CN101325837A - 等离子体处理设备及其射频匹配网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频匹配网络，包括射频输出端口以及至少两个射频输入端口，所述射频输入端口与射频输出端口之间的匹配电路包括由第一恒值电感和第一恒值电容串接而成的匹配电路，该匹配电路的一端设有接地的第二恒值电容；所述射频匹配网络进一步包括第一支路；所述第一支路包括相串联的第一恒值附加电容和第一开关，且与所述第一恒值电容、第二恒值电容中任意一者相并联。本发明还公开了一种包括上述射频匹配网络的等离子体处理设备。由于各元件均为恒值元件，射频匹配网络的体积较小、成本较低且匹配速度较快。同时，通过第一开关即可以显著改变射频匹配网络的阻抗，负载阻抗发生较大改变时等离子体处理设备仍然能够顺利实现阻抗匹配。

Description

等离子体处理设备及其射频匹配网络

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种用于等离子体处理设备的射频匹配网络。本发明还涉及一种包括上述射频匹配网络的等离子体处理设备。

背景技术

等离子体处理设备是在半导体制造领域得到广泛应用的加工设备。不同的等离子体处理设备之间存在较大的差异(该差异通常表现在射频电源的数目、具体结构形式等方面)，下面仅以其中一种为例对其进行简要介绍。

请参考图1，图1为现有技术中一种典型的等离子体处理设备的结构示意图。

等离子体处理装置通常包括壳体(图中未添加附图标记)，其中具有反应腔室11。反应腔室11的顶部设有无源电极12，反应腔室11的底部设有射频驱动电极15。

无源电极12接地，且其与地线之间串接调整开关121。通过调整开关121，无源电极12可以选择并串接低通滤波器181、高通滤波器182、高通滤波器183三者之一；也可以选择通过旁路184直接接地。

射频驱动电极15分别连接第一射频电源171和第二射频电源172，当然，也可以在射频驱动电极15上连接三个甚至三个以上的射频电源。第一射频电源171具有较低的频率，其中心频率的范围通常是1MHZ至5MHZ，可以选用2MHz；第二射频电源172具有较高的频率，其中心频率通常应大于10MHZ，可以选用60MHz。通常，第一射频电源171和第二射频电源172的频率可以以上述中心频率为基准在5％的范围内波动。

等离子体处理设备工作时，将加工件(通常包括晶片、玻璃基板以及与两者具有相同加工原理的其他加工件；下文所述加工件的含义与此相同)设置于反应腔室11的底部，并通过分子泵等真空获得装置(图中未示出)在反应腔室11中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，通过气体输入装置(图中未示出)向反应腔室11中输入工艺气体，并由第一射频电源171以及第二射频电源172在无源电极12与射频驱动电极15之间输入适当的射频电压，以激活所述工艺气体，进而在所述加工件的表面产生并维持具有适当密度以及能量的等离子体环境。由于具有强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与所述加工件发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由所述真空获得装置从反应腔室11中抽出。

由于上述第一射频电源171以及第二射频电源172的能量通常很难完全输入，部分能量因此将被反射；这将造成能源的浪费，更为严重的是，上述被反射入射频输入电路的能量可能会导致射频输入电路发热甚至烧毁。因此，应当在第一射频电源171以及第二射频电源172与射频驱动电极15之间设置射频匹配网络，以使射频输入电路的阻抗与负载的阻抗(主要是反应腔室11的阻抗)互为共轭复阻抗，此时即实现了阻抗匹配，射频的反射率最低，能量可以顺利地输入。

此外，不同的具体工艺过程对反应腔室11中等离子体状态的要求各不相同，反应腔室11本身的状态参数在不同的具体工艺条件下也各不相同；因此，要提高等离子体处理设备的适应性，即要在同一等离子体处理设备中实现不同的具体工艺过程，就必须在不同的具体工艺条件下均实现上述阻抗匹配。

上述射频匹配网络通常由电感和电容等元件组成，为了在不同的具体工艺条件下均实现上述阻抗匹配，可以将上述射频匹配网络中的电容设置为可变电容，进而能够在较大的范围内实现上述阻抗匹配。然而，由于作为分离元件的可变电容通常具有较大的体积和较高的成本，这会增大射频匹配网络的体积，并显著增加成本。

解决上述问题的途径是避免在上述射频匹配网络中使用可变电容等可变元件，即射频匹配网络仅由恒值电容和恒值电感组成。这样，就可实现减小射频匹配网络的体积、降低成本的目的。但是，该技术效果的实现是以牺牲等离子体处理设备的适应性为代价的，由于射频匹配网络自身的阻抗仅能够随射频频率发生较小的改变，因此其阻抗匹配的范围比较小，只能在较小的范围内满足阻抗匹配的要求，等离子体处理设备能够实现的工艺过程较少。

