CN1296685C - 利用用于实时气体取样的等离子源的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明多个方面提供创新的方法和装置，用于对气体取样，激发取样的气体以发射射线，并根据发射的射线实时检测发射光谱的多个波带。可根据所检测的波带，调节用于激发取样气体的能量。可根据检测的波带，实时控制过程。可利用创新的界面，以显示检测的部分波带。一基准气体的已知流量可包含在基准气体的流量中，并确定未知流量气体的未知流量。

Description

利用用于实时气体取样的等离子源的方法和装置

技术领域

本发明涉及实时气体取样和光谱分析。

背景技术

半导体制造已采用各种遥测技术，使用质谱仪或光谱分析，以改善反应室的清洁、调节或操作，反应室中发生各种反应，诸如沉积、清洁、蚀刻、注入、灰化等。遥测技术协助操作者监视在封闭室内在显微级别上所发生的过程，反应室常对任何形式的外部辐射敏感。

发明内容

本发明的一方面包括在反应室外对在过程(process)期间通过反应室的气体进行取样，其中，气体扩散进入激发室中。在激发室中，使用至少一外部电极激发取样气体，以发射射线。此外，实时检测所发射的射线中发射光谱的多个波带。可根据所检测的波带，调节用于激发取样气体的能量。可根据所检测的波带，实时控制该过程。可使用创新的界面来显示部分所检测的波带。取样气体的流量中可以包括基准气体的已知流量，和测定未知流量气体的未知流量。本发明的其它方面表述于附图、详细说明和权利要求部分中。

附图说明

图1为实施本发明多个方面的系统的概要示意图。

图2表示常用的等离子源和检测器的一实施例。

图3为射频电源和功率传输部分的简单概要示意图。

图4为常用的等离子源和光纤连接器的另一种配置。

图5-8为使用者和应用本发明多个方面的系统间的界面。

图9表示气体通过全氮化物蚀刻周期的变化的三维映象图。

图10是表示将基准气体引入从反应室所排放的气体中的校准测试结果的曲线图。

图11表示在清洁过程中反应室的特性鉴别。

图12为用于设定制法(recipe)控制的一界面。

图13-18为使用者和应用本发明多个方面的系统间的界面的另一实施例。

具体实施方式

以下说明本发明的各方面和实施例，用以描述和说明本发明。该说明并非意在将本发明限制到所公开的具体形式。对于本领域的熟练技术人员来说，显然有很多改进和等效配置。

图1表示系统的概要总体，其包含一个常用的等离子源和一个检测器。来自反应室101的气体样品通过传送部分102到激发室105。在反应室中的过程大概可包括校准通过质量流量控制器的气体流量，检查泄漏或任何不同反应，诸如沉积、清洁、蚀刻、注入、灰化等。取样气体的传送可对应于来自反应室或反应室的任何其它出口的一个或多个废气流。取样气体可代表提供到反应室的材料，反应室中所产生的等离子，或包含反应室中所发生的反应的副产物的废气；或者，气体无需代表性，而是应对一些所关注因素具有可再现的关系。

激发室105由电缆104连接到射频电源103。激发室105可通过电容或电感方式耦合到取样气体。或者，一个系统可实施本发明多个方面，利用微波或回旋加速器射线，或利用内部电极，诸如电弧电极，以激发取样气体到其发射射线的等离子状态。在图1中，通过与真空产生器或泵107连通106将取样气体引导通过或通过激发室105。取样气体可通过直接流过该室，或通过扩散进入该室而到达激发室105。

将在激发室105中的取样气体激发，以发射射线。发射的射线包含取样气体的发射光谱。发射的射线通过一个窗口或光缆108而到多个检测器109，所述检测器对于所发射光谱的波带是实时响应的。在图中未示出的对于取样窗口的几种改进方案可以提高系统的耐久性。可设置控制逻辑装置，通过利用等离子源以起动自清洁等离子循环，可保持窗口清洁。这种方法与反应室中的微观清洁相似。可利用N₂洗涤气体或溢出的O₂，或来自非过程气体源的气体来产生适当的等离子，以清洁该窗口。将气体注入于气体源或窗口前可方便自清洁作用，或甚至防止窗口上的积聚。气体可在处理周期之间注入，该时间根据SECS消息传输量的评估而定。或者，可加热一个或多个真空管线或等离子源，以防止不需要的材料沉积于窗口上。此外，连接到光缆的窗口可按照一次性使用和容易更换的组件来实现，从而通过简单更换来弥补改善未能保持窗口清洁的任何其它措施。可利用接到单股光纤连接器(0.22NA)的SMA905。在另一个实施例，在该窗口处可利用一个直角前表面镜，以改变光纤的连接到该装置。在任一个实施例中，可利用一个聚焦元件，以将通过该窗口的信号与光纤的横断面匹配。各检测器可为光电倍增管、光电二极管、CCD或其它光敏组件。各检测器的特征可为浅结(junction)或深结型器件。检测器的一常用特性为迅速响应时间，可在20毫秒或以下对来自多个检测器的信号进行扫描和A/D变换，目前，可通过利用浅结装置，诸如浅结CCD来实现。各检测器对所发射的射线的多个波带是敏感的。可通过定位设置各检测器，以通过利用滤波器或等效的装置接收来自衍射光栅的衍射光来实现。多个检测器基本同时接收在其各波带中所接收的能量，虽然各检测器对特定波带的灵敏度可通过改变各检测器间的积分时间来增加。

