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CN104614932A - 用于光掩模刻蚀的终点检测 - Google Patents

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CN104614932A CN201510024454.7A CN201510024454A CN104614932A CN 104614932 A CN104614932 A CN 104614932A CN 201510024454 A CN201510024454 A CN 201510024454A CN 104614932 A CN104614932 A CN 104614932A
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迈克尔·格里伯根
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Applied Materials Inc
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Abstract

本发明提供了用于光掩模刻蚀的终点检测的装置和方法。该装置提供具有衬底支撑构件的等离子体刻蚀腔室。该衬底支撑构件具有用于终点检测的在其中设置的至少两个光学部件。通过使用为在光掩模的不同位置处监控的不同的光测量技术而实现用于光掩模刻蚀的改进的工艺监控。

Description

用于光掩模刻蚀的终点检测
本申请是申请日为2007年10月26日申请的申请号为200710165355.6，并且发明名称为“用于光掩模刻蚀的终点检测”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施方式主要涉及集成电路的制造以及涉及在集成电路的制造中使用的掩模制造。
背景技术
微电子或集成电路器件的制造一般涉及需要在半导体、电介质和导电衬底上执行的数百个独立步骤的复杂工艺。这些工艺步骤的实施例包括氧化、扩散、离子注入、薄膜沉积、清洁、刻蚀和光刻。使用光刻和刻蚀(常称为图案转移步骤)，预期的图案首先转移至光敏材料层，例如，光刻胶，并然后在后续刻蚀期间转移至下方材料层。在光刻步骤中，涂覆的光刻胶层通过掩模或包含图案的光掩模而暴露于辐射源以致图案的图像形成在光刻胶中。通过在适合的化学溶液中显影，将部分光刻胶去除，由此形成构图的光刻胶层。使用该光刻胶图案作为掩模，下方材料层暴露于反应性环境，例如，使用湿刻或干刻，其致使图案转移至下方材料层。
光掩模上的图案，其通常形成在玻璃或石英衬底上支撑的含金属层上。然而，在这种情形下，光刻胶图案与通过掩模暴露光刻胶相反通过直写技术，例如，使用电子束或其他适宜的辐射束而产生。使用构图的光刻胶作为掩模，该图案可使用等离子体刻蚀转移至下方含金属层。适宜于在高级器件制造中使用的可市售购得的光掩模刻蚀设备的实施例是TetraTM光掩模刻蚀系统，可从Applied Materials,Inc.,Santa Clara,California.(加利福尼亚的圣克拉拉的应用材料公司)购得。术语“掩模”、“光掩模”或“掩模版”将可交替使用一般表示含图案的衬底。
在处理期间，来自光掩模的刻蚀的终点数据可用于确定工艺是否按照所需的规定而进行，以及是否获得诸如刻蚀均匀性的预期结果。由于刻蚀掩模一般具有其本身的一组特征或图案，使用相同工艺菜单刻蚀的不同光掩模可能产生不同的终点数据，由此难以确定对于特定的光掩模是否已获得预期的刻蚀结果。
随着不断减小的器件尺寸，用于先进技术的光掩模的设计和制造变得越来越复杂，并且临界尺寸和工艺均匀性的控制变得更加重要。因此，迫切需要光掩模制造的改善的工艺控制，诸如用于为每个光掩模生成一致的终点数据的改进的装置和方法。
发明内容
本发明的实施方式主要提供一种用于刻蚀衬底的方法和装置。本发明尤其适合于刻蚀光掩模，以及真空处理使用的其他衬底。
在一个实施方式中，提供一种用于刻蚀衬底的方法，该方法包括(a)提供具有衬底支撑构件的刻蚀腔室，该衬底支撑构件包括在中心区域的至少第一窗口和在外围区域中的第二窗口，(b)在衬底支撑构件上提供衬底，(c)向刻蚀腔室导入工艺气体，(d)由工艺气体生成用于刻蚀衬底的等离子体，(e)使用终点检测系统通过第一窗口检测第一光信号以及通过第二窗口检测第二光信号，以及基于从所检测的第一和第二光信号的至少其中之一获得的信息而终止等离子体。
在另一实施方式中，一种用于刻蚀衬底的方法包括(a)提供具有衬底支撑构件的刻蚀腔室，该衬底支撑构件包括第一窗口和第二窗口，(b)在衬底支撑构件上提供衬底，(c)由工艺气体生成用于刻蚀衬底的等离子体，(d)提供包括光检测器的终点检测系统，(e)使用光检测器通过第一窗口和第二窗口监控至少一个光信号，以及(f)基于从至少一个光信号获得的信息而终止等离子体。
在本发明的另一实施方式中，提供一种用于刻蚀衬底的装置，该装置包括等离子体刻蚀腔室、在腔室内的衬底支撑构件，该衬底支撑构件具有设置在中心区域的第一窗口和设置在外围区域的第二窗口，以及通过第一窗口和第二窗口与腔室可运动耦合的终点检测系统。
在另一实施方式中，一种用于衬底刻蚀的装置可包括含衬底支撑构件的等离子体刻蚀腔室，配置为在反射模式和透射模式的至少其中之一操作的终点检测系统，其中该终点检测系统包括设置在衬底支撑构件的中心区域的第一光学部件和设置在衬底支撑构件的外围区域的第二光学部件。
另一实施方式提供一种用于衬底刻蚀的装置，该装置包括等离子体刻蚀腔室，在该腔室内的衬底支撑构件，该衬底支撑构件具有在其中设置的第一窗口和第二窗口，该第一窗口位于支撑构件的中心区域，以及通过第一和第二窗口与腔室运动耦合的终点检测系统。
在另一实施方式中，一种用于刻蚀衬底的方法可包括提供具有衬底支撑构件的刻蚀腔室，该衬底支撑构件包括在中心区域的第一窗口和在外围区域的第二窗口，在衬底支撑构件上提供衬底，向刻蚀腔室中导入工艺气体，由工艺气体产生用于刻蚀衬底的等离子体，使用终点检测系统通过第一窗口检测第一光信号以及通过第二窗口检测第二光信号，以及基于由所检测的第一和第二光信号的至少其中之一获得的信息而终止等离子体。
在再一实施方式中，一种用于刻蚀衬底的方法包括(a)提供具有衬底支撑构件的刻蚀腔室，该衬底支撑构件包括在中心区域的第一窗口和在外围区域的第二窗口，(b)在衬底支撑构件上提供衬底，(c)由工艺气体产生用于刻蚀衬底的等离子体，(d)提供包括光检测器的终点检测系统，(e)使用光检测器通过第一窗口和第二窗口的至少其中之一来监控至少一个光信号，以及(f)基于由至少一个光信号获得的信息终止等离子体。
附图说明
因此为了得到并可详细理解本发明的以上所述特征、优点和目的，将参照附图中示出的实施方式对以上简要概述的本发明进行更具体的描述。
然而，值得注意，由于本发明可以允许其他等效实施例，因此附图仅示出本发明的典型实施例，并不意在限定其范围。
图1A示出结合本发明的一个实施方式的工艺腔室；
图1B示出用于根据本发明的实施方式终点监控的两个光学结构的横截面视图；
图1C是终点检测的一个实施方式的俯视示意图；
图2示出用于终点检测的在衬底上的样品位置；
图3示出用于终点检测的具有外围位置的6英寸衬底的俯视图；
图4A-C示出制造期间几种类型的光掩模的示意性结构；
图5是用于终点检测使用的不同光信号的说明；
图6是用于刻蚀光掩模的工艺的一个实施方式的流程图；
图7是具有包括光纤束的终点检测系统的刻蚀腔室的另一实施方式的示意图；
图8是示例性检测器的一个实施方式的示意图；
图9是适合于刻蚀光掩模版的具有终点检测系统的刻蚀反应器的另一实施方式的示意图；
图10是衬底支架的俯视示意图，其说明在处理期间由掩模版覆盖的区域内的中心窗口和边缘窗口的分布；
图11是用于光掩模刻蚀工艺的一个实施方式的平均终点、左终点和顶终点图；
图12是在光掩模版刻蚀工艺的一个实施方式期间使用侧面OES得到的终点数据图；
图13是相同光掩模版刻蚀工艺的两个周期期间获得的终点数据图；
图14是使用归一化的透射终点信息用于监控刻蚀工艺的方法的一个实施方式的流程图；
图15-16是掩模层的顶部和底部之间出现薄膜干涉的示意图；
图17描述图16中所示的透射信号T1、T2和T3的强度；
