TWI484530B - 在電漿處理系統中決定清洗或調整處理端點的方法 - Google Patents
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Description
本發明一般係與基板製造技術有關，更特別的，是與在電漿處理系統中決定清洗或調整程序端點的方法與設備有關。
在處理基板(substrate)，例如半導體晶圓、MEMS裝置、或者是平面顯示器製造過程中所用的玻璃面板等，常會使用到電漿(plasma)，以基板的部份處理過程(化學氣相沈積(CVD)、電漿增強化學氣相沉積、物理氣相沈積(PVD)等)為例，基板會被分成複數個裸晶(die)或矩形區域，其中每一個會成為一個積體電路，接著基板會被以數個步驟處理，其中多種材料會被選擇性地移除(蝕刻)和沈積，以便在分割的基板上面形成電子構件。
在一示範的電漿流程中，基板在蝕刻前會被鍍以強化的感光乳劑(比如說抗光蝕遮罩(photoresist mask))，接著被強化的感光乳劑部份會被選擇性地移除，讓底下的層的部份被暴露出來，然後基板會被放置於電漿處理腔室(plasma processing chamber)內的基板支撐結構上，基板支撐結構包含單極或雙極的電極，稱為墊塊(chuck)，合適的蝕刻劑來源氣體(例如C4
F8
、C4
F6
、CHF3
、CH2
F3
、CF4
、CH3
F、C2
F4
、N2
、O2
、Ar、Xe、He、H2
、NH3
、SF6
、BCl3
、Cl2
等)會被通入腔室並被觸發以形成電漿，進而蝕刻基板上被暴露的區域。
為了確保能達到一致的電漿處理結果，通常在處理每一片基板前會採用腔室調整流程(chamber conditioning process)，腔室調整一般所指為設定或重置腔室條件至一實質已知狀態的流程，舉例來說，在介電蝕刻電漿處理系統中，在處理下一片基板前先去除殘留的氫氟碳化物聚合物(hydrofluorocarbon polymer)已成為常規，這個流程即為一般所知的無水自動清洗(WAC)，一般是在基板被處理後執行WAC，以確保下一片基板也能在標準、良好定義的腔室條件下被處理，避免汙染物副產品(pollutant byproduct)的累積效應。汙染物一般包含有機和無機的副產品，是由電漿流程中蝕刻劑氣體內的材料(比如說碳、氟、氫、氮、氧、氬、氙、矽、硼、以及氯等)，或基板的材料(例如光阻劑、矽、氧、氮、鋁、以及鈦等)、或者是電漿處理腔室本身的結構材料(例如鋁以及石英等)所產生的。
另外也可在處理每一片基板前，先在電漿腔室表面預先鍍以良好定義的電漿沈積薄膜，以增強一致的電漿處理結果，確保標準、良好定義的腔室條件，這個方法可降低從濕腔室清洗恢復的時間，避免在基板處理過程中腔室表面累積不想要的材料。
調整電漿腔室，比如說處理每一基板前移除氧化的表面薄膜，也可以使得某些電漿腔室材料的表面化學作用更能夠被精確地控制。舉例來說，矽(Si)暴露在氧的電漿氣體中容易形成表面氧化物，多了表面氧化物，對照原來只有矽的情形，對於流程結果會有很大的影響，這是因為已知的基本再結合率(radical recombination rate)在絕緣表面與導電表面上有很大的變異，此外，有些電漿腔室調整流程也可能需要使用到不包括微小結構的空白基板，以便保護靜電墊塊(或墊塊)。
在這些流程中，決定何時到達流程的端點(endpoint)是很重要的，一般所指的端點是在電漿流程中的一組或一個範圍的數值(例如時間)，用來判定流程是否已經完成，以調整、預先鍍膜、以及表面化學作用控制應用來說，所需材料的厚度通常是最重要的數值。
參考第1圖，其為一電感耦合式電漿處理系統的簡化示意圖，一般來說，一組適當的氣體可從氣體分配系統122被流通至具有電漿腔室壁117的電漿腔室102，這些電漿處理氣體接著可被離子化於接近注射器109的區域上或其中，以便形成電漿110，進而處理(例如蝕刻或沈積)基板114，像是半導體基板或玻璃面板的被暴露區域，而基板與邊緣環115被設置於靜電墊塊116上。
