针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置。该阻抗匹配方法包括，包括下列步骤：粗调步骤：根据当前负载阻抗进行调节，使当前反射系数|Γ|不大于起辉反射系数|Γt|，并设置当前位置为起辉位置；微调步骤：保持起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置；切换步骤：在后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。该阻抗匹配方法可以提高脉冲射频电源的匹配速率，从而可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的利用率。
【专利说明】
针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置
技术领域
[0001]本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置。
【背景技术】
[0002]半导体加工设备通常借助射频电源提供的射频能量施加至高真空环境的反应腔室内，来将反应腔室内的工艺气体激发形成等离子体，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，该活性粒子与暴露在等离子体环境中的晶圆表面发生物理和/或化学反应，从而完成晶圆的刻蚀、沉积或者其他工艺。随着集成电路的进一步发展，现有的技术无法满足22nm及以下尺寸刻蚀工艺的要求，为此，采用脉冲射频电源作为等离子体激发源，以减小连续波射频能量带来的等离子体诱导损伤、增大工艺调节手段和工艺窗口。目前，制约脉冲射频电源作为等离子体激发源发展的关键因素为其阻抗匹配技术，阻抗匹配也就是使脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗(一般为50欧姆)相匹配。常见的脉冲射频电源的脉冲频率范围在100?100kHz，占空比范围在10?90%，因此，每个脉冲周期的宽度仅几毫秒，而采用现有的以机械调节方式为主的阻抗匹配装置很难在该几毫秒内实现阻抗匹配，造成匹配精度低，脉冲射频电源的反射功率高(一般为20% )，从而造成脉冲射频电源的利用率差。
[0003]为此，现有技术中采用如图1所示的阻抗匹配装置，其以电子调节方式为主，机械调节方式为辅。请参阅图1，该阻抗匹配装置10包括控制单元11、执行单元12和匹配网络
13。其中，脉冲射频电源14具有扫频功能，并向控制单元11发送其脉冲同步信号，脉冲同步信号如图2所示，脉冲射频电源14在高电平时段调制有射频功率信号，在低电平时段未调制有射频功率信号。匹配网络13中设置有阻抗可调元件；脉冲射频电源14在高电平自动进行扫频匹配(即，根据脉冲射频电源14的负载阻抗自动调节到功率输出最大的脉冲频率)；控制单元11根据脉冲同步信号在每个脉冲周期的高电平时实时获取脉冲射频电源14的当前脉冲频率，并根据当前脉冲频率、匹配网络13的电路结构和其阻抗可调元件的当前位置计算脉冲射频电源14的当前负载阻抗，判断当前负载阻抗与其特征阻抗是否匹配，若是，则在当前脉冲周期的低电平时保持阻抗可调元件的当前位置，即保持匹配位置；若否，则在当前脉冲周期的低电平时控制执行单元12调节阻抗可调元件的位置，以调节脉冲射频电源14的负载阻抗来进行阻抗匹配。
[0004]图3为反应腔室应用现有的阻抗匹配装置的结构示意图。请参阅图3，反应腔室20的顶部上方设置有感应线圈21，感应线圈21通过第一阻抗匹配装置22与第一射频电源23电连接；在反应腔室20的底部设置有用于承载晶片S的静电卡盘24，静电卡盘24通过第二阻抗匹配装置25与第二射频电源26电连接，其中，第一射频电源23采用连续波信号输出方式，即，第一射频电源23连续输出射频功率信号；第二射频电源26为脉冲射频电源，其射频功率信号的频率为13.56MHz，脉冲同步信号的频率100Hz，占空比为90%，第二阻抗匹配装置25采用图1所示的阻抗匹配装置。
[0005]在上述情况下，图4为第二阻抗匹配装置在阻抗匹配过程的不同时间点的匹配状态的示意图，请参阅图4，具体地，第一脉冲周期:在高电平时段，脉冲射频电源开始自动扫频匹配，且一直处于“匹配中”状态，即，未能实现阻抗匹配；在低电平时段，控制单元11控制通过执行单元12调节阻抗可调元件的位置进行阻抗匹配。第二脉冲周期:在高电平时段，脉冲射频电源开始自动扫频匹配，经过时间T由“匹配中”状态至“匹配”状态，S卩，从未实现阻抗匹配到实现阻抗匹配；在低电平时段，保持匹配位置不变。第三脉冲周期和后续的脉冲周期的匹配状态过程与第二脉冲周期的匹配状态过程相同，在此不再赘述。
[0006]对应地，图5为第二射频电源的负载阻抗在其阻抗匹配过程中对应在Smith圆图上的轨迹图。请参阅图5，Smith圆图的最中心点代表一个已匹配的电阻数值(50欧姆)，该最中心点所在位置称之为阻抗匹配点，阻抗匹配过程对应在Smith圆图上实际上为负载阻抗自其边缘位置朝向其最中心位置运动的过程。具体地，在脉冲射频电源26未开启，其负载阻抗位于Smith圆外的阻抗区1，为干扰信号引起的阻抗。阻抗匹配过程的第一脉冲周期:在高电平时段，刚开始当前负载阻抗位于阻抗区2，阻抗值约为6 Z -86°，使得脉冲射频电源未实现反应腔室内起辉，随着脉冲射频电源自动扫频匹配，负载阻抗在自阻抗区2向阻抗匹配位置移动，但未移动至阻抗匹配点；在低电平时段，不进行阻抗匹配，此时，负载阻抗位于Smith圆外的阻抗区4，为感应线圈耦合信号阻抗。第二脉冲周期:在高电平时段，由于在第一脉冲周期的低电平时段对阻抗可调元件进行调节，使得刚开始时负载阻抗位于阻抗区2朝向阻抗匹配点移动了一定距离的未起辉阻抗区，使得刚开始脉冲射频电源未实现起辉，随着脉冲射频电源自动扫频匹配，当前负载阻抗移动至阻抗区3，阻抗值约为40 Z 25°，此时，实现基本实现阻抗匹配；在低电平时，负载阻抗同样位于阻抗区4。第三脉冲周期和后续的脉冲周期对应的负载阻抗的移动过程与第二脉冲周期对应的负载阻抗的移动过程相类似，在此不再赘述。
