TWI612852B - 用於電漿腔室之處理條件感測裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於量測用於處理工件之一電漿腔室中之一電漿處理參數的感測裝置，該感測裝置可包含一基板，該基板具有嵌入該基板中之一或多個感測器。該基板可具有由與在該電漿腔室中經電漿處理之工件大體上相同的材料製成的一表面。各感測器可包含由與該基板表面大體上相同的材料製成的一收集器部分。該收集器部分包含與該基板表面同水平的一表面。感測器電子器件嵌入該基板中且耦合至該收集器部分。當將該基板表面暴露至一電漿時，可用該(等)感測器量測自該電漿引起的一或多個信號。

Description

用於電漿腔室之處理條件感測裝置及方法
本發明一般係關於電漿處理系統，且更特定言之係關於用於對電漿處理系統中之電漿屬性進行原位量測的設備。
電漿處理經常用於修改或加工工件(諸如半導體晶圓、平板顯示器基板及微影遮罩)之表面。一電漿處理內之條件係經設計以產生離子、反應性化學物種(自由基)及高能的中性物種之一複雜混合物。此等材料之相互作用然後在該等工件表面上產生所要的效應。例如，電漿處理用於自半導體晶圓之表面蝕刻材料以便形成複雜的電氣元件及電路。謹慎地控制該電漿處理內之條件以產生所要的蝕刻方向性及選擇性。
一特定電漿所產生之表面修改係對該電漿內之許多基本參數敏感。此等參數包含如下此等變數：化學濃度(分壓)、溫度(表面與氣相兩者)及電氣參數(離子通量、離子能量分布函數)。一般可使用外部致動器(諸如質量流控制器(MFC)及伺服驅動的節流閥)輕易地控制許多此等參數(例如氣體濃度及壓力)。通常可經由安裝在處理工具上之感測器系統(例如熱電偶及光學發射光譜儀)觀察或量測其他重要的參數(例如溫度及自由基濃度)。最後一組重要參數(諸如離子通量及離子能量)係較難以直接控制或監控。
美國公開案第2005-0151544號揭示一種具有用於進行電漿屬性之原位量測的診斷設備的電漿處理系統。該診斷設備一般包括設置在一電漿處理腔室內部的一非侵入式感測器陣列、用於激發該等感測器之一電路及用於記錄及通信感測器量測以監控或控制該電漿處理之構件。在一種形式中，該等感測器係量測I-V特性、進入或穿過該晶圓之位移射頻(RF)電流及歸因於表面上之電子堆積的自偏壓(其可用於確定該晶圓上之電荷)的動態脈動之雙極浮動的朗繆爾(Langmuir)探針。
晶圓電荷歸因於離子及電子之不同的通量率(歸因於其等非常不同的質量)而形成。晶圓充電可對裝置造成損壞。習知地用於特徵化在基於離子及基於電漿之IC處理裝備中之晶圓處理期間的晶圓充電之一種工具類型包含特徵化充電暫態之I-V關係的基於EEPROM之尖峰電位感測器及電流感測器。電晶體之閘極係耦合至該晶圓上之天線結構。該裝置量測累計的電荷，而非為一時間函數之電荷。此外，必須自電漿腔室取出該晶圓以讀取該電荷量測。
美國公開案第2006-0249729號揭示一種感測器晶圓，其使用一三重電容器堆疊來量測該晶圓之表面處的表觀交流電(AC)。此整流(偵測)裝置具有一最小偏壓需要及對受關注的範圍之一強烈的頻率相依性。該量測係純粹AC，且由一聚醯亞胺基板形成之中心電容器係產生待量測之AC電位的分路阻抗。該感測器以一混淆的方式回應於電漿腔室內之許多電參數，且無法特定針對任一參數產生關聯。當遇到問題時，此使找到正確的「旋鈕」來調諧該腔室變得困難。
另外，許多先前技術感測器晶圓在該晶圓頂部包含容納該感測器陣列之電子器件的一模組。此模組可在該電漿中造成嚴重的擾動，或可為放電損壞點且亦可為一污染源。
先前技術感測器晶圓之另一問題在於該陣列中之感測器墊及此等墊與電子器件之間的電連接通常由沈積在該晶圓表面上之金屬跡線(例如鋁)製成。暴露至電漿(例如氬電漿)最終會腐蝕該晶圓表面上之鋁跡線。在一些感測器晶圓中，該晶圓之整個表面係由聚醯亞胺覆蓋以保護該等跡線及感測器墊。然而，聚醯亞胺塗層在某些電漿環境中可具有一非常短的壽命且亦可為一污染源。另外，在許多處理步驟中強烈避免使用某些金屬(諸如銅)。
本發明之實施例係在此背景內容下產生。
