CN104377106B - 等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体反应腔室阻抗的自动匹配方法，包括如下步骤：a)、设定可调阻抗元件的初始阻抗值；b)、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第一阈值；若是，则执行步骤c)，否则，循环执行步骤b)；c)、判断射频电源的频率是否稳定；若是，则执行步骤d)，否则，循环执行步骤c)；d)、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第二阈值；若是，则执行步骤e)，否则，回到步骤b)继续执行；e)、以一调节步长调节可调阻抗元件阻抗值，调节步长与同轴电缆上对地电压与电流的相位差α和/或的值同为正或同为负；其中，第二阈值大于第一阈值。其为阻抗匹配电路中可调阻抗元件提供准确的阻抗调节步长，提高了匹配效率。

Description

等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，更具体地说，涉及一种等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法。

背景技术

在等离子体处理装置中，射频电源向工艺腔室供电以产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔室内并曝露在等离子体环境下的待加工晶圆或待处理工件相互作用，使其表面发生等离子体反应，而使晶圆或工件表面性能发生变化，从而完成等离子体刻蚀或者其他工艺过程。

在上述等离子体处理装置中，射频电源通常具有13.56MHz的工作频率、50Ω的输出阻抗，并通过用作射频(RF)传输线的同轴电缆而与等离子体处理腔室的下电极相连，以向等离子体处理腔室提供RF功率，激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。然而，随着工艺的进行，腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，因而作为负载的等离子体的阻抗也在不断地变化，与此不同的是，射频电源的内阻却固定为50Ω。也就是说，随着工艺的进行，等离子体处理腔室内非线性负载的阻抗与射频电源恒定输出阻抗往往不相等，这使得在射频电源和等离子体处理腔室之间存在阻抗失配的问题，并导致RF传输线上存在较大的反射功率，使射频电源的输出功率无法全部施加到等离子体工艺腔室，导致了浪费与工艺效率的降低，严重情况下还能使等离子体难以起辉，进而无法进行等离子体处理工艺。

为此，就需要对上述射频传输系统进行改进，如图1所示，现有技术中在射频电源10与等离子体反应腔室30的下电极之间串接一阻抗匹配电路20，该阻抗匹配电路20包括可调阻抗元件201与一恒定阻抗元件202，通过与其相连的诸如步进电机等的执行机构来对其进行调节，以使负载阻抗与射频电源阻抗之间实现共轭匹配，具体地，使阻抗匹配电路20与等离子体反应腔室30二者的总阻抗为50Ω。

现有技术中，通常以人工方式随机选择一调节步长进行调节，而并不知道调节的方向，也不知道其具体大小，因而这种调节方式往往需要往复多次、效率低下，且可能在调节过程中引起反射功率的增大，从而给等离子体处理工艺带来不利影响。

因此，提供一种可靠而高效的等离子体处理腔室阻抗自动匹配方法，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理腔室阻抗自动匹配方法，其能提供准确的调节步长，以自动实现射频电源和等离子体处理腔室之间的阻抗匹配。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子体反应腔室阻抗的自动匹配方法，用于在一等离子体处理工艺步骤中自动调节阻抗匹配电路中一可调阻抗元件的阻抗值，阻抗匹配电路输入端通过一同轴电缆与一可变频率射频电源连接，其输出端与反应腔室的下电极连接，该方法包括如下步骤：a)、设定可调阻抗元件的初始阻抗值；b)、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第一阈值；若是，则执行步骤c)，否则，循环执行步骤b)；c)、判断射频电源的频率是否稳定；若是，则执行步骤d)，否则，循环执行步骤c)；d)、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第二阈值；若是，则执行步骤e)，否则，回到步骤b)继续执行；e)、以一调节步长调节可调阻抗元件阻抗值，调节步长与同轴电缆上对地电压与电流的相位差α和/或的值同为正或同为负；其中，V为同轴电缆上对地电压，I为同轴电缆上电流，第二阈值大于第一阈值。

可选地，调节步长与同轴电缆上对地电压与电流的相位差α成正比。

可选地，调节步长与的值成正比，其中，V为同轴电缆上对地电压，I为同轴电缆上电流，α为同轴电缆上对地电压与电流的相位差。

优选地，第一阈值为射频电源输出功率的x%与5W中的最大值，或射频电源输出功率的x%与5W中的最小值，其中x大于等于1、小于等于3；第二阈值为射频电源输出功率的y%与10W中的最大值，或射频电源输出功率的y%与10W中的最小值，其中，y大于等于3、小于等于5。

