TW202123303A - 用於在多個頻率下控制rf參數的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

揭示了一種用於控制RF電漿屬性的方法和裝置。本揭示內容的一些具體實施例在可在高溫下操作的處理室內提供RF感測器。一些具體實施例提供了使用處理室內的RF感測器來測量RF電漿屬性以提供對RF產生器的回饋控制的方法。

Description

用於在多個頻率下控制RF參數的方法及裝置
本揭示內容的具體實施例總體上涉及射頻（RF）電漿處理系統，並且更具體地，涉及用於在高溫環境中測量RF電功率的電壓-電流（V/I）探針。本揭示內容的一些具體實施例涉及校準所揭示的探針的方法。本揭示內容的一些具體實施例利用定位在處理室內的RF感測器。
在半導體製造中，基板處理過程中的直接資訊對於某些處理的執行至關重要。遺憾的是，大多數供應商提供的系統都在腔室外部包含RF感測器。此外，這些感測器可能針對也可能未針對已知的電抗性負載進行適當校準，或者可能無法正確表徵電壓和電流之間的相位。因此，在沉積處理中缺乏直接的RF電壓、電流和相位資訊。同樣，缺乏控制這些因素的能力。
此外，在晶圓的上游和下游沒有兩套感測器被交叉觸發以讓兩組感測器之間的傳播延遲可用於得出晶圓耦接功率。
因此，需要提供有關RF電壓、電流和相位的直接資訊的方法和設備。類似地，需要在處理期間控制RF電壓、電流和相位的方法和設備。
本揭示內容的一個或多個具體實施例涉及一種控制電漿處理室的方法。方法包含：用位於電漿處理室內的第一RF電壓-電流（V/I）感測器測量第一電壓、第一電流和第一電壓與第一電流之間的相位差。基於由第一RF電壓-電流感測器提供的測量結果來控制連接到電漿處理室的RF產生器。
本揭示內容的額外具體實施例係關於電漿處理室，電漿處理室包含插座，插座位於處理空間內並被配置為在處理期間支撐一個或多個基板。RF電漿產生器，RF電漿產生器被配置為輸出可變電壓、可變電流以及電壓和電流之間的可變相位。至少一個RF電壓-電流（V/I）感測器位於處理空間內並被配置為測量第一電壓、第一電流以及第一RF電壓和第一RF電流之間的相位差。控制器連接到RF電漿產生器和至少一個RF電壓-電流感測器，控制器被配置為基於來自至少一個RF電壓-電流感測器的輸入來控制RF產生器。
本揭示內容的其他具體實施例針對一種包括指令的非暫態性電腦可讀取媒體，當這些指令由電漿處理系統的控制器執行時，指令使電漿處理系統執行以下操作：啟動RF產生器；用RF電壓-電流感測器測量RF電壓、RF電流和RF電壓與RF電流之間的相位差；確定在電壓電流感測器處耦接電漿功率的測量；並修改RF產生器的輸出。
在以下描述中，闡述了許多具體細節以便提供對本揭示內容的具體實施例的透徹理解。然而，對於本領域技術人員顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下實作本揭示內容的一個或多個具體實施例。在其他情況下，不描述眾所周知的特徵，以避免模糊本揭示內容的一個或多個具體實施例。
圖1是說明根據本發明的一個或多個態樣的射頻（RF）電漿系統100的方塊圖。RF電漿系統100包括電漿處理室120，第一RF產生器130經由第一RF匹配器131和傳輸線132耦接到電漿處理室120。在一些具體實施例中，RF電漿系統100還包括經由第二RF匹配器141和傳輸線142耦接到電漿處理室120的第二RF產生器140。RF電漿系統100還包括控制電路系統150（在本文中也稱為「控制器」）以及電壓-電流（V/I）感測器151和152。
電漿處理室120可以是任何技術上可行的電漿沉積或蝕刻腔室，包括用於在其中產生電漿的電容耦接電漿系統或電感耦接電漿系統，包括電漿增強化學氣相沉積（PECVD）系統、物理氣相沉積系統、磊晶層沉積系統，電漿蝕刻系統等。第一RF產生器130可以是任何技術上可行的RF功率產生器，其被配置為向電漿處理室120的一個或多個放電電極提供RF功率，從而驅動電漿處理室120中的電漿產生。第一RF產生器130可以以一個RF頻率或多個RF頻率提供RF功率。例如，在一些具體實施例中，第一RF產生器130可以被配置為以13.56MHz的RF頻率向分佈歧管（也稱為噴淋頭）或其他適合用作電漿處理室120中的放電電極的部件供應功率。類似地，第二RF產生器140在存在時可以是任何技術上可行的RF功率產生器，其被配置為以一個RF頻率或多個RF頻率驅動電漿處理室120中的電漿產生。例如，在一些具體實施例中，第二RF產生器140可以被配置為以360kHz等的較低RF頻率向基板支座（也稱為插座）或其他適合用作電漿處理室120中的放電電極的部件供應功率。
如圖所示，第一RF產生器130將RF功率（即，透過第一RF匹配器131和傳輸線132傳輸到電漿處理室120中的RF負載的功率）。V/I感測器151位於電漿處理室120內，並且能夠測量RF功率的電流、電壓和相位，此係藉由將與RF功率相關聯的電壓感應的電壓和與RF功率相關的電流感應的電壓經由信號引線153傳輸至控制電路150。因為V/I感測器151設置在傳輸線132的連接點221、222處並且位於電漿處理室120內，所以通常不需要由控制電路系統150對傳輸線132中的駐波分量的影響進行校正。類似地，第二RF產生器140透過第二RF匹配器141和傳輸線142將RF功率傳輸到電漿處理室120中的RF負載。V/I感測器152能夠測量經由傳輸線142耦接到電漿處理室120的RF功率的電流、電壓和相位。具體地，V/I感測器152經由信號引線154將由與RF功率相關聯的電壓所感應的電壓和由與RF功率相關聯的電流所感應的電壓傳輸至控制電路150。
在電漿處理室120配置有底座或基板支座加熱器的具體實施例中，RF電漿系統100還包括加熱器電源160，加熱器電源160經由導電引線161和162耦接到電漿處理室120中的加熱元件（圖1中未示出）。在這樣的具體實施例中，RF電漿系統100還包括RF濾波器170，RF濾波器170電性設置在電漿處理室120中的加熱元件與加熱器電源160之間。儘管設置在底座或基板支座內的加熱元件標稱地不是電漿處理室120的RF系統的一部分，但是這種加熱元件通常包括具有許多繞組的線圈狀導電組件，因此可以耦接到在電漿處理室120的處理區域內（圖1中未示出）提供的RF能量。因此，RF濾波器170是電子系統或設備，其被配置為提供形成在加熱器線圈與加熱器電源160之間的一部分導電路徑，同時保護加熱器電源160不受電漿處理室120內提供的RF能量的影響。RF濾波器170通常被佈置成鄰近電漿處理室120的外部（即大氣）表面或與其接觸。因此，在電漿處理室120的操作期間，RF濾波器170可以達到100℃至200℃的溫度。
控制電路系統150包括配置為從V/I感測器151接收信號，並確定透過傳輸線132進入電漿處理室120的耦接RF功率的電流、電壓、相位和幅度的邏輯。在一些具體實施例中，這樣的邏輯被實現為幅度和相位檢測電路系統。在第一RF產生器130經由傳輸線132將RF功率發送到電漿處理室120內的多個連接點221、222的具體實施例中，控制電路系統150包括被配置為從V/I感測器151接收多個信號，並從而確定經由每個這樣的傳輸線132進入電漿處理室120的耦接RF功率的電流、電壓、相位和幅度的邏輯。同樣，控制電路系統150包括配置為從V/I感測器152接收信號，並確定透過傳輸線142進入電漿處理室120的耦接RF功率的電流、電壓、相位和幅度的邏輯。
