CN101595767A - 谐波导出的电弧探测器 - Google Patents

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CN101595767A CNA2007800500867A CN200780050086A CN101595767A CN 101595767 A CN101595767 A CN 101595767A CN A2007800500867 A CNA2007800500867 A CN A2007800500867A CN 200780050086 A CN200780050086 A CN 200780050086A CN 101595767 A CN101595767 A CN 101595767A
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Abstract

一种电弧探测系统包括射频(RF)信号探针，该RF信号探针感应RF等离子体室的输入端处的RF信号并基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号。信号分析器接收该信号，监测该信号中具有大于或等于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号。该输出信号指示该RF等离子体室中正在发生电弧。

Description

谐波导出的电弧探测器
技术领域
本公开内容涉及射频等离子体处理系统中的电弧探测。
背景技术
本部分的陈述仅提供与本公开内容相关的背景信息，并不构成现有技术。
近几十年来，RF等离子体被广泛地用于半导体制造。现场数据显示，电弧是晶片缺陷和损坏的主要原因。实时电弧探测对于维持和提高IC制造的产量至关重要。
电弧是等离子体室中的部件之间的能量的突然释放，伴随着范围通常在1至100微秒的快速电磁瞬变。电弧探测设备通常包括两部分：用于拾取信号的朗缪尔(Langmuir)探针，以及实时信号处理单元。基于探针耦合，探测可以分为入侵式技术和非入侵式技术。
现在参见图1，示出射频(RF)等离子体输送系统10的若干种配置中的一种。RF等离子体输送系统10包括向等离子体室14提供电力的RF发生器12。阻抗匹配网络16可以被插置在RF发生器12的输出端与等离子体室14的输入端之间的馈线中。朗缪尔探针18可以被插入等离子体室14中。朗缪尔探针18基于等离子体室14中的等离子体生成信号。数据获取仪器20接收并处理该信号以特征化等离子体。
朗缪尔探针18是用于等离子体诊断的常规探针，并且被很好地开发用于确定包括密度、温度和能量的等离子体特性。朗缪尔探针18本质上是被插入等离子体鞘层以获得等离子体信息的天线。由于朗缪尔探针18被插入等离子体室14的内部，因此朗缪尔探针18对于室处理过程是入侵式的。尽管这种评估等离子体运转的方法准确且能够提供信息，但是朗缪尔探针18的侵入性限制了其在生产环境中的应用。
非入侵式电弧探测可以基于在产生电弧期间发生的宽带辐射。使用光学探测和荧光光谱的技术基于这种原理。这些方法通常需要各种传感器，因此比朗缪尔探针18更加昂贵。
发明内容
一种电弧探测系统，包括射频(RF)信号探针，该RF信号探针感应RF等离子体室的输入端处的RF信号并基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号。信号分析器接收该信号，监测该信号中具有高于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号。该输出信号指示该RF等离子体室中正在发生电弧。
一种电弧探测系统，包括射频(RF)信号探针，该RF信号探针感应RF等离子体室的输入端处的RF信号并基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号。模数转换器将该信号转换成数字信号。信号分析器接收该数字信号，监测该数字信号中该RF信号的具有高于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号。该输出信号指示该RF等离子体室中正在发生电弧。
