专利名称：真空反应室的射频匹配耦合网络及其配置方法
技术领域：
本发明关于半导体或集成电路制造领域，尤其涉及一种真空反应室的射频匹配耦合网络及其配置方法。
背景技术：
真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，该能量输入激活反应气体，在真空反应室内形成等离子体对半导体工艺件进行处理。在这个过程中，以往的技术是对真空反应室的下电极输入单一频率的射频能量，如美国相关国家标准为13.56MHz。
随着半导体工艺件等离子体处理技术的不断发展，最近双射频能量输入技术被应用于真空反应室中反应气体的激活，提高等离子体对半导体工艺件的处理效果。所谓的双射频能量输入就是将两种不等频率的射频能量同时输入真空反应室，如目前的低频2MHz和高频60MHz等不同的双频组合。
在对真空反应室进行能量输入时，并不是所有的射频能量都能被顺利的输入，真空反应室一般具有上下电极的容性阻抗。其对于射频能量输入具有一定的反射率，因此一部分能量就不能输入造成了能量的浪费，更严重的是这部分能量被反馈回输入电路，导致输入电路发热甚至烧毁。由于对射频源而言真空反应室可以等效为一个容性阻抗的负载，因而其阻抗值是一个复数阻抗。理论证明当输入电路的阻抗值与之互为共轭复阻抗时，其反射率最低，能量能够充分输入。因此在输入网络中加入适当值的电容和电感组成与真空反应室的阻抗相共轭的匹配。这种利用电容和电感组成的输入网络被称之为射频匹配耦合网络。
随之产生的问题是，由于高频和低频输入同时接入真空反应室，因此其真空反应室的射频匹配耦合网络也就不可避免地相连接。高频和低频输入于一点汇集后，其部分能量不是输入真空反应室而是互相进入对方，相互烧毁对方射频源。对高频和低频输入的真空反应室的射频匹配耦合网络进行隔离，目前可以达到隔离程度为输入对方真空反应室的射频匹配耦合网络和输入真空反应室的功率比为-20分贝(db)，即为1％。
基于两个射频源输入频率相差比较大的思路，目前解决这一问题的方法是在两个射频匹配耦合网络的连接点之前各设置一个滤波器，在低频输入一侧设高频滤波器，在高频一侧设低频滤波器。这样就将相互输入对方射频匹配耦合网络的能量通过滤波器滤除了。
这样的解决方案至少有两大缺陷。首先，直接滤除能量会造成大量的能量浪费，降低了输入效率；其次，滤除能量会导致滤波器发热。而且，这种大功率的能量滤除本身也会需要较大体积的滤波器，因此会造成设备的体积和重量增大，同时也增加了设计制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空反应室能够克服现有多重射频源之间的隔离技术问题，着重解决高频和低频射频源之间的能量互流而导致发热甚至烧毁的问题。
本发明是通过以下技术方法实现这一目的的一种真空反应室的射频匹配耦合网络包括第1至第n个射频输入端口分别与第1至第n个射频源连接，每一个射频源分别具有不同的频率，以及一个将前述多个射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中频率依次递减，第i频率射频输入端口至输出端口之间构成第i电路，该第i电路在输出端口对输入频率中除第i频率以外的所有频率具有高阻抗；当第i电路与第i频率射频源连接后，从输出端口往第i电路方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第i电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
其中相邻的两个频率中，高的频率与低的频率大小之比大于等于5。所述的每一路电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。n为大于或等于2的自然数，i为大于或等于2且小于或等于n的某一个自然数。所述的真空反应室是等离子体沉积设备或等离子体刻蚀设备。
本发明另一技术方案是一种真空反应室的射频匹配耦合网络包括与第一频率射频源连接的第一频率射频输入端口，与第二频率射频源连接的第二频率射频输入端口，以及一个将多重射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中第一频率高于第二频率，第一频率射频输入端口至输出端口之间构成第一电路，该第一电路在输出端口对第二频率具有高阻抗；第二频率射频输入端口至输出端口之间构成第二电路，该第二电路在输出端口对第一频率具有高阻抗；当第一电路与第一频率射频源连接后，从输出端口往第一电路方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第一电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
其中，所述的第一电路和第二电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。所述的电容和接地电容全部或部分为可变电容。所述的每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。所述的第一频率的大小与第二频率的大小之比为5或大于5。第一电路输出端口与真空反应室之间还串接有一个导电连接体，其顶端可为一个分支或多个分支与真空反应室的下电极连接。第二电路的电感靠近输出端口一侧的线与线之间的距离较靠近第二频率射频输入端口一侧的线与线之间的距离大。所述的真空反应室是等离子体沉积设备或等离子体刻蚀设备。