根據本發明之一實施例，一種電漿感測裝置可包含嵌入一晶圓基板之表面中且對電漿外鞘直接可見的感測器及電子器件。該晶圓基板之表面與暴露至該電漿之該感測裝置之部分兩者可由習知地由該裝置經設計以感測之電漿類型所處理的一材料製成。舉例而言，在一些實施例中，該等感測器之一或多個感測器的一分路阻抗可由一材料「塊」形成，該材料與該晶圓基板之材料大體上相同且亦對電漿外鞘直接可見。如本文中所使用，術語「大體上相同的材料」意為一材料若不在實體上與另一材料相同，就是在化學上與之類似。例如，若該晶圓基板及塊兩者皆由單晶矽製成但是具有不同的結晶定向，則該基板及塊材料可為大體上相同。或者，若該基板係由單晶矽製成且該塊係由多晶矽製成，則該基板及塊材料可為大體上相同。用語「大體上相同」亦包含兩種材料之化學組成的細微變更(例如歸因於不同但是或者可接受的雜質含量)。
以此方式形成該分路阻抗對該電漿提供一耐用及非污染的表面，且亦可提供至該基板表面的一DC連接。因此可量測表面DC電位。當同時在該感測器上強加一DC偏壓時，此結構可提供有價值的資訊，諸如表面電荷、自偏壓、負載線特性或I-V特性。
在閱讀下列詳細描述且參考附圖之後，將易於瞭解本發明之實施例的目的及優點。
雖然下列詳細描述出於繪示目的而含有許多特定細節，但是熟習此項技術之任一人士將瞭解：對下列細節之許多變更及改變係處於本發明之範疇內。因此，在絲毫不損失本發明的普遍性且不對本發明強加限制的情況下，提出下文所述之本發明的例示性實施例。
圖1係一感測裝置100之一透視圖，該感測裝置100包含一基板102及作為感測器之收集器的若干塊104。該基板102及塊104可由相同材料製成。舉例而言且不以限制方式，該基板102及塊104兩者可由矽或與意欲在其中操作該裝置100之處理環境中之處理條件相容之任意其他的導電或半導體材料製成。舉例而言且不以限制方式，該基板可包含具有介於100毫米與450毫米之間的一直徑的一矽晶圓。該感測裝置100可具有0.3毫米至10毫米之一總厚度。
該基板102及塊104可提供送至電漿之一耐用及非污染的表面。例如，若該感測裝置所檢查之電漿習知上用於在矽晶圓上進行處理(例如，蝕刻矽晶圓或沈積)，則該基板及一感測器之部分的一收集器墊可由矽製成，使得該電漿「看見」一矽表面。在一些實施方案中，若期望將一電介質表面送至電漿，則一與電漿相容之聚合物塗層(諸如光阻劑)可覆蓋該晶圓基板之表面。許多電漿處理腔室係經設計以處理以光阻劑覆蓋之基板。因此，除已在該裝置100所檢查之電漿處理及其中發生此一電漿處理之腔室的設計中考慮之污染危險以外，該基板102及塊104之表面上存在光阻劑並不引起額外的污染危險。將該基板102及塊104之表面暴露至電漿所引起之一電漿腔室的污染可藉由在該腔室中正常加工生產基板之後使用的任意習知的製程予以淨化。例如，在使用該裝置100來檢查用於蝕刻以一圖案化光阻劑覆蓋之一矽基板之一腔室中的一電漿以後，可藉由通常用於在此種電漿蝕刻之後清理此一腔室的一習知製程清理該腔室。
該等塊104可電耦合至位於該基板102之表面之下的感測器電子器件106。該基板102之表面下可存在一個以上感測器電子器件106以處理感測器信號。舉例而言，該等塊可用作為用於感測來自一電漿之電子或離子或高能輻射之一通量的收集器墊。在一些實施方案中，該基板102及塊104可提供自感測器電子器件至該表面的一DC連接。此一組態可用於量測表面DC電位。此一結構亦可用於獲得有價值的資訊，諸如表面電荷及自偏壓。在一些實施方案中，一經溫度補償、DC偏壓之高頻的二極體橋式電路可執行AC信號偵測。此方法可消除不良線性及低功率位準、頻率效應以及與先前技術方法相關之溫度漂移的缺點。
在一些實施例中，該等電子器件106可在一感測器塊104處施加一激勵電壓且在一或多個不同的塊處量測一信號以量測電漿阻抗。
根據本發明之一些實施例，可將主動電路及一電源嵌入如圖1中所示之一裝置的諸層中及/或嵌於該裝置的諸層之間，藉此有效地形成圍繞此等組件之一法拉第籠。舉例而言，且不以限制方式，圖2A至圖2B係繪示感測裝置200A及200B之不同實施方案的橫截面視圖。舉例而言，且不以限制方式，該等感測裝置200A及200B可用於量測具有處理化學性質且處在一廣泛範圍的射頻及微波頻率之高電漿功率下的處理腔室中的電氣參數，諸如自偏壓電壓、飽和電流、電荷及聚合物累積。
