TWI721373B - 電漿源，用於一電漿之激發之激發系統及光學監控系統 - Google Patents

電漿源，用於一電漿之激發之激發系統及光學監控系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種電漿源及一種用於一電漿之激發之激發系統，及一種光學監控系統。在一項實施例中，該電漿源包含：(1)一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極，(2)一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體，(3)一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處，及(4)一安裝凸緣，其經定位靠近該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。

Description

電漿源，用於一電漿之激發之激發系統及光學監控系統
本申請案大體上係關於監控半導體程序且更具體言之，係關於經由程序氣體之微波激發及觀察所得光學信號對程序進行光學監控。
在半導體處理領域中，自一半導體晶圓選擇性移除或沈積材料以在其上形成積體電路結構係為人熟知的。自一半導體晶圓移除材料通常藉由採用一蝕刻程序(例如反應離子蝕刻或電漿蝕刻)實現。將材料沈積至一晶圓上可涉及諸如化學及物理氣相沉積及分子束磊晶之程序。亦已知其他移除及沈積程序。此等程序受精確控制且在經調節處理腔室中執行。
因為必須將精確量之材料沈積於半導體晶圓上或自半導體晶圓移除，故必須持續且準確地監控程序以精確判定一特定程序及相關晶圓之狀態。程序之光學監控係用於判定一進行中程序之狀態之一個非常有用之工具。例如，處理腔室內部內之激發氣體可經光學監控且藉由對自由激發氣體形成之一電漿發射之光之預定波長進行光譜分析而檢視特定已知化合物。習知光學監控方法包含光學發射光譜學(OES)、吸收光譜學及反射量測術。
一種監控來自一半導體電漿處理腔室內之光學發射(光)之慣例方法係使用一光學監控系統，該光學監控系統由一基於陣列之光學光譜儀及將來自腔室內部中之電漿之光傳送至光譜儀之一光學耦合系統組成。光學發射光譜通常經記錄為一系列光強度量測且以特定時間間隔重複地重新取樣。可藉由具有帶通濾光器之光電二極體偵測器在一組窄光譜帶中或藉由一光譜儀在一寬光譜內記錄該系列光強度量測。
在一個態樣中，本發明提供一種用於自一或多種氣體激發一電漿及監控由此而來之光學發射之電漿源。在一項實施例中，該電漿源包含：(1)一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極，(2)一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體，(3)一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處，及(4)一安裝凸緣，其經定位靠近該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。
在另一態樣中，本發明提供一種用於激發一電漿之激發系統。在一項實施例中，該激發系統包含：(1)一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極，(2)一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體，及(3)一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該射頻信號介面。
在又一態樣中，本發明提供一種光學監控系統。在一項實施例中，該光學監控系統包含：(1)一電漿源，其經組態以點燃、激發與一處理腔室氣體連通之一電漿腔內之一電漿及自該電漿產生光學發射，(2)一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該電漿源之一射頻信號介面以在該電漿腔中產生一電磁場以用於該電漿之點燃及激發，(3)一光學耦合系統，其經組態以傳遞自該電漿之該激發觀察到之光學信號，及(4)一光譜儀，其經組態以接收該等光學信號且將該等光學信號轉換為電信號。
相關申請案之交叉參考
本申請案係由Mark A. Meloni在2018年6月28日申請之標題為「MICROWAVE PLASMA SOURCE」之美國專利申請案第16/022,389號之部分接續申請案，其又主張由Mark A. Meloni在2017年7月10日申請之標題為「MICROWAVE PLASMA SOURCE」之美國臨時申請案第62/530,589號之權利，該兩案與本申請案共同讓與且其全部內容以引用之方式併入本文中。
在一些應用中，在電漿與半導體晶圓反應時量測一腔室內之電漿光學發射可能係困難的。例如，當腔室內之程序氣體自晶圓遠端激發，且激發之反應物需要相當長之時間與晶圓表面相互作用時，與晶圓相關之電漿光學發射之量可為有限的或不存在。例如，電漿光學發射量在導致信號缺乏細節、具有一低信雜比或缺乏預期資料時係有限的。在此等所謂「暗電漿」應用中，電漿光學發射之量測(即使可獲得)可能無法提供作用在半導體晶圓上之程序之精確特性化，因為電漿光學發射可能不包含晶圓表面上發生之反應之光學發射特性。類似地，一些半導體程序並不利用電漿，且觀察不到光學發射。
本文中認識到，通常需要激發靠近一晶圓或在一處理腔室中或與之相關聯之其他相關或便利之位置中之程序氣體或若干氣體來產生光以對自腔室中之反應發射之特定已知發射線或寬光譜特徵進行光學監控。本發明提供一種用於電漿激發及監控由激發引起之光學發射之解決方案。一般言之，本發明提供一種電漿源，其經設計以接收一射頻(RF)信號且提供一電磁(EM)場作為程序氣體之一激發源。
電漿源包含一同軸諧振腔主體，其包含一腔，該腔具有在本文中表示為自腔之一敞開端延伸至一縮短端之一內長度L1之一長度。敞開端經定位靠近同軸諧振腔主體之一程序端，且縮短端經定位在同軸諧振腔主體之相對端。一RF信號介面沿著在本文中表示為一耦合點距離L2之內長度在一位置處耦合至同軸諧振腔主體。耦合點距離L2自同軸諧振腔主體之敞開端延伸至RF信號介面之中心導體之中心線，該中心線延伸至同軸諧振腔主體中。
內長度L1及耦合點距離L2之值係基於使用經由RF信號介面接收之一RF信號在程序端處之一程序環境表面處或其附近建立之一電磁(EM)場之最大化。同軸諧振腔主體之內長度L1及耦合點距離L2取決於實際操作頻率及經由RF信號介面提供之RF波之相關聯自由空間波長。內長度L1及耦合點距離L2之額外討論在下文中論述(諸如關於圖4A)。圖4A繪示一電漿源400之一實施例之尺寸L1及L2。
本文之討論及實例涉及基於電漿之程序及電漿處理腔室，但熟習此項技術者將理解，本發明之各種原理及特徵可與其中可執行程序氣體之激發及光學激發之監控之任何類型之系統一起使用。除了直接涉及半導體晶圓之程序之外，諸如腔室清洗之程序亦可藉由應用本文描述之電漿源進行光學監控。所描述之電漿源亦可用於其中氣體監控受關注之非半導體應用中。例如，電漿源可用於與工業煙囪、化學工廠等相關聯之發射監控。
