离子能量分析仪、在该离子能量分析仪中发电信号的方法及制造和操作该离子能量分析仪的方法

摘要

一种离子能量分析仪（74，122，174），用于确定等离子体（66）的离子能量分布，并且包括进入栅网（80，126，160）、选择栅网（82，134，134’）和离子收集器（84，136，136’）。进入栅网（80，126，160）包括尺寸小于等离子体（66）的德拜长度的第一多个开口。离子收集器（84，136，136’）经由第一电压源（182）耦合到进入栅网（80，126，160）。选择栅网（82，134，134’）位于进入栅网（80，126，160）与离子收集器（84，136，136’）之间并且经由第二电压源（180）耦合到进入栅网（80，126，160）。离子电流计（106）耦合到离子收集器（84，136，136’），以测量离子收集器（84，136，136’）上的离子通量并传送与该离子通量相关的信号。

说明书

本申请要求2011年3月28日提交的共同未决美国临时专利申请第 61/468,187号的优先权，其全部公开内容在此通过引用而合并于本申请 中。本申请与以下申请相关：标题为ION ENERGY ANALYZER、序列 号（代理机构号为TEA-51US1）的共同未决美国申请；标题为METHODS  OF ELECTRICAL SIGNALING IN AN ION ENERGY ANALYZER、序 列号（代理机构号为TEA-84）的美国申请；以及标题为ION ENERGY  ANALYZER AND METHODS OF MANUFACTURING THE SAME、序 列号（代理机构号为TEA-85）的美国申请。这些相关的共同未决申请是 与本申请在同一日期提交的并且每个的全部公开内容均通过引用合并于 本申请中。本申请还与2010年8月17日发布的共同转让美国专利第 7,777,179号以及2011年1月25日发布的美国专利第7,875,859号相关， 它们的全部公开内容在此也通过引用合并于本申请中。

技术领域

本发明一般涉及离子能量分析，更具体地，涉及用于测量等离子体处 理系统内的离子能量分布的离子能量分析仪、包括制造和使用该离子能量 分析仪的方法。

背景技术

等离子体或者更一般地放电已在包括材料处理的多种工业应用中得 到广泛使用。例如，在半导体处理期间，通常利用等离子体来辅助蚀刻处 理以有利于沿着在半导体基底上图案化的细线或者在过孔（或接触部）内 对材料进行各向异性去除。这样的等离子体辅助蚀刻的示例包括反应离子 蚀刻（“RIE”），其实质上是离子激活化学蚀刻处理。

在等离子体处理期间，离子能量以及更具体地离子能量分布（“IED”） 是对基底处的反应处理的结果具有强影响的处理参数。例如，当对半导体 装置执行蚀刻处理时，离子能量影响蚀刻选择性、蚀刻速率均匀性、侧壁 轮廓、残留控制等。由于该处理参数的重要性，在等离子体处理系统内的 特定位置处的离子能量及其分布的测量对于表征等离子体的有效性是重 要的。

一般地，通过将栅网（grid）和离子收集器浸入离子束内来测量IED。 栅网的电势发生变化以使得该束中的仅具有足以克服偏置栅网强加的势 垒的能量的离子将通过栅网并撞击离子收集器。通过收集和测量作为栅网 上的电势的离子电流，可获取IED的积分形式。该积分的微分得到IED。

尽管几十年来已使用多种离子能量分析仪（“IEA”）广泛地在等离子 体处理中测量IED，但是仍需要改进。例如，大部分公知的常规分析仪使 得处理等离子体受到如下程度的干扰：测量不再是对基底进行处理时主要 的条件的特性，不能以高电势工作，和/或呈现出由于分析仪内的二次电 子发射而导致的显著噪声。

尽管已做出了许多尝试来解决这些不足，但是仍需要对这些和其它问 题的改进、新颖且实际的解决方案。

发明内容

本发明克服了现有技术的离子能量分析仪的上述问题以及其它不足 和缺点。尽管将结合特定实施例来描述本发明，但是应理解，本发明不限 于这些实施例。相反地，本发明包括可包括在本发明的范围内的所有替选、 修改和等同方案。

根据本发明的一个实施例，一种用于确定等离子体的离子能量分布的 离子能量分析仪包括进入栅网、选择栅网和离子收集器。进入栅网形成离 子能量分析仪的第一表面并且被定位成暴露于等离子体。进入栅网包括第 一多个开口，所述第一多个开口的尺寸小于等离子体的德拜（Debye）长 度。离子收集器形成离子能量分析仪的第二表面并且经由第一电压源工作 上耦合到进入栅网。选择栅网位于进入栅网与离子收集器之间并且经由第 二电压源工作上耦合到进入栅网。离子电流计工作上耦合到离子收集器并 且被配置成测量离子收集器上的离子通量以及传送表示所测量的离子通 量的信号。

根据本发明的另一实施例，诊断晶片包括具有等离子体暴露表面的基 底。凹入部分延伸到等离子体暴露表面中，并且被配置成收纳离子能量分 析仪，以使得进入栅网与基底的等离子体暴露表面是同延的。

本发明的又一实施例涉及一种包括基底和离子能量分析仪的诊断晶 片。基底包括等离子体暴露表面，该等离子体暴露表面包括离子能量分析 仪的进入栅网。

本发明的另一实施例涉及一种离子能量分析仪。离子能量分析仪用于 确定等离子体的离子能量分布，其包括进入栅网、选择栅网和离子收集器。 进入栅网形成离子能量分析仪的第一表面并且被定位成暴露于等离子体。 进入栅网包括第一多个开口，所述第一多个开口的尺寸小于等离子体的德 拜长度。离子收集器形成离子能量分析仪的第二表面。电压源工作上耦合 到离子收集器，并且被配置成相对于进入栅网而选择性地并可变地对离子 收集器进行偏置。离子电流计工作上耦合到离子收集器，并且被配置成测 量离子收集器上的离子通量并且传送表示所测量的离子通量的信号。

