CN110998820A - 用于实时感测工业制造设备中的属性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于实时感测工业制造设备中的属性的装置和方法。该感测系统包括：第一多个传感器，其被安装在半导体器件制造系统的处理环境内，其中，每个传感器被指定给不同的区域以监测该制造系统的指定区域的物理属性或化学属性；以及读取器系统，其具有部件，该部件被配置成同时且无线地询问多个传感器。该读取器系统使用单个高频询问序列，该单个高频询问序列包括：(1)向第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，该第一请求脉冲信号与第一频带相关联，以及(2)从第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该响应信号提供对系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测。

Description

用于实时感测工业制造设备中的属性的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月17日提交的题为“APPARATUS AND METHOD FOR REAL-TIME SENSING OF PROPERTIES IN ELECTRONIC DEVICE MANUGACTURING EQUIPMENT”的美国临时专利申请第62/546,882号和于2018年2月7日提交的题为“APPARATUS AND METHODFOR REAL-TIME SENSING OF PROPERTIES IN INDUSTRIAL MANUFACTURING EQUIPMENT”的美国临时专利申请第62/627,614号的权益，上述专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于监测处理系统中的处理的装置和方法，并且更具体地，涉及使用具有集成的感测和收发器件的监测装置来监测处理。更具体地，本发明内容涉及实时感测诸如半导体器件制造的工业制造中的属性。
背景技术
半导体工业中集成电路(IC)的制造通常采用等离子体，以在等离子体反应器内产生和辅助从衬底去除材料和向衬底沉积材料所需的表面化学。通常，通过将电子加热至足以维持与所供给的处理气体电离碰撞的能量，在真空条件下的等离子体反应器内形成等离子体。此外，加热的电子可以具有足以维持离解碰撞的能量，并且因此，在预定条件(例如，腔压力、气体流速等)下选择特定的一组气体以产生适用于在腔内进行特定处理(例如，从衬底上去除材料的蚀刻处理，或将材料添加到衬底的沉积处理)的大量带电物和化学反应物。
例如，在蚀刻处理期间，在确定等离子体处理系统的状态和确定所生产的器件的质量时，监测等离子体处理系统可能非常重要。可以使用附加的处理数据来防止有关系统的状态和所生产的产品的状态的错误结论。例如，连续使用等离子体处理系统会导致等离子体处理性能逐渐下降，并最终导致系统完全失效。其他与处理相关的数据和与工具相关的数据将改善材料处理系统的管理以及所生产的产品的质量。
发明内容
本文描述的技术涉及一种用于监测处理系统中的处理的装置和方法，并且更具体地，涉及使用具有集成感测和收发器件的监测装置来监测处理。更具体地，本发明涉及实时感测诸如半导体器件制造的工业制造中的属性。
根据各种实施方式，描述了一种用于实时感测工业制造设备中的属性的装置和方法。感测系统包括：第一多个传感器，其被安装在半导体器件制造系统的处理环境内，其中，每个传感器被指定给不同的区域以监测制造系统的指定区域的物理属性或化学属性；以及读取器系统，其具有被配置成同时且无线地询问多个传感器的部件。该读取器系统使用单个高频询问序列，该单个高频询问序列包括：(1)向第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，该第一请求脉冲信号与第一频带相关联，以及(2)从第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该响应信号提供对系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测。
根据一个实施方式，描述了一种用于实时感测工业制造设备中的属性的装置。该装置包括：第一多个传感器，其被安装在半导体器件制造系统的处理环境内，其中，每个传感器被指定给不同的区域，以监测系统的指定区域的物理属性或化学属性；以及读取器系统，其具有被配置成使用单个高频询问序列同时且无线地询问第一多个传感器的部件，该单个高频询问序列包括：(1)向第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，该第一请求脉冲信号与第一频带相关联；以及(2)从第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该响应信号提供对系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测，其中，根据设计规则使第一多个传感器在第一频带中可操作，该设计规则允许同时询问而在从在第一频带中操作的每个传感器反射(echo)的响应信号之间没有冲突。
根据另一个实施方式，描述了一种用于实时感测工业制造设备中的属性的装置。该装置包括：传感器，其被布置在半导体器件制造系统的处理环境中，该传感器包括：振荡电路，该振荡电路响应询问频率下的请求信号，提供与电子器件制造系统中安装有传感器的区域的物理属性或化学属性变化对应的响应信号；以及保护层，其覆盖振荡电路，以使传感器与电子器件制造系统中存在的环境隔离。
当然，本文描述的不同步骤的讨论顺序是为了清楚起见而呈现的。通常，这些步骤可以以任何合适的顺序执行。另外，尽管本文中的每个不同特征、技术、配置等可能在本公开内容的不同地方被讨论，但是意指的是，可以彼此独立地或彼此组合地执行每个构思。因此，可以以许多不同的方式来实施和理解本发明。
