TW201346063A - 用於在電漿沉積過程中測定薄膜之厚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於在電漿沉積過程中測定薄膜之厚度的方法。一目標薄膜厚度被設定。一基板係放置於一沉積系統內。該薄膜係沉積於該沉積系統內之基板上。反射自該基板之輻射係於該薄膜沉積過程中使用標準光學激發干涉技術以多波長進行監控。監控衍生自該反射輻射之值。偵測該衍生值係一目標值所在之時間。計算該些偵測時間所在之薄膜厚度以產生資料。對該產生資料執行一數學分析以決定一沉積薄膜厚度對時間公式。該計算之沉積薄膜厚度對時間公式被使用以實現該目標薄膜厚度。

Description

用於在電漿沉積過程中測定薄膜之厚度的方法
本發明關於測量一種薄膜厚度的方法，且特別地，關於一種用於現場測量使用電漿化學氣相沉積(PECVD)技術所沉積之薄膜厚度並以多波長測量該電漿激發的方法。
介電材料、半導體材料及導電材料之薄膜係廣泛地使用於半導體製造中。這類薄膜典型地係沉積於例如砷化矽或砷化鎵之基板上，並接著圖案化以產生並連線例如電晶體、電容器、二極體及雷同者之裝置。例如發光二極體之分立裝置係以類似方式製造。沉積係使用包含物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)與雷同者之各式各樣技術及例如電漿化學氣相沉積及高密度電漿化學氣相沉積(HDPECVD)之電漿激發技術來執行之。在一真空系統中使用電漿製程之沉積係如同做為該薄膜內進行蝕刻並定義圖案之機構的電漿蝕刻法般地係也是眾所皆知(PECVD和HDPECVD)。
這些沉積薄膜之厚度係小心控制之參數，因為它決定了它設計限度內之裝置操作之故。該控制必須在長期且於各種機器上進行，因為所有薄膜不會被沉積於一件設備上。因此，已發展出用以精確地測量該薄膜厚度之許許多多技術。對於例如許多介電質(其包含二氧化矽、氮化矽和 聚合材料)、半導體(例如氮化鎵)和一些導體(例如銦錫氧化物)之透明薄膜而言，光學技術可被使用以測量該薄模厚度。橢圓偏光儀被使用以依據該薄膜交互作用利用偏振光來測量薄膜厚度，且反射比量測被使用以依據該測量反射比光譜與一理論性反射比光譜模型之比較來測定薄膜厚度。兩種技術主要被使用於後製程以做為驗證該沉積薄膜厚度係位在該要求範圍內之機構，或在該薄膜厚度係位在該要求範圍外時啟動校正性測量之機構。
一更可期待之厚度量測係在該製程步驟時進行，如此，當該要求薄膜厚度已達成時，該製程可被終止。因此，藉由調整該製程時間來補償該製程或機器至機器之變異中的任何長期或短期變異係可行的。這類“端點”技術通常被使用於一薄膜完全被移除之許多蝕刻製程中。該薄膜移除可例如藉由監控在該薄膜不再被蝕刻時所發生之電漿激發變化而被偵測到。為了得到有關沉積時之薄膜厚度資訊，反射比量測可藉由測量自該薄膜表面反射後之光源強度而現場進行。該光源可為例如一雷射或一寬頻光源之外部光源，或稱之為光學激發干涉(OEI)技術例中之電漿激發它本身之內部光源，或內部與外部光源之某種結合。例如，在氮化矽沉積時，自該基板表面反射之300奈米至400奈米範圍內之氮分子激發可被有效地使用。該反射理論上係以與該薄膜表面接近正交之入射角度來測量之，其需要一特定觀看光學儀器安排，尤指該真空視窗。該光學儀器必須被安排而使得該製程未具有在地性干擾，且同時不具有因為曝露至該電漿所致之衰減。用於一蝕刻系統之這類安排係描述於Sawin專利(美國專利第5,450,205號)，且用於一沉積系統之這類安排係描述於Johnson專利(美國專利第7,833,381號)，其中，該反射比係透過該引氣蓮蓬頭中之一孔洞來監控之。
當該反射比係以單一波長進行測量時，該信號強度會因為該薄膜內之干擾效應而以正弦曲線方式隨著該薄膜厚度改變(第1a圖)而變。一完整干擾信號週期所產生之薄膜厚度變化d係給予於公式1：d=λ/2*nf，其中，λ=反射比被監控所在之波長，nf=本波長所在之薄膜折射率。
因此，藉由計算該干擾信號內之極大值(極小值)且同時在它們之間進行內插，計算薄膜厚度對時間之變化並終止在該要求厚度變化已產生(第1b圖)時之過程係可行的。既然該厚度變化d係直接等比例於該波長λ，它係有利於測量例如小於400奈米之短波長所在之反射比，因為這個會對該厚度量測解決方案提供改善。對於不需要這類解決方案之較不重要應用而言，較長波長可被運用。注意，選擇適當波長係可得自該光源(們)中之波長與欲測量材料之光學特性的函數。反射比量測因此可被使用以精確地測量在該沉積製程時產生多個干擾週期之薄膜厚度。每次偵測到一信號極值(極大值或極小值)可重新計算該沉積率估測值，並藉由平均這多個量測或另外使用統計均值以更接近該真實沉積率，在該目標厚度幾個百分比內沉積一薄膜係可行的。
