CN101971039A - 用于监视rf功率的特性的系统、方法和装置 - Google Patents

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CN101971039A CN2008801273988A CN200880127398A CN101971039A CN 101971039 A CN101971039 A CN 101971039A CN 2008801273988 A CN2008801273988 A CN 2008801273988A CN 200880127398 A CN200880127398 A CN 200880127398A CN 101971039 A CN101971039 A CN 101971039A
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Abstract

描述了一种用于监视RF功率的系统和方法。在一个实施例中，所述系统采样由RF发生器产生的RF功率，以获得包括指示落在频率范围内的多个特定频率的电特性的信息的RF信号。所述RF信号被数字化以获得数字RF信号的流，所述数字RF信号的流包括：指示在所述多个特定频率的电特性的信息；以及，指示针对所述多个特定频率的每一个将电特性从时域连续地变换到频域内的信息。

Description

用于监视RF功率的特性的系统、方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及用于等离子体处理的装置和方法，并且更具体地说涉及用于监视等离子体处理系统的参数的装置和方法。
背景技术
在诸如半导体或平板显示器的制造的等离子体处理应用中，RF功率发生器向等离子体腔中的负载施加电压，并且可以在大范围的频率上操作。在等离子体处理工业中的经验已经能够将特定的等离子体参数(例如，离子密度、电子密度和能量分布)与处理材料(例如，晶片)的特性(例如，均匀性、膜厚度和污染水平)相关联。另外，存在将晶片特性与整体质量相关联的大量知识；因此，在等离子体处理工业中存在将等离子体参数与整个处理的质量相关联的经验。
然而，获得关于等离子体参数的信息(例如，通过直接测量等离子体环境)是困难的并且是破坏性的。相反，识别施加到等离子体处理腔的RF功率的电特性(例如，电压、电流、阻抗、功率)是获得大量信息的相对便宜的方式，但是，用于识别电特性的现有技术太昂贵、太慢或太不精确以至于不能提供足够信息量以在电特性和等离子体参数之间建立已知和可重复的关联。
具体地说，向等离子体腔提供的RF功率在相对小的离散频率(例如，少于20频率)处通常包括大量的功率。然而，已知的监视技术可以分析大范围的频率(例如，包括基本上不影响等离子体参数的频率)。因此，这些已知的技术太慢或太不精确以至于不能提供关于相关频率的电特性的足够的信息量。因此，需要一种系统和方法来处理当前技术的不足，并且提供其他新颖和创新性的特征。
发明内容
下面综述在附图中示出的本发明的示例性实施例。在具体实施方式部分中更充分地描述这些和其他实施例。然而，应当理解，不打算将本发明限制为在发明内容或具体实施方式中描述的形式。本领域内的技术人员可以认识到，存在落在如权利要求中表达的本发明的精神和范围内的多种修改、等价物和替代结构。
本发明可以提供一种用于监视施加到等离子体负载的RF功率的电特性的系统和方法。在一个示例性实施例中，本发明可以包括：采样由RF发生器产生的RF功率以获得RF信号，所述RF信号包括指示了在落在频率范围内的多个特定频率的电特性的信息。所述RF信号被数字化以获得数字RF信号的流，所述数字RF信号包括：指示了在所述多个特定频率处的电特性的所述信息；以及，指示了针对所述多个特定频率中的每一个，电特性被连续地从时域变换到频域中的信息。
在另一个实施例中，本发明的特征在于一种用于监视施加到等离子体负载的RF功率的电特性的装置。在这个实施例中的装置包括：模数转换器，其被配置用于数字化RF信号，以提供数字RF信号的流，所述RF信号包括指示了由RF发生器产生的电特性的信息，所述数字RF信号流包括指示了电特性的所述信息；以及，变换部分，其被配置用于在多个特定频率中的每一个频率处连续地将指示了电特性的所述信息从时域变换到频域。
在另一个实施例中，本发明的特征在于一种用于监视被施加到等离子体负载的RF功率的电特性的方法。在这个实施例中的方法包括：接收施加到所述等离子体负载的所述RF功率的参数的数字采样的基本上连续的流，所述RF功率包括在频谱内在多个频率处的功率；在所述多个频率的特定的一个频率处合成正弦函数；产生多个乘积，所述乘积中的每一个是所述正弦函数与多个所述数字采样中的每一个的乘积；以及，提供所述乘积之和的标准化值，以便提供在所述多个频率的所述特定的一个频率处的所述电特性的所述参数的值。
