具体实施方式

现在参考附图，其中在全部几个视图中相同的附图标记表示相同或相应的部分，下面的描述涉及用于半导体制造中图案化或未图案化晶圆的等离子体过程的实时原位膜性能监测的系统和相关联的方法。

在整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着与实施例相结合描述的特定特征、结构、材料、或特性包括在至少一个实施例中，但是不表示它们存在于每个实施例中。因此，在整个本说明书中在各处出现的短语“在一个实施例中”不一定指代同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。

图1是根据一个示例的配备有光学传感器101的等离子体加工系统100的示意性侧视图。等离子体加工系统100进一步包括等离子体加工室124。

光学传感器101可以是具有零度入射角(AOI)的正入射反射计，该正入射反射计包括光学模块102(照射和收集)、光源104、快门106、分光计112和控制器114。光学传感器101从光源104产生入射光束120，并且接收反射光束122以用于分析。入射光束120和反射光束122沿着到衬底116的法线在等离子体加工室124中传播。光学模块102进一步包括照射系统108和收集系统110。光学传感器101被配置用于在等离子体加工室124中的等离子体蚀刻过程期间测量来自衬底116上的照射区域118的反射光束122。照射区域118可以根据衬底116的大小进行调节。在一个实施例中，光学模块102可以位于等离子体加工室124的外部。在另一个实施例中，光学模块102可以安装在等离子体加工室中。如图2所示，光学模块102可以安装在管的内部，并且该管由不锈钢或铝合金制成，并且穿过等离子体加工室124的顶壁插入到等离子体加工室124中。

在光学传感器101中，光源104用于形成用于衬底照射的入射光束120。在实施例中，光源104是宽带光源，比如连续波(CW)宽带光源，例如激光驱动等离子体光源(LDLS)，该激光驱动等离子体光源用长寿命灯泡(>9000小时)(比如ENERGETIQ公司的EQ-99X LDLS^TM)提供跨宽光谱UV(紫外)-Vis(可见)-NIR(近红外)(即，190nm到2000nm)的、亮度非常高的光。在一个实施例中，光源104在由可选的快门106调制之后可以光纤耦合到照射系统108。在另一个实施例中，光源104可以直接地光纤耦合到照射系统108而不穿过快门106。

光源104可以安装或可以不安装在等离子体加工室124或容纳光学传感器101的任何外壳附近，并且在远程安装的情况下，入射光束120可以通过光纤或通过本文中稍后描述的一组光学部件(比如反射镜、棱镜和透镜)被送到等离子体加工室124附近的其他部件中。光学传感器101还可以包括用于入射光束和反射光束的中继光学器件和偏振器。在一个示例中，中继光学器件使用抛物面反射镜来引导光束并使光学像差最小化。

入射光束120从衬底116上的照射区域118反射以形成反射光束122。光学传感器101还包括比如分光计112的检测器。分光计112可以是双通道宽带高SNR(信噪比)分光计，包括用于测量反射光束122的光谱强度的测量通道(即，测量分光计)和用于测量参考光束126的光谱强度的参考通道(即，参考分光计)。分光计112的测量通道可以光纤耦合到收集系统110。

在入射光束120被引导为正入射到衬底116之前，一部分入射光束120被分裂以用作参考光束126，并且参考光束126随后被引导到分光计112的参考通道(即，参考分光计)。收集参考光束126的目的是监测入射光束120的光谱强度，因此在测量过程中可以考虑入射光束120的强度的任何变化。这种强度变化可能由于光源104的漂移输出功率而发生，例如，该漂移可以是与波长相关的。在另一个实施方式中，可以通过一个或多个光电二极管等来测量参考光束126的强度。例如，光电二极管可以检测参考光束并且提供与在整个照射光谱(例如，UV-VIS-NIR)上积分的入射光束120的强度成比例的参考信号。

在一个实施方式中，可以使用一组光电二极管来测量参考光束126的强度。例如，该组光电二极管可以包括分别跨越UV-VIS-NIR波长的三个光电二极管。可以在该组光电二极管中的每个光电二极管的前面安装滤波器。例如，带通滤波器可以用于监测光源104的强度变化的光谱(例如，UV、VIS、NIR)的一部分。在一个实施方式中，可以使用棱镜或光栅将参考光束分散到该组光电二极管中。因此，可以在不使用参考分光计的情况下跟踪和校正光源104的光谱相关强度变化。用于获得参考光束的示例性配置在下面讨论的图3A和图3B中示出。