在電漿處理室120配置有底座或基板支座加熱器的具體實施例中，V/I感測器152配置成經由信號引線154將由RF功率感應的信號電壓傳輸到控制電路系統150，此RF功率從底座或基板支座加熱器內的加熱元件通過控制引線161與162。V/I感測器152還被配置為經由信號引線154將一電壓信號傳輸給控制電路系統150，此電壓信號由相關聯於提供給底座的RF功率的一部分的電流所感應，此RF功率通過導電引線161與162至外部接地（未圖示）。在這樣的具體實施例中，控制電路系統150還被配置為基於經由信號引線154傳輸的電壓，來確定通過導電引線161和162的RF功率的電流、電壓、相位和幅度。因此，可以基於由V/I感測器152提供的電流和電壓測量，來量化經由導電引線161和162以及加熱器電源160損失的RF功率。因此，可以量化和補償包含RF濾波器170的電路的電氣性能的個體之間的變化（即一個腔室與下一個腔室之間的變化），並由此防止在電漿處理室120的各種個體中執行的處理在每個腔室之間有變化。
例如，在這樣的具體實施例中，在電漿處理室120中執行的處理可以基於經由傳輸線142傳遞到處理室120的處理區域246的實際或接近實際RF功率，此係由於通過導電引線161和162的RF功率損耗的校正，而不僅僅是第二RF產生器140提供的RF功率的測量。
在一些具體實施例中，V/I感測器152定位在處理室的區域內，此區域至少部分地由接地或屏蔽的處理室元件圍繞，以將V/I感測器152的組件與各種外部雜訊源隔離。在一些配置中，在放置V/I感測器的處理室的區域中，所有V/I感測器152的部件與其他處理室元件之間保持最小的固定間隙（例如1-10mm）。因此，將減小由V/I感測器152提供的電測量中的各個實例之間的變化，從而防止在電漿處理室120的各種實例中執行的處理中的各個腔室之間的變化。在一實例中，V/I感測器152位於電漿處理室120內。
在圖1所示的具體實施例中，在RF電漿系統100中描繪了單個控制器150。在其他具體實施例中，可以將不同的控制器150合併到RF電漿系統100中包括的每個RF產生器中。在其他具體實施例中，控制電路系統150的功能可以被併入到用於RF電漿系統100的中央系統控制器中。在任一情況下，控制電路系統150的功能性可以包括任何技術上可行的實施方式，包括經由軟體、硬體和/或韌體。
圖2是根據本揭示內容的各種具體實施例配置的電漿處理室120的示意性截面圖。舉例來說，圖2中的電漿處理室120的具體實施例以PECVD系統的方式描述，但是任何其他電漿處理室都可以符合具體實施例的範圍，包括其他電漿沉積室或電漿蝕刻室。電漿處理室120包括壁202、底部204和腔室蓋224，它們一起包圍插座208和處理區域246。電漿處理室120還包括真空泵214、氣體源218、第一RF產生器130和第一RF匹配器131、第二RF產生器140和第二RF匹配器141、以及RF濾波器170，每個均在外部耦接至電漿處理室120。
另外，電漿處理室120包括一個或多個直接耦接到或以其他方式安裝在電漿處理室120內的V/I感測器151和152。在圖2所示的具體實施例中，電漿處理室120包括V/I感測器151，從而可以在處理區域246和基板210附近精確地測量通過傳輸線132的電壓和電流。另外，電漿處理室120包括V/I感測器152，從而可以在處理區域246和基板210附近精確地測量通過傳輸線142的電壓和電流。在一些具體實施例中，V/I感測器152安裝在電漿處理室120的底部204上或附近，或者直接耦接至電漿處理室120的底部204。或者，V/I感測器152可以安裝在插座208上或附近。在一些具體實施例中，V/I感測器152可以直接耦接到插座208的表面。或者，V/I感測器152可以經由支架或其他支撐結構安裝到插座208。在任一情況下，V/I感測器152都位於基板210和處理區域246的數厘米內。
應注意，V/I感測器151和152特定佈置在電漿處理室120內。感測器151和152可以直接耦接至其內表面，或者可以安裝至支架或其他支撐結構，此支架或其他支撐結構直接耦接至電漿處理室120的內表面。在一些具體實施例中，感測器151和152在基板210的處理期間暴露於升高的溫度。
壁202和底部204可以包括導電材料，例如鋁或不銹鋼。在電漿處理室120中設置有陰影框架238，此陰影框架238被配置為防止或減少在處理期間在插座208的未被基板210覆蓋的表面上發生不希望的沉積。當電漿處理室120閒置時，陰影框架238擱置在壁架240上，並且可以藉由一條或多條帶子243耦接到壁202的內表面。可以存在穿過壁202中的一個或多個的狹縫閥開口206，狹縫閥開口206被配置為有助於將基板210插入電漿處理室120中以及從電漿處理室120中去除基板210。被配置為密封狹縫閥開口206的狹縫閥，可以設置在電漿處理室120的內部或外部。
真空泵214耦接至電漿處理室120，並被配置為調整其中的真空度。如圖所示，閥216可以耦接在電漿處理室120和真空泵214之間。真空泵214在基板處理之前將電漿處理室120抽真空，並在處理過程中透過閥216從其中去除處理氣體。閥216可以是可調整的，以便於調整電漿處理室120的抽真空速率。透過閥216的抽真空速率和從氣體源218進入的氣體流速，決定了電漿處理室120中的腔室壓力和處理氣體停留時間。
插座208可包括任何在技術上可行的設備，用於在電漿處理室120進行處理期間支撐基板210，例如圖2中的基板210。在一些具體實施例中，插座208被配置為升高和降低。在一個具體實施例中，基座208可以至少部分地由導電材料形成或包含導電材料，諸如鎢、銅、鉬、鋁或不銹鋼。在電漿處理室120是電容耦接電漿室的具體實施例中，插座208可以被配置為包含電極（未示出）。在這樣的具體實施例中，金屬桿242電耦接到設置在插座208內的嵌入式電極，並且被配置為通過連接點247向嵌入式電極提供RF功率。這樣，嵌入式電極和金屬桿242通過傳輸線142電耦接到第二RF產生器140。
在一些具體實施例中，插座208包括一個或多個加熱元件209，用於在處理期間加熱基板210。在這樣的具體實施例中，加熱元件209經由導電引線161和162耦接到加熱器電源160。導電引線161和162各自穿過V/I感測器151的相應的測量開口（圖1中未示出），從而可以由此測量RF電流和電壓。
氣體源218通過穿過腔室蓋224的管223耦接到電漿處理室120。管223耦接到背板226，以允許處理氣體通過背板226並進入背板226和氣體分配噴淋頭228之間的氣室248。氣體分配噴淋頭228可以透過懸架234保持在與背板226相鄰的位置，從而氣體分配噴淋頭228、背板226和懸架234一起形成有時稱為氣箱的組件。因此，在操作期間，從氣體源218引入電漿處理室120的處理氣體填充氣室248，然後穿過形成在氣體分配噴淋頭228中的氣體通道230，以均勻地進入處理區域246。在替代具體實施例中，除了或代替氣體分配噴淋頭228，可透過附接到壁202的入口和/或噴嘴（未示出）將處理氣體引入處理區域246。
第一RF產生器130經由一個或多個傳輸線132在耦接點221和/或222處耦接到背板226。因此，耦接點221和222充當到背板226的RF功率饋送點。或者，第一RF產生器130可以在單個耦接點處耦接到背板226。傳輸線132可包括同軸電纜，並且在一些具體實施例中，配置有在這些同軸電纜外部的附加屏蔽，以防止RF功率過度洩漏到地面。在一個具體實施例中，第一RF產生器130包括能夠產生大約13.56MHz的頻率的RF電流的RF產生器。在另一個具體實施例中，第一RF產生器130包括能夠產生VHF功率的VHF產生器，諸如在大約40MHz至200MHz之間或更高的頻率上的VHF功率。如圖所示，傳輸線132分別穿過V/I感測器151的相應測量開口。
