TWI606758B - 阻抗匹配系統、阻抗匹配方法及半導體加工裝置 - Google Patents

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Description

阻抗匹配系統、阻抗匹配方法及半導體加工裝置
本發明屬於微電子加工技術領域，具體涉及一種阻抗匹配系統、阻抗匹配方法及半導體加工裝置。
在電漿加工系統中，射頻電源將射頻能量傳輸至反應腔室中，以激發反應腔室中的反應氣體形成含有大量活性粒子的電漿，電漿和晶片相互作用，完成刻蝕或沉積等的製程過程。在射頻能量傳輸的過程中，射頻電源的輸出阻抗一般為50歐姆，而反應腔室的輸入阻抗不等於50歐姆，因而若直接將射頻能量傳輸至反應腔室，會因傳輸路徑的阻抗不匹配而發生射頻能量的反射，導致無法正常激發反應腔室內的反應氣體形成電漿。因此，需要在射頻電源與反應腔室之間連接一個匹配裝置，從而保證射頻能量的正常傳輸。
第1圖為現有的匹配裝置的原理框圖。請參閱第1圖，射頻系統用於向反應腔室60提供射頻能量，其包括射頻電源10和匹配裝置30。其中，射頻電源10具有脈衝功能。匹配裝置30連接在射頻電源10與反應腔室60之間，其具有自動匹配的功能和保持匹配位置的功能，具體結構包括檢測單元1、阻抗調節單元2、控制單元3和兩個控制電機4和5。其中，檢測單元1用於檢測阻抗調節單元2的前端的傳輸線上的信號，並將其發送至控制單元3。阻抗調節單元2的內部 結構如第2圖所示，其具有兩個可變電容C2和C3以及固定電容C1和固定電感L1和L2。兩個控制電機4和5用於在控制單元3的控制下，分別調節兩個可變電容C2和C3。在製程開始時，首先使射頻電源10切換至連續波模式，以輸出連續波功率，同時檢測單元1將即時檢測到的輸入信號及反射功率值發送至控制單元3。 控制單元3根據設定的演算法獲得可變電容C2和C3的調節量，並控制兩個控制電機4和5分別對兩個可變電容C2和C3進行調節。在調節過程中，控制單元3判斷由檢測單元1發送而來的反射功率值是否在較小的臨界值範圍內，若是，則確定射頻電源10的輸出阻抗與匹配裝置30的輸入阻抗匹配，並在電漿保持穩定之後，控制阻抗調節單元2處於保持(Hold)模式，即，兩個可變電容C2和C3的電容值及其它各項參數均保持不變；與此同時，控制單元3控制射頻電源10切換至脈衝波模式進行製程，在製程進行至一定階段後，控制單元3判斷是否需要切換至下一個製程步驟，若否，則繼續進行該製程直至結束；若是，則因所有的製程條件發生變化而需要控制射頻電源10重新切換至連續波模式，且匹配裝置30重新進行匹配工作。待匹配完成後，阻抗調節單元2重新處於保持模式，同時射頻電源10切換至脈衝波模式進行新的製程。以此類推，直至整個製程過程結束。
上述匹配裝置30在實際應用中不可避免地存在以下問題：
其一，上述射頻電源10在輸出脈衝功率時會出現過衝現象，導致射頻系統的阻抗突變，而由於射頻電源10處於脈衝波模式下時阻抗調節單元2處於保持狀態，因而無法及時地對所發生的阻抗突變做出回應，從而導致不能持續地實現阻抗的匹配，進而影響製程結果。
其二，射頻電源10處於連續波模式下時阻抗調節單元2的匹配位置與射頻電源10處於脈衝波模式下時阻抗調節單元2的匹配位置被默認為是相 同的，但是在實際應用中，在相同的製程條件下，上述兩種模式下射頻系統的阻抗存在差異，因此若將兩種模式下的匹配位置設置為相同，則會影響射頻電源10的輸出阻抗與匹配裝置30的輸入阻抗二者的匹配精度，甚至導致二者失配，出現匹配不穩定、不重複的問題，從而影響製程結果。
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種阻抗匹配系統、阻抗匹配方法以及半導體加工裝置，其能夠使連續波射頻電源類比脈衝波模式，從而降低系統成本，提高經濟效益，以及在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時避免過衝現象。
為解決上述問題之一，本發明提供一種阻抗匹配系統，其包括：阻抗匹配器，設置在射頻電源和反應腔室之間並能夠分別與二者聯通，用於自動對該射頻電源的輸出阻抗和該阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配；選擇開關和負載電路，該選擇開關用於使該射頻電源能夠選擇性地與該反應腔室或該負載電路聯通；控制單元，用於按照預設時序控制該選擇開關使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通，以通過該阻抗匹配器將該射頻電源的連續波輸出轉換成脈衝輸出並提供給該反應腔室。
其中，該負載電路上設置有可調負載。並且，該控制單元包括：開關控制模組，用於按照預設時序控制該選擇開關能夠使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通；負載控制模組，用於在該選擇開關使該射頻電源與該負載電路聯通時，將該可調負載的阻抗調節為預設阻抗，該預設阻抗為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的反應腔室的輸入阻抗。
其中，該可調負載與該反應腔室並聯後經由該選擇開關連接到該阻抗匹配器的後端。
其中，該負載電路上僅設置有固定負載；並且該控制單元包括開關控制模組，用於按照預設時序控制該選擇開關能夠使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通。
其中，該阻抗匹配器和該反應腔室串聯後再與該固定負載並聯，並經由該選擇開關連接到該射頻電源的後端。
其中，該控制單元還用於在該選擇開關使該射頻電源與該反應腔室聯通時，使該阻抗匹配器的初始匹配位置為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。
