半導體制造用等離子體工藝射頻電源動態(tài)阻抗測試方法appliedinsemiconductormanuf中國電源學會發(fā)布 Ⅱ 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 1 1 25.1射頻電源工作狀態(tài) 2 2 36射頻電源動態(tài)阻抗測試的應用 5附錄A(資料性)射頻功率(loadpower)測量值與負載設備阻抗測量值記錄格式 6附錄B(規(guī)范性)射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)的計算方法 7附錄C(資料性)最佳電纜長度計算方法 工Ⅱ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由中國電源學會提出并歸口。本文件起草單位：深圳市恒運昌真空技術有限公司、廣東工業(yè)大學、大連理工大學、拓荊創(chuàng)益 (沈陽)半導體設備有限公司、上海陛通半導體能源科技股份有限公司、肇慶市科潤真空設備有限公司、廣東騰勝科技創(chuàng)新有限公司、湘潭宏大真空技術股份有限公司、廣東振華科技股份有限公司、廣東匯成真空科技股份有限公司、上海邦芯半導體科技有限公司、東莞市晟鼎精密儀器有限公司、湖南玉豐真空科學技術有限公司、湖南大學。本文件主要起草人：樂衛(wèi)平、林偉群、黃永鎮(zhèn)、張桂東、高飛、張賽謙、郭東、王佳航、汪昌州、朱建明、朱剛毅、孫桂紅、梁紅、陳立、潘振強、李志榮、梁潔、冼健威、李國強、汪洪亮。本文件為首次發(fā)布。1本文件適用于半導體刻蝕、薄膜沉積制程工藝等應用場景中，輸出中心頻率為400kHz、2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、60MHz,功率范圍小于10kW的半導體制造用等離子體工藝射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—2018射頻連接器第201部分：電氣試驗方法反射系數(shù)和電壓駐波比通過不斷調(diào)節(jié)輸入和輸出端阻抗，找到有源器件輸出功率最大的輸入、輸出匹配阻電壓駐波比voltagestandingwaveratio[來源：GB/T11313.201—201是射頻電源通過輸出端口傳輸?shù)截撦d的有效功率射頻電源的動態(tài)輸出阻抗表征射頻電源在等離子阻抗快速變化的時候射頻電源輸出功率的變化情4測試環(huán)境條件a)環(huán)境溫度控制在：20℃~30℃;2b)相對濕度控制在：40%～70%;c)水冷系統(tǒng)溫度控制在≤45℃;d)海拔高度控制在≤1000m;e)氣壓控制在：70kPa～106kPa。測試用射頻電源應由閉環(huán)控制模式配置為開環(huán)控制模式，應使調(diào)節(jié)器后端斷開。圖1給出了待測試射頻驅(qū)動+射頻驅(qū)動+功率放大電路工射頻輸出控制電路注：測試用射頻電源應符合下列規(guī)定：a)功率穩(wěn)定度應優(yōu)于±1%;b)頻率精度應≤±0.005%。穩(wěn)態(tài)阻抗。因此，使用負載牽引系統(tǒng)加上5(待測樣機)叨率輸出端注：虛線箭頭與實線表示射頻電源和矢量網(wǎng)絡分析儀不應同時連接負載設備，為了測試的準確性，射頻功率測量儀通過射頻連接器直接連接射頻電源的功率輸出端。被測射頻電源的輸入對電網(wǎng)電壓無特殊要求，根據(jù)電源廠家的輸入指標設定即可。負載設備應配置VSWR為5:1以內(nèi)的不同阻抗。測試用負載牽引系統(tǒng)通過改變串聯(lián)電容或并聯(lián)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a)電壓駐波比VSWR為5:1的阻抗點應≥36個；b)電壓駐波比VSWR為4:1的阻抗點應≥30個；3c)電壓駐波比VSWR為3:1的阻抗點應≥24個；d)電壓駐波比VSWR為2:1的阻抗點應≥18個；e)電壓駐波比VSWR為1.5:1的阻抗點應≥12個；f)電壓駐波比VSWR為1.1:1的阻抗點應≥6個；注：電壓駐波比誤差范圍為±0.2;所測試點需覆蓋史密斯圓。圖3史密斯圓圖中VSWR為5:1以內(nèi)的阻抗分布示意圖4123456中頻帶寬7注：因本測試用射頻電源輸出頻率范圍為12.882MHz到14.238MHz,所以起始頻率和參數(shù)設置完畢后，通過測量三個已知標準件：短路、開路、負載(本測試中使用50Ω),修正矢量阻抗測試裝置由矢量網(wǎng)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(tǒng)和50Ω水冷負(待測樣機)測試端面負載設備出參考圖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聯(lián)電容的位置和矢量網(wǎng)絡分析儀測量的阻抗值(ZL),將Z的實部R和虛部X分別記錄在附錄載設備阻抗實部R(Ω)”和“負載設備阻抗虛部X(Ω)”兩列。本測試中需要分別測量并記錄12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5功率出率出圖5功率測試連接示意圖5.3.2.4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或全量程的10%。5.3.2.5測試及測試數(shù)據(jù)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(tǒng)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射頻輸出功率數(shù)據(jù)，記錄在附錄A表格中“射頻功率測量值P(W)”一列。5.3.2.6射頻電源動態(tài)阻抗的計算按附錄B的方法進行射頻電源動態(tài)阻抗參數(shù)的計算。6射頻電源動態(tài)阻抗測試的應用在等離子體應用中，當使用高增益射頻電源時，有可能會產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這一問題可以通過調(diào)整射頻電源與等離子體之間的電纜長度來克服，以確保系統(tǒng)的充分穩(wěn)定性。計算最佳電纜長度的示例見附錄C。