因此，按照目前的主流观点，射频匹配网络的体积、成本与阻抗匹配的可实现范围还很难兼顾。如何在保持较大匹配范围的前提下减小射频匹配网络的体积、降低其成本是本领域的技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于等离子体处理设备的射频匹配网络，在保持相对较大的匹配范围的前提下具有相对较小的体积以及较低的成本。本发明还提供一种包括上述射频匹配网络的等离子体处理设备。

为解决上述技术问题，本发明提供一种射频匹配网络，用于等离子体处理设备，包括至少两个与不同频率的射频电源相连接的射频输入端口，以及向所述等离子体处理设备的反应腔室输出射频的射频输出端口，所述射频输入端口与射频输出端口之间连接匹配电路；所述匹配电路包括至少一个由第一恒值电感和第一恒值电容串接而成的匹配支路，该匹配支路的至少一端设有接地的第二恒值电容；进一步包括第一支路；所述第一支路包括相串联的第一恒值附加电容和第一开关，且与所述第一恒值电容、第二恒值电容中任意一者相并联。

进一步，所述射频匹配网络进一步包括第二支路；所述第二支路包括相串联的第二恒值附加电容与第二开关，且所述第二支路、所述第一支路分别与所述第一恒值电容、第二恒值电容相并联。

进一步，所述射频匹配网络进一步包括至少一个第三支路；所述第三支路包括相串联的第三恒值附加电容与第三开关，且所述第三支路至少与所述第一支路和第二支路之一并联。

进一步，各所述射频输入端口与相对应的射频电源之间串接带通滤波电路，所述带通滤波电路的通频带与同其相对应的射频电源的频率相适应。

进一步，各所述射频输入端口与地线之间串接带阻滤波电路，所述带阻滤波电路的阻频带与同其相对应的射频电源的频率相适应。

进一步，所述射频匹配网络具有两个射频电源，即第一射频电源和第二射频电源；其中第一射频电源的射频输入端口与地线之间串接第一滤波电路，所述第一滤波电路的通频带与所述第二射频电源的频率相适应；所述第二射频电源的射频输入端口与地线之间串接第二滤波电路，所述第二滤波电路的通频带与所述第一射频电源的频率相适应。

进一步，所述第一恒值电感和第一恒值电容组成的匹配支路同所述第二恒值电容形成L型、T型或者л型网络结构。

进一步，所述第一开关、第二开关和第三开关均为高频继电器开关。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的射频匹配网络。

进一步，所述等离子体处理设备具体为等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备。

相对于上述背景技术，本发明所提供的射频匹配网络中的电容均为恒值电容、电感均为恒值电感，整个射频匹配网络中不存在可变元件，因此射频匹配网络可以具有较小的体积以及较低的成本。同时，本发明所提供的射频匹配网络包括由第三恒值电容与第一开关组成的第一支路，所述第一支路与所述第一恒值电容、第二恒值电容中任意一者相并联；因此，通过控制上述第一开关的开闭即可以显著地改变射频匹配网络的阻抗，这样，当等离子体处理设备反应腔室中的工艺条件发生较大改变，即负载阻抗发生较大改变时，本发明所提供的射频匹配网络仍然能够实现阻抗匹配，使射频输入电路的阻抗与负载的阻抗互为共轭复阻抗。也就是说，本发明所提供的等离子体处理设备的射频匹配网络，在保持较大阻抗匹配范围的同时，具有体积较小、成本较低等优点。显然，本发明所提供的包括上述射频匹配网络的等离子体处理设备也具有上述优点。

附图说明

图1为现有技术中一种典型的等离子体处理设备的结构示意图；

图2为本发明所提供射频匹配网络第一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明所提供匹配支路与第二恒值电容一种连接方式示意图；

图4为本发明所提供匹配支路与第二恒值电容另一种连接方式示意图；

图5为本发明所提供射频匹配网络第二种具体实施方式的结构示意图；

图6为本发明所提供射频匹配网络第三种具体实施方式的结构示意图；

图7为本发明所提供射频匹配网络第四种具体实施方式的结构示意图；

图8为本发明所提供射频匹配网络第五种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于等离子体处理设备的射频匹配网络，在保持较大匹配范围的前提下具有较小的体积和较低的成本。本发明的另一核心是提供一种包括上述射频匹配网络的等离子体处理设备。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

现有技术中的等离子体处理设备大多将射频驱动电极设置于其反应腔室的底部，并将无源电极设置于反应腔室的顶部；但是，也可以对调两者的位置，即将射频驱动电极设置于反应腔室的顶部，而将无源电极设置于反应腔室的底部。