根据本发明的另一实施例，一种诊断晶片包括具有等离子体暴露表面 的基底。凹入部分延伸到等离子体暴露表面中，并且被配置成收纳离子能 量分析仪，以使得进入栅网与基底的等离子体暴露表面是同延的。

本发明的又一实施例涉及一种包括基底和离子能量分析仪的诊断晶 片。基底包括等离子体暴露表面，该等离子体暴露表面包括离子能量分析 仪的进入栅网。

本发明的又一实施例包括一种用于确定等离子体的离子能量分布的 离子能量分析仪。离子能量分析仪包括进入栅网、选择栅网和离子收集器。 进入栅网形成离子能量分析仪的第一表面并且被定位成暴露于等离子体。 进入栅网包括第一多个开口，所述第一多个开口的尺寸小于等离子体的德 拜长度。离子收集器形成离子能量分析仪的第二表面，并且选择栅网位于 进入栅网与离子收集器之间。第一绝缘体被配置成将进入栅网与选择栅网 电隔离，并且第二绝缘体被配置成将选择栅网与离子收集器电隔离。离子 电流计工作上耦合到离子收集器并且被配置成测量离子收集器上的离子 通量并传送表示所测量的离子通量的信号。

根据本发明的另一实施例，一种诊断晶片包括具有等离子体暴露表面 的基底。凹入部分延伸到等离子体暴露表面中，并且被配置成收纳离子能 量分析仪，以使得进入栅网与基底的等离子体保留表面是同延的。

本发明的又一实施例涉及一种包括基底和离子能量分析仪的诊断晶 片。基底包括等离子体暴露表面，该等离子体暴露表面包括离子能量分析 仪的进入栅网。

本发明的一个实施例涉及一种利用离子能量分析仪生成信号的方法， 该离子能量分析仪具有工作上耦合到选择栅网的电压源。该方法包括：相 对于进入栅网选择性地且可变地对选择栅网进行偏置。

根据本发明的一个实施例，一种生成表示包括多个离子的等离子体的 离子能量分布的信号的方法包括：在第一栅网与等离子体之间并且关于第 一栅网和等离子体施加势垒。势垒将多个离子中的通过第一栅网的离子限 制为具有足以克服势垒的能量的离子。关于第一栅网选择性地且可变地对 第二栅网进行偏置。选择性的且可变的偏置进一步限制多个离子中的通过 第二栅网的离子。测量通过第二栅网的离子通量。

根据本发明的另一实施例，一种生成表示包括多个离子的等离子体的 离子能量分布的信号的方法包括：在进入栅网与等离子体之间并且关于进 入栅网和等离子体施加势垒。势垒将多个等离子中的通过进入栅网的离子 限制为具有足以克服势垒的能量的离子。关于进入栅网选择性地且可变地 对选择栅网进行偏置。选择性的且可变的偏置进一步限制多个离子中的通 过选择栅网的离子。在离子收集器处接收通过选择栅网的离子通量并且利 用离子电流计对其进行测量。然后传送表示所测量的离子通量的信号。

本发明的又一实施例涉及一种离子能量分析仪和制造该离子能量分 析仪的过程。方法包括：对第一基底进行处理，以形成具有第一沟道和第 一多个开口的进入栅网，所述第一多个开口延伸通过该进入栅网。对第二 基底进行处理，以形成其中具有第二沟道和第二多个开口的选择栅网，所 述第二多个开口延伸通过该选择栅网。对第三基底进行处理，以形成其中 具有第三沟道的离子收集器。将进入栅网工作上耦合到选择栅网以及与选 择栅网电隔离，选择栅网进而工作上耦合到离子收集器以及与离子收集器 电隔离。

本发明的又一实施例涉及一种离子能量分析仪和其中形成至少一个 电连接的过程。该过程包括施加第一铂-玻璃熔块（platinum-glass frit） 以及烧结第一铂-玻璃熔块以形成接触衬垫。将导体和第二铂-玻璃熔块施 加到接触衬垫并且进行烧结，以将导体接合到接触衬垫。

根据本发明的另一实施例，提供了在离子能量分析仪内形成至少一个 电连接的方法。该方法包括施加第一铂-玻璃熔块以及烧结第一铂-玻璃熔 块以形成接触衬垫。将导体和第二铂-玻璃熔块施加到接触衬垫并且进行 烧结，以将导体接合到接触衬垫。

本发明的另一实施例包括一种制造离子能量分析仪的方法，该方法包 括：对第一基底进行处理，以形成具有第一沟道和第一多个开口的进入栅 网，所述第一多个开口延伸通过该进入栅网。对第二基底进行处理，以形 成其中具有第二沟道和第二多个开口的选择栅网，所述第二多个开口延伸 通过该选择栅网。对第三基底进行处理，以形成其中具有第三沟道的离子 收集器。将进入栅网工作上耦合到选择栅网以及与选择栅网电隔离，选择 栅网进而工作上耦合到离子收集器以及与离子收集器电隔离。

根据本发明的另一实施例，一种形成诊断晶片的方法包括将凹入部分 蚀刻到介电基底的等离子体暴露表面中。然后将离子能量分析仪定位在凹 入部分内，以使得进入栅网与基底的等离子体暴露表面是同延的。

根据本发明的另一实施例的另一种形成诊断晶片的方法，包括离子能 量分析仪。诊断晶片的等离子体暴露表面是第一基底。

本发明的另一实施例包括用于对从离子能量分析仪传递到离子能量 分析仪控制器的高频信号进行滤波的RC电路。离子能量分析仪用于确定 处理室内的等离子体的离子能量分布。RC电路包括分别工作上耦合到离 子能量分析仪的进入栅网和选择栅网的第一滤波器和第二滤波器。第一滤 波器和第二滤波器包括具有氧化钌的低通滤波器或带通滤波器。

附图说明

并入本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的 实施例，并且连同以上给出的本发明的一般描述和以下给出的实施例的详 细描述一起用于说明本发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的等离子体处理系统的示意横截面 表示。

