阻抗匹配方法、半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备的阻抗匹配方法和一种半导体工艺设备。

背景技术

电感耦合等离子体源应用于半导体装备制造领域的刻蚀、薄膜沉积、离子注入掺杂等工艺，其主要原理为：射频电流流经线圈在腔室内产生电磁场激发气体产生等离子体，偏压源控制离子轰击能量。典型的射频放电等离子体发生系统通常包括频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω的射频电源和内有电感耦合线圈及静电卡盘的等离子体反应腔。传输线理论指出，当电源的特性阻抗与负载阻抗不同时，射频电源输出功率会产生损耗，无法使输出效率达到最大，导致能源浪费，可能对电源本身造成损害，甚至局部热量过高引发火灾。因此在使用等离子体源过程中，需要在电源和等离子体反应腔之间增加自动阻抗匹配器，匹配器可在Auto preset模式下根据等离子体反应腔室实际阻抗而自动调整可变电容等参数，从而使其输入阻抗等于50Ω，使电源输出效率达到最大，并使等离子体稳定放电。

匹配器性能直接影响反应腔内等离子体密度、能量、空间分布等参数，从而影响工艺结果。匹配器匹配速度是匹配性能中重要的参数指标，匹配速度越快，等离子体越快达到稳定，越有利于缩短晶片(wafer)进行工艺的总时长(WPH)，提高机台效率，且匹配速度越快，匹配过程内的等离子体波动越小，工艺结果一致性越好。

在现有的匹配器阻抗匹配方案中，匹配器一般在Auto preset模式下工作，在电源向腔室加载功率后，匹配器检测出电路中电压幅值、相位大小，并根据检测到的数据，经过算法分析后，通过电机控制可变电容的电容值变化，自动将阻抗匹配到50Ω，完成匹配过程。

然而，在Auto preset模式下匹配器进行阻抗匹配所需时间依赖于匹配器算法及预设位置选取，且各可变电容的初始电容值以及等离子体初始状态的差异也会导致匹配过程不同，并导致匹配时间不一致。由于算法的局限，可变电容的初始电容值位置较差时，匹配时间有时会达到4～5s，对工艺结果稳定性造成很大影响。

因此，如何提供一种高效、可靠的匹配器阻抗匹配方案，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种半导体工艺设备的匹配器调节方和一种半导体工艺设备，该阻抗匹配方法能够降低匹配器的匹配时间，并提升工艺结果的一致性。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种用于半导体工艺设备的阻抗匹配方法，所述半导体工艺设备包括电源、匹配器和设置在工艺腔室中的上电极，所述电源通过所述匹配器与所述上电极连接，所述匹配器能够进行自动匹配，使得所述匹配器的输入阻抗与所述电源的输出阻抗一致，所述阻抗匹配方法包括：

电容值确定阶段，检测所述工艺腔室中发生起辉且所述匹配器完成自动匹配后所述匹配器中多个电容的稳定电容值；

匹配阶段，将所述匹配器中一个电容的电容值调节为对应的起辉电容值，并将其余多个电容的电容值调节为对应的稳定电容值，所述电容的起辉电容值小于所述电容的稳定电容值；启动所述电源，并将所述一个电容的电容值由所述起辉电容值调节至所述电容的稳定电容值。

可选地，所述电容的起辉电容值通过如下方式得到：

将多个所述电容的电容值调节为对应的所述稳定电容值，并启动所述电源；

若所述工艺腔室中未发生起辉，则控制一个所述电容的电容值减小；

当所述工艺腔室中发生起辉时，将所述电容的电容值记为所述电容对应的起辉电容值。

可选地，所述电容的起辉电容值小于等于所述稳定电容值的90％。

可选地，所述阻抗匹配方法还包括：

在所述匹配阶段后，控制所述匹配器进入自动匹配模式。

可选地，所述匹配器包括第一电容、第二电容和第三电容，所述阻抗匹配方法包括：

在电容值确定阶段，检测所述工艺腔室中发生起辉且所述匹配器完成自动匹配后所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的稳定电容值；

在匹配阶段，将所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容中一个电容的电容值调节为所述起辉电容值，并将其余两个电容的电容值调节为对应的所述稳定电容值；

启动所述电源，并将所述一个电容的电容值由所述起辉电容值调节至所述电容的稳定电容值。

作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，包括电源、匹配器和设置在工艺腔室中的上电极，所述电源通过所述匹配器与所述上电极连接，所述匹配器能够进行自动匹配，使得所述匹配器的输入阻抗与所述电源的输出阻抗一致，所述半导体工艺设备采用前面所述的阻抗匹配方法进行阻抗匹配。

