用于等離子體處理室中的包括真空間隙的面向等離子體的探針裝置的制作方法

專利名稱：用于等離子體處理室中的包括真空間隙的面向等離子體的探針裝置的制作方法
用于等離子體處理室中的包括真空間隙的面向等離子體的
探針裝置
背景技術：
等離子體處理系統已長時間用于將襯底處理為成品電子產品以制造集成電路 (IC)。可以使用各種等離子體產生技術產生等離子體，包括例如電感耦合等離子體、電容耦 合等離子體、微波、電子回旋共振(ECR)等。在襯底處理過程中，準確而及時地監控等離子體處理室內部的各種工藝參數是非 常需要的。面向等離子體的探針或傳感器技術(其涉及將由導電材料制成的探針或傳感器 的表面暴露于等離子體)已經長時間被用于這種監控任務。已被用于測量該工藝參數的 一類面向等離子體的監控探針是離子通量探針，比如名稱為“Apparatus For Measuring A Set Of Electrical Characteristics In A Plasma” 的美國專利 7，319，316 中所描述的。 在上述美國專利7，319，316中，使用基本上共平面的探針測量該等離子體處理室內的離子 通量。然后使用測量的離子通量以確定例如室調整工藝的終點，用于測量等離子體的性質 (例如，離子飽和電流、電子溫度、空載電勢等)，用于室的匹配(例如，尋找名義上完全相同 的室之間的差異)，用于檢測室中的缺陷和問題等。在本領域中已經實現了離子通量探針的一些量產型號，而且已經發現，改進的機 會是可能的。為了便于討論，圖1顯示了典型的離子通量探針裝置。在圖1中，離子通量探 針102被設在等離子體處理室的上電極中的孔104中。該上電極通常是由鋁或石墨形成的， 具有由合適材料(比如硅)形成的面向等離子體的表面106。離子通量探針102包含用于與支撐結構(顯示了它的一部分112)耦合的莖110。 莖110通常是由導電導熱材料(比如鋁)形成的。隔離環114如圖所示圍繞莖110并被設 計來為莖Iio在孔104內提供中心定位支撐，以及將莖110從上電極的其它部分電氣隔離。離子通量探針102還包括面向等離子體的探針頭120，該探針頭120是由被設計為 在化學和電氣上基本類似于該上電極的面向等離子體的表面106的材料形成的以便于對 來自等離子體(在圖1中位于該上電極下方)的參數進行精確測量。在圖1的情況下，探 針頭120也是由硅形成的。提供0形環130以阻止污染物通過離子通量探針102和孔104 之間的間隙136落入該室。間隙136是由機械容差帶來的，也是為了適應工藝循環期間的 熱膨脹。0形環130通常是由有彈性的彈性體形成的，也用作密封該室內部的工藝氣體，避 免工藝氣體向上通過上述間隙逸出。圖中顯示環132在探針頭120周圍。環132可以是由石英(如圖1的示例的情 況)或其它合適的介電材料制成的。石英環132被設計為將探針頭120與該上電極的其它 部分電氣隔離。石英環132的輔助功能是保護0形環130免于被該室內產生的等離子體的 更高能離子和基團過度攻擊。然而，已經注意到，離子通量探針的設計和離子通量探針在該室中的安裝有改進 的機會。例如，已經發現石英環132的存在在等離子體處理過程中在該室中產生化學負載 狀態，因為石英環132是與探針頭120的硅材料或該上電極的面向等離子體的表面106的 硅材料不同的材料。在某些刻蝕工藝過程中，比如在介電蝕刻過程中，石英環132的蝕刻會改變該室內部的化學制品或等離子體的組成，導致該襯底上的不良的蝕刻結果。而且，隨著 石英環132的耗費，在該上電極的下表面和探頭120的面向等離子體的表面之間可能形成 缺口，并可能形成“聚合物陷阱”，潛在增加了在后續處理循環過程中襯底上的顆粒污染的 可能性。而且，當石英環132被侵蝕時，離子通量探針的測量可能失真，因為呈現到該等離 子體的該探針頭的幾何形狀已經變化。如圖1中所示，在平鋪(tile)等離子體(其形成于圖1的上電極下方)和0形環 130之間存在直視線。此直視線允許等離子體組成成分(比如高能離子和基團)到達該0 形環，從而促進0形環更快速地退化。