圖1繪示一程序控制系統100之一實施例之一方塊圖，程序控制系統100採用一電漿源以用於一電漿之激發及監控來判定一程序工具內之一程序之狀態。在程序系統100中，處理腔室110內之程序氣體自晶圓120遠端激發。至激發之反應物與晶圓120之表面相互作用時，光學發射量可為有限的或不存在，如上文論述。因此，對來自電漿130之光學發射之量測可不提供半導體晶圓120之蝕刻程序之一精確特性化，因為來自電漿130之光學發射可不包含來自發生在晶圓120表面上之反應之發射。
因此，程序系統100有利地採用電漿源150及150'來提供光學信號以供觀察。電漿源150經由靠近晶圓120之一適當埠直接附接至處理腔室110，且電漿源150'經定位在系統100之一排氣線上。一般來說，本文中揭示之一電漿源可經定位在提供與程序氣體之相互作用之任何一個或多個位置處。電漿源150可包含定位在電漿源150內之光學元件，該等光學元件係光纜總成152或其部分，將透射通過電漿源150之一窗之經收集光引導至光譜儀160。類似地，光纜總成152'將由電漿源150'提供之光引導至光譜儀160。例如，光纜總成152及152'可為光纖束或可包含其他光學元件，諸如透鏡或濾光器。如在圖1中繪示，多個電漿源150及150'可同時用於程序系統100之不同位置中以提供獨立之監控。在此等實施方案中，每一電漿源150及150'具有光譜儀160之一對應輸入埠，其用於遞送所產生之光學信號以供量測。雖然圖1中展示一共用光譜儀160，但是可對各電漿源使用獨立光譜儀或其他光量測系統(諸如光電二極體感測器)。
除了電漿源150及150'外，可包含一準直器或其他光學元件之光學介面140可經定向以自電漿130收集光學發射。如在圖1中展示，光學介面140直接觀察到自電漿130發射之光。然而，若電漿130提供之光學信號不夠，則可使用類似於電漿源150及150'之一電漿源替換光學介面140。
除了光譜儀160及電腦170之外，程序系統100亦包含腔室控制器175及源控制器177。腔室控制器175 (通常係一工業電腦類型)可經組態以藉由自電腦170或光譜儀160接收監控資料及控制信號而引導處理腔室110之操作。源控制器177可與腔室控制器175通信以接收資訊(例如，程序設定、氣體類型、氣體壓力等)以及至少RF功率位準、相位及頻率之電漿源控制參數。源控制器177可為或可類似於與圖13相關聯描述之源控制器。源控制器177亦可經組態以提供具有一經定義功率位準、相位及頻率之一RF信號至電漿源150及150'。源控制器177可經由同軸電纜178及179提供RF信號至電漿源150及150'(經由各源上之一RF介面)。例如，源控制器177可提供具有在2.4至2.5 GHz ISM頻帶內之2.45 GHz之一標稱頻率之一RF信號。RF信號頻率之其他實例包含：在902至928 MHz ISM頻帶內之915 MHz之一標稱頻率、在5.725至5.875 GHz ISM頻帶內之5.8 GHz之一標稱頻率或在24至24.25 GHz ISM頻帶內之24.125 GHz之一標稱頻率。通常，頻率係恒定的或在連續或離散步長中變化較小。可手動或自動控制所供應之RF功率量。源控制器177亦可改變用於點燃或回應於如本文描述之外部命令之RF功率。因而，源控制器177可耦合至光譜儀160、電腦170及/或腔室控制器175，以改變遞送至電漿源150及150'之RF信號功率位準。源控制器177亦可用於自動控制供應至電漿源150及150'之一同軸RF諧振器之RF信號之功率量或中心頻率。源控制器177可包含用於控制RF信號之必要邏輯電路、軟體、電路及軟體之組合等。
為了清楚起見，並不描述或枚舉圖1之元件之間的所有連接。一般言之，應理解，源控制器177可與電漿源150及150'直接相互作用且與腔室控制器175、光譜儀160及電腦170直接或間接相互作用。例如，光譜儀160可發送一信號至源控制器177以提高或降低一RF信號位準以回應於該信號位準之一預定值而改變一經量測光學信號位準。類似地，由於連續維持一電漿源之電漿激發可為有利的，故腔室控制器175及/或電腦170可發送信號至源控制器177以設定一RF信號位準，而不管由光譜儀160量測之任何光學信號。可執行此活動以維持一電漿源之溫度，以在腔室110中進行之多步驟程序期間改良穩定性或適應變化。
光學監控之目之可基於電漿源之位置而改變。例如，若電漿源在程序氣體與晶圓相互作用之前定位，則光學監控可用於特性化特定反應物之適當分解或存在。若靠近一晶圓定位，則光學監控可用於特性化由程序氣體及晶圓之相互作用引起之程序氣體之成分變化。若在與一晶圓相互作用之後定位，則光學監控亦可用於特性化程序氣體成分之變化或用於理解反應產物形成。之前、靠近及之後之位置之實例分別對應於如圖1中繪示之光學介面140、電漿源150及電漿源150'之位置。
圖2A繪示根據本發明之原理構造之一¾波電漿源200之一實施例之一三維圖。圖2B繪示電漿源200之一三維分解圖，其指示電漿源200之主要組件且便於拆卸以進行修理及/或維護。電漿源200可為圖1之電漿源150及/或150'。電漿源200降低現存技術之複雜度且可便利地由安裝凸緣210、o形環220、窗230、同軸諧振腔主體240及RF信號介面250(由諸如螺栓或螺絲之機械緊固件(在圖2A及圖2B中大體表示為元件260)連結)組裝。在同軸諧振腔主體240之一端處展示一光纖入口270。
電漿源200之光機械及RF組態將電漿源200之程序體積與操作條件解耦。電漿源200之同軸諧振腔主體240藉由窗230與程序體積分離且因此與現存設計相比減少來自程序氣體種類、壓力負載及其他相互作用之影響。窗230具有一程序側234及一環境側238。一般言之，同軸諧振腔主體240之RF諧振條件係穩定的，而不管接觸窗230之程序側234之表面之程序體積如何變化。
電漿源200使高強度電磁場投射出同軸諧振腔主體240、橫跨窗230且進入安裝凸緣210內與處理腔室氣體連通之一電漿腔中容納之任何程序氣體中。圖4繪示相對於一安裝凸緣之一電漿腔460。電漿源200之設計之一個優點係最小化與程序空間之相互作用。例如，電漿源200之大多數組件與程序環境隔離，使得僅安裝凸緣210、o形環220及窗230可接觸程序空間、相關聯程序氣體及任何激發電漿。
降低電漿源200之機械及材料複雜度減少潛在污染、材料不相容性及與腔室中進行之程序之不良相互作用。安裝凸緣210可由如對於處理腔室常用且在需要時在內部塗佈之一鋁合金形成。窗230較佳地係1至5 mm厚之c軸定向藍寶石，其對程序氣體及電漿侵蝕具有高抵抗性。o形環220可由對程序氣體及電漿環境具有抵抗性之一全氟化橡膠化合物形成。同軸諧振腔主體240亦可由鋁合金或其他金屬構造。
電漿源200可在一寬壓力範圍中操作，適用於多種程序類型，且可在各種監控位置(包含由圖1之電漿源150及150'指示之處理腔室及前級操作)中操作。雖然實際壓力可改變，但是電漿源200之操作壓力範圍可自在直接連接至處理腔室時之約0.1毫托或更小改變至在附接至一腔室前級時之超過10托。
為了便於放置在各種位置處，電漿源200可有利地具有一緊湊之形狀因數。例如，¾波電漿源200可具有約100 mm x 35 mm x 35 mm (L x W x H)之尺寸(電纜及電子器件排除在外)。如在圖2A中展示，電漿源200經便利地設計用於安裝至一克萊因法蘭(Klein Flange) (KF)介面(諸如一習知之KF40介面)。如下文詳述，電漿源200亦可經組態以配合至其他習知或甚至專有之介面設計，諸如其他KF介面、ASA介面、康弗拉特(ConFlat)或CF介面或其他真空凸緣類型。