然而，有些裝置(例如，一些薄膜電容器)中需要一非常薄之介電層。這類薄膜之設計厚度可小於100奈米至小於幾十個奈米層次。為了確保一致之裝置執行效率，薄膜厚度重生能力要求為1%層次，其代表該目標厚度須滿足於大約小於1奈米之範圍內，較佳地，小於0.5奈米。對於這類非常薄之膜而言，多個干擾週期典型地不產生於該沉積製程期間。例 如，在沉積具有折射率為2.0且量測波長為337奈米之一氮化矽薄膜沉積過程中，一完整週期只產生大約84奈米厚度。因此，對於等於或小於本厚度之薄膜而言，經由平均多個量測來得到改善精確度無法達成。執行單一量測(例如該第一干擾極小值之時間)，使用這個值來計算一沉積率並接著外插以計算該要求製程終止時間係易有顯著誤差，因為本方式固有地假設一沉積厚度對時間之線性響應之故。既然該沉積率在該製程第一個幾秒時也許會不正常地高或低，這個典型地並非時間代表用於這類薄膜沉積之製程時間的一有效分數例子。該不穩定可因多種因素所致，例如，在該射頻功率被施加時，用以穩定該電漿所需要之時間。
以多波長監控干擾以提供額外資料，其可被使用以計算一更可靠之沉積率(見美國專利第6,888,639號)值。然而，美國專利第6,888,639號中所述之方法視“週期計數”及一線性薄膜厚度對時間響應而定。這個係適用於產生多個干擾週期之薄膜，但並未教示如何將多波長量測施用至未產生一完整干擾週期所在之薄膜量測上。
同樣地，在多波長下使用光學激發干涉技術係描述於美國專利第7,833,381號，但沒有方法教示著如何使用這類量測來測定未產生一完整干擾週期所在之薄膜厚度。
因此，沒有習知技術教示如何使用多波長以要求之精確度來計算未產生一完整干擾週期所在之薄膜厚度。
沒有方法描述如何克服薄膜之這類干擾限制。
習知技術中並未提供隨著本發明而來之利益。
因此，本發明之一目的係提供一種改善，以克服習知方法之 不足且對使用光學激發干涉技術來精確地測量一電漿製程系統中所沉積之薄膜厚度的半導體基板製程進展貢獻顯著。
本發明另一目的係提供一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；沉積該薄膜至該沉積系統內之基板上；以多波長監控於該薄膜沉積過程中反射自該基板之輻射；監控衍生自該反射輻射之值；偵測該衍生值達到一目標值所在之時間；計算該偵測時間所在之薄膜厚度以產生資料；對該產生資料執行一數學分析以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式；及使用該決定之沉積薄膜厚度對時間公式來得到一估測時間以實現該目標薄膜厚度。
本發明又一目的係提供一種在電漿沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；引入一反應氣體至該電漿沉積系統中；自該電漿沉積系統內之反應氣體中激起一電漿；將該薄膜自該激起電漿沉積至該電漿沉積系統內之基板上；以多波長監控於該薄膜沉積過程中反射自該基板之電漿激發輻射；監控衍生自該反射電漿輻射之值；偵測該衍生值達到一目標值所在之時間；計算該偵測時間所在之薄膜厚度以產生資料；對該產生資料執行一數學分析以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式；及使用該決定之沉積薄膜厚度對時間的公式來得到一估測時間以實現該目標薄膜厚度。
本發明另一目的係提供一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：針對使用至少二波長之折射率設定初始值；設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；沉積該薄膜至該 沉積系統內之基板上；以該至少二波長監控於該薄膜沉積過程中相對於時間之強度；當該目標薄膜厚度被實現時終止該製程；測量該薄膜厚度；使用該測量薄膜厚度計算該至少二波長所在之折射率；更新用於該至少二波長之折射率初始值；及使用用於該至少二波長之更新折射率初始值來處理下一基板。