检测器和衍射光栅的常用配置包括相对于衍射光分开检测器，以使检测器可响应足够狭窄的带宽，多个检测器可响应射线光谱中的一单个峰值。一种能将检测器集中于1.23nmFWHM带宽的波带上的预封装的装置为索尼ILX511装置。在另一个实施例中，可利用一具有USB接口的索尼装置。任一索尼装置包含一个2,048检测器CCD阵列和一个衍射光栅。单个元件为12.5mm×200mm。600nm时的单个元件阱深度为160,000光子。计算的灵敏度可按86光子/计数，2.9×10^-17焦耳/计数(count)，或一秒积分的2.9×10^-17瓦/计数表示。其有效范围为200-1000nm，和其积分时间可为1MHz A/D卡的3ms或500kHz A/D卡的4ms。索尼IXL511装置可配置有一个光栅，该光栅衍射200到850nm光谱的射线。通常缝隙(slit)为25mm，也有10、50、和100mm的缝隙。可选择槽密度、光纤直径和缝隙宽度的各种组合，用于附加灵敏度或较宽的光谱范围。利用适于200-350nm范围的UV射线的光学装置。利用应用于200-850nm光谱的单件、多通频带检测器涂层来实现级别分类。增加UV灵敏度的增强检测器使其易感受在较短波长上的模型信号，利用涂层来减少对所关注信号的二次或三次谐波的波长的影响。用于收集和变换来自阵列元件的数据的扫描时间为20毫秒或以下。在对成本敏感的应用中，可利用具有1024或512个检测器的较为适中的阵列。在甚至对成本更为敏感的应用中，可利用具有衍射光栅或滤波器的多个检测器，所述衍射光栅或滤波器有效地将各检测器调谐在特定波带或波长。

检测器109中的元件通常连接110到模拟/数字(A/D)变换器111。A/D的输出连接到计算机112。变换器111为A/D卡，和计算机为PC或工作站时，可利用PCI总线或其它总线连接。具有64兆字节的RAM、CD-ROM驱动器、用于存储操作和控制取样的过程的存储器、激发和检测装置，和调制解调器的一个300MHz或更快速PC可装有视窗口98第二版本(Release)和实验室观察(Labview)6.1软件。可利用较新版本或这些OS的替代和数据收集软件。通常软件提供使用者和装置界面。计算机112可与反应室101的控制器连通113。如图所示，计算机可通过另一个计算机或控制器直接控制反应室的过程参数，或提供数据到操作者，由其控制过程参数。计算机也可存储在过程操作期间所收集的数据，供其后分析之用。参考图1可理解，计算机的另一个用途为控制激发取样气体，以发射射线所用的能量。在某些状况下，可减少所用的能量，以避免或减少响应特定波带的检测器饱和。在其它状况下，可增加所用的能量，以增加以特定波带所发射的射线。

图2表示常用的等离子源和检测器的一种配置。所述离子源以电感和电容方式耦合到激发室中的取样气体。可利用各种屏蔽限制耦合模式。图2为断面图。一真空管“T”220将反应室(未示出)连接到一个激发取样气体并检测所发射射线的装置。真空管“T”220在236处连接到反应室。这种连接可连通来自反应室的废气，或连通多个废气的一个歧管。或者，这种连接可连通至少一个取样口或至少一馈给管线。在一端处，源输入帽235附着到真空管“T”220。一可压缩的O环221使取样气体与装置周围的环境气体隔离。取样气体通常处在低压力，以torr(乇)或millitorr(毫乇)计量。与装置周围的环境气体实现有效的隔离，这些环境气体可以是大气或清洁室气体。真空管“T”220还利用另一可压缩的O环219连接到光真空管口(blank)218。入口236和出口229间的压力差产生一通过激发室230的取样气体流。当入口连接到来自反应室的至少一种废气时，来自反应室的废气的至少一部分流过激发室。

激发气体的装置包含入口帽235，激发室230，和出口帽227。O环228置于激发室和各帽之间。螺栓234压缩O环，并固定各帽。罩232包围这一装置的本体。一R.F.电源203利用电缆204经一舱壁连接器222连接到一连接线259。支柱258定位各电容器223，各电容器223连接到连接线259、线圈225和外部点火环224。在另一配置中，可利用曝露于激发室230中的取样气体的内部点火器。在一实施例，R.F.电源按13.56MHz发送。这一R.F.能量通过电容器223，进入线圈225和点火环224中。导致激发室中放电，引起取样气体发射射线。为提高功率传输效率，可加装一匹配网络到该电源。点火或起始等离子状态之前的气体的阻抗与点火后不同。可利用点火带224，以电容方式点火所述离子。电容器223充电到足够的电压，以击穿激发室230中的气体。当点火发生时，阻抗变化，和通过电感线圈225发生功率传输。电容器可用于调节电路的电抗。功率可通过电阻器分流到地。无源电容和电阻组件的组合扩大了该可以将功率有效耦合到取样气体的有效阻抗范围。当取样气体转变到等离子状态时，其体积作为R.F.功率输入的函数而变化。当功率增加时，气体击穿，且离子产生增加；发射射线。用于激发取样气体以发射射线所施加的R.F.功率与用于反应室的任何离子源无关。