如圖2A中所示，該感測裝置200A包含一第一層202及一第二層204，其等分別由一絕緣層212分離，該絕緣層212可為氧化物或其他電介質層。該第一層202可由與通常由該裝置200A經設計以感測之電漿類型處理之一生產晶圓相同的材料製成。在該裝置200A中，可在該第一層202之表面處形成一穴216。可將由與該第一層202相同之材料製成的一插塞定位在該穴216中，而使該插塞206之頂表面與該第一層202之頂表面共面。該插塞206之下側可具有適用於製作一歐姆接觸連接之一金屬塗層222。舉例而言，可使該金屬塗層擴散進入矽中，且因此並不建立至該矽之二極體接面。該金屬塗層222之適當材料的實例包含鉑及鈀。若執行導線接合，則亦可使用鋁。因此，可使該裝置200A之頂表面為平面且具有與在設計該裝置200A所針對之腔室類型中處理的一標準生產基板之輪廓大體上相同的一輪廓。可在該矽插塞206與該第一層202之間沈積一電介質層220(例如，聚醯亞胺)以提供電隔離。該電介質層220亦可形成可用於量測可能正撞擊在由插塞206形成之該感測器表面上之一射頻電流的一分路電容。
可將該插塞206暴露至電漿，且藉由自可被偵測為一原始信號(例如，呈一電流或電壓之形式)之電漿收集一原始通量(例如，電荷(呈電子或離子之形式))而使該插塞206作為一信號收集器。或者，可使該插塞206經受自該電漿之呈高能光子之形式的輻射。為偵測此等光子，可使該插塞206由具有在暴露至此等光子以後發生變化之電氣屬性之一半導體材料製成。可將該插塞206耦合至適當的感測器電子器件205。本文中有時將一信號收集器(諸如該插塞206)與感測器電子器件205之組合稱為一感測器。取決於電子器件之性質，該感測器可用於偵測AC或DC信號。
適當的感測器電子器件205之實例包含信號調節電子器件及信號處理電子器件。另外，電子器件可包含可用於施加一偏壓電壓至該插塞206之一電源(諸如一電池)。如本文中所使用，信號調節包含但不限於濾波、雜訊抑制或放大原始信號以使其更適用於分析。信號調節組件之實例包含但不限於整流器、振盪器或放大器。信號處理指(例如)使用類比或數位電路分析一信號。信號處理可包含但不限於類比轉數位轉換、算術及/或邏輯運算、傅立葉變換及其他數學變換、頻譜分析等等。信號處理組件之實例包含但不限於一微處理器或一特定應用積體電路(ASIC)。舉例而言，且不以限制方式，電子器件205可包含產生耦合至處理電子器件之一DC信號的資料獲取(DAQ)電子器件。
該插塞206可(例如)藉由可嵌入該第二矽層204中或嵌入該絕緣層212中之電路(例如，呈一撓曲電路208之形式)電連接至電子器件205。在此種情況下，組成電子器件205之組件(例如，電晶體、電阻器、電容器、邏輯裝置等)可藉由圖案化至一聚醯亞胺撓曲基板上之導電(例如，銅)跡線而連接。或者，可(例如)使用標準的半導體處理技術，直接在該第二層204或該絕緣層212之表面上，形成組成感測器電子器件205之該等電子組件及相關的電路。電子器件205可(例如)藉由耦合至該撓曲電路208之一歐姆接觸件214電連接至該第一層202。亦可在該第一層202與該第二層204之間形成一歐姆接觸件214。該歐姆接觸件214可(例如)藉由如上所述之一適當的金屬化222提供一電連接至該基板204及插塞206。此外，該歐姆接觸件214可經擴展以實質上建立會覆蓋矽層202及204之可用表面積的大部分的一接觸件。
應注意的是，多重插塞206可用於提供可耦合至適合的感測器電子器件之多重收集器。可依許多不同的方式組態該等收集器及感測器電子器件以量測電漿參數。例如，在合適的電子器件及額外的電路情況下，收集器與對應的感測器電子器件之配對可經組態以操作為雙差動朗繆爾探針。在此一組態中，感測器電子器件可在兩個收集器之間施加一偏壓電壓且量測至該兩個收集器之電流。藉由改變該偏壓電壓，可自一I-V曲線確定離子飽和電流及電子溫度。此外，藉由簡化控制電路，可存在三極差動朗繆爾探針操作或一差動朗繆爾探針以一分時組態操作。
