专利名称：等离子体探头探测用的折叠取样器的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体发生设备，特别涉及供探测加到射频等离子体室的射频功率的电流和电压用的一种探头。
在一般的射频等离子体发生装置中，高功率的射频源产生预定频率(即13.56兆赫)的射频波，沿能源导管提供给等离子体室。由于通常射频功率源与等离子体室的阻抗失配，因而在射频功率源与等离子体室之间加上一个阻抗匹配网络。由于等离子体室是有其非线性的一面的，且由于线路和阻抗匹配网络中的损耗，射频发生器的输出不能全都到达等离体室。因此通常的作法是在等离子体室的功率输入端采用探头探测射频波进入等离子体室时的电压和电流。通过精确测定尽可能靠近等离子体室的电压和电流使用等离子体处理法的人可以更好地了解等离子体的质量，从而可以更好地控制等离子体室内硅圆片或其它工件的蚀刻性能。
目前，采用二极管探头来探测电流和电压波形的幅值。这些探头只用二极管来调整电压和电流的波形，并输出简单的直流计量电压和电流。这些探头在这方面的作用起码有两个不足之处。二极管探测器在信号电平低时本来是非线性的，而且还受到温度漂移的不良影响。此外，二极管还只能检测基频的信号峰值，并不能提供有关射频功率波形中存在的更高频率的任何信息。这就是说，有关谐波的信息，要获得其“谐波指印”是不可能的，而且当波形中有大量谐波(等离子体作业中通常即发生这种情况)时，测出的功率不准确。此外还不能获取电流和电压波形之间的相角资料，从而也使测出的功率值不准确。
有人提出过改进射频功率测定方法的一个方案是采用快速变换法获取探头电压和电流输出的数字样本，再在高速缓冲RAM上处理各样本。但这个方案在准确度和精确度方面有问题。目前，快速变换法的动态量程小，局限于8比特左右。为获取相位上适当的准确度以满足等离子体用户的要求，需要达到12比特左右的精确度，以便在满功率下达到比1度更好的相角精确度。此外，为在样本群在数字信号处理器(DSP)中处理之前将它们缓存起来，快速变换器需要有速度极快的RAM，而RAM线路既占地方又价昂。
本发明的目的是提供一种可靠而成本低又能避免现有技术的缺点、供探测加到等离子体室的射频功率的电流和电压用的探头。
本发明更具体的目的是提供一种供探测射频电流和电压波形且保存有关谐波和相位方面信息的折叠取样方案。
本发明的另一个目的是提供一种能提供高准确度的电压、电流和相位且对温度漂移较不敏感的折叠取样方案。
本发明更具体的目的是提供一种能重现所加的射频电流波形、能重现所加的射频电压波形、但在较低得多的频率下重现、保存所加真实波形在相应和谐波方面的信息的折叠取样装置。
按照本发明的一个方面，将折叠取样探头与等离子体装置结合使用，由射频发生器产生预定频率(例如13.56兆赫)的射频电波，再通过阻抗匹配网络加到等离子体室的功率输入端上。在等离子体室内，射频电波产生等离子体，用等离子体在诸如硅圆片之类的衬底上进行蚀刻、敷被覆或淀积等操作。等离子体处理过程应尽可能保证其可预测性和可重复性，以确保产品质量的一致性。为此，处理操作人员须要不断地监视功率特性，并根据检测出的功率测定值调节或终止处理过程。由于等离子体处理过程的非线性，因而会出现一系列谐波，而且如果有现成的关于谐波的信息，还可能提供关于等离子体的宝贵信息。此外，由于电压和电流波形之间会出现显著的相位差，因而所加的功率很少会仅仅是峰值电压与峰值电流的乘积。
为达到上述目的，折叠取样电路以预定的取样频率fs对射频电压幅值和射频电流幅值进行取样，该取样频率fs比所加射频功率的预定射频基频F(例如13.56兆赫)低得多。这产生一射频波形的复制波形，但这是在较低的折叠频率fa(例如100千赫)下产生的。得出的折叠波形保留原波形的谐波信息，且电压和电流波形的相对相位也保存在相应的折叠波形中。这里能够产生准确的折叠波形，因为等离子体特性的漂移和变化比较慢，而且在射频功率波的整个若干千周的期间内变化不显著。
