[发明专利]匹配网络的损耗功率标定方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种匹配网络的损耗功率标定方法及系统。

背景技术

电容耦合等离子体被广泛应用于半导体材料的等离子体处理工艺中，例如反应性离子增强刻蚀和等离子体增强化学气相沉积等方面。为得到满足应用要求的材料特性，需要对等离子体的多项控制参数进行精确的控制。其中，等离子体吸收功率是一项非常重要的电学参数。为缩短材料处理时间、提高处理效率，在给定总功率的前提下要求有尽可能多的功率被等离子体吸收。同时，多次工艺中的等离子体吸收功率必须一致，以保证工艺的重复性。为满足这些要求，需要对等离子体吸收功率进行准确的测量。

对于标准的50欧姆同轴系统而言，电容耦合等离子体是一个不匹配负载。为提高功率耦合效率，需要使用一个阻抗匹配网络将等离子体的容性阻抗变换到纯阻性50欧姆。通常使用电感和电容构成L型或π型的匹配网络。匹配网络在实现阻抗匹配的同时会损耗部分输入功率。通过合理设计可以显著减少匹配网络中电容和各连接件的电阻，以至可以忽略这些电阻上的功率损耗。但是，电感的电阻无法避免，因此电感是导致匹配网络功率损耗的主要器件，如果能够提高对匹配网络功率损耗的准确度，将会直接影响等离子体的吸收功率的运算。

现有的匹配网络的功率损耗的测量方法是，通过测量匹配网络输出端电流与阻性负载电阻值的关系，计算得到匹配网络中电感的等效电阻，再由等效电阻和电流计算匹配网络损耗功率。该方法的缺点是：无法用于π型匹配网络，部分电流通过与负载电阻并联的旁路电容，使得通过电感的电流大于负载电阻的电流，并且差异随频率升高变得更加明显，从而导致测量结果不准确。

对等离子体吸收功率的测量方法主要有以下两种。一种是将经过标定的电压电流探头连接在匹配网络和等离子体腔室之间，直接测量馈入等离子体腔室的射频功率信号的电压V、电流I的幅值和两者之间的相位差θ，则馈入功率通过如下公式表示，P=VIcosθ。对于电容耦合等离子体，θ通常接近于90°，cosθ接近于0。由于θ的测量误差的存在，cosθ会有很大的误差。另一种方法是利用网络分析仪分析匹配网络中各器件的阻抗，推导等离子体等效阻抗，从而计算各阻抗上的损耗功率。该方法需要先产生等离子体进行阻抗匹配以确定匹配网络调节参数，然后再分析匹配网络，因此无法在线实时测量。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种匹配网络的损耗功率标定系统。

本发明的另一目的在于提出一种匹配网络的损耗功率标定方法。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种匹配网络的损耗功率标定系统，包括：射频信号源，用于产生射频信号；第一功率计，所述第一功率计与所述射频信号源相连，用于测量所述射频信号的功率；匹配网络，所述匹配网络与所述第一功率计相连，所述匹配网络包括电感；示波器，所述示波器与所述匹配网络相连，用于测量所述电流探头的输出电压；模拟负载模块，所述模拟负载模块与所述匹配网络相连，用于测量所述模拟负载模块中50欧姆负载的损耗功率；以及处理器，用于根据所述第一功率计的测量结果、所述示波器的测量结果以及所述50欧姆负载的损耗功率得到所述匹配网络的比例系数。

根据本发明实施例的系统，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

在本发明的一个实施例中，所述匹配网络还包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述电感的一端相连另一端接地，用于调整所述模拟负载模块的阻抗；电流探头，用于检测所述电感的电流；以及第二电容，所述第二电容的一端与所述电感的另一端相连，用于调整所述模拟负载模块的阻抗。

在本发明的一个实施例中，所述模拟负载模块具体包括：第三电容，所述第三电容与所述匹配网络相连，用于调整所述50欧姆负载的阻抗；第二功率计，所述第二功率计与所述第三电容相连以测量所述50欧姆负载的功率；以及50欧姆负载，所述50欧姆负载与所述第二功率计相连。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容与所述电感串联或并联。

在本发明的一个实施例中，所述电流探头与所述示波器相连，且所述电流探头安装在所述电感的上端。