鉴于此，本文仅以射频驱动电极设置于反应腔室底部的情形为例，对本发明的所提供的技术方案进行说明；但是，本发明的保护范围应当包括射频驱动电极设置于反应腔室顶部这一具体情形。根据本文所公开的内容，本领域的技术人员不需要付出任何创造性劳动即可以得到射频驱动电极设置于反应腔室顶部时的技术方案。

此外，以下仅以双频系统为例对本发明的技术方案进行说明，本领域的技术人员不必付出任何创造性劳动即可将其扩展至具有一个、三个或者三个以上射频电源的系统中。

请参考图2，图2为本发明所提供射频匹配网络第一种具体实施方式的结构示意图。

在第一种具体实施方式中，本发明实施例所提供的射频匹配网络2设置于射频驱动电极与射频电源之间。

射频匹配网络2包括射频输出端口A，以及射频输入端口B和射频输入端口C；射频输出端口A连接所述等离子体处理设备的反应腔室，射频输入端口B和射频输入端口C分别连接第一射频电源和第二射频电源。第一射频电源的频率较低，在此其中心频率具体可以为2MHZ，第二射频电源的频率较高，在此其中心频率具体可以为60MHz，两者的频率通常可以以上述中心频率为基准在5％的范围内波动。

射频输出端口A和射频输入端口B之间串接至少一个匹配支路20，匹配支路20由第一恒值电感L1和第一恒值电容C1组成。匹配支路20的至少一端接有接地第二恒值电容C2，图2中第二接地电容C2设置于匹配支路20与射频输出端口A之间，也可以将其设置于匹配支路20与射频输入端口B之间。

此外，匹配支路20与第二恒值电容C2的连接方式可以是上文所述的L型、倒L型，还可以是图3所示的л型或者图4所示的T型。图3中第二恒值电容C2的数目具体是两个；图4中匹配支路20的数目具体是两个。

请继续参考图2。射频匹配网络2进一步包括第一支路21，第一支路21至少由第一恒值附加电容C3与第一开关K1串接而成。图2所示具体实施方式中，第一支路21与第二恒值电容C2并联，显然，第一支路21也可以与第一恒值电容C1并联。

第一开关K1以及下文即将描述的第二开关K2、第三开关K3具体可以是高频继电器开关。

射频输出端口A和射频输入端口C之间的结构与射频输出端口A和射频输入端口B之间的结构相同，在此不赘。

在不设置上述第一支路21的情况下，通过精确选择恒值电容和恒值电感的参数可以在较窄的范围内实现阻抗改变，从而在上述较窄范围内实现整个等离子体处理设备的阻抗匹配。

例如，在匹配电路仅为一个恒值电容和一个恒值电感串联而成的情况下，假设电容值为

电感值为2L。当射频电源的频率为其中心频率ω₀时，整个匹配电路的阻抗为Z＝jω₀L；当射频电源的频率为(ω₀+Δω)时，整个匹配电路的阻抗为 $Z=j2({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω})L-j\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{2}L}{{\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω}};$ 当射频电源的频率为(ω₀-Δω)时，整个匹配电路的阻抗为 $Z=j2({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\Δ\ω})L-j\frac{{\mathrm{\ω}}_0^{2}L}{{\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\Δ\ω}};$ 即 $\left|\mathrm{\ΔZ}\right|=4\mathrm{\Δ\ωL}+\frac{2\mathrm{\Δ\ω}{\mathrm{\ω}}_0^{2}L}{({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\Δ\ω})({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\Δ\ω})}.$

可见，由于通常射频电源以其中心频率ω₀为基准仅在5％的范围内波动，因此上例中匹配电路的阻抗Z变化范围较小，即只能实现阻抗的“微调”，在等离子体处理设备中的工艺条件(比如等离子体的能量、密度等)变化范围不大时尚能满足阻抗匹配的要求。然而有时，比如通孔(Via)工艺结束后需要进行去胶工艺(PR Strip)时，等离子体处理设备中的工艺条件需要发生较大改变，反应腔室中等离子体的密度、能量以及反应气体都存在较大差异，此时设备负载的阻抗变化范围较大，上例中的匹配网络已经无法满足阻抗匹配的要求了。

