TWI816039B - 電漿產生系統 - Google Patents

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TWI816039B TW109118172A TW109118172A TWI816039B TW I816039 B TWI816039 B TW I816039B TW 109118172 A TW109118172 A TW 109118172A TW 109118172 A TW109118172 A TW 109118172A TW I816039 B TWI816039 B TW I816039B
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肯尼斯 崔恩宏
莫漢默德 卡瑪里
穆罕默德 沙辛
布萊恩 伽勒文
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Abstract

本發明揭示一種電漿產生系統及方法，其包含連接之固態產生器模組。該等固態產生器可連接至一共用參考時脈以產生一輸出，及/或可使用一相位最佳化技術組合。

Description

電漿產生系統
本發明係關於半導體處理，且更特定言之，本發明係關於用於產生RF或微波功率之系統及方法。
既有固態微波發電機通常組合若干中型電源以達成一所需總輸出功率。由於組合功率係單源之向量和，因此通道之間的振幅及相位失衡導致功率損失。儘管振幅差通常被校正，但在目前最先進固態產生器中，相移無法被校正。較高功率及效率單元(例如CVD合成鑽石生長)之市場要求對有效最小化相位相關損失造成嚴重威脅。
發電可用於半導體處理期間自乾燥至電漿產生之各種應用中。在半導體晶圓處理(諸如剝離、蝕刻、沈積)或高端工業電漿處理(諸如工業工具及硬體之用於塗佈之電漿輔助物理汽相沈積或PAPCVD)之一處理室中產生電漿之習知方法中，利用RF或微波輸入之一單一入口。此單一入口引起強度及密度兩者之非均勻電漿形成。在一些系統中，為在一定程度上減輕此缺點，一簇射頭可用於分佈電漿。然而，簇射頭無法在處理室或處理腔中提供一理想電漿形成。半導體工業內之一些已知系統採用若干不同RF產生器來操縱電漿，使用非常龐大磁侷限。如此之一缺點係 各RF產生器具有一振盪器且設定為自身相位以產生低效率、局部加熱及非諧振振盪。
此外，阻抗調諧通常藉由量測一給定面積之反射功率量且改變信號頻率以最大化所吸收之正向功率量來完成。此之缺點係自最小值掃掠至最大值尋找信號且選擇最低反射功率需要時間。因此，此方法無法在動態條件下即時有效執行。
此外，處理室或其類似者(例如電漿管或處理腔)之劣化仍為電漿產生系統及程序之一關注點。隨著電漿管、處理室或處理腔重複及/或連續暴露於惡劣電漿環境，電漿管、處理室及/或處理腔之表面條件歸因於表面與電漿之相互作用而劣化。通常，相互作用或劣化以一蝕刻程序之形式發生。程序最常發生於表面材料(其可為(例如)金屬或介電質，諸如石英、藍寶石、陶瓷、其他介電質)暴露於氟化電漿化學物質(諸如NF3或CF4)或氯基化學物質時。
鑑於上述需要，在至少一態樣中，本發明係關於一種產生具有提高通量及更佳良率之一均勻電漿之系統及方法。在一些情況中，本發明在一處理室內組合功率之前將若干RF/微波模組相位鏈接在一起。在處理室內量測阻抗以導出處理室之效能特性。判定個別RF產生器之阻抗，且藉由知道個別產生器之阻抗(及因此相位、振幅及頻率)來操縱及調諧處理室內之電漿以最小化反射功率及/或誘發室中之一均勻電漿用於一半導體基板上之改良程序執行。亦可依靠量測阻抗來識別未知程序氣體且監測處理室之壽命。所描述之系統及方法亦可判定組合電源之間的一最佳相移以最大化輸出功率及效率。
在至少一態樣中，本發明係關於一種電漿產生系統，其具有一參考時脈、複數個固態產生器模組及一處理室。該參考時脈經組態以產生一參考信號。各固態產生器模組鏈接至一電子開關且各電子開關鏈接至該參考時脈。各固態產生器模組經組態以基於來自該參考時脈之該參考信號產生一輸出。該處理室經組態以接收該等固態產生器模組之至少兩者之該輸出以在其內組合該等固態產生器模組之該等輸出。
在一些實施例中，該電漿產生系統包含經組態以將至該處理室之一輸入處之一信號解調變為一I/Q信號之一I/Q調變器。接著，該電漿產生系統可經進一步組態以：判定該I/Q信號之一電壓駐波比(VSWR)及一反射係數；基於該VSWR及該反射係數計算該等固態產生器模組之一者之一第一阻抗；及基於該第一阻抗計算該處理室內之該等固態產生器模組之一組合輸出功率之一第二阻抗。在一些實施例中，該電漿產生系統經進一步組態以基於該第二阻抗調整該等固態產生器模組之至少一者之相位、振幅及頻率。
