CN105103661B - 虚拟rf传感器 - Google Patents
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Abstract
射频(RF)产生系统包括接收RF电压和RF电流的阻抗确定模块。阻抗确定模块还基于RF电压和RF电流确定RF产生器阻抗。RF产生系统还包括基于RF产生器阻抗确定多个电气值的控制模块。RF产生系统还基于RF产生器阻抗和多个电气部件来匹配负载的阻抗。匹配模块也基于多个电气值来确定二端口传递函数。RF产生系统还包括基于RF电压、RF产生器、RF产生器阻抗和二端口传递函数来估计负载电压、负载电流和负载阻抗的虚拟传感器模块。
Description
技术领域
本公开涉及RF电力系统，且更具体地涉及RF电力系统的虚拟RF传感器。
背景技术
本文提供的背景描述是为了大体介绍本公开的背景。目前列举的发明人的工作(在这个背景技术部分中描述的程度上)以及在递交时可能不适合作为现有技术的描述的方面，既不明确地也不隐含地相对于本公开被承认为现有技术。
等离子体蚀刻在半导体制造中被频繁地使用(仅仅是举例)。在等离子体蚀刻中，离子由电场加速以蚀刻在衬底上的被暴露表面。根据由射频(RF)电力系统的RF产生器产生的RF电力信号来产生电场。由RF产生器产生的RF电力信号被精确地控制以有效地执行等离子体蚀刻。等离子体也可用于薄膜的沉积。在一个示例中，溅射工艺可使用待沉积的材料的靶来沉积金属或绝缘体。也可使用诸如非晶硅之类的半导体材料和诸如氮化硅之类的电介质的等离子体增强化学气相沉积来影响沉积。在每种情况下，为了最佳吞吐量和工艺可重复性，等离子体电气参数必须被监测并控制。
由于负载的高反应性质，放置在等离子体环境中的RF传感器实现起来可能是昂贵或不实际的。在等离子体室处的温度变化也可能使得在等离子体负载下实现准确的RF传感器变得非常难。最后，在等离子体环境中的高RF噪声内容可使得将等离子体RF参数的高速实时测量值传输到外部控制或监测系统变得非常难。
RF电力系统可包括RF产生器、匹配网络和诸如等离子体室之类的负载。RF电力信号用于驱动负载以制造各种部件，包括但不限于集成电路(IC)、太阳能电池板、平板显示器(FPD)、光盘(CD)和/或数字通用(或视频)盘(DVD)。负载可包括由RF信号驱动的许多元件或设备中的任一个，包括但不限于等离子体室。
RF电力信号在匹配网络处被接收。匹配网络使匹配网络的输入阻抗与RF产生器和匹配网络之间的传输线的特性阻抗匹配。这个阻抗匹配有助于最大化在正向方向上朝着等离子体室施加到匹配网络的功率(“正向功率”)的量并最小化从匹配网络反射回到RF产生器的功率(“反向功率”)。阻抗匹配也有助于最大化从匹配网络输出到等离子体室的正向功率。
RF电力系统还可包括布置成以高速实时的方式估计负载特性的虚拟传感器。例如，虚拟传感器可基于在RF电力系统的已知电特性之间的数学关系来确定负载电压和负载电流。
发明内容
射频(RF)产生系统包括接收RF电压和RF电流的阻抗确定模块。阻抗确定模块还基于RF电压和RF电流确定RF产生器阻抗。RF产生系统还包括基于RF产生器阻抗确定多个电气值的控制模块。RF产生系统还包括基于多个电气值选择性地调节多个电气部件的匹配模块。匹配模块进一步基于RF产生器阻抗和多个电气部件来匹配负载的阻抗。
可选地，匹配模块可基于多个固定值电气参数来匹配负载的阻抗。匹配模块也基于多个电气值来确定二端口传递函数。可选地，匹配模块可确定与多个固定值电气参数对应的预定的二端口传递函数的查找。RF产生系统还包括基于RF产生器电压、RF产生器电流、RF产生器阻抗和二端口传递函数来估计负载电压、负载电流和负载阻抗的虚拟传感器模块。
在其它特征中，方法包括接收RF电压和RF电流。该方法还包括基于RF电压和RF电流确定RF产生器阻抗。该方法还包括基于RF产生器阻抗确定多个电气值。该方法还包括基于多个电气值选择性地调节多个电气部件并基于RF产生器阻抗和电气部件来匹配负载的阻抗。该方法还包括基于多个电气值来确定二端口传递函数。该方法还包括基于RF电压、RF电流、RF产生器阻抗和二端口传递函数来估计负载电压、负载电流和负载阻抗。
从下文中提供的详细描述，本公开的可应用性的另外的领域将变得明显。应理解，详细描述和特定的示例仅是为了说明的目的而提供且并不意欲限制本公开的范围。
