基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法转让专利
申请号 : CN201010186282.0
文献号 : CN101958232B
文献日 : 2012-03-21
发明人 : 王巍 , 李博 , 罗元 , 李垒 , 徐华 , 贾培发
申请人 : 重庆邮电大学
摘要 :
本发明提出了一种基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，在等离子体刻蚀机的反应腔室外壁开一个窗口，安装内反射晶体，在窗口的一端安装ATR-FTIR光谱探针，另一端安装红外探测器，使傅里叶变换红外光谱探针发射的光线在内反射晶体内多次反射后，从内反射晶体另一端射出，聚焦到红外探测器，所述碲镉汞探测器与图谱处理系统连接；定期或实时取得等离子体刻蚀机反应腔室内壁的傅里叶变换红外光谱图谱，用于测量所附着的聚合物的组分，通过与标准傅里叶变换红外光谱图谱进行比较，确定是否需要对反应腔室进行清洗，如是，则对等离子体刻蚀机反应腔室进行清洗。
权利要求 :
1.基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)安装傅里叶变换红外光谱探针系统：在等离子体刻蚀机的反应腔室外壁开一个窗口，窗口材料采用透明的内反射晶体，在窗口的一端安装衰减全反射傅里叶变换红外光谱探针，另一端安装红外探测器，使傅里叶变换红外光谱探针发射的光线在内反射晶体内多次反射后，从内反射晶体另一端射出，聚焦到红外探测器，所红外探测器与图谱处理系统连接；
2)利用傅里叶变换红外光谱探针系统对处于最佳工作状态的等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的聚合物薄膜层组分进行测量，获得标准的傅里叶变换红外光谱图谱；
3)利用傅里叶变换红外光谱探针系统对等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的聚合物薄膜层组分进行测量，得到相应的傅里叶变换红外光谱图谱，通过与标准傅里叶变换红外光谱图谱进行比较，确定是否需要对反应腔室进行清洗，以及聚合物薄膜层的组分，如是，则执行步骤4)；
4)对等离子体刻蚀机反应腔室进行清洗；
5)当等离子体刻蚀机经过清洗后，再执行步骤3)。
2.如权利要求1所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：傅里叶变换红外光谱探针的谱线入射方向与内反射晶体成90度，与腔室内壁表面的法线成θ度，0°＜θ＜90°。
3.如权利要求1所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：步骤3)中，当获得的傅里叶变换红外光谱图谱与标准傅里叶变换红外光谱图谱相比，若聚合物薄膜层沉积造成的特征峰大于阈值，则说明反应腔室需要进行清洗，并根据特征峰的位置确定沉积的聚合物薄膜层的组分。
4.如权利要求1所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：步骤4)中，当内反射晶体表面被覆盖的聚合物薄膜层组分是以α-Si:H键为主时，采用O2等离子体进行腔室内壁的清洗。
5.如权利要求1所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：步骤4)中当内反射晶体表面被覆盖的聚合物薄膜层的组成为SiO2/α-Si:H时，采用SF6等离子体对反应腔室内壁进行清洗。
6.如权利要求1所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：所述红外探测器为碲镉汞红外线探测器。
7.如权利要求1至6中任一项所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：所述步骤3)实时运行，对等离子体刻蚀机内部状态进行实时监控。
8.如权利要求1至6中任一项所述的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，其特征在于：所述步骤3)定期运行，对等离子体刻蚀机内部状态进行定期维护。
说明书 :
基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法
