在等离子体处理设备中实时诊断部件状况的方法和装置 背景技术
等离子体已经被用于许多应用中，比如半导体处理步骤。传统的等离子体处理设备产生具有生硬的热力和/或化学性质，这导致对在这些处理步骤中暴露于其中的许多部件的磨损。由于等离子体的侵蚀本性，与等离子体的重复接触可能导致一个或多个部件被逐渐腐蚀和/或突然失效，降低该设备的性能并使得处理的结果随着时间而改变。
同样地，仔细监视这些部件的状态并在适当的时间替换这些部件是很重要的。如果太快地替换这些部件，丢弃那些仍然可以进一步使用的部件会增加生产成本。如果在替换之前留给它们太长时间，那么可能会对该设备的其它部件带来损害，导致额外的成本。例如，超过安全限度的半导体处理室中的边缘环的腐蚀可能导致静电卡盘(一种昂贵的多的部件)的破坏。理想的情况是将部件使用到最大安全限度而又不使用更长时间。
通过对被放入特定环境中的退化和故障的统计分析可以估计每个部件的有效寿命。然而，部件比预期更早地失效或者需要被更换总是可能的。并且，在实践中，部件的使用期限可能依赖于设备如何运行，这可能不是已知的或者被密切监视的。而且，可能必须打开该设备以执行检查，这会中断生产并带来一定的当机时间。因此，提供能够表示设备操作过程中部件的使用期限的结束、缺陷或故障，并不依赖任何具体的等离子体工艺的应用的能力是我们想要的。提供实时监视每个部件的状态并在到达该部件的有效操作期限的末尾时发出警报的能力是我们更想要的。
【发明内容】
根据一个实施方式，一种诊断等离子体反应室的可消耗部件的状况的方法，其中该可消耗部件包括至少一个嵌入其中的导电元件，包括以下步骤：将该导电元件耦合于电源以便对该导电元件施加相对于地的偏置电势；将该可消耗部件暴露于等离子体腐蚀从而使得在该导电元件暴露于该等离子体时该导电元件吸收来自该等离子体的电流；测量该电流；以及根据测量到的电流评价该等离子体对该可消耗部件的腐蚀程度。
根据另一个实施方式，一种等离子体反应室的可消耗部件，其中该可消耗部件是由电介质材料形成的并包括要暴露于等离子体的表面，包括：嵌入该可消耗部件中的一个或多个导电元件；耦合于该导电元件的探针电路；以及耦合于该探针电路和地的电源，以向该导电元件施加相对于地的偏置电势，其中在该导电元件暴露于该等离子体时该导电元件用于从该等离子体吸收电流而该探针电路用于测量该电流。
根据又一个实施方式，一种等离子体反应室的可消耗部件，其中该可消耗部件是由导电材料形成的并包括要暴露于等离子体的表面，包括：嵌入该可消耗部件中并通过电介质层与该可消耗部件电气绝缘的一个或多个导电元件；耦合于该导电元件的探针电路；以及耦合于该探针电路和地的电源，以向该导电元件施加相对于地的偏置电势，其中在该导电元件暴露于该等离子体时该导电元件用于从该等离子体吸收电流而该探针电路用于测量该电流。
【附图说明】
图1显示了依照一个实施方式，具有诊断传感器的等离子体处理室的横截面示意图。
图2显示了来自图1的诊断传感器的信号作为时间地函数的示例性图表。
图3A-3B显示了依照另一个实施方式的边缘环的侧视和俯视横截面示意图。
图4A-4B显示了边缘环的各种实施方式的横截面示意图。
图5显示了要在图1的等离子体处理室中使用的类型的上电极的示例性实施方式的横截面示意图。
图6显示了图5中的上电极沿着线V1-V1的横截面示意图。
图7A-7C显示了要在图1中的等离子体处理室中使用的类型的上电极的各种示例性实施方式的横截面示意图。
【具体实施方式】
现在参考图1，显示了依照一个实施方式的等离子体处理室100的横截面示意图。注意，室100是根据一个实施方式的一种产生等离子体的示例性设备，并包括诊断传感器。下面为了简明，下面的讨论限于用于诊断室100中的元件的传感器。然而，对本领域的普通技术人员来说，显然，类似的传感器实施方式可以被用于其它合适的产生等离子体的设备。
如图所示，该室包括一壁117，用于形成在内部放置产生电容耦合等离子体的各种元件的空间。该室还包括用于在操作过程中将衬底112固定在适当位置的静电卡盘106和上电极102。上电极102和卡盘106形成耦合于射频电源(图1中未示)的一对电极并在由RF电源加电时在衬底112的顶部表面上方产生等离子体。室100还包括陶瓷环108、置于该陶瓷环和卡盘106之间的耦合环110以及置于衬底112的边缘周围的边缘环114。等离子体被置于上电极102和卡盘106之间的空隙中的约束环104约束。等离子体中的一些气体粒子穿过环104之间的间隔/空隙并由真空泵从该室中排出。