附图说明
从详细描述和附图中，本公开将变得被更充分理解，其中：
图1是根据本公开的原理的示例性射频(RF)等离子体室系统的功能方框图；
图2是根据本公开的原理的虚拟RF传感器系统的功能方框图；
图3是根据本公开的原理的示出负载电压和负载电流估计方法的流程图；以及
图4是根据本公开的原理的示例匹配网络电路。
具体实施方式
RF电力系统可包括RF产生器、匹配网络和诸如等离子体室之类的负载。RF电力信号用于驱动负载以制造各种部件，包括但不限于集成电路(IC)、太阳能电池板、平板显示器(FPD)、光盘(CD)和/或数字通用(或视频)盘(DVD)。负载可包括由RF信号驱动的许多元件或设备中的任一个，包括但不限于等离子体室。
RF电力信号在匹配网络处被接收。匹配网络使匹配网络的输入阻抗与RF产生器和匹配网络之间的传输线的特征阻抗匹配。这个阻抗匹配有助于最大化在正向方向上朝着等离子体室施加到匹配网络的功率(“正向功率”)的量并最小化从匹配网络反射回到RF产生器的功率(“反向功率”)。阻抗匹配也有助于最大化从匹配网络输出到等离子体室的正向功率。
现在参考图1，示例性射频(RF)等离子体室系统100的示例性实现的功能方框图被显示。虽然图1示出单通道RF等离子体室系统，本公开的原理适用于包括一个或多个通道的RF产生器系统。
RF产生器模块102(例如RF产生器)接收交流(AC)输入电力并使用AC输入电力产生至少一个RF输出。仅仅是举例，AC输入电力可以是大约480伏AC(VAC)或另一适当电压的三相AC电力。仅为了讨论的目的，RF产生器模块102将在下文中被讨论为产生一个RF输出。然而，RF产生器模块102可产生更大数量的RF输出，或可以只产生单个RF输出。仅仅是举例，针对在诸如等离子体室106之类的一个或多个等离子体室中实现的每个等离子体电极，RF产生器模块102可产生一个RF输出。
匹配模块110接收RF输出且在向等离子体室106提供RF输出之前使RF输出阻抗匹配。RF产生器模块102可控制匹配模块110。更具体地，RF产生器模块102可控制匹配模块110执行阻抗匹配的程度。匹配模块110基于二端口传递函数(Mm)对RF输出进行阻抗匹配。
例如，匹配模块110可通过匹配网络的直接测量使用二端口矢量网络分析器来确定矩阵Mm以得到二端口S参数对频率的阵列。S参数可接着通过利用业界已知的转换等式来被转换成ABCD(链矩阵)参数。在另一示例中，匹配模块110可通过确定跟随有成分的乘法的组成成分的二端口传递函数来分析地确定矩阵Mm以确定相对于频率的合成二端口ABCD参数矩阵。
匹配模块110将RF输出分别施加到在等离子体室106内实现的等离子体电极。向等离子体电极施加RF输出可例如在薄膜沉积系统、薄膜蚀刻系统和其它适当的系统中执行。
RF产生器模块102可包括输出控制模块140、用户界面模块144、公共激励(CEX)模块148和RF产生模块152。RF产生器模块102也可包括传感器模块156。
输出控制模块140接收输入功率设定点，该输入功率设定点为由RF产生模块152(P设定)产生并被传送到等离子体电极的RF输出。输入功率设定点可由例如用户界面模块144或另一适当的源提供。输入功率设定点的另一适当的源可包括例如经由通用标准(US)232连接、经由以太网连接、经由无线连接或经由前面板输入提供的诊断或用户输入。
传感器模块156可测量由RF产生模块152产生的RF输出的电压和电流或正向和反射功率。传感器模块156可向输出控制模块140提供分别指示电压和电流的信号。仅仅是举例，传感器模块156可包括定向耦合器、VI探针或另一适当类型的传感器。在其它实现中，随着RF输出，传感器模块156可输出指示正向和反向功率的信号。正向功率可以指离开RF产生器模块152的功率的量。反向功率可以指反射回到RF产生器模块152的功率的量。传感器模块156的输出可被称为反馈信号。反馈信号可以是数字信号或模拟信号。
基于来自传感器模块156的反馈信号，输出控制模块140可确定RF输出的正向功率。输出控制模块140也可基于由传感器模块156输出的反馈信号来确定反射系数。
