CN107180737B - 用于实现阻抗匹配和功率分配的装置及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置及半导体加工设备。该装置包括一个输入端、至少两个输出端、功率分配电路和阻抗匹配电路，所述输入端用于与射频电源电连接；每个输出端包括用于与外接器件的两端相连的第一端口和第二端口，第二端口为接地端；所述功率分配电路包括与所述输出端一一对应的支路，所述支路的一端作为与之对应的所述输出端的第一端口，支路的另一端与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路还与输入端相连；每条所述支路上串接有功率分配单元，所述功率分配单元仅包括一个第一可调电容。本发明提供的装置及半导体加工设备，不仅成本低，而且集成度高，体积减少。

Description

用于实现阻抗匹配和功率分配的装置及半导体加工设备
技术领域
本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置及半导体加工设备。
背景技术
半导体设备通常采用射频电源作为等离子体激发源，如物理气相沉积设备、化学气相沉积等，为了实现将射频电源的功率尽可能完全地传递至腔室内，需要在射频电源和反应腔室之间串接阻抗匹配器，以实现射频电源的输入阻抗和输出阻抗相匹配。
图1为典型的半导体设备的结构示意图。请参阅图1，在反应腔室100的顶壁上方设置有分别对应反应腔室100的中心区域和边缘区域的内线圈12和外线圈13，反应腔室还包括阻抗匹配器10和电流分配器，其中，阻抗匹配器10的一端与射频电源11电连接，另一端与电流分配器相连，电流分配器与内线圈12和外线圈13相连，具体地，如图1所示，电流分配器包括电流分配电路，其包括第一支路和第二支路，其中，第一支路上先串接并联的第一电感L1和第一可调电容C1，再与内线圈12的一端相连，最后串接第一阻抗R1后接地；第二支路先与外线圈13的一端相连，再串接第二阻抗R2后接地。其中，上述阻抗匹配器10用于实现射频电源11的输入阻抗和输出阻抗匹配，另外，通过调节第一可调电容C1可以实现将射频电源11输出的功率在内线圈12和外线圈13进行分配调节，以相应地将功率信号耦合至腔室与之对应的中心区域和边缘区域，来激发对应区域的工艺气体而形成等离子体。
图2为图1中电流分配电路的另一种电路图。请参阅图2，电流分配电路同样包括第一支路和第二支路，其中，第一支路先串接第二电感L2、再与内线圈12的一端相连，最后串接第三阻抗R3后接地；第二支路先串接并联的第三电感L3和第二可调电容C2，再与外线圈13的一端相连，最后串接第四阻抗R4后接地。在此情况下，通过调节第二可调电容C2可以实现将射频电源11输出的功率在内线圈12和外线圈13进行分配调节。
由图1和图2可以直接看出：图1中的电流分配电路由第一电感L1、第一可调电容C1、第一阻抗R1和第二阻抗R2组成，其需要4个器件组成；图2中的电流分配电路由第二电感L2、第三阻抗R3、第三电感L3、第二可调电容C2和第四阻抗R4组成，其需要5个器件组成，也就是说，现有的电流分配电路通常需要4～5个电子器件(包括可调电容、电感、阻抗)，元器件较多，成本较高。另外，由于电流分配器和阻抗匹配器10为相互独立的两个部件，比较分散，集成度低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置及半导体加工设备。
为解决上述问题之一，本发明提供了一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其包括一个输入端、至少两个输出端、功率分配电路和阻抗匹配电路，所述输入端用于与射频电源电连接；每个输出端包括用于分别与外接器件的两端相连的第一端口和第二端口，所述第二端口为接地端；所述功率分配电路包括与所述输出端一一对应的支路，所述支路的一端作为与之对应的所述输出端的第一端口；所述支路的另一端与所述阻抗匹配电路相连，所述阻抗匹配电路还与所述输入端相连；每条所述支路上串接有功率分配单元，所述功率分配单元仅包括一个第一可调电容。
优选地，在至少一个所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容。
优选地，至少两个所述外接器件依次套置；除了与位于中心的所述外接器件对应的所述输出端，在每个所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容；或者，在位于最边缘的所述外接器件对应的所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容。
优选地，所述阻抗匹配电路包括：一条主路，其一端与所述输入端相连，另一端与每条所述支路的另一端相连；第二可调电容，串接在所述主路上；第三可调电容，其一端与所述主路相连，另一端接地。
优选地，所述阻抗匹配电路还包括：第一电感，串接在所述主路上。
优选地，所述阻抗匹配电路还包括：第二电容，并联设置在所述第二可调电容或所述第三可调电容的两端。
优选地，所述装置还包括：第一检测器，用于检测每条所述支路上的功率信号，并将检测到功率信号发送至控制器；第二检测器，用于检测所述主路上的所述射频电源的负载阻抗，并将检测到的负载阻抗发送至控制器；控制器，用于根据所述功率信号和所述负载阻抗控制执行机构调节所述第一可调电容和所述阻抗匹配电路中的阻抗可调元件；执行机构，用于在所述控制器的控制下调节所述第一可调电容、和所述阻抗可调元件。
