CN101165867A - 采用反射辐射监控衬底处理 - Google Patents

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Abstract

一种衬底处理设备具有一个能处理衬底的腔室，一个提供辐射的辐射源，一个适于将辐射偏振到一个或多个偏振角的辐射偏振器，偏振角选择成与衬底上的被处理部件的取向相关，一个在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生信号的辐射检测器，以及一个处理该信号的控制器。

Description

采用反射辐射监控衬底处理
背景
本发明涉及衬底处理的监控。
在衬底处理方法中，通过例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、氧化、氮化、离子注入和蚀刻工艺在衬底上形成包括半导体、绝缘材料和导体材料、包括但不限制的硅、多晶硅、二氧化硅、铝、铜和硅化钨材料的部件。在CVD工艺中，采用反应气体在衬底上沉积材料。在PVD工艺中，溅射靶以在衬底上沉积材料。在氧化和氮化工艺中，通过将衬底暴露于合适的气体环境中，在衬底上形成氧化物或氮化物材料如二氧化硅或氮化硅。在离子注入中，将离子注入到衬底中。在常规蚀刻工艺中，包括抗蚀剂或硬掩模的抗蚀刻部件形成在衬底上，并且蚀刻抗蚀刻部件之间的衬底的露出部分(衬底开口区域)以形成栅极、通路、接触孔或互连线的图形。
监控衬底处理或监控在衬底处理室中进行的工艺的常规方法经常出现问题。工艺监控方法可用于例如在被处理部件或材料中发生预定改变之后、在工艺阶段之后或在工艺结束时停止或改变工艺。例如，在硅晶片上的绝缘材料如二氧化硅中的沟槽的蚀刻中，希望在达到预定深度之后停止蚀刻。在一种常规方法中，在衬底中蚀刻特定深度所需要的时间是由预定蚀刻速度和被蚀刻的衬底层或材料的起始厚度计算的。在另一方法中，计算由从衬底反射的辐射的的相长和相消干涉产生的峰值以确定衬底蚀刻深度。然而，在衬底上的材料的起始厚度因衬底而互不相同时或在其它工艺参数改变时，这种技术通常是不准确的。特别是在被蚀刻的衬底在抗蚀刻部件之间具有小开口区域时难以精确地监控蚀刻工艺，这是因为来自这个区域的处理信号相对于来自衬底其它部分的处理信号来说太小了。而且例如在将绝缘或金属材料沉积在通路或沟槽中期间难以确定沉积在衬底上的通路或沟槽中的材料深度，这是因为沉积的材料面积小造成的。
因此，希望检测在衬底处理期间可能产生的小变化。还希望定量地评估这种变化，例如蚀刻深度、或沉积在衬底上的材料的厚度。还希望在具有小开口区域的衬底蚀刻期间或在将材料沉积到衬底的小区域中期间精确地监控衬底处理。
概述
一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、适于将辐射偏振到相对于衬底上的被处理部件(feature)的取向所选择的一个或多个偏振角的辐射偏振器、在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生第一信号的辐射检测器、以及处理第一信号的控制器。
一种在处理区中处理衬底的方法包括以下步骤：提供在处理区中的衬底、设置用被激励气体(energized gas)处理衬底的处理条件、提供选择成与衬底上的被处理部件取向相关的以一个或多个偏振角偏振的辐射、检测从衬底反射的辐射和响应该检测辐射而产生的信号、以及处理该信号。
一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、适于将辐射偏振到多个偏振角的辐射偏振器、在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生信号的辐射检测器、以及处理该信号的控制器。
一种在处理区中处理衬底方法包括以下步骤：提供在处理区中的衬底、设置用受激励的气体处理衬底上的部件的处理条件、提供以多个偏振角偏振的辐射、检测从衬底反射的辐射和响应被检测的辐射而产生的信号、以及处理该信号。
一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生信号的辐射检测器、以及过滤该信号的带通滤波器。
一种衬底处理方法包括将衬底放置在处理区中、设置被激励气体的处理条件以处理衬底、在处理区中提供辐射源、检测在处理衬底期间从衬底反射的辐射并产生信号、以及过滤该信号。
一种衬底处理设备包括：处理室，其包括衬底支撑件、气体入口、气体激励器、气体出口和具有凹槽的壁，该凹槽中带有窗口和在窗口上的遮蔽装置(mask)；处理监控系统，它能通过壁的凹槽中的窗口监控在处理室中进行的处理。
一种在腔室中处理衬底的方法包括：将衬底放置在腔室中，在腔室中提供受激励的气体以处理衬底，掩敝设置在腔室壁的凹槽中的窗口，以及通过壁的凹槽中的窗口监控在腔室中进行的处理。
一种在处理区中蚀刻衬底和监控蚀刻工艺的方法包括：(a)通过将衬底放置在处理区中蚀刻衬底，在处理区提供被激励的处理气体，和排出处理气体，由此被激励气体可产生辐射发射；(b)通过检测辐射发射的一个或多个波长的强度，产生与该被检测的强度相关的第一信号，并评估第一信号，由此确定蚀刻工艺的第一阶段的完成；(c)通过检测从被蚀刻衬底反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度，产生与被检测强度产相关的第二信号，并评估第二信号，由此确定蚀刻工艺的第二阶段的完成。
一种衬底处理设备包括：腔室，其包括接收衬底的衬底支撑件、将处理气体引入腔室的气体入口、激励处理气体以形成能蚀刻衬底并产生辐射发射的受激励气体的气体激励器、和排出处理气体的排气装置；适于检测辐射发射的一个或多个波长的强度并产生与被检测的强度相关的第一信号以及检测从被蚀刻衬底反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度并产生与被检测强度相关的第二信号的一个或多个辐射检测器；以及评估第一信号以确定蚀刻工艺的第一阶段的完成和评估第二信号以确定蚀刻工艺的第二阶段的完成的控制器。
一种在处理区中蚀刻衬底并监控蚀刻工艺的方法包括：(a)通过将衬底放置在处理区中以蚀刻衬底，该衬底包括第一层和位于第一层下面的第二层，在处理区提供受激励的处理气体，和排出处理气体，由此受激励气体产生辐射发射；(b)通过检测辐射发射的一个或多个波长的强度，产生与该被检测的强度相关的第一信号，并评估第一信号以确定从蚀刻第二层产生的辐射发射的一个或多个波长的强度的变化，由此确定蚀刻工艺的第一阶段的完成；(c)通过检测从被蚀刻衬底反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度，其中偏振辐射以一个或多个第一偏振角和第二偏振角被偏振，产生与被检测强度相关的第二信号，并评估第二信号，由此确定第二层的蚀刻深度，其中所述第一偏振角基本上平行于衬底上被蚀刻部件的取向，第二偏振角基本上垂直于衬底上被蚀刻部件的取向。
