CN1666315A - 等离子体参数非侵入测量和分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于传感和分析等离子体处理的参数的RF传感器。所述RF传感器具有等离子体处理工具和一个用于接收从等离子体处理工具辐射的RF能量的天线。天线位于非常接近等离子处理工具处，以便是非侵入式的。此外，RF传感器可配置为从等离子体处理工具辐射的RF能量的多谐波的宽带接收。另外，RF传感器可耦合到一个高通滤波器和一个用于处理接收到的RF能量的处理器。此外，天线可位于一个外壳内，所述外壳带有吸收器，用于减少RF传感器受到的干扰。此外，一个工具控制可耦合到处理器以便根据由接收到的RF能量提供的信息调整和维持等离子体处理的各参数。

Description

等离子体参数非侵入测量 和分析的方法和装置

本发明基于2002年7月3日提交的美国临时申请60/393103，并要求了其优先权，此处通过引用将该申请的内容完全包含进来。

技术领域

本发明涉及等离子体处理工具，尤其涉及对等离子体处理工具的参数进行非侵入式测量和分析的感测设备。

背景技术

等离子体处理系统在材料处理中以及半导体、集成电路、显示器和其他电子设备的制造和处理中具有相当广的用途，用于在衬底(例如半导体片)上进行蚀刻和层淀积。一般来讲，等离子体处理系统的基本元件包括一个腔室，其中形成等离子体，一个泵区域，它连接到一个真空端口，用于注入和抽除处理气体，以及一个能量源，用于在腔内形成等离子体。其他元件可包括，一个卡盘，用于支持一个晶片，以及一个能量源，用于加速等离子体离子，以便离子能够以所希望的能量撞击晶片表面，从而蚀刻晶片或在其上形成淀积。用于形成等离子体的能量源也可用于加速离子，或者可以将不同的能量源用于不同的任务。

为确保形成精确的晶片，通常用一个传感器监控等离子体系统以确定等离子体处理系统的状态。一般在这种系统中传感器放置在等离子体内以监控特定参数，或者放置在耦合到处理腔室内的一个电极的传输线中。

发明内容

本发明提供了一种新方法和装置，用于测量和分析等离子体处理参数。

一个感测等离子体处理参数的RF传感器被提供有一个等离子体处理工具和一个接收从等离子体处理工具辐射的RF能量的天线。所述天线位于在等离子体处理工具附近，以便是非侵入式的。所述天线可以是一个宽带单极点天线。

在本发明的一方面内容中，一个RF传感器耦合到一个处理器，该处理器包括一个高通滤波器、一个放大器和一个数据处理设备。此外，所述数据处理设备可耦合到一个用户接口，以便与用户交互，也可耦合到一个网络，以便能够远程访问数据处理设备。

附图说明

图1描述了根据本发明的一个实施例的一个RF传感器；

图2是根据本发明的一个实施例的一个天线和处理器的简化框图；

图3是根据本发明的一个实施例的一个天线的简化框图；

图4是根据本发明的一个等离子体处理系统的简化框图；以及

图5是根据本发明的一个实施例的期望的谐波数据的简图。

具体实施方式

以下将参考提出的说明性实施例更详细说明本发明。

图1描述了根据本发明的一个实施例的一个RF传感器。一个等离子体处理工具包括一个腔室110。该等离子处理工具一般由一个RF能量源(未显示)提供能量。来自RF能量源的RF 120在等离子体处理工具的腔室110中产生和维持一个等离子体130，其中等离子体处理工具一般用在衬底的处理中。该等离子处理工具可以按照多种已知配置中的任何一种装配，所有已知配置都包括一个腔室110，其中有等离子体130用于处理。这些配置中的某些包括，例如，一个感性耦合等离子体(ICP)源、一个静电屏蔽射频(ESRF)等离子源、一个变压器耦合等离子体(TCP)源以及一个容性耦合等离子体(CCP)源。不论是哪种RF能量源，腔室110内的等离子体130都是通过由RF能量源生成的RF能量激励的。因此，RF能量以RF基频和RF基频的谐波从腔室110辐射出。谐波频率在等离子体130中生成。谐波频率的幅度和相位提供了关于等离子体130和腔室110的状态的信息。例如，在不同功率、压强和流速下进行的实验显示了辐射能量和处理参数之间的高度相关。特别地，分析结果显示第一和第二谐波以高于99％的匹配与等离子体的电子密度相关。

