等离子体处理中的空间分辨光学发射光谱(OES)[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110998260 A(43)申请公布日 2020.04.10

(21)申请号 201880052425.3(22)申请日 2018.07.11(30)优先权数据

15/8,035 2017.07.12 US(85)PCT国际申请进入国家阶段日

2020.02.12(86)PCT国际申请的申请数据

PCT/US2018/041637 2018.07.11(87)PCT国际申请的公布数据

WO2019/014343 EN 2019.01.17(71)申请人 东京毅力科创株式会社

地址 日本东京都

(72)发明人 孟庆玲　霍尔格·图特耶　陈艳　

米哈伊尔·米哈洛夫　

权利要求书2页 说明书12页 附图9页

(74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限

公司 11227

代理人 王萍　杨林森(51)Int.Cl.

G01J 3/443(2006.01)G01N 21/68(2006.01)G01N 21/31(2006.01)

()发明名称

等离子体处理中的空间分辨光学发射光谱(OES)(57)摘要

公开了用于光学发射测量的方法、系统和装置。该装置包括用于通过设置在等离子体处理室的壁处的光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统。光学系统包括：镜，其被配置成穿过等离子体处理室扫描多条不重合射线；以及远心耦合器，其用于从等离子体收集光学信号并将该光学信号引导至用于测量等离子体光学发射谱的光谱仪。

CN 110998260 ACN 110998260 A

权　利　要　求　书

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1.一种用于光学发射测量的装置，所述装置包括：收集系统，其用于通过设置在等离子体处理室的壁处的光学窗口来收集等离子体光学发射谱，所述光学系统包括：

镜，其被配置成穿过所述等离子体处理室扫描多条不重合射线；以及远心耦合器，其用于从等离子体收集光学信号并将所述光学信号引导至用于测量所述等离子体光学发射谱的光谱仪。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述远心耦合器包括：至少一个收集透镜；以及至少一个耦合透镜。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个收集透镜或所述至少一个耦合透镜是消色差透镜。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述远心耦合器还包括：孔，其设置在所述至少一个收集透镜与所述至少一个耦合透镜之间，以用于限定所述多条不重合射线的直径。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述镜是扫描镜。6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述扫描镜被安装在检流计扫描台上并由所述检流计扫描台扫描。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述扫描镜被安装在步进电机上并由所述步进电机扫描。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述收集系统还包括：镜系统，其用于使所述多条不重合射线的旋转的中心移位至所述光学窗口或移位在所述光学窗口附近。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述镜系统包括：转移镜；折叠镜；以及其中，所述转移镜被配置成将所收集的信号转移至所述折叠镜，并且所述折叠镜被配置成将所收集的信号转移至所述镜。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述远心耦合器包括：收集三合透镜，其被配置成从所述镜收集所述光学信号；以及两个耦合三合透镜，其被配置成将所收集的信号聚焦至耦接到所述光谱仪的光纤的端部中。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括：第二收集系统，其用于通过设置在所述等离子体处理室的壁处的第二光学窗口来收集所述等离子体光学发射谱，所述第二光学窗口具有与所述光学窗口的中心轴线垂直的中心轴线。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述收集系统还包括：保持所述镜、所述远心耦合器和所述光谱仪的线性电弧台，所述线性电弧台被配置成相对于所述光学窗口的中心轴线径向地移动，使得穿过所述等离子体处理室扫描所述多条不重合射线。

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13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述镜是折叠镜。14.根据权利要求1所述的装置，其中，以所述光学窗口的中心轴线的25°穿过所述等离子体处理室来扫描所述多条不重合射线。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光谱仪是超宽带高分辨率光谱仪。16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述收集系统具有低的数值孔径。17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学信号是从21条不重合射线中收集的。18.一种用于等离子体处理的系统，包括：等离子体处理室；光学窗口，其设置在所述等离子体处理室的壁上；收集系统，其用于通过所述光学窗口来收集等离子体光学发射谱；光谱仪，其耦接至所述收集系统以用于测量所述等离子体光学发射谱；以及其中，所述收集系统包括：镜，其被配置成穿过所述等离子体处理室扫描多条不重合射线；以及远心耦合器，其用于从等离子体收集光学信号并将所述光学信号引导至所述光谱仪。19.一种用于光学发射测量的方法，包括：将光学窗口置于等离子体处理室的壁处；

提供用于通过所述光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统，所述收集系统包括镜和远心耦合器；

使用所述镜来穿过所述等离子体处理室扫描多条不重合射线；经由所述远心耦合器从等离子体收集光学信号；以及

将所述光学信号引导至用于测量所述等离子体光学发射谱的光谱仪。20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

使用镜系统来使所述多条不重合射线的旋转的中心移位至所述光学窗口或移位在所述光学窗口附近，所述镜系统至少包括转移镜和折叠镜。

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等离子体处理中的空间分辨光学发射光谱(OES)

