监测和控制等离子体制造工艺的技术的制作方法

专利名称：监测和控制等离子体制造工艺的技术的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种监测和控制等离子体制造工艺的技术。
技术背景等离子体制造工艺广泛用于(例如)半导体制造，以使用各种掺杂剂对 晶圆进行植入，以沉积或蚀刻薄膜。为了获得可预测以及可重复的制造工 艺结果，其关键为严密监测和控制等离子体特征。举例而言，对等离子体掺杂(Plasma D叩ing，即PLAD)制造工艺的研究已表明等离子体的离子组 成可能是一种判定掺杂剂种类、掺杂剂深度分布、制造工艺相关的污染等 的关键信息。离子组成随PLAD制造工艺参数(诸如气体比例、总气压以及 放电功率)而改变。视等离子体腔室的调节状态而定，离子组成亦可发生显 著改变。因此，重要的是在PLAD制造工艺期间(较佳为当场(in-situ)及即 时地)了解离子组成，以便获得可重复以及可预测的制造工艺结果。现有等离子体工具往往缺乏提供等离子体的详细的即时信息(例如离 子组成)的能力。举例而言，在典型PLAD制造工艺中，藉由基于法拉第杯 (c叩)电流监测植入剂量来控制等离子体。然而，法拉第杯仅为总电荷计数 器，其并不区分不同的带电粒子或提供对等离子体特性的任何了解。尽管 在一些传统束流(beam-line)离子植入系统中采用了当场质量分析，但在基 于等离子体的离子植入系统中通常要避免使用当场质量分析，以便获得高产量。此外，现有习知离子感测器，诸如工业用质能分析器以及四极质谱仪，往 往体积太大及/或太麻烦而不能在制造工具中实施。大型离子感测器倾向于 扰动量测中的等离子体，且因此歪曲制造工艺结果。此外，现有习知离子 感测器的尺寸以及重量往往限制其在半导体制造工艺工具中的部署选择可 能。此外，在等离子体交替处于接通及关闭状态的脉冲等离子体处理中，往 往需要对等离子体的时间解析的量测。然而，现有离子感测器很少提供时 间解析的量测的能力。


为了促进更全面地了解本发明，现参照随附图式，其中相同元件具有
相同的参考数字。不应将该等图式视为对本发明的限制，而其仅意欲作为 例示。图1展示根据本发明的一实施例的例示性离子感测器。图2展示具有一根据本发明的一实施例的例示性配置的离子感测器。 图2a展示具有根据本发明的一实施例的能量分析器的离子感测器。 图3展示具有根据本发明的一实施例的另 一例示性配置的离子感测器。 图4展示具有根据本发明的一实施例的又一例示性配置的离子感测器。 图5展示根据本发明的一实施例的离子感测器的 一安装选项。 图6展示根据本发明的一实施例的离子感测器的另 一安装选项。 图6a至6c展示根据本发明的实施例的等离子体处理腔室的不同实例。 图7展示根据本发明的一实施例的离子感测器的又一安装选项。 图7a至图7b展示根据本发明的实施例的釆用离子感测器以进行制造 工艺式控制的例示性系统。图8展示根据本发明的一实施例的例示性离子感测器。50:等离子体100:离子感测器101:电离源102:外壳104:漂移管106提取器电极108: 静电透镜110: 静电透镜112:侦测器总成118前置》t大器120. 电子介面122处理器单元124网格200A:离子感测器300离子感测器400离子感测器500等离子体腔室502压板/阴极504晶圆506阳极507阳极轴508离子感测器600A:等离子体腔室600B:等离子体腔室600C:等离子体腔室602离子感测器604波紋管密封部分605RF电源606R F线圈607RF匹配单元608微波空腔609介电质介面611微波源613调谐器702离子感测器704法拉第杯706.单元708.电荷计数器710校正模块712系统控制器714:输出功能800:离子感测器
具体实施方式
现将参照如随附图式中所示的本发明的例示性实施例来更详细地描述 本发明。虽然在下文中参照例示性实施例来描述本发明，但应了解本发明 并不限于所述例示性实施例。已阅读本文中的教示的一般熟习此技艺者应 了解属于本文中描述的本发明的范畴且本发明对于其具有显著应用价值的 额外实施、变更、实施例以及其他使用领域。本发明的实施例提供许多适用于等离子体制造工艺的当场监测和控制的飞行时间(T0F)离子感测器的小型设计。该等设计可采用灵活的离子提取 以及离子聚焦技术，以量测等离子体腔室中的离子组成。各T0F离子感测 器可以各种方式安装于等离子体腔室中，且可被配置用于许多功能，诸如 当场制造工艺式控制、腔室准备就绪验证、故障侦测、植入剂量校正以及 植入均一性量测。