JP6316898B2 - プラズマチャンバのためのプロセス条件検知デバイス及び方法 - Google Patents

プラズマチャンバのためのプロセス条件検知デバイス及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、プラズマ処理システムに関し、より詳細には、プラズマ処理システムにおいてプラズマ特性の原位置での測定を行う装置に関する。
プラズマプロセスは、半導体ウェハ、フラットパネルディスプレイ基板、およびリソグラフィマスクなどの工作物の表面の改質または処理に頻繁に使用される。プラズマプロセス内の条件は、イオン、反応性化学種（遊離基）、および高速中性種の複雑な混合物を生成するように設計される。これら物質の相互作用は、工作物の表面に所望の作用を生成する。たとえば、プラズマプロセスが使用されて、半導体ウェハの表面から材料をエッチングで除去し、それにより、より複雑な電気素子および電気回路が形成される。プラズマプロセス内の条件は、所望のエッチ方向性および選択性を生成するように注意深く制御される。
特定のプラズマによって生成される表面改質は、プラズマ内の複数の基本パラメータに敏感である。これらパラメータには、化学濃度（分圧）、温度（表面およびガス相ともに）および電気的パラメータ（イオン束、イオンのエネルギー分布関数）のような変数を含む。複数のこれらパラメータ（たとえば、ガス濃度および圧力）は一般にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）およびサーボ駆動式スロットルバルブなどの外部アクチュエータを使用して容易に制御されうる。他の重要なパラメータ（たとえば、温度および遊離基の濃度）は、プロセスツール上に設置されるセンサシステム（たとえば、熱電対および発光分光分析装置（ＯＥＳ））によって観察または測定されうる。イオン束およびイオンエネルギーなどの重要なパラメータの最後のセットは、直接的に制御または監視することがより困難である。
米国特許出願公開第２００５−０１５１５４４号は、プラズマ特性の原位置での測定を行う診断装置を有するプラズマ処理システムを開示する。診断装置は、一般に、プラズマ処理チャンバ内に配設された非侵襲的センサアレイと、センサを刺激する電気回路と、プラズマプロセスの監視または制御のためにセンサ測定値を記録し通信する手段とを備える。一形態では、センサは、Ｉ−Ｖ特性、ウェハ内のまたはウェハを通る変位ＲＦ電流、および、ウェハ上の電荷を確定するのに使用されうる、表面上に蓄積する電子による自己バイアスを測定する動的パルス駆動式デュアルフローティングラングミュアプローブである。ウェハの電荷は、イオンおよび電子についてのフラックスレートが異なるために（両者の質量が非常に異なるために）形成される。ウェハ帯電は、デバイスに対する損傷をもたらしうる。イオンベースおよびプラズマベースＩＣ処理機器においてウェハ処理中のウェハ帯電を特徴付けるために慣例的に使用される１つのタイプのツールは、帯電過渡状態のＩ−Ｖ関係を特徴付けるＥＥＰＲＯＭベースのピーク電位センサおよび電流センサを含む。トランジスタのゲートが、ウェハ上のアンテナ構造に結合される。デバイスは、時間の関数としての電荷ではなく、累積電荷を測定する。さらに、ウェハは、電荷測定値を読取るためにプラズマチャンバから取出されなければならない。
米国特許出願公開第２００６−０２４９７２９号は、ウェハの表面において装置交流電流（ＡＣ）を測定するためにトリプルキャパシタ積重体を使用するセンサウェハを開示する。この整流(rectification)（検出）デバイスは、最小バイアス要件および関心の範囲に関する強い周波数依存性を有する。測定値は、純粋にＡＣであり、ポリイミド基板によって形成される中央キャパシタは、測定されるＡＣ電位を生成するシャントインピーダンスである。センサは、プラズマチャンバ内の複数の電気パラメータに混乱した方法で応答し、どの１つのパラメータにも明確に関連することができない。これは、問題に遭遇したときに、チャンバを調節する正しい「ノブ(knob)」を見出すことを難しくする。
米国特許出願公開第２００５−０１５１５４４号 米国特許出願公開第２００６−０２４９７２９号
さらに、多くの従来技術のセンサウェハは、センサアレイ用のエレクトロニクスを収容するモジュールをウェハの頂上に含む。このモジュールは、プラズマ内に強烈な乱れを生じるか、または、放電損傷点となる可能性があり、また、同様に汚染源となる可能性がある。
従来技術のセンサウェハに関する別の問題は、アレイ内のセンサパッドおよびこれらのパッド間の電気接続および関連するエレクトロニクスが、ウェハの表面上に堆積される、金属トレース、たとえばアルミニウムから作られることが多いことである。プラズマ、たとえばアルゴンプラズマに対する暴露は、ウェハの表面上のアルミニウムトレースを最終的に腐食させる。一部のセンサウェハでは、トレースおよびセンサパッドを保護するために、ウェハの全表面がポリイミドで覆われる。しかし、ポリイミド被膜は、あるプラズマ環境において非常に短い寿命を有する可能性があり、また同様に、汚染源となる可能性がある。さらに、銅などの、いくつかの金属の使用は、多くのプロセスステップにおいて切実に回避される。
