Lam Research Corporation申请的专利：《用于无匹配等离子体源的频率调谐（Frequency tuning for a matchless plasma source）》

本专利描述了无匹配等离子体源的频率调谐。为了执行频率调谐，在无匹配等离子体源的工作频率发生变化后，在无匹配等离子体源的放大电路的输出端测量电流。在确定电流随着工作频率的变化而增加时，工作频率进一步变化，直到电流减小。当电流减小时，改变的工作频率进一步修改为工作频率。当无匹配的等离子体源以工作频率工作时，放大电路输出端的电流最大化。

传统的等离子体工具包括射频（RF）发生器，阻抗匹配电路和等离子室。射频发生器连接到阻抗匹配电路，该电路进一步连接到等离子室。RF发生器产生RF功率，该功率提供给阻抗匹配电路。阻抗匹配电路将等离子室的阻抗与RF发生器的阻抗相匹配。

在晶圆加工过程中，与等离子切割工具相关的各种参数受到控制。正是在这种背景下，本公开专利中描述的实施例应运而生。

在无匹配等离子体源（MPS）的射频（RF）发生器中，通过对基频输出电阻较低的无匹配等离子体源进行频率调谐，并在调谐无匹配等离子体源时看到纯阻性负载，从而消除了将等离子体室阻抗与传统RF发生器的50欧姆输出阻抗相匹配的传统RF匹配网络。

在某些系统中，频率调谐是通过测量电压波形和电流波形之间的相位角来执行的。当相位角被驱动到零或在从零开始的预设范围内时，频率调谐停止。但是，很难准确测量相位角。此外，由于电压波形中的振荡，零相位角或从零开始的预设范围内很难实现。因此，基于相位角的频率调谐变得困难。

本文所述的用于对无匹配等离子体源进行频率调谐的系统和方法的一些优点包括调谐信号发生器的工作频率，以在无匹配等离子体源的输出端实现复数电流的近似最大幅度。无需确定复数电流和无匹配等离子体源输出端的复数电压之间的相位差。相位差的确定取决于等离子体腔室的不同条件。每当等离子体室的条件发生变化时，都会测量相位差，并确定基频相位差是否为零，例如零或在从零开始的预设范围内。在一些具体实施方式中，不需要测量输出处的复流的大小并确定该幅度是否是等离子体腔室中每次变化的近似最大幅度。

本文所述的用于对无匹配等离子体源进行频率调谐的系统和方法的其它优点包括使用比用于确定相位差的更简单的硬件设计。更简单的硬件设计包括一个电流探头，用于测量等离子体源输出端的复数电流的大小。无需使用复杂的电压和电流传感器来测量相位差，也不需要使用电压传感器来方便测量相位差。电压传感器测量无匹配等离子体源输出端电压波形的电压值。电流探头测量复流电流的电流值。使用电压传感器时，确定复数电流和电压波形之间的相位差。除了更简单之外，与复杂电压和电流传感器或设计用于测量电压和电流之间相位角的复杂电压传感器相比，电流探头的成本要低得多。

上面的图1是用于示出使用电流（I）探头110与无匹配等离子体源103控制频率的信号发生器114的实施例的系统100的系统框图。系统100包括无匹配的等离子源103，其包括信号发生器114、栅极驱动器电路104和半桥电路108。系统100还包括电流探头110和等离子体负载116。

图2是一个实施例的系统200的示意图，以示出使用电流探头110与无匹配的等离子体源215。无匹配等离子体源215是图1的无匹配等离子体源103的示例。该无匹配等离子体源215包括输入部分201和输出部分203。输入部分201包括控制器板202和栅极驱动器211的一部分。栅极驱动器211是图1的栅极驱动器电路104的示例。栅极驱动器211耦合到控制器板202。输出部分203包括栅极驱动器211的其余部分和半桥FET电路218。半桥FET电路218是图1的半桥电路108的示例。半桥FET电路218耦合到栅极驱动器211。本文所述的半桥FET电路有时在本文中称为放大电路。

控制器板202包括控制器204、信号发生器114和频率输入208。频率输入208的示例包括控制器和数字信号处理器。例如，频率输入208是耦合到控制器204的另一控制器。本文中描述的任何控制器的示例，例如频率输入208或控制器204，包括处理器和存储设备。控制器的其它示例，例如本文描述的频率输入208或控制器204，包括微处理器、数字信号处理器、ASIC、CPU、处理器或PLD，或现场可编程门阵列（FPGA）。存储器设备的示例包括只读存储器 （ROM） 和随机存取存储器 （RAM）。为了说明，本文所用的存储器设备是闪存或硬盘、动态RAM或静态RAM。信号发生器114以fRF的频率产生脉冲信号102，例如400 kHz，或2 MHz，或13.56 MHz，或27 MHz，或60 MHz。

