CN106595854B - 晶片级光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及晶片级光谱仪。本发明涉及一种用于测量光学辐射的特性的传感器设备，所述传感器设备具有衬底及位于所述衬底内在一个或一个以上空间上分离的位置处的低轮廓光谱选择性检测系统。所述光谱选择性检测系统包含以光学方式耦合到对应光学检测器阵列的大体层状波长选择器阵列。应强调，提供本摘要以符合需要将允许搜索者或其它读者快速断定技术性揭示内容的标的物的摘要的规则。提交本摘要是基于以下理解：其将不用于解释或限制权利要求书的范围或含义。

Description

晶片级光谱仪
本申请是申请日为2012年6月12日，申请号为“201280036758.X”，而发明名称为“晶片级光谱仪”的申请的分案申请。
优先权主张
本申请案是2012年6月17日申请的第61/498,500号美国临时申请案的非临时申请，所述临时申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例涉及一种具有用于测量处理环境内的光谱发射的目的的嵌入式光谱仪的度量衡晶片。
背景技术
例如那些用于生产电子装置、平板显示器及光刻掩模的制造工艺，及用于制作半导体装置的工艺通常需要使适合工件经受涉及光学辐射的离散工艺操作序列。这些工艺中的许多者对工艺条件极敏感且优选地在其内建立有极特定条件的个别工艺室内实施，所述工艺室通常称为工艺工具。此些工艺工具的现代制造设施通常使用机器人传送机构作为生产工艺的总体自动化的部分。
需要准确地及可再现地建立并维持工艺室内的精确条件的能力以成功地生产众多类型的产品。特别重要的产品的实例是一些目前技术水平的电子装置，例如半导体装置、平板显示器装置及光刻掩模。为了实现商业成功所必需的高装置成品率及性能，在一些情况下使用经设计以测量特定物理参数的传感器不断地监测并控制工艺室内的条件。通常，将这些控制传感器建立到工艺工具中以便测量所关注的参数，例如工艺工具内特定位置处的光学辐射。
对于例如使用辉光放电的工件的等离子处理的应用来说，通常可用于监测等离子工艺条件的技术可遭受各种问题。典型问题是标准方法为侵入性的，因为其需要对工艺室或工艺操作条件的修改。标准方法的另一问题是标准方法通常针对工艺的区仅提供全局测量或平均测量。一般来说，当前可用的监测技术及设备不能容易地提供对用于处理衬底的光学辐射参数的非侵入性、空间上及/或时间上解析的测量。
本发明的实施例是在此背景下产生。
发明内容
本发明实施例提供一种传感器设备，其包括：a)衬底；b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列；以及c)盖，其中所述光谱选择性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间。
本发明实施例提供一种传感器设备，其包括：a)衬底；b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列；c)盖，其中所述光谱敏感性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间；以及d)位于所述衬底与所述盖之间的光学波导，其中所述光学波导经配置而以光谱选择性方式将光学辐射传输到所述检测器，其中所述光学波导为光纤或光纤束或具有形成于其上的光子晶体结构的透明衬底，所述光子晶体结构提供所述大体层状光学波长选择器阵列。
本发明实施例提供一种传感器设备，其包括：a)衬底；b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列；c)盖，其中所述光谱选择性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间；以及d)位于所述衬底与所述盖之间的光学波导，其中所述光学波导经配置而以光谱选择性方式将光学辐射传输到所述检测器，其中所述光学波导为具有平坦化侧的光纤，其中所述大体层状光学波长选择器阵列形成于所述平坦化侧上。
附图说明
在阅读以下详细描述且在参考附图时，本发明的目的及优点将变得显而易见，附图中：
图1A是根据本发明的实施例的传感器设备的横截面示意图。
图1B是可用于图1A的传感器设备中的替代低轮廓波长选择性检测系统的横截面示意图。
图1C是图1A中的传感器设备的俯视示意图。
图2A是根据本发明的替代实施例的传感器设备的横截面示意图。
图2B是图2A中的传感器设备的俯视示意图。
图3是图解说明根据本发明的实施例的低轮廓光子晶体光谱仪的三维示意图。
图4是根据本发明的替代实施例的传感器设备的俯视示意图。
图5A是根据本发明的替代实施例的传感器设备的横截面示意图。
图5B是根据图5A中所描绘的实施例的具有制作于其上的波长鉴别元件的光纤电缆的一部分的透视图。
