TWI403726B - 用於分析半導體電漿產生系統中之電力潮流之系統及方法 - Google Patents

Description

用於分析半導體電漿產生系統中之電力潮流之系統及方法 【相關申請案之交互參考】

本申請案係主張申請於2005年6月10號美國臨時申請案序號第60/689769號之利益。

本發明基本上係有關於射頻(RF)傳輸系統中之電力潮流(power flow)之量測，特別是關於用於半導體電漿產生器之射頻式激發系統中量測電壓和電流信號基本和諧振(harmonic)振幅和相位關係之關聯性的系統和方法。

應用於處理半導體晶圓之射頻電漿反應器需要大量射頻電力。基本上，此等技術牽涉到運用電力於處理電漿之啟動和維護。電漿和導入氣體以及標的物與晶圓表面交互作用以產生所需之結果。

由於半導體裝置之複雜性愈來愈高，對於其生產製程嚴密之控管日趨重要。為了達成新式電漿處理製程較嚴格之控制，其需要取得更多在實際運作狀況下關於射頻電壓和電流信號之資訊。此通常藉由在電力傳輸路徑中插入適當的電壓電流探針(V－I probes)以量測導入電漿產生系統中電力之基本和諧振信號。

習知技術之人士已經體認到射頻電壓與電流信號之基本與諧振振幅和相位角度之關係，係半導體晶圓生產期間製程效能變異性之主要原因。由於電漿製程之非線性，將會感應出基本射頻激發頻率之諧振，即使負載顯現可以和基本頻率匹配。因此，傳送至電漿製程之總電力包含基本和諧振頻率電力位準之總和。已知電漿製程工具通常使用二種或多種射頻信號頻率以增強製程效能和良率。然而，因為整體電力潮流導入調變間頻率分量之緣故，將二或多種激發頻率導入電漿產生系統易於增加製程之不確定性。

關於電漿製程電力潮流有許多習知技術，諸如揭示於編號5,523,955和5,273,610之美國專利。舉例而言，美國專利第5,523,955號揭示插入於電力傳輸路徑用於感測射頻信號之一種量測探針。其感測信號隨之被用來間接地得到用於計算相對於原始感測信號之相位角資訊之交流(AC)信號。然而，在本發明之前，能夠精確且穩定地直接量測射頻電壓和電流信號之基本和諧振頻率內容之相關相位角資訊之技術並未為習知技術之人士所習知。

因此，需要提出一種用於量測和分析基本信號頻率和基本頻率之諧振間關鍵振幅和相位角關聯性之系統和方法。關於射頻激發信號頻率內容之資訊因此可受監測以調整和控制通過處理室(processing chamber)之電力潮流，進一步增進生產良率，並使得電漿製程更易於控制和可重複。

雖然本發明係以用於分析半導體電漿產生器之電力潮流的系統和方法之形式呈現，習知技術者應能理解本發明亦可以應用於其他各種不同的電力傳輸系統，其中包含但不限於磁能共振影像系統(MRI)和諸如感應式和介電式加熱系統等工業用加熱系統。例如，對於MRI系統，諧振振幅和相位資訊之分析可以用來控制和調整不同負載(譬如病患)狀況下傳輸信號之磁能共振。關於工業用加熱系統之應用，諧振振幅和相位資訊之分析可以用來控制和調整工作部件及/或製程工具之電力潮流以增進製程之效能。

一種用於量測射頻(RF)電力傳輸系統內電力潮流之量測探針，其包含一電壓感測器和一電流感測器，該電壓感測器和電流感測器連接至一量測接收器以接收和量測射頻電壓和電流信號。射頻電壓和電流信號被轉換為射頻波形之數位式表示，經由直接轉換或是利用取樣式頻率轉換器，其在數位轉換之前先將射頻電壓和電流信號變成固定的中介頻率(intermediate frequency；IF)。射頻信號的數位式表示包含主要和諧振振幅和相對於原始射頻信號之相位資訊。數位信號處理電路管理資料擷取、數學轉換、信號濾波器、比例縮放、和產生用於外部製程控制之數學上可改變之類比輸出。同時，前述電路擷取每一原始射頻信號有關基本和諧振振幅和相位成份之資訊。提供一通用序列匯流排(USB)及/或乙太網路(Ethernet)連接以將量測接收器連接至用於進一步數值和圖形分析之外部電腦。

