用于远程等离子源的自由基输出监控器和使用方法与流程

用于远程等离子源的自由基输出监控器和使用方法
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请要求于2018年6月14日提交的发明名称为“用于远程等离子源的自由基输出监控器和使用方法(radical output monitor for a remote plasma source and method of use)”的美国临时专利申请序列号62/684,820的优先权，所述美国临时专利申请的内容通过引用以其全文并入本文。


背景技术：

[0003]
等离子源用于各种各样的应用。例如，来自等离子源的自由基输出常常用于半导体加工应用。大多数需要使用等离子源的应用需要精确测量和监控在所产生的等离子体内的自由基。遗憾的是，已经证明由于一系列因素使准确测量和监控自由基输出很难且存在问题。例如，由于等离子体内的自由基的高反应性和重组性质，其生存期极短。
[0004]
当前，用于测量和监控来自等离子源的自由基输出的各种方法的使用获得了不同程度的成功。示例性的测量和监控过程包含基于量热法的过程、基于滴定法的过程等等。尽管在过去已经证明基于量热法的过程和基于滴定法的过程有一定的帮助，但已经发现存在诸多缺点。例如，基于量热法的过程和基于滴定法的过程都需要被配置成在处理一个或多个基板之前和/或之后测量总自由基输出的基于采样的方法和/或大批量测量/预测量方法。此外，基于量热法的过程和基于滴定法的过程都不可避免地会导致被测量的自由基受到破坏。尽管存在用于测量和/或监控来自等离子源的自由基输出的替代性非破坏方法，但已经证明很难精确测量和监控在等离子体内的自由基。
[0005]
鉴于前述内容，一直以来都需要监控来自等离子源的自由基输出的系统和方法。


技术实现要素：

[0006]
本申请记载了能够在使用过程中监控等离子源的自由基输出的等离子源的各种实施例。在一些实施例中，等离子源包括半导体制造和加工应用中使用的远程等离子源。在另一个实施例中，等离子源可包括在任何种类的应用中使用的任何种类的等离子源。
[0007]
在一个实施例中，本申请涉及一种用于半导体处理系统的等离子源，并且所述等离子源包含被配置成提供至少一气体的至少一个气体源。所述气体源可耦接到等离子源主体或以其它方式与所述等离子源主体流体连通。所述等离子源主体包含与所述气体源流体连通的至少一个气体入口、及至少一个气体出口。进一步地，所述等离子源包含在所述等离子源主体内形成的具有至少一个通道表面的至少一个通道。所述通道与所述气体入口和所述气体出口流体连通，并且被配置成在其中形成有至少一个等离子区域。第一热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述通道的所述通道表面附近。第一热传感器可定位在所述第一热传感器收纳器内并且被配置成在第一位置处测量所述通道的所述通道表面的第一温度。第二热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述通道的所述通道表面附近。在一个实施例中，所述第二热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述气体出口附近。第二热传感器可定位在所述第二热传感器收纳器内并且被配置成在
第二位置处测量所述通道的所述通道表面的第二温度。
[0008]
