CN103460338A - 用于测量被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的工艺条件测量设备(pcmd)和方法 - Google Patents

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Abstract

一种工艺条件测量设备(PCMD)可包括第一和第二衬底组件。一个或多个温度传感器被嵌入到每个衬底组件中。第一和第二衬底组件被夹设在一起以使第二衬底组件中的每个温度传感器串联对准于第一衬底组件中的相应温度传感器。替代地，第一和第二温度传感器可在同一衬底中并联地设置。当PCMD受工件加工工具中的工艺条件作用时，可测量多对相应的温度传感器之间的温度差。可从这些温度差计算出工具中的工艺条件。

Description

用于测量被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的工艺条件测量设备(PCMD)和方法
发明领域
本发明的实施例涉及用于测量被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的工艺条件测量设备(PCMD)。
发明背景
在半导体制造过程中(即在硅晶片上形成集成电路以用于电子器件的工艺)，或更一般的工件加工(例如平板显示器加工、平版印刷掩模加工等)中，给定的衬底(例如硅)在最终产品完成前可能暴露于大量不同的子工艺。作为示例而非限定，在半导体制造的背景下，这些子工艺可包括沉积、去除、布图以及电气性质的修改。
沉积涉及使材料生长、涂覆或以其它方式转印到衬底上的任何工艺。根据所需沉积的性质存在若干沉积技术。这些技术包括物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延生长(MBE)以及原子层沉积(ALD)。去除涉及从晶片上去除材料的任何工艺。同样，根据所需的去除类型(例如整块去除、选择性去除等)存在若干种去除技术。这些技术包括湿蚀、干蚀、化学机械平面化(CMP)以及等离子灰化。最终，存在若干不同的技术，用以布图(即修改沉积的材料的已有形状)以及对电气性质和热性质的修改(例如掺杂、退火)。这些子工艺中的许多需要使用某些工件加工工具来助益性能。
为了确保这些工件加工工具的有效设计、工艺优化以及故障检测，追踪与这些工具相关的某些特征和加工条件是重要的。具体地，由工件加工工具在工作期间通过衬底产生的热通量可提供至关重要的信息，该信息能帮助维持工件加工工具的质量保证和稳定受控的性能以及其被设计成提供服务的那个子工艺。此外，对热通量因变于时间的局部空间差异的测量可提供独立于工件变数（variability）表征这些工件加工工具和工艺的手段。
当前，存在非常少的技术用以确定通过衬底的热通量。存在工艺局限性的那些技术使它们不适用于具体的工件加工工具中。一种技术使用温度传感器的热衰变率来计算热通量。这种技术记载在例如共同转让的美国专利6,907,364中，该文献援引包含于此。为了采用这种技术，一开始将热刺激物应用到位于衬底上的温度传感器。然后将热刺激物断开，并测量温度传感器的温度衰变，最终导致热通量的确定。然而，这项技术对于某些工件工艺是无法实现的(例如标准晶片制造工艺)。这是因为使用这种技术无法实现对热通量变化率的连续监视，而零星的、短暂的监视无法提供所意欲的益处。
第二种技术涉及将市面上有售的热通量传感器嵌入到设备衬底中。然而，这些传感器一般只能得到大尺寸的(长度以厘米计)，并且可能不满足某些应用所需的动态范围。在加工过程中将附加结构引入到衬底的表面有可能对工件加工工具中的工艺条件造成严重的干扰。另外，用于构造这些热通量传感器的许多材料无法胜任一些特定的加工工具或工艺。因此，将这些热通量传感器整合到晶片类衬底以确定工件加工工具中的工艺条件可能是极具挑战性的。
业内需要一种技术，这种技术能够测量通过由被配置成加工产品工件的工件加工工具加工的衬底的一个或多个位置的热通量。在这样的背景下，提出了本发明的实施例。
附图说明
一旦阅读了以下详细说明并参考附图，本发明实施例的目的和优点就将变得显而易见，在附图中：
图1A是根据本发明一实施例的加工条件测量设备(PCMD)的三维横截面。
图1B和图1C是根据本发明一实施例的PCMD的俯视图。
图2A是根据本发明一替代实施例的PCMD的横截面示意图。
图2B是根据本发明一替代实施例的PCMD的横截面示意图。
图3A是根据本发明一替代实施例的PCMD的横截面示意图。
图3B是根据本发明一替代实施例的PCMD的横截面示意图。
图4是根据本发明一实施例的PCMD的俯视示意图。
图5是示出根据本发明一实施例的用于确定工件加工工具的工艺条件的方法的流程图。
图6是示出根据本发明一实施例的用于确定工件加工工具的工艺条件的装置的方框图。
图7示出根据本发明一实施例具有用于确定工件加工工具的工艺条件的指令的非暂时计算机可读存储介质的一个例子。
特定实施例的描述
如前面讨论的那样，业内需要一种能够测量在由被配置成加工产品工件的工件加工工具加工的衬底的一个或多个位置中的热通量的技术。图1A-1C、图2A-2B以及图3A-3B是示出根据本发明优选实施例能够测量热通量的工艺条件测量设备(PCMD)的示意图。
每个PCMD包括被配置成在PCMD的不同位置测量与PCMD垂直的热通量的一个或多个热通量传感器。本文中使用的热通量传感器或指商用热通量传感器，或指以一种关系对准的一对温度传感器，这种关系被配置成通过测量两个温度传感器之间的温度差来确定与PCMD垂直的热通量。
