CN112088303A - 对制造设备中的特性的降低干扰的实时感测 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于实时感测工业制造设备中的特性的装置和方法。该感测系统包括：第一多个传感器，该第一多个传感器被安装在半导体器件制造系统的加工环境内，其中，每个传感器被分配给不同的区域，以监测该制造系统的所分配的区域的物理或化学特性；以及读取器系统，该读取器系统具有被配置成同时并以无线的方式询问该多个传感器的部件。该读取器系统使用单一高频询问序列，该单一高频询问序列包括：(1)向该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)接收来自该第一多个传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该第一多个传感器提供对该系统的每个所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测。

Description

对制造设备中的特性的降低干扰的实时感测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月18日提交的名称为“REDUCED INTERFERENCE,REAL-TIMESENSING OF PROPERTIES IN MANUFACTURING EQUIPMENT[对制造设备中的特性的降低干扰的实时感测]”的美国临时专利申请号62/686,104的权益，该申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于监测加工系统中的工艺的装置和方法，更具体地，涉及利用具有一体式感测和收发设备的监测设备对工艺进行监测。更具体地，本发明涉及对诸如半导体器件制造等工业制造中的特性的实时感测。
背景技术
在半导体工业中，集成电路(IC)的制造通常采用等离子体在等离子体反应器内产生并辅助从衬底去除材料及将材料沉积到衬底所需的表面化学物质。通常，在等离子体反应器内，在真空条件下，通过将电子加热到足以维持与所供应的工艺气体的电离碰撞的能量来形成等离子体。此外，被加热的电子可以具有足以维持离解碰撞的能量，因此，在预定条件(例如，室压力、气体流速等)下选择一组特定气体来产生适合于室内正在进行的特定工艺(例如，从衬底去除材料的刻蚀工艺或将材料添加到衬底上的沉积工艺)的一群带电粒种和化学反应性粒种。
例如，在刻蚀工艺期间，在确定等离子体加工系统的状态和确定所生产的器件的质量时，对等离子体加工系统进行监测可能是非常重要的。附加的加工数据可以用于防止得出关于系统的状态和正在生产的产品状态的错误结论。例如，连续使用等离子体加工系统会导致等离子体加工性能逐渐下降，并最终导致系统完全故障。附加的加工相关数据和工具相关数据将改善对材料加工系统的管理和正在生产的产品的质量。
发明内容
本文所述的技术涉及一种用于监测加工系统中的工艺的装置和方法，更具体地，涉及利用具有一体式感测和收发设备的监测设备对工艺进行监测。更具体地，本发明涉及对诸如半导体器件制造等工业制造中的特性的实时感测。
根据各个实施例，描述了用于在制造过程期间实时感测特性的装置。该感测系统包括：传感器该传感器被配置成安装在加工室内，该加工室具有至少部分环绕并包围加工环境的结构，其中，该传感器被分配给该加工室的特定区域，以监测该所分配的区域的物理或化学特性；以及读取器系统，该读取器系统具有被配置成使用高频询问序列以无线方式询问传感器的部件，该高频询问序列包括：(1)向该传感器发送请求脉冲信号，该请求脉冲信号与指定频带相关联，以及(2)接收来自该传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该传感器提供对该加工室的所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测。该加工室的结构产生干扰响应信号，该干扰响应信号紧接在发送请求脉冲信号之后被该读取器系统接收，该传感器被设计成将该传感器响应信号延迟一定延迟时间，该延迟时间超过来自该结构的干扰响应信号的持续时间。
当然，为了清楚起见，已经提出了本文所述的不同步骤的讨论顺序。通常，这些步骤可以以任何合适的顺序执行。另外，尽管可能在本披露的不同地方讨论了本文中的每个不同特征、技术、构造等，但是旨在每个概念可以彼此独立地或彼此组合地执行。因此，可以以许多不同的方式来实施和查看本发明。
应注意的是，本发明内容部分并未指明本披露内容或要求保护的发明的所有实施例和/或递增的新颖实施方面。相反，本发明内容仅提供了对不同实施例以及与常规技术相比的新颖性对应点的初步讨论。对于本发明和实施例的附加细节和/或可能的观点而言，读者应查阅如以下所讨论的本披露内容的具体实施方式部分和相应附图。
附图说明
在附图中：
图1A至图1C展示了根据实施例的用于实时感测工业制造设备中的特性的装置的示意性表示；
图2提供了展示根据实施例的用于实时感测半导体器件制造设备中的特性的方法的流程图；
图3A展示了传感器询问期间的响应信号；
图3B描绘了根据实施例的表面声波(SAW)传感器的代表性视图；
图4A至图4D例示了根据实施例的在对多个传感器进行询问之后的响应信号；
图5描绘了根据另一实施例的SAW标签传感器的代表性视图；
图6A至图6B例示了根据实施例的在对多个传感器进行询问之后的响应信号；
图7描绘了根据又另一实施例的SAW标签传感器的代表性视图；
图8例示了根据实施例的在对多个传感器进行询问之后的响应信号；
图9例示了根据实施例的在对多个传感器进行询问之后的响应信号；
图10描绘了根据实施例的天线；
图11描绘了根据实施例的在衬底上制造传感器的方法；
图12描绘了根据另一实施例的在衬底上制造传感器的方法；
图13描绘了根据另一实施例的在衬底上制造传感器的方法；
图14描绘了根据另一实施例的在衬底上制造传感器的方法；
图15描绘了根据另一实施例的在衬底上制造传感器的方法；
图16描绘了根据又另一实施例的在衬底上制造传感器的方法；以及
图17A至图17D提供了根据各个实施例的用于执行刻蚀的方法的等离子体加工系统的示意性表示。
