阻抗匹配方法、阻抗匹配器和半导体工艺设备与流程

[0001]
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法、阻抗匹配器和半导体工艺设备。


背景技术：

[0002]
在等离子体处理设备中，射频电源将射频能量通过阻抗匹配器传输至工艺腔室中，以将工艺腔室中的工艺气体激发形成等离子体，激发的等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而完成晶圆的刻蚀或者沉积等的工艺过程。
[0003]
在射频能量传输的过程中，由于射频电源的输出阻抗一般为50欧姆，工艺腔室的输入阻抗一般为一个具有实部阻抗和虚部阻抗的非50欧姆的阻抗值，导致阻抗不匹配，在这种情况下，若直接将射频能量传输至工艺腔室，会发生射频能量的反射，即，没有足够的射频能量传输至工艺腔室中，从而无法正常激发等离子体，这就需要在射频电源和工艺腔室之间接入一个阻抗匹配器，以将射频电源后端的输入阻抗调节至50欧姆，从而实现射频能量的正常传输，即，实现阻抗匹配。
[0004]
现有的阻抗匹配器包括传感器、可调元件、执行单元和控制单元，其中，传感器用于实时检测射频传输线上的电压信号和电流信号，并发送至控制单元；控制单元用于根据传感器检测的信号采用自动匹配算法计算获得可调元件的参数值的调整量，并根据该调整量控制执行单元调节可调元件的参数值(例如可调电容的电容值)，直至达到阻抗匹配状态，以将最大的射频功率传送至工艺腔室以激发等离子体。
[0005]
但是，在上述匹配过程中，尤其对于icp(inductively coupledplasma，电感耦合等离子体)而言，由于等离子体在起辉过程中处于e-h模式跳变(即，由e模式跳变为h模式)的不稳定状态，导致不同的工艺的匹配路径存在差异及不重复性，从而造成加工不同晶片的工艺所使用的匹配时间存在差异，进而可能造成晶片间的工艺结果不同，尤其对于工艺时间较短的工艺来说，这种工艺结果差异更加明显。


技术实现要素：

[0006]
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法、阻抗匹配器和等离子体处理设备，其可以提高工艺的可重复性和稳定性，从而可以提高工艺结果的一致性。
[0007]
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法，包括：
[0008]
在工艺开始时，将阻抗匹配器的可调元件的参数值调节为预设的初始值；
[0009]
当射频电源开启时，按照预先存储的与所述工艺对应的最优匹配路径，调节所述可调元件的参数值；所述最优匹配路径包括预设匹配时段内的不同时刻对应的所述可调元件的参数值；
[0010]
在到达所述最优匹配路径的终点时刻之后，采用自动匹配算法调节所述可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配。
[0011]
可选的，所述最优匹配路径的获取方法包括：
[0012]
将所述可调元件的参数值调节为所述初始值；
[0013]
开启所述射频电源，采用自动匹配算法调节所述可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配，并记录整个匹配过程中不同时刻对应的所述可调元件的参数值，以获得匹配路径；
[0014]
重复进行n次所述获得匹配路径的步骤，n为大于等于指定数值的整数；
[0015]
从n条所述匹配路径中选择一条匹配路径作为所述最优匹配路径，并进行存储。
[0016]
可选的，所述从n条所述匹配路径中选择一条匹配路径作为所述最优匹配路径，并进行存储，具体包括：
[0017]
从n条所述匹配路径中选择无灭辉现象的匹配路径；
[0018]
从所述无灭辉现象的匹配路径中选择重复出现次数最多的匹配路径作为所述最优匹配路径，并进行存储。
[0019]
可选的，在所述将阻抗匹配器的可调元件的参数值调节为预设的初始值的步骤之前，还包括：
[0020]
判断是否存储有所述工艺对应的所述最优匹配路径；
[0021]
若是，则进行所述将阻抗匹配器的可调元件的参数值调节为预设的初始值的步骤；
[0022]
若否，则执行所述最优匹配路径的获取方法，并返回所述判断是否存储有所述工艺对应的所述最优匹配路径的步骤。
[0023]
可选的，所述指定数值为20。
[0024]
可选的，所述初始值为等离子体起辉点对应的所述可调元件的参数值。
[0025]
可选的，所述可调元件为可调电容，所述可调元件的参数值为所述可调电容的容值或者电容位置。
[0026]
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种阻抗匹配器，包括用于检测射频传输线上的电压信号和电流信号的传感器、可调元件、执行单元、存储单元和控制单元，所述执行单元用于调节所述可调元件的参数值；
[0027]
所述存储单元用于存储所述可调元件的参数值的初始值以及不同工艺对应的最优匹配路径；