一种适于蚀刻衬底的衬底蚀刻设备，其中衬底包括第一层和位于第一层下面的第二层，该设备包括：腔室，其包括接收衬底的衬底支撑件、将处理气体引入腔室的气体入口、激励处理气体以形成能蚀刻衬底和产生辐射发射的受激励气体的气体激励器、和排出处理气体的排气装置；适于以一个或多个第一偏振角和第二偏振角偏振辐射的辐射偏振器，其中第一偏振角基本上平行于衬底上的被蚀刻部件的取向，第二偏振角基本上垂直于衬底上的被蚀刻部件的取向；一个或多个辐射检测器，适于检测辐射发射的一个或多个波长的强度并产生与该检测强度相关的第一信号，以及检测从被蚀刻衬底的表面反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度并产生与被检测强度相关的第二信号；以及控制器，适于评估第一信号以确定在蚀刻第二层期间产生的辐射发射的一个或多个波长的强度的变化，由此确定第一层的完成，并评估第二信号以监控第二层的蚀刻深度。
附图
通过下列表示本发明例子的附图、文字说明和所附权利要求使本发明的这些和其它特征、方案和优点更易于被理解。然而，应该理解一般可用在本发明中的每个特征，不仅在特定附图所示范围中，而且本发明包括这些特征的组合。
图1A是衬底中的被蚀刻第一部件和用于接收具有多个偏振角的衬底反射辐射的装置的示意图；
图1B是图1A的衬底中被蚀刻的另一特征的示意图，第二特征的主要取向不同于第一特征的主要取向；
图2A和2B分别是表示在部分蚀刻该部件之前和之后，在辐射从氧化层中的被蚀刻部件和从抗蚀刻材料的表面反射时产生的相长和相消干涉效果的示意图；
图3是衬底反射辐射的干涉信号的不同频率的相对幅值的标绘图；
图4A和4B分别是在蚀刻具有5％和20％的开口区域的二氧化硅层中的0.4微米沟槽期间检测的反射辐射的幅值的部分轨迹；
图5A和5B分别是在蚀刻具有30％开口区域的二氧化硅层中的尺寸为0.4和1微米的沟槽期间检测的反射辐射的幅值的部分轨迹；
图6是作为部件尺寸和暴露的二氧化硅的开口面积的函数的表示反射辐射的总和信号的强度质量的曲线；
图7是示出％频率响应与带通滤波器的多通的标准化频率的关系曲线图；
图8A和8B是根据本发明的腔室和处理监控系统的剖面侧视图；
图9是适于操作腔室并监控在其中进行的处理的计算机程序的示意方框图；
图10A是具有凹陷窗口的腔室的部分剖面侧视示意图，窗口具有遮蔽装置和设置成减少沉积在窗口上的处理残余物的磁场发生器；
图10B是图10A的窗口遮蔽装置的示意平面图；
图11是具有凹陷窗口的另一种腔室的部分剖面侧视示意图，窗口具有遮蔽装置和设置成减少沉积在窗口上的处理残余物的电场发生器；
图12是表示对于裸窗口、带叠加遮蔽装置的凹陷窗口以及带叠加遮蔽装置和相邻磁铁的凹陷窗口随着处理时间的辐射衰减的曲线；
图13示出在偏振辐射、成比例地检测偏振辐射信号、以及通过带通滤波器中的两个周期处理成比例信号之后的反射辐射信号轨迹；
图14A示出在蚀刻衬底期间通过受激励的气体产生的辐射发射的波长强度的信号轨迹；和
图14B示出偏振辐射之后的反射辐射信号。
说明
本发明例如可用于监控衬底20的处理，以便检测衬底20上的被处理部件25的处理阶段的完成。例如，如图1A和1B所示，衬底20可包括抗蚀刻材料21(抗蚀剂)，例如光刻胶或硬掩模层，这是所希望的构图结构。抗蚀刻材料21叠加在其它材料22、24上，其它材料22、24可以成形为层状并且形成在硅、化合物半导体或绝缘材料的晶片26上。层22、24是衬底20的薄层(stratum)，其由单种材料或一种以上的材料构成。在处理材料22、24期间，例如在蚀刻该材料时，希望在接近或达到第一材料22和第二材料24之间的界面23时或在完成第一或第二材料22、24的一个或两个处理之后停止处理。例如，当蚀刻部件25时，如衬底20中的通路或凹槽，希望在达到第一材料22的预定深度时或在蚀刻只通过下层第二材料24的一小部分之后停止蚀刻处理或减慢蚀刻处理。还希望在第一蚀刻阶段中蚀刻通过第一层22，并且在第二蚀刻阶段中在达到第二层24中的预定深度时停止蚀刻处理后减慢蚀刻处理。虽然所提供的蚀刻处理说明本发明的示例性的应用，但是应该理解本发明还可以应用于在衬底20上沉积材料期间形成的材料或其它处理方法。
形成在衬底20上的特定层22中的部件25还可以具有取向33，如沿着主要方向的主要取向。例如，部件25在主要取向上定向成以便电信号可以更加有效地通过它。在形成在被蚀刻层22上面或下面的另一层35中，例如，如图1B所示，部件36可以定向在另一个或第二主要取向39，它不同于第一层22中的部件25的第一主要取向33。例如，第二层35中的部件36可主要定向于垂直于取向33的方向39，即如果第一层22中的部件25基本上沿着0°方向定向，则上层第二层35中的部件36可以主要沿着90°取向而定向。例如，互相垂直取向的相邻上层和下层上的电互连线减少了如在操作期间产生的热点或过量电感-电容(LC)交扰等问题，特别是随着通过的信号的频率或速度的增加将会产生这些问题。
在本发明的一个方面，衬底20的处理通过以下操作监控：监控从衬底反射的辐射的幅值，并相对于从抗蚀刻材料21反射的辐射的强度调制提高从部件25反射的辐射的幅值调制的信号强度，检测具有一个或多个偏振角的衬底反射辐射31。偏振角是在垂直于辐射运行方向的平面内的辐射31的振动模式。例如，图1A还示出从被蚀刻部件25和从衬底20上的可蚀刻材料21反射的具有多个偏振角的辐射31。辐射31相对于取向33如衬底20上的被处理部件25的主要取向被偏振成一个或多个偏振角。例如，辐射31沿着偏振角被偏振，该偏振角基本上平行或垂直于部件25的主要取向33。偏振角可包括例如基本上平行于主要取向33的第一偏振角Pα(0°)和基本上垂直于主要取向33的第二偏振角(90°)。
参见图1A，具有基本上平行于部件25的主要取向或沿着其长度1引导的第一偏振角的部件反射辐射分量III(或p-分量)的强度具有大于相对于主要取向的另一偏振角的部件反射辐射分量的幅度。例如，具有基本上平行于部件25取向33的宽度w的偏振角的辐射分量I⊥(或s-分量)具有小于以其它偏振角反射辐射的幅度。测量的III和I⊥分量可用于从下列等式中提高部件反射分量：
III(总和)＝III(部件)+III(抗蚀剂)
I⊥(总和)＝I⊥(部件)+I⊥(抗蚀剂)
这些等式的差或和允许部件反射分量和抗蚀刻材料反射分量分开，如下：
ΔI＝I⊥(总和)-III(总和)＝I⊥(部件)-III(部件)
这是因为III(抗蚀剂)分量与I⊥(抗蚀剂)分量相同，因而，从等式种消除了，只留下部件反射分量。这样，以多个偏振角反射辐射的监控衬底可更加精确地确定部件反射分量的强度。
