使用光學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)射頻發(fā)生器操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用光學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)射頻發(fā)生器操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備 相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的交叉引用
[0001] 本申請(qǐng)要求于2014年8月29日提交的名稱(chēng)為"使用光學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)射頻發(fā)生器操 作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/044, 181的優(yōu)先權(quán)，該專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引 用的方式為了所有目的全部并入本申請(qǐng)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(cè)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(lái)自射頻發(fā)生器的射頻信號(hào)以激活等離子體加工室內(nèi)的 等離子體。射頻信號(hào)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(duì)射頻信號(hào)采樣的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)射頻信號(hào)。遺憾的是，對(duì)射頻信號(hào)采樣并不直接監(jiān)測(cè)射頻信 號(hào)對(duì)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(lái)講，本發(fā)明通過(guò)提供用光學(xué)傳感器直接監(jiān)測(cè)等離子體以確定脈沖射頻信號(hào) 的操作的系統(tǒng)、方法和設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足這些需求。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以用多種方式實(shí)施，包括 方法、設(shè)備、系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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(shí)施例。
[0006] -個(gè)實(shí)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(duì)所述等離子體室中的等離子體區(qū)域的光學(xué)傳感器。射頻發(fā)生器通過(guò) 匹配電路耦合至所述等離子體室。射頻定時(shí)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(xué)傳感器、所述射頻定時(shí)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(chǔ)系統(tǒng)、成組的射頻發(fā)生器設(shè)置以及光學(xué)脈沖等離 子體分析器。所述光學(xué)脈沖等離子體分析器耦合至所述光學(xué)傳感器并且能確定所述光學(xué)傳 感器中接收的光學(xué)發(fā)射的狀態(tài)變化的定時(shí)和/或與所述光學(xué)傳感器中接收的光學(xué)發(fā)射的 幅值對(duì)應(yīng)的成組的幅值統(tǒng)計(jì)中的至少一個(gè)。
[0007] 另一個(gè)實(shí)施例提供了一種確定光學(xué)傳感器中接收的光學(xué)發(fā)射的狀態(tài)變化的方法。 所述方法包括：在光學(xué)傳感器中接收光學(xué)等離子體發(fā)射；輸出光學(xué)傳感器信號(hào)；對(duì)所述光 學(xué)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波以產(chǎn)生經(jīng)濾波的光學(xué)信號(hào)；對(duì)所述濾波的光學(xué)傳感器信號(hào)整流以產(chǎn) 生經(jīng)整流的、經(jīng)濾波的光學(xué)傳感器信號(hào)。在定時(shí)參考信號(hào)的狀態(tài)變化之前確定所述經(jīng)整流 的、經(jīng)濾波的光學(xué)傳感器信號(hào)的動(dòng)態(tài)閾值電平。檢測(cè)在所述定時(shí)參考信號(hào)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(xué)傳感器信號(hào)的狀態(tài)變化。記錄所述經(jīng)整流的、經(jīng)濾波的 光學(xué)傳感器信號(hào)的所檢測(cè)的狀態(tài)變化。
[0008] 又一個(gè)實(shí)施例提供了用于確定與光學(xué)傳感器中接收的光學(xué)發(fā)射的幅值對(duì)應(yīng)的幅 值統(tǒng)計(jì)的方法。所述方法包括：在光學(xué)傳感器中接收光學(xué)等離子體發(fā)射；輸出光學(xué)傳感器 信號(hào)；將定時(shí)參考信號(hào)的至少一個(gè)階段細(xì)分成多個(gè)子份。確定用于每個(gè)所述子份的所述輸 出的光學(xué)傳感器信號(hào)的幅值統(tǒng)計(jì)，并且存儲(chǔ)用于每個(gè)所述子份的所述輸出光學(xué)傳感器信號(hào) 的幅值統(tǒng)計(jì)。
[0009] 結(jié)合附圖，從以示例方式說(shuō)明本發(fā)明的原理的以下詳細(xì)描述會(huì)明白本發(fā)明的其他 方面和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 結(jié)合附圖，從以下詳細(xì)描述會(huì)容易理解本發(fā)明。
