CN101151542A

CN101151542A - 检测传递到负载的rf功率以及该负载的复数阻抗的方法

Info

Publication number: CN101151542A
Application number: CNA2006800018723A
Authority: CN
Inventors: 伊姆兰·艾哈迈德·布塔
Original assignee: INNOVATION ENGINEERING LLC
Current assignee: INNOVATION ENGINEERING LLC
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: US20060170367A1; JP2008527378A; WO2006076357A2; KR20070098860A; EP1836716A2; EP1836716A4; CN100543481C; WO2006076357A3; US7298128B2

Abstract

公开了检测负载的一种或更多种特性的方法系统。可以在射频(RF)功率发生器的输出处检测第一信号的一种或更多种特性。所述第一信号可以具有基频。可以以采样频率对所述第一信号的所述一种或更多种特性进行采样，以产生数字采样信号。所述采样频率可以基于所述第一信号的所述基频的函数被确定。可以从所述数字采样信号确定与所述RF功率发生器联通的所述负载的一种或更多种特性。

Description

检测传递到负载的RF功率以及该负载的复数阻抗的方法

相关申请的交叉引用：本专利申请要求2005年1月11日递交、标题为“使用快速傅立叶变换(FFT)检测传递到负载的RF功率以及该负载的复数阻抗的方法”的美国临时专利申请No.60/643,014的优先权，并且所述美国临时申请通过引用被整体包括。

背景

1.技术领域

所公开的实施方案总地涉及功率和阻抗测量领域。

2.相关技术描述

在典型的RF等离子体发生器方案中，高功率RF源(RF功率发生器(power generator))以已知频率产生RF信号，所述RF信号沿动力管道被提供给等离子体腔。典型地，在RF功率发生器和等离子体腔之间存在严重的阻抗失配。因此，常规地，在RF功率发生器和等离子体腔之间插入阻抗匹配网络。

由于等离子体腔的非线性以及在线路和/或阻抗匹配网络中的损耗，完整的RF信号不能到达等离子腔。因此，常规地，在到等离子体腔的功率输入处采用探测器(probe)来检测RF信号的电压和电流。通过精确地测量电压和电流，使用者可以获得更好的对等离子体品质的指示，以及对硅晶片或等离子体腔中其他器件的蚀刻特性的更好的控制。

已经提出了检测RF波的电压和电流的常规方法。例如，授予Gerrish等人、专利号为RE 38,273的美国再颁专利描述了在到等离子体腔的输入处使用采样探测器来检测等离子体RF电压和电流。电压和电流RF信号与另一信号(例如与主信号相差在0.2KHz到20KHz之间的信号)混合以产生外差信号。随后，使用快速傅立叶变换(FFT)算法来处理该外差信号，以计算电压和电流幅值，以及相关的相角信息。

授予Keane、专利号为5,565,737的美国专利描述了在到等离子体腔的输入处使用混叠采样器探测器(aliasing sampler probe)来检测等离子体RF电压和电流。所述采样器探测器使用具有比RF基频低的采样频率的取样信号。所述采样频率是通过将基频与独立于该基频的混叠频率求和，并且将该和除以一正整数来确定的。

上述方法和系统的一个问题在于，由于RF功率发生器(或其他部件)和等离子体腔之间的阻抗失配，RF功率发生器生成的信号可能严重衰减。当在RF功率发生器的输出和等离子体腔的输入之间使用阻抗匹配网络时发生另一个问题。在这种情况下，由于阻抗匹配网络内的调节，和/或在连接于RF功率发生器的输出和等离子体腔的输入之间的部件和电路中的损耗，传递到等离子体腔的RF功率可能改变。因此，RF功率发生器的输出可能由于RF功率发生器的控制回路(control loop)和阻抗匹配网络的控制回路之间的相互作用而变得不稳定。此外，使用独立于RF基频的混叠频率可能导致不一致的(non-uniform)采样信号。

所提出的其他系统包括在授予Mavretic、专利号为6,046,594的美国专利中描述的以一组谐波频率来测量电源和负载之间的电气特性(例如电流、电压、相位等)以确定关于该负载的信息(例如负载阻抗、功率消耗等)的方法和装置。如该专利中所描述的，第一电路检测电源和负载之间的信号的一组电气特性；第二电路在与所述信号相关联的谐波频率提供代表所述一组电气特性的数据；而第三电路接收所述数据，并且确定关于所述负载在所述谐波频率的信息。然而，这样的系统要求在特定谐波频率进行滤波。虽然这可以提供在该特定谐波频率的信息，但是在基频或在其他谐波频率的信息可能不是使用这样的系统可获得的。

