專利名稱：快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻匹配技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置。
背景技術(shù)：
等離子體技術(shù)是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域必不可少的工藝手段，它滲透了半導(dǎo)體工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括沉積、刻蝕和清洗等等。業(yè)界最常用的等離子體產(chǎn)生方法是射頻放電法，這種方法的實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由射頻電源產(chǎn)生一定功率的射頻能量，經(jīng)過射頻電纜傳輸至阻抗匹配器，再傳送給等離子體產(chǎn)生裝置產(chǎn)生等離子體。其中，射頻電纜傳輸?shù)碾姽β时仨毦哂信c電纜相符的特征阻抗(一般是50歐純電阻性質(zhì))，否則會(huì)發(fā)生反射，導(dǎo)致功率無法有效傳輸；等離子體產(chǎn)生裝置利用了感性放電或容性放電原理，其結(jié)構(gòu)決定它主要體現(xiàn)電感性質(zhì)或電容性質(zhì)。 阻抗匹配器的作用在于將等離子體產(chǎn)生裝置的阻抗與射頻電纜的阻抗互相適配，從而在等離子體產(chǎn)生裝置上得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。
根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同，射頻匹配器的結(jié)構(gòu)有很多種。以一種原子層沉積(ALD)設(shè)備中的等離子體產(chǎn)生裝置為例，射頻匹配器電路和等離子體產(chǎn)生裝置等效電路如圖2所示。該示例的等離子體產(chǎn)生裝置可近似等效為電感L和電阻R的并聯(lián)。電感L主要由等離子體產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)決定，電阻R主要由等離子體的工作狀態(tài)(氣體類型、壓強(qiáng)、溫度等) 決定。射頻匹配器由可變電容Cl和C2構(gòu)成，通過自動(dòng)控制電路和軟件(未畫出)調(diào)節(jié)Cl 和C2，使得從射頻電源端看來，射頻匹配器和等離子體產(chǎn)生裝置整體的阻抗是一個(gè)50歐的純電阻(達(dá)到匹配狀態(tài))。
阻抗匹配分兩個(gè)過程1.首次使用的匹配。射頻等離子體產(chǎn)生裝置首次使用時(shí)，需要調(diào)節(jié)Cl和C2，使得達(dá)到匹配狀態(tài)，這個(gè)過程需要在未知等離子體產(chǎn)生裝置參數(shù)的情況下尋找匹配點(diǎn)，所以耗時(shí)較長(zhǎng)，約數(shù)十秒。
2.工作中的匹配。在半導(dǎo)體工藝設(shè)備工作過程中，等離子體的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，例如反應(yīng)腔室的充氣、放氣、改變壓強(qiáng)和溫度、發(fā)生反應(yīng)等等。此時(shí)會(huì)偏離匹配點(diǎn)，需要調(diào)節(jié)Cl和C2，使裝置回到匹配點(diǎn)，這個(gè)過程要求較快，現(xiàn)有射頻自動(dòng)匹配器大約需要數(shù)秒的時(shí)間。
隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高，工藝所能達(dá)到的尺度越來越小，需要等離子體的工藝狀態(tài)更加穩(wěn)定來保證工藝的精度。這就要求自動(dòng)匹配器在上述第2個(gè)過程中，對(duì)于工藝中充放氣、改變溫度壓強(qiáng)等工作狀態(tài)的變化能夠很快的反應(yīng)，從而維持加到等離子體產(chǎn)生裝置上的射頻功率恒定。
通常匹配器中的可變電容由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，則無法對(duì)等離子體發(fā)生裝置工作狀態(tài)的變化做出快速的響應(yīng)；如果電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，則難以尋找匹配點(diǎn)，并且自動(dòng)匹配控制系統(tǒng)很難做到穩(wěn)定。所以，解決快速響應(yīng)和精細(xì)尋優(yōu)之間的矛盾，是目前半導(dǎo)體工藝設(shè)備中射頻自動(dòng)匹配器研究的難點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種能夠?qū)ぷ鳡顟B(tài)變化導(dǎo)致的負(fù)載阻抗變化做出快速響應(yīng)，并且能夠精細(xì)的尋找最優(yōu)匹配點(diǎn)的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置包括復(fù)阻抗檢測(cè)裝置、控制模塊及包含真空電容器、空氣可變電容器、電感的電容電感網(wǎng)絡(luò)；所述控制模塊根據(jù)所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果，控制所述電容電感網(wǎng)絡(luò)中真空電容器、空氣可變電容器轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配。
進(jìn)一步地，所述快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置還包括位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)所述空氣可變電容器的實(shí)際位置。
進(jìn)一步地，所述控制模塊包括所述控制單元及電動(dòng)機(jī)；所述控制單元，用于在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)真空電容器慢速轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示偏離中心位置時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電動(dòng)器慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)直至所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示回到中心位置。
進(jìn)一步地，所述真空電容器包括真空電容器Cl、真空電容器C2 ;所述電動(dòng)機(jī)包括第一電動(dòng)機(jī)、第二電動(dòng)機(jī)及第三電動(dòng)機(jī)。
