刻蚀工艺的终点检测系统及方法与流程

本发明涉及半导体检测，具体涉及刻蚀工艺的终点检测系统及方法。

背景技术：

1、目前，主流的终点检测方法为oes（optical emission spectroscopy，光学发射光谱法）终点检测技术，其基于光谱强度分析，监测刻蚀过程中等离子体的特征谱线的强度，在检测到等离子体的特征谱线的强度下降或者调制深度变化时，判定刻蚀达到终点。然而，该方法依赖于晶圆的大面积开口，开口面积越小，光谱信号越弱，信号噪声比越低，并且，在低开口率的刻蚀条件下，易受光窗污染、射频功率漂移等共模噪声干扰。

2、同时，虽然等离子体中的刻蚀反应也能够引起偏振态的变化，具体包括由等离子体电流或外部磁场的法拉第效应引起的线偏振光旋转、由能级分裂引起的不同偏振分量的相对相位变化以及刻蚀过程中晶圆内部应力变化引起的引力双折射，并且偏振态变化，并且不受光强绝对幅度影响，具备共模噪声抑制能力，但目前的终点检测技术，例如光栅oes终点检测技术只能测量光强而无法保留相位信息，而单aotf-oes终点检测技术，只能检测单一偏振态的强度，而无法获取两个正交偏振分量间的相对相位，因此不能有效获取和利用这些相位变化信息，而若引入外差干涉仪获取偏振相位变化，则需要引入独立的参考激光和复杂的光学结构，难以与目前的终点检测系统集成。

3、上述问题导致目前终点检测不具备对低开口率的刻蚀条件下的共模噪声抑制能力，检测准确性与可靠性低，导致误判率高。

技术实现思路

1、本发明提供了一种刻蚀工艺的终点检测系统及方法，以解决目前对刻蚀工艺的终点检测不具备对低开口率的刻蚀条件下的共模噪声抑制能力，检测准确性与可靠性低，误判率高的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种刻蚀工艺的终点检测系统，包括：偏振分束器、第一检测臂、第二检测臂、合束器以及信号处理单元；

3、其中，偏振分束器与第一检测臂以及第二检测臂分别连接，偏振分束器用于将刻蚀工艺的等离子体光分解为正交偏振的第一偏振光和第二偏振光；

4、第一检测臂工作于反常布拉格衍射模式，第一检测臂用于接收第一偏振光，并输出第一偏振光对应的衍射光；

5、第二检测臂工作于直透模式，第二检测臂用于接收第二偏振光，并输出第二偏振光对应的透射光；

6、合束器与第一检测臂以及第二检测臂分别连接，合束器用于将第一偏振光对应的衍射光和第二偏振光对应的透射光合束，得到偏振干涉光；

7、信号处理单元与合束器连接，信号处理单元用于基于偏振干涉光的光强、第一偏振光对应的衍射光的光强以及第二偏振光对应的透射光的光强，确定第一偏振光对应的衍射光与第二偏振光对应的透射光之间的相位差，并基于相位差判断刻蚀工艺的刻蚀终点。

8、本发明无需设置额外的参考光源，仅利用刻蚀工艺的等离子体光即可完成终点检测，系统结构简单、易于实现和集成化；其中，利用偏振分束器将等离子体光分解为正交偏振的第一偏振光和第二偏振光，利用工作于反常布拉格衍射模式的第一检测臂对第一偏振光进行衍射，利用工作于直透模式的第二检测臂对第二偏振光进行透射，并利用合束器对第一偏振光对应的衍射光和第二偏振光对应的透射光进行偏振干涉，从而利用偏振干涉光表征衍射光和透射光之间的相位差；而衍射光和透射光之间的相位差作为偏振相位差，对刻蚀反应的进程变化更加敏感，并且不受光强绝对幅度影响，具备共模噪声抑制能力，通过信号处理单元基于偏振干涉光判断刻蚀工艺的刻蚀终点，从而利用衍射光和透射光之间的相位差，判断刻蚀工艺的刻蚀终点，提高刻蚀工艺的刻蚀终点检测的准确性、稳定性与可靠性。

