CN102859637A - 等离子体处理参数的检测 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控封闭式等离子体处理空间(102)中的状况的系统。该系统包括传感器(338)，被布置成被配备在该封闭式等离子体处理空间内，用于检测在该封闭式等离子体处理空间内的状况，以及调制电路(342)，被连接到该传感器，并被布置成调制该传感器的输出，以提供被调制的信号。该系统进一步包括第一传输线耦合器(330)，被布置为在该封闭式等离子体处理空间内被处置。该第一传输线耦合器(546)被连接到该调制电路并被布置成把该被调制的信号耦合到传输线，该传输线被布置成把能量传递进入该封闭式等离子体空间内。该系统进一步包括第二传输线耦合器，被布置成在该封闭式等离子体处理空间之外被处置，并被耦合到传输线和解调器(550)，该解调器被连接到第二耦合器，用于接收和解调该被调制的信号。

Description

等离子体处理参数的检测
技术领域
本发明涉及处理参数的检测，并且尤其涉及传感器在封闭式处理空间内的配置。本发明在等离子体处理参数的检测中具有特别的适用性。
背景技术
等离子体处理系统被广泛地用于处理基板。例如，在半导体制造中硅晶圆的蚀刻和在太阳能电池的制造中层片的沉积。等离子体应用的范围很宽，还包括等离子体增强化学气相沉积、抗剥离操作和等离子体蚀刻。
为了减少处理开发时间和增加处理控制，以及为了故障检测和解决，在工业界存在一种需求：在等离子体处理中配置传感器以测量作为位置和时间的函数的关键处理参数。这些应用常常要求在处理区域内带有多个传感器的分布的空间映射。
最近几年中，已经提出了许多使用现场的和基本上是实时的检测仪器和测量法获得随着位置和时间变化的数据的方法。
US5,746,513公开了一种温度校准基板，带有位于所述基板的基板表面下方的空腔以及被布置于该空腔中用来测量该基板的温度的热电偶。该空腔包括空腔开口、内圆周，以及长度。热量转移装置被布置在热电偶和空腔的内圆周之间的空腔装置中，用来把热量从基板转移到热电偶。该空腔被塑形以允许紧邻该基板放置该热电偶，且该热电偶被基本上挨着该空腔的内圆周放置并横贯该空腔装置的长度，从而增强了从基板到热电偶装置的热量转移效率。
US6,691,068公开了一种完整的测量系统，带有在工件上的分布式的传感器。该系统采用包括信息处理器的传感器装置、用于控制该装置的嵌入式可执行命令，以及至少一个传感器。该信息处理器和传感器被支撑在基板上。该传感器把测得的运行特征转换成数字数据，为了此后的获取(即，当该工件被从该等离子体腔室中移除时)，其或者被存储到该传感器装置中，或者被存储并被无线地传输到外部接收机。
US6,830,650公开了一种利用晶圆基板上的集成式传感器的用于测量等离子体处理环境中的等离子体和表面特征的晶圆探针。被安装在基板上的微处理器接收来自集成式传感器的输入信号，以处理、存储和传输数据。无线通信收发机接收来自该微处理器的数据，并把该等离子体处理系统之外的信息传输到采集等离子体处理期间的数据的计算机。还提供了利用等离子体用于供电的独立电源，包括依赖于X射线断层摄影的充电设备或者利用叠层式电容的充电结构。
为了随后的分析而使用无线传输(或者存储和无线传输)传输来自传感器的数据并不是毫无问题的。
在等离子体处理中，通过等离子体的射频信号的传输受到了等离子体是半导体(其对天线加以屏蔽)这一事实的阻碍。这可以通过确保载波频率高于电子等离子体频率(通常通过使用1-100GHz频带中的载波)来克服。因此，使用光谱的微波、红外或可见光部分中的载波是可能的(就像在US6,691,068中所建议的那样)，但是这要求外部接收天线和被附着到传感器的天线之间的基本的视距通讯。可替换地，如果要使用较低的频率，则为了在等离子体关闭时传输，数据必须被存储，这增加了等离子体处理系统的尺寸和复杂度。
包括在工件上的传感器、多路复用、数字化仪、可执行的指令以及存储系统在内的完整的测量系统的放置意味着来自传感器的数据被数字化并被存储在该工件上。该工件经常位于带有增加对传感器数据的噪声污染的可能性的射频和磁场的不友好环境中。从传感器到微处理器的引线特别脆弱，它们能够起到天线的作用，而且需要复杂的屏蔽来使干扰最小化。
在不同位置处，工件上的局部偏置常常是不同的，而且基本上不同于与该工具的其他部分。因此，模拟传感器数据被修改，而且难以保持电漂浮传感器。
