CN103094042A - 基板处理设备以及阻抗匹配方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基板处理设备和阻抗匹配方法。该基板处理设备包括：高频功率源，其用于产生高频功率；处理室，其用于通过使用高频功率来执行等离子体处理；匹配电路，其用于对处理室的变化阻抗进行补偿；以及变压器，其被设置在处理室和匹配电路之间，以减少处理室的阻抗。

Description

基板处理设备以及阻抗匹配方法

技术领域

本文中公开的本发明涉及基板处理设备以及阻抗匹配方法，并且更特别地，涉及用于在等离子体处理期间进行阻抗匹配的基板处理设备以及阻抗匹配方法。

背景技术

由于在等离子体处理期间使用高频功率来使用等离子体处理基板，所以阻抗匹配是至关重要的。阻抗匹配是：等同地控制在功率的发送终端和接收终端处的阻抗，以便有效地传送功率。等离子体处理需要在提供高频功率的功率源与接收高频功率的室之间的阻抗匹配，以产生和保持等离子体。

由于等离子体的阻抗基于不同变量(例如源气体的类型、温度和压力)而确定，所以在处理期间室的阻抗持续变化。因此，在等离子体处理期间阻抗匹配通过具有电容器和电感器的匹配电路而对室的变化阻抗进行补偿。

然而，由于当通过对电容量或电感量进行调整而补偿阻抗时存在响应速度的限制，所以在阻抗匹配期间发生了时间延迟。特别地，当在初始处理期间产生等离子体而使室的阻抗剧烈变化时，由于对室阻抗的非足够快响应产生了反射波，因而出现了室中的等离子体的密度偏离和电弧。

发明内容

本发明提供了一种执行快速阻抗匹配的基板处理设备以及基板处理方法。

本发明还提供一种在宽频带中的高频功率上执行阻抗匹配的基板处理设备以及基板处理方法。

本发明实施例提供了基板处理设备，包括：高频功率源，其用于产生高频功率；处理室，其通过使用高频功率来执行等离子体处理；匹配电路，其用于对处理室的变化阻抗进行补偿；以及变压器，其被设置在处理室和匹配电路之间，以减少处理室的阻抗。

在一些实施例中，变压器可以是Ruthroff变压器。

在其它实施例中，Ruthroff变压器可以是1∶4不平衡-不平衡(unbalanced-to-unbalanced)变压器。

在仍其它实施例中，该设备还可以包括：阻抗测量单元，其用于测量处理室的阻抗；反射功率测量单元，其用于测量反射功率；以及控制器，其基于阻抗测量单元和反射功率测量单元的测量值来控制匹配电路。

在甚至其它实施例中，匹配电路可以包括彼此平行设置的多个电容器和分别连接到该多个电容器的多个开关；并且控制器基于测量值来产生控制信号；并且匹配电路响应于该控制信号来断开/闭合多个开关。

在另外其它实施例中，匹配电路可以是倒L型电路。

在另外实施例中，处理室可以包括：壳体，其提供执行等离子体处理的空间；以及等离子体生成器，其通过使用高频功率而向壳体提供等离子体。

在仍另外实施例中，等离子体生成器可以是电容耦合等离子体(CCP)生成器，其包括在壳体中彼此间隔开的多个电极。

在甚至另外实施例中，高频功率、匹配电路、和变压器可以是多个；高频功率源可以产生不同频率的高频功率；可以将该不同频率施加到该多个电极；并且匹配电路和变压器可以与高频功率所施加到的每个电极相连。

在本发明的其它实施例中，在通过使用高频功率来执行等离子体处理的基板处理设备中的阻抗匹配方法可以包括：在等离子体处理期间通过变压器来减小处理室的变化阻抗，其中变压器被设置在匹配电路和处理室之间；并且通过匹配电路来对减小的阻抗进行补偿，以执行阻抗匹配。

