[發明專利]可實現快速阻抗匹配的射頻電源系統

有效

• 申請號: 201310629233.3
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103619117A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 李勇滔;孫小孟;李英杰;夏洋;王文東
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉杰

技術領域

本發明涉及用于等離子體放電的射頻電源系統，尤其是涉及一種可實現快速阻抗匹配的射頻電源系統。

背景技術

射頻電源系統是用于產生射頻功率信號的裝置，屬于半導體工藝設備的核心部件，所有產生等離子體進行材料處理的設備都需要射頻電源系統提供能量。在集成電路、太陽能電池和LED（Light?Emitting?Diode，發光二極管）的工藝制造設備，例如刻蝕機、PVD（Physical?Vapor?Deposition，物理氣相沉積）、PECVD（Plasma?Enhanced?Chemical?Vapor?Deposition，等離子體增強化學氣相沉積）、ALD（Atomic?Layer?Deposition，原子層沉積）等設備，均裝備有不同功率規格的射頻電源系統。

用于等離子體工藝的射頻電源系統一般包括有射頻功率發生器和阻抗匹配器。如圖1所示，射頻功率發生器用于產生具有一定功率等級和一定頻率的射頻信號，而阻抗匹配器放置在等離子體反應腔室和射頻功率發生器之間，用于將等離子體反應腔室所體現的負載阻抗與射頻功率發生器的輸出阻抗相匹配，以便將射頻功率發生器所產生的功率良好地輸送至等離子體腔室，從而激發足量的等離子體以實現工藝要求。

在產生等離子體進行材料處理的工藝中，存在等離子體放電過程，而等離子體放電是一個非線性過程，因此導致由等離子體反應腔室（包括感性線圈或天線）所體現的負載阻抗并不為常數，基本上與腔室氣壓、射頻功率、腔室內工藝氣體成分及比例有著密切關系。在上述這些參數發生變化時，負載阻抗自然隨之變化；然而，在半導體工藝過程或材料改性過程中，這些參數經常起伏波動，因此需要阻抗匹配器能夠快速地跟蹤這些變化，避免因阻抗不匹配而導致功率無法良好地輸送至腔室內，進而使得工藝過程受阻。

為解決這一問題，現有技術射頻電源系統中的阻抗匹配器為由檢測器、控制器以及執行機構三部分組成的阻抗匹配器，如圖2所示。其中，執行機構包括構建阻抗匹配網絡的固定阻抗元件、可變阻抗元件以及改變可變阻抗元件數值的驅動裝置。如圖3所示，阻抗匹配網絡通常由一個固定阻抗元件L、兩個可變阻抗元件C_tune、C_load和等離子體腔室所體現的負載阻抗Z_chamber組成；檢測器獲取阻抗匹配器與射頻功率發生器之間的傳輸線上的電壓、電流、正向功率、反向功率以及阻抗匹配網絡的輸入阻抗等參數，為控制器提供匹配算法所需的輸入量；控制器根據這些輸入量，借助于一定的匹配算法，計算出可變阻抗元件的調整量，并輸出至執行機構中的驅動裝置，驅動裝置根據接收的調整量來改變可變阻抗元件的阻抗。

由于檢測過程存在誤差，所以匹配算法主要是二維尋優過程，需要不斷地試探和比較，即“檢測－計算－比較－調節”的過程。由于現有技術中的可變阻抗元件一般為可變電容元件，其的變化是通過電機帶動其的轉動軸旋轉而實現，因此在調節過程中，不僅因反復機械轉動速度有限而使得匹配速度較慢，而且反復調節容易磨損機械聯接部件，造成相應損壞，使得可變阻抗元件的性能變差，最終影響到匹配效果。

然而，在對工藝要求高或工藝條件苛刻的環境下，例如更大的腔室（適用于450毫米晶圓的腔室）和/或更細的線寬（22納米以下工藝），工藝參數變化更加敏感，現有技術的阻抗匹配器已經無法快速地跟蹤，阻抗匹配困難，而且這些條件下通常伴隨著高電壓或大電流的情況，此時反復機械調節兩個可變阻抗元件往往更加容易造成器件損壞。

發明內容

本發明需要解決的技術問題是提供一種可實現快速阻抗匹配的射頻電源系統，采用該系統，能夠實現在較大等離子體腔室內的較細線寬工藝條件下的負載阻抗快速匹配，并且能夠降低阻抗匹配器內的可變阻抗元件故障率，提高設備的使用可靠性。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種可實現快速阻抗匹配的射頻電源系統，包括射頻功率發生器和阻抗匹配器，所述射頻功率發生器輸出的射頻功率信號的頻率根據阻抗匹配器獲取的檢測值來變化；所述阻抗匹配器包括檢測器、控制器和執行機構；所述執行機構包括固定阻抗元件、可變阻抗元件和用于改變所述可變阻抗元件數值的驅動裝置，所述可變阻抗元件僅有一個；所述控制器接收來自所述檢測器的檢測值，經處理計算后控制所述執行機構的所述驅動裝置工作以改變所述可變阻抗元件數值。

進一步地，本發明還具有如下特點：所述射頻功率發生器輸出的射頻功率信號的頻率的中心值為2MHz、13.56MHz或40.68MHz。