因此，所需要的是用于在这样的位置处对检测到的信号进行采样的方法和系统，即在所述位置处所述信号被紧密地耦合到RF功率发生器的RF输出，并且较少受在RF功率发生器和等离子体腔的输入之间的RF路径中的损耗的影响。

存在对这样的方法和系统的需要，所述方法和系统用于以依赖于被检测信号的基频的采样频率对信号进行采样。

还存在对这样的方法和系统的需要，所述方法和系统用于对被检测信号进行采样，从而从该采样过程中能够获得关于基频以及一个或更多个谐波的信息。

本公开旨在解决一个或更多个上面所列举的问题。

发明内容

在描述本发明的方法、系统和材料之前，应该理解本公开并不限于所描述的特定方法、系统和材料，因为这些可能改变。还应该理解，说明书中所使用的术语仅用于描述特定形式或实施方案的目的，而并不打算限制范围。

还必须注意，如在这里及所附权利要求书中所使用的，除非上下文中以其他方式明确地指示，否则单数形式“a”、“an”和“所述(“the”)”包括复数指代。因此，例如，指代“负载”(a“load”)是指一个或更多个负载，以及本领域技术人员已知的等同物等等。除非以其他方式定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语与本领域普通技术人员所普遍理解的含义相同。尽管在实践和测试实施方案时可以使用任何与本文中所描述的方法、材料和设备类似或等同的方法、材料和设备，现在所描述的是优选的方法、材料和设备。本文中所提及的所有公开内容均通过引用被包括。因此本文中的任何内容均不被解读为承认本文所描述的实施方案不具有由于在先发明而比这些公开内容要早的日期。

在实施方案中，一种检测负载的一种或更多种特性的方法可以包括在RF功率发生器的输出处检测具有基频的信号的一种或更多种特性，以采样频率对所述信号的所述一种或更多种特性进行采样，以产生数字采样信号(digital sampled signal)，以及确定负载的一种或更多种特性。所述采样频率可以基于被检测信号的所述基频的函数来确定。所述负载可以与所述RF功率发生器联通(in communication with)。

在实施方案中，一种用于确定负载的一种或更多种特性的系统可以包括RF功率发生器，与所述RF功率发生器联通的负载，连接到所述RF功率发生器的输出的检测装置，与所述检测装置联通的模数(A-D)转换器，以及与所述A-D转换器联通的数字信号处理器(DSP)。所述检测装置可以检测信号的一种或更多种特性。所述A-D转换器可以将所述信号的所述一种或更多种特性转换为数字形式。所述DSP可以从所述信号的所述一种或更多种特性的数字形式确定所述负载的一种或更多种特性。

附图说明

参照下面的描述、所附权利要求书及附图将清楚本文中所描述的实施方案的方面、特征、益处和优点，其中：

图1根据实施方案描绘示例性的使用电压和/或电流检测装置检测到的信号(detectedsignal)。

图2根据实施方案描绘从图1的所述检测到的信号采样的示例性信号。

图3根据实施方案描绘用于检测和处理电路的示例性系统的框图。

具体实施方式

RF发生器可以被用来向负载传递RF功率。在实施方案中，RF发生器可以经由同轴电缆直接向负载传递RF功率。在可替换的实施方案中，RF发生器可经由变换网络直接向负载传递RF功率。在本公开的范围内还可以使用其他直接或间接向负载传递功率的方式。

在实施方案中，负载可以包括等离子体腔、气体管、电阻性负载，和/或包括电阻性和/或电抗性部件(例如电容器和/或电感器)的复合负载中的一种或更多种。在本公开的范围内还可以使用可附加的或可替换的负载设备。

电压和/或电流检测装置(例如图3中的305)可以被设置在要测量RF功率或阻抗的点处。例如，电压和/或电流检测装置305可以被设置在RF发生器的输出处、RF发生器内，或者可以被设置在RF发生器和负载之间的任何点处。