图5C是根据本发明的替代实施例的传感器设备的横截面示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，将参考形成本文一部分且其中以图解说明方式展示其中可实施本发明的特定实施例的附图。就此来说，例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“前沿”、“尾沿”等方向性术语是参考所描述的各图的定向而使用。由于可以若干不同定向来定位本发明的实施例的组件，因此所述方向性术语是用于图解说明的目的而决非为限制性的。应理解，可在不背离本发明范围的情况下利用其它实施例且可作出结构或逻辑改变。因此，不应将以下详细描述视为具有限制意义，且本发明的范围由所附权利要求书界定。
本发明涉及用于测量光学辐射的特性的设备。下文将主要在处理例如硅晶片的半导体晶片的背景下论述本发明的一些实施例的操作。下文将主要在测量并收集光学辐射数据、特定来说涉及光学辐射的工艺(例如处理用于制作电子装置的工件所使用的工艺)的光谱发射特性的背景下论述本发明的实施例及本发明的实施例的操作。本发明的实施例适合的涉及光学辐射的一些工艺的实例是等离子蚀刻、辉光放电溅镀、等离子增强化学汽相沉积、等离子退火、等离子剥除、光化学沉积、光化学蚀刻、光学固化、光学显影及光学退火。
此处将涉及光学辐射的工艺界定为意指如下的工艺：对于其来说光学辐射用作执行工艺的部分或由所述工艺产生光学辐射。此外，光学辐射可对所述工艺的结果具有影响或光学辐射可为所述工艺的状态或性能的指示。然而，应理解，根据本发明的实施例可用于涉及测量环境中的光学辐射的实质上任何应用。在各图的以下描述中，当标示各图所共有的实质上相同的元件或步骤时已使用相同参考编号。
图1A及1C图解说明根据本发明的实施例的传感器设备100的横截面图及俯视图。传感器设备100包括衬底101。具有光学元件105的盖103可接着附接到衬底101，其组合形成壳体。可使用适合于所述应用的任何粘合剂材料来邻接衬底101与盖103。低轮廓波长选择性检测系统110及(任选地)测量电子装置119定位于由衬底101及盖103形成的壳体内。图1C展示低轮廓波长选择性检测系统110、光学元件105及测量电子装置119，使用虚线来指示低轮廓波长选择性检测系统110及测量电子装置119安置于衬底盖103下方。
如此处所图解说明，波长选择性检测系统110及测量电子装置119位于衬底101内。或者，波长选择性检测系统110及测量电子装置119可位于盖103内或盖103与衬底101两者内。通过盖103屏蔽波长选择性检测系统110及测量电子装置119以免暴露于工件处理工具的处理条件。应注意，如果工件的处理条件将不实质上干扰波长选择性检测系统110及测量电子装置119的作用，那么可省略盖103。
传感器设备100经配置以测量在涉及光学辐射的工艺期间由工件经历的光谱发射特性。以举例方式而非以限制方式，将在等离子工艺的背景下论述传感器设备100的操作。然而，重要的是应注意传感器设备100可用于涉及光学辐射的任何条件中。传感器设备100暴露于工件处理工具(未展示)内的等离子117。从等离子117发出的光学辐射115被引导于传感器设备100处。
光学元件105可经配置以选择性地聚集在盖103的顶表面处光学元件105附近的光学辐射115的积聚。换句话说，光学元件105可经配置以捕获位于盖103表面附近的光学辐射115。此允许将由传感器设备100确定的光学辐射115的光谱发射特性定目标到与监测及优化工件处理工具条件最相关的特定区域(例如，盖表面)。
以举例方式而非以限制方式，光学元件105可为由蓝宝石或石英或对于所要范围中的光学辐射是实质上透明的任何其它材料构成的窗。对于本发明的优选实施例，光学元件105可对于具有介于从100nm到2μm(即，深UV到近IR)的范围内的波长及其中所包含的所有波长及波长范围的光学辐射是透明的。光学元件105还可包含经配置以选择性地聚集始发于衬底盖103的顶表面处的光学辐射115的积聚的一个或一个以上光学元件，例如透镜。另外，光学元件105可包含反射性光束导向元件或窗。
尽管图1A中所图解说明的传感器设备100仅展示形成于衬底盖103内的单个光学元件105，但可在衬底盖103内的各种位置处形成多个光学元件以便促进对多个不同位置处的光学辐射光谱发射特性的空间监测。
可将由光学元件105捕获的光学辐射115直接传输到低轮廓波长选择性检测系统110。低轮廓波长选择性检测系统110可经配置以确定光学辐射115的光谱发射特性。特定来说，低轮廓波长选择性检测系统110可经配置以鉴别对应于所捕获光学辐射115内的一种或一种以上所关注化学物质的一个或一个以上发射频带。如本文中所使用，术语低轮廓波长选择性检测系统是指如下装置：所述装置能够测量电磁谱的指定部分内的光学辐射的各种性质(例如，光谱发射特性)，同时满足在类晶片衬底内实施此装置所固有的大小约束。波长选择性检测系统110位于由盖103及衬底101形成的壳体内。通过衬底盖103屏蔽波长选择性检测系统110以免受可损害对所捕获光学辐射115的光谱发射特性的确定的任何电磁(EM)噪声的影响。还通过盖103屏蔽波长选择性检测系统110以免受可干扰测量电子装置的任何RF噪声的影响。应注意，如果EM及RF噪声将不实质上干扰波长选择性检测系统110的作用，那么可省略所述盖。