图18说明图17中描述的透射信号；
图19、20和21是说明通过使用由光刻胶层吸收的波长利用终点监控信号的刻蚀工艺；
图22是在光掩模版刻蚀工艺期间获得的终点数据的另一视图；
图23描述由来自光刻胶层的光干涉占主要的终点信号；
图24描述终点信号，其中通过使用深UV波长监控信号使来自光刻胶层的光干涉最小化；
图25是用于刻蚀光掩模版并具有既利用OES终点信息又利用TEP终点信息的终点检测系统的工艺腔室的一个实施方式的示意图；
图26描述了有利于光致抗蚀剂吸收的波长选择的曲线。
为便于理解，只要可能，所使用的相同的附图标记代表附图中同一元件。可以理解一个实施例的元件和特征可以不需要进一步的描述而有利地合并到其他实施例中。
然而，值得注意，由于本发明可以允许其他等效实施例，因此附图仅示出本发明的示例性实施例，并不意在限定其范围。
具体实施方式
本发明提供具有改善的工艺监控的用于刻蚀光掩模衬底的方法和装置，例如，通过在光掩模的不同区域提供光学监控。虽然讨论和示例性实施例主要关于光掩模衬底的刻蚀，本发明的各种实施方式同样适于其他适宜衬底的工艺监控，包括透明衬底或电介质衬底。
图1A是根据本发明的一个实施方式的等离子体刻蚀腔室10的横截面示意视图。适合的等离子体刻蚀腔室包括从加利福尼亚的圣克拉拉的应用材料公司市售购买的TetraTM II光掩模刻蚀腔室或去耦等离子体源(DPSTM)腔室。其他工艺腔室也可结合本发明的实施方式使用，包括，例如，电容耦合平行板腔室和电磁增强离子刻蚀腔室，以及不同设计的电感耦合等离子体腔室。本文所示的刻蚀腔室10的特定的实施方式为示例性目的提供，不应当用于限定本发明的范围。预期本发明可以在其他处理系统中，包括来自其他制造商的那些系统中使用。
工艺腔室10一般包括圆柱侧壁或腔室主体12，安装在主体12上的可透过能量的顶13。顶13可以是平的、矩形的或弓形的、圆锥形的、圆顶形或多半径形。至少一个感应线圈26设置在顶13的至少一部分上。在图1A所示的实施方式中，示出了两个同心线圈26。工艺腔室的腔室主体12和腔室底部17可由金属，诸如阳极化铝形成，以及顶13可以由可透过能量的材料诸如陶瓷或其他电介质材料形成。
衬底支撑构件16设置在工艺腔室10中以在处理期间支撑衬底220。支撑构件16可以是传统的机械卡盘或静电卡盘，并且支撑构件16的至少一部分电性导电且能作为工艺偏置阴极。虽未示出，光掩模适配器可用于将光掩模固定于支撑构件16上。光掩模适配器一般包括压边覆盖支撑构件的上部分的下部和具有适合的尺寸和形状的开口以固定光掩模的顶部。在一个实施方式中，光掩模适配器的顶部具有正方形开口。在2001年6月26日美国专利No.6，251，217公开了一种适合的光掩模适配器。
工艺气体从工艺气体源48通过围绕支撑构件16外围设置的气体分配器22导入工艺腔室10中。用于每种工艺气体，或可选地，用于工艺气体混合物的质量流量控制器(未示出)设置在工艺腔室10和工艺气体源48之间以调节工艺气体的各自流速。
等离子体区14由工艺腔室10、衬底支撑构件16和顶13限定。通过将来自电源27的功率经由RF匹配网络35提供给感应线圈26而由工艺气体在等离子体区14中生成等离子体。支撑构件16可包括设置在其中的电极，其通过电极电源28供电并经过匹配网络25在工艺腔室10中产生电容电场。典型地，RF功率施加给支撑构件16中的电极，同时主体12电性接地。电容电场，其横跨支撑构件16的平面，影响带电物质的方向以提供衬底220的各向异性刻蚀。
工艺气体和刻蚀副产物通过排气口34从工艺腔室10排放到排气系统30。排气系统30可设置在工艺腔室10的底部或可设置在工艺腔室10的主体12中用于去除工艺气体。节流阀32设置在排气口34用于控制工艺腔室10中的压力。
图1A进一步示出根据本发明的一个实施方式的与工艺腔室10运动耦合的终点检测系统164的示意图。根据本发明的实施方式，至少两个光学入口或观察口，设置在衬底支撑构件16的不同区域中。在一个实施方式中，至少一个入口设置在无外围的区域。在再一实施方式中，衬底支撑构件16在中心区域设置有至少两个窗口。在图1A所示的实施例中，两个光学入口包括分别在外围区域16P的窗口110，和在中心区域16C的窗口112。终点检测系统164配置为通过一个或多个所述窗口检测光信号，所述窗口允许在刻蚀期间从光掩模衬底220的背侧光学监控光掩模衬底220上的不同位置。在一个实施方式中，第三窗口(未示出)可同样设置在衬底支撑构件16的外围区域19P中。可选地，不同数量的窗口可设置在衬底支撑构件16的其他位置。
一般地，较大的窗口有助于光学部件安装在衬底支撑构件16中。然而，对于衬底支撑构件16是RF偏置的装置，窗口的尺寸，尤其在衬底支撑构件16的中心区域16C中，为光学监控选择足够大，且充分小以避免对RF偏置的可能不利影响。选择小的窗口还改善支撑构件16的横向温度均匀性。光学入口可一般包括由石英或透射宽波长光谱的光的其他材料形成的平面窗口。在以后部分将提供不同光学结构的更详细描述。
首先参照图2，图2示意性说明根据本发明的一个实施方式的终点检测系统监控的光掩模衬底220的不同位置。衬底220的中心区域225可以限定为用于光刻目的进行构图的光掩模的区域，而外围区域是构图的中心区域的外部，并可包括用于终点或其他工艺参数的监控使用的图案或特征。设置在衬底支撑构件16中的数个窗口以阴影示出。例如，当光掩模衬底220参照衬底支撑构件16中心设置时，光进入窗口112允许围绕光掩模220的中心的区域222的监控，同时光掩模220的外围区域227中的区域224和226可分别通过窗口114和110监控。在一个实施方式中，受监控的区域224和226分别沿着光掩模220的一侧和角处设置。在另一实施方式中，受监控的区域224定位在光掩模220的一侧上，例如，在侧面的中间点处，沿着参照光掩模220的中心的x方向，同时定位在光掩模220的相邻侧的另一区域224A，例如沿着参照光掩模220的中心的y方向，通过另一窗口114A进行监控。通过窗口诸如112、114和114A获得的光信号可用于获得沿着x-方向和y方向，或更一般地，沿着彼此垂直的方向的中心到边缘的刻蚀均匀性。
一个或多个窗口112A还可设置在衬底支撑构件16中以允许光掩模220的中心区域中的不同区域诸如222A的监控。额外的窗口122A、114A边缘到中心刻蚀形貌的确定。例如，关于工艺均匀性的信息，诸如边缘到中心的刻蚀形貌，可通过比较不同区域处的终点结果或光掩模220的位置，例如，基于来自区域222、224和224A的信息而获得。窗口还可用于保证至少一个窗口122、122A在进行刻蚀的特征的下方。
回到图1A，终点检测系统164包括用于在反射或透射模式操作的光学设置，并配置为不同类型的测量诸如反射率或透射率、干涉测量(法)或光发射光谱学。根据涉及的应用，例如，处理的材料层或衬底结构，可基于反射度或透射度的变化、干涉条纹的数量、或在特定波长的光发射强度的变化或其组合来检测终点。
操作的反射模式允许执行反射率(或反射计)和干涉计测量。终点系统164一般包括光源166、聚焦组件168，其用于将来自光源166的入射光束176会聚到衬底220的背侧上的区域或点180上，以及光检测器170，其用于测量从衬底220的区域180反射回的返回光束178的强度。光检测器170一般可包括单波长或多波长检测器或分光计。基于反射的光束178的测得信号，计算机172计算部分实时波形并将其与存储的特征波形图案比较以提取关于刻蚀工艺的信息。在这种情形下，在任一反射模式或者透射模式，例如，当薄膜刻蚀完成时，所述计算可以基于斜率变化或所检测信号的其他特征变化。可选地，所述计算可以基于随着刻蚀期间沟槽的深度或薄膜的厚度变化。在其他实施方式中，更详细的计算可以基于在整个宽光谱获得的反射和透射数据而执行以便确定刻蚀工艺中在任意点的深度或厚度，或者以便确定进行刻蚀的特征的侧向尺寸。
