[發明專利]一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法

有效

• 申請號: 200710063392.6
• 申請日: 2007-01-10
• 公開（公告）號: CN101221894A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發明（設計）人: 申浩南
• 申請（專利權）人: 北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司
• 主分類號: H01L21/00
• 分類號: H01L21/00;G01R27/02
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司
• 代理人: 趙鎮勇;郭宗勝

技術領域

本發明涉及半導體制造設備的檢測與監控技術領域，尤其涉及一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法。

背景技術

等離子體被廣泛應用于半導體器件的生產。在等離子體刻蝕系統中，射頻電源向等離子腔體供電以產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子和置于腔體并曝露在等離子體環境下的半導體晶圓相互作用，使半導體晶圓材料表面發生各種物理和化學反應，從而使材料表面性能發生變化，完成半導體晶圓的刻蝕過程。

常用的射頻電源工作頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50Ω，通過特征阻抗為50Ω的同軸電纜與反應腔室相連。隨著刻蝕過程的進行，腔室中的氣體成分以及壓力都在不斷變化，因此，作為負載的等離子的阻抗也在不斷的變化。而射頻電源的內阻為固定的50Ω，即功率源與負載之間阻抗是不匹配的，這樣就導致射頻RF傳輸線上存在較大的反射功率，射頻輸出功率無法全部施加到等離子體腔。如果獲得的RF能量不足以使等離子體起輝，刻蝕過程就無法進行，而且，功率會反射回電源，當達到輸出功率的20％左右時，就會損壞RF電源。

由此，如圖1所示的整個射頻傳輸系統的框圖，一般RF功率源與等離子體腔室之間插入一個匹配網絡，使得負載阻抗與電源阻抗能夠達到共軛匹配。由于隨著刻蝕過程的進行，負載阻抗的值是不斷變化的，所以需要引入一個阻抗模值、相位檢測器，即傳感器(Sensor)。通過檢測傳輸線上的電壓、電流信號，利用一定的鑒幅和鑒相方法，就可以得到負載阻抗的模值和相位。自動阻抗控制器根據傳感器的輸出，控制步進電機的轉動，從而調整匹配網絡中的可變元件，最終使匹配網絡與等離子腔室的總阻抗為50Ω，實現匹配。

對于根據傳輸線上的電壓和電流信號計算負載阻抗的相位的方法，常規的一種方法如圖2所示，采用模擬乘法器，若輸入信號與參考信號的相位差為φ，則模擬乘法器的輸出與COSφ成正比，因此可以用乘法器鑒相。φ＜0時的輸出與φ＞0時相同，鑒相器不能鑒別相位超前與滯后，它工作在π/2±π/2范圍內，在φ＝π/2附近，鑒相器線性最好，靈敏度最高。影響精度的主要因素有輸入信號的幅值，輸出的非線性等。

如圖2所示模擬乘法器的輸出等于K倍的x乘y。

根據三角公式化簡：Uo＝(1/2)×K×Usm×Ucm×COSφ

式中：Uo，為模擬乘法器鑒相器的輸出信號；

K，為常系數；

Usm，輸入信號之一；

Ucm，另一路輸入信號。

即模擬乘法器輸出了一個與信號間相位差相關的量，完成了鑒相功能

這種方法存在的缺點是，輸出信號是相位的余弦函數，是非線性的，信號幅值影響鑒相結果，因此無法得到準確的結果。

常規的另一種鑒相的方法如圖3與圖4所示，是采用門鑒相器，而其中最常用的是異或門鑒相，它由異或門與低通濾波器組成。異或門的電路符號如圖3所示及真值表如表1所示，輸出波形及鑒相特性如圖5、圖6與圖7所示。

表1