JP7233803B2 - 工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置及び方法 - Google Patents

工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置及び方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年８月１７日に出願された「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＲＥＡＬ－ＴＩＭＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＯＦ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＩＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥ ＭＡＮＵＧＡＣＴＵＲＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ」と題する米国仮特許出願第６２／５４６，８８２号、及び２０１８年２月７日に出願された「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＲＥＡＬ－ＴＩＭＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＯＦ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＩＮ ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ」と題する米国仮特許出願第６２／６２７，６１４号の利益を主張し、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、処理システム内のプロセスを監視するための装置及び方法に関し、より詳細には、一体型の感知及び送受信デバイスを有する監視デバイスを使用してプロセスを監視することに関する。より詳細には、本発明は、半導体デバイス製造などの工業用製造における特性のリアルタイム感知に関する。
半導体産業における集積回路（ＩＣ）の製造では、通常、プラズマを使用して、基板から材料を除去し及び基板に材料を堆積するのに必要な、プラズマ反応器内での表面化学現象を作り出し、且つ、支援する。一般に、プラズマは、供給されたプロセスガスとのイオン化衝突を維持するのに十分なエネルギーに電子を加熱することによって、真空条件下でプラズマ反応器内に形成される。更に、加熱された電子は、解離性衝突を維持するのに十分なエネルギーを有することができ、従って、所定条件下での特定のガスセット（チャンバ圧力、ガス流量など）が選択され、チャンバ内で実行されている特定のプロセス（例えば、材料が基板から除去されるエッチングプロセス、又は材料が基板に追加される堆積プロセス）に適した荷電種及び化学反応種の集団を生成する。
例えば、エッチング処理中に、プラズマ処理システムの状態を判定し、且つ、製造中のデバイスの品質を判定する際に、プラズマ処理システムを監視することは非常に重要であり得る。追加のプロセスデータを使用することにより、システムの状態と、生産中の製品の状態に関する誤った結論を防ぐことができる。例えば、プラズマ処理システムを継続的に使用すると、プラズマ処理性能が徐々に低下し、最終的にシステムが完全に故障する原因となり得る。追加のプロセス関連データ及びツール関連データにより、材料処理システムの管理、及び生産されている製品の品質が向上する。
本明細書で説明する技術は、処理システム内のプロセスを監視するための装置及び方法に関し、より詳細には、一体型の感知及び送受信デバイスを有する監視デバイスを使用してプロセスを監視することに関する。より詳細には、本発明は、半導体デバイス製造などの工業用製造における特性のリアルタイム感知に関する。
様々な実施形態によれば、工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置及び方法が説明されている。感知システムは、半導体デバイス製造システムの処理環境内に取り付けられた第１の複数のセンサを含み、各センサは、異なる領域に割り当てられて、製造システムの割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視し、リーダーシステムは、複数のセンサに同時に且つ無線で問い合わせを行うように構成された構成要素を有する。リーダーシステムは、（１）第１の周波数帯域に関連付けられた第１の要求パルス信号を第１の複数のセンサに送信することと、（２）システムの割り当てられた各領域における物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する第１の複数のセンサから、一意に識別可能な応答信号を受信することと、を含む単一の高周波問い合わせシーケンスを使用する。
一実施形態によれば、工業用製造機器の特性をリアルタイム感知するための装置が説明される。装置は、半導体デバイス製造システムの処理環境内に取り付けられた第１の複数のセンサであって、各センサがシステムの割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視するために異なる領域に割り当てられている、センサと、（１）第１の要求パルス信号を第１の複数のセンサに送信することであって、第１の要求パルス信号が第１の周波数帯域に関連付けられている、ことと、（２）システムの割り当てられた各領域における物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する第１の複数のセンサから一意に識別可能な応答信号を受信することであって、第１の複数のセンサが、第１の周波数帯域で動作している各センサからエコーされる応答信号間の衝突なしに同時問い合わせを可能にする設計規則に従って第１の周波数帯域で動作可能にされる、ことと、を含む、単一の高周波問い合わせシーケンスを使用して、第１の複数のセンサを同時に且つ無線で問い合わせるように構成された構成要素を有するリーダーシステムと、を含む。
別の実施形態によれば、工業用製造機器の特性をリアルタイム感知するための装置が説明される。装置は、半導体デバイス製造システムの処理環境に配置されたセンサを含み、センサは、センサが取り付けられている電子デバイス製造システムの領域の物理的又は化学的特性の変化に対応する応答信号を提供する問い合わせ周波数での要求信号に応答する発振回路と、電子デバイス製造システムに存在する環境からセンサを絶縁するために発振回路を覆う保護層と、を含む。
もちろん、本明細書で説明されるような異なるステップの議論の順序は、明確にするために提示されている。一般に、これらのステップは、任意の適切な順序で実行できる。加えて、本明細書の異なる特徴、技術、構成などのそれぞれは、本開示の異なる場所で議論され得るが、概念のそれぞれは、互いに独立して、又は互いと組み合わせて実行され得ることが意図される。従って、本発明は、多くの異なる方法で具現化及び検討することができる。
この要約セクションは、本開示又は特許請求される発明の全ての実施形態、及び／又は漸増的に新規な態様を指定するものではないことに留意されたい。代わりに、この要約は、異なる実施形態、及び従来の技術に対する新規性の対応するポイントの予備的な議論のみを提供する。本発明及び実施形態の更なる詳細及び／又は可能性のある観点について、読者は、以下で更に議論されるように、詳細な説明のセクション及び本開示の対応する図面に導かれる。