以举例方式而非以限制方式，低轮廓波长选择性检测系统110可大体包含一个或一个以上光学波长选择器109(例如，光学带通滤光片)，所述光学波长选择器经由孔径限制装置113以光学方式耦合到对应检测器阵列111(例如，光电二极管阵列)。波长选择器109仅将光学辐射115的所关注部分传输到检测器阵列111且可通过使用多个不同波长选择器来推测光学辐射115的一组特性。在一些实施方案中，可将不透明材料置于邻近波长选择器109之间以避免未经过滤的辐射到检测器阵列111的对应元件的非所要耦合。孔径限制装置113可用于维持波长选择器109的光学性能。
孔径限制装置113的功能部分地取决于其相对于波长选择器109及检测器阵列111的位置。举例来说，孔径限制装置113可置于波长选择器109下面，以使得孔径限制装置位于波长选择器109与检测器阵列111之间，如图1A中所示。在此配置中，如果(例如)波长选择器109使用光子晶体来实施，那么孔径限制装置113可用于防止离开波长选择器109的宽角度辐射到达检测器阵列111。或者，孔径限制装置113可位于波长选择器109的顶部上，以使得波长选择器109在孔径限制装置与光电检测器阵列111之间。如果波长选择器109呈带通滤光片阵列的形式，那么此可为用于维持波长选择器109的光学性能的有用配置。如果(例如)波长选择器109使用光子晶体来实施，那么此配置也可用于界定辐射115的收集锥。
以举例方式而非以限制方式，可使用带孔黑玻璃薄层作为孔径限制光学装置113。以举例方式，孔的直径相对于其深度的纵横比可大约为1:10(例如，具有延伸穿过玻璃层的20微米直径孔的200微米厚玻璃层)。为了使检测器阵列111充分检测光学辐射115，孔径限制装置113的表面上的孔的面积可大约为总面积的50％或更多。孔径限制装置113可任选地制作为检测器阵列111的整体部分或制作为波长选择器109的整体部分。孔径限制装置113也可置于波长选择器109上方，以使得光学辐射115在到达波长选择器109之前通过孔径限制装置113。另外，在如图1B中所示的替代低轮廓波长选择性检测系统110’中，可将额外孔径限制装置113’置于波长选择器109上方，以使得光学辐射115在到达波长选择器109之前通过额外孔径限制装置113’且在从波长选择器109射出之后接着通过第二孔径限制装置113。在一些实施方案中，光学元件105可经图案化(例如，图案化有具有适合直径、密度及纵横比的孔)以充当额外孔径限制装置113’。
针对较短波长，可将光学转换材料112间置于检测器阵列111与孔径限制装置113之间以辅助获得较高转换效率。以举例方式而非以限制方式，所述材料可为磷光体、荧光材料或发冷光材料，其目的在于帮助将可用短波长能量的一部分全部或部分地转换成可由检测器阵列111检测到的较长波长。
测量电子装置119可连接到低轮廓波长选择性检测系统110以便允许对由波长选择性检测系统110产生的电信号的分析(例如，将强度图转换为发射光谱)。所属领域的技术人员应知晓，存在适合供与传感器设备100一同使用的众多市售控制器。以举例方式而非以限制方式，测量电子装置119可包含用于分析由波长选择性检测系统110产生的电信号的电子装置，例如微处理器。此外，测量电子装置119可包含用于存储数据及指令的计算机可读存储器。更进一步，测量电子装置119可经配置以使用例如无线通信的方法将数据及指令发射到第二位置。
图2A及2B图解说明根据本发明的替代实施例的传感器设备200的横截面图及俯视图。传感器设备200包括衬底201。具有光学元件205的盖203可接着附接到衬底201，其组合形成壳体。可使用适合于所述应用的任何粘合剂材料邻接衬底201与盖203。低轮廓波长选择性检测系统210及(任选地)测量电子装置219定位于由衬底201及盖203形成的壳体内。传感器设备200还包含位于由衬底201及盖203形成的壳体内的光学波导207。图2B展示波导207、低轮廓波长选择性检测系统210、光学元件205及测量电子装置219，使用虚线来指示其安置于衬底盖203下方。应注意，尽管将光学元件205及波导207展示为单独元件，但所属领域的技术人员将认识到其可为相同元件或集成到共同结构中。
如此处所图解说明，波导207、波长选择性检测系统210及测量电子装置219位于衬底201内。或者，波导207、波长选择性检测系统210及测量电子装置219可位于盖203内或盖203与衬底201两者内。通过盖203屏蔽波导207、波长选择性检测系统210及测量电子装置219以免暴露于工件处理工具的处理条件。应注意，如果所述工件的处理条件将不实质上干扰波长选择性检测系统210及测量电子装置219的作用，那么可省略所述盖。
传感器设备200可经配置以测量在涉及光学辐射的工艺期间由工件经历的光谱发射特性。举例来说，传感器设备201可暴露于工件处理工具(未展示)内的等离子217。从等离子217发出的光学辐射215可被引导于传感器设备200处。
光学元件205可经配置以选择性地收集始发于盖203的顶表面处在紧密接近于光学元件205之处内的光学辐射215。换句话说，光学元件205可经配置以捕获位于盖203附近的光学辐射215。此允许将由传感器设备200确定的光学辐射215的光谱发射特性以与监测及优化工件处理工具条件最相关的区域(即，盖表面)为目标。