特别地，现有技术对传感器数据进行数字化的要求意味着模数转换器(ADC)位于工件上，且模拟数据需要被穿过该工件发送到ADC，导致了噪声拾取相关的问题。
还有一点显而易见的是：需要操作ADC的大功率(特别是当需要高速和高分辨力时)是限制因素。如果需要高速数据，那么数据的存储将消耗更大量的空间和功率，该空间和功率是受系统内部限制的。
发明内容
提供有一种用于监控封闭式等离子体处理空间内状况的系统，包括：
(a)传感器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间内，用于检测在所述封闭式等离子体处理空间内的状况；
(b)调制电路，被连接到所述传感器，并调制所述传感器的输出，以提供已调制信号；
(c)第一传输线耦合器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间内，连接所述调制电路并把所述已调制信号耦合到传输线，所述传输线用来把能量传递到所述封闭式等离子体空间内；
(d)第二传输线耦合器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间之外被处置，并耦合连接所述传输线；
(e)连接到所述第二耦合器的解调器，，用于接收和解调所述已调制信号。
与基于RFID的传感器系统不同的是，本系统在不需要近场中的接收机的情况下允许远程监控传感器。鉴于RFID和其他近场无线系统依赖于发射机和接收机之间的间隔和信号强度，本系统把被调制的信号耦合到传输线中，使得它将沿着传输线被远距离传输。因此，第二耦合器拾取来自局部传输线电流的，而不是来自位于传感器处的发射机的感应场。
优选地，所述调制电路被布置成把所述传感器的所述输出调制到载波信号上，以提供所述已调制的信号。
优选地，调制电路进一步包括电源，该电源包括被连接到所述第一耦合器的电压调节电路，该电压调节电路被由该第一耦合器从该传输线中提取出的功率驱动。
进一步地，优选地，该调制电路进一步包括第一振荡器，用于依据由第一耦合器从传输线中提取出的功率产生所述载波信号。
进一步地，优选地，该传感器包括第二振荡器，其频率依赖于在所述封闭式等离子体处理空间内检测到的所述状况，其中该调制电路用所述第二振荡器的输出调制所述载波信号。
在优选的实施例中，该系统进一步包括标识码生成器，在其输出提供标识码信号，所述标识码信号被与所述第二振荡器的输出合并，且被提供给所述调制电路，以同样用该标识码调制所述载波。
在另外的优选的实施例中，多个传感器被提供，且相应的多个标识码生成器被提供，每个都与相应的传感器相关联，所述传感器的每个的输出借此被用各个标识码调制，以提供彼此不同的复合调制，载波信号被用多个所述复合调制所调制，以使解调器能够提供相应的多个输出信号，每个都被标识所述传感器的特定的一个的独特的码所标识。
优选地，所述传感器被安装在待处理的基板上，且所述第一传输线耦合器是用来形成回路的线圈，该回路包括被嵌入到所述基板中的两条平面带。
优选地，所述第一传输线耦合器具有大约100mm的长度和大约0.5mm的深度。
优选地，所述第一传输线耦合器具有约40到50dB的插入损耗。
优选地，该第一和第二传输线耦合器是双向耦合器，能够沿着传输线进行双向数据传输。
本发明进一步提供了一种等离子体处理工具，包括：
a)封闭式等离子体处理空间；
b)传输线，用于把能量传递进所述封闭式等离子体处理空间内；以及
c)用于监控封闭式等离子体处理空间内的状况的权利要求1到11之一的系统，包括：
a.传感器，被布置成被配备在所述封闭式等离子体处理空间内，用于检测在所述封闭式等离子体处理空间内的状况；
b.调制电路，被连接到所述传感器，并被布置成调制所述传感器的输出，以提供被调制的信号；
c.第一传输线耦合器，被布置为在所述封闭式等离子体处理空间内被处置，被连接到所述调制电路并被布置成把所述被调制的信号耦合到传输线，所述传输线被布置成把能量传递进入所述封闭式等离子体空间内；
d.第二传输线耦合器，被布置成在所述封闭式等离子体处理空间之外被处置，并被耦合到传输线；以及
e.解调器，被连接到所述第二耦合器，用于接收和解调所述被调制的信号。
优选地，所述状况是该等离子体处理工具的处理参数。
优选地，所述处理参数是温度、蚀刻速度、到所述基板的表面的离子通量、待处理的基板的表面的漂浮电势、在待处理的基板表面的电场均匀性，以及待处理的基板的层厚度之一。
