CN107454731B - 射频自动阻抗匹配器及半导体设备 - Google Patents

射频自动阻抗匹配器及半导体设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种射频自动阻抗匹配器及半导体设备。所述射频自动阻抗匹配器可包括：射频传感单元，其采集射频传输线上的电压信号和电流信号，并将运算和转换后的多个数字信号输出到控制单元；控制单元，其连接到所述射频传感单元，接收所述射频传感单元的多个数字信号，确定射频传输线的状态并对匹配单元进行调整；以及匹配单元，其连接到所述控制单元，基于所述控制单元的信号调整所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗。所述射频传感单元可以输出四个不同的数字信号到所述控制单元。

Description

射频自动阻抗匹配器及半导体设备
技术领域
本发明涉及电子工艺设备领域，更具体地，涉及一种射频自动阻抗匹配器以及应用该射频自动阻抗匹配器的半导体设备。
背景技术
在半导体工业领域，物理气相沉积(PVD)技术是最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。图1示出了现有的PVD装置的示意图。如图1所示，在现有的PVD工艺设备所采用的主流结构中，反应腔体由105、106两部分组成，101为直流电源，102为磁控管，103为被溅射的靶材(一般为金属或导体，典型的为Cu、Ta等)，110为射频(RF)自动匹配器，111为射频传输线，109为铜条，112为射频电源(频率通常为13.56MHz，恒定输出阻抗50Ω)。PVD工艺设备的工作原理是，将高功率直流电源(DCPower)1的负极连接至被溅射的靶材103上，使反应腔体内产生等离子体，由于被溅射的靶材为负电压，会吸引等离子体中的离子成分对其进行轰击，被离子轰击的靶材粒子会沉积到静电卡盘(ESC)107上的晶圆上；其次,加在静电卡盘(ESC)107上的射频功率还能产生自偏压(DC-Bias)以吸引带电的靶材粒子，从而改善晶圆的孔隙填充效果。其中，射频自动阻抗匹配器110是保证PVD设备高效可靠运行的关键部件。
图2示出了根据现有技术的射频自动阻抗匹配器的示意图。如图2所示，射频自动阻抗匹配器一般由射频传感器(RF Sensor)、控制器(DSP)和执行机构(步进电机M1、M2和真空可变电容C1、C2以及电感L1)三部分组成，射频传感器位于匹配器前端，它可以实时采集RF传输线上的电压V和电流I信号并输出三个与电压V和电流I有关的数字信号到控制器。控制器根据射频传感器输出的三个数字信号就可以实时判断RF传输线上射频功率开关状态(RFON/OFF)。当控制器判断RF传输线上有射频功率输入(RF ON状态)时，控制器会实时计算出射频匹配器输入端阻抗模值|Z|和相位θ并自动运行某种匹配控制算法，然后给出真空可变电容C1、C2的调整量；执行机构根据真空可变电容C1、C2的调整量驱动步进电机M1、M2转动，从而调整真空可变电容C1、C2的容值，通过不断地调整，最终使得射频匹配器输入端阻抗与射频电源恒定输出阻抗达到共轭匹配。当控制器又判断RF传输线上无射频功率输入(RF OFF状态)时，射频匹配器自动停止匹配，步进电机M1、M2驱动真空可变电容C1、C2返回到预设位置并停住不动，直到控制器又判断RF ON状态时，步进电机M1、M2才又开始动作。
发明人发现，根据现有技术的射频自动阻抗匹配器在极限阻抗点(完全短路或开路)情况下不能正常工作；在无射频功率输入(RF OFF状态)情况下，射频自动阻抗匹配器的步进电机抖动不止，导致预设位置漂移。因此，有必要开发一种能够在极限阻抗点情况下正常工作并有效防止匹配器电机抖动的射频自动阻抗匹配器以及应用该射频自动阻抗匹配器的半导体设备。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种射频自动阻抗匹配器以及应用该射频自动阻抗匹配器的半导体设备，其能够通过改进射频自动阻抗匹配器的射频传感单元的电路结构，使得射频自动阻抗匹配器能够在极限阻抗点情况下正常工作，并有效防止匹配器电机抖动。
根据本发明的一方面，提出了一种射频自动阻抗匹配器。所述射频自动阻抗匹配器包括：射频传感单元，其采集射频传输线上的电压信号和电流信号，并将运算和转换后的多个数字信号输出到控制单元；控制单元，其连接到所述射频传感单元，接收所述射频传感单元的多个数字信号，确定所述射频传输线的状态并对匹配单元进行调整；以及匹配单元，其连接到所述控制单元，基于所述控制单元的信号调整所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗，所述射频传感单元输出四个不同的数字信号到所述控制单元。
