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TWI882871B - 用於測量透明薄膜上的處理膜層的光譜的方法 - Google Patents

用於測量透明薄膜上的處理膜層的光譜的方法 Download PDF

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TWI882871B TW113127540A TW113127540A TWI882871B TW I882871 B TWI882871 B TW I882871B TW 113127540 A TW113127540 A TW 113127540A TW 113127540 A TW113127540 A TW 113127540A TW I882871 B TWI882871 B TW I882871B
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Abstract

一種包括一透明晶體的系統，其至少一部分係嵌入在一處理腔室的壁及襯墊內。該透明晶體具有一近端與一遠端，遠端具有暴露於處理腔室內部的一遠端表面。透明薄膜沉積在遠端表面上，並且具有與襯墊基本相符的化學性質。光耦合裝置用於：將來自一光源的光透射通過透明晶體的一近端，以及將從遠端表面、透明薄膜表面、及沉積在透明薄膜上的處理膜層的表面的組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光譜儀。光譜儀係用以檢測經聚焦的光內的代表處理膜層的一第一光譜。

Description

用於測量透明薄膜上的處理膜層的光譜的方法
本案的實施例涉及透過處理腔室壁內的透明晶體和透明基板進行薄膜原位測量。
處理腔室表面的變化會影響各種處理參數。例如，蝕刻副產物在腔室壁上的再沉積，可能會改變已知的製程的蝕刻速率。因此，當基板在腔室中被處理時，蝕刻速率（或其他製程參數或狀態）可能改變並導致基板之間的不均勻處理。
目前沒有可靠的方法來監測處理腔室內的表面狀況，包括襯墊（或內壁）、蓋子、靜電卡盤（ESC）、處理環等的表面。例如，處理腔室的襯墊的化學、物理、及熱條件，已知可透過影響襯墊附近脫氣的複合，來影響電漿製程。多種監測方法已在研發中，例如電容或諧振頻率監測，但這些方法，尤其是在處理程序中，會受到熱或無線電雜訊的影響。
此外，由於缺乏製程中資訊，尤其是隨著製程設備老化，基板處理會出現低效及/或不準確的情況。例如，在處理腔室中的處理隨著時間推移而發生變化之後，處理有時會導致沉積量（例如，沉積厚度）的變化或沉積組成的變化，這兩者都可能導致大量不可接受的處理基板必須報廢。此外，對於得知何時在處理腔室內運行清潔程序可能是一種猜測（例如，僅基於處理時間），並且太頻繁地進行清潔程序會影響基板產量。其他製程效率不佳或不準確的情況，將更詳細地說明。
在此描述的一些實施例涵蓋包括透明晶體的處理系統，其中透明晶體的至少一部分嵌入在處理腔室的壁和襯墊內。透明晶體具有近端和遠端，遠端具有暴露於處理腔室內部的遠端表面。一透明薄膜係沉積在該透明晶體的遠端表面上，該透明薄膜的化學性質與襯墊的化學性質大致上匹配。該系統還包括一光譜儀及聯接至該光譜儀的一光耦合裝置。光耦合裝置將來自光源的光透射通過透明晶體的近端，並且將從該遠端表面、該透明薄膜的一表面、及沉積在該透明薄膜上的一處理膜層的一表面的一組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光譜儀。該光譜儀係用以檢測經聚焦的光內的代表處理膜層的一第一光譜。
在另外的或相關的實施例中，處理腔室包括限定處理腔室的內部的壁、附接到壁的內側表面的襯墊，以及透明晶體，其中透明晶體的至少一部分嵌入壁和襯墊內。透明晶體具有近端和遠端，遠端具有與壁的內側表面大致齊平的遠端表面。處理腔室還包括沉積在透明晶體的遠端表面上的透明薄膜。該透明薄膜的化學性質與襯墊的化學性質大致上匹配。來自該壁外的光將穿過該透明晶體，並從該遠端表面反射，並從該透明薄膜的一表面反射回來穿過該透明晶體的近端。
在一些實施例中，相關方法包括將透明晶體的至少一部分嵌入處理腔室的壁和襯墊內。透明晶體具有近端和遠端，遠端具有暴露於處理腔室內部的遠端表面。該方法還包括，在該透明晶體的該遠端表面上沉積一透明薄膜，該透明薄膜的化學性質與該襯墊的化學性質大致上匹配。該方法還包括在處理腔室內的透明薄膜上沉積處理膜層。該方法還包括，藉由一光耦合裝置，將來自光源的光透射穿過透明晶體的近端。該方法還包括，藉由該光耦合裝置，將從該襯墊的該遠端表面、該透明薄膜的一表面、及該處理膜層的一表面的組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光纖電纜。該方法還包括，藉由該光譜儀接收來自光纖電纜的該經聚焦的光，以及藉由該光譜儀在該經聚焦的光內檢測代表該處理膜層的一第一光譜。
根據本案的這些和其他態樣提供了許多其他特徵。本案的其他特徵和態樣將從以下詳細描述、申請專利範圍、及附圖中顯得更為清楚。
在此描述的實施例涉及了干涉式反射計的使用，參考處理腔室的襯墊（或內壁），來監測處理腔室的條件及/或處理狀態的系統和方法。例如，反射計可用於確定沉積在襯墊表面上或靠近並基本上代表襯墊的反射器表面上的薄膜層（例如，處理膜層）的一或多個光學薄膜性質。這種光學薄膜性質包括但不限於厚度、折射率（n）值、及消光係數（k）值，這些值可用於確定組成材料，如將更詳細說明的。在一些實施例中，在處理腔室內的基板處理期間，會確定處理腔室的處理狀態，因此可以涉及適應處理腔室中電漿的存在。電漿包括用於蝕刻基板的腐蝕性氣體。在其他實施例中，在處理之前或之後確定一或多個光學薄膜性質，因此不需要在主動處理期間補償現存的電漿。
