CN101154933B - 表征匹配网络的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用可变阻抗分析计算匹配网络的等效串联电阻的方法及使用该方法分析的匹配网络。在一实施方式中，一种计算匹配网络的等效串联电阻的方法包括：将匹配网络连接到负载；测量在负载阻抗的范围内的匹配网络的输出；以及基于所测量的输出和负载电阻之间的关系而计算匹配网络的等效串联电阻。所述负载可以为替代负载或可以为在工艺腔室中形成的等离子体。
Description
技术领域
本发明的实施方式一般涉及用于半导体处理系统的匹配网络。更特别地，本发明的实施方式涉及匹配网络的表征。
背景技术
在诸如蚀刻或沉积处理系统的等离子体增强半导体处理系统中，射频(RF)匹配网络用于将来自具有基本为电阻性阻抗(例如，50欧姆)的RF源的RF功率耦合到负载，该负载一般为在具有复数阻抗的工艺腔室中的处理等离子体。匹配网络操作以将RF源的阻抗匹配到等离子体/负载的阻抗以有效地将来自所述源的RF功率耦合到等离子体。
在半导体晶圆处理系统中广泛使用的一种类型匹配网络为可调谐的匹配网络，其中动态性调谐串联的频率依赖性无源(passive)元件和并联的频率依赖性无源元件以实现源和负载之间的阻抗匹配。在1999年9月14日公告的共同转让的美国专利No.5,952,896中公开了一种该可调谐的匹配网络，并描述了具有串联的感应器和并联的电容器的匹配网络。匹配网络控制器机械地调谐或调整电容器和感应器的并联位置以实现源阻抗和负载阻抗之间的阻抗匹配。更特别地，随着负载阻抗的变化，制动器(actuator)连续地调整匹配网络中感应器和电容器的可调谐元件以保持阻抗匹配。
在可调谐的匹配网络中，匹配网络终止于非消耗(non-dissipating)负载(一般为电容性元件)，其允许匹配网络调谐并测量电流。在该情形下，当功率已知并且电流精确时，RMW＝Pin/I2。然而，该计算方法的缺陷包括：a)只能测试一个匹配设置点；b)匹配网络通常不能调谐到零阻抗负载条件，其产生会降低功率测量精确性的误匹配条件(并因此增加电阻计算的不精确性)；以及c)匹配网络需要在适当操作的匹配输出处RF电流的精确测量，其不能通过传统的配置提供。
另外，传统的匹配网络通常会引入与50Ω终止负载串联连接的纯电抗元件而将负载的总阻抗移动到匹配网络的可操作调谐范围中。在该配置中，所有的功率消耗在50Ω负载中，其允许在特定的点处进行更精确的测量。如果匹配网络具有也非常接近于50Ω(或者接近于终止负载电阻)的电阻，就可使用两个功率仪表精确地测量通过匹配网络的功率损耗。如果终止负载的阻抗已知，则其可被转化为用于该匹配的等效串联电阻。然而，构建复数的、纯电抗负载是非常困难的。因此，不考虑替代(surrogate)负载中的损耗将过高估计匹配网络中的功率消耗，从而该配置的传统匹配网络会产生比实际电阻近似值高的值。
因此，需要一种匹配网络分析技术，其可以得到匹配网络的等效串联电阻的改进近似值。
发明内容
本发明的实施方式提供一种使用可变阻抗分析计算匹配网络的等效串联电阻的方法及使用该方法分析的匹配网络。在一实施方式中，一种计算匹配网络的等效串联电阻的方法包括：将匹配网络连接到负载；在负载阻抗的范围内测量匹配网络的输出；以及基于所测量的输出和负载电阻之间的关系而计算匹配网络的等效串联电阻。所述负载可以为替代负载或可以为在工艺腔室中形成的等离子体。
在另一实施方式中，一种用于表征匹配网络的方法包括：将匹配网络连接到可变阻抗替代负载；在负载阻抗的范围内测量匹配网络的输出；基于所测量的输出和负载电阻之间的关系而计算匹配网络的等效串联电阻；以及基于所计算的等效电阻而评估所述匹配网络的情况。
附图说明
为了更加详细地理解以上所描述的本发明的特征，将参照本发明的实施方式对以上的概述进行更加详细的描述，其中部分实施方式在附图中示出。然而，可以注意到，附图仅示出了本发明的典型实施方式，因此不能理解为对本发明范围的限制，本发明可承认其它等效的实施方式。
图1示出了适于与本发明的方法一起使用的系统的一实施方式的一般方框图；
图2示出了根据本发明一实施方式的方法；
图3示出了使用本发明的一种方法所得到的示例性数据曲线图；
图4示出了可变的并联、频率可调的匹配网络的等效串联电阻与频率之间的示例性曲线图。
具体实施方式
