專利名稱：監(jiān)測和控制等離子體制造工藝的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種監(jiān)測和控制等離子體制造工藝的技術(shù)。
技術(shù)背景等離子體制造工藝廣泛用于(例如)半導體制造，以使用各種摻雜劑對 晶圓進行植入，以沉積或蝕刻薄膜。為了獲得可預測以及可重復的制造工 藝結(jié)果，其關(guān)鍵為嚴密監(jiān)測和控制等離子體特征。舉例而言，對等離子體摻雜(Plasma D叩ing，即PLAD)制造工藝的研究已表明等離子體的離子組 成可能是一種判定摻雜劑種類、摻雜劑深度分布、制造工藝相關(guān)的污染等 的關(guān)鍵信息。離子組成隨PLAD制造工藝參數(shù)(諸如氣體比例、總氣壓以及 放電功率)而改變。視等離子體腔室的調(diào)節(jié)狀態(tài)而定，離子組成亦可發(fā)生顯 著改變。因此，重要的是在PLAD制造工藝期間(較佳為當場(in-situ)及即 時地)了解離子組成，以便獲得可重復以及可預測的制造工藝結(jié)果?，F(xiàn)有等離子體工具往往缺乏提供等離子體的詳細的即時信息(例如離 子組成)的能力。舉例而言，在典型PLAD制造工藝中，藉由基于法拉第杯 (c叩)電流監(jiān)測植入劑量來控制等離子體。然而，法拉第杯僅為總電荷計數(shù) 器，其并不區(qū)分不同的帶電粒子或提供對等離子體特性的任何了解。盡管 在一些傳統(tǒng)束流(beam-line)離子植入系統(tǒng)中采用了當場質(zhì)量分析，但在基 于等離子體的離子植入系統(tǒng)中通常要避免使用當場質(zhì)量分析，以便獲得高產(chǎn)量。此外，現(xiàn)有習知離子感測器，諸如工業(yè)用質(zhì)能分析器以及四極質(zhì)譜儀，往 往體積太大及/或太麻煩而不能在制造工具中實施。大型離子感測器傾向于 擾動量測中的等離子體，且因此歪曲制造工藝結(jié)果。此外，現(xiàn)有習知離子 感測器的尺寸以及重量往往限制其在半導體制造工藝工具中的部署選擇可 能。此外，在等離子體交替處于接通及關(guān)閉狀態(tài)的脈沖等離子體處理中，往 往需要對等離子體的時間解析的量測。然而，現(xiàn)有離子感測器很少提供時 間解析的量測的能力。


為了促進更全面地了解本發(fā)明，現(xiàn)參照隨附圖式，其中相同元件具有
相同的參考數(shù)字。不應將該等圖式視為對本發(fā)明的限制，而其僅意欲作為 例示。圖1展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的例示性離子感測器。圖2展示具有一根據(jù)本發(fā)明的一實施例的例示性配置的離子感測器。 圖2a展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的能量分析器的離子感測器。 圖3展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的另 一例示性配置的離子感測器。 圖4展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的又一例示性配置的離子感測器。 圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器的 一安裝選項。 圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器的另 一安裝選項。 圖6a至6c展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的等離子體處理腔室的不同實例。 圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器的又一安裝選項。 圖7a至圖7b展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的釆用離子感測器以進行制造 工藝式控制的例示性系統(tǒng)。圖8展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的例示性離子感測器。50:等離子體100:離子感測器101:電離源102:外殼104:漂移管106提取器電極108: 靜電透鏡110: 靜電透鏡112:偵測器總成118前置》t大器120. 電子介面122處理器單元124網(wǎng)格200A:離子感測器300離子感測器400離子感測器500等離子體腔室502壓板/陰極504晶圓506陽極507陽極軸508離子感測器600A:等離子體腔室600B:等離子體腔室600C:等離子體腔室602離子感測器604波紋管密封部分605RF電源606R F線圈607RF匹配單元608微波空腔609介電質(zhì)介面611微波源613調(diào)諧器702離子感測器704法拉第杯706.單元708.電荷計數(shù)器710校正模塊712系統(tǒng)控制器714:輸出功能800:離子感測器
具體實施方式