技术领域
[0001] 本发明涉及等离子体刻蚀机内部状态的监测、维护方法。
背景技术
[0002] 大面积高密度等离子体刻蚀机，如ICP(电感耦合等离子体)和TCP(变压器耦合等离子体)等离子体等目前已被运用于深亚微米超大规模集成电路的图形形成工艺。为了得到最佳的产品良率和器件性能，就必须使得刻蚀机始终处于稳定的最佳工艺窗口。而最佳工艺窗口取决于许多参数：如等离子体密度，电子温度，自由基密度，气体流量及晶片温度等。由于这些参数经常发生漂移，因此需要对设备硬件参数以及工艺参数进行控制，以寻求最佳的工艺条件。随着器件几何尺寸持续缩小，对工艺过程的控制提出了更为严格的要求。使得对工艺过程进行鲁棒性表征、可靠性预测以及这些因素对最终产品的影响的控制等成为一种基本的技术。并且反应腔室在经过一段时间运行后，其内部的状态会发生改变，从而导致工作点的漂移。因此需要对设备运行状态进行实时监视，尽量延长刻蚀机的MTBF(mean time between failure，平均无故障时间)时间，减少刻蚀机的MTTR(mean time to repaire，平均修复时间)时间，进而保证刻蚀机能够长时间稳定可靠运行，提高设备的运行效率。
[0003] 高密度等离子体刻蚀机是利用反应腔室上部的射频源来产生高密度等离子体的密度，利用下部的射频源来控制等离子体中粒子对晶片的轰击能量，以达到各项异性刻蚀的目的。由于工艺窗口的变化会对元件的性能造成很严重的影响。而工艺窗口的漂移则与反应腔室内壁所附着的聚合物的状态有很密切的联系，刻蚀工艺历史及反应腔室内的刻蚀污染物均会对刻蚀速率造成影响，因而反应腔室内壁聚合物状态直接影响到工艺窗口。所以要定期对刻蚀机进行预防维护工艺(PM)后，对等离子体参数进行测量分析，以确定能恢复到最佳工艺状态。最简单的方法是定期打开反应腔室，采用人工目测来确定何时进行反应腔室的清洗，如申请号为200680041101.7中国专利所公开的等离子体诊断设备及方法，以及申请号为200410054223.2的中国专利所公开的等离子体刻蚀机台在预防维护工艺后的监控方法。而目前通常所采用的方法是观察等离子体所发射出来的特征OES光谱的强度的变化，如果反应腔室内壁沉积的聚合物过厚过多，就会导致OES光谱上有较为明显的特征峰出现，且峰的强度有较大的变化，OES是检测等离子体中各种离子的浓度，其中包括反应物离子的浓度，反应产物离子的浓度，以及中间过程产物的浓度，通过观察在等离子体中某个离子浓度变化与OES光谱强度变化间的关系，来间接判断反应腔室内壁沉积的聚合物对等离子体的影响大小，由于聚合物所产生的等离子体的浓度很低，且等离子体与反应腔室内壁间的化学作用非常复杂。当可观察到其对应的OES特征峰时，聚合物的厚度已经超过了工艺窗口所能容忍的值，因而这种检测方法过于粗糙，不能实时检测等离子体与反应腔室内壁之间的相互作用。这两种方法都不能及时、准确地判断设备是否需要进行维护，因而就不能有效提高等离子体刻蚀机的设备利用效率。
发明内容
[0004] 有鉴于此，为了解决上述问题，为此，本发明提出了一种基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，能及时、准确地在等离子体刻蚀机需要维护时进行维护，提高等离子体刻蚀机的设备利用效率。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法，包括如下步骤：
[0006] 1)安装傅里叶变换红外光谱探针系统：在等离子体刻蚀机的反应腔室外壁开一个窗口，窗口材料采用透明的内反射晶体，在窗口的一端安装衰减全反射傅里叶变换红外光谱探针，另一端安装红外探测器，使傅里叶变换红外光谱探针发射的光线在内反射晶体内多次反射后，从内反射晶体另一端射出，聚焦到碲镉汞探测器，所述碲镉汞探测器与图谱处理系统连接；
[0007] 2)利用傅里叶变换红外光谱探针系统对处于最佳工作状态的等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的薄膜组分进行测量，获得标准的傅里叶变换红外光谱图谱；
[0008] 3)利用傅里叶变换红外光谱探针系统对等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的薄膜组分进行测量，得到相应的傅里叶变换红外光谱图谱，通过与标准傅里叶变换红外光谱图谱进行比较，确定是否需要对反应腔室进行清洗，以及所附着的聚合物的组分，如是，则执行步骤4)；