光源166可以是单色、多色、白光或其他适合的光源。一般地，可分析来自反射束178的光信号以提取关于层的存在或缺乏(例如，含金属层)的信息，或区域180的特定材料层的厚度信息。选择入射光束176的强度足够高以提供具有可测强度的返回光束178。在一个实施方式中，光源166提供例如来自Hg-Cd灯或光发射二极管(LED)的多色光，所述灯或LED分别产生从约200nm到约800nm，或约400到800nm的波长范围内的光。可以过滤多色光源166以提供具有任选频率的入射光束176。在测量进入光检测器170的返回光束178的强度之前，可以将滤色片放置在光检测器170的前面以滤除除所需波长的光外的任何其他波长。光可以通过分光计(具有波长色散元件的阵列检测器)分析以提供全部宽波长范围的数据，诸如紫外到可见，从约200nm到800nm。光源可配置为在连续或脉冲模式下操作。在连续的检测下，可优选地使用具有比等离子体发射高的输出强度的光源。在具有多波长输出的光源的情形下，可选择比来自等离子体的相应波长高的输出强度。对于脉冲模式操作，光源强度的所述要求可以是不严格的，只要检测器没有对来自光源和等离子体的强度饱和。
不同的光源选择可用于脉冲模式操作。例如，光源166可以是提供稳定并连续的辐射输出的任意适宜光源。可以提供快门(未示出)以阻挡和不阻挡来自光源166的输出从而为信号检测提供交替的光束开启/关闭循环。在光束“开启”周期中采集的信号将包括来自等离子体发射和由光源166产生的信号，而光束“关闭”期间采集的信号将对应等离子体发射。由于可消除来自等离子体发射的可能干涉，因此从光束“开启”信号扣除光束“关闭”信号可得到改进的测量。所述数据减法规律可提供作为与终点检测系统关联的部分算法。
还可通过配置光源166以交替循环来开启和关闭而实现脉冲模式操作，例如，如图7所示。在图7的实施方式中，掩模版700放置在刻蚀腔中等离子体下方。定位终点检测系统704与掩模版700的底部界面相接。终点检测系统704包括光纤束706，其具有定位的一端以通过在衬底支架(未示出)中形成的一个或多个窗口观察掩模版700的底部。光纤束706将由光源166产生的信号和掩模版700反射回的信号输送到检测器170。一般地，光源的遮蔽或切换可以在不同组合的占空比和信号采集时间下进行，例如，用于本底扣除(background substraction)选择光源占空比匹配检测器占空比。光源强度同样可以是可调的以避免使检测器170诸如电荷耦合器件(CCD)或其他适合的器件饱和。如果脉冲时间短于检测器采样时间，则灯可多次脉冲以通过积分形成更高的总强度。在一个实施方式中，使用百分之50的占空比。当光源开启(或快门打开)时，由检测器感测的光包括既来自灯又来自等离子体的光。当光源关闭(或快门关闭)时，由检测器感测的光仅包括来自等离子体的光。使用信号差，来自等离子体的本底成分可以是扣除的所检测信号，从而提供更精确的终点指示。
可选地，不同的采样周期还可用于本底扣除。例如，检测器，例如CCD的采样时间，在光源“开启”周期可以保持较短，接着在光源“关闭”期间，在本底等离子体发射会聚期间较长的采样时间。如果发射本身用作次级信号，例如在透射监控时，则这对于减少本底等离子体发射中的噪音可能是有益的。
信号采集时间和光源“开启”周期的选择可能取决于特定的应用和光源的强度。一般地，使用具有较低强度的光源将需要较长的信号采集时间。在一个实施方式中，光束“开启”周期的范围可以是约0.1秒到约2秒。
光源166可以是提供在任选波长处的光发射的单色光源，例如，He-Ne或ND-YAG激光，或诸如光发射二极管(LED)的固态光源。其他选择包括不同的放电灯，诸如氢(H2)、]氘(D2)，蒸气灯诸如在Grimbergen的美国专利6，534，756中公开的那些蒸气灯或者中空阴极灯，具有在多个波长处的辐射输出。在一个实施方式中，光源166包括提供在不同波长区域辐射输出的许多LED。例如，光源166可包括以下至少其中之一：紫外(UV)区的LED、红外(IR)区的LED，以及具有宽带输出(例如，白光)的LED，或其任意组合。使用具有不同输出波长的LED的组合，例如，370nm(UV)、390nm(UV)、400-700nm(白)、800nm(IR)、1300(IR)、1500(IR)，可以获得从UV到IR区的光谱输出，例如，从约350nm到1500nm。在这种情形下，光源166可以设置有具有与各个LED耦合的光纤的输出光纤束。
回到图1A所述的实施方式，一个或多个聚焦凸透镜174a、174b可用于将入射光束176聚焦到衬底表面上的区域180，并将返回光束178聚焦回光检测器170的激活表面(active surface)上。区域180应当足够大以补偿衬底220的表面形态和器件设计特征的变化。这能进行用于具有小开口的高孔径比特征的刻蚀终点的检测，所述小开口诸如通孔或深窄沟槽，其可能密集存在或更加分立的。返回光束的区域应当足够大以激活光检测器170的大部分激活光检测表面。将入射和返回光束176、178引导经过工艺腔室10中的透明窗口，该窗口使得光束进出处理环境。虽然透镜172a和174b在图1A中显示为远离窗口110安装，实际上，它们也可靠近窗口110安装，如图1B所述。还可以理解入射和发射光束176、178一般可经由光纤耦合至终点检测系统164。使用光纤用于将光束与窗口往复耦合还使得在衬底支撑构件16和检测器电器之间维持电绝缘。
束点180的直径一般是约2mm到约10mm。然而，如果束点180包围仅包含少数所刻蚀特征的衬底的大独立区域，则可能需要使用较大的束以便包围较大数量的所刻蚀特征。因此，根据对于特定器件的设计特征，可优化束点的尺寸。如果信号足够，则大的束点或视场将能进行工艺控制，而不用将衬底支架孔的位置和发生信号的衬底的所刻蚀区域之间精确匹配。
可选地，光束远程位置调节器184可用于将入射光束176在整个衬底220上移动以定位衬底表面的适合部分，在该部分上定位束点180以监控刻蚀工艺。光束远程位置调节器184可包括一个或多个主镜186，其以小角度旋转以将来自光源166的光束偏转到衬底表面的不同位置上。额外的辅助镜可用于(未示出)将返回光束178引导到光检测器170上。光束远程位置调节器184还可用于以光栅图在整个衬底220的背侧扫描光束。在该实施方式中，光束远程位置调节器184包括由可移动台(未示出)、位于该台上的光源166组成的扫描组件，安装聚焦组件168和检测器170。可通过诸如步进电机或检流计的驱动机构将可移动台移动经过设定的间隔，以扫描整个衬底220上的束点180。
光检测器170包括光敏电子元件，诸如光伏电池、光二极管或光晶体管，其提供响应返回光束178的测得强度的信号。该信号可以是以流经电子元件的电流值的变化的形式，或者施加经过电子元件的电压变化的形式。光检测器170还可包括分光计(具有波长色散元件的阵列检测器)以提供全部宽波长范围的数据，诸如紫外到可见，从约200nm到800nm。返回光束178经历相长干涉和/或相消干涉，其增加或降低光束的强度，以及光检测器170提供与所反射的光束178的测得强度相关的电输出信号。对电输出信号关于时间的函数绘图以提供具有对应于所反射光束178的不同强度的许多波形图案的光谱。
计算机系统172上的计算机程序将所反射的光束178的测得波形图案的形状与存储的特征(或参考)波形图案比较并且当测得的波形图案与特征波形图案相同时确定刻蚀工艺的终点。由此，干涉信号的周期可用于计算深度和刻蚀速率。还可在测得的波形上执行该程序以检测特征波形，诸如拐点。所述执行可以是简单的数学运算，诸如赋值移动微分以检测拐点。虽然图1A示出连接至终点系统164的计算机系统172，该计算机系统同样用于处理来自该系统中的其他终点检测器的数据。
图1A意在说明衬底支撑构件16中的光学入口或窗口110和112的相对位置。两个可选的光学结构的全貌横截面视图在图1B中示意性示出。衬底支撑构件16具有凹部132和134，其独立地连接至开口或管道136和138以允许光进入衬底220的背侧。凹部132和134具有O型环和凹槽142和144，用于分别对窗口124和126真空密封。一个结构说明基于通过窗口124的反射处理的终点检测，其中光纤121中的入射光通过透镜123聚焦到衬底220上。从衬底220的背侧返回的信号随后通过透镜123准直并经由光纤125耦合至终点检测系统164。透镜123可使用不同的焦距，以及在一个实施方式中，使用约15mm的焦距。在其他实施方式中，可以省去准直透镜123。根据特定的测量和光学结构，光纤121和125可指任一单根光纤或光纤束(具有超过一根的光纤)。多光纤的使用具有额外的优点，包括，例如，增强的信号强度以及不同区域的同步采样。
