TWI458850B - 用來鑑定電漿處理腔室中之薄膜之特性的射頻偏壓電容耦合靜電探針裝置 - Google Patents

用來鑑定電漿處理腔室中之薄膜之特性的射頻偏壓電容耦合靜電探針裝置 Download PDF

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Description

用來鑑定電漿處理腔室中之薄膜之特性的射頻偏壓電容耦合靜電探針裝置
本發明係關於沉積膜特性的鑑定方法及裝置，尤有關於在基板處理期間使用於電漿處理腔室中之沉積膜特性鑑定方法及裝置。
在電漿處理腔室中處理基板的期間，達到令人滿意的結果常常要求嚴格控制處理參數。這對於以下處理尤其確實，例如沉積、蝕刻、清理等用於製造現代高密度積體電路的處理。當處理參數(例如，偏壓電壓、RF功率、離子流、電漿密度、壓力等)超過狹窄、預定的裕度(window)時，會發生製程偏離(process excursion)。因此，在積體電路的製造中，處理偏離的偵測、特性鑑定、及避免，對於製程工程師們是重要的課題。
偵測處理偏離通常經由監控各種處理參數來施行。若干處理參數(例如偏壓電壓、反射功率等)可直接量測，而同時其他參數可能要從量測的參數去推斷。
在電漿處理期間，舉例來說例如電漿蝕刻，常常會發生聚合物沉積。此聚合物沉積造成一膜層沉積在腔室中的元件表面上。沉積的薄膜會影響隨後的蝕刻處理，增加微粒汙染的可能性，而需要頻繁的腔室清理。再者，如果在腔室中存在一足夠厚的沉積層，感測器頭可能被聚合物覆蓋，而導致感測器信號的錯誤值。在其他處理中，有意進行的膜沉積卻會以同樣方式影響感測器讀數。
因此，為了機台控制、診斷及/或處方調整之目的，吾人期望鑑定腔室表面上的沉積膜的特性，以期增進處理結果及製程良率，同時避免對基板及/或腔室元件造成損傷。
本發明在一實施例中係關於在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，該沉積膜係位於電漿處理系統的處理腔室內的基板上。該方法包含測定探針頭的電壓-電流特性，其中量測電容器係設定在第一電容值。該方法亦包含施加射頻(RF，radio frequency)列(train)至探針頭，因而造成量測電容器充電，其中量測電容器係設定在第二電容值，第二電容值係大於第一電容值。該方法更包含提供初始電阻值給沉積膜，及提供初始電容值給沉積膜。該方法亦又包含使用初始電阻值、初始電容值、及電壓-電流特性以產生第一模擬電壓-時間曲線。該方法又更包含測定第一量測電壓-時間曲線，第一量測電壓-時間曲線表示對於RF列之橫跨沉積膜的電位降。該方法並且包含比較第一模擬電壓-時間曲線與第一量測電壓-時間曲線，其中，如果第一模擬電壓-時間曲線與第一量測電壓-時間曲線之間的差異小於預定門檻值，使用初始電阻值及初始電容值來鑑定沉積膜的特性。
上述之發明內容僅關於在此揭露之本發明之許多實施例之其一，且不意謂限制在申請專利範圍中提出之本發明之範疇。在本發明之詳細說明中並結合隨附圖式，本發明之這些及其他特徵將更詳細的說明如下。
本發明今將參考其如附圖所示之幾個較佳實施例加以詳述。在接下來的敘述中，提出許多特定細節以提供對於本發明的全盤瞭解。然而，明顯地，熟習本技藝者應理解，本發明可在沒有部分或全部此等特定細節下被實施。在其他情況中，並未詳細敘述熟知的處理步驟及/或結構，以避免不必要地混淆本發明。
本發明的實施例關於用來鑑定電漿處理腔室中之沉積膜的特性之RF偏壓電容耦合靜電(RFB-CCE)探針裝置的使用。經由先前技術，RFB-CCE探針已被長久使用於量測電漿處理參數，例如離子流、電子溫度、浮動電位、薄膜厚度等。RFB-CCE探針為本技術領域所熟知，而細節可從公開可用的文件獲得，例如包括美國專利第5,936,413號，發明名稱為「Method And Device For Measuring An Ion Flow In A Plasma」(1999年8月10日)，其以參考文件方式合併於此。
RFB-CCE探針提供許多優點，例如包括：增進偵測靈敏度、因為感測器的小尺寸而使擾亂最小化、容易固定在腔室壁上、在某些情況下感測器頭對於聚合物沉積相對不靈敏等。再者，感測器的面向電漿表面通常以與環繞腔室壁相同的材料所製成，因此進一步對電漿的擾亂最小化。此等優點使RFB-CCE探針高度期望的使用在感測處理參數中。
一般來說，RFB-CCE探針裝置包含連接至量測電容器的一平板的面向電漿的感測器。量測電容器的另一個平板係耦合至RF電壓源。RF電壓源週期性地供應震盪列(oscillation trains)，且在各RF震盪列結束之後，立即實施橫跨量測電容器之量測，以測定電容器電流放電率。關於RFB-CCE探針裝置及RFB-CCE探針操作的細節已在上述提及之美國專利第5,936,413號中探討，而將不再於此進一步討論。
本發明者在此瞭解，當量測電容器具有相對小的電容值時，感測器信號(其在RF震盪列之間反應橫跨量測電容器的電流)對於感測器頭上的沉積膜厚度相對不靈敏。然而，本發明者亦瞭解，如果量測電容器具有相對大的電容值，感測器電流信號受到膜厚度較大程度的影響。由此等觀察，在此將公式化並揭露鑑定沉積膜特性的方法及裝置。
根據本發明之一個以上的實施例，提供了使用RFB-CCE探針的創新方法及裝置，以鑑定探針感測器頭上的沉積膜的厚度及品質的特性。在一個以上的實施例中，提供可切換的量測電容器裝置，藉以在吾人期望對於沉積膜厚度不靈敏時，將較小的電容值用於量測電容器。當量測電容器具有相對小的電容值時之RFB-CCE探針操作產生了探針V-I特性，此特性可用於測定離子飽和電流、浮動電位及電子溫度。利用當量測電容器具有較大值時所獲得的感測器參數，接著可使用探針V-I特性以幫助膜電容及膜電阻的計算。因此，本發明的一個以上之實施例關於由來自RFB-CCE探針之讀值導出膜電容及膜電阻的技術。
