匹配装置、匹配方法及半导体加工设备与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种匹配装置、匹配方法及半导体加工设备。

背景技术：

在等离子体加工系统中，射频电源将射频能量传输至反应腔室中，以激发反应腔室中的反应气体形成含有大量活性粒子的等离子体，等离子体和晶片相互作用，完成刻蚀或沉积等的工艺过程。在射频能量传输的过程中，射频电源的输出阻抗一般为50欧姆，而反应腔室的输入阻抗不等于50欧姆，因而若直接将射频能量传输至反应腔室，会因传输路径的阻抗不匹配而发生射频能量的反射，导致无法正常激发反应腔室内的反应气体形成等离子体。因此，需要在射频电源与反应腔室之间连接一个匹配装置，该匹配装置可以使射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗一致，从而保证射频能量的正常传输。

图1为现有的匹配装置的原理框图。请参阅图1，射频系统用于向反应腔室20提供射频能量，其包括射频电源10和匹配装置30。其中，射频电源10具有脉冲功能。匹配装置30连接在射频电源10与反应腔室20之间，其具有自动匹配功能和固定匹配位置功能，具体包括检测单元1、匹配器2、控制单元3和两个控制电机4和5，其中，检测单元1用于检测射频电源10的输入信号和反射功率值，并将其发送至控制单元3；匹配器2的内部结构如图2所示，其具有两个可变电容c2和c3，两个控制电机4和5用于在控制单元3的控制下，分别调节两个可变电容c2和c3。在工艺开始时，首先使射频电源10切换至连续波模式，以输出连续波功率，同时检测单元1将实时检测到的输入信号及反射功率值发送至控制单元3。控制单 元3根据算法控制两个控制电机4和5分别调节两个可变电容c2和c3，在调节过程中，控制单元3判断由检测单元1发送而来的反射功率值是否在较小的阈值范围内，若是，则确定射频电源10的输出阻抗与反应腔室20的输入阻抗匹配，并在等离子体保持稳定之后，控制匹配器2处于固定(hold)模式，即，两个可变电容c2和c3的电容值及其它各项参数均保持不变；与此同时，控制单元3控制射频电源10切换至脉冲波模式进行工艺，在工艺进行至一定阶段后，控制单元3判断是否需要切换至下一个工艺步骤，若否，则继续进行该工艺直至结束。若是，则因所有的工艺条件发生变化而需要控制射频电源10重新切换至连续波模式，且匹配器2重新进行匹配工作。待匹配完成后，匹配器2重新处于固定模式，同时射频电源10切换至脉冲波模式进行新的工艺。以此类推直至整个工艺过程结束。

上述匹配装置30在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，上述射频电源10在输出脉冲功率时会出现过冲现象，导致射频系统的阻抗突变，而由于匹配器2在射频电源10处于脉冲波模式下时处于固定状态，因而无法及时地对所发生的阻抗突变做出响应，从而造成匹配不稳定、不重复，进而影响工艺结果。

其二，上述匹配器2在射频电源处于连续波模式下的匹配位置与在射频电源处于脉冲波模式下的匹配位置被默认为是相同的，但是，在实际应用中，在相同的工艺条件下，上述两种模式应用时射频系统的阻抗存在差异，这会影响匹配装置的匹配精度甚至导致射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗二者失配，从而造成匹配不稳定、不重复，进而影响工艺结果。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种匹配装置、匹配方法及半导体加工设备，其可以使射频电源始终输出连续波功率，而无需输出脉冲波功率，从而可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象。

为实现本发明的目的而提供一种匹配装置，包括匹配器，用于 使射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗相匹配，还包括固定负载和控制装置，其中，所述固定负载的阻抗与所述射频电源的输出阻抗相等；所述控制装置用于按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，以实现将射频电源的连续波输出转换成脉冲输出后通过匹配器加载至反应腔室，其中，所述匹配模式为：所述控制装置控制由所述射频电源输出的连续波功率通过所述匹配器加载至所述反应腔室；所述固定模式为：所述控制装置控制由所述射频电源输出的连续波功率加载至所述固定负载。