图2是根据本发明的一个实施例的、用在图1的等离子体处理系统中 并且包括离子能量分析仪（“IEA”）的诊断晶片的示意性顶视图表示。

图3是图2的IEA的透视图。

图4是图2的IEA的示意性横截面视图。

图5A是表示充电之前的图4的IEA的环绕的5A的图。

图5B是与图5A类似的、表示充电之后的IEA的图。

图6是根据波形而工作的并且具有所描绘的离子轨迹的图2的IEA 的选择栅网的示意性表示。

图7是示出根据本发明的一个实施例的操作图2的IEA的方法的流 程图。

图8是根据本发明的另一实施例的IEA的透视图。

图9是图8所示的IEA的分解透视图。

图10是根据本发明的另一实施例的IEA的透视图。

图11是根据本发明的一个实施例的、具有被配置成对三层IEA的实 施例进行供电的IEA控制器的IEA的示意性表示。

图12是根据本发明的一个实施例的、具有被配置成对三层IEA的实 施例进行供电的IEA控制器的IEA的示意性表示。

图13是根据本发明的某些实施例的、被配置成对其上具有多个三层 IEA并且共享共同的扫描栅网的诊断晶片的实施例的进行供电的IEA控 制器的示意性表示。

图14是根据本发明的一个实施例的、具有适合于对两层IEA的实施 例进行供电的被配置成对两层IEA的实施例进行供电的IEA控制器的 IEA的示意性表示。

图14A是图14的两层IEA的示意性横截面视图。

图15是根据本发明的一个实施例的、具有适合于对两层IEA的实施 例进行供电的被配置成对两层IEA的实施例进行供电的IEA控制器的 IEA的示意性表示。

图16是根据本发明的一个实施例的、适合于对其上具有多个两层 IEA的诊断晶片进行供电的IEA控制器的示意性表示。

图17是根据本发明的另一实施例的、适合于对其上具有多个两层 IEA的诊断晶片进行供电的IEA控制器的示意性表示。

图18是根据本发明的一个实施例的、图1的等离子体处理系统的馈 通系统（feed-through system）的透视图。

图19是图18所示的馈通系统的一部分的示意性顶视图。

图20是示出根据本发明的实施例的基于MEMS制造IEA的一种方 法的流程图。

图21A至图21H是示出图20的方法的步骤的示意性表示。

图22是示出根据本发明的一个实施例的经由馈通系统将IEA与IEA 控制器电耦合的一种方法的流程图。

图23A至图23D是示出图22的方法的步骤的示意性表示。

图24是与图1类似的、根据本发明的另一实施例的诊断等离子体处 理系统的示意性横截面表示。

图25A和图25B是根据本发明的一个实施例的用于对准图20所提供 的IEA的栅网的对准装置的透视图。

具体实施方式

在以下描述中，为了便于透彻理解本发明以及为了说明的目的而非限 制，阐述了具体细节，诸如等离子体处理系统的特定几何结构和系统部件 的各种描述。然而，应理解，本发明可以以背离这些具体细节的其它实施 例来实践。

尽管如此，应理解下述特征包含在描述中：所述特征虽然是说明的一 般概念的发明性质，但是也具有发明性质。

现在参照附图，并且具体参照图1，示出了根据本发明的一个实施例 的等离子体处理系统50的简化示意图。等离子体处理系统50包括设置在 处理室56的大致相对侧的第一电极52和第二电极54，其中，第一电极 52被配置在基底保持件58内以支持诊断晶片60或处理晶片（未示出）。

第一电极52可以工作上耦合到第一射频（“RF”）电力系统62，第一 RF电力系统62被配置成以第一RF频率和第一RF电压提供RF电力， 而第二电极54可以工作上耦合到第二RF电力系统64，第二RF电力系 统64被配置成以第二RF频率和第二RF电压来提供RF电力。例如，第 二RF频率可以是比第一RF频率相对较高的RF频率。提供给第一和第 二电极52、54的RF电力工作上用于在位于两个电极52、54之间的处理 空间68内形成等离子体66。

尽管第一和第二电极52、54均被示出为耦合到RF电力系统62、64， 但是至少一个电极可耦合到其它电力系统。例如，第二电极54可以工作 上耦合到直流（“DC”）地或DC电压源70。替选地，第一电极52可耦 合到DC地或DC电力系统72，而第二电极54耦合到第二RF电力系统 64。再者替选地，第一电极52可耦合到可操作用于提供多个RF频率（例 如，第一RF频率和第二RF频率）的第一RF电力系统62，而第二电极 54可耦合到DC地或DC电力系统72。替选地，第二电极54可耦合到以 低频波形发脉冲或调制的DC电力系统70。

另外，等离子体处理系统50可以可选地包括被配置成向第二电极54 提供DC电压的DC电力系统72。DC电力系统72可包括可变DC电源。 另外，DC电力系统72可包括双极DC电源。此外，DC电力系统72可 被配置成执行以下操作中的至少一个：监视、调节或控制DC电力的极性、 电流、电压或开/关态。一旦形成了等离子体66，DC电力系统72就可用 于促进高能量电子束形成。

如果期望这样，可利用电滤波器（未示出）来将RF电力系统62、64 与DC电力系统72解耦。例如，由DC电力系统72施加到第二电极54 的DC电压可在从大约-2000伏（“V”）到大约1000V的范围内。期望的 是，DC电压的绝对值具有等于或大于大约100V的值，并且更加期望的 是，DC电压的绝对值具有等于或大于大约500V的值。另外，期望DC 电压具有负极性。此外，期望DC电压是具有如下绝对值的负电压：该绝 对值大于在第二电极54的表面上生成的自偏压。第二电极54的面对第一 电极52的表面可包括含硅材料。

