用于测量高温环境中的射频电功率的电压-电流探针及其校准方法与流程

本文所述的实施例总的来说涉及射频(rf)等离子体处理系统，且更具体而言，涉及用于测量高温环境中的rf电功率的电压-电流探针及其校准方法。

相关技术

在包括rf功率源、传输线以及负载(load)的射频(rf)系统中，可通过使传输线阻抗与源阻抗和负载阻抗这二者匹配来最大化传输线上的功率传输。如果这些阻抗无法紧密匹配，由rf功率源所提供的rf功率在传输线中以驻波的形式经反射回来朝向rf功率源。结果，最大rf功率无法被传输到负载，并且有效地耗损了经反射的功率，其中因反射引起的功率耗损量通常是源阻抗与负载阻抗之间的失配(mismatch)的函数。

常规通过在rf功率源与负载之间并入阻抗匹配系统或设备来减少反射耗损。然而，在rf等离子体处理腔室中，因腔室中的非线性之故，rf功率源与等离子体腔室之间通常仍存在显著的阻抗失配。因此，通常不是所有由rf功率源提供的输出功率都能到达rf等离子体处理腔室的处理区域。此外，传输线中和阻抗匹配系统自身中的耗损进一步减少了实际到达rf等离子体处理腔室的处理区域的输出功率。因此，为了量化腔室中的特定蚀刻或沉积工艺期间的rf功率并且为了更好地控制工艺，有时采用电压-电流(v/i)探针来测量进入rf等离子体处理腔室的处理区域的rf能量的电压和电流。

理想情况下，由于在沿着rf传输线的任何点处的电压和电流的准确测量可为高度位置依赖性的，从而将v/i探针定位在等离子体处理腔室上的功率输入点附近。具体而言，rf传输线中由反射引起的驻波的存在造成峰值电压和峰值电流随着沿传输线的位置而变化。然而，在高温应用中，常规v/i探针无法定位于等离子体腔室上。例如，典型的等离子体增强化学气相沉积(pecvd)腔室可具有在600℃至700℃的数量级上的工艺温度，并且腔室主体可达到在100℃至200℃的数量级上的温度。与此相比，通常由含有机材料的基板(诸如fr-4)制成的常规v/i探针可在高于约70℃的温度下热降解。因此，就高温应用而言，v/i探针通常位于离工艺腔室一定距离处，这大幅降低了供应至阻抗匹配系统和/或rf功率源的电压测量值和电流测量值的准确性。将测量元件定位在rf匹配装置和/或rf电源内的常规v/i型探针配置也容易出现信噪比的问题。并且，对于常规v/i探针而言，所测得的rf值对比于实际输送的rf功率信号可能根据探针相对其他外部部件的位置而在腔室与腔室之间变化，这些都可阻止常规的v/i探针能够检测被提供至处理腔室的rf功率或相位的小的变化。

因此，本领域中需要有助于更精确测量rf等离子体处理系统中所采用的电压和电流的系统和方法。

技术实现要素：

本文所述的一个或多个实施例提供了用于在高温环境中测量射频电功率的电压-电流探针以及校准所述电压-电流探针的方法。

在一个实施例中，一种电压-电流传感器组件可包括：平面主体，所述平面主体包括非有机的电绝缘材料；测量开口，所述测量开口形成于平面主体中；电压拾取器(voltagepickup)，所述电压拾取器设置在测量开口周围，其中电压拾取器电耦接至第一电压测量电路；以及电流拾取器(currentpickup)，所述电流拾取器设置在测量开口周围，其中所述电流拾取器电耦接至第一电流测量电路。

在另一个实施例中，一种等离子体处理腔室可包括：腔室主体；放电电极，所述放电电极设置在腔室主体内；电压-电流传感器，所述电压-电流传感器安装至腔室主体的大气表面(atmosphericsurface)，并包括平面主体，所述平面主体包括非有机的电绝缘材料，其中电压-电流传感器包括第一电压测量电路以及第二电流测量电路；以及射频传输线，所述射频传输线被馈送通过电压-电流传感器的测量开口，并将射频功率电耦接至放电电极。

在另一个实施例中，一种非瞬态计算机可读介质，所述非瞬态计算机可读介质存储指令，所述指令当由处理器执行时使处理器进行以下步骤：使rf功率以第一量值(magnitude)产生并经由传输线被传送至等离子体处理腔室，所述传输线馈送通过测量开口，所述测量开口形成于传感器的平面主体中；接收来自电压拾取器的第一电压信号和来自电流拾取器的第二电压信号，所述电压拾取器设置于测量开口周围，且所述电流拾取器设置于测量开口周围，其中所述第一电压信号和所述第二电压信号响应于经由传输线所传送的rf功率而产生；根据第一电压信号、第二电压信号、应用于第一电压信号的第一校准系数和应用于第二电压信号的第二校准系数来确定耦接至等离子体处理腔室的实际rf功率，其中所述第一校准系数基于来自电压拾取器的第三电压信号，所述第三电压信号是响应于第二量值的rf功率而产生的，所述第二量值的rf功率经由传输线传送至虚拟负载，所述虚拟负载匹配传输线，且所述第二校准系数基于来自电流拾取器的第四电压信号，所述第四电压信号是响应于经由传输线传送至虚拟负载的第二量值的rf功率而产生的；确定耦接至等离子体处理腔室的实际rf功率在目标rf功率的预定范围之外；以及响应于确定实际rf功率在预定范围之外，使rf功率以第三量值产生并经由传输线传送至等离子体处理腔室。

附图简单说明

为了以能够详细理解本公开内容的上述特征的方式，可以通过参考实施例来获得上面简要总结的本公开内容的更具体的描述，所述实施例中的一些实施例被示出在附图中。然而，要注意的是，附图仅示出本公开内容的典型实施例，并且因此不被认为是对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效实施例。

