專利名稱：等離子體處理系統(tǒng)中確定清潔或調(diào)節(jié)處理終點的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及襯底制造技術(shù)，具體地說，涉及用于在等離子體處理系統(tǒng)中確定清潔或調(diào)節(jié)處理的終點的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在諸如使用在平板顯示器制造中的襯底(例如，半導(dǎo)體晶片、MEMS器件、或玻璃面板)的處理中，經(jīng)常使用等離子體。例如，作為襯底處理的一部分(化學汽相沉積、等離子體增強型化學汽相沉積、物理汽相沉積、蝕刻等)，將襯底分成多個管芯(die)或矩形區(qū)域， 每個管芯或矩形區(qū)域都將成為集成電路。接著，通過一系列步驟對襯底進行處理，其中，選擇性地去除(蝕刻)并沉淀(沉積)材料，以在其上形成電子元件。在示例性等離子體處理中，在蝕刻之前，用硬化的感光乳劑薄膜(例如，光刻膠掩模)涂覆襯底。然后，選擇性地去除硬化的感光乳劑區(qū)域，使得露出底層部件。然后，將襯底放置在襯底支撐結(jié)構(gòu)上的等離子體處理室中，該襯底支撐結(jié)構(gòu)(稱為卡盤)包括單極電極或雙極電極。隨后，適當?shù)奈g刻源氣體(例如，C4F8, C4F6, CHF3> CH2F3、CF4, CH3F, C2F4, N2、 02、八1~、乂^徹、!12、冊3、5&、8(13、(12等)流入室中并被撞擊以形成等離子體，來蝕刻襯底的暴露區(qū)域。為了確保得到一致的等離子體處理結(jié)果，通常的習慣是在對每個襯底進行處理之前，使用室調(diào)節(jié)處理。室調(diào)節(jié)通常是指將等離子體室條件設(shè)定或重新設(shè)定為基本已知的狀態(tài)的處理。例如，在通常所說的無晶自動清潔(waferless auto clean)或WAC的處理中， 在電介質(zhì)蝕刻等離子體處理系統(tǒng)上的操作規(guī)程是，在處理下一個襯底之前(即，目前沒有襯底)，從等離子體室表面去除剩余的氫氟碳聚合物。通常在處理完襯底之后執(zhí)行WAC，以確保下一個襯底符合標準的、精確的室條件，從而避免污染副產(chǎn)品累積的累積影響。在等離子處理期間，通常由蝕刻劑氣體中的材料(例如，碳、氟、氫、氮、氧、氬、氙、 硅、硼、氯等)、由襯底中的材料(例如，光刻膠、硅、氧、氮、鋁、鈦等)、或由等離子體處理室自身內(nèi)的構(gòu)成材料(例如，鋁、石英等)會生成通常包含有機和無機副產(chǎn)品的污染物。還可以通過在處理每個襯底之前使用精確的等離子體沉積膜預(yù)涂覆等離子體室表面來加強一致的等離子體處理結(jié)果，以確保得到標準的、精確的室條件。由于可以避免在襯底處理期間在室表面上累積不想要的材料，所以該方法可以減少恢復(fù)濕式室清潔所需的時間。調(diào)節(jié)等離子體室還可以更加精確地控制一些等離子體室材料的表面化學性質(zhì)， 例如，在處理每個襯底之前去除氧化的表面膜。例如，當暴露給氧等離子體時，Si易于形成表面氧化物。相對于僅有的Si的表面氧化物的存在可能會對由于公知的與相對于導(dǎo)
3電表面的絕緣表面上的原子團再化合速率的大幅度變化而產(chǎn)生的處理結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。另外，一些等離子體室調(diào)節(jié)處理可能還需要使用不包括顯微結(jié)構(gòu)的虛設(shè)襯底(dummy substrate)，以便保護靜電卡盤(卡盤)。在這些以及其他處理中，重要的是確定何時達到處理的終點。終點通常是指認為處理已經(jīng)完成的等離子體處理中的一組值或范圍(例如，時間)。對于調(diào)節(jié)、預(yù)涂覆、以及表面化學性質(zhì)控制應(yīng)用來說，所關(guān)注的材料厚度通常是最重要的值?