CN112468118A - 电路组件、信号检测方法和半导体工艺设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电路组件，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，电路组件包括射频信号检波电路，射频信号检波电路用于将脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测脉冲信号得到检测脉冲信号，电路组件还包括检波结果处理电路组，检波结果处理电路组能够将检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。在本发明中，检波结果处理电路组能够将检测脉冲信号转换为与脉冲信号峰值实时对应的直流信号，从而能够实时、准确地检测工艺腔室中的反应参数。本发明还提供一种信号检测方法和一种半导体工艺设备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种电路组件、一种基于该电路组件的信号检测方法和一种包括该电路组件的半导体工艺设备。
背景技术
在半导体领域，工艺腔室中常设置有下电极，通过向下电极输入射频信号的方式改变下电极上的偏置电压进而改变工艺参数，下电极偏置电压的精确性与半导体工艺的工艺效果息息相关，为了稳定控制工艺腔室中进行的半导体工艺进程，如何准确、高效地检测下电极输入的射频信号成为半导体工艺自动化控制的重要课题。
随着半导体工艺技术的发展，脉冲调制信号逐步成为射频信号的常规选择，脉冲调制信号通过将较低频率的脉冲信号调制为较高频率的信号再与原先的脉冲信号混合得到。现有技术中射频检波电路能够检测脉冲调制信号得到初始的脉冲信号，然而，为了得到能够用于实时检测反应状况或反馈控制电源的直流信号，还需要将该脉冲信号转为直流信号。
现有技术中通常采用二次检波或者采样保持的方式得到直流信号，然而，由于二次检波和采样保持的时间常数过长，最终得到的检测信号无法保持实时性，难以应对情况多变的实际生产过程。因此，如何提供一种能够实时、准确地检测下电极接收到的射频信号的检测电路，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在提供一种电路组件、一种信号检测方法和半导体工艺设备，该电路组件能够实时、准确地检测下电极接收的射频信号。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种电路组件，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，所述电路组件包括射频信号检波电路，所述射频信号检波电路用于将所述脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测所述脉冲信号得到检测脉冲信号，所述电路组件还包括检波结果处理电路组，所述检波结果处理电路组能够将所述检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为对应周期内出现的接收到的对应的信号幅值。
可选地，所述脉冲信号在每个周期内的信号均包括交替的高电平沿和零电平沿，所述检测脉冲信号每个周期内的信号均包括对应于所述高电平沿的上升沿和峰值段，以及对应于所述零电平沿的下降沿和零电平段，所述峰值段的电平与所述高电平沿的幅值对应，所述检波结果处理电路组包括采样保持电路，所述采样保持电路能够将所述检测脉冲信号在每个周期内的所述下降沿和所述零电平段的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
可选地，所述采样保持电路在第一同步控制信号的驱动下调整所述检测脉冲信号，所述第一同步控制信号的波形与所述脉冲信号的波形一致，所述采样保持电路能够在所述第一同步控制信号处于零电平沿时，将所述检测脉冲信号的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在所述第一同步控制信号处于对应周期内的高电平沿时的幅值。
可选地，所述检波结果处理电路组还包括同步信号处理电路，所述同步信号处理电路能够控制所述采样保持电路将所述检测脉冲信号每一周期中所述上升沿的信号幅值调整为该上升沿前面的所述峰值段的幅值。
