TWI511622B - 用來偵測電漿處理腔室中之原位電弧事件的被動電容耦合靜電探針裝置 - Google Patents

用來偵測電漿處理腔室中之原位電弧事件的被動電容耦合靜電探針裝置 Download PDF

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Description

用來偵測電漿處理腔室中之原位電弧事件的被動電容耦合靜電探 針裝置
本發明係關於電漿處理裝置。
於處理電漿處理腔室中之基板期間，令人滿意的結果常需要嚴格控管製程參數。對於用以製造現代高密度積體電路的處理(如沈積、蝕刻、清洗等)特別為真。當該製程參數(如偏壓、RF功率、離子通量、電漿密度、壓力等)超出狹窄且預定的容許度時，據信會發生製程偏差。這些製程偏差表示不良事件，常會導致不良的處理結果(如不好的蝕刻輪廓、低選擇性等)。因此，積體電路的製造中，製程偏差的偵測、特性分析、及避免對製程工程師而言係重要的任務。
常經由監視各種製程參數而執行偵測製程偏差。可直接量測若干製程參數(如偏壓、反射功率等)，同時自所測得參數中推定其它參數。
原位電弧為一種製程偏差類型，其可能降低良率、傷害基板與/或傷害腔室元件。例如，電弧會發生在基板的特徵部間、基板與其周遭元件(如接地的腔室元件)間、及腔室元件間。電弧會有許多起因。不論如何，電弧表示失控事件，其幾乎總是不良的且/或可能創造不良的損害與/或不良的製程結果。
因此，為了改善製程結果及製程良率，和為了避免傷害基板與/或其它元件，原位電弧的偵測對於偵錯與配方調整之目的係重要的。
在實施例中，本發明關於一裝置，用以於基板處理期間偵測電漿處理系統之電漿處理腔室內的原位電弧事件。該裝置包括探針裝置，其設置於該處理腔室的表面上，且用以量測至少一電漿處理參數。該探針裝置包括面向電漿的感測器及量測電容器，其中該面向電漿的感測器係與該量測電容器的第一板極結合。該探針裝置也包括與該量測電容器之第二板極結合的偵測裝置，其中該偵測裝置係用以使經由該量測電容器的感應電流轉換成一組數位訊號，該組數位訊號被處理來偵測原位電弧事件。
上文概要僅關於本文所揭露之許多發明實施例中一者，並不旨在限制請求項中所闡明之本發明的範疇。下文將在本發明及隨附之圖式的詳細描述中，更詳盡地描述本發明的這些及其它特徵。
將參照本文中如隨附圖式所說明的幾個實施例而詳細地描述本發明。在下文描述中，為提供本發明之徹底了解而闡明眾多的具體描述。然而，對於熟悉本技藝者，明顯的是，不用這些特定細節的部分或全部即可實行本發明。在其他例子中，為了避免非必要地搞混本發明而沒有詳盡地描述眾所皆知的處理操作。
本發明的實施例關於電容耦合靜電(capacitively-coupled electrostatic，CCE)探針裝置或其子設備，以偵測原位電弧事件。藉由背景說明，CCE探針長久來用以偵測電漿處理參數，如離子通量、電子溫度、浮動電位、薄膜厚度等。CCE探針為該技藝中所知悉，且可自公開可得文獻中獲得細節，例如包括名為「量測電漿中離子通量的方法及裝置(Method And Device For Measuring An Ion Flow In A Plasma)」之美國專利案第5936413號(西元1999年8月10日)，其併於本文以供參考。CCE探針提供許多優點，例如包括改善的偵測靈敏度、因感測器的小尺寸而減小對電漿的擾動、容易安裝在腔室壁上、對沈積在偵測頭上的聚合物不靈敏等。此外，感測器之面向電漿的表面常由與周遭腔室壁之材料相同的材料所製，從而進一步減小對電漿的擾動。這些優點使CCE探針非常適合用於感測製程參數。
一般而言，CCE探針裝置包括面向電漿的感測器，其與量測電容器的一板極結合。該量測電容器的另一板極與RF電壓源結合。該RF電壓源週期性地供應RF振盪序列，且跨越該量測電容器執行量測，以判定隨即接著每一RF振盪序列末端的電容器電流放電率。前述之美國專利第5936413號中討論到關於該CCE探針裝置及CCE探針操作的細節，本文將不進一步討論之。
然而，截至目前，CCE探針已用以量測如離子通量、電子溫度、浮動電位量測值等參數。而且，習知上CCE探針藉以RF電壓源對該量測電容器充電及量測該電容器在RF振盪序列間的電流衰減而執行量測。截至目前，一直未企圖利用該CCE探針裝置或其子設備量測原位電弧事件。
依據本發明之一或多個實施例，提議一種創新的被動CCE探針裝置以偵測原位電弧事件。儘管依據本發明之實施例的CCE探針裝置係被動式，本文將提供例子及討論，既使該CCE裝置受外部RF電壓源的主動激發，該裝置仍可偵測原位電弧事件(如先前技術中所作以量測於RF振盪序列間橫越該量測電容器的電流衰減)。如此，在一或多個實施例中，於不需如習知CCE探針裝置般使用外部RF電壓源對量測電容器充電的情況中被動地執行量測。