图1A、图1B和图1C是示出根据本发明的优选实施例能够测量热通量的PCMD的示意图。图1A是该PCMD100的三维横截面图。图示的PCMD100具有单个热通量传感器111，然而该设备可扩展至包括任何数量的热通量传感器111。热通量传感器111包括第一温度传感器105和第二温度传感器105’，具有嵌入在其中的第一温度传感器105的衬底组件101与具有嵌入在其中的相应第二温度传感器105’的附加衬底组件103被夹设在一起。每个温度传感器105、105’可被嵌入到形成在其相应的衬底组件101、103的表面内的小空腔中并例如使用热环氧树脂113固定在位。在图1A所示的实施例中，温度传感器105、105’被夹设在衬底组件和附加衬底组件之间，以使它们在工件加工工具的操作期间通过衬底组件101和附加衬底组件103受保护而不暴露于工件加工工具中的环境。这种结构允许PCMD100在向工件提供与由工具加工的标准工具的表面基本相同的表面的同时测量加工工具中的工艺条件。温度传感器105、105’在这种结构中不突出于PCMD表面之上。
传感器105和105’、衬底组件101、以及附加衬底组件103被设置成使衬底组件101中的第一温度传感器105串联地对准于附加衬底103中的相应第二温度传感器105’，由此形成热通量传感器111。本文中，当温度传感器处于重叠配置时(例如图1A所示)，构成热通量传感器111的每对温度传感器105、105’被称为“对准串联”或“串联对准”。两个传感器的中心可以是直接对准的或略为错开，这取决于所确定的工件加工工具的工艺条件。布置和对准构成热通量传感器的温度传感器的尺寸选择可通过鉴于由加工工具产生的热通量的预期范围计算分隔温度传感器对的材料的导热性(热阻)来确定。作为示例，串联对准的传感器可被定位成在夹持配置中一个可位于另一个的顶上，以使各传感器105、105’的中心线与衬底组件101、103的表面正交，例如图1所示那样。根据应用暗示的其它取向可能出现。
如图所示，衬底组件101中的单个温度传感器105与附加衬底组件103中的单个温度传感器105’配对以在PCMD100中形成单个热通量传感器111。然而，重要的是注意PCMD100可包含任何数量的热通量传感器111，它们可以任何合需的模式设置。位于PCMD100中的每个温度传感器105可以是电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻、热偶或其它适当类型的传感器。作为示例而非限定，PCMD100中的每个温度传感器105、105’可具有1-2mm的跨距。作为示例而非限定，温度传感器105、105’可以是可从加利福尼亚圣克拉拉的国家半导体商业购得的型号LM20表面安装器件(SMD)温度传感器。
要注意，在热通量传感器111中使用两个相似的温度传感器105、105’(例如同一型号和制造商)是方便和合需的。然而，这不是严格要求的，并且本发明的实施例可使用不同型号或甚至两种完全不同类型的温度传感器来形成由串联对准的温度传感器构成的热通量传感器111。
衬底组件101和附加衬底组件103可通过夹设在两者之间的可选用热阻层107隔开。热阻层107可以是氧化物、聚酰亚胺、硅树脂或其它一些电介质材料。形成热阻层107具有许多种方式。作为示例而非限定，氧化物可被植入到衬底组件中。替代地，氧化物可通过CVD(化学汽相沉积)或PECVD(等离子增强的化学汽相沉积)生长或沉积在衬底组件的表面上。另外，聚合物层可层压在两个衬底组件之间。
PCMD100的每个衬底组件101、103可由硅或与PCMD100打算工作的加工环境中的加工条件相容的任何其它材料(例如蓝宝石、石英、玻璃、碳化硅)制成。衬底组件101、103也可由基本与工件相同的材料制成，所述工件通常由工件加工工具进行加工。“基本相同”意思是一种材料如果不是物理上相似于另一材料便是化学上相似。例如，如果几种材料均由单晶硅制成但具有不同的晶体取向，那么这些材料基本相同。替代地，如果一种材料由单晶硅制成而另一种由多晶硅制成，则材料基本相同。术语“基本相同”也涵盖了两种材料的化学成份的微小变化，例如由不同但可接受程度的杂质引起的微小变化。
另外，每个衬底组件101、103可具有平坦顶表面，该平坦顶表面具有与由工件加工工具加工的产品工件相同地外形——而一个或其它表面可形成为与制品工件的外观特征相似的外观。PCMD100也可具有与由工件加工工具加工的产品工件基本相似的尺寸以利于确定工件工艺条件。“基本类似”涵盖一种PCMD，其中顶表面积和底表面积占据正好由工件加工工具加工的产品工件的尺寸，同时允许PCMD的厚度显著背离由工件加工工具加工的产品工件的厚度。然而，可对工件加工工具的工件处理机制的其它特征给予设计考量，例如PCMD的总允许质量。
PCMD100可提供给予工件加工工具的耐久和无污染的表面。例如，如果工件加工工具是被配置成在硅晶片上执行等离子加工(例如布图传递或体积侵蚀或沉积)的工艺腔，则PCMD100可由硅构成以使等离子“遇见”硅表面。在其它实施例中，如果希望给予工件加工工具介电表面，诸如光刻胶之类的工件加工工具相容的聚合物涂层可覆盖PCMD100的表面。许多工件加工工具被设计成加工覆有光刻胶的衬底——例如在图案转移模中利用的等离子侵蚀工件加工工具。结果，光刻胶在PCMD100表面上的出现将不可望引起超出在工件加工工具的设计中被考虑在内的那些附加污染危害。在操作过程中起因于PCMD100表面暴露的工件加工工具的污染可通过在工件加工工具中产品工件的正常处理之后使用无论哪种传统工艺来校正和减轻。作为示例而非限定，在使用PCMD100诊断腔内用于侵蚀覆有经图案化的光刻胶的硅衬底之后的等离子之后，可通过常见用来在这种等离子侵蚀之后清洗和复原该腔的传统工艺来清洗腔。重要的是注意，除了光刻胶外也可将其它电介质材料施加至自然硅表面——其一些已实现在相关的PCMD的实施例中但基本是独立性质的。
