检测无约束等离子事件的系统的制作方法

专利名称：检测无约束等离子事件的系统的制作方法
检测无约束等离子事件的系统
背景技术：
等离子处理系统长期以来被用于处理衬底(例如半导体晶片)以生产集成电路。 等离子可在各种等离子处理系统中生成，例如电子回旋共振(ECR)等离子处理系统、电感 耦合(ICP)等离子处理系统或者电容耦合(CCP)等离子处理系统。在许多情况下，将等离 子约束在等离子处理系统的等离子处理室内的特定区域(例如在正被处理的衬底正上方 的区域内)可提供某些优点。为了便于讨论，图1显示了等离子处理室100的范例，其中等离子在处理过程中被 约束。考虑如下情况，例如，衬底124被放置在电极110上，电极110被安装在与室102连接 的基座120上。电极110通过基座120的内部与远程电源114(例如射频(RF)功率发生器) 连接。当室102内的压强(可通过泵(未示)降低)达到所需水平时，处理气体150 (可以 是化学品的混合物)通过入口 104被导入室102。为了处理衬底124，电极110可以处理气 体150电容耦合来自电源114的功率以形成等离子106。通常等离子106通过一组约束环 108被包含在室102的所需区域内。在衬底处理过程中，来自等离子106的气体(其可包括 来自处理气体150的化学成分、等离子106内化学反应形成的化学成分以及衬底124处理 的化学副产物的混合物)可在通过出口 126从室102去除之前流经约束环108和非等离子 室容积128。该路线通过路径136表示，且通常会导致室102的内部暴露至高度反应性气 体，即使当等离子106被包含时。然而，在衬底124的处理过程中，等离子106可意外地或者不受控地迁移出室102 中的包含区域。换言之，可在约束环108外侧的室102的区域中形成无约束等离子138。这 种无约束等离子138的形成是不被期待的，因为无约束等离子138可以引起如下至少一种 情况发生的方式改变处理等离子106的品质明显降低衬底124的性能，损伤室102，以及 损伤基座120或其子系统。例如，衬底124可能由于蚀刻或沉积速率的改变受到损伤和/ 或被无约束等离子138生成的微粒缺陷或元素污染物污染而损伤。处理室102和/或基座 120可通过例如暴露至无约束等离子138导致的室材料的侵蚀或腐蚀被物理损伤。此外，处 理室102的元件可由于无约束等离子138可能改变等离子功率通过室返回到地的途径而受 到电损伤。在一个实施例中，来自电源114的等离子功率可通过不是被设计携带等离子功 率的室元件返回到地。由前文可知，无约束等离子事件可由多种原因引起。例如，当等离子变得不稳定 时，等离子会不受约束。在另一实施例中，当等离子室内产生电弧时，可产生无约束等离子 事件。在仍然另一实施例中，当处理参数如等离子功率、等离子组成、气体供应流、操作压等 波动时会使等离子不受约束。此外，无约束等离子事件的发生可能是偶发的且通常不可预知。这种不可预知性 的一个原因在于无约束等离子具有不同的形式。此外，由于无约束等离子显示的可变和不 可预知的形式，无约束等离子事件对衬底处理的具体作用通常无法预知。例如，无约束等离 子可具有低密度或高密度。在另一实施例中，该无约束等离子所占的空间可大可小。在仍 然另一实施例中，无约束等离子可以是稳定的等离子或者是波动、偶发等离子。甚至该无约
5束等离子在室内的位置也会在处理过程中变化。已经采用了各种方法来检测无约束等离子事件。一种方法包括使用通常具有多电 极的静电探针如VI探针或Langmuir探针来检测无约束等离子事件。在一个实施例中，具有 未保护电极(通常由金属制成)的Langmuir-型探针可被暴露至室环境。该Langmuir-型 探针通常被电气偏置(electrically biased)，使得当该探针暴露至等离子时，直流电流 (DC)可从该等离子流至该探针的电极。例如，Langmuir-型探针122被定位在期望等离子 约束区域以外的等离子环境中。通过采用电流检测器148，经电源118在Langmuir-型探针 122上的DC电流变化可被测得。此外，DC电源(未示)可用于偏置该探针。然而，Langmuir-型探针的操作需求(即，该电极未被保护，且与该等离子存在DC 电接触)限制了 Langmuir-型探针在检测无约束等离子事件中的用途。此外，由于无约束 等离子事件不可预知的性质，该Langmuir-型探针可能需要在衬底被处理的过程中连续运 行以确保有效。然而，连续使用可能导致将Langmuir-型探针的未保护电极暴露至等离子 处理过程中通常存在于室内的化学物质的混合物。这种化学物质的混合物(包括为处理衬 底提供的化学品、在处理等离子内生成的新化学物质以及在衬底处理过程中形成的化学副 产物)通常同时包括对Langmuir-型探针正常运作的能力产生不利影响的腐蚀成分和沉积 成分。在一个实施例中，腐蚀性成分(例如，氯、氟和溴等)可引起Langmuir-型探针不 正常运作，例如无法及时和/或准确检测无约束等离子事件。此外，腐蚀电极可能成为间接 损伤被处理的衬底的微粒缺陷和/或金属污染物来源。在另一实施例中，该混合物的沉积 成分(例如，无机SiOx基副产物和有机CFx基聚合物)可导致在探针的电极上形成电绝缘 膜；因此，该膜可妨碍所需的等离子_电极DC接触，从而阻止该探针准确和/或及时感知等 离子的存在。由前文可以理解，Langmuir-型探针不是理想的检测无约束等离子事件的手 段。被采用的另一种方法是识别处理过程中衬底的偏压变化来检测无约束等离子事 件。