如上所述，将诸如负DC电压的DC电压耦合到第二电极54可有利 于弹道电子束形成（ballistic electron beam formation）。根据将负DC电 压叠加到第二电极54上而得到电子束的电力。如在美国专利第7,740,737 号中所描述的，将负DC电力施加到等离子体处理系统50会影响撞击诊 断晶片60的表面的弹道（或无碰撞）电子束形成。

现在转到图2，更详细地示出并描述了诊断晶片60。诊断晶片60包 括具有任何大小的基部或承载基底61（下文中称为“基底”61），包括例 如300mm硅基底；然而，也可使用其它大小（包括大约200mm到大约 450mm）和材料。诊断晶片的基底61包括或者可包括一个或更多个离子 能量分析仪（“IEA”）74的一部分，一个或更多个离子能量分析仪74被 配置成：在诊断晶片60浸在等离子体66中并且由第一RF电力系统62 通过第一电极52进行RF偏置的情况下，测量、评估和/或诊断入射在诊 断晶片60上的离子的离子能量分布（“IED”）。如以下更详细地描述的， 每个IEA74可以工作上耦合到IEA测量电子系统76（下文中称为“IEA 控制器”76），IEA测量电子系统76被配置成接收与IED相关的信号。

等离子体处理系统50还包括控制器78，控制器78可以工作上耦合 到第一RF电力系统62、第二RF电力系统64、DC电压源70、DC电力 系统72和IEA控制器76中的一个或更多个，并且可被配置成与这些系 统中的每个交换数据。例如，控制器78可以被配置成接收与离子电流和/ 或IED相关的信号，以及对该信号进行处理以确定等离子体66的状态。 在其它示例中，控制器78可用于使变化信号和/或IED与等离子体处理（诸 如等离子体蚀刻）的终结点（包括例如蚀刻处理中的故障或等离子体不稳 定性）相关。

诊断晶片60的使用可以以任何类型的等离子体处理系统50来实现。 在该说明性示例中，在RF供电的电容性耦合等离子体（“CCP”）处理系 统中执行IED的测量。然而，诊断晶片60还可用在以下等离子体中：例 如可使用槽形平面天线形成的表面波等离子体（“SWP”）、电感性耦合等 离子体（“ICP”）、变压器耦合等离子体（“TCP”）、电子回旋共振（“ECR”） 等离子体、螺旋波等离子体等。

仍参照图2，IEA74位于基底61的大致中央区域中；然而，该位置 不是必须的，因为IEA74可位于更靠近基底61的边缘。如果期望这样， 则第二IEA（未示出）可位于基底61的大致边缘区域处。

现在参照图3和图4并且继续参照图1和图2，示出了根据本发明的 一个实施例的IEA74。IEA74一般是这样的组件，其包括：进入栅网80， 形成暴露于等离子体66的第一表面；离子选择栅网82，被布置成邻近进 入栅网80并且与等离子体66相对；以及离子收集器84，被布置成邻近 选择栅网82、与进入栅网80相对并且形成IEA74的第二表面。

如以下更详细地描述的，每个栅网80、82和离子收集器84可被制造 在掺杂或替选地掺有磷的硅基底90、92、94上。另外，诊断晶片60的构 造可被选择为用作与相应处理晶片相同的RF电路要素。RF电路要素可 包括例如传导性、RF阻抗等。在具体实施例中，进入栅网80被直接形成 到诊断晶片60上，并且包括IEA74的其它部件经由诊断晶片60的背侧 耦合到进入栅网80。在其它实施例中，进入栅网80可形成在分开的硅晶 片中并且与选择栅网82和离子收集器84装配在一起以位于硅晶片的凹入 部分中并且在以下更详细地进行描述。

进入栅网80和选择栅网82均包括其中具有多个开口的中央栅网部分 81、83，其中，每个开口具有基于在邻近进入栅网80的等离子体边界处 的等离子体壳层（sheath）为其最小宽度（通常发生在RF摆动的最大值 处）时的密度和电子温度的、至多为德拜（Debye）长度的尺寸（例如， 对于圆形栅网为直径；对于矩形或方形栅网为长度或宽度；或者期望的其 它形状和适当尺寸）。开口大小的选择是必要的，以保证位于邻近IEA74 的等离子体66的边界处的等离子体壳层保持为相对未受干扰。此外，子 德拜长度限制了等离子体壳层穿透进入栅网80以及延伸到IEA74中的能 力。对于上述300mm直径的晶片和100mm直径的IEA，中央栅网部分 81、83可具有在从大约5mm到大约20mm范围内的直径；然而，再者， 这些尺寸不应认为是限制性的。

中央栅网部分81、83还可具有分别针对进入栅网80和选择栅网82 的厚度。厚度可在从大约开口尺寸（即，德拜长度）到大约两倍开口尺寸 （即，两倍德拜长度）的范围，以便在使通过的离子的中和最小化的同时 提供支持电场和机械强度的足够的材料。

包括进入栅网80、选择栅网82和离子收集器84的基底90、92、94 由布置在基底90、92、94中的相邻基底之间的绝缘体86、88在空间上隔 开。根据一个实施例，绝缘体86、88可由例如具有大致在从大约30μm 到大约60μm的范围的厚度的、基于铝酸盐（Al₂O₃）或蓝宝石的材料构 成。

与进入栅网80和选择栅网82相似，每个绝缘体86、88均包括基本 上与中央栅网部分81、83垂直对准的中央开口87、89。中央开口87、89 的直径符合（meet）或超过进入栅网80和选择栅网82的中央栅网部分 81、83的直径。由于施加到栅网80、82、84的高电压电势，绝缘体86、 88可经受发生在栅网80、82、84中的相邻栅网之间的电击穿和/或飞弧 （flashover）的可能性。在这点上，并且如图5A和图5B更具体地示出 的，绝缘体材料可被配置成使得绝缘体86、88的中央开口87、89的直径 小于形成在栅网80、82的中央栅网部分81、83之下的沟道96、98的直 径但是大于中央栅网部分81、83的直径。换言之，绝缘体86、88从基底 92、94朝向IEA74的中心向内突伸。因此绝缘体86、88从沟道壁向内 突伸了重叠或凸起的长度l，该长度l被确定为使在基底90、92、94之间 延伸的场线（以虚线示出）充分弯曲，以减少或防止充电之前（图5A） 和之后（图5B）的飞弧。

