以光学方法测量温度并监控蚀刻率的方法 本发明涉及一种蚀刻率的监控方法以及利用该方法的蚀刻装置，尤指一种原位(in situ)蚀刻率的监控方法(in situ etch-rate monitoringmethod)以及利用该方法的蚀刻装置。
在半导体工艺中，蚀刻工艺的蚀刻率必须非常精确的掌控，才可以运到工艺中所需要的目的。
公知的蚀刻率的计算方法大约可以分成两大类，第一类方法使用控制晶片(control wafers)直接进行蚀刻工艺，然后测量控制晶片上的薄膜厚度变化的值除以工艺时间便得到蚀刻率。但是，这样的方法一方面需要额外准备控制晶片，另一方面需要特别的一段时间来蚀刻控制晶片，所以，整个蚀刻率计算的成本是非常大的。而且，蚀刻率的准确与否也依赖厚度测量机(thickness measurement tool)的准确度，只要厚度测量机有问题或是停机，则无法精确的获得蚀刻率。另一种方法是比较进步的，称之为原位(in situ)厚度监控法(in situ thicknessmonitoring)。主要是以一激光照射于正在进行蚀刻工艺的半导体芯片上，然后以一干涉仪(interferometer)监控半导体芯片上薄膜所导致的干涉波图案(interference wave pattern)，并据以判断薄膜的厚度，而厚度随着时间的变化即是蚀刻率。这种方法的最大好处是节省成本，可以免除控制晶片地准备与工艺时间管理。但是，干涉效果是非常容易受到测量点上薄膜特性(譬如折射率以及反射系数等)的变化以及测量位置的影响，每次薄膜的特性是否都能控制在一定范围内是一个问题，此外，蚀刻工艺时会有些许不可确定物质(如高分子聚合物polymer)沉积于测量点上，厚度测量的精确值便容易失真，而且，测量点上薄膜的平整度也会影响厚度的判断。这一切都告诉我们，于蚀刻工艺时测量薄膜厚度是非常不稳定的，所以得到的蚀刻率的可信度也非常的不确定。
本发明的目的，在于提供一种原位(in situ)蚀刻率的监控方法及其装置，可以于进行蚀刻工艺时便同时对照到蚀刻工艺的蚀刻率。
本发明的另一目的，在于提供一种不受薄膜特性影响的蚀刻率监控方法，可以得到一个精确的蚀刻率监控方法。
本发明提出一种蚀刻率监控方法，适用于一等离子体蚀刻装置。本发明方法首先进行一等离子体蚀刻工艺，接着于蚀刻工艺进行时，监控该等离子体放电所产生的特定波长光的强度分布。最后依据特定波长光的强度分布以及一运算规则，以光学方法得到一光学温度并对照出该等离子体蚀刻工艺的蚀刻率。
本发明还提出一种蚀刻装置，具有原位(in situ)监控蚀刻率的功能(with in situ monitoring of etch rate)。本发明蚀刻装置包含有一真空室、一多频道光谱仪(optical multi-channel analyzer)以及一计算机。真空室，用以进行一等离子体蚀刻工艺。多频道光谱仪于进行该等离子体蚀刻工艺时，用以监控该真空室中因等离子体放电所产生的特定波长光的强度。计算机依据特定波长光的强度分布以及一运算规则，以光学方法求得一温度并对照出该等离子体蚀刻工艺蚀刻率。
所述的特定波长光可以是由该装置中的一特定气体分子能态(energy states)间跃迁(transition)所产生。气体分子的选择可以是参与等离子体蚀刻工艺反应的气体分子之一，也可以是非参与等离子体蚀刻工艺反应的气体分子之一。所以，特定气体分子可以为一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、CF、CF2、SiF、C2以及HF其中之一。同时，能态间跃迁可以选择电子能态、振动能态或者是转动能态之间的跃迁。
本发明的第一个优点在于成本的节省。本发明为一种原位(in situ)监控蚀刻率方法，所以不需要控制晶片成本以及测量时间成本。
本发明第二个优点在于监控到的蚀刻率可以变得更精确。因为，每一种气体分子所放射出的光线波长分布都不相同，只要监控特定的几个波长光的强度，便可以得到相对应的一种气体分子的激发状态密度分布，接着推导出该气体分子的温度(能量分布)，进而对照出一相对应的蚀刻率。所以，蚀刻率的监控可以变的更精确。
为使本发明上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：附图简要说明：
图1是本发明的监控方法的示意图；
图2是本发明的蚀刻装置的示意图；
图3是气体分子的能态间跃迁的示意图；
图4是光强度分布与振动温度的关系示意图；
