(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマにおける１組の電気的特性を測定する高さ調整可能なＰＩＦ（プラズマイオン流束）プローブを提供する。【解決手段】プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置１４０であって、第１の端部にプローブ面３０８を有する半導体プローブ素子３０４が設けられる。電気コネクタ３１２が、半導体プローブ素子３０４に対して電気的に接続される。電気絶縁スリーブ３１６が、半導体プローブ素子３０４の少なくとも一部を囲む。プローブ面３０８が、プラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、半導体プローブ軸３５２に調整装置が結合される。【選択図】図４
2007294419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置であって、
第１の端部にプローブ面を有するプローブ素子と、
前記プローブ素子に対して電気的に接続された電気コネクタと、
前記プローブ素子の少なくとも一部を囲む電気絶縁スリーブと、
前記プローブ素子に結合された調整装置であって、前記プローブ面が前記プラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、前記プローブ素子を調整する調整装置と
を備えるプラズマプローブ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記電気絶縁スリーブを調整するためのスリーブ調整装置を備え、前記電気絶縁スリーブは外縁を有し、前記スリーブ調整装置は、前記プローブ面と同一平面上に存在するように前記外縁を調整するプラズマプローブ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ素子は半導体プローブ素子であり、前記プローブ面は半導体プローブ面であるプラズマプローブ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のプラズマプローブ装置であって、前記スリーブ調整装置は、前記電気絶縁スリーブと前記半導体プローブ素子との間に配置された少なくとも１つの着脱可能なスペーサを備えるプラズマプローブ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、
前記電気コネクタと、前記プローブ素子の少なくとも一部とを囲む分割カバーと、
前記分割カバーを囲む少なくとも１つのＯ−リングと
を備えるプラズマプローブ装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、支持軸を備え、
前記調整装置は、前記支持軸に対して機械的に結合されており、調整の際に前記支持軸を移動させる
プラズマプローブ装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、
前記プローブ素子は、
前記プローブ面を有する第１の端部と、
前記第１の端部から離れた位置の第２の端部と、
前記第１の端部と前記第２の端部との間のネック部と
を備え、
前記ネック部は、前記第１の端部の断面および前記第２の端部の断面よりも小さい断面を有する
プラズマプローブ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマプローブ装置であって、
前記絶縁スリーブは、さらに、リップ部を備え、
前記リップ部は、前記プローブ素子の前記第２の端部および前記ネック部は通過でき、かつ前記プローブ素子の前記第１の端部は通過できない開口部を形成し、
前記少なくとも１つの着脱可能なスペーサは、前記リップ部と、前記プローブ素子の前記第１の端部における前記プローブ面の反対側の面との間に配置される
プラズマプローブ装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載のプラズマプローブ装置であって、
前記分割カバーは、
前記プローブ素子の前記第２の端部と係合する第１のリップ部と、
前記電気コネクタと係合する第２のリップ部と
を備え、
前記第１のリップ部および前記第２のリップ部により、前記プローブ素子の前記第２の端部が前記電気コネクタに向かって押し付けられる
プラズマプローブ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のプラズマプローブ装置であって、
前記第２のリップ部は、前記電気コネクタと斜めに接触する面を有することで、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに向かって押し付けるプラズマプローブ装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のプラズマプローブ装置であって、
前記第１のリップ部は、前記電気コネクタと斜めに接触する面を有することで、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに向かって押し付けるプラズマプローブ装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに対して電気的に接続する金網バネおよびエラストマ接着剤を備えるプラズマプローブ装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記プローブ素子と、前記電気コネクタとに対して、ろう付けされたワイヤを備えるプラズマプローブ装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ面はシリコンであるプラズマプローブ装置。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記電気コネクタに対して電気的に接続された検知用電子機器を備え、前記検知用電子機器は電流計を備えるプラズマプローブ装置。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載のプラズマプローブ装置であって、前記電気絶縁スリーブは石英であるプラズマプローブ装置。
【請求項１７】
プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置であって、
第１の端部に半導体プローブ面を有する半導体プローブ素子と、
前記半導体プローブ素子の第２の端部に対して電気的に接続された電気コネクタと、
前記プローブ素子の少なくとも一部を囲む電気絶縁スリーブと、
前記半導体プローブ素子に結合された調整装置であって、前記プローブ面が前記プラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、前記半導体プローブ素子を調整する調整装置と、
前記電気絶縁スリーブを調整するためのスリーブ調整装置であって、前記電気絶縁スリーブは外縁を有し、前記スリーブ調整装置は、前記プローブ面と同一平面上に存在するように前記外縁を調整するスリーブ調整装置と、
前記電気コネクタに対して電気的に接続され、電流計を備えた検知用電子機器と