在另一个实施例中，本申请涉及一种用于处理系统的等离子源。更具体地，所述等离子源包含被配置成提供至少一气体的至少一个气体源。限定至少一个气体入口和至少一个气体出口的等离子源主体与所述气体源流体连通。所述等离子源可包含在所述等离子源主体内形成的具有至少一个通道表面的至少一个通道，其中所述通道与所述气体入口和所述气体出口流体连通。至少一个电源定位在所述等离子源主体上或附近并且与至少一个电力供应器连通。在使用期间，所述电源可被配置成在所述等离子源主体内产生至少一个等离子区域。所述等离子区域可被配置成对所述通道内流动的所述气体进行解离，由此形成至少一经解离气体，所述经解离气体可通过所述出口从等离子源主体排出。第一热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述通道的所述通道表面附近，并且第一热传感器可定位在所述第一热传感器收纳器内。所述第一热传感器被配置成在第一位置处测量所述通道的所述通道表面的第一温度。进一步地，第二热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述通道的所述通道表面附近。任选地，所述第二热传感器收纳器可在所述等离子源主体内而形成在所述气体出口附近。第二热传感器可定位在所述第二热传感器收纳器内，并且被配置成在第二位置处测量所述通道的所述通道表面的第二温度。最后，至少一个热调节装置可以耦接到所述等离子源主体。
[0009]
在另一个实施例中，本申请记载了一种监控来自等离子源的自由基输出的方法，所述方法包含提供等离子源主体，所述等离子源主体限定与至少一个气体源流体连通的至少一个气体入口、及至少一个气体出口。所述等离子源包含在所述等离子源主体内形成的由至少一个通道表面限定的至少一个通道，其中所述通道与所述气体入口和所述气体出口流体连通。至少一输入气体通过所述入口从所述气体源流入所述通道中。可用至少一个电源以在所述等离子源主体内形成至少一个等离子区域。可对流过所述通道的所述输入气体的至少一部分进行解离，以形成至少一经解离气体。可用定位在所述等离子区域附近的至少一个第一传感器来测量由所述经解离气体的重组产生的第一温度。进一步地，可用定位在所述等离子区域的远端的至少一个第二传感器来测量至少一经重新解离气体的至少一个第二温度。最后，可通过将所述经解离气体的所述重组所产生的由所述第一传感器测量的所述第一温度与所述经重新解离气体的用所述第二传感器测量的所述第二温度进行比较，来监控所述等离子源的所述自由基输出。
[0010]
考虑以下详细描述，本文描述的用于远程等离子源的自由基输出监控器的其它特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
[0011]
通过查看以下附图，如本文记载的用于远程等离子源的自由基输出监控器的新颖性方面将更加显而易见，在附图中：
[0012]
图1示出了等离子源的实施例的平面透视图；
[0013]
图2示出了等离子源的实施例的立体侧视透视图；
[0014]
图3示出了等离子源的实施例的平面侧视透视图；
[0015]
图4示出了等离子源的实施例的平面俯视透视图；
[0016]
图5示出了等离子源的实施例的立体侧视透视图；
[0017]
图6示出了等离子源的实施例的横截面视图；
[0018]
图7示出了在等离子源的实施例内形成的通道的一部分的横截面视图；
[0019]
图8示出了在等离子源的实施例内形成的通道的通道壁附近的在传感器收纳器内定位的传感器的横截面视图；
[0020]
图9示出了在等离子源的实施例内使用的在热调节装置的实施例上的立体透视图；
[0021]
图10示出了在等离子源的实施例的示意图，所述等离子源具有被配置成选择性地控制气体源、等离子源和/或处理系统的输出的处理控制系统；并且
[0022]
图11示出了图表，所述图表详细展示了使用定位在本文记载的等离子源的实施例的下游的量热器系统测量的解离分数与使用本申请中记载的温度测量技术测量的解离分数之间的关系。
具体实施方式
[0023]
