電流傳感器、匹配器、以及等離子體裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電流傳感器，用于對(duì)匹配器輸出端的主電路電流進(jìn)行測(cè)量，所述電流傳感器包括電流采樣模塊和信號(hào)處理模塊，所述電流采樣模塊包括包裹在主電路外的磁環(huán)，所述磁環(huán)具有分流結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整分流比例，使得生成較小耦合感應(yīng)電流的分支對(duì)較大的主電路電流進(jìn)行檢測(cè)，生成較大耦合感應(yīng)電流的分支對(duì)較小的主電路電流進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生成的耦合感應(yīng)電流能夠滿足信號(hào)處理模塊的輸入范圍的要求，從而使得電流傳感器具有較大的測(cè)量范圍。該電流傳感器結(jié)構(gòu)靈活，能夠?qū)Χ喾N電流組合進(jìn)行測(cè)量，從而擴(kuò)展了電流傳感器的適用性，降低了生產(chǎn)成本。
【專利說明】電流傳感器、匹配器、以及等離子體裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別是涉及一種電流傳感器、匹配器、以及等離子體 裝直。

【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中，等離子體技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，常用的等離 子體類型包括電容耦合等離子體（CCP)、電感耦合等離子體（ICP)、以及電子回旋共振等離 子體（ECR)等類型。其中，電感耦合等離子體（ICP)發(fā)生裝置中，射頻能量通過電感耦合線 圈使腔室氣體產(chǎn)生電離，從而形成等離子體。這種方式可以在較低工作氣壓下能夠獲得高 密度的等離子體，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用。
[0003] 為了在較低工作氣壓下獲得更高密度的等離子體，并且同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià) 低的特點(diǎn)，采用單個(gè)電感耦合線圈的ICP裝置逐漸發(fā)展到采用多個(gè)電感耦合線圈，采用多 個(gè)電感耦合線圈的ICP裝置可以在較低工作氣壓下獲得更高密度的等離子體，還能夠?qū)Ξa(chǎn) 生等離子體的射頻源（決定等離子體密度）與基片臺(tái)射頻源（決定入射到晶片上的粒子能 量）獨(dú)立控制，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)多個(gè)電感 耦合線圈的單獨(dú)控制需要采用多輸出匹配器，而電流傳感器則為多輸出匹配器中對(duì)各個(gè)電 感耦合線圈的能量進(jìn)行監(jiān)控的重要裝置。
[0004] 如圖1所示為雙線圈電感耦合等離子體裝置的雙輸出匹配器的結(jié)構(gòu)示意圖，其 中，雙輸出匹配器8的輸入端與射頻電源7相連接，雙輸出匹配器8的輸出端分別與內(nèi)線圈 4以及外線圈5相連接。具體地，雙輸出匹配器8包括阻抗傳感器12、運(yùn)算和控制器13、執(zhí) 行機(jī)構(gòu)14、電流傳感器15和16,具體的，阻抗傳感器12作為雙輸出匹配器8的輸入端與射 頻電源7相連接，阻抗傳感器12 -方面測(cè)量電路輸入阻抗信號(hào)、并且將電路輸入阻抗信號(hào) 提供給運(yùn)算和控制器13,另一方面通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)14控制匹配器的阻抗從而達(dá)到匹配；執(zhí)行 機(jī)構(gòu)14通過電流傳感器15與內(nèi)線圈4相連接、并且通過電流傳感器16與外線圈5相連接， 電流傳感器15和16分別檢測(cè)雙輸出匹配器8的兩個(gè)輸出端的主電路電流，即內(nèi)線圈4和 外線圈5中的電流，并且將輸出端信號(hào)反饋給運(yùn)算和控制器13 ;運(yùn)算和控制器13根據(jù)相關(guān) 工藝對(duì)內(nèi)線圈4和外線圈5中流過的電流計(jì)算得出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，并將相應(yīng)的調(diào)節(jié)量提供 給執(zhí)行機(jī)構(gòu)14,執(zhí)行機(jī)構(gòu)14根據(jù)獲得的調(diào)節(jié)量來調(diào)整輸出端信號(hào)，即分別控制內(nèi)線圈4和 外線圈5上流過的電流，從而實(shí)現(xiàn)分別控制內(nèi)線圈4和外線圈5上射頻能量的目的。
[0005] 為了更好的實(shí)現(xiàn)分別控制內(nèi)線圈4和外線圈5上射頻能量的目的，電流傳感器對(duì) 主電路電流的測(cè)量作用非常重要，圖2提供了一種典型的電流傳感器的實(shí)現(xiàn)方式，其中，電 流傳感器15由電流采樣模塊18和信號(hào)處理模塊19組成，電流采樣模塊18通過與匹配器 輸出端的主電路進(jìn)行耦合從而產(chǎn)生電流交流信號(hào)，該電流交流信號(hào)由信號(hào)處理模塊19轉(zhuǎn) 換為直流信號(hào)，將直流信號(hào)發(fā)送給運(yùn)算和控制器13,并由運(yùn)算和控制器13通過一系列計(jì)算 得到調(diào)整量，運(yùn)算和控制器13將計(jì)算得到的調(diào)整量提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)14,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出端 信號(hào)的控制。
