DE10119058C2 - Vorrichtung zum Detektieren von Instabilitäten eines hochfrequent angeregten Plasmas, insbesondere von Arcing Ereignissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Insta­ bilitäten eines hochfrequent angeregten Plasmas, insbesondere von Arcing-Ereignissen in plasmaunterstützten Prozessen bei der Halbleiterproduktion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Halbleiterproduktion werden zur Bearbeitung von dünnen Si-Scheiben, soge­ nannten Wafern, plasmaunterstützte Prozesse verwendet. Dabei kann es zu uner­ wünschten Instabilitäten des Plasmas kommen, die den Prozess nachteilig beeinflussen und die in schweren Fällen als Arcing-Ereignisse bezeichnet werden. Unter Arcing ver­ steht man hochenergetische Entladungen, die zwischen wenigen Mikrosekunden und Millisekunden andauern können und die häufig in Form eines Lichtbogens auftreten. Da durch Instabilitäten des Plasmas, insbesondere durch Arcing-Ereignisse, ein gerade be­ arbeiteter Wafer durch Materialabtrag oder Materialauftrag von einer anderen Stelle der Bearbeitungskammer her gravierend beschädigt werden kann, kommt der Detektion unerwünschter Instabilitäten des Plasmas besondere Bedeutung zu.

Fig. 10 zeigt den Aufbau eines bereits bekannten Parallelplattenreaktors, anhand dessen einige Eigenschaften von HF-Plasmen beschrieben werden sollen. Ein zu bearbeitender Wafer 15 befindet sich auf einer durch einen HF-Generator 16 angeregten Elektrode 17a. Die Gegenelektrode 17b ist leitend mit dem Rest einer Kammer 9 verbunden und befindet sich auf Erdpotential. Zwischen der angeregten Elektrode 17a und der Gegen­ elektrode 17b befindet sich ein Plasma 18. Durch geeignet unterschiedliche Flächen der Elektroden entsteht vor der angeregten Elektrode 17a ein höherer Potentialabfall als vor der geerdeten Elektrode 17b. Aufgrund des höheren (positiven) Potentials des Plasmas 18 in Bezug auf die Elektroden 17a, 17b und die Kammer 9 werden die Ionen in Rich­ tung der Elektrode 17a gezogen und durch den Potentialabfall beschleunigt. Über einen Gaseinlass 19 und einen Gasauslass 20 kann eine entsprechende Gasatmosphäre in der Kammer 9 geschaffen werden. Bei entsprechend niedrigem Gasdruck in der Kammer (0,1 bis 10 Pa), wird die freie Weglänge (das ist jener Weg, den ein Teilchen zurückle­ gen kann, ohne mit einem anderen Teilchen zu kollidieren) groß, so dass die Ionen größtenteils ungestört senkrecht auf den Wafer auftreffen können und über genügend kinetische Energie verfügen, um bei ihrem Auftreffen auf den Wafer beispielsweise eine physikalisch-chemische Ätzreaktion einzuleiten.

Aufgrund unterschiedlichster Effekte, wie Verschmutzungen, ungünstiger geometrischer Konturen usw. kann es zu unerwünschten Plasmainstabilitäten kommen. Hochenergeti­ scher Plasmaentladungen, die zwischen wenigen Mikrosekunden und einigen Millise­ kunden dauern können, werden als Arcing bezeichnet. Während solcher Ereignisse bricht das HF-Feld lokal zusammen. Sie können zu unmittelbarer Beschädigung der Wafer führen oder dazu, dass Partikel aus Wandungen bzw. Grenzflächen herausge­ schlagen werden, die sich in der Kammer oder auf dem Wafer ablagern Für Arcing typi­ sche lokale Entladungen können kurzfristig hohe Stromdichten aufweisen, was mit einer kurzfristigen Änderung der Plasmaimpedanz vergleichbar ist. Diese Impedanzänderung zieht aufgrund der Trägheit eines Abgleichnetzwerks (zur Impedanzanpassung des HF- Generators an die Gesamtimpedanz des Systems) eine Fehlanpassung der eingekoppel­ ten Leistung nach sich, die sich in einer Verringerung der Feldstärke des elektromagne­ tischen Streufeldes bemerkbar macht.

Zur Detektion von Beschädigungen des Wafers ist es allgemein üblich, Untersuchungen der Waferoberfläche entweder standardmäßig oder bei konkreten Verdachtsmomenten durchzuführen. Da in vielen Fällen die manuelle Kontrolle mit dem Lichtmikroskop zu wenig Aufschluss über die Art des beobachteten Defekts zulässt, kommen unterschied­ liche bereits bekannte Kontrollmechanismen wie die Orbot-Messung und die EDX- Analyse zum Einsatz. Bei der Orbot-Messung erfolgt zur Detektion von Defekten eine Abtastung der Waferoberfläche mit Hilfe eines Argon-Lasers. Bei der EDX-Analyse wird ein Wafer oder eine Waferprobe mit Elektronen bestrahlt, ähnlich wie es zum Bei­ spiel beim Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) der Fall ist.