本发明的另一目的在于提供一种解决高频和低频射频源之间的能量互流而导致发热甚至烧毁的问题的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法。
为了实现这一目的，本发明提供了如下技术方案一种真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，包括以下步骤a.设置第一频率射频输入端口与第一频率射频源连接，设置第二频率射频输入端口与第二频率射频源连接，以及设置一个输出端口将多重射频源能量输出到真空反应室，其中第一频率高于第二频率；b.在第一频率射频输入端口至输出端口之间构成第一电路，该第一电路在输出端口对第二频率具有高阻抗；c.在第二频率射频输入端口至输出端口之间构成第二电路，该第二电路在输出端口对第一频率具有高阻抗；当第一电路与第一频率射频源连接后，从输出端口往第一电路方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第一电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
其中，所述的第一电路和第二电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。所述的电容和接地电容全部或部分为可变电容。每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。所述的第一频率的大小与第二频率的大小之比为5或大于5。所述的第一电路输出端口与真空反应室之间还串接有一个导电连接体，其顶端可为一个分支或多个分支与真空反应室的下电极连接。第二电路的电感靠近输出端口一侧的线与线之间的距离较靠近第二频率射频输入端口一侧的线与线之间的距离大。所述的真空反应室是等离子体沉积设备或等离子体刻蚀设备。
本发明通过设置匹配电路使得匹配电路的阻抗与真空反应室的阻抗相匹配，取得最佳的能量输入比率，提高了能量输入效率，减少了电路热量的产生。同时本发明巧妙利用了构成匹配网络的部件的阻抗值的组合，使其分别形成高通和低通滤波器。利用电路的阻抗值引导能量的输入方向。充分利用了输入能量，避免了浪费。同时避免高频和低频射频源之间的能量互流而导致发热甚至烧毁。由于本发明结构合理，采用了线与线间距不等距的电感设计，降低了电感的寄生电容，在避免电感发热的同时保持了电感设计的紧凑性。本发明重量轻、损耗小，不需要水冷，从而节省了制造和使用成本。
图1为本发明的真空反应室的射频匹配耦合网络结构示意图。
图2为应用本发明的真空反应室系统从低频视角观察的示意图。
图3为应用本发明的真空反应室系统从高频视角观察的示意图。
图4为用于本发明射频匹配耦合网络中的电感结构示意图。
图5为本发明一个具有多射频输入的射频匹配耦合网络的示意图。
图6为用于本发明射频匹配耦合网络中的每一电路的各种连接方式示意图。
具体实施例方式
首先请参阅图1，图1是本发明的真空反应室的射频匹配耦合网络结构示意图。在图1中，本发明的实施例具有两个射频输入，一个为高频输入部分，另一个是低频输入部分。整个射频匹配耦合网络具有三个端口，其中两个为输入端口，即与高频射频源连接的高频输入端口和与低频射频源连接的低频输入端口，以及一个将多重射频源能量输出到真空反应室的射频输出端口。该真空反应室的射频匹配耦合网络可以分为低频部分和高频部分，这两部分通过一个连接点结合于输出端口。高频部分由一个接地的电容C1’，一个电容C2’和一个电感L’构成；低频部分的结构为低频输出一端通过一个电容C1接地，另一端连接一个电容C2，该电容串接一个电感L，通过该电感L连接到输出端口。在低频部分，由电感L、电容C1和电容C2构成了一个低通滤波器。
在高频部分，由电感L′、接地电容C1′和电容C2′构成了一个高通滤波器。在高频输入的频率远高于低频输入的频率的情况下，即高频输入至少为低频输入20倍的情况下，由于高通滤波器的特性以及高频输入时真空反应室的阻抗特性，决定了高频部分只需要很小的电感值就可以使整个匹配耦合网络与真空反应室实现阻抗共轭。因此，在高频部分也可以不设专门的电感器，与之相对应处由一片作连接导线用的导电片以及由射频输出端至真空反应室下电极的导电连接体构成。利用导电片及导电连接体的自感值来等效一个电感。在这种情况下，接地电容C1’由导电片及导电连接体对地产生的寄生电容来替代。因为寄生电容C1’和电感L’不易调节且值很小，因此在高频部分中电容C2’可被设为可变电容以调整电路的阻抗。
