用于在刻蚀处理中集成计量的方法和装置的利记博彩app

专利名称：用于在刻蚀处理中集成计量的方法和装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种在多腔室工艺系统中集成计量工具的方法和装置。更具体 地，本发明涉及一种用于为刻蚀工艺监控所用的集成计量测量的方法和装置。
背景技术：
在微电子器件的制造过程中，通常包含有需要在半导电的、电介质和导电 的衬底上执行数百个独立歩骤的复杂工艺顺序。这些工艺步骤的实例包括氧 化、扩散、离子注入、薄膜沉积、净化、刻蚀和光刻。使用光刻和刻蚀(常称 为图案转移歩骤)，将所需的图案转移至如光刻胶这样的光敏材料层，并随后 在后续刻蚀期间将其转移至光敏材料层下面的材料层。在光刻步骤中，覆盖的 光刻胶层通过包含图案的掩模版或光掩模暴露于辐射源使图案的图像形成在 光刻胶中。通过在适宜的化学溶液中显影光刻胶，其中部分光刻胶被去除，由 此形成构图的光刻胶层。使用该光刻胶图案作为掩模，将该掩模下面的材料层 暴露于反应性环境中，例如利用湿刻或干刻，以使图案转移至所述掩模下面的 材料层。
光掩模上的图案，其一般形成于支撑在玻璃或石英衬底上的含金属层中， 也可由经过光刻胶图案刻蚀而产生。然而，在这种情形下，与通过掩模版暴露 光刻胶的做法不同，光刻胶图案是通过直接写入技术，例如，使用电子束或其 他适合的辐射束来产生的。采用构图的光刻胶作为掩模，使用等离子体刻蚀将 该图案转移至所述光刻胶掩模下面的含金属层。可以购买市售的适合在高级器
件制造中使用的光掩模刻蚀设备的示例是Tetra 光掩模刻蚀系统，也可从 Santa Clara, California (加利福尼亚的圣克拉拉)的Applied Materials, Inc.(应
用材料有限公司)购得。
随着器件尺寸的不断减小，用于现代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越来越重要。因此，在光掩模 制造中，需要不断地改进对于工艺的监控和控制。

发明内容
本发明的一方面涉及一种包含一具有传送腔室、刻蚀腔室和计量腔室的多 腔室系统。在传送腔室中设置有机械手并用于在刻蚀腔室和计量腔室之间传送 衬底。机械手包括附接到机械臂的板和附接到该板的叶片。该叶片具有至少一 个可调构件，用于改变叶片相对于板的位置，和限定开口的外围部分。外围部 分具有用于将衬底支撑在外围部分上方预定高度的支撑构件。
本发明的另一方面涉及一种处理衬底的方法。该方法包括提供包含传送腔 室、刻蚀腔室、计量腔室和可操作地连接至该计量腔室的计量工具的多腔室系 统。使用设置在传送腔室内的机械手将所处理的衬底传送至计量腔室。使用计 量工具在所处理的衬底上执行至少一个光学测量，同时将所处理的衬底在计量 腔室内的预定位置支撑在机械手的叶片上。


可参照附图中所示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，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施例，因此不能认为是 对本发明范围的限定，本发明可以涉及其他等同的诸多有效实施例。
图1是描述具有集成的计量腔室的多腔室工艺系统的示意图2是连接至传送腔室的计量腔室的透视示意图3是图2的计量腔室内的衬底的剖视示意图4A-4B是制造过程中，光掩模衬底结构的横截面示意视图5A是适合于本发明的一个实施方式中使用的机械手叶片的示意说明；
图5B是图5A的机械手叶片的局部剖视示意图6说明可使用本发明装置执行的方法。
为了便于理解，尽可能使用相同标记表示附图中共同的相同元件。还可预 期一个实施方式的元件可有利地结合在其他实施方式中而不进一步叙述。
具体实施例方式
本发明涉及一种用于将计量工具与多腔室工艺系统(或集束设备)集成的 方法和装置。通过在集束设备中提供计量能力，可明显地便于对工艺的监控和 控制。图1是描述具有围绕传送腔室105设置的多个工艺腔室102、 104、 106 和110的多腔室工艺系统或集束设备100。传送腔室105连接至用于提供降压 条件的真空系统(未示出)。