输出控制模块140使用反馈方法基于第一和第二正向功率以及第一和第二反射系数来分别控制第一和第二RF输出的产生。更具体地，输出控制模块140向RF产生模块152提供一个或多个干线电压设定点和/或一个或多个驱动器控制信号。RF产生模块152基于干线电压设定点来控制一个或多个干线电压(即，从RF产生模块152输出并输入到功率放大器的电压)并基于驱动器控制信号来控制功率放大器的驱动。
在一些实施例中，RF产生器模块102基于由RF产生模块152产生的所确定的阻抗来控制匹配模块110。例如，RF产生器模块102可包括RF测量模块160。RF测量模块160确定由RF产生模块152产生的阻抗(例如如图1所示的Z1)。RF测量模块160接收来自传感器模块156的测量电压和测量电流。RF测量模块160基于由RF产生模块152产生的测量电压与测量电流之比来确定阻抗。
匹配模块110控制系统100的多个电特性以便匹配阻抗Z1。匹配模块110可控制系统100的多个电容值、电感值和电阻值以便匹配阻抗Z1。以这种方式，匹配模块110使Z1(如图1所示)与Z2匹配。匹配模块110然后将经调节的多个电特性(由二端口传递函数Mm表示)传递到RF测量模块160。在另一实施例中，匹配模块110基于多个固定值电气部件对阻抗Z1进行阻抗匹配。
RF测量模块160也可确定等离子体室106的多个电特性，例如等离子体室106的负载电压和负载电流。等离子体室106可包括等离子体室传感器164。等离子体室传感器164可测量等离子体室106的电压和电流。等离子体室传感器164可向RF测量模块160提供分别指示电压和电流的信号。仅仅是举例，等离子体室传感器164可包括定向耦合器、VI探针或另一适当类型的传感器。
在另一实施例中，RF测量模块160虚拟地检测等离子体室106的负载电压和负载电流。例如，RF测量模块160基于所测量的RF电压、所测量的RF电流、所计算的产生器阻抗Z1和二端口匹配网络传递函数Mm之间的数学关系来估计负载电压和负载电流。
现在参考图2，虚拟RF传感器系统200的功能方框图被显示。虚拟RF传感器系统200包括RF测量模块204、匹配模块208和等离子体室212。RF测量模块204包括阻抗确定模块216、虚拟传感器模块220和控制模块224。阻抗确定模块216确定RF产生器阻抗。例如，阻抗确定模块216接收来自传感器模块156(图1)的测量电压(V1)和测量电流(I1)。
阻抗确定模块216基于V1与I1之比来计算RF产生器阻抗。在一些实现中，阻抗确定模块216可基于来自定向耦合器的正向和反射信号来确定RF产生器阻抗。在其它实现中，阻抗确定模块216可基于来自V-I传感器的电压和电流信号来确定RF产生器阻抗。阻抗确定模块216通过确定哪个RF产生器阻抗与V1和I1相关来确定RF产生器阻抗。阻抗确定模块216然后将RF产生器阻抗、V1和I1传递到控制模块224。
控制模块224基于RF产生器阻抗来控制匹配模块208。控制模块224命令匹配模块208通过调节多个电特性来匹配RF产生器阻抗。多个电特性可包括电容值、电感值和电阻值。控制模块224也可接收在数学上被描述为矩阵Mm的二端口传递函数。
匹配模块208包括匹配网络调节模块228。匹配网络调节模块228控制系统100内的多个可变电容器、多个可变电感器和多个可变电阻器。控制模块224确定实现与RF产生器阻抗匹配的阻抗所需的电容值、电感值和电阻值。控制模块224将电容值、电感值、电阻值和RF阻抗传递到虚拟传感器模块220和匹配网络调节模块228。
匹配网络调节模块228选择性地改变多个可变电容器、多个可变电感器和多个可变电阻器中的每个，以便实现电容值、电感值和电阻值。以这种方式，匹配网络调节模块228调节系统100的电特性，以便对RF产生器阻抗进行阻抗匹配。
匹配阻抗可以是复数。例如，如在图4中的匹配网络电路中所示的，当等离子体负载阻抗在27.12MHz下是大约3–j1.95时，RF产生器阻抗被匹配到大约50欧姆。其中，j代表匹配阻抗值的复数部分。例如，j等于-1的平方根。匹配网络调节模块228将二端口传递函数矩阵Mm传递到虚拟传感器模块220。在27.12MHz下对应的ABCD链参数矩阵是：
虚拟传感器模块220被配置成基于RF产生器阻抗以及如矩阵Mm所表示的电容值、电感值和电阻值中的每个来估计等离子体室电压(V2)和等离子体室电流(I2)。虚拟传感器模块220基于匹配阻抗、V1、I1、矩阵Mm之间的数学关系来估计V2、I2和Z2。
