CN103314430B - 具有辅助频率和次谐波变量的rf阻抗匹配网络 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例可以用于物理气相沉积的匹配网络。匹配网络可以包括通过具有第一调谐电路的第一阻抗匹配网络耦合至沉积腔室靶的第一RF发生器。第一RF发生器可以被配置为向沉积腔室靶引入第一AC信号。匹配网络还可以包括通过第二阻抗匹配网络耦合至沉积腔室基座的第二RF发生器。第二RF发生器可以被配置为向沉积腔室基座引入第二AC信号。第一调谐电路可以被配置为修改在沉积腔室靶和沉积腔室基座之间形成的等离子体上的第二AC信号的影响。
Description
本申请要求2010年10月20日提交的序列号为12/908,745的美国专利申请的优先权。该优先权申请在与本申请一致的范围内以全文引用的方式并入本申请。
背景技术
在形成半导体装置时，薄膜通常在真空淀积腔室中使用物理气相淀积（"PVD"）或者"溅射"来进行沉积。传统PVD使用惰性气体（例如氩气）的原子，所述惰性气体通过电场和低压进行离子化以轰击靶材料。通过用惰性气体轰击靶的释放，中性靶原子移动至半导体衬底并且与来自靶的其它原子共同形成薄膜。通过如在离子化PVD（"iPVD"）（另一种类型的溅射）中所完成的那样，离子化由靶释放的原子，窄通孔可以通过由电场和磁场控制从靶释放的离子化原子的路径的能力来接收薄膜沉积，并且因此，其中所述原子沉积在半导体衬底上。
然而，在传统PVD系统中，离子化的原子的精确控制受到限制。因此，需要一种用于在物理气相沉积腔室中精确控制离子轨迹的系统和方法。
发明内容
本公开的实施例可以用于物理气相沉积的匹配网络。匹配网络可以包括通过具有第一调谐电路的第一阻抗匹配网络耦合至沉积腔室的靶的第一RF发生器。第一RF发生器可以被配置为向沉积腔室的靶引入第一AC信号。匹配网络还可以包括通过第二阻抗匹配网络耦合至沉积腔室的基座的第二RF发生器。第二RF发生器可以被配置为向沉积腔室的基座引入第二AC信号。第一调谐电路可以被配置为修改在沉积腔室的靶和沉积腔室的基座之间形成的等离子体上的第二AC信号的影响。
本公开的实施例可以进一步提供用于控制物理气相沉积的方法。该方法可以包括通过具有第一调谐电路的第一阻抗匹配网络将第一AC信号引入至物理气相沉积腔室的靶，以及通过第二阻抗匹配网络将第二AC信号引入至设置在腔室中的基座以偏置基座。该方法还可以包括将气体引入至腔室内以促进在靶和基座之间形成等离子体。该方法可以进一步包括用第一调谐电路修改等离子体上第二AC信号的基频的影响，从而调节等离子体壳层以帮助离子化轨迹控制。
本公开的实施例可以进一步提供用于控制物理气相沉积的方法。该方法可以包括通过具有调谐电路的第一阻抗匹配网络将第一AC信号引入至物理气相沉积系统的腔室的靶，以及将第二AC信号引入至设置在腔室中的基座以偏置基座。该方法还可以包括将气体引入至腔室内以促进在靶和基座之间形成等离子体。该方法可以进一步包括用第一调谐电路修改等离子体上第二AC信号的基频的影响，从而调节等离子体壳层以帮助离子化轨迹控制，并且自动调谐调谐电路。自动调谐调谐电路可以包括确定第二AC信号的电压幅值和电流幅值，以及修改调谐电路的可变滤波器部件的阻抗以根据所确定的电压幅值和电流幅值进一步调节等离子体壳层。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可更好地理解本公开。应当强调的是，根据工业中的标准操作，各种特征并非按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚，可以任意地增加或者减小各种特征的尺寸。
图1示出了根据本公开一个或者多个实施例的示例性物理气相沉积系统的示意图。
图2示出了根据本公开一个或者多个实施例的示例性调谐电路的示意图。
图3示出了根据本公开一个或者多个实施例的示例V/I探针的示意图。
图4示出了根据本公开一个或者多个实施例的设置在图2中描述的调谐电路中的示例性滤波器阵列的示意图。
图5示出了根据本公开一个或者多个实施例的通过在图1中描述的腔室和调谐电路的示例性电流路径的示意图。
图6示出了根据本公开一个或者多个实施例的用于控制自动气相沉积的示例性方法的流程图。
具体实施方式
应当理解的是，以下公开描述了用于实现本发明不同特征、结构或者功能的若干示例性实施例。下面描述了组件、布置和配置的示例性实施例以简化本公开；然而，这些示例性实施例仅作为例子提供，并不旨在限制本发明的范围。另外，在这里提供的各种示例性的实施例和附图中本公开可以重复附图标记和/或字母。这些重复是为了简明和清楚而其本身并不指定各种附图中讨论的各种示例性的实施例和/或配置之间的关系。此外，在以下说明中，在第二特征上形成第一特征可以包括其中第一和第二特征的形成直接相关的实施例，并且还可以包括在第一特征和第二特征之间还形成有附加特征的实施例，从而第一和第二特征可以不直接相关。最后，下面给出的示例性实施例可以以任意组合方式组合，也就是说，来自示例性实施例的任意元件可以使用于任何其他示例性实施例，而不脱离本公开的范围。
