用于故障检验和过程监测的辐射光学监测系统的校准

摘要

本发明涉及一种在故障检验和过程监测中使用的光谱设备辐射校准系统和方法。首先，将参考摄谱仪校准到本地基本标准(具有已知光谱强度和可追溯到参考标准的经校准的光源)。然后根据参考摄谱仪而非本地基本校准标准来校准其它摄谱仪。这通过用参考摄谱仪和待校准的摄谱仪两者观察光源来完成。来自待校准的摄谱仪的输出与参考摄谱仪的输出相比较，然后进行调整以与该输出一致。当前的校准过程能分两个阶段完成，第一阶段将摄谱仪校准到参考摄谱仪，然后在等离子腔室微调到窄带光源。作为替代，参考摄谱仪能校准到本地基本标准而光学耦合到等离子腔室。在此，本地基本标准校准光源临时定位在等离子腔室内、或者在沿着腔室内部布置的光腔室中，用于校准参考摄谱仪。当耦合到具有本地基本标准校准光源的等离子腔室时，其它摄谱仪能校准到参考摄谱仪，从而将整个光学路径中的每个组件校准到参考光源。

权利要求

1.一种用于故障检验和过程监测的辐射光学监测系统校准方法， 其特征在于，包括：将第一摄谱仪校准到本地基本标准；

在第一摄谱仪处从第一光源接收光，其中所述第一光源发射多 个未知的光谱强度；

在第二摄谱仪处从所述第一光源接收光；

响应于在所述第一摄谱仪处从所述第一光源接收光，产生经校 准的光谱信息；

响应于在所述第二摄谱仪处从所述第一光源接收光，产生未校 准的光谱信息；以及将所述第二摄谱仪校准到由所述第一摄谱仪产生的经校准的光 谱信息。

2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，其中所述本地基 本标准是经校准的光电探测器，其具有可追溯到已知标准的响应，并 且将第一摄谱仪校准到本地基本标准的步骤进一步包括：在所述第一摄谱仪处从第二光源接收光；

在所述经校准的光电探测器处从所述第二光源接收光；

响应于在所述经校准的光电探测器处从所述第二光源接收光， 产生经校准的光谱信息；

响应于在所述第一摄谱仪处从所述第二光源接收光，产生未校 准的光谱信息；以及将所述第一摄谱仪校准到由所述经校准的光电探测器产生的经 校准的光谱信息。

3.如权利要求2所述的校准方法，其特征在于，其中所述已知标 准是国家标准和技术协会NIST标准。

4.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，其中所述本地基 本标准是第二光源。

5.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，其中所述第二光 源发射多个已知的光谱强度。

6.如权利要求5所述的校准方法，其特征在于，其中由所述第二 光源发射的所述已知光谱强度可以追溯到国家标准和技术协会NIST 标准。

7.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，其中所述第一和 第二摄谱仪同时从所述第一光源接收光。

8.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，其中将所述第二 摄谱仪校准到由所述第一摄谱仪产生的经校准的光谱信息的步骤进一 步包括：将由所述第二摄谱仪产生的所述未校准的光谱信息与由所述第 一摄谱仪产生的所述经校准的光谱信息进行比较；以及基于对由所述第二摄谱仪产生的所述未校准的光谱信息与由所 述第一摄谱仪产生的所述经校准的光谱信息的所述比较，产生校正系 数。

9.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：在第三摄谱仪处从所述第一光源接收光；

响应于在所述第三摄谱仪处从所述第一光源接收光，产生未校 准的光谱信息；以及将所述第三摄谱仪校准到由所述第一摄谱仪产生的所述经校 准的光谱信息。

10.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第二摄谱仪光学耦合到光学耦合系统，所述光学耦合系 统具有通过量等级；

通过所述光学耦合系统从所述第一光源接收光；以及响应于所述光学耦合系统的通过量等级，改变所述第二摄谱仪 的校准。

11.如权利要求10所述的校准方法，其特征在于，其中所述光学 耦合系统进一步包括光纤，该方法进一步包括：记录所述光纤的空间构造。

12.如权利要求10所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第二摄谱仪的校准微调到第三光源。

13.如权利要求12所述的校准方法，其特征在于，其中将所述第 二摄谱仪的校准微调到第三光源的步骤包括：将所述光学耦合系统光学耦合到布置在加工腔室上的用于观 察所述加工腔室内部的视窗；

在所述第二摄谱仪处从所述第三光源接收光；

将所述第二摄谱仪的校准调整到与所述第三光源相关联的光 谱信息。

14.如权利要求13所述的校准方法，其特征在于，其中所述第三 光源发射单一光谱波长的光。

15.如权利要求13所述的校准方法，其特征在于，其中所述第三 光源发射多个光谱波长的光。

16.如权利要求11所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第三光源布置在所述加工腔室内部。

17.如权利要求13所述的校准方法，其特征在于，其中所述加工 腔室进一步包括沿着所述加工腔室内部布置的光腔室，所述方法进一 步包括：将所述第三光源布置在所述加工腔室的光腔室中。

18.如权利要求17所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：保护所述第三光源远离等离子和所述加工腔室内部的反应物。

19.如权利要求13所述的校准方法，其特征在于，其中将所述光 学耦合系统光学耦合到布置在加工腔室上的用于观察所述加工腔室内 部的视窗的步骤进一步包括：在所述第二摄谱仪的校准期间，基于所述光纤的空间构造对所 述光纤进行空间配置。

20.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第二摄谱仪的校准微调到第二光源。

21.如权利要求20所述的校准方法，其特征在于，其中将所述第 二摄谱仪的校准微调到第三光源的步骤包括：将所述第二摄谱仪光学耦合到布置在加工腔室上的用于观察 所述加工腔室内部的视窗；

在所述第二摄谱仪处从所述第三光源接收光；

将所述第二摄谱仪的校准调整到与所述第三光源相关联的光 谱信息。

22.如权利要求21所述的校准方法，其特征在于，其中所述第二 光源发射一个或多个光谱波长的光。

23.如权利要求22所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第二光源布置在所述加工腔室内部。

24.如权利要求23所述的校准方法，其特征在于，其中所述加工 腔室进一步包括沿着所述加工腔室内部布置的光腔室，所述方法进一 步包括：将所述第二光源布置在所述加工腔室的光腔室内。

25.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：基于预定等级的测量稳定性，选择第一摄谱仪。

26.如权利要求5所述的校准方法，其特征在于，其中将第一摄 谱仪校准到具有已知光谱强度的第二光源的步骤进一步包括：将所述具有已知光谱强度的第二光源布置在所述视窗的视角内；以 及将所述第二摄谱仪光学耦合到布置在加工腔室上的用于观察所述 加工腔室内部的视窗。

27.如权利要求26所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第一光源布置在所述视窗的视角内；以及将所述第二摄谱仪光学耦合到所述布置在加工腔室上的用于观察 所述加工腔室内部的视窗。

28.如权利要求27所述的校准方法，其特征在于，其中所述第一 和第二摄谱仪同时从所述第一光源接收光。

29.如权利要求27所述的校准方法，其特征在于，其中所述加工 腔室进一步包括沿着所述加工腔室内部布置的光腔室，所述方法进一 步包括：将所述第一光源和所述第二光源中的一个布置在所述加工腔室的 光腔室内。

30.如权利要求29所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：保护所述第一光源和所述第二光源中的一个远离等离子和所述加 工腔室内部的反应物。

31.如权利要求27所述的校准方法，其特征在于，其中所述加工 腔室进一步包括沿着所述加工腔室内部布置的光腔室，所述方法进一 步包括：将所述第一光源和所述第二光源中的一个布置在所述加工腔室的 光腔室内。

32.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：检验所述第一摄谱仪到所述第二光源的校准。

33.如权利要求32所述的校准方法，其特征在于，其中检验所述 第一摄谱仪到所述第二光源的校准进一步包括：探测预定的时间周期或预定的测量数量中的一个；

在所述第一摄谱仪处从所述第二光源接收光；

响应于在所述第一摄谱仪处从所述第二光源接收光，产生经校准的 光谱信息；以及将由所述第一摄谱仪产生的经校准的光谱信息校准到所述第二光 源的已知光谱强度。

34.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，进一步包括：将所述第一摄谱仪光学耦合到第一光学耦合系统；

