KR101306612B1 - 반도체 플라즈마 발생 시스템들에서 전력 흐름을 분석하는시스템 및 방법 - Google Patents

반도체 플라즈마 발생 시스템들에서 전력 흐름을 분석하는시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 플라즈마 발생기들을 위한 RF 기반 여기 시스템들에서 전력 흐름 파라미터들을 측정 및 분석하는 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 측정 프로브(8)는 전송 라인(4)으로부터 전압(10) 및 전류 신호들(12)을 수신 및 측정하기 위한 RF 전송 라인에 접속된다. 고속 샘플링 프로세스는 측정된 RF 전압 및 전류 신호들을 디지털 신호들로 변환한다. 디지털 신호들은 오리지널 RF 신호들에 대응하는 기본 및 고조파 진폭 및 위상 정보를 나타내도록 처리된다. 다수의 측정 프로브들은 2-포트 파라미터들을 측정하기 위해 전력 전송 경로에 삽입될 수 있고, 네트워크된 프로브들은 입력 임피던스, 출력 임피던스, 삽입 손실, 내부 소실, 전력 흐름 효율, 스캐터링 및 RF 신호에 대한 플라즈마 비선형성의 영향을 결정하기 위해 문의 받을 수 있다.
Figure R1020077028707
반도체 플라즈마 발생기, RF 기반 여기 시스템, 전력 흐름 파라미터, 기본 및 고조파 진폭 및 위상 정보, 네트워크된 프로브

Description

반도체 플라즈마 발생 시스템들에서 전력 흐름을 분석하는 시스템 및 방법{System and method for analyzing power flow in semiconductor plasma generation systems}
관련 출원과의 상호 참조
이 출원은 2005년 6월 10일에 출원된 미국 공개 출원 번호 60/689,769 호에 대한 우선 출원 권리를 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 RF 전송 시스템들에서 전력 흐름의 측정에 관한 것이며, 특히 반도체 플라즈마 발생기들에 대한 RF 기반 여기 시스템들에서 전압 및 전류 신호들의 기본 및 고조파 진폭 및 위상 관계들을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼들의 프로세스에 이용되는 형태의 RF 플라즈마 반응기들은 대량의 RF 전력을 필요로 한다. 기본적으로, 이 기술은 전력의 플라즈마로의 인가를 통해 프로세싱 플라즈마의 점화 및 유지에 관련된다. 플라즈마는 도입된 가스들과 상호작용하고, 원하는 프로세싱 결과들에 영향을 미치기 위해 관련되는 타겟 및 웨이퍼 표면들과 상호 작용한다.
반도체 디바이스들의 복잡성이 증가함으로 인해, 제조 프로세스를 통한 더욱 엄격한 제어가 요구되어 왔다. 현대의 플라즈마 프로세싱에서 더 엄격한 프로세스 제어를 위해서는, 실제 프로세싱 조건들하에서 연관된 RF 전압 및 전류 신호들에 관해 더 많은 정보를 획득하는 것이 바람직하다. 이것은, 플라즈마 발생 시스템으로 향하는 기본 및 고조파 신호 전력을 측정하기 위해 전력 전송 경로에 삽입된 이용 가능한 V-I 프로브들에 의해 일반적으로 행해졌다.
당업자는, RF 전압 및 전류 신호들의 기본 및 고조파 진폭 및 위상각 관계들이 반도체 웨이퍼 제조 동안 프로세스 성능의 변동을 밝히는 것임을 인식하였다. 프로세싱 플라즈마의 비선형성으로 인해, 기본 RF 여기 주파수의 고조파들은, 로드가 기본 주파수에서 매칭되는 것으로 나타나는 경우에도 유도될 것이다. 결과적으로, 프로세싱 플라즈마에 전달된 전체 전력은 기본 및 고조파 주파수들의 전력 레벨들의 합을 포함한다. 알려진 플라즈마 프로세싱 툴들은 프로세스 성능 수율들을 향상시키기 위하여 2개 이상의 RF 신호 주파수들을 기계적으로 채용한다. 그러나, 2개 이상의 여기 주파수들의 플라즈마 발생 시스템으로의 도입은 상호 변조 주파수 성분들의 총 전력 흐름으로의 도입으로 인해 프로세스 불확실성을 증가시키는 경향이 있다.
