CN110299279A - 一种射频电源系统、等离子体处理器及其调频匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种射频电源系统，一种等离子体处理器及其调频匹配方法，应用于具有超低频率的偏置射频功率源的等离子体处理器。包括阻抗分段频率匹配获取步骤，将低频射频功率输出周期分为多个阻抗匹配段，在每个阻抗匹配段内，调整高频射频源的输出频率，并检测高频射频电源的反射功率，在经历一个或多个低频射频功率输出周期后获得每个阻抗匹配段的区段匹配频率并存储。随后在变频匹配步骤中，设定高频射频电源的输出频率在上述存储的多个区段匹配频率周期性的变化，以匹配各个阻抗匹配段中的特征阻抗。

Description

一种射频电源系统、等离子体处理器及其调频匹配方法
技术领域
本发明涉及半导体加工设备领域，特别涉及一种等离子体处理器中的调频匹配方法。
背景技术
真空处理设备广泛应用于半导体工业，其中的等离子处理设备和化学气相沉积设备是最主要的真空处理设备。等离子体处理设备，是借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行沉积、刻蚀等加工工艺。
如图1所示为一种电容耦合等离子处理设备，包括反应腔100，反应腔内包括导电基座22，基座作为下电极连接到两个射频电源32、31，其中源射频电源32经过匹配器2输出高频射频功率（HF）到基座22，偏置频射频电源31经过匹配器1输出低频射频功率（LF）到基座22。其中源射频电源32输出的高频射频功率用于点燃并维持反应腔内的等离子体，偏置射频电源31输出低频射频功率的功率大小用于控制基片20上的偏置电压（Vdc）。为了便于理解，后文将源射频电源称为高频射频电源，偏置射频电源称为低频射频电源。基座22上的静电夹盘21上固定有待处理的基片20，围绕基片和静电夹盘的还包括一个聚焦环10。与静电夹盘相对的反应腔上方设置有一个圆盘形的气体喷淋头11，气体喷淋头11通过供气管道与外部的反应气源110连接。如图2所示，在点燃等离子体后，反应腔内的等离子体电压Vp、晶圆上表面电压Vw，以及对离子有加速作用的平均电压Vdc，其中高频射频功率（HF）的频率为60Mhz，低频射频功率（LF）的频率为2Mhz，相应的周期长度分别为P1、P2。可以看到高频射频电压叠加在低频射频电压上，一同被送入反应腔内。在等离子体处理器运行中等离子体的阻抗会在点燃前后、输入射频功率、气压等参数变化时刻发生剧烈变化，所以需要匹配器1、2中的主动可调元件补偿这些阻抗变化，使得源射频电源32和偏置射频电源31输出的射频功率能被有效输送到反应腔内，而不是被反射回到射频电源中，当反射功率最小化时就是阻抗匹配状态。这种利用匹配器中的可动部件进行机械运动补偿的方法可以适用于等离子阻抗变化速度不快的应用场合，但是对于等离子体阻抗在极短时间内快速变化，如在1ms以内发生的阻抗剧烈变化，传统的匹配器中需要机械驱动的可变电容无法达到这样的响应速度，所以无法实现阻抗的有效匹配。一旦无法有效匹配会导致大量功率浪费在入射和反射的回路中，同时大量多余的反射电流流入射频电源会导致射频电源温度过高，影响内部电子器件的寿命，导致昂贵的射频电源需要频繁更换，等离子体处理器的使用成本大幅提高。
因此业内需要研发一种新的射频匹配方法或装置以匹配这种在短时间内发生剧烈变化的阻抗，使得射频功率有效供应到等离子体处理器内部。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；控制器，用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，以保证所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。
可选地，所述控制器包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。
可选地，所述控制器在每个阻抗匹配段内进行至少一次源射频电源的频率匹配，得到一区段匹配频率，并将所述区段匹配频率及其对应的阻抗匹配段存储在所述存储单元内。
可选地，所述控制器内设置有区段匹配频率学习程序，所述区段匹配频率学习程序包括：在每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值可认定为该阻抗匹配段的区段匹配频率。
可选地，所述控制器中存储有偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，所述控制器执行至少一次区段匹配频率学习程序，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率并利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。
可选地，所述控制器包括一计算单元，所述计算单元根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。
可选地，所述第一射频周期信号的频率大于10Mhz，第二射频周期信号的频率小于1Mhz。
可选地，第二射频周期信号的频率小于500Khz。