例如，电容值、电感值和电阻值中的每个可代表在RF测量模块204和等离子体室212之间的传输线中的线段。传输线的每个线段可被建模为ABCD矩阵。ABCD矩阵是代表在RF测量模块204和等离子体室212之间的电压和电流的转换的2x2矩阵。在一个实现中，电容值可由电容ABCD矩阵(MA)表示，电感值可由电感ABCD矩阵(MB)表示，以及电阻值可由电阻ABCD矩阵(MC)表示。例如，电感值表示传输线的线段之一并具有ABCD矩阵MB：
在上面的示例中，j是-1的平方根，f是以赫兹(Hz)为单位的系统100的操作频率，以及L是以亨利为单位的电感值。虚拟传感器模块220基于MA、MB和MC计算总ABCD矩阵(Mtotal)。例如，Mtotal是使MA、MB和MC相乘的结果，如下所示：
Mtotal＝MA×MB×MC
虚拟传感器模块220基于由下式给出的上面的等式的数学简化来确定V2和I2：
或等效地，上面的等式可由下面的两个等式给出：
V1＝A*V2+B*I2
I1＝C*V2+D*I2
总之，在上面的等式中的每个变量表示具有实部和虚部的复数量。实部表示大小，而虚部表示相移。虚拟传感器模块212基于V1、I1和Mtotal的逆估计V2和I2。虚拟传感器模块212基于下面的等式估计V2和I2：
在另一实现中，Mtotal的逆可以是存储在查找表中的预定值。虚拟传感器模块212基于V1、I1和预定的Mtotal的逆来估计V2和I2。虚拟传感器模块212可使用预定的Mtotal的逆以便减小估计V2和I2所花费的时间量。以这种方式，例如，虚拟传感器模块212可使用所估计的V2和I2用于诸如等离子体功率控制、电弧检测、等离子体点火分析、功率损失测量和负载特性的预测之类的实时操作。
现在参考图3，电压和电流估计方法300在304处开始。在308处，方法300测量由射频(RF)产生器产生的电压(V1)和电流(I1)。在312处，方法300基于V1与I1之比来确定RF产生器阻抗(Z1)。在316处，方法300确定相对于频率的二端口链矩阵参数Mm。在320处，方法300确定Mm的逆。在324处，方法300基于I1、V1、Z1和Mm的逆之间的数学关系来估计负载电压、负载电流和负载阻抗。方法300在328处结束。
前述描述在本质上仅仅是例示性的且决不意欲限制本公开、其应用或使用。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定的示例，本公开的真实范围不应被如此限制，因为在研究附图、说明书和下面的权利要求书时，其它修改将变得明显。为了清楚的目的，相同的参考数字在附图中将用于识别相似的元件。如本文使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应被解释为意指使用非排他的逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应理解，在方法内的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)被执行，而不改变本公开的原理。
如在本文使用的，术语“模块”可以指下列项、是下列项的一部分或包括下列项：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或分组)；提供所述功能的其它适当的硬件部件；或一些或所有上述例如在芯片上系统中的部件的组合。术语“模块”可包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或组)。
如上面使用的术语“代码”可包括软件、固件和/或微代码，并可以指程序、例程、功能、类和/或对象。如上面使用的术语“共享”意指可使用单个(共享)处理器来执行来自多个模块的一些或所有代码。此外，来自多个模块的一些或所有代码可由单个(共享)存储器存储。如上面使用的术语“组”意指可使用一组处理器来执行来自单个模块的一些或所有代码。此外，可使用一组存储器存储来自单个模块的一些或所有代码。
本文所述的装置和方法可由一个或多个处理器所执行的一个或多个计算机程序实现。计算机程序包括存储在非瞬态有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序也可包括所存储的数据。非瞬态有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁性存储器和光学存储器。
