CN116805567A - 用于射频电流谱的非侵入式感测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于射频电流谱的非侵入式感测的系统，包括等离子体处理室、等离子体发生器、其中具有电阻器的分流连接器，其中分流连接器附接在室和发生器之间的接地回路的开口上。

Description

用于射频电流谱的非侵入式感测的系统和方法
技术领域
本发明涉及在无线电频率下的等离子体系统中电流信号的远程感测和分析。
背景技术
材料的等离子体工艺在现代工业制造中无处不在。常见的实例是在半导体工业中的集成电路制造期间，通过蚀刻和沉积层来形成晶体管。仅举几例，等离子体工艺也用于太阳能电池板、平板显示器、薄膜涂层和医疗装置的制造。
工艺等离子体是在低压的真空室中产生的。抽空空气，并在选定的气压下将气体配方添加到室中。向真空室提供能量(通常是电能)，以将气体激发到等离子体状态。等离子体在加工期间产生修改工件的表面所需的离子。
射频(RF)波段的电能通常用于为等离子体工艺提供能量。也通常使用DC、脉冲DC和微波功率。RF范围通常在几十千赫兹到几百兆赫兹之间。在RF等离子体中，RF发生器通过匹配网络向等离子体室供电，以最大限度地提高功率传输。功率可以通过多种不同的方式耦合到等离子体。在一种配置中，RF供电电极可用于激发等离子体。施加在通电电极和反电极和/或室容器体之间的电场(E-field)导致工艺气体的电击穿，以形成等离子体。RF电流维持放电，从发生器流到通电电极，并通过等离子体流到反电极和/或室体。然后，电流通过接地回路流回发生器。从母体原子和分子剥离的电子在电场中来回振荡，在此过程中将背景气体电离，从而维持等离子体。
在另一种配置中，RF功率通过RF天线耦合到等离子体。天线不需要与背景气体直接接触。流过天线的RF电流感应出垂直于电流方向的时变磁场。磁场通常通过介电窗口耦合到室。一旦发生击穿，磁场就会在等离子体中感应出电场，从而驱动RF电流。自由电子在RF场中振荡，电离背景气体，从而维持等离子体。存在许多其它等离子体反应器配置和等离子体产生机制，本发明也可以应用于这些配置和机制。
无论RF耦合机制的类型如何，在电极或天线和等离子体之间形成界面区域。将此区域称为等离子体鞘套。鞘套具有非线性RF阻抗。因此，产生基本驱动频率的谐波。因此，RF等离子体电压和电流可以具有丰富的谐波谱。等离子体工艺的RF谐波特征由许多变量决定，所述变量包括基本等离子体参数、等离子体化学性质、室几何形状、室表面条件以及室的机械特性。谐波谱因此包含关于等离子体工艺健康和性能的重要信息。根据等离子体反应器的配置，将有一个或多个驱动频率。每个基本驱动频率以及互调频率的谐波谱。非常需要一种非侵入式感测装置来测量在RF供电的等离子体反应器中产生的RF谐波谱。精确测量的谐波谱的特征可用于实时监控工艺性能。已经开发了许多方法和感测装置来测量RF等离子体工艺中的RF谱。
VI传感器通常用于测量在RF发生器和等离子体室之间的传输线或RF路径中流动的RF电压和电流谱。VI感测元件通常在接地屏蔽下靠近载流导体附近，以测量输出RF电压和电流信号。
在WO2014/016357A2中，描述了一种VI传感器装置。此传感器设计为与RF供电线串联。其包括一段传输线，此类型的传感器通常都是如此。使用宽带电容传感器(电场探头)来确定连接到等离子体的RF线上的电压信号。感应回路(B点探针)用于确定连接到等离子体的RF线中的RF电流。将电压和电流拾取器嵌入VI传感器结构的RF传输线部分。将代表电流和电压的信号传递到模数转换器(ADC)，数字化信号在现场可编程门阵列中被处理。虽然内联VI传感器是非常重要的工具，但如果不对等离子体系统配置进行重大修改，它可能很难安装。VI传感器可能不像本发明提供的装置那样对等离子体条件的变化那么敏感。
另一组感测装置利用了等离子体工艺系统的区域对于电磁场可能“泄漏”的事实，所述电磁场与施加到系统的RF电压和流过系统的RF电流相关。RF时变电场和磁场辐射穿过任何未屏蔽或未正确接地的区域。
