使用等离子体诱导微波振荡器频率变化的电子密度测量和控制系统

摘要

一种用于测量等离子体密度和电子密度中的至少一种(例如在10

说明书

与相关申请的相互参照

本发明涉及名称为“使用锁定到包含等离子体的开式谐振腔的微波振荡器的电子密度测量和等离子体处理控制系统”，代理卷号2312-0709-2YAPROV的共同未决申请，和“使用包含等离子体的开式谐振腔共振频率变化的电子密度和等离子体处理控制系统”，代理卷号2312-0710-2YA的共同未决申请，这两个申请已经在此同时申请了。在此这两个申请整个地作为参考。

发明背景

发明领域

本发明提供一种方法和系统，用于在诸如半导体加工系统中使用的等离子体处理系统中测量电子密度。

背景描述

对于确定等离子体电子密度来说至少由三种已知的基于微波的技术：(1)微波干涉量度法，(2)反射和吸收的测量，(3)谐振腔共振频率的干扰。在下面以简单的术语描述每个概念。

微波干涉量度法涉及确定两个微波束之间的相差。第一束微波提供参照信号，第二束穿过反应环境并相对于第一束微波经历相移。从测量到的这两束之间的相差的变化计算折射率。干涉量度技术已经由Urbana的Illinois大学的L.Goldstein教授的文件证明。在下面的美国专利：2,971,153；3,265,967；3,388,327；3,416,077；3,439,266；3,474,336；3,490,037；3,509,452和3,956,695中描述了干涉量度法，每一个专利在此作为参考。在微波束穿过等离子体存在的区域时，根据测量微波束的吸收可直接确定一些等离子体的性质。在美国专利号3,599,089和3,383,509中描述了等离子体中的信号反射。

已经使用一种测量谐振腔共振频率干扰的技术测量等离子体电子密度。由于等离子体具有取决于等离子体电子密度的有效介电常数，因此在谐振器中等离子体的存在会影响每个共振模的频率。这种技术已经由麻省理工学院的S.C.Brown教授文件证明了。这种技术的一部分描述在美国专利号3,952,246和下面的非专利文章：Havelag，M.，et al，J ApplPhys 70(7)3472-80(1991)：使用微波共振和光致分离效应测量CF₄，C₂F₆，CHF₃和C₃F₈的13.56MHz RF等离子体中的阴离子密度，以及Havelag，M.，et al，Materials Science Forum，vol.140-142，235-54(1993)：在碳氟化合物RF刻蚀等离子体中的带负电颗粒：使用微波共振和光致分离效应的密度测量。

发明总结

本发明的目的之一在于提供一种比现有技术更加精确的等离子体测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种使用等离子体诱导微波振荡器频率变化的改进等离子体测量系统。

本发明的这些和其他的目的是通过使用测量和控制穿过等离子体室的信号的反馈回路而实现的。使用计算机或数字信号处理器(DSP)，本发明测量穿过等离子体室的信号的频率并比较测量的频率与所需的频率。根据测量的频率和所需的频率之间的差别，计算机/DSP控制等离子体发生器增加或减小供应到等离子体室的功率，从而影响等离子体电子密度。

附图简述

参考下面详细的描述，特别是联系附图考虑时，本发明比较完整的评价及其附属优点将变得容易明白，其中在附图中：

图1是根据本发明的等离子体电子密度测量系统的框图；

图2是用于执行图1的一部分测量系统的计算机系统的示意性描述；以及

图3为系统响应对频率的图表。

优选实施方案详述

现在参考附图，其中在这几个视图中相同的参考号标明相同的或相应的部分，图1是根据本发明用于测量等离子体室200中产生的等离子体的等离子体电子密度测量系统的框图。本发明的一种实施方案使用等离子体发生器205和自激微波振荡器210，它包括闭合回路，衰减器213a，窄带微波放大器215，隔离器220，移相器，225，定向耦合器230，包括开式辐射通路的等离子体室200，该通路还包括至少一个发射器天线235，至少一个接收器天线240，并且可包括一个或多个反射器245。发射器天线235和接收器天线240可为喇叭型天线，介质透镜，或发射体的其他形式；并且反射器245可具有平的或弯曲的表面或者可为衍射光栅。