本申请记载了能够在使用过程中监控等离子源的自由基输出的等离子源的各种实施例。在一些实施例中，等离子源包括在半导体制造和加工应用中使用的远程等离子源。在其它实施例中，等离子源可包括在任何种类的应用中使用的任何种类的等离子源。如图1-4所示，等离子源10可包含至少一个等离子源主体12。在所展示的实施例中，等离子源主体12包含第一板或主体构件14以及至少一个第二板或主体构件16。一个或多个支撑构件或等离子室部分可定位在第一主体构件14与第二主体构件16之间。例如，如图2和3所示，第一支撑构件18和至少一个第二支撑构件20定位在等离子源主体12的第一主体构件14与第二主体构件16之间。任选地，本领域技术人员将了解任何数量的支撑构件都可定位在第一主体构件14与第二主体构件16之间。
[0024]
如图1-4和9所示，至少一个热调节装置可附连到或以其它方式耦接到等离子源主体12。在一个实施例中，至少一个热调节装置可被配置成主动调节等离子源主体12的至少一部分或其各个组件的温度。在所展示的实施例中，第一热调节装置100和至少一个第二热调节装置104可拆卸地耦接到等离子源主体12。任选地，任何数量的热调节装置都可与等离子源10一起使用。如图1和9所示，热调节装置100、104中的至少一个可包含至少一个调节装置主体130。在所展示的实施例中，调节装置主体130可包含在其上形成的一个或多个孔、端口或开口。更具体地，在所展示的实施例中，第一热调节装置100和第二热调节装置104的调节主体130包含在其上形成的至少一个入口106和至少一个出口108，但是本领域技术人员将了解在调节装置主体130上可形成任何数量的入口和/或出口。在一个实施例中，入口106和出口108被配置成允许在使用期间将一种或多种流体或材料引入到调节装置主体130中和/或从所述调节装置主体去除。例如，图9示出了第二热调节装置104的实施例的立体透视图，其中入口106和出口108与调节装置主体130流体连通形成第二热调节装置104。如此，一种或多种流体或材料可通过入口106和/或出口108中的至少一个引入到调节装置主体130中并且从所述调节装置主体排出。在图9示出的实施例中，调节装置主体130包含在其中形成的至少一个孔或通道132。任选地，本领域技术人员将了解调节装置主体130不需要包含孔或通道132。在一个实施例中，第一热调节装置100和第二热调节装置104中的至少一个可由具有高导热系数的至少一种材料制造。例如，第一热调节装置100和第二热调节装置104
中的至少一个可由铜、铝、各种合金等制造。进一步地，第一热调节装置100和第二热调节装置104中的至少一个可包含在调节装置主体130上形成的一个或多个特征，所述一个或多个特征被配置成增强或增加热调节装置100、104的表面积，由此增强热性能。在另一个实施例中，热调节装置100、104包括定位在等离子源主体12的至少一部分附近并且与所述等离子源的至少一部分热接触的冷板、冷却器、基于流体的冷却装置或类似装置。
[0025]
另外，一个或多个紧固件或耦接孔110可形成在第一热调节装置100、第二热调节装置104或两者中的至少一个上。在一个实施例中，耦接孔110可被配置成允许第一热调节装置100、第二热调节装置104或两者中的至少一个耦接到或以其它方式附连到等离子源主体12。如此，耦接孔110可被设定大小并且被配置成收纳其中的一个或多个紧固件。在另一个实施例中，至少一个热调节装置100、104可使用本领域中已知的任何种类的装置和方法以耦接到等离子源主体12，所述装置和方法包含但不限于螺栓、螺钉、摩擦配合装置、保持装置、焊接等。
[0026]
如图1-4所示，一个或多个电气装置可耦接到热调节装置100、104中的至少一个和/或形成或耦接到等离子源主体12的组件。在所展示的实施例中，第一电源120和至少一个第二电源122在热调节装置100、104附近耦接到或以其它方式附连到等离子源主体12。示例性替代电气装置或电源包含但不限于rf源、等离子发生器、变压器、电容器、电磁铁、电感器、传感器、场产生装置等。任选地，如图1和2所示，一个或多个耦接装置或固定装置112可用于将第一电源120、第二电源122或两者中的至少一个电耦接和/或接地到等离子源主体12。
[0027]