該電漿產生系統可經組態以監測該處理室之阻抗隨時間之一改變。在一些實施例中，該電漿產生系統經組態以基於該處理室之阻抗隨時間之該改變判定該處理室之一剩餘壽命。該電漿產生系統可經組態以基於該處理室之該剩餘壽命發出一警告。該電漿產生系統可包含儲存複數個氣體之阻抗值之一資料庫，且該系統可經組態以基於該處理室之阻抗隨時間之該改變，使用該資料庫來識別該處理室內之一程序氣體。
在一些實施例中，該等固態產生器模組連接成一鎖相迴路(PLL)，使得該等固態產生器模組之該等輸出具有一共用相位。在一些情況中，各固態產生器模組包含連接至該電子開關之一PLL參考輸入及連接 至該電子開關及一合成器之一PLL參考輸出，該合成器連接至一第二電子開關以脈衝調變該固態產生器模組之該輸出。
在至少一態樣中，本發明係關於一種使用一發電系統產生功率之方法。使用複數個固態產生器模組產生複數個輸出。在一組合器中使用一相位最佳化技術組合來自複數個通道之該等固態產生器模組之該等輸出以產生一同相組合輸出功率。
在一些實施例中，該相位最佳化技術包含判定該等通道之至少一者之一相移及使該至少一通道相移。在一些情況中，該複數個通道包括三個通道。接著，該相位最佳化技術可包含接通該等通道。判定一第一通道、一第二通道及一第三通道。該第二通道基於該第一通道及該第三通道之一和相移以產生一最佳化第二通道。該第三通道基於該第一通道及該最佳化第二通道之一和相移。在一些實施例中，該方法包含至少一額外通道且該相位最佳化技術包含針對各額外通道，使該額外通道相移以基於包含任何最佳化通道之所有其他通道之一和產生一最佳化額外通道。在一些情況中，使該第二通道相移、使該第三通道相移及使額外通道相移之步驟重複複數次。
在一些實施例中，該相位最佳化技術包含使用一演算法判定該等通道之至少一者之一相移，該演算法包括以下之至少一者：二分法、高耳澤-賴因施(Goertzel-Reinsch)演算法或離散傅立葉變換。在一些實施例中，該複數個通道包括三個通道且該相位最佳化技術包含：判定一第一通道、一第二通道及一第三通道；接通該第一通道及該第二通道；使該第二通道相移以匹配該第一通道之一輸出；切斷該第二通道且接通該第三通道；及使該第三通道相移以匹配該第一通道之該輸出。
在一些實施例中，該方法包含至少一額外通道且該相位最佳化技術包含針對各額外通道：接通該第一通道及該額外通道，所有其他通道被切斷；及使該額外通道相移以匹配該第一通道之該輸出。
在一些實施例中，該方法包含提供該同相組合輸出功率至一波導輸出。在一些實施例中，該等固態產生器模組連接成一鎖相迴路(PLL)，使得該等固態產生器模組之該等輸出具有一共用相位。
在至少一態樣中，本發明係關於一種發電系統，其具有經組態以產生複數個輸出之複數個固態產生器模組及一組合器。該組合器經組態以使用一相位最佳化技術組合來自複數個通道之該等固態產生器模組之該等輸出以產生一同相組合輸出功率。
100:系統
102:主電源及控制模組
104:固態產生器
104a至104n:固態產生器
106a,106b:射頻(RF)源模組
108a,108b:RF負載模組
112a,112b:輸入
114a,114b:波導
120a,120b:輸出
122:處理室
124:處理基板
126:加熱卡盤
128a,128b:RF或微波能
130:進氣口
200:鎖相迴路(PLL)
202:輸入信號Vi
204:相位比較器
206:迴路濾波器
208:電壓控制振盪器
210:輸出信號Vo
300:電路
302:參考輸出
304:參考輸入
306:電子開關
308:參考時脈
310:合成器
312:正向功率偵測器
314:正向/反射功率偵測器
316:I/Q調變器
318:RF跨導放大器
320:電子開關
400:微波發電系統/發電機
402:RF產生器
402a至402j:RF產生器
404:參考輸入
406:參考輸出
408:處理室
412:系統控制器
500:I/Q調變器
502:BBi
504:BBq
600:極座標圖
602:橫軸
604:縱軸
702:上圖
704:下圖
800:史密斯圖
802:史密斯圖
900:發電系統
902:發電機模組/產生器模組
902a至902d:發電機模組/產生器模組
904:功率組合器
906:波導輸出
908:處理模組/處理器
910:電源
912:輸入/輸出(I/O)裝置
1000a:圖形
1000b:圖形
因此，所揭示之系統所屬技術之一般者將更容易理解如何製造及使用系統，可參考以下圖式。
圖1係根據本發明之一電漿產生系統之一示意性方塊圖。
圖2係可包含為根據本發明之一電漿產生系統之部分之一例示性鎖相迴路(PLL)電路之一功能方塊圖。
圖3A係根據本發明之一例示性RF產生器之一電路組態之一方塊圖。
圖3B至圖3C係圖3A之電路之部分之方塊圖。
圖4係根據本發明之另一電漿產生系統之一示意性方塊圖。
圖5係作為根據本發明所組態之一系統之部分之一I/Q調變器之電路系統之一示意性功能方塊圖。