[0007]在实际应用中，采用上述现有的阻抗匹配装置对脉冲射频电源进行阻抗匹配往往会存在以下技术问题:由于脉冲射频电源在工艺过程中的作用是将反应腔室内的工艺气体激发形成等离子体，并且，由于脉冲射频电源的负载阻抗在反应腔室起辉时和实现阻抗匹配时不同，因此，在首次实现阻抗匹配之后，需要脉冲射频电源在后续的每个脉冲周期的高电平时段必须先实现反应腔室起辉再实现阻抗匹配，即，为了实现工艺气体的起辉，在每次实现阻抗匹配后(此时是对于工艺气体起辉稳定后的负载阻抗的阻抗匹配)，都需要重新回到对起辉时的负载阻抗值到实现匹配时的负载阻抗值的反复阻抗匹配过程，采用现有的阻抗匹配装置在后续的每个脉冲周期的高电平时段需要经过较长的自动扫频匹配时间T才能实现阻抗匹配，因而造成后续的每个脉冲周期的匹配效率低，从而造成工艺的稳定性差和脉冲射频电源的利用率低。
[0008]因此，目前亟需一种针对脉冲射频电源能够快速实现阻抗匹配的阻抗匹配方法及
目.ο
【发明内容】
[0009]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，可以快速地实现针对脉冲射频电源的阻抗匹配，从而可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的射频能量的利用率。
[0010]为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供1.一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，所述阻抗匹配方法，包括下列步骤:粗调步骤:根据当前负载阻抗进行调节，使当前反射系数I F I不大于起辉反射系数I FtI，并设置当前位置为起辉位置；微调步骤:保持所述起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置；切换步骤:在后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在所述起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。
[0011]其中，所述粗调步骤，包括下列步骤:步骤1，实时判断当前反射系数I r I是否不大于起辉反射系数I FtI，若是，执行步骤2 ;否则，执行所述微调步骤；步骤2，根据当前负载阻抗实时执行所述粗调步骤；返回步骤I。
[0012]其中，所述粗调步骤之前，还包括:判断当前是否为脉冲周期的高电平时段，若是，执行所述粗调步骤；否则，当前为脉冲周期的低电平时段，保持当前位置不变。
[0013]其中，在判断当前为当前脉冲周期的高电平时段时，所述脉冲射频电源采用扫频模式进行自动阻抗匹配。
[0014]其中，所述微调步骤中，还包括:在实现阻抗匹配时，保存所述匹配位置。
[0015]其中，所述切换步骤，包括:在后续的同一脉冲周期的高电平时段时，自起辉位置切换至匹配位置，以及在后续的同一脉冲周期的低电平时段时，自匹配位置切换至起辉位置。
[0016]作为另外一个技术方案，本发明还提供一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，用于实现脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗相匹配，所述装置，包括:粗调单元、微调单元以及切换单元，其中:所述粗调单元，用于根据当前负载阻抗调节当前反射系数I F I不大于起辉反射系数I FtI，并设置当前位置为起辉位置；所述微调单元，用于在当前反射系数I r I不大于起辉反射系数I rt|时，保持所述起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置；所述切换单元，用于在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在所述起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。
[0017]其中，所述装置，还包括:控制模块、判断模块和计算模块，其中:所述计算模块，用于在实时计算出所述脉冲射频电源的当前负载阻抗和当前反射系数I F I，并将当前负载阻抗发送至所述粗调单元和所述微调单元，以及将当前反射系数I r I发送至所述判断模块；所述判断模块，用于判断当前反射系数I r I是否不大于起辉反射系数I r\I，若是，向所述控制模块发送第一标识信号；否则，向所述控制模块发送第二标识信号；所述控制模块，用于在接收到由所述判断模块发送而来的所述第一标识信号时，触发所述粗调单元；以及在接收到由所述判断模块发送而来的所述第二标识信号时，触发所述微调单元。
[0018]其中，所述粗调单元包括可调电容和/或可调电感，其中:所述粗调单元，根据由所述计算模块发送而来的当前负载阻抗实时调节所述可调电容和/或可调电感的位置，以调节当前反射系数I r I不大于起辉反射系数I rtI，并设置当前可调电容和/或可调电感的位置为起辉位置。
