專利名稱：檢測傳遞到負(fù)載的rf功率以及該負(fù)載的復(fù)數(shù)阻抗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開的實施方案總地涉及功率和阻抗測量領(lǐng)域。
2.相關(guān)技術(shù)描述 在典型的RF等離子體發(fā)生器方案中，高功率RF源(RF功率發(fā)生器(power generator))以已知頻率產(chǎn)生RF信號，所述RF信號沿動力管道被提供給等離子體腔。典型地，在RF功率發(fā)生器和等離子體腔之間存在嚴(yán)重的阻抗失配。因此，常規(guī)地，在RF功率發(fā)生器和等離子體腔之間插入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
由于等離子體腔的非線性以及在線路和/或阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的損耗，完整的RF信號不能到達(dá)等離子腔。因此，常規(guī)地，在到等離子體腔的功率輸入處采用探測器(probe)來檢測RF信號的電壓和電流。通過精確地測量電壓和電流，使用者可以獲得更好的對等離子體品質(zhì)的指示，以及對硅晶片或等離子體腔中其他器件的蝕刻特性的更好的控制。
已經(jīng)提出了檢測RF波的電壓和電流的常規(guī)方法。例如，授予Gerrish等人、專利號為RE 38,273的美國再頒專利描述了在到等離子體腔的輸入處使用采樣探測器來檢測等離子體RF電壓和電流。電壓和電流RF信號與另一信號(例如與主信號相差在0.2KHz到20KHz之間的信號)混合以產(chǎn)生外差信號。隨后，使用快速傅立葉變換(FFT)算法來處理該外差信號，以計算電壓和電流幅值，以及相關(guān)的相角信息。
授予Keane、專利號為5,565,737的美國專利描述了在到等離子體腔的輸入處使用混疊采樣器探測器(aliasing sampler probe)來檢測等離子體RF電壓和電流。所述采樣器探測器使用具有比RF基頻低的采樣頻率的取樣信號。所述采樣頻率是通過將基頻與獨立于該基頻的混疊頻率求和，并且將該和除以一正整數(shù)來確定的。
上述方法和系統(tǒng)的一個問題在于，由于RF功率發(fā)生器(或其他部件)和等離子體腔之間的阻抗失配，RF功率發(fā)生器生成的信號可能嚴(yán)重衰減。當(dāng)在RF功率發(fā)生器的輸出和等離子體腔的輸入之間使用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)時發(fā)生另一個問題。在這種情況下，由于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的調(diào)節(jié)，和/或在連接于RF功率發(fā)生器的輸出和等離子體腔的輸入之間的部件和電路中的損耗，傳遞到等離子體腔的RF功率可能改變。因此，RF功率發(fā)生器的輸出可能由于RF功率發(fā)生器的控制回路(control loop)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的控制回路之間的相互作用而變得不穩(wěn)定。此外，使用獨立于RF基頻的混疊頻率可能導(dǎo)致不一致的(non-uniform)采樣信號。
所提出的其他系統(tǒng)包括在授予Mavretic、專利號為6,046,594的美國專利中描述的以一組諧波頻率來測量電源和負(fù)載之間的電氣特性(例如電流、電壓、相位等)以確定關(guān)于該負(fù)載的信息(例如負(fù)載阻抗、功率消耗等)的方法和裝置。如該專利中所描述的，第一電路檢測電源和負(fù)載之間的信號的一組電氣特性；第二電路在與所述信號相關(guān)聯(lián)的諧波頻率提供代表所述一組電氣特性的數(shù)據(jù)；而第三電路接收所述數(shù)據(jù)，并且確定關(guān)于所述負(fù)載在所述諧波頻率的信息。然而，這樣的系統(tǒng)要求在特定諧波頻率進(jìn)行濾波。雖然這可以提供在該特定諧波頻率的信息，但是在基頻或在其他諧波頻率的信息可能不是使用這樣的系統(tǒng)可獲得的。
因此，所需要的是用于在這樣的位置處對檢測到的信號進(jìn)行采樣的方法和系統(tǒng)，即在所述位置處所述信號被緊密地耦合到RF功率發(fā)生器的RF輸出，并且較少受在RF功率發(fā)生器和等離子體腔的輸入之間的RF路徑中的損耗的影響。
存在對這樣的方法和系統(tǒng)的需要，所述方法和系統(tǒng)用于以依賴于被檢測信號的基頻的采樣頻率對信號進(jìn)行采樣。