根据本发明的另一方面，提出了一种半导体设备，所述半导体设备采用如上所述的射频自动阻抗匹配器。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有的PVD装置的示意图。
图2示出了根据现有技术的射频自动阻抗匹配器的示意图。
图3示出了根据本发明的射频自动阻抗匹配器的示意图。
图4示出了根据本发明的射频自动阻抗匹配器的射频传感单元的电路的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图3示出了根据本发明的射频自动阻抗匹配器的示意图。
在该实施例中，根据本发明的射频自动阻抗匹配器可以包括：射频传感单元301、控制单元(DSP)302以及匹配单元303。射频传感单元301采集射频传输线上的电压信号V和电流信号I，并将运算和转换后的多个数字信号输出到控制单元302；控制单元302连接到所述射频传感单元301，接收所述射频传感单元301的多个数字信号，确定所述射频传输线的状态并对匹配单元303进行调整；匹配单元303连接到控制单元302，基于所述控制单元302的信号调整所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗。所述射频传感单元301输出四个不同的数字信号到控制单元302。
该实施例通过增加一路射频传感单元输出的数字信号，使得射频自动阻抗匹配器能够在极限阻抗点情况下正常工作，并有效防止匹配器电机抖动。下面详细说明根据本发明的射频自动阻抗匹配器(射频匹配器)的具体结构。
射频传感单元
在一个示例中，射频传感单元301可以采集射频传输线上的电压信号和电流信号，并将运算和转换后的多个数字信号输出到控制单元302。
图4示出了根据本发明的射频自动阻抗匹配器的射频传感单元的电路的示意图。如图4所示，射频传感单元可以包括：90°移相器D41、第一模拟乘法器U41、第二模拟乘法器U42、第三模拟乘法器U43、第四模拟乘法器U44以及AD转换器A/D。90°移相器D41的一个输入端输入电压信号V，另一个输入端输入电流信号I，两个输出端分别连接到第二模拟乘法器U42的两个输入端；第一模拟乘法器U41的一个输入端输入电压信号V，另一个输入端输入电流信号I，输出运算后的第一模拟信号；第二模拟乘法器U42的两个输入端分别连接到90°移相器D41的两个输出端，输出第二模拟信号；第三模拟乘法器U43的两个输入端输入电流信号I，输出第三模拟信号；第四模拟乘法器U44的两个输入端输入电压信号V，输出第四模拟信号；AD转换器可以接收第一模拟乘法器U41、第二模拟乘法器U42、第三模拟乘法器U43以及第四模拟乘法器U44输出的模拟信号，将模拟信号转换为第一数字信号A0、第二数字信号A1、第三数字信号A2以及第四数字信号A3，并输出到控制单元302。
优选地，图4的电路可以采用电感耦合线圈(L40)取电流、电容(C41、C42)分压取电压的方式采集射频(RF)传输线上的电压信号V和电流信号I，然后将电压信号V分别输入到第一模拟乘法器U41的一端、90°移相器D41一端，以及第四模拟乘法器U44的两端；而电流信号I分别输入到第一模拟乘法器U41的另一端、90°移相器D41的另一端和第三模拟乘法器U43的两端。经第一模拟乘法器U41、第二模拟乘法器U42、第三模拟乘法器U43和第四模拟乘法器U44运算后，输出四个与电压V和电流I有关的模拟信号，模拟信号通过AD转换，输出四个数字信号A0、A1、A2、A3到控制单元。该电路结构能够规避热噪声、电磁耦合噪声对射频传感单元的电路的干扰，使控制单元对射频开关状态(RF ON/OFF)的判断结果更加准确。
在一个示例中，射频传输线上的电压信号V和电流信号I与第一数字信号A0、第二数字信号A1、第三数字信号A2以及第四数字信号A3之间的关系可以表示为：
在公式(1)中，ku、ki为常数；A0、A1、A2、A3分别表示第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号以及第四数字信号；A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)为射频传输线上电压信号V和电流信号I都为0时的第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号以及第四数字信号，为常数；│V│为射频传输线上电压信号V的模值；│I│为射频传输线上电流信号I的模值。
根据本申请的射频传感单元的电路工作原理，即可得出射频传感单元输出的实时数字信号A0、A1、A2、A3与RF传输线上的实时电压信号V和电流信号I存在公式(1)所列的关系。
控制单元
在一个示例中，控制单元302可以连接到所述射频传感单元301，接收所述射频传感单元301的多个数字信号，确定射频传输线的状态并对匹配单元303进行调整。