[0019]其中，所述微调单元，包括固定电容和/或固定电感以及与其串接的通断开关，其中:所述微调单元根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时控制所述通断开关接通或断开实现阻抗匹配，并设置当前所述通断开关的状态为匹配通断状态。
[0020]其中，所述装置，还包括:脉冲周期判断模块，用于判断当前脉冲周期是否为高电平时段，若是，触发所述粗调单元；否则，保持当前位置不变。
[0021]其中，所述装置，还包括:储存模块，用于在所述微调单元根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配时，保存所述匹配位置。
[0022]其中，所述切换单元，用于在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的高电平时段，自起辉位置切换至匹配位置，以及在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的低电平时段自匹配位置切换至起辉位置。
[0023]本发明具有下述有益效果:
[0024]本发明提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，先借助粗调步骤，根据当前负载阻抗进行调节，使当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|，并设置当前位置为起辉位置；再借助微调步骤，保持起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置；最后借助切换步骤，在后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在起辉位置和匹配位置进行切换，具体地，在后续的高电平时段，自初始位置切换至匹配位置，在后续的低电平时段，自匹配位置切换至起辉位置，这可以保证下一个脉冲周期的高电平时段直接能够实现起辉，再通过起辉位置切换至匹配位置可实现重新匹配，因此，后续的每个脉冲周期的匹配时间为起辉位置和匹配位置的切换时间，这与现有技术中后续的每个脉冲周期的匹配时间为较长的自动扫频匹配时间相比，可以提高匹配速率，从而可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的利用率。
[0025]本发明提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，借助粗调单元根据当前负载阻抗调节当前反射系数I F I不大于起辉反射系数I FtI，并设置当前位置为起辉位置；微调单元在当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|时，保持起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置，以及，切换单元在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在起辉位置和匹配位置进行切换，具体地，在后续的高电平时段，自初始位置切换至匹配位置，在后续的低电平时段，自匹配位置切换至起辉位置，这可以保证下一个脉冲周期的高电平时段直接能够实现起辉，再通过起辉位置切换至匹配位置可实现重新匹配，因此，后续的每个脉冲周期的匹配时间为起辉位置和匹配位置的切换时间，这与现有技术中后续的每个脉冲周
[0026]期的匹配时间为较长的自动扫频时间相比，可以提高匹配速率，从而
[0027]可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的利用率。
【附图说明】
[0028]图1为应用现有的阻抗匹配装置的原理框图；
[0029]图2为脉冲射频电源的脉冲同步信号的波形图；
[0030]图3为反应腔室应用现有的阻抗匹配装置的结构示意图；
[0031]图4为第二阻抗匹配装置在阻抗匹配过程的不同时间点的匹配状态的示意图；
[0032]图5为第二射频电源的负载阻抗在其阻抗匹配过程中对应在Smith圆图上的轨迹图；
[0033]图6为本发明第一实施例提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法的流程图；
[0034]图7为本发明第二实施例提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置的原理框图；
[0035]图8为图7中粗调单元和微调单元的示意图；
[0036]图9为图7所示的阻抗匹配装置的工作流程图；
[0037]图10为阻抗匹配装置在当前反射系数I Γ I大于起辉反射系数I Γ 11的情况下进行阻抗匹配的不同时间点的匹配状态示意图；
[0038]图11为脉冲射频电源的负载阻抗在其阻抗匹配过程中对应在Smith圆的轨迹图；以及
[0039]图12为阻抗匹配装置在当前反射系数IΓ I不大于起辉反射系数I Γ 11的情况下进行阻抗匹配的不同时间点的匹配状态示意图。
【具体实施方式】
[0040]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针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置进行详细描述。