可选地，所述第二射频周期内包括至少3个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在最高电压到最低电压之间交替周期性变化，第一至第N阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，多个区段匹配频率分别匹配第一至第N阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。
可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。
可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。
可选地，所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，其中脉冲频率为100-10KHz。
可选地，在所述源射频电源的输出功率为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。
可选地，所述第一射频周期信号的频率为f0，所述第一射频周期信号的频率可变范围为f0±5%。
可选地，所述控制器还包括一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，并控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。
进一步的，本发明还公开了一种用于等离子体处理器的调频匹配方法，所述方法包括：
提供一个源射频电源，所述源射频电源输出第一射频周期信号至所述等离子体处理器内以点燃并维持等离子体；所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；
提供一个偏置射频电源，所述偏置射频电源输出第二射频周期信号至所述等离子体处理器内的基座，设置所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；
提供一控制器，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，使得所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。
可选地，所述方法还包括一区段匹配频率学习步骤，在第二射频周期的每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值可认定为该阻抗匹配段的区段匹配频率。
可选地，在所述控制器中存储偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，执行至少一次区段匹配频率学习步骤，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率并利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。
可选地，所述控制器根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。
可选地，在所述控制器内设置一存储单元，将所述区段匹配频率和对应的阻抗匹配段的信息存储在所述存储单元内。
可选地，在所述控制器内设置一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，所述控制器控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。
可选地，在等离子体处理过程中，持续监测源射频电源的输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，当反射功率值或等离子体处理器阻抗值大于一预设阀值时，再次进行匹配频率学习步骤。
可选地，设置每个第二射频周期信号的一个周期阻抗匹配段的数量大于等于3，设置所述偏置射频电源的输出电压在最低电压到最高电压之间交替周期性变化，第一至第N个阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，所述多个区段匹配频率分别匹配第一至第N阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。
可选地，设置所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。
可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。
可选地，设置所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，所述源射频电源在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，交替脉冲频率为100-10KHz。
可选地，在所述源射频电源的输出功率为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。
进一步的，本发明还公开了一种射频电源系统，包括：
源射频电源，用于输出第一射频周期信号，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；
偏置射频电源，用于输出第二射频周期信号，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；
控制器，所述控制器用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率。