在不同實施例中，確定處理腔室的襯墊的狀況通常指示處理腔室的表面狀況，包括是否存在應該對其進行校正的程序移轉（或偏移），例如對於校準、清潔、或更換處理裝置或處理腔室的其他結構。這種程序移轉可能會影響處理基板的性能和產量。此外，確定沉積膜層的厚度可以與正在處理的基板上的沉積薄膜相稱（如果在處理期間測量），並且因此可以用於確認適當的沉積速率、數量、以及在處理後的清潔處理腔室的時間和程度。還可以隨時間測量和追蹤電漿中的氟含量。進一步的優點包括能夠以在基板處理程序中對電漿容量的破壞最小的方式進行反射測量，並減少硬體引起的歪斜和顆粒的風險。本實施例還涉及對現有襯墊和處理腔室設計的最小修改。
更具體地，所揭示的系統和方法包括光源（例如，寬帶光源）、光譜儀（或用於記錄和測量光譜作為分析方法的其他設備）、以及諸如準直器或反射鏡的光耦合裝置。這些實施例以及作為所揭示系統的一部分的處理腔室，可以進一步包括透明晶體，其至少一部分嵌入在處理腔室的壁和襯墊內。透明晶體可以由透明陶瓷材料製成，也可以由透明材料製成，例如藍寶石、金剛石、石英、或碳化矽。透明薄膜（或基板）可以形成在暴露於處理腔室內部的透明晶體的表面上。透明薄膜可以經由使用氧化釔、氧化鋁、氧化鋯、或類似透明合金的原子層沉積（ALD）、化學氣相沉積（CVD）或電漿氣相沉積（PVD）的預沉積來沉積。在一實施例中，透明薄膜與襯墊的表面大致齊平。透明薄膜還可具有與襯墊的化學特性基本匹配的化學特性。
具體而言，在透明晶體上形成的透明薄膜提高了反射光的信噪比（SNR）及光譜儀的測量精度。例如，當作為單獨的結構與襯墊相鄰或齊平放置時，透明薄膜可以更佳地控制在透明薄膜上形成的薄膜堆疊。例如，透明薄膜可以被設計用於所需的光學及/或化學性質。所需的光學性質包括在透明薄膜頂部沉積新處理膜層時產生清晰可見的干涉條紋。這可以提高檢測靈敏度，從而提高信噪比。所需的化學性質可以包括例如對製程化學物質的高耐化學性，其使透明薄膜的物理或化學變化最小化以最大化壽命。此外，化學性質應反映出襯墊材料的化學性質，以確保透明薄膜上的沉積盡可能模擬襯墊上的沉積。
在不同實施例中，在腔室內的處理期間，光耦合裝置可以將來自光源的光引導通過透明晶體，通過透明薄膜，並到達沉積在透明薄膜上的處理膜層。以此方式，穿過透明晶體和透明薄膜的光從它們各自的表面反射回來，並與從沉積在透明薄膜上的處理膜層的表面反射的光結合。該反射的光可以包括與沉積在襯墊上的處理膜層的條件一致的第一光譜。
在這些實施例中，該光耦合裝置將該反射的光的組合聚焦到聯接至該光譜儀的一光纖電纜中。該光譜儀可以檢測代表處理膜層的該經聚焦的光的第一光譜，並且可以用於確定光學薄膜性質。該光譜儀還可以在腔室內的處理程序中，在光源關閉時檢測該經聚焦的光的第二光譜。該第二光譜對應於該時刻電漿的光發射光譜（OES），並且可以從第一光譜中去除以產生能夠被處理的一反射計訊號。
例如，系統和方法的實施例還可以包括聯接至光譜儀的一處理裝置（或控制器）。該處理裝置可適於接收第一光譜和第二光譜，並藉由從第一光譜中減去（例如，減去）第二光譜來計算反射計數據。處理裝置可以藉由將反射計數據除以一參考光譜來計算一反射計訊號，該參考光譜對反射計數據進行標準化。該參考光譜可以在已知條件下獲得，例如在系統的初始安裝期間。
該處理裝置然後可以將反射計訊號擬合至薄膜光學模型，以確定包括處理膜層的一或多個光學薄膜性質的資訊。這種光學薄膜性質包括但不限於厚度、折射率（n）值、及消光係數（k）值，以及組合材料，如將詳細說明的。在一些實施例中，可以作出關於所使用的電漿、預期沉積厚度、估計的先前膜累積等的假設，以便將反射計訊號的數據擬合至薄膜模型，以確定處理膜層的組成材料。一種或多種光學薄膜性質又可以通知與處理腔室內執行的製程相關聯的某些終點的確定，包括但不限於是否調整沉積速率、何時停止化學品或電漿的沉積、何時開始清潔處理腔室、何時停止清潔處理腔室、以及一定量的程序偏移或消耗的腔室壽命。
在一個實施例中，例如，該處理裝置（或控制器）將透明薄膜上的處理膜層的厚度與一基線測量值進行比較，例如，在處理腔室首次進入操作時所獲得的基線測量值。如果該值變化超過一閾值變化（例如，對於處理膜層的厚度），則該處理裝置可觸發處理腔室內的處理以校正處理膜層的沉積速率。除了將說明的其他動作之外，該處理裝置還可以改變處理，以恢復處理狀態或者可以警告處理腔室的使用者有程序移轉的情況。
圖1是根據本案的一態樣的示例處理系統100的俯視示意圖。處理系統100包括傳送腔室機械人101和工廠介面機械人121，每一個都適合於從電子器件處理系統（例如如 圖 1所示的處理系統100）中的目的地或到電子器件處理系統中的目的地拾取及放置基板110（有時稱為「晶片」或「半導體晶片」）。然而，任何類型的電子器件基板、遮罩、或其他含二氧化矽的基板（在本案中通常稱為「基板」）可以由所揭示的機械手傳送和轉移。例如，基板110的目的地可以是一或多個處理腔室103及/或負載鎖定設備107A、107B中的一者或多者，其可以分佈在傳送腔室114周圍並聯接至傳送腔室114。如圖所示，例如，基板傳送可以通過狹縫閥111。
處理系統100還可包括主機102，其包括傳送腔室114及至少兩個處理腔室103。主機102的外殼在其中包括傳送腔室114。例如，傳送腔室114可以包括頂壁（未示出）、底壁（底板）139、及側壁，並且在一些實施例中，可以保持在真空中。在所描繪的實施例中，傳送腔室機械手101係安裝到底壁（底板）139。然而，傳送腔室機械手101可以安裝在別處，例如頂壁。
