CN100594577C - 分析半导体等离子体生成系统中的功率通量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量和分析半导体等离子体生成器的基于RF的激励系统中的功率通量参数的系统和方法。测量探针(8)连接到RF传输线，用于从传输线(4)接收和测量电压(10)和电流信号(12)。高速采样处理将测量的RF电压和电流信号转换成数字信号。然后处理数字信号，以便揭示对应于原始RF信号的基波和谐波幅度和相位信息。可以在功率传输路径中插入多个测量探针，以测量两端口参数，并且可以询问联网的探针来确定输入阻抗、输出阻抗、插入损耗、内耗、功率通量效率、散射以及RF信号的等离子体非线性效应。

Description

分析半导体等离子体生成系统中的功率通量的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年6月10目提交的美国临时申请号No.60/689769的优先权。

技术领域

本发明总的涉及RF传输系统中的功率通量的测量，尤其涉及用于测量半导体等离子体生成器的基于RF的激励系统中的电压和电流信号的基波和谐波幅度和相位关系的系统和方法。

背景技术

在加工半导体晶圆时采用的RF等离子体反应器(plasma reactor)类型需要大量的RF功率。基本上，该技术涉及通过对等离子体施加电功率来点火和维持加工等离子体。等离子体与引入的气体以及与涉及的目标和晶圆表面相互作用，来实现期望的加工结果。

由于半导体器件复杂度的增加，已经要求对制造工艺越来越严格的控制。为了完成在当今的等离子体加工中的更严格的工艺控制，希望获得更多关于在实际加工条件下的相关RF电压和电流信号的信息。这通常是通过在功率传输路径中插入的可用的V-I探针来进行的，该探针用来测量送往等离子体生成系统的基波和谐波信号功率。

本领域技术人员已认识到，RF电压和电流信号的基波和谐波幅度和相位角关系对于半导体晶圆制造期间的工艺性能的变化有很大影响。由于加工等离子体的非线性，即使负载看起来在其基波频率上匹配，也将产生基波RF激励频率的谐波。结果，传递到加工等离子体的总功率包括基波和谐波频率的功率电平之和。已知的等离子体加工工具常规地采用两个或多个RF信号频率以增强工艺性能产出。然而，将两个或多个激励频率引入到等离子体生成系统，由于将交调频率分量引入了总功率通量，因此容易增加工艺的不确定性。

做出了现有技术的尝试来在等离子体加工中限定功率通量，如在美国专利No.5523955和5273610中所披露的。例如，美国专利No.5523955披露了插入功率传输路径中的、感测RF信号的测量探针。然后，使用感测的信号来间接地导出AC信号，以便计算关于原始感测的信号的相位角信息。然而，直到本发明为止，以精确和稳定的方式直接测量RF电压和电流信号的基波和谐波频率内容的相对相位角信息所要求的技术，对于本领域技术人员来说仍然不是容易获得的。

因此，仍然迫切需要提供一种系统和方法，用来测量和分析基波信号频率和基波频率的谐波之间的临界幅度和相位角关系。然后可以监视限定RF激励信号的频率内容的信息，来调整和控制到加工室的功率通量，以便提高制造成品率，并且使等离子体加工更加可控和可重复。

尽管这里按照用于分析半导体等离子体生成器中的功率通量的系统和方法描述了本发明，但本领域技术人员将理解，本发明也可以用在各种其他功率传输系统中，包括但不限于，磁共振成像(MRI)系统和工业加热系统(如电感和介电加热系统)。例如，在MRI系统中，可以利用谐波幅度和相位信息的分析来在各种负荷(例如，病人)条件下控制和调整发送的信号的磁共振。在工业加热应用中，可以利用谐波幅度和相位信息的分析来控制和调节到工件和/或加工装置的功率通量，以提高加工性能。