還存在對這樣的方法和系統(tǒng)的需要，所述方法和系統(tǒng)用于對被檢測信號進(jìn)行采樣，從而從該采樣過程中能夠獲得關(guān)于基頻以及一個或更多個諧波的信息。
本公開旨在解決一個或更多個上面所列舉的問題。


發(fā)明內(nèi)容
在描述本發(fā)明的方法、系統(tǒng)和材料之前，應(yīng)該理解本公開并不限于所描述的特定方法、系統(tǒng)和材料，因為這些可能改變。還應(yīng)該理解，說明書中所使用的術(shù)語僅用于描述特定形式或?qū)嵤┓桨傅哪康模⒉淮蛩阆拗品秶?br> 還必須注意，如在這里及所附權(quán)利要求書中所使用的，除非上下文中以其他方式明確地指示，否則單數(shù)形式“a”、“an”和“所述(“the”)”包括復(fù)數(shù)指代。因此，例如，指代“負(fù)載”(a“l(fā)oad”)是指一個或更多個負(fù)載，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的等同物等等。除非以其他方式定義，否則本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所普遍理解的含義相同。盡管在實踐和測試實施方案時可以使用任何與本文中所描述的方法、材料和設(shè)備類似或等同的方法、材料和設(shè)備，現(xiàn)在所描述的是優(yōu)選的方法、材料和設(shè)備。本文中所提及的所有公開內(nèi)容均通過引用被包括。因此本文中的任何內(nèi)容均不被解讀為承認(rèn)本文所描述的實施方案不具有由于在先發(fā)明而比這些公開內(nèi)容要早的日期。
在實施方案中，一種檢測負(fù)載的一種或更多種特性的方法可以包括在RF功率發(fā)生器的輸出處檢測具有基頻的信號的一種或更多種特性，以采樣頻率對所述信號的所述一種或更多種特性進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生數(shù)字采樣信號(digital sampled signal)，以及確定負(fù)載的一種或更多種特性。所述采樣頻率可以基于被檢測信號的所述基頻的函數(shù)來確定。所述負(fù)載可以與所述RF功率發(fā)生器聯(lián)通(in communication with)。
在實施方案中，一種用于確定負(fù)載的一種或更多種特性的系統(tǒng)可以包括RF功率發(fā)生器，與所述RF功率發(fā)生器聯(lián)通的負(fù)載，連接到所述RF功率發(fā)生器的輸出的檢測裝置，與所述檢測裝置聯(lián)通的模數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器，以及與所述A-D轉(zhuǎn)換器聯(lián)通的數(shù)字信號處理器(DSP)。所述檢測裝置可以檢測信號的一種或更多種特性。所述A-D轉(zhuǎn)換器可以將所述信號的所述一種或更多種特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。所述DSP可以從所述信號的所述一種或更多種特性的數(shù)字形式確定所述負(fù)載的一種或更多種特性。



參照下面的描述、所附權(quán)利要求書及附圖將清楚本文中所描述的實施方案的方面、特征、益處和優(yōu)點，其中 圖1根據(jù)實施方案描繪示例性的使用電壓和/或電流檢測裝置檢測到的信號(detectedsignal)。
圖2根據(jù)實施方案描繪從圖1的所述檢測到的信號采樣的示例性信號。
圖3根據(jù)實施方案描繪用于檢測和處理電路的示例性系統(tǒng)的框圖。

具體實施例方式 RF發(fā)生器可以被用來向負(fù)載傳遞RF功率。在實施方案中，RF發(fā)生器可以經(jīng)由同軸電纜直接向負(fù)載傳遞RF功率。在可替換的實施方案中，RF發(fā)生器可經(jīng)由變換網(wǎng)絡(luò)直接向負(fù)載傳遞RF功率。在本公開的范圍內(nèi)還可以使用其他直接或間接向負(fù)載傳遞功率的方式。
在實施方案中，負(fù)載可以包括等離子體腔、氣體管、電阻性負(fù)載，和/或包括電阻性和/或電抗性部件(例如電容器和/或電感器)的復(fù)合負(fù)載中的一種或更多種。在本公開的范圍內(nèi)還可以使用可附加的或可替換的負(fù)載設(shè)備。
電壓和/或電流檢測裝置(例如圖3中的305)可以被設(shè)置在要測量RF功率或阻抗的點處。例如，電壓和/或電流檢測裝置305可以被設(shè)置在RF發(fā)生器的輸出處、RF發(fā)生器內(nèi)，或者可以被設(shè)置在RF發(fā)生器和負(fù)載之間的任何點處。
