[发明专利]一种阻抗匹配方法、阻抗匹配系统和半导体处理装置

说明书

本发明提供一种阻抗匹配方法、阻抗匹配系统和半导体处理装置。该阻抗匹配方法包括：检测射频脉冲的开启关闭状态；若射频脉冲为开启状态，计算并调整匹配网络中可变元件的值到目标值，以使负载阻抗与射频源的阻抗相匹配；若射频脉冲为关闭状态，判断负载阻抗是否在第一预设范围内或者腔室内的等离子体密度是否小于第二预设值；如果是，保持可变元件的值为所述目标值；如果否，调整可变元件的值返回初始预设值。该阻抗匹配方法不仅能够在确保阻抗成功匹配的前提下，加快阻抗匹配速度，从而降低匹配网络失配的风险；而且能够在脉冲关闭阶段等离子体熄灭时，避免脉冲再次开启时的起辉失败和匹配网络由于输出电压较低所导致的阻抗失配。

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，具体地，涉及一种阻抗匹配方法、阻抗匹配系统和半导体处理装置。

背景技术

等离子体被广泛应用于半导体器件的生产过程中。在等离子体刻蚀或者沉积系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。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，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀或者其他工艺过程。

常用的射频电源输出阻抗为50Ω，为了达到射频电源阻抗与负载阻抗匹配，需要在射频电源与等离子体腔室之间插入一个阻抗匹配器，从而消除功率反射并保证等离子体腔室从射频电源获得最大功率。自动匹配的过程就是自动控制器根据阻抗传感器的输出，控制步进电机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子体腔室的阻抗之和为50Ω，实现阻抗匹配。

在某些特定的工艺中，例如薄膜沉积，为了控制薄膜应力，可以采用施加射频脉冲功率的方法。现有的采用射频脉冲功率的自动阻抗匹配器系统如图1所示。匹配过程中，射频自动阻抗匹配器工作时，系统中的脉冲检测模块会持续检测射频脉冲的开启关闭状态；当检测到射频脉冲为开启(RF ON)状态时，控制器根据幅值相位检测模块检测获得的负载阻抗，开始运行匹配算法并给出匹配网络中可变元件的调整量，如：控制器将幅值相位检测模块检测获得的负载阻抗与射频源的阻抗(如50Ω)进行比较，并根据比较结果向电机发送控制其转动的信号；可变元件从预设位置(即预设初始值)开始调整，最终使得从匹配网络输入端向其输出端看去的阻抗与射频电源阻抗达到共轭匹配。当检测到射频脉冲为关闭(RF OFF)状态时，匹配器停止匹配且可变元件返回到预设位置，重复上述循环。

在工艺过程中发现，如果脉冲频率较高(即脉冲开启时间较短)，当脉冲再次开启时，由于腔室内的阻抗有时变化较大，这会导致可变元件很难从预设位置调整到使系统阻抗达到匹配时的目标位置，从而造成阻抗匹配较慢甚至阻抗无法达到匹配的后果。

目前，采用射频脉冲功率的自动阻抗匹配过程中还有另一种匹配方法：即当检测到射频脉冲为开启(RF ON)状态时，控制器进行匹配算法，并给出电机调整方向；当检测到射频脉冲为关闭(RF OFF)状态时，控制器不经过算法，直接给出电机停止转动的命令，可变元件保持当前位置，不再返回预设位置。下次脉冲开启时，可变元件从上次脉冲结束时保留的位置开始匹配；重复上述循环，直到匹配器到达最终的匹配位置。当射频电源停止输出射频脉冲时，工艺结束，可变元件返回预设位置。

针对上述匹配方法，在工艺过程中发现，当射频脉冲信号的脉冲频率较低时(如10Hz)，在脉冲关闭的时间中，腔室内的等离子体密度下降较大，容易发生等离子体熄灭，脉冲再次开启时，需重新进行起辉以激发形成等离子体，而此时如果保持前次匹配的位置不变，则很有可能因匹配器输出电压低而造成起辉失败；在起辉失败时，由于自动匹配器可匹配阻抗范围较广，还有可能发生腔室内无等离子体产生但阻抗也能达到匹配的结果，这会对工艺结果产生严重影响。即使起辉成功，但由于起辉时腔室内的阻抗变化较大，保持前次匹配的位置不变，也会因匹配器输出电压低而造成阻抗失配。

发明内容