在光真空管口218处，一组螺钉239将光适配器249压紧在一窗口237和O环217上。窗口237可为发射从约200nm到近红外线区诸如850或1000nm的光蓝宝石制成。光适配器249以机械方式支持光纤连接器238，光纤连接器238实现与光缆208的迅速连接。光缆208将由取样气体所发射的射线发送到检测器209。来自光缆208的光经透镜216进入检测器209中，透镜216将光聚焦在衍射光栅215上。光栅215依顺序方式将光衍射横过检测器阵列214从而将光分离为一光谱。检测器阵列214变换光子为电能，产生与各检测器所聚焦的波带中的光子强度成比例的模拟信号。在其它实施例中，可定位设置各检测器，使得它们响应特定衍射波带，或各检测器可装有滤波器，故无需衍射光栅。一模拟/数字变换器211连接到检测器。对检测器扫描，并将其模拟输出变换为数字信号。

图3为射频电源和功率传输部分的简单概要示意图。一R.F.电源303产生R.F.信号，R.F.信号耦合304到功率传输部分305。功率传输部分包含一线圈或电感器340、一电容器342、点火环343和地339。在某些状况下点火环起电容器的作用。

图4为常用的等离子源和光纤连接器的另一种配置。按这种配置，真空管“T”使取样气体可扩散通过激发室，而非流过其中。图4元件的数字标记大体对应于图2元件的数字标记。一压力差使气体从入口436流到出口429。气体扩散通过连接器420和入口帽而进入激发室430中。由O环421，428，和417维持与环境气体隔离和各种结合。入口帽435利用螺栓434压紧在激发室430和光适配帽407上，R.F.舱壁适配器422接收R.F.信号，并沿连接线459传送该信号到线圈425。在这一图中，点火环424的充电电容器并未示出。地线461连接到线圈或电感器425。光真空管口449固定在窗口437。其包含一光纤连接器438。一罩432包围装置的这一部分。图4的配置适合于与图2的配置不同的气体流。出于生产目的，相似的组件可用于这二种配置中。

将一装置定位在反应室的废气(exhaust)处有助于将外部产生的等离子和检测器，与一些反应室中用于产生等离子的旋转或脉动能量的混淆效应隔离。例如，以TEL和专用材料制造利用旋转磁场的等离子装置。当变化的能量源产生等离子时，整个光谱呈现强度强烈变化。对反应器废气取样并产生外部等离子组合产生等离子相当稳定的射线强度。正反馈到等离子源可产生更稳定的强度，且如需要，抵消反应室中的旋转或脉动的能量的效应。

图5表示一实施本发明多个方面的图形界面。这为一选择利用下拉表500的“光谱”界面。一些界面控制为这一和其它界面所共用。用于产生积分检测的积分时间另可通过拖曳一滑动条502或输入一数值504来控制。积分时间控制各检测器中的电荷累积和还原。在这一图中，表示单个积分时间。或者，积分时间可遍及发射射线的一光谱的波带产生变化，以补偿各检测器遍及各波带的可变的灵敏度，或在预期峰值衰弱的光谱部分中产生较大的信号增益。积分时间的界面控制则为一标度因数，而非毫秒数。另外待相互平均的积分检测次数可以通过拖曳一滑动条502或输入一数值504来控制。平均的取样数是为产生显示用的一数据点而平均的样品数。在这一界面实施例中，显示1到25个积分检测的取样。利用滑杆510控制平滑。可应用多种类型的平滑诸如脉冲波和移动平均平滑。这一界面实施例显示平滑因数在0到5范围内。光标控制520和530也为各界面间所共用。在本实施例中提供二单独的光标。当光标设备(tool)526，536激活和光标锁定528，538未激活时，光标的位置由使用者控制。控制525和535接通屏幕上所显示的光标或十字线中的任一个或二个。所述十字线通过选择和拖曳，或通过控制540的递增步进来移动。当使用者拖曳光标到一位置时，波长522，532的读数表示在x轴575上，和强度524，534的数值表示在y轴570上。对应于光标A的十字线接线521和523出现；光标B的十字线为线531和533。控制540以递增一像素方式使所选的十字线向左、右上或下步进。波长选择542A-E也由几个界面所共用，但在“光谱”界面未激活，因为不跟踪或示出一单个波长。在其它界面，使用者可选择六个不同的波长来跟踪。所跟踪的波长数为随意，多到屏幕布置和检测器、变换器，和计算机系统的硬件能力的限度。也可跟踪八波长或更多，多到并包含检测器的数目。停止钮558为各界面所共享。控制550、555和557也为共用。对x轴550和y轴555的控制设定由各轴所函盖的范围和轴标志的格式。鼠标控制557控制显示的缩放、定中和改变位置。专用于“光谱”界面的是按钮控制545和线图560，它们描述所检测的由激发的取样气体所发射的射线的光谱。

除了按时间平均取样和遍及多个检测器在单一峰值下对取样积分以外，可以遍及与所关注化学物的多个峰值将各取样累计。从图6所示的一光谱，可一起取出多个峰值。例如，中心在约386nm和664nm的CN峰值可集体处理，或中心在约483nm和520nm的CO峰值可组合为一个信号，以供处理。一般来说，检测器的分辨率、众多检测器和在短时间中所取得的多个样品的存储可允许应用数字技术，这会提高有效信噪比。数字技术包含积分在一单个峰值下的多个检测器、平均各样品并组合与单一化学物相关联的多个峰值。在实际上，已发现与利用光检测器和滤波器组合通过反应室的一窗口读出射线方案相比较，实施本发明的各方面产生更好的反应终点检测。

