TWI229353B - Method and apparatus for radio frequency (RF) metrology - Google Patents

Description

1229353 (1) 玖、發明說明 發明所屬之技術領域 本發明是關於電漿產生裝備，且更特別是測量供應至 RF電漿產生器的射頻信號（RF )功率之裝置以及方法。 先前技術

爲在電漿室獲得矽晶圓或其它部件的蝕刻或沈積特徵 更好的控制，習知地在電源輸入至電漿室時使用探針以當 它進入電漿室時偵測射頻信號（)波的電壓及電流。一 此探針利用分離探針電壓及電流檢波設備以當它進入電漿 室的輸入時取樣經應用的RF功率的電壓及電流。探針檢波 有電密封'·該檢波之:外蔽或外罩β外蔽或外罩內之電壓檢波 板係經由三軸（triax )纜線耦合於封在分離基座的探針電 路建構。區域振盪器及一對混合器產生分開的基頻電壓以 及電流信號，它們係利用經符合的立體聲類比至數位轉換 器數位化且利用數位信號處理器（DSP )數位地處理。 DSP係經由一介面耦合於區域振盪器的回饋迴路以形成封 閉的迴路，且也係耦合於外部序列介面。後者也許係依序 地耦合於電漿處理建構之控制。 上述的探針類型在許多應用上提供令人滿意的效能。 然而，源自在探針電路建構中執行的信號處理之群組延遲 也許減少一些控制系統的速度或穩定性。 發明內容 -5 - 1229353 (2) 所以，在本發明的一觀點中，提供了一種在經取樣的 傳輸線中測量R F信號的電壓及電流之射頻信號（R F )探 針頭裝置。探針頭裝置包括導電外罩，導電外罩內之匯流 排，一對裝在導電外罩且組構以使RF信號經由匯流排進出 外罩的連接器，外罩內之電壓檢波板，以及外罩內之電流 檢波板。電壓檢波板有反應繞著匯流排之電場以產生表示 電場的平方根（RMS )値之第一 DC輸出的類比處理器。電 流檢波板有反應繞著匯流排之磁場以產生表示磁場的RMS 値之第二DC輸出的第二類比處理器。 在另一觀點上，本發明提供一種在經取樣的傳輸線中 測量RMS電及磁場之RF探針頭。在此觀點中，探針頭包括 導電外罩〃一對組構以經由外罩耦合RF信號之RF埠」於 外罩內組構以產生與由導電外罩內之RF信號產生之電場的 RMS値成正比之第一 DC輸出且產生與由導電外罩內之RF 信號產生之磁場的RMS値成正比之第二DC輸出之電路，以 及一對組構以耦合第一 DC輸出及第二DC輸出離開導電外 罩之埠。 在尙另一觀點中，本發明提供一種測量RF探針頭的 RF功率之方法。該方法包括使RF功率通過具有導電外罩 之RF探針頭，於導電外罩內感測由RF功率產生的電及磁 場以產生代表電場之第一電信號及代表磁場之第二電信號 ，以及處理第一電信號及第二電信號以產生代表電場的 RMS値之第一 DC輸出及代表磁場的RMS値之第二DC輸出。 所有處理完全在導電外罩內發生。 -6 - 1229353 (3) 本發明的組構提供高正確且可重覆的RF線電壓及電流 的測量，甚至在高RF功率位準中。並且，源自在探針電路 建構執行的信號處理之群組延遲係相對於已知的習知組構 減少。 本發明的應用性的進一步範圍自以下提供的詳細說明 將變得明虚。應了解詳細說明及特定範例，同時表示發明 的較佳實施例，係想僅作爲示例用且不想限制發明的範圍