本発明は、工作物を処理するためのプラズマチャンバ内でプラズマプロセスパラメータを測定する方法であって、前記プラズマチャンバ内のプラズマに検知デバイスの第１の層の上部表面を暴露することであって、前記第１の層は、前記プラズマチャンバ内のプラズマによって処理される工作物と実質的に同じ材料である材料から作られ、前記第１の層に埋め込まれる１つまたは複数のセンサに対して前記プラズマからもたらされる１つまたは複数の信号を測定することであって、前記第１の層と実質的に同じ材料から作られたコレクタ部分およびセンサ部分を備え、前記コレクタ部分は、前記第１の層の上部表面と同一平面上にある上部表面を含み、前記センサ部分は、前記検知デバイスの第２の層に埋め込まれ、前記コレクタ部分に結合され、前記プラズマに暴露される前記第１の層の全表面が、前記コレクタ部分であり、前記第１の層は、前記コレクタ部分を形成する抵抗層を含み、前記１つまたは複数の信号を測定することは、前記抵抗層上の２つの場所間の電圧差を測定することを含む。
また、本発明は、工作物を処理するためのプラズマチャンバ内のプラズマプロセスパラメータを測定する検知デバイスであって、第１の層と第２の層を含み、前記第１の層が前記プラズマチャンバ内でプラズマによって処理される工作物と実質的に同じ材料である材料から作られる基板と、前記第１の層と前記第２の層の間に挟まれる１つまたは複数のセンサであって、各センサは、前記第１の層と実質的に同じ材料から作られたコレクタ部分を備え、前記コレクタ部分は、前記第１の層の上部表面と同一平面上にある上部表面を含む、１つまたは複数のセンサと、前記第２の層に埋め込まれ、前記コレクタ部分に結合されたセンサエレクトロニクスとを備え、前記プラズマに暴露される前記第１の層の全表面が、前記コレクタ部分であり、前記第１の層は、前記コレクタ部分を形成する抵抗層を含み、前記１つまたは複数のセンサは、前記抵抗層上の２つの場所間の電圧差を測定する。
本発明の実施形態による検知デバイス用のプラグを有するウェハを示す斜視略図である。 本発明の実施形態による検知デバイスの断面図である。 本発明の代替の実施形態による検知デバイスの断面図である。 図２Ａ〜２Ｂに示す検知デバイスの等価な電気回路図である。 本発明の実施形態による検知デバイスの平面図である。 本発明の実施形態によるプラズマ測定デバイスの表面にわたる電流の測定を示す斜視図である。 図４Ａに示すデバイスの等価回路の断面図と略電気回路図の組合せである。 図４Ｂに示すデバイスの等価電気回路図である。
以下の詳細な説明は、例証のために多くの特定の詳細を含むが、以下の詳細に対する多くの変形および変更が本発明の範囲内であることを当業者は誰でも認識するであろう。したがって、以下に述べる本発明の例示的な実施形態は、特許請求される本発明に対して一般性を全く失うことなく、かつ制限を課すことなく述べられる。
本発明の一実施形態によれば、プラズマ検知デバイスは、ウェハ基板の表面に埋め込まれ、プラズマシースにとって直接見える、センサおよびエレクトロニクスを含むことができる。ウェハ基板の表面およびプラズマに暴露される検知デバイスの部分は共に、デバイスが検知するように設計されるタイプのプラズマによって慣例的に処理される材料から作られうる。例として、いくつかの実施形態において、センサの１つまたは複数についてのシャントインピーダンスは、ウェハ基板の材料と実質的に同じであり、また、プラズマシースにとって直接見える材料の「スラグ(slug)」によって形成されうる。本明細書で使用されるように、「実質的に同じ材料(substantially the same material)」という用語は、１つの材料が、別の材料と物理的に同一でない場合、化学的に同じであることを意味する。たとえば、基板およびスラグ材料は、ウェハおよびスラグが、単結晶シリコンから作られるが、異なる結晶配向を有する場合、実質的に同じでありうる。あるいは、基板およびスラグ材料は、基板が単結晶シリコンから作られ、スラグが多結晶シリコンから作られる場合、実質的に同じでありうる。「実質的に同じ(substantially the same)」という用語はまた、たとえば、異なるが普通なら許容可能なレベルの不純物による、２つの材料の化学組成のわずかな変動を包含する。
こうしてシャントインピーダンスを形成することは、プラズマについて耐久性がありかつ非汚染性表面を提供し、また、基板の表面にＤＣ接続を提供しうる。したがって、表面ＤＣ電位が測定されることができる。この構造は、ＤＣバイアスがセンサに同時に課される場合、表面電荷、自己バイアス、負荷−ライン特性またはＩ−Ｖ特性などの貴重な情報を与えうる。
図１は、基板１０２およびセンサ用のコレクタとしてのいくつかのスラグ１０４を含む検知デバイス１００の斜視図である。基板１０２およびスラグ１０４は同じ材料から作られうる。制限としてではなく例として、基板１０２およびスラグ１０４は共に、シリコン、あるいは、デバイス１００が動作することを意図される処理環境内の処理条件に適合する任意の他の伝導性または半伝導性材料から作られうる。制限としてではなく例として、基板は、１００ｎｍと４５０ｎｍとの間の直径を有するシリコンウェハを含むことができる。検知デバイス１００は、０．３ｍｍ〜１０ｍｍの全厚を有することができる。
