CN106226577B - 电压模型rf偏置应用的大动态范围rf电压传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电压模型RF偏置应用的大动态范围RF电压传感器和方法。衬底处理系统的电压传感器包括多分压器电路、钳位电路和第一和第二输出。多分压器电路接收表示在衬底的RF电压的射频信号。多分压器电路包括相应信道的分压器和根据接收到的射频信号输出第一和第二下降的电压。下降的电压小于RF电压。当RF电压大于第二预定电压或第一下降的电压大于第三预定电压时，钳位电路钳位第一下降的电压到第一预定电压。当所接收到的RF信号是在第一和第二电压范围内时，第一和第二输出分别基于第一和第二下降的电压将输出信号输出。第一预定电压是基于所述第一电压范围的最大值。

Description

电压模型RF偏置应用的大动态范围RF电压传感器和方法
相关申请的交叉引用
本公开涉及于2014年7月21日提交的美国专利序列No.14/336355。所引用的该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及等离子体处理系统，尤其涉及检测在等离子体处理系统中的静电卡盘的RF电压。
背景技术
本文所提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的内容。当前所冠名的发明人的工作(在该背景部分中有所描述的程度上)以及在申请时可能没有资格作为现有技术的本说明书的方面，既不明显地也不隐含地承认当作本公开的现有技术。
在半导体器件的加工和制造过程中通常使用电离气体或等离子体。例如，等离子体可用于从衬底(例如半导体晶片)蚀刻或去除材料，以及通过PVD或CVD来沉积材料到衬底上。产生在制造或制作过程中使用的等离子体通常通过引入处理气体到处理室内开始。将衬底放置在处理室内在例如静电卡盘或基座之类的衬底支撑结构上。
处理室可以包括变压器耦合等离子体(TCP)源线圈，其接收由RF功率产生器供应的射频(RF)功率。由例如陶瓷之类的材料构成的介电窗被整合到处理室的上表面内。介电窗使得RF功率能从TCP源线圈发送到处理室的内部。RF功率激励处理室中的气体分子以产生等离子体。
等离子体包括电子和带电粒子。比带电粒子较轻的电子趋向于更容易地迁移，从而导致在处理室的表面形成鞘层。自偏置效应导致在处理室的内表面的净负电荷。净负电荷被相对于地(称为直流(DC)偏置)以及相对于等离子体的电位(称为DC鞘层电位)提供。直流偏置是在处理室内的表面和地之间的电位差。直流鞘层电位是处理室内的表面电位和等离子体的电位之间的差。直流鞘层电位导致较重的带正电荷的粒子被吸引朝向处理室的内表面。在衬底的该直流鞘层电位的强度在很大程度上决定了带正电的粒子撞击衬底的能量。这种能量影响诸如蚀刻速率或沉积速率之类的处理特性。
偏置RF电源供给偏置RF功率至衬底支撑结构。偏置射频功率可用于增大直流偏置和/或鞘层电位，以增加带电粒子撞击衬底的能量。偏置RF功率的变化产生在衬底的相应的DC偏置和/或鞘层电位的变化，从而影响处理特性。
包括拾取设备和信号处理电路的电压控制接口(VCI)可被用来检测在衬底支撑结构上的RF峰值电压。拾取设备可以附连到衬底支撑结构以及接收RF峰值电压(即，RF偏置电压)。信号处理电路被连接到所述拾取设备以及将RF峰值电压转换成具有与处于检测中的RF电压的峰值成比例的幅值的模拟信号。当偏置RF系统在电压模式下操作时，基于所检测到的RF峰值电压来调节偏置RF功率，使得偏置RF电压被调制到在处理配方中给出的其设定点。
VCI的电压传感器或拾取设备可以包括用于对相应的信道进行RF电压检测的电容分压器。VCI可以包括用于在信道上接收到的电压信号的信号调节和处理的电路。电压传感器具有通常被限制到小于40分贝的动态范围其中在低电压下精度降低。例如，电压传感器可以具有从25伏(V)的峰值至1200V的峰值的33.6分贝的动态范围，精度为±(1V+1.5％美国国家标准与技术研究院(NIST)的基准值)。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种衬底处理系统的电压传感器，所述电压传感器包括：
多分压器电路，其被配置成接收射频(RF)信号，其中，所接收的所述RF信号表示被提供在所述衬底处理系统的等离子体室内的衬底的RF电压，其中，所述多分压器电路包括第一分压器和第二分压器，其中所述第一分压器对应于第一信道，并基于所接收的所述RF信号输出第一下降的电压，其中，所述第二分压器对应于第二信道，并基于所接收的所述RF信号输出第二下降的电压，且其中所述第一下降的电压和所述第二下降的电压小于所述RF电压；
钳位电路，其被配置成当(i)所述RF电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压；
所述第一信道的第一输出，其被配置为基于所述第一下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在第一电压范围或第二电压范围中的至少一者内时输出第一输出信号，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围高，并且其中所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值；以及
所述第二信道的第二输出，其被配置为基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在所述第一电压范围或所述第二电压范围中的至少一者内时输出第二输出信号。
2.根据条款1所述的电压传感器，其中：