図１Ａ～図１Ｃは、一実施形態による、工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置の概略図を示す。 図１Ａ～図１Ｃは、一実施形態による、工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置の概略図を示す。 図１Ａ～図１Ｃは、一実施形態による、工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置の概略図を示す。 図１Ａ～図１Ｃは、一実施形態による、工業用製造機器における特性をリアルタイム感知するための装置の概略図を示す。 図２は、一実施形態による、半導体デバイス製造装置における特性をリアルタイム感知するための方法を示すフローチャートを提供する。 図３は、一実施形態による、表面弾性波（ＳＡＷ）センサの代表図を示す。 図４Ａ～図４Ｄは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図４Ａ～図４Ｄは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図４Ａ～図４Ｄは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図４Ａ～図４Ｄは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図５は、別の実施形態による、ＳＡＷタグセンサの代表図を示す。 図６Ａ及び図６Ｂは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図６Ａ及び図６Ｂは、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図７は、更に別の実施形態による、ＳＡＷタグセンサの代表図を示す。 図８は、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図９は、一実施形態による、複数のセンサの問い合わせに続く応答信号を例示する。 図１０は、一実施形態によるアンテナを示す。 図１１は、一実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１２は、別の実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１３は、別の実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１４は、別の実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１５は、別の実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１６は、更に別の実施形態による、基板上にセンサを製造する方法を示す。 図１７Ａ～図１７Ｄは、様々な実施形態による、エッチング方法を実行するためのプラズマ処理システムの概略図を提供する。 図１７Ａ～図１７Ｄは、様々な実施形態による、エッチング方法を実行するためのプラズマ処理システムの概略図を提供する。 図１７Ａ～図１７Ｄは、様々な実施形態による、エッチング方法を実行するためのプラズマ処理システムの概略図を提供する。 図１７Ａ～図１７Ｄは、様々な実施形態による、エッチング方法を実行するためのプラズマ処理システムの概略図を提供する。
本明細書で説明する技術は、工業用製造システム内のプロセスを監視するための装置及び方法に関し、より詳細には、一体型の感知及び送受信デバイスを有する監視デバイスを使用してプロセスを監視することに関する。製造システムは、半導体製造システムを含むことができる。製造システムは、半導体デバイス、フォトニックデバイス、光放出デバイス、光吸収デバイス、又は光検出デバイスの製造を容易にすることができる。製造システムは、非半導体製造システムを含むことができる。製造システムは、金属、半金属、又は非金属のワークピースの製造を容易にすることができる。製造システムは、金属、ポリマー、又はセラミックのワークピースの製造を容易にすることができる。製造システムは、ガラス又はガラス状のワークピースの製造を容易にすることができる。
様々な実施形態によれば、半導体デバイス製造装置などの工業用製造装置における特性をリアルタイムに感知するための装置及び方法が説明されている。感知システムは、半導体デバイス製造システムの処理環境内に取り付けられた複数のセンサを含み、各センサは、異なる領域に割り当てられて、製造システムの割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視し、リーダーシステムは、複数のセンサに同時に且つ無線で問い合わせを行うように構成された構成要素を有する。リーダーシステムは、（１）第１の周波数帯域に関連付けられた第１の要求パルス信号を第１の複数のセンサに送信することと、（２）システムの割り当てられた各領域において物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する第１の複数のセンサから、一意に識別可能な応答信号を受信することと、を含む単一の高周波問い合わせシーケンスを使用する。特に、有線電源の必要性を排除することができ、自動化要件に適合し、イオン衝撃による熱伝達に耐えることができ、とりわけ、ウエハー上の温度分布を測定することができる、回路のウエハー型センサが、様々な実施形態で説明されている。
一実施形態によれば、半導体デバイス製造装置における特性をリアルタイム感知するための装置１００が、図１Ａ～図１Ｃに記載され、且つ、描かれている。装置１１０は、半導体デバイス製造システム１００の処理環境１１５内に取り付けられた第１の複数のセンサ２Ａ、２Ｂ（図１Ｂを参照）を含み、各センサ２Ａ、２Ｂは、異なる領域に割り当てられて、ワークピース１（又は基板）上の割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視し、リーダーシステム１２０は、単一の高周波問い合わせシーケンスを使用して、第１の複数のセンサに同時に且つ無線で問い合わせを行うように構成された構成要素を有する。問い合わせシーケンスは、（１）第１の要求パルス信号を第１の複数のセンサに送信することであって、第１の要求パルス信号が第１の周波数帯域に関連付けられている、ことと、（２）システムの割り当てられた各領域における物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する第１の複数のセンサから一意に識別可能な応答信号を受信することであって、第１の複数のセンサが、第１の周波数帯域で動作している各センサからエコーされる応答信号間の衝突なしに同時問い合わせを可能にする設計規則に従って第１の周波数帯域で動作可能にされる、ことと、を含むことができる。センサシステム１０は、ワークピース１に取り付けられた複数のセンサ２Ａ、２Ｂを含むことができる。ワークピース１は、半導体デバイス製造システム１００の処理環境１１５内に配置することができ、第１の複数のセンサ２Ａ、２Ｂはワークピース１上に取り付けられる（図１Ｂ参照）。第１の複数のセンサのセンサ数は、１５個のセンサを超えてもよく、好ましくは３０個超のセンサ、好ましくは４５個超のセンサ、及びより好ましくは６０個超のセンサである。
半導体デバイス製造システム１００は、機械的クランプシステム又は電気的クランプシステム（例えば、ＥＳＣ、静電チャック）などのクランプ機構を含んでも含まなくてもよいホルダ１３０を含むことができる。制御システム１４０からの信号に応じて、ホルダ制御システム１３０は、ワークピース１又は生産ワークピース（図示せず）の処理に影響を及ぼす特性を調整することができる。実施形態は、ワークピース１又は生産ワークピースの異なる領域におけるプロセス条件に影響を及ぼすように空間的に配向された温度制御要素を含むことができる。あるいは、ガス流量、及び他の処理特性、例えば、圧力、プラズマ電力、バイアス電力などを、制御システム１４０からの信号に応じて調整することができる。
いくつかの実施形態では、処理環境１１５は、プラズマのない気相環境を含む。他の実施形態では、処理環境１１５は、プラズマを伴う気相環境を含む。
第１の周波数帯域は、一例として、２．４５ＧＨｚ中心のＩＳＭ帯域に励起周波数を含むことができるが、他の周波数帯域も考えられる。周波数帯域は、リーダーシステムと計装された基板との間の電磁波伝搬を可能にするように選択され得る。
半導体デバイス製造システムには、エッチングシステム、堆積システム、めっきシステム、洗浄システム、アッシングシステム、熱処理システム、リソグラフィコーティングシステム、若しくは研磨システム、又は他の半導体処理システムを含むことができる。図１７Ａ～図１７Ｄは、センサシステムを実装できるいくつかの気相及び／又はプラズマ処理システムを示す。
以下で更に説明するように、内部に計装された基板が露出する環境によって、センサを保護するために、いくつかの技術が提案されている。センサの上に堆積又は形成される保護層は、侵食及び／又は腐食環境でセンサに提供される保護の例である。