另外，在下面的说明书和权利要求书中，通篇使用某些术语表示特定的组件。本领域技术人员将理解，各种实体可能通过不同名称引用相同的组件，并且同样地，本文中描述的元件的命名规则不旨在限制本发明的范围，除非本文中另有具体定义。进一步地，本文中使用的命名规则不旨在区分名称不同而功能相同的组件。另外，在下面的讨论中，以及在权利要求中，术语"包括"和"包含"是以开放式的方式来使用，因此应该被解释为"包括但不限于"。本公开中的所有数值可以是精确或近似的值，除非另有具体说明。相应地，本公开的各种实施例的可以背离本文公开的数目、值和范围，而不偏离本公开的范围。此外，如说明书或权利要求书中所用的，术语"或者"意在包含排他性和包括性两种情况，那就是说，"A或B"与"A和B中至少一个"含义相同，除非本文另有明确规定。
图1示出了本公开示例性的物理气相沉积系统100的示意图。物理气相沉积（"PVD"）系统100包括具有腔室主体112以及盖或者顶板114的腔室110。磁体组件116至少部分地被设置在盖114的第一侧或者"上"侧。磁体组件116可以是，但不限于是固定永久磁铁、旋转永久磁铁、磁控管、电磁铁，或它们的任意组合。在至少一个实施例中，磁体组件116可以包括设置在可旋转板上的一个或者多个永久磁铁，所述旋转板由每秒转数在大约0.1至大约10之间的电机转动。例如，磁体组件116可以在逆时针方向以大约1转/秒的速度旋转。
靶118至少部分地被设置在盖114的第二侧或者"下"侧，大体上与磁体组件116相对。靶118可以至少部分地由下列组成，但不限于：单个元素、硼化物、碳化物、氟化物、氧化物、硅化物、硒化物、硫化物、碲化物（tellerudes）、贵金属、合金、金属间化合物等等。例如，靶118可以由下列材料组成：铜（Cu）、硅（Si）、钛（Ti）、钽（Ta）、钨（W）、铝（Al）或者它们的任意组合。
基座120可以被设置在腔室110中，并且被配置为支撑晶片或者衬底122。在至少一个实施例中，基座120可以是或者包括卡盘，该卡盘被配置为将衬底122固定至基座120。例如，基座120可以包括机械卡盘、真空卡盘、静电卡盘（"e-chuck"），或它们的任意组合，用于将衬底122固定至基座120。机械卡盘可以包括一个或多个夹具用以将衬底固定至基座120。真空卡盘可以包括耦合至真空源（未示出）的真空孔（未示出）用以将衬底122固定至基座120。静电卡盘依靠由DC电压源供电的电极产生的静电压力以将衬底122固定至卡盘。在至少一个实施例中，基座122可以是或者包括由DC电源124供电的静电卡盘。
屏蔽126可以至少部分地围绕基座120和衬底122以横断靶118和腔室主体112之间的任何直接通路。如图所示，屏蔽126通常可以是圆柱体或者截头圆锥体。屏蔽126通常是电接地的，例如，通过物理附接至腔室主体112。从靶118向腔室主体112移动的溅射粒子可以由屏蔽126截取并且沉积在其上。屏蔽126最后可以形成溅射材料层并且需要清洗以维持可接受的腔室粒子数量。使用屏蔽126可以减少重新调整腔室110的费用以减少粒子数。
气体供应128可以耦合至腔室110并且配置为将选择的气体的控制流引入至腔室110内。引入至腔室110的气体可以包括但不限于：氩气（Ar）、氮（N2）、氦（He）、氙（Xe）、氢（H2）或它们的任意组合。
真空泵130可以耦合至腔室110并且被配置为维持在腔室110内所需的亚大气压或者真空度。在至少一个实施例中，真空泵130可以将腔室110内的压力维持在大约1毫托至大约100毫托之间。气体供应128和真空泵130两者都至少部分地设置为穿过腔室主体112。
第一RF发生器140通常通过第一阻抗匹配网络142通过腔室110的盖114耦合至靶118。第一RF发生器140被配置为通过盖114向靶118引入第一RF信号。第一RF发生器140的频率范围可以是从300赫兹（"Hz"）至162兆赫（"MHz"）。
在至少一个实施例中，DC发电机150可以向腔室110提供DC信号。例如，DC发电机150可以向靶118提供DC信号。DC滤波器152可以耦合至DC发电机150并且配置为防止RF信号（例如来自RF发生器140）到达和损害DC发电机150。虽然未示出，但是DC滤波器152可以被设置在与第一阻抗匹配网络142相同的外壳中。DC发电机150通常被配置为增加对靶122的离子轰击。
第二RF发生器160通过第二阻抗匹配网络162耦合至基座120。第二RF发生器160被配置为向基座120引入第二RF信号以偏置基座120和/或腔室110。第二阻抗匹配网络162根据需要可以与第一阻抗匹配网络142相同，或者可以不同。第二RF发生器160的频率范围可以是从300赫兹至162兆赫。