可选地，所述控制器内包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。
可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于5微秒。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术电容耦合等离子体处理设备的剖面结构示意图；
图2为电容耦合等离子体处理器中等离子体和基片电压波形示意图；
图3a为电容耦合等离子体处理器中等离子体第一分布形态；
图3b为电容耦合等离子体处理器中等离子体第二分布形态；
图4a为本发明第一实施例中第一阻抗匹配段中区段匹配频率获取方法；
图4b为本发明第一实施例中第二阻抗匹配段中区段匹配频率获取方法；
图5为本发明第二实施例的一个低频功率周期内多个区段匹配频率获取方法；
图6为低频射频功率与高频匹配频率的曲线图；
图7为本发明电容耦合等离子体处理设备剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图7为本发明提出的一种电容耦合等离子处理设备，该等离子处理设备中包括一个能够实现分段频率匹配的控制器30，分别连接两个射频电源31、32，接收来自两个射频电源的的输出信号，控制两个射频电源的输出频率和功率大小，同时也实现两个射频信号的时钟同步。控制器30也能够控制等离子处理设备中的各项工艺参数如气体种类，流量、气压，基座的温度等，由于与本发明主题无直接关系所以不再赘述。现有技术中的两个射频电源只能根据人工设定的工艺参数调整功率大小和时间，无法利用变频射频电源实现快速变频的匹配，特别是无法实现两个射频电源输出功率和频率的联动，实现更佳的阻抗匹配。本发明能够利用控制器实现利用低频射频电源的输出电压信号对高频射频电源输出频率的分段控制，实现远优于现有技术的匹配效果。为了便于理解，后文将源射频电源称为高频射频电源，偏置射频电源称为低频射频电源。
随着等离子处理工艺的演进，大量工艺需要应用超低频的偏置射频电源，其输出的低频射频频率普遍低于1Mhz，特别是小于等于400Khz。采用这种超低频射频电源导致等离子体阻抗会随着低频射频输出电压的变化呈周期性变化。如图3a所示，低频射频电源（400Khz）输出的电压随着时间变化，在一个周期（2.5us）内输出电压值完成一个变化循环。其中低频射频电压达到最小值，也就是T（A）时刻，下电极上具有最低的电压也就使得下电极(基座22)上方的基片表面具有最厚的鞘层1，相应的上电极表面（上电极11及部分周围的辅助环）具有最薄的鞘层2，等离子体被向上抬升。如图3b所示，低频射频功率输出的电压达到最大值，也就是T（B）时刻，基片表面的鞘层1厚度变成最小，上电极表面的鞘层2具有最大值，等离子体被向下压到最低位置。在T（A）到T（B）之间的任意时刻T（X）等离子体也会随着低频射频功率输出电压的变化连续变化。由于上下电极的面积不同，其中常见的上电极面积大于下电极面积，所以这些等离子体不仅会发生上下移动，而且会发生分布形态的变化。等离子体在一个周期2.5us内发生的连续形态和高度变化会导致上下电极间的等离子体阻抗也发生连续的变化。现有技术没有办法实现对这种快速、大幅、且连续的阻抗变化进行匹配。采用匹配器中的机械装置调节电容或电感，无法达到需要的响应速度。
上述鞘层厚度是由等离子体中的电子和离子在反应腔上下电极之间运动达到平衡时在上下电极上电荷积累量决定的，所以鞘层的厚度受电子和离子的运动速度影响，现有技术中由于采用的偏置射频电源输出的低频信号频率较高，一般大于等于2Mhz，在如此高频的偏置射频功率驱动下，电子或离子的加速时间很短，很多离子尚未加速达到基片表面偏置电压就已经变小或反相了，很多离子无法达到基片表面，所以实际鞘层的厚度变化较小。由于鞘层厚度在一个周期内变化幅度较小，所以等离子体变形和上下运动的幅度也小，相应的阻抗变化小，即使只用一个匹配频率也能匹配一个低频射频功率输出周期（P2）内绝大部分时间段内的高频射频功率输出。但是本发明的应用场合中，低频射频电源的输出频率需要低于1Mhz，偏置电压的加速驱动周期变长，鞘层厚度会发生剧烈变化，所以现有技术的匹配方法会导致一个低频射频周期P2内很多时段的阻抗无法有效匹配。
本发明提出了解决上述问题的一种实施例，如图4a所示，设置低频射频电源输出的低频射频频率为400Khz，高频射频电源输出的脉冲频率为10Khz，高功率脉冲占空比为20%。通过计算可知在高频射频输出功率为高的一个脉冲中，包括8个低频射频周期P2。在这8个周期内的Rm1区域中，由于低频射频功率输出电压类似，所以等离子体的高度、形态类似，所以阻抗也接近，可以认为在Rm1区域内的各个时刻的等离子体具有相同的阻抗。本发明通过高频射频电源输出的频率调节来进行自动阻抗匹配，在阻抗匹配过程中，检测反射到高频射频电源32的反射功率来选择频率调整的方向和幅度。除了利用反射功率，也可以通过检测等离子体处理器的阻抗的方式检测匹配状态，通过检测射频电流的大小和相位计算获得阻抗值，当阻抗值小于一定阈值时即为匹配状态。其中高频射频功率的初始输出频率为60Mhz，调整范围为57-63Mhz。但是射频电源进行自动频率匹配的响应速度很慢，常用的射频电源只能在5us左右进行一次频率调整，也就是经过两个低频射频周期（5us）才能进行一次频率微调。