一种探测RF等离子体处理系统中的电弧的方法，包括：感应RF等离子体室的输入端处的RF信号，基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号，监测该信号中具有高于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号。该输出信号指示该RF等离子体室中正在发生电弧。
一种探测RF等离子体处理系统中的电弧的方法，包括：感应RF等离子体室的输入端处的RF信号，基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号，将该信号转换成数字信号，监测该数字信号中该RF信号的具有高于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号。该输出信号指示该RF等离子体室中正在发生电弧。
进一步的应用领域将通过这里提供的描述变得明显。应当理解，描述和具体示例仅仅意在例示的目的，并不意于限制本公开内容的范围。
附图说明
这里描述的附图仅用于例示的目的，并不意在以任何方式限制本公开内容的范围。
图1是根据现有技术的RF等离子体输送系统的功能框图；
图2是包括RF分析器的RF等离子体输送系统的功能框图；
图3是RF分析器所采用的过程流程图；
图4A和图4B是RF电压在产生等离子体电弧期间的曲线图；
图5A和图5B分别是RF谐波在正常等离子体中和电弧等离子体中的曲线图；
图6是RF谐波在产生等离子体电弧期间的一组曲线图；
图7是RF电压在产生等离子体电弧期间的相移的曲线图；
图8是RF电压信号包络在数字滤波器之前和之后的一组曲线图；以及
图9是RF电压信号包络在模拟高通滤波器之后的曲线图。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的，并不意在对本公开内容、其应用或使用构成限制。应当理解，在附图中，相应的附图标记始终表示相同或相应部件和特征。
现在参见图2，示出RF等离子体处理系统50的若干个实施例中的一个。等离子体处理系统50包括RF信号探针52和相关联的探测等离子体室56中的电弧的RF分析器54。RF电源58为等离子体室56提供电力。在一些实施例中，阻抗匹配网络60可以被插在RF电源58的输出端与等离子体室56的输入端之间的馈线中。
RF信号探针52连接到等离子体室56的输入端的馈线中。RF信号探针52基于馈线中的RF电压和/或电流生成一个以上信号。这些信号被传送到对信号进行数字化的模数转换器(A2D)64。在一些实施例中，模拟滤波器62可以在这些信号被传送到A2D 64之前对它们进行滤波。数字化信号被传送到RF分析器54。在一些实施例中，数字滤波器66可以在这些数字化信号被传送到RF分析器54之前对它们进行滤波。
RF分析器54对数字化信号执行频谱分析，以判断该RF信号中是否存在特定的谐波，判断这些谐波与RF功率的基波频率之间的关系，并判断这些谐波彼此之间的关系。RF分析器54基于对谐波的分析判断等离子体室56中是否有电弧。
在一些实施例中，RF电源58可以是MKS ENI Products Spectrum 1.5KW13.56MHz(MKS ENI产品的频谱系列1.5KW 13.56MHz)RF发生器，阻抗匹配网络60可以是MKS ENI Products MWH-100 Matchwork(MKS ENI产品的MWH-100匹配网络)，RF信号探针52可以是MKS ENI ProductsVIP2000(MKS ENI产品的VIP2000)宽带探针头，并且/或者等离子体室62可以是AMAT电容耦合钟罩室。
现在参见图3，示出可以被RF分析器54用来探测等离子体室56中的电弧的过程的若干个实施例中的一个。该过程开始于块70，从RF信号探针52接收信号。这些信号基于在等离子体室56的输入处的RF功率。在块72，该过程确定阻抗(Z)幅度、阻抗相位、电压、电流、正向功率和反射功率。如块74所指示的，该过程也可以直接或间接量化在RF电源58的输出端和在阻抗匹配网络60处的RF功率的前述特性。
在块76，该过程从上述信号中提取谐波信息。块78和块80指示谐波信息可以通过对信号运用模拟高通、带通和/或带阻滤波器来提取。块82和块84指示谐波信息也可以通过对来自块70的数字化信号运用数字高通、带通、带阻滤波器、执行FFT和/或执行模式识别来提取。对于电弧探测而言，提取基波频率的前九个谐波的谐波信息应当是足够的，不过可以使用更多或更少的谐波来获得探测电弧的期望灵敏度。
