CN113015307A - 一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置。该方法包括以下步骤：获取电压波形和电流波形；根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位；根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V‑I相位差；根据所述电压波形、所述电流波形、所述电压振幅、所述电流振幅和所述V‑I相位差计算等离子体的阻抗和功率。本发明针对现有技术存在的问题，对脉冲射频电源进行脉冲调制，通过延长脉冲“关闭”时间，对V‑I相位差进行校准，进而得到射频功率和等离子体阻抗随时间的演化过程；当等离子体稳定后，即可得到稳态(连续波驱动)的等离子体对功率的吸收。

Description

一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置

技术领域

本发明涉及等离子体测量技术领域，特别是涉及一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置。

背景技术

等离子体是一种由电子、离子以及中性粒子为主要成分的物质形态，被称为除了固、液、气态以外的第四态。它广泛地存在于自然界中，一般在宏观上呈电中性。在等离子体放电过程中，会产生很多具有化学活性的离子以及中性自由基。在集成电路芯片的加工过程中，有近三分之一的工序都是基于低温等离子体处理技术。

在低温等离子体材料表面处理和改性过程中，刻蚀是最为重要的工序之一。采用等离子体刻蚀，只从表面除去一种材料，而不影响其他材料，并且只除去除沟槽底部的材料而不会影响到侧壁，因而具有各向异性和低介质损伤的优点，可以实现纳米尺度(10^-9米)的刻蚀工艺。随着微电子工艺的发展，为了提高芯片的集成度，晶体管尺寸在不断缩小，等离子体各项异性刻蚀技术就展现出了它独特的优点。

在等离子体刻蚀过程中，一种广泛采用的等离子体源为容性耦合等离子体源(CCP)。在CCP放电系统中，包含一个真空反应腔室和两个平板电极(待刻蚀的晶元可以放到一个电极表面)。目前半导体行业发展的趋势是，芯片的集成度越来越高，晶体管的尺寸越来越小。这就对等离子体的刻蚀工艺提出更好的要求。于是人们提出了脉冲调制射频，来驱动等离子体。具体来讲，就是给连续的射频电压波形加上一个开关，重复地“开启”和“关闭”射频波形，来对等离子体参数进行调控。这种“开启”和“关闭”的时长，都可以进行单独控制。

脉冲调制等离子体吸收功率的动态演化，无论对电源脉冲方案的制定，还是对实际等离子体工艺的优化，以及对脉冲点燃阶段的基础物理过程研究都具有重要意义。但这种非平衡的等离子体“点燃-熄灭-点燃”过程对功率测量带来极大的挑战。到目前，很少有相关的科学文献发表。

而且，商业V-I传感器针对连续波(电源持续开启)驱动等离子体设计，连续波驱动等离子体放电的等效阻抗是恒定的，该传感器只适用于这类等离子体。然而在脉冲波形驱动的等离子体，等离子体处于点燃-熄灭-点燃交替状态，其阻抗处于变化状态，因此，商业上的V-I传感器均不能直接用于这种动态的等离子体吸收功率监测。

因此，如何设计一种能够准确、直接的测量等离子体阻抗和功率的方法及装置，成为本领域当前要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，对脉冲射频电源进行脉冲调制，通过延长脉冲“关闭”时间，对V-I相位差进行校准，进而得到射频功率和等离子体阻抗随时间的演化过程；当等离子体稳定后，即可得到稳态(连续波驱动)的等离子体对功率的吸收。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测量等离子体阻抗和功率的方法，包括以下步骤：

获取电压波形和电流波形；

根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位；

根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差；

根据所述电压波形、所述电流波形、所述电压振幅、所述电流振幅和所述V-I相位差计算等离子体的阻抗和功率。

可选的，所述获取电压波形和电流波形具体包括：

通过电流探头和电压探头进行波形采样；

通过示波器进行波形的显示与记录。

可选的，根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位具体包括：

将所述电压波形和所述电流波形分别以每个正弦周期为一段分成若干段；

对分段的电压波形和分段的电流波形进行快速傅里叶分析，分别得到每段电压波形的电压振幅和电压相位，和每段电流波形的电流振幅和电流相位；所述电压波形和所述电流波形分别为：