如图1中的实施方案所示，发射器235，反射器245和接收器240可以一种方式定向，使得开式辐射通路基本上位于平行于在等离子体室200中正被处理的晶片的表面的平面中。然而，其他的实施方案包括其他的配置，在这些配置中开式辐射通路平面不平行于正被处理的晶片的表面，或者开式辐射通路甚至也不位于平面内。而且，其他的实施方案也包括使用多个微波束通路，在各种配置中或者是相同的长度或者是不同的长度。这些配置的实施例包括但不局限于星形和三角形。同样，当使用在等离子体内部的几个位置相交的微波束的多系统时，提取出空间信息(与层析X射线摄影术相似)，而不是积累在微波束长度方向上的等离子体电子密度，这一点是可能的。

如果放大器的增益足够高，将存在不同频率上的自激振荡器。这些频率满足两个标准：

1.净往返增益必须超过1，该净往返增益为放大器数字功率增益G，所有连接的透射系数，和所有镜子的反射系数的乘积。 $>>G>·>\{>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>T>i>>·>>\Sigma >>j>=>1>>m>>>R>j>>\}>\ge >1>->->->>(>1>)>>>s>其中假定存在透射系数小于1的“n”连接，并且通路包括反射系数小于1的“m”反射器。尽管这是振荡的必要条件，但不是充分的；充分性由第二标准提供。$

2.由所有原因造成的回路中的电磁波的往返漂移必须加到2π弧度的整数倍。这就确保了从噪声中建立相干振荡。与回路中的大多数无源接头和镜子有关的相移实际上与频率无关，因此如以下描述的，它在此描述的测量方法中不起重要的作用。穿过往返行程的电磁波的相移是主要的，这是由于下面这三个原因：在等离子体形成的区域中的传播；在波导管和波导管中的元件中的传播；和由放大器的传播(和放大)。因此充分条件可写成： $>>[>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>\phi >i>>+>>\Sigma >>j>=>1>>m>>>\phi >j>>]>+>>\phi >amp>>>(>>\omega >\prime >>)>>+>\beta >>(>>\omega >\prime >>)>>>d>ckt>>+>>>\omega >\prime >>c>>>\int >0>>d>p>>>>n>p>>>(>>\omega >\prime >>,>z>)>>dz>=>q>·>2>\pi >->->->>(>2>)>>>s>$

其中第一个括号代表来自任何连接(i)或镜子(m)的相移；φ_amp(ω′)为放大器的相移；β(ω′)d_ckt为穿过连接波导管，衰减器，移相器和包括电路的其他无源元件传播的微波的相移；等式左边最后一项为穿过包含等离子体的区域的微波的相移。项n_p(ω′，z)为等离子体的折射率，ω′为有从z＝0到z＝d_p填充臂的等离子体存在时的微波的角频率，在处理室内部电磁长度假定为d_p，其余连接电路的长度为d_ckt。并且还假定在等离子体区域中无制导的微波可以被具有由ω′n/c给出的相位常数的均匀平面波近似。

在图3中示出了(1)和(2)结果的图表显示(作为ω的函数画出)，其中G₀(ω)为放大器的小信号增益，S为经受住往返行程的那部分的电磁功率并且为(1)中大括号的缩写；为了画图清楚，忽略(2)中的括号和放大器的相移；β(ω)被均匀平面波的相位常数ω/c近似。为了画图，如果忽略掉等离子体折射率的频率相关性，(2)左边变成一条直线，具有对角频率为[d_ckt+n_pd_p]/C的斜率。注意到(1)的要求只是限制振荡成为G₀≥1的放大器带宽的一部分，并且可通过增加反馈回路中的衰减，减小S值并增加1/S值而减小该部分。

代表(2)的直线与被2π垂直隔开的虚水平线的相交点为满足(2)的角频率，如果它们也满足(1)就变成振荡频率。那些确实满足的作为突出的实线箭头示出。每个振幅与该频率上的过量增益(即G₀(ω)S-1)成正比。如果与可能的振荡的带宽相比，自由光谱区(即(2)相邻解之间的间隔)小，那么在倍频处的振荡是可能的和/或很可能的。

返回到图1的描述，图1也示出了连接在定向耦合器230的输出和混频器255输入之间的频率计250a。一个频率稳定本地振荡器260通过衰减器213b连接到混频器255的第二输入。选择频率稳定本地振荡器260的频率，或者稍微低于或者稍微高于窄带放大器215的通带。(衰减器213b也连接到检验稳定本地振荡器260频率的第二频率计250b上)。为了简化随后的描述，假定频率稳定本地振荡器260的频率设置为稍微低于窄带放大器215的通带。从混频器255中出现的IF信号的频率为频率稳定本地振荡器260的频率和自激振荡器210的频率之间的差值。根据描述的实施方案，IF信号的频率典型处于0到大约2GHz的范围内。当然，对于其他的放大器参数其他的频率范围也是可能的。