在块86，该过程将在等离子体处理期间的参数与基线等离子体处理所获得的相同参数进行比较。块88和块90指示所比较参数可以包括模拟信噪比(SNR)和基波频率与谐波频率的比较。块92和块94指示所比较参数，例如SNR、基波与谐波的比较统计也可以在数字域中基于随机分布、主成分分析和偏最小二乘分析被执行。
在块96，该过程基于块70至块94的测量和比较判断是否在发生电弧。下面提供做出判断的方法。在块98，该过程对电弧进行记录和分类。在块100，该过程生成输出信号，该输出信号可以用来通知用户和/或诸如RF电源58和/或阻抗匹配网络60之类的其它设备正在发生电弧。
现在参见图4A-图9，示出参数的若干曲线图。这些曲线图描绘出RF等离子体处理系统50的各个实施例的试验结果。在大气以30sccm的恒定流量被供应给等离子体室56同时维持250mTorr的恒定压力时，这些试验对等离子体特征化。在等离子体被成功点火以消除阻抗匹配网络60的各个电容器对等离子体的任何影响之后，阻抗匹配网络60的阻抗固定。RF功率在13.56MHz的基波频率上，并且功率级别被改变以产生等离子体中的导致电弧形成的不稳定性。来自RF信号探针52的信号被数字示波器以2Gs/s的采样速率捕获。
现在参见图4A，示出在电弧事件期间的朗缪尔探针信号。朗缪尔探针用于确认被RF信号探针52捕获的相同的电弧事件，该电弧事件绘出图4B中示出的曲线图。图4A和图4B的曲线图示出在电弧事件期间分别持续25.5微秒和27.5微秒的电压偏移。在其它被输送RF功率级别(未示出)的实验结果指示，基于被输送的RF功率级别和对电弧的特性唯一的随机元素，电压偏移的持续时间在大约10至30微秒之间变化。因此图4B的曲线图示出可以使用图3中示出的方法处理来自RF信号探针52的信号，以指示已发生电弧。更具体地说，该方法的块72可以监测来自RF信号探针52的信号，以用于指示RF电压出于非明显的原因而降低，例如来自RF电源58的期望RF电压降低。
现在参见图5A和5B，示出图4B中示出的波形的FFT曲线图。这些FFT曲线图是利用可从MathWorks有限公司获得的Matlab软件生成的，但是本领域技术人员应当认识到，也可以使用其它生成FFT的方法。图5A的FFT曲线图表示图4B的波形在电弧事件之前的频率分量。图5B的FFT曲线图表示图4B的波形在电弧事件期间的频率分量。
这些FFT是利用在3-5RF周期之间的滑动窗口大小生成的。峰值检测功能用于捕获信号的最大振幅以及谐波的振幅。FFT波形展示符合电压信号振幅的初始偏移的谐波。从图5B中可以看出，13.56MHz的三次谐波的幅度在出现电弧之前并不显而易见，正如图5A所证明的那样，但是在出现电弧时显而易见。因此图5A和图5B示出，图3的方法可以采用FFT来确定在基波频率之处或之上的频率分量的幅度，以探测等离子体室56中的电弧。
现在参见图6，示出基波频率、二次谐波频率、三次谐波频率和四次谐波频率的作为FFT窗口间隔的函数的峰值幅度。等离子体电弧出现在大约第五十个FFT窗口和大约第一百个FFT窗口之间。第一曲线120示出基波频率的峰值振幅在与电弧相对应的时段122期间下降。第二曲线124示出二次谐波频率的峰值振幅也在出现电弧期间下降。第三曲线126示出三次谐波频率的峰值振幅在电弧的开始128和结束130处出现显著尖峰。第四曲线132示出四次谐波频率的峰值振幅在电弧的开始128处出现显著尖峰。RF分析器54可以通过探测在曲线120、曲线124、曲线126和/或曲线132中示出的一个以上尖峰和/或下降来探测电弧。
现在参见图7，曲线140示出相位探测器的输出信号142。相位探测器可以被包括在RF分析器54中，并探测RF电压的相位。曲线140的纵轴表示基波频率的相位。纵轴上还示出预定的第一相位阈值146和预定的第二相位阈值144。曲线140的横轴表示时间。
相位探测器指示当输出信号142下降且越过第一阈值144时，开始出现电弧。相位探测器指示当输出信号142下降且越过第二阈值146时，电弧已经结束。预定的第一阈值144和第二阈值146的值可以以实验方式通过使输出信号142与电弧的开始和结束相互关联来确定。
现在参见图8，第一曲线150示出高通滤波器之前的RF电压信号包络。第一曲线150与示出高通滤波器之后的RF电压信号包络的第二曲线152时间相关。曲线150和152的纵轴都表示电压。曲线150和152的横轴都表示时间。
