CN104124130B - 频率和相位的多射频功率源控制 - Google Patents

频率和相位的多射频功率源控制 Download PDF

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Abstract

本发明公开了频率和相位的多射频功率源控制。一种系统具有第一RF发生器及第二RF发生器。该第一RF发生器控制该第二RF发生器的频率。该第一RF发生器包括功率源、传感器及传感器信号处理单元。该传感器信号处理单元联接至该功率源和该传感器。该传感器信号处理单元缩放该第一RF发生器的频率，以控制该第二RF发生器的频率。

Description

频率和相位的多射频功率源控制
技术领域
本公开内容涉及射频(RF)发生器，更具体地，涉及多个RF发生器的频率和相位控制。
背景技术
本文提供的背景技术描述用于概括地介绍本公开内容的背景。目前列出的发明人的工作，从在本背景技术部分中描述的工作而言以及从描述方面(其不可以另外当作提交时的现有技术)而言，既不明确地也不隐含地被视为相对于本公开内容的现有技术。
等离子体蚀刻经常在半导体制造中使用。在等离子体蚀刻中，电场加速离子来蚀刻基板上的曝露表面。该电场是根据由射频(RF)功率系统的一个或多个RF发生器生成的RF功率信号生成的。由RF发生器生成的RF功率信号必须精确地进行控制，以有效地执行等离子体蚀刻。
RF功率系统可以包括RF发生器、匹配网络以及负载，如等离子体腔。RF功率信号可以用来驱动负载，以制造各种部件，如集成电路、太阳能面板、光盘(CD)、数字多功能(或视频)光盘(DVD)等等。负载可以包括由RF信号驱动的多个组件或设备中的任意组件或设备，作为非限定示例，组件或设备包括等离子体腔。负载可以包括宽带失配负载(即，带有失配的电阻终端的线缆)、窄带失配负载(即，2-组件匹配网络)以及谐振器负载。
在匹配网络处接收RF功率信号。匹配网络将该匹配网络的输入阻抗与RF发生器和该匹配网络之间的传输线的特性阻抗进行匹配。该阻抗匹配帮助最小化沿朝等离子体腔的前向方向对该匹配网络施加的功率(“前向功率”)以及从该匹配网络向该RF发生器反射回的功率(“反向功率”)的量。阻抗匹配还帮助最大化从该匹配网络向等离子体腔输出的前向功率。
在RF功率源领域，典型地存在两种向负载施加RF信号的方法。第一种方法包括向负载施加连续波信号。该连续波信号典型地是由功率源向负载连续地输出的正弦波。在该连续波方法中，RF信号采用正弦输出，并且为了改变向负载施加的输出功率，该正弦波的振幅和/或频率可以改变。向负载施加RF信号的第二种方法涉及以脉冲发送RF信号，而不向负载施加连续波信号。
发明内容
一种射频(RF)发生器，包括：RF功率源；传感器，联接至所述RF功率源；以及传感器信号处理单元，联接至所述RF功率源且联接至所述传感器，所述传感器信号处理单元适于接收来自外部RF发生器源的输入并且生成用于控制所述RF发生器的相位和频率的控制信号，其中来自所述外部RF发生器源的所述输入包括所述外部RF发生器源操作的频率的缩放版本。
一种射频(RF)系统包括第一RF发生器和第二RF发生器。第一RF发生器包括：功率源；传感器，联接至所述功率源；和传感器信号处理单元，联接至所述功率源并联接至所述传感器，所述传感器信号处理单元适于接收来自外部源的输入并且生成第一控制信号，所述第一控制信号控制来自所述第一RF发生器的RF功率信号的第一相位和第一频率中至少之一。第二RF发生器能操作为从所述第一RF发生器接收第二控制信号，所述第二控制信号控制所述第二RF发生器的第二相位和第二频率中至少之一。其中所述传感器信号处理单元缩放所述第一频率来生成频率信息，并且所述第二控制信号包括所述频率信息。
