一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法及射频脉冲系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法，该方法包括：S1、根据预先获取的阻抗匹配时所述反应腔的阻抗变化规律和当前脉冲期间阻抗匹配时所述反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间且阻抗匹配时，所述反应腔的阻抗的预测范围；S2、根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围，调节所述脉冲扫频电源的频率和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述匹配网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。相应地，本发明还提供一种射频脉冲系统。本发明能够实现射频脉冲系统中脉冲扫频电源和匹配网络的阻抗与反应腔的阻抗的快速匹配，同时能够延长匹配网络中真空电容的使用寿命。
【专利说明】-种射频脉冲系统的阻抗匹配方法及射频脉冲系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域中的脉冲射频技术，尤其涉及一种射频脉冲系统的阻 抗匹配方法及射频脉冲系统。
【背景技术】
[0002] 在半导体制造领域中，常需要用射频激发等离子体来完成相应工艺，其应用环境 通常如图1所示，射频电源1将射频能量射频电源将射频能量通过匹配器2传输至反应腔 3,在反应腔3内射频能量将具有一定气压的气体巧日氮气、氮气等）激发为等离子体进行相 应的刻蚀、清洗、锻膜等工艺。通常，射频电源的输出阻抗为某一特定阻值(一般为50 Q )，而 反应腔的阻抗不等于射频电源的输出阻抗，该样射频功率将不能全部传输至反应腔，导致 等离子体激发效率变低甚至不能激发等离子体，匹配器的作用就是使得反应腔与射频电源 之间的阻抗匹配，W将射频电源功率全部输送至反应腔。
[0003] 现有的阻抗匹配技术如图2所示，其中Z1和Z2阻抗可调元件，该现有技术的工作 原理是幅值相位检测模块4不断的对射频环路进行阻抗检测并将检测结果传输至控制单 元5,控制单元5通过检测结果，控制电机6和电机7转动W调节Z1和Z2的阻抗值，使得射 频环路与射频电源的阻抗匹配。
[0004] 在某些特定的工艺中，通过射频脉冲系统来激发等离子体，即W脉冲形式发送射 频。然而，上述现有技术依靠的是由电机带动的机械调节，匹配时间较长，应用在射频脉冲 系统的阻抗匹配时，其匹配速度往往跟不上脉冲的变化，会造成系统失配。例如，当脉冲频 率为化Hz时要求匹配速度为1ms，而机械调节的方式无法满足该一要求。此外，上述现有技 术应用于射频脉冲匹配时，真空电容会长时间的持续转动，导致真空电容的使用寿命缩短。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法和一种射频 脉冲系统，已能够实现射频脉冲系统中脉冲扫频电源和匹配网络的阻抗与反应腔的阻抗的 快速匹配。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法，所述射频脉冲 系统包括脉冲扫频电源、反应腔和匹配网络，所述匹配网络电连接在所述脉冲扫频电源与 所述反应腔之间，所述脉冲扫频电源的频率能够在预设频率范围内调节，所述匹配网络包 括阻抗可调元件，所述阻抗匹配方法包括：
[0007] S1、根据预先获取的阻抗匹配时所述反应腔的阻抗变化规律和当前脉冲期间阻抗 匹配时所述反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间且阻抗匹配时，所述反应腔的阻抗的 预测范围；
[0008] S2、根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围，调节所述脉冲扫频 电源的频率和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源 和所述匹配网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。
[0009] 优选地，所述SI之前，还包括：
[0010] 根据预设的所述阻抗可调元件的初始阻抗值W及所述脉冲扫频电源的初始频率， 获得在第一个脉冲期间且阻抗匹配时所述反应腔的初始阻抗，在所述步骤S1中，根据所述 反应腔的初始阻抗值获取后续脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围。
[0011] 优选地，所述S2具体包括：
[0012] S21、根据当前脉冲周期所述阻抗可调元件的阻抗值W及所述脉冲扫频电源能够 调节的所述预设频率范围，得到当前脉冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配 的反应腔阻抗范围；
[0013] S22、比较所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周 期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围；
[0014] S23、根据所述S22中的比较结果调节所述脉冲扫频电源的频率和/或所述阻抗可 调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述匹配网络的阻抗与所述 反应腔的阻抗匹配。
[0015] 优选地，当所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周 期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗范围存在交集时，所述 S23具体包括：
[0016] 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述 匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的 预测范围内。
[0017] 优选地，当所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周 期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗范围不存在交集时，所 述S23具体包括：
