体可以包括能够吸收离散和宽带频率能量的材料。

尽管示出的吸收体320和330在外壳340的后部，他们也可以置于围绕外壳340的五个面上(如果认为外壳是长方体的盒子)。当吸收体位于盒子的其他五个面上时，这种排列允许RF能量从等离子体130通过连接壁在外壳内部进行辐射。

在实施例中，吸收体320和330可以这样来选择，使得吸收体320用来吸收基本频率，吸收体330被用来吸收第一谐波。四分之一波长排列可以提供所选频率的最大衰减。另外，可以按所需使用额外的吸收层。尽管上面描述了特殊的吸收体排列，可是使用任何能够减少不希望干涉的吸收体配置。

图4是根据本发明一个实施例的一个等离子体工艺系统的简化框图。为了描述，图示的腔体110是一个与上电极125的电容耦合腔体，然而，可以类似使用任何一种类型的系统。等离子体130，天线140和处理器150可以和上述的相同。如前所述，等离子体130是RF发生器激发的。RF发生器420可以直接耦合到腔体110上，或者如图4所示，通过匹配网络410或440耦合到腔体110上。在图4中，为了图示，有两个RF发生器，然而，可以使用一个单个的RF发生器420，这取决于腔体110的配置。上电极(UEL)匹配网络410耦合到上电极125上，下电极(LEL)匹配网络440耦合到下电极450上。等离子体130由RF发生器420激发。相应地，等离子体130以基频及其谐波辐射RF能量。RF能量被辐射出腔体110，由位于等离子体130外围的天线140接收。天线140被耦合到早先部分描述过的处理器150上。关于图1的描述，上述配置提供了一种接收等离子体工艺参数的非侵入性方法。

处理器150接收RF能量并且将模拟信号通过一个模拟数字转换器(A/D)转换成数字信号。典型地，模拟信号的抽样速率取决于感兴趣的带宽(即带宽是基频和感兴趣的谐波频率的函数)。例如，500MHz的带宽可以典型地以每秒10亿(1billion)的速率抽样。当然，样本率可以按所希望的设定，不应该只限于上述实例。RF能量的幅度和位相，包括谐波，可以提供关于等离子体130的状态的信息，相应地，提供腔体110状态的信息。这些数据然后可以被处理器150处理，例如快速傅立叶变换(FFT)和主要成分分析(PCA)等操作可以典型地用来从RF信号收集信息。处理器150收集的信息可以提供如电子浓度，组件清洁度，电子温度，终点检测等参数的深入的信息。

在处理器的一个实施例中，接收到的RF能量的追踪数据可以使用包括快速傅立叶变换(FFT)在内的传统技术转换成频域输出信号。谐波频率的信息就能够通过提取和乘上等离子体工艺系统的校准中获得并由PCA决定的系数，由于PCA允许一大系列的相关值转换成一小系列的主要值，所以PCA可以有助于决定该系数。数据系列大小的减少可以通过转换原始数据成为一个新系列的原始(较大的)数据的不相关的线性组合。

利用接受到的射频能量的基频和谐波的幅度，可能进行几种不同的分析，包括功率分析，流分析和压强分析。通过处理幅度值得到的信息，更有可能决定在哪几种谐波中存在最强的相关关系，从而对每个频率分量确定可接受的系数。相关性分析也可能决定是否一个参数的变化会影响系统中其他参数，但是初始结果表明参数可以独立的调整。

更进一步地，终点检测通过追踪数据分析成为可能。一旦标绘出，接收的RF能量的一个谐波的显著变化就显而易见了。更一般而言，主谐波的贡献在处理结束时可能有所变化。

例如，如图5所示简化的预测值，第三谐波在T1显著变化，基频和第三谐波在T2同时显著变化。工艺分析表明这些变化是由于工艺的结束引起的。这种终点检测的方法可能是准确而低成本的终点检测法。

处理过的数据就被送到设备控制430。设备控制430可以配置完成几项任务。设备控制430可以完成的任务包括终点检测，功率控制，气体控制(气流，压强等)。如图4所示，设备控制430耦合到腔体110和RF发生器420上。用这种方式，设备控制根据处理器150接收到的数据调整这些设备的参数就成为可能，这样，在腔体110内部就可以保持重复的工艺过程。

