使用多变量分析的等离子体蚀刻终点检测

相关申请的交叉引用

本申请基于2012年10月17日提交的、题目为“使用多变量分析的 等离子体蚀刻过程的终点检测的方法(METHOD OF ENDPOINT  DETECTION OF PLASMA ETCHING PROCESS USING MULTIVARIATE  ANALYSIS)”(参考号：TTI-240PROV)的共同未决的美国临时专利申请 第61/715,047号，并要求该美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内 容通过引用被合并在本文中。

本发明的背景

技术领域

本发明涉及例如在半导体制造中用于控制在衬底上蚀刻结构的过程 的方法和系统。更具体地，本发明涉及用于确定蚀刻过程的终点的方法。

背景技术

在制造半导体器件、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)和一 些光伏器件(PV)的过程中通常与光刻结合地使用等离子体蚀刻工艺。 一般来说，诸如光致抗蚀剂的辐射敏感材料的层首先被涂覆在衬底上，并 且被暴露于图案化的光以对其给出潜像。之后，曝光的辐射敏感材料显影， 以移除曝光的辐射敏感材料(或未曝光的，如果使用负性光致抗蚀剂)， 从而留下露出随后要被蚀刻的区域的辐射敏感材料的图案，并覆盖不希望 被蚀刻的区域。在例如等离子体蚀刻过程的蚀刻过程期间，在等离子体处 理室中衬底和辐射敏感材料图案被暴露于活跃离子，以引起辐射敏感材料 下的材料的移除，以形成诸如通孔、沟槽等的蚀刻的特征。在蚀刻下层材 料中的特征之后，使用灰化或剥离处理，辐射敏感材料的剩余物从衬底被 移除，以暴露形成的蚀刻结构，准备好进一步处理。

在诸如半导体器件的许多类型的器件中，在叠置在第二材料层上的第 一材料层中执行等离子体蚀刻过程，并且重要的是：在不继续蚀刻下层的 第二材料层的情况下，一旦蚀刻过程在第一材料层中已形成开口或图案， 蚀刻过程应准确地被停止。

出于控制蚀刻过程的目的，使用各种类型的终点控制，一些终点控制 依靠分析等离子体处理室中的气体的化学组成以推断例如蚀刻过程是否 已进行到与正被蚀刻的层的化学组成不同的化学组成的下层。其它过程可 以依靠由正被蚀刻的结构制成的直接当场(in-situ)测量。在前组中，光 学发射光谱(OES)经常被用于监视等离子体处理室中的气体的化学组成。 通过正被使用的等离子体激活机制激活等离子体处理室中的气体的化学 组成种类，并且在等离子体的光学发射谱中，激活的化学组成种类产生不 同的频谱特征。例如正被蚀刻的层的清除和衬底上的下层的暴露引起的光 学发射谱的变化能够被监视并被用于精确地结束，即终止蚀刻过程，以避 免下层的蚀刻或形成诸如底切等的其它导致生产失败的缺陷。

根据正被蚀刻的结构的类型和蚀刻过程参数，蚀刻过程的终点处的等 离子体的光学发射谱的变化可以很明显且容易检测，或反之微妙且很难检 测。例如，使用用于处理光学发射光谱(OES)数据的当前的算法，具有 很低开口率的结构的蚀刻能够使终点检测困难。因此需要改进以使基于光 学发射光谱(OES)数据的蚀刻终点检测在这种挑战性的蚀刻过程条件下 更鲁棒。

发明内容

本发明的一个方面是用于确定蚀刻过程终点数据的方法，包括在等离 子体蚀刻处理工具中执行一个或更多个等离子体蚀刻过程运行，该等离子 体蚀刻处理工具包括用于获得光学发射光谱(OES)数据的光谱仪。在等 离子体蚀刻过程运行中的每次运行期间，按照相等时间间隔取样光学发射 光谱(OES)数据集，并以时间样本占据行且像素位置(即波长)占据列 地形成光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]。