其中，n为第n个周期(或第n段)，为正整数；V(n)为第n个周期的电压；I(n)为第n个周期的电流；Vrf(n)为第n个周期的电压振幅；Irf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位；ω为脉冲射频电源的角频率。

可选的，根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差具体包括：

延长脉冲射频电源的脉冲关闭时长，使等离子体处于熄灭的状态相应延长；

在每个脉冲刚开启阶段，当所述电压相位与所述电流相位之间的相位差稳定在一个固定数值时，即实现了所述电压相位与所述电流相位的相位差校准；

校准后的V-I相位差为：

其中，

为第n个周期的V-I相位差；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位。

可选的，计算等离子体的阻抗具体包括：

其中，R(n)为第n个周期的等离子体阻抗的阻性分量；X(n)第n个周期的等离子体阻抗的容性分量；Vrf(n)为第n个周期的电压振幅；Irf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

可选的，计算等离子体的功率方法之一具体包括：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；Vrf(n)为第n个周期的电压振幅；Irf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

可选的，计算等离子体的功率方法之二具体包括：

采用积分公式，第n个周期的等离子体吸收的功率为：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；v(n,t)为测量得到的第n个周期的电压波形；i(n,t)为测量得到的第n个周期的电流波形；T为射频周期。

本发明还提供了一种测量等离子体阻抗和功率的装置，包括：

真空腔室；

所述真空腔室的内部包括平行设置的上电极和下电极，所述上电极和所述下电极之间产生等离子体，工作气体通过所述上电极进入等离子体区域；所述真空腔室的外壁和所述上电极接地；

脉冲射频电源，通过匹配电路与所述下电极连接，用于施加射频电压；

电流探头，与所述下电极连接，用于采集电流波形；

电压探头，与所述下电极连接，用于采集电压波形；

示波器，分别与所述电流探头和所述电压探头连接，用于显示与记录所述电流波形和所述电压波形。

可选的，所述真空腔室、所述上电极和所述下电极均为不锈钢材质。

可选的，还包括真空泵，所述真空泵与所述真空腔室的底部连接，用于抽出反应后的废气。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1)无需要对电压和电流探头的相位延迟进行单独校准，因此具有更高的准确性。

2)可以直接测量等离子体吸收的射频功率。

3)对负载的阻抗类型及大小没有要求，对于变化负载情况(脉冲调制放电过程)，可以测量阻抗及功率随时间的变化。

4)以平行板中气体击穿前后的物理特性变化为基础开展测量，与其他方法相比，具有原创性。

5)与商业传感器只能测量指定频点相比，该发明对频率范围没有特别限制。

6)成本低，原理与步骤简单，只需要电压、电流探头及示波器，一般实验室均可具备该实验条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种测量等离子体阻抗和功率的方法流程图；

图2为本发明实施例2提供的一种测量等离子体阻抗和功率的装置结构示意图；

图3为脉冲调制射频波形与相应的等离子体状态；

图4为不同脉冲“关闭”时长情况下(图中数字代表脉冲“关闭”时长：12.5μs～800μs)，在脉冲“开启”初期，V-I相位差随时间演化；

图5为脉冲开启初期(前5微秒)的电压正弦波形(不同脉冲“关闭”时长对应的电压波形会有差异，这里对应400μs关闭时长)；

图6为脉冲开启初期(前5微秒)的电流正弦波形(不同脉冲“关闭”时长对应的电压波形会有差异，这里对应400μs关闭时长)；

图7为等离子体阻抗分量R和X的变化图(同上，这里对应400μs关闭时长)；

图8为等离子体功率的计算结果图。

符号说明：

1、真空腔室；2、上电极；3、下电极；4、等离子体；5、脉冲射频电源；6、匹配电路；7、电流探头；8、电压探头；9、示波器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

商业上普遍采用的V-I探头：比如英国的impedance公司生产的V-Iprobe，通过标准射频接头接入电路，要求负载的特征阻抗为50欧姆。实际上，平行板容性耦合等离子体的负载为偏容性的，其前端需要一个匹配电路来实现整个负载的50欧姆阻抗。其原理是通过对测量的电压/电流波形的幅值及相位单独进行校准，获得V-I相位差，进而求得功率。然而，V-I相位差的校准过程必须针对某一个频率(或多个指定的频率)，一旦客户指定好，就不可以调整了。因此，在现有技术中存在以下缺陷：

