CN1582396A - 高频检测方法及高频检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的高频检测电路，在将具有第一频率(f)的第一高频功率与具有比第一频率(f)低的第二频率(f1)的第二高频功率向一个负载(7)供给的高频电源装置中，用于检测有关第一高频功率的信息，由方向性耦合器(12)，检测作为具有第一频率(f)的第一高频信号与具有第二频率(f1)的第二高频信号的混合信号的第三高频信号(V1)，采用外差方式将其第三高频信号(V1)变换成具有第一以及第二频率(f、f1)之间的第三频率(Δf)的第四高频信号(V1’)，根据该第四高频信号(V1’)检测第一频率(f)的前进波功率(Pf)。

Description

高频检测方法及高频检测电路
技术领域
本发明涉及一种高频检测方法及高频检测电路，尤其涉及在向一个负载供给具有第一频率的第一高频功率和具有比第一频率低的第二频率的第二高频功率的高频电源装置中，用于检测有关第一高频功率的信息的高频检测方法以及高频检测电路。
背景技术
近年来，将比较高的频率f的高频功率和比较低的频率f1的高频功率向一个反应室供给的等离子体处理技术在开发之中。在该等离子体处理技术中，等离子体主要由频率f的高频功率生成，频率f1的高频功率用于控制在基板附近的离子的动静。
在该等离子体处理技术中，正确地测定频率f的电压、电流、功率是重要的，但是当f为f1的1000程度以上时，其测定是困难的。这是由于，在反应室内，频率f的高频功率被频率f1的高频功率调制后产生频率f±nf1(n为0以上的整数)的高频功率，而目前从频率f±nf1的高频信号中只抽出频率f的高频信号的滤波器电路还不存在。
由于以往将频率f±nf1的电压、电流、功率等作为频率f的电压、电流、功率等对待，因此。由频率f1的电压、电流、功率等的幅度变化也引起频率f的电压、电流、功率等的幅度变化，测定的再现性很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在将具有第一频率的第一高频功率和具有比第一频率低的第二频率的第二高频功率向一个负载供给的高频电源装置中，可以容易并且正确地检测有关第一高频功率的信息的高频检测方法以及高频检测电路。
在有关本发明的高频检测方法中，执行：第一步骤，在高频电源装置的规定节点，检测作为具有第一频率的第一高频信号与具有第二频率的第二高频信号的混合信号的第三高频信号；第二步骤，生成具有从第一频率向高频侧或低频侧仅偏离第一以及第二频率之间的第三频率后的频率的基准信号；第三步骤，生成由第一步骤检测的第三高频信号和由第二步骤生成的基准信号的混合信号；第四步骤，从由第三步骤生成的混合信号抽出具有第三频率的第四高频信号；以及第五步骤，根据由第四步骤抽出的第四高频信号，检测有关第一高频功率的信息。所以，采用外差方式将作为第一频率的第一高频信号与第二频率的第二高频信号的混合信号的第三高频信号变换成第一以及第二频率之间的第三频率的第四高频信号，根据该第四高频信号，检测有关第一高频功率的信息，因此可以容易并且正确地检测有关第一高频功率的信息，并可以正确地控制高频电源装置。
在有关本发明的高频检测电路中，设置：信号检测电路，在高频电源装置的规定的节点，检测作为具有第一频率的第一高频信号与具有第二频率的第二高频信号的混合信号的第三高频信号；信号产生电路，生成具有从第一频率向高频侧或低频侧仅偏离第一以及第二频率之间的第三频率的频率的基准信号；混频器电路，生成由信号检测电路检测的第三高频信号和由信号产生电路生成的基准信号的混合信号；滤波器电路，从由混频器电路生成的混合信号抽出具有第三频率的第四高频信号；以及信息检测电路，根据由滤波器电路抽出的第四高频信号，检测有关第一高频功率的信息。所以，采用外差方式将作为第一频率的第一高频信号与第二频率的第二高频信号的混合信号的第三高频信号变换成第一以及第二频率之间的第三频率的第四高频信号，根据该第四高频信号，检测有关第一高频功率的信息，因此可以容易并且正确地检测有关第一高频功率的信息，并可以正确地控制高频电源装置。