边缘环114执行一些功能，包括相对于卡盘106定位衬底112，并保护下面没有被衬底自身保护的元件免于被等离子体损害。边缘环114还提高了跨越衬底112的等离子体的均匀性。没有边缘环114的话，衬底112电气限定该卡盘的外边缘而衬底边缘附近区域的等势线会尖锐地向上弯曲。同样地，没有边缘环114的话，该衬底边缘会经历与衬底中心存在的等离子体环境不同的等离子体环境，使得边缘附近的产品成品率很差。在共同拥有的美国专利6,986,765中可以找到该室的更详细的描述。
由于等离子体的侵蚀本性，边缘环114可能随着时间磨损掉。当边缘环114磨损掉时，边缘环的损害区域附近的等离子体特性可能变化。等离子体特性的变化又会导致工艺结果随着时间而变化，而该室到了必须替换边缘环114的时点。
为了实时监视边缘环114的运行状态和结构状况并提供对事件(比如该边缘环的有效寿命的末尾)的指示，诊断传感器115可以耦合于边缘环114。传感器115包括捡拾单元(pickup unit)或探针116和通过导体线119连接到探针116的探针电路118。探针116嵌入边缘环114中以便该探针被边缘环114完全围绕。在一个示例性实施方式中，探针116具有电线段或针的形状。探针116是由(但不限于)导电材料(比如金属)形成的，而边缘环114是由(但不限于)电气绝缘或电介质材料形成的。
探针电路118包括电源122，用于施加在探针116和地之间施加电势。电路118还包括电阻120和用于测量该电阻两端间的电压或流过该电阻的电流的测量装置124(比如伏特计)。图中显示导电线119从探针116穿过室壁117到达电路118。在一个替代实施方式中，电路118可以置于该室内部而测量装置124可以耦合于显示单元，该显示单元位于室壁117之外并可用于向操作者显示器件124测量到的信号。
探针116被嵌入边缘环114中与诊断事件(比如边缘环114的有效寿命的末尾)对应的深度。探针116被偏置为对地的负直流电势(优选地为10-15伏)。操作过程中，边缘环114覆盖探针116免于等离子体损害的那部分阻止等离子体的高能阳离子到达探针116。然而，在重复暴露于等离子体时，边缘环114的该覆盖部分会被腐蚀并将探针116暴露于等离子体，使得该探针吸引来自等离子体的离子电流。被吸引的离子电流流过探针电路118的电阻120并且可以通过测量该电阻两端间的电压来测量。该等离子体可以通过壁117、上电极102或其它合适的元件耦合于地并完成被探针吸引的离子电流的通路，也就是说，该等离子体是离子电流的源并形成该离子电流的电通路的一部分，其中该地形成该电通路的一部分。
在一个替代实施方式中，探针116可被偏置为相对地的正直流电势(图1中未示)，优选为10-15伏。在此实施方式中，图1中的电源122的正端子可以连接到电阻120而电源122的负端子接地。当边缘环114磨损掉而将探针116暴露于等离子体时，正偏置的探针116可从等离子体吸收负电子电流。该等离子体可通过壁117、上电极102或其它合适的元件耦合于地并完成由该探针吸收的电子流的通路，也就是说，该等离子体是该电子流的源并形成该电子流的电通路的一部分，其中该地也形成该电通路的一部分。
图2显示了来自图1中的测量装置124的信号作为等离子体曝光时间的函数的示例性的图表。随着覆盖探针116远离等离子体的该部分边缘环114被磨损掉，装置124测量到的流过电阻122的离子电流或该电阻两端间的电压(两者等效)会急剧增加，如图2所示。这种信号强度的突然增加可以用作探针116暴露于等离子体的时点的指示器。在一个实施方式中，当电压升高到对应于一个诊断事件(比如边缘环114的有效使用寿命的末尾)的预置的阈值电压Vτ时，要求操作者注意或介入的警告或通知会被触发。在另一个实施方式中，当电压显示出剧烈的数值变化时，警告或通知可以被触发。因此，通过监视来自测量装置124的信号，可以实时地执行边缘环114的状态(比如腐蚀程度)和性能的原地诊断。
正如上面讨论的，探针116可以被偏置为相对地的正直流电势并吸收负电子电流。在这样的情况下，图2中的图表的纵轴可以代表电阻120两端间的电压的绝对值。
在一个示例性实施方式中，传感器115可包括多个嵌入边缘环114中的探针针脚以提供冗余度或监视边缘环的全部的完整性。图3A显示了边缘环300的侧视横截面视图，其中嵌入了多个探针302。图3B显示了沿着线IIIA-IIIB的具有八个探针302的边缘环300的俯视横截面示意图。为了简洁起见，通过导线304耦合于探针的探针电路在图3A中未示出。
如图3A-3B所示，多个探针或探针针脚302以预置角度间隔围绕边缘环300的中心轴环形排列。注意，在边缘环300中可以嵌入任何其它合适数量的探针302。在另一个示例性实施方式中，探针302可以彼此通过可选的连接线306电气连接，其中连接线306可以是由导电材料形成的并被嵌入边缘环300中。在此实施方式中，所有的探针302可以耦合于该探针电路。