发明内容

一种测量RF功率传输系统中的功率通量的测量探针，包括连接到测量接收器的电压传感器和电流传感器，用于接收和测量RF电压和电流信号。RF电压和电流信号被转换成RF波形的数字表示，这是通过直接转换，后者通过基于采样的频率转换器转换的，后者将RF电压和电流信号在数字转换之前带到固定的中频(IF)。RF信号的数字表示包含关于原始RF信号的基波和谐波幅度和相位信息。数字信号处理电路管理数据捕获、数学变换、信号滤波、缩放和和对外部处理控制创建数学上可变的模拟输出。此外，该电路提取关于每个原始RF信号的基波和谐波幅度和相位分量的信息。提供通用串行总线(USB)和/或以太网连接，来将测量接收器连接到外部计算机，以进行额外的数字和图形分析。

还披露一种测量和分析RF传输系统中的功率通量参数的方法，其中多个测量探针被插入功率传输路径中以确定阻抗匹配、插入损耗和功率通量。联网的探针可以提供两端口的测量，并且可以用于确定输入阻抗、输出阻抗、插入损耗、内耗、功率通量效率、散射、RF信号上的等离子体非线性效应。在本发明的一个示例性实施例中，采用单个测量接收器来从若干探针取出数据，其中来自若干探针的数据被送到外部计算机以便后处理。在另一示例性实施例中，多个测量接收器分别地连接到每个探针，从而允许系统数据的“实时”处理。

通过考虑下面结合附图和权利要求书对其示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是示出本发明实施例的工作概念的总体框图；

图2是根据本发明实施例的示例性探针组件的示意图；

图3A、图3B是示出用于执行本发明的处理的处理电路的示意框图；

图4A、图4B和图4C是示出根据本发明的实施例分别生成的示例性电压、电流和功率波形的图；以及

图5是示出用于执行本发明的处理的多探针联网布置的总体框图。

具体实施方式

参照示出本发明的基本概念的附图，图1是示出用于在基于RF的激励系统中测量基波和谐波幅度和相位关系的系统的总体框图。一个或多个交流电源2生成交流电压和电流信号，该信号经由RF传输线4、通过匹配网络5传送到工具夹盘(tool chuck)40，工具夹盘40例如可以是半导体等离子体反应器。为了本发明公开的目的，术语“传输线”意图包含所有已知或以后开发的、用于传输电信号的部件，包括但不限于，同轴线缆、波导、微波传输带(microstrip)、双绞线、铜线等。

匹配网络5转换等离子体的复阻抗，以便在其基波频率上匹配生成器的特征负载阻抗。测量探针8被插入功率传输路径中来测量通过RF传输线4传送的电压和电流信号。测量探针8是大功率设备，包括分别用来感测电压和电流信号的电压传感器10和电流传感器12。电压传感器10和电流传感器12连接到RF传输线4的中心导体，由此传感器外壳自身成为传输线的外导体的一部分。

探针8连接到测量接收器14，后者包括RF连接器输入通道10a和12b，分别用于从电压和电流传感器10、12接收电压和电流信号。接收器14还包括数字接口(未示出)，用于上载存储在探针外壳中的温度读数和校准数据，从而可以用存储在探针外壳中的校准数据来校准各个阻抗探针。

现在参照图2，测量探针8的电流传感器12包括位置与探针8的中心导体102和相关传输线4平行的刚性同轴传输线的一个环。电流传感器12的外导体被改变来用作法拉第屏蔽，从而消除外来电容性耦合，并且只有相互耦合的RF电流产生输出电压。在电流传感器环12的一端的电压以现有技术公知的方式连接到测量接收器接口，来测量通过传输线4传送的电流信号。

回来参照图2，电压传感器10典型地包括与探针8的中心导体102电容性耦合的盘。电压传感器10与传输线的输入相连，后者因而与测量接收器接口相连，以接收和测量来自传输线4的RF电压信号。

在本发明的一个示例性实施例中，探针外壳101与中心导体102之间的空腔区域可以填充介电材料，以便提高击穿电压，从而测量探针8可以经受超过7500伏峰值的电压电平。应理解，可以调节中心导体102和外壳101的尺寸，使得线部分的特征阻抗大约为50欧姆。

为了保持探针传感器10、12提供的测量结果的精度，可以不断地监视中心导体102和外导体/外壳101的温度，并且对传感器校准系数做出小的调节，以校正由中心导体102的发热而引起的传感器耦合的不可避免的改变。

