[ 本篇摘要 ]
隨著半導體薄膜沉積和其相關製程越來越複雜，開發鍍膜和其相關功能的電漿製程需求也在持續擴大。精確控制射頻電漿電源的功率傳輸是電漿製程中最關鍵的要素之一。一個真空反應室接兩個或兩個以上的電極是越來越普遍了，通常不同頻率接在不同電極上，有時也會將不同頻率混合接在同一個電極上。而利用脈衝調變射頻功率在不同位準的功率或週期性的製程會發揮其特殊的材料化學特性或電漿物理特性，近年來使用脈衝調變的射頻功率的先進技術正越來越受歡迎。
現在電漿射頻電源傳輸系統必須提供比以往更加靈活的控制，同時擁有更強的適應性和靈活性，進而滿足嚴格的標準。調控在眾多操作條件下都必須非常準確，以適應設備和製程設計人員所需的新一代製程和化學特性。
新一代製程技術的先進電源傳輸射頻電源系統與阻抗匹配網路的有效整合對於當今處理電漿系統中最佳化的電源傳輸非常重要。現今射頻電源供應器和匹配網路器必須比以往更加協調，進而為日益複雜和多變的電漿環境提供準確與可重覆的電源。
現今的重要性能包括：
‧任何負載狀態下極其精確的功率傳輸
‧寬廣的阻抗匹配範圍
‧針對準確追蹤和補償負載狀態的即時腔體阻抗量測
‧高度靈活的調控能力，確保功率傳輸瞬間完成
‧快速點火和穩定沉積使製程費用降至最低
‧具有脈衝工作週期調節、脈衝同步和射頻相位匹配等先進功能
為了實現以上特性，我們必須使用最新改良的功率傳輸架構和智慧型數位自動阻抗匹配器。此外，為了有效利用這些性能還需要一個適用的整合解決方案。本文將展示一個以Advanced EnergyR ParamountR改良型電漿射頻電源供應器(圖1)與一個Advanced Energy NavigatorR智慧型數位化自動阻抗匹配器(圖2)的整合方法。
為了展示這一整合後系統的性能和特徵，我們使用一個半導體等級的雙電極腔體來創造「即時」電漿測試環境。透過實際的製程轉換來對照不同匹配方法的差異，而匹配速度則以改變製程輸入功率和點火步驟比較其差異。本文的製程模擬展現了將自動調變頻率(AFT, Auto Frequency Tuning)、負載功率模式(Load Power Mode/Delivery Power Mode)和射頻脈衝調變(Pulse Modulated Power)等先進功能個別及合併後獨特的效能差異。
製程結果
暫態現象在多步驟電漿製程中日益普遍。當氣體傳送系統提供的氣體發生流量變化、化學反應時的相應變化或功率位準改變時將可能引起暫態現象。這些情況出現時，功率傳輸必須保持穩定。圖3(a)使用Smith ChartR來說明，當兩種不同的氣體混合供應和關掉任何一種氣體時負載阻抗因此發生的變化情況，圖3(b)則顯示其對功率傳輸的暫態響應。
我們利用負載功率模式補償因氣體流量變化所造成的功率變動，負載功率模式可快速的補償功率的變化，但是負載功率模式只能應付小範圍的阻抗變化，換句話說負載功率模式只能在VSWR(電壓駐波比，Voltage Standing Wave Ratio)較小時正常工作，至於多小是依據所使用的射頻電源規格各有不同，一般較好的射頻電源供應器也只能操作在VSWR<3的環境下，因此，對較大的阻抗變動補償通常都是使用可自動匹配的阻抗匹配器調節。圖4顯示了自動阻抗匹配器在氣體流量改變時自動匹配補償的情況。
自動匹配網路器相對較慢。因此，當製程轉換變得快速或週期性的需求提高時，就需要有其他的調諧方法搭配。掃頻調諧(自動調變頻率的演算法)提供了極快的阻抗匹配來補償，以克服快速的製程瞬變現象與週期性需求。圖5顯示了在上述的氣體切換期間，掃頻調諧時的Smith ChartR阻抗圖與功率傳輸響應圖。
快速自動調變頻率拓展了負載功率模式的可用範圍，進而可適應更寬廣的製程條件又可更精確靈活的執行製程。非常大的阻抗變化可能仍需要自動匹配網路器。適當操作每個部分可提供最大的靈活度以及業界最廣泛的操作範圍(見表1)。
更多內容請參考 電子月刊2010年04月號
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