各离子感测器的敏感性以及尺寸可允许对等离子体的时 间解析量测以及空间量测。参看图l，其展示根据本发明的一实施例的例示性离子感测器100。在 一些实施例中，离子感测器100包括产生接近离子感测器100的入口的离子 的电离源101。在一实施例中，离子源101使用低能量电子源产生电子云。电 子云中的电子会导致有助于中性原子及分子的电离的电子碰撞，以及藉由 电子附着(attachment)而进行的离子转换。在各种其他实施例中，离子源 101藉由离子碰撞电离及/或光子碰撞电离而产生接近离子感测器100的入 口的离子。离子源101可为连续或脉冲离子源。离子源101对于一些需要 4是供对惰性气体或快速中性粒子种类(fast neutral species)的现有习知 RGA型量测的应用是有用的。离子感测器100包含可经调适而安装于等离子体腔室的观察口中且可 提供差动抽吸(differential pumping)的外壳102。夕卜壳102可个别地偏压 于所要电位Vh。usirig。可将外壳102的左手侧称为"提取器侧，，，因为自等离 子体提取的离子经由外壳102的左手侧上的小孔("外壳小孔")进入离子 感测器IOO。可将外壳102的右手侧称为"侦测器侧"，因为离子侦测发生 于外壳102的右手侧上。离子感测器100包括外壳102内部的漂移管104，所述漂移管亦可(例 如)个别地以所要电位Vu进行偏压。漂移管104通常具有一具有可忽略的电 磁场的空洞。漂移管104的提取器侧可具有用于接纳离子的小孔("漂移管 小孔")。漂移管104的侦测器侧可具有允许离子退出，同时遮罩外部电场 的网格(grid)124。等离子体腔室的压力通常为1毫托-3000毫托(mTorr)，而 漂移管压力通常为2 x 10—6托或更低。差动抽吸可用于维持压力差。各种实施例包括一或多个电极及/或网格，其形成在外壳小孔与漂移管 小孔之间接近漂移管104的提取器侧的透镜或偏转器。在一些实施例中，存
在用于提取离子以及使离子聚焦的一连串电极。举例而言，可存在接近外壳小孔的提取器电极106。提取器电极106可具有直径在10微米与500微 米(对于一些实施例，较佳为50-200微米)之间的小孔，尽管实际小孔尺寸可至少部分地根据差动抽吸的要求而改变。可以合适的电位vext，t。,-使提:f又器电极106偏压，以自等离子体吸引正离子或负离子。被吸引的离子可以 不同角度行进。为了确保被吸引的离子在有限的射束角(例如等于或小于+/_1. 5度)范 围内向侦测器侧行进，可串联地配置两个或两个以上电极(例如静电透镜 108及110),且使所述电极的小孔与外壳102、提取器106以及漂移管104 的小孔对准。各静电透镜可个别地被偏压，以建立将离子导引于聚焦射束 中的所要静电场。在各种操作模式中，静电透镜以正电压或负电压进行偏 压。所述静电透镜之一可被提供电压脉冲以容许被吸引的离子的 一部分(或 组)进入漂移管104中。可以时控方式重复电压脉冲以实现周期性或近连续 的离子取样。在各种实施例中，将斥拒极(repel ler)电压与提取电压脉冲的组合施 加至任意电极对，以将正离子驱动至漂移管104中。相对于提取脉冲发生 的时间而判定离子的飞行时间。举例而言，在一实施例中，以正电压脉沖 Vu使静电透镜108偏压。正电压脉冲可为周期或非周期的。静电透镜110 以正排斥电压Vu进行偏压。在一实施例中，将正斥拒极电压施加至静电透 镜IIO，且将正电压脉冲施加至附近的静电透镜108，以便驱动正离子使通 过斥拒极电极，以及进入漂移管104中。正斥拒极电压可为周期或非周期 性的。当以VL3来偏压时，漂移管104可充当串联透镜中的第三静电透镜。漂 移管上的偏压可为脉冲电压。使用类似配置，可将负离子提取至漂移管中。在一些实施例中，将电压脉沖施加至所述电极中的一个以上的电极。举 例而言，可将电压脉冲施加至漂移管104、提取器106、静电透镜108以及 静电透镜110中的至少两者。可同时或延迟一预定时间而施加所述至少两 电压脉沖，以便使离子进入漂移管。在一些实施例中，将阻隔电压施加至提取器106、静电透镜108、静电 透镜IIO中的至少一个，以便有效地防止离子进入漂移管104。在一些操作 方法中，周期性地使阻隔(blocking)电压的大小改变，以便允许一些离子 进入漂移管。相对于此电压改变的时间而判定离子通过漂移管104的飞行 时间。一旦被接纳入漂移管104中，则离子实际上不受任何电场影响地向侦 测器端漂移。离子通常具有相同的动能。重离子行进相对较慢，且轻离子 行进相对较快。