如上所述，上述实施例和实施方式仅是为了说明的目的。本领域内的技术人员从下面的描述和权利要求中可容易地认识到本发明的多个其他实施例、实施方式和细节。
附图说明
结合附图，参照具体实施方式和所附的权利要求，本发明的各种目的和优点和更完整的理解将是显而易见的，并且更容易被理解，其中：
图1是描述了其中实现本发明的数个实施例的等离子体处理环境的框图；
图2是描述了参考图1所述的传感器的处理部分的示例性实施例的框图；
图3是描述了用于监视被施加到等离子体负载的功率的示例性方法的流程图；
图4是描述了在图2中描述的变换部分的示例性实施例的框图；以及
图5是描述了用于执行采样的RF数据的变换的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中，在数个视图中，使用相同的附图标记来指定相同或类似的元件，并且特别参照图1，其是描述其中实现本发明的数个实施例的等离子体处理环境100的框图。如图所示，射频(RF)发生器102经由阻抗匹配网络106耦合到等离子体腔104，并且分析部分108被布置用于从耦合到RF发生器102的输出的第一传感器110接收输入，并且从耦合到等离子体腔104的输入的第二传感器112接收输入。如上所示，分析部分108也耦合到人机界面114，人机界面114可以包括键盘、显示器和指示了设备(例如，鼠标)。
所示的这些部件的结构是逻辑上的，并且不意味着是实际硬件图；因此，可以在实际实施中对部件进行组合或进一步分离部件。例如，可以使用分析部分108的一部件来实现传感器110、112之一或两者的功能，并且可以将传感器110整体包含在发生器102的外壳内。而且，应当认识到，在图1中包括的部件描述了一种示例性实施方式，并且在其他实施例中，如本文进一步所述的，可以省略一些部件，并且/或者可以增加其他部件。
RF功率发生器102通常向等离子体腔104提供RF功率，以点燃并维持腔104中的等离子体，以进行等离子体处理。虽然不是必须的，在许多实施例中，RF发生器102由两个或更多RF发生器的集合来实现，并且RF发生器中的每一个在不同的频率处提供功率。虽然不是必须的，可以用从Fort Collins，CO的Advanced Energy公司获得的一个或多个PARAMOUNT模型的RF功率发生器来实现RF发生器102。
在这个实施例中的匹配网络106通常被配置用于将腔阻抗变换为用于RF功率发生器102的理想负载，其中，腔阻抗可以随着这个施加的电压的频率、腔压力、气体构成和目标或衬底材料而改变。本领域内的普通技术人员可以理解，可以将多个不同的匹配网络类型用于这个目的。可以用从Fort Collins，CO的Advanced Energy公司获得的NAVIGATOR模型的数字阻抗匹配网络来实现匹配网络106，但是也可以使用其他阻抗匹配网络。
在这个实施例中的第一传感器110通常被配置用于关闭到RF发生器102的反馈，以便使得RF发生器102能够维持输出功率的期望水平(例如，恒定的输出功率)。例如，在一个实施例中，传感器110测量由发生器施加的电特性的参数(例如，反射功率、反射系数等)，并且基于在所测量的参数和设定点之间的差来向RF功率发生器102提供反馈。
在图1中描述的实施例中的第二传感器112通常被配置用于在腔104中提供等离子体的特征。例如，由传感器112获得的测量可以用于估计离子能量分布、电子密度和/或能量分布，其直接地影响在腔104中的处理结果。在许多实施例中，作为另一示例，在腔104的输入111处测量的电特性(例如，电压、电流、阻抗)可以用于预测相关联的等离子体参数的预测值，并且可以用于端点检测。例如，可以结合已知信息(例如，指示了与特定电压的偏离将如何影响或不影响一个或多个等离子体参数的信息)使用来自第二传感器112的测量。虽然在图1中未示出，但是传感器110、112可以包括换能器(transducer)、电子设备和处理逻辑(例如，在软件中、硬件、固件或其组合中体现的指令)。
分析部分108一般被配置用于从传感器110、112接收信息(例如，关于电特性的参数的信息)，并且经由人机界面114向用户传送该信息。可以由与软件或专用硬件和/或固件相关的通用计算机来实现分析部分108。