第一射頻(RF)產生器134產生電漿以及控制電漿密度，而第二RF產生器138產生偏壓RF(bias RF)，一般係用來控制DC偏壓以及離子轟炸能量，匹配網路136a進一步耦接至來源RF產生器134，而匹配網路136b進一步耦接至偏壓RF產生器138，用以嘗試匹配RF電力來源與電漿110的阻抗。另外，包括活塞112與一組幫浦111的真空系統113，一般係用來抽取電漿腔室102內的環境空氣，以便達到產生電漿110以及/或者移除程序副產品所需要的壓力。
參考第2圖，其為一電容耦合式電漿處理系統的簡化示意圖，一般來說，電容耦合式電漿處理系統可被設定為具有單一或多個分離的RF電力源，來源RF產生器234所產生的來源RF，一般係用來透過電容耦合方式產生電漿以及控制電漿密度，而由偏壓RF產生器238所產生的偏壓RF，一般係用來控制DC偏壓以及離子轟炸能量，匹配網路236進一步耦接至來源RF產生器234與偏壓RF產生器238，用以嘗試匹配RF電力來源與電漿220的阻抗。其他形式的電容性反應器(capacitive reactor)將RF電力源以及匹配網路連接至頂端電極204，此外也有多陽極系統，像是一三極管(triode)，可採用類似的RF與電極排列。
一般來說，一組適當的氣體可從氣體分配系統222透過頂端電極204流通至具有電漿腔室壁217的電漿腔室202，這些電漿處理氣體接著可被離子化以形成電漿220，進而處理(例如蝕刻或沈積)基板214，像是半導體基板或玻璃面板的被暴露區域，而基板與邊緣環215被設置於靜電墊塊216上，而墊塊216也具有電極的功能。另外，包括活塞212與一組幫浦211的真空系統213，一般係用來抽取電漿腔室202內的環境空氣，以便達到產生電漿220所需要的壓力。
就上述而言，在電漿處理系統中決定清洗或調整程序端點的方法與設備，是有需要的。
在一實施例中，本發明係與一種藉由量測一層的厚度以決定一程序的一端點之方法有關，該層係藉由一先前程序所沉積於該表面上，該方法包括提供一與該表面共平面之感測器，其中該感測器係被設定用來量測厚度。該方法同樣包括將電漿腔室暴露至一電漿，其中厚度會因暴露而被改變，並且決定厚度為時間的函數；而該方法進一步包括確定在該厚度的一穩定狀態情況，該穩定狀態情況的特徵為厚度的實質地穩定量測值，該穩定狀態情況的一開始代表該端點。
在另一實施例中，本發明係與一種藉由量測一層的厚度以決定一程序的一端點之方法有關，該層係藉由一先前程序所沉積於該表面上，該方法包括提供一位於該表面凹處之感測器，其中該感測器係被設定用來量測厚度。該方法同樣包括將該電漿腔室暴露至一電漿，其中厚度會因暴露而被改變，以及決定厚度為時間的函數。該方法更包含確定在該厚度的一穩定狀態情況，該穩定狀態情況的特徵為厚度的實質穩定之量測值，該穩定狀態情況的一開始代表該端點。
在另一實施例中，本發明係與一種藉由量測一層的厚度以決定一程序的一端點之設備有關，該層係藉由一先前程序所沉積於該表面上，該設備包括提供裝置，用以提供一與該表面共平面之感測器，其中感測器係被設定用來量測該厚度。該設備同樣包括暴露裝置，用以將電漿腔室暴露至一電漿，其中厚度會因暴露而被改變，並包括決定裝置，用以決定厚度為時間的函數。該設備進一步包括確定裝置，用以確定在該厚度的一穩定狀態情況，該穩定狀態情況的特徵為厚度的實質地穩定量測值，該穩定狀態情況的一開始代表該端點。
有關本發明的上述及其他特點，可透過以下的詳細說明，配合附屬的圖表有更詳盡的了解。
以下將以數個較佳實施例與配合的圖表詳細說明本發明，在接下來的說明中，將提出許多特定的細節，以便更完整地了解本發明，不過熟悉此技藝者應可了解，本發明不一定需要某些或全部的特定細節才能實施，在一些實例中，已知的程序步驟以及/或者結構並不會特別描述，以免不必要地阻礙了本發明的解說。
在不限於理論的情況下，本案發明人相信可以透過實質上與電漿腔室表面共面的感測器，或者是位於電漿腔室壁的凹處之感測器，來決定一程序的端點，以改變電漿處理腔室表面上的一層的厚度。