室视口通常用于监控来自等离子体的光发射，是等离子体系统中的间隙或开口的实例，从所述间隙或开口可以监控从处理室泄漏的RF场。一些现有技术发明使用时变电(E)场传感器和/或时变磁(B)场传感器来感测从等离子体工艺系统中的开口(例如视口)辐射的RF谱。电容拾取器通常用于检测E场谱，而感应线圈通常用于检测B场谱。
通过处理和分析感测到的RF谱，可以实时监控等离子体工艺。为了避免对测量的RF谱进行详细校准的需要，可以使用统计方法来确定某些工艺条件的基线或指纹。这通常针对已知的“健康”工艺。对于相同的设定点，可以将后续工艺与基线进行比较，以检查统计上的显著变化。显而易见的变化将很容易在单个频率通道中检测出来，而其他变化(例如轻微的空气泄漏或轻微的晶圆错位)可能更加细微，并可能需要使用许多数据通道的RF谐波谱进行多元分析来检测。
Elahi和Ghoraneviss(IEEE transactions on plasma science,vol.38,no.11,2010年11月)提出了一种通过使用安装在IR-T1托卡马克(IR-T1 tokamak)的室容器外部的感应线圈来感测室内的等离子体电流，以确定等离子体的位置的新技术。
在WO2018/177965A1中，描述了一种装置，其中使用特别设计的磁回路天线，来从外部位置感测等离子体室视口附近流动的等离子体电流。天线是经过精心设计和校准的。将天线的输出耦合到频谱分析仪，以观察天线检测到的频谱。申请人描述了一种检测等离子体的共振特征的频率分析技术。此装置与内联VI传感器以及OES检测器之间获得了良好的一致性。
在WO2004/006298A2中，描述了一种利用RF天线来远程感测来自等离子体系统的RF辐射的装置。天线可以检测谐波信号，并耦合到处理单元进行分析。处理单元耦合到等离子体工具控制器，其中感测到的RF信号基于测量到的信号水平来调整和保持等离子体工艺的参数。
US2007/0227667描述了一种由两个磁回路天线组成的装置，其位于等离子体室的平面内。天线放置在电容耦合等离子体反应器的两个电极附近。由穿过每个回路的磁通量产生的电压信号被耦合到信号处理单元。由此计算出从等离子体流到室壁的电流。
用于测量从等离子体系统的观口窗或其他区域发出的RF场的感应/磁回路型传感装置有几个限制，包括：
a)玻璃窗对磁场衰减，并且衰减与频率相关。因此，很难准确反映室内谐波信号的相对强度；
b)较低的等离子体驱动频率(例如400kHz)具有较大的波长，并且在系统中需要较大的视口或间隙，以便有足够的信号电平逃逸出来进行检测；
c)一些室在窗的内部具有接地的网状屏蔽，专门用于阻挡RF磁场泄漏；
d)回路的方向、位置和尺寸对于确定感测到的信号电平是至关重要的，这使得在维护后更换回路后难以获得可重复的测量；
e)由于感应回路用于感测穿过回路的磁通量，所以它容易受到来自非预期源的干扰，例如来自附近等离子体室的干扰；和
f)安装地点的温度变化(例如加热室的温度变化)，会导致回路尺寸以及回路信号电平在等离子体处理期间发生变化，这可能被误解为故障状态。
本发明克服了许多与感应回路相关的问题和限制，所述感应回路用于检测来自等离子体室外部位置的RF频谱。
发明内容
在本发明的第一独立方面，提供了一种用于射频电流谱的非侵入式感测的系统，包括等离子体处理室、等离子体发生器、以及其中具有电阻器的分流连接器，其中分流连接器附接在室和发生器之间的接地回路的开口上。
系统可以配置为仅检测接地回路中的电流。
传感器还可以配置为使得流过接地回路的电流在电阻器中产生电压。
系统还可以包括放大器，所述放大器配置为感测电阻器的电压降并输出RF信号。
可选地，分流连接器配置为附接在室的视口上。
系统还可以包括数字化电路，所述数字化电路配置为从放大器获取RF信号，并将其转换为用于处理和分析的数字信号。
输出RF信号可以是RF频带中的交流信号。
系统还可以包括外壳，电阻器和放大器封装在外壳中。
系统可以配置为使得分流连接器和电阻器创建用于电流流动的路径，所述路径作为接地回路的一部分。
可选地，由分流连接器和电阻器创建的路径与接地回路中的电流方向相同。
分流连接器可以包括接地分流带、电缆、棒和杆中的至少一个。