Ein Nachteil bekannter Mess- und Kontrollverfahren besteht darin, dass erst auf Ver­ dacht eine solche Messung durchgeführt wird. Dies erfolgt üblicherweise erst nach mehreren durchgeführten Prozessschritten. Somit wird eine Beschädigung erst nach dem Ende des Prozesses detektiert. Ein derartiges den Wafer beschädigendes Ereignis kann aber schon zu Beginn der Prozessfolge aufgetreten sein, so dass man sich bei sofortiger Detektion einer Beschädigung des Wafers nachfolgende Prozessschritte eventuell hätte sparen können.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der WO 99/14394 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine in einfacher Weise in eine Anlage mit einem Plasma erfolgenden Bearbeitungs­ schritt integrierbare Vorrichtung anzugeben, mit der Plasmainstabilitäten und insbesondere Arcing-Ereignisse ohne die Notwendigkeit der Verarbeitung einer übergroßen Datenmenge detektiert werden können.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Vorteil erzielt, dass das Streufeldverhal­ ten über lange Zeitdauer aufgezeichnet werden kann, sodass das Verhalten von Arbeits­ kammern und die Zuordnung zu Instabilitäten des Plasmas zu einzelnen Wafern zurück­ verfolgt und analysiert werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ist es möglich, durch Erfassen des von dem Plasma erzeugten Streu­ feldes außerhalb der das Plasma enthaltenden Bearbeitungskammer, beispielsweise an einem Beobachtungsfenster oder neben einer Stelle, aus der aus anderen Gründen ein Streufeld austritt, Instabilitäten bzw. gravierende Instabilitäten, die mit Arcing Ereignis­ sen verbunden sind, zu detektieren. Die Erfindung ermöglicht daher, ohne jeden Eingriff in eine mit einem Plasma arbeitende Anlage solche Instabilitäten zu erkennen. Dies kann sowohl genutzt werden, um zu Instabilitäten neigende Bearbeitungskammern zu erkennen und diese dann entsprechend zu verbessern, als auch genutzt werden, um eine mögliche Beschädigung eines gerade bearbeiteten Wafers zu erkennen, sodass weitere teuere Bearbeitungsschritte vermieden werden können.

Die Erfindung kann überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo mit einem mit HF erregten Plasma gearbeitet wird, beispielsweise auch bei Beschichtungsprozessen.

Es hat sich herausgestellt, dass bereits durch ein kleines Beobachtungsfenster, wie es beispielsweise an Bearbeitungskammern für die Waferherstellung vorgesehen ist, aus­ reicht, damit ein neben ihm angeordneter Sensor ein genügend starkes Streufeld erfasst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft bei der Überwachung plasmaunterstützter Prozesse in der Halbleiterproduktion, bei­ spielsweise bei der Produktion von Wafern für Schaltungen oder für photovoltaische Solarzellen eingesetzt werden, wo Eingriffe in die Produktion oder die Produktion feh­ lerhafter Teile mit sehr hohen Kosten verbunden sind.

Die Erfindung ermöglicht, Wafer unmittelbar nach (bzw. bereits während) dem Prozess­ schritt auf Beschädigungen durch Arcing zu überprüfen und im Falle einer Beschädi­ gung aus dem Prozess zu nehmen. Durch das Entfernen solcher Wafer werden Kosten eingespart, da weitere kostenintensive Prozessschritte an bereits beschädigten Wafern entfallen. Weiter kann ein Waferbearbeitungsanlage unmittelbar in Hinblick auf ihre Arcing-Anfälligkeit überprüft werden. Ferner wird durch die Wortarten, also das Statio­ närwort und das Flankenwort, eine Datenkompression erreicht, die den Einsatz kosten­ günstiger Datenverarbeitungseinrichtungen, beispielsweise Laptops, ermöglicht.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Beispiel eines Sensors zur Messung der Feldstärke;

Fig. 3 eine Ansicht einer Befestigung eines Messsensors an einem Kammerfenster,

Fig. 4 eine schematische Gesamtansicht zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung,

Fig. 5 das Datenformat eines Stationärworts und eines Flankenworts;

Fig. 6 bis 8 graphische Darstellungen zur Erläuterung von Strategien der Datenkom­ pression,

