CN112710885B - 射频传感器、匹配器、匹配参数确定方法和半导体设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种射频传感器、匹配器、匹配参数确定方法和半导体设备，射频传感器用于采集射频系统的电流和电压信号，射频传感器包括电流信号采集模块和电压信号采集模块，其中，电流信号采集模块包括中心导体和至少两个耦合线圈，至少两个耦合线圈串联，中心导体穿设于每个耦合线圈中，中心导体与射频系统的射频传输线串联，串联的至少两个耦合线圈的一端接地，另一端为电流信号的采集端子，电流信号通过该采集端子输出；电压信号采集模块用于从中心导体上采集电压信号。在本申请实施例中，可以提高电流和电压信号的强度，从而能够显著区分较强的电流信号、较强的电压信号与较弱的噪声信号。
Description
技术领域
本申请属于阻抗匹配技术领域，具体涉及一种射频传感器、匹配器、匹配参数确定方法和半导体工艺设备。
背景技术
在半导体产品生产制造中，通常会存在清洗、蚀刻等工艺过程，这些工艺过程离不开相应半导体工艺设备的支持。
在半导体工艺设备中，采用射频电源进行工作时，为了减小射频电源的反射功率，使能量得到最大化利用，需要保证射频匹配网络的输入阻抗与射频电源的特征阻抗达到共轭匹配。在实现阻抗匹配的过程中，由射频阻抗传感器采集射频系统的电压信号和电流信号，控制器基于电压信号和电流信号调整射频匹配网络的输入阻抗。如图1所示，现有的射频阻抗传感器，从信号采集模块的电压感应环上采集电压信号，从信号采集模块的射频传输线的电流信号。
然而，发明人发现现有技术中，当射频系统的射频功率较低时，或者对于短路点或开路点附近负载，射频阻抗传感器所采集得到的电压信号和电流信号强度较弱，接近于噪声信号，导致电压信号、电流信号与噪声信号难以区分。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种半导体工艺设备中的射频传感器、匹配器、匹配参数确定方法和半导体工艺设备，能够解决现有射频传感器采集信号强度弱的问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种半导体工艺设备中的射频传感器，用于采集射频系统的电流和电压信号，所述射频传感器包括电流信号采集模块，其中，所述电流信号采集模块包括中心导体和至少两个耦合线圈，
所述至少两个耦合线圈串联，所述中心导体穿设于每个所述耦合线圈中，所述中心导体与所述射频系统的射频传输线串联，
串联的所述至少两个耦合线圈的一端接地，另一端为所述电流信号的采集端子，所述电流信号通过该采集端子输出；
所述电压信号采集模块用于从所述中心导体上采集所述电压信号。
第二方面，本申请实施例提供了一种射频匹配器，所述射频匹配器包括执行机构、控制器、匹配网络和本申请实施例第一方面所述的射频传感器；
所述模数转换器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器用于根据所述模数转换器输出的数字信号生成阻抗调整量；
所述执行机构用于按照所述阻抗调整量调整所述匹配网络的输入阻抗。
第三方面，本申请实施例提供了一种匹配参数确定方法，所述方法用于本申请实施例第一方面所述的射频匹配器，所述方法包括：
根据所述模数转换器输出的数字信号，确定四路差分信号，其中，每路所述差分信号的模值为实时信号与零射频功率时静态信号的差值的模值；
根据所述四路差分信号中前三路较大的信号组合，分别采用不同的预设规则确定所述射频匹配器输入端阻抗的模值和相位角，其中，所述模值和相位角作为匹配参数用于确定所述阻抗调整量。
第三方面，本申请实施例提供了一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括本申请实施例第一方面所述的射频传感器或本申请实施例第二方面所述的射频匹配器。
在本申请实施例中，通过对射频传感器中的信号采集模块进行改进，将中心导体穿过串联的至少两个耦合线圈中，至少两个耦合线圈串联后，使得线圈周围的磁场强度增强，提升了经过线圈截面的磁通变化量，可以获得更高的感应电动势，因此，可以提高电流信号的强度，并且，直接从中心导体上采集电压信号，可以提升电压信号的的强度，从而能够显著区分较强的电流信号、较强的电压信号与较弱的噪声信号。
附图说明
图1是现有技术的一种射频传感器中的信号采集模块的示意图；