進一步地，該阻抗匹配系統還包括檢測單元，且該控制單元還包括匹配控制模組，該阻抗匹配器包括阻抗調節單元和執行單元。其中：該阻抗調節單元設置在該射頻電源和該反應腔室之間的傳輸線上；該檢測單元用於檢測該阻抗調節單元前端的該傳輸線上的信號並將其發送至該匹配控制模組；該匹配控制模組用於根據該檢測單元發送來的信號獲得控制信號，並將該控制信號發送至該執行單元；該執行單元用於根據該控制信號調節該阻抗調節單元的阻抗，以進行阻抗匹配。
其中，該選擇開關的初始狀態預設為使該射頻電源與該反應腔室聯通；該匹配控制模組還用於在該選擇開關為初始狀態條件下根據該檢測單元發送來的信號即時判斷當前是否匹配成功，若是，則向該開關控制模組發送啟動指令；若否，則繼續進行阻抗匹配。
其中，該阻抗調節單元包括可調電容；該執行單元包括驅動電機，用於調節該可調電容接入到電路中的電容值。
其中，該選擇開關包括：兩個獨立開關，用於分別連接在該反應腔室與該射頻電源之間的電路上以及該負載電路與該射頻電源之間的電路上；該開關控制模組用於根據該預設時序選擇控制該兩個獨立開關的導通和斷開。
其中，該獨立開關為繼電器、二極體或射頻開關。
其中，該選擇開關包括轉換開關，該轉換開關至少包括一個動觸點和兩個靜觸點，該動觸點連接該射頻電源，且其中一個靜觸點連接在用於與該反應腔室相連的電路上，其中另一個靜觸點連接在該負載電路上。
作為另一個技術方案，本發明還提供一種阻抗匹配方法，用於對射頻電源的輸出阻抗與阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配。其中，該阻抗匹配方法包括以下步驟：設置獨立於反應腔室的負載電路；按照預設時序使該射頻電源能夠選擇性地與該反應腔室聯通或與負載電路聯通，將該射頻電源的連續波輸出轉換成脈衝輸出並提供給該反應腔室；並且在該射頻電源與該反應腔室聯通時，對該射頻電源的輸出阻抗與該阻抗匹配器的輸入阻抗自動進行阻抗匹配。
其中，在該負載電路上設置有可調負載的情況下；當該射頻電源與該負載電路聯通時，將該可調負載的阻抗調節為預設阻抗，該預設阻抗為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的反應腔室的輸入阻抗。
其中，在該負載電路上僅設置有固定負載的情況下，當該射頻電源與該反應腔室聯通時，使該阻抗匹配器的初始匹配位置為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。
作為又一個技術方案，本發明還提供一種半導體加工裝置，其包括阻抗匹配系統、射頻電源和反應腔室，該阻抗匹配系統設置在該射頻電源和該反應腔室之間，其中，該阻抗匹配系統採用本發明上述任意一個方案提供的阻抗匹配系統。
本發明具有以下有益效果： 本發明提供的阻抗匹配系統及方法，射頻電源始終工作在連續波模式下，通過控制射頻電源按照預設時序在與反應腔室聯通和與負載電路聯通之間切換，使反應腔室實際獲得的功率信號為脈衝調製的射頻功率信號(即，脈衝射頻功率信號)，也就是說，本發明提供的阻抗匹配系統及方法可在採用連續波射頻電源的情況下類比脈衝射頻電源的工作模式，這與現有技術相比，由於不採用脈衝射頻電源，因此可以降低系統成本、提高經濟效益，同時能夠在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時避免產生過衝現象；並且，由於在射頻電源切換至與反應腔室聯通時阻抗匹配器能夠自動進行阻抗匹配，因此可以提高匹配速度、匹配精度以及匹配的穩定性。
本發明提供的半導體加工裝置，其採用了本發明上述技術方案提供的阻抗匹配系統，因此可在採用連續波射頻電源的情況下類比脈衝射頻電源的工作模式，這與現有技術相比，其同樣具有下述有益效果：由於不採用脈衝射頻電源，因而可以降低裝置成本，同時能夠在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時避免產生過衝現象；並且，由於阻抗匹配器在射頻電源切換至與反應腔室聯通時能夠自動進行阻抗匹配，因此可以提高匹配的穩定性及匹配精度。
1‧‧‧檢測單元
2‧‧‧阻抗調節單元
3‧‧‧控制單元
4、5‧‧‧控制電機
10‧‧‧射頻電源
20‧‧‧阻抗匹配系統
21‧‧‧阻抗匹配器
22‧‧‧轉換開關
23‧‧‧可調負載
24‧‧‧控制單元
28‧‧‧固定負載
29‧‧‧檢測單元
30‧‧‧匹配裝置
60‧‧‧反應腔室
221、222‧‧‧開關
241‧‧‧開關控制模組
242‧‧‧負載控制模組
243‧‧‧匹配控制模組
C1‧‧‧固定電容
C2、C3‧‧‧可變電容
L1、L2‧‧‧固定電感
M1、M2‧‧‧驅動電機
S1、S2、S3、S5、S6、S7、S411、S411’、421、S421’‧‧‧步驟
第1圖為現有的匹配裝置的原理框圖；第2圖為阻抗調節單元的內部結構示意圖；第3圖為本發明實施例二提供的阻抗匹配系統的原理框圖； 第4圖為第3圖中射頻電源的輸出信號、脈衝調製信號、預設時序信號和反應腔室的實際輸入信號的時序對比圖；第5圖為本發明實施例提供的阻抗匹配系統的工作流程圖；第6圖為本發明第三實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖；第7圖為本發明第四實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖；第8圖為本發明第四實施例提供的阻抗匹配系統的工作時序圖；第9圖為本發明第五實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖；以及第10圖為本發明實施例提供的阻抗匹配方法的工作流程圖。
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阻抗匹配系統及方法、半導體加工裝置進行詳細描述。
