TW202249136A - 用於對來自晶體微天秤上溫度與壓力影響的即時質量之反摺積的系統及方法 - Google Patents

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史蒂夫 雷克曼
盧卡斯 鮑加特
馬坦 拉皮多特
布萊恩 歐尼爾
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Abstract

一種系統和方法，用於確定由溫度引起的晶體微天秤(CM)感測器中諧振頻率的變化以及因此導致的CM感測器上增量質量確定的變化。在去反摺積過程中使用雙模諧振和係數來確定和提取溫度引起的頻率漂移，以提供經溫度補償的增量質量(ΔM)。在一個實施例中，使用質量模式(例如，c模式基頻(f c 100))和溫度模式(例如，非諧振頻率(f c 102))及相關係數來提供雙模分析。在對溫度變化更敏感的其他實施例中，使用b模式基頻(f b 100)作為溫度模式及相關係數來提供雙模分析。

Description

用於對來自晶體微天秤上溫度與壓力影響的即時質量之反摺積的系統及方法
本申請總體上涉及測量和監測的領域，更具體地涉及使用晶體微天秤(CM)感測器(例如石英(SiO 4)、正磷酸鎵(GaPO 4)、矽酸鎵鑭(La 3Ga 5SiO 14)晶體等)的過程監測和控制的系統和相關方法。所公開的技術可以用於直接或間接地監測和/或控制用於多種不同應用和工業(例如，半導體、OLED照明和顯示器以及光學鍍膜)的製造的鍍膜工藝。 相關申請的交叉引用 本申請要求提交於2021年5月6日且題為“SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINING THE CHANGE IN MASS FROM TOTAL RESONANCE FREQUENCY INFLUENCED BY TEMPERATURE(用於根據受溫度影響的總諧振頻率來確定質量變化的系統和方法)”的美國臨時專利申請序號63/184,830的權益和優先權，該申請的全部內容通過引用結合於此。
CM感測器已集成到例如原子層沉積(ALD)和化學氣相沉積(CVD)技術中。在典型佈置中，將帶有電極的CM感測器作為頻率控制元件放置在振盪器電路的反饋回路中。CM感測器的等效電導納在其串聯諧振頻率下最大，因此振盪器輸出往往保持在該頻率。CM感測器的串聯諧振頻率的任何變化都會導致振盪器輸出頻率的相應變化。隨著CM感測器表面上的質量負載的增加，其(一個或多個)諧振頻率會降低。振動CM感測器與腔室中其他基材上的鍍膜成比例地鍍膜，並且其諧振頻率因質量負載而降低指示了CM感測器上的鍍膜質量。通常情況下，CM感測器諧振頻率的漂移也指示基材上的鍍膜厚度。諧振頻率是對所施加的鍍膜質量(或厚度)高度敏感的度量。諧振頻率隨時間的變化率指示趨勢鍍膜或沉積速率，即單位時間內的質量(或厚度)變化。諧振頻率變化與添加到CM感測器的沉積材料質量成比例。 CM感測器用於嚴格維持溫度和壓力的應用中。除了取決於沉積在CM感測器上的材料質量外，CM感測器的諧振頻率還取決於應用期間存在的其他因素，如溫度和壓力。因此，CM感測器測量的頻率變化不僅受質量變化的影響，還受溫度、壓力以及其他因素的影響。因此，選擇特定的晶體切割以匹配應用，從而降低來自溫度和壓力的誤差影響。這意味著晶體切割的公差必須非常高，而且不同的應用需要不同的切割。雖然實現起來可能看起來很簡單或微不足道，但這涉及到用於預期應用之前的冗長的驗證過程。更重要的是，即使使用特定的晶體切割，使用者也要承受巨大的負擔來維持對溫度和壓力的嚴格程序控制。 在半導體領域，關於溫度的變化，在典型的應用中，正在使用的前體需要安瓿加熱以使前體汽化/昇華。根據CM感測器的位置，CM感測器的溫度可能會受到加熱或暴露於前體的影響(例如，升高)。例如，一些未使用的被加熱的汽化前體可能穿過CM感測器所在的腔室或前級管線，並升高CM感測器的溫度。就壓力而言，在ALD和CVD工藝中，不同的配方步驟引起與CM感測器流體連通的處理室中的壓力變化。因此，諧振頻率也受到壓力變化的影響。 