CN118098918A - 用于等离子体处理的离子能量分析的屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量值的装置，所述装置包括衬底、多个离子能量传感器和导电外壳，每个离子能量传感器都具有在衬底中设置的相关控制电路，导电外壳设置在衬底中并围绕每个离子能量传感器和相关控制电路，使得衬底至少部分地围绕导电外壳。

Description

用于等离子体处理的离子能量分析的屏蔽装置

技术领域

本申请涉及对仿晶圆探针的部件进行屏蔽，所述仿晶圆探针用于在等离子体处理期间测量到达探针表面的入射带电粒子电流密度和能量分布。

背景技术

等离子体处理在现代工业中有广泛的应用。众所周知的实例是半导体工业中集成电路的制造。等离子体处理还用于太阳能板、平板显示器、薄膜涂层和医疗装置等的生产。

到达衬底表面的离子电流密度(离子通量)和离子的能量分布(IED)对基于等离子体处理的性能有着强烈影响。在半导体制造中，衬底通常是硅晶圆，而在其他工业中，衬底可以是玻璃面板或各种替代物。在本申请中，晶圆和衬底可以互换使用，但应理解为指代任何用于等离子体处理的衬底类型。在整个处理过程中，衬底表面受到等离子体物质(包括高能离子)的轰击，以去除(刻蚀)和/或沉积材料的层，从而在工件表面形成结构或特征。离子冲击可以直接驱动刻蚀和沉积，或可用于激活表面，以使更多反应性的等离子体物质进行工作。在半导体工业中，等离子体刻蚀特征的离子通量和相关的IED决定了诸如刻蚀速率、刻蚀选择性和刻蚀各向异性等重要参数。因此，IED是关键的等离子体参数，需要进行测量、理解和控制，以确保最佳处理性能。

随着晶体管临界尺寸的不断缩小，需要对晶圆表面的IED进行更严格的控制。IED的可重复性和均匀性对于最佳工艺产量至关重要。因此，晶圆和衬底集成的IED探针对于使用等离子体处理来制造的纳米技术的发展至关重要。

几十年来，已经开发了多种探针来测量等离子体处理中的IED。平面的减速场分析器(RFA)的设计是众所周知的。在许多RFA实施例中，由绝缘体单独隔开的导电栅格的堆叠用于基于离子的能量来分离离子，从而确定IED。面向等离子体的孔允许离子样本进入探针进行分析。一连串的栅格用于：a)防止等离子体穿透到装置内部，b)排斥等离子体电子，c)基于离子的能量来区分离子，以及d)防止来自集电极的二次电子发射。集电极终止堆叠，并用于检测用于测量的离子电流信号。对于施加到离子能量辨别栅极的每个减速电压，记录离子电流，以给出能量分布的积分形式。将表格化的离子电流与鉴别器栅极电压数据进行数值微分，以确定IED。

具有嵌入式传感器的仿衬底已经成为许多发明的主题。这些发明中的一些专注于传感器设计及其构造，而另一些专注于用于处理、存储和传输传感器数据的电子控制平台。电子平台可以与仿衬底完全集成，并具有自己的电源供应；或者电子平台通过穿过室壁的互连线与仿衬底实现解耦，所述互连线使用真空馈通，将电子平台与位于空气侧的电子控制平台连接起来。

众所周知，必须保护这种传感器内的电子器件和衬底中的相关电路免受等离子体处理所产生的电磁辐射的影响。在现有技术的设计中，电子控制系统和电源完全集成到仿晶圆探针中，也可能出现不期望的电场形成，并且使IED测量失真。在这种现有技术的传感器中通常提供法拉第屏蔽(Faraday shield)来解决这些问题。

EP 3968353公开了一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量值的装置，所述装置包括：用于放置在等离子体处理系统中以暴露于等离子体的衬底；设置在衬底中的离子能量分析器，用于在等离子体处理期间对衬底表面的离子能量分布进行测量，分析器包括多个栅极；可充电的电池电源，其包括集成在衬底中的控制电路，用于向离子能量分析器的每个栅极和收集器提供电压。提供法拉第屏蔽，以对离子能量分析器、电源以及控制电路进行包围。