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相关申请的交叉引用

[0002]本申请要求于2017年7月12日提交的题为“SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY(OES)IN PLASMA PROCESSING”(参考号TTI-247)的美国专利申请第15/8,035号的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。此外，本申请通过引用于2014年10月31日提交的题为“SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY(OES)IN PLASMA PROCESSING”(参考号TTI-242)的美国专利申请第14/530,1号合并于此，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文，该美国专利申请基于并要求于2013年11月1日提交的题为“SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY(OES)IN PLASMA ETCHING”(参考号TTI-242PROV)的美国临时专利申请第61/8,975号的权益和优先权。背景技术

技术领域

[0003]本发明涉及用于使用等离子体光学发射光谱(OES)来测量半导体等离子体处理中的化学物质的浓度的方法、计算机方法、系统和装置。具体地，本发明涉及确定等离子体光学发射的二维分布，根据上述等离子体光学发射的二维分布可以确定化学物质浓度的二维分布。[0004]相关技术的描述[0005]半导体器件、显示器、光电池等的生产按一系列步骤进行，每个步骤具有为最大化器件产量而进行优化的参数。在等离子体处理中，强烈地影响产量的受控参数包括等离子体的化学性质，特别是等离子体的局部化学性质，即等离子体环境中的贴近正在被处理的衬底的各种化学物质的局部浓度。某些物质，特别是瞬态化学物质例如自由基对等离子体处理结果具有很大影响，并且已知这些物质的升高的局部浓度可以产生较快处理的区域，这可能导致处理步骤中的不均匀性并且最终导致正在被产生的器件的不均匀性。

[0006]等离子体处理的化学性质通过对如下大量过程变量的控制以直接或间接的方式进行控制：例如，提供以激发等离子体的一个或更多个RF或微波功率、提供给等离子体处理室的气体的种类和气流、等离子体处理室中的压力、正在被处理的衬底的类型、输送至等离子体处理室的泵送速度等等。光学发射光谱(OES)已经证明其自身是用于等离子体处理中的过程开发和监测的有用工具。在光学发射光谱中，从所获取的等离子体的光学(即光)发射谱中推导出某些特别感兴趣的化学物质例如自由基的存在和浓度，其中某些谱线的强度及其比率与化学物质的浓度相关。该技术的详细描述可以在例如1993年AVS出版社的G.Selwyn，“Optical Diagnostic Techniques for Plasma Processing”中找到，并且为简洁起见，这里将不再重复。

[0007]虽然光学发射光谱的使用已经变得相对普遍，特别是在等离子体过程开发中，但是它通常通过从等离子体处理室内的等离子体中的单个细长体积来获取光学发射谱来完

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[0001]

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成。该体积的准确形状和尺寸由被用来收集来自等离子体的光学发射的光学系统来确定。光学发射信号的这样的收集固有地导致沿着也被称为射线的该细长体积的长度的等离子体光学发射谱的平均，并且因此关于等离子体光学发射谱的局部变化的所有信息以及因此还有关于化学物质浓度的局部变化的所有信息通常都会丢失。[0008]在等离子体过程的开发中，并且实际上甚至在新的和改进的等离子体处理系统的开发中，了解在正被处理的衬底上方的感兴趣的化学物质的二维分布是有用的，因此，可以进行系统设计和/或过程参数的改变以使例如衬底上的处理结果的变化最小化。等离子体光学发射光谱技术的另外的应用是在通过监测存在于等离子体中的化学物质的演变和突变来确定等离子体处理步骤的终点时，该等离子体处理步骤的终点与例如到达不同化学成分的衬底层的蚀刻步骤相关联，所述化学成分之一在蚀刻过程期间被蚀刻。由于没有过早地终止等离子体处理步骤，因此确定衬底的整个表面上的等离子体处理步骤终点的能力有助于提高器件产量。

[0009]在其他技术领域例如X射线断层摄影术中广泛使用以根据沿着多条穿越感兴趣的区域的射线的已知整体测量来确定变量的空间分布的一种技术是使用Abel变换或Radon变换的断层扫描反演。然而，为了有效，该技术需要大量获取的数据，即大量的射线，这在半导体处理工具中是不切实际的，该半导体处理工具通过内置在等离子体处理室壁中的一个或少量窗口或光学端口来对等离子体的光学访问。断层摄影技术通常也在计算上非常密集。还发现化学物质浓度的局部变化具有大体上平滑的性质，而在径向上没有任何陡的梯度以及在圆周(即方位角)方向上甚至更是如此。因此，具有简单、快速和相对低成本的等离子体光学发射光谱技术和系统将是有利的，该技术和系统能够获取等离子体光学发射谱的二维分布而不涉及OES测量的断层扫描方法的开销。[0010]最值得注意的是，尽管圆周方向上的变化可能是小的，但是正如一些现有技术所假定的那样，这些变化并不是不存在的，并且理想的技术和系统将仍然必须能够可靠地捕获这些变化。

