TW201905950A - 可變電容、阻抗匹配裝置和半導體加工裝置 - Google Patents
可變電容、阻抗匹配裝置和半導體加工裝置Info
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Abstract
本發明提供一種可變電容，包括鐵電介質層和位於該鐵電介質層相對兩側的第一電極和第二電極；該可變電容還包括與第一電極和第二電極絕緣設置的第一控制電極和第二控制電極；該第一控制電極和該第二控制電極，用於向該鐵電介質層提供電場，以通過控制該電場的電場強度來調整該鐵電介質層的介電常數，從而調節該第一電極和第二電極之間的容值。本發明還提供一種阻抗匹配裝置及半導體加工裝置。該可變電容、阻抗匹配裝置及半導體加工裝置，能夠在毫秒級的時間內甚至更快地調節可變電容的容值大小，從而可以加快匹配速度，縮短匹配時間，提高製程效率和製程效果。
Description
本發明屬於微電子加工技術領域，具體涉及一種可變電容、阻抗匹配裝置和半導體加工裝置。
電漿技術被廣泛地應用於半導體裝置的製造技術領域中。在電漿沉積與蝕刻系統中，採用射頻電源向反應腔室載入能量以將腔室內的製程氣體激發形成電漿；電漿中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子和置於腔體內並曝露在電漿環境下的晶片表面發生各種物理和化學反應，使晶片表面發生變化，從而完成蝕刻、沉積等製程。
在應用中，射頻電源的輸出阻抗一般為50Ω，為了使反應腔室從射頻電源處獲得最大的功率以及降低反應腔室的反射功率，一般在射頻電源與反應腔室之間設置有阻抗匹配裝置，用於使射頻電源的輸出阻抗和負載阻抗相匹配，負載阻抗等於阻抗匹配裝置的阻抗與反應腔室的阻抗之和。
第1圖為應用現有的阻抗匹配裝置的半導體加工裝置的原理框圖。請參閱第1圖，阻抗匹配裝置串接在射頻電源10和反應腔室20之間，其包括採集單元1、控制單元2、執行單元3和匹配網路4，其中，採集單元1串接在射頻電源10和匹配網路4之間，採集單元1用於採集其所在傳輸線上的電訊號（電壓V和電流I）並發送至控制單元2；匹配網路4包括可變電容C1、C2以及固定電感L；執行單元3包括電機M1和M2；控制單元2根據採集單元1發送的電訊號依據阻抗匹配演算法來獲得可變電容C1、C2的變化量，並根據該變化量控制電機M1和M2轉動，從而帶動可變電容C1、C2的機械調節端運動，以分別對可變電容C1、C2的電容值進行調節。基於上述可知，阻抗匹配裝置通過調節其自身阻抗來對射頻電源的輸出阻抗和負載阻抗進行阻抗匹配。
然而，採用第1圖所示的阻抗匹配裝置在實際應用中存在以下問題：第1圖所示的阻抗匹配裝置通過電機轉動來改變電容的容值大小，阻抗匹配速度受到電機的轉動速度的限制，使得匹配速度通常僅為秒級，而難以實現毫秒級的匹配速度。
本發明旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種可變電容及阻抗匹配裝置，可以實現在毫秒級或更短時間內調節可變電容的容值大小，從而達到毫秒級或更短時間的匹配速度。
為解決上述問題之一，本發明提供了一種可變電容，包括鐵電介質層和位於該鐵電介質層相對兩側的第一電極和第二電極；該可變電容還包括與第一電極和第二電極絕緣設置的第一控制電極和第二控制電極；該第一控制電極和該第二控制電極，用於向該鐵電介質層提供電場，以通過控制該電場的電場強度來調整該鐵電介質層的介電常數，從而調節該第一電極和第二電極之間的容值。
其中，至少部分該鐵電介質層同時位於該第一控制電極和該第二控制電極之間的電場以及該第一電極和該第二電極之間的電場中。