在不同實施例中，處理腔室103可適於在基板110上執行任何數量的處理。該些處理可包括沉積、氧化、硝化、蝕刻、拋光、清潔、光刻、計量等。也可以執行其他處理。負載鎖定設備107A、107B可適於與工廠介面117或其他系統組件對接，工廠介面117或其他系統組件可從基板托架119（例如，前開式晶圓傳送盒（FOUP））接收基板110，基板托架119可停靠在例如，工廠介面117的負載埠口。工廠介面機械手121（以虛線示出）可用於在基板托架119與每個負載鎖定設備107A、107B之間傳送基板110。基板110的轉移可以以任何順序或方向進行。在一些實施例中，工廠介面機械手121可以與傳送腔室機械手101相同（或相似），但可以進一步包括一機構，其允許工廠介面機械手在由箭頭123指示的任一橫向方向上橫向移動。任何其他合適的機械手可以用作工廠介面機械手121。
在實施例中，作為對任何機械手的示例性解釋，傳送腔室機械手101包括至少一個臂113（例如，機械手臂）及至少一個聯接至臂113的末端作用器115。末端作用器115可由傳送腔室機械手101控制，以便從負載鎖定設備107A或107B拾取基板110，引導基板110通過處理腔室103的狹縫閥111之一者，並準確地將基板110放置到處理腔室103的基板支撐件上。
在不同實施例中，一或多個處理腔室103可以包括透明晶體120，其至少一部分嵌入處理腔室103的壁和襯墊124（例如，內壁）中。在揭示的實施例中，光可以經準直並引導通過透明晶體120以產生反射的光。該反射的光然後可以通過透明晶體120返回，如參考 圖 2-6更詳細地說明。該反射的光可被聚焦至一光纖電纜中，該光纖電纜聯接至一光譜儀125用於光譜分析。光譜儀125可以執行反射測定法來確定該經聚焦的光的一或多個光譜，其可以用於確定在透明晶體的透明薄膜上沉積的處理膜層的至少一種光學性質，無論是在基板處理期間還是之後。
控制器109（例如，工具和設備控制器）可以控制處理系統100的各個態樣，例如處理腔室103中的氣體壓力、單獨的氣體流量、空間流量比、不同腔室部件的溫度、及射頻（RF）或處理腔室103的電狀態。控制器109可以從工廠介面機械手121、傳送腔室機械手101、一或多個感應器、及/或處理系統100的其他處理部件接收訊號並向其發送命令。控制器109因此可以控制處理的開始和停止，可以調整沉積速率、沉積組合物的類型或混合等。控制器109還可接收和處理來自各種感應器的感測數據。
在不同實施例中，控制器109包括（或聯接至）處理裝置130，並且聯接至光譜儀125。處理裝置130可以經配置以接收和處理感測數據，包括由光譜儀125執行的反射測量的結果，包括前述的第一光譜和第二光譜。處理裝置130可以藉由從第一光譜中減去第二光譜來計算反射計訊號。該處理裝置然後可以將反射計訊號擬合至薄膜光學模型，以確定包括該處理膜層的一或多個光學薄膜性質的資訊。根據分析一或多個光學膜性質的結果，處理裝置130（例如，控制器109）可以在製程改變或調整中引導處理腔室103。例如，控制器109可以調整處理參數或設置，例如沉積速率、沉積組合物的類型或混合、在處理腔室內執行清潔程序的時間、以及將執行參考 圖 7更詳細地描述的其他動作。
控制器109及/或處理裝置130可以是及/或包括諸如個人電腦、伺服器電腦、可編程邏輯控制器（PLC）、微控制器等的運算裝置。控制器109及/或處理裝置130可以包括（或者是）一或多個處理裝置，其可以是通用目的處理裝置，例如微處理器、中央處理單元等。更具體地，處理裝置可以是複雜指令集運算（CISC）微處理器、精簡指令集運算（RISC）微處理器、超長指令字（VLIW）微處理器、或實現其他指令集的處理器或實現指令組合的處理器。處理裝置還可以是一或多個專用目的處理裝置，例如特殊應用積體電路（ASIC）、現場可編程閘陣列（FPGA）、數位訊號處理器（DSP）、網絡處理器等。控制器109及/或處理裝置130可以包括資料儲存器裝置（例如，一或多個磁碟驅動器及/或固態驅動器）、主記憶體、靜態記憶體、網絡介面、及/或其他部件。處理裝置130可執行指令以執行本案描述的方法及/或實施例中的任何一個或多個。指令可以儲存在電腦可讀儲存媒體上，該電腦可讀儲存媒體可包括主記憶體、靜態記憶體、輔助儲存器、及/或處理裝置（在指令執行期間）。
圖2示出了根據本案的一態樣的用於監控處理腔室的一系統200的簡化側視圖。系統200可以包括例如具有襯墊124的處理腔室103，如 圖 1所示。處理腔室103可以包括壁222，襯墊124附接到該壁222。襯墊124專門設計成對製程化學物質具有高耐化學性，從而使襯墊的物理或化學變化最小化，從而使壽命最大化。此外，透明晶體120的至少一部分可以嵌入壁222和襯墊124內，如圖所示。透明晶體120可以由透明陶瓷材料製成，也可以由耐用的透明材料製成，例如藍寶石、金剛石、石英、碳化矽、或其組合。
在實施例中，系統200還包括光源201（例如，寬帶光源或其他電磁輻射源）、光耦合裝置204（例如，準直器或反射鏡）、光譜儀225、控制器109、以及處理裝置130。光源201和光譜儀225可以藉由一或多個光纖電纜232光學聯接至光耦合裝置204。
在一實施例中，光源201是限於200-800奈米（nm）波長範圍的一閃光燈，是脈衝氙光源，並且在一開環內的全波長範圍內具有小於0.5%的sigma閃光功率變化。在其他實施例中，波長範圍可以進一步變化，例如，可以設置在近紅外波長附近。光源201的可變功率控制可以在45%和100%之間，同時在至少一年的壽命期間提供小於8%的功率降低，這可以提供超過十億次的閃光。為具有不同能力和波長的光源201設想了另外的或不同的實施例。