每个探针8由校准处理来限定，该校准处理确定在设备的工作频率范围上的精确电流和电压耦合系数以及它们之间的相位角。在校准处理期间，记录中心导体102和外导体/外壳101的温度。该校准数据或信息以数字形式存储在探针组件内，并且每当探针8附接到测量接收器14时被重新取出。结果，多个测量探针8可以共享单个测量接收器14，这是因为每当探针和接收器配对时都加载本地存储的温度读数和校准数据。除了校准各个探针外，还分别地校准互连的传输线。来自传输线的校准数据被存储在传输线组件自身内。在我们的示例性实施例中，传输线组件包括两个RF线缆和数据线缆。数字存储器芯片位于数据线缆连接器内部，允许将来自传输线组件的校准数据存储在传输线组件自身内。测量接收器被适配来经由数字接口从传输线和探针外壳下载校准数据。通过这种方式，本发明的校准处理允许每个组件被分别地校准。此分别的校准处理有利地允许本领域的各个组件的可互换性，而不要求执行总体系统校准。

在操作中，使用红外温度计105不断地监视中心导体102的温度，然后将读数与外导体/外壳101的温度进行比较。使用得到的温度差来对电压和电流耦合系数进行调节(由于中心导体102相对于外导体/外壳101的大小和间隔的改变)。同时，也可以确定与探针部件相关的寄生电抗。校准处理也调节测量的阻抗信息以补偿探针的寄生电抗。

现在转到图3A、图3B，类似地处理从电压和电流传感器10、12接收的电压和电流信号。将电压和电流信号通过各自的电压通道10a和电流通道12b彼此隔开。由于与工作频率变化相关的信号电平的波动较大，因此在电压和电流传感器10、12之间以具有电容性反馈的宽带宽运算放大器的形式实现有源均衡器13。均衡器13“积分”电压和电流信号来补偿电压和电流传感器10、12的“变化率”响应。在一个示例性实施例中，均衡器的输出连接到基于采样的频率转换器15，以便在将被测试的信号进行数字转换之前将其带到固定的中频(IF)。在另一实施例中，均衡器13的输出可以直接连接到可变增益级18和用于数字转换的A/D转换器20。

如图3A所示，可以使用可选的基于采样的频率转换器15来将RF信号及其谐波转换到低得多的IF频率，于是其与现有高分辨率模数(A/D)转换器技术的带宽限制相兼容。在该实施例中，一对采样门16是零阶保持电路的一部分，零阶保持电路捕获RF信号的小采样，并且保持该值，直到进行下一采样为止。采样门被大约300微微秒持续时间的窄脉冲关闭。在采样门关闭的这一瞬间，RF信号电压被压到采样电容器上。采用采样器放大器17来缓冲采样电容器上的电压，使得电平维持在各采样之间。采样器的带宽足够宽，因此不会对高达约1000MHz的信号的相位产生明显影响。可以在数字信号处理电路22中校准可预测的、与延迟有关的相移。参照图3A、图3B，IF信号被锁相到A/D转换器20的转换周期，使得可以在IF的最高期望谐波上对每个周期取多个采样。根据本发明的示例性实施例，对IF的最高期望谐波的每个周期取正好四个采样。在优选实施例中，计算采样率，使得在IF频率上再现的RF波形保持基波信号频率与基波信号频率的谐波之间的相应相位关系，并且保留基波工作频率的多达大约15个谐波。

使用基于采样的频率转换器的一个优点是，仅需要从大约1.95到2.1MHz的本地振荡器频率偏移来覆盖2、13.56、27.12、60和162MHz的典型等离子体生成器频率。此外，与传统的基于混频器的频率转换器相比，基于采样的频率转换器通常具有最简单的架构和最高的带宽。