信號特性(例如RF功率發(fā)生器傳遞的電壓和/或電流)可以通過電壓和/或電流檢測裝置305作為模擬信號被檢測到。在實施方案中，與在適當(dāng)電路中的其他位置處設(shè)置電壓和/或電流檢測裝置相比，在RF發(fā)生器的輸出處設(shè)置所述裝置可以導(dǎo)致更穩(wěn)定的檢測到的信號。在RF發(fā)生器的輸出處設(shè)置所述裝置可以包括(i)物理上與所述輸出接觸的位置；(ii)所述裝置與所述輸出電氣接觸的位置，其中在所述輸出和檢測裝置的位置之間具有可忽略的線路損耗；以及(iii)這樣的位置，即其中總體線路損耗發(fā)生在RF發(fā)生器輸出和等離子體發(fā)生器輸入之間，并且檢測設(shè)備被設(shè)置在從RF發(fā)生器輸出到等離子體發(fā)生器輸入的線路損耗不多于總體線路損耗的一半的位置處。圖1根據(jù)實施方案描繪示例性的使用電壓和/或電流檢測裝置檢測到的信號。
所述檢測到的信號可以被傳送到采樣電路，所述采樣電路例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(圖3中的310)。采樣電路310可以以采樣頻率對該電壓和/或電流信號進(jìn)行采樣，在實施方案中，采樣頻率可以小于所述檢測到的信號的基頻，并且可以是所述檢測到的信號的基頻的函數(shù)。
采樣頻率可以通過在被采樣信號的一個周期(period)內(nèi)選擇期望數(shù)量個采樣點來確定。例如，采樣點的數(shù)量可以被這樣選擇，即在被采樣信號的一個周期中采樣的總個數(shù)可被2n整除，其中n為非負(fù)整數(shù)。例如，如果n＝6，則每個被采樣信號的周期可以產(chǎn)生64個采樣點。在這樣的實施方案中，采樣頻率可以使用等式來確定，其中f0是檢測到的信號的基頻，而fs是采樣頻率。圖2根據(jù)實施方案描繪從圖1的檢測到的信號采樣的示例性信號。
采樣電路310可以被用于將例如模擬的電壓和/或電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字形式的、采樣后的(sampled)電壓和電流信號可以被傳送到數(shù)字信號處理器(DSP)315。在DSP 315中，可以使用所述采樣后的電壓和/或電流信號執(zhí)行算法(例如快速傅立葉變換(FFT)算法)。
在實施方案中，如果電壓和電流信號兩者均被采樣，則所述多個信號可以被提供給單個DSP(如圖3中所示)，或者被提供給兩個DSP(未示出)。如果使用兩個DSP，則可以在所述兩個DSP之間同步時鐘頻率和周期。在本公開的范圍內(nèi)還可以使用多于兩個的DSP。
所述一個或更多個DSP 315的輸出可以呈數(shù)字形式。在實施方案中，所述一個或更多個DSP 315的輸出可以包括采樣后的電壓和/或電流信號在一種或更多種頻率的幅度。在實施方案中，所述一個或更多個DSP 315的輸出可以包括兩個或更多個信號之間的相角。例如，所述一個或更多個DSP 315的輸出可以包括以下中的一種或更多種 |Vf0|＝在基頻的電壓幅度。
|If0|＝在基頻的電流幅度。
|Vf2|＝在二次諧波頻率的電壓幅度。
|If2|＝在二次諧波頻率的電流幅度。
|Vf3|＝在三次諧波頻率的電壓幅度。
|If3|＝在三次諧波頻率的電流幅度。
θVf0-If0＝在基頻，電壓和電流之間的相角。
θVf2-If2＝在二次諧波頻率，電壓和電流之間的相角。
θVf3-If3＝在三次諧波頻率，電壓和電流之間的相角。
通過所述一個或更多個DSP可以確定可附加的和/或可替換的幅度和/或相角。
基于所述一個或更多個DSP 315的輸出，可以確定以下值中的一種或更多種 PD＝在基頻傳遞到所述負(fù)載的功率。
PF＝在基頻，負(fù)載處的前向功率。
PR＝在基頻從負(fù)載反射的功率。
|Zf0|＝負(fù)載阻抗在基頻的幅值。
Zf0＝負(fù)載阻抗在基頻的復(fù)數(shù)形式。
Zch＝等離子體腔輸出處的阻抗的復(fù)數(shù)形式?？梢曰赯f0以及在RF功率發(fā)生器和到等離子體腔的輸入之間的連接的長度和特性阻抗來計算該阻抗。如果在RF功率發(fā)生器和到等離子體腔的輸入之間使用了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，則還需要關(guān)于包括該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的組件的值的額外信息。
類似地，還可以使用由所述一個或更多個DSP 315生成的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行功率和阻抗計算。例如，可以針對一個或更多個諧波頻率確定功率和阻抗計算。可附加的和/或可替換的功率和/或阻抗計算可以由所述一個或更多個DSP 315來確定。