优选的，所述控制装置包括第一开关、第二开关和控制单元，其中，所述第一开关用于接通或断开所述射频电源与所述匹配器之间的电路；所述第二开关用于接通或断开所述射频电源与所述固定负载之间的电路；所述控制单元用于在切换至所述匹配模式时，接通所述第一开关，同时断开所述第二开关；在切换至所述固定模式时，接通所述第二开关，同时断开所述第一开关。

优选的，所述第一开关包括继电器、二极管开关或者射频开关；所述第二开关包括继电器、二极管开关或者射频开关。

优选的，所述预设时序的设定方式为：根据按工艺所需的脉冲的频率和占空比，分别计算所述第一开关接通所述射频电源与所述匹配器之间的电路的频率和时间，所述第二开关接通所述射频电源与所述固定负载之间的电路的频率和时间。

优选的，所述控制装置包括选择开关和控制单元，其中，所述选择开关用于选择性地将所述射频电源与所述匹配器之间的电路或者所述射频电源与所述固定负载之间的电路接通；所述控制单元用于在所述匹配模式下，控制所述选择开关将所述射频电源与所述匹配器之间的电路接通；在所述固定模式下，控制所述选择开关将所述射频电源与所述固定负载之间的电路接通。

优选的，所述预设时序的设定方式为：根据按工艺所需的脉冲的频率和占空比，分别计算所述选择开关接通所述射频电源与所述匹配器之间的电路的频率和时间，以及接通所述射频电源与所述固定负载之间的电路的频率和时间。

优选的，所述匹配装置还包括检测单元，所述检测单元用于实时检测所述射频电源的输入信号和反射功率值，并将其发送至所述控制单元；所述控制单元用于在所述匹配模式下，根据所述反射功率值和匹配算法进行计算，并根据计算结果控制所述匹配器进行阻抗匹配。

优选的，所述匹配器包括可变电容和控制电机，其中，所述控制电机用于调节所述可变电容的电容值；所述控制单元基于所述反射功率值和匹配算法进行计算而获得所述可变电容的电容目标值，并控制所述控制电机将所述可变电容的电容值调节至等于所述电容目标值；所述电容目标值为满足所述射频电源的输出阻抗与所述反应腔室的输入阻抗相匹配时，所述可变电容的电容值。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种匹配方法，其特征在于，采用了本发明提供的上述匹配装置对射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗进行匹配，包括以下步骤：

s1，在开始当前工艺时，首先进行所述匹配模式，同时控制所述匹配器进行阻抗匹配，直至所述射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗相匹配；

s2，按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，同时控制所述匹配器保持当前匹配位置不变，直至完成所述当前工艺；

s3，判断是否需要切换工艺步骤，若是，则进入步骤s1；若否，则关闭所述射频电源。

其中，所述射频电源在整个过程中始终输出连续波功率。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室、射频电源和匹配装置，所述匹配装置用于对所述射频电源的输出阻抗与所述反应腔室的输入阻抗进行匹配，所述匹配装置采用了本发明提供的上述匹配装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的匹配装置，其通过设置固定负载和控制装置，可以在进行当前工艺时，按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，即，控制装置分别控制由射频电源输出的连续波功率通过匹配器 加载至所述反应腔室或者直接加载至固定负载，从而可以将射频电源输出的连续波功率转换成脉冲时序输出，并通过匹配器加载至反应腔室。通过使射频电源始终输出连续波功率，同时按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，可以实现将射频电源的连续波输出转换成脉冲时序输出，并通过匹配器加载至反应腔室，这与现有技术相比不仅可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度；而且可以不需要昂贵的具有脉冲模式功能的射频电源，从而可以降低成本、提高经济效益。