发明内容

[0011]本发明的一个方面包括用于光学发射测量的装置，该装置包括用于通过设置在等离子体处理室的壁处的光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统。光学系统包括：镜，其被配置成穿过等离子体处理室扫描多条不重合射线；以及远心耦合器，其用于从等离子体收集光学信号并将该光学信号引导至用于测量等离子体光学发射谱的光谱仪。[0012]替选实施方式包括等离子体光学发射测量系统，其包括：等离子体处理室；光学窗口，其设置在等离子体处理室的壁上；收集系统，其用于通过光学窗口来收集等离子体光学发射谱；光谱仪，其耦接至收集系统以用于测量等离子体光学发射谱。收集系统包括：镜，其被配置成穿过等离子体处理室扫描多条不重合射线；以及远心耦合器，其用于从等离子体收集光学信号并将光学信号引导至光谱仪。

[0013]本发明的又一实施方式包括用于光学发射测量的方法，该方法包括：将光学窗口置于等离子体处理室的壁处；提供用于通过光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统，该收集系统包括镜和远心耦合器；使用镜来穿过等离子体处理室扫描多条不重合射线；经由远心耦合器从等离子体收集光学信号；以及将光学信号引导至用于测量等离子体光学

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发射谱的光谱仪。

附图说明

[0014]参考下面的详细描述，尤其是当结合附图考虑时，对本发明及其许多附带的优点的更完整的理解将变得很明显，在附图中：

[0015]图1是根据实施方式的配备有光学发射光谱(optical emission spectroscopy，OES)测量系统的等离子体处理系统的侧视示意图。

[0016]图2是根据实施方式的配备有OES测量系统的等离子体处理系统的顶视示意图。[0017]图3是根据实施方式的使用OES测量系统获取的示例性等离子体光学发射谱。[0018]图4是根据实施方式的用于在OES测量系统中使用的光学系统的示意图。[0019]图5是根据另一实施方式的用于在OES测量系统中使用的光学系统的示意图。[0020]图6是根据实施方式的光学系统的实施方式的展开示意图。

[0021]图7是根据实施方式的使用OES测量系统和相关联的方法测量的等离子体光学发射的示例性二维分布。

[0022]图8是根据另一实施方式的用于在OES测量系统中使用的光学系统的示意图。[0023]图9是根据另一实施方式的光学系统的实施方式的展开示意图。[0024]图10是配备有图8的光学系统的等离子体处理系统的顶视示意图。[0025]图11是根据另一实施方式的光学系统的实施方式的展开示意图。

[0026]图12是根据另一实施方式的用于在OES测量系统中使用的光学系统的示意图。[0027]图13是示出了光学发射强度的重构图案的示例性结果的示意图。[0028]图14是示出了根据一个示例的用于光学发射测量的方法的流程图。

具体实施方式

[0029]在下面的描述中，为了促进对本发明的透彻理解并且出于解释而非的目的，阐述了具体细节，例如等离子体光学发射光谱(OES)系统的特定几何形状以及各种部件和过程的描述。然而，应该理解，本发明可以在脱离这些具体细节的其他实施方式中实践。[0030]在随后的描述中，表示正在被处理的工件的术语“衬底”可以与诸如半导体晶片、液晶显示(LCD)面板、发光二极管(LED)、光电池(PV)器件面板等的术语互换地使用，所有这些的处理都落在所要求保护的本发明的范围内。[0031]贯穿该说明书，对“一个实施方式”或“实施方式”的参考意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中，但是并不表示它们存在于每个实施方式中。因此，贯穿该说明书，在各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定指代本发明的同一实施方式。此外，在一个或更多个实施方式中，特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式组合。

[0032]各种操作将以最有助于理解本发明的方式依次被描述为多个离散操作。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必然地是顺序相关的。特别地，这些操作不需要按照呈现的顺序来执行。所描述的操作可以以不同于所描述的实施方式的顺序来执行。在另外的实施方式中，可以执行各种另外的操作，以及/或者可以省略所描述的操作。

[0033]图1示出了配备有等离子体光学发射光谱(OES)系统15的等离子体处理系统10的

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实施方式。等离子体处理系统10包括等离子体处理室20，在该等离子体处理室内设置有诸如静电卡盘的衬底保持器30，以用于接纳要被处理的衬底40。射频(RF)和/或微波功率被提供给等离子体处理室20(未示出)，以点燃和维持贴近衬底40的等离子体50，其中，来自等离子体50的高能化学物质被用来对衬底40执行等离子体处理步骤。处理气体流入至等离子体处理室20中(未示出)并且提供泵送系统(未示出)以在期望的处理压力下保持等离子体处理室20中的真空。等离子体处理步骤的示例包括等离子体蚀刻、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)等。本文中描述的系统和方法适用于任何种类的等离子体处理。