上述已略示本發明相關目的中之一些。這些目的應只是說明本發明欲更凸顯之特性及應用中之一些而建構。許多其它有利結果可以不同方式施用本發明或在該揭示範圍內修改本發明而得。因此，除了配合該些附圖所得之由申請專利範圍定義之本發明範圍外，本發明之其它目的及更完整了解還可藉由參考至本發明發明內容及該較佳實施例之詳細說明而得。
本發明係一種透過光學激發干涉技術來測量多波長以於一電漿製程腔室內之薄膜沉積過程中即時計算該薄膜厚度之方法。
本發明一特性係提供一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為針對該薄膜沉積設定一目標薄膜厚度。一基板被放置於一沉積系統內。該薄膜被沉積至該沉積系統內之基板上。來自該基板之反射輻射係在該薄膜沉積過程中以多波長進行監控。該監控可使用標準光學激發干涉技術來完成之。使用於監控之多波長可介於290奈米至420奈米之間或為氮分子所射出之波長。衍生自該反射輻射之值係於該沉積過程中進行監控。該衍生值達到一目標值時之時間被偵測。每一次之偵測時間所在之薄膜厚度被偵測以產生資料。一數學分析(例如一回歸分析 (regression analysis))係執行於該產生資料上以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式。該回歸分析可使用一線性適配(linear fit)或一多項式適配(polynomial fit)。該決定之沉積薄膜厚度對時間公式被使用以得到一估測時間以實現該沉積之目標薄膜厚度。該薄膜沉積可終止於該估測時間實現該目標薄膜厚度之時。當該估測時間實現該目標薄膜厚度時，可改變該薄膜沉積。
本發明再一特性係提供一種在電漿沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為針對該薄膜之電漿沉積設定一目標薄膜厚度。一基板被放置於一沉積系統內。一反應氣體被引入至該電漿沉積系統中。一電漿係由該電漿沉積系統內之反應氣體所激起。將該薄膜自該激起電漿沉積至該電漿沉積系統內之基板上。反射自該基板之電漿激發輻射係在該薄膜沉積過程中以多波長進行監控。該監控可使用標準光學激發干涉技術來完成之。使用於監控之多波長可介於290奈米至420奈米之間或為氮分子所射出之波長。衍生自該反射電漿輻射之值被監控於該電漿沉積過程中。該衍生值達到一目標值所在之時間被偵測。每一次之偵測時間所在之薄膜厚度被計算以產生資料。一數學分析(例如一回歸分析)係執行於該產生資料上以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式。該回歸分析可使用一線性適配或一多項式適配。該決定之沉積薄膜厚度對時間公式被使用以得到一估測時間以實現該沉積之目標薄膜厚度。該薄膜之電漿沉積可終止於在該估測時間實現該目標薄膜厚度之時。在該估測時間實現該目標薄膜厚度時，可改變該薄膜之電漿沉積。
本發明又一特性係提供一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為針對使用至少至少二波長以於該薄膜沉積 過程中進行監控之折射率設定初始值。針對該沉積設定一目標薄膜厚度。一基板係放置於一沉積系統內。該薄膜係沉積於該沉積系統內之基板上。具有用於折射率之設定初始值的該至少二波長所在之反射輻射的相對於時間之強度係於該薄膜沉積過程中進行監控。該製程係終止於得到該目標薄膜厚度並測量到該薄膜厚度之時。使用該測量薄膜厚度計算該至少二波長所在之折射率。用於該至少二波長之折射率初始值被更新，並使用該至少二波長之更新折射率初始值來處理下一基板。
上述已相當廣泛地概述更多本發明相關且重要特性，用以更加了解後續之本發明詳細說明，以使得對習知技術之貢獻可更完整地被理解。本發明額外特性可被描述於後以構成本發明申請專利範圍之主題。那些熟知此項技術之人士應理解到所揭示之觀念及特定實施例可輕易地做為用以實現本發明相通目標而修改或設計之其它結構的基礎。那些熟知此項技術之人士也應認識到這類等效貢獻不會偏離附上之申請專利範圍所述之本發明精神及範圍。
30‧‧‧電漿
40‧‧‧蓮蓬頭孔洞
50‧‧‧氣體引入蓮蓬頭
80‧‧‧視窗
90‧‧‧光纖纜線
100‧‧‧線條
102‧‧‧鏡頭
110‧‧‧基板
112‧‧‧虛曲線
120‧‧‧點
140‧‧‧時間
150‧‧‧誤差
600‧‧‧典型輸出
601-603‧‧‧假極小值
605‧‧‧時間
610‧‧‧最適配曲線
620‧‧‧執行該計算之時間
640‧‧‧數學分析