一种RF系统包括第一RF发生器和第二RF发生器。第二RF发生器联接至所述第一RF发生器。所述第一RF发生器和所述第二RF发生器各自包括：功率源；传感器，联接至所述功率源；和传感器信号处理单元，联接至所述功率源并联接至所述传感器，其中所述第一RF发生器的传感器信号处理单元控制所述第一RF发生器的相位和频率，所述第二RF发生器的传感器信号处理单元控制所述第二RF发生器的相位和频率。其中所述第一RF发生器向所述第二RF发生器输出控制信号，并且其中所述控制信号包括频率成分，所述频率成分是相对于所述第一RF发生器的频率被缩放的频率。
一种操作第一射频(RF)发生器和第二RF发生器的方法，包括：将传感器联接至功率源；将传感器信号处理单元联接至所述功率源和所述传感器；控制所述第一RF发生器来输出第一RF频率信号；缩放所述第一RF频率信号；以及根据被缩放的第一RF频率信号，生成控制信号来控制所述第二RF发生器的相位和频率。
附图说明
从具体实施方式和附图中，本公开内容将更全面地得到理解，其中：
图1是共享频率或相位控制且连接至等离子体源(或负载)的多个RF源(或发生器)的功能框图；
图2是共享频率或相位控制且连接至双功率匹配网络的多个RF源的功能框图；
图3是图示经由各自的匹配网络连接至等离子体腔的多个RF源之间的频率和相对相位控制的功能框图；
图4是图示经由双供电匹配网络连接至等离子体腔的多个RF源之间的频率和相对相位控制的功能框图；
图5是图示使用来自时钟源的公共(共享)时钟信号的频率和相对相位控制的功能框图；
图6是图示使用直接数字合成(DDS)模块根据来自基准时钟源的公共基准时钟信号的频率和相对相位控制的功能框图；
图7是图示利用两个谐波源的相对相位控制的等离子体鞘层对称的控制的图；以及
图8是根据各实施例设置的多个RF源的框图。
在图中，附图标记可以再使用，以标识相似和/或相同的组件。
具体实施方式
等离子体蚀刻经常在半导体制造中使用。在等离子体蚀刻中，电场加速离子以蚀刻基板上的暴露表面。为了有效地执行等离子体蚀刻工艺，必须精确控制从射频(RF)发生器向等离子体腔输送的功率。RF发生器系统典型地包括：RF功率源、RF传感器以及传感器信号处理单元。RF功率源生成由传感器检测的RF功率信号。传感器输出代表RF功率信号的模拟传感器信号。模拟传感器信号包括感兴趣的频率以及多个干扰频率成分。传感器信号处理单元对模拟传感器信号进行频带限制，以从模拟传感器信号中移除干扰频率成分，从而保留感兴趣的频率的模拟或数字表示。
能够控制RF发生器的频率和相位。U.S.专利No.7,602,127公开RF发生器的频率和相位控制。U.S.专利No.7,602,127的整个公开内容通过引用并入本文。
下面描述的实现方式提供一种使用公共(共享)时钟源控制两个RF功率源(RF发生器)之间的频率和相对相位的方法。通过除(divide)公共时钟源，能够从所产生的一组信号中获得更长期的频率稳定度。通过乘(multiply)公共时钟源，能够从所产生的一组信号中获得更长期的频率稳定度。RF发生器的频谱是经由在RF功率源之间传输的一个或多个控制信号控制的。
公开了两个独立的RF功率源，这两个独立的RF功率源是在主/从模式下进行频率和相位控制的。共享时钟信号，以产生一组频率输出以及对应的相对相位。包括数字锁相环(PLL)。与连续地调节的数字PLL相比，该技术提供长期的频率稳定度。所公开的数字PLL限制对可配置的逐次迭代的控制，然后保持频率被锁定。生成的数据(见图7以及对应的描述)提供数字PLL如所描述那样执行的客观证据。需要数秒钟的过程可能要求持续时间内的频率稳定。
公开了两种方法，来为了控制两个RF功率源的频率和相位而在这两个RF功率源之间耦合RF控制信号。这些方法分别对应于图1和图2。与图1的RF功率系统100关联的方法将具有频率信息的控制信号从RF源1 112a耦合至RF源2 112b。RF源2112b能够对该控制信号进行相位和频率锁定。在图2的RF功率系统200中，RF源1212a产生用于RF源2 212b的频率和相位的RF控制信号，在该RF控制信号中频率被缩放n倍。