本發明實施例一提供的阻抗匹配系統包括：阻抗匹配器、選擇開關、負載電路和控制單元。其中，阻抗匹配器分別與射頻電源和反應腔室相連，用於自動對射頻電源的輸出阻抗和阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配；負載電路用於提供射頻電源的除反應腔室之外的另一路負載；選擇開關用於使射頻電源能夠選擇性地與反應腔室或負載電路聯通；控制單元用於按照預設時序控制選擇開關使射頻電源與反應腔室聯通或使射頻電源與負載電路聯通，以使載入至反應腔室的電信號為脈衝波的形式(即，使反應腔室工作在脈衝波的模式下)。這樣，即便是在射頻電源始終工作在連續波模式的情況下，也可以使載入至反應腔室的電信號為脈衝波的形式。
上述預設時序可以按照如下方式設置：根據製程所需脈衝射頻信號的脈衝頻率和占空比，分別計算射頻電源與反應腔室聯通的頻率和時間、以及射頻電源與負載電路聯通的頻率和時間。該預設時序類似於脈衝調製信號。
本發明實施例提供的阻抗匹配系統，射頻電源始終工作在連續波模式下，通過控制射頻電源按照預設時序在與反應腔室聯通和與負載電路聯通之間切換，使得反應腔室實際獲得的功率信號為脈衝調製的射頻功率信號(即，脈衝射頻功率信號)，也就是說，本實施例提供的阻抗匹配系統可以借助連續波射頻電源獲得脈衝波射頻電源的工作模式，這與現有技術相比存在下述優點：由於不採用脈衝射頻電源，因此可以降低系統成本、提高經濟效益，同時能夠避免產生向反應腔室載入直接來自脈衝射頻電源的脈衝射頻功率信號時所帶來的過衝現象；並且，由於阻抗匹配器在射頻電源切換至與反應腔室聯通時能夠自動進行阻抗匹配，因此可以提高匹配速度、匹配精度以及匹配的穩定性。
下面結合第3圖詳細描述本發明實施例二提供的阻抗匹配系統。 本實施例提供的阻抗匹配系統為上述實施例一提供的阻抗匹配系統的一種較佳實施方式。在本實施例中，選擇開關為至少包括一個動觸點和兩個靜觸點的轉換開關，並且控制單元還用於使本次阻抗匹配器在射頻電源與反應腔室聯通的初始時刻的匹配位置設置為射頻電源與反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。這樣，射頻電源與反應腔室每次聯通時，阻抗匹配器都可以快速地實現匹配，從而提高了脈衝模式下的阻抗匹配速度及匹配的穩定性和重複性。
請參閱第3圖，該阻抗匹配系統20包括阻抗匹配器21、轉換開關22、負載電路和控制單元24。其中，阻抗匹配器21設置在射頻電源10和反應腔室60之間，用於自動進行阻抗匹配；轉換開關22包括一個動觸點和兩個靜觸點，動觸點連接射頻電源10，其中一個靜觸點連接在用於與反應腔室60相連的電路 上，另一個靜觸點連接在負載電路上，用於使射頻電源10能夠選擇性地與反應腔室60或負載電路聯通。
負載電路上設置有可調負載23，可調負載23與反應腔室60並聯後經由轉換開關22連接到阻抗匹配器21的後端，所謂後端，是基於電路中功率的傳輸方向而言的，即沿功率的傳輸方向位於阻抗匹配器21的輸出端。控制單元24包括：開關控制模組241，用於按照預設時序控制轉換開關22在使射頻電源10與反應腔室60聯通和使射頻電源10與負載電路聯通這兩種狀態之間進行切換；負載控制模組242，用於在轉換開關22切換至使射頻電源10與負載電路聯通的狀態時，將可調負載23的阻抗調節為預設阻抗，所謂預設阻抗為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的反應腔室60的輸入阻抗。
其中，預設時序與製程所需的脈衝調製信號相同，如第4圖中所示。在脈衝調製信號為高電平時，開關控制模組241控制轉換開關22切換至使射頻電源10與反應腔室60聯通的狀態，此時，反應腔室60能夠獲得射頻功率信號；並且，在脈衝調製信號為低電平時，開關控制模組241控制轉換開關22切換至射頻電源10與可調負載23聯通的狀態，此時，反應腔室60不能接收到射頻功率信號，因此，反應腔室60的實際輸入信號如第4圖中所示，即，反應腔室60實際接收到的是脈衝調製的射頻功率信號。當然，在實際應用中，開關控制模組241也可以被設置為在低電平時控制轉換開關22切換至使射頻電源10與反應腔室60聯通的狀態，在高電平時控制轉換開關22切換至使射頻電源10與可調負載23聯通的狀態。
阻抗匹配系統20包括檢測單元29；控制單元24還包括匹配控制模組243，阻抗匹配器21包括阻抗調節單元和執行單元。其中，阻抗調節單元設置在射頻電源10和反應腔室60之間的傳輸線上；檢測單元29用於檢測阻抗調節單元前端的傳輸線上的諸如電壓和電流的信號，並將檢測到的信號發送至匹配控 制模組243；匹配控制模組243用於根據檢測單元29發送來的信號獲得控制信號，並將控制信號發送至執行單元，具體地，根據檢測單元29發送的電壓信號和電流信號進行阻抗匹配運算來計算射頻電源10的當前負載阻抗，並將該當前負載阻抗值與射頻電源10的特徵阻抗(通常為50Ω)相比較來獲得控制信號；執行單元用於根據控制信號調節阻抗調節單元的阻抗，以實現阻抗匹配。
較佳地，阻抗調節單元包括可調電容C1和C2；執行單元包括驅動電機M1和M2，用於分別調節可調電容C1和C2接入到電路中的電容值。
在本實施例中，反應腔室60的輸入阻抗採用以下方式獲得：匹配控制模組243根據獲得的射頻電源10的負載阻抗以及阻抗調節單元的阻抗進行計算來獲得反應腔室60的輸入阻抗。
另外，在本實施例中，轉換開關22的初始狀態預設為轉換開關22與反應腔室60聯通；匹配控制模組243還用於在轉換開關22為初始狀態條件下根據檢測單元211發送來的信號即時判斷當前是否匹配成功，若是，則向開關控制模組241發送啟動指令，開關控制模組241接收到該啟動指令之後開始根據預設時序控制轉換開關22在使射頻電源10與反應腔室60聯通和使射頻電源10與可調負載23聯通這兩種狀態之間切換；若否，則繼續進行阻抗匹配。