信号特性(例如RF功率发生器传递的电压和/或电流)可以通过电压和/或电流检测装置305作为模拟信号被检测到。在实施方案中，与在适当电路中的其他位置处设置电压和/或电流检测装置相比，在RF发生器的输出处设置所述装置可以导致更稳定的检测到的信号。在RF发生器的输出处设置所述装置可以包括：(i)物理上与所述输出接触的位置；(ii)所述装置与所述输出电气接触的位置，其中在所述输出和检测装置的位置之间具有可忽略的线路损耗；以及(iii)这样的位置，即其中总体线路损耗发生在RF发生器输出和等离子体发生器输入之间，并且检测设备被设置在从RF发生器输出到等离子体发生器输入的线路损耗不多于总体线路损耗的一半的位置处。图1根据实施方案描绘示例性的使用电压和/或电流检测装置检测到的信号。

所述检测到的信号可以被传送到采样电路，所述采样电路例如模数转换器(图3中的310)。采样电路310可以以采样频率对该电压和/或电流信号进行采样，在实施方案中，采样频率可以小于所述检测到的信号的基频，并且可以是所述检测到的信号的基频的函数。

采样频率可以通过在被采样信号的一个周期(period)内选择期望数量个采样点来确定。例如，采样点的数量可以被这样选择，即在被采样信号的一个周期中采样的总个数可被2ⁿ整除，其中n为非负整数。例如，如果n＝6，则每个被采样信号的周期可以产生64个采样点。在这样的实施方案中，采样频率可以使用等式

f_{s} = \frac{2^{n} f_{0}}{2^{n} + 1}

来确定，其中f₀是检测到的信号的基频，而f_s是采样频率。图2根据实施方案描绘从图1的检测到的信号采样的示例性信号。

采样电路310可以被用于将例如模拟的电压和/或电流信号转换为数字信号。数字形式的、采样后的(sampled)电压和电流信号可以被传送到数字信号处理器(DSP)315。在DSP 315中，可以使用所述采样后的电压和/或电流信号执行算法(例如快速傅立叶变换(FFT)算法)。

在实施方案中，如果电压和电流信号两者均被采样，则所述多个信号可以被提供给单个DSP(如图3中所示)，或者被提供给两个DSP(未示出)。如果使用两个DSP，则可以在所述两个DSP之间同步时钟频率和周期。在本公开的范围内还可以使用多于两个的DSP。

所述一个或更多个DSP 315的输出可以呈数字形式。在实施方案中，所述一个或更多个DSP 315的输出可以包括采样后的电压和/或电流信号在一种或更多种频率的幅度。在实施方案中，所述一个或更多个DSP 315的输出可以包括两个或更多个信号之间的相角。例如，所述一个或更多个DSP 315的输出可以包括以下中的一种或更多种：

|V_f0|＝在基频的电压幅度。

|I_f0|＝在基频的电流幅度。

|V_f2|＝在二次谐波频率的电压幅度。

|I_f2|＝在二次谐波频率的电流幅度。

|V_f3|＝在三次谐波频率的电压幅度。

|I_f3|＝在三次谐波频率的电流幅度。

θV_f0-If0＝在基频，电压和电流之间的相角。

θ_Vf2-If2＝在二次谐波频率，电压和电流之间的相角。

θ_Vf3-If3＝在三次谐波频率，电压和电流之间的相角。

通过所述一个或更多个DSP可以确定可附加的和/或可替换的幅度和/或相角。

基于所述一个或更多个DSP 315的输出，可以确定以下值中的一种或更多种：

P_D＝在基频传递到所述负载的功率。

P_F＝在基频，负载处的前向功率。

P_R＝在基频从负载反射的功率。

|Z_f0|＝负载阻抗在基频的幅值。

Z_f0＝负载阻抗在基频的复数形式。

Z_ch＝等离子体腔输出处的阻抗的复数形式。可以基于Z_f0以及在RF功率发生器和到等离子体腔的输入之间的连接的长度和特性阻抗来计算该阻抗。如果在RF功率发生器和到等离子体腔的输入之间使用了阻抗匹配网络，则还需要关于包括该阻抗匹配网络的组件的值的额外信息。

类似地，还可以使用由所述一个或更多个DSP 315生成的其他数据进行功率和阻抗计算。例如，可以针对一个或更多个谐波频率确定功率和阻抗计算。可附加的和/或可替换的功率和/或阻抗计算可以由所述一个或更多个DSP 315来确定。