接下来参照图2，示出了参考图1所述的传感器110、112的处理部分200的示例性实施例的框图。如图所示，在这个实施例中的处理部分200包括第一和第二处理链202、204，并且每一个处理链202、204包括模拟前端206、模数(A/D)转换器208、变换部分210和校正部分212。
在图2中的部件的描述是逻辑上的，并且不意味着是实际硬件图；因此，可以在实际实施中进行组合或进一步分离部件。例如，可以由两个独立的A/D转换器(例如，14比特转换器)来实现A/D转换器208，并且可以通过硬件、固件和/或软件部件的集合来实现变换部分210。在例如一个特定实施例中，通过现场可编程门阵列来实现变换和校正部分210、212。
在图2中所述的示例性实施例中，第一和第二处理链202、204被配置用于接收(例如，从定向耦合器(directional coupler)，其可以被称为正向波和反射波传感器)各自的正向电压和反向电压模拟RF信号。在其他实施例中，第一和第二处理链202、204可以接收电压和电流模拟RF信号。为了清楚，参考单个处理链来描述处理部分200的操作，但是应当认识到，完成在第二处理链中的对应功能。
在参考图2的同时，将同时参考图3，图3是描述用于监视被施加到等离子体负载的功率的电特性的示例性方法的流程图300。然而，应当认识到，在图3中所述的方法不限于在图2中描述的具体实施例。如图3中所示，由RF发生器(例如，RF发生器102)产生的RF功率被采样以获得RF信号，该RF信号包括指示了落入频率范围的多个特定频率处的电特性(框300、302)。
例如，频率范围可以包括从400kHz到60MHz的频率的范围，但是这个范围当然可以根据例如向系统提供功率的RF发生器的频率而改变。多个特定频率可以是特别感兴趣的频率，并且本文进一步所述的这些频率也可以根据施加到处理腔(例如，等离子体腔104)的功率的频率而改变。例如，特定频率可以是基本频率、每个频率的第二和第三谐波；以及，相互相调制的结果。
如参考图2所示，第一处理链202的模拟前端206被配置用于从换能器(未示出)接收正向电压模拟RF信号，并且准备用于数字转换的模拟RF信号。模拟前端206例如可以包括分压器和前置滤波器。如图所示，一旦模拟前端206处理了模拟RF信号，则其被A/D转换器208数字化，以产生数字RF信号流，该数字RF信号流包括指示了在多个特定频率处的电特性的信息(框306)。例如在一些实施例中，以14比特的精度，在每秒内获得对模拟RF信号的6400万次采样。
如所示，一旦数字化采样的RF信号，则针对多个特定频率中的每一个，将指示了电特性(以数字形式)的信息从时域变换到频域(框308)。作为示例，在图2中描述的变换部分210接收数字RF信号流214、216，并且连续地将在数字流214、216中的每一个的信息从时域变换到频域，并且针对正向电压流和反射电压流提供同相(in phase)和正交(quadrature)信息。
虽然不是必须的，但是，在一些实施例中，由现场可编程门阵列(FPGA)来实现变换部分210，该现场可编程门阵列被编程以在第一时刻及时完成在一个频率处的傅立叶变换(Fourier transform)(例如，单个频率傅立叶系数计算)，然后在随后的时刻及时完成在另一频率处的傅立叶变换，使得每次在一个频率处连续地完成傅立叶变换。受益地，这种手段比在现有技术的解决方案中试图在整个频率范围(例如，从400kHz到60MHz)上进行傅立叶变换更快并且更精确。
在图2中描述的实施例中，获得数字RF信号的连续变换处的特定频率f1-N被存储在可以被变换部分210访问的表格218中。在这个实施例的变化形式中，用户能够输入特定频率f1-N(例如，使用人机界面114或其他输入模块)。所输入的特定频率f1-N可以是感兴趣的频率，因为例如频率会影响一个或多个等离子体参数。例如，如果向腔应用两个频率(例如，使用两个发生器)，则可能存在8个感兴趣的频率：两个基本频率；每个频率的第二和第三谐波；以及，该两个频率的两个互相调制乘积。
在一些实施例中，数字流214、216的每一个的256个采样用于产生傅立叶变换，并且在许多实施例中，数字流214、216的数据速率是64Mb。然而，可以考虑增加(例如，以提高精度)或减少(例如，提高变换在流中的信息的速率)采样的数量。受益地，在变换部分210的许多实施方式中，数字流214、216是连续的数据流(例如，不存在数据的缓冲器)，使得在特定频率的每一个频率(例如，频率f1-N)处快速地(例如，每微秒)完成变换。
如在图2中描述的实施例中所示，变换部分210针对数字正向和反射电压流214、216中的每一个提供两个输出(例如，同相信息(I)和正交信息(Q))，并且四个值中的每一个随后被校正部分212校正。如在图2中描述，在一些实施例中，使用校正矩阵220来校正来自变换部分210的变换信息。例如，将由变换部分210提供的四个值中的每一个乘以在存储器(例如，非易失性存储器)中存储的校正矩阵。