660‧‧‧值
670‧‧‧外插率
680‧‧‧估測時間
T1‧‧‧時間
第1a圖係習知技術所教示之多個干擾週期的信號對時間關係圖。
第1b圖係習知技術所教示之多個干擾週期的薄膜厚度對時間關係圖。
第2a圖係習知技術所教示而觀察到之第一極小值的信號對時間關係圖。
第2b圖係習知技術所教示而觀察到之第一極小值的薄膜厚度對時間關係圖。
第3a圖係根據本發明一電漿系統內之一蓮蓬頭孔洞的示意放大圖。
第3b圖係根據本發明一電漿系統內之一蓮蓬頭組件的示意放大圖。
第4圖係根據本發明於一氮化矽及二氧化矽電漿沉積製程期間之氮激發的信號對波長關係圖。
第5圖係根據本發明於多波長所在之干擾信號中之第一極小值的信號對時間關係圖。
第6圖係根據本發明於干擾信號中之假極小值的信號對時間關係圖。
第7圖係根據本發明顯示干擾信號中所計算之真極小值的信號對時間關係圖。
第8圖係根據本發明顯示所計算之薄膜厚度的薄膜厚度對時間關係圖。
第9圖係根據本發明之薄膜厚度對目標薄膜厚度的關係圖。
第10圖係根據本發明之沉積製程的流程圖。
第11圖係根據本發明之折射率測定的流程圖。
第12圖係根據本發明之折射率量測表。
第13圖係根據本發明第一干擾極小值所在之計算薄膜厚度表。
第14圖係根據本發明沉積50奈米氮化矽薄膜之薄膜厚度對時間的計算表。
第15圖係根據本發明一種薄膜沉積方法之實施例中之一的流程圖。
類似參考字參考至該些圖式中之一些視野各處的類似部分。
本發明提供一種現場測量在例如物理氣相沉積、化學氣相沉積或原子層沉積系統和雷同者，且尤指在一電漿沉積系統(電漿增強型化學 氣相沉積或高密度電漿增強型化學氣相沉積)之沉積系統中所沉積薄膜之厚度的機構。這類設備係熟知於該半導體工業中，且典型地包括一真空腔室，內含放置於一基板上之加熱基板支撐件、將製程氣體引入至該腔室之機構、例如用以產生一電漿之13.56MHz射頻供應器的電源供應器或多電源供應器、以及自該真空腔室中抽取該反應氣體之機構。這類設備之典型代表係Plasma Therm,LLC所供應之Versaline電漿增強型化學氣相沉積系統，然而其它類似設備可被取用。此外，該技術可進行例如可沉積於一電漿蝕刻系統中以成為一蝕刻製程一部分之聚合薄膜的薄膜量測。
為了監控來自該基板表面之反射，一視窗被安置於超過該基板且該反射光最方便使用一光纖纜線導向至一偵測器之點上。該反射比量測所需用之光源可為一外部光源，例如，一雷射或例如氙氣弧光燈之寬頻光源，或者可使用該電漿激發它本身之內部光源，也就是光學激發干涉方法。替代性地，外部及內部光源中之一些結合可被使用。既然不需用包含一外部光源和電源供應器及聚焦和對準光學儀器之額外元件，其大大地簡化該技術之實際配置，故該光學激發干涉方法提供不同優勢。該偵測器可為散佈該射出輻射並允許偵測一廣泛波長範圍之光譜儀或為例如一分立波長濾波器和個別偵測器陣列。使用於得到光學激發干涉(OEI)量測之合適安排係示於第3a圖、第3b圖(依照Johnson的美國專利第7,833,381號)。來自該電漿(30)之激發一般係反射自該基板(110)並通過位於該氣體引入蓮蓬頭(50)內之蓮蓬頭孔洞(40)。一鏡頭(102)透過該視窗(80)聚焦該激發至將該激發導引至一遠端定位多頻道光譜儀偵測器的光纖纜線(90)。
在例如二氧化矽及氮化矽之介電薄膜沉積過程中，氮通常係 存在於該電漿內，不是做為該些反應氣體(例如，氨或一氧化二氮)中之一的構成成分或充當一承載氣體的氮分子奈米至420奈米波長範圍內。該氮分子激發因此係如第4圖之290奈米至420奈米波長範圍中所示之這類沉積電漿中所射出光譜的一主要構成成分。若氮不存在於該沉積製程中，則曳光氣體(例如氮、氬或氦)可蓄意地被添加至該製程，用以增加該電漿射出輻射量。一曳光氣體可為添加至該製程氣體混合物中之任何氣體，以提供額外電漿激發波長或增強現存激發波長強度而不顯著地變動該電漿製程執行效率。在一較佳實施例中，該曳光氣體會增加小於400奈米光譜範圍中的電漿激發波長。當例如在337奈米所在之反射氮激發係相對於時間隨著一400奈米厚氮化矽被沉積而受到監控時，第1a圖所示之循環性干擾信號被產生。本薄膜(折射率為2.0)於一週期中之厚度變化由公式1中所知為84.25奈米。使用該習知技術(第1a圖)，時間T1至T9中，每一個干擾極大值和極小值被標示，且一薄膜厚度對時間圖被繪製(第1b圖)。經由外插本圖形，該製程可終止於得到該400奈米厚度之時。