优选地，步骤c)中，若1秒内射频电源的频率未出现超过初始频率值2.5%范围内的浮动，则射频电源的频率稳定。

优选地，步骤e）包括步骤：e1)、以同轴电缆上串接的一电压电流传感器测量同轴电缆上对地电压V与电流I。

优选地，在步骤e)之后还包括步骤：f)、等待一时间段后，回到步骤b)继续执行。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包括反应腔室、置于反应腔室下方的下电极、一阻抗匹配电路、一电压电流传感器、一可变频率射频电源以及一控制单元，阻抗匹配电路至少包括一可调阻抗元件，射频电源通过同轴电缆与阻抗匹配电路输入端连接，阻抗匹配电路输出端与下电极连接，其中，电压电流传感器串接于同轴电缆上，控制单元根据电压电流传感器测得的电压与电流值，应用如上的阻抗自动匹配方法，调节可调阻抗元件阻抗值，以实现等离子体处理装置中的阻抗匹配。

本发明提供的阻抗自动匹配方法，可自动实现等离子体处理装置中的阻抗匹配过程，为阻抗匹配电路中可调阻抗元件提供准确的阻抗调节步长，提高了匹配效率，并有利于提高等离子体处理工艺的工艺效果。

附图说明

图1示出现有技术中一阻抗匹配电路的电路示意图；

图2示出本发明第一实施例提供的等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法的流程示意图；

图3A-3C分别示出本发明第三实施例及其改进实施方式提供的等离子体处理装置结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在等离子体处理反应中，随着工艺的进行，反应腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，因而反应腔室的阻抗也将发生漂移，本发明任一实施例提供的阻抗自动匹配方法，可维持阻抗匹配电路与等离子体反应腔室二者的总阻抗为50Ω。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明第一实施例提供的等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法应用于一等离子体处理工艺步骤中，其自动调节阻抗匹配电路中一可调阻抗元件的阻抗值，其中，阻抗匹配电路输入端通过一同轴电缆与一射频电源连接，其输出端与等离子体反应腔室的下电极连接，射频电源的频率可在一定范围内自动或手动变化。

具体地，该阻抗匹配电路例如可包括一可调阻抗元件与一恒定阻抗元件，其中，可调阻抗元件一端与恒定阻抗元件一端连接作为阻抗匹配电路的输入端，可调阻抗元件另一端接地，恒定阻抗元件另一端作为阻抗匹配电路的输出端。该阻抗匹配电路还可具有其他的电路连接方式，又例如，可调阻抗元件一端与恒定阻抗元件一端连接作为阻抗匹配电路的输入端，恒定阻抗元件一端接地，可调阻抗元件另一端作为阻抗匹配电路的输出端。

如图2所示，上述第一实施例提供的等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法包括如下步骤：

步骤S10、设定可调阻抗元件的初始阻抗值。

具体地，可调阻抗元件的初始阻抗值由等离子体处理工艺步骤的多个工艺参数共同确定，并结合多次实验结果而算出。其中，工艺参数至少包括：制程气体种类，制程气体流量以及射频电源输出功率，还可包括反应腔室中气压、温度等。任一工艺参数改变，即视为一个新的工艺步骤，而需要为可调阻抗元件设定一个新的初始阻抗值。

步骤S11、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第一阈值；若是，则执行步骤S12，否则，循环执行步骤S11。

具体地，在同轴电缆上测得的反射功率大于第一阈值时，向下执行，否则，可在该步骤循环执行，或以一时间段为间隔循环执行。在不同的工艺条件下，第一阈值可变。根据不同工艺条件下多次实验得到的统计结果，第一阈值可为射频电源输出功率的x%与5W中的最大值，或为射频电源输出功率的x%与5W中的最小值，其中x大于等于1、小于等于3。