參考圖式及隨後之探討，可更加明瞭本發明之實施例的特徵及優點。一般地，RFB-CCE探針裝置包含連接至量測電容器之一端點的面向電漿感測器。在此，RFB-CCE探針的一例子顯示在圖1中。在圖1中，面向電漿感測器102(其設置在腔室130的壁內，且實質上與腔室壁共平面)耦合至量測電容器104的一平板104a。量測電容器104的另一個平板104b係耦合至RF電壓源106。RF電壓源106週期性地供應RF震盪列，且實施橫跨量測電容器之量測，以測定RF震盪列之間的電容器電流放電率。電流量測裝置120串聯設置在量測電容器104及RF電壓源106之間，以偵測電容器電流放電率。或者或此外，電壓量測裝置122係耦合在平板104a及接地之間，以量測探針頭的電位。關於RFB-CCE探針裝置及RFB-CCE探針操作的細節已在上述提及之美國專利第5,936,413號中探討，而將不再於此進一步討論。
如上述，將由導體材料製成的探針頭安裝在腔室的表面內。供應短的RF列至探針，導致電容器(Cm)充電且探針的表面獲得負電位(相對於地面負數十伏特)。在RF脈衝結束後，探針的電位隨著Cm放電而衰減回到浮動電位。電位變化率係藉由電漿特性加以測定。在此放電期間，探針的電位Vf係以高阻抗電壓量測裝置122來量測，而跟隨至探針並經過電容器Cm的電流係以電流量測裝置120來量測。曲線V(t)及I(t)，其中t為時間，用於構成電流電壓特性，V-I，其隨後以信號處理器分析。進一步細節可在以下文件中尋得：發明名稱為「Methods for Automatically Characterizing a Plasma」，於2008年6月26日在美國專利局申請的共同待審申請案第61/075,948號，及申請於2009年6月2日之第12/477,007號，其包含於在此的討論中。
圖2顯示，根據本發明之實施例，包含沉積膜202的模型的RFB-CCE探針裝置的電路模型。因為沉積膜典型上為聚合物的某些形式及典型上為有瑕疵的介電質，典型上有漏電電流而膜可以RC電路(參考標號204)模型化，藉以電阻Rfilm 與電容Cfilm 平行。Rfilm 的電阻值有關於橫跨膜的電阻，其有關沉積膜的化學組成。Cfilm 的電容值有關於膜的厚度及其相關的介電質介電常數。圖2中的CM 表示量測電容器，其以RF源充電。沉積膜的存在，造成點206與膜202的面向電漿表面之間的電位降。
圖3中顯示等放電路，其中Vx 為量測點206與接地之間的電壓降，而Vfilm 為關於點206橫跨膜的電壓降。Vfilm 不能直接量測但可由將於此探討的RC模型來推導。
在一實施例中，起初使用一相當小的電容值(例如在一實施例中為1至50 nF之間)來量測電容器Cm(參照圖3)。在此情況下，在各RF激發列之後的衰減感測器電流及電壓信號，相對地不受膜厚度的影響。利用Cm的小電容值，可獲得CCE探針的V-I特性曲線，如圖6中所見的曲線602。此V-I曲線隨後擬合(fitted)至函數I=I0 .[1-α(V-Vf )-exp(((V-Vf )/Te )以獲得以下數值：離子飽和電流(Io)、電子溫度(Te)、浮動電位(Vf )、及I-V曲線的線性部分的斜率(α)。關於V-I特性曲線的進一步細節可在前述之專利申請案第61,075,948號中獲得。
隨後，較大的電容值(例如，100 nF或更高)可用於Cm以幫助Rfilm 及Cfilm 的計算。在此情況下，觀察到的V-I曲線扭曲，如圖6中所見之曲線604。根據本發明之實施例，圖4顯示一計算Rfilm 及Cfilm 的反覆技術。
在步驟402中，提供初始的Rfilm 及Cfilm 推測。初始推測可以下列方式表示，例如：基於經驗、基於定律、或基於其他經驗資料之有根據推測。在步驟404中，使用初始的Rfilm 及Cfilm 值來解答圖5之聯立微分方程式，結合先前以Cm之小的值測定之值Io ,Te ,Vf 及α，以產生模擬的電壓-時間曲線Vs (t)。
存在有許多求解圖5之聯立微分方程式的數學技巧，包括使用已知的Matlab軟體，其由位於Natick,MA的Math Work,Inc.提供。
結果為電壓對時間Vs (t)的模擬曲線。此模型化的V(t)曲線如顯示在圖8中的曲線806。圖8亦顯示曲線804，表示V(t)的實驗地量測值，其為關於單一激發震盪列，在圖2之點206上量測之電壓對時間作圖。將差異查明(步驟406)，並在步驟408中與門檻值作比較。如果誤差小於預定的門檻值，可使用Rfilm and Cfilm 的值來鑑定膜的特性(步驟412)。另一方面，如果誤差大於預定的門檻值，可使用Levenberg-Mafquardt非線性最小平方曲線擬合演算法來改善Rfilm and Cfilm 的值(步驟410)。
新的Rfilm and Cfilm 值回饋至步驟404，以重複執行圖4的步驟。圖4的步驟反覆的執行，直到誤差低於預定門檻值(參見步驟408)，在此點上，Rfilm and Cfilm 的值被認為可接受用來鑑定沉積膜的特性。
根據本發明的實施例，圖7A顯示Cfilm 及膜厚度(d)之間的相對關係。如可在圖7A中所見，電容值係等於ε0 及εr 及A的乘積除以d，其中d表示膜厚度，εr 表示包含膜的介電材料之相對介電常數，A表示探針感測器頭的表面積，及ε0 表示自由空間的介電常數。參照等式7A-1。藉由代數運算，d/εr 的比值等於ε0 及A的乘積除以電容值Cfilm 。因為電容值Cfilm 可被查明(參見上述)，且不但探針感測器頭的表面積(A)而且自由空間的介電常數ε0 為已知，故可輕易地決定d/εr 的比值。參見等式7A-2。