由於溫度和壓力的變化可引起CM感測器的諧振頻率的相應變化，因此為了基於僅由質量負載引起的諧振頻率的變化來準確地關聯CM感測器和基材上的質量負載，必須考慮並分離出CM感測器的溫度和壓力的這些變化(例如，相應的頻率漂移)。 目前，有幾種技術用於試圖控制溫度對CM感測器的影響。例如，在某些應用中(例如，在半導體領域)，CM感測器的溫度不受控制，這會引入累積的頻率變化。在OLED顯示和光學鍍膜的領域，使用水冷來將CM感測器保持在固定溫度，以最小化溫度波動。通過將晶體設計成使其頻率與溫度特性的轉捩點與所控制的溫度相匹配，可以消除溫度對厚度率的即時監測的影響。然而，在半導體應用中，將CM感測器保持在固定溫度很困難，因為沉積和蝕刻工藝有多個步驟，其中一些步驟會改變腔室和前級管線的溫度。由於CM感測器的熱質量很小，因此在與其周圍環境進行熱交換期間，它很容易順從於溫度變化。此外，由於配方的每一步都以秒為單位變化，因此無法通過集成的回饋控制加熱/冷卻元件來保持CM感測器的溫度。於是，一種解決方案是使用一個或多個熱電偶(TC)來監測CM感測器的溫度，並濾除任何溫度變化對頻率的影響。在另一應用中，使用雙晶體技術，其中對晶體的溫度係數進行匹配。然而，基於通常不正確的假設，即兩個晶體之間沒有熱滯後，CM感測器的物理位置差異也可能會引入顯著的測量誤差。在熱電偶和雙晶體解決方案中，很難同時獲得質量負載頻率變化和溫度頻率變化。此外，熱電偶位置處的溫度與CM感測器的溫度不完全相同，這會引入誤差。此外，溫度變化通常非常迅速，而在這種快速變化的環境下，熱電偶無法反映CM感測器的真實暫態溫度。由於TC和CM材料的發射率不同，輻射耦合傳熱也會對CM和TC產生不同的影響。 題為“Method for Measuring Mass Change Using a Quartz Crystal Microbalance(使用石英晶體微天秤測量質量變化的方法)”的第5,869,763號美國專利提出了自動補償CM感測器溫度變化的解決方案。該專利公開了形成一種CM感測器，其同時以兩種不同的模式被激勵，以便獨立地測量質量變化和溫度變化。在該專利中，使用了雙旋轉石英晶體切割，如SC切割。SC切割的晶體同時受到b模式聲波和c模式聲波的激勵，其中b模式對溫度高度敏感，而c模式對溫度的敏感性低得多。替代地，SC切割的晶體在c模式下以其基頻(f c 100)和其三次諧波(f c 300)激勵，並且這兩種模式均可得出對溫度敏感的拍頻。根據該專利，b模式的頻率和從兩個c模式得出的拍頻都是單調的，並且是溫度的近線性函數。然而，這些已提出的解決方案有幾個問題。 例如，在採用b模式的解決方案中，該模式在100℃至116℃範圍內似乎有模式轉換，這導致b模式在該範圍內不是單調的或不是溫度的線性函數。在得出對溫度敏感的拍頻的解決方案中，測量基頻(f c 100)和三次諧波(f c 300)的c模式幅度。三次諧波(f c 300)的幅度是基頻(f c 100)的1/9。隨著質量的積累，三次諧波(f c 300)的信號比基頻(f c 100)的信號衰減得更快，使得諧振頻率可能無法被任何電路檢測到。如果無法檢測到三次諧波(f c 300)，則無法得出拍頻。該專利教導，該拍頻可以通過從三次諧波頻率減去三倍模式基頻、或者通過從模式基頻減去三分之一的三次諧波頻率而得出。由於三倍模式基頻的值非常接近三次諧波頻率的值(因此三次諧波頻率的三分之一的值非常接近模式基頻的值)，因此拍頻可能非常小。檢測拍頻的變化需要監測至少十個週期的節拍信號。因此，在拍頻法中，質量和溫度變化的更新時間要長得多。對於像ALD這樣需要快速質量更新的應用，由於無法以相同的節律進行溫度補償，因此對應用有不利影響。該專利的另一缺點在於，它假定頻率隨溫度線性單調變化，這可能產生不準確的補償厚度率，特別是在半導體領域，在該領域中，溫度信號經常支配質量信號，並且質量信號對於監測過程是重要的。