[0028]
所述控制单元用于在工艺开始时，调用所述存储单元中存储的所述初始值，并控制所述执行单元将所述可调元件的参数值调节为所述初始值；当射频电源开启时，调用所述存储单元中存储的当前工艺对应的最优匹配路径，并按照所述最优匹配路径控制所述执行单元调节所述可调元件的参数值；在到达所述最优匹配路径的终点时刻之后，采用自动匹配算法控制所述执行单元调节所述可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配；所述最优匹配路径包括预设匹配时段内的不同时刻对应的所述可调元件的参数值。
[0029]
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室和用于通过阻抗匹配器向所述工艺腔室加载射频功率的射频电源，所述阻抗匹配器采用本发明实施例提供的上述阻抗匹配器。
[0030]
可选的，所述半导体工艺设备采用的等离子体源为电感耦合等离子体源或者电容
耦合等离子体源。
[0031]
本发明实施例的有益效果：
[0032]
本发明实施例提供的应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法和阻抗匹配器的技术方案中，首先按照预先存储的与工艺对应的最优匹配路径调节可调元件的参数值，然后在到达该最优匹配路径的终点时刻之后，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配。由于在起辉阶段采用预先存储的最优匹配路径进行匹配，这可以在采用相同工艺在加工不同被加工工件时所采用的匹配路径大致相同，同时可以避免产生灭辉现象，从而可以提高工艺的可重复性和稳定性，进而可以提高工艺结果的一致性。此外，在完成最优匹配路径之后，通过切换至自动匹配算法进行自动匹配，可以实时监控等离子体阻抗随工艺时间变化而产生的细微变化，从而可以实现对等离子体阻抗的精细化调整。
[0033]
本发明实施例提供的半导体工艺设备，其通过采用本发明实施例提供的上述阻抗匹配器，可以提高工艺的可重复性和稳定性，从而可以提高工艺结果的一致性。
附图说明
[0034]
图1为本发明第一实施例提供的应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法的流程框图；
[0035]
图2为一种阻抗匹配器的原理图；
[0036]
图3为本发明第一实施例采用的匹配路径的示意图；
[0037]
图4为本发明第一实施例采用的匹配过程图；
[0038]
图5为本发明第二实施例提供应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法的流程框图。
具体实施方式
[0039]
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实施例提供的应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法、阻抗匹配器和半导体工艺设备进行详细描述。
[0040]
请参阅图1，本发明第一实施例提供的应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法，其包括以下步骤：
[0041]
s1、在工艺开始时，将阻抗匹配器的可调元件的参数值调节为预设的初始值；
[0042]
以图2所示的阻抗匹配器1为例，该阻抗匹配器1连接在射频电源3和工艺腔室2之间，用以调节射频电源3后端的输入阻抗，以实现射频能量的正常传输，即，实现阻抗匹配。具体地，阻抗匹配器1包括传感器11、匹配网络12、执行单元14和控制单元13，其中，传感器11用于实时检测射频传输线上的电压信号和电流信号，并发送至控制单元13；匹配网络12包括两个可调电容(c1，c2)，二者即为可调元件，二者的电容值或者电容位置即为可调元件的参数值，控制单元13用于控制两个电机(m1，m2)分别调节两个可调电容(c1，c2)的电容位置，以调节二者的电容值，直至达到阻抗匹配。当然，在实际应用中，阻抗匹配器的结构并不局限于图2所示的上述阻抗匹配器的结构，其可调元件也可以采用其他任意结构。阻抗匹配器的结构例如为l型、π型、t型等等。
[0043]
在一些实施例中，上述可调元件的参数值的初始值是基于等离子体起辉点所设定
的，即，该初始值的大小满足等离子体起辉条件，以使加载至工艺腔室的射频功率足以使腔室谐振产生的电场强度最大，从而可以最快加速电子碰撞激发等离子体的产生。
[0044]
在一些实施例中，通常情况下，当工艺腔室的硬件条件固定时，该腔室所对应的起辉条件同样固定，在以相同工艺加工不同被加工工件时，将上述可调元件的参数值调节为相同的初始值，有助于提高工艺的可重复性，进而可以提高工艺结果的一致性。
[0045]
s2、当射频电源3开启时，按照预先存储的与工艺对应的最优匹配路径，调节上述可调元件的参数值；
[0046]
