分析來自等離子體系統(tǒng)的rf信號的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及來自等離子體系統(tǒng)的RF信號的分析，包括分析在RF頻率處調(diào)制 的等離子體負(fù)載的光信號。
【背景技術(shù)】
[0002] 等離子體工藝用于各種工業(yè)，例如半導(dǎo)體、扁平面板和太陽能領(lǐng)域。這些等離子體 工藝被要求執(zhí)行復(fù)雜的工藝，例如表面的實(shí)時(shí)沉積、刻蝕或蝕變。
[0003] 通過使得RF電流穿過低壓氣體形成等離子體。等離子體的密度取決于RF波形的 頻率在碰撞頻率和RF頻率之間的關(guān)系。相對高的頻率用于最大化等離子體密度。經(jīng)常地 使用第二頻率RF波對正處理的襯底施加偏壓，以便離子以正確的能量撞擊表面從而最大 化刻蝕速率。近年來，待刻蝕的結(jié)構(gòu)的尺寸減小，并且使用更復(fù)雜的等離子體激勵(lì)機(jī)制。經(jīng) 常地從多個(gè)頻率生成等離子體，以便單獨(dú)地控制等離子體密度和到達(dá)晶片表面的離子的能 量。脈沖等離子體也用于更好地控制電子能量和刻蝕的質(zhì)量。
[0004] 等離子體工藝的產(chǎn)量和總效率經(jīng)常由襯底架及其周圍的物理幾何形狀以及等離 子體能源和匹配確定。等離子體的RF阻抗和傳遞的能量的品質(zhì)是重要的因素且現(xiàn)在需要 被監(jiān)控以保證工藝正確地運(yùn)行。等離子體阻抗和能量是包含實(shí)部分量和虛部分量的復(fù)值， 測量的阻抗包括室阻抗和等離子體阻抗，并且因?yàn)槭易杩菇?jīng)?？刂频入x子體阻抗，因此需 要非常精確的測量。
[0005] 因?yàn)閷鞲衅饕氲入x子體反應(yīng)器而引起的與等離子體干擾和污染相關(guān)聯(lián)的問 題，直接監(jiān)控等離子體參數(shù)是困難的。因此，RF傳遞路徑上的外部探測器或安裝在窗上的光 學(xué)探測器在確保正確地操作等離子體和支持等離子體工藝的閉環(huán)控制的方面變得更重要。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中的難點(diǎn)在于使用多個(gè)頻率。典型的頻率是400kHz、800kHz、2MHz、 13. 56MHz、27MHz和40MHz。因?yàn)榈入x子體是非線性負(fù)載，因此等離子體產(chǎn)生諧波，該諧波存 在于信號中并混淆傳感器。此外，當(dāng)存在兩個(gè)頻率時(shí)，非線性的等離子體負(fù)載產(chǎn)生兩個(gè)頻率 之間的互調(diào)。這些互調(diào)分量還增加 RF波形的復(fù)雜性。在一些系統(tǒng)中，兩個(gè)頻率不是固定的 而是可以移動(dòng)，以便幫助能量和負(fù)載的匹配。診斷系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是隔離以及測量等離子體工 藝的基本參數(shù)，例如傳遞的能量、等離子體阻抗、或這種復(fù)信號中的光強(qiáng)。
[0007] US6522121 B2描述了將每個(gè)RF信號下變頻至基帶以及使用高品質(zhì)音頻數(shù)字化器 分析信號的方法。這種方式生成多個(gè)信號和數(shù)字化器。這種系統(tǒng)可以變得非常復(fù)雜且在任 一次僅可以監(jiān)控有限數(shù)量的信號。如果脈沖頻率約等于或高于用于下變頻信號的本地振蕩 器的頻率，則系統(tǒng)限于脈沖應(yīng)用。頻率調(diào)諧意味著基本頻率將移動(dòng)，因此本地振蕩器必須跟 蹤這個(gè)移動(dòng)，這不是容易實(shí)施的解決方案且是缺點(diǎn)。
[0008] 為了克服這些問題，W02006/135515已經(jīng)基于采樣的變頻器提出改進(jìn)，基于采樣的 變頻器使RF電壓和電流信號達(dá)到固定的中頻頻率。但是，這種降頻變頻器限于存在多個(gè)頻 率的應(yīng)用或者存在高脈沖重復(fù)率的應(yīng)用。RF的直接采樣要求采樣器在測量的最高頻率的兩 倍（稱作奈奎斯特頻率）處操作?，F(xiàn)有的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)限制帶寬并且這生成對 于不需要非常高的采樣率但是避免到IF頻率的下變頻的采樣系統(tǒng)的需求。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步局限性是噪聲的處理和獲取良好的信噪（S/N)比，尤其對于較 高的諧波和以及在多個(gè)頻率信號存在下?，F(xiàn)有技術(shù)水平包括任一個(gè)同步平均，其中S/N隨 著被平均的測量值的數(shù)量的平方根的增加而增加。同步是可能的，但是需要信號的硬件隔 離以及鎖定需求信號的電路。這種系統(tǒng)的建立是復(fù)雜的，并且這種系統(tǒng)由于鎖定同步信號 所需的時(shí)間而不適于脈沖操作，因此也不適于可變多頻系統(tǒng)。