在给定充分的飞行时间(亦即漂移管104的充分长度)的情 况下，离子基于其离子种类的离子质量而分离至个别组中。四极元件的配置来调变离子(正或负)经由漂移 管的传输。在一实施例中，所述调变为周期性的。在另一实施例中，所述调变为非周期性的。可藉由改变与个别的四极元件关联的RF或DC电压来完成调变。在该等实施例中，相对于调变发生的时间而判定离子的飞行时间。在各种其他实施例中，可藉由众多其他方法来调变离子(正或负)经由 漂移管的传输。举例而言，可藉由对离子的静电偏转来调变所述离子传输。亦 可藉由机械构件(诸如机械闸、多级切断装置或任何其他类型的机械断续器) 来调变离子传输。举例而言，在一实施例中，机械断续器为机械闸门(shutter)。藉由机械构件进行的调变有时对于低能量应用是有利的。在该 等实施例中，亦相对于调变发生的时间来判定离子的飞行时间。在侦测器侧，侦测器总成(assembly)112可用于侦测离子。侦测器总成 112可为任何类型的市售或定制的离子侦测装置(例如微通道板(MCP)总 成)。例如可使用一或多个偏压(例如VMCP)来控制对离子的侦测及/或收 集。侦测器总成112可耦接至前置放大器118,所述前置放大器又经由电子 介面120耦接至处理器单元122。电子介面120(例如)可为快速数据撷取 卡。处理器单元122(例如)可为个人电脑(PC)或工业型计算装置。具有截然不同的离子质量数的个别的离子组由侦测器依序侦测。已侦 测的信号由前置放大器118放大。放大的信号然后由处理器单元122处理。对 应于每一个别组的信号产生质谱中的质量峰值。基于对来自等离子体的离 子种类的一个或多个取样，质谱精确地反映等离子体的离子组成。在一些实施例中，侦测器总成112包括用于侦测在某些预定位置处的 离子的位置敏感粒子侦测器。该等位置敏感粒子侦测器提供可用于判定离 子质量或离子能量的离子位置信息。在各种实施例中，藉由电、磁或机械 方法来选择用于侦测离子的侦测器表面的部分。举例而言，可藉由电性来 定址的侦测器阵列可用于侦测离子以作为位置的函数。软件演算法可用于 自侦测器信号撷取位置敏感数据。此外，可将机械构件用于控制撞击侦测器 的离子的有效分散。举例而言，机械障壁(barrier)可用于遮罩侦测器的一 部分。此外，可将离子偏转器或离子准直仪用于使离子偏转或成为准直，以 使得离子仅撞击所要的侦测器部分。根据本发明的实施例，可藉由施加电位的不同组合至外壳102、漂移管 104、提耳又器电极106、静电透镜108及110,以及侦测器总成112来灵活 地配置离子感测器100。例示性组态显示在图2至图4中。图2展示具有根据本发明的一实施例的一例示性组态的离子感测器 200。离子感测器200可实质上包含与图1中所示的离子感测器100相同的 组件。在该例示性组态中，可将外壳104接地及/或附着至等离子体腔室壁。
在一些实施例中，将提取器电极106偏压于DC提取器电压Vextraet。r — _5 0V -0V DC以提取正离子，或偏压于Vextract。r—0V-50V DC以提取负离子。在 其他实施例中，将脉冲电压或RF信号施加至提取器电极106以吸引或排斥 离子。在另一实施例中，提取器电极106是电浮动的。在各种实施例中，脉 冲电压为周期性或非周期性的，且RF信号为脉沖或CW信号。所述脉冲及 RF电压信号可用于^f吏得可发生自电极表面的解吸附(desorption)作用或在 电极表面上的沉积作用。为了说明的目的，下文中的描述将假设仅获取正离子样本。然而，应 注意的是可容易地调适或配置本发明的实施例以获取负离子样本。此外，为 简单起见，将静电透镜108称为透镜1，静电透镜11Q称为透镜2，且将漂 移管104称为透镜3。透镜1及透镜3可保持于相同或类似的电位，其可为 在(例如)-150 V与-300 V之间的固定值。根据若干因数(诸如漂移管l(M 的长度以及所要的离子质量解析度)来判定所要的电位。在一些实施例中，透镜1及透镜3可偏压于不同的电位(例如Vu=-400 V --200 V以及Vl尸-200 V)。透镜2可偏压于VL2=-500 V--900 V。可将透 镜2更配置为用于漂移管104的"闸(gate)"。为了打开闸，可将短电压 脉沖(例如50-500奈秒)提供至透镜2以将离子组(packet)接纳至漂移管 104中。为了关闭闸，可将相对较大的正电位加于透镜2上，以阻挡正离子 进入漂移管104。才艮据一实施例，通常可以正电压(例如+30 V或以上)来偏 压透镜2(亦即闸电极)，在非常短的闸控周期期间除外。