CN103619117B - 可实现快速阻抗匹配的射频电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，包括射频功率发生器和阻抗匹配器，射频功率发生器输出的射频功率信号的频率根据阻抗匹配器获取的检测值来变化；阻抗匹配器包括检测器、控制器和执行机构；执行机构包括固定阻抗元件、可变阻抗元件和用于改变可变阻抗元件数值的驱动装置，可变阻抗元件仅有一个；控制器接收来自检测器的检测值，经处理计算后控制执行机构的驱动装置工作以改变可变阻抗元件数值。采用该射频电源系统，能够实现在较大等离子体腔室内的较细线宽工艺条件下的负载阻抗快速匹配，并且能够降低阻抗匹配器内的可变阻抗元件故障率，提高设备的使用可靠性。

Description

可实现快速阻抗匹配的射频电源系统

技术领域

本发明涉及用于等离子体放电的射频电源系统，尤其是涉及一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统。

背景技术

射频电源系统是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件，所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源系统提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED（LightEmittingDiode，发光二极管）的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD（PhysicalVaporDeposition，物理气相沉积）、PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积）、ALD（AtomicLayerDeposition，原子层沉积）等设备，均装备有不同功率规格的射频电源系统。

用于等离子体工艺的射频电源系统一般包括有射频功率发生器和阻抗匹配器。如图1所示，射频功率发生器用于产生具有一定功率等级和一定频率的射频信号，而阻抗匹配器放置在等离子体反应腔室和射频功率发生器之间，用于将等离子体反应腔室所体现的负载阻抗与射频功率发生器的输出阻抗相匹配，以便将射频功率发生器所产生的功率良好地输送至等离子体腔室，从而激发足量的等离子体以实现工艺要求。

在产生等离子体进行材料处理的工艺中，存在等离子体放电过程，而等离子体放电是一个非线性过程，因此导致由等离子体反应腔室（包括感性线圈或天线）所体现的负载阻抗并不为常数，基本上与腔室气压、射频功率、腔室内工艺气体成分及比例有着密切关系。在上述这些参数发生变化时，负载阻抗自然随之变化；然而，在半导体工艺过程或材料改性过程中，这些参数经常起伏波动，因此需要阻抗匹配器能够快速地跟踪这些变化，避免因阻抗不匹配而导致功率无法良好地输送至腔室内，进而使得工艺过程受阻。

为解决这一问题，现有技术射频电源系统中的阻抗匹配器为由检测器、控制器以及执行机构三部分组成的阻抗匹配器，如图2所示。其中，执行机构包括构建阻抗匹配网络的固定阻抗元件、可变阻抗元件以及改变可变阻抗元件数值的驱动装置。如图3所示，阻抗匹配网络通常由一个固定阻抗元件L、两个可变阻抗元件C_tune、C_load和等离子体腔室所体现的负载阻抗Z_chamber组成；检测器获取阻抗匹配器与射频功率发生器之间的传输线上的电压、电流、正向功率、反向功率以及阻抗匹配网络的输入阻抗等参数，为控制器提供匹配算法所需的输入量；控制器根据这些输入量，借助于一定的匹配算法，计算出可变阻抗元件的调整量，并输出至执行机构中的驱动装置，驱动装置根据接收的调整量来改变可变阻抗元件的阻抗。

由于检测过程存在误差，所以匹配算法主要是二维寻优过程，需要不断地试探和比较，即“检测－计算－比较－调节”的过程。由于现有技术中的可变阻抗元件一般为可变电容元件，其的变化是通过电机带动其的转动轴旋转而实现，因此在调节过程中，不仅因反复机械转动速度有限而使得匹配速度较慢，而且反复调节容易磨损机械联接部件，造成相应损坏，使得可变阻抗元件的性能变差，最终影响到匹配效果。