图3和图4中的两个框图显示各自的RF功率系统300和RF功率系统400，RF功率系统300和RF功率系统400分别控制两个RF功率源312a、412a以及312b、412b之间的频率和相位。控制信号是在这些功率源之间耦合的RF信号，以用与主功率(RF源1 312a、412a)关联的频率和相位激励从功率的RF功率(RF源2 312b、412b)。图3和图4的实现方式在阻抗匹配网络的功能方面不同。在图3中，每个RF功率源的输出连接至匹配网络314a、314b，匹配网络314a、314b直接连接至等离子体源320。作为替代，如图4中示出的，两个RF功率源(例如，412a、412b)的RF输出功率可以在将RF输出功率提供至等离子体源420之前与双匹配网络414组合。以下公开内容描述使用公共时钟源获得用于RF功率源的频率。
在图5中，在模块500中，控制信号z(kT)的频率和相位基于信号x(kT)，信号x(kT)代表RF源1(主源)的频率和相位。通过具有周期T的公共时钟信号，将频率缩放和相移应用至RF源1的频率和相位，这允许控制信号z(kT)具有稳定频率，该稳定频率被基准至RF源1的频率和相位。频率缩放过程516的输出产生y(kT)＝x(nkT)，对于n>1，频率增加n倍。如果0<n>1，则频率降低。为了移动所需的控制信号的相对相位，在相移模块518中，施加延迟nd来产生控制信号z(kT)＝x(nkT+nd)，其中，nd是对应于与信号z的周期性相关的相移θ的延迟。对在此实现方式中使用的数字信号类型没有限制。信号可以是正弦的或二进制的。用于二进制信号的电路可以包括用于相移(延迟)的一组数字除法器及计数器。
在图6所示的下一示例中，频率合成模块600使用一组直接数字合成(DDS)模块622a、622b来产生具有相对相移的两个输出信号，此时该信号对相差整数倍。相位字(phaseword)φw控制由DDS模块生成的频率，并且通过φS调整相移。公共(或基准)时钟624用来对DSS输出的生成提供基准。为了根据本地PA频率的DDS输出生成频率，第二DDS模块622b被配置具有相位字nφw。第二DDS 622b模块的输出提供具有用于RF源2激发的可配置的频率及相位的控制信号。当两个DDS模块的频率相同或是彼此的整数倍时，这两个DDS模块之间的相移由指标(index)区别，该指标表示控制由这两个DDS模块产生的两个信号之间的相对相位的能力。
该实现方式利用公共时钟源，并且能够提高控制信号或控制信号的任意派生物的长期频率稳定度。必须保持频率稳定度达至少薄膜制造过程的时长的倒数。例如，如果该过程是10秒钟(s)，则频率稳定度比10mHz更好。
分析结果支持具有相对相位控制的多频谐波驱动的新概念。早期的经验结果与初始的建模成果是一致的，其示出通过改变第二谐波驱动的相位的可控离子能量分布偏斜控制(skew control)。通过使该分布偏斜至更低的能量，能够获得高纵横比(HAR)硅蚀刻中的离子增强沉积的改善控制。相反，通过使该分布偏斜至更高的能量，能够改进电介质中的HAR工艺的性能。关键使能技术是具有整数倍的两个频率的相位锁定能力。
电容性耦合的等离子体源能够以对称的或不对称的鞘层(sheath)表征。图7示出图700，图700说明利用两个谐波源的相对相位控制对等离子体鞘层对称性进行控制。对称的等离子体源726具有相同的鞘层，非对称等离子体源728在等离子体两侧具有不同的鞘层。用作为谐波(13.56MHz和27.12MHz)获得的两个RF源驱动该等离子体源允许利用相对相位θ调整进行对称726或非对称728之间的控制。对于非对称等离子体(θ＝±π)而言,在离子能量分布函数(IEDF)中应当有两个明显的峰。对于对称等离子体(θ≠±π)而言，在IEDF中应当有三个明显的峰。通过调整相位，改变鞘层和对应的IEDF。
图7中的图示出经由相位控制对鞘层的对称性进行控制的能力。非对称具有两个峰：一个峰730位于所扫描的能量范围的较低端(≈70eV)，第二峰732位于较高端(≈90eV)，较高端包括正由两个RF功率源之间的相对相位调节的第三峰。这是因为较高峰几乎是较低峰的两倍。当调节相位时，等离子体源变为对称鞘层。这从包含全部三个峰730′、732′、734′的几乎均匀的IEDF分布中看出。对称的情况可以具有三个明显的峰，非对称的情况可以具有两个明显的峰。可以利用来自“因派丹思(Impedans)”的赛盟(Semion)传感器执行IEDF测量。