上述最优匹配路径包括预设匹配时段内的不同时刻对应的可调元件的参数值。
[0047]
所谓按照最优匹配路径调节上述可调元件的参数值，是指各个时刻对应的可调元件的参数值均是预先设定好的数值，按时间顺序设定的这些数值构成了匹配路径。在按照匹配路径进行匹配过程中，控制单元13只需在各个时刻直接调节可调元件的参数值，以使其等于与该时刻对应的预先设定好的数值即可。
[0048]
所谓最优匹配路径，是指满足诸如无灭辉现象、重复性最高、稳定性最好等条件的匹配路径。
[0049]
由于在起辉阶段采用预先存储的最优匹配路径进行匹配，这可以在采用相同工艺加工不同被加工工件时所采用的匹配路径大致相同，同时可以避免产生灭辉现象，从而可以提高工艺的可重复性和稳定性，进而可以提高工艺结果的一致性。
[0050]
上述最优匹配路径的获取方法有多种，例如，该获取方法包括：
[0051]
步骤1、将可调元件的参数值调节为初始值；
[0052]
该初始值可以与上述步骤s1中的初始值相同。
[0053]
步骤2、开启射频电源，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配，并记录整个匹配过程中不同时刻对应的可调元件的参数值，以获得匹配路径；
[0054]
上述自动匹配算法是指根据传感器11检测的信号，计算获得可调元件的参数值的调整量，并根据该调整量自动调节可调元件的参数值(例如可调电容的电容值)，直至达到阻抗匹配状态。
[0055]
如图3所示，在整个匹配过程中，选取n个时刻点(t1,t2,...,tn-1,tn)，并对各个时刻点对应的参数值进行记录，时刻点的数量n可以根据具体工艺情况进行设定，n个时刻点对应的一组参数值构成了一条匹配路径，例如，图3中示出了三组参数值所构成的三条匹配路径，分别为路径1、路径2和路径3，以可调元件的参数值为两个可调电容c1和c2的电容值为例，下述表1示出了每条匹配路径表示的时刻点与电容值的对应关系表。
[0056]
表1，每条匹配路径表示的时刻点与电容值的对应关系表。
[0057]
[0058][0059]
由上述表1和图3可知，三条路径的初始时刻点t1所对应的参数值(c11，c21)相同，例如等于实现等离子体起辉所设定的参数值，此时初始时刻点t1可称为起辉点；这三条路径的终止时刻点tn所对应的参数值(c1n，c2n)相同，且在该终止时刻点tn均达到阻抗匹配，此时终止时刻点tn称为匹配点。容易理解，上述初始时刻点t1和终止时刻点tn之间的时段即为上述步骤s2中的预设匹配时段，该预设匹配时段为按匹配路径进行阻抗匹配的整个过程。
[0060]
步骤3、重复进行n次获得匹配路径的步骤(即，上述步骤2)，n为大于等于指定数值的整数；
[0061]
上述指定数值可根据具体工艺情况而设定，只要所获得的匹配路径的数量n足以选择出一条最优匹配路径，该指定数值例如为20。
[0062]
步骤4、从n条匹配路径中选择一条匹配路径作为最优匹配路径，并进行存储。
[0063]
选择最优匹配路径的方式可以有多种，例如，上述步骤4具体包括：
[0064]
步骤41、从n条匹配路径中选择无灭辉现象的匹配路径；
[0065]
步骤42、从无灭辉现象的匹配路径中选择重复出现次数最多的匹配路径作为最优匹配路径，并进行存储。
[0066]
s3、在到达最优匹配路径的终点时刻(即，终止时刻点tn)之后，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配。
[0067]
上述自动匹配算法是指根据传感器11检测的信号，计算获得可调元件的参数值的调整量，并根据该调整量自动调节可调元件的参数值(例如可调电容的电容值或电容位置)，直至达到阻抗匹配状态。
[0068]
在一些实施例中，如图4所示，在时间轴t上，从射频电源开启至射频电源关闭的过程即为整个工艺过程，该工艺过程包括第一匹配时段t1和第二匹配时段t2，以可调元件的参数值为两个可调电容c1和c2的电容值为例，在第一匹配时段t1，按照最优匹配路径调节两个可调电容c1和c2的电容值，其中，射频电源的开启时刻即为该最优匹配路径的初始时刻点t1，其对应的电容值分别为(c11，c21)；最优匹配路径的终止时刻点tn所对应的电容值为(c1n，c2n)，且在该终止时刻点tn均达到阻抗匹配。并且，控制单元13按照在初始时刻点t1与终止时刻点tn之间的各个时刻点所对应的电容值调节两个可调电容c1和c2的电容大小。
[0069]
在第二匹配时段t2，通过采用自动匹配算法进行自动匹配，可以实时监控等离子体阻抗随工艺时间变化而产生的细微变化，从而可以实现对等离子体阻抗的精细化调整。
[0070]
请参阅图5，本发明第二实施例提供的用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法，其是上述第一实施例的一个具体实施方式。具体地，阻抗匹配方法包括以下步骤：
[0071]
s101、判断是否存储有与当前工艺对应的最优匹配路径；
[0072]