[0006] 電流采樣模塊18是電流傳感器15的關(guān)鍵部分，圖3示出了電流采樣模塊18的結(jié) 構(gòu)圖，電流采樣模塊18 -般采用線圈耦合方式，匹配器輸出的射頻電流信號(hào)通過主電路流 過，銅柱20為主電路，絕緣材料做成的四氟套筒21包裹在銅柱20外，磁環(huán)24套在套筒21 的外側(cè)，在磁環(huán)24和套筒21之間還設(shè)置有接地環(huán)22,在磁環(huán)24上纏繞有電感線圈23,其 中，銅柱20中的電流變化會(huì)導(dǎo)致磁環(huán)24中磁通量的變化，磁環(huán)24中磁通量的變化導(dǎo)致電 感線圈23中生成感應(yīng)電流，因此實(shí)現(xiàn)了銅柱20和電感線圈23之間的電磁耦合，通過銅柱 20和電感線圈23之間的電磁耦合，使得電感線圈23中形成感應(yīng)電流Is，根據(jù)感應(yīng)電流Is 可以對(duì)主電路電流進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到檢測(cè)雙輸出匹配器的輸出端信號(hào)的目的。
[0007] 對(duì)于電流傳感器15,形成感應(yīng)電流Is的大小與電感線圈23的線圈匝數(shù)N、磁環(huán)24 的磁導(dǎo)率μ和縱截面的截面積ΛΑ等參數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式由如下公式（1)給出：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種電流傳感器，用于對(duì)匹配器輸出端的主電路電流進(jìn)行測(cè)量，所述電流傳感器包 括電流采樣模塊和信號(hào)處理模塊，所述電流采樣模塊包括包裹在主電路外的磁環(huán)，所述磁 環(huán)上纏繞有電感線圈，所述電感線圈與所述主電路形成電磁耦合，從而生成感應(yīng)電流，所述 信號(hào)處理模塊獲取所述感應(yīng)電流的信號(hào)以進(jìn)行信號(hào)處理，其特征在于，所述磁環(huán)具有分流 結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整分流比例，使得生成較小耦合感應(yīng)電流的分支對(duì)較大的主電路電流進(jìn)行檢 測(cè)，生成較大耦合感應(yīng)電流的分支對(duì)較小的主電路電流進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生成的耦合感應(yīng)電 流能夠滿足信號(hào)處理模塊的輸入范圍的要求，從而使得電流傳感器具有較大的測(cè)量范圍。
2. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述分流結(jié)構(gòu)，包括至少上下兩個(gè)部 分，分別為上部磁環(huán)和下部磁環(huán)，所述上部磁環(huán)纏繞有上部線圈，所述下部磁環(huán)纏繞有下部 線圈，所述上部線圈和所述下部線圈分別具有感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流被選擇性地提供給所 述信號(hào)處理模塊，以使所述信號(hào)處理模塊根據(jù)所述上部線圈或者所述下部線圈生成的感應(yīng) 電流進(jìn)行信號(hào)處理。
3. 如權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其特征在于，所述分流結(jié)構(gòu)還包括公共部分，所述 公共部分纏繞有公共線圈，其中，公共線圈的一端與所述上部線圈的一端連接、且所述公共 線圈的同一端和所述下部線圈的一端相連接，所述上部線圈或所述下部線圈中未與公共線 圈相連的那一端作為感應(yīng)電流的輸出端。
4. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁環(huán)是縱截面為矩形的筒狀結(jié) 構(gòu)件，在所述磁環(huán)上具有開口，開口是沿磁環(huán)的周向開設(shè)的狹長(zhǎng)的通孔，開口的上沿和下沿 均平行于磁環(huán)的上下端面；磁環(huán)中的一部分被開口劃分為上下兩個(gè)部分，開口上面的部分 為上部磁環(huán)，開口下面的部分為下部磁環(huán)，且所述上部磁環(huán)和所述下部磁環(huán)的縱截面為矩 形；磁環(huán)中沒有被開口劃分為上下兩塊的另一部分為公共部分。
5. 如權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)所述的電流傳感器，其特征在于，所述上部磁環(huán)對(duì)應(yīng)的電流 系數(shù)、磁導(dǎo)率、截面積、線圈匝數(shù)、和磁環(huán)半徑，以及下部磁環(huán)對(duì)應(yīng)的電流系數(shù)、磁導(dǎo)率、截面 積、線圈匝數(shù)、和磁環(huán)半徑是根據(jù)所述電流傳感器的電流測(cè)量范圍的需求所設(shè)定的。