9、在一种可选的实施方式中，第一检测臂包括第一光学单元和第一换能器，第二检测臂包括第二光学单元和第二换能器；

10、其中，第一光学单元和第二光学单元具有相同的光学结构；

11、第一换能器与第一光学单元连接，第一换能器用于生成第一声波信号，以使第一偏振光在第一光学单元内发生反常布拉格衍射；

12、第二换能器与第二光学单元连接，第二换能器用于生成第二声波信号，以使第二偏振光透射经过第二光学单元。

13、本发明设置第一光学单元和第二光学单元具有相同的光学结构，从而保证第一检测臂与第二检测臂具有相同的光学特性，由此降低光路调谐的复杂度；同时，在第一检测臂中设置第一换能器，在第二检测臂中设置第二换能器，从而实现对第一光学单元和第二光学单元的独立控制；通过第一换能器使第一光学单元产生反常布拉格衍射，使第一偏振光的相位发生90°旋转，通过第二换能器使第二光学单元保持直透模式，使第二偏振光的相位不变，从而使得第一偏振光对应的衍射光与第二偏振光对应的透射光能够发生偏振干涉，形成偏振干涉光。

14、在一种可选的实施方式中，该系统还包括：射频驱动器；

15、其中，射频驱动器与第一换能器以及第二换能器分别连接；

16、射频驱动器用于对第一换能器和第二换能器分别施加射频驱动信号，以控制第一换能器生成第一声波信号，以及控制第二换能器生成第二声波信号。

17、本发明通过射频驱动器分别控制第一换能器和第二换能器，从而能够通过调整射频驱动器输出的射频驱动信号调节第一换能器生成的第一声波信号和第二换能器生成的第二声波信号，进而调节第一测量臂和第二测量臂的衍射效率，由此动态调节第一偏振光与第二偏振光之间的偏振干涉对比度，使系统始终工作在最佳灵敏区间。

18、在一种可选的实施方式中，第一检测臂还包括第一分光片，第二检测臂还包括第二分光片，第一分光片和第二分光片具有相同的分光比例；

19、其中，第一分光片用于将第一偏振光对应的衍射光分光为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光用于检测衍射光的光强，第二衍射光输出到合束器；

20、第二分光片用于将第二偏振光对应的透射光分光为第一透射光和第二透射光，第一透射光用于检测透射光的光强，第二透射光输出到合束器。

21、本发明在第一检测臂中设置第一分光片，在第二检测臂中设置第二分光片，能够在不阻断光路的情况下实时监测第一偏振光和第二偏振光的光强，从而能够为信号处理单元实时提供第一偏振光和第二偏振光的光强，提高信号处理单元的检测精度和准确性，并且无需采用阻断光路的方法对第一偏振光和第二偏振光的光强进行周期性校验，能够实现连续检测。

22、在一种可选的实施方式中，该系统还包括：聚光透镜和准直透镜；

23、其中，聚光透镜、准直透镜和偏振分束器依次连接；

24、聚光透镜用于收集刻蚀工艺的等离子体光；

25、准直透镜用于将聚光透镜收集的等离子体光汇聚为平行光束。

26、本发明通过聚光透镜收集刻蚀工艺的等离子体光，从而无需额外增加光源，能够利用刻蚀工艺本身的等离子体光进行终点检测，并且能够高效收集等离子体光，提高等离子体光的利用率，使得系统在低开口率或弱等离子体发射条件下依然能够获得足够的光信号，保证系统的检测精度和可靠性；通过准直透镜将聚光透镜收集的等离子体光汇聚为平行光束，从而保证后续光路传输中光束的一致性和稳定性，最终能够形成干涉稳定的偏振干涉光，保证基于偏振干涉光的终点检测的准确性与可靠性。

27、第二方面，本发明提供了一种刻蚀工艺的终点检测方法，应用于上述第一方面或其对应的任一实施方式的刻蚀工艺的终点检测系统中，该方法包括：

28、响应于刻蚀工艺的刻蚀步开始信号，获取偏振干涉光强；

29、基于偏振干涉光强、第一初始光强和第二初始光强，确定目标相位差，其中，第一初始光强为第一检测臂输出的衍射光的光强，第二初始光强为第二检测臂输出的透射光的光强，目标相位差为衍射光与透射光之间的相位差；

