T-CPSS 1018-2025 半导体制造用等离子体工艺射频电源动态阻抗测试方法

ICS19.08CCSK80团体标准T/CPSS10182025用等离子体工艺射频I动态阻抗测试方法用等离子体工艺射频I动态阻抗测试方法动态阻抗测试方法动态阻抗测试方法thodsfordynamicimpedanceofRFgensemiconductorthodsfordynamicimpedanceofRFgensemiconductormanufacturingplasm:appliedinsemiconductormanufacturingplasmaprocess2025-08-22发布2025-08-23实施中国电源学会发布T/CPSS10182025前言 II1范围 33术语和定义 4测试环境条件 5测试方法 ..............................................................................................25.1射频电源工作状态.….................................25.2测试负载工作状态.….................................26射频电源动态阻抗测试的应用......................................5附录附录A附录B射频功率(loadpower)测量值与负载设备阻抗测量值记录格式 射频电源动态阻抗系数的计算方法 最佳电缆长度计算方法...........................…15T/CPSS10182025前言本文件按照GB/T1.12020《标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电源学会提出并归口。本文件起草单位:深圳市恒运昌真空技术有限公司、广东工业大学、大连理工大学、拓荆创益 (沈阳)半导体设备有限公司、上海陛通半导体能源科技股份有限公司、肇庆市科润真空设备有限公司、广东腾胜科技创新有限公司、湘潭宏大真空技术股份有限公司、广东振华科技股份有限公司、份有限公司、上海邦芯半导体科技有限公司、东莞市晟鼎精密仪i术有限公司、湖南大学。份有限公司、上海邦芯半导体科技有限公司、东莞市晟鼎精密仪i术有限公司、湖南大学。i人:乐卫平、林伟群、黄永镇、张桂东、高飞、张赛谦、郭东、本文件主要起草人:乐卫平、林伟群、黄永镇、张桂东、高飞、张赛谦、郭东、王佳航、汪昌、孙桂红、、孙桂红、梁红、陈立、潘振强、李志荣、梁洁、洗健威、李国本文件为首次发布。T/CPSS10182025本文件规定了半导体制造等离子体工艺射频电源动态阻抗测试方法的术语和定义、原理、测试环境条件、仪器设备、测试方法、测试报告等技术内容。本文件适用于半导体刻蚀、薄膜沉积制程工艺等应用场景中,输出中心频率为400KHZ、2MHZ、13.56MHZ、27.12MHZ、40.68MHZ、60MHZ,功率范围小于10KW的半导体制造用等离子体工艺射频电源动态阻抗测试。/JVOGB4793.1测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分:GB4793.1测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第1部分:通用要求GB/T11313.2012018射频连接器第201部分:电气试验方法反射系数和电压驻波比3术语和定义GB/T11313.2012018界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1自动匹配automatch通过不断调节输入和输出端阻抗,找到有源器件输出功率最大的输入、输出匹配阻抗的测量值。3.自动匹配automatch根据薄膜沉积、刻蚀等工艺过程中等离子体阻抗变化,通过阻抗匹配器自动实现整体传输电路共轭阻抗匹配,使得入射功率始终达到最大、反射功率达到最小的过程。3.3最大电压与最小电压之比。[来源:GB/T11313.2012018,3.2,有修改]3,4射频输出功率deliverpower是射频电源通过输出端口传输到负载的有效功率,与前向功率(Forwardpower)不同,射频输出功率是实际被负载吸收的功率,而不是反射回来的功率。