另一结构说明具有通过窗口126的透射测量的终点检测。透射信号，例如等离子体发射或外部光源，经过窗口126并通过光纤127采集用于检测。如图1B所示，开口或管道138具有接近衬底支撑构件16的顶表面的锥形或圆锥形部分140。圆锥形部分140在顶部比内部具有较大的直径(或横向尺寸)，即，该部分更靠近凹部134。所述设计具有的优点在于提供更宽的视场或衬底220上的采样面积，而不需要使用较大尺寸的窗口126。在一个实施方式中，圆锥形部分140具有适合的形状为具有数值孔径约0.22的光纤使用提供具有约25°的全角的视场。可选地，散光透镜同样可用于将发射耦合至光纤127。
不同的光学部件使用本领域技术人员熟知的多种硬件安装并固定在衬底支撑构件16内，以及为清楚目的在图1B中已省略。由于衬底支撑构件16由导电材料形成，例如阳极化铝，装配硬件是任一不导电或另外与衬底支撑构件16绝缘。开口136、138和凹部132、134的尺寸可根据特定的设计和/或工艺需要而变化，例如，考虑诸如光束点尺寸、预期的采样区域、对RF偏置最小影响等等因素。例如，凹部132、134可具有直径范围从几毫米(mm)到几厘米(cm)，而开口136、138可具有上达一厘米的直径。在一个实施方式中，具有直径约7mm的开口与约2mm的束点尺寸一起使用。其他设计替代例可包括提供在窗口上的导电栅或透明导电涂层使得对衬底支撑构件16上的RF偏置的可能影响最小化。
终点检测系统164可配置为检测设置在衬底表面的任何区域中的图案。根据特定的终点检测技术，衬底上的图案可以是光掩模上的任意适合的器件特征，或者它们可以使用特定的特征设计或尺寸测试图案以便于终点检测。例如，所述测试图案可以是具有单个或不同间距和/或线宽的线/空间图案。
图1C示出窗口136、138、窗口124、126、衬底支撑构件16和衬底220的相对位置的一个实施方式的示意俯视图。衬底220的侧面或边缘220E延伸超过衬底支撑构件16的边缘16E。如图所示，衬底220的外围区域227和中心区域225之间的区分以虚线表示。开口138用于监控中心区域225中的终点。虽然开口136覆盖包括衬底220的外围区域227和中心区域225的区域，但它仍可用于终点检测目的，例如，获得刻蚀均匀性信息等。可选地，如果通过开口136的终点监控基于来自提供在外围区域227中的特定测试图案的信号，则所述终点监控可有效地执行，只要检测到的信号基本没有可能由在开口136的视场内的中心区域225的特征引起的干涉。一般地，为了避免不期望的干涉，测试图案提供在与衬底220的中心区域225充分分开的位置处。在一个实施方式中，一个或多个测试图案提供在距离衬底220的边缘220E上达约10mm的距离处，以及开口设置在衬底支撑构件16的相应位置用于终点监控。
图3示出具有用于终点监控的在外围区域中不同位置的6英寸正方形衬底的俯视图。在一个实施方式中，基于设置在衬底的外围区域315或角325处的一个或多个测试图案325的监控而执行终点检测，以及终点检测系统164可以直接设置在衬底的这些区域的下方。例如，对于6英寸乘以6英寸的衬底，终点检测系统164的窗口可以设置为距离衬底220的水平中心线310至少约2.6英寸，诸如约2.6-2.9英寸之间，以及距离衬底220的垂直中心线320至少约2.6英寸，诸如约2.6-2.9英寸之间，如图3所示。一般定位窗口112距离衬底支撑构件16的平面的中心小于2.6英寸，用于监控衬底的中心区域225内的区域。在一个实施方式中，测试图案具有大约与束点相同或比束点更大的尺寸。
当通过终点检测系统164检测时，配置从具有相同测图案的每个衬底所反射的光束以具有相同的波形图案。以这种方式，从相同测试图案得到的波形图案可用于确定腔室是否根据特定的工艺菜单运行，并且确定对于不同的衬底是否得到了所需的蚀刻结果。
当测试图案或各种尺寸和/或设计可容易地设置在外围区域中时，在光掩模中心区域中这些图案的定位是非常受限制的。因此，用于在中心区域中监控终点的特征的有效性通常取决于光掩模上的器件设计和布局图。如果，例如由于不充足的开口面积使得所监控的区域不提供用于监控的足够强的光信号，则可选的光学配置可用于增加视野或用于提供多个采样区域。这些可选的光学配置可包括具有使用较高的数值孔径(NA)的光学组件，例如，透镜和光纤，包括具有锥形端的光纤或使用光纤束以对不同的区域采样。使用较大的NA允许增加采样区域而不必要增加窗的尺寸。使用多光纤(例如，光纤束)允许在衬底的不同区域处监控光信号。取决于特定特征和检测技术，来自这些不同区域的信号，诸如穿过衬底的中心区域的不同位置，可一起提供改善的信号，或者可将不同的信号彼此比较且选择最佳信号用于终点检测。在多数实施方式中，会聚镜片配置以对在基本垂直于衬底平面的方向上的光信号进行采样。在另一实施方式中，会聚镜片还可从斜视角，即，不垂直于衬底，采样信号。斜视角配置还将导致与使用相同会聚镜片的垂直配置相比的增加的采样区域。
在运行的透射模式中，终点检测系统164监控随时间变化的透射率(例如，总光强度)或者光学发射信号(例如，波长分辨的发射)。在一个实施方式中，腔室10中的等离子体用作光发射光监控的光源。该配置与反射模式相比具有较简单的光学设置的优点，原因在于其不需要外部光源而仅需要一根光纤。
等离子体发射通常包括特征在于在等离子体中存在各种物质的色散波长。例如，可在相应于一种或多种蚀刻剂/反应物或蚀刻产物的一个或多个波长处监控发射。在蚀刻终点，例如，当特定材料层完全蚀刻且暴露该特定材料层的下层时，所监控的发射强度根据正在监控的发射物质是否增加或减少而变化。一般地，终点检测系统164的光发射检测装置150包含聚光组件152、波长色散元件156和光电检测器158。在一个实施方式中，聚光组件152包括光纤153，以及可选地，包括用于将光信号耦合到光纤153的透镜154。波长色散元件156可以为用于将光信号178分离为其组成波长的分光计。在其他实施方式中，聚光光学组件152可包括各种块光学组件诸如透镜和镜子，并且波长色散元件156可为各种滤光器以通过选择范围的波长。根据特定的配置，光电检测器158可配置以在特定波长处检测光信号，或者其可在不同波长处同时检测信号。适当的光电检测器可包括光电二极管、光电倍增管或电耦器件等。
尽管在图1A中的实施方式示出了从耦合到终点检测系统164的不同光学组件的窗110和112发出的不同光信号，例如，发射和透射信号，通过窗110和112所监控的这两种信号还可以为相同类型的光信号，例如，都是反射信号或透射信号等。另外，从窗110和112发出的这两种光信号可耦合到相同的光电检测器。例如，如果使用成像的光电检测器，则从一个窗发出的等离子体发射信号可成像到第一组检测器元件或检测器的像素，并且从第二窗发出的其他发射信号可成像到第二组检测器元件或相同检测器的像素上。
另外，尽管图1A仅使出设置在衬底支撑构件16中的窗110和112，同时其他光学组件可示为在衬底支撑构件16的外部，该描述是部分示意性的，并且部分为了图清晰。应该理解，终点检测系统164的一个或多个光学组件，例如，窗、光纤、透镜、光电检测器等还可设置或嵌入在衬底支撑构件16中，或者与光学进出窗110或112结合。不同光学测量和信号检测配置的其他组合还可有利地用于在衬底的两个或多个位置处监控终点。
在另一实施方式中，外部光源190与等离子体源连接或替换等离子体源的使用，可增强性能或提供透射率测量的优点。对于透射模式，外部光源190将通过设置在顶部13上的窗192耦合到腔室10。用于透射率测量的外部光源190的使用具有在等离子体源上方的优点，原因在于其可提供比等离子体发射更稳定的光源，其将经受由蚀刻工艺引起的波动。外部光源190可配置以允许在不受来自等离子体物质的潜在干涉的所选波长处进行监控。与光源166类似，外部光源190还可以脉冲模式运行，以允许用于增强终点检测性能的各种信号处理选项，例如，通过减去来自等离子体发射的可能波动等。利用光源190的脉冲源运行的细节与之前对于源166描述的类似。其他实施方式可包含用于反射率和透射率测量的脉冲源的使用。在另一实施方式中，外部光源190可穿过衬底支撑构件16中的光学进出窗(未示出)设置，以及穿过窗192监控的透射信号。
作为反射率监控的实施例，光源190的输出经由光纤194穿过窗192耦合到衬底220诸如光掩模上。反射的光(例如发射离开光掩模上的特征的光)通过准直透镜196会聚并耦合到通到宽带分光计检测器198的另一光纤197中。分光计198将光分离为其波长组分，例如，大约200nm到800nm，以记录第一光谱。
