TWI484870B

TWI484870B - 電漿未受局限現象的偵測系統

Info

Publication number: TWI484870B
Application number: TW098103697A
Authority: TW
Inventors: John Pease; Seyed Jafar Jafarian-Tehrani
Original assignee: Lam Res Corp
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2015-05-11
Also published as: US20090151871A1; KR101496498B1; TW200948210A; JP2011515790A; SG187528A1; JP5584630B2; WO2009100343A3; US9074285B2; WO2009100343A2; CN101926233A; KR20100110359A; CN101926233B

Description

電漿未受局限現象的偵測系統

本發明係關於電漿處理，尤有關於在電漿處理期間偵測電漿未受局限現象之偵測系統。

電漿處理系統已長久使用於加工基板(如半導體晶圓)以製作積體電路。電漿可在不同的電漿處理系統中產生，如電子迴旋加速器共振(ECR,electron-cyclotron-resonance)電漿處理系統、感應耦合電漿(ICP,inductively-coupled plasma)處理系統、或電容耦合電漿(CCP,capacitive coupled plasma)處理系統。在許多情況下，將電漿限制在電漿處理系統之處理腔室內之特定區域(如正在被加工之基板的正上方區域內)可提供某些益處。

為方便討論，圖1顯示電漿腔室100之例子，在處理期間，電漿腔室100內之電漿受到限制。考慮其中之情形，例如，基板124係置於電極110上，此電極乃安裝於與腔室102相連接之支座120上。穿過支座120內部而將電極110連接至遠端電源供應器114，如射頻(RF,radio frequency)功率產生器。當腔室102內之壓力達到期望程度時，處理氣體150(可為化學品混合物)可經由入口104被通入腔室102，此腔室內之壓力可經由泵(未顯示)來降低。為了加工基板124，電極110可將來自於電源供應器114之功率與處理氣體150電容耦合以形成電漿106。通常藉由一組限制環108使電漿106包含在腔室102之期望區域中。在基板加工期間，來自電漿106之氣體(其可包含來自於處理氣體150之化學成分混合物、由在電漿106內之反應所形成之化學成分、及由加工基板124而來的化學副產物)在經由排氣口126被排出腔室102之前，可流經限制環108及非電漿腔室容積128。此路線係由路徑136表示，且該路線通常導致腔室102內部被暴露於高度反應性的氣體中，甚至當電漿106受到控制時亦如此。

然而，在基板124之加工期間，電漿106可能意外地或不受控制地自腔室102內之控制區域遷離。換言之，非受限制電漿138可在限制環108外面之腔室102之一區域內形成。非受限制電漿138之生成係非期望，因為非受限制電漿138可能以會導致下列至少其中一者發生之方式而改變處理電漿106之品質：嚴重地降低在基板124上的成效、損壞腔室102、及損壞支座120或其分支系統。例如，基板124可能因蝕刻速率或沉積速率的改變而受到損害且/或因受到微粒缺陷或因非受限制電漿138而產生之元素污染所污染而受到損害。處理腔室102及/或支座120可能因例如暴露於非受限制電漿138所致之腔室材料之沖蝕或腐蝕而遭受實體損壞。此外，處理腔室102之元件可能遭受電氣損壞，因為非受限制電漿138可能改變電漿功率經由腔室而回復至接地之路徑。在一個例子中，來自於電源供應器114之電漿功率可能經由並非被設計用來傳輸電漿功率之腔室元件而回復至接地。

由上述可察知，電漿未受局限現象可由許多不同之因素所造成。例如，若電漿變得不穩定，則電漿可能變為非受限制。在另一個例子中，若電弧作用在處理腔室中發生，則可能發生電漿未受局限現象。在又另一個例子中，若製程參數(如電漿電源、電漿組成、氣體供應流量、操作壓力等)變動，則電漿可能變為非受限制。

再者，電漿未受局限現象的發生為偶發性且不可預料。不可預料之理由之一為非受限制電漿可能具有不同形態。此外，在基板加工時電漿未受局限現象可能具有之特殊效應通常無法預料，因為非受限制電漿顯現多變且不可預料之形態。例如，非受限制電漿可能具有低密度或高密度。在另一例子中，被非受限制電漿佔據之空間可為大或小。在又另一例子中，非受限制電漿可為穩定電漿或為變動、偶發性電漿。甚至在腔室內之非受限制電漿之位置也可能在處理期間改變。

已有許多方法用來偵測電漿未受局限現象。一方法包含：利用通常具有多個電極之靜電探針(如電壓電流探針(VI probe)或Langmuir探針)以偵測電漿未受局限現象。在一例子中，Langmuir型探針(可為未受保護之電極(通常由金屬製成))可暴露在腔室環境中。Langmuir型探針一般會被施加電性偏壓，如此當探針暴露於電漿時，直流電可從電漿流至探針的電極。例如，Langmuir型探針122被設置於期望電漿限制區域外之電漿環境中。利用電流偵測器148，可偵測在Langmuir型探針122上通過電源供應器118之DC電流變化。此外，DC電源供應器(未顯示)可用來施加偏壓於探針上。

然而，Langmuir型探針之操作需求(即電極未受保護且存在與電漿之DC電氣接觸)會限制Langmuir型探針在偵測電漿未受局限現象之效用。此外，由於電漿未受局限現象之不可預測性，當基板正在被加工時，Langmuir型探針可能必須連續運作才能生效。然而，連續使用可能導致Langmuir型探針之未受保護之電極暴露於通常在電漿處理期間存在於腔室中之化學物種之混合物。化學物種之混合物(其包含被供給用以加工基板之化學品、產生於處理電漿中之新化學物種、及在基板加工期間形成之化學副產品)一般包含腐蝕成分及沉積成分，其可能會有害地影響Langmuir型探針適當運作的能力。