[0034]等离子体光学发射光谱(OES)系统15被用于经由至少一个光学检测器60来获取等离子体光学发射谱，所述至少一个光学检测器将获取的等离子体光学发射谱传递至控制器80并由控制器80控制。控制器80可以是通用计算机，并且可以贴近等离子体处理系统10定位，或者可以远程定位，并且经由内联网或互联网连接而连接至光学检测器60。[0035]光学检测器60具有以如下方式配置的光学器件，其从等离子体50内的细长的、通常为铅笔形状的空间的体积65收集等离子体光学发射。通过光学窗口70来提供对等离子体处理室的光学访问。取决于应用以及等离子体50的化学性质侵蚀性如何，光学窗口70可以包括诸如玻璃、石英、熔融石英或蓝宝石的材料。在下文中被称为“射线”65的体积65限定了从其收集等离子体光学发射谱的空间的部分，并且收集的谱表示对从沿着射线65定位和位于射线65内的所有点的收集的等离子体光学发射谱的贡献的积分。应当注意，取决于光学检测器60的几何形状和配置，射线65内的每个点的贡献将不相等，而是由光学效率(稍后要更详细地讨论)来加权和控制。在典型的配置中，射线65被取向成与衬底40的表面基本上平行并且被保持在距衬底40的表面小的距离处，以便减少来自衬底表面的光学干涉，还被保持足够靠近衬底40以对贴近衬底表面的等离子体化学性质进行采样。[0036]如前面所提到的，控制器80被用于控制等离子体光学发射光谱系统15，并且还被用于根据空间位置和波长来计算(1)等离子体光学强度分布，并且被用于根据计算的等离子体光学强度分布来计算(2)感兴趣的化学物质的空间分布。然后，该信息可以被用于过程开发、等离子体处理工具开发、原位等离子体过程监控、等离子体过程故障检测、等离子体过程终点检测等。

[0037]图1示出了穿越位于等离子体处理室20内的等离子体50的一条射线65，该射线贴近正在被处理的衬底40。在本发明的实施方式中，多条射线100可以被用于对等离子体光学发射谱进行采样，如图2中所示，该图2示出了例如图1的等离子体处理系统10的顶部示意图。在图2的示例性实施方式中，两个光学检测器60被用于收集等离子体光学发射谱，每个等离子体光学发射谱来自7条射线100。射线100需要是不重合的，使得从衬底40上方的等离子体50获取最大量的空间信息。每个光学检测器60的射线100的数目可以从2变化至9以及高于9。此外，在另一个实施方式中，在仅通过单个光学窗口70向等离子体处理室20提供光学访问的情况下，单个光学检测器60可以与其相关联的射线100的扇面一起使用。可替选地，可以使用三个或更多个光学检测器，每个光学检测器具有相关联的射线扇面。每条射线100的角度相对于其光学检测器60的中心线被定义为

如图2中所示，等离子体处理室内

的每个点可以通过其极坐标即(r，θ)来定义。[0038]如稍后将更详细地描述的，根据光学检测器60的配置，可以同时收集来自相关联

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的射线100的扇面的所有等离子体光学发射谱。这适合于具有多个光学系统和通道的光学检测器60的实施方式，从而允许从所有射线100的同时收集。可替选地，可以沿着与光学检测器60相关联的射线100顺序地获取等离子体光学发射谱。后者适合于扫描实施方式中，其中，等离子体光学发射谱随着射线100从一个角度扫描至另一个角度而被收集。可以理解，该扫描和获取需要足够快地发生，使得可以在整个衬底上检测等离子体化学性质的快速改变。

[0039]

图3示出了使用一个光学检测器60从角度的一条射线100获取的示例等离子体光

学发射谱。在该谱中，M个波长的强度被收集，所述M个波长通常在大约200nm至大约800nm的范围内。用于光学发射光谱的典型光谱仪的CCD跨波长范围具有4096个像素，但是取决于应用和收集的谱的所需分辨率，像素的数目可以变化为低至256和高至65536。

[0040]由光学检测器60从其相关联的射线100的扇面收集的等离子体光学发射谱被传递至控制器80，该控制器被用于进一步处理传递的数据，以计算等离子体光学发射的空间分布，并由此计算化学物质浓度的空间分布。本发明的一个方面是用于快速计算每个波长的等离子体光学发射的空间分布的算法，该算法允许用于终点检测、故障检测等的等离子体过程的原位监测。

[0041]图4示出了光学检测器60的实施方式，其中，单个多通道光谱仪310被用于同时从射线305A至305E收集等离子体光学发射谱。为了清楚起见，这里示出的示例性实施方式具有5条射线305A至305E，但是该数目可以从2变化至9以及甚至高于9。光学检测器60包括用于每条射线305A至305E的光学系统300A至300E，所有这些光学系统都贴近等离子体处理室20的壁上安装的光学窗口70定位。射线305A至305E以发散的方式布置，以便覆盖衬底40(未示出)的相关部分。收集的等离子体光学发射谱经由各自的光纤320A至320E从光学系统300A至300E馈送至多通道光谱仪310中。稍后将更详细地描述光学系统300A至300E。因为图4的实施方式能够同时收集等离子体光学发射谱，因此该实施方式适合于快速诊断。[0042]图5示出了如下替选实施方式，在该替选实施方式中使用了单通道光谱仪310，并且射线305A至305E由扫描镜400形成，该扫描镜被可控制地扫描以扫出射线305A至305E，同时等离子体光学发射谱由光谱仪310经由单个光学系统300获取，这稍后将更详细地描述。该实施方式适合于顺序收集等离子体光学发射谱，并且因此更适合于演变较慢的等离子体过程的诊断。扫描镜400可以被安装在检流计台410上并由检流计台410致动。可替选地，扫描镜400可以被安装在步进电机410上并由步进电机410扫描。这里射线305A至305E的数目被示出为5，但是实际上该数目由用于控制检流计台或步进电机410的控制器软件中的设置来确定。