[0011] 圖1A是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的等離子體加工系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0012] 圖1B是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的定時(shí)信息提取系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0013] 圖1C是流程圖，示出了用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的用于定時(shí)信息提取的在光學(xué) 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(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的帶通濾波器的簡(jiǎn)化示意圖。
[0015] 圖3是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的替代的帶通濾波器的簡(jiǎn)化示意圖。
[0016] 圖4A-D是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的典型濾波器響應(yīng)的曲線(xiàn)圖。
[0017] 圖5A是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的帶通濾波之前和之后的兩個(gè)信號(hào)的曲線(xiàn)圖。
[0018] 圖5B是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的帶通濾波器和整流器的簡(jiǎn)化示意圖。
[0019] 圖5C是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)器和交叉檢測(cè)器的簡(jiǎn)化示意 圖。
[0020] 圖f5D和圖5E示出了用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的并行的最小計(jì)算器和最大計(jì)算器 的簡(jiǎn)化示意圖。
[0021] 圖6是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的經(jīng)濾波且經(jīng)整流的光學(xué)傳感器信號(hào)和對(duì)應(yīng)的 射頻觸發(fā)器信號(hào)的更詳細(xì)的視圖。
[0022] 圖7是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的經(jīng)濾波且經(jīng)整流的信號(hào)的細(xì)節(jié)7部分視圖。
[0023] 圖8是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化示意圖。
[0024] 圖9A是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的射頻觸發(fā)器信號(hào)階段S1和S0的具有6個(gè)子 份的脈沖窗口的示意圖。
[0025] 圖9B是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的射頻觸發(fā)器信號(hào)階段S1和S0的具有8個(gè)子 份的脈沖窗口的示意圖。
[0026] 圖10A是流程圖，示出了用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的用于確定與光學(xué)傳感器中接 收的光學(xué)發(fā)射的幅值對(duì)應(yīng)的幅值統(tǒng)計(jì)在光學(xué)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(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的射頻觸發(fā)器信號(hào)階段S1和S0的具有8個(gè)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(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的具有用于上述圖10中所示的射頻觸發(fā)器信號(hào) 階段S1和S0的具有8個(gè)子份的脈沖窗口的幅值統(tǒng)計(jì)的示意圖。
[0029] 圖12是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的可以包括在如上所述的光學(xué)脈沖等離子體分 析器中的幅值統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)1100的簡(jiǎn)化框圖。
[0030] 圖13是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的組合定時(shí)信息提取及能統(tǒng)計(jì)幅值的光學(xué)脈沖 等離子體分析器的簡(jiǎn)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(shí)施方案
[0032] 等離子體發(fā)出各種波長(zhǎng)的光。發(fā)出的波長(zhǎng)的強(qiáng)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(hào)功率、存在的各種等離子體副產(chǎn)物和組成氣體以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)更多 的參數(shù)。所需要的是用光學(xué)傳感器直接監(jiān)測(cè)等離子體以確定脈沖射頻信號(hào)的操作的系統(tǒng)和 方法。