如图1A解释的PCMD100被配置成便于确定存在热通量传感器111的每个位置处的热通量。在每个热通量传感器位置111处的热通量可通过计算跨具有已知热阻的一件材料的温度差来计算。对于PCMD100中的给定热通量传感器111，一温度在衬底组件103中的温度传感器105处测得，而一附加温度在附加衬底组件103中的相应温度传感器105’处测得。然后将这两个温度测量值之间的差与坐落在两个温度传感器105、105’之间的已知和特征化热阻进行比较，从而确定在热通量传感器111的位置垂直于PCMD100的热通量。确定PCMD的灵敏性的关键参数是传感器105周围的区域内的两个衬底组件101、103之间的热阻。PCM100在该实施例中使用热阻层107的尺寸和组成来控制两个衬底组件101、103之间的热阻。由此，热阻层107的组成和厚度可被调整以为热通量测量提供所需的灵敏性和动态范围。作为示例而非限定，热阻层107可具有5μm和1mm之间的厚度。
一旦热通量已由PCMD确定，则可使用确定的热通量作为代表（proxy）来表征附加工件加工工具参数。作为示例而非限定，在等离子侵蚀腔内，如果相信微粒能量和/或通量基本体现为等离子侵蚀工艺中的热通量源，则轰击PCMD的能量微粒(例如离子、电子、中性原子或中性分子)的能量和/或通量概况可通过计算热通量直接地确定。其它“独立”侵蚀工具参数——例如压力、流量以及物理和磁约束参数——的变化可容易地示出以影响离子能量和离子通量分布、概况和时间依存性。另外，如果相信该化学反应基本体现为等离子工艺中热通量的源，则发生在PCMD表面的能量反应速率(例如电子和离子的重新组合)可直接从热通量确定。此外，如果相信钳位或主动冷却基本体现为热通量的源，由静电钳位和主动冷却造成的跨PCMD的沉积能量耗散可直接从热通量确定。温差的测量和热通量的计算——如本文所述——也可用来参数化这些效果。
作为示例而非限定，通过PCMD100中的每个温度传感器105、105’捕获的信息可借助柔性电缆109被发送至设备外处理器以供进一步处理。替代地，PCMD100可包括被耦合至所示每个传感器或传感器对的集中式处理单元(图1A中未示出)。集中式处理单元可提供集中式组件以从设备外的传感器105、105’发送和存储数据至远程接收机。集中式处理单元也可提供中央组件，用于从外部发射机接收数据并将该数据中继至一个或多个选定的个体传感器105、105’。集中式处理单元可包括无线或有线收发机单元，它将数据转化成可例如通过电磁感应或辐射以无线方式发送的信号。替代地，电子器件可在例如柔性电缆或光纤链路之类的介质上发送信号。
图1B和图1C是前面针对图1A描述的PCMD100的两个替代实施例的俯视示意图。在图1B中，热通量传感器111被设置在衬底组件的外缘周围。在图1C中，热通量传感器111被设置在衬底组件的中心周围。重要的是要注意，尽管附图示出热通量传感器位于附加衬底组件的表面上，然而在现实中与热通量传感器关联的每个温度传感器被嵌入到其相应的衬底组件中。附加地，衬底组件直接地位于附加衬底组件103之下，嵌入在附加衬底之内的温度传感器串联地对准于位于衬底组件之内的相应温度传感器，这两个衬底组件通过热阻层接合。
通过修改热通量传感器在PCMD中的位置，PCMD可被配置成测量在不同位置垂直于PCMD的热通量。如PCMD确定的热通量因变于时间的空间变化有助于表征和定义与工件加工工具相关的某些参数。作为示例而非限定，可将等离子侵蚀腔内的热通量的空间变化作为代表以确定在工件加工工具操作期间撞击PCMD的离子的离子能量分布或对PCMD的离子通量概况。这是因为垂直于PCMD的热通量的空间变化是由能源差或能量耗散差造成的。因此，通过用PCMD捕捉这些差(通过捕捉PCMD上的热通量的空间变化)，我们可确定离子能量和离子通量特征。
图2A是示出根据本发明一替代实施例的能够测量热通量的工艺条件测量设备(PCMD)的横截面示意图。该实施例中的PCMD200仅需要单个衬底组件201。PCMD200可具有嵌入到衬底组件201中的一个或多个热通量传感器204。作为示例，图2A的PCMD200中示出了仅一个热通量传感器204。每个热通量传感器204包括嵌入在第一热阻空腔208内的第一温度传感器203，它紧邻于被嵌入在第二热阻空腔208’内的第二温度传感器205。第一热阻空腔208和第二热阻空腔208’必须具有不同的热阻值。这可通过对热阻空腔使用不同的面积但使用相同的热阻材料来达成。替代地，如果它们具有由不同材料组成或不同热阻的相同面积，则热阻空腔208、208’的热阻值也可彼此不同。当然，也可通过对热阻空腔208、208’使用不同材料和不同尺寸来改变热阻。
两个温度传感器203、205以并联对准的关系定位，这种关系被配置成通过两个温度传感器之间的温度差的测量确定垂直于衬底的热通量。两个温度传感器之间的距离依赖于操作期间工件加工工具中的热通量的特征变化长度。这两个温度传感器203、205必须足够地靠近在一起，以使所施加的垂直于PCMD的热通量在两个温度传感器的位置之间没有变化。然后可确定工件加工工具的操作期间两个温度传感器之间的测得温度之差。可将该差赋予两个热阻空腔的不同热阻值。然后使用测得的温度差来确定与PCMD垂直的热通量值，该热通量值则进一步作为代表以表征工件加工工具的其它参数，如之前描述的那样。