종래에는, 미국 특허 번호 제5,523,955호 및 제5,273,610호에 개시된 바와 같이, 플라즈마 프로세싱에서의 전력 흐름을 특징짓기 위한 시도들이 이루어졌다. 예를 들면, 미국 특허 번호 제5,523,955호에는, RF 신호들을 센싱하기 위한 전력 전송 경로에 삽입된 측정 프로브가 개시되어 있다. 센싱된 신호들은 오리지널 센싱된 신호들에 관한 위상각 정보를 계산하기 위한 AC 신호들을 간접적으로 유도하는데 사용된다. 그러나, 본 발명 전까지, RF 전압 및 전류 신호들의 기본 및 고조파 주파수 컨텐트의 관련 위상각 정보를 정확하고 안정한 방식으로 직접 측정하도록 요구된 기술들은 당업자에게 쉽게 이용 가능하지 않았다.
따라서, 기본 신호 주파수들과 기본 주파수들의 고조파들 사이의 임계 진폭 및 위상각의 관계들을 측정 및 분석하기 위한 시스템 및 방법을 제공하기 위한 강력한 요구가 있다. RF 여기 신호들의 주파수 컨텐트를 특징짓는 정보는, 제조 수율들을 개선하기 위하여 프로세싱 챔버에 전력 흐름을 조정 및 제어하도록 모니터링될 수 있고, 플라즈마 프로세싱을 더욱 제어 가능하고 반복 가능하게 할 수 있다.
본 발명이 반도체 플라즈마 발생기들에서 전력 흐름을 분석하기 위한 시스템 및 방법의 관점에서 본 명세서에 기재되었지만, 당업자는 본 발명이 다양한 다른 전력 전송 시스템들에 사용될 수 있음을 알 것이며, 다른 전력 전송 시스템들은 유도성 및 유전성 가열 시스템들과 같은 산업 가열 시스템들 및 자기 공명 영상(MRI: magnetic resonance imaging) 시스템들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, MRI 시스템들에서, 고조파 진폭 및 위상 정보의 분석은 다양한 로드(예를 들면, 환자) 상태들 하에서 전송된 신호들의 자기 공명을 제어 및 조정하는데 사용될 수 있다. 산업 가열 응용들에서, 고조파 진폭 및 위상 정보의 분석은 프로세싱 성능을 개선하기 위해 제조 공정 제품(work-piece) 및/또는 프로세싱 장치에 대한 전력 흐름을 제어 및 조정하는데 사용될 수 있다.
발명의 요약
RF 전력 전송 시스템에서 전력 흐름을 제조하기 위한 측정 프로브는, RF 전압 및 전류 신호들을 수신 및 측정하는 측정 수신기에 접속된 전압 센서 및 전류 센서를 포함한다. RF 전압 및 전류 신호들은, RF 전압 및 전류 신호들을 디지털 변환하기 전에 고정된 중간 주파수(IF)로 되게 하는 샘플링 기반 주파수 변환기들에 의해 또는 직접 RF 파형들의 디지털 표현으로 변환된다. RF 신호들의 디지털 표현들은 오리지널 RF 신호들에 관한 기본 및 고조파 진폭 및 위상 정보를 포함한다. 디지털 신호 프로세싱 회로는 데이터 캡처, 수학적 변환, 신호 필터들, 스케일링(scaling), 및 외부 프로세스 제어에 대한 수학적으로 변경 가능한 아날로그 출력들의 생성을 관리한다. 또한, 회로는 오리지널 RF 신호들의 각각의 기본 및 고조파 진폭 및 위상 성분들에 관한 정보를 추출한다. 측정 수신기에 접속하기 위한 범용 직렬 버스(USB) 및/또는 이더넷 접속은 부가의 수치 및 그래픽 분석을 위해 외부 컴퓨터에 제공된다.