优选地，所述第一检测器包括与所述支路一一对应的电流检测传感器，所述电流检测传感器串接在所述支路上。
优选地，所述外接器件为线圈。
优选地，所述线圈的结构为平面、立体或部分平面部分立体。
本发明还提供一种半导体加工设备，包括用于实现阻抗匹配和电流分配的装置，所述用于实现阻抗匹配和电流分配的装置采用本发明上述提供的用于实现阻抗匹配和电流分配的装置。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其借助每条支路上的功率分配单元仅包括一个第一可调电容，这在存在两个外接器件(即，内线圈和外线圈)的情况下，功率分配电路仅需要两个第一可调电容即可，因此，与现有技术中需要4～5个电子器件相比，可以减少电子器件数量，尤其在外接器件数量较多时电子器件减少地越明显，优势越尽显；另外，该装置包括一个输入端和至少两个输出端，输入端用于与射频电源电连接，每个输出端包括用于与外接器件的两端相连的第一端口和第二端口，可实现阻抗匹配功能和功率分配功能的整合，为一整体式结构，从而集成度较高。
本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，不仅成本低，而且集成度高，体积减少。
附图说明
图1为典型的半导体设备的结构示意图；
图2为图1中电流分配电路的另一种电路示意图；
图3为本发明实施例提供的第一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置应用在反应腔室的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置的工作流程图；
图5为本发明实施例提供的第二种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的第三种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置的结构示意图；以及
图7为本发明实施例提供的第四种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置的结构示意图。
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，下面结合附图来对本发明提供的用于实现阻抗匹配且功率分配的装置及半导体加工设备进行详细描述。
图3为本发明实施例提供的第一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置应用在反应腔室的结构示意图。请参阅图3，本发明实施例提供的第一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置应用在反应腔室22上，反应腔室22包括介质窗27、气体喷嘴50、下电极基座28、内线圈25和外线圈26，其中，气体喷嘴50穿过介质窗27位于反应腔室22内，用于向反应腔室22内输送工艺气体；下电极基座28设置在反应腔室22内，用于承载基片29，下电极基座28通过匹配器31与射频电源30电连接，用于向基片提供负偏压；内线圈25和外线圈26设置在介质窗27的上方，且分别对应反应腔室22的中心区域和边缘区域设置。
本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置设置在射频电源23和内线圈25、外线圈26之间，用以实现射频电源23的输入阻抗和输出阻抗的匹配以及射频电源23输出的射频功率在内线圈25和外线圈26之间的分配，以使射频功率经由该内线圈25和外线圈26分别耦合至反应腔室22的中心区域和边缘区域，将位于相应区域内的工艺气体激发形成等离子体，借助等离子体与基片表面发生物理和/或化学反应完成基片的刻蚀、沉积或者其他工艺过程。
在本实施例中，用于实现阻抗匹配和功率分配的装置包括一个输入端20、至少两个输出端21和22、功率分配电路23、阻抗匹配电路24、第一检测器25、第二检测器26、控制器27和执行机构28。
其中，输入端20用于与射频电源RF电连接，射频电源RF的频率包括400kHz、2MHz、13MHz、27MHz、4MHz、60MHz等。输出端21包括用于与外接器件的两端相连的第一端口211和第二端口212；输出端22包括用于与外接器件的两端相连的第一端口221和第二端口222，并且，第二端口为接地端，具体地，如图3所示，输出端21的第二端口212接地，输出端22的第二端口222接地。
功率分配电路23包括与输出端21和22一一对应的支路231和232。其中，支路231的一端作为与之对应的输出端21的第一端口211，在本实施例中，与输出端21对应的外接器件为内线圈34，即，第一端口211和第二端口212分别与内线圈34的两端相连，如图3所示。
支路232的一端作为与之对应的输出端22的第一端口221，在本实施例中，与输出端22对应的外接器件为外线圈35，即，第一端口221和第二端口222分别与外线圈35的两端相连，如图3所示。
具体地，内线圈34或外线圈35的结构包括但不限于平面、立体或部分平面部分立体。
另外，支路231上串接有功率分配单元，功率分配单元仅包括一个第一可调电容C11；支路232上串接有功率分配单元，功率分配单元仅包括一个第一可调电容C12。
