CN101821844B - 用于测量部件介电特性的装置 - Google Patents

Abstract

由导电材料形成的室连接于地电势。由导电材料形成的热电极置于该室内、在基本上横向方位上并与该室物理分隔。该热电极包括被限定为支撑待测部件的上表面。射频(RF)传输杆连接以通过该室的底部中的开口从该热电极的该底部表面延伸并与该室物理分割。该射频传输杆被限定为从电气组件外壳中的导体板向该热电极传输射频电力。由导电材料形成的上电极被置于该室内、在基本上横向方位上。该上电极电气连接于该室并被限定为可以在竖直方向上移动。

Description

用于测量部件介电特性的装置

背景技术

半导体晶片(“晶片”)制造通常包括将晶片暴露于等离子体中以允许该等离子体的活性成分修改该晶片的表面。晶片的这种等离子体处理可以在等离子体处理系统中执行，在该系统中通过将射频(RF)电力穿过处理气体传送而产生等离子体。等离子体处理操作带来的晶片特性取决于各工艺条件，包括等离子体条件。因为等离子体条件与穿过该系统的射频电力传输紧密相关，所以对射频电力是如何穿过该等离子体处理系统传输的有精确的认知是有好处的。对射频电力是如何穿过该等离子体处理系统传输的认知对于将一个等离子体处理系统与另一个等离子体处理系统匹配也是必须的，从而每个等离子体处理系统中的等离子体强度对于给定的电力输入基本上相同。为了这个目的，有必要对射频电力传输所穿过的等离子体处理系统部件的介电特性有精确的认知。

所关心的介电特性可以包括介电常数和特定部件的损耗角正切(loss tangent)。测量部件的介电特性的一个常规方法包括将该部件和与其固定的试样块一起制造，该试样块可以被除去并且进行介电特性测量。在这种传统技术中，试样块可以是相对于实际部件而言较小的。因为一些部件(例如陶瓷部件)的材料成分受空间变化的影响，有可能相对小的试样块不能提供该部件的材料成分作为整体的真实表现。在这种情况下，试样块测到的介电特性对于实际部件的整体可能不精确。并且，对于给定部件，该给定部件的生产商所报告的试样块的介电特性，可以在与该给定部件在使用过程中所处的射频电力的频率不同的频率下测量的。因为介电特性是依赖于频率的，给定部件的报告的介电特性可能不适用于给定部件将被暴露的射频电力的频率，因此需要利用该给定部件的报告的介电特性和相应的推测误差的假设进行推测。

鉴于上文，需要一种能够对等离子体处理系统中使用的实际的全尺寸部件的介电特性进行测量，而且是在该部件在等离子体处理过程中所暴露的射频电力的工作频率下进行测量的方案。

发明内容

在一个实施方式中，公开一种测量部件的介电特性的装置。该装置包括由导电材料形成且连接于地电势的室。该装置还包括在该室内以基本上横向方位放置并与该室物理分隔的热电极。热电极是由导电材料形成的并包括上表面，该上表面被限定为支撑待测部件。该装置进一步包括连接到该热电极的底部表面的射频(RF)传输杆。该射频传输杆被置为通过该室的底部中的开口从该热电极的该底部表面延伸并与该室物理分割。该RF传输杆被限定为向该热电极传输射频电力。另外，该装置包括在该室内以基本上横向方位放置在该热电极上方的上电极。该上电极是由导电材料形成的并电气连接于该室。该上电极被限定为可以在该室内在竖直方向上移动。

在另一个实施方式中，公开了一种用于测量部件的介电特性的装置。该装置包括由导电材料形成、具有内部空腔并电气连接于地电势的室。该装置还包括由导电材料形成并置于该室的该内部空腔内的上电极。该上电极电气连接于该室。该装置还包括由导电材料形成并置于该室的该内部空腔内、在该上电极下方的位置的下电极。该下电极与该室物理分隔。该装置进一步包括由导电材料形成且连接到该下电极的杆。该杆被配置为穿过该室的底部的开口穿越该下电极。并且，该杆被配置为与该室物理分隔。另外，该系统包括由导电材料形成并置于该室下方的电气组件外壳。该电气组件外壳电气连接于该室以处于该室的地电势。该电气组件外壳被限定为容纳多个电气组件以通过该杆向该下电极传送射频电力。

在另一个实施方式中，公开一种用于测量部件的介电特性的系统。该系统包括由导电材料形成、具有内部空腔并电气连接于地电势的室。该系统还包括置于该室的内部空腔内的上下电极。该上电极电气连接于该室并被配置为以可控方式纵向移动。该下电极被置于该室内部空腔内、在该上电极下方的位置。并且，该下电极与该室物理分隔。该系统还包括连接到该下电极的射频传输杆。该射频传输杆被配置为穿过该室底部的开口穿过该下电极并与该室物理分隔。该系统进一步包括连接到该射频传输杆的导体板从而射频电力可以穿过该导体板被传输到该射频传输杆。另外，该系统包括连接的射频信号发生器以将射频电力通过导线传输到该导体板，以及连接的射频伏特计以测量该导线和该导体板之间的电压。

附图说明

图1是显示，依照本发明的一个实施方式，用于测量部件的介电特性的装置的示意图；

图2A是显示，依照本发明的一个实施方式，被配置为能使上电极竖直移动的室的示意图；

图2B是显示，依照本发明的一个实施方式，该室的俯视图的示意图，描绘了三个竖直定位装置的相对放置；

图2C是显示，依照本发明的一个实施方式，被降低以停放在部件的上表面的上电极的示意图；

图3A是显示，依照本发明的一个实施方式，铰链版的室的示意图；

图3B是显示，依照本发明的一个实施方式，在开放状态的铰链版的室的示意图；

图4A是显示，依照本发明的另一个实施方式，具有出入门(access door)的闭合版的室的示意图；

图4B是显示，依照本发明的另一个实施方式，出入门被除去的闭合版的室的示意图；

图5A是显示，依照本发明的一个实施方式，被配置为适应包括内嵌导电材料的环形部件的示例性热电极的示意图；

图5B是，依照本发明的一个实施方式，用于特定部件用于配置热电极的方法的流程图；

图6是描绘，依照本发明的一个实施方式，当示例性部件被置于该上电极和该热电极之间时，该热电极/RF杆和该接地上电极/室之间的电容的示意图；

图7是描绘，依照本发明的一个实施方式，当该上电极和该热电极之间没有放置部件时，该热电极/RF杆和该接地上电极/室之间的电容的示意图；

图8是显示部件电容(C_part)与部件介电常数(k_part)之间的关系的示例性曲线的示意图；

图9是显示，依照本发明的一个实施方式，用于校准总电容(C_{total_without_part})和该上电极和该热电极之间的间距之间的关系的方法的流程图的示意图；