本发明所提供的射频匹配网络2进一步具有第一支路21，可以通过第一开关K1选择是否将第一恒值附加电容C3连入电路。第一恒值附加电容C3的连入或者脱离将对射频匹配网络2的阻抗带来十分显著的改变，即射频匹配网络2的阻抗可以在两个“档位”之间大幅变动，在各个“档位”下射频匹配网络2的阻抗还可以实现上述“微调”。这样，当等离子体处理设备反应腔室中的工艺条件发生较大改变，即负载的阻抗发生较大改变时，本发明所提供的射频匹配网络仍然能够实现阻抗匹配，使射频输入电路的阻抗与负载的阻抗互为共轭复阻抗。

另一方面，本发明所提供的射频匹配网络2中的电容均为恒值电容、电感均为恒值电感，整个射频匹配网络2中不存在可变元件，因此射频匹配网络2可以具有较小的体积以及较低的成本。也就是说，本发明所提供的用于等离子体处理设备的射频匹配网络2，在保持较大阻抗匹配范围的同时，具有体积较小、成本较低等优点。

请参考图5，图5为本发明所提供射频匹配网络第二种具体实施方式的结构示意图。

本发明第二种具体实施方式是在上述第一种具体实施方式的基础上所作的改进。

在第二种具体实施方式中，除了第一支路21之外，射频匹配网络2进一步具有第二支路22，第二支路22至少包括相串联的第二恒值附加电容C4与第二开关K2。上述第一支路21与第二支路22分别与第一恒值电容C1和第二恒值电容C2相并联。

图5所示具体实施方式中，第一支路21具体与第二恒值电容C2相并联，第二支路22具体与第一恒值电容C1相并联；显然第一支路21与第二支路22的位置可以互换。

设置第二支路22之后，通过第二开关K2可以方便地选择是否将第二恒值附加电容C4连入电路，第二恒值附加电容C4的连入或者脱离可以进一步改变射频匹配网络2的阻抗，射频匹配网络2的阻抗因此可以在多个“档位”之间大幅变动，因此可以在更大的范围内实现阻抗匹配。

请参考图6，图6为本发明所提供射频匹配网络第三种具体实施方式的结构示意图。

本发明第三种具体实施方式是在上述第一或者第二种具体实施方式的基础上所作的改进。

射频匹配网络2可以进一步包括至少一个第三支路23，每一第三支路23至少包括相串联的第三恒值附加电容C5与第二开关K3，第三开关K3可以方便地选择是否将第三恒值附加电容C5连入电路。至少一个第三支路23与上述第一支路21或者第二支路22之一相并联；第一支路21与第二支路22还可以同时并联第三支路23，且两者中任意一者都可以并联多个第三支路23。

图6所示射频匹配网络2具体仅在第一支路21上并联有第三支路23，并且仅在第一支路21上并联一个第三支路23；根据上段的描述，本领域的技术人员可以对第三支路23的设置位置以及数目做出相应的调整。

设置第三支路23的目的是为了实现对射频匹配网络2阻抗的多极调整，以进一步拓宽阻抗匹配的范围；这样，在负载阻抗大范围变动的情况下仍然能够实现阻抗匹配，同一等离子体处理设备中因此可以完成更多的工艺过程。

请参考图7，图7为本发明所提供射频匹配网络第四种具体实施方式的结构示意图。

本发明第四种具体实施方式是在上述第一、第二或者第三种具体实施方式的基础上所作的改进。改进的目的，是进一步加强各射频电源之间的隔离效果。

由于各射频电源均需要输入等离子体处理设备的反应腔室中，因此各射频电源必然连接。以双频系统为例，在高频射频与低频射频的交汇点，两者的能量并非完全进入等离子体处理设备的反应腔室，有一部分能量将互相进入对方，这是十分有害的。

为了提高射频电源之间的隔离效果，射频匹配网络2可以进一步包括带通滤波电路24，带通滤波电路24至少包括相串联的第二恒值电感L2和第三恒值电容C6。带通滤波电路24的数目与射频电源的数目相同。

通过选择第二恒值电感L2和第三恒值电容C6的参数，可以使带通滤波电路24的通频带与同其相对应的射频电源的频率相适应；也即图7中左侧的带通滤波电路24的通频带同与射频输入端口B连接的第一射频电源的频率相适应，图7中右侧的带通滤波电路24的通频带同与射频输入端口C连接的第二射频电源的频率相适应。

上述第二射频电源的部分能量可以被图6左侧的带通滤波电路24隔离，上述第一射频电源的部分能量可以被图6右侧的带通滤波电路24隔离；因此，可以确保两射频电源互不干扰。