由上可知，本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，在存在两个外接器件(即，内线圈34和外线圈35)的情况下，功率分配电路23仅需要两个第一可调电容(即，第一可调电容C11和C12)即可，因此，这与现有技术中需要4～5个电子器件相比，可以减少电子器件数量，尤其在外接器件数量较多时电子器件减少地越明显，优势越尽显；另外，本发明实施例提供的装置可实现阻抗匹配功能和功率分配功能的整合，为一整体式结构，从而集成度较高。
通过研究发现：若第二端口222直接接地，会造成外线圈两端电压不相等，从而造成反应腔室30内的边缘区域的等离子体分布不均匀，不利于工艺均匀性。为此，优选地，在本实施例中，第二端口222串接第一电容C2后接地，即，支路232上电容串联电感再串联电容，即形成阻抗由负到正再负的结构，这可以实现外线圈上的电流和电压对称分布，从而可以实现反应腔室30内的边缘区域的等离子体均匀分布。
另外，采用本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，由于内线圈34与气体喷嘴32位置接近，且第一可调电容C11串接内线圈34后接地很容易实现串联谐振效果，由于在这种谐振效果下支路231上的电流最大，第一可调电容C11和内线圈34连接点的电势最高，而电势越高起辉越好，因此，扩大了等离子体的起辉窗口，从而增大了反应腔室30的应用窗口。
阻抗匹配电路24包括：一条主路241，其一端与输入端相连，另一端与每条支路231和232的另一端相连；第二可调电容C13，串接在主路241上；第三可调电容C14，其一端与主路241相连，另一端接地；第一电感L1，串接在主路241上。
第一检测器25，用于检测每条支路231或232上的功率信号，并将检测到功率信号发送至控制器27。具体地，第一检测器25包括与支路231和232一一对应的电流检测传感器25，电流检测传感器25串接在支路231或232上。第二检测器26，用于检测主路241上的射频电源RF的负载阻抗，并将检测到的负载阻抗发送至控制器27。控制器27用于根据功率信号和负载阻抗控制执行机构28调节第一可调电容C11和C12和阻抗匹配电路24中的阻抗可调元件(在本实施例中，阻抗可调元件包括第二可调电容C13和第三可调电容C14)，所谓阻抗可调元件是指通过调节能够改变阻抗匹配电路24的阻抗大小的元件。执行机构28用于在控制器27的控制下调节第一可调电容C11和C12、第二可调电容C13和第三可调电容C14，即，调节可调电容的活动端的位置，以改变其串接在电路中的阻抗值，具体地，执行机构28包括步进电机。
可以理解的是，在本实施例中，由于实现阻抗匹配和功率分配共用一个控制器27和一个执行机构28，这与现有技术相比，可以更进一步降低成本和提高集成度。
在本实施例中，本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置的工作流程如下：请参阅图4，工艺开始后，包括以下步骤：
步骤S1，第二检测器26、控制器27、执行机构28配合进行阻抗匹配，具体地，控制器27根据第二检测器26检测到的负载阻抗，计算第二可调电容C13和第三可调电容C14需要调节的调节量，发送调节信号至执行机构28，执行机构28根据该调节信号调节第二可调电容C13和第三可调电容C14。
步骤S2，控制器27实时根据第二检测器26检测到的负载阻抗判断当前是否实现阻抗匹配，若是，则进入步骤S3；若否，则返回步骤S1。
步骤S3，第一检测器25、控制器27、执行机构28配合开始进行功率分配，具体地，控制器27根据第一检测器25检测到的支路231和232上的电流信号，计算第一可调电容C11和C12需要调节的调节量，发送调节信号至执行机构28，执行机构28根据该调节信号调节第一可调电容C11和C12。
步骤S4，控制器27实时根据第一检测器25检测的支路231和232上的功率信号判断是否达到要求的功率分配比例，若是，则进入步骤S5；若否，则返回步骤S3。
步骤S5，控制器27根据第二检测器26检测到的负载阻抗判断当前是否实现阻抗匹配；若是，则进入步骤S6；若否，则返回步骤S1。
步骤S6，控制器27判断工艺是否完成，若是，工艺结束；若否，进入步骤S5。
在步骤S4中，一般工艺的外线圈和内线圈的电流比例根据不同工艺有所不同，如某工艺A设定外线圈电流与内线圈电流之比为1:3，工艺B设定外线圈电流与内线圈电流之比为1:1，工艺C设定外线圈电流与内线圈电流之比为3:1等，这个比例可以为一定范围内(如外线圈电流与内线圈电流之比为1:9到9:1的范围)的任意比例值。通过改变内线圈和外线圈电流，形成特定要求的均匀的电磁场分布，进而形成均匀的等离子体分布，从而达到刻蚀工艺完成后晶圆的均匀性满足要求。
需要说明的是，尽管在本实施例中阻抗匹配电路24采用图3所示的电路结构，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，阻抗匹配电路还可以采用其他电路结构，例如，如图5所示，省去第一电感L1，这与图3所示的阻抗匹配电路相比，同样可以实现阻抗调节，而且具有电子器件少，从而实现更小的体积和更低的成本。
再如，如图6所示，其与图5相比，阻抗匹配电路24还包括：第二电容C1，其并联设置在第二可调电容C13的两端，这与图5所示的阻抗匹配电路相比，可以实现更高精度的阻抗匹配调整，减少了超调问题的发生，实现了更好地稳定性。
又如，如图7所示，其与图5相比，阻抗匹配电路24还包括：第二电容C1，其并联设置在第三可调电容C14的两端，这与图5所示的阻抗匹配电路相比，可以减少对第二可调电容C13的电流限制，实现了该装置的高功率应用。