進一步地，εr 的值(相對於膜的介電常數)可由對膜有若干知識的製程工程師提供，或藉由量測膜電容提供，或藉由單獨量測膜厚度提供。膜的厚度可使用任何技術來量測，例如包含橢圓量測術。一但εr 的值(相對於膜的介電常數)可被查明，εr 的值(相對於膜的介電常數)可被用來找出關於任意特定電容值，關於任意特定具有探針感測器頭面積A的厚度d。
根據本發明之實施例，圖7B顯示Rfilm 的電阻值的計算。如可在圖7B中所見，Rfilm 的電阻值等於膜的電阻ρ乘以距離(d)除以探針頭的橫跨面積A。參照等式7B-1。等式的兩邊乘以自由空間的介電常數ε0 產生下一等式。參照等式7B-2。自等式7A-2取代d/εr 的比值的倒數，可產生等式7B-3，其中膜的電阻ρ乘以εr (膜的相對介電常數)的值的乘積，等於電阻值Rfilm 及電容值Cfilm 的乘積除以自由空間的介電常數ε0 。因為電阻值Rfilm 、電容值Cfilm 、及自由空間的介電常數ε0 為已知，然後可提供膜的相對介電常數εr ，膜的電阻可測定，其反應膜的化學構成。
在一實施例中，可切換電容器裝置設有多個電容器，各個電容器具有不同值。以此方式，RFB-CCE探針可以具有較小值的量測電容器來運作，以使得感測器讀值對於膜厚度相對不靈敏。偶爾，可切換成較大的電容器，以幫助Rfilm 及Cfilm 的計算。在一實施例中，當使用較大電容值時獲得之Rfilm 及Cfilm 的值，隨後用於計算在V-I曲線的量測上的膜厚度影響。就存在薄膜而言，隨後可使用Rfilm 及Cfilm 的數值以修正電漿參數(例如I0 、Te、Vf)的量測，使得量測值反應已以潔淨探針量測的數值。
在另一實施例中，為了製程控制的目的，可利用Rfilm 及Cfilm 的數值通知操作者或控制器模組，在處理步驟期間有意沉積之薄膜的厚度及電阻。例如，藉由放置感測器頭靠近基板，以某種程度正確性查明沉積於基板上之膜的厚度及品質是可能的。
如可由前述所瞭解，本發明之實施例提供計算沉積膜的品質及厚度的方法及裝置。此等計算出的電阻及電容值(Rfilm 及Cfilm )可隨後用於當感測器探針頭表面隨著時間累積膜時，改進感測器讀值的正確性，或為了製程控制的目的或維持的目的，或者或此外，用於鑑定膜的特性。藉由使用RFB-CCE探針，因為RFB-CCE探針頭有愈來愈小的傾向，以便被安裝成與電漿處理腔室的周圍面向電漿結構齊平，且其可具有由與腔室的面向電漿元件相同之材料所形成的面向電漿探針表面，故將對於電漿的擾亂最小化。
儘管此發明已就幾個較佳實施例加以說明，仍有落入本發明之範疇內的替代物、變更物、及等效物。例如，僅管使用非線性最小平方曲線擬合演算法的反覆計算方法被用來計算Rfilm 及Cfilm ，如果需要，可由圖5之V(t)曲線使用接近的技巧來測定Rfilm 及Cfilm 的值。吾人亦須注意，仍有許多施行本發明之方法及裝置的替代方式。僅管在此已提供各種實施例，其意謂此等實施例為例示性而不應限制本發明。
並且，在此提供之標題及總結係為了方便而不應用來解釋在此之申請專利範圍的範疇。再者，摘要係以非常簡要的方式書寫，並為了方便提供於此，且因此不應用來解釋或限制陳述在申請專利範圍中的整體發明。如果術語「組」使用於此，此等術語具有其公知的數學含義，含括零、一、或多於一個構件。因此意謂下附之申請專利範圍應解釋為包含落入本發明之真實精神及範疇內的所有此等變更、替換、及等效物。
此討論亦可在以下文件中尋得：發明名稱為「Methods for Automatically Characterizing a Plasma」，於2008年6月26日在美國專利局申請的共同待審申請案第61/075,948號，及申請於2009年6月2日之第12/477,007號，其以參考文件方式結合於此。
電漿特性之自動鑑定方法的探討
電漿處理的進步已提供半導體產業的成長。為了供應典型電子產品的晶片，可能要處理數百或數千的基板(例如半導體晶圓)。為了使製造商具有競爭力，製造商必須能以最少的處理時間，將基板處理成優質的半導體裝置。
典型上，電漿處理期間，可能發生問題而導致基板受到負面影響。可能改變待處理基板的品質的一個重要參數為電漿本身。為了獲得足夠的資料來分析電漿，對於各基板，可能要使用感測器來收集及處理資料。為了測定問題的起因，可分析收集的資料。
為了幫助討論，圖9顯示電漿系統A-100的一部分中的資料收集探針的簡略圖式。電漿系統A-100可包含無線射頻(RF)源A-102，例如脈動RF頻率產生器，其電容耦合至反應器腔室A-104，以產生電漿A-106。當RF源A-102開啟時，一偏壓電壓橫跨外部電容器A-108而形成，其可為約26.2毫微法拉(nF)。在一實施例中，RF源A-102可每幾毫秒(例如約5毫秒)提供一小的電力脈衝(例如11.5百萬兆赫)，導致外部電容器A-108充電。當RF源A-102關閉時，具有極性的偏壓電壓殘存在外部電容器A-108上，使得探針A-110被偏壓以收集離子。當偏壓電壓衰減時，可 追蹤如圖10、11及12所示的曲線。
熟習本技藝者可明瞭，探針A-110通常為電子探針，其具有對著反應器腔室A-104之壁放置的導電平面表面，探針A-110因此直接暴露於反應器腔室A-104的環境。可分析探針A-110所收集的電流及電壓資料。因為某些處方可能造成在探針A-110上沉積非導電沉積層A-116，不是所有的探針能夠收集可靠的量測。然而，熟習本技藝者可明瞭，因為平面離子流(PIF，planar ion flux)探針方案不需獲取直流(DC，direct current)以執行量測，所以儘管有非導體沉積層，PIF探針仍能夠收集資料。
電漿系統A-100中的電流及電壓信號係以其他感測器來量測。在實施例中，當RF源A-102切換到關閉，電流感測器A-112及高阻抗電壓感測器A-114可分別用來量測電流及電壓。由電流感測器A-112及電壓感測器A-114收集來的量測資料，可隨後作圖，以產生電流圖式及電壓圖式。可以手動對資料作圖，或可將資料輸入軟體程式以產生圖式。