一三極差動探針與合適的電路可用最少的處理提供一回應。在一三極探針組態中，可將兩個收集器偏壓為正向及負向，正電壓與負電壓之間存在一固定電壓(V+-V-)，而允許一第三收集器上之一電壓浮動為電漿浮動電位Vf1。若該偏壓電壓與該電子溫度相比係足夠大(亦即，e(V+-V-)>>kBTe，其中e係該電子上之電荷且kB係波玆曼常數)，則可預期該經負偏壓之收集器汲取離子飽和電流，如同該浮動電位Vf1，可直接量測離子飽和電流。若該經偏壓之收集器組態係浮動，則至該經正偏壓之收集器的電流在大小上近似等於該經負偏壓之收集器所汲取之離子飽和電流，且可預期該浮動收集器有效地不汲取電流。
在此等條件下，該電子溫度係近似與所量測之電壓成比例，如下所示：(V +-V f1 )=ln 2(k B T e /e)。
三極探針資料之更精密的分析可考慮諸如不完整飽和、非飽和、不相等面積之因素。取決於預期該探針於其下操作之區域，三極探針亦可為對稱、不對稱或高度不對稱。三極探針具有優點：簡單的偏壓電子器件(不需要掃描偏壓電壓)、簡單的資料分析、優異的時間解析度及對電位波動(由一射頻源強加或內在的波動)之不靈敏性。缺點在於其等需要可能無法在所有情況下實施的三個探針區域。
或者，藉由分時多工，可設定四個偏壓電壓條件，且以一雙極朗繆爾探針將該等條件用於導出一電子溫度T e 及離子密度n i 。亦可類似地估計離子飽和電流I sat 。結果非常類似於該三極探針，但是僅使用兩個探針區域。
除將該矽插塞206如該第一層202定位在該絕緣層212上以外，圖2B中所示之感測裝置200B類似於圖2A中所述之該感測裝置200A。舉例而言，且不以限制方式，該插塞可由其中在兩層矽之間設置絕緣體的一絕緣體上矽(SOI)晶圓形成。藉由選擇性地蝕刻該兩個矽層之一者，該插塞206可與該層之一剩餘部分電氣分離。該插塞可藉由額外的絕緣材料217與該矽層進一步絕緣。藉由以與該第一層202相同之初始材料形成該插塞206，可使該插塞206之表面幾乎完全與該第一層202之剩餘部分的表面齊平。此外，可確保該第一層202及該插塞206具有幾乎相同的材料屬性。
應注意的是，在裝置200A及200B中，可使該第一層202及該第二層204充分導電(例如，藉由適當的摻雜)，使得其 等形成適用於在一電漿處理環境內保護電子器件205在操作期間免受電磁干擾的一法拉第籠。
圖2C係圖2A至2B中所繪示之該等感測裝置之一等效電路的一電氣示意圖。如圖2A至2B中所指示，可由於發生在該電漿腔室中之一聚合反應而在該第一層202之表面上累積一聚合物層218。此種聚合係許多電漿處理類型中之一相當常見的事情。該聚合物層218可影響該等裝置200A、200B所做之量測。
在一些實施例中，可藉由(例如)將一三維圖案蝕刻到表面中或藉由審慎地以一或多種材料219(諸如光阻劑及/或金屬)塗佈該表面而修改一收集器部分(例如，插座206)之表面，以修改該收集器與一電漿之間的相互作用。舉例而言，且不以限制方式，可將該材料219沈積或以其他方式形成為圖案(例如，一網格或條狀物系列)。該材料219可與組成該插塞206主體之材料不同。
特定言之，如圖2C中所示，該聚合物層218可作為一可變電容器C1。同時參考圖2A及圖2C，歸因於該聚合物層218與該矽插塞206作為上平板，且電子器件205、第一矽層202及第二矽層204、及歐姆接觸件214形成電容器之下平板，故可形成與該可變電容器C1串聯之一量測電容器C2。該聚醯亞胺層220可作為該量測電容器C2之兩個平板之間的一絕緣材料。該電容器C2可連接至一電源(例如，一電池B)。若跨該量測電容器C2之該等平板加入一開關SW，則可藉由接通該開關使該量測電容器C2之該等平板短路且然後在斷開該開關時量測電壓變化而量測該基板之表面上的一電子累積速率。
