CN100375245C - 晶片上监测系统 - Google Patents

Abstract

一种晶片上监测系统(200)，设置在等离子体处理装置(100)中的要处理的基板位置。该晶片上监测系统(200)包括：各种检测器；数据I/O单元(210)，用于光学地向外部输出信号和从外部输入信号，以及一内部电源单元(250)，用于对上述各部分提供电力。该晶片上数据I/O单元(210)与一激光二极管(LD)(320)和一光电二极管(PD)(330)连接，该光电二极管是安装在外部的光学I/O单元。该数据I/O单元(210)从外部接收指令并且将所监测的数据传送到外部。设置在基板上的检测器为一离子能量分析器(400)，VUV光子探测器(500)，以及自由基离子种类发射分光光度计(600)。

Description

晶片上监测系统

技术领域

本发明涉及一种微纳米检测系统技术，用于在等离子体处理装置中测量晶片表面的等离子体。

背景技术

图1示出在半导体制造过程中所使用的等离子体处理装置100的略图。该图示出在等离子体处理装置100中利用等离子体110对用光致抗蚀剂132所遮蔽的基板130进行处理的状态。对于等离子体110，将诸如Cl₂的气体引入真空中(1托至10^-4托)，并且施加高频电场(400kHz至2.45MHz)以产生等离子体110。通过使用等离子体110并且通过对由光致抗蚀剂132遮蔽的基板130施加基板电源(400kHz至13.56GHz)从而进行处理。在该等离子体处理装置中，需要执行等离子体的气相反应控制(电子能量分布控制、优化气体分子结构、停留时间控制等)以及基板的表面反应控制(基板温度控制、表面杂质控制、反应产物控制、基板偏置控制等)。

作为等离子体处理装置的一个评价方法，存在一种使用探针(例如Langmuir探针)的典型的评价方法。通过该使用探针的评价方法，仅对等离子体中的特性进行了测量，而不能够测量入射到要利用等离子体处理的材料的各种粒子的密度和能量。

在要处理材料的基板的图案尺度方面(该基板由等离子体处理装置处理或者淀积)，微制造技术已经进步至几百个纳米的数量级。因此，更迫切需要测量从等离子体入射到这种精细图案内的各种粒子的特性。

为了测量入射到要处理的基板上的粒子的特性，在一平板上形成多个针孔，在这些针孔后面安装一屏蔽电场型能量分析器，并且对入射粒子进行测量。在该传统方法中，针孔的尺寸大约为几个毫米，即，具有与实际处理的尺寸完全不同的数值，因此不可能精确地测量入射粒子。此外，需要一种差动排气系统(differential exhaust system)来约束由能量分析器中的分析器管中的粒子之间的碰撞所引起的能量和电荷状态的改变，并且对于使用中的等离子体处理装置的实际测量实际上是不可能的。

如上所述，传统等离子体测量系统具有大且复杂的装置(探针、质谱仪等)，并且会在等离子体中产生大的扰动。为此，利用传统的等离子体测量系统无法在刻蚀反应进步到微纳米尺度的晶片表面上进行最重要的等离子体测量。并且，由于设备成本昂贵等原因，难于将其用于实际的生产设备。

同时，引述二氧化硅膜的等离子体刻蚀作为半导体制造过程中的微制造加工过程的典型示例。为了有助于二氧化硅膜的刻蚀，需要能量为几百个电子伏特的离子。在利用屏蔽电场型能量分析器来测量离子能量分布的情况中，需要对屏蔽电场发生电极施加较高的电压。

本发明的目的在于提供一种晶片上监测系统，该晶片上检测系统能够对等离子体处理装置中的作为要处理对象的基板的位置进行监测。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种能够测量等离子体处理装置在晶片上的操作的晶片上监测系统，该晶片上监测系统包括：设置在硅基板上的一个或者多个检测器部分、一个电源单元、以及一个I/O单元，所述I/O单元向外部输出信号和从外部输入信号，其中，该检测器部分具有多个图案部分，以及，用于利用能量来分离等离子体的离子和电子的多个电极；并且，所述检测器部分包括具有与正好位于图案部分下方的硅基板的电位相同的电位的多个电极，其中，可以将电源单元构造为，使得从等离子体电位取得电力，或者从PLZT器件的光电动势取得电力。