在一些实施例中，变压器可以是1∶4变压器；并且匹配电路可以对变为1/4的处理室阻抗进行补偿，以执行阻抗匹配。

附图说明

结合附图来提供对本发明的进一步理解，附图被纳入本说明书中并构成其一部分。附图示出了本发明的示例性实施例，并连同说明书一起用以解释本发明的原理。在附图中：

图1是基板处理设备的视图；

图2是示出根据本发明实施例的图1的基板处理设备的图；

图3是示出根据本发明实施例的图2的匹配电路的电路图；

图4是示出根据另一实施例的图2的匹配电路的电路图；

图5是示出根据又一实施例的图2的匹配电路的电路图；

图6是示出根据实施例的图2的变压器的电路图；

图7是示出根据实施例的图6的变压器的俯视图；

图8是当连接多个图6的变压器时的视图；

图9是示出通过图6的变压器的电流变化的图示；

图10是示出通过图6的变压器的电压变化的图示；

图11是示出通过图6的变压器的阻抗变化的图示；

图12至图14是示出图1的基板处理设备的变型的图；并且

图15是示出图14的基板处理设备中的阻抗匹配的图示。

具体实施方式

以下将参照附图来更加详细地描述本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同形式体现，并且不应被解释为受限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例以使得本公开是彻底和完整的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

在下文中，将描述根据本发明的基板处理设备100。

基板处理设备100执行处理。等离子体处理可以包括等离子体沉积处理、等离子体蚀刻处理、等离子灰化处理、以及等离子体清洁处理。在例如等离子体处理期间，高频功率被施加到源气体以产生等离子体。当然，除了上面示例之外，基板处理设备100还可以执行各种等离子体处理。

此外，本文中的基板包括平板显示器(FPD)和还用于制造在薄膜上具有电路图案的产品的所有基板。

图1是基板处理设备100的视图。

参照图1，基板处理设备100包括：处理室1000、高频功率源2000、阻抗匹配装置3000、以及传输线110。处理室1000通过使用高频功率来执行等离子体处理。高频功率源2000产生高频功率并且传输线110将高频功率源2000与处理室1000相连，并将高频功率发送到处理室1000。阻抗匹配装置3000与在高频功率源2000和处理室1000之间的阻抗匹配。

在下文中，将描述根据本发明实施例的基板处理设备100。

图2是示出根据本发明实施例的图1的基板处理设备100的图。

处理室1000包括壳体1100和等离子体生成器1200。

壳体1100提供了执行等离子体处理的空间。

等离子体生成器1200向壳体1100提供等离子体。等离子体生成器1200将高频功率施加到源气体以产生等离子体。

电容耦合等离子体生成器(CCPG)1200a可以用作等离子体生成器1200。

CCPG 1200a可以包括在壳体1100中的多个电极。

例如，CCPG 1200a可以包括：第一电极1210和第二电极1220。第一电极1210被设置在壳体1100顶部内侧，而第二电极1220被设置在壳体1100底部内侧。第一电极1210和第二电极1220在竖直方向彼此平行地设置。高频功率通过传输线110而被施加到第一电极1210和第二电极1220中的一个，并且另一个接地。一旦施加了高频功率，就在第一电极1210和第二电极1220之间形成电容性电场。在第一电极1210和第二电极1220之间的源气体通过从该电容性电场接收电能而被电离，并成为等离子体状态。此外，这样的源气体可以从外部的气体供给源(未示出)流至壳体1100。

高频功率源2000产生高频功率。此处，高频功率源2000可以以脉冲模式产生高频功率。高频功率源2000可以产生特定频率的高频功率。例如，高频功率源2000可以产生2Mhz、13.56Mhz、或100Mhz频率的功率。当然，除了上述频率之外，高频功率源2000也可以产生另外频率的高频功率。

传输线110将高频功率从高频功率源2000发送到处理室1000。

当高频功率以这种方式通过传输线110发送时，如果在其功率的发送终端和接收终端处的阻抗失配，则出现反射波，从而造成反射功率。在高频功率的情况中，在传输处理期间延迟功率出现在非消耗性的电路(例如电容或电容器或电感器)中，使得反射波由于相位差而出现。一旦这样的反射波出现，就会使功率传输效率下降。此外，从高频功率源2000到处理室1000的功率变得不规则，使其变得难于产生等离子体或保持均匀的密度。此外，当反射波在处理室1000中积累时，发生电弧放电，这可能直接损坏基板S。