，F(xiàn)在，參考圖1，示出了電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的簡圖。通常，一組適當?shù)臍怏w可以從氣體分配系統(tǒng)122流入具有等離子體室壁117的等離子體室102中。這些等離子體處理氣體隨后可在接近噴射器109的區(qū)域處或在此區(qū)域中被電離以形成等離子體110，以便處理(例如，蝕刻或沉積)用邊緣環(huán)115定位在靜電卡盤116上的襯底114(例如，半導(dǎo)體襯底或玻璃板)的暴露區(qū)域。第一 RF發(fā)生器134生成等離子體并控制等離子體密度，而第二 RF發(fā)生器138生成通常用于控制DC偏壓和離子轟擊能量的偏壓RF。另外，匹配網(wǎng)絡(luò)136a連接至源RF發(fā)生器134，以及匹配網(wǎng)絡(luò)136b連接至偏壓RF發(fā)生器138，這兩個匹配網(wǎng)絡(luò)試圖使RF電源的阻抗與等離子體110的阻抗相匹配。另外，包括閥112和一組泵111的真空系統(tǒng)113通常用于從等離子體室102中抽空環(huán)境大氣，以達到維持等離子體110的所需壓力以及/或者去除處理副產(chǎn)品?，F(xiàn)在，參考圖2，示出了電容耦合等離子體處理系統(tǒng)的簡圖。通常，電容耦合等離子體處理系統(tǒng)可以配置有單個或多個單獨的RF電源。由源RF發(fā)生器234生成的源RF通常用于生成等離子體以及通過電容耦合控制等離子體密度。而由偏壓RF發(fā)生器238生成的偏壓RF通常用于控制DC偏壓和離子轟擊能量。另外，匹配網(wǎng)絡(luò)236連接至源RF發(fā)生器 234和偏壓RF發(fā)生器238，該匹配網(wǎng)絡(luò)試圖使RF電源的阻抗與等離子體220的阻抗相匹配。 其他形式的電容反應(yīng)器具有RF電源和連接至頂部電極204的匹配網(wǎng)絡(luò)。此外，還存在也遵循類似RF和電極配置的多正極系統(tǒng)(例如，三極管)。通常，一組適當?shù)臍怏w通過頂部電極204的入口從氣體分配系統(tǒng)222流入具有等離子體室壁217的等離子體室202中。這些等離子體處理氣體可被順序電離以形成等離子體220，以便處理(例如，蝕刻或沉積)用邊緣環(huán)215定位在還用作電極的靜電卡盤216上的襯底214(例如，半導(dǎo)體襯底或玻璃板)的暴露區(qū)域。此外，包括閥212和一組泵211的真空系統(tǒng)213通常用于從等離子體室202中抽空環(huán)境大氣，以達到維持等離子體220所需的壓力。鑒于上述問題，需要用于在等離子體處理系統(tǒng)中確定清潔或調(diào)節(jié)處理的終點的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種通過測量層的厚度來確定處理的終點的方法， 該層通過先前處理沉積在表面上。該方法包括提供與表面共面的傳感器，其中，該傳感器被配置為測量厚度。該方法還包括將等離子體室暴露給等離子體，其中，通過暴露來改變厚度；以及確定厚度作為時間的函數(shù)。該方法還包括確定厚度中的穩(wěn)態(tài)條件，該穩(wěn)態(tài)條件的特征在于厚度基本上不變的測量結(jié)果，穩(wěn)態(tài)條件的開始表示終點。
在另一個實施例中，本發(fā)明涉及一種通過測量層的厚度來確定處理的終點的方法，該層通過先前處理沉積在表面上。該方法包括提供從表面凹進的傳感器，其中，該傳感器被配置為測量厚度。該方法還包括將等離子體室暴露給等離子體，其中，通過暴露來改變厚度；以及確定厚度作為時間的函數(shù)。該方法還包括確定厚度中的穩(wěn)態(tài)條件，該穩(wěn)態(tài)條件的特征在于厚度基本上不變的測量結(jié)果，穩(wěn)態(tài)條件的開始表示終點。在另一個實施例中，本發(fā)明涉及一種用于通過測量層的厚度來確定處理的終點的裝置，該層通過先前處理沉積在表面上。該裝置包括用于提供與表面共面的傳感器的裝置， 其中，該傳感器被配置為測量厚度。該裝置還包括用于將等離子體室暴露給等離子體的裝置，其中，通過暴露來改變厚度；以及用于確定厚度作為時間的函數(shù)的裝置。該裝置還包括用于確定厚度中的穩(wěn)態(tài)條件的裝置，該穩(wěn)態(tài)條件的特征在于厚度基本上不變的測量結(jié)果， 穩(wěn)態(tài)條件的開始表示終點。下面，將結(jié)合附圖和本發(fā)明的詳細描述更詳細地描述本發(fā)明的這些和其它特性。