检测器部分的多个电极为Al电极，并且可以利用γ-Al2O3将每个Al电极之间的空间绝缘。可以将Al电极的侧面覆盖以氧化物薄膜。

此外，I/O单元可以通过光来从外部输入信号和向外部输出信号。

可以包括一离子能量分析器作为该检测器，该离子能量分析器在检测器部分的底部具有一收集器电极，并且通过测量在该收集器电极中的离子电流来获得离子能量分布。

该检测器可以为一光子探测器，该光子探测器通过在绝缘膜中产生的光感生电流来探测入射至图案中的光。在该绝缘膜上形成一金属薄膜，并且该光子探测器也可以探测其能量等于或者大于该金属的功函和该金属薄膜所透射的光的外部的绝缘膜的导带底部之间能量差的光。

此外，可以包括一通过光电二极管来探测光的光子探测器作为检测器。

可以包括一离子自由基分析器作为检测器，该离子自由基分析器通过检测由来自电子枪的电子和自由基或离子之间的碰撞所产生的光发射来识别自由基和离子，并且该离子自由基分析器可以具有用于检测光发射的分光器(spectroscope)。

可以包括一探针作为检测器，该探针检测电子电流、电子能量分布、离子流、电子温度、电子密度和电荷存储量中的至少一个。

附图说明

图1是表示等离子体处理装置的略图。

图2是示出本发明的晶片上监测系统的简要结构的图。

图3是示出一晶片上的晶片上监测系统的结构示例的图。

图4是示出一晶片上监测系统的I/O单元的结构的图。

图5是示出一晶片上监测系统的电源的结构图。

图6示出该电源的另一结构。

图7是示出晶片上离子能量分析器的结构的图。

图8是表示离子能量分析器的测量系统的图。

图9是表示离子能量分析器的制造工艺的图。

图10是表示该离子能量分析器的连续的制造工艺的图。

图11是表示光子探测器的图。

图12是表示离子自由基分析器的结构的图。

图13是表示电子枪的基本结构的图。

图14是在该离子自由基分析器中所使用的电子枪的结构的图。

图15是表示微分光器的结构的图。

图16是示出离子自由基分析器的制造工艺的图。

图17是示出该离子自由基分析器的连续制造工艺的图。

图18是示出电子枪的另一结构的图。

图19是示出离子自由基分析器的另一简要结构的图。

图20是示出微探针的结构的图。

具体实施方式

将参照附图对本发明的实施例进行说明。

图2和图3示出了根据本发明的晶片上监测系统的基本结构。

图2示出晶片上监测系统200，其中在一基板上建立检测器等并且将其置于在等离子体处理装置100中要进行处理的基板的位置。如图3所示，晶片上监测系统200包括：建立在基板上的各种检测器，通过光从外部输入数据和向外部输出数据的数据I/O单元210，以及向它们提供电力的电源单元250。将晶片上数据I/O单元210连接到激光器二极管(LD)320和光电二极管(PD)330，该激光器二极管(LD)320和光电二极管330是安装在外部的通过光进行输入输出的I/O单元，而且其接收来自外部的指令并将所监测的数据传送至外部。

图2和图3中所示的晶片上监测系统200是一个示例，其中，在基板上设有离子能量分析器400、VUV光子探测器500以及自由基离子种类发射分光光度计600作为多个检测器。以后将详细说明这些检测器的结构。

如图3所示，将测量系统集成在一个硅晶片上，并且可以容易地进行在各种等离子体处理装置中的测量。图3示出一个示例，其中，通过在硅晶片上形成一电路而构造一电压驱动系统和一信号检测系统，但是在该硅晶片上安装了一光检测装置和一光发射装置，并且也可以通过使用光从真空设备的外部来控制这些检测器的驱动和信号的检测。本发明的特征在于通过使用微检测器来无线地测量等离子体处理。基本上，使用微机械技术和LSI技术分别开发了该晶片上监测系统的检测器部分和信号处理部分。

例如，一个芯片的大小近似为2cm×2cm。最终，晶片大小为8英寸和12英寸。此外，该系统不属于TEG(测试元件组)类型，但是被制造在一专用晶片上，并且能够测量晶片平面内的所有分布。