を備えるプラズマプローブ装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ面はシリコンであるプラズマプローブ装置。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載のプラズマプローブ装置であって、前記電気絶縁スリーブは石英であるプラズマプローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、基板製造技術に関し、特に、プラズマにおける１組の電気的特性を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板（例えば、半導体ウエハ、ＭＥＭＳ素子、または、平面ディスプレイの製造に用いるようなガラスパネルなど）の処理では、しばしば、プラズマが利用される。例えば、基板の処理（化学蒸着、プラズマ化学蒸着、物理蒸着、エッチングなど）の一部として、基板は、後にそれぞれが集積回路になる複数のダイすなわち長方形の領域に分割される。次いで、材料の選択的な除去（エッチング工程）や蒸着（蒸着工程）を含む一連の工程で、基板を処理して、基板上に電気構成要素を形成する。
【０００３】
プラズマ処理の一例では、基板は、エッチングの前に、硬化エマルジョンの薄膜（フォトレジストマスクなど）で被覆される。次いで、硬化エマルジョンの複数領域を選択的ｊに除去して、下層の複数部分を露出させる。次に、基板は、プラズマ処理チャンバ内で、単極または双極の電極を備える基板支持構造（いわゆる、チャック）上に配置される。次いで、適切なエッチャントソースガス（例えば、Ｃ4Ｆ8、Ｃ4Ｆ6、ＣＨＦ3、ＣＨ2Ｆ3、ＣＦ4、ＣＨ3Ｆ、Ｃ2Ｆ4、Ｎ2、Ｏ2、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｈ2、ＮＨ3、ＳＦ6、ＢＣｌ3、Ｃｌ2など）を、チャンバ内に送り込んで、基板の露出領域をエッチングするためのプラズマを形成する。
【０００４】
その後、多くの場合、プラズマ処理の結果が一貫するように、プラズマにおける電気的特性（すなわち、イオン飽和電流、電子温度、浮動電位など）を測定すると有利である。例としては、チャンバ調整処理の終点の検出、チャンバの照合（例えば、名目上は同一である複数のチャンバ間の差異の検出）、チャンバ内での不具合や問題の検出などが挙げられる。
【０００５】
以上の点から、プラズマにおける１組の電気的特性を測定するための装置が望まれている。
【発明の開示】
【０００６】
上述の目的を実現するために、本発明の目的に従って、プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置が提供されている。第１の端部にプローブ面を有する半導体プローブ素子が設けられる。電気コネクタが、半導体プローブ素子に対して電気的に接続される。電気絶縁スリーブが、プローブ素子の少なくとも一部を囲む。プローブ面がプラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、半導体プローブに、調整装置が結合されている。
【０００７】
本発明の別の態様では、プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置が提供されている。第１の端部に半導体プローブ面を有する半導体プローブ素子が設けられる。電気コネクタが、半導体プローブ素子の第２の端部に対して電気的に接続される。電気絶縁スリーブが、プローブ素子の少なくとも一部を囲む。調整装置が、半導体プローブ素子に結合されており、プローブ面がプラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、半導体プローブ素子を調整する。スリーブ調整装置が、電気絶縁スリーブを調整する。電気絶縁スリーブは外縁を有し、スリーブ調整装置は、プローブ面と同一平面上に存在するように外縁を調整する。電流計を備えた検知用電子機器が、電気コネクタに対して電気的に接続される。
【０００８】
添付の図面を参照しつつ行う本発明の詳細な説明において、本発明の上述の特徴およびその他の特徴を詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では、添付図面に例示されたいくつかの好ましい実施形態を参照して、本発明の詳しい説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも実施することが可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理工程および／または構造については、詳細な説明を省略した。
【００１０】
図１は、本発明のプラズマイオン流束（ＰＩＦ）プローブ１４０を用いた誘導結合プラズマ処理システムを示す略図である。一般に、ガス供給システム１２２から、プラズマチャンバ壁１１７を有するプラズマチャンバ１０２内へ、適切な組み合わせのガスが流されてよい。次いで、静電チャック１１６上に端リング１１５で位置決めされた基板１１４（半導体基板やガラス枠など）の露出領域を処理（例えば、エッチングまたは蒸着）するために、これらのプラズマ処理ガスは、インジェクタ１０９において、もしくは、その近くの領域で、イオン化されて、プラズマ１１０を形成してよい。
【００１１】
第１のＲＦ生成器１３４は、プラズマを生成しつつ、上側電極１０４によってプラズマ密度を制御し、第２のＲＦ生成器１３８は、ＤＣバイアスおよびイオン衝撃エネルギを制御するために一般的に用いられるバイアスＲＦを生成する。さらに、電源ＲＦ生成器１３４には整合回路網１３６ａが、バイアスＲＦ生成器１３８には整合回路網１３６ｂが接続されており、ＲＦ電源のインピーダンスをプラズマ１１０のインピーダンスに整合させる機能を奏する。また、プラズマチャンバ１０２から雰囲気を排出して、プラズマ１１０の維持、および／または、処理の副生成物の除去に必要な圧力を実現するために、バルブ１１２と１組のポンプ１１１とを備えた真空システム１１３が一般的に用いられる。
【００１２】
ＰＩＦプローブ１４０は、プローブ素子の表面がチャンバ壁１１７の内面と同一平面上に存在するように取り付けられる。ＰＩＦプローブ１４０には、検知用電子機器１４２が電気的に接続されている。
【００１３】
図２は、本発明のプラズマイオン流束（ＰＩＦ）プローブ２４０を用いた容量結合プラズマ処理システムを示す略図である。一般に、容量結合プラズマ処理システムは、１つのＲＦ電源または複数の別個のＲＦ電源を備えるよう構成されてよい。プラズマを生成して、容量結合によりプラズマ密度を制御するために、電源ＲＦ生成器２３４によって生成される電源ＲＦが一般に用いられる。ＤＣバイアスおよびイオン衝撃エネルギを制御するために、バイアスＲＦ生成器２３８によって生成されるバイアスＲＦが一般に用いられる。さらに、電源ＲＦ生成器２３４およびバイアスＲＦ生成器２３８には、整合回路網２３６が接続されており、ＲＦ電源のインピーダンスをプラズマ２２０のインピーダンスに整合させる機能を奏する。他の態様の容量リアクタは、複数のＲＦ電源と、上部電極２０９に接続された複数の整合回路網を備える。さらに、同様のＲＦおよび電極の構成を有するトリオードのような複数アノードシステムも有る。
【００１４】