様々な実施形態によれば、複数のセンサグループは、複数の、一意に定義された周波数帯域に割り当てられ、複数のセンサグループが、第１の周波数帯域に割り当てられた第１の複数のセンサを含む（以下でより詳細に説明する）。センサグループ及び関連付けられた周波数帯域に割り当てられたセンサの数は、２５個のセンサを超えないことがあるが、それよりも多い又は少ないことも考えられる。各センサには、表面弾性波（ＳＡＷ）遅延線デバイス、又はＳＡＷ共振器を含むことができる。ＳＡＷデバイスは、１％、又は２～３％以上の電気機械結合係数を呈するワークピース１上に取り付けることができる。また、基板は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又はＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４を含むことができる。表面弾性波を伝導するための他の材料も考えられる。低温動作にはニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムを使用でき、高温動作にはランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）を使用することができる。物理的又は化学的特性には、温度又は温度差が含まれ得る。物理的又は化学的特性には、温度によるエコードリフトが、１００ｎｓ又は０ｎｓまでの（これらの値を含む）範囲である、温度又は温度差が含まれ得る。温度の最大変動は、最大２００Ｋの範囲であり得る。温度感知について説明されているが、他の特性、物理的及び化学的性質も考えられる。
以下でより詳しく説明するように、各センサには、表面波を励起してその後検出するための櫛形トランスデューサと、表面波を回折して櫛形トランスデューサに向けて反射し戻す１つ以上の反射器グループが含まれ、１つ以上の反射器グループは、櫛型トランスデューサからの波伝播経路に沿って所定の距離だけ離間される。櫛形トランスデューサは、圧電基板の表面に形成された２つのインターレースされた櫛状金属構造を含み、１つ以上の反射器は、圧電基板上に形成された１つ以上の離間した金属線の１つ以上のグループを含む。更に、櫛形トランスデューサは、各センサとリーダーシステムとの間で信号を送受信するための少なくとも１つのアンテナに結合することができる。少なくとも１つのアンテナは、５０オームのインピーダンスに設計できる。櫛形トランスデューサの電気インピーダンスは、指定された周波数帯域内の周波数で、少なくとも１つのアンテナの電気インピーダンスに実質的に一致させることができる。また、第１の周波数帯域などの、指定された周波数帯域のスペクトル範囲は、１００ＭＨｚ又は５０ＭＨｚ未満とすることができる。少なくとも１つのアンテナは、蛇行アンテナ又はメアンダアンテナ、モノポール若しくはダイポールアンテナ、又は以下に列挙されるような他のアンテナを含むことができる。
櫛形トランスデューサは、例えば、１０～２０ペアの櫛形電極ペア、又は１５の櫛形ペアを含むことができる。櫛形トランスデューサは、櫛形電極ペアの２つ以上のグループを含むことができ、櫛形電極ペアの各グループは、異なる電極ピッチで設計されている。単一の高周波問い合わせシーケンスには、時間分解励起信号でセンサに問い合わせ、時間領域で受信エコー信号を処理すること、又は周波数変調励起信号でセンサに問い合わせ、周波数領域で受信エコー信号を処理すること、を含むことができる。
物理的又は化学的特性に温度が含まれる場合、各センサは、３０ｐｐｍ－Ｋ－１、又は５０ｐｐｍ－Ｋ－１、又は７５ｐｐｍ－Ｋ－１、又は１００ｐｐｍ－Ｋ－１以上の遅延温度係数（ＴＣＤ）を呈することができる。
述べたように、各センサの１つ以上の反射器は、２つ以上の別個のエコーインパルス応答の列を呈する時間領域でインパルス応答信号を生成するように配置することができる。各センサの１つ以上の反射器は、第１の時間遅延範囲でリーダーシステムによって受信される各センサの第１のエコーインパルス応答、及び第２の時間遅延範囲でリーダーシステムによって受信される各センサの第２のエコーインパルス応答を生成するように配置することができ、第２の時間遅延が、それらの間に挿入された第１のガード時間遅延に続く第１の時間遅延に連続する。また、第１のガード時間遅延は、最大２００ｎｓまでの範囲、又は１００ｎｓ～２００ｎｓの範囲であり得る。
各センサの１つ以上の反射器は、３つ以上の別個のエコーインパルス応答の列を呈する時間領域でインパルス応答信号を生成するように配置することができる。また、各センサの１つ以上の反射器は、第３の時間遅延範囲でリーダーシステムによって受信される各センサの第３のエコーインパルス応答を生成するように配置することができ、第３の時間遅延が、それらの間に挿入された第２のガード時間遅延に続く第２の時間遅延に連続する。第２のガード時間遅延は、最大２００ｎｓまでの範囲、又は１００ｎｓ～２００ｎｓの範囲であり得る。第１、第２、及び第３の時間遅延は、最大５マイクロ秒までの範囲であり得る。
リーダーシステム１２０は、指定された周波数帯域外の周波数の信号を取り除く無線周波数（ＲＦ）フィルタを含むことができる。無線周波数（ＲＦ）フィルタは、指定された周波数帯域外の周波数の信号を取り除くように設計できる。例えば、ＲＦフィルタは、プラズマ励起周波数の高調波周波数から、３０ｄＢ、又は４０ｄＢさえも超えて生じる信号を取り除くことができる。
第１の複数のセンサについて説明したが、第２の複数のセンサを、半導体デバイス製造システム１００上又は内部に取り付けることができ、各センサは異なる領域に割り当てられ、システムの割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視し、第２の複数のセンサは、各センサからエコーされる応答信号間の衝突なしに、同時の問い合わせを可能にする設計規則に従って、第２の周波数帯域で動作可能にされる。
図１Ｃは、送信機回路１４１、受信機回路１４２、サンプリング回路１４３、メモリ１４４、及びセンサ問い合わせを制御し、各構成要素から及び各構成要素への信号処理を管理し、半導体デバイス製造システム１００の処理状態を評価するコントローラ１４５を含むリーダーシステムを概略的に示す。
更に別の実施形態によれば、半導体デバイス製造装置における特性をリアルタイムで感知するための方法が説明される。方法は図２に示されており、２１０での半導体デバイス製造システムの処理環境内に複数のセンサが取り付けられたワークピースを配置することと、２２０でのグループの問い合わせ用にセンサのグループを周波数帯域に割り当てることと、（１）センサグループで指定された複数のセンサに要求パルス信号を送信することであって、要求パルス信号が指定された周波数帯域に関連付けられている、ことと、（２）ワークピース１の割り当てられた各領域における物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する複数のセンサから一意に識別可能な応答信号を受信することと、を含む、２３０の単一の高周波問い合わせシーケンスを使用して、センサの各グループを同時に且つ無線で問い合わせることと、を含む。
例として、温度又は温度差を監視するための感知システムについて以下に説明する。ウエハー型センサには、自身の上に複数の温度測定センサが接続されているワークピースを含むことができる。温度測定センサには、それぞれが適切なアンテナに接続された、表面弾性波（ＳＡＷ）遅延線センサ又はＳＡＷ共振器センサを含むことができる。センサは、ワークピース又はプロセスに必要とされる所望の温度マッピングに従って配置される。ＳＡＷセンサは、（ｉ）時間分解励起及び信号処理、又は（ｉｉ）周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）アプローチ、のいずれかを含み得る、単一の高周波問い合わせシーケンスを含む、１つ以上で、ＳＡＷセンサを同時に問い合わせできるような方法で設計された遅延線に基づくことができる。後者では、周波数変調連続波アプローチは、周波数又は波数空間で情報をたたみ込み及びたたみ込み解除するフーリエ信号処理を含むことができる。
ＳＡＷ遅延線は、温度及びセンサ性能の範囲にわたってアンテナインピーダンスを一致、又は実質的に一致させるように設計できる。問い合わせ及び信号処理が、トランスデューサの周波数帯域幅の逆数に等しいか、又はほぼ等しい持続時間で時間分解される（すなわち、振動数が、トランスデューサのフィンガーペアの数に等しい）場合、バースト信号を使用できる。ＳＡＷセンサは、いくつかのセンサに衝突せずに同時に問い合わせできるような方法で設計でき、全動作範囲及び条件でのパルスのいかなる重なりも回避する方法で、センサ応答を時間的にシフトする。