使用FFT算法來測量RF功率和阻抗的一個優(yōu)點可能在于，F(xiàn)FT算法可以分離其他頻率對所關(guān)注頻率的影響。結(jié)果，可以導(dǎo)致更高的測量精度。
上面所確定的功率和/或阻抗測量中的一種或更多種可以被用來確定在例如半導(dǎo)體制造工藝中的工藝相關(guān)信息。在實施方案中，在基頻和/或一個或更多個諧波頻率的功率和阻抗可以被用于確定與半導(dǎo)體制造工藝相關(guān)的信息。在實施方案中，混合頻率可以被可附加地或可替換地用于確定與半導(dǎo)體制造工藝相關(guān)的信息。
在實施方案中，一種或更多種功率和/或阻抗測量值隨時間的改變可以被用于確定制造工藝的改變。在實施方案中，一種或更多種功率和/或阻抗測量值隨時間的改變可以被用來表征負(fù)載。在本公開的范圍內(nèi)，可以使用上面描述的信息來進(jìn)行可替換和/或可附加的操作。
應(yīng)該意識到，上面公開的各種特征和功能，以及其他特征和功能或者其替換，可以以期望的方式組合到很多其他不同的方法、系統(tǒng)或應(yīng)用中。還應(yīng)該意識到，本領(lǐng)域技術(shù)人員之后可以做出本發(fā)明的各種當(dāng)前不可預(yù)見或不可預(yù)料的替換、修改、變體或改進(jìn)，所述替換、修改、變體或改進(jìn)也要被包括在所附權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種檢測負(fù)載的一種或更多種特性的方法，所述方法包括
在射頻(RF)功率發(fā)生器的輸出處檢測第一信號的一種或更多種特性，其中所述第一信號呈現(xiàn)基頻；
以采樣頻率對所述第一信號的所述一種或更多種特性進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生數(shù)字采樣信號，其中所述采樣頻率是基于所述第一信號的所述基頻的函數(shù)確定的；以及
從所述數(shù)字采樣信號確定負(fù)載的一種或更多種特性，其中所述負(fù)載與所述RF功率發(fā)生器聯(lián)通。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一信號的所述一種或更多種特性包括以下中的一種或更多種
電壓；以及
電流。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述采樣頻率是基于形式為
的函數(shù)確定的，
其中n是非負(fù)整數(shù)，而f0是所述第一信號的所述基頻。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從所述數(shù)字采樣信號確定負(fù)載的一種或更多種特性的操作包括使用數(shù)字信號處理器從所述數(shù)字采樣信號確定負(fù)載的一種或更多種特性。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中負(fù)載的所述一種或更多種特性包括以下中的一種或更多種
所述負(fù)載電壓在所述基頻的幅度；
所述負(fù)載電壓在所述基頻的諧波的幅度；
所述負(fù)載電流在所述基頻的幅度；
所述負(fù)載電流在所述基頻的諧波的幅度；
在所述基頻，所述負(fù)載電壓和所述負(fù)載電流之間的相角；以及
在所述基頻的諧波，所述負(fù)載電壓和所述負(fù)載電流之間的相角。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中負(fù)載的所述一種或更多種特性包括以下中的一種或更多種
在所述基頻傳遞到所述負(fù)載的功率；
在所述基頻的諧波傳遞到所述負(fù)載的功率；
在所述基頻，所述負(fù)載處的前向功率；
在所述基頻的諧波，所述負(fù)載處的前向功率；
在所述基頻從所述負(fù)載反射的功率；
在所述基頻的諧波從所述負(fù)載反射的功率；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的幅值；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的諧波的幅值；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的復(fù)數(shù)形式；以及
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的諧波的復(fù)數(shù)形式。
7.一種用于確定負(fù)載的一種或更多種特性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