圖6展示一I/Q信號之例示性極座標圖。
圖7係根據本發明之比較發電機之個別功率與組合功率之一圖形。
圖8A係一例示性史密斯圖(Smith Chart)。
圖8B展示根據本發明之具有經添加用於一系統及程序內之等值線之例示性史密斯圖。
圖9係根據本發明之一例示性發電系統之一示意性方塊圖。
圖10A係展示根據本發明之相位最佳化之一方法之一部分的一圖形。
圖10B係展示根據本發明之相位最佳化之一方法之另一部分的一圖形。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2020年5月22日申請且名稱為「SYSTEM AND METHOD OF POWER GENERATION WITH PHASE LINKED SOLID-STATE GENERATOR MODULES」之美國非臨時申請案第16/881,458號、2020年5月22日申請之名稱為「SYSTEM AND METHOD OF POWER GENERATION WITH PHASE LINKED SOLID-STATE GENERATOR MODULES」之美國非臨時申請案第16/881,390號之優先權且主張2019年5月31日申請且名稱為「PHASE LINKING OF MULTIPLE SOLID-STATE GENERATOR MODULES AND SMART PALLETS FOR PLASMA GENERATOR」之美國臨時專利申請案第62/855,136號之優先權及權利，該等案之內容以宛如全文闡述引用的方式併入本文中。
本發明克服與發電機系統及方法相關聯之諸多先前技術問題。簡言之，本發明提供一種組合來自若干鎖相RF或微波功率模組之功率之系統及方法。一般技術者將自結合闡述本發明之代表性實施例之圖式之特定較佳實施例之以下詳細描述更容易明白本文所揭示之系統及方法之優點及其他特徵。相同元件符號在本文中用於指示相同部分。此外，指示定向之用語(諸如「上」、「下」、「遠端」及「接近」)僅用於幫助描述組件相對於彼此之位置。例如，一部分之一「上」表面僅意謂描述與相同部分之「下」表面分離之一表面。無指示定向之用語用於描述一絕對定向(即，其中一「上」部分必須總是位於頂部上)。
現參考圖1，以100大體上展示根據一些例示性實施例之具有鎖相固態RF產生器(或微波產生器)之一電漿產生系統之一示意性方塊圖。系統100包含產生一處理室122之一輸出120a、120b能量之一主電源及控制模組102。主電源及控制模組102包含若干固態產生器104a、104b，其係主電源及控制模組102之子模組。儘管例示性電源及控制模組102包含兩個固態產生器104a、104b，但應瞭解，此僅為了便於闡釋。在其他情況中，若干額外固態產生器104c、104d、104e...104n(統稱104)可包含於控制模組102中且可根據本文之教示運行。例如，在一些情況中，電源及控制模組102可包含10個固態產生器104。產生器104經相位鏈接且發出一共用時脈信號以誘發鎖相迴路(PLL)操作，如本文將更詳細討論。各固態產生器104包含一RF源模組106a、106b及一RF負載模組108a、 108b。RF源模組106a、106b控制個別固態產生器104a、104b之頻率、相位及功率。RF負載模組108a、108b量測負載阻抗且有效量測各個別產生器104a、104b之負載阻抗之相位及振幅。
來自各固態產生器104a、104b之一輸出120a、120b提供產生器功率至一各自輸入112a、112b，各自輸入112a、112b經由波導114a、114b(或同軸電纜輸送組件或其類似者)將RF或微波能128a、128b耦合至處理室122。RF或微波能128a、128b之頻率、相位及功率係輸入112a、112b經由波導114a、114b耦合至處理室中之結果。處理室122(其可為一腔、電漿管或其類似者)形成一反應室。反應室122內之一處理基板124(或半導體晶圓或其類似者)在一加熱卡盤126上預加熱至一處理溫度。一進氣口130視一特定電漿處理方案需要而將處理氣體輸送至處理室122中。
輸入112a、112b含有RF或微波能128a、128b之頻率、相位及功率(f1、φ1、P1及f2、φ2、P2)。因此，RF負載模組108a量測輸出120a與輸入112a之間的負載阻抗(且有效量測相位及振幅)。同樣地，RF負載模組108b量測輸出120b與輸入112b之間的負載阻抗。基於來自各自RF負載模組108a、108b之量測，RF源模組104a、104b可接著操縱RF或微波能128a、128b以改變頻率、相位及功率以提供處理室122內之空間效能管理。應瞭解，系統100亦可包含實施本文所描述之系統100之功能所需之處理器、資料及其他處理組件。