在所述第一摄谱仪处通过所述第一光学耦合系统从所述第一光源 接收光，并且响应于通过所述第一光学耦合系统从所述第一光源接收光，产 生第一光谱信息；

将所述第二摄谱仪光学耦合到第二光学耦合系统；

在所述第二摄谱仪处通过所述第二光学耦合系统从所述第一光源 接收光，并且响应于通过所述第二光学耦合系统从所述第一光源接收光，产 生第二光谱信息；

将所述第一摄谱仪光学耦合到所述第二光学耦合系统；

在所述第一摄谱仪处通过所述第二光学耦合系统从所述第一光源 接收光，并且响应于通过所述第二光学耦合系统从所述第一光源接收光，产 生第三光谱信息；

将所述第二摄谱仪光学耦合到所述第一光学耦合系统；

在所述第二摄谱仪处通过所述第一光学耦合系统从所述第一光源 接收光，并且响应于通过所述第一光学耦合系统从所述第一光源接收光，产 生第四光谱信息；

其中将所述第二摄谱仪校准到由所述第一摄谱仪产生的经校准的 光谱信息的步骤进一步包括：将所述第一光谱信息和第三光谱信息与所述第二光谱信息和第四 光谱信息进行比较。

35.如权利要求34所述的校准方法，其特征在于，其中将所述第 一光谱信息和第三光谱信息与所述第二光谱信息和第四光谱信息进行 比较进一步包括：找到所述第一光谱信息和第三光谱信息的第一乘积以及所述第二 光谱信息和第四光谱信息的第二乘积；以及所述第一乘积和所述第二乘积的比值。

36.如权利要求35所述的校准方法，其特征在于，其中所述第一 和第二光学耦合系统由光纤构成。

37.一种用于故障检验和过程监测的辐射光学监测系统校准系 统，其特征在于，包括：参考光源；

参考摄谱仪，其光学耦合到所述参考光源，所述参考摄谱仪包括：光学端口，适用于从所述参考光源接收光；

计算电子器件，用于基于对本地基本标准校准光源的已知光谱 强度信息和对本地基本标准校准光源的未加工光谱强度信息的比较， 将所述参考摄谱仪产生的未加工光谱强度信息转换为经校准的强度信 息；以及输出端口，适用于输出所述参考摄谱仪产生的经校准的光谱强 度信息；以及第二摄谱仪，其光学耦合到所述参考光源，所述第二摄谱仪包括：光学端口，用于从所述参考光源接收光；

输入端口，用于接收所述参考摄谱仪产生的经校准的光谱强度 信息；以及计算电子器件，用于基于将从所述参考摄谱仪接收的经校准的 强度信息和由所述第二摄谱仪对所述第二光源产生的未加工光谱强度 信息的比较，将所述第二摄谱仪产生的未加工光谱强度信息转换为经 校准的强度信息。

38.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：本地基本标准校准光源，所述本地基本标准校准光源具有多个已知 的光谱强度；

39.如权利要求38所述的校准系统，其特征在于，其中所述本地 基本标准校准光源的带宽包含所述参考摄谱仪的光谱范围。

40.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：经校准的光电探测器，具有可追溯到已知标准的响应。

41.如权利要求40所述的校准系统，其特征在于，其中所述本地 基本标准校准光源的响应包含所述参考摄谱仪的光谱范围。

42.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：等离子腔室，包含多个壁，这些壁至少部分地围绕加工体积，并且 包含具有外表面和内表面的视窗，所述视窗沿着所述加工腔室的一个 壁布置；以及光学耦合系统，所述光学耦合系统耦合到所述第二摄谱仪和所述等 离子腔室的窗口。

43.如权利要求42所述的校准系统，其特征在于，其中所述等离 子腔室进一步包括：光腔室，沿着所述加工腔室的一个壁布置，所述光腔室在所述视窗 处是可见的，其中所述光源布置在所述光腔室内。

44.如权利要求43所述的校准系统，其特征在于，其中所述光腔 室进一步包括：光腔室窗口，布置在所述光腔室和所述加工腔室的加工体积之间， 用于将所述校准光源与所述加工体积隔离。

45.如权利要求44所述的校准系统，其特征在于，其中所述光腔 室进一步包括：窗板，布置在所述光腔室窗口和所述加工腔室的加工体积之间，用 于选择性地覆盖所述光腔室窗口的至少一部分。

46.如权利要求45所述的校准系统，其特征在于，其中所述光腔 室进一步包括：光学组件，用于将来自所述校准光源的的光图像投射到所述等离子 腔室的内部。

47.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：参考摄谱仪，光学耦合到所述视窗、用于从所述参考光源接收光； 以及校准模块，电耦合到所述参考摄谱仪、用于接收经校准的光谱强度 信息，并且电耦合到所述摄谱仪、用于接收未校准的光谱强度信息， 用于确定将未校准的光谱强度信息转换为经校准的光谱强度信息的校 正系数，并且用于将所述校正系数发送到所述摄谱仪。

48.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：光学耦合系统，耦合在所述第二摄谱仪和所述参考光源之间。

49.如权利要求37所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：累计球光学耦合系统，耦合在所述第二摄谱仪之间；以及所述累计球光学耦合系统耦合在所述参考摄谱仪和所述参考光源 之间。

50.如权利要求48所述的校准系统，其特征在于，其中所述累计 球光学耦合系统进一步包括：第一光学端口，耦合到所述参考光源；以及

第二光学端口，耦合到所述第二摄谱仪和所述参考摄谱仪两者之

51.一种用于故障检验和过程监测的辐射光学监测系统校准系 统，其特征在于，包括：加工腔室，包括：

多个壁，这些壁至少部分地围绕加工体积；

视窗，具有外表面和内表面，所述视窗沿着所述加工腔室的一 个壁布置；以及校准光源，所述校准光源在所述视窗处可见；以及摄谱仪，光学耦合到所述视窗、用于从所述校准光源接收光。

52.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：光腔室，沿着所述加工腔室的一个壁布置，所述光腔室在所述 视窗处是可见的，其中所述校准光源布置在所述光腔室内。

53.如权利要求52所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：光腔室窗口，布置在所述光腔室和所述加工腔室的加工体积之 间、用于将所述校准光源和所述加工体积隔离。

54.如权利要求53所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：窗板，布置在所述光腔室和所述加工腔室的加工体积之间、用 于选择性地覆盖所述光腔室窗口的至少一部分。

55.如权利要求53所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：成像光学器件，布置在所述校准光源和所述光腔室窗口之间、用于 将来自所述校准光源的光图像投射到所述加工腔室的加工体积内。

56.如权利要求55所述的校准系统，其特征在于，其中所述成像 光学器件是凹面反射镜和会聚透镜中的一种。

57.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：定位夹具，布置在所述加工腔室内、用于对准所述光源，所述定位 夹具机械耦合到所述校准光源。

58.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，其中所述校准 光源发射追溯到国家标准和技术协会NIST的多个已知光谱强度。

59.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：参考摄谱仪，光学耦合到所述视窗、用于从所述校准光源接收光， 并且数据耦合到所述摄谱仪、用于将经校准的光谱强度信息提供到所 述摄谱仪。

60.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，进一步包括：参考摄谱仪，光学耦合到所述视窗、用于从所述校准光源接收光； 以及校准模块，电耦合到所述参考摄谱仪、用于接收经校准的光谱强度 信息，并且电耦合到所述摄谱仪、用于接收未校准的光谱强度信息， 用于确定将未校准的光谱强度信息转换为经校准的光谱强度信息的校 正系数，并且用于将所述校正系数发送到所述摄谱仪。

61.如权利要求51所述的校准系统，其特征在于，其中所述加工 腔室包括进一步包括：窗口腔室，由所述视窗、所述加工腔室一个壁的一部分和多通道阵 列限定；

窗口腔室入口，穿过所述加工腔室的一个壁到达窗口腔室；以及所述多通道阵列包括：

主体，具有内表面和外表面，用于借助空气作用将所述窗口腔 室内的窗口腔室压力与所述密封压力隔离；以及预定数量的通道，所述预定数量的通道中的每一个具有内部端 和外部端、具有一定通道直径和所述内部端和外部端之间一定通道长 度的截面形状，所述通道直径、所述通道长度和所述预定数量的通道 中的至少一个与使用跨越所述预定数量的通道的压力差建立跨越所述 预定数量的通道的流速相关。

62.如权利要求42所述的校准系统，其特征在于，其中所述加工 腔室进一步包括：窗口腔室，由所述视窗、所述加工腔室一个壁的一部分和多通道 阵列限定；

窗口腔室入口，穿过所述加工腔室的一个壁到达加工腔室；以及所述多通道阵列包括：

主体，具有内表面和外表面，用于借助空气作用将所述窗口腔 室内的窗口腔室压力与所述密封压力隔离；以及预定数量的通道，所述预定数量的通道中的每一个具有内部端 和外部端、具有一定通道直径和所述内部端和外部端之间一定通道长 度的截面形状，所述通道直径、所述通道长度和所述预定数量的通道 中的至少一个与使用跨越所述预定数量的通道的压力差建立跨越所述 预定数量的通道的流速相关。