圖3係根據本發明之一實施例之一感測裝置300的一俯視圖。如圖3中所示，該感測裝置300包含具有若干感測器304之一基板302，該感測裝置300可類似於如圖2A至2B中所述之該等感測裝置200A及200B。特定言之，各感測器304可包含由與該基板302之表面相同的材料形成的一收集器306。該收集器之一表面可與該基板302之表面齊平。該收集器306可透過感測器304耦合至可嵌入該基板302中之本端感測器電子器件305。該收集器306可包含諸如圖案化的膜堆疊之特徵、微機械加工表面特徵或簡單為一金屬膜(諸如一層鋁)。另外，該感測裝置300可包含耦合至該等感測器304之各者及收集器306(若存在)的一集中式處理及/或通信電子器件單元308。該集中式電子器件308可提供用於自裝置300中之該等感測器304傳輸及儲存資料至一遠端接收器的集中式組件。該電子器件亦可提供用於自一外部傳輸器接收資料且將此資料傳遞至一或多個所選的個別感測器304之一集中式組件。該電子器件308可包含(例如)藉由電磁感應或輻射將該資料轉換為可無線傳輸之信號的一無線或有線收發器單元。或者，該電子器件308可經由一媒體(諸如一信號纜線或光纖鏈路)傳輸該等信號。
適當的感測器電子器件305之實例包含信號調節電子器件及信號處理電子器件。另外，電子器件可包含可用於施加一偏壓電壓至該感測器304及收集器306的一電源(諸如一電池)。如上文所指明，信號調節包含但不限於濾波、雜訊抑制或放大原始信號以使其更適用於分析。信號調節組件之實例包含但不限於整流器、振盪器或放大器。信號處理指(例如)使用類比或數位電路分析一信號。信號處理可包含但不限於類比轉數位轉換、算術及/或邏輯運算、傅立葉變換及其他數學變換、頻譜分析等等。信號處理組件之實例包含但不限於一微處理器或一特定應用積體電路(ASIC)。
舉例而言，且不以限制方式，電子器件305可包含一區域化處理器單元，該區域化處理器單元對於與之相關的該感測器304為特定。藉由使用各感測器304處之一區域化處理器單元，可分散處理來自該感測器304及收集器306之原始信號之負荷的一部分。可以此方式使處理負荷隨該裝置300上之感測器的數目按比例調整，而無須添加處理容量至該集中式電子器件308。例如，除整流、放大及A/D轉換以外，該等感測器電子器件305可對原始資料執行某些數位信號濾波功能且然後傳輸所得之經濾波的資料至該集中式電子器件。此騰出該集中式電子器件上之處理資源用於對照來自不同感測器304之該經濾波的資料。
應注意的是，本發明之實施例包含許多不同的組態，其中一感測器裝置可包含可由與一生產基板相同之材料形成的一收集器。此等實施例包含諸多版本，其中收集器墊包括該感測器裝置之一整個連續表面。舉例而言，且不以限制方式，可將矽基板之一單一的連續表面用作為一收集器墊。藉由量測該基板表面上之不同位置之間的電壓差，可以確定表面電荷累積之差異。
圖4A係繪示根據本發明之一替代實施例之一電漿感測裝置400的一示意透視圖。在該裝置400中，一收集器係由一基板402製成，該基板402係由與用於生產基板中之材料相同或類似的電阻性材料製成，該等生產基板在一處理腔室中經受電漿401。該基板402可具有一平面的頂表面，該頂表面具有與在該處理腔室中處理之一生產基板大體上相同的輪廓。若電荷在該基板402之表面上不均勻地累積，則一薄片電流Is可流過該基板402之表面。如圖4A中所示，可在該基板402之表面上的不同位置A與B之間量測一電壓。若該基板材料具有一足夠大的薄片電阻，則可將該薄片電流Is用作為跨該基板表面之電荷不平衡的度量。特定言之，可自該電流確定點A與B之間的電壓，該電流取決於該基板材料402之薄片電阻率及該兩個點之間的電荷不平衡。
圖4B係該感測裝置400之等效電路示意圖與橫截面視圖的一組合。該感測裝置400一般包含一上半導體基板402及一下半導體基板404。在一些實施例中，一中間半導體基板416可夾在該上基板與該下基板之間。出於方便而在下文中有時簡單地將該等基板402、416、404稱為上基板、中間基板及下基板。舉例而言，上基板402可為摻雜P-以使其具電阻性之一第一矽層402，且該底基板404可為摻雜P+以使其具導電性之一第二矽層。一絕緣層428夾在該上 基板402與該下基板404之間。在圖4B中所示之實例中，該絕緣層428更特定地夾在該上基板402與該中間基板416之間。該絕緣層428可為相對厚，例如厚度為25微米或25微米以上。存在形成該絕緣層428之許多方式。例如，可將氧化物植入一矽晶圓中。或者，可在一矽晶圓之表面上生長氧化物且可在該氧化物上生長或沈積多結晶矽(多晶矽)。另外，可在兩個矽晶圓之間層壓一聚合物層。