图1为示出根据本公开内容的各种实施例的射频(rf)等离子体处理系统的框图。

图2为根据本公开内容的各种实施例所配置的图1中的rf等离子体处理系统的等离子体处理腔室的示意性截面图。

图3a为根据本公开内容的各种实施例的图1中的rf等离子体处理系统中的v/i传感器的示意性平面图。

图3b为沿着图3a中的截面a-a所截取的图1中的rf等离子体处理系统中的v/i传感器的示意性截面图。

图4a和图4b为根据本公开内容的各种实施例的图3a和图3b中的v/i传感器的v/i探针的功能示意图。

图5阐述了根据本公开内容的各种实施例的用于校准v/i传感器的工艺步骤的流程图。

图6阐述了根据本公开内容的各种实施例的用于对施加至等离子体处理腔室的rf功率进行控制的工艺步骤的流程图。

为有助于理解，已在可能的情况下使用相同的参考标号来表示附图中的相同元件。可以预期，一个实施例的元件和特征可有利地并入其他实施例中而无需进一步叙述。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开内容的实施例的更全面理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实施本公开内容的一个或多个实施例。在其他实例中，为了避免模糊本公开内容的实施例中的一个或多个，未描述公知特征。

图1为示出根据本发明的一个或多个方面的射频(rf)等离子体系统100的框图。rf等离子体系统100包括等离子体处理腔室120、通过第一rf匹配131以及传输线132耦接至等离子体处理腔室120的第一rf发生器130、和通过第二rf匹配141以及传输线142耦接至等离子体处理腔室120的第二rf发生器140。rf等离子体系统100进一步包括控制电路系统150(在本文也被称作“控制器150”)以及电压-电流(v/i)传感器151和152。

等离子体处理腔室120可为任何技术上可实现的等离子体沉积或蚀刻腔室，等离子体处理腔室120包括电容耦接的等离子体系统或电感耦接的等离子体系统以于等离子体处理腔室120中产生等离子体，其包括等离子体增强化学气相沉积(pecvd)系统、物理气相沉积系统、外延层沉积系统、等离子体蚀刻系统等等。第一rf发生器130可为任何技术上可实现的rf功率发生器，所述rf功率发生器经配置以将rf功率供应至等离子体处理腔室120的放电电极中的一个或多个并且由此驱动等离子体处理腔室120中的等离子体产生。第一rf发生器130可以以一个rf频率或多个rf频率提供rf功率。例如，在某些实施例中，第一rf发生器130可经配置以将13.56mhz的rf频率下的功率供应至分配岐管(所述分配歧管也被称作喷头)或适于用作等离子体处理腔室120中的放电电极的其他部件。类似地，第二rf发生器140可为任何技术上可实现的rf功率发生器，所述rf功率发生器经配置以驱动在等离子体处理腔室120中以一个rf频率或多个rf频率产生等离子体。例如，在某些实施例中，第二rf发生器140可经配置以将360khz或类似的低rf频率的功率供应至基板支撑件(也被称为基座)或适合用作等离子体处理腔室120中的放电电极的其他部件。

如所示，第一rf发生器130将rf功率(即，通过第一rf匹配131和传输线132的功率)传送至等离子体处理腔室120中的rf负载。v/i传感器151通过将与rf功率相关联的电压所感应生成的电压和与rf功率相关联的电流所感应生成的电压经由信号引线153传送至控制电路系统150来实现对于rf功率的电流、电压和相位的测量。因为v/i传感器151设置在传输线132连接点221、222处(连接点221、222位于等离子体处理腔室120的外部表面上或接近等离子体处理腔室120的外部表面)，所以通过控制电路系统150来校正传输线132中的驻波分量的影响通常而言不是必要的。类似地，第二rf发生器140经由第二rf匹配141和传输线142将rf功率传送至等离子体处理腔室120中的rf负载。v/i传感器152实现测量通过传输线142耦接至等离子体处理腔室120的rf功率的电流、电压和相位。具体而言，v/i传感器152通过信号引线154将与rf功率相关联的电压所感应生成的电压和与rf功率相关联的电流所感应生成的电压传送至控制电路系统150。因为v/i传感器152设置在传输线142连接点247处(传输线142连接点247位于等离子体处理腔室120的外部表面上或者接近等离子体处理腔室120的外部表面)，所以通过控制电路系统150来校正传输线142中的驻波分量的影响通常而言不是必要的。

在等离子体处理腔室120配置有底座或基板支撑件加热器的实施例中，rf等离子体系统100进一步包括加热器电源160，加热器电源160通过导电引线161和162耦接到等离子体处理腔室120中的加热元件(未示于图1中)。在此类实施例中，rf等离子体系统100也包括rf滤波器170，rf滤波器170电设置在等离子体处理腔室120中的加热元件与加热器电源160之间。尽管设置在底座或基板支撑件内的加热元件在名义上不是等离子体处理腔室120的rf系统的一部分，但此类加热器元件通常包括线圈式导电部件(线圈式导电部件具有许多绕组)，且因此可耦接至等离子体处理腔室120的处理区域(未示于图1中)内所供应的rf能量。因此，rf滤波器170为电子系统或设备，所述电子系统或设备经配置以提供在加热器线圈与加热器电源160之间形成的导电路径的一部分，同时保护加热器电源160免受等离子体处理腔室120内供应的rf能量。rf滤波器170通常经设置而邻近或接触等离子体处理腔室120的外部(即，大气)表面。结果，在等离子体处理腔室120的操作期间，rf滤波器170可达到100℃至200℃的温度。在此类实施例中，可将v/i传感器152设置在容纳rf滤波器170的外壳内的表面上，以最大化或以其他方式增加v/i传感器152与等离子体处理腔室120的接近度。或者，可将v/i传感器152设置在rf滤波器170与等离子体处理腔室120的表面之间。

控制电路系统150包括逻辑，所述逻辑经配置以从v/i传感器151接收信号并确定经由传输线132进入等离子体处理腔室120的耦接rf功率的电流、电压、相位和量值。在某些实施例中，此类逻辑可被实现作为量值和相位检测电路系统。在第一rf发生器130通过传输线132将rf功率传送至等离子体处理腔室120内的多个连接点221、222的实施例中，控制电路系统150包括逻辑，所述逻辑经配置以接收来自v/i传感器151的多个信号，并由此确定通过每个传输线132进入等离子体处理腔室120的耦接rf功率的电流、电压、相位和量值。类似地，控制电路系统150包括逻辑，所述逻辑经配置以接收来自v/i传感器152的信号并确定通过传输线142进入等离子体处理腔室120的耦接rf功率的电流、电压、相位和量值。

