CN104754851A - 多频匹配器及等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频匹配器及等离子体装置，多频匹配器包括相互并联的低频电路与高频电路，在所述低频电路上串联第一电感；在所述高频电路上串联第一电容；所述第一电感一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到低频电源；所述第一电容一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到高频电源。等离子体装置包括等离子反应腔、高频电源、低频电源与所述的多频匹配器；所述等离子反应腔的上电极和下电极分别电连接到所述多频匹配器的低频电路和高频电路；所述低频电路或所述高频电路分别电连接到所述低频电源和所述高频电源。通过以上设计，达到尺寸小、匹配范围较大，并且两个输入端口之间有较高的隔离度的目的。

Description

多频匹配器及等离子体装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体技术，特别是涉及一种同时连接到多个射频电源的匹配器及具有多频匹配器的等离子体装置。

背景技术

现有技术中，等离子体技术广泛的应用于半导体、平板显示、太阳能和工业等领域。在等离子体刻蚀与溅射系统中，射频电源向等离子体反应腔输送射频能量以产生等离子体。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体内并暴露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀、溅射或其它工艺过程。

请参阅图1所示，其为现有技术的阻抗匹配器的原理图，工业中常用的射频电源输出阻抗为50欧姆，而等离子反应腔的阻抗一般非50欧姆，为了达到射频电源输出能量最有效的利用，需要在射频电源与等离子反应腔之间插入一个匹配器（Impedance Match），匹配器为自动阻抗匹配器。

自动阻抗匹配器由阻抗检测器、运算和控制系统、执行系统和匹配网络组成。自动匹配的过程就是运算和控制系统根据阻抗检测器的输出，控制步进电机的执行系统，调整匹配网络中的可变元件值，最终使从匹配网络输入端看去与等离子反应腔的阻抗为50欧姆，实现阻抗匹配。

随着对工艺要求的提高，越来越多的采用双频方式的上下电极结构，请参阅图2所示，其为等离子体装置的上下电极的结构示意图，等离子体装置一般由等离子反应腔104、静电卡盘106、匹配器103、射频电源101与射频电源102组成。静电卡盘106位于等离子反应腔104之中，静电卡盘106上安装晶片105。等离子体装置使用双频方式，具有上下电极。

等离子反应腔104连接有匹配器103，匹配器103分别连接第一射频电源101与第二射频电源102,第一射频电源101与第二射频电源102是两种不同频率的射频电源，即匹配器103的上下电极分别连接两个不同频率的射频电源，通常第一射频电源101与第二射频电源102的频率为mHz和mHz的组合，如2mHz和13.56mHz、2mHz和27mHz、2mHz和60mHz等。

两个不同频率的射频电源加载在同一个等离子反应腔104上，这就要求匹配器103能够实现两个频率同时工作的匹配。由于常用的器件为真空电容和自制电感，因此匹配器103的尺寸比较大，射频电源越多，匹配器103的尺寸将变的越大。而且，两个射频电源之间必定产生干扰，轻者使匹配器103不能正常工作，重则损坏射频电源和其他器件。

不仅如此，对匹配器103连接的射频电源的频率范围有设置要求，匹配范围受到限制；在匹配器103的多个输入端口隔离度很低。

发明内容

基于此，有必要提供一种通过合理选取匹配电路的输出端的方法，实现尺寸小、匹配范围较大，并且两个输入端口之间有较高的隔离度，进而降低相互干扰的多频匹配器及具有所述多频匹配器的等离子体装置。

