JP7357191B2 - 製造装置における特性の低干渉でのリアルタイム感知 - Google Patents

製造装置における特性の低干渉でのリアルタイム感知 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、「ＲＥＤＵＣＥＤ ＩＮＴＥＲＦＥＲＥＮＣＥ，ＲＥＡＬ－ＴＩＭＥ ＳＥＮＳＩＮＧ ＯＦ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ ＩＮ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ」と題する２０１８年６月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／６８６，１０４号明細書の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願はそ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。より具体的には、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）の製作では、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、真空条件下で、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、プラズマ反応器内に形成される。その上、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、したがって所定条件（例えば、チャンバ圧力、ガス流量など）下で特定のガスのセットが選択されて、チャンバ内で実行されている特定のプロセス（例えば、基板から材料が除去されるエッチングプロセス、又は基板に材料が追加される堆積プロセス）に好適な荷電種及び化学反応種の集団が生成される。
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、生産中のデバイスの品質を判定する場合に、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して、システムの状態と、生産中の製品の状態とに関する誤った結論を防止することができる。例えば、プラズマ処理システムを継続的に使用することにより、プラズマ処理性能が徐々に劣化し、最終的にはシステムが完全に故障することにつながり得る。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。より具体的には、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、製造プロセス中に特性をリアルタイム感知するための装置について記載されている。感知システムは、処理チャンバ内に取り付けられるように構成されたセンサであって、処理チャンバは、処理環境を少なくとも部分的に取り囲み包囲する構造を有し、センサは、処理チャンバの特定の領域に割り当てられて、チャンバ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、センサと、高周波問い合わせシーケンスを使用して、無線でセンサに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であって、高周波問い合わせシーケンスは、（１）指定された周波数帯域に関連付けられた要求パルス信号をセンサに送信すること、及び（２）チャンバの割り当てられた領域における物理的又は化学的特性の変化をリアルタイムで監視するセンサから一意に識別可能なセンサ応答信号を受信することを含む、リーダーシステムと、を含む。処理チャンバの構造により、要求パルス信号の送信の直後にリーダーシステムによって受信される干渉応答信号が生成され、センサは、その構造からの干渉応答信号の持続時間を超える遅延時間だけ、センサ応答信号を遅延させるように設計されている。
当然のことながら、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、任意の好適な順序で実施され得る。加えて、本明細書における様々な特徴、技術、構成等の各々が本開示の様々な場所で説明されている場合があるが、それら概念の各々は、互いに独立して又は互いに組み合わされて実行され得ることが意図される。それに応じて、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。
この概要のセクションは、本開示又は特許請求の範囲に記載される本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、この概要は、異なる実施形態と、従来技術に対する新規性に関する対応点とについての、予備的な考察のみを提供する。本発明及び実施形態の更なる詳細及び／又は予想される観点については、読者は、以下で更に議論されるような、本開示の発明を実施するための形態セクション及び対応する図面を参照されたい。
一実施形態による、工業用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の概略図を示す。 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。 センサ問い合わせ中の応答信号を示す。 一実施形態による、表面弾性波（ＳＡＷ）センサの代表図を示す。 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。 別の実施形態による、ＳＡＷタグセンサの代表図を示す。 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。 更に別の実施形態による、ＳＡＷタグセンサの代表図を示す。 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。 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。 一実施形態によるアンテナを示す。 一実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 別の実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 別の実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 別の実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 別の実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 更に別の実施形態による、基板上にセンサを製作する方法を示す。 様々な実施形態による、エッチング方法を実施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感知するための装置及び方法について記載されている。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であって、各センサが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する、複数のセンサと、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と、を含む。