CN1886819A - 等离子加工系统的现场安装和可维修性的rf计量特性化 - Google Patents

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Abstract

一种现场替代RF计量系统部件的系统。该系统包括传感器/电缆组合部件与分析单元。在将RF计量系统放置在现场中之前，确定该RF计量系统的参数。根据这些参数，通过针对所替代单元重新校准该系统，可以在现场中替代任意一个部件，电缆/传感器组合部件或分析模块。在将RF计量系统放置于现场中之前，利用所确定的参数来执行这样的重新校准。

Description

等离子加工系统的现场安装和可维修性的RF计量特性化
技术领域
本发明一般涉及测量系统，尤其涉及一种便于现场更换测量系统部件的无线电频率(RF)特性系统。
背景技术
在典型无线电频率(RF)等离子发生器装置中，大功率RF发生器在预置频率，例如13.56MHz产生RF电波，该RF电波通过电力导线施加给等离子室。由于在RF功率源和等离子室之间通常存在阻抗失配，因此在RF发生器和等离子室之间放置阻抗匹配网络。等离子室具有以非线性运行的特性，与阻抗匹配网络中的线路损耗一起，共同导致了并非所有RF发生器的输出功率都到达该等离子室。传感器起到组合式电压和电流探针的作用，亦称为V/I探针，该传感器通常放置于靠近等离子室的功率输入端，以便当RF电波进入该等离子室时检测该RF电波的电压和电流。尽可能精确地测量靠近该室的电压和电流可提供等离子加工质量的指征。这进而又获得对该室中硅片和其他工件的蚀刻和淀积特性的更佳控制。
为了获得精确的测量，V/I探针在预定且严格的控制条件下进行校准。在送到安装现场之前，在制造地点或工厂处进行校准。为了进一步确保精确度，将传感器或V/I探针捆绑到RF计量系统中。该RF计量系统包括传感器或V/I探针、电缆和分析单元。在送到现场安装和使用之前，对整个RF计量系统进行校准。当现场的RF计量部件需要维修或更换时，必须从现场安装中移除整个RF计量系统。将该计量系统返回给制造商或授权的维修机构，在那里对该RF计量系统的一个或更多部件进行维修或更换。然后，该维修机构对整个RF计量系统进行重新校准，并将所维修的RF计量系统返回现场重新安装和使用。
尽管上述过程能够实现RF计量系统各个部件的再利用，但是如果该RF计量系统的任意一部分需要维修的话，无论该部分是传感器，电缆，还是分析单元，必须在现场中移除整个系统。当前的系统不能实现在现场中更换或维修计量系统的单独一个部件。这样，一旦确定了计量系统的任意一个部件需要维修，就显著地增加了将计量系统返回操作运行的成本和延迟。
除了维修问题以外，当前系统不能提供RF计量部件的便利升级。如它们的维修或更换一样，常规RF计量系统面对关于升级的类似问题。当希望用不同的或改良的部件来替换RF计量系统的一个或许多部件时，当前系统要求移除整个系统，以便能够安装更换部件并且对该系统进行重新校准。这增加了RF计量系统升级部件的成本，并且会对等离子室的停工期产生不利的影响。更进一步地，有时候可能优选将无源传感器部件安装到RF系统中，并在以后的时间里安装分析模块。然而，常规RF系统将会要求移除RF计量部件并进行重新校准，以便在以后的时间里添加分析部件。这就需要干扰RF路径，以便进行通常不希望有的校准。
发明内容
本发明提供一种用于实现RF计量系统各个部件的现场替代、更换、升级，或随后添加的方法和装置。该方法包括在将该系统置于现场中之前对完整系统进行校准。在对完整系统进行校准之后，然后特性化作为完整系统一部分进行校准的传感器。接下来，以特性化基本传感器类似的方式，特性化分析模块。然后特性化可以替代到基本RF计量系统中的一组储备池传感器(pool sensor)。然后利用分析模块和储备池传感器的特性化数据来确定校准系数。接下来，将校准系数置于缩放矩阵中，以便在特定部件的替代期间使用。