實施方式 較佳實施例的以下說明在本質上是僅示範且不是想要 限制發明，-它的應用，或使用。

如在使用，”類比處理”及”類比電路”指的是不將任何 具有連續電壓（或電流）範圍之信號轉換成具有代表連續 値的範圍之抽象値之經數位化信號，除表示信號不管信號 是否有正或負値之二進位値不係由如在此使用的術語”類 比”排除的產品之外。類比電路不需是線性的，且因此， 在其它事物之間，包括校正或產生信號的絕對値之電路。 雖然如在此使用的術語”匯流排”係想要包括接線導體 ，對此特別形狀不係想要限制。 在一組構及參考圖1中，本發明提供在經取樣的傳輸 線中測量RF信號的電壓及電流之射頻信號探針頭i 〇。探針 裝置係包含在完全地圍住電壓檢波板丨4及電流檢波板1 6的 小導電圍場1 2內。導電圍場也完全地圍住電耦合於連接器 -7- 1229353 (4) 20及22的匯流排18。在一組構中，連接器20及22各是同軸 連接器。 連接器20及22分別是將RF信號傳進出圍場12的RF埠。 連接器20及22的外部導體是電連接至圍場12。連接器20及 2 2的內部導體係由電介質（未顯示在圖1中）自外部導體 分開，且係由匯流排1 8彼此電連接。 電壓檢波板14是反應於圍場12內側的電場，結果RF信 號通過連接器20及22。更特別地，電壓檢波板14有包括在 圍場12內反應於繞著匯流排18之電場之第一類比處理器24 之電路。類似地，電流檢波板1 6有包括在圍場1 2內反應於 繞著匯流排18之磁場之第二類比處理器26之電路。繞著RF 導體感測電负磁場之適當的建構的一範例（旦因此，經應 用的RF功率的RF電壓及電流）係顯示在美國專利案號 5，770,992，刊於1998年6月23日，Gerrish等人，名爲”基頻 V-I探針”。 包括在第一類比處理器24的電路在表示電場的平方根 値（RMS )之璋28產生第一 DC輸出。包括第二類比處理器 26的電路在表示在圍場1 2內繞著匯流排1 8之磁場的平方根 値（RMS )之埠30產生第二DC輸出。在一組構中，電壓檢 波板14，電流檢波板16，第一類比處理器24及第二類比處 理器26係完全地包含在圍場12內。埠28及30分別耦合第一 及第二DC輸出離開圍場12。 第一類比處理器24及第二處理器26分別包含類比RMS 轉換器32及34。在一組構中，類比RMS轉換器32及34是類 1229353 (5) 比設備AD 8 3 6 1表面裝設RMS轉換器。轉換器設備32及34係 裝在各別檢波板.14及16上。 第一類比處理器24也包括反應代表繞著匯流排18的電 場之電信號的第一帶通濾波器36。第一帶通濾波器36有耦 合於第一類比RMS轉換器32的輸出。類比RMS轉換器32的 輸出係耦合至第一低通濾波器38。類似地，第二類比處理 器2 6包括反應代表繞著匯流排1 8的磁場之電信號的第二帶 通濾波器40。第二帶通濾波器40有耦合於第二類比RMS轉 換器34的輸出。類比RMS轉換器34的輸出係耦合至第二低 通濾波器42。 在一組構中，第一帶通濾波器36及第二帶通濾波器40 都是組構以'減少應用至且通過探針頭10的RF功率的諧波之> 三階線相等漣波（equiripple )濾波器。RMS轉換器32及34 的DC輸出也被過濾以移除任何也許使測量失真之脈動波 紋電壓。緩衝放大器44及46分別係提供作爲第一帶通濾波 器36及第二帶通濾波器40的輸出。緩衝放大器44，46分別 是反應由帶通濾波器36及40輸出的電信號以產生經緩衝的 電信號。探針頭感測器的一組構係限於單RF頻率，且設定 3 db點係利用濾波器36，38，40及42在RF頻率的 土 10%， 由於衰減在RF頻率的 土 50%大於35 db。 