专利名称：用于等离子体处理中故障识别的方法
技术领域：
本发明涉及一种在由射频源供电的等离子体处理反应器中故障识别的方法。
背景技术：
很多薄膜处理使用等离子体处理，以促进快速而准确地造出特性合乎要求的微小结构。等离子体处理包括沉积和刻蚀衬底例如，硅晶片上的金属、导体和半导体。等离子体处理通常涉及把衬底放在真空室里，引入处理气体和应用典型频率为0.1至100兆赫的射频(RF)功率，以制成等离子体。等离子体含有离子、电子、原子团气体核素和中性气体，它们都准许进行期望的反应。等离子体反应的输入很多，包括射频功率、气体流、室压力、衬底和壁温度、室壁条件、电极间距等等。
改进制造工艺的关键在于控制复杂的等离子体处理，即，要达到准确而可重复的处理，等离子体本身应可重复。可惜，目前鲜有办法用于直接等离子体的监视和控制。更通常的则是监视或控制气体流、射频发生器的功率输出、室压力或温度等等，即处理参数或处理输入。不过，由于等离子体处理直接取决于等离子体参数，故测量这些间接变量通常是不够的。
等离子体在电气术语里代表非线性复数负载。这就导致了射频驱动信号的谐波的生成。这些谐波即傅立叶分量，其对于等离子体处理和处理参数的变化都很敏感。
普遍接受的观点是，监视射频功率信号的傅立叶分量为监视等离子体处理提供了一条有用的途径。这些分量更直接地测量了等离子体处理，因为它们与基波等离子体参数更直接地相关。
已知可通过测量电压和电流的傅立叶分量来使用射频传感器监视和控制射频等离子体。传感器可用于闭环或开环控制，例如，在等离子体处理的刻蚀末点控制中或中段监视中。在任一情形里，当一个或多个傅立叶分量到达预定限制时，都可终止等离子体。
可惜，当由于输入参数出现了不期望的变化诸如气体流速率的变化，而导致等离子体反应器出问题时，上述射频传感器仅能确定故障的出现，即它不能确定哪个参数发生了变化。
发明内容
因此，这就需要一种克服目前对于等离子体反应器的故障检测方案的限制的方法。
因此，本发明提供了一种在由射频源供电的等离子体处理中的故障识别的方法，包含以下步骤(a)对于给定的基线等离子体处理，确定射频源的多个傅立叶分量的幅度变化，该变化是由多个处理输入参数相对它们的基线值而变化所导致的，(b)把所述幅度变化存储为参考数据，(c)在后续的产品运行期间运行等离子体处理，(d)在所述产品运行期间确定等离子体处理中是否有故障，(e)若有故障，则以与步骤(a)的基线标称值相同的输入参数来重复基线处理，(f)对于重复的基线处理，确定所述傅立叶分量的幅度，和(g)比较步骤(f)所确定的数据与参考数据，以确定哪个(些)参数发生了变化。
在本申请文本里，基线等离子体处理是带有用于处理输入参数的预定值的等离子体处理。
本发明提供了一种技术，其允许操作者诊断故障原因，或至少消除大量的可能原因，否则调查的花费将很大。
以下通过示例并参考附图来描述本发明的实施例。在附图中图1描绘了典型的等离子体处理室；图2示出了射频传感器对处理压力的响应；图3示出了用等离子体反应器上的射频传感器所取得的实验设计数据集；图4描绘了根据本实施例的方法的流程图；和图5形象地代表了等离子体处理的傅立叶分量的变化。
具体实施例方式
图1示出了典型的等离子体处理反应器。它包括等离子体室1，内含要被处理的晶片或衬底2。用射频功率源3在室内建立和保持等离子体。该源通常具有实数阻抗，该阻抗需经变换以匹配复数的等离子体负载。这是经过匹配网络4来完成的。功率通常是以容性耦合、通过电极8耦合至等离子体室的。处理气体从气体入口7通入，并通过排气管10来抽气，以使室保持理想的压力。可使用扼流阀9来控制压力。等离子体准许通过改变化学气体来高效地制造例如，半导体器件。例如，诸如碳12这样的气体可用来刻蚀硅和金属，该气体被转化成活性的、离子化的核素。通过等离子体的活性气体、离子和电子，有可能刻蚀极其细微的几何图形，其用来造出半导体器件。