在本发明的另一个方面中，然后逐个元素地平均获得的光学发射光谱 数据矩阵[X]以形成一个或更多个等离子体蚀刻过程运行的平均光学发射 光谱(OES)数据矩阵[X]^avg。之后，能够过滤平均光学发射光谱(OES) 数据矩阵[X]^avg，以从光学发射光谱(OES)数据移除噪声。为了改进数 据质量以供进一步处理，对光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]和平均光 学发射光谱(OES)数据矩阵[X]^avg中的每个进行截舍以移除对应于等离 子体启动状况和蚀刻过程的终点之后的任何状况的数据集的任何部分。通 过计算均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S_avg]进一步进行计算，在均 值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S_avg]中，每个列的每个元素表示针对 该光谱仪像素，即矩阵列，在截舍之后剩余的所有时间样本上的光谱仪像 素强度的平均。然后从光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]中的每个减去 均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]。因此，光学发射光谱(OES) 数据被去均值。然而，与在多变量分析中做的不同的，在被用作多变量分 析的输入之前，光学发射光谱(OES)数据不被标准化(normalize)。

在本发明的另一方面中，去均值和非标准化的光学发射光谱(OES) 数据现在被用作主成分分析(PCA)的输入，主成分分析(PCA)将物理 光学发射光谱(OES)数据变换成变换后的光学发射光谱(OES)数据向 量[T]。它也提供主成分权重向量[P]，主成分权重向量[P]能够被用于随后 将任何物理光学发射光谱(OES)数据变换成主成分域。

在本发明的又一个方面中，为了可靠地确定蚀刻过程的终点，变换后 的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素能够被组合成函数形式f(T_i)， 也被称为趋势变量，其尤其强调在蚀刻过程达到终点时的时间期间，变换 后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]元素发生的变化。在一个实施方 式中，趋势变量f(T_i)可以只包括变换后的光学发射光谱(OES)数据向量 [T]的单个元素。在其它实施方式中，趋势变量f(T_i)可以包含变换后的光 学发射光谱(OES)数据向量[T]的两个元素的比。比本身可以被提升至 整数或非整数次幂。为了进一步增加终点检测的可靠性，能够通过减去在 蚀刻过程期间针对所有样本时间评估的变换后的光学发射光谱(OES)数 据向量[T]的每个元素的最小值或最小值的倍数来移动(shift)变换后的 光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素。从变换后的光学发射光谱 (OES)数据向量[T]的元素移动或移除“基础”进一步地协助使方法对 与特定蚀刻过程相关联的等离子体化学组成的微妙变化更敏感。在一个实 施方式中，趋势变量的函数形式可以是f(T_i)＝(T₂–2^.min(T₂))²/(T₃–2^.min(T₃))²，其包含变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素T₂和T₃的比的平方，每个元素被移动了相应元素的每个元素的最小值的两 倍。

在本发明的另一方面中，主成分权重向量[P]的值、均值光学发射光 谱(OES)数据矩阵[S_avg]和可选地变换后的光学发射光谱(OES)数据 向量[T]的元素的最小值min(T_i)能够被保存在易失性或非易失性数据存 储介质上，以供名义上相同的或相似的蚀刻过程的当场终点检测。

在本发明的一方面中，通过从数据存储介质检索先前存储的主成分权 重向量[P]的值、均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]和可选地变换 后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素的最小值min(T_i)，进行蚀 刻过程的当场终点检测的处理。在把衬底装载入等离子体蚀刻处理室并引 发等离子体时，在蚀刻过程期间按照规则或不规则间隔使用安装在等离子 体蚀刻处理工具上的光谱仪取得光学发射光谱(OES)数据的测量结果。 获得的光学发射光谱(OES)数据在减去均值光学发射光谱(OES)数据 矩阵[S^avg]之后乘以主成分权重向量[P]，用于将当场获得的数据快速变换 至主成分域。一旦被变换，变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T] 的计算的元素能够被组合在预选的函数形式f(T_i)或趋势变量中，如前面描 述的，f(T_i)的时间演变允许蚀刻过程的终点的精确的当场确定。在一个实 施方式中，函数形式f(T_i)或趋势变量可以包含变换后的光学发射光谱 (OES)数据向量[T]的元素的移动后的值的使用，通过减去变换后的光 学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素的最小值min(T_i)完成其移动。

附图说明

尤其是在结合附图考虑时，参考以下详细描述，本发明的更全面的理 解和许多其伴随的优点将变得容易明白，在附图中：

图1是具有光检测装置和实现本文所描述的蚀刻终点检测方法的控 制器的示例性等离子体蚀刻处理系统的示意图，光检测装置包含用来获得 光学发射光谱(OES)数据的光谱仪。