在一些具體實施例中，第一RF產生器130透過第一RF匹配器131向設置在處理區域246附近的放電電極提供高頻功率。這樣的放電電極可以包括諸如氣體分配噴淋頭228（如圖2所示）之類的處理氣體分配元件，或者氣體噴嘴陣列，透過這些噴嘴將處理氣體引入處理區域246中。放電電極，例如氣體分配噴淋頭228，可以被定向為實質上平行於基板210的表面，並且將電漿源功率電容性地耦接到設置在基板210和氣體分配噴淋頭228之間的處理區域246中。在處理期間，插座208、陰影框架238和基板210被升高並定位在噴淋頭228的下表面附近（例如，在1-30mm之內）以形成至少部分封閉的處理區域246。
在一些具體實施例中，電漿處理室120還可以包括機器兼容的控制器（例如控制電路系統150），其被配置為控制電漿處理室120的操作，包括第一RF產生器130的輸出功率位準、經由氣體源218引導至處理區域246的各種處理氣體的流速、調整閥216等等。通常，這樣的控制器包括一個或多個處理器、記憶體以及適合於控制電漿處理室120的操作的指令。或者，在一些具體實施例中，配置成控制多室處理系統的操作的系統控制器可以替代地被配置成控制電漿處理室120以及一個或多個其他處理室的操作。
通常，藉由將基板210放置在插座208上並將一種或多種前驅物氣體從氣體源218引入到處理區域246中，在電漿處理室120中執行電漿處理，例如PECVD處理。藉由在耦接點221和222處將來自RF產生器130的RF功率施加到氣體分配噴淋頭228，和/或施加來自RF產生器140的RF功率到插座208，以將處理區域246中的一種或多種前驅物氣體激勵（例如激發）成電漿狀態。這種類型的電漿通常稱為電容耦接電漿（CCP），因為電子加熱機制主要透過氣體分配噴淋頭228和接地電極（例如插座208或壁202）附近的電容性電漿鞘來完成。被激發的氣體反應以在基板210的表面上形成材料層。
通常，RF電流會尋找最短的路徑返回到驅動它的源。因此，在電漿處理期間，被驅動的RF電流從第一RF產生器130經由處理區域246中生成的電漿，然後到達RF返回路徑（例如壁202）。在插座208耦接到第二RF產生器140的具體實施例中，RF電流從第二RF產生器140行進經由桿242、嵌入的電極、和設置在處理區域246中的電漿，然後到達RF返回路徑，例如壁202和底部204。但是，在插座208包括加熱元件209的具體實施例中，加熱元件209可以耦接到輸送到電漿處理室120的RF能量，並且提供給插座208的RF能量的一部分不可以返回到第二RF產生器140。相反，由第二RF產生器140提供的一部分RF能量可以經由導電引線161和162流到加熱器電源160。雖然濾波器170被配置為減少RF能量沿著導電引線161和162的流動，但是濾波器170的效率很少是完美的。因此，儘管存在濾波器170，RF能量的很大一部分仍可以流到加熱器電源160。因此，除了由於反射引起的功率損耗之外，通過導電引線161和162的RF功率損耗還會影響實際傳遞到處理區域246的RF能量的幅度。此外，由於濾波器170的性能通常因實例而異，因此在電漿處理室120的每個實例中，通過導電引線161和162造成的RF功率損失的影響可能會有所不同。因此，當在電漿處理室120的兩個不同實例中執行標稱地相同的處理時，諸如膜厚度、均勻性等的處理結果可能遭受不可預測的變化，除非可以準確測量實際傳遞至處理區域246的RF功率。
用於RF應用的習知V/I感測器通常包括在70℃或更高溫度下會被熱損壞的有機基板，例如FR-4。因此，對於諸如PECVD室之類的高溫應用，習知的V/I感測器通常位於距處理室一定距離的位置。因此，由此類感測器進行的測量以及電路中的射頻匹配部件使用的測量仰賴於外插技術，以補償由於在感測到的電氣測量值中的此誘發誤差的沿不完全匹配的傳輸線與處理室之間的距離而形成的射頻測量的位置相依性。這種外插高度仰賴於電漿處理室120的結構細節，並且非常難以透過實驗來驗證，並且即使當針對一種處理進行驗證時，對於其他處理通常也會根據處理化學性質和腔室操作條件而改變。此外，由於傳輸線132和142中存在的駐波的非線性特性，基於理想傳輸線模型的習知外插技術不能準確地解釋基板210與遠端測量點之間承受的RF功率損耗，並且因此會大大低估或高估這種功率損耗。
因此，在本揭示內容的具體實施例中，V/I感測器151和/或152使得能夠更準確地測量輸送到處理區域246的RF功率的電壓、電流和相位。特定而言，V/I感測器151和/或152被配置用於高溫環境，並且因此即使在對其進行高溫處理的情況下也適於放置在電漿處理室120內。在圖3A至圖3B中示出了一個這樣的具體實施例。
圖3A是根據本揭示內容的各種具體實施例的V/I感測器152的示意性平面圖。圖3B是在圖3A的截面AA處截取的V/I感測器152的示意性截面圖。V/I感測器152被配置為在高溫環境中精確地測量RF電流和電壓，例如在高溫PECVD處理期間電漿處理室120內的位置。在圖3A和3B所示的具體實施例中，V/I感測器152被配置為測量金屬桿242以及導電引線161和162中的RF電流和電壓。在一個具體實施例中，V/I感測器152被配置為測量相對於插座208在金屬桿242的遠端以及導電引線161和162的遠端處提供的RF電壓和電流。在一些具體實施例中，V/I感測器152包括具有第一V/I探針310、第二V/I探針320、第三V/I探針330和接地平面302的平面體301，接地平面302圍繞並使第一V/I探針310、第二V/I探針320和第三V/I探針330彼此電隔離。
平面體301由包含非有機物的電絕緣材料構成，例如陶瓷、雲母、鐵氧體或類似材料。例如，合適的陶瓷材料包括氧化鋁和氮化鋁。與通常在習知V/I感測器（例如FR-4）中使用的有機基板相比，上述非有機電絕緣材料具有較高的耐高溫性。因此，平面體301和V/I感測器152與設置在電漿處理室120內兼容。因此，V/I感測器152可以位於電漿處理室120的處理區域246附近。然而，在一些中等溫度的應用中，平面體301可以由諸如Kapton® 的聚醯亞胺形成。
第一V/I探針310包括電壓拾取器311和電流拾取器312，它們各自佈置在測量開口315周圍。測量開口315被配置為容納適合於傳輸RF功率的導電結構，例如傳輸線142或金屬桿242的導體，其向插座208內的嵌入式電極提供RF功率。因此，V/I探針310被配置成在接近處理區域246的位置處對傳輸到電漿處理室120的RF功率提供準確的電壓和電流測量。
圖4B中所示的電壓拾取器311被配置為產生由RF功率感應的電壓信號，此RF功率例如經由傳輸線142或金屬桿242穿過形成在平面體301中的測量開口315。由電壓拾取器311產生的電壓信號實質上與通過位於測量開口315內的一部分導電元件的RF功率的電壓成比例。在一些具體實施例中，電壓拾取器311被配置為導電環311A，導電環311A佈置在測量開口315的表面周圍或形成在測量開口315的表面上。導電環311A通常被接地元件320圍繞。導電環311A和接地元件320都連接在電路內，例如圖4B所示的RF電壓測量電路455，並一起使用以測量通過位於測量開口315內的一部分RF導電元件的RF功率的電壓。接地元件320通常包括一個或多個接地層302A和302B，接地層302A和302B設置在V/I感測器152的表面上或內部，並且藉由複數個互連通孔302C電耦接在一起。一個或多個接地層302A和302B以及複數個互連通孔302C可以由導電材料（例如，包含Al、Ag、Au、Mo、Sn或Cu的金屬）形成，並用於使第一V/I探針310、第二V/I探針320和第三V/I探針330電屏蔽於彼此以及其他外部部件。在一些配置中，複數個互連通孔302C圍繞每個V/I探針310、320和330定位以形成屏蔽，此屏蔽將最小化每個V/I探針內的部件之間的串擾。在一些具體實施例中，接地元件320可以連接到同軸傳輸線（未示出）的外部屏蔽導體402，諸如信號引線154。