图10是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定部件的电容(C_part)的方法的示意图；

图11是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定部件的介电常数(k_part)的方法的流程图的示意图；

图12是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定部件的损耗角正切的方法的流程图的示意图；

图13是显示，依照本发明的一个实施方式，图1中所示的，具有置于该上电极和热电极之间的部件的装置的等效电路模型的示意图；以及

图14是显示，基于扫频(frequency sweep)操作中测量和记录的增益与频率数据的关系的示例性拟合方程5的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐明了许多具体的细节以提供对本发明的各实施方式的彻底的理解。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明不需要这些具体细节的一些或全部也可以实现。在其它情况下，没有详细地描述熟知的处理操作以免不必要地模糊本发明。

图1是显示，依照本发明的一个实施方式，用于测量部件的介电特性的装置100的示意图。在一个实施方式中，要测量其介电特性的部件是等离子体处理系统的介电组件。在此实施方式中，该部件可以相应于等离子体处理操作过程中暴露于射频电力，并由此潜在影响等离子体处理操作过程中穿过该等离子体处理系统的射频电力传输的组件。

该装置100包括由导电材料限定并电气连接于地电势141的室101。在一个实施方式中，室101是由基本上较低电阻的导电材料(比如铜)限定的。然而，应当理解，在其它实施方式中，室101可以是由其它低电阻导电材料(比如铝)限定的。装置100还包括由导电材料限定并电气连接于地电势139的电气组件外壳103。在一个实施方式中，该电气组件外壳103位于室101下方并电气连接于室101以与室101分享共同的地电势。

该室101包括内部空腔102，其被限定为容纳上电极105和热电极109。上电极105被置于热电极109上方的该内部空腔102的上部区域内。在一个实施方式中，上电极105被限定为低电阻的导电材料(比如铜)板。在此实施方式中，上电极105板被以基本上水平的方位横向置于该内部空腔102内。只要上电极105的刚性足以保持上电极105跨越内部空腔102的平面度，而且上电极105的重量不会大到使承载上电极105的重量的其它组件变形，那么上电极105的厚度可以变化。在上电极105被定义为铜板的实施方式中，示例性的上电极105厚度可以在约0.125英寸到约1英寸之间变化。在一个特定实施方式中，上电极105被定义为0.25英寸厚的铜板。

并且，上电极105的尺寸并定义为当该上电极105被置于内部空腔102内的基本上水平的方位时，该上电极105基本上覆盖内部空腔102横向截面面积的大部分。在一个实施方式中，上电极105的尺寸被定义为当该上电极在基本上横向(即水平)方位上被中心定位在该内部空腔102内时，上电极105的外围延伸到室101内的1英寸到3英寸。并且，在一个实施方式中，上电极105的尺寸被定义为延伸到待测量部件111的外围外大约部件111的竖直厚度的两倍。

上电极105通过外围连接107电气连接于室101，由此使得上电极105与室101在相同的地电势上。外围连接107被定义为提供上电极105到围绕该上电极105的外围的室101的基本上均匀的接地。在一个实施方式中，外围连接107由挠性铜箔片限定。在此实施方式中，挠性铜箔的实心片被限定为具有基本上等于上电极105的侧面的长度的长度。在此实施方式中，该柔韧铜箔沿上电极105的边缘的整个长度电气连接于上电极。也是在此实施方式中，该挠性铜箔电气连接于接近上电极105的该边缘的整个长度的该室101的壁。因此，在上电极105被限定为具有四个边缘的板的情况下，四个挠性铜箔条被用于分别连接上电极105的四个边缘与室101的壁。

上电极105还被限定为在室101内纵向移动，如箭头104所示。图2A是显示，依照本发明的一个实施方式，被配置为使上电极105能够竖直移动的室101的示意图。在图2A的示意图中，在室101的顶部提供三个竖直定位装置207A-207C。每一个竖直定位装置207A-207C被定义为能够对各自的提升元件203A-203C进行竖直定位控制。每个提升构件203A-203C被限定为有提升杆，该提升杆具有连接于其下端的圆盘。三个引导结构201A-201C连接于上电极105的上表面。每个引导结构201A-201C被限定为接收各自的提升元件203A-203C。更准确地说，每个引导结构201A-201C被限定为在竖直引导区域内部内接收提升元件203A-203C的圆盘。每个引导结构201A-201C还被限定为包括具有出入口(access)的顶部，该出入口的尺寸允许提升杆能够穿过该出入口移动而不允许提升杆的圆盘穿过该出入口移动。因此，每个提升元件203A-203C被限定为通过各自的竖直定位器件207A-207C在竖直方向205A-205C上移动。

每个引导结构201A-201C内的每个提升元件203A-203C的圆盘部分被限定为啮合引导结构201A-201C的顶部的底侧以使得上电极105能够通过提升元件203A-203C和引导结构201A-201C竖直定位。而且，在一个实施方式中，每一个竖直定位装置207A-207C包括竖直定位指示器，其提供提升元件203A-203C的竖直定位的测量，该测量又提供了提升元件203A-203C附近的上电极105的竖直定位的测量。在一个实施方式中，竖直定位装置207A-207C的该竖直定位指示器提供了到最近千分之一英寸的竖直定位测量值。