由此可知，本實施例是在連續波模式下實現阻抗匹配之後再進行脈衝模式，在這種情況下，較佳地，可調負載23的初始阻抗預設為在轉換開關22為初始狀態的條件下實現匹配時反應腔室60的輸入阻抗。該初始阻抗採用以下方式獲得：根據匹配時的阻抗調節單元的當前阻抗以及射頻電源10的特徵阻抗計算獲得；或者，根據匹配時該射頻電源10的當前負載阻抗和阻抗調節單元的當前阻抗計算獲得。
下面結合第5圖詳細描述本發明實施例提供的阻抗匹配系統是如何快速實現脈衝模式下的阻抗匹配的。本實施例中設定高電平時轉換開關22使 阻抗匹配器21與反應腔室60聯通，低電平時轉換開關22使阻抗匹配器21與可調負載23聯通，且設定預設時序的第一時刻為高電平。並且，定義阻抗匹配器21的阻抗為MZ，定義反應腔室60的阻抗為CZ1。
請參閱第5圖，本實施例中的阻抗匹配過程主要包括以下步驟： 步驟S1，在開關控制模組241內預先設置預設時序(即，將製程所需的脈衝調製信號的頻率和占空比等參數預置於開關控制模組241內)，並將轉換開關22的初始狀態預置為使射頻電源10與反應腔室60聯通。
步驟S2，開啟射頻電源10，阻抗匹配器21開始自動進行阻抗匹配。
步驟S3，匹配控制模組243判斷當前是否匹配成功，若是，則向開關控制模組241發送啟動指令，將當前阻抗匹配器21的阻抗定義為MZ1，將當前反應腔室60的阻抗定義為CZ1，並進入步驟S4；若否，則返回至步驟S2。
步驟S4，開關控制模組241接收到該啟動指令之後開始工作，以對轉換開關22的工作模式進行控制，具體過程如下：步驟S411，在第一個脈衝的高電平時段，轉換開關22使阻抗匹配器21與反應腔室60聯通，且阻抗匹配器21自MZ1開始繼續自動進行阻抗匹配。該第一個脈衝的高電平時段的最後時刻所對應的阻抗匹配器21的阻抗和反應腔室60的阻抗被分別定義為MZ2和CZ2
步驟S411’，在第一個脈衝的低電平時段，控制轉換開關22使阻抗匹配器21與可調負載23聯通，該可調負載23的初始阻抗為CZ1。負載控制模組242將可調負載23的阻抗自CZ1調節至CZ2；阻抗匹配器21自MZ2繼續進行阻抗匹配，而由於在該脈衝的低電平時段的最後時刻可調負載23的阻抗為CZ2，因此，在該脈衝的低電平時段的最後時刻，阻抗匹配器21的阻抗仍然為MZ2，也就是說，經過了該脈衝的低電平時段後，阻抗匹配器21的匹配位置不發生改變。
步驟S412，在第二個脈衝的高電平時段，轉換開關22切換至使射頻電源10與反應腔室60聯通，即，匹配目標切換為反應腔室60；射頻電源10繼續連續輸出射頻功率信號；阻抗匹配器21繼續自動自MZ2進行阻抗匹配，在該脈衝的高電平時段的最後時刻的阻抗匹配器21的阻抗定義為MZ3，反應腔室60的阻抗定義為CZ3；可調負載23的阻抗保持不變，為CZ2
步驟S412’，在第二個脈衝的低電平時段，轉換開關22切換至使射頻電源10與可調負載23聯通，射頻電源10繼續連續輸出射頻功率信號；負載控制模組242調節可調負載23的阻抗自CZ2至CZ3；阻抗匹配器21繼續自動自MZ3進行阻抗匹配，而由於在該脈衝的低電平時段的最後時刻可調負載23的阻抗為CZ3，因此，在該脈衝的低電平時段的最後時刻，阻抗匹配器21的阻抗仍然為MZ3，也就是說，經過了該脈衝的低電平時段後，阻抗匹配器21的匹配位置不發生改變。
類似地，在後續的第N個脈衝的高電平時段，射頻電源10繼續連續輸出射頻功率信號，轉換開關22切換至使射頻電源10與反應腔室60聯通；阻抗匹配器21繼續自動自MZN進行阻抗匹配，在該脈衝的高電平時段的最後時刻，阻抗匹配器21的阻抗定義為MZN+1，反應腔室60的阻抗定義為CZN+1；可調負載23的阻抗保持不變，為CZN。
在第N個脈衝的低電平時段，射頻電源10繼續連續輸出射頻功率信號；轉換開關22切換至使射頻電源10與可調負載23聯通，同時負載控制模組242調節可調負載23的阻抗自CZN至CZN+1；阻抗匹配器21繼續自動自MZN+1進行阻抗匹配，同樣地，由於該脈衝的低電平時段的最後時刻可調負載23的阻抗為CZN+1，因此，在該脈衝的低電平時段的最後時刻，阻抗匹配器21的阻抗仍然為MZN+1，也就是說，經過了該脈衝的低電平時段後，阻抗匹配器21的匹配位置不發生改變。
步驟S5，控制單元24判斷當前是否需要切換製程步驟，若是，則進入步驟S1，若否，則進入步驟S6。
步驟S6，控制單元24判斷本次製程是否結束，若是，則進入步驟S7，若否，則返回步驟S4。
步驟S7，控制單元24控制射頻電源10關閉，本次製程結束。
需要說明的是，儘管上述步驟S4是以進入脈衝模式的第一個時間段為高電平為例進行描述的；但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，在上述步驟S4中，還可以設置進入脈衝模式的第一時間段為脈衝的低電平時段，其與上述過程原理相同，在此不再詳述。
還需要說明的是，本實施例中是先在連續波模式下實現阻抗匹配之後再進入類比的脈衝波模式，在實際應用中，只要在連續波模式下和脈衝模式下實現阻抗匹配時的反應腔室60的阻抗相差不大，就可以像本實施例這樣，將可調負載23的初始阻抗設置為在連續波模式下實現阻抗匹配時的反應腔室60的阻抗，從而可以進一步快速地在脈衝模式下實現匹配。
另外，需要說明的是，在本實施例中，選擇開關為至少包括一個動觸點和兩個靜觸點的轉換開關22，但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，選擇開關還可以包括兩個獨立開關，用於分別連接在反應腔室60與射頻電源10之間的電路上以及負載電路與射頻電源10之間的電路上；開關控制模組241用於根據預設時序控制兩個獨立開關的導通和斷開。較佳地，上述獨立開關可以為諸如繼電器、二極體或射頻開關等的電子開關。
