专利名称：一种阻抗匹配器及等离子体处理设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体技术领域，具体地，涉及一种阻抗匹配器以及应用该阻抗匹配器的等离子体处理设备。
背景技术：
随着科技进步，大规模集成电路被应用于生产和生活的各个领域。近年来，晶片尺 寸已经由原来的200mm增大到300mm，与此同时，用户对集成电路的集成度要求越来越高。 因此，相关生产企业必须不断改进自身的生产设备才能适应新的市场需求。目前，对于半导体器件的加工多采用等离子体处理设备来进行。在进行大衬底、 高度集成器件的加工处理工艺时，等离子体处理设备能否提供高密度的等离子体以及 其对晶片的处理是否均勻是衡量该设备优劣的关键技术指标之一。电感耦合等离子体 (InductivelyCoupled Plasma,以下简称ICP)处理设备结构简单、造价低，且能够在较低的 工作气压下获得高密度的等离子体，因而被广泛应用于等离子体刻蚀、沉积和其他等离子 体加工工艺中。请参阅图1，为一种常用的ICP处理设备的工作原理框图，其被广泛应用于制造集 成电路或MEMS (Micro Electro Mechanicalsystems，微电子机械系统)器件的加工工艺中。 具体过程为，射频发生器为耦合线圈提供射频电流；耦合线圈设置在工艺腔室上方，来自射 频发生器的射频电流通过耦合线圈可在工艺腔室内产生时变磁场，随着磁场变化而感生电 场，从而将工艺腔室内的反应气体激发为等离子体；而后借助所形成的等离子体完成相应 的加工工艺。然而，在实际工艺中，上述工艺腔室内的阻抗值并不是恒定的，而是随时间呈非线 性变化的，而射频发生器则具有恒定的输出阻抗。这就造成射频发生器和工艺腔室的阻抗 无法匹配，使得射频传输线上存在较大的反射功率，进而造成射频发生器的输出功率无法 全部作用于工艺腔室。因此，还需要在射频发生器和工艺腔室之间设置一阻抗匹配器，其连 接在射频发生器和耦合线圈之间，用于匹配射频发生器和工艺腔室之间的阻抗。请参阅图2，为图1中阻抗匹配器的结构示意图，该阻抗匹配器包括相互电连接的 传感器、控制单元和执行机构。其中，执行机构具体包括阻抗匹配器中的可调阻抗元件和相 应的阻抗调节模块。传感器可检测射频传输线上的电压值、电流值等相关参数，并将上述 参数传送至控制单元；控制单元指示执行机构中的阻抗调节模块对可调阻抗元件进行相应 的阻抗调节，而使得射频传输线中来自匹配网络的输入阻抗等于射频发生器的恒定输出阻 抗，实现二者匹配。然而，由于上述阻抗匹配器只有一个输出端，且该输出端的电流恒定不可调。因 此，该阻抗匹配器仅能连接一个电感耦合线圈，且该线圈内的电流也是恒定而不可调的，这 种技术方案往往会造成所形成的等离子体密度在工艺腔室径向上分布不均勻的问题。具体 表现为，位于腔室内大致中心和边缘区域的等离子体密度相对较低，而在腔室中心与边缘 区域之间偏离中心一定半径区域范围内的等离子体密度最大。这一问题将进一步严重影响刻蚀、沉积等加工工艺的稳定性和均勻性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种阻抗匹配器及应用该阻抗匹配器的等离子体处 理设备，其能够在有效进行阻抗匹配的同时，对流经电感耦合线圈的射频电流进行调节，以 提高工艺腔室内等离子体密度的分布均勻性。为此，本发明提供一种阻抗匹配器，设置在射频发生器和电感耦合线圈之间，所述 阻抗匹配器包括输入端、阻抗检测单元、电流检测单元、控制单元、调节单元和至少两个输 出端。其中，所述输入端连接射频发生器，用以将来自所述射频发生器的射频功率引入阻抗 匹配器。每一个所述输出端分别连接所述电感耦合线圈，用以将射频功率从阻抗匹配器引 出至所述电感耦合线圈。所述阻抗检测单元用于检测阻抗匹配器的输入阻抗，并将检测得 到的阻抗匹配器的实际输入阻抗值传输至所述控制单元。所述电流检测单元用于检测所述 每一个输出端所对应的电流，并将检测得到的各输出端所对应的实际电流值传输至所述控 制单元。所述控制单元执行下述操作根据所述阻抗匹配器的实际输入阻抗值和射频发生 器的输出阻抗而产生第一控制信号，并将所述第一控制信号传输至调节单元；以及根据每 一个输出端所对应的实际电流值和每一个输出端期望的电流值而产生第二控制信号，并将 所述第二控制信号传输至所述调节单元。