CN105097396A - 一种阻抗匹配装置及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阻抗匹配装置及半导体加工设备，该阻抗匹配装置，用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，匹配网络中包括阻抗可调元件，阻抗可调元件包括相互并联的电容选择单元和可变电容，电容选择单元包括相互串联的通断开关和固定电容，通断开关用于导通或关断与之串联的固定电容所在电路，通过控制阻抗可调元件的通断开关的导通或断开以及通过调节可变电容的容值，来实现调节该阻抗可调元件的总容值，以改变射频电源的负载阻抗。本发明提供的阻抗匹配装置，其可以提高阻抗匹配效率，因而可以在工艺切换等情况下可以快速实现匹配，从而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

Description

一种阻抗匹配装置及半导体加工设备

技术领域

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种阻抗匹配装置及半导体加工设备。

背景技术

随着微机电系统(MicroelectromechanicalSystems，以下简称MEMS)的发展，等离子体深硅刻蚀技术因其具有更快的刻蚀速率、更高的选择比及更大的深宽比的优势而被广泛应用。深硅刻蚀技术的基本原理包括：沉积步骤，即：在侧壁上沉积聚合物，以形成钝化膜；刻蚀步骤，即：同时对钝化膜和硅片进行定向刻蚀；并且沉积步骤和刻蚀步骤交替循环直至到达深硅刻蚀的要求。

图1为等离子体刻蚀系统的原理框图。请参阅图1，等离子体刻蚀系统包括射频电源10、阻抗匹配装置11和反应腔室12，其中，射频电源10通过阻抗匹配装置11与反应腔室12电连接，用以向反应腔室12输出射频功率，以激发反应腔室12内的反应气体形成等离子体；阻抗匹配装置11用于实现射频电源10的特征阻抗(一般为50Ω)与负载阻抗匹配，以使射频电源10输出的射频功率能够全部传输至反应腔室12；阻抗匹配装置11包括检测单元111、控制器112、驱动器113和匹配网络114，其中，检测单元111用于检测射频电源10的传输线上的电压信号和电流信号，并将电压信号和电流信号转化为数字信号且发送至控制器112，控制器112根据该数字信号进行控制算法计算得到射频电源10的当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值获得有关驱动器113(例如，步进电机)的控制参数(例如，转动方向、转动速率和转动距离)，驱动器113根据该控制参数调节匹配网路114中的阻抗可调元件(例如，可变电容)的容值，以改变射频电源10的负载阻抗直至与射频电源10的特征阻抗相匹配，从而实现阻抗匹配装置11对射频电源的特征阻抗和负载阻抗自动阻抗匹配。

然而，采用上述阻抗匹配装置11在实际应用中往往会存在以下问题：

上述阻抗匹配装置11借助步进电机转动的机械调节方式来带动阻抗可调元件的可变电容的容值变化的方式实现阻抗匹配，其阻抗匹配时间由阻抗可调元件的匹配位置、阻抗可调元件的预设原始位置、当前负载阻抗与特征阻抗的差值和步进电机的转动速率决定，这些因素会造成阻抗匹配时间较长，一般为秒级别，因此，在深硅刻蚀工艺的刻蚀步骤和沉积步骤切换时采用上述阻抗匹配装置11会造成匹配时间为秒级别，这相对单次刻蚀步骤和沉积步骤的工艺时间一般仅在1～4秒而言，阻抗匹配的时间较长，从而造成工艺的稳定性低和工艺质量差。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种阻抗匹配装置及半导体加工设备，其可以提高阻抗匹配效率，因而可以在工艺切换等情况下快速实现匹配，从而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

为解决上述问题，本发明提供一种阻抗匹配装置，用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，所述匹配网络中包括阻抗可调元件，所述阻抗可调元件包括相互并联的电容选择单元和可变电容，其中，所述电容选择单元包括相互串联的通断开关和固定电容，所述通断开关用于导通或关断与之串联的所述固定电容所在电路，通过控制所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或断开以及通过调节所述可变电容的容值，来实现调节该阻抗可调元件的总容值，以改变所述射频电源的负载阻抗。