衬底组件201也可附加地由可选用的衬底组件215覆盖，该可选用的衬底组件215可直接坐落在衬底组件201上方。替代地，可选用的热环氧树脂层207可坐落在衬底组件201和可选用的衬底组件215之间。可选用的热环氧树脂层207和可选用的衬底组件215的功能是屏蔽热通量传感器204及其关联的支承电子器件，使之在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境。
可修改图2A中PCMD的配置，以使得在热通量传感器被屏蔽以在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境，而无需添加可选用的衬底组件或可选用的热环氧树脂层。图2B示出该PCMD200’。如图所示，热通量传感器204的顶表面和侧壁通过衬底组件201被屏蔽以在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境。热通量传感器的底表面将大概位于工件加工工具内的平台(例如晶片夹)上，该平台将热通量传感器屏蔽而使其在操作过程中不暴露于工件加工工具的环境。
如前面提到的，PCMD200、200’的衬底组件201可由硅或与PCMD200、200’打算工作在的加工环境中的加工条件相容的任何其它材料(例如蓝宝石、石英、玻璃、碳化硅)制成。另外，衬底组件201可具有平坦顶表面，该平坦顶表面具有与由工件加工工具加工的产品工件基本相同的轮廓与外观。另外，PDMD200、200’可具有与通过工件加工工具加工的产品工件基本相同的尺寸。同样，如果希望给予工件加工工具一介电表面，则工件加工工具相容的聚合物涂层——例如光刻胶、聚酰亚胺或无机电介质涂层(例如但不限于Y2O3)可覆盖PCMD200的表面。
作为示例而非限定，通过PCMD200、200’中的每个温度传感器捕获的信息可借助挠曲缆线209被发送至设备外处理器210以供进一步处理。
重要的是要注意，图2A和图2B中示出的PCMD可改变热通量传感器的量和配置以在各个位置测量与PCMD垂直的热通量。如PCMD确定的热通量因变于时间的空间变化有助于表征和定义与工件加工工具相关的某些参数，如前面讨论的那样。
图3A是示出根据本发明又一实施例的能够测量热通量的工艺条件测量设备(PCMD)的横截面示意图。PCMD300在该实施例中仅需要单个衬底组件301。PCMD300可具有嵌入到衬底组件301中的一个或多个热通量传感器304。作为示例，图3A的PCMD200中示出了仅一个热通量传感器304。每个热通量传感器304包括嵌入到单个热阻空腔308内的第一温度传感器303以及第二温度传感器305，这两个温度传感器303、305是串联对准的。可通过改变热阻空腔308的尺寸或组成来更改热阻空腔308的热阻。
两个温度传感器303、305是串联对准的。布置和对准构成热通量传感器的温度传感器的尺寸选择是通过鉴于由加工工具产生的热通量的预期范围计算分隔温度传感器对的材料的导热性(热阻)来确定。此外，热阻空腔308可被设计成具有与周围衬底组件301的总传热特性相当不同的总传热特性(导热率和热容量)。
在每个热通量传感器位置304处的热通量可通过测量跨具有已知热阻的一件材料的温度差来计算。对于PCMD300中的给定热通量传感器304，在第一温度传感器303处测量一温度而在相应的第二温度传感器305处测量一附加温度。然后将这两个温度测量值之间的差与坐落在两个温度传感器303、305之间的已知的热阻进行比较，从而确定在热通量传感器304的位置垂直于PCMD300的热通量。确定PCMD300的灵敏性的关键参数是传感器303、305周围的区域内的热阻。
衬底组件301也可附加地由可选用的衬底组件315覆盖，该可选用的衬底组件215可直接坐落在衬底组件301上方。替代地，可选用的热环氧树脂层307可坐落在衬底组件301和可选用的衬底组件315之间。可选用的热环氧树脂层307和可选用的衬底组件315的功能是屏蔽热通量传感器304及其关联的支承电子器件，使之在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境。
可更改图3A中PCMD的配置，以使热通量传感器可被屏蔽以在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境，而无需添加可选用的衬底组件或可选用的热环氧树脂层。图3B示出该PCMD300’。如图所示，热通量传感器304的顶表面和侧壁通过衬底组件301被屏蔽以在操作期间不暴露于工件加工工具中的环境。热通量传感器的底表面大概位于工件加工工具内的平台(例如具有主动氦冷却的晶片静电夹)上，该平台将热通量传感器屏蔽而使其在操作过程中不暴露于工件加工工具的环境。
如前面提到的，PCMD301、300’的衬底组件300可由硅或与PCMD300、300’打算工作在的加工环境中的加工条件相容的任何其它材料(例如蓝宝石、石英、玻璃、碳化硅)制成。另外，衬底组件301可具有平坦顶表面，该平坦顶表面具有与由工件加工工具加工的产品工件基本相同的轮廓。另外，PDMD300、300’可具有与通过工件加工工具加工的产品工件基本相同的尺寸。同样，如果希望给予工件加工工具一介电表面，则工件加工工具相容的聚合物涂层——例如光刻胶、聚酰亚胺或无机电介质涂层(例如但不限于Y2O3)——可覆盖PCMD300的表面。
作为示例而非限定，通过PCMD300、300’中的每个温度传感器捕获的信息可借助挠曲缆线309被发送至设备外处理器310以供进一步处理。
重要的是要注意，在图3A和图3B中示出的PCMD中，可改变热通量传感器的量和配置以在各个位置测量与PCMD垂直的热通量。如PCMD确定的热通量因变于时间的空间变化有助于表征和定义与工件加工工具相关的某些参数，如前面讨论的那样。