請參閱第6圖，其為本發明第三實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖。該阻抗匹配系統20設置在射頻電源10和反應腔室60之間，包括檢測單元29、阻抗匹配器21、控制單元24和固定負載28。其中，檢測單元29用於即時檢測射頻電源10的輸出信號和反射功率值，並將其發送至控制單元24；阻抗匹 配器21用於使射頻電源10的輸出阻抗與阻抗匹配系統20的輸入阻抗相匹配；固定負載28的阻抗與射頻電源10的輸出阻抗相等，例如，若射頻電源10的輸出阻抗為50歐姆，則採用阻抗為50歐姆的固定負載28。控制單元24用於按預設時序在匹配模式與保持模式之間進行切換，即，選擇性地使射頻電源10與反應腔室60聯通或使射頻電源10與固定負載28聯通。本發明實施例中，匹配模式為：控制單元24控制由射頻電源10輸出的連續波功率通過阻抗匹配器21載入至反應腔室60。保持模式為：控制單元24控制由射頻電源10輸出的連續波功率載入至固定負載28。
在進行當前製程的過程中，使射頻電源10始終輸出連續波功率，同時按預設時序將射頻電源10的連續波輸出轉換成分別供給反應腔室60和固定負載28的脈衝時序輸出，並且在射頻電源10與反應腔室60聯通時，將阻抗匹配器21的初始匹配位置設置為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的匹配位置，令其自動匹配；在射頻電源與固定負載28聯通時，令阻抗匹配器21保持當前匹配位置不變。或者，在首次匹配模式下完成阻抗匹配之後，令阻抗匹配器21始終保持當前匹配位置不變。因此，本實施例提供的阻抗匹配系統可以在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時避免產生過衝現象，並能提高匹配速度、匹配精度以及匹配的穩定性，同時降低系統成本。
第7圖為本發明第四實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖。本實施例是在上述第三實施例的基礎上，對阻抗匹配系統20的結構和功能進一步細化，且在本實施例中，選擇開關包括第一開關221和第二開關222，借助控制單元24、第一開關221和第二開關222，實現射頻電源10選擇性地與反應腔室60或固定負載28聯通。具體地，第一開關221用於接通或斷開射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路，即，第一開關221用於接通或斷開射頻電源10與反應腔室60之間的電路；第二開關222用於接通或斷開射頻電源10與固定負載28之間的電路； 控制單元24包括開關控制模組(圖未示)，用於按照預設時序控制第一開關221和第二開關222導通或斷開，以使射頻電源10與反應腔室60聯通或使射頻電源10與固定負載28聯通，具體地，用於在切換至匹配模式時，接通第一開關221，同時斷開第二開關222，此時射頻電源10的連續波功率通過阻抗匹配器21載入至反應腔室60上；以及在切換至保持模式時，接通第二開關222，同時斷開第一開關221，此時射頻電源10的連續波功率載入至固定負載28上，而阻抗匹配器21和反應腔室60均無射頻能量輸入。也就是說，控制單元24通過按預設時序控制第一開關221和第二開關222交替接通，可以實現將射頻電源10的連續波輸出轉換成分別對反應腔室60和固定負載28的脈衝時序輸出，從而可以代替現有的射頻電源的脈衝波功率輸出，即，從而僅需採用具有連續波功率輸出功能的射頻電源即可，因而可以降低射頻電源的使用成本。
此外，在開始進行製程時，控制單元24首先切換至匹配模式，以利用阻抗匹配器21在首次匹配模式下自動進行阻抗匹配，待匹配完成之後，在後續射頻電源10與反應腔室60聯通時，將阻抗匹配器21的初始匹配位置設置為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的匹配位置，令其自動匹配；在後續射頻電源10和固定負載28聯通時，令阻抗匹配器保持當前匹配位置不變。 或者，在後續的任何匹配模式或者保持模式下，均保持阻抗匹配器21的匹配位置不變，直至整個製程結束。在實際應用中，上述第一開關221和第二開關222均可以採用諸如繼電器、二極體開關或者射頻開關等的通斷開關。
在本實施例中，阻抗匹配器21包括兩個可變電容(C1、C2)和兩個控制電機(M1、M2)，其中，兩個控制電機(M1、M2)用於分別對應地調節兩個可變電容(C1、C2)的電容值。在首次匹配模式下，控制單元24基於由檢測單元29發送而來反射功率值和匹配演算法進行計算而獲得兩個可變電容(C1、C2)的電容目標值，並分別控制兩個控制電機(M1、M2)將兩個可變 電容(C1、C2)的電容值調節至等於電容目標值。該電容目標值即為可變電容在滿足射頻電源10的輸出阻抗與阻抗匹配系統20的輸入阻抗的匹配條件時的電容值。
下面結合第8圖所示的工作時序圖對本實施例提供的阻抗匹配系統的一種工作方式進行詳細描述，該工作方式中，當射頻電源10與反應腔室60聯通時，可以使阻抗匹配器21的初始匹配位置為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。如第8圖所示，預先需要設定控制單元24的預設時序，該預設時序的設定方式具體為：根據製程所需的脈衝的頻率和占空比，即，相當於現有的射頻電源輸出的脈衝波的頻率和占空比，分別計算第一開關221接通射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路的頻率和時間，第二開關222接通射頻電源10與固定負載28之間的電路的頻率和時間。將計算出的頻率和時間分別寫入控制單元24對應第一開關221和第二開關222的開關控制模組，從而可以實現按上述預設時序控制第一開關221和第二開關222各自的通斷。例如，若所需要載入脈衝的頻率為1000Hz，占空比為70%時，第一開關221在首次匹配模式下的接通時間為0.7ms，該時間即為第二開關222的斷開時間；第二開關222在保持模式下的接通時間為0.3ms，該時間即為第一開關221的斷開時間，同時第一開關221和第二開關222的通斷頻率均為1000Hz，在進行製程的過程中，控制單元24根據第一開關221和第二開關222的上述接通/斷開時間和頻率控制二者的通斷。在實際應用中，按製程所需的脈衝的頻率可以根據具體情況設定為400KHz、2MHz、13MHz、27MHz、40MHz、60MHz或者其他頻率，本發明對此沒有特別限制。
