用于表征等离子体处理室内的膜的射频偏置电容耦合静电(RFB-CCE)探针装置

背景技术

在等离子体处理室加工衬底程序中，要有满意的结果往往需要严格控制工艺参数。尤其对于如沉积、蚀刻、清洁等用于生产现代高密度集成电路的工艺，更是如此。加工参数(如偏置电压、射频功率、离子流、等离子体密度、压力等)超过一个狭窄的预定区间，即发生工艺偏差。这些工艺偏差是不希望出现的，它们往往导致进程结果不良(如不良蚀刻轮廓、低选择性，等等)。因此，检测、表征(characterization)并避免工艺偏差是集成电路制造工艺工程师的重要任务。

通常通过对各种工艺参数进行监测来检测工艺偏差。一些工艺参数(如偏置电压、反射功率等)可直接测量得到，而另一些则可从测量参数推断得到。

等离子体工艺中，如等离子体蚀刻工艺中，常发生例如聚合物沉积。聚合物沉积导致一层薄膜沉积在室内元件表面。该沉积膜影响后续的蚀刻工艺，提高了微粒污染的可能性，从而需要频繁清洗室。此外，如果室内沉积层足够厚，传感器头可能被聚合物覆盖，导致传感器信号产生错误值。在其它工艺中，薄膜沉积物可能是被有意制造的，但以相同的方式影响传感器的读数。

因此，为实现工具的控制、诊断和/或方法调整，改善工艺结果和工艺出品率，以及避免损坏衬底和/或室的元件，有必要进行室表沉积膜的表征。

发明内容

在一个实施方式中，本发明涉及一种表征衬底处理中等离子体处理系统处理室内衬底沉积膜的方法。该方法包括确定探测头的电压-电流特性，其中测量电容器的电容值设定为第一电容值。该方法还包括在探测头安装一个射频(RF)列(train)，从而使该测量电容器充电，其中该测量电容器的电容值设定为第二电容值，该第二电容值大于该第一电容值。该方法还包括为该沉积膜提供初始电阻值并为其提供初始电容值。该方法还包括利用该初始电阻值、该初始电容值和该电压-电流特性来产生第一模拟电压-时间曲线。该方法还进一步包括确定第一测量电压-时间曲线，该第一测量电压-时间曲线表示一个射频列跨越(across)沉积膜产生的势能落差。该方法还包括比较该第一模拟电压-时间曲线和该第一测量电压-时间曲线，其中，如果该第一模拟电压-时间曲线和该第一测量电压-时间曲线的差值小于预定阈值，以该初始电阻值和该初始电容值来表征所述沉积膜。

上述概要只涉及了本文披露的发明的众多实施方式之一，并无意限制本发明的范围，本发明的范围在本文的权利要求中阐述。本发明的这些和其它特征将会在下面结合附图并在本发明的详细说明中进行更详细的描述。

附图说明

本发明是结合附图中的数据进行例示性而非限制性的描述，附图中类似的参考标号指示类似的元件，其中：

图1是一项RFB-CCE探针装置实例图。

图2所示为本发明的一个实施方式中，RFB-CCE探针装置的一个电路模型，包括一个沉积膜模型。

图3所示为等效电路图。

图4所示为本发明的一个实施方式中，用于计算R_film和C_film的迭代技术。

图5所示为用于求解R_film和C_film的联立微分方程式。

图6所示为小电容值Cm的V-I典型曲线和已观察到的更大的电容值(例如100nF和更高)的VI曲线。

图7A所示为本发明的一个实施方式中，膜C_film和膜厚度(d)的相对关系。

图7B所示为本发明的一个实施方式中，R_film电阻值的计算。

图8所示是V(t)模型曲线。

讨论中图A所示是等离子体系统部分的简单示意图，其中射频(RF)源电容耦合到反应室以产生等离子体。

讨论中图B1所示是射频充电后电压-时间图。

讨论中图B2所示是射频充电后收集的电流数据图表。

讨论中图C所示是射频脉冲(burst)间的单一时间区间的简单电流-电压示意图。

讨论中图D所示是，在本发明的一个实施方式中，描绘衬底处理中自动表征等离子体的全部步骤的简单流程图。

讨论中图E所示是，在本发明的一个实施方式中，一种用于确定相关范围和种子值的简单算法。

讨论中图F1所示是一次射频脉冲后的电流-时间示例图。

讨论中图F2所示是一次射频脉冲后的电压-时间示例图。

讨论中图F3所示是一个转折点示例。

讨论中图F4所示是施加到电流-电压图的曲线拟合示例。

具体实施方式

现在参考附图中描绘的一些实施方式，对本发明进行详细描述。在下文的描述中，将给出许多详细的细节，以便对本发明有一个全面的理解。然而，即便缺少这些具体细节中的一些或者全部，本发明依然可以实施，这一点对于本领域的技术人员是显而易见的。为了避免不必要地弱化本发明的优点，在其他情况下，公知的工艺步骤或者结构就没有详细阐述。

