TW463531B - Electron density measurement and plasma process control system using plasma induced changes in the frequency of a microwave oscillator - Google Patents

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46353 ^ 五'發明說明（l) 相關申請之交互參考 本發明關於共同專利申請標題為"利用鎖住一含電漿之 共振器之微波振盪器之電子密度測量及電漿處理控制系 統11 ，律師檔號2 31 2-070 9-2 YA PROV及1,利用含電榮之開放 共振器之共振頻率變化之電子密度測量及電毁·控制系統|’ ’律師樓號2310-0710-2YA，以上二申請均同時建樓。該 文以參考方式併入此間。 發明背景. 發明範圍 本發明提供一方法及系統，在一電漿處理系統中，如用 於半導體處理系統，以測量電子密度。 背景之說明 至少有三種知名之微波基礎之技術，用以決定電漿電子 密度：（1 )微波干涉度量學，（2 )反射及吸收之測量，（3 )空 腔共振頻率之干擾。每種觀念以簡單方式說明如下。 微波干涉度量學係關於在二微波波束間不同相位之決 定。第一個波束提供一參考信號，第二個波束經由一反應 環境通過，並進行與第一波束相關之相位移位。折射之指 數可自二波束間相位差異中測得之改變而予以計算。微波 干涉度量技術曾由伊利諾州烏巴那之伊州大學 L.Goldstein教授所編寫。微波干涉度量學亦揭示於以下 之美國專利號碼中：2, 971，153 ; 3, 265, 967 ; 3, 388, 327 ; 3,416,007 ； 3,439,266 ； 3,4 74, 336 ；3,490,0 3 7 ； 3, 509, 452及3,956,695 ’每一專利均以參考方式併入此 463531 五'發明說明（2) 間。某些電漿特 即當波束橫過有 之反射曾揭示於 電漿電子密度 以測量。在共振 率，因為電漿具 關。此技術已由 技術之一部份曾 下列非專利論文 3472-80(1991): MHZ RF CF4,C2F6 Haver 1ag, Μ . , ί 235-54(1993)： ^ 微波共振及光電 本發明概述 本發明之一目 系統。 本發明之另一 應改變之改進電 本發明此等目 測量及控制經由 處理器（DSP)，； 此測量之頻率與 加或減少至電漿 性可間接由測量微波波束之吸收而決定， 電漿存在之區域時加以測量。電漿中信號 美國專利號碼3, 599, 089及3, 383, 509。 可利用測量空腔共振頻率之干擾之技術予 器中電漿之存在可影響每一共振模式之頻 有效之介電常數，其與電漿電子密度有 麻省理工學院之S. C Brown教授編寫。此 揭示於美國專利號碼3, 9 52, 246及揭示於 中：113¥6]"138，^1.,等人，11應用物理7〇(7) 利用微波共振及光電分離效應在1 3 . 5 6 CHF3及C3F8電漿中測量負離子密度，及 ^人，材料科學論壇，卷，140-142， 良氟化合物R F蝕刻電漿中負充電顆粒：利用 分離效益之密度測量。 的為提供較習知技藝更為準確之電漿測量 目的為利用在微波振盪器中頻率之電漿感 漿測量系統。 的可經由利用一回授迴路而達成，該迴路 電漿室通過之信號。利用電腦或數位信號 ^發明測量通過電漿信號之頻率，及比較 理想頻率，電腦/DSP控制電漿產生器以增 室之電源，因此可影響電漿電子密度。