此外亦揭示一種用於量測和分析射頻傳輸系統中之電力潮流參數之方法，其中複數個量測探針插入於電力傳輸路徑中以決定其阻抗匹配(impedance match)、插入減損(insertion loss)、和電力潮流。該等網路式探針可提供二連接埠之量測，並可以用來決定輸入阻抗、輸出阻抗、插入減損、內部耗損、電力潮流效率、散射(scattering)、以及射頻信號上之電漿非線性效應。在本發明之一示範性實施例中，單一量測接收器被用來自數個探針擷取資料，其中該等來自數個探針之資料被饋入一外部電腦以進行後處理。在另一示範性實施例中，多個量測接收器分別連接至每一探針，藉此得以進行系統資料之”即時”處理。

本發明上述和更多其他目的、特徵、和優點在配合所附圖式和申請專利範圍檢視以下示範性實施例詳細說明之後將趨於明白。

參見例示本發明基本概念之圖式，第一圖係一概略方塊圖，其例示一種在一射頻式激發系統中用於量測基本和諧振振幅和相位間關聯性之系統。一或多個交流電源2產生交流電壓和電流信號，其經由射頻傳輸線4透過一匹配網路(matching network)5被傳送到一工具夾盤(tool chuck)40，譬如其可以是一半導體電漿反應器。基於本揭示之目的，所謂"傳輸線"之意義係涵蓋所有習知或未來用於傳送電氣信號之裝置，其包含但不限於同軸纜線、波導(waveguide)、微帶線(microstrip)、雙絞線(twisted－pair)、銅質線、及其他類似物。

匹配網路5將電漿之複合阻抗轉換為可以匹配產生器在其基本頻率之特性負載阻抗。一量測探針8被插入電力傳輸通道之中以量測經由射頻傳輸線4傳送之電壓和電流信號。量測探針8係一高電力元件，其包含一電壓感測器10和一電流感測器12，分別用於感測電壓和電流信號。電壓感測器l0和電流感測器12連接至射頻傳輸線4之中心導體，藉由此連接，該等感測器之外殼本身變成傳輸線外部導體的一部分。

探針8連接至一包含射頻連接器輸入通道1oa和12b之接收器14，其分別用以接收來自電壓和電流感測器10和12之電壓和電流信號。接收器14同時亦包含一數位介面(未顯示於圖中)用以上載儲存於探針外殼內之溫度讀數和校準資料，以使得個別之阻抗探針可利用儲存於探針外殼內之校準資料加以校準。

以下參見第二圖，量測探針8之電流感測器12包含一剛硬同軸傳輸線之單迴路，其和探針8之中心導體102和相關傳輸線4互相平行。電流感測器12之外部導體被修改為法拉第防護體(Faraday Shield)，以消除外部之電容耦合並使得僅有互相耦合之射頻電流產生一輸出電壓。電流感測器迴路12一端之電壓以一種該技術領域習知之方式連接至量測接收器介面以量測經由傳輸線4傳送之電流信號。

仍參見第二圖，電壓感測器10通常包含一圓盤，該圓盤電容式地連接至探針8之中心導體102。電壓感測器10連接至傳輸線之輸入端，其又連接至量測接收介面以接收和量測來自傳輸線4之射頻電壓信號。

在本發明之一示範性實施例中，介於探針外殼101和中心導體102間之中空區域可用一介電材料填充以提高其崩潰電壓(breakdown voltage)而使得量測探針8足以承受超過7500伏特峰值之電壓位準。中心導體102和外殼101之尺寸可以被調整以使得線段之特性阻抗大約為50歐姆。