其中，射频电源10的输出功率例如为800-10000W。

步骤S12、判断射频电源的频率是否稳定；若是，则执行步骤S13，否则，循环执行步骤S12。

具体地，因射频电源的频率可变，若1秒内射频电源的频率未出现超过初始频率值2.5%范围内的浮动，则认为射频电源此时处于频率稳定态，反之，为频率不稳定态。该步骤S12中，射频电源若处于频率不稳定态，则在该步骤S12循环执行，或间隔一定时间循环执行，直到频率稳定态时继续向下执行。

其中，射频电源的初始频率可为2MHZ或13.56MHZ。

步骤S13、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第二阈值；若是，则执行步骤S14，否则，回到步骤S11继续执行。

具体地，在同轴电缆上测得的反射功率大于第二阈值时，启动对可调阻抗元件的调节动作，否则，跳回步骤S11继续执行，或间隔一时间段后再跳回步骤S11。其中，第二阈值大于第一阈值。

根据不同工艺条件下多次实验得到的统计结果，第二阈值可为射频电源输出功率的y%与10W中的最大值，或为射频电源输出功率的y%与10W中的最小值，其中y大于等于3、小于等于5。

根据该实施例的阻抗自动匹配方法，设置第一阈值是为了进入该自动匹配方法的初始判定步骤，并在后续判定射频电源频率稳定的条件下，才进入第二阈值判定步骤，以正式启动对可调阻抗元件阻抗值的调节。多次判定是为了减小执行该自动匹配方法时的运算量，明确限定其可应用的工艺环境，即仅在满足条件时才进入上述阻抗自动匹配方法，在不满足条件时处于监控状态，以提高对阻抗自动调节的准确度。可以理解，根据具体工艺的不同，还可以附加其他一些工艺参数（例如制程气体流量、反应气体温度等参数）形成更细致的多个判定步骤，以进一步提高上述自动匹配方法的适应性。

步骤S14、根据同轴电缆上对地电压与电流，得出一调节步长用以调节可调阻抗元件的阻抗值。

具体地，对地电压与电流具有一相位差α，调节步长与该相位差α同为正或同为负。此时，对可调阻抗元件的调节步长不再是随机选择的，而是已明确其为正值或负值，即知晓可调阻抗元件的阻抗值应增大或减小，调节步长的幅值例如为一恒定值。

相比于现有技术，上述实施例提供的等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法，在调节可调阻抗元件的阻抗值时，明确了使其变大或使其减小的方向性，从而等离子体处理装置中的阻抗匹配效率明显提高；进一步地，随着阻抗匹配过程的快速实现，可将射频功率最有效地施加于反应腔室中，从而提高等离子体处理工艺的工艺效果。

在优选的实施方式中，在步骤S14中，除了可明确可调阻抗元件阻抗调节的方向以外，还可进一步确定调节步长的大小，从而进一步提高匹配效率。

根据上述第一实施例的一个具体实施方式，其中，调节步长与同轴电缆上对地电压与电流的相位差α成正比。

根据上述第一实施例的另一具体实施方式，具体地，在同轴电缆上测得其对地电压V与电流I，可调阻抗元件的调节步长与的值成正比，其中α为同轴电缆上对地电压与电流的相位差。

进一步地，在连接射频电源和阻抗匹配电路的同轴电缆上，可事先串接一电压电流传感器；从而，在步骤S14中，可以该电压电流传感器来测得同轴电缆的对地电压与电流，从而用来计算对地电压与电流的相位差α和/或的值，进一步确定调节步长的大小。

进一步地，可调阻抗元件可为可调电容或可调电感，相应地，恒定阻抗元件为恒定电容或恒定电感。

根据上述第一实施例另一改进的实施方式，在步骤S14后，还可进一步包括步骤S15：等待一时间段后，回到步骤b)继续执行。从而，对等离子体反应腔室的阻抗匹配可持续地自动进行，直到完成一个工艺步骤，或开始一个新的工艺步骤。

具体地，该时间段的时长为0.5-1秒。

本发明第二实施例提供的等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法与上述第一实施例类似，其包括：

步骤S20、设定可调阻抗元件的初始阻抗值。

步骤S21、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第一阈值；若是，则执行步骤S22，否则，循环执行步骤S21。