在等离子体处理腔室120经配置而具有底座或基板支撑件加热器的实施例中，v/i传感器152经配置以通过信号引线154将信号电压传送至控制电路系统150，所述信号电压由来自底座或基板支撑件加热器内的加热器元件的通过导电引线161和162的rf功率所感应生成。v/i传感器152进一步经配置以将由与供应至底座的rf功率的一部分相关联的电流所感应生成的电压信号通过信号引线154传送至控制电路系统150，所述电流经由导电引线161和162连接至外部接地(externalground)(未示出)。在此类实施例中，控制电路系统150进一步经配置以根据通过信号引线154传送的电压来确定通过导电引线161和162的rf功率的电流、电压、相位和量值。因此，可根据v/i传感器152所提供的电流和电压测量值来量化通过导电引线161和162以及加热器电源160耗损的rf功率。因此，含有rf滤波器170的电气电路的电行为(electricalbehavior)的实例间变化(instance-to-instancevariation)(即，从一个腔室至下一个腔室)可以被量化并补偿，从而防止在等离子体处理腔室120的各种实例中进行的工艺中的腔室间变化(chamber-to-chambervariation)。例如，在此类实施例中，因对通过导电引线161和162耗损的rf功率进行校正，在等离子体处理腔室120中进行的工艺可基于通过传输线142传递至工艺腔室的处理区域285的实际的或接近实际的rf功率，而不仅只是基于由第二rf发生器140提供的rf功率的测量值。

在某些实施例中，可将v/i传感器152定位在处理腔室的区域内，诸如基板支撑件内的区域285，所述区域至少部分地被接地的或屏蔽的工艺腔室元件(例如，加热器波纹管、加热器的中央轴)所围绕，以将v/i传感器152部件与各种外部噪声源隔离。在某些配置中，在所有v/i传感器152部件与包围处理腔室的区域285的部件之间维持最小固定间隙(例如，1至10mm)，其中v/i传感器置于所述区域285中。因此，由v/i传感器152提供的电测量值中的实例间变化将被减少，从而防止在等离子体处理腔室120的各种实例中进行的工艺中的腔室间变化。在一个示例中，v/i传感器152a或152b设置于基座208的内部区域285内。

在图1所示出的实施例中，单个控制器150被描绘于rf等离子体系统100中。在其它实施例中，可将不同的控制器150并入rf等离子体系统100a中所包括的每个rf发生器。在其它实施例中，控制电路系统150的功能可并入用于rf等离子体系统100的中央系统控制器中。在任一情况下，控制电路系统150的功能可包括任何技术上可实现的实现，包括通过软件、硬件和/或固件。

图2为根据本公开内容的各种实施例所配置的等离子体处理腔室120的示意性截面图。作为示例，图2中的等离子体处理腔室120的实施例是根据pecvd系统所描述，但任何其他等离子体处理腔室可落入所述实施例的范围内，包括其他等离子体沉积腔室或等离子体蚀刻腔室。等离子体处理腔室120包括壁202、底部204和腔室盖224，所述壁202、底部204和腔室盖224一起包围基座208和处理区域246。等离子体处理腔室120进一步包括真空泵214、气体源218、第一rf发生器130和第一rf匹配131、第二rf发生器140和第二rf匹配141、以及rf滤波器170，以上项中的每个外部耦接至等离子体处理腔室120。

此外，等离子体处理腔室120包括一个或多个v/i传感器151和152，所述v/i传感器151和152直接耦接至等离子体处理腔室120的大气表面或安装在等离子体处理腔室120的大气表面上。在图2所示出的实施例中，等离子体处理腔室120包括v/i传感器151，v/i传感器151耦接至等离子体处理腔室120的上表面或安装在等离子体处理腔室120的上表面上，使得可在处理区域246和基板210附近准确地测量通过(一条或多条)传输线132的电压和电流。此外，等离子体处理腔室120包括v/i传感器152，v/i传感器152耦接至等离子体处理腔室120的下表面或安装在等离子体处理腔室120的下表面上，使得可在处理区域246和基板210附近准确地测量通过传输线142的电压和电流。在某些实施例中，将v/i传感器152安装在等离子体处理腔室120的底部204上或附近，或直接耦接至等离子体处理腔室120的底部204。或者，可将v/i传感器152安装在等离子体处理腔室120内的大气区域246中，诸如在耦接至可移动的基座208的波纹管250内。在此类实施例中，v/i传感器152可直接耦接至基座208的表面。或者，可通过托架或其他支撑结构将v/i传感器152安装至基座208。在任一情况下，v/i传感器152都设置在基板210和处理区域246的几厘米内。在某些配置中，v/i传感器152(诸如v/i传感器152a)设置在连接点247的几公分内，连接点247形成在金属杆242的界面处，金属杆242耦接至基座208的导电部分(如，电极或电极连接)。将v/i传感器152定位在连接点247处，或定位为至少在连接点247的几厘米内是有用的，因为此点通常将是传输线142的一部分内的节点(例如，沿着驻波的点，波在所述点具有最小波幅)。

注意，v/i传感器151和152未设置在等离子体处理腔室120内，并且相反可直接耦接到等离子体处理腔室120的表面，所述表面在基板210的处理期间暴露于大气。替代或额外地，可将v/i传感器151和152安装至直接耦接到等离子体处理腔室120的此类大气表面的托架或其他支撑结构。

壁202和底部204可以包括导电材料，诸如铝或不锈钢。设置在等离子体处理腔室120中的阴影框架238可经配置以防止或减少在处理期间未被基板210覆盖的基座208的表面上发生不想要的沉积。当等离子体处理腔室120闲置时，阴影框架238搁置在凸部240上，且可通过一条或多条带子243耦接至壁202的内表面。穿过一个或多个壁202可存在有狭缝阀开口206，狭缝阀开口206经配置以促进将基板210插入等离子体处理腔室120和从等离子体处理腔室120移除基板210。经配置以密封狭缝阀开口206的狭缝阀可设置在等离子体处理腔室120的内部或外部。为了清楚起见，狭缝阀未示于图2中。