通過實例示出了本發(fā)明，但并不用于限制本發(fā)明，在附圖中，相同的參考標號表示相同的元件，其中圖1示出了電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的簡圖；圖2示出了電容耦合等離子體處理系統(tǒng)的簡圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電介質(zhì)蝕刻等離子體處理的實例，其中， 在RF電源的脈沖施加期間探針上所感應(yīng)的偏壓與沉積在探針上的聚合物的厚度相關(guān)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖3中的探針數(shù)據(jù)與其他診斷數(shù)據(jù)的比較關(guān)系，其中，所示的探針感應(yīng)偏壓是用于檢測聚合物去除的真正終點的基本上精確的方法；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面離子流探針的等離子體室壁的簡圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面QCM的等離子體室壁的簡圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面干涉儀的等離子體室壁的簡圖； 以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的通過測量層的厚度來確定處理的終點的簡化方法，該層通過先前處理沉積在表面上。
具體實施例方式現(xiàn)在，將參考附圖中所示的本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例詳細描述本發(fā)明。在以下的描述中，為了提供對本發(fā)明的透徹理解，將闡述多個具體細節(jié)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，沒有這些具體細節(jié)的一些或全部也可實施本發(fā)明。在其它情況下，為了避免對本發(fā)明造成不必要的混淆，沒有詳細描述眾所周知的處理步驟和/或結(jié)構(gòu)。盡管不希望被理論所束縛，但這里發(fā)明人相信，可以使用基本上與等離子體室表面共面的傳感器、或者可選地凹進等離子體室壁中的傳感器來確定可以改變等離子體室表面上的層厚度的處理的終點。
共面是指傳感器相對于等離子體室表面的位置，其中，傳感器的測量表面和等離子體室的表面基本上在同一平面上。凹進是指傳感器相對于等離子體室表面的位置，其中， 等離子體室的表面在傳感器的測量表面和等離子體之間。不同于其他間接測量技術(shù)(例如，使用常失真的非共面或非凹進的干涉儀)，共面或凹進傳感器可以直接測量等離子體室內(nèi)的表面條件。例如，在用精確的等離子體沉積膜預(yù)涂覆等離子體室表面的情況下，由于沉積期間的等離子體條件不受膜厚度的影響，所以可能難以使用傳統(tǒng)的傳感器來確定沉積膜的厚度。類似地，間接傳感器可能對室材料的表面氧化狀態(tài)的改變是不敏感的。在一個實施例中，以不明顯的方式，共面離子流探針可以用于主要檢測室調(diào)節(jié)處理的終點。通常，由于RF能量被感應(yīng)到等離子體室中以維持等離子體，所以通常由等離子體中的離子在室表面上形成電勢。隨后，在共面離子流探針中感應(yīng)電容，該共面離子流探針也被暴露給等離子體。