本发明进一步提供了一种监控封闭式等离子体处理空间内状况的方法，包括：
a)检测所述封闭式等离子体处理空间内状况；
b)基于所述状况产生输出；
c)调制所述输出，以提供已调制信号；
d)把所述已调制信号耦合到所述封闭式等离子体空间内的传输线，该传输线被布置成把能量传递进所述封闭式等离子体空间；
e)将来自所述传输线的所述已调制信号从外部与所述封闭式等离子体空间分离；以及
f)解调所述已调制信号。
现在将根据附图通过举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是包括待处理的基板的等离子体处理工具的原理图；
图2a根据本发明的优选的实施例，描绘了图1的在其上布置有传感器的基板；
图2b根据来自射频电源的偏置电流，描绘了被附着于图2a的传感器的传输线耦合器的方向；
图3是根据本发明的第一实施例的图2b的耦合器的电路框图和CMOS电路的布置；
图4是根据本发明的优选的实施例的图2b的耦合器的电路框图和CMOS电路的布置；
图5是根据本发明的优选的实施例的接收机的电路框图。
现在参见图1，说明有一般地用100指示的等离子体处理工具的原理图。该等离子体处理工具100包括腔室102，具有接地导电腔壁104且被布置成包含腔室气体，氩气或者氖气。腔室102包括卡盘或者工件106，用于托住待处理的晶圆或者基板108。
射频电源110被经由传输线112和匹配单元114，通过被配备在腔壁104中的介质窗口116连接到腔室102中的顶部电极118。在把射频电源应用到顶部电极118时，腔室气体变得离子化并形成等离子体120。等离子体120表现为导体，减小了顶部电极118和工件106之间的阻抗，并从而允许射频电流流过腔室102内的最终的传输线。
虽然射频电源的应用引起了顶部电极118和工件106之间的等离子体腔室传输线的形成，但是在腔室102的一些区域中的气体将不足以变得被离子化成等离子体。这些区域被称作鞘层(未示出)并表现了电介质的特性。一般地，鞘层会在腔壁104和在工件106或者基板108处形成。在工件106或者基板106处形成鞘层，且作为结果，沿着等离子体腔室传输线的情况中，鞘层表现得像串联电容器且并不明显地阻碍腔室102作为传输线的运行。此外，在缺少等离子体120时，顶部电极118和工件106之间的缝隙是串联电容，且隐式传输线仍然存在。
再次参见图1，偏置射频电源122被经由传输线124和匹配单元126通过被配备在腔壁104中的介质窗口116’连接到工件106。因此，当应用射频偏置时，等离子体产生的直流偏置能够被放置在基板108上，从而控制与等离子体处理工具有关联的处理参数，例如，对于给定的正被处理的基板的蚀刻速率。
图2a描绘了在其上布置有传感器的基板208。然而，应当理解的是，传感器可以被配备在等离子体处理工具100内的任何适当的位置处，例如，在工件106上，在腔壁104上，或者在腔室102内的其他地方。传感器被连接到CMOS电路228并被布置成检测等离子体处理工具100的处理参数。在本发明的当前实施例中，传感器被布置成检测温度。然而，应当理解的是，传感器可以被布置成测量其他处理参数，诸如蚀刻速度、到基板108的表面的离子通量、表面的漂浮电势、在基板处的电场均匀性、层厚度。
传输线耦合器230被附着到传感器且被定向，以使来自射频偏置电源的偏置电流的磁通链最大化，如图2b所示。在优选的实施例中，耦合器230是线圈，其借助于被嵌入到基板208中的两条平面带形成回路。
现在参见图3，说明有根据本发明的第一实施例的耦合器330的电路框图和CMOS电路328的布置。
在这个实施例中，基板108，208被偏置于13.56MHz。通常，在基板108，208处存在几百到几千伏特，并且100A/m2阶的电流流过基板。
耦合器330优选地是100mm长和0.5mm深，且被松耦合到射频传输线112，124，传递功率到等离子体腔室102。在这个实施例中，耦合轻微共振，在40到50dB的区域中具有插入损耗，且因此，仅牵引了一小部分射频电源，例如，0.01％。回路中感生了大约几百微伏的电压。这个电压被借助于修正电路332增加、修正和调节，以提供大约3.3伏特驱动CMOS电路328。
正如图3所描绘的那样，CMOS电路328包括第一振荡器334和第二振荡器336。