在至少一个实施例中，第三RF发生器170也可以通过第三阻抗匹配网络172或者通过第二阻抗匹配网络162耦合至基座120以进一步控制对腔室110的偏置。第三阻抗匹配网络172根据需要可以与第一和/或第二阻抗匹配网络142、162相同，或者可以不同。虽然未示出，但是一个或多个额外的RF发生器和对应的阻抗匹配网络可以与第二和第三RF发生器160、170以及第二和/或第三阻抗匹配网络162、172相结合或者一起使用。
第一阻抗匹配网络142可以包括被配置为标定由第二RF发生器160、第三RF发生器170或它们的任意组合产生的RF偏置信号的基频。第一调谐电路144还可以被配置为标定基频的二次和/或三次谐波、二次和三次谐波的组合或者所有三个频率的组合。如果系统100包括各自具有对应阻抗匹配网络的两个或多个偏置RF发生器（例如，具有用于第二和第三发生器160、170的第二和第三阻抗匹配网络162、172），那么第一调谐电路144可以标定多于一个基频、对应的谐波或者它们的任意组合。
第二阻抗匹配网络162可以包括第二调谐电路164，该第二调谐电路164被配置为标定从第一RF发生器140引入至盖114和/或靶118的第一RF信号的基频、二次谐波、和/或三次谐波。
在至少一个实施例中，第三阻抗匹配网络172可以包括第三调谐电路174，第三调谐电路174被配置为标定从第一RF发生器120引入至盖114和/或靶118的第一RF信号的基频、二次谐波、和/或三次谐波。
调谐电路144、164、174可以具有若干不同的配置。例如，调谐电路144、164、174可以是固定电路、手动可调的电路，由系统控制器180控制的电路、自动调谐电路或者它们的任意组合。采用固定电路，调谐电路144、164、174可以包括固定的（即不可调的）电路元件。采用手动可调电路，调谐电路144、164、174可以包括可调节的或者可变的电路元件（例如可变电抗元件）。例如，手动可调电路可以包括可以用螺钉或者旋钮进行手动调节的一个或者多个可变电容器。如果调谐电路144、164、174由系统控制器180控制，那么调谐电路144、164、174的电路元件可以根据来自系统控制器180的控制信号使用步进电机（未示出）进行调节。采用自动调谐电路，调谐电路144、164、174的电路元件可以根据从腔室110感测到的信息通过系统控制器180再次由步进电机调节。
经由第一RF发生器140、第二RF发生器160、第三RF发生器170、DC发电机150或者它们的任意组合提供给腔室110的电流，相互配合地离子化由气体供应128提供的惰性气体中的原子，以在腔室110中形成等离子体105。等离子体105，例如，可以是高密度等离子体。等离子体105包括等离子体壳层，该等离子体壳层是等离子体105中的具有较大的正离子密度的层，并且因此具有总体过量的正电荷，其平衡在与它接触的材料表面上相反的负电荷。
系统控制器180可以耦合至一个或者多个气体供应128、真空泵130、RF发生器140、160、170和DC发生器150。在至少一个实施例中，系统控制器180还可以耦合至一个或者多个阻抗匹配网络142、162、172。系统控制器180可以被配置为控制与它耦合的每个组件的各种功能。例如，系统控制器180可以被配置为控制从气体供应128引入至腔室110的气体的速率。系统控制器180可以被配置为用真空泵130调节腔室110内的气压。系统控制器180可以被配置为调节来自RF发生器140、160、170和/或DC发生器150的输出信号。在至少一个实施例中，系统控制器180可以被配置为调节阻抗匹配网络142、162、172的阻抗。
图2示出了本公开的示例性调谐电路144的示意图。调谐电路144可以被设置在阻抗匹配网络142中并且包括V/I探针300和滤波器阵列400。滤波器阵列400可以包括，但不限于，一个或者多个陷波滤波器、一个或者多个低通滤波器和/或一个或者多个高通滤波器。滤波器阵列400中的滤波器可以是可调节的，例如，通过步进电机（未示出）来调节可变电容器（或者其它电抗元件），所述可变电容器组成滤波器阵列400中滤波器的一部分。虽然描述了第一调谐电路144，但是设置在第二和第三阻抗匹配网络162、172中的第二和第三调谐电路164、174可以包括类似的V/I探针和滤波器阵列。
V/I探针被设置在第一阻抗匹配网络142的输出端243处并且可以确定腔室110的电压、电流和相位。V/I探针300可以被设置在与第一阻抗匹配网络142相同的外壳中和/或可以耦合至腔室110的盖114和/或靶118。可以将电压、电流和相位信息馈送给V/I探针300中的控制板和/或外部系统控制器180，所述外部系统控制器180适合于调节滤波器阵列400中的一个或者多个滤波器。在至少一个实施例中，V/I探针300直接向滤波器阵列400馈送电压、电流和相位信息。根据接收到的电压、电流和/或相位信息，V/I探针300中的控制板和/或系统控制器180可以对滤波器阵列400进行调节。
在至少一个实施例中，V/I探针300向系统控制器180提供反馈。例如，系统控制器180可以根据历史数据或者用户指令（例如查找表）调节滤波器阵列400中一个或者多个滤波器参数，并且V/I探针300可以为系统控制器180提供反馈以验证相比系统控制器180设置的阻抗值的调谐电路144的实际阻抗。在另一个实施例中，根据使用来自V/I探针300的输入的预定算法，系统控制器180可以主动控制滤波器阵列400。