具体实施方式
本文所述的技术涉及一种用于监测工业制造系统中的工艺的装置和方法，更具体地，涉及利用具有一体式感测和收发设备的监测设备对工艺进行监测。制造系统可以包括半导体制造系统。制造系统可以有助于制造半导体器件、光子器件、光发射器件、光吸收器件或光检测器件。制造系统可以包括非半导体制造系统。制造系统可以有助于制造金属、半金属或非金属工件。制造系统可以有助于制造金属、聚合物或陶瓷工件。制造系统可以有助于制造玻璃或类玻璃工件。
根据各个实施例，描述了一种用于实时感测工业制造设备(诸如半导体器件制造设备)中的特性的装置和方法。该感测系统包括：多个传感器，该多个传感器被安装在半导体器件制造系统的加工环境内，其中，每个传感器被分配给不同的区域，以监测该制造系统的所分配的区域的物理或化学特性；以及读取器系统，该读取器系统具有被配置成同时并以无线的方式询问该多个传感器的部件。该读取器系统使用单一高频询问序列，该单一高频询问序列包括：(1)向该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)接收来自该第一多个传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该第一多个传感器提供对该系统的每个所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测。特别地，在各个实施例中，描述了电路的晶圆型传感器，该晶圆型传感器能够消除对有线电源的需要，符合自动化要求，能够承受由于离子冲击而产生的热传递并测量晶圆上的温度分布等。
根据实施例，在图1A至图1C中描述并描绘了用于实时感测半导体器件制造设备中的特性的装置100。装置110包括：第一多个传感器2A、2B(见图1B)，该第一多个传感器安装在半导体器件制造系统100的加工环境115内，其中每个传感器2A、2B被分配给不同的区域，以监测工件1(或衬底)上的所分配的区域的物理或化学特性；以及读取器系统120，该读取器系统具有被配置为使用单一高频询问序列同时并以无线的方式询问该第一多个传感器的部件。该询问序列可以包括：(1)向该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)从该第一多个传感器接收唯一可识别的响应信号，该第一多个传感器提供对该系统的每个所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测，其中，根据允许同时询问并且在从每个传感器回传的响应信号之间不会发生碰撞的设计规则，使该第一多个传感器在第一频带中可操作。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的加工环境115内，其中，第一多个传感器2A、2B被安装在工件1上(见图1B)。该第一多个传感器中的传感器数量可以超过15个传感器、优选地多于30个传感器、优选地多于45个传感器、更优选地多于60个传感器。
半导体器件制造系统100可以包括固持器130，该固持器可以或可以不包括诸如机械夹紧系统或电夹紧系统(诸如，ESC，即静电吸盘)的夹紧机构。响应于来自控制系统140的信号，固持器控制系统130可以调整影响工件1或生产工件(未示出)的加工的特性。实施例可以包括在空间上被定向以影响工件1或生产工件的不同区域中的加工条件的温度控制元件。可替代地，响应于来自控制系统140的信号，可以调整气流和其他加工特性，例如，压力、等离子体功率、偏置功率等。
在一些实施例中，加工环境115包括没有等离子体的气相环境。在其他实施例中，加工环境115包括具有等离子体的气相环境。
作为示例，第一频带可以包括以2.45GHz为中心的ISM频带中的激励频率，然而，也可以设想其他频带。频带可以被选择成允许电磁波在读取器系统与装备的衬底之间传播。
半导体器件制造系统可以包括刻蚀系统、沉积系统、电镀系统、清洁系统、灰化系统、热处理系统、光刻涂覆系统或抛光系统、或其他半导体加工系统。图17A至图17D描绘了几个气相加工系统和/或等离子体加工系统，传感器系统可以在这些系统中实施。
如下文进一步描述的，根据装备的衬底将暴露于的环境，提出了几个保护(多个)传感器的技术。在传感器上方沉积或形成的保护层是在侵蚀性和/或腐蚀性环境中为传感器提供的保护的示例。
根据各个实施例，多个传感器组被分配给多个唯一定义的频带，其中，该多个传感器组包括被分配给第一频带的该第一多个传感器(将于下文更详细地描述)。被分配给传感器组和相关联的频带的传感器数量可以不超过25个；然而，可以设想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器件可以被安装在表现出的机电耦合系数大于或等于1％或2％至3％的工件1上。并且，衬底可以包括LiNbO3、LiTaO3或La3Ga5SiO14。也可以设想用于传导表面声波的其他材料。铌酸锂或钽酸锂可以用于较低温度的操作，而硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)可以用于较高温度的操作。物理或化学特性可以包括温度或温差。物理或化学特性可以包括温度或温差，其中，由于温度而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，但是也可以设想其他物理和化学特性。
如下文详细描述的，每个传感器包括用于激励并随后检测表面波的叉指换能器和用于衍射表面波并将表面波反射回该叉指换能器的一个或多个反射器组，并且其中，该一个或多个反射器组沿着波传播路径与该叉指换能器间隔预定的距离。叉指换能器包括在压电衬底表面上形成的两个交错的梳状金属结构，并且该一个或多个反射器包括在压电衬底上形成的一条或多条间隔开的金属线中的一组或多组。此外，该叉指换能器可以耦合到用于在每个传感器与该读取器系统之间接收和发送信号的至少一根天线。该至少一根天线可以被设计成具有50欧姆的阻抗。叉指换能器的电阻抗可以与该至少一根天线在指定频带内的某一频率下的电阻抗基本匹配。并且，指定频带(诸如第一频带)的频谱范围可以小于100MHz或50MHz。该至少一根天线可以包括弯折天线、单极或偶极天线或其他天线，如下文所列出的。