本发明的实施方式涉及表征等离子体处理室的沉积膜的射频偏置电容耦合静电(RFB-CCE)探针装置的应用。在背景方面，RFB-CCE探针早已应用于测量等离子体处理参数，如离子流、电子温度、悬浮电位、薄膜厚度等。RFB-CCE探针在本技术领域是公知的，详细描述可从公开的文献获得，包括例如专利号为5,936,413、专利名为“测量等离子体中离子流的方法与装置(Method And Device For Measuring An Ion Flow In A Plasma)”(1999年8月10日)的美国专利，该专利作为参考并入本发明中。

RFB-CCE探针具有许多优点，包括例如完善检测灵敏度，因传感器的体积小从而对等离子体干扰甚微，室壁安装方便，在某些情况下对传感器头部聚合物沉积相对不敏感等。此外，传感器面向等离子的表面常与周围室壁采用相同材料，从而进一步使对等离子体的干扰最小化。这些优势使得RFB-CCE探针非常适用于工艺参数检测。

一般而言，RFB-CCE探针装置包括面向等离子体的传感器，该面向等离子体的传感器连接到测量电容器的一个板块。该测量电容器的另一板块耦联至射频电压源。该射频电压源定期发出射频振荡列，每个射频振荡列结束后立刻通过该测量电容器进行测量，以确定电容器电流放电率。关于RFB-CCE探针装置和RFB-CCE探针操作的细节的讨论参见上述专利号为5,936,413的美国专利，在此不作进一步讨论。

此处的发明人发现当测量电容器电容值相对较小时，传感器电流信号(其反映射频震荡列间跨越测量电容的电流)对传感器头部沉积膜厚度不敏感。但是，发明人还发现，如果测量电容器电容值较大时，薄膜厚度对传感器电流信号的影响更大一些。通过这些讨论，表征沉积薄膜的方法和装置就形成了并在此公开。

在本发明的一种或者一种以上实施方式中，提供有使用RFB-CCE探针的创新方法和装置，用来表征探针传感器头部沉积膜的厚度和质量。在一种或一种以上实施方式中，提供有可转换测量电容器装置，因而，当要求对沉积膜厚度不敏感时，对于该测量电容器就可以选用较小电容值。在该测量电容器有相对较小的电容值时，RFB-CCE的探针运行产生探针头探针V-I特性，可用于测定离子饱和电流、悬浮电位和电子温度。利用测量电容器电容值较大时获得的传感器参数，该探针头探针V-I特性还可应用于辅助薄膜电容和薄膜电阻的计算。因此，本发明的一种或一种以上的实施方式涉及由RFB-CCE的探针头探针读数推导薄膜电容和薄膜电阻的技术。

参考如下的附图和相关讨论可更好地理解本发明实施方式的特点和优点。一般而言，一种RFB-CCE探针装置包括一个面向等离子体的传感器，该面向等离子体的传感器与测量电容器的一端相连。本文图1所示为一个RFB-CCE的探针装置实例图。图1中面向等离子体的传感器102(安装于室壁130，实质上与室壁共面)耦联至测量电容器104的一个板块104a。该测量电容104的另一板块104b耦联至射频电压源106。该射频电压源106定期发出振荡列，通过该测量电容器进行测量，以确定射频振荡列之间的电容器电流放电率。测量电容器104和射频电压源106之间串联一个电流测量装置120以测量电容器电流放电率。二选一或同时，连接电压测量设备122到板块104a和地之间以测量探头的电势。关于RFB-CCE探针装置和RFB-CCE探针操作的细节讨论参见上述专利号为5,936,413的美国专利，此处就不作进一步讨论。

如前所述，室表面安装有导电材料制成的探针头探针。探针装有一个短射频列，引发电容器(Cm)的充电，使得探针表面带负电位(相对于地，负数十伏)。随着射频脉冲结束，当Cm放电时，探针头探针的电势衰变回到悬浮电位。等离子体特性决定电势变化速率。在此放电过程中，用高阻抗测量装置122测得探针Vf的电势，然后用电流测量装置120测量流向探针并经过电容器Cm的电流。以t表示时间，利用V(t)和I(t)曲线构建电流-电压特性V-I，然后用信号处理器分析该V-I。更多的细节见2008年6月26日提交美国专利局(申请号为61/075,948)和2009年6月2日提交美国专利局(申请号12/477,007)的名称为“等离子体自动表征方法(Methods for Automatically Characterizing a Plasma)”的共同待审的申请，该申请含于本文的讨论中。