所述调节单元包括可调阻抗元件以及用以带动可 调阻抗元件的调节端移动以实现阻抗值变化的驱动机构，所述驱动机构根据所述第一控制 信号和/或第二控制信号而改变与之相连的可调阻抗元件的阻抗值，以调整各输出端所对 应的电流，并实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗之间的匹配。其中，所述每一个输出端均通过与之相连的支路射频传输线汇聚于干路射频传输 线，并经由所述干路射频传输线而连接至所述输入端。其中，所述阻抗检测单元检测干路射频传输线上的电流和电压，据此计算出该阻 抗匹配器的实际输入阻抗，并将所述实际输入阻抗值传输至所述控制单元。其中，所述阻抗检测单元包括独立的电压传感器和电流传感器，或者包括电压/ 电流联合传感器。其中，所述电流检测单元包括电流传感器，并且对应于每一个支路射频传输线而 设置一个电流传感器，以检测每一个支路射频传输线所对应的电流。其中，所述可调阻抗元件包括设置在干路射频传输线和每一个支路射频传输线上 的可调电容和/或可调电感。其中，所述驱动机构根据所述第一控制信号而改变设置在干路射频传输线上的可 调阻抗元件的阻抗值；并根据所述第二控制信号而改变设置在各个支路射频传输线上的可 调阻抗元件的阻抗值。其中，所述驱动机构包括电机和/或拨盘，所述电机包括步进电机和/或伺服电 机。此外，本发明还提供一种等离子体处理设备，包括射频发生器、工艺腔室以及设置 于工艺腔室上方的至少两个电感耦合线圈，并且，在所述射频发生器和电感耦合线圈之间 设置有上述本发明所提供的阻抗匹配器，以实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻 抗之间的匹配，并在所述工艺腔室内形成均勻分布的等离子体。
本发明具有下述有益效果首先，本发明所提供的阻抗匹配器具有至少两个可用于连接电感耦合线圈的输出 端，且电流检测单元能够检测每个输出端所对应的电流值，控制单元则根据上述各个输出 端的电流值发出第二控制信号，以指示相应驱动机构改变各个支路射频传输线上的可调阻 抗元件的阻抗值，从而调节各个输出端的电流分配状况，以使电感耦合线圈所产生的磁场 和电场强度在工艺腔室内的分布趋于均勻，从而提高所产生的等离子体的径向对称性，进 而有效提高加工工艺的稳定性和均勻性。其次，本发明所提供的阻抗匹配器借助调节单元对设置在干路射频传输线和/或 支路射频传输线中的可调阻抗元件的阻抗值进行调节，能够使射频发生器输出阻抗和阻抗 匹配器输入阻抗之间获得匹配，从而降低甚至消除射频传输线中的反射功率，使射频发生 器的输出功率得到有效利用。另外，本发明所提供的等离子体处理设备，包括射频发生器、工艺腔室以及至少两 个设置于工艺腔室上方的电感耦合线圈，并且在其射频发生器和电感耦合线圈之间还设置 有上述本发明提供的阻抗匹配器。因此，本发明所提供的等离子体处理设备同样能够在工 艺腔室内形成分布均勻的等离子体，并且对射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗进 行有效匹配。
图1为一种常用的电感耦合等离子体处理设备的工作原理框图；图2为图1中阻抗匹配器的结构示意图；图3为本发明所提供的阻抗匹配器一个具体实施例的结构示意图；以及图4为本发明所提供的等离子体处理设备的工作原理及结构示意图。
具体实施例方式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所 提供的阻抗匹配器及等离子体处理设备进行详细描述。请参阅图3，本发明所提供的阻抗匹配器，设置在射频发生器和电感耦合线圈之 间，用于在等离子体处理设备的射频传输线中进行阻抗匹配和电流调节，其包括电连接的 输入端、阻抗检测单元、电流检测单元、控制单元、调节单元和至少两个输出端。这里，所述 调节单元包括与输出端10相串接的可调阻抗元件11、控制可调阻抗元件11的执行机构 12 ；与输出端20相串接的可调阻抗元件21、控制可调阻抗元件21的执行机构22 ；以及，与 阻抗检测单元相串接的可调阻抗元件31、控制可调阻抗元件31的执行机构32。各个执行 机构分别与相对应的可调阻抗元件的调节端相连，用以改变可调阻抗元件的阻抗值。其中，可调阻抗元件32 —端与输入端相连接，另一端同时与可调阻抗元件11及可 调阻抗元件21相连。