如图4a所示，区段Rm1对应的高频射频功率的初始频率为f1(0)HF，对应这个频率在匹配器2和等离子体中产生了Z10的阻抗；经过2个低频射频周期后，高频射频电源的输出频率调整为f1(1)HF，相应的阻抗变为Z11；依次类推到整个高功率脉冲结束时的频率f1(3)HF，阻抗为Z14。上述5个时刻的阻抗Z10-Z14可以相同也可以不完全相同，但是由于这5个时刻低频射频电源的输出电压接近，所以等离子反应腔内的鞘层厚度接近，等离子体的形态和阻抗值也接近，所以可以视作同一个阻抗进行频率调整，以获得一个区段匹配频率。如果输出频率f1(3)HF对应的反射功率已经很小,在可接受范围内，则认为f1(3)HF为对应Rm1区域的匹配频率，如果反射功率仍然较大，则需要等待下一个高功率脉冲周期，以f1(3)HF为初始频率再次进行调整获得对应Rm1区段的最佳匹配频率。
在获得Rm1区段的匹配频率后，就进入对Rm2区段的匹配频率获取步骤，如图4b所示，初始频率为f2(0)HF，对应在匹配器2和等离子体上产生的阻抗为Z20；经过两个低频射频周期后高频射频电源输出的频率调节为f2(1)HF，这时等离子体上产生的阻抗为Z21；依次进行3次调整之后获得频率f2(3)HF，如果此时的反射功率足够低则将f2(3)HF作为Rm2区段的匹配频率，如果反射功率仍然较大则进一步在下一个或者后续多个脉冲周期的高功率阶段中进行频率调节，直到获得Rm2区段的匹配频率为止。
上述步骤介绍了Rm1、Rm2区段获得匹配频率的过程和方法，高频射频功率在一个周期P2内的其它区段的多个区段匹配频率也可以用类似的方法获得，最终获得覆盖整个低频射频周期的所有区段的匹配频率。
本发明采用的高频射频电源通过硬件改进可以将射频电源调整的响应时间小于等于0.1us，这样在一个低频射频周期P2内可以做到多点连续调整。如图5所示，调整响应时间为0.25us，其中一个低频射频周期被分隔为5个区段Rm1-Rm5，其中在每个低频射频周期P2中包括共10个频率调整点以及在调整点时的阻抗Z1-0~Z1-9。其中Z1-0、Z1-4、Z1-5、Z1-9位于第一区段Rm1，Z1-6、Z1-8位于第4区段Rm4，Z1-7位于第5区段Rm5。上方的高频射频频率变化曲线f（t）HF中包括多个频率调整点，与这些阻抗值一一对应。其中f(1-0)HF、f(1-1)HF、f(1-2)HF、f(1-4)HF、f(1-5)HF分别与Z1-0、Z1-4、Z1-5、Z1-9、Z1-10对应。通过这5个点4次的频率调整可以在一个低频射频周期P2内实现对Rm1区段匹配频率的获得。同样的，高频射频功率输出的频率f(4-0)HF和f(4-1)HF与位于Rm4区段的阻抗点Z1-6和Z1-8对应，调节后的频率值f(4-1)HF和对应的反射功率作为数据存储并进入下一个低频射频周期的Rm4区域中，再次开始进行频率调节以最终获得Rm4区段的匹配频率。f(5-0)HF与位于区段Rm5中的阻抗点Z1-7对应，第二次对Rm5区段的频率调整需要在后续的多个低频功率周期中相应的阻抗点进行。所以在射频电源频率调整响应时间非常短的射频电源中，可以在很少几个低频射频周期P2中实现获取Rm1~5五个区段的匹配频率，大幅减少了前期的匹配频率获取步骤中因频率不匹配导致的射频功率浪费和电子元器件过热。其中频率变化曲线f（t）HF实际的波形不限于图中所示的正弦波，可以是其它波形，只要能够通过频率调整逐渐减少反射功率，实现匹配的任何频率变化波形都是本发明的一种实现方式。
本发明还提供了第三种区段匹配频率获取方法，以缩短匹配频率获取步骤的执行时间，进一步减少反射功率。在各种等离子处理腔体和处理工艺中，每个区段的匹配频率会随着低频射频功率的输出电压周期性变化，无法直接获取与各个区段对应的精确匹配频率，但是其匹配频率的分布还是具有统一的规律，如图6所示为的匹配频率随着低频射频功率/电压分布变化规律曲线。这一曲线受等离子处理工艺参数（气压、成分、射频功率）和反应腔硬件结构（上下电极大小、反应腔尺寸）等影响。从图中可见，由于受鞘层厚度周期性变化而导致的等离子体阻抗变化，可以在用较小范围内（0.8Khz）变化地频率得到补偿，而且鞘层厚度变化与低频射频功率并不是线性增加的，而是随着低频射频功率的增加鞘层厚度增量逐渐减弱的，所以整个频率调节曲线变动幅度最大区段处于低频输入功率/电压较低的工况下。基于上述发现，本发明提出一种利用前述第一或第二实施例所述的方法获得的1个或少数几个阻抗匹配段的匹配频率，如Rm1中的匹配频率，然后将获得的匹配频率和其它处理工艺参数等输入控制器，进行曲线拟合计算就能获得完整的对应各个区段的匹配频率数据。其中Rm1区段正是射频功率输出最低的区段，所以获得了鞘层厚度变动最剧烈的区段的少量准确数据，就可以根据上述曲线拟合获得整个周期内的所有数据。为了获得更精确的曲线拟合数据，可以再利用上述实施例一、二揭露的匹配频率获取方法多获取一个区段如Rm4区段的匹配频率，这样两个区段匹配频率的输入就可以计算获得更精确的其它区段的匹配频率数据。通过这样的曲线拟合可以大幅减少匹配频率获取步骤的执行时间，在前期少数几个低频射频周期内就能通过部分频率调整和部分计算的方式实现较精确的全部区段的匹配频率获得。
匹配频率获取步骤除了需要在高频射频（HF）功率输出的高功率脉冲阶段，也需要在高频射频功率输出的低功率脉冲阶段进行，所进行的步骤与上述实施例一和二描述的相同，需要将一个低频射频输出周期P2分为多个区段，每个区段时间内对高频射频电源的输出频率进行一次或多次调整以获得相应的反射功率数据。随后在多个低频射频输出周期P2中逐渐获得各个区段对应的区段匹配频率。