图2是准备用于后面当场蚀刻终点检测的蚀刻终点数据的方法的流 程图。

图3是当场蚀刻终点检测的方法的流程图。

图4A-D示出变换的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的前四个元 素的时间演变的示例性图。

图5示出包含变换的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的移动元素 的比率的趋势变量函数形式的时间演变的示例性图。

具体实施方式

在以下描述中，为了便于对本发明的充分理解和出于说明而不是限制 的目的，阐述了具体细节，诸如光刻、涂覆器/显影机和间隙填充处理系 统的具体几何结构，以及各种部件及过程的描述。然而，应理解可以以偏 离这些具体细节的其它实施方式实践本发明。

在下面的描述中，术语辐射敏感材料和光致抗蚀剂可以被可交换地使 用，光致抗蚀剂仅是用于光刻的许多合适的辐射敏感材料中的一种。类似 地，在下文中，术语衬底(其表示正被处理的工件)可以与诸如半导体晶 圆、LCD面板、发光二极管(LED)、光伏(PV)装置面板等术语可交 换地使用，所有前述各项的处理都落在要求保护的发明的范围内。

贯穿本说明书对“一个实施方式(one embodiment)”或“实施方式 (an embodiment)”提及是指结合实施方式所描述的特定特征、结构、 材料或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中，但并不表示它们在每 一个实施方式中都出现。因而，贯穿本说明书在各个地方短语“在一个实 施方式中”或“在实施方式中”的出现不一定指本发明的同一实施方式。 此外，在一个或更多个实施方式中可以以任何合适的方式组合特定特征、 结构、材料或特性。

以对理解本发明最有帮助的方式，各种操作将依次作为多个分立的操 作被描述。然而，描述的顺序不应被理解为表明这些操作必须是依赖顺序 的。具体地，不需要以陈述的顺序执行这些操作。可以以与所描述的实施 方式不同的顺序执行描述的操作。在额外的实施方式中可以执行各种附加 操作和/或可以省略所描述的操作。

根据本发明的实施方式，在图1中描绘的是等离子体蚀刻处理系统 10和控制器55，其中控制器55耦合至等离子体蚀刻处理系统10。控制 器55被配置成使用从设置在等离子体蚀刻处理系统10中的各个传感器获 得的数据来监视等离子体蚀刻处理系统10的性能。例如，控制器55能够 用于控制等离子体蚀刻处理系统10的各个部件，以检测故障并检测蚀刻 过程的终点。

根据图1中描绘的本发明的图解实施方式，等离子体蚀刻处理系统 10包含处理室15、其上附着要处理的衬底25的衬底保持件20、气体注 入系统40和真空泵系统58。衬底25能够是例如半导体衬底、晶圆或液 晶显示器(LCD)。等离子体蚀刻处理系统10能够例如被配置成便于在邻 近衬底25的表面的处理区域45中产生等离子体，其中经由在加热的电子 和可电离的气体之间的碰撞形成等离子体。经由气体注入系统40引入可 电离的气体或气体的混合物，并调整处理压力。期望的是，使用等离子体 以产生特定于预定材料处理的材料，以及有助于从衬底25的暴露的表面 移除材料。例如，控制器55能够被用于控制真空泵系统58和气体注入系 统40。

衬底25能够例如经由机器人衬底转移系统，通过槽阀(未示出)和 室传馈送通路(feed-through)(未示出)，被转移入和被转移出等离子体 蚀刻处理系统10，在机器人衬底转移系统中，衬底25被衬底保持件20 内容纳的衬底提升销(未示出)接收并被衬底保持件20内容纳的装置机 械地平移。一旦从衬底转移系统接收衬底25，衬底25就下降到衬底保持 件20的上表面。