6. 如權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其特征在于，所述上部磁環(huán)的截面積與所述下部 磁環(huán)的截面積之比是根據(jù)所述電流傳感器的電流測(cè)量范圍的需求所設(shè)定的。
7. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述上部線圈的感應(yīng)電流與所述下 部線圈的感應(yīng)電流之比是10:1、5:1、或者2:1。
8. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述分流結(jié)構(gòu)包括上中下三個(gè)部分， 分別為上部磁環(huán)、下部磁環(huán)和中部磁環(huán)，所述上部磁環(huán)纏繞有上部線圈，所述下部磁環(huán)纏繞 有下部線圈，所述中部磁環(huán)纏繞有中部線圈， 所述分流結(jié)構(gòu)還包括公共部分，所述公共部分纏繞有公共線圈，其中，所述公共線圈 的一端除了與所述上部線圈和所述下部線圈的一端相連接，還與所述中部線圈的一端相連 接；上部線圈、中部線圈、或下部線圈中未與公共線圈相連的那一端作為感應(yīng)電流的輸出 端，所述上部線圈、中部線圈、或下部線圈分別具有感應(yīng)電流，且感應(yīng)電流被選擇性地提供 給所述信號(hào)處理模塊，以使所述信號(hào)處理模塊根據(jù)所述上部線圈、中部線圈、或下部線圈生 成的感應(yīng)電流進(jìn)行信號(hào)處理。
9. 如權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁環(huán)是縱截面為矩形的筒狀結(jié) 構(gòu)件，在所述磁環(huán)上具有上下兩個(gè)開口，分別為第一開口和第二開口，第一開口和第二開口 均為沿磁環(huán)的周向開設(shè)的狹長(zhǎng)的通孔，其上沿和下沿均平行于磁環(huán)的上下端面；通過所述 第一開口和第二開口將磁環(huán)中的一部分劃分為上中下三個(gè)部分，其中，第一開口上面的部 分為所述上部磁環(huán)，第一開口和第二開口之間的部分為中部開口，第二開口下面的部分為 所述下部磁環(huán)，且所述上部磁環(huán)、所述中部磁環(huán)、和所述下部磁環(huán)的縱截面為矩形；磁環(huán)中 沒有被第一開口和第二開口劃分為上中下三個(gè)部分的另一部分為所述公共部分。
10. 如權(quán)利要求4或9所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁環(huán)具有開口的一部分所 對(duì)應(yīng)的圓心角設(shè)置為60度、90度、180度、或270度。
11. 如權(quán)利要求2所述的電流傳感器，其特征在于，還包括開關(guān)處理模塊，開關(guān)處理模 塊用于對(duì)上部磁環(huán)和下部磁環(huán)的感應(yīng)電流進(jìn)行選擇，使得上部磁環(huán)和下部磁環(huán)中的一個(gè)所 對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流作為信號(hào)處理模塊的輸入。
12. 如權(quán)利要求11所述的電流傳感器，其特征在于，所述開關(guān)處理模塊根據(jù)輸出的感 應(yīng)電流的大小，對(duì)上部磁環(huán)和下部磁環(huán)的感應(yīng)電流進(jìn)行選擇，具體為， 在開關(guān)處理模塊將上部磁環(huán)的感應(yīng)電流作為電流采樣模塊的輸出的情況下，當(dāng)上部磁 環(huán)生成的感應(yīng)電流大于信號(hào)處理單元的最大輸入值時(shí)，將電流采樣模塊的輸出切換為下部 磁環(huán)的感應(yīng)電流；在開關(guān)處理模塊將下部磁環(huán)的感應(yīng)電流作為電流采樣模塊的輸出的情況 下，當(dāng)下部磁環(huán)生成的感應(yīng)電流小于信號(hào)處理單元的最小輸入值時(shí)，將電流采樣模塊的輸 出切換為上部磁環(huán)的感應(yīng)電流； 其中，上部磁環(huán)生成的感應(yīng)電流小于下部磁環(huán)的生成的感應(yīng)電流。
13. -種匹配器，所述匹配器包括阻抗傳感器、運(yùn)算和控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、以及電流傳感 器，其特征在于，所述電流傳感器為權(quán)利要求1-12中的任一電流傳感器。
14. 一種等離子體裝置，包括反應(yīng)腔室、位于所述反應(yīng)腔室內(nèi)的靜電卡盤、射頻源、匹配 器、以及位于所述反應(yīng)腔室上方的電感耦合線圈，所述電感耦合線圈通過匹配器與射頻源 相連接，所述電感耦合線圈用于在工藝過程中激發(fā)等離子體，以對(duì)固定于所述靜電卡盤上 的工件進(jìn)行等離子體刻蝕，其特征在于，所述匹配器為如權(quán)利要求13所述的匹配器。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK104062481SQ201310088040
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月19日
【發(fā)明者】成曉陽 申請(qǐng)人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司