图2是本申请实施例的一种射频传感器中的信号采集模块的三维示意图；
图3是本申请实施例中一种信号采集模块的端面示意图；
图4是本申请实施例中一种信号采集模块的侧面示意图；
图5是本申请实施例中一种射频传感器的原理示意图；
图6是本申请实施例的一种射频匹配器的原理示意图；
图7是本申请实施例的一种匹配参数确定方法的流程框图；
图8是本申请实施例的一种半导体工艺设备的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的射频传感器、匹配器、匹配参数确定方法和半导体工艺设备进行详细地说明。需要说明的是，本申请实施例公开的射频传感器也称之为射频阻抗传感器，可以用于阻抗匹配过程中对射频电源的电压信号和电流信号进行采集。匹配器也称之为射频阻抗匹配器，则根据射频传感器输出的信号采用预设的匹配算法完成阻抗匹配的过程，匹配算法中可以包括本申请实施例公开的匹配参数确定方法。相应地，上述的射频传感器和匹配器均可以应用于芯片等半导体产品生产制造的半导体工艺设备中。
参照图2至图4，示出了本申请实施例的一种射频传感器，用于采集射频系统的电流和电压信号，所述射频传感器包括电流信号采集模块10和电压信号采集模块11，所述电流信号采集模块10包括中心导体101和至少两个耦合线圈102；
所述至少两个耦合线圈102串联，所述中心导体101穿设于每个所述耦合线圈102中，所述中心导体101与所述射频系统的射频传输线串联，串联的所述至少两个耦合线圈102的一端接地，另一端为所述电流信号的采集端子，所述电流信号通过该采集端子输出；
所述电压信号采集模块11用于从所述中心导体101上采集所述电压信号。具体而言，如图2至图4所示，本申请实施例公开的射频传感器可以通过其中的电流信号采集模块10采集射频系统的电流。该电流信号采集模块10包括中心导体101和至少两个耦合线圈102。环状的线圈支架同轴并列设置，导线各自绕设在环状的线圈支架上形成耦合线圈102，至少两个耦合线圈102串联在一起。中心导体101穿设于每个耦合线圈102中，且中心导体101与射频系统的射频传输线串联。即，射频电流流经中心导体101。当至少两个耦合线圈102串联之后，一端接地，另一端作为电流信号的采集端子，用于输出电流信号I。而中心导体则用于输出电压信号V，如图3和图4所示，电压信号V的采集端子设置于中心导体101上射频电流流出的一端，即电压采集模块11直接从中心导体上采集电压信号V。此外，需要说明的是，在实际应用中，为了避免采用磁芯线圈支架带来的磁饱和造成的采样信号不准，可以使用四氟环作为线圈支架。
根据电磁感应的基本原理，当中心导体101中流过射频电流时，由于耦合线圈102处于中心导体101的电磁场中，在耦合线圈102中会产生感生电动势。由于至少两个耦合线圈102同时处于中心导体101的电磁场中，因此，产生的感生电动势也会更大，因此，相应的感应电流也会增大。
在本申请实施例中，通过对射频传感器中的信号采集模块进行改进，将中心导体穿过串联的至少两个耦合线圈中，至少两个耦合线圈串联后，使得线圈周围的磁场强度增强，提升了经过线圈截面的磁通变化量，可以获得更高的感应电动势，因此，可以提高电流信号的强度。并且，直接从中心导体上采集电压信号，信号传输损耗更小，可以提升电压信号的强度，从而能够显著区分较强的电流信号、较强的电压信号与较弱的噪声信号。
可选地，参照图3和图4，所述电压信号采集模块11包括至少两个电容，所述至少两个电容串联111，串联的所述至少两个电容111一端接地，另一端与所述中心导体101电连接，在所述至少两个电容111之间设置有所述电压信号V的采集端子。
具体而言，如图3和图4所示，两个电容111一端接地，另一端与所述中心导体101电连接，且连接在中心导体101上射频电流流出的一端。电压信号V的采集端子设置于两个电容111之间。可以理解的是，如图3和图4所示，采集端子与接地点之间串联的电容，可以减弱接地点对电压信号V的干扰。电压信号V的采集端子与中心导体101之间连接的电容，可以起到稳定电压信号V的作用，减小噪音信号的干扰。。
可选地，参照图3和图4，所述至少两个电容均为定值电容。
具体而言，如图3和图4所示，本发明实施例中连接在中心导体101上的两个电容可以为定值电容，该定值电容的容值可以根据射频电源的参数以及耦合线圈的匝数等参数确定，从而适于对固定不变的射频电源进行阻抗匹配。
可选地，所述射频系统的射频功率大于等于5W，小于等于3000W。