再次参考图1和2，等离子源10可包含一个或多个热传感器62、66、70(参见图6-8)，所述热传感器定位在等离子源主体12上或所述等离子源上的各个位置处。各种热传感器可通过一个或多个传感器导管(参见图10，导管64、68、72)以与一个或多个处理器或控制器(参见图10，处理控制系统170)连通。在所展示的实施例中，示出了耦接到等离子支撑主体12的第一传感器导管64、第二传感器导管68和第三传感器导管72。本领域技术人员将了解等离子源10可包含第一传感器62和至少一个第二传感器66。随后的段落将更详细地描述第一传感器62、第二传感器66和另外的任选的传感器70。
[0028]
图2-6示出了等离子源主体12的各个特征和元件。如图2、3和5所示，等离子源主体12可包含定位在第一主体构件14与第二主体构件16之间的一个或多个支撑构件或等离子室部分18、20。在所展示的实施例中，第一支撑构件18和第二支撑构件20定位在第一主体构件14与第二主体构件16之间，并与所述第一主体构件和所述第二主体构件流体连通，但是本领域技术人员将了解可使用任何数量的支撑构件来形成等离子源主体12的一部分。进一步地，至少一个等离子室、区域、和/或主体块可定位在第一主体构件14、第二主体构件16、第一支撑构件18和第二支撑构件20之间并与这些构件中的至少一个连通。在所展示的实施例中，第一等离子室22耦接到第一支撑构件18和第二支撑构件20，并且与所述第一支撑构件和所述第二支撑构件流体连通。类似地，第二等离子室24耦接到第一支撑构件18和第二支撑构件20，并且与所述第一支撑构件和所述第二支撑构件流体连通。在所展示的实施例中，第一等离子室22和第二等离子室24第一支撑构件18和第二支撑构件20，但是本领域技术人员将了解第一等离子室22和第二等离子室24中的至少一个不需要垂直于第一支撑构件18和/或第二支撑构件20中的至少一个。在所展示的实施例中，等离子源10包括环形远程
等离子源，但是本领域技术人员将了解等离子源主体12可以任何种类的形状和配置来形成。
[0029]
任选地，形成等离子源主体12的包含第一主体构件14、第二主体构件16、第一支撑构件18、第二支撑构件20、第一等离子室22以及第二等离子室24的各个组件可由包含但不限于铝、不锈钢、铜、各种合金等的任何种类的材料来制造。进一步地，至少一个隔离器、垫片或类似装置可定位在等离子室22、24以及第一支撑构件18和/或第二支撑构件20中的至少一个之间。例如，在所展示的实施例中，隔离器26定位在第一支撑构件18与第一等离子室22之间。另外，另外的隔离器26定位在在第一等离子室22与第二支撑构件20之间。同样，如图5和6所示，隔离器26可定位在第二等离子室24与第一支撑构件18和/或第二支撑构件20之间。
[0030]
参考图4-8，至少一个通道40可在等离子源主体12内形成。在一个实施例中，通道40可由至少一个通道或接口表面86形成。任选地，通道表面86可包含应用于所述通道表面的一个或多个特征或材料。例如，形成通道40的通道表面86可包含应用于所述通道表面的一种或多种表面处理或修饰(例如阳极氧化、涂覆、微结构化等)。如图4和6所示，通道40可与在形成等离子源主体12的各个组件中所形成的一个或多个入口、出口或类似孔连通。例如，在所展示的实施例中，通道40与在第一主体构件14上形成的至少一个入口30和在第二主体构件16上形成的至少一个出口32流体连通。如此，可将一种或多种流体、气体或类似材料引入到在等离子源主体12中形成的通道40中并且从所述通道排出。任选地，一个或多个另外的接入端口可在等离子源主体12中形成，并且可以或可不与在其中所形成的通道40的一部分连通。在所展示的实施例中，至少一个接入端口50可在第一主体构件14中形成，并且可与通道40连通。类似地，第二接入端口52可在第二主体构件16中形成，并且可与通道40连通。在一个实施例中，接入端口50、52的大小可被设定为将一个或多个点火器、传感器、仪表或类似装置收纳于其中。
[0031]