隨著緩慢的瞬態(tài)電流使電容充電和放電，可以隨后確定離子流探針的I-V特征。在測量之前，通過施加RF電勢的短脈沖群，使共面離子流相對于其穩(wěn)定的浮動電勢偏壓。等離子體殼層的非線性使電容充電。在RF脈沖群結(jié)束時，開始通過來自等離子體的正電荷的到達，探針電勢隨著電容放電而返回其開始的浮動電勢。然而，副產(chǎn)品累積可能影響感應(yīng)電容量。由于副產(chǎn)品沉積易于包括大量的電介質(zhì)材料，所以它們易于使下層共面離子流探針與等離子體部分絕緣，從而產(chǎn)生更小的電勢。 即，基本上無污染的等離子體室表面可能具有更接近等離子體電勢的電勢，而具有副產(chǎn)品沉積的等離子體室表面通常具有小于等離子體電勢的電勢。最后，電勢放電并且室表面返回到正常的dc浮動電勢。通常，電勢差、或偏壓與副產(chǎn)品沉積的厚度的變化成比例?，F(xiàn)在，參考圖3，示出了電介質(zhì)蝕刻等離子體處理系統(tǒng)的實例，其中，在RF電源的脈沖施加期間探針上所感應(yīng)的偏壓與沉積在探針上的聚合物的厚度有關(guān)。在該實例中，使聚合物預(yù)沉積，然后，使用清潔型配方(recipe)來去除膜。高速收集探針數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)崟r測量聚合物膜的去除程度。在該實例中，相對于在水平軸上以秒為單位的時間繪出在垂直軸上以a. u.(原子單位)為單位的RF感應(yīng)探針偏壓。通常，原子單位是隨機定義的電荷單位。質(zhì)子具有+1原子單位的電荷，以及電子具有-1原子單位的電荷。曲線302表示沒有經(jīng)過預(yù)調(diào)節(jié)的等離子體室的作為時間函數(shù)的RF感應(yīng)探針偏壓。 由于實際上不存在任何副產(chǎn)品來使共面離子流探針部分絕緣，所以RF感應(yīng)探針偏壓基本上恒定在約-2. 7a. u.(原子單位)。曲線304表示經(jīng)過60秒聚合物預(yù)調(diào)節(jié)沉積的等離子體室的作為時間函數(shù)的RF感應(yīng)探針偏壓。不同于曲線302，RF感應(yīng)探針偏壓在電介質(zhì)蝕刻等離子體處理的時間0秒處略低于約-2. 0a. u.，在約25秒處(在該點基本上變?yōu)楹愣?高于約-2.6a. u.，因此，已基本上達到終點。曲線306表示經(jīng)過120秒聚合物預(yù)調(diào)節(jié)沉積的等離子體室的作為時間函數(shù)的RF感應(yīng)探針偏壓。像曲線304—樣，RF感應(yīng)探針偏壓在電介質(zhì)蝕刻等離子體處理的時間0秒、約-1. 4a. u.處略低于曲線302，在約60秒處高于約_2. 5a. u.。不同于304，在曲線基本上變?yōu)楹愣ǖ?0秒內(nèi)不存在任何點。這是指仍未達到處理的終點?，F(xiàn)在，參考圖4，示出了圖3的探針數(shù)據(jù)與其他診斷數(shù)據(jù)的比較關(guān)系，其中，所示的探針感應(yīng)偏壓是用于檢測聚合物去除的真正終點的基本上精確的方法。該實例表明使用探針來標示從室表面去除聚合物膜的終點。為了室調(diào)節(jié)的目的，該數(shù)據(jù)還示出了應(yīng)如何使用探針來標示等離子體室中電介質(zhì)膜的沉積的終點。對于所示的數(shù)據(jù)，探針頭是鎢。然而，探針還可以使用摻雜硅的探針頭，其與電介質(zhì)蝕刻反應(yīng)堆中所使用的材料相匹配。在此情況下，認為探針可以檢測薄的表面氧化物并可以用于檢測硅室部分的表面氧化狀態(tài)，從而標示出添加表面氧化物或從硅中去除表面氧化物的室調(diào)節(jié)處理的終點。曲線402表示等離子體室中作為時間函數(shù)的以a. U.為單位的氫分子。即，當蝕刻表面氧化物時，在蝕刻處理中消耗了氫。一旦基本上完成了蝕刻處理，由于所增加的數(shù)量約等于所去除的數(shù)量，所以等離子體室中的氫的數(shù)量達到穩(wěn)定。