然而，因为采样下转换同时地变换输入RF带宽内的所有信号，所以它可能不完全适合使用多个激励信号频率的系统。在多个激励频率的情况下，可以有利地使用耐奎斯特采样。也可以这样构想，采样装置可以包括耐奎斯特采样率模数转换器和带通采样模数转换器的组合，用于采样和数字化RF电压和电流信号。已知耐奎斯特采样在感兴趣的最高频率的每个周期获得至少两个采样。一旦信号被数字化，数字信号处理电路22进行额外的信号处理，包括数据捕获管理、数学变化、滤波、缩放和对外部控制系统创建数学上可变的模拟输出。高速通用串行总线(USB)或以太网端口24用来将探针组件连接到外部计算机21以进行额外的数字和图形分析。可以采用一对数模转换器26来接收来自数字信号处理器22的输出，以便重构初始RF电压和电流波形。电源电路28由外部DC源生成必要的内部工作电压。

现在参照图4A、图4B和图4C，示出根据本发明实施例生成的示例性波形数据。图4A示出示例性未经处理的(raw)电压波形，图4B示出示例性未经处理的电流波形，以及图4C示出示例性未经处理的功率波形。根据本发明，使用傅立叶变换来将电压和电流信号的基波频率和谐波分量分离，从而可以应用数字信号处理算法来校正各频率分量的幅度和相位。该处理除去探针传感器的耦合响应中的不理想性，并且除去与探针结构相关的寄生电抗。然后可以以适当的相位关系重新合并各频率分量，以便重构初始电压和电流波形。数字信号处理部分的输出结果包括连同波形数据的、在每个频率分量上的电压、电流、相位角、功率和阻抗。

当使用多个探针时，也可以容易地确定输入和输出阻抗和插入损耗。一旦确定了两端口的阻抗参数，则可以计算出所有其他两端口的参数。例如，阻抗参数可以被转换成导纳参数或散射参数。

现在转到图5，示出了在基于RF的激励系统中分析功率通量的方法，其中在RF功率传输线4中的不同点上插入两个或更多个测量探针8a、8b、8c，以便揭示关于RF激励系统中的功率通量参数的信息。例如，测量探针8a可以插入在生成器2和传输线4之间，而测量探针8b可以插入在传输线和匹配网络5之间，探针8c可以插入在匹配网络5和工具夹盘40之间。然后可以将联网的探针的输出组合来揭示关于RF激励系统中的分量的阻抗匹配和插入损耗的信息。

在与基波和谐波有关的信号频率上同时进行多个探针的测量。然后询问联网的探针来恢复表示功率通量的瞬时电压、电流和相位信息、以及功率施加路径中的不同点上的阻抗级别。以这种方式，例如，通过计算与探针对相关的两端口的阻抗、导纳、传输和/或散射参数，于是可以量化传输线4、匹配设备5、连接器和反应器等离子体自身的特性。这些计算同时揭示在基波激励频率和每个谐波上的每个分量的特性。例如，可以使用来自分别位于匹配网络前面和后面的探针8b、8c的两端口测量，来确定在RF信号的基波或谐波频率上的输入或输出阻抗(导纳)、插入损耗、内耗和功率传输效率。可以使用来自位于匹配网络5与工具夹盘40之间的探针8c的测量，来重构RF电压和电流波形，以观察RF信号上的等离子体非线性效应。

上面讨论的示例性方法提供关于RF激励信号的基波和谐波幅度和相位关系的临界信息。然后可以在正常工具运行期间监视该信息来确定任何功能块中的故障或不当运行。在维持模式中可以周期性地检查探针，并且可以分析测量数据来识别处理改进的机会。在优选实施例中，测量探针被构建来隔离电压和电流信号，并且维持足够的RF带宽以保留最高测试(即，激励)信号频率的至少15个谐波，尽管也可以构想，可以保留测试信号的更多或更少的谐波，而不背离本发明的范围。

如上所述，可以采用单个测量接收器来从若干探针取出数据，并且来自若干探针的数据可以被送到用于后处理的外部计算机。多个测量接收器可以分别地连接到每个阻抗探针，从而允许系统数据的“实时”处理。使用外部计算机进行大批的信号处理，并且以用户灵活控制的格式通过显示器23呈现和显示结果。