本发明一般提供一种匹配网络分析技术，其用于在各种负载电阻处通过一系列的匹配网络输出推断而精确地计算该匹配网络的等效串联电阻(ESR)。匹配网络的ESR的近似值考虑到由于匹配调谐空间内所有点处的串联电阻而导致的匹配网络损耗(也称之为匹配网络的插入损耗)的近似值。本发明还主要提供根据本发明的方法表征的匹配网络。
图1示出了系统100的一般方块图，其适于表征根据本发明实施方式的匹配网络。系统100主要包括通过匹配网络106与负载104连接的电源102。探针108一般用于测量与在匹配网络106输出处的电流成比例的电流或者一些其它度量。
电源102一般为一个或多个RF功率源，诸如能产生具有约10-10,000瓦特功率及从约200kHz至约200MHz频率的信号的RF源。在一实施方式中，电源102为能够产生具有在约10-5,000瓦特功率和约13.56MHz频率的信号的RF源。在另一实施方式中，电源102为能够产生具有在约10-5,000瓦特和在例如约2MHz的第一频率及约13MHz的第二频率；约2MHz的第一频率和约60MHz的第二频率；约13MHz的第一频率和约60MHz的第二频率；以及约2MHz的第一频率、约13MHz的第二频率和约60MHz的第三频率的信号的RF源。前面给出的频率组合仅是示例性的，并且应该理解，其它的单个和多个频率组合可结合本发明使用。
可选地，电源102可为用于产生待馈入到匹配/负载中的低功率信号的信号产生器或网络分析器。在一实施方式中，电源102用于产生具有不消耗足够功率的功率等级的信号以影响匹配性能。在一实施方式中，电源102能够产生具有在约0.1毫瓦特至约10瓦特范围内功率的信号，从而有利地使匹配网络的内部元件的热量(heating)最小化。
负载104为在等离子体增强半导体工艺腔室中形成的等离子体，或者可为模拟负载(诸如可变阻抗替代负载)。例如，在一实施方式中，通过在合适的温度和压力下向半导体工艺腔室(未示出)的内部提供气体并且将来自电源102的例如13.56MHz频率的充足的RF功率耦合到设置在工艺腔室内的电极以而产生负载104，以形成等离子体。由电源102产生的等离子体是电源102从电路观点看的负载。可选地，通过将电源102(和匹配网络106)耦合至提供负载(例如，可变阻抗替代负载)的电路而提供负载104，以模拟工艺腔室内的等离子体。可适当地设计替代负载以在电源102的功率需求范围内操作。因此，负载104能够在约10-5,000瓦特范围内处理功率。可选地，可设计负载104以与上述的低功率电源102操作(即，能够处理在约0.1毫瓦特至约10瓦特范围内的功率)，从而有利地促使负载104便携地用于场测试、易于传输或存储等。
在理想的有效系统中，通过电源102提供的100％的功率将通过负载104消耗，例如在半导体工艺腔室中的等离子体。然而，存在降低系统效率的数个因素。例如，由负载104反射的功率降低了通过负载104消耗的净功率。因此，诸如匹配网络106的匹配网络典型地设置在电源102和负载104之间以匹配电源和负载之间的阻抗，从而使反射的功率最小化并使电源102的有效使用最大化(例如，与通过电源102传输的实际功率相比，使通过负载消耗的功率量最大)。
匹配网络106主要包括电路，其用于以最小化由负载104反射的功率的方式将来自电源102的功率传输到负载104，从而使电源102的有效使用最大化。匹配网络106通常使通过匹配网络中诸如电容器的可调元件反射的功率最小，该匹配网络用以调整该匹配网络的阻抗，从而使由负载反射的功率最小化(有时称之为“调谐”匹配网络)。可选地或额外地，可经由电源102提供的信号的频率调整而调谐一些匹配网络。
除了由于反射功率而产生的损耗，在处理系统内的无效传输导致包括匹配网络106的设置在电源102和负载104之间的电缆和元件内额外的功率消耗。因此，匹配网络106除了能使从负载104反射到电源102的功率最小化之外，还应该消耗尽可能小的功率以有利于在其中插入有匹配网络的处理系统的有效操作。因此，匹配网络106的ESR的精确测量有利于许多工艺优点，诸如更精确地控制工艺参数、更精确地得到由负载消耗的功率等。
另外，匹配网络106的ESR的精确测量使匹配网络在匹配网络的寿命内进行可操作地审查以确保合适的性能、对于多系统的匹配网络维修、匹配网络质量控制(以抵制不适合的网络和/或分离为具有不同效率的组)、匹配网络比较和评估(例如，评估来自各个供应商的匹配)等。而且，匹配网络106的ESR的精确测量有利于在交换硬件后调节工艺中的功率，从而可以考虑匹配中功率损耗的变化(例如，如果具有ESR＝x的匹配失败并且被替换为具有ESR＝1.1x的匹配，则可相应地调节功率，从而匹配等离子体中消耗的功率)。同样地，可进行较高的功率运行以测量匹配中在损耗上所消耗功率的效果。例如，随着温度升高，金属传导性降低，因此匹配网络的ESR增加，从而导致在匹配中消耗更多的功率并进一步使匹配网络元件的温度增加等。
