[发明专利]射频控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及射频（RF）生成器以及在RF功率输出系统中的多个电源的反馈控制和相干性。

背景技术

本文的背景技术描述用于总体呈现本发明的内容。目前称为发明人的工作，在某种程度上，该工作在该背景技术部分以及说明书的各方面描述，这些并不是在申请日时的现有技术，也没有明确地或隐含地承认是相对于本发明的现有技术。

等离子体蚀刻经常用于半导体制造。在等离子体蚀刻中，通过电场加速离子以蚀刻在基底上暴露的表面。根据由RF功率系统的射频（RF）生成器生成的RF功率信号产生电场。必须精确地控制由RF生成器生成的RF功率信号以有效地执行等离子体蚀刻。

RF功率系统包括RF生成器、匹配网络和如等离子室之类的负载。RF生成器生成在匹配网络接收的RF功率信号。匹配网络将匹配网络的输入阻抗与RF生成器和匹配网络之间的传输线的特性阻抗相匹配。该阻抗匹配有助于最小化应用于在等离子室的前向方向上的匹配网络的功率量（“前向功率”）和从匹配网络返回到RF生成器的功率量（“反向功率”）。阻抗匹配还有助于最大化从匹配网络到等离子室的前向功率输出。

在RF电源领域，通常有两种方法将RF信号应用于负载。第一种，比较传统的方法是将连续波信号应用于负载。一般来说，该连续波信号是由电源连续输出至负载的正弦波。在连续波方式中，RF信号为正弦输出，并且为了改变应用于负载的输出功率，可以改变正弦波的振幅和/或频率。

将RF信号应用于负载的第二种方法是将RF信号脉冲调制而不是将连续波信号应用于负载。在操作的脉冲模式中，调制信号调制RF正弦波以明确已调制的正弦信号的包络线。在常规脉冲调制方案中，RF正弦信号通常以恒定的频率和振幅输出。通过改变调制信号而不是改变正弦RF信号来改变输出至负载的功率。

在典型的RF电源配置中，通过使用测量应用于负载的RF信号的电压和电流或者前向和反射功率的传感器来确定应用于负载的输出功率。在典型的反馈回路中都会分析这些信号。通常这些分析确定功率值，该功率值用于调整RF电源的输出以改变应用于负载的功率。在负载是等离子室的RF功率传输系统中，负载阻抗的变化会导致应用于负载的功率的相应变化，这是由于输入功率在某种程度上具有负载阻抗的作用。

现有的测量功率的方法和装置最多提供峰值和平均功率信息从而仅提供了在等离子室发生的RF功率变化的不完整观点。更具体地，在操作的脉冲模式中，脉冲的峰值和平均功率仅提供了在脉冲功率序列输出至等离子体过程中发生的RF瞬态的狭隘观点。这种功率测量和反馈系统以远低于调制间隔的速率采样从而在负载的不可避免地阻抗变化的过程中不会对等离子体负载的功率进行综合测量。

随着等离子体系统的发展，连续波和脉冲RF控制存在很多新的挑战以满足关键制造规范所需的规范。一个进步是多RF源的使用以用于各种等离子体参数的增强控制。这些参数包括电子密度、电子温度、离子通量和离子能量。为了独立控制离子能量和离子通量已经开发了双RF等离子体系统。薄膜处理已经发展到使用三个RF等离子体系统以用于离子能量和离子通量控制以及入射至材料表面的离子的实际能量分布的控制。进一步地，具有补充射频偏压的锁相高密度系统对于各种蚀刻应用变得关键。在已加工材料表面多个电源独立控制如离子通量和离子能量之类的等离子体参数的成功对传输RF电源耦合和控制脉冲RF等离子体系统已提出了更大的挑战。

从连续波RF功率传输系统到脉冲RF功率传输系统的转变导致了几个具体的挑战。在典型的等离子体系统中，等离子体内的功率消耗取决于等离子体的阻抗。如果阻抗随着RF脉冲的时间尺度而变化（一般在1kHz-10kHz范围内），则在脉冲事件之间就不会消灭（extinguish）等离子体，生成器以及匹配网络中的传感器和致动器必须在相似的时间尺度上响应以将最佳功率耦合提供给等离子体负载。进一步地，阻抗的时间响应依赖于等离子体并且根据如化学、压力和功率耦合等因素而变化。进一步地，等离子体外部的各种寄生元件（例如在射频耦合天线或匹配系统中的电阻性损耗）由于是与时变阻抗负载串联的恒定消散阻抗，因此在脉冲周期过程中会呈现时变功率耦合功效。进一步地，由于传输功率传感器和反射功率传感器以及RF生成器一般是为匹配终端校准，因此由于阻抗的不匹配而导致的功率补偿会增强功率传输方面的多变性。