[发明专利]监测和控制等离子体制造工艺的技术

说明书

技术领域

本发明是关于一种监测和控制等离子体制造工艺的技术。

背景技术

等离子体制造工艺广泛用于(例如)半导体制造，以使用各种掺杂剂对 晶圆进行植入，以沉积或蚀刻薄膜。为了获得可预测以及可重复的制造工 艺结果，其关键为严密监测和控制等离子体特征。举例而言，对等离子体 掺杂(Plasma Doping，即PLAD)制造工艺的研究已表明等离子体的离子组 成可能是一种判定掺杂剂种类、掺杂剂深度分布、制造工艺相关的污染等 的关键信息。离子组成随PLAD制造工艺参数(诸如气体比例、总气压以及 放电功率)而改变。视等离子体腔室的调节状态而定，离子组成亦可发生显 著改变。因此，重要的是在PLAD制造工艺期间(较佳为当场(in-situ)及即 时地)了解离子组成，以便获得可重复以及可预测的制造工艺结果。

现有等离子体工具往往缺乏提供等离子体的详细的即时信息(例如离 子组成)的能力。举例而言，在典型PLAD制造工艺中，藉由基于法拉第杯 (cup)电流监测植入剂量来控制等离子体。然而，法拉第杯仅为总电荷计数 器，其并不区分不同的带电粒子或提供对等离子体特性的任何了解。尽管 在一些传统束流(beam-line)离子植入系统中采用了当场质量分析，但在基 于等离子体的离子植入系统中通常要避免使用当场质量分析，以便获得高 产量。

此外，现有习知离子感测器，诸如工业用质能分析器以及四极质谱仪，往 往体积太大及/或太麻烦而不能在制造工具中实施。大型离子感测器倾向于 扰动量测中的等离子体，且因此歪曲制造工艺结果。此外，现有习知离子 感测器的尺寸以及重量往往限制其在半导体制造工艺工具中的部署选择可 能。此外，在等离子体交替处于接通及关闭状态的脉冲等离子体处理中，往 往需要对等离子体的时间解析的量测。然而，现有离子感测器很少提供时 间解析的量测的能力。

发明内容

本发明揭示一种监测和控制等离子体制造工艺的技术。在一特殊的实 施例中，此技术能以等离子体腔室中监测离子种类用的飞行时间 (time-of-flight，TOF)离子感测器来实现。离子感测器可包含一漂移管。离 子感测器亦可包含一提取器电极和多个设置在漂移管的第一端上的静电透 镜，其中该提取器电极受到偏压以吸引等离子体腔室中来自等离子体的离 子，多个静电透镜使已被吸引的离子的至少一部分进入该漂移管中且在一 有限的发散角度内向着该漂移管的第二端漂移。离子感测器可另外包含一 设置在该漂移管的第二端上的离子侦测器，并且所述离子感测器是配置 在所述等离子体腔室的侧壁上，且所述提取器电极接近所述等离子 体的边缘而定位，其中此离子侦测器侦测各种与已被吸引的离子的至少一 部分有关的到达时间。离子感测器可另外包含该提取器用的外壳，多个静 电透镜，漂移管和离子侦测器，其中该外壳容许该离子感测器和等离子体 腔室之间的差动抽吸(differential pumping)。

依据上述特殊实施例的另一特点，该提取器电极可具有一种直径介于 10微米和500微米之间的小孔，且多个静电透镜具有多个实质上与该提取 器电极小孔对齐的小孔。

依据上述特殊实施例的另一特点，可将电压脉冲提供至多个静电透镜 的至少一个，以使已被吸引的离子的至少一部分进入至该漂移管中。此电 压脉冲可与施加至等离子体腔室中的晶圆上的电压同步。或是，此电压脉 冲可与等离子体腔室中等离子体的产生达成同步。另一方式是，可对此电 压脉冲提供多个相对于一时序参考值的可变的延迟，以对离子达成一种时 间解析(resolved)的测量。此电压脉冲亦可具有一种受到控制的宽度以用 来选取离子质量。

依据上述特殊实施例的另一特点，该提取器电极可设有直流偏压。

依据上述特殊实施例的另一特点，该离子感测器更可另外包含一种位 于该漂移管和该离子侦测器之间的能量分析器。

依据上述特殊实施例的另一特点，该提取器电极可设有射频(Radio  Freqency，即RF)偏压。此射频偏压可使一种或多种已沉积在该提取器电极 上的材料被溅射。

依据上述特殊实施例的另一特点，该提取器电极可设有电压脉冲以允 许离子进入至该漂移管中。

依据上述特殊实施例的另一特点，该漂移管可维持在一种与多个静电 透镜中的一透镜相同的电位。

依据上述特殊实施例的另一特点，该外壳可接地。