步骤S22、判断射频电源的频率是否稳定；若是，则执行步骤S23，否则，循环执行步骤S22。

步骤S23、判断同轴电缆上测得的反射功率是否大于第二阈值；若是，则执行步骤S24，否则，回到步骤S21继续执行。

步骤S24、根据同轴电缆上对地电压与电流，得出一调节步长用以调节可调阻抗元件的阻抗值。

与上述第一实施例类似地，第一阈值为射频电源输出功率的3%与5W中的最大值，或为射频电源输出功率的3%与5W中的最小值；第二阈值为射频电源输出功率的4%与10W中的最大值，或为射频电源输出功率的4%与10W中的最小值。第一、第二阈值也可根据用户的统计分析结果，而取值为其他值，但应保证第二阈值大于第一阈值。其中，向反应腔室内施加射频功率的射频电源频率可变。

与上述第一实施例中不同的是，在步骤S24中，调节步长与的值同为正或同为负，其中，V为同轴电缆上对地电压、I为同轴电缆上电流，α为同轴电缆上对地电压V与电流I的相位差。在调节可调阻抗元件的阻抗值时，利用该自动匹配方法可明确使其变大或使其减小的方向性，从而提高阻抗匹配效率。

进一步地，调节步长的大小与的值成正比，从而进一步提高匹配效率。

根据上述第二实施例进一步改进的实施方式，在步骤S24中，在与α均为正值时，调节步长也为正值，即通过调节使可调阻抗元件阻抗值增加；在与α均为负值时，调节步长也为负值，即通过调节使可调阻抗元件阻抗值减小。其中，V为同轴电缆上对地电压、I为同轴电缆上电流，α为同轴电缆上对地电压V与电流I的相位差；V与I的值可通过预先串接于同轴电缆上的一电压电流传感器同步测得。

进一步地，调节步长的大小与的值成正比。

本发明第三实施例提供一种等离子体处理装置，如图3A所示，其包括反应腔室30、置于反应腔室下方的下电极（附图未示出）、阻抗匹配电路20、电压电流传感器22、可变频率射频电源10以及控制单元40，其中，射频电源10与阻抗匹配电路20之间以同轴电缆21连接，电压电流传感器22串接于该同轴电缆21上，控制单元40采集电压电流传感器22测得的同轴电缆21对地电压与电流值，阻抗匹配电路20输出端与反应腔室下电极连接。

具体地，阻抗匹配电路20包括一可调电容201与一恒定电容202，可调电容201一端与恒定电容202一端连接，作为阻抗匹配电路20的输入端，可调电容201另一端接地，恒定电容202另一端作为阻抗匹配电路20的输出端；控制单元40根据电压电流传感器22测得的同轴电缆21对地电压与电流，应用上述第一或第二实施例中的匹配方法，在同一等离子体处理工艺步骤中不断计算出调节步长来自动调节可调电容201的阻抗值，直至该工艺步骤结束，以实现等离子体处理装置中的阻抗匹配。对可调电容201的阻抗调节过程可通过一步进电机实现。

根据上述第三实施例的一改进实施方式，如图3B所示，等离子体处理装置中的反应腔室30、置于反应腔室下方的下电极（附图未示出）、阻抗匹配电路20、电压电流传感器22、可变频率射频电源10以及控制单元40这些电路元件的接法类似，其改进处在于，阻抗匹配电路20包括一可调电容201与一恒定电容202，可调电容201一端与恒定电容202一端连接，作为阻抗匹配电路20的输入端，恒定电容202另一端接地，可调电容201另一端作为阻抗匹配电路20的输出端。在同一工艺步骤中，控制单元40应用上述第一或第二实施例中的匹配方法，不断计算出调节步长来自动调节可调电容201的阻抗值。

根据上述第三实施例的又一改进实施方式，如图3C所示，阻抗匹配电路20包括一可调电容201、一恒定电容202与一恒定电感203，可调电容201一端与恒定电容202一端连接作为阻抗匹配电路20的输入端，恒定电容202另一端接地，可调电容201另一端与恒定电感203一端连接，恒定电感203另一端作为阻抗匹配电路20的输出端。类似地，控制单元40自动调节可调电容201的阻抗值。

