[发明专利]针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体设备制造技术领域，具体涉及一种针对脉冲射频电源的阻抗匹配方法及装置。

背景技术

半导体加工设备通常借助射频电源提供的射频能量施加至高真空环境的反应腔室内，来将反应腔室内的工艺气体激发形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，该活性粒子与暴露在等离子体环境中的晶圆表面发生物理和/或化学反应，从而完成晶圆的刻蚀、沉积或者其他工艺。随着集成电路的进一步发展，现有的技术无法满足22nm及以下尺寸刻蚀工艺的要求，为此，采用脉冲射频电源作为等离子体激发源，以减小连续波射频能量带来的等离子体诱导损伤、增大工艺调节手段和工艺窗口。目前，制约脉冲射频电源作为等离子体激发源发展的关键因素为其阻抗匹配技术，阻抗匹配也就是使脉冲射频电源的负载阻抗和特征阻抗(一般为50欧姆)相匹配。常见的脉冲射频电源的脉冲频率范围在100～100kHz，占空比范围在10～90％，因此，每个脉冲周期的宽度仅几毫秒，而采用现有的以机械调节方式为主的阻抗匹配装置很难在该几毫秒内实现阻抗匹配，造成匹配精度低，脉冲射频电源的反射功率高(一般为20％)，从而造成脉冲射频电源的利用率差。

为此，现有技术中采用如图1所示的阻抗匹配装置，其以电子调节方式为主，机械调节方式为辅。请参阅图1，该阻抗匹配装置10包括控制单元11、执行单元12和匹配网络13。其中，脉冲射频电源14具有扫频功能，并向控制单元11发送其脉冲同步信号，脉冲同步信号如图2所示，脉冲射频电源14在高电平时段调制有射频功率信号，在低电平时段未调制有射频功率信号。匹配网络13中设置有阻抗可调元件；脉冲射频电源14在高电平自动进行扫频匹配(即，根据脉冲射频电源14的负载阻抗自动调节到功率输出最大的脉冲频率)；控制单元11根据脉冲同步信号在每个脉冲周期的高电平时实时获取脉冲射频电源14的当前脉冲频率，并根据当前脉冲频率、匹配网络13的电路结构和其阻抗可调元件的当前位置计算脉冲射频电源14的当前负载阻抗，判断当前负载阻抗与其特征阻抗是否匹配，若是，则在当前脉冲周期的低电平时保持阻抗可调元件的当前位置，即保持匹配位置；若否，则在当前脉冲周期的低电平时控制执行单元12调节阻抗可调元件的位置，以调节脉冲射频电源14的负载阻抗来进行阻抗匹配。

图3为反应腔室应用现有的阻抗匹配装置的结构示意图。请参阅图3，反应腔室20的顶部上方设置有感应线圈21，感应线圈21通过第一阻抗匹配装置22与第一射频电源23电连接；在反应腔室20的底部设置有用于承载晶片S的静电卡盘24，静电卡盘24通过第二阻抗匹配装置25与第二射频电源26电连接，其中，第一射频电源23采用连续波信号输出方式，即，第一射频电源23连续输出射频功率信号；第二射频电源26为脉冲射频电源，其射频功率信号的频率为13.56MHz，脉冲同步信号的频率100Hz，占空比为90％，第二阻抗匹配装置25采用图1所示的阻抗匹配装置。

在上述情况下，图4为第二阻抗匹配装置在阻抗匹配过程的不同时间点的匹配状态的示意图，请参阅图4，具体地，第一脉冲周期：在高电平时段，脉冲射频电源开始自动扫频匹配，且一直处于“匹配中”状态，即，未能实现阻抗匹配；在低电平时段，控制单元11控制通过执行单元12调节阻抗可调元件的位置进行阻抗匹配。第二脉冲周期：在高电平时段，脉冲射频电源开始自动扫频匹配，经过时间T由“匹配中”状态至“匹配”状态，即，从未实现阻抗匹配到实现阻抗匹配；在低电平时段，保持匹配位置不变。第三脉冲周期和后续的脉冲周期的匹配状态过程与第二脉冲周期的匹配状态过程相同，在此不再赘述。