说明书

相关申请交叉引用

本发明涉及并且要求2007年5月7日提交的、名称为“Calibration of a Radiometric Optical Monitoring System Used For Fault Detection and Process Monitoring”的共同未决美国临时申请No.60/928377，以及 2008年4月18日提交的、名称为“Calibration of a Radiometric Optical Monitoring System Used For Fault Detection and Process Monitoring”的 共同未决美国临时申请No.61/045585为优先权，这两个申请已转让给 予本发明的受让人。通过引用将上面确定的两个申请整体结合至此。

背景技术

本发明总的来说涉及准确光学发射光谱测量的获取。更特别地， 本发明涉及一种在故障检验和过程监测中使用的光谱装置辐射校准的 系统和方法。
在半导体加工领域，为了从晶片构成集成电路结构，公知的在半 导体晶片上选择性地移除或沉积材料。从半导体晶片移除材料通过使 用某种类型的蚀刻加工完成，例如并且包括反应离子蚀刻、深离子蚀 刻、溅射蚀刻、和等离子蚀刻。在晶片上沉积材料可以包括化学和物 理气相沉积，汽相沉积、电子束物理气相沉积、溅射沉积、脉冲激光 沉积、分子束外延和高速氧沉积。其它移除和沉积处理是已知的。这 样的处理是紧密控制的，并且在密封的加工腔室中完成。因为确切数 量的材料沉积在基底晶片上或者从其上移除，其进展必须连续地并且 准确地监测以精确确定停止时间或特定处理的终点。光学监测腔室处 理是一种非常有用的工具，用于确定进行中的处理的阶段或终点。例 如，通过对腔室中目标发射或反射的预定波长的光进行光谱分析，可 以为特定的已知发射线对腔室的内部进行光学监测。传统的方法包括 光学发射光谱法(OES)、吸收光谱法、反射计法等。典型地，光学传感 器或光学传感源放置在腔室外部并且邻近视口或窗口，具有对待观察 腔室中目标区域有利的点。
光学监测腔室处理存在的一个问题是，在很多的这些处理过程中 难于或者不可能准确测量绝对数值。这根本上是由于光学路径中污染 物的积聚，例如进行光学测量的视窗的污浊。因而，现有技术中已知 的校准处理在大的范围上主要包含对这些未解决问题的考虑。虽然可 以使用宽带校准光源在整个光谱范围内对摄谱仪和其相关摄谱探测器 进行校准，这种准确等级有时被认为是过分的，因为视窗将基本上立 刻开始污浊，从而降低后续光学测量的准确性。由于光学视窗变得污 浊，有时假定其传输在摄谱仪的整个光谱范围上基本是均匀影响的。 从而，可以通过不依赖于处理和诊断算法中的绝对数值在某种程度上 补偿很多窗口污浊的缺点。从而，很多测量过程利用相对数值的比较 而非绝对数值的比较。现有技术强调对与加工气体相关的特定光谱的 测量准确性以及对视窗上污染物影响的测量准确性。
McAndrew等人名称为“Method for calibration of a Spectroscopic Sensor”的美国专利第5835230号公开了一种系统，利用具有至少一个 具有光透射窗口的光端口(或光入口和光出口)的测量单元，光束沿 着测量单元中的内部光路经过透射窗口。该校准系统还具有光腔室， 其包含光源以及探测器，光源用于产生穿过光入口进入单元的光束， 探测器用于测量穿过光出口离开单元的光束。进气口与光腔室相连， 将包含已知浓度气体类型和运载气体的校准气流引入到光腔室。然后 执行校准气流的光谱测量。使用该校准系统，能实现摄谱仪相对于各 种浓度的特定气体类型和运载气体的光谱校准。
Smith等人名称为“Method and Apparatus for Monitoring Plasma Processing Operations”的美国专利第6246473号公开了一种仪器和校 准方案，用于等离子腔室中视窗内和外表面的原地测量。该仪器包含 窗口监测或校准模块，以便确定窗口内表面对等离子加工过程中从加 工腔室发射的光的影响，如果这种影响存在的话。该校准意图致力于 波长漂移、强度漂移或者两者，其与等离子加工上获得的光发射数据 有关。本质上，校准设备具有双光路，一个光路用于对从加工腔室内 侧发射、穿过窗口的光进行光学监测，另一个光路用于获得从校准光 源反射的光，用于评估窗口内表面的状态。校准光源(或多个光源) 位于外部并且投射反射裂开窗口表面的经校准的光，用于对窗口进行 传输比较。通过参考将专利5835230和6246473两者整体结合至此。
在其它不足当中，这些参考文献都没有致力于与沿着整个光路、 从腔室内侧到摄谱传感器的系统的校准相关的问题。而且，现有技术 校准技术极大地依赖于本地基本标准校准光源的使用。