一般に、上部電極２０９の流入口を通して、ガス供給システム２２２から、プラズマチャンバ壁２１７を有するプラズマチャンバ２０２内へ、適切な組み合わせのガスが流される。次いで、電極としても機能する静電チャック２１６上に端リング２１５で位置決めされた基板２１４（半導体基板やガラス枠など）の露出領域を処理（例えば、エッチングまたは蒸着）するために、これらのプラズマ処理ガスは、イオン化されて、プラズマ２２０を形成してよい。さらに、プラズマチャンバ２０２から雰囲気を排出して、プラズマ２２０の維持に必要な圧力を実現するために、バルブ２１２と１組のポンプ２１１とを備えた真空システム２１３が一般的に用いられる。
【００１５】
図３は、本発明の一実施形態のＰＩＦプローブ１４０を示す斜視図である。図４は、線分Ａ−Ａで切断した図３のＰＩＦプローブ１４０を示す断面図である。シリコンのプローブ素子３０４は、プラズマの検出に用いられるプローブ面３０８を、プローブ素子の第１の端部に有する。プローブ面３０８から離れたプローブ素子の第２の端部には、アルミニウムの電気コネクタ３１２が配置されている。プローブ素子３０４の第１の端部の周りには、電気絶縁スリーブ３１６が配置されている。プローブ素子３０４の第２の端部および電気コネクタ３１２の周りには、分割されたカバー３２０が配置されている。この実施形態では、分割カバー３２０は、Ｏ−リング３２４によって結合された第１の片側部分３２０ａおよび第２の片側部分３２０ｂを有する。
【００１６】
プローブ素子３０４は、広い第１の端部を有することで、広いプローブ面３０８を提供する。狭いネック部３１０が、プローブ素子３０４の第１の端部と、プローブ素子３０４の第２の端部３１４とをつないでいる。この実施形態では、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の背面は、金属化されることで、プローブ素子３０４とアルミニウムの電気コネクタ３１２との間の良好な電気的接触を提供している。
【００１７】
分割カバーの片側部分３２０ａおよび３２０ｂは、それぞれ、プローブ素子の第２の端部３１４に係合するための第１のリップ部３３２と、電気コネクタ３１２に係合するための第２のリップ部３３６とを有する。この実施形態では、第２のリップ部３３６は、図に示すように、斜めの角度で電気コネクタ３１２に係合して斜めの接触部を形成する斜面を有しており、この構成によって、Ｏ−リング３２４が、分割カバーの片側部分３２０ａおよび３２０ｂを互いに向かって圧迫した際に、電気コネクタ３１２が、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の金属化表面に向かって押しつけられ、良好な電気的接触が実現される。別の実施形態では、電気コネクタ３１２は、第２のリップ部と電気コネクタとの間で斜めの接触部を形成するための斜面を有する。別の実施形態では、プローブ素子の第２の端部３１４は、分割カバーのリップ部との間に斜めの接触部を形成する。
【００１８】
電気コネクタ３１２には、軸３５２が結合されている。軸３５２は、電気コネクタ３１２内にねじ込まれてよい。
【００１９】
この実施形態のプローブ素子３０４は、汚染の観点から、シリコンで形成される。プローブ素子は、エッチング中に他の物質源から得られる材料からなることが好ましい。さらに、プローブ素子は、半導体材料からなることが好ましい。この実施形態では、スリーブ３１６は、石英から形成される。カバー３２０は、フッ素ポリマの上に形成される。
【００２０】
プローブ１４０の組み立ての際には、プローブ素子３０４のネック部３１０の周りに、少なくとも１つのスペーサ３４０が配置される。プローブ素子の第２の端部３１４は、スリーブ３１６の開口部を通り抜ける。スリーブによって形成されたリップ部３３８が、スペーサ３４０と係合する。スペーサ３４０は、リップ部がスペーサ３４０に当たった時にスリーブ３１６の外縁がプローブ面３０８とほぼ同一面に存在するように、追加または除去される。石英のスリーブは、シリコンのプローブ素子３０４よりも速く腐食すると思われるため、スリーブ３１６が速く腐食した場合に、スペーサを除去して、プローブ面とスリーブ３１６の外縁とのほぼ同一面の配置を維持できるように、最初に、複数のスペーサを設けることが好ましい。
【００２１】
電気コネクタ３１２は、プローブ素子３０４の第２の端部３１４に接触するよう配置される。分割されたカバー３２０は、プローブ素子３０４の第２の端部３１４および電気コネクタ３１２の周りに配置される。Ｏ−リング３２４が、分割カバー３２０の周りに配置されて、分割カバー３２０を圧迫することで、分割カバー３２０が、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の金属化表面に向かって電気コネクタ３１２を押し付けて、良好な電気接触を実現する。このように、プローブ１４０が形成される。プローブ２４０は、軸３５２を挿入するプローブ開口部の中へ向かって、チャンバの内側から設置されてよい。軸３５２は、電気コネクタ３１２の穴に挿入されてよく、その場合、軸３５２は、その穴と適合するネジ山を有する。軸３５２は、プローブ１４０に対して、電気的な接触と機械的な支持との両方を提供する。
【００２２】
軸３５２により、プローブ１４０の取り付けが容易になる。軸３５２は、調節可能であり、すなわち、プローブ面３０８と、スリーブ３１６の外縁とが、チャンバ表面とほぼ同一平面上に配置されるように、プローブの調整を行うことを可能にする。
【００２３】
プローブ面３０８と、スリーブ３１６の外縁とは、チャンバの表面と同一平面上に配置されることが好ましい。石英からなるスリーブ３１６の外縁と、プローブ面３０８と、上側電極１０４とは、異なる材料で形成されてよいため、摩耗や腐食の速さが異なる場合があり、それによって、プローブ面３０８またはスリーブ３１６の外縁が、チャンバの表面と同一平面上に存在しないようになる。
【００２４】
図５は、チャンバ壁１１７およびプローブ１４０を示す拡大断面図である。軸３５２は、プローブ１４０から伸びて、軸保持部３６０の第１の端部に結合される。軸保持部の第２の端部は、電気的な真空フィードスルー３６４の第１の端部に結合される。フィードスルー３６６の接地部分は、チャンバ壁１１７の背面に固定される。フィードスルー３６４と軸保持部３６０との間のバネ３６８は、チャンバ壁１１７と軸保持部３６０との間の良好な熱的接触に必要な力を維持する。軸保持部３６０は、電気絶縁性と熱伝導性とを備える材料３６２によって、チャンバ壁１１７から電気的に絶縁されている。かかる材料の例としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、および、これらのセラミクスで満たしたポリマが挙げられるが、それらに限定されない。
【００２５】
動作の際には、ネジ回しやレンチなどの工具を用いて、プローブ軸３５２がねじ込まれた軸保持部３６０を回転させてよい。この動作は、電気的なフィードスルー３６４を取り外して行われる。軸保持部３６０の回転に応じて、プローブ軸３５２およびプローブ１４０は、軸保持部３６０およびチャンバ壁１１７の背面に向かうよう、もしくは、それらから離れるよう摺動されるため、チャンバ壁１１７の内面に対してプローブ面３０８を調整することが可能になる。
【００２６】