第二光谱利用脉冲源聚集出。其提供随后可从第一光谱去掉的本底谱图。不同光谱，其包括仅来自所反射光的谱图，并将不受等离子体光影响。对于蚀刻工艺期间每个数据点，重复采集两种光谱的工序。结果，等离子体中的任意变化将不影响所测量的反射率，原因在于如果等离子体发射相对强烈则其可发生。
由于衬底(光掩模)是电介质，例如，透明的，具有本底清除的反射测量设置可从衬底220的任一侧执行。即，光纤束和准直镜片可放置在顶部13上用于采集从衬底220穿过顶部窗192的信号，或者它们可放置在衬底220下面用于从衬底的背侧监控。
从下面(即，穿过衬底)进行终点监控的后一个配置提供至少两个优点。首先，在吸收层诸如Cr正被蚀刻的情形下，与从在衬底顶表面上方观察时相比，当在从衬底下面观察时，来自衬底背侧的光信号将较少受光致抗蚀剂掩模层厚度变化影响。第二，对于特定应用，需要小的光学采样区域。例如，利用石英蚀刻，当在具有均匀图案的预设测量区域内测量时，干涉测量最准确。因此，与来自腔室的顶部的光束相比，使用其中准直镜片接近衬底的背侧监控使其能使用更小的光束。
该清除技术还可应用于透射率测量，其中光源和检测器在正处理的衬底的相对侧。这需要在顶部具有窗且在衬底容纳器中具有窗，并且为了会聚分离镜片。
图4A-C示出了在可通过不同的终点检测技术监控的光掩模衬底的制造期间的各种结构。图4A示出了具有构图的光致抗蚀剂416的二元光掩模结构410，用于蚀刻含金属层414，例如，包含铬氧化物和铬的铬层，其设置在玻璃或石英层412上方。蚀刻铬层414的终点可以反射或透射模式监控，并且可执行反射率、透射率和/或光发射测量。
例如，来自终点检测系统164的入射光束402可穿过衬底支撑构件中的其中一个窗指引到光掩模衬底419的一个区域上。通过终点检测系统164的光电检测器170检测由入射光束402和光掩模结构410之间的相互作用引起的回束404，例如反射出铬层414的背表面(或者铬层与石英层之间的界面)。在铬层414的蚀刻终点，反射信号减少，原因在于去除光掩模的开口区域415(在该处没有光致抗蚀剂)的铬层，导致从这些区域反射的光束损失，如虚线箭头405所示。另外，可执行反射光谱的衍射分析以评估铬特征的蚀刻轮廓，以及以当清除过铬特征的脚部时终止蚀刻工艺。这些分析将允许控制特征的蚀刻轮廓。
在透射模式中，监控穿过开口区域415的光发射信号，例如来自等离子体。在一个实施方式中，可测量总的发射强度，即，透射率。在另一实施方式中，发射可耦合到波长色散元件和在一个或多个所选波长处监控的信号。当保持铬厚度相当小时朝向铬终点蚀刻，铬厚度还可由透射信号评估。
图4B示出了在衰减型相移掩模制造期间的另一光掩模结构420。该结构420具有在石英层422上方形成的相移材料层428，例如，二硅化钼(MoSi)。铬层424沉积在MoSi层428的顶部上，随后沉积光致抗蚀剂层426。光致抗蚀剂层426构图并用作铬层424的蚀刻掩模。然后，二硅化钼(MoSi)层可利用构图的光致抗蚀剂层426作为掩模或者利用构图的铬层424作为硬掩模(在光致抗蚀剂层426剥离之后)进行蚀刻。与铬蚀刻类似，可以反射或者透射模式监控MoSi蚀刻的终点，并且执行反射率、透射率或光发射测量。由于MoSi部分透射，所以干涉测量还可用于终点监控。
图4C示出了用于制造石英相移掩模的另一种掩模结构430，具有用作硬掩模的构图的铬层434，用于蚀刻其下的石英层432。初始的、或预蚀刻的石英衬底432的顶表面436在图4C中示为虚线。在该情形下，石英层432向下蚀刻到初始表面436下面的特定预定深度d1。通过以反射模式运行终点检测系统164，可随时间监控在特定波长的回束178，以提供干涉测量数据，例如，由传输穿过不同厚度的材料层的反射光束178的不同部分之间的光学干涉引起而出现的条纹。例如，入射光束的一个部分402A反射出光掩模430的开口区域，同时入射光束的另一部分402B反射出光掩模430的掩模区域，例如，具有铬层/特征434的区域。在两个反射部分405A和405B之间的干涉产生表示这些部分405A、405B穿过的石英层厚度的区别的条纹(即，强度调变)。通过监控反射光束中的干涉条纹，可获得蚀刻深度d1。在一个实施方式中，干涉测量的终点监控以脉冲模式执行，如之前结合图1A中的光源166所述。一般地，任何窄带源适于干涉测量监控。因此，还可能使用等离子体作为干涉测量监控的光源，只要为了该目的等离子体发射具有充分窄的带宽。
图5示出了在使用终点检测系统的Cr掩模蚀刻期间同时随时间监控三种光信号。铬层使用含氯和氧气的等离子体蚀刻。顶部迹线510通过监控来自Cr的发射信号获得，例如，或者通过直接监控来自Cr的原子线，例如，在520nm波长处，或者通过监控Cr发射线和氯线(例如，258nm)以及提取Cr：Cl比率的发射信号。通常，可通过采用蚀刻产物的发射信号与反应物的比率而改善信噪比(反之亦然)。由于铬蚀刻装置终点，等离子体中含铬物质(蚀刻产物)的浓度降低，导致Cr发射信号(或者Cr：Cl发射比率)相应变化，如在顶部迹线510的点512处所示。一般地，可通过直接观察等离子体，穿过腔室10中的一个或多个窗监控光学发射信号，例如，设置在衬底支撑构件16或顶部中的窗。另外，侧部窗193可设置在腔室壁中用于检测等离子体发射，例如，通过耦合发射到光发射检测器系统195，如图1A所示。通过侧壁窗193的发射监控可结合穿过一个或多个其他窗的终点监控执行。
中间迹线520通过监控由铬层的底部表面反射出的光引起的反射信号获得，与在图4A中所示的类似。在铬蚀刻方法终点，掩模的开口区域415中的铬层随着蚀刻掉铬而变得越来越薄，其导致所监控的反射信号强度减弱，如在部分514中所示。
底部迹线530通过监控透射率而获得。如在部分516中所示，当去除掩模的开口区域415中的铬层时，透射信号强度朝向终点增强，其允许发射穿过这些区域中的石英层透射。
这些光学测量技术的使用，与在衬底的两个或多个位置处的监控耦合，允许通过提供增强的终点检测而改善工艺控制。在一个实施方式中，终点检测系统配置以用反射和透射模式运行。例如，返回到图1A，穿过窗112检测透射信号(例如，透射或等离子体发射)，用于监控衬底的中心区域中的区域，并且穿过窗110检测反射信号(例如，反射率或干涉测量)，用于监控衬底的外围区域中的区域。以透射模式监控衬底的中心区域是有利的，原因在于与反射模式相比在所蚀刻的特征和进出窗之间的对准需求较不严厉，并且另外，可监控较大区域。
因此，本发明的一个实施方式提供可使用本发明的装置实施的方法。在一个实施方式中，本发明的装置包括包含计算机可读媒质的指令，其当通过控制器执行时，诸如计算机172或其他本领域中公知的适于控制蚀刻反应器的其他处理器，使蚀刻腔室执行方法诸如图6所示。预期计算机可读媒质可存储在计算机172的存储器中，其还包括辅助电路和处理器。方法600从步骤602开始，其中提供具有衬底支撑构件的蚀刻腔室，该衬底支撑构件具有分别设置在衬底构件的中心区域和外围区域中的第一窗和第二窗。在步骤604，在支撑构件上提供光掩模，并且在步骤606将工艺气体引入到腔室中。含卤素气体通常用于蚀刻在光掩模结构上设置的不同材料。例如，含氯工艺气体可用于蚀刻铬层，而含氟气体诸如三氟甲烷(CHF3)或四氟甲烷(CF4)可用于蚀刻石英。在步骤608，等离子体由工艺气体产生，并且在步骤610，第一和第二光信号分别穿过第一和第二窗检测。在步骤612，基于由两种检测的光信号的至少其中之一所获得的信息，终止腔室中的等离子体。另外，基于蚀刻轮廓结果诸如中心到边缘的均匀度，可调整工艺参数诸如蚀刻气体成分、流速、线圈偏压等以最优化工艺。
通过应用用于在衬底的不同位置处同时监控的一种或多种光学测量技术，本发明的实施方式利用增强的工艺监控和控制性能提供改进的装置和方法。这些改进还允许对于具有低开口区域的光掩模蚀刻应用的可靠的终点检测。例如，光发射终点检测证明蚀刻光掩模具有低于约3％的铬开口面积和约1％的二硅化钼开口面积，并且反射测量证明对于相移掩模应用的铬和石英蚀刻具有低开口面积。除了提供中心到边缘蚀刻均匀度的信息，由具有不同图案密度的区域引起的蚀刻速度变化也可通过使用本发明的终点检测系统利用监控多种光信号而获得。例如，具有不同特征尺寸或图案密度的测试图案可设置在光掩模外围区域的不同区域中并且所监控的光信号可用于评价或确定图案密度的所考虑的适当蚀刻终点。
