专利名称：用于测量等离子体参数的传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及等离子体加工的领域，尤其涉及用于流程监视和控制的包括离子通量的等离子体参数的现场测量的领域。
背景技术：
等离子体加工系统被广泛地用于处理基板。例如，在半导体制造中蚀刻硅晶圆和在太阳能电池的制造中沉积层。等离子体应用的范围很宽，但包括等离子体增强化学气相沉积、去膜和等离子体蚀刻。存在测量离子电流或者到表面(Ip)的离子流、电子温度(Te，)、等离子体电子密度(Ne)、等离子体阻抗Rp、等离子体电势(Vp)、电子能量分布函数(EEDF)和离子能量分布函数(IEDF)的等离子体诊断学,两个主要例子是Langmuir探针(描述于Langmuir Probe Measurements in the Gaseous Elec tronics Conference RF Reference Cell, Μ. B. Hopkins, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 100,415 (1995)中)，以及延迟电势能量分析仪(描述于 Design of Retarding Field Energy Analyzers, J. Arol Simpson, Rev. Sci.Instrum. 32，1283(1961)中)。这些常规的诊断工具用于清洁气体的研究应用时受到限制，或者在加工气体的过程中具有有限的时间，因为在探针表面上沉积弱导电材料。沉积层减少或者移除了探针所依赖的传导电流路径。1998年以前，一般无法描述使用了复杂气体而不是借助建模的等离子体加工的特性。特别是，在蚀刻和沉积等离子体的过程中，无法在该流程期间对诸如到达表面的离子流的参数进行直接测量，并因此限制了监视和控制该流程的传感器的部署。在US5，936. 413中，发明人公开了用于测量从等离子体到与其接触的表面的离子流的方法，包括测量被连接到射频电压源和与该等离子体接触的板形探针之间的测量电容器的放电速率。该测量方法包含周期性地向表面提供一系列射频(RF)震荡，并在该RF衰减之后且该表面上的电势恢复到平衡之前，在两个震荡系列之间执行测量。该方法克服了测量流过非导电层的直流离子流的问题，并因此能够在实部流程反应器中进行配置。然而，该技术具有一些缺陷。该技术的第一个不足之处是需要提供被建立在电极、侧壁或者该工具的其他部分中的传感器。该技术的第二个不足之处是需要提供脉冲调制的RF序列，该序列可能干扰等离子体并增加技术配置的复杂度水平。第三个不足之处是该技术不能测量直接在RF偏置的基板(诸如硅晶圆)上流动的离子流，因为这会需要中断流程且显著地增加了成本和晶圆的物料量。该技术不能被应用于被持续偏置的基板。第四个不足之处是该技术需要被应用到特殊探针表面，而这个表面的面积有限而且鞘层可能并非非常平坦。该鞘层可以扩展并收集在边缘处的离子。对于具有大面积的表面来说，这不是大问题，但把RF脉冲施加到大的表面将会需要大的功率输入并可能干扰该等离子体。保护环可以改善该情形，但增加了设计的复杂度和成本。US6, 326，794描述了基于电容的离子通量和基于被绝缘层分隔的两个电极的离子能量探针。然而，这台装置适用于在其中导通层被暴露于等离子体的流程。绝缘层在被暴露于等离子体的传导表面上的沉积将会使探针无法以和Langmuir探针类似的方式测量离子通量。它也需要在该等离子体中插入特殊的探针。US6, 339，297描述了一种测量来自通过探针发出的射频波的等离子体波吸收率的探针。该技术测量等离子体电子密度。其主要的不足之处是需要插入探针和由所需要的射频源引起的干扰，以及能够测量的参数有限。在1998年，M. A. Sobolewski公布了用于测量在正接受等离子体加工的半导体晶圆处的离子电流的技术，见1998年3月9日的Measuring the ion current inelectrical discharges using radio-frequency, current and voltage measurements， M. A. Sobolewski，AppI. Phys. Lett.，Vol. 72，No. 10。Sobolewski' s技术依赖于在晶圆电极处的射频RF电流和电压的外部测量。该 RF信号是由RF偏置功率产生的，该RF偏置功率通常在加工期间被施加到晶圆。该I (t)波形是若干电流的总和，其能够被表达为I (t) = -Ip+Ie (vmax) Exp ((v (t) _vmax) /Te+C (t) dv/dt 方程 I其中I(t)是在电极处测量到的随时间变化的电流；v(t)是在电极处测量到的随时间变化的电压； Ip是到晶圆表面的直流离子电流；Vmax是V⑴的最大值；Ie (vmax)是在Vniax处到晶圆的热电子电流，以使得Ie (Vmax) = I (Vmax) -I (Vmin),其中 Vmin 是 V (t)的最大值；v(t)是在晶圆电极处随时间变化的电压；C是等离子体阻抗的电容性分量。