其中，还包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，所述检测单元用于检测所述射频电源传输线上的电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转化成数字信号发送至所述控制单元；所述控制单元用于根据该数字信号进行阻抗匹配运算，以获得当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值控制所述匹配网络中所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行粗调；以及控制所述执行单元来调节该阻抗可调元件中的所述可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行微调。

其中，所述通断开关包括射频继电器或者PIN二极管。

其中，所述固定电容的容值设置为预设步长的整数倍，所述预设步长预设为在毫秒级别时间内可调节所述可变电容的容值大小。

其中，还包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，所述检测单元用于检测所述射频电源传输线上的电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转化成数字信号发送至所述控制单元；所述控制单元用于根据该数字信号进行阻抗匹配运算，以获得当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值控制所述匹配网络中所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行容值为所述预设步长的整数倍的粗调；以及控制所述执行单元来调节该阻抗可调元件中的所述可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行微调。

其中，所述阻抗可调元件包括至少两个相互并联的所述电容选择单元，各个所述电容选择单元中的所述固定电容的容值不同。

其中，所述执行单元包括步进电机。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室、射频电源和阻抗匹配装置，所述阻抗匹配装置连接在所述射频电源和所述反应腔室之间，用以实现所述射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，所述阻抗匹配装置采用本发明提供的上述阻抗匹配装置。

其中，所述半导体加工设备为等离子体深硅刻蚀设备。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的阻抗匹配装置，其匹配网络中的阻抗可调元件包括相互并联的电容选择单元和可变电容，电容选择单元包括相互串联的通断开关和固定电容，通断开关用于导通或关断与之串联的固定电容所在电路，这使得该阻抗可调元件的总容值等于相互并联且导通的固定电容的容值和可变电容的当前容值之和，因此可以通过控制阻抗可调元件的通断开关的导通或关断以及通过调节可变电容的容值，来实现调节该阻抗可调元件的总容值，以改变射频电源的负载阻抗，直至与射频电源的特征阻抗相匹配，由上可知，借助控制通断开关的导通或关闭来调节阻抗可调元件的总容值，这与现有技术中仅借助步进电机转动的机械调节方式调节可变电容而导致匹配时间为秒级别相比，可以减小匹配时间，因而可以提高阻抗匹配效率，从而可以在工艺切换等情况下快速实现阻抗匹配，进而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明提供的阻抗匹配装置，可以提高阻抗匹配效率，因而可以在工艺切换等情况下快速实现阻抗匹配，从而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

附图说明

图1为等离子体刻蚀系统的原理框图；

图2为本发明实施例提供的阻抗匹配装置的原理框图；

图3为在等离子体深硅刻蚀工艺中应用图2所示的阻抗匹配装置的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种阻抗匹配装置及半导体加工设备进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的阻抗匹配装置的原理框图。请参阅图2，本实施例提供的阻抗匹配装置用于实现射频电源RF的特征阻抗(一般为50Ω)和负载阻抗相匹配，包括匹配网络20、检测单元21、控制单元22和执行单元23。其中，匹配网络20中包括阻抗可调元件201，阻抗可调元件201包括相互并联的电容选择单元和可变电容，电容选择单元包括相互串联的通断开关K和固定电容C，通断开关K用于导通或关断与之串联的固定电容C所在电路，具体地，通断开关K包括射频继电器或者PIN二极管，在这种情况下，该阻抗可调元件201的总容值等于相互并联且导通的固定电容C的容值和可变电容的当前容值之和，因此可以通过控制阻抗可调元件201的通断开关K的导通或断开以及通过调节可变电容的容值，来实现调节该阻抗可调元件201的总容值，以改变射频电源RF的负载阻抗，直至与射频电源RF的特征阻抗相匹配，由上可知，借助控制通断开关K的导通或关闭来调节阻抗可调元件201的总容值，这与现有技术中仅借助步进电机转动的机械调节方式调节可变电容而导致阻抗匹配时间为秒级别相比，可以减小匹配时间，因而可以提高阻抗匹配效率，从而可以在工艺切换等情况下快速实现阻抗匹配，进而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