图3是图300的实施例，以示出用于确定正弦电流波形在输出端的复数电流波形的近似最大幅度的方法，例如输出O11（图1）或输出O31（图2），半桥电路，在此描述。图300绘制了半桥电路输出端的复数电流与频率fRF的幅度。处理器205 （图2）在存储器设备207（图2）内存储频率分辨率Δf，以及预定的工作频率fRF范围。预定范围的一个例子是50 kHz至100 MHz之间的范围。预定范围的另一个例子是100 kHz和50 MHz之间的范围。预定的范围存储在存储器设备207中。在工作频率 fRF 的起始值为 f 的一次或预定时间段内n当前星等为 |i|n在半桥电路的输出端，处理器205将工作频率fRF从f递增n到 fn+1向着递增的频率方向302求一个对应的电流大小|i|n+1半桥电路输出端的正弦电流波形的复数电流，其中 fn+1=fn+Δf.类似地，在工作频率fRF的起始值为f的预定时间段内或预定的时间段内m当前星等为 |i|m在半桥电路的输出端，处理器205将工作频率fRF从f递增m到 fm+1朝向递增频率方向302以找到相应的电流幅度|i|m+1半桥电路输出端的正弦电流波形的复数电流，其中 fm+1=fm+Δf.

处理器205比较幅度|i|n与 |i|n+1或大小|i|m+1与 |i|m.如果半桥电路输出端的正弦电流波形的复数电流幅度在频率搜索方向上增加，例如，在|i|n与|i|n+1，处理器205继续沿频率递增方向302前进到下一个值fn+1信号发生器114的工作频率fRF。如果半桥电路输出端的正弦电流波形的复数电流幅度在频率搜索方向上减小，例如，在|i|m与|i|m+1，处理器205反转频率搜索方向并减小值fm到 fm−1在递减频率方向304中进行搜索，其与递增频率方向302相反。也就是说，如果由图300表示的|i|-f曲线在工作频率fRF值处具有正斜率，则处理器205增加该值。另一方面，如果由图300表示的|i|-f曲线在工作频率fRF值处具有负斜率，则处理器205减小该值。

当工作频率 fRF 达到值 f 时c工作频率的 fRF 从递增频率方向 302 或从递减频率方向 304 开始，其中 |i|-f 曲线的斜率在值 f 处c+1的工作频率 fRF 为负，|i|-f 曲线的斜率为值 fc−1为正数，处理器205完成搜索过程，并且频率fRF由处理器205调谐到达到近似最大幅度的值，例如最大电流幅度|i|max.

在一些实施方式中，为了增加精度值fc和调谐速度，频率分辨率Δf可由处理器205调节。当频率搜索方向接近值 fc 时，频率分辨率 Δf 较小，例如，在值 f 的预设限制内c.当频率搜索方向远离值 fc 时，频率分辨率 Δf 较大.

应当注意的是，频率搜索方向要么是频率增加方向302，要么是频率递减方向304。

图4是参照图3详细解释方法400的实施例的方法的流程图。流程图一般解释如下。假设频率分辨率为 Δf。

在操作401中，起始频率与相应的电流幅度|i|n或 |i|m是 fn或 fm.在操作402中，信号发生器114的工作频率递增至fn+1或 f米+1朝向递增频率方向，以找到相应的电流大小|i|n+1或 |i|m+1，其中 fn+1=fn+Δf 或 fm+1=fm+Δf.

在操作404中，星等|i|n与 |i 进行比较|n+1或大小|i|m与 |i 进行比较|米+1.如果当前幅度在频率搜索方向上增加，例如，在|i|n与|i|n+1，工作频率在频率搜索方向上增加到fn+1在操作406中。但是，如果当前幅度在频率搜索方向上减小，例如，在|i|m和|i|m+1，频率搜索方向在操作 412 中反转，频率 fm在操作 414 中，减小到 fm−1.也就是说，如果图3的图3所示的|i|-f曲线在信号发生器114的当前工作频率处具有正斜率，则工作频率增加。如果|i|-f曲线在信号发生器114的当前工作频率处具有负斜率，则工作频率降低。

然后执行操作408、416、410和418。当信号发生器114的工作频率达到fc，其中图形的斜率在 fc+1 处为 300为负数，图形的斜率在 fc−1 处为 300为正数，信号发生器114的工作频率搜索过程完成，并且工作频率调谐到在半桥电路输出端达到复数电流的近似最大值的值。当工作频率调谐到在半桥电路输出端达到复数电流的近似最大值的值时，工作频率在工作420中得到优化。在操作422中，接下来是调谐信号发生器114的工作频率的另一个周期。例如，重复方法400。