在一例子中，腐蝕成分(如氯、氟、及溴等等)可能導致Langmuir型探針無法適當地運作，例如失去及時且/或準確偵測電漿未受局限現象的功能。此外，受腐蝕的電極可能成為微粒缺陷及/或金屬污染的來源，其可間接損壞正在被加工之基板。在另一例子中，混合物的沉積成分(如無機SiOx基副產品及有機CFx基聚合物)可能導致電氣絕緣薄膜生成於探針之電極上；因此，此薄膜可能干擾所需之電漿-電極DC接觸，因而阻礙探針準確且/或及時感測到電漿的存在。由上述可察知，Langmuir型探針在偵測電漿未受局限現象上可能並不理想。

已使用另一方法來識別在處理期間基板之偏壓變化，以偵測電漿未受局限現象。參考圖1，當由電源供應器114所提供之功率與電漿反應器100內之電漿106互相作用時，可能於基板124上產生偏壓。典型地，可安裝一感測器140(例如於電極110中)，以在處理期間直接量測基板124上之偏壓，而一偏壓偵測器144可用來比較偏壓與臨界值(threshold)。因此，當電漿106之特性因非受限制電漿138而受到改變時，感測器140可用來量測偏壓，而偏壓偵測器144可用來偵測偏壓之改變。

此外，或者，藉由量測與基板偏壓相關之參數變化可間接偵測偏壓之變化。例如，當基板偏壓因非受限制電漿138而改變時，由電源供應器114供給至電極110以維持一電漿106之功率也可能改變。因此，可利用RF功率偵測器142來監控被供給至電漿106之功率以偵測電漿未受局限現象。

然而，監控偏壓以偵測電漿未受局限現象的效用係受限於在偵測因電漿未受局限現象而引起的偏壓變化上的困難。當利用較高頻率產生器(如60MHz)產生一電漿時，偵測偏壓之改變會特別困難。由較高頻率產生器所產生之偏壓小，且由於電漿未受局限現象通常發生於較低功率位準，故由DC偏壓信號之微小變化來偵測電漿未受局限現象可能有困難或無法達成。因此，此技術之效用有限，因為無法可靠地偵測電漿未受局限現象。

在又另一先前技術方法中，可利用一光學感測器來偵測電漿未受局限現象。熟悉本技藝者察覺電漿通常會發出光。因此，可使用一光學感測器來偵測由非受限制電漿所發出之光。在一例子中，參考圖1，可將光學感測器132裝設於毗鄰透明窗130之處，該透明窗130具有進入期望進行監測之腔室102之區域(在此標示為一通道134)內的視線。因此，當電漿106變成非受限制時，由非受限制電漿138而來的光進入通道134且可能經由透明窗130而被光學感測器132偵測到。在偵測光時，光學感測器132可傳送出信號給光學信號偵測器146，若此信號高於先前設定之臨界值，光學信號偵測器146可提供一警報，表示已偵測到非受限制電漿138。

然而，使用光學感測器以偵測電漿未受局限現象在某些情況下可能為不足的，因為難以偵測由非受限制電漿138所發出的光。這是因為由非受限制電漿138所發出的光明顯比由處理電漿106所發出的光來得暗。此外，將光學感測器安置於腔室外面可能難以經由透明窗『看見(seeing)』此光，因為反應性化學品可能使透明窗較不透明。換言之，反應化學品可能導致一薄膜層被沉積在透明窗130上，因而明顯地降低被光學感測器偵測到之光的總量及/或品質。再者，光學感測器之利用性取決於在處理環境中取得觀察入口；然而，在所有可能必須被監測之位置上設置透明窗及/或觀察通道並非永遠可行。

在一實施例中，本發明係關於一種在電漿腔室之電漿處理環境內偵測電漿未受局限現象的配置。此配置包含一實施於電漿腔室內及電漿限制區域外之感測器。感測器可在電漿未受局限現象之期間產生暫態電流。此配置亦包含可將感測器與電漿腔室之室壁電氣絕緣之絕緣體。此配置更包含一導電接點，以使一電線、導線、或導體穿過絕緣體與感測器電氣連接。此配置亦包含經由附接於導電接點上之導體而與感測器電氣連接之偵測電路。在判定暫態電壓信號是否大於臨界值(此判定可定義電漿未受局限現象何時發生)之前，偵測電路乃用來將暫態電流轉換成暫態電壓信號並自暫態電壓信號移除雜訊。此配置亦包含用以包圍至少一部分導體之屏蔽以至少減少由導體接收到的電磁雜訊(例如RF雜訊)。

上述之總結僅與在此揭露之本發明之眾多實施例中之一個以上有關且並不限制本發明之範圍，本發明之範圍乃於申請專利範圍中提出。以下將在本發明之詳細說明及相關附圖中，對本發明之上述及其他特徵詳加說明。

本發明現在將參照一些較佳的實施例及舉例性附圖詳細地敘述。為了要提供本發明之全面性的了解，許多的具體的細節會在接下來的敘述中提出。然而對熟悉本技藝者，本發明在沒有這些具體細節的情況下仍可實施。在其他情況下，為了避免不必要地混淆本發明，熟知的製程步驟及/或結構並未詳細地描述。