除了提供对上电极105的竖直高度的控制之外，三个竖直定位装置207A-207C被置于该室101顶上以能够对上电极105在所有方向进行水平位置的控制。图2B是显示，依照本发明的一个实施方式，室101的俯视图的示意图，其描绘了三个竖直定位装置207A-207C的相对放置。图2B显示了上电极105的外围的轮廓206。根据三个竖直定位装置207A-207C的放置，应当理解，通过对竖直定位装置207A-207C的单独控制，可以控制上电极105的水平位置。

如同下面更详细讨论的，在室101的操作过程中，上电极105被降低从而停放在待测量部件111的上表面上。图2C是显示，依照本发明的一个实施方式，上电极105被降低以便停在部件111的上表面的示意图。为了确保上电极105被允许完全停放在部件111的顶上，引导结构201A-201C被限定为允许提升元件203A-203C被降低从而它们的圆盘元件从引导结构201A-201C的顶部脱离(disengage)，由此允许上电极105自由地停放在部件111上，如提升元件203A-203C圆盘和引导结构201A-201C的顶部之间的空隙213A-213C所示。应当理解，在此实施方式中，上电极105和部件111之间的接触力由上电极105的重量限定。并且，应当理解，不管室101内待测量部件111的尺寸多大，接地的上电极105的水平面积尺寸可以保持一样。

尽管竖直定位装置207A-207C和相应的提升元件203A-203B和引导结构201A-201C表示用于控制室101内的上电极105的竖直高度和水平位置的一个实施方式，然而应当理解，此实施方式的各种变形也可用于控制上电极105的竖直高度和水平位置。例如，其它实施方式可以包括附加的机械，比如齿轮和马达，此处没有明白标出。并且，其它实施方式可以包括电子器件，比如马达和传感器，此处没有明白标出。并且，其它实施方式可以包括数据采集与控制界面以能够对各竖直定位装置207A-207C进行计算机控制和监控，并由此对上电极105进行计算机控制和监控。而且，应当理解，外围连接107被限定为允许当上电极105的竖直高度和水平位置被调节时，上电极105保持对室101的壁的电气连接。在外围连接107由挠性铜箔片限定的实施方式中，该挠性铜箔片的尺寸足以适应上电极105在室101的内部空腔102内在整个范围上竖直移动。

再参考图1，热电极109表示相对于上电极105的室101内的下电极。热电极109被限定为支撑待测部件111。热电极109电气连接于射频杆113，射频电力穿过射频杆113从电气组件外壳103内的射频组件导向热电极109。热电极109和射频杆113两者被限定为与室101电气绝缘。热电极109被置于内部空腔102内以离接地室101的壁足够远从而避免热电极109和室101之间的电容遮蔽(obscuring)部件111的电容。在一个实施方式中，热电极109的尺寸尽可能小，但是不小于部件尺寸111，以便最小化热电极109和接地室101之间的电容。热电极109和射频杆113两者由低电阻的导电材料(比如铜)限定。热电极109被限定为有足够大的竖直厚度以使得制造的热电极109没有变形，并使得部件111和上电极105的总重量能够被支撑而不会变形。在各种实施方式中，热电极109可以被限定为具有从约0.125英寸到约2英寸的范围内的竖直厚度。在一个实施方式中，当被置于室101内时，热电极109被限定为具有约0.75英寸的竖直厚度。

并且，在一个实施方式中，热电极109可被配置为包括对准特征以便于部件111在热电极109上的正确对准。在一个实施方式中，部件111在热电极109上的正确对准在当部件111基本上中心定位在热电极109的上表面上时实现。在一个实施方式中，如图2A中所示，热电极109由电绝缘支承板209支撑。在一个实施方式中，在绝缘支承板209中提供大量对准销以使得部件111能够在热电极109上精确定位和对准。在一个实施方式中，如图2A中所示，由支承板209被电气隔离支架211进一步从接地室101隔离。在一个实施方式中，支架211由与支承板209相同的材料限定。在一个实施方式中，支承板209被限定为中心有开口的塑料圆盘，射频杆113可以穿过该开口以与热电极109连接。并且，在此实施方式中，支架211被限定为固体塑料直圆柱(right circular cylinder)。

应当理解，热电极109被限定为装置100的可拆卸元件。因为各种待测部件111的尺寸会变化，随之而来，热电极109的尺寸也会变化。尽管热电极109的尺寸不需要精确匹配每个待测部件111，但有可能各待测部件111的尺寸变化的足够多从而必须使用不同尺寸的热电极109。而且，待测部件111的特定配置和特性可能要求定制的尺寸和形状的热电极109。例如，如果部件111包括一个或多个导电材料形成的嵌入部件，热电极109可能需要被限定为支撑该部件111同时还避免热电极109定位在部件111内的嵌入导电材料之下。例如，如果该热电极109被置于嵌入的导电材料之下，嵌入的导电材料会在嵌入的导电材料的位置上提供热电极109和上电极105之间更大的电气通讯，这不会从整体上表征部件111。因为待测部件111可以是基本上任何尺寸和配置的而且可以包括嵌入导电材料的任何布置，所以应当理解，热电极109可以被限定为根据需要具有基本上任何尺寸和配置以适应待测部件111的特定特性。

图5A是显示，依照本发明的一个实施方式，被配置为适应包括嵌入导电材料的环形部件111A的示例性热电极109A的示意图。嵌入导电材料在位置501处被置于环形部件111A内。热电极109A被限定为具有轮辐形状(spoked-shape)以允许热电极109A支撑部件111A，同时避免该部件的嵌入导电材料放置在热电极109A的上方。尤其是，热电极109A被限定为不在嵌入导电材料位置501下方的位置503。应当理解，以与示例性热电极109A为部件111A特别配置的同样方式，其它热电极109也可以为其它部件111特别配置。

图5B是，依照本发明的一个实施方式，用于配置用于特定部件111的热电极109的方法的流程图。该方法包括操作510以限定导电材料(比如铜)形成的板，该板的外部圆周被限定为基本上匹配部件111的外部圆周。在一个实施方式中，该部件是包括许多嵌入导电材料的介电部件。该方法还包括操作512以鉴定部件111内每个嵌入导电材料的位置。在操作514中，鉴定出的该部件内每个嵌入导电材料的位置被投射(projected)在该板上，其中该部件和该板的外部圆周基本上对准。然后，在操作516中，在对应于嵌入导电材料位置投射于其上的位置处，除去限定该热电极的该板的部分。该热电极板的每个除去部分的尺寸足以确保当部件111和热电极板109的外部圆周对准时，该热电极109不位于该部件111内的该嵌入导电材料下方。在可能的范围内，执行操作516以保证热电极109保持为单一、连续的元件。