发明内容

本发明关注于一种在故障检验和过程监测中使用的光谱设备辐射 校准系统和方法。首先，基于各种标准选择参考摄谱仪，例如刚性、 稳定性和操作设计因素。在初始校准阶段，将参考摄谱仪的响应校准 到本地基本标准(可追溯到公认标准的稳定的经校准的光源，或者作 为替代，与可追溯到公认标准的未校准光电探测器一起使用的未校准 的稳定光源)。所述参考摄谱仪至少包括，用于将光色散为光谱的色 散元件，用于将来自摄谱仪的光谱光转换为未加工(未校准)光谱强 度数据的光学探测器，以及处理能力(用于将未加工光谱强度数据转 换为经校准的数据的软件和/或固件)。摄谱仪光学路径中的任何气体 通路应当清除氧气或者空气流通以避免在光学路径中积聚臭氧。本地 基本标准校准光源典型地包括灯和电源，可以是任何类型的但是应当 设计用于校准摄谱装置并且具有可以追溯到公认标准(例如由国家标 准和技术协会NIST发布的标准规范)的强度和精确度。而且，标准 校准光源实际上可以是设计用于特定目的的两个或多个单独的标准校 准光源。例如，用于执行强度校准的一个或多个标准光源和用于进行 波长校准的一个或多个标准光源。最佳地，标准校准光源的带宽应当 包含参考摄谱仪的光谱范围。
校准阶段的初始步骤典型地在摄谱仪的制造者处完成，但也可以 在最终用户处完成并且如下进行。由参考摄谱仪响应于接收来自本地 基本标准校准光源的光产生的未加工光谱数据。通过将未加工光谱数 据与对于本地基本标准校准光源的已知光谱数据进行比较，可以对参 考摄谱仪产生一组参考输出校正系数。这些参考输出校正系数与输出 算法相结合，用于将未加工光谱数据转换为与本地基本标准校准光源 的已知强度相匹配的经校准光谱数据。一旦校准，参考摄谱仪将对其 光谱范围内的任意光源产生定量的光谱测量。因而参考摄谱仪起到第 二标准的作用。
接下来，参考摄谱仪的响应用作将一个或多个量产摄谱仪校准到 单独光源的第二标准。参考摄谱仪和量产摄谱仪从量产参考光源接收 光谱辐射并且响应于光而产生单独的输出。最佳地，量产参考光源的 光谱带宽应当类似于量产摄谱仪的光谱范围。这一光源不需要是校准 光源，而且不需要已知光的精确光谱强度，因为这些信息将由参考摄 谱仪准确测量。希望的是，参考和量产摄谱仪同时从量产参考光源接 收光，由此消除对已知强度稳定光源的需要。作为替代，如果量产参 考光源相对稳定，则可以先后地获取参考和量产摄谱仪的输出。来自 量产摄谱仪的未校准输出与参考摄谱仪产生的经校准的输出相比较。 基于该比较，可以为量产摄谱仪产生一组量产输出校正系数，可以与 输出算法一起用于将未加工的输出调整到量产参考光源的已知强度。 一旦校准完成，量产摄谱仪将对其光谱范围内的任何光源产生定量的 光谱测量(类似于参考摄谱仪)。应当注意，完成量产摄谱仪的校准 没有使用标准校准光源。可以通过类似方式校准其它的量产摄谱仪。 通过如此处理，本发明允许不同摄谱仪上产生的光谱的比较，甚至更 重要的，便利于使用不同的、但是经校准的摄谱仪从不同加工腔室获 得的结果的定量比较。
如果需要，应当以预定间隔或者在预定的使用次数之后，对照本 地基本标准检查参考摄谱仪的完整性并且重新校准。也可以检查校准 之间的改变量。如果漂移量在预定等级以上，参考摄谱仪和/或标准校 准光源的稳定性应当受到关注，并且应当对校准系统执行日常保养。
依照本发明的其它实施例，量产摄谱仪和光学耦合系统能作为一 个单元一起进行校准。通过如此处理，可以对由增加光学耦合系统产 生的通过量的任意变化校准摄谱仪的响应。再次，光学路径中的所有 空气通路应当清除氧气或者空气流通以避免在光学路径中积聚臭氧。 如果耦合系统使用光纤，为了校准应当完全相同地安排光纤，因为其 将与量产腔室一起配置。如果在初始校准阶段不知道量产构造，那么 可以记录用于校准的光纤布置并且和校准数据一起发送到制造机构。 通过这种方式，量产操作者能与初始校准阶段完全相同的布置对光纤 和量产腔室进行配置。
由于运输或者光纤对加工腔室的重新配置，仍然可能出现通过量 的轻微变化。因而，依照本发明的再一个示例性实施例，最初作为一 个单元一起校准的量产摄谱仪和光学耦合系统可以进行微调以解决运 输或重新配置的改变。而且，这一微调校准阶段也将解决由耦合到加 工腔室的单元产生的通过量变化。希望的是，校准阶段这个步骤在制 造机构完成，通常由等离子腔室的操作者。在此可以假设，来自初始 校准阶段的任何校准变化在摄谱仪的整个光谱范围上应当是恒定的。 因而，单波长光源(或窄带光源)是充分的。最佳地，如果使用单波 长，应当选择光源使得波长在将执行的过程测量中有用光谱范围的一 部分中。微调校准阶段开始于定位单波长光源使得光必须穿过由摄谱 仪探测的窗口。光源应当位于每个加工腔室完全相同的位置，从而可 以在不同腔室上随意复制校准结果。保证可重复对准的一种机构是通 过使用放置光源的对准/定位夹具。保证可重复结果的另一个机构是在 预定位置产生光腔室，用于在位于加工腔室相对于视窗的壁上永久地 安置光源。光腔室应当具有光腔室窗口以保护光源，并且进一步包含 可以在加工期间关闭的窗板以保护光腔室窗口避免受到等离子和加工 腔室中存在的其它污染物的损害。
作为替代以及依照本发明的再一个示例性实施例，上面讨论的摄 谱仪校准可以整体在制造机构完成。从而，量产摄谱仪经由光学耦合 系统耦合到加工腔室。在此，目的不仅是为了校准量产的摄谱仪，而 且也校准由与摄谱仪相关的光学系统的任意部分产生的任意通过量变 化，包括加工腔室内的部分。校准总的来说如上所述进行，首先将本 地基本标准校准光源放置在加工腔室中等离子光对于腔室视窗最可见 的位置(或者在单独光源腔室中邻近加工腔室)。然后总的来说如上 面所讨论的校准摄谱仪、光学耦合系统和加工腔室。能对耦合到单独 加工腔室的每个摄谱仪重复该过程。作为结果，然后可以将单独的摄 谱仪校准到本地基本标准，但其校准解决了由与摄谱仪相关的光学系 统的任意部分造成的通过量变化，包括加工腔室内的部分。
任选地，可以如上所述校准参考摄谱仪并且参考摄谱仪的响应用 于校准其它摄谱仪。最初，选择参考摄谱仪并且将其耦合到加工腔室， 用于从位于加工腔室内或者在单独光源腔室中邻近加工腔室的本地基 本校准光源接收光。然后参考摄谱仪的输出响应能用作第二标准，用 于在后续校准中使用不同光源校准一个或多个量产摄谱仪。在这部分 校准过程中，量产参考光源取代本地基本标准校准光源。量产摄谱仪 光学耦合到具有参考摄谱仪的腔室。最佳地，量产摄谱仪配置为，其 将用于监测来自腔室的光谱。参考和量产摄谱仪同时从量产光源接收 光。然后可以如上所述将量产摄谱仪的输出校准到参考摄谱仪的响应。 然后参考摄谱仪可以从腔室移除，并且用于如上所述仅使用量产参考 光源校准耦合到其它腔室的其它量产摄谱仪。应当注意将光纤和其它 光学耦合组件仔细地排列为在每个腔室上与参考摄谱仪完全一致的位 置。能对照第二标准、参考摄谱仪的输出周期性地检验量产参考摄谱 仪的完整性，通过将参考单元耦合到加工腔室并且将其输出与加工腔 室对相同光源的输出进行比较。作为替代，与仅依赖于对每个腔室一 次校准到本地基本标准不同，参考摄谱仪可以对每个腔室重新校准到 本地基本标准校准光源。然后，来自参考摄谱仪的对量产参考光源的 经校准的输出响应用于校准耦合到该腔室的量产摄谱仪。
作为替代，参考摄谱仪和量产摄谱仪可以不是同时从量产光源接 收光。在这种情况下，参考摄谱仪首先光学耦合到加工腔室并且从量 产参考光源接收光。为使用该参考摄谱仪的腔室聚集经校准的光谱数 据，并且记录经校准的光谱数据输出。然后将参考摄谱仪从加工腔室 移除。这些测量现在成为第二标准，用于使用量产参考光源校准量产 摄谱仪。将未校准的量产摄谱仪耦合到加工腔室并且从量产参考光源 接收光。然后对其输出进行校准，使用记录来自参考摄谱仪的经校准 的光谱数据输出。然后可以在其它加工腔室上对不同量产摄谱仪重复 该处理。

附图说明

在所附的权利要求中阐述了被认为是本发明特性的新颖特征。然 而，通过参考下面示例性实施例的详细描述以及结合附图，将更好地 理解本发明本身以及其优选使用模式、其它目的和优点，在附图中：
图1是现有技术中已知的摄谱校准系统的图解；
图2A和2B依照本发明示例性实施例的用于辐射光学系统校准的 系统；
图3是依照本发明示例性实施例的校准系统的图解；
图4是依照本发明示例性实施例的校准系统的图解，其中量产摄 谱仪安装到等离子腔室；
图5是依照本发明示例性实施例的校准系统的图解，其中量产摄 谱仪安装到等离子腔室并且包含用于校准的安装有窗板的光腔室；
图6是依照本发明示例性实施例的校准系统的图解，其中量产摄 谱仪安装到等离子腔室并且包含用于将光的实像投射进入等离子腔室 内部的透镜和/或反射镜；
图7是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了将多个量产摄 谱仪的响应校准到可追溯到本地基本校准标准的第二标准的一般过 程；
图8是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了将参考摄谱仪 的响应校准到本地基本校准标准的过程；
图9是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了将量产摄谱仪 的响应校准到可追溯到本地基本标准的第二标准的过程；
图10是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了将量产摄谱仪 的响应和光学耦合系统的通过量校准到可追溯到本地基本标准的第二 标准的过程；
图11是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了当耦合到加工 腔室时将量产摄谱仪的响应和光学耦合系统的通过量校准到可追溯到 本地基本标准的第二标准的过程；
图12是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了当耦合到加工 腔室时对参考摄谱仪的响应和光学耦合系统的通过量进行校准的过 程；以及
图13是流程图，显示了与标准校准标准相关联的漂移。
根据附图以及根据下面的详细描述，本发明的其它特征将是显而 易见的。