現(xiàn)將參照如隨附圖式中所示的本發(fā)明的例示性實施例來更詳細地描述 本發(fā)明。雖然在下文中參照例示性實施例來描述本發(fā)明，但應了解本發(fā)明 并不限于所述例示性實施例。已閱讀本文中的教示的一般熟習此技藝者應 了解屬于本文中描述的本發(fā)明的范疇且本發(fā)明對于其具有顯著應用價值的 額外實施、變更、實施例以及其他使用領(lǐng)域。本發(fā)明的實施例提供許多適用于等離子體制造工藝的當場監(jiān)測和控制的飛行時間(T0F)離子感測器的小型設計。該等設計可采用靈活的離子提取 以及離子聚焦技術(shù)，以量測等離子體腔室中的離子組成。各T0F離子感測 器可以各種方式安裝于等離子體腔室中，且可被配置用于許多功能，諸如 當場制造工藝式控制、腔室準備就緒驗證、故障偵測、植入劑量校正以及 植入均一性量測。各離子感測器的敏感性以及尺寸可允許對等離子體的時 間解析量測以及空間量測。參看圖l，其展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的例示性離子感測器100。在 一些實施例中，離子感測器100包括產(chǎn)生接近離子感測器100的入口的離子 的電離源101。在一實施例中，離子源101使用低能量電子源產(chǎn)生電子云。電 子云中的電子會導致有助于中性原子及分子的電離的電子碰撞，以及藉由 電子附著(attachment)而進行的離子轉(zhuǎn)換。在各種其他實施例中，離子源 101藉由離子碰撞電離及/或光子碰撞電離而產(chǎn)生接近離子感測器100的入 口的離子。離子源101可為連續(xù)或脈沖離子源。離子源101對于一些需要 4是供對惰性氣體或快速中性粒子種類(fast neutral species)的現(xiàn)有習知 RGA型量測的應用是有用的。離子感測器100包含可經(jīng)調(diào)適而安裝于等離子體腔室的觀察口中且可 提供差動抽吸(differential pumping)的外殼102。夕卜殼102可個別地偏壓 于所要電位Vh。usirig?？蓪⑼鈿?02的左手側(cè)稱為"提取器側(cè)，，，因為自等離 子體提取的離子經(jīng)由外殼102的左手側(cè)上的小孔("外殼小孔")進入離子 感測器IOO?？蓪⑼鈿?02的右手側(cè)稱為"偵測器側(cè)"，因為離子偵測發(fā)生 于外殼102的右手側(cè)上。離子感測器100包括外殼102內(nèi)部的漂移管104，所述漂移管亦可(例 如)個別地以所要電位Vu進行偏壓。漂移管104通常具有一具有可忽略的電 磁場的空洞。漂移管104的提取器側(cè)可具有用于接納離子的小孔("漂移管 小孔")。漂移管104的偵測器側(cè)可具有允許離子退出，同時遮罩外部電場 的網(wǎng)格(grid)124。等離子體腔室的壓力通常為1毫托-3000毫托(mTorr)，而 漂移管壓力通常為2 x 10—6托或更低。差動抽吸可用于維持壓力差。各種實施例包括一或多個電極及/或網(wǎng)格，其形成在外殼小孔與漂移管 小孔之間接近漂移管104的提取器側(cè)的透鏡或偏轉(zhuǎn)器。在一些實施例中，存
在用于提取離子以及使離子聚焦的一連串電極。舉例而言，可存在接近外殼小孔的提取器電極106。提取器電極106可具有直徑在10微米與500微 米(對于一些實施例，較佳為50-200微米)之間的小孔，盡管實際小孔尺寸可至少部分地根據(jù)差動抽吸的要求而改變?？梢院线m的電位vext，t。,-使提:f又器電極106偏壓，以自等離子體吸引正離子或負離子。被吸引的離子可以 不同角度行進。為了確保被吸引的離子在有限的射束角(例如等于或小于+/_1. 5度)范 圍內(nèi)向偵測器側(cè)行進，可串聯(lián)地配置兩個或兩個以上電極(例如靜電透鏡 108及110),且使所述電極的小孔與外殼102、提取器106以及漂移管104 的小孔對準。各靜電透鏡可個別地被偏壓，以建立將離子導引于聚焦射束 中的所要靜電場。在各種操作模式中，靜電透鏡以正電壓或負電壓進行偏 壓。所述靜電透鏡之一可被提供電壓脈沖以容許被吸引的離子的 一部分(或 組)進入漂移管104中?？梢詴r控方式重復電壓脈沖以實現(xiàn)周期性或近連續(xù) 的離子取樣。在各種實施例中，將斥拒極(repel ler)電壓與提取電壓脈沖的組合施 加至任意電極對，以將正離子驅(qū)動至漂移管104中。相對于提取脈沖發(fā)生 的時間而判定離子的飛行時間。舉例而言，在一實施例中，以正電壓脈沖 Vu使靜電透鏡108偏壓。正電壓脈沖可為周期或非周期的。靜電透鏡110 以正排斥電壓Vu進行偏壓。在一實施例中，將正斥拒極電壓施加至靜電透 鏡IIO，且將正電壓脈沖施加至附近的靜電透鏡108，以便驅(qū)動正離子使通 過斥拒極電極，以及進入漂移管104中。正斥拒極電壓可為周期或非周期 性的。當以VL3來偏壓時，漂移管104可充當串聯(lián)透鏡中的第三靜電透鏡。漂 移管上的偏壓可為脈沖電壓。使用類似配置，可將負離子提取至漂移管中。在一些實施例中，將電壓脈沖施加至所述電極中的一個以上的電極。舉 例而言，可將電壓脈沖施加至漂移管104、提取器106、靜電透鏡108以及 靜電透鏡110中的至少兩者?？赏瑫r或延遲一預定時間而施加所述至少兩 電壓脈沖，以便使離子進入漂移管。