再参考图1，电气组件外壳103被限定为容纳多个电气组件，该电气组件将射频电力传送到射频杆113并使得能够对装置100的谐振频率进行控制。作为一个接地结构，电气组件外壳103还被限定为提供射频遮蔽。电气组件外壳103包括连接器129，射频信号发生器125通过导体133连接到连接器129。射频伏特计127也经由导体135连接到连接器129。电气组件外壳103还包括连接器131，射频伏特计127经由导体137连接到连接器131。在一个实施方式中，连接器129和131被限定为BNC连接器。

电气组件外壳103还包括低电阻材料(比如铜)制成的导体板115，射频电力穿过该板传输。连接器129透过电容器117连接到导体板115以使得来自射频信号发生器125的射频电力能够被传送到导体板115。导体板115还电气连接于连接器131以使得射频伏特计127电气连接于导体板115。电气组件外壳103进一步包括电感器119、电容器121和可变电容器123，其中每一个都电气连接于导体板115和接地室101的底部之间。在一个实施方式中，多个电容器可以电气连接于导体板115和接地室101的底部之间以提供如图1所示的等效单一电容器121。

在一个实施方式中，电容器121(或等效的多个电容器)被用于在一个位置上支撑导体板115以便与接地电气组件外壳103电气隔离，由此避免导体板115和电气组件外壳103之间的短路。在另一个实施方式中，可以使用电气绝缘托架支撑导体板115，使其与电气组件外壳103脱离。而且，射频杆113电气连接于导体板115以使得射频电力能够从导体板115传输到热电极109。可变电容器123可以被调节以设定装置100的谐振频率。例如，可变电容器123可以被设定为装置100的谐振频率基本上等于等离子体处理(部件111暴露于其中)中使用的射频电力的工作频率

室101可以以许多方式配置以提供部件111在热电极109上放置和部件111从热电极109除去的出入口(access)。图3A是显示，依照本发明的一个实施方式，铰链版的室101的示意图。在该铰链版中，室101由上室部101A和下室部101B限定。提供铰链303以使得上室部101A相对于下室部101B打开。图3B是实现，依照本发明的一个实施方式，在打开状态的铰链版的室的示意图。在打开状态时，部件111可以被很容易地放置到热电极109上以及从热电极109上取下。并且，在开放状态时，热电极109可以被进入以进行替换。并且，铰链版的室在上室部101A和下室部101B之间使用射频垫圈301。射频垫圈301被限定为围绕该室的整个外围在上室部101A和下室部101B之间提供均匀的电连接，从而保证在上室部101和下室部101B之间的交界处围绕该室的整个外周存在均匀的地电势。射频垫圈301被限定为提供一定量的挠性以适应上下室部101A/101B之间的交界处的各种变化，由此保证围绕该室外围的上下室部101A/101B之间的全部的电接触。

图4A是显示，依照本发明的另一个实施方式，具有出入门(access door)401的闭合版的室101C的示意图。出入门401被限定为从室101C除去以能够进入室101C的内部放置和取出部件111以及更换热电极109。图4B是显示，依照本发明的另一个实施方式，除去出入门401后的闭合版的室101C的示意图。在各种实施方式中，出入门401可以用许多方式紧固于室101C，比如通过紧固件或夹具。然而，应当理解，无论用于将出入门401紧固于室101C的技术是什么，出入门401应该是被固定为在出入门401和室101C之间的交界处建立基本上均匀的地电势。

在一个实施方式中，装置100被限定为在自然界空气和室温条件下操作。然而，在另一个实施方式中，装置100被限定为在该装置100的操作过程中在室101的内部空腔102内提供可控的环境。该可控环境可以包括室101的内部空腔102内的可控的空气条件和温度。在一个实施方式中，室101的内部空腔102内的空气条件(比如气体含量、水分含量、压强等等)和温度被控制为基本上模仿该部件111在等离子体处理系统(部件111部署于其中)的操作过程中所暴露于其中的空气条件和温度。应当理解，在此实施方式中，许多气体输入和输出口可以被置于室101内以便向室101的内部空腔102供应和从室101的内部空腔102除去各种气体混合物。并且，应当理解，在此实施方式中，许多支持系统可以悬垂于(plumbed to)这些气体输入和输出口。根据需要，这些支持系统可包括气体供应系统、加压(pressurization)系统、真空系统、气体加热和/或冷却系统等等，以在室101的内部空腔102内建立适当的可控空气条件和温度。

确定部件的电容和介电常数

图6是描绘，依照本发明的一个实施方式，当示例性部件111被置于上电极105和热电极109之间时，热电极109/射频杆113和接地上电极105/室101之间的电容的示意图。如图6所示，上电极105和热电极109之间的电容是由部件111的电容(C_part)和热电极109和在部件111和上电极105之间的接触区外的那部分上电极105之间的电容(C_st1)限定的。并且，射频杆113和室101的底部之间存在电容(C_st2)。应当理解，电容(C_st1)和(C_st2)是上电极105和热电极109之间的间隔距离(Y1)的函数。并且，电容(C_part)是该部件的介电常数(k_part)的函数。因为电容(C_part)、(C_st1)和(C_st2)表示并联电容，热电极109/射频杆113和接地上电极105/室101之间的总电容(C_{total_with_part})被限定为电容(C_part)、(C_st1)和(C_st2)的和，如方程1所示。

(C_{total_with_part})＝(C_part{k_part})+(C_st1{Y1})+(C_st2{Y1})    方程1

图7是描绘，依照本发明的一个实施方式，当上电极105和热电极109之间没有配置部件时，热电极109/射频杆113和接地上电极105/室101之间的电容的示意图。如图7所示，上电极105和热电极109之间的电容由室101的内部空腔内的空气的电容(C_st3)限定。并且，与图6中一样，射频杆113和室101底部之间存在电容(C_st2)。应当理解，图7中的电容(C_st3)和(C_st2)是上电极105和热电极109之间的间隔距离(Y2)的函数。因为电容(C_st3)和(C_st2)表示并联电容，热电极109/射频杆113和接地上电极105/室101之间的总电容(C_{total_without_part})被限定为电容(C_st3)和(C_st2)的和，如方程2所示。