以举例方式而非以限制方式，光学元件205可为由蓝宝石或石英或对于所要范围中的光学辐射是实质上透明的任何其它材料构成的窗。对于本发明的某些实施例，窗205可对于具有介于从100nm到2μm(即，深UV到近IR)的范围内的波长及其中所包含的所有波长的光学辐射是透明的。光学元件205还可包含经配置以选择性地聚集始发于衬底盖203的顶表面处的光学辐射215的积聚的一个或一个以上光学元件，例如透镜。
尽管图2A中所图解说明的传感器设备200仅展示形成于盖203内的单个光学元件205，但可在盖203内的各种位置处形成多个光学元件以便促进对多个不同位置处的光学辐射光谱发射特性的空间监测。
可经由光学波导207(而非直接)将由光学元件205捕获的光学辐射215传输到如上文关于图1A及1B所述的波长选择性检测系统。光学波导207可位于由盖203及衬底201形成的壳体内。光学波导207可经配置以接收积聚于光学元件205处的光学辐射215且沿平行于盖203的平面的方向将其传输。可通过盖203屏蔽光学波导207以免受处理环境的影响。还可通过盖203屏蔽由光学波导207传输的光学辐射215以免受光学噪声的影响。因此，由波长选择性检测系统210测量的光学辐射215可与由呈窗的形式的光学元件205捕获的光学辐射215实质上相同。
光学波导207可为光子晶体结构的透明衬底。或者，光学波导207可为光纤或光纤束。在此实施例中，光学元件205可附接到光子晶体结构或者光纤或光纤束的一端。或者，光学波导207可通过电介质板波导或适合于此应用的任何其它波导来实施。以举例方式而非以限制方式，波导207的厚度可在1微米与500微米之间。
以举例方式而非以限制方式，波长选择性检测系统210可使用一个或一个以上窄带通滤光片检测系统来实施。此基于滤光片的检测系统可包括大体层状光学波长选择器209(例如，光学带通滤光片)阵列，所述光学波长选择器经由光学传输孔径限制装置213(其可呈板的形式)以光学方式耦合到对应光电二极管阵列211。波长选择器209仅将光学辐射215的所关注部分传输到检测器阵列211且可通过使用多个不同波长选择器推测光215的一组特性。孔径限制装置213可用于维持从波导207与波长选择器209的组合产生的波长鉴别波导的光学性能。
以举例方式而非以限制方式，可使用带孔黑玻璃薄层作为孔径限制装置213。以举例方式，孔的直径相对于其深度的纵横比可大约为1:10(例如，具有延伸穿过玻璃层的20微米直径孔的200微米厚玻璃层)。为了使检测器阵列211充分检测光学辐射215，孔径限制装置的表面上的孔的面积可大约为总面积的50％或更多。孔径限制装置213可任选地制作为传感器阵列211的整体部分。孔径限制装置213可任选地制作为传感器阵列211的整体部分。
针对较短波长，可将光学转换材料212间置于检测器阵列211与孔径限制装置213之间以辅助较高转换效率。以举例方式而非以限制方式，所述材料可为磷光体、发光体或荧光材料，其目的在于帮助将可用短波长能量的一部分全部或部分地转换成可由检测器阵列211检测到的较长波长。
低轮廓波长选择性检测系统210可经配置以确定所传输的光学辐射215的光谱发射特性。特定来说，低轮廓波长选择性检测系统210可经配置以鉴别对应于所捕获光学辐射215内的一种或一种以上所关注化学物质的一个或一个以上发射频带。波长选择性检测系统210可位于由盖203及衬底201形成的壳体内。通过衬底盖203屏蔽波长选择性检测系统210以免受可损害对所捕获光学辐射215的光谱发射特性的确定的任何电磁(EM)噪声的影响。还屏蔽波长选择性检测系统210以免受可干扰测量电子装置的任何RF噪声的影响。应注意，如果EM及RF噪声将不实质上干扰波长选择性检测系统210的作用，那么可省略所述盖。
以举例方式而非以限制方式，低轮廓波长选择性检测系统210中的波长选择器209可实施为纳米制作于聚合物膜、半导体材料或玻璃板中的光子晶体图案(例如，规则排列的孔或空隙的图案)阵列，所述光子晶体图案经配置以将给定窄波长范围的光选择性地耦合到对应检测器阵列211且如上文关于图1A及1B所述的那样表现。或者，波长选择器209可实施为薄膜干涉滤光片、有色玻璃滤光片或微谐振器。波长选择器(例如，薄膜干涉滤光片或微谐振器等)可与检测器阵列211整体形成。以举例方式而非以限制方式，在微谐振器的情况下，检测器阵列211可与微谐振器以共同结构整体形成。
如所图解说明，波长选择性检测系统210可位于光学波导207下方。然而，波长选择性检测系统210替代地可位于由盖203及衬底201形成的壳体内的任何位置中，只要其经配置以鉴别对应于所捕获光学辐射内的一种或一种以上所关注化学物质的一个或一个以上发射频带即可。测量电子装置219连接到低轮廓波长选择性检测系统210以便允许对由波长选择性检测系统210产生的电信号的分析(例如，将强度图转换为发射光谱)。所属领域的技术人员应知晓，存在适合供与传感器设备200一同使用的众多市售控制器。以举例方式而非以限制方式，测量电子装置219可包含用于分析由波长选择性检测系统210产生的电信号的电子装置，例如微处理器。此外，测量电子装置219可包含用于存储数据及指令的计算机可读存储器。更进一步，测量电子装置219可经配置以使用例如无线通信的方法将数据及指令发射到第二位置。