然而，在对工艺要求高或工艺条件苛刻的环境下，例如更大的腔室（适用于450毫米晶圆的腔室）和/或更细的线宽（22纳米以下工艺），工艺参数变化更加敏感，现有技术的阻抗匹配器已经无法快速地跟踪，阻抗匹配困难，而且这些条件下通常伴随着高电压或大电流的情况，此时反复机械调节两个可变阻抗元件往往更加容易造成器件损坏。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，采用该系统，能够实现在较大等离子体腔室内的较细线宽工艺条件下的负载阻抗快速匹配，并且能够降低阻抗匹配器内的可变阻抗元件故障率，提高设备的使用可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，包括射频功率发生器和阻抗匹配器，所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率根据阻抗匹配器获取的检测值来变化；所述阻抗匹配器包括检测器、控制器和执行机构；所述执行机构包括固定阻抗元件、可变阻抗元件和用于改变所述可变阻抗元件数值的驱动装置，所述可变阻抗元件仅有一个；所述控制器接收来自所述检测器的检测值，经处理计算后控制所述执行机构的所述驱动装置工作以改变所述可变阻抗元件数值。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率的中心值为2MHz、13.56MHz或40.68MHz。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率的偏离中心值的变化范围为－5%到+5%。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述执行机构的所述可变阻抗元件为可变电容元件。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述执行机构的所述固定阻抗元件包括固定电感元件和固定电容元件，所述固定电感元件、所述固定电容元件和所述可变电容元件组成L形阻抗匹配网络。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述固定电感元件和所述可变电容元件相串联，所述固定电容元件的一端与所述可变电容元件的一端相连接，所述固定电容元件的另一端接地。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述固定电感元件的取值范围为500nH～1000nH；所述固定电容元件的取值范围为200pF～1500pF；所述可变电容元件的最大数值的取值范围为150pF～600pF。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述固定电感元件和所述固定电容元件相串联，所述可变电容元件的一端与所述固定电容元件的一端相连接，所述可变电容元件的另一端接地。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述固定电感元件的取值范围为500nH～1000nH；所述固定电容元件的取值范围为50pF～500pF；所述可变电容元件的最大数值的取值范围为500pF～1500pF。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述执行机构的所述可变阻抗元件为可变电感元件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用频率可变的射频功率发生器与单个可变阻抗元件替代了现有技术所采用两个可变阻抗元件来实现阻抗匹配，射频功率发生器的频率调节是通过电子调节的方式进行，速度远远快于机械调节方式，因此可以提高阻抗匹配速度；而且，只采用单个可变阻抗元件，降低了在苛刻条件下使用的阻抗匹配器的故障率，提高整个射频电源系统和使用可靠性；

2、由于阻抗匹配器的主要成本在于可变阻抗元件，由两个可变阻抗元件减少到一个可变阻抗元件，可以节约接近40%的成本，所以本发明还有利于成本控制。

附图说明

图1为现有射频电源系统的应用示意图；

图2为现有射频电源系统中的阻抗匹配器的结构示意图；

图3为现有射频电源系统中的阻抗匹配器的执行机构的阻抗匹配网络的结构示意图；

图4为本发明射频电源系统的组成示意图；

图5为本发明射频电源系统中的阻抗匹配器的结构示意图；

图6为本发明射频电源系统中的阻抗匹配器的执行机构的阻抗匹配网络的第一种实施方式的结构示意图；

图7为本发明射频电源系统中的自动阻抗匹配器的执行机构的阻抗匹配网络的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

如图4所述，本发明公开了一种射频电源系统，该射频电源系统包括频率可变的射频功率发生器和阻抗匹配器，射频功率发生器与阻抗匹配器相连接，阻抗匹配器与等离子体腔室保持良好的电气连接。

射频功率发生器可为电子管式的射频功率发生器或晶体管式的射频功率发生器。射频功率发生器输出的射频功率信号的频率可根据阻抗匹配器获取的检测值来变化，例如阻抗匹配器向射频功率发生器返回所获取其输入阻抗参数，射频功率发生器根据这个参数在一定的频率范围（即在偏离中心频率的一定范围）内调节射频信号频率，最终使得其输入阻抗参数达到预先设定的数值，例如特性阻抗50欧姆。射频功率发生器可采用压电晶体振荡器或频率合成技术来实现输出频率可变的射频信号，其输出射频功率信号频率的中心值可为2MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz或60MHz，其中优选2MHz、13.56MHz或40.68MHz。射频功率信号频率偏离中心值的变化范围为－10%到+10%，优选为－5%到+5%。

如图5所示，阻抗匹配器包括检测器、控制器和执行机构。检测器、控制器和执行机构的连接方式与现有技术相似，只是检测器需要将所检测的信号向射频功率发生器返回，以便射频功率发生器根据这一检测信号来改变输出的射频功率信号的频率。

执行机构包括固定阻抗元件、可变阻抗元件和用于改变可变阻抗元件数值的驱动装置，可变阻抗元件仅有一个；固定阻抗元件和一个可变阻抗元件以及等离子体腔室所体现的负载阻抗构成一个阻抗匹配网络。

检测器分别与控制器、执行机构相连接，检测器获取阻抗匹配器与射频功率发生器之间的传输线上的电压、电流、正向功率、反向功率以及阻抗匹配网络的输入阻抗等参数，为控制器提供匹配算法所需的输入量。检测器的电压、电流感应器可采用电容分压和电流互感器的方式，这些参数经采样后进行矢量运算，计算出正向功率、反向功率以及阻抗匹配网络的输入阻抗等其它参数。

