专利名称：利用包含等离子体的开式谐振腔谐振频率的变化来测量电子密度并控制等离子体处理的系统的制作方法
技术领域：
本发明提供一种方法和系统，用于测量并控制等离子体处理系统如半导体处理系统中的电子密度。
等离子体电子密度也可以用测量腔谐振频率的扰动来测量。谐振腔内存在的等离子体，会影响每一模的谐振频率，因为等离子体的有效介电常数依赖于等离子体的电子密度。该技术已经为Massachusetts Instituteof Technology的S.C.Brown教授所证明。部分该技术在序号3,952,246的美国专利中说明，还在如下非专利论文中说明(1)Haverlag，M.，et al.，J.Appl.Phys.70(7)3472-80(1991)Measurements of negative iondensities in 13.56 MHz RF plasma of CF4，C2F6，CHF3，and C3F8usingmicrowave resonance and the photodetachment effect；和(2)Haverlag，M.，et al.，Materials Science Forum，Vol.140-142，235-54(1993)Negativecharged particles in fluorocarbon RF etch plasmaDensitymeasurements using microwave resonance and the photodetachmenteffect。
本发明还有一个目的，是利用等离子体引起开式谐振腔频率的变化，提供一种改进的等离子体测量系统。
为实现本发明的上述和其他目的，使用压控可编程频率源，按顺序激发置于等离子体处理设备中的开式谐振腔的一些谐振模。谐振模的谐振频率依赖于反射镜与开式谐振腔间的空间中等离子体的电子密度。该设备自动确定开式谐振腔任意选定的谐振模中谐振频率的增加，该增加是因引入等离子体而产生的，并把测量的频率与先前输入的数据比较。比较是用以下装置中的任何一种完成的(1)专用电路，(2)数字信号处理器，和(3)专门编程的通用计算机。比较器对用于修正等离子体发生器的功率输出的控制信号进行计算，这是为获得需要的等离子体电子密度所必须的。
图3是按照本发明用于测量并控制等离子体电子密度的电路的方框图；图4是类似于图2的曲线图，但不存在把谐振移向更高频率的等离子体；图5A和5B是曲线图，说明等离子体电子密度非单调变化的问题；和图6是曲线图，说明在模的谐振频率因等离子体的形成而移动时，通过若干次可编程频率源的频率扫描，按顺序激发开式谐振腔的模；
如上所述，该系统至少包括一种计算机可读介质。计算机可读介质的例子如光盘119、硬盘112、软盘、磁带、磁光盘、PROM(EPROM、EEPROM、闪存EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM等等。本发明包括存储在任何一种计算机可读介质或计算机可读介质组合上的软件，用于控制计算机100的硬件和启动计算机100与人用户的互作用。该类软件可以包括但不限于，装置驱动器、操作系统、和用户的应用工具，例如用户开发的工具。该类计算机的可读介质，还包括本发明用于控制等离子体处理系统的计算机程序产物。本发明的计算机编码装置，可以是任何解释或执行的编码机构，包括但不限于，手写的程序、解释程序、动态链接的程序库、Java类程序、和完全可执行的程序。
在另一个实施例中，计算机100包括一数字信号处理器(未画出)，用于对接收的输入进行信号处理。在又一个另外的实施例中，CPU 106用软件编程，以便执行类似于DSP内部操作的数字信号处理程序。在再一个实施例中，计算机100用一DSP和存储器(如在一印刷电路板上)替代，执行本文所说的计算机操作。同样，DSP的功能可以由专用的模拟和/或数字电路替代，用于执行本文所说的操作。