在本实施例中，阻抗可调元件201包括至少两个相互并联的电容选择单元，各个电容选择单元中的固定电容C的容值不同。具体的，如图2所示，匹配网络20采用“L”型匹配网络，其包括在射频电源RF的传输线上依次串联的第一阻抗可调元件2011和固定电感L，以及一端连接在射频电源RF和第一阻抗可调元件之间的传输线上，另一端接地的第二阻抗可调元件2012，其中，第一阻抗可调元件2011包括可变电容C1以及四个相互并联的电容选择单元，四个相互并联的电容选择单元分别为相互串接的通断开关k11和固定电容c11、通断开关k12和固定电容c12、通断开关k13和固定电容c13、通断开关k14和固定电容c14，其中，固定电容c11-c14的容值不同；第二阻抗可调元件2012包括可变电容C2和四个相互并联的电容选择单元，四个相互并联的电容选择单元分别为相互串接的通断开关k21和固定电容c21、通断开关k22和固定电容c22、通断开关k23和固定电容c23、通断开关k24和固定电容c24，其中，固定电容c21-c24的容值不同。在这种情况下，例如，可以控制第一阻抗可调元件2011的通断开关k11和k12导通以及通断开关k13和k14关断，即，选择性地控制各个通断开关K的导通和关断，使得该第一该阻抗可调元件2011的总容值等于固定电容c11和c12的容值和可变电容C1的当前容值之和。在实际应用中，匹配网络20也可以采用“L”型或者“π”型等其他电路形式。

在工艺的过程中，优选地，可以通过控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或断开来实现对该阻抗可调元件201的总容值进行粗调，以及通过调节该阻抗可调元件201中的可变电容的容值，来实现对该阻抗可调元件201的总容值进行微调。所谓粗调是指对阻抗可调元件201的总容值进行较大范围的调整；所谓微调是指对阻抗可调元件201的总容值进行较小范围的调整，例如，为实现阻抗可调元件201的总容值为230pF，则可以先粗调200pF，再微调30pF(前提为可变电容的初始容值为0pF)。由上可知，通过控制通断开关K的导通或断开进行大范围的调整，通过驱动机构转动来调节可变电容的容值进行小范围的调整，可以进一步减少匹配时间，从而可以进一步提高匹配效率。在实际应用中，应该具体设定进行微调的范围，以保证匹配速率满足要求。

在本实施例中，检测单元21用于检测射频电源RF传输线上的电压信号和电流信号，并将电压信号和电流信号转化成数字信号发送至控制单元22，具体地，检测单元21包括传感器；控制单元22用于根据该数字信号进行阻抗匹配运算，以获得当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件201的总容值进行粗调；以及控制执行单元23来调节该阻抗可调元件201中的可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件201的总容值进行微调，以改变该阻抗可调元件201的总容值，因而改变射频电源RF的负载阻抗，直至与射频电源RF的特征阻抗(一般为50Ω)相匹配，从而采用本实施例提供的阻抗匹配装置可以实现自动阻抗匹配。具体地，控制单元22为DSP控制器，执行单元23包括诸如步进电机的驱动机构。

在本实施例中，优选地，阻抗匹配装置中阻抗可调元件201的固定电容C的容值设置为预设步长的整数倍，预设步长预设为在毫秒级别时间内可调节可变电容的容值大小，具体地，预设步长预设为执行单元在毫秒级别时间内调节可变电容的容值，当执行单元为步进电机时，由于步进电机执行一步时所需要的时间一般为毫秒级别，因此，预设步长通常设置为步进电机执行一步对应调节的可变电容的容值大小，例如，当步进电机的频率为0.5kHz，可变电容的容值范围为1500pF时，步进电机执行一步需要时间为50ms，对应可调节可变电容的容值大小为25pF，因此，预设步长设置为25pF。