具体实施方式

元件标记号的指定
100：现有技术校准系统
102：量产摄谱仪
103：探测器
104：量产光源
200：摄谱仪校准系统
201：摄谱仪校准模块
202：量产摄谱仪
203：光学探测器
204：量产参考光源
205：经校准的摄谱仪输出
206：本地基本标准校准光源
207：未校准的摄谱仪输出
208：累计球
210：参考摄谱仪
213：光学探测器
300：摄谱仪校准系统
301：摄谱仪校准模块
302：量产摄谱仪
303：光学探测器
304：量产参考光源
305：经校准的摄谱仪输出
306：本地基本标准校准光源
307：未校准的摄谱仪输出
308：累计球
310：参考摄谱仪
313：光学探测器
314：收集光纤
316：传输光纤(光学纤维)
400：腔室校准系统
402：量产摄谱仪
403：光学探测器
407：对准夹具
409：腔室参考光源
412：腔室窗口
414：收集光纤
416：传输光纤(光学纤维)
420：加工腔室
422：加工腔室内部
424：晶片支架
500：腔室校准系统
502：量产摄谱仪
503：光学探测器
507：对准夹具
509：腔室参考光源
512：腔室窗口
514：收集光纤
516：传输光纤(光学纤维)
520：加工腔室
522：加工腔室内部
524：晶片支架
540：参考光源腔室
542：光源腔室窗口
544：光源腔室窗口窗板
600：腔室校准系统
602：量产摄谱仪
603：光学探测器
607：对准夹具
609：腔室参考光源
612：腔室窗口
614：收集光纤
616：传输光纤(光学纤维)
620：加工腔室
622：加工腔室内部
624：晶片支架
640：参考光源腔室
642：光源腔室窗口
644：光源腔室窗口窗板
646：光源透镜(反射镜)
648：等离子光拟态
光发射光谱学是一种监测等离子状态的灵敏技术。通常希望尽可 能接近地在等离子环境中再现一组条件，例如在使用等离子环境进行 蚀刻、沉积、或半导体工业中常见的其它目的的工业过程中。有时在 多个加工腔室中产生完全相同的条件是有利的。作为替代，在某些情 况下，将加工腔室返回到特定的先前状态是有益的。光发射光谱学提 供了一种实现途径。等离子的光发射包含来自很多不同原子和分子状 态的成分。这些发射的一致性和相对强度是等离子精确状态的灵敏指 示器。因而，通过在给定时刻对来自等离子腔室的光谱的这些方面进 行监测和记录，至少大致上可以在稍后的时刻对腔室进行调整、甚至 调整不同的腔室，以再现发射光谱的状态、进而等离子的状态。
由于发射光谱灵敏地依赖于等离子的状态，通常发现，某些重要 加工腔室的数值能根据光谱的分析、尤其是根据发射强度进行推断。 因而，光谱也可以作为用于控制等离子的反馈系统的一部分，或者作 为测量某些重要加工参数的工具。
然而，这些设计的实现存在一个伴随着的难点。监测工业等离子 工具中光谱的通常方式是使用光学监测系统，其包括基于光电探测器 阵列的光学分光计和将来自腔室内部等离子的光对准分光计的光学耦 合系统。将光谱记录为一组窄光谱带中的光强度测量序列，通常以特 定的时间间隔重复。困难在于，除了等离子所发射光的性质之外，所 记录的光谱受到其它的因素影响。这些因素包括分光计的波长和强度 校准，以及光学耦合系统的状态。在这些应用中通常采用的分光计并 非必然校准的，从而当暴露于相同输入光源时其响应彼此匹配。另一 个问题是，进入等离子腔室的窗口可能被污染物覆盖，其吸收或散射 未知分量的光。另一个问题是，耦合系统其它部分的效率可能由于设 置过程中不可避免的扰动或变动而改变。为了充分利用用于上述目的 的发射光谱监测的潜能，希望对这些外部的影响进行消除或补偿，从 而在所记录光谱中观察到的任何变化可以归因于腔室中所发生的光发 射的实际变化。
Smith的美国专利第6246473号公开了对这些外部影响进行消除 或者至少进行量化的一种尝试。其中，使用加工腔室外部的光源来校 准分光计、光耦合系统或者两者，以便补偿由于例如窗口污浊所发生 的变化。校准装置具有双光路，一个光路用于进行通过窗口的光学测 量，另一个光路使用反射离开窗口表面的外部校准光源用于评估窗口 内表面的状态。第二光路结束于加工腔室的一个或多个校准光源。这 种方法的一个好处是，至少关于光学视窗的内表面到摄谱仪的通过量， 能将腔室的状态对校准光源进行调整，然后能将未来的状态与初始化 校准测量进行比较。由于视窗污浊产生的传输变化能被识别以及与校 准状态比较，用于在生产过程中调整光学测量。这个方法依赖于外部 校准光源，用于建立通过路径的状态。
所需要的是一种致力于这些外部影响的方法，不仅允许操作者对 来自同一个腔室的光学测量进行比较，而且允许对从不同腔室获得的 测量进行比较。此外，在这些方法中，限制对校准光源的依赖将是有 利的。
依照本发明的一个示例性实施例，稳定光学摄谱仪与稳定光学耦 合系统相结合，对摄谱仪的响应和相关联的光学耦合系统的通过量进 行校准，从而可以随意地复制光学测量。与不同腔之间的变化和待测 的加工变化相比，对于常数输入光等级的输出变化较小，在这种意义 上说摄谱仪应当是稳定的。通过恰当的设计，摄谱仪能设计为稳定的。 这种设计的主要组分是：机械刚性；探测器和电子器件的温度稳定性； 以及避免使用磷光剂以探测紫外光。稳定摄谱仪的一个适当例子是可 以从Texas州Carrollton的Verity Instruments公司获得的SD 1024摄谱 仪。应当了解，半导体工业中进行光学测量通常使用的摄谱仪类型一 般包括至少三个功能分离的组件：将光色散为光谱的光色散组件，将 特定波长的光谱强度转换为强度电子数据的光学探测器，以及将强度 电子数据转换为校准数据的处理能力、软件和/或固件。因而，典型的 摄谱仪将至少包含一个光学端口、光学耦合器或者用于接收光的其它 光学组件、以及一个或多个数据连接、端口或用于发送和接收数据和 可执行程序代码的其它数据传输组件。在下文中，这些组件将共同称 为摄谱仪。还应当理解，术语摄谱仪在某些情形中理解为摄谱仪和探 测器的结合，而在其它情形中认为两者是分离的设备。由于探测器的 准确选择依赖于待记录光的波长，本文使用的术语认为摄谱仪和探测 器是分离的。
更明确地，关于光学耦合系统，应当对两个基本组件进行论述， 关于其对于摄谱仪对外部影响的响应的作用。更重要的组件是加工腔 室的光学视窗。通常需要采用特殊的步骤保持窗口的传输特性，因为 内表面由于腔室中反应气体作用而趋向于被污染或被侵蚀。存在多种 技术致力于这个问题，参见上面对于专利6246473的讨论。然而近来 在Harvey的名称为“Multichannel Array as Window Protection”的美国 专利申请第11/726958号中公开了一种更加可靠的防止视窗污染的方 法，该专利申请转让给了本发明的受让人，并且通过引用将该专利申 请整体结合至此。在其中，多通道阵列设置在视窗和加工腔室内部之 间。在一个实施例中，在视窗和多通道阵列之间形成窗口腔室，其使 用加工气体加压。通道的数量和通道的个体尺寸设计为，使得加工气 体以极低速率流入反应器腔室的内部，由此将任何来自量产腔室的污 染物在其到达视窗前清扫返回量产腔室的内部，而不影响腔室内生产 气体的流动。由于始终没有污染物或反应蚀刻化合物接触视窗，其传 输保持恒定。
在任何对摄谱仪响应的外部影响的讨论中，应当考虑的光学耦合 系统第二组件是将来自视窗的光引导至摄谱仪的机构。视窗和摄谱仪 之间的光路应当是在摄谱仪光谱范围上光学稳定的。最简化的方法是 将分光计直接放置在视窗后面。如果预期的视野与分光计的数值孔径 匹配良好，则这是个可以接受的方法。如果不是，则需要透镜或反射 镜将视野与分光计的接收角相匹配。保证机械刚性也是必要的，以便 使耦合稳定。如果存在短波紫外线(UV)辐射，如果使用透镜，则同 样需要选择透镜或反射镜涂层的材料以防止曝光过度。另一个潜在的 不稳定源是空气路径中氧或臭氧对光的吸收。如果存在波长低于 250nm的光，可能同样需要净化摄谱仪的内部体积以及窗口和摄谱仪 之间的空间，以及/或者使这些空间通风以转移任何产生的臭氧。
通常，在光学监测应用中优选光纤耦合，因为其允许分光计放置 在便利的位置。光纤耦合对稳定耦合系统提出了特殊挑战。首先，光 纤传输在暴露于UV辐射的情况下遭受衰变。如果UV辐射出现在待 监测的光谱中，那么应当细心选择能够抵抗UV辐射的光纤组件。有 多种技术使这些影响最小化(例如来自Massachusetts州East Longmeadow的CeramOptec的Optran UV非曝光石英光纤)，例如参 见Skutnik等在2004年4月的SPIE Conference at Photonics Europe的 SPIE论文#5465-37“Reliability of High NA，UV Non-Solarizing Optical Fibers”，通过引用将其整体结合至此。