第一振荡器334包括温度敏感电阻，或者热敏电阻338，且热敏电阻338的阻值变化被布置成修改振荡频率Fs和由振荡器334产生的信号Ss。因此，随着从被配备在基板108，208上的传感器输出的被检测到的温度的变化，热敏电阻338的阻值被改变，从而改变了振荡器频率Fs。
第二振荡器336被布置成产生具有子载波频率，FSC，的信号SSC。在优选的实施例中，子载波频率FSC大约是300kHz。然而，应当理解的是，子载波频率FSC也可以是射频载波频率的谐波，即，13.56Hz或者存在于等离子体处理工具100中的其他任何适当的频率。
信号SS和SSC被注入与非门340，其输出形成了场效应晶体管342的门极输入，以从而对混合信号进行调幅，AM。这个被调制的信号被随后耦合到射频传输线112，124，把功率传递到等离子体腔室102。
因此，耦合器230，330被采用，以既从射频电源110或者真正地，偏置射频电源122中提取功率，又把携带传感器信息的信号与射频电源的射频载波信号SC耦合。
图4描绘了根据本发明的优选的实施例的耦合器330的电路框图和CMOS电路428的布置，其中从多个传感器确定的信息可以被耦合到射频载波信号。
图4的电路框图与图3的相似，并因此，共同的特征被标以相同的标记。
对比于图3的CMOS电路328，图4的CMOS电路428进一步包括伪随机噪声移位寄存器444。
在优选的实施例中，从射频电源提取的、被借助于修正电路332增加、修正和调节的功率也被采用，以给伪随机噪声移位寄存器444供电。此外，正如所描绘的那样，射频信号被经由耦合器330直接注入到伪随机噪声移位寄存器444的输入端。
伪随机噪声移位寄存器444利用类噪声射频信号产生用于分配给传感器信号SS的伪随机码。传感器信号被随后在子载波信号SSC上调制，且为了与射频载波信号一起传输而被传输到耦合器。
在该优选的实施例中，从多个传感器确定的信息可以被耦合到射频载波信号。为此，每个传感器都与独特的伪随机码有关，当调制子载波频率FSC时使用该伪随机码。
在该优选的实施例中，把若干传感器信息携带信号并入单独的信号是借助于频域多路复用实现的。然而，应当理解的是，还可以采用时域多路复用。
此外，图1的等离子体工具100可以包括额外的与被配备在腔室102内的位置处的第二耦合器(未示出)相关的传感器。第二耦合器被布置，以用射频载波传输额外的传感器信息并被与耦合器230，330按顺序使用。
在该优选的实施例中，传输线被匹配在13.56MHz，使得它在沿着传输线的任意点处相对容易地检测射频载波信号，例如，在射频电源处，或者在腔室102的窗口116，116’处。
现在参见图5，说明有用于接收正被沿着等离子体腔室传输线传输的射频载波信号的接收机电路。
接收电路包括耦合器546，被连接到等离子体腔室传输线548。耦合器546被布置成传递通过解调器550的被接收的射频载波信号，并通过低通滤波器552以从射频载波信号中提取子载波信号。该子载波信号被注入到模拟数字转换器，ADC，554，以将信号转换成数字信号，该数字信号随后被解调以提取温度传感器的频率，FS，从其中提取温度。
在从多个传感器，N，导出的信息被在不同频率的信号携带的情况中，伪随机寄存器544和相关器556被采用，以从信号中提取传感器的相关频率，以及来自其中的相关测量，其被描绘于图5的输出绘图558中。在该优选的实施例中，双向耦合器被采用，以使数据能够被沿着传输线双向传输，从而使得腔室202内的耦合器的位置不那么重要了。
虽然射频电源是所描述的实施例中采用的射频载波信号的来源，但应当理解的是，射频电源也可以提供射频载波信号。此外，为激发等离子体腔室传输线中的波，需要相对低的功率。因此，即使在没有等离子体或者外部载波时，仅非常低的电池功率就足以产生信号载波，从而极大地延长了电池寿命。因此，应当理解的是，本发明的方法可以被在来自被配备在腔室内的传感器的处理参数的确定中采用，而不考虑等离子体是否被激发。例如，基板或者晶圆温度可以被在等离子体被关闭之后的短时间内检测到。
不同于RFID应用中所采用的感应耦合方法，传输不受在13.56MHz处几米的天线的近场的限制。相反，本发明设想在传输线被设计和匹配用于携带的频率处，把传感器信息携带信号耦合到隐式传输线中，从而转移了损耗且使信号能够被沿着传输线远距离传输。在本发明的实施例中，接收传感器信息携带信号的耦合器被布置，以拾取与传输线电流而不是传输线圈有关联的感应场。因此，没有必要把耦合器放置在天线的近场中。