阻抗匹配装置300可以执行阻抗匹配。一旦匹配了阻抗，就不会出现反射波，并且功率被高效地发送。

阻抗匹配装置3000可以包括匹配电路3100、变压器3200、控制器3300、阻抗测量单元3400、以及反射功率测量单元3500。

匹配电路3100将处理室1000处的阻抗与高频功率源2000处的阻抗进行匹配。匹配电路3100包括电路器件例如电容器或电感器。匹配电路3100的电路器件中的全部或一些可以是可变电路器件。

图3是示出图2的匹配电路3100的电路图。

根据实施例，匹配电路3100可以包括可变电容器3110和电感器3120。参照图3，在传输线路110上，电感器3120可以串联连接，并且可变电容器3110可以并联连接。匹配电路3100调整可变电容器3110的电容，以用于阻抗匹配。

可变电容器3110可以包括多个电容器3111和多个开关3112。该多个电容器3111可以彼此并联连接。该多个开关3112分别连接到该多个电容器3111，并且可以响应于控制器3300(将在后面描述)的控制而闭合或断开。

开关3112可以响应于来自控制器3300的控制信号而调整电容器的短路和高频传输线110。多个电容器连接到调整其短路的开关3112。例如，控制器3300发送对开关3112的短路进行控制的控制信号，并且开关3112根据该控制信号而调整每个电容器的短路。

可以将数字开关用作开关3112。例如，开关3112可以包括RF继电器、PIN二极管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这种数字开关响应于ON/OFF信号而断开/闭合相应的电容器3110，以使其可以以比机械驱动的开关更快的响应速度来补偿阻抗。因此，改善了阻抗匹配的响应速度，减小了延迟时间，并且去除了反射波。

这种可变电容器3110的电容可以根据开关3112的状态组合而被确定。即，在并联连接的电容器3111当中，可以根据其开关3112闭合的电容器3111的电容总和来确定可变电容器3110的电容。

此处，多个电容器3111可以具有相同的电容。此外，该多个电容器3111可以以其电容比为1∶2∶3...∶n来设置。此外，该多个电容器3111可以以其电容比为1∶21∶22...∶2n来设置。

由于可变电容器3110的总电容是所连接的电容器3111的总和，所以当电容器3111具有根据上述值的电容时，容易控制可变电容器3110的电容，并适用于宽范围。

然而，尽管上面描述了包括一个可变电容器3110和电感器3120的匹配电路3100，但是构成匹配电路3100的电路器件的类型、数量以及连接关系可以与上述不同。

图4是示出根据另一实施例的图2的匹配电路3100的电路图。图5是示出根据又一实施例的图2的匹配电路3100的电路图。

参照图4，匹配电路3100可以以L型电路实现，该L型电路包括：并联连接到传输线110的可变电容器3110a；以及串联连接到传输线110的电容器3110b和电感器3120。此外，参照图5，匹配电路3100可以实现为∏型，其包括：串联连接到传输线110的电感器3120；以及并联连接到传输线110的可变电容器3110a和电容器3110b。当然，如果必要的话，匹配电路3100可以实现为倒L型电路、不同种类的典型电路、以及适当修改的电路。

在传输线110上安装变压器3200，以便在输入侧和输出侧处变换阻抗。

图6是示出根据实施例的图2的变压器3200的电路图。图7是示出根据实施例的图6的变压器3200的俯视图。

参照图6，Ruthroff变压器可以被用作变压器3200。Ruthroff变压器针对宽带宽而执行阻抗变换，并且具有优异的传输效率。图6和图7示出1∶4不平衡-不平衡Ruthroff变压器。如图7所示，可以通bootstrap原理将绞合线缠绕在环形磁心上来制造1∶4的Ruthroff变压器。此时，如果第一线圈L1和第二线圈L2具有相同的值，则在输出侧处的阻抗与在输入侧处的阻抗的变换比变为1∶4。