[0043]为了确保准确的空间的体积被采样，图4的光学系统300A至300E以及图5的光学系统300需要被配置成使得射线305A至305E被准直，其中发散角与对于光学系统的给定目标成本可以被可行地实现时一样小。

[0044]在图6中示出了光学系统300A至300E以及300的示例性实施方式。也被称为远心耦合器的光学系统300A至300E具有如下的任务：从由射线305A至305E限定的等离子体50内的空间的体积收集等离子体光学发射谱，并将收集的等离子体光学发射谱引导至光纤320A至320E或320的端部390，因此收集的等离子体光学发射谱被传送至图4或图5的实施方式的光

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谱仪310。射线305A至305E的直径由形成在板中的可选的孔350来限定。在替选实施方式中，可以使用诸如透镜的其他光学部件来限定射线305A至305E的直径。示例射线直径是4.5mm，但是取决于应用，示例射线直径可以从大约1mm变化至20mm。收集的射线305A至305E被传递通过收集透镜(collection lenses)360A和360B的组合，所述收集透镜360A和360B与可选的孔结合限定射线305A至305E。收集系统以及射线305A至305E的数值孔径通常非常低，例如大约是0.005，并且所得射线305A至305E基本上准直，其中发散角最小。在光学系统300A至300E或300的另一端是另一透镜对，即耦合透镜370A和370B，所述耦合透镜370A和370B用于将收集的光学发射谱聚焦至光纤320A至320E或320的端部390上。系统中使用的所有透镜优选地是消色差的，或者对于要求更高的应用甚至是复消色差的，这确保了每个透镜的焦距不随波长而变化，使得光学系统300A至300E或300在大的波长范围内令人满意地操作，该波长范围通常从200nm至800nm，但是在一些情况下低至150nm。为了在谱的紫外(UV)部分即350nm以及小于350nm中获得更好的性能，所有光学部件都要使用UV级材料。[0045]对于每个光学硬件配置，重要的是知道光学效率w，该光学效率w是应用于射线305A至305E内的所有点的加权因子，从这些点来获取等离子体光学发射谱。可以使用光学设计软件通过模拟来确定光学效率w，或者通过如下实验来确定光学效率w：使用校准光源并且跨射线305A至305E和沿着射线305A至305E移动校准光源以确定从射线305A至305E内的给定位置至光纤端部390的光的耦合效率。光学效率w将被使用在用于确定等离子体光学发射的空间分布的算法中。[0046]如前所述，等离子体光学发射光谱(OES)系统15的任务是如下：为M个测量的波长λ中的每一个确定等离子体光学发射的二维强度分布。[0047]对于图2的每条射线100，射线由索引i数学地表示，收集的光学检测器输出Di可以被定义为：

[0048]

其中，I(r，θ)是射线100内和沿着射线100的位置(r，θ)处的等离子体光学发射强

度，以及w(r，θ)是用于由光学检测器i从位置(r，θ)收集的光的光学效率。所得的光学检测器输出Di表示这些量的乘积沿着从衬底的圆周上的点A至点B的直线路径(参见图2)的积分，在该模型中，来自衬底40的圆周外的等离子体的贡献被忽略(这是有效的假设，因为等离子体密度以及因此等离子体光发射在这些区域中通常是低的)。

[0050]在具有N个光学检测器和射线或者可替选地具有N个扫描位置的射线100的等离子体光学发射光谱系统15中，存在用于M个测量的波长λ中的每一个的N个收集的强度。因此，为了重构在一个波长λ处的等离子体光学发射的空间分布，必须假设具有N个参数的函数形式。考虑到参数的有限数目N，需要作出对用于等离子体光学发射的分布的基函数的明智选择。所选择的基函数需要随着径向坐标r以及此外圆周坐标θ两者而变化，以使基函数能够令人满意地再现衬底40上的等离子体发射的圆周变化。

[0051]特别好地适合于该任务的一类基函数是泽尼克(Zernike)多项式Zp(r，θ)。泽尼克多项式被定义为依赖于径向坐标r的项和依赖于圆周坐标θ的项的乘积，即[0052]Zp(r，θ)＝R(r)G(θ)。

[0053]表1列出了前18阶泽尼克多项式，该泽尼克多项式在本文中使用通用的数学符号

[0049]

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来表示。

[00]

表1.前18阶泽尼克多项式

[0055]

通常，在该申请中可以选择其他基函数，只要这些基函数是正交的并且只要其导

数在单位圆上是连续的，就像泽尼克多项式的情况一样。然而，泽尼克多项式在该申请中是优选的，因为泽尼克多项式的如下性质：相对少的项数可以被用来描述极坐标——径向和圆周两者——的函数的相当复杂的变化。[0057]将泽尼克多项式Zp(r，θ)代入收集的检测器输出得到

[0058]

[0056]

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其中，ap是与每个基函数即泽尼克多项式阶相关联的拟合参数。

[0060]现在，根据选择的基函数、拟合参数以及光学效率来定义收集的检测器输出Di，确定Di的拟合参数ap的问题被简化成最小化以下，即解决最小二乘问题

[0061]