真空泵214耦接至等离子体处理腔室120，并经配置以调节等离子体处理腔室120中的真空水平。如所示，阀216可耦接于等离子体处理腔室120与真空泵214之间。真空泵214在基板处理之前排空等离子体处理腔室120，并在处理期间经由阀216从等离子体处理腔室120去除工艺气体。阀216可为可调节的，以促进调整等离子体处理腔室120的排空速率。经由阀216的排空速率和来自气体源218的进气流速率确定了等离子体处理腔室120中的腔室压力以及工艺气体驻留时间。

基座208可包括用于在等离子体处理腔室120处理期间支撑基板210(诸如图2中的基板210)的任何技术上可实现的装置。在某些实施例中，基座208设置在轴212上，轴212可经配置以升高和降低基座208。在一个实施例中，轴212和基座208可至少部分地由导电材料形成或含有导电材料，所述导电材料可为诸如钨、铜、钼、铝或不锈钢。在等离子体处理腔室120为电容耦接等离子体腔室的实施例中，基座208可经配置而含有电极(未示出)。在此类实施例中，金属杆242电耦接至设置于基座208内的嵌入式电极，并经配置以经由连接点247将rf功率供应至所述嵌入式电极。如此，嵌入式电极和金属杆242通过传输线142电耦接至第二rf发生器140。

在某些实施例中，基座208包括用于在处理期间加热基板210的一个或多个加热元件209。在此类实施例中，加热元件209通过导电引线161和162耦接至加热器电源160，导电引线161和162可设置于轴212内。导电引线161和162各自通过v/i传感器151的相应的测量开口(未示于图1中)，从而可由此测量rf电流和电压。

气体源218通过管223耦接至等离子体处理腔室120，管223穿过腔室盖224。管223耦接至背板226以允许处理气体通过背板226并进入在背板226与气体分配喷头228之间的气室248。气体分配喷头228可通过悬置件234保持在与背板226相邻的位置，使得气体分配喷头228、背板226以及悬置件234一起形成有时被称为气体箱(gasbox)的组件。因此，在操作期间，从气体源218导入等离子体处理腔室120的处理气体填充气室248并接着通过在气体分配喷头228中形成的气体通道230以均匀地进入处理区域246。在替代的实施例中，除了气体分配喷头228或代替气体分配喷头228，可通过附接至壁202的入口和/或喷嘴(未示出)将工艺气体导入处理区域246。

第一rf发生器130通过一条或多条传输线132在耦接点221和222处耦接至背板226。因此，对背板226而言，耦接点221和222充当rf功率馈电点(feedpoint)。或者，第一rf发生器130可在单个耦接点处耦接至背板226。传输线132可包括同轴缆线，且在某些实施例中，传输线132经配置而在这些同轴缆线外部有额外的屏蔽，以防止rf功率过度泄漏到接地。在一个实施例中，第一rf发生器130包括rf发生器，所述rf发生器能以约13.56mhz的频率产生rf电流。在另一个实施例中，第一rf发生器130包括vhf发生器，所述vhf发生器能产生vhf功率，诸如在介于约40mhz至200mhz或更高之间的频率下的vhf功率。如所示，传输线132各自通过v/i传感器151的相应的测量开口。

在某些实施例中，第一rf发生器130经由第一rf匹配131将高频功率供应至设置为与处理区域246相邻的放电电极。此类放电电极可包括工艺气体分配元件，诸如气体分配喷头228(如图2所示)或气体喷嘴阵列，可经由所述工艺气体分配元件将工艺气体导入处理区域246。放电电极(例如，气体分配喷头228)可经定向而基本上平行于基板210的表面，并将等离子体源功率电容耦接至处理区域246中，处理区域246设置于基板210与气体分配喷头228之间。在处理期间，基座208、阴影框架238和基板210升起并定位在喷头228的下表面附近(例如，在1至30mm以内)，以形成至少部分封闭的处理区域246。

在某些实施例中，等离子体处理腔室120还可包括机械相容控制器(machine-compatiblecontroller)(例如，控制电路系统150)，所述机械相容控制器经配置以控制等离子体处理腔室120的操作，包括：第一rf发生器130的输出功率水平、通过气体源218引导到处理区域246的各种工艺气体的流速、对阀216的调节等等。一般而言，此类控制器可包括一个或多个处理器、存储器以及适于控制等离子体处理腔室120的操作的指令。或者，在某些实施例中，经配置来控制多腔室处理系统的操作的系统控制器可以替代地被配置为控制等离子体处理腔室120以及一个或多个其他处理腔室的操作。

通常通过将基板210置于基座208上并将一种或多种前驱物气体从气体源218导入处理区域246，从而在等离子体处理腔室120中执行等离子体处理，诸如pecvd工艺。可通过经由耦接点221和222将rf功率施加至气体分配喷头228和/或将rf功率施加至基座208，从而向处理区域246中的前驱物气体或多种前驱物气体供能(例如，激发)成等离子体状态。由于电子加热机制主要是经由在气体分配喷头228附近的电容性等离子体鞘层(capacitiveplasmasheath)以及接地电极(诸如，例如基座208或壁202)，所以此等离子体类型通常称作电容耦接等离子体(capacitivelycoupledplasma；ccp)。被激发的气体反应而在基板210的表面上形成材料层。

一般而言，rf电流寻求最短路径以返回驱动所述rf电流的源。因此，在等离子体处理期间，被驱动的rf电流从第一rf发生器130行进经过在处理区域246中所产生的等离子体并接着到rf返回路径(诸如壁202)。在基座208耦接至第二rf发生器140的实施例中，rf电流从第二rf发生器140行进经过杆242、嵌入式电极以及设置在处理区域246中之等离子体并接着到rf返回路径(诸如壁202和底部204)。然而，在基座208包括加热元件209的实施例中，加热元件209可耦接至被输送到等离子体处理腔室120的rf能量，且被提供至基座208的rf能量的某些部分可不返回第二rf发生器140。相反，由第二rf发生器140提供的rf能量的一部分可通过导电引线161和162流至加热器电源160。尽管滤波器170经配置以降低沿着导电引线161和162的rf能量流，但是滤波器170的效率很少是完美的。结果，尽管存在滤波器170，但rf能量的显著的部分仍可能流至加热器电源160。因此，除了由反射导致的功率耗损之外，通过导电引线161和162的rf功率耗损也可影响实际输送到处理区域246的rf能量的量值。此外，因为滤波器170性能通常随着实例而变化，所以通过导电引线161和162的rf功率耗损的影响可在等离子体处理腔室120的每个实例中变化。因此，当在等离子体处理腔室120的两个不同实例中进行名义上相同的工艺时，诸如膜厚度、均匀性等的工艺结果可能遭受不可预测的变化，除非可以准确测量实际输送到处理区域246的rf功率。