各種實施例乃描述於下文中，包含方法與技術。應記住本發明亦可涵蓋包含電腦可讀媒體之製品，於電腦可讀媒體上存入電腦可讀指令以執行本發明技術之實施例。例如，電腦可讀媒體可包含用以儲存電腦可讀碼之半導體、磁性的、光磁性的、光學的、或其他形式之電腦可讀媒體。再者，本發明亦可涵蓋用以實施本發明之實施例之設備。上述之設備可包含專屬及/或可程式化電路以實行與本發明之實施例相關之作業。上述設備之例子包含可被適當程式化之一般用途電腦及/或專用計算裝置，且可包含適用於與本發明之實施例相關之各種作業的電腦/計算裝置及專用/可程式化電路之組合。

如上所述，在電漿處理期間，被建構之元件的品質取決於被限制在電漿腔室之特定區域內(如正在被加工之基板的正上方區域內)之電漿。然而，電漿可能變成非受限制且自期望處理區域遷離。在電漿腔室中，非受限制電漿之生成極不適宜，因為處理電漿的品質可能會改變而導致成效問題(例如嚴重地降低在基板上的成效)及/或損壞硬體(例如損壞處理腔室或支座)。偵測非受限制電漿之先前技術方法受限於各種不同的原因，包含但不限於：關鍵感測器元件之腐蝕及/或在關鍵感測器元件上之電氣絕緣薄膜沉積，及較差的信號-雜訊特性。

本發明之某些實施例係關於電漿未受局限現象之偵測系統。例如，依據本發明之一個以上之實施例，偵測系統可包含非受限制電漿感測器，如電容型感測器。非受限制電漿感測器對於典型電漿處理環境之腐蝕與沉積不敏感或本質上不受影響。非受限制電漿感測器亦可在電漿處理期間連續運作而不使元件良率下降。再者，當電漿未受局限現象發生時，非受限制電漿感測器可產生一清晰且強健之信號。此外，非受限制電漿感測器可靈活地設置於處理腔室內。

偵測系統亦可包含一偵測電路，以將從非受限制電漿感測器接收到的電流信號轉換成電壓信號，並阻絕信號中的雜訊。偵測電路可包含一電阻-電容(RC)濾波器，此濾波器包含數個用來過濾廣範圍頻率之雜訊的串接濾波級。RC濾波器具有一簡單結構，不需要在濾波級之間實施緩衝配置。有益地，具有最小結構、製造、及維修成本之RC濾波器可有效地阻絕雜訊以提供用來判定非受限制電漿之存在的高保真度信號。

偵測系統亦可包含用來包圍至少一部分導體的屏蔽，此導體連接非受限制電漿感測器與偵測電路。有益地，由導體接收到的電磁雜訊本質上可被減少或抑制，而由非受限制電漿感測器提供之電流信號可在最小干擾及污染下被傳送。

偵測系統亦可包含用以在偵測電路上(及非受限制電漿感測器電路)執行測試之自我測試機構，以確保能精確偵測非受限制電漿。自我測試機構可執行測試而不中斷電漿處理系統之操作，偵測系統乃實施於此電漿處理系統中。有益地，非受限制電漿可被精確地偵測而不損害製造生產力。

本發明之某些實施例係關於設有用以偵測電漿未受局限現象之偵測系統的電漿處理系統。

透過附圖與下述討論將使本發明之特徵及優點更容易理解。

依據本發明之實施例，圖2顯示在電漿處理期間之電漿腔室200之簡單示意圖。電漿腔室200可包含一電極210(例如，電容型感測器)，其被實施在期望能偵測電漿未受局限現象之區域內。換言之，此區域在電漿限制區域214外面。在一例子中，以使得電極210之外表面暴露於非受限制電漿(如非受限制電漿212)之方式安裝電極210。

因為電漿固有之特性，暴露於電漿的表面可能因為與較重電漿成分(如分子離子)互相作用之較輕電漿成分(如電子)在速度上的差異而形成電荷。因此，當電極210暴露於非受限制電漿212時，電極210之外表面可能遭受充電過程。依據非受限制電漿212之特定特性，電極210外表面可充負電或正電。通常，因為充電過程可能僅發生直到電極210之外表面已達到與非受限制電漿212平衡之電荷量為止，故充電程序為一暫態程序。

當外表面之暫態充電過程正在發生時，一具有相反電性之暫態電荷可被感應生成於電極210內。暫態電荷可藉由轉換器電路222轉變成暫態電壓信號。可利用低通濾波器224以自暫態電壓信號移除雜訊。在一例子中，藉由通過低通濾波器224來移除高頻成分(如高頻雜訊)而使暫態電壓信號得到改善。在一實施例中，為了能更進一步將暫態電壓信號精製(refine)成一調節信號，可利用一組共振LC濾波器226並封鎖特定頻率，如那些典型用來產生電漿之頻率。接著可發送調節信號至臨界值偵測器228，其用以比較調節信號與事先設定之臨界值。若調節信號大於先前設定之臨界值，臨界值偵測器228可產生警報，表示已偵測到非受限制電漿，從而採取適當行動(例如，可關掉電漿且停止加工基板)。