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、及び（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して、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に記載され示されている。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）であって、各センサ２Ａ、２Ｂが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する、第１の複数のセンサ２Ａ、２Ｂと、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リーダーシステム１２０と、を含む。問い合わせシーケンスは、（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、を含むことができ、第１の複数のセンサは、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。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内に構成することができ、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方向付けられた温度制御要素を含むことができる。代替として、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装着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、リソグラフィ塗布システム、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、センサシステムを内部に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、内部に装着された基板が露出する環境に応じて、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／又は腐食環境における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は、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％以上、又は２～３％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は温度又は温度差を含むことができ、温度によるエコードリフトが、最大で１００ｎｓ（１００ｎｓを含む）の範囲である、又は０ｎｓである。温度の最大変動は、最大で２００Ｋの範囲であり得る。温度感知について説明してきたが、他の物理的及び化学的特性も考えられる。
以下でより詳細に説明するように、各センサは、表面波を励起してその後に検出するための櫛形トランスデューサと、表面波を回折させ櫛形トランスデューサに向けて反射させて戻す１つ以上の反射器グループとを含み、１つ以上の反射器グループは、波伝搬経路に沿って櫛形トランスデューサから所定の距離だけ離隔されている。櫛形トランスデューサは、圧電基板の表面上に形成された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つ以上の離隔された金属線の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において、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未満、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、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、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、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以上、又は５０ｐｐｍ－Ｋ－１以上、又は７５ｐｐｍ－Ｋ－１以上、又は１００ｐｐｍ－Ｋ－１以上の遅延温度係数（ＴＣＤ）を呈し得る。
述べたように、各センサの１つ以上の反射器を、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においてインパルス応答信号を生成するように構成することができる。各センサの１つ以上の反射器は、第１の時間遅延範囲においてリーダーシステムによって受信される、各センサに対する第１のエコーインパルス応答、及び第２の時間遅延範囲においてリーダーシステムによって受信される、各センサに対する第２のエコーインパルス応答を生成するように構成することができ、第２の時間遅延は、第１の時間遅延との間に挿入された第１のガード時間遅延の後に、第１の時間遅延に連続している。また、第１のガード時間遅延は、最大で２００ｎｓの範囲、又は１００ｎｓ～２００ｎｓの範囲にあり得る。
各センサの１つ以上の反射器を、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においてインパルス応答信号を生成するように構成することができる。また、各センサの１つ以上の反射器は、第３の時間遅延範囲においてリーダーシステムによって受信される、各センサに対する第３のエコーインパルス応答を生成するように構成することができ、第３の時間遅延は、第２の時間遅延との間に挿入された第２のガード時間遅延の後に、第２の時間遅延に連続している。第２のガード時間遅延は、最大で２００ｎｓの範囲、又は１００ｎｓ～２００ｎｓの範囲にあり得る。第１、第２、及び第３の時間遅延は、最大で５マイクロ秒の範囲にあり得る。
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における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における信号を排除するように設計できる。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生じる信号から３０ｄＢ超を又は更には４０ｄＢ超を排除することができる。
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上に又はその内部に取り付けることができ、各センサが異なる領域に割り当てられて、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と、受信機回路１４２と、サンプリング回路１４３と、メモリ１４４と、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と、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感知するための方法について記載されている。方法は図２に示されており、２１０において半導体デバイス製造システムの処理環境内において、複数のセンサが取り付けられたワークピースの位置決めをすることと、２２０においてグループの問い合わせのために、センサのグループを周波数帯域に割り当てることと、２３０における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に同時に且つ無線で問い合わせることであって、高周波問い合わせシーケンスは（１）指定された周波数帯域に関連付けられている要求パルス信号をセンサグループで指定された複数のセンサに送信すること、及び（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を含む、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で説明する。