等离子体处理装置及等离子体处理工艺的监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种等离子体处理装置以及应用于该装置的等离子体处理工艺的监测方法。
【背景技术】
[0002]使用等离子体对作为被处理体的基片(如半导体晶片)实施规定的处理已经被广泛应用于半导体制造工序中。随着半导体器件特征尺寸缩小，以及半导体制造过程中所用的等离子体处理工艺步骤的数量和复杂性的迅速增加，对等离子体处理工艺控制的要求变得更加严格，这就需要采用实时监控的手段来控制工艺过程的关键阶段。
[0003]以等离子体刻蚀工艺为例，在刻蚀过程中，一个关键的问题是当被刻蚀的介质层被刻蚀掉之后应当及时停止等离子体刻蚀，以避免下层介质层受到等离子体的刻蚀而损伤造成器件的失效。因此，精确判定等离子体刻蚀工艺终点(endpoint)以避免因刻蚀不足或刻蚀过度就变得尤为重要。现有技术中通常采用光学发射光谱法(optical emiss1nspectroscopy, 0ES)进行等离子体刻蚀终点监测。0ES技术主要是基于在线光谱检测设备对等离子体发射出的光谱进行检测，由于刻蚀到不同物质层光谱会出现明显的变化，特别当到达是刻蚀终点时，这种变化通过0ES光谱信号的强度变化表现出来。因此，通过检测刻蚀过程中刻蚀到不同层的物质时反应物或生成物的发射谱线强度值，以此就能够判断刻蚀终点。
[0004]图1所示为现有技术的一种等离子体刻蚀装置，其包括一处理腔室11，在处理腔室内，将上电极设置在腔室顶部从反应气体源12引入反应气体的气体喷淋头113中，将下电极设置夹持基片W的静电吸盘112中。通过将射频源13施加在下电极上，以形成射频电场对反应气体电离生成等离子体。处理腔室的侧壁上设置了透光窗口 114，用于使腔室内所产生的等离子体的光辐射透过。如图2所示，终点监测单元14根据透光窗口 114传输的等离子体光辐射得到与刻蚀反应物或刻蚀副产物对应的特定波长光线的光强信号，并且以t。时刻得到的该光强信号I = F(t0)为基准强度，当某一时刻的该光强信号F(t)与该基准强度的差值F(t)-F(t。)超过设定阈值时，终点监测单元14判断刻蚀工艺到达终点，并发出相应的检测信号。然而，由于终点监测单元的计算和比较等动作均是基于透光窗口在不同时间(t。时刻和t时刻)所透过的光波强度，这就会产生以下问题:工艺过程中任何外部的干扰，如气体流量，射频输入功率，气体压力等的变化都会导致等离子体的发光强度的抖动，如图2中的A处，而这种等离子体发光强度的抖动一方面容易发生刻蚀终点的误触发导致刻蚀不足，另一方面如果外部干扰和刻蚀终点同时发生，原本等离子体光强度的变化容易被干扰信号所覆盖或者抵消而无法抓取到刻蚀终点导致刻蚀损伤。
[0005]因此，需要提供一种等离子体处理装置以及等离子体处理工艺的监测方法以改善上述缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够准确抓取到等离子体处理工艺终点的装置及工艺监测方法。
[0007]为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，包括处理腔室和射频源。处理腔室的底部设有用于承载待处理基片的基座、顶部设有用于向所述处理腔室内输入反应气体的气体喷淋头；射频源用于将所述处理腔室内的反应气体电离以生成等离子体。等离子体处理装置还包括多个可透过等离子体光辐射的窗口和终点监测单元。多个窗口形成于所述处理腔室侧壁的不同高度处且至少包括第一窗口和第二窗口，所述第一窗口具有与所述基片的位置相对应的第一高度，所述第二窗口具有大于所述第一高度的第二高度。终点监测单元从由所述第二窗口透过的等离子体光辐射中获得第二光强信号以及从由所述第一窗口所透过的等离子体光辐射中获得第一光强信号，将所述第一光强信号与所述第二光强信号运算以将由与等离子体处理工艺的反应变化无关的外部干扰信号所引起的所述第一光强信号和第二光强信号的抖动相抵消，并根据运算结果检测所述等离子体处理工艺的终点，其中所述第一光强信号与所述等离子体处理工艺的反应物浓度或副产物浓度对应。