US20110174777教导将传感器及其相应的电源和控制电子器件直接嵌入诊断晶圆中，以便在等离子体操作期间对等离子体的特性进行原位测量。此现有技术文献还教导了通过法拉第屏蔽来保护所述电子器件。

US 8,104342提供了一种用于测量参数的仪器，所述仪器包括衬底；由衬底的表面承载并分布在衬底表面上的多个传感器，所述多个传感器分别测量不同位置的参数；由衬底表面承载的电子处理部件；在表面上延伸并连接到传感器和电子处理部件的电导体；以及设置在传感器、电子处理部件和导体上方的盖。

WO 2007/130790描述了一种处理条件测量装置，用于针对可处理标准尺寸工件的处理系统中的处理条件进行测量，所述处理条件测量装置包括第一导电衬底部分、第二导电衬底部分、插入在第一导电衬底部分和第二导电衬底部分之间的电路，并且第一导电衬底部分和第二导电衬底部分电连接在一起以形成电连续体，所述电连续体至少有一个尺寸与由处理系统处理的工件的尺寸相等。

已知一些实际生产的晶圆会在表面上产生不均匀的电荷积累。由传送到晶圆的RF功率引起的DC偏置电位在整个晶圆表面上也可能是不均匀的，导致在晶圆上不同点的IED不均匀。在仿晶圆探针中形成电连续体(以提供屏蔽)迫使电荷在表面上均匀分布，并迫使DC偏置电位在每一点都相同，其中屏蔽成为等电位表面。因此，在存在这种屏蔽的情况下，局部测量的IED可能是真实生产晶圆上该位置的真实IED的失真版本。

利用这种已知的配置，RF电流被迫在连续屏蔽的外部周围流动，而不通过晶圆。对于某些应用来说，这也是一个问题。

现有技术的仿衬底探针提供的屏蔽存在许多缺陷。克服这些缺陷是有必要的。

发明内容

本教导描述了一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量值的装置或仿晶圆探针，所述装置或仿晶圆探针包括衬底、多个离子能量传感器和导电外壳，每个离子能量传感器都具有在衬底中设置的相关控制电路，导电外壳设置在衬底中并围绕每个离子能量传感器和控制电路，使得衬底至少部分地围绕导电外壳。

衬底可以是导电的或非导电的。

装置还进一步包括位于衬底和导电外壳之间的绝缘层。

衬底可以是半导体的。可选地，衬底是硅。

装置还进一步包括位于衬底表面上的半导体覆盖物。半导体覆盖物可以由硅制成。

可选地，离子能量传感器测量衬底的第一表面处的能量分布，并且覆盖物设置在衬底的与第一表面相对的第二表面处。

装置还进一步包括在导电外壳外部的基底中设置的RF天线。

可选地，RF天线与控制电路连接。

RF天线可以设置在衬底边缘的非导电区域或半导电区域中。

每个离子能量传感器和相关控制电路都可以设置在电路板上。

附图说明

现在将参照附图描述本申请，其中：

图1示出了根据本教导的与仿晶圆探针一起使用的系统的概述；

图2示出了用于对分布在仿晶圆探针表面的IED进行测量的传感器阵列；

图3(a)示出了根据本教导的屏蔽装置(仿晶圆探针)的第一实施例；

图3(b)示出了屏蔽装置的另一个实施例；

图4示出了根据本教导的屏蔽装置的另一实施例；

图5示出了屏蔽装置的另一个实施例；

图6示出了根据本教导的屏蔽装置的另一实施例；和

图7示出了用在本教导的屏蔽装置中的电路板的透视图。

具体实施方式

图1图示了系统100的概况，所述系统100能够测量等离子体处理期间到达仿晶圆探针101表面的离子能量分布。在此特定图示中，诊断系统100包括具有集成的离子能量传感器和控制电子电路(包括电池电源和无线通信等)的仿晶圆探针101。诊断系统还包括具有集成的无线收发器103的坞站102，以对仿晶圆探针101进行充电、配置和数据检索。坞站102配备有以太网连接，以与主机PC104通信。提供应用软件来显示和分析检索到的数据。应用软件提供了用于安排实验任务的控制面板。还提供了高级编程接口(API)，以允许坞站与工厂控制软件之间的直接交互。