圖3A繪示根據本發明之原理構造之一¼波電漿源300之一實施例之一三維圖。圖3B繪示電漿源300之一三維分解圖，其指示電漿源300之主要組件且便於拆卸以進行修理及/或維護。類似於電漿源200，電漿源300可便利地由安裝凸緣310、o形環320、窗330、同軸諧振腔主體340及RF信號介面350組裝。可使用機械緊固件將電漿源300之組件連接且固持在一起且該等機械緊固件在圖3A及圖3B中大體表示為元件360。機械緊固件360可穿過間隙開口365以與安裝凸緣310中之螺紋孔367接合。機械緊固件可類似地與本文揭示之其他電漿源中之間隙開口及螺紋孔一起使用。
在同軸諧振腔主體340之一端處展示一光纖入口370。¼波電漿源300可具有約40 mm x 40 mm x 40 mm之尺寸。電漿源300之組件可由用於構造電漿源200之材料構造。電漿源200及300之同軸諧振腔主體之各者具有一固定之內長度，其標稱上基於經由RF信號介面250、350提供之RF激發波長之四分之一長度之一奇數倍。同軸諧振腔主體(包含更長之5/4波或7/4波電漿源)之標稱內長度協作以最佳化窗處之一電磁(EM)場。
圖4A繪示根據本發明之原理構造之一電漿源400之一實施例之一三維橫截面圖。圖4B繪示電漿源400之一端視圖。電漿源400包含一同軸諧振腔主體410、一RF信號介面420、一安裝凸緣430、一窗440、一隔離篩網450 (僅在圖4B中展示)及一電漿腔460。在一些實施例中，同軸諧振腔主體410之內長度L1及耦合點距離L2之值係基於使用經由RF信號介面420接收之一RF信號在窗440之程序環境表面處或其附近建立之一電磁(EM)場之最大化。在窗440處之EM場之最大化可使所得電漿濕潤窗440，藉此藉由維持一增加之窗溫度而輔助窗440藉由激發電漿之動作自我清潔。因此，歸因於污染減少，電漿源400保持窗440之光學透射性質一致。同軸諧振腔主體410之其他尺寸藉由受關注操作頻率下之波長特性定義。歸因於使用及干擾之國際標準化，操作頻率可為(但不是必需的)在工業、科學及醫用(ISM)頻帶內(例如，2.4至2.5 GHz、5.725至5.875 GHz等)。
在一些¾波實施例中，電漿源400可具有約100 mm之總長度，且同軸諧振腔主體410之內長度(由尺寸L1指示)可約為70至95 mm，且耦合點距離L2可約為10至80 mm。電漿源400之總長度自安裝凸緣430之一介面432延伸至定位在電漿源400之與安裝凸緣430相對之端處之光纖入口490之一開口。電漿源400之與安裝凸緣相對之端亦係同軸諧振腔主體410之與程序端相對之一第二端。同軸諧振腔主體410之特定或固定內長度取決於實際操作頻率及RF波之相關聯自由空間波長。例如，針對2.4至2.5 GHz ISM頻帶，波長範圍在125至120 mm，且一¾波諧振器之長度約為90 mm，即，90 mm之一內長度。類似地，針對具有125至120 mm之波長範圍之2.4至2.5 GHz ISM頻帶，一¼波諧振器之長度約為30 mm，即，30 mm之一內長度。同軸諧振腔主體410之內長度L1及耦合點距離L2之值可基於窗440之RF性質(複介電常數等)進行修改。
同軸諧振腔主體410機械上係穩固的且經設計以最小化經由RF介面420接收之RF信號之發射(除了經引導通過窗440且進入安裝凸緣430內之電漿腔460中的之外)。同軸諧振腔主體410包含一內電極470及一外電極480。RF信號介面420經電耦合至內電極470及外電極480以經由經接收之RF信號提供電漿源400之激發。內電極470及外電極480之相對尺寸選擇為在經由RF信號介面420連接時接近同軸諧振腔主體410之一50歐姆標稱阻抗。內電極470及外電極480之相對尺寸可改變以對應於RF信號介面420及外部RF組件之一阻抗。在其他實例中，內電極470及外電極480之尺寸可選擇為接近一75歐姆標稱阻抗。如在圖4A中展示，同軸諧振腔主體410經感應耦合至RF信號介面420，因為RF信號介面420之中心導體422與內電極470直接電連接。在其他實施例中，同軸諧振腔主體410可藉由將RF信號介面420之中心導體422延伸至外電極480與內電極470之間之區域中而不接觸內電極470來電容耦合。RF信號介面420直接接觸外電極480。
一或多個調諧短柱425可用於執行關於RF信號介面之阻抗匹配及/或電漿源400之頻率調整。調諧短柱425可為金屬或非金屬螺絲或其他可調整隆凸物，其等進入外電極480與內電極470之間的空間中。可調整調諧短柱425進入該空間中之量以更改阻抗及/或頻率。調諧短柱425沿著同軸諧振腔主體410之數量及放置可基於經驗、測試資料及電磁模型化。調諧短柱425之位置及其數量亦可取決於電漿源之類型或大小而改變。例如，調諧短柱之數量及位置可取決於電漿源係一¼波電漿源或一¾波電漿源而改變。圖4A展示調諧短柱之實例位置及數量之一實例。
可經由一源控制器(諸如圖1之源控制器177)提供RF信號。如上文提及，RF信號可具有2.4至2.5 GHz ISM頻帶內之2.45 GHz之一標稱頻率。RF信號介面420經設計以匹配遞送RF信號之電纜/源(諸如圖1中之電纜178及179，及源控制器177之RF電源)之阻抗。RF信號介面420可為一50歐姆RF連接器，諸如一N型連接器、一超小型版本A連接器或另一類型之RF連接器。
安裝凸緣430經機械耦合至同軸諧振腔主體410，其中窗440及一o形環435定位在其等之間，且o形環435經定位於窗440與安裝凸緣430之間。有利地，同軸諧振腔主體410及安裝凸緣430可移除地耦合在一起。容易拆卸且重新組裝此等組件之能力容許維護窗440及o形環435。螺絲437或另一類型之機械緊固件可用於同軸諧振腔主體410及安裝凸緣430之可移除機械耦合。將同軸諧振腔主體410耦合至安裝凸緣430亦透過同軸諧振腔主體410及安裝凸緣430之配合表面提供一電連接以用於RF屏蔽及接地之一低電阻導電路徑。
安裝凸緣430之介面432經組態以連接至與來自一處理腔室之氣體或若干氣體連通之一介面。安裝凸緣430之介面432可為(例如)一KF40型連接器。介面432可取決於所連接之介面類型改變。另外，諸如在圖9A及圖9B中繪示，配合同軸諧振腔主體410使用之安裝凸緣之電漿腔可改變且仍提供同軸諧振腔主體410與程序體積之間的解耦，而對電漿源400之操作特性之影響有限。o形環435可由諸如Kalrez全氟化橡膠之一材料構造，該材料通常在工業中用於耐受程序氣體、壓力及熱。
除了適合用於安裝之介面外，安裝凸緣430機械支撐電漿源400之同軸諧振腔主體410。安裝凸緣430亦可支撐隔離篩網450(若使用)。隔離篩網450包含開口或孔以調節由安裝凸緣430之內表面界定之電漿腔460與諸如在一處理腔室中之程序體積之間的程序氣體之流出。此外，隔離篩網450可抑制靠近窗440激發之電漿遷移進入附接程序體積之主要部分中。在其中需要考慮污染之一些應用中(諸如在耦合至由圖1之電漿源150指示之一處理腔室時)可使用隔離篩網450，且在其中不需要考慮污染之一些應用中(諸如在由圖1之電漿源150'指示之前級位置中)可不使用隔離篩網450。
隔離篩網450可經附接至安裝凸緣430且經定位與介面432一致或在電漿腔460內之其他位置處。隔離篩網450可由與安裝凸緣430相同之材料製成。例如，隔離篩網450可由鋁構造。隔離篩網450可移除地附接至安裝凸緣430 (諸如經由一夾具或螺紋連接)或可諸如經由焊接而永久附接。隔離篩網450亦可為電漿源400之一非整合部分，且針對KF型介面，可使用一經適當設計之屏蔽定心環。可由電漿及/或程序氣體接觸之電漿腔460之內表面可使用氧化鋯、氧化釔、耐火氧化物或另一類似產物塗佈以降低歸因於程序氣體之污染及損害。窗440亦可由用於抵抗歸因於程序氣體之污染之一習知材料構造。例如，窗440可為一藍寶石或熔融矽石窗。