ウエハー型センサは、複数の温度測定センサがその上に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位置決めされている。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）手法のいずれかを含み得る、単一を含む１つ以上の高周波問い合わせシーケンスを用いて、ＳＡＷセンサに同時に問い合わせできるように設計された遅延線に基づき得る。後者では、周波数変調連続波手法は、周波数空間又は波数空間において情報を畳み込み及び畳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整合させるか又は実質的に整合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又はほぼ等しい持続時間にて時間分解される（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、動作範囲及び条件の全てにおいて、いかなるパルス重畳をも回避されるようにセンサ応答を時間的にシフトさせて、いくつかのセンサが衝突なしで同時に問い合わせされ得るように設計することができる。
一般化の制限なしに、一例として、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が可能になり得る。衝突することなく問い合わせできるセンサの数は、シフトされた周波数帯域を使用することによって大幅に増やすことができ、このシフトは、所与の帯域における１つのセンサセットの問い合わせが別の帯域におけるエネルギーと結合する程度を弱くし、且つリーダー受信ステージにてフィルタを使用して現在使用されている帯域をフィルタリングすることにより、すなわち帯域内の信号のみが受信及び処理されることを可能にすることにより、いかなるクロスカップリングをも防止するように行われる。このフィルタリング操作はまた、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の適用中の信号処理を、特に、発明者が観察したような、プラズマ励起が数十ワットを超えた場合に、改善することを可能にする。
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、アンテナはセンサ場所の上に接合され、ＲＦ信号の受信及び放射、並びにセンサ表面保護の両方を可能にする。上述したように、ウエハー型センサは、以下の特徴のうちの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／信号重畳なしでいくつかのセンサに問い合わせできるようにシフトさせた同様の時間応答を有する、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。
カット角及び結晶方位について言及する又はそれらに関する、本明細書で提供される情報は、圧電気に関する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らのものである（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）。シリコンのデータ（質量密度及び弾性／熱弾性定数）、並びに溶融石英（シリカ）及びアルミニウムのデータは、Ｌａｎｄｏｌｔ－Ｂｏｒｎｓｔｅｉｎに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（例えば、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と戻って来る波の遅延τを以下のように定義する。
τ＝Ｌ／Ｖ＝Ｌ／（λ ｆ） （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））であり、α１ （１）は、一次熱膨張係数である。ΔＬ／Ｌ＝Δλ／λ≒α１ （１）（Ｔ－Ｔ０）と仮定すると、以下を実証できる。
Δτ／τ＝－（Δｆ／ｆ） （４）
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は、表面波を励起及び検出するための櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）に基づくＳＡＷタグと、波伝搬経路に沿って置かれ、波を回折させてトランスデューサに向けて送り返す反射器グループと、を使用する温度測定を含む。上記の考慮事項は共振器ベースのセンサに成り立つが、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タグ用途で使用されるＬｉＮｂＯ３カットの場合（（ＹＸｌ）／１２８°又は（ＹＺ）カットであり得る）、ＴＣＦは古典的には、［－８０；－９０］ｐｐｍ－Ｋ－１の範囲にある。ＴＣＤ値は、温度に起因する最大遅延変動として、最大で１００ｐｐｍ－Ｋ－１の値範囲にわたり得る。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て、測定プロセス中に、いかなる信号重畳（衝突）をも回避し、明確で効率的な区別を防止できる。
様々な実施形態によれば、製造プロセス中に特性をリアルタイム感知するための装置について記載されている。上記のように、感知システムは、処理チャンバ内に取り付けられるように構成されたセンサであって、処理チャンバは、処理環境を少なくとも部分的に取り囲み包囲する構造を有し、センサは、処理チャンバの特定の領域に割り当てられて、チャンバ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、センサと、高周波問い合わせシーケンスを使用して、無線でセンサに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であって、高周波問い合わせシーケンスは、（１）指定された周波数帯域に関連付けられた要求パルス信号をセンサに送信すること、及び（２）チャンバの割り当てられた領域における物理的又は化学的特性の変化をリアルタイムで監視するセンサから一意に識別可能なセンサ応答信号を受信することを含む、リーダーシステムと、を含む。
しかしながら、図３Ａに示すように、処理チャンバの構造により干渉応答信号２５０が生成され、干渉応答信号２５０は、要求パルス信号の送信の直後にリーダーシステムによって受信される。処理チャンバ内に取り付けられたセンサに効果的に問い合わせるために、センサは、構造からの干渉応答信号２５０の持続時間を超える遅延時間２６０だけセンサ応答信号を遅延させるように設計され、その結果、１つ以上のセンサからのエコー信号２５１、２５２を、構造からの干渉がより少なく受信できる。遅延時間２６０は、０．５ミリ秒（ミリ秒）以上、又は好ましくは１ミリ秒以上でなければならない。例えば、遅延時間は１～１．５ミリ秒の範囲でなければならない。