相比较，对于绝缘体86、88的常规长度l将为零。在这样的实例中， 存在沿着绝缘体86、88的表面的、连接分开的导体（例如，栅网80、82 和离子收集器84）的路径。当所施加的连续电场与绝缘体86、88的表面 平行时，对于充分大的电场存在击穿的可能性。替代地，并且如图5A和 图5B所提供的，绝缘体的长度l突伸到与绝缘体86、88的表面平行的电 场相对小的区域，从而减小了表面电弧的可能性。

替选地，并且在存在沿着绝缘体86、88的表面延伸的所有可能路径 的集合的情况下，绝缘体86、88可包括如下几何结构：该几何结构被选 择为使得不存在介于紧邻的栅网80、82、84的两点之间的直线路径。更 具体地，关于具体示出的实施例，关于第一绝缘体86在进入栅网80与选 择栅网82之间，并且关于第二绝缘体88在选择栅网82与离子收集器84 之间。

再次参照图3，IEA74可盖有陶瓷间隔物99和石英盖板101。石英 盖板101可经由例如一个或更多个螺栓103耦合到进入栅网80，螺栓103 可由基于陶瓷的材料构成。在其它实施例中，可通过粘合剂等结合包括 IEA74的层。

进入和选择栅网82、84以及离子收集器84中的每个工作上耦合到 IEA控制器76的相应电压源180a、182a（图11），并且离子收集器84（图 11）工作上耦合到IEA控制器76的离子电流计（在这里被具体示出为安 培计106（图1））。在一个实施例中，这经由处理室56（图1）的壁中的 馈通系统75来实现。第一电压源180a可操作用于相对于进入栅网电势将 恒定或交变的偏置施加到选择栅网82。第二电压源182a可操作用于相对 于进入栅网电势将负偏置施加到离子收集器选择栅网84。

如图6所示，可由例如正弦波形108将偏置电势施加到选择栅网82， 以使得关于进入栅网80（图2）在负电压与正电压之间偏置选择栅网82。 可使用其它波形，包括例如三角波形。选择栅网82（图2）相对于进入栅 网80的电压电势可操作用于确定通过选择栅网82（图3）的中央栅网部 分83（图3）中的多个孔并到达离子收集器84（图3）的离子的最小离子 能量（和电荷）。替选地，第一选择能量的离子可在某些栅网电压处被远 离（例如，排斥）选择栅网82（图3），而第二选择能量的离子将在略低 的电压处横穿选择栅网82（图3）的中央栅网部分83（图3）中的多个孔， 以便甚至在较低的选择栅网电压下也以较高概率记录在离子收集器84 （图3）处。

图6的示例性图示示出了在不同的时间点沿着波形108的高能量离子 的离子轨迹。中间电压范围表示对根据本发明的一个实施例的离子能量分 析仪的分辨率的限制之一，在该中间电压范围期间存在离子的部分传送。

图7是示出也参照图1和图3的、使用根据本发明的一个实施例的等 离子体处理系统50的一种方法的流程图110。在该具体实施例中，感测 进入栅网80（图2）的电压，并且施加到选择栅网82（图3）和离子收集 器84（图3）的电压的幅值以该感测电压而不是以室地或其它基准电压为 基准。在可选步骤112中，将其中合并了IEA74的诊断晶片60放置在处 理室56内；然而，如以下更详细地描述的，IEA74的位置不必限于诊断 晶片60，替代地可包括在诊断系统的等离子体暴露表面或处理晶片上。 通过确定选择栅网82的离子电压来选择到达离子收集器84的离子通量的 期望部分（fraction），并且在这点上，在步骤114中，感测进入栅网80 的浮置电势并且将该浮置电势用作选择栅网电压和离子收集器电压的基 准电压。耦合到电压源180a（图11）的离子收集器84被配置成对离子收 集器84进行负偏置。离子选择电压可包括在从大约0V到等于最大离子 能量的值的范围内的正DC电压。离子选择电压的范围被选择为足够宽 的，以允许区分通过等离子体边界处的等离子体壳层并经由进入栅网80 进入IEA74的离子的离子能量的全范围。

在步骤116中，将电压的时变波形施加到选择栅网82，并且在步骤 118中测量在离子收集器84处接收的离子电流通量。电耦合到选择栅网 82的电压源180a（图11）可包括可变DC电压源，可变DC电压源被配 置成以负DC离子选择电压对离子收集器84进行偏置。可变DC电压源 被配置成通过在第一电压值与第二电压值之间改变离子选择电压而扫描 离子选择电压。如以下更详细地描述的，离子选择电压可以以进入栅网 80上的浮置电势或地为基准。

在步骤119中，将所测量的离子电流存储为选择栅网82的时变离子 选择电压的函数。在这点上，安培计106耦合到离子收集器84以测量离 子电流。如本领域普通技术人员所理解的，安培计106可包括运算放大器 （op-amp）或其它装置。

IEA控制器76被配置成除了其它方面之外针对经受诊断的等离子 体，接收与离子收集器84处的所选择的离子电流相关的信号、对信号进 行处理、存储该信号以及装配IED等。在多于一个IEA74浸在等离子体 中的这些实施例中，可通过改变选择栅网82上的电势以及监视与具有足 以克服离子收集器84强加的势垒并撞击离子收集器84的能量的这些离子 相关联的离子电流来测量IED。通过收集并测量作为离子收集器84上的 电势的函数的所选择的离子电流，可获取IED的积分形式。该积分的微 分得到IED。