当入射光束120被快门106阻挡时，入射光束120可以由斩光轮或快门106调制，以便考虑由分光计112的测量通道测量的背景光(即，不指示入射光束120的反射光的光，比如等离子体光发射或等离子体加工室中的设备光)。

在另一个实施例中，可以在光学传感器101中省略斩光轮或快门106。入射光束120可以通过光源104直接地光纤耦合到照射系统108。在这种实施例中，可以通过信号处理算法从反射光束中滤除由于等离子体光发射或设备光而产生的背景光。

当快门阻挡入射光时所测量的从等离子体加工室124收集的背景光的光谱强度、所测量的反射光束122的光谱强度以及所测量的参考光束126的光谱强度被提供给控制器114。控制器114处理所测量的反射光束122的光谱强度以抑制背景光。例如，控制器114可以从反射光束122的光谱强度中减去背景光的光谱强度。附加地，所测量的参考光束126的光谱强度可以由控制器114分析，以监测入射光束120的任何强度变化，并且可以在测量过程中考虑入射光束120的强度变化。控制器114使用特定算法，比如机器学习算法，以基于经处理以抑制背景光的参考光束及反射光束来确定所关注层的性能或多个性能(例如，特征尺寸、光学性能)，以便如下面进一步所述的那样控制等离子体蚀刻过程。

在另一个实施例中，快门106没有被引入在光学传感器101中，并且光源104可以直接地光纤耦合到照射系统108而不穿过快门106。控制器114可以使用算法从所测量的反射光束122的光谱强度计算背景光的光谱强度。控制器114可以进一步处理所测量的反射光束122的光谱强度，以基于所计算的背景光的光谱强度来抑制(例如，过滤或减去)背景光，或者替代性地，如果来自背景光的干扰足够低，则可以不需要对背景照射进行校正。

光学传感器101和相关联的方法还可以使用对参考晶圆(比如裸硅晶圆)的周期性测量(校准)，以补偿如本文稍后所述的光学传感器或蚀刻室部件的漂移。

仍然参考图1，控制器114与光源104、快门106和分光计112连接。控制器114可以从光源104、快门106和分光计112获取数据，并且处理所获取的数据。控制器114可以根据处理的数据向光源104、快门106和分光计112发送指令。

图2是根据一个示例的光学模块102的示意图。如图2所示，光学模块102可以集成在管222的内部和顶部。管222可以由不锈钢、铝合金、介电材料等制成。管222可以穿过等离子体加工室的上壁240插入到等离子体加工室124中。管222的底部部分可以突出穿过上壁240。管222可以定位在等离子体加工室的顶壁的中心处。根据测量要求，管222也可以偏离中心定位。管222可以使用真空密封件226和真空密封凸缘228紧靠上壁240安装。管222可以可选地包括气体供应管道224，该气体供应管道与管222的侧部连接，并且可以用于将加工气体或吹扫气体236通过气体注入孔234注入到等离子体加工室124中。管222可以包括下窗202，该下窗被配置用于防止从等离子体加工室到管的内部的污染。在实施例中，下窗202可以被穿孔，并且可以允许气体236从下窗202逸出。管222还可以包括上窗204。上窗204被配置为用作真空密封件，其中管222的位于上窗204上方的部分处于大气压力下，而管的位于上窗204下方的另一部分处于真空下。下窗202可以是石英、熔融硅石或蓝宝石。根据要求，上窗也可以是石英、熔融硅石或蓝宝石，这些要求可以包括窗材料对等离子体加工室124中的侵蚀性化学物质的抵抗力、以及传输所需波长(例如包括在光谱的深UV部分中)的需要。

光学模块102包括照射系统108和收集系统110。如图2所示，照射系统108可以包括第一离轴抛物面反射镜212、第一偏振器208和分束器206。在一些实施例中，第一离轴抛物面反射镜212是90°离轴抛物面反射镜。收集系统110可以包括第二离轴抛物面反射镜220、第二洛匈(Rochon)偏振器216和折叠反射镜214。在一些实施例中，第二离轴抛物面反射镜220是另一个90°离轴抛物面反射镜。在示例性操作中，入射光束120由光源104产生并且通过光纤210被导向到第一离轴抛物面反射镜212。第一离轴抛物面反射镜212可以是涂覆有高反射率涂层(比如铝、金等)的反射镜。第一离轴抛物面反射镜212被配置为引导入射光束120并使光学像差最小化。入射光束120由第一离轴抛物面反射镜212引导到第一偏振器208。