在一些實施例中，將阻隔電壓施加至提取器106、靜電透鏡108、靜電 透鏡IIO中的至少一個，以便有效地防止離子進入漂移管104。在一些操作 方法中，周期性地使阻隔(blocking)電壓的大小改變，以便允許一些離子 進入漂移管。相對于此電壓改變的時間而判定離子通過漂移管104的飛行 時間。一旦被接納入漂移管104中，則離子實際上不受任何電場影響地向偵 測器端漂移。離子通常具有相同的動能。重離子行進相對較慢，且輕離子 行進相對較快。在給定充分的飛行時間(亦即漂移管104的充分長度)的情 況下，離子基于其離子種類的離子質(zhì)量而分離至個別組中。四極元件的配置來調(diào)變離子(正或負)經(jīng)由漂移 管的傳輸。在一實施例中，所述調(diào)變?yōu)橹芷谛缘?。在另一實施例中，所述調(diào)變?yōu)榉侵芷谛缘??？山逵筛淖兣c個別的四極元件關(guān)聯(lián)的RF或DC電壓來完成調(diào)變。在該等實施例中，相對于調(diào)變發(fā)生的時間而判定離子的飛行時間。在各種其他實施例中，可藉由眾多其他方法來調(diào)變離子(正或負)經(jīng)由 漂移管的傳輸。舉例而言，可藉由對離子的靜電偏轉(zhuǎn)來調(diào)變所述離子傳輸。亦 可藉由機械構(gòu)件(諸如機械閘、多級切斷裝置或任何其他類型的機械斷續(xù)器) 來調(diào)變離子傳輸。舉例而言，在一實施例中，機械斷續(xù)器為機械閘門(shutter)。藉由機械構(gòu)件進行的調(diào)變有時對于低能量應用是有利的。在該 等實施例中，亦相對于調(diào)變發(fā)生的時間來判定離子的飛行時間。在偵測器側(cè)，偵測器總成(assembly)112可用于偵測離子。偵測器總成 112可為任何類型的市售或定制的離子偵測裝置(例如微通道板(MCP)總 成)。例如可使用一或多個偏壓(例如VMCP)來控制對離子的偵測及/或收 集。偵測器總成112可耦接至前置放大器118,所述前置放大器又經(jīng)由電子 介面120耦接至處理器單元122。電子介面120(例如)可為快速數(shù)據(jù)擷取 卡。處理器單元122(例如)可為個人電腦(PC)或工業(yè)型計算裝置。具有截然不同的離子質(zhì)量數(shù)的個別的離子組由偵測器依序偵測。已偵 測的信號由前置放大器118放大。放大的信號然后由處理器單元122處理。對 應于每一個別組的信號產(chǎn)生質(zhì)譜中的質(zhì)量峰值?；趯碜缘入x子體的離 子種類的一個或多個取樣，質(zhì)譜精確地反映等離子體的離子組成。在一些實施例中，偵測器總成112包括用于偵測在某些預定位置處的 離子的位置敏感粒子偵測器。該等位置敏感粒子偵測器提供可用于判定離 子質(zhì)量或離子能量的離子位置信息。在各種實施例中，藉由電、磁或機械 方法來選擇用于偵測離子的偵測器表面的部分。舉例而言，可藉由電性來 定址的偵測器陣列可用于偵測離子以作為位置的函數(shù)。軟件演算法可用于 自偵測器信號擷取位置敏感數(shù)據(jù)。此外，可將機械構(gòu)件用于控制撞擊偵測器 的離子的有效分散。舉例而言，機械障壁(barrier)可用于遮罩偵測器的一 部分。此外，可將離子偏轉(zhuǎn)器或離子準直儀用于使離子偏轉(zhuǎn)或成為準直，以 使得離子僅撞擊所要的偵測器部分。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可藉由施加電位的不同組合至外殼102、漂移管 104、提耳又器電極106、靜電透鏡108及110,以及偵測器總成112來靈活 地配置離子感測器100。例示性組態(tài)顯示在圖2至圖4中。圖2展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的一例示性組態(tài)的離子感測器 200。離子感測器200可實質(zhì)上包含與圖1中所示的離子感測器100相同的 組件。在該例示性組態(tài)中，可將外殼104接地及/或附著至等離子體腔室壁。
在一些實施例中，將提取器電極106偏壓于DC提取器電壓Vextraet。r — _5 0V -0V DC以提取正離子，或偏壓于Vextract。r—0V-50V DC以提取負離子。在 其他實施例中，將脈沖電壓或RF信號施加至提取器電極106以吸引或排斥 離子。在另一實施例中，提取器電極106是電浮動的。在各種實施例中，脈 沖電壓為周期性或非周期性的，且RF信號為脈沖或CW信號。所述脈沖及 RF電壓信號可用于^f吏得可發(fā)生自電極表面的解吸附(desorption)作用或在 電極表面上的沉積作用。為了說明的目的，下文中的描述將假設僅獲取正離子樣本。然而，應 注意的是可容易地調(diào)適或配置本發(fā)明的實施例以獲取負離子樣本。此外，為 簡單起見，將靜電透鏡108稱為透鏡1，靜電透鏡11Q稱為透鏡2，且將漂 移管104稱為透鏡3。透鏡1及透鏡3可保持于相同或類似的電位，其可為 在(例如)-150 V與-300 V之間的固定值。根據(jù)若干因數(shù)(諸如漂移管l(M 的長度以及所要的離子質(zhì)量解析度)來判定所要的電位。