如上所述，将离子能量分析器、基于该离子能量分析器的探针、光子探测器、以及离子种类和自由基种类发射分光光度计与锁定放大器(lock-in amplifier)、光电二极管、存储电路、开关电路、滤波电路以及I/O信号系统的LSI进行集成，并且将电源系统也制造在同一芯片之中。通过光学互连进行所有数据的发送/接收，并且可以构成一完全的无线内嵌(in-line)系统。

此外，如图2所示，通过使用该晶片上监测系统将所需的数据无线地发送给计算机310，可以实时地模拟该等离子体处理工艺。此外，将模拟所得出的预测反馈回等离子体发生器，并且可以在处理过程中对工艺进行控制。

<I/O单元>

对于信号的无线发送/接收采用了利用光电二极管(PD)的光学互连技术。

图4示出I/O单元的组成示例。图4(a)表示一利用光电二极管212、214的接收部。光电二极管212通过来自外部光电二极管(PD)的光学信号接收指令，并且通过从接收背景光的光电二极管214的输出和运算放大器216取差。然后，选择电路218将其发送给各个检测器，作为指令。

如上所述，可以通过光学信号来执行外部和晶片上监测系统200之间的无线通信。

<电源>

顺便提及，在基板上建立了向各种检测器提供电力的电源250，并且通过连接到一变压电路来控制电压，该变压电路利用在等离子体处理装置100中由等离子体所产生的电位(几十伏特至几百伏特)。

图5示出电源单元250的一结构示例。在图5中，电极271至273接收在等离子体110中的等离子体空间电位和地电位之间的电位差。在接收到该电位差后，解码器对流入晶体管252至254以及晶体管255至257内的电流进行控制，由此获得希望电压V＝nRI。注意，R和n分别表示电阻器262至264的电阻值以及电阻器的数量。

当需要更高的电压时，使用PLZT(钛酸铅镧锆(Lead LanthanumZirconium Tianate))器件。该器件可以提供约3kV/cm的电压。图6示出其示例。在图6中，当将波长为365nm或者更高的紫外射线照射到该PLZT(钛酸铅镧锆)器件280(对该PLZT器件已进行了极化处理)时，与该辐射光强对应的内部电流流动，并且根据电极之间的距离在电极282和电极284之间出现3.3kV/cm的电压。作为要使用的紫外射线，使用了来自等离子体的紫外射线或者从外部照射的紫外射线。因此，可以在该晶片上监测系统200内部安装一高电压电源。

如上所述，可以在电源中使用PLZT(钛酸铅镧锆)器件以向晶片上监测系统200供电，该PLZT器件能够取得如图5所示的晶片上产生的电位，或者能够如图6所示通过照射紫外射线来产生高电压。

<晶片上离子能量分析器>

首先，作为安装在晶片上监测系统200上的检测器的示例，通过使用图7和图8将对离子能量分析器的构成进行说明。图7(a)是从上方观察的平面图，而图7(b)是沿图7(a)的线A-A’所截得的剖面图。具有与半导体器件对应的图案尺寸的区域(附图中的SiO₂ 421)和位于图7(b)中的分析器件区域下的层中的收集器电极413形成一种结构，在该结构中将他们形成为图7(a)中所示的Z字形线性状态。图8示出使用图7中所示的电极等的整个测量系统的构成。

如果为了分别包括与半导体器件对应的图案区域(SiO₂ 421)和分析器件区域而仅在分析器件区域中形成预定的多个孔(例如100nm)，则可以自由地将孔的直径和分析器件的厚度设计为几个μm的数量级。通过使图案尺寸小于器件长度可以防止对表面壳层(sheath)和等离子体的扰动。

离子能量分析器需要能够在高纵横比图案(high-aspect pattern)中测量电压和电流特性。因此，如图7所示，在作为等离子体处理对象的二氧化硅层421的图案下方嵌入一施加有电压的电极。由于在假设二氧化硅膜刻蚀的情况下要施加的电压非常高(接近于1kV)，因此绝缘膜材料需要高耐压性。因此，材料的选择十分重要。在本发明的环境中，应该使用Al₂O₃(即阳极氧化铝)。