プローブとスリーブとを独立して調整できることにより、容易に調整可能なように、プローブをチャンバの内部に取り付けることができる。石英のスリーブ３１６がプローブ素子３０４よりも速く腐食する場合、石英のスリーブ３１６が大幅に腐食した際には、石英のスリーブ３１６がプローブ面３０８とほぼ同一平面上になるように、スペーサ３４０を取り外してよい。
【００２７】
動作中に、プローブ１４０は、プローブ面における電流を測定することにより、プラズマを測定する。電流は、プローブ面からプローブ素子を通って電気コネクタに流れ、さらに、支持軸および検知用電子機器に流れる。したがって、検知用電子機器は、電流計など、電流を測定および記録するための装置を備える。プラズマによって、スリーブの外縁とプローブ素子のプローブ面とのエッチングが引き起こされる。外縁に対するエッチングの方が速く、外縁がプローブ面よりも深くエッチングされた場合には、外縁がプローブ面とほぼ同一面上になるように、プローブを取り外して、プローブからスペーサを除去する。その後、エッチングを再開してもよい。
【００２８】
別の実施形態では、チャンバ表面と同一平面上になるようにプローブ面を調整するために、プローブに対して軸をさらにねじ込むことを可能にする構成など、別のプローブ調整機構を用いてもよい。かかるプローブ調整機構は、軸に結合されることが好ましいが、他の装置を介して実施されてもよい。スペーサは、スリーブの外縁とプローブ面とが、異なる速さで腐食する際に、スリーブの外縁をプローブ面と同一平面上に維持することを可能にする。別の実施形態では、スリーブの外縁がプローブ面と同一平面上に維持されるよう調整するために、別のスリーブ調整機構を用いてもよい。かかるスリーブ調整機構は、プローブとスリーブとの間に配置されることが好ましい。
【００２９】
図６は、本発明の別の実施形態のプローブ６４０を示す断面図である。プローブ６４０は、プローブ面６０８を有するプローブ素子６０４を備える。金網バネおよびエラストマ接着ボンドが、プローブ素子６０４の第２の端部を電気コネクタ６１２に、電気的かつ機械的に接続している。電気コネクタ６１２には、支持軸６５２が結合されている。電気絶縁スリーブ６１６が、プローブ素子６０４および電気コネクタ６１２を取り囲んでいる。別の実施形態では、プローブ素子６０４は、ろう付けによって電気コネクタに接着されてもよい。
【００３０】
以上、いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、本発明の範囲内で、様々な代替物、置換物、および等価物が存在する。また、本発明の方法および装置を実施する他の態様が数多く存在することにも注意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる代替物、置換物、および等価物の全てを網羅するものとして解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】プラズマプローブを利用する処理チャンバを示す説明図である。
【図２】プラズマプローブを利用する別の処理チャンバを示す説明図である。
【図３】プラズマプローブを示す斜視図である。
【図４】線分Ａ−Ａで切断した図３のプラズマプローブを示す断面図である。
【図５】チャンバ壁およびプローブを示す拡大断面図である。
【図６】別のプラズマプローブを示す断面図である。
【図１】
2007294419.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
ADJUSTABLE HEIGHT PIF PROBE
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]     The present invention relates in general to substrate manufacturing technologies and in particular to an apparatus for measuring a set of electrical characteristics in a plasma.
[0002]     In the processing of a substrate, e.g., a semiconductor wafer, MEMS device, or a glass panel such as one used in flat panel display manufacturing, plasma is often employed. As part of the processing of a substrate (chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, physical vapor deposition, etch, etc.) for example, the substrate is divided into a plurality of dies, or rectangular areas, each of which will become an integrated circuit. The substrate is then processed in a series of steps in which materials are selectively removed (etching) and deposited (deposition) in order to form electrical components thereon.
[0003]     In an exemplary plasma process, a substrate is coated with a thin film of hardened emulsion (such as a photoresist mask) prior to etching. Areas of the hardened emulsion are then selectively removed, causing parts of the underlying layer to become exposed. The substrate is then placed in a plasma processing chamber on a substrate support structure comprising a mono-polar or bi-polar electrode, called a chuck. Appropriate etchant source gases (e.g., C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, CH3F, C2F4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6, BCl3, Cl2, etc.) are then flowed into the chamber and struck to form a plasma to etch exposed areas of the substrate.