根据本发明的一个实施方式，工艺腔室110其中之一是计量腔室，以及另 一工艺腔室104是刻蚀腔室。传送腔室105容纳机械手140，其用于将衬底从 腔室102、 iG4、 106和ilO來回传送。计量腔室liO可操作地连接至计量工具 180，该计量工具在计量腔室110内的衬底上执行测量。例如，计量工具180 可用于在刻蚀腔室104中己经过处理的衬底上执行光学测量。从该光学测量中 提取关于衬底特征的信息，并由此可以决定是否需要对衬底进行进一步的处 理，或决定是否应当调节刻蚀腔室中的工艺条件。虽然与刻蚀腔室104的计量 集成是作为整个讨论的实施例，但可以理解同样可与对其他工艺腔室的工艺监 控和控制集成，例如，计量测量也可以与在腔室104中的刻蚀之前用于在衬底 上沉积材料的沉积腔室集成。沉积腔室可以是系统100的一部分，或单独的处 理系统。
系统控制器190连接并控制多腔室系统100中的每个腔室或模块。通常， 系统控制器190可以利用对系统100的各个腔室和装置的直接控制来控制系统 IOO操作的所有方面，或者，也可以通过与这些腔室和装置相关联的计算机来 控制系统100操作的所有方面。而且，控制器190还将建立和与计量工具180 相关联的控制单元之间的通信联系。例如，通过系统控制器190来控制如机械 手140的运动，将衬底在工艺腔室102、 104和06和计量腔室110中来回传送， 执行工艺顺序，协调计量工具180与多腔室系统100的不同部件的操作等等的 各项操作。
在操作中，系统控制器190激活来自各个腔室和装置的反馈，从而优化衬 底产量。系统控制器190包括中央处理单元(CPU) 192、存储器194和辅助 电路196。 CPU192可以是一种可在工业配套设备中使用的任意形式的多用途 计算机处理器。辅助电路196常规地耦合至CPU192并可包括缓存器、时钟电 路、输入/输出系统、电源等。软件程序，当通过CPU293执行时，将CPU转 变成特定用途计算机(控制器)190。软件程序还可通过距离系统100远程设 置的第二控制器(未示出)存储和/或执行。
图2是耦合至计量腔室110的传送腔室105的透视示意图。计量腔室110
包括腔体210和盖子212。观察口或窗口 214设置在盖子212上以允许光进入 计量腔室110。盖子212具有设置在其中的O型环的凹槽(如图3所示的凹槽 302)。窗口 214通过法兰216固定于盖子212上，并且0型环提供窗口214 和盖子212之间的真空密封。如图2所示的机械手140是双叶片机械手的示例， 其具有两个机械臂240，如图所示，其中一个机械臂，具有附接到肘板242的 机械手叶片250。根据本发明的一个实施方式，机械手叶片250适于在不同腔 室中来回传送衬底，并还适于为执行测量在计量腔室110内支撑衬底。
在衬底光测量期间，计量腔室110和传送腔室105可维持在普通的减压条 件下。在一个实施方式中，腔室可维持在约200毫托的压力下。也可采用其他 压力，例如，低于约1托，更低的压力极限约IO毫托，如通过用于腔室抽空 的真空泵所确定的。部件(未示出)，诸如门或栅阀，可设置在传送腔室105 和计量腔室IIO之间以便视需要可使腔室彼此隔离。例如，当衬底在任意的工 艺腔室102、 104或106中来回传送时，尤其是如果腔室压力条件明显不同于 其他不同腔室时，可能优选地将计量腔室IIO与传送腔室隔离。
图3是计量腔室110的剖视示意图，其说明了机械手叶片250和衬底300 相对于计量工具180的相对位置。观察口或窗户224设置在计量腔体210的底 部用于使光进入。由熔融硅石或其他适合材料形成的窗口 224通过法兰226 附接到腔体210的外表面。与顶窗口 214相似，窗口 224和腔室表面之间的真 空密封通过使用设置在腔体210的表面上的凹槽内的0型环或其他适合的密 封材料来实现。
在一个示例性实施方式中，计量工具180用于在刻蚀腔室104内已经过处 理的光掩模衬底300上的光测量。适宜的计量工具的一个实施例是N&K光掩 模工具，其可执行诸如反射率和/或透射率等的测量。来自其他制造商的计量 工具也可适合结合本发明的多腔室系统使用。虽然计量测量和分析的详细内容 取决于采用的特定计量工具，该方法一般如以下所述执行。