3.5射频电源动态阻抗dynamicimpedanceofRFgenerator射频电源的动态输出阻抗表征射频电源在等离子阻抗快速变化的时候射频电源输出功率的变化情况,根据射频电源在开环状态下的不同阻抗下的功率包络图,以确定功率最大的阻抗点的共轭阻抗为射频电源的动态输出阻抗。4测试环境条件测试环境条件要求如下:a)环境温度控制在:20C~30C;T/CPSS10182025b)相对湿度控制在:40%~70%;c)水冷系统温度控制在≤45C;d)海拔高度控制在≤1000m;e)气压控制在:70kpa106kpa。5测试方法5.1射频电源工作状态测试用射频电源应由闭环控制模式配置为开环控制模式,应使调节器后端断开。图1给出了待测试射频电源开环控制示意。图1射频电源开环控制示意图图1射频电源开环控制示意图输出频率可调,以13.56MHZ射频电源为例,调节范围为12.882M矢量网络分析仪、射频功率测量仪等设备均应以该频率范围设置源应符合下列规定:立优于±1%;≤±0.005%。以13.56MHZ射频电源为例,调节范围为12.以13.56MHZ射频电源为例,调节范围为12.882MHZ到14.238后续负载牵引系统、后续负载牵引系统、a)功率稳定度应优于±1%;a)功率稳定度应优于±1%;b)≤≤±0.005%。5.25.2测试负载工作状态50Q负载水冷方案能提供较高电压驻波比的各种阻抗,50Q负载水冷方案能提供较高电压驻波比的各种阻抗,能楼稳态阻抗。因此,用负载牵引系统加上稳态阻抗。因此,用负载牵引系统加上水冷负载方案可调节不同阻抗,用于模如图2虚线框内所示。如图2虚线框内所示。注:虚线箭头与实线表示射频电源和矢量网络分析仪不应同时连接负载设备,为了测试的准确性,射频功率测量仪通过射频连接器直接连接射频电源的功率输出端。被测射频电源的输入对电网电压无特殊要求,根据电源厂家的输入指标设定即可。图2测试系统示意图负载设备应配置VSWR为5:1VSWR下,本测试所需不同阻抗的分布。不同VSWR下的阻抗点数量如下:a)电压驻波比VSWR为5:1的阻抗点应≥36个;b)电压驻波比VSWR为4:1的阻抗点应≥30个;2T/CPSS10182025c)电压驻波比VSWR为3:1的阻抗点应≥24个;d电压驻波比VSWR为2:1的阻抗点应≥18个;e)电压驻波比VSWR为1.5:1的阻抗点应≥12个;f)电压驻波比VSWR为1.1:1的阻抗点应≥6个;g)包含z,=500。注电压驻波比误差范围为士0.2;所测试点需覆盖史密斯圆。图3史密斯圆图中VSWR图3史密斯圆图中VSWR为5:1以内的阻抗分布示意图5.3测试步骤本文件以13.56MHZ为例,进行射频电源动态阻抗测试,其他频率射频电源以此为准参考测量。5.3.1测试阻抗点数据图3史密斯圆图中VSWR为5:1以内的阻抗分布示意图56MHZ为例,进行射频电源动态阻抗测试,其他频率射频电源以5.3.1.1矢量网络分析仪要求为准确测量,以13.56MHZ为例,参考按表1对矢量网络分析仪进行设置。3测试端面ZL测试端面ZL4T/CPSS10182025表序号设置参数测量2起始频率12.882MHZ3截止频率14.238MHZ4显示格式smith,Rtjx5标记12.882MHZ,13.56MHZ,14.238MHZ中频带宽30KHZ7扫描点数注:因本测试用射频电源输出频率范围为12.882MHZ到14.238MHZ,所以起始频率和截止频率为12.882MHZ和14.238MHZ,其他测试频率按中心频率范围进行设置。网络分析仪的系统误差。5.3.网络分析仪的系统误差。5.3.1.2测试装置组成阻抗测试装置由矢量网络分析仪和负载设备连接组成,负载设备包含负载牵引导4所示。50水冷负功率输出功率输出射频功率测量仪负载牵引系统b50欧姆水负载牵引系统矢量网络分析仪负载设备负载设备图45.3.1.3测试数据的记录抗分布,分别改变负载设备的阻抗,记录该阻抗点下负载牵引系矢量网络分析仪测量的阻抗值(Z),将Z的实部R和虚部X分别记录在[A表格中矢量网络分析仪和负载设备连接组成,负载设备包含负载牵引导4所示。