为了有利于匹配网络的插入损耗的表征，提供一种用于确定匹配网络的ESR的方法。图2描述了用于确定匹配网络的ESR的方法200的一实施方式。方法200从步骤202开始，其中将电源通过匹配网络耦合到负载。匹配网络可以为适于将负载的阻抗匹配到电源的任何匹配网络，诸如例如结合等离子体增强半导体工艺腔室使用的匹配网络。在一实施方式中，匹配网络为如上参照图1所述可变的并联、频率可调的匹配网络。同样如上所述，负载为可调负载并且可以为在其中形成有的等离子体的工艺腔室或替代负载，诸如可变阻抗替代负载。由电源提供的信号频率应该在匹配网络通常运行的驱动频率处。然而，可类似地使用在类似的带(band)中的其它频率，并且可利用消耗的损耗和频率(例如，表面效应等)之间的公知关系计算该驱动频率处的ESR。通常，调整匹配网络以使从负载反射的功率最小化。
接下来，在步骤204，在负载阻抗的一定范围内测量匹配网络的输出处的电流。在特定的一个或多个工艺期间，可选择负载阻抗的范围以反映在操作期间期望通过负载产生的负载阻抗范围。可选地，该范围可进一步通过所需的量而延伸。或者，可选择负载阻抗至任意所需范围。可在阻抗范围内的预选间隔处测量电流。一般地，可选择测量次数以产生电流测量与第一、第二或第三级多项式的满意拟合(fit)。例如，在一实施方式中，可以整个范围的百分之5至10的增量测量电流。
在步骤204期间，通过适当地配置可变阻抗替代负载或通过控制工艺腔室的工艺参数而在第一阻抗处设置负载，以使形成在其中的等离子体具有所需的阻抗(例如，通过改变影响等离子体阻抗的工艺参数，诸如腔室压力、工艺气体选择、RF功率、没有被表征的附加功率源等)。然后，可经由在图1中示出的探针108而在匹配网络的输出处测量电流。可选地或相结合地，可测得与电流成比例的其它度量而不是测量电流，诸如通过B-回线探针、Regalski线圈、Pearson线圈、缝隙天线等测量的信号。然后，将负载设置至下一阻抗并且进行对于该负载阻抗的测量。重复该步骤直到已经在所有的所需负载阻抗处测量了所需的匹配网络输出。
接下来，在步骤206，使用采集的数据计算匹配网络的ESR。在一实施方式中，使用所测电流和负载的电阻(RLoad)之间的关系计算匹配网络的ESR(RMW)。特别地，可通过1/I2和RLoad之间的线性回归关系计算RMW。可按照如下方式确定该关系。
匹配网络和负载的结合提供了电源连接(典型地为50Ω)的属性终止。一般可以将通过匹配网络和负载消耗的功率分为两个部分，如方程式(1)所示，其中PTOTAL为总功率，PMW为由匹配网络所消耗的功率，以及PLoad为由负载所消耗的功率。
PTOTAL＝PMW+PLoad (1)
所消耗的总功率与每个元件(PMW和RLOAD)的消耗部分以及通过网络(IMW和ILOAD)的电流相关，表示为方程式(2)。
PTOTAL＝IMW 2·RMW+ILOAD 2·RLOAD (2)
由于匹配网络和负载串联连接，通过这两种元件的电流相同并且可简单地表示为I。因此，所消耗的总功率可通过方程式(3)表示。
PTOTAL＝I2·(RMW+RLOAD) (3)
重新整理方程式(3)，可将电阻分量放置在方程式的一侧，如方程式(4)中所示。
PTOTAL/I2＝RMW+RLOAD (4)
通过将电流乘以未知的常数k还可考虑电流测量的任何线性不精确度，如在方程式(5)中所示。
PTOTAL/k2·I2＝RMW+RLOAD (5)
通过所建立的该关系，绘制出的RLOAD和1/I2之间关系曲线产生了斜率(Slope)和截距(Intercept)之间的线性关系，如方程式(6)和(7)所示。
Slope＝k2/PTOTAL (6)
Intercept＝k2·RMW/PTOTAL (7)
因此，根据方程式(6)和(7)，截距与斜率的比率为RMW。当从方程式(6)和(7)得到截距与斜率的比率时，由于匹配网络输出的测量被从方程式中删除，这些方程式表明匹配网络输出的测量精确性不是该表征中的因子。该实施方式的唯一的一般要求是信号在匹配输出处(参见在图1中示出的电流探针108)线性地响应实际的RF电流并且零RF电流产生零信号。因此，可精确地测量匹配网络的ESR以更加精确地估计匹配网络的效率，即，与负载相比在RF传输系统中所消耗功率的百分比，其中功率意味着所消耗的功率。