若是，则进行步骤s102；若否，则进行步骤s107；
[0073]
s102、将可调元件的参数值调节为预设的初始值；
[0074]
s103、判断射频电源是否开启；
[0075]
若是，则进行步骤s104；若否，则返回步骤s103；
[0076]
s104、按照预先存储的与当前工艺对应的最优匹配路径，调节上述可调元件的参数值；
[0077]
s105、在到达最优匹配路径的终点时刻(即，终止时刻点tn)之后，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值。
[0078]
s106、判断是否达到阻抗匹配；
[0079]
若是，则流程结束；若否，则排查未实现阻抗匹配的问题；
[0080]
s107、将可调元件的参数值调节为初始值；
[0081]
s108、判断射频电源是否开启；
[0082]
若是，则进行步骤s109；若否，则返回步骤s108；
[0083]
s109、当射频电源开启时，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值；
[0084]
s110、判断是否达到阻抗匹配；
[0085]
若是，则进行步骤s111；若否，则排查未实现阻抗匹配的问题；
[0086]
s111、记录整个匹配过程中不同时刻对应的可调元件的参数值，以获得匹配路径；
[0087]
s112、关闭射频电源；
[0088]
s113、判断是否进行n次获得匹配路径的步骤(即，上述步骤2)；
[0089]
若是，则进行步骤s114；若否，则返回步骤s101；
[0090]
s114、从n条匹配路径中选择一条匹配路径作为最优匹配路径，并进行存储。
[0091]
本实施例提供的应用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法，在当前的工艺没有存储对应的最优匹配路径时，可以自动进行最优匹配路径的获取，从而可以适用于所有工艺的阻抗匹配。
[0092]
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种阻抗匹配器，以图2示出的阻抗匹配器1为例，阻抗匹配器1包括用于检测射频传输线上的电压信号和电流信号的传感器11、可调元件(例如为两个可调电容c1和c2)、执行单元14、存储单元(图中未示出)和控制单元13。
[0093]
其中，执行单元14用于调节可调元件的参数值，该执行单元14例如为电机，以可调元件为两个可调电容c1和c2为例，执行单元14包括两个电机m1和m2，用于通过分别调节两个可调电容c1和c2的电容位置来调节二者的电容大小。存储单元用于存储可调元件的参数值的初始值以及不同工艺对应的最优匹配路径；控制单元13用于在工艺开始时，调用存储单元中存储的初始值，并控制执行单元14将可调元件的参数值调节为初始值；以及，当射频电源3开启时，调用存储单元中存储的当前工艺对应的最优匹配路径，并按照该最优匹配路径控制执行单元14调节可调元件的参数值；在到达最优匹配路径的终点时刻之后，采用自动匹配算法控制执行单元14调节可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配。
[0094]
上述最优匹配路径包括预设匹配时段内的不同时刻对应的可调元件的参数值。
[0095]
综上所述，本发明实施例提供的阻抗匹配方法和阻抗匹配器的技术方案中，首先按照预先存储的与工艺对应的最优匹配路径调节可调元件的参数值，然后在到达该最优匹配路径的终点时刻之后，采用自动匹配算法调节可调元件的参数值，直至达到阻抗匹配。由
于在起辉阶段采用预先存储的最优匹配路径进行匹配，这可以使相同工艺在加工不同被加工工件时所采用的匹配路径大致相同，同时可以避免产生灭辉现象，从而可以提高工艺的可重复性和稳定性，进而可以提高工艺结果的一致性。此外，在完成最优匹配路径之后，通过切换至自动匹配算法进行自动匹配，可以实时监控等离子体阻抗随工艺时间变化而产生的细微变化，从而可以实现对等离子体阻抗的精细化调整。
[0096]
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室和用于通过阻抗匹配器向工艺腔室加载射频功率的射频电源，该阻抗匹配器采用本发明实施例提供的上述阻抗匹配器。
[0097]
在一些实施例中，上述半导体工艺设备采用的等离子体源为电感耦合等离子体源或者电容耦合等离子体源。
[0098]
本发明实施例提供的半导体工艺设备，其通过采用本发明实施例提供的上述阻抗匹配器，可以提高工艺的可重复性和稳定性，从而可以提高工艺结果的一致性。
[0099]
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，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，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。