此處本發明人了解到，當探針表面處浮動電位時，該探針與電漿間的淨電流為零。換言之，儘管可能有電子與正離子自電漿至探針的通量，但探針頭與該電漿間互換的淨電荷為零，導致零淨電流。然而，假設該探針頭與該電漿間的電位差改變了，電流平衡則隨即受擾，導致流經該量測電容器的暫態非零感應電流。例如，假設該電漿的電位變化了，該探針頭與該電漿間的電位差則可能改變。原位電弧事件為具有改變電漿電位之能力的事件。藉由偵測此經該量測電容器的暫態非零感應電流，可偵測原位電弧事件。
此處本發明人也了解到，在偵測原位電弧事件中，可能消除習知CCE探針結構之RF激發源的需求。相反地，可藉由監視經該量測電容器的感應電流而被動地執行監視，該感應電流係由原位電弧事件所產生。在這種方式下，被動CCE探針的結構可有所不同且可較先前技藝中之CCE探針結構更簡單。
而且，偵測演算法與策略也可依型樣檢測及時間而不同。從總體上看，該偵測演算法尋找流經該量測電容器之電流中的高頻率擾動(即快速變化)。例如，這些高頻率擾動往往在kHz至MHz不等。相對地，該量測電容器之電流經緩慢時間尺度而慢慢地衰減，如0.1至數十毫秒。另外或此外，也可依被動方式(即不需外部RF激發源)偵測該探針頭的電壓。原位電弧事件將在該探針電壓中引起快速暫態，其被偵測為該探針電壓中的峰值(如微秒到毫秒的時間尺度)。在一或多個實施例中，這些電壓峰值可提供有關原位電弧事件的額外資訊。
參照底下的圖式及討論可更好理解本發明之實施例的特徵與優點。依據本發明之實施例，圖1顯示利用被動CCE探針結構的原位電弧事件偵測裝置。腔室102為習知且用以在其中產生基板處理目的用的電漿104。在圖1的例子中，產生電漿104且由RF源106(其並不用以激發圖1例子中的CCE探針裝置)維持之。探針頭110被置於上電極中，儘管探針頭110也可被置於腔室壁上的任何地方。例如，探針頭110可表示習知CCE探針頭。探針頭110與量測電容器112之一板極串聯。量測電容器112之另一板極與偵測裝置120結合。
如上所指，由導電材料所製的探針頭被安裝在該腔室的表面。對該探針施加短RF序列，使電容器(Cm)充電並使該探針的表面獲得負電位(相對於接地而負數十伏特)。在該RF脈衝結束之後，該探針的電位衰減回至如Cm放電時的浮動電位。由電漿特性判定該電位變化率。於此放電期間，以電壓量測裝置量測該探針的電位Vf，並以電流量測裝置量測流入該探針且流經電容器Cm的電流。V(t)及I(t)曲線係用以建造電流-電壓特性曲線，VI，接著由訊號處理器分析之。使一模型函數與這些資料點擬合，產生浮動電位Vf、離子飽和電流Isat及電子溫度Te的估算。可在西元2008年6月26日向美國專利局所申請(申請案號：61/075,948)及西元2009年6月2日向美國專利局所申請(申請案號：12/477,007)之名為「自動表示電漿特性的方法，(Methods for Automatically Characterizing a Plasma)」的同時待審申請案中發現進一步的細節，其包括於本文的討論中。
在圖1的例子中，偵測裝置120係用以使流經量測電容器112的感應電流轉換成分析用的數位訊號。如此，有電流-電壓轉換器130，其用於使流經量測電容器112的感應電流轉換成類比電壓。類比-數位轉換器132使來自電流-電壓轉換器130的類比電壓訊號轉換成數位訊號，其接著提供予訊號處理器108。訊號處理器108可表示用以在數位訊號上執行訊號處理的硬體與/或軟體，以偵測原位電弧事件的高頻擾動特性。
確切的擾動可在腔室與腔室間變化，且可依電弧事件類型而變化。不論如何，這些擾動往往屬高頻率且往往在正負倆方向上具有振幅偏差，其表示感應電流在一方向上的暫時改變且在切換至另一方向之後，隨後達到平衡。藉由偵測該高頻擾動圖案，可偵測原位電弧事件。接著將該原位電弧事件的偵測提供予工具控制電路140幫助校正動作，該校正動作如包括改變製程參數與/或關閉該電漿處理系統以防止進一步傷害。
或者或另外，如圖2所示，電壓量測裝置202可與該量測電容器之板極204結合，也與探針頭206結合。電壓量測裝置202係用以偵測該探針頭之電位中的擾動。又，可針對表示原位電弧事件之高頻擾動圖案分析該電壓量測值。如果有需要，為了使用數位分析技術偵測該探針電位中的高頻擾動，該電壓量測值可轉換成數位訊號以供訊號處理目的。
或者或另外，變壓器可與該電容器的板極接合，但不與該探針頭接合，以幫助偵測流經該量測電容器之電流中的擾動。熟悉該技藝者將輕易地理解到，也存有其它偵測電流信號或電壓訊號中之高頻暫態的技術，且可用以幫助偵測原位電弧事件。