如上所述，PCA是一个多元统计过程，允许一个大系列的相关变量减少到一个小系列的主要成分。所以，在校准阶段PCA可以用来从包括不同谐波数据的一个数据系列中首先产生一个协方差矩阵。接着，从该协方差矩阵可以得到一个本征解，从而可以计算出一系列的本征向量。从本征解中可以计算出每个主要成分贡献的百分比。利用这些百分比，相应地通过得到的百分比加权求和本征向量的就可以选择出系数。这种计算可以用不同的参数来进行，包括功率，气流和腔体压强。一旦校准完成，不同的系数确定，设备控制就可以在控制回路中利用该信息，这对本领域的技术人来是很明显的。在这种类型的反馈环下，可以维持一个可重复的过程。

处理器150可以耦合到如图2所示的几个设备上。其中一些在本实施例中重要的设备包括用户界面240和外置计算机250。另外，也可能用户界面240和外置计算机250都是单个设备，例如一台个人电脑。

最后，如本领域的技术人员所评价的，处理器150处理的数据量是相当大的。因为这点，可能需要利用一个外置的存储设备(没有示出)。一种连接存储设备的可能配置是直接连到处理器150上。可选择地，优先通过网络260(图2所示)使用远程存储。然而，任何存储数据的方法都是可以接受的。存储数据的一种好处是为了将来的处理和分析。另外，存档的数据可以用作模拟一个可以接受的控制系统，用于操作设备控制430，从而控制等离子体工艺过程。

对于描述的实施例的上述介绍提供给本领域的任何技术人员以使用本发明。这些实施例的不同修改是可能的，此处提出的用射频传感器测量半导体工艺参数的一般原则也可以用于其他实施例。这样，本发明并不局限于上面所示的实施例，而是符合本发明最广泛的范围，与以任何形式公开的特征的原则和新颖性相一致。

Claims (12)

1.一种控制等离子体工艺的方法，包括：

提供一个靠近等离子体工艺设备的天线；

检测从所述等离子体工艺设备辐射的RF能量；

处理所述的接收到的RF能量；以及

根据所述处理的RF能量调整等离子体工艺参数；

其中从等离子体工艺过程设备辐射的所述RF能量包括一个基频和至少一个谐波频率；以及

其中所述等离子体工艺参数的调整根据从信号特征得到的信息进行，该信号特征是在处理所述基频和所述至少一个谐波频率的过程中得到的。

2.根据要求1的方法，其中所述处理包括功率分析，流分析和压强分析中的至少一种。

3.根据要求1的方法，其中所述处理包括把所述RF能量转换成数字信号。

4.根据要求3的方法，其中所述数字信号存储在一个电子存储设备中。

5.根据要求1的方法，其中所述等离子体工艺参数的调整是通过一种设备控制进行的，所述设备控制耦合到用于等离子体处理的能量源以及用于等离子体处理的腔体。

6.根据要求5的方法，其中所述等离子体工艺参数的调整包括功率控制、流控制、和压强控制中的至少一种。

7.一种用于等离子体工艺的控制器，包括：

一个天线，位于靠近等离子体工艺设备，用于从所述等离子体工艺设备接收RF能量；

一个处理器，耦合到所述天线上，用于处理从所述天线接收的所述RF能量；和

一个设备控制器，用于根据所述处理的RF能量控制所述等离子体工艺设备；

其中从等离子体工艺过程设备辐射的所述RF能量包括一个基频和至少一个谐波频率；

其中所述设备控制器根据从信号特征中得到的信息控制等离子体工艺参数，该信号特征是从所述基频和所述至少一个谐波频率的所述处理器得到的。

8.根据要求7的控制器，其中所述处理器进行功率分析，流分析和压强分析中的至少一种。

9.根据要求7的控制器，其中所述处理器把所述RF能量转换成数字信号。

10.根据要求9的控制器，其中所述数字信号存储在一个电子存储设备上。

11.根据要求7的控制器，其中所述设备控制器耦合到用于等离子体处理的能量源以及用于等离子体处理的腔体。

12.根据要求11的控制器，其中所述设备控制器控制功率控制、流控制、和压强控制中的至少一种。

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