基板１０２およびスラグ１０４は、プラズマに提示される耐久性がありかつ非汚染性表面を提供しうる。たとえば、検知デバイスによって診断されるプラズマが、シリコンウェハの処理、たとえば、シリコンウェハのエッチングまたはシリコンウェハ上の堆積のために慣例的に使用される場合、基板およびセンサの一部であるコレクタパッドは、プラズマがシリコン表面を「見る(see)」ように、シリコンから作られることができる。いくつかの実施態様において、プラズマに誘電体表面を提示することが所望される場合、フォトレジストなどのプラズマ適合ポリマー被膜が、ウェハ基板の表面を覆いうる。多くのプラズマプロセスチャンバが、フォトレジストで覆われる基板を処理するように設計される。その結果、基板１０２およびスラグ１０４の表面上でのフォトレジストの存在は、デバイス１００によって診断されるプラズマプロセスおよびこうしたプラズマプロセスが起こるチャンバの設計において既に考慮された危険を超えるさらなる汚染の危険を全く呈さない。プラズマに対する基板１０２およびスラグ１０４の表面の暴露に起因するプラズマチャンバの汚染は、チャンバ内での生産基板の通常の処理に続いて使用されるどんな従来プロセスであってもそれにより修正(rectify)されることができる。たとえば、デバイス１００を使用して、パターニングされたフォトレジストで覆われたシリコン基板をエッチングするために使用されるチャンバ内のプラズマを診断した後、チャンバは、こうしたプラズマエッチング後にこうしたチャンバを清浄するために通常使用される従来のプロセスによって清浄されることができる。
スラグ１０４は、基板１０２の表面の下に位置するセンサエレクトロニクス１０６に電気結合されることができる。センサ信号を処理するために、基板１０２の表面の下に２つ以上のセンサエレクトロニクス１０６が存在するとすることができる。例として、スラグは、プラズマからの電子またはイオン束あるいはエネルギー放射を検知するためのコレクタパッドとして役立つことができる。いくつかの実施態様において、基板１０２およびスラグ１０４は、センサエレクトロニクスから表面へのＤＣ接続を提供することができる。こうした構成は、表面ＤＣ電位を測定するために使用されうる。こうした構造はまた、表面電荷および自己バイアスなどの価値のある情報を得るために使用されうる。いくつかの実施態様において、ＡＣ信号検出は、温度補償されたＤＣバイアス式高周波数ダイオードブリッジ回路によって実施されることができる。この方法は、低い線形性および低い電力レベル、周波数効果ならびに従来技術の方法に伴う温度ドリフトの欠点をなくしうる。
いくつかの実施形態において、エレクトロニクス１０６は、プラズマインピーダンスを測定するために１つのセンサスラグ１０４に励起電圧を印加し、１つまたは複数のスラグで信号を測定することができる。
本発明のいくつかの実施形態によれば、能動回路要素および電力源が、図１に示すデバイスに似たデバイスの層内におよび／または層間に埋め込まれることができ、それにより、こうした構成要素の周りにファラディー箱を効果的に形成する。制限としてではなく例として、図２Ａ〜２Ｂは、検知デバイス２００Ａおよび２００Ｂの異なる実施態様を示す断面図である。制限としてではなく例として、検知デバイス２００Ａおよび２００Ｂは、自己バイアス電圧、飽和電流、プロセス化学物質によってまた広範囲のＲＦおよびマイクロ波周波数にわたる高プラズマパワー下でプロセスチャンバ内に蓄積される電荷およびポリマーなどの電気パラメータを測定するために使用されうる。
図２Ａに示すように、検知デバイス２００Ａは、酸化物または他の誘電体層でありうる絶縁層２１２によってそれぞれ分離された第１および第２の層２０２および２０４を含む。第１の層２０２は、デバイス２００Ａが検知するように設計されるタイプのプラズマによって通常処理される生産ウェハと同じ材料から作られうる。デバイス２００Ａにおいて、キャビティ２１６が、第１の層２０２の表面に形成されうる。第１の層２０２と同じ材料から作られるプラグが、プラグ２０６の上部表面が第１の層２０２の上部表面と同一平面上にある状態で、キャビティ２１６内に配置されうる。プラグ２０６の下側は、オーム接点接続をするのに適する金属被膜２２２を有しうる。例として、金属被膜は、シリコン内に拡散し、したがって、シリコンに対するダイオード接合を作ることができない。金属被膜２２２用の適した材料の例は、プラチナおよびパラジウムを含む。ワイヤボンディングが実施される場合、アルミニウムもまた使用されうる。したがって、デバイス２００Ａの上部表面は、平面に作られ、デバイス２００Ａがそのために設計されるタイプのチャンバ内で処理される標準的な生産基板のプロファイルと実質的に同じプロファイルを有しうる。誘電体（たとえば、ポリイミド）層２２０は、電気絶縁を提供するために、シリコンプラグ２０６と第１の層２０２との間に堆積されうる。誘電体層２２０はまた、プラグ２０６によって形成されるセンサ表面に衝突する可能性があるＲＦ電流を測定するために使用されうるシャントキャパシタンスを形成しうる。