来自计量工具180的入射光束182通过底部窗口 224引入计量腔室110 内，并聚焦到衬底300上(如果合适的话)。典型地，将一个或多个测试图案， 例如，包括可能或可能不是周期性的线路/空间结构，提供在衬底的不同位置。 优选地，每个测试图案具有比入射光束尺寸大的尺寸，并且还应足够大以考虑 来自机械手的定位误差。入射光束182的点尺寸视特定的应用和测量类型而不
同。例如，对于石英刻蚀应用，可采用具有约lmm直径的光束尺寸执行隧道 深度测量。对于采用lmm光束点尺寸的测量，衬底300约0.25的定位重复精 度将是足够的。该光束可以入射到测试图案上或具有至少约5%的特征覆盖率 (即，不是覆盖的金属层或石英层)的衬底300的区域上。对于横向或水平方 向上的临界尺寸(CD)的测量，可使用较小尺寸例如，约50"m的光束。而 且，由于CD测量通常使用干涉测量方法进行，需要至少约入射光束尺寸一样 大尺寸的测试图案。较大的测试图案将便于对准和定位程序，并且减小对于机 械手定位所需的精确度。例如，适宜的测试图案可以是从约200 w m到约5mm 的线性尺寸。
在衬底300由机械手叶片250支撑并定位在计量腔室110内的预定位置的 情形下，入射光束182引导至衬底300的适宜区域，例如，引至测试图案上。 返回光束184，例如，由入射光束182和测试图案结构之间相互作用产生，通 过计量工具180中的光检测器检测。返回光束184可能来源于光束反射、折射、 散射、干涉或其组合，并且所检测的信号的特点将随着特定的膜结构和测试图 案而变化。
结果为一般通过软件，例如一种与计量工具相关的软件来分析，以获得关 于衬底特征，诸如临界尺寸、层厚度、刻蚀深度、相移等的信息。在特定的情 形下，在衬底300的一个位置执行的一个或多个测量可满足工艺监控目的要 求。可选地，衬底300可通过机械手140移动到其他预定位置以使得在衬底 300的不同位置执行额外的测量。这些额外的测量，例如，可提供关于工艺均 匀性的信息。基于这些结果，可根据任何工艺控制或参数调整而做出决定。例 如，测得的衬底特征或工艺结果诸如中心到边缘均匀性(沿x/y方向)可与参 考值相比较来决定其是否在可接受极限，以及衬底是否应当返回至刻蚀腔室用 于进一歩处理。可选地，如果该结果不满意，还可在另一衬底处理之前改变刻 蚀腔室中的一个或多个工艺条件。
虽然计量工具180的入射光束显示为通过底部窗口 224耦合至计量腔室 110中，从而提供从衬底300的背面的测量，还可将光束182通过顶部窗口 214 在衬底300的顶部上入射用于其他测量。另外，还可采用透射模式来进行测量 即，监测通过部分衬底300透射的光，以替代如图3所示的反射模式的操作。 用于透射模式的光源可以是任一环境光，来自计量工具180或其他光源的光束182。
计量工具180—般还具有控制单元186，用于控制工具的操作，例如执行 计量测量、获取存储数据，分析结果等等。该控制单元186可配置为与系统控 制器190进行通信，以允许在可调方式下执行不同的操作。
图4A—4B是制造期间光掩模衬底的结构的横截面视图。光掩模衬底300 包括含氧化硅层310、含金属层320和构图的光刻胶层330。含氧化硅层310 通常是玻璃或石英(熔融硅石)板，其可透过来自不同光刻工具的UV发射波 长的光。含金属层320 —般可以是含铬或含钼层，或它可包括适合用于光掩模 的其他金属。可用于含金属层320的材料的示例包括铬、氧化铬、铬氧氮化物、 钼、钼硅化物、钼钨硅化物等和这些所述物质的组合。抗反射层(ARC) 325 通常提供在含金属层320和光刻胶层330之间以改善光刻工艺。光刻胶层330 可包括适合与本领域技术人员公知的不同光刻技术或设备使用的多种光刻胶 材料。含金属层330通常可具有从约250A到约IOOOA的厚度，ARC层可具 有从约250A到约550A的厚度，同时光刻胶层的厚度可以是从约2000A到约 5000A的范围。虽然含金属层320表示为如图4A的单层， 一般地，取决于制 造的特定的掩模，还可具有不同材料的多膜或多层。