本文不再描述适用于多个射频电源的射频匹配网络的具体结构，本领域的技术人员根据图6可以直接推知。

请参考图8，图8为本发明所提供射频匹配网络第五种具体实施方式的结构示意图。

本发明第五种具体实施方式同样是在上述第一、第二或者第三种具体实施方式的基础上所作的改进。改进的目的，同样是进一步加强各射频电源之间的隔离效果。

可以在射频输入端口B与地线之间串接带阻滤波电路25，带阻滤波电路25至少包括相串接的第三恒值电感L3和第四恒值电容C7，带阻滤波电路25的数目与射频电源的数目相同。

通过选择第三恒值电感L3和第四恒值电容C7的参数，可以使带阻滤波电路25的阻频带与同其相对应的射频电源的频率相适应；也即图8中左侧的带阻滤波电路25的阻频带同与射频输入端口B连接的第一射频电源的频率相适应，图8中右侧的带阻滤波电路25的阻频带同与射频输入端口C连接的第二射频电源的频率相适应。

由于图8中左侧的带阻滤波电路25的阻频带同第一射频电源的频率相适应，因此第一射频电源自射频输入端口B进入后不会因直接接地而损失；图8中右侧的带阻滤波电路25对于第一射频电源来说是低阻抗，第二射频电源对第一射频电源来说是高阻抗，因此部分进入图8中右侧电路的第一射频电源的能量将通过右侧的带阻滤波电路25接地。同理，第二射频电源的部分能量将通过左侧的带阻滤波电路25接地。这样，就实现了第一射频电源与第二射频电源的隔离。

本文不再描述适用于多个射频电源的射频匹配网络的具体结构，本领域的技术人员根据图8可以直接推知。

此外，对于双频系统而言，还可以通过如下方式实现两射频电源的隔离：

在第一射频电源的射频输入端口(例如射频输入端口B)与地线之间串接第一滤波电路，所述第一滤波电路的通频带与所述第二射频电源的频率相适应；所述第二射频电源的射频输入端口(例如射频输入端口C)与地线之间串接第二滤波电路，所述第二滤波电路的通频带与所述第一射频电源的频率相适应。

上述第一射频电源的能量在到达所述第二射频电源之前由所述第二滤波电路接地，同样，上述第二射频电源的能量在到达所述第一射频电源之前由所述第一滤波电路接地；因此，第一射频电源与第二射频电源也可以实现较为可靠的隔离。

本发明还提供一种等离子体处理设备，包括上述任一项所述的射频匹配网络，具体结构不再赘述。

上述等离子体处理设备具体可以是等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备，当然也可以是其他常用的设备。

以上对本发明所提供的等离子体处理设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1、一种射频匹配网络，用于等离子体处理设备，包括至少两个与不同频率的射频电源相连接的射频输入端口，以及向所述等离子体处理设备的反应腔室输出射频的射频输出端口，所述射频输入端口与射频输出端口之间连接匹配电路；所述匹配电路包括至少一个由第一恒值电感和第一恒值电容串接而成的匹配支路，该匹配支路的至少一端设有接地的第二恒值电容；其特征在于，进一步包括第一支路；所述第一支路包括相串联的第一恒值附加电容和第一开关，且与所述第一恒值电容、第二恒值电容中任意一者相并联。

2、如权利要求1所述的射频匹配网络，其特征在于，进一步包括第二支路；所述第二支路包括相串联的第二恒值附加电容与第二开关，且所述第二支路、所述第一支路分别与所述第一恒值电容、第二恒值电容相并联。

3、如权利要求2所述的射频匹配网络，其特征在于，进一步包括至少一个第三支路；所述第三支路包括相串联的第三恒值附加电容与第三开关，且所述第三支路至少与所述第一支路和第二支路之一并联。

4、如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，各所述射频输入端口与相对应的射频电源之间串接带通滤波电路，所述带通滤波电路的通频带与同其相对应的射频电源的频率相适应。

5、如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，各所述射频输入端口与地线之间串接带阻滤波电路，所述带阻滤波电路的阻频带与同其相对应的射频电源的频率相适应。

6、如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，所述射频匹配网络具有两个射频电源，即第一射频电源和第二射频电源；其中第一射频电源的射频输入端口与地线之间串接第一滤波电路，所述第一滤波电路的通频带与所述第二射频电源的频率相适应；所述第二射频电源的射频输入端口与地线之间串接第二滤波电路，所述第二滤波电路的通频带与所述第一射频电源的频率相适应。

7、如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，所述第一恒值电感和第一恒值电容组成的匹配支路同所述第二恒值电容形成L型、T型或者Л型网络结构。

8、如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络，其特征在于，所述第一开关、第二开关和第三开关均为高频继电器开关。

9、一种等离子体处理设备，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的射频匹配网络。

10、如权利要求9所述的等离子体处理设备，其特征在于，具体为等离子体刻蚀设备或者等离子体淀积设备。

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