圖10顯示RF充電週期之後的電壓對時間的圖式。在資料點B1-202上，在RF充電(即RF脈衝)已提供之後，RF源A-102已被切換至關閉。在此實施例中，在資料點B1-202上，橫跨探針A-110的電壓約為負57伏特。當電漿系統A-100返回休息狀態(資料點B1-204與B1-206之間的區間)時，電壓通常達到浮動電壓電位。在此實施例中，浮動電壓電位自約負57伏特上升至約0伏特。然而，浮動電壓電位不需為0，而可為負或正偏壓電壓電位。
相似地，圖11顯示RF充電之後收集之電流資料的圖式。在資料點B2-252，在RF充電已提供之後，RF源A-102已被切換至關閉。在衰減期間B2-254過程中，外部電容器A-108上的返回電流可能被放電。在一實施例中，在完全充電下(資料點B2-252)，電流為約0.86mA/cm2 。然而，當電流完全放電時(資料點B2-256)，電流已返回0。基於圖式，放電花費約75毫秒。自資料點B2-256至資料點B2-258，電容器維持放電。
因為電流資料及電壓資料兩者都收集了一時間期間，藉由協 調時間一致，以消除時間變數，可產生電流對電壓的圖式。換言之，收集的電流資料可以對照收集的電壓資料作配對。圖12顯示RF脈衝期間的信號時間區間的簡略電流對電壓的圖式。在資料點C-302上，在RF充電已提供之後，RF源A-102已被切換至關閉。
藉由施加非線性擬合至各RF脈衝期間收集的資料，可鑑定電漿A-106的特性。換言之，可測定能特徵化電漿A-106的參數(例如，離子飽和、離子飽和斜率、電子溫度、浮動電壓電位等)。儘管可用收集的資料來鑑定電漿A-106的特性，參數計算的過程是需要人為介入的乏味手動過程。在一實施例中，當各RF脈衝之後(即當RF充電已提供然後關閉)資料已被收集時，資料可被提供至軟體分析程式內。軟體分析程式可施行非線性擬合，以測定可能鑑定電漿特性的參數。藉由鑑定電漿特性，工程師能夠測定如何調整處方，以使基板的不合規格處理最小化。
不幸地，關於各RF脈衝的資料分析的先前技術方法，可能需要數秒或數分鐘來完成。因為典型上有數千(如果沒有數百萬)的RF脈衝要分析，鑑定處方的電漿特性所需的總時間，可能花費數小時去計算。因此，先前技術的方法，對於製程控制的目的，不是提供及時有意義資料的有效方法。
本發明今將參考其如附圖所示之幾個實施例加以詳述。在接下來的敘述中，提出許多特定細節以提供對於本發明的全盤瞭解。然而，明顯地，熟習本技藝者應理解，本發明可在沒有部分或全部此等特定細節下被實施。在其他情況中，並未詳細敘述熟知的處理步驟及/或結構，以避免不必要地混淆本發明。
於此，各種實施例將敘述如下，這些實施例包含方法及技術。吾人應謹記，本發明亦可涵蓋包含電腦可讀取媒體之製造物品，在該電腦可讀取媒體上儲存了可執行發明技術之實施例的電腦可讀取指令。這些電腦可讀取媒體可例如包含：半導體、磁性、光磁性、光學、或其他形式之用於儲存電腦可讀取碼之電腦可讀取媒體。再者，本發明亦可涵蓋用於實行本發明之實施例的設備。此等設備可包含用以實行有關本發明之實施例的任務之專用及/或 可編程電路。此等設備的例子包含一般用途的電腦及/或適當編程時之專用計算裝置，且可包含適用於有關本發明之實施例之各種任務的電腦/計算裝置與專用/可編程電路之組合。
如前述，PIF探針法可用來收集有關可位於反應腔室環境內之電漿的資料。自感測器(例如PIF探針)收集的資料可用於鑑定反應腔室內的電漿的特性。此外，因為感測器如圖9所示使用收集表面，亦可測定關於腔室表面的資料。在先前技術中，以PSD探針所收集的資料，提供可用於分析的備妥資料源。不幸地，可能被收集的大量資料，已使以及時方式分析資料成為挑戰。因為可能收集到數千或甚至數百萬的資料點，特別因為資料通常為手動分析，故使得確認相關區間以正確地鑑定電漿特性的任務可能成為令人卻步的任務。因此，對於提供及時鑑定電漿特性給電漿處理系統，收集的資料已變成無用。
然而，如果為了鑑定電漿特性所需要的相關資料點，自可收集的數千/數百萬資料點中被確認出來，則鑑定電漿特性所需的時間可明顯減少。根據本發明之實施例，提供了一種在相對短的時間期間，自動鑑定電漿特性的方法。在此所述的本發明之實施例提供確認關聯性範圍的演算法，以減少為了鑑定電漿特性可能需要分析的資料點。如在此的探討，關聯性範圍指來自於可能在各RF脈衝之間收集的數千或數百萬資料點之較小組資料點。本發明之實施例更提供估計可被應用至計算鑑定電漿特性之數值的數學模型之種子值(seed values)。藉由對於關聯性範圍施行曲線擬合，可計算可用於鑑定電漿特性的參數。
藉由參考隨後之圖式及討論，可更加明瞭本發明的特徵及優點。
根據本發明之實施例，圖13顯示簡略的流程圖，其例示基板處理期間，用於自動鑑定電漿特性的步驟。考慮其中已於基板處理期間提供RF充電之情況。
在第一步驟D-402中，收集電流及電壓資料。在一實施例中，在RF源已開啟之後，提供了RF充電(脈衝)。在RF充電已關閉之 後，電流感測器及電壓感測器可用於在探針收集資料，例如平面離子流探針，其可固接至反應腔室的腔室壁。如前述，感測器所收集的資料點數目可能分佈在數千或數百萬。在若干情況下，在各RF脈衝之間可能收集的數千至數萬的資料點，使得接近即時分析，在先前技術中幾乎不可能。
在先前技術中，可能要分配數小時，用來分析在半導體基板處理期間收集的量測資料。在本發明之一實施態樣中，本發明者在此確認，各RF脈衝之間的量測資料不需被分析以鑑定電漿特性。取而代之的，如果施加曲線擬合至資料組的關聯性範圍，可能用於鑑定電漿特性的參數可被測定。