除了將電漿源400之大部分與程序體積隔離外，窗440亦提供RF能量至電漿腔460中之傳輸及由電漿465之激發產生之光學發射在電漿腔460中之傳輸。如上文陳述，窗440之一個側(程序側444)與一程序體積之環境氣體接觸，且窗440之另一側(環境側448)合宜地處於環境條件下。
一光纖總成(未展示)可經由定位在電漿源400之與安裝凸緣430相對之端處之光纖入口490放置在內電極470內。光纖總成可提供光學信號至一光譜儀(諸如圖1中之光譜儀160)。孔隙495靠近窗440定位以容許光纖總成直接接取及強耦合至由電漿465提供之光學發射。孔隙495經設計以限制對EM場及所得電漿之產生及定位之影響。孔隙495係與RF激發波長相比通常較小之(具有約1 mm直徑)一光學信號孔隙，且經定位以提供可由光纖電纜總成接取之電漿之一視野。光纖總成(圖4A中未展示)可具有一圓柱形橫截面，且藉由一固定螺絲或其他緊固件保持在光纖入口490中。
在一些應用中，一磁體可用於提供圍繞電漿源400之電漿腔460之磁約束以支援電子迴旋諧振且協助在較低RF功率或在一更寬壓力範圍內點燃且維持電漿465。一磁體或若干磁體可圍繞安裝凸緣430放置或嵌入安裝凸緣430內。圖9B繪示嵌入一安裝凸緣中之圓柱形磁體，且圖10B繪示圍繞一安裝凸緣放置之一釹環磁體。針對2.45 GHz激發之一標稱工作條件，可使用一875高斯場來支援電子迴旋諧振；亦可使用其他磁場強度。
如上文陳述，孔隙495及光纖之定位與電漿激發相協調。為了進一步協助界定電漿腔460內電漿激發之一位置，在窗440處之內電極之端(稱為窗端497)可經塑形。孔隙495之位置亦可改變以對應於在窗端497處之內電極470之形狀。因此，光纖入口可改變以與孔隙495一致。圖5A至圖5D繪示根據本發明之原理之經構造具有內電極之各種形狀之窗端之電漿源之同軸諧振腔主體之實施例之三維視圖。
圖5A繪示具有一內電極之一窗端512之一同軸諧振腔主體510，窗端512呈一十字形狀且擁有4個不對稱臂。窗端512之此組態將電漿激發定位在一最長臂514之位置附近。因此，重新定位一光纖入口516之一位置。在此實施例中，光纖在內電極內不再軸向定向，而是穿過光纖入口516定位且與最長臂514與同軸諧振腔主體510之外電極之內直徑之間的一空隙對準。在開口519中可使用一固定螺絲以將光纖固持在適當位置中。圖5B繪示具有一內電極之一窗端522之一同軸諧振腔主體520，窗端522呈擁有一單一點524之一形狀，點524與用於更改自點524至同軸諧振腔主體520之外電極之內表面之一距離之一可調整鍵槽526相對。一光纖可插入光纖入口528中且與點524與可調整鍵槽526之間的一空隙對準。圖5C繪示具有一內電極之一窗端532之一同軸諧振腔主體530，窗端532呈一十字形狀且具有對稱圓臂。一孔隙534經定位於窗端532之一中心中。在此實施例中，光纖可在同軸諧振腔主體530之內電極內軸向引導。圖5D繪示包含呈平截圓錐體形狀之內電極之窗端542之同軸諧振腔主體540。一孔隙544經定位於窗端542之平截圓錐體之一中心中。同軸諧振腔主體540進一步包含經構形以接納一安裝支架(諸如圖10A之安裝支架1040)之凹部548。在如同同軸諧振腔主體530之此實施例中，光纖可在同軸諧振腔主體540之內電極內軸向引導。圖5A至圖5D之同軸諧振腔主體可經由穿過開口511、521、531及541放置之機械緊固件與安裝凸緣或其他安裝表面連接。
為了支援電漿源之可組態性，各種不同窗端可被可移除地機械附接至一可調適內電極。圖6A繪示自圖6B至圖6D繪示之可調適內電極組件610及620組裝之一同軸諧振腔主體600之一橫截面視圖。內電極主體610包含經設計以接納窗端620之公螺紋部分之一母螺紋部分。當組裝在一起時，內電極主體610及窗620提供同軸諧振腔主體600之一內電極630。同軸諧振腔主體600亦包含一外電極640、用於緊固件之一穿孔650，及一孔隙660。經組裝內電極630對應於圖5C之內電極。同軸諧振腔主體600亦包含經構形用於安裝一RF信號介面(諸如圖2A之介面250)之孔670及平坦部分675。
內電極、窗及孔隙之設計之協調試圖針對電漿激發及電漿定位提供最佳RF功率遞送以方便且有效地收集光學發射信號。因此，設計之協調涉及靠近窗表面且在光纖之觀察點處提供一電漿。電漿之定位可與由RF源提供且藉由同軸諧振腔塑形之電場之濃度相關聯。圖7A繪示指示在一電漿源之一窗處之場之強定位之一電場強度圖700。圖700包含一曲線705，其展示隨著距窗之距離增加，以伏特/米為單位之一電場之量值或強度減小。圖700係在點燃電漿之前，自諸如本文揭示之一電漿源之一¾波設計之一模型產生。用於圖700之電漿源包含圖5D中展示之一窗端542。圖7B繪示來自圖700之功率效能結果。
圖7B繪示一圖710，其展示RF信號源之功率對根據本發明之原理構造之一電漿源之一電漿腔內之壓力。圖710繪示具有擁有圖5D中展示之一窗端542之一內電極之一¾波電漿源之點燃且維持功率效能。虛曲線720係點燃或激發功率位準且實曲線730係維持功率位準。具體來說，此電漿源可在小於200 mW之功率位準下點燃(虛曲線720)且可維持在小於100 mW之功率位準(實曲線730)。如根據帕申定律(Paschen's law)預期，功率對壓力曲線展示隨著壓力減小，所需功率位準通常更高。針對特定操作場景，一電漿源可在一較高壓力及相關聯較低功率條件下點燃，且在壓力降低至一較低水準時維持在該相同或不同之功率條件。
圖8繪示由具有諸如圖7A中表示之電場強度及諸如圖7B中表示之一電漿源之功率效能之一電漿源提供之一實例光譜810之一圖800。光譜可藉由一光譜儀(諸如圖1中之光譜儀160)提供。電漿之定位、低功率操作及有效光學耦合提供如在光譜810中展示之大光學信號。針對光譜810，混合氮氣及氧氣之一電漿在2.410 GHz激發下以約200毫托壓力及300 mW之經施加RF功率點燃且維持。電漿源之低功率操作(諸如在300 mW)導致激發氣體之解除關聯減少，從而容許表達原子及分子光譜特徵，此可用於多原子種類之程序分析及判定化學化合物。
本文描述之電漿源之可調適性有利地容許將本文揭示之同軸諧振腔主體連接至多個介面及位置。圖9A及圖9B繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之安裝凸緣之視圖。不同之腔室介面及對氣流之不同需求可影響一安裝凸緣之設計。一般言之，具有最小體積之一安裝凸緣有利地減輕歸因於氣體輸送之一緩慢回應。然而，此優點需要與安裝之機械需求相平衡。
特定安裝凸緣特徵(諸如凸緣內直徑)有助於EM場及所得電漿之定位。與此相關，有利的是抑制電漿歸因於侵蝕及顆粒形成而直接接觸安裝凸緣之金屬部分。歸因於電漿之曝露，安裝凸緣之內直徑可經塗佈用於保護。圖9A及圖9B繪示具有一不同電漿腔形狀及體積之安裝凸緣之兩個實例。
圖9A中展示之安裝凸緣910具有形成容許氣體輕易流動之電漿腔920之一圓柱形內孔，及靠近一窗之傾向於使電漿離位之一較大敞開區域。安裝凸緣910包含用於容置窗及一o形環之一窗凹部980及o形環槽930。安裝凸緣910亦包含用於接納用於將一同軸諧振腔主體連接至安裝凸緣910之緊固件之開口940。