在一些實施例中，透鏡1及透鏡3可偏壓于不同的電位(例如Vu=-400 V --200 V以及Vl尸-200 V)。透鏡2可偏壓于VL2=-500 V--900 V?？蓪⑼?鏡2更配置為用于漂移管104的"閘(gate)"。為了打開閘，可將短電壓 脈沖(例如50-500奈秒)提供至透鏡2以將離子組(packet)接納至漂移管 104中。為了關(guān)閉閘，可將相對較大的正電位加于透鏡2上，以阻擋正離子 進入漂移管104。才艮據(jù)一實施例，通?？梢哉妷?例如+30 V或以上)來偏 壓透鏡2(亦即閘電極)，在非常短的閘控周期期間除外。舉例而言，假設閘 脈沖寬度為100ns,且晶圓脈沖頻率為5000 kHz (周期=200微秒)，且每一 晶圓脈沖執(zhí)行一次取樣，則在所述周期(199. 9微秒)的99. 95%期間，閘電 極關(guān)閉，且僅在所述周期的0. 05%中，閘電極打開。當閘脈沖與晶圓脈沖同步時，可引入延遲以控制相對于晶圓脈沖在何 時打開閘脈沖。以此方式，有可能以高解析度在時間空間中的不同點處對 等離子體進行取樣。透鏡1-3上的偏壓的集合效應可為將接納的離子聚焦 于具有有限發(fā)散角的射束中的靜電場。在偵測器側(cè)，偵測器總成112可偏 壓于高電壓V,。網(wǎng)格124可將漂移管104靜電遮罩而隔離于所述高電壓VMCP。亦可配置離子感測器200以用于等離子體的時間解析量測。許多半導 體處理等離子體為周期性地交替處于接通以及關(guān)閉(余輝)狀態(tài)的"脈沖等 離子體"。等離子體接通狀態(tài)可持續(xù)每一循環(huán)的1-50%(或更高)。脈沖操作 可導致等離子體狀態(tài)以及制造工藝化學性質(zhì)的動態(tài)改變。對離子種類的取 樣可與等離子體脈沖或晶圓偏壓脈沖同步，或在所述兩脈沖同步時，與所 述兩脈沖同步。藉由相對于參考脈沖(等離子體脈沖及/或晶圓偏壓)來改變 閘延遲，可在整個周期上進行時間解析量測。藉由觀察開始信號與停止信號之間的時間差來判定離子的飛行時間。 離子調(diào)變事件(電氣或機械事件)由開始信號起始。停止信號由在離子偵測 器處離子的到達時間來判定。在一些實施例中，將開始及停止信號用于閘 控已知頻率的脈沖串，以給出與飛行時間成比例的計數(shù)。在一特定實施例 中，將開始及停止信號用于產(chǎn)生跨越電容器的電壓，所述電容器然后以恒定速率放電。將所述^:電周期用于閘控脈沖串，以給出與飛行時間成比例的計數(shù)。在另一實施例中，將開始及停止信號用來產(chǎn)生類比脈沖，其大小 與飛行時間成比例。離子感測器200亦可經(jīng)配置以量測離子的能量分布及/或等離子體電 位。在一實施例中，將電極或網(wǎng)格，諸如提取器電極106、靜電透鏡108以 及靜電透鏡110經(jīng)偏壓以成為延遲元件。接著，量測作為電極電壓的函數(shù) 的所傳輸離子的數(shù)目。可自量測的數(shù)據(jù)來判定能量分布以及等離子體電位。在另一實施例中，藉由觀察在偵測器總成122處離子的到達時間的散 布來判定離子的能量分布。舉例而言，可將位置敏感粒子偵測器用于偵測 在某些預定位置處的離子，如結(jié)合圖1所描述。此外，可藉由此項技術(shù)中 眾所熟知的方法來直接量測能量分布。舉例而言，可將經(jīng)校準的粒子偵測 器用于藉由觀察偵測器產(chǎn)生的信號的振幅來量測能量或質(zhì)量。在其他實施例中，漂移管104經(jīng)配置以執(zhí)行能量分析器的功能。存在 眾多將漂移管104配置為能量分析器的方法。舉例而言，在一實施例中，漂 移管104形成為曲線形狀，且包括靜電或磁偏轉(zhuǎn)元件。漂移管104的形狀 經(jīng)選擇，使得具有不同能量的離子以不同角度轉(zhuǎn)向。在另一實施例中，漂 移管104包括作為至偵測器總成112的漂移路徑的一部分的平行板能量分 析器。舉例而言，所述能量分析器可為45度型(45 degree type)能量分析 器。在另一實施例中，漂移管104包括作為至偵測器總成112的漂移路徑 的一部分的柱面鏡或球面能量分析器。在另一實施例中，在離子路徑中置 放一或多個網(wǎng)格以將漂移管104配置為延遲電位元分析器。此外，在另一 實施例中，漂移管可包括能夠藉由調(diào)節(jié)RF或DC電壓來區(qū)分具有不同能量 的離子的RF四極或一個或多個永久;茲鐵或電；茲鐵。永久-茲鐵的位置可調(diào)整。圖2a展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的能量分析器114的離子感測器 200A。能量分析器114定位于漂移管104與偵測器總成112之間。能量分 析器114可用于選擇所要能量范圍中的離子。圖3展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的另一例示性配置的離子感測器 300。離子感測器300可實質(zhì)上包含與圖1中展示的離子感測器IOO相同的 組件。然而，在該例示性配置中，提取器電極106接收RF (1-300 MHz，通常 為13.56匪z)偏壓。RF偏壓的提取器電極106可具有雙重功能。亦即，提 取器電極106可提取離子，且亦可在沉積為主的環(huán)境中自提取器小孔移除 沉積物。