在下一步驟D-404，測定了關聯性範圍。如前述，關聯性範圍指各RF脈衝之間已被收集之資料組的子集(subset)。在先前技術中，因為資料要手動分析，收集的大量資料使計算關聯性範圍成為挑戰性的任務。在許多例子中，關聯性範圍可目視估計。在確認關聯性範圍中，可能存在的雜訊可從資料組的子集實質上消除。在一實施例中，在複雜的基板處理期間，聚合物的增長發生在探針上，導致收集的資料的一部份偏斜。例如，可能被影響的資料的一部份，傾向於為一旦電容器已被完全放電時所收集的資料。在確認關聯性範圍中，關於聚合物增長的資料可自分析移除。換言之，關聯性範圍的測定，能夠使鑑定電漿特性發生在不受隨機雜訊影響下。例如，關於如何測定關聯性範圍的討論，提供在圖14的討論中。
除了確定關聯性範圍，在下一步驟D-406，亦可測定種子值。如在此的討論，種子值指下列估計值：斜率、電子溫度、離子飽和值、浮動電壓電位等。如何估計種子值的討論，例如，在圖14的討論中提供。
關聯性範圍及種子值係用來施行曲線擬合。因為曲線擬合必須在下一RF脈衝之前被施行，用來測定關聯性範圍及/或種子值的方法，必須使用最小的經常費用(overhead)並產生接近最終擬合值的數值，從而減少為了達到快速收斂(convergence)可能需要的重 複曲線擬合疊代的次數。
利用關聯性範圍及種子值，在下一步驟D-408，可施行非線性擬合(例如，曲線擬合)，從而在較短時間期間，不需要昂貴高階電腦的情況下，使鑑定電漿特性成為可能。不同於先前技術，此方法允許在大約20毫秒內鑑定來自於因單一RF脈衝所致之衰退間隔之結果的特性，取代需要數分鐘或甚至數小時來處理。利用接近即時分析的能力，可應用此方法作為自動控制系統的一部份，以在電漿處理期間提供工程師相關的資料。
在本發明的實施例中，圖14顯示用於測定關聯性範圍及種子值的簡要演算法。圖14將關聯於圖15、16、17、及18來討論。
在第一步驟E-502，自動對各RF脈衝期間收集的資料作圖。在一實施例中，可用電流感測器收集的電流資料，繪製成電流對時間的圖式F1-600，如在圖15中所示者。在另一實施例中，收集的電壓資料可繪製成電壓對時間的圖式F2-650，如圖16所示。僅管資料可能產生如先前技術的類似圖式，不同於先前技術，此收集的資料係自動提供至分析程式內，而不需人為介入。或者，收集的量測資料不需作圖。取而代之，此資料可直接提供至分析程式內。取而代之，圖式係提供作為解釋演算法的目視範例。
不同於先前技術，不是所有的資料組都為了鑑定電漿的特性而被分析。取而代之的是測定關聯性範圍。為了測定關聯性範圍，在下一步驟E-504，可能首先測定百分比衰減點。如在此的討論，百分比衰減點指原始值已衰減至原始值的特定百分比的資料點。在一實施例中，百分比衰減點可代表待分析之資料區間的終點。在一實施例中，當RF源關閉，電流值約為0.86mA/cm2 。該值以圖15的圖式F1-600上的資料點F1-602來表示。如果百分比衰減點設定為原始值的百分之十，百分比衰減點在資料點F1-604，其為約0.086mA/cm2 。換言之，可藉由施加預定百分比至原始值(其為當RF源關閉且系統回復至平衡狀態時的電荷值)，來測定百分比衰減點。在一實施例中，此百分比為經驗地測定。在一實施例中，取代使用百分比衰減點來測定資料區間的終點，可計算各RF 脈衝收集的資料的第一微分的尖峰。
在下一步驟E-506，演算法可測定離子飽和區間，其為原始值與第二衰減點之間的資料子集。如在此的討論，離子飽和區間指探針電位關於浮動電位足夠負，使得流至探針的電子流可忽略的電流電壓(IV)曲線區間。在此區間，流至探針的電流隨負電位的增加而緩慢地且線性地增加。此外，離子飽和區間為偏壓電壓關於浮動電壓足夠負，使得探針能在系統中收集所有可用離子的工作狀態。換言之，當偏壓電壓升高至足夠高，收集的電流「飽和」。此外，如在此的討論，「可用離子」指衝擊在鞘層邊界(sheath boundary)上的離子流，其可在偏壓電壓進一步增加時擴大。
換言之，離子飽和區間為自圖15之資料點F1-602至F1-606的區間。在一實施例中，藉由採取原始值的一百分比(即資料點F1-602)，可測定第二衰減點。在一實施例中，如果第二衰減點為原始值的約百分之95，第二衰減點為約0.81mA/cm2 (即資料點F1-606)。因此，離子飽和區間為自原始值(資料點F1-602)至第二衰減點(資料點F1-606)。注意第二衰減點係在原始值(資料點F1-602)與百分比衰減點(資料點F1-604)之間。類似於百分比衰減點，在一實施例中，第二衰減點亦可基於預定門檻值。在一實施例中，百分比為經驗地測定。
一旦離子飽和區間已被測定，在下一步驟E-508，可估計斜率(s)及離子飽和(i0 )。如前述，斜率(s)及離子飽和(i0 )為可施加至測定鑑定電漿特性的參數之數學模型(下述方程式2)的四個種子值之其二。在一實施例中，斜率(s)可藉由施行線性迴歸來測定。在另一實施例中，演算法亦可藉由取得資料點F1-602及F1-606之間的資料值的平均，而測定離子飽和(i0 )。
在下一步驟E-510，演算法可測定反曲點(inflection point)，其為第一微分改變記號的點。在一實施例中，藉由確認百分比衰減點及第二衰減點之間的電流值的第一微分的最小值，來計算反曲點。為了說明，圖17顯示電流信號F3-660之百分比衰減點(F3-664)及原始點(F3-662)之間的第一微分值。反曲點為第一微分(F3-670) 的最小資料點，其具有-0.012mA/cm2 的值及指示值226(如資料點F3-666所示)。為了測定反曲值，將指示值對映至電流信號圖F3-660。在此實施例中，當第一微分的指示值對映至電流信號F3-660時，反曲值為0.4714mA/cm2 ，如資料點F3-668所示。