在一或多個實施例中，分析電流或電壓訊號的變化率。例如，假設變化率超出特定閾值(如於20微秒間隔內二毗鄰樣品間大於0.5mA)，則認為原位電弧事件會發生。純粹探究變化率的簡單演算法不需儲存大量的電流和/或電壓的樣本資料，並在若干設法偵測原位電弧事件的系統中可能係有利的。
注意到，由於該原位電弧事件偵測取決於高頻擾動的偵測，故可能執行雙功能的CCE探針，藉以如習知CCE探針裝置所做的，也用週期性RF脈衝列(pulse train)對該量測電容器充電。由於該電弧偵測演算法係設計成偵測高頻擾動與/或超出特定閾值的變化率，故可能在該量測電容器之電流衰減訊號中執行此(對於探針頭之感應電流或電位之)偵測。也可能當該探針頭位於相對穩定的浮動電位時，在毗鄰的激發RF振盪列(oscillation train)期間執行此偵測。如熟悉該技藝者自前文討論中所理解的，可藉以該量測電容器的外部RF激發源或不需其幫助的情況下，於表明原位電弧事件特性之高頻擾動或高變化率的感應電流訊號或電壓訊號中執行偵測。
依據本發明的實施例，圖3顯示表明小型原位電弧事件之高頻擾動圖。軌跡302描繪經該量測電容器的感應電流，同時軌跡304描繪探針電位電壓。電流軌跡302顯示二暫態312a及312b，其表示二原位電弧事件。也可在電壓軌跡304中看到相同的二原位電弧事件(如暫態314a及314b)。
注意到，針對圖3之例中相同的原位電弧事件，電流軌跡302中的振幅偏差實質較電壓軌跡304中的振幅偏差顯著。在此情況中，電流訊號被認為對原位電弧事件較敏感，且可用以有利於偵測之。
依據本發明的實施例，圖4顯示表明大型原位電弧事件之高頻擾動圖。在圖4的例子中，在電流軌跡402及電壓軌跡404倆者中觀察到大量的原位電弧事件數目。又，於電流軌跡402及電壓軌跡404之每一者的負向及正向倆者中發生振幅偏差。
在此本發明人觀察到一有趣現象，且與主原位電弧事件相關。若干主原位電弧事件(如圖4所示)通常跟在較小、孤立的原位電弧事件(如圖3所示)之後。該較小的原位電弧事件較難以偵測，但如果即時發現，則可作為主原位電弧事件的前兆或警示。假設偵測到該較小的原位電弧事件(如圖3所示)，則可引入 參數變化以降低/消除原位電弧，或可在更有傷害力的主原位電弧事件發生之前關閉該系統。使用該發明性被動CCE探針為基之原位電弧偵測得以偵測這些小型原位電弧事件且為本發明之實施例的主要優點。
與先前技藝的電弧偵測技術相比，如量測ESC夾盤上之電壓與/或順向RF功率與/或RF反射功率，該發明性被動CCE探針為基之原位電弧偵測技術為高度靈敏。此外，由於該CCE探針頭往往很小，又安裝嵌入於電漿處理腔室之周遭面向電漿的結構中，且可具有由與該腔室之面向電漿元件相同的材料所形成之面向電漿的探針面，故對電漿有最小的擾動。此外，由於電流會通過電漿上所形成的任一沈積物而電容耦合，故該發明性被動CCE探針為基之原位電弧偵測技術對於該面向電漿之探針頭上的聚合物沈積物不敏感。
也可在西元2008年6月26日向美國專利局所申請(申請案號：61/075,948)及西元2009年6月2日向美國專利局所申請(申請案號：12/477,007)之名為「自動表示電漿特性的方法，(Methods for Automatically Characterizing a Plasma)」的同時待審申請案中發現此討論，其併於本文以供參考。
自動表示電漿特性之方法的討論
電漿處理中的進步已促進半導體產業中的成長。為供應典型電子產品的晶片，可處理數百或數千塊基板(如半導體晶圓)。為使製造公司具有競爭力，該製造公司需要能夠在最短的處理時間內使基板處理成優質的半導體裝置。
通常情況下，於電漿處理期間，可能產生會引起基板受不良影響的問題。可更改欲處理之基板品質的一重要的因素係電漿本身。為了具有足量的資料而分析該電漿，可運用感測器收集有關每一基板的處理資料。可分析所收集的資料而判定問題的起因。
為使討論便利，圖5顯示部分電漿系統A-100中資料收集探針的簡單示意圖。電漿系統A-100可包括射頻(RF)源A-102(如脈衝RF頻率產生器)，其與反應器腔室A-104電容耦合而產生電 漿A-106。當打開RF源A-102時，跨越外部電容器A-108而形成偏壓，其電容值約為26.2毫微法拉(nanofarad，nF)。在例子中，RF源A-102每數毫秒(如約五毫秒)可提供小短脈衝串的功率(如11.5百萬赫茲)，使外部電容器A-108得以充電。當關閉RF源A-102時，在帶有極性的外部電容器A-108上維持偏壓，俾對探針A-110加偏壓以收集離子。隨著該偏壓衰減，可描繪如圖6A、6B與7所示的曲線。
熟悉該技藝者可意識到，探針A-110通常係帶有導電平面的電子探針，其可被置於反應器腔室A-104之壁上。探針A-110因此直接露於反應器腔室A-104的環境中。可分析探針A-110所收集的電流及電壓資料。由於特定的配方可引起非導電沈積層A-116沈積在探針A-110上，故非所有的探針都能夠收集可靠的量測值。然而，熟悉該技藝者可意識到，由於平面離子通量(planar ion flux，PIF)探針方案不需獲取直流電(DC)以執行量測，故不管該非導電沈積層如何，該PIF探針都能夠收集資料。