图2所示为本发明的一个实施方式中，RFB-CCE探针装置的一个电路模型，包括一个沉积薄膜202模型。由于沉积薄膜往往是某种类型的聚合物，通常为不完美的电介质，常导致漏电，可通过一个RC电路(参考标号204)建立薄膜模型，据此，薄膜电阻R_film与电容器C_film并联。电阻值R_film与跨越薄膜的电阻相关，该电阻又与沉积薄膜的化学成分相关。电容值C_film与薄膜厚度及其相对介电常数∈r相关。图2中C_M指代测量电容器，由射频源充电。沉积膜的存在导致点206与薄膜202面向等离子体的表面之间存在电位降。

其等效电路见图3，其中V_X指代测量点206与地面之间的电位降压降，V_film指代膜相对于点206的电位降。V_film不能直接测量，但可以从即将要讨论的RC模型推导得到。

在一个实施方式中，最初对测量电容器Cm采用相对胶小的电容值(例如，在一个实施方式中，介于1至50nF)(见图3)。在这种情况下，每个射频激发列后的衰变传感器电流和电压信号相对不受薄膜厚度的影响。运用Cm的小电容值，可获得CCE探针的V-I特性曲线，见图6中曲线602。然后，该VI曲线拟合函数I＝I₀[1-α(V-V_f)-exp(((V-V_f)/T_e)以获得离子饱和电流I_o、电子温度T_e、悬浮电位V_f以及在I-V曲线线性部分的斜率α。关于VI特性曲线的进一步详细资料，参见上述申请号为61,075,948的专利申请。

随后，对Cm采用一个更大的电容值(例如100nF和更高)以便计算R_film和C_film。在这种情况下所观察到的VI曲线变形，见图6中曲线604。图4所示为根据本发明的一个实施方式，用于计算R_film和C_film的迭代方法。

在步骤402中，设定了R_film和C_film的初始假设值。初始假设值可能源自，例如，一个基于经验、理论或者其他的经验数据的有根据的推测。在步骤404中，结合之前小电容值Cm所得的I_o、T_e、V_f以及α，运用R_film和C_film初始值来求解图5中联立微分方程，构建一条电压-时间模拟曲线V_s(t)。

图5中联立微分方程存在多种数学求解方法，包括使用一个公知的名为Matlab的软件，该软件来自马萨诸塞州的纳提克的The Math Works.Inc.。

其结果是一条电压-时间模拟曲线V_s(t)。该V(t)模型曲线见图8曲线806。图8还示出曲线804，其代表实验测量值V(t)，V(t)是由图2中点206测得的单一激发震荡列的电压时间比。差值确定(步骤406)并在步骤408中与阈值相比较。如果误差小于一个预定的阈值，R_film和C_film的值可用于表征薄膜(412)。另一方面，如果误差大于预定的阈值，运用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘曲线拟合算法来修正R_film和C_film的值(410)。

新的R_film和C_film值回代入步骤404，迭代执行图4的步骤。迭代执行图4的步骤直到误差小于预定阈值(见步骤408)，此时R_film和C_film值才可用于表征沉积膜。

图7为根据本发明的一个实施方式所示，薄膜C_film和薄膜厚度(d)的相对关系。根据图7A，电容值C_film等于∈₀和∈_r以及A的乘积除以d，其中d代表薄膜厚度，∈_r代表薄膜成分的介质材料的相对介电常数，A代表探针传感器头部的表面积，∈₀代表自由空间的介电常数。见公式7A-1。利用代数运算，d/∈r的比值等于∈₀和A的乘积除以电容值C_film的商。电容值C_film已确定(见上文)，探针传感器头部表面积(A)和自由空间的介电常数∈₀已知，可容易地获得d/∈r的比值。见公式7A-2。

进一步而言，通过测量薄膜电容值并且单独测量薄膜厚度或对薄膜有一定经验的程序工程师，可以设定∈_r的值(薄膜相对介电常数)。薄膜厚度可用任何方法测量，包括，例如椭圆对称法。一旦∈_r(薄膜相对介电常数)的值确定了，∈_r的值(薄膜相对介电常数)便可用于计算适应任何特定电容值C_film的厚度d，特定电容值C_film为任何具有探针传感器头部表面积A的特定探针传感器的电容值。