또한, RF 전송 시스템에서 전력 흐름 파라미터들을 측정 및 분석하는 방법으로서, 복수의 측정 프로브들이 임피던스 매칭, 삽입 손실 및 전력 흐름을 결정하기 위해 전력 전송 경로에 삽입되는, 상기 전력 흐름 파라미터 측정 및 분석 방법이 개시되어 있다. 네트워크된 프로브들은 2-포트 측정들을 제공할 수 있고, 입력 임피던스, 출력 임피던스, 삽입 손실, 내부 소실, 전력 흐름 효율, 스캐터링, 및 RF 신호에 대한 플라즈마 비선형성의 영향을 결정하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 단일 측정 수신기는 여러 프로브들로부터 데이터를 검색하는데 채용되며, 여러 프로브들로부터의 데이터는 포스트 프로세싱(post processing)을 위해 외부 컴퓨터에 공급된다. 다른 예시적 실시예에서, 다수의 측정 수신기들은 각각의 프로브에 개별적으로 접속되며, 그에 의해 시스템 데이터의 "실시간(real time)" 프로세싱을 허용한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면들 및 첨부된 청구항들과 함께 예시적 실시예들의 다음의 상세한 기술을 고려하여 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 동작 개념을 도시한 일반 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 프로브 어셈블리의 개략도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 프로세스를 실행하기 위한 프로세싱 회로를 도시한 개략적 블록도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 각각 발생된 예시적 전압, 전류 및 전력 파형들을 도시한 그래픽들.
도 5는 본 발명의 프로세스를 실행하기 위한 다수의 프로브 네트워킹 구성을 도시한 일반 블록도.
본 발명의 기본 개념들을 도시한 도면들을 참조하여, 도 1은 RF-기반 여기 시스템에서 기본 및 고조파 진폭 및 위상 관계들을 측정하기 위한 시스템을 도시한 일반 블록도이다. 하나 이상의 교류 전력원들(2)은, 매칭 네트워크(5)를 통해 RF 전송 라인들(4)을 경유하여 예를 들면, 반도체 플라즈마 반응기가 될 수 있는 툴 척(40; tool chuck)에 전송되는 교류 전압 및 전류 신호들을 발생시킨다. 본원의 개시를 위해, 용어 '전송 라인(transmission line)'은, 동축 케이블, 도파관, 마이 크로스트립, 트위스티드-페어, 구리 배선 등을 포함하는 전기 신호를 전송하기 위한 모든 알려지거나 나중에 개발되는 수단을 포함하는 것을 의미하지만, 이에 한정되지 않는다.
매칭 네트워크(5)는 기본 주파수에서 발생기에 대한 특성 로드 임피던스를 매칭하기 위해 플라즈마의 복소 임피던스를 변환한다. 측정 프로브(8)는 RF 전송 라인들(4)을 통해 전송된 전압 및 전류 신호들을 측정하기 위하여 전력 전송 경로에 삽입된다. 측정 프로브(8)는 전압 및 전류 신호들을 각각 센싱하기 위한 전압 센서(10) 및 전류 센서(12)를 포함하는 고 전력 디바이스이다. 전압 센서(10) 및 전류 센서(12)는 RF 전송 라인(4)의 중앙 컨덕터에 접속되며, 그에 의해 센서 하우징 자체는 전송 라인의 외부 컨덕터의 일부가 된다.
프로브(8)는 전압 및 전류 센서들(10, 12)로부터 각각 전압 및 전류 신호들을 수신하기 위한 RF 접속기 입력 채널들(10a 및 12b)을 포함하는 측정 수신기(14)에 접속된다. 수신기(14)는 또한, 프로브 하우징에 저장된 온도 판독들 및 교정 데이터를 업로딩하기 위해 디지털 인터페이스(도시되지 않음)를 포함하여, 개별 임피던스 프로브들은 프로브 하우징 내에 저장된 교정 데이터(calibration data)로 교정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 측정 프로브(8)의 전류 센서(12)는, 프로브(8) 및 연관된 전송 라인(4)의 중앙 컨덕터(102)와 병렬로 위치된 단단한 동축 전송 라인의 단일 루프를 포함한다. 전류 센서(12)의 외부 컨덕터는 패러데이 차폐(Faraday Shield)로서 동작하도록 수정되어, 외부의 용량성 결합이 제거되고, 상호 결합된 RF 전류 만이 출력 전압을 생성한다. 전류 센서 루프(12)의 한 단부의 전압은 전송 라인(4)을 통해 전송된 전류 신호들을 측정하기 위하여 당업계에 알려진 방식으로 측정 수신기 인터페이스에 접속된다.
도 2를 다시 참조하면, 전압 센서(10)는 통상적으로 디스크를 포함하며, 디스크는 프로브(8)의 중앙 컨덕터(102)에 용량적으로 결합된다. 전압 센서(10)는 전송 라인의 입력에 접속되고, 그 후에 전송 라인(4)으로부터 RF 전압 신호들을 수신 및 측정하기 위해 측정 수신기 인터페이스에 접속된다.