可用其它感測器量測電漿系統A-100中的電流與電壓訊號。在例子中，當關掉RF源A-102時，電流感測器A-112及高阻抗電壓感測器A-114係用以個別量測電流及電壓。接著可對電流感測器A-112及電壓感測器A-114所收集的量測資料作圖，以創造電流圖表及電壓圖表。可手動對該資料作圖，或可使該資料鍵入軟體程式而創造圖表。
圖6A顯示RF充電循環後之電壓與時間的關係圖。於資料點B1-202處，在已提供RF充電(即RF短脈衝串)後關閉RF源A-102。在此例中，於資料點B1-202處，跨越探針A-110的電壓約為負57伏特。隨著電漿系統A-100回至靜止態(資料點B1-204與B1-206間的間隔)，該電壓通常到達浮動電壓電位。在此例中，該浮動電壓電位自約負57伏特升至約零伏特。然而，該浮動電壓電位不必為零且可為負或正的偏壓電位。
同樣地，圖6B顯示RF充電後所收集之電流資料的圖表。於資料點B2-252處，在已提供RF充電後關閉RF源A-102。於衰減 週期B2-254期間，可使於外部電容器A-108處的回路電流釋出。在例子中，於完全充電時(資料點B2-252)，電流約為0.86mA/cm2 。然而，當電流充分釋放(資料點B2-256)時，該電流回至零。根據該圖表，該釋放花費約75毫秒。從資料點B2-256至資料點B2-258，該電容器持續放電。
由於經過一定時間收集電流資料與電壓資料兩者，故可藉調和時間而產生電流與電壓的關係圖表，以消除時間變數。換言之，所收集的電流資料可與所收集的電壓資料匹配。圖7顯示RF短脈衝串間單一時間間隔之簡單的電流與電壓關係圖。於資料點C-302處，在已提供RF充電後關閉RF源A-102。
藉由對每一RF短脈衝串期間所收集的資料應用非線性擬合，可表明電漿A-106的特性。換言之，可判定能表明電漿A-106之特性的參數(如離子飽和度、離子飽和斜率、電子溫度、浮動電壓電位等等)。儘管可用所收集的資料表明電漿A-106的特性，但計算該參數的過程仍為需要人工介入的乏味手動過程。在例子中，當於每一RF短脈衝串之後收集資料時(即當已提供RF充電且接著關閉之時)，該資料可輸入軟體分析程式。該軟體分析程式可執行非線性擬合，以判定能表明該電漿特性的參數。藉由表明電漿特性，工程師能夠判定如何調整配方而減少基板的非標準處理。
不幸的是，對每一RF短脈衝串分析數據的先前技藝針方法需要數秒或多達數分來完成。由於通常如果沒有百萬筆也有數千筆RF短脈衝串要分析，所以描繪關於一配方之電漿特性的整個時間可能需要花費數小時來計算。因此，該先前技藝方法在為製程控制目的而提供即時相關資料中並非有效的方法。
現在將參照如附圖所說明的數個實施例而詳盡地描述本發明。於下述的描述中，為提供本發明之徹底了解而闡明眾多的具體描述。然而，對於熟悉本技藝者，明顯的是，不用這些特定細節的部分或全部即可實行本發明。在其它例子中，為了避免非必要地搞混本發明而沒有詳盡地描述眾所皆知的處理步驟與/或結 構。
在下文描述各種實施例，包括方法及技術。應記住，本發明也涵蓋製造的物件，其包括儲存用以實現發明性技術之實施例之電腦可讀指令的電腦可讀媒體。例如，該電腦可讀媒體可包括半導體、磁性、光磁性、光學、或其它形式的電腦可讀媒體，用以儲存電腦可讀碼。進一步，本發明也涵蓋執行本發明之實施例的設備。如此的設備可包括專門或可程編的電路，以實現與本發明之實施例有關的任務。如此設備的例子包括一般用途的電腦與/或適當程編的專門計算裝置，且可包括電腦/計算裝置及專門/可程編之電路的組合，該等組合適合與本發明之實施例有關的任務。
如前文所指，可運用PIF探針法，以收集有關置於反應器腔室環境內之電漿的資料。可運用自感測器(如PIF探針)所收集的資料，以表明反應器腔室中的電漿特性。另外，由於該感測器運用如圖5所示之收集面，故也可判定與該腔室面有關的資料。在先前技藝中，PSD探針所收集的資料提供用以分析之現成資料來源。不幸的是，所收集的大量資料已使即時分析該資料成為挑戰。由於可收集數千甚至數百萬個資料點，為精確表明電漿特性而識別相關間隔的任務可為令人畏縮的任務，尤其當常手動分析該資料時。因此，所收集的資料在對該電漿處理系統提供即時電漿特性分析中顯得無用。
