CN1851420A - 一种等离子体内电子温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体刻蚀控制技术。本发明提出一种等离子体内电子温度测量装置，其中包括光谱仪和通用计算机，其中光谱仪获得等离子体的光谱信息并输出到通用计算机；通用计算机接收等离子体的光谱信息，计算等离子体内电子的温度。采用本发明可以实时获得等离子体内电子温度、进行等离子体状态的监控。这种方法节约时间，提高生产效率，而且可以及时的诊断故障的发生。而且采用本发明的装置对等离子体没有干扰，对工艺的效果没有干扰，提高了测量的准确度。

Description

一种等离子体内电子温度测量装置

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀控制技术，具体涉及一种可以实时测量等离子体内电子温度的装置。

背景技术

在半导体器件的制造中，集成电路或平板显示器上的不同的材料层面一般需要经过多道工序，例如化学和物理沉积、光刻、刻蚀等处理过程，刻蚀是其中必不可少的一部分，并占据着重要地位。对于越来越小的器件尺寸刻蚀一般都在等离子工艺体系的反应室中进行。

由于刻蚀工艺中主要用到等离子体技术，在等离子体环境下对硅片进行刻蚀，因此等离子体的状态是直接影响刻蚀效果的因素。目前在刻蚀中对等离子体本身性能的检测比较少，但是在更小的刻蚀尺寸下对等离子体各项参数的精确控制非常重要。电子温度是等离子体中最基本的参数，可以由它的测量结果计算得到等离子体的其它各项参数，从而建立刻蚀状态下等离子体的典型参数。如果在工艺过程中电子温度偏离了这个基础，就说明线圈或腔室的某位置发生了问题，也就是可以实现故障诊断。而且也可以进行不同腔室之间的匹配，在匹配较好的情况下，不同的腔室测得的电子温度应该是相同的。

目前在刻蚀过程中，人们往往在工艺前用监测等离子体的朗谬探针进行电子温度的测量，方法是将朗谬探针插入到刻蚀腔室内，利用等离子体的电学特性，测量等离子体内鞘层的电流和电压，从而得到等离子体的电子温度。

这种测量方法的缺点是，首先用朗谬探针会对等离子体有扰动，因此测量的数据由于这种扰动而不准确；并且这种扰动对刻蚀工艺结果有干扰。另一方面探针灯丝易损坏，不能用于对工艺气体启辉的过程，所以无法实现对等离子体的实时测量，因此不能对工艺过程起到监控的作用。

另一种测量等离子体内电子温度的方法是使用其它类型的等离子体状态传感器，例如测量输入等离子体内电流和电压的探针、等离子体正离子流测量探针等，这些传感器可以通过等离子体阻抗、正离子电流等来评价等离子体的状态，当这些参数发生变化时认为等离子体的状态发生了变化。但是，这些传感器不能直接得到等离子体的基本性质，而且为了实现这样的做法，需要购买新的探针，提高设备的整体价格，还会增加设备的体积。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种可以实时测量等离子体内电子温度、得到等离子体的基本性质、对等离子体没有任何扰动的等离子体内电子温度测量方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明的采用以下技术方案：

一种等离子体内电子温度测量装置，包括光谱仪和通用计算机，其中光谱仪获得等离子体的光谱信息并输出到通用计算机；通用计算机接收等离子体的光谱信息，计算等离子体内电子的温度。

上述的等离子体内电子温度测量装置，其中光谱仪输出到通用计算机的光谱信息包括光强。

上述的等离子体内电子温度测量装置，一种优选的方案是通用计算机用于计算等离子体内电子温度的公式是：

$\frac{I_{\mathrm{ab}}}{I_{a^{\′}{b}^{\′}}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\α}}_{a^{\′}{b}^{\′}}}\·\frac{{\mathrm{BR}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{BR}}_{a^{\′}{b}^{\′}}}\·\frac{v_{\mathrm{ab}}}{v_{a^{\′}{b}^{\′}}}\frac{[{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\→a}+\frac{n_{m_1}}{n_g}{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{m_1\→a}]}{[{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\→a^{\′}}+\frac{n_{m_1}}{n_g}{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{m_1\→a^{\′}}]},$

${\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\left(m\right)\→a}=C{{\·T}_e}^{-\frac{3}{2}}{\∫}_{E_{\mathrm{th}(g\→a)}}^{\∞}{\mathrm{E\σ}}_{g\→a}{\left(E\right)e}^{-\frac{E}{T_e}}\mathrm{dv};$