注意，本发明内容部分没有指定本公开内容或要求保护的发明的每个实施方式和/或递增的新颖方面。相反，本发明内容仅提供了对不同实施方式和对应的相比于常规技术新颖之处的初步讨论。对于本发明和实施方式的其他细节和/或可能的观点，读者参考如下进一步讨论的本公开内容的具体实施方式部分和对应的附图。
附图说明
在附图中：
图1A至图1C示出了根据实施方式的用于实时感测工业制造设备中的属性的装置的示意图；
图2提供了示出根据实施方式的用于实时感测半导体器件制造设备中的属性的方法的流程图；
图3描绘了根据实施方式的表面声波(SAW)传感器的示意图；
图4A至图4D例示了根据实施方式的在询问多个传感器之后的响应信号；
图5描绘了根据另一实施方式的SAW标签传感器的示意图；
图6A和图6B例示了根据实施方式的在询问多个传感器之后的响应信号；
图7描绘了根据又一实施方式的SAW标签传感器的示意图；
图8例示了根据实施方式的在询问多个传感器之后的响应信号；
图9例示了根据实施方式的在询问多个传感器之后的响应信号；
图10描绘了根据实施方式的天线；
图11描绘了根据实施方式的在衬底上制造传感器的方法；
图12描绘了根据另一实施方式的在衬底上制造传感器的方法。
图13描绘了根据另一实施方式的在衬底上制造传感器的方法；
图14描绘了根据另一实施方式的在衬底上制造传感器的方法；
图15描绘了根据另一实施方式的在衬底上制造传感器的方法；
图16描绘了根据又一实施方式的在衬底上制造传感器的方法；以及
图17A至图17D提供了用于执行根据各种实施方式的蚀刻方法的等离子体处理系统的示意图。
具体实施方式
本文描述的技术涉及用于监测工业制造系统中的处理的装置和方法，并且更具体地，涉及使用具有集成感测和收发器件的监测装置来监测处理。该制造系统可以包括半导体制造系统。该制造系统可以利于制造半导体器件、光子器件、光发射器件、光吸收器件或光检测器件。该制造系统可以包括非半导体制造系统。该制造系统可以利于制造金属工件、半金属工件或非金属工件。该制造系统可以利于制造金属工件、聚合物工件或陶瓷工件。该制造系统可以利于制造玻璃工件或类似玻璃工件。
根据各种实施方式，描述了用于实时感测诸如半导体器件制造设备的工业制造设备中的属性的装置和方法。感测系统包括：多个传感器，其被安装在半导体器件制造系统的处理环境内，其中，每个传感器被指定给不同的区域，以监测制造系统的指定区域的物理属性或化学属性；以及读取器系统，其具有被配置成同时且无线地询问多个传感器的部件。读取器系统使用单个高频询问序列，该单个高频询问序列包括：(1)向第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，该第一请求脉冲信号与第一频带相关联，以及(2)从第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该响应信号提供对系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测。特别地，在各种实施方式中描述了电路的晶片型传感器，其能够消除对有线电源的需求以符合自动化要求，能够承受由于离子冲击而引起的热传递并且能够测量晶片上的温度分布等。
根据实施方式，在图1A至图1C中描述和描绘了用于实时感测半导体器件制造设备中的属性的装置100。该装置110包括：第一多个传感器2A、2B(参见图1B)，其被安装在半导体器件制造系统100的处理环境115内，其中，每个传感器2A、2B被指定给不同的区域以监测工件1(或衬底)上的指定区域的物理属性或化学属性；以及读取器系统120，其具有被配置成使用单个高频询问序列同时且无线地询问第一多个传感器的部件。询问序列可以包括：(1)向第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，该第一请求脉冲信号与第一频带相关联；以及(2)从第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该响应信号提供对系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测，其中，根据设计规则使第一多个传感器在第一频段中可操作，这些设计规则允许同时询问而在第一频段中操作的每个传感器回传的响应信号之间没有冲突。传感器系统10可以包括安装在工件1上的多个传感器2A、2B。工件1可以被布置在半导体器件制造系统100的处理环境115内，其中，第一多个传感器2A、2B被安装在工件1上(参见图1B)。在第一多个传感器中的传感器的数量可以超过15个传感器，优选地超过30个传感器，优选地超过45个传感器，以及更优选地超过60个传感器。
半导体器件制造系统100可以包括保持器130，保持器130可以包括或可以不包括诸如机械夹紧系统或电夹紧系统(例如ESC、静电吸盘)的夹紧机构。响应于来自控制系统140的信号，保持器控制系统130可以调整影响工件1或生产工件(未示出)的处理的属性。实施方式可以包括温度控制元件，该温度控制元件在空间上被定向成影响工件1或生产工件的不同区域中的处理条件。替选地，可以响应于来自控制系统140的信号来调整气流和其他处理属性，例如压力、等离子功率、偏置功率等。
在一些实施方式中，处理环境115包括不具有等离子体的气相环境。在其他实施方式中，处理环境115包括具有等离子体的气相环境。
作为示例，第一频带可以包括在以2.45GHz为中心的ISM频带中的激励频率，但是，可以构想其他频带。可以选择该频带以允许在读取器系统与仪器化衬底之间传播电磁波。
半导体器件制造系统可以包括蚀刻系统、沉积系统、镀覆系统、清洁系统、灰化系统、热处理系统、光刻涂覆系统或抛光系统，或其他半导体处理系统。图17A至图17D描绘了可以在其中实现传感器系统的若干气相和/或等离子体处理系统。
如以下进一步描述的，根据仪器化衬底将暴露于其中的环境，提出了若干保护(一个或更多个)传感器的技术。沉积或形成在传感器上的保护层是在侵蚀性和/或腐蚀性环境中给传感器提供保护的示例。