例如，衬底25能够经由静电夹持系统28被附着到衬底保持件20。 此外，衬底保持件20还能够包括包含再循环冷却剂流的冷却系统，该再 循环冷却剂流从衬底保持件20接收热并将热传递至热交换系统(未示 出)，或当加热时，传递来自热交换系统的热。而且，气体能够经由背面 气体递送系统26被递送到衬底的背面，以改进衬底25和衬底保持件20 之间的气隙导热性。在衬底的温度控制需要在提高或降低的温度处时，能 够使用这种系统。例如，在超过稳态温度的温度处，衬底的温度控制能够 是有用的，该稳态温度由于从等离子体递送给衬底25的热通量和通过传 导到衬底保持件20从衬底25移除的热通量的平衡而实现的。在其它实施 方式中，能够包括诸如电阻加热元件或热电加热器/冷却器的加热元件。

继续参考图1，处理气体能够例如通过气体注入系统40而被引入至 处理区域45。处理气体能够例如包含诸如针对氧化物蚀刻应用的Ar、C₄F₈和O₂，或氩、CF₄和O₂，或例如像O₂/CO/Ar/C₄F₈、O₂/CO/Ar/C₅F₈、 O₂/CO/Ar/C₄F₆、O₂/Ar/C₄F₆、N₂/H₂的其它化学成分的气体混合物。气体 注入系统40包含喷淋头，其中通过气体注入增压间(未示出)和多孔喷 淋头气体注入板(未示出)从气体递送系统(未示出)向处理区域45供 应处理气体。

真空泵系统58例如可包括泵速直达5000升每秒(及更大)的涡轮分 子真空泵(TMP)和用于节流调节室压力的闸阀。在用于干等离子体蚀 刻的常规等离子体处理装置中，一般使用1000至3000升每秒的TMP。 对于典型地小于50毫托的低压力处理，TMP是有用的。在更高压力处， TMP泵速急剧下降。对于高压力处理(即大于100毫托)，能够使用机 械增压泵和干粗抽泵。此外，用于监视室压力的装置(未示出)耦合至处 理室15。压力测量装置能够例如是从马萨诸塞州安德沃的MKS仪器公司 商业可得的628B型Baratron绝对电容压力计。

如图4中进一步示出的，等离子体蚀刻处理系统10包含等离子体源 80。例如，RF或微波功率能够通过阻抗匹配网络或调谐器74从发生器 72耦合至等离子体源80。对于电容性耦合的(CCP)、电感性耦合的(ICP) 和变压器耦合的(TCP)等离子体源，用于施加RF功率到等离子体源的 频率从10MHz到200MHz变化，并且优选为60MHz。对于诸如电子回 旋加速器(ECR)和表面波等离子体(SWP)源的微波等离子体源80， 发生器72的典型的操作频率在1和5GHz之间，并且优选为大约2.45GHz。 表面波等离子体(SWP)源80的示例是径向线隙缝天线(RLSA)等离 子体源。而且，控制器55能够耦合至发生器72和阻抗匹配网络或调谐器 74，以控制RF或微波功率到等离子体源80的施加。

如图1中所示，经由通过阻抗匹配网络32发送来自RF发生器30的 RF功率到衬底保持件20，衬底保持件20能够在RF电压处被电偏置。 RF偏压能够用于吸引来自形成在处理区域45中的等离子体的离子，以有 助于蚀刻过程。用于施加功率到衬底保持件20的频率能够从0.1MHz到 30MHz变化，并且优选为2MHz。替选地，RF功率能够以多个频率被 施加到衬底保持件20。此外，阻抗匹配网络32用于通过最小化反射的功 率来使在处理室15中到等离子体的RF功率的转移最大化。能够使用各 种匹配网络拓扑(例如L型、π型、T型等)和自动化控制方法。

各种传感器被配置成从等离子体蚀刻处理系统10接收工具数据。传 感器能够包含等离子体蚀刻处理系统10固有的传感器和等离子体蚀刻处 理系统10非固有的传感器二者。固有的传感器能够包含涉及等离子体蚀 刻处理系统10的功能的那些传感器，该功能诸如是氦背面气体压力、氦 背面流、静电卡盘(ESC)电压、ESC电流、衬底保持件20温度(或下 电极(LEL)温度)、冷却剂温度、上电极(UEL)温度、转发RF功率、 反射RF功率、RF自感DC偏压、RF正负峰间电压、室壁温度、处理气 体流速率、处理气体局部压力、室压力、电容器设置(即C1和C2位置)、 聚焦环厚度、RF时间、聚焦环RF时间和任何其统计的测量。替选地， 非固有的传感器能够包含不直接与等离子体蚀刻处理系统10的功能有关 的那些传感器，诸如如图1中所示的在处理区域45中监视从等离子体发 射的光的光检测装置34。