提供本概述是為了以簡化的形式介紹一些構思，這些構思將在後面的具體實施方式中進一步描述。本概述不旨在表明所要求保護的主題的關鍵特徵或必要特徵。本概述也不旨在用於限制所要求保護的主題的範圍。 公開了用於確定由溫度引起的晶體微天秤(CM)感測器中的諧振頻率的變化以及所導致的CM感測器上的增量質量的確定的變化的系統和方法。在去反摺積過程中使用雙模諧振和係數來確定並提取溫度引起的頻率漂移，以提供經溫度補償的增量質量(Δm)。在一個實施例中，使用質量模式(例如，c模式基頻(f c 100))和溫度模式(例如，非諧振頻率(f c 102))及相關係數來提供雙模分析。在對溫度變化更敏感的其他實施例中，使用b模式基頻(f b 100)作為溫度模式和相關係數來提供雙模分析。 當在CM感測器有質量負載的製造過程中實施時，c模式基頻(f c 100)、非諧振頻率(f c 102)和/或b模式基頻(f b 100)的雙模分析將提供關於針對每個頻率的質量負載、溫度變化、壓力變化和任何固有應力變化引起的頻率漂移的資訊。然而，每個諧振頻率將具有不同的溫度靈敏度和回應以及不同的質量靈敏度和回應。通過使用它們各自的質量靈敏度和溫度靈敏度，可以將質量變化引起的頻率漂移與溫度變化引起的頻率漂移分開，從而更準確地確定質量負載。 本發明通過包括CM感測器的溫度特性的高階項而克服了上述問題中的一些。此外，本發明將溫度補償推廣到覆蓋所有類型的晶體切割。最後，由於SC切割的晶體的應力補償特徵，提出將本專利解決方案用於示例性SC切割的晶體。該解決方案也將適用於AT切割的晶體，由於其成本和可製造性優勢，此類晶體廣泛應用於OLED顯示器、光學鍍膜或其他領域。該解決方案還可以用於克服由源熱衝擊事件引起的顯示面板和濾光片上的厚度誤差。 前面的概述和後面的詳細描述都提供了示例，並且僅僅是解釋性的。因此，前面的概述和後面的詳細描述不應被認為是限制性的。此外，可以提供除本文闡述的那些之外的特徵或變化。例如，實施例可以針對詳細描述中描述的各種特徵組合和子組合。
相關領域的普通技術人員將容易理解，本公開具有廣泛的實用性和應用。應當理解，任何實施例可以僅結合本公開的一個或多個上述方面，並且還可以僅結合一個或多個上述特徵。此外，被討論和標識為“優選”的任何實施例被認為是被考慮用於執行本公開的實施例的最佳模式的一部分。在提供完整且使能的公開內容時，出於額外的說明性目的，也可以討論其他實施例。此外，許多實施例，例如適應、變化、修改和等效佈置，將由本文描述的實施例隱含地公開，並且落入本公開的範圍內。 因此，儘管本文關於一個或多個實施例詳細描述了實施例，但是應當理解，本公開是本公開的說明性和示例性的，並且僅僅是為了提供完整和可實施性的公開。本文中對一個或多個實施例的詳細公開並不旨在也不應被解釋為限制在本文所發佈的專利的任何請求項中提供的專利保護的範圍，該範圍由請求項及其等同物限定。不意圖通過將在本文中找到的沒有明確出現在請求項本身中的限制讀入任何請求項中來限定專利保護的範圍。 因此，例如，本文描述的各種過程或方法的步驟的任何序列和/或時間順序是說明性的而不是限制性的。因此，應當理解，儘管各種過程或方法的步驟可以被示出和描述為以序列或時間順序，但是任何這樣的過程或方法的步驟不限於以任何特定的序列或循序執行，除非另有指示。實際上，這樣的過程或方法中的步驟通常可以以各種不同的順序和次序執行，同時仍然落入本發明的範圍內。因此，專利保護的範圍意圖由所發佈的(一個或多個)請求項而非本文闡述的描述來限定。 此外，重要的是要注意，本文使用的每個術語都是指普通技術人員基於本文中該術語的上下文使用而理解的術語。就本文所用術語的含義(如普通技術人員基於該術語的上下文使用所理解的)與該術語的任何特定詞典定義以任何方式不同而言，意圖以普通技術人員所理解的該術語的含義為准。 此外，重要的是要注意，如本文所用，“一”和“一個”通常各自指示“至少一個”，而不排除多個，除非上下文使用另有說明。當在本文中用於連接專案列表時，“或”表示“所述專案中的至少一個”，而不排除列表中的多個專案。最後，當在本文中用於連接專案列表時，“和”表示“列表中的所有專案”。 下面的詳細描述參考附圖。在可能的情況下，在附圖和以下描述中使用相同的附圖標記來指代相同或相似的元件。雖然可能描述本公開的許多實施例，但是修改、改編和其他實施方式是可能的。