在一个示例中，控制单元对匹配单元进行调整可以包括：在确定射频传输线的状态为有射频功率传输的情况下，所述控制单元计算出射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗的模值和相位差，并运行匹配控制算法，然后给出所述匹配单元的调整量，调整匹配单元，使射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗与射频电源恒定输出阻抗达到共轭匹配；在确定射频传输线的状态为无射频功率传输的情况下，所述射频自动阻抗匹配器停止自动匹配。
其中，所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗的模值│Z│和相位差θ可以分别表示为：
优选地，当控制单元判断射频传输线的状态为有射频功率传输(有射频功率输入，RF ON状态)时，控制单元根据实时数字信号A0、A1、A2、A3和静态数字信号A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)以及公式(1)所列关系式，计算出射频匹配器输入端阻抗的模值|Z|和相位θ以提供匹配控制算法所需的输入量，如公式(2)、(3)所列。
根据射频传感单元实时输出的数字信号A0、A1、A2、A3和射频传输线的状态为无射频功率传输(无射频功率输入，RF OFF状态)时射频传感单元输出的静态数字信号A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)，还可得到公式(4)所列的差分信号，本发明可以根据公式(4)所列差分信号|ΔA2|、|ΔA3|来实时判断RF传输线上射频功率开关状态(RF ON/OFF)。
|ΔA2|＝A2-A2(0)
|ΔA3|＝A3-A3(0) (4)
在一个示例中，控制单元确定射频传输线的状态可以包括：在第一差分信号|ΔA2|大于等于第一常数Q2或第二差分信号|ΔA3|大于等于第二常数Q3的情况下，确定射频传输线的状态为有射频功率传输；并且，在第一差分信号ΔA2|小于第一常数Q2并且第二差分信号|ΔA3|小于第二常数Q3的情况下，确定射频传输线的状态为无射频功率传输。其中，所述第一常数Q2和所述第二常数Q3为人为设定的大于零的整数。
优选地，在第一差分信号|ΔA2|大于等于第一常数Q2或第二差分信号|ΔA3|大于等于第二常数Q3的情况下，也即，当|ΔA2|≧Q2|||ΔA3|≧Q3为真时，控制单元会判断射频为开(RF ON)，其中，Q2、Q3为大于零的整数。当控制单元判断射频为开(RF ON)时，控制单元会实时计算出射频匹配器输入端阻抗模值|Z|和相位θ并自动运行某种匹配控制算法，然后给出匹配单元的调整量。
在第一差分信号|ΔA2|小于第一常数Q2并且第二差分信号|ΔA3|小于第二常数Q3的情况下，也即，当|ΔA2|<Q2&&|ΔA3|<Q3为真时，控制单元会判断射频为关(RF OFF)，射频匹配器自动停止匹配。
在一个示例中，第一常数Q2和第二常数Q3可以取值为100至200之间的整数。具体地，第一常数Q2和第二常数Q3需要大于无射频功率传输时的差分信号的最大波动值，并且小于有射频功率传输时的差分信号的最大值(输入端阻抗完全短路或开路)，例如，第一常数Q2和第二常数Q3可以为100至200之间的整数，优选地，第一常数Q2和第二常数Q3可以取值为120。
匹配单元
在一个示例中，匹配单元303可以连接到控制单元302，基于控制单元302的信号调整射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗。
在一个示例中，匹配单元可以包括第一电容C01、第二电容C02、电感L01以及第一电机M01和第二电机M02。其中，第一电容C01可以并联到射频传输线中，第二电容C02和电感L01可以串联到射频传输线中；并且第一电机M01和第二电机M02连接到所述控制单元，分别调整第一电容和第二电容的电容值。第一电容C01、第二电容C02、电感L01以及第一电机M01和第二电机M02的设置可以与现有技术的电容C1、C2、电感L1以及电机M1、M2(如图2所示)的设置相同，因此此处省略其具体描述。
在一个示例中，在确定射频传输线的状态为有射频功率传输(RF ON)的情况下，第一电机M01和第二电机M02基于所述调整量分别调整第一电容C01和第二电容C02的电容值，以调整射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗；在确定射频传输线的状态为无射频功率传输(RF OFF)的情况下，第一电机M01和第二电机M02分别调整第一电容C01和第二电容C02的电容值回到预设电容值。