許多半導體制造工藝在沉積為主的環(huán)境中進行，其中薄膜材料沉積于 等離子體腔室中。若厚絕緣膜阻塞提取器小孔，則提取器電極106上的DC偏壓可能不再有效。RF偏壓可有助于濺射清洗提取器小孔以移除沉積的材 料。因此，RF偏壓可向離子感測器300提供"自清潔"能力。對于離子提 取，RF偏壓可具有在-50 V與0 V之間的負平均電位(或RF自偏壓)，以及 0 V-100 V的峰峰值。為了濺射清洗的目的，RF自偏壓可大于濺射臨限 (threshold)值，且峰峰值可為100-1000 V或更高。圖4展示具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的又一例示性配置的離子感測器 400。離子感測器400可實質(zhì)上包含與圖1中展示的離子感測器IOO相同的 組件。然而，在該例示性配置中，提取器電極106亦充當閘?？蓪㈤l脈沖 提供至提取器電極106以將離子組拉入離子感測器400中。可向透鏡2提 供DC偏壓以聚焦離子束。為了靈活偵測等離子體腔室中的離子種類，可以許多方式安裝根據(jù)本 發(fā)明的實施例的離子感測器。例示性安裝選項在圖5至圖7中展示。圖5展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器508的安裝選項。展示 了過于簡化的等離子體腔室500,其具有固定晶圓5(M用的壓板/陰極502。陽 極506定位于壓板/陰極502之上。陽極506未必須接地，但可偏壓于例如 在-1 kV與+l kV之間的電壓(可能為其他電壓)。陽極軸507使得陽極506 可在垂直方向上移動。等離子體50可藉由陰極偏壓或藉由額外的等離子體 源以產(chǎn)生于陽極506與壓板/陰極502之間。對于離子植入應用，可將負電壓脈沖施加至壓板502以使正離子向晶 圓504集合。對于負離子，可使用正電壓脈沖。離子感測器508可安裝于 等離子體腔室500的側(cè)壁中。所述安裝可穿過觀察口或類似機構(gòu)。離子感 測器508的提取器尖端可橫向延伸至等離子體50的邊緣中或附近。提取器 尖端可定位于可移動的底座上。由于提取器尖端的尺寸小，因此可將其深 深地插入等離子體50,而不會顯著地干擾等離子體50。圖6展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器的另一安裝選項。在該 安裝選項中，替代或除了將離子感測器508安裝于側(cè)壁中以外，可將離子 感測器602安裝于陽極側(cè)上。亦即，離子感測器602可穿過陽極506而定 位，且可垂直地定向，使其提取器尖端向下伸到等離子體50上或伸至等離 子體50中。離子感測器602可與陽極506電性連接。離子感測器602或其 提取器尖端可獨立于陽極506而向上及向下移動，以在等離子體腔室500 中的不同空間點處獲取離子樣本?；蛘撸x子感測器602或其提取器尖端 可與陽極506 —起向上及向下移動，以當場診斷不同制造工藝條件?？蔀?了等離子體50的空間量測，以類似方式來致動水準地定位的離子感測器 508。
圖6a至圖6c展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的等離子體處理腔室的不同實例。在圖6a中，展示等離子體腔室600A。離子感測器602可穿過陽極506 而安裝著。波紋管密封部分604可提供離子感測器602穿過腔室壁的安裝 及移動?？山逵墒┘釉诰A504或壓板502上的負脈沖電壓來產(chǎn)生等離子 體50。根據(jù)一實施例，自等離子體50將離子提取至離子感測器602中可與 等離子體產(chǎn)生同步，且因此與晶圓504上的電壓脈沖同步。在圖6b中，展示等離子體腔室600B。圖6b中展示的等離子體產(chǎn)生技 術(shù)不同于圖6a中展示的等離子體產(chǎn)生技術(shù)。等離子體腔室600B可具有一 個或多個外部等離子體源，例如ICP或Helicon等離子體源。舉例而言，在 一實施例中，將RF電源605以及RF匹配單元607耦接至RF線圈606。經(jīng) 由介電質(zhì)介面609， RF線圈606可提供RF電力至等離子體腔室600B中。壓 板502可經(jīng)偏壓，以控制撞擊晶圓504的離子的能量。在圖6c中，展示等離子體腔室600C,其中采用了另一等離子體產(chǎn)生技 術(shù)?？蓪⒁粋€或多個微波發(fā)射源耦接至等離子體腔室600C以提供產(chǎn)生及維 持等離子體50的功率。舉例而言，可經(jīng)由調(diào)諧器613以及波導或電纜將微 波源611耦接至微波空腔608。供給至微波空腔608的微波功率可在其中產(chǎn) 生"源等離子體，，，因此，源等離子體可擴散至等離子體腔室600C中，以 產(chǎn)生等離子體50?；蛘?，藉由經(jīng)由空腔608將微波功率耦接到等離子體腔 室600C中而直接在等離子體腔室600C內(nèi)部產(chǎn)生等離子體50。圖7展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的離子感測器的又一安裝選項。