[0009] 4)对等离子体刻蚀机反应腔室进行清洗；
[0010] 5)当等离子体刻蚀机经过清洗后，再执行步骤3)。
[0011] 进一步，傅里叶变换红外光谱探针的谱线入射方向与内反射晶体成90度，与腔室内壁表面的法线成θ度，0°＜θ＜90°；
[0012] 进一步，步骤3)中，当获得的傅里叶变换红外光谱图谱与标准傅里叶变换红外光谱图谱相比，若聚合物沉积造成的特征峰大于阈值，，则说明反应腔室需要进行清洗，并根据特征峰的位置确定沉积的聚合物的组分；
[0013] 进一步，步骤4)中，当内反射晶体表面被覆盖的薄膜组分是以α-Si:H键为主时，采用O2等离子体进行腔室内壁的清洗；
[0014] 进一步，步骤4)中当内反射晶体表面被覆盖的聚合物薄膜层的组成为SiO2/α-Si:H时，采用SF6等离子体对反应腔室内壁进行清洗；
[0015] 进一步，所述傅里叶变换红外光谱探针为衰减全反射傅里叶变换红外光谱探针；
[0016] 进一步，所述红外线探测器为碲镉汞红外线探测器；
[0017] 进一步，所述步骤3)实时运行，对等离子体刻蚀机内部状态进行实时监控；
[0018] 进一步，所述步骤3)定期运行，对等离子体刻蚀机内部状态进行定期维护。
[0019] 本发明通过获取工作中的等离子体刻蚀机内壁反应腔室内壁上的固态薄膜或吸附物的傅里叶变换红外光谱，与其最佳工作状态下的傅里叶变换红外光谱进行比较，分析固态薄膜或吸附物中化学键的特征振动吸收峰来确定固态物质的化学成分，以判断是否需要等离子体刻蚀机反应腔室内壁进行清洗，能及时、准确地在等离子体刻蚀机需要维护时进行维护，提高等离子体刻蚀机的设备利用效率，利用谱线在薄膜与IRC晶体界面处的多次反射，可增强谱线的强度。
[0020] 本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
[0022] 图1示出了本发明的ATR-FTIR检测装置示意图；
[0023] 图2示出了采用O2等离子体对刻蚀机腔室清洗过后得到的FTIR特征光谱；
[0024] 图3示出了采用SF6等离子体对刻蚀机腔室清洗过后得到的FTIR特征光谱；
[0025] 图4示出了清洗前后组分的FTIR图谱变化；
[0026] 图5示出了采用有无沉淀的FTIR图谱对比土；
[0027] 图6示出了本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
[0028] 以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0029] 下面结合附图，本发明的基于FTIR光谱监测的等离子体刻蚀机内部状态维护方法包括如下步骤：
[0030] 1)安装傅里叶变换红外光谱探针系统：参见图1，在等离子体刻蚀机的反应腔室外壁开一个窗口，窗口材料采用透明的IRC内反射晶体，在窗口的一端安装ATR-FTIR衰减全反射傅里叶变换红外光谱探针，另一端安装红外探测器，优选碲镉汞探测器，光线从透明的IRC晶体(内反射晶体)入射后，会在上部的IRC晶体与反应腔室内壁薄膜的界面处以及IRC晶体的下表面处来回发生多次全反射，最终从IRC晶体的另一端射出，被MCT(碲镉汞)探测器接收后经过处理得到FTIR(傅里叶变换红外光谱)图谱，所述碲镉汞探测器与图谱处理系统连接；IRC晶体可以选择KBr或是ZnS晶体。FTIR(傅里叶变换红外光谱)可通过检测固态薄膜或者吸附物中中化学键的特征振动吸收峰来确定固态物质的化学成分，因此非常适合于检测沉积在腔室内壁上的薄膜或吸附物，ATR-FTIR(衰减全反射傅里叶变换红外光谱)则是利用谱线在薄膜与IRC晶体界面处的多次反射以增强谱线的强度。
[0031] 2)利用傅里叶变换红外光谱探针系统对处于最佳工作状态的等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的薄膜组分进行测量，获得标准的傅里叶变换红外光谱图谱；
[0032] 3)定期或实时利用傅里叶变换红外光谱探针系统对等离子体刻蚀机的反应腔室内壁的薄膜组分进行测量，得到相应的傅里叶变换红外光谱图谱，通过与标准傅里叶变换红外光谱图谱进行比较，确定是否需要对反应腔室进行清洗，以及所附着的聚合物的组分，如是，则执行步骤4)；