图5是氧气气体流量与振动温度、蚀刻率的关系图；
图6是CHF3气体流量与振动温度、蚀刻率的关系图；
图7a是一特定气体的发射光分布图；以及
图7b是图7a中d-＞s的部分放大图。
图号说明：
20蚀刻装置 22真空室
24多频道光谱仪 26计算机
30上电子能态 32下电子能态实施例：
请参阅图1，它为本发明监控方法的示意图。本发明提出一种蚀刻率监控方法，适用于一等离子体蚀刻装置。本发明的方法首先进行一等离子体蚀刻工艺10。接着于等离子体蚀刻工艺进行时，监控该等离子体放电所产生的特定波长光的强度分布12。最后依据特定波长光的强度分布以及一运算规则，以光学方法求得一温度并对照出等离子体蚀刻工艺蚀刻率14。
运用本发明的监控方法，本发明还提出一种具有原位(in situ)监控蚀刻率功能(in situ monitoring of etch rate)的蚀刻装置。如图2所示，本发明蚀刻装置20包含有一真空室22、一多频道光谱仪(opticalmulti-channel analyzer，OMA)24以及一计算机26。真空室22用以进行等离子体蚀刻工艺。多频道光谱仪24于进行等离子体蚀刻工艺时，用以监/真空室22中因等离子体放电所产生的特定波长光的强度。计算机26依据许多(a plurality of)预定波长光的强度分布以及运算规则，以光学方法求得一温度，并对照出等离子体蚀刻工艺之蚀刻率。
本发明的主题在于建立气体分子的激发状态的分布与蚀刻率的关联性。本发明的方法于进行蚀刻工艺时，监控气体分子的激发状态分布(excitation distribution)。并依据气体分子的激发状态的分布推导出光学温度，然后对照出蚀刻率。如此，便可以得到一个精确的蚀刻率。
请参阅图3，图3为气体分子的能态间跃迁的示意图。可以将气体分子的能阶分成电子能态、振动能态以及转动能态。如图3所示，图3中的两条曲线分别代表上电子能态(upper electrical state)30与下电子能态(bottom electrical state)32的能量与原子间距离关系。而上电子能态30与下电子能32中又可以个别细分为多个振动能态34，如图3中Ea1至Ea5以及Eb1至Eb4的并行线所示。当气体分子于不同的能态间跃迁时，光子(photon)的产生是其中一种能量转换的方法。如图3所示，从Eb1振动能跃迁至Ea1振动能态时，便会放射一个能量为hυ11(＝Ea1-Eb1)的光子，也就是发射出频率为υ11的光波。而不同的跃迁便产生不同频率的光，如图3中的hυ11至hυ41所示。
由量子力学中可知，每一种气体分子的能态分布都是不同的。因此，气体分子于不同能态之间的跃迁所产生的光强度以及波长的分布也会随着气体分子不同而有所差异，譬如说CO与HF于进行蚀刻工艺时所产生的光波长便不相同。因此，可以监控某些波长光的强度大小以判断气体分子的存在与否。同时，这也意味着可以对不同的分子气体加以监控。
由物理教科书可知，不同波长光的光强度应与跃迁的气体分子密度成正比，其公式可以表示如下：
IλαФNqλ-3 -----------------(1)其中，Iλ表示波长为λ的光强度，λ表示为光的波长，Ф表示监控器的灵敏度，N表示气体分子的浓度，q表示为法朗克康登系数(Frank-Condon factor)并且正比于跃迁的机率。气体分子在某一种激发状态下的浓度分布可代表一种气体分子的动能，亦即光学温度。在此定义不同振动能态跃迁下光谱强度分布对应于气体分子的一振动温度Tvib。气体分子的浓度分布与振动温度Tvib的关系可由一般教科书中得到如下公式
N(υ)αexp[-E(υ)/(kbTvib)]---------(2)其中，N(υ’)表示为气体分子于振动状态υ’下的数目浓度，E(υ’)表示振动状态υ’的振动能态，kb表示波兹曼常数(Boltzman constant)，Tvib表示振动温度。