优选地，当控制单元判断射频传输线的状态为有射频功率传输(RF ON)时，控制单元可以给出第一电容C01和第二电容C02，其中，第一电容C01和第二电容C02可以为真空可变电容。匹配单元根据电容C01、C02的调整量驱动电机M01、M02转动，从而调整电容C01、C02的电容值，通过不断地调整，最终使得射频匹配器输入端阻抗与射频电源恒定输出阻抗达到共轭匹配。当控制单元判断射频传输线的状态为无射频功率传输(RF OFF)时，射频匹配器自动停止匹配，电机M01、M02驱动电容C01、C02返回到预设电容值的位置并停住不动，直到控制单元又判断RF ON状态时，步进电机M01、M02才又开始动作。
根据本发明的射频自动阻抗匹配器(射频匹配器)的优点在于：
当射频匹配器通射频功率而输入端阻抗完全开路情况下，射频传感单元从RF传输线上采集到的电流I信号为0，而电压V信号为最大值，即电流I信号的模值│I│为0，而电压V信号的模值│V│为最大值，通过公式(1)所列的射频传感单元输出的实时数字信号A0、A1、A2、A3与RF传输线上的实时电压V和电流I信号关系，当│I│为0而│V│为最大值时，实时数字信号的差分信号ΔA2→0、ΔA3→最大值，而这时Q3小于差分信号ΔA3的最大值，|ΔA2|≧Q2|||ΔA3|≧Q3就为真，这时控制单元就会做出有射频功率输入(RF ON状态)的正确判断，所以射频匹配器正常工作。
当射频匹配器通射频功率而输入端阻抗完全短路情况下，射频传感单元从RF传输线上采集到的电压V信号为0，而电流I信号为最大值，即电压V信号的模值│V│为0，而电流I信号的模值│I│为最大值，通过公式(1)所列的射频传感单元输出的实时数字信号A0、A1、A2、A3与RF传输线上的实时电压V和电流I信号关系，当│V│为0而│I│为最大值时，实时数字信号的差分信号ΔA2→最大值、ΔA3→0，而这时Q2小于差分信号ΔA2的最大值，|ΔA2|≧Q2|||ΔA3|≧Q3就为真，这时控制单元就会做出有射频功率输入(RF ON状态)的正确判断，所以射频匹配器正常工作。
当射频匹配器无射频功率输入(RF OFF状态)时，射频传感单元电路由于热噪声和电磁耦合噪声受到干扰而导致输出的数字信号A0、A1、A2、A3不稳定且波动很大，因为这时Q2、Q3大于无射频功率传输时的差分信号ΔA2、ΔA3的最大波动值，所以|ΔA2|<Q2&&|ΔA3|<Q3还是为真，这时控制单元还是会做出无射频功率输入(RF OFF状态)的正确判断，因此射频匹配器这时不会工作，即步进电机M01、M02不会抖动，预设位置也不会漂移。
在一个示例中，根据本发明的射频自动阻抗匹配器可以是下电极射频匹配器。然而，本领域技术人员应当理解，本发明并不限制于此，本发明的射频自动阻抗匹配器还可以是本领域公知的各种射频匹配器，例如上电极射频匹配器等。
在一个示例中，根据本发明的射频自动阻抗匹配器可以是13.56MHz射频匹配器。然而，本领域技术人员应当理解，本发明并不限制于此，本发明的射频自动阻抗匹配器还可以是本领域公知的各种射频匹配器，例如400KHz、2MHz、40MHz、60MHz等频率的射频匹配器。
在一个示例中，本发明还提供了一种半导体设备，所述半导体设备可以采用如上所述的射频自动阻抗匹配器。其中，所述半导体设备还可以包括射频电源和静电卡盘，所述射频电源通过所述射频传输线与所述射频自动阻抗匹配器和所述静电卡盘串联。本领域技术人员应当理解，本发明并不限制于此，本发明的射频自动阻抗匹配器可以用于各种半导体工艺设备，例如PVD设备、IC设备、CVD设备等。
根据本发明的射频自动阻抗匹配器通过改进射频自动阻抗匹配器的射频传感单元的电路结构，有效规避了热噪声、电磁耦合噪声等因素对射频传感单元的电路的干扰，使控制单元对射频开关状态(RF ON/OFF)的判断结果更加准确，使得射频自动阻抗匹配器能够在极限阻抗点情况下正常工作，并有效防止匹配器电机抖动，延长了射频自动阻抗匹配器的使用寿命，同时扩大了射频自动阻抗匹配器的工艺窗口。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种射频自动阻抗匹配器，包括：
射频传感单元，其采集射频传输线上的电压信号和电流信号，并将运算和转换后的多个数字信号输出到控制单元；
控制单元，其连接到所述射频传感单元，接收所述射频传感单元的多个数字信号，确定所述射频传输线的状态并对匹配单元进行调整；以及
匹配单元，其连接到所述控制单元，基于所述控制单元的信号调整所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗，
其特征在于，所述射频传感单元输出四个不同的数字信号到所述控制单元；
所述射频传感单元包括：
90°移相器，其一个输入端输入电压信号，另一个输入端输入电流信号，两个输出端分别连接到第二模拟乘法器的两个输入端；
第一模拟乘法器，其一个输入端输入电压信号，另一个输入端输入电流信号，输出第一模拟信号；