其中，該第一電極和該第一控制電極均設置於該鐵電介質層的上側，且該第一電極位於左側，該第一控制電極位於右側；該第二電極和該第二控制電極均設置在該鐵電介質層的下側，且該第二電極位於右側，該第二控制電極位於左側；該第一控制電極與該第二控制電極在該鐵電介質層的上表面所在平面上的正投影不重疊。
其中，該第二控制電極的數量為兩個，該第二電極位於該兩個該第二控制電極之間；該第一電極的數量為兩個，該第一控制電極位於該兩個該第一電極之間。
其中，該第二控制電極與該第一電極相對設置；該第一控制電極與該第二電極相對設置。
其中，相對設置的該第二控制電極和該第一電極在該鐵電介質層上的正投影完全重合；相對設置的該第一控制電極和該第二電極在該鐵電介質層上的正投影完全重合。
其中，該第一電極和第二電極分別設置在該鐵電介質層的上側和下側；該第一控制電極和該第二控制電極分別設置在該鐵電介質層的左側和右側。
其中，該鐵電介質層的材料包括BaTiO3
、BaO-TiO2
、KNbO3
、K2
O-Nb2
O5
、LiNbO3
、Li2
O-Nb2
O5
、磷酸二氫鉀、三甘氨酸硫酸鹽和羅息鹽中的至少一種。
作為另一個方面，本發明還提供一種阻抗匹配器，包括採集單元、匹配網路和控制單元，該匹配網路串接在該射頻電源和該反應腔室之間，且該匹配網路可以包括本發明前述任一方案所述的可變電容，且該第一電極和第二電極接入該匹配網路的電路中，該第一控制電極與該控制單元電連接，該第二控制電極接地；該採集單元用於採集該射頻電源和該匹配網路之間的傳輸線上的電訊號，並將其發送至該控制單元；該控制單元用於根據該採集單元採集到的電訊號進行阻抗匹配運算，並根據運算結果控制載入在該第一控制電極和第二控制電極之間的電壓，以調節該第一電極和該第二電極之間的容值。
該阻抗匹配裝置還包括低通濾波器，該低通濾波器設置在該控制單元與該第一控制電極之間。
其中，該可變電容的數量為多個，該低通濾波器的數量與該可變電容的數量相等，且二者一一對應地設置。
作為另一個方面，本發明還提供一種半導體加工裝置，包括射頻電源、阻抗匹配裝置和反應腔室，該阻抗匹配裝置串接在該射頻電源和該反應腔室之間，其中，該阻抗匹配裝置採用本發明前述任一方案所述的阻抗匹配裝置。
本發明具有以下有益效果： 本發明實施例提供的可變電容，由於可以通過控制第一控制電極和第二控制電極之間的電壓來控制鐵電介質層所在的電場的電場強度，電場強度的快速變化可以引起鐵電介質層的介電常數的快速變化，介電常數的快速變化可以引起第一電極和第二電極之間的電容容值的快速變化，因此，與先前技術的機械調節方式相比，本發明可以提高電容容值的調節速率、縮短調節時間，可以實現毫秒級或更短時間內的電容容值的調節。
本發明實施例提供的阻抗匹配裝置，由於採用本發明實施例提供的可變電容，因而阻抗匹配裝置能夠實現毫秒級的匹配速度。
本發明實施例提供的半導體加工裝置，由於採用本發明實施例提供的阻抗匹配裝置，可以實現射頻電源的輸出阻抗和負載阻抗之間的快速匹配，從而提高製程效率以及製程效果。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖來對本發明提供的可變電容、阻抗匹配裝置和半導體加工裝置進行詳細描述。 實施例1
本發明實施例提供一種可變電容，該可變電容包括鐵電介質層和位於鐵電介質層相對兩側的第一電極和第二電極；該可變電容還包括與第一電極和第二電極絕緣設置的第一控制電極和第二控制電極；第一控制電極和第二控制電極用於向鐵電介質層提供電場，以通過控制電場的電場強度來調整鐵電介質層的介電常數，從而調節第一電極和第二電極之間的電容的容值大小。也就是說，所謂第一電極和第二電極為本發明實施例提供的可變電容的兩個電極，所謂第一控制電極和第二控制電極為用以控制可變電容的介電常數進而調節電容容值的控制電極。