光检测装置34能够包含诸如用于测量从等离子体发射的总光强度的 (硅)光电二极管或光电倍增管(PMT)的检测器。光检测装置34能够 进一步包含诸如窄带干涉滤波器的光学滤波器。在替选实施方式中，光检 测装置34包含线CCD(电荷耦合器件)或CID(电荷注入器件)阵列和 诸如光栅或棱镜的光色散装置。另外，光检测装置34能够包含用于在给 定波长处测量光的单色器(例如光栅/检测器系统)或用于测量频谱的光 谱仪(例如具有旋转或固定光栅)。光检测装置34能够包含来自峰传感器 系统(Peak Sensor Systems)的高分辨率光学发射光谱(OES)传感器。 这种OES传感器具有跨越紫外线(UV)、可见光(VIS)和近红外(NIR) 光谱的宽频谱。在峰传感器系统中，分辨率近似为1.4埃，换言之，传感 器能够从240nm到1000nm收集5550个波长。在峰系统传感器中，传 感器配备有高灵敏度微型光纤光学UV-VIS-NIR光谱仪，其进而与2048 个像素线性CCD阵列一体化。

在本发明的一个实施方式中光谱仪接收通过单个和捆绑光纤传输的 光，其中使用固定光栅在线CCD阵列上使从光纤输出的光色散。与上述 的配置相似，经由凸球面透镜，将通过光学真空窗发射的光聚集到光纤的 输入端上。三个光谱仪，每个都针对给定频谱范围(UV，VIS和NIR) 具体调整，形成处理室的传感器。每个光谱仪包含独立A/D转换器。最 后，取决于传感器的使用，能够每隔0.01秒到1.0秒记录全发射频谱。

替选地，在一个实施方式中，光检测装置34可以使用具有全反射光 学器件的光谱仪。此外，在一个实施方式中，可以使用包含针对检测的光 波长的整个范围的单个光栅和单个检测器的单个光谱仪。用于使用例如光 检测装置34获得光学发射光谱(OES)数据的光学发射光谱硬件的设计 和使用，对光学等离子体诊断领域的技术人员是公知的。

控制器55包含微处理器、存储器和数字I/O端口(可能包含D/A和 /或A/D转换器)，其能够产生控制电压，控制电压足以传达并激活到等离 子体蚀刻处理系统10的输入以及监视来自等离子体蚀刻处理系统10的输 出。如图1中所示，控制器55能够耦合至RF发生器30、阻抗匹配网络 32、气体注入系统40、真空泵系统58、背面气体递送系统26、静电夹持 系统28和光检测装置34，并与它们交换信息。使用存储在存储器中的程 序来根据存储的处理配方与等离子体蚀刻处理系统10的上述部件进行交 互。控制器55的一个示例是从得克萨斯州奥斯汀的戴尔公司(Dell  Corporation)可得的戴尔精度工作站530TM(DELL PRECISION WORKSTATION 530TM)。控制器55能够相对于等离子体蚀刻处理系统 10位于本地，或它能够相对于等离子体蚀刻处理系统10位于远程位置。 例如，使用直接连接、内联网和因特网中的至少一个，控制器55能够与 等离子体蚀刻处理系统10交换数据。控制器55能够耦合至例如客户站点 (即装置制造者等)处的内联网，或它能够耦合至例如供应商站点(即设 备制造者)处的内联网。另外，例如控制器55能够耦合至因特网。此外， 另一计算机(即控制器、服务器等)能够例如经由直接连接、内联网和因 特网中的至少一个访问控制器55以交换数据。如本文进一步描述的，基 于从光检测装置34提供的输入数据，控制器55还实现用于检测在等离子 体蚀刻处理系统10中执行的蚀刻过程的终点的算法。