[0018] 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率和所述阻抗可调元件的阻抗值， 使得所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗值位于所述下一个 脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围内。
[0019] 优选地，所述S24具体包括：
[0020] 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述 匹配网络能够匹配的阻抗值与所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围之间的 差值最小，再调节所述阻抗可调元件的阻抗值，使得所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能 够匹配的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围内。
[0021] 优选地，所述阻抗可调元件组成的匹配电路为L型，或n型，或T型。
[0022] 相应地，本发明还提供一种射频脉冲系统，所述射频脉冲系统包括脉冲扫频电源、 反应腔和匹配网络，所述脉冲扫频电源的频率能够在预设频率范围内调节，所述匹配网络 电连接在所述脉冲扫频电源与所述反应腔之间，所述匹配网络包括阻抗可调元件和控制 器，所述脉冲扫频电源与所述控制器直接相连，且所述控制器能够执行：
[0023] S1、根据预先获取的所述反应腔的阻抗变化规律W及当前脉冲期间且阻抗匹配时 所述反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间且阻抗匹配时所述反应腔的阻抗的预测范 围；
[0024] S2、根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗范围，调节所述脉冲扫频电源的 频率和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述 匹配网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。
[00巧]优选地，所述阻抗可调元件组成的匹配电路为L型，或n型，或T型。
[0026] 优选地，所述阻抗可调元件为电容，或电阻，或电容与电阻的组合。
[0027] 可见，本发明通过获取下一个脉冲期间且阻抗匹配时反应腔的阻抗的预测范围， 并结合当前脉冲扫频电源及匹配网络能够匹配的反应腔的阻抗范围，能够选择较优的方式 调节脉冲扫频电源的频率和/或阻抗可调元件的阻抗值，W实现阻抗匹配。与现有技术相 比，本发明能够实现射频脉冲系统中脉冲扫频电源和匹配网络的阻抗与反应腔的阻抗的快 速匹配，同时能够延长匹配网络中真空电容的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0029] 图1为射频等离子体应用环境示例图；
[0030] 图2为现有的阻抗匹配技术示例图；
[0031] 图3为本发明所提供的射频脉冲系统的阻抗匹配方法流程图；
[0032] 图4为本发明所提供的脉冲扫频电源和/或阻抗可调元件调节方法流程图；
[0033] 图5为本发明所提供的方法在L型匹配电路的应用示例图；
[0034] 图6为本发明所提供的射频脉冲系统示例图。
[00巧]附图标记说明
[003引 1-射频电源；2-匹配器；3、30-反应腔；4-幅值相位检测模块；5、21-控制器；6、 7-电机；10-脉冲扫频电源；20-匹配网络；22-匹配电路；23-电机。
【具体实施方式】
[0037] W下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0038] 作为本发明的一个方面，提供一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其中，射频脉冲 系统包括脉冲扫频电源、反应腔和匹配网络，匹配网络电连接在脉冲扫频电源和反应腔之 间，脉冲扫频电源的频率能够在预设频率范围内调节，匹配网络包括阻抗可调元件，如图3 所示，该方法可W包括步骤S1至S2。
[0039] S1、根据预先获取的阻抗匹配时所述反应腔的阻抗变化规律和当前脉冲期间阻抗 匹配时所述反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间，阻抗匹配时，所述反应腔的阻抗的预 测范围。其中，阻抗匹配即为脉冲扫频电源和匹配网络的阻抗与反应腔的阻抗匹配。
[0040] S2、根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围，调节所述脉冲扫频 电源的频率和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源 和所述匹配网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。
[0041] 为了能够提高阻抗匹配的效率和速度，本发明所提供的方法根据下一个脉冲期间 反应腔的阻抗的预测范围获得相应的阻抗调节策略，使得能够W最快的速度实现阻抗匹 配。下一个脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围，可W根据预先获取的阻抗匹配时反应腔的 阻抗变化规律和当前脉冲期间且阻抗匹配时反应腔的阻抗值来获得。其中，阻抗匹配时反 应腔的阻抗受到反应腔内工艺气体的压力、气体种类、晶片位置W及电源功率等因素的影 响，可W预先进行试验，并根据试验数据通过数学建模得到各个脉冲期间且阻抗匹配时，上 述因素与反应腔的阻抗之间的建模关系，并可W进一步地根据该建模关系得到各个脉冲期 间且阻抗匹配时反应腔的阻抗的变化规律。
[0042] 更进一步地，在上述步骤S1之前，还可W包括下述步骤：
[0043] 根据预设的所述阻抗可调元件的初始阻抗值W及所述脉冲扫频电源的初始频率， 获得在第一个脉冲期间且阻抗匹配时所述反应腔的初始阻抗，在所述步骤S1中，根据所述 反应腔的初始阻抗值获取后续脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围。
[0044] 上述阻抗可调元件的初始阻抗值W及脉冲扫频电源的初始频率可W根据预设的 射频脉冲系统的工艺条件(例如反应腔内工艺气体的压力、气体种类、晶片位置W及电源功 率等因素）设定，W使得在第一个脉冲期间脉冲扫频电源和匹配网络的阻抗能够与反应腔 的阻抗匹配。在得到阻抗可调元件的初始阻抗值W及脉冲扫频电源的初始频率后，可W结 合具体的匹配电路，计算出第一个脉冲期间且阻抗匹配时反应腔的初始阻抗，之后，在步骤 S1中，便可W结合阻抗匹配时反应腔的阻抗变化规律获取后续各个脉冲期间且阻抗匹配时 反应腔的阻抗的预测范围。