叉指换能器可以包括例如10至20对叉指电极对、或15个叉指电极对。叉指换能器可以包括两组或更多组叉指电极对，并且其中，每组叉指电极对都被设计成具有不同的电极间距。单一高频询问序列可以包括：在时域中利用时间分辨的激励信号来询问传感器并处理所接收的回波信号、或者在频域中利用调频的激励信号来询问传感器并处理所接收的回波信号。
当物理或化学特性包括温度时，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)。
如上文所述，每个传感器的一个或多个反射器可以被布置成产生时域中的冲激响应信号，该冲激响应信号表现为一串两个或更多个不同回波冲激响应。每个传感器的一个或多个反射器可以被布置成产生以下项：由读取器系统在第一延迟时间范围接收的、针对每个传感器的第一回波冲激响应；以及由读取器系统在第二延迟时间范围接收的、针对每个传感器的第二回波冲激响应，第二延迟时间在第一延迟时间之间之后，第一延迟时间之后跟着插在这两者之间的第一保护时间延迟。并且，第一保护延迟时间的范围可以高达200ns，或者为从100ns至200ns。
每个传感器的一个或多个反射器可以被布置成产生时域中的冲激响应信号，该冲激响应信号表现为一串三个或更多个不同回波冲激响应。并且，每个传感器的一个或多个反射器可以被布置成产生由读取器系统在第三延迟时间范围接收的、针对每个传感器的第三回波冲激响应，第三延迟时间在第二延迟时间之间之后，第二延迟时间之后跟着插在这两者之间的第二保护时间延迟。第二保护延迟时间的范围可以高达200ns，或者从100ns至200ns。第一延迟时间、第二延迟时间和第三延迟时间的范围可以高达5微秒。
读取器系统120可以包括射频(RF)滤波器，该RF滤波器用于拒绝指定频带之外的频率的信号。射频(RF)滤波器可以被设计成拒绝指定频带之外的频率的信号。例如，RF滤波器可以拒绝源自等离子体激励频率的谐波频率的信号超过30dB或甚至40dB。
虽然描述了第一多个传感器，但是也可以将第二多个传感器安装在半导体器件制造系统100之上或之内，其中，每个传感器都被分配给不同的区域，以监测系统的所分配的区域的物理或化学特性，并且其中，根据允许同时询问并且在从每个传感器回传的响应信号之间不会发生碰撞的设计规则，使该第二多个传感器在第二频带中可操作。
图1C示意性地展示了读取器系统，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，以控制传感器询问、管理去往和来自每个部件的信号处理并评估半导体器件制造系统100的加工状态。
根据另一实施例，描述了用于实时感测半导体器件制造设备中的特性的方法。该方法如图2中所描绘的，并且该方法包括：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加工环境内；在220中，将一组传感器分配给用于询问该组的频带；以及在230中，使用单一高频询问序列同时并以无线的方式询问每组传感器，该单一高频询问序列包括：(1)向指定有传感器组的多个传感器发送请求脉冲信号，该请求脉冲信号与指定频带相关联，以及(2)接收来自该多个传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该多个传感器提供对工件1的每个所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测。
作为示例，以下描述了用于监测温度或温差的感测系统。晶圆型传感器可以包括工件，该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。这些传感器根据工件或工艺所需的期望温度映射来定位。SAW传感器可以基于延迟线，这些延迟线被设计成使得可以利用一个或多个(包括单一)高频询问序列同时询问SAW传感器，该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)调频连续波(FMCW)方法。在后者中，调频连续波方法可以包括傅立叶信号处理，用于在频率或波数空间中对信息进行卷积和去卷积。
SAW延迟线可以被设计成在一系列温度和传感器性能下匹配或基本匹配天线阻抗。当在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)内对询问和信号处理进行时间分辨时，可以使用突发信号。SAW传感器可以以使得可以同时询问几个传感器而不会发生碰撞的方式进行设计，即以避免在整个操作范围和条件上的任何脉冲叠加的方式对传感器响应进行时间移位。
作为示例而非一般性限制，给出了设计规则来解释如何在铌酸锂(LiNbO3)上使用类瑞利(Rayleigh-like)SAW来实现该设计。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。可以在不发生碰撞的情况下进行询问的传感器的数量可通过以下方式显著增加：使用以在给定频带中的一组传感器的询问将较难耦合另一频带中的能量的方式进行了移位的频带；以及通过在读取器接收阶段使用滤波器对当前使用的频带进行滤波(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等离子体施加期间改善信号处理，该等离子体施加会生成达到可能会污染或干扰传感器响应信号处理的水平的RF(射频)谐波，特别是在等离子体激励超过数十瓦特的情况下，如发明人所观察到的。
在另一实施例中，该装置包括使SAW传感器表面免受等离子体和/或腐蚀性化学物质(包括在等离子体激发期间的离子冲击)的影响的保护物，该等离子体和/或腐蚀性化学物质可能不可逆地损坏感测器、电极和表面质量，从而缩短传感器器的使用寿命。
