CN220173086U - 一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其包括有依次通过电路相连接的射频电源(1)、第一开关(5)、匹配器(2)和射频线圈(3)，在射频电源(1)和第一开关(5)之间的电路上分支有支路并依次连接有第二开关(6)和负载(7)；第一开关(5)和第二开关(6)连接有控制该二者以相反开关状态进行通断的控制单元(8)；在控制单元(8)与第一开关(5)之间或者在控制单元(8)与第二开关(6)之间设置有非门电路(9)。本实用新型实现了将只支持连续波模式的射频电源优化为同时支持连续波模式和脉冲模式的射频电源，从而有效降低相关半导体工艺设备的故障率和制造成本。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体设备技术领域，具体地涉及一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统。
背景技术
目前，使用射频激发等离子体技术广泛应用于半导体集成电路制造过程中。例如图2所示为现有的一种电感耦合式等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)设备。在该设备系统中，射频电源(RFG)用于提供产生等离子体的射频功率，可输出特定频率及特定功率的射频信号。该射频信号经过匹配器后到达射频线圈，通过电感耦合的方式，将射频功率耦合至腔室内以激发产生等离子体。
射频电源的工作模式可分为连续波(Continuous Wave，CW)模式和脉冲(PulsingWave，PW)模式。如图3所示，在连续波模式下，射频电源的输出波形为频率f0的连续波；而在脉冲模式下，射频电源输出的波形为周期的脉冲形式。因此，脉冲模式相当于在连续波模式上叠加了一套特定频率及占空比的脉冲控制逻辑，与只支持连续波模式的射频电源相比，同时支持连续波模式及脉冲模式的射频电源故障率和制造成本较高；因此，现有射频电源具有较高的故障率和高昂的制造成本，进而给应用厂家带来的比较昂贵的维护费用和保养成本。
实用新型内容
基于现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，将只支持连续波模式的射频电源优化为同时支持连续波模式和脉冲模式的射频电源，从而有效降低相关半导体工艺设备的故障率和制造成本。
依据本实用新型的第一技术方案，本实用新型提供了一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，包括有依次通过电路相连接的射频电源、第一开关、匹配器和射频线圈，在射频电源和第一开关之间的电路上分支有支路并依次连接有第二开关和负载；第一开关和第二开关连接有控制该二者以相反开关状态进行通断的控制单元。
在一些实施例中，第一开关和第二开关为一体的一个单刀双掷开关，控制单元与该单刀双掷开关相连接。
在另一些实施例中，第一开关和第二开关为相互独立的两个开关，控制单元分别与第一开关及第二开关相连接；在控制单元与第一开关之间或者在控制单元与第二开关之间，设置有非门电路。
优选地，非门电路设置于控制单元与第二开关之间。
优选地，负载为固定负载。
进一步地，其应用于一半导体设备，射频线圈位于半导体设备的腔室的上方。
依据本实用新型的第二技术方案，本实用新型提供了一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，在射频电源与匹配器之间设置第一开关；在射频电源与第一开关之间设置一条支路，在该支路中通过第二开关连接负载；将一控制单元与第一开关及第二开关相连接，在控制单元与第二开关之间设置非门电路；控制单元以设定的模式输出控制信号，同时控制第一开关及第二开关以相反的开关状态进行通断。
进一步地，在需要射频电源以连续波模式工作时，射频电源正常按照连续波模式输出，控制单元始终输出高电平控制信号，控制第一开关始终闭合、第二开关始终断开。
在需要射频电源以脉冲模式工作时，射频电源正常按照连续波模式输出，在一个脉冲周期内；在启动时间内，控制单元输出高电平控制信号，控制第一开关闭合、第二开关断开，而在停止时间内，控制单元输出低电平控制信号，控制第一开关断开、第二开关闭合。
与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果如下：
1、本实用新型通过设置简单的控制电路，实现了将只支持连续波模式的射频电源优化为同时支持连续波模式及脉冲模式的射频电源，降低了相关半导体工艺设备的生产故障率和制造成本。
2、本实用新型扩大了只支持连续波模式的射频电源的应用场景。
3、本实用新型设置了具有第二开关与负载的支路，用于消耗停止时间内射频电源输出的射频功率，有效避免射频电源工作在空载输出的状态下引起功率的全反射，从而防止射频电源损坏。
