分析来自等离子体系统的rf信号的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及来自等离子体系统的RF信号的分析，包括分析在RF频率处调制 的等离子体负载的光信号。
【背景技术】
[0002] 等离子体工艺用于各种工业，例如半导体、扁平面板和太阳能领域。这些等离子体 工艺被要求执行复杂的工艺，例如表面的实时沉积、刻蚀或蚀变。
[0003] 通过使得RF电流穿过低压气体形成等离子体。等离子体的密度取决于RF波形的 频率在碰撞频率和RF频率之间的关系。相对高的频率用于最大化等离子体密度。经常地 使用第二频率RF波对正处理的衬底施加偏压，以便离子以正确的能量撞击表面从而最大 化刻蚀速率。近年来，待刻蚀的结构的尺寸减小，并且使用更复杂的等离子体激励机制。经 常地从多个频率生成等离子体，以便单独地控制等离子体密度和到达晶片表面的离子的能 量。脉冲等离子体也用于更好地控制电子能量和刻蚀的质量。
[0004] 等离子体工艺的产量和总效率经常由衬底架及其周围的物理几何形状以及等离 子体能源和匹配确定。等离子体的RF阻抗和传递的能量的品质是重要的因素且现在需要 被监控以保证工艺正确地运行。等离子体阻抗和能量是包含实部分量和虚部分量的复值， 测量的阻抗包括室阻抗和等离子体阻抗，并且因为室阻抗经常控制等离子体阻抗，因此需 要非常精确的测量。
[0005] 因为将传感器引入等离子体反应器而引起的与等离子体干扰和污染相关联的问 题，直接监控等离子体参数是困难的。因此，RF传递路径上的外部探测器或安装在窗上的光 学探测器在确保正确地操作等离子体和支持等离子体工艺的闭环控制的方面变得更重要。
[0006] 现有技术中的难点在于使用多个频率。典型的频率是400kHz、800kHz、2MHz、 13. 56MHz、27MHz和40MHz。因为等离子体是非线性负载，因此等离子体产生谐波，该谐波存 在于信号中并混淆传感器。此外，当存在两个频率时，非线性的等离子体负载产生两个频率 之间的互调。这些互调分量还增加 RF波形的复杂性。在一些系统中，两个频率不是固定的 而是可以移动，以便帮助能量和负载的匹配。诊断系统的挑战是隔离以及测量等离子体工 艺的基本参数，例如传递的能量、等离子体阻抗、或这种复信号中的光强。
[0007] US6522121 B2描述了将每个RF信号下变频至基带以及使用高品质音频数字化器 分析信号的方法。这种方式生成多个信号和数字化器。这种系统可以变得非常复杂且在任 一次仅可以监控有限数量的信号。如果脉冲频率约等于或高于用于下变频信号的本地振荡 器的频率，则系统限于脉冲应用。频率调谐意味着基本频率将移动，因此本地振荡器必须跟 踪这个移动，这不是容易实施的解决方案且是缺点。
[0008] 为了克服这些问题，W02006/135515已经基于采样的变频器提出改进，基于采样的 变频器使RF电压和电流信号达到固定的中频频率。但是，这种降频变频器限于存在多个频 率的应用或者存在高脉冲重复率的应用。RF的直接采样要求采样器在测量的最高频率的两 倍（称作奈奎斯特频率）处操作。现有的高分辨率模数转换器已经限制带宽并且这生成对 于不需要非常高的采样率但是避免到IF频率的下变频的采样系统的需求。
[0009] 现有技术的进一步局限性是噪声的处理和获取良好的信噪（S/N)比，尤其对于较 高的谐波和以及在多个频率信号存在下。现有技术水平包括任一个同步平均，其中S/N随 着被平均的测量值的数量的平方根的增加而增加。同步是可能的，但是需要信号的硬件隔 离以及锁定需求信号的电路。这种系统的建立是复杂的，并且这种系统由于锁定同步信号 所需的时间而不适于脉冲操作，因此也不适于可变多频系统。