在上述情况下，控制单元22根据当前负载阻抗与特征阻抗的差值控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件201的总容值进行容值为预设步长的整数倍的粗调；以及控制执行单元23来调节该阻抗可调元件201中的可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件201的总容值进行微调。例如，在等离子体深硅刻蚀工艺中，阻抗可调元件201容值的范围一般在25～375pF，预设步长为25pF；具体地，如图2所示，各个固定电容c11～c14(固定电容c21～c24)的容值分别为预设步长25pF的整数倍，为25pF、50pF、100pF和200pF；例如，当为实现第一阻抗调节元件2011的容值为175pF时，控制通断开关K11、K12和K13导通即可，即，进行容值为预设步长25pF的整数倍的粗调即可；再如，当为实现第一阻抗调节元件2011的容值为400pF时，不仅需要控制通断开关K11、K12、K13和K14导通，即，进行容值为预设步长25pF的整数倍的粗调，还需要控制执行单元23来调节可变电容C1的容值为25pF(前提为可变电容C1的初始容值为0pF)，即，在预设步长25pF范围内进行微调。

下面详细描述在等离子体深硅刻蚀工艺中应用本发明实施例提供的阻抗匹配装置的具体过程。具体地，请参阅图3，等离子体深硅刻蚀工艺过程包括以下步骤：

步骤S1，判断射频电源RF是否开启，若开启，则进入步骤S2，若否，则进入步骤S8；

步骤S2，在射频电源RF起辉以形成等离子的过程中，阻抗匹配装置通过控制单元22控制执行单元23来调节可变电容的容值来进行自动阻抗匹配；

步骤S3，判断在起辉过程中是否实现阻抗匹配，若是，则进入步骤S4，若否，则进入步骤S2；

步骤S4，进入刻蚀步骤，在刻蚀的过程中判断是否实现阻抗匹配，若是，则进入步骤S5；若否，则进入步骤S7；

步骤S5，进入沉积步骤，在沉积的过程中判断是否实现阻抗匹配，若是，则进入步骤S6；若否，则进入步骤S7；

步骤S6，判断刻蚀步骤和沉积步骤交替循环的次数是否到达预设循环次数，若是，则工艺结束；若否，则进入步骤S4；

步骤S7，阻抗匹配装置通过控制单元22选择性地控制阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件201进行容值为预设步长的整数倍的粗调；以及控制执行单元23来调节该阻抗可调元件201中的可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件201进行容值的微调，从而可以实现自动阻抗匹配；

步骤S8，阻抗匹配装置通过控制单元22控制执行单元23来调节可变电容到达其预设初始值，和/或，控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，以使各个通断开关K位于预设开关状态(即，导通或者关断)。

容易理解，在本实施例中，由于执行单元23采用步进电机，根据步进电机的特性，使得通过步进电机对可变电容进行预设步长整数倍的微调，也就是说，通过控制通断开关K的导通或断开实现预设步长整数倍的大范围调节，以及通过步进电机对可变电容进行预设步长整数倍的小范围的调节，该步进电机执行一步使可变电容C1的容值调节预设步长25pF仅需要50ms，因此，这可以使得微调快速地实现，因而可以满足实现快速匹配的要求。在实际应用中，预设步长的设置可根据执行单元23、可变电容的参数设置以满足快速实现阻抗匹配的要求。

需要说明的是，上述过程只是在等离子体深硅刻蚀工艺中应用本发明实施例提供的阻抗匹配装置的一种具体过程。在实际应用中，也可以在步骤S2中仅通过控制单元22控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，或者，在步骤S2中还包括通过控制执行单元23来调节可变电容的容值实现自动阻抗匹配；另外，也可以在步骤S7中仅通过控制单元22控制匹配网络20中阻抗可调元件201的通断开关K的导通或关断，来实现对阻抗可调元件201的总容值进行调节。