处理UV辐射问题的另一个方法是将低于截止点波长的辐射积极 地过滤出去。虽然这潜在地降低了用于过程监测、故障检验、和端点 目的的光谱效用，这将使得光纤传输更加稳定，进而可以呈现有益的 折衷。
光纤使用中的第二个挑战是，光纤传输可能受到光纤位置变化的 影响，无论变化沿着其波长出现在什么位置。光纤或光纤束弯曲半径 的微小变化可能造成通过量发生变化，变化的量在这些应用的背景中 是显著的。因而，如果摄谱仪在校准后移动到新的位置，例如对于制 造机构，应当注意在耦合到加工腔室时仔细再现与校准过程中所使用 的准确空间构造。可能在校准时记录这个特殊的光纤构造，并且将这 个信息转递到设备所使用的位置。然后这一信息可以在目的地机构用 于光纤的重新配置。作为替代，对安装位置的约束可以首先在目的地 点确定并且传递给制造者。然后，制造者能在校准过程中与在目的地 机构完全相同地对光纤进行放置。
另一种选择是将光纤限制在与摄谱仪一起装配的刚性管道中，由 此保证其校准的位置构造得以在远程安装地点复制。依照本发明的再 一个示例性实施例，光纤可以由液态光导替代。液态光导被认为比常 规的玻璃光纤对于微小位置变化具有较低的灵敏度。这种液态光导的 一个例子是，可从德国Deisenhofen的Lumatec Gesellschaft für medizinisch-technischembH获得的Series 250Liquid Light Guide。
最后，需要一种对分光计的响应进行校准的方法。如果使用摄谱 仪和光纤耦合器，两者可以作为一个单位一起校准，由此解决光学耦 合器对校准的外部影响。提供分光计辐射校准的技术是已知的，例如 Larason等在NIST Special Publication 250-41的“Spectroradiometric Detector Measurements”(可以在网址/physics.nist.gov/Divisions/Div844 /facilities/phdet/pdf/sp250-41.pdf获得)中所讨论的，通过引用将其整 体结合至此。
图1是现有技术中已知的摄谱校准系统的图示。通常，这一校准 发生于摄谱仪的制造者，但也可以由最终用户完成。摄谱仪102从辐 射源104接收光谱辐射并且将光色散到光谱。光学探测器103从摄谱 仪102接收光谱并且将光谱光转换为未加工的光谱强度数据(否则称 为未校准的光谱数据)。通过了解辐射源104的强度和波长，可以将 摄谱仪102和光学探测器103校准到这些数值。如这里所使用的，光 学摄谱仪可选择地被称作摄谱仪/探测器，两者分别具有适当的元件标 记号，或者仅仅称作摄谱仪，摄谱仪和探测器一起具有适当的元件标 记号。
通常，现有技术辐射校准所使用的照明源是单波长的，对应其波 长(或者窄带源)具有单个已知的参考强度。在这样的情况下，在摄 谱仪/探测器102/103接收单波长光并且对于该波长产生未加工的光谱 数据。将未加工的光谱数据与对于该波长的已知参考强度数据进行比 较，并且根据强度的比较产生输出校准系数。输出校准系数应用到摄 谱仪测量的所有波长，由此将摄谱仪产生的未加工光谱数据转换为可 以输出的校准后光谱数据。作为替代，辐射源104可以是具有已知光 谱强度的标准宽带照明源。在这种情况下，为摄谱仪/探测器102/103 光谱范围内的每个波长产生各自的参考输出校正系数。
可以预期，至少在最初，本发明依靠本地基本校准标准。根据相 关技术领域中使用的公认术语，术语“基本标准”指的是“一种指定或者 广泛公认为具有最高计量性质、并且其数值可接受而不需参考其它相 同性质标准的标准”(参见NIST网站的定义章节)。如这里所使用的， 术语“本地基本标准”指的是具有起源于公认标准、例如适当的NIST 标准的特性的基本标准，其是本地使用的、通常用于校准。本地基本 标准是给定实验室或研究室可获得的最佳标准。例如本地基本标准校 准光源可以是任何具有起源于公认标准的光谱强度和准确度的稳定光 源，例如起源于适当的NIST标准光源。本地基本标准校准光源易于 从技术光源的销售者和/或制造者获得，例如California州Irvine的 Newport Corporation，然而当前的校准过程不应当如现有技术中常见 地完全依赖于本地基本标准。已知的、恒定输出的光源实现困难并且 昂贵，尤其在包含波长300nm以下紫外光的宽波长范围上。而且，所 有的光源甚至是NIST灯泡都有随工作时间漂移的倾向(例如参见图 13中示例性NIST校准光源的强度漂移)。因而最佳地，校准过程不 应当完全依赖于作为参考源的本地基本标准。
依照本发明的一个示例性实施例，单个摄谱仪系统设计为参考单 元，其它摄谱仪对光源的响应校准为参考摄谱仪的响应。参考摄谱仪 可以通过现有技术中已知的任何适当方式校准。从而，参考摄谱仪起 到第二标准的作用，其可追溯到例如本地基本标准校准光源。因而， 用于校准其它摄谱仪的光源不需要是校准光源并且光的精确光谱强度 不需要是已知的，因为该信息将有参考摄谱仪准确测量。用一个摄谱 仪作为参考摄谱仪保证了多个摄谱系统具有与参考摄谱仪完全相同的 响应，其都可追溯到基本标准。从而，消除了那些摄谱仪对校准光源 的需求。
此外，本发明不需要使用任何特殊用途的摄谱设备来实现本发明。 现有技术中已知的光学摄谱仪适用于这个目的，在上面给出的条件下， 即机械刚性、探测器和电子器件的温度稳定性，并且避免使用磷光剂 探测紫外光。
图7是依照本发明一个示例性实施例的流程图，描述了将大量生 产的摄谱仪校准到第二标准的一般程序，所述第二标准可追溯到本地 基本标准。程序开始于，将参考摄谱仪的响应校准到具有已知光谱强 度的本地基本标准校准光源(步骤702)。如下面将进一步讨论的， 基于多个标准选择一个光学摄谱仪作为参考单元，包括其机械刚性、 温度稳定性等。适当的本地基本标准校准光源实际上可能是两个或多 个校准光源，但每个都应当具有NIST可追溯的准确性和光谱强度。 提供辐射校准摄谱仪到本地基本标准校准光源的技术是熟知的，在不 脱离本发明范围和实质的情况下可以采用任何适当的技术来校准参考 摄谱仪。作为替代，参考摄谱仪可以校准到作为本地基本标准的经校 准的光电探测器，该本地基本标准可追溯到公认的标准(在图中未示 出)。在此，使用例如熟知的替代方法(Substitution Method)来校准 参考摄谱仪。在这种情况下，与经校准的光电探测器一起使用未校准 的稳定光源，将参考摄谱仪对于未校准光源的响应校准到本地基本标 准经校准的光电探测器的响应。在任一种情况下，一旦经过校准，参 考摄谱仪用作可以对任何其它摄谱仪进行校准的第二标准。从而，希 望参考摄谱仪对于其光谱范围内的任何光源可以产生定量的光谱测 量。
参考摄谱仪的响应经过校准后，参考单元产生的测量可以用作第 二标准，当从相同源接收辐射时用于对其它摄谱仪的响应进行校准。 由于上述校准不依赖于本地基本标准校准光源的可用性，在制造过程 中可以使用量产光源来校准摄谱仪。例如，参考摄谱仪从量产光源接 收光，并且作为响应产生经校准的光谱强度信息输出(步骤704)。 然后由参考摄谱仪产生的经校准的强度可以用作参考，使用量产光源 对其它摄谱仪进行校准(步骤706)。通过这种方式校准的摄谱仪将 产生可以与参考摄谱仪相比较的定量的光谱测量。而且，由于取消了 使用本地基本标准校准光源来校准量产摄谱仪；可以不使用本地基本 标准而得到这些结果。然而，本地基本标准校准光源应当是可获得的， 用于周期性地对照本地基本校准来检验参考摄谱仪的校准(步骤 708)。当前的校准程序可以在制造设施或者在最终用户的地点实现。 参考下面讨论的图示和流程图可以理解该一般性发明的更多特殊方 面。
图2A和2B描述了依照本发明一个示例性实施例的辐射光学系统 的校准系统，例如上面紧邻的关于图7中描述的流程图所讨论的方法。 图2A显示了用于校准参考摄谱仪的示例性系统部分，图2B描述了用 于校准多个量产摄谱仪的示例性系统部分，所述的后一个校准使用参 考摄谱仪而不使用本地基本标准校准光源。这里使用术语“量产摄谱 仪”来区分其校准不利用本地基本标准校准光源的摄谱仪，取而代之校 准到参考摄谱仪对更加普通可获得光源的响应。虽然在量产环境下可 以如下描述地校准这些摄谱仪，这一校准技术决不限于量产和制造者 环境。图8和9是依照本发明一个示例性实施例的流程图，描述了使 用参考摄谱仪系统校准辐射光学系统的程序。更明确地依照本发明的 示例性实施例，图8的流程图显示了将参考摄谱仪的响应校准到本地 基本标准校准光源的程序，而图9的流程图显示了将量产摄谱仪的响 应校准到可追溯到本地基本标准的第二参考标准的程序。