在等离子体腔室110外提供了一个天线140，用于接收从等离子体130辐射出的RF能量，并且将RF能量转换为一个RF信号。在图1中，天线140被描绘为在腔室110外。它也可以位于腔室110内，但是位于等离子体130的处理区域外。由于已知侵入式传感器会改变处理参数，因此在此配置中，天线具有不侵入等离子体130的优点。天线140耦合到一个处理器150。处理器150从天线140接收RF信号，从而被配置为处理RF信号以提供所需要的关于等离子体的状态的信息。此外，由于能量源的基频可能是兆赫量级，因此天线140可以是宽带、单极点天线，以便能够接收辐射出的RF能量的大带宽。例如，一个天线研究模型RAM-220可被用作宽带单极点天线。

图2是根据本发明的一个实施例的一个天线和处理器的简化框图。在所示实施例中，天线140耦合到一个高通滤波器210。天线也可耦合到另一类型的滤波器，例如带阻、带通或低通滤波器。高通滤波器210的输出耦合到一个低噪声放大器(LNA)220，然后放大后的信号输入到处理器230。高通滤波器可用于从接收到的信号中去除基频，因为通常基频中可能没有有用信息，有用信息可能包括在RF能量的谐波内。当然可通过去除或调整高通滤波器210的截止频率来收集关于基频的数据。在高通滤波器的截止频率之下的信号的典型衰减可在40dB范围内。LNA 220放大从高通滤波器提供的RF信号，以便信号能被处理器230适当处理。LNA的典型增益可在20-30dB范围内。

处理器230可配置为支持多个输入，如图2所示。在此情况下，几个处理过程可被单个处理器230独立监控和处理。处理器230可包括一个模数(A/D)转换器，用于将接收到的模拟信号转换成数字采样。可以以多种方法确定信号采样率。例如，如果RF能量的基频为13.56MHz，则125MHz的带宽将适于测量8个谐波(第8谐波的频率为122.04MHz)。在此情况下，如果A/D转换器的采样间隔为100ms，并且选择10KHz的频率库，则按Nyquist准则计算的采样率将为至少250MS/s，采样量将为25000。

耦合到处理器230的是一个用户接口240、一台外部计算机250以及一个网络260。用户接口250可包括多个已知元件，其用途是使用户能够与处理器230交互。例如，如果处理器在采样后要执行采样数据的FFT(快速傅立叶变换)，则结果将显示在一个触摸屏上，使用户能够与系统交互。外部计算机250可提供多种用途，包括对处理参数和腔室110的实时控制。网络260起的作用是使得用户能够远程访问处理器。例如，可以使FFT信息对外部计算机250或网络260可用。

在这种天线和处理器的一个例子中，腔室参数特征可在一个校准状态中被表征，并且由天线140收集的数据可施加到一个联系腔室和等离子体的各参数的模型。例如，某些参数可包括：电子密度、装配清洁度、电子温度和端点检测。通过使用这样的模型可以在不考虑天线的绝对标度的情况下使用天线，这样简化了传感器设计参数。

图3是根据本发明的一个实施例的一个天线的简化框图。腔室110、等离子体130、天线140和处理器150可以与图1和2所示的相同。天线140放置在一个外壳340中，外壳340通过连接壁310连接到腔室110。连接壁310被设计为传递从等离子体130辐射的RF能量，它可以是石英、氧化铝或其他任何合适的材料。也可在连接壁310中提供了一个孔，使RF能量能够经它传递。吸收器320和330用于吸收来自不必要的源的RF能量，以及减少由外壳340的谐振引起的失真，即，如果没有吸收器320和330，天线可能接收到不必要的谐振，使应该接收到的信号失真。一般来说，吸收器可包括在离散或宽带频率吸收能量的材料。