图7B为根据本发明的一个实施方式所示，电阻值R_film的计算方法。如图7B所示，R_film的值等于薄膜电阻率ρ乘以厚度(d)的积除以探针头部截面积A。见公式7B-1。在等式两边乘以自由空间的介电常数∈₀得到下一等式。见公式7B-2。代入来自等式7A-2的d/∈r比值的倒数得到等式7B-3，其中，薄膜电阻率ρ乘以∈_r(薄膜相对介电常数)的积等于电阻值R_film乘以电容值C_film的积除以自由空间介电常数∈₀所得的值。由于电阻值R_film、电容值C_film、自由空间介电常数∈₀均已知，并可提供薄膜相对介电常数∈r的值，可以确定薄膜的电阻率，其反映了薄膜的化学组分。

在一个实施方式中，采用具有多个电容器的可切换的电容器装置，每个电容器电容值均不同。这样，当测量电容器的值较小时，可运行RFB-CCE探针，使得传感器读数对薄膜厚度相对不敏感。需要时，切换为较大电容值的电容器，以便计算R_film和C_film。在一个实施方式中，对测量电容器采用较大电容值时获得的R_film和C_film的值随后用来计算薄膜厚度对V-I曲线测量的影响。接着，在薄膜存在时，R_film和C_film的值可用于校正等离子体参数(例如I_o、T_e、V_f)的测量值，以便这些测量值反映假如用干净的探针测量所能获得的测量值。

在另一个实施方式中，R_film和C_film的值可用于告知操作者或工具操控员，为达到工艺操控目的，在工艺步骤中，有意沉积的薄膜厚度和电阻率模块。例如，通过贴近衬底定位传感器头，可在某种程度上精确确定衬底沉积膜的厚度和质量。

综上所述，本发明的实施方式提供了沉积膜质量和厚度的计算方法和装置。随着时间推移，传感器探针头部表面积聚了薄膜，所述测得的电阻值和电容值(R_film和C_film)则可用来提高传感器读数的准确度，或者选择地或附加地用来表征薄膜以实现工艺控制或维护的目的。在RFB-CCE探针应用中，因为RFB-CCE探针头部往往小巧，与等离子体处理室周围的面向等离子体的结构安装在同一平面上，并且面向等离子体的探针表面可采用与室的面向等离子体的部件相同的材料，所以，对等离子体干扰极微。

虽然已经依照几种优选的实施方式对本发明进行了阐述，但存在落入本发明的范围之内的更改、置换和各种等同方式。例如，虽然采用了利用非线性最小二乘拟合算法的迭代计算方法来计算R_film和C_film，必要的话，近似法也可用于计算图5V(t)曲线的R_film和C_film值。也应当注意，实施本发明的方法和设备有许多替代方式。尽管此处提供了各种实施例，然而这些实施例意在说明本发明而非对本发明进行限制。

另外，本文提供的发明名称和发明内容也是为了方便，不应当用于解释本发明权利要求的范围。而且，摘要是用高度概括的形式写成的，亦是为了方便，不应当用来解释或限制整个发明，发明的保护范围用权利要求来表示。如果本文使用了术语“组”，这种术语有意设定成具有通常理解的数学含义，涵盖零个、一个、或者一个以上成员。还应当注意，所附权利要求的范围意在被解读为包括所有这些落入本发明的真实精神和范围的所有变更、置换和等同替换。

此处讨论还可见于2008年6月26日提交美国专利局(申请号为61/075,948)和2009年6月2日提交美国专利局(申请号为12/477,007)的名称为“等离子体自动表征方法(Methods for Automatically Characterizing a Plasma)”的共同待审的申请，引入本文作为参考。

等离子体自动表征方法讨论

等离子体处理的进步促进了半导体工业的增长。为了为典型的电子产品供应芯片，可能需要处理数百或数千个衬底(比如半导体晶片)。为了使制造公司具有竞争力，该制造公司必须能够在最小的处理时间内将该衬底加工为合格的半导体器件。

通常，在等离子体处理过程中，可能出现会对该衬底造成负面影响的问题。可能改变被处理衬底的品质的一个重要因素是等离子体本身。为了有足够的数据来分析该等离子体，可以使用传感器收集有关每个衬底的处理数据。可以分析收集的数据以确定问题的原因。

为了便于讨论，图A显示了在等离子体系统A-100的一部分中的数据收集探针的简单示意图。等离子体系统A-100可包括射频(RF)源A-102(比如脉冲式射频频率发生器)，其电容耦合于反应器室A-104以产生等离子体106。当射频源A-102开启时，在外部电容器A-108两侧产生偏压，该外部电容器A-108电容可以约为26.2纳法(nF)。在一个实施例中，射频源A-102可以每几个毫秒(例如，约五毫秒)提供一个小的脉冲能源(例如，11.5兆赫)，以使外部电容器A-108被充电。当射频源A-102被关闭时，具有极性的偏压保留在外部电容器A-108上，从而探针A-110被偏置以收集离子。随着该偏压的衰退，可以跟踪参见如图B1、B2和C所示的曲线。