根据高频和低频部分的频率可以估算出电容和电感的大小，也可以通过对电容C1的值进行选择来获得较为理想的阻抗值。此外这些由电容和电感组成的网络本身具有复阻抗，加上电路部件和导线本身的电阻，选择调节匹配耦合网络中器件的值就可以使低频部分与低频射频源连接后，从输出端口往低频部分方向观察测量，其具有在低频下的一个阻抗值，以及从输出端口往低频部分的反方向观察测量具有在低频下的另一阻抗值，该两个阻抗值大致共轭匹配(因为，实际使用过程中，两个阻抗值不可能百分之百地共轭匹配)。当高频部分与高频射频源连接后，从输出端口往高频部分方向观察测量，其具有在高频下的一个阻抗值，以及从输出端口往高频部分的反方向观察测量具有在高频下的另一阻抗值，该两个阻抗值也大致共轭匹配。
请参阅图2，图2为应用本发明的真空反应室系统从低频视角观察的示意图。在图2中的真空反应室系统包括三大部分低频射频源和高频射频源(未图示)、射频匹配耦合网络、以及真空反应室。低频射频源连接射频匹配耦合网络。射频匹配耦合网络中包含有高频和低频部分。射频匹配耦合网络与真空反应室连接，将射频能量提供给真空反应室。真空反应室由上电极1和下电极2组成，在下电极2上方放置有待处理的半导体工艺件3，在上下电极之间形成等离子体4对半导体工艺件3进行处理。在射频匹配耦合网络与真空反应室的下电极2连接导线的靠近下电极2的一端，有多个分支的导电连接体5连接到下电极2上。这个导电连接体5用来作为等效阻抗的一部分以补充射频匹配耦合网络阻抗值的不足。
在图2的射频匹配耦合网络中，低频射频能量由低频射频源产生后，经过由电容C2和电感L组成的电路到达输出端口，这时射频输出具有两个支路可选，即输入真空反应室或者输入高频部分(即，由寄生电容C1’、电容C2’和电感L’组成的支路)。高频部分由寄生电容C1’、电容C2’和电感L’构成。由于高频部分的寄生电容C1’、电容C2’和电感L’经过设定。对于低频射频输入而言，该输入高频部分支路的阻抗值远远大于真空反应室的阻抗值。因此，低频射频源的绝大部分能量输入了真空反应室。进一步的，可以通过适当选择电容C2’的值，使输入高频部分的能量小于2％。
请参阅图3，图3为应用本发明的真空反应室系统从高频视角观察的示意图。在图3的射频匹配耦合网络中，高频射频能量由高频射频源产生后，经过由电容C2’和电感L’组成的电路到达输出端口，这时射频输出具有两个支路可选，即输入真空反应室或者输入低频部分(即，由寄生电容C1、电容C2和电感L组成的支路)。低频部分由电容C2、电感L和电容C1构成，其中，电感L和电容C2串接后接入低频射频源(未图示)，而电容C1一端连接电容C2、另一端接地。通过这样的电路结构配置，加上对电容和电感值的估算，再经过调整电容的值，可以使得对于高频射频输入而言，该输入低频部分支路的阻抗值远远大于真空反应室的阻抗值，因此，绝大部分高频射频源的能量输入了真空反应室。进一步的，可以通过适当调节电容C1的值，使输入低频部分的能量小于2％。
以上所述的电容和电感全部或部分是可变的，且电容和电感串接位置也可以有各种变化。电容和电感可以是一个也可以是多个。
本发明巧妙利用了为了构成与真空反应室产生共轭复阻抗部件的组合，利用电路的自身相互隔离的功能引导能量的输入方向。
对于使用高频射频功率较大的情形，即便是仅有小于2％的能量输入了低频部分，其对于低频部分的部件的损害也是明显的。特别是电感L，因为高频输入能够在电感L的线与线之间产生对地的寄生电容，进一步增大电感L的阻抗，大量能量集中消耗在电感L上使其温度迅速上升，直至L被烧毁。
本发明为了解决这一问题，一种办法是将电感器L的线与线距离d变大，这样寄生电容值就会显著下降，避免了电感器L上的能量集中。但这与本发明的匹配电路小型化的目标不相一致。实际上只有接近高频输入一端的电感线圈需要减小寄生电容，另一端的电感线圈由于接近高频输入端已经消耗了部分能量，因此不至于被烧毁，也就没有必要将其线与线距离d变大。故，本发明的一个较佳实施例，请参考图4，是将电感器L接近输出端口或高频输入的一端的线与线的距离d拉大，而将电感器L接近低频输入端口的另一端的线与线的距离d保持不变。这样就形成了一种具有不等距的线与线的电感器L。
本发明所述的真空反应室包括使用等离子体处理半导体工艺件的各种设备，例如，等离子体沉积设备、等离子体刻蚀设备等。
本发明的构思也可以应用在具有多个射频输入的真空反应室中，在该实施例中，真空反应室的射频匹配耦合网络包括n(n为大于或等于2的自然数)个射频输入端口，该第1至第n个射频输入端口分别与第1至第n个射频源连接，每一个射频源分别具有不同的频率，以及一个将前述多个射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中频率依次递减，第i频率射频输入端口至输出端口之间构成第i电路，该第i电路在输出端口对输入频率中除第i频率以外的所有频率具有高阻抗；当第i电路与第i频率射频源连接后，从输出端口往第i电路方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第i电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
其中相邻的两个频率中，高的频率与低的频率大小之比大于等于5。所述的每一路电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。所述的真空反应室是等离子体沉积设备或等离子体刻蚀设备。