用于rf应用的常规v/i传感器通常包括有机基板(诸如fr-4)，所述有机基板可在70℃或更高的温度下被热损坏。结果，针对高温应用(诸如pecvd腔室)，常规v/i传感器通常位于离处理腔室一定距离处。因此，由于会引起所感测的电测量值中的误差，所以由此类传感器进行且由电气电路中的rf匹配部件使用的测量值依赖外推技术，以补偿沿着不完美匹配的传输线在离处理腔室一定距离处所完成的rf测量值的位置依赖性。此类外推法高度依赖等离子体处理腔室120的结构细节且难以实验验证，并且即使对于一个工艺进行验证，也通常根据工艺化学物质和腔室操作条件而对于其他工艺产生改变。进一步，因存在于传输线132和142中的驻波的非线性本质，基于理想化的传输线模型的常规外推技术不能准确地考虑基板210与远程测量点之间遭受的rf功率耗损，且因此可能大幅度低估或高估此类功率耗损。

根据实施例，v/i传感器151和/或152使得能够更精确地测量被输送到处理区域246的rf功率的电压、电流和相位。具体而言，v/i传感器151和/或152是针对高温环境而配置的，且因此即使用等离子体处理腔室120执行高温工艺时v/i传感器151和/或152也能与接近等离子体处理腔室120放置相兼容。一个此类实施例示于图3a以及图3b中。

图3a为根据本公开内容的各种实施例的v/i传感器152的示意性平面图。图3b为沿着图3a中的截面a-a截取的v/i传感器152的示意性截面图。v/i传感器152经配置以在高温环境(诸如在高温pecvd工艺期间接近等离子体处理腔室120或与等离子体处理腔室120接触的位置)中准确地测量rf电流和电压。在图3a和图3b所示出的实施例中，v/i传感器152经配置以测量金属杆242和导电引线161和162中的电流和电压。在一个实施例中，v/i传感器152经配置以测量在金属杆242的远端处和在导电引线161和162的远端处所提供的rf电压和电流。在某些实施例中，v/i传感器152包括平面主体301，平面主体301具有第一v/i探针310、第二v/i探针320、第三v/i探针310以及接地平面302，接地平面302围绕第一v/i探针310、第二v/i探针320以及第三v/i探针33并且使第一v/i探针310、第二v/i探针320以及第三v/i探针330彼此电隔离。

平面主体301由含非有机的电绝缘材料(诸如陶瓷、云母、铁素体或类似材料)所组成。例如，合适的陶瓷材料包括氧化铝和氮化铝。相较于常用在常规v/i传感器的有机基板(诸如fr-4)而言，上述非有机的电绝缘材料是高度耐温的。因此，平面主体301和v/i传感器152可适于设置成与等离子体处理腔室120的大气表面或外表面直接接触，和/或适于安装为与等离子体处理腔室120的大气表面或外表面紧密靠近。结果，v/i传感器152可位于等离子体处理腔室120的处理区域246附近，诸如在用于滤波器170的滤波器箱外壳内，或耦接至底部204或安装在底部204上。然而，在某些中等温度应用中，平面主体301可由聚亚酰胺(诸如)制成。

第一v/i探针310包括电压拾取器311以及电流拾取器312，电压拾取器311以及电流拾取器312中的每一个设置在测量开口315周围。测量开口315经配置以容纳适于传送rf功率的导电结构，诸如传输线142或金属杆242的导体，其将rf功率提供至基座208内的嵌入式电极。因此，v/i探针310经配置以提供在等离子体处理腔室120附近的位置处传送至等离子体处理腔室120的rf功率的准确的电压测量值和电流测量值。

图4b中所示出的电压拾取器311经配置以产生电压信号，所述电压信号由通过在平面主体301中形成的测量开口315(例如经由传输线142或金属杆242)的rf功率所感应生成。电压拾取器311所产生的电压信号基本上与通过位于测量开口315内的导电元件的一部分的rf功率的电压成比例。在某些实施例中，电压拾取器311经配置为导电环311a，导电环311a设置在测量开口315周围或形成在测量开口315的表面上。导电环311a通常被接地的元件320所围绕。导电环311a和接地的元件320二者都连接在电气电路(诸如图4b所示的rf电压测量电路455)内，且一起被用来测量rf功率的电压，所述rf功率通过位于测量开口315内的rf导电元件的一部分。接地的元件320通常包括一个或多个接地的层302a和302b，所述接地的层302a和302b设置在v/i传感器152的表面上或在v/i传感器152的表面内，并且通过多个互连通孔(interconnectingvia)302c电耦接在一起。一个或多个接地的层302a和302b以及多个互连通孔302c可由导电材料(如，含有a1、ag、au、mo、sn或cu的金属)形成且用于使第一v/i探针310、第二v/i探针320以及第三v/i探针330彼此电屏蔽并与其他外部部件电屏蔽。在某些配置中，多个互连通孔302c定位在v/i探针310、320以及330中的每一个的周围，以形成屏蔽件，所述屏蔽件将使每个v/i探针内的部件之间的串扰(cross-talk)最小化。在某些实施例中，接地的元件320可以连接到同轴传输线(未示出)的外部屏蔽导体402，诸如信号引线154。