圖4A中所示的電流拾取器312被配置為藉由使用電路產生由通過導電元件一部分的RF功率感應出的電壓信號，導電元件定位在測量開口315內，電路例如為圖4A所示的RF電流測量電路454。由磁場通量感應出的電壓信號在電流拾取器312中感應出，並且與通過位於測量開口315內的導電元件部分的RF電流實質上成比例。在一些具體實施例中，電流拾取器312被配置為環形線圈或與其近似的線圈。例如，在圖3A和3B所示的具體實施例中，電流拾取器312包括在平面體301的頂表面301A上的實質上平面的電路跡線313、在平面體301的底表面301B上的實質上平面的電路跡線314、以及穿過平面體301形成的導電通孔316。每個導電通孔316將電路跡線313與相應的電路跡線314連接，使得電路跡線313、電路跡線314和導電通孔316一起串聯互連以形成連續的導電迴路結構。
應注意到，在圖3A和圖3B中圖示的V/I感測器152的配置使電壓拾取器311和電流拾取器312之間的串擾最小化或以其他方式減小。特定而言，因為電壓拾取器311和電流拾取器312位於單個平面中，即由平面體301限定的平面（例如X-Y平面），並且因為此平面正交於穿過測量開口的RF功率傳輸的方向，佈置在測量開口315中的傳輸線中的RF電壓在電流拾取器312中幾乎不感應電壓或沒有感應電壓，並且通過佈置在測量開口315中的傳輸線中的RF電流在電壓拾取器311中感應很少電壓或沒有感應電壓。因此，可以認為傳輸線電壓測量和電流測量可以認為是相互排斥的，因此在這些感測元件之間的串擾非常小。換言之，沒有來自電壓拾取器311的電壓信號引起的重大測量誤差，包括來自流經測量開口315的RF電流的貢獻，也沒有來自電流拾取器312的電壓信號引起的重大測量誤差，包括來自透過測量開口315的RF電壓的貢獻。因此，所測量的電壓、所測量的電流以及電壓拾取器311與電流拾取器312之間的相位差的餘弦的乘積，實質上與測量點處的瞬時傳輸線功率成比例。在一些具體實施例中，V/I探針310中的電壓拾取器311和電流拾取器312的尺寸，與穿過形成在其中的開口315的導電元件的一部分的尺寸或橫截面面積或穿過形成在其中的開口315的所形成磁場成比例。
第二V/I探針320和第三V/I探針330可以在構造和操作上與第一V/I探針310實質相似，並且被包括在V/I感測器152中，以提供對相關聯於電漿處理室120的附加RF傳輸線（例如導電引線161和162）的電壓和電流測量。應注意到，導電引線161和162不旨在用作RF傳輸線，但是在電漿處理室120的一些具體實施例中仍可如此作用。
第二V/I探針320包括電壓拾取器321和電流拾取器322，它們分別圍繞測量開口325佈置。測量開口325被配置成容納相關聯於電漿處理室120的特定RF導電引線，此導電引線（諸如導電線161）並未耦接在RF產生源與接地之間，此接地耦接至電漿處理室120。在一些具體實施例中，V/I探針320中的電壓拾取器321和電流拾取器322的尺寸，與穿過形成在其中的開口325的導電元件的一部分的尺寸或橫截面面積或穿過形成在其中的開口325的所形成磁場成比例。
類似地，第三V/I探針330包括電壓拾取器331和電流拾取器332，它們各自設置在測量開口335的周圍。測量開口335被配置成容納相關聯於電漿處理室120的特定RF導電引線，此導電引線（諸如導電線162）並未耦接在RF產生源與接地之間，此接地耦接至電漿處理室120。在一些具體實施例中，V/I探針330中的電壓拾取器331和電流拾取器332的尺寸，與穿過形成在其中的開口335的導電元件的一部分的尺寸或橫截面面積或穿過形成在其中的開口335的所形成磁場成比例。由於第二V/I探針320和第三V/I探針330能夠測量通過導電引線161和162的RF功率損耗，因此與僅測量經由傳輸線142或金屬桿242的上游部分傳遞到電漿處理室120的RF功率相比，可以更準確地確定耦接到處理區域246的實際RF功率。因此，可以藉由使用各種V/I探針和腔室RF匹配元件來檢測、量化和補償濾波器170的效率的個別腔室之間的變化。
圖4A和圖4B是根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的V/I感測器152的第一V/I探針310的功能示意圖。如圖所示，信號引線154（圖1）的信號引線154B耦接到電壓拾取器311，並且信號引線154的另一信號引線154A耦接到電流拾取器312。在一些具體實施例中，這些信號引線154A和154B中的每一個被配置為一個或多個同軸電纜的一部分，同軸電纜在中心導體401和外部屏蔽導體402之間具有50歐姆的電阻。
在一些具體實施例中，為了使電漿處理室120最佳或以其他方式改進的操作，可以校準與其相關聯的每個V/I感測器。在這樣的具體實施例中，由V/I感測器的電壓拾取器產生的特定信號電壓，可以精確地與經過V/I感測器的測量開口的特定已知RF電壓相關。類似地，由V/I感測器的電流拾取器312產生的特定信號電壓，可以精確地與通過V/I感測器的測量開口的特定已知RF電流相關。以此方式，可以為電壓拾取器生成校準係數，並且可以為電流拾取器312生成另一校準係數。在隨後的操作中，由電壓感測器產生並乘以適當的校準係數的信號電壓，可以準確地指示在任何時刻通過測量開口的RF電壓。類似地，由電流拾取器312產生並乘以適當的校準係數的信號電壓，可以精確地指示在任何時刻通過測量開口的RF電流。下面結合圖5描述一個這樣的具體實施例。
圖5示出了根據本揭示內容的各種具體實施例的用於校準V/I感測器的處理的流程圖。儘管在圖1至圖4中結合RF電漿系統100描述了此處理，但是本領域技術人員將理解，可以用其他類型的RF電漿系統來執行此處理。方法500的控制演算法駐留在控制器150中，機器兼容的控制器被配置為控制電漿處理室120的操作，或者在校準處理中位於耦接到RF電漿系統100的個別計算裝置中。這些控制演算法可以全部或部分地實施為軟體或韌體實現的邏輯，和/或實施為硬體實現的邏輯電路。
在此處理之前，將合適的RF產生器經由RF匹配器和已知阻抗的合適的傳輸線耦接到已知阻抗的虛擬負載。更特定而言，選擇RF產生器、虛擬負載和RF匹配器以形成匹配的RF系統，即，沒有反射的RF系統。例如，在一個具體實施例中，第二RF產生器140經由第二RF匹配器142和傳輸線142耦接到50歐姆的虛擬負載。另外，在此處理之前，傳輸線透過要校準的V/I感測器（例如V/I感測器152）的測量開口饋入。
方法500從方塊501開始，其中第二RF產生器140以特定的RF頻率產生RF功率。例如，在一個具體實施例中，第二RF產生器140以27MHz產生2500W。在一些具體實施例中，在方塊501中生成的RF功率的幅度，等於在特定頻率處期望第二RF生成器140採用的最大RF功率。
在方塊502處，透過其饋送傳輸線141的V/I探針，例如第一V/I探針310，產生第一電壓信號和第二電壓信號。電壓拾取器311生成第一電壓信號，信號與在第一V/I探針310的測量開口315處找到的RF電壓成比例。電流拾取器312生成第二電壓信號，此信號與通過第一V/I探針310的測量開口315的RF電流成比例。然後，控制電路系統150可以將這些接收到的測量信號儲存在記憶體中。
在方塊503，基於第一電壓信號和透過測量開口315的已知RF電壓，確定電壓拾取器311的校準係數。應注意到，因為在方法500中使用的匹配RF系統中沒有反射，所以RF電壓等於系統的RF功率和電阻的乘積的平方根。因為系統的RF功率和電阻都是已知的，所以RF電壓是已知的。因此，在完成方塊501-503之後，可以至少兩次形成相對於RF電壓曲線的已知幅度的V/I探針電壓。由於校準曲線將是線性的，截距將為零伏，因此係數將等於所形成曲線的斜率，然後將其用作V/I探針電壓的校準係數。