虽然显示为在外壳340的背部，吸收器320和330也可放置于外壳340周围的五侧面上(如果考虑外壳为矩形盒)。吸收器的这种配置方式使得当吸收器在盒的另外五个侧面上时，RF能量能够经过连接壁310从等离子体辐射出以及在外壳中辐射。

在实施例中，可选择吸收器320和330使得吸收器320被选择为吸收基频，而吸收器330被选择为吸收第一谐波。四分之一波配置可提供所选频率的最大衰减。此外，如果需要的话可提供额外的吸收层。虽然以上说明了特定的吸收器配置方式，但也可利用任何减少不必要的干扰的吸收器配置。

图4是根据本发明的一个实施例的一个等离子处理系统的简化框图。为了进行说明，腔室110被显示为一个具有上电极125的容性耦合的腔室，但是，也可类似地采用任何类型的系统。等离子体130、天线140和处理器150可以与上文所述的相同。如前所述，等离子体130被一个RF生成器420激励。RF生成器420可直接耦合到腔室110，或者如图4所示，通过一个匹配网络410或440耦合到腔室110。在图4中，为了说明显示了两个RF生成器，但是根据腔室110的配置，可以只用一个RF生成器420。上电极(UEL)匹配网络410耦合到上电极125，而下电极(LEL)匹配网络440耦合到下电极450。等离子体130被一个或多个RF生成器420激励。从而等离子体以基频和基频的谐波辐射RF能量。RF能量从腔室110中辐射出，并被天线140接收，天线140位于等离子130外。天线140耦合到一个处理器150，先前已经部分说明了该处理器。正如参考图1所说明的那样，上述配置提供了一种接收等离子处理参数的非侵入式方法。

处理器150接收RF能量，并通过一个模数(A/D)转换器将模拟信号转换为一个数字信号。通常，模拟信号的采样率取决于感兴趣的带宽(即带宽是感兴趣的基频和谐波的一个函数)。例如，500MHz的带宽通常以每秒10亿个采样的采样率采样。当然，可根据需要确定采样率，不必限于以上例子。RF能量的幅度和相位，包括谐波，可提供关于等离子体130的状态的信息，从而可提供关于腔室110的状态的信息。然后可用处理器150处理数据，并且通常可用诸如快速傅立叶变换(FFT)和主成分分析(PCA)这样的操作来从RF信号搜集信息。由处理器150获得的信息可提供对诸如装配清洁度、等离子密度、电子温度和端点检测等参数的了解。

在处理器的一个实施例中，可通过使用包括FFT的常规技术将接收到的RF能量的轨迹数据转换成频域输出信号。然后可提取出谐波频率的信息，并用在等离子处理系统校准过程中获得并通过PCA确定的系数与之相乘。PCA可用于确定系数，因为它使得相关值的一个大集合能够被转换为主值的一个较小集合。通过将原来的值集合转换成原来的(较大的)集合的不相关的线性组合的一组新集合，从而实现集合大小的减小。

通过使用接收到的RF能量的基频和谐波频率的幅度，可以进行几种不同的分析，包括能量分析、流分析和压强分析。通过处理根据幅度值获得的信息，还能进一步确定最大相关存在于哪些谐波之间，从而确定每个频率成分的可接受的系数。也可进行依赖性分析，以确定系统中一个参数的变化是否会影响另一个参数，但是，最初的结果显示参数可被独立调整。

此外，可以根据对轨迹数据的分析进行端点检测。一旦被绘出，则容易看出在接收到的RF能量的谐波中有显著变化。尤其地，在处理完成时，主要谐波的贡献可能变化。

例如，如描绘简化的期望的数据的图5所示，在T1时刻第3谐波的变化很明显，而在T2时刻，基频和第3谐波的变化都很明显。对处理过程的分析显示这些变化归因于处理过程的完成。这种端点检测方法可以是一种精确并且成本效率高的端点检测方法。

然后处理后的数据发送到一个工具控制430。该工具控制430可配置为执行几项任务。某些任务是工具控制430可执行包括端点确定、能量控制和气体控制(流速、压强等)。如图4所示，工具控制430耦合到腔室110和RF生成器420。通过这种方式，工具控制可以根据从处理器150接收到的数据调整这些设备的参数，以便能在腔室110中维持可重复的处理过程。