根据本发明的另一实施例，IEA控制器76可被配置成设置扫描输出 电平以经由电压源182a（图11）对离子收集器84进行偏置，以及将选择 栅网82负偏置到固定负电压，这两个电压均是相对于所检测的进入栅网 80的电势。选择栅网82的负偏置可操作用于排斥进入该进入栅网80的 电子，而施加到离子收集器84的变化正电势可操作用于排斥相对于进入 栅网具有低于收集器电势的能量的那些离子。可对作为离子收集器电压的 函数的离子收集器电流进行微分以给出IED。

在其它实例中，可用性、成本或其它外部影响可能需要减少包括进入 栅网的材料（诸如掺杂硅）的量。具体地，与将进入栅网直接形成到基底 中相关联的成本可能变得非常高。因此，限制进入栅网形成所需要的基底 材料的量会是有益的。

在这点上，并且现在参照图8和图9，示出了根据本发明的另一实施 例的具有IEA122的诊断晶片120。诊断晶片120中包括凹入部分124， 凹入部分124被成形并被定尺寸为在其中收纳IEA122并且使得其中具有 开口127的进入栅网126的暴露表面128与诊断晶片120的暴露表面130 共平面。如以下更详细地描述的，凹入轨道132从凹入部分124径向向外 延伸并且被配置成包含工作上与IEA122相关联的电部件。

进入栅网126的尺寸需要是充分大的，以提供进入栅网126与诊断晶 片120的底层基底121之间的良好电容性耦合。进入栅网126与底层基底 121之间的良好电容性耦合是必要的，以使得在线经由室壁中的馈通系统 75（图1）将进入栅网126连接到外部世界的情况下，进入栅网126与基 底1221之间的RF阻抗小于进入栅网126与地之间的RF阻抗。例如， 用于构造进入栅网126的具有300mm直径的硅晶片的IEA122可具有大 致100mm的直径，而用于构造选择栅网134（具有延伸通过的开口135） 和/或离子收集器136的硅晶片的直径可小于100mm，以进一步降低材料 成本。一般地，用于构造进入和选择栅网126、134以及离子收集器136 的基底材料的厚度可从大约10μm变化到大约500μm。

栅网126、134和离子收集器136再次由按以上详细描述的方式构造 的第一和第二绝缘体138、140分隔开。IEA122可与石英盖板144保持 在一起，石英盖板144收纳在晶片120的另一凹入部分146内并且经由一 个或更多个螺栓148装配耦合在一起，一个或更多个螺栓148可由基于陶 瓷的材料来构造。其它螺栓150可用于将IEA122耦合到诊断晶片120。

可包括陶瓷间隔物152以将电耦合（即，线154）与硅诊断晶片120 绝缘。

如这里所述的诊断晶片120的使用可与先前关于图7描述的方法类 似。

在其它处理方法中，可能需要对用于形成进入栅网的基底材料的量的 进一步限制。结果，如图10所示，示出并描述了根据本发明的另一实施 例的、用于与包括硅基底163的诊断晶片162一起使用的进入栅网160。 进入栅网160再者包括可能与先前所述材料类似的并且被划分成第一节 段164和第二节段166的掺杂硅基底材料。在具体示出的实施例中，第一 节段164包括其中具有多个开口170的中央栅网部分168，并且第二节段 166与第一节段164同心放置。然而，也可使用其它布置和形状。

第一节段164和第二节段166经由引线172而耦合，以使得第一节段 164和第二节段166在电学上一起作为单个主体。结果，第一节段164和 第二节段166的总面积充分大，以提供第一和第二节段全体上与诊断晶片 162之间的良好电容性RF耦合。相关的技术可用于增强任意栅网到诊断 晶片162的RF耦合。

应理解，引线172可以是导线或其它已知装置。

图10的包括IEA174的其余部件可与以上参照图8描述的部件类似， 并且实际上，此后具有素数的相似附图标记指示实施例的相应部件。

根据这里的描述，本领域普通技术人员将容易理解，多种电路实施例 可包括IEA控制器76（图1）。然而，一些电路图可能比其它电路图（例 如，通过用金属线加固（gange）栅网中的一个或更多个而使电连接数量 最小化的电路图）更有益。因此，描述了IEA控制器配置的各种实施例； 然而，这里描述的电气图不应认为是限制性的，本领域普通技术人员可实 现任意数量的电路。

现在参照图11，描述了根据一个这样的实施例的IEA控制器76a。 具体地，IEA控制器76a适合与等离子体电势可变的、相对偏置的等离子 体一起使用。在这点上，至少部分由等离子体电势来确定进入栅网80上 的偏置电势。IEA控制器76a电耦合到IEA74的进入栅网80、选择栅网 82和离子收集器84。在这点上，IEA控制器76a内的第一可调电压源180 被配置成关于进入栅网80选择性地偏置选择栅网82。IEA控制器76a内 的第二可调电压源182被配置成相对于进入栅网80选择性地偏置离子收 集器84。一般地，每个电压源180、182被配置成施加在从-V到+V的范 围内的电压电势并且可以以多种方法来构造。根据一个实施例，电压源 180、182中的一个或两者可包括与具有相反极性的第二可变电压发生器 串联的第一电压发生器。例如，第一电压发生器可被配置成在两个电极之 间施加正偏置，而第二可变电压发生器选择性地以负极性将两个电极进行 偏置为较小的正电压或者甚至为负。

安培计106电耦合到离子收集器84，并且被配置成测量从具有撞击 离子收集器84的足够的能量的离子得到的电流。可经由硬线连接或者以 无线的方式将表示所测量的所得电流的信号传送给控制器78进行处理。

在某些等离子体条件中，根据如图12所示的本发明的另一实施例， 可测量进入栅网浮置电压，然后相对于基准电压（诸如，地）进行偏置。 除了与以上参照图11描述的类似的第一和第二电压源180a、182a之外， 第三电压源184可将IEA控制器76b并联电耦合到地。