本发明提供的匹配方法，其通过采用本发明提供的上述匹配装置对射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗进行匹配，可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述匹配装置，可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度。

附图说明

图1为现有的匹配装置的原理框图；

图2为匹配器的内部结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的匹配装置的原理框图；

图4为本发明第二实施例提供的匹配装置的原理框图；

图5为本发明第二实施例提供的匹配装置的工作时序图；

图6为本发明第三实施例提供的匹配装置的原理框图；以及

图7为本发明实施例提供的匹配方法的流程框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的匹配装置、匹配方法及半导体加工设备进行详细描述。

图3为本发明第一实施例提供的匹配装置的原理框图。请参阅 图3，匹配装置60串接在射频电源40和反应腔室50之间，包括检测单元61、匹配器62、控制装置63和固定负载64。其中，检测单元61用于实时检测射频电源40的输入信号和反射功率值，并将其发送至控制装置63；匹配器62用于使射频电源40的输出阻抗与反应腔室50的输入阻抗相匹配；固定负载64的阻抗与射频电源40的输出阻抗相等，例如，若射频电源40的输出阻抗为50欧姆，则采用阻抗为50欧姆的固定负载64。控制装置63用于按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，其中，匹配模式为：控制装置63控制由射频电源40输出的连续波功率通过匹配器62加载至反应腔室50。固定模式为：控制装置控制由射频电源40输出的连续波功率加载至固定负载64。

在进行当前工艺的过程中，通过使射频电源40始终输出连续波功率，同时按预设时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，可以实现将射频电源40的连续波输出转换成分别反应腔室50和固定负载的脉冲时序输出后，通过使匹配器62在首次匹配模式下完成阻抗匹配之后始终保持当前匹配位置不变，可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度。

图4为本发明第二实施例提供的匹配装置的原理框图。请参阅图4，本实施例是在上述第一实施例的基础上，对匹配装置60的结构和功能进一步详细描述。具体地，控制装置63包括第一开关631、第二开关632和控制单元633，其中，第一开关631用于接通或断开射频电源40与匹配器62之间的电路，这里，由于检测单元61的存在，第一开关631实际上是串接在射频电源40与检测单元61之间的电路上，用以控制该电路的通断。第二开关632用于接通或断开射频电源40与固定负载64之间的电路；控制单元633用于在切换至匹配模式时，接通第一开关631，同时断开第二开关632，此时射频电源40的连续波功率通过匹配器62加载至反应腔室50上；在切换至固定模式时，接通第二开关632，同时断开所述第一开关631，此时射频电源40的连续波功率加载至固定负载64上，而匹配器62和反应腔室50均无射频能量输入。也就是说，控制单元633通过按预设时 序控制第一开关631和第二开关632交替接通，可以实现将射频电源40的连续波输出转换成分别对反应腔室50和固定负载64的脉冲时序输出，从而可以代替现有的射频电源的脉冲波功率输出，即，仅需采用具有连续波功率输出功能的射频电源即可，进而可以降低射频电源的使用成本。

此外，在开始进行工艺时，控制单元633首先切换至匹配模式，以利用匹配器62在首次匹配模式下自动进行阻抗匹配，待匹配完成之后，在后续的任何匹配模式或者固定模式下，均保持匹配器62的匹配位置不变，直至整个工艺结束。在实际应用中，上述第一开关和第二开关均可以采用诸如继电器、二极管开关或者射频开关等的通断开关。

在本实施例中，匹配器62包括两个可变电容(621，622)和两个控制电机(623，624)，其中，两个控制电机(623，624)用于分别调节两个可变电容(621，622)的电容值。在首次匹配模式下，控制单元633基于由检测单元61发送而来反射功率值和匹配算法进行计算而获得两个可变电容(621，622)的电容目标值，并分别控制两个控制电机(623，624)将两个可变电容(621，622)的电容值调节至等于电容目标值。该电容目标值即为满足射频电源40的输出阻抗与反应腔室50的输入阻抗相匹配时，可变电容的电容值。

