CN102084475A - 用于等离子体处理室中的包括真空间隙的面向等离子体的探针装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种测量处理室内的工艺参数的装置。该装置包括设于上电极的开口中的探针装置。探针装置包括探针头，该探针头包括头部和法兰部。该装置还包括设在该上电极和该法兰部之间的O形环。该装置进一步包括由定位在该头部和该上电极的开口之间的电气隔离材料制成的衬垫，以阻止该探针装置碰到该上电极。该衬垫包括被配置为至少支撑该法兰部的下侧的圆盘部。该衬垫还包括被配置为环绕该头部的中空柱形部。该衬垫在该O形环和到该处理室的开口之间形成直角路径，由此阻止该O形环和到该处理室的该开口的直视线路径。
Description
背景技术
等离子体处理系统已长时间用于将衬底处理为成品电子产品以制造集成电路(IC)。可以使用各种等离子体产生技术产生等离子体，包括例如电感耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波、电子回旋共振(ECR)等。
在衬底处理过程中，准确而及时地监控等离子体处理室内部的各种工艺参数是非常需要的。面向等离子体的探针或传感器技术(其涉及将由导电材料制成的探针或传感器的表面暴露于等离子体)已经长时间被用于这种监控任务。已被用于测量该工艺参数的一类面向等离子体的监控探针是离子通量探针，比如名称为“Apparatus For Measuring A Set Of Electrical Characteristics In A Plasma”的美国专利7,319,316中所描述的。在上述美国专利7,319,316中，使用基本上共平面的探针测量该等离子体处理室内的离子通量。然后使用测量的离子通量以确定例如室调整工艺的终点，用于测量等离子体的性质(例如，离子饱和电流、电子温度、空载电势等)，用于室的匹配(例如，寻找名义上完全相同的室之间的差异)，用于检测室中的缺陷和问题等。
在本领域中已经实现了离子通量探针的一些量产型号，而且已经发现，改进的机会是可能的。为了便于讨论，图1显示了典型的离子通量探针装置。在图1中，离子通量探针102被设在等离子体处理室的上电极中的孔104中。该上电极通常是由铝或石墨形成的，具有由合适材料(比如硅)形成的面向等离子体的表面106。
离子通量探针102包含用于与支撑结构(显示了它的一部分112)耦合的茎110。茎110通常是由导电导热材料(比如铝)形成的。隔离环114如图所示围绕茎110并被设计来为茎110在孔104内提供中心定位支撑，以及将茎110从上电极的其它部分电气隔离。
离子通量探针102还包括面向等离子体的探针头120，该探针头120是由被设计为在化学和电气上基本类似于该上电极的面向等离子体的表面106的材料形成的以便于对来自等离子体(在图1中位于该上电极下方)的参数进行精确测量。在图1的情况下，探针头120也是由硅形成的。提供O形环130以阻止污染物通过离子通量探针102和孔104之间的间隙136落入该室。间隙136是由机械容差带来的，也是为了适应工艺循环期间的热膨胀。O形环130通常是由有弹性的弹性体形成的，也用作密封该室内部的工艺气体，避免工艺气体向上通过上述间隙逸出。
图中显示环132在探针头120周围。环132可以是由石英(如图1的示例的情况)或其它合适的介电材料制成的。石英环132被设计为将探针头120与该上电极的其它部分电气隔离。石英环132的辅助功能是保护O形环130免于被该室内产生的等离子体的更高能离子和基团过度攻击。
然而，已经注意到，离子通量探针的设计和离子通量探针在该室中的安装有改进的机会。例如，已经发现石英环132的存在在等离子体处理过程中在该室中产生化学负载状态，因为石英环132是与探针头120的硅材料或该上电极的面向等离子体的表面106的硅材料不同的材料。在某些刻蚀工艺过程中，比如在介电蚀刻过程中，石英环132的蚀刻会改变该室内部的化学制品或等离子体的组成，导致该衬底上的不良的蚀刻结果。而且，随着石英环132的耗费，在该上电极的下表面和探头120的面向等离子体的表面之间可能形成缺口，并可能形成“聚合物陷阱”，潜在增加了在后续处理循环过程中衬底上的颗粒污染的可能性。而且，当石英环132被侵蚀时，离子通量探针的测量可能失真，因为呈现到该等离子体的该探针头的几何形状已经变化。
如图1中所示，在平铺(tile)等离子体(其形成于图1的上电极下方)和O形环130之间存在直视线。此直视线允许等离子体组成成分(比如高能离子和基团)到达该O形环，从而促进O形环更快速地退化。O形环130的加速退化迫使进行更高频率的维护，以替换O形环130，这导致更多的系统停机，减少了等离子体系统的吞吐量，并导致等离子体处理工具的更高的持有成本。
图1的装置的另一个问题涉及在离子通量探针102和该上电极的其它部分之间缺乏机械参照(mechanical referencing)。因为离子通量探针102耦合于与该上电极机械独立的支撑结构112，已经发现，为了确保探针头120与该上电极的下表面106齐平，离子通量探针102在安装过程中的精确定位是一个挑战。