[0033] 現(xiàn)在將描述經(jīng)目測(cè)監(jiān)測(cè)射頻發(fā)生器操作的幾個(gè)示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將會(huì)明白，在沒(méi)有本文闡述的具體細(xì)節(jié)中的某些或全部的情況下可以實(shí)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(hào)以激勵(lì)等離子體。因?yàn)樯漕l在開(kāi)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(huì)造成等離子體發(fā)射的光的波長(zhǎng)發(fā)生瞬態(tài)變化。典型光學(xué)傳感器系統(tǒng)無(wú) 法區(qū)分等離子體發(fā)出的光的波長(zhǎng)的由于脈沖射頻信號(hào)導(dǎo)致的瞬態(tài)變化和等離子體發(fā)出的 光的波長(zhǎng)的因?yàn)閴毫?、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(hào)引起的由等 離子體發(fā)出的光的波長(zhǎng)的瞬態(tài)變化使典型的光學(xué)傳感器系統(tǒng)難以精確地監(jiān)測(cè)等離子體操 作。本文所述的實(shí)施例提供了能精確監(jiān)測(cè)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(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的等離子體加工系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化示意圖。等離子 體加工系統(tǒng)100包括一個(gè)或多個(gè)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(gè)電位（直流電壓或接地）或另一個(gè)射頻信號(hào)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(duì)等離子體區(qū)域的光學(xué)傳感器130以檢測(cè)從等離子體124發(fā)出的光128的波長(zhǎng)。
[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(chǔ)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(jī)系統(tǒng)140和/或網(wǎng)絡(luò)，例如，因特網(wǎng) 142。主機(jī)系統(tǒng)允許用戶(hù)從系統(tǒng)控制器107遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(gè)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(cè)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(hào)并且接收來(lái)自射頻發(fā)生器102-104的反饋信號(hào)。
[0038] 定時(shí)信號(hào)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(shí)信號(hào)系統(tǒng) 105輸出射頻觸發(fā)器信號(hào)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(xué)脈沖等離子體分析器132。光學(xué)脈沖等離子體分析器 132處理從光學(xué)傳感器130接收的原始光學(xué)傳感器信號(hào)131，以下將更詳細(xì)地進(jìn)行描述。
[0040] 等離子體加工系統(tǒng)100的附加操作和配置細(xì)節(jié)詳見(jiàn)于2012年9月14日提交的共 同待審、共有的名稱(chēng)為"基于狀態(tài)調(diào)節(jié)功率和頻率"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)編號(hào)13/620, 386,該申 請(qǐng)通過(guò)引用的方式為了所有目的全部并入本申請(qǐng)中。等離子體加工系統(tǒng)100的附加操作和 配置細(xì)節(jié)也詳見(jiàn)于2014年11月1日提交的共同待審、共有的名稱(chēng)為"基于阻抗調(diào)節(jié)功率和 頻率"的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)編號(hào)13666912,該申請(qǐng)通過(guò)引用的方式為了所有目的全部并入本申 請(qǐng)中。
[0041] 一種實(shí)施方案提供了使用從由光學(xué)傳感器130檢測(cè)的光學(xué)等離子體發(fā)射128接 收的給定的成組的輸入信號(hào)以及來(lái)自射頻觸發(fā)器信號(hào)的脈沖同步信號(hào)以確定相對(duì)于給定 的設(shè)置點(diǎn)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(hào)可以用于幫助從光學(xué)傳感器130提取定時(shí)信息。射頻觸發(fā)器 信號(hào)可以用于或可以不用于導(dǎo)出有關(guān)等離子體處理系統(tǒng)100的定時(shí)信息。
[0042] 第一實(shí)施方案評(píng)價(jià)幅值并且第二實(shí)施方案評(píng)價(jià)定時(shí)?？梢允褂脕?lái)自光學(xué)傳感器 130的數(shù)據(jù)直接計(jì)算幅值統(tǒng)計(jì)。幅值數(shù)據(jù)的計(jì)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(jì)算和快速的上傳速率表征。可以使用較小的數(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(duì)于10ms(lOOKpts)的窗口大小，脈沖寬度統(tǒng)計(jì)可用于以約100Hz的 速率傳遞到主機(jī)系統(tǒng)140,沒(méi)有任何過(guò)期數(shù)據(jù)。類(lèi)似地，對(duì)于100ms的窗口大小（lMpts)，脈 沖寬度統(tǒng)計(jì)可以以約10Hz的速率傳遞到主機(jī)系統(tǒng)140。
[0043] 圖1B是用于實(shí)施本公開(kāi)的實(shí)施例的定時(shí)信息提取系統(tǒng)150的簡(jiǎn)化示意圖。定時(shí) 信息提取系統(tǒng)150可以包括在光學(xué)脈沖等離子體分析器132中。定時(shí)信息提取系統(tǒng)150使 用來(lái)自光學(xué)傳感器130的光學(xué)等離子體發(fā)射128。定時(shí)信息提取系統(tǒng)150的精度在記錄許 多循環(huán)時(shí)得到提高。因此，當(dāng)與編譯并報(bào)告幅值統(tǒng)計(jì)的第一實(shí)施方案相比時(shí)，用更長(zhǎng)的記錄 長(zhǎng)度和更慢的更新速率交換更精確的重復(fù)率和工作周期統(tǒng)計(jì)。定時(shí)信息提取系統(tǒng)150包括 帶通濾波器/整流器152,隨后是動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)器154以