举例而言，假设闸 脉沖宽度为100ns,且晶圓脉冲频率为5000 kHz (周期=200微秒)，且每一 晶圓脉冲执行一次取样，则在所述周期(199. 9微秒)的99. 95%期间，闸电 极关闭，且仅在所述周期的0. 05%中，闸电极打开。当闸脉冲与晶圆脉冲同步时，可引入延迟以控制相对于晶圓脉冲在何 时打开闸脉冲。以此方式，有可能以高解析度在时间空间中的不同点处对 等离子体进行取样。透镜1-3上的偏压的集合效应可为将接纳的离子聚焦 于具有有限发散角的射束中的静电场。在侦测器侧，侦测器总成112可偏 压于高电压V,。网格124可将漂移管104静电遮罩而隔离于所述高电压VMCP。亦可配置离子感测器200以用于等离子体的时间解析量测。许多半导 体处理等离子体为周期性地交替处于接通以及关闭(余辉)状态的"脉冲等 离子体"。等离子体接通状态可持续每一循环的1-50%(或更高)。脉沖操作 可导致等离子体状态以及制造工艺化学性质的动态改变。对离子种类的取 样可与等离子体脉沖或晶圆偏压脉沖同步，或在所述两脉冲同步时，与所 述两脉冲同步。藉由相对于参考脉冲(等离子体脉冲及/或晶圆偏压)来改变 闸延迟，可在整个周期上进行时间解析量测。藉由观察开始信号与停止信号之间的时间差来判定离子的飞行时间。 离子调变事件(电气或机械事件)由开始信号起始。停止信号由在离子侦测 器处离子的到达时间来判定。在一些实施例中，将开始及停止信号用于闸 控已知频率的脉沖串，以给出与飞行时间成比例的计数。在一特定实施例 中，将开始及停止信号用于产生跨越电容器的电压，所述电容器然后以恒定速率放电。将所述^:电周期用于闸控脉冲串，以给出与飞行时间成比例的计数。在另一实施例中，将开始及停止信号用来产生类比脉沖，其大小 与飞行时间成比例。离子感测器200亦可经配置以量测离子的能量分布及/或等离子体电 位。在一实施例中，将电极或网格，诸如提取器电极106、静电透镜108以 及静电透镜110经偏压以成为延迟元件。接着，量测作为电极电压的函数 的所传输离子的数目。可自量测的数据来判定能量分布以及等离子体电位。在另一实施例中，藉由观察在侦测器总成122处离子的到达时间的散 布来判定离子的能量分布。举例而言，可将位置敏感粒子侦测器用于侦测 在某些预定位置处的离子，如结合图1所描述。此外，可藉由此项技术中 众所熟知的方法来直接量测能量分布。举例而言，可将经校准的粒子侦测 器用于藉由观察侦测器产生的信号的振幅来量测能量或质量。在其他实施例中，漂移管104经配置以执行能量分析器的功能。存在 众多将漂移管104配置为能量分析器的方法。举例而言，在一实施例中，漂 移管104形成为曲线形状，且包括静电或磁偏转元件。漂移管104的形状 经选择，使得具有不同能量的离子以不同角度转向。在另一实施例中，漂 移管104包括作为至侦测器总成112的漂移路径的一部分的平行板能量分 析器。举例而言，所述能量分析器可为45度型(45 degree type)能量分析 器。在另一实施例中，漂移管104包括作为至侦测器总成112的漂移路径 的一部分的柱面镜或球面能量分析器。在另一实施例中，在离子路径中置 放一或多个网格以将漂移管104配置为延迟电位元分析器。此外，在另一 实施例中，漂移管可包括能够藉由调节RF或DC电压来区分具有不同能量 的离子的RF四极或一个或多个永久;兹铁或电；兹铁。永久-兹铁的位置可调整。图2a展示具有根据本发明的一实施例的能量分析器114的离子感测器 200A。能量分析器114定位于漂移管104与侦测器总成112之间。能量分 析器114可用于选择所要能量范围中的离子。图3展示具有根据本发明的一实施例的另一例示性配置的离子感测器 300。离子感测器300可实质上包含与图1中展示的离子感测器IOO相同的 组件。然而，在该例示性配置中，提取器电极106接收RF (1-300 MHz，通常 为13.56匪z)偏压。RF偏压的提取器电极106可具有双重功能。亦即，提 取器电极106可提取离子，且亦可在沉积为主的环境中自提取器小孔移除 沉积物。
