半導(dǎo)體制造等離子體工藝射頻電源動態(tài)阻抗測試方法

1半導(dǎo)體制造等離子體工藝射頻電源動態(tài)阻抗測試方法本文件規(guī)定了半導(dǎo)體制造等離子體工藝射頻電源動態(tài)阻抗測試方法的術(shù)語和定義、原理、測試環(huán)境條件、儀器設(shè)備、測試方法、測試報告等技術(shù)內(nèi)容。本文件適用于半導(dǎo)體刻蝕、薄膜沉積等應(yīng)用場合中，輸出頻率0.2MHz~100MHz的半導(dǎo)體等離子體工藝射頻電源動態(tài)阻抗測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本GB4793.1—2007測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備的安全要求第1部分：通用要求GB/T11313.201射頻連接器第201部分：電氣試驗方法反射系數(shù)和電壓駐波比SEMIE113半導(dǎo)體加工設(shè)備射頻功率傳輸系統(tǒng)規(guī)范SEMIE115確定半導(dǎo)體處理設(shè)備射頻功率傳輸系統(tǒng)中使用的匹配網(wǎng)絡(luò)的負載阻抗和效率的測試方法SEMIE143測量50Ω負載的功率和變化以及任何相位角VSWR為2.0負載的功率變化和頻譜的測試方法3術(shù)語和定義GB/T11313.201、SEMIE113、SEMIE115和SEMIE143界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端阻抗，找到有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗的測量技術(shù)。史密斯圓圖Smithchart在反射系數(shù)平面上標繪歸一化輸入阻抗或?qū)Ъ{等值圓族的計算圖。數(shù)據(jù)擬合datafitting現(xiàn)有數(shù)據(jù)透過數(shù)學(xué)方法代入數(shù)式的表示方式，通過采樣、實驗等方法獲得若干離散數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)得連續(xù)函數(shù)或更加密集的離散方程與已知數(shù)據(jù)相吻合的過程。自動匹配automatch薄膜沉積、刻蝕等工藝過程中等離子體阻抗變化，通過阻抗匹配器實現(xiàn)整體傳輸電路共軛阻抗匹配，使得入射功率始終達到最大、反射功率達到最小的過程。功率是影響等離子體的阻抗的條件之一，射頻電源功放輸出的瞬時功率由等離子體阻抗的變化來決定。兩者的變化相互作用，利用本測試方法量化該作用的程度，獲得射頻電源的動態(tài)阻抗值。5測試環(huán)境條件測試環(huán)境條件要求如下：2a)環(huán)境溫度控制在20℃~30℃;b)相對濕度控制在40%～70%;c)水冷系統(tǒng)溫度控制在45℃內(nèi)。6儀器設(shè)備6.1通用要求測試儀器設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻功率測量儀器、負載牽引系統(tǒng)以及50Ω水冷負載。6.2網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大頻率應(yīng)大于100MHz。6.3射頻功率測量儀射頻功率測量儀的測量精度不應(yīng)大于3%。7測試方法7.1射頻電源工作狀態(tài)測試用射頻電源應(yīng)由閉環(huán)控制模式配置為開環(huán)控制模式，應(yīng)使調(diào)節(jié)器后端斷開。圖1給出了射頻電源開環(huán)控制示意。+圖1射頻電源開環(huán)控制示意圖待測試射頻電源輸出頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為12.882MHz到14.238MHz,后續(xù)負載牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻功率測量儀等設(shè)備均應(yīng)以該頻率范圍設(shè)置。7.2測試負載工作狀態(tài)使用負載牽引系統(tǒng)加上50Q水冷負載方案可調(diào)節(jié)不同阻抗，用于模擬等離子體環(huán)境，如圖2方框內(nèi)所示。功率輸出圖2負載設(shè)備設(shè)置示意圖負載設(shè)備應(yīng)配置VSWR為5:1以內(nèi)的不同阻抗。測試用負載牽引系統(tǒng)通過改變串聯(lián)電容或并聯(lián)電容的位置，從而達到改變負載設(shè)置阻抗的目的。