在另一实施例中，该装置包括沉积在硅(Si)晶圆表面上的原位压电薄膜，其中，天线被接合到传感器位置上，从而允许接收和发射RF信号并保护传感器表面。如上文描述的，晶圆型传感器可以包括具有相关联的天线的SAW器件，这些器件具有以下特征中的一个或多个：(i)使用在LiNbO3上构建的SAW标签延迟线，其中，类似时间响应被移位，其方式为成使得可以询问几个传感器而不会发生碰撞/信号叠加；(ii)使用几个频带来增加在给定晶圆上可以询问的传感器数量，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圆(考虑对传感器提供保护的几个结构)；以及(iv)使用接合到晶圆上的单晶压电薄膜，从而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削角度和晶体取向的信息可以在关于压电的IEEE Std-176标准(关于压电的ANSI/IEEE Std 176-1987IEEE标准，http://standards.ieee.org/reading/ieee/std_public/description/ultrasonics/176-1987_desc.html)中进行查询。用于所有计算的材料常数是Kovacs等人提出的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 forLiNbO3 and LiTaO3”,Proc.of the IEEE Ultrasonics Symposium,435-438,1990[G.Kovacs,M.Anhorn,H.E.Engan,G.Visintini,C.C.W.Ruppel,LiNbO3和LiTaO3的改进材料常数,IEEE超声专题论文集,435-438,1990])。可以在Landolt-Bornstein数据库中查找有关硅的数据(质量密度和弹性/热弹性常数)以及有关熔融石英(二氧化硅)和铝的数据(Landolt-Bornstein,Numerical data and functional relationships in science andtechnology,Group III,Crystal and solid state physics,Vol.11,K.H.Hellwege,andA.M.Hellwege,Eds.,Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1979[Landolt-Bornstein,科学技术中的数值数据与函数关系,第三组,晶体与固体物理学,第11卷,K.H.Hellwege和A.M.Hellwege编辑,施普林格出版社-柏林-海德堡-纽约,1979])。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 et al,Theoryand Application of Passive SAW Radio Transponders as Sensors,IEEE Trans.onUFFC,Vol.45,No.5,pp.1281-1292,1998[Leonhard Reindl等人,无源SAW无线电应答器作为传感器的理论与应用,IEEE UFFC汇刊,第45卷,第5期,1281-1292,1998])，其定义如下：
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))，并且α1 (1)是一阶热膨胀系数。假设
Figure BDA0002756220590000101
则允许证明：
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。在一个实施例中，实时感测的使用包括：使用基于叉指换能器(IDT)的SAW标签来进行温度测量，以激励和检测表面波；以及使用沿着波传播路径定位的反射器组，从而衍射波并将其发射回到换能器。虽然上述考虑适用于基于谐振器的传感器，但是对于此类传感器而言，除了以下规则以外的其他设计规则也是必要的。
在LiNbO3切割用于SAW标签应用(可以是(YXl)/128°或(YZ)切割)的情况下，TCF通常处于[-80；-90]ppm-K-1范围内。TCD值的范围可以是高达100ppm-K-1的值，作为由温度引起的最大延迟变化。发明人将该参数视为给定回波可以在其中变化的延迟范围的一种设置方法。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(碰撞)并在测量期间防止清晰和高效的区分。
根据各个实施例，描述了用于在制造过程期间实时感测特性的装置。如上文所述，感测系统包括：传感器该传感器被配置成安装在加工室内，该加工室具有至少部分环绕并包围加工环境的结构，其中，该传感器被分配给该加工室的特定区域，以监测该所分配的区域的物理或化学特性；以及读取器系统，该读取器系统具有被配置成使用高频询问序列以无线方式询问传感器的部件，该高频询问序列包括：(1)向该传感器发送请求脉冲信号，该请求脉冲信号与指定频带相关联，以及(2)接收来自该传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该传感器提供对该加工室的所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测。
然而，如图3A所展示的，加工室的结构产生干扰响应信号250，该干扰响应信号紧接在发送请求脉冲信号之后被该读取器系统接收。为了有效地询问安装在加工室内的传感器，传感器被设计成将传感器响应信号延迟一定延迟时间260，该延迟时间超过来自结构的干扰响应信号250的持续时间，使得来自一个或多个传感器的回波信号251、252可以在来自结构的干扰更少的情况下被接收。延迟时间260应大于或等于0.5msec(毫秒)，或优选地大于或等于1msec。例如，延迟时间应在1msec至1.5msec范围内。
图3B提供了SAW标签传感器300的简化示意图，该传感器具有叉指换能器(IDT)301以及提供为反射器302的插槽，反射器按给定延迟范围成组设置。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相应回波重叠。为此，需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SAW标签的冲激响应中的回波形式是由被给定反射器中的电极数拉长的换能器冲激响应的自卷积引起的。如还图3B所示的，传感器300可被设计成使反射器302与换能器301间隔开一定距离360，以便使对询问信号的响应延迟足够的量，从而减轻结构干扰。根据表面声波的频散关系以及期望的延迟时间260来确定相速度，可以在传感器300的设计中提供对距离360的指导。