当传感器设备经配置以具有类似于工件的那些性质的性质时，本发明的某些实施例适合于获得有用信息。对于半导体晶片处理应用，此意味着传感器设备100、200可具有工艺所用于的半导体晶片的一些性质。特定来说，对于本发明的最优选实施例，传感器设备可模拟工艺所用于的工件的电、机械、热及化学性质。
以举例方式而非以限制方式，传感器设备100、200可经配置以使得传感器设备100、200的尺寸及形状近似用于工艺中的工件的尺寸。对于半导体晶片处理应用，此意味着传感器设备100、200可具有半导体晶片的形状及近似尺寸。举例来说，当传感器设备100、200用于半导体晶片工艺时，所述传感器设备可为实质上圆形的且具有大约等于半导体晶片的直径的直径。例如，标准半导体晶片直径包含(但不限于)150mm、200mm、300mm及450mm。此外，传感器设备的材料(例如，衬底101、201及/或盖103、203)可为与用于标准半导体晶片的相同的材料。举例来说，如果标准晶片由硅制成，那么衬底及盖也可由硅制成。
对于涉及平板显示器处理的应用，传感器设备100、200可具有与平板显示器衬底约相同的尺寸且由与其相同的材料制成，传感器设备的厚度与平板显示器衬底的厚度的可能差异除外。类似地，对于涉及光学光刻掩模处理的应用，传感器设备100、200可具有与光学光刻掩模衬底约相同的尺寸且由与其相同的材料制成，传感器设备100、200的厚度可不同于光学光刻掩模衬底的厚度可能除外。
在用于半导体晶片工艺的本发明的优选实施例中，传感器设备100、200具有使得传感器设备100、200可以与装载及卸载半导体晶片或其它工件实质上相同的方式装载到工艺工具及从工艺工具卸载的尺寸。由于大多数现代半导体处理设施及设备使用机器人系统来装载及卸载晶片，因此此意味着传感器设备100、200优选地经配置以使得其可由用于装载及卸载半导体晶片以供处理的机器人系统容纳。换句话说，传感器设备100、200的优选实施例经配置以便在实际处理条件下且在实质上不对处理设备进行修改或干扰的情况下确定光谱发射特性。
涉及相对小的衬底(例如，约为半导体晶片、平板显示器衬底及光学光刻掩模的大小的衬底)的应用，上述实施例优选地使用具有适合的小大小的测量电子装置119、219。对于此些应用，测量电子装置119、219可包含微处理器及足够的辅助组件以支持用于例如施加电信号、测量电信号、处理数据、存储数据及传输信息的任务的微处理器操作。
图3提供图解说明低轮廓光子晶体波长选择性检测系统300的操作的三维示意图。光子晶体波长选择性检测系统300可实施为纳米制作于波导基底材料303(例如，玻璃衬底上的聚合物膜或不同折射率的膜)中的光子晶体图案305(例如，空隙、孔或不同折射率材料的包含物)的阵列以形成光子晶体结构。在图解说明中，将光学辐射301引入到透明基底材料303的边缘中。具有四个不同晶格常数的光子晶体305图案化于基底材料303上方的层中。这些图案中的每一者输出耦合不同频带的波长，由箭头307图解说明。尽管图3中所图解说明的实例仅提供四个不同晶体图案，但重要的是应注意，任何数目个不同光子晶体图案可用于帮助确定传入光学辐射的光谱发射特性。可通过使用更多光子晶体图案来改进所恢复发射光谱的准确性。
图4是图解说明根据本发明的替代实施例的传感器设备400的俯视示意图。图4中所示的传感器设备400可与图2A及2B中所示的传感器设备200实质上相同，盖403及衬底(未展示)配置为矩形形式而非图1C及2B中所示的圆形形式除外。传感器设备400的矩形或方形形式对于例如用于处理矩形或方形衬底(例如用于制作平板显示器的衬底及用于制作光刻掩模的衬底)的那些应用的应用将为有用的。
图5A是根据本发明的替代实施例的传感器设备500的横截面图。传感器设备500包括衬底501。具有光学元件505的盖503可接着附接到衬底501，其组合形成壳体。可使用适合于所述应用的任何粘合剂材料邻接衬底501与盖503。低轮廓波长选择性检测系统510及(任选地)测量电子装置519定位于由衬底501及盖503形成的壳体内。传感器设备500还包含位于由衬底501及盖503形成的壳体内的额外光学波导507。
如此处所图解说明，波导507、波长选择性检测系统510及测量电子装置519位于衬底501内。或者，波导507、波长选择性检测系统510及测量电子装置519可位于盖503内或盖503与衬底501两者内。通过盖503屏蔽波导507、波长选择性检测系统510及测量电子装置519以免暴露于工件处理工具的处理条件。应注意，如果所述工件的处理条件将不实质上干扰波长选择性检测系统510及测量电子装置519的作用，那么可省略所述盖。
传感器设备500经配置以测量在涉及光学辐射的工艺期间由工件经历的光谱发射特性。传感器设备500暴露于工件处理工具(未展示)内的等离子517。从等离子517发出的光学辐射515被引导于传感器设备500处。