这种现象可参照图2A和2B解释，这两幅图示出可采用反射辐射的幅值与入射辐射的幅值的比例确定垂直相长/相消相位干涉，该辐射例如是光，在等式中，r总和＝(r1+r2*e-iδ1)/(1+r1*r2*e-iδ1)，其中r1＝(1-n1)/(1+n1)；r2＝(n1-n2)/(n1+n2)；以及δ1＝4πn1d1/λ；其中n1和n2分别是氧化层和衬底中的部件反射率，d1是氧化层的厚度，λ是波长。横向干涉效应是由Ir＝I0|fprrpr+e-iδ0f部件r部件|2，
其中fpr是光刻胶覆盖面积的百分比，
f部件是部件开口面积的百分比，
r1pr＝(r1p+r2*e-iδ1)/(1+r1p*r2*e-iδ1)
其中r1p＝(np-n1)/(np+n1)
    r2＝(n1-n2)/(n1+n2)，和
    δ1＝4πn1d部件/λ
rpr＝(rp+r1pr*e-iδ2)/(1+rp*r1pr*e-iδ2)
其中rp＝(1-np)/(1+np)，和
    δ2＝4πnpdp/λ，和
r部件＝(r1+r2*e-iδ3)/(1+r1*r2*e-iδ3)
其中δ3＝4πn1d1/λ，和
δ0＝4πd0 /λ。
从部件反射的辐射的强度由I总和＝I0|r总和|2给定。由于垂直和横向干涉的组合产生的复合频率分量是wpr(光刻胶分量)、wox(二氧化硅分量)、wpo(光刻胶和二氧化硅之间的差)、wox-wpr、wox+wpr、wpo-wpr、wpo+wpr、wpo-wpr、wpo+wpr+wox、wox-wpr-wpo和wox+wpr-wpo。然而，出现了作为幅值的函数的频率分量的变化，这是因为由于垂直和水平干涉效应的耦合而破坏了干涉条纹的形状。例如，图3示出了不同频率分量wpr、wox和wpo的相对幅值和频率。通常，衬底20中的部件25的蚀刻深度与入射辐射的波长通过上述公式有关，部件蚀刻深度＝波长/2*IOR)，其中IOR是入射辐射的反射率。随着衬底20上的被处理部件25的蚀刻深度增加，来自蚀刻部件25的反射辐射经受相消/相长干涉以提供可检测振荡信号，该信号具有与蚀刻速率和入射辐射的波长相关的第一频率。同时，从以不同蚀刻速度被蚀刻的衬底20的其余表面反射的辐射也经受相消/相长干涉以提供具有不同的第二频率的可检测振荡信号。
在一种情况中，确定第一蚀刻阶段期间的第一层22的蚀刻完成，以便可通过监控第二蚀刻阶段中的偏振辐射反射更精确地确定第二层24的蚀刻深度。确定第一层22的蚀刻完成的一种方法是通过检测来自用于蚀刻衬底20的被激励气体发射的辐射。由被激励气体发射的辐射发射的波长的强度与存在的被激励气体种类相关，如处理气体种类和可通过处理气体与衬底20反应产生的其它气体种类。由于辐射发射的特定波长的强度与存在于被激励气体中的种类相关，这些强度的任何变化都可能发生，例如，当处理气体与具有不同成分的衬底层反应时。这样，可以监控特定的被激励气体种类的存在或不存在的被选预定波长的强度以确定例如当被激励气体已经充分蚀刻第一层22时第二层24至少部分地露出。
在另一方式中，第一蚀刻阶段的完成可通过检测辐射发射的被选波长的强度的增加来确定。例如，与由处理气体与第二层24反应得到的被激励气体物质的存在相关的被选波长强度的增加可表示已经充分蚀刻第一层24并暴露第二层24。例如，当蚀刻通过第一层22并到达包括碳和氢的第二层24时，在包括N2的被激励气体中，与通过处理气体与第二层24反应形成的含C-N物质相关的辐射波长可被监控在3865埃的波长。具有这个波长的辐射强度的增加表示正在形成含C-N物质，因此已经充分蚀刻了第一层22并露出第二层24。这样，通过监控辐射发射的被选波长和检测这些强度的增加(或减少)可确定第一蚀刻阶段的完成。
一旦第一蚀刻阶段已经完成，进行蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段。可通过采用与用在第一蚀刻阶段中的相同的处理参数或通过改变用在第一蚀刻阶段中的一个或多个处理参数来蚀刻第二层24。例如，用于蚀刻第一层的相同的处理气体也可以用来来蚀刻第二层，或者可提供不同的处理气体。可通过监控反射偏振辐射以确定衬底20上的被蚀刻的部件25的深度来确定第二蚀刻阶段的完成。衬底20上的被蚀刻的部件25的蚀刻深度可通过计算从反射偏振辐射的相消/相长干涉得到的信号最小值或最大值来确定。通过评估该信号和确定衬底20上的被蚀刻的部件25的预定深度已经得到时，可确定蚀刻工艺终点和蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段的完成。
然而，通过检测反射偏振辐射来确定衬底20上的被蚀刻部件25的深度在蚀刻包括具有第一反射率的第一层22和具有第二反射率的第二层24的衬底20时可能会出现问题。这是因为在蚀刻第一层期间得到的幅值调制信号是从第一和第二层22、24反射的偏振辐射的相长和相消干涉的复杂函数。这样，不能可靠地计算干涉信号的最小值和最大值，以便在不知道第一层22已经被蚀刻通过到露出第二层24的情况下，确定什么时候已经得到部件25的所希望的深度。为此，在第一蚀刻阶段监控由被激励气体产生的辐射发射，以便确定第一蚀刻阶段的完成。一旦已经确定完成了第一蚀刻阶段，第二蚀刻阶段可以通过检测反射偏振辐射来监控，以便确定第二蚀刻阶段的完成。通过确定第一蚀刻阶段的完成，在第二蚀刻阶段期间可以更精确地确定衬底20上的被蚀刻的部件25的深度和蚀刻工艺的结束。
当衬底20在抗蚀刻部件21之间具有小开口面积时检测部件分量的调制特别困难，这是因为来自抗蚀刻结构21的大面积的抗蚀剂分量的调制优于总信号的调制。图4A表示在部件25的蚀刻期间得到的反射辐射信号的轨迹，其中该部件25包括具有至少约20％开口面积的衬底20中的二氧化硅层中的开口尺寸约为0.4微米的沟槽。总和信号的这个轨迹包括第一阶段(I)，其中被蚀刻的部件25和也被部分除去的抗蚀剂材料21对互相干涉的成分起作用，并且都对无法预料地改变频率和形状的检测振荡调制幅值起作用。然而，对应基本上只蚀刻抗蚀刻材料21(因为部件25完成被蚀刻)的第二阶段(II)提供具有主要由抗蚀剂分量构成的更可重复的周期性波前的幅值轨迹。位于两个轨迹之间和在约140秒的累计处理时间的蚀刻工艺的结束表示为“蚀刻终点”。当对具有一小部分开口面积例如5％开口面积的衬底20进行相同的轨迹研究时，如图4B所示，检测的反射辐射提供具有周期性的和可重复的波形的信号轨迹，这主要是从占据衬底20面积的95％以上的抗蚀刻材料21的表面反射的抗蚀剂分量的信号强度。来自被蚀刻衬底20上的部件25的相对小开口面积的反射辐射具有非常小的相对信号强度，这是在较大抗蚀剂分量信号中损失的。
确定总和信号的强度也取决于在衬底20中被蚀刻的部件25的尺寸。图5A和5B分别表示在硅衬底20上的多晶硅上的二氧化硅中蚀刻约为0.4微米和1微米部件期间得到的幅值轨迹，两个衬底都具有相同的30％的开口面积。再一次地，对应蚀刻叠加的抗蚀刻材料21和二氧化硅的第一阶段提供具有复合的和可变的形状的总幅值轨迹；而对应基本上只蚀刻残余抗蚀剂的第二阶段提供具有可重复的和周期性的波形的总幅值轨迹。