图4a中所示出的电流拾取器312可经配置以通过使用电气电路(诸如图4a中所示出的rf电流测量电路454)来产生电压信号，所述电压信号由通过定位在测量开口315内的导电元件的一部分的rf功率所感应生成。由磁场通量感应生成的电压信号在电流拾取器312中被感应生成，且基本上与通过定位在测量开口315内的导电元件的一部分的rf电流成比例。在某些实施例中，电流拾取器312经配置为环形线圈，或与其非常近似。举例而言，在图3a和图3b所示出的实施例中，电流拾取器312包括在平面主体301的顶表面301a上的基本上平面的电路迹线(circuittrace)313、在平面主体301的底表面301b上的基本上平面的电路迹线314以及穿过平面主体301所形成的导电通孔316。每个导电通孔316将电路迹线313与相应的电路迹线314相连接，使得电路迹线313、电路迹线314和导电通孔316一起串联连接，以形成连续的导电环路结构。

应注意的是，图3a和图3b中所示出的v/i传感器152的配置最小化或者以其他方式减少电压拾取器311与电流拾取器312之间的串扰。具体而言，因为电压拾取器311和电流拾取器312位于单个平面中，即，由平面主体301所界定的平面(例如x-y平面)，且因为此平面正交于rf功率传送通过测量开口315的方向，所以设置在测量开口315中的传输线中的rf电压在电流拾取器312中感应生成小电压或无电压，且在设置于测量开口315中的传输线中流动的rf电流在电压拾取器311中感应生成小电压或无电压。因此，据信传输线电压测量值和电流测量值可被视为彼此相互排斥，且因此这些感测元件之间的串扰非常小。即，来自电压拾取器311的电压信号(包括来自通过测量开口315的rf电流的作用)没有引起显著的测量误差，且来自电流拾取器312的电流信号(包括来自通过测量开口315的rf电压的作用)没有引起显著的测量误差。因此，所测得的电压、所测得的电流以及介于电压拾取器311与电流拾取器312之间的相位差的余弦的乘积基本上与测量点处的瞬时传输线功率成比例。在某些实施例中，v/i探针310中的电压拾取器311和电流拾取器312的尺寸经设定而与通过形成于其中的开口315的导电元件的部分的尺寸或截面积成比例，或与通过形成于其中的开口315的所产生的场成比例。

第二v/i探针320和第三v/i探针330的配置和操作可基本上类似于第一v/i探针310的配置和操作，且第二v/i探针320和第三v/i探针330被包括在v/i传感器152中以向与等离子体处理腔室120相关联的额外的rf传输线(诸如导电引线161和162)提供电压测量值和电流测量值。应注意的是，导电引线161和162不意图作为rf传输线，而是可在等离子体处理腔室120的某些实施例中起到此类作用。

第二v/i探针320包括电压拾取器321和电流拾取器322，电压拾取器321和电流拾取器322中的每一个设置在测量开口325周围。测量开口325经配置以容纳与等离子体处理腔室120相关联的特定rf导电引线，所述特定rf导电引线不耦接在rf产生源与接地之间(所述接地耦接至等离子体处理腔室120)，诸如导电引线161。在某些实施例中，v/i探针320中的电压拾取器321和电流拾取器322的尺寸经设定而与通过形成于其中的测量开口325的导电元件的部分的尺寸或截面积成比例，或与通过形成于其中的测量开口325的所产生的场成比例。

类似地，第三v/i探针330包括电压拾取器331和电流拾取器332，电压拾取器331和电流拾取器332中的每一个设置在测量开口335周围。测量开口335经配置以容纳与等离子体处理腔室120相关联的另一个rf导电引线，所述另一个rf导电引线不耦接在rf产生源与接地之间(所述接地耦接至等离子体处理腔室)，诸如导电引线162。在某些实施例中，v/i探针330中的电压拾取器331和电流拾取器332的尺寸经设定而与通过形成于其中的测量开口335的导电元件的部分的尺寸或截面积成比例，或与通过形成于其中的测量开口335的所产生的场成比例。因为第二v/i探针320和第三v/i探针330能够测量经由导电引线161和162的rf功率耗损，所以可以比仅通过经由金属杆242或传输线142的上游部分测量输送至等离子体处理腔室120的rf功率更精确地测定耦接至处理区域246的实际rf功率。因此，通过使用各种v/i探针和腔室rf匹配元件，可以检测、量化并补偿滤波器170的效率中的腔室间变化。

图4a和图4b图为根据本公开内容的各种实施例的v/i传感器152的第一v/i探针310的功能示意图。如所示，信号引线154中的信号引线154a(图1)耦接至电压拾取器311，且信号引线154中的另一个信号引线154b耦接至电流拾取器312。在某些实施例中，这些信号引线154a和154b中的每一个信号引线经配置作为在中央导体401与外屏蔽导体402之间具有50ohm的电阻的一条或多条同轴缆线的一部分。

在某些实施例中，为了最优的或改进的等离子体处理腔室120的操作，与等离子体处理腔室120相关联的每一个v/i传感器可被校准。在此类实施例中，由v/i传感器的电压拾取器所产生的特定信号电压可与通过v/i传感器的测量开口的特定已知rf电压精确地相关联。类似地，由v/i传感器的电流拾取器312所产生的特定信号电压可与通过v/i传感器的测量开口的特定已知rf电流精确地相关联。以此方式，可针对电压拾取器产生校准系数，并可针对电流拾取器312产生另一个校准系数。在随后的操作中，由电压拾取器产生的信号电压并乘以适当的校准系数，可以精确地指示在任何瞬间何种(例如，峰值或rms)rf电压通过测量开口。类似地，由电流拾取器312产生的信号电压并乘以适当的校准系数，可以精确地指示在任何瞬间何种(例如，峰值或rms)rf电流通过测量开口。一个此类实施例结合图5在下文描述。

图5阐述根据本公开内容的各种实施例的用于校准v/i传感器的工艺的流程图。尽管是结合图1至图4中的rf等离子体系统100来描述工艺，本领域技术人员将理解，可用其他类型的rf等离子体系统来执行所述工艺。用于方法500的控制算法可驻留在控制器150中，机器相容控制器经配置以控制等离子体处理腔室120的操作，或在校准工艺期间驻留在与rf等离子体系统100耦接的单独的计算元件中。这些控制算法可以全部或部分地实现作为软件或固件实现的逻辑，和/或实现作为硬件实现的逻辑电路。