在該 安裝選項中，可將一或多個離子感測器702安裝于陰極側(cè)上。亦即，離子 感測器702可穿過壓板/陰極502以垂直地定位著，使提取器尖端緊鄰晶圓 504而定位著。離子感測器702的安裝位置可為(或靠近)法拉第杯通常所在 的地方。因為提取器尖端向上指向等離子體50，所以離子感測器702以及 晶圓504可相對于等離子體50以共用相同或類似的有利位置。因此，離子 感測器702可"看見"與晶圓504所見相同的離子組成及劑量，此可有助 于晶圓的等離子體處理的更精確的控制。在等離子體摻雜(PLAD)系統(tǒng)中，例 如，離子感測器702可以直接偵測哪些離子已被植入至晶圓504中。若需 要，亦可為了空間量測而向上及向下移動離子感測器702。圖7a至圖7b展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的采用離子感測器以進行制造 工藝式控制的例示性系統(tǒng)。圖7a展示緊接于晶圓而安裝的離子感測器702。可將法拉第杯704安 裝于晶圓504的另一側(cè)上或法拉第杯704可部分地圍繞晶圓504。離子感測 器702及法拉第杯704和晶圓504 —樣向上面向等離子體(未圖示)?？蓪?離子感測器702耦接至單元706，其基于自離子感測器702接收的偵測數(shù)據(jù) 而計算當場的離子組成。法拉第杯704可耦接至基于法拉第杯電流來計算總離子劑量的電荷計數(shù) 器708?？蓪㈦x子組成信息以及離子劑量數(shù)據(jù)輸入至劑量校正模塊710。此 外，可將離子組成數(shù)據(jù)輸入至系統(tǒng)控制器712以進行進一步的制造工藝式控制。圖7b展示安裝于晶圓504附近的兩個或兩個以上的離子感測器702。可 將來自該等離子感測器7 02的當場離子組成數(shù)據(jù)輸入至系統(tǒng)控制器712。系 統(tǒng)控制器712的輸出功能714可包括(但不限于)離子劑量校正、劑量均一 性控制、等離子體腔室調(diào)節(jié)，及/或制造工藝故障偵測。在感測器安裝于晶 圓504周圍的壓板中的實施例中，漂移管104(圖l)可與壓板分離或處于壓 板電位。對于等離子體50的陰極側(cè)(或晶圓側(cè))量測，可與圖2至圖4中展示的 離子感測器不同地配置離子感測器702。在圖8中展示一實例。圖8展示根據(jù)本發(fā)明的一實施例的例示性離子感測器800。除移除了提 取器電極106夕卜，離子感測器800可實質(zhì)上包含與圖2中展示的離子感測 器200相同的組件。提取器側(cè)上的外殼小孔可收縮為大致10-500微米(較 佳為50-200微米)。外殼102可被偏壓于與晶圓504相同或類似的電位(例 如OV--10kV)。透鏡l、透鏡3(漂移管104)以及偵測器總成112亦可被 偏壓于相同或類似的電位。透鏡2可充當將離子組脈沖輸送至漂移管104 中的閘。在此點上，應注意的是根據(jù)如上所述的本發(fā)明的離子感測器通常在某 種程度上涉及輸入數(shù)據(jù)的處理，以及輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。在各種實施例中，可 在硬件或軟件中實施該輸入數(shù)據(jù)處理以及輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生。舉例而言，可在:;述根據(jù)本發(fā)明"對離^種類的當場監(jiān)測相關(guān)聯(lián)的功能。或;^根據(jù)儲存的指令來進行操作的一個或多個處理器可實施與如上所述根據(jù)本發(fā)明的 對離子種類的當場監(jiān)測相關(guān)聯(lián)的功能。若情況如此，則此等指令儲存于一 個或多個處理器可讀取的載體(例如磁盤)上或經(jīng)由一個或多個信號傳輸至 一個或多個處理器是屬于本發(fā)明的范疇。在一實施例中，可作為自動或半自動封閉控制環(huán)路的一部分而改變劑 量或等離子體狀態(tài)，所述封閉控制環(huán)路包括回應于自根據(jù)本發(fā)明的TOF感 測器獲得的數(shù)據(jù)的控制器或電腦以及電子儀器。自偵測器總成112獲得的 數(shù)據(jù)可包括經(jīng)量測的TOF頻譜的各個部分的絕對或相對大小。來自偵測器 總成112的數(shù)據(jù)亦可包括飛行時間峰值的形狀，例如FW腹的變化。來自偵 測器總成112的數(shù)據(jù)亦可包括次要(污染物)峰值的存在與否、能量分布以 及質(zhì)量分布。
來自T0F感測器的數(shù)據(jù)可用于偵測故障條件，諸如氣體雜質(zhì)、殘余污 染物以及用于控制等離子體的設備的故障。藉由調(diào)節(jié)T0F感測器的操作參 數(shù)(諸如氣體流量、氣體混合物、壓力、RF功率、RF頻率、植入電壓、工 作循環(huán)或其他與等離子體相關(guān)的參數(shù))可回應于所述數(shù)據(jù)而改變等離子體 狀態(tài)。本發(fā)明的范疇并不受限于本文中描述的特定實施例。實際上，根據(jù)先 前描述以及隨附圖式，本發(fā)明的其他各種實施例以及更改(除本文中描述的 實施例以夕卜)對于熟習此技藝者而言是顯而易見的。因此，此等其他實施例 以及更改仍屬于本發(fā)明的范疇。此外，盡管是在為了特定目的的特定環(huán)境中的特定實施例的上下文中描述本發(fā)明，但熟習此技藝者應了解其實用性并 不限于此，且本發(fā)明可有益地在用于許多目的的許多環(huán)境中實施。因此，應 根據(jù)本文中描述的本發(fā)明的完整廣度以及精神，來解譯在下文中闡明的申 請專利范圍。