본 발명의 하나의 예시적 실시예에서, 프로브 하우징(101)과 중앙 컨덕터(102) 사이의 공동 영역(cavity region)은, 브레이크다운 전압을 상승시키기 위하여 유전 재료로 충전될 수 있어서, 측정 프로브(8)는 7500볼트 피크를 초과한 전압 레벨들을 견딜 수 있다. 중앙 컨덕터(102) 및 하우징(101)의 치수들은 조정될 수 있어서, 라인 섹션의 특성 임피던스는 대략 50옴이 됨을 알 수 있다.
프로브 센서들(10, 12)에 의해 제공된 측정 결과들의 정확도를 유지하기 위하여, 중앙 컨덕터(102) 및 외부 컨덕터/하우징(101)의 온도는 일정하게 모니터링되고, 중앙 컨덕터(102)의 가열에 의해 유발된 센서 결합의 필연적인 변경들을 정정하기 위한 센서 교정 계수들에 대한 작은 조정들이 이루어진다.
각각의 프로브(8)는, 디바이스의 동작 주파수 범위에 걸쳐 그들 사이의 정확한 전류 및 전압 결합 계수들 및 위상각를 결정하는 교정 프로세스에 의해 특징지워진다. 교정 프로세스 동안, 중앙 컨덕터(102) 및 외부 컨덕터/하우징(101)의 온도는 기록된다. 이러한 교정 데이터 또는 정보는 디지털 형태로 프로브 어셈블리 내에 저장되고, 프로브(8)가 측정 수신기(14)에 부착될 때마다 검색된다. 결과적으로, 다수의 측정 프로브들(8)은, 국부적으로 저장된 온도 판독들 및 교정 데이터가 프로브들 및 수신기들이 쌍을 이룰 때마다 로딩되기 때문에 단일 측정 수신기(14)를 공유할 수 있다. 개별 프로브들을 교정하는 것 외에도, 상호 접속 전송 라인들이 또한 개별적으로 교정된다. 전송 라인으로부터의 교정 데이터는 전송 라인 어셈블리 자체 내에 저장된다. 예시적 실시예에서, 전송 라인 어셈블리는 2개의 RF 케이블들과 하나의 데이터 케이블로 구성된다. 디지털 메모리 칩은 데이터 케이블 접속기 내에 위치되어, 전송 라인 어셈블리로부터의 교정 데이터가 전송 라인 어셈블리 자체 내에 저장되도록 허용한다. 측정 수신기는 디지털 인터페이스를 통해 전송 라인 및 프로브 하우징으로부터 교정 데이터를 다운로드하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 본 발명의 교정 프로세스는 각각의 구성성분이 개별적으로 교정되도록 허용한다. 이러한 개별 교정 프로세스는 전체 시스템 재교정을 수행하는 요건 없이 전계의 개별 구성성분들의 교환을 허용하는 이점이 있다.
동작에 있어서, 중앙 컨덕터(102)의 온도는 적외선 온도계(105)를 사용하여 일정하게 모니터링되고, 판독은 외부 컨덕터/하우징(101)의 온도와 비교된다. 결과적인 온도 차는, 외부 컨덕터/하우징(101)에 대해 중앙 컨덕터(102)의 크기 및 간격의 변경으로 인해 전압 및 전류 결합 계수들에 대한 조정들을 하는데 사용된다. 동시에, 프로브 구성성분들과 연관된 기생 리액턴스들이 또한 결정될 수 있다. 교정 프로세스는 또한 프로브의 기생 리액턴스를 설명하기 위해 측정된 임피던스 정보를 조정한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 전압 및 전류 센서들(10, 12)로부터 수신된 전압 및 전류 신호들이 유사하게 프로세싱된다. 전압 및 전류 신호들은 각각의 전압 채널(10a) 및 전류 채널(12b)에 의해 서로 분리된다. 동작 주파수의 변경들에 연관된 신호 레벨들의 큰 변동들로 인해, 능동 이퀄라이저(13)는 용량성 피드백을 가진 광대역폭 동작 증폭기의 형태로, 전압 및 전류 센서들(10, 12) 사이에서 구현된다. 이퀄라이저(13)는 전압 및 전류 센서들(10, 12)의 "레이트 변경(rate-of-change)" 응답을 보상하기 위해 전압 및 전류 신호들을 "적분(integrate)"한다. 