[0045] 更进一步地，如图4所示，上述步骤S2具体可W包括：
[0046] S21、根据当前脉冲周期所述阻抗可调元件的阻抗值W及所述脉冲扫频电源能够 调节的所述预设频率范围，得到当前脉冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配 的反应腔阻抗范围；
[0047] S22、比较所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周 期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围；
[0048] S23、根据所述S22中的比较结果调节所述脉冲扫频电源的频率和/或所述阻抗可 调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述匹配网络的阻抗与所述 反应腔的阻抗匹配。
[0049] 上述步骤S21至S23将当前脉冲周期脉冲扫频电源和匹配网络能够匹配的反应腔 阻抗范围与下一个脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围进行比较，并根据比较结果进行相应 的调节。具体地，由于调节脉冲扫频电源的频率属于电子调节，其调节速度较快，而调节阻 抗可调元件通常是通过电机转动控制阻抗可调元件的参数值(例如调节电容的电容值或调 节电感的电感值）W调节其阻抗值，该种方式属于机械调节，速度较慢，因此，为了进一步提 高匹配速度，可WW电子调节为主机械调节为辅的方式进行相应调节。
[0050] 具体地，如图4所示，上述步骤S23可W采用下述方法进行调节：
[0051] 当所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周期所述 脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围存在交集时，在当前脉冲关断时 调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的阻抗值 位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围内；
[0052] 当所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周期所述 脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围不存在交集时，在当前脉冲关断 时调节所述脉冲扫频电源的频率和所述阻抗可调元件的阻抗值，使得所述脉冲扫频电源和 所述匹配网络能够匹配的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围 内。
[0053] 上述即为根据步骤S22中的比较结果得到的调节策略，具体地，若下一个脉冲期 间反应腔的阻抗的预测范围和当前脉冲周期脉冲扫频电源和匹配网络能够匹配的反应腔 阻抗范围存在交集，调节脉冲扫频电源的频率即可使脉冲扫频电源和匹配网络能够匹配的 阻抗值位于下一个脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围内，从而使得在下一个脉冲期间，脉 冲扫频电源和匹配网络的阻抗与反应腔的阻抗匹配；若不存在交集，则可W调节脉冲扫频 电源的频率和阻抗可调元件的阻抗值W实现阻抗匹配。采用上述方法，能够使得在下一个 脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围和当前脉冲周期脉冲扫频电源和匹配网络能够匹配的 反应腔阻抗范围存在交集时，仅需调节脉冲扫频电源的频率即可实现阻抗匹配，提高了阻 抗匹配速度。
[0054] 更进一步地，当所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉 冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围不存在交集时，可W 采用下述方法调节脉冲扫频电源的频率和阻抗可调元件的阻抗值：
[00巧]在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述 匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗值与所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预 测范围之间的差值最小，再调节所述阻抗可调元件的阻抗值，使得所述脉冲扫频电源和所 述匹配网络能够匹配的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围内。
[0056] 当下一个脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围和当前脉冲周期脉冲扫频电源和匹 配网络能够匹配的反应腔阻抗范围不存在交集时，除调节脉冲扫频电源的频率外还需调节 阻抗可调元件的阻抗值W实现阻抗匹配。由于机械调节的速度慢于电子调节，为了能够尽 量提高匹配速度，可W先调节脉冲扫频电源的频率，使得脉冲扫频电源和匹配网络能够匹 配的反应腔的阻抗值尽可能接近下一个脉冲期间反应腔的阻抗的预测范围（即与下一个脉 冲期间反应腔的阻抗的预测范围之间的差值最小)，之后再调节阻抗可调元件的阻抗值，使 脉冲扫频电源和匹配网络能够匹配的反应腔的阻抗值位于下一个脉冲期间反应腔的阻抗 的预测范围。上述方法可W使得阻抗可调元件所需的调节量最小，能够尽量提高匹配速度。
[0057] 更进一步地，阻抗可调元件组成的匹配电路为L型，或n型，或T型。
[0058] 下面结合图5所示L型匹配电路示例对上述本发明所提供的方法进行进一步描 述，如图5所示，Ci、C2和L分别为第一电容、第二电容和电感，其中Ci、C2的电容值可调，该 L型匹配的电路的输入端（IN端)可W连接脉冲扫频电源，输出端（OUT端)可W连接反应腔。 在脉冲扫频电源开始发送射频脉冲前，可W根据预先获取的试验数据值预先设定C,的 初始电容值，使得在发送第一个脉冲时，脉冲扫频电源和该L型匹配电路的阻抗能够与反 应腔的阻抗匹配。假设脉冲扫频电源的内阻为50欧，则可W得到，在阻抗匹配时，反应腔的 阻抗为Z为：