(C_{total_without_part})＝(C_st1{Y2})+(C_st2{Y2})    方程2

在图6的配置中，在上电极105停放在部件111顶上，其中部件111以基本上中心定位的方式位于热电极109顶上的情况下，可以调节可变电容器123以实现装置100的特定的谐振频率。因为部件111的介电特性是与频率相关的，在一个实施方式中，装置100的谐振频率被设为等离子体处理中使用的射频电力(当部件111被部署于等离子体处理系统中时暴露于其中)的工作频率。因此，根据图6的配置，在室101中存在部件111的装置100将具有特定的谐振频率。

根据图7的配置，在没有部件的情况下，应当理解，当上电极105和热电极109之间的距离(Y2)被改变时，射频电力的谐振频率会改变。在图7的配置中，可变电容器123和射频信号发生器125被保持在与图6中室101中存在部件111时的配置中所应用的各自的设定相同的设定。在这些条件下，图7的配置(不存在部件)中的上电极105可以朝热电极109下降直到根据图7的配置的装置100的谐振频率基本上匹配根据图6的配置(存在部件111)的装置100的谐振频率。当该上电极105被下降以使得图6和7的配置的谐振频率之间基本上匹配时，配置6的总电容(C_{total_with_part})会基本上等于配置7的总电容(C_{total_without_part})。在这种情况下，方程1和2可以被设置为彼此相等，如方程3所示。

(C_part{k_part})+(C_st1{Y1})+(C_st2{Y1})＝(C_{total_without_part})    方程3

方程3的右侧，谐振频率的(C_{total_without_part})，可以通过在射频杆113和上电极105之间连接电容计直接测量(其中射频杆113与导体板115断开而上电极105保持在与没有部件时的谐振频率对应的竖直高度)。并且，可以仿真图6的配置中热电极109和在部件111和上电极105之间的接触区外的那部分上电极105之间的电容(C_st1{Y1})。并且，可以仿真图6的配置中的射频杆113和室101底部之间的电容(C_st2{Y1})。一个实施方式中，电容(C_st1{Y1})和(C_st2{Y1})是通过图6的配置的有限元模型分析仿真的。知道了电容(C_{total_without_part})、(C_st1{Y1})和(C_st2{Y1})，部件的电容(C_part{k_part})可以计算出来，如方程4所示。

(C_part{k_part})＝(C_{total_without_part})-(C_st1{Y1})-(C_st2{Y1})    方程4

一旦计算出部件的电容(C_part{k_part})，部件的介电常数(k_part)可以根据计算出的该部件的电容(C_part{k_part})确定。在一个实施方式中，当置于上电极105和热电极109之间时，该部件的电容(C_part)被针对许多不同的假定部件介电常数(k_part)值进行仿真，以便能够产生部件电容(C_part)与部件介电常数(k_part)的关系的曲线。图8是显示部件电容(C_part)与部件介电常数(k_part)之间的关系的示例性曲线801的示意图。因为部件电容(C_part)是部件的介电常数(k_part)的线性函数，部件电容(C_part)与部件的介电常数(k_part)的关系的曲线通常是良好拟合的曲线，如图8的曲线801所示。在一个实施方式中，通过对置于上电极105和热电极109之间的部件111的有限元模型分析，执行对于许多不同假定部件介电常数(k_part)值的部件电容的仿真。然而，在另一个实施方式中，如果部件111、上电极105和热电极109的几何配置足够简单，对于许多不同的假定部件介电常数(k_part)值的部件电容(C_part)可以通过分析确定。使用产生的部件电容(C_part)与部件介电常数(k_part)的关系的曲线，和使用方程4计算的部件的实际电容(C_part)，可以确定部件(k_part)的实际的介电常数。

正如上面讨论的，为了确定谐振频率下的总电容(C_{total_without_part})，有必要知道该总电容(C_{total_without_part})和上电极105和热电极109之间的间隔距离之间的关系。图9是显示，依照本发明的一个实施方式，用于校准总电容(C_{total_without_part})以及该上电极105和该热电极109之间的间隔距离之间的关系的方法的流程图的示意图。在操作901中，射频杆113被从导体板115和从电气组件外壳103内的任何其它电连接断开。在操作903中，在射频杆113和上电极105之间连接电容计。在操作905中，使用该电容计，对上电极105和热电极109之间的多个竖直间隔距离，测量和记录射频杆113和接地上电极105之间的电容。在一个实施方式中，通过将上电极105定位在离热电极109的多个竖直间隔距离(从0.05英寸到1.2英寸，增量为0.05英寸)，而执行操作905。在操作905中，在上电极105和热电极109之间的每个竖直间隔距离上，保持上电极105在一个基本上水平的横向方位以基本上与热电极109平行。该方法进一步包括操作907，以通过使用在操作905中测得的数据，绘制电容与上电极105和热电极109之间的竖直间隔距离的关系，而产生电容校准曲线。一旦确定了谐振频率下(不存在部件的情况下)的上电极105的竖直高度，室101的电容校准曲线可以被重复用于确定谐振频率的总电容(C_{total_without_part})。

图10是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定部件的电容(C_part)的方法的示意图。图10的方法是对上述步骤的展示。该方法包括操作1001，以将待测部件放在室101内的热电极109上并将上电极105降低以停放在该部件的顶上。在一个实施方式中，使用对准销(alignment pins)来进行该部件在热电极109上的精确定位和对准。在操作1003中，操作射频信号发生器125以向热电极109传输射频电力。在操作1005中，调节可变电容器123以实现该射频电力的谐振频率(即，峰值频率)。在一个实施方式中，该谐振频率对应于连接器129和电气组件外壳103的连接器131之间的峰值增益。在此实施方式中，可以监视射频伏特计127以在可变电容器123的设定对应于连接器129和131之间的峰值增益(从而对应于装置100的谐振频率)时鉴定出来。