优选设置两组信号检测电路、信号产生电路、混频器电路以及滤波器电路；一组的信号检测电路检测表示规定节点的高频电压的第三高频信号；另一组的信号检测电路检测表示规定节点的高频电流的第三高频信号；信息检测电路根据由两个滤波器电路抽出的两个第四高频信号，检测有关第一高频功率的信息。此时，可以检测高频电压、高频电流、它们的比值、它们的相位差等。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的半导体制造装置的构成框图。
图2是表示图1所示的高频电源1的构成框图。
图3是表示图2所示的方向性耦合器的构成电路图。
图4是表示图2所示的滤波器电路的构成框图。
图5是用于说明图4所示的滤波器电路的动作频谱图。
图6是表示图1所示的高频传感器2的构成电路框图。
图7是表示图1所示的匹配器3的构成框图。
图8是表示图1所示的反应室的构成图。
具体实施方式
图1是表示本发明一实施方式的半导体制造装置的构成框图。在图1中，该半导体制造装置具备：高频电源1、9，高频传感器2、5，匹配器3、8，控制器4，监视器装置6，以及反应室7。该半导体制造装置将从高频电源1来的比较高的频率f(比如500MHz)的高频功率和从高频电源9来的比较低的频率f1(比如800KHz)的高频电源向一个反映室7供给，并使之发生等离子体。
高频电源1是将频率f的高频功率向反应室7供给的主电源装置。如图2所示，高频电源1包含：振荡器10、放大器11、方向性耦合器12、滤波器电路13、16、输出功率检测器14、输出功率显示部15、反射功率检测部17以及反射功率显示部18。
振荡器10输出频率f的高频信号。放大器11将振荡器10生成的高频信号放大成所希望的功率信号。被放大的高频信号经过方向性耦合器12提供给匹配器3。
方向性耦合器12，如图3所示，包含主同轴线路20、副同轴线路21以及电阻元件22、23。主同轴线路20包含内部导体20a以及外部导体20b，构成放大器11与匹配器2之间的同轴线路的一部分。副同轴线路21包含内部导体21a以及外部导体21b。外部导体20b、21b都被接地。副同轴线路21的中央部做得使主同轴线路的阻抗变化尽量变小并与主同轴线路20的一部分疏结合。电阻元件22连接在副同轴线路21的内部导体21a的上流侧端部与接地电位GND的线之间。电阻元件23连接在副同轴线路21的内部导体21a的下流侧端部与接地电位GND的线之间。电阻元件22与23具有相同的电阻值R。
在主同轴线路20的特性阻抗Z0、主同轴线路20以及副同轴线路21之间的耦合静电电容C0、主同轴线路20以及副同轴线路21之间的互感M、电阻元件22、23的电阻值R之间，具有以下的关系：Z0＝M/C0R。假定电阻元件22、23的端子间电压分别为V1、V2，比例常数为K，则前进波功率Pf以及反射波功率Pr分别为K(V1)2、K(V2)2。方向性耦合器12的输出电压V1、V2分别给予滤波器电路3、16。
滤波器电路13，由外差方式将频率f±nf1的高频信号V1变换为频率Δf的高频信号V1’。频率Δf是比高频电源1的频率f充分地低，而比高频电源9的频率f1高的频率(比如10.6MHz)。即，如图4所示，滤波器电路13包含局部振荡器25、混频器26以及带通滤波器(BPF)27。局部振荡器25生成高频电源1的频率f与给定频率Δf之和的频率f+Δf的高频信号VR并给予混频器26。混频器26混合方向性耦合器12的输出信号V1与局部振荡器25的输出信号VR。
这里，信号V1成为两个高频电源1、9的输出信号的混合波，如图5所示，具有频率f±nf1的成分。混频器26的输出信号V1×VR具有f±nf1中心频率f±nf1与频率Δf±nf1、2f+Δf±nf1的三个成分。由于f/f1为1000左右，因此作成从具有频率f±nf1成分的信号V1中抽出频率f成分的带通滤波器是困难的，但是由于Δf/f1为10左右，因此作成从具有频率Δf±nf1的成分的信号V1×VR抽出频率Δf成分的带通滤波器是可能的。带通滤波器27从V1×VR信号抽出频率Δf的信号成分V1’。信号V1’的幅度信息以及相位信息包含信号V1的频率f成分的幅度信息以及相位信息。
输出功率检测器14检测信号V1’的幅度信息V(比如振幅)，根据公式Pf＝K’V2(这里K’为比例常数)检测频率f的前进波功率Pf。输出功率显示部15比如以数字方式显示由输出功率检测器14检测出的前进波功率Pf。