参考图1，当电源114供应的功率与室100内的等离子106相互作用时可在衬底124上 生成偏压。通常可安装传感器140(例如，在电极110中)以允许直接测量处理过程中衬底 124上的偏压并可使用偏压检测器144来将该偏压与一阈值进行比较。因此，当等离子106 的特性由于无约束等离子138而改变时，可使用传感器140测量该偏压并可使用偏压检测 器144来检测该偏压的变化。附加地或者替代性地，该偏压的变化可通过测量与衬底偏压相关的参数变化进行 间接检测。例如，当衬底偏压由于无约束等离子138而变化时，由电源114供应至电极110 以维持等离子106的功率也发生变化。因此，用RF功率检测器142监测供应至等离子106 的功率也可以对无约束等离子事件进行检测。然而，通过监测偏压来检测无约束等离子事件受到检测由无约束等离子事件引起 的偏压变化的困难的限制。在采用更高频率的发生器(例如60MHz)生成等离子时，检测偏 压变化特别困难。通过更高频率发生器生成的偏压很小；且由于无约束等离子事件通常在 更低功率水平发生，从DC偏置信号的较小变化来检测无约束等离子事件可能非常困难或 不可能。因此，该技术的使用具有局限，因为其无法可靠地检测无约束等离子事件。在仍然另一现有技术的方法中，光学传感器可被用于检测无约束等离子事件。本
6领域技术人员了解等离子通常会发光。因此，可采用光学传感器来检测从无约束等离子的 发出的光。在一个实施例中，参考图1，光学传感器132可临近透明窗130安装，该透明窗 130具有需要监测的室102的区域的可视通路(在此指通道134)。因此，当等离子106不 受约束时，来自无约束等离子138的光可进入通路134并通过窗口 130以被光学传感器132 测得。一测到该光，光学传感器132就可向光学信号检测器146发送信号。如果该信号在 预定的阈值以上，光学信号检测器146将提供警报，表示已测得无约束等离子138。然而，采用光学传感器检测无约束等离子事件在某些情况下不令人满意，因为检 测从无约束等离子138发出的光可能很困难。这是由于从无约束等离子138发出的光明显 暗于从处理等离子106发出的光。此外，光学传感器在室外侧的位置可使得很难通过该透 明窗“看见”光，因为反应性化学品可导致该透明窗透明度下降。换言之，该反应性化学品可 导致膜层被沉积在透明窗上，从而显著减少被该光学传感器测得的光的量和/或品质。此 外，该光学传感器的使用依赖于具有对处理环境的观察通路。然而，在所有需要监测的位置 放置视窗和/或观察通路并不始终可行。

发明内容
在一个实施方式中，本发明涉及在等离子室的等离子处理环境内用于检测无约束 等离子事件的装置。该装置包括传感器，其在等离子室内并在等离子约束区域外侧实现。该 传感器可在无约束等离子事件过程中生成瞬变电流。该装置还包括绝缘体以将传感器与等 离子室壁电绝缘。该装置进一步包括将电缆、电线或导线通过该绝缘体电性连接至传感器 的导电接触。该装置还包括检测电路，其通过与该导电接触连接的导线电性连接至该传感 器。该检测电路配置为将该瞬变电流转换为瞬变电压信号并在确定该瞬变电压信号是否超 过阈值(这确定了无约束等离子事件的存在)之前从该瞬变电压去除噪声。该装置可包括 屏蔽，其用于围绕该导线的至少一部分，从而至少减少该导线接收的电磁噪声(例如，RF噪 声)。以上综述仅涉及此处披露的本发明的多个实施方式的一个或多个，并非意在限制 本发明的范围，该范围在此处的权利要求书中列举。本发明的以上特征以及其它特征将在 下文的发明详述和说明书附图中得到更为具体的描述。


本发明通过说明书附图进行了示范性，而非限制性的阐述，其中类似的参考标号 表示类似的元件，其中图1显示了现有技术中等离子处理室的实施例，其中等离子在处理过程中受到约 束，还显示了检测无约束等离子事件的现有策略。图2显示了根据本发明的一个或多个实施方式的等离子处理过程中的等离子室 的示意图。图3A显示了根据本发明的一个或多个实施方式的基于电容的传感器的一种实现 的示意图。图3B显示了根据本发明的一个或多个实施方式的基于电容的矩形传感器的示意 图。
图3C显示了根据本发明的一个或多个实施方式的具有两个电绝缘外层的传感器 的横截面示意图。图4A显示了根据本发明的一个或多个实施方式的无约束等离子检测装置中的电 路的示意图。图4B显示了根据本发明的一个或多个实施方式的无约束等离子检测装置中的电 路的示意图。图5显示了根据本发明的一个或多个实施方式的等离子处理室中检测无约束等 离子事件的系统的示意图。图6显示了根据本发明的一个或多个实施方式的在图5中所示实施例的系统中的 传感器、屏蔽导线以及转换器的示意图。图7显示了根据本发明的一个或多个实施方式在图5的实施例中所示的系统中的 滤波器。图8显示了根据本发明的一个或多个实施方式在图5的实施例中所示的系统中的 检测器。