图6表示“2D全光谱”界面。这一界面包含“光谱”界面的线图和读数，加上强度曲线图。图6中的界面元件的数字标记与图5适当程度重复。不同之处除了滑动平滑选择控制510以外，包括较少(仍不作用)的波长选择部分542A-C和一数值平滑选择控制512。强度曲线图691作为一亮线光谱呈现在本实施例中，其中，光谱强度的峰值由淡色表示。在全色显示中，深蓝到白的范围或任何其它颜色范围可取代黑到白。另一显示可为深色线格式。亮线格式较宜，因其较通用于发射光谱，而深色线格式则用于吸收光谱。提供一种强度标度690。送一强度标度可在与线图的顶强度值不同的一数值上到顶或饱和。对A轴680和Y轴685的控制对应于控制550和555。鼠标控制687和689对应于557和540。光标0控制692大体对应于光标1，2控制520和530。控制687包括一将该曲线图转圈移动的手柄。放大镜调用一弹出选单，使得可缩小或放大该图的所选部分。控制689具有与控制540相的效果。线图和强度曲线图提供光谱数据的一对读出值，由与光标相关联的另外的读出数值所补充。

可实施扫描全光谱，以搜索异常。可将锁定在生产过程的预期峰值的分布图、指示峰值的误差或良和不良经历的光谱载入在软件中。在生产过程中锁定该分析的一种方法为收听反应室往来的SECS消息。可由“EquipNETTM(设备网)”提供的收听站装置可用于实时检测和解释SECS消息，而不中断通信。SECS消息可与处理关联。用于检测异常的一种技术为将全光谱的各部分积分到峰值。这些峰值可利用中心、面积和宽度、或由焦点、平均幅度和标准偏差说明。这些峰值和峰值比率可与一预期峰值分布图进行比较。可报告未预期的峰值和失落的峰值和按其采取行动。也可将这些峰值和峰值比率与误差指示器峰值相比较，和可以报告误差指示器或按其采取行动。行动可包括终止过程、修改过程参数或修改多步骤过程中的其后步骤。用于检测异常的另一技术为计算经历的光谱和产生光谱间的一个或多个差异。然后，可分析所产生的光谱差异，并报告或按其采取行动。可计算峰值和峰值比率二者，并与一分布图相比较。报告和行动可根据原数据或规则数据库中的以下规则。

图7表示一“条形图”界面，其将图5中的“光谱”界面的读出部件和条形图和代数函数读出组合。图7的下半部中的光谱显示的数字标记对应于图5的数字标记。附加若干元件用于图7的上半部显示条形图。包括指示按钮的和数字输入窗口第二控制788控制条形图的x轴(775)。波长选择控制542A-F可操作条形图。对于每一光谱线的一光谱线号数795，一颜色图例796和一当前强度值补充这些控制。控制542选择欲在条形图记录图720上跟踪的波长。对于每一线的数值强度读出为797列。注意强度值0对应于光谱线5，6的带宽0。强度值76对应于光谱线1-3的背景电平。光谱线号数f(a)和有关的控制745用于其它所选的光谱线或波带的函数。所选的光谱线的带宽可直接控制791，792。二选择的光谱线或波带的可显示函数f(a)可通过利用控制793和794来构成。这一实施例示出式x+ay的一代数组合，其中，a＝10。或者，可显示任何其它代数函数。例如，一导数函数，跟踪光谱线对时间的斜率，或可跟踪光谱线的曲率。在图7中，条形图线782对应于光谱线4(542D)。线783对应于光谱线1(542A)，和线785对应于f(a)(793+794)，如所示，其为光谱线1(542A)的幅度的11倍。

图8表示一“终点”界面，其包含图7的“条形图”界面的上半部的读出部件。在这一图中，线881对应于光谱线2-4的背景电平。线882对应于光谱线1。线883对应于光谱线5。线884对应于光谱线6。线885对应于光谱线f(a)(745)。一按钮加在此界面中，以使得使用者可起动存储特定数的记录897。

如图9中所示，可分析根据过程的光谱经历所存储的记录。这一数据的三维表示加框901。图例902对不同的强度电平指定颜色。z轴标度903为每一波带中所发射的射线强度的测量。X轴标度904对应于时间。Y轴标度905对应于所计量的射线的波长。阴影线框906代表数据。

图9中的数据表示全氮化物蚀刻周期的从695到718nm波长的发射光谱的部分。这一三维表示有助于操作者理解在蚀刻期间所产生的反应副产物的变化。可识别对于监视器的关键波长，并可计量射线强度的特性起落变化。直接观察这一或类似数据表示使操作者可设定对于这种氮化物蚀刻周期或其它过程的终点过程控制的参数。

图10表示一过程，其中利用一基准气体来定量确定废气流中的氟含量。所分析的峰值为在704nm上的氟和在750nm上的氩。这一图中的数据来自LamXL蚀刻器上所执行的测试，其中在反应室中利用气体流，但无等离子放电。起始形成包含500sccm(标准立方厘米/分)氩的气体流。引进从1到20sccm的量的CF₄气体。氟流量有时在总流量的百分.002以下。在稳定的流量，测量氟和氩的峰值。计算对于每种数量CF₄的峰值测量强度的比率F(704)/Ag(750)。比率示于图10中。利用线性回归来拟合该比率，下表概括该拟合：