高通滤波器隔离RF信号中在电弧期间具有最大变化率的谐波。在一些实施例中，高通滤波器可以是6阶无限脉冲响应(IIR)滤波器。在一些实施例中，高通滤波器的截止频率大于二次谐波频率且小于三次谐波频率。高通滤波器可以在RF分析器54中实现。
第一曲线150示出当在时段156期间发生电弧时的RF信号电压包络。第二曲线152示出符合电弧的开始的尖峰158。RF分析器54由此可以通过监测滤波后的RF电压中超过阈值振幅的尖峰158来探测电弧。
尖峰158的阈值振幅可以基于滤波后的RF电压信号的信噪比、未滤波的电压与滤波后的电压之比等来预定。信噪比和滤波后的信号与未滤波的信号之比都可以用来解释等离子体中的噪声本底阻抗偏移，并且因此降低错误电弧触发的概率。
在探测尖峰158之前，也可以利用模拟高通滤波器对RF信号电压进行滤波。图9示出模拟高通改进型车比雪夫(Cheybshev)滤波器之后的滤波后的RF信号电压包络。RF分析器54可以探测数字化信号中的尖峰158，并指示等离子体室56中有电弧。

Claims (45)

1、一种电弧探测系统，包括：
射频(RF)信号探针，该RF信号探针感应RF等离子体室的输入端处的RF信号，并基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号；以及
信号分析器，该信号分析器接收该信号，监测该信号中具有比所述RF信号的基波频率高的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号，其中该输出信号指示在所述RF等离子体室中正在发生电弧。
2、根据权利要求1所述的电弧探测系统，其中所述频率分量包括所述基波频率的二次谐波至九次谐波中的至少一个或更多个。
3、根据权利要求1所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器基于所述信号的相位生成所述输出信号。
4、根据权利要求1所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器将所述信号的振幅与第一预定阈值进行比较。
5、根据权利要求4所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器将所述信号的变化率与预定变化率进行比较。
6、根据权利要求5所述的电弧探测系统，其中在所述信号的变化率超过所述预定变化率且所述信号的振幅在第一预定振幅与第二预定振幅之间时，所述信号分析器生成所述输出信号。
7、根据权利要求1所述的电弧探测系统，进一步包括对传送至所述信号分析器的信号进行滤波的高通滤波器。
8、根据权利要求7所述的电弧探测系统，其中所述高通滤波器是改进型车比雪夫滤波器。
9、根据权利要求1所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器进一步基于所述信号的信噪比生成所述输出信号。
10、一种电弧探测系统，包括：
射频(RF)信号探针，该RF信号探针感应RF等离子体室的输入端处的RF信号，并基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号；
模数转换器，该模数转换器将该信号转换成数字信号；以及
信号分析器，该信号分析器接收该数字信号，监测该数字信号中所述RF信号的具有大于或等于该RF信号的基波频率的频率的频率分量，并基于所述频率分量生成输出信号，其中该输出信号指示在所述RF等离子体室中正在发生电弧。
11、根据权利要求10所述的电弧探测系统，其中所述频率分量包括所述基波频率的前九个谐波中的至少一个。
12、根据权利要求10所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器基于由所述数字信号指示的RF信号的相位生成所述输出信号。
13、根据权利要求10所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器将由所述数字信号指示的RF信号的振幅与预定振幅进行比较。
14、根据权利要求13所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器将由所述数字信号指示的RF信号的变化率与预定变化率进行比较。
15、根据权利要求14所述的电弧探测系统，其中在所述RF信号的变化率超过所述预定变化率且所述RF信号的振幅在第一预定阈值与第二预定阈值之间时，所述信号分析器生成所述输出信号。
