相位比較器及相位差監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種應(yīng)用于等離子體處理裝置的相位比較 器及相位差監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展,對(duì)元件的集成度和性能要求越來越高,等離子體技 術(shù)得到了極為廣泛的應(yīng)用,其通過在等離子體處理裝置的反應(yīng)腔體內(nèi)通入反應(yīng)氣體,將反 應(yīng)氣體激發(fā)產(chǎn)生電離而形成等離子體,產(chǎn)生的等離子體中內(nèi)含有大量的電子、離子、自由基 等活性離子,這些活性反應(yīng)基團(tuán)與待處理物體表面發(fā)生反應(yīng),使待處理物體表面材料性能 發(fā)生變化,可被用于各種半導(dǎo)體制造工藝,例如沉積工藝(如化學(xué)氣相沉積)、刻蝕工藝(如 干法刻蝕)等。
[0003] 電感稱合等離子體(Inductively Coupled Plasma, ICP)處理裝置是一種應(yīng)用廣 泛的等離子體處理裝置。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中較為常見的電感耦合等離子體處理裝置。 電感耦合等離子體處理裝置包括反應(yīng)腔體1,反應(yīng)腔體1內(nèi)的底部設(shè)置靜電卡盤4,待處理 基片W被放置在靜電卡盤4上。反應(yīng)腔體1頂板的外側(cè)上方配置有電感耦合線圈2,射頻源 (圖中未示)與該線圈2連接,向電感耦合線圈2輸入高頻電流而產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),根據(jù)法 拉第電磁感應(yīng)定律,該變化的磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出電場(chǎng),從而將反應(yīng)腔體1內(nèi)的由氣體源3注入的 工藝氣體電離成等離子體,以對(duì)基片進(jìn)行刻蝕沉積等處理。高頻電流轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)過程中,因 能量損失會(huì)發(fā)生電流大小和相位的變化,因此輸入電感耦合線圈和從電感耦合線圈輸出的 是兩個(gè)大小不同、相位不同的電流。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中,為檢測(cè)電感耦合線圈輸入電流和輸出電流的相位差,通常是將示波 器接在線圈的輸入和輸出兩端,通過示波器顯示的兩個(gè)電流的波形圖來觀察兩個(gè)電流的相 位差。由于這種方法需要借助外接的示波器,且無法直觀了解輸入電流和輸出電流的相位 差,往往會(huì)造成用戶的使用不便。
[0005] 因此,需要提供一種能夠更方便地觀察電感耦合等離子體處理裝置的電感耦合線 圈中輸入輸出電流相位差的裝置以改善上述缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,提供一種能夠直觀掌握ICP等離子 體處理裝置的感應(yīng)線圈中輸入輸出電流相位差的相位比較器。
[0007] 為達(dá)成上述目的,本發(fā)明提供一種相位比較器,用于檢測(cè)電感耦合等離子體處理 裝置的感應(yīng)線圈的輸入輸出電流的相位差,其包括第一轉(zhuǎn)換單元、第二轉(zhuǎn)換單元、相位比較 單元和整流單元。所述第一轉(zhuǎn)換單元用于將所述感應(yīng)線圈的輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波波形 的第一電壓信號(hào);所述第二轉(zhuǎn)換單元用于將所述感應(yīng)線圈的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波波形 的第二電壓信號(hào),所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)的幅值和形狀一致且相位差與所述感 應(yīng)線圈的輸入電流信號(hào)和輸出電流信號(hào)的相位差相同;所述相位比較單元接收所述第一電 壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)并輸出占空比與所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)的相位差對(duì)應(yīng) 的方波脈沖信號(hào);所述整流單元用于將所述相位比較單元輸出的方波脈沖信號(hào)進(jìn)行整流濾 波處理以輸出直流電壓信號(hào)。
[0008] 優(yōu)選地,所述第一轉(zhuǎn)換單元包括相連的第一過電壓保護(hù)單元和第一過零比較單 元,所述第一過電壓保護(hù)單元將所述輸入電流轉(zhuǎn)換為限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)、所述第一過 零比較單元將該第一過電壓保護(hù)單元輸出的限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)與零電位比較形成第 一方波信號(hào);所述第二轉(zhuǎn)換單元包括相連的第二過電壓保護(hù)單元和第二過零比較單元,所 述第二過電壓保護(hù)單元將所述輸出電流轉(zhuǎn)換為限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)、所述第二過零比較 單元將該第二過電壓保護(hù)單元輸出的限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)與零電位比較形成與所述第 一方波信號(hào)幅值和形狀一致的第二方波信號(hào),所述第一方波信號(hào)和第二方波信號(hào)的相位差 與所述感應(yīng)線圈的輸入電流信號(hào)和輸出電流信號(hào)的相位差相同。