在工艺之前，合适的rf发生器通过rf匹配和合适的已知阻抗的传输线耦接至已知阻抗的虚拟负载。更具体而言，rf发生器、虚拟负载以及rf匹配可经选择以形成匹配的rf系统，即，没有反射的rf系统。例如，在一个实施例中，第二rf发生器140通过第二rf匹配142和传输线142耦接至50ohm的虚拟负载。此外，在工艺之前，传输线经由待校准的v/i传感器(诸如v/i传感器152)的测量开口馈电。

方法500始于框501，其中通过第二rf发生器140以特定rf频率产生rf功率。例如，在一个实施例中，第二rf发生器140可以以27mhz产生2500w。在某些实施例中，框501中产生的rf功率的量值等于预期在特定频率下由第二rf发生器140采用的最大或rmsrf功率。

在框502处，v/i探针(例如第一v/i探针310)产生第一电压信号和第二电压信号，其中传输线141经由所述v/i探针馈电。电压拾取器311产生第一电压信号，所述第一电压信号与在第一v/i探针310的测量开口315处发现的rf电压成比例。电流拾取器312产生第二电压信号，所述第二电压信号与通过第一v/i探针310的测量开口315的rf电流成比例。控制电路系统150可接着将这些接收到的测量信号存储在存储器中。

在框503处，基于第一电压信号和通过测量开口315的已知rf电压来针对电压拾取器311确定校准系数。应注意的是，因为方法500中采用的匹配的rf系统中没有反射，所以rf电压等于rf功率和系统电阻的乘积的平方根。因为rf功率和系统的电阻二者均为已知，所以rf电压为已知。因此，在完成框501至503之后，可形成至少两倍的v/i探针电压相对rf电压的已知量值的曲线。由于校准曲线将为线性的且截距将为零伏特，因此系数将等于所形成的曲线的斜率，所述系数随后用作v/i探针电压的校准系数。

同样在框503处，基于第二电压信号和通过测量开口315的已知rf电流来针对电流拾取器312确定校准系数。因为方法500中采用的匹配rf系统中没有反射，所以rf电流也是已知的，这是因为电流等于rf功率相对系统电阻的比例的平方根。因为rf功率和系统的电阻二者均为已知，所以rf电流为已知。因此，在完成框501至503之后，可以形成至少两倍的v/i探针电流测量值(例如，电压信号)相对rf电流的已知量值的曲线。由于校准曲线将为线性的且截距将为零伏特，因此系数将等于所形成的曲线的斜率，所述系数随后用作v/i探针电流测量值的校准系数。

在某些实施例中，可将针对每个v/i探针对于电压拾取器311确定的校准系数和/或对于电流拾取器312确定的校准系数存储在控制电路系统150的存储器内，供部分控制电路系统使用以调整由v/i探针测得的rf电流值和电压值，接着由处理腔室中所使用的rf匹配元件和/或rf电源元件使用所述rf电流值和电压值。

在某些实施例中，可在rf等离子体系统中利用rf发生器来提供混合的操作频率。例如，在某些状况中，两个rf频率同时驱动pecvd等离子体，以控制在正被处理的基板210附近的等离子体密度和离子能量。并且，可采用脉冲操作来优化某些膜特性。在任一情况下，当rf系统中存在超过一个频率时，由v/i传感器的电流拾取器312和电压拾取器产生的信号通常在到达量值和相位检测电路系统之前以所述操作频率中的每一个操作频率经由带通滤波器(未示出)馈电。此类带通滤波器的插入可引入电流拾取器312所产生的信号与电压拾取器所产生的信号之间的量值差(衰减)和相位差，所述量值差和相位差接着可被使用以调整由所述rf发生器中的每一个rf发生器所提供的rf功率和/或调整与每一个rf源的相应的(一个或多个)rf匹配元件相关联的rf匹配参数。

根据某些实施例，当在rf等离子体系统中采用rf发生器来提供混合的操作频率时，可在不同的rf功率水平下以用于处理腔室中的rf频率中的每一个rf频率采用方法500的校准工艺，以针对所述被驱动的rf频率中的每一个产生准确的校准系数。具体而言，可在每一个操作频率下利用方法500的校准工艺以针对操作频率中的每一个产生校准系数，从而能够对由上述带通滤波器所引起的(一个或多个)所产生的信号的衰减进行校准。此外，因为方法500中所采用的rf系统为没有反射的匹配的rf系统，因此在第一电压信号与第二电压信号之间检测到的任何相位差实际上是由测量电路系统所检测到的rf系统的相位偏移，所述相位偏移是由包括在rf系统中的带通滤波器引起的。对于rf系统的多频率操作而言，通常在每个所驱动的rf频率下采用不同的系统相位偏移，并且在方法500的不同实现中确定每一个此类相位偏移。因此，方法500中在特定频率下所测量到的相位差可被视为是可以采用以用于所述特定操作频率的系统相位偏移，以用于校正由v/i探针所检测到的rf功率参数，所述rf功率参数随后用于控制由rf发生器中的每一个所提供的rf功率和/或调整与每一个rf源的(一个或多个)相应的rf匹配元件相关联的rf匹配参数。

图6阐述了根据本公开内容的各种实施例的用于控制rf功率的工艺的流程图，所述rf功率施加至等离子体处理腔室120。尽管是结合图1至图4中的rf等离子体系统100来描述工艺，但本领域技术人员将理解，可利用其他类型的rf等离子体系统来执行所述工艺。用于所述方法的控制算法驻留在控制器150中，或者驻留在经配置以控制等离子体处理腔室120的操作的机器相容控制电路系统可中。这些控制算法可以全部或部分地实现作为软件或固件实现的逻辑和/或实现作为硬件实现的逻辑电路。

在工艺之前，例如通过方法500针对与rf等离子体系统100相关联的每一个v/i探针确定合适的校准系数。例如，对于v/i传感器152而言，针对电压拾取器311、电流拾取器312、电压拾取器321、电流拾取器322、电压拾取器331以及电流拾取器332中的每一个确定合适的校准系数。此外，在第二rf发生器140经配置以产生混合的频率的实施例中，还针对每一个频率确定来自rf等离子体系统100的测量电路系统的系统相位偏移。