所述第一分压器包括与第二电容串联连接的第一电容；以及
所述第二分压器包括与第四电容串联连接的第三电容。
3.根据条款2所述的电压传感器，其中：
所述第一分压器包括第五电容和与所述第二电容并联连接的第一电阻；以及
所述第二分压器包括第六电容和与所述第四电容并联连接的第二电阻。
4.根据条款1所述的电压传感器，其中所述钳位电路包括成对的稳压二极管。
5.根据条款1所述的电压传感器，其中：
所述第一预定电压等于所述第三预定电压；以及
所述第二预定电压大于所述第一预定电压和所述第三预定电压。
6.根据条款1所述的电压传感器，其中：
所述第二信道包括缓冲电路；
所述缓冲电路包括放大器和电压分压器；
所述放大器接收第一输入和第二输入；
所述第一输入基于所述第二下降的电压产生；
所述第二输入基于所述电压分压器的输出产生；以及
所述第二输出信号基于所述放大器的输出产生。
7.根据条款6所述的电压传感器，其中所述第二信道还包括被配置以阻断所述放大器输出的小于第四预定电压的电压的电压电路。
8.根据条款7所述的电压传感器，其中：
所述电压电路包括成对的二极管；以及
所述预定电压是0V。
9.根据条款1所述的电压传感器，其中：
所述第一信道包括第一整流器；
所述第二信道包括第二整流器；
所述第一整流器基于所述第一下降的电压产生第一整流信号；以及
所述第二整流器基于所述第二下降的电压产生第二整流信号。
10.根据条款9所述的电压传感器，其中：
所述第一信道包括第一缓冲电路；
所述第二信道包括第二缓冲电路；
所述第一缓冲电路缓冲所述第一整流信号；以及
所述第二缓冲电路缓冲所述第二整流信号。
11.一种电压受控接口，其包括：
根据条款1所述的电压传感器；以及
控制器，其被配置为基于(i)在所接收的RF电压是在所述第一电压范围内时的所述第一输出信号，以及基于(ii)在所接收的RF电压是在所述第二电压范围内时的所述第二输出信号，控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的偏置电压。
12.一种衬底处理系统，其包括：
根据条款11所述的电压受控接口；
所述等离子体室；
被配置成接收所述RF电压以及产生所述RF信号的拾取设备；
设置在所述等离子体室内的卡盘，其中，所述拾取设备被连接到所述卡盘；以及
电源，其被配置成将所述偏置电压供给到所述卡盘。
13.一种操作等离子体处理系统的电压传感器的方法，该方法包括：
在第一分压器和在第二分压器接收射频(RF)信号，其中，所述电压传感器包括所述第一分压器和所述第二分压器，其中，所述第一分压器对应于第一信道，并且其中所述第二分压器对应于第二信道，其中所接收的所述RF信号表示被提供在所述等离子体处理系统的等离子体室中的衬底的RF电压；
基于所接收的所述RF信号通过所述第一分压器产生第一下降的电压；
基于所接收的所述RF信号通过所述第二分压器产生第二下降的电压，其中，所述第一下降的电压和所述第二下降的电压小于所述RF电压；
当(i)所述RF电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压；
基于所述第一下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在第一电压范围或第二电压范围中的至少一者内时通过所述第一信道提供第一输出信号，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围高，并且其中所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值；以及
基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在所述第一电压范围或所述第二电压范围中的至少一者内时通过所述第二信道提供第二输出信号。
14.根据条款13所述的方法，其还包括：
滤波所述第一下降的电压信号，以产生第一经滤波的输出；
整流所述第一经滤波的输出，其中，基于所述第一经滤波的输出产生所述第一输出信号；
滤波所述第二下降的电压信号以产生第二经滤波的输出；以及
整流所述第二经滤波的输出，其中，基于所述第二经滤波的输出产生所述第二输出信号。
15.根据条款13所述的方法，其还包括在放大器接收第一输入和第二输入，其中：
所述第二信道包括所述放大器和电压分压器；
所述第一输入基于所述第二下降的电压产生；
所述第二输入基于所述电压分压器的输出产生；以及
基于所述放大器的输出产生所述第二输出信号。
16.根据条款15所述的方法，其中所述第二信道还包括被配置以阻断所述放大器输出的小于第四预定电压的电压的电压电路。
17.根据条款13所述的方法，其还包括：
基于所述第一下降的电压经由第一整流器产生第一整流信号；以及
基于所述第二下降的电压经由第二整流器产生第二整流信号，
其中，基于所述第一整流信号产生所述第一输出信号，并且
其中，基于所述第二整流信号产生所述第二输出信号。
18.根据条款13所述的方法，其中所述第二电压范围与所述第一电压范围重叠。
19.根据条款13所述的方法，其还包括基于所述第一输出信号和所述第二输出信号控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的偏置电压。
20.根据条款13所述的方法，其还包括基于所述第一输出信号和所述第二输出信号控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的钳位电压。
发明内容