取样频率可以选取fs＝F/N±fa/N，其中N为大于1的整数，更具体地说，有关的最高次谐波为第n次谐波时(例如所加射频功率的第五次谐波)，则整数N应选取等于或大于谐波次数n。上面说过，功率基频通常为13.56兆赫。一般折叠频率应在大约50千赫与250千赫之间。
在实用的实施例中，取样电路有一个取样时钟和第一和第二取样保持电路，取样时钟在取样频率fs下工作，两个取样保持电路由取样时钟控制，供对射频率波的电压和电流进行取样用。各样本数字化成12比特字，并被锁定在数字信号处理器或DSP的数字输入端。电压和电流波形同时取样，这样可以使DSP产生电压和电流波形同时折叠的图象。在一个实用的实例中，折叠取样器产生在100千赫折叠频率下的复制波形，其准确度或精确度足以分解五次谐波，还可以观测大约1度范围内的相位角。经处理的信息可发送给主计算机以控制等离子体的操作。数字样本一旦存入DSP中，例如快速付里叶变换(FFT)之类的算法就可以对各样本进行处理，从而产生频域样本集，这也可用来控制等离子的操作或供进一步分析用。
图1是本发明一个最佳实施例的射等离子体设备的方框图，示出了射频功率发生器、阻抗匹配网络、等离子体室和射频功率探头；图2是本实施例探头的折叠取样部分的简化原理图；图3A至3C是所加射频功率、取样脉冲和取样幅值的曲线图，供说明本实施例用；图4示出了本实施例产生的折叠波形。
图1中，等离子体加工设备10(例如供蚀刻硅圆片或其它工件用)的射频功率发生器产生预定频率(例如13.5兆赫)和预定功率级(例如1千瓦)的射频功率，将其沿导管14提供给匹配网络16。匹配网络16的输出端由功率电路18耦合到等离子体室20的一输入端。探头装置22供对所加射频功率的电压VRF和电流IRF进行取样用，位于导管18上等离子体室20的输入端处。所取的电压样本VRF和所取的电流样本IRF沿线路24和26加到折叠取样器29的输入端，由取样器28以略低于或略高于射频功率波形各整数n周期的样本的取样频率对电压和电流的幅值进行取样。由此产生的一组数字值提供给数字信号处理器或DSP30。DSP处理样本值，并将对电流和电压的分析结果提供给输出装置32，这个输出可以经反馈线路34耦合，供控制射频功率发生器12用。
图2示出了折叠取样器28的细节。这里取样时钟36给电压取样保持电路38和电流取样保持电路42以及DSP 30的中断输入端提供取样脉冲。沿线路24供应的电压样本VRF，它们的基频都是13.56兆赫，但两种样本都不是正弦波，还可以有大量的谐波，如图3A的波形所示。样本脉冲S(图3B)出现的时间间隔略大于射频功率波的某些预定的整数周期数。例如，取样脉冲的时间间隔可等于10个全周期±1/10周期。无论是多1/10周期或少1/10周期的情况下，高速取样保持电路保持振幅电平，如图3C所示，这些连续取样的电平经过合成产生折叠波形，如图4中所示，该波形的形状与图3A的波形相同，但频率低得多，例如为13.56兆赫频率的1％。
继续说明图3。取样保持电路38装有模/数(A/D)转换器将取样值(图3c)转换成数字形式，这里的分辨率起码为12比特。各样本通过12比特总线提供给锁存电路40，由该电路将12比特样本锁存在DSP30的数据输入端。取样时钟脉冲36提供给第二高速取样保持电路42，该电路也装有模/数转换器。电路42对探针22沿线路26提供的射频电流样本幅值进行取样。该电路给锁存器44提供一系列12比特的样本，由锁存顺44将样本提供给DSP30的电流数据输入端。