                    线性拟合

F/Ar＝0.17249+0.00153气体流量(sccm)

                    概括拟合

Rsquare(根平方)            0.991784

Rsquare Adj(根平方调节)    0.98973

均方根误差                 0.000915

平均响应                   0.180879

观测(或总重)               6

                           差异分析

来源               DF           平方和        均平方        F比率

模型               1            0.00040397    0.000404      482.8533

误差               4            0.00000335    0.000001      Prob＞F

C总和              5            0.00040732                  ＜.0001

                                参数估算

项目               估算         标准误差      t比率         Prob＞|t|

截流(intercept)    0.1724864    0.000534      322.92        ＜.0001

气体流量(sccm)     0.0015259    0.000069      21.97         ＜.0001

这些拟合结果表明通过利用未知流量气体和基准流量气体的已知光谱峰值的强度的测量，对通过反应室的未知流量气体的量化。在这一示例中，采用光谱峰值的比率的线性拟合。在另一示例中，非线性拟合可能更适当。或者，可通过利用强度测量检索一查询表。未知流量气体的量化流量转而可用于过程控制。例如，可重新校准质量流量控制器。或者，可根据未知流量气体的流量变化，检测终点。

图12表示用于设定一制法的界面，该制法可用于控制反应室中的一个过程步骤或一序列的过程步骤。窗口1201指示过程控制的类型。例如，终点指检测过程步骤的完成。开关1202和用于手动或自动的指示灯反映该制法的操作模式。在手动模式该系统告知使用者，使用者对该信号作出响应。在自动模式，该系统产生一数据输出，直接用于控制过程。很多设备需要模拟信号。或者，可将数字值、SECS消息或其它协议用于通知一设备。窗口1203和1204与第一和第二波长791，792以及有关的运算器相关联。或者，不选择特定的波长或频带范围，可选择其它公式行的结果。此外，可选择整个光谱，以按照等离子的整体亮度操作。利用按钮1221，选择一个或多个公式行，以输出到包含反应室在内的设备中。可对所收集的数据或所收集的数据对时间的微分执行运算。窗口1203选择第一波长791的微分。可利用控制1222选择第一、第二或其它阶微分。可利用控制1223选择滞后。窗口1204选择对于第二波长792的线所表示的数值。运算器793指示第一和第二波长或其它公式行的输出如何组合，例如通过数学或逻辑运算器来组合。标度因数794指示与第一波长组合的第二波长的相对幅度。在另一实施例，窗口1203，1204可选择是否对二波长应用微分或线性数学。窗口1205可命名一制法。按钮1206用于产生输出。通过在运算器中组合波长所产生的输出呈现在窗口1224中。或者，在利用控制1235所调用的建立(setup)模式期间，窗口1224可用于设定一限度值。控制1210-1213有关制法的存储。可利用控制1210载入一制法，或利用控制1211存储。可利用链接钮1212和制法名称窗口1213链接多个制法。这些所谓制法可对应于组合到设备制法的过程步骤。起动指示1231指示是否已设定一起动，以启动应用所显示的制法。起动源1232可以是模拟信号SECS或其它协议消息，操作先前制法或使用者期望的任何其它起动的结果。控制1233指示是否预期一朝正变化的负信号或一朝负变化的正信号，作为一起动信号。或者，可利用阈值或限值作为起动。将指示器1234标记，以指示升降起动，和在操作期间，是否任何起动信号已到达。这对运算器或系统起动期间是常用的。

图13为图5所示的光谱的另一实施例。添加一当前制法窗口1305和一记录钮1307。当前制法窗口指示在制法标签后进行的当前制法的名称。记录钮记录按由图的右上角中的射频钮所设定的间隔的光谱数据。记录钮由一扣射钮实现，其使使用者可收集各间隔间的附加数据，供记录日志之用。设有另外控制1306，其与用于产生等离子所施加的功率有关。在这一图中，电源关断。所示的控制覆盖一功率范围为0到50瓦。这一范围可代表所用电源的动态范围的一软件锁，使得仅经常利用电源的可用功率的一部分，例如一半。

图14表示记录数据的读出。信息和控制总体表示在图5。此外，数据建立的开始日期和时间以和所表示的光谱的当前期和时间指示在1401，1402。垂直标度可设定为线性、对数或任何其它通常使用的标度。记录选择控制和指示提供在1411。所设置的数据的记录总数指示在1412。提供选择，以便将所设置的数据的一部分或全部存储在扩展页1413中。

图15为图7的条形图界面的另一实施例。这一实施例增加滚动控制1501，以便向前或向后移动所有数据。提供八个而不是六个用于产生图线数据的控制。可提供其它实施例，用于少于六个或多于八个的图线。改善显示如何计算值y1503。

图16为像素/强度/时间图，其表示特别狭窄的带宽中的像素强度的经历。强度标度1602指示饱和的像素具有亮值或是暗值。域1601的垂直轴指示所表示的像素值的范围。水平轴标示表示的时间。在这种显示中，最近的时间在左方，虽然也可在右方。

图17为反映根据利用制法标签所建立的公式的输出的监视器，与图12相同。此为与图7和15的条形图对应的一公式。

图18为接近终点的过程的实时监视。通过利用制法标签建立的一个或多个线可显示在域1801中。可在该域中监视制法起动朝向限度值的进展。可利用针对任选垂直轴设置的水平线指示该限度值。