可选地，所述同步信号处理电路用于接收所述第一同步控制信号，并将所述第一同步控制信号中的零电平沿的时长向后延长得到第二同步控制信号，所述采样保持电路能够在所述第二同步控制信号处于零电平沿期间保持所述检测脉冲信号的幅值与所述检测脉冲信号在该零电平沿开始时的幅值相同。
可选地，所述同步信号处理电路包括施密特触发器，用于根据所述第一同步控制信号得到所述第二同步控制信号。
可选地，所述零电平沿的延长时长大于或等于对应周期内的所述检测脉冲信号的上升沿的持续时长。
可选地，所述检波结果处理电路组还包括滤波输出电路，所述滤波输出电路用于接收所述采样保持电路处理后的检测脉冲信号，并降低接收到的所述检测脉冲信号的信号波动幅度。
作为本发明的第二个方面，提供一种信号检测方法，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，所述检测方法基于前面所述的电路组件实现，所述方法包括：
将所述脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测所述脉冲信号得到检测脉冲信号；
将所述检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
作为本发明的第三个方面，提供一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括工艺腔室、电源组件和设置在所述工艺腔室中的下电极，所述电源组件用于将低频的脉冲信号调制得到脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号输出至所述下电极，所述半导体工艺设备还包括用于检测所述下电极上的脉冲调制信号的电路组件，所述电路组件为前面所述的电路组件。
在本发明提供的电路组件、信号检测方法和半导体工艺设备中，电路组件不仅包含用于检测脉冲信号的射频信号检波电路，还包括检波结果处理电路组，该检波结果处理电路组能够对射频信号检波电路的检测结果(检测脉冲信号)进行进一步处理，使得检测脉冲信号每一周期内的电平均保持为所述检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值，进而将检测脉冲信号转换为与脉冲信号的峰值实时对应的直流信号，该直流信号能够实时表达射频电源发射的脉冲信号的幅值，从而能够实时、准确地检测工艺腔室中的反应参数，还能够作为半导体工艺设备中电源组件的反馈控制信号，提高根据反应情况实时调整电源组件功率的响应速度，提高半导体工艺的安全性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是射频检波电路对电源脉冲调制信号进行处理得到检测脉冲信号的波形变化示意图；
图2是本发明实施例提供的电路组件的电路结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电路组件中采样保持电路对检测脉冲信号的波形进行调整的原理示意图；
图4是本发明实施例提供的电路组件中采样保持电路在同步信号处理电路的控制下对检测脉冲信号的波形进行调整的原理示意图；
图5至图6是本发明实施例提供的电路组件中滤波输出电路对检测脉冲信号的波形进行调整的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
现有的下电极射频偏置电压检测电路通常包括射频检波器和相应的外围电路，当射频信号为脉冲调制信号时，该脉冲调制信号是由射频电源发射的脉冲信号调制得到的，例如，如图1所示，原来电源的射频信号是100Hz占空比为50％的脉冲信号，将其调制为包含13.56MHz射频信号的脉冲调制信号后，输出波形如图1中电源脉冲调制信号所示(图1中因图幅限制横坐标比例较大，13.56MHz射频信号波形过于密集近似为矩形实心图案)。
射频检波电路通过射频检波对电源脉冲调制信号进行处理后，滤除了13.56MHz的射频信号，输出其检测到的100Hz占空比近50％的检测脉冲信号，该检测脉冲信号的最高幅值等于电源脉冲信号的峰值电压(波形如图1中射频检波输出信号，需要说明的是，图1中为方便读者理解，将检测脉冲信号的最高幅值显示为略高于电源脉冲信号的峰值，二者实际相等)。
