CN105097397A - 阻抗匹配装置及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阻抗匹配装置及半导体加工设备，该阻抗匹配装置用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，匹配网络包括可调电容单元，其中，可调电容单元包括相互并联的至少两个可变电容；通过调整同一可调电容单元中所有的可变电容的电容值，来调整该可调电容单元的总电容值。本发明提供的阻抗匹配装置，其不仅可以减小阻抗匹配时间，从而可以提高匹配效率；而且可以减小驱动电机和可变电容的转动，从而可以提高阻抗匹配装置的使用寿命。

Description

阻抗匹配装置及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种阻抗匹配装置及半导体加工设备。

背景技术

半导体加工设备是应用中相对广泛的加工设备，主要用于借助等离子体实现对衬底完成刻蚀、沉积等工艺。等离子体中包含大量的电子、离子、激发态的的原子、分子和自由基等活性粒子，该活性粒子与放置在反应腔室内的衬底的表面发生物理和/或化学反应，从而使衬底的表面发生变化来完成刻蚀、沉积等工艺。

半导体加工设备通常借助射频电源向反应腔室提供射频功率以激发反应腔室内的气体形成等离子体。并且，为了实现射频电源的输出功率尽可能的全部供给反应腔室，在反应腔室和射频电源之间设置有阻抗匹配器，用以实现射频电源的特征阻抗与负载阻抗共轭匹配，常用的射频电源的特征阻抗为50Ω。图1为现有的阻抗匹配器的原理框图。请参阅图1，阻抗匹配器100包括检测单元10、控制单元11、执行单元12和匹配网络13。其中，检测单元10用于检测射频电源14的传输线上的电压信号和电流信号，并采用一定的鉴幅鉴相的方法获得射频电源14的负载阻抗的模值|Z|和相角θ，并将该模值|Z|和相角θ输送至控制单元11；控制单元11用于根据该模值|Z|和相角θ进行匹配控制算法得出匹配网络12中的可变元件的调整量，并根据该调整量控制执行单元12调整匹配网路12中的可变元件，如图1所示，执行单元12包括两个步进电机M1和M2，匹配网路12中的可变元件包括两个可变电容1和2，借助步进电机M1和M2的转动来一一对应地调整可变电容1和2的电容值。

在通常的工艺过程中，反应腔室15内的阻抗变化不大，采用上述阻抗匹配器100可以实现阻抗匹配。然而，在实际应用中采用上述阻抗匹配器100会存在以下问题：当在反应腔室15内进行特定工艺时，反应腔室15内的阻抗变化很大，因而计算得到的可变电容1和2的调整量就很大，即，需要对可变电容1和2进行大范围的调整，从而往往造成阻抗匹配的速率较慢不能满足反应腔室内的阻抗变化，进而造成阻抗匹配失败、导致工艺无法进行；即使在某一时间勉强匹配成功，但由于阻抗变化很大，可变电容1和2会随着阻抗的变化发生很大的调整，在调整的过程中可能会造成阻抗匹配失败；而且，由于执行单元、可变电容1和2发生很大转动，从而造成阻抗匹配器的寿命降低。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种阻抗匹配装置及半导体加工设备，其不仅可以减小阻抗匹配时间，从而可以提高匹配效率；而且可以减小驱动电机和可变电容的转动，从而可以提高阻抗匹配装置的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种阻抗匹配装置，用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，所述匹配网络包括可调电容单元，其中，所述可调电容单元包括相互并联的至少两个可变电容；通过调整同一所述可调电容单元中所有的所述可变电容的电容值，来调整该可调电容单元的总电容值。

其中，所述阻抗匹配装置还包括与所述可调电容单元一一对应的执行单元，所述执行单元用于调整与之对应的所述可调电容单元的总电容值。

其中，所述执行单元包括执行元件，所述执行元件的数量和与之对应的所述可调电容单元中所述可变电容的数量相等，且所述执行元件与所述可调电容一一对应，每个所述执行元件用于调整与之对应的所述可变电容的电容值。

其中，每个所述执行元件调整与之对应的所述可变电容，以实现相互并联的至少两个所述可变电容同步调整。

其中，所述执行单元包括执行元件，所述执行元件的数量少于与之对应的所述可调电容单元中所述可变电容的数量，每个所述执行元件对应至少一个所述可变电容，用以调整与之对应的至少一个所述可变电容的电容值。