可选的第一偏振器208(如果存在的话)对到达衬底116的入射光束120施加线性偏振。第一偏振器208可以是具有高消光比、大的e-和o-射线分离的洛匈偏振器，例如MgF2洛匈偏振器、α-BBO洛匈偏振器等。入射光束120的偏振增加了反射计信号的信噪比，并且由此与非偏振入射光束相比提高了测量准确度并提高了特征尺寸测量的灵敏度。

在穿过第一偏振器208之后，入射光束120到达分束器206。分束器206可以将正入射的入射光束120朝向衬底116引导，并且产生照射区域118。分束器206可以进一步分裂一部分入射光束120以形成参考光束126，并且参考光束126随后由其他光学部件引导到分光计112的参考通道，如图3A至图3B中所展示。分束器可以是由两个三角形玻璃棱镜、半镀银反射镜或二向色反射镜式棱镜等制成的立方体。

衬底116上的照射区域118的大小可以在50微米到60mm(毫米)或更大变化。照射区域118的形状可以是圆形的，但是也可以通过使用插入到入射光束120或反射光束122中的任何一个的孔径掩模(未示出)而改变成非圆形的形状。照射区域118的大小可以取决于在衬底116上被测量的结构的大小和特性，并且可以是可调节的以确保良好的信号。照射区域118可以覆盖衬底116上的多个结构。因此，检测到的光学性能(例如，折射率)可以表示与衬底116上的许多结构相关联的特征的平均值。

在实施例中，入射光束120可以穿过位于第一离轴抛物面反射镜212之前的孔径(未示出)。可以修改孔径以产生具有不同形状(例如，矩形、正方形)的照射点。例如基于正被测量的结构的大小和特性，可以使用对孔径的细微修改来高效地优化衬底上的照射区域的大小和形状。

因此，入射光束120从衬底116的表面反射以产生反射光束122。反射光束122穿过下窗202、上窗204和分束器206。应当注意，分束器206被设计为允许反射光束122以最小信号损耗传播。然后反射光束122被折叠反射镜214引导到可选的第二洛匈偏振器216。第二洛匈偏振器216(如果存在的话)被配置为仅允许测量从衬底116反射的p-偏振光。在穿过第二洛匈偏振器216之后，反射光束122穿过第二离轴抛物面反射镜220。在穿过第二离轴抛物面反射镜220之后，反射光束122可以经由光纤218被收集并被引导到分光计112的测量通道。光纤218耦合到分光计112的测量通道。第二离轴抛物面反射镜220可以类似于第一离轴抛物面反射镜212。在光学传感器101的各种实施例中，根据信噪比要求和其他测量要求，可以不使用偏振器，或者可以使用一个或两个可选的偏振器208和216。

在进一步的实施例中，图2所展示的光学传感器101可以包括其他光学部件，比如反射镜、棱镜、透镜、空间光调制器、数字微反射镜器件等，以操纵入射光束120和反射光束122。图2的光学传感器101的配置和部件布局不必完全如图2中所示。通过附加的光学部件，光束可以被折叠和操纵，以有助于将原位光学传感器包装成适于安装在等离子体加工室124的壁上的紧凑包装。

图3A是根据一个示例的用于获得参考光束的第一示例性配置。从快门106，一部分光输出可以用作参考光束126，并且可以由反射镜302引导到分光计112的参考通道中。可以使用透镜304将参考光束聚焦到光纤中。

图3B是根据一个示例的用于获得参考光束的第二示例性配置。在入射光束120的路径上的分束器206可以用于将一部分入射光束引导到分光计112的参考通道中。棱镜306可以用于将参考光束126聚焦到光纤中。在一个实施方式中，可以使用连接到如本文先前所讨论的控制器114的一个或多个光电检测器(例如，UV、Vis、NIR)来测量参考光束的强度。

图3C和图3D分别提供了第三和第四配置以直接测量在光源输出处的参考光束的光强度。在图3C中，由光源104产生的光输出的一部分可以传输通过可选的并且可以省略的快门106、透镜310、透镜312，并且被光纤接收。光纤进一步将接收的光束导向到照射系统。附加地，光源104的一部分光输出可以传输通过透镜314，并且被另一光纤接收。其他光纤可以进一步与分光计112的参考通道耦合。在图3D中，光源104的一部分光输出可以传输通过透镜314，并且被一个或多个光电二极管318接收。光电二极管318进一步测量所接收的参考光束126的强度。