该方法进一步包括操作1007，以关闭射频信号发生器125并从该室中移除该部件。在操作1009中，操作射频信号发生器125以在没有部件的情况下向热电极109传输射频电力。在操作1009中，将可变电容器123保持在在操作1005中确定的设定。在操作1011中，降低上电极105直到在没有部件的情况下实现在操作1005中确定的谐振频率。在一个实施方式中，可以监视射频伏特计127以在上电极105的高度使得连接器129和131之间达到峰值增益(从而实现谐振频率)时鉴别出来。没有部件的情况下，谐振频率下的上电极105和热电极109之间的竖直间隔距离被称为谐振上电极105间隔。

一旦确定了谐振上电极105间隔，执行操作1013以根据该谐振上电极105间隔确定谐振频率下的总电容(C_{total_without_part})。在一个实施方式中，在操作1013中，使用室101的电容校准曲线(如在图9的方法中产生的)来确定谐振频率下的总电容(C_{total_without_part})。

该方法进一步包括操作1015，以仿真热电极109和在部件111和上电极105之间的接触区外的那部分上电极105之间的电容(C_st1{Y1})，以及射频杆113和室101底部之间的电容(C_st2{Y1})。如同前面提到过的，在一个实施方式中，电容(C_st1{Y1})和(C_st2{Y1})可以通过有限元模型分析仿真。然后执行操作1017以计算部件电容(C_part)，其等于操作1013中确定的总电容(C_{total_without_part})减去操作1015中仿真的电容(C_st1{Y1})和(C_st2{Y1})。

图11是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定该部件的介电常数(k_part)的方法的流程图。在操作1101中，对于多个假定部件介电常数(k_part)值，仿真并记录该部件电容(C_part)。在操作1103中，根据操作1101产生的仿真数据，产生该部件的电容与介电常数的关系的曲线(比如图8中显示的示例)。在操作1105中，使用操作1103的电容与介电常数的关系的曲线以确定对应于在图10中的方法中确定的该部件的电容(C_part)的该部件的介电常数(k_part)。

确定部件的损耗角正切

图12是显示，依照本发明的一个实施方式，用于确定部件的损耗角正切的方法的流程图。该方法包括操作1201，以将待测部件放到室101内的热电极109上，并降低上电极105以停放在该部件的顶部上。在操作1203中，操作射频信号发生器125以向热电极109传输射频电力。在操作1205中，调节可变电容器123以实现该射频电力的谐振频率(即，峰值频率)。在一个实施方式中，该谐振频率对应于电气组件外壳103的连接器129和131之间的峰值增益。在此实施方式中，可以监视射频伏特计127以在可变电容器123的设定对应于连接器129和131之间的峰值增益(从而对应于装置100的谐振频率)时鉴别出来。

该方法继续进行到操作1207，在操作1207中，控制射频信号发生器125以在一个界定(bounding)操作1205中实现的谐振频率的范围上扫描该射频电力的频率，同时使用射频伏特计127测量并记录在该频率扫描范围内的多个频率下连接器129和131之间的装置100的增益。在一个实施方式中，操作1207的频率扫描所覆盖的频率范围被限定为包括在对应于该谐振频率的峰值增益的每一侧上装置100的增益中的3dB的差异。该方法进一步包括操作1209，以将该装置100的增益的数学模型拟合到增益与操作1207中测量的频率数据的关系，其中操作1209的拟合提供了在里面有部件的情况下装置100的总电容的值(C_{total_with_part})和在里面有部件的情况下装置100的总电阻的值(R_{total_with_part})。下面参考图13-14和方程5进一步描述操作1209的拟合。

图13是显示，依照本发明的一个实施方式，如图1所示，部件111置于上电极105和热电极109之间的装置100的等效电路模型1300的示意图。节点1313对应于电气组件外壳103的连接器129。节点1315对应于电气组件外壳103的连接器131。连接到连接器129和131的射频伏特计127能够测量装置100的增益(定义为|V_out/V_in|)。相对于图1，等效电路1300包括代表电容器117的电容(C_s)1301、代表电感器119的电感(L)1303和电阻(R_L)1305、代表装置100的总电容的电容(C)1307、代表装置100的总电阻的电阻(R_X)1309以及地电势1311。应当理解，电容(C)1307代表射频杆113/热电极109和室101/上电极105之间的电容-电容器121和123以及部件111的电容(如果存在的话)的组合。

方程5将装置100的增益(Gain)限定为图13的等效电路1300内的各电气组件的函数。在方程5中，(f)是对应于该增益的射频电力的频率，(C)是装置100的总电容，而(R_X)是装置100的总电阻。在方程5中，参数(C_s)、(L)、(R_L)是从电气组件外壳103中的各电气组件中可以得到的。因此，在方程5中，参数(C)和(R_X)代表未知参数。

$\mathrm{Gain}=\left|\frac{1}{(-\frac{i}{2C_s\mathrm{f\π}}+\frac{1}{2\mathrm{iCf\π}+\frac{1}{2\mathrm{fi\πL}+R_L}+\frac{1}{R_X}})(2\mathrm{iCf\π}+\frac{1}{2\mathrm{fi\πL}+R_L}+\frac{1}{R_X})}\right|$

方程5

在操作1209中，在装置100中存在该部件的情况下，方程5被拟合到增益与操作1207中测量的频率数据的关系，由此产生里面有部件的情况下装置100的总电容的值(即，(C)＝(C_{total_with_part}))和里面有部件的情况下装置100的总电阻的值(即，(R_X)＝(R_{total_with_part}))。图14是显示，根据增益与操作1207的频率扫描中测量和记录的频率数据的关系，依照操作1209，方程5的示例性拟合。在一个实施方式中，在操作1209中，使用多变量回归(multivariateregression)技术来将方程5拟合测量到的增益与频率数据的关系。并且，在一个实施方式中，通过蒙特卡洛仿真(Monte Carlosimulation)估算未知参数(C)和(R_X)的置信区间。