0形環130的加速退化迫使進行更高頻率的維護，以 替換0形環130，這導致更多的系統停機，減少了等離子體系統的吞吐量，并導致等離子體 處理工具的更高的持有成本。圖1的裝置的另一個問題涉及在離子通量探針102和該上電極的其它部分之間缺 乏機械參照(mechanical referencing)。因為離子通量探針102耦合于與該上電極機械獨 立的支撐結構112，已經發現，為了確保探針頭120與該上電極的下表面106齊平，離子通量 探針102在安裝過程中的精確定位是一個挑戰。圖1的離子通量探針裝置的另一個可被改進的方面涉及熱平衡。對于精確測量， 需要該離子通量探針(尤其是離子探針頭120)盡可能快地與該上電極的其它部分處于熱 平衡。然而，因為圖1的離子通量探針102機械耦合于支撐結構112并且只通過隔離環114 和石英環132( 二者都是相對差的導熱體)偶然接觸該上電極的其它部分，在探針頭120和 上電極之間實現快速局部熱平衡的目標總是不能令人滿意地達到。

發明內容
在一個實施方式中，本發明涉及一種測量等離子體處理系統的處理室內的工藝參 數的裝置。該裝置包括設于上電極的開口中的探針裝置，其中該探針裝置包括探針頭。該 探針頭包括頭部，該頭部是具有面向等離子體的表面的柱形塞并且被定位在該上電極的該 開口內。該探針頭還包括法蘭部，該法蘭部是直徑比該頭部的直徑更大的中空柱體結構并 被定位在該上電極的上表面上方。該裝置還包括設在該上電極的該上表面和該探針頭的該 法蘭部的面向底部的表面之間的0形環。該裝置進一步包括由定位在該探針頭的該頭部的 豎直側壁和該上電極的該開口的豎直側壁之間的電氣隔離材料制成的襯墊，以阻止當該探 針裝置被插入該上電極的該開口時該探針裝置碰到該上電極。該襯墊包括被配置為至少支 撐該探針頭的該法蘭部的下側的圓盤部。該襯墊還包括被配置為環繞該探針頭的該頭部的 中空柱形部，其中該中空柱形部具有比該圓盤部更小的直徑。該襯墊在該0形環和到該處 理室的開口之間形成直角路徑，由此阻止該0形環和到該處理室的該開口的直視線路徑。上述發明內容只涉及此處披露的本發明的許多實施方式中的一個，并不是為了限 制本發明的范圍，本發明的范圍如權利要求所述。在下面本發明的具體實施方式
部分，結合 附圖，對本發明的這些及其他特征進行更加詳細的描述。


本發明是以附圖中各圖中的實施例的方式進行描繪的，而不是通過限制的方式， 其中類似的參考標號指示類似的元件，其中
圖1顯示一種現有技術離子通量探針裝置。圖2顯示，按照本發明的一個實施方式，一種改進的離子通量探針裝置。
具體實施例方式現在參考附圖中描繪的一些優選實施方式，對本發明進行詳細描述。在下面的描 述中，闡明了許多具體細節以提供對本發明的徹底理解。然而，顯然，對于本領域的技術人 員來說，本發明沒有這些具體細節中的一些或全部仍然可以實施。在其它情況下，沒有對已 知的工藝步驟和/或結構進行詳細描述，以免不必要地模糊本發明。本發明的實施方式涉及一種改進的離子通量設計，其中消除了隔離/墊襯環的介 電材料(比如圖1的石英環132的石英材料)對等離子體的直接暴露。而且，結合了創新 的設計變化(比如使用高縱橫比真空間隙和成銳角的等離子體-到-ο形環路徑)以延長 該0形環的壽命。而且，在一個或更多實施方式中，該改進的設計將該離子通量機械參照于 該上電極，從而使得它有可能準確定位該離子通量探針從而該面向等離子體的探針頭表面 可以與該上電極的面向等離子體的表面齊平。創新的設計變化還改進了該離子通量探針和 周圍的上電極材料之間的熱傳導，使得更快地實現該離子通量探針和該上電極之間的局部 熱平衡成為可能。參考下面的附圖和討論，可以更好地理解本發明的實施方式的特征和優點。圖2 顯示，按照本發明的一個或更多實施方式，設在上電極204中的改進的離子通量探針202。 離子通量探針202包括探針頭206，探針頭206與插座208電接觸。探針頭206是由與上電 極204的面向等離子體的表面相同的材料形成的，在一個實施方式中該材料是硅。替代地，探針頭206可以由允許能使離子通量測量值很準確同時能最小化對等離 子體工藝的負面影響的不同材料形成。插座208由導電材料制成并通過導電焊料或粘結劑 電氣耦合于探針頭206，比如例如如果插座208是由鋁形成而探針頭206是由硅形成的話該 導電焊料可以是包含錫/銀的焊料。