然而，假設自所收集的數千/數百萬個資料點中識別出需要表明電漿特性的相關資料點，則可大幅降低表明電漿特性所需的時間。依據本發明之實施例，茲提供一種在相當短時間周期內自動表明電漿特性的方法。本文所述之本發明的實施例提供用以識別適切範圍的運算法，以降低需要被分析而表明電漿特性的資料點。如此處所討論的，該適切範圍係指來自群集於每一RF短脈衝串間之數千或數百外個資料點中較小組的資料點。本發明的實施例更提供評估種子值(seed value)，其可應用於計算表明電漿特性之值的數學模型。藉由對該適切範圍執行曲線擬合，可計算用以表明電漿特性的參數。
參照下文的圖示及討論當可更了解本發明的特徵及優點。
依據本發明之實施例，圖8顯示簡單流程圖，其說明於基板處理期間自動表明電漿特性的步驟。考慮到於基板處理期間已提供RF充電的狀況。
於第一步驟D-402，收集電流與電壓資料。在例子中，於開啟RF源後，提供RF充電(脈衝)。於關閉該RF充電後，可運用電流感測器及電壓感測器於探針(如平面離子通量探針)處收集資料，該探針係安裝於反應器腔室的腔室壁。如前文所述，感測器所收集之資料點的數目為數千或數百萬不等。在若干情形中，可於每一RF短脈衝串間收集數千至數萬個資料點，實現先前技藝中幾乎不可能的近即時分析。
在先前技藝中，可撥出數小時，用以分析於半導體基板處理期間所收集的量測資料。在本發明的一實施態樣中，本發明人於此認知到，不需為了表明電漿特性而分析每一RF短脈衝串間的量測資料。相反地，假設對該資料組的適切範圍應用曲線擬合(curve-fitting)，則可判定用以表明該電漿特性的參數。
於下一步驟D-404處，判定適切的範圍。如前文所述，該適切的範圍係指每一RF短脈衝串間所收集之資料組的子集。在先前技藝中，由於手動分析該資料，所收集的大量資料使計算該適切的範圍成為挑戰任務。在許多例中，可粗估該適切的範圍。在識別該適切的範圍中，可自該資料組的子集中實質消除可能存在的雜訊。在例子中，於複雜的基板處理期間，可能在探針上發生聚合物增長，引起部分所收集的資料曲解。例如，部分受影響的資料往往為電容器已充份放電後所收集的資料。在識別該適切的範圍中，可自分析中移除與聚合物增長相關的資料。換言之，該適切範圍的判定可在不受隨機雜訊影響下表明電漿特性。例如，稍後在圖9的討論中提供有關如何判定適切範圍的討論。
除識別適切範圍之外，於下一步驟D-406處也可判定該種子值。如本文所討論的，該種子值係指斜率、電子溫度、離子飽和值、浮動電壓電位等等的估計值。例如，在圖9的討論中提供有 關如何估計該種子值的討論。
適切的範圍及種子值係用以執行曲線擬合。由於需在下一RF短脈衝串之前執行曲線擬合，故用以判定適切的範圍及/或種子值的方法需利用最小的負擔並產生貼近最終擬合值之值，從而降低為完成快速收斂所需之曲線擬合迭代的數目。
有了該適切的範圍及該種子值，於下一步驟D-408處，可執行非線性擬合(即曲線擬合)，從而在短時間週期內不需昂貴的高階電腦下表明電漿的特性。與先前技藝不同，該方法在約20毫秒中得以表明因單一RF短脈衝串造成衰減間隔的結果，而不須數分或甚至數小時來處理。有了近即時分析能力，該方法可用作為自動控制系統的一部分，以於電漿處理期間提供工程師相關資料。
在本發明的實施例中，圖9顯示判定該適切範圍及該種子值的簡單運算法。將與圖10A、10B、10C、與10D一起討論圖9。
於第一步驟E-502中，自動對每一RF短脈衝串間所收集的資料作圖。在例子中，如圖10A所示者，電流感測器所收集的電流資料係繪成電流與時間的關係圖表F1-600。在另一例子中，如圖10B所示，所收集的電壓資料可繪成電壓與時間的關係圖表F2-650。儘管該資料可產生如先前技藝的相似圖表，但與先前技藝不同，在不須人工介入下，所收集的資料自動輸至分析程式。或者，不須對所收集的量測資料作圖。相反地，該資料可直接輸至該分析程式。相反地，提供該圖表作為直觀例子以解釋運算法。
與先前技藝不同，不用為表明電漿的特性而分析整個資料組。相反地，判定適切的範圍。為判定該適切的範圍，於下一步驟E-504處可先判定百分比衰減點。如本文所討論的，該百分比衰減點係指原始值已衰減至該原始值之特定百分比的資料點。在實施例中，該百分比衰減點可表示欲分析之資料間隔的端點。在例子中，當關閉RF源時，電流值約為0.86mA/cm2 。在圖10A的圖表F1-600上以資料點F1-602表示該值。假設該百分比衰減點係設定成原始值的百分之十，該百分比衰減點則位在資料點F1-604，其約為0.086mA/cm2 。換言之，可對原始值應用預定的 百分比而決定該百分比衰減點，其係當關閉RF源且系統回至平衡態時的電荷值。在實施例中，憑經驗判定該百分比。在實施例中，可針對每一RF短脈衝串所收集之資料計算一階導數的峰值，替代運用百分比衰減點以判定資料間隔的端點。