根据本发明的一个实施方式的终点确定的过程以两个阶段进行。在第 一阶段中，在等离子体蚀刻处理系统10中执行的一个或更多个蚀刻过程 运行期间使用光检测装置34获得光学发射光谱(OES)数据，使得能够 建立获得的光学发射光谱(OES)数据的多变量模型。一旦已经建立光学 发射光谱(OES)数据的多变量模型，就能够在用于当场蚀刻终点检测的 第二阶段中使用该多变量模型，只要在第二阶段期间运行的蚀刻过程在正 被蚀刻的结构、蚀刻过程条件、使用的蚀刻处理系统等方面与在第一阶段 中执行的一个或更多个蚀刻过程运行中使用的那些相当地相似。这是为了 保证多变量模型的有效性。

现在参考图2，其中示出第一阶段的流程图200，通过执行一组一个 或更多个等离子体蚀刻过程运行来在步骤210处开始建立光学发射光谱 (OES)数据的多变量模型的过程。如之前提及的，在这些运行期间的蚀 刻过程条件需要与终点将在第二阶段中被确定的蚀刻过程相当地接近，以 保持多变量模型的有效性。在这些等离子体蚀刻过程运行期间，使用例如 等离子体蚀刻处理系统10的光检测装置34获得光学发射光谱(OES)数 据。在每个等离子体蚀刻过程运行期间，获得n次光谱，其中n是大于1 的整数。连续光学发射光谱(OES)数据获得(即频谱获得)之间的取样 间隔可以从0.01秒到1.0秒变化。每个获得的光学发射光谱(OES)数据 集(即频谱)包含对应于CCD(电荷耦合器件)检测器的m个像素的m 个测量的光强度，每个像素对应于通过衍射光栅投射到像素上的特定光波 长，该衍射光栅典型地用作光检测装置34中的光色散装置。根据期望的 光谱分辨率，CCD检测器可以具有256至8192个像素，但最常使用2048 或4096的像素数量。

在步骤215中过程继续，在该步骤中，针对所有等离子体蚀刻过程运 行i＝1，2，…k建立光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]^[i]。每个矩阵[X]^[i]是n×m矩阵，其中获得的光谱被布置在矩阵的行中，使得行对应于在取 得光学发射光谱(OES)数据时的n个时间点，并且列对应于像素数量m。

在步骤220中，通过在所有i＝1，2，…k的等离子体蚀刻过程运行上 求出所有获得的矩阵[X]^[i]的每个元素的平均值，计算n×m平均光学发射 光谱(OES)数据矩阵[X^avg]。

在步骤225中，从平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X^avg]过滤噪 声。能够使用例如像移动平均滤波器的各种类型的滤波器。此外，根据可 与正使用的等离子体蚀刻处理系统、正被蚀刻的结构、正使用的蚀刻过程 条件等相关的在数据中遇到的噪声的量，操作者可以为选择的滤波器选择 不同的参数。例如，在移动平均滤波器的情况下，可以将滤波器窗调整至 最适当的宽度，因而有效地移除噪声；但保留了重要的信号数据。发明人 已经发现通过在该阶段对数据滤波能够获得更好的结果，而不是如在现有 技术光学发射光谱(OES)蚀刻终点系统中通常所做的那样在构造获得的 光学发射光谱(OES)数据的多变量模型之后对数据滤波。

在步骤230中，截舍所有获得的光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]^[i]， 以移除在等离子体启动期间以及可选地在实际蚀刻过程终点之后获得的 光谱。一旦在等离子体蚀刻处理系统10中等离子体已稳定，继而发生通 过截舍数据来清除矩阵[X]^[i]的不属于蚀刻的稳定时段的任何数据。由于在 某时间点处做出的测量结果被截舍，所以矩阵[X]^[i]的行通常被移除。可选 地，如果光谱的截舍部分中的等离子体发射波长对蚀刻终点信号不作贡 献，则某些波长范围也能够被截舍。此时，也可以以与矩阵[X]^[i]相同的方 式截舍平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X^avg]。

在步骤235中，计算均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]，其 中每个列的所有元素被设置为在平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X^avg] 的整个列的元素上(即在所有时间点上)的平均。该矩阵[S^avg]被用来将 所有光学发射光谱(OES)数据去均值(de-mean)。

在步骤240中，在构造获得的光学发射光谱(OES)数据的多变量模 型之前，从每个获得的光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]^[i]，i＝1，2，… k，减去均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]，以执行去均值步骤， 即平均减法。在现有技术光学发射光谱(OES)蚀刻终点系统中，除了去 均值之外，光学发射光谱(OES)数据也总是使用例如光学发射光谱(OES) 数据的标准差而被标准化。然而，如先前讨论的，就像数据滤波的情况， 发明人已发现如现有技术中进行的那样的标准化导致较不可靠的终点检 测，尤其在挑战性的检测条件下。因此，保持数据非标准化。