[0041]图6为本发明第一实施例提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法的流程图。请参阅图6，本发明第一实施例提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，用于实现脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗(一般为50Ω)相匹配，该阻抗匹配方法，包括下列步骤:
[0042]粗调步骤:根据当前负载阻抗进行调节，使当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I Ft I，并设置当前位置为起辉位置。
[0043]脉冲射频电源的反射系数I Γ I的物理意义为其负载阻抗点的反射电压波和入射电压波之比，起辉反射系数I Γ\|是指脉冲射频电源实现反应腔室起辉时的负载阻抗对应的反射系数I Γ |，并且，由于不同工艺过程的腔室压力、工艺气体等参数对脉冲射频电源实现反应腔室起辉具有一定的影响，因此，脉冲射频电源在不同工艺过程中实现反应腔室起辉时的负载阻抗和反射系数I Γ I不同，且为定值。
[0044]此处需要对图5进行进一步说明，图5中阻抗区2为高电平时段开始时工艺气体未起辉时的负载阻抗值，阻抗区3为工艺气体起辉稳定后且高电平时段实现基本匹配时的负载阻抗值，在二者之间必然存在高电平时段且工艺气体起辉瞬间时的负载阻抗值(图中未标出)，该负载阻抗值接近于阻抗区3。
[0045]因此，本发明中粗调步骤的目的就是找到接近于阻抗匹配状态时的负载阻抗值，即在当前反射系数I Γ I由大于到等于起辉反射系数I rt|的缩小过程中，当前负载阻抗值逐渐接近于匹配状态时的负载阻抗值，即逐步由图5中阻抗区2的范围向阻抗区3的范围移动。规定在当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|时，当前的负载阻抗值为工艺气体起辉瞬间的负载阻抗值，因此设置当前状态下各部件的位置为起辉位置，此时还没有实现阻抗匹配。
[0046]微调步骤:保持起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置。
[0047]在粗调步骤后，保持起辉位置的各部件不变的基础上，进行微调步骤，直至找到阻抗匹配时的负载阻抗值，即图5中得阻抗区3，并保存此时各部件的位置为匹配位置。
[0048]上述两个步骤之后，本发明获得了两个位置，即起辉位置和匹配位置，同时完成了对当前射频脉冲电源的首次阻抗匹配。
[0049]切换步骤:在后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段(即，高电平时段和低电平时段)，在起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。
[0050]由上可知，在位于起辉位置时，当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I r t|，此时，脉冲射频电源可以实现工艺气体起辉；之后，在位于匹配位置时，此时，脉冲射频电源可以实现阻抗匹配。因此，在切换步骤中，在实现首次阻抗匹配后，后续的高电平时段中，不再需要进行反复匹配，而只需自起辉位置切换至匹配位置，在后续的低电平时段，自匹配位置切换至起辉位置，这可以保证下一个脉冲周期的高电平时段直接能够实现起辉，再通过自起辉位置切换至匹配位置就可实现重新匹配，因此，后续的每个脉冲周期的匹配时间为起辉位置和匹配位置的切换时间，这与现有技术中后续的每个脉冲周期的匹配时间为较长的自动扫频匹配时间相比，可以提高匹配速率，从而可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的利用率。
[0051 ] 具体地，在本实施例中，粗调步骤，包括下列步骤:
[0052]步骤1，实时判断当前反射系数I Γ I是否不大于起辉反射系数I rt|，若是，执行步骤2 ;否则，执行微调步骤。
[0053]步骤2，根据当前负载阻抗实时执行粗调步骤；返回步骤I。
[0054]通过步骤SI和步骤S2，可以实现实时判断和调节，直至当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I r 11。
[0055]优选地，粗调步骤之前，还包括:判断当前是否为脉冲周期的高电平时段，若是，执行粗调步骤；否则，保持当前位置不变。由此可知，本实施例提供的阻抗匹配方法仅在当前脉冲周期的高电平时段进行粗调步骤，在低电平时段不动作，这与现有技术中在低电平时段根据高电平时段的最后一个时间点的负载阻抗控制执行机构调节阻抗可调元件相比，可以避免进行“盲调”，因而可以避免发生超调现象，从而可以提高首次实现阻抗匹配的匹配效率。
[0056]另外，优选地，在判断当前为当前脉冲周期的高电平时段时，脉冲射频电源采用扫频模式进行自动阻抗匹配，即，脉冲射频电源自动调节其脉冲频率进行匹配，这不仅可以进一步提高匹配效率，还可以提高匹配精度。
[0057]并且，在微调步骤中，还包括:在实现阻抗匹配时，保存匹配位置。
[0058]图7为本发明第二实施例提供的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置的原理框图。请参阅图7，该阻抗匹配装置用于实现脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗(一般为50 Ω )相匹配。该阻抗匹配装置包括粗调单元、微调单元和切换单元。其中，粗调单元用于根据当前负载阻抗调节当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|，并设置当前位置为起辉位置。其中，脉冲射频电源的反射系数I F I的物理意义为其负载阻抗点的反射电压波和入射电压波之比，起辉反射系数I Γ\|是指脉冲射频电源实现反应腔室起辉时的负载阻抗对应的反射系数I Γ I，并且，由于不同工艺过程中腔室压力、工艺气体等参数对脉冲射频电源实现反应腔室起辉具有一定的影响，因此，脉冲射频电源在不同工艺过程中实现反应腔室起辉时的负载阻抗和反射系数IΓ I不同，且为定值。