在一侧壁电极上设置：用于施加电子减速电压的电极424、用于离子能量分离电压的电极426、以及，用于去除二次电子的电极428。如图8所示，对各个电极施加了对流入电子的阻塞电压V₁ 462、用于分离离子能量的电压V₂ 464、以及用于去除二次电子的电压V₃ 466。此外，如图8所示，将最上部(紧邻SiO₂层412之下)的侧壁电极422直接与Si层411连接为相同电位。这是由于在通常的等离子体蚀刻处理中，Si层411位于SiO₂层421的下方，因此进行这种连接以采用模拟的方式来将其实现在该检测器中。

通过适当地设置各个电极的电压，可以测量入射到刻蚀图案(图7中的SiO₂层421)上的电子流/能量以及离子流/能量，此外，去除了诸如电子和离子的带电粒子，并且可以从入射粒子中取出中性粒子和光子。

在离子能量分析器等中，必须对多个微小区域施加几百伏特或者更高的高压以分离入射离子能量，并且对于绝缘膜使用具有高耐压性的Al₂O₃。被施加电压的铝电极表面覆盖有氧化物薄膜，具有不受聚合体等的淀积的影响的结构。

在离子能量分析器400中，如图8所示，施加了线性递增电压和来自频率发生器452的具有恒定频率电压的合成电压，作为用于分离离子能量的电压V₂464。然后，为了测量流入收集器电极413的微离子电流，利用锁定放大器454来去除噪声，以测量有关来自等离子体的噪声的电压和离子电流特性。对该值求微分以计算离子能量分布。

利用绝缘材料将各个电极分离，并且使用具有高耐压性的作为电解电容的阻挡膜(barrier film)的γ-Al₂O₃，作为本发明中的电极之间的绝缘材料。根据要测量的带电粒子的能量，可以使用另一种绝缘材料(诸如SiO₂和另一种陶瓷材料)。此外，可以根据测量类型和所需的测量精度降低用于产生阻塞电场的电极的数量。

在实际的等离子体处理过程中会存在在该结构上形成淀积物的情况，并且由该淀积物所导致的阻塞电场的波动也是一个问题。例如，当对SiO₂进行刻蚀时，可以在使用C-F系列气体进行刻蚀的同时可能在侧壁电极上淀积了具有与特氟隆类似结构的有机材料。在本发明中，在曝露于侧壁的电极表面上形成有具有足够大的电容的膜(例如Al₂O₃)，以限制上述淀积物对测量的影响。

通过使图案大小小于器件长度并且使检测器表面的电势与基板的电势相同，几乎可以完全地限制对表面壳层和等离子体的扰动。

对于噪声使用了锁定放大器，并且使用了去除噪声并且测量离子电流的方法。尽管可以按照上述方式来在基板中形成一锁定放大器电路，但是使用了光学互连来向外部发送信号，并且可以将该锁定放大器安装在外部。

上述晶片上离子能量分析器400能够测量入射到该多孔结构(porestructure)的离子能量的分布而不受来自等离子体和所淀积的膜的噪声的影响，该多孔结构形成在SiO₂层的图案中。

通过采用半导体器件制造技术在Si晶片上形成该离子能量分析器的结构。图9和图10是制造工艺的一个示例。

在图9(a)(1)中，在对硅基板411进行氧化以在基板上形成氧化膜412并且淀积了铝后，例如如图7(a)所示以Z字线性方式进行构图，以形成铝电极(收集器电极413)。然后，进行阳极氧化以在铝层上形成γ-Al₂O₃层，并且向所形成的Al₂O₃层进行RIE(反应离子刻蚀)，从而形成多个孔(参见图9(a)(2))。

如图9(b)(1)至(3)所示，通过CVD(化学汽相淀积)在收集器电极的Al层413上形成SiO₂层以进行保护，对所形成的SiO₂层进行CMP(化学机械抛光)以使其与γ-Al₂O₃层一样平坦。在其上溅射铝以形成电极。然后，在对电极进行RIE以形成多个孔后，进行阳极氧化以形成γ-Al₂O₃层427。在进行阳极氧化时，在曝露于铝电极的侧面的区域上形成Al₂O₃层。