在通过前述匹配频率获取步骤获得多个区段匹配频率后，就可以进入后续的变频匹配步骤中，随着低频射频功率的输出电压变化，高频射频电源输出的频率自动切换相应的区段匹配频率。如随图5中所示，高频射频电源输出的匹配频率依次分别为对应区段Rm1-Rm2-Rm3-Rm2-Rm1-Rm4-Rm5-Rm4的预先获取的区段匹配频率。使得高频射频电源输出的功率能够完全匹配下游的匹配电路和等离子体的阻抗，不受低频射频功率输出电压大小影响。高频射频电源输出设定的频率值由于不需要进行反射功率的检测和计算，所以现有射频电源的频率调整速度足以在一个低频射频周期P2内进行足够多次的频率调整，可以实现所有区段的良好阻抗匹配。
本发明中的阻抗匹配段划分除了可以是如图5所示的每个低频射频输出功率周期划分为5段以外，也可以最小化为三段，只是每一个区段内的阻抗变化幅度较大，对应的一个区段匹配频率无法精确匹配区段内所有时刻的阻抗，反射功率会较大，但是也比现有技术中整个低频射频功率输出周期中只有一个频率能够大幅减小反射功率，所以也属于本发明实施方式之一。或者优化为更多区段，如7段或9段，只要前期匹配频率获取步骤中射频功率反射量可以接受可以任意选择区段数，均属于本发明实施例。
本发明除了可以应用于上述电容耦合（CCP）等离子体处理器，也可以应用于电感耦合型等离子体处理器（ICP）。在电感耦合型等离子体处理器中也包括下电极，其中反应腔顶盖和侧壁等均是导体制成而且电接地，所以也可以视为上电极，只是上电极面积相对小于下电极，所以上下电极面积不等的情况仍然存在，所以在上下电极上的等离子体鞘层厚度变化过程中仍然会造成等离子体形状的变化。因此电感耦合型等离子体处理器的阻抗匹配也可以采用本发明提出的匹配频率获取步骤获取区段匹配频率，随后进行变频多区段匹配，在低频射频频率极低时，最小化高频射频功率的反射功率。
本发明除了可以应用于脉冲型射频功率输出的工艺中，也可以应用于连续型射频处理工艺，即高频射频功率的输出长期维持稳定。在连续型射频处理工艺中，只要低频射频功率的输出频率足够低（小于1Mhz）就会导致上下电极的鞘层厚度大幅变动，等离子体阻抗相应的会进行大幅变动，所以也需要对高频射频功率输出过程中进行分段匹配才能实现更好的阻抗匹配。
本发明发现了低频射频频率低于1Mhz时出现的等离子体阻抗随低频射频功率输出电压同步变动的问题，提出了一种新的分段频率匹配方法，包括分段频率匹配获取步骤，将低频射频功率输出周期分为多个区段，在每个区段时间段内，调整高频射频源的输出频率，并检测其反射功率，在经历一个或多个低频射频功率输出周期后获得每个区段的匹配频率并存储。随后在变频匹配步骤中，设定高频射频电源的输出频率在上述存储的区段匹配频率周期性地变化，以匹配各个分段中的特征阻抗。在等离子处理工艺中，经常需要进行多个步骤切换，所以等离子处理腔中的各项参数也会频繁发生变化，这会使得等离子体阻抗也会变化。采用本发明提供的匹配方法后，在第一个等离子工艺步骤中，经过一次区段匹配频率获取步骤获得的各个区段匹配频率不一定在后续的第二个等离子工艺步骤中适用，所以需要持续监控高频射频电源的反射功率，一旦发现反射功率大于一阀值，比如反射功率达到射频电源输出功率的10%时，则再次启动区段匹配频率获取步骤，获得新的一批区段匹配频率，最终实现整个等离子处理工艺运行过程中长期良好匹配。
本发明除了上述多个实施例中揭露的区段匹配频率获取步骤，在一个或多个低频射频周期内对高频射频频率进行调整，最后获取各个区段的匹配频率，也可以不在每个等离子处理器中执行上述频率自学习步骤。可以设置一个用于测试或者工艺验证用的等离子处理器，在进行工艺调整和验证过程中获得最佳工艺参数的同时获取并保存上述多个区段的匹配频率，在后续进行正式、大批量的等离子处理过程中，大量的等离子处理器只需要从上述验证用的等离子处理器中下载上述已保存的区段匹配频率数据，就可以实现本发明的发明目的，这些批量处理的等离子处理器中并不需要执行上述匹配频率获取步骤，也属于本发明变形实施例之一。对于批量处理的等离子处理器来说，其中的控制器30中只需要包括一个存储单元用于存储从其它设备或数据库下载的多个区段匹配频率。控制器还包括一个判断模块，该判断模块根据检测到的低频射频功率周期信号，判断出低频射频电源输出的区段，根据该区段选择输出相应的区段匹配频率到高频射频电源，使得高频射频电源输出与该区段的阻抗相匹配的区段匹配频率。对于验证用的等离子处理器来说，处理存储单元还需要计算单元，根据预设的程序在上述学习步骤中调试每个区段的区段匹配频率，根据反射功率的大小逐步逼近最佳的区段匹配频率。获得多个区段匹配频率后存储在存储器，并在后续的等离子处理中直接输出区段匹配频率数据给高频射频电源，使高频射频电源在多个区段中直接输出最佳匹配频率。
经过长期的等离子处理，随着大量等离子处理工艺和相对应的区段匹配频率的获取，这些等离子处理工艺参数和区段匹配频率的数据可以通过一个或多个计算机进行大数据处理，分析出各个工艺参数对各个区段匹配频率的影响。比如对匹配频率影响最大的是气体成分和流量，其次的射频功率，气压，影响较小的是反应腔内零部件的温度，通过大数据分析可以获得这些参数对匹配频率的影响大小幅度和方向过。同时等离子体处理器内部的硬件设置和材料也是影响因素，比如电极间距、电极材料，表面涂层，零件尺寸等。利用上述收集的大数据，可以在不需要重复进行区段匹配频率获取的情况下，根据等离子处理工艺参数和硬件参数，直接自动计算出新处理工艺所需要的区段匹配频率。所以只要在等离子体处理器中安装有相应的数据分析软件，或者与外部数据库相连接，就可以不需要执行上述匹配频率获取步骤，直接下载或者计算获得对应的多个区段匹配频率。