处理晶片是根据一些秘诀(recipe)，其受控于工具操作者。该秘诀包括输入参数设置，诸如处理气体流速率、室压力、衬底/壁温度、对一个或多个功率发生器的射频功率设置、秘诀处理时间、电极间距等等。这是对于诸如刻蚀、沉积等所有等离子体处理工具的情形。晶片将要经历非常多的等离子体处理步骤方可完成。每一步都关系到总体产品量；任何一步的故障都可毁掉潜在的产品。
再次参考图1，使用射频传感器5来测量复数后匹配电气线中射频电气功率信号的电压和电流。使用采样技术，其抽取电压和电流的傅立叶分量和这些向量之间的相位角，从而在数据采集电路6里进行傅立叶变换。该数据采样应具有足够高的分辨率，以在很大的动态范围(90dB)里以高达0.001°的相位分辨率确定傅立叶分量(在本实施例里，头五个分量包括基波)。在美国专利5,808,415中，对傅立叶分量的高分辨率采样和测量的适用技术作了说明。
这些傅立叶分量对等离子体的状况很敏感。例如，图2示出了等离子体的电流基波和三次谐波随着处理压力的变化的变化。这些信号是典型的，并且所有15个傅立叶分量(在基波和头四个谐波处的各电压、电流和相位)都以相同方式响应诸如压力、气体流、功率等等的输入参数的变化。
晶片制造过程涉及以相似的等离子体处理秘诀来运行整批晶片，以确保可靠的批量生产。若每个晶片上的等离子体处理都相同，则测得的傅立叶分量会反映出这一点来。等离子体处理里的任何变化都会体现为傅立叶分量里的变化。
图3示出了从运行于等离子体化学蒸发沉积工具的所谓实验设计(DOE)所得出的数据。该数据来自三级、五因子Box-Behnken表面响应的运行。DOE的全部数据描绘了所有15个傅立叶分量的幅度的预期变化，其就是上文所指的在五个处理输入参数里的变动函数。图3示出的数据仅涉及这些输入变量之中的两个SiH4浓度和射频功率。改变五个处理输入参数里的任何一个都导致15个傅立叶分量里具体和可重复的变化模式。
以上在生产运行里识别故障的技术在使用时，如图4，使用非产品测试晶片在基线等离子体处理中运行DOE(步骤20)。这就确定了上述15个傅立叶分量的幅度变化，它们是多个处理输入参数相对它们的基线值的变化的函数。选择该基线值以代表处理通常用于生产运行的输入参数的值，且DOE观察这些变量可能的游移范围。把DOE数据作为参考而存储，并视其为特定等离子体处理的“指纹”。
在后续的生产运行期间，(步骤22)监视等离子体处理的故障，(步骤24)若在等离子体处理中检测到故障(例如，使用标准SPC方法、最终电气测试、成品数据、等离子体SPC、MVA技术等等)，则再次在测试晶片上运行基线处理(步骤26)，并确定相对它们原始基线值的傅立叶分量的变化(步骤28)。图5形象地代表了从步骤28得出的15个傅立叶分量相对原始基线值的变化。
由于第二基线处理(步骤26)在运行时，用于处理输入参数的标称值与用于原始DOE(步骤20)的基线值相同，故图5所代表的变化可与所存储的指纹比较，以在合理的可信度上确定哪个(些)处理输入参数变化了(步骤30)，且该处理可被修正。
应该理解本发明旨在检测的处理输入参数的变化并非响应于相关外部输入设置的变化；显然，后者很容易确定。相反，即使在这些输入设置的标称值在等离子体处理出现某些故障时仍保持不变，它也要发生变化。例如，整体流速率传感器可能显出故障，以致向室内引入气体的速率偏离了传感器的指示值，或匹配单元可能吸收功率，以致分得的射频功率少于与射频源关联的功率计的指示值。
使用标准模式的识别软件11(图1)可与存储的参考数据进行比较。这可使用标准的统计软件技术；例如，诸如降幂(最小平方)的简单相关技术可用来统计测量与先前存储数据匹配的置信度。该软件可以在个人计算机、数字信号处理器等上。