根据各种实施方式，多个传感器分组被指定给多个唯一定义的频带，其中，多个传感器分组包括被指定给第一频带的第一多个传感器(将在下面更详细地描述)。指定给传感器分组和相关联的频段的传感器数量可以不超过25个传感器；然而，可以考虑更多或更少的传感器。每个传感器可以包括表面声波(SAW)延迟线器件或SAW谐振器。SAW器件可以被安装在具有大于或等于1％或2％至3％的机电耦合系数的工件1上。并且，衬底可以包括LiNbO3、LiTaO3或La3Ga5SiO14。可以构想用于传导表面声波的其他材料。铌酸锂或钽酸锂可以被用于较低温度的操作，而硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)可以被用于较高温度的操作。物理属性或化学属性可以包括温度或温度差。物理属性或化学属性可以包括温度或温度差，其中，由于温度引起的回波漂移的范围高达(并且包括)100ns或0ns。温度的最大变化范围可以高达200K。虽然描述了温度感测，但可以构想其他属性，包括物理属性和化学属性。
如以下更详细地描述的，每个传感器包括叉指换能器和一个或更多个反射器组，叉指换能器用于激励且随后检测表面波，一个或更多个反射器组用于衍射表面波并将表面波反射回叉指换能器，并且其中，一个或更多个反射器组沿着波传播路径与叉指换能器间隔开预定距离。叉指换能器包括形成在压电衬底的表面上的两个交错的梳状金属结构，并且一个或更多个反射器包括形成在压电衬底上的一个或更多个间隔开的金属线的一个或更多个组。此外，叉指换能器可以耦合到至少一个天线，用于在每个传感器与读取器系统之间接收和发送信号。至少一个天线可以被设计成50欧姆的阻抗。叉指换能器的电阻抗可以在指定频带内的频率处与至少一个天线的电阻抗基本匹配。并且，诸如第一频带的指定频带的频谱范围可以小于100MHz或50MHz。至少一个天线可以包括弯曲天线、单极或偶极天线或其他天线，如下所列。
叉指换能器可以包括例如10至20对叉指电极对或15个交指对。叉指换能器可以包括两组或更多组叉指电极对，并且其中，每组叉指电极对被设计成具有不同的电极间距。单个高频询问序列可以包括利用时间分辨的激励信号询问传感器并且在时域中处理所接收的回波信号，或者利用频率调制的激励信号询问传感器并且在频域中处理接收的回波信号。
当物理属性或化学属性包括温度时，每个传感器可以表现出等于或大于30ppm-K-1或50ppm-K-1或75ppm-K-1或100ppm-K-1的延迟温度系数(TCD)。
如所提及的，每个传感器的一个或更多个反射器可以被布置成产生时域中的脉冲响应信号，该脉冲响应信号呈现两个或更多个不同回波脉冲响应的序列。每个传感器的一个或更多个反射器可以被布置成产生由读取器系统在第一时间延迟范围接收的针对每个传感器的第一回波脉冲响应，以及由读取器系统在第二时间延迟范围接收的针对每个传感器的第二回波脉冲响应，在第一保护时间延迟插入第一时间延迟与第二时间延迟之间之后，第二时间延迟与第一时间延迟连续。并且，第一保护时间延迟的范围可以高达200ns，或者范围从100ns至200ns。
每个传感器的一个或更多个反射器可以被布置成在时域中产生脉冲响应信号，该脉冲响应信号呈现三个或更多个不同回波脉冲响应的序列。并且，每个传感器的一个或更多个反射器可以被布置成产生由读取器系统在第三时间延迟范围接收的针对每个传感器的第三回波脉冲响应，在第二保护时间插入在第二时间延迟与第三时间延迟之间之后，第三时间延迟与第二时间延迟连续。第二保护时间延迟的范围可以高达200ns，或者范围从100ns至200ns。第一时间延迟、第二时间延迟和第三时间延迟的范围可以高达5微秒。
读取器系统120可以包括射频(RF)滤波器，以拒绝指定频带外的频率的信号。射频(RF)滤波器可以被设计成拒绝指定频带外的频率处的信号。例如，RF滤波器可以拒绝源自等离子体激励频率超过30dB甚至超过40dB的谐波频率的信号。
虽然描述了第一多个传感器，但是第二多个传感器可以被安装在半导体器件制造系统100上或半导体器件制造系统100内，其中，每个传感器都被指定给不同的区域，以监测系统的指定区域的物理属性或化学属性，并且其中，根据设计规则使第二多个传感器在第二频带中可操作，该设计规则允许同时询问而在从每个传感器回传的响应信号之间没有冲突。
图1C示意性地示出了读取器系统，该读取器系统包括发送器电路141、接收器电路142、采样电路143、存储器144和控制器145，其用于控制传感器询问、管理至和从每个部件的信号处理以及评估半导体器件制造系统100的处理状态。
根据又一实施方式，描述了用于实时感测半导体器件制造设备中的属性的方法。该方法在图2中被描绘并且包括：在210中，将其上安装有多个传感器的工件定位在半导体器件制造系统的处理环境内；在220中，为传感器的分组指定用于询问分组的频带；以及在230中，使用单个高频询问序列同时且无线地询问传感器的每个分组，该单个高频询问序列包括：(1)将请求脉冲信号发送到指定了传感器分组的多个传感器，该请求脉冲信号与指定频段相关联，以及(2)从多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该信号提供对工件1的每个指定区域的物理属性或化学属性变化的实时监测。
作为示例，以下描述了用于监测温度或温度差的感测系统。晶片型传感器可以包括工件，在工件上连接有多个温度测量传感器。温度测量传感器可以包括表面声波(SAW)延迟线传感器或SAW谐振器传感器，每个传感器均连接到适当的天线。根据工件或处理所需的期望温度映射来定位传感器。SAW传感器可以基于延迟线，延迟线被设计成使得其可以用一个或更多个(包括单个高频询问序列)同时询问SAW传感器，该单个高频询问序列可以包括(i)时间分辨的激励和信号处理，或者(ii)频率调制连续波(FMCW)方法。在后者中，频率调制连续波方法可以包括傅立叶信号处理，以在频率或波数空间中对信息进行卷积和解卷积。
SAW延迟线可以被设计成在温度和传感器性能范围内匹配或基本匹配天线阻抗。当询问和信号处理以等于或近似等于换能器频带宽度的倒数的持续时间(即，振荡的数量等于换能器的指对的数量)进行时间分辨时，可以使用突发信号。SAW传感器可以被设计成使得若干传感器可以同时被询问而没有冲突，从而以避免在整个操作范围和条件上的任何脉冲叠加的方式及时改变传感器响应。