然而，在实际检测及控制过程中，下电极的检测信号和电源的反馈控制信号必须是恒定的直流信号，而射频检波器输出的脉冲信号不是恒定的直流信号，无法表示下电极的偏置电压，也不能用来控制电源。如果要将射频检波器输出的脉冲信号转换成直流信号，可以加长射频检波器延时的时间常数(如，将一个周期中检测到的峰值电压延长至50至100个周期，且其后的49至99个周期均沿用第一个周期中被检测到的峰值电压)，或者使用二次检波，但使用这两种方法，将使检波信号失去实时性，不能实时检测下电极的偏置电压，如果用检测的电压信号做电源的反馈控制时，非实时的信号会引起电源功率失控、输出功率漂移至最大值或者最小值等等诸多问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供一种电路组件，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，该脉冲调制信号由低频的脉冲信号(如，100Hz占空比为50％的脉冲信号)调制得到，该电路组件包括射频信号检波电路，该射频信号检波电路用于将下电极上的脉冲调制信号转化为调制前的低频的脉冲信号(例如，通过滤除该脉冲调制信号中的高频信号(如，13.56MHz射频信号)等方式得到该低频的脉冲信号)，并检测该脉冲信号得到检测脉冲信号。该电路组件还包括检波结果处理电路组，该检波结果处理电路组能够将该检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为该检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
本发明提供的电路组件不仅包含用于检测脉冲信号的射频信号检波电路，还包括检波结果处理电路组，该检波结果处理电路组能够对射频信号检波电路的检测结果(检测脉冲信号)进行进一步处理，使得检测脉冲信号每一周期内的电平均保持为该周期内的峰值对应的表征幅值，进而将检测脉冲信号转换为与脉冲信号的峰值实时对应的直流信号，该直流信号能够实时表达射频电源发射的脉冲信号的幅值，从而能够实时、准确地检测工艺腔室中的反应参数，还能够作为半导体工艺设备中电源组件的反馈控制信号，提高根据反应情况实时调整电源组件功率的响应速度，提高半导体工艺的安全性。
本发明实施例对该最高幅值与对应的表征幅值之间的转换关系不作具体限定，例如，可选地，可以将每个周期内出现的最高幅值乘以某一固定系数得到该表征幅值(例如，在该最高幅值的幅度过小难以准确检测时，该射频信号检波电路可以对该最高幅值进行放大得到对应的表征幅值，每个周期的放大比例一致，因此仍可通过该表征幅值实时反映电源组件功率的变化)。
需要说明的是，在本发明中高频信号指频率高于3MHz的信号，而低频信号指频率低于3MHz的信号，例如，该脉冲信号的频率低于3MHz。本发明实施例对该脉冲信号的波形不作具体限定，例如，作为本领域常用的电源脉冲信号种类，该脉冲信号可以为矩形波信号，该脉冲信号在每个周期内的信号均包括交替的高电平沿和零电平沿，半导体工艺设备的电源组件能够根据该高电平沿调制得到幅值与该高电平沿相同的高频信号。
如图3所示，该检测脉冲信号每个周期内的信号均包括对应于该高电平沿的上升沿和峰值段，以及对应于该零电平沿的下降沿和零电平段，该峰值段的电平与该高电平沿的幅值对应，例如，该峰值段的电平可以为该脉冲信号的高电平沿的幅值乘某一固定系数，或者该峰值段的电平与脉冲信号的高电平沿幅值相等。
本发明实施例对该检波结果处理电路组如何对该检测脉冲信号进行调整不作具体限定，例如，如图2、图3所示，该检波结果处理电路组可以包括采样保持电路，该采样保持电路能够将该检测脉冲信号在每个周期(包括依次连续的峰值段、下降沿、零电平段和上升沿)内的下降沿和零电平段的信号幅值调整为对应周期内(即同周期内)的该峰值段的幅值。即，在脉冲信号为ON时(即高电平沿时间段内)进行采样，输出电压为脉冲信号的峰值电压，在脉冲信号为OFF时(即零电平沿时间段内)保持检测脉冲信号的峰值电平。
本发明实施例对如何控制该采样保持电路完成调整过程不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该采样保持电路在第一同步控制信号的驱动下调整该检测脉冲信号，该第一同步控制信号的波形与该脉冲信号的波形一致，该采样保持电路能够在该第一同步控制信号处于零电平沿时，将该检测脉冲信号的信号幅值调整为该检测脉冲信号在该第一同步控制信号处于对应周期内的高电平沿时的幅值。
在本发明实施例中，第一同步控制信号与电源发出的脉冲信号的波形相同，该采样保持电路根据第一同步控制信号在各周期的零电平沿确定该检测脉冲信号峰值段的结束时间，并读取该峰值段的电平作为第一同步控制信号处于零电平沿时的保持电平。
