[發明專利]一種阻抗匹配方法、阻抗匹配系統和半導體處理裝置

有效

• 申請號: 201611146069.0
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN108231516B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 張璐
• 申請（專利權）人: 北京北方華創微電子裝備有限公司
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32;H05H1/46
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 彭瑞欣;羅瑞芝

本發明提供一種阻抗匹配方法、阻抗匹配系統和半導體處理裝置。該阻抗匹配方法包括：檢測射頻脈沖的開啟關閉狀態；若射頻脈沖為開啟狀態，計算并調整匹配網絡中可變元件的值到目標值，以使負載阻抗與射頻源的阻抗相匹配；若射頻脈沖為關閉狀態，判斷負載阻抗是否在第一預設范圍內或者腔室內的等離子體密度是否小于第二預設值；如果是，保持可變元件的值為所述目標值；如果否，調整可變元件的值返回初始預設值。該阻抗匹配方法不僅能夠在確保阻抗成功匹配的前提下，加快阻抗匹配速度，從而降低匹配網絡失配的風險；而且能夠在脈沖關閉階段等離子體熄滅時，避免脈沖再次開啟時的起輝失敗和匹配網絡由于輸出電壓較低所導致的阻抗失配。

技術領域

本發明涉及磁控濺射技術領域，具體地，涉及一種阻抗匹配方法、阻抗匹配系統和半導體處理裝置。

背景技術

等離子體被廣泛應用于半導體器件的生產過程中。在等離子體刻蝕或者沉積系統中，射頻電源向等離子腔體供電以產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子和置于腔體并曝露在等離子體環境下的晶圓相互作用，使晶圓材料表面發生各種物理和化學反應，從而使材料表面性能發生變化，完成晶圓的刻蝕或者其他工藝過程。

常用的射頻電源輸出阻抗為50Ω，為了達到射頻電源阻抗與負載阻抗匹配，需要在射頻電源與等離子體腔室之間插入一個阻抗匹配器，從而消除功率反射并保證等離子體腔室從射頻電源獲得最大功率。自動匹配的過程就是自動控制器根據阻抗傳感器的輸出，控制步進電機的轉動，從而調整匹配網絡中的可變元件，最終使匹配網絡與等離子體腔室的阻抗之和為50Ω，實現阻抗匹配。

在某些特定的工藝中，例如薄膜沉積，為了控制薄膜應力，可以采用施加射頻脈沖功率的方法。現有的采用射頻脈沖功率的自動阻抗匹配器系統如圖1所示。匹配過程中，射頻自動阻抗匹配器工作時，系統中的脈沖檢測模塊會持續檢測射頻脈沖的開啟關閉狀態；當檢測到射頻脈沖為開啟(RF ON)狀態時，控制器根據幅值相位檢測模塊檢測獲得的負載阻抗，開始運行匹配算法并給出匹配網絡中可變元件的調整量，如：控制器將幅值相位檢測模塊檢測獲得的負載阻抗與射頻源的阻抗(如50Ω)進行比較，并根據比較結果向電機發送控制其轉動的信號；可變元件從預設位置(即預設初始值)開始調整，最終使得從匹配網絡輸入端向其輸出端看去的阻抗與射頻電源阻抗達到共軛匹配。當檢測到射頻脈沖為關閉(RF OFF)狀態時，匹配器停止匹配且可變元件返回到預設位置，重復上述循環。

在工藝過程中發現，如果脈沖頻率較高(即脈沖開啟時間較短)，當脈沖再次開啟時，由于腔室內的阻抗有時變化較大，這會導致可變元件很難從預設位置調整到使系統阻抗達到匹配時的目標位置，從而造成阻抗匹配較慢甚至阻抗無法達到匹配的后果。

目前，采用射頻脈沖功率的自動阻抗匹配過程中還有另一種匹配方法：即當檢測到射頻脈沖為開啟(RF ON)狀態時，控制器進行匹配算法，并給出電機調整方向；當檢測到射頻脈沖為關閉(RF OFF)狀態時，控制器不經過算法，直接給出電機停止轉動的命令，可變元件保持當前位置，不再返回預設位置。下次脈沖開啟時，可變元件從上次脈沖結束時保留的位置開始匹配；重復上述循環，直到匹配器到達最終的匹配位置。當射頻電源停止輸出射頻脈沖時，工藝結束，可變元件返回預設位置。

針對上述匹配方法，在工藝過程中發現，當射頻脈沖信號的脈沖頻率較低時(如10Hz)，在脈沖關閉的時間中，腔室內的等離子體密度下降較大，容易發生等離子體熄滅，脈沖再次開啟時，需重新進行起輝以激發形成等離子體，而此時如果保持前次匹配的位置不變，則很有可能因匹配器輸出電壓低而造成起輝失敗；在起輝失敗時，由于自動匹配器可匹配阻抗范圍較廣，還有可能發生腔室內無等離子體產生但阻抗也能達到匹配的結果，這會對工藝結果產生嚴重影響。即使起輝成功，但由于起輝時腔室內的阻抗變化較大，保持前次匹配的位置不變，也會因匹配器輸出電壓低而造成阻抗失配。

發明內容