一例として、一般性の制限なしに、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）にレイリーのようなＳＡＷを使用して、この設計がどのように達成されるかを説明するための設計規則が与えられる。シリカパッシベーション層の使用により、実際の温度感度、電気機械結合、及びセンサの反射係数を制御することを可能にし得る。衝突することなく問い合わせできるセンサの数は、所与の帯域内の１つのセンサセットの問い合わせが別の帯域のエネルギーを不十分に結合し、且つ、現在使用されている帯域をフィルタリングするリーダー受信ステージ上でフィルタを使用する、すなわち、帯域内の信号の受信及び処理のみを許可することにより、いかなるクロス結合も防止するような方法で、シフトされた周波数帯域を使用することによって、大きく増やすことができる。このフィルタリング操作により、発明者が観察したように、特にプラズマ励起が数十ワットを超える場合に、センサ応答信号処理を汚染又は混乱させ得るレベルでＲＦ（無線周波数）高調波を生成する、プラズマ適用中の信号処理を改善することも可能にする。
別の実施形態では、装置は、センサ、電極、及び表面品質に不可逆的に損傷を与えて、センサの寿命を縮める可能性がある、プラズマ励起中のイオン衝撃を含む、プラズマ及び／又は腐食性化学物質からのＳＡＷセンサ表面の保護を含む。
別の実施形態では、装置は、シリコン（Ｓｉ）ウエハー表面上に堆積されたインシチュ圧電膜を含み、アンテナはセンサ位置上に接合され、ＲＦ信号の受信及び放射、及びセンサ表面保護の両方を可能にする。上述のように、ウエハー型センサは、以下の特徴の１つ以上を有する関連アンテナを有するＳＡＷデバイスで構成できる。すなわち、（ｉ）衝突／信号の重畳なしにいくつかのセンサを問い合わせることができるような方法でシフトした同様の時間応答で、ＬｉＮｂＯ３上に構築されたＳＡＷタグ遅延線を使用すること、（ｉｉ）信号処理の堅牢性を改善するための適応フィルタを使用して、所与のウエハーに問い合わせできるセンサ数を増やすためにいくつかの周波数帯域を使用して、それによって異なる周波数帯域間のクロスカップリングを回避し、プラズマ励起によるＲＦ汚染を軽減すること、（ｉｉｉ）たとえ（センサの保護を提供するいくつかの構造が考慮される）プラズマ活性化中であってもウエハーの使用を可能にする適合構造を使用すること、及び（ｉｖ）ウエハー上に接合された単結晶圧電膜を使用して、アンテナを使用して保護できるＳＡＷセンサを形成すること、である。
本明細書で提供される、カット角及び結晶方位を言及する、又はそれらに関する情報は、圧電性に関するＩＥＥＥ Ｓｔｄ－１７６規格で確認できる（ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １７６－１９８７ ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｎ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ， ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｎｄａｒｄｓ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｒｅａｄｉｎｇ／ｉｅｅｅ／ｓｔｄ＿ｐｕｂｌｉｃ／ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ／ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ／１７６－１９８７＿ｄｅｓｃ．ｈｔｍｌ）。全ての計算に使用される材料定数は、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムについてはＫｏｖａｃｓ， ｅｔ ａｌ．（Ｇ．Ｋｏｖａｃｓ，Ｍ．Ａｎｈｏｒｎ，Ｈ．Ｅ．Ｅｎｇａｎ，Ｇ．Ｖｉｓｉｎｔｉｎｉ，Ｃ．Ｃ．Ｗ．Ｒｕｐｐｅｌ，“Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｆｏｒ ＬｉＮｂＯ３ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３”，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，４３５－４３８，１９９０）のものである。Ｌａｎｄｏｌｔ－Ｂｏｒｎｓｔｅｉｎには、シリコン（質量密度及び弾性／熱弾性定数）のデータ、並びに溶融石英（シリカ）及びアルミニウムのデータを見い出すことができる（Ｌａｎｄｏｌｔ－Ｂｏｒｎｓｔｅｉｎ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｄａｔａ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ，Ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１１，Ｋ．Ｈ．Ｈｅｌｌｗｅｇｅ，ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｈｅｌｌｗｅｇｅ，Ｅｄｓ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ Ｂｅｒｌｉｎ－Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ－Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９７９）。温度に対する遅延感度は、以下のように定義された遅延のテイラー展開によって、古典的に与えられる（Ｌｅｏｎｈａｒｄ Ｒｅｉｎｄｌ ｅｔ ａｌ，Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｓｓｉｖｅ ＳＡＷ Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒｓ ａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ ＵＦＦＣ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５，ｐｐ．１２８１－１２９２，１９９８の例を参照）。
ｆ０＝ｆ×（１＋θα（Ｔ－Ｔ０））（１）
式中、温度Ｔにおける現在の周波数ｆは、波速度Ｖを波長λで除算した比率で与えられ、ｆ０は、基準温度Ｔ０＝２５℃における周波数である。ここで、トランスデューサから反射器へ伝わり、トランスデューサへ戻っていく波の遅延τを以下のように定義する。
τ＝Ｌ／Ｖ＝Ｌ／（λｆ）（２）
所与の温度Ｔにおける遅延は、以下のように表現できる。
Δτ／τ＝ΔＬ／Ｌ－（Δλ／λ＋Δｆ／ｆ）ここでΔτ＝τ－τ０（３）
ここで、Ｌ＝Ｌ０×（１＋α１ （１）（Ｔ－Ｔ０））、及びλ＝λ０×（１＋α１ （１）（Ｔ－Ｔ０））、並びにα１ （１）は、一次熱膨張係数である。
Figure 0007233803000001
 と仮定すると、以下を実証できる。
Δτ／τ＝－（Δｆ／ｆ）（４）
及び、結論として、遅延温度係数（ＴＣＤ）は、周波数温度係数（ＴＣＦ）の逆数である。一実施形態では、リアルタイム感知の使用には、表面波を励起及び検出するための櫛型トランスデューサ（ＩＤＴ）に基づくＳＡＷタグ、及び波伝播経路に沿って配置された反射器グループを使用した温度測定が含まれ、波を回折させてトランスデューサに向けて送り返す。上記の考慮事項は共振器ベースのセンサにも成り立つが、そのようなセンサには以下の規則以外の設計規則が必要である。
ＳＡＷタグアプリケーションに使用されるＬｉＮｂＯ３カットの場合（（ＹＸｌ）／１２８°又は（ＹＺ）カットであり得る）、ＴＣＦは古典的に、［－８０；－９０］ｐｐｍ－Ｋ－１範囲にある。ＴＣＤ値は、温度に起因する最大遅延変動として、１００ｐｐｍ－Ｋ－１の値までの範囲にわたり得る。本発明者らは、このパラメータを、所与のエコーが変化し得る遅延範囲を設定するための１つの方法として認識している。上記のＴＣＤを使用して、２つのエコー間の最小遅延を設定し、信号の重畳（衝突）を回避し、且つ、測定プロセス中の明確で効率的な差別化を防止できる。