具体实施例方式以下，将通过说明书附图所示的一些优选实施方式具体描述本发明。为了提供关 于本发明的全面了解，在接下来的叙述中提出许多具体的细节。然而，本领域技术人员应当 了解无需部分或全部该种特定的细节仍可实施本发明。在其它的情况下，为了避免产生不 必要的混淆，将不会详细叙述公知的处理步骤和/或结构。下文将描述不同的实施方式，包括方法和技术。应当认识到，本发明还可涵盖包含 了计算机可读介质的制造物，该计算机可读介质上储存了实施本发明的实施方式的计算机 可读指令。该计算机可读介质可包括，例如，用于储存计算机可读代码的半导体，磁，光磁， 光学或其它形式的计算机可读介质。此外，本发明还包括了用于实施本发明的实施方式的 装置。该种装置可包括专用的和/或可编程的电路，以进行有关本发明的实施方式的任务。 该种装置的实例包括一般用途计算机和/或适当编程的专用计算装置，并可包括计算机/ 计算装置以及专用的/可编程的电路的组合，以进行有关本发明的实施方式的任务。如前所述，在等离子处理过程中，所生成器件的品质依赖于等离子被约束在该等 离子室的特定区域，例如在被处理的衬底正上方的区域。然而，等离子可能不受约束，并迁 移至所需处理区域的外侧。在等离子处理室中无约束等离子的形成非常不利，因为该处理 等离子的品质可被改变，从而导致性能问题(例如，明显降低衬底的性能)和/或损伤硬件 (例如，损伤该处理室或基座)。检测无约束等离子的现有技术的方法由于各种原因受到局 限，该原因包括但不限于，关键传感器元件的腐蚀和/或电绝缘膜在关键传感器元件上的 沉积以及较差的信噪比特征。本发明的部分实施方式涉及检测无约束等离子事件的系统。例如，根据本发明的 一个或多个实施方式的检测系统可包括无约束等离子传感器，例如基于电容的传感器。该 无约束等离子传感器对典型的腐蚀和沉积等离子处理环境并不敏感或基本上不受影响。该 无约束等离子传感器还被配置为在等离子处理过程中连续运行而不降低器件产率。此外， 该无约束等离子传感器被配置为在无约束等离子事件发生时生成清晰和强力的信号。此外，该无约束等离子传感器被配置为在处理室内灵活安置。该检测系统还可包括检测电路以将从无约束等离子传感器接收的电流信号转换 为电压信号并去除信号中的噪声。该检测电路可包括电阻-电容(RC)滤波器，其可包括多 个级联滤波级以过滤大频率范围的噪声。该RC滤波器可具有简单结构而不需要在各滤波 级之间实现的缓冲装置。有利的是，通过最小化设计、制造和维护成本，该RC滤波器有效地 去除了噪声，从而为确定无约束等离子的存在提供高保真信号。该检测系统还可包括屏蔽，其用于围绕与耦合该无约束等离子传感器和该检测电 路的导线的至少部分。有利地，由该导线接收的电磁噪声可被大量减少或防止，而由该无约 束等离子传感器提供的电流信号可以最小的干扰或污染进行传输。该检测系统还可包括自测机构，其用于对检测电路(以及无约束等离子传感器的 电路)进行测试以确保对无约束等离子的准确检测。该自测机构可执行该测试而不干扰在 其中实现检测系统的等离子处理系统的运行。有利的是，无约束等离子被准确地检测而不 损失制造产率。本发明的部分实施方式涉及配备了检测无约束等离子事件的检测系统的等离子 处理系统。本发明的特征和优点可通过下文的附图和讨论得到更好的理解。根据本发明的一个实施方式，图2显示了在等离子处理过程中的等离子室200的 简单示意图。等离子室200可包括电极210 (例如，基于电容的传感器)，其配置为在需要检 测无约束等离子事件的区域内实现。换言之，该区域可在等离子约束区域214之外。在一 个实施例中，电极210可以一定方式安装，该方式使得电极210的外表面暴露至无约束等离 子，例如无约束等离子210。由于等离子的固有特征，暴露至等离子的表面可由于与更重等离子成分(例如， 分子离子)相互作用的较轻等离子成分(例如，电子)的速度差异而导致形成电荷。因此， 当电极210被暴露至无约束等离子212时，电极210的外表面可经历充电过程。该外部电 极210表面可带负电或带正电，这取决于无约束等离子212的具体特征。通常，该充电过程 是瞬时的，因为该充电过程仅发生至该电极210的外表面已经积累了与无约束等离子212 平衡的电荷量时。当该外表面的瞬时充电过程发生的同时，在电极210内可感应得到相反符号的瞬 变电荷。该瞬变电荷可通过转换电路222转换为瞬变电压信号。为了从该瞬变电压信号 去除噪声，可采用低通滤波器224。在一个实施例中，该瞬变电压信号可通过经低通滤波器 224去除高频成分(即，高频噪声)而被改善。在一个实施方式中，一套谐振LC滤波器226 可被用于阻断特定的频率，例如通常用于生成等离子的频率，以进一步将瞬变电压信号净 化为调节信号(conditioned signal) 0该调节信号可随后被传递至阈值检测器228，后者 可被配置为将调节信号与预定阈值进行比较。如果该调节信号在预定阈值以上，阈值检测 器228可生成警报，表示已测得无约束等离子，从而可以采取适当的行动(例如，该等离子 可被关闭，并停止处理衬底)。在本发明的一个实施方式中，图3A显示了基于电容的传感器的一种实现。如图2 所示，基于电容的传感器302可被物理安装在等离子室的室壁318上。在一个实施方式中， 基于电容的传感器302可包括至少两个元件电绝缘外层308和导电衬底304。在一个实施方式中，基于电容的传感器302与该安装表面通过绝缘体316电性绝缘。当由于无约束等 离子生成瞬变电荷时，该瞬变电流可传输至导电接触(contact) 314，其通过电接触306耦 合至导电衬底304。该瞬变电荷可通过电线310被发送至检测电路(未示)，后者可通过夹 钳312固定至导电接触314。在一个实施方式中，导电衬底304可由导电材料制成。在一个实施例中，导电衬 底304可由金属(例如，Al、Cu、Ag、Au、Fe基金属等)或金属的组合/合金制成。在另一 实施方式中，导电衬底304可由半导体材料例如高掺杂硅制成。在仍然另一实施方式中，导 电衬底304可由导电陶瓷材料(例如碳化硅)或导电陶瓷的组合制成。在仍然另一实施方 式中，导电衬底304可由导电聚合物制成。