图12的方法继续进行到操作1211，以关闭射频信号发生器125并将该部件从该室移除。在操作1213中，操作射频信号发生器125以在没有该部件的情况下向热电极109传输射频电力。在操作1213中，将可变电容器123保持在操作1205中确定的设定。在操作1215中，将上电极105降低，直到在没有部件的情况下实现在操作1205中确定的谐振频率。在一个实施方式中，监视射频伏特计127以在上电极105的高度使得连接器129和131之间达到峰值增益(并由此使得实现谐振频率)时被鉴定出来。如同前面提到的，没有部件的情况下，在谐振频率下，上电极105和热电极109之间的竖直间隔距离被称为谐振上电极105间隔。

该方法继续进行到操作1217，在操作1217中，控制射频信号发生器125以在一个界定(bounding)操作1215中实现的谐振频率的范围上扫描该射频电力的频率，同时使用射频伏特计127测量并记录在该频率扫描范围内的多个频率下连接器129和131之间的装置100的增益。在一个实施方式中，操作1217的频率扫描所覆盖的频率范围被限定为包括在对应于该谐振频率的峰值增益的每一侧上装置100的增益中的3dB的差异。该方法进一步包括操作1219，以将装置100的增益的数学模型(即方程5)拟合到操作1217中测量的增益与频率数据的关系。操作1219的拟合提供了在没有部件的情况下装置100的总电容(即，(C)＝(C_{total_without_part}))的值，以及没有部件的情况下装置100的总电阻(即(R_X)＝(R_{total_without_part}))的值。如同前面提到的，在操作1219中，可以使用多变量回归技术以将方程5拟合到测量到的增益与频率数据的关系。并且，在一个实施方式中，利用蒙特卡洛仿真估算每一个未知参数(C)和(R_X)的置信区间。

该方法继续到操作1221，以根据里面有部件的情况下装置100的总电阻(R_{total_with_part})(如在操作1209中确定的)和里面没有部件的情况下装置100的总电阻(R_{total_without_part})(如在操作1219中确定的)，计算该部件的电阻(R_part)。更准确地说，该部件的电阻(R_part)是使用方程6确定的。

$\frac{1}{R_{\mathrm{part}}}=\frac{1}{R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}}-\frac{1}{R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}}\⇒$

$R_{\mathrm{part}}=\frac{\left(R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}\right)\left(R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}\right)}{R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}-R_{\mathrm{total}\_\mathrm{with}\_\mathrm{part}}}$ 方程6

然后该方法包括操作1223，以根据在操作1221中确定的该部件的电阻(R_part)、在图10的方法中确定的该部件的电容(C_part)以及对应于操作1205和1215的谐振频率(Resonance Frequency)(即峰值频率)，计算该部件的损耗角正切。更准确的说，该部件的损耗角正切(Loss Tangent of Part)是使用方程7确定的。

$\mathrm{LossTangentofPart}=\frac{1}{\left(\mathrm{ResonanceFrequency}\right)\left(R_{\mathrm{part}}\right)\left(C_{\mathrm{part}}\right)}$ 方程7

根据上文，可以看出，装置100及其相关方法(图5B、9、10、11和12)提供了对等离子体处理系统中部署的实际的全尺寸部件的介电特性的测量。并且，装置100及其相关方法提供了对射频电力的实际工作频率下(该部件在等离子体处理过程中会暴露于其中)部件的介电特性的测量。而且，装置100及其相关方法提供了在等离子体处理过程中该部件暴露于其中的仿真的空气条件和温度下部件的介电特性的测量。而且，还说明了装置100及其相关方法以提供具有小于1.24E-5的标准偏差的损耗角正切测量值可重复性。

在一个实施方式中，通过使用装置100确定的全尺寸部件的介电特性(比如介电常数值和损耗角正切值)可以依附于该全尺寸部件。在一个实施方式中，所确定的介电常数和损耗角正切值被雕刻(embossed)在该全尺寸部件上。例如，图5A显示了雕刻在部件111A上的介电常数和损耗角正切值的实施例。在另一个实施方式中，将标签附着到该全尺寸部件上以显示所确定的介电常数和损耗角正切值。而且，该全尺寸部件的确定的介电常数和损耗角正切值可以被存储在计算机可读介质上，其可以与该全尺寸部件联合起来提供。

考虑到上述实施方式，应当理解，本发明可以使用各种由计算机执行的操作，该操作涉及在计算机系统中存储的数据。这些操作是需要物理量的物理控制的操作。通常，尽管未必，这些量采取能够存储、传输、结合、比较和以其它方式操作的电或磁信号的形式。进一步，所执行的操作通常以生产、鉴定、确定或比较的术语来指称。此处所述的任何操作可以由计算机系统指导、控制或执行。该计算机系统可以是为了所要求的目的特别构造的，或该计算机系统可以是通用计算机，该通用计算机被存储在该计算机中的计算机程序选择性地激活或配置。

计算机程序可以被限定为控制和监视该装置100并执行与使用装置100以测量部件的介电特性有关的计算。这种计算机程序可以被限定为提供图形用户界面(GUI)以使得用户控制装置100、监视装置100的状态、观察装置100所需的数据、根据装置100所需的数据控制计算并观察和记录通过装置100的操作产生的数据/结果。这种计算机程序可以作为计算机可读代码嵌入到计算机可读介质上。计算机可读介质是可以存储数据的任何数据存储器，该数据以后可以被计算机系统读取。计算机可读介质的例子包括硬盘驱动器、网络附属存储(NAS)、只读存储器、随机访问存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带和其它光数据存储器及非光数据存储器装置。

尽管本发明是依照几个实施方式进行描述的，然而应当理解，本领域的技术人员在阅读前述说明书并研究附图之后，可以实现各种变更、添加、置换和其等同。因此，本发明意在包括所有这些变更、添加、置换和等同，均落入本发明的真实精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于测量部件的介电特性的装置，包含：

由导电材料形成的室，该室电气连接于地电势；

在该室内以横向方位放置并与该室物理分隔的热电极，该热电极是由导电材料形成的并包括上表面，该上表面被限定为支撑待测部件；

连接到该热电极的底部表面的射频(RF)传输杆，该射频传输杆被置为通过该室的底部中的开口从该热电极的该底部表面延伸并与该室物理分割，该射频传输杆被限定为向该热电极传输射频电力；以及

