用於等離子體rf源的度量的多速率處理的製作方法
2023-12-02 12:31:16
專利名稱：用於等離子體rf源的度量的多速率處理的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及採用頻率可調節源的RF等離子體系統，特別涉及跟蹤RF發生器的調諧頻率和有效地除去不必要的頻率成份的多速率信號處理技術。
背景技術：
在半導體工業中，等離子體蝕刻已經變為製造半導體集成電路的一個不可分割的部分。實際上，蝕刻器通常在需要相關直角邊緣時被用於半導體處理中。例如，當蝕刻MOS電晶體的多晶矽柵極時，鑽蝕該多晶矽可能對該半導體的操作造成不良影響。當使用液體蝕刻方法時通常會遇到鑽蝕的情況。結果，涉及例如等離子體蝕刻這樣的其他蝕刻技術。使用由電場加速的離子的等離子體蝕刻傾向於僅僅蝕刻水平暴露的表面，因此避免鑽蝕。
為了有效地執行等離子體蝕刻處理(以及任何其他等離子體處理)，非常希望精確地控制傳送到該等離子體腔的功率。控制該功率的嚴格必要條件隨著蝕刻處理的複雜度增加而發展。結果，各種控制技術被用於監視實際傳送到該等離子體腔的功率。
由於多個原因，常規的控制方法不能夠滿足等離子體處理的不斷增加的嚴格容限必要條件。一個特殊的原因是傳送到等離子體腔的RF功率一般包括多個基頻以及相對應的諧波。例如，施加到該等離子體腔的電壓可以具有在2MHz和27MHz處的基頻，其中2MHz信號包括在4MHz、6MHz、8MHz等等處的諧波。另外，27MHz信號可以包括在25MHz、23MHz等等處的互調製分量。這是重要的，因為關於由該來源所傳送的能量的認識可能被諧波或者互調製分量所歪曲，因此為了精確測量需要限制或消除這些頻率。多速率處理具有大的處理增益，以大大地減小不必要的頻率成份。處理增益是消除頻帶外噪聲。這出現在所需的頻率佔用比輸入信號更少的帶寬的情況。
本發明提供一種多速率信號處理技術，其跟蹤RF發生器的調諧頻率，從而有效地從所需的頻率除去不必要的頻率成份。該方法大大地放寬了在傳感器和信號處理單元之間的任何濾波元件的設計標準。該方法還具有增加精度和減小佔用面積的立竿見影的優點。該方法還適用於各種RF傳感器。
本發明對於採用頻率可調節的來源的RF等離子體系統來說也是重要的。在頻率可調節系統中的RF發生器調節其頻率，以使得功率傳輸最大化。當該頻率被調節時，該度量的帶通區域必須為該調諧頻率相應地移動，以通過所需的頻率並且除去其他頻率。本發明連貫地跟蹤該RF發生器的調諧頻率。
本發明的一個附加優點在利用多RF頻率源的等離子體系統中實現。在多RF頻率源中，通常互調製分量存在於該度量電路的頻帶中。當該高頻RF源帶寬的度量大於該頻率源的互調製分量時，將得到該結果。一個多速率處理方案對頻帶外信號提供大的衰減，以消除這些互調製分量對度量精度的影響。
發明內容
根據本發明，一種RF發生器被提供用於一個RF等離子體系統中。該RF發生器包括在一個調諧頻率上產生RF功率信號的功率源；適合於檢測該RF功率信號並且產生表示該RF功率信號的模擬信號的傳感器單元，該模擬信號包括所需的頻率成份和多個幹擾頻率成份；以及適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號頻帶限制在一個預定帶寬內的傳感器信號處理單元，其中該預定帶寬通過所需的頻率成份，並且排除幹擾的頻率成份。該傳感器信號處理單元最好在該數字域上實現。
為了更加完整地理解本發明、其目的和優點，可以參考下文的說明書和附圖。
圖1為示意的單源RF等離子體系統的示意圖；圖2為根據本發明用於傳感器信號處理單元的示意硬體構架的示意圖；圖3為示出根據本發明用於傳感器信號處理單元的優選信號處理技術的方框圖；圖4為在本發明的傳感器信號處理單元中用於實現抽取處理的常規抽取器方案的方框圖；圖5為在本發明的傳感器信號處理單元中可以用於實現該抽取處理的級聯積分器梳狀濾波器的方框圖；以及圖6為示出對於各種抽取因子的級聯積分器梳狀濾波器的頻率響應的示意圖。