於下一步驟E-506，該運算法可判定離子飽和間隔，其係原始值與第二衰減點間的資料子集。如本文所討論的，該離子飽和間隔係指電流-電壓(IV)曲線的一區域，其中探針電位相對於浮動電位為負至足以忽略該探針之電子通量。在此區域中，該探針的電流隨著增大負電位而緩慢且線性地增加。此外，該離子飽和間隔係偏壓相對於浮動電位為負至足以使該探針收集該系統中所有可用離子的工作狀態。換言之，所收集的電流隨著偏壓升至足夠高而飽和。而且，如本文所討論的，該「可用離子」係指離子撞擊屏板邊界(sheath boundary)的通量，其可隨進一步增加該偏壓而增大。
換言之，該離子飽和間隔係圖10A之資料點F1-602及F1-606間的間隔。在實施例中，可採原始值(即資料點F1-602)的百分比而判定該第二衰減點。在例子中，假設該第二衰減點為該原始值的百分之95，則該第二衰減點約為0.81mA/cm2 (即資料點F1-606)。因此，該離子飽和間隔係於該原始值(資料點F1-602)至該該第二衰減點(資料點F1-606)間。注意到，該第二衰減點位於該原始值(資料點F1-602)與該百分比衰減點(資料點F1-604)間。在實施例中，相似於該百分比衰減點，該第二衰減點也係根據預定的閾值。在實施例中，可憑經驗判定該百分比。
於下一步驟E-508，一旦已判定該離子飽和間隔，則可估計斜率值(s)及離子飽和度(i0 )。如前述的，該斜率值(s)及該離子飽和度(i0 )為用於數學模型(下文方程式2)以判定表明電漿特性之參數的四種子值中二者。在例子中，可藉執行線性迴歸而判定該斜率值(s)。在另一實施例中，該運算法可取資料點F1-602及F1-606間的資料值平均而判定該離子飽和度(i0 )。
於下一步驟E-510，該運算法可判定反曲點，其係該一階導數 改變正負號的點。在實施例中，可藉識別百分比衰減點及第二衰減點間之值之一階導數的最小值而計算該反曲點。為了說明，圖10C顯示電流訊號F3-660之百分比衰減點(F3-664)及原始點(F3-662)間之值的一階導數。該反曲點為一階導數(F3-670)的最小值，其值為-0.012ma/cm2 且指標值為226(如資料點F3-666所示)。為判定該反曲點，該指標值映射到電流訊號圖F3-660。在此例中，當該一階導數的指標值映射到電流訊號F3-660時，該反曲值為0.4714mA/cm2 ，如資料點F3-668所示。
在實施例中，適切範圍係定義為原始值與反曲點間的範圍。或者或另外，可設定百分比衰減閾值(如百分之35)替代計算該反曲點。在例子中，使用百分之35的百分比衰減點(可憑經驗判定之)，該適切範圍則落於圖10A的點F1-602與F1-604間。
有了所識別的反曲點，於下一步驟E-512，可估計電子溫度。利用上文的方程式1估計該電子溫度。用以計算該電子溫度的電流及電壓資料係在躍遷間隔(transition interval)內，其通常在探針獲得低於離子飽和電流的電流時。在實施例中，量測電流及電壓資料的時間可與該反曲點相符。或者，也可運用電流-電壓(IV)曲線的反曲點。由於該電子溫度係於對應該電流-電壓曲線之反曲點的時間下針對RF短脈衝串所收集之資料的一階導數比(如在計 算百分比衰減點中所判定般)，故使產生數量所需的計算負擔最小化。
於下一步驟E-514，該運算法可判定浮動電壓電位。由於根據所收集的電壓資料而判定該浮動電壓電位，故在不須先判定步驟E-504至E-512中所計算之值下可判定該浮動電壓電位。熟悉該技藝者會意識到，浮動電壓電位係在外部電容器充分放電後探針浮動的電位。通常，可藉查看下一RF短脈衝串前恰發生的訊號而判定該浮動電壓電位。然而，因聚合物增長引起失真的可能性，可能收集到錯誤資料(即雜訊)；如此，可藉對收集週期快要結束之所收集的電壓值求平均而計算該浮動電壓電位。在實施例中，如圖10B所示，可自資料點F2-652(電壓首次抵達其浮動電位的資料點)至資料點F2-654(恰在下一RF短脈衝串前的資料點)計算該浮動電壓電位。在另一實施例中，該浮動電壓電位可依據窗框F2-656內的電壓值，如圖10B所示，該窗框坐落於資料點F2-652與F2-654間。在實施例中，只要窗框F2-656起於先前脈衝衰減超過99個百分比之前並迄於下一脈衝開始時，則該窗框可為任一尺寸。在一實施例中，可自提供帶有低標準差(誤差)之平均值的窗框中判定該浮動電壓電位。
如自前述中所理解的，判定適切範圍及種子值的方法對電流、電壓與/或電流-電壓(IV)曲線中可能發生的異常做出解釋。在例子中，可能在RF短脈衝串終端發生聚合物增長。然而，藉由應用前述的運算法，該適切範圍及該種子值不受處理期間可能發生無法預期之人工因素的影響。
於下一步驟E-516，一旦已判定該適切範圍及已計算該種子值，可使電流值對電壓值作圖，且應用曲線擬合產生圖10D的圖表F4-680。在例子中，可應用非線性曲線擬合(如Levenberg-Marquardt運算法)，以執行該曲線擬合。藉由產生曲線擬合圖表及對數學模型(如下文的方程式2)應用該種子值，可判定用以表明電漿特性的四參數。