图6示出与衬底25中的被处理或蚀刻的部件25的尺寸相关的总和信号的质量和作为衬底20上的二氧化硅的露出面积的函数之间的关系。有两种方式，一种是总和信号的强度是可接受的，另一种是总和信号强度是不可接受的。蚀刻部件窗口41表示被蚀刻部件尺寸的典型区域和在其中处理现有很多沟槽结构的衬底开口区域。这样，在衬底上的部件尺寸或开口面积很小时，常规工艺监控方法只允许分析反射辐射的小窗口区域。
在本发明的另一方面，滤波器53可选择性地用于过滤由辐射检测器54产生的与反射辐射的被检测强度相关的信号。在一种方式中，滤波器53是带通滤波器，它增与反射辐射的其它频率分量相关的选定的通带频率的相对强度的。例如，带通滤波器53可适合于过滤来自辐射检测器54的输入信号以使其通过与从衬底20上被处理的部件25反射的辐射频率相关的频带，同时减小从衬底20上被处理的部件25反射的辐射所产生的信号的强度。采用的带通滤波器53的类型取决于预定工艺使用和通带频率限制。在一种方式中，带通滤波器53是通过过滤信号和选择地只通过通带频率而操作的电信号处理器。电信号处理器可以是使从辐射检测器接收的辐射信号数字化并过滤该数字化信号的数字信号处理器。
在一种方式中，被选频率约等于通带的中心频率。例如，如果带通滤波器具有从A到B Hz的通带，则中心频率为(A+B)/2Hz。当通带频率范围的中心约为由从被蚀刻部件25反射的辐射分量获得的相消/相长干涉信号的被选频率时，由此减弱或排除由从衬底20的其余表面反射的辐射分量得到的相消/相长信号，例如衬底20的其余表面为衬底20上的形成图案的抗蚀刻材料。然而，被选频率不必是通带的中心频率。即，通过选择通带内的其它频率可实现可比较的结果。在一个例子中，通带频率范围包括位于从衬底20反射的辐射分量的被选频率的约±10％内的频率。例如，对于在衬底20上的绝缘材料中被蚀刻的沟槽成形部件25，对于约为5000埃/分钟的氧化蚀刻速度，合适的频率为约0.09Hz到约0.11Hz。
在一种方式中，通带频率范围可选择成提供非相干辐射源58的相干长度，该辐射源例如可以是具有多个波长和相位的等离子发射体。相干长度是可观察的来自辐射源58的辐射的干涉效应的长度。对于非相干辐射源，相干长度涉及公式λ2/nΔλ，其中n是被蚀刻层22的折射率，λ是等离子体发射光谱的中心的波长，Δλ是波长范围，也因此是被带通滤波器通过的频率范围。在选择Δλ以便λ2/Δλ大于被蚀刻层22的厚度时可得到相干长度。在一种方式中，对于中心约为254纳米的等离子体发射，带通滤波器53的Δλ可以是1.5纳米。
还可以在一个或多个周期中通过带通滤波器53处理反射辐射信号，以便在每个周期中，信号被过滤以使对应于来自被蚀刻部件25的反射辐射的频率的辐射信号的分量通过，同时减弱对应于来自衬底20的其它或抗蚀剂21部分的反射辐射的频率的辐射信号。例如，在蚀刻工艺期间，在每次通过时，带通滤波器53将相对于从其余衬底表面反射的辐射的信号强度增加从被蚀刻部件25的反射辐射的信号强度。合适的周期数量是约为1到约10个周期，并且更优选为约2到约5个周期。
图7示出频率响应(％)与多个通过带通滤波器53的标准化频率的关系曲线，示出例如相对于抗蚀剂分量或在处理期间使用的旋转磁场分量，具有约在被蚀刻部件分量中心的频率的辐射强度的增加。随着通过数量从1增加到2，得到的非部件反射辐射分量的幅值的减少提高了来自与自衬底的其它表面的其它信号相关的部件的反射辐射信号的信噪比。
本发明可用于在设备27中蚀刻衬底20，例如示意地示于图8A和8B中的设备。一般情况下，设备27包括腔室35，腔室35具有用于在处理区中接收衬底20的支撑件32。可通过气体供给装置34将处理气体引入腔室35，其中气体供给装置34包括气源36、位于衬底20的周边周围(如所示)或安装在腔室的顶板上的喷头中(未示出)的气体入口38。气流控制器40可用于控制处理气体的流速。通过排气装置42将废处理气体和蚀刻剂副产物从腔室35排出，排气装置包括粗选和涡轮分子泵(未示出)和可用于控制腔室35内的处理气体的压力的节流阀44。
通过给腔室35的处理区中30的处理气体耦合电磁能的气体激励器46，由处理气体产生被激励的气体或等离子体。例如，第一处理电极54，如腔室35的侧壁，和第二处理电极52，如衬底20下面的支撑件32的导电部分可用于进一步激励腔室35中的气体，如图8A所示。第一和第二处理电极52、54相对于彼此偏置由电极电压供给装置62提供的RF电压。施加于电极52、54的RF电压的频率通常约为50KHz到约60MHz中。作为另一例子，气体激励器46可包括将电磁能感应耦合到腔室35中的气体的电感器线圈47，如图8B所示。
在包括第一层22和第二层24的衬底20的蚀刻中，处理参数如气流成分、流速、压力、偏置功率以及温度在整个蚀刻工艺期间可保持相同，或者例如当已经完成第一蚀刻阶段和开始第二蚀刻阶段时可以改变这些参数。引入到腔室35中的处理气体可根据衬底20上的待蚀刻层22、24的成分来选择。例如，用于蚀刻包括碳和氢的有机防反射层22的合适处理气体可包括CF4。作为另一例子，用于蚀刻衬底20上的氧化硅层24的合适处理气体可包括CF4和N2。例如，为蚀刻包括含有碳和氢的防反射层的第一层22，包括约为20到约100sccmCF4的处理气体可引入到腔室35中。腔室35中的压力可保持在约20到约100毫乇，处理电极R.F.偏置功率大小可保持在约100到约500瓦，部分腔室可保持在约-15°到约40°的温度。作为另一例子，为蚀刻包括由TEOS(Si(OCH3)3)沉积的氧化硅的第二层24，包括约50到约200sccmCF4和约15到约100sccmN2的处理气体可引入腔室35中。腔室35中的压力可保持在约100到约500毫乇，处理电极R.F.偏置功率大小可保持在约400到约1200瓦，部分腔室可保持在约-15°到约40°的温度。
入射到衬底20上的辐射31可由辐射源58提供，该辐射源例如可以是腔室内部或外部的等离子体、辐射灯、LED或激光等。辐射源58可提供如紫外线(UV)、可见或红外辐射等辐射；或者它可以提供其它种辐射，如X射线。辐射源58可例如包括来自在腔室28内部产生的等离子体的发射，其一般是具有延伸穿过光谱的多个波长的多光谱的发射，如图8A所示，并且通常也是非相干的，即具有多个相位。辐射源58还可以设置在腔室35的外部，以便辐射31可以从辐射源58通过窗口130传输到腔室35中，如图8B所示。辐射源58还可提供具有主要特性波长例如单波长的辐射，如单色光，如He-Ne或Nd-YAG激光器提供的。激光源也提供具有主要或单个相位的相干光。作为一种选择，辐射源58可包括提供具有多个波长的辐射发射的灯，如多色光的灯，它可以选择地被过滤到单个波长。用于提供多色光的合适辐射源58包括产生具有在约180到约600纳米范围内的波长的多色光谱的Hg放电灯；电弧灯，如氙或Hg-Xe灯和钨-卤素灯；以及发光二极管(LED)。