在不同實施例中，光耦合裝置204可適於在沿著一光路的兩個方向上準直或以其他方式傳輸光。第一方向可以包括來自光源201的光，其經準直並通過透明晶體120傳輸到處理腔室103中。第二方向可以是來自透明晶體120的反射的光，其傳回到光耦合裝置204中，這將參考 圖 3更詳細地說明。反射光可以被聚焦到光纖電纜232中，並且因此在沿著光路的第二方向上被引導到光譜儀225。此外，光纖電纜232可以耦合在光譜儀225與光源201之間，用於在光源201、到透明晶體120，及回到光譜儀225之間有效地傳輸光。
在一實施例中，光譜儀225還具有200-800nm波長範圍、小於2nm半峰全寬的波長分辨率、至少16位元的動態範圍、小於32計數的雜波底值，以及6毫秒（ms）或更快的採樣率。與光源201相比，光譜儀225可能需要以相同的時間表或更長的時間進行校準。光譜儀225可以適於檢測從光耦合裝置204接收的反射的光的光譜，例如，從透明晶體120反射回來並藉由光耦合裝置204聚焦到光纖電纜232中的光。
在不同實施例中，控制器109包括或聯接至處理裝置130，並且包括或聯接至記憶體134或其他電腦儲存器。控制器109可以均聯接至光源201、光譜儀225、及處理腔室103。控制器109可以引導光源201閃爍，然後從光譜儀225接收第一光譜。當光源201關閉時，控制器109還可保持光源關閉，並從光譜儀225接收第二光譜。第二光譜可以代表處理腔室內的電漿或化學製程的OES。處理裝置130可以從第一光譜中減去第二光譜以確定某一時刻的反射計訊號。處理裝置130然後可以將反射計訊號算數地擬合至一個或多個薄膜模型，以確定沉積在透明晶體120的透明薄膜上的處理膜層的一或多個光學薄膜性質。
在一些實施例中，一或多個光學薄膜性質包括沉積膜厚度以及折射率（n）及消光係數（k）值。折射率是真空中的光速與處理膜層中的光速之比率。消光係數是處理膜層吸收多少光的測量值。處理裝置130可以使用n值和k值來確定處理膜層的組成。處理裝置130可進一步經配置以分析一或多個光學膜性質的資料，並基於該分析在處理腔室103內觸發新程序或更新當前程序。這樣的更新可以包括警報，並且將參考 圖 7更詳細地說明。
圖3是根據一實施例的 圖 2的系統的側視圖的放大部分，圖示出了嵌入處理腔室303的壁222和襯墊124內的透明晶體120。透明晶體120可具有近端和遠端，近端具有接收來自光耦合裝置204的光的近端表面120A，且遠端120B具有遠端表面120B以將光穿過近端表面120A反射回光耦合裝置204。在一實施例中，透明晶體120的遠端表面120B可靠近處理腔室303，且可製成與壁222的內側表面大致齊平。
在不同實施例中，透明晶體120的形狀可以像插塞（例如，插塞形狀）並且包括軸301和與軸301一體形成或附接到軸301的凸緣305。該插塞可以是藍寶石插塞、金剛石插塞、石英插塞、或碳化矽插塞。軸301及/或凸緣305可以是方形、矩形、圓柱形、或其他形狀。為簡化說明，軸301和凸緣305均顯示為圓柱形。如所述的，透明晶體120可以由諸如藍寶石、金剛石、石英、碳化矽等的透明寶石製成，以提供抗變化和反射光的硬質材料。軸301可以嵌入壁222和襯墊124內，使得遠端表面暴露於處理腔室303的內部。
凸緣305可以抵靠壁222的外側表面。在一個實施例中，密封件313位於凸緣和壁222的外側表面之間。密封件313可以是例如O形環密封件、矩形密封件或墊圈密封件、球狀密封件等。密封件313的材料可以是丙烯二烯單體、含氟彈性體等。凸緣305可具有與密封件313物理接觸的內側表面，其中內表面包括小於20奈米的表面粗糙度（Ra），或至少80/50的划痕值，此為用於表面粗糙度的一光學規格。凸緣305的高度光滑的內側表面可以幫助在處理系統100、200外部的不太清潔的大氣與處理腔室303的高度清潔的過濾空氣之間提供緊密密封，該處理腔室303也可以在真空下。
在不同實施例中，透明薄膜307可以，例如經由原子層沉積（ALD），而沉積到透明晶體120的軸301的遠端表面120B上。在一些情況下，在透明晶體120嵌入壁222和襯墊124內之前，透明薄膜307係沉積在透明晶體120上。透明薄膜307可以暴露於處理腔室303的內部。在一些實施例中，透明薄膜307與襯墊124大致齊平，並且如前所述地被製成具有與襯墊的化學性質大致匹配的化學性質。在不同實施例中，透明薄膜307是氧化釔、氧化鋁、氧化鋯、或其組合，以製造類似的透明合金。在一實施例中，透明薄膜307是氧化釔，厚度在10nm到1微米（μm）之間，例如270nm厚，並且被沉積到已知厚度，這有助於分析反射光。
在不同實施例中，仔細控制透明薄膜307的沉積製程（例如，ALD）以確保它模仿襯墊124的材料，但處於不同的物理狀態，例如更光滑和更平坦，以利於光從其表面反射。如此，透明薄膜307以提供腔室精確條件的方式反射光，並且薄度和光滑度增加了遠端表面的信噪比（SNR），有利於測試在處理腔室303內的更薄的處理膜層309。透明薄膜307還能鈍化並保護透明晶體120的材料，允許昂貴的透明晶體120在處理腔室303的腐蝕性處理環境中持續更長時間。