[0059]微调单元用于在当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|时，保持起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置。
[0060]切换单元用于在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。
[0061]由上可知，在位于起辉位置时，当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I r t|，此时，脉冲射频电源可以实现工艺气体起辉；之后，在位于匹配位置时，此时，脉冲射频电源可以实现阻抗匹配。因此，借助切换单元在首次实现阻抗匹配后续的高电平时段，自初始位置切换至匹配位置，在首次实现阻抗匹配后续的低电平时段，自匹配位置切换至起辉位置，这可以保证下一个脉冲周期的高电平时段直接能够实现起辉，再通过自起辉位置切换至匹配位置就可实现重新匹配，因此，后续的每个脉冲周期的匹配时间为起辉位置和匹配位置的切换时间，这与现有技术中后续的每个脉冲周期的匹配时间为较长的自动扫频匹配时间相比，可以提高匹配速率，从而可以提高工艺的稳定性和脉冲射频电源的利用率。
[0062]在本实施例中，阻抗匹配装置还包括控制模块、计算模块和判断模块。其中，计算模块用于在实时计算出脉冲射频电源的当前负载阻和当前反射系数I Γ I，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，以及将当前反射系数I r I发送至判断模块。判断模块用于判断当前反射系数I r I是否不大于起辉反射系数I rt|，若是，向控制模块发送第一标识信号，为高电平“I” ；否则，向控制模块发送第二标识信号，为低电平“O”。控制模块用于在接收到由判断模块发送而来的第一标识信号时，触发粗调单元；以及在接收到由判断模块发送而来的第二标识信号时，触发微调单元。
[0063]其中，粗调单元包括可调电容和/或可调电感，如图8所示，粗调单元包括可调电容Cl和C2，在这种情况下，粗调单元根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时调节可调电容和/或可调电感(Cl和C2)的位置，以调节当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I Ft I，并设置当前可调电容和/或可调电感(Cl和C2)的位置为起辉位置。在本实施例中，为实现调节可调电容和/或可调电感，粗调单元还包括电机等，电机包括步进电机，具体地，如图8所示，驱动电机Ml用于调节可调电容Cl，驱动电机M2用于调节可调电容C2。
[0064]微调单元包括固定电容和/或固定电感以及与其串接的通断开关，如图8所示，微调单元包括串接的通断开关Kl和固定电容C11，以及串接的通断开关K2和固定电容C12，通断开关Kl和K2包括二极管或继电器等电子开关。在这种情况下，微调单元根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时控制通断开关(Kl和K2)接通或断开实现阻抗匹配，并设置当前通断开关(Kl和K2)的状态为匹配通断状态，例如，若实现阻抗匹配时通断开关Kl接通K2断开，则匹配通断状态为通断开关Kl接通K2断开。
[0065]另外，本实施例提供的阻抗匹配装置还包括储存模块，储存模块用于在微调单元根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配时，保存匹配位置，具体地，保存通断开关Kl和K2的通断状态。
[0066]优选地，在本实施例中，阻抗匹配装置还包括脉冲周期判断模块，脉冲周期判断模块用于判断当前脉冲周期是否为高电平时段，若是，触发粗调单元；否则，保持当前位置(Cl、C2、Kl和K2)不变。由此可知，本实施例提供的阻抗匹配装置在当前脉冲周期的高电平时段触发粗调单元，在低电平时段不动作，这与现有技术中在低电平时段根据高电平时段的最后一个时间点的负载阻抗控制执行机构调节阻抗可调元件相比，可以避免进行“盲调”，因而可以避免发生超调现象，从而可以提高首次实现阻抗匹配的匹配效率。
[0067]另外，在本实施例中，脉冲射频电源具有自动扫频模式，用以在脉冲周期判断模块判断当前脉冲周期为高电平时段时进行自动阻抗匹配，即，自动调节其脉冲频率进行匹配。可以理解，借助脉冲射频电源在每个脉冲周期的高电平时进行自动扫频匹配，不仅可以进一步提高匹配效率，还可以提高匹配精度。
[0068]下面通过实验验证本实施例提供的阻抗匹配装置是如何提高阻抗匹配速率的。具体地，图3所示的反应腔室中的第二阻抗匹配装置应用本实施例提供的阻抗匹配装置，其他参数与现有技术相同。