具體實施例在圖1中示出一個示意單源RF等離子體系統10。如本領域所公知，該RF等離子體系統10包括RF發生器12、匹配網絡14和等離子體腔16。儘管在下文的描述參照一種單源系統，但是容易理解本發明的廣義方面可以應用於具有兩個或多個RF發生器的RF等離子體系統。
該RF發生器12進一步包括RF功率源22、RF傳感器24和傳感器信號處理單元26。在操作中，RF功率源22被操作，以產生RF功率信號，其通過匹配網絡14輸出到等離子體腔16。應當知道，僅僅發生器的主要部件被討論，但是需要其他已知的部件來實現該發生器。
一種RF傳感器24被置於RF功率源22和匹配網絡之間，以檢測由RF功率源22輸出的RF功率信號。該RF傳感器24通常可用於產生表示該RF功率信號的模擬信號，其接著被用作為對RF功率源22的控制信號。在一個示意實施例中，RF傳感器24包括電壓探針和電流探針，使得傳感器輸出分別代表RF線電壓和RF線電流。在另一個實施例中，該RF傳感器可以被定義為方向傳感器，其輸出對應於正向功率和被反射功率。在任何一種情況中，來自RF傳感器24的兩個輸出信號最好用作為到傳感器信號處理單元26的輸入。該傳感器輸出通過50歐姆傳輸線路連接到傳感器信號處理單元26。傳輸線路被根據如下原則而任意提供通過仔細地匹配該線路和終端的阻抗而保持良好的波形保真度，以及通過適當地屏蔽和注入外部電磁幹擾的結構來保持幹擾信號的良好衰減。儘管傳感器信號處理對特定的傳感器配置具有一定相關性，但是容易理解，本發明的傳感器信號處理方法的廣義方面可以應用於不同類型的傳感器配置。
根據本發明，該傳感器信號處理單元26適合於從RF傳感器接收模擬信號，並且輸出跟蹤由RF功率源22所產生的RF功率信號的調諧頻率的數字控制信號。應當知道，從該RF傳感器接收的模擬信號將包括所需的頻率和多個幹擾頻率成份或者不希望出現的寄生頻率成份。在操作中，該傳感器信號處理單元26把該模擬信號頻帶限制在使得所需的頻率通過的預定頻帶內，並且排除該幹擾頻率成份。儘管所需的頻率最好是在該功率的調諧頻率上的基頻成分，但是可以設想所需的頻率還可以包括與該調諧頻率相關的其他頻率成份。在可調節RF功率信號的情況中，該預定帶寬可調節，以通過所需的頻率，如下文進一步描述。可以設想該傳感器信號處理單元26可以在RF傳感器24的位置處或遠離該RF傳感器24。
參見圖2，其中示出一個示意硬體構架30，用於實現該傳感器信號處理單元26。每個傳感器輸出最初由防混疊濾波器32所濾波。該防混疊濾波器的目的是頻帶限制所需的信號頻率。該濾波器的最小帶寬一般等於該RF功率信號的工作頻帶。在該濾波器之前的傳感器輸出信號的衰減可以取決於該輸出信號的幅度；否則，用於這些防混疊濾波器32的設計標準不是關鍵的，因為在抽取處理過程中實現進一步的頻帶限制。
每個防混疊濾波器32接著連接到高速模數(A/D)轉換器對34。該A/D轉換器34作為一對通過同時採樣從每個濾波器輸出的各個信號而工作。然後該A/D轉換器34把模擬輸入信號轉換為相應的數字功率信號。該輸入信號的頻譜內容包括在奈奎斯特範圍([1/2]採樣率)或更大範圍內的防混疊濾波器的通頻帶中的頻率。由於該轉換器的帶寬大於該採樣率，因此這是可以實現的。
A/D轉換器34的輸出然後連接到用於大規模集成(LSI)的可編程器件。在一個示意實施例中，場可編程門陣列(FPGA)36接收由A/D轉換器34輸出的數位訊號。該FPGA 36的主要目的是把A/D轉換器34的採樣率減小到可以由數位訊號處理器38所管理的數據率。該信號處理單元不在該等離子體RF發生器的控制環路中導入大的群時延是關鍵的。因此，該抽取因子的基礎是提供用於該控制環路的最佳群時延以及用於傳感器測量精度的適當頻帶限制。
在一個優選實施例中，該傳感器信號處理單元26採用多速率信號處理技術實現從如圖3中所示的所需頻率中除去不必要的頻率成份。例如，在具有兩個或更多的來源的RF發生器的情況中，該傳感器信號處理單元26的帶寬可以被設計為通過與兩個功率源之一相關的所需頻率並且濾除由來自兩個來源的功率信號的互調製所造成的寄生頻率成份。該多速率信號處理最好使用數字頻率合成器42、一對數字混合模塊44、一對抽取模塊46和一對低通濾波器48在數字域中實現。