[0010] 在非同步RF信號的情況下，現(xiàn)有技術(shù)提供固定長度的樣本中及時(shí)捕獲的信號。使 用快速傅里葉變換（FFT)從有限長度數(shù)字序列計(jì)算周期圖。由于譜偏差以及給定頻率處的 變化不隨著用于計(jì)算的樣本的數(shù)量的增加而減小的事實(shí)，原始周期圖不是良好的譜估計(jì)。 譜偏差問題由序列的突然截?cái)嘁?，并且可以通過將有限序列首先乘以窗函數(shù)而減小，窗 函數(shù)逐漸地而不是突然地截?cái)嘈蛄小Ｆ骄芷趫D不改進(jìn)S/N并且適當(dāng)?shù)亓粝聛碜曰フ{(diào)和重 疊諧波的干擾。因?yàn)閺?fù)雜的譜數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)盡可能地保持最大譜頻率分辨率，因此不可以 使用減小S/N的技術(shù)如巴特利特方法。
[0011] 如果樣本頻率低于測量所需的最高頻率，那么高頻率分量將被混疊并且出現(xiàn)在較 低頻率處的時(shí)間序列中，從而進(jìn)一步使得頻譜復(fù)雜化且增加經(jīng)常不被期望的譜特征?，F(xiàn)有 技術(shù)水平通常通過在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的輸入上增加基于硬件的抗混疊濾波器解決這個(gè) 問題。這減小系統(tǒng)的帶寬。
[0012] 由此可以看出，現(xiàn)有技術(shù)水平或者將原始信號下變頻至中頻頻率并使用高分辨率 ADC捕獲數(shù)據(jù)，或者使用直接轉(zhuǎn)換并測量周期圖。兩種方法都受感興趣的信號的譜復(fù)雜性的 限制，并且都不允許變化的減小及隨后的S/N的增加，而這是產(chǎn)生用于多頻率、可變頻率和 脈沖頻率應(yīng)用中的工藝控制的可靠信號所需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 提供一種分析來自等離子體系統(tǒng)的RF信號的方法，包括以下步驟：
[0014] (a)從所述等離子體系統(tǒng)接收一個(gè)或多個(gè)信號通道，其中所述信號通道或每個(gè)信 號通道包括表示在頻率范圍內(nèi)的來自等離子體系統(tǒng)的信號和噪聲的數(shù)據(jù)源；
[0015] (b)在來自所述信號通道之一的第一 RF信號樣本中識別第一頻率值F，在所述第 一頻率值F處發(fā)現(xiàn)頻域中的局部最大值；
[0016] (c)在所述第一信號樣本中確定所述第一頻率值F處的第一復(fù)頻域信號分量；
[0017] (d)在來自所述信號通道之一的所述第一 RF信號樣本中或更遠(yuǎn)RF信號樣本中識 別更遠(yuǎn)頻率值F (N)，其中N是表示所述第一頻率F的第N級諧波的整數(shù)，以及其中N = 1表 示第一頻率F處的第一級諧波；
[0018] (e)在所述RF信號樣本中確定所述更遠(yuǎn)頻率值處的更遠(yuǎn)復(fù)頻域分量，在所述RF信 號樣本中識別所述更遠(yuǎn)頻率值；
[0019] (f)通過將所述第一復(fù)頻域分量的相位調(diào)整角度Θ至預(yù)定相位角φ而變換所述 第一復(fù)頻域分量，從而提供經(jīng)過相位調(diào)整的第一復(fù)信號分量；
[0020] (g)通過將所述更遠(yuǎn)復(fù)頻域分量的相位調(diào)整等于NX Θ的角度而變換所述更遠(yuǎn)復(fù) 頻域分量，從而提供經(jīng)過相位調(diào)整的更遠(yuǎn)復(fù)信號分量；
[0021] (h)關(guān)于來自所述相同等離子體系統(tǒng)的多個(gè)信號樣本，迭代地重復(fù)步驟（b)至 (g)，其中在每個(gè)迭代中選擇Θ的值以得到不同迭代中的經(jīng)過相位調(diào)整的第一復(fù)信號分量 的恒定相位角φ，以及其中在任何迭代中，在步驟（f)中選擇的θ的值用于步驟（g)的調(diào) 整；
[0022] (i)聚合或平均在每個(gè)迭代中獲取的所述經(jīng)過相位調(diào)整的第一復(fù)信號分量；
[0023] (j)聚合或平均在每個(gè)迭代中獲取的所述經(jīng)過相位調(diào)整的更遠(yuǎn)復(fù)信號分量。
[0024] 相移操作基本上允許在不減小期望的基波及其諧波的情況下對多個(gè)周期圖進(jìn)行 平均。不與基本電壓同相的其他信號將以趨于彼此抵消的方式矢量地相加。這還包括噪聲， 使得信號的變化將隨著被平均的周期圖的數(shù)量的平方根的減小而減小。這導(dǎo)致平均信號的 S/N的急劇增大。
[0025] 第一頻率F優(yōu)選地是但不必是等離子體系統(tǒng)的基本頻率，例如，F(xiàn)可以是在等離子 體系統(tǒng)中經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)的13. 56MHz。但是，第一頻率自身可以是諧波，例如27. 12MHz處的第 二諧波，在這種情況下，值N= 1(本文公開的相移方法中）表示27. 12MHz信號，N =2表 示54. 24MHz處的諧波（實(shí)際上是13. 56基波的第四諧波）。
[0026] 重要的是，第一頻率被相位調(diào)整角度Θ至預(yù)定的相位角φ，然后更遠(yuǎn)頻率或每個(gè) 更遠(yuǎn)頻率被調(diào)整角度NX Θ，其中N表示第一頻率和更遠(yuǎn)頻率之間的頻率倍數(shù)。
[0027] 在一些實(shí)施方案中，第一頻率值被識別出的信號通道與更遠(yuǎn)頻率被識別出的信號 通道不同。
[0028] 由此，可識別（例如）電壓信號通道中的信號最大值并使用（例如）電流或光信 號通道中的相應(yīng)或諧波頻率上的相移操作，相移操作允許通過