如上所述，系統100之產生器104配置成一PLL。現參考圖2，以200大體上展示一例示性PLL之一功能方塊圖。顯而易見，儘管PLL之各種組態可實施於本發明之一系統中，但PLL 200係一此一系統之一實 例。例示性PLL 200採用一輸入信號Vi 202且產生具有一相關相位之一輸出信號Vo 210。PLL 200具有產生一週期信號之一電壓控制振盪器208。一相位比較器204比較來自振盪器208之週期信號之相位與輸入信號Vi 202之相位以調整振盪器208以保持相位匹配。PLL 200亦包含一迴路濾波器206，其可為一低通濾波器或其類似者。迴路濾波器206一般用於判定迴路動態且限制施加於振盪器208之輸入之參考頻率能量。顯而易見，匹配輸入及輸出相位亦需要保持輸入及輸出頻率相同。因此，PLL 200可另外追蹤輸入頻率且因此匹配輸出頻率。
現參考圖3A至圖3C，以300大體上展示一例示性RF產生器之電路組態。特定言之，圖3A描繪一RF產生器之電路300。圖3B至圖3C各描繪RF產生器之電路300之一部分。RF產生器可提供(例如)一250瓦特RF源，其充當本文所展示及描述之微波發電系統之部分。配置於根據本文之教示之一系統中之RF產生器之任何者(例如RF產生器104a、104b)可根據例示性電路300運行。應瞭解，電路300經展示及描述以僅教示系統內之一RF產生器之一可能電組態。可在其他實施例中提供一較高或較低功率RF源。類似地，本文所描述之電路300之所有組件提供為一有效電路之一實例，應瞭解，在其他情況中，電路可經不同組態，同時仍有效充當本文所展示及描述之系統之部分。
如圖3B中最佳所見，電路300包含一PLL參考輸入304(「參考輸入」)、一PLL參考輸出302(「參考輸出」)、一電子開關306、一參考時脈308及一合成器310。參考輸入302連接至電子開關306，電子開關306繼而連接至參考時脈。參考時脈308省略一週期信號，諸如一1MHz時脈信號。參考輸出302亦連接至開關306及合成器310，合成器310 可為一2.4GHz至2.5GHz合成器。合成器310連接至另一電子開關320，電子開關320用於相位調變所要脈衝上升及下降及寬度時間之信號。
現參考圖4，以400大體上展示作為根據本發明之一電漿產生系統之部分之一例示性微波發電系統。除本文另有展示及描述之外，系統400可類似於系統100運行，且反之亦然。微波發電系統400包含10個連接之RF產生器402a至402j(例如，類似於固態產生器104a、104b般組態)，但應瞭解，亦可使用不同數目個產生器402a至402j(統稱402)。在一些情況中，RF產生器402可為250瓦特功率，但亦可使用其他功率位準。一系統控制器412包含一處理器及記憶體以控制發電機400之操作。系統控制器412可執行程式化指令(諸如演算法或其類似者)以引起系統400根據本文之教示操作。此外，系統控制器412可包含用於儲存量測或輸入資料之記憶體，其包含本文所描述之資料庫。來自產生器402之一組合功率提供至一處理室408。
各RF產生器402包含一各自參考輸入404及參考輸出406，其等可類似於參考輸入302及參考輸出304般組態。特定言之，參考輸入404及輸出406連接於RF產生器402之間用於PLL操作。參考輸入404及輸出406將各RF產生器402連接至相同電子開關306(參閱圖3A至圖3C之電路300)以將各RF產生器402同時連接至相同參考時脈308，使得其等依相同週期信號操作。共用相同時脈308誘發RF產生器402之間的鎖相迴路(PLL)操作，如上文所描述。此允許所有RF產生器402相位鏈接以導致最高效且不具有功率損失之組合RF產生器402之一功率和。
例如，現參考圖7，展示組合產生器功率之一例示性圖形。上圖702中展示來自各個別產生器402之功率輸出。下圖704中展示所 有產生器402之組合功率。相位鏈接允許產生器402之輸出彼此上下疊加而無重疊。因而，各產生器402個別輸出具有振幅P1之一功率。假定「n」個產生器402，產生器經相位鏈接且其組合功率因此為「n」乘以P1之一乘積。此產生所有個別產生器之一最大求和(振幅「n×P1」)，如作圖704中所展示。此對於亦呈一PLL配置之圖1之產生器104之功率組合而言情況類似。相比而言，缺乏相位鏈接導致個別RF產生器功率求和時之低效率。
再次參考圖3A至圖3C且如圖3C中最佳所見，電路300包含可用於藉由監測多個信號且透過IQ調變器316分析資料來即時量測阻抗之一正向功率偵測器312、一正向/反射功率偵測器314。一RF信號施加於RF跨導放大器318之輸入且接著由IQ調變器316使用正交LO信號解調變為I/Q基頻信號(「I」指稱信號之「同相」分量，而「Q」表示正交分量)。正交LO信號由90°相移器自一LO源(例如合成器310)內部產生。