另外需要说明的是，本发明实施例提供的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，并不局限地应用在两个外接器件的情况，也可以用于至少3个外接器件的情况，具体电路设计原理与两个外接器件的设计原理相类似，在此不再详述；并且，外接器件并不局限于线圈的这种情况，还可以为其他器件。
进一步需要说明的是，若的至少三个外接器件依次套置，这样，至少三个外接器件分别对应反应腔室沿径向划分的一个中心区域和至少两个环形区域，用以分别来激发该区域内的气体形成等离子体；与上文的工作原理相同，为了提高反应腔室的等离子体的均匀性，在位于最边缘的所述外接器件对应的所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容C2；进一步地，为了更好地提高反应腔室的等离子体的均匀性，除了与位于中心的所述外接器件对应的所述输出端，在每个所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容C2。
作为另外一个技术方案，本实施例还提供一种半导体加工设备，包括用于实现阻抗匹配且电流分配的装置，用于实现阻抗匹配且电流分配的装置采用本发明上述实施例提供的用于实现阻抗匹配且电流分配的装置。
本发明实施例提供的半导体体加工设备，其通过采用本实施例提供上述承载装置，不仅成本低，而且集成度高，体积减少。
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，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，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 (10)

1.一种用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，其包括一个输入端、至少两个输出端、功率分配电路和阻抗匹配电路，
所述输入端用于与射频电源电连接；
每个输出端包括用于分别与外接器件的两端相连的第一端口和第二端口，所述第二端口为接地端；
所述功率分配电路包括与所述输出端一一对应的支路，所述支路的一端作为与之对应的所述输出端的第一端口；所述支路的另一端与所述阻抗匹配电路相连，所述阻抗匹配电路还与所述输入端相连；
每条所述支路上串接有功率分配单元，所述功率分配单元仅包括一个第一可调电容；其中，
所述外接器件为线圈；
所述线圈至少包括分别对应反应腔室的中心区域和边缘区域设置的内线圈和外线圈，并且所述内线圈上的电流最大。
2.根据权利要求1所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，在至少一个所述输出端的第二端口与地之间还串接有第一电容。
3.根据权利要求2所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，至少两个所述输出端分别与依次套置的至少两个所述外接器件相连；
除了与位于中心的所述外接器件对应的所述输出端，在其余每个所述输出端的第二端口与地之间还串接有所述第一电容；或者，在位于最边缘的所述外接器件对应的所述输出端的第二端口与地之间还串接有所述第一电容。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括：
一条主路，其一端与所述输入端相连，另一端与每条所述支路的另一端相连；
第二可调电容，串接在所述主路上；
第三可调电容，其一端与所述主路相连，另一端接地。
5.根据权利要求4所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路还包括：
第一电感，串接在所述主路上。
6.根据权利要求4所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述阻抗匹配电路还包括：
第二电容，并联设置在所述第二可调电容或所述第三可调电容的两端。
7.根据权利要求4所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第一检测器，用于检测每条所述支路上的功率信号，并将检测到功率信号发送至控制器；
第二检测器，用于检测所述主路上的所述射频电源的负载阻抗，并将检测到的负载阻抗发送至控制器；
控制器，用于根据所述功率信号和所述负载阻抗控制执行机构调节所述第一可调电容和所述阻抗匹配电路中的阻抗可调元件；
执行机构，用于在所述控制器的控制下调节所述第一可调电容、和所述阻抗可调元件。
8.根据权利要求7所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述第一检测器包括与所述支路一一对应的电流检测传感器，所述电流检测传感器串接在所述支路上。
9.根据权利要求1所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述线圈的结构为平面、立体或部分平面部分立体。
10.一种半导体加工设备，包括用于实现阻抗匹配和功率分配的装置，其特征在于，所述用于实现阻抗匹配和功率分配的装置采用权利要求1-9任意一项所述的用于实现阻抗匹配和功率分配的装置。
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