本领域的技术人员意识到，探针A-110通常是具有传导平面表面的电探针，该传导平面表面可以靠着反应器室A-104的室壁放置。从而探针A-110直接暴露于反应器室A-104的环境下。由探针A-110收集的电流和电压数据可以用于分析。因为某种方法可能使得非传导性沉积层A-116沉积在探针A-110上，所以不是所有的探针都能够收集可靠的测量值。然而，本领域的技术人员意识到，即使有非传导性沉积层，PIF(平坦离子流)探针也能够收集数据，因为该PIF探针结构进行测量不需要连通直流(DC)。

通过其它传感器测量等离子体系统A-100中的电流和电压信号。在示例中，当射频源A-102被关掉时，分别使用电流传感器A-112和高阻抗电压传感器A-114测量电流和电压。然后用从电流传感器A-112和电压传感器A-114收集的测量数据绘制创建电流图和电压图。可以将数据手动绘制或者输入到软件程序绘制创建这些图。

图B1显示了在射频充电周期后的电压-时间图。在数据点B1-202，在提供射频充电(即，射频脉冲)之后射频源A-102已被关掉。在此示例中，在数据点B1-202，探针A-110两端的电压约为负57伏。当等离子体系统A-100返回到间歇状态(数据点B1-204和B1-206之间的间隔)时，该电压通常达到空载电压电势。在此示例中，该空载电压电势从约负57伏升高到约零伏。然而，该空载电压电势无需非得为零，而可以是负的或正的偏压电势。

类似地，图B2显示了在射频充电之后收集的电流数据的图表。在数据点B2-252，在已经提供射频充电之后射频源A-102已被关掉。在衰退期B2-254期间，外部电容器A-108的返回电流会被放电。在一示例中，在完全充电(数据点B2-252)时，电流约为0.86mA/cm²。然而，当该电流被彻底放电后(数据点B2-256)，电流回到零。根据该图表，该放电花费约75毫秒。从数据点B2-256到数据点B2-258，该电容器保持放电。

因为该电流数据和该电压数据两者都是在一个时间段内被收集的，所以通过协调该时间以消除时间变量，从而形成电流-电压图。换句话说，可以将收集的电流数据针对收集的电压数据对应起来。图C显示了对于射频脉冲之间的单一时间间隔的简单电流-电压图。在数据点C-302，在提供射频充电之后射频源A-102已被关掉。

通过对每个射频脉冲过程中收集的数据进行非线性拟合，可以表征等离子体A-106。换句话说，可以确定表征等离子体A-106的参数(例如，离子饱和度、离子饱和度斜率、电子温度、空载电压电势等)。尽管等离子体A-106可以用收集的数据表征，然而计算该参数的过程是需要人为干预的沉闷的手动过程。在一示例中，当每个射频脉冲后(即，当已经提供了射频充电然后将其关闭后)已经收集了数据时，该数据可以被馈送到软件分析程序。该软件分析程序可执行非线性拟合以确定可以表征该等离子体的参数。通过表征该等离子体，工程师能够确定可以如何调整方法以最小化该衬底的标准处理。

不幸的是，分析每个射频脉冲的数据的现有技术方法会需要若干秒或长达数分钟的时间来完成。因为通常有数千个(如果不是数百万个的话)射频脉冲要分析，所以表征等离子体方法的总时间可能要花几小时来计算。结果，该现有技术方法无法有效地为工艺控制目的而提供及时的关联数据。

现在参考附图中描绘的一些实施方式，对本发明进行详细描述。在下面的描述中，阐明了许多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明没有这些具体细节中的一些或全部仍然可以实施。在其它情况下，没有对公知的工艺步骤和/或结构进行详细描述，以免不必要地模糊本发明。

下面描述了包括方法和技术在内的各种实施方式。应当记住，本发明也涵盖包括计算机可读介质的制造品，在该计算机可读介质上存储有用于执行本发明的技术的各实施方式的计算机可读指令。计算机可读介质可包括，例如，半导体、磁的、光磁的、光学的或者其它形式的用于存储计算机可读编码的计算机可读介质。进一步，本发明还可涵盖用于实施本发明的各实施方式的装置。这样的装置可包括用以执行与本发明的实施方式有关的任务的专用的和/或可编程的电路。这样的装置的例子包括恰当编程过的通用计算机和/或专用计算装置，也可包括适于执行与本发明的实施方式有关的各种任务的计算机/计算装置和专用的/可编程的电路的结合。