可將接觸棒(未示)插入插座208中以接收并中繼通 過探針頭206獲得的測量值。探針頭206具有頭部206A和法蘭部206B。頭部206A是被配置為具有面向等離 子體的表面206C的柱形塞，該表面206C與該上電極204的面向等離子體的表面210齊平。 在一個實施方式中，法蘭部206B是一個中空柱體結構，其直徑比頭部206A更大。提供襯墊 212，在一個實施方式中，襯墊212是由與盤形部212B成整體的中空柱體部212A形成的。在 一個實施方式中，襯墊212是由SiN形成的，以用于介電蝕刻應用，因為SiN材料與介電蝕 刻的兼容性。然而，可以為襯墊212使用電氣絕緣并且與設想的等離子體工藝兼容的任何 剛性材料。中空柱體部212A被配置為環繞探針頭206的頭部206A，而圓盤部212B被配置為 支撐探針頭206的法蘭部206B的下側。在上電極204中構造兩個肩部216A和216B以容 納中空柱體部分212A和圓盤部212B。當襯墊212被設在開口 220內且探針頭206也被設 在開口 220內時，中空柱體部212A被夾在頭部206A的豎直側壁和開口 220的側壁之間，如 圖所示。而且，圓盤部212B被夾在法蘭部206B的下側和由上電極204形成的上表面2 之間。通過以討論的方式夾住襯墊212，襯墊212用于將探針頭206準確定位在開口 220內 從而在探針頭206的豎直側壁和上電極204的周圍材料中的開口 220的豎直側壁之間形成小間隙222。探頭206在開口 220內的準確位置對于防止探針頭206和上電極204的周圍 材料之間的無意的電氣短路是重要的。0形環2 被夾在法蘭部206B的上表面2 和下表面之間，如圖2所示。而且，0 形環2 被設在法蘭部206外面。0形環228防止污染物到達該室內部(圖2的示例的上 電極204下方)，并幫助阻止非受控的室氣體進入或逸出，從而改善工藝穩定性。空隙222是高縱橫比間隙(即，比寬長得多)，該間隙被設計為不能夠支持該間隙 中的等離子體。該縱橫比間隙還呈現出間隙中的大的表面積從而穿透間隙222的任何基團 將在到達0形環2 之前很可能被沿著該間隙壁重新結合和/或中和。由襯墊212產生的 等離子體-0形環的直角拐角還幫助減少到達環2 的高能離子的數量，因為這些高能離子 可能撞在該直角轉角的角落上并在到達環2 之前變得中和。用這種方式，該改進的設計避免了該等離子體和該0形環之間的直接的視線，從 而有助于該0形環的更長的壽命。而且，不需要石英環被呈現在該等離子體前，從而回避了 與現有技術裝置有關的缺點(比如該等離子體環境中石英材料的不想要的存在，由于該石 英材料的計劃外蝕刻而存在的化學負載以及該石英材料本身可能與該探針頭和周圍面向 等離子體的上電極材料的蝕刻以不同速率進行的蝕刻)。相反，間隙222用作隔離間隙“環” 以將探針頭206的頭部206A與開口 220的周圍上電極材料電氣隔離。在圖2的示例中，上電極204是由粘結于該面向等離子體的層的一個或更多上層 形成的。如同提到過的，在圖2的示例中，該面向等離子體的層230是硅，以呈現用于蝕刻 工藝(比如介電蝕刻)的兼容的材料。該上層可以是由導電導熱材料(比如鋁或石墨)形 成的。在圖2的示例中，上層232是石墨。為了對探針202提供結構支撐，在上電極204中 形成套筒M0。在圖2的示例中，套筒240是由鋁形成的，盡管也可以使用其它在結構上合 適的材料(比如不銹鋼)。在一個實施方式中，套筒240可以粘結于該上電極的石墨材料。鋁套筒240包括內螺紋部MOa和耳部MOb。內螺紋部MOa具有內螺紋以適應螺 紋固定環250，該螺紋固定環250可以是由鋁或不銹鋼材料制成。熱接觸環252設于探針 頭206的法蘭部206b的上表面和螺紋固定環250的下表面之間。熱接觸環252可以由合 適的材料形成，比如硅聚合物或礬土，例如，以促進探針頭206和螺紋固定環250之間的熱 傳導同時在探針頭206和螺紋固定環250之間提供電隔離功能。