在本发明的第二独立方面，提供了一种用于非侵入式感测等离子体处理室中流动的射频电流频谱的方法，包括提供其中具有电阻器的分流连接器，以及将分流连接器附接在室和等离子体发生器之间的接地回路的开口上。
方法还可以包括仅检测接地回路中的电流。
可选地，流过接地回路的电流在电阻器中产生电压。
方法还可以包括将分流连接器附接在室的视口上。
附图说明
现在将参照附图描述本申请，其中：
图1示出了其中可以使用根据本发明的传感器的系统的概况；
图2更详细地示出了图1的系统中传感器的放置位置；
图3示出了安装在室的视口上的根据本发明的传感器以及传感器的内部配置；
图4示出了根据本发明的传感器获得的测试结果；
图5示出了根据本发明的传感器获得的进一步测试结果；和
图6示出了根据本发明的传感器如何用于检测故障。
具体实施方式
本发明从新颖的角度来处理RF频谱的感测。其利用了所有RF等离子体电流的来源是RF发生器，并且这些RF电流必须通过接地回路返回到发生器的事实。如图1所示。特别地，图1示出了连接到地102的RF发生器101(或等离子体发生器)。如本领域已知的，在RF发生器101和等离子体室104之间的传输线或RF路径中提供匹配单元103。RF等离子体流在从RF发生器到室104的输出路径105中流动。RF等离子体电流通过接地回路106从室104返回到发生器。
现有技术装置在输出路径105感测RF电流频谱，所述输出路径105在源(例如，RF发生器101)和接地回路106的起点之间。如在下文中更详细地概述的，根据本发明的装置感测在接地回路的起点和发生器之间的过程的返回段(即接地回路106)上的RF电流。对于RF等离子体反应器，接地回路的起点通常是金属室容器体。
如将在下文中更详细描述的，提供了一种根据本发明的传感器，其包括分流连接器，所述分流连接器具有RF电流感测元件，所述RF电流感测元件附接在等离子体系统的接地回路的开口(例如视口)上。分流连接器可以包括接地分流带、电缆、棒或杆等。与现有技术的感应回路传感器不同，通过视口发射的时变磁场没有被感测到。相反，只有RF电流在通过接地回路返回发生器的过程中被电阻性地检测到。典型的等离子体工艺可能由10安培的电流驱动。在输出的过程中，这些电流被引导通过定义明确且受限制的电流路径。在返回过程中，返回电流扩散到接地返回元件的整个表面区域，例如室体等。因此，传感器将仅“看到”或检测到返回电流的一部分，这部分电流由以下因素决定：a)传感器的表面积与其安装位置的接地回路区域的总表面积之比；b)感测电阻器的电阻。可能有远低于输出电流的百万分之一会在其返回发生器的途中流过传感器。这可能是微安量级，在感测电阻器上产生微伏用于检测。
RF电流感测电阻器的输出可以耦合到信号处理单元。信号处理单元提供与遥感的RF频谱相关的信息，这些信息在现有技术的远程RF等离子体传感器设计中没有报道过。测量包括：a)谐波和基频之间的相位，b)脉冲RF和频率调谐等离子体过程中的谐波频谱分析，c)电弧的均方根(rms)检测和各个脉冲RF轮廓的均方根检测。
可以使用基于已知“健康”等离子体工艺条件的光谱指纹的统计方法。对频谱分量的相位和振幅的变化进行分析，并且将故障分数归因于每个新的过程测量。因此，可以配置阈值来提醒用户检测到的过程故障。相位测量对等离子体化学和等离子体阻抗的微小变化特别敏感。测量谐波之间的相位的能力使得根据本发明的传感器成为非常有用的诊断工具，用于检测在低开口面积蚀刻期间发生的细微过程变化，例如，在标准端点技术现在达不到要求的情况下。
正如本领域已知的，在屏蔽良好的RF系统中，在中心导体中流动的电流由在周围接地屏蔽中流动的电流所屏蔽。这些电流相互抵消，因此系统不会“辐射”RF能量。本发明利用了接地屏蔽中的不连续性。与前面讨论的现有技术的感应回路传感器不同，将传感器插入到接地回路中电流不完全相互抵消的区域，使得接地回路电流的测量成为可能。
转到图2，其更详细地示出了根据本发明的传感器的放置位置。在现代等离子体工具中，视口尺寸被小型化，并且增加RF屏蔽以最小化通过视口的RF泄漏。虽然光学检测器总是需要视口，但是如果接地回路屏蔽中存在间隙或者增加了间隙，则可以在等离子体系统的许多区域中确定RF电流的谐波频谱。为了说明本发明的能力，视口将被用作示例性情况。然而，应当理解，根据本发明的传感器可以放置在接地回路中任何合适的开口。