図３Ｂ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形トランスデューサ（ＩＤＴ）３０１を備えるＳＡＷタグセンサ３００の簡略図である。２つの遅延、τ１とτ２が互いに近いと仮定すると、基本的な設計規則は、２つの対応するエコーのオーバーラップを回避するように設計されたセンサを含み得る。その目的において、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、及び遅延線の動作に関連する。実際には、ＳＡＷタグのインパルス応答におけるエコーの形状は、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（ｓｅｌｆ－ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）から生じることを考慮しなければならない。図３Ｂに示すように、センサ３００は、反射器３０２をトランスデューサ３０１から一定距離３６０だけ離隔させて設計することができ、これにより、構造干渉を軽減させるのに十分な量だけ、問い合わせ信号への応答が遅れる。表面弾性波に関する分散関係から位相速度を決定することが、所望の遅延時間２６０と併せて、センサ３００の設計において距離３６０についてのガイダンスを提供し得る。
ＬｉＮｂＯ３（ＹＸｌ）／１２８°で設計及び製作されたＳＡＷタグの場合、７０μｍのアパーチャを考慮すると、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、一般化する理由から、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、これは、スペクトルが上記の値に打ち勝つことを回避するための、３０回の振動での最小長をもたらす。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（一方で、１５フィンガーペアＩＤＴを使用してエネルギーを最大値で結合させるには、すなわちトランスデューサと励起スペクトルとを最善でオーバーラップさせるには、約６ｎｓだけが必要である）、これにより、自己畳み込みの長さは２４ｎｓに等しくなり、これは、図３では便宜上２５ｎｓとしている。
上記の２つのエコーを再度参照すると、温度範囲全体においてエコーのシグネチャのいかなるオーバーラップをも回避するために、エコー間の最小持続期間を設定することができる。１００℃の温度変動が、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。したがって、２つのセンサが２００℃の温度差にさらされた場合、２つのエコー間の遅延は、最小で、名目上の最長遅延（例えば、τ１＜τ２と仮定した場合はτ２）の２％に、１つのエコーの最大時間拡散である２５ｎｓを加えたもの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を超えないので、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、上記の規則から、τ１が４６５ｎｓの最大遅延（すなわち、５００－１０－２５ｎｓ）に対応すると推測される。この例題は、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場合に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。
したがって、例として、１５個のセンサに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、センサの最初のエコーは全て最小で、τ０に、３５ｎｓに遅延範囲１５を乗じたものを加えたもの（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、センサセットに問い合わせ、応答を読み取ることが保証される。最後のセンサの最初のエコー（最後に「回答」するセンサの最初のエコー）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、２つの「最初の」エコー間の遅延、すなわち前述の３５ｎｓ、に打ち勝つことができ、そうでなければ、最初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は困難である。この遅延は典型的には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回避するのに十分に長い遅延差を提供し、且つ、波の伝搬に起因する損失を最小限に抑えるのに十分に短い波経路をもたらすことができる（１０－２ｄＢ／λは、（ＹＸｌ）／１２８°ＬｉＮｂＯ３表面上の損失パラメータとして典型的である場合があり、これは理論的な及び実験的なＳＡＷタグ応答を比較する時に実証される）。
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すると、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個のセンサのグループを、４個含むことができる。図４Ａ～図４Ｄは、ピークのシーケンスを明らかにするために重ね合わされた、１６個のセンサのグループの典型的な応答を示し、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における最初の３つのエコーの拡大を参照）を含む。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、合計の実際の効果を示すために、遅延線の時間領域応答のうちの１つを重ね合わせている。例えば、ベースラインは増加しており、このことは、信号対雑音比は減少するが、システムの動作を防止するほどには十分に劣化していないことを意味する（図４Ｃに示すように）。
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セットを作製することで実現できる（４つの周波数帯域のうちの１つを加えて）。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。したがって、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をそれぞれシフトさせ、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。得られたスペクトル分布を図４Ｄに示し、各周波数帯域の明確な分離が可能になっている。結果として、各帯域に対して同じ（時間領域）エコー分布が保持され、それにより信号処理が簡略化される。なぜなら、周波数帯域（すなわち、問い合わせ器のローカル発振器）、並びに現在処理している帯域に対応するはずの受信フィルタのみをシフトさせればいいからである。
その結果、６５個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して（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して）、リーダーを放射モードに設定することと、ＲＦ問い合わせ信号をリーダーアンテナにローンチして、問い合わせ信号全体が放射された後（例えば、１５フィンガーペアＩＤＴに対して最大１５ｎｓであり、これは１５個の信号周期に、アンテナ寄与を適切に減衰させるための幾分の遅延を加算したものに相当する）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た信号を収集して（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つの帯域のスキャンが完了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、これにより所望の精度目標を満たすことが可能になるであろう。その観点では、実現された測定値に従ってセンサ応答を最適化するために、より具体的には、トランスデューサの性能を最適化するために、努力することができる。ＩＤＴの周期を変化させて、２．４～２．