本发明中，除了上述在多个区段中输出各自的区段匹配频率外，也可以在多个阻抗匹配区段中的部分区段输出区段匹配频率，其它区段的输出频率可以不是最佳的区段匹配频率。例如，低频射频功率周期中包括1-5共5个周期，在其中的第1、2、4区段中输出指定的区段匹配频率，在第3、5区段中延续上一个区段的输出频率，不作频率变化。这样的实施例虽然匹配效果较前述多个实施例略差，但是也远好于现有技术中不对低频射频功率周期进行分段，只输出一个固定的匹配频率的方法，能够大幅减小射频反射功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (30)

1.一种等离子体处理器，其特征在于，包括：
反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，
源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；
偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；
控制器，用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，以保证所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。
2.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。
3.如权利要求2所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器在每个阻抗匹配段内进行至少一次源射频电源的频率匹配，得到一区段匹配频率，并将所述区段匹配频率及其对应的阻抗匹配段存储在所述存储单元内。
4.如权利要求3所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器内设置有区段匹配频率学习程序，所述区段匹配频率学习程序包括：在每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值时，该输出频率可认定为该阻抗匹配段的区段匹配频率。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器中存储有偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，所述控制器执行至少一次区段匹配频率学习程序，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率并利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。
6.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器包括一计算单元，所述计算单元根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述第一射频周期信号的频率大于10Mhz，第二射频周期信号的频率小于1Mhz。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，第二射频周期信号的频率小于500Khz。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述第二射频周期内包括至少3个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在最高电压到最低电压之间交替周期性变化，第一至第N阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，多个区段匹配频率分别匹配第一至第N阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。
11.根据权利要求9所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。
12.根据权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，其中脉冲频率为100-10KHz。
13.如权利要求12所述的等离子体处理器，其特征在于：在所述源射频电源的输出为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。
14.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于：所述第一射频周期信号的频率为f0，所述第一射频周期信号的频率可变范围为f0±5%。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于：所述控制器还包括一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，并控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。
16.一种用于等离子体处理器的调频匹配方法，其特征在于：所述方法包括：