通过下文中提供的详细描述，本发明适用性的其他方面将变得更加显而易见。应当理解，尽管简述了本发明的优选实施例，这些详细描述和特定例子仅仅意图作为说明的目的，而非意欲限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，本发明将会得到更加充分的理解，其中：
图1是等离子系统的方框图；
图2是依据本发明原理配置的计量系统的方框图；
图3是用于特性化传输线路的系统的方框图；
图4是用于特性化RF计量系统的步骤的流程图；
图5是描绘依据本发明的，用于特性化RF计量系统的部件的方框图；
图6是用于特性化RF传感器的系统的方框图。
具体实施方式
优选实施例的下述描述实际上仅仅是示例性的，而决非想要限制本发明，它的应用或使用。
图1描绘了一种控制系统，其中可以执行本发明的RF计量系统以便控制等离子室。控制系统10包括等离子室18，例如可以用于制造集成电路。等离子室18包括一个或多个进气口，以及一个或多个出气口(未示出)。该进气口和出气口能够使气体注入和从等离子室18内部排空。控制器20接收来自等离子室的输入，该输入可以包括表示该室中真空度的真空信号、电压信号，和表示进气口和出气口之间流动比率的信号。如本领域技术人员能够认识到的，控制器20也可以接收/生成其他输入/输出。控制器20确定要通过功率源或RF功率放大器12施加给等离子室的预期输入功率。RF功率放大器12可以任选地包括微处理器，或者从控制器20接收所施加信号的其他类似控制器。RF功率放大器12输出RF信号，该RF信号被输入至在RF功率放大器12与等离子室18之间匹配阻抗的匹配网络16。
在RF功率放大器12和匹配网络16之间插入第一RF计量系统14a。在匹配网络16和等离子室18之间插入第二RF计量系统14b。RF计量系统14a，14b测量由各个RF功率放大器12和匹配网络16输出的电压和电流。根据特定的设计考虑来选择和安装RF计量系统14a，14b。可以使用一个或者同时使用两个RF计量系统。为了便利起见，可以仅使用不带字母的参考数字14来指示RF计量系统14a，14b。RF计量系统14向控制器20提供反馈信号。本领域技术人员可以认识到，图1描绘了控制系统10的简化方框图，并且可以在控制系统中实现各种反馈和控制通路。这些实施取决于特定的设计考虑。
通常可以将RF计量系统14特性化为包括无源RF传感器、处理来自无源传感器的信号的分析模块以及用于耦合传感器与分析模块的互连设备。参照图2，示出了RF计量系统14的展开图。RF计量系统14包括传感器22，其通常配置为V/I探针。传感器22连接至互连设备或电缆24，互连设备或电缆进而又连接至分析模块26。互连设备或电缆24可以是将传感器22输出的信号耦合至分析模块26的任意设备。就本发明而言，尽管将传感器22和电缆24表示和描述为分离元件，但是传感器22和电缆24也可以认为是单一单元。当更换传感器时，也更换相关联的电缆。图2的RF计量系统14可以看作是具有两个部件，即传感器/电缆部件和分析模块部件。为了本描述说明的目的，简单地将传感器/电缆组合称作传感器22，但是可以任选地包括电缆24。
本发明的RF计量系统14能够更换现场中的传感器22或分析模块26之一。此处使用的术语“更换”应该是指以下动作中的任意一种：升级、替代改良的或不同的、更换，或者在随后日子里添加RF计量系统的各个部件中的任何一个。更具体地说，可以更换上述两个部件之一，而无须移除整个RF计量系统，将RF计量系统14返回到维修机构以便维修和校准，并将RF计量系统14返回到现场以便重新安装和操作。为了完成这个目的，本发明利用频率响应测量来特性化传感器22，并导出分析模块26的响应。更具体地说，对传感器22的每一个端口测量频率响应，以便得到已知负载和预定测量的序列，从而确定与该设备相关联的参数。
参照图3，图3描绘了简化的传输线路系统30的方框图。传输线路系统30包括负载阻抗34，它代表给定负载的阻抗。传输线路系统30还包括源阻抗32，它代表施加给负载的RF能量源的阻抗。将RF激励36施加给源阻抗32，从而产生来自源阻抗32的合成输出，该合成输出被施加给负载阻抗34。称为校准面的平面38，被定义为来自源阻抗32的输出的预定距离。校准面38限定已知的基准位置，在该基准位置可以进行特性化传输线路系统30的测量。校准面38的位置称为位置x。