其中，当每个所述执行元件对应至少两个所述可变电容时，每个所述执行元件调整与之对应的至少两个所述可变电容，以实现相互并联的至少两个所述可变电容同步调整。

其中，所述执行元件包括驱动电机。

其中，所述驱动电机包括步进电机。

其中，所述匹配网络为L型、T型或者π型。

其中，还包括检测单元和控制单元，其中所述检测单元用于检测所述射频电源的传输线上的电压信号和电流信号，并根据所述电压信号和电流信号获得所述射频电源的负载阻抗的模值和相角，并将该模值和相角输送至所述控制单元；所述控制单元用于根据所述模值和相角进行匹配控制算法得出所述匹配网络中的所述可调电容单元的总调整量，并根据该总调整量控制所述执行单元调整所述可调电容单元的总电容值。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括射频电源、反应腔室和阻抗匹配装置，所述射频电源用于激发反应腔室内的气体形成等离子体，所述阻抗匹配装置连接在所述射频电源和所述反应腔室之间，用以实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，所述阻抗匹配装置采用上述本发明提供的阻抗匹配装置。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的阻抗匹配装置，借助可调电容单元包括相互并联的至少两个可变电容，使得可调电容单元的总电容值等于与之对应的至少两个相互并联的可变电容的电容值之和，因此，可以通过调整同一可调电容单元中所有的可变电容的电容值，来调整该可调电容单元的总电容值，即，可变电容元件电容值的总调整量等于各个可变电容电容值的调整量之和，这使得该可调电容单元的总电容值的总调整量可以通过调整该可调电容单元中所有的可变电容的电容值实现，这与现有技术中调电容元件的总调整量仅通过调整一个可变电容实现相比，可以实现通过调整至少两个可变电容代替调整一个可变电容，使得至少两个可变电容中各个可变电容的调整量小于现有技术中一个可变电容的调整量，不仅可以减小阻抗匹配时间，从而可以提高匹配效率；而且可以减小驱动电机和可变电容的转动，从而可以提高阻抗匹配装置的使用寿命。

本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明提供的阻抗匹配装置，可以提高匹配效率和阻抗匹配装置的使用寿命，从而可以提高工艺效率和工艺质量。

附图说明

图1为现有的阻抗匹配器的原理框图；

图2为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的一种原理框图；

图3为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的另一种原理框图；以及

图4为本发明第二实施例提供的阻抗匹配装置的原理框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的阻抗匹配装置及半导体加工设备进行详细描述。

图2为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的一种原理框图。请参阅图2，本实施例提供的阻抗匹配装置21连接于射频电源20和反应腔室22之间，用于实现射频电源20的特征阻抗(一般为50Ω)和负载阻抗相匹配，以使射频电源20输出的射频功率完全输送至反应腔室22内，具体地，该阻抗匹配装置21包括检测单元211、控制单元212、执行单元213和匹配网络214。其中，匹配网络214包括可调电容单元2141；并且可调电容单元2141包括相互并联的至少两个可变电容，在本实施例中，如图1所示，匹配网络214为L型，包括第一可调电容单元2141’和第二可调电容单元2141”，在实际应用中，匹配网络214也可以为T型、π型或者其他形式，第一可调电容单元2141’包括相互并联的可变电容1和2，第二可调电容单元2141”包括相互并联的可变电容3和4，由于可调电容单元2141的总电容值等于与之对应的至少两个相互并联的可变电容的电容值之和，因此，可以通过调整同一可调电容单元2141中所有的可变电容的电容值，来调整该可调电容单元的总电容值，在本实施例中，具体地，通过调整可变电容1和2的电容值来调整第一可调电容单元2141’的总电容值，以及通过调整可变电容3和4的电容值来调整第二可调电容单元2141”的总电容值。

在本实施例中，执行单元213与可调电容单元2141一一对应，执行单元213用于调整与之对应的可调电容单元2141的总容值。具体地，如图2所示，执行单元213包括第一执行单元213’和第二执行单元213”，其中，第一执行单元213’与第一可调电容单元2141’相对应，第二执行单元213”与第二可调电容单元2141”相对应。

并且，在本实施例中，执行单元213包括执行元件2131，对应每个可调电容单元2141，执行元件2131的数量为一个，在这种情况下，该执行元件2131对应该至少两个可变电容，该执行元件2131调整与之对应的至少两个可变电容，以实现相互并联的至少两个可变电容同步调整(即，该执行元件2131带动与之对应的相互并联的至少两个可变电容同时转动)；具体地，执行元件2131包括驱动电机，驱动电机可以采用诸如步进电机等的驱动机构；对应第一可调电容单元2141’和第二可调电容单元2141”，执行元件2131的数量分别为一个，且分别为驱动电机M1和M2，驱动电机M1转动带动可变电容1和2同时转动；驱动电机M2转动带动可变电容3和4同时转动。