當螺紋固定環250與鋁套筒MO的螺紋部MOa的內螺紋嚙合時并被旋下(通過 工具孔254)時，螺紋固定環250充當推力環并迫使法蘭部206b向下抵靠上表面226以剛 性鎖住法蘭部206b并將探針頭206固定在開口 220內。用這種方式，探頭206相對于上電 極204在豎直方向上可靠地參照，從而允許探針頭206相對于上電極204的更準確的定位， 以實現該探針頭206的面向等離子體表面和上電極204的面向等離子體表面210之間的期 望的齊平表面。螺紋固定環250的壓縮力還壓縮0形環228，從而改善密封。螺紋固定環 250優選地具有內部透孔，該內部透孔的直徑比插座208的直徑更大。用這種方式，在插座 208和螺紋固定環250之間沒有電傳導路徑。當螺紋固定環250被向下旋時，耳部MOb在結構上抵抗可施加在套筒240上的旋 轉扭矩。耳部MOb (可能有一個或更多個)也呈現出在套筒240和該上電極的其它石墨材 料之間的大的熱接觸面積。在熱學上說，通過熱接觸換252、螺紋固定環250和鋁套筒M0， 在探針頭到鋁套筒240周圍的上電極材料之間有高效的熱傳導路徑。用這種方式，且不同于圖1的現有技術裝置，探針頭206可以更容易地實現與上電極204的其它部分之間的熱 平衡，從而能夠進行更準確和/或更及時的材料而不必等待冗長的熱穩定時間。注意，如果上電極204的上層232是由能在結構上形成螺紋以適應螺紋固定環250 的螺紋的材料形成的話，可以省去套筒對0。在這種情況下，螺紋可以直接在上電極204的 材料中形成。而且，提供插座208是為了方便，在一個實施方式中，可以將其省略。如果省 去插座208的話，需要的話接觸棒可以直接粘結于探針頭206。盡管已經按照若干優選實施方式描述了本發明，然而存在落入本發明的范圍的變 更、置換和等同。例如，盡管使用離子通量探針來描繪定位和安裝該探針的創新結構，然而， 本文的創新的機械結構和裝置可用于準確在任何室表面上定位和安裝任何面向等離子體 的傳感器(其包括但不限于該上電極)以促進等離子體處理過程中的一個或更多參數的測 量。這樣的傳感器的示例包括但不限于自退出電子共振頻譜儀(SEERS)、朗繆爾探針或其變 形。還要注意，有許多實現本發明的方法和裝置的替代方式。盡管本文提供了各種示例，然 而這些示例意在是對本發明的說明而非限制。而且，本文提供的發明名稱和發明內容也是為了方便，不應當用于解釋此處權利 要求的范圍。而且，摘要是用高度濃縮的形式寫成的，在此提供是為了方便，而不應當用來 解釋或限制整個發明，發明用權利要求來表示。如果本文使用了術語“集合”，此術語是為了 具有其通常理解的數學含義，涵蓋0、1或多于1個成員。而且，所附權利要求應當被解釋為 包括所有這些變更、置換和等同，均落入本發明的真實精神和范圍。
權利要求
1.一種測量等離子體處理系統的處理室內的工藝參數的裝置，包含設于上電極的開口中的探針裝置，其中所述探針裝置包括探針頭且所述探針頭包括頭部，其中所述頭部是具有面向等離子體的表面的柱形塞并且被定位在所述上電極的 所述開口內，以及法蘭部，其中所述法蘭部是直徑比所述頭部的直徑更大的中空柱體結構并被定位在所 述上電極的上表面上方；設在所述上電極的所述上表面和所述探針頭的所述法蘭部的面向底部的表面之間的0 形環；以及由定位在所述探針頭的所述頭部的豎直側壁和所述上電極的所述開口的豎直側壁之 間的電氣隔離材料制成的襯墊，以阻止當所述探針裝置被插入所述上電極的所述開口時所 述探針裝置碰到所述上電極，其中所述襯墊包括被配置為至少支撐所述探針頭的所述法蘭部的下側的圓盤部，以及被配置為環繞所述探針頭的所述頭部的中空柱形部，其中所述中空柱形部具有比所 述圓盤部更小的直徑，其中所述襯墊在所述0形環和到所述處理室的開口之間形成直角路 徑，由此阻止所述0形環和到所述處理室的所述開口的直視線路徑。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述探針布置是離子通量探針。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述探針頭是由硅制成的。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述探針頭的所述面向等離子體的表面與所述上 電極的面向等離子體的表面齊平。