例如，可以對附圖中所示的元件進行替換、添加或修改，並且可以通過對所公開的方法進行替換、重新排序或添加階段來修改本文描述的方法。因此，以下詳細描述並不限制本公開。相反，本公開的適當範圍由所附申請專利範圍限定。本公開包含標題。應當理解，這些標題被用作參考，而不應解釋為對標題下公開的主題的限制。 圖1描繪了典型的真空汽化應用中的測量系統100，其中，CM感測器104(例如，QCM感測器)用於測量處理室102中的薄膜沉積速率。在圖1的示例中，源106用於利用腔室102沉積材料107。CM感測器104通過饋通108向重量分析沉積速率監測器110發送信號。回饋控制回路可以用於通過調製源電源112來控制沉積速率，其中沉積速率資訊可任選地用於產生電壓信號以手動地或在回饋控制回路中控制沉積速率。 在一個實施例中，雙模分析由c模式基頻(f c 100)和b模式基頻(f b 100)提供。例如，在涉及CM感測器上的質量負載非常小的SC切割的晶體的應用中(例如，ALD工藝)並且在沒有模式轉換的溫度下(例如，低於100℃)，在可能需要比非諧振頻率(f c 102)所提供的更高的溫度靈敏度時，可以使用b模式基頻(f b 100)。除了對溫度高度敏感外，b模式基頻(f b 100)與非諧振頻率(f c 102)一樣，也是溫度的近線性函數。 在仍另一實施例中，系統可以評估條件並確定應該使用哪種雙模技術(即c模式基頻(f c 100)和非諧振頻率(f c 102)還是c模式基頻(f c 100)和b模式基頻(f b 100)，並根據需要在這些技術之間切換)。更具體地說，b模式溫度靈敏度更高的優勢可以用在發生模式交叉的溫度兩側，並且模式交叉區域可以通過監測非諧振模式(f c 102)來覆蓋。系統允許同時監測多種模式；因此，如果應用溫度跨越CM感測器的模式轉換點，則可以實現前述方式。 當在質量負載CM感測器的製造過程中實施時，c模式基頻(f c 100)、非諧振頻率(f c 102)和/或b模式基頻(f b 100)的雙模分析將提供關於針對每個頻率的質量負載、溫度變化、壓力變化和任何固有應力變化引起的頻率漂移的資訊。然而，每個諧振頻率將具有不同的溫度靈敏度和回應以及不同的質量靈敏度和回應。通過使用它們各自的質量靈敏度和溫度靈敏度，可以將質量變化引起的頻率漂移與溫度變化引起的頻率漂移分開，從而更準確地確定質量負載。 在由c模式基頻(f c 100)和非諧振頻率(f c 102)提供雙模分析的一個實施例中，以下示例性方程可以用於確定溫度變化(ΔT)和經溫度補償的質量負載(Δm)。 對於給定的CM諧振模式，由質量和溫度變化引起的頻率變化可通過增量質量變化和溫度變化在測量積分時間上的積分和得出，如下所示。
Figure 02_image001
使用下面要討論的模式係數和質量靈敏度係數，c模式基頻(f c 100)下較不溫度主導的模式的頻率漂移Δf M和非諧振頻率(f c 102)下更加溫度主導的模式的頻率漂移Δf T(後文分別稱為質量模式和溫度模式)可寫成：
Figure 02_image003
下標M表示質量模式，下標T表示溫度模式。因此，f M可以指示f c 100，並且f T可以指示f c 102、f b 100、(3f c 100-f c 300)或(f c 100-f c 300/3)中的任何一個。溫度模式的選擇取決於晶體切割的類型。例如，AT切割沒有b模式。模式係數和質量靈敏度係數用λ表示。 ΔT的通解由下式給出：
Figure 02_image005
從該等式可以看出，一旦確定了質量模式的頻率漂移(Δf M)和溫度模式的頻率漂移(Δf T)的值，並且知道了下面要討論的質量模式的模式係數和質量靈敏度係數(λ M)以及溫度模式的模式係數和質量靈敏度係數(λ T)，就可以確定ΔT的值。 已證實，在CM上中等質量負載的情況下，質量模式和溫度模式的模式係數變化可忽略不計。例如，對於SC切割的晶體，9kA鋁(0.1毫克)的質量負載未顯示出c模式(f c 100=f M)及其非諧(f c 102=f T)的溫度模式係數有任何變化。 通過跟蹤質量模式(f M)和溫度模式(f T)的頻率變化，可以根據上面的方程確定ΔT。監測系統交替跟蹤這兩種模式，以評估ΔT，並通過它評估經溫度補償的增量質量(Δm)，從而提供即時溫度補償過程監測。真實質量變化(Δm)由下式給出：