图4A是根据一个示例的光学调制/快门模块的框图。在一个实施方式中，快门106可以在两个位置之间来回移动，以阻挡入射光束120或允许其进入等离子体加工室124中。快门106可以包括步进电机。具有步进电机的快门106提供高切换速度和高可重复性和可靠性。快门106可以经由与分光计112同步的快门控制器400来控制。数据获取模块402连接到分光计112的参考通道和分光计112的测量通道。在一个实施方式中，快门106可以是连续旋转式光学斩波器。

图4B是示出了根据一个示例的快门106的时序图的示意图。电荷耦合器件(CCD)的读出具有清理周期。当快门打开时，入射光束120到达衬底116，并且因此由分光计112的测量通道测量的光指示反射光束122和背景光(例如，等离子体发射光)。可以测量M个周期(即，CCD积分/数据读取)并取平均值，以提高信噪比(SNR)。当快门关闭时，入射光束120不到达衬底116，并且因此由分光计112的测量通道测量的光指示背景光(例如，等离子体发射光)。可以测量N个周期(即，CCD积分/数据读取)并取平均值，以提高SNR。因此，控制器114可以处理收集的强度(例如，减去等离子体强度)，以便根据反射光强度确定特征尺寸(例如，厚度)。

可以使用多种方法根据收集的光谱确定物理特征。例如，可以通过参考库以将检测到的光谱与预先计算和预先存储的光谱相匹配来确定物理特征。在一个实施方式中，可以使用直接物理回归模型来获得未图案化晶圆的膜厚度。回归模型也可以用于测量比如2D线的简单图案的临界尺寸(CD)和其他图案参数。

在一些实施方式中，可以使用机器学习技术(例如，神经网络、信息模糊网络)。监督训练方法训练机器学习算法，以建立样本的性能(例如，CD、厚度等)和收集的光谱之间的关系。在机器学习方法的训练阶段期间，收集来自样本的光谱。可以从CD计量工具获得与每个样本相关联的性能。然后，通过使用所收集的光谱数据和每个样本的性能来训练机器学习算法。

在实时应用阶段，使用经训练的机器学习算法来基于每个晶圆的目标性能预测目标端点。将在蚀刻过程期间收集的光谱与预测的目标端点光谱进行比较，以指示达到每个晶圆的目标性能。

图5是示出了根据一个示例的用于原位监测蚀刻过程的方法500的流程图。在步骤502处，开始蚀刻过程配方。在步骤504处等离子体蚀刻一定时间(例如，时间A≥0秒)之后，方法500进行到步骤506。在步骤506处，测量来自衬底116的反射光束的光谱强度和背景光的光谱强度。控制器114处理所测量的反射光束122的光谱强度，以可选地抑制(例如，减去或过滤)背景光，从而在等离子体蚀刻期间获得经背景校正的光谱。例如，控制器114可以从反射光束122的光谱强度中减去背景光的光谱强度。

在步骤508处，预测算法，比如机器学习算法或多项式算法，基于训练模型514来分析所获取的光谱，并且将衬底或形成在其上的结构的特定性能(例如厚度)与该光谱相关联。

然后，在步骤510处，响应于确定已经实现了衬底或形成在其上的结构的性能，过程进行到步骤512。响应于确定尚未实现衬底或形成在其上的结构的性能，过程返回到步骤506。在步骤512处，控制器114可以修改蚀刻过程，例如，切换或停止配方，或者当测量指示过程接近完成时将配方改变为不同的配方。

这些算法还可以使用在一个或多个参考衬底(比如裸硅晶圆和/或薄膜晶圆)上的周期性测量(校准)，以补偿光学传感器或蚀刻室部件的漂移。在系统校准期间，光束可以从裸(即，未图案化)硅晶圆或其他具有已知性能的晶圆反射。反射光束用于校准光学传感器101中的任何变化，例如由于等离子体过程的产物引起的窗(例如，窗202和204)的模糊。当在等离子体加工系统100中已经加工了预定数量的晶圆时，可以施加重新校准。