许多半导体制造工艺在沉积为主的环境中进行，其中薄膜材料沉积于 等离子体腔室中。若厚绝缘膜阻塞提取器小孔，则提取器电极106上的DC偏压可能不再有效。RF偏压可有助于溅射清洗提取器小孔以移除沉积的材 料。因此，RF偏压可向离子感测器300提供"自清洁"能力。对于离子提 取，RF偏压可具有在-50 V与0 V之间的负平均电位(或RF自偏压)，以及 0 V-100 V的峰峰值。为了溅射清洗的目的，RF自偏压可大于溅射临限 (threshold)值，且峰峰值可为100-1000 V或更高。图4展示具有根据本发明的一实施例的又一例示性配置的离子感测器 400。离子感测器400可实质上包含与图1中展示的离子感测器IOO相同的 组件。然而，在该例示性配置中，提取器电极106亦充当闸。可将闸脉沖 提供至提取器电极106以将离子组拉入离子感测器400中。可向透镜2提 供DC偏压以聚焦离子束。为了灵活侦测等离子体腔室中的离子种类，可以许多方式安装根据本 发明的实施例的离子感测器。例示性安装选项在图5至图7中展示。图5展示根据本发明的一实施例的离子感测器508的安装选项。展示 了过于简化的等离子体腔室500,其具有固定晶圓5(M用的压板/阴极502。阳 极506定位于压板/阴极502之上。阳极506未必须接地，但可偏压于例如 在-1 kV与+l kV之间的电压(可能为其他电压)。阳极轴507使得阳极506 可在垂直方向上移动。等离子体50可藉由阴极偏压或藉由额外的等离子体 源以产生于阳极506与压板/阴极502之间。对于离子植入应用，可将负电压脉冲施加至压板502以使正离子向晶 圓504集合。对于负离子，可使用正电压脉冲。离子感测器508可安装于 等离子体腔室500的侧壁中。所述安装可穿过观察口或类似机构。离子感 测器508的提取器尖端可横向延伸至等离子体50的边缘中或附近。提取器 尖端可定位于可移动的底座上。由于提取器尖端的尺寸小，因此可将其深 深地插入等离子体50,而不会显著地干扰等离子体50。图6展示根据本发明的一实施例的离子感测器的另一安装选项。在该 安装选项中，替代或除了将离子感测器508安装于侧壁中以外，可将离子 感测器602安装于阳极侧上。亦即，离子感测器602可穿过阳极506而定 位，且可垂直地定向，使其提取器尖端向下伸到等离子体50上或伸至等离 子体50中。离子感测器602可与阳极506电性连接。离子感测器602或其 提取器尖端可独立于阳极506而向上及向下移动，以在等离子体腔室500 中的不同空间点处获取离子样本。或者，离子感测器602或其提取器尖端 可与阳极506 —起向上及向下移动，以当场诊断不同制造工艺条件。可为 了等离子体50的空间量测，以类似方式来致动水准地定位的离子感测器 508。
图6a至图6c展示根据本发明的实施例的等离子体处理腔室的不同实例。在图6a中，展示等离子体腔室600A。离子感测器602可穿过阳极506 而安装着。波紋管密封部分604可提供离子感测器602穿过腔室壁的安装 及移动。可藉由施加在晶圆504或压板502上的负脉冲电压来产生等离子 体50。根据一实施例，自等离子体50将离子提取至离子感测器602中可与 等离子体产生同步，且因此与晶圆504上的电压脉冲同步。在图6b中，展示等离子体腔室600B。图6b中展示的等离子体产生技 术不同于图6a中展示的等离子体产生技术。等离子体腔室600B可具有一 个或多个外部等离子体源，例如ICP或Helicon等离子体源。举例而言，在 一实施例中，将RF电源605以及RF匹配单元607耦接至RF线圈606。经 由介电质介面609， RF线圈606可提供RF电力至等离子体腔室600B中。压 板502可经偏压，以控制撞击晶圆504的离子的能量。在图6c中，展示等离子体腔室600C,其中采用了另一等离子体产生技 术。可将一个或多个微波发射源耦接至等离子体腔室600C以提供产生及维 持等离子体50的功率。举例而言，可经由调谐器613以及波导或电缆将微 波源611耦接至微波空腔608。供给至微波空腔608的微波功率可在其中产 生"源等离子体，，，因此，源等离子体可扩散至等离子体腔室600C中，以 产生等离子体50。或者，藉由经由空腔608将微波功率耦接到等离子体腔 室600C中而直接在等离子体腔室600C内部产生等离子体50。图7展示根据本发明的一实施例的离子感测器的又一安装选项。在该 安装选项中，可将一或多个离子感测器702安装于阴极侧上。亦即，离子 感测器702可穿过压板/阴极502以垂直地定位着，使提取器尖端紧邻晶圆 504而定位着。离子感测器702的安装位置可为(或靠近)法拉第杯通常所在 的地方。因为提取器尖端向上指向等离子体50，所以离子感测器702以及 晶圓504可相对于等离子体50以共用相同或类似的有利位置。因此，离子 感测器702可"看见"与晶圆504所见相同的离子组成及剂量，此可有助 于晶圓的等离子体处理的更精确的控制。在等离子体掺杂(PLAD)系统中，例 如，离子感测器702可以直接侦测哪些离子已被植入至晶圆504中。