在上述说明书中，参照其特定示例性实施例对本发明进行了描述。然而，在不背离权利要求书所限定的本发明更宽宗旨和范围的前提下，很明显可以对其进行各种修改和改变。

Claims (20)

1.一种分析RF功率传输线中的功率通量的系统，包括：

测量探针，具有用于从所述传输线感测RF电压和电流信号的电压传感器和电流传感器，所述RF电压和电流信号具有波形；

连接到所述电压和电流传感器的测量接收器，用于接收所述RF信号；

采样装置，将所述RF信号转换成数字信号，所述数字信号包括表示所述RF信号的基波频率和所述基波频率的预定数量的谐波的幅度和相位信息；和

数字信号处理装置，辨别所述幅度和相位信息，以便分析功率通量参数以及揭示所述基波和谐波频率之间的幅度和相位角关系；以及

所述数字信号处理装置通过使用关于所述基波和谐波频率之间的相位角关系的所述信息，以适当的相位关系重新合并所述谐波频率，重构所述RF电压和电流波形。

2.如权利要求1所述的系统，还包括数模转换器，用于重构所述RF信号。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述探针和所述传输线包括数字存储装置，用于存储分别来自所述探针和所述传输线的校准数据。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述测量接收器包括数字接口，用于接收来自所述探针和所述传输线的所述校准数据。

5.如权利要求4所述的系统，还包括连接到所述数字信号处理器的计算机，用于所述数字信号的额外数字和图形处理。

6.如权利要求5所述的系统，还包括均衡器，用于补偿所述RF电压和电流信号的波动。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述采样装置包括带通采样模数转换器，用于采样所述RF信号。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述采样装置包括耐奎斯特采样率模数转换器，用于采样所述RF信号。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述采样装置包括用于采样所述RF信号的耐奎斯特采样率模数转换器和带通采样模数转换器的组合。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定数量的谐波包括所述基波频率的多达15个的谐波。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述功率通量参数包括输入阻抗、插入损耗、内耗、等离子体非线性、功率通量效率、散射及其组合。

12.一种分析RF传输线中的功率通量的方法，包括步骤：

将所述至少一个测量探针连接到所述RF传输线；

通过所述至少一个测量探针从所述RF传输线接收RF电压和电流信号，所述RF电压和电流信号具有波形；

将所述RF信号转换成相应的数字信号，所述数字信号包括表示所述RF信号的基波频率和所述基波频率的预定数量的谐波的幅度和相位信息；以及

处理所述数字信号，以便分析功率通量参数以及揭示所述基波和谐波频率之间的幅度和相位角关系；

其中关于所述基波和谐波频率之间的相位角关系的所述信息允许以适当的相位关系重新合并所述谐波频率，以便重构所述RF电压和电流波形。

13.如权利要求12所述的方法，还包括步骤：

将所述数字信号转换成模拟信号，以便重构所述RF信号；以及

将所述数字信号发送到外部计算机，以进行额外的数字和图形处理。

14.如权利要求13所述的方法，还包括步骤：存储来自所述至少一个探针和所述传输线的校准数据，并将所述校准数据下载到测量接收器。

15.如权利要求14所述的方法，还包括步骤：互换所述至少一个探针和/或所述传输线，并且将来自所述互换后的探针和/或传输线的、更新的校准数据下载到所述测量接收器。

16.如权利要求15所述的方法，还包括步骤：以用户控制的格式显示所述各处理步骤的结果。

17.如权利要求16所述的方法，还包括步骤：

将RF电源和工具夹盘连接到所述RF传输线；

将匹配网络连接在所述电源和所述工具夹盘之间的所述RF传输线；

将至少一个所述探针连接在所述电源和所述匹配网络之间，并且将另一个所述探针连接在所述匹配网络和所述工具夹盘之间。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述功率通量参数包括输入阻抗、插入损耗、内耗、等离子体非线性、功率通量效率、散射及其组合。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述采样频率包括取自最高的所述基波频率的所述预定谐波上的每个周期的至少两个采样。

20.如权利要求12所述的方法，其中，所述预定数量的谐波包括所述基波频率的多达15个的谐波。

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