為了維持探針感測器10和12量測結果之精確性，中心導體102和外部導體/外殼101之溫度被持續監測，且對於感測器校準係數之細微調整持續進行以校正由中心導體102之熱度導致之感測器耦合性無可避免之改變。

每一探針8均有一校準程序，其決定該元件操作頻率範圍之精確電流和電壓耦合係數和其間之相位角。校準程序期間，中心導體102和外部導體/外殼101之溫度被記錄。此校準資料或資訊以數位形式儲存於探針組成內部，並於每次探針8接觸量測接收器14時被取出。因此，多個量測探針8可以共用單一量測接收器14，因為局部儲存之溫度讀數和校準資料於每次探針和接收器接觸時均會重新載入。除了分別校準各個探針，連接之傳輸線同時分別被校準。傳輸線之校準資料儲存於傳輸線組成本身內部。在我們舉出之示範性實施例中，傳輸線組成由二射頻纜線和一資料纜線所組合而成。一數位記憶體晶片位於該資料纜線連接器內部，使得來自傳輸線組成之校準資料可以儲存於傳輸線組成本身內部。量測接收器用於經由一數位介面下載來自傳輸線和探針外殼之校準資料。以此種方式，本發明之校準程序使得每一部件得以分別校準。獨立之校準程序具有系統內各部件可互相交換之優點，毋須執行系統之整體重新校準。

系統運作之時，中心導體102之溫度持續以一紅外線溫度計105監測，且其讀數與外部導體/外殼101之溫度作比較。由於中心導體102相對於外部導體/外殼101之尺寸和間隔變化造成之溫度差異被用來進行對於電壓和電流耦合係數之調整。同時，關於探針組件之寄生電抗值可一併被判定。校準程序同時亦調整量測阻抗資訊以彌補探針之寄生電抗。

以下轉參見第三A圖和第三B圖，接收自電壓和電流感測器10和12之電壓和電流信號亦同樣地被處理。該等電壓和電流信號分別藉由電壓通道10a和電流通道12b彼此互相隔絕。由於操作頻率變化造成信號位準之大幅波動，一主動式等化器(equalizer)13以具有電容式回授之寬頻操作放大器形式置於電壓和電流感測器10和12之間。等化器13”整合”電壓和電流信號以補償電壓和電流感測器10和12之”變化率”響應。在一示範性實施例之中，等化器之輸出端連接至取樣式(sampling－based)頻率轉換器15以使得測試信號在數位轉換之前處於一固定之中介頻率(intermediate frequency；IF)。在另一實施例中，等化器13之輸出端可直接連接至可變增益級(variable gains stages)18和用於數位轉換之類比/數位轉換器(A/D converters)20。

如第三A圖所示，一選用之取樣式頻率轉換器15可用以轉換射頻信號及其諧振至遠較其為低之IF頻率，其相容於現存之高解析類比至數位轉換器技術之頻寬限制。在此實施例之中，一對取樣閘16係一零階維持電路，其擷取射頻信號之一小段取樣並維持該取樣值直到下一個取樣點。取樣閘由一大約300微微秒(picoseconds)寬之狹小脈衝所關閉。該取樣閘關閉期間，射頻信號電壓被記錄於一取樣電容中。取樣放大器17用以緩衝取樣電容之電壓使其位準於各取樣間得以維持。該取樣器之頻寬足夠，使得在大約1000MHz(百萬赫茲)內之信號也不至於顯著影響其相位。可預測延遲相關之相位位移可於數位信號處理電路22中校準。參見第三A圖和第三B圖，IF信號之相位被鎖住於類比/數位轉換器20之轉換周期，以使得複數個取樣可於IF之最高適用諧振被擷取。依據本發明之一示範性實施例，IF最高通用諧振的每一周期恰被擷取四次取樣。在一較佳實施例中，取樣率被計算以使得重現於IF頻率之射頻波形將相對之相位關聯性維持於基本信號頻率和該基本信號頻率的諧振之間，並保持基本操作頻率之大約十五個諧振。