[0069]在上述情况下，若刚开始匹配的当前反射系数I Γ I大于起辉反射系数I rt|:请参阅图9、图10和图11，在脉冲射频电源未开启时，其负载阻抗位于Smith圆外的阻抗区A，为干扰信号引起的阻抗；当脉冲射频电源开启后，其将脉冲同步信号发送至脉冲周期判断模块，脉冲周期判断模块实时判断当前是否为脉冲周期的高电平时段；当判断模块判断出当前为第一脉冲周期高电平时段时，脉冲射频电源进行自动扫频匹配，以及，计算模块开始实时计算当前负载阻抗和当前发射系数I F I，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，将当前反射系数I F I发送至判断模块，判断模块在整个脉冲宽度时间Tl内实时判断出来自计算模块的当前反射系数I r I大于起辉反射系数I rt|，说明反应腔室未实现起辉，判断模块向控制模块发送第一标识信号“ I ”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第一标识信号“ I”时，触发粗调单元，实时根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗调节可调电容Cl和C2的位置，即，采用“电机匹配模式”进行匹配，在该匹配过程中，脉冲射频电源的负载阻抗自未起辉阻抗区(图10中未示出)向匹配阻抗区C移动，并且，在该匹配过程中，通断开关Kl和K2位于初始通断状态，不动作。
[0070]当脉冲周期判断模块实时判断当前为第一脉冲周期的低电平时段时，则保持可调电容Cl和C2的当前位置不变，等待下一个脉冲周期继续向阻抗匹配区C移动，此时，脉冲射频电源的负载阻抗位于阻抗区D，为感应线圈耦合信号阻抗。
[0071]当脉冲周期判断模块判断出当前为第二脉冲周期的高电平时段时，脉冲射频电源进行自动扫频匹配，以及，计算模块开始实时计算当前负载阻抗和当前发射系数I F I，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，以及将当前反射系数I r I发送至判断模块，判断模块在时间段T2内实时判断来自计算模块的当前反射系数I r I大于起辉反射系数
r 11，说明反应腔室未实现起辉，判断模块向控制模块发送第一标识信号“ I ”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第一标识信号“ I”时，触发粗调单元，采用“电机匹配模式”继续进行匹配，负载阻抗继续向阻抗匹配区c移动，判断模块在时间点ti判断来自计算模块的当前反射系数I r I不大于起辉反射系数I rt|，说明反应腔室实现起辉，此时，当前负载阻抗移动至实现反应腔室起辉对应的阻抗区B，判断模块向控制模块发送第二标识信号“0”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第二标识信号“O”时，触发微调单元，保持可调电容Cl和C2的当前位置(即，起辉位置)不变，根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时控制通断开关Kl和K2接通或断开，即采用“开关匹配模式”进行匹配，经过通断开关Kl和K2的通断响应时间T3(即，切换时间)实现阻抗匹配，此时，当前负载阻抗经过通断响应时间Τ3快速地自阻抗区B移动至阻抗匹配点附近的阻抗匹配区C，此时，并由于脉冲射频电源自动扫频匹配实现负载阻抗移动至阻抗匹配点；并且，在采用“开关匹配模式”实现阻抗匹配时，储存模块保存通断开关Kl和Κ2的当前通断状态为匹配通断状态。
[0072]当脉冲周期判断模块实时判断当前为第二脉冲周期的低电平时段时，虽然其高电平时段已实现阻抗匹配，但需要对下一个脉冲周期重新进行阻抗匹配，因此，保持可调电容Cl和C2的起辉位置不变，使通断开关Kl和Κ2自匹配通断状态切换至初始通断状态，在该低电平时段，脉冲射频电源的负载阻抗位于阻抗区D，为感应线圈耦合信号阻抗。
[0073]当脉冲周期判断模块判断出当前为第三脉冲周期的高电平时段时，脉冲射频电源自动扫频匹配，以及，计算模块实时计算当前负载阻抗和当前发射系数，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，以及将当前反射系数发送至判断模块，由于可调电容Cl和C2处于起辉位置，通断开关Kl和K2位于初始通断状态，因此，判断模块判断出来自计算模块的当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I Γ\|，此时，说明反应腔室已实现起辉，负载阻抗位于阻抗区B，判断模块向控制模块发送第二标识信号“0”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第二标识信号“O”时，触发微调单元，保持可调电容Cl和C2的起辉位置不变，直接控制通断开关Kl和K2自初始通断状态切换至匹配通断状态，经过通断开关Kl和K2的切换时间T3实现阻抗匹配，负载阻抗经过时间T3快速地自阻抗区B移动至阻抗匹配点附近的阻抗匹配区C，并通过脉冲射频电源自动扫频匹配实现负载阻抗位于阻抗匹配点。
[0074]当脉冲周期判断模块判断出当前为第三脉冲周期的低电平时段时，虽然其高电平时段已实现阻抗匹配，但需要对下一个脉冲周期重新进行阻抗匹配，因此，继续保持可调电容Cl和C2的起辉位置不变，使通断开关Kl和K2自匹配通断状态切换至起辉通断状态，在该低电平时段，脉冲射频电源的负载阻抗位于阻抗区D，为感应线圈耦合信号阻抗。
[0075]第四脉冲周期和后续的每个脉冲周期的高电平和低电平时段均重复第三脉冲周期直至工艺结束。