同樣，在方塊503，基於第二電壓信號和通過測量開口315的已知RF電流，來確定用於電流拾取器312的校準係數。因為在方法500中使用的匹配RF系統中沒有反射，所以RF電流也是已知的，因為電流等於RF功率與系統電阻之比的平方根。因為系統的RF功率和電阻都是已知的，所以RF電流是已知的。因此，在完成方塊501-503之後，可以至少兩次形成相對於RF電流曲線的已知幅度的V/I探針電流測量（例如電壓信號）。由於校準曲線將是線性的，截距將為零伏，因此係數將等於所形成曲線的斜率，然後將其用作V/I探針電流測量的校準係數。
在一些具體實施例中，針對每個V/I探針的所確定的電壓拾取器311的校準係數和/或電流拾取器312的校準係數被儲存在控制電路150的記憶體內，以供控制電路系統的各部分用來調整所測量的V/I探針的RF電流和電壓值，然後由處理室中使用的RF匹配元件和/或RF電源元件使用。
在一些具體實施例中，可以在RF電漿系統中採用RF產生器以提供混合的工作頻率。例如，在某些情況下，兩個RF頻率同時驅動PECVD電漿，以控制電漿密度和靠近被處理的基板210的離子能量。同樣，可以採用脈衝操作來優化某些膜的性能。在任一種情況下，當RF系統中存在一個以上的頻率時，由電流拾取器312和V/I感測器的電壓拾取器產生的信號，通常在達到幅度和相位檢測電路系統之前在每個工作頻率下經由帶通濾波器（未示出）饋送。插入這種帶通濾波器會在電流拾取器312產生的信號與電壓拾取器產生的信號之間引入幅度差（衰減）和相位差，這些信號隨後可用於調整每個RF產生器提供的RF功率和/或調整與每個RF源的相應RF匹配元件相關聯的RF匹配參數。
根據一些具體實施例，當在RF電漿系統中採用RF產生器以提供混合的工作頻率時，可以在處理室中使用的每個RF頻率處以不同的RF功率位準採用方法500的校準處理，以產生準確的每個驅動RF頻率的校準係數。特定而言，可以在每個工作頻率處採用方法500的校準處理，以針對每個工作頻率生成校準係數，從而使得能夠對由上述帶通濾波器引起的所產生的信號的衰減進行校準。另外，因為方法500中採用的RF系統是沒有反射的匹配RF系統，所以在第一電壓信號和第二電壓信號之間檢測到的任何相位差，實際上就是由其中的帶通濾波器引起的測量電路系統檢測到的RF系統的相位偏移。對於RF系統的多頻操作，通常在每個被驅動的RF頻率處採用不同的系統相位偏移，並且在方法500的不同實現中確定每個這樣的相位偏移。因此，在方法500中在特定頻率下測得的相位差可被視為系統相位偏移，此系統相位偏移可用於此特定工作頻率，以藉由V/I探針校正檢測到的RF功率參數，然後可以用於控制由每個RF產生器提供的RF功率和/或調整與每個RF源的相應RF匹配元素關聯的RF匹配參數。
圖6闡述了根據本揭示內容的各種具體實施例的用於控制施加到電漿處理室120的RF功率的處理的流程圖。儘管在圖1至圖4中結合RF電漿系統100描述了此處理，但是本領域技術人員將理解，可以用其他類型的RF電漿系統來執行此處理。方法的控制演算法駐留在控制器150或配置為控制電漿處理室120的操作的機器兼容控制電路系統中。這些控制演算法可以全部或部分地實施為軟體或韌體實現的邏輯，和/或實施為硬體實現的邏輯電路。
在此處理之前，例如，經由方法500，為與RF電漿系統100相關聯的每個V/I探針確定合適的校準係數。例如，對於V/I感測器152，為電壓拾取器311、電流拾取器312、電壓拾取器321、電流拾取器322、電壓拾取器331和電流拾取器332中的每一個確定合適的校準係數。另外，在第二RF產生器140被配置為產生混合頻率的具體實施例中，還針對每個頻率確定來自RF電漿系統100的測量電路系統的系統相位偏移。
方法600在方塊601開始，其中第二RF產生器140以特定的RF頻率和輸出幅度產生RF功率。在方塊601處生成的RF功率的幅度旨在導致目標RF功率耦接至處理區域246。通常，目標RF功率與在電漿處理室120中運行的特定處理相關。因此，對於不同的處理，在方塊601處可以採用不同的目標RF功率。
在方塊602，V/I感測器152至少產生第一電壓信號和第二電壓信號，其中電壓拾取器311產生第一電壓信號，並且電流拾取器312產生第二電壓信號。第一電壓信號與通過V/I探針310的測量開口315的RF電壓成比例，並且第二電壓信號與通過V/I探針310的測量開口315的RF電流成比例。在V I感測器152包含多個探針的具體實施例中，V/I感測器生成其他電壓信號，例如測量與導電引線161和162相關的RF電壓和電流的電壓信號。
在一些具體實施例中，V/I感測器152以在1μs至1秒的範圍內的間隔產生第一電壓信號和第二電壓信號。在一些具體實施例中，間隔在1μs至1ms的範圍內。這樣做，可以產生RF電壓和RF電流的相應波形。
在方塊603處，確定輸送到電漿處理室120中的處理區域246的實際RF功率。在一些具體實施例中，確定所傳送的實際RF功率，包括將第一校準係數應用於第一電壓信號並且將第二校準係數應用於第二電壓信號。如上所述，通常在諸如方法500的先前執行的校準處理中確定第一和第二校準係數。
在確定輸送到處理區域246的實際RF功率的處理中，控制電路系統150可以從記憶體中檢索第一校準係數和第二校準係數，然後將適當的校準係數乘以從適當的V/I探針收集的適當的測量信號值，以確定校正後的測量信號值，然後可將其用於控制每個RF產生器提供的RF功率和/或調整與每個RF源的相應RF匹配元素關聯的RF匹配參數。例如，在一些具體實施例中，第一電壓信號乘以第一校準係數以生成測量電壓值，測量電壓值準確地指示通過V/I感測器152的實際電壓，並且第二電壓信號乘以第二校準係數以產生測量電流值，測量電流值準確地指示通過V/I感測器152的實際電流。然後可以基於所測量的電壓值和所測量的電流值，來計算耦接至處理區域246的實際RF功率。然後，耦接至處理區域246的實際RF功率可以由在控制電路系統150內運行的軟體使用，以更準確地控制在處理室內執行的處理和/或顯示在圖形使用者介面（例如監視器或顯示器）上的處理，圖形使用者介面耦接到控制電路系統150並可供使用者存取。
在一些具體實施例中，耦接到處理區域246的實際RF功率，還基於測量的電壓值和測量的電流值之間的測量的相位差。特定而言，在這樣的具體實施例中，在測量點的瞬時傳輸線功率是電壓拾取器311和電流拾取器312之間的測量的電壓值、測量的電流值和測量的相位差的餘弦的乘積。然後，測量的相位差可以由在控制電路系統150內運行的軟體使用，以更準確地控制在處理室內執行的RF相關處理和/或顯示在圖形使用者介面（例如監視器或顯示器）的RF相關處理，圖形使用者介面耦接到控制電路系統150並可供使用者存取。
在第二RF產生器140產生混合頻率的具體實施例中，首先從第一電壓信號（來自電壓拾取器311）和第二電壓信號（來自電流拾取器312）之間的測量相位差中減去先前確定的系統相位偏移。以此方式，可以在方塊603處，在計算耦接到處理區域246的實際RF功率之前，確定電壓拾取器311與電流拾取器312之間的實際相位差。
在一些具體實施例中，耦接到處理區域246的實際RF功率也基於未傳遞到處理區域245的RF功率的損失。例如，在這樣的具體實施例中，傳送到處理區域246的實際RF功率，也基於在導電引線161和162中測量的RF功率。
在方塊604，確定耦接到處理區域246的實際RF功率是否在耦接到處理區域246的目標RF功率的預定範圍內。如果是，則當前輸出幅度保持不變，並且方法600前進到方塊601；如果否，則600前進到方塊605。
在方塊605中，調整電流輸出幅度，以使得耦接到處理區域246的實際RF功率接近或等於耦接到處理區域246的目標RF功率。然後，方法600返回到方塊601。