电容性分量C随时间变化并依赖于电压v(t)-vmax。方程式I的右手边的第一项是是离子电流。它相应于从等离子体到电极的正离子流来说是负的。第二项是电子电流，对于等离子体电子的Maxwell-Boltzmann分布来说,在温度Te时的伏特数。最后一项是鞘层位移电流，该电流假设鞘层和大批等离子体可以被表现为随电压变化的电容器。当电压v(t)为负时，等离子体中的电子被该负的直流偏置从电极中强烈地排斥， 且在方程式I中的电子电流将小得可以被忽略。此外，当dv/dt = O时，充电电流是零。因此，在时刻t。，当v(t)达到其最小值时，电子电流和充电电流都可以被忽略。因此，在此时的电流波形的值等于该离子电流，I(t0) = I。= -ip。图I示出来自射频偏置的等离子体电极的I(t)和v(t)，以及要提取I0的 Sobolewski方法。因此，可以使用非常一般的演绎论证来确定离子电流，不需要位移电流或者电子电流的详细模型。
Sobolewski的文章反映了突破，因为他显示了离子电流(该离子电流是直流电流)能够由非传导电介质被测量，但在实践中，由Sobolewski提出的技术具有两个在实际加工等离子体的过程中限制其实现的主要的缺点。第一个而且最重要的缺陷是测量I。的时间窗口很小，并且t。的测量中的任何不准确都引起I。的值的明显误差。第二，在这种技术中，假设任何由电子碰撞引起的电阻性分量都要被忽略。这种假设对许多加工等离子体都不适用。总之，该项技术需要高级的电子设备来捕获所要求达到的分辨率的波形，这显著地增加了成本。

发明内容
本发明提供了一种测量等离子体与电极之间离子电流的方法，其中所述电极与等离子体连通，并且在在所述电极测量时变电压以及经由所述电极测量时变电流，该方法包括步骤(a)对多个电压值的每一个值V'，记录多个即η个电流值I (V );以及(b)从所述电流和电压值中获得所述离子电流的值；其中所述电极与所述等离子体通过绝缘层绝缘，以使得所述电流值没有直流分量；以及获得所述离子电流的值的所述步骤包括执行数学变换来有效地(i)把所述电流和电压值表达成通过所述电极的电流的实部分量与该电压之间的关系，从而消除对于流过该电极的电流的电容性贡献；(ii)从流过该电极的电流的所述的实部分量中，把由离子电流引起的被隔离的贡献与电阻项隔离开，所述贡献没有任何电子电流的贡献；(iii)从所述被隔离的贡献中确定离子电流的值。下面将更详细地讨论本方法正当的理由。然而，本领域技术人员可能注意到本方法是设计用来为和等离子体通过绝缘层串联的电极工作的，因此该电极没有净传导电流， 但是Langmuir探针依赖于传导电流路径。当探针的表面变得被弱传导或者绝缘材料的沉积所屏蔽时，Langmuir探针丧失了准确性，但是，本方法被设计成和被绝缘体从等离子体屏蔽的电极一起工作。虽然没有流过这种绝缘体的净传导电流，但是我们已经发现仍然存在电流实部， 其可能测量对于此电流的电流-电压传递函数，还可能进一步限定测量，以排除任何由于电子电流引起的电流流动，并从而找到电流-电压传递函数实部和流过等离子体鞘层层并通过电阻性等离子体的离子电流之间的线性关系。由电子电流引起的贡献可能被消除，例如通过在V'的幅度大大超过了用电压单位表达的电子温度时，仅选择V < O的测量的方式，或者通过注意到在频域中这个电子电流接近脉冲函数(该函数在全部频率处提供恒定的贡献)；通过减去在全部频率中找到的这种恒量，本领域技术人员能够消除由电子电流引起的电流流动。优选地，所述表达所述电流和电压值的步骤包括获得对于多个离散的电压值的每一个而测得的电流值的平均值。
优选地，隔离仅由离子电流引起的贡献和电阻项的所述步骤包括确定门限电压， 在该门限电压以下电子电流被抑制，而且隔离一组相应于低于所述门限的一组电压值的电流值。优选地，从所述被隔离的贡献中确定离子电流Ip的值的所述步骤包括对于小于所述门限的y'的值求解下述方程式ΣΙ(ν' ) /n =Rp/ | ζ | ,其中Rp是等离子体电阻值，|ζ I = {Rp2+(l/coC(t))2}，ω = 2 f，其中f是在该电极上的RF电压的频率，且C(t)是该等离子体阻抗的随时间变化的电容性分量。本方法还可以包括计算电阻项Rp/| ζ I作为该同样的方程式的解的步骤 ΣΙ(ν' )/n = -Ip+v/ Rp/|z|。在仅需要电阻项的情形中，该方程式能够简单地求解出电阻项而非离子电流。优选地，随时间变化的电压是被施加到所述电极的正弦电压。此外，优选地，对多个电压值的每一个值V'测得的所述多个即η个电流值I(v') 包括在电压正在增加的时候测量得到的大约η/2个值和在电压正在减小的时候测量得到的大约η/2个值。