在该室内以横向方位放置在该热电极上方的上电极，该上电极是由导电材料形成的并电气连接于该室，该上电极被限定为可以在该室内在竖直方向上移动。

2.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

沿着该上电极的外围在该上电极和该室之间电气连接的挠性导电箔，该挠性导电箔被限定为在该上电极的一个竖直移动范围上在该上电极的该外围和该室之间提供均匀的电连接。

3.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

置于该热电极和该室的该底部之间的绝缘支承板，该绝缘支承板被限定为在该室内在横向的方位上支撑该热电极。

4.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

多个提升元件，每个具有提升杆和连接于该提升杆的下端的圆盘部；

连接到该上电极的上表面的多个引导结构，每个引导结构被限定为在其内部接收各自的提升元件从而各自的提升元件的提升杆可以穿过该引导结构的顶部的出入口移动且各自的提升元件的圆盘部可以在该引导结构内移动而不能穿过该引导结构的顶部的出入口移动；以及

置于该上电极上方的多个竖直定位装置，该多个竖直定位装置中的每一个都被限定为对各自的提升元件进行竖直定位控制，其中该提升元件的该竖直定位控制通过该提升元件的该圆盘部和该引导结构之间的啮合而使得能够对该上电极进行竖直定位控制。

5.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中三个竖直定位装置以三角关系被置于该上电极上方以使得能够在所有方向上对该上电极进行水平控制。

6.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中该室被限定为具有上室部和下室部，其中设置铰链以能够相对于该下室部打开该上室部。

7.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

置于该上室部和该下室部之间的射频垫圈以在该室在闭合配置时在该上室部和该下室部之间提供均匀的电连接。

8.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中该室被限定为具有出入门，该出入门被配置为可以除去以提供向该室的内部的出入口，其中该出入门是由与该室相同的材料形成的，其中该出入门被限定为当被固定以关闭该室时电气连接到该室从而该出入门处于该室的地电势。

9.根据权利要求1所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中该室、该热电极、该射频传输杆和该上电极每个都是由铜金属形成的。

10.一种用于测量部件的介电特性的装置，包含：

由导电材料形成并电气连接于地电势的室，该室被限定为具有内部空腔；

由导电材料形成并置于该室的该内部空腔内的上电极，该上电极电气连接于该室；

由导电材料形成并置于该室的该内部空腔内、在该上电极下方的位置的下电极，该下电极与该室物理分隔；

由导电材料形成且连接到该下电极的杆，该杆被配置为穿过该室的底部的开口穿越该下电极，该杆被配置为与该室物理分隔；以及

由导电材料形成并置于该室下方的电气组件外壳，该电气组件外壳电气连接于该室以处于该室的地电势，其中该电气组件外壳被限定为容纳多个电气组件以通过该杆向该下电极传送射频(RF)电力。

11.根据权利要求10所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

被置于该电气组件外壳内并与该电气组件外壳物理分隔的导体板，其中该导体板连接于该杆从而射频电力可以通过该导体板被传输到该杆。

12.根据权利要求10所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

第一连接器，其被限定为提供穿过该电气组件外壳并与该电气组件外壳电气绝缘的第一导电传输路径，该第一导电传输路径通过第一电容器电气连接于该导体板；以及

第二连接器，其被限定为提供穿过该电气组件外壳并与该电气组件外壳电气绝缘的第二导电传输路径，该第二导电传输路径电气连接于该导体板。

13.根据权利要求10所述的用于测量部件的介电特性的装置，进一步包含：

在该电气组件外壳内的该导体板和该室的底部之间电气连接的电感器；

在该电气组件外壳内的该导体板和该室的底部之间电气连接的多个固定电容器；以及

在该电气组件外壳内的该导体板和该室的底部之间电气连接的可变电容器，其中该可变电容器被限定为能够调整该装置的谐振频率。

14.根据权利要求10所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中固定电容器的数量是两个。

15.根据权利要求10所述的用于测量部件的介电特性的装置，其中该导体板是由铜金属形成的。

16.一种用于测量部件的介电特性的系统，包含：

由导电材料形成并电气连接于地电势的室，该室具有内部空腔；

被置于该室的内部空腔内的上电极，该上电极电气连接于该室，该上电极被配置为以可控方式纵向移动；

被置于该室内部空腔内、在该上电极下方的位置的下电极，该下电极与该室物理分隔；

连接到该下电极的射频(RF)传输杆，该射频传输杆被配置为穿过该室底部的开口穿过该下电极，该射频传输杆被置为与该室物理分隔；

连接到该射频传输杆的导体板从而射频电力可以穿过该导体板被传输到该射频传输杆；

连接的射频信号发生器以将射频电力通过导线传输到该导体板；以及

连接的射频伏特计以测量该导线和该导体板之间的电压。

17.根据权利要求16所述的用于测量部件的介电特性的系统，进一步包含：

许多竖直定位装置，其穿过该室的顶部连接到该上电极，该多个竖直定位装置被限定为提供对该室的该内部空腔内的该上电极的竖直定位和水平位置的控制。

18.根据权利要求17所述的用于测量部件的介电特性的系统，其中该室包括多个气体输入口和多个气体输出口，其中该用于测量部件的介电特性的系统进一步包括悬垂于该多个气体输入和输出口的空气条件和温度支撑系统，该空气条件和温度支撑系统被限定为在该室的该内部空腔内建立和控制空气条件和温度。

19.根据权利要求18所述的用于测量部件的介电特性的系统，进一步包含：

连接在该射频传输杆和该上电极之间的电容计。

20.根据权利要求19所述的用于测量部件的介电特性的系统，进一步包含：

计算机系统，其具有连接多个组件的通信接口，该多个组件包括该射频信号发生器、该射频伏特计、该多个竖直定位装置、该空气条件和温度支撑系统以及该电容计，该计算机系统被限定为执行图形用户界面，通过该图形用户界面可以监视和控制连接该通信接口的每个元件。

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