请参阅图5，图5为本发明一个多射频输入实施例的示意图。在该实施例中的真空反应室的射频匹配耦合网络包括第1至第n个射频输入端口，即图5中的p1至pn，分别与第1至第n个射频源连接，每一个射频源分别具有不同的频率，从f1至fn。以及一个将前述多个射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中频率依次递减，即图5中的f1＞---＞fi---＞fn。其中相邻的两个频率中，高的频率与低的频率大小之比大于等于5。
第i频率射频输入端口至输出端口之间构成第i电路，该第i电路在输出端口对输入频率中除第i频率fi以外的所有频率具有高阻抗；当第i电路与第i频率射频源连接后，从输出端口往第i电路方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第i电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
如图5所示的每一路电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。这些电容和电感可以是一个也可以是多个串接而成，连接顺序也可互相交换。
如图6所示，本发明的每一电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接，且电容、电感和接地电容具有各种连接方式的变形，如L型、倒L型、T型或π型。。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1.一种真空反应室的射频匹配耦合网络包括第1至第n个射频输入端口分别与第1至第n个射频源连接，每一个射频源分别具有不同的频率，以及一个将前述多个射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中第1至第n个射频输入端口的频率依次递减，其特征在于第i频率射频输入端口至输出端口之间构成第i电路，该第i电路在输出端口对除第i频率以外的所有射频源频率具有高阻抗；当第i电路与第i频率射频源连接后，从输出端口往第i电路方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第i电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
2.根据权利要求1所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于其中相邻的两个频率中，高的频率与低的频率大小之比大于等于5。
3.根据权利要求1所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的每一路电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。
4.根据权利要求3所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的电容和接地电容全部或部分为可变电容。
5.根据权利要求3所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。
6.根据权利要求1所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于n为大于或等于2的自然数，i为大于或等于2且小于或等于n的某一个自然数。
7.根据权利要求1所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的真空反应室是等离子体沉积设备。
8.根据权利要求1所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的真空反应室是等离子体刻蚀设备。
9.一种真空反应室的射频匹配耦合网络包括与第一频率射频源连接的第一频率射频输入端口，与第二频率射频源连接的第二频率射频输入端口，以及一个将多重射频源能量输出到真空反应室的输出端口，其中第一频率高于第二频率，其特征在于第一频率射频输入端口至输出端口之间构成第一电路，该第一电路在输出端口对第二频率具有高阻抗；第二频率射频输入端口至输出端口之间构成第二电路，该第二电路在输出端口对第一频率具有高阻抗；当第一电路与第一频率射频源连接后，从输出端口往第一电路方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第一电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
10.根据权利要求9所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的第一电路和第二电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。
11.根据权利要求10所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的电容和接地电容全部或部分为可变电容。