하나의 예시적 실시예에서, 이퀄라이저들의 출력들은 디지털 변환 전에 고정된 중간 주파수(IF)에 대한 테스트 하에 신호를 가져오기 위하여 샘플링 기반 주파수 변환기(15)에 접속된다. 다른 실시예에서, 이퀄라이저들(13)의 출력들은 디지털 변환을 위해 가변 이득 상태들(18) 및 A/D 변환기들(20)에 직접 접속될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 선택적 샘플링 기반 주파수 변환기(15)는, 기존의 고해상 아날로그-디지털(A/D) 변환기 기술의 대역폭 제한들과 호환 가능한 훨씬 더 낮은 IF 주파수들로 RF 신호들 및 고조파들을 변환하는데 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 한 쌍의 샘플링 게이트들(16)은 RF 신호의 작은 샘플을 캡처하고 다음 샘플링 값이 취해질 때까지 그 값을 유지하는 영차 보류 회로(zero-order-hold circuit)의 일부이다. 샘플링 게이트들은 약 300피코초 지속기간의 협소한 펄스에 의해 폐쇄된다. 샘플링 게이트가 폐쇄되는 순간 동안, RF 신호 전압은 샘플링 커패시터 상에 임프레싱된다(impress). 샘플러 증폭기들(17)은 그 레벨이 샘플들 사이에 유지되도록 샘플링 커패시터 상에 전압을 버퍼링하는데 채용된다. 샘플러의 대 역폭은, 약 1000MHz까지 신호들의 위상에 영향을 그다지 미치지 않도록 상당히 넓다. 위상 편이에 관한 예측 가능한 지연은 디지털 신호 프로세싱 회로(22)에서 교정될 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, IF 신호들은 A/D 변환기들(20)의 변환 사이클에 위상 고정되어, 복수의 샘플들이 IF의 가장 높은 원하는 고조파에서 각각의 사이클 동안 취해질 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따라, IF의 가장 높은 원하는 고조파의 각각의 사이클에 대해 정확히 4개의 샘플들이 취해진다. 양호한 실시예에서, 샘플링 레이트는 IF 주파수에서 재생된 RF 파형이 기본 신호 주파수와 기본 신호 주파수의 고조파 사이의 대응하는 위상 관계를 유지하고 기본 동작 주파수의 약 15개의 고조파들까지 유지하도록 계산된다.
샘플링 기반 주파수 변환기의 사용의 한 이점은 단지 약 1.95 내지 2.1MHz으로부터의 로컬 발진기 주파수 편이가 2, 13.56, 27.12, 60 및 162MHz의 통상적인 플라즈마 발생기 주파수들 전부를 커버할 필요가 있다는 점이다. 더욱이, 샘플링 기반 주파수 변환기들은 종래의 믹서 기반 주파수 변환기들에 비해, 일반적으로 가장 간단한 구조와 가장 높은 대역폭을 갖는다.
그러나, 샘플링 다운 변환이 입력 RF 대역폭 내의 모든 신호들을 동시에 변환하기 때문에, 다수의 여기 신호 주파수들이 사용되는 시스템들에는 그다지 적당하지 않을 수 있다. 다수의 여기 주파수들의 경우, 나이키스트 샘플링(Nyquist sampling)이 사용되는 것이 유리할 수 있다. 또한, 샘플링 수단은, RF 전압 및 전류 신호들을 샘플링 및 디지털화하기 위해, 나이키스트 샘플링 레이트 아날로그-디지털 변환기와 대역 통과 샘플링 아날로그-디지털 변환기의 조합을 포함할 수 있음 을 고려한다. 나이키스트 샘플링은 가장 높은 관심 있는 주파수의 사이클마다 적어도 2개의 샘플들을 획득하는 것이 알려져 있다. 신호들이 디지털화되었으면, 디지털 신호 프로세싱 회로(22)는, 데이터 캡처 관리, 수학적 변환들, 필터들, 스케일링, 및 외부 제어 시스템들에 대한 수학적으로 변경 가능한 아날로그 출력들의 생성을 포함한 부가의 신호 프로세싱을 행한다. 