現參考圖5，展示一I/Q調變器500之電路系統之一例示性示意性功能方塊圖。本文所描述之其他I/Q調變器(諸如I/Q調變器316)可根據I/Q調變器500組態。在一些特定例示性實施例中，設計併入Texas Instruments TRF372017積體IQ調變器PLL/VCO或類似電路系統。TRF372017係一高效能、高線性度、低雜訊IQ調變器及一整數-小數PLL/VCO。「LO」可用作為具有獨立分頻器之一輸出，但可自一外部LO或VCO接受輸入，在例示性實施例中，其係來自合成器310之參考信號。
BBi 502係與同相分量之正及負態樣相關之一組差動信號。BBq 504係與正交分量之正及負態樣相關之一組差動信號。此係指相位差為90°之一對週期信號。同相及正交分量係指具有相同頻率且90°異相之兩個正弦波。依據慣例，「I」信號係一餘弦波形且「Q」信號係正弦波 形。由於一正弦波相對於一餘弦波移位90°，因此表達此之另一方式係正弦波及餘弦波「正交」。
現參考圖6，以600大體上展示一I/Q信號(例如作為電路300之部分)之例示性極座標圖。當使用略微改變一載波之頻率之一波形調變載波時，調變信號可被視為一相量。作為一相量，其具有一實部及一虛部兩者。實數分量與同相或「I」(橫軸602)相關，而虛部係正交或「Q」(縱軸604)。使用調變信號之「I」分量及「Q」分量兩者及已鎖定至載波信號之一接收器，資訊可繪示於極座標圖600上。一旦經繪製，則RF信號可在極座標中由振幅及相位表示或在x-y座標中表示為x及y向量之量值。正交信號由90度混合產生。I/Q信號之振幅及極性判定I/Q向量(經調變RF載波)之經轉化振幅及相位。已知振幅及相位，可計算電壓駐波比(VSWR)及複數反射係數。
再次參考圖4，藉由將多個相位鏈接之產生器402運行至一單一腔或電漿源(諸如處理室408)中，可在至處理室408中之輸入之入口(例如天線)處執行即時阻抗量測，且因此可判定VSWR。已知VSWR及複數反射係數，吾人可計算處理室408中之微波或RF能之相位及振幅。以下係用於如此計算之例示性而非排他性公式：ρ=Vmax/Vmin 方程式1
Γ=(1-ρ)/(1+ρ) 方程式2
Γ∠°=Vref/Vfwd 方程式3
Γ=(ZL-Z0)/(ZL+Z0) 方程式4
在上述方程式中，ZL及Z0分別為負載及特性負載阻抗。變數ρ係電壓駐波比(VSWR)。Vmax係VSWR最大電壓中所界定之電壓最大 值，且Vmin係一典型輻射源之VSWR最小電壓中所界定之電壓最小值。Γ係反射係數之絕對值，其通常界定為Γ∠°，其中∠°係與複數反射係數相關聯之界定相位。Vref係反射電壓且Vfwd係正向或入射電壓。
鑑於上文，系統400計算與各產生器402相關聯之空間阻抗。藉由知道各產生器402之空間阻抗，系統400可計算所有產生器402之空間阻抗以因此給出至處理室408中之所有相關聯輸入之阻抗。接著，系統控制器412可調整至處理室408中之輸入以操縱及調諧輸入，如本文所更詳細討論。藉由使用至室408中之多個入口及藉由調整各個別產生器402之相位、振幅及頻率，系統400可操縱一空間組態中之不同位置處之電漿及依據振幅及密度兩者產生理想均勻電漿之方式以減輕本文所討論之習知方法之缺點。
類似地且舉另一實例而言，再次參考圖1(其中一基板124(或半導體晶圓)定位於一處理室122內)，系統100能夠計算各RF產生器輸出120a、120b或處理室輸入112a、112b之阻抗。接著，系統100可使用一基於電腦及軟體之演算法操縱及調諧所有輸入112a、112b之相位、振幅及頻率且繪製所得輸出。另外，可改變相位、振幅及頻率以調諧一均勻電漿效能以導致一較佳程序效能、較快通量及較佳及改良良率及較小基板或晶圓批次間變動。依此方式，藉由使用多個入口及藉由調整各個別RF或微波輸入能之相位、振幅及頻率，吾人可操縱一空間組態中之不同位置處之電漿及依據振幅及密度兩者產生理想均勻電漿之方式以減輕本文所描述之習知方法之缺點。
藉由誘發均勻電漿，吾人可有效提高半導體處理基板之效能。一均勻電漿可提供一較快效能，因為若存在非均勻電漿，則遭受一半 導體處理之基板(例如基板124)將暴露於過度處理(諸如過度蝕刻、過度灰化或過度沈積)以覆蓋暴露於較低電漿量級或強度之晶圓之區域。藉由消除此過度處理(如本文所討論)來提高半導體處理之通量。另外，根據例示性實施例所產生之均勻電漿可提供一較佳良率，因為上文所描述之過度處理(過度蝕刻、過度灰化及過度沈積)通常將導致非理想良率，因為過度處理會損壞由先前程序步驟產生之下層。另外，批次間變動亦可藉由利用均勻電漿減輕。均勻電漿將在完成一成品基板124所需之眾多步驟期間採取之每個單一所需步驟上提供整個基板124之相同半導體效能。
此外，處理室或其類似者(例如電漿管或處理腔)之劣化仍為電漿產生系統及程序之一關注點。在一些情況中，系統100可連續或依特定時間間隔量測阻抗且將阻抗隨時間之改變儲存於一資料庫或其類似者中。當處理室內之表面受侵蝕時，可比較受侵蝕表面之阻抗與系統之資料庫內之儲存阻抗資料以判定表面已被侵蝕。依此方式，可準確監測處理腔之壽命且可採取適當措施。