如果期望的话，可在选择栅网82与可调电压源180a之间设置另一离 子电流计。通常，从选择栅网80检测的离子电流可用于确定IED或者用 于评估IEA的性能。

在诊断晶片包括多个IEA74的这些实施例中，针对所有IEA74包括 单个选择栅网186会是有益的。图13示出了本发明的一个这样的实施例。 IEA控制器76c再者包括在每个进入栅网80与单一选择栅网186之间施 加电压的第一电压源180b。与第二电压源182b串联的各个安培计106将 离子收集器84与进入栅网80电耦合。如所示出的，IEA74进一步耦合 到内部地源，该内部地源在这里可以是诊断晶片60。

尽管图13示出了在单个IEA控制器76c内组合的电压源182b，但是 容易理解，这仅是为了图示方便，并且实际上，在一些实施例中，单独的 IEA控制器可以工作上耦合到每个IEA并且仅在其中包括一组电压源 180、182。

本发明的实施例至此已包括分开的选择栅网和离子收集器；然而，这 些分开的部件执行的功能可被组合到单个单元中。例如，现在参照图14 和图14A，根据本发明的另一实施例的IEA200被示意性地示出为具有 IEA控制器206a的一个实施例。IEA200包括进入栅网202和收集器204， 由绝缘体207将收集器204与进入栅网202电隔离，该绝缘体207可操作 用于选择性地收集预定能量范围的离子。

由可调电压源208a关于具有浮置电势的进入栅网对收集器204进行 偏置，该可调电压源208a可以以与上述可调电压源180、182（图11）类 似的方式来配置。安培计210a电耦合到收集器204并且被配置成测量从 具有撞击收集器204的足够的能量的离子得到的电流。可经由硬线连接或 以无线的方式将表示所测量的所得电流的信号从安培计210传送给控制 器78的处理器189进行处理。

IEA200不仅减少了构造IEA200所需要的材料（特别是掺杂硅）的 量，而且还降低了IEA200与IEA控制器206a之间的电连接及其隔离的 复杂度。

在使用中，IEA200可被配置成用作离子电流探针。在该配置中，离 子收集器204可测量总离子电流。更具体地，可相对于进入栅网202（在 中央栅网部分205中具有多个开口203）对离子收集器204进行负偏置， 并且通过撞击离子收集器204来测量离子电流。在将诸如参照图6描述的 波形施加到离子收集器204的情况下，可使用单个栅网和单个收集器来确 定IED，从而使得该布置为小型且简单的配置。

图15示出了具有IEA控制器206b的IEA200，该IEA控制器206b 被电配置用于与恒定偏置的进入栅网202一起使用。具体地，除了可调电 压源208b之外，另一可调电压源212可将IEA200并联电耦合到地。

图16和图17示出了诊断晶片包括多个IEA200的两种电配置。尽管 示出了三个IEA，但是容易理解，所示出的数量不应认为是限制性的。在 图16中，IEA控制器206c被配置为使得多个IEA中的每个IEA200具 有分别的可调电压源208c和安培计210c的组合。可传送并区分表示所测 量的所得电流的信号。因此，可在诊断晶片的多个位置确定IED。如上所 述，尽管电压源208c被示出为设置在同一IEA控制器206c内，但是这 不是必须的，因为每个IEA200可操作用于耦合到单独的IEA控制器206。

图17的相似之处在于每个IEA200，并且包括分别的可调电压源208d 和安培计210d，IEA控制器206d不是如IEA206d那样直接电耦合到进 入栅网202。替代地，IEA200耦合到靠近基底61的内部地源。

将在操作高电压电势和RF能量的环境内的来自安培计的电流测量传 递给通常接地并且为低得多的电压电势的用于IED的IEA控制器，常规 上是困难的。即，一系列RF滤波器可布置在每个栅网与IEA控制器76 之间，以在每个栅网上为一个或更多个RF频率的RF电压提供高输入阻 抗。示出了根据本发明的一个实施例的传递电流的一种方式，参照图18 和图19示出并描述了馈通系统75。

在图18中，馈通系统75包括桥214、馈通器215和RF扼流器217。 桥214被配置成将在IEA122与IEA控制器76（图1）之间形成的电连 接与诊断晶片120和等离子体66（图1）隔离。桥214经由馈通器215与 RF扼流器217接口，这降低了IEA122获得的并且可在线连接通过室壁 时使得RF电流流到室地的RF电压。最终，RF扼流器217限制了剩余 的高频交流远离处理室56（图1）的移动，同时允许包括表示IED的电 流的低频交流和直流。

为了进一步便于对高频AC和高RF电压信号进行滤波，可将RC电 路219引入到馈通系统75。例如，每个RF滤波器216、218可包括由氧 化钌（RuO₂）或氧化铝（Al₂O₃）构造的低通滤波器或者陷波滤波器或带 通滤波器。通过针对进入栅网126（图8）和选择栅网134（图8）中的每 个实现RuO₂电阻器216、218，其中一个电阻器在诊断晶片120内并且一 个电阻器在桥214内，每个均被配置成提供例如大约5kΩ的电阻，于是 在到达处理室56（图1）的壁之前可充分降低电压。

一系列RF滤波器可布置在每个栅网与IEA控制器76（图1）之间， 以便为栅网126、134（图8）和离子收集器136（图8）中的每个上的一 个或更多个RF频率的RF电压提供高输入阻抗。IEA122可包括布置在 进入栅网126（图8）与IEA控制器76（图1）之间的第一RF滤波器、 布置在选择栅网134（图8）与IEA控制器76（图1）之间的第二RF滤 波器以及布置在离子收集器136（图8）与IEA控制器76（图1）之间的 第三RF滤波器。例如，每个RF滤波器可包括陷波滤波器或带通滤波器 或者低通滤波器。

尽管没有具体示出，在需要调谐电路的这些实施例中，可在电连接内 并入电感器。在一个实施例中，电感可被限制为100MHz的铁氧体并且 可放置在参照图18描述的电阻器之间。