从而，输入端、可调阻抗元件31构成干路射频传输线；可调阻抗元件 11、输出端10构成与输出端10相对应的支路射频传输线；以及，可调阻抗元件21、输出端 20构成与输出端20相对应的支路射频传输线。因此，本实施例中的射频传输线具体是由上 述干路射频传输线和与输出端一一对应的两个支路射频传输线构成，且各输出端均通过与 之相连的支路射频传输线汇聚于干路射频传输线，并经由所述干路射频传输线而连接至所述输入端。下面对本发明提供的阻抗匹配器的各组成部分进行详细描述。输入端，用于连接射频发生器，以将来自射频发生器的射频功率引入阻抗匹配器。本发明中所述的射频发生器例如可以采用射频电源等。输出端，用于连接电感耦合线圈，以将射频功率从阻抗匹配器引出至相应的电感耦合线圈。实际应用中，可以使每一个输出端分别连接一个电感耦合线圈，也可以使每一个 输出端连接两个并联在一起的电感耦合线圈。阻抗检测单元，连接在干路射频传输线中，用于检测阻抗匹配器的输入阻抗，并将 检测得到的阻抗匹配器的实际输入阻抗值传输至控制单元。具体地，阻抗检测单元检测干 路射频传输线上的电流和电压，据此计算出射频传输线中的前向功率和反向功率，并根据 该前向功率和反向功率而进一步得出该阻抗匹配器的实际输入阻抗，然后将上述实际输入 阻抗值传输至控制单元。这里，阻抗检测单元可以包括独立的电压传感器和电流传感器，也 可以包括电压/电流联合传感器。电流检测单元，连接在支路射频传输线中，并且对应于每一个支路射频传输线设 置一个电流检测单元，用于检测每一个输出端所对应的电流(即，每一输出端所在支路射 频传输线上的电流)，并将检测得到的各输出端所对应的实际电流值传输至控制单元。实际 应用中，该电流检测单元可以采用电流传感器。控制单元，用于执行下述操作根据阻抗匹配器的实际输入阻抗值和射频发生器 的输出阻抗，计算得出二者之间的差值，并根据该差值而产生可指示调节单元进行调节操 作的第一控制信号，然后将所述第一控制信号传输至调节单元；以及根据每一个输出端所 对应的实际电流值和每一个输出端期望的电流值，经分析计算后产生可指示调节单元进行 调节操作的第二控制信号，并将该第二控制信号传输至调节单元。实际应用中，控制单元可 以采用CPU、单片机及可编程控制器等数据处理模块实现其控制功能。调节单元包括分别设置在上述干路射频传输线和各个支路射频传输线中的可调 阻抗元件以及用以带动可调阻抗元件的调节端移动以实现阻抗值变化的驱动机构。所述驱动机构根据所述第一控制信号和/或第二控制信号而改变与之相连的可 调阻抗元件的阻抗值，以调整各输出端所对应的电流，并实现射频发生器输出阻抗和阻抗 匹配器输入阻抗之间的匹配。具体过程为，驱动机构32根据所述第一控制信号而改变设置 在干路射频传输线上的可调阻抗元件31的阻抗值；驱动机构12和驱动机构22根据所述第 二控制信号而改变设置在两支路射频传输线上的可调阻抗元件11和可调阻抗元件21的阻 抗值。其中，可调阻抗元件(11、21、31)可以采用可调电容和/或可调电感等的可调阻抗元 件；驱动机构(12、22、32)具体为电机和/或拨盘，所述电机可以是步进电机、伺服电机以及 其它任何能够控制可调阻抗元件进行调节动作的电机。在实际应用中，本发明提供的阻抗匹配器可以采用下述方式进行阻抗匹配及支路 电流调节。例如，首先由阻抗检测单元检测阻抗匹配器的输入阻抗，并将所检测到的数据传 送至控制单元；控制单元则根据上述输入阻抗值，得出位于干路射频传输线中可调阻抗的 理想的阻抗值，以及指示相应的驱动机构进行调节动作的第一控制信号；位于干路射频传 输线上的驱动机构带动可调阻抗元件调节端移动从而将其阻抗值调整到上述理想的阻抗值；与此同时，两个支路射频传输线中的电流传感器检测两输出端所对应的电流，并将所检 测到的电流值传送至控制单元；控制单元将上述两个输出端中的电流值与用户预先设定的 电流值进行比较而得出二者的差值，如果二者相同，说明已经达到用户要求，而无须再进行 调节，如果该差值不为零则根据该差值计算得出指示相应的驱动机构进行调节动作的第二 控制信号，并指示该驱动机构对两个支路射频传输线中的可调阻抗元件进行相应的调节操 作，以使两输出端的电流分配比例满足用户的要求。在实际应用中，可以对两个支路可调阻 抗元件同时进行调节，也可以根据控制单元的具体分析结果，仅调节其中一个支路中的可 调阻抗元件的阻抗值即可。