圖3列舉了在不同VSWR下，本測試所需不同阻抗的分布。3a)駐波比VSWR5:1的阻抗點有36個；b)駐波比VSWR4:1的阻抗點有30個；c)駐波比VSWR3:1的阻抗點有24個；d)駐波比VSWR2:1的阻抗點有18個；e)駐波比VSWR1.5:1的阻抗點有12個；7.3測量步驟12345注：因本測試用射頻電源輸出頻率范圍為12.882MHz到14.238MHz,所以起始頻率和截止頻率為12.882MHz和47.3.1.2測量裝置組成阻抗測試裝置由網(wǎng)絡(luò)分析儀和負載設(shè)備連接組成，負載設(shè)備包含負載牽引系統(tǒng)和50Ω水冷負載。其連接應(yīng)符合圖4所示。圖4阻抗測試連接示意圖/網(wǎng)絡(luò)分析儀與負載設(shè)備連接的示意圖7.3.1.3測量數(shù)據(jù)的記錄參考圖3所示阻抗分布，分別改變負載設(shè)備的阻抗，記錄該阻抗點下負載牽引系統(tǒng)的串聯(lián)電容、并聯(lián)電容的位置和網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的阻抗值(ZL),將阻抗值(ZL)的實部R和虛部X分別記錄在附錄A格7.3.2開環(huán)控制下功率分布7.3.2.1射頻電源的使用要求使用射頻電源時，應(yīng)按GB4793.1—2007的有關(guān)安全規(guī)定執(zhí)行。7.3.2.2射頻電源的測試準備測試用的射頻電源應(yīng)做好以下準備工作：a)輸入電壓在標稱電壓范圍內(nèi)；b)保證射頻電源的冷卻系統(tǒng)的正常運行。7.3.2.3射頻電源與負載設(shè)備的連接測試用射頻電源與負載設(shè)備連接應(yīng)符合圖5所示。為了測試的準確性，射頻功率測量儀以最短距離連接射頻電源的功率輸出端。50歐姆水冷負載50歐姆水冷負載-圖5功率測試連接示意圖7.3.2.4射頻電源功率輸出的要求鑒于電源安全問題，測試用的射頻電源功率輸出設(shè)置為200W或滿功率的10%。7.3.2.5測量及測量數(shù)據(jù)的記錄分別設(shè)置射頻電源輸出頻率為12.882MHz、13.56MHz和14.238MHz,按7.3.1.3記錄的相應(yīng)頻率下負載牽引系統(tǒng)的電容位置，分別改變負載設(shè)備的阻抗。讀取射頻功率測量儀返回的功率數(shù)據(jù)，記錄在附錄A格式中“射頻功率測量值(W)”一列。7.3.2.6射頻電源動態(tài)阻抗的計算按附錄B的方法進行射頻電源動態(tài)阻抗參數(shù)的計算。a)測試依據(jù)(本文件編號);6(資料性)電源輸出頻率記錄點WΩ1234567897(規(guī)范性)射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)的計算方法B.1反射系數(shù)(T)計算負載設(shè)備阻抗分布數(shù)據(jù)按7章流程測得(阻抗實部R和阻抗虛部X)。圖B.1和圖B.2為使用LabVIEW獲取射頻功率測量值與阻抗測量值記錄表(附錄A)中數(shù)據(jù)的程序框圖。可pe]圖B.1獲取記錄表數(shù)據(jù)程序框圖負載設(shè)備阻抗分布數(shù)據(jù)按7章流程測得(阻抗實部R和阻抗虛部X)。根據(jù)式B.1計算各點阻抗所對應(yīng)的反射系數(shù)T:T——各點阻抗所對應(yīng)的反射系數(shù)；ZL——負載阻抗；Tr——反射系數(shù)實部；I;——反射系數(shù)虛部；圖B.2使用LabVIEW計算反射系數(shù)程序框圖B.2等功率圖繪制繪制等功率圖能更直觀地表現(xiàn)射頻功率隨反射系數(shù)變化而變化的情況。程序中用二元函數(shù)Pd=f(Tr,I)形式的曲面與向量(Fr,Ij,Pd)中的散點數(shù)據(jù)擬合，而且曲面始終穿過Tr和Ti定義的數(shù)據(jù)點。其中，Ir為圖B.2中的反射系數(shù)實部Tr,I;為圖B.2中的反射系數(shù)虛部Ti,Pd為圖B.1中的射頻功率測量值。8擬合射頻功率數(shù)據(jù)程序框圖圖B.4繪制等功率線程序框圖圖B.5-圖B.7為本測試用射頻電源的等功率線圖。00圖B.6極坐標下射頻電源輸出頻率為13.56MHz的等功率線圖例0圖B.7極坐標下射頻電源輸出頻率為14.238MHz的等功率線圖例B.3動態(tài)阻抗系數(shù)(增益和最大梯度角)計算定義一個接近Zo=50+j0且反射系數(shù)相等的網(wǎng)格，如圖B.8紅圈所示。