通过详细描述的IEA的细节并且现在转向图20和图21，描述了根据 本发明的一个实施例的制造IEA74（图1）的方法。图20是概述在图21A 至图21H中示意性示出的方法的流程图230。

根据该基于MEMS（微机电系统）的处理，图21A示出了根据步骤 232施加了光刻胶层236的掺杂硅基底234。在步骤238中，使用用于生 成沟道（诸如图4的沟道96）而定尺寸的掩模240对光刻胶层236进行 遮掩和成像。此后，在步骤242中，根据常规过程对所成像的光刻胶层 236进行烘烤、显影和处理，以提供基底234的抗蚀刻光刻胶层236和暴 露表面244，如图21B所示。然后，在步骤246中对基底234进行蚀刻以 生成沟道248，如图21C所示。可由包括例如湿蚀刻或干蚀刻的任何已知 方法来执行蚀刻。

如图21C所示的具有沟道248的基底234可用作离子收集器或者进 行进一步处理以形成进入栅网或选择栅网。在这点上，现在转向判定步骤 250，如果需要栅网之一（判定步骤250的“栅网”分支），则处理继续。 否则，如果需要离子收集器（判定步骤250的“离子收集器”分支），则 不需要进一步处理并且方法进行到步骤276。

在任何情况下，为了描述基底234的进一步处理，在步骤252中，向 基底234和沟道248（图21D）施加另一光刻胶层254（图21D）。掩模 258（图21D）被施加、成像（步骤260）、烘烤、显影和处理以形成抗蚀 刻层光刻胶255（图21E）。可对基底234进行蚀刻以针对进入栅网或选 择栅网产生开口266（图21F）。

如这里所描述的光刻胶层236、254可替选地为双掩模层，双掩模层 除了包括光刻胶层本身之外还包括硬掩模层。晶片可包括其上沉积的热氧 化物层，该热氧化物层可用作双掩模层的硬掩模层。

尽管流程图230提供了在栅网之前对室进行蚀刻的方法，但是本领域 普通技术人员将理解，该顺序不是必须的并且可以在室之前对栅网进行蚀 刻。

现在转向图21G和图21H并且进一步参照图20，根据本发明的一个 实施例描述了对IEA进行对准（图20的步骤268）和装配（图20的步骤 276）的一种方法。在这点上，两个形成的栅网234、234’相对于彼此垂直 放置，以分别形成进入栅网和选择栅网，其中在栅网234、234’之间具有 绝缘体270。尽管可以以多种方式来实现对准，但是所说明的方法包括位 于栅网234、234’的背侧的灯272和相对侧的光电二极管274。可诸如由 具有一个或更多个测微计（示出了两个测微计228、229）的对准装置224 （图25A和图25B）相对于顶栅网234移动底栅网234’（这里为选择栅 网），直到光电二极管274所检测的通过栅网234、234’传送了最大光为止。 测微计228、229均可包括被配置成接合诊断晶片60的周界或凹入表面 286的臂282、284。

一旦光传送被最大化，则根据判定步骤250的“离子收集器”分支而 形成的具有绝缘体278的收集器280与第一和第二栅网234、234’相邻放 置，并且例如利用螺栓148（图8）固定。

应理解，尽管这里描述了基于MEMS的处理，但是可替选地使用其 它形成栅网的方法。例如，激光钻孔、放电加工（“EDM”，诸如包括石 墨电极）、电子束加工等。

一旦装配了IEA，则栅网和离子收集器电耦合到IEA控制器76（图 1）。但是，使用锡铅焊料的常规焊接做法对硅基底61（图1）是困难的。 在这点上，现在参照图22至图23D，详细描述形成上述电连接的方法。

如图23A所示，示出了适当地邻近电耦合的位置的进入或选择栅网 122、134或者离子收集器136的周界。可在包括进入或选择栅网122、134 或者离子收集器136的基底中通过钻孔、切割、蚀刻或者创建来形成缝隙 294。缝隙294在形成电连接的导体300的侧面周围准备有例如在从大约 10μm到大约20μm的范围内的紧密容差（close tolerance）。然后，在步 骤292中并且如图23B所示，例如经由气相沉积处理将铂Pt和玻璃厚膜 （下文中称为“熔块”）施加到缝隙。然后，以500℃对所沉积的Pt层进 行退火大约30分钟，以形成大约5nm厚的Pt层226（步骤296）。

在图23C中，然后在缝隙294内放置导体300，其在Pt层226顶部 并且涂覆有第二熔块304（步骤298）。然后，利用两步骤烧结处理（分别 为大约300℃和大约950℃）烧制对诊断晶片120（步骤302），以将导体 300以电方式和机械方式接合到进入或选择栅网122、134或者离子收集 器136，如图23D所示。通过在铂与硅之间的界面处形成铂硅化物化合物 来增强机械接合，特别是电接合。

根据本文的实施例的IEA不必限于诊断晶片。替代地，参照图24并 且根据本发明的另一实施例，描述了在等离子体暴露表面上具有IEA310 的诊断系统50’。如所示出的，IEA310位于基底支持物58’上，以在等离 子体处理期间暴露于等离子体66’。尽管诊断晶片60’被示出为位于基底 支持物58’上，但是这不是必须的。替代地，通过将IEA310放置到诊断 系统50’中，可在任何晶片的等离子体处理期间确定IED，而无论是否包 括单独的IEA。此外，IEA310的位置不必限于具体示出的实施例。替代 地，IEA310的位置仅需要限于可暴露于等离子体66’的表面。实际上， 多个IEA310可遍布处理室56’放置，以用于多个位置处的IED确定，从 而用于评估等离子体均匀性。

尽管通过各个实施例的描述示出了本发明并且尽管相当详细地描述 了这些实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在示例性实施例中可以 有多种修改，而不会实质上背离本发明的新颖教导和优点。因此，本发明 在其较宽方面不限于所示出和描述的具体细节和说明性示例。因此，可以 在不背离本发明的范围的情况下背离这样的细节。