一种衬底处理系统的电压传感器。该电压传感器包括多分压器电路、钳位电路、第一输出和第二输出。多分压器电路被配置成接收射频(RF)信号。所接收的RF信号表示被提供在衬底处理系统的等离子体室内的衬底的RF电压。所述多分压器电路包括第一分压器和第二分压器。所述第一分压器对应于第一信道，并基于所接收的所述RF信号输出第一下降的电压。第二分压器对应于第二信道，并基于所接收的所述RF信号输出第二下降的电压。所述第一下降的电压和第二下降的电压小于所述RF电压。所述钳位电路被配置成在(i)所述RF电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压。所述第一信道的第一输出被配置为基于所述第一下降的电压并且当所接收的RF信号是在第一电压范围和第二电压范围内时输出第一输出信号。所述第二电压范围比所述第一电压范围高。所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值。所述第二信道的第二输出被配置为基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在所述第一电压范围和所述第二电压范围内时输出第二输出信号。
其他特征中，提供了一种操作等离子处理系统的电压传感器的方法。该方法包括：在第一分压器和在第二分压器接收射频(RF)信号。所述电压传感器包括所述第一分压器和所述第二分压器。所述第一分压器对应于第一信道。所述第二分压器对应于第二信道。所接收的所述RF信号表示被提供在所述等离子体处理系统的等离子体室中的衬底的RF电压。所述方法还包括：基于所接收的RF信号通过所述第一分压器产生第一下降的电压；基于所接收的RF信号通过所述第二分压器产生第二下降的电压，其中，所述第一下降的电压和所述第二下降的电压小于所述RF电压；并且当(i)所述RF电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压。所述方法还包括：基于所述第一下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在第一电压范围和第二电压范围内时通过所述第一信道提供第一输出信号，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围高，并且其中所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值；以及基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述RF信号是在所述第一电压范围和所述第二电压范围内时通过所述第二信道提供第二输出信号。
本发明的进一步的适用范围将根据具体实施方式、权利要求和附图而变得显而易见。详细的描述和具体实施例意在用于说明的目的，而并非意在限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图将更充分地理解本发明，其中：
图1是结合了根据本公开所述的多范围电压传感器的衬底处理系统的功能框图；
图2是根据本公开所述的电压控制接口的功能框图；
图3根据本公开示出了操作衬底处理系统和电压控制接口的方法；
图4是根据本公开的电压分压器电路的示意图；
图5是根据本公开的电压钳位电路的示意图；
图6是根据本公开的缓冲电路的示意图；以及
图7是根据本公开的电压补偿电路的示意图。
在这些附图中，可以重复使用附图标记以标记相似和/或相同的元件。
具体实施方式
对于某些衬底处理，需要越来越高的偏置RF电压。例如，高电压偏置脉冲(HVBP)可能要求能够检测高达2500V的峰值电压的VCI的电压传感器。每个信道包括单个电压分压器的电压传感器在低电压下具有有限的精度。峰值电压越大，这变得越明显。为了克服该局限性，电压传感器可以包括多个测量信道，使得第一信道被用于测量在第一(或低)范围内的电压，而第二电压测量信道被用于测量在第二(或高)范围内的电压。单个电压分压器的输出可被提供给每一个测量信道，其中每一个测量信道具有相应的信号处理电路。虽然可以使用信道来检测相应的电压范围，但设计为检测低范围电压的信道在检测到高范围电压时会是过载的和/或会被损坏。
为了解决过载问题，开关电路可被添加到用于检测低范围电压的第一信道。开关电路可以接通或关断第一信道。开关电路可包括二极管(例如，PIN二极管)，该二极管接收分压器的输出并且可以经由直流(DC)偏置电压被激活。直流偏置电压可经由控制器来提供，该控制器基于RF电压是在低电压范围或者是在高电压范围来激活二极管。当检测到高电压时，停用二极管以保护被设计用于检测低范围电压的信道的其余部分。
使用开关电路设计的缺点在于，需要控制器来产生DC偏置电压，以给开关电路供电和断电。此外，开关电路可以包括隔直流电容器。隔直流电容器阻止被供给以接通和断开开关电路的直流电压在电压分压器和/或信号处理电路处被接收。隔直流电容器会(i)由于相关的信号干扰而对测量精度造成负面影响，以及(ii)增加校准的复杂性。
下面的实施例提供了在无需DC偏置电压的情况下、在提供用于在相应的电压范围检测RF电压的多个信道的同时被动地操作的VCI和相应的电压传感器。对于被监测的每个信道和/或电压范围，所述的VCI和/或电压传感器具有大的动态范围和高的精度。这包括在低RF电压下的高精度。
图1根据本公开示出了衬底处理系统10。衬底处理系统10可以是导电的蚀刻处理系统。衬底处理系统10包括线圈驱动电路11。在一些实施例中，线圈驱动电路11包括RF源12和调谐电路13。调谐电路13可以直接连接到一个或多个线圈16或通过线圈换向电路15连接到一个或多个线圈16。调谐电路13被用于调整RF源12的输出至预定频率和/或预定的相位。线圈换向电路15被用于选择性地通过线圈16中的一个或多个来切换电流的极性。