图3示出了本公开的示例性V/I探针300的示意图。V/I探针300可以包括RF杆302，该RF杆302被设置在图1中的腔室110中或者接近腔室110并且被配置为从腔室110感测信号301的状态。电压传感器（例如电容器304）可以耦合至RF杆302并且被配置为检测或者“获取”表示来自RF杆302的腔室信号301的电压。低通滤波器306可以耦合至电容器304并且被配置为通过截止频率以下的频率和衰减截止频率以上的频率。
衰减器308可以耦合至低通滤波器306并且被配置为减小从低通滤波器306接收到的信号的振幅和/或功率而不会明显扭曲它的波形。过冲箝位器310可以耦合至衰减器308并且被配置为限制正的和/或负的瞬态电压漂移以及提供箝位的RFRMS电压信号。
转换器312可以耦合至过冲箝位器310并且被配置为将箝位的RFRMS信号转换成DC形式。在至少一个实施例中，转换器312可以是高频率、低电压、线性响应的RMS至DC功率转换器。在至少一个实施例中，转换器312可以具有宽的带宽容量。例如，转换器312可以在从低大约400千赫兹到高大约3千兆赫的频率范围内工作。转换器312可以是分立集成电路。
DC电压缩放器314可以耦合至转换器312并且被配置为缩放从转换器312接收到的电压。偏置调节316可以耦合至DC电压缩放器314并且被配置以消除或者调节缩放电压信号的偏置。电压缓冲放大器318可以耦合至偏置调节316并且被配置为将测量电压或者“Vmag”信号320的幅值输出至低阻抗负载。在至少一个实施例中，电压缓冲放大器318可以具有宽的带宽容量。例如，电压缓冲放大器318可以在从低大约400千赫兹到高大约3千兆赫的频率范围内工作并且可以是分立集成电路。
电流传感器（例如电感器324）也可以耦合至RF杆302并且被配置为通过电感器324中的感生场检测或者获取表示来自RF杆302的腔室信号301的电流。低通滤波器326可以耦合至电感器324并且被配置为通过截止频率以下的频率和衰减截止频率以上的频率。
衰减器328可以耦合至低通滤波器326并且被配置为减小从低通滤波器326接收到的信号的振幅和/或功率而不会明显扭曲它的波形。过冲箝位器330可以耦合至衰减器328并且被配置为限制正的/或者负的瞬态电流偏移以及提供箝位的RFRMS电流信号。
转换器332可以耦合至过冲箝位器330并且被配置为将箝位的RFRMS电流信号转换成DC形式。在至少一个实施例中，转换器332可以是高频率、低电压、线性响应的RMS至DC功率转换器。在至少一个实施例中，转换器332可以具有宽的带宽容量。例如，转换器332可以在从低大约400千赫兹到高大约3千兆赫的频率范围内工作并且可以是分立的集成电路。
DC电流缩放器334可以耦合至转换器332并且被配置为缩放从转换器332接收到的电流。偏置调节336可以耦合至DC电流缩放器334并且被配置以消除或者调节缩放电流信号的偏置。电流缓冲放大器338可以耦合至偏置调节336并且被配置为将测量电压或者“Imag”信号340的幅值输出至低阻抗负载。在至少一个实施例中，电流缓冲放大器338可以具有宽的带宽容量。例如，电流缓冲放大器338可以在从低大约400千赫兹到高大约3千兆赫的频率范围内工作并且可以是分立集成电路。
在至少一个实施例中，根据需要，低通滤波器326、衰减器328、箝位器330、DC缩放器334、偏置调节336和/或缓冲放大器338可以与低通滤波器306、衰减器308、箝位器310、DC缩放器314、偏置调节316和/或缓冲放大器318相同，或者它们可以是不同组件。
虽然未示出，但是Vmag信号320和/或Imag信号340可以耦合至相位检测电路以确定由杆302感测的腔室信号301的相位。相位检测由Vmag信号320和Imag信号340的减法测量（subtractivemeasurement）和/或增益测量来完成。减法或者增益比较发生在对数域中，导致具有线性比的输出。可以将Vmag信号320、Imag信号340和/或相位传输至系统控制器180或者V/I探针300中的控制板（未示出）。
图4示出了设置在调谐电路144中的示例性滤波器阵列400的示意图，所述调谐电路144在本公开的图2中描述。滤波器阵列400可以包括一个或者多个低通滤波器410、一个或者多个高通滤波器430和/或一个或者多个陷波滤波器或者谐振捕获（resonanttrap）450。低通滤波器410、高通滤波器430和陷波滤波器450可以是并联的或者串联的。
在至少一个实施例中，低通滤波器410可以是包括一个或者多个电感器（三个示出为411、413、415）和一个或者多个电容器（三个示出为412、414、416）的无源、模拟低通滤波器，其中所述电容器可以是可变电容器。例如，低通滤波器410可以包括三个级联LC部分，其中第一LC部分包括与第一可变电容器412串联的第一电感器411，第二LC部分包括与第二可变电容器414串联的第二电感器413，以及第三LC部分包括与第三可变电容器416串联的第三电感器415。