[0008]优选地，所述终点监测单元包括过滤单元、光信号转换单元和分析单元。所述过滤单元用于从由所述第一窗口透过的等离子体光辐射中抽取第一光线以及从由所述第二窗口透过的等离子体光辐射中抽取第二光线，其中所述第一光线与所述等离子体处理工艺的反应物或副产物相关联；所述光信号转换单元用于实时将所述第一光线和第二光线转换为相应的电信号；所述分析单元用于根据所述第一光线的电信号和第二光线的电信号得到所述第一光强信号和所述第二光强信号并建立目标函数Y = F (f (t)，g (t))，根据该目标函数检测所述等离子体处理工艺的终点并输出检测信号，其中f (t)为所述第一光强信号，g(t)为所述第二光强信号，所述目标函数是与所述外部干扰信号不相关的函数。
[0009]优选地，所述分析单元包括加工模块、设定模块和判断模块，所述加工模块用于对所述第一光线和第二光线的电信号加工形成所述第一光强信号和第二光强信号以扩大该第一光线和第二光线的电信号的差值；设定模块，根据所述第一光强信号和第二光强信号建立所述目标函数；所述判断模块根据所述目标函数确定所述等离子体处理工艺到达终点并输出所述检测信号。
[0010]优选地，所述终点监测单元还包括控制单元，其根据所述检测信号控制所述处理腔室内的工艺条件。
[0011]优选地，所述第二光线与所述等离子体处理工艺的反应物或副产物相关联或不相关联。
[0012]优选地，所述等离子体处理装置还包括水平配置于所述气体喷淋头和所述基片之间的、用于从所述等离子体中选择性地使自由基通过的阻挡组件；所述第二窗口位于所述阻挡组件上方，所述第一窗口位于所述阻挡组件下方。
[0013]优选地，所述第一窗口位于所述基片上方O-lOOmm;所述第二窗口位于所述基片上方 10mm-500mmo
[0014]本发明还提供了一种应用于上述等离子体处理装置的等离子体处理工艺的监测方法，该等离子体处理装置包括处理腔室和射频源，该处理腔室底部设有用于承载待处理基片的基座、顶部设有用于向所述处理腔室内输入反应气体的气体喷淋头，该射频源用于将所述处理腔室内的反应气体电离以生成等离子体；其中，所述处理腔室侧壁的不同高度处形成至少包括第一窗口和第二窗口的多个可透过等离子体光辐射的窗口，所述第一窗口具有与所述基片的位置对应的第一高度，所述第二窗口具有大于所述第一高度的第二高度；所述等离子体处理装置可选择地水平配置一位于所述第一窗口和第二窗口之间、用于从所述等离子体中选择性地使自由基通过的阻挡组件。所述监测方法包括以下步骤:
[0015]S1:从所述第一窗口透过的等离子体光辐射中获得第一光强信号以及从所述第二窗口透过的等离子体光辐射中获得第二光强信号，所述第一光强信号与所述等离子体处理工艺的反应物浓度或副产物浓度对应；
[0016]S2:将所述第一光强信号与所述第二光强信号运算以将由与所述等离子体处理工艺的反应变化无关的外部干扰信号所引起的所述第一光强信号和第二光强信号的抖动相抵消，并根据运算结果检测所述等离子体处理工艺的终点。
[0017]优选地，步骤S1包括:
[0018]S11:从由所述第一窗口透过的等离子体的光辐射中抽取第一光线以及从由所述第二窗口透过的等离子体的光辐射中抽取第二光线，其中所述第一光线与等离子体处理工艺的反应物或副产物相关联；
[0019]S12:实时将所述第一光线和第二光线转换为相应的电信号；以及
[0020]S13:对所述第一光线和第二光线的电信号分别加工形成所述第一光强信号和第二光强信号以扩大所述第一光线和第二光线的电信号的差值。
[0021 ] 优选地，步骤S2包括:
[0022]S21:根据所述第一光强信号和第二光强信号建立目标函数Y = F (f (t)，g (t))，其中f(t)为所述第一光强信号，g(t)为所述第二光强信号，所述目标函数是与所述外部干扰信号不相关的函数；以及
[0023]S22:根据该目标函数检测所述等离子体处理工艺的终点并输出检