对于图7中示出的对称曲线和非对称曲线而言，用2eV分辨率的能量扫描进行IEDF测量。这能够对于沿x轴的更高分辨率图进行改进。外面的峰位置是通过向等离子体供应的电流限定的。两个RF源的能量分布宽度和电流比未进行优化。
图8描绘了包括一对射频(RF)信号发生器的等离子体系统800，该对射频(RF)信号发生器用于驱动由等离子体腔820表示的互斥负载。等离子体系统800包括第一RF发生器812a和第二RF发生器812b、匹配网络814a和匹配网络814b以及等离子体腔820。RF发生器812a、812b能够使用控制信号实现主从配置。RF发生器812a被指定为“主”，并且RF发生器812b被指定为“从”。使用从RF发生器812a向RF发生器812b发送的控制信号，可以使RF发生器812b的频率和相位从属于RF发生器812a的频率。当没有控制信号时，RF发生器812a和RF发生器812b能够自主地操作。
RF发生器812a、812b包括各自的RF功率源840a、840b，RF传感器844a、844b，以及传感器信号处理单元842a、842b。RF功率源840a、840b生成被输出至各自的RF传感器844a、844b的RF功率。RF传感器844a、844b检测该RF功率输出，并且生成根据该RF功率变化的各自的RF功率信号。RF传感器844a、844b包括各自的电压探头和电流探头。这些探头输出RF电压信号和RF电流信号。可替代地，RF传感器844a、844b可以是定向传感器。定向传感器具有对应于反射功率或电压(REV)和前向功率或电压(FWD)的输出。
在一些实施例中，例如，传感器信号处理单元842a、842b能够从RF传感器844a、844b接收各自的信号并且对各自的信号进行带限。这移除干扰频率成分并留下期望频率处的感兴趣成分。传感器信号处理单元842a、842b还为各自的RF发生器812a、812b控制RF功率的相位和频率关系。RF功率信号被输出至各自的匹配网络814a、814b。匹配网络814a、814b将等离子腔820的阻抗与由第一RF发生器812a和第二RF发生器812b期望的阻抗进行匹配。这最小化了反射功率并且最大化了向等离子体腔820的功率传送。在一些实施例中，在图8的互斥负载配置中可以设置两个以上的RF发生器812a、812b。
RF发生器812a还包括频率缩放器846。频率缩放器846从传感器信号处理单元842a接收频率信号，缩放从传感器信号处理单元842a接收的频率，并且将被缩放的频率作为控制信号输出至第二RF发生器812b。在各实施例中，频率缩放器846a能够包括图5的频率缩放器以及相移器。在各其它实施例中，频率缩放器846还能够包括频率合成模块600或其多个部分。
前面的描述实际上仅是说明性的，而绝不希望限制本公开内容、本公开内容的应用或使用。可以多种形式实现本公开内容的广泛教导。因此，尽管本公开内容包括特定示例，但是本公开内容的真正范围不应当是如此被限制的，因为在研究附图、说明书以及以下权利要求时，其它修改将变得显而易见。如本文使用的短语A、B和C中至少一个应当使用非排他性逻辑“或(OR)”被解释为指逻辑(A或B或C)。应理解，可以以不同顺序(或同时)执行方法内的一个或多个步骤，而不改变本公开内容的原理。
在此应用中，包括以下限定在内，可以用术语“电路”取代术语“模块”。术语“模块”可以指以下内容、是以下内容的一部分或包括以下内容：专用集成电路(ASIC)，数字的、模拟的或混合的模拟/数字分立电路，数字的、模拟的或混合的模拟/数字集成电路，组合逻辑电路，现场可编程门阵列(FPGA)，执行代码的(共享的、专用的或群组的)处理器，存储由处理器运行的代码的(共享的、专用的或群组的)存储器，提供所描述的功能的其它合适的硬件组件，或上述内容中的一些或全部的组合，如在片上系统中。