圖9B中展示之安裝凸緣950與圖9A之安裝凸緣910相比具有一縮短且漸縮式內孔。漸縮式內孔形成電漿腔960。靠近一窗之較小敞開區域導致電漿之更高定位。電漿腔960之較小敞開區域可抑制氣流。在一些實施例中，對氣流之抑制可藉由增加電漿腔960之程序側直徑及縮短安裝凸緣950之總長度而部分減輕。安裝凸緣950包含用於容置窗及一o形環之一窗凹部982及o形環槽932。安裝凸緣950亦包含用於接納用於將一同軸諧振腔主體連接至安裝凸緣950之緊固件之開口942。安裝凸緣950進一步包含磁體990，其等展示為嵌入式但可自安裝凸緣950突出。圖9B中展示之安裝凸緣950之橫截面圖指示安裝凸緣950之漸縮式內孔如何支援將磁體990嵌入安裝凸緣950中。此構形中之磁體990可經極化以提供垂直於EM場之電分量之一磁場(即，相對於電漿源之圓柱軸徑向極化)。
EM場遠離窗之快速衰減降低凸緣與同軸諧振腔主體及窗之設計之耦合。因此，同軸諧振腔主體可視為「通用」且其他安裝配置可輕易調適以滿足安裝電漿源之需求。在特定實施例中，可不使用獨立安裝凸緣且可直接在一腔室、前級或其他安裝位置上構造一o形環及窗之適當設計特徵。因此，機械緊固件(諸如圖4中之螺絲437)可用於在無安裝凸緣之情況下將一同軸諧振腔主體連接至一介面。
在無安裝凸緣之一些應用中，機械緊固件可用於將一同軸諧振腔主體附接至一介面且將o形環及窗緊固在其等之間。雖然安裝凸緣910及950指示使用機械緊固件連結一安裝凸緣及一同軸諧振腔主體，然而，可經由其他方法執行連結，例如藉由提供具有可與一安裝凸緣之一母螺紋部分接合之一公螺紋部分(或反之亦然)之一同軸諧振腔主體。此外，窗凹部諸如980及982可全部或部分在一同軸諧振腔主體之一部分中而非一安裝凸緣中形成。
圖10A繪示電漿源系統1000之一實施例之一三維圖，其中外部RF匹配/調諧器1020經由一安裝支架1040連接至一電漿源1030。電漿源1030包含根據本發明之原理構造之一同軸諧振腔主體1050及安裝凸緣1060。同軸諧振腔主體1050包含軸向定向之光纖入口1055。歸因於RF組件之製造及效能之變化，通常需要阻抗匹配。一外部調諧器(諸如RF匹配/調諧器1020)可用於阻抗匹配。調諧器1020可包含基於經由RF連接1022在RF供應(諸如圖1之RF源控制器177)與電漿源(諸如圖2A之源200)之間串聯連接之一「調諧墊」陣列之一調諧電路。調諧器1020亦經由一彎頭連接器1024連接至安裝至同軸諧振腔主體1050之一RF信號介面。RF信號在RF連接1022進入，穿過RF匹配/調諧器1020內側之電路板，進入RF彎頭連接器1024且接著連接至安裝至同軸諧振腔主體1050之一RF信號介面1026 (圖10A中未展示)。
圖10B繪示包含圍繞安裝凸緣1060之一釹環磁體1070之圖10A之電漿源系統1000之一三維圖。此構形中之一磁體可經軸向極化以提供相對於EM場之電分量平行或反平行之一磁場(即，相對於電漿源1030之圓柱軸軸向極化)。圖10B亦繪示圖10A中未展示之RF信號介面1026。
在特定實施方案中，容許氣體掃過靠近窗之激發區可為有用的。圖11繪示另一電漿源系統1100之一實施例之一三維圖，其中一同軸諧振腔主體1110藉由一安裝支架1130連接至一外部RF匹配/調諧器1120。同軸諧振腔主體1110包含一軸向定向之光纖入口1155。調諧器1120包含一RF連接1122且亦經由一RF彎頭連接器1124連接至同軸諧振腔主體1110之一RF信號連接器1126。調諧器1120及同軸諧振腔主體1110之「並排」機械定位可改變，且例如，可移除RF彎頭連接器1124且調諧器1120可經定位「平行於」管總成1160。在此旁流式配置中，「通用」同軸諧振腔主體1110經附接至一經適當設計管總成1160之側。此構形可用於諸如由圖1之電漿源150'指示之前級及其中回應時間係關鍵的差異泵應用中。在另一實施例中，可不使用管總成1160且可將同軸諧振腔主體1110安裝至諸如由圖1中之電漿源150之位置指示之一平坦表面(諸如一腔室之外壁)。
本文描述之諧振腔電漿源經設計以降低由程序環境提供之各種操作條件之影響，諸如導致諧振頻率改變之腔之壓力負載、腔Q、反射功率、電壓駐波比(VWSR)等。然而，此等影響需要一些適應。圖12繪示諸如圖10B中展示之一電漿源之實例諧振行為變化之一曲線1200。實曲線1210指示電漿點燃之前之諧振條件，且虛曲線1220指示在電漿源經激發且提供持續光學發射時之諧振條件。將由實曲線1210指示之電漿點燃之前之諧振與虛曲線1220之在電漿源經激發時之諧振進行比較，指示諧振頻率偏移約1 MHz且S11 (輸入回波損耗)自約-25 dB增大至-15 dB。本質上，電漿充當耦合至同軸腔諧振器之一負載。電漿負載導致低效之功率傳輸且改變電漿之激發，進一步驅動來自激發電漿之光學發射信號之改變。所得光學發射信號不穩定性並非程序控制所需的且可需要補償。不穩定性可表現為光學發射信號振幅之改變或光譜特徵之改變。
為了此等目的，可使用一源控制器。圖13繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之一源控制器1300之一方塊圖。源控制器1300經組態以提供一RF信號至一電漿源之一RF信號介面且控制RF信號之一功率量、相位及一頻率。若RF信號係脈衝式的，則源控制器1300亦可調節任何脈衝式RF波形之週期性及工作週期。提供至電漿源之RF信號用於產生一EM場，其經遞送以點燃且維持一電漿(諸如在電漿源之一電漿腔中)。源控制器1300可為獨立的或可與其他控制裝置(諸如圖1之光譜儀160、電腦170及腔室控制器175)整合。
源控制器1300包含定義且控制RF信號之組件。可設想用於定義且控制RF信號之適當RF信號鏈之多個組態。本文定義之組態至少提供有助於電漿源操作之所需頻率、信號位準及信號穩定性、及信號位準量測能力。源控制器1300包含一合成器1310、一衰減器1320 (可為類比、數位或與放大器之偏壓控制整合)、放大器1330 (可包含一或多個放大器或前置放大器)、一隔離器1350、一雙向耦合器1360及功率感測器1370。一匹配網路1380 (諸如圖10A之調諧器1020)可在源控制器外部(或與之整合)，其接著連接至電漿源1390。源控制器1300可不包含或可不啟動每一應用中之所有此等組件。例如，(例如)在不需要監控前向/反射RF功率時，可不包含雙向耦合器1360及功率感測器1370。另外，針對特定RF放大器組態，(例如)在不考慮回饋之情況下，可排除隔離器1350。
合成器1310經組態以產生包含設定RF信號之一頻率、相位及功率之一RF信號。合成器1310自一DC電源接收DC電力以用於產生RF信號。合成器1310亦自一使用者或外部控制器接收指令以建立頻率、相位及功率。合成器1310亦可自一光譜儀或耦合至電漿源之另一光學監控裝置接收指令且採用該等指令來更改功率或頻率。例如，來自一光譜儀之回饋可指示電漿源之一電漿腔內之電漿之點燃且容許合成器1310降低用於維持電漿激發之功率。一個適當RF合成器係可自美國麻薩諸塞州諾伍德之類比裝置(Analog Devices of Norwood, MA, USA)購得之模型ADF4355。DC電源可為一習知DC源，且合成器1310可經由習知功率連接及介面接收DC電力。