고속 범용 직렬 버스(USB) 또는 이더넷 포트(24)는 부가의 수치 및 그래픽 분석을 위한 외부 컴퓨터(21)에 프로브 어셈블리를 접속하는 역할을 한다. 한 쌍의 디지털-아날로그 변환기들(26)은 오리지널 RF 전압 및 전류 파형들을 재구성하기 위하여 디지털 신호 프로세서(22)로부터 출력을 수신하는데 채용될 수 있다. 전력 공급 회로(28)는 외부 DC 공급기로부터 필요한 내부 동작 전압들을 발생시킨다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 발생된 예시적 파형 데이터가 도시되어 있다. 도 4a는 예시적 미가공 전압 파형(raw voltage waveform)을 도시하고, 도 4b는 예시적 미가공 전류 파형을 도시하고, 도 4c는 예시적 미가공 전력 파형을 도시한다. 본 발명에 따라, 푸리에 변환들은 전압 및 전류 신호들의 기본 주파수 및 고조파 성분들을 분리하는데 사용되어, 디지털 신호 프로세싱 알고리즘들은 개별 주파수 성분들의 진폭 및 위상을 정정하기 위해 적용될 수 있다. 이러한 프로세스는 프로브 센서들의 결합 반응의 결함들을 제거하고 프로브 구성과 연관된 기생 리액턴스를 제거한다. 개별 주파수 성분들은 오리지널 전압 및 전류 파형들을 재생성하기 위해, 적당한 위상 관계들에서 재조합될 수 있다. 디지털 신호 프로세싱 섹션의 출력 결과들은 파형 데이터와 함께, 각각의 주파 수 성분에서의 전압, 전류, 위상각, 전력 및 임피던스를 포함한다.
다수의 프로브들이 사용될 때, 입력 및 출력 임피던스들 및 삽입 손실은 또한 쉽게 결정될 수 있다. 2-포트 임피던스 파라미터들이 결정되면, 모든 다른 2-포트 파라미터들이 계산될 수 있다. 예를 들면, 임피던스 파라미터들은 어드미턴스 또는 스캐터링 파라미터들로 변환될 수 있다.
도 5를 참조하면, RF 기반 여기 시스템에서 전력 흐름을 분석하기 위한 방법으로서, 2개 이상의 측정 프로브들(8a, 8b, 8c)이 RF 전력 전송 라인(4)의 상이한 지점들에 삽입되어, RF 여기 시스템에서 전력 흐름 파라미터들에 관한 정보가 드러나는, 상기 분석 방법이 도시되어 있다. 예를 들면, 측정 프로브(8a)는 발생기(2)와 전송 라인(4) 사이에 삽입될 수 있지만, 측정 프로브(8b)는 전송 라인과 매칭 네트워크(5) 사이에 삽입될 수 있고, 측정 프로브(8c)는 매칭 네트워크(5)와 툴 척(40) 사이에 삽입될 수 있다. 네트워크된 프로브들로부터의 출력들은 RF 여기 시스템들에서 구성성분들의 삽입 손실 및 임피던스 매칭에 관한 정보를 나타내도록 조합될 수 있다.
다수의 프로브들로부터의 측정들은 기본 및 고조파 적으로 관련된 신호 주파수들에서 동시에 이루어진다. 네트워크된 프로브들은, 순시 전압, 전류, 및 전력 인가 경로의 상이한 지점들에서 전력 흐름 및 임피던스 레벨들을 표현하는 위상 정보를 발견하기 위해 문의 받는다(interrogate). 이러한 방식으로, 전송 라인들(4), 매칭 디바이스들(5), 접속기들 및 리액터 플라즈마 자체의 특성들은, 예를 들면 프로브들의 쌍들과 연관된 2-포트 임피던스, 어드미턴스, 전송 및/또는 스캐터링 파 라미터들을 계산함으로써 양자화될 수 있다. 계산들은, 기본 여기 주파수 및 고조파들의 각각에서 동시에 각각의 성분의 특성들을 나타낸다. 예를 들면, 매칭 네트워크 전 및 후 각각에 위치된 프로브들(8b, 8c)로부터의 2-포트 측정치들은 RF 신호의 기본 또는 고조파 주파수들에서의 입력 또는 출력 임피던스(어드미턴스), 삽입 손실, 내부 소실 및 전력 전송 효율을 결정하는데 사용될 수 있다. 매칭 네트워크(5)와 툴 척(40) 사이에 위치된 프로브(8c)로부터의 측정치들은 RF 신호들에 대한 플라즈마 비선형성의 영향을 관찰하기 위해 RF 전압 및 전류 파형들을 재구성하는데 사용될 수 있다.