曲線404表示等離子體室中作為時間函數(shù)的也以a.u.為單位的CN物種 (species).即，當蝕刻表面氧化物時，在蝕刻處理中產(chǎn)生了作為揮發(fā)性副產(chǎn)品的CN。一旦基本上完成了蝕刻處理，就會大大減少等離子體中CN的數(shù)量。曲線406表示作為時間函數(shù)的探針感應(yīng)偏壓(如圖3所示)。如前所述，副產(chǎn)品累積影響了感應(yīng)電容量，該副產(chǎn)品累積易于使共面離子流探針與等離子體絕緣。隨后，當蝕刻表面氧化物時，感應(yīng)電容增大。一旦基本上完成了蝕刻處理，感應(yīng)電容接近等離子體本身的感應(yīng)電容，并且達到了基本上穩(wěn)態(tài)條件。在時間20秒處，探針感應(yīng)偏壓曲線406基本上恒定在約-65V處，從而表示已充分蝕刻了表面氧化物。可以看出，也可以在其余的四條曲線中檢測出時間20秒處的終點。曲線408表示作為時間函數(shù)的2MHz處得電壓反應(yīng)堆。曲線410表示作為時間函數(shù)的以mA/cm2為單位的離子飽和電流。現(xiàn)在參考圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面離子流探針的等離子體室壁的簡圖。層502表示預(yù)調(diào)節(jié)的等離子體沉積膜或污染副產(chǎn)品累積，并且保護 (shield)位于等離子體室壁517中的共面離子流探針504不會直接暴露給等離子體510。 如前所述，副產(chǎn)品累積影響了感應(yīng)電容量，該副產(chǎn)品累積易于使共面離子流探針與等離子體絕緣。隨后，當蝕刻表面氧化物時，感應(yīng)電容增大。一旦基本上完成了蝕刻處理，感應(yīng)電容接近等離子體本身的感應(yīng)電容。在另一個實施例中，使用了基本上共面的石英晶體微量天平OlCM)。通常，QCM通過測量5MHz、AT切割的石英晶體的共振頻率和電阻來測量在表面處或表面附近、或在薄膜內(nèi)進行的處理中的質(zhì)量。共振頻率作為沉積在晶體表面上的材料的質(zhì)量的線性函數(shù)而變化。共振電阻隨著與晶體表面接觸的材料(膜或液體)的彈性而變化。作為重量分析儀器，QCM可以測量范圍從微克到幾分之一毫微克的質(zhì)量。檢測極限對應(yīng)于原子的亞單原子層(submonolayer) 0現(xiàn)在參考圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面QCM的等離子體室壁的簡圖。層602表示預(yù)調(diào)節(jié)的等離子體沉積膜或污染副產(chǎn)品累積，并且保護位于等離子體室壁617中的共面QCM 604不直接暴露給等離子體610。如前所述，共面QCM測量層602的質(zhì)量，該層的位置接近該共面QCM。在另一個實施例中，使用凹進等離子體室壁中的干涉儀。在單波長干涉儀中，可以使光束指向沉積聚合物和等離子體室表面之間的聚合物層的表面上。然后，使所反射的信號相長或相消地結(jié)合來產(chǎn)生周期性的干涉條紋。通過測量條紋的數(shù)量，可以確定材料的厚度。干涉儀對于各項特征通常都精確到0.25微米。
現(xiàn)在參考圖7，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有共面干涉儀的等離子體室壁的簡圖。層702表示預(yù)調(diào)節(jié)的等離子體沉積膜或污染副產(chǎn)品累積，并且保護位于等離子體室壁717附近的光束源704和干涉儀706不直接暴露給等離子體710。如前所述，通過測量條紋的數(shù)量，可以確定沉積聚合物的厚度?，F(xiàn)在參考圖8，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的通過測量層的厚度來確定處理的終點的簡化方法，該層通過先前的處理沉積在表面上。首先，在步驟802中，提供與表面共面的傳感器，其中，傳感器被配置為測量厚度。