TW200402818A - Method and apparatus for non-invasive measurement and analysis of semiconductor process parameters - Google Patents

Description

200402818 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明與電漿處理工具有關，更明確地說，本發明與 以非入侵式量測及分析電漿處理工具之參數的偵測設備有 關。 【先前技術】 在材料處理及半導體、積體電路、顯示器及其它電子 裝置的製造及處理中，大量地使用電漿處理系統，用以在 例如半導體晶圓的基體上進行蝕刻及層的沈積。一般言之 ，電漿處理系統的基本組件包括處理室，電漿形成於其中 、抽氣區，連接到真空埠，用以注入及排除處理用的氣體 、以及電源，用以在處理室內形成電漿。其它組件還包括 用以支撐晶圓的夾具，以及用以加速電漿離子的電源，以 使離子能以所要的能量撞擊晶圓表面，藉以蝕刻或在晶圓 上形成沈積。可以使用產生電漿的電源加速離子，或者， 也可針對不同的工作使用不同的加速電源。 爲確保所製造之晶圓的精確度，典型上要使用感應器 監視電漿處理系統，用以決定電漿處理系統的情況。一般 言之’在這類系統中，感應器是放置在電漿中用以監測某 些參數，或裝在耦合到處理室內之電極的傳輸線內。 【發明內容】 本發明提供一種用以量測及分析電漿處理參數的全新 -4 - (2) (2)200402818 方法及設備。 一 RF感應器，配置於電漿處理工具用以偵測電漿處 理參數，以及一天線’用以接收電漿處理工具輻射出的 RF能量。天線位於電漿處理工具附近’不入侵到電漿內 。天線可以是寬頻的單極天線。 在本發明的態樣中，一工具控制耦合到處理器，用以 根據天線接收之RF能量所提供的資訊控制及維持電漿處 理。工具控制可控制電漿處理工具、電源、或在電漿處理 期間所用到的其它組件。 【實施方式】 以下將參考所揭示的例示性實施例更詳細描述本發明 〇

圖1是按照本發明實施例的例示性RF感應器。電漿 處理工具包括處理室110。電漿處理工具所需的電力通常 是由RF電源（未顯示）提供。來自RF電源的RF能量120 在通常用來處理基體之電漿處理工具的處理室11〇內產生 及維持一電漿1 3 0。電漿處理工具可按吾人所熟知的任何 架構組裝，所有這些架構都包含處理室Π 〇及在處理器內 用以處理的電漿1 3 0。這些架構例如包括感應耦合電漿 (ICP)源、靜電屏蔽射頻（ESRF)電漿源、變壓器耦合電漿 (TCP)源、以及電容耦合電漿（CCP)源。無論是使用何種 RF能源，在處理室1 10內的電漿130是被RF電源所產生的 RF能量所激勵。因此，來自處理室1 10的RF能量是在RF (3) (3)200402818 頻率的基頻及RF頻率之基頻的諧波幅射。電漿130中產 生諧波頻率。諧波頻率的大小及相位提供了電漿1 3 0及處 理室1 1 0之狀態的資訊。例如，在各種不同的功率、壓力 、流率下進行實驗，都顯示出幅射的能量與處理參數密切 相關。特別是，根據分析指出，第一及第二諧波與電漿之 電子密度的匹配優於99%。 天線140配置在處理室1 10的外側，用以接收電漿130 所幅射的RF能量，並將RF能量轉換成RF信號。在圖1 中，例示性的天線1 4 0配置在處理室1 1 〇的外側。或者，天 線也可位於處理室1 1 0內部，但在電漿1 3 0處理區的外部。 此架構的優點是天線並未侵入電獎1 3 0，因爲侵入式的感 應器會使處理參數改變。天線1 4 0耦合到處理器1 5 0。處理 器1 5 0接收來自天線1 4 0的RF信號，因此，處理器被架構 成用以處理RF信號，以提供所需要的電漿狀態資訊。此 外，由於能源之基頻的數量級在百萬赫茲，因此，天線 1 4 0可以使用寬頻的單極天線，以便有能力接收所幅射之 頻寬甚大的RF能量。例如，可以使用Antenna Research Model RAM-220做爲寬頻單極天線。 圖2是按照本發明實施例之天線及處理器的簡單方塊 圖。