在一个实施例中，该导电聚合物可以是包含导电 “填充剂”的有机聚合物。在另一实施例中，该导电聚合物可以是基于聚苯胺的聚合物或基 于聚苯胺的聚合物的混合物。在仍然另一实施方式中，导电衬底304可由非导电聚合物制 成。在另一实施方式中，导电衬底304可由导电无机聚合物如导电硅树脂制成。在仍然另 一实施方式中，导电衬底304可由任意或所有上述导电材料的组合制成。在一个实施方式中，电绝缘外层308可由电绝缘材料制成。在一个实施例中，电绝 缘外层308可由一种形式的SiO2 (例如，石英或玻璃)、陶瓷(例如，Al2O3)、商业聚合物(例 如，PEFE、聚亚胺、硅树脂等)、作为等离子处理副产物的聚合物(例如，基于CFx的聚合物) 或者任意或所有上述物质的组合制成。此外，电绝缘外层308可由能与安装该传感器的等离子室内使用的典型化学品混 合物和等离子相容的电绝缘材料制成。在一个实施例中，阳极化铝是典型等离子蚀刻室 (例如图1中所示)中的常见材料，因为阳极化铝对于衬底处理中通常采用的化学品相对呈 惰性。换言之，由阳极化铝制成的无约束等离子传感器可与该等离子处理相容，因为阳极化 铝对于等离子环境相对不敏感，且不会成为金属或微粒缺陷的来源。在另一实施方式中，电绝缘外层308是在导电衬底304上生长的。在一个实施例 中，表征该电绝缘外层308的该阳极化铝可以是在铝衬底上生长的。在另一实施例中，电绝 缘外层308可以是在沉积在导电衬底304上的膜上生长的。该膜可通过多种常见沉积技术 进行沉积，该技术包括化学气相沉积、等离子强化化学气相沉积、溅射等。在仍然另一实施 例中，电绝缘外层308可通过多种常见施加技术被施加至导电衬底304上，该技术为例如热 喷雾、烧结、热粘合等。电绝缘外层308的厚度可随着绝缘材料的类型而变化。在一个实施方式中，电绝 缘外层308的厚度足以电绝缘导电衬底304，同时仍然能在基于电容的传感器302暴露至等 离子时生成合适的电容，从而生成能在检测电路中测得的可测电压。在一个实施方式中，该 膜的厚度可在10-100微米范围内变化。由前文可以理解，被施加至导电衬底304的电绝缘外层的数量可以变化，只要该 电绝缘外层组能够将该导电衬底304从暴露至无约束等离子的传感器324的外表面绝缘。 为了进行说明，图3C显示了在本发明的一个实施方式中具有两个电绝缘外层320和322的 基于电容的传感器320的横截面的实施例。在一个实施例中，电绝缘外层322可作为基于 电容的传感器302的制造的一部分被施加至电绝缘外层320。在该实施例中，电绝缘外层 320可作为“中间胶层”以促进电绝缘外层322粘附至导电层304上。在另一实施例中，电 绝缘外层320可具有介于电绝缘外层322和导电衬底304之间的热膨胀系数。该热膨胀系
10数可使得基于电容的传感器302更不容易因为热循环而碎裂或剥落。在第三实施例中，电绝缘外层322可代表由于暴露至衬底被处理时该处理室内 存在的反应性气体而在电绝缘外层320上形成的沉积层。由于基于电容的传感器302可 像电容器一样运行，基于电容的传感器302可对于在该传感器表面形成附加层不敏感。与 Langmuir-型探针不同，电绝缘外层的形成不会损失传感器检测无约束等离子的能力。仍参见图3A，绝缘体316、导电接触314和夹钳312的特定组合可针对具体的应用 定制，或者可被任意数量商业真空馈通装置或其元件所代替。此外，基于电容的传感器302可以许多不同方式安装至该室。在一个实施方式中， 基于电容的传感器302可被临近安装至室壁318，如图3A所示。在另一实施方式中，基于电 容的传感器302可与室壁318齐平。在仍然另一实施方式中，基于电容的传感器302可远 离室壁318进行安装(例如在棒或基座的一个末端)。在一个实施方式中，基于电容的传感器302可形成任意几何形状。由前文可以理 解，基于电容的传感器302的形状可基于制造商的偏好或者可取决于安装位置。在一个实 施方式中，如图3B所示，基于电容的传感器302可以是矩形“按钮”，其中χ和y尺寸约为一 英寸，厚度ζ约为0.05"。在另一实施方式中，基于电容的传感器302可呈环状外形，例如 成为环，从而适应该环境中的其它元件，例如环形基座或环形室。通常，该灵敏度与该探针 与无约束等离子(其可能未占据整个外部容积)接触的表面积成比例。相应地，更大的探 针可能提供更大的信号，但也可能捕捉更多的噪声。此外，极大的探针可能会扰乱正常的处 理过程，例如通过改变RF电流回路。因此，在给定上述讨论的标准情况下该传感器的形状 和尺寸可取决于制造商的偏好。如前所述，一旦生成瞬变电流，该瞬变电流可被传输至检测电路以确定无约束等 离子的存在。图4A显示了，在本发明的一个实施方式中，基于电容的传感器和检测器电路两者 的示范性电气模型。方框402显示了基于电容的传感器的示范性电路模型。该基于电容的 传感器的外表面(暴露至等离子的表面)由板404表示。电容406和408分别表示可存在 于该基于电容的传感器的导电衬底上的电绝缘外层。由前文可见，在该导电衬底上的额外 的层可由该电气模型中的额外电容表示(且反之亦然)。在一个实施方式中，在该导电衬底 上的该组电绝缘外层的电容是主导电容。换言之，由于最小的电容器在串联中是主导，由等 离子沉积产物的层的形成的额外电容对于该检测器的外层的电容相对较大。通常，膜的典 型电容值可以是每平方厘米表面积约0. 1纳法拉(nF)。方框410、420和430 —起显示了检测电路的示范性电路模型。方框410显示了 电流电压转换器(即，电路转换器)的模型的范例。该电流电压转换器被配置为将由于 板404暴露至等离子而产生的电荷生成的瞬变电流转换为瞬变电压。在一个实施例中， 由于暴露至等离子跨越电容器406和408形成的该瞬变电流可经电阻器414流入电接地 (gr0imd)416，从而将该瞬变电流转换为瞬变电压信号，其可在点412读取。在一个实施方 式中，电阻器414可具有介于I-IOOkilo Ohms的值。在一个或多个实施方式中，具有反馈 电阻器的运算放大器可将该瞬变电流转换为瞬变电压。一个或多个实施方式可采用具有适 当偏置的晶体管来将该瞬变电流转换为瞬变电压。一个或多个实施方式可采用变压器来将 该瞬变电流转换为瞬变电压。