图1的离子通量探针装置的另一个可被改进的方面涉及热平衡。对于精确测量，需要该离子通量探针(尤其是离子探针头120)尽可能快地与该上电极的其它部分处于热平衡。然而，因为图1的离子通量探针102机械耦合于支撑结构112并且只通过隔离环114和石英环132(二者都是相对差的导热体)偶然接触该上电极的其它部分，在探针头120和上电极之间实现快速局部热平衡的目标总是不能令人满意地达到。
发明内容
在一个实施方式中，本发明涉及一种测量等离子体处理系统的处理室内的工艺参数的装置。该装置包括设于上电极的开口中的探针装置，其中该探针装置包括探针头。该探针头包括头部，该头部是具有面向等离子体的表面的柱形塞并且被定位在该上电极的该开口内。该探针头还包括法兰部，该法兰部是直径比该头部的直径更大的中空柱体结构并被定位在该上电极的上表面上方。该装置还包括设在该上电极的该上表面和该探针头的该法兰部的面向底部的表面之间的O形环。该装置进一步包括由定位在该探针头的该头部的竖直侧壁和该上电极的该开口的竖直侧壁之间的电气隔离材料制成的衬垫，以阻止当该探针装置被插入该上电极的该开口时该探针装置碰到该上电极。该衬垫包括被配置为至少支撑该探针头的该法兰部的下侧的圆盘部。该衬垫还包括被配置为环绕该探针头的该头部的中空柱形部，其中该中空柱形部具有比该圆盘部更小的直径。该衬垫在该O形环和到该处理室的开口之间形成直角路径，由此阻止该O形环和到该处理室的该开口的直视线路径。
上述发明内容只涉及此处披露的本发明的许多实施方式中的一个，并不是为了限制本发明的范围，本发明的范围如权利要求所述。在下面本发明的具体实施方式部分，结合附图，对本发明的这些及其他特征进行更加详细的描述。
附图说明
本发明是以附图中各图中的实施例的方式进行描绘的，而不是通过限制的方式，其中类似的参考标号指示类似的元件，其中：
图1显示一种现有技术离子通量探针装置。
图2显示，按照本发明的一个实施方式，一种改进的离子通量探针装置。
具体实施方式
现在参考附图中描绘的一些优选实施方式，对本发明进行详细描述。在下面的描述中，阐明了许多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明没有这些具体细节中的一些或全部仍然可以实施。在其它情况下，没有对已知的工艺步骤和/或结构进行详细描述，以免不必要地模糊本发明。
本发明的实施方式涉及一种改进的离子通量设计，其中消除了隔离/垫衬环的介电材料(比如图1的石英环132的石英材料)对等离子体的直接暴露。而且，结合了创新的设计变化(比如使用高纵横比真空间隙和成锐角的等离子体-到-O形环路径)以延长该O形环的寿命。而且，在一个或更多实施方式中，该改进的设计将该离子通量机械参照于该上电极，从而使得它有可能准确定位该离子通量探针从而该面向等离子体的探针头表面可以与该上电极的面向等离子体的表面齐平。创新的设计变化还改进了该离子通量探针和周围的上电极材料之间的热传导，使得更快地实现该离子通量探针和该上电极之间的局部热平衡成为可能。
参考下面的附图和讨论，可以更好地理解本发明的实施方式的特征和优点。图2显示，按照本发明的一个或更多实施方式，设在上电极204中的改进的离子通量探针202。离子通量探针202包括探针头206，探针头206与插座208电接触。探针头206是由与上电极204的面向等离子体的表面相同的材料形成的，在一个实施方式中该材料是硅。
替代地，探针头206可以由允许能使离子通量测量值很准确同时能最小化对等离子体工艺的负面影响的不同材料形成。插座208由导电材料制成并通过导电焊料或粘结剂电气耦合于探针头206，比如例如如果插座208是由铝形成而探针头206是由硅形成的话该导电焊料可以是包含锡/银的焊料。可将接触棒(未示)插入插座208中以接收并中继通过探针头206获得的测量值。
探针头206具有头部206A和法兰部206B。头部206A是被配置为具有面向等离子体的表面206C的柱形塞，该表面206C与该上电极204的面向等离子体的表面210齐平。在一个实施方式中，法兰部206B是一个中空柱体结构，其直径比头部206A更大。提供衬垫212，在一个实施方式中，衬垫212是由与盘形部212B成整体的中空柱体部212A形成的。在一个实施方式中，衬垫212是由SiN形成的，以用于介电蚀刻应用，因为SiN材料与介电蚀刻的兼容性。然而，可以为衬垫212使用电气绝缘并且与设想的等离子体工艺兼容的任何刚性材料。
中空柱体部212A被配置为环绕探针头206的头部206A，而圆盘部212B被配置为支撑探针头206的法兰部206B的下侧。在上电极204中构造两个肩部216A和216B以容纳中空柱体部分212A和圆盘部212B。当衬垫212被设在开口220内且探针头206也被设在开口220内时，中空柱体部212A被夹在头部206A的竖直侧壁和开口220的侧壁之间，如图所示。而且，圆盘部212B被夹在法兰部206B的下侧和由上电极204形成的上表面226之间。通过以讨论的方式夹住衬垫212，衬垫212用于将探针头206准确定位在开口220内从而在探针头206的竖直侧壁和上电极204的周围材料中的开口220的竖直侧壁之间形成小间隙222。探头206在开口220内的准确位置对于防止探针头206和上电极204的周围材料之间的无意的电气短路是重要的。