本发明多个方面包含监视、分析和控制各种过程。在反应室中，包括用于沉积、材料扩散进入、累积在、吸收在反应壁上的室，其需定期清洁或清理(remove)。在使用和清洁周期期间，可视需要经常分析壁的状况和鉴别其特性。从室出来的废气反映壁的状况。当不进行反应时，壁可脱气，或解吸附已扩散进入、累积或吸收在壁上的材料。本发明包括在不进行过程的同时分析废气，以对壁的状况鉴别特性。对等离子室，壁的曝露在激活的等离子导致添加到壁和从壁移出或释放材料的平衡。当等离子保持激活时比当等离子最初激励时这一平衡可更随时间渐变。本发明包括在反应室中进行过程的同时分析废气，以对化壁的状况鉴别特性和对过程本身鉴别特性。当过程从一件移动到另一件设备，例如从一种制造到另一种制造时，可能需要重现关于第一件设备的室状况。本发明包含分析废气，以鉴别第一室特性，和然后分析废气，以便确定第二室状况是否重现第一室的特性。在此重现尝试期间，本发明的一个方面选择和继续一调节过程，以便使第二室状况进入类似第一室的特性的状况。当第二室状况到达期望的参数时，该调节过程可由操作者或一闭环过程控制来终止。另一方面修改过程状况，以补偿第一室和第二室状况的特性间的差异。当一过程从一种制造进行到另一种制造时，经验告知适用于不同的室状况的过程修改的种类。可分析第二室和第二过程示例的特性，并用于选择适当的过程修改。

可应用本发明的光谱技术，监视从壁解吸附的材料。吸附为一快速过程，其中，一层例如H₂O或很多其它气体附着在一表面上。在水/硅界面处，例如，多层水分子被附着界面上。最接近界面的层诸如由van derWal(范得瓦尔)力最强地结合在表面上。渐次远离界面的层结合较松，且状态较像液体层。在处理中，用于清理吸收层的一种技术为对设备抽气，以施加真空。清理吸收层有时意指密切监视抽气速率和室压力。一些抽气曲线为吸收层清理的特性。应用本发明多个方面，可直接监视吸收，且如需要，通过求出吸附材料对于基准材料的一个或多个光谱的比率，可以直接监视解吸附和估算速率。

可应用本发明的光谱技术，监视材料从壁上的扩散和脱气。扩散携带某些材料例如H2到壁中，甚至达几千层深。这些材料在某些状况下可通过施加真空来清理，和在另些状况下可通过使材料流过该室而不活化等离子来清理。除了壁内部以外，释放或脱气的材料可来从室的表面。例如，碳氟化物材料和聚合物从累积的壁上脱气。应用本发明多个方面，可直接监视脱气，且如需要，求出吸附材料对于基准材料的一个或多个光谱的比率，估算速率。

用于修改室状况的一种技术包括利用等离子。包含氟、氢和/或氧的等离子用于清洁或调节壁。在等离子清洁后，常利用过程材料将模型或测试晶片移动通过该室。模型晶片既可为反应性的也可为反应性的。模型晶片和过程材料的移动导致累积在壁上。这些壁调节过程与氟、一氧化碳、氧、氮，和其它化学物的特性排出管线相关联。监视与这些过程气体和副产物的等离子相关联的峰值强度和峰值强度变化使操作者可理解壁化学的变化，并检测室调节中的转变。图11表示在清洁过程期间反应室的特性，包括壁成分的转变。该图跟踪利用氧等离子清洁反应室14分钟51秒。在约5:29，一氧化碳生成开始急速下降，如由中心在约520nm处的峰值所示。大约同时，氧浓度增加，如由中心在约777nm处的峰值所示。一氧化碳生成的减少和氧浓度增加的组合指示由于氧等离子消耗衰减室中的碳。据信该衰减为一渐近线过程。该图指示碳衰减过程在11:59、12:53或14:01处合理完成。在该图中，当曝露在氧等离子中时，室中的氢、氮和氟的衰减与碳的衰减比较更早到达一合理的渐近线值。在清洁期间，监视室中材料的衰减使得能够定时控制并证实清洁过程。监视和鉴别特性并不局限于清洁过程中的一个步骤。可实时监视多个清洁和/或调节步骤，并产生室状况的特性鉴别。典型的多步骤过程包括利用氟等离子来清理氟化残余物，随后利用氧等离子，随后利用氢等离子壁执行调节。本发明包含多步骤室清洁和/或调节过程的多波道和全光谱监视。监视可根据先前室状况的分布图，查看壁化学性质或预定室状况的转变。该分布图可包含所选的峰值、所选的频带或预定范围中的全光谱。可根据例如峰值、光谱差异或峰值或光谱差异的渐近线变化进行分析。

等离子蚀刻反应器经历聚合物和其它蚀刻副产物的积聚，需定期清洁或清理。如上所述，用于这些反应室的一种清理技术包括利用含有氧或氧和氟的等离子。通过监视氟，一氧化碳，或其它过程气体或蚀刻副产物，实际确定该室何时足够清洁。当室清洁时，终止清洁过程可减少维护时间或清洁材料的消耗。也可重现期望的室状况。