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在点412生成的瞬变电压信号可随后被调节(condition)以提高信噪比特征。在 一个实施方式中，该瞬变电压信号可通过低通滤波器电路，例如在方框420中所示的电路。 在一个实施方式中，低通滤波器420可包括，但不限于与电容器424连接的电阻器422，该电 容器424与接地426连接。元件422和424的组合用于从瞬变电压信号中去除高频成分。 在一个实施方式中，电阻器422可具有IOOOhms的值，而电容器424可具有约IOOnF的值。在一个实施方式中，该瞬变电压信号的信噪比特征可通过使该瞬变电压信号通过 一组谐振LC滤波器(例如在方框430中显示的两个范例)进一步改善。该第一 LC滤波器 可包括与电容器434并联的电感器432。类似的，该第二 LC滤波器可包括与电容器438并 联的电感器436。通过该组谐振LC滤波器，该瞬变电压信号可通过选择性阻断已知和/或 预期频率得到改善。例如，如果工艺等离子由在不同频率(例如，13. 56MHz和27MHz)运行 的两个独立的RF发生器供电，从暴露至等离子的基于电容的传感器生成的瞬变电压信号 可包括两种频率。由于这些频率的强度可干扰该瞬变电压信号的检测，该组谐振LC滤波器可用于 阻断该频率。在一个实施例中，与电容器434并联的电感器432可阻断该13. 56MHz成分， 而与电容器438并联的电感器436可阻断该27MHz成分。通常，可被阻断的频率的类型为 常用的频率类型(例如，2MHz、27MHz和60MHz)。然而，该组谐振LC滤波器不限于仅阻断前 述频率，并可阻断任意频率和/或频率范围(例如，200kHz-200MHz)。由前文可以理解，可 被阻断的频率类型取决于使用者的偏好。—旦该瞬变电压信号被过滤，可在点440生成调节信号。在一个实施方式中，该调 节信号(即，从谐振LC滤波器方框430的输出)可被传输至阈值检测器(未示)。该阈值 检测器可将该调节信号与预定阈值进行比较，以确定是否发生了无约束等离子事件。替代性地，该检测电路可按照图4B所示实现。图4B所示的检测电路类似于图4A 的检测电路，其区别在于存在额外电容器418。在一个实施方式中，电容器418可在方框410 的电流电压转换器内实现。由于在方框402内的基于电容器的传感器有时会短路，电容器 418可对检测电路的下游元件(即，方框420、430、阈值检测器等)提供一定保护以免损坏。 在一个实施方式中，电容器418可具有约IOOnF的值。作为范例，如果该基于电容的传感器 的该外层组被损伤，破坏了基于电容的传感器的电绝缘特征，方框402中的模型电容器406 和408将被基于电容的传感器(即，板404)和该检测电路元件(与方框410内的点412连 接)之间的直接电连接所代替，该检测电路也会短路并损坏。然而，通过电容器418可防止 该等离子和该检测元件之间的直接连接，从而防止检测电路被损坏。此外，即使电容器418 由于短路情况而被暴露在无约束等离子，所测得的瞬变电压信号也不同于与非短路传感器 相关的瞬变电压信号。因此，该阈值检测器将能够区分两种类型的瞬变电压信号，甚至能够 判断该基于电容的传感器已被损坏。图5显示了根据本发明的一个或多个实施方式的等离子处理室200(或等离子室 200)中检测无约束等离子事件的系统500的示意图。系统500可针对图2和4的实施例讨 论的实施方式提供进一步的改良和优点。例如，系统500能够防止泄露导致的错误和故障，这可由DC电压升高潜在引起。系 统500还可结合自测功能/特征，以确保在不损失产率的情况下准确检测无约束等离子事 件。系统500还可分离传感器接地和检测接地，从而区分信号和噪声(例如共模噪声)。系
12构有效过滤大频率范围的噪声。系统500还可以适应 的方式调节过滤和检测机构，从而对等离子处理的各种配置和配方达到最佳。系统500还 可促进对各种无约束等离子事件的研究和分析。与图2的实施例中讨论的实施方式类似，系统500包括传感器210 (或电极210)、 转换器584、滤波器586和检测器588。然而，以一种新颖和非显而易见的方式，系统500不 需要图2和4的实施例中所需的谐振LC滤波器。系统500还可包括屏蔽的导线582 (例 如，屏蔽的电缆)，其配置为耦合传感器210和转换器584。屏蔽导线582、转换器584以及 检测器588以及相关的特征和优点可参考图6、7和8的实施例进一步讨论。图6显示了根据本发明的一个或多个实施方式在系统500中的传感器210、屏蔽导 线582以及转换器584的示意图。在这些元件中，传感器210已参考图2的实施例进行了 讨论。屏蔽导线582可包括用于耦合传感器210和转换器584的导线600。