權(quán)利要求
1、一種監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離子感測器，其特征在于所述飛行時間離子感測器包含外殼；漂移管，其定位于所述外殼中；提取器電極，其在所述外殼中定位于所述漂移管的第一末端處，所述提取器電極經(jīng)配置以執(zhí)行對來自等離子體的離子的吸引與排斥中的至少一種；多個電極，其定位于所述漂移管的第一末端處并接近所述提取器電極，所述多個電極經(jīng)偏壓，以便使所述被吸引的離子的至少一部分進入所述漂移管中，且向所述漂移管的第二末端漂移；以及離子偵測器，其接近所述漂移管的所述第二末端而定位，所述離子偵測器偵測與所述被吸引的離子的至少一部分相關(guān)聯(lián)的到達時間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于所述的提取器電極為電性浮動者或偏壓于用來執(zhí)行對來自等離子體的離子的吸引與排斥中的至少一種的電位。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于所述的多個電極中的至少一電極包含聚焦所述離子 的靜電透鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于所述的多個電極中的至少一電極包含使所述離子偏 向的網(wǎng)格。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于其更包含具有電性連接至所述提取器電極的輸出端 的DC電源，所述DC電源在所述提取器電極上產(chǎn)生DC電壓，所述DC電壓 執(zhí)行對等離子體中的離子的吸引與排斥中的至少一種。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于其更包含具有電性連接至所述提取器電極的輸出端 的脈沖電源，所述脈沖電源在所述提取器電極上產(chǎn)生脈沖電壓信號，所述 脈沖電壓信號執(zhí)行對等離子體中的離子的吸引與排斥中的至少 一種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于所述的脈沖電壓信號包含周期信號。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于其更包含具有電性連接至所述多個電極中的一電極 的輸出端的脈沖電源，所述脈沖電源產(chǎn)生電壓脈沖信號，所述電壓脈沖信號執(zhí)行對離子的吸引與排斥中的 一種。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離 子感測器，其特征在于所述的電壓脈沖信號導致自所述多個電^l中的所述 一電極的解吸附作用與在所述多個電極中的所述一電極上的沉積作用中的 一種。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的電壓脈沖信號與施加至由所述等離子體處 理的晶圓上的電壓同步。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特4i在于所述的電壓脈沖信號相對于時序參考信號而延遲，以 便獲得對所述離子的時間解析量測。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的電壓脈沖信號中的至少某些電壓脈沖具有 經(jīng)選取以選擇特定離子質(zhì)量的寬度。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于其更包含具有電性連接至所述多個電極中的 一 電 極的輸出端的射頻電源，所述射頻電源產(chǎn)生射頻信號。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的射頻信號導致自所述多個電極中的所述一 電極的解吸附作用與在所述多個電極中的所述一電極上的沉積作用中的一 種。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的射頻電源包含脈沖射頻電源。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的射頻電源包含連續(xù)波射頻電源。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于其更包含具有電性連接至所述漂移管的輸出端的 電源。
18、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于其更包含接近所述提取器電極而定位的電離源，所 述電離源產(chǎn)生接近所述提取器電極的離子。