プラグ２０６は、プラズマに暴露され、たとえば電流または電圧の形態の未処理信号として検出されうる、プラズマからの未処理フラックス、たとえば（電子またはイオンの形態の）電荷を収集することによって信号コレクタとして働きうる。あるいは、プラグ２０６は、エネルギー光子の形態でプラズマからの放射を受ける可能性がある。こうした光子を検出するために、プラグ２０６は、こうした光子に対する暴露によって変化する電気特性を有する半導体材料から作られることができる。プラグ２０６は、適したセンサエレクトロニクス２０５に結合されうる。プラグ２０６などの信号コレクタとセンサエレクトロニクス２０５の組合せ体は、本明細書でセンサと呼ばれることがある。エレクトロニクスの特質に応じて、センサは、ＡＣまたはＤＣ信号を検出するために使用されることができる。
適したセンサエレクトロニクス２０５の例は、信号調整エレクトロニクスおよび信号処理エレクトロニクスを含む。さらに、エレクトロニクスは、プラグ２０６にバイアス電圧を印加するために使用することができる電池などの電力源を含むことができる。本明細書で使用されるように、信号調整は、未処理信号を解析により適するようにさせるために、未処理信号のフィルタリング、ノイズ除去、または増幅を含むが、それに限定されない。信号調整構成要素の例は、整流器、発振器、または増幅器を含むが、それに限定されない。信号処理は、たとえばアナログまたはデジタル回路要素を使用する信号の解析を指す。信号処理は、アナログ−デジタル変換、算術および／または論理演算、フーリエ変換または他の数学的変換、スペクトル解析などを含むことができるが、それに限定されない。信号処理構成要素の例は、マイクロプロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含むが、それに限定されない。制限としてではなく例として、エレクトロニクス２０５は、処理エレクトロニクスに結合されるＤＣ信号を生成するデータ採取（ＤＡＱ）エレクトロニクスを含みうる。
プラグ２０６は、たとえば、第２のシリコン層２０４内または絶縁層２１２内に、たとえば可撓回路の形態で埋め込まれることができる回路要素によってエレクトロニクス２０５に電気接続されることができる。こうした場合、エレクトロニクス２０５を構成する構成要素（たとえば、トランジスタ、抵抗器、キャパシタ、論理デバイスなど）は、ポリイミド可撓性基板上にパターニングされた伝導性（たとえば、銅）トレースによって接続されうる。あるいは、センサエレクトロニクス２０５および関連回路を構成する電子構成要素は、たとえば標準的な半導体処理技法を使用して、第２の層２０４または絶縁層２１２上に直接形成されることができる。エレクトロニクス２０５は、たとえば可撓回路２０８に結合されるオーム接点２１４によって第１の層２０２に電気接続されることができる。オーム接点２１４はまた、第１の層２０２と第２の層２０４との間に形成されることができる。オーム接点２１４は、たとえば上述した、適した金属被膜２２２によって基板２０４および２０６に対する電気接続を提供しうる。さらに、オーム接点２１４は、シリコン層２０２および２０４の利用可能な表面積のほとんどをカバーすることになる接点を本質的に生成するために拡張されることができる。
適切なセンサエレクトロニクスに結合されることができる複数のコレクタを提供するために、複数のプラグ２０６が使用されることができることが留意される。コレクタおよびセンサエレクトロニクスは、プラズマパラメータを測定するために多くの異なる方法で構成されることができる。たとえば、適切なエレクトロニクスおよび付加的な回路によって、コレクタおよび対応するセンサエレクトロニクスの対は、デュアル差動ラングミュアプローブとして動作するように構成されることができる。こうした構成では、センサエレクトロニクスは、２つのコレクタ間にバイアス電圧を印加し、２つのコレクタに対する電流を測定しうる。バイアス電圧を変えることによって、イオン飽和電流および電子温度が、Ｉ−Ｖ曲線から確定されることができる。さらに、制御回路要素の簡略化によって、トリプル差動ラングミュアプローブ動作が可能である、または差動ラングミュアプローブが時分割構成で動作する。
適切な回路要素を有するトリプル差動プローブは、最小処理での応答を提供しうる。トリプルプローブ構成において、２つのコレクタは、２つのコレクタ間で一定電圧（Ｖ＋−Ｖ−）によって正および負にバイアスされることができ、一方、第３のコレクタは、プラズマ浮遊電位Ｖｆｌに浮くことを許容される。バイアス電圧が電子温度に比較して十分に大きい（すなわち、ｅ（Ｖ＋−Ｖ−）≫ｋＢＴｅ、ここで、ｅは電子の電荷であり、ｋＢはボルツマンの定数である）場合、負にバイアスされたコレクタは、浮遊電位Ｖｆｌのように、直接測定されうるイオン飽和電流を引出すことを予想されうる。バイアスされるコレクタ構成が浮遊している場合、正にバイアスされたコレクタへの電流は、負にバイアスされたコレクタによって引出されるイオン飽和電流と大きさがほぼ同じである。
これらの条件下で、電子温度は、次の通りに、測定される電圧にほぼ比例する。
（Ｖ＋−Ｖfl）＝Ｉｎ２（ｋＢＴｅ／ｅ）