在一些实施例中，气体充气室20可以被布置在线圈16和窗24之间。窗24沿处理室28的一侧布置。处理室28进一步包括衬底支撑结构32(有时称为基座)。衬底支撑结构32可以包括静电卡盘、机械卡盘或其它类型的卡盘。处理气体被供给到处理室28，而等离子体40在处理室28的内部产生。等离子体40蚀刻衬底34的暴露表面。RF源50和偏置匹配电路52可被用于在操作过程中给衬底支撑结构32施加偏置。
气体输送系统56可以用于将处理气体混合物供给到处理室28。气体输送系统56可以包括处理气体和惰性气体源57、气体计量系统58(诸如阀和质量流量控制器)、和歧管59。气体输送系统60可以被用于通过阀61来输送气体62到气体充气室20。气体可以包括被用于冷却线圈16和窗24的制冷气体。加热器/冷却器组件64可用于将衬底支撑结构32加热到预定的温度。排放系统65包括阀66和泵67以通过吹扫或抽排从处理室28除去反应物。
控制器54可以用于控制蚀刻处理。控制器54监测系统参数以及控制气体混合物的输送，等离子体的激励、维护和熄灭，反应物的去除，冷却气体的供应等。
衬底处理系统10还可以包括VCI 70。VCI 70可以包括拾取设备72、多范围电压传感器74(以下称为“电压传感器”)、控制器54以及在电压传感器74和控制器54之间的任何电路。拾取设备72延伸进入衬底支撑结构32内，并且可以位于衬底支撑结构32的阴极组件76内。拾取设备72通过导线78连接到电压传感器74并用于产生RF电压信号。对于多个电压范围，电压传感器74被配置成检测RF电压信号中的峰值电压。电压传感器74具有多个信道。这些信道被分配给从拾取设备72接收的相应范围的输入电压。对于相应的输入电压范围的至少部分，这些信道中的每一个可以提供线性输出响应。
电压检测器74产生输出信号，输出信号可以被监测和/或使用以调节由偏置补偿端点(BiCEP)电路79产生的偏置RF信号。BiCEP电路79包括和/或被实施为双极高压直流电源，其提供钳位直流电压到衬底支撑结构32的阴极组件76内的电极80。BiCEP电路79可以基于由电压传感器74检测到的RF电压通过控制器54来控制。偏置匹配电路52可基于由电压传感器74检测到的RF电压提供偏置电压至金属基座92。
衬底支撑结构32还可以包括热能控制组件(TECA)90和金属基座92。加热器/冷却器组件64可使冷却剂在TECA 90和贮存器94之间循环并且可用于控制衬底支撑结构32的温度。
电压传感器74的操作可以通过控制器54监控。控制器54可以在显示器98上显示电压传感器74的信道的输出电压。显示器98虽然被显示与控制器54分离，但是可以包括在控制器54内。控制器54可以从电压传感器74接收输入信号，并根据该输入信号控制偏置匹配电路52和BiCEP电路79的操作。电压传感器74下面参照图2-7进一步描述。
控制器54可以调整由偏置匹配电路52和/或BiCEP电路79所产生的偏置RF信号以改变在衬底34的DC偏置和/或DC鞘层电位的量。控制器54可将电压传感器74的信道的输出和/或基于所述信道的输出得到的代表值与一个或多个设定点值比较。设定点值可以被预先确定并存储在控制器54可访问的和/或包括在控制器54内的存储器100中。偏置RF信号可基于在(i)电压传感器74的输出和/或所述代表值与(ii)一个或多个设定点值之间的差来调整。该偏置RF信号可以通过偏置匹配电路52。然后通过偏置匹配电路52提供的输出(被称为匹配信号)被传递到衬底支撑结构32。
图2示出了VCI 150，其包括多范围电压传感器152(以下称为“电压传感器”)和控制器54，其在偏置RF电压控制模式下操作。偏置RF电压控制模式包括基于由电压传感器152检测到的RF电压和/或峰值RF电压来调整供给到图1的阴极组件76的偏置RF电压。电压传感器152可在图1的衬底处理系统10使用和/或可替换电压传感器74。电压传感器152包括多个信道154、156。虽然两个信道被示出，但电压传感器152可包括任何数目的信道。对于每个电压范围，控制器54可监控这些信道中的一个或多个。电压范围中的对应于这些信道的相邻的电压范围可以重叠，以提供大的连续的整体范围(例如，0-2500V)，在该整体范围上的电压由控制器54监控。
电压传感器152包括多分压器电路160和信道154、156。多分压器电路160接收来自图1的拾取设备72的RF电压。多分压器电路160的一实施例示于图4。多分压器电路160包括多个分压器，并根据来自拾取设备72的RF电压提供下降的电压给信道154、156。
第一信道154包括第一滤波电路170、钳位电路172、第一整流器174、第一缓冲电路176、和第一信号处理电路178。第一信道154可包括电压补偿和/或间歇电路(以下称为“电压补偿电路”)177。第二信道156包括第二滤波电路180、第二整流器182、第二缓冲电路184、和第二信号处理电路188。第二信道156可以包括电压补偿和/或间歇电路(以下称为“电压补偿电路”)186。虽然两个电压补偿电路177、186被示出，但电压补偿电路177、186可被组合成单一的电压补偿电路。电压补偿电路177、186可以与相应的信号处理电路178、188并联连接。电压传感器152和相应的信道154，156的操作相对于图3的方法进一步描述。信道154、156和/或任何其他被包含的信道彼此独立地进行操作，而不需要外部控制信号和/或实际测得的RF电压幅值的确定和/或包括在衬底处理配方中的设定点值。
本文所公开的VCI可以使用多种方法来操作，示例性的方法示于图3。在图3中，操作包括VCI的衬底处理系统的方法被显示。虽然以下任务主要参照图1-2和4-7的实施方案进行描述，但这些任务可被容易地修改以适用于本公开的其他实施方案。这些任务可被迭代地执行。