圖3A顯示在本發明之一實施例中，電容型感測器之具體實現。如圖2所述，一電容型感測器302可實體上安裝於電漿腔室之腔室壁318上。在一實施例中，電容型感測器302可包含至少兩元件：一電氣絕緣外層308及一導電基板304。在一實施例中，電容型感測器302藉由絕緣體316而與安裝表面電氣絕緣。當暫態電荷因非受限制電漿而產生時，暫態電流可被傳送至導電接點314，其藉由電氣接點306與導電基板304相連接。暫態電荷可經由導線310被傳送至偵測電路(未顯示)，導線310可藉夾具312而固定於導電接點314。

在一實施例中，導電基板304可由導電材料製成。在一例子中，導電基板304可由金屬(如鋁、銅、銀、金、鐵基(Fe-based)等等)或金屬組合/合金所製成。在另一實施例中，導電基板304可由半導體材料製成，例如高摻雜矽。在又另一實施例中，導電基板304可由導電陶瓷材料(如矽碳化物)或導電陶瓷之組合物所製成。在又另一實施例中，導電基板304可由一導電聚合物所製成。在一例子中，導電聚合物可為一包含導電『填料(filler)』之有機聚合物。在另一例子中，導電聚合物可為有機聚苯胺基(polyaniline-based)聚合物或有機聚苯胺基聚合物之混合物。在又另一實施例中，導電基板304可由非導電聚合物所製成。在又另一實施例中，導電基板304可由導電無機聚合物所製成，例如導電矽酮。在又另一實施例中，導電基板304可由任何或所有上述之導電材料之組合所製成。

在一實施例中，電氣絕緣外層308可由電氣絕緣材料所製成，在一例子中，電氣絕緣外層308可由一種SiO₂ (例如石英或玻璃)、陶瓷(如Al₂ O₃ )、工業用聚合物(如PTFE、聚醯亞胺、矽酮(silicone)等等)、一種電漿製程副產品之聚合物(如CFx基聚合物)、或任何或所有上述之材料之組合所製成。

再者，電氣絕緣外層308可由與用於電漿腔室內之化學品及電漿的混合物相容之電氣絕緣材料所製成，感測器乃裝設於電漿腔室中。在一例子中，電鍍鋁係為普遍可發現於典型電漿蝕刻腔室內(如圖1所示)之材料，因為電鍍鋁相對於典型用來加工基板之化學品係為惰性。換言之，由電鍍鋁製成之非受限制電漿感測器可與電漿處理相容，因為電鍍鋁對電漿環境相當不敏感，且電鍍鋁不會成為金屬或微粒污染之來源。

在另一實施例中，電氣絕緣外層308可由導電基板304生成。在一例子中，為電氣絕緣外層308之特徵的電鍍鋁可由鋁基板所生成。在另一例子中，電氣絕緣外層308可由沉積在導電基板304上的薄膜所生成。此薄膜可藉由多種常見的沉積技術而被沉積，沉積技術包含化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、濺鍍等等。在又另一例子中，電氣絕緣外層308可藉由多種常見的塗佈技術(如熱噴霧法、燒結、熱接合等等)而被塗佈在導電基板304之上。

電氣絕緣外層308之厚度可依絕緣材料的種類而有所不同。在一實施例中，電氣絕緣外層308之厚度必須夠厚，以使導電基板304電氣絕緣，同時當電容型感測器302被暴露於電漿時，此電氣絕緣外層之厚度仍能使適當的電容產生，以生成在偵測電路中可偵測到的可量測電壓。在一實施例中，此薄膜之厚度範圍為10~100微米。

由上述可察知，塗佈在導電基板304上之電氣絕緣外層之數量可變更，只要電氣絕緣外層組可將導電基板304與暴露在非受限制電漿中的感測器之外表面324電氣絕緣。為了說明，圖3C顯示在本發明之實施例中具有兩層電氣絕緣外層320及322的電容型感測器302之橫剖面例。在一例子中，可將電氣絕緣外層322塗佈在電氣絕緣外層320上，以作為製作電容型感測器302之一部分。在此例子中，電氣絕緣外層320可成為『中間黏著層(intermediate glue layer)』，以增進電氣絕緣外層322在導電基板304上之附著性。在另一例子中，電氣絕緣外層320可具有熱膨脹係數，此熱膨脹係數在電氣絕緣外層322之熱膨脹係數及導電基板304之熱膨脹係數之間。此熱膨脹係數可使電容型感測器302對於因熱循環效應而產生的破裂或剝落更具有抵抗性。

在第三個例子中，電氣絕緣外層322可表示已形成在電氣絕緣外層320上的一層沉澱物，由於電氣絕緣外層暴露於當基板正在被加工時存於處理腔室中之反應氣體中。因為電容型感測器302可如電容器般運作，電容型感測器302對於在感測器表面上形成之額外層不敏感。不像Langmuir型探針，電氣絕緣外層之形成並不抑制感測器偵測非受限制電漿的能力。

回到圖3A，絕緣體316、導電接點314、及夾具312之特定組合可為特殊應用而定製，或可由任何數目之工業用真空饋通裝置或其元件所取代。

因此，電容型感測器302可以許多不同的方式安裝於腔室中。在一實施例中，如圖3A所示，可將電容型感測器302安裝於緊鄰腔室壁318之處。在另一個實施例中，電容型感測器302可與腔室壁318齊平。在又另一實施例中，可將電容型感測器302安裝於遠離腔室壁318之處(例如在桿棒或支座的末端上)。