在至少一个实施例中，高通滤波器430可以是包括一个或者多个电感器（三个示出为431、433、435）和一个或者多个电容器（三个示出为432、434、436）的无源、模拟高通滤波器，其中所述电容器可以是可变电容器。例如，高通滤波器430可以包括三个级联LC部分，其中第一LC部分包括与第一电感器431串联的第一可变电容器432，第二LC部分包括与第二电感器433串联的第二可变电容器434，以及第三LC部分包括与第三电感器435串联的第三可变电容器436。
在至少一个实施例中，陷波滤波器450可以是包括一个或者多个电感器（四个示出为451、453、455、457）、一个或者多个可变电容器（四个示出为452、454、456、458）和一个或者多个固定电容器（四个示出为459、460、461、462）的无源、模拟滤波器。根据需要，陷波滤波器450、高通滤波器430和/或低通滤波器410可以包括针对多个频率的多个部分。例如，陷波滤波器450可以包括单独针对第二RF发生器160的基频、第二发生器160的二次谐波、第二发生器160的三次谐波和/或它们的任意组合的一个或者多个部分。根据需要，陷波滤波器450可以包括或者可以不包括针对第三发生器170的基频、第三发生器170的二次谐波、第三发生器170的三次谐波和/或它们的任意组合的一个或者多个部分。
在至少一个实施例中，陷波滤波器450包括四个级联m导出式分流半节，其中第一m导出式分流半节针对第二发生器160（参见图1）的基频，第二m导出式分流半节针对基频的二次谐波，第三m导出式分流半节针对基频的三次谐波，以及第四m导出式分流半节针对基频和二次谐波的组合。例如，第一m导出式分流半节包括与第一可变电容器452并联以提供第一串联阻抗的第一电感器451以及第一固定电容器459以提供第一分流导纳。级联的第二m导出式分流半节包括与第二可变电容器454并联以提供第二串联阻抗的第二电感器453和第二固定电容器460以提供第二分流导纳。级联的第三m导出式分流半节包括与第三可变电容器456并联以提供第三串联阻抗的第三电感器455和第三固定电容器461以提供第三分流导纳。第四m导出式分流半节包括与第四可变电容器458并联以提供第四串联阻抗的第四电感器457和第四固定电容器462以提供第四分流导纳。
依赖于所需的处理性能需要，滤波器阵列400的这些阻抗调谐电路元件可以被具体配置为在第二RF发生器和/或第三RF发生器的基频、二阶谐波、三阶谐波或者它们的任意组合的导数处给出所需的阻抗值（例如r+/-jX值）。虽然调谐电路144具有谐振频率，Fcritical，但是滤波器阵列400的滤波陷波的调谐点不必在特定二级基频或者谐波处。电抗可以被设置到史密斯圆图上的影响二级基波和相关的二次谐波或者三次谐波的-jx值的点上，但是滤波陷波不必在二级频率或者二级谐波处具有它的最小阻抗。例如，滤波器阵列400可以具有低的Q，如果在两个或者三个频率之间居中，该低的Q可以影响基波、二次谐波和/或三次谐波。
图5示出了根据示例性实施例的通过图1中描述的腔室110和调谐电路144的示例性电流通路590的示意图。如以上参照图1所讨论和描述的，第一RF发生器140通过第一阻抗匹配网络142耦合以提供电流至靶118，以及第二RF发生器160通过第二阻抗匹配网络162耦合以提供偏置电流至基座120。
不用辅助调谐电路144，电流通路590中的电流在第二RF发生器160处开始并且穿过第二阻抗匹配网络162、基座120和衬底122（其被夹到基座120），到达等离子体105。电流通路590中的电流可以是低电压RMS电流。从等离子体105，电流经由电流通路591通过屏蔽126、腔室主体112返回至第二RF发生器160，然后通过第二阻抗匹配网络162返回。
采用辅助调谐电路144，电流通路590中的至少一部分电流经由辅助电流通路592通过辅助调谐电路144返回至第二RF发生器160。例如，电流通路590中来自等离子体105的至少一部分电流可以行进至屏蔽126以形成经过靶118和盖114到达设置在第一阻抗匹配网络142中的辅助调谐电路144的第二电流通路592，然后继续返回经过腔室110达到第二阻抗匹配网络162和第二RF发生器160。
参照图6，继续参照图1-5，显示的是用于控制物理气相沉积的示例性方法600的流程图。在操作中，通过第一RF发生器140和/或DC发生器150将功率施加至靶118。在至少一个实施例中，如在602处，第一AC信号从第一RF发生器140通过第一阻抗匹配网络142经由盖114被引入至腔室110的靶118，其中第一阻抗匹配网络包括第一调谐电路144。通过第二RF发生器160和/或第三RF发生器170将偏置施加至基座120。在至少一个实施例中，如在604处，第二AC信号被引入至穿过第二阻抗匹配网络162设置的基座120以偏置基座120。偏置在靶118和腔室110其他部分之间创建电压差。在至少一个实施例中，施加至靶118的功率可以是从大约5千瓦至大约60千瓦。
