使用光學數(shù)據(jù)監(jiān)測射頻發(fā)生器操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】使用光學數(shù)據(jù)監(jiān)測射頻發(fā)生器操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備 相關(guān)專利申請的交叉引用
[0001] 本申請要求于2014年8月29日提交的名稱為"使用光學數(shù)據(jù)監(jiān)測射頻發(fā)生器操 作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備"的美國臨時專利申請No.62/044, 181的優(yōu)先權(quán),該專利申請通過引 用的方式為了所有目的全部并入本申請中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體上涉及等離子體加工室和操作,并且更具體地講,涉及用于監(jiān)測等離 子體加工系統(tǒng)中的射頻發(fā)生器的操作的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 等離子體加工系統(tǒng)使用來自射頻發(fā)生器的射頻信號以激活等離子體加工室內(nèi)的 等離子體。射頻信號可以被調(diào)制并施以脈沖以選定并控制等離子體的許多方面。通常,經(jīng) 由對射頻信號采樣的系統(tǒng)監(jiān)測射頻信號。遺憾的是,對射頻信號采樣并不直接監(jiān)測射頻信 號對等離子體的影響。
[0004] 在這種背景下,本領(lǐng)域中產(chǎn)生了需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] -般來講,本發(fā)明通過提供用光學傳感器直接監(jiān)測等離子體以確定脈沖射頻信號 的操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備來滿足這些需求。應(yīng)當理解,本發(fā)明可以用多種方式實施,包括 方法、設(shè)備、系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)或裝置。以下描述了本發(fā)明的一些創(chuàng)造性實施例。
[0006] -個實施例包括等離子體加工系統(tǒng),所述等離子體加工系統(tǒng)包括等離子體室。所 述等離子體室包括針對所述等離子體室中的等離子體區(qū)域的光學傳感器。射頻發(fā)生器通過 匹配電路耦合至所述等離子體室。射頻定時系統(tǒng)耦合至所述射頻發(fā)生器。系統(tǒng)控制器耦 合至所述等離子體室、所述射頻發(fā)生器、所述光學傳感器、所述射頻定時系統(tǒng)和所述匹配電 路。所述系統(tǒng)控制器包括中央處理器、存儲系統(tǒng)、成組的射頻發(fā)生器設(shè)置以及光學脈沖等離 子體分析器。所述光學脈沖等離子體分析器耦合至所述光學傳感器并且能確定所述光學傳 感器中接收的光學發(fā)射的狀態(tài)變化的定時和/或與所述光學傳感器中接收的光學發(fā)射的 幅值對應(yīng)的成組的幅值統(tǒng)計中的至少一個。
[0007] 另一個實施例提供了一種確定光學傳感器中接收的光學發(fā)射的狀態(tài)變化的方法。 所述方法包括:在光學傳感器中接收光學等離子體發(fā)射;輸出光學傳感器信號;對所述光 學傳感器信號進行濾波以產(chǎn)生經(jīng)濾波的光學信號;對所述濾波的光學傳感器信號整流以產(chǎn) 生經(jīng)整流的、經(jīng)濾波的光學傳感器信號。在定時參考信號的狀態(tài)變化之前確定所述經(jīng)整流 的、經(jīng)濾波的光學傳感器信號的動態(tài)閾值電平。檢測在所述定時參考信號的狀態(tài)變化之后 發(fā)生的所述經(jīng)整流的、經(jīng)濾波的光學傳感器信號的狀態(tài)變化。記錄所述經(jīng)整流的、經(jīng)濾波的 光學傳感器信號的所檢測的狀態(tài)變化。
[0008] 又一個實施例提供了用于確定與光學傳感器中接收的光學發(fā)射的幅值對應(yīng)的幅 值統(tǒng)計的方法。所述方法包括:在光學傳感器中接收光學等離子體發(fā)射;輸出光學傳感器 信號;將定時參考信號的至少一個階段細分成多個子份。確定用于每個所述子份的所述輸 出的光學傳感器信號的幅值統(tǒng)計,并且存儲用于每個所述子份的所述輸出光學傳感器信號 的幅值統(tǒng)計。
[0009] 結(jié)合附圖,從以示例方式說明本發(fā)明的原理的以下詳細描述會明白本發(fā)明的其他 方面和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0010] 結(jié)合附圖,從以下詳細描述會容易理解本發(fā)明。