當製程開始時，開啟射頻電源10，並始終保持該射頻電源10輸出連續波功率。同時，控制單元24首先切換至匹配模式，此時接通第一開關221，同時斷開第二開關222，檢測單元29自動檢測射頻電源10的輸入信號和反射功率 值，並將其發送至控制單元24；控制單元24在接收到該輸入信號和反射功率值時，根據該反射功率值和預設的匹配演算法進行計算，具體來說，計算出兩個可變電容(C1、C2)的電容目標值，並將其分別與兩個可變電容(C1、C2)的當前電容值進行差比較，並根據比較結果分別向兩個控制電機(M1、M2)發送控制信號；兩個控制電機(M1、M2)根據該控制信號分別調節兩個可變電容(C1、C2)的電容值，直至與電容目標值相等，從而使射頻電源10的輸出阻抗與阻抗匹配系統20的輸入阻抗完成匹配，即，阻抗匹配器21完成阻抗匹配工作。
待阻抗匹配器21完成阻抗匹配工作之後，控制單元24切換至保持模式，此時接通第二開關222，同時斷開該第一開關221，射頻電源10的連續波功率載入至固定負載28上，而阻抗匹配器21和反應腔室60均無射頻能量輸入。 在後續過程中，如第8圖所示，射頻電源10仍然輸出連續波功率，並且在第一開關221處於閉合狀態、第二開關222處於斷開狀態時，即，使射頻電源10與反應腔室60聯通時，使阻抗匹配器21的初始匹配位置為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的匹配位置；在第一開關221處於斷開狀態、第二開關222處於閉合狀態時，控制阻抗匹配器21保持當前的匹配位置不變。控制單元24通過按預設時序控制第一開關221和第二開關222交替接通，可以實現將射頻電源10的連續波輸出轉換成分別對阻抗匹配器21和反應腔室60的脈衝時序輸出，直至當前製程結束。當製程步驟需要切換時，需關閉射頻電源10，並重新開始整個脈衝時序輸出，以及阻抗匹配器21重新進行阻抗匹配。
在實際應用中，在進行首次匹配模式時，若出現第一開關221接通的時間不足以滿足阻抗匹配器21完成阻抗匹配工作的情況，即，在第一開關221接通的時間內，阻抗匹配器21未達到匹配狀態，可以適當延長第一開關221接通的時間，直至阻抗匹配器21完成阻抗匹配工作之後，再斷開第一開關221，同時接通第二開關222。
需要說明的是，在本實施例中，阻抗匹配器21採用“L”型匹配網路結構，即利用兩個可變電容(C1、C2)和兩個控制電機(M1、M2)實現阻抗匹配。但是本發明並不侷限於此，在實際應用中，匹配器還可以根據具體情況採用“倒L”型、“T”型、“π”型或者其他任意型匹配網路結構。
第9圖為本發明第五實施例提供的阻抗匹配系統的原理框圖。請參閱第9圖，本實施例提供的阻抗匹配系統與上述第四實施例相比，其區別僅在於：使用轉換開關22代替上述第一開關221和第二開關222。在本實施例中，借助控制單元24和轉換開關22，實現射頻電源10選擇性地與反應腔室60和固定負載28聯通。具體地，轉換開關22用於選擇性地將射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路或者射頻電源10與固定負載28之間的電路接通。控制單元24用於在匹配模式下，控制轉換開關22將射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路接通；在保持模式下，控制轉換開關22將射頻電源10與固定負載28之間的電路接通。
與上述第四實施例中的第一開關221和第二開關222的接通時間和頻率的設定相類似的，控制單元24的預設時序的設定方式為：根據按製程所需的脈衝的頻率和占空比，分別計算轉換開關22接通射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路的頻率和時間，以及接通射頻電源10與固定負載28之間的電路的頻率和時間。
需要說明的是，在上述第三至第五實施例中，負載電路中僅設置固定負載28，並且，阻抗匹配器21和反應腔室60串聯後再與該固定負載28並聯，而後再經由選擇開關而連接到射頻電源10的後端，所謂後端，是基於電路中功率的傳輸方向而言的，即沿功率的傳輸方向位於射頻電源10的輸出端。
還需要說明的是，在上述第三至第五實施例中，控制單元24的功能包括：用於寫入第一開關221和第二開關222的頻率和時間的讀寫功能；控制第一開關221和第二開關222的通斷；以及，計算並控制阻抗匹配器21的匹配工 作或者保持匹配位置不變。在實際應用中，可以在首次匹配成功之後的各個匹配模式和保持模式時，使阻抗匹配器21始終保持在首次匹配成功時的匹配位置；也可以在射頻電源10與反應腔室60聯通時，將阻抗匹配器21的初始匹配位置設置為射頻電源10與反應腔室60上一次聯通時的最後時刻的匹配位置，這樣可以在製程過程中即時進行匹配，從而進一步提高匹配的速度和精度。
作為另一個技術方案，本發明實施例還提供一種半導體加工裝置，其包括射頻電源、反應腔室以及設置在二者之間的阻抗匹配系統，該阻抗匹配系統可以採用本發明上述實施例提供的阻抗匹配系統。
在實際應用中，半導體加工裝置可以是電感耦合電漿加工裝置或電容耦合電漿加工裝置。