50水冷负功率输出功率输出射频功率测量仪负载牵引系统b50欧姆水负载牵引系统矢量网络分析仪负载设备负载设备图45.3.1.3测试数据的记录抗分布,分别改变负载设备的阻抗,记录该阻抗点下负载牵引系矢量网络分析仪测量的阻抗值(Z),将Z的实部R和虚部X分别记录在[A表格中"负联电容的位置和R(Ω)"和"X(Ω)"矢量网络分析仪测试端面MHZ、13.56MHZ和14.238MHZ频率下负载设备的阻抗值。5.3.2开环控制下功率分布5.3.2.1射频电源的使用要求使用射频电源时,应按GB4793.1的有关安全规定执行。5.3.2.2射频电源的测试准备测试用的射频电源应做好以下准备工作:5.3.2.3射频电源与负载设备的连接测试用射频电源与负载设备连接应符合图5所示。为了测试的准确性,射频功率测量仪通过射频连接器直接连接射频电源的功率输出端。5T/CPSS10182025负载设备图5功率测试连接示意图5.3.2.4射频电源功率输出的要求鉴于电源安全问题,测试用的射频电源功率输出设置为200w或全量程的10%。5.3.2.5测试及测试数据的记录分别设置射频电源输出频率为分别设置射频电源输出频率为12.882MHZ、13.56MHZ和14.238MHZ,按7.3.1.3记录的相应率数据,记录在附录A表格中"射频功率测量值P(W)"一列。5.3.5.3.2.6射频电源动态阻抗的计算按附录B的方法进行射频电源动态阻抗参数的计算。6射频电源动态阻抗测试的应用在等离子体应用中,当使用高增益射频电源时,有可能会产生不稳定的现象。这一问题可以通过调整射频电源与等离子体之间的电缆长度来克服,以确保系统的充分稳定性。计算最佳电缆长度的示例见附录C。T/CPSS10182025附录A(资料性)温度相对湿度电源输出频率电源输出频率记录点量值P量值P负载设备阻抗实部R负载设备阻抗虚部X负载设备并联电容位置%负载设备并联电容位置负载设备串联电容位置%负载设备串联电容位置W23457审核人日期:审核人日期:7T/CPSS10182025附录B(规范性)射频电源动态阻抗系数的计算方法根据式B.1ZZrjj+ZZL+式中: 各点阻抗所对应的反射系数; 各点阻抗所对应的反射系数;阻抗所对应的反射系数;阻抗;阻抗;系数实部;系数虚部;负载阻抗;ZL负载阻抗;ZL特征阻抗;Zo特征阻抗;Zo 反射系数实部; 反射系数实部;反射系数虚部;反射系数虚部;j虚数单位。jj虚数单位。j开始开始记录表读取射频功率测量值与负载设备阻抗记录表读取射频功率测量值与负载设备阻抗记录表基于负载设备阻抗实部、虚部基于负载设备阻抗实部、虚部数据计算反射系数基于负载设备阻抗实部基于负载设备阻抗实部、虚部数据计算反射系数B.2等功率图绘制绘制等功率线图能更直观地表现射频功率随反射系数变化而变化的情况,流程见图B.2。基于反射系数复平面离散测量点集(rrrjpd),采用二元函数rs形式的曲面模型,通过二维插值方式拟合数据集其中,I,为步骤B.1中计算所得的反射系数实部T,,rj步骤B.1中计算所得j'T/CPSS10182025图B.2生成等功率线图流程图图B.3~图B.2生成等功率线图流程图图B.3等反射系数圆图下射频电源输出频率为12.882MHZ的等功率线图例T/CPSS10182025·等反射系数圆图下射频电源输出频率为13.56的等功率线图B.4等反射系数圆图下射频电源输出频率为·等反射系数圆图下射频电源输出频率为13.56的等功率线图B.5等反射系数圆图下射频电源输出频率为14.238MHZ的等功率线图例定义一个接近Z-50+j0且反射系数相等的点集,如图B.8红圈所示。T/CPSS10182025图B.图B.6等反射系数圈图B.6等反射系数圈得的数据进行二维插值操作,得到沿该点集的变化而变化的射频图B.6等反射系数圈得的数据进行二维插值操作,得到沿该点集的变化而变化的射频1射频功率值最小的值和该点的反射系数T/CPSS10182025Genmin(B.2)式中:Gen射频电源动态阻抗系数(最大梯度角);minGen的示意图见图B.8、B.9和B.10。图B.9图B.9射频电源输出频率为13.56MHZ下Gen示意图图B.8射频电源输出频率为12.882MHZ下Gen示意图T/CPSS10182025图B.10射频电源输出频率为14.238MHZ下Gen示意图T/CPSS10182025输出频率为12.88213.56MHZ和14.238MHZ下Gen关系图图GRF1+TZ=Z×min0式中:zmin 射频功率值最小处阻抗;特征阻抗;Z,射频功率值最小处反射系数。