另外，可变电容1和2的电容量相等；可变电容3和4的电容量相等；可变电容1、2、3和4的电容值分别为C₁、C₂、C₃和C₄；因此，第一可调电容单元2141’的总电容值C_并＝C₁+C₂，第二可调电容单元2141”的总电容值C_串＝C₃+C₄。当反应腔室22内阻抗发生变化(即，射频电源20的负载阻抗发生变化)时，计算得到的第一可调电容单元2141’的总电容值C_并的总调整量为ΔC_并，第二可调电容单元2141”的总电容值C_串的总调整量为ΔC_串，由于ΔC_并＝ΔC₁+ΔC₂；ΔC_串＝ΔC₃+ΔC₄，其中，ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄分别可变电容1-4的电容值C₁、C₂、C₃和C₄的调整量；另外，根据可变电容1和2的电容量相等；可变电容3和4的电容量相等，驱动电机M1转动同时调整可变电容1和2；驱动电机M2转动同时调整可变电容3和4，得出：ΔC₁＝ΔC₂，ΔC₃＝ΔC₄；因此，ΔC_并＝2ΔC₁＝2ΔC₂；ΔC_串＝2ΔC₃＝2ΔC₄，进一步得出：ΔC₁＝ΔC₂＝0.5ΔC_并；ΔC₃＝ΔC₄＝0.5ΔC_串。

由上可知，当反应腔室22内的阻抗发生变化时，为实现调整可调电容单元2141的总调整量，该可调电容单元2141中的两个可变电容分别调整该总调整量的一半，即，ΔC₁＝ΔC₂＝0.5ΔC_并；ΔC₃＝ΔC₄＝0.5ΔC_串，即，每个可变电容的调整量等于与之对应的可调电容单元的总调整量除以可变电容的数量。这与现有技术中，可调电容单元2141的总调整量仅通过调整一个可变电容实现相比，不仅造成的驱动电机和可变电容发生较大转动，而且造成阻抗匹配时间T较长相比，不仅可以减小驱动电机和可变电容的转动，从而可以提高阻抗匹配装置21的使用寿命；而且，阻抗匹配时间T可以节省一半，从而可以提高匹配效率。

容易理解，由于驱动电机M1转动带动可变电容1和2同时转动，驱动电机M2转动带动可变电容3和4同时转动，这可以进一步减小阻抗匹配的时间，从而可以进一步提高阻抗匹配效率；并且，由于可变电容1和2的电容量相等；可变电容3和4的电容量相等，可以很容易计算出每个可变电容的电容值的调整量，即，ΔC₁＝ΔC₂＝0.5ΔC_并；ΔC₃＝ΔC₄＝0.5ΔC_串，因而可以使得运算过程简单。但是，在实际应用中，也可以使得可变电容1和2的电容量不相等，和/或，可变电容3和4的电容量不相等，这会使得计算每个可变电容的调整量的运算相比较复杂。

检测单元211用于检测射频电源20的传输线上的电压信号和电流信号，并根据电压信号和电流信号采用一定的鉴幅鉴相的方法获得射频电源20的负载阻抗的模值和相角，并将该模值和相角输送至控制单元212，具体地，检测单元211为射频传感器；控制单元212用于根据模值和相角进行匹配控制算法得出匹配网络中的可调电容单元2141的总调整量，并根据该总调整量控制执行单元213调整可调电容单元2141的总电容值，具体地，根据该总调整量获得该可调电容单元2141的每个可变电容的调整量，根据该每个可变电容的调整量控制执行单元213调整每个可变电容的电容大小，因而调节该可调电容单元2141的总容值，从而调整射频电源20的负载阻抗的大小，以实现射频电源20的负载阻抗和特征阻抗相匹配，控制单元212包括DSP控制器。