在LiNbO3(YXl)/128°上设计和制造SAW标签的情况下，考虑到70μm的孔径，可以将换能器中电极对的数量限制为15，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，在此考虑以2.45GHz为中心的ISM频带规定)。该设计考虑等同于将频谱范围设置为85MHz，从而产生30个振荡的最小长度，以避免频谱超过上述值。此类激励突发的持续时间可以为约12ns(但在使用15指对IDT来耦合最大量能量——即换能器和激励频谱最佳重叠——的情况下，只有约6ns是强制性的)，这使得自卷积的长度等于24ns，为了方便起见在图3中主要定为25ns。
再次参照上述两个回波，可以设置这两个回波之间的最小持续时间，以避免它们的特征在整个温度范围上发生任何重叠。100℃温度变化可能导致延迟标称值发生10-2的相对变化。因此，当两个传感器的温差为200℃时，预期这两个回波之间的延迟最小为标称最长延迟的2％(例如，τ2，假设τ1<τ2)加上25ns(即一个回波的最大时间扩展)。作为示例，可以选择30ns的回波间隔，因为一个回波的扩展不能超过20ns。为了说明的目的，如果针对τ2考虑500ns延迟，则上述规则推断出τ1对应于465ns(即，500-10-25ns)的最大延迟。本练习提供了允许设计符合ISM规定的通用设计规则，并且解决了在一次测量几个传感器的情况下两个回波的间隔问题。
因此，作为示例，如果要同时询问十五(15)个传感器，则一旦固定第一传感器(第一个“应答”的传感器)的初始延迟τ0，传感器的全部第一回波就都将在最少τ0加上35ns乘以15的延迟范围(例如，τ0+525ns)内产生，从而确保可以在整个温度范围内询问传感器组并读取响应而不会发生碰撞。在最后一个传感器的第一回波(最后一个“应答”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，此保护延迟可以超过两个“第一”回波之间的延迟(上述为35ns)，否则很难区分第一回波的脉冲串和第二回波的脉冲串。此延迟通常可为50ns，但是为了更好的信号处理鲁棒性，可以使用范围在100ns到200ns之间的延迟。作为另一示例，可使用150ns的延迟来提供足够长的延迟差，以避免第一脉冲串与第二脉冲串之间发生混淆，并产生足够短的波径，以使波传播导致的损耗最小化(10-2dB/λ可以通常作为(YXl)/128°LiNbO3表面上的损耗参数，这在比较理论和实验SAW标签响应时可得到验证)。
根据示例，考虑以上针对SAW器件概述的设计规则，晶圆型传感器可以包括分配给单独的频带的四(4)组十六(16)个传感器。图4A至图4D示出了叠映的一组十六(16)个传感器的典型响应以说明峰值的序列，包括第一回波和第二回波(见图4A)、以及峰值之间的分隔(见图4B中前三个回波的特写)。在图4C中，绘制了将所有延迟线S11参数求和的结果，并计算了相应的时间响应。为了比较起见，叠映任一延迟线的时域响应以说明求和的实际效果：例如，基线升高，这意味着信噪比降低，但未降低至足以阻止系统操作(如图4C所示)。
询问单一晶圆上的六十五(65)个传感器可以通过制造在不同频带中操作的四组十六(16)个传感器(在这四个频带之一中加上一个传感器)来实现。使用由15指对构成的IDT，SAW标签的频谱扩展为约150MHz(即，从中心频率加上或减去75MHz)。因此，根据一个实施例，第二、第三和第四频带可以分别从第一频带移位150MHz、300MHz和450MHz，以便产生其他三个频带，从而完成整个晶圆型传感器设计。图4D示出了所产生的频谱分布，使得各频带清楚地分隔开。因此，针对各频带保留相同(时域)回波分布，这简化了信号处理，因为仅需对该频带(即，询问器的本地振荡器)进行移位、并且接收滤波器必须对应于当前处理的频带。
因此，用于将六十五(65)个测量点定址到晶圆上的询问过程可以包括：将中心频率设置为第一频带的中心频率(即，将本地振荡器及接收滤波器设置到当前频带)，以将读取器设置为发射模式并将RF询问信号发射至读取器天线，在发射整个询问信号之后(例如，对于15指对的IDT而言最多15ns，对应于15个信号时段加上一些延迟以适当地弱化天线的作用)将读取器切换至接收模式，并收集由传感器再次发射的信号(例如，最大延迟约2μs)，重复操作与必须被平均以改善SNR的信号数量相同的次数，并且然后只要这四个频带还未被扫描，就设置下一频带并重复操作。
应注意，第一计算是考虑两回波解决方案来完成的。然而，相同的设计工艺可以适用于将允许达成所需准确性目标的三脉冲传感器。从这个角度看，可以努力根据所实现的测量结果来优化传感器响应、尤其是优化换能器性能。可采取几种方法，包括改变IDT的周期以覆盖整个2.4GHz至2.5GHz频带，并稍微对反射器进行移位，使得这些反射器实际上不会表现出相同的反射频谱覆盖范围。例如，可将IDT分成五(5)个部分(见图5；或多于或少于五(5)个部分)，针对这五个部分，考虑100nm的金属厚度(相对电极高度h/λ超过6％)及0.45的金属比，将机械周期分别设置为pIDT1＝0.78nm(λ＝1.56μm)、pIDT2＝785nm(λ＝1.57μm)、pIDT3＝790nm(λ＝1.58μm)、pIDT4＝795nm(λ＝1.59μm)、以及pIDT5＝800nm(λ＝1.6μm)。IDT由pIDT1处的第一电极对、pIDT2处的两个电极对、pIDT3处的五个电极对、pIDT4处的四个电极对、以及pIDT5处的三个电极对组成。
沿着此分布，换能器的阻抗保持接近大约50Ω，即，用于优化从天线到SAW器件或反向的能量传输的设计条件。可设想几种其他配置；然而，主要的想法是将IDT的最佳响应扩展至比考虑在λ＝1.57μm时的纯同步IDT结构所获得的频带更宽的频带上(见图6A及图6B)。另一方面，根据以上评论(提高传感器解析度并消除相位不确定性)，可以使用三组反射器，两组在该反射器的一侧，一组在该反射器的另一侧，以优化传感器响应。各组的机械周期可以分别设置为pR1＝780nm以及pR2＝790nm，而金属比设置为0.55。现报告一个方案来说明SAW标签的概念。