使用一取樣式頻率轉換器之優點在於僅需要一局部振盪器之頻率自1.95MHz移至2.1MHz以涵蓋電漿產生器之所有代表性頻率2、13.56、27.12、60、和162MHz。此外，取樣式頻率轉換器相對於傳統之混合式頻率轉換器而言一般在最高頻寬具有最簡單之架構。

然而，由於取樣式轉換同時將所有信號轉變於輸入射頻頻寬之內，對於使用多重激發信號頻率之系統並不完全適當。多重激發頻率之情況，可利用奈奎斯式取樣(Nyquist sampling)。其概念亦在於包含一奈奎斯式取樣率類比至數位轉換器和一帶通(band－pass)取樣式類比至數位轉換器之結合以進行射頻電壓和電流信號之取樣和數位化。奈奎斯式取樣在最高頻率對每一周期會取得至少二次取樣。一旦信號數位化之後，數位信號處理電路22將進行更多信號處理，包括資料擷取管理、數學轉換、濾器、比例縮放、以及產生外部控制系統之數學性可轉變類比輸出。一高速通用序列匯流排或乙太網路連接埠24用來連接探針組成至一外部電腦21以進行更多數值和圖形分析。一對數位至類比轉換器26可用來接收來自數位信號處理器22之輸出以重建原始射頻電壓和電流波形。電源供應電路28自一外部直流電源產生所需之內部操作電壓。

以下參見第四A圖、第四B圖、和第四C圖，其顯示依據本發明一實施例產生之示範性波形。第四A圖顯示一示範性原始電壓波形，第四B圖顯示一示範性原始電流波形，而第四C圖則顯示一示範性原始功率波形。依據本發明，傅立葉轉換(Fourier Transform)被用來分離電壓和電流信號之基本頻率和諧振部位，以使得數位信號處理演算法可被用來校正個別頻率部位之振幅和相位。此方法排除探針感測器耦合響應中之瑕疵並移除與探針結構相關之寄生電抗。個別頻率部位之後可以適當之相位關係再次結合以重新產生原始之電壓和電流波形。數位信號處理區段之輸出結果包含每一頻率部位之電壓、電流、相位角、功率、和阻抗，以及波形資料。

使用多重探針之時，輸入和輸出阻抗和插入減損亦可以輕易地決定。一旦此雙連接埠阻抗參數被決定，所有其他雙連接埠參數即可被計算得出。例如，阻抗參數可轉換為導納值(admittance)或散射(scattering)參數。

以下參見第五圖，其顯示一方法以分析一射頻式激發系統，其中二或多個量測探針8a、8b、8c插入於射頻電力傳輸線4內之不同點以顯示該射頻激發系統中有關電力潮流參數之資訊。舉例而言，量測探針8a可以於產生器2和傳輸線4之間插入，量測探針8b可於傳輸線和匹配網路5之間插入，而探針8c則可以於匹配網路5和工具夾盤40之間插入。而後可結合網路式探針之輸出以顯示射頻激發系統部件間阻抗匹配和插入減損之資訊。

多重探針之量測係於主要和相關諧振信號頻率同時進行。網路式探針隨之探入以顯示代表電力施用路徑內各不同點電力潮流和阻抗位準之電壓、電流、和相位資訊。以此種方式，舉例而言，藉由計算二連接埠和該對探針相關之阻抗、導納、傳輸、及/或散射參數，傳輸線4、匹配元件5、連接器、和反應器電漿本身之特性可被定出。此等計算同時顯示基本激發頻率和諧振頻率每一部位之特性。例如，分別位於匹配網路之前和之後利用探針8b和8c之二連接埠量測可用來判定該射頻信號基本或諧振頻率之輸入或輸出阻抗(導納)、插入減損、內部耗損、和電力傳輸效率。位於匹配網路5和工具夾盤40之間利用探針8c之量測則可以用來重建射頻電壓和電流波形以觀測射頻信號之電漿非線性效應。