５ＧＨｚ帯域全体をカバーすること、及び反射器をわずかにシフトさせて、反射器が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すること、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５つのセクションに分割することができ（図５を参照；又は５つより多い若しくは少ない）、これに対して、１００ｎｍの金属厚さ（相対電極高さｈ／λが６％を超える）及び０．４５の金属比を考慮すると、機械的周期はそれぞれ、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。ＩＤＴは、ｐＩＤＴ１における第１の電極ペア、ｐＩＤＴ２において設定された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デバイスへの、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る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及び図６Ｂを参照）。一方、上記の留意点（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、センサ応答を最適化するために、反射器の一方の側に２つのグループを、反射器の他方の側に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、金属比を０．５５に設定して、それぞれ、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について報告する。
トランスデューサ内部での反射現象を低減させる又は最小限に抑えるために（単一の障害物上での反射係数が３％未満）、ＩＤＴにおいて、例えば０．４５の金属比を選択できる一方で、反射器の金属比を０．５５に設定して、５％に近い、単一の障害物上での反射係数をもたらすことができる。金属比は、例えば、０．４～０．６の範囲で変動し得る（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して、遅延線の３つのパルス（エコー）の全てを－２０ｄＢに近くすることで、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らにより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（Ｓ．Ｌｅｈｔｏｎｅｎ，Ｖ．Ｐ．Ｐｌｅｓｓｋｙ，Ｃ．Ｓ．Ｈａｒｔｍａｎｎ，ａｎｄ Ｍ．Ｍ．Ｓａｌｏｍａａ，“ＳＰＵＤＴ ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ２．４５ ＧＨｚ ＩＳＭ ｂａｎｄ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｕｌｔｒａｓｏｎ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒ．Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ５１，ｐｐ．１６９７－１７０３，２００４）。そこでは、ＩＤＴの一方の側に反射器が置かれ、その方向には、反対側よりも多くのエネルギーが放出される。
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、挿入損失が低減され、問い合わせ距離が増加し得る。同じ考慮分野において、ＳＡＷタグに対する純粋な剪断波の使用も考えられ、剪断波は、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。その中では、圧電膜は接合され薄くされるか又はシリコン上に転写されて、膜の下方にある基板中での放射損失なしで導波モードの励起（真の表面波）が可能になり（波はシリコン基板によってガイドされる）、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をそれぞれｆｒ及びｆａとすると、１－（ｆｒ／ｆａ）２が信頼できる推定を提供する）、及び最小で３％に等しい単一の障害物上での反射係数を示す。ＬｉＴａＯ３（ＹＸｌ）／３２°～（ＹＸｌ）／４８°上の、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）上の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剪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することができ、また、ＬｉＮｂＯ３（ＹＸｌ）／１２８°上のレイリー波、及びシリコン上の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剪断波が考えられる。
より一般的には、シリコン上に転写されたＬｉＮｂＯ３などの材料膜については、剪断波は、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。剪断波の好ましい解決策は、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）ためには、０°～２０°及び１４０°～１８０°の範囲の伝搬方向に対応する。根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、前述したように、大部分の結晶カットが、考慮した用途に使用できるので、これらの設計上の考慮事項は２次的な改善を可能にすることに留意されたい。
より一般的には、シリコン上に転写されたＬｉＴａＯ３などの材料膜については、剪断波モードは、－３０°～＋９０°の範囲の伝搬方向に活用できる。更に、ＴＣＦは、結合係数が３～８％の範囲である、－３０°～０°の角度範囲の温度センサに特に好ましい。好ましい実施形態によれば、結合係数を考慮する場合、カットは、ＴＣＦがほぼゼロである、（ＹＸｌ）／３６°に近くなり得る。この方位のファミリが、広範囲の特性の測定に考慮され得るが、温度については最適値には劣る。
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タグの一例を示す。装置７００は、櫛形トランスデューサ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の周波数帯域にて室温（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の周波数帯域にて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、最大で５０ミクロン、又は最大で３５ミクロンの範囲（例えば、厚さが１０～３５ミクロンの範囲）のアンテナ厚さが作製され得る。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、電気めっきを含む種々の堆積技術を使用して製作できる。
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、プラズマ化学物質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、保護されていない場合、デバイスはエッチングされ得る。したがって、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）を超える間、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の中に埋め込まれている。