[0033] 4)对等离子体刻蚀机反应腔室进行清洗；
[0034] 5)当等离子体刻蚀机经过清洗后，再执行步骤3)。
[0035] 运用ATR-FTIR光谱探针对反应腔室内壁进行测量。当IRC晶体表面被覆盖的聚合物薄膜层的组分是以α-Si:H键为主时，如图2所示，则可采用O2等离子体进行腔室内壁的清洗，在清洗前后分别测量后得到不同阶段的FTIR图谱。随着刻蚀时间的增加，α-Si:H-1 -1 -1中的H原子逐渐被O原子所替换，因而处于1700cm ，2100cm 和2800-3000cm 波数处的C＝O，Si-H，C-H键的伸缩振动的吸收峰强度降低，而Si-O-Si键的吸收峰强度显著增加。
[0036] 当聚合物的组成为SiO2/α-Si:H时，可采用SF6等离子体对反应腔室内壁进行清洗，相关的FTIR图谱如图3所示，随着清洗时间的增加，Si-O-Si键和Si-H健的吸收峰强度降低。表明这些附着物与F离子发生了化学反应，最终生成了气相生成物被抽出反应腔室。
[0037] 从上面可以看出，对于沉积有组分不同的聚合物的刻蚀机反应腔室内壁，需要采用不同的清洗气体进行干法清洗，清洗过程中所得到的FTIR图谱的变化有所不同，根据清洗过后的图谱与刻蚀机处于最佳工作状态时的FTIR图谱的比较，就可以判断刻蚀机是否清洗干净。反应腔室内壁聚合物在清洗前后组分的FTIR图谱变化(侧壁A和侧壁B)如图-1 -14所示，可以重点观察Si-O键的伸缩振动峰(1100cm )，Si-O键的弯曲振动峰(810cm )以-1
及Si-O键的面内摇摆振动峰(450cm )强度的变化。Redep effect图谱定义为侧壁A和侧壁B图谱强度之差。如果假定侧壁B的状态(清洗完成后的状态，或是刻蚀机可以正常稳定工作的状态)为参考状态，而侧壁A的状态则是刻蚀机在运行一段时间之后，侧壁形成了刻蚀副产物附着形成的薄膜层所对应的FTIR图谱。在设定好需要进行清洗的Redep effect图谱中各个峰的强度之后，便可以很方便地判断何时对反应腔室进行清洗及其他的预防维护，以保证刻蚀机可以工作在最佳的工艺窗口，如用O2/Cl2刻蚀Si时，会形成SiClxOy聚合物，这些聚合物会与SiO2混合在一起形成坚固的很难清除的膜，这些薄膜可采用SF6等离子体进行清洗。由图5可知，当没有聚合物沉积在反应腔室内壁的时候，ATR-FTIR图谱上基本上检测不到任何的特征峰，如图中虚线所示的图谱；当有一定的聚合物沉积的时候，就可检-1 -1
测到明显的特征峰，如SiClxOy在700-800cm 处的特征振动峰，在900-1000cm 处的Si-F-1
吸收峰和1100cm 处的SiO2吸收峰。当这些吸收峰的强度达到一定的程度，例如可以设定当SiClxOy特征振动峰强度高于0.02时，就启动清洗工艺。而当这些与聚合物相关的吸收峰强度下降到观察不到时，即可停止清洗工艺过程。判断刻蚀机是否需要进行清洗的流程如图6所示。
及Si-O键的面内摇摆振动峰(450cm )强度的变化。Redep effect图谱定义为侧壁A和侧壁B图谱强度之差。如果假定侧壁B的状态(清洗完成后的状态，或是刻蚀机可以正常稳定工作的状态)为参考状态，而侧壁A的状态则是刻蚀机在运行一段时间之后，侧壁形成了刻蚀副产物附着形成的薄膜层所对应的FTIR图谱。在设定好需要进行清洗的Redep effect图谱中各个峰的强度之后，便可以很方便地判断何时对反应腔室进行清洗及其他的预防维护，以保证刻蚀机可以工作在最佳的工艺窗口，如用O2/Cl2刻蚀Si时，会形成SiClxOy聚合物，这些聚合物会与SiO2混合在一起形成坚固的很难清除的膜，这些薄膜可采用SF6等离子体进行清洗。由图5可知，当没有聚合物沉积在反应腔室内壁的时候，ATR-FTIR图谱上基本上检测不到任何的特征峰，如图中虚线所示的图谱；当有一定的聚合物沉积的时候，就可检-1 -1
测到明显的特征峰，如SiClxOy在700-800cm 处的特征振动峰，在900-1000cm 处的Si-F-1
吸收峰和1100cm 处的SiO2吸收峰。当这些吸收峰的强度达到一定的程度，例如可以设定当SiClxOy特征振动峰强度高于0.02时，就启动清洗工艺。而当这些与聚合物相关的吸收峰强度下降到观察不到时，即可停止清洗工艺过程。判断刻蚀机是否需要进行清洗的流程如图6所示。
[0038] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。