從A/D轉換器34獲得的數位訊號被應用於一對數字混合模塊44。每個數字混合模塊44還接收來自數字頻率合成器42的輸入。通常，該數字頻率合成器42產生數字混合信號。特別地，該數字頻率合成器產生表示頻率調整點的正弦和餘弦波形，其中該頻率調整點與所需頻率相關聯。在一個實施例中，該頻率調整點通常是從驅動RF功率源的頻率源接收的一個頻率調整點。因此，該頻率跟蹤技術是連貫性的。容易理解，其他連貫的頻率跟蹤技術以及各種獨立的頻率跟蹤技術都在本發明的範圍內。
每個數字混合模塊44可以操作，以把從數字頻率合成器42接收的數字混合信號與從A/D轉換器34接收的數字功率信號相混合。為了實現該目的，每個數字混合模塊包括兩個數字乘法器。另外，該數字混合模塊44在與A/D轉換器對34相同的採樣率下工作。來自每個數字混合模塊44的結果是由包含在採樣的輸入信號和由該數字頻率合成器所提供的信號中的頻率之和和之差構成的頻譜。
該採樣率到可管理的數據率的轉換出現在抽取模塊46中。該抽取是一種用於減小信號的數據率的眾所周知的處理。常規的抽取器方案在圖4中示出。儘管這是一種用於抽取的可接受的方法，但是該方案體現難以實現的各種限制。這些限制包括高速乘法器的數目與低通濾波器級數相等、用於濾波器係數的存儲要求、以及本地時序對於該低通濾波器的實現是關鍵的。
一種替換的抽取方案在圖5中示出。特別地，通過一個級聯積分器梳狀(CIC)濾波器40來實現抽取。該CIC濾波器40的頻率響應取決於設計參數K、N和R。K產生該濾波器的級數。該濾波器最好是對稱的，使得對於一個給定的K有K個積分器級和K個梳狀濾波器級。N是在該梳狀濾波器的反饋中的延遲單元。R是抽取因子。對於一個給定的R，該採樣率被減小到(採樣率/R)的數據率。為了說明的目的，在圖6中示出對於第5級CIC濾波器的各種抽取因子的頻率響應的示意圖，其中延遲單元N為1。隨著抽取因子的增加，該數據率成比例地減小，並且頻帶限制增加。本領域的普通技術人員應當知道其他抽取方案(例如，多項分解(polyphasedecomposition))也在本發明的範圍內。
轉到圖3，一對低通濾波器48緊接著在該抽取處理之後。該低通濾波器提供CIC濾波器40的頻譜輸出的整形函數。例如，19個抽頭的半頻帶濾波器可以被用於此目的。對於輸入到傳感器信號處理單元26的每個數字功率信號，輸出被示出為一個同相(I)信號和一個正交(Q)信號。應當知道，這些輸出信號可以作為用於RF功率源22的控制反饋信號。進一步知道其他類型的控制反饋信號可以從這些輸出信號導出，並且控制反饋信號的類型可以取決於由RF發生器12所採用的傳感器24的類型。
在自動頻率跟蹤的情況下，通過取每個被採樣輸入信號的輸出對於時間的倒數而導出該頻率調整點。該倒數的結果提供通過復坐標系統旋轉的速率。該速率與用於包含在被採樣的輸入信號中等所需頻率和數字頻率合成器之差的被抽取頻率成正比。當在一個RF頻率調諧系統中改變該頻率時，該數字頻率合成器的調整點被調節，以把所需頻率保持在CIC濾波器通頻帶內。該導出的頻率還可以是每個被採樣的輸入信號的輸出對於時間的倒數的濾波後的結果。例如，該倒數可以由每個輸出信號對於時間來計算，然後由一個線性(平均)或非線性(中值)濾波器所濾波。
上述信號處理方法可以在一個可編程的數位訊號處理器、用於大規模集成或其組合的可編程器件中實現。該LSI方法是優選的，用於通過並行處理來獲得速度；儘管DSP方法優選用於轉換數據，並且應用適當的校正因子。
總而言之，本發明提供一種有效的窄帶濾波器，以消除傳感器信號的測量中的失真。互調製分量和與RF等離子體系統相關的環境噪聲被大大地衰減。所提出的實現方式有效地使用數字邏輯，從而需要更小的佔用面積。一種可比較的模擬方法通常需要成份調節和/或不同的成份。所提出的數字實現方式還具有最小的長期漂移並且容易適用於不同的應用。