在一些實施例中，在處理腔室303內的處理期間沉積處理膜層309（例如，處理薄膜層）。處理膜層309可以包括一膜堆疊，其將由光譜儀225測量。光耦合裝置204可以將由光源201提供的光的準直，並且引導準直光304A穿過透明晶體120的近端表面120A，例如凸緣305的外側表面。該入射光接著從透明晶體的遠端表面120B（例如，軸301）、透明薄膜307的表面、及處理膜層309的表面反射開。這三個反射的光源返回到一起，顯示為反射光304B，並返回到光耦合裝置204。光耦合裝置204可以將反射的光聚焦到光纖電纜232中，以進入光譜儀進行測量（見 圖 2）。
每個界面（例如，上述三個表面）處的返回光訊號都可以在光學上組合，導致相長干涉和相消干涉。這種干涉的確切性質取決於每一層的相對厚度，例如透明晶體120、透明薄膜307、及處理膜層309（或膜堆疊）。光譜儀225測量的最終結果（並且在標準化到初始參考之後）是具有干涉條紋的光譜。這些條紋可以與算數薄膜模型擬合，然後可以確定處理膜層309的一或多個薄膜光學參數，例如厚度、n、及k值。n與k值可用於確定組成材料。因此，了解透明薄膜307的確切初始厚度和光學性質有助於將光譜擬合至薄膜模型。
圖4A是根據各種實施例的透明晶體420的簡化側視圖，其目的是解釋可以相對於襯墊124或處理腔室303的壁222，在近端表面420A（或第一面）和遠端表面420B（或第二面）上形成的角度。請注意，為了便於解釋，圖4A中的線和角度被放大並且因此沒有按比例繪製。
作為提醒，透明晶體120的遠端表面120B可以與處理腔室303的壁222大致齊平。來自近端表面120A的背反射，可能對感應器訊號沒有貢獻，並降低了光譜儀225檢測的有效動態範圍。因此，透明晶體120可以設計為具有相對於入射準直光404A略微傾斜的一第一角度（θ 1）。第一角度（θ 1）可以例如在二（「2」）和五（「5」）度之間。在一個實施例中，第一角度（θ 1）是三（「3」）度。
已穿過的光經折射（例如折射光404B），因此用於最大反射的近端表面420A的最佳角度可以垂直於該折射光束。在一實施例中，該最佳或第二角度（θ 2）可以在0.8度與1.8度之間。在一實施例中，第二角度（θ 2）為1.3度。請注意，θ 1等於θ 12+θ 13。此外，司乃耳定律（Snell’s law）要求：
（1） （2）
如方程式1和2所示。方程式3表示遠離遠端表面420B的最大反射。
（3）
因此，如果透明晶體僅作為示例由藍寶石製成，則以下可能會導致以下近似最佳角度：
 假設 （藍寶石）。 （4）
如果選擇不同的第一角度（θ 1），則第二角度（θ 2）如方程式4所確定的可能不同。在替代實施例中，該些光學部件（例如，至少光耦合裝置204可以傾斜一第一角度（θ 1））以使入射光對於近端表面420A是最佳的。近端表面420A因此可以相對於處理腔室的壁保持無角度，並且遠端表面420B可以稍微傾斜以最大化遠離遠端表面420B的反射。或者，光耦合裝置204可傾斜一第二角度（θ 2），並因此相對於遠端表面420B處於最佳角度。在此實施例中，遠端表面420B可以相對於壁無角度，然後近端表面420A可以以微小角度傾斜，以減少入射準直光404A的背反射。
圖4B是根據一實施例的不包括表面角的透明晶體的簡化側視圖。因此，近端表面420A和遠端表面420B是平坦的，並且在它們各自的表面中沒有設計角度。用於透明晶體的這種類型的插塞更容易製造，但由於來自近端表面420A的背反射，可能會受到降低的動態範圍和靈敏度的影響。
圖4C是根據一實施例的具有相關尺寸的透明晶體的詳細側視圖，包括圖4A的一些角度。在圖4C中，透明晶體420包括具有大約三度的第一角度（θ 1）的近端表面420A。透明晶體420還可包括具有大約1.3度的第二角度的遠端表面。第一角度和第二角度的最佳範圍的變化是預期的，並且可以根據方程式4給定選定的第一角度來計算。儘管 圖 4A和 圖 4B的透明晶體420的設計和製造更複雜，其具有更好的動態範圍和對遠端表面420B上的膜沉積的敏感性。
圖5是根據各種實施例的與電腦建模版本相比的多個不同處理膜層的反射率對波長的曲線圖。請注意，不同的處理膜層的厚度不同並導致相應不同的反射率訊號。每個實驗（實曲線）包括相應的模擬模型（虛曲線）。該曲線圖因此說明可以分析反射率訊號（或反射計訊號）以確定處理膜層的厚度。
圖6A是根據一實施例的用於測量透明薄膜上的處理膜層的第一光譜的方法600A的流程圖。方法600A可以用參考 圖 1-4A描述的部件來執行，這將是顯而易見的。儘管以特定的順序或次序顯示，除非另有說明，否則可以修改程序的順序。因此，所顯示的實施例應理解為僅作為示例，而所說明的程序可以以不同的順序執行，並且一些程序可以並行地執行。此外，在不同實施例中可以省略一或多個程序。因此，並非在每個實施例中都需要所有程序。其他程序流程也是可能的。
在操作610，方法600A可以包括提供嵌入處理腔室的壁和襯墊內的至少一部分的透明晶體120。透明晶體120具有近端和遠端，遠端具有暴露於處理腔室內部的遠端表面。嵌入在壁和襯墊內的該部分的透明晶體120可以是軸301，如 圖 3所示。透明晶體120可以是藍寶石、金剛石、或其他足夠硬且足夠透明的晶體中的一種。
在操作615，方法600A還可以包括使用原子層沉積（ALD）在透明晶體120的遠端表面上沉積具有與襯墊的化學性質基本匹配的化學性質的一透明薄膜。該透明薄膜可以是氧化釔、氧化鋁或氧化鋯或類似合金的薄膜，並且具有已知的厚度。可以在將透明晶體120嵌入處理腔室的壁和襯墊之前，執行在操作615中進行的沉積。
在操作620，方法600A繼續於，在處理腔室內的透明薄膜上沉積一處理膜層。該處理膜層可以是基於化學或電漿的沉積薄膜層，並且在清潔處理腔室之前，有時可以包括具有累積底層的一膜堆疊。