30、响应于目标相位差达到预设条件，确定刻蚀工艺达到刻蚀终点，其中，预设条件用于指示目标相位差的变化率达到预设变化率，或者目标相位差达到预设相位差。

31、本发明响应于刻蚀工艺的刻蚀步开始信号，在刻蚀步开始后启动对刻蚀工艺的终点检测，有效避开刻蚀工艺切换瞬态和钝化步的干扰，提高了检测的信噪比和可靠性；同时，基于偏振干涉光强、第一初始光强和第二初始光强，确定目标相位差，并在目标相位差的变化率达到预设变化率，或者目标相位差达到预设相位差时确定刻蚀工艺达到刻蚀终点，从而利用目标相位差对刻蚀反应的进程变化敏感、不受光强绝对幅度影响的特性以及共模噪声抑制能力，提高刻蚀工艺的刻蚀终点检测的准确性、稳定性与可靠性。

32、在一种可选的实施方式中，基于偏振干涉光强、第一初始光强和第二初始光强，确定目标相位差，包括：

33、基于偏振干涉光强、第一初始光强和第二初始光强，确定目标相位差的三角函数值；

34、基于目标相位差的三角函数值，确定目标相位差。

35、本发明通过偏振干涉光强与第一初始光强、第二初始光强以及目标相位差之间的数值关系，计算出目标相位差的三角函数值，并对目标相位差的三角函数值进行反向推算，确定目标相位差，从而在不依赖外部锁相环或者解调电路的情况下直接通过计算就能够得到目标相位差，并且计算过程简单，由此提高了刻蚀工艺的终点检测的检测速度，能够快速响应刻蚀工艺的进程变化。

36、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

37、基于偏振干涉光强，对第一标定信息进行查找，确定偏振干涉光强对应的目标相位差，其中，第一标定信息用于表征偏振干涉光强与目标相位差的对应关系。

38、本发明预先建立第一标定信息以表征偏振干涉光强与目标相位差的对应关系，利用预先建立的第一标定信息将实测的偏振干涉光直接映射到对应的目标相位差中，从而无需计算就能够直接确定偏振干涉光对应的目标相位差，由此提高了刻蚀工艺的终点检测的检测速度，能够快速响应刻蚀工艺的进程变化；同时，第一标定信息是基于实测结果进行标定得到的，能够补偿系统中各类误差对目标相位差造成的影响，从而能够保证基于第一标定信息确定的目标相位差真实可靠，由此进一步提高刻蚀工艺的刻蚀终点检测的准确性。

39、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

40、基于目标相位差，对第二标定信息进行查找，确定目标相位差对应的修正系数，其中，第二标定信息用于表征目标相位差与修正系数的对应关系；

41、将目标相位差与修正系数相乘，以对目标相位差进行修正。

42、本发明预先建立第二标定信息以表征目标相位差与修正系数的对应关系，利用预先建立的第二标定信息确定实际计算得到的目标相位差对应的修正系数，并利用修正系数对目标相位差进行修正，从而修正系统中各类误差对目标相位差造成的影响，提高刻蚀工艺的刻蚀终点检测的准确性。

43、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

44、响应于对第一初始光强和第二初始光强的更新，在阻断第二检测臂对透射光的传输的情况下获取偏振干涉光强，并将偏振干涉光强作为第一初始光强；

45、在阻断第一检测臂对衍射光的传输的情况下获取偏振干涉光强，并将偏振干涉光强作为第二初始光强。

46、本发明通过阻挡其中一个检测臂的光路传输，测量合束器的偏振干涉光强并作为另一个检测臂的初始光强，从而在不增加系统硬件成本和复杂度的基础上实现对初始光强的简单、快速的测量。

47、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

48、响应于对第一初始光强和第二初始光强的更新，获取第一检测臂中第一分光片输出的第一衍射光的光强；

49、基于第一分光片的分光比例和第一衍射光的光强，确定第一初始光强；

50、获取第二检测臂中第二分光片输出的第一透射光的光强；

51、基于第二分光片的分光比例和第一透射光的光强，确定第二初始光强。

52、本发明利用分光片分光得到的部分光的光强，结合分光片的分光比例，推算第一初始光强和第二初始光强，从而无需阻断检测臂的光路传输就能够测量初始光强，并且能够实时、连续检测初始光强。