该方法可以在200处开始。在201中，控制器54可以选择操作或电压模式，其可以包括在偏置RF电压控制模式、低电压模式、高电压模式、多范围电压模式、或其他RF电压模式中操作。低电压模式可以指提供和/或检测低(或第一预定)范围内的电压。高电压模式可以指提供和/或检测高(或第二预定)范围内的电压。多范围电压模式可以指提供和/或检测在可包括低范围和高范围的多个范围内的电压。多个范围中的相邻的范围如上所述可以彼此重叠。
在202中，控制器54基于操作模式来控制偏置匹配电路52和BiCEP电路79的操作以控制提供给电极80和衬底支撑结构32的金属基座92的电压。控制器54可为BiCEP电路79设置目标偏置RF电压。多分压器电路160从拾取设备72接收RF电压，并输出相应的电压信号到两个或更多个信道(例如，信道154、156)。多分压器电路160的一实施例示于图4。
在203，如果目标偏置RF电压是在低范围，则执行任务204，否则目标偏置RF电压是在高范围，并且执行任务214。在204，第一滤波电路170接收和滤波从多分压器电路160接收的第一电压信号。钳位电路172钳位从第一滤波电路170和/或该多分压器电路160输出的电压。举例而言，如果VCI的整体的电压范围为2500V，而信道154、156被配置成检测在相应的范围0-1500V和1000-2500V的电压，则钳位电路172可以将第一滤波电路170和/或多分压器电路160的输出钳位到与1500V或其他预定的低电压范围的最大电压相当的下降的电压。当(i)所接收的RF电压大于第二预定电压，或(ii)下降的电压大于第三预定电压时，可以进行钳位。预定的最大电压可以等于第三预定电压。第二预定电压大于预定的最大电压和第三预定电压。钳位电路172的部件被预选以将第一滤波电路170和/或多分压器电路160的输出钳位至预定的最大电压。钳位电路172的一个实施例示于图5。
在208，第一整流器174将第一滤波电路170的输出从第一交流电(AC)信号整流成第一DC信号。在210，第一缓冲电路176缓冲第一DC信号(或第一整流信号)。第一缓冲电路176可包括和/或实现为单位增益缓冲器。
在212，第一信号处理电路178信号调整和/或处理第一缓冲电路176的输出。这可以包括滤波第一缓冲电路176的输出、放大和/或调整第一缓冲电路176的输出的电平。举例而言，第一信号处理电路178的输出可以是在预定范围(例如，0～10V)内的电压，该电压基于在拾取设备72接收的RF电压。第一信号处理电路178的输出电压可以与所接收的RF电压成比例和/或与所接收的RF电压直接相关。
虽然在图3中未示出，但电压补偿电路177可以接收第一缓冲电路176的输出，并调整第一信号处理电路178的输出以相对于地调整直流偏置。这平衡电极80上的钳位电压。电压补偿电路的一个实施例在图7中示出。在一实施方式中，电压补偿可以不对第一信号处理电路178的输出执行。
在214，第二滤波电路180接收和滤波从多分压器电路160接收到的第二电压信号。如所示的，第二滤波电路180的输出不像第一滤波电路170的输出那样被钳位。这是因为第二信道156可被用来监控在使用第一信道154监控的电压范围之上的和/或比其高的电压范围。
在216中，第二整流器182将第二滤波电路180的输出从第二交变电流(AC)信号整流至第二DC信号。在218，第二缓冲电路184缓冲该第二DC信号。第二缓冲电路184的一实施例示于图6。
在222中，第二信号处理电路188信号调整和/或处理电压补偿电路186的输出。这可以包括滤波电压补偿电路186的输出、放大和/或调整电压补偿电路186的输出的电平。举例而言，第二信号处理电路188的输出可以是在预定范围(例如，0～10V)内的电压，该电压基于在拾取设备72的接收的RF电压。第二信号处理电路188的预定范围与第一信号处理电路178的预定范围可以相同或者不同。第二信号处理电路188的输出电压可以与所接收的RF电压成比例和/或与所接收的RF电压直接相关。
虽然在图3中未示出，但电压补偿电路186可接收第二缓冲电路184的输出，并调整第二信号处理电路188的输出以相对于地调整直流偏置。这平衡电极80上的钳位电压。电压补偿电路的一个实施例在图7中示出。在一实施方式中，电压补偿可以不对第二信号处理电路188的输出执行。
在224，控制器54可以调整由BiCEP电路79和偏置匹配电路52提供到衬底支撑结构32的电压。电压可基于信号处理电路178、188的输出来调整。这可以包括调整RF偏置功率来调节RF偏置电压到预定设置点。控制器54可以如上所述基于信号处理电路178、188和/或电压补偿电路177、186的输出调整设定点值。信号处理电路178、188和/或电压补偿电路177、186的输出可以直接提供给BiCEP电路79。信号处理电路178、188的输出可被用于补偿(offset)BiCEP电路79中的一个或多个电压，以均衡衬底支撑结构32的钳位电压。这可被称为调整BiCEP的偏置补偿以提供相等的钳位电压。当所接收的RF电压是在低电压范围时，这些调整和补偿(offset)中的每一个可以基于信号处理电路178、188的第一和/或第二输出。当所接收的RF电压是在高电压范围时，这些调整和补偿(offset)中的每一个可以基于所述信号处理电路178、188的第一和/或第二输出。在一实施方式中，(i)当所接收的RF电压是在低电压范围时，调整和补偿(offset)是基于第一信号处理电路178的第一输出，而不是第二信号处理电路188的第二输出，和(ii)当所接收的RF电压是在高电压范围时，调整和补偿(offset)是基于第二信号处理电路188的第二输出，而不是第一信号处理电路178的第一输出。在任务224之后，该方法可以如所示的在226结束，或者可以执行任务202。