下面转向图2A和8，参考摄谱仪/探测器210/213和本地基本标准 校准光源206每个都光学耦合到累计球208上的单独端口。如上面提 到的，选作参考的摄谱仪对于恒定输入光等级应当是稳定的，并且其 输出的变化与不同腔室之间的变化和程序变化应当是微小的(步骤 802)。因此，参考摄谱仪应当具有：1)机械刚性，2)温度稳定的探 测器，以及3)其电子器件应当优选不依赖于进行UV探测的磷光剂。 磷光剂将UV光转换为易于探测的较长波长的光，磷光剂随着长期暴 露于辐射可能改变其转换效率。提供本地基本标准校准光源用于校准 (步骤804)。
来自本地基本标准206的光经过累计球208，由摄谱仪/探测器 210/213接收(步骤806)。如相关技术领域中通常理解的，累计球总 的来说用作光收集器。入射到内表面上任何点的光线平均地分布到所 有其它这样的点，并且这样光的初始方向的影响得以最小化(合适的 累计球可以从Newport Corporation获得)。虽然累计球的使用对于本 发明不是必需的，优选地应当提供某些装置来产生均衡的辐射分布以 填充摄谱仪的入口裂缝。
参考摄谱仪/探测器210/213响应于从本地基本标准校准光源206 接收光，产生未加工的或者未校准的输出(步骤808)。然后将该输 出与对于本地基本标准校准光源206已知的光谱强度相比较(步骤 810)。基于该比较可以为参考摄谱仪/探测器210/213产生一组参考输 出校正系数(步骤812)。这一比较可以在参考摄谱仪/探测器210/213 内部进行，或者可以在摄谱仪校准模块201处执行，该摄谱仪校准模 块201遥控远离参考摄谱仪/探测器210/213。这些参考输出校正系数 和输出算法一起用于将未加工的光谱数据转换为经校准的光谱数据， 该经校准的光谱数据与本地基本标准校准光源的已知强度相匹配。一 旦经校准，对于任意光源、例如非标准光源204，这些系数可以用于 将未加工的光谱数据转换为经校准的光谱强度输出。作为替代，参考 摄谱仪可以使用例如Substitution Method校准，该方法采用可使用的 NIST可追溯探测器。
下面转向图2B和9，本地基本标准校准光源206不用于剩下的校 准程序而保持空闲，可以完全从系统脱离。以如下方式提供量产参考 光源204，光谱强度可以是或者不是已知的(步骤902)。参考摄谱仪 210/213和量产摄谱仪202/203-1从量产参考光源204接收光(步骤 904)，例如经过累计球208。如图2B和3描述的，参考摄谱仪210/213 和量产摄谱仪202/203-1光学耦合到累计球208上的不同端口，以同 时从量产参考光源204接收光。然而优选地，量产摄谱仪202/203-1 随后耦合到与参考摄谱仪210/213相同的端口用于校准，因为来自不 同端口的光可能包含可能使校准恶化的细微差别。在任何一种情况下， 参考摄谱仪210/213产生经校准的光谱数据输出；从而，根据经校准 的参考摄谱仪/探测器210/213输出，由量产参考光源204产生的绝对 光谱强度是已知的(步骤906)。实质上，由参考摄谱仪210/213产生 的经校准的输出成为事实上的校准标准，用于对其它摄谱仪的输出进 行校准，所述其它摄谱仪从同一个源、例如量产参考光源204接收光。
量产摄谱仪202/203-1产生未加工的或者未校准的输出(步骤 908)，并且该未校准的输出与作为参考摄谱仪210/213产生的经校准 输出接收的对于量产参考光源204的“已知”光谱强度相比较(步骤 910)。当量产摄谱仪202/203-1和参考摄谱仪210/213同时检视同一 个源时，通过对两者输出的比较，消除了对已知强度稳定光源的需求。 然后基于该比较可以对量产摄谱仪202/203-1产生一组参考输出校正 系数。如上面提到的，这些参考输出校正系数将来自量产摄谱仪 202/203-1的未加工光谱数据转换为经校准的光谱数据，后者与参考摄 谱仪210/213产生的量产参考光源已知强度相匹配(步骤912)。当前 的校准程序可能对量产摄谱仪202/203-1到202/203-N进行重复。当前 的校准程序可以由任何参考摄谱仪210/213或量产摄谱仪202/203-1本 地调用，或者由摄谱校准模块201远程调用。应当承认，即使已经基 于先前提到的稳定性需求仔细挑选了参考摄谱仪，应当参照本地基本 标准定期地检查参考单元的完整性。
如果量产摄谱仪202/203-1和参考摄谱仪210/213使用光纤耦合到 光源，那么两个源同时检视同一个源的条件没有实现，因为各个光纤 地传输性质一般来说是不同的。光纤束传输中的微小差异是单独的最 大扰动，其限制了可以获得的精度，即使光纤束是新的并且制造为完 全一致。然而，在短时期内任意两个光纤束之间的差异基本上是恒定 的。因此，通过进行两次测量并且在测量之间交换光纤束，可以移除 其扰动影响获得良好的近似。测量M1和M2是信号Sprod和Sref的比例 的测量，受到两个光纤束的传输T1和T2的扰动：
M1＝(T1Sprod)/(T2Sref)(1)
M2＝(T2Sprod)/(T1Sref)(2)
对量产摄谱仪的校正后测量等于数量如果两个摄谱仪直 接检视源而没有之间的光纤那么在单次测量中应当已经测量了这个数 量。
依照本发明的另一个示例性实施例，摄谱仪和相关的耦合光纤的 校准可以分阶段执行，以便考虑由于运输或者其它光学组件的附加而 产生的光学通过量的变化。首次并且是最困难的部分在摄谱仪制造者 的地点执行。在图3和10中对这个程序进行了图形描述；图3是依照 本发明一个示例性实施例的校准系统的图解，图10是流程图，描述了 将量产摄谱仪的响应和光学耦合系统的通过量校准到可追溯到本地基 本标准的第二标准的过程。在此，将量产摄谱仪302/303与光纤316 和收集光纤314进行匹配(步骤1002)。如果使用光纤，则应当将光 纤与用于加工腔室完全一致地进行排列。光纤或光纤束的弯曲半径的 轻微变化可能造成通过量发生显著的量变。如果该信息不可获知，能 记录光纤在校准过程中的布置并且将其传递给制造机构。或者，可以 将光纤限制为刚性管道。
然后使用光纤316和收集光纤314来校准量产摄谱仪302/303，如 上面关于图10中描述的流程图所示程序描述的(步骤1004)。实质 上，收集光纤314例如通过累计球308光学耦合到未校准的光源，例 如光源304，其产生具有或者不具有任意已知光谱强度的光。该光在 量产摄谱仪302/303和参考摄谱仪310/313接收。量产摄谱仪302/303 产生未校准的输出307，参考摄谱仪310/313产生经校准的摄谱数据输 出305。这里再次，经校准的摄谱数据输出305提供用于校准量产摄 谱仪302/303的次级参考。未校准的输出307与经校准的输出305进 行比较，根据比较的结果校准量产摄谱仪302/303的输出。通过如此， 校准了量产摄谱仪302/303和相连光学耦合系统的组合系统的响应。 然后量产摄谱仪302/303与其光纤316和收集光纤314一起耦合到量 产腔室(步骤1006)。最佳地，光纤316在校准期间应当在加工腔室 准确配置，以便减轻光纤位置变化对光纤传输的影响。作为替代，光 纤可以由液态光导或其它不受位置变化影响的柔性光导取代。对于某 些应用，仅对耦合到其光学收集系统的量产摄谱仪302/303进行校准， 如上面紧邻部分所描述的，这样可以提供在等离子环境中再现一组条 件和/或在多个加工腔室中产生完全一致的条件所需的准确性。然而， 其没有考虑由于等离子腔室而对光学传输的任何影响。因而，更加彻 底的摄谱仪校准包含在加工腔室处执行的二次校准进程。
一旦将量产摄谱仪校准到参考摄谱仪，量产摄谱仪耦合到等离子 腔室，如图4中所示。在此，量产摄谱仪402/403光学耦合到光纤416 和光耦合器414，后者耦合到腔室420的视窗412。接下来，对量产摄 谱仪402/403和光学耦合系统、例如光纤416和光耦合器414执行最 后的“微调”校准进程。如果光纤416无法安排在加工腔室中与初始校 准进程期间的结构完全一致的位置，则尤其需要微调进程。使用单波 长(或者至少为窄波长段，虽然也可以使用宽带光源完成微调)稳定 光源409就地完成微调校准进程，这是易于以低成本以及便携方式获 得的。光源409位于腔室420的内部422，其在腔室中的位置是等离 子光对于视窗412最可见的。完全一致的位置应当用于所有相似腔室 中光源的放置。可以使用对准夹具407来使光源409的位置最恰当， 以及用于在其它加工腔室中复制该位置。