現參考圖8A、圖8B，本文所描述之系統可經組態以採用上述技術將藉由知道電漿之阻抗來處理之那些程序氣體判定為電容性或電感性。圖8A展示一史密斯圖800，其係用於判定一輸送系統中之一微波或RF功率之特性之一圓形微波或RF阻抗圖。圖8B展示已被標記以展示一史密斯圖如何用於本文所描述之系統內之例示性史密斯圖802。史密斯圖802包含能量之VSWR(ρ)、反射係數(Γ)及相位(φ)之等值線，因為一半可指示為電容性且另一半指示為電感性。接著，系統可藉由比較結果與一查找表來判定程序氣體之性質。在一些例示性實施例中，此查找表可包含用於一半導體基板之處理中之所有典型氣體之特性阻抗。
例如，系統(例如系統100、400)可包含所有半導體處理氣體之一綜合資料庫。特定言之，資料庫可包含最常用於電漿產生程序中之氣體，諸如O2、N2、H2、Ar、氟基氣體、氯基氣體及上述之組合。此等氣體之指涉物可與根據本發明所量測之其相關聯阻抗一起儲存於資料庫中。接著，可比較一未知氣體之一量測阻抗與資料庫以判定未知氣體之屬性。識別一處理氣體之此程序可為有利的。例如，若記錄一運行電漿之阻抗且將其報告給一工廠，則可判定終端使用者在其半導體處理方案中運行哪些氣體。
監測處理室(例如處理室122、408)之阻抗之此技術亦可用於藉由監測處理室122、408之阻抗之改變來判定處理室122、408之一壽命或替換時間。在一些情況中，系統100、400可量測阻抗且同時或依特定時間間隔將阻抗隨時間之改變儲存於一處理器、資料庫或其類似者中。處理室122、408之正常蝕刻及降級將導致室阻抗之一改變且因此導致處理室122、408之蝕刻之一指示。可比較受侵蝕表面之阻抗與系統之資料庫內之儲存阻抗資料以判定表面已被侵蝕。依此方式，可準確監測處理室122、408之壽命且可採取適當措施。此係有利的，因為可由系統100、400警告半導體晶圓使用者處理室122、408之終止壽命。隨著電漿處理室122、408之阻抗歸因於由電漿與暴露表面之相互作用引起之受侵蝕電漿管表面之劣化而改變，系統100、400可產生一或多條訊息且將其顯示給使用者以告知使用者當前條件。例示性訊息可包含「管侵蝕在接近維修時間」、「警告：管已劣化需要替換」及/或其他警告或替換訊息或其類似者以通知使用者系統100、400之一狀態及/或一可能建議或需要維修措施。此在半導體處理中特別有益，因為半導體處理之「工作時間」係至關重要 的。因此，自預見及計劃可能停工時間之觀點看，使終端使用者預先知道一可能維修活動可能非常有幫助。
現參考圖9，展示一例示性發電系統900之一方塊圖。除本文另有展示及描述之外，系統900可經組態以類似於先前所描述之系統100、400般產生功率。
系統900包含由一電源910供電且連接成一PLL之若干個別發電機模組902a至902d(統稱902)。系統900採用高頻菊鏈以允許同調激發多個RF放大器鏈及(例如)依1.4度步進360度激發一相移器。應瞭解，儘管依舉例方式展示4個單獨1 kw發電機模組，但在其他實施例中，可使用不同數目個產生器模組902，如可為不同功率之產生器模組。不同於本文所描述之其他系統100、400，產生器模組902無需連接至一共用參考時脈，而是採取其他步驟來達成相位最佳化。來自產生器模組902之功率在一功率組合器904中組合且針對若干通道最佳化。接著，功率可經由一波導輸出906提供至一源(本文未展示)。源可為用於處理一半導體基板或用於乾燥食物或其他應用之一處理室，如上文所討論。
系統900亦包含可執行程式化指令(諸如演算法或其類似者)以引起系統900根據本文之教示操作之一處理模組908。處理模組908亦可包含用於儲存量測或輸入資料之記憶體，其包含資料庫或其類似者。處理器908連接至一輸入/輸出(I/O)裝置912。I/O裝置912可包含允許一使用者輸入資料、控制、設定或對系統900作出其他改變之輸入裝置，諸如按鈕、鍵盤、滑鼠或其他已知輸入裝置。I/O裝置912亦包含可向使用者顯示關於系統900之資訊之一輸出部分。例如，I/O裝置912可包含輸出能力，諸如警告燈或展示圖形、警告或其他視覺指標之一螢幕。
在一習知系統中，自裝置不均勻性或製造容限之振幅及相位變動可導致不同功率模組之間的不完全功率求和以造成組合效率降低。相比而言，系統900能夠在組合器904內組合功率以平衡各種通道之相位及振幅。特定言之，系統900採用最佳化系統900之通道之間的相位之一方法。系統900程式化各產生器模組902之振幅及相位且量測組合器904之輸出功率以判定各發電機模組902之最佳相位以最大化輸出功率，同時最小化損失。