46353 ^ 五、發明說明（3) 簡略說明 本發明較完全之瞭解及有關優點，可參考以下詳細說明 及伴隨圖式，可更為明確，圖中： 、β 圖1為本發明電漿電子密度測量系統之方塊圖.； 圖2為實施圖1測量系統之一部份之電腦系統.之簡略說 明；及 ° 圓3為顯示系統響應對頻率之曲線。 隹實施例之詳細說 參考各圊式，其中相同參考號碼代表各圖中之相同或對 應零件，圖1為本發明電漿電子密度測量細統方塊圖，用 以測量在電漿室2 0 0產生之電漿。本發明之一實施例利用 一電漿產生器205及一自激勵微波振盪器21〇 ,其包含於一 閉路迴路中，一衰減器213a，一窄帶微波放大器215，一 隔離器220，一相位移位器225，一方向性耦合器23〇，及 電漿室200 ’該室包括一開路輻射路經，其尚包括至少— 發射機天線2 3 5，至少一接收機天線24〇 /及可包括一或多 個反射器245 °發射機天線235及接收機天線240可為號 角’介電透鏡，或其他型式之輻射器；及反射器245可有 平面或曲形表面或繞射光栅。 如圖1實施例所示’發射機235 ’反射器245及接收機240 之方向可使開路輕射路徑在一平面中，該平面與電聚室 2 0 0中處理之晶圓表面平行。但，其他實施例包括其他構 型，其中開路輻射路徑之平面不與處理之晶圓春面平行， 或其中之開路輻射路徑甚至不在一平面中。此外，其他實

46353^ 五、 發明說明（4) 施 例 亦 包 括 利 用多個微 波波束路徑，在不同構型中， 其 長 度 相 同 或 不 同 。構型之 舉例包括，但並不限於星形或 角 形 〇 同 理 當 利用多系 統，其微波波束在電漿内部之 數 個 位 置 交 叉 故 可能摘取 空間資訊（與斷層攝影術相似） 而 非 沿 波 束 長 度 統合之電 漿電子密度。 如 放 大 器 之 增益夠高 ，不同頻率之自激勵振盪器將 發 生 〇 此 等 頻 率 可滿足二 標準： 1. 淨 雙 程:增 益，其為 放大器之數字功率增益之產品 ， 所 有 接 點 之 傳 輸係數及 所有鏡之反射係數必須超過1 £ G-{ Σ 7f - y /=1 irLi (1) 其 中 假 定 有 "η "個接點 其傳輸係數小於1 ’及路徑包 括 M個反射器 其反射係數小於1。此為振盈之必須條 件 但 並 不 足 夠 效率由第 二個標準提供。 2. 由 於 各 原 因，在迴 路中之電磁波之雙程移位必須 增 加 至2 7Γ弧度之整數倍數· ，此可保證同調振盪器之建立而遠 離 噪 音 0 與 迴 路中大多 數被動接點及鏡有關之相位移 位 j 實 際 上 與 頻 率 無關，因 此，在所述之測量方法中無關 宏 旨 ϊ 如 下 所 述 。橫過雙 程之電磁波之相位移位主要由 於 下 列 二 個 來 源 :在電漿形成之區域中之傳播；波導管中之傳 播 及 波 導 管 中 之組件； 及放大器之傳播（及放大）°因 此 效 率 條 件 可 寫 成 下式：

463531 五、發明說明（5)

dP fn^f,z)dz - g · 2Π (2) Ϊ中第一個大括號代表自任何i點⑴及鏡⑷之相位位 、•拉、.*Ί'ω ) >為放大器之相位移位；々（ω，〕dc“為通過 、i管，衰減器’相位移位器及含電路之其他被動組 ~ Φ將播之相位位移；及忮等式左手側最後一項為橫越 〇 3電水區域之波相位位移。電漿之折射係數為 ηρ( ω ，Ζ)，其中之為波之弧度頻率，此時電漿填充臂部 !z:0/z=dp，及電磁長度假定為處理室内部之、及‘供 連接其餘電路。假定在電漿區未導引之波束可由—均勻平 面波及由ω ’ n/c代表之相位常數予以概算。 圖3中顯示（1)及（2)結果之曲線顯示（⑴為函數繪出）其 中gq( ω)為放大器之小信號增益，s為電磁功率之分數， 其在雙程下存活，並為⑴中花括弧之縮寫；纟怪等式（2) 中之活弧及放大器之相位移位被省略以使曲線更為清晰； 及石（ω)由w/c所概算，即—均句平面波相位常數。恆等 式（2)之左手侧，如電漿折射指數之頻率依存，為圖式之 目的予以忽略時’則變成斜率對[/ c之弧度頻率 之^線。應注意，恆等式（1 )之需求僅能限制振盪使為放 大器頻寬之一分數，其中Go ，及該分數可在回授迴路 中增加衰減予以降低，使S值降低及增加丨/s。 代表恆等式（2)之直線與水平虛線之交叉，由2冗垂直分 開者為弧度頻率，其可滿足（2 )，如其亦能滿足（丨）則為振 遭頻率。此等曲線以實線箭頭指向上方。每一波幅在頻率