在例示性的實施例中，天線1 40耦合到高通濾波器2 1 0 。或者，天線1 40可以耦合到其它類型的濾波器，諸如帶 阻濾波器、帶通濾波器或低通濾波器。高通濾波器2丨〇的 輸出耦合到低雜訊放大器（LAN)220，將信號放大後輸入 到處理器2 3 0。高通濾波器可用來去除所接收之信號中的 (4) (4)200402818 基頻，因爲基頻中可能並未包含有用的資訊，有用的資訊 而是包含在RF能量的諧波中。當然’也可經由取消或調 整高通濾波器210的截止頻率以收集關於基頻的資料。典 型上，低於高通濾波器之截止頻率的信號被衰減到40分貝 的範圍內。LNA 220將高通濾波器所提供的RF信號放大 ，以使信號能被處理器23 0正確地處理。典型上，LNA的 增益在20到30分貝的範圍。 處理器23 0可被架構成能支援多輸入，如圖2所示。在 此情況，可以獨立地監視數項處理，且只由單一個處理器 23 0處理。處理器23 0可包括類比到數位（A/D轉換器，用 以將接收到的類比信號轉換成數位信號。決定信號取樣率 的方法很多。例如，如果RF能量的基頻是13.56MHz，則 125MHz的頻寬適合量測8個諧波（第8個諧波的頻率爲 122·04ΜΗζ)。在此情況，如果 A/D轉換器的取樣間隔爲 10 0毫秒，且選擇ΙΟΚΗζ的頻率bin，則以Nyquist標準計 算取樣率至少是250MS/S，且樣本大小爲25,000。 其它耦合到處理器2 3 0的組件還包括使用者介面2 4 0、 外部電腦250及網路260。使用者介面240可包含各樣已知 的組件，其功用是供使用者與處理器2 3 0互動。例如，如 果在取樣後執行被取樣之資料的快速傅利葉轉換（FFT)， 處理器會將結果顯示在觸控式螢幕上，供使用與系統互動 。外部電腦2 5 0具有多樣功用，包括對處理參數及處理室 110的即時控制。網路260可供使用者在遠端存取處理器。 例如，FFT資訊可提供給外部電腦25 0或網路260。 (5) (5)200402818 在這類天線與處理器的例中，處理室參數可在校正狀 態期間描述，且天線1 4 0所收集的資料可應用於與處理室 及電漿之各參數相關的模型。這些參數例如包括電子密度 、總成淸潔度、電子溫度、以及終點偵測等。這類模型可 以使用天線’天線不需要絕對校正，如此可簡化感應器設 計參數。 圖3是按照本發明實施例之天線的簡單方塊圖。處理 室110、電漿130、天線140及處理器150可以與圖1及2中所 揭示的相同。處理室1 1 0是置於經由連接壁3 1 〇與處理室 110連接的密閉容器340內。連接壁310的材料可容電漿130 所幅射的RF能量通過，例如以石英、礬土或其它適合材 料製成。或者，可在連接壁310上配置一孔，以容rf能 量從其通過。吸收器3 2 0及3 3 0用以吸收其它來源不明的 RF能量，並降低密閉容器340共振所導致的失真，即，若 沒有吸收器320及3 3 0，天線140可能接收到來源不明的諧 振，如此即是接收到失真的信號。一般言之，吸收器的材 料要能吸收不連續或寬頻帶之頻率的能量。 雖然圖中顯示只有在密閉容器3 40的背側配置吸收器 3 20及3 3 0，但在密閉容器3 40的5個側壁（如果密閉容器是 長方形盒）都應配置吸收器。按此方式配置吸收器可使電 漿130的RF能量幅射通過連接壁310進入密閉容器，而吸 收器配置在盒形密閉容器的其它5個側壁。 在實施例中吸收器3 20及3 3 0經過選擇，以使吸收器 320只吸收基頻，而吸收器3 3 0只吸收第一諧波。1/4波配 (6) (6)200402818 置可提供所選頻率最大的衰減。此外，如有需要也可增加 其它吸收層。雖然實施例中描述了特定的吸收器配置，但 任何可減少不明干擾的吸收器架構都可使用。 圖4是按照本發明實施例之電漿處理系統的簡單方塊 圖。圖中所示的處理室110是具有上電極125的電容耦合處 理室，不過，這只是爲了描述，任何類型的系統均適用。 電發1 3 0、天線1 4 0及處理器1 5 0與前文所述相同。如前所 述，電漿130是被RF產生器420激勵形成。RF產生器420 可直接耦合到處理室1 1 0，或者，如圖4所示，經由匹配網 路410或440耦合到處理室110。