如果在这样的Ruthroff变压器中缠绕在磁心上的绞合线的数量增加，则阻抗的变换比改变。在三条绞合线的情况中，1∶2.25不平衡-不平衡变压器工作。在四条绞合线的情况中，提供了1∶1.78的变换比。

此外，当Ruthroff变压器串联连接时，可以提供更大的变换比。

图8是当多个图6的变压器3200连接时的视图。

参照图8，当两个1∶4不平衡-不平衡变压器串联连接时，初级输出侧相对于输入侧具有1∶4的变换比，并且最终输出侧与初级输出侧的变换比又为1∶4。因此，最终输出侧与输入侧的阻抗变换比变为1∶16。

在基板处理设备100中，传输线110从高频功率源2000连接到处理室1000，并且在其之间可以连接匹配电路3100和变压器2300。也就是说，传输线110可以依次连接高频功率源2000、匹配电路3100、变压器3200、和处理室1000。

因此，基于变压器3200，高频功率源2000和匹配电路3100被设置在变压器3200的输入侧，而处理室1000被设置在输出侧。因此，变压器3200可以减少处理室1000处的阻抗。

大体上，高频功率源2000具有固定阻抗(例如约50欧姆)，但是在等离子体处理期间处理室1000具有至少几欧姆至至多300欧姆的阻抗。当处理室1000的阻抗通过变压器3200被传递到输入侧时，在1∶4不平衡-不平衡变压器的情况中减小了约70欧姆。因此，即使当处理室1000的阻抗在与输入侧相连的匹配电路3100中显著改变了几百欧姆时，也可以通过依据变换比与其被减小的一样多的调整阻抗来匹配处理室1000与高频功率源2000之间的阻抗。

特别地，当功率以脉冲模式被供应至处理室1000、并且在等离子体处理的开始处由高速脉冲产生等离子体时，阻抗剧烈变化。此时，匹配电路3100对由变压器3200减小的变化阻抗进行补偿以匹配阻抗。因此，可以改善阻抗匹配的速度。

图9是示出通过图6的变压器3200的电流变化的图示。图10是示出通过图6的变压器3200的电压变化的图示。图11是示出通过图6的变压器3200的阻抗变化的图示。

参照图9和图10，在1∶4不平衡-不平衡Ruthroff变压器和2Mhz频率的高频功率的情况中，相比于处理室1000侧，在高频功率源2000侧处的电流和电压的值增加了2倍，并且阻抗减小至1/4。

然而，变压器3200不限于上面示例，并且Ruthrof变压器可以使用执行其相同或相似功能的变压器来替换。

控制器3300基于阻抗测量单元3400和反射功率测量单元3500的测量值来产生用于阻抗补偿的控制信号，并且将该控制信号发送到匹配电路3100以对其进行控制。此处，阻抗测量单元3400对处理室1000的阻抗进行测量，并且将测量值发送到控制器3300。此外，反射功率测量单元3500测量由于反射波而造成的反射功率，并且将该测量值发送到控制器3300。

例如，控制信号用来接通/断开匹配电路3100中的多个开关3120。当在匹配电路3100中响应于控制信号而使开关3120闭合或断开时，其电容可以被调整。

这样的控制器3300可以通过使用硬件、软件或其结合来实现为计算机或与其类似的装置。

在硬件方面，控制器3300可以实现为专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、微控制器、微处理器、或执行与上述类似的控制功能的电子设备。

另外，在软件方面，控制器3300可以实现为以至少一种程序语言编写的软件应用或软件代码。此外，软件以从外部设备(例如软件服务器)发送到上述硬件构造中来安装。

基于包括(单一频率的高频功率施加到的)CCPG 1200a的处理室1000而描述了基板处理设备100，但是基板处理设备100可以与上述不同。

图12至图14是示出图1的基板处理设备100的变型的图。

参照图12，作为CCPG 1200a的替代，可以在基板处理设备100中的处理室1000中使用电感耦合等离子体生成器(ICPG)1200b。ICPG 1200b被安装在源气体流入处理室1000的部位周围以形成感应电场。因此，流入的处理室1000中的源气体由感应电场电离并成为等离子体状态。