本實施例提供的可變電容，可以通過控制第一控制電極與第二控制電極之間的電壓來控制鐵電介質層所在電場的電場強度，使第一控制電極與第二控制電極之間的電壓的快速變化可導致電場強度的快速變化，電場強度的快速變化可以引起鐵電介質層的介電常數的快速變化，因此，本發明實施例提供的可變電容通過改變其所在的電場而改變鐵電介質層的介電常數等電氣參數，進而實現對可變電容容值的調節，也就是說，本發明實施例提供的可變電容是採用電氣參數調節方式實現電容容值的可調，即，利用的是可變電容的鐵電介質層自身的物理性質（如，鐵電介質層所在的電場變化會導致介電常數變化，進而導致第一電極和第二電極之間的電容的容值發生變化），與先前技術中通過電機帶動電容的機械調節端進行機械運動而實現電容容值調節的方式相比，本發明實施例提供的可變電容的容值調節速度快、調節時間短，可以在毫秒級或更短時間內完成電容容值的調節。
為了便於理解，下面將對本實施例提供的可變電容的電容值調節原理進行解釋說明。第2圖為鐵電材料的極化強度與所載入的電場之間的關係示意圖。鐵電介質層的鐵電材料在電場的作用下，電介質（鐵電材料）內部沿電場的方向會出現宏觀偶極子，在電介質表面會出現極化電荷，極化電荷的極化強度（單位體積內電介質的電偶極矩向量和）與電場的大小和電場的方向均相關。而電介質的電極化率，其在第2圖中表現為曲線各個點的斜率，並且，電場越大，電介質的電極化率越小。對於電介質，電感應強度、電場強度和極化強度之間的關係如下公式： 式中：表示真空介電常數，表示相對介電常數。
對於介質平行板電容器，其電容值，為平行板電容器電極板的等效正對面積，為平行的兩個電極板之間的間距。
由上述分析可知，對於鐵電材料為介質的電容，當電容所處的電場快速變化時，其相對介電常數會隨之發生快速變化，從而可以實現可變電容的容值大小的快速調節。
綜上，通過在毫秒級或更短時間內調整介質可變電容所在電場的電場強度，可以達到在毫秒級或更短時間內改變可變電容的容值大小的目的。
在本實施例中，至少部分鐵電介質層同時位於第一控制電極與第二控制電極之間的電場以及第一電極與第二電極之間的電場中，這樣，該部分鐵電介質層會因受到第一控制電極與第二控制電極之間的電場變化的影響而使介電常數發生變化，該部分鐵電介質層作為第一電極和第二電極之間的介質層，根據電容公式，由於其介電常數發生變化，可知該第一電極和第二電極之間的容值也相應發生變化，從而可以確保通過改變提供給第一控制電極與第二控制電極之間的電場的電場強度來有效調整該第一電極與第二電極之間的電容容值大小，即實現可變電容的容值大小的調節。
可選地，如第3圖所示，其為本實施例中的可變電容的一種結構示意圖。在該實施例中，可變電容包括：鐵電介質層1、位於鐵電介質層1相對兩側的第一電極21和第二電極22，以及與第一電極21和第二電極22絕緣設置的第一控制電極31和第二控制電極32。第一電極21和第一控制電極31均設置於鐵電介質層1的上側，且第一電極21位於左側，第一控制電極31位於右側；第二電極22和第二控制電極32均設置在鐵電介質層1的下側，且第二電極22位於右側，第二控制電極32位於左側；第一控制電極31與第二控制電極32在鐵電介質層1上表面所在平面上的正投影不重疊。本實施例中，該可變電容在接入阻抗匹配裝置時，第一電極21和第二電極22連接至在匹配網路的電路中，第一控制電極31、第二控制電極32受阻抗匹配裝置中的控制單元的控制，調節第一電極21和第二電極22二者之間的電壓，具體電氣結構示意圖請參考第6圖。