已清洁的反应室通常需要预处理和调节，以增进期望的材料累积在反应壁上或其中。期望的累积过程将操作恢复到稳定的状况，或到至少一预期产生可预测的操作模型的已知状况。例如，有时利用H₂N₂来调节一个室，导致H₂或H⁺扩散进入壁中。通过利用来自先前操作的数据、可监视、分析期望的副产物程度和有关的壁状况，和将其用于过程控制。可进行反应室的调节，直到符合期望的副产物程度为止。或者，可进行反应室的调节，直到调节反应到达稳定状态。废气的分析可用于监视、分析或控制室的调节。

根据所累积的过程的特性可有利于从一种类型到另一种类型处理设备的过程的自适应。在鉴别所累积的过程特性后，在移动生产晶片之前使用者可尽可能接近地重现所记录的过程状况，然后。可根据在多种过程设备上所进行的成功的过程的特性，建立制造者适中的过程基线。

反应室有时产生环境敏感的副产物。应用本发明多个方面，可监视的一环境敏感的副产物为氯化氟碳化物。所述氯化氟碳化物可包括氢氯化氟碳化物。可监视晶图处理反应室或擦洗反应室的废气有否环境敏感的副产物。可控制过程，以便当环境敏感的化学物程度超过可容许阈值时，修改过程状况或停止处理。

利用废气处理器的观点产生已演化到符合环境利益，而不损害设备的灵活操作。这种类型设备的能力包括热氧化，化学吸收，湿处理，和综湿处理/热氧化。这些系统依特定设备上所进行的处理和所产生的废气定制。在某些状况下，一缓解设备专用于一特定处理设备。通常利用系统的观点为将废气循环到车间废气系统。本发明包括监视和确认来自缓解设备的废气。

确认来自缓解设备的废气包括测量和记录废气流中有关化学物的浓度，为了确认，宜在大气压力以下对缓解设备或反应室的废气流取样，随后产生等离子和等离子的光谱。可对废气流的光谱加以光强度测定分析，以获得浓度。在特定应用中，添加已知特性的基准气体可能是有用的以便产生用于光强度测定分析的光谱峰值。在其它应用，可将已知过程的峰值用于峰值比率计算。可通过利用通常方法收集数据，该方法计算取样废气流的总气体流量。组合浓度数据与气体流量数据，产生废气构成的体积或质量流量。本发明的常用方面包括计算和记录来自缓解设备的废气的分布图，浓度，或质量流量。所计算的浓度或流量可用于起动警报，警告过程控制软件或使用者，以检查某些设备的操作。所计算的体积或质量流量可存储(或可存储用于计算流量的数据)，作为来自特定缓解设备或反应室的废气的历史数据。历史数据可用于向官员展示减少与缓解设备关联的特定反应室的废气时已进行的时间进程。历史数据确认符合许可和承诺，以便在制造寿命中逐渐减少一些废气。也能便利通过根据在集中的车间废气位置检测一事件回溯跟踪到特定缓解设备和反应室，以决定何时和何处该预定的过程出现故障。这种故障分析可利用在多个反应室和与反应室关联的多个缓解设备的废气处的光谱检测系统。具有等离子源的光谱分析系统可用于实时馈送数据到一监视和/或记录该数据的服务器。访问该服务器的使用者可监视过程，以遵照环境规定和承诺。

可监视工作在远低于大气压力下的反应室，以监视由于环境或大气气体的污染。这一过程易受漏进真空室中的气体污染。该气体可污染经溅射的薄膜，改变蚀刻化学物，或以其它方式降低各种过程的品质。可监视光谱峰值中大气或清洁室气体中所存在的氮、氧、其它气体。可监视和控制过程，使得检测立即中止处理或者操作程序的泄漏或过程步骤的终止。

半导体制造过程的终点可由化学状态变化获知。例如，当蚀刻进行通过预定需清理的一层而进入并非认为需清理的一层时，不需要的蚀刻产生与需要蚀刻不同的副产物。可监视光谱峰值中期望副产物的减少和非期望副产物的增加。可控制过程，以便当一层的清理完全完成时，和在过度损伤之前，停止蚀刻。

蚀刻反应室中硬件的故障产生可检测的副产物。例如，晶片的无效夹持会产生高度的氦。可控制过程，以便在晶片损伤之前调节晶片的夹持，并从停止处再开始该过程。

一般地说，在过程期间反应室中的化学平衡变化。通过监视废气，可估算室中的化学物浓度，并用于修改过程参数，诸如控制反应室中的等离子的产生的参数。

通过在前述的实施例中加装一流量限制器，本发明的设备和方法可应用于在大气压力或附近对气体取样。例如，可监视烟囱和尾管气体。可连续监视是否符合排出控制要求。当排出超过许可程度时，可修改或停止工业过程。可根据所观察的排出程度，许可或不许可汽车的排烟控制。可根据所观察的排出副产物，修改在操作期间发动机中的燃料/空气混合物。

虽参考以上详述的实施例和实例公开了本发明，但应理解这些实例用于说明，而非限制。其意在对于本领域的技术人员来说易于在本发明的构思和权利要求书的范围内进行改进和组合。实施本发明的每一种方法可以易于作为设备或物制造而再改造。

Claims (46)