Fig. 9 eine Ansicht eines Anzeige- und Auswertebildschirms und

Fig. 10 einen Aufbau eines Parallelplattenreaktors.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung. Eine Messeinrichtung 1 dient zur Erfassung eines magneti­ schen Streufeldes eines beispielsweise mit der Industriefrequenz von 13,56 MHz oder 2,45 GHz (es kann auch mit anderen Frequenzen gearbeitet werden) angeregten Plasmas (nicht gezeigt). Die von der Messeinrichtung 1 gelieferten Niederpegelsignale werden von einem HF-Verstärker 2 verstärkt und über einen Kurven-Detektor 3 einem A/D- Wandler 4 (jeweils allgemein bekannte Bauelemente) zugeführt. Ein Ausgang des A/D- Wandlers 4 ist mit einem Eingang eines DSP (digitaler Signalprozessor) 5 verbunden. Der DSP 5 übernimmt mittels eines speziellen Algorithmus, der später beschrieben wird, die Aufgabe der Datenvorfilterung und -kompression.

Die von dem DSP 5 aufbereiteten Daten werden von einem DSP-Zwischenspeicher (nicht gezeigt) in softwareseitig einstellbaren Zeitintervallen mittels eines Mikrokon­ trollers 6 über ein PC-Interface 7 und eine RS 232-Schnittstelle 8 an einen Meß-PC (nicht gezeigt) übertragen. Ab diesem Punkt erfolgt die weitere Auswertung mittels ei­ ner sogenannten Arcview-Software.

Die Messeinrichtung 1 zur Messung der Feldstärke enthält einen Sensor, der gem. Fig. 2 vorteilhafterweise einen abstimmbaren Schwingkreis 10 enthält, der das magnetische Streufeld des angeregten Plasmas induktiv erfasst. Der Schwingkreis ist dabei z. B. mit­ tels eines Trimmkondensators auf eine Anlage abstimmbar, die plasmaunterstützte Pro­ zesse durchführt. Durch einen derartigen Sensor können ausreichend hohe Messpegel zur weiteren Auswertung bereitgestellt werden. Alternativ sind auch andere Sensoren zur Messung der Feldstärke denkbar, zum Beispiel reine Luftspulen, sofern sie einen ausreichend hohen Messpegel liefern.

Der DSP 5, der neben einem Prozessor und Taktgeber in an sich bekannter Weise ge­ eignete Speicher (RAM und dgl.) enthält und die Datenaufbereitung der gemessenen Feldstärken durchführt, unterscheidet zwischen zwei Signal-Ereignissen, denen ver­ schiedene beispielsweise 24-Bit breite DSP-"Wörter" zugeordnet werden. Das sind ei­ nerseits Stationärwörter zur Erfassung von Signalabschnitten mit fast konstantem Pegel und andererseits sogenannte Flankenwörter für Signalabschnitte mit starker Pegelände­ rung.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Befestigung der Messeinrichtung 1 an einer ein Plasma enthaltenden Bearbeitungskammer 9. Bei der Kammer kann es sich zum Beispiel um eine Ätzkammer zur Durchführung von Plasmaätzen handeln. Das bei abgenommenem Deckel dargestellte Gehäuse 11 der Kammer 9 weist eine seitliche Öffnung 12 auf, an der über einen O-Ring, eine Fensterscheibe 13, ein UV-Filter und einen weiteren O- Ring eine Halterung 14 für die Messeinrichtung 1 bzw. deren Messsensor befestigt ist. Die Verbindung zwischen einem in der Sensorhalterung 14 befestigten Sensor und der Signalverarbeitungseinrichtung erfolgt beispielsweise über ein doppelt geschirmtes BNC-Kabel von 2 m Länge.

Fig. 4 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 1 mit zugehörigen Signalbildern. Innerhalb der Kammer 9 erzeugt das dort mit einer Frequenz im MHz oder GHz Bereich angeregte Plasma ein elektromagnetisches Feld I entsprechender Frequenz. Dieses Feld hat nor­ malerweise eine konstante, regelmäßige Amplitude (Bereiche a) und ist im Fall einer Störung instabil bzw. bricht zusammen (Bereich b). Das elektromagnetische Feld wird außerhalb der Kammer 9 von der Messeinrichtung 1 erfasst, wobei die Messeinrichtung ein Messsignal entsprechend II erzeugt. Das Messsignal wird von dem HF Verstärker 2 verstärkt, so dass sich der Signalverlauf gem. III ergibt. Dieser Signalverlauf wird von dem Kurvendetektor 3 derart geglättet, dass eine einer Polarität des Messsignals ent­ sprechende Hüllkurve erzeugt wird und sich der Signalverlauf IV ergibt. In dem A/D Wandler 4 wird der Signalverlauf IV mit hoher Taktfrequenz, beispielsweise jede µs ausgetastet, so dass sich eine Folge digitalisierter Messwerte IV ergibt, die dem jeweili­ gen augenblicklichen Wert des Signals D entsprechen und von dem Prozessor 5 weiter­ verarbeitet werden.