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述襯墊是由氮化硅(SiN)制成的。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述襯墊在所述頭部的所述豎直側壁和所述上電 極的所述開口的所述豎直側壁之間形成高縱橫比間隙，其中所述高縱橫比間隙具有大于水 平寬度的豎直長度。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述探針頭與由導電材料制成的插座電接觸。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述探針頭通過導電焊料耦合于所述插座。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中接觸棒被插入所述插座，其中所述接觸棒被配置 為至少接收并中繼從所述探針頭獲得的測量數據。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中接觸棒粘結于所述探針頭，其中所述接觸棒被配 置為至少接收并中繼從所述探針頭獲得的測量數據。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中所述上電極被配置為包括面向等離子體的層，其中所述面向等離子體的層是由硅制成的，以及一組上層，其中所述組上層粘結于所述面向等離子體的層，所述組上層是由導電導熱 材料制成的。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述組上層是由鋁制成的。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中所述組上層是由石墨制成的。
14.根據權利要求11所述的裝置，其中所述上電極包括套筒，其中所述套筒包括內螺 紋部和耳部。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中所述套筒是由鋁制成的。
16.根據權利要求14所述的裝置，其中所述內螺紋部與螺紋固定環嚙合，由此壓縮所述0形環并迫使所述探針頭的所述法蘭部向下抵靠所述上電極的所述上表面。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中所述螺紋固定環包括直徑比插座的直徑更大的 內部透孔，其中所述插座與所述探針頭電接觸。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中熱接觸環被設在所述法蘭部的朝上的表面和 所述螺紋固定環的下表面之間，其中所述熱接觸環將所述探針頭從所述螺紋固定環電氣隔1 。
19.根據權利要求17所述的裝置，其中所述熱接觸環是由硅聚合物制成的。
20.根據權利要求11所述的裝置，其中所述上電極的所述組上層包括內螺紋部，其中 所述內螺紋部與螺紋固定環嚙合，由此壓縮所述0形環并迫使所述探針頭的所述法蘭部向 下抵靠所述上電極的所述上表面。
全文摘要
提供一種測量處理室內的工藝參數的裝置。該裝置包括設于上電極的開口中的探針裝置。探針裝置包括探針頭，該探針頭包括頭部和法蘭部。該裝置還包括設在該上電極和該法蘭部之間的O形環。該裝置進一步包括由定位在該頭部和該上電極的開口之間的電氣隔離材料制成的襯墊，以阻止該探針裝置碰到該上電極。該襯墊包括被配置為至少支撐該法蘭部的下側的圓盤部。該襯墊還包括被配置為環繞該頭部的中空柱形部。該襯墊在該O形環和到該處理室的開口之間形成直角路徑，由此阻止該O形環和到該處理室的該開口的直視線路徑。
文檔編號H01L21/205GK102084475SQ200980127002
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月7日 優先權日2008年7月7日
發明者杰-保羅·布斯, 道格拉斯·L·凱爾 申請人:朗姆研究公司