如图3所示，计算机100被编程，以测量等离子体密度和控制可编程的频率源(PFS)201。可编程频率源的一个实施例，包括与压控频率调制的微波振荡器耦合的D/A变换器。但是，在等离子体发生器320建立等离子体时，可编程频率源201施加的频率，依赖于开式谐振腔模的谐振频率。为了对图2加以说明，假定等离子体电子密度从它的初始值到它的最终值(如2×1012cm-3)，是单调地增加的。作为一非限制性例子，还假定空的(即抽空的)谐振腔305中的模间隔，近似为c/2d＝500MHz，这里c是真空中光速，而d是反射镜的距离，即反射镜之间的距离。如图2所示，在存在等离子体时的模间隔，是c/(2nd)，这里n是折射率。如果该折射率不是位置的单值函数，n可以用它沿反射镜间适当路径的平均值<n>替代。该间隔不是十分均匀的，因为折射率略依赖于频率和等离子体密度，以及与耦合孔径有关的移相寄生源。
为了控制等离子体处理系统，本系统要确定最后的工作频率，本系统工作在该频率上，以建立并维持需要的等离子体密度。该最后工作频率的确定如下。在时间T0，等离子体刚开始形成，计算机100令可编程频率源201的频率等于预定的最大频率fmax(如38.75 GHz)。然后，计算机100随着时间降低频率(如用计算机100改变数字控制信号的输出)。在所举的实施例中，频率的降低是线性的，但实际上可以线性或非线性地降低，无论如何，它应当是可重复的因而是可预测的。可编程频率源201的频率逐渐下降，直至时间T1，到达最小频率fmin(如36.75GHz)，此时刚好在等离子体已经基本上维持其稳态密度2×1012cm-3之后。频率fmax与fmin的选取，在某种程度上是任意的。它们选自微波频谱并围绕微波设备的主要频率，即～35GHz。如果最大频率已经选为38.75GHz，那么，把fmin选为36.75GHz是为了在没有等离子体的谐振腔中，在频率范围fmin＜f＜fmax上能观察到八个谐振模。被扫描的最少的模数，由如下因素决定(1)随时间扫描频率(线性的或非线性的)的方法，和(2)扫描频率所用的时间。此外，微波设备能够有自身可变的某个范围(受硬件约束)。为了得到有意义的结果，扫描频率所用的时间应当大于等离子体的调整周期(形成时间T1-T0)。扫描时间的标度包括下降和上升扫描。在第一个实施例中，假定在时间T0与T1之间的等离子体电子密度是单调增加的，所以在扫描频率增加或降低时，通过的模数能被恰当地计数。
一般说，谐振由传输的微波能量极大地增强来指示，并在可编程频率源201的频率在确定的范围内下降时被计数。同样，在可编程频率源201的频率在确定的范围内上升时，对其谐振模进行计数，并把该模数与下降时的模数进行相关。在频率下降时，本系统检测开式谐振腔中出现的谐振频率，并记录振荡器产生的这些谐振频率。图2是曲线图，说明在模的谐振频率因等离子体的形成而移动时，通过可编程频率源的频率扫描，按顺序激发开式谐振腔的模。在图2所示的例子中，随着可编程频率源201的频率从它的最大频率fmax下降至它的最小频率fmin，在开式谐振腔中激发八种谐振。
系统在把可编程频率源201的频率降至最小频率之后，系统把可编程频率源201的频率随时间增加，直至在时间T2，该频率再次到达最大频率fmax。因为下降时，各谐振频率已被检测并记录，而在上升时，与时间的关系既可以是线性的，如图2所示，也可以是非线性的。在T1与T2之间的时间，被称为回扫时间。在图2的回扫时间中，激发开式谐振腔的四个谐振模。本系统确定在下降和上升时谐振频率数之差。该差就是被称为条纹阶特性的整数部分。在图所示例子中，该差是四。
条纹阶的分数部分，部分地从如下两者之间的差获得(a)被激发的最终谐振频率ffinal(如在图2，ffinal＝38.644GHz)与(b)空的开式谐振腔且小于ffinal的最高谐振频率。在本例子中，该频率fopen是38.500GHz，是事前为确定模间隔和谐振模频率，执行校准操作而确定的。校准是在该室内不存在等离子体时完成的。这是在不存在等离子体时一种精确的测量，并对c/2d给出的模间隔和谐振频率(即f(q)＝(c/2d)(q+1/2))的检验。该差被空的开式谐振腔的模间隔(即0.5GHz)除。于是，条纹阶的分数部分由下式给出 于是全部条纹阶是4.288，而模的频移是4.288×(模间隔)＝4.288×0.500GHz＝2.144GHz。