Fig. 5 zeigt die Datenformate eines derartigen Stationärworts und eines derartigen Flan­ kenworts. Die Kennzeichnung der beiden Wörter erfolgt z. B. über die Werte des Bits 23 (0 entspricht einem Stationärwort, 1 entspricht einem Flankenwort: Bedeutung s. u.).

Von dem Signalprozessor zyklisch eingelesene Messwerte werden im Fall kleiner Ände­ rungen bzw. in einem nahezu horizontal verlaufenden Signalstück zusammen mit einem mittleren Signalpegel zu einem Stationärwort mit der in Fig. 5 gezeigten Struktur zu­ sammengefasst. Ein Signalstück wird dann als horizontal (bzw. stationär) interpretiert, wenn mehrere aufeinanderfolgende Messwerte innerhalb eines Toleranzbandes liegen und sich um weniger als einen Schwellenwert unterscheiden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Datenformat sind 15 bit für einen "Count", im folgenden auch Zählstand bezeichnet, reserviert. Der Zähltakt entspricht im Grunde der Frequenz, mit der die vom Hüllkurven-Detektor 4 gelieferte Hüllkurve des Messsignalverlaufs abgetastet wird. Damit lässt sich im Idealfall, bei einer Abtastrate von 1 MHz, ein ma­ ximal 2¹⁵-Meßwerte langer Abschnitt (entspricht 2¹⁵ × 1 µs = 32,768 × 1 µs = 32,768 ms) in einem Wort kodieren, wodurch eine massive Datenkompression erfolgt, so dass eine Übertragung der Wörter in Echtzeit an einen Mess-PC zur Auswertung möglich wird.

Bei driftartigem Herauslaufen der Abtastsignale aus einem Toleranzband (langsamer Vorgang, keine für ein Arcing-Ereignis signifikante Signaländerung) folgt ein neues Stationärwort, dem ein neuer Signalwert zugeordnet wird.

Bei Beendigung eines Stationärworts enthält der Zählerstand die Anzahl der aufeinan­ derfolgend aufgetretenen Messwerte, die sich jeweils voneinander um weniger als einen Schwellenwert B_MAX (vgl. Fig. 6) unterscheiden und innerhalb des Toleranzbandes liegen, das im Falle der Fig. 6 doppelt so groß sein kann wie der Schwellenwert B_MAX.

Das Stationärwort enthält vorzugsweise als Pegelinformation den Messwert zu Beginn seiner Generierung; es kann als Pegelinformation jedoch auch den Mittelwert aller wäh­ rend seiner Dauer aufgetretenen Messwerte oder auch den letzten Messwert enthalten.

Das System geht von einem Stationärwort zu einem Flankenwort beispielsweise dann über, wenn sich zwei aufeinanderfolgende Messwerte um mehr als den Schwellenwert B_MAX unterscheiden. Ähnlich wie bei einem Stationärwort enthält der Zählerstand bei Beendigung eines Flankenwortes die Anzahl der während seiner Dauer aufgetrete­ nen Messwerte. Als Pegelinformation enthält ein Flankenwort beispielsweise den Wert des letzten ihm zugeordneten Abtastsignals.

Die Schwellenwerte für die Generierung eines Stationärworts und eines Flankenworts sind vorzugsweise jeweils variabel einstellbar, wodurch eine leichte Anpassung an ver­ schiedene zu überwachende Prozesse möglich ist. Diese Schwellenwerte können auch während eines Detektionsvorgangs jederzeit an veränderte Bedingungen manuell oder automatisch angepasst werden.

Durch das Ablegen der oben genannten Information in Wörtern (Binärwörtern) ist zu einem späteren Zeitpunkt eine zeitliche Rückverfolgung möglich. Hierzu werden alle zu einer Messung gehörigen Wörter zeitlich aufeinanderfolgend innerhalb eines Messfiles gespeichert, und nach Beendigung der Messung automatisch ein neues Messfile mit einer um 1 erhöhten Kennnummer generiert. Die zeitliche Rückverfolgung einer Messung wird dadurch ermöglicht, dass der Zählerteil die Anzahl der zugehörigen Abtast­ takte repräsentiert. Da ferner in jedem der Wörter der Mittelpegel bzw. der Schlusspegel der in jedem Wort zusammengefassten Messwerte enthalten ist, ist trotz der hohen Da­ tenkompression eine fast vollständige Rekonstruktion des abgetasteten Signals möglich.