还需要说明的是，在本实施例中，“L”匹配网络20中的各个可变电容均采用本实施例提供的阻抗可调元件201。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以根据实际情况确定匹配网络20中至少一个可变电容采用本实施例提供的阻抗可调元件201。

另外需要说明的是，在本实施例中，当针对其他对匹配速率要求较低的工艺过程(例如，一般单步刻蚀工艺)时，可以控制阻抗调节单元中的各个通断开关K始终保持导通或者关断，使得相互导通的固定电容C与可变电容并联，这可以扩大匹配网络20的负载覆盖范围，因而可以避免因工艺条件或者线圈等硬件的改造而造成匹配网络20无法满足要求，即，可以避免因工艺条件或者线圈等硬件的改造而需要对匹配网络进行改造，从而可以提高阻抗匹配装置的实用性。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室、射频电源和阻抗匹配装置，阻抗匹配装置连接在射频电源和反应腔室之间，用以实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，以使射频电源输出的射频功率全部输出至反应腔室内激发反应气体形成等离子体，其中，阻抗匹配装置采用本发明上述实施例提供的阻抗匹配装置。

在本实施例中，半导体加工设备为等离子体深硅刻蚀设备，具体工艺过程参见本发明上述实施例中在等离子体深硅刻蚀工艺中应用本发明实施例提供的阻抗匹配装置的具体过程的描述，在此不再赘述。

本实施例提供的半导体加工设备，其采用本发明上述实施例提供的阻抗匹配装置，可以提高阻抗匹配效率，因而可以在工艺切换等情况下快速实现阻抗匹配，从而可以提高工艺的稳定性和工艺效果。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种阻抗匹配装置，用于实现射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，包括匹配网络，所述匹配网络中包括阻抗可调元件，其特征在于，所述阻抗可调元件包括相互并联的电容选择单元和可变电容，其中，

所述电容选择单元包括相互串联的通断开关和固定电容，所述通断开关用于导通或关断与之串联的所述固定电容所在电路，通过控制所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或断开以及通过调节所述可变电容的容值，来实现调节该阻抗可调元件的总容值，以改变所述射频电源的负载阻抗。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，还包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，

所述检测单元用于检测所述射频电源传输线上的电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转化成数字信号发送至所述控制单元；

所述控制单元用于根据该数字信号进行阻抗匹配运算，以获得当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值控制所述匹配网络中所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行粗调；以及控制所述执行单元来调节该阻抗可调元件中的所述可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行微调。

3.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述通断开关包括射频继电器或者PIN二极管。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述固定电容的容值设置为预设步长的整数倍，所述预设步长预设为在毫秒级别时间内可调节所述可变电容的容值大小。

5.根据权利要求4所述的阻抗匹配装置，其特征在于，还包括检测单元、控制单元和执行单元，其中，

所述检测单元用于检测所述射频电源传输线上的电压信号和电流信号，并将所述电压信号和电流信号转化成数字信号发送至所述控制单元；

所述控制单元用于根据该数字信号进行阻抗匹配运算，以获得当前负载阻抗与特征阻抗的差值，并根据该差值控制所述匹配网络中所述阻抗可调元件的所述通断开关的导通或关断，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行容值为所述预设步长的整数倍的粗调；以及控制所述执行单元来调节该阻抗可调元件中的所述可变电容的容值，以实现对该阻抗可调元件的总容值进行微调。

6.根据权利要求1或4所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗可调元件包括至少两个相互并联的所述电容选择单元，各个所述电容选择单元中的所述固定电容的容值不同。

7.根据权利要求2或5所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述执行单元包括步进电机。

8.一种半导体加工设备，包括反应腔室、射频电源和阻抗匹配装置，所述阻抗匹配装置连接在所述射频电源和所述反应腔室之间，用以实现所述射频电源的特征阻抗和负载阻抗相匹配，其特征在于，所述阻抗匹配装置采用权利要求1-7任意一项所述的阻抗匹配装置。

9.根据权利要求8所述的半导体加工设备，其特征在于，所述半导体加工设备为等离子体深硅刻蚀设备。