在操作上，RF功率係通過圍場12，且電壓檢波板14感 測由在導電圍場1 2內RF功率產生的電場以產生代表電場的 第一電信號。類似地，電流檢波板1 6感測由在導電圍場1 2 內RF功率產生的磁場以產生代表磁場的第二電信號。第一 1229353 (6) 電信號及第二電信號被處理以產生代表電場的RMS値的第 一 DC輸出及代表磁場的RMS値的第二DC輸出。此處理完 全在導電圍場1 2內發生，且完全以類比電路執行。第一及 弟一電信號被過爐以移除通過探針頭1〇的RF功率的諧波。 在一組構中，電壓檢波板14係組構以產生在匯流排1 8 上與RF信號的RMS電壓成正比之第一 DC輸出28，且電流檢 波板16係組構以產生在匯流排18上與RF信號的RMS電流成 正比之第二DC輸出30。而且在一組構中，電壓檢波板14 係耦合於繞著匯流排1 8之電場以產生第一經取樣的RF信號 48且電流檢波板16係耦合於磁場以產生第二經取樣的RF信 號50。信號48及50分別係輸出至外部RF連接器，例如， SMB連接器51及53，以使信號48及50可對圍場12的外側存 取。 在一組構中且參考圖1及2，相比較器印刷電路板52係 組構以直接地裝至SMB連接器51及53且得到代表RF信號48 及RF信號50間的相差之相差信號54。代表RMS信號之DC輸 出28及30以及相差信號54係由功率的同步化轉換器55，57 及59以及作爲電漿室負載66 (顯示於圖1中）及應用至經 由匯流排18耦合至探針頭10的負載66的RF信號的功率的阻 抗的決定之阻抗電路5 6數位化。數位信號處理器（D SP ) 1 04係用在做阻抗及功率決定之一組構中。在此組構的一 變化上，至少其中之一 RF信號48及5 0係混以經控制的頻率 源58。差異頻率60係由類比至數位轉換器（ADC ) 64數位 化且產生的數位信號係由DSP 104數位化以決定差異頻率 -10- 1229353 (7) 60及呈現在RF傳輸線62 (顯示在圖1中）上的頻率的周期 。差異頻率60及/或它的周期的決定及/或呈現在傳輸線上 之頻率的決定可在頻率調整系統中利用以提供適當的校準 因素於探針10的基頻上。在一組構中，例如，DSP 104係 組構以測量應用至負載66的RF信號的頻率。 在一組構中，線性轉換係設有大約1 〇〇 mV的偏移電壓 及作爲5 KW室的5伏特DC的全比例輸出。爲對較高功率程 度比例化，可對於代表經感測的電場及磁場的電信號提供 衰減。 對於單位對單位重覆性，一組構中傳輸線RMS電流及 電壓的轉移功能對DC伏特的斜率小於1%。信號對探針頭 的雜訊比例在整個功率範圍是較50 db佳。對於用脈、衝調.. 製RF功率系統的控制及監視，RMs探針頭的步驟反應小10 微秒。 在一組構且參考圖3，探針頭10包含導電外罩68，例 如，鋁外罩68。導電外罩68的中心部分被鑽孔且由電介質 材料1 02 (例如，氮化硼或鐵氟龍）圍繞的匯流排18係穿 過外罩68插在孔的第一末端70及第二末端間的外罩68。在 一組構中，匯流排1 8是銀鍍銅導體。而且在一組構中.，電 介質材料102是氮化硼，其提供匯流排18及導電外罩68間 的熱路徑。當表面裝設配件係利用作檢波板14及16的建構 時’導電外罩68的大小在一側面上可接近5至7.5 cm (•大 約2至3吋）。第一導電板74覆蓋開口第一末端70且第二導 電板76覆蓋開口第二末端72。包含連接器20及22的兩RFj：阜 -11 - 1229353 (8) 分別係裝設於導電外罩68的對面78及80。連接器20及22的 中央導體82及84係由導電圍場12內側的匯流排18連接。分 別配置於匯流排18與開口端70及72之間的導電墊86及8 8提 供檢波板14及16上的接地平面（未顯示）與導電外罩68間 的RF導電接合。在一組構中，導電墊86及8 8係銀鍍銅墊。

