一种射频电源系统、等离子体处理器及其调频匹配方法技术方案

本发明专利技术提供一种射频电源系统，一种等离子体处理器及其调频匹配方法，应用于具有超低频率的偏置射频功率源的等离子体处理器。包括阻抗分段频率匹配获取步骤，将低频射频功率输出周期分为多个阻抗匹配段，在每个阻抗匹配段内，调整高频射频源的输出频率，并检测高频射频电源的反射功率，在经历一个或多个低频射频功率输出周期后获得每个阻抗匹配段的区段匹配频率并存储。随后在变频匹配步骤中，设定高频射频电源的输出频率在上述存储的多个区段匹配频率周期性的变化，以匹配各个阻抗匹配段中的特征阻抗。

A RF power supply system, plasma processor and its FM matching method

The invention provides a radio frequency power supply system, a plasma processor and a frequency modulation matching method thereof, which are applied to a plasma processor with an ultra-low frequency offset radio frequency power source. It includes the steps of impedance segmented frequency matching acquisition. The low-frequency RF power output period is divided into multiple impedance matching sections. In each impedance matching section, the output frequency of the high-frequency RF source is adjusted, and the reflected power of the high-frequency RF source is detected. After one or more low-frequency RF power output periods, the section matching frequency of each impedance matching section is obtained and stored. Then, in the frequency conversion matching step, the output frequency of the high frequency RF power supply is set periodically to match the characteristic impedance of each impedance matching section.