第二模拟乘法器，其两个输入端分别连接到所述90°移相器的两个输出端，输出第二模拟信号；
第三模拟乘法器，其两个输入端输入电流信号，输出第三模拟信号；
第四模拟乘法器，其两个输入端输入电压信号，输出第四模拟信号；以及
AD转换器，其接收所述第一模拟信号、所述第二模拟信号、所述第三模拟信号以及所述第四模拟信号，分别转换为第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号以及第四数字信号，并输出到所述控制单元；
所述控制单元确定所述射频传输线的状态包括：
在第一差分信号大于等于第一常数或第二差分信号大于等于第二常数的情况下，确定所述射频传输线的状态为有射频功率传输；以及
在所述第一差分信号小于所述第一常数并且所述第二差分信号小于所述第二常数的情况下，确定所述射频传输线的状态为无射频功率传输，
其中，所述第一差分信号|ΔA2|与所述第二差分信号|ΔA3|分别表示为：
|ΔA2|＝A2-A2(0)
|ΔA3|＝A3-A3(0)
其中，A2、A3分别表示所述第三数字信号以及所述第四数字信号，A2(0)、A3(0)分别为所述射频传输线上电压信号V和电流信号I都为0时的第三数字信号以及第四数字信号。
2.根据权利要求1所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述射频传输线上的电压信号和电流信号与所述第一数字信号、所述第二数字信号、所述第三数字信号以及所述第四数字信号之间的关系表示为：
其中，ku、ki为常数；A0、A1、A2、A3分别表示所述第一数字信号、所述第二数字信号、所述第三数字信号以及所述第四数字信号；A0(0)、A1(0)、A2(0)、A3(0)为所述射频传输线上电压信号V和电流信号I都为0时的第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号以及第四数字信号，为常数；│V│为所述射频传输线上电压信号V的模值；│I│为所述射频传输线上电流信号I的模值。
3.根据权利要求2所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，
所述第一常数和所述第二常数为大于零的整数。
4.根据权利要求3所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述控制单元对所述匹配单元进行调整包括：
在确定所述射频传输线的状态为有射频功率传输的情况下，所述控制单元计算出所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗的模值和相位差，并运行匹配控制算法，然后给出所述匹配单元的调整量，调整所述匹配单元，使所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗与射频电源恒定输出阻抗达到共轭匹配；以及
在确定所述射频传输线的状态为无射频功率传输的情况下，所述射频自动阻抗匹配器停止自动匹配，
其中，所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗的模值│Z│和相位差θ分别表示为：
5.根据权利要求4所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述匹配单元包括第一电容、第二电容、电感以及第一电机和第二电机，
其中，所述第一电容与所述射频传输线并联，所述第二电容和所述电感与所述射频传输线串联；以及
所述第一电机和所述第二电机连接到所述控制单元，并分别调整所述第一电容和所述第二电容的电容值。
6.根据权利要求5所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，
在确定所述射频传输线的状态为有射频功率传输的情况下，所述第一电机和所述第二电机基于所述调整量分别调整所述第一电容和所述第二电容的电容值，以调整所述射频自动阻抗匹配器的输入端阻抗；
在确定所述射频传输线的状态为无射频功率传输的情况下，所述第一电机和所述第二电机分别调整所述第一电容和所述第二电容的电容值回到预设电容值。
7.根据权利要求3所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述第一常数和所述第二常数取值为100至200之间的整数。
8.一种半导体设备，其特征在于，所述半导体设备采用权利要求1-7中任意一项所述的射频自动阻抗匹配器。
9.根据权利要求8所述的半导体设备，其特征在于，所述半导体设备还包括射频电源和静电卡盘，所述射频电源通过所述射频传输线与所述射频自动阻抗匹配器和所述静电卡盘串联。
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