本發明實施例提供的半導體加工裝置，其採用本發明上述實施例提供的阻抗匹配系統，這樣，射頻電源始終工作在連續波模式下，通過控制射頻電源按照預設時序在與反應腔室聯通和與負載電路聯通之間切換，使得反應腔室實際獲得的功率信號為脈衝射頻功率信號，從而可以在不另外設置脈衝射頻電源的情況下，使反應腔室能夠獲得脈衝射頻功率信號，從而降低系統成本，同時在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時能夠避免現有技術中那種載入直接來自脈衝射頻電源的脈衝射頻功率信號時帶來的過衝現象；並且，由於阻抗匹配器在射頻電源切換至與反應腔室聯通時能夠自動進行阻抗匹配，因此可以提高匹配的穩定性及匹配精度。
作為再一個技術方案，本發明實施例還提供一種阻抗匹配方法，該方法所應用的阻抗匹配系統包括阻抗匹配器，阻抗匹配器分別與射頻電源和反應腔室聯通，用於對射頻電源的輸出阻抗與阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配，該阻抗匹配方法包括以下步驟： 按照預設時序控制射頻電源選擇性地在與反應腔室聯通和與負載電路聯通，以通過阻抗匹配器將射頻電源的連續波輸出轉換成脈衝輸出後載入至反應腔室，其中，負載電路是射頻電源的除反應腔室之外另一路負載；並且在射頻電源與反應腔室聯通時，阻抗匹配器自動進行阻抗匹配。
在實際應用中，較佳地，阻抗匹配方法還包括判斷是否需要切換製程步驟，若是，則需要關閉射頻電源，並重新開始整個脈衝時序輸出，以及阻抗匹配器重新進行阻抗匹配；若否，則判斷是否結束製程，若判斷製程尚未結束，則繼續執行上述阻抗匹配方法；若判斷製程已經結束，則關閉射頻電源並結束製程過程。
在實際應用中，在負載電路上設置有可調負載的情況下；當射頻電源與負載電路聯通時，將可調負載的阻抗調節為預設阻抗，其中，預設阻抗為射頻電源與反應腔室上一次聯通時的最後時刻的反應腔室的輸入阻抗。
在實際應用中，在負載電路上僅設置有固定負載的情況下，當射頻電源與反應腔室聯通時，可以使阻抗匹配器的初始匹配位置為射頻電源與反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置；也可以在首次匹配成功之後的各個匹配模式和保持模式時，使阻抗匹配器始終保持在首次匹配成功時的匹配位置。
下面以採用上述第四實施例提供的阻抗匹配系統進行阻抗匹配為例，對本發明實施例提供的阻抗匹配方法進行詳細描述。本實施例中，該阻抗匹配系統採用不同於第8圖所示方式的另一種工作方式：即，在首次匹配成功之後的各個匹配模式和保持模式時，使阻抗匹配器21始終保持在首次匹配成功時的匹配位置。請參閱第10圖，在開始製程之前，預先根據按製程所需的脈衝的頻率和占空比，計算出第一開關221接通射頻電源10與阻抗匹配器21之間的電路的頻率和時間。並且，射頻電源10處於關閉狀態；第一開關221和第二開關222 均處於斷開狀態；阻抗匹配器21處於自動匹配模式。然後，在開始當前製程的過程中，依次進行下述操作。
第一階段，開啟射頻電源10，並始終保持該射頻電源10輸出連續波功率。接通第一開關221，同時斷開第二開關222，阻抗匹配器21處於自動匹配模式，即，進行阻抗匹配工作。然後，判斷射頻電源10的輸出阻抗與阻抗匹配器21的輸入阻抗是否完全匹配，若是，則進入下述第二階段，若否，則重新進行第一階段。
第二階段，控制單元24按預設時序在保持模式與匹配模式之間進行切換，即，按預設時序控制第一開關221和第二開關222交替接通，以實現將射頻電源10的連續波輸出轉換成分別對阻抗匹配器21和反應腔室60的脈衝時序輸出。同時，始終保持該射頻電源10輸出連續波功率，且控制阻抗匹配器21保持當前的匹配位置不變，直至完成當前製程。
第三階段，判斷是否需要切換製程步驟，若是，則需要關閉射頻電源10，並重新開始整個脈衝時序輸出，以及使阻抗匹配器21重新進行阻抗匹配，即重複上述第一階段的工作過程；若否，則判斷是否結束製程，若製程未結束，則進入上述第二階段的工作過程，若製程結束，則關閉射頻電源10。
本發明實施例提供的阻抗匹配方法，與現有技術相比，由於不採用射頻電源直接輸出脈衝射頻功率信號，因此可以在向反應腔室載入脈衝射頻功率信號時能夠避免現有技術中那種載入直接來自脈衝射頻電源的脈衝射頻功率信號時帶來的過衝現象。並且，由於阻抗匹配器在射頻電源切換至與反應腔室聯通時自動進行阻抗匹配，因此，在類比的脈衝模式下可改善匹配不穩定、不重複的現象，從而可以保證匹配精度和速度。進一步地，由於不需要昂貴的具有脈衝模式功能的射頻電源，因而可以降低成本、提高經濟效益。
可以理解的是，本發明中，所謂自動匹配，應當包含下述情形：通過使阻抗匹配器的可調阻抗的匹配位置不變而實現匹配，或者，通過改變阻抗匹配器的可調阻抗的匹配位置而實現匹配。也就是說，本發明中，無論是否需要調整阻抗匹配器的可調阻抗的匹配位置，只要能夠實現射頻電源的輸出阻抗和阻抗匹配器的輸入阻抗二者相匹配的目的，就都視為自動對射頻電源的輸出阻抗和阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配。
還可以理解的是，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。
10‧‧‧射頻電源
20‧‧‧阻抗匹配系統
21‧‧‧阻抗匹配器
22‧‧‧轉換開關
23‧‧‧可調負載
24‧‧‧控制單元
29‧‧‧檢測單元
60‧‧‧反應腔室
241‧‧‧開關控制模組
242‧‧‧負載控制模組
243‧‧‧匹配控制模組
C1‧‧‧固定電容
C2‧‧‧可變電容
M1、M2‧‧‧驅動電機

Claims (16)