上述技术不限于处理输入参数。在等离子体处理室里会出现很多其他故障。例如，在常规预防性维护之后，处理室被剥皮和擦洗。零件可能被或不被替换。可能会把射频分量的变化与室零件的寿命相联系，以致把单个零件的故障包括在参考数据里。此外，在衬底自身上的故障，由于先前步骤的误处理也可能包括在本技术里。简而言之，本系统可被编程以用于新的故障机制。
应该理解本技术不限于测量所述15个傅立叶分量。可使用任何数目，只要独立分量的数目足够多、以正确地给多个处理输入归类。
还应理解故障检测的方法(图4，步骤24)没有限制。可使用任何技术。本发明所针对的是故障的识别，而非检测。
还应理解可以无需测试晶片。可以在替代衬底上、或不要衬底而运行基线处理。此外，也可能在产品晶片上进行基线处理。
还应理解不一定非要使用实验设计来确定射频分量与处理输入参数的相关性。例如，每个处理输入都可在其他全保持固定时独立改变。
还应理解整个处理可以用或不用软件来自动化。所述技术是按分步形式来进行的。不过，也可能使各个例程自动化，从采集相关数据到报告故障。
还应理解本处理可不必仅限于使用射频傅立叶分量来定义参考数据。可优选地加入其他独立的等离子体传感器输入作为数据的一部分。例如，来自等离子体的离子通量密度提供了等离子体处理的独立测量，并可被加入以改进本技术。
本发明不限于此处所述的实施例，其可被修改或变动，而不背离本发明的范畴。
权利要求
1.一种在由射频源供电的等离子体处理中故障识别的方法，包含以下步骤(a)对于给定的基线等离子体处理，确定射频源的多个傅立叶分量的幅度变化，该变化是由多个处理输入参数相对它们的基线值而变化所导致的，(b)把所述幅度变化存储为参考数据，(c)在后续的产品运行期间运行等离子体处理，(d)在所述产品运行期间确定等离子体处理中是否有故障，(e)若有故障，则以与步骤(a)的基线标称值相同的输入参数来重复基线处理，(f)对于重复的基线处理，确定所述傅立叶分量的幅度，和(g)比较步骤(f)所确定的数据与参考数据，以确定哪个(些)参数发生了变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)的傅立叶分量是射频功率信号的电压、电流和相位的傅立叶分量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，基线处理是在测试晶片上执行的。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，基线处理是在产品晶片上执行的。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，基线处理无需晶片即可执行。
6.如以上任何权利要求之一所述的方法，进一步包括确定除射频功率外的量变作为输入参数相对基线值的变化的函数，并把该变化包括在参考数据中。
7.如权利要求6所述的方法，其中，除射频功率外的量是离子通量密度。
8.如以上任何权利要求之一所述的方法，其中，步骤(g)以统计技术执行。
全文摘要
一种在由射频源供电的等离子体处理中故障识别的方法，首先包含对于给定的基线等离子体处理，确定射频源的多个傅立叶分量的幅度变化，该变化是由多个处理输入参数相对它们的基线值而变化所导致的。把这些幅度变化存储为参考数据。在后续的产品运行期间，监视等离子体处理的故障，并且若发现有故障，则以与原始基线标称值相同的输入参数来重复基线处理。确定傅立叶分量对于原始基线值的变化，并与参考数据比较，以确定哪个(些)参数发生了变化。
文档编号H01J37/32GK1436360SQ01811324
公开日2003年8月13日 申请日期2001年6月18日 优先权日2000年6月20日
发明者约翰·斯坎伦, 贾斯廷·劳勒, 斯蒂芬·丹尼尔斯 申请人:科学系统研究有限公司