要注意图1描述的PCMD的特征可与图2或图3描述的特征相结合，反之亦然。具体地说，本发明的实施例涵盖具有一个或多个热通量传感器的PCMD，该一个或多个热通量传感器包括例如图1所示夹设在一起的在不同衬底中串联对准布置的温度传感器、如图2所示在同一衬底中并联对准的一个或多个附加温度传感器对以及如图3所示在同一衬底中串联对准布置的一个或多个附加温度传感器对。串联对准的对和并联对准的对均可用于确定与衬底垂直的热通量。
前面针对图1、图2和图3描述的每个PCMD可选择地包括电子组件，该电子组件被配置成发送/接收与嵌入其中的每个热通量传感器关联的数据。图4示出具有这些电子组件的一般PCMD400(图1、图2或图3中描述的任一实施例)的一个示例。在一些实施例中，PCMD400可包括板载处理器410、电源411(例如电池)、用于存储数据的存储器412以及用于发送和接收数据和/或指令的收发机413。收发机413可例如通过无线或有线连接与远程数据处理系统通信。板载处理器410可被配置成与一个或多个热通量传感器404通信。替代地，PCMD400可包括集中式处理单元(图4中未示出)，该集中式处理单元如前面讨论的那样耦合至所示传感器并被配置成发送和接收数据和/或指令。
图5是示出根据本发明一实施例的用于确定被配置成加工产品工件的工件加工工具的工艺条件的一般方法的流程图。用于确定工件加工工具条件的该方法500适用于被配置成执行前面提到的任何半导体制造工艺或一般工件工艺的工件加工工具。
一开始将工艺条件测量设备(PCMD)放置在工件加工工具内，如501所描述的。PCMD可包括衬底组件以及嵌入到衬底中的一个或多个热通量传感器。根据图1描述的实施例，PCMD可进一步包括与该衬底组件夹设在一起的附加衬底组件，其中一个或多个热通量传感器被嵌入在衬底组件和附加衬底组件之间。这里，每个热通量传感器包括两个温度传感器，第一温度传感器被嵌入到衬底组件中而第二温度传感器被嵌入到附加衬底组件中，第一和第二温度传感器串联地对准。
替代地，PCMD可根据图2所述的实施例来配置。这里，嵌入在衬底组件中的每个热通量传感器包括紧邻的两个温度传感器，第一温度传感器被嵌入在衬底组件的第一热阻空腔内而第二温度传感器被嵌入到衬底组件的第二热阻空腔内，第一热阻空腔具有与第二热阻空腔不同的尺寸或不同的组成，并且第一温度传感器和第二温度传感器呈并联关系地对准，这种并联关系被配置成便于通过在两个温度传感器之间的温度差的测量来确定与衬底垂直的热通量。
PCMD也可根据图3所述的实施例来配置。这里，嵌入在衬底组件中的每个热通量传感器包括嵌入在衬底组件的热阻空腔内的两个温度传感器，这两个温度传感器是串联对准的。
一旦已将PCMD放置在工件加工工具中，工具将开始操作，如503所示。操作可根据所涉及的工件加工工具的类型表现为若干不同的形式。在半导体制造的背景下，操作可涉及沉积(例如PVD、CVD、ECD、MBE、ALD)、去除(例如湿蚀、干蚀-图案转印或整块去除模式、等离子灰化)、图案化或电气属性的更改。更一般地，操作可涉及加工平板显示器、平版印刷掩模或其它电子设备。
当工件加工工具工作时，PCMD使用被嵌入在PCMD中的热通量传感器来计算与PCMD垂直的一个或多个热通量值。可根据热通量传感器在设备中的配置在PCMD上的不同位置取这些热通量值。另外，可随时间连续地取这些热通量值，以因变于时间观察热通量变化。根据使用PCMD以确定工件加工工具的工艺条件的实施例，籍此测量热通量的方法可改变。
对于图1所示的PCMD中的给定热通量传感器，一温度在衬底组件中的温度传感器处测得，而一附加温度在附加衬底组件中的相应温度传感器处测得。然后将这两个温度测量值之间的差与坐落在两个温度传感器之间的已知热阻进行比较，从而确定在热通量传感器的位置垂直于PCMD的热通量。
对于图2描述的PCMD中的给定热通量传感器，两个温度传感器必须足够靠近在一起以使与PCMD垂直的热通量在两个温度传感器的位置之间不改变。然后可确定工件加工工具的操作期间两个温度传感器之间的测得温度之差。可将该差赋予两个热阻空腔的不同热阻值。然后使用这种测得温度的差来确定与PCMD垂直的热通量值。
对于图3所示的PCMD中的给定热通量传感器，在第一温度传感器处测量一温度而在相应的第二温度传感器处测量一附加温度。然后将这两个温度测量值之间的差与坐落在两个温度传感器之间的已知热阻进行比较，从而确定在热通量传感器的位置垂直于PCMD的热通量。这里，确定PCMD300的灵敏性的关键参数是传感器周围的区域内的热阻。
在PCMD中的不同热通量传感器位置取的热通量值则可作为代表以确定工件加工工具的工艺条件，如507所描述的那样。作为示例而非限定，在等离子侵蚀腔内，可通过计算热通量而直接确定离子能量和离子通量，因为相信离子能量和离子通量基本体现为等离子侵蚀工艺中的热通量源。其它“独立”侵蚀工具参数——例如压力、流量以及物理和磁约束参数——的变化容易地示出以影响离子能量和离子通量分布、概况和时间依存性。温差的测量和热通量的计算——如本文所述——也可用来参数化这些效果。
图6示出可用来实现确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的加工条件的方法的装置的方框图。装置600一般包括处理器模块601和存储器605。处理器模块601可包括一个或多个处理器核。