如自本發明之一或多個實施例中所理解的，提供於電漿處理期間表明電漿特性的自動方法。藉由判定適切範圍及一組種子值，可在不須處理常在單一RF短脈衝串之後所收集的數千或數百萬個數據點下表明電漿特性。該自動方法使過去乏味且手工的處理轉換成可快速且有效執行的自動化任務。有了足以由數分(或甚至數小時)縮至數毫秒的資料分析，可於電漿處理期間而不是在後期製作處理期間執行電漿特性分析。因此，相關的資料可洞察當前的電漿環境，從而調整配方與/或工具並減少浪費。
雖然已按照數個較佳實施例而敘述本發明，在不離開本發明之範圍內，當可做替換、置換及等價動作。也應注意到，有許多替換方法可執行本發明之方法與設備。儘管本文提供各種例子，但這些例子有意為說明用並不限制本發明。
而且，本文為了便利而提供標題及概要，不應將其用以解釋本文之請求項的範疇。此外，以簡潔型式撰寫摘要且因便利性而提供之，因此不應將其用以理解或限制整個發明，而將以專利請求項表達整個發明。假設本文使用『組』一詞，如此的字詞旨在具有通常了解的數學意義，其涵蓋零個、一個，或超過一個構件。也應注意到，有許多實現本發明之方法與設備的替代方式。因此 意味著可將下述附加的專利請求項解釋為包括落入本發明的真實精神及範圍內之所有如替代、交換，及等價動作。
102‧‧‧腔室
104‧‧‧電漿
106‧‧‧RF源
108‧‧‧訊號處理器
110‧‧‧探針頭
112‧‧‧量測電容器
120‧‧‧偵測裝置
130‧‧‧電流-電壓轉換器
132‧‧‧類比-數位轉換器
140‧‧‧工具控制電路
202‧‧‧電壓量測裝置
204‧‧‧板極
206‧‧‧探針頭
302‧‧‧軌跡/電流軌跡
304‧‧‧軌跡/電壓軌跡
312a‧‧‧暫態
312b‧‧‧暫態
314a‧‧‧暫態
314b‧‧‧暫態
402‧‧‧電流軌跡
404‧‧‧電壓軌跡
A-100‧‧‧電漿系統
A102‧‧‧射頻(RF)源
A-104‧‧‧反應器腔室
A-106‧‧‧電漿
A-108‧‧‧外部電容器
A-110‧‧‧探針
A-112‧‧‧電流感測器
A-114‧‧‧電壓感測器
A-116‧‧‧非導電沈積層
B1-202‧‧‧資料點
B1-204‧‧‧資料點
B1-206‧‧‧資料點
B2-252‧‧‧資料點
B2-254‧‧‧衰減週期
B2-256‧‧‧資料點
B2-258‧‧‧資料點
C-302‧‧‧資料點
D-402‧‧‧步驟
D-404‧‧‧步驟
D-406‧‧‧步驟
D-408‧‧‧步驟
E-502‧‧‧步驟
E-504‧‧‧步驟
E-506‧‧‧步驟
E-508‧‧‧步驟
E-510‧‧‧步驟
E-512‧‧‧步驟
E-514‧‧‧步驟
E-516‧‧‧步驟
F1-600‧‧‧圖表
F1-602‧‧‧資料點
F1-604‧‧‧資料點
F1-606‧‧‧資料點
F2-650‧‧‧圖表
F2-652‧‧‧資料點
F2-654‧‧‧資料點
F2-656‧‧‧窗框
F3-660‧‧‧電流訊號
F3-662‧‧‧原始點
F3-664‧‧‧百分比衰減點
F3-666‧‧‧資料點
F3-668‧‧‧資料點
F3-670‧‧‧一階導數
F4-680‧‧‧圖表
Cm‧‧‧電容器
Vf‧‧‧探針的電位/浮動電位
VI‧‧‧電流-電壓特性曲線
Isat‧‧‧離子飽和電流
Te‧‧‧電子溫度
本發明係藉由例子說明且不限於隨附圖示的圖表中，且其中相似的參照數字代表相似的元件，其圖式為：
圖1依據本發明之實施例顯示運用被動CCE探針結構之原位電弧事件偵測裝置。
圖2依據本發明之實施例顯示運用被動CCE探針結構之原位電弧事件偵測裝置，其中利用電壓量測裝置。
圖3依據本發明之實施例顯示表明小型原位電弧事件的高頻擾動圖。
圖4依據本發明之實施例顯示表明大型原位電弧事件的高頻擾動圖。
論述的圖5顯示部分電漿系統的簡單示意圖，該系統帶有與反應器腔室電容耦合的射頻(RF)源，以產生電漿。
論述的圖6A顯示RF充電後電壓與時間的關係圖。
論述的圖6B顯示RF充電後所收集的電流資料圖。
論述的圖7顯示RF短脈衝串間單一時間間隔的簡單電流與電壓關係圖。
論述的圖8依據本發明之實施例顯示一簡單流程圖，其說明基板處理期間自動表明電漿特性的整個步驟。
論述的圖9依據本發明之實施例顯示判定適切範圍及種子值的簡單運算法。
論述的圖10A顯示RF短脈衝後之電流與時間關係的例子。
論述的圖10B顯示RF短脈衝後之電壓與時間關係的例子。
論述的圖10C顯示反曲點的例子。
論述的圖10D顯示應用於電流與電壓關係圖的曲線擬合例子。
102．．．腔室
104．．．電漿
106．．．RF源
108．．．訊號處理器
110．．．探針頭
112．．．量測電容器
120．．．偵測裝置
130．．．電流-電壓轉換器
132．．．類比-數位轉換器
140．．．工具控制電路