在一种方式中，采用提供非偏振光如紫外线、红外线或可见光的非偏振辐射源58。当偏振辐射在处理期间例如被激励的气体或等离子体或积累在腔室窗口上的残余物优先吸收时可采用非偏振源。偏振状态也影响具有定向结晶结构的材料的辐射吸收特性，如具有不同于立方对称的晶体。
辐射垂直入射到衬底20上还可以用于精确地检测在层22、24上具有高和窄间隔部件如抗蚀刻部件的衬底20的处理结束点。垂直入射辐射不被抗蚀刻材料部件的高度阻止到达层22、24。然而，应该理解垂直入射对于检测反射的辐射不是必须的，可以采用其它入射角。
通过入射在衬底20和被衬底20反射的辐射路径中放置第一和第二辐射偏振器59a、59b，可以将辐射偏振到多个偏振角。本例示出了在入射到衬底20的辐射路径中的第一和第二辐射偏振器59a、59b，它们也可以位于被衬底20反射回来的路径中，或者它们可以是辐射检测器54的一部分。第一偏振器59a选择地使以第一偏振角取向的辐射通过，第二偏振器59b选择地使以第二偏振角取向的辐射通过。第一和第二偏振器59a、59b可以是单个结构或一个以上的结构。在一种方式中，偏振器59a、59b包括用一个或多个薄膜涂敷的辐射可穿透材料，所述薄膜选择地偏振通过该材料的辐射；或者在另一方式中，它们可以是可旋转的滤波器。当采用旋转偏振器59a、59b时，辐射以周期间隔被采样以便只获得与部件角度取向有关的反射辐射信号分量。
采用一个或多个辐射检测器54检测被衬底20反射的辐射31。辐射检测器54可包括辐射传感器，如光伏电池、光电二极管、光电倍增器或光电晶体管。辐射检测器54响应反射辐射的测量强度提供电输出信号，其中该反射辐射的测量强度包括通过电部件的电流大小的变化或施加在电部件两端的电压的变化。还可以使用多个辐射检测器54(未示出)。例如，可使用各设置成捕获具有不同偏振角的辐射的多个检测器54。作为另一个例子，可采用各设置成可检测从衬底20反射的偏振辐射或来被自激励气体的辐射反射的多个检测器54。检测器54向控制器100提供与被检测的辐射相关的信号。例如，检测器可提供与辐射发射的一个或多个波长的检测强度相关的第一信号和与从衬底20反射的偏振辐射的一个或多个波长的检测强度相关的第二信号。评价检测器信号以便由控制器100分离来自部件25的反射辐射信号和抗蚀刻材料21反射辐射分量。控制器100还适于评估检测信号以确定具有不同偏振角的辐射的幅度和由被激励气体发射的辐射的强度。
衬底反射辐射可以以小入射角或沿着基本上垂直方向被检测。垂直检测角能够更精确地监控在腔室35中被处理的部件25，例如，为了确定部件25的蚀刻深度或沉积在部件25中的材料深度或作为衬底20上的一层。在被蚀刻的部件25具有高尺寸比时尤其希望垂直角，并且以小入射(或反射)角引入的辐射穿透部件25的深度而不被部件25的侧壁或形成图案的抗蚀刻材料21所阻挡是特别困难的。垂直检测角可以通过正好垂直地在衬底20上方设置辐射检测器54、以及选择地辐射源58(除已经在衬底20上方的等离子体源以外)来获得。
腔室35可由在计算机系统104上执行计算机-可读处理控制程序102的控制器100操作，该计算机系统104包括中心处理单元(CPU)106，如从Synergy Microsystems、California商业上得到的68040微处理器，或从Intel Corporation、Santa Clara、California商业上可得到的Pentium处理器，它耦合到存储器108和外围计算机部件。存储器108包括具有嵌入其中的计算机可读程序102的计算机可读介质。优选，存储器108包括硬盘驱动器110、软盘驱动器112、以及随机存取存储器114。计算机系统104还包括多个接合卡，例如包括模拟和数字输入和输出板、接口板、和电机控制器板。操作者和控制器110之间的接口可以例如通过显示器118和光笔120。光笔120在光笔120的尖端检测由具有光传感器的显示器118发射的光。为选择特定荧光屏或功能，操作者触摸显示器118上的荧光屏的指示区并按压光笔120上的按钮。通常，被触摸的区域改变颜色，或显示新菜单，确认用户和控制器110之间的通信。
计算机可读程序如那些存储在例如包括软盘或插入在软盘驱动器112或其它合适驱动器中的其它计算机程序产品的其它存储器上的程序或存储在硬盘驱动器上的程序也可用于操作控制器110。处理控制器程序102一般包括含有用于操作腔室28的程序码的处理控制软件124及其部件、用于监控在腔室28中进行的工艺的处理监控软件126、安全系统软件、以及其它控制软件。计算机可读程序102可以以任何常规计算机可读编程语言写入，如汇编语言、C++、帕斯卡、或Fortran。合适的程序码采用常规文本编辑器输入单个文件或多个文件中，并储存或嵌入计算机系统的存储器108的计算机可用介质中。如果输入的编码文本处于高电平语言，则该编码被编辑，并且然后得到的编辑器码与预编辑库存程序的目的码连接。为执行被连接的、被编辑的目的码，用户调用该目的码，使CPU106读取和执行该码，以便进行在该程序中被识别的任务。
图9是根据本发明的处理控制程序102的特殊实施例的分级控制结构的示意方框图。采用光笔接口，用户响应显示在CRT终端上的菜单或屏幕将程序设置和腔室数量输入到处理选择程序132中。处理室程序124包括程序码以设置定时、气体成分、气体流速、腔室压力、RF功率水平、支撑位置和特定处理的其它参数。处理设置是用于进行特殊处理所必须预定处理参数组。处理参数是处理条件，包括(但不限于)气体成分、气体流速、压力和气体激励器的设置。此外，操作处理监控程序126所需要的参数也可由用户输入到处理选择器程序中。这些参数包括材料的公知特性、特别是辐射吸收和反射特性，如反射率和消光系数；由试验确定数据模拟的处理监控算法；可用于监控处理的试验确定表或计算值；以及在衬底上被处理的材料的特性。
处理定序程序134包括用于从处理选择程序132接收腔室类型和处理参数设置并控制其操作的程序码。通过将特定处理参数输入到控制处理室28中的多个处理任务的腔室管理程序136中，定序程序134起动处理设置的执行。通常，处理室程序124包括衬底定位程序138、气体流动控制程序140、气体压力控制程序142、气体激励器控制程序144和加热器控制程序146。通常，衬底定位程序138包括用于控制腔室部件的程序码，该腔室部件用于将衬底20装入支撑件32上并选择地用于将衬底20升高到腔室35中的预定高度以控制衬底20和气体供给装置34的气体入口38之间的间隔。处理气体控制程序140具有用于控制处理气体的不同成分的流速的程序码。处理气体控制程序140控制安全截流阀的打开/关闭位置，并且还向上/下倾斜气流控制器40以获得预定气体流速。压力控制程序142包括用于通过调整腔室的排气装置42中的节流阀44的孔尺寸来控制腔室28内的压力的程序码。气体激励器控制程序144包括用于设置施加于腔室35内的处理电极52、54的低和高频RF功率水平的程序码。选择地，加热器控制程序146包括用于控制加热器元件(未示出)的温度的程序码，其中所述加热器元件用电阻加热支架32和衬底20。