方法600的實現使得能夠在高溫環境中改進對RF電壓、電流、相位和耦接RF功率的測量和控制。因為可以在接近電漿處理室120的處理區域的位置處測量RF電壓和電流，所以可以更精確地確定耦接的RF功率，從而改善了電漿處理室120的性能並減少了個別腔室之間的電漿處理變化。
在本文揭示的一些具體實施例中，V/I感測器包括由非有機電絕緣材料構成的平面體301、形成在平面體301中的測量開口、佈置在測量開口周圍的電壓拾取器、以及佈置在測量開口周圍的電流拾取器。由於V/I感測器的平面配置和材料組成，V/I感測器可以靠近電漿處理室120的高溫表面放置，甚至與之接觸。實際上，發明人最近驚奇地發現本文所述的V/I感測器可以放置在電漿處理室120內。如上所述，在一些具體實施例中，與通過V/I感測器的RF電壓成比例的電壓信號是從V/I感測器的電壓拾取部分得到的，而與通過V/I感測器的RF電流成比例的電壓信號是從V/I感測器的電流拾取部分得到的，由於所感測信號的性質，這不會在感測器之間產生明顯的測量交互作用，從而使測量值中引起的誤差最小。因此，基於這些因素中的一個或多個，由本文所揭示的一個或多個具體實施例提供的RF電壓和電流測量結果，通常比置於電漿處理室外部的V/I感測器更準確。
本具體實施例的各態樣，可以體現為系統、方法或電腦程式產品。因此，本揭示內容的態樣可以採取完全硬體的具體實施例、完全軟體的具體實施例（包括韌體、駐留軟體、微代碼等）的形式或者組合軟硬體態樣的具體實施例，這些可全部大抵稱為「電路」、「模組」或「系統」。再者，本技術的態樣形式可為電腦程式產品，此電腦程式產品實施在電腦可讀取媒體中，電腦可讀取媒體中上實施了電腦可讀取程式碼。
可以使用一個或多個電腦可讀取媒體的任何組合。電腦可讀取媒體可為電腦可讀取訊號媒體或電腦可讀取儲存媒體。電腦可讀取媒體可例如為（但不限於）電性、磁性、光學性、電磁性、紅外線、或半導體系統、設備、或裝置、或前述之任何適合的結合者。電腦可讀取媒體的更具體示例（非窮舉性列表）將包括以下內容：具有一條或多條電線的電連結、可攜式電腦磁碟、硬碟、隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、可抹除可編程式唯讀記憶體（EPROM或快閃記憶體）、光纖、可攜式光碟唯讀記憶體（CD-ROM）、光學儲存裝置、磁性儲存裝置、或前述之任何其他適合的結合者。在本文件的背景內容中，電腦可讀取媒體可以是任何有形介質，有形介質可以包含或儲存程式以供指令執行系統、裝置或設備使用或與其結合使用。
本揭示內容的具體實施例涉及用於在多個頻率下控制射頻（RF）的各種參數的方法和設備。本揭示內容的一些具體實施例有利地利用放置在處理室內的感測器以在處理期間最小化感測器與基板之間的距離。本揭示內容的一些具體實施例有利地獲取和/或處理關於RF的資料以即時動態地控制RF。
本文揭示了基於即時串流傳輸的時域波形來獲取和處理RF電壓、電流和相位信息的方法和設備。此外，本揭示內容的一些具體實施例提供了數位信號處理技術的應用，以導出在高溫環境下運行的CVD設備中的RF感測器位置的多個點和多個頻率處的耦接RF功率。
揭示了新的感測器和在高功率下校準這些感測器的新方法，其使得能夠將電漿處理室內的感測器用於處理監測。迄今為止，在電漿處理室內沒有任何RF感測器可以直接提供資料。
圖7A-7C示出了具有簡化形式的RF等效電路的典型CVD系統的示意圖。圖7A示出了與在約500℃至約650℃的升高的晶圓溫度下運行的實際精密腔室相對應的腔室。圖7B示出了對應於僅RF電路的簡化電路。圖7C示出了理想的50歐姆RF傳輸線模型。
圖7A-7C示出了可能的用於洩漏的RF路徑，在現代CVD系統中需要控制此路徑以生產有價值的薄膜。為了將晶圓和腔室加熱到高溫，通常使用DC或50/60 Hz頻率範圍的RF濾波器來阻止RF能量進入加熱器驅動器電路。不受理論的束縛，要注意的是，由於實際的濾波器不能在RF頻率上獲得無限的阻抗，因此不可避免地會有一些洩漏電流流經濾波器並逸出主RF控制電路。洩漏電流導致對晶圓的RF功率的損失，以及與晶圓耦接的功率的控制的損失。在現代半導體製造環境中，最好保持百分比位準控制或更好的主RF控制。
因此，本揭示內容的一些具體實施例將嵌入式RF感測器放置在系統中而不是在系統外部。嵌入式RF感測器最好直接位於晶圓上以進行可靠的測量，儘管由於晶圓溫度升高而無法進行此放置。因此，在一些具體實施例中，嵌入式RF感測器被放置成儘可能靠近晶圓。
本揭示內容的一些具體實施例提供了雙感測器配置，其中第一感測器位於晶圓上方，而第二感測器位於晶圓下方。本揭示內容的一些具體實施例提供了位於晶圓下方的單個感測器，其中電流感測器線圈和電壓環包圍連接到ESC電極的RF桿。
本揭示內容的另外的具體實施例提供了對與CVD設備具有相同功率位準但是具有諸如電壓、電流、相位和傳播延遲之類的已知特性的RF傳輸線進行相同處理的方法和設備。在一些具體實施例中，所述RF傳輸線用作校準工具，其允許將射頻感測器信號轉換為相對於時間戳具有微秒至毫秒時間解析度的電壓、電流和相位單位。
如圖4A和4B所示，感測器產生與RF電壓和RF電流有關的電壓信號，但是產生的電壓信號不是以伏特為單位的RF電壓和以安培為單位的RF電流。在部署到腔室進行測量之前，需要根據一個或多個工作頻率上的已知電壓和電流對電壓信號進行校準。
圖8A-8E示出如何建構和使用測試夾具在高功率下校準感測器的示例。不受理論的束縛，據信有必要以與腔室中的功率位準相同或相等的功率位準進行校準，以便包括關於功率的任何可能的非線性影響，例如，功率損耗取決於驅動器功率位準。
根據圖8A-8E，認識到高功率RF產生器和50歐姆特性阻抗的虛擬負載被用於通過圖8A-8E所示的50歐姆阻抗或非50歐姆阻抗的傳輸線來驅動功率。在非50歐姆的情況下，由電容器和電感器網路組成的電抗RF負載，提供測試儀已知的R + jX阻抗（圖8C和8D）。
發明人還觀察到由於同軸電纜長度的變化，頂部和底部感測器拾取到相移。如圖8A所示，與具有較短電纜或沒有電纜的類似夾具（圖8B）相比，1英呎同軸電纜提供了不同的相移。
圖8A和8B示出測試夾具＃1和＃2具有50歐姆的傳輸線，其產生與沿此線的任何地方的電流同相的電壓。對於匹配的50歐姆傳輸線，返回到RF產生器的反射功率為零。向50歐姆傳輸線施加全功率後，它將以100％或零反射率傳輸到虛擬負載。
這可以透過位於感測器前後的功率計來驗證。如果傳輸線的特徵阻抗為50歐姆，輸出功率為1000W，則電壓信號（伏特）對應於233.6Vrms、電流信號（伏特）對應於4.472Arms，此時的相位差為零度。所描述的校準處理可以由技術人員對第二或第三RF頻率執行。
按照所描述的校準程序，可以將獲得的補償係數重新應用於每個工作頻率的RF電壓、電流和相位的測量值。在每個頻率的最大輸送功率下進行校準，以使所有工作功率都較低，從而確保相對於感測器測量系統可能引入的功率產生任何非線性影響。
圖8C和圖8D示出了測試夾具＃3和＃4，測試夾具＃3和＃4包含諸如電感器和電容器的電抗元件，並且在整個傳輸線中不是50歐姆傳輸線。但是，仔細選擇電抗元件後可創建一條傳輸線，傳輸線對於RF產生器而言似乎為50歐姆。如此，可以將全部功率傳遞給50歐姆的虛擬負載。例如，在測試夾具＃4（圖8D）中，–j170歐姆的電容性負載被j170歐姆的電感性負載抵消，從而使RF產生器具有50歐姆的負載阻抗。如此，本領域技術人員可以相對於已知的電抗性負載來校準電感性負載。
一個實例表明，電感性負載約為j170歐姆，這使得反射率為44％。在這種情況下，頂部感測器的功率為55.5W，底部感測器對的功率為50.6W，兩者都與功率計提供的替代功率測量值非常一致。
