阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备的制作方法

文档序号:8066980阅读:285来源:国知局
阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备,阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络,其包括第一电容和第二电容,所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接,另一端接地;所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间;所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接,另一端接地;自动控制单元,在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时,首先调节所述第一电容的阻抗值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,然而调节所述第二电容的阻抗值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度,重复上述调节步骤,射频功率源的输出阻抗与阻抗匹配网络的输入阻抗实现共轭匹配。该阻抗匹配装置成本低,可靠性高,阻抗匹配时间短,生产效率高。
【专利说明】阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备【技术领域】
[0001]本发明属于微电子【技术领域】,具体涉及一种阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备。
【背景技术】
[0002]低频等离子体技术广泛用于双频深硅刻蚀、晶硅太阳能电池、物理气相沉积(PVD)等制作工艺中。由于电感耦合(ICP)放电能够在较低的工作气压下获得高密度的等离子体,而且电感耦合(ICP)放电装置结构简单,造价低,因此,电感耦合放电是比较理想的产生等离子体的方式之一。
[0003]在低频电感耦合(ICP)等离子体发生装置中,向反应腔室提供射频功率的射频电源具有恒定输出阻抗的特性,例如,输出阻抗为50 Ω,而等离子体负载具有不恒定负载阻抗的特性,即,负载阻抗随着工艺过程而不断变化。根据传输线理论,当射频电源的输出阻抗与负载阻抗不能共轭匹配时,射频电源的输出功率无法全部加载到等离子体负载上,而且会有部分功率反射,造成功率浪费,同时反射回射频电源的功率又会对射频电源造成损害。为此,在实际应用中,在射频电源和等离子体负载之间设置阻抗匹配装置,以使射频电源的输出阻抗和负载阻抗共轭匹配。
[0004]常用的阻抗匹配器包括“L”型阻抗匹配器和“倒L”型阻抗匹配器。对于低频电感耦合等离子体发生装置而言,“倒L”型阻抗匹配器可以获得更宽的匹配范围,因此,“倒L”型阻抗匹配器常被称为低频阻抗匹配器。低频阻抗匹配装置包括匹配网络、拨盘以及用于监测电压和电流的探针(以下简称VI Probe).其中,拨盘用于调节匹配网络的输入阻抗,VI Probe可以监测匹配网络的输入阻抗。操作者根据VI Probe监测到的匹配网络的输入阻抗拨动拨盘,从而使匹配网络的输入阻抗与射频电源的输出阻抗共轭匹配。然而,在实际使用过程中,这种手动调节阻抗方式匹配阻抗的时间较长,降低了阻抗匹配的效率;而且对监测等离子体负载阻抗的VI Probe的精度要 求较高,增加了低频阻抗匹配装置的成本。

【发明内容】

[0005]为解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供一种阻抗匹配装置及阻抗匹配方法,其阻抗匹配的效率较高,而且成本低。
[0006]为解决上述技术问题,本发明还提供一种基片加工设备,其使用效率高,生产成本低。
[0007]解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种阻抗匹配装置,用于将射频能量从射频功率源耦合至等离子体负载,包括阻抗匹配网络,其包括第一电容和第二电容,所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接,另一端接地;所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间;所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接,另一端接地;
[0008]还包括自动控制单元,在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时,首先调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,然后调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度,重复上述调节步骤,使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗实现共轭匹配;
[0009]其中,所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的实部与所述射频功率源的输出阻抗的实部之间的偏差,所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的虚部与所述射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。
[0010]其中,还包括第一获取单元,其包括:
[0011]第一检测模块,用于实时获取所述阻抗匹配网络的输入电压和电流;
[0012]第一计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络的输入电压和电流计算所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。
[0013]其中,所述自动控制单元包括:
[0014]第二计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部;
[0015]第三计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述射频功率源输出阻抗的实部获得所述阻抗实部偏差,以及根据所述阻抗匹配网络输入阻抗虚部和所述输出阻抗的虚部获得所述阻抗虚部偏差。
[0016]其中,所述自动控制单元还包括:
[0017]第一判断模块,用于判断所述阻抗实部偏差是否大于第一预设精度,若所述阻抗实部偏差大于第一预设精度,则根据所述阻抗实部偏差计算第一电容调整量;
[0018]第一执行模块,用于根据所述第一电容调整量调整所述第一电容的阻抗值;
[0019]第二判断模块,用于判断所述阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度,若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度,则根据所述阻抗虚部偏差获得第二电容调整量;
[0020]第二执行模块,用于根据所述第二电容调整量调整所述第二电容的阻抗值。
[0021]其中,所述输入阻抗实部为|Z| cos Θ,所述输入阻抗虚部为|z|sin0,其中,|Z为输入阻抗的模值,Θ为所述输入阻抗的相位。
[0022]其中,所述第一执行模块和所述第二执行模块为步进电机。
[0023]其中,所述射频功率源的射频频率范围为400?2000kHz。