然后，重复多次(附图中为2次)以下过程：在该γ-Al₂O₃层上溅射铝电极；通过RIE形成多个孔；并且通过阳极氧化形成γ-Al₂O₃层。最后溅射铝电极并且通过RIE形成多个孔，如图9(c)所示。

然后，如图10(d)(1)所示，利用RIE去除通过CVD而在先形成的用于保护的SiO₂层，然后，在包括多个孔的内部在内的部位形成多晶硅。随后，为了实现平坦化，回蚀刻该多晶硅(参见图10(d)(2))。然后，如图10(d)所示，在所平坦化的平面上形成一SiO₂层，并且通过RIE在所形成的SiO₂层上形成多个孔。最后，通过RIE去除该多晶硅，以使得该孔完全地通过收集器电极413(参见图10(f))。

如上所述，可以通过采用半导体器件制造技术在Si晶片上形成离子能量分析器。

<晶片上光子探测器>

通过将入射到图案中的诸如真空紫外射线(VUV)的光转化成在绝缘膜(如二氧化硅膜、氮化硅膜以及氮氧化硅膜)中所产生的光感生电流，晶片上光子探测器检测这些光的强度和波长。它可以检测具有超出各个材料的能带隙的能量的光。例如，氧化硅膜具有8.8eV的能量，利用其可以测量到真空紫外射线。氮化硅膜具有5eV的能量并且氮氧化硅膜的能量具有上述两个值范围之间的一个值。

此外，当在绝缘膜上设置一近似1μm的金属薄膜时，其仅透射超出由金属中的电子密度所确定的等离子体频率的光。此外，通过将金属膜制作得极薄，还可以透射与等离子体频率相同或者更小的波长。此时，在金属膜和金属的绝缘膜之间的界面处吸收了与金属的功函和绝缘膜的导带底部之间的能量差对应的光，并且在绝缘膜导带中产生了电子载流子，即，产生了光感生电流。因此，可以检测具有特定波长的光。通过改变金属的类型和膜厚，可以改变本征等离子体频率或功函。通过改变绝缘膜的类型和膜厚，可以改变本征能带隙。因此，通过组合绝缘膜材料、金属以及半导体(Si)，可以检测各种波长的光。此外，施加了用于电子和离子减速的电压，以仅使所发射的光入射到图案中，并且可以进行测量，也可以通过在绝缘膜上淀积金属膜来去除电子和离子。

图11(a)示出光子探测器500的构成。尽管其构成基本上与图7中所示的离子能量分析器400的构成相同，但是不同的是，在底部的电极513的表面覆盖有SiO₂膜514，如图11(a)所示。如上所述，二氧化硅膜514可以是诸如氮化硅和氮氧化硅膜的绝缘膜，并且可以通过绝缘膜的类型和厚度识别所检测的光的波长。在绝缘膜514中，对光的波长的吸收程度是已知的，并且在安装膜时对膜的厚度进行控制。收集器电极513收集并且测量在绝缘膜514中所产生的光感生电流，由此测量光子。通过监测收集器电极513中流动的电流，可以获得有关入射到图案中的光的波长信息。

此外，如图11(b)所示，可以接受的一种构成是，在Si基板561上形成一加工成45度角的反射镜563以代替收集器电极，该反射镜563仅反射入射光，并且光电二极管550测量该入射光的强度。

在图11(a)和(b)中所示的光子探测器500中，对各个电极施加了与图8中所示的离子能量分析器中的电压相同的电压，以防止电子和离子到达收集器电极等。此外，形成方法与图9和图10中所示的方法相同。

<晶片上自由基离子种类发射分光光度计>

使用了晶片上自由基离子种类发射分光光度计代替质谱仪，以识别入射到基板的离子和自由基种类。质谱仪需要一定的距离来分离质量，并且难于在硅基板上制备。此外，长距离输运会发生损耗或各种反应，并且很难实现优异精度的测量。为此，开发了发射分光光度计，利用该发射分光光度计实现了在微区域中的离子种类和自由基种类的识别，并且该发射分光光度计使用一微电子枪，该微电子枪可以用于微型制造和集成。

图12中所示的晶片上自由基离子种类发射分光光度计600通过使用与上述的离子能量分析器中相同的电极结构(638至644)分离了入射到图案644的离子、电子和自由基。向这些电极施加了用于阻塞电子的电压622和用于阻塞离子的电压624。注意，这里所用的电极结构由硅和氮化硅构成，但是也可以以与图7中的相同方式来使用Al和Al₂O₃。