光学元件505可经配置以选择性地收集始发于盖503的顶表面处的在紧密接近于光学元件505之处内的光学辐射515的积聚。换句话说，光学元件505可经配置以捕获位于盖503附近的光学辐射515。此允许将由传感器设备500确定的光学辐射515的光谱发射特性定目标到与监测及优化工件处理工具条件最相关的区域(即，盖表面)。
光学元件505可由蓝宝石或石英或对于所要范围中的光学辐射是实质上透明的任何其它材料构成。对于本发明的优选实施例，光学元件505可为对于具有介于从100nm到2μm(即，深UV到近IR)的范围内的波长及其中所包含的所有波长的光学辐射是透明的窗。光学元件505还可包含经配置以选择性地聚集始发于衬底盖503的顶表面处的光学辐射515的积聚的一个或一个以上聚焦装置，例如透镜。
尽管图5A中所图解说明的传感器设备500仅展示形成于盖503内的单个光学元件505，但可在盖503内的各种位置处形成多个光学元件以便促进对多个不同位置处的光学辐射光谱发射特性的空间监测。
接着经由光学波导507(而非直接)将由光学元件505捕获的光学辐射515传输到如上文关于图1A及1B所述的波长选择性检测系统。光学波导507位于由盖503及衬底501形成的壳体内。波导507经配置以接收积聚于光学元件505处的光学辐射515且沿平行于盖503的平面的方向将其传输。通过盖503屏蔽光学波导507以免受处理环境的影响。还通过盖503屏蔽由光学波导507传输的光学辐射515以免受光学噪声的影响。因此，由波长选择性检测系统510测量的光学辐射515与由光学元件(例如，窗)505捕获的光学辐射515实质上相同。
光学波导507可为光子晶体结构的透明衬底或者光纤或光纤束。在所述实施例中，光学元件505可附接到光子晶体结构或光纤或光纤束的一端。或者，光学波导507可通过电介质板波导或适合于此应用的任何其它波导来实施。在一些实施例中，波导507可任选地在其一端上具有反射涂层521以将光学辐射515往回反射，光学辐射515从光学元件505一路穿过波导507到达端。
应注意，图5A中所示的光学波导507在一端处弯曲且经由接近所述弯曲端的光学元件505接收辐射515。然而，本发明的实施例不限于此配置。在图5C中所示的替代实例中，波导507可在两端处弯曲且可经由接近两端的光学元件接收辐射515。
以举例方式而非以限制方式，波长选择性检测系统510可使用一个或一个以上光学波长选择器(例如，光子晶体)509及检测器来实施。光学波长选择器509可一般实施为大体层状波长选择器阵列，其中所述阵列中的每一波长选择器509经由孔径限制装置513以光学方式耦合到检测器阵列511中的对应光学检测器(例如，光电二极管)。波长选择器509仅将光学辐射515的所关注部分传输到检测器阵列511且可通过使用多个不同波长选择器推测光515的一组特性。孔径限制装置513可用于维持由光学波导507及波长选择器509形成的波长鉴别波导的光学性能。在此配置中，如果(例如)使用光子晶体来实施波长选择器509，那么孔径限制装置513可用于防止离开波长选择器509的宽角度辐射到达检测器阵列511。
以举例方式而非以限制方式，可使用带孔黑玻璃薄层作为孔径限制装置513。以举例方式，孔的直径相对于其深度的纵横比可大约为1:10(例如，具有延伸穿过玻璃层的20微米直径孔的200微米厚玻璃层)。为了使检测器阵列511充分检测光学辐射515，孔径限制装置的表面上的孔的面积可大约为总面积的50％或更多。孔径限制装置513可任选地制作为传感器阵列511的整体部分。孔径限制装置513可任选地制作为传感器阵列511的整体部分。
针对较短波长，可将光学转换材料512间置于检测器阵列511与孔径限制装置513之间以辅助较高转换效率。以举例方式而非以限制方式，所述材料可为磷光体、发光体或者发冷光材料或荧光材料，其目的在于帮助将可用短波长能量的一部分全部或部分地转换为可由检测器阵列511检测到的较长波长。
低轮廓波长选择性检测系统510可经配置以确定所传输光学辐射515的光谱发射特性。特定来说，低轮廓波长选择性检测系统510可经配置以鉴别对应于所捕获光学辐射515内的一种或一种以上所关注化学物质的一个或一个以上发射频带。波长选择性检测系统510位于由盖503及衬底501形成的壳体内。通过盖503屏蔽波长选择性检测系统510以免受可损害对所捕获光学辐射515的光谱发射特性的确定的任何电磁(EM)噪声的影响。还屏蔽波长选择性检测系统510以免受可干扰测量电子装置的任何RF噪声的影响。应注意，如果EM及RF噪声将不实质上干扰波长选择性检测系统510的作用，那么可省略所述盖。
根据此实施例，低轮廓波长选择性检测系统510可使用光子晶体波长选择器来实施。如图5B中所图解说明，光子晶体波长选择器可包括光子晶体图案509(例如，规则排列的孔或空隙的图案)阵列，所述光子晶体图案蚀刻到波导507的基底材料的平坦化表面上并耦合到对应光电二极管阵列511且如上文关于图2A及2B所述的那样表现。图5B是实施为具有蚀刻到其底部平坦表面上的光子晶体图案509的平坦化光纤的波导507的一部分的透视图。可(例如)通过将光纤的一侧抛光而形成所述平坦底部表面。或者，可通过在波导的底部表面上形成PMMA薄层并对PMMA而非波导进行蚀刻而形成光子晶体图案509。以举例方式而非以限制方式，所述PMMA层可仅为数微米厚且可使用电子束来蚀刻。
