1半導體制造等離子體工藝射頻電源動態阻抗測試方法本文件規定了半導體制造等離子體工藝射頻電源動態阻抗測試方法的術語和定義、原理、測試環境條件、儀器設備、測試方法、測試報告等技術內容。本文件適用于半導體刻蝕、薄膜沉積等應用場合中，輸出頻率0.2MHz~100MHz的半導體等離子體工藝射頻電源動態阻抗測試。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本GB4793.1—2007測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求第1部分：通用要求GB/T11313.201射頻連接器第201部分：電氣試驗方法反射系數和電壓駐波比SEMIE113半導體加工設備射頻功率傳輸系統規范SEMIE115確定半導體處理設備射頻功率傳輸系統中使用的匹配網絡的負載阻抗和效率的測試方法SEMIE143測量50Ω負載的功率和變化以及任何相位角VSWR為2.0負載的功率變化和頻譜的測試方法3術語和定義GB/T11313.201、SEMIE113、SEMIE115和SEMIE143界定的以及下列術語和定義適用于本文件。通過不斷調節輸入和輸出端阻抗，找到有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻抗的測量技術。史密斯圓圖Smithchart在反射系數平面上標繪歸一化輸入阻抗或導納等值圓族的計算圖。數據擬合datafitting現有數據透過數學方法代入數式的表示方式，通過采樣、實驗等方法獲得若干離散數據，根據數據得連續函數或更加密集的離散方程與已知數據相吻合的過程。自動匹配automatch薄膜沉積、刻蝕等工藝過程中等離子體阻抗變化，通過阻抗匹配器實現整體傳輸電路共軛阻抗匹配，使得入射功率始終達到最大、反射功率達到最小的過程。功率是影響等離子體的阻抗的條件之一，射頻電源功放輸出的瞬時功率由等離子體阻抗的變化來決定。兩者的變化相互作用，利用本測試方法量化該作用的程度，獲得射頻電源的動態阻抗值。5測試環境條件測試環境條件要求如下：2a)環境溫度控制在20℃~30℃;b)相對濕度控制在40%～70%;c)水冷系統溫度控制在45℃內。6儀器設備6.1通用要求測試儀器設備包括網絡分析儀、射頻功率測量儀器、負載牽引系統以及50Ω水冷負載。6.2網絡分析儀網絡分析儀的最大頻率應大于100MHz。6.3射頻功率測量儀射頻功率測量儀的測量精度不應大于3%。7測試方法7.1射頻電源工作狀態測試用射頻電源應由閉環控制模式配置為開環控制模式，應使調節器后端斷開。圖1給出了射頻電源開環控制示意。+圖1射頻電源開環控制示意圖待測試射頻電源輸出頻率可調，調節范圍為12.882MHz到14.238MHz,后續負載牽引系統、網絡分析儀、射頻功率測量儀等設備均應以該頻率范圍設置。7.2測試負載工作狀態使用負載牽引系統加上50Q水冷負載方案可調節不同阻抗，用于模擬等離子體環境，如圖2方框內所示。功率輸出圖2負載設備設置示意圖負載設備應配置VSWR為5:1以內的不同阻抗。測試用負載牽引系統通過改變串聯電容或并聯電容的位置，從而達到改變負載設置阻抗的目的。圖3列舉了在不同VSWR下，本測試所需不同阻抗的分布。3a)駐波比VSWR5:1的阻抗點有36個；b)駐波比VSWR4:1的阻抗點有30個；c)駐波比VSWR3:1的阻抗點有24個；d)駐波比VSWR2:1的阻抗點有18個；e)駐波比VSWR1.5:1的阻抗點有12個；7.3測量步驟12345注：因本測試用射頻電源輸出頻率范圍為12.882MHz到14.238MHz,所以起始頻率和截止頻率為12.882MHz和47.3.1.2測量裝置組成阻抗測試裝置由網絡分析儀和負載設備連接組成，負載設備包含負載牽引系統和50Ω水冷負載。其連接應符合圖4所示。圖4阻抗測試連接示意圖/網絡分析儀與負載設備連接的示意圖7.3.1.3測量數據的記錄參考圖3所示阻抗分布，分別改變負載設備的阻抗，記錄該阻抗點下負載牽引系統的串聯電容、并聯電容的位置和網絡分析儀測量的阻抗值(ZL),將阻抗值(ZL)的實部R和虛部X分別記錄在附錄A格7.3.2開環控制下功率分布7.3.2.1射頻電源的使用要求使用射頻電源時，應按GB4793.1—2007的有關安全規定執行。7.3.2.2射頻電源的測試準備測試用的射頻電源應做好以下準備工作：a)輸入電壓在標稱電壓范圍內；b)保證射頻電源的冷卻系統的正常運行。7.3.2.3射頻電源與負載設備的連接測試用射頻電源與負載設備連接應符合圖5所示。為了測試的準確性，射頻功率測量儀以最短距離連接射頻電源的功率輸出端。50歐姆水冷負載50歐姆水冷負載-圖5功率測試連接示意圖7.3.2.4射頻電源功率輸出的要求鑒于電源安全問題，測試用的射頻電源功率輸出設置為200W或滿功率的10%。7.3.2.5測量及測量數據的記錄分別設置射頻電源輸出頻率為12.882MHz、13.56MHz和14.238MHz,按7.3.1.3記錄的相應頻率下負載牽引系統的電容位置，分別改變負載設備的阻抗。