下面对采用本实施例提供的匹配装置的工作原理进行详细描述。具体地，图5为本发明第二实施例提供的匹配装置的工作时序图。请参阅图5，预先需要设定控制单元633的预设时序，该预设时序的设定方式具体为：根据按工艺所需的脉冲的频率和占空比，即，相当于现有的射频电源输出的脉冲波的频率和占空比，分别计算第一开关631接通射频电源40与匹配器62之间的电路的频率和时间，第二开关632接通射频电源40与固定负载64之间的电路的频率和时间。将计算出的频率和时间分别写入控制单元633对应第一开关631和第二开关632的控制模块，从而可以实现按上述预设时序控制第一开关631和第二开关632各自的通断。例如，若所需要加载脉冲的频率为1000hz，占空比为70％时，第一开关631在首次匹配模式下的接通时 间为0.7ms，该时间即为第二开关632的断开时间；第二开关632在固定模式下的接通时间为0.3ms，该时间即为第一开关631的断开时间，同时第一开关631和第二开关632的通断频率均为1000hz，在进行工艺的过程中，控制单元633根据第一开关631和第二开关632的上述接通/断开时间和频率控制二者的通断。在实际应用中，按工艺所需的脉冲的频率可以根据具体情况设定为400khz、2mhz、13mhz、27mhz、40mhz、60mhz或者其他频率，本发明对此没有特别限制。

当工艺开始时，开启射频电源40，并始终保持该射频电源40输出连续波功率。同时，控制单元633首先切换至匹配模式，此时接通第一开关631，同时断开第二开关632，检测单元61自动检测射频电源40的输入信号和反射功率值，并将其发送至控制单元633；控制单元633在接收到该输入信号和反射功率值时，根据该反射功率值和预设的匹配算法进行计算，具体来说，计算出两个可变电容(621，622)的电容目标值，并将其分别与两个可变电容(621，622)的当前电容值进行差比较，并根据比较结果分别向两个控制电机(623，624)发送控制信号；两个控制电机(623，624)根据该控制信号分别调节两个可变电容(621，622)的电容值，直至与电容目标值相等，从而使射频电源40的输出阻抗与反应腔室50的输入阻抗完成匹配，即，匹配器62完成阻抗匹配工作。

待匹配器62完成阻抗匹配工作之后，控制单元633切换至固定模式，此时接通第二开关632，同时断开所述第一开关631，射频电源40的连续波功率加载至固定负载64上，而匹配器62和反应腔室50均无射频能量输入。在后续过程中，如图5所示，射频电源40仍然输出连续波功率，同时控制匹配器62保持当前的匹配位置不变。控制单元633通过按预设时序控制第一开关631和第二开关632交替接通，可以实现将射频电源40的连续波输出转换成分别对匹配器62和反应腔室50的脉冲时序输出，直至当前工艺结束。当工艺步需要切换时，需关闭射频电源40，并重新开始整个脉冲时序输出，以及匹配器62重新进行阻抗匹配。

在实际应用中，在进行首次匹配模式时，若出现第一开关631 接通的时间不足以满足匹配器62完成阻抗匹配工作的情况，即，在第一开关631接通的时间内，匹配器62未达到匹配状态，可以适当延长第一开关631接通的时间，直至匹配器62完成阻抗匹配工作之后，再断开第一开关631，同时接通第二开关632。

需要说明的是，在本实施例中，匹配器62采用“l”型匹配网络结构，即利用两个可变电容(621，622)和两个控制电机(623，624)实现阻抗匹配。但是本发明并不局限于此，在实际应用中，匹配器还可以根据具体情况采用“倒l”型、“t”型、“π”型或者其他任意型匹配网络结构。

还需要说明的是，上述控制单元633的功能包括：用于写入第一开关631和第二开关632或者选择开关634的频率和时间的读写功能；计算并控制匹配器62的匹配工作或者保持匹配位置不变；以及，控制第一开关631和第二开关632的通断或者控制选择开关634的切换的控制功能。