测量电子装置519可连接到低轮廓波长选择性检测系统510以便允许对由波长选择性检测系统510产生的电信号的分析(例如，将强度图转换为发射光谱)。所属领域的技术人员应知晓，存在适合供与传感器设备500一同使用的众多市售控制器。以举例方式而非以限制方式，测量电子装置519可包含用于分析由波长选择性检测系统510产生的电信号的电子装置，例如微处理器。此外，测量电子装置519可包含用于存储数据及指令的计算机可读存储器。更进一步，测量电子装置519可经配置以使用例如无线通信的方法将数据及指令发射到第二位置。
尽管本文已描述其中传感器设备使用经定大小及形状以对应于工件(例如半导体晶片或平板衬底)的衬底的实例，但本发明的实施例并不限于此些实施方案。举例来说，传感器设备可经配置以具有实质上等于芯片上实验室的那些尺寸的尺寸，以使得所述设备可实施于可在(例如)临床诊断应用中使用的芯片上实验室装置中。典型芯片上实验室尺寸可包含至多几平方厘米且至多几毫米的厚度的区域。芯片上实验室的典型横向尺寸(长度及宽度)范围可从约一厘米到约10厘米及其中所包含的所有范围。芯片上实验室装置的典型厚度范围为从0.5毫米到约5毫米及其中所包含的所有范围。获益于前述描述及相关联图式中所呈现的教示，本发明所属领域的技术人员将联想到本发明的许多修改及其它实施例。因此，应理解，本发明不受限于所揭示的特定实施例而打算将修改及其它实施例均包含在所附权利要求书的范围内。尽管本文中采用特定术语，但其使用仅具有一般及描述性意义且并非用于限制的目的。
尽管已描述及图解说明了本发明的特定实施例，但将显而易见，可在不背离如所附权利要求书及其合法等效物所界定的本发明的真实精神及范围的情况下作出具体图解说明及描述的实施例的细节的变化。
在前述说明书中已参考特定实施例描述了本发明。然而，所属领域的技术人员应了解，可在不背离如所附权利要求书中所阐明的本发明范围的情况下作出各种修改及改变。因此，应将本说明书及各图视为具有说明性而非限制性意义，且所有此些修改均打算包含于本发明的范围内。
上文已关于特定实施例描述了益处、其它优点及问题的解决方案。然而，所述益处、优点、问题的解决方案及可导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更显著的任何要素均不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征或要素。
在所附权利要求书中，不定冠词“一(A)”或“一(An)”是指所述冠词后面的项目中的一者或一者以上的数量，除非另外明确陈述。所附权利要求书不应被解释为包含构件-加-功能限制，除非在给定权利要求中使用短语“用于…的构件”明确叙述此限制。并未明确陈述“用于执行指定功能的构件”的权利要求中的任何元件不应被解释为“构件”或“步骤”条款，如35USC§112,6中所规定。特定来说，在本文的权利要求书中使用“…的步骤”并非打算援引35USC§112,6的规定。

Claims (32)

1.一种传感器设备，其包括：
a)衬底；
b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列
c)盖，其中所述光谱选择性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间；及
d)孔径限制装置，其中所述孔径限制装置在所述光学波长选择器阵列与所述光学检测器阵列之间，或其中所述光学波长选择器阵列在所述孔径限制装置与所述光学检测器阵列之间，或其中所述光学波长选择器阵列在第一孔径限制装置与第二孔径限制装置之间。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其进一步包括形成于所述盖内的光学元件，其中所述光学元件以光学方式耦合到所述光谱选择性检测系统。
3.根据权利要求1所述的传感器设备，其进一步包括形成为所述盖的部分的光学元件，其中所述光学元件以光学方式耦合到所述光谱选择性检测系统。
4.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述波长选择检测系统包括光子晶体光谱仪，所述光子晶体光谱仪包括经纳米制作且耦合到对应光电二极管阵列的光子晶体图案阵列。
5.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述波长选择检测系统包括一个或多个薄膜干涉滤光片。
6.根据权利要求5所述的传感器设备，其中所述一个或一个以上薄膜干涉滤光片与所述光学检测器阵列成整体。
7.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述光学波长选择器为一系列的一个或多个有色玻璃滤光片。