463531 - 1 '1" " 1 五、發明說明（6) 上與過量增益（如G。（ ω ) S — 1 )成正比。如自由頻譜範圍（如 二相鄰之（2 )之解答間之分隔），與可能振盪之頻寬相較為 小’於是在多頻率之振盘係可能的，及/或甚為可能。 回到圖1之說明，圖1亦顯示一頻率計2 5 0 a連接在方向性 輕合器2 3 0及混波器2 5 5之輸入之間。一頻率穩'定本地振盛 器260通過一衰減器213b連接至混波器255之第二輸入。頻 率穩定本地振盪器260之頻率選擇後，使其較窄帶放大器 215之通帶稍低或稱高衰減器213b亦連接至第二頻率計 2 5 0b ’其證實穩定本地振盪器26 0之頻率）。為簡化隨後之 討論，假定頻率穩定本地振盪器2 6 0之頻率’被設定稍低 聆窄帶放大器2 1 5之通帶。自混波器2 5 5出現之I F信號之頻 率為頻率穩定本地振盪器2 6 0，與自激勵振盪器2 1 0間之頻 率差。IF信號之頻率之範圍典型為自0至約2 GHz，如所說 明之實施例。其他頻率範圍供其他放大器參數亦屬可能。 圖2為電腦系統1 〇 〇之立體說明，該電腦用以測量及控制 由電漿產生器205在電漿室200產生之之電漿。電腦100實 施本發明之方法，其中之電腦外殼1 0 2容納一主機板1 0 4， 其含一 CPU 106，記憶體 108(如 DRAM，ROM，EPROM， EEPROM, SRAM及閃光RAM)，及其他選擇性特殊目的之邏輯 裝置（如ASICs)或可構型邏輯裝置（如GAL及可程式FPGA)。 電腦100亦包括許多輸入裝置（如鍵盤122，滑鼠124)，及 顯示卡1丨0以控制監視器1 2 0。此外，電腦系統1 0 0尚包含 一軟磁碟機114 ;其他可拆下媒體裝置（如CD 119，磁帶及 可拆下之光磁媒體（未示出））；及一硬碟112，或其他高密

第10頁 Λ 6353 ^ 五、發明說明（7) 度媒體裝置，用適當之裝置匯流排裝置連接（如scs[匯流 排’增強之I D E匯流排或超D Μ A匯流排）。亦連接至同一裝 置匯流排或其他裝置匯流排，電腦丨〇 〇尚額外包括一 C 讀 出器118，一CD讀出器/寫入器單元（未示出）或一 CD投幣式 自動電唱機（未示出）。雖然CD 119係在一CD罐中，CD丄19 亦可直接插入CD-ROM驅動機中，該驅動機不需要該罐。此 外，一印表機C未示出）亦提供不同時間及條件下，電聚電 子密度印出.之表。 如上所述’系統至少包括電腦可讀媒體。此電腦可讀媒 體之一例為CD 119 ’硬碟Π2，軟碟，磁帶，光電磁碟， PROMs ，（EPR0M， EEPR0M ，間光EPROM) ’DRAM, SRAM 等。 儲存在任何一種電腦媒體或其組合，本發明包括軟體一控 制電腦100之硬體及啟動電腦100與用戶互動。此種軟體可 包含，但不限於裝置驅動器’操作系統，用戶應用，如發 展工具。此電腦可讀媒體尚含本發明之電腦程式產品，用 以監視及控制電漿室之電漿。本發明之電腦碼裝置可為任 何可譯及執行之碼機構，包括並不限於原本，譯文，動態 鏈路庫，爪哇級及完全可執行程式。 如圖1所示，IF信號頻率由電腦1〇〇中之頻率至電壓轉換 器152接收，並由類比至數位（a/D)轉換器i50b轉換為數位 信號。（在另一實施例中，頻率至電壓轉換器152及A/I)轉 換器150b由一數位計數器所取代，其計算1}7週期之數 目）6電腦1 0 0亦接收裝備操作員提供之輸入資料2 7 5，其 由第二A/D轉換器150a所轉換。在另一實施例中，輸入資