図３は、所与の遅延範囲に対してグループ内に配置された反射器３０２として設けられたスロットを有する櫛型トランスデューサ（ＩＤＴ）３０１を備えたＳＡＷタグセンサ３００の簡略図を提供する。２つの遅延、τ１とτ２が互いに近いと仮定すると、基本的な設計規則には、２つの対応するエコーのオーバーラップを避けるように設計されたセンサを含むことができる。その目的で考慮すべき重要なパラメータは、エコー拡散である。このパラメータは、トランスデューサの長さ、及び遅延線動作に関連する。実際には、ＳＡＷタグのインパルス応答上のエコーの形状は、所与の反射器の電極数によって延長されたトランスデューサのインパルス応答の自己畳み込みから生じることを考慮しなければならない。
ＬｉＮｂＯ３（ＹＸｌ）／１２８°で設計及び製造されたＳＡＷタグの場合、７０μｍのアパーチャを考慮して、トランスデューサの電極ペアの数を１５に制限して、全体の動作スペクトル上で５０オームに近い電気インピーダンスを達成することができる（ここでは、一般的な理由から、２．４５ＧＨｚを中心としたＩＳＭ帯域規制を検討する）。この設計上の考慮事項は、８５ＭＨｚに設定されたスペクトル範囲に相当し、上記の値を克服するスペクトルを避けるため、３０回の振動の最小長を生み出す。そのような励起バーストの持続時間は約１２ｎｓとなる場合があり（一方、１５フィンガーペアＩＤＴを使用して、最大でエネルギーを結合する、すなわち、トランスデューサと励起スペクトルとが最善でオーバーラップするのに必要なのは約６ｎｓのみである）、これは、自己畳み込みの長さを２４ｎｓに等しく、便宜上、図３では２５ｎｓとする。
上記の２つのエコーを再度参照すると、エコー間の最小持続期間を設定して、温度範囲全体でエコーのシグネチャのいかなるオーバーラップも回避できる。１００℃の温度変動により、遅延の公称値に１０－２の相対的な変化をもたらす可能性がある。従って、２つのセンサが２００℃の温度差にさらされると、２つのエコー間の遅延は、名目上の最長遅延（例えば、τ１＜τ２と仮定した場合はτ２）に２５ｎｓ（１つのエコーの最大時間拡散）を加えたものの最小２％になると予想される。一例として、１つのエコーの拡散は２０ｎｓを克服しないため、３０ｎｓのエコー分離を選択できる。説明の目的のため、τ２に対して５００ｎｓの遅延を考慮した場合、上記の規則は、τ１が４６５ｎｓの最大遅延（すなわち、５００－１０－２５ｎｓ）に対応すると推測する。この例題では、設計がＩＳＭ規則に準拠し、いくつかのセンサを一度に測定する際の２つのエコー分離に対処することを可能にする、一般的な設計規則を提供する。
従って、例として、１５個のセンサを同時に問い合わせる場合、いったん第１のセンサ（最初に「応答する」センサ）の初期遅延τ０が固定されると、センサの第１のエコーは全て、最小のτ０にプラス３５ｎｓ×１５の遅延範囲（例えば、τ０＋５２５ｎｓ）で発生し、これにより、温度範囲全体で衝突なしに、センサセットを問い合わせ、応答を読み取ることを保証できる。最後のセンサの第１のエコー（最後に「回答」するセンサの第１のエコー）に続く最小ガード遅延の後に、同じ分析をセンサの２番目のエコーに適用できる。もちろん、このガード遅延は、前述の３５ｎｓの、２つの「第１の」エコー間の遅延を克服でき、そうでなければ、第１のエコーのパルス列と２番目のエコーのパルス列とを区別することが困難である。この遅延は通常５０ｎｓであり得るが、信号プロセスの堅牢性をより高めるために、１００～２００ｎｓの範囲の遅延を使用することができる。別の例として、１５０ｎｓの遅延を使用して、第１パルス列と第２パルス列との間の混乱を避けるために十分に長い遅延差を提供し、波の伝播に起因する損失を最小化するために十分に短い波経路を生じることができる（１０－２ｄＢ／λは、理論的及び実験的なＳＡＷタグ応答を比較する際に有効化される、（ＹＸｌ）／１２８°ＬｉＮｂＯ３表面上の損失パラメータとして一般的であり得る）。
一例によれば、ＳＡＷデバイスについて上記で概説した設計規則を考慮して、ウエハータイプのセンサは、別個の周波数帯域に割り当てられた１６個のセンサの４つのグループを含むことができる。図４Ａ～図４Ｄは、第１及び第２のエコー（図４Ａを参照）、及びピーク間の分離（図４Ｂの第１の３つのエコーの拡大図を参照）を含む、ピークのシーケンスを明瞭にするために、重ね合わせられた１６個のセンサのグループの典型的な応答を示している。図４Ｃでは、全ての遅延線Ｓ１１パラメータを合計した結果がプロットされ、対応する時間応答が計算される。比較のために、遅延線の時間領域応答の１つを重ね合わせて、加算の実際の効果を示すと、例えば、ベースラインが増加し、（図４Ｃに示すように）信号対雑音比は減少するが、システム動作を妨げるほど十分には劣化していないことを意味する。
単一のウエハー上の６５個のセンサの問い合わせは、異なる周波数帯域で動作する１６個のセンサの４セットを（４つの周波数帯域のうちの１つに１つを加えて）作成することで達成できる。１５本のフィンガーペアで構成されるＩＤＴを使用すると、ＳＡＷタグのスペクトル拡散は、約１５０ＭＨｚ（すなわち、中心周波数からプラス又はマイナス７５ＭＨｚ）になる。従って、一実施形態によれば、第２、第３、及び第４の周波数帯域を、第１の周波数帯域から１５０、３００、及び４５０ＭＨｚそれぞれシフトし、３つの他の周波数帯域を生成して、ウエハー型センサ全体の設計を完成させることができる。各周波数帯域の明確な分離を可能にする、結果のスペクトル分布を図４Ｄに示す。結論として、現在の処理帯域に対応しなければならない受信フィルタと同様に、周波数帯域（すなわち、問い合わせ器のローカル発振器）のみをシフトしなければならないため、同じ（時間領域）エコー分布が各帯域で保持され、信号処理を簡単にする。
従って、６５の測定ポイントをウエハー上にアドレッシングするための問い合わせプロセスには、中心周波数を第１の帯域の中心周波数に設定する（すなわち、ローカル発振器及び受信フィルタを現在の周波数帯域に設定する）ことと、リーダーを放射モードに設定し、ＲＦ問い合わせ信号をリーダーアンテナにローンチし、問い合わせ信号全体を放射した後（例えば、１５信号周期に加えてアンテナ寄与を適切に減衰させるためのいくらかの遅延に相当する１５フィンガーペアＩＤＴに対して最大１５ｎｓ）にリーダーを受信モードに切り替えることと、センサによって再放射される信号を収集し（例えば、最大遅延約２μｓ）、ＳＮＲを改善するために信号を平均化する必要があるだけ操作を繰り返し、次いで、次の周波数帯域を設定し、４つの帯域がスキャンされていない限り操作を繰り返すことと、が含まれ得る。
第１の計算は、２エコーソリューションを考慮して行われたことに留意されたい。しかしながら、同じ設計プロセスを３パルスセンサに適用することができ、所望の精度目標を満たすことを可能にする。その観点では、達成された測定値に従ってセンサ応答を最適化するための努力が達成され得、より具体的には、トランスデューサの性能を最適化する。ＩＤＴの周期を変更して２．４～２．５ＧＨｚ帯域全体をカバーすること、及び同じ反射スペクトルカバレッジを実際に示さないように反射器をわずかにシフトさせることを含む、いくつかのアプローチをとることができる。例えば、ＩＤＴは、１００ｎｍの金属厚（６％を超える相対電極高ｈ／λ）及び０．４５の金属比を考慮して、機械的周期がそれぞれ、ｐＩＤＴ１＝０．７８ｎｍ（λ＝１．５６μｍ）、ｐＩＤＴ２＝７８５ｎｍ（λ＝１．５７μｍ）、ｐＩＤＴ３＝７９０ｎｍ（λ＝１．５８μｍ）、ｐＩＤＴ４＝７９５ｎｍ（λ＝１．５９μｍ）、及びｐＩＤＴ５＝８００ｎｍ（λ＝１．６μｍ）、に設定される５つのセクション（図５を参照、又は５つ超又は５つ未満）に分割することができる。ＩＤＴは、ｐＩＤＴ１における第１の電極ペア、ｐＩＤＴ２における２つの電極ペア、ｐＩＤＴ３における５つの電極ペア、ｐＩＤＴ４における４つの電極ペア、及びｐＩＤＴ５における３つで構成される。
この分布に沿って、トランスデューサのインピーダンスは、約５０Ωに近いままであり、これは、アンテナからＳＡＷデバイスへ、又はその逆の、エネルギー伝送を最適化するための設計条件である。いくつかの他の構成が想像されるが、主要なアイデアは、λ＝１．５７μｍにおける純粋な同期ＩＤＴ構造を考慮して得られた帯域よりも広い帯域上にＩＤＴ最適応答を広げることである（図６Ａ及び６Ｂを参照）。一方、上記の留意（センサ解像度の改善、及び位相の不確実性の除去）に従って反射器の３つのグループ、すなわち、センサ応答の最適化のために、反射器の片側に２つのグループ、及び反射器の他の側に１つのグループ、を使用できる。各グループの機械的周期は、それぞれ、金属比を０．５５に設定して、ｐＲ１＝７８０ｎｍ及びｐＲ２＝７９０ｎｍに設定できる。ＳＡＷタグの概念を説明するスキームを報告する。