用这种方式，对于V < O的值可以忽略关系中的随电容性变化的成分，因为这个随电容性变化的成分随着dv/dt改变符号，以使得通过进行大量的测量，大约其中的一半是与正的dv/dt被测得的，而另一半是与负的dv/dt被测得的，当这些值对于所有的η取平均时，该电容性项与另一项彼此相消。优选地，该电压是周期地变化的电压且所述电流值I (V')是在与该电压的周期不相关的时刻被测得的。换句话说，本方法能够通过在随机时刻关于随时间变化的电压进行大量的电流测量的方式而被执行，以使得在统计学上本领域技术人员将对每个值V,收集足够的测量结果，以确保增加的电压和减小的电压的数目大致相等，并对每个电压值提供高度准确的平均电流。 本方法可以进一步包括步骤(d)计算vmax处的热电子电流，Ie (vmax)作为在最大电压值vmax处测得的平均电流Σ I (vmax)/n，以及从对于作为V的函数的电流的线性方程外推的电流之间的差，对于V' <0，根据下述方程式Ie (vmax) = ( Σ I (vmax) /n+Ip-vmax Rp/|z|)，以及(e)对于V' >0的值，从下述方程式计算电子温度Te (ΣΙ(ν, )/n+Ip-v/ Rp/| ζ |)/Ie (Vmax) = Exp ((v, -vmax) /Te).将会理解的是，在本方程式中，Ip和Rp/ I ζ I优选地依照在此阐明的方法被推导出。然而，也有可能像上面那样执行电子温度的计算而不必使用在此公开的用于Ip和 Rp/Ιζ的计算的方法。还有可能像下面进一步的细节概述的那样，在频域中执行得到相同结果的操作。
优选地，本方法进一步包括步骤从方程式
权利要求
1.一种测量等离子体与电极之间离子电流的方法，其中所述电极与等离子体连通，并且在所述电极测量时变电压以及经由所述电极测量时变电流，该方法包括步骤(a)对多个电压值的每一个值V',记录多个即η个电流值I(V');以及(b)从所述电流和电压值中获得所述离子电流的值；其中所述电极与所述等离子体通过绝缘层绝缘，以使得所述电流值没有直流分量；以及获得所述离子电流的值的所述步骤包括执行数学变换来有效地(i)把所述电流和电压值表达成通过所述电极的电流的实部分量与该电压之间的关系，从而消除对于流过该电极的电流的电容性贡献；( )从流过该电极的电流的所述的实部分量中，把由离子电流引起的被隔离的贡献与电阻项隔离开，所述贡献没有任何电子电流的贡献；(iii)从所述被隔离的贡献中确定离子电流的值。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述表达所述电流和电压值的步骤包括获得对于多个离散的电压值的每一个而测得的电流值的平均值。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中隔离仅由离子电流引起的贡献和电阻项的所述步骤包括确定门限电压，在该门限电压以下电子电流被抑制，而且隔离一组相应于低于所述门限的一组电压值的电流值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中从所述被隔离的贡献中确定离子电流Ip的值的所述步骤包括对于小于所述门限的V,的值求解下述方程式ΣΙ(ν' )/n = -Ip+v' Rp/ I ζ I,其中Rp是等离子体电阻值，I ζ I = {Rp2+(1/coC(t))2},ω = 2 Jif，其中f是在该电极上的RF电压的频率，且 C(t)是该等离子体阻抗的随时间变化的电容性分量。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤计算电阻项Rp/|z|作为该同样的方程式的解Σ I (V' Vn = -Ip+ ' Rp/ I ζ I ο
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述随时间变化的电压是被施加到所述电极的正弦电压。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中对多个电压值的每一个值V'而测得的所述多个即η个电流值I (V )，包括在电压正在增加的时候测量得到的大约η/2个值和在电压正在减小的时候测量得到的大约η/2个值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述电压是周期地变化的电压且所述电流值 I (V,)是在与该电压的周期不相关的时刻被测得的。
