[发明专利]可实现快速阻抗匹配的射频电源系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于等离子体放电的射频电源系统，尤其是涉及一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统。

背景技术

射频电源系统是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件，所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源系统提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED（Light Emitting Diode，发光二极管）的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）、ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积）等设备，均装备有不同功率规格的射频电源系统。

用于等离子体工艺的射频电源系统一般包括有射频功率发生器和阻抗匹配器。如图1所示，射频功率发生器用于产生具有一定功率等级和一定频率的射频信号，而阻抗匹配器放置在等离子体反应腔室和射频功率发生器之间，用于将等离子体反应腔室所体现的负载阻抗与射频功率发生器的输出阻抗相匹配，以便将射频功率发生器所产生的功率良好地输送至等离子体腔室，从而激发足量的等离子体以实现工艺要求。

在产生等离子体进行材料处理的工艺中，存在等离子体放电过程，而等离子体放电是一个非线性过程，因此导致由等离子体反应腔室（包括感性线圈或天线）所体现的负载阻抗并不为常数，基本上与腔室气压、射频功率、腔室内工艺气体成分及比例有着密切关系。在上述这些参数发生变化时，负载阻抗自然随之变化；然而，在半导体工艺过程或材料改性过程中，这些参数经常起伏波动，因此需要阻抗匹配器能够快速地跟踪这些变化，避免因阻抗不匹配而导致功率无法良好地输送至腔室内，进而使得工艺过程受阻。

为解决这一问题，现有技术射频电源系统中的阻抗匹配器为由检测器、控制器以及执行机构三部分组成的阻抗匹配器，如图2所示。其中，执行机构包括构建阻抗匹配网络的固定阻抗元件、可变阻抗元件以及改变可变阻抗元件数值的驱动装置。如图3所示，阻抗匹配网络通常由一个固定阻抗元件L、两个可变阻抗元件C_tune、C_load和等离子体腔室所体现的负载阻抗Z_chamber组成；检测器获取阻抗匹配器与射频功率发生器之间的传输线上的电压、电流、正向功率、反向功率以及阻抗匹配网络的输入阻抗等参数，为控制器提供匹配算法所需的输入量；控制器根据这些输入量，借助于一定的匹配算法，计算出可变阻抗元件的调整量，并输出至执行机构中的驱动装置，驱动装置根据接收的调整量来改变可变阻抗元件的阻抗。

由于检测过程存在误差，所以匹配算法主要是二维寻优过程，需要不断地试探和比较，即“检测－计算－比较－调节”的过程。由于现有技术中的可变阻抗元件一般为可变电容元件，其的变化是通过电机带动其的转动轴旋转而实现，因此在调节过程中，不仅因反复机械转动速度有限而使得匹配速度较慢，而且反复调节容易磨损机械联接部件，造成相应损坏，使得可变阻抗元件的性能变差，最终影响到匹配效果。

然而，在对工艺要求高或工艺条件苛刻的环境下，例如更大的腔室（适用于450毫米晶圆的腔室）和/或更细的线宽（22纳米以下工艺），工艺参数变化更加敏感，现有技术的阻抗匹配器已经无法快速地跟踪，阻抗匹配困难，而且这些条件下通常伴随着高电压或大电流的情况，此时反复机械调节两个可变阻抗元件往往更加容易造成器件损坏。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，采用该系统，能够实现在较大等离子体腔室内的较细线宽工艺条件下的负载阻抗快速匹配，并且能够降低阻抗匹配器内的可变阻抗元件故障率，提高设备的使用可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可实现快速阻抗匹配的射频电源系统，包括射频功率发生器和阻抗匹配器，所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率根据阻抗匹配器获取的检测值来变化；所述阻抗匹配器包括检测器、控制器和执行机构；所述执行机构包括固定阻抗元件、可变阻抗元件和用于改变所述可变阻抗元件数值的驱动装置，所述可变阻抗元件仅有一个；所述控制器接收来自所述检测器的检测值，经处理计算后控制所述执行机构的所述驱动装置工作以改变所述可变阻抗元件数值。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频功率发生器输出的射频功率信号的频率的中心值为2MHz、13.56MHz或40.68MHz。