トリプルプローブデータのより精巧な解析は、不完全飽和、非飽和性、不等面積のような因子を考慮しうる。トリプルプローブはまた、プローブがその下で動作すると予想される領域に応じて、対称、非対称、または著しく非対称でありうる。トリプルプローブは、単純なバイアス印加エレクトロニクス（バイアス電圧の掃引が全く必要とされない）、単純なデータ解析、優れた時間分解能、および考えられる変動に対する無感受性（ＲＦ源によって課されてもまたは固有の変動によって課されても）の利点を有する。欠点は、トリプルプローブが、全ての場合に実装することが可能であると限らない３つのプローブエリアを必要とすることである。
あるいは、時分割多重によって、４つのバイアス電圧条件が、デュアルラングミュアプローブに関する電子温度Ｔｅおよびイオン密度ｎｉを導出するために設定され使用されることができる。イオン飽和電流Ｉｓａｔはまた、同様に評価されることができる。結果は、２つのプローブエリアだけを使用するが、トリプルプローブと非常に類似している。
図２Ｂに示す検知デバイス２００Ｂは、第１の層２０２のように、絶縁層２１２上に配置されることを除いて、図２Ａに述べる検知デバイス２００Ａと類似する。制限としてではなく例として、プラグは、絶縁体が２つのシリコン層間に配設されるシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハから形成されることができる。２つのシリコン層の一方を選択的にエッチングすることによって、プラグ２０６は、その層の残りの部分から電気的に分離されることができる。プラグは、さらに、さらなる絶縁材料２１７によってシリコン層から絶縁されることができる。第１の層２０２と同じ初期材料からプラグを形成することによって、プラグ２０６の表面は、第１の層２０２の残りの表面とほぼ完全に同一平面上にされうる。さらに、第１の層２０２およびプラグ２０６は、ほとんど同一の材料特性を有することを保証されうる。
デバイス２００Ａおよび２００Ｂにおいて、第１の層２０２および第２の層２０４は、（たとえば、適したドーピングによって）十分に導電性を持たされ、それにより、プラズマ処理環境内での運転中にエレクトロニクス２０５を電磁干渉から保護するのに適したファラディー箱を形成することが留意される。
図２Ｃは、図２Ａ〜２Ｂに示す検知デバイスの等価回路の電気回路図である。図２Ａ〜２Ｂに示すように、ポリマー層２１８は、プラズマチャンバ内で起こる重合化反応の結果として第１の層２０２の表面上に蓄積することができる。こうした重合化は、多くのタイプのプラズマ処理においてかなり一般的な出来事である。重合化層２１８は、デバイス２００Ａ、２００Ｂによって行われる測定に影響を及ぼしうる。
いくつかの実施形態において、コレクタ部分、たとえばプラグ２０６の表面は、たとえば、３次元パターンを表面内にエッチングすることによって、または、フォトレジストおよび／または金属などの１つまたは複数の材料２１９で表面を計画的にコーティングすることによって修飾されて、コレクタとプラズマとの間の相互作用が変更されうる。制限としてではなく例として、材料２１９は、パターンで、たとえば格子または一連のストライプで堆積されうる、または、その他の方法で形成されうる。材料２１９は、プラグ２０６のバルクを構成する材料と異なりうる。
特に図２Ｃに示すように、ポリマー層２１８は、可変キャパシタＣ１として働きうる。図２Ａと図２Ｃを同時に参照して、上側プレートとしてのシリコンプラグ２０６を有するポリマー層、ならびに、キャパシタの下側プレートを形成するエレクトロニクス、第１および第２のシリコン層２０２および２０４、およびオーム接点２１４のために、測定キャパシタＣ２が、可変キャパシタＣ１と直列に形成されることができる。ポリイミド層２２０は、測定キャパシタＣ２の２つのプレート間の絶縁材料として働きうる。キャパシタＣ２は、電力源、たとえば電池に接続されうる。スイッチＳＷが、測定キャパシタＣ２のプレートの前後に付加される場合、基板の表面上に蓄積する電子レートは、スイッチを閉鎖することによって測定キャパシタＣ２のプレートを短絡し、スイッチが開くときの電圧変化を測定することによって測定されうる。
図３は、本発明の実施形態による検知デバイス３００の平面図である。図３に示すように、検知デバイス３００は、図２Ａ〜２Ｂに述べた検知デバイス２００Ａおよび２００Ｂと類似することができるいくつかのセンサ３０４を有する基板３０２を含む。特に、各センサ３０４は、基板３０２の表面と同じ材料から形成されるコレクタ３０６を含むことができる。コレクタの表面は、基板３０２の表面と同一平面上にあるとすることができる。コレクタ３０６は、基板３０２に埋め込まれることができるローカルセンサエレクトロニクス３０５にセンサ３０４を通して結合されることができる。コレクタ３０６は、パターニングされたフィルム積層体、微細機械加工された表面フィーチャのようなフィーチャ、または、単にアルミニウム層などの金属フィルムを含むことができる。さらに、検知デバイス３００は、もしあるなら、センサ３０４およびコレクタ３０６のそれぞれに結合する集中化処理および／または通信エレクトロニクスユニット３０８を含むことができる。集中化エレクトロニクス３０８は、センサ３０４からのデータを記憶し、デバイス３００から出てリモート受信機に送信するための集中化構成要素を提供しうる。エレクトロニクスはまた、外部送信機からデータを受信し、こうしたデータを、１つまたは複数の選択された個々のセンサ３０４に中継するための集中化構成要素を提供しうる。エレクトロニクス３０８は、データを、無線で、たとえば電磁誘導または放射によって送信されうる信号に変換する無線送受信機を含むことができる。あるいは、エレクトロニクス３０８は、信号ケーブルまたは光ファイバリンクなどの媒体を通じて信号を送信することができる。