以上所述方法的实施方式即使在电流和负载的电阻之间的关系为非线性的实施例中也是可应用的。例如，该关系可以为抛物线型或沿着一些其它曲线。在该关系为非线性的实施例中，可在足以使数据以较高的确定性与曲线(例如，第二或第三级多项式)拟合的负载阻抗范围内的所需点处进行匹配网络输出测量。一旦确定了该曲线的方程式，该方程式的第一从变量将在曲线上的给定点处产生斜率，从而估计以上所得到的线性关系。然后，可如上所述计算匹配网络的ESR。可选地，可对曲线的所需区域或对原始数据执行线性回归分析以确定最佳拟合。
图3描述了使用本发明的一种方法得到的数据的示例性曲线。将本发明的方法应用到示例性的匹配网络，形成RLOAD(轴302)与1/I2(轴304)的数据曲线300，如图3所示。线性连接数据点的方程式确定为如方程式(8)所示。
y＝0.001x-0.0002 (8)
该线被以高度确定性匹配(对于特定的运行使用最少二乘回归法0.9996的R2值)，使用以上描述的方程式，在情形中确定的匹配网络的ESR(RMW)为164mΩ。
另外，可基于如何测量负载阻抗而进一步确定ESR偏移的极性。例如，如果在匹配的条件下使用匹配网络的阻抗并假设负载为阻抗与终止到功率传输系统的特征阻抗(通常为50欧姆)的匹配输入的复数共轭而测量ESR偏移，则由于需要与阻抗做减法运算而得到负ESR。如果在负载处进行ESR偏移测量，则由于需要加到网络中以提供理想的匹配而该ESR将为正值。因此，可以执行两种测量方法以提供测量的精确性与ESR范围的测量。
本发明的上述测量方法的进一步优点在于其能够在匹配网络的任意调谐点处评估ESR的能力(ESR)。图4中的曲线图中示例了该优点的重要性，该图4示出了对于可变的并联、频率可调的匹配网络，ESR相对于频率的明显变化。图4的曲线图清晰地示出了ESR随并联元件(通常用于在负载阻抗的实数部分中调节(dial)以实现50Ω负载电阻的元件)变化的变化可以通过查看在1/I2与RLOAD分析期间与所期望的线性响应的任何偏移通过第一级进行估计。如果观察到任何明显的非线性，对于特定的匹配条件的负载阻抗中心处的较小RLOAD范围可以提供在该点处的RMW近似值，并允许在整个匹配调谐空间上的二维映射(map)。例如，可通过降低获得数据的实数阻抗的范围而估计任何所观察到的非线性，从而可实现非线性响应的分段线性估计。
在本发明的另一实施方式中，本发明的特征方法可用于在电路安装到处理系统之前测试匹配网络。更特别地，本发明的特征方法可用于判断所制造的匹配网络电路是否位于对于特定的等离子体处理操作所指定的一组预定的容限内。可选地或结合地，匹配网络可与具有相同或类似(即，在预定的容限内)有效电阻的单元进行比较和分组，从而方便了单元(对于具有多个匹配网络的腔室，对于给定顾客的多个处理腔室等)的匹配，对于或多或少的有效单元设置不同的价格卖点等等。
在另一实施方式中，可测试耦合到半导体处理腔室的匹配网络以方便匹配网络的故障排除。例如，可改变工艺腔室内的工艺参数以变化腔室内等离子体负载的阻抗，诸如通过改变RF功率、频率、腔室压力等。测得的匹配网络输出处的电流与工艺参数变化成函数关系。还可以作为工艺参数变化的函数而记录匹配网络的可调元件位置(例如，可变的电容器位置、可变的感应器位置、电源信号的频率等等)。然而，匹配网络从工艺腔室断开，并且在与连接到工艺腔室相同的调谐条件下的匹配网络下，即在匹配网络输入截止到50Ω的情况下，测得匹配网络阻抗的复数共轭。接下来，可如上所述分析在相同的匹配条件下获得的电流和阻抗测量以得到匹配网络的ESR。可选地，可直接测量负载的阻抗。一旦得到匹配网络的ESR，可将该测量与先前的测量(诸如在制造或一些其它的先前时间期间所做的基线ESR读取)进行比较，或者与预定的标准(诸如质量规范)进行比较。
因此，在此提供了在阻抗范围内对于匹配网络的插入损耗进行表征的方法，其与传统的匹配网络分析技术相比提供了大量未知的优点。例如，在本发明的方法中，RF测量的精确性不影响ESR近似值的精确性。在本分析中消除了在所测得的实际RF电流和实际RF电流之间的任何线性不精确性，这对于传统的匹配网络分析技术是不可能的。另外，在本发明的方法中，在匹配网络调谐空间内的所有点上确定匹配损耗，而不是如传统的表征技术那样仅在单一设定点上进行。在整个匹配网络调谐空间上表征的能力是很重要的，由于匹配插入损耗通常主要依靠于串联和并联调谐体条件，并且因此，在整个调谐空间内表征的能力排除了与传统的匹配网络表征相关的挑战。另外，一般在50Ω截止阻抗处进行工艺测量，其与在传统的损耗估计方法中使用的错匹配条件相比，提高了功率测量精确性的较高水平。