还预期单一窗可用于衬底支架以提供衬底监控。特别地，以上所述的特征可与单一窗一起使用以增强在具有单一窗终点检测器的传统系统之上的衬底监控。
在本发明的另一实施方式中，以提供蚀刻工艺监控系统，以直接观看等离子体(例如，侧部窗)并直接观看蚀刻穿过在阴极中的一个或多个位置(例如，在光掩模或晶圆下面的阴极窗)处工件。可使用用于工艺控制的这些信号的组合。在一个实施方式中，蚀刻工艺监控系统包括具有3或4个窗、在蚀刻区域的外围区域中具有2或3个窗的阴极；CCD终点系统，配置以同时采集2个通道信息---一个侧部OES(光学发射)，以及一个“底部”(穿过光掩模)。该“底部”光纤电缆可放置在阴极中3或4个窗的任意下面。通常该装置是静态的，并且光纤电缆固定在中心或者其中一个边缘位置处。底部光纤电缆保持电绝缘以不传输偏置RF能量到终点系统。
侧部OES信号从掩模的大区域产生，同时底部信号从由光学配置确定的掩模下面的局部区域产生。通常，该区域是2-5mm的级别，但是可通过改变设计而变化。
该底部信号可反射(通过使用光源，称为干涉测量终点“IEP”)或透射(等离子体作为光源，称为透射终点“TEP”)。尽管可使用光源和相关的光纤电缆，但是可选地可使用透射模式(TFP)，其利用由通过光掩模检测的等离子体信号提供的光。
实施例和优点包括：
1、为了更加可靠，确定达到OES终点和底部终点，尤其对于小开口区域蚀刻应用。例如，在其中一个终点方法中，OES和底部终点可用于检测工艺漂移和/或错误。
2、通过比较TEP中心和OES(平均)的终点时间进行工艺均匀性评估以及和中心快或中心慢蚀刻条件监控。
3、类似地比较边缘或角落终点时间与OES，以确定左-右或上-下蚀刻速度图案差别。
4、通过利用OES信号除TEP信号，归一化穿过掩模的TEP信号。
4a、该归一化提供真实的透射率测量，较大程度地独立于等离子体亮度和波动。
4b、该归一化还允许所测量掩模的光谱透射率和透射率的实时模型之间进行比较，从而允许在蚀刻期间确定蚀刻层厚度(例如，Cr层)。
4c、该归一化还允许对所测量掩模的光谱透射率和透射率的实时模型之间进行比较，从而允许在蚀刻期间确定掩模层(例如，光致抗蚀剂)厚度。
4d、通过PR蚀刻速度(4a)除Cr蚀刻速度(4b)而确定蚀刻选择性。
注意到以上所述的所有透射和/或反射实施方式都可参照与直视OES信号的比较在此使用。还应该注意到在此所述的实施方式可用于光掩模沉积应用、MEMS穿过晶圆蚀刻、硅晶圆沉积或蚀刻和红外频带边缘晶圆温度测量的红外监控/工艺控制的终点监控中。
在另一实施方式中，通过监控正在蚀刻的光掩模上的薄膜的实时透射率而有助于改进蚀刻工艺控制。在蚀刻开始处，吸收层(例如，Cr)具有小但是可测量的透射率(通常为1％至15％，取决于薄膜类型)，其以预定方式随着在蚀刻期间薄膜变得越来越薄而增加，直到其在蚀刻终点完全移走(100％透射)。单一的光纤束放置在光掩模下面的窗之下，以采集逐渐增强的等离子体光。通常，探视区域属于2-5mm级别，其可通过改变设计而变化。该配置可称为“透射终点(TEP)”。
TEP的优点包括基于正在蚀刻的薄膜的吸收的实际光学清除(clearing)确定终点。假设窗位于正在蚀刻的薄膜区域下面，那么终点可具有与OES相比更佳的可靠性，尤其对于小开口区域蚀刻应用。终点系统可利用等离子体作为光源，避免使用外部光源。利用等离子体光源，可使用宽视野，从而最小化阴极中开口的大小。实施方式为如同将光纤放置在阴极窗附近一样简单，而不用任何额外的镜片。
TEP可有利地用于铬和其它蚀刻应用。这些应用可包括放置在光掩模下面的光纤，用于当蚀刻铬层时检测穿过铬层的等离子体光的增加。光源还可用于监控反射率，尽管单一变化稍微小于TEP信号，并且同样地，TEP在铬应用期间提供较好的分辨率。
TEP还可用于石英蚀刻应用中。在这些应用中，可使用光学干涉测量。透射干涉测量可用于监控蚀刻速度和终点。等离子体用作光源，因此不需要灯。可归一化终点透射，如上所述，利用穿过在腔室中形成的侧窗所得到的OES信号除TEP信号，以减小由等离子体中的变化引起的信号增强。在其中等离子体足够稳定以提供稳定光源的应用中，不需要背景减除。反射干涉测量还可用于需要光源的企图进行的蚀刻。光源可以为稳定的灯，例如，在UV区域或比等离子体背景亮的区域中。这些适当的光源的实施例包括氘灯、高强度放电灯(HID)、电弧灯和固态UV LED灯。光源还可开关，从而有助于从信号减除来自等离子体背景的信号，从而提供表示终点的更加精确的信号。
另外，可采样仍然较大的光掩模区域。对于灯配置，可使用准直镜片。对于等离子体作为光源，可使用阴极中简单的视野锥形，或者添加偏离透镜。对于每个灯配置，还可使用扫描检测器。如果阴极中的光学窗较大，则可将金属栅放置在窗上方或可使用透明导电膜(例如，ITO或ZnO)，以维持需要用于处理衬底的RF偏压。
在一个实施方式中，在图8中示出了示例性的检测器。检测器可以为单一波长检测器，诸如具有滤光器或单色仪的光电二极管PMT。在衬底支架中的每个窗可通过光纤电缆耦接到分离的检测器。检测器还可为多波长检测器，诸如分光计。分光计可成像，从而光纤束的单独部分可被处理为分离的分光计。多个分光计可用于同时容纳来自不同位置的多个数据采集。
在图8中所示的示例性实施方式中，光电检测器800示为通过光纤束802与放置在掩模版(未示出)下面的衬底支架中的多个窗804隔开。来自每个窗804的信号(反射和/或透射)通过端口806进入光电检测器800。在与分光计808交互之前，在光电检测器800中的信号与波长色散元件810相互作用，诸如光栅或棱镜。将来自每个光纤束802的信号提供到单一分光计807，或者来自每个窗804的单一信号，或者通过顺序地提供信号到单独的分光计，或者通过提供每个信号到单独的分光计单独分析来自每个窗804的信号。
特定的设置包括具有3或4个窗、在蚀刻区域的外围区域中具有2或3个窗的阴极，一个在中心；CCD终点系统，配置以同时采集2个通道的信号，---一个为侧OES(光发射光谱仪)，而一个在“底部”(穿过掩模)。“底部”光纤电缆可放置在阴极中3或4个窗的任意下面。该装置是静态的且光纤电缆可固定在中心或其中一个边缘位置中。底部光纤电缆保持电绝缘，以不传输偏置RF能量到终点系统。这些实施方式可用于光掩模沉积应用、其它衬底(例如，晶圆)蚀刻应用、MEMS穿过晶圆蚀刻、硅晶圆沉积或蚀刻和红外带边缘晶圆温度测量的红外监控/工艺控制。
该配置的一个实施例在图9-10中示出。图9是适于蚀刻光掩模版902的蚀刻反应器900的示意性图。蚀刻反应器900耦接到终点检测系统904，其穿过通过衬底支架906设置的窗而监控掩模版902的蚀刻。蚀刻反应器900的衬底支架906通过RF探针908耦接到RF产生器910。RF探针908耦接到控制器912，该控制器912配置有工艺状态监控软件，其积极地控制在蚀刻反应器900中执行的蚀刻工艺。
衬底支架906包括多个窗，通过该多个窗表示蚀刻速度和/或终点的信号提供到终点检测系统904。图10描述了衬底支架906的俯视图，其示出了在处理期间在通过掩模版902覆盖的区域内的衬底支架906的顶部中形成的中心窗1002和边缘窗1004的分布。预期角落窗和/或在其它位置的窗。在图10所述的实施方式中，边缘窗1004设置在以上所述的掩模版902的外围区域下面。
返回到图9，光纤912设置在每个窗下面，从而将终点信号(透射和/或反射)提供到检测系统902。光纤914放置以通过穿过蚀刻腔室900的侧部形成的窗口观察等离子体，从而提供到检测系统904的OES信息。在图9所述的实施方式中，光纤914耦合到第一检测器916，诸如分光计，同时光纤914耦合到至少一个第二检测器918。第二检测器918可配置为参照图8所描述的结构或其它适当的方式。灯920可选地设置以提供反射信号。可通过专用终点处理器922，诸如PLC或其它处理器分析信号。终点控制器922与配置有工艺状态监控软件的控制器912联系，以提供实时蚀刻和/或终点信息。可选地，至少一个控制器932或处理器922耦接到前端服务器924和/或主机控制器926以允许在设置内的产品和其它工具之间共享的集成的测量信息。检测器920可配置以具有高达三个输入。另外，检测器可与从单独的检测器提取的所有观察数据同步。