図１１に示す一実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは別々に製造され、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、接続ワイヤはカバーに接触している場合がある。次いで、保護カバーはシリコン基板上に接合されて、気密封止された空洞を形成する。この操作は、空洞内に閉じ込められる酸素を低減させる又は回避するために、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に示す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に示す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に示すデバイスと同様の方法にて製作される。しかしながら、この実施形態では、シリコン基板がエッチングされて、ＳＡＷタグ及びアンテナ装置をシリコン基板内に位置決めすること及び凹部を作ること、すなわち、シリコン基板の上面の真下に少なくとも部分的に又は完全に凹部を作ることが可能になる。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に示す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作される。シリコン基板上へのデバイスの直接製作には、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に示す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作される。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に示す更に別の実施形態によれば、ＳＡＷタグ及びそのアンテナは、シリコン上に製作され、ＳＡＷタグは、例えば、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３上に製造され、次いで組み立てられてシリコン基板に接合される。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基板上に製作し、次いでシリコン基板に接合されるか又はシリコン基板内に埋め込むことができる。フリップチップの技術を活用して、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作され、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ことになるが、前面はさらされないので、フリップチップ手法の使用は用途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作することができる一方で、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、デバイスの、特に半導体デバイスの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であってもよく、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であってもよく、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。本明細書で使用する場合、「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、ベース半導体基板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。したがって、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す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ので、これら実施形態は、真空環境においてプラズマを生成するために使用される無線周波数（ＲＦ）電磁場を考慮し得る。ＲＦ動作は、低ＭＨｚ周波数（例えば、１ＭＨｚ）から超高周波（ＶＨＦ）（例えば、１００ＭＨｚ）の動作に及び得る。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、これが、４３４ＭＨｚ中心及び２．４５ＧＨｚ中心のＩＳＭ帯域に近い周波数において、ＳＡＷタグセンサの動作に影響を及ぼす可能性がある。これに対応するために、信号フィルタリングを用いて、検出される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）では相対的に重要ではない。しかしながら、より高いＲＦ励起周波数では、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あっても、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拒否することができ、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にてＳＡＷデバイスの監視に成功することを観察している。例えば、ＲＦフィルタリングを、５０Ｗを超えるプラズマ電力条件に用いることができる。
前述したように、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について記載している。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内で、２００ｍｍ又は３００ｍｍ基板などの基板を処理することが可能な半導体デバイス装置を含み得る。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の両方のためのプラズマ処理システムの例が以下に説明され、図１７Ａ～図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）電力を電極のうちの少なくとも１つに結合させることにより形成される。図１７Ａに示すように、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。代替として、複数のＲＦ電源が同じ電極に結合されてもよい。その上、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、平面コイル又はソレノイド／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）電力を誘導結合要素に結合させることにより形成される。図１７Ｂに示すように、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）との間において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させることにより形成される。図１７Ｃに示すように、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輸送を阻害するように構成されたフィルタによって基板から分離されている。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）によって支持されている。プラズマは、無線周波数（ＲＦ）電力を、離れて位置する領域に隣接するプラズマ生成装置に結合させることにより形成される。図９Ｄに示すように、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周波数を含んでもよい。