上述任务是示例性的实施例；这些任务可以在重叠的时间段期间或以不同的顺序依次地、同步地、同时、连续地进行，具体取决于应用。此外，任何任务可以不执行或跳过，具体取决于事件的实现和/或顺序。
图4示出了多分压器电路160的一实施例，其包括第一电压分压器300和第二电压分压器302。第一电压分压器300可以包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一电阻R1。第一电容C1串联连接在(i)输入端304与(ii)电容C2、C3和第一电阻R1之间。电容C2、C3和第一电阻R1并联连接在第一电容C1和接地参考点(a ground reference)之间。输出端306连接到第一电容C1的输出以及电容C2、C3和第一电阻R1的输入。
第二电压分压器302可以包括第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6和第二电阻R2。第四电容C4串联连接在(i)该输入终端304与(ii)电容C5、C6和第二电阻R2之间。电容C5、C6和第二电阻R2并联连接在第四电容C4和一个接地参考点之间。输出端308被连接到第四电容C4的输出端以及电容C5、C6和第二电阻R2的输入。
第一电压分压器300可以具有第一阻抗比。第二分压电路302可以具有第二阻抗比。第二阻抗比与第一阻抗比可以相同或不同。
图5示出了电压钳位电路172的一实施例，其可以包括第一稳压(zener)二极管310和第二稳压二极管312。稳压二极管310、312串联连接在(i)第一滤波电路170的输出和(ii)接地参考点之间。稳压二极管310、312串联连接在(i)第一整流器174的输入和(ii)接地参考点之间。稳压二极管310、312的阴极端也可彼此直接连接。稳压二极管310、312针对高电压或大于预定电压的电压提供保护。稳压二极管310、312并联放置到相应的第一信道154的输入。结果，稳压二极管310，312自动将在第一信道154的输入处的RF电压剪辑到安全水平，以在高偏置RF电压操作期间保护第一信道154的部件。
图6示出了第二缓冲电路184的一个实施例，其可包括运算放大器320、电容C7、电阻R3和电压分压器322。电容C7和电阻R3并联连接在(i)第二整流电路182和运算放大器320的非反相输入与(ii)接地参考点之间。电压分压器322可以包括串联连接在电压源和接地参考点之间的电阻R4、R5。电压分压器322的输出被提供到运算放大器320的反相输入。电压分压器322可以被用于补偿(offset)提供给运算放大器320的非反相输入的电压。
运算放大器320将在非反相输入处的电压与在反相输入处的电压进行比较。如果在非反相输入处的电压大于或等于在反相输入处的电压，则运算放大器的输出大于或等于0V。如果在非反相输入处的电压小于在反相输入处的电压，则在运算放大器的输出小于0V。运算放大器320的输出被提供给电压补偿电路186。
图7示出了电压补偿电路186的一实施例，其可包括：二极管D1、D2；包括电阻R6、R7的电压分压器330；电容C8；和电阻R8。二极管D1、D2和电阻R6、R7串联连接在(i)电容C8和电阻R8与(ii)接地参考点之间。二极管D1、D2的阳极彼此连接并连接到第二缓冲电路184的输出。电压分压器连接在二极管D2与接地参考点之间。电容C8连接(i)在二极管D1和接地参考点之间以及(ii)至电阻R8的一端。电阻R6的信号抽头被提供并连接到第二信号处理电路188。电阻R6可以是在预定位置的具有信号抽头的可变电阻。
上述电压传感器为VCI应用提供大的动态范围和在全尺寸内(in a full scale)的从端部至端部的高的精度。所述VCI应用可以包括导体蚀刻处理系统和/或其中VCI用于促进偏置RF电压控制模式的其他合适的处理系统。实施例实现在总的RF电压范围的低端和高端两者处的高的测量精度，而没有在高RF电压下的过载发生和/或在低RF电压下在由于差的信-声(SNR)水平而导致的测量精度的下降。这些实施例使用双或多个电压分压器和双或多个信道提供具有大的动态范围和高的精度的更稳健的且较不复杂的VCI，该信道具有用于针对低电压范围和接收高电压配置的一个或多个信道的自我保护的钳位电路。提供这种保护，不需要对切换电路进行外部控制。
前面的描述在本质上仅仅是说明性的并且不意在以任何方式限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式来实现。因此，虽然本公开包括特定的实施例，但本公开的真实范围不应被如此限制，因为一旦研究附图、说明书和以下权利要求，其他的修改方案就会变得清楚。应当理解的是，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)进行，而不会改变本公开的原理。此外，虽然各实施方式在上面描述为具有某些特征，相对于本公开的任何实施方式描述的这些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施方式中实现和/或结合任何其他实施方式中的特征，即使这种结合未明确说明也如此。换言之，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式相互的更换方案保持在本公开的范围内。