儘管已經用優選的形式來描述本發明，但是應當知道，本發明可以作出各種改變，而不脫離所附權利要求給出的本發明的精神實質。
權利要求
1.一種位於RF等離子體系統中的RF發生器，其中包括在一個可調頻率範圍內的一個調諧頻率上產生RF功率信號的功率源；適合於檢測該RF功率信號並且產生表示該RF功率信號的模擬信號的傳感器單元，該模擬信號具有與該功率源的調諧頻率相關的所需的頻率成份；以及適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號頻帶限制在一個預定帶寬內的傳感器信號處理單元，其中該信號處理單元的預定帶寬可調節，以通過所需的頻率成份，並且排除幹擾的頻率成份。
2.根據權利要求1所述的RF發生器，其中該模擬信號被進一步定義為具有基頻成份以及多個寄生頻率成份，使得該信號處理單元的預定帶寬可調節，以通過基頻成分並且濾除多個寄生頻率成份。
3.根據權利要求1所述的RF發生器，其中該傳感器信號處理單元的預定帶寬跟蹤該功率源的調諧頻率。
4.根據權利要求1所述的RF發生器，其中該傳感器信號處理單元進一步包括A/D轉換器對，其適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把模擬信號轉換為數字功率信號；以及數位訊號處理器，其適合於從該A/D轉換器對接收數字功率信號並且從跟蹤由RF發生器產生的RF功率信號的數字功率信號導出數字控制信號。
5.根據權利要求4所述的RF發生器，其中該傳感器單元產生表示RF線電壓的模擬電壓信號和表示RF線電流的模擬電流信號；使得該A/D轉換器對把模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，並且把模擬電流信號轉換為數字電流信號。
6.根據權利要求5所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器為該數字電壓信號和該數字電流信號中的每一個產生同相信號和正交信號。
7.根據權利要求4所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器進一步包括產生數字混合信號的數字頻率合成器；用於處理第一數字功率信號的第一處理部件；以及用於處理第二數字功率信號的第二處理部件，使得每個處理部件包括數字複合混頻器，其適合於接收數字混合信號和一個數字功率信號並且把該數字混合信號與一個數字功率信號相合併，以形成復坐標信號；抽取模塊，其適合於接收該復坐標信號並且減小該復坐標信號的數據率；以及低通濾波器，其適合於從該抽取模塊接收降頻變換的復坐標信號，並且整形該降頻變換的復坐標信號的頻率響應。
8.根據權利要求7所述的RF發生器，其中該抽取模塊被進一步定義為級聯積分器梳狀濾波器。
9.根據權利要求7所述的RF發生器，其中該數字頻率合成器的數字混合信號與該功率源的調諧頻率相關聯。
10.根據權利要求5所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器被至少部分地在場可編程門陣列中實現。
11.一種RF等離子體系統，其中包括等離子體腔；把RF功率信號傳送到該等離子體腔的RF發生器；以及匹配網絡，其置於該RF發生器和等離子體腔之間，以匹配該RF發生器和該等離子體腔之間的阻抗，其中該RF發生器進一步包括在可調頻率範圍內的調諧頻率處產生RF功率信號的可調節功率源；適合於檢測該RF功率信號並且產生表示該RF功率信號的模擬信號的傳感器單元，該模擬信號具有基頻成分和多個幹擾頻率成份；以及傳感器信號處理單元，其適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號頻帶限制在預定帶寬內，其中該信號處理單元的預定帶寬可調節，以通過該基頻成分，並且排除幹擾頻率成份。