在圖4中顯示了兩個RF產 生器，不過，其目的只是爲了說明，也可以只使用一個 RF產生器420，視處理室110的結構而定。上電極（UEL)匹 配網路410耦合到上電極125，下電極（LEL)匹配網路440耦 合到下電極450。電漿130是由RF產生器420激勵產生。 因此，電漿130在基頻及基頻的諧波幅射RF能量。從處 理室110幅射出的RF能量被位於電漿130外部的天線140 接收。天線140耦合到處理器150，在前文中已對其描述。 如參考圖1所做的描述，上述的配置提供了非入侵之接收 電漿處理參數的方法。 處理器150接收RF能量並經由A/D轉換器將類比信 號轉換成數位信號。典型上，對類比信號的取樣率視吾人 感興趣的頻寬而定（即，頻寬是基頻及有興趣之諧波的函 數）。例如，頻寬5 00MHz的典型取樣率爲每秒10億個取本 。當然，取樣率是視需要決定，並不受上例限制。包括諧 -9 - (7) (7)200402818 波之RF能量的大小及相位可提供有關電漿1 3 0狀態（因此 也就是處理室1 10之狀態）的資訊。接著，由處理器150處 理資料，典型上，諸如快速傅利葉轉換（FFT)及主分量分 析（PCA)等計算都可用來從RF信號中收集資訊。從處理 器1 50所獲得的資訊中可洞察各參數，諸如總成淸潔度、 電漿密度、電子溫度及結束點偵測。 在處理器的一實施例中，可以使用包括FFT的習知 技術將所接收之RF能量的追蹤資料轉換成頻率域的輸出 信號。接著，可擷取出諧波頻率上的資訊，並乘以在校正 電漿處理系統期間經由PCA所決定的係數。PCA在決定 係數方面十分管用，因爲它能將龐大的關連値組轉換成較 小的主要値組。PCA將原始較大的値組轉換成原始値組之 不相關線性組合的新値組，以達到縮小値組之大小的目的 〇 使用所接收之RF能量基頻及諧波頻率的大小，可執 行數種不同的分析，其包括功率分析、流量分析、及壓力 分析。經由處理從大小値所得到的資訊，可進一步決定那 一個諧波具有最大相關，並爲每一個頻率分量決定可接受 的係數。也可以經由相依分析以決定其中一個參數改變是 否會影響系統中的其它參數，不過，初步的結果顯示各參 數可單獨調整。 此外，分析追蹤資料也可偵測結束點。一旦繪出曲線 圖，所接收之RF能量之諧波中的重要位移即可一目瞭然 。更特別是，在處理完成之時，主諧波的貢獻會改變。 -10 - (8) (8)200402818 例如，如圖5的簡單說明，在T 1時第三諧波明顯改變 ，在T2時，基頻與第三諧波都明顯改變。處理的分析顯 示這些改變是因處理完成所引起。此種結束點偵測法很精 確，且是成本效益高的結束點偵測法。 接著，將處理過的資料送至工具控制43 0。工具控制 43 0可以被架構成執行數項工作。工具控制43 0可以執行的 某些工作包括結束點偵測、功率控制、以及氣體控制（流 量、壓力等）。如圖4所示，工具控制43 0耦合到處理室1 10 及RF產生器420。按此方式，工具控制可以按照接收自 處理器1 5 0的資料調整這些裝置的參數，俾能保持處理室 1 1 〇內之處理的再現性。 如前所述’ PCA是多變數統計程序，它可將龐大的相 關變數組化簡成較小的主要分量組。因此，在校正階段期 間’可以使用PCA首先從包含各不同諧波之資料的資料 組中產生協方差矩 陣（covariance matrix)。接著，可從協 方差矩陣中得到特徵向量（eigenvector)，並因此可計算出 一組特徵向量組。從特徵向量可計算出每一個主要分量的 貢獻百分比。可以使用此百分比選擇係數，於是，可得到 經由百分比加權的特徵向量和。各種參數都可執行此項計 算’包括功率、流量、以及處理室壓力。校正一旦完成， 各係數也都決定’工具控制即可在控制迴路中使用這些資 訊’熟悉此方面技術的每位人士都瞭解這些操作。在此類 型的回授迴路中可保持再現的處理。 如圖2所不，處理器ι5〇可耦合到數個不同的裝置。對 (9) (9)200402818 本實施例而言，重要的裝置包括使用者介面240及外部電 腦25 0。此外，使用者介面240及外部電腦25 0可以是單一 的裝置，例如個人電腦。 