接著，在步驟804中，將等離子體室暴露給等離子體，其中，通過暴露來改變厚度。然后，在步驟806中，確定厚度作為時間的函數(shù)。 最后，在步驟808中，確定厚度中的穩(wěn)態(tài)條件，穩(wěn)態(tài)條件的特征在于厚度基本上穩(wěn)定的測量結(jié)果，穩(wěn)態(tài)條件的開始表示終點。盡管已使用幾個優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以存在各種變化、改變、和等同替換。應(yīng)注意，存在許多可選方式來實現(xiàn)本發(fā)明的方法。本發(fā)明的優(yōu)點包括用于在等離子體處理系統(tǒng)中的清潔或調(diào)節(jié)處理的終點的方法和裝置。其他優(yōu)點包括使處理閾值檢測最優(yōu)化、使生產(chǎn)合格率問題最小化、以及使等離子體
處理生產(chǎn)量最優(yōu)化。盡管已經(jīng)公開了示例性實施例和最佳模式，但在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的主題和精神的范圍內(nèi)，可對所公開的實施例做出各種更改和改變。
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權(quán)利要求
1.一種通過測量層的厚度來確定處理的終點的裝置，所述層通過先前處理沉積在表面上，所述裝置包括用于提供與所述表面共面的傳感器的裝置，其中，所述傳感器被配置為測量所述厚度；用于將等離子體室暴露給等離子體的裝置，其中，通過所述暴露來改變所述厚度； 用于確定所述厚度作為時間的函數(shù)的裝置；以及用于確定所述厚度中的穩(wěn)態(tài)條件的裝置，所述穩(wěn)態(tài)條件的特征在于所述厚度基本上不變的測量結(jié)果，所述穩(wěn)態(tài)條件的開始表示所述終點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器為共面離子流探針。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述傳感器為共面石英晶體微量天平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理為室預(yù)調(diào)節(jié)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理為無晶自動清潔處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述處理為表面化學性質(zhì)控制處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述等離子體處理室為電容耦合等離子體處理室。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述等離子體處理室為電感耦合等離子體處理室。
全文摘要
本發(fā)明公開一種通過測量層的厚度來確定處理的終點的裝置。所述層通過先前處理沉積在表面上。所述裝置包括用于提供與所述表面共面的傳感器的裝置，其中，所述傳感器被配置為測量所述厚度。所述裝置還包括用于將等離子體室暴露給等離子體的裝置，其中，通過所述暴露來改變所述厚度，以及用于確定所述厚度作為時間的函數(shù)的裝置。所述裝置進一步包括用于確定所述厚度中的穩(wěn)態(tài)條件的裝置，所述穩(wěn)態(tài)條件的特征在于所述厚度基本上不變的測量結(jié)果，所述穩(wěn)態(tài)條件的開始表示所述終點。
文檔編號H01J37/02GK102339714SQ20111027993
公開日2012年2月1日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者埃里克·赫德森, 道格拉斯·凱爾, 阿列克謝·馬拉赫塔諾夫 申請人:朗姆研究公司