進一步可選地，第二控制電極32與第一電極21相對設置，二者在鐵電介質層1上表面所在平面上的正投影至少部分重疊；第一控制電極31與第二電極22相對設置，二者在鐵電介質層1上表面所在平面上的正投影至少部分重疊。第一電極21和第二電極22以及第一控制電極31和第二控制電極32採用上述位置關係，使得可變電容的體積較小且結構簡單。
更進一步較佳地，相對設置的第二控制電極32和第一電極21在鐵電介質層1上表面所在平面中的正投影完全重合；相對設置的第一控制電極31和第二電極22在鐵電介質層1上表面所在平面中的正投影完全重合，這可使得可變電容各組成部分更集中，從而使得可變電容的體積更小且結構更為簡單。
在實際應用中，可變電容還可以採用如第4圖所示的結構，其與第3圖相比，區別在於：第二控制電極32的數量為兩個，第二電極22位於兩個第二控制電極32之間；第一電極21的數量為兩個，第一控制電極31位於兩個第一電極21之間。第4圖所示的可變電容與第3圖所示相比，使更多部分的鐵電介質層1同時處於第一控制電極31與第二控制電極32之間的電場以及第一電極21與第二電極22之間的電場中，因而相對第3圖而言，能夠在相同的電場變化情況下，使得可變電容的容值的變化增大，從而可以進一步提高可變電容的電容值大小的調節速率。
可選地，如第5圖所示，該實施例中的可調介質電容的第一電極21和第二電極22分別設置在鐵電介質層1的上側和下側；第一控制電極31和第二控制電極32分別設置在鐵電介質層1的左側和右側。當然，可調介質電容的第一電極21和第二電極22也可以分別設置在鐵電介質層1的左側和右側；第一控制電極31和第二控制電極32分別設置在鐵電介質層1的上側和下側。第5圖所示的可變電容，全部的鐵電介質層1可同時處於第一控制電極31與第二控制電極32之間的電場以及第一電極21與第二電極22之間的電場中，使得其在相同的電場變化情況下，可變電容的容值的變化更進一步增大，從而更進一步提高可變電容的電容值大小的調節速率。
其中，鐵電介質層1的鐵電材料包括但不限於為BaTiO3
、BaO-TiO2
、KNbO3
、K2
O-Nb2
O5
、LiNbO3
、Li2
O-Nb2
O5
、磷酸二氫鉀、三甘氨酸硫酸鹽和羅息鹽中的至少一種。 實施例2
本實施例提供一種阻抗匹配裝置，如第6圖所示，該阻抗匹配裝置包括匹配網路50、採集單元51和控制單元52，匹配網路50中包括上述實施例1提供的可變電容，且第一電極21和第二電極22接入匹配網路50的電路中，第一控制電極31與控制單元52電連接，第二控制電極32接地；其中：
匹配網路50串接在射頻電源10和反應腔室20之間；採集單元51用於採集射頻電源10和匹配網路50之間的傳輸線上的電訊號，並將該電訊號發送至控制單元52；控制單元52用於根據採集單元51採集到的電訊號進行阻抗匹配運算，並根據運算結果控制載入至第一控制電極31與第二控制電極32之間的電壓，以調節第一電極21和第二電極22之間的容值。
其中，採集單元包括但不限於為感測器。匹配網路50的類型包括但不限於為L型。本實施例中阻抗匹配裝置中各單元的形式不唯一，如控制單元52可以為DSP，還可以為單片機等。關於控制單元52進行阻抗匹配運算時的具體演算法，本實施例不作具體限定，只要保證按照計算結果調整電壓後，能夠使射頻電源10的輸出阻抗與負載阻抗相等即可。
本實施例中的阻抗匹配裝置，由於調整匹配網路中的電容的容值大小不需要通過執行單元控制，而是採用實施例1中的可變電容，因而只需要控制控制單元52輸出的控制電壓V1和V2的大小，即可實現可變電容的容值大小的快速變化，能實現快速匹配，實現毫秒或更快的匹配速度。