在元件之间(例如，在模块、电路元件、半导体层之间等等)的空间和功能关系使用各种术语描述，这些术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧接”、“在……顶部”、“在……上面”、“在……下面”和“被设置”。除非明确地描述为“直接”，否则当第一和第二元件之间的关系在上述公开内容中描述时，这种关系可以是直接的关系，其中没有其他中间元件存在于第一和第二元件之间，但也可以是间接的关系，其中一个或多个中间元件(或者在空间上或功能上)存在于第一和第二元件之间。如本文所用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为意味着使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)，并且不应当被解释为是指“至少一个A，至少一个B，和至少一个C”。
在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述实例的一部分。这种系统可以包括半导体处理设备，其包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台和/或具体的处理组件(晶片基座、气流系统等)。这些系统可以与用于控制它们在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后的操作的电子器件一体化。电子器件可以称为“控制器”，该控制器可以控制一个或多个系统的各种元件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括控制工艺气体输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、射频(RF)发生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流速设置、流体输送设置、位置及操作设置、晶片转移进出工具和其它转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
宽泛地讲，控制器可以被定义为接收指令、发布指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等等的具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子器件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个微处理器或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式通信到控制器的指令，该设置定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定过程的操作参数。在一些实施方式中，操作参数可以是由工艺工程师定义的用于在制备或晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯期间完成一个或多个处理步骤的配方(recipe)的一部分。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦合。例如，控制器可以在“云”中或者是fab主机系统的全部或一部分，其可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，该参数和/或设置然后从远程计算机通信到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，该指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与结合以控制室上的工艺的一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室上的一个或多个集成电路。
在非限制性的条件下，示例的系统可以包括等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转清洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其它的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其它的工具电路或模块、其它工具组件、群集工具、其它工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。

Claims (20)

1.一种衬底处理系统的电压传感器，所述电压传感器包括：
多分压器电路，其被配置成接收射频信号，其中，所接收的所述射频信号表示被提供在所述衬底处理系统的等离子体室内的衬底的射频电压，其中，所述多分压器电路包括第一分压器和第二分压器，其中所述第一分压器对应于第一信道，并基于所接收的所述射频信号输出第一下降的电压，其中，所述第二分压器对应于第二信道，并基于所接收的所述射频信号输出第二下降的电压，且其中所述第一下降的电压和所述第二下降的电压小于所述射频电压；
钳位电路，其被配置成当(i)所述射频电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压；
所述第一信道的第一输出，其被配置为基于所述第一下降的电压并且当所接收的所述射频信号是在第一电压范围或第二电压范围中的至少一者内时输出第一输出信号，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围高，并且其中所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值；以及
所述第二信道的第二输出，其被配置为基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述射频信号是在所述第一电压范围或所述第二电压范围中的至少一者内时输出第二输出信号。