具体而言，由于上述射频传感器输出的电流信号和/或电压信号的强度得到了提升，因此，上述的射频传感器可以适用于射频功率更为宽泛的射频系统，尤其在用于射频功率在5W～100W的低频射频系统时，传感器的精度提升效果更为突出显著。
可选地，参照图5，所述射频传感器还包括信号处理模块20；
所述信号处理模块20包括第一模拟乘法器201、第二模拟乘法器202、第三模拟乘法器203、第四模拟乘法器204和90°移相器205；
所述电压信号V输入至所述第一模拟乘法器201的一个输入端、所述第四模拟乘法器204的两个输入端和所述90°移相器205的一个输入端；
所述电流信号I输入至所述第一模拟乘法器201的另一个输入端、所述第三模拟乘法器203的两个输入端和所述90°移相器205的另一个输入端；
所述90°移相器205的输出端与所述第二模拟乘法器202的输入端连接，所述90°移相器205的信号输入至所述第二模拟乘法器202中；
所述第一模拟乘法器201、所述第二模拟乘法器202、所述第三模拟乘法器203和所述第四模拟乘法器204分别输出一路模拟信号。
具体而言，如图5所示，电压信号V经过第四模拟乘法器204的平方处理后，形成第一路模拟信号。电压信号V和电流信号I经过第一模拟乘法器201的相乘处理后，形成第二路模拟信号。电压信号V和电流信号I经过90°移相器205以及第二模拟乘法器202的处理，形成第三路模拟信号。电流信号I经过第三模拟乘法器203的平方处理后，形成第四路模拟信号。可以理解的是，上述第一路模拟信号是与电压相关的模拟信号，第二路模拟信号和第三路模拟信号是与电流和电压相关的模拟信号，第四路模拟信号是与电流相关的模拟信号。基于上述四个模拟信号的比较分析，射频传感器可以根据差分信号|A2-A2(0)|、|A3-A3(0)|的大小实时判断射频传输线上射频功率开关状态，根据实时数字信号A0、A1、A2和静态数字信号A0(0)、A1(0)、A2(0)以及下述所列公式(1)、(2)、(3)，计算射频传感器所应用的射频匹配器输入端阻抗的模值|Z|和相位θ：
上述公式中，A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)分别表示零射频功率时射频传感器输出的各路静态数字信号；A0、A1、A2、A3分别表示有射频功率时射频传感器输出的数字信号；|V|表示电压信号的模值，|I|表示电流信号的模值；ku、ki为常数。
可选的，参照图5，所述射频传感器还包括模数转换器21；
所述模数转换器21的输入端与所述第一模拟乘法器201、所述第二模拟乘法器202、所述第三模拟乘法器203和所述第四模拟乘法器204的输出端均连接，所述模数转换器21用于接收来自每个模拟乘法器输出的模拟信号，生成数字信号。
具体而言，如图5所示，为了与阻抗匹配算法结合应用，可以在将每个模拟乘法器输出的模拟信号输入至模数转换器21中，由模数转换器21转换为可供控制器进行分析处理的数字信号。需要说明的是，可以在每个模拟乘法器的输出端连接独立的模数转换器，也可以使用一个模数转换器21对四个模拟信号集中处理，本申请实施例对此不做限制。
参照图6，本申请实施例还提供了一种射频匹配器，所述射频匹配器包括执行机构30、控制器31、匹配网络32和前述的射频传感器；
所述模数转换器21的输出端与所述控制器31的输入端连接，所述控制器31用于根据所述模数转换器21输出的数字信号生成阻抗调整量；
所述执行机构30用于按照所述阻抗调整量调整所述匹配网络32的输入阻抗。
具体而言，如图6所示，射频匹配器的作用在于使匹配网络32的输入阻抗与射频电源的特征阻抗达到共轭匹配，以减小反射功率，将射频功率尽可能完全输送给负载一侧。本申请实施例中模数转换器21的输出端与控制器31的输入端连接，控制器31接收来自模数转换器21输出的四路数字信号A0、A1、A2、A3。控制器31根据预置的阻抗匹配算法可以生成阻抗调整量，执行机构30接收到阻抗调整量之后，对匹配网络32的输入阻抗进行调整，以使匹配网络32的输入阻抗与射频电源的特征阻抗达到共轭匹配。
示例性地，执行机构30可以包括受控制器31控制的电机，匹配网络32可以包括可变电容，电机通过机械传动的方式与可变电容连接，从而，电机在接收到阻抗调整量对应的电信号之后，可以控制可变电容的距离或相对面积等参数发生变化，从而达到阻抗调整的目的。
因此，可见，当射频匹配器中使用了前述改进后的射频传感器之后，在提高信号采集强度的基础上，有利于提高阻抗匹配的准确性。