適したエレクトロニクス３０５の例は、信号調整エレクトロニクスおよび信号処理エレクトロニクスを含む。さらに、エレクトロニクスは、センサ３０４およびコレクタ３０６にバイアス電圧を印加するために使用することができる電池などの電力源を含むことができる。先に述べたように、信号調整は、未処理信号を解析により適するようにさせるために、未処理信号のフィルタリング、ノイズ除去、または増幅を含むが、それに限定されない。信号調整構成要素の例は、整流器、発振器、または増幅器を含むが、それに限定されない。信号処理は、たとえばアナログまたはデジタル回路要素を使用する信号の解析を指す。信号処理は、アナログ−デジタル変換、算術および／または論理演算、フーリエ変換または他の数学的変換、スペクトル解析などを含むことができるが、それに限定されない。信号処理構成要素の例は、マイクロプロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含むが、それに限定されない。
制限としてではなく例として、エレクトロニクス３０５は、局在型プロセッサユニットであって、局在型プロセッサユニットが連結するセンサ３０４に固有である、局在型プロセッサユニットを含みうる。各センサ３０４における局在型プロセッサユニットを使用することによって、センサ３０４およびコレクタ３０６からの未処理信号を処理するという負担の一部が分散されることができる。こうして、処理負担は、集中化エレクトロニクス３０８に処理能力を追加する必要なしで、デバイス３００上のセンサの数によってスケーリングするようにされることができる。たとえば、整流、増幅、およびＡ／Ｄ変換以外に、センサエレクトロニクス３０５は、未処理データに関していくつかのデジタル信号フィルタリング機能を実施し、その後、結果得られるフィルタリング済みデータを集中化エレクトロニクスに送信しうる。これは、異なるセンサ３０４からのフィルタリング済みデータを照合するために集中化エレクトロニクス上の処理資源を使える状態にする。
本発明の実施形態は、生産基板と同じ材料から形成されることができるコレクタをセンサデバイスが含むことができる多くの異なる構成を包含することが留意される。これらの実施形態は、コレクタパッドが、センサデバイスの全連続表面を含むバージョンを含む。制限としてではなく例として、シリコン基板の単一連続表面が、コレクタパッドとして使用されることができる。基板の表面上の異なる場所間の電圧差を測定することによって、表面電荷蓄積の差を判定することが可能である。
図４Ａは、本発明の代替の実施形態によるプラズマ検知デバイス４００を示す略斜視図である。デバイス４００において、コレクタは、プロセスチャンバ内でプラズマ４０１を受ける生産基板で使用される材料と同じかまたはそれに類似する抵抗材料から作られる基板４０２から作られる。基板４０２は、プロセスチャンバ内で処理される生産基板と実質的に同じプロファイルを有する平面上部表面を有することができる。電荷が基板４０２の表面上に不均一に蓄積する場合、基板４０２にわたってシート電流Ｉｓが流れる可能性がある。図４Ａに示すように、基板４０２の表面上の異なる場所ＡとＢとの間で電圧が測定されることができる。基板材料が十分に大きなシート抵抗を有する場合、シート電流Ｉｓは、基板表面にわたる電荷不平衡の尺度として使用されうる。特に、地点ＡとＢとの間の電圧は、電流から確定されることができ、電流は、基板材料４０２の面積抵抗および２つの地点間の電荷不平衡に依存する。
図４Ｂは、センサデバイス４００の等価電気回路図と断面図の組合せである。検知デバイス４００は、一般に、上側半導体基板４０２および下側半導体基板４０４を含む。いくつかの実施形態では、中間半導体基板４１６が、上側基板と下側基板との間に挟まれることができる。便宜のために、基板４０２、４０４、４１６は、以下では単に上側基板、中間基板、および下側基板と呼ばれることがある。例として、上側基板４０２は、抵抗性にするためにＰ−ドープされた第１のシリコン層４０２とすることができ、底部基板４０４は、伝導性にするためにＰ＋ドープされた第２のシリコン層とすることができる。絶縁層４２８は、上側基板４０２と下側基板４０４との間に挟まれる。図４Ｂに示す例では、絶縁層４２８は、より具体的には、上側基板４０２と中間基板４１６との間に挟まれる。絶縁層４２８は、比較的厚く、たとえば厚さが２５ミクロン以上とすることができる。絶縁層４２８を形成する複数の方法が存在する。たとえば、酸化物がシリコンウェハ内に埋め込まれることができる。あるいは、酸化物が、シリコンウェハの表面上で成長されることができ、また、多結晶シリコン（ポリシリコン）が、酸化物上に成長するかまたは堆積されることができる。さらに、ポリマー層が、２つのシリコンウェハ間で積層されることができる。