4 6353 1 五、發明說明（8) ' 料2 75直接以數位型式接收，（如經鍵盤122)，該實施例

中’A/D轉換器i5〇A即不需要。DSP或CPU 106接一數位IF 信號’並與輸入資料275比較，並將數位輸出信號發射至 數位至類比（D/A )轉換器1 60，其再將類比信號發射至電漿 產生器2 0 5，必要時以修改電漿產生器2 〇 5之輸出功率。在 另一實施例中，D/ A轉換器1 60被併入於一修改電漿產生器 205’中，自DSP/CPU 106之輸出直接加至修改電漿產生器 205’。 圖1顯示之自激勵振盪器之頻率’與處理室中沿電路路 徑之電漿之電子密度有關，因此其操作頻率之移位可用以 控制電漿產生器。頻率移位與電漿之頻譜上平均電子密度 之關係可得自下式。 如電漿電子密度為0, Np(w，z) = l ’恆等式（2)變為： Σφ,.+ Σφ M y=i +ΦΒ”η(ω) + 卩(寧 ckt ^dz = q 2π (3) 其中，吾人瞭解，處理室中折射係數沿路徑自z = 0至z = dp 恢復至其真空值（n = l)。結果，頻率恢復至ω而非ω，其中 ω’ = ω+ Λω=ω + 0 ’因為並無頻率位移。相同之量出現在 恆等式（2)及（3)之右側’因此’左手側之（2)及（3)可相 等。因此，恆等式（2 )及（3 )中之第一個括弧相消，其他各 項可組合如下： (ύά 1 ; ^—厂[1 c d J (w,z)】dz = [φ 卿(ω’)-φ 聊(ω)】+[β(ων晰-β⑽^

第12頁 46353' 五、發明說明（9) 其中，及間之區別為整數倍數之項目及為電漿折射係數之 表示而予以忽略。 for 及 (5) 電漿頻率 其中Ne=電子密度（m_3) 利用泰勒基數擴展在頻率W及頻率△ ω位移之值，以評估 量必_及召。 , (ω)= Φ^ρ(ω) ， -Δω 6ω (7a) (7b) 與0amp之部份微分有關之項目為放大器插入組合延遲Tg， 通常此值甚小；與部份微分/3有關之項目為組合速度Vg之 逆（其中Vs小於c )。因此恆等式（4 )可概略為下式： ap dp

Niz) dz

<N me. =2·Δω·ω· d d

ckt g I (8) 恆等式（8 )表示頻譜平均之電子密度與頻率移位△ ω ， 振盪ω之標稱頻率，基本常數(:，！^*^。，及恆等式（8)中

Λ6353'1 五、發明說明（10) 之量有關，該量僅需決定一次β 振盈頻率ω可^ . # f t 波常計予以測量至較1%為佳之準 ί ^ ^ /數可以確知；及花括弧可由在路徑d中填充 (，6,氮或氣，及評估頻率…上 捃盪器之頻率為種^正Ϊ序中’本地振盈器（L〇).應較控制 振羞盆Φ頻羊為兩）。後者可利用外差技術測量至高度準 確，”之頻率ω與ω LG之穩定本地振盪器頻率混合，俾 ω ’ - wL0間差可用頻率計數器予以測量，或其他已知頻率 決定技術測量。 怪等式（8 )之平均電子密度於是用來作為回授控制，以 控制加在與電漿室2〇〇連接之電漿產生器2〇5之電壓。 根據本發明，一種獲得發射機2 3 5及接收機2 4 5間之平均 電子密度之近似值之方法，包含下列步驟： 1 _打開測量裝置及使其在電漿開使後，進入穩定條件。 2 進入恆等式（8 )之花括弧中項目之值。注意，此值與 回授迴路中（如衰減器21 3a及相位移位器225 )中可調元件 之設定有關；故設定應在決定後不予以改變。在另一實施 例中，恆等式（8 )花括弧中各項之各值可被建立（以一值供 環境設定之每一可能組合）*在作業期間根據環境設定， 選擇一適當值。 3.證實頻率穩定本地振盪器260之頻率，及必要時加以 調節。 4.以鍵盤1 22或其他資料進入埠進入理想電漿電子密 度。