虽然发明人已经在此描述了多个实施方式，但是本发明不意欲限于任何特定的实施方式。而且，发明人预期，在不脱离本发明的实际范围下，对上述实施方式的任何全部或部分的结合都可以实施为本发明。因此，虽然前述是针对本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围下，还承认本发明的额外和其它实施方式，其中本发明的范围由以下的权利要求书所限定。
Claims (17)
1.一种表征匹配网络的方法，该方法包括：
将所述匹配网络连接到负载；
在负载阻抗的范围内测量所述匹配网络的输出，以获得多个所测量的输出；以及
基于从所述多个所测量的输出与在负载阻抗的范围内的对应的多个负载电阻之间的关系得到的截距与斜率的比率，计算所述匹配网络的等效串联电阻，其中所述截距与斜率的比率即为所述匹配网络的等效串联电阻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载为可变阻抗替代负载。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述替代负载包括能够产生期望阻抗范围的可调电路。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，进一步包括：
基于所计算的等效串联电阻而评估所述匹配网络的情况。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载为在工艺腔室中形成的等离子体。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过选择性控制所述工艺腔室的参数而改变所述等离子体的所述阻抗。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述选择性控制的参数包括温度、功率、频率、电阻或压力的至少其中之一。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过将所计算的所述匹配网络的等效串联电阻与先前确定的可接受的等效串联电阻值的范围进行比较而确定所述匹配网络是否需要维修或替换。
9.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述计算所述等效串联电阻的步骤进一步包括：
产生所述匹配网络的所测量的输出对所述负载阻抗的线性回归曲线。
10.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述计算所述等效串联电阻的步骤进一步包括：
确定描述所述匹配网络的所测量的输出与所述负载电阻的函数关系的多项式。
11.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述匹配网络的所测量的输出为电流。
12.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述匹配网络的所测量的输出为与电流成比例的度量。
13.根据权利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述负载阻抗的范围横跨所述匹配网络的可调空间。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述评估步骤进一步包括：
将所计算的等效串联电阻与预定的可接受的电阻级别相比较。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
响应于所述比较步骤而接受所述匹配网络。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
响应于所述比较步骤而拒绝所述匹配网络。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
响应于所述比较步骤而将所述匹配网络与其它匹配网络分组。
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