在一實施例中，關聯性範圍定義為原始值與反曲點之間的範圍。此外或或者，百分比衰減門檻值可設定(例如百分之35)以取代反曲點的計算。在一實施例中，使用百分之35的百分比衰減點，其可被經驗地測定，關聯性範圍可落在圖15的點F1-602與F1-604之間。
隨著反曲點確認，在下一步驟E-512，可估計電子溫度。可藉由使用上列方程式1來估計電子溫度。用來估計電子溫度的電流及電壓係在過渡區間內，其通常當探針獲取小於離子飽和電流時。在一實施例中，量測電流及電壓資料的時間可能對應反曲點。或者，電流電壓(I-V)曲線的反曲點亦可被使用。因為電子溫度為在對應於電流-電壓曲線上之反曲點的時間下，就RF脈衝所收集之資料的第一微分(如在計算百分比衰減點中所測定者)的比值，故 需要產生數字的計算花費為最小。
在下一步驟E-514，演算法可測定浮動電壓電位。因為浮動電壓電位係基於收集之電壓資料而加以測定，可不需先測定如步驟E-504至E-512中所計算的值，而測定浮動電壓電位。熟習本技藝者應明瞭，浮動電壓電位為外部電容完全放電之後，探針浮動的電子電位。典型上，藉由注意下一RF脈衝之前剛發生的信號，可測定浮動電壓電位。然而，因為導致失真的聚合物增長的可能性，可能收集到錯誤的資料(即雜訊)；因此，可藉由平均在朝向收集期間的末端的收集電壓值，來計算浮動電壓電位。在一實施例中，浮動電壓電位可計算自資料點F2-652(電壓首先達到其浮動電位的資料點)至資料點F2-654(剛好在下一RF脈衝之前的資料點)，如圖16所示。在另一實施例中，浮動電壓電位可基於窗框(window)F2-656內的電壓值，其位於資料點F2-652與F2-654之間，如圖16所示。在一實施例中，窗框F2-656可為任意尺寸，只要窗框在之前的脈衝已衰減超過百分之99之前開始，且在當下一脈衝開始之前結束。在一實施例中，浮動電壓電位可自提供具有低標準偏差(誤差)之平均值的窗框加以測定。
如可由前述所瞭解，用於測定關聯性範圍及種子值的方法，說明可能發生在電流、電壓及/或電流電壓(I-V)曲線中的異常現象。在一實施例中，聚合物增長可能發生在RF脈衝的末端。然而，藉由施行前述演算法，關聯性範圍及種子值對於可能發生在處理期間的非預期人為因素並不受影響。
一旦關聯性範圍已被測定且種子值已被計算，在下一步驟E-516，電流值可對電壓值作圖，且可施加曲線擬合以產生圖18之圖式F4-680。在一實施例中，可應用例如Levenberg-Marquardt演算法之非線性擬合，以施行曲線擬合。藉由產生曲線擬合圖式及應用種子值至例如下列方程式2之數學模型，可決定4個可用於鑑定電漿特性的參數。
如可自本發明之一個以上之實施例所明瞭，提供了一種在電漿處理期間，用於鑑定電漿特性的自動方法。藉由測定關聯性範圍及種子值組，可進行電漿特性鑑定，而不需處理通常在單一RF脈衝之後所收集之數千或數百萬資料點。自動的方法將以前冗長及手動的程序改變成可快速且有效率施行的自動化任務。隨著資料分析由數分鐘(或甚至數小時)明顯縮短至數毫秒，電漿特性鑑定可在電漿處理期間施行，代替了後生產處理。因此，相關資料可提供對現行電漿環境中之洞察力，藉以能產生處方及/或機台調整及使浪費最小化。
雖然本發明已就幾個實施例加以描述，仍有落入本發明範疇內之變更、替換、及等效物。也應當注意仍有許多施行本發明之方法及裝置的替代方式。吾人亦須注意，有許多替代方式可以實施本發明之方法及設備。僅管在此提供了許多實施例，但其意謂有關本發明，此等實施例僅為例示且並不局限於此。
並且，在此提供之標題及總結係為了方便而不應用來解釋在此之申請專利範圍的範疇。再者，摘要係以非常簡要的方式書寫，並為了方便提供於此，且因此不應用來解釋或限制陳述在申請專利範圍中的整體發明。如果術語「組」使用於此，此等術語具有 其公知的數學含義，含括零、一、或多於一個構件。或者，意謂下附之申請專利範圍應解釋為包含落入本發明之真實精神及範疇內的所有此等變更、替換、及等效物。
102‧‧‧面向電漿感測器
104‧‧‧量測電容器
104a‧‧‧平板
104b‧‧‧平板
106‧‧‧RF電壓源
120‧‧‧電流量測裝置
122‧‧‧電壓量測裝置
130‧‧‧腔室
202‧‧‧沉積膜
204‧‧‧RC電路
206‧‧‧量測點
402‧‧‧初始條件Rfilm 、Cfilm
404‧‧‧解ODE方程式
406‧‧‧與量測資料比較
408‧‧‧誤差<容忍值？
410‧‧‧改變Rfilm 、Cfilm
412‧‧‧最終Rfilm 、Cfilm
602‧‧‧曲線
604‧‧‧曲線
804‧‧‧曲線
806‧‧‧曲線
A-100‧‧‧電漿系統
A-102‧‧‧RF源
A-104‧‧‧反應器腔室
A-106‧‧‧電漿
A-108．．．電容器
A-110．．．探針
A-112．．．電流感測器
A-114．．．電壓感測器
A-116．．．沉積層
B1-202．．．資料點
B1-204．．．資料點
B1-206．．．資料點
B2-252．．．資料點
B2-254．．．衰減區間
B2-256．．．資料點
B2-258．．．資料點
C-302．．．資料點
D-402．．．收集電流及電壓資料
D-404．．．測定了關聯性範圍
D406．．．測定種子值
D-408．．．施行非線性擬合
E-502．．．對RF脈衝期間收集的資料作圖
E-504．．．測定百分比衰減點
E-506．．．測定離子飽和區間
E-508．．．估計斜率及離子飽和
E-510．．．測定反曲點
E-512．．．測定電子溫度
E-514．．．測定浮動電壓電位
E-516．．．以電流值對電壓值作圖，且在關聯性範圍及種子值內施行曲線擬合
F1-600．．．電流對時間的圖式
F1-602．．．資料點
F1-604．．．資料點
F1-606．．．資料點
F1-608．．．資料點
F2-650．．．電壓對時間的圖式
F2-652．．．資料點
F2-654．．．資料點