상술된 예시적 방법들은 RF 여기 신호들의 기본 및 고조파 진폭 및 위상 관계들에 관한 중요 정보를 제공한다. 이러한 정보는 정규 툴 동작 동안 기능 블록들 중 어느 것에서 결점들 및 부적당한 동작을 결정하기 위해 모니터링될 수 있다. 프로브들은 유지 모드에서 주기적으로 확인될 수 있고, 측정 데이터는 프로세스 개선을 위한 기회들을 식별하기 위해 분석될 수 있다. 양호한 실시예에서, 측정 프로브들은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 테스트 신호의 크거나 작은 고조파들이 유지될 수 있다는 것을 고려하더라도, 전압 및 전류 신호들을 분리하고, 가장 높은 테스트(즉, 여기) 신호 주파수의 적어도 15개의 고조파들까지 유지하기 위해 충분한 RF 대역폭을 유지하도록 구성된다.
상술된 바와 같이, 신호 측정 수신기는 여러 개의 프로브들로부터 데이터를 검색하는데 채용될 수 있고, 여러 개의 프로브들로부터의 데이터는 포스트 프로세싱을 위해 외부 컴퓨터에 공급될 수 있다. 다수의 측정 수신기들은 개별적으로 임피던스 프로브들의 각각에 접속될 수 있고, 그에 의해 시스템 데이터의 "실시간(real time)" 프로세싱을 허용한다. 신호 프로세싱의 벌크(bulk)는 외부 컴퓨터를 사용하여 행해지고, 결과들이 제공되어 유연한 사용자 제어 포맷의 디스플레이(23)에 의해 디스플레이된다.
상술한 명세에서, 본 발명은 특정 예시적 실시예들에 관하여 기술되었다. 그러나, 다양한 수정들 및 변경들이 다음의 청구항들에 규정된 본 발명의 광범위한 사상 및 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 무선 주파수(radio frequency, RF) 전력 전송 라인에서 전력 흐름을 분석하는 시스템에 있어서:
    상기 전송 라인으로부터 파형들을 가지는 RF 전압 및 전류 신호들을 센싱하기 위한 전압 센서 및 전류 센서를 구비한 측정 프로브(measuring probe);
    상기 RF 전압 및 전류 신호들을 수신하기 위한 상기 전압 및 전류 센서들에 접속된 측정 수신기;
    상기 RF 전압 및 전류 신호들을 디지털 신호들로 직접 변환하는 샘플링 수단으로서, 상기 디지털 신호들은 상기 RF 전압 및 전류 신호들의 기본 주파수 및 상기 기본 주파수의 미리 결정된 수의 고조파들(harmonics)을 나타내는 진폭 및 위상 정보를 포함하는, 상기 샘플링 수단; 및
    전력 흐름 파라미터들을 분석하고 상기 기본 주파수 및 상기 고조파들 사이의 진폭 및 위상각 관계들을 나타내기 위해, 상기 진폭 및 위상 정보를 특징짓는 디지털 신호 프로세싱 수단을 포함하고;
    상기 디지털 신호 프로세싱 수단은 상기 기본 주파수와 상기 고조파들 사이의 위상각 관계들에 대한 정보를 사용하여 위상 관계들에서 상기 고조파들을 재조합함으로써 상기 RF 전압 및 전류 신호들의 파형들을 재생성하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전압 및 전류 신호들을 재구성하는 디지털-아날로그 변환기를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브 및 상기 전송 라인은, 상기 프로브 및 상기 전송 라인으로부터 교정 데이터(calibration data)를 저장하는 디지털 저장 수단을 각각 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 측정 수신기는, 상기 프로브 및 상기 전송 라인으로부터 상기 교정 데이터를 수신하는 디지털 인터페이스를 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 디지털 신호들의 부가 수치 및 그래픽 프로세싱을 위해 상기 디지털 신호 프로세싱 수단에 접속된 컴퓨터를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 RF 전압 및 전류 신호들에서의 변동(fluctuation)들을 보상하기 위한 이퀄라이저(equalizer)를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단은 상기 RF 전압 및 전류 신호들을 샘플링하기 위해 대역 통과 샘플링 아날로그-디지털 변환기를 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단은 상기 RF 전압 및 전류 신호들을 샘플링하기 위해 나이키스트(Nyquist) 샘플링 레이트 아날로그-디지털 변환기를 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단은 상기 RF 전압 및 전류 신호들을 샘플링하기 위해 나이키스트 샘플링 레이트 아날로그-디지털 변환기 및 대역 통과 샘플링 아날로그-디지털 변환기의 조합을 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 수의 고조파들은 상기 기본 주파수의 최대 15개의 고조파들로 구성되는, 전력 흐름 분석 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 흐름 파라미터들은 입력 임피던스, 삽입 손실, 내부 소실, 플라즈마 비선형성, 전력 흐름 효율, 스캐터링, 및 그 조합들을 포함하는, 전력 흐름 분석 시스템.