入射的自由基和离子通过微电子枪610所产生的能量可变电子束来发射光，并且发射的光传播到用于分光的微分光器。使用光波导645来将发射的光传播到分光器。分光器可以以20nm或者更小的分辨率来进行分光。

此外，将其构成为，离子收集器电极615同时地测量电子束对自由基的离子化电位，并且可以利用光发射的分光来进行自由基等的识别。其中，改变电源614的电压，并且改变向离子收集器电极615所施加的电压，以测量电压-电流特性，计算中性粒子固有的出现电位，从而可以检测自由基的发射。

在检测离子种类和自由基种类的发射分光器中，通过使用微场发射型电子枪制造了使得离子和自由基发射光的电子束。将通过图13和图14来进行对其的说明。

图13是在论文(JJAP 36(1997)L939)中所描述的场发射型电子枪。在该电子枪中，在硅基板651上的氧化膜652上设置一铝电极。其上设置一硅层654以及一氧化硅膜655，并且生成一铂电极656。此外，在铂电极656上方1cm处设置一用于施加电场以发射电子的电极657。当在铝电极653和铂电极656之间以及铂电极656和其上的电极657之间分别施加110V电压和5kV电压时，获得1.4mA/cm²的发射电子密度。

同时，关于场发射型电子流的Fowler-Nordheim表达式取决于功函φ[eV]和场强F[Vcm^-1]，并且对于电流密度J₀存在以下表达式。

[表达式1]

$J_0=\frac{1.54\&times;{10}^{-6}{F}^2}{\mathrm{\&phi;}}\exp \left\{\frac{-6.83\&times;{10}^7{\mathrm{\&phi;}}^{3/2}}{F}\right\}[A\&CenterDot;{\mathrm{cm}}^{-2}]$

其中，假设电极之间的间隙为1cm并且所施加的电压为5kV，场强为5×10³[V/cm]。当进行微制造以将电极之间的间隙设为1/1000时，应该施加5V的电压以获得相同的场强。

这实现为图14中所示的电子枪。图14(a)是一透视图，图14(b)是从上方观察的平面图。利用与图13中所相同的结构，铝电极632、硅层633、以及SiO₂层634、铂电极635以及铂电极636构成了电子枪。利用Si₃N₄形成了用于电极615的覆层(cover)616和用于避免淀积物的覆层637，该覆层防止淀积物与电极615和铂电极635附连。

通过波导645传播电子枪的光发射，其中，在SiO₂膜之间夹有SiON膜，或者在SiO₂的表面掺杂Mg，并且微分光器650执行分光衍射。

图15描述了微分光器650的结构。如图15所示，输入光由例如设置在光波导上的加工成锯齿形状的闪耀光栅(blazed grating)690反射，该光被光谱地分解为波长λ₁至λ₃，并且光检测装置674至678检测他们。如上所述，微分光器650通过由半导体器件形成一衍射装置来构成。将光波导形成为以下方式，如图(a)所示，在低折射率的(n₂)层中设置一高折射率的(n₁)层，或者如图(b)中所示由低折射率的(n₂)层夹有高折射率的(n₁)层。为了形成具有不同折射率的层，通过离子掺杂在SiO₂层中制备低折射率的层，或者可以通过聚酰亚胺来形成波导。

通过使用微分光器，甚至可以以较高的敏感度来检测微光。在自由基的情况中，通过观测被同时离子化的电流值来监测出现电位。集成了单独的微检测器技术。

通过图16和图17对晶片上自由基离子种类发射分光光度计600的制造工艺进行说明。

在图16(a)中，在硅基板630上形成一氧化膜631。在氧化膜631上淀积硅，并且进行刻蚀以形成Si层633(参见图16(b))。对该Si层633进行铝的气相淀积，以形成电极632(参见图16(c))。此外，在Si层633上淀积SiO₂，并且进行刻蚀以形成SiO₂层634(参见图16(d))。

接下来，如图16(e)所示，淀积铂并且进行构图，以形成电极635和电极636。然后，通过淀积Si₃N₄并且进行刻蚀，形成保护各个电极的覆层637、616(参见图16(f))。