处理监控程序126可包括程序码以从辐射源58、辐射检测器54或控制器100获得样品或参考信号并根据预编程准则处理该信号。通常，通过辐射检测器54中的模拟-数字转换器板向控制器100提供辐射幅值或光谱轨迹。处理监控程序126也可将指令发送给控制器100以操作如辐射源58、辐射检测器54和其它部件等部件。例如，一旦已经确定完成第一蚀刻阶段，处理监控程序126可向控制器100发送指令以操作辐射检测器54，以便检测从衬底20反射的偏振辐射。该程序也可以向腔室管理器程序136或其它程序发送指令以改变处理条件或其它腔室设置。
处理监控程序126也可包括用以获得和评估来自辐射检测器54的信号的程序码。该程序码可设计成以减少反射辐射的不希望的频率成分的强度，例如由不是从衬底20上被处理的部件25反射的辐射产生的频率成分。例如，带通滤波器可适于过滤来自检测器54的入射辐射信号以获得以从衬底20反射的辐射的一个或多个选择频率为中心的频带。处理监控程序126也可包括用以评估来自检测器54的第一信号和来自检测器54的第二信号的程序码，该第一信号的产生是与辐射发射的一个或多个波长的强度的检测相关，第二信号的产生是与从衬底20反射的偏振辐射的检测相关的。处理监控程序可评估第一和第二信号以确定第一和第二蚀刻阶段的完成。例如，处理监控程序126可通过评估辐射发射的一个或多个波长的强度的变化如强度的增加而评估第一信号。处理监控程序126例如可通过相对于其它信号分量增加由从衬底20上被蚀刻的部件反射的偏振辐射所产生的信号分量。这个信号分量的强度可通过处理以不同角度偏振的被检测偏振辐射的信号分量和确定该信号分量的比例或相减值来增加。处理监控程序126可评估处理第二信号以确定衬底20上的被蚀刻部件的深度，由此能够确定第二蚀刻阶段的完成。
为确定处理监控程序126的参数，开始，选择具有预定材料厚度的一个或多个衬底20用于处理。每个衬底20一次放置在处理室3中并设置处理条件以处理衬底20上的材料22或下层材料24。采用一个或多个辐射检测器54监控从衬底反射和/或从腔室中的等离子体发射的辐射。产生一系列这种轨迹之后，检测它们以识别用作算法形式的计算机程序的输入的轨迹特性的可识别变化、数值表、或适于评估腔室35中的事件或衬底20的特性的其它准则。例如，处理监控程序126可包括用于评估对应于反射辐射的强度的信号的程序码，其中该信号可用于检测处理衬底20的开始和完成。作为另一例子，计算机程序126包括用于评估对应于从等离子体发射和/或从衬底20反射的辐射的第一和第二信号。
这样，处理监控程序126可包括用于分析由辐射检测器54提供的输入信号轨迹和在达到所希望的一组准则时如在被检测信号的特征基本上与预定编程值相同时确定处理结束点或处理阶段的完成的程序码。例如，处理监控程序126可包括用于确定已经完成蚀刻第一层的第一阶段或在已经完成在第二层24中蚀刻预定深度的部件的第二蚀刻阶段的时间的程序码。处理监控程序126也可用于检测衬底上的被处理材料的特性，如厚度、或其它特性，例如结晶自然状态、微观结构、孔隙率、衬底20上的材料的电学、化学和成分特性。计算机程序126还可被编程，以便例如通过检测辐射31的幅值的变化或幅值的变化率，检测处理衬底20的开始和完成。希望的准则作为预置或存储参数和算法被编程到处理监控程序126中。程序126还可包括用于模拟辐射的轨迹、从被模拟的轨迹中选择特征或允许用户选择该特征、存储被模拟的轨迹或特征、检测来自辐射检测器54的一部分输入信号、相对于储存轨迹或特征评估被测量的信号和调用在衬底20上进行处理的处理阶段结束或显示衬底20上的材料的测量特性的程序码。
在一种方式中，处理监控软件包括用于通过抽取轨迹端部周围的逻辑框或“窗口”和及时返回并利用在预编程算法中建立的信号高度和时间尺度来连续分析反射辐射的测量幅值的轨迹的程序码。可编程一组窗口以检测反射强度的轨迹的谷值和峰值，向上斜面上的触发器以检测后者的结束时间，或到向下斜面上的触发器以在轨迹中的谷值之前的结束点。当轨迹中的信号变得太陡并移出预编程逻辑框(“WINDOW OUT”)时或者当它变得平缓和进入逻辑框(“WINDOWIN”)时，满足第一准则。附加的窗口依次施加于移动轨迹上以产生准则的完成设置，以便确定在实时测量的信号中的变化是否是处理的结束点，如处理的开始或完成，材料的特性的变化，或者只是噪声。进入或移出逻辑框的方向也可被规定为预编程输入准则的一部分，用于操作处理监控程序126。在检测处理的开始和结束时，处理监控向处理室程序126发送信号，处理室程序126向控制器100发送指令以改变正在其中进行处理衬底20的腔室35中的处理条件。控制器100适于控制气体供给装置34、气体激励器46或节流阀44中的一个或多个，以改变与接收信号相关的腔室35中的处理条件。
由控制器100接收和/或评估的数据信号可以发送给工厂自动主计算机300。工厂自动主计算机300可包括评估来自几个系统27、工作台或腔室35的数据和用于衬底20的批量或在时间的延长部分期间的主软件程序302，以便识别下列的统计处理控制参数：(i)在衬底20上进行的处理；(ii)在单个衬底20上以统计关系变化的特性；或(iii)在一批衬底20上以统计关系变化的特性。主软件程序302还可采用用于进行原位处理评估或用于控制其它处理参数的数据。合适的主软件程序包括从前述的应用材料公司得到的WORKSTREAMTM软件。工厂自动主计算机300还可用于提供指令信号以便(i)从处理序列中除去特定衬底20，例如，如果衬底特性不合适或没有落入在统计确定数值范围内，或者如果处理参数由可接收的范围而得来；(ii)结束特定处理室35中的处理；或(iii)通过确定衬底20的不合适特性或处理参数而调整处理条件。工厂自动主计算机300还可响应由主软件程序302进行的数据评估而在衬底的处理开始或结束时提供指令信号。
还公开了通过以下方式在腔室35的壁中的凹槽61中设置窗口130而进一步提高了反射辐射信号的信噪比：辐射检测器54通过该窗口130可检测被衬底反射掉的辐射。图10A是腔室的示意侧视图，该腔室具有在腔室35的壁51中的凹槽中的窗口130、用于检测从衬底反射的并通过窗口130的辐射以及响应该检测辐射产生信号的检测器54、以及用于评估被检测信号以控制处理的控制器100。窗口130包括可使被控制器100监控的辐射波长穿过的材料。对于红外线、可见光和UV辐射，窗口130可由陶瓷制成，如Al2O3、Si、SiO2、TiO2、ZrO2中的一种或多种，或其混合物和化合物。陶瓷还可包括单晶材料，例如作为单晶氧化铝的蓝宝石，其对卤素等离子体、特别是含氟的等离子体呈现良好抗腐蚀特性。