例えば、ＩＤＴにおける０．４５の金属比の選択は、トランスデューサ内部の反射現象を低減又は最小化するよう（単一の障害物上で反射係数が３％未満）に選択できるが、反射器の金属比は０．５５に設定でき、５％に近い単一の障害物上の反射係数を生み出す。金属比は、例えば、０．４～０．６の範囲であり得る（電極の最小幅は、０．４５の金属比及び周期ｐ１＝０．７８に対して３５１ｎｍに等しくできる）。この電極分布を使用すると、－２０ｄＢに近い遅延線の３つのパルス（エコー）全てで、ＳＡＷタグ応答のバランスの取れた分布を実現することができる。この評価では、選択された１００ＭＨｚ帯域（２．４～２．５ＧＨｚ）に対して、伝搬損失は約１０－３ｄＢ／λになり得る。
追加の実施形態によれば、別の構成は、Ｐｌｅｓｓｋｙ，ｅｔ ａｌ．（Ｓ．Ｌｅｈｔｏｎｅｎ，Ｖ．Ｐ．Ｐｌｅｓｓｋｙ，Ｃ．Ｓ．Ｈａｒｔｍａｎｎ， ａｎｄ Ｍ．Ｍ．Ｓａｌｏｍａａ，“ＳＰＵＤＴ ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ２．４５ＧＨｚ ＩＳＭ ｂａｎｄ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒ．Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ５１，ｐｐ．１６９７－１７０３，２００４）に公開された設計による、単相単方向トランスデューサ（ＳＰＵＤＴ）を含むことができる。その中で、反射器はＩＤＴの一方の側に配置され、対向する側よりもその方向により多くのエネルギーを放出する。
更に追加の実施形態によれば、（ＹＸｌ／１２８°）ＬｉＮｂＯ３基板上のレイリー波に基づくＳＡＷタグセンサの結合及び反射率は、ＳｉＯ２層などの層を堆積することによって調整することができる。結合の増大により、挿入損失を低減させ、問い合わせ距離を増大できる。同じ考慮分野において、ＳＡＷタグに対する純粋なせん断波の使用も考えられ、せん断波は、ＳＡＷデバイス上へのガイド膜の堆積によってガイドすることができる。
様々な実施形態によれば、シリコンワークピースを含むワークピース上に、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はランガサイトなどの圧電膜を形成するための多数の構成が考えられる。圧電膜は、ウエハー分子結合、及びラッピング／研磨によって形成できる。その中で、圧電膜は接合され薄くされ、又はシリコン上に転写され、３％を超える電気機械結合ｋｓ ２（モードが、他の導波モードとも表面から放射された波ともエネルギーを混合していない場合、モードシグネチャの共振周波数及び反共振周波数がそれぞれｆｒとｆａである１－（ｆｒ／ｆａ）２が、信頼できる推定を提供する）、及び最小で３％に等しい単一障害物上の反射係数を示す、膜下の基板での放射損失なしに導波モードの励起（真の表面波）を可能にする（波はシリコン基板によってガイドされる）。ＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／３２°～（ＹＸｌ）／４８°上、及びシリコン（又はサファイア、若しくは導波を可能にする任意の基板）上にいくつかの他の個々に回転させたタンタル酸リチウムカット上のせん断波に対する実際の構成を決定するためにいくつかの例を提供でき、ＬｉＮｂＯ３（ＹＸｌ）／１２８°上のレイリー波、及びシリコン上に個々に回転させたニオブ酸リチウムカットのほぼ全ての上のせん断波が考えられる。
より一般的には、シリコン上に転写されたＬｉＮｂＯ３などの材料膜の場合、せん断波は、１００°～１４０°の範囲の伝搬方向を除く全ての伝搬方向に使用できるが、レイリー波は、１００°～１８０°の伝搬方向の範囲で使用できる。せん断波の好ましい解決策は、０°～２０°及び１４０°～１８０°の範囲の伝播方向に対応し、大きな絶対値のＴＣＦを促進する（６０ｐｐｍ－Ｋ－１を超えるＴＣＤ値を生み出す）。基本的な対称性の理由により、所与の単一回転カットの角度θ（ＩＥＥＥ Ｓｔｄ－１７６規格を参照したＸ結晶軸周りの回転）に１８０°を加えても、波の特性は同じであることに留意されたい。ＳＡＷタグ動作を最大化するためには、電気機械結合が最大である（２０％を超える）ので、伝搬方向を－２０°～＋２０°から選択することができる。しかしながら、これらの設計上の考慮事項により、前述のように、大部分の結晶カットが考慮したアプリケーションに使用できるため、２次改善が可能になることに注意されたい。
より一般的には、シリコン上に転写されたＬｉＴａＯ３などの材料膜の場合、せん断波モードは、－３０°～＋９０°の範囲の伝搬方向に利用できる。更に、ＴＣＦは、結合係数が３～８％の範囲の、－３０°～０°の角度範囲の温度センサに特に適している。好ましい実施形態によれば、結合係数を考慮すると、カットは（ＹＸｌ）／３６°に近くなり得、このとき、ＴＣＦはゼロに近い。この配向ファミリは、広範囲の特性の測定に考慮できるが、温度にはあまり適していない。
図７は、シリコン上に転写されたＬｉＮｂＯ３などの材料膜で製造された、２．４５ＧＨｚ付近で動作するＳＡＷタグの一例を示している。装置７００は、櫛型トランスデューサ７０１、アンテナ７０２、及び反射器グループ７０３を含む。図８は、２．４～２．５ＧＨｚの周波数帯域で室温（約２０℃）で動作する８個のＳＡＷタグセンサに対する、時間領域における例示的な反射係数｜Ｓ１１｜を示す。図９は、２．４～２．５ＧＨｚの周波数帯域で６０℃で動作する１３個のＳＡＷタグセンサに対する、時間領域における例示的な反射係数｜Ｓ１１｜を示す。
様々な実施形態によれば、センサのアンテナ設計には、シングルポール設計、ダイポール設計、ヘリカル設計、サークル設計、スパイラル設計、パッチ設計、若しくは蛇行又はメアンダ設計、又はそれらの２つ以上の任意の組み合わせを含むことができる。図１０は、蛇行型アンテナを示し、アンテナ設計のために選択されるいくつかの寸法を示している。アンテナのメタライゼーションにより、最大５０ミクロン、又は最大３５ミクロンの範囲（例えば、厚さ１０～３５ミクロンの範囲）のアンテナ厚が生成され得る。アンテナは、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金で構成されてもよい。アンテナは、電気めっきを含む様々な堆積技術を使用して製造できる。
いくつかの実施形態では、ウエハー型センサは、プラズマへの暴露中に動作させることができる。デバイスの上部の露出面は、プラズマ化学現象及びイオン衝撃を含むプラズマにさらされる可能性がある。その結果、保護されていなければ、デバイスをエッチングできる。従って、いくつかの実施形態によれば、プラズマ条件下で数分（例えば、最大５～１０分）超の間センサを動作させながら、ＳＡＷタグ及びアンテナを保護することが考えられる。ウエハー型センサの厚さは、最大５ｍｍ（ミリメートル）、好ましくは最大２ｍｍ、より好ましくは最大１．５ｍｍ、最も好ましくは最大１．２ｍｍの範囲であり得る。いくつかの実施形態では、センサは、エッチングされたガラスカバーなどの保護カバーを含み、他の実施形態では、センサはシリコン基板などの基板に埋め込まれている。
図１１に示される一実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは別個に製造され、次いでシリコン基板上に接合される。デバイスはワイヤボンディングを使用して接続され、機械加工されたガラスカバーなどの保護層によって保護される。保護カバーは電気絶縁体であるため、接続ワイヤがカバーに接触している場合がある。次いで、シリコン基板上に接合されて、密閉して封止された空洞を形成する。空洞内に閉じ込められた酸素を低減又は回避するために、この操作は、真空下、又は少なくとも乾燥空気条件下で操作されるべきである。
図１２に示される別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、同じ基板上に製造され、次いでシリコン基板上に接合される。デバイスは、機械加工されたガラスカバーなどの保護層によって保護される。