图2为计算机系统100的示意描述，该系统用于测量和控制由等离子体发生器205在等离子体室200中产生的等离子体。计算机100执行本发明的方法，其中计算机外壳102内装有主板104，其包含CPU106，存储器108(例如，DRAM，ROM，EPROM，EEPROM，SRAM和FlashRAM)，和其他任意的特殊目的逻辑器件(例如ASIC)或可配置逻辑器件(例如，GAL和可重新编程FPGA)。计算机100还包括多个输入器件(例如键盘122和鼠标124)，和用于控制显示器120的显卡110。另外，计算机系统100还包括软盘驱动器114；其他可移动介质器件(例如光盘119，磁带，和可移动磁光介质(未示出))；和硬盘112，或其他固定高密度介质驱动器，使用合适的设备总线(例如SCSI总线，增强IDE总线，或超DMA总线)连接。计算机100可另外包括光驱118，光盘读/写单元(未示出)或者光盘机(未示出)，而且被连接到相同的设备总线或另一设备总线。尽管光盘119以CD盒示出，光盘119可直接插入到不需要盒的CD-ROM驱动器中。另外，打印机(未示出)也提供不同时间和情况下的等离子体密度的打印列表。

如上所述，该系统至少包括一个计算机可读介质。计算机可读介质的实例为光盘119，硬盘112，软盘，磁带，磁光盘，PROM(EPROM，EEPROM，Flash EPROM)，DRAM，SRAM等。本发明包括用于控制计算机100的硬件和用于使计算机100能够与用户相互作用的软件，被存储在任何一个计算机可读介质或其组合体上。所述软件可包括但并不局限于设备驱动程序，操作系统和用户应用，诸如开发工具。所述计算机可读介质还包括用于监视和控制等离子体室中的等离子体的本发明的计算机程序产品。本发明的计算机编码设备可为任何的编译或可执行的编码机构，包括但不局限于文稿编排程序，解释器，动态链接库，Java类，和完全可执行程序。

如图1所示，IF信号频率被计算机100中的频率电压转换器152接收并且被模拟数字(A/D)转换器150b转换成数字信号。(在另一实施方案中，频率电压转换器152和A/D转换器150b被计数IF循环次数的数字计数器取代。)计算机100还接收由设备操作人员提供的被第二A/D转换器150a转换的输入数据275。在另一实施方案中，输入数据275以数字形式直接被接收(例如通过键盘122)，并且在该实施方案中第二A/D转换器150A不是必需的。DSP或CPU106接收并比较数字IF信号与输入数据275并将数字输出信号传输到数字模拟(D/A)转换器160上，该转换器接着传输模拟信号到等离子体发生器205，以在必要时修改等离子体发生器205的输出功率。在另一实施方案中，D/A转换器160被合并到改进的等离子体发生器205′中，并且DSP/CPU106的数字输出被直接施加到改进的等离子体发生器205′上。

图1示出的自激振荡器的频率取决于沿着处理室中的电路的通路的等离子体的电子密度，因此其操作频率中的偏移可被用于控制等离子体发生器。在下面推导出频率偏移和等离子体的空间平均电子密度之间的关系。

如果等离子体电子密度为零，n_p(ω，z)＝1，因此等式(2)变成： $>>[>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>\phi >i>>+>>\Sigma >>j>=>1>>m>>>\phi >j>>]>+>>\phi >amp>>>(>\omega >)>>+>\beta >>(>\omega >)>>>d>ckt>>+>>\omega >c>>>\int >0>>d>p>>>1>dz>=>q>·>2>\pi >->->->>(>3>)>>>s>其中认识到处理室中的折射率沿着从z＝0到z＝d$_p的通路返回到它的真空值(n＝1)。结果，频率回复到ω而不是ω′，其中由于没有频率偏移ω′＝ω+Δω＝ω+0。相同的量出现在等式(2)和(3)右边，因此(2)和(3)的左边可以相等。因此在等式(2)和(3)中的第一括号删去，剩余项可以按如下分组： $>>>>\omega d>p>>c>>·>>1>>d>p>>>>\int >0>>d>p>>>[>1>->>n>p>>>(>\omega >,>z>)>>]>dz>=>[>>\phi >amp>>>(>>\omega >\prime >>)>>->>\phi >amp>>>(>\omega >)>>]>+>[>\beta >>(>>\omega >\prime >>)>>>d>ckt>>->\beta >>(>\omega >)>>>d>ckt>>]>->->->>(>4>)>>>s>其中对于乘以积分和等离子体折射率表达式中的项，\omega \prime 和\omega 之间的差别被忽略。$