参照图7，本申请实施例还提供了一种匹配参数确定方法，所述方法用于前述的射频匹配器，所述方法包括：
步骤S101，根据所述模数转换器21输出的数字信号，确定四路差分信号，其中，每路所述差分信号的模值为实时信号与零射频功率时静态信号的差值的模值。
具体而言，当模数转换器21输出四路数字信号A0、A1、A2、A3之后，可以基于零射频功率计算静态数字信号A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)。相应地，可以计算得到每路差分信号的模值分别为|A0-A0(0)|、|A1-A1(0)|、|A2-A2(0)|和|A3-A3(0)|。
步骤S102，根据所述四路差分信号中前三路较大的信号组合，分别采用不同的预设规则确定所述射频匹配器输入端阻抗的模值和相位角，其中，所述模值和相位角作为匹配参数用于确定所述阻抗调整量。
对于上述计算得到的四路差分信号，根据模值大小关系排序后，可以选择模值较大的前三个差分信号计算射频匹配器输入端阻抗的模值和相位角，可以理解的是，对于四个差分信号中选择三个差分信号的组合，存在以下四种不同的计算规则：
1)若|A1-A1(0)|、|A2-A2(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A0-A0(0)|，则所述预设规则为：
2)若|A0-A0(0)|、|A2-A2(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A1-A1(0)|，则所述预设规则为：
3)若|A0-A0(0)|、|A1-A1(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A2-A2(0)|，则所述预设规则为：
4)若|A0-A0(0)|、|A1-A1(0)|、|A2-A2(0)|均大于|A3-A3(0)|，则所述预设规则为：
上述四种情况中，A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)分别表示零射频功率时射频传感器输出的各路静态数字信号；A0、A1、A2、A3分别表示有射频功率时射频传感器输出的数字信号；|V|表示电压信号的模值，|I|表示电流信号的模值；ku、ki为常数。
当采用模值较大的前三个差分信号计算射频匹配器输入端阻抗的模值和相位角时，数据利用上更为全面有效，可以提升阻抗模值和相位角的计算精度，有利于提升阻抗调整量的确定精度以及阻抗匹配的准确性。
本申请实施例还提供了一种半导体工艺设备，所述半导体工艺设备包括前述的射频传感器或前述的射频匹配器。
具体而言，本申请实施例还提供了一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备用于芯片等半导体器件的加工制造过程中，例如，预清洗设备、PVD(Physical VaporDeposition，物理气相沉积)设备、刻蚀(Etch)设备、CVD(Chemical Vapor Deposition)设备等。
如图8所示，给出了预清洗设备的示意图，低频射频电源40通过低频射频匹配器41将低频功率加在电感耦合线圈42上，能量从电感耦合线圈42耦合到反应腔室43内部，使反应腔室43中的气体(例如Ar气)产生电离形成高密度等离子体，高频射频电源44通过高频射频匹配器45将高频功率加在静电卡盘46上以产生自偏压，从而吸引离子轰击晶圆，去除晶圆表面以及沟槽底部的残留物和金属氧化物，实现预清洗。低频射频电源40的工作频率通常为2MHz，特征阻抗为50Ω。高频射频电源的工作频率为13.56Hz，特征阻抗为50Ω。
通过在半导体工艺设备中应用前述的射频传感器或前述的射频匹配器，可以提高阻抗匹配的准确性，有助于提高半导体设备的工作可靠性，提高产品良率。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (7)
1.一种半导体工艺设备中的射频传感器，用于采集射频系统的电流和电压信号，其特征在于，所述射频传感器包括电流信号采集模块和电压信号采集模块，其中，
所述电流信号采集模块包括中心导体和至少两个耦合线圈，环状的线圈支架同轴并列设置，导线各自绕设在所述环状的线圈支架上形成所述耦合线圈，所述至少两个耦合线圈串联，所述中心导体穿设于每个所述耦合线圈中，所述中心导体与所述射频系统的射频传输线串联，串联的所述至少两个耦合线圈的一端接地，另一端为所述电流信号的采集端子，所述电流信号通过该采集端子输出；