导线600可 具有低电容(或高特征阻抗)以从传感器210将有关无约束等离子的低频率脉冲传输至转 换器584。屏蔽导线582还可包括围绕该导线600至少一部分的屏蔽692。屏蔽692可在 两端通过接地608和接地304电性接地。接地608可接近传感器210并在信号被大量传输 通过导线600之前。屏蔽692可为传输通过导线600的信号提供屏蔽。总体而言，如果导 线600未被屏蔽，导线600可作为发射和接受电磁能的天线。这样，所需信号的强度会被减 弱，并可接收外部信号从而导致干扰和噪声。有利的是，屏蔽692可防止信号强度损失并可 屏蔽来自外部干扰和噪声的信号。转换器584具有例如电容器418、电阻器414以及接地416等与图2的实施例中所 讨论的类似的元件。此外，系统600可包括跨越电阻器414差分耦合的电阻器612和602， 其用于抑制共模噪声。电阻器612和602可配置为测量电压信号。系统500还可包括泄漏电阻器662以防止DC电压升高，从而防止由泄漏导致的转 换器584的错误和故障。泄漏电阻器662可相对系统500的电路中的其它部分具有较高的 电阻，从而使泄漏电阻器662不会过度下降待测量的信号。然而，该泄漏电阻器662的电阻 足够低，以保持DC电压在可接受的量以下，从而防止DC电压升高。作为范例，泄漏电阻器 662的电阻可在兆欧姆的量级上。系统500还可包括自测机构。例如，系统500可包括通过串联电容器668和串联 电阻器606与节点412耦合的自测电流源650。自测电流源650可向节点412提供信号， 例如自测脉冲，从而测试转换器584、滤波器586等中一个或多个的电路。自测电流源650 可具有高阻抗，从而使电流源650、串联电容器668和串联电阻器606不会过度下降待节点 412的信号。串联电容器668可具有纳法拉(nF)量级的电容。串联电阻器606可具有千欧 姆量级的电阻。注入节点412的该自测脉冲可具有与无约束等离子相关的信号一致的一个 或多个特征(例如，上升时间)。串联电容器668可以是用于调节自测脉冲的可变电容器。 在另一实施方式中，具有单独信号开关的缓冲波形发生器可用于生成并向节点412注入自 测信号。在系统500中，可采用复合接地。例如，接地604可通过支架被连接至壳体接地。 接地416可通过另一支架连接至另一壳体接地。总体而言，壳体接地是在形成机器(例如 等离子处理系统)的壳体或外壳的金属片上的接地点。该支架可保持独立和/或彼此之间具有高阻抗，从而该支架不会彼此耦合。图7显示了根据本发明的一个或多个实施方式的系统500中的滤波器586的示意 图。滤波器586可通过差分耦合的电阻器612和602 (其用作输入电阻器)与转换器584 (参 考图6讨论)连接。滤波器586可包括一个或多个电阻-电容(RC)滤波器。该一个或多 个RC滤波器可具有大范围的频率响应，从而能够在大频率范围中有效去除噪声。在图7的实施例中，实现了四级RC滤波器，尽管在不同的实施方式中可采用不同 的级数。该四级可以被级联和/或可独立工作。滤波器586的四级可具有类似的配置。作 为范例，级738包括用于将电磁噪声(例如，RF噪声)分别分流至接地706和接地716的 旁路电容700和708。接地706和接地716可被耦合至相同的壳体接地或不同的壳体接地。 在一个或多个实施方式中，接地706和716可被连接并共享相同的接地片。该接地706和 接地716的接地片可不同于图6的实施例中所示的接地604和接地416所用的接地片。通 过将电磁噪声分流至接地706和716可全面去除噪声，并提供高保真信号。级738也可包括电容器702。电容器702可引起短路，并可减弱通过差分耦合的电 阻器612和602接收到的差模RF信号，以进一步改善滤波器586的输出信号。RC滤波的作用可通过级的数量来调节。通过简单的结构，可基本抑制高频噪声 (例如，400KHz下IOOdB的噪声抑制)，充分提供对低频信号(例如，在KHz的量级)的出 色脉冲保真性。级的数量可通过抑制的量来确定。例如，每个级可提供每级联约20dB的抑 制。该RC滤波电路可被设计为在预期的最低频率如等离子处理室200 (图5的实施例 所示)可运行的最低频率下提供噪声的衰减。相应地，在最低预期频率以上的噪声可被抑 制。通过RC装置，滤波器586不需要针对基频和谐振频率选择特定的电感和电容。相反地， 在谐振LC滤波器中通常需要该种选择。此外，在滤波器586中的RC电路通常对谐振不敏 感，且能够被级联，而不需要设置在不同级之间的缓冲装置。相反地，LC谐振滤波器通常需 要缓冲。相应地，与滤波器586相关的设计、实现和维护成本相对来说低于采用LC装置的 滤波器的相关成本。由滤波器586提供的过滤信号可在节点752和754作为差分放大器778的输入被 接收。差分放大器778可具有高阻抗输入(例如，在兆欧姆的量级下)，这将允许使用高电阻 的电阻器，例如电阻值在100K Ω量级的电阻器612、602、714和704。差分放大器778还可 提供增益以放大该过滤信号，从而促进无约束等离子的检测。差分放大器778可与模拟信 号接地768耦合，从而为信号检测和调节电子元件提供参照。滤波器586和差分放大器778 的组合在极大的频率范围内具有高CMRR。该组合为还可具有极陡峭的滚降(roll-off)，从 而抑制具有高斯形态的差模高频噪声以保持脉冲保真性。图8显示了根据本发明的一个或多个实施方式的系统500中的检测器588的示意 图。检测器588可包括用于处理由差分放大器778提供的信号(例如，信号890)的微处理 器850。