如图3所示为经过该采样保持电路根据第一同步控制信号调整后的检测脉冲信号的波形示意图，该采样保持电路根据第一同步控制信号对检测脉冲信号进行调整后，已经将检测脉冲信号的下降沿和零电平段调整为与峰值段一致，然而，检测脉冲信号中还存在上升沿，上升沿与调整后的零电平段之间将产生间隙信号，导致电平信号的电平不稳定。
为解决该问题，优选地，如图2、图4所示，该检波结果处理电路组还包括同步信号处理电路，该同步信号处理电路能够控制该采样保持电路将该检测脉冲信号每一周期中该上升沿的信号幅值调整为该上升沿前面的峰值段(即同周期内的峰值段)的幅值，从而消除上升沿产生的间隙信号，提高最终得到的电平信号的稳定性。
本发明实施例对该同步信号处理电路如何控制该采样保持电路消除间隙信号不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该同步信号处理电路用于接收第一同步控制信号，并将该第一同步控制信号中的零电平沿的时长向后延长得到第二同步控制信号，该采样保持电路能够在该第二同步控制信号处于零电平沿期间保持该检测脉冲信号的幅值与检测脉冲信号在零电平沿开始时的幅值相同。
在本发明实施例中，该同步信号处理电路能够将该第一同步控制信号的占空比调低，将其零电平沿的时长向后延长得到第二同步控制信号，从而使该采样保持电路在该第二同步控制信号处于零电平沿的期间继续保持该检测脉冲信号的幅值为该峰值段的幅值，消除上升沿产生的间隙信号，提高最终得到的电平信号的稳定性。
本发明实施例对该同步信号处理电路的电路结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，该同步信号处理电路可以包括施密特触发器。
需要说明的是，该同步信号处理电路延长该零电平沿的延长时长大于或等于对应周期内的该检测脉冲信号的上升沿的持续时长，以覆盖每一周期中上升沿造成的间隙信号所在的时间段。
为进一步提高处理后的检测脉冲信号(即电平信号)的稳定性，优选地，如图2所示，该检波结果处理电路组还包括滤波输出电路，该滤波输出电路用于降低接收到的该检测脉冲信号的信号波动幅度。
如图5所示为该检波结果处理电路组中未设置有滤波输出电路、且存在负载阻抗波动的情况下处理得到的电平信号，可以看出其电压信号有较大的波动，如图6所示为增加滤波输出电路后输出的电平信号，可以看出经过滤波处理后输出电压信号波动幅度明显降低。
在本发明实施例中，检波结果处理电路组还包括滤波输出电路，该滤波输出电路能够降低采样保持电路所输出的直流信号的波动幅度，从而可以滤除相应传输线上的干扰信号或者负载变化引起的电压波动等不良波动，提高该直流信号的抗干扰能力，进而使后续能够更加准确、稳定地检测该直流信号的电平值，提高对下电极状态进行检测以及对射频电源进行反馈控制的精确性。
作为本发明的第二个方面，还提供一种信号检测方法，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，该检测方法基于前面实施例中提供的电路组件实现，该方法包括：
在步骤S1中，将脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测脉冲信号得到检测脉冲信号；
在步骤S2中，将检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为该检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
在本发明提供的信号检测方法中，电路组件能够对射频信号检波电路的检测结果(检测脉冲信号)进行进一步处理，使得检测脉冲信号每一周期内的电平均保持为该周期内的峰值对应的表征幅值，进而将检测脉冲信号转换为与脉冲信号的峰值实时对应的直流信号，该直流信号能够实时表达射频电源发射的脉冲信号的幅值，从而能够实时、准确地检测工艺腔室中的反应参数，还能够作为半导体工艺设备中电源组件的反馈控制信号，提高根据反应情况实时调整电源组件功率的响应速度，提高半导体工艺的安全性。
作为本发明的第三个方面，还提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备包括工艺腔室、电源组件和设置在该工艺腔室中的下电极，该电源组件用于将低频的脉冲信号调制得到脉冲调制信号，并将该脉冲调制信号输出至该下电极，该半导体工艺设备还包括用于检测该下电极上的脉冲调制信号的电路组件，其中，该电路组件为本发明实施例提供的电路组件。