本发明的一种多频匹配器，包括相互并联的低频电路与高频电路，

在所述低频电路上串联第一电感；

在所述高频电路上串联第一电容；

所述第一电感一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到低频电源；

所述第一电容一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到高频电源。

作为一种可实施方式，所述第一电感为固定电感。

作为一种可实施方式，在所述低频电路的所述第一电感与低频电源串联的电路上，还串联第二电感。

作为一种可实施方式，所述第一电容为可调电容。

作为一种可实施方式，在所述高频电路的所述第一电容与高频电源串联的电路上，还串联第三电感。

作为一种可实施方式，所述低频电路连接的低频电源的频率范围为400kHz～2mHz；

所述高频电路连接的高频电源的频率范围为13.56mHz～100mHz。

作为一种可实施方式，所述高频电路连接的高频电源的频率与所述低频电路连接的低频电源的频率的比值大于6。

作为一种可实施方式，所述第一电感的取值范围为10～20μH。

作为一种可实施方式，所述第一电感连接等离子反应腔的一端的绕线间距比另一端的绕线间距大。

作为一种可实施方式，所述第一电容的取值范围为10～100pf。

作为一种可实施方式，所述第三电感为固定电感，取值小于0.1μH。

作为一种可实施方式，所述低频电路与所述高频电路分别为T型、L型或π型。

本发明的一种等离子体装置，包括等离子反应腔、高频电源、低频电源与所述的多频匹配器；

所述等离子反应腔的上电极和下电极分别电连接到所述多频匹配器的低频电路和高频电路；

所述低频电路或所述高频电路分别电连接到所述低频电源和所述高频电源。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明的多频匹配器不需要采用过多的器件进行滤波处理，避免了多频匹配器的尺寸过大；高低频电源之间具有较高的匹配范围。本发明的等离子体装置具有最佳的能量输入比率，减少电路热量的产生；有效地消除了两个不同频率的射频电源相互之间的干扰，隔离度较高，隔离比较理想。

附图说明

图1为现有技术的阻抗匹配器的原理图；

图2为等离子体装置的上下电极的结构示意图；

图3为本发明的双频匹配器的示意图；

图4为本发明的低频电源的匹配范围示意图；

图5为本发明的高频电源的匹配范围示意图；

图6为本发明的隔离度示意图。

具体实施方式

为了解决尺寸大、匹配范围小且相互干扰的问题，提出了一种多频匹配器及等离子体装置来实现。

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明实施例的多频匹配器，包括相互并联的低频电路与高频电路，在低频电路的靠近等离子反应腔的一端（即输出端）设置第一电感L1，在高频电路的靠近等离子反应腔的一端（即输出端）设置第一电容C1。

第一电感L1的一端电连接到等离子反应腔，另一端与低频电源201电连接，第一电容C1的一端电连接到等离子反应腔，另一端与高频电源204电连接。本发明不需要采用过多的器件进行滤波处理，避免了多频匹配器的尺寸过大。

以双频为例进行说明，请参阅图3所示，其为本发明的双频匹配器的示意图，对于较低频率的低频电路，其输出端的主要干扰信号为高频信号，一般为13mHz、27mHz、60mHz或者更高。本发明实施例中，选取其输出端为电感，那么对于13mHz、27mHz、60mHz或者更高频率所对应的阻抗就很高，对于低频将很低。

作为一种可实施方式，第一电感L1为固定电感。第一电感L1有两个作用：可以调节等离子反应腔的负载，向第一电感L1的方向调节；可以有效的阻止高频电源204的信号向低频电源201的方向传播。

作为一种可实施方式，第一电感L1的取值范围为10～20μH，具体取值可根据具体电路而定。

对于较高频率的高频电路，其输出端的主要干扰信号为低频信号，一般为2mHz、400kHz或者更低，本发明实施例中，选取其输出端为电容，那么对于400kHz或者更低的信号来说为高阻抗，对于高频将很低。且在较高频率信号时，例如60mHz或者更高，其输出端的电容一般就很小，刚好能满足匹配需要。

作为一种可实施方式，第一电容C1为可调电容。第一电容C1有两个作用：可以调节等离子反应腔的负载向第一电容C1的方向调节；可以有效的阻止低频电源201的信号向高频电源204的方向传播。

作为一种可实施方式，第一电容C1的取值范围为10～100pf。

作为一种可实施方式，在低频电路的第一电感L1与低频电源串联的电路上串联有第二电感L2。第二电感L2的主要作用是调节等离子反应腔的阻抗，还可以起到滤除高频波的作用。

较优地，第二电感L2为可调电感，其取值范围为5μH～30μH。对于低频等离子反应腔的阻抗一般为高容性，先串联一个较大值的第二电感L2也有利于匹配。

作为一种可实施方式，在高频电路的第一电容C1与高频电源串联的电路上串联有第三电感L3。第三电感L3主要是来调节等离子反应腔的阻抗。

作为一种可实施方式，第三电感L3为固定电感，其取值小于0.1μH，一般可以用铜片的分布电感代替。

作为一种可实施方式，第一电感L1连接等离子反应腔的一端（即输出端）的绕线间距比另一端的绕线间距大，可减小由于高频作用导致的电感过热现象。

作为一种可实施方式，低频电路与高频电路分别为T型、L型或π型。

本实施例中，低频电源201取为2mHz，高频电源204取为60mHz。

较优地，在低频电路上第二电感L2与低频电源201串联电路的两端还串联有第四电容C4。第四电容C4可以有效的隔离基座上的直流信号传输到低频电源201。

第四电容C4为隔直电容，其取值范围为30000～50000pf。

较优地，在低频电路上第二电感L2、第四电容C4、传感器1与低频电源201串联电路的两端并联第三电容C3。第三电容C3主要用来调节等离子反应腔的阻抗。

第三电容C3为可变电容，其取值范围为500～2000pf。

较优地，在高频电路上传感器2与高频电源202串联电路的两端并联第二电容C2。第二电容C2的主要作用是来调节等离子反应腔的阻抗，还可以阻止低频电源201的信号向高频电源204传播。