射頻(RF)功率發(fā)生器；
與所述RF功率發(fā)生器聯(lián)通的負(fù)載；
位于所述RF功率發(fā)生器的輸出處的檢測裝置；
與所述檢測裝置聯(lián)通的模數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器；以及
與所述A-D轉(zhuǎn)換器聯(lián)通的數(shù)字信號處理器(DSP)，
其中所述檢測裝置檢測第一信號的一種或更多種特性，其中所述A-D轉(zhuǎn)換器將所述第一信號的所述一種或更多種特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，其中所述DSP從所述第一信號的所述一種或更多種特性的所述數(shù)字形式確定所述負(fù)載的一種或更多種特性。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括等離子體腔。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括氣體管。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括電阻性負(fù)載。
11.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括一個或更多個電抗性部件。
12.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述第一信號呈現(xiàn)基頻。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述A-D轉(zhuǎn)換器包括采樣裝置，所述采樣裝置具有形式為
的采樣頻率，其中n為非負(fù)整數(shù)，而f0是所述基頻。
14.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)載的所述一種或更多種特性包括以下中的一種或更多種
所述負(fù)載電壓在所述基頻的幅度；
所述負(fù)載電壓在所述基頻的諧波的幅度；
所述負(fù)載電流在所述基頻的幅度；
所述負(fù)載電流在所述基頻的諧波的幅度；
在所述基頻，所述負(fù)載電壓和所述負(fù)載電流之間的相角；以及
在所述基頻的諧波，所述負(fù)載電壓和所述負(fù)載電流之間的相角。
15.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中負(fù)載的所述一種或更多種特性包括以下中的一種或更多種
在所述基頻傳遞到所述負(fù)載的功率；
在所述基頻的諧波傳遞到所述負(fù)載的功率；
在所述基頻，所述負(fù)載處的前向功率；
在所述基頻的諧波，所述負(fù)載處的前向功率；
在所述基頻從所述負(fù)載反射的功率；
在所述基頻的諧波從所述負(fù)載反射的功率；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的幅值；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的諧波的幅值；
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的復(fù)數(shù)形式；以及
所述負(fù)載阻抗在所述基頻的諧波的復(fù)數(shù)形式。
16.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括
與所述RF功率發(fā)生器和所述負(fù)載聯(lián)通的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
公開了檢測負(fù)載的一種或更多種特性的方法系統(tǒng)。可以在射頻(RF)功率發(fā)生器的輸出處檢測第一信號的一種或更多種特性。所述第一信號可以具有基頻?？梢砸圆蓸宇l率對所述第一信號的所述一種或更多種特性進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生數(shù)字采樣信號。所述采樣頻率可以基于所述第一信號的所述基頻的函數(shù)被確定。可以從所述數(shù)字采樣信號確定與所述RF功率發(fā)生器聯(lián)通的所述負(fù)載的一種或更多種特性。
文檔編號G01R23/16GK101151542SQ200680001872
公開日2008年3月26日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月11日
發(fā)明者伊姆蘭·艾哈邁德·布塔 申請人:億諾維新工程股份有限公司