16、根据权利要求10所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器对所述数字信号执行快速傅里叶变换。
17、根据权利要求16所述的电弧探测系统，其中所述FFT生成表示所述RF信号的相应谐波频率的多个信号。
18、根据权利要求17所述的电弧探测系统，其中所述信号分析器在所述信号的振幅超过相应的预定振幅时生成所述输出信号。
19、根据权利要求16所述的电弧探测系统，其中所述FTT是滑动窗口FFT。
20、根据权利要求19所述的电弧探测系统，其中所述滑动窗口FFT包括在所述RF信号的3至5个周期且包含3和5个周期之间的窗口大小。
21、根据权利要求10所述的电弧探测系统，进一步包括对由所述信号分析器接收到的数字信号进行滤波的数字高通滤波器。
22、根据权利要求21所述的电弧探测系统，其中所述数字滤波器是无限脉冲响应(IIR)滤波器。
23、根据权利要求22所述的电弧探测系统，其中所述IIR滤波器是六阶的。
24、一种用于探测RF等离子体处理系统中的电弧的方法，包括：
感应RF等离子体室的输入端处的RF信号；
基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号；
监测所述信号中具有等于或大于所述RF信号中所选基波频率的频率的频率分量；以及
基于所述频率分量生成输出信号，其中该输出信号指示在所述RF等离子体室中正在发生电弧。
25、根据权利要求24所述的方法，其中所述频率分量包括所述基波频率的一次谐波至九次谐波中的至少一个。
26、根据权利要求24所述的方法，进一步包括基于所述信号的相位生成所述输出信号。
27、根据权利要求24所述的方法，进一步包括将所述信号的振幅与第一预定阈值进行比较。
28、根据权利要求27所述的方法，进一步包括将所述信号的变化率与预定变化率进行比较。
29、根据权利要求28所述的方法，其中在所述信号的变化率超过所述预定变化率且所述信号的振幅在第一预定振幅与第二预定振幅之间时，生成所述输出信号。
30、根据权利要求24所述的方法，进一步包括对传送至所述信号分析器的信号进行高通滤波。
31、根据权利要求24所述的方法，进一步包括基于所述信号的信噪比生成所述输出信号。
32、一种用于探测RF等离子体处理系统中的电弧的方法，包括：
感应RF等离子体室的输入端处的RF信号；
基于该RF信号的电压、电流和功率中的至少一种生成一信号；
将该信号转换成数字信号；
监测该数字信号中所述RF信号的具有大于或等于该RF信号的基波频率的频率的频率分量；以及
基于所述频率分量生成输出信号，其中所述输出信号指示在所述RF等离子体室中正在发生电弧。
33、根据权利要求32所述的方法，其中所述频率分量包括所述基波频率的谐波中的至少一个。
34、根据权利要求32所述的方法，进一步包括基于由所述数字信号指示的RF信号的相位生成所述输出信号。
35、根据权利要求32所述的方法，进一步包括将由所述数字信号指示的RF信号的振幅与预定振幅进行比较。
36、根据权利要求35所述的方法，进一步包括将由所述数字信号指示的RF信号的变化率与预定变化率进行比较。
37、根据权利要求36所述的方法，进一步包括在所述RF信号的变化率超过所述预定变化率且所述RF信号振幅在第一预定阈值与第二预定阈值之间时，生成所述输出信号。
38、根据权利要求32所述的方法，进一步包括对所述数字信号执行快速傅里叶变换。
39、根据权利要求38所述的方法，其中所述FFT生成表示所述RF信号的相应谐波频率的多个信号。
40、根据权利要求39所述的方法，进一步包括在所述信号的振幅超过相应的预定振幅时，生成所述输出信号。
41、根据权利要求38所述的方法，其中所述FTT是滑动窗口FFT。
42、根据权利要求41所述的方法，其中所述滑动窗口FFT包括在所述RF信号的3至5个周期包含3和5个周期之间的窗口大小。
43、根据权利要求32所述的方法，进一步包括对由所述信号分析器接收到的数字信号进行数字滤波。
44、根据权利要求43所述的方法，其中所述数字滤波是无限脉冲响应(IIR)滤波。
45、根据权利要求44所述的方法，其中所述IIR滤波是六阶的。
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