用于过程监测的高动态范围测量系统技术方案

本发明专利技术涉及用于过程监测的高动态范围测量系统。提供了一种闪光灯控制系统，其具有静态电连接到高电压电源的电容器，接着电流感测部件电连接到静态电容器和数字控制电子器件以监测静态电容器的充电电流和/或放电电流。动态可开关的电容器也可以电连接到高电压电源和数字控制电子器件，用于基于所监测的充电电流和/或放电电流将动态可开关的电容器与高电压电源相隔离。一个或多个均质化元件，包括空气间隙、漫射均质化元件、成像元件、非成像元件或光管均质化元件，可以被布置在接近于闪光灯的光路中，例如多通道分配器如果存在的话，以在时间上或光谱上或者在这二者上降低光学信号的变化系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测量系统及使用方法。更具体地，本专利技术针对被配置用于在基于闪光灯的光学测量系统中减少变化源并扩大测量能力的动态范围的光学测量系统。
技术介绍
光学测量系统在诸如半导体处理工业之类的各种工业中使用，以用于晶片改性和过程控制的实时监测。光学测量系统可以与半导体处理工具相集成，并且可以被原位利用以用于实时处理控制，或者可以被在线利用以用于连续运行反馈控制。典型地，被监测的处理包括半导体蚀刻、沉积、注入和化学机械平坦化处理以用于膜厚度和等离子体监测的应用。特别是在半导体处理工业中，增大的可变材料层以及特征尺寸(较薄的/较厚的层、高的纵横比特征、非常小的特征、混合尺寸特征、高度变化的反射率/吸收性材料以及高层数堆叠)的使用已经导致了难以实现必要的测量准确度和精确度的水平。除了半导体自身的增大的复杂度之外，高度集成的单室多步骤处理和机械参数(例如孔径和工作距离)的动态处理工具变化导致了对测量准确度和精确度有不利影响的光学信号水平的变化。图1示出了典型的现有技术的光学测量系统100的图示的原理图。光学测量系统100包括光分析装置110、光源120、光学组件130、光纤组件140、计算机150和晶片160。光分析装置110通常是光谱仪、分光仪、单色仪或其它提供波长区分的光分析装置。光源120是连续宽波段发射源(例如卤素钨灯或氘灯)或者例如氙气闪光灯的脉冲宽波段发射源。可选地，使用例如激光和/或发光二极管的
窄波段连续发射源或脉冲发射源。光学组件130被设计为将从光源120发射的一个或多个波长的光引导到晶片160上，晶片160典型地是硅半导体晶片、蓝宝石衬底或其它工件。光学组件130通常工作用于将来自光源120的光聚焦或校准到晶片160上。光纤组件140通常是分叉的光纤组件，其将来自光源120的光经由光学组件130引导到晶片160，并随后将从晶片160反射收集的光经由光学组件130引导到光分析装置110。计算机150用于控制光分析装置110和光源120，并且还用于分析光分析装置110所收集的数据。计算机150也可以提供信号以控制例如半导体处理工具的外部系统(未示出)。以干涉测量端点确定(interferometric endpointing)的形式的反射测定法被广泛使用于半导体工业中，以通过利用在半导体处理工具内被改性的晶片反射的光学信号来监测该半导体处理工具内的晶片处理的状态。虽然干涉测量端点确定技术可能随着具体的应用和处理而变化，但是典型地在一个或多个预定的波长处监测光发射强度。取决于处理，可以使用各种算法来从在评定半导体处理和处理中的晶片的状态时有用的光强度导出通常涉及晶片的各种层的厚度或晶片的特征的趋势参数、检测与处理、处理工具或其它装备相关联的故障。尽管通常被称为“端点确定”且历史上表示对处理的结束的检测；但是干涉测量端点确定已发展为包括在处理周期的所有时间期间的监测和测量。特别地关于对处理工具内的晶片状态的监测和评估，图2示出了使用干涉测量端点确定来监测和/或控制等离子体处理工具内的工件的状态的典型的现有技术的处理200。为了方便起见，大大简化了本方法。通过回顾美国专利申请20130016343号(通过引用包括于此)来提供某些处理和实现的细节。处理200典型地从将光引导到关注的工件上(步骤210)开始。被引导到工件上的光然后从该工件反射(步骤220)并随后被检测(步骤230)。检测通常与转换为电信号相关联，所述信号典型地被放大并随后被数字化并传递到信号处理器以用于分析(步骤240)。信号处理器使用对于具体的生产处理和被
监测的工件的特性而言专用的多个算法之一。为了实现有效的结果，有必要选择用于具体处理的适当的算法以及参数值。在不过于专用的情况下，算法分析强度信号并确定涉及处理的状态并能用于访问该状态的趋势参数(例如端点检测、蚀刻深度、膜厚度、故障、等离子体不稳定性等)(步骤250)。结果被输出(步骤260)以被外部控制系统和/或工程师使用，并随后用于监测和/或更改在等离子体处理工具内发生的生产处理(步骤270)。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于随半导体处理工具中的光学测量系统一起使用的高动态范围和低噪声的闪光灯控制系统。典型地，闪光灯控制系统包括连接到闪光灯灯泡的高电压电源。本专利技术还包括电连接到所述高电压电源的至少一个电容器以及用于控制所述高电压电源的占空比和脉冲宽度的数字控制电子器件。所述至少一个电容器可以被配置为单个电容器或者串联、并联或这二者的多个电容器，以产生预定的电容。