根据其应用的类型选择该探针的形状、尺寸和材料组成。在一个示例性实施方式中，该诊断传感器可包括多个耦合于探针电路的薄板，每个板具有大体呈多边形或圆形的板/片形状。例如，图4A显示了边缘环400的示例性实施方式的横截面示意图。如图所示，多个探针402被环形排列并嵌入边缘环400中。每个探针402有平坦的圆盘形状并通过导体线404耦合于探针电路(图4A中未示)。注意，探针402也可以具有其它合适的形状，比如长方形。
可选地，嵌入该边缘环400中的多个探针402可以通过连接线406彼此连接，其中连接线406可以是由导电材料形成的并嵌入该边缘环中。在此实施方式中，所有的探针可以通过导体线耦合于该探针电路。
图4B显示了边缘环410的另一个实施方式的横截面示意图。如图所示，具有环形形状的探针412被嵌入边缘环410中。为了简明，通过导体线404耦合于探针412的探针电路在图4B中没有显示。
图1-4B中的诊断传感器可以被应用于可能被等离子体的作用腐蚀并由电绝缘或电介质材料制成的其它合适的元件(比如约束环)。来自与这些元件相关联的多个传感器的信号可以被同时监视以实时诊断这些元件的状态。对于由导电或半导体材料制成的元件，比如上电极102(图1)，该探针可以由电介质材料围绕以避免该探针和该探针被嵌入的宿主元件之间的直接接触，如同结合图5-7B所讨论的。此后，为了说明的目的，作为由导电材料形成的示例性的宿主元件，描述上电极。
图5显示了可用于图1中的等离子体处理室的上电极500的示例性实施方式的横截面示意图。图6显示了上电极500的横截面示意图。为了简明，图5-6中没有显示该电极的详细配置(比如气体注入机构)。如图所示，上电极500与诊断传感器501相关联，诊断传感器501包括一个或多个嵌入该上电极中的探针单元503。每个探针单元503具有包括由导电材料(比如金属)形成的针脚或电线段的探针502和围绕该探针的绝缘层504以将该探针与该上电极500电气绝缘。绝缘层504可以是由例如探针502上的电介质材料的涂层形成的。传感器501还包括传感器电路506和一个或多个导体线508，每一个导体线508耦合于传感器电路506和探针502中相应的一个探针。导体线508可以与上电极500电气绝缘。
在一个示例性实施方式中，每个探针502可以通过导体线508被独立耦合于探针电路506。在另一个示例性实施方式中，探针502可以通过可选的连接线506彼此电气连接，其中电线506嵌入上电极500并通过围绕电线506的绝缘层(比如电介质涂层)与该上电极绝缘。在此实施方式中，所有的探针502都耦合于探针电路506。探针电路506可以有类似于图1中的电路118的那些元件和运行机构。
在又一个示例性实施方式中，每个探针可以包括由(而不限于)导电材料形成的并具有大体圆形或多边形形状的薄板。例如，图7A显示了上电极700的示例性实施方式沿平行于线VI-VI(图5)的方向的横截面示意图。如图所示，嵌入上电极700的多个探针单元703中的每一个包括具有平坦圆盘形状的探针704和围绕该探针以将该探针与上电极700电气绝缘的绝缘层702。注意，探针704也可以具有其它合适的形状，比如长方形。还应当注意，在上电极中可以使用任何合适数量的探针。
可选地，多个探针704可以是通过类似于连接线506(图5)的连接线706彼此连接起来。在此实施方式中，所有的探针都通过导体线耦合于探针电路。
在再一个示例性实施方式中，嵌入该上电极的探针可具有大体环形的形状，如图7B所示。图7B显示了上电极710的横截面示意图。如图所示，嵌入上电极710的探针单元713包括环形探针714和围绕该探针714并将该探针714与上电极710电气绝缘的绝缘层712。探针714可以是由导电材料(比如金属)形成的并耦合于类似于图1的电路118的探针电路。
图7C显示了上电极720的另一个示例性实施方式的俯视横截面示意图。如图所示，多个探针单元723可以被同心地嵌入上电极720中并且每个探针单元723包括环形探针724和围绕该探针并将探针724与上电极720电气绝缘的绝缘层722。在上电极720包括多个气体孔以有喷淋头配置的情况下，各探针单元之间的径向间隔可以包括其中的气体出口。绝缘层722和探针724可以是由类似于层712和探针714的那些材料分别形成的。
注意，图3A-7C中描述的探针可以被偏置为相对于地的正直流电势，优选地为10-15伏。例如，图5中电源的正端子连接于电阻而该电源的负端子接地。为了简明，此处没有详细描述相对于地正偏置的探针。然而，显然，具有负偏置探针的传感器实施方式的操作和结构特征类似于具有正偏置探针的传感器实施方式的那些操作和结构特征。
尽管参考具体实施方式对本发明进行了详细描述，然而对本领域的技术人员来说，显然，可以做出各种变化和修改，并使用等同替换，而不背离所附权利要求的范围。