如上所述，该PIF探针法可用于收集关于该等离子体的数据，其可位于该反应器室环境内。从传感器(例如，PIF探针)收集的数据可用于表征该反应器室中的等离子体。而且，因为该传感器使用如图A中所示的收集表面，所以也可以确定有关该室表面的数据。在现有技术中，由该PSD探针收集的数据提供了可用于分析的现成的数据源。不幸的是，可被收集的巨大的数据量使得及时地分析该数据成为挑战。因为可能收集数千甚或数百万的数据点，鉴别关联间隔以准确地表征等离子体成为一个艰巨的任务，特别是因为数据通常是手动分析的。结果，收集的数据对提供能够及时对等离子体表征的等离子体处理系统是没有用的。

然而，如果从数千/数百万个收集的数据点中鉴别出表征等离子体所必需的关联数据点，那么表征等离子体所需的时间可以明显减少。依照本发明的实施方式，提供一种在相对短的时间段内自动表征等离子体的方法。此处描述的本发明的实施方式提供了一种用于鉴别该关联范围以减少表征等离子体所需要分析的数据点的算法。此处所述的“关联范围”指的是从在每个射频脉冲之间采集的数千或数百万个数据点中的更小的一组数据点。本发明的实施方式进一步提供了估算可用于计算表征等离子体的值的数学模型的种子值。通过对该关联范围执行曲线拟合，可以计算出可用来表征等离子体的参数。

参考下面的附图和讨论，可以更好地理解本发明的特征和优点。

图D显示了，在本发明的一个实施方式中，描绘用于在衬底处理过程中自动表征等离子体的步骤的简单流程图。考虑以下情况，其中在衬底处理中已经提供了射频充电。

在第一个步骤D-402中，收集电流和电压数据。在一个示例中，在该射频源被开启后，提供射频充电(脉冲)。在该射频充电被关闭后，可以使用电流传感器和电压传感器在探针(比如平坦离子流探针，其可被安装到该反应器室的室壁)收集数据。如上所述，可以由该传感器收集的数据点的数量可以在数千到数百万范围内。在一些情况下，在每个射频脉冲之间可以收集数千到数万个数据点，使得现有技术中接近实时的分析几乎不可能。

在现有技术中，可以分配若干小时来分析在半导体衬底处理过程中收集的测量数据。在本发明的一个方面中，本发明的发明人意识到，不需要分析每个射频脉冲之间的测量数据以表征等离子体。相反，如果将曲线拟合应用于数据组的关联范围，可以确定用于表征该等离子体的参数。

在下一个步骤D-404中，确定关联范围。如上所述，该关联范围指的是在每个射频脉冲之间收集的数据组的子集。在现有技术中，因为数据是手动分析的，所以收集的数据的巨大的量使得计算该关联范围成为艰巨的任务。在许多情况下，可以目视估算该关联范围。在鉴别该关联范围时，可以从数据组的子集中基本上消除可能存在的噪声。在一个示例中，在复杂的衬底处理过程中，在该探针上可能发生聚合物累积，导致收集的数据的一部分是有偏差的。例如，被影响的这部分数据通常是一旦该电容器已经完全被放电后收集的数据。在鉴别该关联范围时，可以从分析中除去与该聚合物累积有关的数据。换句话说，该关联范围的确定使得能够进行等离子体表征而不受随机噪声的影响。例如，在后面对图E的讨论中，提供了有关如何确定关联范围的讨论。

除了鉴别该关联范围以外，在下一个步骤D-406中，还可以确定该种子值。此处讨论的“种子值”指的是该斜率、该电子温度、该离子饱和度值、该空载电压电势等的估算值。例如，在对图E的讨论中，提供了有关如何估算该种子值的讨论。

利用该关联范围和该种子值执行曲线拟合。因为曲线拟合必须在下一个射频脉冲之前执行，所以用于确定该关联范围和/或种子值的方法必须利用最小的总开销并产生接近最终拟合值的值，从而减少实现快速收敛所需的曲线拟合迭代的次数。

使用该关联范围和该种子值，在下一个步骤D-408中，可以执行非线性拟合(例如，曲线拟合)，从而使得该等离子体能够在更短的时间段内被表征而无需昂贵的高端计算机。与现有技术不同，该方法允许来自单一射频脉冲导致的衰退间隔的结果在大约20毫秒内被表征，而不是需要几分钟乃至几小时来处理。具备了这种近似实时分析的能力，该方法可以被用作自动控制系统的一部分以在等离子体处理过程中向工程师提供关联数据。