図示していないが、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、コーティングされた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、問い合わせ器と装着された基板との間の信号交換に場合によっては干渉する、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、記載された段階的なイオン／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。記載され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が、独立項のうちのいずれかに従属することが可能である。
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、特定の詳細について説明してきた。しかしながら、本明細書における技術は、これらの特定の詳細から逸脱する他の実施形態において実施されてもよく、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。本明細書で開示される実施形態について、添付の図面を参照して記載してきた。同様に、説明の目的で、詳細な理解を提供するために特定の数字、材料、及び構成について述べてきた。それにもかかわらず、そのような具体的な詳細なしで実施形態が実施されてもよい。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、したがって、冗長な説明は省略されている場合がある。
様々な実施形態の理解を支援するために、様々な技術を複数の個別の動作として説明してきた。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、提示した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、且つ／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ような「ワークピース」、「基板」、又は「ターゲット基板」は、本発明に従って処理される物体を総称して指す。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んでもよく、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、若しくはそれをオーバーレイする層であってもよい。したがって、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。本明細書では、特定の種類の基板を参照している場合があるが、これは単に例示を目的としたものである。
また、当業者であれば、本発明の同じ目的を達成しながらも、上記で説明した技術の動作に対してなされる多くの変形形態が存在し得ることを理解するであろう。そのような変形形態は、本開示の範囲に包含されることが意図される。したがって、本発明の実施形態の前述の説明は、限定す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 (18)

  1. 製造プロセス中に特性をリアルタイム感知するための装置であって、
    処理チャンバ内に取り付けられるように構成されたセンサであって、前記処理チャンバは、処理環境を少なくとも部分的に取り囲み包囲する構造を有し、前記センサは、前記処理チャンバの特定の領域に割り当てられて、前記処理チャンバ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、センサと、
    高周波問い合わせシーケンスを使用して、無線で前記センサに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であって、前記高周波問い合わせシーケンスは、（１）指定された周波数帯域に関連付けられた要求パルス信号を前記センサに送信すること、及び（２）前記処理チャンバの前記割り当てられた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センサから一意に識別可能なセンサ応答信号を受信することを含む、リーダーシステムと、を備え、
    前記処理チャンバの前記構造により干渉応答信号が生成され、前記干渉応答信号は、前記要求パルス信号の前記送信の直後に前記リーダーシステムによって受信され、
    前記センサは、前記構造からの前記干渉応答信号の持続時間を超える遅延時間だけ、前記センサ応答信号を遅延させるように設計されている、装置。
  2. 当該装置は、半導体製造システム、又は非半導体製造システムに使用される、請求項１に記載の装置。
  3. 当該装置は、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１に記載の装置。
  4. 当該装置は、金属、半金属、非金属、ポリマー、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１に記載の装置。
  5. 前記遅延時間は０．５ミリ秒（ｍ秒）を超える、請求項１に記載の装置。
  6. 前記遅延時間は１ｍ秒を超える、請求項１に記載の装置。
  7. 前記遅延時間は１ｍ秒～１．５ｍ秒の範囲にある、請求項１に記載の装置。
  8. 前記処理環境内に配置されるワークピースを更に備え、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。
  9. グループ化され、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を更に備え、前記複数のセンサのグループが、指定された前記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、請求項１に記載の装置。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 各センサは、表面波を励起してその後に検出するための櫛形トランスデューサと、表面波を回折させ前記櫛形トランスデューサに向けて反射させて戻す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は、波伝搬経路に沿って前記櫛形トランスデューサから所定の距離だけ離隔されている、請求項１に記載の装置。
  13. 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ている、請求項１２に記載の装置。
  14. 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において、インパルス応答信号を生成するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
  15. 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と同じ側に置かれている、請求項１２に記載の装置。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 当該装置は、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、又は研磨システムに使用される、請求項１に記載の装置。
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