[0024]本发明还提供一种阻抗匹配方法,通过阻抗匹配装置使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配,所述阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元,
[0025]所述阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容,所述等离子体负载的一端接地,另一端与所述射频功率源连接;所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间;所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接,另一端接地;
[0026]所述自动控制单元用于调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,以及调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度;
[0027]所述方法包括:
[0028]获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差,其中,所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部与所述射频功率源输出阻抗的实部的之间偏差,所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与所述射频功率源输出阻抗的虚部之间的偏差;[0029]若判断出所述阻抗实部偏差大于第一预设精度,根据所述阻抗实部偏差获得所述第一电容调整量,并根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节;
[0030]若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度,根据所述阻抗虚部偏差获得所述第二电容调整量,并根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整。
[0031]其中,所述获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差的步骤包括:
[0032]获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位及射频功率源的输出阻抗;
[0033]根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络的输入阻抗;
[0034]根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差。
[0035]其中,所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤包括:
[0036]实时获取所述阻抗匹配网络的电压和电流;
[0037]根据所述阻抗匹配网络的电压和电流获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。
[0038]其中,所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节步骤之后还包括:
[0039]继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
[0040]其中,所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整步骤之后还包括:
[0041]继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
[0042]其中,所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗之后还包括:
[0043]判断所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗是否共轭匹配;
[0044]若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗未共轭匹配,执行根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗,获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差的步骤;
[0045]若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗共轭匹配,继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
[0046]其中,所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节的步骤以及所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整的步骤同时进行。
[0047]本发明还提供一种基片加工设备,包括射频功率源、反应腔室以及设置在所述射频功率源和所述反应腔室之间的阻抗匹配装置,所述阻抗匹配装置采用本发明提供的任意一项所述的阻抗匹配装置。
[0048]其中,所述基片设备为深硅刻蚀设备、太阳能电池片加工设备或者物理气相沉积设备。
[0049]本发明具有以下有益效果:
[0050]本发明提供的阻抗匹配装置借助自动控制单元,在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时,首先调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度,然后调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度,从而使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配。由于阻抗实部仅受第一电容的影响,第二电容仅影响阻抗的虚部。因此,先调节第一电容使阻抗实部匹配,再调节第二电容使阻抗虚部匹配,可以缩短阻抗匹配的时间,提高生产效率。
[0051]作为本发明的一个优选实施例,该阻抗匹配装置是根据阻抗的模值和相位获得阻抗匹配网络的输入阻抗,进而获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差,即不需要高精度的探针即可获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差,从而降低了阻抗匹配装置的生产成本,而且提高了阻抗匹配的可靠性。
[0052]本发明提供的阻抗匹配方法基于阻抗匹配装置,阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元,阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容,第一电容的一端与等离子体负载连接,第一电容的另一端接地,第二电容串联在射频功率源和等离子体负载之间;并根据获取的阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差,在判断阻抗实部偏差大于第一预设精度时,调节第一电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的实部与射频功率源输出阻抗的实部匹配;在判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度时,调节第二电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与射频功率源输出阻抗的虚部匹配,即通过调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度,调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度,以使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配,从而缩短了阻抗匹配的时间,提高了生产效率。