若需 要，亦可为了空间量测而向上及向下移动离子感测器702。图7a至图7b展示根据本发明的实施例的采用离子感测器以进行制造 工艺式控制的例示性系统。图7a展示紧接于晶圆而安装的离子感测器702。可将法拉第杯704安 装于晶圓504的另一侧上或法拉第杯704可部分地围绕晶圆504。离子感测 器702及法拉第杯704和晶圆504 —样向上面向等离子体(未图示)。可将 离子感测器702耦接至单元706，其基于自离子感测器702接收的侦测数据 而计算当场的离子组成。法拉第杯704可耦接至基于法拉第杯电流来计算总离子剂量的电荷计数 器708。可将离子组成信息以及离子剂量数据输入至剂量校正模块710。此 外，可将离子组成数据输入至系统控制器712以进行进一步的制造工艺式控制。图7b展示安装于晶圓504附近的两个或两个以上的离子感测器702。可 将来自该等离子感测器7 02的当场离子组成数据输入至系统控制器712。系 统控制器712的输出功能714可包括(但不限于)离子剂量校正、剂量均一 性控制、等离子体腔室调节，及/或制造工艺故障侦测。在感测器安装于晶 圓504周围的压板中的实施例中，漂移管104(图l)可与压板分离或处于压 板电位。对于等离子体50的阴极侧(或晶圆侧)量测，可与图2至图4中展示的 离子感测器不同地配置离子感测器702。在图8中展示一实例。图8展示根据本发明的一实施例的例示性离子感测器800。除移除了提 取器电极106夕卜，离子感测器800可实质上包含与图2中展示的离子感测 器200相同的组件。提取器侧上的外壳小孔可收缩为大致10-500微米(较 佳为50-200微米)。外壳102可被偏压于与晶圓504相同或类似的电位(例 如OV--10kV)。透镜l、透镜3(漂移管104)以及侦测器总成112亦可被 偏压于相同或类似的电位。透镜2可充当将离子组脉冲输送至漂移管104 中的闸。在此点上，应注意的是根据如上所述的本发明的离子感测器通常在某 种程度上涉及输入数据的处理，以及输出数据的产生。在各种实施例中，可 在硬件或软件中实施该输入数据处理以及输出数据产生。举例而言，可在:;述根据本发明"对离^种类的当场监测相关联的功能。或;^根据储存的指令来进行操作的一个或多个处理器可实施与如上所述根据本发明的 对离子种类的当场监测相关联的功能。若情况如此，则此等指令储存于一 个或多个处理器可读取的载体(例如磁盘)上或经由一个或多个信号传输至 一个或多个处理器是属于本发明的范畴。在一实施例中，可作为自动或半自动封闭控制环路的一部分而改变剂 量或等离子体状态，所述封闭控制环路包括回应于自根据本发明的TOF感 测器获得的数据的控制器或电脑以及电子仪器。自侦测器总成112获得的 数据可包括经量测的TOF频谱的各个部分的绝对或相对大小。来自侦测器 总成112的数据亦可包括飞行时间峰值的形状，例如FW腹的变化。来自侦 测器总成112的数据亦可包括次要(污染物)峰值的存在与否、能量分布以 及质量分布。
来自T0F感测器的数据可用于侦测故障条件，诸如气体杂质、残余污 染物以及用于控制等离子体的设备的故障。藉由调节T0F感测器的操作参 数(诸如气体流量、气体混合物、压力、RF功率、RF频率、植入电压、工 作循环或其他与等离子体相关的参数)可回应于所述数据而改变等离子体 状态。本发明的范畴并不受限于本文中描述的特定实施例。实际上，根据先 前描述以及随附图式，本发明的其他各种实施例以及更改(除本文中描述的 实施例以夕卜)对于熟习此技艺者而言是显而易见的。因此，此等其他实施例 以及更改仍属于本发明的范畴。此外，尽管是在为了特定目的的特定环境中的特定实施例的上下文中描述本发明，但熟习此技艺者应了解其实用性并 不限于此，且本发明可有益地在用于许多目的的许多环境中实施。因此，应 根据本文中描述的本发明的完整广度以及精神，来解译在下文中阐明的申 请专利范围。
权利要求
1、一种监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离子感测器，其特征在于所述飞行时间离子感测器包含外壳；漂移管，其定位于所述外壳中；提取器电极，其在所述外壳中定位于所述漂移管的第一末端处，所述提取器电极经配置以执行对来自等离子体的离子的吸引与排斥中的至少一种；多个电极，其定位于所述漂移管的第一末端处并接近所述提取器电极，所述多个电极经偏压，以便使所述被吸引的离子的至少一部分进入所述漂移管中，且向所述漂移管的第二末端漂移；以及离子侦测器，其接近所述漂移管的所述第二末端而定位，所述离子侦测器侦测与所述被吸引的离子的至少一部分相关联的到达时间。