Bei manueller Analyse, lassen sich unterschiedliche Einstellungen treffen, um gezielt auf Auffälligkeiten eingehen zu können. so kann man sich z. B. nur bestimmte Peak- Gruppen oder Peaks bestimmter Länge anzeigen lassen. Ferner können verschiedene Messkurven vorwärts und rückwärts durchgeblättert werden, um so Arcing-Trends von Prozessen und Anlagen ablesen zu können.

Über einen Parameter kann z. B. die Einschaltschwelle der Vorrichtung festgelegt wer­ den, so dass ein Messfile erst generiert wird, wenn ein Prozess beginnt. Dies ist im all­ gemeinen durch einen starken Pegelanstieg gekennzeichnet. Damit der Einschaltvor­ gang auch tatsächlich korrekt erkannt wird, und nicht bei jedem Ausreißer mit der Auf­ zeichnung begonnen wird, kann über einen weiteren Parameter z. B. die minimale benö­ tigte Anzahl von Flankenwörtern festgelegt werden, deren Schlusspegel über der Ein­ schaltschwelle liegt.

Ebenso kann z. B. ein Parameter für das Abschalten der Aufzeichnung von Abtastsigna­ len in einem File gesetzt werden. Um nicht vorzeitig abzuschalten, oder Prozessschritte mit typisch geringem Signalpegel fälschlich als Plasmaabschaltvorgang zu interpretie­ ren, kann über einen Verzögerungsparameter die Zeit vorgegeben werden, innerhalb der die Anzahl der unterhalb dem Abschaltparameter liegenden Abtastwerte einen wählba­ ren Prozentsatz erfüllt.

Eine verstärkte Datenreduktion lässt sich z. B. mit Hilfe eines Parameters N (nicht ge­ zeigt) erreichen. Über den Wert des Parameters N lässt sich die Abspeicherung kurzer und somit insignifikanter Stationärworte unterdrücken. Hat ein Stationärwort einen Zähler ≦ N, so wird dieses Stationärwort nicht abgelegt, sondern der aktuelle Zähler als Anfangswert in das nachfolgende Flankenwort übernommen.

Fig. 6 Zeit eine graphische Darstellung der DSP Entscheidungsstrategie gemäß einem ersten Fall. In der Darstellung sind aufeinanderfolgende (n, n + 1, n + 2) Messwerte darge­ stellt. Es wird angenommen, dass sich das System in einem Flankenwort für ansteigende Messwerte befindet. Alle Überlegungen gelten jedoch sinngemäß auch für fallende Flanken mit korrespondierenden Parametern (B_MAX → B_MIN, . . .).

Bei Fall A, wie in Fig. 6 gezeigt, ist der Messwert x_n+1 größer als der zeitlich vorange­ gangene Messwert x_n. Somit wird die steigende Flanke fortgesetzt, was zur Folge hat, dass der Zählstand (count) des Flankenwortes um 1 erhöht wird.

Bei Fall B, wie in Fig. 6 gezeigt, liegt der Messwert x_n+1 nur geringfügig unterhalb von x_n innerhalb eines durch einen Parameter R definierten Intervalls. hierbei wird die Ent­ scheidung über die Zuordnung bis zum nächsten Messwert x_n+2 aufgeschoben (siehe Fall 2 gemäß Fig. 5). Der Zählstand bleibt zunächst unverändert.

Bei Fall C, wie in Fig. 6 gezeigt, liegt der Messwert x_N+1 innerhalb eines durch D_Max definierten Intervalls unterhalb von x_N, wodurch ein neues Stationärwort bei X_N+1 mit dem Toleranzband x_n+1, ± B_Max beginnt. Der Zähler des neuen Stationärwortes wird auf den Startwert 1 gesetzt. Im alten Stationärwort wird der alte Zählerstand und der Mittelpegel der in diesem Stationärwort zusammengefassten Abtastsignale abgelegt.

Fall D, wie in Fig. 6 gezeigt, zeigt den Beginn eines neuen Flankenworts bei x_n+1 mit gegenläufiger Flanke. Der Zähler des neuen Flankenwortes wird auf 1 gesetzt. Im alten Flankenwort wird der alte Zählerstand und der letzte Messwert, also x_N abgelegt.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung der DSP-Entscheidungsstrategie gemäß einem zweiten Fall. Weist x_n+1 eine mittlere Rückläufigkeit auf (das heißt x_n - R < x_n+1 ≧ x_n - B_MAX), so wird ein Stationärwort mit dem Mittelpegel x_n begonnen, das erst abge­ brochen wird, wenn ein Messwert außerhalb des durch B_MAX spezifizierten Tole­ ranzbandes (x_n + B_Max ≧ x ≧ x_n - B_MAX) liegt.