9.根据权利要求4或者任一从属于它的权利要求所述的方法，进一步包括步骤(d)计算vmax处的热电子电流Ie (vmax)作为在最大电压值vmax处测得的平均电流 Σ I (vmax)/n，以及从对于作为V的函数的电流的线性方程外推的电流之间的差,对于 V <0，依照下述方程式Ie (vmax) = ( Σ I (vmax) /n+Ip-vmax Rp/ | ζ |);以及(e)对于V' >0的值，从下述方程式计算电子温度Te (ΣΙ(ν' )/n+Ip-v/ Rp/|z|)/Ie(vmax) =Exp((v/ _vmax)/Te)。
10.根据权利要求4或者任一从属于它的权利要求所述的方法，进一步包括步骤从方程式 Sqrt ([I (V' )-ΣΙ(ν' )/η]2) = ων' /{C(v/ ) ω21 z |}确定随电压变化的电容C(v')。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括步骤求解方程式，来获得电子密度Ne，以及等离子体电势Vp， 其中A是电极面积且ε是MKS单位制的自由空间的介电常数。
12.根据权利要求I所述的方法，其中所述表达所述电流和电压值的步骤包括执行傅立叶变换，以获得一系列表示实部电极电流的傅立叶分量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中隔离仅由离子电流引起的贡献和电阻项的所述步骤包括在一系列所述傅立叶分量中识别一个或者多个仅由电子电流引起的分量，并减去所述一个或者多个电子电流分量以保留仅由离子电流引起的余数和电阻项。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中从所述被隔离的贡献中确定离子电流Ip 的值的所述步骤包括求解对于傅立叶系数零阶实部AO的方程式A0 = Cl-Ip = 0，其中 Cl是傅立叶系数二阶实部的幅度。
15.一种测量在等离子体和与所述等离子体通过绝缘层绝缘的电极之间的离子电流的方法，其中测量在所述电极处的时变电压并测量通过所述绝缘层的时变电流，该方法包括步骤(a)对多个电压值的每一个值V'，记录在不同时刻的多个即η个电流值I(v')；(b)对所述多个离散电压值的每一个值V'，计算电流-电压传递函数实部ΣI (V )/ η ;以及(c)从所述电流-电压传递函数实部中，识别包括由离子电流而不是电子电流引起的值的贡献；(e)从所述被识别的贡献中，计算对于该离子电流的值。
16.一种测量在等离子体和与所述等离子体通过绝缘层绝缘的电极之间的离子电流的方法，其中测量在所述电极处的时变电压并测量通过所述绝缘层的时变电流，该方法包括步骤(a)确定随时间变化的电流实部，作为该时变电压的函数；(C)把所述函数转换到频域，以产生多个不同的频率分量；(d)从所述频率分量中，识别由离子电流而不是电子电流而不是电子电流引起的贡献；(e)从所述被识别的贡献中，计算对于该离子电流的值。
17.一种计算机程序产品，包括数据载体，该数据载体具有被记录于其上的指令，该指令在被处理器执行时有效地使得所述处理器计算等离子体和与所述等离子体通过绝缘层绝缘的电极之间的离子电流，其中时变电压被施加在所述电极且通过所述绝缘层的时变电流被测量，该指令被执行时使得所述处理器执行权利要求1-14的任一所述的方法。
18.一种用于测量在等离子体和与所述等离子体通过绝缘层绝缘的电极之间的离子电流的设备，包括(a)电压源，用于向所述电极施加时变电压；(b)电流表，用于测量通过所述绝缘层的时变电流，以使得在不同的时刻，测量对于多个电压值的每一个值V的多个即η个电流值I (V )；(C)处理器，被编程以计算对于离子电流的值，通过执行数学变换来有效地(i)把所述电流和电压值表达为通过所述电极的电流的实部分量和电压之间的关系， 从而消除对于流过该电极的电流的电容性贡献；( )从流过该电极的电流的所述实部分量中，把由离子电流引起的被隔离的贡献与电阻项隔离开，所述贡献没有任何电子电流的贡献；以及(iii)从所述被隔离的贡献中确定离子电流的值。
全文摘要
本发明公开了一种测量在等离子体和与该等离子体连通的电极之间的离子电流的方法。在该电极处的时变电压和流过该电极的时变电流被测量。该方法包括对多个电压值的每一个值v′，记录多个即n个电流值I(v′)；以及从该电流和电压值中获得该离子电流的值。该电极与该等离子体通过绝缘层绝缘，以使得该电流值没有直流分量。该方法包括执行数学变换来有效地把该电流和电压值表达成流过该电极的电流的实部分量与该电压之间的关系，从而消除对于流过该电极的电流的电容性贡献；从流过该电极的电流的实部分量中，把由离子电流引起的隔离贡献与电阻项隔离开，该贡献没有任何电子电流的贡献；以及从该被隔离的贡献中确定离子电流的值。
文档编号G01R19/00GK102598200SQ201080042366
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月22日
发明者保罗·斯卡林, 多纳尔·奥沙利文 申请人:保罗·斯卡林, 多纳尔·奥沙利文