O形环228被夹在法兰部206B的上表面226和下表面之间，如图2所示。而且，O形环228被设在法兰部206外面。O形环228防止污染物到达该室内部(图2的示例的上电极204下方)，并帮助阻止非受控的室气体进入或逸出，从而改善工艺稳定性。
空隙222是高纵横比间隙(即，比宽长得多)，该间隙被设计为不能够支持该间隙中的等离子体。该纵横比间隙还呈现出间隙中的大的表面积从而穿透间隙222的任何基团将在到达O形环228之前很可能被沿着该间隙壁重新结合和/或中和。由衬垫212产生的等离子体-O形环的直角拐角还帮助减少到达环228的高能离子的数量，因为这些高能离子可能撞在该直角转角的角落上并在到达环228之前变得中和。
用这种方式，该改进的设计避免了该等离子体和该O形环之间的直接的视线，从而有助于该O形环的更长的寿命。而且，不需要石英环被呈现在该等离子体前，从而回避了与现有技术装置有关的缺点(比如该等离子体环境中石英材料的不想要的存在，由于该石英材料的计划外蚀刻而存在的化学负载以及该石英材料本身可能与该探针头和周围面向等离子体的上电极材料的蚀刻以不同速率进行的蚀刻)。相反，间隙222用作隔离间隙“环”以将探针头206的头部206A与开口220的周围上电极材料电气隔离。
在图2的示例中，上电极204是由粘结于该面向等离子体的层的一个或更多上层形成的。如同提到过的，在图2的示例中，该面向等离子体的层230是硅，以呈现用于蚀刻工艺(比如介电蚀刻)的兼容的材料。该上层可以是由导电导热材料(比如铝或石墨)形成的。在图2的示例中，上层232是石墨。为了对探针202提供结构支撑，在上电极204中形成套筒240。在图2的示例中，套筒240是由铝形成的，尽管也可以使用其它在结构上合适的材料(比如不锈钢)。在一个实施方式中，套筒240可以粘结于该上电极的石墨材料。
铝套筒240包括内螺纹部240a和耳部240b。内螺纹部240a具有内螺纹以适应螺纹固定环250，该螺纹固定环250可以是由铝或不锈钢材料制成。热接触环252设于探针头206的法兰部206b的上表面和螺纹固定环250的下表面之间。热接触环252可以由合适的材料形成，比如硅聚合物或矾土，例如，以促进探针头206和螺纹固定环250之间的热传导同时在探针头206和螺纹固定环250之间提供电隔离功能。
当螺纹固定环250与铝套筒240的螺纹部240a的内螺纹啮合时并被旋下(通过工具孔254)时，螺纹固定环250充当推力环并迫使法兰部206b向下抵靠上表面226以刚性锁住法兰部206b并将探针头206固定在开口220内。用这种方式，探头206相对于上电极204在竖直方向上可靠地参照，从而允许探针头206相对于上电极204的更准确的定位，以实现该探针头206的面向等离子体表面和上电极204的面向等离子体表面210之间的期望的齐平表面。螺纹固定环250的压缩力还压缩O形环228，从而改善密封。螺纹固定环250优选地具有内部透孔，该内部透孔的直径比插座208的直径更大。用这种方式，在插座208和螺纹固定环250之间没有电传导路径。
当螺纹固定环250被向下旋时，耳部240b在结构上抵抗可施加在套筒240上的旋转扭矩。耳部240b(可能有一个或更多个)也呈现出在套筒240和该上电极的其它石墨材料之间的大的热接触面积。在热学上说，通过热接触换252、螺纹固定环250和铝套筒240，在探针头到铝套筒240周围的上电极材料之间有高效的热传导路径。用这种方式，且不同于图1的现有技术装置，探针头206可以更容易地实现与上电极204的其它部分之间的热平衡，从而能够进行更准确和/或更及时的材料而不必等待冗长的热稳定时间。
注意，如果上电极204的上层232是由能在结构上形成螺纹以适应螺纹固定环250的螺纹的材料形成的话，可以省去套筒240。在这种情况下，螺纹可以直接在上电极204的材料中形成。而且，提供插座208是为了方便，在一个实施方式中，可以将其省略。如果省去插座208的话，需要的话接触棒可以直接粘结于探针头206。
尽管已经按照若干优选实施方式描述了本发明，然而存在落入本发明的范围的变更、置换和等同。例如，尽管使用离子通量探针来描绘定位和安装该探针的创新结构，然而，本文的创新的机械结构和装置可用于准确在任何室表面上定位和安装任何面向等离子体的传感器(其包括但不限于该上电极)以促进等离子体处理过程中的一个或更多参数的测量。这样的传感器的示例包括但不限于自退出电子共振频谱仪(SEERS)、朗缪尔探针或其变形。还要注意，有许多实现本发明的方法和装置的替代方式。尽管本文提供了各种示例，然而这些示例意在是对本发明的说明而非限制。