6(資料性)射頻功率(loadpower)測量值與負載設備阻抗測量值記錄格式電源輸出頻率記錄點WΩΩ負載設備并聯(lián)電容位置%負載設備串聯(lián)電容位置%123456789審核人/日期：7(規(guī)范性)B.1反射系數(shù)(T)計算負載設備阻抗分布數(shù)據(jù)按5章流程測得(阻抗實部R和阻抗虛部X)。T——各點阻抗所對應的反射系數(shù)；[;——反射系數(shù)虛部；j——虛數(shù)單位。繪制等功率線圖能更直觀地表現(xiàn)射頻功率隨反射系數(shù)變化而變化的情況，流程見的反射系數(shù)虛部T,,Pd為射頻功率測8將曲面擬合獲得的功率分布數(shù)據(jù)繪制成等功率線圖。1,步長為0.01的網(wǎng)格點陣圖B.2生成等功率線圖流程圖圖B.3～圖B.5為本測試用射頻電源的等功率線圖。0圖B.3等反射系數(shù)圓圖下射頻電源輸出頻率為12.882MHz的等功率線圖例9Genat196Wopen圖B.4等反射系數(shù)圓圖下射頻電源輸出頻率為13.56MHz的等功率線圖例Genat209Wo0圖B.5等反射系數(shù)圓圖下射頻電源輸出頻率為14.238MHz的等功率線圖例B.3動態(tài)阻抗系數(shù)(增益和最大梯度角)計算定義一個接近Z?=50+j0且反射系數(shù)相等的點集，如圖B.8紅圈所示?；谠擖c集對獲得的數(shù)據(jù)進行二維插值操作，得到沿該點集的變化而變化的射頻功輸入功率測量值和反射系數(shù)數(shù)據(jù)在反射系數(shù)復平面上創(chuàng)建一個圓心在原點，半徑足夠小的圓的點集在點集上對功率數(shù)據(jù)進行二生成功率數(shù)據(jù)集在功率數(shù)據(jù)集中查找最小功查找最小功率值在功率數(shù)據(jù)集中對應的相位角和反射系數(shù)計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)：最大梯度角輸出最小功率值以及對應的反射系數(shù)記錄計算所得最大梯度角圖B.7計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)最大梯度角的流程圖從功率包絡示意圖(圖B.8)可以看出，從50+j0點出發(fā)，到最大功率點的方向上，功率包絡的線的梯度是最大的。射頻系統(tǒng)中，在響應相同擾動的情況下，為了將負反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答?，需要將相角旋轉(zhuǎn)180°。按式B.2計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)。0Gen——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);0m——射頻功率值最小處相角。圖B.8射頻電源輸出頻率為12.882MHz下θcen示意圖圖B.9射頻電源輸出頻率為13.56MHz下θce示意圖圖B.10射頻電源輸出頻率為14.238MHz下Gen示意圖使用獲得的數(shù)據(jù)，按式B.3～B.6計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(增益GRF),流程見圖B.12。Zmin——射頻功率值最小處阻抗；Z?——特征阻抗；T——射頻功率值最小處反射系數(shù)。dZ——阻抗的微小變化量；Z?——特征阻抗。…dP——射頻功率的微小變化量；Pmin——射頻功率最小值?！璆RF——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(增益);dP——射頻功率的微小變化量；dZ——阻抗的微小變化量。開始開始值圖B.12計算射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)：增益流程圖(資料性)功功率輸出端圖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。2)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(shù)據(jù)：Z=R?+jX;3)設置匹配器為保持模式，該模式下，匹配器不4)射頻電源輸出功率增加10%;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Z?——按步驟C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后測量到的阻抗值；Z?——特征阻抗。Z?——按步驟C.1,增加射頻功Z?——特征阻抗。T?——按步驟C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)?！璒psma—等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);C.3額外線纜長度計算△Bplasma—等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);F射頻電源輸出頻率?！緶y試所使用射頻線纜為RG213:速度系數(shù)V,=0.6T?——按步驟C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)；Z?——按步驟C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后測量到的阻抗值；Z?——特征阻抗。T?——按步驟C.1,增加射頻功率后計算的反射系數(shù)；Z?——按步驟C.1,增加射頻功率后測量到的阻抗值；Z?—特征阻抗；j——虛數(shù)單位。T?——按步驟C.1,匹配器達到匹配狀態(tài)后計算的反射系數(shù)。plasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);plasma——等離子體動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);θGen——射頻電源動態(tài)阻抗系數(shù)(最大梯度角);n——任意整數(shù)。如表C.1所示，為n取整數(shù)值：-2～2時分別計算得到的額外線纜長度值。需根據(jù)實際應用情況，取n012經(jīng)計算得