電壓檢波板14係裝設於墊86及開口端70之間，且電流 檢波板16係裝設於墊88及開口端72之間。埠28及30分別實 行代表由類比處理器24及26 (未顯示在圖3中）做的RMS 測量的DC信號。SMB連接器51及53實行經取樣的RF信號。 分別提供附加的連接器90及92以供應5伏特DC電源至板14 及16。輔助連接器94及96也許被用作測試用，或連接器94 及90以及它們在基體68對應的孔98及100也許一起被省略

導電外罩68的一組構的截面立體圖係顯示於圖4中。 圖4的看法係自導電外罩68的內側向正面80看。（向正面 7 8的看法基本上將是一樣的）。墊8 6 (顯示在圖3中）係 裝設在表面106及112上，同時墊88係裝設在表面1 14及1 16 上。表面106，112，114及11 6延伸於正面78及正面80之間 。環繞匯流排18之電介質材料1〇2的緊緊地適於表面丨08及 1 1 0之間。 在各種組構中，本發明提供以低成本，小型的探針頭 感測器在經取樣的傳輸線上與電及磁場成正比的DC信號 ’使用者可應用至半導體室以監視或控制RF電壓及/或電 流。因爲對於與探針頭1〇中的RF信號真正的RMS値成正比 -12- 1229353 (9)

的DC信號而言非經程式化的處理器亦非類比至數位轉換 係需要的，群組延遲因爲RMS轉換係使用類比電路達成的 關係而顯著地減少。帶通濾波器及衰減器減少自諧波源的 信號混雜。結果，使用探針頭10的組構之電漿監視及控制 系統展示較對於RMS決定需要外部電路或外部數位電路有 經改進的反應時間。較高的RF功率及其它探針頭頻率反應 可，例如，由對於經感測的RF信號提供適當的帶通濾波器 及衰減器組合而快速地容納。此外，探針頭1 0的組構可被 方便地裝設於電漿室上。 發明的說明在本質上僅是示範且，因此，不違背發明 的主旨之變化係想要成爲在發明的範圍內。此變化將不被 視爲違背發明的精神及範圍。 圖式簡單說明 本發明自詳細說明及附圖將變得更加易於了解，其中

圖1是RF探針頭的一組構的方塊圖； 圖2是相比較器印刷電路板的方塊圖；以及 圖3是顯示RF探針頭的部分組件之透視圖。 圖4是自外罩的內側圖3的導電外罩的組構的截面立體 圖。 符號說明 10 射頻信號探針頭 -13- 導電圍場 電壓檢波板 電流檢波板 匯流排 連接器 連接器 第一類比處理器 第二類比處理器 埠 埠 類比RMS轉換器 類比RMS轉換器 第一帶通濾波器 第一低通濾波器 第二帶通濾波器 第二低通濾波器 緩衝放大器 緩衝放大器 第一經取樣的RF信號 第二經取樣的RF信號 SMB連接器 SMB連接器 相比較器印刷電路板 相差信號 -14- 1229353 (11) 55 同步 57 同步 59 同步 66 負載 104 數位 5 8 經控 60 差異 62 RF傳 56 阻抗 64 數位 68 導電 1 〇 〇 電介 70 弟一 72 第二 74 第一 76 第二 78 導電 80 導電 82 中央 84 中央 86 導電 88 導電 90 連接 9 2 ^ 連接 化轉換器 化轉換器 化轉換器 信號處理器 制的頻率源 頻率 輸線 電路 轉換器 外罩 質材料 末端 末端 導電板 導電板 外罩的對面 外罩的對面 導體 導體 墊 墊 器 器

-15- 連接器 連接器 孔 孔 表面 表面 表面 表面 表面 表面 -16-

Claims (1)