[0059]
【权利要求】
1. 一种射频脉冲系统的阻抗匹配方法，所述射频脉冲系统包括脉冲扫频电源、反应腔 和匹配网络，所述匹配网络电连接在所述脉冲扫频电源与所述反应腔之间，所述脉冲扫频 电源的频率能够在预设频率范围内调节，所述匹配网络包括阻抗可调元件，其特征在于，所 述阻抗匹配方法包括： 51、 根据预先获取的阻抗匹配时所述反应腔的阻抗变化规律和当前脉冲期间阻抗匹配 时所述反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间且阻抗匹配时，所述反应腔的阻抗的预测 范围； 52、 根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围，调节所述脉冲扫频电源 的频率和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所 述匹配网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。
2. 根据权利要求1所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于，所述S1之前，还 包括： 根据预设的所述阻抗可调元件的初始阻抗值W及所述脉冲扫频电源的初始频率，获得 在第一个脉冲期间且阻抗匹配时所述反应腔的初始阻抗，在所述步骤S1中，根据所述反应 腔的初始阻抗值获取后续脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围。
3. 根据权利要求1所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于，所述S2具体包 括： 521、 根据当前脉冲周期所述阻抗可调元件的阻抗值W及所述脉冲扫频电源能够调节 的所述预设频率范围，得到当前脉冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反 应腔阻抗范围； 522、 比较所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周期所 述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的反应腔阻抗范围； 523、 根据所述S22中的比较结果调节所述脉冲扫频电源的频率和/或所述阻抗可调元 件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述匹配网络的阻抗与所述反应 腔的阻抗匹配。
4. 根据权利要求3所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于，当所述下一个 脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹 配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗范围存在交集时，所述S23具体包括： 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述匹配 网络能够匹配的所述反应腔的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测 范围内。
5. 根据权利要求3所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于，当所述下一个 脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围和所述当前脉冲周期所述脉冲扫频电源和所述匹 配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗范围不存在交集时，所述S23具体包括： 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率和所述阻抗可调元件的阻抗值，使得 所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹配的所述反应腔的阻抗值位于所述下一个脉冲 期间所述反应腔的阻抗的预测范围内。
6. 根据权利要求5所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于，所述S24具体包 括： 在当前脉冲关断时调节所述脉冲扫频电源的频率，使得所述脉冲扫频电源和所述匹配 网络能够匹配的阻抗值与所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围之间的差值 最小，再调节所述阻抗可调元件的阻抗值，使得所述脉冲扫频电源和所述匹配网络能够匹 配的阻抗值位于所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗的预测范围内。
7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的射频脉冲系统的阻抗匹配方法，其特征在于， 所述阻抗可调元件组成的匹配电路为L型，或n型，或T型。
8. -种射频脉冲系统，所述射频脉冲系统包括脉冲扫频电源、反应腔和匹配网络，所述 脉冲扫频电源的频率能够在预设频率范围内调节，所述匹配网络电连接在所述脉冲扫频电 源与所述反应腔之间，所述匹配网络包括阻抗可调元件和控制器，其特征在于：所述脉冲扫 频电源与所述控制器直接相连，且所述控制器能够执行： 51、 根据预先获取的所述反应腔的阻抗变化规律W及当前脉冲期间且阻抗匹配时所述 反应腔的阻抗值，获得在下一个脉冲期间且阻抗匹配时所述反应腔的阻抗的预测范围； 52、 根据所述下一个脉冲期间所述反应腔的阻抗范围，调节所述脉冲扫频电源的频率 和/或所述阻抗可调元件的阻抗值，使得在下一个脉冲期间所述脉冲扫频电源和所述匹配 网络的阻抗与所述反应腔的阻抗匹配。
9. 根据权利要求8所述的射频脉冲系统，其特征在于，所述阻抗可调元件组成的匹配 电路为L型，或n型，或T型。
10. 根据权利要求8所述的射频脉冲系统，其特征在于，所述阻抗可调元件为电容，或 电阻，或电容与电阻的组合。
【文档编号】H01J37/32GK104465290SQ201310438823
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】师帅涛, 王东 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司