正如刚才系统计算最终频率ffinal下面的开式谐振腔频率fopen一样，系统还确定正好在最小频率fmin下面的开式谐振腔频率fopen。在稳态情况下的折射率值按下式计算fminffinel=36.538.644=0.945]]>下面参考图2解释更为具体的例子。从谐振频率为38.644GHz(靠近图2的右侧)的模特性的某点出发，向下画一条虚线到38.500GHz的水平点划线。该下降对应于0.144GHz的频率变化。然后，当沿38.500GHz线移至坐标轴的左侧时，下降四个空的开式谐振腔模间隔，即4×0.500GHz＝2.000GHz，到达36.500GHz。注意，36.500GHz是终止于38.644GHz的模特性的开始谐振频率。应当指出，在图2的频率对时间曲线，与控制可编程频率源201的电压对时间曲线之间，存在一一对应关系。因此，有充分理由按本文所述方式，在多条曲线之间进行内插。
在另一个实施例中，在等离子体的形成周期，如果等离子体密度在该周期内不是单调地增加，上述处理过程要修改。可编程频率源201在T0到T1的时间周期内频率的下降，必须按某种方式加以控制，使开式谐振腔没有一个模的激发是多于一次的。同样，在T1到T2的回扫时间，要控制可编程频率源201频率的增加，使开式谐振腔没有一个模的激发是多于一次的。图5A和5B画出非单调变化的曲线，对该曲线的分析，不同于对单调变化的曲线。图5A说明不恰当地对同一模的计数多于一次。同样，图5B画出在可编程频率源201的频率增加时，把下降扫频时不计数的模不恰当地计数了。
为确保在可编程频率源201的频率下降时，没有一个模被多于一次计数，或在可编程频率源201的频率增加时，没有一个模被多于一次计数，第一种技术依靠开式谐振腔模频率特性的斜率dform/dt，与可编程频率源201频率特性的斜率dfPFS/dt之间的关系，这里t是时间。图2说明次数的意义，对该次数意义作如下注明。
T0＜t＜T1。PFS频率特性的斜率dfPES/dt，要比与之相交的任何开式谐振腔模频率特性斜率dform/dt最负的值更负。
T1＜t＜T2。PFS频率特性的斜率dfPFS/dt，要比与之相交的任何开式谐振腔模频率特性斜率dform/dt最正的值更正。如图2所示，假设在时间T1已经达到稳态条件。
众所周知，折射率n与等离子体电子密度N由下面的公式彼此相关n=1-Ne2ϵ0m(2πf)2=1-(fPf)2]]>这里e是电子的电荷值，m是电子质量，ε0是自由空间的介电常数，而fP是等离子体频率。如果方程式(fPf)2<<1]]>成立，本例便是如此，则有n≈1-e28π2ϵ0mf2N]]>从而N≈8π2ϵ0mf2e2(1-n).]]>如上面所指出的，如果折射率不是位置的单值函数，n可以用它沿反射镜间适当路径的平均值<n>替代，而N变为与之对应的平均值<N>。
现在回到对图3的说明，图3表明，
图1的计算机是整个等离子体处理系统的一部分。可编程频率源201的频率，由计算机100通过改变加于可编程频率源201的数字输出信号进行控制。(在本发明的另一个实施例中，可编程频率源201接收模拟输入，此时的计算机100包括或连接至数模转换器，该数模转换器把模拟信号送至可编程频率源201。)PFS 201与隔离器210a连接，隔离器把可编程频率源201与等离子体室300隔离。隔离器210a通过等离子体室300中开式谐振腔305的光阑310b，与输出信号耦合。通过光阑310a反射回去的信号，则被耦合至峰值检测器260。
在某个实施例的运行期间，计算机100对等离子体室300、等离子体发生器320、和计数器250的与时间有关的输入进行抽样。(在另一个实施例中，计数器250移至计算机100的内部，同时，计算机使用峰值检测器260的输出直接检测峰值-比如利用中断。)在T0到T1之间，开式谐振腔305谐振频率的每次激发，开式谐振腔305的反射微波信号中的峰值都被检测。该峰值使计数器260把计数增加一次，该计数器自从最后一次复位信号之后，对峰值进行计数。因此，随着PFS 201频率的下降，激发的模数被计数，并存储在计数器250或计算机100中。对图2所示曲线，该计数应为八。时间T1之后，PFS的频率开始增加，随着PFS频率的增加，对谐振的数目进行计数。对图2所示曲线，该计数应为四。当PFS返回它的最大频率fmax(如在图2是38.75GHz)时，在峰值检测器260的帮助下，计算机100开始搜索过程，以便返回检测到的最后的谐振。然后，在峰值检测器260与适当的软件帮助下，计算机100锁定在ffinal上。该频率ffinal被测量并被存储。
在确定T0到T1和T1到T2之间检测到的谐振频率数之后，计算机100计算条纹阶(如为4.288)。但是，为了计算对应的频移，计算机100还需要空的开式谐振腔相邻模的频率差，即模间隔。