1.采用这种商业传感器测量的功率包括：等离子体功率吸收+匹配电路的功率消耗。因此，不能够直接测量平行板之间的等离子体吸收的功率。

2.只能测量指定的某些频点(比如13.56MHz，27.12MHz，60MHz等)的稳态等离子体吸收的功率。

3.只能给出稳态等离子体功率值，不能记录等离子体点燃过程的功率随时间的快速变化；对阻抗变化的负载，无能为力。

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的问题，而提出了一种测量等离子体阻抗和功率的方法及装置。本发明采用射频功率的脉冲调制的方式，来准确测量耦合到平行设置的上电极和下电极之间的等离子体中的功率随时间的变化。具体来讲，脉冲调制相当于一个开关，见图3，让射频电压波形重复地“开启”与“关闭”。对于给定的脉冲“开启”时长(比如500微秒)，不断地延长脉冲“关闭”时长。当脉冲“关闭”时间足够长时，在每个脉冲“开启”的瞬间，平行板之间的气体处于“准击穿”的状态，这意味着平行设置的上电极和下电极之间的传导电流极低，位移电流占据主导地位，即可以把平行设置的上电极和下电极看成是一个充气的电容器。开启前，平行设置的上电极和下电极的电流与电压之间的相位角为90°，意味着平行设置的上电极和下电极没有功率吸收。通过这一方案，可以校准给定的测量系统的电流(I)与电压(V)波形之间的相位差，及其随时间的变化。进而计算出等离子体吸收的功率随时间的变化。如果脉冲“开启”足够长，等离子体进入稳态，可以通过这种方法计算出连续波驱动等离子体的功率吸收，而且本发明适用于所有电源的射频频率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

请参阅图1，本发明提供了一种测量等离子体阻抗和功率的方法，包括以下步骤：

S1：获取电压波形和电流波形；

具体的，通过电流探头和电压探头进行波形采样；通过示波器进行波形的显示与记录。

S2：根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位；

具体的，将所述电压波形和所述电流波形分别以每个正弦周期为一段分成若干段；

采用MATLAB软件(或其他类似软件)对分段的电压波形和分段的电流波形进行快速傅里叶分析，分别得到每段电压波形的电压振幅和电压相位，和每段电流波形的电流振幅和电流相位；所述电压波形和所述电流波形分别为：

其中，n为第n个周期，为正整数；V(n)为第n个周期的电压；I(n)为第n个周期的电流；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位；ω为脉冲射频电源的角频率。

S3：根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差；

具体的，根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差具体包括：

延长脉冲射频电源的脉冲关闭时长，使等离子体处于熄灭的状态相应延长；

在每个脉冲刚开启阶段，当所述电压相位与所述电流相位之间的相位差稳定在一个固定数值时，即实现了所述电压相位与所述电流相位的相位差校准；

校准后的V-I相位差为：

其中，

为第n个周期的V-I相位差；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位。

测量等离子体功率的关键是V-I相位差的校准。本发明采用的方案是，通过延长脉冲关闭时长，时间的延长通过图4中V-I相位差来确定，随着脉冲关闭时间的延长，等离子体处于熄灭的状态相应延长，这样平行设置的上电极和下电极之间的电子和离子可以充分耗尽。该情况下，上电极和下电极之间几乎没有带电粒子，平行设置的上电极和下电极可以看成是一个真空电容，流过上电极和下电极之间的位移电流占据主导，那么V-I相位差即为90°。从图4可以看到，当脉冲关闭时间延长到400微秒或更长时，V-I相位差可以达到90°，并且维持在90°有十几个射频周期(约1微秒)以上。

在V-I相位差测量时，由于电流探头和电压探头与示波器之间的连线长度不同(连线长度影响输出端相位)，因此显示在示波器上的电压波形和电流波形的相位差无法确定。本发明通过延长脉冲关闭时间，使得V-I相位差变化到某一个值，尤其V-I相位差可以稳定在这个值一定的时长，那么认为这时的V-I相位差即为90°。这就实现了V-I相位差的校准。