例如，可以在IDT中选择0.45的金属比，以减小或最小化换能器内部的反射现象(在单一障碍物上的反射系数小于3％)，也可以将反射器金属比设置为0.55，从而在单一障碍物上产生接近5％的反射系数。例如，金属比的范围可以从0.4至0.6(针对0.45的金属比及周期p1＝0.78，电极的最小宽度可以等于351nm)。使用此电极分布，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)都接近-20dB。在本评估中，针对所选择的100MHz频带(从2.4GHz至2.5GHz)，传播损耗可以为约10-3dB/λ。
根据附加的实施例，另一配置可以包括根据Plessky等人公开的设计的单相单方向换能器(SPUDT)(S.Lehtonen,V.P.Plessky,C.S.Hartmann,and M.M.Salomaa,“SPUDTfilters for the 2.45GHz ISM band”,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 51,pp.1697-1703,2004[S.Lehtonen,V.P.Plessky,C.S.Hartmann和M.M.Salomaa,“针对2.45GHz ISM频带的SPUDT滤波器”,IEEE超声、电铁频率控制汇刊51,1697-1703,2004])。其中，这些反射器被定位在IDT的在该方向上发射的能量比在相反侧更多的一侧上。
根据又一附加实施例，可以通过沉积诸如SiO2层等层来调整基于(YX1)/128°LiNbO3衬底上的瑞利波(Rayleigh wave)的SAW标签传感器的耦合及反射率。耦合的增强可以减小插入损耗并增大询问距离。在所考虑的相同领域中，还设想将纯剪切波用于SAW标签，其中，可以通过将引导膜沉积在SAW器件上来引导剪切波。
根据各个实施例，设想用于在工件(包括硅工件)上形成诸如铌酸锂、钽酸锂或硅酸镓镧等压电薄膜的多种配置。压电薄膜可以通过晶圆分子接合以及研磨/抛光来形成。其中，压电薄膜被接合并变薄、或转移至硅上，从而允许激励引导模式(真实表面波)而不会在薄膜下方的衬底内产生辐射损耗(波由硅衬底引导)，该薄膜表现出超过3％的机电耦合ks 2(在该模式不会将能量与其他引导模式、或从表面辐射的波混合的情况下，对于该机电耦合，1-(fr/fa)2提供可靠的估计，其中fr和fa分别为具有模式特征的共振频率和反共振频率)，并且且单一障碍物上的反射系数最少等于3％。可以提供几个示例以确定用于LiTaO3(YXl)/32°至(YXl)/48°上、以及到硅(或蓝宝石或允许进行波引导的任何衬底)上的几个其他单一旋转的钽酸锂切割上的剪切波的实际配置，并且设想在LiNbO3(YXl)/128°上的瑞利波及到硅上的几乎所有单一旋转的铌酸锂切割上的剪切波。
更一般而言，对于转移至硅上的材料薄膜(诸如LiNbO3)，剪切波可以用于除了范围从100°至140°的传播方向之外的所有传播方向，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对应于范围从0°至20°以及从140°至180°的传播方向，以促使TCF的绝对值较大(从而产生超过60ppm-K-1的TCD值)。应注意，基于基本的对称原因，当对给定单一旋转切割的角度θ加上180°(绕X结晶轴线旋转，参照IEEE Std-176标准)时，波的特性是相同的。为了使SAW标签操作最大化，可以选择从-20°至+20°的传播方向，因为此时机电耦合最大(超过20％)。然而，应注意，这些设计考虑允许二阶改进，因为大部分晶体切割可以用于如上所述的所考虑的应用。
更一般而言，对于转移至硅上的材料薄膜(诸如LiTaO3)，针对范围从-30°至+90°的传播方向可利用剪切波模式。此外，TCF对于耦合因子的范围为从3％至8％的-30°至0°角度范围内的温度传感器是特别有利的。根据优选实施例，当考虑耦合因子时，切割可以接近(YXl)/36°，此时TCF接近零。对于广泛范围的特性的测量可以考虑此取向系，然而其对于温度而言是次优的。
图7示出了在2.45GHz附近操作的SAW标签的示例，该SAW标签由转移至硅上的材料薄膜(诸如LiNbO3)制造。器件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(约20摄氏度)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摄氏度下操作的十三(13)个SAW标签传感器在时域中的示例性反射系数|S11|。
根据各个实施例，用于传感器的天线设计可以包括单极设计、双极设计、螺旋形设计、圆形设计、螺线形设计、贴片设计、或弯折设计、或前述设计中的二者或更多者的任意组合。图10展示了弯折型天线，展示了针对天线设计将选择的几个尺寸。天线的金属化可以产生范围达50微米、或达35微米的天线厚度(例如，厚度范围从10微米至35微米)。天线可以由Al、Cu、Ni、Au、或其合金构成。可以使用各种沉积技术(包括电镀)来制造天线。
在几个实施例中，晶圆型传感器可能会在暴露于等离子体期间进行操作。器件的上暴露表面可能会暴露于等离子体，包括等离子体化学物质及离子轰击。因此，若不加以保护，器件可能受到刻蚀。因此，根据几个实施例，设想在等离子体条件下操作传感器持续超过数分钟(例如，长达5至10分钟)时保护SAW标签及天线。晶圆型传感器的厚度范围可以达到5mm(毫米)、优选地达到2mm、更优选地达到1.5mm、最优选地达到1.2mm。在一些实施例中，传感器包括保护罩，诸如经刻蚀的玻璃罩，并且在其他实施例中，传感器被嵌入于衬底(诸如，硅衬底)中。
