一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布(IED)测量值的装置，该装置包括用于放置在等离子体处理系统中并暴露于等离子体的基板、布置在基板中用于在等离子体处理期间测量基板表面处的离子能量分布的离子能量分析仪，分析仪包括第一导电栅极G0、第二导电栅极G1、第三导电栅极G2、第四导电栅极G3和集电极C，每个栅极由集成在基板中的绝缘层、电池电源和控制电路隔开，用于向离子能量分析仪的每个栅极和集电极提供和控制电压；其中，至少一个绝缘层包括相对于绝缘层的剩余部分厚度减小的外围部分。的外围部分。的外围部分。
【技术实现步骤摘要】
等离子体处理的离子能量分析装置
[0001]本申请是申请号为202111059795.X，申请日为2020年9月10日，专利技术名称为“等离子体处理的离子能量分析装置”的分案申请。
[0002]本申请涉及一种用于测量等离子体处理期间到达基板或表面的入射带电粒子电流密度和能量分布的装置和方法。
技术介绍
[0003]等离子体处理在现代工业中有着广泛的应用。一个著名的例子是半导体工业中集成电路的制造。等离子体处理还用于太阳能电池板、平板示出器、薄膜涂层和医疗设备等的生产。
[0004]到达基板表面的离子的电流密度(离子通量)和能量分布强烈影响基于等离子体的处理的性能。在半导体制造中，基板为硅晶片，而在其他行业中，基板可为玻璃面板或各种替代品。晶片和基板可通过本文中互换使用，但应理解为在等离子体处理中使用的任何类型的基板。在整个处理中，基板表面受到等离子粒子(plasma species)(包括高能离子)的轰击，以去除(蚀刻)和/或沉积材料层，从而在工件表面形成结构或特征。离子冲击可直接驱动蚀刻和沉积，或可用于激活表面，使更多反应性等离子粒子完成此项工作。例如，在半导体工业特征的等离子体蚀刻中，离子通量和相关参数(IED)决定了重要参数，如蚀刻速率、蚀刻选择性和蚀刻各向异性。因此，IED是测量、理解和控制以确保最佳处理性能的关键等离子体参数。
[0005]随着晶体管关键尺寸的不断缩小，需要对晶片表面的IED进行更严格的控制。IED的重复性和均匀性对于最佳处理产量至关重要。因此，集成了晶片和基板的IED传感器对于采用等离子体处理制造的纳米技术的进步至关重要。
[0006]几十年来，人们开发了多种离子能量分析仪来测量等离子体处理中的IED。平面减速场分析仪(RFA)的设计是众所周知的。在许多RFA实施例中，由绝缘体单独分离的导电栅极的堆叠用于基于离子的能量分离离子，从而确定IED。面向等离子体的孔允许离子样品进入装置进行分析。一系列栅极用于a)防止等离子体穿透装置内部，b)排斥等离子体电子，c)根据离子的能量区分离子，d)防止集电极的二次电子发射。集电极终止堆叠，并用于检测用于测量的离子电流信号。记录施加到离子能量识别栅极的每个延迟电压的离子电流，以给出能量分布的积分形式。对离子电流与鉴别器栅极电压的列表数据进行数值微分，以确定IED。
[0007]IED已经在不同的等离子工具平台上进行了广泛的测量，并取得了不同程度的成功。离子能量分析仪技术的发展使IED测量在越来越多的应用领域和更广泛的参数空间中得以实现。特别是，能够将离子能量分析仪部署在射频偏置基板基座(通常用于半导体制造)上的射频(RF)滤波技术极大地增加了对这些装置的需求。Kawamura等人(等离子体源科学技术8(1999)R45
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R64)全面回顾了1999年前用于处理等离子体的IED测量和延迟场分析
仪技术的进展。Gahan等人(科学仪器79,033502(2008))在2008年专利技术了一种有线射频放大器，它基于最著名的方法，与宽频率范围内的射频偏置兼容。传感器堆栈内置于铝虚拟晶片中，5mm厚，具有各种直径选项。传感器由三个有源栅极组成；一个用于阻止等离子体穿透，一个用于排斥等离子体电子，另一个用于区分离子能量。后来他们的设计修改加入了第四栅极，用于二次电子抑制。虚拟晶片具有从圆周边缘引出的信号承载电缆束。电缆束用保护陶瓷套管屏蔽，并用多针插头端接。带有集成射频滤波器模块的真空馈通安装在腔室真空端口上，具有与电缆插头配合的接收器端口。因此，RFA信号通过测量电子设备、控制器和栅极电源所在的馈通从真空腔室内的传感器传输到空气侧。作者证明了IED在一系列基座偏置条件下的成功测量，包括射频偏置。然而，仍然存在一些问题，阻碍更广泛地采用这项技术，包括但不限于：(a)现有射频放大器连接到远程电子控制系统，所述系统向地面添加寄生阻抗，从而人为影响基座射频偏置条件和产生的IED，(b)接线防止使用标准机器人加载系统将离子能量分析仪轻松加载到等离子体处理腔室，(c)离子能量分析仪结构的高度通常为很多毫米，使得在具有与处理晶片类似厚度的基板上部署变得困难，同时限制了装置可操作的真空压力范围，以及(d)测量典型等离子体处理中预期的IED，要使RFA真正有用，需要几千电子伏(eV)的能量范围。用于IED测量的晶片或基板集成无线RFA设计非常有必要，以消除基座扰动并实现机器人加载。有相当多的技术挑战需要克服，包括晶片集成栅极传感器堆栈的制造，实现足够离子能量范围的几千伏扫描能力，以及满足集成传感器电源和电路组件的高温要求。
[0008]带有嵌入式传感器的模拟基板已成为许多专利的主题。其中一些专利技术侧重于新颖的传感器设计及其构造，而另一些专利技术侧重于用于处理、存储和传输传感器数据的电子控制平台。电子平台通过其自身的电源完全集成到模拟基板中，或者使用穿过腔室壁的互连线(使用真空馈通)与位于空气侧的电子控制平台分离。
[0009]在美国专利，专利号为5,969,639的专利中，专利技术人描述了一种具有多个集成温度传感器的硅片探针，用于在各种处理应用中监测基座的温度均匀性。电源和控制电子装置完全集成在其中，包括向外部接收器发送数据的发射器。数据存储在内存中，以便以后检索。虽然温度是一个有用的参数，但它不像离子能量分布那样是一个关键的处理驱动因素。