第14頁 46353 1 五、發明說明（11) 5.自資料進入埠開始程序。 基於理想I F信號及測量之I F信號間差異，電漿產生器 2 0 5之輸出加以調節，以使理想及測量之I F信號得以更為 緊密匹配。例如，如測量之I F信號大於理想之I FM言號，輸 出RF功率降低一個增量。同理如測量之I F信號小於理想之 I F信號，輸出R F功率增加一個增量。此外，粗調節時，電 漿電子密度與RF功率間之預定關係可用來概算所加之RF功 率。於是，：細調節加以應用，以更準確控制電漿系統。 在細調節方法中之一實施例中，所加之RF功率需加以調 節（如增加或降低某一增量）直到測量之及理想之信號間之 差-，可基於固定增量之大小而不能僅密匹配。固定增量於 是加以降低（如降低一半），及細調節持續進行，直到新固 定增量仍為太粗時。但，如測量及理想之信號間之差異變 為大於可由電流間隔所匹配時，電流間隔已增加。 在另一調節方法之實施例中，利用額外資訊以細調節回 授/控制方法。此資訊包括但不限於R F功率中每一改變中 信號之改變（如第一微分），第二微分及整數。本發明為一 般控制機構，不受資料型別及所選回授機構限制。 本方法之準確性與習知技藝之比較說明如下。假定回授 迴路可分為等長度L之二部份，第一部份代表開路輻射路 徑，第二部份代表其餘之回授迴路。無電漿時，頻率為 f，開路輻射路徑中之波長為λ 2。回授迴路其餘部份之波 長為λ i，回授迴路之長度以波長為q。為簡便計，假定全 部回授迴路中之信號之相位速度為c。（很明顯，波導中相

第15頁 Η 4^353 五、發明說明（12) 位速度代於c，但該複雜因素予以忽略）。由此假定，可 得： L/ A]+L/ λ 2 = L f, / c + L fj/c = q (9) 在電渡將存在時，頻率變為f2，開路韓射路徑冲折射平 均指數變為< η >及回授迴路徑之波長之總長度保持為q。因 此， (10)

Lf2/c + <n>L f2 /c = q 恆等式（9 )及（1 Ο )結合後，得 1 -<n> (11) 頻率係數f 2 - f i與上述之I F頻率對應。檢討自然算法之微 分，獲得恆等式（1 5 )如下：

δίπ 1 -<nll = δΐη +< η> δ f . \ if2-0 f IF) 1 -<n> δ δ f (1 +<n>J l fi ) l / 1 -<η> IF (12) (13) IFMrL為IF信號頻率。一固定之L，及近似值，得 1 + < η > = 2 (14, 以有關情勢言，其為相當良好，可得下式：

第16頁 46353 1 五、發明說明（13) δ(1 -<η>) -< 5lF + % 1 . -<η> IF f1 (15) 測量準確度之理性預期可導致恆等式〇 5 )之右側每一項目 約為0. 0 0 2 5之估計。結果 — 5(1 = 0.005 . (16) 1 -<n> (17) η = 1 -- Ν, 8n2e〇mfz 因此得 δ(1 :<n?2 = 0.005 1 -<η> δ<Ν> <Ν> (18) 預期準確度為0. 5%範圍 甚為明顯，依照以上原則，本發明可有許多修改及變 化。吾人瞭解，在本發明之申請專利範圍内，本發明可以 所述以外之方法實施。

Claims (1)

1. 1. 一種用以在至少一電漿源、一電漿室及一電子源中測 量至少一電漿密度及一電子密度之系統，該系統包含： 一第一偵感器，用以測量通過該至少一電漿源、電漿 室及電子源之一第一信號； 一第二摘感器，用以測量來自一參考源之一第二信 號；及 一比較器，用以比較該第一及該第二信號之差，以決 定至少一電漿源、電漿室及電子源之至少一電漿密度及電 子密度。 2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中至少一電漿源， 電漿室及電子源之至少一電漿密度及電子密度為10ια-1012 cnT3之範圍。 3 .如申請專利範圍第1項之系統，尚含一激勵微波振盪 器用以維持至少一電漿源，電漿室及電子源。 4 .如申請專利範圍第1項之系統，其中之第一偵感器包 含一閉路迴路，其包括一開路輻射路徑以發射第一信號。 5.如申請專利範圍第4項之系統，其中之開路輻射路徑 含電漿。 6 .如申請專利範圍第4項之系統，其中閉路迴路尚含在 開路輻射路徑中之窄帶微波放大器。 7.如申請專利範圍第3項之系統，尚包含： 一穩定本地振盪器；及 一混波器，其中之自激勵振盪器之第一頻率及穩定本 地振盪器之第二頻率，混合後產生一 I F信號。