2、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于所述的提取器电极为电性浮动者或偏压于用来执行对来自等离子体的离子的吸引与排斥中的至少一种的电位。
3、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于所述的多个电极中的至少一电极包含聚焦所述离子 的静电透镜。
4、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于所述的多个电极中的至少一电极包含使所述离子偏 向的网格。
5、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于其更包含具有电性连接至所述提取器电极的输出端 的DC电源，所述DC电源在所述提取器电极上产生DC电压，所述DC电压 执行对等离子体中的离子的吸引与排斥中的至少一种。
6、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于其更包含具有电性连接至所述提取器电极的输出端 的脉沖电源，所述脉冲电源在所述提取器电极上产生脉沖电压信号，所述 脉冲电压信号执行对等离子体中的离子的吸引与排斥中的至少 一种。
7、 根据权利要求6所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于所述的脉冲电压信号包含周期信号。
8、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于其更包含具有电性连接至所述多个电极中的一电极 的输出端的脉冲电源，所述脉冲电源产生电压脉冲信号，所述电压脉冲信号执行对离子的吸引与排斥中的 一种。
9、 根据权利要求8所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离 子感测器，其特征在于所述的电压脉冲信号导致自所述多个电^l中的所述 一电极的解吸附作用与在所述多个电极中的所述一电极上的沉积作用中的 一种。
10、 根据权利要求8所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的电压脉冲信号与施加至由所述等离子体处 理的晶圓上的电压同步。
11、 根据权利要求8所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特4i在于所述的电压脉冲信号相对于时序参考信号而延迟，以 便获得对所述离子的时间解析量测。
12、 根据权利要求8所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的电压脉冲信号中的至少某些电压脉冲具有 经选取以选择特定离子质量的宽度。
13、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于其更包含具有电性连接至所述多个电极中的 一 电 极的输出端的射频电源，所述射频电源产生射频信号。
14、 根据权利要求13所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的射频信号导致自所述多个电极中的所述一 电极的解吸附作用与在所述多个电极中的所述一电极上的沉积作用中的一 种。
15、 根据权利要求13所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的射频电源包含脉冲射频电源。
16、 根据权利要求13所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的射频电源包含连续波射频电源。
17、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于其更包含具有电性连接至所述漂移管的输出端的 电源。
18、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于其更包含接近所述提取器电极而定位的电离源，所 述电离源产生接近所述提取器电极的离子。
19、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于其更包含能量分析器。