存储器605可以是集成电路形式，例如RAM、DRAM、ROM、闪存等等。存储器605也可以是由所有处理器模块访问的主存储器。在一些实施例中，处理器模块601可具有与每个核关联的本地存储器。程序603可以处理器可读指令的形式存储在主存储器605中，该处理器可读指令可在处理器模块中执行。可将程序603配置成执行被配置成加工产品工件的工件加工工具中的加工工艺的确定。程序603可以任何适当的处理器可读语言写就，例如C、C++、JAVA、汇编语言、MATLAB、FORTRAN以及数种其它语言。输入数据607也可被存储在存储器中。该输入数据607可包括位于工艺条件测量设备(PCMD)631中的串联对准的温度传感器635、635’或并联对准的温度传感器633、633’的测得温度。这些测得的温度将便于计算如前所述的工件加工工具条件。
装置600也可包括公知的支持功能609，例如输入/输出(I/O)元件611、电源(P/S)613、时钟(CLK)615以及高速缓冲存储器617。装置600可选择地包括诸如盘驱动、CD-ROM驱动、磁带取代之类的海量存储设备619以存储程序和/或数据。设备600可选择地包括显示单元621和用户接口单元625，以利于装置和用户之间的交互。显示设备621可以阴极射线管(CRT)或平板屏幕的形式出现，它显示文本、数字、图形符号或图像。用户接口625可包括键盘、鼠标、操纵杆、光笔或可与图形用户界面(GUI)配合使用的其它设备。装置600也可包括网络接口623以允许设备在诸如因特网的网络上与其它设备通信。
PCMD631上的传感器633、633’、635、635’可经由I/O元件611连接至处理器模块601。这些连接可通过PCMD631上的收发机(未示出)或者无线地或者通过适当的信号电缆实现，例如前面参照图4示出和描述的。
装置600的组件——包括处理器601、存储器605、支持功能609、I/O元件611、海量存储设备619、用户接口625、网络接口623以及显示单元621——经由一个或多个数据总线627可工作地彼此相连。这些组件可以硬件、软件、固件或这些中的两种或更多种组合来实现。
根据另一实施例，确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的指令可被存储在计算机可读存储介质中。作为示例但非限定，图7示出根据本发明实施例的非暂时计算机可读存储介质700的一个示例。存储介质700包含计算机可读指令，该计算机可读指令以可由计算机处理设备获取、翻译和执行的格式被存储。作为示例而非限定，计算机可读存储介质可以是计算机可读存储器，例如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)、用于固定盘驱动或可移动盘驱动的计算机可读存储盘(例如硬盘驱动)。另外，计算机可读存储介质700可以是闪存设备、计算机可读磁带或盘、CD-ROM或其它光学存储介质。
存储介质700包含用于确定工件加工工具701的加工条件的指令。用于确定工件加工工具701的工艺条件的指令可被配置成执行被配置成根据前述方法加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的确定。具体地说，确定工件加工工具701的工艺条件的指令可包括计算热通量值指令703，该指令703可用来在每个热通量传感器位置计算与PCMD垂直的热通量值。根据PCMD的具体实施例，可使用不同的方法以利于计算与PCMD垂直的热通量。这些方法前面已针对图1A-1C、图2A-2B以及图3A-3B进行了描述。
确定工件加工工具701的工艺条件的指令也可包括确定工艺条件指令705，该指令705使用计算出的热通量值确定工件加工工具的要求的工艺条件。如前所述，根据操作中的具体工件工具和工艺，可使用热通量作为代表确定不同的工艺参数。给定PCMD的热通量的空间变化和时间变化提供了确定工件加工工具在操作期间的其它工艺参数的关键信息。
由PCMD热通量传感器提供的这些数据的累积在各实施例中将逐渐地提供籍此构建“库”的充分信息，并且与其它测得的工件加工工具特征的伴生相关性（attendant correlation）可被列入文档并被利用以演化出热通量测量的有效性和用途作为代表。
本发明的实施例提供了确定工件加工工具的工艺条件的工具。测量工件加工工具中的这些量的能力可提供对工件加工工具参数的进一步理解。本发明的实施例有助于更容易地识别那些影响工件加工工具性能的关键要素并继而调整相关参数以优化性能和可控制性。前面提到的“库”的相关演化发展将利于这一成就。
尽管上文是本发明的优选实施例的完整说明，但可使用各种替代、修改及等效方案。因此，本发明的范围不应参考上述描述来确定，而是应参考随附权利要求连同其等效方案的全部范围来确定。描述的任何特征，无论其优选与否，均可与本文描述的任何其它特征组合，不管其优选与否。在接下来的权利要求中，除非另有直接说明，否则不定冠词“一”或“一个”是指跟随该冠词的项的一个或多个。另外，连接词“或”指“或”的非排它性定义，除非另有直接说明。随附权利要求不被解释为包括手段加功能（means-plus-function）的限制，除非在使用短语“用于…的装置”的给定权利要求中明显使用了这样的限制。
请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且任何文件及文献的内容以参考方式并入本文。

Claims (50)

1.一种用于确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的工艺条件测量设备(PCMD)，包括：
a)衬底组件；以及
b)嵌入到所述衬底组件中的一个或多个热通量传感器。
2.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，还包括与所述衬底组件一起被夹设的附加衬底组件，其中所述一个或多个热通量传感器被嵌入在所述衬底组件和所述附加衬底组件之间。