图11描述了平均终点、左终点和顶部终点的视图。迹线1102描述了平均终点，而迹线1104和1106描述了分别在左窗和顶窗获得的终点信号。迹线1104和1106示出了在顶部位置的终点中的微延迟，而迹线1102示出了使用侧OES提取的平均终点。
图12示出了两个分光计提供适于监控工艺均匀性信息的能力。图12描述了表示使用侧OES提取的平均终点的第一迹线1202。第二迹线1204表示在光掩模版的中心中蚀刻的时间。第三和第四迹线1206、1208表示在光掩模版的左边缘和顶边缘蚀刻的时间。第五迹线1210表示在光掩模版的角落中蚀刻的时间并与边缘迹线1206、1208一起示出。如图所示，中心信号用于确定那个区域比其它区域蚀刻较快和/或清除较快。这些信息对于调整下一批衬底的蚀刻工艺菜单有用，或者提供这些信号用于调整在这些衬底上执行的工艺，从这些衬底得到终点数据以更好地控制和/或纠正工艺结果。
图13描述了从同一蚀刻循环的两个周期获得的终点信号数据。曲线1300A描述了穿过光掩模获得的OES信号的迹线1302和穿过设置在腔室的侧部中的窗获得的OES腔室信号的迹线1304。通过归一化数据，例如OES腔室信号除穿过掩模信号的OES，产生归一化的终点信号的迹线1306。在曲线1300A和1310A中获得的数据在蚀刻的三十秒内得到。在曲线1300B和1310B中示出的数据包括在蚀刻的380秒内提取的数据。再次，曲线1300B包括穿过掩模提取的OES信号的迹线1322和OES腔室信号的迹线1324。归一化的信号在图1310B中通过迹线1326示出。
图14描述了用于使用归一化的透射率监控蚀刻工艺的方法1400的流程图，诸如参照图13的以上描述。用于监控蚀刻工艺的方法1400可使用归一化的透射率图谱以从光学薄膜模型测量铬厚度和/或抗蚀剂厚度。工艺400提供与两个分离的区域、铬蚀刻速度和光致抗蚀剂蚀刻速度的相关信息。当比预定厚度大时，铬层一般吸收光。穿过铬层的光的透射率随着厚度变得小于约20纳米而快速增加。透射率的变化在铬清除之后几乎是平坦的。光致抗蚀剂在很大程度上是透明的并且示出薄膜界面。方法1400在方块1402开始。工艺在方块1402开始，其中穿过正在蚀刻的工件(例如，光掩模版)透射的光通过检测器测量。在方块1404，所透射的信号除以穿过侧窗提取的发射信号以计算归一化的透射率。在方块1406，将归一化的透射率与薄膜光学模型相比以计算实时厚度。在方块1406获得的信息可用于分析铬和/或光致抗蚀剂厚度和/或蚀刻速度的至少其中之一。在方块1408，分析穿过光致抗蚀剂/铬叠层获得的透射率数据。在方块1410，使用在方块1408中分析的数据确定蚀刻速度中的光致抗蚀剂厚度。可选地，或者除了在方块1408、1410执行的光致抗蚀剂分析之外，可在方块1412和1414分析铬层。在方块1412，分析穿过铬层获得的透射率数据。在方块1414，通过在方块1412分析的数据确定铬厚度和/或蚀刻速度。
除了以上所述的实施方式之外，还提供使终点检测更加可靠的方法。在一个实施方式中，终点检测的可靠性可通过从光致抗蚀剂掩模层消除薄膜干涉而改善。例如，可通过由掩模的蚀刻而不是正在蚀刻的层引起的信号混淆蚀刻的光学监控。参照图15，薄膜干涉在掩模层的顶部和底部之间发生，特别通过用于反射的组件R2和R3以及用于透射模式的T2和T3。干涉可通过使用其中掩模层吸收的波段基本消除，诸如深UV波长。然后，通过正在蚀刻的层以及从其暴露分数确定蚀刻的光学监控。可通过使用被光致抗蚀剂吸收的光源的波长，基本消除在掩模层的顶部和底部之间的薄膜干涉，如图没有部件R2和T3所示。
可选地，所有的光透射反射信号清晰地示出在未构图的工件(例如，光掩模或晶圆)的蚀刻期间的终点，构图的蚀刻掩模在确定终点的步骤中产生困难。由于掩模层的并行变薄同时蚀刻正在蚀刻的层引起的薄膜光学干涉的存在，光信号被混淆。透射率与反射率相比更易受该问题影响，尤其如果蚀刻层基本不透明时，如在厚铬层的情形下，例如，厚度大于100nm的铬层。随着技术朝向越来越薄的层、尤其厚度小于50nm的铬的层发展，固有吸收减少且优点也相应地减少。对于具有额外的吸收层诸如MoSi的相移光掩模的情形，优点进一步减少。然而，通过选择深UV波长以监控反射率和透射率，实质上消除了从掩模层混淆的干涉。当光程足够短，其中掩模层的吸收非常重要时，其发生，从而扰乱干涉。这将在对于DUV抗蚀剂诸如FEP 171的光波长小于240nm时发生。
图16、17和图18是光致抗蚀剂的光学干涉的示意性视图。图16示意性示出了光学干涉组件T2和T3。图17描述了透射信号T1、T2和T3的强度。图18示出了在与透射信号T1和矢量叠加信号T2和T3重叠的图17的曲线中描述的透射信号。
图19、20和图21示出了通过使用由光致抗蚀剂层吸收的波长利用终点监控信号的蚀刻工艺。如在图19中所述，由光致抗蚀剂掩模层吸收的入射光将在掩模层的顶部和底部之间不产生，特别地在去除组件R3和T3后。因此，如图20的曲线所示，通过检测器所监控的产生信号一旦当铬层变得小于20nm时更易于分析，诸如当铬层清除且透射信号更平坦时，并且这样，通过检测器获得的产生信号表示光掩模覆盖层和/或铬层的厚度和/或状态，如图21所示。因此，当信号的斜率降低时，可识别铬蚀刻的终点。可使用导数计算和数据平滑的程序以当斜率降低时调用终点。这些终点确定在图22中提供的终点迹线中示出。
深UV波长监控信号的使用特别适用于具有小开口区域的蚀刻应用中。例如，图23描述了通过从光致抗蚀剂层的光学干涉支配的终点信号。不能从图23中所描述的信号容易地看到铬蚀刻的终点。通过利用UV波长监控信号，随着迹线的斜率在260秒标记处显著减低，可容易地确认终点，如通过迹线2402示出，如在图24中所示。通过利用深UV终点信号的导数(derivative)，还可在260秒标记处确定终点，如在迹线2404的瞬间信号之后所示。
使用光纤镜片还可改善深UV终点应用。传统的UV传输光纤镜片一般在小于235nm的波长处衰减信号。非曝光的光纤可用于改善235nm波长以下的透射率。因此，信号与噪音的比率增加，从而延伸终点性能至更小的开口区域。
图25示出了具有支撑在底座2504上的光掩模版2502。底座具有一个或多个窗2506，穿过其可利用终点检测系统2508观察到光掩模版2502的底部。终点检测系统2508包括侧部光纤束2510，其穿过设置在腔室侧部的窗2514观察设置在腔室2500中的等离子体2512。侧部光纤束2510将等离子体2512的信息提供给检测器2516，诸如分光计。第二光纤束2518穿过底座2504中的窗2506观察衬底的底部。光纤束2518由非曝光的深UV熔融氧化硅制成，用于增强波长小于235nm处信号的透射率。可选地，终点检测系统2508可包括灯2520，以提供穿过光纤束2518的光，从而以反射模式获得信息。
图26描述了有利于光致抗蚀剂吸收的波长选择的曲线。该曲线示出240nm以下的波长，干涉条纹消失，原因在于较高的吸收常数消除了多通道反射。因此，选择适当的波长用作终点检测监控介质，从而增强终点和工艺监控的原位反射透射。减少的光掩模干涉有利于小开口区域应用中精确的终点确定，诸如接触图案。该方法还有利于在特定的区域处获得实际工艺的测量信息，包括色散的本地区域，并且不限于在大区域上确定的终点检测。这能使工艺进行调整以在特定的位置处调谐蚀刻速度。深UV监控信号的使用对终点检测的反射和透射模式都有利。同样，这些技术可扩展用于传统的晶圆蚀刻(顶部反射)，以及光掩模(顶部反射、底部反射和底部透射)蚀刻。
在另一实施方式中，终点硬件(在蚀刻衬底(例如，光掩模)的下面具有多个窗的阴极)、多衬底检测位置可与衬底图案结合使用以确定衬底定位。一旦已知衬底定位，则可修整现有的工艺均匀性信号以改善最终的蚀刻性能。例如，如果衬底以垂直方向插入到腔室中，且蚀刻图案具有自上而下的组件，则可动态地改变工艺以具有更多的侧-侧部件。这将产生改善的蚀刻均匀性。工艺变化可通过修整部分菜单同时运行而执行。工艺变化可，例如，使在其它处理可变和/或工艺旋纽(knob)中必须使用动态相位调整或变化。在另一实施例中，如果在衬底之间的定位变化，则可调整工艺以容纳变化并在衬底均匀性之间提供。