20、 根据权利要求19所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于所述的漂移管经配置为所述能量分析器。
21、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间离子感测器，其特征在于所述的离子感测器是穿过等离子体腔室的侧壁而 安装，其中所述提取器电极接近等离子体的边缘而定位。
22、 根据权利要求1所述的监测等离子体中的离子种类用的飞行时间 离子感测器，其特征在于其更包含自所述离子侦测器接收数据且产生控制 信号与故障侦测信号中的至少 一种的处理器。
23、 一种用于监测等离子体中的离子种类的方法，其特征在于其包括 以下步骤施加偏压至提取器电极，所述偏压执行对来自所述等离子体的离子的 吸引与排斥中的至少一种；施加电压信号至接近所述提取器电极而定位的多个电极中的至少一 个，所述电压信号使所述被吸引的离子的至少一部分漂移穿过漂移管；在所述漂移管的末端处侦测出到达时间，所述到达时间与被吸引的离 子的所迷至少一部分相关联；以及自所述到达时间判定有关所述等离子体的信息。
24、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于所述的电压信号包含脉冲电压信号。
25、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于所述的电压信号包含射频电压信号。
26、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于其更包含产生接近所述提取器电极的离子。
27、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于其更包含施加偏压至所述漂移管。
28、 根据权利要求27所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于所述的施加至所述漂移管的偏压为脉冲式偏压。
29、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于其更包含在预定时间施加阻塞电压至所述电极中的至少一电极， 以便防止离子在所述预定时间期间进入所述漂移管。
30、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于其更包含调变经由所述漂移管的离子传输。
31、 根据权利要求30所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于所述的调变为周期性的。
32、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其特征在于其中选^r施加至所述多个电极中的至少一电^L的所述电压信号，以导致自所述多个电极中的所述至少 一 电极的解吸附。
33、 根据权利要求23所述的用于监测等离子体中的离子种类的方法，其 特征在于选^奪施加至所述多个电极中的至少一电;f及的所述电压信号，以导致在所述多个电极中的所述至少一电极上的沉积。
34、 一种飞行时间离子感测器，其特征在于其包含用于施加偏压至提取器电极的构件，所述偏压执行对来自等离子体的 离子的吸引与排斥中的至少一种；用于施加电压信号至接近所述提取器电极而定位的多个电极中的至少 一个的构件，所述电压信号使所述被吸引的离子的至少一部分漂移穿过漂 移管；以及用于在所述漂移管的末端处侦测到达时间的构件，其中所述到达时间 与被吸引的离子的所述至少一部分相关联。
全文摘要
一种用于监测等离子体中的离子种类的飞行时间离子感测器包括外壳。漂移管定位于所述外壳中。提取器电极在所述外壳中定位于所述漂移管的一第一末端处，以便自等离子体吸引离子。多个电极定位于所述漂移管的一第一末端处并接近所述提取器电极。偏压所述多个电极，以便使被吸引的离子的至少一部分进入所述漂移管，且向所述漂移管的一第二末端漂移。一离子侦测器接近所述漂移管的所述第二末端而定位。所述离子侦测器侦测与所述被吸引离子的所述至少一部分关联的到达时间。
文档编号H01J37/32GK101401187SQ200780008205
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月9日 优先权日2006年3月10日
发明者伯纳德·琳赛, 具本雄, 卢多维克·葛特, 方子韦, 瓦斯里斯·朋内提斯·凡劳米斯, 维克拉姆·辛区 申请人:瓦里安半导体设备公司