[0011] 圖1A是用于實施本公開的實施例的等離子體加工系統(tǒng)的簡化示意圖。
[0012] 圖1B是用于實施本公開的實施例的定時信息提取系統(tǒng)的簡化示意圖。
[0013] 圖1C是流程圖,示出了用于實施本公開的實施例的用于定時信息提取的在光學 脈沖等離子體分析器中執(zhí)行的方法操作。
[0014] 圖2是用于實施本公開的實施例的帶通濾波器的簡化示意圖。
[0015] 圖3是用于實施本公開的實施例的替代的帶通濾波器的簡化示意圖。
[0016] 圖4A-D是用于實施本公開的實施例的典型濾波器響應(yīng)的曲線圖。
[0017] 圖5A是用于實施本公開的實施例的帶通濾波之前和之后的兩個信號的曲線圖。
[0018] 圖5B是用于實施本公開的實施例的帶通濾波器和整流器的簡化示意圖。
[0019] 圖5C是用于實施本公開的實施例的動態(tài)閾值檢測器和交叉檢測器的簡化示意 圖。
[0020] 圖f5D和圖5E示出了用于實施本公開的實施例的并行的最小計算器和最大計算器 的簡化示意圖。
[0021] 圖6是用于實施本公開的實施例的經(jīng)濾波且經(jīng)整流的光學傳感器信號和對應(yīng)的 射頻觸發(fā)器信號的更詳細的視圖。
[0022] 圖7是用于實施本公開的實施例的經(jīng)濾波且經(jīng)整流的信號的細節(jié)7部分視圖。
[0023] 圖8是用于實施本公開的實施例的動態(tài)閾值檢測電路的簡化示意圖。
[0024] 圖9A是用于實施本公開的實施例的射頻觸發(fā)器信號階段S1和S0的具有6個子 份的脈沖窗口的示意圖。
[0025] 圖9B是用于實施本公開的實施例的射頻觸發(fā)器信號階段S1和S0的具有8個子 份的脈沖窗口的示意圖。
[0026] 圖10A是流程圖,示出了用于實施本公開的實施例的用于確定與光學傳感器中接 收的光學發(fā)射的幅值對應(yīng)的幅值統(tǒng)計在光學脈沖等離子體分析器中執(zhí)行的方法操作。
[0027] 圖10B是用于實施本公開的實施例的射頻觸發(fā)器信號階段S1和S0的具有8個子 份的脈沖窗口以及在階段S1期間具有多狀態(tài)操作的射頻發(fā)生器操作的示意圖。
[0028] 圖11是用于實施本公開的實施例的具有用于上述圖10中所示的射頻觸發(fā)器信號 階段S1和S0的具有8個子份的脈沖窗口的幅值統(tǒng)計的示意圖。
[0029] 圖12是用于實施本公開的實施例的可以包括在如上所述的光學脈沖等離子體分 析器中的幅值統(tǒng)計系統(tǒng)1100的簡化框圖。
[0030] 圖13是用于實施本公開的實施例的組合定時信息提取及能統(tǒng)計幅值的光學脈沖 等離子體分析器的簡化框圖。
[0031] 圖14-17描述了用于等離子體加工參數(shù)X和參數(shù)Y的及格/不及格空間的示例性 分析。 具體實施方案
[0032] 等離子體發(fā)出各種波長的光。發(fā)出的波長的強度隨各種操作參數(shù)的變化而變化, 該操作參數(shù)如,壓力、射頻信號功率、存在的各種等離子體副產(chǎn)物和組成氣體以及遠遠更多 的參數(shù)。所需要的是用光學傳感器直接監(jiān)測等離子體以確定脈沖射頻信號的操作的系統(tǒng)和 方法。
[0033] 現(xiàn)在將描述經(jīng)目測監(jiān)測射頻發(fā)生器操作的幾個示例性實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將會明白,在沒有本文闡述的具體細節(jié)中的某些或全部的情況下可以實施本發(fā)明。
[0034] 許多等離子體加工系統(tǒng)(例如,蝕刻、沉積或其他等離子體加工系統(tǒng))利用脈沖射 頻信號以激勵等離子體。因為射頻在開啟或高功率狀態(tài)以及關(guān)閉或低功率狀態(tài)被施以脈 沖,因此脈沖射頻會造成等離子體發(fā)射的光的波長發(fā)生瞬態(tài)變化。典型光學傳感器系統(tǒng)無 法區(qū)分等離子體發(fā)出的光的波長的由于脈沖射頻信號導致的瞬態(tài)變化和等離子體發(fā)出的 光的波長的因為壓力、組成氣體、各種等離子體副產(chǎn)物的濃度、溫度等這些等離子體操作參 數(shù)以及其他等離子體操作參數(shù)的變化而引起的其他變化。因此,脈沖射頻信號引起的由等 離子體發(fā)出的光的波長的瞬態(tài)變化使典型的光學傳感器系統(tǒng)難以精確地監(jiān)測等離子體操 作。本文所述的實施例提供了能精確監(jiān)測等離子體操作的系統(tǒng)和方法,例如,利用脈沖射頻 功率的等離子體操作。