如本领域技术人员众所周知的，可以根据以下公式来描述传输线路系统30的性质。位置x的电压，V(x)可以根据公式(1)来定义：
V(x)＝IL[ZLcosh(γx)+Z0sinh(γx)]         (1)
其中
IL-位置x的负载电流；
ZL-位置x的阻抗；
Z0-特性阻抗或传播常数。
位置x的电流，I(x)可以根据公式(2)来定义：
I(x)＝(IL/Z0)[ZLcosh(γx)+Z0sinh(γx)]   (2)
在特性化传输线路系统30中相关的两个其它值是短路阻抗ZSC和开路阻抗ZOC，它们可以分别根据以下相应的公式(3)和(4)来定义：
ZSC＝Z0tanh(γx)                            (3)
ZOC＝Z0coth(γx)                            (4)
通过这些公式，可以为包括传感器22、电缆24和分析模块26的RF计量系统推导出以下公式。校准向量c(f)可以根据公式(5)定义为频率的函数：
c(f)＝K(f)*P(f)*x(f)                          (5)
其中
c(f)-校准向量[Vc(f)Ic(f)]，Vc(f)是所选开路和短路条件的电压校准系数，而Ic(f)是电流校准系数；
K(f)-定义位置(x)的电压和阻抗的标准矩阵；
P(f)-定义RF计量系统对已知阻抗的响应的矩阵；
x(f)-定义在校准过程期间当施加K(f)矩阵时，由分析模块测量的原始电压(Vv)和电流(Vi)的向量[Vv Vi]。
校准向量c(f)用来生成定义系统的校准的矩阵。该矩阵被定义为缩放矩阵(scaling matrix)。该缩放矩阵根据公式(6)来表示所校准系统的函数：
P(f)*x(f)＝S～(f)*Y(f)*a(f)                    (6)
其中
x(f)-如上定义的矩阵；
P(f)-如上定义的矩阵；
S～(f)-用于开路和短路的传感器特性矩阵；
Y(f)-包含传感器输出的原始电压数据的传感器特性矩阵；
a(f)-定义分析模块的频率响应的向量。
通过公式(6)，可以看出，S～(f)*Y(f)*a(f)的乘积表示所校准系统P(f)*x(f)的函数。该公式由三个未知变量P(f)*x(f)，S～(f)*Y(f)，和a(f)的乘积构成。如将进行的更为详细的描述，利用传统校准方案来确定P(f)*x(f)。也就是说，该乘积通常是在制造的时刻和地点确定的，而不是在现场。S～(f)*Y(f)可以利用用于特性化传感器22的响应的方法来确定。由于所有这些变量都是与频率相关的，因此使用解卷积方法来确定仍然是未知的a(f)。也就是说，a(f)是根据公式(7)来定义的：
a(f)＝S～-1(f)*Y-1(f)*P(f)*x(f)              (7)
设定S(f)＝S～(f)*Y(f)，如根据公式(8)所定义的，可以化简公式(7)：
a(f)＝S-1(f)*P(f)*x(f)                        (8)
上述公式在2002年9月10日出版的，并且转让给本发明受让人的US6,449,568中进行了更为详细的描述，其公开内容合并于此以作为参考。
图4是用于执行RF计量特性的方法的流程图。该方法从开始框40开始，并进行到框42。在框42，对完整的计量系统进行校准，例如在装运RF计量系统之前通常在工厂中所做的那样。图5描绘了用于执行图4的步骤42的校准系统70的方框图。校准系统70执行工厂校准过程，为确定上述关于公式(5)至(8)而定义的值作准备。校准系统70包括RF计量系统72，例如以上关于图1和2所进行的描述的RF计量系统。RF计量系统72包括V/I探针74、分析模块76和一对电缆78a，78b。电缆78a，78b将V/I探针74互连至分析模块7。电缆78a，78b之一将V/I探针74互连至分析模块76，以便向分析模块76提供V/I探针74输出的电流信息。电缆78a，78b中的另一个将V/I探针74互连至分析模块76，以便提供电流信息。合起来，电缆78a与78b将电压和电流信息都从V/I探针74提供给分析模块76。