共面(coplanar)所指為感測器與電漿腔室表面之間的位置關係，其中感測器的量測表面與電漿腔室的表面實質上係位於同一平面。位於凹處(recessed)所指為電漿腔室的表面係介於感測器的量測表面與電漿之間。
其他非直接量測技術，像是非共面或非位於凹處的干涉計會有失真的問題，反之，共面或位於凹處的感測器可直接量測電漿腔室內的表面情況，舉例來說，當電漿腔室表面已經預先鍍有一層良好定義的電漿沉積薄膜，用傳統感測器很難決定被沉積薄膜的厚度，因為在沉積過程中的電漿情況對薄膜厚度並不敏感，同樣地，非直接感測器對於腔室材料的表面氧化狀態的改變可能也不敏感。
以一實施例來說，在一不明顯的方式下，共面離子通量探針(coplanar ion flux probe)可被用來實質地偵測腔室調整流程的端點，一般來說，當RF電力被引入電漿腔室以維持電漿時，電漿內的離子一般會在腔室表面形成電位，因此，在共面離子通量探針內會有一電容產生，同時也會暴露至電漿，當慢暫態電流對電容充放電，可決定共面離子通量探針的I－V特性。
在量測前，共面離子通量係藉由施加一短促發的RF電位，相對其穩定浮動電位被負偏壓，非線性的電漿外層(sheath)對電容充電，在RF促發結束時，透過來自電漿的正電荷，電容會放電，而探針電位會回到原先浮動電位。
不過，被引發的電容的程度可能會受到副產品(byproduct)累積的影響，由於副產品沉積物傾向於由大量的介電材料所組成，它們傾向讓底下的共面離子通量探針部份地與電漿絕緣，創造出較小的電位，也就是說，實質上乾淨的電漿腔室表面具有接近電漿的電位，而上有副產品沉積物的部分一般具有小於電漿的電位，最後，電位放電以及腔室表面回到原來一般的DC浮動電位，一般來說，電位的差異，或者是偏壓，係與副產品沉積物的厚度的變化呈比例關係。
接著參考第3圖，其中所示為一介電蝕刻電漿處理系統的範例，其中於施加RF電力的脈衝時，探針上被引發的偏壓係與被沉積在探針上的聚合物厚度相關，在此範例中，聚合物係預先被沉積，而且一清洗類型的處理步驟係被用來移除薄膜，探針資料係以高速被收集，因此能夠做到即時量測被移除的聚合物薄膜，在此範例中，縱軸是RF引發的探針偏壓，係採用原子單位(atomic unit,a.u.)，橫軸則是以秒作為時間單位，一般來說，一個原子單位是一任意定義的電荷單位，一質子(proton)為＋1 a.u，而電子為－1 a.u。
圖線302代表電漿腔室在沒有預先調整的情況下，RF引發的探針偏壓與時間的函數關係，由於沒有副產品讓共面離子通量探針部份地絕緣，因此RF引發的探針偏壓實質上是維持在大約－2.7 a.u，圖線304代表電漿腔室以60秒的聚合物預先調整沈積的情況下，RF引發的探針偏壓與時間的函數關係，和圖線302不同的是，其RF引發的探針偏壓在介電蝕刻電漿處理為0秒的時候稍微低於－2.0 a.u.，在大約25秒的時候跑到大約－2.6 a.u.的水準，在這個點開始變得實質上恆定，因此實質上也到達了端點，圖線306代表電漿腔室以120秒的聚合物預先調整沈積的情況下，RF引發的探針偏壓與時間的函數關係，和圖線304相同的是，其RF引發的探針偏壓在介電蝕刻電漿處理為0秒的時候比圖線302稍微低一些，大約於－1.4 a.u.，在大約60秒的時候跑到大約－2.5 a.u.的水準，和圖線304不同的是，在60秒的期間內圖線沒有在任何點變得恆定，這意味著還沒有到達程序的端點。
第4圖所示為根據本發明的一實施例，第3圖的探針資料與其他診斷資料的比較，其中顯示探針被引發偏壓是偵測聚合物移除的正確端點之實質上準確方法，本範例示範如何使用探針決定從腔室表面移除聚合物薄膜的端點，此資料同樣也顯示在腔室調整流程中，探針如何可被用來決定電漿腔室內的介電薄膜的沈積的端點，就資料所顯示，探針頭為鎢金屬。
不過，探針也可採用被掺雜矽的探針頭，用以匹配在介電蝕刻反應器(dielectric etch reactor)所用的材料，在此情況下，探針可偵測薄表面氧化物並可被用來偵測矽腔室部份的表面氧化狀態，藉以決定可增加或移除矽表面的氧化物腔室調整程序的端點。