作为示例，给出了设计规则以解释如何使用铌酸锂(LiNbO3)上的类瑞利SAW来实现该设计，而没有一般性限制。二氧化硅钝化层的使用可以允许控制传感器的实际温度灵敏度、机电耦合以及反射系数。通过使用以如下的方式移动的频带可以显著增加可以在没有冲突的情况下询问的传感器的数量：对给定频带中的一组传感器的询问将较差地耦合另一频带中的能量，并且通过在读取器接收级上使用滤波器来过滤当前使用的频带，即仅允许接收和处理该频带中的信号，来防止任何交叉耦合。此滤波操作还允许在施加等离子体期间改善信号处理，在施加等离子体期间生成RF(射频)谐波，其水平可以污染或干扰传感器响应信号处理，特别是在等离子体激励克服数十瓦特的情况下，如发明人所观察到的。
在另一实施方式中，该装置包括针对等离子体和/或腐蚀性化学物质，包括在等离子体激励期间的离子冲击(这可能不可逆地损坏传感器、电极和表面质量，从而缩短传感器寿命时间)对SAW传感器表面的保护。
在另一实施方式中，该装置包括沉积在硅(Si)晶片表面上的原位压电膜，其中，天线被接合到传感器位置上，从而允许RF信号的接收和发射两者以及传感器表面保护。如上所述，晶片型传感器可以包括具有相关联的天线的SAW器件，其具有以下特征中的一个或更多个特征：(i)使用建立在LiNbO3上的SAW标签延迟线，其中类似时间响应被改变成使得可以询问多个传感器而没有冲突/信号叠加；(ii)使用若干频带来增加可以在给定晶片上被询问的传感器的数量，使用适合的滤波器来改善信号处理的鲁棒性，从而避免不同频带之间的交叉耦合并且减轻由于等离子体激励引起的RF污染；(iii)使用适合的结构以允许即使在等离子体激活期间也可以使用晶片(考虑提供对传感器的保护的若干结构)；以及(iv)使用接合到晶片上的单晶压电膜以形成可以使用天线保护的SAW传感器。
本文提供的关于或涉及切割角和晶体取向的信息可以在关于压电的IEEE Std-176标准(ANSI/IEEE Std 176-1987关于压电IEEE标准，http://standards.ieee.org/reading/ieee/std_public/description/ultrasonics/l 76-1987_desc.html)中确定。用于所有计算的材料常数是Kovacs等人针对钽酸锂和铌酸锂的常数(G.Kovacs，M.Anhorn，H.E.Engan，G.Visintini，C.C.W.Ruppel，“Improved material constants for LiNbO3andLiTaO3”，Proc.of the IEEE Ultrasonics Symposium，第435至438页，1990年)。可以在Landolt-Bornstein中找到硅的数据(质量密度和弹性/热弹性常数)以及熔融石英(二氧化硅)和铝的数据(Landolt-Bornstein，Numerical data and functional relationshipsin science and technology，Group III，Crystal and solid state physics，第11卷，K.H.Hellwege和A.M.Hellwege，Eds.，Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York1979)。延迟对温度的敏感性通常由延迟的泰勒展开式给出(参见例如，Leonhard Reindl等人，Theory and Application of Passive SAW Radio Transponders as Sensors，IEEETrans，on UFFC，第45卷，第5期，第1281至1292页，1998年)，定义如下：
f0＝f×(1+θα(T-T0)) (1)
其中，温度T下的当前频率f由波速V除以波长λ的比值以及参考温度T0＝25℃下的频率f0给出。现在将从换能器行进到反射器并返回到换能器的波的延迟τ定义为：
τ＝L/V＝L/(λf) (2)
可以将给定温度T下的延迟表示为如下：
Δτ/τ＝ΔL/L-(Δλ/λ+Δf/f)其中，Δτ＝τ-τ0 (3)
其中，L＝L0×(1+α1 (1)(T-T0))和λ＝λ0×(1+α1 (1)(T-T0))以及α1 (1)是一阶热膨胀系数。假设
Figure BDA0002383584090000101
允许证明：
Δτ/τ＝-(Δf/f) (4)
并且因此，延迟温度系数(TCD)是频率温度系数(TCF)的倒数。在一个实施方式中，实时感测的使用包括基于叉指换能器(IDT)使用SAW标签进行温度测量以激励和检测表面波，以及沿着波传播路径定位反射器组，衍射波并将其发射回换能器。尽管上述考虑适用于基于谐振器的传感器，但是对于这样的传感器，除了以下规则之外的其他设计规则是必要的。
在LiNbO3切割用于SAW标签应用(其可以是(YXl/)/128°或(YZ)切割)的情况下，TCF通常位于[-80；-90]ppm-K-1。TCD值的范围可以高达100ppm-K-1的值，作为由于温度引起的最大延迟变化。发明人认识到，该参数是一种设置给定回波可以变化的延迟范围的方法。上述TCD可用于设置两个回波之间的最小延迟，以避免任何信号叠加(冲突)并防止测量处理中清晰且有效的差异。
图3提供了具有叉指换能器(IDT)301的SAW标签传感器300的简化示意图，其中，被提供为反射器302的槽被定位在给定延迟范围的组中。假设两个延迟τ1和τ2彼此接近，则基本设计规则可以包括传感器被设计成避免两个对应的回波交叠。为此，要考虑的重要参数是回波扩展。此参数与换能器长度和延迟线操作有关。实际上，必须考虑到，在SAW标签的脉冲响应上的回波形式是由于由给定反射器中电极的数量延长的换能器的脉冲响应的自卷积导致的。
在以LiNbO3(YXl)/128°设计和制造SAW标签的情况下，考虑到70μm的孔径，换能器中电极对的数量可以限制为15个，以在整个操作频谱上实现接近50欧姆的电阻抗(出于一般性原因，这里考虑以2.45GHz为中心的ISM带规定)。此设计考虑等效于设置为85MHz的频谱范围，产生30次振荡的最小长度，以避免频谱超过上述值。这样的激励脉冲(burst)的持续时间可以约为12ns(而在使用15指对IDT来最大耦合能量时，仅约6ns是强制性的，即，换能器和激励光谱最多重叠)，这使得自卷积的长度等于24ns，为了方便起见，在图3中主要为25ns。