因为

等式(8)表明空间平均电子密度与频率偏移Δω，振荡的标称频率ω，基本常数c，m和ε₀，和只需要确定一次的(8)的括号中的量有关。

可用普通的波长计测量振荡频率ω，达到高于1％的精确度；基本常数已经精确地知道；并且通过用各种气压下的诸如SF₆，氩气，和氙气的重气体填充通路dp和估算频率偏移Δω，可以试验确定大括号的值。(对于上述的校准程序，本地振荡器(LO)在频率上应该高于被控制的振荡器。)使用外差技术可测量到后者更大的精度，其中频率ω′与在ω_LO下的稳定本地振荡器混合，使得可用频率计数器和其他已知的频率确定技术测量差值ω′-ω_LO。

然后使用等式(8)的平均电子密度作为反馈控制，以控制施加到连接等离子体室200的等离子体发生器205的电压。

根据本发明，一种得到发射器235和接收器245之间的平均电子密度近似值的方法的实例，包括以下步骤：

1.打开测量装置并且在等离子体起始后使其达到稳定状态。

2.输入等式(8)大括号中的项的值。注意到该值取决于反馈回路中的可调整元件(例如，衰减器213a和移相器225)的设置；因此在进行确定后这些设置不应该变化。在另一实施方案中，对于等式(8)中的大括号中的项构造多个值(一个值对应于环境设置的每一种可能的组合)，并且根据环境设置在操作过程中选择合适的值。

3.验证频率稳定本地振荡器260的频率并在需要时进行调整。

4.以键盘122或以另一数据输入端口输入所需的等离子体电子密度。

5.从数据输入端口初始该方法。

在所需的IF信号和测量的IF信号之间差值的基础上，调整等离子体发生器205的输出，使所需的和测量的IF信号更加紧密地匹配。例如，如果测量的IF信号大于所需的IF信号，输出RF功率减小一个增量。相似地，如果测量的IF信号小于所需的IF信号，输出RF功率增加一个增量。而且，对于粗调，等离子体电子密度和RF功率之间的预定关系可用于近似要被施加的RF功率。然后，施加细调以更加精确地控制等离子体系统。

在细调方法的一个实施方案中，在给定增量的大小的基础上，调整施加的RF功率(即增加或减小一个给定增量)直到测量的和所需的信号不能更加紧密地匹配。然后减小给定增量(例如减小一半)，并继续细调直到新的给定增量也太粗了。然而，如果测量的和所需的信号之间的差别变得大于被电流间隔所能匹配的差别，那么增加电流间隔。

在调整方法的另一实施方案中，另外的信息被用于细调反馈/控制过程。所述信息可包括但并不局限于每RF功率变化的信号变化(即第一导数)，第二导数和积分。本发明为通用控制机构，并不被信息的类型和选择的反馈机构限制。

在下文中描述本发明方法的精度与现有技术的比较。假定反馈回路可分成物理长度L相等的两个部分。第一部分代表开式辐射通路，第二部分代表反馈回路的其余部分。在缺少等离子体时，频率为f，开式辐射通路中的波长为λ₂。在反馈回路的其余部分中的波长为λ₁，并且在波长中的反馈回路的长度为q。为简单起见，假定整个反馈回路中的信号的相速度为c。(很明显波导中的相速度大于c，但是在这里忽略掉复杂因素。)由这些假设从而得出

       L/λ₁+L/λ₂≈Lf₁/c+Lf₂/c≈q                (9)在等离子体出现时，频率变成f2，在开式辐射通路中的平均折射率变成<n>而在波长中的反馈通路的总长度保持q。因此，

       Lf₂/c+<n>Lf₂/c≈q                          (10)合并等式(9)和(10)得到： ₂-f₁对应于上述的IF频率。通过计算自然对数的微分，得到如下的等式(15)： ₂-f₁为IF信号频率。对于固定的f1，并且利用近似

                 1+<n>≈2                         (14)它对于在此关心的情况近似得非常好，可以得出：

明显地，根据上述的教导，本发明的各种修改和变化是可能的。因此应当理解到在附加的权利要求书的范围内，可以按照与在此特别描述的不同的方式实施本发明。