通过将图4A的结构暴露于刻蚀腔室104内的反应性环境，光刻胶层330 的图案转移至光刻胶层下面的ARC层325和含金属层320。例如，诸如含氯 气体(例如，Cl2)或含氟气体(例如，SF6或CF4)的刻蚀气体，诸如氧气的 氧化气体和诸如氦的惰性气体的等离子体都可用于刻蚀含金属层320。适宜的 终点检测方案可用于监控含金属层320的刻蚀。取决于特定的应用， 一旦下方 的含氧化硅层310暴露时，就停止刻蚀工艺，如图4B所示，或者可执行刻蚀 到含氧化硅层310中的特定预定深度，如可能特定类型的相移掩模所要求的。
虽然刻蚀工艺的监控和控制可在光掩模衬底300的刻蚀期间使用原位终 点检测来进行，但集成计量腔室中的非原位测量提供可能不易于与刻蚀环境结 合的更大测量能力。对于非原位测量，机械手叶片250传输来自刻蚀腔室104 的衬底300，以及支撑并适当地将其放置在计量腔室110内。机械手叶片250 设计为允许相对于计量工具180定位衬底300，更具体地，具有足够的精度以 使得入射光束182和衬底300上的测试图案对齐从而在衬底300由机械手叶片 250支撑时可执行计量测量。例如，除衬底300的横向定位外，机械手140还
配置为经由一个或多个可调构件提供机械手叶片250的高度和/或水准调整，
以及掩模衬底300的高度和/或水准调整。
图5A是适用于本发明的实施的机械手叶片250的一个实施方式的示意 图，以及图5B是说明由机械手叶片250支撑的衬底300的部分剖面图(以虚 线5B-5B所示)。机械手叶片250具有附接到机械手140的肘板242的第一 端510，以及支撑光掩模衬底300，或更具体地，支撑具有正方形或矩形形状 的衬底的第二端520。特别地，机械手叶片250的第二端520具有一限定开口 525的外围部分524，例如x-y平面的水平框架，以及用于在x-y平面保持衬 底300在适当位置(横向)的多个突出部分。图5A的实施方式示出用于将衬 底300相对于叶片250保持在预定方向的五个突出部分530、 532、 534、 536 和538。如图5B所示，突出部分530和538从叶片250向上延伸并包围衬底 300的两侧。水平框架和突出部分的其他配置或设计也是可以的，包括，例如， 设置在水平框架524的两个中心处的两个L型突出部分(未示出)。
图5B还示出分别与突出部分530和538相邻的台阶530A和538A支撑的 衬底300。与突出部分532 (参见图5A)相邻设置的另一台阶532a同样作为 掩模300的支撑表面。围绕外围部分524的诸如多个台阶或位置的其他变型是 可以的，虽然该台阶应当在衬底外围接触该衬底300。在一个实施方式中，机 械手叶片250设计具有适合于支撑6英寸乘6英寸面积和约0.25英寸厚的衬 底300的台阶高度和尺寸。应当理解可以修改叶片尺寸来容纳其他尺寸的光掩 模。
不同的机构可用于调节机械手叶片250和支撑于其上的衬底300的位置。 在图5A的示例性实施方式中，可调构件，例如，固定螺丝540、 542和544 提供用于调节机械手叶片250的高度和水准。如图5B所示，固定螺丝540设 置在机械手叶片250的螺纹孔中且具有穿过叶片250的底部突出的一端并搁在 肘板242的顶表面上。固定螺丝540的调节(以及图5A的固定螺丝543、 544) 允许相对于肘板242将机械手叶片250的高度和水准设定为预定位置，其后， 机械手叶片250可使用多个螺栓，其中之一表示为螺栓560固定于或附接到机 械臂240的肘板242。螺栓560配合穿过叶片250的第一端510上的栓孔，并 固定于肘板242上的螺纹孔中。如图5A所示，额外的栓孔59K 592、 593、 594和595设置在叶片250上，并且在肘板242上具有对应的螺丝孔以容纳其
他螺栓。在一个实施方式中，六个螺栓用于将叶片250固定在肘板242上，虽
然其他变型(例如，螺栓的不同数量和位置)也是可以的。优选地，在相对于
叶片250的中心纵轴LL'(沿着x方向)对称设置一对螺栓，例如，在栓孔590 和593处；591和594处；或592和595处。