F2-656．．．資料點
F3-660．．．電流信號
F3-662．．．資料點
F3-664．．．資料點
F3-666．．．反曲點
F3-668．．．資料點
F3-670．．．電流信號的第一微分
F4-680．．．圖式
本發明在隨附圖式之圖中以範例而非限制的方式說明，且其中類似參考數字關聯於相似元件，且其中：圖1顯示一範例RFB-CCE探針裝置。
圖2顯示，根據本發明之實施例，包含沉積膜的模型的RFB-CCE探針裝置的電路模型。
圖3顯示等效電路。
圖4係根據本發明之實施例，顯示計算Rfilm 及Cfilm 的反覆技術。
圖5顯示用於解答Rfilm 及Cfilm 之聯立微分方程式。
圖6顯示典型之Cm的小電容器值之V-I特性曲線，及觀察到的較大電容值之VI曲線(例如100nF或更高)。
圖7A係根據本發明的實施例，顯示Cfilm 及膜厚度(d)之間的相對關係。
圖7B係根據本發明之實施例，顯示Rfilm 的電阻值的計算。
圖8顯示模型化的V(t)曲線。
圖9的討論顯示具有射頻源且電容耦合至反應室腔室，以產生電漿的電漿系統的一部份的簡要概略圖式。
圖10的討論顯示RF充電之後，電壓對時間的圖式。
圖11的討論顯示RF充電之後，收集之電流資料的圖式。
圖12的討論顯示RF脈衝之間的單一時間區間的簡要電流對電壓圖式。
圖13的討論顯示，於本發明一實施例之簡略的流程圖，其例示基板處理期間，用於自動鑑定電漿特性的所有步驟。
圖14的討論顯示，於本發明一實施例之用於測定關聯性範圍及種子值的簡要演算法。
圖15的討論顯示RF脈衝之後，電流對時間的例子。
圖16的討論顯示RF脈衝之後，電壓對時間的例子。
圖17的討論顯示反曲點的例子。
圖18的討論顯示施加至電流對電壓圖之曲線擬合的例子。
102．．．面向電漿感測器
104．．．量測電容器
104a．．．平板
104b．．．平板
106．．．RF電壓源
120．．．電流量測裝置
122．．．電壓量測裝置
130．．．腔室

Claims (20)

  1. 一種在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，該沉積膜係位於一電漿處理系統的一處理腔室內的一基板上，該方法包含：測定一探針頭的一電壓-電流特性，其中一量測電容器係設定在一第一電容值；施加一射頻(RF，radio frequency)列(train)至該探針頭，藉以使該量測電容器充電，其中該量測電容器係設定在一第二電容值，該第二電容值係大於該第一電容值；提供一初始電阻值給該沉積膜，及提供一初始電容值給該沉積膜；使用該初始電阻值、該初始電容值、及該電壓-電流特性以產生一第一模擬電壓-時間曲線；測定一第一量測電壓-時間曲線，該第一量測電壓-時間曲線表示對於一RF列之橫跨該沉積膜的一電位降；及比較該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線，其中，如果該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線之間的一差異小於一預定門檻值，則使用該初始電阻值及該初始電容值來鑑定該沉積膜的特性。
  2. 如申請專利範圍第1項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，更包含：如果該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線之間的該差異大於該預定門檻值，應用一非線性最小平方曲線演算法，以產生一第二電阻值及一第三電容值；使用該第二電阻值、該第三電容值、及該電壓-電流特性，以產生一第二模擬電壓-時間曲線；測定一第二量測電壓-時間曲線；及比較該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線，其中如果該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線 之間的一差異小於該預定門檻值，使用該第二電阻值及該第三電容值來鑑定該沉積膜的特性，及如果該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線之間的該差異大於該預定門檻值，應用該非線性最小平方曲線演算法，以產生一第三電阻值及一第四電容值。
  3. 如申請專利範圍第2項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，更包含計算一模擬電壓-時間曲線及一量測電壓-時間曲線，並比較該量測電壓-時間曲線比較與該模擬電壓-時間曲線，直到該模擬電壓-時間曲線與該量測電壓-時間曲線之間的一差異小於該預定門檻值。
  4. 如申請專利範圍第3項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，其中該電壓-時間特性係以下列步驟產生：量測橫跨該量測電容器的電位，以測定一電位變化率，及量測橫跨該量測電容器的電流，以測定一電容器電流放電率。
  5. 如申請專利範圍第4項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，其中該初始電阻值及該初始電容值係依經驗加以計算。
  6. 如申請專利範圍第4項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，其中該初始電阻值及該初始電容值係依理論加以決定。
  7. 如申請專利範圍第4項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，其中該沉積膜的一電阻值係關於該沉積膜的化學組成，該電阻值為膜電阻、距離、及該探針頭的橫截面積的一函數。