另外，在基板处理设备100中的处理室1000可以通过同时使用不同频率的高频功率来执行等离子体处理。在等离子体蚀刻处理的情况中，当使用多个不同高频功率来执行等离子体处理时，与使用单一频率的高频功率的情况相比较，可以获得更优异的效果。

参照图13，基板处理设备100中的CCPG 1200a的两个电极1210a和1210b可以分别连接到产生不同频率的高频功率的两个高频功率源2000a和2000b。因此，不同的高频功率被施加到第一电极1210a和第二电极1210b，以使得通过同时使用两个不同频率的高频功率来执行等离子体处理。

参照图14，可以在基板处理设备100中使用三个不同频率。例如，第一电极1210a被设置在壳体1100的顶部，而第二电极1210b和第三电极1210c被设置在下面并与第一电极1210a间隔开。此时，用于产生不同的第一高频功率、第二高频功率、和第三高频功率的高频功率源2000a、2000b、和2000c分别连接到电极1210a、1210b和1210c。因此，通过同时使用三个高频功率来在处理室1000中执行等离子体处理。例如，第一高频功率、第二高频功率、和第三高频功率可以分别是2Mhz、13.6Mhz和100Mhz。此外，在某些情况中，第二电极1210b和第三电极1210c可以一体设置。

当像上面那样同时使用宽带宽的频率时，由于不同的带宽而难于预测阻抗的变化并难于匹配阻抗。然而，Ruthroff变压器针对宽带宽而变换阻抗，并因而被有效地使用。

图15是示出图14的基板处理设备100的阻抗匹配的图示。

参照图15，当使用1∶4不平衡-不平衡Ruthroff变压器时，针对三个带宽2Mhz、13.6Mhz、和100Mhz，在高频功率源2000侧处将阻抗匹配为50欧姆的固定阻抗。

在下文中将描述使用根据本发明的基板处理设备100的阻抗匹配方法。然而，可以通过使用与上述基板处理设备100等同或类似的其它设备来执行阻抗匹配方法。此外，这样的阻抗匹配方法可以通过用于执行该方法的代码或程序的形式来存储在计算机可读的记录介质中。

关于阻抗匹配方法，首先源气体从气体供给源(未示出)流到处理室1000中。一旦源气体流动，高频功率源2000就产生高频功率，并将所生成的高频功率通过传输线110发送到等离子体生成器1200。等离子体生成器1200通过使用高频功率来电离源气体而生成等离子体。一旦产生了等离子体，处理室1000就通过使用等离子体来处理基板。因此，当产生等离子体并且处理基板时，各种处理条件(例如来自基板的异物、等离子体的密度、源气体的类型、以及处理室1000的内部温度和内部压力)改变等离子体阻抗或处理室1000的阻抗。特别地，阻抗可能在以脉冲模式提供高频功率的等离子体处理的开始处剧烈变化。

阻抗测量单元3400测量处理室1000的阻抗并且将测量值施加到控制器3300。此外，当阻抗变化时可能打破阻抗匹配，并且，由于这一点，可能发生反射波。此时，反射功率测量单元3500测量高频功率源2000侧处的反射功率，并将测量值施加到控制器3300。

控制器3300从阻抗测量单元3400和反射功率测量单元3500获得测量值，以产生控制信号，并将所生成的控制信号发送到匹配电路3100。

在匹配电路3100中，响应于控制信号而断开或闭合多个开关3112。将可变电容器3110的电容调整到与在多个开关3112中的被闭合的开关3112相连的电容器3111的电容的总和。结果，在高频功率源2000和处理室1000处完成阻抗匹配。然而，匹配电路3100的电路构造不限于可变电容器3110。即使在一些不同的构造中，也可以以类似的方式响应于控制信号而补偿阻抗。