衰减受到从发射和接收线圈到传输线的距离控制。在本发明的实施例中，发射和接收线圈在传输线的边缘内或附近，此处磁场是最强的，从而达到了良好的耦合。优选地，为了不干扰等离子体处理，耦合器被设计成使插入损耗最小化。应当理解的是，虽然本质上不是由于所达到的耦合的有效性导致的，但可以通过使用用于传输的共振线圈来增加传输的效率。
本发明不限于在此所描述的实施例，在不背离本发明的范围的前提下，其可以被修改或者变化。

Claims (15)

1.一种用于监控封闭式等离子体处理空间内状况的系统，包括：
(a)传感器，被设置在所述封闭式等离子体处理空间内，用于检测所述封闭式等离子体处理空间内状况；
(b)调制电路，被连接到所述传感器，并调制所述传感器的输出，以提供已调制信号；
(c)第一传输线耦合器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间内，连接所述调制电路并把所述已调制信号耦合到传输线，所述传输线用来把能量传递到所述封闭式等离子体空间内；
(d)第二传输线耦合器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间之外，并耦合连接所述传输线；
(e)连接到所述第二耦合器的解调器，用于接收和解调所述已调制信号。
2.根据权利要求1的系统，其中所述调制电路把所述传感器的所述输出调制到载波信号上，以提供所述已调制的信号。
3.根据权利要求2的系统，其中所述调制电路进一步包括电源，所述电源包括被连接到所述第一耦合器的电压调节电路，所述电压调节电路由所述第一耦合器从所述传输线中提取出的功率驱动。
4.根据权利要求3的系统，其中所述调制电路进一步包括第一振荡器，用于依据由所述第一耦合器从所述传输线中提取出的功率产生所述载波信号。
5.根据权利要求2的系统，其中所述传感器包括第二振荡器，其频率依赖于在所述封闭式等离子体处理空间内检测到的所述状况，其中所述调制电路用所述第二振荡器的输出调制所述载波信号。
6.根据权利要求2的系统，其中所述传感器进一步包括：
第二振荡器，其频率依赖于在所述封闭式等离子体处理空间内检测到的所述状况；以及
标识码生成器，在其输出提供标识码信号，所述标识码信号与所述第二振荡器的输出合并，以提供所述传感器的所述输出。
7.根据权利要求6之一的系统，包括：
多个传感器，被布置在所述封闭式等离子体处理空间内，每个传感器均检测所述封闭式等离子体处理空间内的状况；且
每个传感器都包括其频率依赖于在所述封闭式等离子体处理空间内检测到的所述状况的第二振荡器；以及标识码生成器，在其输出提供标识码信号，所述标识码信号与所述第二振荡器输出合并，以提供独特传感器信号，
其中诸多所述独特传感器信号被合并，以在所述传感器的所述输出提供复合信号。
8.根据权利要求1到7之一的系统，其中所述传感器被安装在待处理的基板上，且所述第一传输线耦合器是用来形成回路的线圈，该回路包括被嵌入到所述基板中的两条平面带。
9.根据权利要求1到8之一的系统，其中所述第一传输线耦合器具有大约100mm的长度和大约0.5mm的深度。
10.根据权利要求1到9之一的系统，其中所述第一传输线耦合器具有约40到50dB的插入损耗。
11.根据权利要求1到10之一的系统，其中第一和第二传输线耦合器是双向耦合器，能够沿着传输线进行双向数据传输。
12.一种等离子体处理工具，包括：
a)封闭式等离子体处理空间；
b)传输线，用于把能量传递进所述封闭式等离子体处理空间内；以及
c)权利要求1到11之一的用于监控封闭式等离子体处理空间内状况的系统。
13.根据权利要求12的等离子体处理工具，其中所述状况是等离子体处理工具的处理参数。
14.根据权利要求13的等离子体处理工具，其中所述处理参数是温度、蚀刻速度、到所述基板的表面的离子通量、待处理的基板的表面的漂浮电势、在待处理的基板表面的电场均匀性，以及待处理的基板的层厚度之一。
15.一种监控封闭式等离子体处理空间内状况的方法，包括：
检测所述封闭式等离子体处理空间内状况；
基于所述状况产生输出；
调制所述输出，以提供已调制信号；
把所述已调制信号耦合到所述封闭式等离子体空间内的传输线，该传输线把能量传递到所述封闭式等离子体空间；
将来自所述传输线的所述已调制信号从外部与所述封闭式等离子体空间分离；以及
解调所述已调制信号。
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