當例如75奈米之較薄薄膜被沉積時，在337奈米所觀察到之干擾信號係如第2a圖所示，其中，只有該信號(一干擾週期的一半)中的第一極小值可於時間T1進行測量。若該薄膜厚度對時間關係如前例般地繪製，則得到如第2b圖所示之圖形。在時間T1之點120對應至一薄膜厚度42.1奈米，且假設在該製程時間為零時之薄膜厚度係零，則線條100代表該薄膜厚度對時間之估測值。當預測一75奈米薄膜厚度時，經由向前外插，該製程係終止於時間140。實務上，相對於時間之薄膜厚度也許會顯著地偏離線條100所示之線性關係。在該電漿穩定化之製程開始那裡於一段時間 130中存在有微不足道的沉積並不普遍，使得該薄膜之實際厚度對時間關係最好由該虛曲線112來表示之。本曲線仍是會通過該點120，但具有與線條100不同的斜率(也就是，代表一不同沉積率)。結果，當該製程係終止於時間140時，在該最終薄膜厚度上具有一誤差150。本發明如下述般地克服本問題。
使用如第3圖所示之設備或使用適合所使用之特定沉積設備安排，該反射電漿激發係使用一多頻道偵測器或一些分立偵測器，以使多波長同時被偵測。當氮係存在於該沉積製程中時，它係有利於測量與氮分子激發波長一致之波長，因為這類量測會產生最強信號和一高S/N(訊號對雜訊)比。該氮激發不會發生於單波長，而是分佈於一窄頻波長帶上(例如，該337奈米激發係散佈於該334奈米至338奈米上)。當一多頻道光譜儀被使用時，該訊雜比之進一步增加係藉由監控該激發係散佈於其上的一些偵測器構件的輸出並接著平均這些值而得。使用於改善訊雜比之這類像素平均技術對那些熟知此項技術之人士係熟知的。使用例如匹配一600溝槽/毫米光柵(如海洋光學公司所製造地)之USB2000的光譜儀，在每一個氮激發頻帶下，大約12偵測器構件之輸出可被平均。
於一50奈米氮化矽薄膜沉積過程中，該所選多波長(本例中，該些氮激發頻帶為315奈米、337奈米、354奈米和397奈米)所在之偵測器輸出係如第5圖所示地。基於清晰起見，該些不同波長所在之輸出已被正規化並沿著該垂直軸分開。每一個波長所在之輸出分別通過時間T1-T5之極小值，其中，該薄膜厚度在這點上具有對應至1/2干擾週期的值。這些時間中之每一次的薄膜厚度可由已知那個波長所在之波長和薄膜折射率的 公式2來計算之。公式2：d=λ/4*nf，其中，λ=反射比被監控所在之波長，nf=本波長所在之薄膜折射率。
既然本技術仰賴該薄膜折射率，該薄膜厚度量測精確度主要視已知之薄膜折射率的精確度而定。知道該量測波長所在之折射率係重要的，因此所謂折射率之“帳面價值”不能被使用，因為典型地具有例如在雷射波長為632.8奈米之較長波長所得的值。在例如300奈米至400奈米之較短波長所在之折射率不具有一常數值，典型地隨著波長變短而增加。同時，電漿增強型化學氣相沉積技術所沉積之薄膜不是化學計量的，且可內含例如氫之其它成分，如此，該薄膜組成成分及由此所致它的光學特性對該沉積製程及所使用沉積設備係特有的。因此，針對該特定沉積薄膜之折射率精確值必須被測定。
光譜橢圓偏光儀可被使用以得到不同波長所在之折射率，然而必須小心以確保該薄膜厚度係落在能夠產生可靠折射率量測之範圍內。一替代性技術係使用該適當製程及設備來沉積一厚膜，例如，大約500奈米至1000奈米之厚膜並如前述地監控選擇波長所在之反射比。在本沉積製程期間，產生多干擾週期並計算包含分數週期的週期數。較佳地，使用例如原子力顯微鏡、掃描式電子顯微鏡或輪廓儀之非光學技術可得到該厚膜厚度之精確值。由厚膜厚度d、波長λ、干擾週期數N之該些已知值中，可使用公式3來計算該折射率之精確值。公式3：nf=N.λ/2.d。
針對沉積一527.5奈米厚膜所得之氮化矽厚膜所計算之折射率值係表列於第12圖所示表格中。使用用於該折射率之這些值，則每一個波長之第一干擾極小值所在之厚膜厚度可被精確地計算。這些值係示於第13圖所示表格中。
具有該干擾信號中之一極小值所在之時間也必須具有一高精確度的測定，用以精確地控制該製程。具有厚度<100奈米之薄膜沉積典型地會少於100秒，有可能少於50秒，即使在該製程被調整以降低該沉積率時亦然。對於非常薄之薄膜(<50奈米)而言，只有幾個十秒製程時間係典型的。為了將這類薄膜之最終厚度精確地控制在幾個百分比精確度內，該製程終止於該目標時間之一秒的分數內係需要的。既然該目標時間係計算自該反射比極小值之時間量測，然而這些量測也必須以秒之分數的精確度來執行。