Figure 02_image007
。 對於高靈敏度情況，溫度模式的非諧振頻率(f c 102)可以用b模式基頻(f b 100)來代替。 圖2示出了對於沒有質量負載(m=0)的SC切割的CM感測器而言，在溫度範圍內的c模式基頻(f c 100)(稱為質量模式)的諧振頻率的曲線圖200。溫度繪製為以室溫(28.2℃)為參考的ΔT，而頻率繪製為以室溫基本諧振頻率(5984848Hz)為參考的Δf。從圖2可以看出，在一定溫度範圍內，c模式基頻(f c 100)的諧振頻率相對穩定(即，對溫度變化不太敏感)，但不是溫度的線性函數，在拐點(約93℃)兩側都有較低和較高的轉捩點。 圖3示出了針對圖2中相同的SC切割的CM感測器的在質量負載範圍內的c模式基頻(f c 100)(稱為質量模式)的諧振頻率的曲線圖300。在室溫下(ΔT=0)以重量分析法測量真實質量負載資料。質量負載繪製為以無負載CM的室溫質量為參考的ΔM，而頻率繪製為以無負載室溫基頻為參考的Δf。質量模式的質量靈敏度是根據對資料的線性擬合得出的。 通過對圖2和圖3中收集的資料進行擬合分析，得出質量模式的以下示例性模式係數和質量靈敏度係數(λ M)。使用最高達3次的模式係數消除了將c模式基頻(f c 100)特性視為線性的限制，從而實現了質量負載的準確去反摺積。
Figure 02_image009
圖4示出了對於圖2和圖3的相同的SC切割的CM感測器，在沒有質量負載(ΔM=0)的情況下在一定溫度範圍內的c模式非諧振頻率(f c 102)(稱為溫度模式)的特性的曲線圖400。溫度繪製為以室溫(28.2℃)為參考的ΔT，而頻率繪製為以室溫非諧振頻率(6186685Hz)為參考的Δf。如圖4所示，c模式非諧振模式(f c 102)的諧振頻率比其基本模式(f c 100)對溫度變化更敏感。 圖5示出了對於圖2、圖3和圖4中相同的SC切割的CM感測器，在一定質量負載範圍內的c模式非諧振(f c 102)(稱為溫度模式)的諧振頻率的曲線圖500。在室溫下(ΔT=0)以重量分析法測量真實質量負載資料。質量負載繪製為以無負載CM的室溫質量為參考的ΔM，而頻率繪製為以無負載室溫非諧振頻率為參考的Δf。溫度模式的質量靈敏度是根據對資料的線性擬合得出的。 通過擬合分析，得出了溫度模式的以下模式係數和質量靈敏度係數(λ T)。
Figure 02_image011
應當理解，儘管圖2、圖3、圖4和圖5是基於SC切割的CM感測器的性能，但是AT切割的CM感測器將提供針對c模式基頻(f c 100)(即，對溫度較不敏感)和非諧振頻率(f c 102) (即，對溫度更敏感)關於溫度靈敏度的類似相對性能。因此，這種使用c模式基頻(f c 100)和非諧振頻率(f c 102)的雙模分析可以用於通常用於OLED顯示器生產、光學鍍膜和其他領域的AT切割的晶體，因為與SC切割的晶體相比，它具有成本和可製造性優勢。在一個實施例中，CM感測器是如圖2所示的石英晶體。在另一實施例中，CM感測器是正磷酸鎵(GaPO 4)晶體或矽酸鎵鑭(La 3Ga 5SiO 14)晶體，這將允許在較高溫度的應用中使用雙模分析。 在使用c模式基頻(f c 100)用作質量模式並使用非諧振頻率(f c 102)和/或b模式基頻(f b 100)用作溫度模式的雙模分析時，使用單個晶體將頻率漂移與質量負載和溫度變化分開。這解決了與需要分開放置晶體或熱電偶的早期溫度補償解決方案相關的問題。 圖6示出了用於確定鍍膜工藝中的厚度速率的示例性方法的工作流程600，該鍍膜工藝用在許多不同應用和行業(例如，半導體、OLED照明和顯示器以及光學鍍膜)的製造中。在一個方面，採用雙模溫度補償方法650。在工藝工作流程600的開始602之後，在步驟604，使用者輸入和/或系統接收要在應用或製造過程中使用的CM的類型。在步驟606，監測系統的(一個或多個)處理器(例如，微控制器)確定是否支援所識別的CM。