图6是示出了示例性结果的示例性示意图。将本文所公开的光学传感器101对厚度的检测与其他检测方法和模型进行比较。例如，可以使用具有M个位点的参考晶圆图。发明人从表示晶圆图中层厚度范围的M个位点中选择N个位点。所选择的N个位点由示意图600中的圆圈指示。在示意图600中示出的曲线图的线性性质指示利用本文描述的光学传感器101进行的测量(竖直轴线)与利用另一工具(例如，计量工具)进行的测量之间的良好一致性。

接下来，参考图7描述了根据示例性实施例的控制器114的硬件描述。在图7中，控制器114包括执行本文描述的过程的CPU 700。过程数据和指令可以存储在存储器702中。这些过程和指令也可以存储在比如硬盘驱动器(HDD)或便携式存储介质的存储介质盘704上，或者可以远程地存储。进一步地，所要求保护的进步不受存储本发明过程的指令的计算机可读介质的形式的限制。例如，指令可以存储在CD、DVD上，闪速存储器、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、硬盘或任何其他与控制器114通信的信息处理器件(例如服务器或计算机)中。

进一步地，所要求保护的进步可以作为与CPU 700和比如 Solaris、Apple macOS^TM的操作系统以及本领域技术人员已知的其他系统相结合执行的实用应用、后台守护进程或操作系统的部件或其组合来提供。

为了实现控制器114，可以通过本领域技术人员已知的各种电路系统元件来实现硬件元件。例如，CPU 700可以是美国英特尔公司的Xenon或核心处理器或美国AMD公司的皓龙(Opteron)处理器，或者可以是本领域普通技术人员认识的其他处理器类型。替代性地，CPU 700可以实施在FPGA、ASIC、PLD上或使用离散逻辑电路实施，如所属领域的技术人员将认识到的。进一步地，CPU 700可以被实施为并行协同工作以执行上述本发明过程的指令的多个处理器。

图7中的控制器114还包括网络控制器706，比如美国英特尔公司的英特尔以太网PRO网络接口卡，用于与网络728接口连接。如可以了解的，网络728可以是比如因特网的公共网络，或者比如LAN或WAN网络的专用网络，或者其任何组合，并且还可以包括PSTN或ISDN子网络。网络728也可以是有线的，比如以太网网络，或者可以是无线的，比如包括EDGE、3G、4G和5G无线蜂窝系统的蜂窝网络。无线网络也可以是或已知的任何其他无线通信形式。

控制器114进一步包括显示控制器708，比如美国英伟达(NVIDIA)公司的GTX或图形适配器，用于与比如HewlettHPL2445w LCD监测器的显示器710接口连接。通用I/O接口712与键盘和/或鼠标714以及显示器710上的或与该显示器分离的可选的触摸屏幕面板716接口连接。通用I/O接口还连接到包括打印机和扫描仪的各种外围设备718，例如惠普公司(Hewlett Packard)的或

比如创新科技(Creative)公司的SoundX-Fi的声音控制器720也设置在控制器114中以与扬声器/麦克风722接口连接，由此提供声音和/或音乐。

通用存储控制器724将存储介质盘704与通信总线726连接，该通信总线可以是ISA、EISA、VESA、PCI或类似物，用于互连控制器114的所有部件。由于显示器710、键盘和/或鼠标714以及显示控制器708、通用存储控制器724、网络控制器706、声音控制器720和通用I/O接口712的一般特征是已知的，因此本文为了简洁省略了对这些特征和功能的描述。

包括前述中的特征的系统为用户提供了许多优点。因为具有零度入射角(AOI)的正入射反射计具有更好的测量灵敏度，所以所公开的正入射原位过程监测传感器提供了较相关技术的高灵敏度(信噪比)。附加地，所公开的传感器的成本较低，因为仅需要一个光学模块。所公开的传感器具有紧凑的设计，并且需要最小的室修改和最小的室上对准。进一步地，由于高灵敏度，所公开的传感器可以不需要用于等离子体背景校正的快门。例如，收集从衬底116反射的p-偏振光使信号纯度更高。所公开的传感器可以用于不同的晶圆结构。

显然，根据上面的传授内容可以进行多种修改和变化。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于本文具体描述的方式被实施。因此，前述讨论内容仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。因此，本发明的公开内容旨在是说明性的，而不是限制本发明的范围以及其他权利要求。本公开包括本文中的传授内容的任何容易辨别的变体，部分地限定了前述权利要求术语的范围，使得没有发明主题专用于公众。