在许多实施例中，矩阵220是校准处理的结果，在该校准处理中，测量已知信号，并且产生校正因子，以校正在传感器中的误差。在一个实施例中，存储器包括针对125MHz的每个的一个矩阵，并且每一个矩阵是2×4的矩阵。并且在变化形式中，针对阻抗和功率中的每一个使用独立的矩阵；因此，在一些变化形式中，使用250个2×4的矩阵。如图所示，在通过校正部分212的校正后，输出四个输出，其表示正向和反射电压的同相和正交表示。
在一些实施例中，使用查找表(例如，正弦和余弦函数的查找表)来在变换部分210中执行傅立叶变换。虽然可以使用这种技术来相对快地完成傅立叶变换，但是当需要较高精度时，存储的数据量可能难于处理。
在其他实施例中，结合数据的变换来使用直接数字合成(DDS)。例如参考图4，它是描述在图2中描述的变换部分210的示例性实施例的框图。参考图4，同时参考图5，图5是描述了用于执行采样的RF数据的变换的示例性方法流程图。如图所示，在图4中描述的示例性实施例中，选择特定的频率(例如，参考图2描述的特定频率f1-N中的一个)(框500、502)，并且直接数字合成部分402合成针对该频率的正弦函数(框504)。例如，在图4中描述的实施例中，合成正弦和余弦函数。
如所示，获得指示了RF功率参数的采样(框506)。在图4中描述的示例性实施例中，获得正向和反射电压的数字采样414、416，但是在其他实施例中，获得其他参数(例如，电压和电流)。如图5中所示，针对每一个选择的频率，产生在选择的频率处的正弦函数和RF数据的多个采样的乘积(框508)。例如在图4中描述的实施例中，在对数字RF采样414、416(例如，从A/D转换器获得)完成窗函数(windowing function)404后，通过在单个频率傅立叶系数计算(SFFC)部分406，将由DDS 402产生的正弦和余弦函数乘以每一个采样。
如所示，正弦函数和采样的乘积被滤波(框510)(例如，由SFFC 406中的累加器)，并且一旦使用了期望数量的数字RF采样(框512)，则提供滤波的乘积的标准化值(框514)。在一些实施例中，使用64个采样，并且在其他实施例中，使用256个采用，但是当然这不是必须的，本领域内的普通技术人员可以认识到，可以基于滤波器的期望带宽和响应来选择采样的数量。在其他实施例中，使用其他数量的数字RF采样来获得在特定频率处的参数(例如，正向或反射电压)的值。
如图5中所示，针对每一个特定频率(例如，在表218中的N个频率中的每一个)，完成框502-514，以便针对每一个感兴趣的频率，连续地完成采样的RF数据的变换。在一个实施例中，通过FPGA来实现DDS 402、窗404和SFFCC 406部分。但是这当然不是必须的，在其他实施例中，通过专用芯片来实现DDS部分402，并且(例如，通过FPGA)独立地实现窗404和SFFCC 406部分。
总之，本发明具体地说提供了一种用于监视RF功率的电特性的系统和方法。本领域内的技术人员容易识别，可以在本发明、其使用和其配置中进行多种改变和替代，以实现与由本文所述的实施例实现的基本相同的结果。因此，不打算将本发明限制为公开的示例性形式。许多改变、修改和替代结构落在如权利要求中表示的、公开的发明的范围和精神内。

Claims (18)

1.一种用于监视施加到等离子体负载的RF功率的电特性的方法，包括：
检测由RF发生器产生的RF功率的电特性，以获得RF信号，所述RF信号包括指示了落在频率范围内的多个特定频率处的电特性的信息；
数字地采样所述RF信号以获得数字RF信号流，所述数字RF信号包括指示了在所述多个特定频率处的电特性的所述信息；以及
针对所述多个特定频率中的每一个，将指示了电特性的所述信息从时域连续地变换到频域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地变换包括：仅变换指示了在所述特定频率处的电特性的所述信息，以便在所述特定频率之间留下未变换的频带。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，采样包括：使用从由电压-电流传感器和定向耦合器组成的组中选择的传感器来进行采样。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，指示了电特性的所述信息包括正向和反向电压信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地变换包括：