上面所用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可指程序、例程、函数、类和/或对象。术语“共享的处理器”包括运行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器。术语“群组处理器”包括与附加处理器共同运行来自一个或多个模块的一些或全部代码的处理器。术语“共享的存储器”包括存储来自多个模块的一些或全部代码的单个存储器。术语“群组存储器”包括与附加存储器共同存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器。术语“存储器”可以是术语“计算机可读介质”的子集。术语“计算机可读介质”不包括通过介质传播的瞬态电信号和电磁信号，因此可认为是有形的且非瞬态的。非瞬态有形计算机可读介质的非限制性的示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁存储器以及光存储器。
尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用来描述各元件、组件、环路、电路和/或模块，但是这些元件、组件、环路、电路和/或模块不应被这些术语限制。这些术语仅可用来将一个元件、组件、环路、电路或模块与另一元件、组件、环路、电路或模块区分开。诸如“第一”、“第二”以及其它数词之类的术语，当其在本文中使用时，不暗示序列或顺序，除非上下文清楚地指出。因此，本文讨论的第一元件、第一组件、第一环路、第一电路或第一模块可以被称为第二元件、第二组件、第二环路、第二电路或第二模块，而不脱离本文公开的示例实现方式的教导。
本申请中描述的装置和方法可以通过由一个或多个处理器运行的一个或多个计算机程序部分地或完全地实现。计算机程序包括存储在至少一个非瞬态有形计算机可读介质上的处理器可运行指令。计算机程序还可以包括和/或依赖所存储的数据。

Claims (29)

1.一种RF发生器，包括：
RF功率源；
传感器，联接至所述RF功率源；以及
传感器信号处理单元，联接至所述RF功率源且联接至所述传感器，所述传感器信号处理单元适于接收来自外部RF发生器源的输入并且生成用于控制所述RF发生器的相位和频率的控制信号，其中来自所述外部RF发生器源的所述输入包括所述外部RF发生器源操作的频率的缩放版本。
2.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述输入进一步包括相移。
3.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述RF发生器在连续波操作模式或脉冲操作模式下操作。
4.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述传感器信号处理单元包括现场可编程门阵列单元以及数字信号处理单元。
5.根据权利要求4所述的RF发生器，其中所述数字信号处理单元能操作为生成所述控制信号。
6.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述RF发生器改变由所述RF发生器输出的RF信号的振幅。
7.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述相位在至少两个相位之间变化。
8.根据权利要求7所述的RF发生器，其中所述频率是按值1缩放的。
9.根据权利要求1所述的RF发生器，其中所述相位被扫过预限定的范围。
10.一种RF系统，包括：
第一RF发生器，包括：
功率源，
传感器，联接至所述功率源，和
传感器信号处理单元，联接至所述功率源并联接至所述传感器，所述传感器信号处理单元适于接收来自外部源的输入并且生成第一控制信号，所述第一控制信号控制来自所述第一RF发生器的第一RF功率信号的第一相位和第一频率中至少之一；以及