图6为本发明第三实施例提供的匹配装置的原理框图。请参阅图6，本实施例提供的匹配装置与上述第二实施例相比，其区别仅在于：使用选择开关代替上述第一开关和第二开关。

具体地，在本实施例中，控制装置63包括选择开关634和控制单元633，其中，选择开关634用于选择性地将射频电源40与匹配器62之间的电路或者射频电源40与固定负载64之间的电路接通。控制单元633用于在匹配模式下，控制选择开关634将射频电源40与匹配器62之间的电路接通；在固定模式下，控制选择开关634将射频电源40与固定负载64之间的电路接通。

与上述第二实施例中的第一开关和第二开关的接通时间和频率的设定相类似的，控制单元633的预设时序的设定方式为：根据按工艺所需的脉冲的频率和占空比，分别计算选择开关634接通射频电源40与匹配器62之间的电路的频率和时间，以及接通射频电源40与固定负载64之间的电路的频率和时间。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种匹配方法，其采用本发明上述各个实施例提供的匹配装置对射频电源的输出阻抗 与反应腔室的输入阻抗进行匹配。该匹配方法包括以下步骤：

s1，在开始当前工艺时，首先进行匹配模式，同时控制匹配器进行阻抗匹配，直至射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗相匹配；

s2，按预设的脉冲时序在匹配模式与固定模式之间进行切换，同时控制匹配器保持当前匹配位置不变，直至完成当前工艺；

s3，判断是否需要切换工艺步骤，若是，则进入步骤s1；若否，则关闭射频电源。

其中，射频电源在整个过程中始终输出连续波功率。

下面以采用上述第二实施例提供的匹配装置进行阻抗匹配为例，对本发明实施例提供的匹配方法的具体实施方式进行详细描述。图7为本发明实施例提供的匹配方法的流程框图。请参阅图7，在开始工艺之前，预先根据按工艺所需的脉冲的频率和占空比，计算出第一开关631接通射频电源40与匹配器62之间的电路的频率和时间。并且，射频功率40处于关闭状态；第一开关631和第二开关632均处于断开状态；匹配器处于自动匹配模式。然后，在开始当前工艺的过程中，依次进行上述步骤s1～s3。

在步骤s1中，开启射频电源40，并始终保持该射频电源40输出连续波功率。同时，接通第一开关631，同时断开第二开关632，匹配器处于自动匹配模式，即，进行阻抗匹配工作。然后，判断射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗是否完全匹配，若是，则进入步骤s2，若否，则重新进行步骤s1。

在步骤s2中，控制单元633按预设时序在固定模式与匹配模式之间进行切换，即，按预设时序控制第一开关631和第二开关632交替接通，以实现将射频电源40的连续波输出转换成分别对匹配器62和反应腔室50的脉冲时序输出。同时，始终保持该射频电源40输出连续波功率，且控制匹配器62保持当前的匹配位置不变，直至完成当前工艺。

在步骤s3中，判断是否需要切换工艺步骤，若是，则需要关闭射频电源40，并重新开始整个脉冲时序输出，以及匹配器62重新进 行阻抗匹配，即重复上述步骤s1。若否，则判断是否结束工艺，若否，则进入上述步骤s2；若是，则关闭射频电源40。

本发明实施例提供的匹配方法，其通过采用本发明上述各个实施例提供的上述匹配装置对射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗进行匹配，可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室、射频电源和匹配装置，其中，匹配装置用于对射频电源的输出阻抗与反应腔室的输入阻抗进行匹配。该匹配装置采用了本发明上述各个实施例提供的上述匹配装置。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明上述各个实施例提供的上述匹配装置，可以避免在输出脉冲功率时发生的过冲现象或者匹配不稳定、不重复的现象，从而可以保证匹配精度。

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。