一般地，在计量腔室的操作之前，调节机械手叶片250以提供用于在衬底 300上执行不同的光测量所需的公差范围内的适当调整(高度/距离和水准)。 例如，可使用一个或多个固定螺丝540、 542和544调节叶片250相对于肘板 242的高度，同时可使用固定螺丝540或544围绕叶片250的中心纵轴LL'的 旋转或水准，所述固定螺丝设置在纵轴LL'的相对侧面。
衬底300由外围部分524的台阶(例如，530A、 532A和538A)支撑。 在一个实施方式中，可调整叶片250相对于肘板242的高度上达约0.12英寸 (约3mm)，以及调整叶片的端部相对于由肘板242的平面限定的x/y平面倾 斜角上达约15度。为相对于光束调平衬底的目的，高度调整约0.005英寸的 精度对于大部分计量测量是足够的。虽然在所示的实施方式中机械手叶片250 和衬底300的高度和倾斜的调整是人工执行，视需要它们也可通过经由 CPU192提供电动控制自动进行。
在图3所示的实施例中，计量腔室110的熔融硅石窗口 224允许来自计量 工具180的光束182引导至衬底300上。如图4B所示，部分入射光束182， 在穿过石英层310之后，作为部分返回光束184，通过含金属层320反射回去。 其他部分入射光束182可在衬底300的结构的其他部分上反射、散射或衍射， 形成部分返回光束184，其通过计量工具180的光检测器(未示出)检测。基 于光测量的结果，可以确定诸如临界尺寸、刻蚀深度、相移等等的衬底特征。 如果发现这些特征在特定的预定极限之外，则掩模可转移至刻蚀腔室用于附加 的处理，工艺条件可随着需要或采取的其他矫正措施而调整。系统控制器190 用于控制计量工具180的全部操作和多腔室工艺系统100的不同部件的控制和 调节。
图6示出了可使用本发明的装置实施的方法的步骤。歩骤601中，提供包 括传送腔室、工艺腔室和计量腔室的多腔室系统。在步骤603，计量工具可操 作地连接至计量腔室。在正方形或矩形形状的衬底在工艺腔室中处理之后(步 骤605)，使用设置在传送腔室中的机械手传输至计量腔室(歩骤607)。在
步骤609，使用计量工具在衬底上执行至少一个光测量，同时所处理的衬底在 处理腔室内的预定位置通过机械手的叶片支撑。在步骤611，衬底特征由至少 一个光测量确定。根据特定的处理需要，可使用本文所述的装置实施用于工艺 监控或控制的额外的方法步骤或变型。
虽然前述针对本发明的优选实施方式，但在不偏离本发明的基本范围下可 设计本发明的其他和进一步实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求书所 确定。
权利要求
1.一种装置，包括包括由传送腔室、刻蚀腔室和计量腔室组成的多腔室系统；机械手，设置在所述传送腔室中并配置为可在所述刻蚀腔室和所述计量腔室之间传送衬底；该机械手包括机械臂；具有附接到所述机械臂的第一部分的板；以及附接到所述板的第二部分的叶片，该叶片具有至少一个可调构件，用于改变所述叶片相对于所述板的位置，和限定开口的外围部分，该外围部分具有用于将衬底支撑在该外围部分上方的预定高度的支撑构件。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个可调构件配 置为调整所述叶片和所述板之间的高度和角度的至少其中之一。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个可调构件包 括设置在所述叶片的中心纵轴的相对侧上的螺丝孔中的两个固定螺丝，所述两 个固定螺丝中的每一个都具有与所述板的顶表面接触的端部。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述叶片的外围部分进一 步包括限定衬底的横向位置相对于所述外围部分的突出构件。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括可操作地连接 至所述计量腔室的计量工具。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计量工具从所述计量 腔室的底侧连接至所述计量腔室。
7. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，进一步包括 与所述机械手和所述计量工具通信连接的控制器，其中所述控制器配置为可提供信号用于结合所述计量工具的操作使所述叶片相对于所述叶片移动至 预定位置。
8. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述叶片配置为用于在处 理腔室内在充分精确对准情形下支撑衬底，用于使用所述计量工具执行衬底上 的测量。
9. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计量腔室配置为在减压条件下操作。
10. —种处理衬底的方法，包括(a) 提供包括传送腔室、刻蚀腔室和计量腔室的多腔室系统；(b) 提供可操作连接至所述计量腔室的计量工具；(c) 在所述刻蚀腔室中处理衬底，所述衬底为一种正方形或矩形形状；(d) 使用提供在所述传送腔室内的机械手将所处理的衬底传送至所述计 量腔室；(e) 使用所述计量工具在所处理的衬底上执行至少一个光测量，同时所 处理的衬底在计量腔室内的预定位置支撑在机械手的叶片上；(f) 从所述至少一个光测量确定衬底特征。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述衬底特征包括临界 尺寸、刻蚀深度、层厚度或相移其中之一。
12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括(g) 在整个歩骤(d)和(e)中维持所述计量腔室和所述传送腔室在减 压条件下。
13. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述衬底包括含氧化硅 层、含金属层或光刻胶层的其中之一。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述含氧化硅层是石英。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述含金属层包括铬、 氧化铬、铬氧氮化物、钼、钼硅化物、钼钨硅化物或其组合。
16. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)进一歩包括(el)将来自所述计量工具的入射光束引导至所述处理的衬底上；以及 (e2)检测来自所述处理的衬底的返回光束。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在步骤(e)之前，调整 所述衬底的方向以使得所述入射光束引3至所述衬底上的测试图案以及所述 返回光束通过所述计量工具检测。
18. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括(g) 提供与所述多腔室系统和所述计量工具通信连接的控制器；(h) 响应于从所述光测量获得的信息将来自所述控制器的指令发送给所述多腔室系统。
19.根据权利要求IO所述的方法，其特征在于，进一步包括(g) 将歩骤(f)中所确定的所述衬底特征与参考值相比较；以及(h) 基于来自步骤(g)的结果，执行以下步骤其中之一(hl)将所述处理的衬底传送至所述刻蚀腔室用于额外处理；或者 (h2)在处理另外衬底之前改变所述刻蚀腔室中的至少一个工艺条件。
全文摘要
本发明公开了一种用于在刻蚀处理中集成计量的方法和装置。本发明的装置包括具有传送腔室、刻蚀腔室和计量腔室的多腔室系统，以及配置为可在所述刻蚀腔室和所述计量腔室之间传送衬底的机械手。本发明还公开了一种使用该装置处理衬底和执行计量测量的方法。本发明的方法和装置可用于在衬底处理过程中，更为便利地测量和监控衬底的多种特性，由此可极大地提高衬底处理的精确度。
文档编号H01L21/00GK101188192SQ20071018771
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月20日 优先权日2006年11月21日
发明者吉姆·K·尼古恩, 理查德·莱温顿 申请人:应用材料股份有限公司