12.根据权利要求11所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。
13.根据权利要求9所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的第一频率的大小与第二频率的大小之比为5或大于5。
14.根据权利要求10所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的第一电路输出端口与真空反应室之间还串接有一个导电连接体，其顶端可为一个分支或多个分支与真空反应室的下电极连接。
15.根据权利要求10所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的第二电路的电感靠近输出端口一侧的线与线之间的距离较靠近第二频率射频输入端口一侧的线与线之间的距离大。
16.根据权利要求9所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的真空反应室是等离子体沉积设备。
17.根据权利要求9所述的真空反应室的射频匹配耦合网络，其特征在于所述的真空反应室是等离子体刻蚀设备。
18.一种真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于包括以下步骤a.设置第一频率射频输入端口与第一频率射频源连接，设置第二频率射频输入端口与第二频率射频源连接，以及设置一个输出端口将多重射频源能量输出到真空反应室，其中第一频率高于第二频率；b.在第一频率射频输入端口至输出端口之间构成第一电路，该第一电路在输出端口对第二频率具有高阻抗；c.在第二频率射频输入端口至输出端口之间构成第二电路，该第二电路在输出端口对第一频率具有高阻抗；当第一电路与第一频率射频源连接后，从输出端口往第一电路方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第一电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第一频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。
19.根据权利要求18所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的第一电路和第二电路至少包括电容、电感和接地电容，其中电容和电感串接，再与接地电容相串接。
20.根据权利要求19所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的电容和接地电容全部或部分为可变电容。
21.根据权利要求20所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的每一路电路的接法可以是L型、倒L型、T型或π型。
22.根据权利要求18所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的第一频率的大小与第二频率的大小之比为5或大于5。
23.根据权利要求19所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的第一电路输出端口与真空反应室之间还串接有一个导电连接体，其顶端可为一个分支或多个分支与真空反应室的下电极连接。
24.根据权利要求19所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的第二电路的电感靠近输出端口一侧的线与线之间的距离较靠近第二频率射频输入端口一侧的线与线之间的距离大。
25.根据权利要求18所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的真空反应室是等离子体沉积设备。
26.根据权利要求18所述的真空反应室的射频匹配耦合网络的配置方法，其特征在于所述的真空反应室是等离子体刻蚀设备。
全文摘要
一种真空反应室的射频匹配耦合网络包括具有第1至第n个射频源，每一个射频源分别具有不同的频率，其中第1至第n个射频输入端口的频率依次递减，第i频率射频输入端口至输出端口之间构成第i电路，该第i电路在输出端口对除第i频率以外的所有射频源频率具有高阻抗；当第i电路与第i频率射频源连接后，从输出端口往第i电路方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第一阻抗值，以及从输出端口往与前述第i电路方向相反的方向观察测量，其具有在该第i频率下的一第二阻抗值，该第一阻抗值和第二阻抗值大致共轭匹配。本发明重量轻、损耗小，从而节省了制造和使用成本。
文档编号H03H7/38GK1909184SQ20051002856
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月5日 优先权日2005年8月5日
发明者夏耀民 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司