在操作625，方法600A繼續於，藉由一光耦合裝置將來自光源的光透射穿過透明晶體的近端。光源201可以是閃光燈，且參考 圖 2進行詳細說明。光耦合裝置204可以是準直器、反射鏡、或反射鏡組，並且參考 圖 2-3進行詳細說明。
在操作630，方法600A繼續於，藉由該光耦合裝置，將從該遠端表面、該透明薄膜的一表面、及該處理膜層的一表面的一組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光纖電纜。這三種不同的反射光可以根據這三個不同層的厚度而建設性地和破壞性地相加，如參考 圖 3所述的。
在操作635，方法600A可以繼續由光譜儀接收來自光纖電纜的經聚焦的光，如參考 圖 2詳細敘述的。在操作640處，方法600A可以繼續於，藉由該光譜儀在該經聚焦的光內檢測代表處理膜層的一第一光譜。
圖6B是根據一個實施例的方法600B的流程圖，其用於測量沉積的薄膜的第二光譜（沒有光的情形）以與第一光譜一起確定處理膜層的一或多個光學膜性質。方法600B可以用參考 圖 1-4A描述的部件來執行，這將是顯而易見的。儘管以特定的順序或次序顯示，除非另有說明，否則可以修改處理的順序。因此，所說明的實施例應理解為僅作為示例，並且所說明的程序可以以不同的順序執行，並且一些程序可以並行執行。此外，在不同實施例中可以省略一或多個程序。因此，並非在每個實施例中都需要所有程序。其他程序流程也是可能的。
在操作650，方法600B包括當光源關閉時由光譜儀檢測來自該經聚焦的光的第二光譜。該第二光譜可以是在測量第一光譜時的處理腔室的OES。
在操作655，方法600B可以繼續於，藉由一處理裝置接收該第一光譜和該第二光譜。該處理裝置可以是 圖 1-2所示的處理裝置130或控制器109。
在操作660，方法600B可以繼續於，藉由該處理裝置，從第一光譜中減去第二光譜以生成反射計數據。當處理腔室中沒有電漿，也可以在沒有該步驟的情況下生成該反射計數據，並且因此第一光譜的測量是在以電漿為主的處理之前或之後。在操作665，方法600B可以繼續於，藉由該處理裝置，將光譜數據除以一參考光譜以生成一反射計訊號。參考光譜可以在已知條件下獲得，例如在系統的初始安裝期間。該除法可以將光譜數據標準化為一光譜訊號，該光譜訊號能夠助於與沉積的處理膜層密切相關的分析。
在操作670，方法600B可以繼續於，藉由該處理裝置，將該反射計訊號擬合至一薄膜光學模型，以確定包括該處理膜層的一或多個光學膜性質的資訊。一或多個光學膜性質可以是膜厚度、n和k的值、及/或處理膜層的組成材料。
圖7是根據本案的各個態樣的方法700的流程圖，該方法700使用透明薄膜上的處理膜層的一或多個光學膜性質來改進處理腔室內的處理。方法700可由處理邏輯執行，其可包括硬體（電路、專用邏輯等）、軟體（例如在通用計算機系統或專用機器上運行）、韌體或其某種組合。例如，方法700可以由控制器109（例如，處理裝置130）執行，因為這些部件在本案中被引用。在實施例中，可以在控制器109的記憶體134內儲存各種基線或閾值（例如厚度或n和k的變化）並針對特定組成編索引。這些值可以藉由於此所述的各種方法700進行比較來使用。儘管以特定的順序或次序顯示，除非另有說明，否則可以修改處理的順序。因此，所說明的實施例應理解為僅作為示例，並且所說明的程序可以以不同的順序執行，並且一些程序可以並行執行。此外，在不同實施例中可以省略一個或多個程序。因此，並非在每個實施例中都需要所有程序。其他程序流程也是可能的。
參照 圖 7，方法700可以開始於該處理邏輯處理一反射計訊號以將該反射計訊號擬合至一薄膜光學模型，以確定沉積在透明薄膜307上的處理膜層309的一或多個光學膜性質（例如，厚度、n和k的值、及/或材料組成）（步驟710）。當在處理腔室內處理基板期間進行測量時，方法700可以繼續於處理邏輯確定厚度是否符合該處理膜層的一基線測量值，例如，已知處理膜層309的組成（步驟715）。如果是，則存在匹配，則方法700可以繼續於處理該處理腔室內的基板（步驟705）。如果不匹配，則方法700可以繼續於，該處理邏輯基於厚度比較，確定處理膜層309的沉積速率的變化超過一閾值變化（步驟720）。
在不同實施例中，該閾值變化可能足以值得沉積製程中的改變。任何這樣的閾值變化可能是特定於該應用，並且可以根據需要多少變化來引起程序偏移來憑經驗確定。此外，被監控的程序可以是蝕刻、沉積等。方法700可以繼續於，該處理邏輯觸發該處理腔室內的一處理，以校正該處理膜層的該沉積速率（步驟725）。以這種方式，方法700的這一部分可以使用與隨著時間的基線測量值相比較的差分測量，來確定該處理腔室的程序是否已經隨著時間移轉（或偏移）。
方法700可以類似地繼續於，該處理邏輯確定處理膜層309的材料組成是否匹配預期沉積在透明薄膜上的一基線組成（步驟730）。如果是，則存在匹配，則方法700可以繼續於處理該處理腔室內的基板（步驟705）。如果不存在匹配，則方法700可以繼續於，該處理邏輯發送一反饋訊號至控制器109（或具有與處理系統操作員的一介面的其他運算裝置），以報告由於在處理腔室中檢測到的程序移轉而導致的一錯誤（步驟735）。可以在檢測到的組成已經偏移預期組成的事實中檢測到程序移轉。在一實施例中，可以在處理系統不活動時執行方法700的這一部分。
在一些實施例中，在處理腔室內的處理基板期間或之後，方法700可繼續於處理裝置確定透明薄膜上的處理膜層是否已達到一累積限制（例如，對符合規範內的需要的累積厚度的限制）（步驟740）。如果不是，則方法700可以繼續於處理該處理腔室內的基板（步驟705）。如果是，則方法700可以繼續於處理邏輯觸發處理腔室以啟動處理腔室中的一清潔程序（步驟745）。該清潔程序可能旨在清潔該處理裝置及組合膜的表面，以改善未來的處理結果，及/或使處理裝置恢復到特定規格。該清潔程序也可能需要一電漿程序，因此也可能有一個OES來減去在光源打開的情況下確定的光譜，以確定該反射計訊號。