4、本实用新型将第一开关与第二开关置于匹配器的前端而非后端，从而在每次开关切换时无需对负载进行调节，采用固定负载即可，能够降低控制难度、结构简单、故障率和制造成本更低。
附图说明
图1是本实用新型一实施例的结构示意图。
图2是一种现有半导体设备的结构示意图。
图3是连续波模式和脉冲模式的波形图。
附图中的附图标记说明：
1、射频电源；2、匹配器；3、射频线圈；4、腔室；5、第一开关；6、第二开关；7、负载；8、控制单元；9、非门电路。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要注意，本实用新型中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本实用新型中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本实用新型提供一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，将只支持连续波模式的射频电源优化为同时支持连续波模式和脉冲模式的射频电源，从而有效降低相关半导体工艺设备的故障率和制造成本。
首先请参阅图2，为可适用本实用新型的一种现有的半导体设备(ICP设备)，其包括有射频电源1，射频电源1的输出端连接匹配器2，匹配器2连接射频线圈3，射频线圈3位于半导体设备的腔室4的上方。射频电源1发出的射频信号经过匹配器2后到达射频线圈3，通过电感耦合的方式，将射频功率耦合至腔室4内以激发产生工艺所需的等离子体。射频电源1例如为一种常见的的射频电源，其只支持连续波模式，进而在工艺需要采用脉冲模式时，就需要更换为价格更为昂贵的支持脉冲模式的射频电源，造成故障率和制造成本的增加。
本实用新型的一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，包括有依次通过电路相连接的射频电源1、第一开关5、匹配器2和射频线圈3，在射频电源1和第一开关5之间的电路上分支有支路并依次连接有第二开关6和负载7。相当于，在射频电源1与匹配器2之间设置了第一开关5，形成连接至射频线圈3的第一支路，以及设置另一条第二支路通过第二开关6连接至负载7(例如为50Ω的负载)。第一开关5和第二开关6连接有控制单元8，控制单元8同时向第一开关5与第二开关6发出控制信号，控制该二者以相反开关状态进行通断。
在一实施例中，第一开关5和第二开关6为相互独立的两个开关，均为接收高电平时闭合、接收低电平时断开，控制单元8分别与第一开关5及第二开关6相连接；控制单元8直接连接第一开关5，控制信号输出高或低电平直接控制第一开关5的通或断；控制单元8通过一个非门电路9连接第二开关6，非门电路9将控制信号的高或低电平进行反相，再输入至第二开关6；这种电路设计可以保证第一开关5与第二开关6总是保持相反的开关状态。
可以想到的是，非门电路9设置在控制单元8与第一开关5之间或者在控制单元8与第二开关6之间均可，例如在另一实施例中，非门电路9设置于控制单元8与第一开关5之间，而控制单元8与第二开关6直接相连，也可实现在两开关状态始终相反。优选采用前述控制单元8直接连接第一开关5、非门电路9设置于控制单元8与第二开关6之间的方案，控制过程更为直观。
第一开关5和第二开关6可根据需求选择采用继电器、射频开关等，还可以将第一开关5和第二开关6整合替换为一体的一个单刀双掷开关，控制单元8与该单刀双掷开关相连接，控制单元8输出的控制信号选择该单刀双掷开关连接第一支路或者第二支路。第一开关5和第二开关6选择的要求为开关时间Tswitch需远小于脉冲的周期时间Tp。
本方案选择将第一开关5与第二开关6置于匹配器2的前端而非后端的原因在于，如果将开关设置于匹配器后端，则负载需要采用可调负载，每次开关切换至负载时，都需要使用额外的调节控制模块将负载调节至切换前的腔室阻抗；而本方案的负载7仅需要采用不可调节的固定负载，每次开关切换时不需要对负载进行调节，从而能够降低控制难度、结构简单、故障率和制造成本更低。
基于本实用新型的上述系统结构，本实用新型还提供一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的方法，包括如下步骤：
在射频电源1与匹配器2之间设置第一开关5；
在射频电源1与第一开关5之间设置一条支路，在该支路中通过第二开关6连接负载7；
将一控制单元8与第一开关5及第二开关6相连接，在控制单元8与第二开关6之间设置非门电路9；
控制单元8以设定的模式输出控制信号，同时控制第一开关5及第二开关6以相反的开关状态进行通断。
进一步地，请同时参阅图3，在需要射频电源1以连续波模式工作时，射频电源1正常按照连续波模式输出，控制单元8始终输出高电平控制信号，控制第一开关5始终闭合、第二开关6始终断开，即可将连续波模式的射频信号传到后端的匹配器2及腔室4。