图1中还示出了四室等离子体处理系统105。这是许多不同类型的等离子体处理系统中的一种，并且仅用于说明根据本发明的仿晶圆探针101的功能。等离子体处理系统105可以具有一个或多个互连的处理室106。每个处理室106都配备有真空泵以抽空该室、气流控制器以设定处理配方、真空计和传感器以调节处理操作压力、功率传输机构以将化学配方激发到等离子体状态、以及基座以在处理期间固定衬底。具有机械传送机构107的装载锁定室108用于将衬底传送到处理室和从处理室传送出。衬底按批次通过盒子或FOUP传送到装载锁定室108。

仿晶圆探针101放置在坞站102中，并且通过主机PC104的应用软件建立通信。仿晶圆探针101的电池电源被充电，存储的数据被检索，并且安排下一个实验任务以准备仿晶圆探针101。然后，将仿晶圆探针101放置在前开式晶圆传送盒(FOUP)中的可用的凹槽中，所述前开式晶圆传送盒随后传送到装载锁定室108。机械臂107将仿晶圆探针101传送到处理室106并将所述仿晶圆探针101定位至处理基座，为等离子体曝光做准备。在室106已经处于真空的情况下，配置处理配方并点燃等离子。当等离子体形成时，等离子体物质开始轰击仿晶圆探针101，其样本进入仿晶圆探针101的传感器进行分析。如果板载压力传感器报告已经达到高电压应用的阈值，则在调度程序中配置的时间继续进行分析。这种安全机制可防止在大气压力下意外施加高电压，这可能会由于电弧而损坏传感器。如果已经达到压力阈值，则仿晶圆探针101在预定时间被激活。将适当的电压施加到所有栅极和集电极，集电极电流由微控制器(MCU)(未示出)记录为离子辨别电位的函数，并将结果数据存储在存储器中。仿晶圆探针101返回休眠模式直至下一次预定测量，此时重复该过程。当任务完成时，可以终止等离子体处理，以允许使用机械臂将仿晶圆探针101从处理基座取回，所述机械臂通过装载锁定室108将晶圆探针传送回FOUP。用户从FOUP中提取仿晶圆探针101并将所述仿晶圆探针101放回坞站102中用于数据检索、再充电和下一个实验任务的安排。替代地，晶圆探针可以使用已知的无线通信装置和方法，从其在处理室内的位置向坞站实时传输传感器数据。

应当理解，根据本教导的仿晶圆探针101不限于在如图1所示的系统中使用，并且可以选择任何合适的系统。

现在将更详细地描述仿晶圆探针101的配置。在优选实施例中，仿晶圆探针101是在衬底上模仿标准半导体工件制造的。所述仿晶圆探针101可以使用硅、陶瓷、金属、玻璃或任何其他材料以模仿等离子体处理中使用的衬底类型来制造，并且其几何形状可以与标准衬底相同，尺寸和重量也基本相同。图2示出了仿晶圆探针101的一般配置，图2中描绘了分布在半导体仿晶圆探针101表面上的传感器201的阵列。具体地，图2示出了具有九个传感器201的仿晶圆探针101的平面图，这些传感器201用于测量仿晶圆探针101的衬底表面处的离子能量分布。仿晶圆探针101可以包括单个传感器202(在任何位置)或者包括多个空间分布的传感器201。

传感器201包括平面的、平行的、导电的金属栅极和绝缘体的交替层，栅极以系统的方式进行电极化，以滤除等离子体电子，基于正离子的能量来分离正离子，抑制二次电子发射，并收集用于测量的离子电流。传感器嵌入仿晶圆探针101的衬底中。EP3968353中所示的传感器配置。然而，应当理解，与仿晶圆探针101一起使用的传感器201的具体配置不是本申请的重点，并且可以使用任何合适的传感器配置。相反，本教导提供了用于对仿晶圆探针101的衬底内的传感器和相关电子设备进行屏蔽的改进技术。