在不同實施例中，方法700可以繼續，在由操作步驟745觸發的這種清潔程序期間，確定處理膜層是否已經被去除至預定閾值厚度（步驟750）。這個確定可以是檢查處理膜層是否已被清潔程序充分減少。一旦處理膜層已被移除至或超過預定閾值厚度，方法700可繼續於，該處理邏輯觸發該處理腔室以結束在該處理腔室中執行的清潔程序（步驟755）。一旦完成，方法700可繼續於，處理該處理腔室內的基板（步驟705）。
已設想了 圖 7的方法700的附加或類似方法。例如，在處理腔室內處理基板期間，處理邏輯可以檢測處理膜層已經達到透明薄膜307上的厚度的一閾值等級的時刻。該處理邏輯可以進一步觸發在該處理腔室內沉積該沉積膜層的沉積製程的結束。該處理邏輯可以作出與此類似的其他決定，以更新該處理腔室的處理或處理狀態以提高基板產量、質量、及/或減少生產偏移。
根據進一步的實施例，在一些情況下，處理腔室可以在處理每個基板（或基板組）之後或以一些其他週期執行一清潔程序。該處理邏輯可以準確地確定在透明薄膜307的遠端表面120B或420B上達到該清潔的終點的時刻。然後它可以向處理腔室發送一觸發以停止清潔並繼續下一步，從而提高產量。如果遠端表面120B或420B的清潔速率與腔室的其餘部分不同，則可以預先以該差異表現特徵，並經由控制器109中的查找表進行補償。
前面的描述闡述了許多特定細節，例如特定系統、組件、方法等的示例，以提供對本案的若干實施例的良好理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下實現本案的至少一些實施例。在其他情況下，眾所周知的部件或方法沒有詳細描述或以簡單的方塊圖格式呈現，以避免不必要地使本案不清楚。因此，所闡述的具體細節僅僅是示例性的。特定實施方式可以與這些示例性細節不同，並且仍然被預期在本案的範圍內。
在整個說明書中對「一個實施例」或「一實施例」的引用，表示結合該實施例描述的特定特徵、結構或性質被包括在至少一個實施例中。因此，本說明書各處出現的用語「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定都指代相同的實施例。此外，用語「或」旨在表示包含的「或」而不是排他的「或」。當在本案中使用用語「約」或「大約」時，這旨在表示所呈現的標稱值精確在±10%以內。
儘管以特定順序示出和描述了本案方法的操作，但是可以改變每種方法的操作順序，從而可以以相反的順序執行某些操作，從而可至少部分地執行某些操作，或與其他操作同時進行。在另一個實施例中，不同操作的指令或子操作可以是間歇及/或交替的方式。
應理解的是，以上描述旨在說明性而非限制性。在閱讀和理解以上描述後，許多其他實施例對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。因此，本案的範圍應當參考所附申請專利範圍以及這些申請專利範圍所享有的均等的全部範圍來確定。
100:分配系統 102:主機 103:處理腔室 107A:負載鎖定設備 107B:負載鎖定設備 109:控制器 110:基板 111:狹縫閥 113:臂 114:傳送腔室 115:末端作用器 117:工廠介面 119:基板托架 120:透明晶體 120A:近端表面 120B:遠端表面 121:工廠介面機械手 123:方向 124:襯墊 125:光譜儀 130:處理裝置 134:記憶體 139:底壁（底板） 200:系統 201:光源 204:光耦合裝置 222:壁 225:光譜儀 232:光纖電纜 301:軸 303:處理腔室 304A:準直光 304B:反射光 305:凸緣 307:透明薄膜 309:處理膜層 313:密封件 404A:準直光 404B:折射光 420:透明晶體 420A:近端表面 420B:遠端表面 600A:方法 600B:方法 610:操作 615:操作 620:操作 625:操作 630:操作 635:操作 640:操作 650:操作 655:操作 660:操作 665:操作 670:操作 700:方法 705:步驟 710:步驟 715:步驟 720:步驟 725:步驟 730:步驟 735:步驟 740:步驟 745:步驟 750:步驟 755:步驟
在所附圖式的圖中藉由示例而非限制之方式圖解本揭示內容，在所附圖式中以類似的元件符號指定相似的元件。應當注意，本揭示內容中對「一」或「一個」實施例的不同引用，不一定是相同的實施例，並且此種引用表示為至少一個。
圖1是根據一實施例的示例處理系統的俯視示意圖。
圖2是根據一實施例的用於監控處理腔室的系統的簡化側視圖。
圖3是 圖 2的系統的側視圖的放大部分，圖示出了根據一實施例的嵌入處理腔室的壁和襯墊內的透明晶體及沉積的透明薄膜。
圖4A是根據各種實施例的透明晶體的簡化側視圖，用於解釋可以相對於襯墊或壁在近端表面和遠端表面上形成的角度。
圖4B是根據一實施例的不含表面角度的透明晶體的簡化側視圖。
圖4C是根據一實施例的具有相關尺寸的透明晶體的詳細側視圖，包括 圖 4A的一些角度。
圖5是根據各種實施例的與電腦建模版本相比的多個不同處理膜層的反射率對波長的曲線圖。
圖6A是根據一實施例的用於測量透明薄膜上的處理膜層的第一光譜的方法的流程圖。