控制器根据这些输入量，借助于一定的匹配算法，计算出可变阻抗元件的调整量，并输出至执行机构中的驱动装置，驱动装置根据接收的调整量来改变可变阻抗元件的阻抗数值。

阻抗匹配网络的拓扑结构通常使用L形。一般来说，可变阻抗元件采用可变电容元件，该可变电容元件可以空气为介质的可变空气电容器，或者以真空为介质的可变真空电容器。固定阻抗元件一般包括一个固定电容元件和一个固定电感元件。少数情况下，可变阻抗元件也可采用可变电感元件。

对于本发明，适用的阻抗匹配网络结构实施方式一般有两种，分别见图6和图7。

如图6所示，该阻抗匹配网络包括有一个固定电感元件L、一个固定电容元件C_load和一个可变电容元件C_tune。其中，固定电感元件L和可变电容元件C_tune相串联，固定电容元件C_load的一端与可变电容元件C_tune的一端相连接，固定电容元件C_load的另一端接地，固定电感元件L与等离子体腔室所体现的负载阻抗Z_chamber相连接。固定电感元件L的取值范围为500nH～2000nH，优选为800nH～1300nH。固定电容元件C_load的取值范围为200pF～1500pF，优选为500pF～1000pF。可变电容元件C_tune的最大数值的取值范围为150pF～600pF。这种结构的阻抗匹配网络适用于等离子体腔室所体现的负载阻抗的虚部变化较大但实部变化较小的情况。在这种情况下，阻抗匹配过程一般是先调节可变电容元件C_tune，然后再调节射频功率发生器输出的射频功率信号的频率。

如图7所示，该阻抗匹配网络包括有一个固定电感元件L、一个可变电容元件C_load和一个固定电容元件C_tune，固定电感元件L和固定电容元件C_tune相串联，可变电容元件C_load的一端与固定电容元件C_tune的一端相连接，可变电容元件C_load的另一端接地，固定电感元件L与等离子体腔室所体现的负载阻抗Z_chamber相连接。固定电感元件L的取值范围为500nH～2000nH，优选为800nH～1300nH。固定电容元件C_tune的取值范围为50pF～500pF，优选为80pF～200pF；可变电容元件C_load的最大数值的取值范围为500pF～1500pF。这种结构的阻抗匹配网络适用于等离子体腔室所体现的负载阻抗的虚部变化较小但实部变化较大的情况。在这种情况下，阻抗匹配过程一般是先调节射频功率发生器输出的射频功率信号的频率，然后再调节可变电容元件C_load。

本发明采用频率可变的射频功率发生器与单个可变阻抗元件替代了现有技术所采用两个可变阻抗元件来实现阻抗匹配，射频功率发生器的频率调节是通过电子调节的方式进行，速度远远快于机械调节方式，因此可以提高阻抗匹配速度；而且，只采用单个可变阻抗元件，降低了在苛刻条件下使用的阻抗匹配器的故障率，提高整个射频电源系统和使用可靠性。此外，还可以节省设备的成本。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的本质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，包括射频功率发生器和阻抗匹配器，其特征在于：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率根据阻抗匹配器获取的检测值来变化；所述阻抗匹配器包括检测器、控制器和执行机构；所述执行机构包括固定阻抗元件、可变阻抗元件和用于改变所述可变阻抗元件数值的驱动装置；所述固定阻抗元件包括固定电感元件和固定电容元件，所述可变阻抗元件仅有一个，为可变电容元件，所述固定电感元件和所述可变电容元件相串联，所述固定电容元件的一端与所述可变电容元件的一端相连接，所述固定电容元件的另一端接地，所述固定电感元件、所述固定电容元件和所述可变电容元件组成L形阻抗匹配网络；所述控制器接收来自所述检测器的检测值，经处理计算后控制所述执行机构的所述驱动装置工作以改变所述可变阻抗元件数值；阻抗匹配过程是先调节所述可变电容元件，然后再调节所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率。

2.根据权利要求1所述的射频电源系统，其特征在于：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率的中心值为2MHz、13.56MHz或40.68MHz。

3.根据权利要求1所述的射频电源系统，其特征在于：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率的偏离中心值的变化范围为－5％到+5％。

4.根据权利要求1所述的射频电源系统，其特征在于：所述固定电感元件的取值范围为500nH～1000nH；所述固定电容元件的取值范围为200pF～1500pF；所述可变电容元件的最大数值的取值范围为150pF～600pF。