再次参考上述两个回波，回波之间的最小持续时间可以被设置成避免其签名在整个温度范围上的任何重叠。100℃的温度变化会导致延迟的标称值的10-2相对变化。因此，当两个传感器经受200℃的温度差时，两个回波之间的延迟预计为标称最长延迟(例如τ2，如果我们假设τ1<τ2)的至少2％加上25ns(一个回波的最大时间扩展)。作为示例，可以选择30ns的回波分离，因为一个回波的扩展不能超过20ns。出于说明的目的，如果对于τ2考虑500ns的延迟，则上述规则推断τ1与465ns的最大延迟(即500-10-25ns)对应。本练习提供了通用设计规则，该规则允许设计符合ISM规定，并且在一次测量若干传感器时解决两个回波的分离。
因此，作为示例，如果要同时询问十五(15)个传感器，则一旦第一传感器(首先“回答”的传感器)的初始延迟τ0被固定，传感器的所有第一回波将在35ns乘以15加τ0的延迟范围(例如，τ0+525ns)的最小值中产生，从而确保在整个温度范围上可以询问传感器分组，并且响应被读取而不会发生冲突。在最后一个传感器的第一回波(最后“回答”的传感器的第一回波)之后的最小保护延迟之后，可以对传感器的第二回波应用相同的分析。当然，该保护延迟可以超过两个“第一”回波之间的延迟，即上述35ns，否则难以区分第一回波的脉冲序列和第二回波的脉冲序列。该延迟通常可以为50ns，但是为了更强的信号处理鲁棒性，可以使用范围在100ns与200ns之间的延迟。作为另一个示例，可以使用150ns的延迟来提供足够长的延迟差，以避免第一脉冲序列和第二脉冲序列之间的混淆，并且产生足够短的波路径以最小化由于波传播引起的损耗(10-2dB/λ可典型地作为在(YXl)/128°LiNbO3表面上的损耗参数，其在比较理论和实验SAW标签响应时被验证)。
根据示例，考虑到上面概述的用于SAW器件的设计规则，晶片型传感器可以包括被指定单独频带的四(4)组十六(16)个传感器。图4A至图4D示出了一组十六(16)个传感器的典型响应，其被叠加以阐明包括第一回波和第二回波(参见图4A)的峰值的序列，以及峰值之间的间隔(参见图4B中的前三个回波的特写)。在图4C中，绘出了所有延迟线S11参数的求和结果，并且计算对应的时间响应。为了比较，叠加延迟线时域响应之一以说明求和的实际效果：例如，基线增加，这意味着信噪比降低，但没有充分降低到阻止系统操作(如图4C中所示)。
通过制造在不同频带中操作的四组十六(16)个传感器(加上四个频带之一中的一个)，可以实现对单个晶片上的六十五(65)个传感器的询问。使用包括15指对的IDT，SAW标签的频谱扩展约为150MHz(即，距离中心频率正75MHz或负75MHz)。因此，根据一个实施方式，第二频带、第三频带和第四频带可以分别从第一频带偏移150MHz、300MHz和450MHz，以生成三个其他频带，从而完成整个晶片型传感器设计。图4D中示出了所得到的频谱分布，其允许每个频带的清楚分离。因此，对于每个频带保持相同的(时域)回波分布，这简化了信号处理，因为只有频带(即，询问器的本地振荡器)，以及必须与当前处理频带对应的接收滤波器必须被偏移。
因此，用于在晶片上寻址六十五(65)个测量点的询问处理可以包括：将中心频率设置为第一频带的中心频率(即，将本地振荡器和接收滤波器设置为当前频带)，将读取器设置为发射模式并将RF询问信号发射到读取器天线，在发射整个询问信号之后将读取器切换到接收模式(例如，对于15指对IDT最大为与15个信号周期加上适当地衰减天线作用的一些延迟对应的15ns)，以及收集由传感器重新发射的信号(例如，最大延迟约2μs)，尽可能多地重复操作，因为必须对信号求平均以提高SNR，以及然后只要四个频带没有被扫描，则设置下一频带并重复操作。
注意，第一计算是考虑双回波解决方案而进行的。然而，相同的设计处理可以应用于三脉冲传感器，这允许满足期望的精度目标。从该观点来看，可以实现根据所实现的测量来优化传感器响应的努力，并且更具体地，优化换能器性能。可以采用若干方法，包括改变IDT中的周期以覆盖整个2.4GHz至2.5GHz频带，并且稍微移动反射器，使得它们实际上不呈现相同的反射频谱覆盖。例如，考虑到100nm的金属厚度(相对电极高度h/λ超过6％)和0.45的金属比，IDT可以被分成五(5)个部分(参见图5；或多于或少于五(5)部分)，对于这些部分，机械周期分别被设置为pIDT1＝0.78nm(λ＝1.56μm)、pIDT2＝785nm(λ＝1.57μm)、pIDT3＝790nm(λ＝1.58μm)、pIDT4＝795nm(λ＝1.59μm)和pIDT5＝800nm(λ＝1.6μm)。IDT包括在pIDT1处的第一电极对、在pIDT2处的两个电极对、在pIDT3处的五个电极对、在pIDT4处的四个电极对以及在pIDT5处的三个电极对。
沿该分布，换能器的阻抗保持接近大约50Ω，这是用于优化从天线到SAW器件的能量传输以及从SAW器件到天线的能量传输的设计条件。可以设想若干其他配置；然而，主要思想是将IDT最优响应扩展到比考虑纯同步IDT结构在λ＝1.57μm处获得的频带更大的频带上(参见图6A和图6B)。另一方面，根据上述说明(提高传感器分辨率和消除相位不确定性)，可以使用三组反射器(两组在反射器的一侧以及一组在反射器的另一侧)以优化传感器响应。每组的机械周期可以分别被设定为pR1＝780nm和pR2＝790nm，其中金属比被设置为0.55。报告了一种方案来说明SAW标签概念。
例如，可以选择IDT中的金属比为0.45的选择，以减小或最小化换能器内部的反射现象(在单个障碍物上的反射系数小于3％)，然而反射器金属比可以被设置为0.55，从而在单个障碍物上产生接近5％的反射系数。金属比的范围可以是例如从0.4至0.6(对于0.45的金属比和周期p1＝0.78，电极的最小宽度可以等于351nm)。使用这种电极分布，可以实现SAW标签响应的平衡分布，其中，延迟线的所有三个脉冲(回波)接近-20dB。在这个评估中，对于所选择的100MHz频带(从2.4GHz至2.5GHz)，传播损耗可以约为10-3dB/λ。
根据另外的实施方式，另一种配置根据Plessky等人(S.Lehtonen，V.P.Plessky，C.S.Hartmann和M.M.Salomaa，“SPUDT filters for the 2.45GHz ISM band”，IEEE Trans.Ultrason.Ferrolectr.Freq.Control 51，第1697至1703页，2004年)公布的设计可以包括单相单向换能器(SPUDT)。其中，反射器位于IDT的一侧，其在该方向上比在相反方向上发射更多的能量。