8.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述光学波长选择器为一系列的一个或多个微谐振器。
9.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述孔径限制装置在所述光学波长选择器阵列与所述光学检测器阵列之间，其中所述孔径限制装置为夹在所述光学波长选择器阵列与所述光学检测器阵列之间的材料层。
10.根据权利要求9所述的传感器设备，其中所述材料层具有经配置以限制从所述波长选择器传输到所述光学检测器阵列的光的孔径的孔阵列。
11.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述孔径限制装置在所述光学波长选择器阵列与所述光学检测器阵列之间，其中所述孔径限制装置与所述光学检测器阵列整体形成。
12.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述孔径限制装置在所述光学波长选择器阵列与所述光学检测器阵列之间，所述传感器设备进一步包括额外孔径限制装置，其中所述波长选择器阵列夹在所述孔径限制装置与所述额外孔径限制装置之间。
13.根据权利要求1所述的传感器设备，其进一步包括以光学方式耦合到所述光谱选择性检测系统的光学元件。
14.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件由石英构成。
15.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件由蓝宝石构成。
16.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件为窗。
17.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件为反射性光束导向元件。
18.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件为光学波导。
19.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件经图案化以提供孔径限制装置。
20.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件为光学透镜。
21.根据权利要求13所述的传感器设备，其中所述光学元件对于从约100nm到约2微米的范围内的波长的光学辐射为实质上透明的。
22.根据权利要求8的传感器设备，其中所述光学检测器阵列与所述光学波长选择器成整体。
23.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述传感器设备为实质上圆形的且所述传感器设备具有实质上等于半导体晶片的特征直径的特征直径。
24.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述传感器设备具有实质上等于平板显示器衬底的特征长度及宽度尺寸的特征长度及宽度尺寸。
25.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述传感器设备具有实质上等于用于制造光刻掩模的光刻衬底的长度及宽度尺寸的长度及宽度尺寸。
26.根据权利要求1所述的传感器设备，其中所述传感器设备具有实质上等于芯片实验室的尺寸的尺寸。
27.一种传感器设备，其包括：
a)衬底；
b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列；
c)盖，其中所述光谱敏感性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间；以及
d)位于所述衬底与所述盖之间的光学波导，其中所述光学波导经配置而以光谱选择性方式将光学辐射传输到所述检测器，其中所述光学波导为光纤或光纤束或具有形成于其上的光子晶体结构的透明衬底，所述光子晶体结构提供所述大体层状光学波长选择器阵列。
28.根据权利要求27所述的传感器设备，其中所述光学波导为光纤，其进一步包括附接到所述光纤的一端的光学元件。
29.根据权利要求27所述的传感器设备，其中所述光学波导由石英构成。
30.根据权利要求27所述的传感器设备，其中所述光学波导由蓝宝石构成。
31.根据权利要求27所述的传感器设备，其中所述光学波导的厚度在1微米与500微米之间。
32.一种传感器设备，其包括：
a)衬底；
b)光谱选择性检测系统，其包含以光学方式耦合到位于所述衬底内的对应光学检测器阵列的大体层状光学波长选择器阵列；
c)盖，其中所述光谱选择性检测系统夹在所述衬底与所述盖之间；以及
d)位于所述衬底与所述盖之间的光学波导，其中所述光学波导经配置而以光谱选择性方式将光学辐射传输到所述检测器，其中所述光学波导为具有平坦化侧的光纤，其中所述大体层状光学波长选择器阵列形成于所述平坦化侧上。
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