12.一種在RF等離子體系統中的RF發生器，其中包括以第一固定頻率產生RF功率信號的第一功率源；以第二固定頻率產生RF功率信號的第二功率源；適合於檢測由第一和第二功率源之一所產生的RF功率信號並且產生表示該RF功率信號的模擬信號的傳感器單元，該模擬信號具有與該功率源的固定頻率相關的所需頻率和多個幹擾頻率成份；以及在數字域中實現的傳感器信號處理單元，該傳感器信號處理單元適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號頻帶限制在通過所需的頻率並且排除幹擾頻率成份的預定帶寬內。
13.根據權利要求12所述的RF發生器，其中多個寄生頻率成份中的至少一些頻率成份是由來自第一和第二功率源的RF功率信號的互調製所造成的。
14.根據權利要求12所述的RF發生器，其中該傳感器信號處理單元進一步包括A/D轉換器對，其適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號轉換為數字功率信號；以及數位訊號處理器，其適合於從該A/D轉換器對接收數字功率信號並且從跟蹤由RF發生器所產生的RF功率信號的數字功率信號導出數字控制信號。
15.根據權利要求14所述的RF發生器，其中該傳感器單元產生表示RF線電壓的模擬電壓信號和表示RF線電流的模擬電流信號；使得該A/D轉換器對把該模擬電流信號轉換為數字電壓信號，並且把該模擬電流信號轉換為數字電流信號。
16.根據權利要求15所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器為該數字電壓信號和數字電流信號中的每一個產生同相信號和正交信號。
17.根據權利要求14所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器進一步包括產生數字混合信號的數字頻率合成器；用於處理第一數字功率信號的第一處理部件；以及用於處理第二數字功率信號的第二處理部件，使得每個處理部件包括數字複合混頻器，其適合於接收該數字混合信號和一個數字功率信號，並且把該數字混合信號與一個數字功率信號相合併，以形成復坐標信號；抽取模塊，其適合於接收該復坐標信號並且減小該復坐標信號的數據率；以及低通濾波器，其適合於從該抽取模塊接收降頻變換的復坐標信號，並且整形該降頻變換的復坐標信號的頻率響應。
18.根據權利要求17所述的RF發生器，其中該抽取模塊被進一步定義為級聯積分器梳狀濾波器。
19.根據權利要求17所述的RF發生器，其中該數字頻率合成器的數字混合信號與該功率源的調諧頻率相關聯。
20.根據權利要求14所述的RF發生器，其中該數位訊號處理器被至少部分地在場可編程門陣列中實現。
21.一種用於產生跟蹤由RF發生器所產生的射頻(RF)功率信號的數字控制信號的方法，其中包括產生表示由該RF發生器所產生的RF功率信號的模擬信號，該模擬信號具有與該RF發生器的調諧頻率相關的所需頻率；把該模擬信號轉換為數字功率信號；根據頻率調整點產生數字混合信號；把該數字混合信號與該數字功率信號相合併，以形成數字復坐標信號；減小與該數字復坐標信號相關的數據率；以及整形該數字復坐標信號的頻率響應，從而導出跟蹤由RF發生器所產生的RF功率信號的數字控制信號。
22.根據權利要求21所述的方法，其中產生數字混合信號的步驟進一步包括把該頻率調整點與該RF發生器的調諧頻率相關聯。
全文摘要
一種RF發生器被提供用於RF等離子體系統中。該RF發生器包括在一個調諧頻率上產生RF功率信號的功率源；適合於檢測該RF功率信號並且產生表示該RF功率信號的模擬信號的傳感器單元，其中該模擬信號包括所需的頻率成分和多個幹擾頻率成分；以及適合於從該傳感器單元接收模擬信號並且把該模擬信號頻帶限制在一個預定帶寬內的傳感器信號處理單元，其中該預定帶寬通過所需的頻率成分，並且排除幹擾的頻率成分。
文檔編號H01L21/3065GK1647237SQ03808081
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月14日 優先權日2002年7月10日
發明者戴維·J·庫穆, 麥可·L·柯克 申請人:Eni技術公司