[0062][0063][00]

或者

其中，表示射线i处的测量的等离子体光学谱强度。对于M个测量的波长λ中

的每一个，需要重复该最小化算法。在本领域中已知许多方法用于解决该最小二乘问题。因为最小二乘问题的维数是相对小的，所以对于测量等离子体光学发射谱的每一瞬间，其对于所有波长均可以有效地被解决；并且此外，这样的计算可以被快速连续地重复，从而能够确定用于大量——M个——波长的等离子体光学发射的快速演变的二维分布。然后，根据这些等离子体光学发射的快速演变的二维分布，可以确定衬底40上的化学物质浓度的随时间演变的二维分布，这可以被用于终点检测、故障检测、过程开发、处理工具开发等。[0065]图7示出了一个这样的等离子体光学发射强度分布的示例，该等离子体光学发射强度分布是使用根据本发明的实施方式的方法确定的。尽管相对少的项数，即N＝18，但是所描绘的分布清楚地示出了对等离子体光学发射强度中的径向变化和圆周变化两者的良好捕获。

[0066]图8示出了替选实施方式，在该替选实施方式中使用了单通道光谱仪310。射线305A至305E由扫描镜400和镜系统800形成，该镜系统使射线305A至305E的旋转的中心从与扫描镜400相关联的步进电机410的位置移动至光学窗口70或基本上移动在这样的光学窗口70附近，如由图8中的点C所示(即，点C示出了旋转的中心)。光学窗口70通常是小的(即直径为1英寸)，因此为了穿过等离子体50扫出射线305A至305E(例如，等离子体处理室20的中心轴线的角度θ)，射线305A至305E在光学窗口70处具有最小偏移。因此，射线305Amax＝25°

至305E的旋转的中心被配置成基本上在光学窗口70附近或在光学窗口70处。使用本文中描述的配置，使用具有68.5mm×8mm或更大的尺寸的窗口是可行的。窗口尺寸(即上限)受如下因素：例如污染、室UV和RF泄漏以及等离子体处理室20的壁处的可用空间。在一个实现中，窗口可以在与光束的扫描的平面相对应的平面中具有大尺寸的矩形形状。这在满足泄漏和空间要求的同时具有使窗口的大小最小化的优点。[0067]扫描镜400被可控制地扫描，以使用步进电机410扫出射线305A至305E，同时由光谱仪310经由单个光学系统300获取等离子体光学发射谱。[0068]镜系统800可以包括转移镜802和折叠镜804。每个收集的射线305A至305E或65(即，来自具有收集的射线305的等离子体的光学信号)由转移镜802传送，该转移镜反射收集的射线305并将收集的射线305转移至折叠镜804。折叠镜804将收集的射线305从水平(方位角)同心反射至竖直同心，并将收集的射线305传送至扫描镜400，该扫描镜将收集的射线305反射至光学系统300。镜系统800和光学系统300是静止的。镜系统800、扫描镜400、光学系统300和光谱仪310可以被贴近等离子体处理室20安装。

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随着扫描镜400被扫过，获得了化学物质浓度的高空间分辨率的空间分布。例如，

扫描镜400可以在获取等离子体光学发射谱的同时被缓慢地扫过。获取的等离子体光学发射谱与-θ至+θ之间的任何位置相关联。因此，使用本文中描述的扫描装置，可以获得max°max°

非常准确的空间分辨率。

[0070]图9是根据实施方式的图8的光学系统300的实施方式的展开示意图。光学系统300具有如下任务：从等离子体50内的由收集的射线305限定的空间的体积收集等离子体光学发射谱，并将收集的等离子体光学发射谱引导至光纤320的端部390，因此如本文中先前所述地可以将等离子体光学发射谱传送至光谱仪310。光学系统300包括具有小NA的远心耦合器。所收集的扫描射线大小可以沿着收集路径在直径上从大约3mm变化至5mm。[0071]收集的射线305(即，从扫描镜400反射的射线)被传递通过第一收集透镜902。然后，射线可以被传递通过例如具有600μm的直径的远心孔908。然后，两个耦合透镜904和906用于将收集的光学发射谱聚焦至光纤320的端部390上。在一个示例中，光纤320具有600μm的直径。收集系统300还可以包括位于两个耦合透镜904与906之间的可选的滤光片。[0072]收集系统300的数值孔径非常低，例如0.005。透镜902、904、906是消色差透镜，所述消色差透镜分别具有30mm、12.5mm和12.5mm的有效焦距，并且分别具有12.5mm、6.25mm和6.25mm的直径。

[0073]返回参照图8，扫描镜400可以具有至少10mm×10mm的尺寸。转移镜802可以是球面镜。扫描镜400和转移镜802可以具有铝涂层、在铝的顶部上的多层电介质膜或一氧化硅(SiO)外涂层，以增加特定波长区域(例如UV)的反射率。转移镜802的半径可以在100mm至120mm之间。在一个实现中，转移镜802的半径是109.411mm。转移镜802可以位于距光学窗口70的外边缘68.4mm的距离处。折叠镜804可以位于距扫描镜400的平面71.5mm的距离处。[0074]光谱仪310可以是超宽带(UBB)高分辨率光谱仪，其具有0.4nm的谱分辨率并且具有200nm至1000nm之间的波长范围。