其中T_e是电子温度，I_ab是发射谱线的光强，α_ab是光谱仪在波长λ_ab处的响应系数，BR_ab为从能级a跃迁到能级b的分支比，ν_ab为振荡频率，σ_g→a(ν)是速率为υ的电子将基态原子激发至上能级a态的激发截面。

上述的等离子体内电子温度测量装置，一种优选的方案是光谱仪是全光谱设备，它安装在刻蚀腔室的侧壁。

上述的等离子体内电子温度测量装置，一种优选的方案是光谱仪与通用计算通过USB或以太网的形式连接。

上述的等离子体内电子温度测量装置，一种优选的方案是通用计算机中安装了检测程序，当计算得出的电子温度超出临界值时，发出报警信号。

(三)有益效果

采用本发明可以实时获得等离子体内电子温度、进行等离子体状态的监控。这种方法节约时间，并提高了传感器的集成化和自动化，提高生产效率。而且可以及时的诊断故障的发生，避免了硅片的浪费。为设备的维护提供了实际的指导，可以节约设备停机维护的时间和间隔。

而且采用本发明的装置对等离子体没有干扰，对工艺的效果没有干扰，提高了测量的准确度。

附图说明

图1是本发明的装置模块图；

图2是本发明的装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明半导体刻蚀装置具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。

本发明的理论基础是，采用现有的发射光谱(OES)设备，测量在工艺状态下等离子体的发射光谱，OES设备测量的是工艺过程中的工艺气体的全光谱，从200-800nm。工艺气体主要含有Cl₂、HBr、He和O₂气，以He气为例，检测He气的发射谱线。He气的两条发射谱线分别为728.1nm和706.5nm，用OES测量并利用其强度之比进行计算，两条发射谱线强度的比值与电子温度之间存在着一定的关系，如下：

$\frac{I_{\mathrm{ab}}}{I_{a^{\′}{b}^{\′}}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\α}}_{a^{\′}{b}^{\′}}}\·\frac{{\mathrm{BR}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{BR}}_{a^{\′}{b}^{\′}}}\·\frac{v_{\mathrm{ab}}}{v_{a^{\′}{b}^{\′}}}\frac{[{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\→a}+\frac{n_{m_1}}{n_g}{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{m_1\→a}]}{[{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\→a^{\′}}+\frac{n_{m_1}}{n_g}{\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{m_1\→a^{\′}}]}$

${\⟨\mathrm{\σv}\⟩}_{g\left(m\right)\→a}=C{{\·T}_e}^{-\frac{3}{2}}{\∫}_{E_{\mathrm{th}(g\→a)}}^{\∞}{\mathrm{E\σ}}_{g\→a}{\left(E\right)e}^{-\frac{E}{T_e}}\mathrm{dv}$

这里T_e是电子温度，I_ab是发射谱线的光强，α_ab(α_a′b′)是光谱仪在波长λ_ab(λ_a′b′)处的响应系数，BR_ab为从能级a跃迁到能级b的分支比，ν_ab为振荡频率，σ_g→a(ν)是速率为υ的电子将基态原子激发至上能级a态的激发截面。所以从等离子体的发射光谱的强度就可以通过计算得到电子温度。这个公式适用于和本发明相关的每一种元素。

参照图1，具体使用本发明提出的等离子体内电子温度测量方法时，装置包括：反应腔室，用于进行半导体刻蚀工艺；光谱仪(OES)，它安装在腔室侧面，而且不必将探头伸入腔室。由于腔室是通过石英窗密封的，OES的光纤在石英窗外，光可以通过石英盖被探头接收。本实施例中的光谱仪是一台全光谱的设备，可以实时监测工艺过程中的发射谱线，进行发射光谱的检测，对等离子体没有任何干扰。OES通过USB或以太网的方式与通用计算机连接，这个计算机能从获得等离子体内电子温度中获得设备状态，从而对刻蚀设备进行控制。

在刻蚀的过程中，通过OES设备选出特定的谱线，实时得到谱线的强度。这些信息输出到通用计算机，计算机通过上述公式，利用C语言程序计算得到代表等离子体状态特性的电子温度这个重要参数，从而描述等离子的状态。这个计算程序也可以通过其它语言实现，本领域技术人员都知道如果通过编程语言实现，在此不做赘述。