腔室35的壁5 1中的凹槽61的形状和尺寸允许可在其中接收遮蔽装置140，如图10所示。例如，当遮蔽装置140的形状为圆柱形时，凹槽61也可以为圆柱形。遮蔽装置140的尺寸允许基本上覆盖窗口130，由此减少或防止在窗口130上沉积处理残余物。遮蔽装置140可由能抵抗腔室35中的处理气体或等离子体的腐蚀的材料构成，如抗等离子体材料，例如Al2O3、SiO2、AlN、BN、Si、SiC、Si3N4、TiO2、ZrO2中的一种或多种，或者其混合物和化合物。
遮蔽装置140在其中包括一个或多个孔145，如图10B所示。孔145的形状和尺寸允许减少其中的处理残余物的沉积同时允许足够量的辐射通过以操作控制器100。例如，孔145的形状和尺寸允许通过入射和反射辐射束-对用干涉测量或椭圆分析-或者其形状和尺寸允许监控来自等离子体的光谱发射，用于等离子体发射分析。相信通过减少中性气体物质(通常是残余物形成物质)的进入或通过允许高度被激励气体离子以蚀刻掉形成在孔145的壁上的处理残余物孔145，孔145减少了在其中沉积的处理残余物。凹槽145的长宽比和深度一般控制在被激励的气体物质到达凹槽145的内部表面如凹槽145中的窗口130之前由被激励的气体物质所经过的距离。合适的孔145包括至少约为0.25∶1的长宽比，该长宽比还可小于约12∶1。在一种方式中，孔145包括约为约0.1到约50mm的开口尺寸和约为0.5到约500mm的深度。遮蔽装置140还可包括多个孔145，如六边形或圆形孔。
电磁场源可用于保持在窗口130周围的电磁场。电磁场源包括电场或磁场源。施加于壁51周围的电磁场可减少处理残余物沉积在壁的凹槽61中的窗口130上。例如，在图10A中所示的实施例中，电磁场源包括适于保持在部分壁51附近、凹槽61周围或穿过窗口130的磁场的磁场源195。磁场源195包括至少一个磁铁200或电磁铁(未示出)，它位于凹槽、壁或窗口130附近或靠着它们设置，以便提供在其周围的磁场。例如，在一个方式中，磁能可限制在凹槽61或窗口130周围的空间，并只可以穿透小距离进入腔室35。在这种方式中，磁场源195提供相对于腔室其他部分优先集中穿过凹槽61或窗口130的磁场。通常情况下，合适的磁场强度可以为约10到约10000高斯，并且更优选为约50-约2000高斯，但是选择的实际磁场强度取决于窗口尺寸、等离子体离子的能量和其他因素。在图10A所示的实施例中，磁场源195包括设置在壁中的凹槽周围并具有相反磁极性的多个磁极200。
在另一实施例中，如图11所示，电磁场源包括在壁51、凹槽61周围或穿过窗口130(如所示)提供电能以维持其周围的电场的电场源220。相信电场减少了壁51上、凹槽61中或窗口130上的处理残余物的沉积，例如通过抵制带电残余物形成物质或通过使被激励的气体物质撞击窗口130以蚀刻掉处理残余物。电场源220可位于壁51附近、靠着它或在其后面、在凹槽61周围或在窗口130附近的电极225，用于在其周围耦合电能。该电场可适合于具有平行或垂直于壁51或窗口130的平面的电场分量。电极225的尺寸充分大以提供覆盖壁51或窗口130的整个区域的电场。电极225还可包括涡流减少狭缝，其形状和尺寸允许减少可能被包含于电极225中的任何涡流。电压源245电偏置具有DC、AC或RF电压的电极225，电压通常为约10-约10000伏，更优选为约20-约4000伏。
图12示出对于裸窗口、凹陷窗口130和具有相邻磁铁的凹陷窗口130，随着处理时间的辐射衰减。可以看到通过缺乏电磁场源的裸的未凹陷窗口的辐射在少于40等离子体处理小时达到最大可接受衰减。相反，通过凹陷窗口130的辐射在100小时左右达到最大可接受衰减，并且通过包括一相邻磁铁200的凹陷窗口130的辐射在100小时之后达到最大可接受衰减。这个数据表明凹陷窗口130在等离子体处理期间提供对辐射强度衰减的实质减少。附加电磁场源在这种情况下为相邻磁铁200，基本上增强了衰减的减少。
例子
下列例子证实了本发明的效果。然而，本发明可用在其它工艺中和用于对于本领域技术人员公知的其它用途，并且本发明不应限于这里提供的例子。
例1
在本例中，在磁性增强蚀刻室中在衬底20中蚀刻部件25，其中磁性增强蚀刻室具有被遮蔽装置覆盖的凹陷窗口并具有在窗口周围的磁场发生器，如图10A中所示的例子。被蚀刻的衬底20是包括介质层22的硅晶片，该介质层包括1微米二氧化硅层、0.1微米氮化硅层、和1微米二氧化硅层。上层形成图案的光刻胶层21覆盖介质层22。采用包括40sccmCHF3、20sccm CF4和50sccmAr的处理气体蚀刻介质层22。腔室中的压力保持在200毫乇，处理电极R.F.偏置功率水平为1300瓦，并且部分腔室维持在约15℃的温度。被蚀刻部件25的开口尺寸为约0.4微米到约1微米，硅晶片上的暴露介质(二氧化硅)面积约为5％到约50％。
在本例中，从衬底20反射的辐射在两个偏振角中被检测，并且带通滤波器用于评估从辐射检测器产生的信号。采用第一和第二辐射检测器检测和测量偏振辐射的p-分量和s-分量。入射到衬底20上的辐射包括具有254nm波长的辐射。位于辐射路径中的带通滤波器适于选择通过具有在通带范围内的频率的辐射，该通带范围的中心在从衬底20上被蚀刻的部件25反射的辐射频率周围。
图13示出在辐射被偏振之后得到的、与被检测偏振辐射信号成比例和通过带通滤波器中的两个周期处理成比例信号的信号轨迹。入射辐射具有254nm的波长。确定从部件25和抗蚀刻材料21反射的辐射的比例。成比例信号轨迹通过带通滤波器的两个周期被处理。对于具有50％开口氧化物面积的衬底，预定蚀刻深度与被测量的蚀刻深度相同，都在约0.46微米。当在具有30％开口氧化物面积的衬底上进行相同的测试时，预定蚀刻深度为0.49微米，测量蚀刻深度为0.5微米，稍微不同；对于20％的开口氧化物面积，预定蚀刻深度为0.46微米，测量蚀刻深度为0.48微米。这些结果证实了本方法和设备的准确度。
例2
在本例中，在包括第一层22和第二层24的衬底20中蚀刻部件25，第一层22具有第一折射率，第二层24具有第二折射率。蚀刻工艺在具有被遮蔽装置140覆盖的凹陷窗口61并具有在窗口61周围的磁场源195的磁性增强蚀刻室35中进行，如图9中所示的例子。衬底20是硅晶片，它从上到下包括厚度为500埃的碳化硅层、包括厚度为1微米并用TEOS(Si(OCH3)3)沉积的氧化硅的介质层24、和包括厚度为600埃的碳和氢的黑金刚石TM的防反射层22。上层形成图案的光刻胶层21覆盖防反射层22。
在第一蚀刻阶段，用包括50sccmCF4的被激励处理气体蚀刻防反射层22。腔室中的压力维持在50毫乇，处理电极R.F.偏置功率水平在300瓦，部分腔室维持在15℃的温度。来自被激励处理气体的辐射发射的波长的强度被控制在3865埃的波长，以便确定第一蚀刻阶段的完成。图14A示出做为时间函数的观察到的辐射波长的强度。在这个图中，辐射波长的强度降低，直到约20秒。之后，看到强度急剧上升，这表示防反射层22已经被蚀刻以暴露介质层24。