图4展示的是不同脉冲“关闭”时长，测量得到的V-I相位差。可以看到当脉冲“关闭”时长达到400μs或800μs，甚至更长时，V-I相位差逐渐增加，然后稳定在某一个数值，这个角度即为90°。通过这种方式，可以校准不同脉冲参数(包括任意的“开启”和“关闭”时长)下的V-I相位差随时间演化。通过记录电流波形与电压波形，可以计算出等离子体功率随时间的演化。

S4：根据所述电压波形、所述电流波形、所述电压振幅、所述电流振幅和所述V-I相位差计算等离子体的阻抗和功率。

其中，可以通过以下方法计算等离子体的阻抗：

其中，R(n)为第n个周期的等离子体阻抗的阻性分量；X(n)第n个周期的等离子体阻抗的容性分量；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

如图7所示，为等离子体阻抗的阻性分量R和容性分量X随时间的变化，具体的，横轴“0”对应脉冲的开启时刻，横轴代表射频周期数，图中采用射频频率为12.5MHz，对应周期为80ns(纳秒)。

不同的脉冲电源关闭时长下，阻抗的变化规律不同。本发明以关闭时长为400微秒为例，描述等离子体阻抗的阻性分量R和容性分量X随时间的变化。等离子体点燃的开始阶段，电阻分量(R)从某一值逐渐减低到零，在某一时刻，剧烈上升，达到一个最大值，然后下降。容性分量(X)开始处于一个较大的值，在同一时刻，跌落到一个较低的值。

然而，等离子体的功率的计算方法有两种方案可选：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

2)：采用积分公式，第n个周期的等离子体吸收的功率为：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；v(n,t)为测量得到的第n个周期的电压波形；i(n,t)为测量得到的第n个周期的电流波形；T为射频周期。一个典型(脉冲关闭时长为400μs)电流波形和电压波形如图5和图6所示。

图8为等离子体功率的计算结果，具体的，根据V-I相位差计算的功率随射频周期数变化，数字对应“脉冲关闭”时长。横轴“0”对应脉冲的开启时刻，横轴代表射频周期数，图中采用射频频率为12.5MHz，对应周期为80ns(纳秒)。

不同的脉冲电源关闭时长下，功率的变化规律不同。以等离子体关闭时长为400微秒或800微秒为例，可以看到最初功率值接近零，在33个射频周期左右，开始急剧上升，达到一个最大之后，逐渐下降。这就是脉冲驱动等离子体开启阶段，功率沉积随时间的演化。

由此可知，本发明对脉冲射频电源进行脉冲调制，通过延长脉冲“关闭”时间，对V-I相位差进行校准，进而得到射频功率和等离子体阻抗随时间的演化过程；当等离子体稳定后，即可得到稳态(连续波驱动)的等离子体对功率的吸收。

需要说明的是，本发明只针对脉冲调控等离子体的功率随时间的变化进行了说明。实际上，大部分的等离子体是通过连续波驱动的，即等离子体处于稳定状态。如果当脉冲开启的时长足够长的话，通过本发明得到的稳定期的功率，即为同样参数下的连续波放电的等离子体的吸收功率。

实施例2：

请参阅图2，本发明还提供了一种测量等离子体阻抗和功率的装置，包括：

真空腔室；

所述真空腔室的内部包括平行设置的上电极和下电极，所述上电极和所述下电极之间产生等离子体，工作气体通过所述上电极进入等离子体区域；所述真空腔室的外壁和所述上电极接地；

脉冲射频电源，通过匹配电路与所述下电极连接，用于施加射频电压；

需要说明的是，脉冲射频电源输出的波形通过匹配电路后连接到下电极。在这种波形的激励下(见图3)，等离子体处于“点燃-熄灭-点燃”不断交替的状态，等离子体的阻抗及吸收功率发生剧烈的变化。