在一實施例中，電容型感測器302可成形成任何幾何形狀。由上述可察知，電容型感測器302之形狀可依據製造者的偏好，或依據安裝位置。在一實施例中，如圖3B所示，電容型感測器302可為長方形『釦狀物(button)』，其x及y方向之尺寸約為1英吋而厚度z為0.05英吋。在另一個實施例中，電容型感測器302可為環形(如一環部)以組成在環境內之其他元件，如一環形支座或一環形腔室。通常，敏感度和探針與非受限制電漿(其可能不會佔據整個外部容積)接觸的表面面積成比例。因此，較大探針可能提供較大信號，但也可能捕獲更多雜訊。再者，非常大的探針可能會有擾亂正常電漿製程的風險，例如，改變RF電流返回路徑。因此，感測器的形狀與尺寸可依據製造者的偏好並考慮上述所討論之原則。

如上所述，一旦暫態電流已被產生，暫態電流可被傳送至偵測電路以測定非受限制電漿之存在。

在本發明之實施例中，圖4A顯示電容型感測器及偵測電路之範例電氣模型。單元402顯示電容型感測器之範例電路模型。電容型感測器之外表面(被暴露於電漿之表面)由極板404所表示。電容器406及408各表示可出現於電容型感測器之導電基板上的電氣絕緣外層。由上述可察知，在導電基板上之額外層可在電氣模型中被表示成額外電容(反之亦然)。在一實施例中，在導電基板上的電氣絕緣外層組之電容係為主要電容。換言之，因電漿沉積產物而形成之層的額外電容相對於偵測器之外層電容為大，因為在串聯中最小的電容係為主要電容。通常，典型的薄膜電容值約為0.1nF/平方公分表面面積。

單元410、420、及430一起顯示偵測電路之範例電路模型。單元410顯示電流-電壓轉換器(即電路轉換器)模型之例。電流-電壓轉換器係用來將由電荷所產生之暫態電流(因極板404暴露於電漿)轉換成暫態電壓。在一例子中，跨越電容器406及408而形成之暫態電流(因為暴露於電漿)可經由電阻器414流至電氣接地416，因而將暫態電流轉換成暫態電壓信號，此暫態電壓信號可於點412被讀取。在一實施例中，電阻器414之數值可為1~100k歐姆。在一個以上之實施例中，具有回授電阻器之運算放大器(op-amp)可將暫態電流轉換成暫態電壓。一個以上之實施例可利用有適當偏壓之電晶體來將暫態電流轉換成暫態電壓。一個以上之實施例可利用變壓器來將暫態電流轉換成暫態電壓。

產生於點412之暫態電壓信號接著可被調節以改善信號-雜訊特性。在一實施例中，暫態電壓信號可通過一低通濾波器電路，如顯示於單元420之範例電路。在一實施例中，單元420可包含但不受限於：一電阻器422，連接至一電容器424，其連接至一接地426。元件422及424之組合乃用來自暫態電壓信號移除高頻成分。在一實施例中，電阻器422之數值為100歐姆而電容器424之數值約為100nF。

在一實施例中，暫態電壓信號之信號-雜訊特性可藉由使暫態電壓信號通過一組共振LC濾波器(如出現於單元430中之兩範例)而進一步得到改善。第一LC濾波器可包含一與電容器434並聯之電感器432。同樣地，第二LC濾波器可包含一與電容器438並聯之電感器436。利用共振LC濾波器組，暫態電壓信號可藉由選擇性地封鎖已知及/或預期之頻率而加以改善。例如，若一處理電漿由兩個別的RF產生器(其在不同頻率運作，如13.56MHz及27MHz)供給電力，由暴露於電漿之電容型感測器產生之暫態電壓信號可包含兩種頻率。

因為這些頻率的大小可能會干擾暫態電壓信號的偵測，故共振LC濾波器組可用來封鎖這些頻率。在一例子中，與電容器434並聯之電感器432可封鎖13.56MHz成分，而與電容器438並聯之電感器436可封鎖28MHz成分。典型地，被封鎖之頻率類型可為被普遍利用之頻率類型(例如，2、27及60MHz)。然而，共振LC濾波器組並不限制於僅能封鎖上述之頻率，而可封鎖任何頻率及/或某個範圍內之頻率(例如，200kHz~200MHz)。由上述可察知，可封鎖之頻率類型可依據使用者之偏好。

一旦暫態電壓信號已被過濾，調節信號可產生於點440。在一實施例中，調節信號(即共振LC濾波器單元430之輸出)可被傳送至臨界值偵測器(未顯示)。臨界值偵測器可比較調節信號與事先設定之臨界值以測定是否已發生電漿非受限制事件。

或者，可實施偵測電路，如圖4B所顯示。如圖4B所示之偵測電路與圖4A之偵測電路類似，除了存在一額外的電容器418。在一實施例中，電容器418可實施於單元410之電流-電壓轉換器中。因為在單元402之電容型感測器有時可能會發生短路，電容器418可保護偵測電路之下游元件(即單元420、430、臨界值偵測器等等)不受損壞。在一實施例中，電容器418之數值約可為100nF。在一例子中，若電容型感測器之外層組開始損壞，以使電容型感測器之電氣絕緣特性受到危及，在單元402中之模型電容器406及408由在電容型感測器(即極板404)及偵測電路元件(其連接至單元410中之點412)之間的直接電氣連接加以取代，此偵測電路亦可能發生短路且被損害。然而，利用電容器418，可避免在電漿與偵測元件之間的直接連接，從而避免偵測電路被損害。此外，即使電容器418由於短路情況而暴露於非受限制電漿，仍可偵測到所產生之暫態電壓信號與未發生短路之感測器相關聯之暫態電壓信號不同。因此，臨界值偵測器能夠區分兩種暫態電壓信號且甚至能夠判斷電容型感測器已受損害。