图2示出了等离子体室104的两个视图。特别地，图2示出了进入等离子体室104的RF电流(即中心箭头201),并开始通过室壁的地面返回过程(即外围箭头202)。示出了两个视口。第一视口203具有附接在其上的根据本发明的传感器(未示出)。第二视口204没有传感器。没有传感器的第二视口204没有完整的传导路径来允许电流通过视口腔(即其正面由玻璃制成)。然而，当传感器附接到第一视口203时，会创建用于RF电流流过或穿过视口的路径205。此电流可以由根据本发明的传感器测量。
安装在视口203上的传感器方向对于RF电流感测很重要，这将参照图3进行更详细的解释。图2示出了对于电容耦合等离子体室104，RF电流主要沿垂直方向(即中心箭头201)进入并穿过室电极和等离子体容积。因此，返回电流必须主要沿相反方向(即外围箭头202)，在室壁中垂直流动。也会有一些电流从等离子体沿其它方向流向壁，包括图2中的水平方向，即箭头206。
转到图3，其示出了根据本发明的传感器301，所述传感器301安装在视口203上，其中RF返回电流沿方向A至B流动。方向A至B与图2所示的电流202对齐。理论上，应该有较少的RF电流在所示的方向C到D上流动(此方向与图2的电流206对齐)。正如本领域技术人员所知，在复杂的等离子体工艺系统中，可能存在沿数个方向流动的电流，因此可以定位传感器为测量感兴趣的电流。
图3还描绘了传感器301的内部配置。如前所述，传感器301包括感测电阻器R1。接地回路由导电/金属材料和具有极低电阻率的表面组成。因此，感测电阻器R1必须具有低电阻值，以允许足够的电流流过传感器进行检测。图3中的R1具有小于1欧姆的电阻值。在电阻器R1上产生与电流成比例的电压差，并测量此电压差。电路还包括放大器U1，用于将RF电流转换成电压信号VOUT。也就是说，图3示出了测量电路，其包括与电流方向串联的低值电阻器R1和差分放大器U1，以感测R1上的电压降。应当理解，放大器的输出不限于电压信号，并且这可以是任何RF输出，例如电流信号。
电阻式感测元件R1和放大器U1是传感器模拟前端的关键元件。模拟前端可以容纳在接地的金属外壳中，以屏蔽模拟电路可能通过视口发射的电场和磁场。然而，这不是必需的，可以使用非金属外壳。U1的输出可以耦合到数字化电路以进行处理和分析。使用电阻感测元件的主要优点是：a)与感应回路传感器不同，响应作为频率的函数是平坦的；b)与感应回路传感器不同，电阻在宽温度范围内是稳定的；以及c)与感应回路传感器相比，共模抑制更容易实现。
应该理解，可以使用任何RF电流感测元件。发明人已经发现，上述感测电阻器是最方便的元件，但是也可以使用低阻抗电容器或电感器来代替电阻器。如果使用电容器或电感器，则需要替代的检测电路。可以应用其他方法来感测接地回路中的电流，即分流连接器中的霍尔效应传感器或分流连接器周围的电流互感器。
模拟电压输出VOUT是RF频段的交流(AC)信号。为了以有用的方式提取可以分析和可视化的频谱，使用了信号处理单元。同轴电缆将AC信号传输至信号处理单元。ADC用于对电流波形进行采样。作为第一步骤，通常记录512个样本的数据块。块的大小是任意选择的，并且可以变化以满足不同的需求。将数据块传输到现场可编程门阵列(FPGA),在那里执行快速傅立叶变换(FFT)。FFT将时域AC波形转换成频谱。将频谱发送到微处理器进行存储和进一步处理(包括平均化)。多个FFT一起求平均值，以降低信噪比。
参照图4提供了根据本发明的传感器的工作实例。出于比较的目的，传感器可以结合单独的电场检测器来测量通过视口发射的电场。如上所述，传感器不测量电场。电场检测器为传感器电流幅度测量提供很好的参考点。为了演示传感器的功能，将其附接到图1所示的电容耦合等离子体反应器上。在此实例中，反应器具有两个平行的平板电极，每个直径为300mm。RF功率为13.56MHz。用于形成等离子体的背景气体是氩气，其流速为100SCCM，压力保持在大约2Pa。图4示出了13.56MHz的基波频率成分的幅度与时间的函数关系，此时发生器的RF功率从20W增加到150W，电流曲线很好地追踪电压曲线。数据是未经校准的，当前标度约为108个数据单位。