以本发明的方法求蚀刻率，首先必须先选择某一种气体分子的某一能态间跃迁所产生的光作为判断标准，譬如说，CO气体分子的d3П(υ’)到a3П(υ”)能态跃迁(光波长的分布约430nm至830nm)。假定从υ’选了0到9个振动能态，υ”选了最低的振动能态(ground state)。因此，CO气体分子的d3П(υ’)到s3П(υ”)的能态跃迁所产生的光有10种不同的波长。然后于蚀刻工艺进行时，监控10种波长光的光强度。接着由公式(1)便可以得到发生跃迁的CO气体分子浓度在激发状态下的分布，一个波长光的强度便是相对应到一个d3П(υ’)振动能态的CO气体分子浓度。然后利用公式(2)。E(υ’)的值选定了d3П(υ’)中的10个能态时便属于已知，而振动温度Tvib便可以藉由曲线逼近法(curvefitting)、取样(sampling)或一些简单的运算规则加以求得。如图4所示，图4中有两个不同的光强度分布，分别代表气体分子的振动温度为Tvib1与Tvib2，其中Tvib2大于Tvib1。而由实验上所累积的数据值，即可以建立一套振动温度Tvib与蚀刻率的相关公式，或者是一相关对照表。之后，于每一次进行相同的蚀刻工艺时，只要监控CO气体分子的10个波长光的强度分布，得到光强度分布图，便可得当时的振动温度Tvib，最后对照出蚀刻率。而这一切的计算过程都可以用一计算机上简单的程序加以处理，可以于进行蚀刻工艺时立即获得对应蚀刻率。所以，本发明蚀刻率监控方法为一种原位(in situ)蚀刻率监控方法。
请参阅图5，图5为氧气气体流量与振动温度、蚀刻率的关系图。因为氧气气体的增加会导致氟气体的增加而加快蚀刻率，所以
。 --------(3)因此图5中的实验数据可以发现，蚀刻率随着氧气气体的增加而变快，而同时，由光波长强度分布图推导出的振动温度Tvib也随氧气气体的增加而增加。请参阅图6，图6为CHF3气体流量与振动温度Tvib、蚀刻率(etch rate，ER)的关系图。因为CHF3气体的增加会增大高分子聚合物(polymer)形成的机会而阻挡蚀刻的进行，所以蚀刻率会随着CHF3气体流量的增加而减少。而同时，由光波长强度分布图推导出的振动温度Tvib也随CHF3气体的增加而减少。由图5以及图6均可得知，振动温度Tvib大约是与蚀刻率成正关系，所以振动温度Tvib会是蚀刻率的一个很好的监控系数。
本发明中特定气体分子的选择可以是参与等离子体蚀刻工艺反应的气体分子之一，也可以是非参与蚀刻工艺反应的气体分子之一。譬如说，于氧化硅蚀刻工艺时，真空室中的气体分子就有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、CF、CF2、SiF、C2以及HF等，这些气体分子发射的光均可以作为本发明的监控目标。只是要考虑气体分子的稳定度以及浓度数量，必须要发射光强度足够到一定程度使多频道光谱仪能够监控到才能使用。当然的，也可以选择两种或两种以上的气体分子发射光作为监控目标，以两种气体分子的振动温度双重检验(double check)使得估测的蚀刻率更为精确。
除了监控先前例子中不同的振动能态间跃迁所产生的光之外，如第4图所示，本发明也可以监控不同的电子能态间或是不同的电子能态间转动能态间跃迁所产生的光。请参阅图7a以及图7b，图7a为一特定气体的发射光分布图，图7b为第7a图7a中d-＞s的部分放大图。假定电子能态由低至高分为s、p、d以及e，振动能态分为0、1、2以及3，转动能态分为α、β以及γ。如第图7a所示，放射光可以明显的分类成不同电子能态间跃迁所产生的e-＞s、d-＞s以及p-＞s组，如图7b所示，每一组又可以分类成不同振动能态间跃迁所产生的0-＞0、1-＞0、2-＞0以及3-＞0次小组(sub-group)，每次小组又可分类成不同转动能态间跃迁所产生的α-＞α、β-＞α以及γ-＞α光。当然，在不同的激发状态下，光强度的分布便会有不同的结果。只要是监控器(如多频道光谱仪)能够监控，并且区别的出来个别波长光的强度，不同电子能态间跃迁所产生光强度分布(电子温度Telec)以及不同转动能态间跃迁所产生光强度分布(转动温度Trota)都可以用来作为蚀刻率的指针。
本发明利用不同波长光强度的分布来判别真空室中的气体分子的激发状态，并藉以光学方法推算出一温度并对照出蚀刻工艺中的蚀刻率。由于，每一种气体分子的发射光波长均不相同，因此本发明的方法所得的结果并不易受其它无关的气体的干扰，可以于进行蚀刻工艺时便精确的得到蚀刻率。
与公知的蚀刻率监控方法相比，本发明方法以真空室中的气体分子的激发状态作为指针以求得蚀刻率。因此，并不需要有控制晶片的准备以及监控时间的浪费，同时，本发明方法并不会受半导体芯片上薄膜特性的影响，能够于进行蚀刻工艺时便得到精确的蚀刻率。
本发明虽以一较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知本领域技术者，在不脱离本发明精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求并结合说明书与附图所界定者为准。