信号890可将多个(替代性)输入信号驱动至微处理器850。例如，通过连接800，信号890可被提供至微处理器850的模拟数字(A/D)转换器 898。相应地，A/D转换器898可将信号890转换为数字信号。处理器850可处理和/或分 析该数字信号以检测无约束等离子事件和/或研究无约束等离子事件。通过连接880，信号890可被提供至峰值检测器882以测量残留高频噪声的峰值。残留噪声的峰值可用于调节系统500中比较器802和812的阈值。有利的是，在无约束等 离子事件检测中所用的阈值设置可进行优化，并可避免假触发。信号890还可被提供至正比较器802和负比较器812至少一个，以检测正无约束 等离子耦合和负无约束等离子耦合中至少一个。在一个或多个实施方式中，正和负无约束 等离子耦合均可被测得。比较器802和812的输出信号可提供至微处理器850以供进一步 分析。AND门804可被用于确定由比较器802和812所提供的信号的任一个是有效的。当 来自比较器802和812的信号的至少一个有效时，AND门804可触发微处理器850以启动 计时器。如果两信号均不是有效的，则计时器停止，且可估算累计时间以确定与信号890有 关的脉冲宽度。如果脉冲宽度大于预定阈值(其可以是，例如，在500微秒至1毫秒的量级)，则可 确定存在无约束等离子。相应地，微处理器850可通知主机设备860该无约束等离子的存 在。主机设备860可随后可采取合适的行动响应无约束等离子的存在，例如暂停等离子处 理室200(图5的实施例中所示)中的等离子处理。如果脉冲宽度小于另一阈值，微处理器850可确定存在噪声，并可触发噪声指示。 相应地，系统500可进一步微调以消除对噪声的伪响应。与信号890相关的脉冲的各种特征(例如，强度、极性等)可被记录以通过微处理 器850进行各种事件的分析。微处理器850 (或者主机860)还可提供自测信号808，以测试转换器584、滤波器 586等中的至少一个的电路，且该测试不会中断或干扰室200的运行。系统500还可包括数字模拟(D/A)转换器852，用以配置比较器802和812的阈 值。该阈值可以与噪声指示相适应的方式配置和/或根据使用者/客户的要求进行配置。在一个或多个实施方式中，可采用强大的处理器(替代微处理器850)来执行数字 信号处理算法以处理信号890。相应地，可能不需要峰值检测器882、正比较器802和负比 较器812等。在一个或多个实施方式中，由峰值检测器882、比较器802和/或比较器812提供 的模拟信号可通过模拟装置进行分析，以确定任何无约束等离子的存在，而不需要数字微 处理器850。由前文可以理解，本发明的一个或多个实施方式提供了用于检测无约束等离子的 无约束等离子传感器。通过以一组电绝缘外层来保护该无约束等离子传感器的导电衬底， 该无约束等离子传感器在等离子环境中得到保护，从而使得该无约束等离子传感器的运行 不会因为关键传感器元件的腐蚀和/或在传感器导电衬底上沉积电绝缘膜而导致性能下 降。通过能从电压信号过滤外来噪声的检测电路，该电压信号可具有更高的品质；从而向阈 值检测器提供了清晰的信号，由此可确定无约束等离子事件。相应地，可对无约束等离子事 件采取合适的行动。有利的是，可防止由反复的无约束等离子事件所导致的对晶片和等离 子处理装置的损伤，并可优化处理产率。部分实施方式可提供有关信号保真性和设备保护以及降低成本方面的进一步的 改良和优势。例如，本发明的实施方式可屏蔽信号传输途径，从而保持信号强度，并使外部 噪声的影响最小化。本发明的实施方式可使DC电压升高最小化，从而减少/防止泄露导致 的误差和元件损坏。本发明的实施方式还可采用能在大频率范围抑制噪声的简单RC滤波器装置。有利的是，检测系统的实现和维护成本可被最小化，且噪声可被有效过滤，检测无 约束等离子事件的准确性可被最大化。本发明的实施方式还提供了自测特征，以促进对无约束等离子检测系统的检修而 不中断晶片制造过程。有利的是，晶片制造过程可对无约束等离子事件进行优化而不损失
生产率。虽然本发明已对数个实施方式加以描述，但许多修改、变更以及等效物落入本发 明的范围内。还应当指出本发明的方法和装置的执行和使用存在多种替代性的方式。此 外，本发明的实施方式可在其它应用中发现用途。此处提供摘要部分以提供便利，但由于字 数限制，摘要的书写仅提供阅读便利，不应用于限制权利要求书的范围。因此，本申请的权 利要求书意在被解释为包括落入本发明的真实精神和范围内的所有该种修改、变更以及等 效物。
权利要求
用于在等离子处理室中检测无约束等离子事件的系统，该系统包括传感器，其设置于该等离子处理室中，该传感器配置为在该等离子处理室中存在无约束等离子时提供电流；转换器，其配置为将该电流转换为电压；滤波器，其配置为从该电压去除噪声以提供第一信号；检测器，其配置为使用输入信号确定该无约束等离子的存在，该输入信号包括该第一信号和该第一信号的放大信号中的至少一个；导线，配置为耦合该传感器和该转换器，该导线配置为将电流从该传感器传导至该转换器；以及屏蔽，其配置为围绕该导线的至少一部分，从而至少减少该导线接收的电磁噪声。
2.如权利要求1所述的系统，其中该屏蔽与至少两个电接地耦合。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包括泄漏电阻器，其配置为与该导线耦合，该泄漏 电阻器配置为至少减少该转换器中的电压升高。