最後，悉此方面技術的每位人士都瞭解，處理器1 50 所要處理的資料量極爲龐大。關於此，可能需要用到外部 儲存裝置（未顯示）。可行的架構之一是儲存裝置與處理器 15 0直接連接。或者，經由網路260使用遠端的儲存裝置更 佳（如圖2所示）。不過，任何儲存資料的方法都可接受。 將資料予以儲存的優點之一是可進一步處理與分析。此外 ’可使用檔案資料模型化一可接受的控制系統用以操作工 具控制43 0，並因此控制整個電漿處理。 以上對實施例的描述只是使任何熟悉此方面技術的人 士能使用本發明。這些實施例可做各種修改，且本文中曾 提到用於量測半導體處理參數之RF感應器的一般原理也 可應用到其它實施例。因此，本發明的範圍並不受限於上 述實施例，而是按照與本發明之原理相符的最廣範圍，以 及本文中以任何方式所揭示的創新特徵。 【圖式簡單說明】 圖1是按照本發明實施例的例示性R F感應器； 圖2是按照本發明實施例之天線及處理器的簡單方塊 圖； 圖3是按照本發明實施例之天線的簡單方塊圖； 圖4是按照本發明實施例之電漿處理系統的簡單方塊 -12 - r 广、 (10) 200402818 圖； 圖5是按照本發明實施例之預期諧波資料的簡單曲線 圖。 [圖號說明] 110 處理室 120 RF能量 130 電漿 140 天線 150 處理器 2 10 高通濾波器 220 低雜訊放大器 23 0 處理器 240 使用者介面 250 外部電腦 260 網路 340 密閉容器 3 10 連接壁 320 吸收器 330 吸收器 125 上電極 420 RF產生器 410 上電極匹配網路 440 下電極匹配網路

(11)200402818 450 下電極 430 工具控制

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Claims (1)

1. (1) 200402818 拾、申請專利範圍 1.一種控制電漿處理的方法，包含： 在電漿處理工具附近配置一天線； 偵測該電漿處理工具幅射出的RF能量； 處理所接收的該RF能量；以及 根據該經過處理的RF能量調整電漿處理參數； 其中，該電漿處理工具幅射出的RF能量包含基頻及 至少一個諧波頻率；以及 其中，根據從處理該基頻及該至少一個諧波頻率期間 所得到之信號特性中得到的資訊執行電漿處理參數的該調 整。 2 ·如申請專利範圍第1項的方法，其中該處理包括功 率分析、流量分析及壓力分析至少其中之一。 3 ·如申請專利範圍第1項的方法，其中該處理包括將 該RF能量轉換成數位信號。 4 ·如申請專利範圍第3項的方法，其中該數位信號被 儲存在電子儲存裝置中。 5 .如申請專利範圍第1項的方法，其中電漿處理參數 的該調整是由工具控制執行’該工具控制耦合到用於電漿 處理的能源以及用於電漿處理的_ _ ^。 6·如申請專利範圍第5項的方法，其中電漿處理參數 的該調整包括功率控制、流量控制及壓力控制至少其中之 —" 〇 7·—種用於電漿處理的控制器，包含： -15 - (2) (2)200402818 天線，配置在電紫處理工具附近，用以接收來自電漿 處理工具RF能量； 處理器，耦合到該天線，用以處理接收自該天線的該 RF能量；以及 工具控制器，根據該經過處理的RF能量控制該電漿 處理工具； 其中，該電漿處理工具幅射出的RF能量包含基頻及 至少一個諧波頻率；以及 其中，該工具控制器根據從該基頻及該至少一個諧波 頻率之該處理器所得到之信號特性中得到的資訊控制電漿 處理參數。 8 ·如申請專利範圔第7項的控制器，其中該處理器執 行功率分析、流量分析及壓力分析至少其中之一。 9·如申請專利範圍第7項的控制器，其中該處理器將 該RF能量轉換成數位信號。 10·如申請專利範圍第9項的控制器，其中該數位信號 被儲存在電子儲存裝置中。 1 1 ·如申請專利範圍第7項的控制器，其中該工具控制 器耦合到用於電漿處理的能源以及用於電漿處理的處理室 〇 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項的控制器，其中該工具控 制器控制功率控制、流量控制及壓力控制至少其中之一 ° -16- 5^4