而且，本文提供的发明名称和发明内容也是为了方便，不应当用于解释此处权利要求的范围。而且，摘要是用高度浓缩的形式写成的，在此提供是为了方便，而不应当用来解释或限制整个发明，发明用权利要求来表示。如果本文使用了术语“集合”，此术语是为了具有其通常理解的数学含义，涵盖0、1或多于1个成员。而且，所附权利要求应当被解释为包括所有这些变更、置换和等同，均落入本发明的真实精神和范围。
Claims (20)
1.一种测量等离子体处理系统的处理室内的工艺参数的装置，包含：
设于上电极的开口中的探针装置，其中所述探针装置包括探针头且所述探针头包括
头部，其中所述头部是具有面向等离子体的表面的柱形塞并且被定位在所述上电极的所述开口内，以及
法兰部，其中所述法兰部是直径比所述头部的直径更大的中空柱体结构并被定位在所述上电极的上表面上方；
设在所述上电极的所述上表面和所述探针头的所述法兰部的面向底部的表面之间的O形环；以及
由定位在所述探针头的所述头部的竖直侧壁和所述上电极的所述开口的竖直侧壁之间的电气隔离材料制成的衬垫，以阻止当所述探针装置被插入所述上电极的所述开口时所述探针装置碰到所述上电极，其中所述衬垫包括
被配置为至少支撑所述探针头的所述法兰部的下侧的圆盘部，以及
被配置为环绕所述探针头的所述头部的中空柱形部，其中所述中空柱形部具有比所述圆盘部更小的直径，其中所述衬垫在所述O形环和到所述处理室的开口之间形成直角路径，由此阻止所述O形环和到所述处理室的所述开口的直视线路径。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述探针布置是离子通量探针。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述探针头是由硅制成的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述探针头的所述面向等离子体的表面与所述上电极的面向等离子体的表面齐平。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬垫是由氮化硅(SiN)制成的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬垫在所述头部的所述竖直侧壁和所述上电极的所述开口的所述竖直侧壁之间形成高纵横比间隙，其中所述高纵横比间隙具有大于水平宽度的竖直长度。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述探针头与由导电材料制成的插座电接触。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述探针头通过导电焊料耦合于所述插座。
9.根据权利要求8所述的装置，其中接触棒被插入所述插座，其中所述接触棒被配置为至少接收并中继从所述探针头获得的测量数据。
10.根据权利要求1所述的装置，其中接触棒粘结于所述探针头，其中所述接触棒被配置为至少接收并中继从所述探针头获得的测量数据。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述上电极被配置为包括
面向等离子体的层，其中所述面向等离子体的层是由硅制成的，以及
一组上层，其中所述组上层粘结于所述面向等离子体的层，所述组上层是由导电导热材料制成的。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述组上层是由铝制成的。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述组上层是由石墨制成的。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述上电极包括套筒，其中所述套筒包括内螺纹部和耳部。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述套筒是由铝制成的。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述内螺纹部与螺纹固定环啮合，由此压缩所述O形环并迫使所述探针头的所述法兰部向下抵靠所述上电极的所述上表面。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述螺纹固定环包括直径比插座的直径更大的内部透孔，其中所述插座与所述探针头电接触。
18.根据权利要求17所述的装置，其中热接触环被设在所述法兰部的朝上的表面和所述螺纹固定环的下表面之间，其中所述热接触环将所述探针头从所述螺纹固定环电气隔离。
19.根据权利要求17所述的装置，其中所述热接触环是由硅聚合物制成的。
20.根据权利要求11所述的装置，其中所述上电极的所述组上层包括内螺纹部，其中所述内螺纹部与螺纹固定环啮合，由此压缩所述O形环并迫使所述探针头的所述法兰部向下抵靠所述上电极的所述上表面。
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