為了便於理解，下面結合第6圖對本實施例中的阻抗匹配裝置進行詳細的解釋說明。
如第6圖所示，本實施例中，阻抗匹配裝置中的採集單元51位於匹配網路50前端，用於檢測射頻電源10傳輸線上的電壓V、電流I等電訊號，控制單元52利用一定的鑒幅鑒相演算法，得到從匹配網路50的輸入端向輸出端看去的負載阻抗的模值|Z|和相位θ，並提供匹配控制演算法計算所需的控制量。匹配網路50採用的元器件由可變電容C1、C2和電感L組成，其中電容C1、C2為前述實施例1所述的可變電容；可變電容C1、C2各自處於其控制電極提供的電場E1和E2環境下，其中E1和E2的電場強度可由控制單元52控制載入在控制電極上的控制電壓V1和V2來實現；控制單元52根據採集單元51提供的電訊號，通過匹配控制演算法，調整載入在控制電極上的控制電壓V1和V2，從而實現對可變電容C1和C2的容值大小的快速調整，進而使得匹配網路50的負載阻抗等於射頻電源10的輸出阻抗（通常為50Ω），使二者達到快速共軛匹配。此時，射頻電源10傳輸線上的反射功率為零或很小，射頻電源10產生的功率全部輸送給了反應腔室20。
可選地，如第6圖所示，阻抗匹配裝置還包括低通濾波器53；低通濾波器53設置在控制單元52與第一控制電極31之間。關於低通濾波器53的具體組成結構，本實施例不作具體限制。例如，低通濾波器53包括電感和電容。其中，電感的一端接控制單元52的輸出端，另一端接電容的一端，電容的另一端接地和控制電極。控制單元52調整兩個控制電極的電壓V1和V2後，分別通過低通濾波器F1和F2控制E1和E2的大小，借助低通濾波器可以濾除掉一些訊號幹擾。
可選地，可變電容的數量為多個，低通濾波器與可變電容一一對應設置且數量相等。例如，如第6圖所示，可變電容包括兩個，分別為C1和C2，低通濾波器也包括兩個，分別為F1和F2，可變電容C1通過低通濾波器F1與控制單元52連接，可變電容C2通過低通濾波器F2與控制單元52連接。
需要說明的是，本實施例中的阻抗匹配裝置不限於應用於電漿系統，還可以應用於其它如通訊、核磁、輸電線等系統。 實施例3
本實施例提供一種半導體加工裝置，如第7圖所示，該半導體加工裝置包括射頻電源10、阻抗匹配裝置60和反應腔室20，阻抗匹配裝置60串接在射頻電源10和反應腔室20之間，用於對射頻電源10的輸出阻抗和負載阻抗實現匹配，其中，阻抗匹配裝置60採用上述實施例2提供的阻抗匹配裝置。
本實施例中的半導體加工裝置，採用實施例2提供的阻抗匹配裝置，可以實現射頻電源的輸出阻抗和負載阻抗之間的快速匹配，從而提高製程效率以及製程效果。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
1‧‧‧鐵電介質層
1、51‧‧‧採集單元
2、52‧‧‧控制單元
3‧‧‧執行單元
4、50‧‧‧匹配網路
10‧‧‧射頻電源
20‧‧‧反應腔室
21‧‧‧第一電極
22‧‧‧第二電極
31‧‧‧第一控制電極
32‧‧‧第二控制電極
53、F1、F2‧‧‧低通濾波器
60、‧‧‧阻抗匹配裝置
C1、C2‧‧‧可變電容
E、E1、E2‧‧‧電場
I‧‧‧電流
L‧‧‧固定電感
M1、M2‧‧‧電機
P‧‧‧極化強度
V、V1、V2‧‧‧電壓
第1圖為應用現有的阻抗匹配裝置的半導體加工裝置的原理框圖； 第2圖為鐵電介質層的極化強度與所處電場之間的關係示意圖； 第3圖為本發明實施例1中的可變電容的一種結構示意圖； 第4圖為本發明實施例1中的可變電容的另一種結構示意圖； 第5圖為本發明實施例1中的可變電容的又一種結構示意圖； 第6圖為本發明實施例2提供的阻抗匹配裝置的結構示意圖； 第7圖為本發明實施例3提供的半導體加工裝置的結構示意圖。