需要说明的是，在本实施例中，对应每个可调电容单元2141，可变电容的数量为两个。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，对应每个可调电容单元2141，可变电容的数量还可以为大于2的整数，如图3所示，为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的另一种原理框图，第一可调电容单元2141’包括m个可变电容，分别为可变电容1-m，第二可调电容单元2141”包括n个可变电容，分别为可变电容1-n，其中，m和n分别为大于2的整数，驱动电机M1转动带动可变电容1-m同时转动，驱动电机M2转动带动可变电容1-n同时转动，在这种情况下，可变电容1-m的调整量分别为第一可调电容单元2141’的总调整量的1/m，可变电容1-n的调整量分别为第二可调电容单元2141”的总调整量的1/n，即，每个可变电容的调整量等于与之对应的可调电容单元的总调整量除以可变电容的数量。因此，在一定范围内，m和n的取值越大越可以提高阻抗匹配效率和阻抗匹配装置21的使用寿命，从而可以在一定范围内通过提高可变电容的数量进一步提高匹配效率。

还需要说明的是，对应每个可调电容单元2141，每个可变电容的电容量一定，可变电容的数量根据射频电源20的负载阻抗的变化范围设置，具体地，当射频电源20的负载阻抗的变化范围较大时，可以设置可变电容的数量相对较多；当射频电源20的负载阻抗的变化范围较小时，可以设置可变电容的数量较少。另外，对应每个可调电容单元2141，相互并联的可变电容的数量一定，每个可变电容的电容量根据射频电源20的负载阻抗的变化范围设置，具体地，当射频电源20的负载阻抗的变化范围较大时，每个可变电容可以设置为电容量相对较大的可变电容；射频电源20的负载阻抗的变化范围较小时，每个可变电容可以设置为电容量相对较小的可变电容。

进一步需要说明的是，在本实施例中，对应每个可调电容单元2141，执行元件2131的数量为一个，且每个执行元件2131实现对至少两个可调电容同步调整。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，执行元件2131的数量可以设置为少于与之对应的可调电容单元2141中可变电容的数量，在这种情况下，每个执行元件2131对应至少一个可变电容，用以调整与之对应的至少一个可变电容的电容值；并且，当每个执行元件2131对应至少两个可变电容时，调整与之对应的至少两个可变电容，以实现相互并联的至少两个可变电容同步调整(即，同时转动)。容易理解，每个执行元件2131调整可变电容的数量可以根据实际需求来进行变化，例如，需要实现对其中的至少两个可变电容进行同步调整时，采用一个执行元件2131对该至少两个电容进行同步调整，这可以减少驱动电机的设置数量，从而可以降低投入成本；需要实现对其中的几个可变电容进行不同步调整(即，不同时转动)时，采用与该几个可变电容一一对应地元件2131分别对其进行不同步调整。

另外需要说明的是，在本实施例中，调整同一可调电容单元2141中的所有可变电容的电容值来调整该可调电容单元2141的总电容值。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，可以根据实际情况，选择性地调整同一可调电容单元2141中所有相互并联的可变电容的至少两个的电容值来调整该可调电容单元2141的总电容值，例如，在每个并联支路上设置电子开关，通过控制电子开关的导通和关断控制可变电容所在并联支路的导通或者关断，从而可以选择性地调整同一可调电容单元2141中所有相互并联的可变电容的至少两个的电容值。

综上所述，本实施例提供的阻抗匹配装置21，借助可调电容单元2141包括相互并联的至少两个可变电容，使得可调电容单元2141的总电容值等于与之对应的至少两个相互并联的可变电容的电容值之和，因此，可以通过调整同一可调电容单元2141中所有的可变电容的电容值，来调整该可调电容单元2141的总电容值，即，可变电容元件电容值的总调整量等于各个可变电容电容值的调整量之和，这使得该可调电容单元2141的总电容值的总调整量可以通过调整该可调电容单元2141中所有的可变电容的电容值实现，这与现有技术中调电容元件的总调整量仅通过调整一个可变电容实现相比，可以实现通过调整至少两个可变电容代替调整一个可变电容，不仅可以减小阻抗匹配时间，从而可以提高匹配效率；而且可以减小驱动电机和可变电容的转动，从而可以提高阻抗匹配装置21的使用寿命。

图4为本发明第二实施例提供的阻抗匹配装置的原理框图。请参阅图4，本实施例提供的阻抗匹配装置21与上述第一实施例提供的阻抗匹配装置21相比，同样包括检测单元211、控制单元212、执行单元213和匹配网络214，由于检测单元211、控制单元212、执行单元213和匹配网络214在上述第一实施例中已有详细的描述，在此不再赘述。