转到图3(a)，提供了用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量的屏蔽装置(仿晶圆探针)的第一实施例。装置300包括非导电衬底301。多个电路板302设置在装置300内，即，设置在衬底301内。每个电路板302包括传感器303(例如已知的栅极堆叠)和相关的控制电路304。如本领域技术人员所知，在衬底301的面向等离子体的表面中制造孔，并构成装置的顶面。在一个实施例中，衬底是直径为100mm、150mm、200mm、300mm或450mm的硅晶圆，但是根据应用的需要，可以在晶圆探针的制造中使用任何其他材料、几何形状或尺寸。控制电路包括板载电源(例如可充电电池)以及操作装置300所需的任何其他电路。还可以提供天线来给电池充电并与坞站通信。

为了保护传感器和相关电路，在每个电路板302周围提供导电外壳305。可以看出，衬底301至少部分地围绕每个导电外壳305。

为了测量离子能量和离子通量均匀性，重要的是确保分布式传感器303彼此电隔离。因此，对每个传感器303使用导电外壳来独立地屏蔽传感器303是有利的。这确保了传感器和相关电路彼此电隔离。这反过来又使每个传感器303能够准确地检测到在其各自位置上发生的事情，而不会受到装置周围人为制造的连续屏蔽的影响，因为这种屏蔽可能并不代表真实情况。即，在装置周围没有人工产生的连续屏蔽使得传感器测量更为精确。

在图3(a)的实施例中，电屏蔽的传感器303(和相关电路)设置在非导电衬底中。这复制了非导电衬底在处理过程中“看到”的条件。

转到图3(b)，此图示出了图3(a)的实施例，其中在装置306的衬底301中仅设置具有单个传感器303的单个电路板302。图3(a)的实施例的这种变体也确保了传感器303能够准确地检测到在其位置上发生的情况。因为没有提供围绕整个设备/装置的人工制造的连续屏蔽，所以这不会干扰传感器测量。

转到图4，此图示出了根据本教导的用于获得离子能量分布测量的屏蔽装置400的另一实施例。提供了导电衬底401，所述导电衬底401中嵌入了具有传感器403和相关电路404的电路板402。还示出了围绕传感器403和相关电路404的导电外壳405。此外，绝缘层406设置在导电外壳405和导电衬底401之间。

在此实施例中，当使用导电衬底401时，重要的是破坏可能在导电衬底401周围形成的自然形成的连续电屏蔽。特别地，在导电衬底的情况下，衬底表面上的rf电势可以是不均匀的。为了确保在传感器位置实现等离子体条件的真实测量，导电外壳405(传感器屏蔽)应该与导电衬底401隔离。如图4所示，这是通过在导电外壳405和导电衬底401之间安装绝缘层406来破坏导电外壳405的连续性来实现的。

虽然图4的实施例示为仅具有一个电路板402，所述电路板402具有传感器403和相关电路404，但是本实施例不限于此，并且可以设置多个电路板，如关于图3(a)的实施例所述。

图5示出了本教导的装置500的另一个实施例。如前所述，提供了在衬底501中具有电路板502的衬底501。传感器503和电子电路504设置在电路板502上。导电外壳505围绕每个电路板502。

衬底501由未掺杂的硅形成。如前所述，根据本教导的装置500的衬底501可以由硅制成。对于前面描述的导电衬底，它们可以由掺杂硅形成。然而，对于硅基衬底，从制造的角度来看，避免需要掺杂硅以使其导电是有利的。硅被认为是半导体(既非导体也非绝缘体)。也可以使用锗或另一种半导体材料。

在图5的未掺杂硅衬底的实施例中，在衬底501的底侧设置了硅覆盖物506。也就是说，硅覆盖物506设置在传感器503检测到等离子体的衬底的相对侧。当基于硅衬底的装置500用于半导体生产工艺时会非常有益，因为机器将处理硅晶圆。因此，希望制造一种所有暴露表面都由硅制成的仿晶圆探针。这最小化了晶圆探针对机器造成污染的风险。