[0075]图10是配备有图8的光学系统的等离子体处理系统的顶视示意图。等离子体处理室20可以配备有两个图8的光学系统。该光学系统被称为扫描模块。每个扫描模块可以被配置成从X至Y个射线位置收集数据。在一个实现中，每个扫描模块可以被配置成从5至50个射线位置收集数据，这些射线位置提供了更好的准确度以检测具有高空间分辨率的事件。在图10中，示出了射线305的一个位置。如本文中先前所述，射线305的扫描角度可以从-θmax°变化至+θ(例如，θ或30°)。如本文中先前所述地处理来自光谱仪310的数据，以max°max＝25°获得二维(2D)OES强度分布。每个模块可以包括单通道光谱仪310，或者可替选地，具有两个通道的单个光谱仪可以被用于两个扫描模块。另外的扫描模块还可以被用来提供更高的空间分辨率。光学窗口70(即，每个扫描模块的光学窗口70)可以彼此垂直或基本上彼此垂直地位于等离子体处理室20的侧壁上。取决于等离子体处理室20的配置，光学窗口70取决于应用和等离子体的化学性质侵蚀性如何而可以是石英、熔融石英或蓝宝石。[0076]图11是图5或图8的光学系统300的实施方式的展开示意图。光学系统300具有如下任务：将反射的收集的等离子体光学发射谱从扫描镜400引导至光纤320的端部390，因此如本文中先前所述，反射的收集的等离子体光学发射谱可以被传送至光谱仪310。收集的射线305被传递通过收集透镜，所述收集透镜可以是例如具有40mm的有效焦距的三合透镜1102。收集的射线305可以被传递通过例如具有7mm的直径的可选的掩模孔1108。掩模孔1108可以

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位于扫描镜400与三合透镜1102之间。然后，收集的射线305可以被传递通过例如具有1.20mm的直径的可选的远心孔1110。在替选实施方式中，诸如透镜的其他光学部件可以被用来限定射线305的直径。

[0077]两个耦合三合透镜1104和1106用于将收集的光学发射谱聚焦至光纤320的端部390上。在一个实现中，耦合三合透镜1104和1106可以是具有15mm的有效焦距的三合透镜。耦合三合透镜1104和1106的有效焦距是光纤320的类型和直径的函数。[0078]系统中使用的所有透镜优选地是消色差的，或者对于要求更高的应用甚至是复消色差的，这确保了每个透镜的焦距不随波长而变化，使得光学系统300A至300E或300在大的波长范围内令人满意地进行操作，该大的波长范围通常从200nm至1000nm，但是在一些情况下低至150nm。为了在谱的UV部分，即350nm及小于350nm中获得更好的性能，所有光学部件都使用诸如石英、熔融石英、氟化钙(CaF2)的UV级材料。[0079]图12是替选实施方式的示意图，在该替选实施方式中使用了单通道光谱仪310。可以使用一个或两个模块顺序地获取等离子体光学发射谱。每个模块可以包括线性电弧台1204。光谱仪310、光学系统300和折叠镜1202被安装在线性电弧台1204上。折叠镜1202被定位成接收来自等离子体处理室20的收集的射线305并将收集的射线305反射至光学系统300。线性电弧台1204被可控制地扫描以扫出所收集的射线305，同时由光谱仪310经由单个光学系统300来获取等离子体光学发射谱。线性电弧台1204可以经由控制器80来控制。图12中的点C表示线性电弧台1204的旋转的中心。单个光学系统300可以是图9或图11中所示和所述的光学系统。在一个实现中，线性电弧台1204可以具有85°的扫描角度和163.2mm的长度。线性扫描速度可以从0.35m/s变化至2.2m/s。因此，可以取决于等离子体光学发射光谱系统15的应用来调整扫描速度以优化空间分辨率与速度之间的权衡。[0080]在图6、图9和图11的光学系统300的其他实施方式中，可以使用诸如镜、棱镜、透镜、空间光调制器、数字微镜器件等的其他光学部件来操纵所收集的光线305。图4至图6以及图8至图12的光学系统300的配置和部件布局并不一定需要确切地如图4至图6以及图8至图12中所示，而且收集的射线305可以通过另外的光学部件的方式被折叠和操纵，以便于将等离子体光学发射光谱系统15封装至适合于安装在等离子体处理室20的壁上的紧凑封装中。

[0081]发明人进行了几个实验，以重构光学发射分布的图案并将重构的图案与蚀刻图案进行比较。

[0082]图13是示出了光学发射强度的重构图案的示例性结果的示意图。发射线(即，对于氯化硅而言是522.45nm)的强度表示氯化硅(SiCl)的浓度，该浓度又与衬底40上的局部蚀刻的强度相关联。图13示出了由本文中描述的等离子体OES系统15获取的在522.5nm处的光学发射的实际分布与实际蚀刻速率之间的比较。图块1302、图块1304和图块1306示出了在各种等离子体处理条件下的各个样本的实际蚀刻速率。图块1308、图块1310和图块1312分别示出了与图块1302、图块1304和图块1306相关联的样本的重构光学发射分布。[0083]使用本文描述的装置和方法，可以监测蚀刻均匀性。例如，该装置可以在过程开发期间被用于监测各种等离子体处理条件的蚀刻均匀性，而无需将衬底转移至另一装置，这使得各种过程的开发更快。