圖6B是根據一實施例的用於測量沉積薄膜的第二光譜（沒有光的情形），以與第一光譜一起確定處理膜層的一或多個光學膜性質的方法的流程圖。
圖7是根據本案的各個態樣的使用透明薄膜上沉積的薄膜的一或多個光學膜性質來改進處理腔室內的處理的方法的流程圖。
國內寄存資訊 （請依寄存機構、日期、號碼順序註記） 無
國外寄存資訊 （請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記） 無
103:處理腔室 109:控制器 120:透明晶體 124:襯墊 130:處理裝置 134:記憶體 200:系統 201:光源 204:光耦合裝置 222:壁 225:光譜儀 232:光纖電纜

Claims (14)

  1. 一種用於測量透明薄膜上的處理膜層的光譜的方法，包括下列步驟： 提供至少一部分的一透明晶體，該透明晶體係嵌入一處理腔室的一壁及一襯墊內； 在該透明晶體的一表面上沉積一透明薄膜，該表面暴露於該處理腔室的一內部； 在該透明薄膜上沉積一處理膜層； 接收從該透明薄膜的一表面及該處理膜層的一表面反射回來的光； 藉由一光譜儀，在該經接收的光內檢測代表該處理膜層的一第一光譜；以及 藉由耦合至該光譜儀的一處理裝置，至少部分基於該第一光譜計算出一程序偏移。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該透明晶體包括一近端和一遠端，該遠端具有暴露於該處理腔室的一內部的一遠端表面。
  3. 如請求項2所述的方法，還包括下列步驟： 藉由一光耦合裝置，將來自一光源的光透射穿過該透明晶體的該近端； 藉由該光耦合裝置，將從該遠端表面、該透明薄膜的該表面、及該處理膜層的該表面的一組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光纖電纜； 藉由該光譜儀，接收來自該光纖電纜的該經聚焦的光；以及 藉由該光譜儀，在該經聚焦的光內檢測該第一光譜。
  4. 如請求項1所述的方法，其中該透明薄膜包括與該襯墊的化學性質大致匹配的化學性質。
  5. 如請求項1所述的方法，還包括下列步驟： 當一光源關閉時，藉由該光譜儀檢測來自該經接收的光的一第二光譜； 基於一參考光譜及該第二光譜與該第一光譜的差異以產生一反射計訊號；以及 將該反射計訊號擬合至一薄膜光學模型，以確定包括該處理膜層的一或多個光學膜性質的資訊。
  6. 如請求項5所述的方法，還包括下列步驟： 從該第一光譜中減去該第二光譜以產生一反射計數據； 將該反射計數據除以一參考光譜以產生一反射計訊號；以及 將該反射計訊號擬合至一薄膜光學模型，以確定包括該處理膜層的一或多個光學膜性質的資訊。
  7. 如請求項5所述的方法，其中該一或多個光學膜性質包括厚度，並且其中，在進行處理該處理腔室內的基板的期間，該方法還包括下列步驟： 將該厚度與該處理膜層的一基線測量值進行比較； 基於該比較，確定超出一閾值變化的該處理膜層的一沉積速率的一變化；以及 觸發該處理腔室內的一處理，以校正該處理膜層的該沉積速率。
  8. 如請求項5所述的方法，其中該一或多個光學膜性質包括厚度，並且該方法還包括下列步驟： 檢測該透明薄膜上的該處理膜層厚度已達到一累積限制；以及 響應於該檢測步驟，觸發該處理腔室以啟動在該處理腔室中的一清潔程序。
  9. 如請求項5所述的方法，其中該一或多個光學膜性質包括厚度，並且其中，在進行處理該處理腔室內的一基板之後，該方法還包括下列步驟： 檢測該透明薄膜上的該處理膜層已透過了一清潔程序被去除一預定閾值厚度內的一時刻；以及 響應於該檢測步驟，觸發該處理腔室以結束在該處理腔室中的一清潔程序。
  10. 如請求項5所述的方法，其中該一或多個光學膜性質包括厚度，並且其中，在進行處理該處理腔室內的基板的期間，該方法還包括下列步驟： 檢測當該處理膜層在該透明薄膜上已達到厚度的一閾值等級的一時刻；以及 觸發正在沉積該處理膜層的一沉積製程的一結束。
  11. 一種用於測量透明薄膜上的處理膜層的光譜的方法，包括下列步驟： 提供至少一部分的一透明晶體，該透明晶體係嵌入一處理腔室的一壁及一襯墊內； 在該透明晶體的暴露於該處理腔室的一內部的一表面上沉積一透明薄膜，該透明薄膜包括與該襯墊的化學性質大致匹配的化學性質； 藉由一光譜儀，接收從該透明薄膜的一表面及沉積在該透明薄膜上的一處理膜層的一表面反射回來的光； 藉由該光譜儀，檢測代表該處理膜層的在該經接收的光內的一第一光譜； 當一光源關閉時，藉由該光譜儀檢測一第二光譜； 藉由一處理裝置，基於一參考光譜及該第二光譜與該第一光譜的差異以產生一反射計訊號；以及 藉由該處理裝置，將該反射計訊號擬合至一薄膜光學模型，以確定包括該處理膜層的一或多個光學膜性質的資訊。
  12. 如請求項11所述的方法，其中該透明晶體包括一近端和一遠端，該遠端具有一遠端表面，該遠端表面暴露於該處理腔室的一內部。
  13. 如請求項12所述的方法，還包括下列步驟： 藉由一光耦合裝置，將來自一光源的光透射穿過該透明晶體的該近端；以及 藉由該光耦合裝置，將從該遠端表面、該透明薄膜的一表面、及該處理膜層的一表面的一組合反射回來的所接收的光，聚焦進入一光纖電纜； 藉由該光譜儀，接收來自該光纖電纜的該經聚焦的光；以及 藉由該光譜儀，在該經聚焦的光內檢測該第一光譜。
  14. 如請求項11所述的方法，還包括下列步驟： 藉由該處理裝置，從該第一光譜中減去該第二光譜以產生一反射計數據；以及 藉由該處理裝置，將該反射計數據除以該參考光譜以產生該反射計訊號。
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