[0004]     Subsequently, it is often beneficial to measure the electrical characteristics in a plasma (i.e., ion saturation current, electron temperature, floating potential, etc.) in order to ensure consistent plasma processing results. Examples may include detecting the endpoint of a chamber conditioning process, chamber matching (e.g., looking for differences between chambers which should nominally be identical), detecting faults and problems in the chamber, etc.
[0005]     In view of the foregoing, there are desired apparatus for measuring a set of electrical characteristics in a plasma.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0006]     To achieve the foregoing and in accordance with the purpose of the present invention, a plasma probe assembly for use in a plasma processing chamber is provided.  A semiconductor probe element with a probe surface at a first end of the semiconductor probe element is provided.  An electrical connector is electrically connected to the semiconductor probe element.  An electrically insulating sleeve surrounds at least part of the probe element.  An adjustment device is connected to the semiconductor probe so that the probe surface is coplanar with an interior chamber surface of the plasma processing chamber.
[0007]     In another manifestation of the invention, a plasma probe assembly for use in a plasma processing chamber is provided.  A semiconductor probe element with a semiconductor probe surface at a first end of the semiconductor probe element is provided.  An electrical connector is electrically connected to a second end of the semiconductor probe element.  An electrically insulating sleeve surrounds at least part of the probe element.  An adjustment device is connected to the semiconductor probe element to adjust the semiconductor probe element so that the probe surface is coplanar with an interior chamber surface of the plasma processing chamber.  A sleeve adjustment device adjusts the electrical insulating sleeve, wherein the electrically insulating sleeve has an external edge and the sleeve adjustment device adjusts the external edge to be coplanar to the probe surface.  Sensing electronics is electrically connected to the electrical connector, wherein the sensing electronics comprises an ammeter.
[0008]     These and other features of the present invention will be described in more detail below in the detailed description of the invention and in conjunction with the following figures.
[0009]     The present invention is illustrated by way of example, and not by way of limitation, in the figures of the accompanying drawings and in which like reference numerals refer to similar elements.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0010]     The present invention will now be described in detail with reference to a few preferred embodiments thereof as illustrated in the accompanying drawings.  In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention.  It will be apparent, however, to one skilled in the art, that the present invention may be practiced without some or all of these specific details.  In other instances, well known process steps and/or structures have not been described in detail in order to not unnecessarily obscure the present invention.