[0084]结果示出了在蚀刻厚度与通过等离子体蚀刻所涉及的物质——包括反应物和产

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物两者——给出的重构OES分布之间的强相关性。OES分布和氧化物蚀刻轮廓的均匀性遵循相同的趋势，例如图块1302与图块1308进行比较。具有较好蚀刻均匀性的衬底示出了与OES分布较低的相关性(例如，图块1306与图块1302进行比较)。

[0085]图14是示出了根据一个示例的用于光学发射测量的方法1400的流程图。在1402处，光学窗口被置于等离子体处理室(例如，等离子体处理室20)的壁处。在1404处，提供用于通过光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统。收集系统可以包括镜和远心耦合器。远心耦合器可以包括至少一个收集透镜(例如，收集透镜360A和360B)以及至少一个耦合透镜(例如，图9的耦合透镜904和906)。在1406处，使用镜来穿过等离子体处理室扫描多条不重合射线。扫描可以由控制器80来控制。在1408处，经由远心耦合器从等离子体收集光学信号。在步骤1410处，光学信号被引导至用于测量等离子体光学发射谱的光谱仪。[0086]相关领域的技术人员可以理解，根据上述教导，许多修改和变化是可行的。本领域技术人员将认识到在图中所示的各种部件的各种等同组合和替换。因此，本发明的范围旨在不受该详细描述，而是受随附于此的权利要求。[0087]上述公开内容还包括下面列出的实施方式。[0088](1)一种用于光学发射测量的方法，包括：将光学窗口置于等离子体处理室的壁处；提供用于通过所述光学窗口来收集等离子体光学发射谱的收集系统，所述收集系统包括镜和远心耦合器；使用所述镜来穿过所述等离子体处理室扫描多条不重合射线；经由所述远心耦合器从等离子体收集光学信号；以及将所述光学信号引导至光谱仪以用于测量所述等离子体光学发射谱。[00](2)根据特征(1)所述的方法，其中，所述远心耦合器包括：至少一个收集透镜；以及至少一个耦合透镜。[0090](3)根据特征(2)所述的方法，其中，所述至少一个收集透镜或所述至少一个耦合透镜是消色差透镜。[0091](4)根据特征(2)所述的方法，其中，所述远心耦合器还包括：孔，其设置在所述至少一个收集透镜与所述至少一个耦合透镜之间，以用于限定所述多条不重合射线的直径。[0092](5)根据特征(1)至(4)中任一项所述的方法，其中，所述镜是扫描镜。[0093](6)根据特征(5)所述的方法，其中，所述扫描镜被安装在检流计扫描台上并由所述检流计扫描台扫描。[0094](7)根据特征(5)所述的方法，其中，所述扫描镜被安装在步进电机上并由所述步进电机扫描。[0095](8)根据特征(5)所述的方法，其中，所述收集系统还包括：镜系统，其用于使所述多条不重合射线的旋转的中心移位至所述光学窗口或移位在所述光学窗口附近。[0096](9)根据特征(8)所述的方法，其中，所述镜系统包括：转移镜；折叠镜；并且其中，所述转移镜被配置成将收集的信号转移至所述折叠镜，并且所述折叠镜被配置成将收集的信号转移至所述镜。[0097](10)根据特征(1)所述的方法，其中，所述远心耦合器包括：收集三合透镜，其被配置成从所述镜收集所述光学信号；以及两个耦合三合透镜，其被配置成将收集的信号聚焦至耦接到所述光谱仪的光纤的端部中。[0098](11)根据特征(1)所述的方法，还包括使用第二收集系统经由设置在所述等离子

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体处理室的所述壁处的第二光学窗口来收集所述等离子体光学发射谱。所述第二光学窗口的中心轴线垂直于所述光学窗口的中心轴线。[0099](12)根据特征(1)所述的方法，其中，所述收集系统还包括保持所述镜、所述远心耦合器和所述光谱仪的线性电弧台，所述线性电弧台被配置成相对于所述光学窗口的中心轴线径向地移动，使得穿过所述等离子体处理室扫描所述多条不重合射线。[0100](13)根据特征(12)所述的方法，其中，所述镜是折叠镜。[0101](14)根据特征(1)至(13)中任一项所述的方法，其中，以所述光学窗口的中心轴线的25°穿过所述等离子体处理室扫描所述多条不重合射线。[0102](15)根据特征(1)至(14)中任一项所述的方法，其中，所述光谱仪是超宽带高分辨率光谱仪。[0103](16)根据特征(1)至(15)中任一项所述的方法，其中，所述收集系统具有低的数值孔径。[0104](17)根据特征(1)至(14)中任一项所述的方法，其中，所述光学信号是从21条不重合射线中收集的。

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