同様に、絶縁層４３０は、基板４０４と４１６との間に形成されることができる。
適したエレクトロニクス４１８は、下側基板４０４内に形成されたキャビティ内に配置されることができる。各エレクトロニクスユニットは、下側基板４０４上に形成されるかまたは下側基板４０４内にはめ込まれた、対応するパターニング済み金属被膜またはパターニング済み可撓性回路４０８によって、対応するセンサ接点４０３に電気結合されることができる。エレクトロニクスは、センサの場所４０３において電圧、電流、電荷、キャパシタンスなどのような直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）電気量を測定するように構成されうる。同様に、エレクトロニクス４１８は、ＤＣレベルまたはＡＣ波形によって、１つまたは複数のセンサ接点４０３および／または参照接点４０５を励起し、他のセンサ接点の場所４０３および／または参照接点４０５においてＡＣおよびＤＣパラメータを同時に測定して、種々のプラズマパラメータを確定することができる。例として、エレクトロニクス４１８は、１つのセンサ接点４０３に励起電圧を印加し、１つまたは複数の異なるセンサ接点および／または参照接点４０５で信号を測定して、プラズマインピーダンスを測定することができる。あるいは、励起電圧は、参照接点４０５に印加され、信号が、センサ接点４０３で測定されることができる。
図４Ｂを見てわかるように、センサのコレクタ部分は、その部分を、上側半導体層４０２の一体部として形成することによって基板内に埋め込まれうる。例として、１つまたは複数のセンサ接点は、センサが所望される上側半導体層４０２の下側の場所の、センサ接点４０３および参照接点４０５のエリアにおいてプラチナ、パラジウム、またはアルミニウムなどの適した伝導性材料を堆積することによって形成されうる。伝導性材料は、上側半導体層４０２内に拡散し、したがって、オーム接続を生成しうる。上側半導体層４０２の垂直寸法が水平寸法よりずっと小さいため、その効果は、上側層４０２の底部の金属センサ接点４０３が、仮想センサ４２０として上部表面上にミラーリングされることになる。同様に、中央参照接点４０５の効果は、仮想接点４２２としてミラーリングされる。上部表面に存在するどんな電圧も、底部表面に移されることになり、したがって、適切なエレクトロニクス４１８によって検知され駆動されうる。中央位置の参照接点４０５は、エレクトロニクスモジュール４１８内の電子スイッチによって中央基板４１６に接続されることができる。基板４１６に対するこうしたオーム接点は、中央および下側基板４１６および４０４のＤＣ参照電位を効果的に提供しうる。このＤＣ参照は、たとえばエレクトロニクス４１８によってＤＣ電圧を測定するときに重要でありうるが、ＡＣ電圧を測定するときはターンオフされうる。
いくつかの実施形態において、１つまたは複数のコレクタ部分の表面の１つまたは複数の部分、たとえば上側層４０２の上側表面の選択された部分は、たとえば、３次元パターンを表面内にエッチングすることによって、または、フォトレジストおよび／または金属などの１つまたは複数の材料４１９で表面を計画的にコーティングすることによって修飾されて、コレクタとプラズマとの間の相互作用が変更されうる。材料４１９は、パターンで、たとえば格子または一連のストライプで堆積されうる、または、その他の方法で形成されうる。材料は、上側層４０２のバルクを構成する材料と異なりうる。
エレクトロニクス４１８は、センサ接点４０３と中央の場所の参照接点４０５との間で上側基板４０２を通して流れるシート電流Ｉｅを検知することができ、それにより、上側層４０２の表面上の自己バイアスおよび電荷蓄積の尺度を提供する。電圧差は、上側層４０２のシート抵抗ならびに異なるセンサ接点４０３間および／またはセンサ接点４０３と参照接点４０５との間に流れるシート電流Ｉｅによって測定されうる。図４Ｃにおいて、基板のシート抵抗は、Ｒｓｕｂと指定される抵抗器で表される。デバイス４００内の異なる場所にいくつかのこうしたセンサ接点を設置し、中央参照接点４０５のイメージ４２２とセンサ接点４０３の各イメージとの間でシート電流を検知することによって、上側シリコン層４０２の表面上の電荷不平衡がリアルタイムに測定されうる。電圧または電荷測定値は、プラズマチャンバからデバイス４００を取除く必要なしで外部受信機に後で送信するために、デジタルデータに変換され、中央エレクトロニクスユニット（図示せず）に記憶されうる。
中央および下側基板４１６および４０４はまた、エレクトロニクス４１８および関連する金属被膜４０８のシールドのためにファラディー箱として働くことができる。例として、中央基板４１６および下側基板４０４は、上述した方法と同様な方法で生成される金属化領域の形態とすることができる接点４２６および４１３ならびに／またはオーム接点４３２を通して互いにオーム接続されうる。さらに、絶縁層４２８およびベース基板４１６と共に上側基板４０２は、分布キャパシタとして働きうる。このキャパシタンスは、各検知地点で生成されるＲＦ電圧によるＲＦ電流を検知する試験負荷として役立ちうる。こうして電圧の振幅は、整流され、エレクトロニクス４１８によって測定されることができる。概略的に、分布キャパシタンスのローカル部分は、図２Ｃに示すキャパシタＣ２と等価である。センサ接点４０３間の等価キャパシタンスは、図４ＣにおいてＣおよびＣ'として示される。参照接点４０５とプラズマとの間の等価キャパシタンスは、図４ＣにおいてＣ''として示される。センサ接点４０３で、エレクトロニクス４１８によって測定される信号のＤＣ部分は、電荷分布に関連する。センサ接点４０３および参照接点４０５はまた、イオン飽和電流、電子温度、およびプラズマインピーダンスなどのパラメータの測定のために、ＡＣまたはＤＣ電圧の印加によって励起されることができる。