使用FFT算法来测量RF功率和阻抗的一个优点可能在于，FFT算法可以分离其他频率对所关注频率的影响。结果，可以导致更高的测量精度。

上面所确定的功率和/或阻抗测量中的一种或更多种可以被用来确定在例如半导体制造工艺中的工艺相关信息。在实施方案中，在基频和/或一个或更多个谐波频率的功率和阻抗可以被用于确定与半导体制造工艺相关的信息。在实施方案中，混合频率可以被可附加地或可替换地用于确定与半导体制造工艺相关的信息。

在实施方案中，一种或更多种功率和/或阻抗测量值随时间的改变可以被用于确定制造工艺的改变。在实施方案中，一种或更多种功率和/或阻抗测量值随时间的改变可以被用来表征负载。在本公开的范围内，可以使用上面描述的信息来进行可替换和/或可附加的操作。

应该意识到，上面公开的各种特征和功能，以及其他特征和功能或者其替换，可以以期望的方式组合到很多其他不同的方法、系统或应用中。还应该意识到，本领域技术人员之后可以做出本发明的各种当前不可预见或不可预料的替换、修改、变体或改进，所述替换、修改、变体或改进也要被包括在所附权利要求书中。

Claims

1.一种检测负载的一种或更多种特性的方法，所述方法包括：

在射频(RF)功率发生器的输出处检测第一信号的一种或更多种特性，其中所述第一信号呈现基频；

以采样频率对所述第一信号的所述一种或更多种特性进行采样，以产生数字采样信号，其中所述采样频率是基于所述第一信号的所述基频的函数确定的；以及

从所述数字采样信号确定负载的一种或更多种特性，其中所述负载与所述RF功率发生器联通。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一信号的所述一种或更多种特性包括以下中的一种或更多种：

电压；以及

电流。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述采样频率是基于形式为

的函数确定的，

其中n是非负整数，而f₀是所述第一信号的所述基频。

4.如权利要求1所述的方法，其中从所述数字采样信号确定负载的一种或更多种特性的操作包括使用数字信号处理器从所述数字采样信号确定负载的一种或更多种特性。

5.如权利要求1所述的方法，其中负载的所述一种或更多种特性包括以下中的一种或更多种：

所述负载电压在所述基频的幅度；

所述负载电压在所述基频的谐波的幅度；

所述负载电流在所述基频的幅度；

所述负载电流在所述基频的谐波的幅度；

在所述基频，所述负载电压和所述负载电流之间的相角；以及

在所述基频的谐波，所述负载电压和所述负载电流之间的相角。

6.如权利要求1所述的方法，其中负载的所述一种或更多种特性包括以下中的一种或更多种：

在所述基频传递到所述负载的功率；

在所述基频的谐波传递到所述负载的功率；

在所述基频，所述负载处的前向功率；

在所述基频的谐波，所述负载处的前向功率；

在所述基频从所述负载反射的功率；

在所述基频的谐波从所述负载反射的功率；

所述负载阻抗在所述基频的幅值；

所述负载阻抗在所述基频的谐波的幅值；

所述负载阻抗在所述基频的复数形式；以及

所述负载阻抗在所述基频的谐波的复数形式。

7.一种用于确定负载的一种或更多种特性的系统，所述系统包括：

射频(RF)功率发生器；

与所述RF功率发生器联通的负载；

位于所述RF功率发生器的输出处的检测装置；

与所述检测装置联通的模数(A-D)转换器；以及

与所述A-D转换器联通的数字信号处理器(DSP)，

其中所述检测装置检测第一信号的一种或更多种特性，其中所述A-D转换器将所述第一信号的所述一种或更多种特性转换为数字形式，其中所述DSP从所述第一信号的所述一种或更多种特性的所述数字形式确定所述负载的一种或更多种特性。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述负载包括等离子体腔。

9.如权利要求7所述的系统，其中所述负载包括气体管。

10.如权利要求7所述的系统，其中所述负载包括电阻性负载。

11.如权利要求7所述的系统，其中所述负载包括一个或更多个电抗性部件。

12.如权利要求7所述的系统，其中所述第一信号呈现基频。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述A-D转换器包括采样装置，所述采样装置具有形式为

的采样频率，其中n为非负整数，而f₀是所述基频。

14.如权利要求7所述的系统，其中所述负载的所述一种或更多种特性包括以下中的一种或更多种：