   0:\65\65406.ptc 第丨頁 2001.07.24.019 46353 1 _案號891U527 fo年/月义日 修正_ 六、申請專利範圍 8 .如申請專利範圍第1項之系統，尚包含一資料進入—裝 置，用以由裝備操作員進入至少一理想電漿密度及一理想 電子密度。 9 ·如申請專利範圍第8項之系統，其中資料進入裝置含 一鍵盤。 1 0.如申請專利範圍第1項之系統，其中之比較器含一數 位信號處理器。 1 1 .如申請專利範圍第1項之系統，尚含一第三偵感器， 用以測量通過至少一電漿源，電漿室及電子源之第三信 號。 1 2.如申請專利範圍第1項之系統，尚含第三偵感器，用 以測量通過至少一電漿源，電漿室及電子源之第三信號， 其中第一及第三信號經不同長度通過。 1 3.如申請專利範圍第1項之糸統，尚含第三及第四偵感 器用底測量通過至少一電漿源，電漿室及電子源之第三及 第四信號，其中第三及第四信號之路徑與第一信號之路徑 交叉。 1 4. 一種用以測量至少一電漿源、電漿室及電子源之至 少一電漿密度及一電子密度之方法，該方法含下列步驟： 測量通過該至少一電漿源、電漿室及電子源之一第一 信號； 測量來自一參考源之一第二信號；及 比較該第一及該第二信號間之差，以決定至少一電漿 源、電漿室及電子源之至少一電漿密度及電子密度。

   O:\65\65406.ptc 第2頁 2001.07. 24. 020 46353 1 _案號89114527 年7月曰 修正_ :、申請專利範圍 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之方法，其中測量第一信._號 之步驟包含，測量至少一電漿源，電漿室及電子源之至少 一電漿密度及電子密度，密度範圍在101(}至1012(：111-3。 1 6 .如申請專利範圍第1 4項之方法，尚包含自一自激勵 微波振盪器施加一控制信號之步驟，以維持至少一電漿 源，電漿室及電子源。 1 7.如申請專利範圍第1 4項之方法，其中測量第一信號 之步驟含，利用包括一開路輻射路徑之閉路迴路以測量第 一信號，用以發射第一信號。 1 8.如申請專利範圍第丨7項之方法，尚含提供一電漿作 為開路輻射路徑之步驟。 1 9.如申請專利範圍第1 7項之方法，其中測量第一信號 之步驟含，利用包括在開路輻射路徑之窄帶微波放大器之 閉路迴路以測量第一信號。 2 0.如申請專利範圍第1 6項之方法，尚含下列步驟： 混合自激勵振盪器之第一頻率與穩定本地振盪器之第 二頻率，以產生一 I F信號。 2 1 .如申請專利範圍第1 4項之方法，尚含一步驟以由裝 備操作員進入至少一理想電漿密度及一理想電子密度。 2 2.如申請專利範圍第1 4項之方法，尚含一步驟，以由 鍵盤上進入至少一理想電漿密度及理想電子密度。 2 3,如申請專利範圍第1 4項之方法，其中比較步驟含比 較差異與一數位信號產生器。 2 4.如申請專利範圍第1 4項之方法，尚含一步驟以施加

   O:\65\65406.ptc 第3頁 2001. 07. 24. 021 46353 1 修正 _案號 89114527 六、申請專利範圍 一控制信號至至少一電漿源，電漿室及電子源，以修改至 少一電漿源，電漿室及電子源之至少一電漿密度及電子密 度0 IHIII o：\65\654〇6.ptc 第 4 頁 2001. 07. 24. 022