[0010] 在非同步RF信号的情况下，现有技术提供固定长度的样本中及时捕获的信号。使 用快速傅里叶变换（FFT)从有限长度数字序列计算周期图。由于谱偏差以及给定频率处的 变化不随着用于计算的样本的数量的增加而减小的事实，原始周期图不是良好的谱估计。 谱偏差问题由序列的突然截断引起，并且可以通过将有限序列首先乘以窗函数而减小，窗 函数逐渐地而不是突然地截断序列。平均周期图不改进S/N并且适当地留下来自互调和重 叠谐波的干扰。因为复杂的谱数据要求数据尽可能地保持最大谱频率分辨率，因此不可以 使用减小S/N的技术如巴特利特方法。
[0011] 如果样本频率低于测量所需的最高频率，那么高频率分量将被混叠并且出现在较 低频率处的时间序列中，从而进一步使得频谱复杂化且增加经常不被期望的谱特征。现有 技术水平通常通过在模数转换器（ADC)的输入上增加基于硬件的抗混叠滤波器解决这个 问题。这减小系统的带宽。
[0012] 由此可以看出，现有技术水平或者将原始信号下变频至中频频率并使用高分辨率 ADC捕获数据，或者使用直接转换并测量周期图。两种方法都受感兴趣的信号的谱复杂性的 限制，并且都不允许变化的减小及随后的S/N的增加，而这是产生用于多频率、可变频率和 脉冲频率应用中的工艺控制的可靠信号所需要的。
【发明内容】
[0013] 提供一种分析来自等离子体系统的RF信号的方法，包括以下步骤：
[0014] (a)从所述等离子体系统接收一个或多个信号通道，其中所述信号通道或每个信 号通道包括表示在频率范围内的来自等离子体系统的信号和噪声的数据源；
[0015] (b)在来自所述信号通道之一的第一 RF信号样本中识别第一频率值F，在所述第 一频率值F处发现频域中的局部最大值；
[0016] (c)在所述第一信号样本中确定所述第一频率值F处的第一复频域信号分量；
[0017] (d)在来自所述信号通道之一的所述第一 RF信号样本中或更远RF信号样本中识 别更远频率值F (N)，其中N是表示所述第一频率F的第N级谐波的整数，以及其中N = 1表 示第一频率F处的第一级谐波；
[0018] (e)在所述RF信号样本中确定所述更远频率值处的更远复频域分量，在所述RF信 号样本中识别所述更远频率值；
[0019] (f)通过将所述第一复频域分量的相位调整角度Θ至预定相位角φ而变换所述 第一复频域分量，从而提供经过相位调整的第一复信号分量；
[0020] (g)通过将所述更远复频域分量的相位调整等于NX Θ的角度而变换所述更远复 频域分量，从而提供经过相位调整的更远复信号分量；
[0021] (h)关于来自所述相同等离子体系统的多个信号样本，迭代地重复步骤（b)至 (g)，其中在每个迭代中选择Θ的值以得到不同迭代中的经过相位调整的第一复信号分量 的恒定相位角φ，以及其中在任何迭代中，在步骤（f)中选择的θ的值用于步骤（g)的调 整；
[0022] (i)聚合或平均在每个迭代中获取的所述经过相位调整的第一复信号分量；
[0023] (j)聚合或平均在每个迭代中获取的所述经过相位调整的更远复信号分量。
[0024] 相移操作基本上允许在不减小期望的基波及其谐波的情况下对多个周期图进行 平均。不与基本电压同相的其他信号将以趋于彼此抵消的方式矢量地相加。这还包括噪声， 使得信号的变化将随着被平均的周期图的数量的平方根的减小而减小。这导致平均信号的 S/N的急剧增大。
[0025] 第一频率F优选地是但不必是等离子体系统的基本频率，例如，F可以是在等离子 体系统中经常被发现的13. 56MHz。但是，第一频率自身可以是谐波，例如27. 12MHz处的第 二谐波，在这种情况下，值N= 1(本文公开的相移方法中）表示27. 12MHz信号，N =2表 示54. 24MHz处的谐波（实际上是13. 56基波的第四谐波）。
[0026] 重要的是，第一频率被相位调整角度Θ至预定的相位角φ，然后更远频率或每个 更远频率被调整角度NX Θ，其中N表示第一频率和更远频率之间的频率倍数。
[0027] 在一些实施方案中，第一频率值被识别出的信号通道与更远频率被识别出的信号 通道不同。
[0028] 由此，可识别（例如）电压信号通道中的信号最大值并使用（例如）电流或光信 号通道中的相应或谐波频率上的相移操作，相移操作允许通过