1.一种用于得到在反应室中的过程数据的方法，包括：

对在过程期间已通过反应室的反应室外部的气体取样；

激励取样的气体，以发射射线；及

利用多个检测器从发射射线中实时检测发射光谱的多个波带，该多个检测器能够响应足够窄的多个带宽以使多个检测器能够响应发射光谱中的单个峰值。

2.如权利要求1所述的方法，其中，取样包括对来自反应室的至少一种废气流进行取样。

3.如权利要求2所述的方法，其中，至少一部分废气流扩散进入激励室，该部分与废气流流动偏移。

4.如权利要求2所述的方法，其中，废气流通过激励室。

5.如权利要求1所述的方法，其中，外部电极以电感方式和取样气体相耦合。

6.如权利要求1所述的方法，其中，外部电极以电容方式和取样气体相耦合。

7.如权利要求1所述的方法，其中，激励不需要将取样气体曝露于内部点火器。

8.如权利要求1所述的方法，其中，利用在20毫秒或其以下响应于发射射线的检测器进行实时检测。

9.如权利要求1所述的方法，其中，该检测器是浅结型检测器。

10.如权利要求9所述的方法，其中，该浅结型检测器是CCD。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该检测器是深结型检测器。

12.如权利要求1所述的方法，其中，利用512或更多的检测器进行检测。

13.如权利要求1所述的方法，其中，利用1024或更多的检测器进行检测。

14.如权利要求1所述的方法，其中，利用2048或更多的检测器进行检测。

15.一种用于得到在反应室中的过程数据的方法，包括：

对在过程期间已通过反应室的反应室外部的气体取样；

利用能量激励取样的气体，以发射射线；

从发射射线中实时检测发射光谱的多个波带；及

实时调节能量以便增强或降低发射射线。

16.如权利要求15所述的方法，其中，调节能量包括降低能量，以避免检测器响应于一特定波带形成饱和。

17.如权利要求15所述的方法，其中，调节能量包括增加能量，以对于一特定波带增加发射射线。

18.一种实时控制在反应室中的过程的方法，包括：

对在过程期间已通过反应室的反应室外部的气体取样；

激励取样的气体，以发射射线；

根据发射射线实时检测发射光谱中的多个波带；及

根据所检测的多个波带实时控制该过程。

19.如权利要求18所述的方法，其中，该过程包括利用包含氟的等离子清洁反应室。

20.如权利要求19所述的方法，其中，该反应室是一沉积室。

21.如权利要求19所述的方法，其中，该反应室是一等离子蚀刻室。

22.如权利要求18所述的方法，其中，该过程包括将反应室调节到预定的壁状况。

23.如权利要求18所述的方法，其中，该过程包括校准通过反应室的气体流量。

24.如权利要求18所述的方法，其中，该过程产生氯化氟碳化物。

25.如权利要求24所述的方法，其中，氯化氟碳化物是氯氢化氟碳化物。

26.如权利要求18所述的方法，其中，控制该过程包括响应于环境气体泄漏到反应室。

27.如权利要求18所述的方法，其中，控制该过程包括响应于氦的升高程度。

28.一种监视在反应室中的过程的方法，包括：

对在过程期间已通过反应室的反应室外部的气体取样；

激励取样的气体，以发射射线；

从发射射线中实时检测发射光谱的多个波带；及

向使用者实时显示对于至少一部分所检测波带的多个读出的一个或多个特性。

29.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括形成至少一部分所检测的波带的强度测量的曲线图，以及报告检测强度的数值和使用者在曲线图上选择的点的波长。

30.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括利用线图和强度曲线图表示至少一部分所检测的波带的强度测量值。

31.如权利要求30所述的方法，其中，按照亮线光谱显示强度曲线图。

32.如权利要求30所述的方法，其中，按照暗线光谱显示强度曲线图。

33.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括使用者选择多个波长和波长的条形图显示以及导数函数。

34.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括使用者对多个波长的代数组合的选择和代数组合的条形图显示。

35.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括使用者对波长的导数函数的选择和波长的条形图显示以及导数函数。

36.如权利要求28所述的方法，其中，显示包括使用者对于波带检测积分时间的参数、平均的积分检测量数目的选择以及平均的积分检测量的平滑。

37.如权利要求36所述的方法，其中，使用者以图形方式进行选择。

38.如权利要求36所述的方法，其中，使用者以数字方式进行选择。

39.一种用于得到具有已知光谱峰值的未知流量气体的定量测量的方法，包括：

将具有已知光谱峰值的已知流量的基准气体引入反应室；

对已通过反应室的反应室外部的气体取样；

激励所取样的气体，以发射射线；及

从发射射线中实时检测与已知流量基准气体和未知流量气体的已知光谱峰值相应的多个波带；及

根据所检测的波带确定所述未知流量气体的定量测量。

40.如权利要求39所述的方法，其中，基准气体是氩。

41.如权利要求39所述的方法，其中，基准气体的已知光谱峰值中心在约750nm。

42.如权利要求39所述的方法，其中，该确定步骤包括对未知气体和基准气体的流量光谱比率与所检测的波带的波长的比率加以线性拟合。

43.如权利要求39所述的方法，其中，该确定步骤包括对未知气体和基准气体的流量光谱比率与所检测的波带的波长的比率加以非线性拟合。

44.如权利要求39所述的方法，其中，还包括根据确定的未知流量气体的流量，控制反应室中的过程。

45.如权利要求44所述的方法，其中，控制该过程包括调节质量流量控制器。

46.如权利要求44所述的方法，其中，控制该过程包括确定过程的终点。

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