提供一个源射频电源，所述源射频电源输出第一射频周期信号至所述等离子体处理器内以点燃并维持等离子体；所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；
提供一个偏置射频电源，所述偏置射频电源输出第二射频周期信号至所述等离子体处理器内的基座，设置所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出平均电压在多个阻抗匹配段之间变化；
提供一控制器，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，使得所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述方法还包括一区段匹配频率学习步骤，在第二射频周期的每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值时，可认定该输出频率为该阻抗匹配段的区段匹配频率。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：在所述控制器中存储偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，执行至少一次区段匹配频率学习步骤，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率后，利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述控制器根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。
20.如权利要求17或18或19任一项所述的方法，其特征在于：在所述控制器内设置一存储单元，将所述区段匹配频率和对应的阻抗匹配段的信息存储在所述存储单元内。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述控制器内设置一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，所述控制器控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。
22.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在等离子体处理过程中，持续监测源射频电源的输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，当反射功率值或等离子体处理器阻抗值大于一预设阀值时，再次进行匹配频率学习步骤。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，设置每个第二射频周期信号的一个周期阻抗匹配段的数量大于等于3，设置所述偏置射频电源的输出电压在最低电压到最高电压之间交替周期性变化，第一至第N个阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，多个所述区段匹配频率分别匹配第一至第N个阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：设置所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。
25.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。
26.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：设置所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，所述源射频电源在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，交替脉冲频率为100-10KHz。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于：在所述源射频电源的输出功率为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。
28.一种射频电源系统，其特征在于，包括：
源射频电源，用于输出第一射频周期信号，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；
偏置射频电源，用于输出第二射频周期信号，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；
控制器，所述控制器用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率。
29.根据权利要求28所述的射频电源系统，其特征在于：所述控制器内包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。
30.如权利要求29所述的射频电源系统，其特征在于，所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于5微秒。
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