圖線402代表在電漿腔室內的氫分子(以a.u.作為單位)與時間的關係，也就是說，當表面氧化物被蝕刻時，氫在蝕刻流程中會被消耗，一旦蝕刻流程實質上完成時，電漿腔室內的氫的數量會變得穩定，移除和增加的數量會相等。
圖線404代表在電漿腔室內的CN種類(以a.u.作為單位)與時間的關係，也就是說，當表面氧化物被蝕刻時，CN是蝕刻流程中產生的短暫的副產品，一旦蝕刻流程實質上完成時，電漿中CN的數量就會大幅降低。
圖線406代表第3圖所示的探針引發偏壓與時間的關係，如前所述，被引發的電容的程度可能會受到副產品累積的影響，副產品傾向讓共面離子通量探針與電漿絕緣，因此，當表面氧化物被蝕刻時，被引發的電容會增加，一旦蝕刻流程實質上完成時，被引發的電容會接近電漿本身的電容，並且達到實質上穩定的狀態情況，在20秒的時候，探針引發偏壓的圖線406實質穩定地維持在－65 V，表示表面氧化物已被實質地蝕刻，如圖所示，在20秒的時候，也可以在其餘4個圖線偵測到端點。
圖線408代表在2M Hz的電壓電抗(voltage reactor)與時間的關係。
圖線410代表以mA/cm2
為單位的離子飽和電流與時間的關係。
現在請參考第5圖，其中所示為根據本發明的一實施例，共面離子通量探針與電漿腔室壁的簡化圖，層502代表一預先調整電漿沈積薄膜或一汙染物副產物的累積，該層並遮蔽了位於電漿腔室壁517內的共面離子通量探針504，避免直接暴露至電漿510。如前所述，被引發的電容的程度會受到副產品累積的影響，副產品傾向讓共面離子通量探針與電漿絕緣。因此，當表面氧化物被蝕刻時，被引發的電容會增加。一旦蝕刻流程大致上完成時，被引發的電容會接近電漿本身的電容。
在另一實施例中，係採用一實質上共面的石英晶體微量天平(quartz crystal microbalance,QCM)，一般來說，QCM量測程序中發生在或靠近表面，或在薄膜內的質量，其係藉由量測5MHz的高頻(AT－cut)石英晶體之共振頻率以及電阻而得，共振頻率會隨著沈積在結晶表面的材料質量作線性函數變化，共振時的電阻會隨著接觸晶體表面的材料(薄膜或液體)之彈性而改變，作為測試重量的設備，QCM可量測的質量範圍從微克(microgram)至一毫微克的幾分之幾不等。偵測的極限與原子的次單層(submonolayer)有關。
接著參考第6圖，其中所示為根據本發明的一實施例，具有共面QCM之電漿腔室壁的簡化圖。層602代表一預先調整電漿沈積薄膜或一汙染物副產物的累積，該層遮蔽了位於電漿腔室壁617內的共面QCM 604，使其不會直接暴露至電漿610。如前所述，共面QCM量測靠近它的層602的質量。
在另一實施例中，係採用設於電漿腔室表面凹處之干涉計。以單波長干涉量測法(interferometry)來說，一光束可被引導至介於被沈積的聚合物層與電漿腔室表面之間的聚合物層表面，反射的訊號與光束建設性地或破壞性地結合，以產生週期性的干涉條紋(interference fringe)，藉由量測條紋的數目，可決定材料的厚度，干涉量測法一般可以量測至0.25微米，都能保持其準確性。
接著參考第7圖，其中所示為根據本發明的一實施例，共面干涉計(interferometer)與電漿腔室壁的簡化圖，層702代表一預先調整電漿沈積薄膜或一汙染物副產物的累積，該層並遮蔽了光束來源704與接近電漿腔室壁717的干涉計706，避免直接暴露至電漿710。如前所述，藉由量測條紋的數目，可決定沈積聚合物的厚度。
第8圖所示為根據本發明的一實施例，一種藉由量測一層的厚度以決定一程序的一端點的簡化方法，其中該層係藉由一先前程序所沉積於該表面上。一開始在步驟802，提供一與表面共面之感測器，其中感測器係被設定用來量測厚度；接著在步驟804，將電漿腔室暴露至一電漿，其中厚度會因暴露而被改變；在步驟806，決定厚度為時間的函數；最後在步驟808，確定在該厚度的一穩定狀態情況，穩定狀態情況的特徵為厚度的實質地穩定量測值，該穩定狀態情況的一開始代表該端點。
儘管本發明已透過數個較佳實施例加以說明，但是在本發明的範疇內仍可有各種變動、改變與等效的型態，要注意的是，本發明所揭示的方法可以許多替代的方式加以實施。