依據本發明之一個以上之實施例，圖5顯示用以在電漿處理腔室200(或電漿腔室200)中偵測電漿未受局限現象之系統500的示意圖。系統500可提供比上述所討論之有關圖2與圖4之實施例更進一步之改善及優點。

例如，系統500能夠避免可能因DC電壓上升(build-up)而引起的漏電引發(leakage-induced)錯誤及崩潰(breakdown)。系統500亦可併入自我測試功能/特性以確保能精確偵測電漿未受局限現象而不損害生產力。系統500亦可隔離感測器接地及偵測接地以便於區別信號與雜訊(例如共模雜訊)。系統500亦可利用一相當低成本之濾波機構以有效地過濾廣範圍頻率之雜訊。系統500亦可以適應性的方式來調整濾波及偵測機構，因此系統500可為了電漿處理之各種不同構造及製程配方而被最佳化。系統500亦可輔助各種電漿未受局限現象之研究與分析。

與圖2所討論之實施例相似，系統500可包含一感測器210(或電極210)、一轉換器584、一濾波器586、及一偵測器588。然而，以一新穎且非顯而易見之方式，系統500可能不需要在圖2及圖4之實施例中所需之共振LC濾波器。系統500亦可包含一用以連接感測器210及轉換器584之屏蔽導體582(例如屏蔽電線)。屏蔽導體582、轉換器584、濾波器586、及偵測器588、及相關的特徵及優點會在有關圖6、7、8之實施例中更進一步地討論。

依據本發明之一個以上之實施例，圖6為闡明在系統500中之感測器210、屏蔽導體582、及轉換器584之示意圖。在這些元件之中，感測器210已在關於圖2之實施例中討論。

屏蔽導體582可包含用以連接感測器210及轉換器584之導體600。導體600可有一低電容(或高特性阻抗)，用以傳送來自關於非受限制電漿之感測器210之低頻脈衝至轉換器584。屏蔽導體582亦可包含包圍至少一部分導體600之屏蔽692。藉由接地608及接地604，屏蔽692在其兩端為電氣接地。接地608可位於感測器210附近且在信號本質上被傳送通過導體600之前。屏蔽692可為藉由導體600而被傳送之信號提供遮蔽。一般而言，若導體600不受遮蔽，導體600可充當能發射並接受電磁能量之天線，因此，會降低期望信號之強度並接受外部信號，因而引起干擾與雜訊。有益地，屏蔽692可避免信號強度損失且可遮蔽信號免於外部的干擾及雜訊。

轉換器584可具有與圖2之實施例中所討論之元件相似的元件，如電容器418、電阻器414、及接地416。此外，系統500可包含差動耦合(differentially coupled)於電阻器414兩端之電阻器612及602，用以抑制共模雜訊。電阻器612及602亦可用來量測電壓信號。

系統500亦包含分洩電阻器(bleeding resistor)662，用以避免DC電壓上升(build-up)，從而避免轉換器584之漏電引發錯誤(leakage-induced error)及崩潰(breakdown)。與系統500中之其餘的電路相比，分洩電阻器662具有高阻抗，以使分洩電阻器662不過度負載欲被量測之信號。然而，分洩電阻器662之阻抗可低到足以使DC電壓保持在可接受之數值以下以避免DC電壓上升(build-up)。例如，分洩電阻器662之阻抗約為百萬歐姆(mega ohm)之等級。

系統500亦可包含一自我測試機構。例如，系統500可包含自我測試電流源650，經由串聯電容器668及串聯電阻器606連接至節點412。自我測試電流源650可提供節點412一信號(如自我測試脈衝)以測試轉換器584、濾波器586等等之一個以上之電路。自我測試電流源650可具有高阻抗以使電流源650、串聯電容器668、及串聯電阻器606不使節點412過度負載(load down)。串聯電容器668之電容約為奈米法拉(nano farad)之等級。串聯電阻器606之阻抗約為千歐姆(kilo ohm)之等級。注入節點412之自我測試脈衝可具有一種以上之與非受限制電漿有關之信號一致的特性，例如上升時間。串聯電容器668可為用以調整自我測試脈衝之可變電容器。在另一實施例中，具有隔離信號開關(isolating signal switch)之緩衝波形產生器可用來產生並注入自我測試信號至節點412。

在系統500中，可利用複合接地。例如，接地604可經由支架而連接至框架接地(frame ground)；接地416可經由另一支架而連接至另一框架接地。一般而言，框架接地為在形成機器(如電漿處理系統)之框架或外殼之金屬片上的接地點。支架可保持分離且/或在支架中間可具有高阻抗以使支架不會彼此耦合。

依據本發明之一個以上之實施例，圖7顯示在系統500中之濾波器586的示意圖。濾波器586可經由作為輸入電阻器之差動耦合(differentially coupled)電阻器612及602以連接至轉換器584(參考圖6之討論)。濾波器586可包含一個以上之電阻-電容(RC)濾波器。該一個以上之RC濾波器可具有一廣範圍之頻率響應，因此能夠有效地抑制廣範圍頻率之雜訊。