[0076]若刚开始匹配的当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I Γ\|:请参阅图9、图11和图12，同样地，当脉冲射频电源未开启时，其负载阻抗位于Smith圆外的阻抗区A，为干扰信号引起的阻抗；当脉冲射频电源开启后，其将脉冲同步信号发送至脉冲周期判断模块，脉冲周期判断模块实时判断当前是否为当前脉冲周期的高电平时段；当脉冲周期判断模块判断出当前为第一脉冲周期高电平时段时，脉冲射频电源进行自动扫频匹配，以及，计算模块开始实时计算当前负载阻抗和当前发射系数I Γ |，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，以及将当前反射系数I Γ I发送至判断模块，判断模块在时间点t2就判断出来自计算模块的当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|，说明反应腔室已实现起辉，当前负载阻抗位于阻抗区B，判断模块向控制模块发送第二标识信号“0”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第二标识信号“O”时，触发微调单元，保持可调电容Cl和C2的起辉位置(即，初始位置)不变，根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时控制通断开关Kl和K2接通或断开，即，采用“开关匹配模式”进行匹配，经过通断开关Kl和K2的通断响应时间T3实现阻抗匹配，此时，负载阻抗经过时间T3快速地自阻抗区B移动至阻抗匹配点附近的阻抗匹配区C，并通过脉冲射频电源自动扫频匹配实现负载阻抗位于阻抗匹配点；并且，在采用“开关匹配模式”实现阻抗匹配时，储存模块保存通断开关Kl和K2的当前通断状态为匹配通断状态。
[0077]当脉冲周期判断模块判断出当前为第一脉冲周期的低电平时段时，虽然其高电平时段已实现阻抗匹配，但需要对下一个脉冲周期重新进行阻抗匹配，因此，保持可调电容Cl和C2的位置不变，使通断开关Kl和K2自匹配通断状态切换至初始通断状态，在该低电平时段，脉冲射频电源的负载阻抗位于阻抗区D，为感应线圈耦合信号阻抗。
[0078]当脉冲周期判断模块判断出当前为第二脉冲周期的高电平时段时，脉冲射频电源自动扫频匹配，以及，计算模块实时计算当前负载阻抗和当前发射系数I Γ |，并将当前负载阻抗发送至粗调单元和微调单元，以及将当前反射系数I Γ I发送至判断模块，由于可调电容Cl和C2处于起辉位置，通断开关Kl和K2位于初始通断状态，因此，判断模块直接判断出来自计算模块的当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数I rt|，此时，说明反应腔室已实现起辉，负载阻抗位于阻抗区B，判断模块向控制模块发送第二标识信号“O”，控制模块在接收到由判断模块发送而来的第二标识信号“O”时，触发微调单元，保持可调电容Cl和C2的起辉位置不变，直接控制通断开关Kl和K2自初始通断状态切换至匹配通断状态，经过通断开关Kl和K2的切换时间T3实现阻抗匹配，负载阻抗经过切换时间T3快速地自阻抗区B移动至阻抗匹配点附近的阻抗匹配区C，并通过脉冲射频电源自动扫频匹配实现负载阻抗位于阻抗匹配点。
[0079]当脉冲周期判断模块判断出当前为第二脉冲周期的低电平时段时，虽然其高电平时段已实现阻抗匹配，但需要对下一个脉冲周期重新进行阻抗匹配，因此，继续保持可调电容Cl和C2的位置不变，使通断开关Kl和K2自匹配通断状态切换至初始通断状态，在该低电平时段，脉冲射频电源的负载阻抗位于阻抗区D，为感应线圈耦合信号阻抗。
[0080]第三脉冲周期和后续的每个脉冲周期的高电平和低电平时段均重复第二脉冲周期直至工艺结束。
[0081]对比图4、图10和图12，图4示出了现有技术在首次实现阻抗匹配之后，后续的每个脉冲周期需要经过较长的时间T才能实现阻抗匹配，而图10和图12示出了本申请在首次实现阻抗匹配之后，后续的每个脉冲周期仅需要经过切换时间或通断响应时间T3就可实现阻抗匹配，T3 < T，从而可以提高脉冲射频电源的匹配效率。
[0082]需要说明的是，在本实施例中，阻抗匹配装置的匹配网络的电路结构为L型。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，匹配网络的电路结构还可以包括倒L型、T型或者JT型。
[0083]还需要说明的是，尽管本实施例中微调单元包括固定电容和/或固定电感以及与之串接的通断开关，通过通断开关的接通和断开实现在起辉位置和匹配位置之间的切换，但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他方式快速地在起辉位置和匹配位置进行切换。
[0084]另外需要说明的是，本实施例提供的阻抗匹配装置对脉冲射频电源30的射频频率并不限制，例如，射频频率为400KHz、2MHz、3MHz、27MHz、40MHz或者60MHz等；也对脉冲射频电源30的脉冲频率和脉冲占空比并不限制，例如，脉冲频率在IMHz以内等，脉冲占空比可以取小于I的任意值。
[0085]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。
【主权项】