如在606处，从气体供应128将气体（例如惰性气体）引入至腔室110内以促进腔室110内等离子体105的形成。气体的中性原子被离子化，从而发出电子。由于靶118和腔室110之间的电压差，电子撞击气体的其它中性原子，从而引起更多的电子和离子化原子。重复该过程以使得包括电子、离子化原子和中性原子的等离子体105存在于腔室110内。
带正电荷的离子化原子被吸引并且因此向着带负电荷的靶118加速。腔室110中的电压差的幅值控制将气体的原子吸引至靶118的力和/或速度。当撞击靶118时，离子化气体的能量将原子从靶材料驱逐并且喷射出来。来自离子化气体的一些能量可以以热量的形式传递到靶118。所驱逐的原子通过撞击等离子体105中的电子变得像中性原子一样离子化。一旦离子化，所释放的原子便沿着磁场路径到达衬底122以连同在衬底122上已有的其它相同、类似或者不同的原子和/或材料一起形成溅射层。存在于腔室110中的磁场可以至少部分地由设置在腔室110的盖114上的磁铁118控制。
RF发生器140、160、170，如果存在，则将分别通过阻抗匹配网络142、162、172耦合至腔室110。调节阻抗匹配网络142、162、172中的每一个以使得腔室110和各自的阻抗匹配网络142、162、172的组合阻抗匹配对应的RF发生器140、160、170的阻抗，以将RF能量有效地从RF发生器140、160、170传输至至腔室110，而不是反射回到RF发生器140、160、170。例如，可以调节第一阻抗匹配网络142以使得腔室110和第一匹配网络142的阻抗的组合阻抗匹配第一RF发生器140的阻抗，以防止RF能量被反射回到第一RF发生器140。
另外，阻抗匹配网络142、162、172可以各自具有调谐电路144、164、174。调谐电路144、164、174通过改变等离子体105的一个或多个等离子体壳层参数为保持在腔室110中的等离子体105中的离子化金属的离子化轨迹提供更好的控制。
调谐电路144、164、174中的阻抗控制腔室主体112和靶118之间的电流返回路径比。等离子体壳层和相关辅助RF基波电流通路的重新定型影响跨越衬底122的表面的离子能量的分布和/或离子密度。该能量的重新分布可以允许对朝向衬底122表面的离子轨迹精确控制。在至少一个实施例中，如在608处，来自第二RF发生器160的第二AC信号的基频在等离子体105上的影响可以用调谐电路144来改变，从而调节在腔室110中形成的等离子体105的等离子体壳层参数，以控制其中的离子化轨迹。在另一个实施例中，调谐电路144可以改变第二AC信号的基频、它的二次谐波、它的三次谐波或者它们的组合在等离子体105上的影响，以进一步控制等离子体105的等离子体壳层参数和/或腔室110中的离子化轨迹。同样地，调谐电路144可以控制离子化轨迹以为衬底122上的高纵横比结构减少沉积悬凸和提高底部覆盖。
在至少一个实施例中，一个或多个调谐电路164、174还可以改变来自第一RF发生器140的第一AC信号的基频、它的二次谐波、它的三次谐波或者它们的组合对等离子体105的影响，以进一步控制等离子体105的等离子体壳层参数和/或腔室110中的离子化轨迹。
如上所述，调谐电路144、164、174可以是固定电路、手动可调电路、由系统控制器180控制的电路、自动调谐电路或者它们的任意组合。在固定电路中，调谐电路144、164、174可以包括固定（即不可调节的）电路元件，并且那些元件的选择和值可以基于当正常运行腔室110时收集的数据。例如，调谐电路144的固定电路元件可以形成一个或多个滤波器，所述滤波器被设计以基于在系统100中添加第一阻抗匹配网络142前所收集的数据来针对第二RF发生器160和/或第三RF发生器170的基频、二次谐波、三次谐波和/或它们的任意组合。
采用手动可调电路，调谐电路144、164、174可以包括可调节的或者可变的电路元件。例如，手动可调电路可以包括使用螺钉或者旋钮手动调节的可变电容器。在至少一个实施例中，可变电容器可以部分地是一个或者多个滤波器并且可以被调节以改变滤波器的特征，例如滤波的频率范围。在至少一个实施例中，调谐电路144、164、174中的可变电容器可以在由系统100执行的气相沉积过程的不同阶段和/或模式下手动调节。手动可调电路中的调节可以基于理论数据或者在系统100中测量的数据。
在至少一个实施例中，调谐电路144、164、174的电路元件可以基于来自系统控制器180的指令使用例如步进电机等的一个或多个电机（未示出）进行调节。例如，在一个或多个调谐电路144、164、174中的电路元件可以包括可变电容器。系统控制器180可以参考包含每个可变电容器的特定电容值的查找表。系统控制器180可以基于查找表中的数值通过步进电机调节或者改变可变电容器的电容值。查找表可以包括由系统100执行的气相沉积过程中的不同阶段和/或模式的电容值。在查找表中不同的值可以基于历史数据或者理论值。在至少一个实施例中，系统控制器180可以对每个阶段和/或模式调节或者改变可变电容器的电容。