在步骤245中，去均值的光学发射光谱(OES)数据[X]^[i]-[S^avg]被用 作到多变量分析(例如像主成分分析(PCA))的输入。建立主成分(PC) 模型

[T]＝([X]^[i]–[S^avg])[P]   (公式1)

其中向量[T]表示变换后的光学发射光谱(OES)数据向量。向量T 具有被称作主成分的元素T_i，元素T_i表示减小的变量集，在这种光学发 射光谱(OES)数据情况下，能够用该减小的变量集描述输入数据。向量 [P]是主成分(PC)权重的向量，其能够被用于根据公式1将去均值的光 学发射光谱(OES)数据变换成变换后的光学发射光谱(OES)数据向量 [T]。建立和创建主成分分析(PCA)模型的方法对本领域技术人员是公 知的。

由于第一阶段的目标是预先计算用于后面当场蚀刻终点检测的有用 的多变量模型参数，所以现在保存各种参数以用于后面使用。在步骤250 中，将均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]保存至易失性或非易失 性存储介质，以便于将当场测量的光学发射光谱(OES)数据去均值。同 样在该步骤中，将主成分(PC)权重的向量[P]保存至易失性或非易失性 存储介质，以便于将当场测量的光学发射光谱(OES)数据快速变换成变 换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]。

在某种情况下，发明人已发现移动(shift)变换后的光学发射光谱 (OES)数据向量[T]的元素T_i(即主成分)的计算的值对于终点检测可 靠性是有用的，这是因为它们随时间演变，使得它们集中在零值周围，而 不是增长成大的正值或负值。在步骤255中完成该移动，其中针对在蚀刻 过程期间取得测量结果的每个时间点评估变换后的光学发射光谱(OES) 数据向量[T]的至少一个元素T_i，并且获得该元素或这些元素的最小值 min(Ti)。为此，可以使用来自平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X^avg] 或其它数据的时间演变数据。然后在步骤260中将该最小值存储在易失性 或非易失性存储介质上以用于后面在当场终点检测中使用，由此根据当场 测量的光学发射光谱(OES)数据而计算的变换后的光学发射光谱(OES) 数据向量[T]的元素T_i的最小值min(T_i)能够被用于移动变换后的光学发 射光谱(OES)数据向量[T]的同一元素T_i的时间演变值。

在易失性或非易失性存储介质上存储的数据值现在准备好在第二阶 段(即在当场蚀刻终点检测中)被使用。能够在图1的等离子体蚀刻处理 系统10的控制器55中执行图2的流程图200中概述的整个过程。

图3示出等离子体蚀刻处理系统100中的当场终点检测的过程的流程 图300，等离子体蚀刻处理系统100配备有光检测装置34，使得在流程图 200的步骤250和260中保存的数据可得到。

在步骤310和315中，从易失性或非易失性存储介质检索先前确定的 均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]和主成分(PC)权重的向量[P]， 并将其装载到图1的等离子体蚀刻处理系统10的控制器55的存储器中。 控制器55将执行确定等离子体过程的终点所需要的所有当场计算。同样， 在步骤320中，如果被使用的话，能够将变换后的光学发射光谱(OES) 数据向量[T]的元素T_i的至少一个最小值min(T_i)从易失性或非易失性介 质装载到控制器55的存储器。

在步骤325中，将衬底25装载到等离子体蚀刻处理系统10，并在处 理区域45中形成等离子体。

在步骤330中，现在使用光检测装置34以当场即随时间演变的蚀刻 过程期间获得光学发射光谱(OES)数据。

在步骤335中，从每个获得的光学发射光谱(OES)数据集(即频谱) 减去检索的均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[S^avg]元素，以在使用已 经开发的多变量模型变换之前将获得的频谱去均值。如先前提到的，发明 人已发现如果没有作变换之前的数据的标准化，则终点检测过程是更鲁棒 的，所以在该步骤处没有作数据的标准化，就像在第一阶段期间没有作一 样。