在圖7之實施例中，實施四級RC濾波器，然而不同的級數可用於不同之實施例中。此四級RC濾波器可被串接且/或可獨立作業。濾波器586之四級可具有相同的結構。例如，級738可包含分流電容器(shunt capacitor)700及708，用以將電磁雜訊(例如RF雜訊)分別分流至接地706及接地716。接地706及接地716可連接至相同的框架接地(frame ground)或不同的框架接地。在一個以上之實施例中，接地706及716可為連通且共用相同的接地線。接地706及接地716之接地線可不同於在圖6之實施例中所顯示之接地604及接地416所利用之接地線。由於電磁雜訊被分流至接地706及716，可廣泛地抑制雜訊且可提供高保真度之信號。

級738亦可包含一電容器702。電容器702可導致短路且可減弱經由差動耦合電阻器612及602所接收之差模RF信號，以進一步改善濾波器586之輸出信號。

可以級數修改RC濾波之效用。利用一簡單結構，可在實質抑制高頻雜訊(例如在400KEz有100dB之雜訊抑制)之情況下充分提供低頻信號(例如，約為KHz之等級)之優越的脈衝保真度。級數可決定抑制量。例如，每一級可提供約20dB/每十倍頻(decade)之抑制。

RC濾波電路可設計成在最低期望頻率(例如電漿處理腔室200(顯示於圖5之實施例)可運作之最低頻率)提供雜訊衰減。因此，高於最低期望頻率的雜訊可被抑制。利用RC配置，濾波器586不需要為了基頻及諧頻而選擇特定的電感及電容值。相對地，上述之選擇通常為共振LC濾波器所需。再者，在濾波器586中之RC電路一般對於共振不靈敏，且不需要在不同級之間裝設緩衝器配置即可被串接。相對地，緩衝器通常為LC共振濾波器所需。因此與使用LC配置之濾波器之相關成本相比，濾波器586之相關設計、實施、及維護成本相對較低。

由濾波器586提供之過濾信號可在節點752及754被接收以作為差動放大器778之輸入。差動放大器778可具有高阻抗輸入(例如約為百萬歐姆之等級)，其可容許使用阻抗值約為100K歐姆等級之高阻抗電阻器，如電阻器612、602、714及704。差動放大器778亦可提供一增益以放大過濾信號，以便於非受限制電漿之偵測。差動放大器778可與類比信號接地768連接以提供信號偵測及調節電子元件的基準。濾波器586及差動放大器778之組合在極廣頻率範圍內具有高共模抑制比(CMRR,common-mode rejection ratio)。此組合亦具有陡峭的轉降(roll-off)以抑制具有高斯形態之差模高頻雜訊以維持脈衝保真度。

依據本發明之一個以上之實施例，圖8顯示在系統500中之偵測器588之示意圖。偵測器588可包含一微處理器850，用以處理由差動放大器778所提供之信號(例如信號890)。信號890可驅動數個(交替的)輸入信號至微處理器850。

例如，信號890可藉由接線800供給至微處理器850之類比/數位(A/D)轉換器898。因此，A/D轉換器898可將信號890轉換成一數位信號。處理器850可處理及/或分析數位信號以偵測及/或研究電漿未受局限現象。

信號890可藉由接線880供給至峰值偵測器882以量測剩餘之高頻雜訊之峰值。剩餘雜訊之峰值可用來調整系統500之比較器802及812的臨界值。有益地，用來偵測電漿未受局限現象之臨界值的設定可被最佳化，且可避免錯誤觸發。

信號890亦可供給至正比較器802及負比較器812中至少其一，以偵測正非受限制電漿耦合及負非受限制電漿耦合中至少其一。在一個以上之實施例中，正及負非受限制電漿耦合兩者皆可被偵測。比較器802及812之輸出信號可供給至微處理器850，以做進一步之分析。AND閘804可用來決定由比較器802及812供給之信號之任一者是否為有效。若來自比較器802及812之信號中至少一者為有效，AND閘804會觸發微處理器850以啟動計時器。若兩信號皆非有效，計時器會停止且會評估累積時間以測定關於信號890之脈衝寬度。

若脈衝寬度大於預先設定之臨界值(例如，約為500微秒~1毫秒之等級)，則可判定非受限制電漿存在。因此，微處理器850可通知主機裝置860非受限制電漿之存在。接著主機裝置860可採取適當動作以因應非受限制電漿之存在，如中止在電漿處理腔室200(顯示於圖5之實施例)中的電漿處理。

若脈衝寬度小於另一臨界值，微處理器850可判定有雜訊且可激發一雜訊指示。因此，可進一步細微調校系統500以消除對雜訊之寄生響應。

各種與信號890之脈衝有關的特性(如強度、極性等等)可被微處理器850紀錄以供各種現象之分析。

微處理器850(或主機860)亦可提供自我測試信號808以測試轉換器584、濾波器586等等之電路系統中至少其一，而不阻礙或中斷腔室200之運作。

系統500亦可包含用來為比較器802及812設置臨界值之數位/類比(D/A)轉換器852。可以適應性之方式設置臨界值以因應雜訊指示且/或可依據使用者/客戶之需求設置臨界值。

在一個以上之實施例中，可使用強大的處理器(替代微處理器850)來執行用以處理信號890之數位信號處理演算法。因此，可能不需要峰值偵測器882、正比較器802、及負比較器812等等。

在一個以上之實施例中，由峰值偵測器882、比較器802及/或比較器812所提供之類比信號可利用類比裝置來分析，以判定是否存在任何非受限制電漿，而不需要數位微處理器850。