如图6-8所示，在等离子源主体12中形成的通道40可形成多个路径。例如，如图6所示，通道40包含在等离子源主体12内形成的第一路径42和至少一个第二路径44，但是本领域技术人员将了解任何数量的路径可在等离子源主体12内形成。进一步地，在所展示的实施例中，第一路径42在第一等离子室22内形成，而第二路径44可在第二等离子室24内形成。
[0032]
再次参考图6-8，一个或多个传感器可定位在等离子源10的等离子源主体12上或在其内。在所展示的实施例中，第一传感器62可定位在等离子源主体12中形成的第一传感器收纳器80内。更具体地，在所展示的实施例中，第一传感器62定位在第一传感器收纳器80内，使得第一传感器62非常靠近形成在等离子源主体12内所形成的通道40内或附近的至少一个通道表面86。任选地，通道表面86可包括至少一个光学窗口、传感器窗口等。进一步地，至少一个第二传感器66可以定位在等离子源主体12内形成的至少第二传感器收纳器82内。在所展示的实施例中，第二传感器收纳器82可定位在等离子源主体12的出口32附近。在另一个实施例中，第二传感器收纳器82不需要定位在出口32附近。如同第一传感器，第二传感器66可定位成非常靠近形成在等离子源主体12内所形成的通道40内或附近的至少一个通道表面86。任选地，至少一个任选的传感器70可定位在等离子源主体12内形成的至少一个任选的传感器收纳器84内。
[0033]
在一个实施例中，第一传感器62、第二传感器66和任选的传感器70中的至少一个
包括热传感器，所述热传感器被配置成在等离子源主体12内的一个或多个位置处测量通道40的通道表面86、第一路径42和第二路径44和出口32的温度，但是本领域技术人员将了解可使用任何种类的传感器。示例性替代传感器包含但不限于光学传感器、流量传感器等。任选地，任何种类的热传感器都可与等离子源10一起使用，所述热传感器包含但不限于热电偶、热电堆、热敏电阻、电阻温度计、硅能带温度传感器等。例如，在所展示的实施例中，第一传感器62位于第二传感器66的远端。例如，在所展示的实施例中，第一传感器62位于第一等离子室22附近，并且可与在等离子源主体12中形成的通道40连通，由此允许第一传感器62在第一位置处(例如，在等离子区域124附近)测量在等离子源主体12中形成的通道40的通道表面86的第一温度(t1)。另外，第二传感器66位于出口32附近，并且可被配置成在第二位置处测量在等离子源主体12中形成的通道40的通道表面86的第二温度(t2)。如所示出的，在所展示的实施例中，在出口32附近测量通道40的通道表面86的第二温度(t2)。任选地，可使用定位在等离子源主体12上的任何数量的任选的传感器70以在通道40内的任何不同位置处测量通道表面86的任何数量的温度(t
n
)。如此，用户可计算在t1、t2和/或t
n
(如果存在的话)之间的至少一个温度梯度。
[0034]
本申请进一步记载了一种检测由至少一个等离子源产生的自由基输出的变化。例如，在一个实施例中，图1-9中记载的等离子源10可用于检测来自远程等离子源的自由基输出的变化。进一步地，本申请中记载的等离子源10可被配置成提供一种对在等离子源主体12内形成的通道40内不断变化的气体和表面条件进行监控的诊断方法。如图6-10所示，在使用期间，可将至少一种处理气体90从至少一个气体入口30引导到在等离子源主体12内形成的通道40中，以形成至少一种输入气体92。在一个实施例中，处理气体90包括氢气(h2)，但是除本系统外可以使用任何种类的替代气体。示例性替代气体包含但不限于氟基气体(例如nf3)、氧气(o2)、氮气(n2)等。处理气体90/输入气体92可通过一个或多个泵(未示出)引导到等离子源主体12并且从所述等离子源主体排出，并且被引导流过在通道40内形成的第一路径42和第二路径44。至少一个电力供应器(未示出)可耦接到等离子源10，以在至少一个等离子室22、24中产生至少一个等离子体。