作为替代，如图5所示以及依照本发明的另一个示例性实施例， 参考光源腔室540可以沿着加工腔室520的内部布置。最佳地，光源 腔室540可以位于加工腔室520与视窗512相对的壁并且沿着等离子 对于视窗最可见的光学路径上。在此，光源509和光学对准夹具507 由窗口542保护避免接触等离子，窗口542自身由可移动的窗板544 覆盖。窗板544开启以进行校准，当等离子打开时关闭以便保护窗口 542。
依照本发明的再一个示例性实施例，如图6所示，光源609布置 在参考光源腔室640内以及在窗口642、可移动窗板644之后，并且 在光学组件646之后，用于在腔室620内部622中的预定位置产生等 离子光拟态648。预期的是，投射的等离子光拟态648的最佳位置与 腔室中等离子的位置完全一致，或者位于定位实体光源的最佳位置， 即在等离子对于视窗612最可见的路径上(如上面关于图5所描述的)。 光学组件646可以是凹面反射镜和汇聚透镜中的一种。使用光学系统 646，可以比仅使用窗口642(如上面紧邻部分关于图5所讨论的)传 输更多的光通过腔室620并且进入摄谱仪602/03。最佳地，内部622 中照明图案的形状模拟由等离子所产生的光(如图所暗示的)。依照 本发明的另一个示例性实施例，光学系统646可以在等离子对于视窗 612最可见路径中放置实体光源的位置产生光源609的实像。在任何 一种情况下，成像和非成像光学系统可以如这里描述的进行修改。
图11是依照本发明示例性实施例的流程图，描述了对量产摄谱仪 和耦合到加工腔室的光学耦合系统进行微调校准进程的过程。将参考 图4描述该过程，然而图4-6中描述的任何系统构造可以等效地与微 调校准进程工作良好。微调校准进程开始于将量产摄谱仪402/403、光 纤416和光耦合器414光学耦合到腔室420的视窗412(步骤1102)。 接下来，具有已知强度的窄带光源409位于腔室420内部422预定位 置(步骤1104)。然后来自窄带光源409的光由量产摄谱仪402/403 接收(步骤1106)，后者产生输出(步骤1108)。回想到，量产摄谱 仪402/403的响应先前已经校准到参考摄谱仪的输出，因而其输出至 少是部分校准的。此外，量产摄谱仪402/403没有校准到加工腔室420 (包含视窗412)的光学通过量。量产摄谱仪402/403校准的如何可以 通过将其输出与对于窄带光源409的已知光谱强度进行比较来显现 (步骤1110)。如果比较让人满意的，则不需要进一步的校准并且过 程结束。另一方面，如果比较指出需要微调校准，那么由量产摄谱仪 402/403对于窄带光源409的相关光谱产生的输出设定为窄带光源409 的已知光谱强度(步骤1112)。这可以通过在量产摄谱仪402/403的 整个光谱范围上进行独立于波长的强度调整来完成。
依照本发明的再一个示例性实施例，参考摄谱仪和其光学耦合系 统的通过量可以与加工腔室一起校准。期望的是，这一操作可以完全 在制造设施处完成。图12是依照本发明示例性实施例的流程图，描述 了对参考摄谱仪的响应、光学耦合系统和加工腔室的通过量进行校准 的方法。最初，如关于图4-6中任何一个所描述的，参考摄谱仪与其 光学耦合系统一起耦合到量产腔室(步骤1202)。接下来，本地基本 标准在量产腔室内对准(步骤1204)。本地基本标准可以放置在等离 子腔室体积内，如图4所描述的；在光腔室内，在参考分光计视野的 接收角视场内，如图5所描述的；或者投射为来自光腔室的实像，如 图6所描述的。然后参考摄谱仪校准到本地基本标准，如上面关于图 8所描述的流程图所示的方法讨论的。就是说，光由光源投射而在参 考摄谱仪处接收，后者产生输出。然后该输出与对于本地基本标准的 已知光谱强度进行比较，并且为参考摄谱仪产生一组输出校正系数， 其将未加工的强度输出转换为对于本地基本标准的已知光谱强度。必 然地，参考摄谱仪和从腔室到摄谱仪的通过量都校准到本地基本标准 校准光源。
此时，可以开始使用参考摄谱仪在量产环境中进行光学测量。可 以使用本地基本标准校准光源周期性地检验摄谱仪的完整性，通过将 本地基本标准再次定位在等离子腔室体积内，如图4所描述的，通过 开启光腔室的窗板以便将来自本地基本标准的光投射进入量产腔室的 体积，如图5所描述的，或者通过在量产腔室中投射来自光腔室中本 地基本标准校准光源的实像，如图6中所描述的。由于在设施中耦合 到加工腔室的每一个摄谱仪需要校准到本地基本标准，前面提到的参 考摄谱仪优点可能是没有实现的。
因而，依照本发明的再一个示例性实施例，参考摄谱仪的输出用 作第二校准以对同样耦合到加工腔室的第二摄谱仪进行校准。通过这 样处理，第二摄谱仪、腔室、以及从腔室到摄谱仪的通过量全部校准 到可追溯到本地基本标准的第二标准，而不使用本地基本标准校准光 源用于其校准。
下面返回到图12，通过使用量产参考光源代替本地基本标准校准 光源并且如图4-6中任何一个所示进行配置(步骤1208)，能实现一 种校准方法。量产参考光源的强度可以是已知或未知的。接下来，响 应于量产参考光源发射的光，由参考摄谱仪产生经校准的输出(步骤 1210)。然后量产摄谱仪耦合到加工腔室(步骤1212)(未在图中明 确显示)，并且响应于量产参考光源发射的光，由量产摄谱仪产生未 校准的输出。然后可以使用参考摄谱仪对量产参考光源的响应对量产 摄谱仪进行校准(步骤1214)。
最佳地，参考摄谱仪以这样的方式与量产摄谱仪同时耦合到加工 腔室，以便利用通过腔室和腔室窗口的共同光路，由此使得两个摄谱 仪都能够同时从量产参考光源摄谱仪接收校准光。通过如此处理，通 过将量产摄谱仪的输出与来自参考摄谱仪的经校准的输出进行比较， 使用量产参考光源周期性地验证了量产摄谱仪校准的完整性。
希望的是，上面紧邻部分描述的使用单参考摄谱仪的校准过程能 够在设施处对每个加工腔室执行。任选地，如果从随后腔室获得的经 校准输出的变化与待测的过程变化相比较小，则对于随后的腔室可以 省略最初的参考校准(步骤1204和1206)。
使用上面讨论的校准技术，从任何量产摄谱仪获得的任何经校准 的光谱数据可以与从另一个加工腔室上任何其它量产摄谱仪获得的经 校准的光谱数据进行比较。此外，因为通过参考摄谱仪将光谱数据校 准到了光谱标准规范，可以再现来自腔室发射光谱的任意先前状态。 作为替代，能在当前腔室中再现来自另一个腔室的发射光谱状态。除 了允许仪器之间的和基于时间的比较之外，任何经校准的参考摄谱仪 能实体重新定位到另一个加工腔室而无需再次校准摄谱仪(然而，通 过将从量产摄谱仪获得的经校准的光谱数据与由参考摄谱仪获得的经 校准的光谱数据进行比较，可以验证对于摄谱仪的参考输出校正系 数)。
下面描述的示例性实施例选择并描述用于最好地解释本发明和实 际应用的原理，并且用于使其他本领域技术人员能够理解本发明伴随 各种修改的各种实施例适用于预期的特定应用。下面描述的特定实施 例没有任何意图限制本发明的范围，在不脱离本发明的范围和目的的 情况下可以实现为多种变化和情形。因而，本发明没有意图限制到所 示的实施例，而是赋予这里描述的原理和特征相一致的最宽范围。
图中的流程图和方框图阐明了依照本发明各种实施例的系统、方 法、以及计算机程序产品的结构、功能性、以及可能执行的操作。在 这点上，流程图或方框图中的每一个方框可以代表一个模块、片段、 或者部分代码，其包括一条或多条可执行指令用于实现特定的逻辑功 能。还应当注意的是，在某些替代实施方式中，方框中记载的功能可 以以不同于图中记载的顺序发生。例如，接连显示的两个方框实际上 可以充分同时的执行，或者有时可以以相反的顺序执行方框，取决于 所包含的功能。还应当注意的是，方框图和/或流程图示例的每个方框、 以及方框图和/或流程图示例中方框的组合可以由执行特定功能或行 为的特殊用途基于硬件的系统实现，或者由特殊用途的硬件和计算机 指令地组合实现。
这里使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制 本发明。如这里所使用的，单数形式“a”、“an”和“the”意图同样地包含 复数形式，除非上下文明确地指示其它情况。还应当理解，本说明书 中使用的术语“包含”和/或“包括”指定了所陈述的特征、整体、步骤、 操作、元件、和/或组件的存在，而不排除存在或者增加一个或多个其 它的特征、整体、步骤、操作、元件、组件、和/或其组合。