【技术实现步骤摘要】
一种射频电源系统、等离子体处理器及其调频匹配方法
本专利技术涉及半导体加工设备领域，特别涉及一种等离子体处理器中的调频匹配方法。
技术介绍
真空处理设备广泛应用于半导体工业，其中的等离子处理设备和化学气相沉积设备是最主要的真空处理设备。等离子体处理设备，是借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行沉积、刻蚀等加工工艺。如图1所示为一种电容耦合等离子处理设备，包括反应腔100，反应腔内包括导电基座22，基座作为下电极连接到两个射频电源32、31，其中源射频电源32经过匹配器2输出高频射频功率（HF）到基座22，偏置频射频电源31经过匹配器1输出低频射频功率（LF）到基座22。其中源射频电源32输出的高频射频功率用于点燃并维持反应腔内的等离子体，偏置射频电源31输出低频射频功率的功率大小用于控制基片20上的偏置电压（Vdc）。为了便于理解，后文将源射频电源称为高频射频电源，偏置射频电源称为低频射频电源。基座22上的静电夹盘21上固定有待处理的基片20，围绕基片和静电夹盘的还包括一个聚焦环10。与静电夹盘相对的反应腔上方设置有一个圆盘形的气体喷淋头11，气体喷淋头11通过供气管道与外部的反应气源110连接。如图2所示，在点燃等离子体后，反应腔内的等离子体电压Vp、晶圆上表面电压Vw，以及对离子有加速作用的平均电压Vdc，其中高频射频功率（HF）的频率为60Mhz，低频射频功率（LF）的频率为2Mhz，相应的周期长度分别为P1、P2。可以看到高频射频电压叠加在低频射频电压上，一同被送入反应腔内。在等离子体处理器运行中等离子体的阻抗会在点燃前后、输入射频功率、气压等参数变化时刻发生剧烈变化，所以需要匹配器1、2中的主动可调元件补偿这些阻抗变化，使得源射频电源32和偏置射频电源31输出的射频功率能被有效输送到反应腔内，而不是被反射回到射频电源中，当反射功率最小化时就是阻抗匹配状态。这种利用匹配器中的可动部件进行机械运动补偿的方法可以适用于等离子阻抗变化速度不快的应用场合，但是对于等离子体阻抗在极短时间内快速变化，如在1ms以内发生的阻抗剧烈变化，传统的匹配器中需要机械驱动的可变电容无法达到这样的响应速度，所以无法实现阻抗的有效匹配。一旦无法有效匹配会导致大量功率浪费在入射和反射的回路中，同时大量多余的反射电流流入射频电源会导致射频电源温度过高，影响内部电子器件的寿命，导致昂贵的射频电源需要频繁更换，等离子体处理器的使用成本大幅提高。因此业内需要研发一种新的射频匹配方法或装置以匹配这种在短时间内发生剧烈变化的阻抗，使得射频功率有效供应到等离子体处理器内部。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；控制器，用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，以保证所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。可选地，所述控制器包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。可选地，所述控制器在每个阻抗匹配段内进行至少一次源射频电源的频率匹配，得到一区段匹配频率，并将所述区段匹配频率及其对应的阻抗匹配段存储在所述存储单元内。可选地，所述控制器内设置有区段匹配频率学习程序，所述区段匹配频率学习程序包括：在每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值可认定为该阻抗匹配段的区段匹配频率。可选地，所述控制器中存储有偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，所述控制器执行至少一次区段匹配频率学习程序，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率并利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。可选地，所述控制器包括一计算单元，所述计算单元根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。可选地，所述第一射频周期信号的频率大于10Mhz，第二射频周期信号的频率小于1Mhz。可选地，第二射频周期信号的频率小于500Khz。可选地，所述第二射频周期内包括至少3个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在最高电压到最低电压之间交替周期性变化，第一至第N阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，多个区段匹配频率分别匹配第一至第N阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。可选地，所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。可选地，所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，其中脉冲频率为100-10KHz。可选地，在所述源射频电源的输出功率为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。可选地，所述第一射频周期信号的频率为f0，所述第一射频周期信号的频率可变范围为f0±5%。可选地，所述控制器还包括一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，并控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。进一步的，本专利技术还公开了一种用于等离子体处理器的调频匹配方法，所述方法包括：提供一个源射频电源，所述源射频电源输出第一射频周期信号至所述等离子体处理器内以点燃并维持等离子体；所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；提供一个偏置射频电源，所述偏置射频电源输出第二射频周期信号至所述等离子体处理器内的基座，设置所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；提供一控制器，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，使得所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。可选地，所述方法还包括一区段匹配频率学习步骤，在第二射频周期的每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体处理器，其特征在于，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；控制器，用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，以保证所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体处理器，其特征在于，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有一晶圆，源射频电源，用于施加第一射频周期信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体，所述源射频电源为调频电源，所述第一射频周期信号的频率在一预定范围内可调；偏置射频电源，用于施加第二射频周期信号到所述基座，所述第二射频周期信号的每个周期包括多个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在多个阻抗匹配段之间变化；控制器，用于控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出一区段匹配频率，以保证所述源射频电源输出的射频功率能有效施加到所述反应腔内，减小反射功率损耗。2.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器包括一存储单元，所述存储单元存储有与多个阻抗匹配段一一对应的区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在对应的阻抗匹配段内输出其匹配频率。3.如权利要求2所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器在每个阻抗匹配段内进行至少一次源射频电源的频率匹配，得到一区段匹配频率，并将所述区段匹配频率及其对应的阻抗匹配段存储在所述存储单元内。4.如权利要求3所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器内设置有区段匹配频率学习程序，所述区段匹配频率学习程序包括：在每个阻抗匹配段中调节所述第一射频周期信号的输出频率至少一次，检测每个输出频率对应的反射功率值或者等离子体处理器阻抗值，反射功率值或者等离子体处理器阻抗值小于一定阈值时，该输出频率可认定为该阻抗匹配段的区段匹配频率。5.根据权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器中存储有偏置射频电源输出电压与对应匹配频率的数据库，所述控制器执行至少一次区段匹配频率学习程序，获得至少一个阻抗匹配段对应的区段匹配频率并利用该获得的区段匹配频率和所述数据库计算获得其余多个区段匹配频率。6.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器包括一计算单元，所述计算单元根据输入的处理工艺参数进行计算，获得与所述工艺参数相匹配的多个区段匹配频率，所述控制器控制所述源射频电源在每个阻抗匹配段输出相匹配的区段匹配频率。7.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述第一射频周期信号的频率大于10Mhz，第二射频周期信号的频率小于1Mhz。8.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，第二射频周期信号的频率小于500Khz。9.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述第二射频周期内包括至少3个阻抗匹配段，所述偏置射频电源的输出电压在最高电压到最低电压之间交替周期性变化，第一至第N阻抗匹配段中的平均电压依次从低到高排列，多个区段匹配频率分别匹配第一至第N阻抗匹配段中的等离子体的阻抗。10.根据权利要求9所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源进行频率调整的响应时间大于等于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在多个第二射频周期的第一阻抗匹配段获得与第一阻抗匹配段对应的第一区段匹配频率，在后续多个第二射频周期获得与第二阻抗匹配段对应的第二区段匹配频率。11.根据权利要求9所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源进行频率调整的响应时间小于所述第二射频周期信号的周期长度，所述源射频电源在一个第二射频周期的第一阻抗匹配段进行至少一次频率匹配，在同一个第二射频周期信号的第二阻抗匹配段内进行至少一次频率匹配。12.根据权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于：所述源射频电源的输出功率呈脉冲状，在高功率输出状态和低功率输出状态之间交替变化，其中脉冲频率为100-10KHz。13.如权利要求12所述的等离子体处理器，其特征在于：在所述源射频电源的输出为高功率输出状态时执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个高功率输出状态的区段匹配频率；在所述源射频电源的输出为低功率输出状态时再次执行一次所述区段匹配频率学习程序，获得并存储多个低功率输出状态的区段匹配频率。14.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于：所述第一射频周期信号的频率为f0，所述第一射频周期信号的频率可变范围为f0±5%。15.根据权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于：所述控制器还包括一判断模块，所述判断模块根据所述第二射频周期信号判断当前所处的阻抗匹配段，并控制所述源射频电源输出该阻抗匹配段的区段匹配频率。16.一种用于等离子体处理器的调频匹配方法，其特征在于：所述方法包括：提供一个源射频电源，所述源射频电源输出第一射频周期信号至所述等离子体处理器...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪图强，徐蕾，涂乐义，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31