可以理解，在阻抗匹配电路中，可用一可调电容作为可调阻抗元件，也可用一可调电感作为可调阻抗元件，只要保证阻抗匹配电路与等离子体反应腔室二者的总阻抗为50Ω。

上述第三实施例及其改进实施方式中，等离子体处理装置可自动实现阻抗匹配过程，匹配效率高、射频电源可最有效地作用于反应腔室，提升了工艺效率。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种等离子体反应腔室阻抗自动匹配方法，用于在一等离子体处理工艺步骤中自动调节阻抗匹配电路中一可调阻抗元件的阻抗值，所述阻抗匹配电路输入端通过一同轴电缆与一可变频率射频电源连接，其输出端与所述反应腔室的下电极连接，所述方法包括如下步骤：

a)、设定所述可调阻抗元件的初始阻抗值；

b)、判断所述同轴电缆上测得的反射功率是否大于第一阈值；若是，则执行步骤c)，否则，循环执行步骤b)；

c)、判断射频电源的频率是否稳定；若是，则执行步骤d)，否则，循环执行步骤c)；

d)、判断所述同轴电缆上测得的反射功率是否大于第二阈值；若是，则执行步骤e)，否则，回到步骤b)继续执行；

e)、以一调节步长调节所述可调阻抗元件阻抗值，所述调节步长与所述同轴电缆上对地电压与电流的相位差α和/或的值同为正或同为负；

其中，V为所述同轴电缆上对地电压，I为所述同轴电缆上电流，所述第二阈值大于所述第一阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节步长与所述同轴电缆上对地电压与电流的相位差α成正比。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节步长与的值成正比，其中，V为所述同轴电缆上对地电压，I为所述同轴电缆上电流，α为所述同轴电缆上对地电压与电流的相位差。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一阈值为所述射频电源输出功率的x％与5W中的最大值，或所述射频电源输出功率的x％与5W中的最小值，其中x大于等于1、小于等于3；所述第二阈值为所述射频电源输出功率的y％与10W中的最大值，或所述射频电源输出功率的y％与10W中的最小值，其中，y大于等于3、小于等于5；第二阈值大于第一阈值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频电源的输出功率为800-10000W。

6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，若1秒内所述射频电源的频率未出现超过初始频率值2.5％范围内的浮动，则所述射频电源的频率稳定。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述射频电源的初始频率值为2MHZ或13.56MHZ。

8.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤e)包括步骤：

e1)、以所述同轴电缆上串接的一电压电流传感器测量所述同轴电缆上对地电压V与电流I。

9.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，其在步骤e)之后还包括步骤：

f)、等待一时间段后，回到所述步骤b)继续执行。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤f)中，所述时间段的时长为0.5-1秒。

11.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述可调阻抗元件的初始阻抗值由所述等离子体处理工艺步骤的多个工艺参数共同确定，所述工艺参数至少包括：制程气体种类，制程气体流量以及射频电源输出功率。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻抗匹配电路与所述反应腔室的阻抗之和为50Ω。

13.一种等离子体处理装置，包括反应腔室、置于反应腔室下方的下电极、一阻抗匹配电路、一电压电流传感器、一可变频率射频电源以及一控制单元，所述阻抗匹配电路至少包括一可调阻抗元件，所述射频电源通过同轴电缆与所述阻抗匹配电路输入端连接，所述阻抗匹配电路输出端与所述下电极连接，其中，所述电压电流传感器串接于所述同轴电缆上，所述控制单元根据所述电压电流传感器测得的电压与电流值，应用如权利要求1至3中任一项所述的阻抗自动匹配方法，调节所述可调阻抗元件阻抗值，以实现所述等离子体处理装置中的阻抗匹配。

14.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括一可调电容与一恒定电容，所述可调电容一端与所述恒定电容一端连接作为所述阻抗匹配电路的输入端，所述可调电容另一端接地，所述恒定电容另一端作为所述阻抗匹配电路的输出端。

15.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括一可调电容与一恒定电容，所述可调电容一端与所述恒定电容一端连接作为所述阻抗匹配电路的输入端，所述恒定电容另一端接地，所述可调电容另一端作为所述阻抗匹配电路的输出端。

16.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括一可调电容、一恒定电容与一恒定电感，所述可调电容一端与所述恒定电容一端连接作为所述阻抗匹配电路的输入端，所述恒定电容另一端接地，所述可调电容另一端与所述恒定电感一端连接，所述恒定电感另一端作为所述阻抗匹配电路的输出端。