第二电容C2为可变电容，其取值范围为10～250pf。

图3中的双频匹配器的匹配范围参阅图4和图5所示，图4为本发明的低频电源的匹配范围示意图，图5为本发明的高频电源的匹配范围示意图。

作为一种可实施方式，低频电路连接的低频电源201的频率范围为400kHz～2mHz，高频电路连接的高频电源202的频率范围为13.56mHz～100mHz。高、低频电源之间具有较高的匹配范围。

作为一种可实施方式，高频电路连接的高频电源202的频率与低频电路连接的低频电源201的频率的比值大于6。比值越大隔离效果越好。

请参阅图6所示，其为本发明的隔离度示意图，低频电源201为2mHz，高频电源202为60mHz，由于2mHz频率对60mHz频率的隔离度比较大，高达86dB。在本发明实施例中增加了较大值的电感，可以看出60mHz频率对2mHz频率的隔离度达到35dB，隔离度较高，隔离比较理想。

本发明通过匹配电路输出端的选型与排列，来实现多频匹配器具有较小的尺寸和较大的匹配范围，保证两个输入端口的较好隔离。

请结合图2和图3所示，本发明的等离子体装置包括等离子反应腔104、高频电源、低频电源与所述的多频匹配器。

等离子反应腔104的上电极和下电极分别电连接到多频匹配器的低频电路和高频电路。

低频电路或高频电路分别电连接到低频电源201和高频电源202。

多频匹配器使等离子反应腔104与上电极、下电极的阻抗相匹配。通过在低频电路的输出端（即靠近等离子反应腔的一端）设置第一电感L1，在高频电路的输出端（即靠近等离子反应腔的一端）设置第一电容C1，使多频匹配器的低频电路或高频电路与等离子反应腔104的阻抗相匹配。

这种匹配取得最佳的能量输入比率，减少电路热量的产生，避免了高低频之间能量互流导致发热甚至烧毁。有效地消除了两个不同频率的射频电源相互之间的干扰，保证多频匹配器的正常工作，并保护了射频电源和其它器件不受损坏。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种多频匹配器，包括相互并联的低频电路与高频电路，其特征在于，

在所述低频电路上串联第一电感；

在所述高频电路上串联第一电容；

所述第一电感一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到低频电源；

所述第一电容一端电连接到等离子反应腔，另一端电连接到高频电源。

2.根据权利要求1所述的多频匹配器，其特征在于，所述第一电感为固定电感。

3.根据权利要求2所述的多频匹配器，其特征在于，在所述低频电路的所述第一电感与低频电源串联的电路上，还串联第二电感。

4.根据权利要求1所述的多频匹配器，其特征在于，所述第一电容为可调电容。

5.根据权利要求4所述的多频匹配器，其特征在于，在所述高频电路的所述第一电容与高频电源串联的电路上，还串联第三电感。

6.根据权利要求1所述的多频匹配器，其特征在于，

所述低频电路连接的低频电源的频率范围为400kHz～2mHz；

所述高频电路连接的高频电源的频率范围为13.56mHz～100mHz。

7.根据权利要求6所述的多频匹配器，其特征在于，所述高频电路连接的高频电源的频率与所述低频电路连接的低频电源的频率的比值大于6。

8.根据权利要求2或3所述的多频匹配器，其特征在于，所述第一电感的取值范围为10～20μH。

9.根据权利要求8所述的多频匹配器，其特征在于，所述第一电感连接等离子反应腔的一端的绕线间距比另一端的绕线间距大。

10.根据权利要求4或5所述的多频匹配器，其特征在于，所述第一电容的取值范围为10～100pf。

11.根据权利要求5所述的多频匹配器，其特征在于，所述第三电感为固定电感，取值小于0.1μH。

12.根据权利要求1所述的多频匹配器，其特征在于，所述低频电路与所述高频电路分别为T型、L型或π型。

13.一种等离子体装置，包括等离子反应腔、高频电源与低频电源，其特征在于，还包括权利要求1至12任一项所述的多频匹配器；

所述等离子反应腔的上电极和下电极分别电连接到所述多频匹配器的低频电路和高频电路；

所述低频电路或所述高频电路分别电连接到所述低频电源和所述高频电源。