[0011]     FIG. 1 is a simplified diagram of an inductively coupled plasma processing system in which the inventive plasma ion flux (PIF) probe 140 is used.  Generally, an appropriate set of gases may be flowed from gas distribution system 122 into plasma chamber 102 having plasma chamber walls 117. These plasma processing gases may be subsequently ionized at or in a region near injector 109 to form a plasma 110 in order to process (e.g., etch or deposit) exposed areas of substrate 114, such as a semiconductor substrate or a glass pane, positioned with edge ring 115 on an electrostatic chuck 116.
[0012]     A first RF generator 134 generates the plasma as well as controls the plasma density through an upper electrode 104, while a second RF generator 138 generates bias RF, commonly used to control the DC bias and the ion bombardment energy.  Further coupled to source RF generator 134 is matching network 136a, and to bias RF generator 138 is matching network 136b, that attempt to match the impedances of the RF power sources to that of plasma 110. Furthermore, vacuum system 113, including a valve 112 and a set of pumps 111, is commonly used to evacuate the ambient atmosphere from plasma chamber 102 in order to achieve the required pressure to sustain plasma 110 and/or to remove process byproducts.
[0013]     The PIF probe 140 is mounted so that a surface of a probe element is coplanar with the interior of the chamber walls 117.  Sensing electronics 142 are electrically connected to the PIF probe 140.
[0014]     FIG. 2 is a simplified diagram of a capacitively coupled plasma processing system in which the inventive plasma ion flux (PIF) probe 240 is used.  Generally, capacitively coupled plasma processing systems may be configured with a single or with multiple separate RF power sources. Source RF, generated by source RF generator 234, is commonly used to generate the plasma as well as control the plasma density via capacitively coupling. Bias RF, generated by bias RF generator 238, is commonly used to control the DC bias and the ion bombardment energy. Further coupled to source RF generator 234 and bias RF generator 238 is matching network 236, which attempts to match the impedance of the RF power sources to that of plasma 220. Other forms of capacitive reactors have the RF power sources and match networks connected to a top electrode 209. In addition, there are multi-anode systems such as a triode that also follow similar RF and electrode arrangements.
[0015]     Generally, an appropriate set of gases is flowed through an inlet in the top electrode 209 from gas distribution system 222 into plasma chamber 202 having plasma chamber walls 217. These plasma processing gases may be subsequently ionized to form a plasma 220, in order to process (e.g., etch or deposit) exposed areas of substrate 214, such as a semiconductor substrate or a glass pane, positioned with edge ring 215 on an electrostatic chuck 216, which also serves as an electrode. Furthermore, vacuum system 213, including a valve 212 and a set of pumps 211, is commonly used to evacuate the ambient atmosphere from plasma chamber 202 in order to achieve the required pressure to sustain plasma 220.
[0016]     FIG. 3 is a perspective view of a PIF probe 140 provided by an embodiment of the invention.  FIG. 4 is a cross sectional view of the PIF probe 140 of FIG. 3 along cut lines A-A.  A silicon probe element 304 provides a probe surface 308 at a first end of the probe element, which is a surface used for plasma detection.  An aluminum electrical connector 312 is placed at a second end of the probe element away from the probe surface 308.  An electrically insulative sleeve 316 is placed around the first end of the probe element 304.  A segmented cover 320 is placed around the second end of the probe element 304 and the electrical connector 312.  In this embodiment, the segmented cover 320 has a first half 320a and a second half 320b that are held together by an O-ring 324.
[0017]     The probe element 304 has a wide first end to provide a wide probe surface 308.  A narrower neck 310 connects the first end of the probe element 304 to the second end 314 of the probe element 304.  In this embodiment, the back surface of the second end 314 of the probe element 304 is metalized to provide a good electrical contact between the probe element 304 and the aluminum electrical connector 312.
[0018]     Each of the segment cover halves 320a,b have a first lip 332 for engaging with the second end 314 of the probe element and a second lip 336 for engaging with the electrical connector 312.  In this embodiment, the second lip 336 has a beveled surface that engages with the electrical connector 312 at an oblique angle to form an oblique connection, as shown, so that the electrical connector 312 is pressed against the metalized surface of the second end 314 of the probe element 304 as the O-ring 324 presses the segmented cover halves 320a,b together to provide a good electrical contact.  In other embodiments, the electrical connector 312 has a beveled surface to create the oblique connection between the second lip and the electrical connector.  In other embodiments, the second end 314 of the probe element has an oblique connection with a lip of the segmented cover.
[0019]     A shaft 352 is connected to the electrical connector 312.  The shaft 352 may screw into the electrical connector 312.
[0020]     The probe element 304 in this embodiment is made of silicon for contamination purposes.  Preferably, the probe element is of a material that would be available from other sources during the etch.  In addition, it is preferable that the probe element is made of a semiconductor material.  In this embodiment, the sleeve 316 is made of quartz.  The cover 320 is made over a fluoropolymer.