方法600始于框601，其中由第二rf发生器140在特定rf频率和输出量值下产生rf功率。在框601处产生的rf功率的量值旨在得到耦接至处理区域246的目标rf功率。一般而言，目标rf功率与等离子体处理腔室120中运行的特定工艺相关联。因此，对于不同的工艺而言，可在框601处采用不同的目标rf功率。

在框602处，v/i传感器152至少产生第一电压信号和第二电压信号，其中电压拾取器311产生第一电压信号，并且电流拾取器312产生第二电压信号。第一电压信号与通过v/i探针310的测量开口315的rf电压成比例，且第二电压信号与通过v/i探针310的测量开口315的rf电流成比例。在v/i传感器152包括多个探针的实施例中，v/i传感器产生额外的电压信号，诸如测量与导电引线161和162相关联的rf电压和电流的电压信号。

在框603处，确定输送至等离子体处理腔室120中的处理区域246的实际rf功率。在某些实施例中，确定输送的实际rf功率包括将第一校准系数应用在第一电压信号并将第二校准系数应用在第二电压信号。如上文所提到的，通常在先前执行的校准工艺(诸如方法500)中确定第一校准系数和第二校准系数。

在确定输送至处理区域246的实际rf功率期间，控制电路系统150可从存储器检索第一校准系数和第二校准系数，并接着将适当的校准系数与从适当的v/i探针所收集的适当测量信号相乘，以确定经校正的测量信号值，接着可使用所述经校正的测量信号值控制由rf发生器中的每一个所提供的rf功率和/或调整与每一个rf源的(一个或多个)相应的rf匹配元件相关联的rf匹配参数。例如，在某些实施例中，第一电压信号乘以第一校准系数以产生所测得的电压值，所述所测得的电压值准确地指示了通过v/i传感器152的实际电压，且第二电压信号乘以第二校准系数以产生所测得的电流值，所述所测得的电流值准确地指示了通过v/i传感器152的实际电流。接着可基于所测得的电压值以及所测得的电流值来计算耦接至处理区域246的实际rf功率。接着，耦接至处理区域246的实际rf功率可被在控制电路系统150内运行的软件使用以更准确地控制处理腔室内执行的工艺和/或被显示在图形用户界面(例如，监视器或显示器)上，所述图形用户界面耦接至控制电路系统150并可供用户访问。

在某些实施例中，耦接至处理区域246的实际rf功率进一步基于所测得的电压值与所测得的电流值之间的所测得的相位差。具体而言，在此类实施例中，在测量点处的瞬时传输线功率为所测得的电压值、所测得的电流值和电压拾取器311与电流拾取器312之间的所测得的相位差的余弦的乘积。接着，所测得的相位差可由在控制电路系统150内运行的软件使用以更准确地控制在处理腔室中执行的rf相关工艺和/或可被显示在图形用户界面(例如，监视器或显示器)上，所述图形用户界面耦接至控制电路系统150并可供用户访问。

在由第二rf发生器140产生混合的频率(mixedfrequency)的实施例中，首先从第一电压信号(来自电压拾取器311)与第二电压信号(来自电流拾取器312)之间的所测得的相位差减去之前确定的系统相位偏移。以此方式，可在于框603处计算耦接至处理区域246的实际rf功率之前确定电压拾取器311与电流拾取器312之间的实际相位差。

在某些实施例中，耦接至处理区域246的实际rf功率也基于不被输送至处理区域245的所耗损的rf功率。例如，在此类实施例中，输送至处理区域246的实际rf功率也基于在导电引线161和162中测量到的rf功率。

在框604处，确定耦接至处理区域246的实际rf功率是否在被耦接至处理区域246的目标rf功率的预定范围内。若是的话，那么电流输出量值保持不变，且方法600进行至框601；若否的话，那么600进行至框605。

在框605中，电流输出量值经调整从而使得耦接至处理区域246的实际rf功率更接近或等于耦接至处理区域246的目标rf功率。方法600接着进行返回到框601。

方法600的实现能够改进高温环境中的rf电压、电流、相位和耦接的rf功率的测量和控制。因为可在等离子体处理腔室120的处理区域附近的位置处测量rf电压和电流，所以可更准确地确定耦接的rf功率，从而改进等离子体处理腔室120的性能并且减少等离子体工艺的腔室间变化。

在本文所公开的某些实施例中，v/i传感器包括：平面主体301、测量开口、电压拾取器和电流拾取器，平面主体301包括非有机的电绝缘材料，测量开口形成在平面主体301中，电压拾取器设置在测量开口周围，且电流拾取器设置在测量开口周围。因为v/i传感器的平面配置和材料组成，v/i传感器可被设置在等离子体处理腔室120的高温表面附近或设置为甚至与等离子体处理腔室120的高温表面相接触。如上文所提到的，在某些实施例中，与通过v/i传感器的rf电压成比例的电压信号源自v/i传感器的电压拾取器部分，且与通过v/i传感器之rf电流成正比的电压信号源自v/i传感器的电流拾取器部分，这由于所感测的信号的性质在传感器之间不产生显著的测量相互作用并因此最小化测量值中所引起的误差。因此，基于这些因素中的一个或多个，由本文所公开的实施例中的一个或多个所提供的rf电压测量值和电流测量值通常比常规放置的v/i传感器更准确。

本实施例的方面可被体现作为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开内容的方面可采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码(micro-code)等等)或结合软件方面与硬件方面的实施例，在本文中，这些实施例通常可全部称作“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开内容的方面可采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可被体现为一个或多个计算机可读介质，所述计算机可读介质上体现有计算机可读程序代码。

可利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可为计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可为：例如但不限于电子的、磁的、光学的、电磁的、红外线的或半导体系统、设备或装置或前述项的任何适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举列表)可包括以下项：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光学存储装置、磁存储装置或前述项的任何适当的组合。在此文件的上下文中，计算机可读存储介质可为任何有形介质，所述有形介质可包含或存储由指令执行系统、设备或装置所使用的程序或与指令执行系统、设备或装置有关的程序。

尽管前文针对本公开内容的实施例，但是可在不背离本公开内容的基本范围的情况下设计其它和进一步的实施例，且本公开内容的范围由所附权利要求确定。