如图17(g)、(h)所示，淀积SiO₂(包括牺牲层)并且进行刻蚀，在所形成的SiO₂上淀积Si₃N₄并且进行刻蚀，从而完成用于电极615的覆层616。然后，为了制备波导645，淀积SiO₂并且进行刻蚀，进行离子掺杂(参见图17(i))。

如图17(j)和(k)所示，为了形成用于阻塞来自等离子体的电子和离子的电极，在淀积了Si₃N₄并且进行了刻蚀后，通过刻蚀还去除了在形成电极过程中所使用的SiO₂牺牲层。注意，在图17(j)和(k)中，还形成了例如SiO₂层644和电极Si 643作为图案层，如图12所示。

图18示出电子枪的另一构成。尽管图14示出一种从正方形的三边发射电子并且在一边安装波导645的构成，但是其形状可以是如图18中所示的圆形。在图18中，通过向用于电子发射的电极712和网状电极714(这两个电极为同心圆)施加电压，可以使从电子枪所发射的电子聚集在指定区域(同心圆的中心区域)716上。

此外，图19示出离子自由基分析器的略图，即，使用采用了以下结构的离子自由基分析器作为用于观测来自电子枪的光发射的分析器，在该结构中将一光干涉多层膜和一光电二极管组合在一起。在该图中所示的简要结构中，由一窄带透射滤光器844来检测通过电子碰撞所产生的中性粒子等的光发射，该窄带透射滤光器844由光干涉多层膜和一光电二极管843构成。作为这种离子自由基分析器的构成部分的电子枪810，适合于使用图18中所示的电子枪构成。注意，光电二极管842构成一光子探测器，该光子探测器检测透射光干涉多层薄膜844的诸如紫外射线等的光。

<晶片上探针>

如图20所示，晶片上探针基本上具有与图7中所示的离子能量分析器相同的结构，其中，作为底电极的集电极进行电压和电流测量。该微探针通过控制施加至各个电极的电压等，能够测量进入刻蚀图案电子电流、电子能量分布、离子流、电子温度、电子密度、电荷存储量等。该晶片上探针可以安装为晶片上监测系统的检测器。

<其他应用>

在将图7和图20中所示的检测器结构暴露于等离子体后，在各个电极之间施加了恒定电压，以测量在电极之间流动的电流，通过这种方式可以容易地测量侧壁导电性的方位依赖性。

此外，在将各个电极连接到一闪存的控制电极并且暴露于等离子体后，测量在一浮动电极中所积累的电荷，作为控制电极的V_th偏移，可以同时评价等离子体处理中电荷的深度依存性。

<淀积的影响>

等离子体晶片上监测主要是假定在等离子体刻蚀工艺上进行的。特别地，人们相信，在氧化硅膜刻蚀过程中聚合物等的淀积会影响监测。因此，将本发明设计为将聚合物淀积膜的影响限制为最小的水平。在离子能量分析器中，由于向侧壁施加了电压以进行电子减速和离子的能量分离，所以在侧壁上的聚合物淀积造成了影响。因此，通过以一薄的绝缘膜来覆盖侧壁电极表面，可以产生以下的状态，即，尽管淀积了聚合物等，但是侧壁的电容几乎不变，并且可以限制电压的波动等。

此外，由于高能离子持续地与接触孔底部的离子收集器电极区域进行碰撞，因此聚合物的淀积是极其少的，但是需要实现以下工序，即，在测量后向底部施加高电压，并且利用Ar离子或者氧离子来清洁表面，以提高可靠性并且延长重复使用的次数。还可以采用同样的方法来为探针和光子探测器限制淀积膜的影响。在另一方面，对于离子种类和自由基种类发射分光光度计，可以通过与离子能量分析器相同的设计来对于入射离子透镜系统限制所淀积的膜等的影响。

将微电子枪、光波导和微分光器设计为，通过安装一用于覆盖电子枪的氮化物膜狭缝或者通过进行布局设计，防止自由基到达微电子枪、光波导和微分光器。

<对器件所引起的离子壳层扰动、器件温度的升高、以及电磁噪声的措施>

通过使基板表面和硅基板上的电极达到相同的电位可以抑制由器件所引起的离子壳层的扰动。此外，由于将所有的检测器都以μm数量级的尺寸制造在硅基板的内部，所以通过使刻蚀装置的基板冷却可以充分地限制器件温度的增加。通过在硅基板中制造锁定放大器电路并且在去除噪声时测量离子流，可以解决电磁噪声。