RF激励模块80生成输出信号，送往源阻抗82。RF激励模块80可以实现为受高保真度信号发生器控制的宽带放大器。响应于RF激励36，将RF信号施加给V/I探针74。V/I探针接收RF激励36输出的RF信号，并且将电缆78a，78b上的电压和电流信息都提供给分析模块76。校准系统70顺序地将三个负载阻抗之一插入到校准系统70的电路中。插入到电路中的负载是短路负载阻抗86、开路负载阻抗88和50欧姆负载90。
一旦完成了步骤42，就能够生成矩阵P(f)和向量x(f)的值。该值的速记符号可以表示为Pm和Xm，在这里m定义特定的所校准计量系统。校准面84限定位置x，在该位置处进行公式(5)至(8)的测量。
一旦对完整系统进行了校准，控制进行到框44，在框44特性化在步骤42中使用的传感器的响应。该传感器可以称作基本(base)传感器，这是因为它是作为完整系统校准的一部分对其进行校准的。为了执行步骤44，图6的传感器特性电路100生成信号，并捕获对所述信号的响应。传感器特性电路100包括网络分析器102，它生成送至宽带放大器104的控制信号。在一种配置中，宽带放大器104输送100瓦特，以便提供合适的信噪比，从而提供传感器的高保真度测量。放大器104向定向耦合器106输出RF信号。在一种配置中，为获得其高方向性来选择定向耦合器106。至少50分贝(dB)的方向性认为是足够的。定向耦合器106进而又生成施加给传感器108的信号。传感器特性电路100的传感器108是步骤42所指示的和图5中所讨论的同一传感器。也就是说，该传感器是图5的V/I探针74。传感器108将RF信号从定向耦合器106传递到负载110上。负载110包含三个阻抗负载：(1)短路阻抗；(2)开路阻抗；和(3)50欧姆阻抗。顺序地将每个阻抗均插入到电路中。
除了向放大器104提供输入信号之外，网络分析器102还测量几个信号。具体而言，定向耦合器106包括前向端口和反向端口。每个端口均连接至网络分析器102的相应测量端口。类似地，在传感器108的输出端建立网络分析器102的校准面(未示出)。配置和校准网络分析器102，以便测量传感器108的响应。因此，网络分析器102测量传感器108的幅度和相位响应。输入至网络分析器102的信号穿过衰减器112，衰减器112使信噪比得到最优化。23dB的衰减认为是足够的。将三个负载插入到电路中，并且网络分析器102为每一种配置采集数据集。图100的电路用来采集六个数据集。这些数据集包括(1)用于电压端口的开路负载数据；(2)用于电压端口的短路负载数据；(3)用于电压端口的50欧姆负载数据；(4)用于电流端口的开路负载数据；(5)用于电流端口的短路负载数据；和(6)用于电流端口的50欧姆负载数据。
一旦如关于图6所述采集了数据，公式(5)至(8)能够确定项S～m和Ym。在确定项S～m和Ym之后，控制进行到框46，在框46根据框42和44获取的数据来特性化分析模块。具体而言，可以利用公式(8)根据am(f)来特性化分析模块m。
接下来，控制进行到框48，在框48可以将所有传感器替代到在框42特性化的系统中。可以替代的这些传感器称作储备池传感器。一组传感器必须预先地进行特性化，以便它们可以用于在框42处校准的RF计量系统中。所有这样的储备池传感器必须如上关于框44和特性电路100所述的那样进行特性化。储备池传感器的特性化得到项S～I(f)和YI(f)，在这里I是用于传感器储备池中某个特定传感器的下标值。储备池传感器可以通过调用公式(6)并代入已知项，Pi(f)*xi(f)＝S～I(f)*YI(f)*am(f)来进行特性化，在这里i代表如框42所定义的、已经进行校准的任意一个系统。