類似地，可在基板404與416之間形成一絕緣層430。
適當的電子器件418可定位在形成於該下基板404中之穴中。各電子器件單元可藉由形成在該下基板404上或鑲入該下基板404中之一對應的圖案金屬化或一圖案化撓曲電路408，電耦合至一對應的感測器接觸件403。該等電子器件可經組態以量測感測器接觸件位置403處之直流(DC)或交流(AC)電量，諸如電壓、電流、電荷、電容等等。該等電子器件418亦可以DC位準或AC波形激勵一或多個感測器接觸件403及/或一參考接觸件405，且同時量測其他感測器接觸件位置403及/或參考接觸件405處之AC及DC參數以確定各種電漿參數。舉例而言，電子器件418可在一感測器接觸件403處施加一激勵電壓，且在一或多個不同的感測器接觸件及/或該參考接觸件405處量測一信號以量測該電漿阻抗。或者，可將該激勵電壓施加至該參考接觸件405，且可在該感測器接觸件403處量測信號。
如圖4B中所示，該等感測器之收集器部分可藉由將其等形成為該上半導體層402之整體部分而嵌入一基板中。舉例而言，可藉由在該等感測器接觸件403及參考接觸件405之區域中，在其中期望一感測器之該上半導體層402之一下側上的位置中，沈積一適當的導電材料(諸如鉑、鈀或鋁)而形成一或多個感測器接觸件。可將該導電材料擴散至該上半導體層402中，因此建立一歐姆連接。因為該上半導體層402之垂直尺寸比水平尺寸小很多，故效應在於該上層402之底部處之該等金屬感測器接觸件403被鏡像至頂表面以作為一虛擬的感測器420。以一相似的方式，中心參考接觸件405之效應被鏡像為一虛擬的感測器422。存在於該頂表面處之任意電壓會被轉移至該底表面，且因此可由合適的電子器件418感測且驅動。一中心位置之該參考接觸件405可經由該電子器件模組418中之一電子開關連接至該中間基板416。至基板416之此種歐姆接觸可有效地提供該中間基板416及該下基板404之一DC參考電位。此DC參考在(例如)以該等電子器件418量測DC電壓時可為重要，但是可在量測AC電壓時關閉。
在一些實施例中，可(例如)藉由將一三維圖案蝕刻到表面中或藉由審慎地以一材料419(諸如一光阻劑及/或金屬)塗佈一或多個收集器部分之表面的一或多個部分，修改一或多個收集器部分之表面的一或多個部分(例如，該上層402之該上表面的所選部分)，以修改該收集器與一電漿之間的相互作用。可將該材料419沈積或以其他方式將其形成為圖案(例如，一網格或條狀物系列)。該材料可與組成該上層402之主體的材料不同。
該等電子器件418可感測流過該等感測器接觸件403與一中心位置之一參考接觸件405之間的該上基板402的薄片電流Ie，藉此提供該上層402之表面上的自偏壓及電荷累積的一量測。歸因於上層402之薄片電阻及在不同的感測器接觸件403之間及/或該等感測器接觸件403與該參考接觸件405之間流動的該等薄片電流Ie，故可量測電壓差。在圖4C中，該基板之薄片電阻係由指定為Rsub之電阻器表示。藉由將若干此種感測器接觸件置於該裝置400內之不同位置且感測該中心參考接觸件405之映像422與該等感測器接觸件403之各映像420之間的薄片電流，可即時量測遍及該上矽層402之表面的電荷不平衡。可將電壓或電荷量測轉換為數位資料且儲存在一中心電子器件單元(未展示)處以稍後傳輸至一外部接收器，而無須自該電漿腔室移出該裝置400。
該中間基板416及該下基板404亦可作為用於屏蔽該等電子器件418及相關的金屬化408之一法拉第籠。舉例而言，該中間基板416及該下基板404可透過接觸件426及413及/或該歐姆接觸件432歐姆連接至彼此，該等接觸件426及413可呈以類似於上文所述之一方式建立的金屬化區域之形式。此外，該上基板402與絕緣層428及基底基板416可一起作為一分散式電容器。此電容可用作為一測試負載以藉由在各感測點處產生之射頻電壓來感測一射頻電流。該等電子器件418可整流且量測此等電壓之振幅。示意而言，該分散式電容之局部部分係等效於圖2C中所示之電容器C2。圖4C中將該等感測器接觸件403之間的等效電容指示為C及C'。圖4C中將該參考接觸件405與該電漿之間的等效電容指示為C"。如電子器件418在該感測器接觸件403處所量測之信號的DC部分係關於電荷分布。亦可藉由一所施加的AC或DC電壓激勵該感測器接觸件403及參考接觸件405以量測參數，諸如離子飽和電流、電子溫度及電漿阻抗。