1. (1) 1229353 拾、申請專利範圍 1 . 一種在經取樣的傳輸線中測量RF信號的電壓及電 流之射頻信號（RF )探針頭裝置，該探針頭裝置包含： 導電外罩； / 導電外罩內之匯流排； 一對裝在該導電外罩上組構以使RF信號經由該匯流排 進出該外罩的連接器； 電壓檢波板於該外罩內，該電壓檢波板具有反應繞著 該匯流排之電場以產生表示該電場的平方根（RMS )値之 第一 DC輸出的第一類比處理器；以及 電流檢波板於該外罩內，該電流檢波板具有反應繞著 該匯流排之磁場以產生表示該磁場的RMS値之第二DC輸出 的第二類比處理器。 2·根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該第二類比 處理器包含類比RMS轉換器。. 3.根據申請專利'範圍第1項之裝置，其中該第·一類比 處理器包含類比RMS轉換器。 4·根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該第二類比 處理器包含類比RMS轉換器。 5 ·根據申請專利範圍第4項之裝置，其中該第一類比 處理器進一步包含反應代表該電場之電信號的第一帶通濾 波器’ g亥桌一帶通濾波器具有親合於該第一類比RMS轉換 器的輸出，以及反應該第一類比RMS轉換器的輸出以產生 代表該電場的第一電信號之第一低通濾波器；以及 -17- (2) (2)1229353 口 :^弟一·類比處理益進一步包含反應代表該磁場之電信 號的第二帶通濾波器，且該第二帶通濾波器具有耦合於該 第一類比R M S轉換器的輸出，以及反應該第二類比r μ S轉 換器的輸出以產生代表該磁場的第二電信號之第二低通濾 波器。 6·根據申請專利範圍第5項之裝置，進一步包含反應 該第一電信號以產生第一經緩衝電信號的第一緩衝區以及 反應該第二電信號以產生第二經緩衝電信號的第二緩衝區 〇 ** 7 ·根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該電壓檢波 板係組構以在該匯流排上產生與RF信號的RMS電壓成正比 的該第一BC輸出5且該電流檢波板係組構以在該匯流排 上產生與RF信號的RMS電壓成正比的該第二DC輸出。 8. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該電壓檢波 板係耦合至該電場以產生第一經取樣的RF信號，且該電流 檢波板係耦合至該磁場以產生第二經取樣的RF信號，且進 一步包含反應該第一經取樣的RF信號及該第_二經取樣的 RF信號的相比較器以產生表示該第一經取樣的RF信號及 該第二經取樣的RF信號間的相差之信號。 9. 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中該第一經取 樣的RF信號及該第二經取樣的RF信號係提供在該外罩上 的外部RF連接器，且該相比較器係裝設至該外罩外側的該 外部RF連接器。 10. 根據申請專利範圍第8項之裝置，進一步包含反- -18- (3) 1229353 應表示該相差，該第一 D C輸出，及該第二d C輸出的該信 號以產生表示應用RF信號至負載的阻抗之信號及應用至負 載的RF信號之功率量之功率及阻抗電路。 1 1 ·根據申請專利範圍第8項之裝置，進一步包含組 構以測量RF信號的頻率之數位信號處理器。 1 2 .根據申請專利範圍第1項之裝置，電耦合至電漿 室。

   13.根據申請專利範圍第12項之裝置〃裝設於電漿室 14. 一種在經取樣的傳輸線中偵測RMS電及磁場之射 頻（RF)探針頭，該探針頭包含： 導電外罩…-對組構以經由該外罩耦合RF信號之RF 埠；

   於該外罩內組構以產生與由該導電外罩內之該RF信號 產生之電場的平方根（RMS.)値成正比之第一 DC輸出且產 生與由該導電外罩內之該RF信號產生之磁場的RMS値成正 比之第二DC輸出之電路；以及 一對組構以耦合該第一 DC輸出及該第二DC輸出離開 該導電外罩之埠。 1 5 .根據申請專利範圍第14項之探針頭，其中該電路 包括組構以減少應用至該探針頭之RF信號的諧波之濾波器 1 6 .根據申請專利範圍第1 4項之探針頭，其中該導電 外罩包含具有第一開口端及對側開口端之中空體’覆盡5亥 -19- (4) (4)1229353 第一開口端之第一板以及覆蓋該第二開口端之第二板；該 對RF埠包含一對連接器在該中空體的對面具有由該外罩內 側的匯流排電連接的中央導體；且該電路包含裝設在該外 罩內側於該匯流排及該第一板間的電壓檢波板，以及裝設 在該導電外罩內側於該匯流排及該第二板間的電流檢波板 〇 17· —種以RF探針頭測量射頻（RF )功率之方法， 包含： 使RF功率通過具有導電外罩之RF探針頭； 於導電外罩內感測由RF功率產生的電及磁場以產生代 表電場之第一電信號及代表磁場之第二電信號·；以及 處理第一電信號及第二電信號以產生代表電場的平方 根（RMS)値之第一DC輸出及代表磁場的RMS値之第二DC 輸出； 其中該處理完全在導電外罩內發生。 18·根據申請專利範圍第17項之方法，其中該處理係 完全以類比電路執行。 1 9 .根據申請專利範圍第1 7項之方法，其中該處理包 括第一電is號及第二電信號的濾波以移除通過R F探針頭的 RF功率的諧波。 2 0.根據申請專利範圍第1 9項之方法，其中該處理係 完全以類比電路執行。 -20-