在得到了电子温度这个参数后，通过大量的在工艺正常时的实验结果，建立统计图，从而得到在工艺稳定时等离子体温度的标准。这里的统计图利用SPC模型，即统计过程控制方法进行建立模型，也就是说，通过大量的实验数据得到电子温度分布的中心点 X，以及标准偏差 $S=\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(X_n-\stackrel{\‾}{X})},$ 并建立上下界限，通常上下界限为 X±3S。这样当每次工艺过程中得到的电子温度平均值超出了这个上下界限 X+3S和 X-3S时，表明等离子体的状态发生了变化，软件中的程序会将电子温度与上下界限实时作比较，当发现其值大于上限、小于下限时发出报警信号，这时就需要进行故障发生地点的考虑和排查，所以这种方法提供了精确的故障诊断的方法。

图2为本发明的等离子体温度探测装置的工作流程简图。开始温度探测，首先由OES探测器获得反应腔体内的等离子体的光谱信息，将这些光谱信息输出到含有谱线处理程序的计算机，由计算机完成电子温度的计算过程。获得电子温度后，相关信息输出到SPC工艺模型进行判决。如果电子温度不超出规定的温度临界值，就是满足SPC模型的；如果电子温度超出规定得温度临界值，也就是说工艺过程有异常，计算机会发出相应的警报。

可见，采用本发明可以实时获得等离子体内电子温度、进行等离子体状态的监控。本发明节约时间，并提高了传感器的集成化和自动化，提高生产效率。而且可以及时的诊断故障的发生，避免了硅片的浪费。为设备的维护提供了实际的指导，可以节约设备停机维护的时间和间隔。而且采用本发明的装置对等离子体没有干扰，对工艺的效果没有干扰，提高了测量的准确度。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1、一种等离子体内电子温度测量装置，其特征在于包括光谱仪和通用计算机，其中光谱仪获得等离子体的光谱信息并输出到通用计算机；通用计算机接收等离子体的光谱信息，计算等离子体内电子的温度。

2、如权利要求1所述的等离子体内电子温度测量装置，其特征在于光谱仪输出到通用计算机的光谱信息包括光强。

3、如权利要求1所述的等离子体内电子温度测量装置，其特征在于通用计算机用于计算等离子体内电子温度的公式是：

$\frac{I_{\mathrm{ab}}}{I_{a^{\&prime;}{b}^{\&prime;}}}=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{a^{\&prime;}{b}^{\&prime;}}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{BR}}_{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{BR}}_{a^{\&prime;}{b}^{\&prime;}}}\&CenterDot;\frac{v_{\mathrm{ab}}}{v_{a^{\&prime;}{b}^{\&prime;}}}\frac{[{<\mathrm{\&sigma;v}>}_{g\&RightArrow;a}+\frac{n_{m_1}}{n_g}{<\mathrm{\&sigma;v}>}_{m_1\&RightArrow;a}]}{\left[{<\mathrm{\&sigma;v}>}_{g\&RightArrow;a^{\&prime;}}{+\frac{n_{m_1}}{n_g}<\mathrm{\&sigma;v}>}_{m_1\&RightArrow;a^{\&prime;}}\right]},$

${<\mathrm{\&sigma;v}>}_{g\left(m\right)\&RightArrow;a}=C\&CenterDot;{T_e}^{-\frac{3}{2}}{\&Integral;}_{E_{\mathrm{th}(g\&RightArrow;a)}}^{\&infin;}{\mathrm{E\&sigma;}}_{g\&RightArrow;a}\left(E\right)e^{-\frac{E}{T_e}}\mathrm{dv};$

其中T_e是电子温度，I_ab是发射谱线的光强，α_ab是光谱仪在波长λ_ab处的响应系数，BR_ab为从能级a跃迁到能级b的分支比，v_ab为振荡频率，σ_g→α(v)是速率为υ的电子将基态原子激发至上能级a态的激发截面。

4、如权利要求1所述的等离子体内电子温度测量装置，其特征在于光谱仪是全光谱设备，它安装在刻蚀腔室的侧壁。

5、如权利要求1所述的等离子体内电子温度测量装置，其特征在于光谱仪与通用计算通过USB或以太网的形式连接。

6、如权利要求1所述的等离子体内电子温度测量装置，其特征在于通用计算机中安装了检测程序，当计算得出的电子温度超出临界值时，发出报警信号。