衰減器1320自合成器1310接收一RF信號且將RF信號衰減至一所需位準。一個適當衰減器係可自美國加利福尼亞州聖荷西(San Jose, CA, USA)之IDT購得之模型F1956數位步進衰減器。放大器1330自衰減器1320接收衰減之RF信號且將衰減之RF信號以一固定或可變之增益因數增強。放大器1330可為提供所需增益所需要之一單一或多個放大器或前置放大器。一適當放大器可圍繞來自美國北卡羅來納州達蘭之科銳公司(Cree of Durham, NC, USA)之CGH27030 HEMT設計。隔離器1350經組態以保護源控制器1300之組件以防反射功率。適當隔離器可自美國麻薩諸塞州沃本市之思佳訊(Skyworks of Woburn, MA, USA)購得。
雙向耦合器1360經組態以分接經放大RF信號且提供經分接信號至功率感測器1370。功率感測器1370偵測經放大RF信號之增益及相位(或前向/反射RMS功率)。來自功率感測器1370之輸出可用於調整由源控制器1300提供之RF功率位準或調整匹配網路1380。來自功率感測器1370之值亦可傳送至一外部系統(諸如圖1之光譜儀160)，且考慮RF信號位準與光學信號位準之間的關係可用於使光學信號位準正規化以用於改良光學信號分析。雙向耦合器可自多個供應商(諸如巴斯特納克(Pasternak))獲得。匹配網路1380經組態以提供用於遞送經放大RF信號至電漿源1390之阻抗匹配。
源控制器1300可包含用於提供通信至外部系統(例如圖1之電腦170或光譜儀160)之一通信模組1307。源控制器1300可使用USB、乙太網路或其他通信協定。例如，合成器1310可經由通信模組1307接收指令。由於源控制器1300之合成器1310及其他元件可為串列週邊介面(SPI)或內置積體電路(I2C)匯流排裝置；故微控制器1305可用於控制源控制器1300之內部組件。功率模組1303可接收外部24 VDC電力且轉換為必要之3.3或5 VDC電壓以用於配合內部組件使用。源控制器1300之組件可經適當整合至一RF屏蔽外殼或盒中以限制RF信號發射且提供外部同軸RF連接。源控制器1300可提供在一頻率範圍(諸如2.4至2.5 GHz)內之一可變標稱輸出位準0.01至40瓦特。信號位準及頻率調整可為連續或離散的。例如，可使用10毫瓦步進之信號位準調整及1 MHz步進之頻率調整。為了在調整期間維持電漿之激發，源控制器1300不應在轉變期間終止RF信號。
半導體程序通常涉及相同腔室中之多個程序步驟，其中對一晶圓應用不同處理。本文揭示之電漿源、電漿源系統或其部分可用於一或多個此等程序步驟。由於程序控制之穩定性對產生晶圓之必要改變係關鍵的，故一電漿源監控任何程序之穩定性亦係關鍵的。鑒於電漿源激發程序氣體且產生熱，電漿源具有應考慮之一穩定性時間常數。此外，維持電漿源之窗之升高溫度可抑制窗上之污染物堆積。鑒於此，圖14繪示在一多步驟半導體程序期間用於操作根據本發明之原理構造之一電漿源或其一部分之一程序1400之一流程圖。
方法1400可採用本文揭示之電漿源中之一者且開始於準備步驟1410。準備可包含用於各程序之持續時間、壓力及氣體之檢視以界定一電漿源之有效準備就緒狀態。在一步驟1420中，一準備就緒狀態可藉由一電漿源之一源控制器設定。一準備就緒狀態可包含設定一電漿源之一預定RF信號位準及頻率。例如，RF信號位準可設定在一高位準(例如，10瓦特)以支援電漿源及其組件之快速升溫。步驟1420可在任何第一程序步驟之前充分進行以監控確保提供足夠之升溫時間。在步驟1420之後，可在步驟1430中在一源控制器接收在一接下來之程序步驟期間電漿源之操作參數。操作參數可包含經選擇以提供監控接下來之程序步驟所需之光學信號位準之一電漿源之預定RF信號位準及頻率。例如，RF信號位準可基於程序步驟之氣體及壓力設定至100 mW之一值，以避免在一光譜儀處收集過度光學信號。
在接收操作參數之後，在步驟1440中，可將此等參數應用至電漿源以調整其操作狀態。一旦已經達成適當操作狀態，便可容許電漿源在步驟1450期間操作達當前程序步驟之持續時間。方法1400接著繼續至步驟1455，其中判定是否監控額外程序步驟。若存在額外程序步驟，則程序1400返回至步驟1420，且為額外程序步驟重新建立電漿源之準備就緒狀態。若不會執行額外程序步驟或不需要監控，則方法1400繼續至步驟1460，其中電漿源可經設定至一空閒狀態。一空閒狀態可具有與一準備就緒狀態、操作狀態相同之條件或可「關閉」電漿源。例如，當半導體腔室將經歷壓力超出範圍之操作條件時，空閒狀態可將RF信號降低至一關閉狀態，以支援電漿源之操作(諸如在一排氣週期期間)以自一腔室移除一晶圓。程序1400以步驟1470結束且此時，一電漿源可關閉或準備一新的監控週期。
上文描述之設備、系統或方法或其等之至少一部分可體現在各種處理器(諸如圖1之控制器及電腦)中或由其等執行，諸如數位資料處理器或電腦，其中處理器經程式化或儲存可執行程式或軟體指令序列以執行設備或系統之方法或功能之一或多個步驟。此等程式之軟體指令可表示演算法且以機器可執行之形式編碼於非暫時性數位資料儲存媒體上，例如磁碟或光碟、隨機存取記憶體(RAM)、磁性硬碟、快閃記憶體及/或唯讀記憶體(ROM)，以使各種類型之數位資料處理器或電腦能夠執行本文描述之系統之一或多個上述方法或功能之一個、多個或所有步驟。
本文揭示之特定實施例可進一步涉及或包含具有一非暫時性電腦可讀媒體之電腦儲存產品，其上具有程式碼，以用於執行體現至少部分設備、系統或執行或引導本文陳述之方法之至少一些步驟之各種電腦實施操作。本文使用之非暫時性媒體係指除了暫時、傳播信號之外之所有電腦可讀媒體。非暫時性電腦可讀媒體之實例包括但不限於：諸如硬碟、軟碟及磁帶之類之磁性媒體；光學媒體，諸如CD-ROM盤；磁光媒體，諸如光碟；及專門組態以儲存及執行程式碼之硬體裝置，諸如ROM及RAM裝置。程式碼之實例包括諸如由一編譯器產生之機器碼及包含可由電腦使用一解譯器執行之更高級碼之檔案兩者。
熟習本申請案相關之技術者應瞭解可對所描述實施例進行其他及進一步添加、刪除、替代及修改。
可主張本發明之各種態樣，包含本文揭示之設備、系統及方法。本文揭示之態樣包含：
A.一種用於自一或多種氣體激發一電漿之電漿源及其光學監控，該電漿源包含：(1)一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極，(2)一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體，(3)一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處，及(4)一安裝凸緣，其經定位靠近該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。
B.一種用於激發一電漿之激發系統，其包含：(1)一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極，(2)一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體，及(3)一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該射頻信號介面。
C.一種光學監控系統，其包含：(1)一電漿源，其經組態以點燃、激發與一處理腔室氣體連通之一電漿腔內之一電漿及自該電漿產生光學發射，(2)一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該電漿源之一射頻信號介面以在該電漿腔中產生一電磁場以用於該電漿之點燃及激發，(3)一光學耦合系統，其經組態以傳遞自該電漿之該激發觀察到之光學信號，及(4)一光譜儀，其經組態以接收該等光學信號且將該等光學信號轉換為電信號。