Bleiben die Messwerte über einen Zeitraum von ungefähr 32 ms innerhalb eines solchen Toleranzbandes, so wird das Signal als in einem ungestörten Zustand befindlich inter­ pretiert und das Toleranzband für die nachfolgenden Stationärworte auf ±B_NORM (nicht gezeigt) eingestellt, wobei ±B_NORM kleiner als ±B_MAX bzw. ±B_MIN ist.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der DSP-Entscheidungsstrategie gemäß einem dritten Fall. Fall B1 zeigt eine geringfügige Rückläufigkeit (spezifiziert durch den Pa­ rameter R) des Signalwerts x_n+1, die zum Beispiel durch Signalrauschen entstehen kann. Dies führt in diesem Fall nicht zum Abbruch des Flankenwortes, da der nachfolgende Messwert x_n+2, wieder oberhalb von x_n liegt. Der Zähler des ursprünglichen Flankenworts wird um 2 erhöht.

Gemäß Fall B2 befindet sich der Messwert x_n+2 innerhalb des von B_MAX definierten Intervalls. Somit wird ein Stationärwort mit Startpunkt x_n+1 (das heißt Zähler = 2) be­ gonnen, mit einem Toleranzband x_n+1 ± B_MAX.

Gemäß Fall B3 befindet sich der Messwert x_n+2 außerhalb des von B_MAX definierten Intervalls. Somit wird ein Flankenwort mit Startpunkt x_n+1, (das heißt Zählerstart = 2) geschrieben.

Es versteht sich, dass die geschilderte Zuordnung von Signalfolgen zu Stationär- und Flankenwörtern nur beispielhaft ist. Je nach Dynamik des Systems können unterschied­ liche Stationär- und Flankenwörter definiert werden, beispielsweise dadurch, dass der Unterschied zwischen den Abtastsignalen, die eine Wortumschaltung auslösen, für die Definition von Schwellwerten oder Toleranzbändern definiert wird. Weiter kann das Umschalten insbesondere von einem Flankenwort zu einem Stationärwort davon abhän­ gen, ob mehrere, aufeinanderfolgende Messwerte vorbestimmten Bedingungen genügen. Die in den Wörtern enthaltene Zeitinformation muss nicht zwingend deren Anfang und Ende oder deren Dauer enthalten; wichtig ist, dass aus den aneinandergereihten Wörtern der Signalverlauf zeitlich lückenlos wiederhergestellt werden kann. Auch die Signalin­ formation in den Wörtern kann unterschiedlichster Art sein, wobei auch hier wichtig ist, dass der Signalverlauf mit ausreichender Genauigkeit wiederhergestellt werden kann. In den Flankenworten kann beispielsweise Information über die Signaländerung während ihrer Dauer enthalten sein.

Mit der beschriebenen Art der Verarbeitung der Messwerte zu zwei Worttypen wird ein hohes Maß an Datenkompression ohne wesentlichen Informationsverlust im Hinblick auf Arcing-Ereignisse erzielt. Arcing-Ereignisse können durch das Auftreten von Flan­ kenwörtern identifiziert werden, wobei diesen Flankenwörtern zusätzliche Bedingungen auferlegt werden können, beispielsweise Überschreiten einer vorbestimmten Dauer, einer vorbestimmten Signalwertänderung usw.

Für die Auswertung im Hinblick auf unerwünschte Instabilitäten des Plasmas, hin bis zu Arcing-Ereignissen, bietet die Erfindung unterschiedlichste Möglichkeiten. Beispiels­ weise kann unmittelbar der Signalprozessor 5 eine Auswertesoftware enthalten und mit einem Ausgang (nicht dargestellt) zum Erzeugen eines Warnsignals versehen sein. Ein Kriterium für ein Warnsignal ist dann beispielsweise, dass ein gleitender Mittelwert des aus den Worten wiederhergestellten Signalverlaufes einen Toleranzwert verlässt (Ein­ bruch des Streufeldes), dass länger als eine vorbestimmte Zeitdauer nur Flankenworte erzeugt werden, dass eine durch die Flankenworte definierte Steigung einen vorbe­ stimmten Wert übersteigt usw..