4.如权利要求1所述的系统，其进一步包括该转换器中的电压输出电阻器，该电压配置为从该电压输出电阻器的至少一个末端提供；串联电容器； 串联电阻器；以及电流源，其配置为通过该串联电容器和该串联电阻器与该电压输出电阻器耦合，该电 流源配置为提供测试信号以测试该系统的至少一个电路。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括配置为耦合该转换器和该滤波器的两个差分 耦合的电阻器。
6.如权利要求1所述的系统，其进一步包括该转换器中的电压输出电阻器，该电压配置为从该电压输出电阻器的至少一个末端提供；第一差分耦合电阻器，其配置为将该电压输出电阻器的第一末端与该滤波器耦合；以及第二差分耦合电阻器，其配置为将该电压输出电阻器的第二末端与该滤波器耦合。
7.如权利要求1所述的系统，其中该滤波器至少包括一个电阻_电容滤波器。
8.如权利要求7所述的系统，其中该电阻-电容滤波器至少包括多个级联滤波级。
9.如权利要求1所述的系统，其中该滤波器至少包括第一电容器，其通过两个差分连接电阻网络中的第一差分连接电阻网络与该转换器耦 合，该第一电容器配置为将从该转换器接收的噪声分流至该等离子处理室的壳体接地；以 及第二电容器，其通过该两个差分连接电阻网络中的第二差分连接电阻网络与该转换器 耦合，该第二电容器配置为将从该转换器接收的噪声分流至该等离子处理室的壳体接地， 其中该第一电容器和该第二电容器与该两个差分连接电阻网络协同运作，以去除共模高频噪声。
10.如权利要求9所述的系统，其中该第一电容器和该第二电容器与共享接地片的不同接地耦合。
11.如权利要求9所述的系统，其中该第一电容器和该第二电容器与具有不同接地片 的不同接地耦合。
12.如权利要求9所述的系统，其中该第一壳体接地和该转换器所用的壳体接地具有 不同的接地片。
13.如权利要求9所述的系统，进一步包括与该第一电阻器和该第二电阻器耦合的第 三电容器，该第三电容器配置为至少减弱从该转换器接收的差模噪声。
14.如权利要求1所述的系统，进一步包括差分放大器，其配置为放大滤波器的输出以 提供该信号的放大信号，该差分放大器与模拟信号接地耦合。
15.如权利要求1所述的系统，其中该检测器至少包括 正比较器，其配置为接收该检测器输入信号；负比较器，其配置为接收该检测器输入信号； 处理器；AND门，其配置为当该正比较器和该负比较器中至少一个提供有效信号时触发该处理 器启动计时器，其中该处理器配置为如果该正比较器和该负比较器中至少一个不提供有效信号的话 停止该计时器，该处理器进一步配置为通过由该计时器测量的累计时间来确定该信号的宽度，以及 该处理器进一步配置为使用该信号的该宽度来确定该无约束等离子的存在。
16.如权利要求15所述的系统，其进一步包括峰值检测器，其配置为测量该检测器输 入信号中的残留噪声的峰值，其中该残留噪声的峰值用于调整该正比较器和该负比较器的 至少一个中实现的一个或多个阈值。
17.如权利要求15所述的系统，其中该处理器进一步配置为向该转换器提供自测信号。
18.等离子处理系统，其包括 等离子处理室；基于电容的传感器，其设置于该等离子处理室中，该基于电容的传感器配置为在该等 离子处理室中存在无约束等离子时提供电流； 转换器，其配置为将该电流转换为电压； 滤波器，其配置为从该电压去除至少一个噪声以提供第一信号； 检测器，其配置为使用检测器输入信号确定该无约束等离子的存在，该检测器输入信 号包括该第一信号和该第一信号的放大信号中的至少一个；导线，配置为耦合该传感器和该转换器，该导线配置为将该电流从该传感器传导至该 转换器；以及屏蔽，其配置为围绕该导线的至少一部分，从而至少减少该导线接收的电磁噪声。
19.如权利要求18所述的等离子处理系统，其进一步包括该转换器中的电压输出电阻器，该电压配置为从该电压输出电阻器的至少一个末端提供；第一差分耦合电阻器，其配置为将该电压输出电阻器的第一末端与该滤波器耦合；第二差分耦合电阻器，其配置为将该电压输出电阻器的第二末端与该滤波器耦合， 第一电容器，其通过两个差分连接电阻网络中的第一差分连接电阻网络与该转换器耦 合，该第一电容器配置为将由该转换器接收的噪声分流至该等离子处理室的壳体接地；以 及第二电容器，其通过该两个差分连接电阻网络中的第二差分连接电阻网络与该转换器 耦合，该第二电容器配置为将由该转换器接收的噪声分流至该等离子处理室的壳体接地。
20.如权利要求19所述的等离子处理系统，进一步包括与该第一差分耦合电阻器和该 第二差分耦合电阻器耦合的第三电容器，该第三电容器配置为至少减弱从该转换器接收的 差模噪声。
全文摘要
披露了用于在等离子处理室中检测无约束等离子事件的系统。该系统可包括置于等离子处理室中的传感器，其用于在该等离子处理室中存在无约束等离子时提供电流。该系统还可包括用于将电流转换为电压的转换器，以及包括去除电压中的噪声以提供第一信号的滤波器。该系统还包括检测器，其用于采用该第一信号的放大信号和/或该第一信号确定该无约束等离子的存在。该系统还可包括导线，其用于耦合该传感器和该转换器，以将电流从该传感器传导至该转换器。该系统还可包括屏蔽，其用于围绕该导线的至少一部分，从而至少减少该导线接收的电磁噪声。
文档编号H05H1/34GK101926233SQ200980103877
公开日2010年12月22日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月7日
发明者约翰·皮斯, 赛义德·法尔·杰夫润-泰赫拉尼 申请人:朗姆研究公司