図１３に示される別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、図１１及び図１２に示されるデバイスと同様の方法で製造される。しかしながら、この実施形態では、シリコン基板をエッチングして、シリコン基板内にＳＡＷタグ及びアンテナ装置を配置及び凹状に、すなわち、シリコン基板の上面のすぐ下で少なくとも部分的又は完全に凹状にすることを可能にする。結果として、保護層は、ガラスプレート又はシートなどの平面カバーを含むことができる。
図１４に示される別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、シリコン基板上に直接製造される。シリコン基板上でのデバイスの直接製造には、シリコン基板で材料を除去及び追加するための適切なパターニングを伴う、エッチング及び堆積技術が含まれ得る。各デバイスは、例えば適合したシリカマークを使用して、独立して保護層で覆われている。
図１５に示される別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、シリコン基板上に直接製造される。しかしながら、各デバイスは、ガラスカバープレートなどの基板全体の保護層で覆われている。
図１６に示される更に別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、シリコン上に製造され、ＳＡＷタグは、例えば、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３上で製造され、次いで、シリコン基板上に組み立てられて接合される。ＳＡＷタグセンサ及びそのアンテナは、機械加工（エッチング）されたシリカプレートで保護できる。
他の実施形態では、複数のセンサをＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３基板上に製造し、次いで、シリコン基板内に接合又は埋め込むことができる。フリップチップの技術を利用して、シリコン基板上に取り付けられたデバイスを構築することもできる。アンテナは、シリコン基板上に直接製造され、続けてアンテナの近くでＳＡＷタグをフリップチッピングすることによって、ワイヤボンディングに起因する望ましくない寄生容量又は自己インダクタンスを低減することができる。ＳＡＷタグの後面はプラズマなどの処理環境にさらされるが、前面にはさらされないため、フリップチップアプローチの使用はアプリケーションと互換性があり得る。
センサ及び／又はアンテナを含むデバイスは、シリコン基板などの半導体基板上に製造することができるが、他の材料及び基板も考えられる。基板は、絶縁体、導体、又は半導体であり得る。基板は、デバイス、特に半導体又は他の電子デバイスの任意の材料部分又は構造を含むことができ、例えば、半導体基板などのベース基板構造、又は薄膜などのベース基板構造上の若しくはそれをオーバーレイする層であってもよい。基板は、従来のシリコン基板、又は半導体材料の層を含む他のバルク基板であってもよい。本明細書で使用される「バルクｗ基板」という用語は、シリコンウエハーだけでなく、シリコンオンサファイア（「ＳＯＳ」）基板及びシリコンオンガラス（「ＳＯＧ」）基板、ベース半導体基盤上のシリコンのエピタキシャル層、並びにシリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、及びリン化インジウムなどの他の半導体又は光電子材料などの、シリコンオンインシュレータ（「ＳＯＩ」）基板も意味し、且つ、含む。基板は、ドープされていてもドープされていなくてもよい。従って、基板は、任意の特定のベース構造、下層又は上層、パターン付き又はパターンなしに限定されることを意図しておらず、むしろ、任意のそのような層若しくはベース構造、並びに層及び／又はベース構造の任意の組み合わせを含むと考えられる。
センサはプラズマ動作中に動作する必要があり得るため、これらの実施形態は、真空環境でプラズマを生成するために使用される無線周波数（ＲＦ）電磁場を考慮することができる。ＲＦ動作は、低ＭＨｚ周波数（例えば、１ＭＨｚ）から超短波（ＶＨＦ）動作（例えば、１００ＭＨｚ）の範囲に及び得る。プラズマの非線形挙動の結果として、励起周波数の高調波が生成されるため、４３４ＭＨｚ中心及び２．４５ＧＨｚ中心のＩＳＭ帯域に近い周波数で、ＳＡＷタグセンサの動作に影響を及ぼす可能性がある。それに対応するために、信号フィルタリングを使用して、検出された信号への高調波の影響を排除することができる。一例として、ＲＦ励起周波数が約１３．５６ＭＨｚである場合、プラズマの結果としての高調波成分は、２．４５ＧＨｚ領域内（及びより一般的には２ＧＨｚ超）で相対的には重要ではない。しかしながら、ＲＦ励起周波数がより高くなると、高調波成分がより重要になり、センサの動作に影響を及ぼす場合がある。たとえ２ＧＨｚを超える動作に対応する良好な条件でも、ＲＦフィルタリングを使用して、プラズマ源に起因する不要な寄与を全て取り除くことができ、発明者は、特に、プラズマ出力が７０ワット（Ｗ）を超える場合に、アクティブなプラズマ条件でＳＡＷデバイスの監視に成功することを観察した。例えば、ＲＦフィルタリングは、５０Ｗを超えるプラズマ電力条件に使用できる。
前述のように、上記では、いくつかの実施形態による、電子デバイス製造における特性をリアルタイム感知するための装置を説明している。電子デバイス製造システムは、プラズマを含んでも含まなくてもよい気相環境で、２００ｍｍ又は３００ｍｍ基板などの基板を処理できる半導体デバイス機器を含むことができる。半導体製造では、プラズマを使用して、基板上への材料の堆積、又は基板からの材料のエッチングを支援できる。堆積若しくはエッチングのいずれか、又は堆積とエッチングとの両方のためのプラズマ処理システムの例を以下に説明し、図１７Ａ～１７Ｄに示す。
図１７Ａ～図１７Ｄは、プロセスガスのプラズマ励起を容易にするために使用できるいくつかのプラズマ処理システムを提供する。図１７Ａは容量性結合プラズマ（ＣＣＰ）システムを示し、プラズマは上部プレート電極（ＵＥＬ）と下部プレート電極（ＬＥＬ）との間の基板に近接して形成され、下部電極は、基板を支持及び保持する静電チャック（ＥＳＣ）としても機能する。プラズマは、無線周波数（ＲＦ）電力を少なくとも１つの電極に結合することにより形成される。図１７Ａに示されるように、ＲＦ電力は、上部電極と下部電極との両方に結合され、電力結合は異なるＲＦ周波数を含んでもよい。あるいは、複数のＲＦ電源が、同じ電極に結合されてもよい。更に、直流（ＤＣ）電力が、上部電極に結合されてもよい。
図１７Ｂは、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）システムを示し、プラズマは、誘導要素（例えば、平面状、又はソレノイド／ヘリカルコイル）と下部プレート電極（ＬＥＬ）との間の基板に近接して形成され、下部電極は、基板を支持及び保持する静電チャック（ＥＳＣ）としても機能する。プラズマは、無線周波数（ＲＦ）電力を誘導性結合要素に結合することにより形成される。図１７Ｂに示されるように、ＲＦ電力は、誘導要素と下部電極との両方に結合され、電力結合は異なるＲＦ周波数を含んでもよい。
図１７Ｃは、表面波プラズマ（ＳＷＰ）システムを示し、プラズマは、スロット付き平面アンテナと下部プレート電極（ＬＥＬ）との間の基板に近接して形成され、下部電極は、基板を支持及び保持する静電チャック（ＥＳＣ）としても機能する。プラズマは、マイクロ波周波数の無線周波数（ＲＦ）電力を、導波管及び同軸線を介してスロット付き平面アンテナに結合することにより形成される。図１７Ｃに示されるように、ＲＦ電力は、スロット付き平面アンテナと下部電極との両方に結合され、電力結合は異なるＲＦ周波数を含んでもよい。
図１７Ｄは、リモートプラズマシステムを示し、プラズマは基板から離れた領域に形成され、リモートプラズマ源から基板に近接する処理領域への荷電粒子の搬送を妨げるように配置されたフィルタによって基板から分離される。基板は、基板を保持する静電チャック（ＥＳＣ）としても機能する下部プレート電極（ＬＥＬ）によって支持される。プラズマは、無線周波数（ＲＦ）電力を、遠隔に位置する領域に隣接するプラズマ生成デバイスに結合することにより形成される。図９Ｄに示されるように、ＲＦ電力は、リモート領域に隣接するプラズマ生成装置と下部電極との両方に結合され、電力結合は異なるＲＦ周波数を含み得る。