  1. 一種控制阻抗匹配的系統，包括：阻抗匹配器，該阻抗匹配器設置在射頻電源和反應腔室之間並能夠分別與二者聯通，其特徵在於，該控制阻抗匹配的系統還包括：選擇開關和與該選擇開關相連的負載電路，該選擇開關用於使該射頻電源能夠選擇性地與該反應腔室或該負載電路聯通；以及控制單元，能夠至少與該阻抗匹配器和該選擇開關分別聯通，用於對該射頻電源的輸出阻抗和該阻抗匹配器的輸入阻抗之間的阻抗匹配進行控制，以及該控制單元用於按照預設時序控制該選擇開關使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通，以將該射頻電源提供給該反應腔室的連續波輸出轉換成脈衝形式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該負載電路上設置有可調負載；並且該控制單元包括：開關控制模組，用於按照預設時序控制該選擇開關能夠使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通；負載控制模組，用於在該選擇開關使該射頻電源與該負載電路聯通時，將該可調負載的阻抗調節為預設阻抗，該預設阻抗為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的反應腔室的輸入阻抗。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該可調負載與該反應腔室並聯後經由該選擇開關連接到該阻抗匹配器的後端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該負載電路上僅設置有固定負載；並且 該控制單元包括開關控制模組，用於按照預設時序控制該選擇開關能夠使該射頻電源與該反應腔室聯通或使該射頻電源與該負載電路聯通。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該阻抗匹配器和該反應腔室串聯後再與該固定負載並聯，並經由該選擇開關連接到該射頻電源的後端。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該控制單元還用於在該選擇開關使該射頻電源與該反應腔室聯通時，使該阻抗匹配器的初始匹配位置為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。
  7. 如申請專利範圍第2項或第4項所述的控制阻抗匹配的系統，其中包括檢測單元，且該控制單元還包括匹配控制模組，該阻抗匹配器包括阻抗調節單元和執行單元，其中該阻抗調節單元設置在該射頻電源和該反應腔室之間的傳輸線上；該檢測單元用於檢測該阻抗調節單元前端的該傳輸線上的信號並將其發送至該匹配控制模組；該匹配控制模組用於根據該檢測單元發送來的信號獲得控制信號，並將該控制信號發送至該執行單元；該執行單元用於根據該控制信號調節該阻抗調節單元的阻抗，以進行阻抗匹配。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該選擇開關的初始狀態預設為使該射頻電源與該反應腔室聯通；該匹配控制模組還用於在該選擇開關為初始狀態條件下根據該檢測單元發送來的信號即時判斷當前是否匹配成功，若是，則向該開關控制模組發送啟動指令；若否，則繼續進行阻抗匹配。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該阻抗調節單元包括可調電容；該執行單元包括驅動電機，用於調節該可調電容接入到電路中的電容值。
  10. 如申請專利範圍第2項或第4項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該選擇開關包括：兩個獨立開關，用於分別連接在該反應腔室與該射頻電源之間的電路上以及該負載電路與該射頻電源之間的電路上；該開關控制模組用於根據該預設時序選擇控制該兩個獨立開關的導通和斷開。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該獨立開關為繼電器、二極體或射頻開關。
  12. 如申請專利範圍第2項或第4項所述的控制阻抗匹配的系統，其中，該選擇開關包括轉換開關，該轉換開關至少包括一個動觸點和兩個靜觸點，該動觸點連接該射頻電源，且其中一個靜觸點連接在用於與該反應腔室相連的電路上，其中另一個靜觸點連接在該負載電路上。
  13. 一種控制阻抗匹配的方法，用於對射頻電源的輸出阻抗與阻抗匹配器的輸入阻抗進行阻抗匹配，包括，在所述射頻電源與反應腔室聯通時，對所述射頻電源的輸出阻抗與所述阻抗匹配器的輸入阻抗自動進行阻抗匹配，其特徵在於，該控制阻抗匹配的方法包括以下步驟：設置獨立於反應腔室的負載電路；按照預設時序使該射頻電源在與該反應腔室聯通與該負載電路聯通之間切換，將該射頻電源提供給該反應腔室的連續波輸出轉換成脈衝形式。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的控制阻抗匹配的方法，其中，在該負載電路上設置有可調負載的情況下；當該射頻電源與該負載電路聯通時，將該可 調負載的阻抗調節為預設阻抗，該預設阻抗為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的反應腔室的輸入阻抗。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的控制阻抗匹配的方法，其中，在該負載電路上僅設置有固定負載的情況下，當該射頻電源與該反應腔室聯通時，使該阻抗匹配器的初始匹配位置為該射頻電源與該反應腔室上一次聯通時的最後時刻的匹配位置。
  16. 一種半導體加工裝置，包括控制阻抗匹配的系統、射頻電源和反應腔室，該控制阻抗匹配的系統設置在該射頻電源和該反應腔室之間，其特徵在於，該控制阻抗匹配的系統採用申請專利範圍第1項至第12項任意一項所述的控制阻抗匹配的系統。
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