圖B.8等反射系數(shù)圈基于該等反射系數(shù)網(wǎng)格對從B.1中獲得的散點數(shù)據(jù)插值，得到沿該等反射系數(shù)網(wǎng)格變化而變化的射頻功率值分布數(shù)據(jù)。并找出該散點數(shù)據(jù)中射頻功率值最小的值和該點的角度、反射系數(shù)。使用LabVIEW計算如圖B.9所示。個數(shù)2通古圖B.9計算最小射頻功率值和該點的角度、反射系數(shù)程序框圖射頻系統(tǒng)中，在響應(yīng)相同擾動的情況下，為了將負反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?，需要將角度旋轉(zhuǎn)180°。按式B.2計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)。θGen——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);θmin——射頻功率值最小處角度。0dZ——阻抗的微小變化量；Zmin—射頻功率值最小處阻抗；dP——射頻功率的微小變化量；GRF——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(增益);dP——射頻功率的微小變化量；dZ——阻抗的微小變化量。最小功率處反射系數(shù)50歐姆處擬合射頻功率值最小功率GrfGrf(規(guī)范性)C.1應(yīng)用場合在低壓、低功耗工藝條件下，依賴功率的等離子體阻抗和依賴負載的射頻輸送系統(tǒng)之間相互作功率輸出功率輸出圖C.1等離子體阻抗測試連接示意圖a)測量等離子體阻抗軌跡角時，應(yīng)細微改變射頻電源輸出功率。1)射頻電源輸出功率，等匹配器到達匹配點時，讀取阻抗測量儀數(shù)據(jù)：Z?=R?+jX?;3)射頻電源輸出功率增加10%;4)讀取阻抗測量儀數(shù)據(jù)：Z?=R?+jX?。c)按C.1～C.4方法計算最佳電纜長度。C.2等離子體阻抗軌跡角計算T?——匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)；Z?——特征阻抗。T?——增加射頻功率后計算的反射系數(shù)；Z?—增加射頻功率后測量到的阻抗值；Z?—特征阻抗。T?——增加射頻功率后計算的反射系數(shù)；T?——匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)。θplasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);△F——反射系數(shù)差值。C.3額外線纜長度計算按式C.5～C.6計算額外線纜長度。△θcable——額外線纜長度角度；θplasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);θgen——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);ncVfF——任意整數(shù)?！~外線纜長度；——額外線纜長度角度；—線纜速度系數(shù)；——射頻電源輸出頻率。C.4最佳電纜長度計算示例按C.1步驟測量獲得數(shù)據(jù)：Z?=49.36-j4.75;Z?=53.01-j3.15。本測試所使用射頻線纜為RG213:速度系數(shù)V=0.66。本測試用射頻電源輸出頻率為13.56MHz:F=13560000Hz,n=0,c=300000000m/s。計算步驟：T?——按C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)；Z?——按C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后測量到的阻抗值；Z?——特征阻抗。j——虛數(shù)單位。T?——按C.1,增加射頻功率后計算的反射系數(shù)；Z?——按C.1,增加射頻功率后測量到的阻抗值；j——虛數(shù)單位?！鱐——反射系數(shù)差值；T?——按C.1,增加射頻功率后計算的反射系數(shù)；θplasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);△F——反射系數(shù)差值?！鳓萩able——額外線纜長度角度；θplasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);θgen——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);n——任意整數(shù)。△Lcable——額外線纜長度；△θplasma——額外線纜長度角度；