[0021]     In assembling the probe 140, at least one spacer 340 is placed around the neck 310 of the probe element 304.  The second end 314 of the probe element passes through an aperture with the sleeve 316.  A lip 338 formed by the sleeve engages with the spacer 340.  The spacers 340 are added or removed until an external edge of the sleeve 316 is about even with the probe surface 308, when the lip is against the spacers 340.  It is believed that the quartz sleeve will erode faster than the silicon probe element 304, so initially spacers are desired, so as the sleeve 316 erodes faster spacers may be removed to keep the probe surface about even with the external edge of the sleeve 316.
[0022]     The electrical connector 312 is placed against the second end 314 of the probe element 304.  The segmented cover 320 is placed around the second end 314 of the probe element 304 and the electrical connector 312.  O-ring 324 is placed around the segmented cover 320, compressing the segmented cover 320 together, which pushes the electrical connector 312 against the metalized surface of the second end 314 of the probe element 304 to provide a good electrical contact, thus forming the probe 140.  The probe 240 may be placed from the inside of the chamber into a probe aperture into which the shaft 352 extends.  The shaft 352 may be inserted into a hole in the electrical connector 312, where the shaft 352 and the hole have matching threads.  The shaft 352 provides both an electrical contact and mechanical support for the probe 140.
[0023]     The shaft 352 allows for easy mounting of the probe 140.  The shaft 352 may be adjusted or allows adjustment of the probe so that the probe surface 308 and the external edge of the sleeve 316 are substantially coplanar with the chamber surface.
[0024]     Preferably, the probe surface 308 and the external edge of the sleeve 316 are coplanar to the surface of the chamber.  The quartz external edge of the sleeve 316, the probe surface 308, and the upper electrode 104, may be made of different materials, and therefore may wear out or erode at different rates, causing the probe surface 308 or the external edge of the sleeve 316 to not be coplanar with the surface of the chamber.
[0025]     FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a chamber wall 117 and a probe 140.  The shaft 352 extends from the probe 140 and is connected to a first end of a shaft holder 360.  A second end of the shaft holder is connected to a first end of an electrical vacuum feed through 364.  The grounded part of the feed through 366 is secured the backside of the chamber wall 117.  A spring 368 between the feed through 364 and the shaft holder 360 maintains the force required for good thermal contact between the chamber wall 117 and the shaft holder 360.  The shaft holder 360 is electrically insulated from the chamber wall 117 by an electrically insulating and thermally conducting material 362.  Such materials include, but are not limited to, aluminum nitride, aluminum oxide, silicon nitride, boron nitride, and polymers filled with these ceramics.
[0026]     In operation, a screwdriver, wrench, or other drive device may be used to rotate the shaft holder 360 which is threaded onto the probe shaft 352.  This operation is done with the electrical feed through 364 removed.  Depending on the rotation of the shaft holder 360, the probe shaft 352 and probe 140 are slid either towards or away from the shaft holder 360 and the back side of the chamber wall 117, allowing the probe surface 308 to be adjusted with respect to the inner surface of the chamber wall 117.
[0027]     The ability to adjust the probe and sleeve independently allows the probe to be mounted inside the chamber for easier adjustability.  If the quartz sleeve 316 is eroded faster than the probe element 304, after significant erosion of the quartz sleeve 316, a spacer 340 may be removed so that the external edge of the quartz sleeve 316 is about coplanar with the probe surface 308.
[0028]     In operation, the probe 140 measures the plasma by measuring the current at the probe surface.  The current may flow from the probe surface through the probe element to the electrical connector and then to the support shaft to the sensing electronics.  Therefore, the sensing electronics comprises a device for measuring and recording current, such as an ammeter.  The plasma causes etching of the external edge of the sleeve and the probe surface of the probe element.  If the external edge is etched faster, so that the external edge is etched further than the probe surface, the probe is removed and then a spacer is removed from the probe until the external edge is about coplanar with the probe surface.  The etching may then be continued.
[0029]     Other probe adjustment mechanisms may be used in other embodiments to adjust the surface of the probe to be coplanar to the chamber surface, such as allowing the probe to be screwed further onto the shaft.  Such probe adjustment mechanisms are preferably connected to the shaft, but may be performed through other devices.  The spacers allow the external edge of the sleeve to be kept coplanar with the surface of the probe as the external edge of the sleeve and the surface of the probe erode at different speeds.  Other sleeve adjustment mechanisms may be used in other embodiments to adjust the external edge of the sleeve to be kept coplanar with the surface of the probe.  Such sleeve adjustment mechanisms are preferably disposed between the probe and the sleeve.
[0030]     FIG. 6 is a cross-sectional view of a probe 640 provided by another embodiment of the invention.  The probe 640 comprises a probe element 604 with a probe surface 608.  A wire mesh spring and an elastomer adhesive bond 620 electrically and mechanically connect a second end of the probe element 604 to an electrical connector 612.  A support shaft 652 is connected to the electrical connector 612.  An electrically insulative sleeve 616 surrounds the probe element 604 and the electrical connector 612.  In an alternative embodiment, probe element 604 can be bonded to electrical connector 612 by brazing.