在这样的阻抗匹配期间控制器3300发送数字信号，以二极管或晶体管实现的数字开关3112响应于控制信号而被接通/断开，以使得它相比于机械开关而更快的补偿阻抗。

此处，通过变压器3200对减小的变化进行补偿，匹配电路3100可以在处理室1000中对实际变化的阻抗执行阻抗匹配。变压器3200被设置在匹配电路3100和处理室1000之间，以使其可以在匹配电路3100处减少处理室1000的阻抗。当使用1∶4不平衡-不平衡Ruthroff变压器时，处理室1000的阻抗降低到1/4。因此，匹配电路3100对处理室1000中的具有1/4阻抗变化大小的阻抗进行补偿，以执行阻抗匹配。

特别地，由于在等离子体处理的初始脉冲模式中供应功率时处理室1000的阻抗剧烈变化，所以匹配电路3100使用数字开关，而可以出现最小延迟时间。然而，由于降低了其阻抗变化并且改善了匹配电路3200的响应速度，所以可以使反射波最小化。

根据本发明，即使当处理室的阻抗剧烈变化时，匹配电路也能通过变压器对减小的阻抗变化进行补偿。因此，可以进行快速匹配。

根据本发明，由于阻抗匹配是快速的，所以减小了延迟时间并且去除了反射波以在处理室期间防止电弧放电。因此，增加了处理效率。

根据本发明，由于使用了Ruthroff变压器，因此在具有宽带宽的不同频率的高频功率上完成了阻抗匹配。

以上公开的主题内容应被认为是说明性的而非限制性的，并且所附权利要求意在覆盖落入本发明真正精神和范围的所有变型、改进和其它实施例。因此，在法律所允许的最大限度下，本发明的范围将由所附权利要求及其等同体的广义可允许的解释来确定，并且不应受限于或局限于受前述细节描述。

Claims (11)

1.一种基板处理设备，包括：

高频功率源，其用于产生高频功率；

处理室，其用于通过使用所述高频功率来执行等离子体处理；

匹配电路，其用于对所述处理室的变化阻抗进行补偿；以及

变压器，其被设置在所述处理室和所述匹配电路之间，以便减少所述处理室的阻抗。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述变压器是Ruthroff变压器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述Ruthroff变压器是1∶4不平衡-不平衡变压器。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，还包括：

阻抗测量单元，其用于测量所述处理室的阻抗；

反射功率测量单元，其用于测量反射功率；以及

控制器，其用于基于所述阻抗测量单元和所述反射功率测量单元的测量值来控制所述匹配电路。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，

所述匹配电路包括彼此平行设置的多个电容器和分别连接到所述多个电容器的多个开关；

所述控制器基于所述测量值来产生控制信号；并且

所述匹配电路响应于所述控制信号来断开/闭合所述多个开关。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述匹配电路是倒L型电路。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述处理室包括：壳体，其提供执行所述等离子体处理的空间；以及等离子体生成器，其通过使用所述高频功率而向所述壳体提供等离子体。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述等离子体生成器是电容耦合等离子体(CCP)生成器，其包括在所述壳体中彼此间隔开的多个电极。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，

所述高频功率、所述匹配电路和所述变压器是多个；

所述高频功率源产生不同频率的高频功率；

所述不同频率被施加到所述多个电极；并且

所述匹配电路和所述变压器与所述高频功率所施加到的每个电极相连。

10.一种在通过使用高频功率来执行等离子体处理的基板处理设备中的阻抗匹配方法，所述方法包括：

在所述等离子体处理期间通过变压器来减小处理室的变化阻抗，所述变压器被设置在匹配电路和处理室之间；并且

通过所述匹配电路来对所述减小的阻抗进行补偿，以执行阻抗匹配。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，

所述变压器是1∶4变压器；并且

所述匹配电路对变为1/4的所述处理室的阻抗进行补偿，以执行阻抗匹配。

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