以上所述之示範性方法提供關於射頻激發信號基本和諧振振幅和相位間關聯性之關鍵資訊。工具正常運作期間任何功能區塊之錯誤或不正常運作均可透過此等資訊之監測而判定。此等探針於維護模式可定時檢視，且可藉由量測資料之分析以找出製程改善之機會。在一較佳實施例之中，量測探針被建立以分離電壓和電流信號並維持足夠之射頻頻寬以保留至少十五組最高測試(即激發)信號頻率之諧振，其中保留較多或較少組測試信號之諧振並未脫離本發明之範疇。

如上所述，可使用單一量測接收器以自多個探針取得資料，且來自該等多個探針之該等資料可饋入一外部電腦以進行後處理。多重量測接收器可分別連接至每一阻抗探針，藉此得以進行系統資料之”即時”處理。該等信號之處理可利用一外部電腦執行，其結果輸出並以一彈性之使用者控制格式顯示於顯示器23。

本發明透過其特定示範性實施例詳盡說明如上。然而，各種修改或變異均可在不脫離如以下申請專利範圍所定義之本發明之最寬廣之精神和範疇的情況下達成。

2．．．交流電源

4．．．射頻傳輸線

5．．．匹配網路

8．．．量測探針

8a－8c．．．量測探針

10．．．電壓感測器

10a．．．電壓通道

12．．．電流感測器

12b．．．電流通道

13．．．等化器

14．．．量測接收器

15．．．取樣式頻率轉換器

16．．．取樣閘

17．．．取樣放大器

18．．．可變增益級

20．．．類比/數位轉換器

21．．．外部電腦

22．．．數位信號處理電路

23．．．顯示器

24．．．高速通用序列匯流排或乙太網路連接埠

26．．．數位至類比轉換器

28．．．電源供應電路

40．．．工具夾盤

101．．．探針外殼

102．．．中心導體

105．．．紅外線溫度計

第一圖係例示本發明一實施例整體運作概念之概略方塊圖；第二圖係依據本發明一實施例之示範性探針組成之示意圖；第三A圖和第三B圖係例示實行本發明一方法之處理電路之概略方塊示意圖；第四A圖、第四B圖、和第四C圖係依據本發明一實施例產生之分別表示示範性電壓、電流、和功率波形之關係圖；以及第五圖係例示用於實行本發明一方法之多重探針網路之概略方塊圖。

2．．．交流電源

4．．．射頻傳輸線

5．．．匹配網路

8．．．量測探針

10．．．電壓感測器

10a．．．電壓通道

12．．．電流感測器

12b．．．電流通道

14．．．量測接收器

20．．．類比/數位轉換器

21．．．外部電腦

22．．．數位信號處理電路

23．．．顯示器

40．．．工具夾盤

Claims (20)