Plasmazusammenbrüche b, wie einer in Fig. 4 dargestellt ist, können, wie ausgeführt, zwischen einigen µs und ms dauern. Der sich ergebende Messwertverlauf ist unter­ schiedlichster Art. Ebenso sind ihre Gründe sehr unterschiedlich. Es hat sich bewährt, die Plasmaunregelmäßigkeiten zu kategorisieren nach Anzahl insgesamt (z. B. Anzahl seit Messbeginn oder Anzahl je Zeiteinheit), Dauer des Ereignisses und Ausmaß der Messwertänderung. Je nach Arbeitskammer und Arbeitsschritt können diese kategori­ sierten Ereignisse nach kurzer Erfahrungszeit konkreten Schadensereignissen (Schäden an Einrichtungen der Arbeitskammer, Beschädigungen des Wafers selbst) zugeordnet werden, sodass aufgrund der Analyse der in einem Computer gespeicherten kategori­ sierten Messdaten gezielte Informationen über den Zustand der Arbeitskammer und des Wafers gewonnen werden können, die in Warnsignale und sogar konkrete Handlungs­ empfehlungen umgesetzt werden können.

Die Hardware- und/oder Software Aufteilung zwischen dem DSP und dem Mikrocon­ troller kann unterschiedlich sein. Vorteilhaft ist, in dem DSP schnelle, einfache Opera­ tionen in Echtzeit ablaufen zu lassen, wie beispielsweise Additionen und Subtraktionen, im Mikrocontroller komplexere Operationen durchzuführen, beispielsweise auch eine Vorauswertung der Daten, und im PC (nicht dargestellt) die Auswertung der Daten hin­ sichtlich des Vorliegens bestimmter Ereignisse vorzunehmen, indem Instabilitäten bei­ spielsweise hinsichtlich ihrer Anzahl, ihrer Dauer, der Amplitude und/oder der zeitli­ chen Änderung der Feldstärke ausgewertet und kategorisiert werden. Auf diese Weise lassen sich nach kurzer, ggf. kammerspezifischer Lernphase Kriterien- oder Parameter­ bündel definieren, die ermöglichen, kritische von unkritischen Instabilitäten zu unter­ schieden und kritischen Instabilitäten bestimmte Ursachen und/oder Wirkungen zuzu­ ordnen.

Fig. 9 zeigt eine typische Bildschirmdarstellung:
Die insgesamt sinusförmige Messkurve ist eine aus den komprimierten Messwerten bzw. oben geschilderten Worten erzeugte Kurve, die im dargestellten Beispiel den Messwertverlauf für ein insgesamt in der Kammer rotierendes Plasma wiedergibt, wobei die Rotationsfrequenz bei 0,47 Hz liegt, der insgesamt sinusförmige Verlauf der Fig. 9 ist nicht zu verwechseln mit dem sinusförmigen Verlauf des Messsignals der Fig. 9, dessen Frequenz die Anregungsfrequenz des Plasmas ist und im MHz oder GHz Bereich liegt. Der Kurvendetektor 3 glättet die Anregungshochfrequenz, wohingegen er die Ro­ tationsfrequenz nicht unterdrückt. Wenn in der Kammer ohne Rotation des Plasmas gearbeitet wird, wäre die Kurve der Fig. 9 eine bei etwa 90 Digits insgesamt horizontal verlaufende Linie mit Instabilitäten, die im Zeitmaßstab der Fig. 9 als vertikale Linien erscheinen. Mit b ist eine Instabilität bezeichnet, die in dem Zoom-Feld vergrößert dar­ gestellt ist. Die waagerechte Länge des Zoom-Feldes beträgt etwa 300 µs, sodass die in Form der Feldstärkeeinbrüche dargestellte Instabilität mit vier Ereignissen (vier senk­ rechte Linien) eine Dauer von etwa 135 µs hat. Entsprechend der Messwertausleserate von 1 µs lässt sich der dargestellte Ausschnitt weiter vergrößern und das jeweilige Er­ eignis genauer analysieren bzw. kategorisieren. Es versteht sich, daß die Dauer und Art der Instabilität nur beispielhaft ist und auch mehrere ms dauernde Stabilitäten möglich sind.

Die Menüleiste des Bildschirms enthält unterschiedliche Felder, in denen die Anzahl unterschiedlicher Ereigniskategorien oder -arten angezeigt wird, ein Alarm angezeigt wird usw.

Auf der die Messkurve bezeichnenden Ordinate sind die Pegelwerte in logarithmischer Skalierung aufgetragen und auf der Abszisse die Zeitachse in linearer Skalierung. Der Ordinatenbereich umfasst 250 digits, wobei eine Pegeländerung von einer Zehnerpotenz einer Änderung von 100 digits entspricht. Der wesentliche Vorteil der logarithmischen Skalierung liegt darin, dass der Pegelabfall unabhängig von der Höhe des Pegel- Absolutwertes ist, so dass optisch gleich lang scheinende Peaks unabhängig vom Ab­ solutpegel gleich große Signaleinbrüche darstellen. Der etwas unsymmetrische Verlauf der Sinuslinie erklärt sich aus der logarithmischen Darstellung.