该模间隔已在先前的校正过程中获得，该校正过程类似于获得条纹阶(fringe order)的过程。图4与图2类似，对空的开式谐振腔的谐振频率，画出模的特性，该特性在本文所考虑的例子中，是相距500MHz的水平线。在时间T0，PFS 201的频率下降，然后在时间T1，频率开始返回它的稳态值。但是，在本例中，计算机100执行(1)随着频率的下降，对被激发的模计数；(2)锁定在被检测的第一个模上；和(3)记录被锁定的频率。在频率开始上升之后，在峰值检测器260与适当的软件帮助下，计算机100搜索并锁定在检测到的最后谐振频率上。计算机100还测量并存储检测到的最后谐振频率。
根据在校正过程收集的数据和运行过程抽样获得的数据，计算机100计算空的开式谐振腔305的模间隔，并对这里感兴趣的频率，计算每次谐振时的频率。
下面是本设备工作顺序的更详细的说明。
(1)作为可选的基本步骤，可以推选一设备操作员来监控可编程频率源是否按说明书工作。但是，如果该操作员确信系统工作正确，本步骤可以省略。
(2)然后，设备操作员选择等离子体室300运行的运行参数。这些参数和运行顺序，通过数据输入装置(如键盘122、鼠标124、或其他控制面板)选择。这些参数包括但不限于如下的一个或多个需要的等离子体电子密度、需要的折射率、处理持续时间、和所用气体。
(3)在键入所有需要的数据之后，操作员通过数据输入装置，启动处理过程。
(4)如上所述，计算机100控制空的开式谐振腔的校正。
(5)计算机100控制开式谐振腔305中等离子体的点燃。一旦形成等离子体，计算机100评估(1)从等离子体发生器320送至计算机的输入(如反射功率)，和(2)从等离子体室300送至计算机的输入(如光辐射)。如上面参照图2所作的说明，计算机100控制PFS201的频率。
(6)计算机100计算条纹阶。
(7)计算机100计算折射率n或<n>。
(8)计算机100计算等离子体电子密度N或<N>。
(9)计算机100把测量/计算的等离子体电子密度，与先前操作员在操作员输入口键入的值进行比较。
(10)计算机100向等离子体发生器320发送控制信号，使之按需要改变输出，以维持需要的等离子体电子密度。
(11)计算机100在整个过程中，重复步骤(6)-(10)，使等离子体电子密度保持在需要的水平上。
除了上述的用法，系统还需要操作员在任何时间把系统转到另一种状态。例如，设备操作员可能确定，电子(等离子体)浓度对指定的用途不是最佳的，有必要调整其浓度。下面的过程将依赖于启动时用于跟踪开式谐振腔模的技术。操作员借助控制台(本地的或远程的)，键入要修改的需要的目的参数值(平均折射率、电子密度、等等，依赖于控制台的设计)。
虽然上面的说明假定，在等离子体开始时出现一种简化的频率响应，该种响应可能不出现。为确保在可编程频率源201的频率下降时，没有一个模被多于一次计数，或在可编程频率源201的频率增加时，没有一个模被多于一次计数，可用第二种技术。该第二种技术与上述第一种技术类似，但用不同的扫描技术。可编程频率源201的频率如图6所示，在时间T0到T2按顺序降低和上升若干次。该扫描可以是周期的也可以是非周期的。可编程频率源201频率对时间的依赖关系，要能使频率特性满足与第一种技术类似的那些准则。就是说，当频率特性的斜率dfPFS/dt是负时，要比与之相交的任何开式谐振腔模频率特性斜率dform/dt最负的值更负。同样，当频率特性的斜率dfPFS/dt是正时，要比与之相交的任何开式谐振腔模频率特性斜率dform/dt最正的值更正。一般说，这些频率条件在第二种技术中比在第一种技术中更易于满足，因为可编程频率源201频率在下降或增加时，时间增量只是T0到T2的时间区间的很小一小部分。
在第二种技术中，模的计数与第一种技术一样，但却是对整个频率扫描序列。在稳态等离子体电子密度已经维持之后，条纹阶分数部分的确定，如前面对单调增加的等离子体电子密度所作说明一样。
第三种技术采用可编程频率源201的频率-时间特性，使在启动时，在T0到T2的时间区间，没有模在开式谐振腔中被激发，如图2所示。该频率-时间特性对应于没有模移动，就是说，条纹阶的整数部分是零，所以无需再考虑。条纹阶分数部分的确定，如前面对单调增加的等离子体电子密度所作说明一样。