再如，也可以先对两输出端对应的实际电流值进行检测，并据此得出第二控制信 号而指示驱动机构对位于支路射频传输线中的可调阻抗元件进行调节，以获得合理的电流 分配比例；然后再检测本阻抗匹配器的实际输入阻抗值，并据此得出第一控制信号而指示 驱动机构对位于干路射频传输线中的可调阻抗元件进行调节，以实现射频发生器输出阻抗 和阻抗匹配器输入阻抗之间的匹配。当然，本发明提供的阻抗匹配器的调节方式并不局限于上述方式，在实际应用中 也可以同时对阻抗匹配器的实际输入阻抗值和两输出端所对应的电流值进行检测，并同时 得出第一和第二控制信号，以指示调节单元对位于干路射频传输线和支路射频传输线中的 可调阻抗元件同时进行调节。需要指出的是，无论采用上述哪一种调节方式，其调节过程往往都不是一次完成 的，通常对支路射频传输线电流进行调整后，往往会使原本匹配的阻抗发生失配或略微失 配；反之，原本失配的阻抗调整为匹配时，往往也会使支路射频传输线电流发生变化而偏离 其期望值，因此这就要求再通过进一步微调来实现阻抗匹配并获得期望的电流值。而且，随 着工艺的进行，各电感耦合线圈(即，支路射频传输线上)的电流期望值可能会发生变化， 这样，就需要不断检测射频传输线中的输入阻抗值及两输出端的电流值，并实时地进行调 节操作，以此来实现整个工艺过程的阻抗匹配和电流的合理分配调节。进一步需要指出的是，尽管本实施例中的阻抗匹配器的输出端数量为两个，但是 在实际应用中并不局限于此，在不脱离本发明精神和实质的前提下，可以根据实际需要而 设置更多个输出端及包含有电流检测单元和可调阻抗元件的相应支路射频传输线，从而使 本发明提供的阻抗匹配器能够同时连接并控制多个电感耦合线圈。综上所述，本发明所提供的阻抗匹配器至少可连接两个电感耦合线圈，控制单元 则根据各个输出端的电流值指示相应驱动机构改变各个支路射频传输线中的可调阻抗元 件的阻抗值，以调节各个输出端的电流分配比例，从而在工艺腔室内形成在径向上分布均 勻的等离子体，进而有效提高加工工艺的稳定性和均勻性。此外，本发明所提供的阻抗匹配 器通过调节设置在干路射频传输线和/或支路射频传输线中的可调阻抗元件的阻抗值，能 够使射频发生器的输出阻抗和阻抗匹配器的输入阻抗之间获得匹配，从而使射频发生器的 输出功率得到有效利用。此外，本发明还提供一种等离子体处理设备，例如图4就示出了本发明提供的等 离子体处理设备的一个具体实施例。该等离子体处理设备包括射频发生器、工艺腔室以及 设置于工艺腔室上方的两个电感耦合线圈(线圈1和线圈2)，在射频发生器和两电感耦合 线圈之间设置有本发明所提供的上述阻抗匹配器，以实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗之间的匹配，并在所述工艺腔室内形成均勻分布的等离子体。需要指出的是，上述本发明提供的等离子体处理设备还可以根据工艺需要而设置 多个电感耦合线圈，此时，可以对应所需线圈的数量而设置本发明提供的阻抗匹配器的输 出端的数量；当然，也可以将两个或多个电感耦合线圈同时连接在一个输出端上；并且，在 不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以对线圈的连接方式作出多种变形和组合，且都 应视为本发明所保护的范围。上述等离子体处理设备，由于在其射频发生器和电感耦合线圈之间设置有上述本 发明提供的阻抗匹配器。因此，本发明所提供的等离子体处理设备同样能够在工艺腔室内 形成分布均勻的等离子体，并且对射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗进行有效匹 配。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。
权利要求