由上述可察知，本發明之一個以上之實施例設置用以偵測非受限制電漿之非受限制電漿感測器。由於具有保護非受限制電漿感測器之導電基板之電氣絕緣外層組，非受限制電漿感測器乃受到保護而免受電漿環境，從而使非受限制電漿感測器執行但不因關鍵感測器元件之腐蝕及/或在感測器之導電基板上之電氣絕緣薄膜沉積而遭受性能衰退。藉由能夠從電壓信號濾出外來雜訊的偵測電路可使此電壓信號具有更高品質；從而提供臨界值偵測器一清晰信號，由此信號可判定電漿未受局限現象。此外，可採取適當的動作以因應電漿未受局限現象。有益地，可避免因反覆的電漿未受局限現象而引起對晶圓及電漿處理裝備之損害，且加工良率可被最佳化。

某些實施例可提供有關信號保真度及裝備保護之進一步改良及優點(具有較低成本)。例如，本發明之實施例可遮蔽信號傳送路徑，以維護信號強度及使外部雜訊之效應最小化。本發明之實施例可使DC電壓上升(build-up)減至最小，從而降低/避免由漏電引發(leakage-induced)之錯誤及元件損害。本發明之實施例亦可利用簡單RC濾波器之具體實現，其可抑制廣範圍頻率之雜訊。有益地，可使偵測系統之具體實現及維護成本最小化，且雜訊可被有效地過濾，偵測電漿未受局限現象之準確性可達到最大。

本發明之實施例亦提供自我測試特性以便於非受限制電漿偵測系統的疑難排解，而不中斷晶圓製程。有益地，晶圓製程可被最佳化以防範電漿未受局限現象而不損害生產力。

儘管本發明已參照數個較佳實施例敘述，在本發明之範圍內仍有修改、置換、及等效設計。亦應注意本發明有許多可供選擇之實施方法與設備。再者，本發明之實施例在其他應用中可為實用。摘要部分乃為便利而提供於此，由於字數限制因而以極簡略形式書寫，不應該用來限制申請專利範圍。因此將下述附加的申請專利範圍解釋為包含在本發明之精神及範圍內之所有此類修改、置換、及等效設計。

100．．．電漿反應器

102．．．腔室

104．．．入口

106．．．電漿

108．．．限制環

110．．．電極

114．．．電源供應器

118．．．電源供應器

120．．．支座

122．．．Langmuir型探針

124．．．基板

126．．．排氣口

128．．．非電漿腔室容積

130．．．透明窗

132．．．光學感測器

134．．．通道

136．．．路徑

138．．．非受限制電漿

140．．．感測器

142．．．RF功率偵測器

144．．．偏壓偵測器

146．．．光學信號偵測器

148．．．DC電流偵測器

150．．．處理氣體

200．．．電漿腔室

210．．．電極

212．．．非受限制電漿

214．．．電漿限制區域

222．．．轉換器電路

224．．．低通濾波器

226．．．共振LC濾波器

228．．．臨界值偵測器

302．．．電容型感測器

304．．．導電基板

306．．．電氣接點

308．．．電氣絕緣外層

310．．．導線

312．．．夾具

314．．．導電接點

316．．．絕緣體

318．．．腔室壁

320．．．電氣絕緣外層

322．．．電氣絕緣外層

324．．．感測器之外表面

402．．．單元

404．．．極板

406．．．電容器

408．．．電容器

410．．．單元

412．．．點

414．．．電阻器

416．．．電氣接地

418．．．電容器

420．．．單元

422．．．電阻器

424．．．電容器

426．．．接地

430．．．單元

432．．．電感器

434．．．電容器

436．．．電感器

438．．．電容器

440．．．點

500．．．系統

582．．．屏蔽導體

584．．．轉換器

586．．．濾波器

588．．．偵測器

600．．．導體

602．．．電阻器

604．．．接地

606．．．串聯電阻器

608．．．接地

612．．．電阻器

650．．．自我測試電流源

662．．．分洩電阻器

668．．．串聯電容器

692．．．屏蔽

700．．．分流電容器

702．．．電容器

704．．．電阻器

706．．．接地

708．．．分流電容器

714．．．電阻器

716．．．接地

738．．．級

752．．．節點

754．．．節點

768．．．類比信號接地

778．．．差動放大器

800．．．接線

802．．．正比較器

804．．．AND閘

808．．．自我測試信號

812．．．正比較器

850．．．微處理器

852．．．數位/類比轉換器

860．．．主機裝置

880．．．接線

882．．．峰值偵測器

890．．．信號

898．．．類比/數位轉換器

本發明乃經由實施例而非限制例而在附圖之圖式中加以說明，其中相同參考標號表示相同元件。

圖1顯示一先前技術電漿處理腔室之例子，在處理期間，電漿係受限於此腔室中；圖1闡明目前用以偵測電漿未受局限現象之策略。

依據本發明之一個以上之實施例，圖2顯示在電漿處理期間之電漿腔室之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖3A顯示電容型感測器之具體實現之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖3B顯示長方形電容型感測器之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖3C顯示具有兩層電氣絕緣外層的感測器之橫剖面之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖4A顯示非受限制電漿偵測配置之電路之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖4B顯示在非受限制電漿偵測配置中之電路之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖5顯示用以在電漿處理腔室中偵測電漿未受局限現象之系統之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖6顯示在圖5之實施例所闡明之系統中之感測器、屏蔽導體、轉換器之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖7顯示在圖5之實施例所闡明之系統中之濾波器之示意圖。

依據本發明之一個以上之實施例，圖8顯示在圖5之實施例所闡明之系統中之偵測器之示意圖。

200．．．電漿反應器