本揭示內容的一些具體實施例涉及與上述方法相關聯的數位信號處理（DSP）技術，並且進一步詳細地闡述包括數位濾波技術，例如低通、高通和帶通、FIR濾波，包括快速傅里葉變換的RF諧波分析、基於過零和週期平均的相位確定、基於電壓探針信號交叉引用的傳輸線延遲時間以及基於時域波形的耦接功率計算。所有這些技術都是在FPGA硬體上執行的硬定時循環中實現的，以控制資料串流和處理。
本揭示內容的一些具體實施例涉及DSP技術和支持DSP演算法的資料採集（DAQ）硬體。圖8示出了DAQ的方塊圖，DAQ包括同時對4個通道具有至少200 MHz（但更佳至少同時為1 GHz或更高）的RF前端，通常至少基於Analog Devices, Inc.或同等的產品，例如Texas Instruments, Inc.，型號ADC32RF4x，一個14位3 Gsps ADC轉換器，由基於TI參考板型號TSW14J56整合的基於Altera Arria V模型的FPGA控制器支援。
在一些具體實施例中，可用的替代架構包括由Pico Technology, Ltd提供的，將高速ADC與FPGA控制器（如Picoscope 6000系列）整合在一起。
示例性的DSP演算法包括RMS值檢測，RMS值檢測獲取多個週期流過的全部波形並計算採樣週期內的均方根值。在一些具體實施例中，電壓和電流RMS值的波形和圖表相對於時間的單位為毫秒。在應用窗口濾波功能或漢寧（Hanning）窗口的功能後，還會對波形執行FFT，並以27.12 MHz的基頻及其最高5次諧波標記。
相位檢測基於過零演算法，其中當電壓信號在經過零時改變符號時，將檢測特定波形的時間戳，對參考波形也進行同樣的操作，產生兩個零交叉時間戳數組。Delta時間戳數組是藉由減去兩個數組而得出的，這兩個波形之間的時間差以奈秒為單位，即超前或滯後，並且兩個波形之間的相位移是所有週期的平均時間差除以週期時間，然後乘以360 / 6.18。
可以建立品質因數矩陣，以完全表徵單個或多個RF頻率的腔室行為。在多個頻率的情況下，在將帶通濾波器以數位方式應用到混合頻率波形之後，可以將演算法分別應用於每個單個頻率。這些變化也被本發明揭示所涵蓋。
例如，另一種演算法是基於FFT幅度得出的總諧波分佈（THD），它可以表徵諧波相對於基頻的總功率分佈，例如THD中的10％功率即90％的功率在系統控制的基本頻率中，且對時間的變化可能會改變傳遞到晶圓的功率。
適用演算法的另一個示例是基於波形計算耦接功率。在任何時候，功率都是電壓和電流的乘積，即P（t）= V（t）* I（t），其中V（t）和I（t）獲取自嵌入腔室內的電壓、電流感測器。因此，隨時間變化的平均功率是多個RF週期內P（t）的平均值。可以藉由乘以電壓陣列和電流陣列，然後取乘積的平均值來完成此操作。當負載為電阻性時，電壓和電流同相，並且由於平均而導致耦接功率最大，而當它們異相90度時，耦接功率最小或接近零。
本揭示內容的一些具體實施例涉及如何使用位於晶圓的上游和下游的多個感測器組來獲得耦接到晶圓的功率。基於耦接到晶圓的功率，還揭示了控制方案，其中，到晶圓的這種耦接功率在整個膜沉積過程中保持恆定，或者在整個沉積過程的一個或多個特定步驟中部分改變。當將監視器或控制件的目標更改為例如電壓或電流和相位時，將使用相同的測量和控制方法，具體取決於所關注的特定膜特性品質因數，並且此類膜特性包括但不限於沉積速率、模量、折射率、濕蝕刻速率、單層膜厚度均勻性、單層膜應力及其均勻性、膜堆疊厚度均勻性、膜堆疊應力和均勻性以及光刻態樣（例如處理間位移）。
上文描述的方法和技術可以應用於單射頻頻率或多頻供電系統。
在多個頻率下工作的高溫PECVD室中使用多個RF感測器的方法，其中RF電壓、電流的幅度以及電壓和電流之間的相位差被提供給主機控制器，以進一步實現並用作回饋單獨或共同控制目標
根據上述RF電壓、電流和相位測量，構建電壓*電流平均值的乘積的量，乘積表示特定頻率下的耦接RF功率，並進一步歸檔和使用乘積作為即時值控制目標以實現所需且一致的晶圓沉積結果。
上述感測器的設計和結構可在用於校準目的的大功率台式測試夾具上以及高溫下的CVD腔室內工作。
使用高功率50歐姆電阻負載或非50歐姆無功負載校準所述嵌入式感測器的方法，其中無功負載由電感性、電容性或電感性和電容性負載的網路組成，而這種無功負載的網路可能會出現到RF產生器的阻抗為50歐姆，導致無反射，或者為50歐姆的阻抗導致向RF產生器的功率反射為非零。在非零反射的情況下，反射功率基於現有的網路元素值是已知的，或者可以透過使用獨立的功率計或透過使用內置在RF產生器中的等效功率測量來單獨測量。這種已知特性的RF網路以在幾何結構上類似於感測器將要使用的腔室的方式構造，或者就在一個或多個工作頻率上的RF波傳播而言，在電氣上等效於腔室。
資料採集系統，它支持即時流向主機RAM的波形或在硬定時循環中執行的波形，硬循環包括一個多通道ADC，此ADC的採樣率大於1 Gsps，ADC電壓解析度至少為14位；DAQ系統還包括基於FPGA的控制器，控制器將獲取的原始波形資料傳輸到主機進行進一步的DSP處理，或者將基於原始波形的處理後的資料實時或硬定時地傳輸到主機；進一步包括RT（實時）的腔室控制器，其可以記錄經過處理的RF感測器資料的前後，或者透過經過處理室RT控制器的RF調諧系統對經過處理的RF感測器資料採取行動；這些動作包括但不限於基於晶圓結果的優化來對任何一個RF感測器的品質因數進行回饋或前饋調整，或者其中的幾個的集合；這種調整還包括保持感測器回饋的某些態樣穩定，或者在沉積配方的選擇步驟期間的沉積過程中部分改變感測器的回饋。
進一步要求用於腔室匹配的目的，其中嵌入式感測器單獨或共同充當指示器，導致孤立或標識單個零件、組件或它們的集合，這是某些膜性能不符合規格的根本原因，或排除了與此相同的根本原因。
基於波形開發的數位信號處理技術和算法，包括但不限於RMS檢測峰值檢測，基於FFT的諧波檢測和量化，基於過零算法或其他適當技術的相位檢測，基於FIR或其他方法的濾波技術，互相關分析，耦接功率檢測等。
本說明書中對於「在一個具體實施例中」、「在一些具體實施例中」、「在一個或更多個具體實施例中」或「在一具體實施例中」等的參照，表示所說明的相關聯於此具體實施例的特定特徵、結構或特性，係被包含在本揭示內容的至少一個具體實施例中。因此，貫穿本說明書在各個地方出現的短語「在一個或更多個具體實施例中」、「在一些具體實施例中」、「在一個具體實施例中」或「在一具體實施例中」等，不一定是指本揭示內容的相同具體實施例。此外，特定特徵、結構、配置或特性可以在一個或多個具體實施例中以任何合適的方式組合。
雖然本文揭示內容係關於特定具體實施例，但在本發明技術領域中具有通常知識者應瞭解到這些具體實施例僅用於說明本揭示內容的原理與應用。在本發明技術領域中具有通常知識者將顯然瞭解到，可對本揭示內容的方法與設備進行各種修改與變異，而不脫離本揭示內容的精神與範圍。因此，本揭示內容可涵蓋這種修改與變異，只要這種修改與變異位於附加申請專利範圍及其均等範圍之內。