[0053]本发明提供的基片加工设备采用本发明提供的阻抗匹配装置,可以降低基片加工设备的生产成本,提高生产效率。
【专利附图】

【附图说明】
[0054]图1为本发明第一实施例阻抗匹配装置的结构框图;
[0055]图2为本发明第一实施例获取单元的原理框图;
[0056]图3为本发明第一实施例自动控制单元的原理框图;
[0057]图4为本发明第二实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图;
[0058]图5为本发明第三实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图;
[0059]图6为本发明第四实施例提供的一种等离子体加工设备的结构示意图。
【具体实施方式】
[0060]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阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备进行详细描述。
[0061]本发明提供的阻抗匹配装置主要应用于等离子体加工设备,用于使射频功率源与等离子体负载之间的阻抗匹配,以减少射频功率源的输出功率的反射,从而提高射频功率的利用率,以及降低射频功率源的使用寿命。
[0062]图1为射频功率源、阻抗匹配装置以及等离子体负载的原理图。请参阅图1,阻抗匹配装置2设置在射频功率源I与等离子体负载3之间。阻抗匹配装置2用于使射频功率源I与等离子体负载(等离子体反应腔室)3之间的阻抗共轭匹配。
[0063]阻抗匹配装置2包括阻抗匹配网络21、获取单元22以及自动控制单元23,其中,
[0064]阻抗匹配网络21采用“倒L”型网络,具体地,阻抗匹配网络21包括第一电容Cl和第二电容C2,等离子体负载3的一端与射频功率源I连接,另一端接地;第二电容C2串联在射频功率源I与等离子体负载3之间;第一电容Cl的一端与等离子体负载3连接,另一端接地。[0065]自动控制单元23,其在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时,首先调节第一电容Cl的阻抗值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,再调节第二电容C2的阻抗值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度从而使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗共轭匹配;在实际使用过程中,由于等离子体负载的阻抗容易受其它因素的影响,需要不断地调节阻抗匹配网络的输入阻抗以使其与射频功率源的输出阻抗匹配,自动控制单元23不断地重复上述调节步骤,使射频功率源的输出阻抗与阻抗匹配网络的输入阻抗实现动态的共轭匹配,其中,阻抗实部偏差为阻抗匹配网络输入阻抗的实部与射频功率源输出阻抗的实部之间的偏差,阻抗虚部偏差为阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。
[0066]该自动控制单元23首先自动调节第一电容Cl使阻抗匹配网络的阻抗实部与匹配射频功率源的输出阻抗实部匹配,再调节第二电容C2使阻抗匹配网络的阻抗虚部与匹配射频功率源的输出阻抗虚部匹配,缩短了阻抗匹配的时间,从而提高了等离子体加工设备的生产效率。
[0067]第一实施例阻抗匹配装置还包括第一获取单元22a,用于获取阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。图2为本发明第一实施例第一获取单元的原理框图。如图2所示,第一获取单元22a包括:
[0068]第一检测模块221,用于实时获取阻抗匹配网络的电压和电流;
[0069]第一计算模块222,用于根据由第一检测模块221获取的阻抗匹配网络的电压和电流获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值|z|和相位θ。
[0070]其中,第一检测模块221可以为低频传感器或其它传感器。第一计算模块222将由第一检测模块221获取的阻抗匹配网络的电压V和电流I,利用鉴幅和鉴相方法获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值|Z|和相位Θ。相对与现有技术中的探针而言,由于用于获得输入阻抗的模值|Z|和相位Θ的传感器成本低,因此,可以降低阻抗匹配装置的生产成本。
[0071]在介绍自动控制单元结构之前,首先对第一实施例提供的阻抗匹配网络的工作原理进行介绍。
[0072]射频功率源的输出阻抗包括输出阻抗实部和输出阻抗虚部;阻抗匹配网络的输入阻抗包括输入阻抗实部和输入阻抗虚部;输出阻抗实部与输入阻抗实部的差值为阻抗实部偏差,输出阻抗虚部与输入阻抗虚部的差值为阻抗虚部偏差。
[0073]等离子体负载3的等效阻抗Zl为式(I ),
[0074]ZL=RL+jXL ⑴
[0075]在式(I)中,&表示等离子体负载的等效电阻,表示等离子体反应腔室的等效电抗,j为虚部符号。
[0076]阻抗匹配网络的输入阻抗Z为式(2),
【权利要求】
1.一种阻抗匹配装置,用于将射频能量从射频功率源耦合至等离子体负载,包括阻抗匹配网络,其包括第一电容和第二电容,所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接,另一端接地;所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间;所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接,另一端接地; 其特征在于,还包括自动控制单元,在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时,首先调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,然后调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度,重复上述调节步骤,使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗实现共轭匹配; 其中,所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的实部与所述射频功率源的输出阻抗的实部之间的偏差,所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的虚部与所述射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。
2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置,其特征在于,还包括第一获取单元,其包括: 第一检测模块,用于实时获取所述阻抗匹配网络的输入电压和电流; 第一计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络的输入电压和电流计算所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。