所述电压信号采集模块用于从所述中心导体上采集所述电压信号，所述电压信号采集模块包括至少两个电容，所述至少两个电容均为定值电容，所述定值电容的容值根据所述射频系统的射频电源参数以及所述耦合线圈的匝数确定，所述射频系统的射频功率大于等于5W，小于等于3000W；所述射频系统的射频电源包括低频射频电源，所述低频射频电源通过低频射频匹配器将低频功率加在所述半导体工艺设备内部的耦合线圈，所述低频射频电源的工作频率为2MHz，所述低频射频电源的特征阻抗为50Ω，所述至少两个电容串联，串联的所述至少两个电容一端接地，另一端与所述中心导体电连接，在所述至少两个电容之间设置有所述电压信号的采集端子，所述电压信号从该采集端子输出。
2.根据权利要求1所述的射频传感器，其特征在于，所述射频传感器还包括信号处理模块；
所述信号处理模块包括第一模拟乘法器、第二模拟乘法器、第三模拟乘法器、第四模拟乘法器和90°移相器；
所述电压信号输入至所述第一模拟乘法器的一个输入端、所述第四模拟乘法器的两个输入端和所述90°移相器的一个输入端；
所述电流信号输入至所述第一模拟乘法器的另一个输入端、所述第三模拟乘法器的两个输入端和所述90°移相器的另一个输入端；
所述90°移相器的输出端与所述第二模拟乘法器的输入端连接，所述90°移相器的信号输入至所述第二模拟乘法器中；
所述第一模拟乘法器、所述第二模拟乘法器、所述第三模拟乘法器和所述第四模拟乘法器分别输出一路模拟信号。
3.根据权利要求2所述的射频传感器，其特征在于，所述射频传感器还包括模数转换器；
所述模数转换器的输入端与所述第一模拟乘法器、所述第二模拟乘法器、所述第三模拟乘法器和所述第四模拟乘法器的输出端均连接，所述模数转换器用于接收来自每个模拟乘法器输出的模拟信号，生成数字信号。
4.一种射频匹配器，其特征在于，所述射频匹配器包括执行机构、控制器、匹配网络和权利要求3所述的射频传感器；
所述模数转换器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器用于根据所述模数转换器输出的数字信号生成阻抗调整量；
所述执行机构用于按照所述阻抗调整量调整所述匹配网络的输入阻抗。
5.一种匹配参数确定方法，其特征在于，所述方法用于权利要求4所述的射频匹配器，所述方法包括：
根据所述模数转换器输出的数字信号，确定四路差分信号，其中，每路所述差分信号的模值为实时信号与零射频功率时静态信号的差值的模值；
根据所述四路差分信号中前三路较大的信号组合，分别采用不同的预设规则确定所述射频匹配器输入端阻抗的模值和相位角，其中，所述模值和相位角作为匹配参数用于确定所述阻抗调整量。
6.根据权利要求5所述的匹配参数确定方法，其特征在于，所述根据所述四路差分信号中前三路较大的信号组合，分别采用不同的预设规则确定射频匹配器输入端阻抗的模值|Z|和相位角θ，包括：
若|A1-A1(0)|、|A2-A2(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A0-A0(0)|，则所述预设规则为：
若|A0-A0(0)|、|A2-A2(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A1-A1(0)|，则所述预设规则为：
若|A0-A0(0)|、|A1-A1(0)|、|A3-A3(0)|均大于|A2-A2(0)|，则所述预设规则为：
若|A0-A0(0)|、|A1-A1(0)|、|A2-A2(0)|均大于|A3-A3(0)|，则所述预设规则为：
其中，所述A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)分别表示零射频功率时所述射频传感器输出的各路静态数字信号；所述A0、A1、A2、A3分别表示有射频功率时射频传感器输出的数字信号；所述│V│表示所述电压信号的模值，│I│表示所述电流信号的模值；所述ku、ki为常数。
7.一种半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备包括权利要求1至3任一项所述的射频传感器或权利要求4所述的射频匹配器。
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