[0031]     While this invention has been described in terms of several preferred embodiments, there are alterations, permutations, and various substitute equivalents, which fall within the scope of this invention.  It should also be noted that there are many alternative ways of implementing the methods and apparatuses of the present invention.  It is therefore intended that the following appended claims be interpreted as including all such alterations, permutations, and various substitute equivalents as fall within the true spirit and scope of the present invention.
3. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0032]
FIG. 1 is a schematic view of a process chamber that uses a plasma probe.
FIG. 2 is a schematic view of another process chamber that uses a plasma probe.
FIG. 3 is a perspective view of a plasma probe.
FIG. 4 is a cross-sectional of the plasma probe of FIG. 3 along cut lines A-A.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a chamber wall and a probe.
FIG. 6 is a cross-sectional view of another plasma probe.
1.  A plasma probe assembly for use in a plasma processing chamber, comprising:
a probe element with a probe surface at a first end of the probe element;
an electrical connector electrically connected to the probe element;
an electrically insulating sleeve surrounding at least part of the probe element; and
an adjustment device connected to the probe element to adjust the probe element so that the probe surface is coplanar with an interior chamber surface of the plasma processing chamber.
2.  The plasma probe assembly, as recited in claim 1, further comprising a sleeve adjustment device for adjusting the electrical insulating sleeve, wherein the electrically insulating sleeve has an external edge and the sleeve adjustment device adjusts the external edge to be coplanar to the probe surface.
3.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-2, wherein the probe element is a semiconductor probe element, wherein the probe surface is a semiconductor probe surface.
4.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 2-3, wherein the sleeve adjustment device comprises at least one removable spacer placed between the electrically insulating sleeve and the semiconductor probe element.
5.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-4, further comprising:
a segmented cover surrounding the electrical connector and at least part of the probe element; and
at least one O-ring surrounding the segmented cover.
6.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-5, further comprising a support shaft wherein the adjustment device is mechanically connected to the support shaft and moves the support shaft during adjustment.
7.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-6, wherein the probe element comprises:
a first end with the probe surface;
a second end spaced apart from the first end; and
a neck portion extending between the first end and the second end, wherein the neck portion has a cross-section that is smaller than a cross-section of the first end and a cross-section of the second end.
8.  The plasma probe assembly, as recited in claim 7, wherein the insulating sleeve further comprises a lip, which forms an aperture through which the second end and the neck of the probe element are able to pass, but through which the first end of the probe element is not able to pass and wherein the at least one removable spacer is placed between the lip and a side of the first end of the probe element opposite from the probe surface.
9.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 7-8, wherein the segmented cover, comprises:
a first lip that engages with the second end of the probe element; and
a second lip that engages with the electrical connector, wherein the first lip and second lip force the second end of the probe element against the electrical connector.
10.  The plasma probe assembly, as recited in claim 9, wherein the second lip has a surface with an oblique connection with the electrical conductor to force the second end of the probe element against the electrical connector.
11.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 9-10, wherein the first lip has a surface with an oblique connection with the electrical conductor to force the second end of the probe element against the electrical connector.
12.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-11, further comprising a wire mesh spring and elastomer adhesive electrically connecting the second end of the probe element to the electrical connector.
13.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-11, further comprising a wire brazed to the probe element and brazed to the electrical connector.
14.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-13, wherein the probe surface is silicon.
15.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-14, further comprising sensing electronics electrically connected to the electrical connector, wherein the sensing electronics comprises an ammeter.
16.  The plasma probe assembly, as recited in any of claims 1-15, wherein the electrically insulating sleeve is quartz.
17.  A plasma probe assembly for use in a plasma processing chamber, comprising:
a semiconductor probe element with a semiconductor probe surface at a first end of the semiconductor probe element;
an electrical connector electrically connected to a second end of the semiconductor probe element;
an electrically insulating sleeve surrounding at least part of the probe element; 
an adjustment device connected to the semiconductor probe element to adjust the semiconductor probe element so that the probe surface is coplanar with an interior chamber surface of the plasma processing chamber;
a sleeve adjustment device for adjusting the electrical insulating sleeve, wherein the electrically insulating sleeve has an external edge and the sleeve adjustment device adjusts the external edge to be coplanar to the probe surface; and
sensing electronics electrically connected to the electrical connector, wherein the sensing electronics comprises an ammeter.
18.  The plasma probe, as recited in claim 17, wherein the probe surface is silicon.
19.  The plasma probe, as recited in any of claims 17-18, wherein the electrically insulating sleeve is quartz.
1. ABSTRACT
A plasma probe assembly for use in a plasma processing chamber is provided.  A semiconductor probe element with a probe surface at a first end of the semiconductor probe element is provided.  An electrical connector is electrically connected to the semiconductor probe element.  An electrically insulating sleeve surrounds at least part of the probe element.  An adjustment device is connected to the semiconductor probe so that the probe surface is coplanar with an interior chamber surface of the plasma processing chamber.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig.4
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