如上所述，PCA是一个多变量统计过程，它允许相关变量的一个较大的集合减少到主成分的一个较小的集合。因此，在校准阶段，PCA可用于首先根据一个包括各谐波的数据的数据集合生成一个协方差矩阵。接下来，可根据协方差矩阵获得一个特征解，从而可计算一组特征向量集合。根据特征解可计算每个主成分的贡献百分比。通过使用这些百分比，可使用带有获得的百分比的特征向量的加权和来相应地选择系数。可对不同参数进行此计算，这些参数包括能量、气体流速和腔室压强。一旦完成校准并确定了各参数，则工具控制可在控制循环中利用该信息，正如对本领域技术熟练者显而易见的那样。在这种类型的反馈循环中可维持一个可再现的处理过程。

处理器150可耦合到几个设备，如图2所示。某些本实施例中重要的设备包括用户接口240和外部计算机250。此外可能用户接口240和外部计算机250二者是一个设备，例如一台个人计算机。

最后，正如本领域技术熟练者将意识到的那样，由处理器150处理的数据量可以相当大。因此可能要求使用一个外部储存设备(未显示)。连接存储设备的一个可能的配置可以是直接连接到处理器150。通过网络260使用远程储存也可能是有利的(在图2中显示)。但是，任何储存数据的方法都是可接受的。储存数据的一个好处是用于将来的处理和分析。此外，实现的数据可用于建模一个可接受的操作工具控制430的控制系统，从而控制等离子处理。

以上对所述实施例的介绍是用来使任何本领域技术熟练者能够利用本发明的。可能对这些实施例进行各种修改，并且此处介绍的用于半导体处理参数的测量的一个RF传感器的一般原理也可用于其他实施例。从而，本发明不倾向于限于以上所示的实施例，而是根据此处以任何方式提出的原理和新特征一致的最广的范围的。

Claims (13)

1.一种用于感测等离子体处理的参数的RF传感器，所述RF传感器包括：

一个等离子体处理工具，它具有一个等离子体处理区域；以及

一个天线，用于接收从所述等离子体处理工具辐射的RF能量；

其中，所述的接收到的RF能量包括一个基频和多个谐波频率，并且

其中，所述天线位于所述等离子体处理区域之外。

2.权利要求1所述的RF传感器进一步包括：

一个处理器，所述处理器耦合到所述天线，用于处理从所述天线接收到的所述RF能量。

3.权利要求2所述的RF传感器，其中所述处理器进一步包括：

耦合到所述天线的一个滤波器；

耦合到所述滤波器的一个放大器；以及

耦合到所述放大器的一个数据处理设备。

4.权利要求3所述的RF传感器，其中所述数据处理设备可配置为独立地支持至少两个输入信号。

5.权利要求3所述的RF传感器，其中所述滤波器是一个高通滤波器。

6.权利要求3所述的RF传感器，其中所述放大器是一个低噪声放大器。

7.权利要求3所述的RF传感器，进一步包括：

耦合到所述数据处理设备的一个用户接口；以及

耦合到所述数据处理设备的一台外部计算机；

其中所述用户接口和所述外部计算机被配置为使用户能够与所述数据处理设备交互。

8.权利要求7所述的RF传感器，其中所述用户接口是一个触摸屏监示器。

9.权利要求3所述的RF传感器，其中所述数据处理设备耦合到一个网络，用于允许用户远程地与所述数据处理设备交互。

10.权利要求2所述的RF传感器，其中所述处理器被配置为进行所述RF能量的频谱分析和谐波内容分析中的至少一个。

11.权利要求1所述的RF传感器，其中所述天线是一个宽带单极点天线。

12.一种用于感测等离子体处理参数的方法，所述方法包括：

提供一个天线，所述天线靠近一个等离子体处理工具但在等离子体处理区域之外；以及

感测从所述等离子体处理工具辐射的RF能量。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

处理所述RF能量，其中所述处理包括对所述RF能量的频谱分析和谐波内容分析中的至少一个。

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