采用自动调谐电路，调谐电路144、164、174的电路元件可以基于从腔室110中感测到的信息进行调节。参考图2，调谐电路144可以包括V/I探针300以感测来自腔室110的信号的电压幅值、电流幅值和/或相位。
V/I探针300还可以被用作用于系统控制器180的反馈。例如，当系统控制器180基于查找表移动了调节的可变电容器，由V/I探针300感测到的值可以被用作反馈以检验可变电容器是否被适当地调节和/或指示系统控制器100参考查找表中的不同值。
再次参考图3，在至少一个实施例中，V/I探针300中的电容器304可以从设置在V/I探针300中的杆302获取电压。电压信号可以被滤波和衰减以及过冲箝位以防止来自转换器312的谐波失真。电压信号可以随后通过转换器312被转换为DC形式的电压信号。来自转换器312的DC电压信号可以被缩放、偏置以及缓冲以输出对应于腔室110中的瞬时电压幅值的Vmag信号320。
V/I探针300中的电感器324可以从杆302获取电流。通过电感器324获取的电流信号可以被滤波和衰减以及过冲箝位以防止来自转换器332的谐波失真。该电流可以随后通过转换器332被转换为DC形式的电流信号。来自转换器332的DC电流信号可以被缩放、偏置以及缓冲以输出lmag信号340。
在至少一个实施例中，Vmag信号320和/或lmag信号340可以被引入相位检测电路以确定由杆302感测到的输入的相位。Vmag信号320、lmag信号340和/或相位可以供应给V/I探针300中的控制板和/或供应给系统控制器180。
基于Vmag信号320、lmag信号340和/或相位，V/I探针300中的控制板和/或系统控制器180可以调节RF调谐电路144的阻抗。在至少一个实施例中，V/I探针300中的控制板和/或系统控制器180可以通过调节RF调谐电路144中的可变组件来调节RF调谐电路144的阻抗。在至少一个实施例中，可变组件可以使用步进电机等进行调节。在至少一个实施例中，RF调谐电路144的可变组件可以是或者包括可变电容器。在至少一个实施例中，调谐电路164、174可以包括以相同方式感测电压幅值、电流幅值和/或相位的相同的或者类似V/I探针。
基于由V/I探针300感测到的电压幅值、电流幅值和/或相位，系统控制器180可以调节滤波器阵列400中的电路元件以对腔室110中的等离子体105产生期望的影响。参考图4，在至少一个实施例中，滤波器阵列400的低通滤波器410、高通滤波器430和/或陷波滤波器450的电路元件可以包括可变电容器。滤波器阵列400中的一个或多个可变电容器可以基于由V/I探针300感测到的Vmag信号、lmag信号和/或相位进行调节。例如，陷波滤波器450的可变电容器452、454、456、458中的至少一个可以被调节为改变陷波滤波器450的Ｑ，从而或多或少地影响第二RF发生器的基频、它的二次谐波和/或三次谐波。这样，调谐电路144可以被调节为改变等离子体105的等离子体壳层参数和/或影响跨越衬底122表面的离子能量和/或离子密度分布。
上文给出了若干实施例的特征，以使得本领域技术人员可以更好地理解本公开。本领域技术人员将理解，其可以容易地使用本公开作为基础用于设计或者变更实现此处介绍的实施例的相同目的和/或实现此处介绍的实施例的相同优点的其它处理和结构。本领域技术人员还将认识到，这种等价的构造不背离本公开的精神和保护范围，而且其可以进行各种变化、置换和变更而不背离本公开的精神和保护范围。
Claims (20)
1.一种用于物理气相沉积的匹配网络，包括：
第一RF发生器，通过具有第一调谐电路的第一阻抗匹配网络耦合至沉积腔室靶，其中所述第一RF发生器被配置为向所述沉积腔室靶引入第一AC信号，所述第一调谐电路包括电压/电流探针；以及
第二RF发生器，通过第二阻抗匹配网络耦合至沉积腔室基座并且被配置为向所述沉积腔室基座引入第二AC信号，
其中所述第一调谐电路被配置为改变所述第二AC信号对在所述沉积腔室靶和所述沉积腔室基座之间形成的等离子体的影响，以及
其中所述电压/电流探针包括：
电压传感器，被配置为通过设置在所述第一阻抗匹配网络的输出端处的RF杆感测AC信号的电压；
均方根DC电压转换器，经由低通滤波器、衰减器和过冲箝位器耦合至电压传感器，其中所述均方根DC电压转换器被配置为将滤波、衰减和箝位的AC电压转换成DC电压；以及
缓冲电压放大器，经由DC缩放电路和偏置调节电路耦合至所述电压转换器，其中所述缓冲电压放大器被配置为输出电压幅值信号。
2.根据权利要求1所述的匹配网络，其中所述第二阻抗匹配网络包括第二调谐电路，被配置为修改所述第一AC信号对所述等离子体的影响。
3.根据权利要求1所述的匹配网络，其中所述电压/电流探针耦合至所述沉积腔室靶和耦合至滤波器阵列。