此后，用包括100sccmCF4和30sccmN2的激励处理气体在第二蚀刻阶段蚀刻介质层24。腔室中的压力维持在200毫乇，处理电极R.F.偏置功率水平在800瓦，部分腔室维持在15℃的温度。从衬底20反射的辐射在两个偏振角中被检测以确定第二蚀刻阶段的完成。两个偏振角包括基本上垂直于衬底上被蚀刻的部件的主取向的角度和基本上平行于部件的主取向的第二角度。入射到衬底20上的辐射包括波长为254nm的辐射。图14B示出在从衬底反射的辐射被偏振之后得到的、与被检测偏振辐射角成比例的信号轨迹。在这个信号基础上，确定蚀刻处理的结束时间为15秒，蚀刻深度为800埃。
这些结果表明了本发明的方法和设备的精度。本发明的方法和设备能够确定蚀刻衬底20上的第一层22的第一蚀刻阶段的完成和蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段的完成。特别是，在蚀刻包括第一折射率的第一层22和包括第二折射率的第二层24的衬底20时，通过首先确定已经蚀刻完第一层以暴露第二层的时间，本方法和设备能够更精确地确定蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段的完成。通过确定蚀刻第一层22的第一蚀刻阶段的完成，可在已经开始蚀刻第二层24时开始反射偏振辐射的监控，由此减少完成第二蚀刻阶段的计算错误的可能性。
前面已经参照某些优选方式介绍了本发明，然而，其它方式也是可能的。例如，可采用检测工艺的结束时间用于检测其它工艺和其它腔室中的结束点，如本领域普通技术人员所显而易见的，包括(但不限于)蚀刻腔室的其它类型，包括(但不限于)容性耦合的腔室、离子注入室、以及沉积室，如PVD或CVD室。因此，所附权利要求书的精神和范围不限于这里包含的优选方式的说明。

Claims (24)

1.一种衬底处理设备，包括：
(a)一个能处理衬底的腔室；
(b)一个提供辐射的辐射源；
(c)一个辐射检测器，用于在处理期间检测从所述衬底反射的辐射并产生一个信号；和
(d)一个带通滤波器，所述带通滤波器过滤所述信号以便可选择地通过相对于其它信号分量的由所述衬底上正被处理的特征反射的辐射所产生的信号分量，从而相对于其它信号分量增加特征反射的辐射的信号分量的强度。
2.根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器可选择地通过由反射辐射所产生的与特征反射的辐射频率相关的选定的通带频率范围内的信号分量。
3.根据权利要求2的设备，其中所述通带频率范围的中心约为对应于具有所检测的振荡调制幅值的特征反射辐射频率的中心频率。
4.根据权利要求3的设备，其中所述通带频率范围包括所述中心频率的±10％范围内的频率。
5.根据权利要求2的设备，其中所述沟槽成形特征在衬底上的绝缘材料中被蚀刻，并且其中所述通带频率为约0.09Hz到约0.11Hz。
6.根据权利要求2的设备，其中所述辐射源是一个非相干辐射源，所述辐射源包括提供多波长或相位辐射的等离子发射体，并且其中所述通带频率可被选择以提供来自所述非相干辐射源的相干长度。
7.根据权利要求6的设备，其中所述相干长度是在特征反射辐射中可观察的干扰效应的长度。
8.根据权利要求6的设备，其中根据公式λ2/nΔλ选择所述相干长度，其中n是被蚀刻层的折射率，λ是等离子体发射光谱的中心波长，Δλ是波长范围，相当于通带频率。
9.根据权利要求8的设备，其中选择相干长度以便λ2/nΔλ大于被蚀刻层的厚度。
10.根据权利要求2的设备，其中所述辐射源发射中心约为254纳米频率的辐射，所述带通滤波器对应于约为1.5纳米的波长范围Δλ。
11.根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器经过一个或多个周期处理信号，且其中在每个周期中，所述信号被过滤以使对应于来自所述衬底中被蚀刻特征的反射辐射的频率的信号分量通过，同时减弱对应于来自所述衬底的其它部分的反射辐射的频率的信号分量。
12.根据权利要求11的设备，其中周期数量是约为1到约10个周期。
13.根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器包括一个电信号处理器。
14.根据权利要求13的设备，其中所述电信号处理器包括一个数字信号处理器。
15.根据权利要求1的设备还包括一个辐射偏振器，适于将所述辐射偏振至基本上平行于衬底中正被处理的特征的主取向的偏振角，或基本上垂直于所述主取向的偏振角。
16.根据权利要求15的设备，其中所述特征包括主取向，并且其中所述辐射被偏振到基本上平行于所述主取向的第一偏振角和基本上垂直于所述主取向的第二偏振角。
17.根据权利要求1的设备，其中所述腔室包括衬底支撑件、气体入口、气体激励器和排气装置；且其中所述装置还包括：
一个控制器，用以(1)分析所述信号以检测与处理结束点相关的信号特性，所述特性包括所述信号中的谷值、峰值、向上倾斜、或向下倾斜；和(2)操作所述衬底支撑件、气体供给装置、气体激励器和排气装置中的一个或多个，以便根据对所述信号特性的检测来改变处理条件。
18.一种衬底处理方法包括：
(a)将衬底放置在处理区中；
(b)设置被激励气体的处理条件以处理所述衬底；
(c)在所述处理区中提供辐射源；
(d)检测在处理所述衬底期间从所述衬底反射的辐射并产生信号；和
(e)过滤所述信号以便可选择地通过相对于其它信号分量由所述衬底上正被处理的特征反射的辐射所产生的信号分量，从而相对于其它信号分量增加特征反射的辐射的信号分量的强度。
19.根据权利要求18的方法，包括过滤所述信号以便可选择地通过由反射辐射所产生的具有通带频率范围内的频率的信号分量。
20.根据权利要求19的方法，其中所述通带频率的中心约为对应于具有所检测的振荡调制幅值的特征反射辐射频率的中心频率。
21.根据权利要求19的方法，其中所述通带频率包括所述中心频率的±10％范围内的频率。
22.根据权利要求18的方法，其中所述沟槽成形特征在衬底上的绝缘材料中被蚀刻，并且其中所述通带频率为约0.09Hz到约0.11Hz。
23.根据权利要求18的方法包括一个辐射偏振器，适于将所述辐射偏振至基本上平行于所述衬底中正被处理的特征的主取向的偏振角，或基本上垂直于所述主取向的偏振角。
24.根据权利要求23的方法，其中所述特征包括主取向，并且其中所述辐射被偏振到基本上平行于所述主取向的第一偏振角和基本上垂直于所述主取向的第二偏振角。
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