[0009] 優(yōu)選地,所述第一轉(zhuǎn)換單元還包括第一分頻單元,所述第二轉(zhuǎn)換單元還包括第二 分頻單元,分別用于對(duì)該第一方波信號(hào)和第二方波信號(hào)以相同比例分頻以形成所述第一電 壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)。
[0010] 優(yōu)選地,所述第一分頻單元和第二分頻單元將其接收的信號(hào)的頻率降低為原來的 1/100 ~1/50。
[0011] 優(yōu)選地,所述相位比較單元對(duì)所述第一電壓信號(hào)和所述第二電壓信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn) 算以得到所述方波脈沖信號(hào)。
[0012] 優(yōu)選地,所述輸入電流信號(hào)和所述輸出電流信號(hào)均為正弦波信號(hào)。
[0013] 優(yōu)選地,所述第一過壓保護(hù)單元和第二過壓保護(hù)單元均包括用于進(jìn)行電流-電壓 轉(zhuǎn)換的電壓轉(zhuǎn)換模塊以及用于對(duì)經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓限定范圍的電壓限定模塊,所述第一過壓保 護(hù)單元和第二過壓保護(hù)單元的電壓限定模塊設(shè)定相同的參考電壓,當(dāng)該輸入電流或該輸出 電流經(jīng)所述電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到的電壓超出該參考電壓時(shí),該電壓限定模塊將所述第一 過壓保護(hù)單元或第二過壓保護(hù)單元輸出的電壓信號(hào)限定為等于該參考電壓。
[0014] 優(yōu)選地,所述整流單元輸出的直流電壓信號(hào)隨所述感應(yīng)線圈的輸入輸出電流的相 位差的增加而減小。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種相位差監(jiān)測(cè)裝置,其包括上述的相位比較器以及控制器,該 控制器與所述相位比較器相連,用于根據(jù)當(dāng)前所述相位比較器輸出的直流電壓信號(hào)獲得相 應(yīng)的感應(yīng)線圈的輸入輸出電流的相位差并將其顯示在所述等離子體處理裝置的控制機(jī)臺(tái)。
[0016] 優(yōu)選地,所述控制器包括存儲(chǔ)單元、分析單元和顯示單元,所述存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ) 所述直流電壓信號(hào)與感應(yīng)線圈輸入輸出電流相位差的對(duì)應(yīng)關(guān)系;所述分析單元與所述存儲(chǔ) 單元及所述相位比較器相連,其根據(jù)該存儲(chǔ)單元所存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及該相位比較器所輸出 的直流電壓信號(hào)獲得該直流電壓信號(hào)相應(yīng)的當(dāng)前所述感應(yīng)線圈輸入輸出電流的相位差;所 述顯示單元用于將該分析單元得到的相位差顯示于所述等離子體處理裝置的控制機(jī)臺(tái)。
[0017] 本發(fā)明的有益效果在于省去了示波器,能夠方便直觀地了解感應(yīng)線圈輸入輸出電 流的相位差并且能夠?qū)Ω鞣N波形的感應(yīng)線圈輸入輸出電流的相位差進(jìn)行比較,應(yīng)用范圍更 為廣泛。
【附圖說明】
[0018] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電感耦合型等離子體處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0019] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的相位比較器的方塊圖;
[0020] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的相位比較器的轉(zhuǎn)換單元的方塊圖;
[0021] 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的感應(yīng)線圈的輸入輸出電流及其經(jīng)過相位比較器各單元 后的信號(hào)波形圖;