Die Rekonstruktion des Messsignalverlaufes kann mit sehr geringer Verzögerung erfol­ gen, sodass durch die Computerauswertung fast online in Echtzeit erfolgen kann.

Bezugszeichenliste

1

Messeinrichtung

2

HF-Verstärker

3

Kurvendetektor

4

AD-Wandler

5

DSP (Signalprozessor)

6

Microkontroller

7

Interface

8

Schnittstelle

9

Kammer

10

Schwingkreis

11

Gehäuse

12

Öffnung

13

Fensterscheibe

14

Halterung

15

Wafer

16

HF-Generator

17

a Elektrode

17

b Gegenelektrode

18

Plasma

19

Gaseinlaß

20

Gasauslaß

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Detektieren von Instabilitäten eines hochfrequent angeregten Plasmas, insbesondere von Arcing Ereignissen in plasmaunterstützten Prozessen bei der Halbleiterproduktion, enthaltend:
eine von einer Einrichtung (16, 17a, 17b) zum Anregen des Plasmas (18) getrennte Messeinrichtung (1) zum Erfassen eines durch das innerhalb einer Kammer (9) angeregten Plasma (18) erzeugten elektromagnetischen Feldes und zum Erzeugen eines Meßsignals, und
eine an die Messeinrichtung angeschlossene Signalverarbeitungs- und Auswerteeinrichtung, die eine Wandlereinrichtung (2, 3, 4) zur Umwandlung des analogen Meßsignals in eine Folge digitaler Meßwerte enthält, den zeitlichen Verlauf des Meßsignals auswertet und ein Warnsignal erzeugt, wenn der Verlauf des Meßsignals vorbestimmte Kriterien erfüllt, wobei
die Meßeinrichtung (1) außerhalb der Kammer (9) derart angeordnet ist, dass sie ein vom Plasma erzeugtes elektromagnetisches Streufeld erfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungs- und Auswerte­ einrichtung zusätzlich einen Signalprozessor (5) zur Datenkompression enthält, der den Meßwerten wenigstens zwei unterschiedliche Wortarten zuordnet, wobei eine Wortart ein Stationärwort ist, das bei Signalfolgen mit sich langsam veränderndem Pegel generiert wird, und eine andere Wortart ein Flankenwort ist, das bei Signalfolgen mit sich rasch veränderndem Pegel generiert wird, wobei jedes Stationärwort und jedes Flankenwort eine Information über seinen Zeitpunkt und einen Wert der während seiner Zeitdauer aufgetretenen Meßwerte enthält,
wobei das Auftreten eines Flankenwortes eine notwendige Bedingung für die Erzeugung eines Warnsignals ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung einen Verstärker (2), einen Hüllkurven-Detektor (3) und einen A/D-Wandler (4) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stationärwort generiert wird, wenn zwei aufeinanderfolgende Meßwerte sich um weniger als einen Schwellenwert (B_MAX) unterscheiden, und ein Flankenwort generiert wird, wenn sich zwei aufeinanderfolgende Meßwerte um mehr als einen Schwellenwert unterscheiden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stationärwort und jedes Flankenwort Information über seine Dauer enthält, die der Anzahl der während eines Wortes auftretenden Meßsignale entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stationärwort andauert, wenn zwei aufeinanderfolgende Meßsignale sich um weniger als den Schwellenwert (B_MAX) unterscheiden und innerhalb eines Toleranzbandes liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein neues Stationärwort generiert wird, wenn zwei aufeinanderfolgende Messsignale sich um weniger als den Schwellenwert unterscheiden und das letzte Messsignal außerhalb des Toleranzbandes liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flankenwort andauert, solange sich das Vorzeichen des Unterschiedes zweier aufeinanderfolgender Meßsignale nicht ändert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in einem Stationärwort enthaltene Meßwert der Mittelpegel der während seiner Zeitdauer vorhandenen Meßwerte ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der in einem Flankenwort enthaltene Meßwert gleich dem Wert des letzten, von ihm erfassten Meßwertes ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Wortverarbeitungsmittel (6, 7, 8) vorgesehen sind, die den Meßwertverlauf aus den Stationärwörtern und Flankenwörtern wiederherstellen, wobei eine Instabilität detektiert wird, wenn ein gleitender Mittelwert des wiederhergestellten Meßwertverlaufs einen Toleranzwert verläßt und/oder der Mittelwertverlauf eine über einem vorbestimmten Wert liegende Steigung aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) als Sensor einen Schwingkreis (10) enthält, der das magnetische Streufeld des angeregten Plasmas (18) induktiv erfasst.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor der Messeinrichtung (1) neben einem optischen Fenster der das Plasma enthaltenden Kammer (9) angeordnet ist.