图E显示了，在本发明的一个实施方式中，用于确定该关联范围和种子值的简单算法。将联系图F1、F2、F3和F4对图E进行讨论。

在第一个步骤E-502中，自动绘制在每个射频脉冲过程中收集的数据。在一个示例中，由该电流传感器收集的电流数据被绘制到电流-时间图F1-600中，比如在图F1中所示的那个。在另一个示例中，收集的电压数据可被绘制到电压-时间图F2-650中，如图F2中所示。尽管该数据可能产生与现有技术类似的图表，然而与现有技术不同，该收集的数据被自动馈送到分析程序中而无需人为干预。替代地，无需绘制收集的测量数据。相反，可以直接将数据馈送到该分析程序中。相反，该图被用作可视的示例来解释该算法。

与现有技术不同，不分析整个数据组来表征等离子体。相反，确定关联范围。为了确定关联范围，在下一个步骤E-504中，可以首先确定百分比衰退点。此处所述的“百分比衰退点”指的是原始值衰退到该原始值的某个百分比的那个数据点。在一个实施方式中，该百分比衰退点可代表被分析的数据间隔的末尾。在一个示例中，当该射频源被关掉时，该电流值约为0.86mA/cm²。图F1的图表F1-600上的数据点F1-602代表了该值。如果百分比衰退点被设定为该原始值的百分之十，该百分比衰退点在数据点F1-604，约为0.086mA/cm²。换句话说，通过对该原始值应用预定义的百分比，可以确定该百分比衰退点，其中该原始值是当该射频源被关掉而该系统正返回平衡状态时的电荷的值。在一个实施方式中，百分比是根据经验确定的。在一个实施方式中，不是使用百分比衰退点来确定该数据间隔的末尾，而是计算在每个射频脉冲时收集的数据的一阶导数的峰值。

在下一个步骤E-506中，该算法可确定该离子饱和区间，其是该原始值和第二衰退点之间的数据子集。此处所述的“离子饱和区间”指的是该电流-电压(IV)曲线的区域，在该区域中该探针的电势相对于该空载电势足够负从而到该探针的电子通量是微不足道的。在此区域中，到该探针的电流随着负电势的增加而缓慢且线性地增加。另外，该离子饱和区间是一种状态，在该状态下该偏压相对于该空载电势足够负从而该探针会收集该系统中所有的现有离子。换句话说，当该偏压被升到足够高时，收集的电流“饱和”。而且，此处所述的“现有离子”指的是碰撞在该包层边界(当偏压进一步增加时其会扩大)上的离子的通量。

换句话说，该离子饱和区间是图F1的数据点F1-602和F1-606的间隔。在一个实施方式中，通过取该原始值的一个百分比(即，数据点F1-602)可以确定该第二衰退点。在一个示例中，如果该第二衰退点是该原始值的约95％，该第二衰退点约为0.81mA/cm²(即，数据点F1-606)。因此，该离子饱和区间是从该原始值(数据点F1-602)到该第二衰退点(数据点F1-606)。注意，该第二衰退点在该原始值(数据点F1-602)和该百分比衰退点(数据点F1-604)之间。与该百分比衰退点类似，在一个实施方式中，该第二衰退点也可以是基于该预定义阈值的。在一个实施方式中，该百分比是根据经验确定的。

一旦确定了该离子饱和区间，在下一个步骤E-508中，可以估算该斜率(s)和该离子饱和度(i₀)。如上所述，该斜率(s)和该离子饱和度(i₀)是可用于数学模型(下面的方程2)以确定表征等离子体的参数的四个种子值中的两个。在一个示例中，可以通过执行线性回归确定该斜率(s)。在另一个实施方式中，该算法还可以通过取数据点F1-602和F1-606之间的数据值的平均值而确定该离子饱和度(i₀)。

在下一个步骤E-510中，该算法可确定该转折点，其是该一阶导数改变正负号的点。在一个实施方式中，该转折点可以通过鉴别该百分比衰退点和该第二衰退点之间的电流值的一阶导数的最小值来计算。为了描绘，图F3显示了电流信号F3-660的百分比衰退点(F3-664)和原始点(F3-662)之间的值的一阶导数。转折点是该一阶导数(F3-670)的最小数据点，其具有-0.012mA/cm²的值和226的索引值(如数据点F3-666所示)。为了确定该转折值，该索引值被映射到电流信号绘图F3-660上。在此示例中，当该一阶导数的索引值被映射到电流信号F3-660时，该转折值是0.4714mA/cm²，如数据点F3-668所示。

在一个实施方式中，该关联范围被定义为该原始值和该转折点之间的范围。附加地或替代地，百分比衰退阈值可以被设定(例如，35％)而不是计算该转折点。在一个示例中，使用35％的百分比衰退点(其可以根据经验确定)，该关联范围可降到图F1的点F1-602和F1-604之间。