53、在一种可选的实施方式中，在刻蚀工艺的终点检测系统初始化时，或者，间隔预设运行时长，或者，在预设次数的刻蚀工艺完成之后，触发对第一初始光强和第二初始光强的更新。

54、本发明在刻蚀工艺的终点检测系统初始化时，或者，间隔预设运行时长，或者，在预设次数的刻蚀工艺完成之后，触发对第一初始光强和第二初始光强的更新，从而在系统初始化或者长时间运行后对第一初始光强和第二初始光强进行更新，保证第一初始光强和第二初始光强的准确性与可靠性，同时能够避免频繁的第一初始光强和第二初始光强的校准操作对终点检测的影响。

55、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

56、若第一初始光强与第二初始光强之间的比值偏离预设范围，调节第一检测臂和/或第二检测臂对应的射频驱动信号，以使第一初始光强与第二初始光强之间的比值位于预设范围内；

57、其中，预设范围用于表征衍射光与透射光之间最大的偏振干涉对比度所对应的比值范围。

58、本发明通过调整第一检测臂和/或第二检测臂对应的射频驱动信号，将第一初始光强与第二初始光强的比值维持在预设范围内，从而保证第一偏振光对应的衍射光与第二偏振光对应的透射光之间具有最大的偏振干涉对比度，由此保证偏振干涉光对目标相位差的敏感度。

59、在一种可选的实施方式中，该方法，还包括：

60、响应于刻蚀工艺的等离子体光的光强大于第一预设光强，将预设范围降低第一预设比例；

61、和/或，响应于刻蚀工艺的等离子体光的光强小于第二预设光强，将预设范围增大第二预设比例，其中，第二预设光强小于第一预设光强。

62、本发明根据等离子体光的实际光强动态调整预设范围，以适配不同刻蚀环境下的终点检测；在等离子体光的光强大于第一预设光强时将预设范围降低第一预设比例，从而在等离子体光的信号过强时避免相关器件饱和，保证终点检测的可靠性；在等离子体光的光强小于第二预设光强时将预设范围增大第二预设比例，从而在等离子体光的信号微弱时进一步增大第一初始光强与第二初始光强的比值，提高对微弱信号的检测灵敏度。

63、本发明的刻蚀工艺的终点检测系统及方法，具有如下技术效果：

64、（1）本发明利用第一偏振光对应的衍射光和第二偏振光对应的透射光之间的相位差作为偏振相位差对刻蚀反应的进程变化敏感的特性，进行刻蚀工艺的刻蚀终点检测，可检测最小光程变化可达0.0001，相比于传统的oes终点检测技术0.01的可检测最小光程变化，本发明的检测灵敏度大幅提升，并且能够提高刻蚀工艺的刻蚀终点检测的准确性、稳定性与可靠性。

65、（2）本发明利用第一偏振光对应的衍射光和第二偏振光对应的透射光之间的相位差不受光强绝对幅度影响的特性以及共模噪声抑制能力，消除光窗污染、射频功率漂移等共模噪声的干扰，不受开口率的影响，具有抗干扰能力和良好的信噪比。

66、（3）本发明无需设置额外的参考光源，仅利用刻蚀工艺的等离子体光即可完成终点检测，系统结构简单、易于实现和集成化，并且偏振分束器、第一检测臂、第二检测臂以及合束器组成共光路结构，第一检测臂的第一光学单元和第二检测臂的第二光学单元具有相同的光学结构，能够自动消除环境振动和温度漂移，具有高稳定性和高可靠性，能够应用于各类刻蚀环境不同的刻蚀工艺中，应用范围广泛。

67、将本发明的刻蚀工艺的终点检测系统及方法应用于半导体刻蚀工艺的终点检测中，无需设置额外的参考光源，就能够实现准确、可靠的终点检测，并且能够适用于各类刻蚀工艺中，尤其适用于低开口率的刻蚀工艺中。