態樣A、B及C中之各者可組合地具有下列額外元素中之一或多者：
元素1：其中該同軸諧振腔主體之該內長度標稱上係該經提供之射頻信號之四分之一波長之一奇數倍。元素2：其中該固定位置處於沿著該內長度距該第一端之一耦合點距離處，且該耦合點距離及該內長度之值協作以增強及定位自該經提供之射頻信號導出之靠近該窗之一電磁場。元素3：其中該窗由選自藍寶石及熔融矽石之一材料製成且具有三毫米或更小之一厚度。元素4：其中該射頻信號介面經感應電耦合至該內電極及該外電極。元素5：其中該射頻信號介面經電容電耦合至該內電極及該外電極。元素6：其進一步包括在該外電極與該內電極之間的一體積內可調整之一或多個調諧短柱。元素7：其中該同軸諧振腔主體、該安裝凸緣及該窗經可移除連接。元素8：其中在該第一端處，該內電極具有一窗端，其具有界定該電漿腔內之該電漿之一位置之一形狀。元素9：其中該形狀選自具有對稱圓臂之一十字、具有截頭臂之一十字、一不對稱十字、一單一點及一平截圓錐體。元素10：其中該內電極之該窗端係可移除的。元素11：其進一步包括一隔離篩網。元素12：其進一步包括一光學信號孔隙，其靠近該窗且與該電漿之一位置一致。元素13：其中該光學信號孔隙之位置對應於在該第一端之該內電極之一形狀。元素14：其進一步包括一光纖入口，其與該光學信號孔隙一致。元素15：其中該光纖入口沿著該同軸諧振腔主體之一長度在該第一端與該第二端之間延伸。元素16：其中該同軸諧振腔主體具有匹配該射頻信號之一來源之一阻抗的一阻抗。元素17：其進一步包括提供一磁場之一磁體，該磁場與該電漿腔內之該電漿相互作用以協助該電漿之點燃且在該點燃之後維持該電漿。元素18：其中該磁體與該安裝凸緣連接。元素19：其中該源控制器控制該射頻信號之一功率位準、頻率、相位及工作週期。元素20：其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之前向與反射功率而自動控制一功率量。元素21：其中該源控制器包含界定該射頻信號之頻率之一射頻合成器，及設定一功率量之一可變增益射頻信號路徑。元素22：其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之射頻信號增益及相位資訊而自動控制該射頻信號之該頻率。元素23：其中該源控制器經定位在該同軸諧振腔主體之遠端。元素24：其進一步包括：一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處；及一安裝凸緣，其經定位靠近在該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。元素25：其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之前向與反射功率而自動控制該射頻信號之一功率量。
100‧‧‧程序控制系統/程序系統 110‧‧‧處理腔室 120‧‧‧晶圓 130‧‧‧電漿 140‧‧‧光學介面 150‧‧‧電漿源 150'‧‧‧電漿源 152‧‧‧光纜總成 152'‧‧‧光纜總成 160‧‧‧光譜儀 170‧‧‧電腦 175‧‧‧腔室控制器 177‧‧‧源控制器 178‧‧‧同軸電纜 179‧‧‧同軸電纜 200‧‧‧¾波電漿源 210‧‧‧安裝凸緣 220‧‧‧o形環 230‧‧‧窗 234‧‧‧程序側 238‧‧‧環境側 240‧‧‧同軸諧振腔主體 250‧‧‧RF信號介面 260‧‧‧元件 270‧‧‧光纖入口 300‧‧‧¼波電漿源 310‧‧‧安裝凸緣 320‧‧‧o形環 330‧‧‧窗 340‧‧‧同軸諧振腔主體 350‧‧‧RF信號介面 360‧‧‧元件/機械緊固件 365‧‧‧間隙開口 367‧‧‧螺紋孔 370‧‧‧光纖入口 400‧‧‧電漿源 410‧‧‧同軸諧振腔主體 420‧‧‧RF信號介面/RF介面 422‧‧‧中心導體 425‧‧‧調諧短柱 430‧‧‧安裝凸緣 432‧‧‧介面 435‧‧‧o形環 437‧‧‧螺絲 440‧‧‧窗 444‧‧‧程序側 448‧‧‧環境側 450‧‧‧隔離篩網 460‧‧‧電漿腔 465‧‧‧電漿 470‧‧‧內電極 480‧‧‧外電極 490‧‧‧光纖入口 495‧‧‧孔隙 497‧‧‧窗端 510‧‧‧同軸諧振腔主體 511‧‧‧開口 512‧‧‧窗端 514‧‧‧最長臂 516‧‧‧光纖入口 519‧‧‧開口 520‧‧‧同軸諧振腔主體 521‧‧‧開口 522‧‧‧窗端 524‧‧‧點 526‧‧‧可調整鍵槽 528‧‧‧光纖入口 530‧‧‧同軸諧振腔主體 531‧‧‧開口 532‧‧‧窗端 534‧‧‧孔隙 540‧‧‧同軸諧振腔主體 541‧‧‧開口 542‧‧‧窗端 544‧‧‧孔隙 548‧‧‧凹部 600‧‧‧同軸諧振腔主體 610‧‧‧內電極組件/內電極主體 620‧‧‧內電極組件/窗端/窗 630‧‧‧內電極 640‧‧‧外電極 650‧‧‧穿孔 660‧‧‧孔隙 670‧‧‧孔 675‧‧‧平坦部分 700‧‧‧電場強度圖 705‧‧‧曲線 710‧‧‧圖 720‧‧‧虛曲線 730‧‧‧實曲線 800‧‧‧圖 810‧‧‧光譜 910‧‧‧安裝凸緣 920‧‧‧電漿腔 930‧‧‧o形環槽 932‧‧‧o形環槽 940‧‧‧開口 942‧‧‧開口 950‧‧‧安裝凸緣 960‧‧‧電漿腔 980‧‧‧窗凹部 982‧‧‧窗凹部 990‧‧‧磁體 1000‧‧‧電漿源系統 1020‧‧‧外部RF匹配/調諧器 1022‧‧‧RF連接 1024‧‧‧RF彎頭連接器 1026‧‧‧RF信號介面 1030‧‧‧電漿源 1040‧‧‧安裝支架 1050‧‧‧同軸諧振腔主體 1055‧‧‧光纖入口 1060‧‧‧安裝凸緣 1070‧‧‧釹環磁體 1100‧‧‧電漿源系統 1110‧‧‧同軸諧振腔主體 1120‧‧‧外部RF匹配/調諧器 1122‧‧‧RF連接 1124‧‧‧RF彎頭連接器 1126‧‧‧RF信號連接器 1130‧‧‧安裝支架 1155‧‧‧光纖入口 1160‧‧‧管總成 1200‧‧‧曲線 1210‧‧‧實曲線 1220‧‧‧虛曲線 1300‧‧‧源控制器 1303‧‧‧功率模組 1305‧‧‧微控制器 1307‧‧‧通信模組 1310‧‧‧合成器 1320‧‧‧衰減器 1330‧‧‧放大器 1350‧‧‧隔離器 1360‧‧‧雙向耦合器 1370‧‧‧功率感測器 1380‧‧‧匹配網路 1390‧‧‧電漿源 1400‧‧‧方法/程序 1410‧‧‧步驟 1420‧‧‧步驟 1430‧‧‧步驟 1440‧‧‧步驟 1450‧‧‧步驟 1455‧‧‧步驟 1460‧‧‧步驟 1470‧‧‧步驟 L1‧‧‧內長度/尺寸 L2‧‧‧耦合點距離/尺寸
可藉由參考結合下文簡要描述之附圖之下列實施方式理解本發明。
圖1繪示一實例程序控制系統之一方塊圖，該實例程序控制系統採用一電漿源以用於一電漿之激發及光學監控來判定一程序工具內之一程序之狀態；
圖2A繪示根據本發明之原理構造之一¾波電漿源之一實施例之一三維圖；
圖2B繪示圖2A之電漿源之一分解圖；
圖3A繪示根據本發明之原理構造之一¼波電漿源之一實施例之一三維圖；
圖3B繪示圖3A之電漿源之一分解圖；
圖4A繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之一實施例之一三維橫截面圖；