100:射頻（RF）電漿系統 120:電漿處理室 130:第一RF產生器 131:第一RF匹配器 132:傳輸線 140:第二RF產生器 141:第二RF匹配器 142:傳輸線 150:控制電路系統 151:電壓-電流（V/I）感測器 152:電壓-電流（V/I）感測器 153:信號引線 154:信號引線 160:加熱器電源 161:導電引線 162:導電引線 170:RF濾波器 202:壁 204:底部 206:狹縫閥開口 208:插座 209:加熱元件 210:基板 214:真空泵 216:閥 218:氣體源 221:耦接點 222:耦接點 223:管 224:腔室蓋 226:背板 228:氣體分配噴淋頭 230:氣體通道 234:懸架 238:陰影框架 240:壁架 242:金屬桿 243:帶子 246:處理區域 247:連接點 248:氣室 301:平面體 302:接地元件 310:第一V/I探針 311:電壓拾取器 312:電流拾取器 313:電路跡線 314:電路跡線 315:測量開口 316:導電通孔 320:第二V/I探針 321:電壓拾取器 322:電流拾取器 325:測量開口 330:第三V/I探針 331:電壓拾取器 332:電流拾取器 335:測量開口 401:中心導體 402:外部屏蔽導體 454:RF電流測量電路 455:RF電壓測量電路 500:方法 600:方法 154A:信號引線 154B:信號引線 301A:頂表面 301B:底表面 302A:接地層 302B:接地層 302C:互連通孔 311A:導電環 501-503:步驟 601-605:步驟
可參考多個具體實施例以更特定地說明以上簡要總結的本揭示內容，以更詳細瞭解本揭示內容的上述特徵，附加圖式圖示說明了其中一些具體實施例。然而應注意到，附加圖式僅圖示說明本揭示內容的典型具體實施例，且因此不應被視為限制本揭示內容的範圍，因為揭示內容可允許其他等效的具體實施例。
圖1是示出根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的射頻（RF）電漿處理系統的方塊圖；
圖2是根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的圖1中的RF電漿處理系統的電漿處理室的示意性橫截面圖。
圖3A是根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的圖1的RF電漿處理系統中的V/I感測器的示意性平面圖；
圖3B是圖1的RF電漿處理系統中的V/I感測器的示意性橫截面圖，從圖3A的A-A截面取得；
圖4A和圖4B是根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的圖3A至圖3B中的V/I感測器的V/I探針的功能示意圖；
圖5示出了根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的用於校準V/I感測器的處理步驟的流程圖；
圖6示出了根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的用於控制RF功率的處理步驟的流程圖；
圖7A至圖7C示出了薄膜沉積系統示意圖及其等效電路，包括RF感測器相對於RF輸送電路的位置；
圖8A-8E示出了根據本揭示內容的一個或多個具體實施例的用於校準感測器的各種測試夾具；和
圖9示出了用於即時採樣和控制的資料採集架構。
為了協助瞭解，已儘可能使用相同的元件符號標定圖式中共有的相同元件。已思及到，一個具體實施例的元件與特徵，可無需進一步的敘述即可被有益地併入其他具體實施例中。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
600:方法
601-605:步驟

Claims (20)

  1. 一種控制一電漿處理室的方法，該方法包含以下步驟： 用位於該電漿處理室內的一第一RF電壓-電流（V/I）感測器測量一第一電壓、一第一電流和該第一電壓與該第一電流之間的一相位差； 基於由該第一RF電壓-電流感測器提供的該等測量結果來控制連接到該電漿處理室的一RF產生器。
  2. 如請求項1所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：利用位於該電漿處理室內的一第二RF電壓-電流感測器來測量一第二RF電壓、一第二RF電流以及該第二RF電壓和該第二RF電流之間的一相位差。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該第一RF電壓-電流感測器在處理期間位於該基板上方，並且該第二RF電壓-電流感測器位於該基板下方。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該電漿處理室以多個頻率操作。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該RF產生器被控制為維持一預定的電漿功率。
  6. 如請求項5所述之方法，其中控制該RF產生器以維持該預定的電漿功率之步驟包含以下步驟：確定該第一RF電壓與該第一RF電流的該乘積，以確定在該第一RF電壓-電流感測器處的該耦接電漿功率；以及控制該RF產生器以維持該預定的電漿功率。
  7. 如請求項5所述之方法，其中該第一RF電壓和該第一RF電流的該均方根被用於確定一平均電漿功率。
  8. 如請求項1所述之方法，其中以該第一RF電壓-電流感測器進行的測量以1μs至1秒的一間隔進行。
  9. 如請求項7所述之方法，其中該間隔在1μs至1ms的一範圍內。
  10. 一種電漿處理室，包含： 一插座，該插座位於一處理空間內並被配置為在處理期間支撐一個或多個基板； 一RF電漿產生器，該RF電漿產生器被配置為輸出一可變電壓、一可變電流以及該電壓和該電流之間的一可變相位； 至少一個RF電壓-電流（V/I）感測器，位於該處理空間內並被配置為測量一第一電壓、一第一電流以及該第一RF電壓和該第一RF電流之間的一相位差；以及 一控制器，該控制器連接到該RF電漿產生器和該至少一個RF電壓-電流感測器，該控制器被配置為基於來自該至少一個RF電壓-電流感測器的輸入來控制該RF產生器。
  11. 如請求項10所述之電漿處理室，其中至少兩個RF電壓-電流感測器位於該處理空間內。
  12. 如請求項11所述之電漿處理室，其中一第一RF電壓-電流感測器位於該基板支撐設備上方，並且一第二RF電壓-電流感測器位於該基板支撐設備下方。
  13. 如請求項11所述之電漿處理室，該電漿處理室進一步包括一第二RF電漿產生器，該第二RF電漿產生器以與該RF電漿產生器不同的一頻率操作。
  14. 如請求項10所述之電漿處理室，該電漿處理室進一步包括以50/60Hz供電的一基板加熱器。
  15. 如請求項14所述之電漿處理室，其中該至少一個RF電壓-電流（V/I）感測器被配置為測量該基板加熱器和一外部電源之間的兩條導電引線的電壓電流和相位。
  16. 如請求項10所述之電漿處理室，其中該至少一個RF電壓-電流感測器被配置為將該第一RF電壓、該第一RF電流和該相位差中的每一個的一波形串流傳至該控制器。
  17. 如請求項16所述的電漿處理室，其中每個波形的一解析度在1μs至1ms的一範圍內。
  18. 如請求項16所述之電漿處理室，其中每個波形是即時串流的。
  19. 如請求項10所述之電漿處理室，其中基於來自該至少一個RF電壓-電流感測器的輸入來控制該RF產生器包含： 藉由將該第一RF電壓和該第一RF電流的該等均方根相乘來確定該至少一個RF電壓-電流感測器處的該耦接功率；和 比較該耦接功率與一預定的電漿功率；和 如果在預定電漿功率的一預定範圍之外，則修改該RF產生器輸出以修改在該至少一個RF電壓-電流感測器處的該耦接功率。
  20. 一種非暫態性電腦可讀取媒體，包含指令，該等指令在由一電漿處理系統的一控制器執行時使該電漿處理系統執行操作，包含： 啟動一RF產生器； 用一RF電壓-電流感測器測量一RF電壓、一RF電流和該RF電壓與該RF電流之間的一相位差； 確定在該電壓電流感測器處對該耦接電漿功率的一測量；和 修改該RF產生器的一輸出。
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