[发明专利]用于等离子体处理室中的包括真空间隙的面向等离子体的探针装置

说明书

背景技术

等离子体处理系统已长时间用于将衬底处理为成品电子产品以制造集成电路(IC)。可以使用各种等离子体产生技术产生等离子体，包括例如电感耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波、电子回旋共振(ECR)等。

在衬底处理过程中，准确而及时地监控等离子体处理室内部的各种工艺参数是非常需要的。面向等离子体的探针或传感器技术(其涉及将由导电材料制成的探针或传感器的表面暴露于等离子体)已经长时间被用于这种监控任务。已被用于测量该工艺参数的一类面向等离子体的监控探针是离子通量探针，比如名称为“Apparatus For Measuring A Set Of Electrical Characteristics In A Plasma”的美国专利7,319,316中所描述的。在上述美国专利7,319,316中，使用基本上共平面的探针测量该等离子体处理室内的离子通量。然后使用测量的离子通量以确定例如室调整工艺的终点，用于测量等离子体的性质(例如，离子饱和电流、电子温度、空载电势等)，用于室的匹配(例如，寻找名义上完全相同的室之间的差异)，用于检测室中的缺陷和问题等。

在本领域中已经实现了离子通量探针的一些量产型号，而且已经发现，改进的机会是可能的。为了便于讨论，图1显示了典型的离子通量探针装置。在图1中，离子通量探针102被设在等离子体处理室的上电极中的孔104中。该上电极通常是由铝或石墨形成的，具有由合适材料(比如硅)形成的面向等离子体的表面106。

离子通量探针102包含用于与支撑结构(显示了它的一部分112)耦合的茎110。茎110通常是由导电导热材料(比如铝)形成的。隔离环114如图所示围绕茎110并被设计来为茎110在孔104内提供中心定位支撑，以及将茎110从上电极的其它部分电气隔离。

离子通量探针102还包括面向等离子体的探针头120，该探针头120是由被设计为在化学和电气上基本类似于该上电极的面向等离子体的表面106的材料形成的以便于对来自等离子体(在图1中位于该上电极下方)的参数进行精确测量。在图1的情况下，探针头120也是由硅形成的。提供O形环130以阻止污染物通过离子通量探针102和孔104之间的间隙136落入该室。间隙136是由机械容差带来的，也是为了适应工艺循环期间的热膨胀。O形环130通常是由有弹性的弹性体形成的，也用作密封该室内部的工艺气体，避免工艺气体向上通过上述间隙逸出。

图中显示环132在探针头120周围。环132可以是由石英(如图1的示例的情况)或其它合适的介电材料制成的。石英环132被设计为将探针头120与该上电极的其它部分电气隔离。石英环132的辅助功能是保护O形环130免于被该室内产生的等离子体的更高能离子和基团过度攻击。

然而，已经注意到，离子通量探针的设计和离子通量探针在该室中的安装有改进的机会。例如，已经发现石英环132的存在在等离子体处理过程中在该室中产生化学负载状态，因为石英环132是与探针头120的硅材料或该上电极的面向等离子体的表面106的硅材料不同的材料。在某些刻蚀工艺过程中，比如在介电蚀刻过程中，石英环132的蚀刻会改变该室内部的化学制品或等离子体的组成，导致该衬底上的不良的蚀刻结果。而且，随着石英环132的耗费，在该上电极的下表面和探头120的面向等离子体的表面之间可能形成缺口，并可能形成“聚合物陷阱”，潜在增加了在后续处理循环过程中衬底上的颗粒污染的可能性。而且，当石英环132被侵蚀时，离子通量探针的测量可能失真，因为呈现到该等离子体的该探针头的几何形状已经变化。

如图1中所示，在平铺(tile)等离子体(其形成于图1的上电极下方)和O形环130之间存在直视线。此直视线允许等离子体组成成分(比如高能离子和基团)到达该O形环，从而促进O形环更快速地退化。O形环130的加速退化迫使进行更高频率的维护，以替换O形环130，这导致更多的系统停机，减少了等离子体系统的吞吐量，并导致等离子体处理工具的更高的持有成本。

图1的装置的另一个问题涉及在离子通量探针102和该上电极的其它部分之间缺乏机械参照(mechanical referencing)。因为离子通量探针102耦合于与该上电极机械独立的支撑结构112，已经发现，为了确保探针头120与该上电极的下表面106齐平，离子通量探针102在安装过程中的精确定位是一个挑战。