接下来，控制进行到框50，其中为可互换系统确定校准系数[Vc Ic]。根据在框46为任意的分析模块确定的数据，以及在框48为任意的传感器获得的数据，来确定校准系数。通过再次调用公式(6)并代入已知项，Pi(f)*xi(f)＝S～I(f)*YI(f)*am来确定校准系数，在这里i代表如框42所定义的，已经进行校准的任意一个系统。校准系数被定义为ci＝K(f)*Pi(f)*xi(f)。
接下来，控制进行到框52，在框52将校准系数置于缩放矩阵中。该缩放矩阵由S～I(f)*A0的乘积，其中A0(f)＝SI(f)*Pm(f)，以及第一行ci(1)与第二行ci(2)的相乘构成。
一旦执行了图4的这些步骤，所获取的特性值能够允许在现场中更换RF计量系统的各个部件，而无须校准机构的移除和重新校准。通过使用上述确定的值来进行这些更换。这将便于RF计量系统的各个部件的替代、更换、维修、升级、分级式安装，等等。
本发明的说明书实质上仅仅是示例性的，从而不偏离本发明要旨的变化意欲包含在本发明的范围之内。这些变化并不认为脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种无线电频率RF计量系统，用于监控RF发生器到负载的输出，包括：
传感器部件，该传感器部件检测施加给负载的电压和电流中的至少一个；
分析模块部件，该分析模块部件接收来自所述传感器部件的电压和电流传感器信号中的至少一个；
其中当其它部件保持安装状态时，可以更换所述传感器部件和分析模块部件之一，并且在更换一个部件之后，重新校准所述RF计量系统。
2.根据权利要求1所述的RF计量系统，其中所述传感器部件进一步包括传感器模块和电缆，该电缆互连该传感器模块与该分析模块部件。
3.根据权利要求1所述的RF计量系统，进一步包括输入至所述分析模块部件的缩放矩阵，以便在安装一个更换部件之后，校准所述RF计量系统。
4.一种更换RF计量系统部件的方法，该RF计量系统用于监控RF发生器到负载的输出，该方法包括以下步骤：
配备包含基本传感器和基本分析模块的RF系统；
校准基本RF计量系统；
确定所述基本传感器的频率响应特性；
确定所述基本分析模块的响应特性；
特性化基本传感器以外的一组传感器的频率响应；
确定一套校准系数；和
根据所述校准系数生成缩放矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括如下步骤，用储备池传感器和储备池分析模块之一来更换基本传感器和基本分析模块之一，以限定替代的RF计量系统。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括如下步骤，将所述缩放矩阵应用于替代的RF计量系统，以校准所述替代的RF计量系统。
7.根据权利要求4所述的方法，其中校准完整系统的步骤进一步包括以下步骤：
配备用于向负载施加RF信号的RF功率源；
利用该RF计量系统来测量RF信号向负载的施加。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述负载包括多个阻抗。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个阻抗包含短路阻抗、开路阻抗和50欧姆阻抗。
10.根据权利要求4所述的方法，进一步包括特性化基本传感器的频率响应的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括特性化分析模块的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括配备传感器储备池，该传感器储备池中的每个传感器均进行特性化，以便由所述RF计量系统来操作。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括为所述RF计量系统确定一套校准系数的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括生成缩放矩阵以限定RF计量系统的步骤。
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