[发明专利]一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造设备的检测与监控技术领域，尤其涉及一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法。

背景技术

等离子体被广泛应用于半导体器件的生产。在等离子体刻蚀系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的半导体晶圆相互作用，使半导体晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成半导体晶圆的刻蚀过程。

常用的射频电源工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω，通过特征阻抗为50Ω的同轴电缆与反应腔室相连。随着刻蚀过程的进行，腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，因此，作为负载的等离子的阻抗也在不断的变化。而射频电源的内阻为固定的50Ω，即功率源与负载之间阻抗是不匹配的，这样就导致射频RF传输线上存在较大的反射功率，射频输出功率无法全部施加到等离子体腔。如果获得的RF能量不足以使等离子体起辉，刻蚀过程就无法进行，而且，功率会反射回电源，当达到输出功率的20％左右时，就会损坏RF电源。

由此，如图1所示的整个射频传输系统的框图，一般RF功率源与等离子体腔室之间插入一个匹配网络，使得负载阻抗与电源阻抗能够达到共轭匹配。由于随着刻蚀过程的进行，负载阻抗的值是不断变化的，所以需要引入一个阻抗模值、相位检测器，即传感器(Sensor)。通过检测传输线上的电压、电流信号，利用一定的鉴幅和鉴相方法，就可以得到负载阻抗的模值和相位。自动阻抗控制器根据传感器的输出，控制步进电机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子腔室的总阻抗为50Ω，实现匹配。

对于根据传输线上的电压和电流信号计算负载阻抗的相位的方法，常规的一种方法如图2所示，是利用由四个二极管组成的双平衡混频器来鉴相，传输线上的电压信号加于二极管电桥的1、3之间，电流信号加于2、4两端之间。当四个二极管特性相同时，各个二极管上电压和电流信号的幅度完全相同。输出信号从电流信号巴伦的平衡端(变压器次级)的中点引出，经过RC低通滤波器之后，即可得到鉴相后的直流信号。

这种方法存在的缺点是，在利用双平衡混频器实现混频时，输入的两个信号的电平可以不相等，但是用作鉴相器时，却要求两个输入信号的幅度是相等的，而电压、电流信号在负载阻抗不匹配时却是不等的，因此无法得到准确的结果。

常规的另一种鉴相的方法如图3所示，是采用门鉴相器，而其中最常用的是异或门鉴相，它由异或门与低通滤波器组成。异或门的电路符号及真值表如表1所示，输出波形及鉴相特性如图4、图5与图6所示。

表1

    V1    V2    V3    0    0    0    0    1    1    1    0    1    1    1    0

输出电压波形V₃经过低通滤波器后的平均电压为