2.根据权利要求1所述的电压传感器，其中：
所述第一分压器包括与第二电容串联连接的第一电容；以及
所述第二分压器包括与第四电容串联连接的第三电容。
3.根据权利要求2所述的电压传感器，其中：
所述第一分压器包括第五电容和与所述第二电容并联连接的第一电阻；以及
所述第二分压器包括第六电容和与所述第四电容并联连接的第二电阻。
4.根据权利要求1所述的电压传感器，其中所述钳位电路包括成对的稳压二极管。
5.根据权利要求1所述的电压传感器，其中：
所述第一预定电压等于所述第三预定电压；以及
所述第二预定电压大于所述第一预定电压和所述第三预定电压。
6.根据权利要求1所述的电压传感器，其中：
所述第二信道包括缓冲电路；
所述缓冲电路包括放大器和电压分压器；
所述放大器接收第一输入和第二输入；
所述第一输入基于所述第二下降的电压产生；
所述第二输入基于所述电压分压器的输出产生；以及
所述第二输出信号基于所述放大器的输出产生。
7.根据权利要求6所述的电压传感器，其中所述第二信道还包括被配置以阻断所述放大器输出的小于第四预定电压的电压的电压电路。
8.根据权利要求7所述的电压传感器，其中：
所述电压电路包括成对的二极管；以及
所述第四预定电压是0V。
9.根据权利要求1所述的电压传感器，其中：
所述第一信道包括第一整流器；
所述第二信道包括第二整流器；
所述第一整流器基于所述第一下降的电压产生第一整流信号；以及
所述第二整流器基于所述第二下降的电压产生第二整流信号。
10.根据权利要求9所述的电压传感器，其中：
所述第一信道包括第一缓冲电路；
所述第二信道包括第二缓冲电路；
所述第一缓冲电路缓冲所述第一整流信号；以及
所述第二缓冲电路缓冲所述第二整流信号。
11.一种电压受控接口，其包括：
根据权利要求1所述的电压传感器；以及
控制器，其被配置为基于(i)在所接收的射频电压是在所述第一电压范围内时的所述第一输出信号，以及基于(ii)在所接收的射频电压是在所述第二电压范围内时的所述第二输出信号，控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的偏置电压。
12.一种衬底处理系统，其包括：
根据权利要求11所述的电压受控接口；
所述等离子体室；
被配置成接收所述射频电压以及产生所述射频信号的拾取设备；
设置在所述等离子体室内的卡盘，其中，所述拾取设备被连接到所述卡盘；以及
电源，其被配置成将所述偏置电压供给到所述卡盘。
13.一种操作等离子体处理系统的电压传感器的方法，该方法包括：
在第一分压器和在第二分压器接收射频信号，其中，所述电压传感器包括所述第一分压器和所述第二分压器，其中，所述第一分压器对应于第一信道，并且其中所述第二分压器对应于第二信道，其中所接收的所述射频信号表示被提供在所述等离子体处理系统的等离子体室中的衬底的射频电压；
基于所接收的所述射频信号通过所述第一分压器产生第一下降的电压；
基于所接收的所述射频信号通过所述第二分压器产生第二下降的电压，其中，所述第一下降的电压和所述第二下降的电压小于所述射频电压；
当(i)所述射频电压大于第二预定电压，或(ii)所述第一下降的电压大于第三预定电压时，将所述第一下降的电压钳位在第一预定电压；
基于所述第一下降的电压并且当所接收的所述射频信号是在第一电压范围或第二电压范围中的至少一者内时通过所述第一信道提供第一输出信号，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围高，并且其中所述第一预定电压基于所述第一电压范围的最大值；以及
基于所述第二下降的电压并且当所接收的所述射频信号是在所述第一电压范围或所述第二电压范围中的至少一者内时通过所述第二信道提供第二输出信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括：
滤波所述第一下降的电压信号，以产生第一经滤波的输出；
整流所述第一经滤波的输出，其中，基于所述第一经滤波的输出产生所述第一输出信号；
滤波所述第二下降的电压信号以产生第二经滤波的输出；以及
整流所述第二经滤波的输出，其中，基于所述第二经滤波的输出产生所述第二输出信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其还包括在放大器接收第一输入和第二输入，其中：
所述第二信道包括所述放大器和电压分压器；
所述第一输入基于所述第二下降的电压产生；
所述第二输入基于所述电压分压器的输出产生；以及
基于所述放大器的输出产生所述第二输出信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二信道还包括被配置以阻断所述放大器输出的小于第四预定电压的电压的电压电路。
17.根据权利要求13所述的方法，其还包括：
基于所述第一下降的电压经由第一整流器产生第一整流信号；以及
基于所述第二下降的电压经由第二整流器产生第二整流信号，
其中，基于所述第一整流信号产生所述第一输出信号，并且
其中，基于所述第二整流信号产生所述第二输出信号。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二电压范围与所述第一电压范围重叠。
19.根据权利要求13所述的方法，其还包括基于所述第一输出信号和所述第二输出信号控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的偏置电压。
20.根据权利要求13所述的方法，其还包括基于所述第一输出信号和所述第二输出信号控制供给到所述等离子体室内的衬底支撑结构的钳位电压。
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