如在圖2A及2B中所示之實施例中，可將以圖案化的膜堆疊構建之一收集器區域424置於基板402之第一表面上以修改該基板402對該電漿之電回應。
本發明之實施例提供一種用於量測一電漿之離子及電子特性及視情況用於量測一晶圓生產系統中之表面充電的工具。量測一晶圓生產系統中之此等量之能力可提供對電漿處理表面參數之額外的理解。表面相關的佈局亦可根本上改變感測位置之行為，且可利用此現象來以較高的靈敏度及一較廣泛的動態範圍量測此等參數，諸如聚合物重新沈積、離子角度及電荷損壞。本發明之實施例可助於更容易地識別影響電漿腔室效能之關鍵要素且隨後調整有關的參數以最佳化效能。
雖然上文係對本發明之較佳實施例的一完整描述，但是可使用各種替代、修改及等效物。因此，不應參考以上描述確定本發明之範疇，而是應替代地參考隨附申請專利範圍以及其等之完全的等效物範疇確定本發明之範疇。較佳或非較佳之任意特徵可與較佳或非較佳之任意其他的特徵組合。在以下申請專利範圍中，不定冠詞「一」指代該冠詞之後的項目之一或多個的一數量，除非其中以其他方式明確陳述。不應將隨附申請專利範圍解譯為包含構件加功能限制，除非使用片語「…之構件」在一給定申請專利範圍中明確敘述此一限制。
100．．．感測裝置
102．．．基板
104．．．塊
106．．．感測器電子器件
200A．．．感測裝置
200B．．．感測裝置
202．．．第一層
204．．．第二層
205．．．感測器電子器件
206．．．插塞
208．．．撓曲電路
212．．．絕緣層
214．．．歐姆接觸件
216．．．穴
217．．．絕緣材料
218．．．聚合物層
219．．．材料
220．．．電介質層
222．．．金屬塗層
300．．．感測裝置
302．．．基板
304．．．感測器
305．．．本端感測器電子器件
306．．．收集器
308．．．集中式處理及/或通信電子器件單元
400．．．電漿感測裝置
401．．．電漿
402．．．上基板
403．．．感測器接觸件
404．．．下基板
405．．．參考接觸件
408．．．圖案化的撓曲電路
413．．．接觸件
416．．．中間基板
418．．．電子器件
419．．．材料
420．．．映像
422．．．虛擬感測器/映像
424．．．收集器區域
426．．．接觸件
428．．．絕緣層
430．．．絕緣層
432．．．歐姆接觸
圖1係繪示具有根據本發明之一實施例之用於感測裝置之若干塊的一晶圓的一透視示意圖；
圖2A係根據本發明之一實施例之一感測裝置的一橫截面視圖；
圖2B係根據本發明之一替代實施例之一感測裝置的一橫截面視圖；
圖2C係圖2A至2B中所示之該等感測裝置的一等效電氣圖；
圖3係根據本發明之一實施例之一感測裝置的一俯視圖；
圖4A係繪示跨根據本發明之一實施例之一電漿量測裝置的表面的電流量測之一透視圖；
圖4B係圖4A中所示之該裝置的一等效電路之一組合橫截面及電氣示意圖；及
圖4C係圖4B中所示之該裝置的一等效電路圖。
200A．．．感測裝置
202．．．第一層
204．．．第二層
205．．．感測器電子器件
206．．．插塞
208．．．撓曲電路
212．．．絕緣層
214．．．歐姆接觸件
216．．．穴
218．．．聚合物層
219．．．材料
220．．．電介質層
222．．．金屬塗層

Claims (25)

  1. 一種用於量測用於處理工件之一電漿腔室中之電漿處理參數的感測裝置，該感測裝置包括：一基板，其係由與藉由該電漿腔室中之一電漿處理之工件實質上相同的材料之一材料製成，其中該基板包含一第一層及一第二層；嵌入該基板中之一或多個感測器，其中各感測器包括由與該基板實質上相同的材料製成之一收集器部分，其中該收集器部分包含與該基板之一頂表面共面的一頂表面；及若干感測器電子器件，其等嵌入該基板中且經由一撓曲電路耦合至該收集器部分，且其中該等感測器電子器件藉由耦合至該撓曲電路之一歐姆接觸件電連結至該第一層。