ZZdz输出频率为12.88213.56MHZ和14.238MHZ下Gen关系图图GRF1+TZ=Z×min0式中:zmin 射频功率值最小处阻抗;特征阻抗;Z,射频功率值最小处反射系数。ZZdz=min0Zo式中:dz 阻抗的微小变化量;射频功率值最小处阻抗;zmin特征阻抗。Z,dp=P50式中:dp射频功率的微小变化量;输出频率为12.882MHZ13.56MHZ和14.238MHZ下Gen关改据,按式B.3B.6计算射频电源动态阻抗系数(增益GRF)ZZ源功率值最小处阻抗;顽功率值最小处反射系数。亢的微小变化量;源功率值最小处阻抗;min0Zodzdp=saminPso50Q处拟合的射频功率值;pmin射频功率最小值。式中:GRF射频电源动态阻抗系数(增益)dp射频功率的微小变化量;dz阻抗的微小变化量。(B.3)(B.4)(B.5)T/CPSS10182025图B.12图B.12计算射频电源动态阻抗系数:增益流程图T/CPSS10182025附录C最佳电缆长度计算方法c.1应用场合在低压、低功耗工艺条件下,依赖功率的等离子体阻抗和依赖负载的射频输送系统之间相互作用可功率输出端率输出端匹配器阻抗测量仪闭环控制射频电源等离子体匹配器功率输出端率输出端匹配器阻抗测量仪闭环控制射频电源等离子体匹配器图图C.图图C.1等离子体阻抗测试连接示意图以下给出了为射频传输系统寻找最佳电缆长度的步骤:为射频传输系统寻找最佳电缆长度的步骤:以下给出了为射频传输系统寻找最佳电缆长度的步骤:为射频传输系统寻找最佳电缆长度的步骤:离子体阻抗轨迹角时,应细微改变射频电源输出功率。确保设备为稳定运行状态,包括:定所测试的设备工作频率,并根据相关频率使用合适的测试设备苏电源输出功率,等匹配器到达匹配占时,读取阻抗测量仪数据·置匹配器为保持模式,该模式下,匹配器不再自动匹配;顽电源输出功率增加10%;b)b)测量前,确保设备为稳定运行状态,包括:Z=R+jxi;Z=R+jxi;;;按-C.4方法计算最佳电缆长度。抗轨迹角计算亢数据z,按-C.4方法计算最佳电缆长度。抗轨迹角计算亢数据z,Z2。plasma的单位为相角,按式c.1C.4计算等离子体Z,Z2Z,Z2。plasma的单位为相角,按式14ZZZZ式中:按步骤C.1按步骤C.1Z,特征阻抗。Z,Z2-Z+ZZ+式中:按步骤C.12按步骤C.1Z2按步骤C.1Z2Z,特征阻抗。Z,式中:反射系数差值;2按步骤c.1,增加射频功率后计算的反射系数;(C.2)(C.3)T/CPSS10182025i按步骤c.1,匹配器达到匹配状态后计算的反射系数。式中:plasma等离子体动态阻抗系数(最大梯度角);plasmaAr反射系数差值。C.3额外线缆长度计算按式C.5~C.6计算额外线缆长度。cableplasmaGenΔΔΔ-+180360×n·(cableplasmaGen式中:ALAL额外线缆长度角度;nn任意整数。Δ9xcxvcable720XFAL=t,if(c.6)cable720XF式中:c真空光速;F射频电源输出频率。C.4最佳电缆长度计算示例以射频电源输出频率为13.56MHZ测试获得的数据为例,按步骤C.1测量获得数据:按步骤C.1测量获得数据:Z=49.36-4.75;Z2=53.01-3.15。Gen测量并计算获得射频电源参数:Δ=-。Gen本测试用射频电源输出频率为13.56MHZ:F=13560000HZ,n=0,C=300o00000m/s。计算步骤:ZZI,='"=-0.00415-jx0.048…(c.7)Z+Z式中:按步骤c.1,匹配器达到匹配状态后计算的反射系数;Z按步骤c.1,匹配器达到匹配状态后测量到的阻抗值;Zo特征阻抗。c.s,式中:T/CPSS101820252按步骤c.1,增加射频功率后计算的反射系数;Z2按步骤c.1,增加射频功率后测量到的阻抗值;Z,特征阻抗;AT=TZ-TI=0.03427+jx0.0183…(C.9)式中:Ar反射系数差值;2按步骤c.1,增加射频功率后计算的反射系数;i按步骤c.1,匹配器达到