$T_e=\mathrm{abs}\left(\frac{I_{\mathrm{meas}}\left(t\right)}{\left(\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{meas}}}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{meas}}}\right)}\right)=\mathrm{abs}\left(\frac{I_{\mathrm{meas}}\left(t\right)}{\left(\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{meas}}}{\mathrm{dt}}\right)\left(\frac{\mathrm{dt}}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{meas}}\left(t\right)}\right)}\right)$[方程1]

表格1：参数定义

鉴别该转折点后，在下一个步骤E-512中，可以估算该电子温度。可以使用上面的方程1估算该电子温度。用于计算该电子温度的电流和电压数据在该转变间隔范围内，该转变间隔通常出现在探针吸收比该离子饱和电流更小的电流时。在一个实施方式中，该电流和电压数据被测量的时间可以对应于该转折点。替代地，也可以使用该电流-电压(I-V)曲线的转折点。因为该电子温度是在对应于该电流-电压曲线上的转折点的时间对射频脉冲收集的数据的一阶导数(是在计算百分比衰退点中确定的)的比，产生该数值所需的计算总开销最小。

在下一个步骤E-514中，该算法可确定该空载电压电势。因为该空载电压电势是根据收集的电压数据确定的，可以确定该空载电压电势而不必首先确定在步骤E-504-E-512中计算的值。本领域的技术人员意识到，空载电压电势是在该外部电容器被完全放电之后该探针悬浮的电势。通常，该空载电压电势可以通过观看刚好在下一个射频脉冲之前的信号而确定。然而，由于聚合物累积导致变形的可能性，可能会收集到错误的数据(即，噪声)；因此，可以通过对在接近该收集时间段的末端收集的电压值求平均值而计算该空载电压电势。在一个实施方式中，该空载电压电势可以从数据点F2-652(该电压首次达到其空载电势的数据点)到数据点F2-654(恰好在下一个射频脉冲之前的数据点)计算，如图F2中所示。在另一个实施方式中，该空载电压电势可以基于窗F-656内的电压值，该窗F2-656位于数据点F2-652和F2-654之间，如图F2中所示。在一个实施方式中，窗F2-656可以是任何尺寸的，只要该窗开始于先前脉冲衰退超过99％之前并在下一个脉冲开始时结束。在一个实施方式中，该空载电压电势可以从提供具有低标准偏差(误差)的平均值的窗中确定。

从上文可以看出，用于确定该关联范围和该种子值的方法考虑了在电流、电压和/或电流-电压(I-V)曲线中可能出现的异常。在一个示例中，聚合物累积可能在射频脉冲的末尾发生。然而，通过应用上述算法，该关联范围和该种子值不受处理过程中可能出现的意外假象的影响。

一旦确定了该关联范围并计算出该种子值，在下一个步骤E-516中，可以对比该电压值绘制该电流值，并可以应用曲线拟合以生成图F4的图表F4-680。在一个示例中，可以应用非线性曲线拟合(比如Levenberg-Marquardt算法)来执行该曲线拟合。通过生成曲线拟合图表并将该种子值应用于该数学模型(比如下面的方程2)，可以确定用于表征该等离子体的四个参数。

[方程2]

表格2：参数定义

从本发明的一个或更多实施方式中可以看出，提供了一种用于在等离子体处理过程中表征等离子体的自动化方法。通过确定关联范围和一组种子值，可以进行等离子体表征而无需处理通常在单一射频脉冲后收集的数千或数百万个数据点。该自动化方法将之前沉闷且手动的过程转化为可以被快速而高效地执行的自动化的任务。在数据分析从几分钟(甚或数小时)显著缩短到若干毫秒的情况下，可以在等离子体处理过程中而不是在生产过程后执行等离子体表征。因此，关联数据可以提供对当前等离子体环境的洞察，从而使得方法和/或工具的调整能够进行而使浪费最小化。

尽管已经依照一些优选实施方式描述了本发明，然而有落入本发明范围的变更、置换和等同。还应当注意，有许多实现本发明的方法和装置的替代方式。尽管此处提供了各种实施例，然而这些实施例意在说明而非限制本发明。

而且，本文提供的发明名称和发明内容也是为了方便，不应当用于解释本发明权利要求的范围。而且，摘要是用高度浓缩的形式写成的，在此提供是为了方便，而不应当用来解释或限制整个发明，发明用权利要求来表示。如果本文使用了术语“组”，这种术语意在具有通常理解的数学含义，涵盖零个、一个、或者一个以上成员。还应当注意，所附权利要求的范围意在被解读为包括所有这些落入本发明的真实精神和范围的变更、置换和等同替换。