根据又一实施方式，基于(YXl/128°)LiNbO3衬底上的瑞利波的SAW标签传感器的耦合和反射率可以通过沉积层(例如，SiO2层)来调节。耦合的增加可以减少插入损耗并增加询问距离。在同样的考虑领域中，还构想了将纯剪切波用于SAW标签，其中，可以通过将引导膜沉积到SAW器件上来引导剪切波。
根据各种实施方式，考虑多种配置用于在包括硅工件的工件上形成压电膜，例如，铌酸锂、钽酸锂或硅酸镓镧。可以通过晶片分子接合和研磨/抛光来形成压电膜。其中，压电膜被接合和减薄，或转移到硅上，从而允许导模(真实的表面波)的激励而在膜下面的衬底中没有辐射损失(波由硅衬底引导)，从而表现出机电耦合ks 2(对于其，如果模式不与其他导模混合能量，也不与从表面辐射的波相混合，则1(fr/fa)2(模式特征的共振频率和反共振频率分别为fa和fr)提供可靠估计)超过3％，并且在单个障碍物上的反射系数最小等于3％。可以提供若干示例来确定在LiTaO3(YXl)/32°至(YXl)/48°和在硅(或蓝宝石或任何允许波导的衬底)上的若干其他单旋转钽酸锂切割上的剪切波的实际配置，以及考虑了LiNbO3(YXl)/128°上的瑞利波和在硅上的几乎所有单独旋转的铌酸锂切割上的剪切波。
更一般地，对于转移到硅上的材料膜(例如LiNbO3)，剪切波可以用于不包括范围从100°至140°的传播方向的所有传播方向，而瑞利波可以用于范围从100°至180°的传播方向。剪切波的优选解决方案与范围从0°至20°和从140°至180°的传播方向对应，以促进大的TCF绝对值(产生超过60ppm-K-1的TCD值)。注意，由于基本对称的原因，当将180°加到给定单旋转切割的角度θ(围绕X晶轴旋转，参考IEEE Std-176标准)时，波的属性是相同的。为了使SAW标签操作最大化，可以选择从-20°至+20°的传播方向，因为机电耦合是最大的(超过20％)。然而，注意，这些设计考虑允许二阶改进，因为如上所述，大多数晶体切割可以用于所考虑的应用。
更一般地，对于转移到硅上的材料膜(例如LiTaO3)，剪切波模式可以用于范围从-30°至+90°的传播方向。此外，TCF特别适用于-30°至0°角度范围内的温度传感器，其耦合因子范围从3％至8％。根据优选实施方式，当考虑该耦合因子时，切割可以在TCF接近零的(YXl)/36°附近。可以考虑将这种取向族用于宽范围属性的测量，然而这对于温度不是最佳的。
图7示出了在2.45GHz附近操作的SAW标签的示例，其由转移到硅上的材料膜(例如LiNbO3)制造。设备700包括叉指换能器701、天线702和反射器组703。图8示出了在2.4GHz至2.5GHz频带中在室温(大约20℃)下操作的八(8)个SAW标签传感器在时域中的示例性反射系数|S11|。图9示出了在2.4GHz至2.5GHz频带中在60℃下操作的十三(13)个SAW标签传感器在时域中的示例性反射系数|S11|。
根据各种实施方式，用于传感器的天线设计可以包括单极设计、偶极设计、螺旋(helical)设计、圆形设计、螺旋(spiral)设计、贴片设计或曲折设计，或其两个或更多个的任何组合。图10示出了曲折型天线，示出了要为天线设计选择的若干尺寸。天线的金属化可以产生范围高达50微米或高达35微米(例如，厚度范围从10微米至35微米)的天线厚度。天线可以由Al、Cu、Ni、Au或其合金构成。可以使用包括电镀的各种沉积技术来制造天线。
在若干实施方式中，晶片型传感器可以在暴露于等离子体期间被操作。器件的上暴露表面可以暴露于等离子体，包括等离子体化学和离子轰击。结果，如果该器件不受保护，则其可以被蚀刻。因此，根据若干实施方式，当在等离子体条件下操作传感器超过几分钟(例如，高达5至10分钟)时，考虑SAW标签和天线的保护。晶片型传感器厚度的范围可以高达5mm(毫米)，优选地高达2mm，更优选地高达1.5mm，最优选地高达1.2mm。在一些实施方式中，传感器包括保护盖，例如蚀刻的玻璃盖，并且在其他实施方式中，传感器嵌入在衬底中，例如硅衬底。
根据图11所示的一个实施方式，SAW标签及其天线被分开制造，然后被接合到硅衬底上。使用引线接合连接该器件，并且该器件由保护层(例如机械加工的玻璃盖)保护。由于保护盖是电绝缘体，因此连接线可以与盖接触。然后将该器件接合到硅衬底上以形成气密密封的腔。该操作应该在真空下或至少在干燥空气条件下操作，以减少或避免任何截留在腔中的氧气。
根据图12所示的另一实施方式，SAW标签及其天线被制造在同一衬底上，然后被接合到硅衬底上。该器件由保护层(例如机械加工的玻璃盖)保护。
根据图13所示的另一实施方式，SAW标签及其天线以类似于图11和图12中描绘的器件的方式制造。然而，在这个实施方式中，硅衬底被蚀刻以允许在硅衬底中定位和凹进SAW标签和天线器件，即，至少部分地或完全地凹进硅衬底的上表面之下。结果，保护层可以包括平坦的盖，例如玻璃板或片。
根据图14所示的另一实施方式，SAW标签及其天线直接制造在硅衬底上。直接在硅衬底上制造器件可以包括蚀刻和沉积技术，其中通过适当的图案化以移除材料以及将材料添加到硅衬底。每个器件被保护层独立地覆盖，例如使用适合的二氧化硅标记。
根据图15所示的另一实施方式，SAW标签及其天线直接制造在硅衬底上。然而，每个器件都被全衬底保护层(例如，玻璃盖板)覆盖。
根据图16所示的又一实施方式，SAW标签及其天线制造在硅上，SAW标签例如制造在LiNbO3或LiTaO3上，然后组装并接合到硅衬底上。SAW标签传感器及其天线可以由机械加工(蚀刻)的二氧化硅板保护。
在其他实施方式中，多个传感器可以制造在LiNbO3或LiTaO3衬底上，然后接合到硅衬底上或嵌入硅衬底中。倒装芯片技术也可以用于构建安装在硅衬底上的(一个或更多个)器件。天线可以直接制造在硅衬底上，然后在天线附近对SAW标签进行倒片，以减小由于引线接合而产生的不期望的寄生电容或自感。倒装芯片方法的使用可以与应用相兼容，因为SAW标签的背面将暴露于处理环境，例如等离子体，而SAW标签的正面不暴露于处理环境。