[0035] 圖1A是用于實施本公開的實施例的等離子體加工系統(tǒng)100的簡化示意圖。等離子 體加工系統(tǒng)100包括一個或多個射頻發(fā)生器102-104,射頻發(fā)生器102-104的相應(yīng)的射頻輸 出耦合至匹配電路106的射頻輸入。匹配電路106具有耦合至等離子體室120中的下電極 122或上電極126的輸出。如圖所示,匹配電路106具有耦合至下電極122的輸出,并且上 電極126可以耦合至另一個電位(直流電壓或接地)或另一個射頻信號源(未示出)。等 離子體124可以形成在上電極126與下電極122之間的等離子體區(qū)域中。等離子體室120 也包括針對等離子體區(qū)域的光學傳感器130以檢測從等離子體124發(fā)出的光128的波長。
[0036] 等離子體加工系統(tǒng)100還包括系統(tǒng)控制器107。系統(tǒng)控制器107包括中央處理 器108A。中央處理器108A耦合至成組的射頻發(fā)生器設(shè)置108B、存儲系統(tǒng)108C和網(wǎng)絡(luò)接 口 108D。網(wǎng)絡(luò)接口 108D使系統(tǒng)控制器107耦合至主機系統(tǒng)140和/或網(wǎng)絡(luò),例如,因特網(wǎng) 142。主機系統(tǒng)允許用戶從系統(tǒng)控制器107遠程監(jiān)測并控制等離子體加工系統(tǒng)100。系統(tǒng)控 制器107還耦合至每個射頻發(fā)生器102-104、匹配電路106和等離子體室120,以控制并監(jiān) 測等離子體加工系統(tǒng)100的各種操作。
[0037] 發(fā)生器設(shè)置108B包括用于射頻發(fā)生器102-104的各種操作參數(shù)的設(shè)置。發(fā)生器 設(shè)置108B輸出發(fā)生器控制信號并且接收來自射頻發(fā)生器102-104的反饋信號。
[0038] 定時信號系統(tǒng)105耦合至射頻發(fā)生器102-104和系統(tǒng)控制器107。定時信號系統(tǒng) 105輸出射頻觸發(fā)器信號到射頻發(fā)生器102-104和系統(tǒng)控制器107以使射頻發(fā)生器和系統(tǒng) 控制器內(nèi)的操作同步。
[0039] 系統(tǒng)控制器107還包括光學脈沖等離子體分析器132。光學脈沖等離子體分析器 132處理從光學傳感器130接收的原始光學傳感器信號131,以下將更詳細地進行描述。
[0040] 等離子體加工系統(tǒng)100的附加操作和配置細節(jié)詳見于2012年9月14日提交的共 同待審、共有的名稱為"基于狀態(tài)調(diào)節(jié)功率和頻率"的美國專利申請編號13/620, 386,該申 請通過引用的方式為了所有目的全部并入本申請中。等離子體加工系統(tǒng)100的附加操作和 配置細節(jié)也詳見于2014年11月1日提交的共同待審、共有的名稱為"基于阻抗調(diào)節(jié)功率和 頻率"的美國專利申請編號13666912,該申請通過引用的方式為了所有目的全部并入本申 請中。
[0041] 一種實施方案提供了使用從由光學傳感器130檢測的光學等離子體發(fā)射128接 收的給定的成組的輸入信號以及來自射頻觸發(fā)器信號的脈沖同步信號以確定相對于給定 的設(shè)置點的具體狀態(tài)的脈沖寬度和脈沖幅度,其中射頻脈沖的定義為RFPwr狀態(tài)1> =RF Pwr狀態(tài)0。射頻觸發(fā)器信號可以用于幫助從光學傳感器130提取定時信息。射頻觸發(fā)器 信號可以用于或可以不用于導出有關(guān)等離子體處理系統(tǒng)100的定時信息。
[0042] 第一實施方案評價幅值并且第二實施方案評價定時。可以使用來自光學傳感器 130的數(shù)據(jù)直接計算幅值統(tǒng)計。幅值數(shù)據(jù)的計算可以利用或不利用直方圖。幅值分析可以 由輕便(lightweight)、快速的計算和快速的上傳速率表征??梢允褂幂^小的數(shù)據(jù)采集窗口 以便較大系統(tǒng)的其他方面可以快速記錄/觀察/反應(yīng)任何快速瞬態(tài)??偵a(chǎn)率可以在> = 10MSPS的范圍內(nèi),使得對于10ms(lOOKpts)的窗口大小,脈沖寬度統(tǒng)計可用于以約100Hz的 速率傳遞到主機系統(tǒng)140,沒有任何過期數(shù)據(jù)。類似地,對于100ms的窗口大小(lMpts),脈 沖寬度統(tǒng)計可以以約10Hz的速率傳遞到主機系統(tǒng)140。
[0043] 圖1B是用于實施本公開的實施例的定時信息提取系統(tǒng)150的簡化示意圖。定時 信息提取系統(tǒng)150可以包括在光學脈沖等離子體分析器132中。定時信息提取系統(tǒng)150使 用來自光學傳感器130的光學等離子體發(fā)射128。定時信息提取系統(tǒng)150的精度在記錄許 多循環(huán)時得到提高。因此,當與編譯并報告幅值統(tǒng)計的第一實施方案相比時,用更長的記錄 長度和更慢的更新速率交換更精確的重復率和工作周期統(tǒng)計。定時信息提取系統(tǒng)150包括 帶通濾波器/整流器152,隨后是動態(tài)閾值檢測器154以