在第6圖中，在該干擾信號通過一極小值時，一來自該偵測器之典型輸出(600)被顯示。即使像素平均法被施用至該信號，在該信號上仍是具有可產生假極小值(例如601、602、603)之一些雜訊。若用於這類值之時間被使用，則顯著誤差被引入至該製程控制方法中。該雜訊散佈量可被信號平均法所減少：然而，例如“移動點平均”的簡單平均法不能被施用，因為所知這個使該信號失真，尤指引入一延遲而位移該極小值之時間。其它更多複雜演算法可被使用以偵測在雜訊存在中之極小值的真實時間。例如，發明人所知之這類演算法運用一統計技術以對該些資料點執行例如一二階多項式公式之公式的最適配。包含三角函數、高階多項式、冪函數及這些函數之結合的其它公式也可被運用。由本公式中，該極小值之時間 被更精確地計算，因為該適配一些資料點製程有效地降低誤差。第7圖顯示適配至該原始資料(600)之最適配曲線(610)及所計算之極小值的時間(605)。使用這類演算法，該極小值的時間係未知，直到該極小值出現後。使用該極小值(605)之計算時間而非該計算被執行(620)所在的時間係重要的。經由適當之參數選擇，只需要這些值間具有一小差值：例如，發生在55.1秒之極小值於57秒被偵測到。
使用這類偵測演算法，針對該些干擾信號中之極小值所計算的時間係示於第14圖所示表格中。由第14圖所示表格之資料中，一薄膜厚度對時間圖可基於說明目的而如第8圖所示地來建構之。一數學分析係使用本資料來執行，以導出用以提供該薄膜厚度對時間關係(640)之估測值的公式。例如，如習知技術所熟知地，不是使用線性適配就是使用多項式適配的回歸分析可被執行。替代性地，任何其它適當統計方法可被使用以導出這類公式。
該數學分析係在每一次偵測到該些監控波長中之一之極小值時執行，此時，一額外資料點被增加至該薄膜厚度對時間資料中。因此，該最適配公式在每次建立一極小值時進行更新。由本公式中，會得到該目標厚度的製程時間Tend被計算，也對額外資料係可用之每一個場合的時間進行更新。本時間係與該目前製程時間做比較，且該製程終止於該製程時間係等於Tend之時。在本時間下，該薄膜厚度係等於該目標厚度。替代性地，若需要額外製程，一旦得到該目標厚度或在適當時做決定要取得其它測量值，可改變該製程。
第10圖顯示本發明一實施例之流程概要圖。本發明實施例 包括之步驟為：放置一基板於一沉積系統內、設定該要求薄膜沉積之目標厚度、選擇至少二光波長以監控該沉積薄膜成長、啟動該沉積製程且至少監控該些選擇波長、定位一選擇波長強度中之強度極值(例如，極大值或極小值)、依據該定位極值來計算一薄膜厚度、產生一公式以將該沉積厚度描述成一時間函數、使用該產生之沉積厚度公式來預測到達該目標薄膜厚度之製程時間、比較該執行製程時間與該預測目標厚度時間。若該預測目標時間已到達，則該目標厚度已得。若該預測目標時間尚未到達，則隨著該製程繼續而進一步監控該些波長強度。若一新強度極值係定位在該製程時間到達該預測目標厚度時間之前，則將沉積厚度描述成一時間函數之沉積公式被更新，且一新目標厚度時間係依據該更新公式來計算之。該製程時間再與該更新目標厚度時間做比較。依據該新選擇波長強度極值位置之本監控時間及更新該沉積厚度公式製程被重複，直到該製程時間超過該預測目標厚度時間而實現該目標沉積厚度為止。注意到該描述實施例之許多變化例存在係重要的。例如，在將該基本放置於該沉積系統內之前先設定該目標薄膜厚度係可行的。類似地，選擇該監控波長可發生於放置該基板於該沉積腔室或選擇該目標薄膜厚度之前或之後。在另一實施例中，該些監控波長係選擇於該沉積製程開始之時。在該沉積製程開始時選擇該些波長之例子中，它們較佳地係選擇於該製程之第一個10秒內。
在本發明另一實施例中，該方法可有利地施用至具有一非固定組成成分之薄膜。這些非固定薄膜可由分立層或分級組成成分變異所構成。在本例中，該估測折射率會是用於該複合薄膜堆疊。
為了將該監控波長強度或強度們之極值轉換成一薄膜厚 度，需要具有對應至該監控波長之沉積薄膜折射率的估測值。第11圖顯示一種用以得到一選擇波長之折射率估測值的方法。為了估測該折射率，一測試基板被放置於該沉積系統內，至少一波長被選擇用於監控，該沉積製程被啟動且該選擇波長被監控，該沉積製程持續，直到該監控波長之至少一完整週期被觀察到。一旦該沉積製程已完成，該週期(全部及分數週期)數量被估測，且該沉積薄膜之實際厚度被測量。使用該觀察週期數及該實際薄膜厚度，該薄膜之折射率估測值係使用公式3針對該選擇波長來計算之。請注意到該描述方法具有許多變化例來測定該薄膜折射率。例如，欲監控之選擇波長可在該基板已放置於該沉積系統內之後再測定之。更進一步，在該製程已被啟動後再選擇該些波長係可行的。