虽然包括传感器和/或天线的器件可以制造在半导体衬底(例如硅衬底)上，但是可以考虑其他材料和衬底。衬底可以是绝缘体、导体或半导体。衬底可以包括器件尤其是半导体或其他电子器件的任何材料部分或结构，并且可以例如是基衬底结构例如半导体衬底，或在基衬底结构上或覆盖基衬底结构的诸如薄膜的层。衬底可以是常规硅衬底或包括半导体材料层的其他体衬底。如本文中所用，术语“体衬底”不仅意指且包括硅晶片，而且意指且包括绝缘体上硅(“SOI”)衬底，例如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底及玻璃上硅(“SOG”)衬底、基半导体基底上的硅的外延层及其他半导体或光电子材料，例如硅锗、锗、砷化镓、氮化镓及磷化铟。衬底可以是掺杂的或未掺杂的。因此，衬底不旨在限于任何特定的基底结构、图案化或未图案化的底层或上层，而是构想包括任何这样的层或基底结构以及层和/或基底结构的任何组合。
由于在等离子体操作期间可能需要操作传感器，所以这些实施方式可以考虑用于在真空环境中生成等离子体的射频(RF)电磁场。RF操作范围可以从低MHz频率(例如，1MHz)至甚高频(VHF)操作(例如，100MHz)。由于等离子体的非线性行为，产生了激励频率的谐波，其可以影响SAW标签传感器在以434MHz为中心和以2.45GHz为中心的ISM频带附近的频率处的操作。为了适应，可以采用信号滤波来消除对检测信号的谐波作用。作为示例，当RF激励频率约为13.56MHz时，由于等离子体引起的谐波含量在2.45GHz区域(并且更一般地在2GHz以上)内相对不重要。然而，在较高的RF激励频率下，谐波含量可能更重要，并且影响传感器操作。即使在与2GHz以上的操作对应的有利条件下，RF滤波也可以用于拒绝所有由于等离子体源造成的不期望的作用，并且发明人已经观察到：利用有源等离子体条件，特别是当等离子体功率超过70瓦(W)时，对SAW器件的成功监测。例如，RF滤波可以用于超过50W的等离子体功率条件。
如前所述，以上描述了根据若干实施方式的用于实时感测电子器件制造中的属性的设备。该电子器件制造系统可以包括能够在气相环境中处理衬底(例如200mm或300mm衬底)的半导体器件设备，该气相环境中可以包括或可以不包括等离子体。在半导体制造中，等离子体可以用于辅助将材料沉积在衬底上，或从衬底蚀刻材料。在下面描述并在图17A至图17D中描绘用于沉积或蚀刻或沉积和蚀刻两者的等离子体处理系统的示例。
图17A至图17D提供了若干等离子体处理系统，其可以用于促进处理气体的等离子体激励。图17A示出电容耦合等离子体(CCP)系统，其中，等离子体形成在上电极(UEL)与下板电极(LEL)之间的衬底附近，下板电极还用作静电卡盘(ESC)以支承和保持衬底。通过将射频(RF)功率耦合到至少一个电极来形成等离子体。如图17A所示，RF功率耦合到上电极和下电极两者，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。替选地，多个RF功率源可以耦合到同一电极。此外，直流(DC)电源可以耦合到上电极。
图17B示出了电感耦合等离子体(ICP)系统，其中，等离子体形成在电感元件(例如平面或螺线管/螺旋线圈)与下板电极(LEL)之间的衬底附近，下板电极还用作静电卡盘(ESC)以支承和保持衬底。通过将射频(RF)功率耦合到电感耦合元件来形成等离子体。如图17B所示，RF功率耦合到电感元件和下电极，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。
图17C示出表面波等离子体(SWP)系统，其中，等离子体形成在开槽平面天线与下板电极(LEL)之间的衬底附近，下板电极还用作静电卡盘(ESC)以支承和保持衬底。通过波导和同轴线将微波频率的射频(RF)功率耦合到开槽平面天线来形成等离子体。如图17C所示，RF功率耦合到开槽平面天线和下电极两者，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。
图17D示出远程等离子体系统，其中，等离子体形成在远离衬底的区域中，且通过过滤器与衬底分离，该过滤器被布置成阻碍带电粒子从远程等离子体源传送至接近衬底的处理区域。该衬底由下板电极(LEL)支承，该下板电极还用作静电卡盘(ESC)以保持该衬底。通过将射频(RF)功率耦合到与远程区域相邻的等离子体生成装置来形成等离子体。如图9D所示，RF功率耦合到与远程区域相邻的等离子体生成器件和下电极，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。
虽然未示出，图17A至图17D的等离子体处理系统可以包括其他部件，包括涂覆和可替换的部件设计，以保护处理腔的内表面。这样的部件可以包括沉积屏蔽件、挡板组件、限制屏蔽件等，它们围绕处理环境并潜在地干扰询问器与仪器化衬底之间的信号交换。
图17A至图17D的等离子体处理系统旨在说明用于实现所述的分步离子/自由基处理的各种技术。可以构想包括所述系统的组合和变型两者的其他实施方式。
在所附权利要求中，任何从属限制可以取决于任何独立权利要求。
在前面的描述中，已经阐述了具体细节，例如处理系统的特定几何形状以及对其中使用的各种部件和处理的描述。然而，应当理解，本文中的技术可以以脱离这些具体细节的其他实施方式进行实践，并且这些细节是为了解释而不是限制的目的。已经参考附图描述了本文公开的实施方式。类似地，出于说明的目的，阐述了具体的数字、材料和配置，以便提供透彻的理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。具有基本相同功能结构的部件用相同的附图标记表示，并且因此可以省略任何多余的描述。
将各种技术描述为多个离散操作以帮助理解各种实施方式。描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须依赖于顺序。实际上，这些操作不需要按照呈现的顺序来执行。所述的操作可以以与所述的实施方式不同的顺序来执行。在另外的实施方式中，可以执行各种另外的操作和/或可以省略所述的操作。