流过第一等离子室22和第二等离子室24的输入气体92与等离子相互作用，由此激励输入气体92以在通道40内形成至少一个等离子区域124。流过等离子区域124的输入气体92的至少一部分受到在等离子区域124内形成的等离子体的作用，并且在通道40的至少一部分内产生至少一种反应气体或经解离气体94。之后，输入气体92/经解离气体94可通过出口32从等离子源10中排出。更具体地，由于输入气体92是由等离子体沿着在等离子源10中的通道40来激活，所以输入气体92的一部分在等离子区域124中解离，以形成经解离气体94。经解离气体94的一部分可在第一传感器62附近沿着通道40的通道表面86来重组。
[0035]
再次参考图1-9，在使用期间，在所展示的实施例中定位在第一等离子室22和第二等离子室24中的至少一个附近的第一传感器62可被配置成在出口32的远端测量在等离子源主体12的通道40内的通道表面86的第一温度(t1)。例如，在所展示的实施例中，第一传感器62被配置成在等离子区域124内或在所述等离子区域附近的位置处测量通道表面86的温度。在一个实施例中，第一温度t1可反映与在第一传感器62附近的通道40的通道表面86处或附近的经解离气体94的重组相关联的温度。进一步地，定位在通道40的出口32附近的第二传感器66可被配置成在与第一传感器62不同的位置处测量通道表面86的至少一个第二
温度(t2)。例如，在所展示的实施例中，第二传感器66被配置成在输出96附近测量通道表面86的温度。在所展示的实施例中，第二传感器66定位在等离子区域124外部。因此，经解离气体94的一部分可在等离子区域124内重新解离，从而产生由位于出口32附近的第二传感器66在通道表面86处所测量的温度变化(t2)。如此，可通过比较在第一传感器62测量的第一温度t1与第二传感器66测量的第二温度t2之间的温度差而快速(几乎立即)且容易地监控等离子源10的自由基输出。任选地，至少一个任选的传感器70可定位在通道40内和附近的任何位置，并且可被配置成在通道40内的任何期望位置处测量通道表面86的任何数量的另外温度(t
n
)。之后，如图6和10所示，由第一传感器62、第二传感器66和任选的传感器70测量的温度数据可通过第一传感器导管64、第二传感器导管68和任选的传感器导管72以提供给至少一个处理控制系统170。在一个实施例中，处理控制系统170可被配置成接收来自气体源150、等离子源10和/或处理系统160中的至少一个的数据。进一步地，处理控制系统170可被配置成向气体源150、等离子源10和/或处理系统160中的至少一个提供数据和/或控制指令172、174、176，由此允许处理控制系统170主动地控制气体源150、等离子源10和/或处理系统160中的至少一个。在一个实施例中，处理控制系统170可被配置成将通道表面86的温度与流动在通道40内的反应气体94在不同位置处的温度进行关联和加以近似。进一步地，处理控制系统170可被配置成估计通过允许用户更准确地确定在第一等离子室22、第二等离子室24和/或在等离子源主体12内的各种其它位置内或附近的自由基损失和/或自由基重组效应所产生的自由基输出，其是通过将温度t1和t
n
与定位在出口32附近的第二传感器66测量的温度t2进行比较。如此，处理控制系统170可被配置成允许用户主动地监控和控制气体源150、等离子源10和/或处理系统160，以将持续反应气体保持流动到处理系统160。
[0036]
图11以图表形式示出了在使用等离子源10下游的量热器测量的解离分数(归一化)与本文描述的t1和t2测量技术测量的解离分数之间的关系。更具体地，图11所示的解离分数基于量热器功率测量进行计算，并且示出了来自等离子源10(参见图1)的反应输出。如所示出的，来自等离子源10的自由基输出可通过使用本文描述的t1和t2测量技术进行准确地确定。
[0037]
本文记载的实施例说明本发明的原理。可采用在本发明的范围内的其它修改。因此，本申请中记载的装置不限于本文精确示出和描述的那些装置。