硅覆盖物或由另一种材料形成的覆盖物也可以用于本文描述的其他实施例。也就是说，可以在本文描述的任何装置的下侧设置覆盖物。

图6示出了用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量的装置600的另一实施例。装置包括非导电衬底601和多个电路板602。如前所述，每个电路板602都包括传感器603和相关的控制电路604。单个导电外壳605围绕多个电路板602，使得衬底601都不在导电外壳605内。

RF(环形)天线606也设置在非导电衬底601中。天线连接回导电外壳605内的控制电路604。此天线606用于在等离子体运行时将数据实时传送出装置600，其中数字化的传感器测量值可以通过打开和关闭天线而被编码到天线上，从而以非常低的电平对进入室的功率流进行调制。这种调制可以在馈电线路上检测到。

尽管在图6的截面图中仅示出了一个矩形环形天线606，但是也可以设置多个环形天线606。也可以设置正好围绕晶圆边缘的100多个连接环。此外，环形天线可以分成几个部分，这些部分可以切换进入和退出装置。

虽然图6的装置示为具有多个电路板602，但是只有单个电路板可以设置有一个或多个环形天线。

对于某些应用，希望集中所有电路(和电源)，而传感器则分布在晶圆周围的不同位置。对于此实施例，导电外壳需要在一个连续的屏蔽中围绕电路和所有感测元件。这种屏蔽将具有位于中央的圆盘状结构(容纳电路)，并通过辐条向外延伸到每个传感器位置。天线将环绕晶圆的边缘。

用于实时通信的RF天线(环路)不能安装在导电材料(导电衬底)中，这在已知的仿晶圆探针中很常见。必须允许RF电流流过晶圆横截面(从底部到顶部)来激活天线。RF天线也可以设置在衬底的半导体区域中。

参考图7，此图示出了先前描述的电路板和相关传感器的导电外壳700的透视图，所述电路板和导电外壳700都可以嵌入在本文描述的任何装置的衬底中。如图所示，传感器位于凸起部分701内部，所述凸起部分701的顶面上具有孔702。孔702形成在导电外壳的顶面上制造的阵列。702的顶面可以暴露于等离子体，并与衬底组件的顶面齐平。可选地，702的顶面可以位于衬底顶层的正下方，其中形成匹配的孔阵列，从而构成晶圆探针的面向等离子体的表面。等离子体物质可以通过702进入传感器进行分析。采样孔702的直径可以为亚毫米级，并且必须提供足够的开口面积以输送足够的带电粒子通量用于检测。可以在电路板和传感器外壳700的部分703内的空腔中设置前文描述的控制电路或操作仿晶圆探针所需的任何其他部件。图7中描绘的导电外壳700(其中设置了传感器堆叠和电路)的形状和比例仅用于说明目的。导电外壳700可以采用任何合适的形状。

本发明不限于本文描述的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或变更。

Claims (13)

1.一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布测量值的装置，包括：

衬底；

多个离子能量传感器，每个离子能量传感器都具有设置在衬底中的相关控制电路；和

导电外壳，所述导电外壳设置在衬底中并围绕每个离子能量传感器和相关的控制电路，使得衬底至少部分地围绕所述导电外壳。

2.根据权利要求1所述的装置，其中衬底是非导电的。

3.根据权利要求1所述的装置，其中衬底是导电的。

4.根据权利要求3所述的装置，所述装置还包括位于衬底和导电外壳之间的绝缘层。

5.根据权利要求1所述的装置，其中衬底是半导体的。

6.根据权利要求5所述的装置，其中衬底是硅。

7.根据权利要求5所述的装置，所述装置还包括位于衬底表面上的半导体覆盖物。

8.根据权利要求7所述的装置，其中半导体覆盖物是硅或锗。

9.根据权利要求7所述的装置，其中离子能量传感器测量衬底的第一表面处的能量分布，并且在衬底的与第一表面相对的第二表面处设置覆盖物。

10.根据权利要求2所述的装置，所述装置还包括设置在导电外壳外部的衬底中的RF天线。

11.根据权利要求10所述的装置，其中RF天线与控制电路相连接。

12.根据权利要求10所述的装置，其中RF天线设置在非导电的衬底中。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其中每个离子能量传感器和相关控制电路都设置在电路板上。