支援的CM類型可以具有存儲在非易失性記憶體中的針對兩種模式(如上所述，質量模式，例如在c模式基頻(f c 100)下，以及溫度模式，例如在非諧振頻率(f c 102)下)的模式係數和質量靈敏度係數。基於用戶對所用CM類型的輸入，監測系統的(一個或多個)處理器將使用相關係數(例如模式係數和質量靈敏度係數)以及即時監測的Δf M和Δf T來計算和報告應用期間的溫度補償沉積速率。 如果系統在步驟606確定支援所識別的CM(“是”)，則系統的(一個或多個)處理器在步驟610通過進行頻率掃描以確定每個模式的初始諧振頻率(例如，f M(t=0)和f T(t=0))來初始化雙模式(即，質量模式和溫度模式)。一旦在步驟610初始化了雙模式，監測系統就將在步驟612測量下一預定時間的質量模式諧振(f M)和溫度模式諧振(f T)(例如，f M(t=100ms)和f T(t=100ms))。在步驟612確定質量模式(Δf M)和溫度模式(Δf T)的頻率變化、並且知曉針對兩種模式(質量模式，例如，在c模式基頻(f c 100)下，以及溫度模式，例如，在非諧振頻率(f c 102)下)的模式係數和質量靈敏度係數允許在步驟614根據上述方程確定ΔT。監測系統交替跟蹤兩種模式以評估ΔT。一旦知道了ΔT，並且知道針對兩種模式的模式係數和質量靈敏度係數，就允許在步驟614還確定經溫度補償的質量(ΔM)。 一旦在步驟614中知道了經溫度補償的增量質量(ΔM)，就在步驟616中使用薄膜參數使用常規技術將其轉換為特定薄膜的厚度速率。在步驟618，監測系統確定是否要繼續雙模溫度補償方法650。如果不繼續方法650，在步驟624停止。如果繼續該方法，則在下一時間增量(例如，每100ms)重複步驟612、614、616和618。 圖6還示出了用於單一模式(例如，質量模式)的厚度速率計算的工作流程。例如，如果在步驟606，系統確定了不支援所識別的CM(“否”)，則在步驟608，系統通過進行頻率掃描以識別質量模式的初始諧振頻率(f M(t=0))來初始化單一模式(即，質量模式)。一旦在步驟610初始化了質量模式，監測系統就將在步驟620測量下一預定時間的質量模式諧振(f M)(例如，f M(t=100ms))。在步驟626，系統確定質量模式的頻率漂移(Δf M)和未經補償的質量變化(ΔM)。一旦知道了未經補償的增量質量(ΔM)，就在步驟628使用薄膜參數使用常規技術將其轉換為特定薄膜的厚度速率。在步驟622，監測系統確定是否繼續單一模式溫度補償方法。如果不繼續該方法，則在步驟624停止。如果繼續該方法，則重複步驟620、626、628和622。如果針對所安裝的CM感測器無法使用第二溫度模式，或者溫度模式在監測期間變得不穩定或丟失，則厚度計算可預設為單一模式，並使用第二溫度模式可用期間完成的任何學習。在半導體應用中可能會有這種情況，在半導體應用中，晶圓配方不斷迴圈。 圖7示出了圖6所示的雙模溫度補償方法650的更高級別的工作流程。類似於圖6，在工藝工作流程700的開始702之後，在步驟704，使用者輸入和/或系統接收要在應用或製造過程中使用的CM的類型。在步驟706，系統的(一個或多個)處理器確定是否支持所識別的CM。如果在步驟706系統確定了不支援所識別的CM(“否”)，則在步驟808，系統預設為單一模式(即，質量模式)。如果系統在步驟706確定了支援所識別的CM(“是”)，則系統的(一個或多個)處理器在步驟710通過進行頻率掃描以識別每個模式的初始諧振頻率(例如，f M(t=0)和f T(t=0))來初始化雙模式(即，質量模式和溫度模式)。一旦在步驟710初始化了雙模式，監測系統就將在步驟711測量下一預定時間的質量模式諧振(f M)和溫度模式諧振(f T)(例如，f M(t=100ms)和f T(t=100ms))。這允許在步驟711確定質量模式(Δf M)和溫度模式(Δf T)的頻率變化。在步驟712，監測系統從例如儀器的快閃記憶體中的查閱資料表(LUT)獲取或接收針對兩種模式(質量模式，例如，在c模式基頻(f c 100)下，以及溫度模式，例如，在非諧振頻率(f c 102)下)的模式係數和質量靈敏度係數。 