19、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于其更包含能量分析器。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于所述的漂移管經(jīng)配置為所述能量分析器。
21、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間離子感測器，其特征在于所述的離子感測器是穿過等離子體腔室的側(cè)壁而 安裝，其中所述提取器電極接近等離子體的邊緣而定位。
22、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測等離子體中的離子種類用的飛行時間 離子感測器，其特征在于其更包含自所述離子偵測器接收數(shù)據(jù)且產(chǎn)生控制 信號與故障偵測信號中的至少 一種的處理器。
23、 一種用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其特征在于其包括 以下步驟施加偏壓至提取器電極，所述偏壓執(zhí)行對來自所述等離子體的離子的 吸引與排斥中的至少一種；施加電壓信號至接近所述提取器電極而定位的多個電極中的至少一 個，所述電壓信號使所述被吸引的離子的至少一部分漂移穿過漂移管；在所述漂移管的末端處偵測出到達時間，所述到達時間與被吸引的離 子的所迷至少一部分相關(guān)聯(lián)；以及自所述到達時間判定有關(guān)所述等離子體的信息。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于所述的電壓信號包含脈沖電壓信號。
25、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于所述的電壓信號包含射頻電壓信號。
26、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于其更包含產(chǎn)生接近所述提取器電極的離子。
27、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于其更包含施加偏壓至所述漂移管。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于所述的施加至所述漂移管的偏壓為脈沖式偏壓。
29、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于其更包含在預定時間施加阻塞電壓至所述電極中的至少一電極， 以便防止離子在所述預定時間期間進入所述漂移管。
30、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于其更包含調(diào)變經(jīng)由所述漂移管的離子傳輸。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于所述的調(diào)變?yōu)橹芷谛缘摹?br> 32、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其特征在于其中選^r施加至所述多個電極中的至少一電^L的所述電壓信號，以導致自所述多個電極中的所述至少 一 電極的解吸附。
33、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的方法，其 特征在于選^奪施加至所述多個電極中的至少一電;f及的所述電壓信號，以導致在所述多個電極中的所述至少一電極上的沉積。
34、 一種飛行時間離子感測器，其特征在于其包含用于施加偏壓至提取器電極的構(gòu)件，所述偏壓執(zhí)行對來自等離子體的 離子的吸引與排斥中的至少一種；用于施加電壓信號至接近所述提取器電極而定位的多個電極中的至少 一個的構(gòu)件，所述電壓信號使所述被吸引的離子的至少一部分漂移穿過漂 移管；以及用于在所述漂移管的末端處偵測到達時間的構(gòu)件，其中所述到達時間 與被吸引的離子的所述至少一部分相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
一種用于監(jiān)測等離子體中的離子種類的飛行時間離子感測器包括外殼。漂移管定位于所述外殼中。提取器電極在所述外殼中定位于所述漂移管的一第一末端處，以便自等離子體吸引離子。多個電極定位于所述漂移管的一第一末端處并接近所述提取器電極。偏壓所述多個電極，以便使被吸引的離子的至少一部分進入所述漂移管，且向所述漂移管的一第二末端漂移。一離子偵測器接近所述漂移管的所述第二末端而定位。所述離子偵測器偵測與所述被吸引離子的所述至少一部分關(guān)聯(lián)的到達時間。
文檔編號H01J37/32GK101401187SQ200780008205
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者伯納德·琳賽, 具本雄, 盧多維克·葛特, 方子韋, 瓦斯里斯·朋內(nèi)提斯·凡勞米斯, 維克拉姆·辛區(qū) 申請人:瓦里安半導體設備公司