在所述特定频率中的每一个频率处，数字地合成正弦函数；以及
针对所述特定频率中的每一个，对所述正弦函数和指示了电特性的所述信息的采样值的乘积进行滤波，以便针对所述多个特定频率中的每一个，获得指示了电特性的所述信息的变换。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地变换包括：
针对所述特定频率中的每一个，从正弦函数表检索预创建的正弦函数；并且
针对所述特定频率中的每一个，对所述正弦函数和指示了电特性的所述信息的采样值的乘积进行滤波，以便针对所述多个特定频率中的每一个，获得指示了电特性的所述信息的变换。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，数字化所述RF信号包括：数字化所述RF信号，从而以64Mb的速率获得14比特的数字RF信号流。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，连续地变换包括：对连续的数字RF信号流进行变换。
9.根据权利要求1所述的方法，包括：
选择所述特定频率；
将所选择的频率置于表格中；以及
访问所述表格以便识别要被连续变换的所述频率。
10.一种用于监视施加到等离子体负载的RF功率的装置，包括：
模数转换器，其被配置用于数字化RF信号，所述RF信号包括指示了由RF发生器产生的电特性的信息，以提供包括指示了电特性的所述信息的数字RF信号流；以及
变换部分，其被配置用于在多个特定频率的每一个频率处，将指示了电特性的所述信息从时域连续地变换到频域。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述变换部分被配置用于仅变换指示了在所述特定频率处的电特性的所述信息。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述变换部分被配置用于执行快速傅立叶变换。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述模数转换器提供基本上连续的数字RF信号流，以便使得所述变换部分能够基本上实时地变换指示了电特性的所述信息。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述变换部分包括：
直接数字合成器，其被配置用于在所述特定频率的第一频率处合成正弦函数；
数字乘法器，用于产生所述正弦函数与指示了电特性的所述信息的多个采样值中的每一个的乘积，以便产生第一多个乘积；以及
滤波器部分，其被配置用于对所述第一多个乘积求和，以便提供第一乘积之和，其中，所述第一乘积之和的标准化的值提供了在所述特定频率中的所述第一频率处的参数的值。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，在所述直接数字合成器在所述特定频率中的所述第一频率处产生正弦函数后，所述直接数字合成器被配置用于在所述特定频率的第二频率处合成正弦函数，所述乘法器产生所述第二频率与指示了电特性的所述信息的多个额外的采样的值中的每一个的乘积，以便产生第二多个乘积，并且累加器对所述第二多个乘积求和，以便提供第二乘积之和，其中，所述第二乘积之和的标准化值提供了在所述特定频率的所述第二频率处的参数的值。
16.根据权利要求14的装置，其中，使用现场可编程门阵列来实现所述直接数字合成器。
17.一种用于监视施加到等离子体负载的RF功率的电特性的方法，包括：
接收施加到所述等离子体负载的所述RF功率的电特性的参数的数字采样的基本上连续的流，所述RF功率包括在频谱内的多个频率处的功率；
在所述多个频率的特定的一个频率处合成正弦函数；
产生多个乘积，所述乘积中的每一个是所述正弦函数与多个所述数字采样中的每一个的乘积；以及，
提供所述乘积之和的标准化值，以便提供在所述多个频率的所述特定的一个频率处的所述RF功率的所述电特性的所述参数的值。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
在所述多个频率的另一频率处合成另一正弦函数；
产生其他多个乘积，所述其他乘积中的每一个是所述其它正弦函数与多个所述数字采样中的每一个的乘积；以及
提供所述其他乘积之和的标准化值，以便提供在所述多个频率的所述另一个频率处的所述RF功率的所述电特性的所述参数的另一值。
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