滤波器电路16也是与滤波器电路13同样的构成。包含信号V2的频率f成分的幅度信息以及相位信息的信号V2’被从滤波器电路16送到反射功率检测器17。反射功率检测器17检测信号V2’的幅度信息V，根据公式Pr＝K’V2检测频率f的反射波功率Pr。反射功率显示部18将由反射功率检测部17检测的反射波功率Pr比如用数字显示。
高频传感器2，如图6所示，包含同轴线路30、线圈31、32、电容器33～44、二极管45～48、电阻元件49～57、可变电阻元件58、59以及滤波器电路60～63。滤波器电路60～63的每一个与图4所示的滤波器电路13具有同样的构成。同轴线路30包含内部导体30a以及外部导体30b，构成高频电源1与匹配器3之间的同轴线路的一部分。
线圈31与同轴线路30的内部导体30a电磁感应耦合，在线圈31上流过与流过内部导体30a的电流对应的幅度以及相位的电流I。线圈31的一方端子连接滤波器电路60的输入节点60a。电容器33、34串联连接在内部导体30a与滤波器61的输入节点61a之间。在节点61a上，产生与内部导体30a的电压对应的幅度以及相位的电压V。二极管46、电阻元件52、可变电阻元件58、电阻元件49以及二极管45串联连接在滤波器电路61、60的输出节点61b、60b之间，将可变电阻元件58的滑动端子58a固定在规定位置。在端子58a上，会出现相当于与电压V与电流I之比Z的特性阻抗Z0(比如50Ω)偏差的信号VZ。信号VZ的幅度在匹配时为零。
线圈32与同轴线路30的内部导体30a电磁感应耦合，在线圈32上流过与流过内部导体30a的电流对应的幅度以及相位的电流I。线圈32的两个端子分别连接滤波器电路62、63的输入节点62a、63a。电容器39、40串联连接在内部导体30a与节点N54之间。在节点N54上，产生与内部导体30a的电压对应的幅度以及相位的电压V。节点N54通过电阻元件54、56连接线圈32的两个端子，同时通过电阻元件55接地。
二极管47、电阻元件53、可变电阻元件59、电阻元件57以及二极管48串联连接在滤波器电路62、63的输出节点62a、63a之间，将可变电阻元件59的滑动端子59a固定在规定位置。电阻元件54～56以及二极管47、48构成平衡组件。在端子59a上出现与电压V和电流I的相位差φ成比例的幅度信号Vφ。信号Vφ的幅度在匹配时为零。另外，为了消除噪音以及平滑电位而设置了电容35～38、41～44以及电阻元件49、52、53、57。
匹配器3，如图7所示，包含匹配元件64、65以及驱动装置66、67。匹配元件64、65的各个阻抗是可以控制的。从匹配器3的输入端子来看反应室7的阻抗与高频电源1以及匹配器3之间的同轴线路特性阻抗Z0相等后，反射功率Pr成为最小值。各驱动装置66、67包括马达、齿轮等，驱动匹配元件64、65。
控制器4通过驱动装置66调整匹配元件64的阻抗使从高频传感器2来的信号VZ的幅度成为最小值，并且通过驱动装置67调整匹配元件65的阻抗使从高频传感器2来的信号Vφ的幅度成为最小值。
返回到图1，高频传感器5检测匹配器3和反映室7之间的布线电压V以及电流I。高频传感器5比如包含：图6所示的高频传感器2中的线圈31、电容33、34、电阻元件50以及滤波器电路60、61。滤波器电路60、61的输出节点60b、61b连接到监视器装置6。监视器装置6比如由示波器构成。由监视器装置6可以对反应室7的电极间电压、电流、阻抗进行监视，并可以检测电极间等离子体的状态。
高频电源9是用于将频率n的高频功率给予反映室7的偏置电源装置。匹配器8设置用来将到高频电源9的反射波功率抑制到最小值。匹配器8包含线圈以及电容，为防止从高频电源1来的高频功率输入到高频电源9而发挥作用。
在反应室7内，如图8所示，比如设置两张平行的平板电极71、71。在电极71、72上，分别从高频电源1、9施加高频功率。在电极72的表面，设置基板73。
在蚀刻或者成膜时，首先由真空泵(未图示)排除反应室7内的空气。然后，将规定的气体以规定的流量导入反应室7内并调整真空泵的排气速度，将反应室7内调整到规定的压力。