系統900可採用各種最佳化技術執行演算法以最大化輸出功率。一此最佳化技術包含實施二分法以使兩個通道相位對準。藉由繪製系統900之輸出功率，可看出，依據相位角而變化之系統900之組合輸出功率P(θ)係單峰的(即，其僅具有一個最小值/一個最大值)。因此，在一些情況中，可應用二分法找到一最佳值。例如，符號f(x)在本文中用於P(θ)。鑑於f(x)之一區間，當存在點之三元組a<b<c時，將一最小值用括弧括起來，使得f(b)小於f(a)及f(c)兩者。在此一情況中，函數(非奇異)在區間[a,c]中具有一最小值。接著，二分演算法選擇a與b之間或b與c之間的一新點x。針對本實例，假定在b與c之間選擇一點x。接著，評估函數f(x)。
若f(b)<f(x)，則點之新括弧三元組係(a；b；x)，如圖10A之圖形1000a中所展示。若f(b)>f(x)，則點之新括弧三元組係(b；x；c)，如圖10B之圖形1000b中所展示。無論何種情況，新三元組係其縱座標係目前所達成之最佳最小值之橫座標。重複此程序，直至區間足夠小，其可基於系統900之晶片解析度之限制。因此，可執行若干重複，直至區間匹配系統900之晶片解析度。
最佳括弧區間(a；b；c)使其中點b與a相距一小數距離0.38197及與b相距一小數距離0.61803，如以下方程式所給出：
Figure 109118172-A0305-02-0020-2
Figure 109118172-A0305-02-0020-3
方程式5及6之小數係「黃金律」或「黃金分割」。因此，待使用之下一點係一小數0.38197，其處於兩個區間(自三元組之中心點量測)之較大者中。應注意，可應用此方法找到最小或最大輸出功率。在一些情況中，找到最小值可為一更穩健及更快方法，因為最小值附近之梯度高很多。另外，使用最小值允許隨後執行振幅最佳化。不足之處係在使用最小值時，系統900被迫進入最差組態之區域。
依據相位角而變化之系統900之組合輸出功率之振幅P(θ)亦係一週期函數。因此，可使用三角內插，即，可使用三角函數之一有限和以根據以下方程式之任一者內插週期函數：
Figure 109118172-A0305-02-0020-5
Figure 109118172-A0305-02-0020-6
為評估ak及bk，可使用一高耳澤-賴因施演算法或直接離散傅立葉變換演算法。在本實例中，僅關注第一係數a1及b1，因此更完整傅立葉級數分析僅添加複雜性而不產生額外優點。在一些情況中，此方法可比先前所討論之二分法更穩健及更快。然而，此方法需要所有相位範圍內之值，其包含最差情況組態之區域中之相位值。
當兩個放大器(例如兩個產生器模組902)驅動組合器904時，使用上述例示性方法描述最佳化。當兩個產生器模組902驅動組合器904且四個通道在組合器904輸出中組合時，可藉由首先接通通道1及2來 實施最佳化。執行通道2之最佳化以根據上述演算法與通道1匹配。接著，切斷通道2且接通通道3。執行通道3之最佳化以根據上述演算法匹配通道1。接著，切斷通道3且接通通道4。執行通道4之最佳化以根據上述演算法匹配通道1。接著，最佳化所有通道以匹配通道1，且因此達成一整體相位匹配。
當使用額外產生器模組902時，通道最佳化可一次一個通道地進行且接著視需要重複。假定4個通道，通道1可保持不變(週期性0)。接著，通道2可以通道1之週期性旋轉。接著，通道3可以通道2之週期性旋轉。接著，通道4可以通道3之週期性旋轉。此允許同時輸出組合器904之不同頻率輸出。
例如，當四個發電機模組902驅動組合器904時，四個通道之最佳化可進行如下。首先，接通所有通道。接著，執行通道2之最佳化以使用上述演算法之一者匹配其他通道之和。此使通道2與匹配通道1、3及4之原始和。接著，可執行通道3之最佳化以使用上述演算法之一者匹配其他通道之和以使通道3與通道1及4之和加通道2之改良匹配。接著，可執行通道4之最佳化以使用上述演算法之一者匹配其他通道之和，其包含通道2及3之改良。接著，可重複最佳化通道2至4之此等步驟，直至匹配滿足整個系統900之所要準確度。
本文所展示之組件之所有定向及配置僅用於例示。此外，一般相關技術者應瞭解，在替代實施例中，若干元件之功能可由較少元件或一單一元件實施。類似地，在一些實施例中，任何功能元件可執行少於或不同於相對於所繪示之實施例所描述之操作之操作。另外，為了說明而展示為不同之功能元件可併入一特定實施方案中之其他功能元件內。
儘管已相對於較佳實施例描述本發明，但熟習技術者將易於瞭解，可在不背離本發明之精神或範疇之情況下對本發明進行各種改變及/或修改。例如，各請求項可依多重附屬方式附屬於任何或所有請求項，即使此最初未主張。
100:系統
102:主電源及控制模組
104a至104n:固態產生器
106a,106b:射頻(RF)源模組
108a,108b:RF負載模組
112a,112b:輸入
114a,114b:波導
120a,120b:輸出