该技术的实施要求对计算机100编程，以提供合适的频率-时间特性。适当的程序能够凭经验确定，就是通过考察启动时的模激发，并从启动后激发的第一个模开始，修改该程序，把各个模逐个消除。
如果设备如上所述，使用第一种或第二种技术来识别模的变化，PFS扫描是重新开始的，并且，存储在计算机中的校正数据和启动模的数据，从在启动之前就立刻被计算机用来计算随后的目的参数变化。该目的参数可以对应于例如等离子体电子密度。计算机在PFS开始响应变化的输入数据前，立刻启动PFS的扫描。时间的超前量依赖于设备的不同的响应时间。
利用上述各种技术，系统一般能用PFS扫描来跟踪模的变化。因此，系统能确定任何随后条纹变化的整数部分和分数部分。
该过程的精度受各频率计算精度的限制，而频率计算的精度是能够测量的。系统基本上按测量的频率差来计算折射率n或<n>，而频率差的测量很难比0.05％的精度更高。如果是这样，则折射率的精度只能达到约0.10％，因为它是从两个测量的频率之比计算的。假定对某种特定情况，折射率实际上是0.93(对应的等离子体密度在1×1012cm-3量级)，测量值有望在0.929至0.931之间。等离子体密度与(1-n)成正比，故对图2所举例子，等离子体密度在0.069至0.071之间。因此，能够确定的等离子体密度的精度，在0.001/0.070＝1.4％的量级。
本领域熟练人员显然知道，在没有等离子体时，扫描的模数越多，分辨率越高，系统更为可靠。
显而易见，借助于上述技术，本发明存在许多可能的修改和变化。因此应当指出，除本文专门说明之外，在后面的权利要求书范围内也可以实施本发明。
权利要求
1.一种测量等离子体室中等离子体电子密度的系统，该系统包括包含等离子体的等离子体室；频率源，用于(a)向等离子体室提供下降的频率，和(b)在提供下降频率之后，向等离子体室提供上升的频率；谐振频率检测器，用于(a)检测由下降频率激发的第一组谐振频率，和(b)检测由上升频率激发的第二组谐振频率；比较器，用于确定第一组中和第二组中一些频率之间的差；条纹阶计算器，用于计算等离子体的条纹阶；和密度计算器，用于根据条纹阶确定等离子体的等离子体电子密度。
2.按照权利要求1的系统，其中的频率源包括一压控微波振荡器。
3.按照权利要求2的系统，其中的频率源还包括数模转换器，把电压加在压控微波振荡器上。
4.按照权利要求1的系统，其中的等离子体室包括浸没在等离子体中的开式谐振腔。
5.按照权利要求4的系统，其中的开式谐振腔包括多个反射镜，而其中所有输入和输出都只与该多个反射镜中的一个连接。
6.按照权利要求1的系统，还包括一数据输入装置，用于输入需要的等离子体电子密度。
7.按照权利要求6的系统，还包括等离子体发生器；和自动控制器，用于根据该密度计算器计算的密度，控制该等离子体发生器，产生需要的等离子体电子密度。
8.一种测量等离子体室中等离子体电子密度的方法，该方法包括的步骤有(a)通过频率源向等离子体室提供下降的频率；(b)在提供下降频率之后，通过该频率源向等离子体室提供上升的频率；(c)通过谐振频率检测器，检测由下降频率激发的第一组谐振频率；(d)通过谐振频率检测器，检测由上升频率激发的第二组谐振频率；(e)确定第一组中和第二组中一些频率之间的差；(f)计算等离子体的条纹阶；和(g)根据该条纹阶，确定等离子体的等离子体电子密度。
9.按照权利要求8的方法，其中的步骤(a)和(b)包括用压控微波振荡器来提供频率。
10.按照权利要求8的方法，其中的步骤(a)和(b)包括向浸没在等离子体中的开式谐振腔提供频率。
11.按照权利要求8的方法，其中的步骤(c)和(d)包括从多个反射镜的检测，而其中所有输入和输出都只与该多个反射镜中的一个连接。
12.按照权利要求8的方法，还包括把需要的等离子体电子密度输入的步骤。
13.按照权利要求12的方法，还包括如下步骤在等离子体发生器中产生等离子体；和根据密度计算器计算的密度，控制等离子体发生器，产生需要的等离子体电子密度。
全文摘要
一种用于测量等离子体电子密度(比如在10
文档编号H01J37/32GK1361863SQ00810626
公开日2002年7月31日 申请日期2000年7月20日 优先权日1999年7月21日
发明者约瑟夫·T·沃德云, 韦恩·L·约翰逊, 默里·D·瑟基斯 申请人:东京电子株式会社