1. 一種用於分析射頻(RF)電力傳輸線中電力潮流之系統，其包含：一量測探針，其具有一電壓感測器和一電流感測器，以感測通過該傳輸線之射頻電壓和電流信號，該射頻電壓和電流信號具有波形；一量測接收器，連接至該電壓感測器和該電流感測器以接收該射頻電壓和電流信號；一取樣裝置，用於直接將該射頻電壓和電流信號轉換為數位信號，該數位信號包含表示該射頻電壓和電流信號之一基本頻率和該基本頻率特定數目諧振頻率之振幅和相位資訊；以及一數位信號處理裝置，用於將該振幅和相位資訊特徵化以分析電力潮流參數並顯示該基本頻率和該諧振頻率間之振幅和相位角關聯性；其中該數位信號處理裝置藉由利用有關該基本頻率和該諧振頻率間之相位角關聯性的資訊而在該相位角關聯性中將該諧振頻率再次結合，來重建該射頻電壓和電流信號的波形。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，更包含一數位至類比轉換器用以重建上述之射頻電壓和電流信號。
3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該量測探針和該傳輸線包含一數位儲存裝置以儲存分別來自該量測探針和該傳輸線之校準資料。
4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該量測接收器包含一數位介面以接收來自該量測探針和該傳輸線之該校準資料。
5. 如申請專利範圍第4項之系統，更包含連接至該數位信號處理裝置之電腦，以對該數位信號進行更多數值和圖形處理。
6. 如申請專利範圍第5項之系統，更包含一等化器以補償該射頻電壓和電流信號之波動。
7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中上述之取樣裝置包含一帶通取樣式類比至數位轉換器以對上述之射頻電壓和電流信號進行取樣。
8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該取樣裝置包含一奈奎斯式(Nyquist)取樣率類比至數位轉換器以對上述射頻電壓和電流信號進行取樣。
9. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該取樣裝置包含一奈奎斯式(Nyquist)取樣率類比至數位轉換器和一帶通取樣式類比至數位轉換器之組合以對該射頻電壓和電流信號進行取樣。
10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該特定數目之諧振頻率包含上述基本頻率之多達十五個諧振頻率。
11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該電力潮流參數包含輸入阻抗、插入減損、內部耗損、電漿非線性性質、電力潮流效率、散射、及其組合。
12. 一種分析射頻傳輸線中電力潮流之方法，其包含以 下步驟：連接至少一量測探針至該射頻傳輸線；經由該至少一量測探針自該射頻傳輸線接收射頻電壓和電流信號，該射頻電壓和電流信號具有波形；直接將該射頻電壓和電流信號轉換為對應之數位信號，該數位信號包含表示該射頻電壓和電流信號之基本頻率和該基本頻率特定數目諧振頻率之振幅和相位資訊；以及處理該數位信號以分析電力潮流參數並顯示該基本頻率和該諧振頻率間之振幅和相位角關聯性；其中有關該基本頻率和該諧振頻率間之相位角關聯性的資訊容許在該相位角關聯性中的該諧振頻率之再次結合，藉以重建該射頻電壓和電流信號的波形。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，在處理該數位信號之後，更包含以下步驟：將該數位信號轉換為類比信號以重建該射頻電壓和電流信號；以及將該數位信號傳送至一外部電腦以進行更多之數值和圖形處理。
14. 如申請專利範圍第13項之方法，在連接至少一量測探針之後，更包含自該至少一量測探針和該傳輸線儲存校準資料以及將該校準資料下載至一量測接收器的步驟。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，在將該校準資料下載之後，更包含交換該至少一量測探針之一者或二者及該 傳輸線之步驟，以及將來自該已交換之量測探針之一者或二者及該傳輸線之更新校準資料下載至該量測接收器。
16. 如申請專利範圍第15項之方法，在將該數位信號傳送至外部電腦之後，更包含以一使用者控制格式顯示該更多之數值和圖形處理之結果的步驟。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，在連接至少一量測探針之後，更包含以下步驟：將一射頻電源和一工具夾盤連接至該射頻傳輸線；將一匹配網路連接至介於該射頻電源和該工具夾盤間之該射頻傳輸線；連接介於該射頻電源和該匹配網路間之該量測探針至少一者，和連接介於該匹配網路和該工具夾盤間之另一該量測探針。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該電力潮流參數包含輸入阻抗、插入減損、內部耗損、電漿非線性性質、電力潮流效率、散射、及其組合。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中取樣頻率包含在該基本頻率之該最高特定諧振頻率的每一周期所擷取的至少二次取樣。
20. 如申請專利範圍第12項之方法，其中上述之特定數目諧振頻率包含上述基本頻率之多達十五個諧振頻率。