圖4B繪示圖4A中繪示之電漿源之一端視圖；
圖5A至圖5D繪示根據本發明之原理構造之其他電漿源之實施例之三維圖；
圖6A至圖6D繪示根據本發明之原理構造之一模組化內電極之不同視圖；
圖7A繪示沿著根據本發明之原理構造之一電漿源之軸之電場強度之一曲線；
圖7B繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之點燃及維持功率位準之一曲線；
圖8繪示由根據本發明之原理構造之一電漿源提供之一實例光譜之一曲線；
圖9A及圖9B繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之安裝凸緣之三維及橫截面圖；
圖10A繪示根據本發明之原理構造之具有外部RF匹配/調諧器及安裝凸緣之一電漿源系統之一實施例之一三維圖；
圖10B繪示包含圍繞安裝凸緣之一釹環磁體之圖10A之電漿源系統之一三維圖；
圖11繪示根據本發明之原理構造之具有外部RF匹配/調諧器及旁流式安裝配置之另一電漿源系統之一實施例之一三維圖；
圖12繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之實例諧振行為之一曲線；
圖13繪示根據本發明之原理構造之一電漿源之一源控制器之一方塊圖；及
圖14繪示根據本發明之原理構造之用於操作一電漿源或其一部分之一程序之一流程圖。
400‧‧‧電漿源
410‧‧‧同軸諧振腔主體
420‧‧‧RF信號介面/RF介面
422‧‧‧中心導體
425‧‧‧調諧短柱
430‧‧‧安裝凸緣
432‧‧‧介面
435‧‧‧o形環
437‧‧‧螺絲
440‧‧‧窗
444‧‧‧程序側
448‧‧‧環境側
460‧‧‧電漿腔
465‧‧‧電漿
470‧‧‧內電極
480‧‧‧外電極
490‧‧‧光纖入口
495‧‧‧孔隙
497‧‧‧窗端
L1‧‧‧內長度/尺寸
L2‧‧‧耦合點距離/尺寸

Claims (28)

  1. 一種用於自一或多種氣體激發一電漿之電漿源，該電漿源包括：一同軸諧振腔主體(coaxial resonant cavity body)，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極；一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體；一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處；及一安裝凸緣(mounting flange)，其經定位靠近該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。
  2. 如請求項1之電漿源，其中該同軸諧振腔主體之該內長度標稱上係該經提供之射頻信號之四分之一波長之一奇數倍。
  3. 如請求項2之電漿源，其中該固定位置處於沿著該內長度距該第一端之一耦合點距離處，且該耦合點距離及該內長度之值協作以增強及定位自該經提供之射頻信號導出之靠近該窗之一電磁場。
  4. 如請求項1之電漿源，其中該窗由選自藍寶石及熔融矽石之一材料製成且具有三毫米或更小之一厚度。
  5. 如請求項1之電漿源，其中該射頻信號介面經感應電耦合至該內電極 及該外電極。
  6. 如請求項1之電漿源，其中該射頻信號介面經電容電耦合至該內電極及該外電極。
  7. 如請求項1之電漿源，其進一步包括在該外電極與該內電極之間的一體積內可調整之一或多個調諧短柱。
  8. 如請求項1之電漿源，其中該同軸諧振腔主體、該安裝凸緣及該窗經可移除連接。
  9. 如請求項1之電漿源，其中在該第一端處，該內電極具有一窗端，其具有界定該電漿腔內之該電漿之一位置之一形狀。
  10. 如請求項9之電漿源，其中該形狀選自具有對稱圓臂之一十字、具有截頭臂之一十字、一不對稱十字、一單一點及一平截圓錐體。
  11. 如請求項9之電漿源，其中該內電極之該窗端係可移除的。
  12. 如請求項1之電漿源，其進一步包括一隔離篩網。
  13. 如請求項1之電漿源，其進一步包括一光學信號孔隙，其靠近該窗且與該電漿之一位置一致。
  14. 如請求項13之電漿源，其中該光學信號孔隙之該位置對應於在該第一端之該內電極之一形狀。
  15. 如請求項13之電漿源，其進一步包括一光纖入口，其與該光學信號孔隙一致。
  16. 如請求項15之電漿源，其中該光纖入口沿著該同軸諧振腔主體之一長度在該第一端與該第二端之間延伸。
  17. 如請求項1之電漿源，其中該同軸諧振腔主體具有匹配該射頻信號之一來源之一阻抗的一阻抗。
  18. 如請求項1之電漿源，其進一步包括供應一磁場之一磁體，該磁場與該電漿腔內之該電漿相互作用以協助該電漿之點燃且在該點燃之後維持該電漿。
  19. 如請求項18之電漿源，其中該磁體與該安裝凸緣連接。
  20. 一種用於激發一電漿之激發系統，其包括：一同軸諧振腔主體，其具有一內長度且包含一第一端、一第二端、一內電極及一外電極；一射頻信號介面，其沿著該內長度在一固定位置處電耦合至該內電 極及該外電極且經組態以提供一射頻信號至該同軸諧振腔主體；一窗，其經定位在該同軸諧振腔主體之該第一端處；及；一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該射頻信號介面。
  21. 如請求項20之激發系統，其中該源控制器控制該射頻信號之一功率位準、頻率、相位及工作週期。
  22. 如請求項21之激發系統，其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之前向與反射功率而自動控制一功率量。
  23. 如請求項20之激發系統，其中該源控制器包含界定該射頻信號之頻率之一射頻合成器，及設定一功率量之一可變增益射頻信號路徑。
  24. 如請求項23之激發系統，其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之射頻信號增益及相位資訊而自動控制該射頻信號之該頻率。
  25. 如請求項20之激發系統，其中該源控制器經定位在該同軸諧振腔主體之遠端。
  26. 如請求項20之激發系統，其進一步包括：一安裝凸緣，其經定位靠近在該同軸諧振腔主體之該第一端處之該窗且界定一電漿腔，其中該窗形成該電漿腔之一個側且將該同軸諧振腔主體與該電漿腔中之電漿隔離。
  27. 一種光學監控系統，其包括：一電漿源，其經組態以點燃、激發與一處理腔室氣體連通之一電漿腔內之一電漿及自該電漿產生光學發射，其中該電漿源包括一窗，該窗形成該電漿腔之一個側且將該電漿源之其他組件與該電漿隔離；一源控制器，其經組態以提供一射頻信號至該電漿源之一射頻信號介面以在該電漿腔中產生一電磁場以用於該電漿之點燃及激發；一光學耦合系統，其經組態以傳遞自該電漿之該激發觀察到之光學信號；及一光譜儀，其經組態以接收該等光學信號且將該等光學信號轉換為電信號。
  28. 如請求項27之光學監控系統，其中該源控制器基於該源控制器與該電漿源之間量測之前向與反射功率而自動控制該射頻信號之一功率量。
TW108105524A 2018-06-28 2019-02-20 電漿源，用於一電漿之激發之激發系統及光學監控系統 TWI721373B (zh)

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