在小樣本週期(例如100ms)內求解CM的溫度很重要，因為本發明的用途之一是用於半導體生產應用，其中CM感測器的溫度可能由於載流子/前體流、等離子體開/關事件等而快速變化。用於感測器監測電路的典型處理器(例如微控制器或FPGA)可能需要很長時間來求解三次方程的根，以得出正確的實根，從而得出CM感測器的即時溫度。本文描述的方法便於更快地求解三次根。去除了從更新迴圈到初始化階段的時間開銷，以計算轉換後的係數集，然後將該係數集存儲在寄存器R0至R9中。在這些係數中，只有係數R5需要基於即時的Δf M和Δf T進行更新。這允許更快地求解和更新經溫度補償的厚度。 在半導體應用中，需要以10Hz來監測CM上的質量負載，並且需要以更高的速率進行監測，例如100Hz或更高。對於監測系統中的典型微控制器而言，求解三次多項式以得出三次方程需要更長的時間。本發明的方法使用了針對三次方程的卡爾達諾解析解的改良版本。可以按所示循序執行以下操作，以得出測量週期內的溫度變化。一旦在步驟712獲取了這兩種模式的模式係數和質量靈敏度係數，就在步驟714基於這兩種模式的模式係數和質量靈敏度係數來計算係數R0至R9，並對其進行約簡(reduce)。在步驟716，將經約簡的係數R0至R4和R6至R9載入到寄存器中，用於在步驟718確定ΔT和ΔM。然而，在步驟730，將基於測量週期內質量模式(Δf M)和溫度模式(Δf T)的頻率變化來更新經約簡的係數R5，如下式所示。在步驟718，還使用經約簡的係數R5來確定ΔT和ΔM，如下式所示。該策略將減少求解溫度新變化的時間，從而減少求解厚度速率的經溫度補償的質量的時間。 λ=獲取雙模係數(晶體類型) R=將經約簡的係數載入到RAM(λ)
Figure 02_image013
一旦在步驟718知道了經溫度補償的增量質量(ΔM)，就在步驟720使用薄膜參數使用常規技術將其轉換為特定薄膜的厚度速率。在步驟722，監測系統確定是否繼續雙模溫度補償方法。如果不繼續該方法，則在步驟724停止。如果繼續該方法，則監測系統將在步驟711測量下一預定時間的質量模式諧振(f M)和溫度模式諧振(f T)(例如，f M(t=200ms)和f T(t=200ms))。這允許在步驟726確定質量模式(Δf M)和溫度模式(Δf T)的頻率變化。 如果監測系統在步驟728確定在跟蹤期間溫度模式丟失，則可以採用以下方法之一，直到腔室停機時間可用於替換CM感測器。在步驟710，系統可以掃描以找到CM感測器可用的其他溫度模式(例如，在f c 102溫度模式丟失的情況下，系統可以掃描以找到CM感測器的f b 100溫度模式)。如果沒有找到任何溫度模式，則在步驟709，監測系統可以預設為單一模式測量，並且可以使用當兩種模式都可用時從資料中進行的學習來預測經溫度補償的質量。在半導體應用中，針對每個晶圓需要同一個配方，這種方法可一直有效，直到關閉腔室以替換掉CM感測器。 在一個實施例中，雙模諧振是鎖模的並且交替地而不是同時被激勵。這防止了模式跳躍，從而防止了補償質量的錯誤計算。這將使質量和溫度轉換更加可靠。 仔細選擇溫度模式比質量模式對溫度更敏感的兩種模式，可在任何給定時間得到溫度的單一實數解。 在一個實施例中，除了補償溫度變化和對CM感測器頻率回應的影響之外，該系統還補償壓力變化和影響。例如，在牽涉到CM感測器上的質量負載非常小的應用中，可以使用壓力計和壓力補償技術來解決由壓力引起的SC切割的晶體上的頻率變化。在這種情況下，將增加對壓力更敏感的模式，以實現三模式補償。 雖然已經參考某些示例性實施例具體圖示並描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，在不脫離書面描述和附圖所支持的本發明的精神和範圍的情況下，可以實現各種細節上的改變。此外，在參考一定數量的元件描述示例性實施例的情況下，應當理解，可以利用少於或多於該一定數量的元件來實施示例性實施例。