在需要射频电源1以脉冲模式工作时，射频电源1正常按照连续波模式输出，以需要设置脉冲的频率为fp、占空比为D为例，则需要控制单元8输出频率为fp、一个脉冲周期的时间为Tp＝1/fp、占空比D＝Ton/(Ton+Toff)的数字控制信号。在一个脉冲周期Tp内，在启动时间Ton内，控制单元8输出高电平控制信号，控制第一开关5闭合、第二开关6断开，射频电源1输出的信号可以传至后端的匹配器2及腔室4；而在停止时间Toff内，控制单元8输出低电平控制信号，控制第一开关5断开、第二开关6闭合，射频电源1输出的信号流入负载7，而不会进入后端的腔室4。在腔室端看来，其接收到的射频功率即为频率为fp、占空比为D的射频脉冲。例如在脉冲频率fp＝1kHz，占空比D＝30％的脉冲模式下，射频电源1相当于在一个脉冲周期1ms内，有30％的时间向匹配器2及射频线圈3输出射频功率，而剩下70％的时间不向匹配器2及射频线圈3输出射频功率。
需要说明的是，本实用新型设置具有第二开关6与负载7的第二支路的原因在于，如果只通过控制第一开关5来实现脉冲控制，则在停止时间Toff内，第一开关5断开，射频电源1后端无负载，即射频电源1工作在空载输出的状态下，会引起功率的全反射，损坏射频电源1。因此，必须设置第二支路的负载7用于消耗停止时间Toff内射频电源1输出的射频功率。
以及，本实用新型的应用并不限于图1所示实施例的ICP设备，其基本结构、方法及原理可应用于涉及ICP、CCP等多种需要脉冲射频电源的半导体设备中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，包括有依次通过电路相连接的射频电源(1)、第一开关(5)、匹配器(2)和射频线圈(3)，在射频电源(1)和第一开关(5)之间的电路上分支有支路并依次连接有第二开关(6)和负载(7)；第一开关(5)和第二开关(6)连接有控制该二者以相反开关状态进行通断的控制单元(8)；在控制单元(8)与第一开关(5)之间或者在控制单元(8)与第二开关(6)之间设置有非门电路(9)。
2.如权利要求1所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，第一开关(5)和第二开关(6)为一体的一个单刀双掷开关，控制单元(8)与该单刀双掷开关相连接。
3.如权利要求1所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，第一开关(5)和第二开关(6)为相互独立的两个开关，控制单元(8)分别与第一开关(5)及第二开关(6)相连接。
4.如权利要求3所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，非门电路(9)设置于控制单元(8)与第二开关(6)之间。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，负载(7)为固定负载。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，其应用于一半导体设备，射频线圈(3)位于半导体设备的腔室(4)的上方。
7.为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，在射频电源(1)与匹配器(2)之间设置第一开关(5)；在射频电源(1)与第一开关(5)之间设置一条支路，在该支路中通过第二开关(6)连接负载(7)；
将一控制单元(8)与第一开关(5)及第二开关(6)相连接，在控制单元(8)与第二开关(6)之间设置非门电路(9)；控制单元(8)以设定的模式输出控制信号，同时控制第一开关(5)及第二开关(6)以相反的开关状态进行通断。
8.如权利要求7所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，在需要射频电源(1)以连续波模式工作时，射频电源(1)正常按照连续波模式输出，控制单元(8)始终输出高电平控制信号，控制第一开关(5)始终闭合、第二开关(6)始终断开。
9.如权利要求7所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，在需要射频电源(1)以脉冲模式工作时，射频电源(1)正常按照连续波模式输出，在一个脉冲周期内，在启动时间内，控制单元(8)输出高电平控制信号，控制第一开关(5)闭合、第二开关(6)断开。
10.如权利要求9所述的为连续波模式射频电源增加脉冲模式的系统，其特征在于，在停止时间内，控制单元(8)输出低电平控制信号，控制第一开关(5)断开、第二开关(6)闭合。
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