一种阻抗匹配器，设置在射频发生器和电感耦合线圈之间，其特征在于，所述阻抗匹配器包括输入端、阻抗检测单元、电流检测单元、控制单元、调节单元和至少两个输出端，其中所述输入端连接射频发生器，用以将来自所述射频发生器的射频功率引入阻抗匹配器；每一个所述输出端分别连接所述电感耦合线圈，用以将射频功率从阻抗匹配器引出至所述电感耦合线圈；所述阻抗检测单元用于检测阻抗匹配器的输入阻抗，并将检测得到的阻抗匹配器的实际输入阻抗值传输至所述控制单元；所述电流检测单元用于检测所述每一个输出端所对应的电流，并将检测得到的各输出端所对应的实际电流值传输至所述控制单元；所述控制单元执行下述操作根据所述阻抗匹配器的实际输入阻抗值和射频发生器的输出阻抗而产生第一控制信号，并将所述第一控制信号传输至调节单元；以及根据每一个输出端所对应的实际电流值和每一个输出端期望的电流值而产生第二控制信号，并将所述第二控制信号传输至所述调节单元；所述调节单元包括可调阻抗元件以及用以带动可调阻抗元件的调节端移动以实现阻抗值变化的驱动机构，所述驱动机构根据所述第一控制信号和/或第二控制信号而改变与之相连的可调阻抗元件的阻抗值，以调整各输出端所对应的电流，并实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗之间的匹配。
2.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述每一个输出端均通过与之相 连的支路射频传输线汇聚于干路射频传输线，并经由所述干路射频传输线而连接至所述输 入端。
3.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述阻抗检测单元检测干路射频 传输线上的电流和电压，据此计算出该阻抗匹配器的实际输入阻抗，并将所述实际输入阻 抗值传输至所述控制单元。
4.根据权利要求3所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述阻抗检测单元包括独立的电 压传感器和电流传感器，或者包括电压/电流联合传感器。
5.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述电流检测单元包括电流传感 器，并且对应于每一个支路射频传输线而设置一个电流传感器，以检测每一个支路射频传 输线所对应的电流。
6.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述可调阻抗元件包括设置在干 路射频传输线和每一个支路射频传输线上的可调电容和/或可调电感。
7.根据权利要求6所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述驱动机构根据所述第一控制 信号而改变设置在干路射频传输线上的可调阻抗元件的阻抗值；并根据所述第二控制信号 而改变设置在各个支路射频传输线上的可调阻抗元件的阻抗值。
8.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述驱动机构包括电机和/或拨盘。
9.根据权利要求8所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述电机包括步进电机和/或伺服 电机。
10. 一种等离子体处理设备，包括射频发生器、工艺腔室以及设置于工艺腔室上方的至 少两个电感耦合线圈，其特征在于，在所述射频发生器和电感耦合线圈之间设置有如权利 要求1至9中任意一项所述的阻抗匹配器，以实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入 阻抗之间的匹配，并在所述工艺腔室内形成均勻分布的等离子体。
全文摘要
本发明提供一种阻抗匹配器，设置在射频发生器和电感耦合线圈之间，包括输入端、阻抗检测单元、电流检测单元、控制单元、调节单元和至少两个输出端。其中，调节单元包括可变阻抗元件和相应的执行机构，控制单元根据阻抗检测单元和电流检测单元所检测的数据指示执行机构对可调阻抗元件的阻抗值进行调节，能够调整各输出端所对应的电流，并实现射频发生器输出阻抗和阻抗匹配器输入阻抗之间的匹配。此外，本发明还提供一种应用上述阻抗匹配器的等离子体处理设备。本发明提供的阻抗匹配器及等离子体处理设备能够在有效进行阻抗匹配的同时，对流经电感耦合线圈的射频电流进行调节，以提高工艺腔室内等离子体密度的分布均匀性。
文档编号H01J37/02GK101989524SQ20091008911
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者武晔, 王一帆 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