实施例处理顺序(用于光掩模衬底)可包括：A)提供在左边缘和右边缘上具有两个开口的掩模图案；B)提供设置以同时采集来自左边缘下面的窗和在衬底顶边缘下面的窗的数据；C)当掩模插入到设备中时，分析来自顶部和右位置的信号，以确定哪一个位于正在蚀刻的开口下面；D)为了改善蚀刻性能，可修整菜单以容纳掩模定位。具有与掩模图案协作的额外的衬底感应器的示例性优点包括：不管掩模的蚀刻定向都可以执行终点；可将来自两个周界位置的信号相加，以形成强终点信号；可分析信号以确定哪一个与掩模图案匹配并因此确定掩模定位；可使用掩模定位以修整现有菜单，从而产生改进的工艺结果(例如，更好的蚀刻均匀性)。
在一个实施方式中，一个实施例可包括A)新的光纤束分为3股，其允许监控阴极(或现有的4个窗)的两个位置，以及来自侧窗的OES(光发射分光计)；B)CCD终点系统固件能同时采集3个通道的信息。这通过改变在成像的分光计中的CCD像素的映像来完成；D)分析三个数据流，以确定哪个信号用于终点(或相加或否则组合信号以形成强终点)；E)新的算法可反馈回掩模定位到蚀刻系统，并且蚀刻系统(例如，工艺菜单)可在剩余的蚀刻期间改变工艺以改善最终结果。
如果晶圆定位可变且可基于所确定的定位改变菜单而改善工艺结果，这可用于晶圆工艺应用。
在另一实施方式中，可通过以下步骤确定蚀刻工艺均匀性：1)从正在蚀刻的衬底上的不同空间位置比较终点次数，和/或从不同的空间位置比较蚀刻速度，以及2)相应地调整工艺。
终点硬件(与在蚀刻衬底(例如，光掩模)下面具有多个窗的阴极结合的三股光纤电缆)、多个检测位置可与衬底图案结合以确定工艺均匀性。如果监控示出一些工艺非均匀性，则可修整工艺以改善最终的蚀刻性能。
例如，如果所监控的蚀刻图案具有自上而下组件，则可改变该工艺或硬件以减少自上而下的组件。这可作为部分腔室设置/起动工艺，或可能地在剩余的蚀刻期间实时调整工艺。
可通过添加多个窗和多个检测器而增加所监控的位置数量。实际上，现有的CCD成像分光计限于检测三种(最多7种，伴有增加的噪音)独立的信号。如果添加第二分光计(“双分光计终点”)，则总共可检测六种信号，来自腔室侧部的一个OES，以及掩模下面的五个信号。五个位置的布局用于得到基本的自上而下、侧-侧和中心快或中心慢工艺信息。该信息还对于晶圆工艺应用有用，如果晶圆定位可变且可基于所确定的相对于衬底支架的衬底(例如，光掩模)定位通过改变菜单而改进工艺结果。
蚀刻的光学监控通常被由掩模层蚀刻产生的信号混淆，而不是蚀刻层自身的信号。通过使用其中掩模层吸收的波段，诸如对于光致抗蚀剂掩模层的情形下的深UV，则可通过正在蚀刻的层并从其暴露的面积分数确定蚀刻的光学监控。然后，来自逐渐变薄的抗蚀剂的光学干涉效应不再存在。
该实施方式可以两个部分描述。第一部分是用于掩模层的吸收波长的选择(对于抗蚀剂的情形＜240nm)。第二部分是在光学系统中逐渐增加的深UV透射的硬件改进，以提供选择具有良好的信噪比性能的深UV波长。一个硬件改进是使用在240nm波长以下具有较好的透射率的非暴露深UV光纤。额外地或可选地，检测器可靠近腔室放置以去除限制光纤透射率的要求，或者使用自由空间晶片或中空的光纤镜片。
该方法可用于监控反射率和透射率，从而其使用还可应用到吸收衬底、在
吸收衬底上的透明蚀刻层。透射和反射模式可用于晶圆和光掩模版。
本发明的其它特征在附加的附图中描述。
虽然前述针对本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围的情形下，本发明还称为其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由以下的权利要求书确定。

Claims (13)

1.一种用于衬底刻蚀的装置，包括：
等离子体刻蚀腔室；
在所述腔室内并配置为保持光掩模版的衬底支撑构件，所述衬底支撑构件具有设置在中心区域的第一窗口以及设置在外围区域的第二窗口，所述中心区域和外围区域对应于所述掩模版的中心和外围区域；
在所述外围区域中的第三窗口，并且所述第二窗口和第三窗口分别在所述外围区域的角处、及沿着所述外围区域的侧面设置；以及
终点检测系统，其可通过所述第一窗口和第二窗口运动耦合至所述腔室。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底是光掩模，以及所述第二窗口设置在距离所述衬底支撑构件的中心2.6英寸处。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述终点检测系统包括：
光检测器；以及
用于将来自于所述等离子体刻蚀腔室内部的光发射引导到所述光检测器的装置，其中所述终点检测系统不包括所述等离子体刻蚀腔室外部的光源。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述终点检测系统进一步包括波长色散元件，其具有用于接收来自所述等离子体刻蚀腔室的光发射的与光纤耦合的输入，以及耦合至所述光检测器的输出。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底支撑构件具有至少一个开口，该开口具有接近所述衬底支撑构件的顶表面的锥形部分。
6.一种用于刻蚀衬底的方法，包括以下步骤：
(a)提供具有在腔室内并配置为保持光掩模版的衬底支撑构件的刻蚀腔室，所述衬底支撑构件具有设置在中心区域的第一窗口和设置在外围区域的第二窗口，所述中心区域和外围区域对应于所述掩模版的中心和外围区域，其中所述衬底支撑构件还包括在所述外围区域中设置的第三窗口，并且所述第二窗口和第三窗口分别在所述外围区域的角处、及沿着所述外围区域的侧面设置；
(b)在所述衬底支撑构件上提供衬底；
(c)向所述刻蚀腔室导入工艺气体；
(d)由工艺气体产生用于刻蚀衬底的等离子体；
(e)使用终点检测系统通过第一窗口来检测第一光信号、通过第二窗口来检测第二光信号、以及通过第三窗口来检测第三光信号；以及
(f)基于由检测到的所述第一、第二和第三光信号的至少其中之一获得的信息而终止等离子体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，(e)步骤进一步包括：
(e1)在所述终点检测系统中提供光源和光检测器；
(e2)通过所述第一、第二和第三窗口的至少其中之一将来自所述光源的入射光束引导至所述衬底的一个或多个预定位置上；以及
(e3)通过所述第一、第二和第三窗口的至少其中之一将来自所述衬底的一个或多个预定位置的至少一个返回光束耦合至所述光检测器。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三信号的至少其中之一是来自等离子体的发射信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述衬底支撑构件的中心区域中提供多个窗口；
通过在所述衬底支撑构件的中心区域中的多个窗口检测多个光信号；以及
从所述多个光信号选择一个光信号用于终点检测。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述衬底支撑构件的中心区域中提供多个窗口；
通过在所述衬底支撑构件的中心区域中的多个窗口检测多个光信号；以及
从所述多个光信号的至少两个获得平均值用于终点检测。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述衬底支撑构件的中心区域中提供多个窗口；
基于所述第一光信号和所述第二和第三光信号的至少其中之一而确定中心到边缘的刻蚀均匀性。
12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述衬底支撑构件的中心区域中提供多个窗口；
在所述衬底支架构件的外围区域中提供所述第三窗口，用于将所述第三光信号耦合至所述光检测器；
其中所述第二窗口相对于所述第一窗口沿着第一方向设置，以及所述第三窗口相对于所述第一窗口沿着第二方向设置，所述第二方向垂直于所述第一方向；以及
基于所述第一、第二和第三光信号而确定对于第一和第二方向的中心到边缘的刻蚀均匀性。
13.根据权利要求6所述的方法，其中所述衬底支撑构件具有至少一个开口，该开口具有接近所述衬底支撑构件的顶表面的锥形部分。
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