在本发明提供的半导体工艺设备中，电路组件不仅包含用于检测脉冲信号的射频信号检波电路，还包括检波结果处理电路组，该检波结果处理电路组能够对射频信号检波电路的检测结果(检测脉冲信号)进行进一步处理，使得检测脉冲信号每一周期内的电平均保持为该周期内的峰值对应的表征幅值，进而将检测脉冲信号转换为与脉冲信号的峰值实时对应的直流信号，该直流信号能够实时表达射频电源发射的脉冲信号的幅值，从而能够实时、准确地检测工艺腔室中的反应参数，还能够作为半导体工艺设备中电源组件的反馈控制信号，提高根据反应情况实时调整电源组件功率的响应速度，提高半导体工艺的安全性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电路组件，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，所述电路组件包括射频信号检波电路，所述射频信号检波电路用于将所述脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测所述脉冲信号得到检测脉冲信号，其特征在于，所述电路组件还包括检波结果处理电路组，所述检波结果处理电路组能够将所述检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
2.根据权利要求1所述的电路组件，其特征在于，所述脉冲信号在每个周期内的信号均包括交替的高电平沿和零电平沿，所述检测脉冲信号每个周期内的信号均包括对应于所述高电平沿的上升沿和峰值段，以及对应于所述零电平沿的下降沿和零电平段，所述峰值段的电平与所述高电平沿的幅值对应，所述检波结果处理电路组包括采样保持电路，所述采样保持电路能够将所述检测脉冲信号在每个周期内的所述下降沿和所述零电平段的信号幅值调整为对应周期内的所述峰值段的幅值。
3.根据权利要求2所述的电路组件，其特征在于，所述采样保持电路在第一同步控制信号的驱动下调整所述检测脉冲信号，所述第一同步控制信号的波形与所述脉冲信号的波形一致，所述采样保持电路能够在所述第一同步控制信号处于零电平沿时，将所述检测脉冲信号的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在所述第一同步控制信号处于对应周期内的高电平沿时的幅值。
4.根据权利要求2或3所述的电路组件，其特征在于，所述检波结果处理电路组还包括同步信号处理电路，所述同步信号处理电路能够控制所述采样保持电路将所述检测脉冲信号每一周期中所述上升沿的信号幅值调整为该上升沿前面的所述峰值段的幅值。
5.根据权利要求4所述的电路组件，其特征在于，所述同步信号处理电路用于接收所述第一同步控制信号，并将所述第一同步控制信号中的零电平沿的时长向后延长得到第二同步控制信号，所述采样保持电路能够在所述第二同步控制信号处于零电平沿期间保持所述检测脉冲信号的幅值与所述检测脉冲信号在该零电平沿开始时的幅值相同。
6.根据权利要求5所述的电路组件，其特征在于，所述同步信号处理电路包括施密特触发器，用于根据所述第一同步控制信号得到所述第二同步控制信号。
7.根据权利要求5所述的电路组件，其特征在于，所述零电平沿的延长时长大于或等于对应周期内的所述检测脉冲信号的上升沿的持续时长。
8.根据权利要求2或3所述的电路组件，其特征在于，所述检波结果处理电路组还包括滤波输出电路，所述滤波输出电路用于接收所述采样保持电路处理后的检测脉冲信号，并降低接收到的所述检测脉冲信号的信号波动幅度。
9.一种信号检测方法，用于检测半导体工艺设备中下电极上的脉冲调制信号，其特征在于，所述检测方法基于权利要求1至8中任意一项所述的电路组件实现，所述方法包括：
将所述脉冲调制信号转化为调制前的脉冲信号，并检测所述脉冲信号得到检测脉冲信号；
将所述检测脉冲信号每个周期内的信号幅值调整为所述检测脉冲信号在对应周期内出现的最高幅值对应的表征幅值。
10.一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括工艺腔室、电源组件和设置在所述工艺腔室中的下电极，所述电源组件用于将低频的脉冲信号调制得到脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号输出至所述下电极，所述半导体工艺设备还包括用于检测所述下电极上的脉冲调制信号的电路组件，其特征在于，所述电路组件为权利要求1至8中任意一项所述的电路组件。
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