在步骤340中，使用已经开发的主成分分析(PCA)多变量模型，以 利于公式1和主成分(PC)权重的检索的向量[P]将去均值的光学发射光 谱(OES)数据变换成变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]，即 主成分。该处理非常快，因为它仅包含简单的乘法，因而适合当场实时计 算。当变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的计算的元素T_i随时 间演变时，它们能够被用于终点检测。

图4A-D针对开口率具有0.06％的低值的蚀刻过程示出变换后的光学 发射光谱(OES)数据向量[T]的元素T₁至T₄(即前四个主成分)的时间 演变，前述低值对于使用光学发射光谱(OES)的终点检测而言是很有挑 战性的条件。从图4A能够看到第一主成分T₁尽管统计上携带关于光学发 射光谱(OES)数据的大多数信息，但在蚀刻终点附近(在所有的图中位 于略大于30秒的位置处)没有示出可辨的变化。图4B示出：第二主成 分T₂在终点处示出可辨的最小值或跌落(dip)410，但是跌落410与在 T2的时间演变中的其它最小值可比较，所以在这些情况下主成分T₂对终 点检测也不是很有用。图4C示出：第三主成分T₃在蚀刻终点处示出略微 有用的最小值或跌落420，而且这能够被用于终点检测，但有疑问的是， 在数据比这里示出的更嘈杂的情况下，它自己是否能够可靠地用于终点检 测。最后，图4D示出第四主成分T₄，与主成分T₂一样，由于在终点处 的最小值与其它最小值可比较，T₄不是终点的可靠指标。大多数现有技 术光学发射光谱(OES)蚀刻终点系统将单个主成分T_i用于终点检测。

根据前述内容，能够看到：存在使用变换后的光学发射光谱(OES) 数据向量[T]的元素T_i的时间演变值来进一步改进终点检测的需要。发明 人已经发现：通过将多个主成分组合成函数形式f(T_i)能够导致更好且更可 靠的终点检测。具体地，发明人已经发现包含移动的主成分的时间演变函 数形式(使用主成分的最小值的两倍作为移动距离)，即

f(T_i)＝(T₂–2^.min(T₂))²/(T₃–2^.min(T₃))²(公式2)

当使用诸如图4A-D中那些条件的蚀刻条件即蚀刻低开口率结构时， 能够对蚀刻终点检测特别有用。在下文中包含多个主成分T_i的时间演变 信号f(T_i)将被称为趋势变量。公式2的检验示出：一旦计算出主成分T_i， 进一步使用变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素T_i的检索 的最小值min(T_i)，就能够实时地容易且有效地当场评估趋势变量f(T_i)。 在流程图300的步骤345中发生该计算。

在步骤350中，能够对变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T] 的每个时间演变元素T_i进行微分，以进一步便于使用趋势变量斜率数据 进行终点检测。

图5示出获得图4A-D的主成分T₁至T₄的同一蚀刻过程的公式2的 趋势变量f(T_i)的时间演变。根据该图很清楚的是：由于该深凹，相比于单 个主成分T_i优选公式2的函数形式f(T_i)，从而容易地识别被微分的趋势 变量f(T_i)在蚀刻终点通过的最小值510。

发明人还已发现在较不挑战的条件下可以成功使用趋势变量f(T_i)的 其它函数形式，例如T₂/T₃、(T₂/T₃)²、(T₂-2^.min(T₂))/(T₃-2^.min(T₃))等。如与 在现有技术中做出的单独使用主成分相反，这些函数形式中的大多数包含 主成分的比率，并且可以使用变化的移动距离以促使主成分值接近于零， 所以能够增加主成分的比率的值，以容易检测终点。

既然已经计算了时间演变趋势变量f(T_i)，那么在步骤355中，等离子 体蚀刻处理系统10的控制器55需要作决定：是否已经达到终点。如果的 确已经达到终点，在步骤360处结束蚀刻过程，否则继续蚀刻过程，并且 经由流程图300的步骤330-355来继续监视蚀刻终点。

相关领域技术人员能够明白，按照上述教导许多修改和变型是可能 的。本领域技术人员将认识到在图中示出的各种部件的各种等同的组合和 替换。因此意在使本发明的范围不受本具体实施方式限制，而是受这里所 附的权利要求限制。