下面仅对本实施例与上述第一实施例的不同点详细地描述。具体地，在本实施例中，执行元件2131的数量和与之对应的可调电容单元2141中可变电容的数量一一对应，每个执行元件2131用于调整与之对应的可变电容的电容值，如图4所示，第一可调电容单元2141’包括可变电容1和2，对应第一可调电容单元2141’，执行单元213’包括数量为两个的执行元件2131，分别为驱动电机M1和M2，驱动电机M1用于调整可变电容1的电容值C₁，驱动电机M2用于调整可变电容2的电容值C₂；第二可调电容单元2141”包括可变电容3和4，对应第二可调电容单元2141”，执行单元213”包括数量为两个的执行元件2131，分别为驱动电机M3和M4，与驱动电机M1用于调整可变电容3的电容值C₃，驱动电机M4用于调整可变电容4的电容值C₄。

并且，每个执行元件2131调整与之对应的可变电容，以实现相互并联的至少两个可变电容同步调整。具体地，驱动电机M1和M2(或者，驱动电机M3和M4)同时转动，以在其同时转动下带动可变电容1和2(或者，可变电容3和4)同时转动，实现该可变电容1和2(或者，可变电容3和4)同步调整，这可以进一步减小阻抗匹配时间，从而可以进一步提高匹配效率。但是，在实际应用中，也可以通过每个执行单元213调整与之对应的可变电容，来实现并联的至少两个可变电容不同步调整；或者，来实现并联的至少两个可变电容中一部分可变电容同步调整，另一部分可变电容不同步调整。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括射频电源、反应腔室和阻抗匹配装置，射频电源用于激发反应腔室内的气体形成等离子体，阻抗匹配装置连接在射频电源和反应腔室之间，用以实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，其中，阻抗匹配装置采用本发明第一实施例或者第二实施例提供的阻抗匹配装置。

本实施例提供的半导体加工设备，其采用上述第一实施例或者第二实施例提供的阻抗匹配装置，可以提高匹配效率和阻抗匹配装置的使用寿命，从而可以提高工艺效率和工艺质量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种阻抗匹配装置，用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，其特征在于，所述匹配网络包括可调电容单元，其中，所述可调电容单元包括相互并联的至少两个可变电容；通过调整同一所述可调电容单元中所有的所述可变电容的电容值，来调整该可调电容单元的总电容值。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配装置还包括与所述可调电容单元一一对应的执行单元，所述执行单元用于调整与之对应的所述可调电容单元的总电容值。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述执行单元包括执行元件，所述执行元件的数量和与之对应的所述可调电容单元中所述可变电容的数量相等，且所述执行元件与所述可调电容一一对应，每个所述执行元件用于调整与之对应的所述可变电容的电容值。

4.根据权利要求3所述的阻抗匹配装置，其特征在于，每个所述执行元件调整与之对应的所述可变电容，以实现相互并联的至少两个所述可变电容同步调整。

5.根据权利要求2所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述执行单元包括执行元件，所述执行元件的数量少于与之对应的所述可调电容单元中所述可变电容的数量，每个所述执行元件对应至少一个所述可变电容，用以调整与之对应的至少一个所述可变电容的电容值。

6.根据权利要求5所述的阻抗匹配装置，其特征在于，当每个所述执行元件对应至少两个所述可变电容时，每个所述执行元件调整与之对应的至少两个所述可变电容，以实现相互并联的至少两个所述可变电容同步调整。

7.根据权利要求3-6任意一项所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述执行元件包括驱动电机。

8.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述驱动电机包括步进电机。

9.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述匹配网络为L型、T型或者π型。

10.根据权利要求3-6任意一项所述的阻抗匹配装置，其特征在于，还包括检测单元和控制单元，其中

所述检测单元用于检测所述射频电源的传输线上的电压信号和电流信号，并根据所述电压信号和电流信号获得所述射频电源的负载阻抗的模值和相角，并将该模值和相角输送至所述控制单元；

所述控制单元用于根据所述模值和相角进行匹配控制算法得出所述匹配网络中的所述可调电容单元的总调整量，并根据该总调整量控制所述执行单元调整所述可调电容单元的总电容值。

11.一种半导体加工设备，包括射频电源、反应腔室和阻抗匹配装置，所述射频电源用于激发反应腔室内的气体形成等离子体，所述阻抗匹配装置连接在所述射频电源和所述反应腔室之间，用以实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，其特征在于，所述阻抗匹配装置采用上述权利要求1-10任意一项所述的阻抗匹配装置。