4.根据权利要求3所述的匹配网络，其中所述电压/电流探针和所述滤波器阵列耦合至系统控制器，所述系统控制器被配置为调节所述滤波器阵列的阻抗。
5.根据权利要求3所述的匹配网络，其中所述电压/电流探针进一步包括：
电流传感器，被配置为感测AC信号的电流；
均方根DC电流转换器，经由低通滤波器、衰减器和过冲箝位器耦合至电流传感器，其中所述均方根DC电流转换器被配置为将滤波、衰减和箝位的AC电流转换至DC电流；以及
缓冲电流放大器，经由DC缩放电路和偏置调节电路耦合至所述均方根DC电流转换器，其中所述缓冲电流放大器被配置为输出电流幅值信号。
6.根据权利要求5所述的匹配网络，进一步包括相位检测电路，所述相位检测电路耦合至缓冲电压放大器、缓冲电流放大器中的至少一个或者两者，其中所述相位检测电路被配置为输出AC信号的相位。
7.根据权利要求3所述的匹配网络，其中所述滤波器阵列包括并联连接并且各自具有可调节阻抗的低通滤波器、高通滤波器和陷波滤波器。
8.根据权利要求7所述的匹配网络，其中所述低通滤波器包括两个或者更多个级联电感-电容部分，每个电感-电容部分包括与可变电容器串联连接的电感器；
其中所述高通滤波器包括两个或者更多个级联电感-电容部分，每个电感-电容部分包括与电感器串联连接的可变电容器；以及
其中所述陷波滤波器包括两个或者更多个级联分流m导出式半节，每个m导出式分流半节包括由与可变电容器并联的电感器提供的串联阻抗和由固定电容器提供的分流导纳。
9.一种用于控制物理气相沉积的方法，包括：
通过具有第一调谐电路的第一阻抗匹配网络向物理气相沉积腔室的靶引入第一AC信号；
通过第二阻抗匹配网络向设置在所述腔室中的基座引入第二AC信号以偏置所述基座；
将气体引入至所述腔室内以促进在所述靶和所述基座之间形成等离子体；
用所述第一调谐电路改变第二AC信号的基频对等离子体的影响，从而调节等离子体壳层以促进离子化轨迹控制；
测量所述第二AC信号的AC电压；
滤波和衰减所述AC电压；
将所述滤波和衰减的AC电压转换成DC电压；
缩放、偏置和缓冲所述DC电压以确定所述第二AC信号的电压幅值。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括用所述第一调谐电路改变第二AC信号的二次谐波和三次谐波对等离子体的影响。
11.根据权利要求9所述的方法，其中改变第二AC信号的基频的影响包括通过调节其中的可变电容器的电容值来调节所述第一调谐电路的阻抗。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述可变电容器是手动调节的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述可变电容器用连接至系统控制器的电机进行调节。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括参照查找表以确定所述第一调谐电路的期望阻抗，其中所述可变电容器的电容值通过所述电机被改变以匹配来自查找表的值。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括用耦合至系统控制器的电压/电流探针确定所述腔室中的第二AC信号的电压幅值、电流幅值和相位，其中所述可变电容器的电容值基于确定的电压幅值、电流幅值和相位通过所述电机改变。
16.根据权利要求9所述的方法，进一步包括用设置在所述第二阻抗匹配网络中的第二调谐电路改变所述第一AC信号对所述等离子体的影响。
17.根据权利要求9所述的方法，进一步包括向所述腔室的靶引入DC电压。
18.一种用于控制物理气相沉积的方法，包括：
通过具有调谐电路的第一阻抗匹配网络向物理气相沉积系统的腔室的靶引入第一AC信号；
向设置在所述腔室中的基座引入第二AC信号以偏置所述基座；
将气体引入至所述腔室内以促进在所述靶和所述基座之间形成等离子体；
用所述调谐电路改变所述第二AC信号对所述等离子体的影响，从而调节等离子体壳层以促进离子化轨迹控制；以及
自动调谐所述调谐电路，包括：
确定所述第二AC信号的电压幅值和电流幅值，其中确定所述电压幅值包括：
测量所述第二AC信号的AC电压；
滤波和衰减所述AC电压；
将所述滤波和衰减的AC电压转换成DC电压；以及
缩放、偏置和缓冲所述DC电压以确定所述电压幅值；
基于所确定的电压幅值和电流幅值改变所述调谐电路的可变滤波器组件的阻抗以进一步调节所述等离子体壳层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中确定所述电流幅值包括：
测量所述第二AC信号的AC电流；
滤波和衰减所述AC电流；
将所述滤波和衰减的AC电流转换成DC电流；以及
缩放、偏置和缓冲所述DC电流以确定所述电流幅值。
20.根据权利要求18所述的方法，其中自动调谐所述调谐电路进一步包括根据所确定的电压幅值和电流幅值确定所述第二AC信号的相位。
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