122:處理室
124:處理基板
126:加熱卡盤
128a,128b:RF或微波能
130:進氣口

Claims (17)

  1. 一種電漿產生系統，其包括：一參考時脈，其經組態以產生一參考信號；一電子開關，其鏈接至該參考時脈；複數個固態產生器模組，各固態產生器模組鏈接至該電子開關，該等固態產生器模組各經組態以基於來自該參考時脈之該參考信號產生一輸出，使得該複數個固態產生器模組依相同週期信號(operate off the same periodic signal)操作；及一處理室，其經組態以接收該等固態產生器模組之至少兩者之該輸出以在其內組合該等固態產生器模組之該等輸出。
  2. 如請求項1之電漿產生系統，其進一步包括經組態以將至該處理室之一輸入處之一信號解調變為一I/Q信號之一I/Q調變器，其中該電漿產生系統經進一步組態以：判定該I/Q信號之一電壓駐波比(VSWR)及一反射係數；基於該VSWR及該反射係數計算該等固態產生器模組之一者之一第一阻抗；及基於該第一阻抗計算該處理室內之該等固態產生器模組之一組合輸出功率之一第二阻抗。
  3. 如請求項2之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以基於該第二阻抗調整該等固態產生器模組之至少一者之相位、振幅及頻率。
  4. 如請求項2之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以監測該處理室之阻抗隨時間之一改變。
  5. 如請求項4之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以基於該處理室之阻抗隨時間之該改變判定該處理室之一剩餘壽命。
  6. 如請求項5之電漿產生系統，其中該電漿產生系統經組態以基於該處理室之該剩餘壽命發出一警告。
  7. 如請求項4之電漿產生系統，其進一步包括儲存複數個氣體之阻抗值之一資料庫，其中該系統經進一步組態以基於該處理室之阻抗隨時間之該改變，使用該資料庫來識別該處理室內之一程序氣體。
  8. 如請求項1之電漿產生系統，其中該等固態產生器模組連接成一鎖相迴路(PLL)，使得該等固態產生器模組之該等輸出具有一共用相位。
  9. 如請求項8之電漿產生系統，其中各固態產生器模組包含：一PLL參考輸入，其連接至該電子開關；及一PLL參考輸出，其連接至該電子開關及一合成器，該合成器連接至一第二電子開關以脈衝調變該固態產生器模組之該輸出。
  10. 一種電漿產生系統，其包括： 一參考時脈，其經組態以產生一參考信號；一電子開關，其鏈接至該參考時脈；複數個固態產生器模組，各固態產生器模組鏈接至該電子開關，該等固態產生器模組各經組態以基於來自該參考時脈之該參考信號產生一輸出，使得該複數個固態產生器模組依相同週期信號操作；一處理室，其經組態以接收該等固態產生器模組之至少兩者之該輸出以在其內組合該等固態產生器模組之該等輸出；及一I/Q調變器，其經組態以將至該處理室之一輸入處之一信號解調變為一I/Q信號，其中該電漿產生系統經進一步組態以：判定該I/Q信號之一電壓駐波比(VSWR)及一反射係數；基於該VSWR及該反射係數計算該等固態產生器模組之一者之一第一阻抗；及基於該第一阻抗計算該處理室內之該等固態產生器模組之一組合輸出功率之一第二阻抗。
  11. 如請求項10之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以基於該第二阻抗調整該等固態產生器模組之至少一者之相位、振幅及頻率。
  12. 如請求項10之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以監測該處理室之阻抗隨時間之一改變。
  13. 如請求項12之電漿產生系統，其中該系統經進一步組態以基於該處 理室之阻抗隨時間之該改變判定該處理室之一剩餘壽命。
  14. 如請求項13之電漿產生系統，其中該電漿產生系統經組態以基於該處理室之該剩餘壽命發出一警告。
  15. 如請求項12之電漿產生系統，其進一步包括儲存複數個氣體之阻抗值之一資料庫，其中該系統經進一步組態以基於該處理室之阻抗隨時間之該改變，使用該資料庫來識別該處理室內之一程序氣體。
  16. 如請求項10之電漿產生系統，其中該等固態產生器模組連接成一鎖相迴路(PLL)，使得該等固態產生器模組之該等輸出具有一共用相位。
  17. 如請求項16之電漿產生系統，其中各固態產生器模組包含：一PLL參考輸入，其連接至該電子開關；及一PLL參考輸出，其連接至該電子開關及一合成器，該合成器連接至一第二電子開關以脈衝調變該固態產生器模組之該輸出。
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