100:測量系統 102:PVD腔室 104:CM傳感器 106:源 107:材料 108:饋通 110:重量分析沉積速率監測器 112:源電源 200:曲線圖 300:曲線圖 400:曲線圖 500:曲線圖 600:工作流程 602:步驟 604:步驟 606:步驟 608:步驟 610:步驟 612:步驟 614:步驟 616:步驟 618:步驟 620:步驟 622:步驟 624:步驟 626:步驟 628:步驟 650:方法 700:工作流程 702:步驟 704:步驟 706:步驟 708:步驟 709:步驟 710:步驟 711:步驟 712:步驟 714:步驟 716:步驟 718:步驟 720:步驟 722:步驟 724:步驟 726:步驟 728:步驟 730:步驟
通過參考實施例，可以獲得上面簡要概述的本發明的更具體的描述，其中一些實施例在附圖中示出。然而，要注意的是，附圖僅示出了本發明的典型實施例，因此不應被認為是對其範圍的限制，因為本發明可以允許其他同等有效的實施例。此外，附圖可能包含可以解釋本公開的某些實施例的文本或文字說明。該文本被包括用於本公開中詳述的某些實施例的說明性、非限制性、解釋性目的。因此，為了進一步理解本發明的性質和目的，可以結合附圖參考下面的詳細描述，其中： [圖1]示出了在典型的真空蒸發應用中用於測量薄膜沉積速率的CM感測器； [圖2]示出了在沒有質量負載的情況下SC切割的CM的c模式基頻(f c 100)在整個溫度範圍內的溫度特性； [圖3]示出了在恆定溫度下SC切割的CM的c模式基頻(f c 102)在整個薄膜質量負載範圍內的特性； [圖4]示出了在沒有質量負載的情況下SC切割的CM的c模式非諧振頻率(f c 102)在整個溫度範圍內的溫度特性； [圖5]示出了在恆定溫度下SC切割的CM的c模式非諧振頻率(f c 102)在整個薄膜質量負載範圍內的特性； [圖6]示出了用於監測連接到監測器的CM中的單模諧振或雙模諧振的一個實施例的工作流程；以及 [圖7]示出了用於監測連接到監測器的CM中的單模諧振或雙模諧振的另一實施例的工作流程。

Claims (10)

  1. 一種確定沉積在晶體微天秤(CM)感測器上的增量質量的方法，包括以下步驟： 確定第一時間處的(i)第一模式頻率的第一諧振頻率和(ii)第二模式頻率的第一諧振頻率； 確定第二時間處的(i)第一模式頻率的第二諧振頻率和(ii)第二模式頻率的第二諧振頻率； 確定(i)第一模式頻率的第二諧振頻率和第一模式頻率的第一諧振頻率之間的第一模式頻率變化以及(ii)第二模式頻率的第二諧振頻率和第二模式頻率的第一諧振頻率之間的第二模式頻率變化； 基於(i)第一模式頻率變化、(ii)第二模式頻率變化和(iii)基於CM感測器的溫度靈敏度和質量靈敏度的多個係數來確定CM感測器的溫度變化；以及 基於(i)CM感測器的溫度變化和(ii)CM感測器的該多個係數來確定沉積在CM感測器上的增量質量。
  2. 根據請求項1所述的方法，還包括基於沉積在CM感測器上的增量質量來確定沉積在QM感測器上的厚度速率的步驟。
  3. 根據請求項1所述的方法，其中，第一模式頻率是c模式基頻(f c 100)。
  4. 根據請求項1所述的方法，其中，第二模式頻率是非諧振頻率(f c 102)。
  5. 根據請求項1所述的方法，其中，第二模式頻率是b模式基頻(f b 100)。
  6. 根據請求項1所述的方法，其中，CM感測器是SC切割的晶體。
  7. 根據請求項1所述的方法，其中，CM感測器是AT切割的晶體。
  8. 根據請求項3所述的方法，其中，基於CM感測器的溫度靈敏度和質量靈敏度的多個係數對於c模式基頻(f c 100)包括多個模式係數和一質量靈敏度係數。
  9. 根據請求項4所述的方法，其中，基於CM感測器的溫度靈敏度和質量靈敏度的多個係數對於非諧振頻率(f c 102)包括多個模式係數和一質量靈敏度係數。
  10. 根據請求項1所述的方法，還包括以下步驟： 根據基於CM感測器的溫度靈敏度和質量靈敏度的多個係數來計算一組替代係數；以及 對該組替代係數進行約簡， 其中，基於(i)第一模式頻率變化、(ii)第二模式頻率變化和(iii)經約簡的該組替代係數來確定CM感測器的溫度變化。
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