本文使用的“工件”、“衬底”或“目标衬底”一般是指根据本发明处理的对象。衬底可以包括装置尤其是半导体或其他电子器件的任何材料部分或结构，并且可以例如是基衬底结构，例如半导体晶片、中间掩膜，或在基衬底结构上或覆盖基衬底结构的层(例如薄膜)。因此，衬底不限于任何特定的基底结构、图案化或未图案化的下层或上覆层，而是预期包括任何这样的层或基底结构以及层和/或基底结构的任何组合。本说明书可能涉及特定类型的衬底，但这仅是出于说明的目的。
本领域技术人员还将理解，可以对上述技术的操作进行许多变型，同时仍然实现本发明的相同目的。这些变型旨在被本公开内容的范围所覆盖。因此，本发明的实施方式的上述描述不旨在限制性。相反，在所附权利要求中呈现对本发明的实施方式的任何限制。

Claims (20)

1.一种用于实时感测工业制造设备内的属性的装置，包括：
第一多个传感器，被安装在制造系统的处理环境内，每个传感器被指定给不同的区域，以监测所述系统的指定区域的物理属性或化学属性；以及
读取器系统，所述读取器系统具有被配置成使用单个高频询问序列同时且无线地询问所述第一多个传感器的部件，所述单个高频询问序列包括(1)向所述第一多个传感器发送第一请求脉冲信号，所述第一请求脉冲信号与第一频带相关联；以及(2)从所述第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，所述响应信号提供对所述系统的每个指定区域处的物理属性或化学属性变化的实时监测，
其中，根据设计规则使所述第一多个传感器能够在所述第一频带中操作，所述设计规则允许同时询问而在从在所述第一频带中操作的每个传感器回传的所述响应信号之间没有冲突。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述制造系统包括半导体制造系统或非半导体制造系统。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述制造系统利于半导体器件、光子器件、光发射器件、光吸收器件或光检测器件的制造。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述制造系统利于金属工件、半金属工件、非金属工件、聚合物工件、塑料工件、陶瓷工件或者玻璃工件或类似玻璃工件的制造。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：
工件，所述工件要被布置在所述制造系统的处理环境内，其中，所述第一多个传感器被安装在所述工件上。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括：
多个传感器分组，被指定给多个唯一定义的频带，所述多个传感器分组包括被指定给所述第一频带的所述第一多个传感器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，每个传感器包括表面声波(SAW)延迟线器件，并且其中，衬底包括LiNbO3、LiTaO3或La3Ga5SiO14。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述物理属性或所述化学属性包括温度或温度差。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，每个传感器包括叉指换能器和一个或更多个反射器组，所述叉指换能器用于激励且随后检测表面波，所述一个或更多个反射器组用于衍射表面波并将所述表面波反射回所述叉指换能器，并且其中，所述一个或更多个反射器组沿着波传播路径与所述叉指换能器间隔开预定距离。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述叉指换能器耦合到至少一个天线，以用于在每个传感器与所述读取器系统之间接收和发送信号。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，每个传感器的所述一个或更多个反射器被布置成产生时域中的脉冲响应信号，所述脉冲响应信号呈现两个或更多个不同回波脉冲响应的序列。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述一个或更多个反射器组位于所述叉指换能器的同一侧。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一频带的频谱范围小于100MHz。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单个高频询问序列包括利用时间分辨激励信号询问传感器并且在时域中处理所接收的回波信号，或者利用频率调制激励信号询问传感器并且在频域中处理所接收的回波信号。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述读取器系统还包括：
第一射频(RF)滤波器，用于抑制所述第一频带外的频率处的信号。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理环境包括气相等离子体环境。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一频带被限定成排除等离子体激励频率的谐波频率。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述工业制造系统是蚀刻系统、沉积系统、镀覆系统、清洁系统、灰化系统、热处理系统、光刻涂覆系统或抛光系统。
19.根据权利要求1所述的装置，还包括：
第二多个传感器，被安装在所述工业制造系统上或所述工业制造系统内，每个传感器被指定给不同的区域，以监测所述系统的指定区域的物理属性或化学属性，其中，根据设计规则使所述第二多个传感器能够在第二频段中操作，该设计规则允许同时询问而在从每个传感器回传的所述响应信号之间没有冲突。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括：
保护层，所述保护层覆盖所述第一多个传感器，以使每个传感器与所述工业制造系统中存在的环境隔离。
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