図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態の場合と同様に、パターニングされたフィルム積層体によって構築されるコレクタエリア４２４は、基板４０２の第１の表面上に設置されて、プラズマに対する基板４０２の電気的応答を変更しうる。
本発明の実施形態は、プラズマのイオンおよび電子特性の測定のための、また任意選択で、ウェハ生産システムにおける表面帯電の測定のためのツールを提供する。ウェハ生産システムにおいてこれらの量を測定する能力は、プラズマ処理表面パラメータに対するさらなる洞察を提供しうる。同様に、表面関連トポロジは、検知場所の挙動を根本的に変える可能性があり、この現象は、ポリマー再堆積、イオン角度、ならびに高感度および広ダイナミックレンジに関する電荷損傷などのこうしたパラメータを測定するために利用されることができる。本発明の実施形態は、プラズマチャンバ性能に影響を及ぼす重要な要素をより容易に識別し、その後、性能を最適化するために関連パラメータを調整するのに役立ちうる。
上記は本発明の好ましい実施形態の完全な説明であるが、種々の代替形態、変更形態、および等価形態を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は、先の説明を参照して決定されるべきではなく、特許請求の範囲の均等物の全範囲と共に、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。好ましいか否かによらずいずれの特徴も、好ましいか否かによらずいずれの他の特徴とも組み合わせられることができる。

Claims (4)

  1. 工作物を処理するためのプラズマチャンバ内でプラズマプロセスパラメータを測定する方法であって、
    前記プラズマチャンバ内のプラズマに検知デバイスの第１の層の上部表面を暴露することであって、前記第１の層は、前記プラズマチャンバ内のプラズマによって処理される工作物と実質的に同じ材料である材料から作られ、
    前記第１の層に埋め込まれる１つまたは複数のセンサに対して前記プラズマからもたらされる１つまたは複数の信号を測定することであって、前記第１の層と実質的に同じ材料から作られたコレクタ部分およびセンサ部分を備え、前記コレクタ部分は、前記第１の層の上部表面と同一平面上にある上部表面を含み、
    前記センサ部分は、前記検知デバイスの第２の層に埋め込まれ、前記コレクタ部分に結合され、
    前記プラズマに暴露される前記第１の層の全表面が、前記コレクタ部分であり、
    前記第１の層は、前記コレクタ部分を形成する抵抗層を含み、前記１つまたは複数の信号を測定することは、前記抵抗層上の２つの場所間の電圧差を測定することを含む、方法。
  2. 前記１つまたは複数の信号を測定することは、第１の場所で前記プラズマに暴露されない前記抵抗層の面に結合した接点に励起を印加し、１つまたは複数の他の場所で前記プラズマに暴露されない前記抵抗層の前記面に結合した１つまたは複数の他の接点で信号を測定することを含む請求項１に記載の方法。
  3. 工作物を処理するためのプラズマチャンバ内のプラズマプロセスパラメータを測定する検知デバイスであって、
    第１の層と第２の層を含み、前記第１の層が前記プラズマチャンバ内でプラズマによって処理される工作物と実質的に同じ材料である材料から作られる基板と、
    前記第１の層と前記第２の層の間に挟まれる１つまたは複数のセンサであって、各センサは、前記第１の層と実質的に同じ材料から作られたコレクタ部分を備え、前記コレクタ部分は、前記第１の層の上部表面と同一平面上にある上部表面を含む、１つまたは複数のセンサと、
    前記第２の層に埋め込まれ、前記コレクタ部分に結合されたセンサエレクトロニクスと、
    を備え、
    前記プラズマに暴露される前記第１の層の全表面が、前記コレクタ部分であり、
    前記第１の層は、前記コレクタ部分を形成する抵抗層を含み、
    前記１つまたは複数のセンサは、前記抵抗層上の２つの場所間の電圧差を測定する検知デバイス。
  4. 前記１つまたは複数のセンサは、第１の場所で前記プラズマに暴露されない前記抵抗層の面に結合した接点に励起を印加し、１つまたは複数の他の場所で前記プラズマに暴露されない前記抵抗層の前記面に結合した１つまたは複数の他の接点で前記電圧差を測定する請求項３に記載の検知デバイス。
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