[0022] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的相位差監(jiān)測(cè)裝置的方塊圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂,以下結(jié)合說明書附圖,對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一 步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例,本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也 涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0024] 請(qǐng)參照?qǐng)D2,示出了示例性實(shí)施例的相位比較器。該相位比較器用于檢測(cè)電感耦合 等離子體處理裝置的感應(yīng)線圈的輸入輸出電流的相位差Ψ,其包括第一轉(zhuǎn)換單元10、第二轉(zhuǎn) 換單元11、相位比較單元20和整流單元30。第一轉(zhuǎn)換單元10接收感應(yīng)線圈的輸入電流信 號(hào)L,并將其轉(zhuǎn)換成方波波形的第一電壓信號(hào)V" i。第二轉(zhuǎn)換單元11接收感應(yīng)線圈的輸 出電流信號(hào)12,并將其轉(zhuǎn)換成同樣是方波波形的第二電壓信號(hào)V" 2,并且,這兩個(gè)方波波形 的電壓信號(hào)的幅值和形狀完全一致且相位差與輸入電流信號(hào)和輸出電流信號(hào)的相位 差φ相同。相位比較單元20與第一和第二轉(zhuǎn)換單元相連,接收第一電壓信號(hào)V" i和第二 電壓信號(hào)V" 2,并輸出占空比與這兩個(gè)電壓信號(hào)的相位差對(duì)應(yīng)的方波脈沖信號(hào)^。相位比 較單元20可以用X0R門器件實(shí)現(xiàn),通過對(duì)第一電壓信號(hào)V" 1和第二電壓信號(hào)V" 2進(jìn)行異 或運(yùn)算來得到方波脈沖信號(hào)V3。具體來說,方波脈沖信號(hào)V3的高電平部分也就是第一電壓 信號(hào)V" 1和第二電壓信號(hào)V" 2不相重疊的部分,對(duì)應(yīng)了電壓信號(hào)V" 1和¥" 2的相位差; 低電平部分則是電壓信號(hào)V" 1和¥" 2重疊的部分。若方波脈沖信號(hào)V3的占空比越大,說 明兩個(gè)電壓信號(hào)的相位差越大,兩者成正比例關(guān)系。整流單元30與相位比較單元20相連, 將其輸出的方波脈沖信號(hào)V 3進(jìn)行整流濾波處理以輸出直流電壓信號(hào)V4,直流電壓信號(hào)V4與 方波脈沖信號(hào)V 3的占空比成正相關(guān)。
[0025] 由以上可知,由于第一電壓信號(hào)V" i和第二電壓信號(hào)V" 2的相位差與輸入輸出 電流^和^的相位差Φ相同,方波脈沖信號(hào)^的占空比又與電壓信號(hào)V" jPV" 2的相 位差對(duì)應(yīng),方波脈沖信號(hào)V3整流濾波得到的直流電壓信號(hào)V4也必然與輸入輸出電流的相位 差Φ存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)輸入輸出電流的相位差越大,則最后得到的直流電壓信號(hào)V 4越 小。因此根據(jù)直流電壓信號(hào)V4的大小就可以得到感應(yīng)線圈輸入輸出電流的相位差Φ,改善 了現(xiàn)有技術(shù)中必須使用示波器觀察相位差不夠方便直觀的缺陷。另一方面,對(duì)于任何波形 的感應(yīng)線圈的輸入輸出電流,本發(fā)明的相位比較器都可以對(duì)其進(jìn)行相位差的檢測(cè),應(yīng)用范 圍更加廣泛。
[0026] 接下來請(qǐng)參考圖2,其所示為本發(fā)明一實(shí)施例的兩個(gè)轉(zhuǎn)換單元的方塊圖。具體的, 每個(gè)轉(zhuǎn)換單元都包括過電壓保護(hù)單元和過零比較單元,較佳的還包括分頻單元。
[0027] 轉(zhuǎn)換單元10、11中各部分的功能和作用描述如下。其中,第一過電壓保護(hù)單元101 接收輸入電流,將該輸入電流L轉(zhuǎn)換為限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)Vi ;第二過電壓保護(hù)單元 111接收輸出電流12,將該輸出電流12轉(zhuǎn)換為限定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)v 2。每個(gè)過電壓保護(hù) 單元均包括用于進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的電壓轉(zhuǎn)換模塊以及用于對(duì)經(jīng)轉(zhuǎn)換電壓限定范圍的 電壓限定模塊,以分別起到I-V轉(zhuǎn)換以及限壓的作用。電壓轉(zhuǎn)換模塊可通過多種方式將輸 入電流Ii和輸出電流12轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),如利用V = I*R將電流通入電阻采樣出相應(yīng)的電 壓信號(hào),或者通過積分電路或運(yùn)算放大器或三極管也可實(shí)現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換。不論以何 種方式進(jìn)行的電流-電壓轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換得到的兩個(gè)電壓信號(hào)的相位差與輸入輸出電流的相位 差保持一致。而通過電壓限定模塊,一旦經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)超出了參考電壓,會(huì)將其值限定 在參考電壓,因此可以將過電壓保護(hù)單元的輸出電壓信號(hào)Vi和v 2保持在限定范圍內(nèi),從而 防止后續(xù)的過零比較單元因輸入的信號(hào)過高燒壞。本實(shí)施例中,對(duì)第一過電壓保護(hù)單元和