也就是说，在图4中，示出了RF电流频谱的基波(13.56MHz)分量的幅度的传感器测量值与从窗口发射的RF电压频谱的基波分量的比较。传感器可以很容易地识别过程功率的变化。传感器方向为A到B，如图3所示。
图5示出了传感器的基波电流幅度的测量值与电场探头测量值的对比，传感器安装在图3所示的C至D方向。正如预期的那样，因为电场探头对方向不敏感，因此电压幅度与图4所示的非常相似。然而，电流幅度已经显著下降到低107的幅度。这证实了传感器确实对接地回路电流敏感，在安装传感器的另一方向上可以看到预期的电流下降。
图6示出了基本电流信号幅度的振荡如何与气体供给管线上的故障压力值相关，示出了根据代表性教导的传感器/探针监控等离子体工艺的健康和性能的能力。
因此，本发明提供了一种传感器，用于从等离子体室外部的非侵入性位置感测等离子体系统中的RF电流谱。经处理的信号可用于确定工艺的健康和稳定性。
传感器包括带有RF电流感测元件的分流连接器，所述分流连接器附接在等离子体系统的接地回路的开口(例如视口)上。电流感测电阻器的输出耦合到测量系统，对RF电流波形进行采样，然后将其数字化并转换到傅立叶空间，以分析谐波频谱。测量每个谐波分量的幅度以及每个谐波分量相对于基频的相角。相位测量对等离子体的RF阻抗变化特别敏感。
本发明不限于本文描述的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改或变更。

Claims (15)

1.一种用于射频电流谱的非侵入式感测的系统，包括：
等离子体处理室；
等离子体发生器；和
分流连接器，其中具有电阻器；
其中，分流连接器附接在室和发生器之间的接地回路中的开口上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，系统配置为仅检测接地回路中的电流。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，系统配置为使得流过所述接地回路的电流在电阻器中产生电压。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括放大器，所述放大器配置为感测电阻器的电压降并输出RF信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，分流连接器配置为附接到室的视口上。
6.根据权利要求4所述的系统，还包括数字化电路，所述数字化电路配置为从放大器获取RF信号，并将其转换为用于处理和分析的数字信号。
7.根据权利要求4或6所述的系统，其中，输出RF信号是RF频带中的交流信号。
8.根据权利要求4所述的系统，还包括外壳，电阻器和放大器封装在外壳中。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，系统配置为使得分流连接器和电阻器创建用于电流流动的路径，所述路径作为接地回路的一部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，由分流连接器和电阻器创建的路径与接地回路中的电流方向相同。
11.根据权利要求1所述的系统，其中分流连接器包括接地分流带、电缆、棒和杆中的至少一个。
12.一种用于等离子体处理室中流动的射频电流谱的非侵入式感测的方法，包括：
提供其中具有电阻器的分流连接器；以及
将分流连接器附接到室和等离子体发生器之间的接地回路的开口上。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括仅检测接地回路中的电流。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中流过接地回路的电流在电阻器中产生电压。
15.根据权利要求12或13所述的方法，还包括将分流连接器附接在室的视口上。
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