[0010]美国专利号为6,830,650B2的专利中描述了一种用于在等离子体处理期间测量离子电流的晶片探针装置。所述装置由集成传感器的模拟基板、电源和用于存储传感器数据的微处理器组成。电源使用堆叠电容器收集和存储来自等离子体的能量，为电子电路供电。它还有一个集成的无线发射器，用于将传感器数据发送到安装在腔室壁真空端口的无线接收器。离子传感器是简单的双朗缪尔探针(dual
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Langmuir probes)，由暴露在顶面等离子体中的扁平金属盘组成。这些传感器提供表面离子电流的测量，精度有限。这种类型的传感器无法测量离子能量分布，这对晶片加工至关重要。它的精确度有限，因为它不包括对传感器表面二次电子发射的任何抑制，二次电子发射可能是由被测量的碰撞离子引起的。驱动传感器所需的电压范围比减速场分析仪所需的电压范围低一个数量级以上。
[0011]在美国专利，专利号为2005/0115673A1的专利中，专利技术人描述了一种具有多种集成传感器的仿硅基板，包括离子能量分析仪、VUV光子探测器和自由基离子发射分光光度计。所述装置具有完全集成的电源和控制电子装置。通过光学方式与安装在视口中的接收器进行双向通信。离子能量分析仪由四个栅极组成，包括等离子体阻挡栅极、入射电子延迟
栅极、离子能量分离栅极和二次电子抑制栅极。它还包括一个集电极，用于记录离子电流作为离子能量的函数。栅极层和栅极间隔离层使用标准等离子体蚀刻和沉积处理形成。栅极和集电极由铝制成，而氧化铝用于电气隔离。栅极洞或“孔”垂直向下延伸穿过结构，从顶部面向等离子体的晶片表面到底部的集电极，以允许离子样品通过装置进行分析。向每个栅本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于在等离子体处理系统中获得离子能量分布IED测量值的装置，包括：基板，其放置在等离子体处理系统中并暴露于等离子体；离子能量分析仪，其设置在基板中，用于在等离子体处理期间测量基板表面处的离子能量分布，分析仪包括第一导电栅极G0、第二导电栅极G1、第三导电栅极G2、第四导电栅极G3和集电极C，每个栅极由绝缘层隔开；电池电源和电池管理器，其集成在基板中，用于向离子能量分析仪的每个栅极和集电极提供电压和控制电压；以及基板内的高压发生电路，所述高压发生电路包括向电压倍增器馈电的低压到高压的变压器，其中，高压发生电路获取电池管理器的输出电压，并向第三导电栅极提供电压扫描。2.根据权利要求1所述的用于获得IED测量值的装置，其中，施加到第三导电栅极的电压扫描是上升的。3.根据权利要求2所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述装置配置为在电压扫描上升时对离子电流进行采样。4.根据权利要求1所述的用于获得IED测量值的装置，其中，施加到第三导电栅极的电压扫描是下降的。5.根据权利要求4所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述装置配置为在电压扫描下降时对离子电流进行采样。6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述电池管理器配置为将电池输出电压调节至固定电压水平。7.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述电压倍增器是基于科克罗夫特
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沃尔顿型的电压倍增器。8.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，还包括基板内的微控制器，所述高压发生电路还包括H桥，用于产生低压交流信号以输入到变压器初级侧，其中交流信号频率和幅度由微控制器控制。9.根据权利要求8所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述高压发生电路配置为使得控制施加到变压器初级绕组的交流信号的频率和幅度确定施加到第三导电栅极的电压。10.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，其中，所述高压发生电路还包括高压开关，用于将第三栅极放电到装置的浮地。11.根据权利要求10所述的用于获得IED测量值的装置，其中，电压发生电路还包括与高压开关并联的电阻器。12.根据权利要求11所述的用于获得IED测量值的装置，其中，当电压发生电路配置为向第三栅极施加下降的电压扫描时，所述电阻器确定电压的放电时间。13.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，所述装置进一步配置为使得施加到第三导电栅极的电压扫描是连续的。14.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，所述装置进一步配置为使得施加到第三导电栅极的电压扫描是阶梯函数。15.根据权利要求1至5中任一项所述的用于获得IED测量值的装置，还包括在至少一个栅极和高压发生电路之间串联的电阻器。
16.一种用于在等离子体处理系统中获得离...
【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：安平丹斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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