接着，接通高频电源1、9，将规定的高频功率施加到反应室7。由此，电极71、71间的气体被电离并成为等离子体状态。将气体等离子体化的功率主要由高频电源1供给，而将气体离子射入基板73的功率主要由高频电源9供给。采用蚀刻用的气体(比如CF4)时，将基板73的表面蚀刻，而采用成膜用气体(比如SiH4)时，将膜堆积到基板73的表面。
在该实施方式中，采用外差方式将频率f的高频信号与频率f1的高频信号的混合信号变换成频率Δf(f＞Δf＞n)的高频信号，根据其高频信号检测频率f的高频电压、电流、它们的比值、它们的相位差、功率等。所以，可以容易并且正确地检测频率f的高频电压并且正确地控制高频功率。
另外，该实施方式中，局部振荡器25生成高频电源1的频率f与规定的频率Δf之和的频率f+Δf的高频信号VR并给予混频器26，但是局部振荡器25即使生成f与Δf之差的频率f-Δf的高频信号VR，当然也可以得到同样的结果。但是，此时，混频器26的输出信号V1×VR具有中心频率f±nf1、频率Δf±nf1、2f-Δf±nf1的三个成分。
此次公开的实施方式在所有的点上都是例示，而不应该认为是限制。本发明的范围不是上述说明的内容，而是由权利要求书的范围所限定，包括在与权利要求书的范围等同的意义以及范围内所进行的所有变更。

Claims (3)

1.一种高频检测方法，在将具有第一频率(f)的第一高频功率与具有比第一频率(f)低的第二频率(f1)的第二高频功率向一个负载(7)供给的高频电源装置中，用于检测有关所述第一高频功率的信息，其特征在于，包含：
第一步骤，在所述高频电源装置的规定节点，检测作为具有所述第一频率(f)的第一高频信号与具有所述第二频率(f1)的第二高频信号的混合信号的第三高频信号(V1)；
第二步骤，生成具有从所述第一频率(f)向高频侧或低频侧仅偏离所述第一以及第二频率(f、f1)之间的第三频率(Δf)后的频率(f+Δf)的基准信号(VR)；
第三步骤，生成由所述第一步骤检测的第三高频信号(V1)和由所述第二步骤生成的基准信号(VR)的混合信号(V1×VR)；
第四步骤，从由所述第三步骤生成的混合信号(V1×VR)抽出具有所述第三频率(Δf)的第四高频信号(V1’)；以及
第五步骤，根据由所述第四步骤抽出的第四高频信号(V1’)，检测有关所述第一高频功率的信息(Pf)。
2.一种高频检测电路，在将具有第一频率(f)的第一高频功率与具有比第一频率(f)低的第二频率(f1)的第二高频功率向一个负载(7)供给的高频电源装置中，用于检测有关所述第一高频功率的信息，其特征在于，包含：
信号检测电路(12、31、33、34)，在所述高频电源装置的规定的节点，检测作为具有所述第一频率(f)的第一高频信号与具有所述第二频率(f1)的第二高频信号的混合信号的第三高频信号(V1、V、I)；
信号产生电路(25)，生成具有从所述第一频率(f)向高频侧或低频侧仅偏离所述第一以及第二频率(f、f1)之间的第三频率(Δf)的频率(f+Δf)的基准信号(VR)；
混频器电路(26)，生成由所述信号检测电路(12、31、33、34)检测的第三高频信(V1、V、I)和由所述信号产生电路(25)生成的基准信号(VR)的混合信号；
滤波器电路(27)，从由所述混频器电路(26)生成的混合信号抽出具有所述第三频率(Δf)的第四高频信号(V’)；以及
信息检测电路(14、45、46、58)，根据由所述滤波器电路(27)抽出的第四高频信号，检测有关所述第一高频功率的信息(Pf、VZ)。
3.如权利要求2所述的高频检测电路，其特征在于，
设置两组所述信号检测电路(31、33、34)、所述信号产生电路(25)、所述混频器电路(26)以及所述滤波器电路(27)；
一组的信号检测电路(33、34)检测表示所述规定节点的高频电压的第三高频信号(V)；
另一组的信号检测电路(31)检测表示所述规定节点的高频电流的第三高频信号(I)；
所述信息检测电路(45、46、58)根据由两个滤波器电路(27)抽出的两个第四高频信号，检测有关所述第一高频功率的信息(VZ)。
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