在本發明另一實施例中，該方法可有利地施用至具有非固定組成成分之薄膜。這些非固定薄膜可由分立層或分級組成成分變異所構成。在本例中，該估測折射率會是用於該複合薄膜堆疊。
使用本發明配合給予之範例，一製程終止時間為85.8秒係針對一薄膜厚度為50奈米而計算。這個係示於第9圖(650)。若習知技術被使用以計算該製程終止時間，則顯著誤差係存在。例如，當該薄膜厚度係39奈米(660)時，在337奈米處之第一極小值發生於62.5秒處，由其值計算出一表面沉積率為0.624奈米/秒。若在本速率下之沉積被外插(670)，則一薄膜厚度為50奈米之估測時間係80.1秒(680)。這個會產生太短的沉積製程時間和大約3.6奈米之薄膜，或小於該目標值7.2%，其係無法接受地高誤差。
雖然所述沉積範例係針對一薄膜，但是監控多波長下之反射比可改善較厚膜之厚度精確度，因為使用得到之額外資料點之數學分析可 允許該厚膜厚度對時間公式具有一更精確估測值。當一厚膜係厚的足以產生多干擾週期時，在該干擾信號中之極大值及小值兩者被使用以產生這類資料。該信號極大值係以偵測一信號極小值中所描述之類似方式來偵測之。
如第15圖所示地，該製程流程圖包括之步驟為：針對使用會於一薄膜沉積過程中受到監控之至少二波長的折射率設定初始值。針對該薄膜沉積設定一目標薄膜厚度。一基板係放置於一沉積系統內。該薄膜係沉積於該沉積系統內之基板上。在具有折射率初始值之二波長下之反射輻射的強度對時間關係係於該薄膜沉積過程中進行監控。一強度極值係由該些監控波長中之至少一者所測定。一沉積薄膜厚度係使用自該監控波長中所測定之強度極值來計算之。針對沉積薄膜厚度對時間之函數係使用該計算薄膜厚度來產生。針對沉積薄膜厚度所產生之函數被使用以得到一估測時間來實現該目標薄膜厚度。若該時間係大於或等於該預測時間，則該沉積製程可被終止或改變。在那點上，該薄膜厚度被測量，針對至少二波長之折射率被計算，該折射率值被更新，且下一基板被放置於該沉積系統內以沉積該薄膜。若該時間係小於該預測時間，則一新強度極值被測定，該沉積薄膜厚度係使用自該監控波長中所測定之新強度極值來計算，針對沉積薄膜厚度之新函數係使用該新計算薄膜厚度來產生，且針對沉積薄膜厚度之新函數被使用以得到一新估測時間來實現該目標薄膜厚度。
儘管前述範例已聚焦於沉積製程，然而本發明也是有利地施用至薄膜蝕刻。更進一步，本發明可被施用至習知技術中所熟知之例如深反應式離子蝕刻製程的蝕刻與沉積製程結合所構成之製程。
本揭示包含內含於所附申請專利範為及前述內容。儘管本發 明已描述它具有某一特質程度之較佳形式，然要了解到該較佳形式之揭示只是舉例說明而構造細節與構件結合和安排的許多變化可被求取而不偏離本發明精神與範圍。
注意，本發明已被描述。

Claims (26)

  1. 一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；沉積該薄膜至該沉積系統內之基板上；以多波長監控於該薄膜沉積過程中反射自該基板之輻射；監控衍生自該反射輻射之值；偵測該衍生值達到一目標值所在之時間；計算該偵測時間所在之薄膜厚度以產生資料；對該產生資料執行一數學分析以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式；及使用該決定之沉積薄膜厚度對時間公式來得到一估測時間以實現該目標薄膜厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包括當該估測時間實現該目標薄膜厚度時終止該薄膜之沉積。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包括當該估測時間實現該目標薄膜厚度時改變該薄膜之沉積。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該目標值係一極值。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該多波長進一步包括介於290奈米至420奈米間之波長。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該多波長進一步包括由氮分子所射出之波長。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該數學分析進一步包括一回歸分析。