此外，所述至少一个电容器可以静态地电连接到高电压电源，并且至少一个动态可开关的电容器也可以电连接到所述高电压电源。所述动态可开关的电容器也可以被配置为单个电容器或者串联、并联或这二者的多个电容器，以产生预定的电容。本专利技术还包括用于控制所述高电压电源的占空比和脉冲宽度的数字控制电子器件。此外，电流感测部件可以电连接到所述至少一个电容器，以监测所述至少一个电容器的充电电流和放电电流之一或这二者，并且还连接到数字控制电子器件。此外还可以包括电连接到所述至少一个动态可开关的电容器的隔离开关。在功能上，所述数字控制电子器件监测所述至少一个电容器的充电电流和放电电流之一或这二者，以确定所述动态可开关的电容器的最优的隔离状态，然后在必要时将隔离状态信号传送给隔离开关以用于电隔离所述至少一个动态可开关的电容器的低侧和所述高电压电源。此外，均质化元件(homogenizing element)可以布置在接近于
闪光灯灯泡的光路中，以通过减小光学信号的变化系数来在时间上或在光谱上或者在时间和光谱上更改光学信号。均质化元件可以包括预定的空气间隙、一个或多个漫射均质化元件、一个或多个成像元件、一个或多个非成像元件或光管均质化元件。优选地，所述更改的光学信号的变化系数为0.25％或更小。所述均质化元件可以布置在介于所述闪光灯灯泡和多个光纤之间的多通道分配器内。最终，基本上通过增加光谱遮罩和光谱接合器(spectral splicer)可以进一步增大所述闪光灯控制系统所产生的光谱信号的动态范围。在第一预定的闪光倍数或能量处获得第一光谱。该光谱可能在一波长范围内具有太低而不能读取的值(高信噪比(SNR))。然而，增大闪光倍数或能量将导致其它的波长饱和，使得它们不可读。在这种情况下，在第二预定的闪光倍数或能量(通常更高)处获得第二光谱，其中该波长范围增大为超过信号噪声。然后，应用光谱遮罩以将除了波长范围之外的都遮罩掉，并且将第一光谱接合到第二光谱，导致可读波长的完整光谱。附图说明在所附的权利要求中提出了本专利技术的新颖特征所认定的特性。然而，通过参考下面在结合附图阅读时对示意性实施例的详细描述，将最好地理解本专利技术自身及其优选的使用模式、其更多目的和优点，其中：图1是现有技术的光学测量系统的图示的原理图；图2示出了使用干涉测量端点确定来监测和/或控制处理工具内的晶片的状态的典型的现有技术的处理；图3A和3B示出了根据本专利技术的示例性实施例的表示在测量薄膜反射率以及高精确度半导体处理所期望的可访问的反射率检测中的差别的固有挑战的一组曲线图；图4示出了根据本专利技术的示意性实施例的包括光学测量系统的半导体处理工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高动态范围和低噪声的闪光灯控制系统，包括：高电压电源；数字控制电子器件，所述数字控制电子器件用于控制所述高电压电源的占空比、频率和脉冲宽度；至少一个动态可开关的电容器，所述电容器电连接到所述高电压电源；隔离开关，所述隔离开关电连接到所述至少一个动态可开关的电容器和所述数字控制电子器件；其中所述数字控制电子器件识别所述动态可开关的电容器的未充电状态，并在所述动态可开关的电容器的未充电状态期间向所述隔离开关发送开关信号以用于电开关所述隔离开关，由此隔离所述动态可开关的电容器；电流感测部件，所述电流感测部件电连接到所述至少一个动态可开关的电容器以用于监测所述至少一个动态可开关的电容器的充电电流和放电电流中的至少一个，所述电流感测部件还电连接到所述数字控制电子器件以用于经由所监测的充电电流和放电电流中的至少一个为所述至少一个动态可开关的电容器提供反馈控制信号；触发元件，所述触发元件由所述数字控制电子器件控制；以及闪光灯灯泡，所述闪光灯灯泡电连接到所述高电压电源，用于提供光学信号。

【技术特征摘要】
2015.04.24 US 14/696,3701.一种高动态范围和低噪声的闪光灯控制系统，包括：高电压电源；数字控制电子器件，所述数字控制电子器件用于控制所述高电压电源的占空比、频率和脉冲宽度；至少一个动态可开关的电容器，所述电容器电连接到所述高电压电源；隔离开关，所述隔离开关电连接到所述至少一个动态可开关的电容器和所述数字控制电子器件；其中所述数字控制电子器件识别所述动态可开关的电容器的未充电状态，并在所述动态可开关的电容器的未充电状态期间向所述隔离开关发送开关信号以用于电开关所述隔离开关，由此隔离所述动态可开关的电容器；电流感测部件，所述电流感测部件电连接到所述至少一个动态可开关的电容器以用于监测所述至少一个动态可开关的电容器的充电电流和放电电流中的至少一个，所述电流感测部件还电连接到所述数字控制电子器件以用于经由所监测的充电电流和放电电流中的至少一个为所述至少一个动态可开关的电容器提供反馈控制信号；触发元件，所述触发元件由所述数字控制电子器件控制；以及闪光灯灯泡，所述闪光灯灯泡电连接到所述高电压电源，用于提供光学信号。2.根据权利要求1所述的闪光灯控制系统，其中所述数字控制电子器件控制所述闪光灯灯泡的再充电速率、能量水平设置和多脉冲。3.一种闪光...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·A·布洛克，J·D·科利斯，M·A·梅隆尼，M·慧斓，
申请(专利权)人：真实仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US