Claims (20)
1.一种射频RF产生系统，包括：
阻抗确定模块，接收RF电压和RF电流，并基于所述RF电压和所述RF电流确定RF产生器阻抗；
控制模块，基于所述RF产生器阻抗确定多个电气值；
匹配模块，所述匹配模块：
基于所述RF产生器阻抗和所述多个电气值来匹配负载的阻抗；并且
基于所述多个电气值来确定二端口传递函数；以及
虚拟传感器模块，基于所述RF电压、所述RF电流、所述RF产生器阻抗和所述二端口传递函数来估计负载电压、负载电流和负载阻抗。
2.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述RF产生器阻抗被匹配到预定值。
3.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述匹配模块基于所述多个电气值选择性地调节多个电气部件，并且其中所述多个电气部件包括电容值、电感值和电阻值，其中所述电容值、所述电感值和所述电阻值由ABCD矩阵表示。
4.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述虚拟传感器模块基于所述RF电压、所述RF电流、所述RF产生器阻抗和所述二端口传递函数之间的数学关系来估计所述负载电压和所述负载电流。
5.如权利要求3所述的RF产生系统，其中所述多个电气部件包括多个电容器、多个电感器和多个电阻器。
6.如权利要求1所述的RF产生系统，还包括测量所述RF电压和所述RF电流的传感器模块。
7.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述阻抗确定模块基于所述RF电压与所述RF电流之比来确定所述RF产生器阻抗。
8.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述虚拟传感器模块确定所述多个电气值中的每个的ABCD矩阵并基于所述多个电气值中的每个的所述ABCD矩阵中的每个来确定总ABCD矩阵。
9.如权利要求8所述的RF产生系统，其中所述虚拟传感器模块基于所述总ABCD矩阵的逆、所述RF电压和所述RF电流之间的关系来估计所述负载电压和所述负载电流。
10.如权利要求1所述的RF产生系统，其中所述二端口传递函数是预定值。
11.一种射频RF产生方法，包括：
接收RF电压和RF电流；
基于所述RF电压和所述RF电流确定RF产生器阻抗；
基于所述RF产生器阻抗来确定多个电气值；
基于所述多个电气值来选择性地调节多个电气部件；
基于所述RF产生器阻抗和所述电气部件来匹配负载的阻抗；
基于所述多个电气值来确定二端口传递函数；以及
基于所述RF电压、所述RF电流、所述RF产生器阻抗和所述二端口传递函数来估计负载电压、负载电流和负载阻抗。
12.如权利要求11所述的RF产生方法，其中所述RF产生器阻抗被匹配到预定值。
13.如权利要求11所述的RF产生方法，其中所述多个电气部件包括电容值、电感值和电阻值，并且其中所述电容值、所述电感值和所述电阻值由ABCD矩阵表示。
14.如权利要求11所述的RF产生方法，还包括基于所述RF电压、所述RF电流、所述RF产生器阻抗和所述二端口传递函数之间的数学关系来估计所述负载电压和所述负载电流。
15.如权利要求11所述的RF产生方法，其中所述多个电气部件包括多个电容器、多个电感器和多个电阻器。
16.如权利要求11所述的RF产生方法，还包括测量所述RF电压和所述RF电流。
17.如权利要求11所述的RF产生方法，还包括基于所述RF电压与所述RF电流之比来确定所述RF产生器阻抗。
18.如权利要求11所述的RF产生方法，还包括确定所述多个电气值中的每个的ABCD矩阵并基于所述多个电气值中的每个的所述ABCD矩阵中的每个来确定总ABCD矩阵。
19.如权利要求18所述的RF产生方法，还包括基于所述总ABCD矩阵的逆、所述RF电压和所述RF电流之间的关系来估计所述负载电压和所述负载电流。
20.如权利要求11所述的RF产生方法，其中所述二端口传递函数是预定值。
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