3.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，所述衬底组件或所述附加衬底组件由与所述产品工件相同的材料构成。
4.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，或者所述衬底组件或者所述附加衬底组件是由硅构成的。
5.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，或者所述衬底组件或者所述附加衬底组件是由蓝宝石构成的。
6.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，或者所述衬底组件或者所述附加衬底组件是由石英构成的。
7.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，或者所述衬底组件或者所述附加衬底组件是由玻璃构成的。
8.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，或者所述第一衬底组件或者所述第二衬底组件是由碳化硅构成的。
9.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，每个热通量传感器包括两个温度传感器，第一温度传感器嵌入在所述衬底组件中而第二温度传感器嵌入在所述附加衬底组件中，所述第一和第二温度传感器串联地对准，所述一个或多个热通量传感器在所述工件加工工具的操作过程中通过所述衬底组件或所述附加衬底组件被屏蔽以不暴露于所述工件加工工具内的环境。
10.如权利要求2所述的PCMD，其特征在于，还包括夹设在所述衬底组件和所述附加衬底组件之间的热阻层。
11.如权利要求10所述的PCMD，其特征在于，所述热阻层由具有比所述第一衬底组件和所述第二衬底组件更低导热率的材料制成。
12.如权利要求10所述的PCMD，其特征在于，所述热阻层由电介质材料构成。
13.如权利要求10所述的PCMD，其特征在于，所述热阻层由聚酰亚胺构成。
14.如权利要求10所述的PCMD，其特征在于，所述热阻层由硅树脂构成。
15.如权利要求10所述的PCMD，其特征在于，所述热阻层有5μm和1mm之间的厚度。
16.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，所述热通量传感器被布置成围绕所述衬底组件的外缘的配置。
17.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，所述热通量传感器被布置成围绕每个衬底组件的中心的结构。
18.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，所述热通量传感器被嵌入到衬底组件中，以便在所述工件加工工具工作期间使所述热通量传感器通过所述衬底组件被屏蔽而不暴露于所述工件加工工具内的环境。
19.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，每个热通量传感器包括两个紧密相邻的温度传感器，第一温度传感器嵌入在所述衬底组件的第一热阻空腔内而第二温度传感器嵌入在所述衬底组件的第二热阻空腔内，所述第一热阻空腔具有与第二热阻空腔不同的热阻值，并且所述第一温度传感器和所述第二温度传感器以并联关系对准，所述并联关系被配置成利于通过所述两个温度传感器之间的温度差的测量来确定与所述衬底垂直的热通量。
20.如权利要求19所述的PCMD，其特征在于，所述第一热阻空腔和所述第二热阻空腔具有不同的尺寸。
21.如权利要求19所述的PCMD，其特征在于，所述第一热阻空腔和所述第二热阻空腔由不同材料构成。
22.如权利要求19所述的PCMD，其特征在于，所述第一或第二热阻空腔由与所述衬底组件的其余部分不同的热阻来表征。
23.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，每个热通量传感器包括嵌入在所述衬底组件的热阻空腔内的两个温度传感器，所述两个温度传感器彼此串联地对准。
24.如权利要求23所述的PCMD，其特征在于，所述热阻空腔由与所述衬底组件的其余部分不同的热阻来表征。
25.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，所述PCMD具有与由所述工件加工工具加工的产品工件基本相似的尺寸。
26.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，用附加材料涂覆所述衬底组件以确保与所述工件加工工具的相容性。
27.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，所述工件加工工具是等离子侵蚀腔。
28.如权利要求1所述的PCMD，其特征在于，还包括电耦合至所述一个或多个热通量传感器的处理器，所述处理器被配置成处理由所述一个或多个热通量传感器捕捉的数据。
29.如权利要求28所述的PCMD，其特征在于，还包括耦合至所述处理器的存储器，所述存储器被配置成存储数据。
30.如权利要求28所述的PCMD，其特征在于，还包括耦合至所述处理器的电源。
31.如权利要求28所述的PCMD，其特征在于，还包括耦合至所述处理器的收发机，所述收发机被配置成发送数据至所述处理器或从所述处理器接收数据。
32.一种确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件的方法，包括：