3.根据权利要求2所述的阻抗匹配装置,其特征在于,所述自动控制单元包括: 第二计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部; 第三计算模块,用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述射频功率源输出阻抗的实部获得所述阻抗实部偏差,以及根据所述阻抗匹配网络输入阻抗虚部和所述输出阻抗的虚部获得所述阻抗虚部偏差。
4.根据权利要求3所述的阻抗匹配装置,其特征在于,所述自动控制单元还包括: 第一判断模块,用于判断所述阻抗实部偏差是否大于第一预设精度,若所述阻抗实部偏差大于第一预设精度,则根据所述阻抗实部偏差计算第一电容调整量; 第一执行模块,用于根据所述第一电容调整量调整所述第一电容的阻抗值; 第二判断模块,用于判断所述阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度,若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度,则根据所述阻抗虚部偏差获得第二电容调整量; 第二执行模块,用于根据所述第二电容调整量调整所述第二电容的阻抗值。
5.根据权利要求4所述的阻抗匹配装置,其特征在于,所述输入阻抗实部为|Z|COS0,所述输入阻抗虚部为Izlsine,其中,Izl为输入阻抗的模值,Θ为所述输入阻抗的相位。
6.根据权利要求4所述的阻抗匹配装置,其特征在于,所述第一执行模块和所述第二执行模块为步进电机。
7.根据权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配装置,其特征在于,所述射频功率源的射频频率范围为400~2000kHz。
8.一种阻抗匹配 方法,通过阻抗匹配装置使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配,所述阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元, 所述阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容,所述等离子体负载的一端接地,另一端与所述射频功率源连接;所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间;所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接,另一端接地;所述自动控制单元用于调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度,以及调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度;其特征在于,所述方法包括: 获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差,其中,所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部与所述射频功率源输出阻抗的实部的之间偏差,所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与所述射频功率源输出阻抗的虚部之间的偏差; 若判断出所述阻抗实部偏差大于第一预设精度,根据所述阻抗实部偏差获得所述第一电容调整量,并根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节; 若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度,根据所述阻抗虚部偏差获得所述第二电容调整量,并根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整。
9.根据权利要求8所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差的步骤包括: 获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位及射频功率源的输出阻抗; 根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络的输入阻抗;根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差。
10.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤包括: 实时获取所述阻抗匹配网络的电压和电流; 根据所述阻抗匹配网络的电 压和电流获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。
11.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节步骤之后还包括: 继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
12.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整步骤之后还包括: 继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
13.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗之后还包括: 判断所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗是否共轭匹配; 若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗未共轭匹配,执行根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗,获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差的步骤; 若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗共轭匹配,继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。
14.根据权利要求8所述的阻抗匹配方法,其特征在于,所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节的步骤以及所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整的步骤同时进行。
15.一种基片加工设备,包括射频功率源、反应腔室以及设置在所述射频功率源和所述反应腔室之间的阻抗匹配装置,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。
16.根据权利要求15所述的基片加工设备,其特征在于,所述基片设备为深硅刻蚀设备、太阳能电池片加工设备或者物理气相沉积设备。
【文档编号】H05H1/46GK103687267SQ201210343983
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月17日 优先权日:2012年9月17日
【发明者】刘建生 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
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