進(jìn)一步地，所述控制單元包括第一控制子單元，在所述復(fù)阻 抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)；第二控制子單元，在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電容器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng),控制所述第三電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電容器C2慢速轉(zhuǎn)動(dòng)；第三控制子單元，在所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示偏離中心位置時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電動(dòng)器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)直至所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示回到中心位置。
根據(jù)本發(fā)明提供的一種快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置將真空電容與空氣電容并聯(lián)并通過三個(gè)反饋加以控制，充分結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)。使得阻抗匹配器在滿足精度和調(diào)節(jié)范圍的要求的基礎(chǔ)上，將對(duì)工作狀態(tài)變化的響應(yīng)速度提高至零點(diǎn)幾秒量級(jí)。


圖1是現(xiàn)有采用射頻放電法產(chǎn)生等離子體的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是射頻匹配器電路與等離子體產(chǎn)生裝置配合使用的等效電路的示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的原子層沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明目的、功能及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施方式
如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其包括復(fù)阻抗檢測(cè)裝置、位置檢測(cè)裝置、控制模塊及電容電感網(wǎng)絡(luò)。在射頻電纜進(jìn)入匹配器的位置加裝復(fù)阻抗檢測(cè)裝置。其中，控制模塊包括控制單元和電動(dòng)機(jī)?？刂茊卧ǖ谝豢刂谱訂卧?、第二控制子單元及第三控制單元。電動(dòng)機(jī)包括第一電動(dòng)機(jī)、第二電動(dòng)機(jī)及第三電動(dòng)機(jī)。電容電感網(wǎng)絡(luò)包括真空電容器C1、C2、空氣可變電容器C3、電感LI。真空電容器C1、C2耐壓高、容量較大、定位精準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)行程較長(zhǎng)。空氣可變電容器C3容量較小、旋轉(zhuǎn)行程較短。復(fù)阻抗檢測(cè)裝置分別與空氣可變電容器C3、真空電容器Cl并聯(lián)。真空電容器C2與空氣可變電容器 C3、真空電容器Cl并聯(lián)后，再與復(fù)阻抗檢測(cè)裝置串聯(lián)。位置檢測(cè)裝置用于檢測(cè)空氣可變電容器C3的實(shí)際位置。
第一控制子單元在復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)。第二控制子單元在復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)真空電容器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制第三電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)真空電容器C2慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。第三控制子單元在位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示偏離中心位置時(shí)，通過負(fù)反饋控制第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電動(dòng)器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)直至位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示回到中心位置。
本發(fā)明實(shí)施例提供的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，之所以將真空電容器Cl、C2與空氣可變電容器C3并聯(lián)是基于以下考慮1.高容量真空電容器C1、C2可以具有高耐壓；而空氣可變電容器C3如果有高耐壓，其容量無法做高。將二者并聯(lián)調(diào)節(jié)，既可以利用真空電容器C1、C2較大的容量和調(diào)節(jié)范圍，又可以利用空氣可變電容器C3的快速響應(yīng)特點(diǎn)。
2.真空電容器Cl、C2行程長(zhǎng)，可精密調(diào)節(jié)，但其調(diào)節(jié)速度較慢；空氣可變電容器 C3行程較短，阻尼小，可快速調(diào)節(jié)。將二者并聯(lián)調(diào)節(jié)，既可以實(shí)現(xiàn)真空電容器C1、C2調(diào)節(jié)的精密度，又可以達(dá)到空氣可變電容器C3調(diào)節(jié)的速度。
3.使用較小容量空氣可變電容器C3并聯(lián)在真空電容器Cl、C2上，空氣可變電容器C3的調(diào)節(jié)范圍有限，即使 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置的很快，也不容易因控制環(huán)路失效導(dǎo)致偏離匹配點(diǎn)太遠(yuǎn)，因而提高控制的穩(wěn)定性。
參見圖4，該原子層沉積設(shè)備采用電感耦合放電的形式產(chǎn)生等離子體，其負(fù)載阻抗等效為電感L與電阻R的并聯(lián)。其中1.5uH，1.5ΚΩ。電感L取決于線圈的結(jié)構(gòu)和形狀，電阻R取決于反應(yīng)腔室內(nèi)部氣體和等離子體的工作狀態(tài)。利用圖3所示的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置既可以精確匹配電感L與電阻R的網(wǎng)絡(luò)，又可以快速的響應(yīng)電阻R隨著工作狀態(tài)改變的變化。