在实用的一个实例中，取样时钟36在2.732兆赫的取样频率fs下工作，这产生基频fa为100千赫的折叠波形。射频样本进入两个取样保持电路38、42，由该两电路对电压VRF和电流IRF波形同步取样，产生100千赫的折叠波形(图4)。为此，13.56兆赫波形是在13,600千赫±100千赫频率的整分数(1/N)下取样的，即fs＝13,560,000/N±100,000/N若操作人员的目的是想获取关于五次谐波的可靠信息，则折叠波形中必须有500千赫的频率。为此，我们选取N＝5于是得出取样频率fs＝13,560,000/5+100,000/5＝2.732兆赫实际的取样频率应根据所要求的分辨率选取。在此情况下，500千赫的谐波频率正适合本实例2,732/2兆赫的取样定理极限值。从图3B可以看出，取样信号S的周期Ts＝1/fs，约为366纳秒，脉冲宽度约为1至5纳秒。射频功率波的周期T为1/13.56兆赫或73.75纳秒(图3A)。
在本实施例中，进行快速付里叶(FFT)或其它处理时，DSP30一般可以用高速中断程序在2.732兆赫取样频率下提取一组样本。各样本已存入DSP30的存储器中时，可以在样本组中应用象FFT之类的算法产生频域样本集。接着将经处理的信息发送给主计算机(图中未示出)以便进一步分析，或供其它控制用途用，从等离子体处理过程中获取最高的产品质量。
权利要求
1.一种等离子体设备，其中射频功率发生器产生预定频率的射频电波，该电波通过射频匹配网络提供给等离子体室的功率输入端，在等离子体室内，所述电波产生等离子体，且由检测装置在所述等离子体室的输入端对射频电波进行取样，以确定加到所述等离子体室的射频电功率的测定值；所述设备的特征在于，所述检测装置有一个取样装置，用以在低于所述预定频率的预定取样频率下对所述射频波的幅值进行取样，并结合合成电路将所取样的幅值组合起来，从而产生远低于所述预定频率的预定折叠频率的折叠波形。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于还在于，所述射频功率发生器产生所述预定频率F的所述射频电波，所述预定折叠频率选用fa，所述取样频率fs选用fs＝F/N±fa/N其中N为大于1的整数。
3.如权利要求2所述的设备，其特征还在于，所述预定频率F为13.56兆赫，所述折叠频率fa约为50千赫至250千赫的范围。
4.如权利要求2所述的设备，其特征还在于，所述整数N起码为5。
5.如权利要求1所述的设备，其特征还在于，所述取样装置包括一个取样时钟，其工作频率为所述取样频率；第一高速取样保持装置，由所述取样时钟的控制，用以对所述射频波的电压进行取样；第二高速取样保持装置，由所述取样时钟控制，用以对所述射频波的电流进行取样，且所述合成装置包括波形发生装置，供产生折叠电压波形和折叠电流波形。
6.如权利要求5所述的设备，其特征还在于，所述第一和第二取样保持装置都有一个模/数转换器产生宽度起码为12比特的数字样本。
7.如权利要求6所述的设备，其特征还在于，所述第一和第二取样保持装置对有关的电压和电流波形同时进行取样。
8.如权利要求6所述的设备，其特征还在于，所述取样装置包括第一和第二数字锁馈存器分别合在所述第一和第二取样保持电路与一数字信号处理器相应的输入端之间。
全文摘要
一种折叠取样探头，供检测等离子体射频电压和电流用。这种探头采用取样频率低于射频基频的取样信号以产生折叠频率远低于射频基频的折叠波形。在一个实施例中，射频功率是在13.56兆赫(图3A)下加上去的。取样脉冲的取样频率为2.732兆赫(图3B)供产生折叠频率约为100千赫的射频电压和电流波形的复制波形(图4)。复制出的折叠波形保存的相位和谐波信息其准确度是其它取样方法所没有的。
文档编号H01L21/302GK1156827SQ9610690
公开日1997年8月13日 申请日期1996年6月7日 优先权日1995年6月7日
发明者A·R·A·基恩 申请人:Eni阿斯泰克美国分公司