本發明的優勢包括在一電漿處理系統中，用以決定一清洗或調整程序的端點之方法與設備，其他的優勢包括將程序臨限偵測最佳化、將製造良率問題降至最低，以及將電漿處理產出最佳化等。
以上揭示了示範的實施例與最佳模式，不過熟悉此技藝者應可根據以下的申請專利範圍的定義，在不悖離本發明的目的與精神的情況下，進行各種修正與變動。
102．．．電漿腔室
109．．．注射器
110．．．電漿
111．．．幫浦
112．．．活塞
113．．．真空系統
114．．．基板
115．．．邊緣環
116．．．靜電墊塊
117．．．電漿腔室壁
122．．．氣體分配系統
134．．．第一射頻(RF)產生器
136a．．．匹配網路
136b．．．匹配網路
138．．．第二RF產生器
202．．．電漿腔室
204．．．頂端電極
211．．．幫浦
212．．．活塞
213．．．真空系統
214．．．基板
215．．．邊緣環
216．．．靜電墊塊
217．．．電漿腔室壁
220．．．電漿
222．．．氣體分配系統
234．．．第一射頻(RF)產生器
236．．．匹配網路
238．．．第二RF產生器
502．．．層
504．．．共面離子通量探針
510．．．電漿
517．．．電漿腔室壁
602．．．層
604．．．石英晶體微量天平
610．．．電漿
617．．．電漿腔室壁
702．．．層
704．．．光束來源
706．．．干涉計
710．．．電漿
717．．．電漿腔室壁
本發明係以範例解說，但不在此限，在所附圖表中相同的參考數字代表相似的元件，其中：第1圖為電感耦合式電漿處理系統的簡化圖示；第2圖為電容耦合式電漿處理系統的簡化圖示；第3圖所示為根據本發明的一實施例所示之一介電蝕刻電漿處理的範例，於施加RF電力的脈衝時，探針上被引發的偏壓係與被沉積在探針上的聚合物厚度相關；第4圖所示為根據本發明的一實施例，第3圖的探針資料與其他診斷資料的比較，其中顯示探針被引發偏壓是偵測聚合物移除的正確端點之實質上準確方法；第5圖所示為根據本發明的一實施例，共面離子通量探針與電漿腔室壁的簡化圖；第6圖所示為根據本發明的一實施例，共面石英晶體微量天平與電漿腔室壁的簡化圖；第7圖所示為根據本發明的一實施例，共面干涉計與電漿腔室壁的簡化圖；以及第8圖所示為根據本發明的一實施例，一種藉由量測一層的厚度以決定一程序的一端點的簡化方法，其中該層係藉由一先前程序所沉積於該表面上。
Claims (6)
- 一種藉由量測一層的厚度以決定一電漿腔室清洗程序的一端點之方法，該層係藉由一先前程序而沉積於一電漿處理腔室中之一表面上，該方法包含以下的步驟：提供一與該電漿處理腔室之一腔室壁表面共平面之感測器，其中該感測器係被設定用來量測該厚度；將該電漿處理腔室暴露至一電漿，其中該厚度會因該暴露而被改變；相對該感測器之一浮動電壓使該感測器被負偏壓；決定該感測器之一引發偏壓作為時間的函數；以及藉由確定在該引發偏壓中的一穩定狀態情況而決定該電漿腔室清洗程序的該端點，該穩定狀態情況的特徵為該引發偏壓的實質地穩定量測值，並基於該穩定狀態情況的一開始而決定該電漿腔室清洗程序的該端點。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該感測器為一共面離子通量探針。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該感測器為一共面石英晶體微量天平。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該程序為一無晶圓自動清洗程序。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電漿處理腔室為一電容耦合式電漿處理腔室。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電漿處理腔室為一電感耦合式電漿處理腔室。
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