根据图11所示的一个实施例，SAW标签及其天线被分别制造，并然后接合至硅衬底上。该器件使用线接合连接、并由保护层(诸如，经机制造的玻璃罩)保护。由于保护罩为电绝缘体，所以连接线可以与该保护罩接触。随后，保护罩被接合至硅衬底上以形成气密腔。此操作应在真空下、或至少在干燥空气条件下进行，以减少或避免任何氧气在腔中滞留。
根据图12所示的另一实施例，SAW标签及其天线在同一衬底上被制造，并然后接合至硅衬底上。该器件由保护层(诸如，经机制造的玻璃罩)保护。
根据图13所示的另一实施例，SAW标签及其天线以类似于图11及图12中描绘的器件的方式被制造。然而，在此实施例中，刻蚀硅衬底以允许使SAW标签及天线器件定位并凹陷进硅衬底内，即，至少部分地或完全凹陷至硅衬底的上表面下方。因此，保护层可以包括平面罩，诸如，玻璃板或玻璃片。
根据图14所示的另一实施例，SAW标签及其天线直接在硅衬底上被制造。直接在硅衬底上制造器件可以包括刻蚀技术和沉积技术，通过适当的图案化以去除和添加材料至硅衬底。各器件被独立地用保护层(例如使用适当的二氧化硅标记)覆盖。
根据图15所示的另一实施例，SAW标签及其天线直接在硅衬底上被制造。然而，各器件被全衬底保护层(诸如玻璃罩板)覆盖。
根据图16所示的又另一实施例，SAW标签及其天线在硅上被制造，例如SAW标签在LiNbO3或LiTaO3上被制造，并然后组装和接合至硅衬底上。SAW标签传感器及其天线可以由经机制造(经刻蚀)的二氧化硅板来保护。
在其他实施例中，可以在LiNbO3或LiTaO3衬底上制造多个传感器，并然后接合至或嵌入于硅衬底内。覆晶封装技术也可以用于构建安装在硅衬底上的(多个)器件。天线可直接制造至硅衬底上，接着将SAW标签靠近天线覆晶封装，以减少由于线接合所导致的不期望的寄生电容或自电感。使用覆晶封装方法可以与应用相容，因为SAW标签的背面(而不是正面)将暴露于加工环境，诸如等离子体。
虽然包括传感器和/或天线的器件可以在诸如硅衬底的半导体衬底上进行制造，但是也可以设想其他材料及衬底。衬底可以为绝缘体、导体、或半导体。衬底可以包括器件(特别是半导体或其他电子器件)的任何材料部分或结构，并且可以例如是基础衬底结构(诸如，半导体衬底)、或在基础衬底结构之上或上覆的层(诸如，薄膜)。衬底可以是常规的硅衬底或包括半导电性材料层的其他块状衬底。如本文所使用的，术语“块状衬底”是指硅晶圆，并且不仅包括硅晶圆，还包括绝缘体上硅(“SOI”)衬底(诸如蓝宝石上硅(“SOS”)衬底和玻璃上硅(“SOG”)衬底)、基础半导体基底上的硅外延层、以及其他半导体或光电材料(诸如硅锗、锗、砷化镓、氮化镓和磷化铟)。衬底可以是掺杂的或非掺杂的。因此，衬底不旨在限于图案化或未图案化的任何特定基础结构、下层或上覆层，而是设想为包括任何此类层或基础结构、以及层和/或基础结构的任何组合。
由于可能需要传感器在等离子体操作期间操作，这些实施例可以解释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)至特高频(VHF)操作(例如，100MHz)。由于等离子体的非线性表现，产生了激励频率的谐波，这可能会影响SAW标签传感器在接近以434MHz为中心及以2.45GHz为中心的ISM频带的频率下的操作。为了应对这一问题，可以利用信号滤波来消除谐波对于所检测信号的影响。作为示例，当RF激励频率为约13.56MHz时，等离子体所导致的谐波含量在2.45GHz的区域(并且更通常高于2GHz)内相对不重要。然而，在较高RF激励频率下，谐波含量可能更重要并会影响传感器操作。即使在对应于高于2GHz的操作的有利条件下，也可以使用RF滤波来拒绝由于等离子体源所导致的所有不需要的影响，并且发明人已经观察到使用活性等离子体条件的SAW器件的成功监测、特别是当等离子体功率超过70瓦(W)时。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，以上描述了根据几个实施例的用于实时感测电子器件制造中的特性的装置。电子器件制造系统可包括能够在可能包括或不包括等离子体的气相环境中加工衬底(诸如200mm或300mm衬底)的半导体器件设备。在半导体制造中，等离子体可以用于辅助材料沉积在衬底上、或从衬底刻蚀材料。用于沉积、或刻蚀、或沉积和刻蚀两者的等离子体加工系统的示例在下面描述并在图17A至17D中描绘。
图17A至图17D提供了可以用于有助于工艺气体的等离子体激励的几个等离子体加工系统。图17A展示了电容耦合等离子体(CCP)系统，其中，等离子体在上板电极(UEL)与下板电极(LEL)之间的衬底附近形成，下电极还用作静电吸盘(ESC)以支撑和保持衬底。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。可替代地，多个RF功率源可以耦合到同一电极。而且，直流(DC)功率可以耦合到上电极。
图17B展示了电感耦合等离子体(ICP)系统，其中，等离子体在电感元件(例如，平面线圈或螺线管/螺旋线圈)与下板电极(LEL)之间的衬底附近形成，下电极还用作静电吸盘(ESC)以支撑和保持衬底。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两者，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。
图17C展示了表面波等离子体(SWP)系统，其中，等离子体在开槽平面天线与下板电极(LEL)之间的衬底附近形成，下电极还用作静电吸盘(ESC)以支撑和保持衬底。通过将微波频率的射频(RF)功率通过波导和同轴线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展示了远程等离子体系统，其中，等离子体在远离衬底的区域中形成并通过过滤器与衬底分离，该过滤器被布置成阻止带电粒子从远程等离子体源向靠近衬底的制造区域的输送。衬底由下板电极(LEL)支撑，该下板电极还用作静电吸盘(ESC)以保持衬底。通过将射频(RF)功率耦合到远程定位区域附近的等离子体生成设备来形成等离子体。如图9D所示，RF功率耦合到远程区域附近的等离子体生成设备和下电极两者，并且功率耦合可以包括不同的RF频率。