Claims (12)
- 一種可變電容，其中，包括一鐵電介質層和位於該鐵電介質層相對兩側的一第一電極和一第二電極； 該可變電容還包括與該第一電極和第二電極絕緣設置的一第一控制電極和一第二控制電極； 該第一控制電極和該第二控制電極，用於向該鐵電介質層提供一電場，以通過控制該電場的電場強度來調整該鐵電介質層的介電常數，從而調節該第一電極和第二電極之間的容值。
- 如申請專利範圍第1項所述的可變電容，其中，至少部分該鐵電介質層同時位於該第一控制電極和該第二控制電極之間的電場以及該第一電極和該第二電極之間的電場中。
- 如申請專利範圍第2項所述的可變電容，其中，該第一電極和該第一控制電極均設置於該鐵電介質層的上側，且該第一電極位於左側，該第一控制電極位於右側； 該第二電極和該第二控制電極均設置在該鐵電介質層的下側，且該第二電極位於右側，該第二控制電極位於左側； 該第一控制電極與該第二控制電極在該鐵電介質層的上表面所在平面上的正投影不重疊。
- 如申請專利範圍第3項所述的可變電容，其中，該第二控制電極的數量為兩個，該第二電極位於該兩個該第二控制電極之間； 該第一電極的數量為兩個，該第一控制電極位於該兩個該第一電極之間。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述的可變電容，其中，該第二控制電極與該第一電極相對設置； 該第一控制電極與該第二電極相對設置。
- 如申請專利範圍第5項所述的可變電容，其中，相對設置的該第二控制電極和該第一電極在該鐵電介質層上的正投影完全重合； 相對設置的該第一控制電極和該第二電極在該鐵電介質層上的正投影完全重合。
- 如申請專利範圍第2項所述的可變電容，其中，該第一電極和第二電極分別設置在該鐵電介質層的上側和下側； 該第一控制電極和該第二控制電極分別設置在該鐵電介質層的左側和右側。
- 如申請專利範圍第1項所述的可變電容，其中，該鐵電介質層的材料包括BaTiO3 、BaO-TiO2 、KNbO3 、K2 O-Nb2 O5 、LiNbO3 、Li2 O-Nb2 O5 、磷酸二氫鉀、三甘氨酸硫酸鹽和羅息鹽中的至少一種。
- 一種阻抗匹配器，包括一採集單元、一匹配網路和一控制單元，該匹配網路串接在一射頻電源和一反應腔室之間，其中，該匹配網路包括申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述的可變電容，且該第一電極和第二電極接入該匹配網路的電路中，該第一控制電極與該控制單元電連接，該第二控制電極接地； 該採集單元用於採集該射頻電源和該匹配網路之間的傳輸線上的電訊號，並將其發送至該控制單元； 該控制單元用於根據該採集單元採集到的電訊號進行阻抗匹配運算，並根據運算結果控制載入在該第一控制電極和第二控制電極之間的電壓，以調節該第一電極和該第二電極之間的容值。
- 如申請專利範圍第9項所述的阻抗匹配裝置，其中，還包括一低通濾波器，該低通濾波器設置在該控制單元與該第一控制電極之間。
- 如申請專利範圍第10項所述的阻抗匹配裝置，其中，該可變電容的數量為複數個，該低通濾波器的數量與該可變電容的數量相等，且二者一一對應地設置。
- 一種半導體加工裝置，包括一射頻電源、一阻抗匹配裝置和一反應腔室，該阻抗匹配裝置串接在該射頻電源和該反應腔室之間，其中，該阻抗匹配裝置採用申請專利範圍第9項至第10項中任一項所述的阻抗匹配裝置。
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