図示されていないが、図１７Ａ～図１７Ｄのプラズマ処理システムは、処理チャンバの内面を保護するためにコーティングされて交換可能な部品設計を含む、他の構成要素を含むことができる。そのような部品には、処理環境を取り囲み、問い合わせ器と計装された基板との間の信号交換を潜在的に妨害する、堆積シールド、バッフルプレートアセンブリ、閉じ込めシールドなどが含まれ得る。
図１７Ａ～図１７Ｄのプラズマ処理システムは、記載された段階的イオン／ラジカルプロセスを実施するための様々な技術を例示することを意図している。説明したシステムの組み合わせと変形との両方を含む他の実施形態も考えられる。
以下の特許請求の範囲では、従属項の制限のうちのいずれかは、独立項のうちのいずれかに従属する場合がある。
前述の説明では、処理システムの特定の形状、及びそこで使用される様々な構成要素及びプロセスの説明など、特定の詳細を説明してきた。しかしながら、本明細書の技術は、これらの特定の詳細から逸脱する他の実施形態で実施することができ、そのような詳細は説明のためのものであり、限定のためのものではないことを理解されたい。本明細書に開示の実施形態の説明は、添付図面を参照しながら行った。同様に、説明の目的で、完全な理解を提供するために、特定の番号、材料、及び構成が示されてきた。それにもかかわらず、そのような特定の詳細なしで、実施形態を実施することができる。実質的に同じ機能的構成を有する構成要素は、同様の参照記号によって示され、従って、任意の冗長な説明は省略され得る。
様々な実施形態の理解を支援するために、様々な技術が、複数の個別の動作として説明されてきた。説明の順序は、これらの動作が必ず順序に依存することを意味すると解釈されるべきではない。実際に、これらの動作は表示の順序で実行される必要はない。説明された動作は、説明された実施形態とは異なる順序で実行されてもよい。追加の実施形態では、様々な追加の動作を実行することができ、及び／又は説明した動作を省略することができる。
本明細書で使用される「ワークピース」、「基板」、又は「ターゲット基板」は、一般的に、本発明に従って処理されている物体を指す。基板は、デバイス、特に半導体又は他の電子デバイスの任意の材料部分又は構造を含むことができ、例えば、半導体ウエハー、レチクルなどのベース基板構造、又は薄膜などのベース基板構造上の若しくはそれをオーバーレイする層であってもよい。従って、基板は、任意の特定のベース構造、下層又は上層、パターン付き又はパターンなしに限定されず、むしろ任意のそのような層若しくはベース構造、並びに層及び／又はベース構造の任意の組み合わせを含むと考えられる。説明では特定の種類の基板を参照している場合があるが、これは説明のみを目的とするものである。
また、当業者であれば、本発明の同じ目的をなおも達成しながら、上記で説明した技術の動作に対して多くの変形を行い得ることを理解するであろう。そのような変形は、本開示の範囲に含まれることが意図されている。従って、本発明の実施形態の前述の説明は、限定されることを意図したものではない。むしろ、本発明の実施形態に対する任意の限定は、以下の特許請求の範囲に提示される。

Claims (19)

  1. 工業用製造装置内の特性をリアルタイム感知するための装置であって、
    製造システムの処理環境内に取り付けられた第１の複数のセンサであって、各センサが異なる領域に割り当てられており、前記製造システムの前記割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視する、第１の複数のセンサと、
    （１）第１の要求パルス信号を前記第１の複数のセンサに送信することであって、前記第１の要求パルス信号が第１の周波数帯域に関連付けられている、ことと、（２）前記製造システムの割り当てられた各領域における前記物理的又は化学的特性の変動のリアルタイム監視を提供する前記第１の複数のセンサから一意に識別可能な応答信号を受信することと、を含む、単一の高周波問い合わせシーケンスを使用して、前記第１の複数のセンサを同時に且つ無線で問い合わせるように構成された構成要素を有するリーダーシステムと、を備え、
    前記第１の複数のセンサが、前記第１の周波数帯域で動作している各センサからエコーされる前記応答信号間の衝突なしに前記の同時の問い合わせを可能にする設計規則に従って前記第１の周波数帯域で動作可能にされ、
    各センサは、表面波を励起してその後検出するための櫛形トランスデューサと、表面波を回折して前記櫛形トランスデューサに向けて反射し戻す１つ以上の反射器グループとを含み、前記１つ以上の反射器グループが、前記櫛形トランスデューサからの波伝播経路に沿って所定の距離だけ離間されている、装置。
  2. 前記製造システムは、半導体製造システム、又は非半導体製造システムを含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記製造システムは、半導体デバイス、フォトニックデバイス、発光デバイス、光吸収デバイス、又は光検出デバイスの製造を容易にする、請求項２に記載の装置。
  4. 前記製造システムは、金属、半金属、非金属、ポリマー、プラスチック、セラミック、又はガラス若しくはガラス状のワークピースの製造を容易にする、請求項２に記載の装置。
  5. 前記製造システムの前記処理環境内に配置されるワークピースを更に備え、前記第１の複数のセンサが前記ワークピース上に取り付けられている、請求項１に記載の装置。
  6. 複数の、一意に定義された周波数帯域に割り当てられた複数のセンサグループを更に備え、前記複数のセンサグループが、前記第１の周波数帯域に割り当てられた前記第１の複数のセンサを含む、請求項１に記載の装置。
  7. 各センサは、表面弾性波（ＳＡＷ）遅延線デバイスを含み、基板が、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、又はＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４を含む、請求項１に記載の装置。
  8. 前記物理的又は化学的特性は、温度又は温度差を含む、請求項１に記載の装置。
  9. 前記櫛形トランスデューサは、各センサと前記リーダーシステムとの間で信号を送信及び受信するための少なくとも１つのアンテナに結合される、請求項１に記載の装置。
  10. 各センサの前記１つ以上の反射器は、２つ以上の別個のエコーインパルス応答の列を呈する時間領域で、インパルス応答信号を生成するように配置されている、請求項１に記載の装置。
  11. 前記１つ以上の反射器グループは、前記櫛形トランスデューサの同じ側部上に配置されている、請求項１に記載の装置。
  12. 前記第１の周波数帯域のスペクトル範囲が１００ＭＨｚ未満である、請求項１に記載の装置。
  13. 前記単一の高周波問い合わせシーケンスには、時間分解励起信号でセンサに問い合わせ、受信したエコー信号を時間領域で処理すること、又は周波数変調励起信号でセンサに問い合わせ、受信したエコー信号を周波数領域で処理することが含まれる、請求項１に記載の装置。
  14. 前記リーダーシステムは、
    前記第１の周波数帯域外の周波数の信号を取り除く第１の無線周波数（ＲＦ）フィルタを更に備える、請求項１に記載の装置。
  15. 前記処理環境は気相プラズマ環境を含む、請求項１に記載の装置。
  16. 前記第１の周波数帯域は、プラズマ励起周波数の高調波周波数を除外するように定義される、請求項１５に記載の装置。
  17. 工業用の前記製造システムは、エッチングシステム、堆積システム、めっきシステム、洗浄システム、アッシングシステム、熱処理システム、リソグラフィコーティングシステム、又は研磨システムである、請求項１に記載の装置。
  18. 工業用の前記製造システム上、又は工業用の前記製造システム内に取り付けられた第２の複数のセンサであって、各センサが、異なる領域に割り当てられていて、前記システムの前記割り当てられた領域の物理的又は化学的特性を監視する、第２の複数のセンサを更に備え、前記第２の複数のセンサが、各センサからエコーされる前記応答信号間の衝突なしに前記の同時の問い合わせを可能にする設計規則に従って第２の周波数帯域で動作可能にされる、請求項１に記載の装置。
  19. 工業用の前記製造システムに存在する前記環境から各センサを絶縁するために、前記第１の複数のセンサを覆う保護層を更に備える、請求項１に記載の装置。
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