虽未示出，但图17A至图17D的等离子体加工系统可以包括其他部件，包括经涂覆并且可替换的零件设计，用于保护加工室的内表面。此类零件可以包括沉积防护罩、挡板组件、限制防护罩等，其环绕加工环境并可能干扰询问器与装备的衬底之间的信号交换。
图17A至图17D的等离子体加工系统旨在说明用于实施所描述的分段式离子/自由基加工的各种技术。设想了包括所描述的系统的组合和变化的其他实施例。
在权利要求中，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，已经阐明了具体细节，诸如加工系统的特定几何形状以及对其中使用的各种部件和工艺的描述。然而，应当理解，本文的技术可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践，并且这些细节是出于解释而非限制的目的。已经参考附图描述了本文披露的实施例。类似地，出于解释的目的，已经提出了具体的数字、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例。具有基本相同的功能结构的部件由相似的附图标记表示，并且因此可以省略任何多余的描述。
已经将各种技术描述为多个独立的操作以帮助理解各种实施例。描述的顺序不应当解释为意味着这些操作一定是依赖于顺序的。实际上，这些操作无需按照呈现的顺序执行。可以通过与所描述的实施例不同的顺序来执行所描述的操作。在附加实施例中，可以执行各种附加操作和/或可以省略所描述的操作。
如本文所使用的，“工件”、“衬底”或“目标衬底”通常是指根据本发明被加工的物体。衬底可以包括器件(特别是半导体或其他电子器件)的任何材料部分或结构，并且可以例如是基础衬底结构(诸如，半导体晶圆、掩膜版)、或基础衬底结构之上或上覆的层(诸如，薄膜)。因此，衬底不限于图案化或未图案化的任何特定基础结构、下层或上覆层，而是设想为包括任何这种层或基础结构、以及层和/或基础结构的任何组合。该描述可以参考特定类型的衬底，但这仅出于说明目的。
本领域技术人员还将理解，在仍然实现本发明的相同目的的同时，可以对上述技术的操作做出许多改变。本披露内容的范围旨在包含这些改变。因此，本发明的实施例的前述描述不旨在是限制性的。相反，对本发明实施例的任何限制在所附权利要求中进行了呈现。

Claims (20)

1.一种用于在制造过程期间实时感测特性的装置，该装置包括：
传感器，该传感器被配置成安装在加工室内，该加工室的结构至少部分环绕并包围加工环境，其中，该传感器被分配给该加工室的特定区域，以监测该加工室的所分配的区域的物理或化学特性；
读取器系统，该读取器系统具有被配置成使用高频询问序列来以无线方式询问该传感器的部件，该高频询问序列包括：(1)向该传感器发送请求脉冲信号，该请求脉冲信号与指定频带相关联；以及(2)接收来自该传感器的唯一可识别的传感器响应信号，该传感器提供对该腔室的所分配的区域的物理或化学特性的变化的实时监测，
其中，该加工室的结构产生干扰响应信号，该干扰响应信号紧接在发送该请求脉冲信号之后被该读取器系统接收，并且
其中，该传感器被设计成将该传感器响应信号延迟一定延迟时间，该延迟时间超过来自该结构的干扰响应信号的持续时间。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该制造系统包括半导体制造系统、或非半导体制造系统。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该制造系统有助于半导体器件、光子器件、光发射器件、光吸收器件或光检测器件的制造。
4.如权利要求4所述的装置，其中，该制造系统有助于金属、半金属、非金属、聚合物、陶瓷、或玻璃或类玻璃工件的制造。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该延迟时间超过0.5毫秒(msec)。
6.如权利要求1所述的装置，其中，该延迟时间超过1msec。
7.如权利要求1所述的装置，其中，该延迟时间在1msec至1.5msec范围内。
8.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
工件，该工件待被布置在该制造系统的加工环境内，其中，该工件上安装有第一多个传感器。
9.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
多个传感器，该多个传感器被分组并分配给多个唯一定义的频带，该多个传感器组包括被分配给该指定频带的该第一多个传感器。
10.如权利要求1所述的装置，其中，每个传感器都包括表面声波(SAW)延迟线器件，并且其中，该衬底包括LiNbO3、LiTaO3或La3Ga5SiO14。
11.如权利要求1所述的装置，其中，该物理或化学特性包括温度或温差。
12.如权利要求1所述的装置，其中，每个传感器包括用于激励并随后检测表面波的叉指换能器和用于衍射表面波并将表面波反射回该叉指换能器的一个或多个反射器组，并且其中，该一个或多个反射器组沿着波传播路径与该叉指换能器间隔预定的距离。
13.如权利要求12所述的装置，其中，该叉指换能器耦合到用于在每个传感器与该读取器系统之间接收和发送信号的至少一根天线。
14.如权利要求12所述的装置，其中，每个传感器的一个或多个反射器被布置成产生时域中的冲激响应信号，该冲激响应信号表现为一串两个或更多个不同回波冲激响应。
15.如权利要求12所述的装置，其中，该一个或多个反射器组位于该叉指换能器的同一侧。
16.如权利要求1所述的装置，其中，该第一频带的频谱范围小于100MHz。
17.如权利要求1所述的装置，其中，该读取器系统进一步包括：
第一射频(RF)滤波器，该第一RF滤波器用于拒绝该第一频带之外的频率的信号。
18.如权利要求1所述的装置，其中，该加工环境包括气相等离子体环境。
19.如权利要求1所述的装置，其中，该工业制造系统为刻蚀系统、沉积系统、电镀系统、清洁系统、灰化系统、热处理系统、光刻涂覆系统或抛光系统。
20.如权利要求1所述的装置，其中，该传感器响应信号相比于该干扰响应信号的信噪比超过5dB。
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