第二RF发生器，能操作为从所述第一RF发生器接收第二控制信号，所述第二控制信号控制来自所述第二RF发生器的第二RF功率信号的第二相位和第二频率中至少之一，
其中所述传感器信号处理单元缩放所述第一频率来生成频率信息，并且所述第二控制信号包括所述频率信息。
11.根据权利要求10所述的RF系统，其中所述第二控制信号还包括相移信息。
12.根据权利要求10所述的RF系统，其中所述RF系统在连续波操作模式或脉冲操作模式下操作。
13.根据权利要求12所述的RF系统，其中所述RF系统改变由所述第一RF发生器或所述第二RF发生器输出的RF信号的振幅。
14.根据权利要求12所述的RF系统，其中所述第一RF功率信号与所述第二RF功率信号之间的相对相位在至少两个相位之间变化。
15.根据权利要求14所述的RF系统，其中所述第二频率是按值1缩放的。
16.根据权利要求12所述的RF系统，其中所述第一相位与所述第二相位之间的相对相位被扫过预限定的范围。
17.一种RF系统，包括：
第一RF发生器；以及
第二RF发生器，联接至所述第一RF发生器，所述第一RF发生器和所述第二RF发生器各自包括：
功率源，
传感器，联接至所述功率源，和
传感器信号处理单元，联接至所述功率源并联接至所述传感器，其中所述第一RF发生器的传感器信号处理单元控制所述第一RF发生器的第一相位和第一频率，所述第二RF发生器的传感器信号处理单元控制所述第二RF发生器的第二相位和第二频率，
其中所述第一RF发生器向所述第二RF发生器输出控制信号，并且其中所述控制信号包括频率成分，所述频率成分是相对于所述第一RF发生器的所述第一频率被缩放的频率。
18.根据权利要求17所述的RF系统，其中所述控制信号还包括相移信息。
19.根据权利要求17所述的RF系统，其中所述RF系统在连续波操作模式或脉冲操作模式下操作。
20.根据权利要求17所述的RF系统，其中所述RF系统改变由所述第一RF发生器或所述第二RF发生器输出的RF信号的振幅。
21.根据权利要求19所述的RF系统，其中所述第一相位与所述第二相位之间的相对相位在至少两个相位之间变化。
22.根据权利要求21所述的RF系统，其中所述第二RF发生器的所述第二频率是按值1缩放的。
23.根据权利要求19所述的RF系统，其中所述第一相位与所述第二相位之间的相位差被扫过预限定的范围。
24.一种操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，包括：
将传感器联接至功率源；
将传感器信号处理单元联接至所述功率源和所述传感器；
控制所述第一RF发生器来输出第一RF频率信号；
缩放所述第一RF频率信号；以及
根据被缩放的第一RF频率信号，生成控制信号来控制所述第二RF发生器的相位和频率。
25.根据权利要求24所述的操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，进一步包括：生成所述第一RF发生器和所述第二RF发生器之间的相移，并且根据所述相移生成所述控制信号。
26.根据权利要求24所述的操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，进一步包括：以连续波操作模式或脉冲操作模式操作所述第一RF发生器和所述第二RF发生器。
27.根据权利要求24所述的操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，其中所述相位在至少两个相位之间变化。
28.根据权利要求27所述的操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，其中所述第一RF频率信号是按值1缩放的。
29.根据权利要求24所述的操作第一RF发生器和第二RF发生器的方法，其中所述相位被扫过预限定的范围。
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