  8. 如申請專利範圍第4項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜 特性的方法，其中該沉積膜的一電容值係至少關於該沉積膜的厚度及相對介電常數，該電容值係自由空間之介電常數、膜介電材料之相對介電常數、該探針頭之表面積、及膜厚度的一函數。
  9. 如申請專利範圍第1項之在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的方法，其中該量測電容器為一具有多個電容器的可切換電容器裝置，其中該多個電容器的各電容器具有一不同的電容值。
  10. 一種製造物品，包含一程式儲存媒體，其具有被包含於其中的電腦可讀取碼，該電腦可讀取碼係用於在基板處理期間，鑑定沉積膜之特性，該沉積膜係位於一電漿處理系統的處理腔室內的一基板上，該製造物品包含：用於測定一探針頭的一電壓-電流特性的編碼，其中一量測電容器係設定在一第一電容值；用於施加一射頻(RF，radio frequency)列(train)至該探針頭的編碼，藉以使得該量測電容器充電，其中該量測電容器係設定在一第二電容值，該第二電容值係大於該第一電容值；用於提供該初始電阻值給該沉積膜、及提供該初始電容值給該沉積膜的編碼；用於使用該初始電阻值、該初始電容值、及該電壓-電流特性以產生一第一模擬電壓-時間曲線的編碼；用於測定一第一量測電壓-時間曲線的編碼，該第一量測電壓-時間曲線表示對於一RF列之橫跨該沉積膜的一電位降；用於比較該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線的編碼；及如果該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線之間的一差異小於一預定門檻值，使用該初始電阻值及該初始電容值以鑑定該沉積膜之特性的編碼。
  11. 如申請專利範圍第10項之製造物品更包含： 如果該第一模擬電壓-時間曲線與該第一量測電壓-時間曲線之間的該差異大於該預定門檻值，應用一非線性最小平方曲線演算法以產生一第二電阻值及一第三電容值的編碼；用於使用該第二電阻值、該第三電容值、及該電壓-電流特性以產生一第二模擬電壓-時間曲線的編碼；用以測定一第二量測電壓-時間曲線的編碼；及用於比較該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線的編碼，其中如果該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線之間的一差異小於該預定門檻值，則使用該第二電阻值及該第三電容值來鑑定該沉積膜的特性的編碼，及如果該第二模擬電壓-時間曲線與該第二量測電壓-時間曲線之間的該差異大於該預定門檻值，則應用該非線性最小平方曲線演算法以產生一第三電阻值及一第四電容值的編碼。
  12. 如申請專利範圍第11項之製造物品，更包含：用於計算一模擬電壓-時間曲線及一量測電壓-時間曲線的編碼，及用於比較該量測電壓-時間曲線與該模擬電壓-時間曲線，直到該模擬電壓-時間曲線與該量測電壓-時間曲線之間的一差異小於該預定門檻值的編碼。
  13. 如申請專利範圍第12項之製造物品，其中該電壓-電流特性係藉由下述產生：用於量測橫跨該量測電容器的電位以測定一電位變化率的編碼，及用於量測橫跨該量測電容器的電流以測定一電容器電流放電率的編碼。
  14. 如申請專利範圍第13項之製造物品，其中該初始電阻值及該初始電容值係依經驗加以計算。
  15. 如申請專利範圍第13項之製造物品，其中該沉積膜的一電阻值係關於該沉積膜的化學組成，該電阻值為膜電阻、距離、及該探針頭的橫截面積的一函數。
  16. 如申請專利範圍第13項之製造物品，其中該沉積膜的一電容值係至少關於該沉積膜的厚度及相對介電常數，該電容值係自由空間之介電常數、膜介電材料之相對介電常數、該探針頭之表面積、及膜厚度的一函數。
  17. 如申請專利範圍第10項之製造物品，其中該量測電容器為一具有多個電容器的可切換電容器裝置，其中該多個電容器的各電容器具有一不同的電容值。
  18. 一種在基板處理期間用來鑑定沉積膜特性的裝置，該沉積膜係位於一電漿處理系統的一處理腔室內，該裝置包含：一探針裝置，其中該探針裝置係用於至少量測一電漿處理參數，該探針裝置包含：一面向電漿感測器，由一導電材料製成，及一量測電容器，用以在兩個以上的數值之間作切換，其中該面向電漿感測器係耦合至該量測電容器的一第一平板；一射頻(RF)電壓源，該RF電壓源係耦合至該量測電容器的一第二平板，其中該RF電壓源係用以提供RF震盪列至該面向電漿感測器；一電阻電容電路，其中該電阻電容電路包含與一電容器並聯的一電阻；一電流量測裝置，該電流量測裝置係串聯設置在該量測電容器及該RF電壓源之間，其中該電流量測裝置係用於偵測該量測電容器電流放電率；一電壓量測裝置，該電壓量測裝置設置在該量測電容器的該第一平板及地面之間，其中該電壓量測裝置係用於量測該面向電漿感測器的電位；及一信號處理器，其中該信號處理器係用於分析該電流放電率及該面向電漿感測器的該電位，以測定關於該面向電漿感測器的一電壓-電流特性。
  19. 如申請專利範圍第18項之製造物品，其中該面向電漿感測器係設置在該處理腔室的一腔室壁上，並實質上與該腔室壁共平面。
  20. 如申請專利範圍第18項之製造物品，其中該面向電漿感測器為一射頻偏壓(RFB，radio frequency-biased)電容耦合靜電(CCE，capacitively-coupled electrostatic)探針頭。
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