电流探头，与所述下电极连接，用于采集电流波形；

电压探头，与所述下电极连接，用于采集电压波形；

示波器，分别与所述电流探头和所述电压探头连接，用于显示与记录所述电流波形和所述电压波形。

具体的，所述真空腔室、所述上电极和所述下电极电极均为不锈钢材质，也可以是铝或其他。

作为一种可能的实施方式，还包括真空泵，所述真空泵与所述真空腔室的底部连接，用于抽出反应后的废气。

从图2中可以看出，测量功率的位置为下电极下端的接线柱，通过电流探头和电压探头进行波形采样，通过示波器进行波形的显示与记录(波形见图5和图6)。接线柱为一个裸露的金属圆柱体，电流探头为一环形结构，通过BNC接头及同轴线连接到示波器的输入端口。电流探头的环形结构套在接线柱上。电压探头为一个带“钩”的金属导体，将钩子挂到接线柱的螺丝上进行固定。电压探头的另一端，通过BNC接头接入示波器的另一个输入通道。

通过该装置无需要对电压和电流探头的相位延迟进行单独校准，因此具有更高的准确性，而且可以直接测量等离子体吸收的射频功率；另外，成本低，原理与步骤简单，只需要电压、电流探头及示波器，一般实验室均可具备该实验条件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电压波形和电流波形；

根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位；

根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差；

根据所述电压波形、所述电流波形、所述电压振幅、所述电流振幅和所述V-I相位差计算等离子体的阻抗和功率。

2.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，所述获取电压波形和电流波形具体包括：

通过电流探头和电压探头进行波形采样；

通过示波器进行波形的显示与记录。

3.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，根据所述电压波形获取电压振幅和电压相位；根据所述电流波形获取电流振幅和电流相位具体包括：

将所述电压波形和所述电流波形分别以每个正弦周期为一段分成若干段；

对分段的电压波形和分段的电流波形进行快速傅里叶分析，分别得到每段电压波形的电压振幅和电压相位，和每段电流波形的电流振幅和电流相位；所述电压波形和所述电流波形分别为：

其中，n为第n个周期，为正整数；V(n)为第n个周期的电压；I(n)为第n个周期的电流；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位；ω为脉冲射频电源的角频率。

4.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，根据所述电压相位和所述电流相位进行相位差校准，得到V-I相位差具体包括：

延长脉冲射频电源的脉冲关闭时长，使等离子体处于熄灭的状态相应延长；

在每个脉冲开启阶段，当所述电压相位与所述电流相位之间的相位差稳定在一个固定数值时，即实现了所述电压相位与所述电流相位的相位差校准；

校准后的V-I相位差为：

其中，

为第n个周期的V-I相位差；

为第n个周期的电压相位；

为第n个周期的电流相位。

5.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，计算等离子体的阻抗具体包括：

其中，R(n)为第n个周期的等离子体阻抗的阻性分量；X(n)第n个周期的等离子体阻抗的容性分量；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

6.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，计算等离子体的功率方法之一具体包括：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；V_rf(n)为第n个周期的电压振幅；I_rf(n)为第n个周期的电流振幅；

为第n个周期的V-I相位差。

7.根据权利要求1所述的测量等离子体阻抗和功率的方法，其特征在于，计算等离子体的功率方法之二具体包括：

采用积分公式，第n个周期的等离子体吸收的功率为：

其中，P(n)为第n个周期的等离子体吸收的功率；v(n,t)为测量得到的第n个周期的电压波形；i(n,t)为测量得到的第n个周期的电流波形；T为射频周期。

8.一种测量等离子体阻抗和功率的装置，其特征在于，包括：

真空腔室；

所述真空腔室的内部包括平行设置的上电极和下电极，所述上电极和所述下电极之间产生等离子体，工作气体通过所述上电极进入等离子体区域；所述真空腔室的外壁和所述上电极接地；

脉冲射频电源，通过匹配电路与所述下电极连接，用于施加射频电压；

电流探头，与所述下电极连接，用于采集电流波形；

电压探头，与所述下电极连接，用于采集电压波形；

示波器，分别与所述电流探头和所述电压探头连接，用于显示与记录所述电流波形和所述电压波形。

9.根据权利要求8所述的测量等离子体阻抗和功率的装置，其特征在于，所述真空腔室、所述上电极和所述下电极均为不锈钢材质。

10.根据权利要求8所述的测量等离子体阻抗和功率的装置，其特征在于，还包括真空泵，所述真空泵与所述真空腔室的底部连接，用于抽出反应后的废气。

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