1.一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，所述阻抗匹配方法，包括下列步骤: 粗调步骤:根据当前负载阻抗进行调节，使当前反射系数I Γ I不大于起辉反射系数Γ11，并设置当前位置为起辉位置； 微调步骤:保持所述起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置； 切换步骤:在后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在所述起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。2.根据权利要求1所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，所述粗调步骤，包括下列步骤: 步骤1，实时判断当前反射系数I Γ I是否不大于起辉反射系数I rt|，若是，执行步骤2;否则，执行所述微调步骤； 步骤2，根据当前负载阻抗实时执行所述粗调步骤；返回步骤I。3.根据权利要求1所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，所述粗调步骤之前，还包括: 判断当前是否为脉冲周期的高电平时段，若是，执行所述粗调步骤；否则，当前为脉冲周期的低电平时段，保持当前位置不变。4.根据权利要求3所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，在判断当前为当前脉冲周期的高电平时段时，所述脉冲射频电源采用扫频模式进行自动阻抗匹配。5.根据权利要求1所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，所述微调步骤中，还包括: 在实现阻抗匹配时，保存所述匹配位置。6.根据权利要求1所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法，其特征在于，所述切换步骤，包括: 在后续的同一脉冲周期的高电平时段时，自起辉位置切换至匹配位置，以及在后续的同一脉冲周期的低电平时段时，自匹配位置切换至起辉位置。7.一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，用于实现脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗相匹配，其特征在于，所述装置，包括:粗调单元、微调单元以及切换单元，其中: 所述粗调单元，用于根据当前负载阻抗调节当前反射系数I F I不大于起辉反射系数r 11，并设置当前位置为起辉位置； 所述微调单元，用于在当前反射系数I r I不大于起辉反射系数I rt|时，保持所述起辉位置不变，根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配，并设置当前位置为匹配位置； 所述切换单元，用于在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的不同脉冲时段，在所述起辉位置和匹配位置进行切换，以实现不同脉冲周期下的阻抗匹配。8.根据权利要求7所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述装置，还包括:控制模块、判断模块和计算模块，其中: 所述计算模块，用于在实时计算出所述脉冲射频电源的当前负载阻抗和当前反射系数r I，并将当前负载阻抗发送至所述粗调单元和所述微调单元，以及将当前反射系数I r发送至所述判断模块； 所述判断模块，用于判断当前反射系数I F I是否不大于起辉反射系数I FtI，若是，向所述控制模块发送第一标识信号；否则，向所述控制模块发送第二标识信号； 所述控制模块，用于在接收到由所述判断模块发送而来的所述第一标识信号时，触发所述粗调单元；以及在接收到由所述判断模块发送而来的所述第二标识信号时，触发所述微调单元。9.根据权利要求8所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述粗调单元包括可调电容和/或可调电感，其中: 所述粗调单元，根据由所述计算模块发送而来的当前负载阻抗实时调节所述可调电容和/或可调电感的位置，以调节当前反射系数I F I不大于起辉反射系数I FtI，并设置当前可调电容和/或可调电感的位置为起辉位置。10.根据权利要求8所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述微调单元，包括固定电容和/或固定电感以及与其串接的通断开关，其中: 所述微调单元根据由计算模块发送而来的当前负载阻抗实时控制所述通断开关接通或断开实现阻抗匹配，并设置当前所述通断开关的状态为匹配通断状态。11.根据权利要求7所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述装置，还包括: 脉冲周期判断模块，用于判断当前脉冲周期是否为高电平时段，若是，触发所述粗调单元；否则，保持当前位置不变。12.根据权利要求7所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述装置，还包括: 储存模块，用于在所述微调单元根据当前负载阻抗实时调节实现阻抗匹配时，保存所述匹配位置。13.根据权利要求7所述的针对脉冲射频电源的阻抗匹配装置，其特征在于，所述切换单元，用于在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的高电平时段，自起辉位置切换至匹配位置，以及在首次实现阻抗匹配后续的同一脉冲周期的低电平时段自匹配位置切换至起辉位置。
【文档编号】H01J37/32GK105826154SQ201510004040
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月6日
【发明人】成晓阳
【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