  12. RF 전송 라인에서 전력 흐름을 분석하는 방법에 있어서:
    적어도 하나의 측정 프로브를 상기 RF 전송 라인에 접속하는 단계;
    상기 적어도 하나의 측정 프로브를 통해 상기 RF 전송 라인으로부터 파형들을 가지는 RF 전압 및 전류 신호들을 수신하는 단계;
    상기 RF 전압 및 전류 신호들을 대응하는 디지털 신호들로 직접 변환하는 단계로서, 상기 디지털 신호들은 상기 RF 전압 및 전류 신호들의 기본 주파수 및 상기 기본 주파수의 미리 결정된 수의 고조파들을 표현하는 진폭 및 위상 정보를 포함하는, 상기 변환 단계; 및
    전력 흐름 파라미터들을 분석하고 상기 기본 주파수 및 고조파들 사이의 진폭 및 위상각 관계들을 나타내기 위해, 상기 디지털 신호들을 프로세싱하는 단계를 포함하고,
    상기 기본 주파수와 상기 고조파들 사이의 위상각 관계들에 대한 정보는 상기 RF 전압 및 전류 신호들의 파형들을 재생성하도록 위상 관계들에서 상기 고조파들을 재조합하는 것을 허용하는, 전력 흐름 분석 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 디지털 신호들을 프로세싱하는 단계에 이어서,
    상기 RF 전압 및 전류 신호들을 재구성하기 위해 상기 디지털 신호들을 아날로그 신호들로 변환하는 단계; 및
    부가의 수치 및 그래픽 프로세싱을 위해 상기 디지털 신호들을 외부 컴퓨터에 전송하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측정 프로브를 접속하는 단계에 이어서,
    상기 적어도 하나의 측정 프로브 및 상기 전송 라인으로부터의 교정 데이터를 저장하는 단계 및 상기 교정 데이터를 측정 수신기에 다운로드하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 교정 데이터를 다운로드하는 단계에 이어서,
    상기 적어도 하나의 측정 프로브와 상기 전송 라인 중 하나 또는 둘 다를 교환하는 단계, 및 하나 또는 둘 다의 상기 교환된 측정 프로브와 상기 전송 라인으로부터 업데이트된 교정 데이터를 상기 측정 수신기에 다운로드하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 디지털 신호들을 외부 컴퓨터에 전송하는 단계에 이어서,
    상기 부가의 수치 및 그래픽 프로세싱의 결과들을 사용자 제어 포맷으로 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측정 프로브를 접속하는 단계에 이어서,
    RF 전력원 및 툴 척(tool chuck)을 상기 RF 전송 라인에 접속하는 단계;
    상기 RF 전력원과 상기 툴 척 사이의 상기 RF 전송 라인에 매칭 네트워크(matching network)를 접속하는 단계;
    상기 RF 전력원과 상기 매칭 네트워크 사이에 상기 측정 프로브들 중 적어도 하나를 접속하는 단계; 및
    상기 매칭 네트워크와 상기 툴 척 사이에 상기 측정 프로브들 중 다른 하나를 접속하는 단계를 더 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전력 흐름 파라미터들은 입력 임피던스, 삽입 손실, 내부 소실, 플라즈마 비선형성, 전력 흐름 효율, 스캐터링, 및 그 조합들을 포함하는, 전력 흐름 분석 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    샘플링 주파수는 상기 기본 주파수의 가장 높은 상기 미리 결정된 고조파에서 각각의 사이클마다 취해진 적어도 2개의 샘플들로 구성되는, 전력 흐름 분석 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 수의 고조파들은 상기 기본 주파수의 최대 15개의 고조파들로 구성되는, 전력 흐름 분석 방법.
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