a)使用包括衬底组件和嵌入在所述衬底组件中的一个或多个热通量传感器的PCMD来计算与PCMD垂直的一个或多个热通量值；b)使用在a)中确定的一个或多个热通量值作为工艺条件的代表来确定所述工件加工工具的工艺条件。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，a)中的PCMD还包括与所述衬底组件夹设在一起的附加衬底组件，其中所述一个或多个热通量传感器被嵌入在所述衬底组件和所述附加衬底组件之间。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述PCMD还包括被夹持在所述衬底组件和所述附加衬底组件之间的热阻层。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，每个热通量传感器包括两个温度传感器，第一温度传感器嵌入在所述衬底组件内而第二温度传感器嵌入在所述附加衬底组件内，所述第一和第二温度传感器串联对准，所述一个或多个热通量传感器在所述工件加工工具工作期间通过所述衬底组件或附加衬底组件被屏蔽以不暴露于所述工件加工工具内的环境，对于每个热通量传感器的所述热通量值是通过测量所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的温度差来确定的。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于，每个热通量传感器包括紧密相邻的两个温度传感器，第一温度传感器嵌入在所述衬底组件的第一热阻空腔内而第二温度传感器嵌入在所述衬底组件的第二热阻空腔内，所述第一热阻空腔具有与第二热阻空腔不同的热阻值，并且所述第一温度传感器和所述第二温度传感器以并联关系对准，所述并联关系被配置成利于通过所述两个温度传感器之间的温度差的测量来确定与所述衬底垂直的热通量。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，计算一个或多个热通量值包括将所述第一和第二温度传感器之间的差与所述第一和第二温度传感器之间的已知热阻进行比较。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述第一热阻空腔和所述第二热阻空腔具有不同尺寸。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述第一热阻空腔和所述第二热阻空腔由不同材料构成。
40.如权利要求32所述的方法，其特征在于，每个热通量传感器包括嵌入在所述衬底组件的热阻空腔内的两个温度传感器，所述两个温度传感器彼此串联地对准，每个热通量传感器的热通量值是通过横跨所述热阻空腔测量所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间的温度差来确定的。
41.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是在所述工件加工工具工作期间PCMD的离子通量。
42.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是在所述工件加工工具工作期间轰击所述PCMD的离子的离子能量。
43.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是在所述工件加工工具工作期间容纳所述PCMD的腔内的压力。
44.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是在所述工件加工工具工作期间跨所述PCMD的气体流量。
45.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是源自离子和电子重新结合或其它高能表面反应的PCMD表面处的能量源。
46.如权利要求32所述的方法，其特征在于，b)中确定的所述工件加工工具的工艺条件是由静电钳位和主动冷却造成的跨所述PCMD的沉积能量耗散。
47.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述工件加工工具是等离子侵蚀腔。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，还包括累积由所述一个或多个热通量传感器提供的数据以及与测得的工件加工工具特征的伴生相关性。
49.一种确定工件加工工具中的工艺条件的装置，包括：处理器；存储器；以及
体现在所述存储器中并能由所述处理器执行的计算机编码的指令，其中所述计算机编码的指令被配置成实现一方法，所述方法用于确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件，所述方法包括：
a)使用包含衬底组件和嵌入在所述衬底组件内的一个或多个热通量传感器的PCMD来计算与所述PCMD垂直的一个或多个热通量值；
b)使用在a)中确定的一个或多个热通量值作为代表来确定所述工件加工工具的工艺条件。
50.一种计算机程序产品，包括：
非暂时计算机可读存储介质，在所述介质中嵌入有计算机可读程序代码，用于确定被配置成加工产品工件的工件加工工具中的工艺条件，所述计算机程序产品具有：
a)使用包含衬底组件和嵌入在所述衬底组件内的一个或多个热通量传感器的PCMD来计算与所述PCMD垂直的一个或多个热通量值的计算机可读程序代码装置；
b)使用在a)中确定的一个或多个热通量值作为代表来确定所述工件加工工具的工艺条件的计算机可读程序代码装置。
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