讀取射頻功率測量儀返回的功率數據，記錄在附錄A格式中“射頻功率測量值(W)”一列。7.3.2.6射頻電源動態阻抗的計算按附錄B的方法進行射頻電源動態阻抗參數的計算。a)測試依據(本文件編號);6(資料性)電源輸出頻率記錄點WΩ1234567897(規范性)射頻電源動態阻抗系數的計算方法B.1反射系數(T)計算負載設備阻抗分布數據按7章流程測得(阻抗實部R和阻抗虛部X)。圖B.1和圖B.2為使用LabVIEW獲取射頻功率測量值與阻抗測量值記錄表(附錄A)中數據的程序框圖。可pe]圖B.1獲取記錄表數據程序框圖負載設備阻抗分布數據按7章流程測得(阻抗實部R和阻抗虛部X)。根據式B.1計算各點阻抗所對應的反射系數T:T——各點阻抗所對應的反射系數；ZL——負載阻抗；Tr——反射系數實部；I;——反射系數虛部；圖B.2使用LabVIEW計算反射系數程序框圖B.2等功率圖繪制繪制等功率圖能更直觀地表現射頻功率隨反射系數變化而變化的情況。程序中用二元函數Pd=f(Tr,I)形式的曲面與向量(Fr,Ij,Pd)中的散點數據擬合，而且曲面始終穿過Tr和Ti定義的數據點。其中，Ir為圖B.2中的反射系數實部Tr,I;為圖B.2中的反射系數虛部Ti,Pd為圖B.1中的射頻功率測量值。8擬合射頻功率數據程序框圖圖B.4繪制等功率線程序框圖圖B.5-圖B.7為本測試用射頻電源的等功率線圖。00圖B.6極坐標下射頻電源輸出頻率為13.56MHz的等功率線圖例0圖B.7極坐標下射頻電源輸出頻率為14.238MHz的等功率線圖例B.3動態阻抗系數(增益和最大梯度角)計算定義一個接近Zo=50+j0且反射系數相等的網格，如圖B.8紅圈所示。圖B.8等反射系數圈基于該等反射系數網格對從B.1中獲得的散點數據插值，得到沿該等反射系數網格變化而變化的射頻功率值分布數據。并找出該散點數據中射頻功率值最小的值和該點的角度、反射系數。使用LabVIEW計算如圖B.9所示。個數2通古圖B.9計算最小射頻功率值和該點的角度、反射系數程序框圖射頻系統中，在響應相同擾動的情況下，為了將負反饋轉變為正反饋，需要將角度旋轉180°。按式B.2計算射頻電源動態阻抗系數。θGen——射頻電源動態阻抗系數(最大梯度角);θmin——射頻功率值最小處角度。0dZ——阻抗的微小變化量；Zmin—射頻功率值最小處阻抗；dP——射頻功率的微小變化量；GRF——射頻電源動態阻抗系數(增益);dP——射頻功率的微小變化量；dZ——阻抗的微小變化量。最小功率處反射系數50歐姆處擬合射頻功率值最小功率GrfGrf(規范性)C.1應用場合在低壓、低功耗工藝條件下，依賴功率的等離子體阻抗和依賴負載的射頻輸送系統之間相互作功率輸出功率輸出圖C.1等離子體阻抗測試連接示意圖a)測量等離子體阻抗軌跡角時，應細微改變射頻電源輸出功率。1)射頻電源輸出功率，等匹配器到達匹配點時，讀取阻抗測量儀數據：Z?=R?+jX?;3)射頻電源輸出功率增加10%;4)讀取阻抗測量儀數據：Z?=R?+jX?。c)按C.1～C.4方法計算最佳電纜長度。C.2等離子體阻抗軌跡角計算T?——匹配器達到匹配狀態后計算的反射系數；Z?——特征阻抗。T?——增加射頻功率后計算的反射系數；Z?—增加射頻功率后測量到的阻抗值；Z?—特征阻抗。T?——增加射頻功率后計算的反射系數；T?——匹配器達到匹配狀態后計算的反射系數。θplasma——等離子體動態阻抗系數(最大梯度角);△F——反射系數差值。C.3額外線纜長度計算按式C.5～C.6計算額外線纜長度。△θcable——額外線纜長度角度；θplasma——等離子體動態阻抗系數(最大梯度角);θgen——射頻電源動態阻抗系數(最大梯度角);ncVfF——任意整數。——額外線纜長度；——額外線纜長度角度；—線纜速度系數；——射頻電源輸出頻率。C.4最佳電纜長度計算示例按C.1步驟測量獲得數據：Z?=49.36-j4.75;Z?=53.01-j3.15。本測試所使用射頻線纜為RG213:速度系數V=0.66。本測試用射頻電源輸出頻率為13.56MHz:F=13560000Hz,n=0,c=300000000m/s。計算步驟：T?——按C.1,匹配器達到匹配狀態后計算的反射系數；Z?——按C.1,匹配器達到匹配狀態后測量到的阻抗值；Z?——特征阻抗。j——虛數單位。T?——按C.1,增加射頻功率后計算的反射系數；Z?——按C.1,增加射頻功率后測量到的阻抗值；j——虛數單位。△T——反射系數差值；T?——按C.1,增加射頻功率后計算的反射系數；θplasma——等離子體動態阻抗系數(最大梯度角);△F——反射系數差值。△θcable——額外線纜長度角度；θplasma——等離子體動態阻抗系數(最大梯度角);θgen——射頻電源動態阻抗系數(最大梯度角);n——任意整數。△Lcable——額外線纜長度；△θplasma——額外線纜長度角度；