Claims (20)

  1. 一種原位電弧事件偵測裝置，用以於基板處理期間偵測一電漿處理系統之一電漿處理腔室內的原位電弧事件，該裝置包括：一探針裝置，其中該探針裝置設置於該電漿處理腔室的表面上，且用以量測至少一電漿處理參數，其中該探針裝置包括：一面向電漿的感測器；及一量測電容器，其中該面向電漿的感測器與該量測電容器的第一板極結合；及一偵測裝置，該偵測裝置與該量測電容器的第二板極結合，其中該偵測裝置用以使流經該量測電容器的一感應電流轉換成一組數位訊號，且處理該組數位訊號以偵測該原位電弧事件。
  2. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，其中該面向電漿的感測器係置於一上電極中。
  3. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，其中該面向電漿的感測器係置於該處理腔室的腔室壁上。
  4. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，其中該面向電漿的感測器係由導電材料所製。
  5. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，其中該面向電漿的感測器係電容耦合靜電(CCE)探針頭。
  6. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，其中該偵測裝置包括：一電流-電壓轉換器，其中該電流-電壓轉換器用以至少使流經該探針裝置的該感應電流轉換成一組類比電壓訊號；一類比-數位轉換器，用以至少使該組類比電壓訊號轉換成 該組數位訊號；及一訊號處理器，其中該訊號處理器用於至少處理該組數位訊號，以偵測高頻擾動，該高頻擾動象徵該原位電弧事件。
  7. 如申請專利範圍第6項的原位電弧事件偵測裝置，其中該高頻擾動在正向及負向兩者中具有振幅偏差。
  8. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，更包括一工具控制電路，其中該工具控制電路用於在偵測到該原位電弧事件時接收來自該偵測裝置的訊息，該工具控制電路用以運用修正動作，以修正該原位電弧事件。
  9. 如申請專利範圍第1項的原位電弧事件偵測裝置，更包括與該量測電容器之該第一板極結合的一電壓量測裝置，其中該電壓量測裝置用於至少收集電壓量測值，且用於量測該面向電漿之感測器的電位變化。
  10. 如申請專利範圍第9項的原位電弧事件偵測裝置，其中使該電壓量測裝置所收集的電壓量測值轉換成訊號處理用的的數位訊號，以偵測該原位電弧事件。
  11. 一種原位電弧事件偵測方法，用以於基板處理期間偵測一電漿處理系統之一電漿處理腔室內的原位電弧事件，該方法包括：收集一組處理資料，該處理資料包括流經一量測電容器的感應電流訊號；使該感應電流訊號轉換成一組類比電壓訊號；使該組類比電壓訊號轉換成一組數位訊號；及分析該組數位訊號以偵測高頻擾動，該高頻擾動象徵該原位電弧事件。
  12. 如申請專利範圍第11項的原位電弧事件偵測方法，更包括將該感應電流訊號的變化率與一預定閾值比較，其中如果該變化率超出該預定閾值，則存有該原位電弧事件。
  13. 如申請專利範圍第12項的原位電弧事件偵測方法，更包括當偵測到該原位電弧事件時發送一訊息至一工具控制電路，該工具控制電路用以運用修正動作，以修正該原位電弧事件。
  14. 如申請專利範圍第11項的原位電弧事件偵測方法，更包括量測來自一面向電漿之感測器的電壓訊號，以判定基板處理期間的電位變化。
  15. 如申請專利範圍第14項的原位電弧事件偵測方法，更包括使該電壓量測資料轉換成數位訊號。
  16. 如申請專利範圍第15項的原位電弧事件偵測方法，更包括分析該數位訊號以偵測該高頻擾動，其中該高頻擾動象徵該原位電弧事件。
  17. 如申請專利範圍第16項的原位電弧事件偵測方法，更包括將該電壓訊號的變化率與一預定閾值比較，其中如果該變化率超出該預定閾值，則存有該原位電弧事件。
  18. 如申請專利範圍第11項的原位電弧事件偵測方法，更包括對該量測電容器施加一組週期性射頻(RF)脈衝列，並量測該量測電容器的電流衰減訊號。
  19. 如申請專利範圍第18項的原位電弧事件偵測方法，更包括應用一電弧偵測運算法，以在該量測電容器的電流衰減訊號上偵測高出該預定閾值的該高頻擾動。
  20. 如申請專利範圍第19項的原位電弧事件偵測方法，更包括將該電流衰減訊號的變化率與一預定閾值比較，其中如果該變化率超出該預定閾值，則存有該原位電弧事件。
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