  2. 如請求項1之裝置，其中該等感測器電子器件係夾在該第一層與該第二層之間。
  3. 如請求項2之裝置，其中該第一層及該第二層係由導電或半導體材料製成，其中該等感測器電子器件係與該第一層及該第二層電絕緣。
  4. 如請求項2之裝置，其中該基板表面及該收集器部分係由該第一層形成，其中該收集器部分係與該第一層之一剩餘部分電絕緣。
  5. 如請求項1之裝置，其中在包括具有100毫米與450毫米之間的一直徑之矽晶圓的一或多層中製作該基板，且該 感測裝置具有0.3毫米至10毫米之一厚度。
  6. 如請求項1之感測裝置，其中該基板係由與一半導體晶圓、微影遮罩基板或平板顯示器基板實質上相同的材料製成。
  7. 如請求項6之感測裝置，其中該基板之該表面包含一光阻頂層。
  8. 如請求項1之感測裝置，其中該基板之一頂表面係平面且具有與一標準製程基板實質上相同之一輪廓。
  9. 如請求項1之感測裝置，其中該等感測器電子器件包含信號調節電子器件及信號處理電子器件。
  10. 如請求項9之感測裝置，其中該等感測器電子器件係形成到一聚醯亞胺撓曲基板上。
  11. 如請求項9之感測裝置，其中該等感測器電子器件係直接形成在該基板上或該基板之一層上。
  12. 如請求項1之感測裝置，其中各感測器之該等感測器電子器件包含一本端數位處理器。
  13. 如請求項12之感測裝置，其進一步包括耦合至各本端數位處理器之一集中式通信單元或處理器。
  14. 如請求項1之感測裝置，其進一步包括該收集器部分之該表面上的一材料，其中該材料改變該收集器部分與該電漿之間的一相互作用。
  15. 一種用於量測用於處理工件之一電漿腔室中之電漿處理參數的方法，該方法包括：將一感測裝置之一基板之一第一層之一頂表面暴露至 該電漿腔室中之一電漿，其中該第一層係由與藉由該電漿腔室中之一電漿處理之工件實質上相同的材料之一材料製成，其中該基板包含該第一層及一第二層；及量測由該電漿對嵌入該第一層中之一或多個感測器引起的一或多個信號，其中各感測器包括由與該第一層實質上相同的材料製成之一收集器部分，且其中各感測器包含感測器電子器件，其中該收集器部分包含與該第一層之該頂表面共面的一表面，其中該等感測器電子器件係嵌入該感測裝置之該基板之該第二層中且經由一撓曲電路耦合至該收集器部分，且其中該等感測器電子器件藉由耦合至該撓曲電路之一歐姆接觸件電連結至該第一層。
  16. 如請求項15之方法，其中該一或多個信號包含一位移電流。
  17. 如請求項16之方法，其中該一或多個信號包含一DC電流或電壓。
  18. 如請求項15之方法，其中該一或多個信號包含一或多個朗繆爾探針量測。
  19. 如請求項18之方法，其中該一或多個朗繆爾探針量測包含一或多個雙極或三極差動朗繆爾探針量測。
  20. 如請求項19之方法，其中該一或多個朗繆爾探針量測包含複數個分時多工之差動朗繆爾探針量測。
  21. 如請求項15之方法，其中量測該一或多個信號包含施加 一激勵至一給定的收集器部分且量測一或多個不同的收集器部分處之一信號。
  22. 如請求項15之方法，其中該收集器部分包括暴露至該電漿之該第一層的一整個表面。
  23. 如請求項22之方法，其中該第一層包含形成該收集器部分之一電阻層，且其中量測該一或多個信號包含量測該電阻層上之兩個位置之間的一電壓差。
  24. 如請求項23之方法，其中量測該一或多個信號包含施加一激勵至耦合至未暴露至一第一位置之電漿的該電阻層之一側的一接觸件，且量測耦合至未暴露至一或多個其他位置之電漿的該電阻層之側部的一或多個其他接觸件處之一信號。
  25. 如請求項15之方法，其中設置在該收集器部分之該表面上的一材料改變在該收集器部分與該電漿之間的一相互作用。
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