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中，該回歸分析進一步包括一線性適配。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該回歸分析進一步包括一多項式適配。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該偵測步驟進一步包括施用一統計技術來偵測該極小值之真實時間。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該計算步驟進一步包括使用一已知波長及該薄膜之一預先計算折射率。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該折射率係預先計算自該薄膜之一厚膜。
  13. 一種在電漿沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；引入一反應氣體至該電漿沉積系統中；自該電漿沉積系統內之反應氣體中激起一電漿；將該薄膜自該激起電漿中沉積至該電漿沉積系統內之基板上；以多波長監控於該薄膜沉積過程中反射自該基板之電漿激發輻射；監控衍生自該反射電漿輻射之值；偵測該衍生值達到一目標值所在之時間； 計算該偵測時間所在之薄膜厚度以產生資料；對該產生資料執行一數學分析以決定一沉積薄膜厚度對時間之公式；及使用該決定之沉積薄膜厚度對時間的公式來得到一估測時間以實現該目標薄膜厚度。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包括當該估測時間實現該目標薄膜厚度時終止該薄膜之沉積。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包括當該估測時間實現該目標薄膜厚度時改變該薄膜之沉積。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該薄膜之電漿沉積係終止於該計算公式之薄膜厚度等於該目標薄膜厚度之時。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該薄膜之電漿沉積係改變於該計算公式之薄膜厚度等於該目標薄膜厚度之時。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該多波長進一步包括介於290奈米至420奈米間之波長。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該多波長進一步包括由氮分子所射出之波長。
  20. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該數學分析進一步包括一回歸分析。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該回歸分析進一步包括一線性適配。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中，該回歸分析進一步包括一 多項式適配。
  23. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該偵測步驟進一步包括施用一統計技術來偵測該極小值之真實時間。
  24. 如申請專利範圍第13項之方法，其中，該計算步驟進一步包括使用一已知波長及該薄膜之一預先計算折射率。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中，該折射率係預先計算自該薄膜之一厚膜。
  26. 一種在沉積過程中測定一薄膜之厚度的方法，該方法包括之步驟為：針對使用至少二波長之折射率設定初始值；設定一目標薄膜厚度；在一沉積系統內放置一基板；沉積該薄膜至該沉積系統內之基板上；以該至少二波長監控於該薄膜沉積過程中相對於時間之強度；當該目標薄膜厚度被實現時，終止該製程；測量該薄膜厚度；使用該測量薄膜厚度計算該至少二波長所在之折射率；更新用於該至少二波長之折射率初始值；及使用用於該至少二波長之更新折射率初始值來處理下一基板。
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