标号说明

100：等离子体处理装置

110：等离子体

130：硅基板

132：光致抗蚀剂

200：晶片上监测系统

210：数据I/O单元

212、214：光电二极管

216：运算放大器

218：选择电路

250：电源单元

252、253、254、255、256、257：晶体管

262、263、264：电阻器

271、272、274：电极

280：PLZT器件

282、284：电极

400：离子能量分析器

411：硅基板

412：氧化膜

413：收集器电极

421：SiO₂层

422：侧壁电极

424：用于电子减速电压施加的电极

426：用于离子能量分离电压的电极

427：绝缘层

428：二次电子去除电极

452：频率发生器

454：锁定放大器

500：光子探测器

513：收集器电极

514；SiO₂膜

550：光电二极管

561：硅基板

563：反射镜

600：自由基离子种类发射分光光度计

610：微电子枪

614：电源

615：离子收集器电极

616：覆层

622：用于电子减速的电压

624：用于离子减速的电压

630：硅基板

631：氧化膜

632：铝电极

633：硅层

634：SiO₂层

635，636：铂电极

637：用于避免淀积的覆层

644：图案

645：光波导

650：微分光器

651：硅基板

652：氧化膜

663：铝电极

654：硅层

655：氧化硅膜

656：铂电极

657：电极

674：光子检测装置

690：闪耀光栅

712：用于电子发射的电极

714：网状电极

810：电子枪

842、843：光电二极管

844：窄带透射滤光器

637、616：覆层

Claims (11)

1.一种能够在晶片上测量等离子体处理装置的操作的晶片上监测系统，所述晶片上监测系统包括：

设置在硅基板上的一个或者多个检测器部分、一个电源单元、以及一个I/O单元，该I/O单元向外部输出信号和从外部输入信号，其中，所述检测器部分具有SiO₂层的图案部分，以及位于该图案部分下面的分析器部分，该分析器部分具有用于利用能量来分离等离子体的离子和电子的多个电极，并且正好位于所述图案部分下方的多个电极的最上部的电极与所述硅基板的电位相同，以及

其中所述电源单元从等离子体电位取得电力，或者从一PLZT器件的光电动势取得电力。

2.根据权利要求1所述的晶片上监测系统，

其中，所述检测器部分的多个电极为Al电极，并且由γ-Al2O3将每个Al电极之间的空间绝缘。

3.根据权利要求2所述的晶片上监测系统，

其中所述Al电极的侧面覆盖有薄氧化膜。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，

其中所述I/O单元通过光来向外部输出信号和从外部输入信号。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，

其中所述系统包括一离子能量分析器作为所述分析器部分，该离子能量分析器在探测器底部具有一收集器电极，并且测量在该收集器电极中的离子电流以获得离子能量分布。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，

其中所述系统包括一光子探测器作为所述分析器部分，在检测器部分的底部具有绝缘膜(514)，该光子探测器利用在所述绝缘膜中产生的光感生电流来检测入射至一图案部分中的光。

7.根据权利要求6所述的晶片上监测系统，

其中所述光子探测器在所述绝缘膜上形成一金属薄膜，并且在所述金属薄膜所透射的光中检测其能量等于或者大于所述金属的功函和所述绝缘膜的导带底部之间的能量差的光。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，其中，

所述系统包括一通过光电二极管来检测光的光子探测器作为所述分析器部分。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，

其中所述系统包括一离子自由基分析器作为所述分析器部分，所述离子自由基分析器通过检测由来自一电子枪的电子和自由基或离子之间的碰撞所产生的光发射来识别自由基和离子。

10.根据权利要求9所述的晶片上监测系统，

其中所述离子自由基分析器具有用于检测光发射的分光器。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的晶片上监测系统，

其中所述系统包括一探针作为所述分析器部分，所述探针检测电子电流、电子能量分布、离子流、电子温度、电子密度和电荷存储量中的至少一个。

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