選取真空可變電容器Cl、C2，分別是5_500pF和5_250pF，其匹配范圍可覆蓋等離子體產(chǎn)生裝置的負(fù)載變化范圍。真空可變電容器Cl、C2分別由電動(dòng)機(jī)B和C帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分。因真空可變電容器C1、C2的行程是30圈，故此時(shí)真空可變電容器Cl、 C2全部行程所需時(shí)間15秒。
當(dāng)工作狀態(tài)導(dǎo)致電阻R變化時(shí)，若變化不大，只改變真空可變電容器Cl即可重新匹配。所以選取空氣可變電容C3，容量范圍5-50pF，與真空可變電容器Cl并聯(lián)，作為快速跟蹤匹配使用?？諝饪勺冸娙軨3由電動(dòng)機(jī)A帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分。因空氣可變電容C3的行程是180°左右，故此時(shí)空氣可變電容C3 —半行程所需時(shí)間是O. 05秒?？諝饪勺冸娙軨3從中心位置到最大值或最小值只需走一半行程，所以若匹配點(diǎn)在此空氣可變電容C3調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，尋找匹配點(diǎn)所需的時(shí)間可以在O. 05秒以內(nèi)。位置檢測(cè)裝置采用單圈電位器，將電位器接成分壓器，測(cè)量電位器上的電壓即可得知空氣可變電容C3轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。通過反饋控制，將空氣可變電容C3調(diào)節(jié)至中心位置，以便它能夠隨時(shí)快速的響應(yīng)兩個(gè)方向的變化。該快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置可以在等離子體發(fā)生裝置較寬負(fù)載范圍內(nèi)完成精細(xì)匹配，并能夠?qū)ぷ鳡顟B(tài)的較小變化做出100毫秒級(jí)的快速響應(yīng)。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其特征在于，包括復(fù)阻抗檢測(cè)裝置、控制模塊及包含真空電容器、空氣可變電容器、電感的電容電感網(wǎng)絡(luò)；所述真空電容器與所述空氣可變電容器并聯(lián)；所述控制模塊根據(jù)所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果，控制所述電容電感網(wǎng)絡(luò)中真空電容器、空氣可變電容器轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其特征在于，還包括位置檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)所述空氣可變電容器的實(shí)際位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其特征在于，所述控制模塊包括所述控制單元及電動(dòng)機(jī)；所述控制單元，用于在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)真空電容器慢速轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示偏離中心位置時(shí)，控制所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電動(dòng)器慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)直至所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示回到中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其特征在于，所述真空電容器包括真空電容器Cl、真空電容器C2 ;所述電動(dòng)機(jī)包括第一電動(dòng)機(jī)、第二電動(dòng)機(jī)及第三電動(dòng)機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置，其特征在于，所述控制單元包括第一控制子單元，在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)；第二控制子單元，在所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果指示偏離匹配點(diǎn)時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電容器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制所述第三電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電容器C2慢速轉(zhuǎn)動(dòng)；第三控制子單元，在所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示偏離中心位置時(shí)，通過負(fù)反饋控制所述第二電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述真空電動(dòng)器Cl慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使所述第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)所述空氣可變電容器快速轉(zhuǎn)動(dòng)直至所述位置檢測(cè)裝置的檢測(cè)指示回到中心位置。
全文摘要
公開了一種快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置包括復(fù)阻抗檢測(cè)裝置、控制模塊及包含真空電容器、空氣可變電容器、電感的電容電感網(wǎng)絡(luò)；所述真空電容器與所述空氣可變電容器并聯(lián)；所述控制模塊根據(jù)所述復(fù)阻抗檢測(cè)裝置檢測(cè)的結(jié)果，控制所述電容電感網(wǎng)絡(luò)中真空電容器、空氣可變電容器轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配。該快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置能夠?qū)ぷ鳡顟B(tài)變化導(dǎo)致的負(fù)載阻抗變化做出快速響應(yīng)，并且能夠精細(xì)的尋找最優(yōu)匹配點(diǎn)的快速精密射頻自動(dòng)匹配裝置。
文檔編號(hào)H01J37/24GK103021774SQ20111030128
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者趙章琰, 李勇滔, 秦威, 李英杰, 夏洋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所