可选地，所述匹配器包括第一电容、第二电容和第三电容；其中，

所述第一电容的第一极与所述电源的输出端电连接，所述第一电容的第二极接地；

所述第二电容的第一极与所述电源的输出端电连接，所述第二电容的第二极与所述第三电容的第一极连接；

所述第三电容的第二极用于输出匹配后的电源信号。

可选地，所述匹配器还包括第四电容，所述上电极包括第一线圈和第二线圈；

所述第四电容的第一极与所述第二电容的第二极和所述第三电容的第一极电连接，所述第三电容的第二极与所述第一线圈的第一端电连接，所述第四电容的第二极与所述第二线圈的第一端电连接；

所述第一线圈的第二端接地，所述第二线圈的第二端接地。

可选地，所述匹配器还包括第五电容，所述第五电容的第一极与所述第二线圈的第二端电连接，所述第五电容的第二极接地。

可选地，所述匹配器还包括调节电感，所述调节电感的第一端与所述第二电容的第二极电连接，所述调节电感的第二端与所述第三电容的第一极和所述第四电容的第一极电连接。

本发明提供的阻抗匹配方法和半导体工艺设备能够在进行半导体工艺前的启辉过程中，将匹配器中的多个电容调节为电容值确定阶段测得的稳定电容值，并在启动电源后将一个电容由起辉电容值调节至该电容的稳定电容值，从而以“将多个电容由电源启动前的一个确定状态(即一个电容为起辉电容值，多个电容为稳定电容值)调节为电源启动后的另一确定状态(即多个电容均调节至稳定电容值)”的调节过程代替了现有技术中“利用匹配器将多个电容由段启动前的不确定状态自动调节为无法提前确定的最终状态”的调节过程。在启辉过程中由启动电源前的确定态变化至启动电源后的另一确定态，消除了以未知初始电容值状态为起点自动调整匹配器阻抗的时间差异，并且，调节过程仅涉及单一电容的电容值变化，其余电容的电容值固定在稳定电容值，从而能够保证腔室阻抗变化较小且为单调变化，降低了等离子体灭辉的概率，能够实现快速稳定起辉，显著降低了匹配时间，提升了工艺结果的一致性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的阻抗匹配方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的半导体工艺设备中的部分电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种半导体工艺设备的阻抗匹配方法，该半导体工艺设备包括电源、匹配器和设置在工艺腔室中的上电极，电源通过匹配器与上电极连接，匹配器包括多个电容，且匹配器能够通过调节多个电容的电容值进行自动匹配，使得匹配器的输入阻抗与电源的输出阻抗一致，如图1所示，该阻抗匹配方法包括：

电容值确定阶段S1，检测工艺腔室中发生起辉且匹配器完成自动匹配后匹配器中多个电容的稳定电容值；

匹配阶段S2，将匹配器中一个电容的电容值调节为对应的起辉电容值，并将其余多个电容的电容值调节为对应的稳定电容值，该电容的起辉电容值小于该电容的稳定电容值；

启动电源，并将该一个电容(即一开始被调节为起辉电容值的电容)的电容值由起辉电容值调节至该电容的稳定电容值。

本发明实施例提供的阻抗匹配方法包括电容值确定阶段和匹配阶段两部分，其中电容值确定阶段仅需在匹配器的Auto preset模式下进行一次，其目的在于获取匹配器中各电容在工艺腔室中发生启辉且等离子体稳定后的稳定电容值；

匹配阶段的各步骤即为每次进行半导体工艺前进行启辉时对匹配器中各电容进行调节的步骤，在进行半导体工艺前的启辉过程中，将匹配器中的多个电容调节为电容值确定阶段测得的稳定电容值，并在启动电源后将一个电容由起辉电容值调节至该电容的稳定电容值，从而以“将多个电容由电源启动前的一个确定状态(即一个电容为起辉电容值，多个电容为稳定电容值)调节为电源启动后的另一确定状态(即多个电容均调节至稳定电容值)”的调节过程代替了现有技术中“利用匹配器将多个电容由段启动前的不确定状态自动调节为无法提前确定的最终状态(即匹配器在Auto preset模式下自动调整后的状态)”的调节过程。

在现有技术方案中，匹配器在Auto preset模式下对电容值未知的多个电容进行自动调节，其过程中匹配器及腔室中的阻抗变化大，匹配器难以及时应对阻抗发生的突变，因而匹配时间有时会达到4～5s。而在本发明提供的阻抗匹配方法中，匹配器中的多个电容由启动电源前的确定态变化至启动电源后的另一确定态，消除了以未知初始电容值状态为起点自动调整匹配器阻抗的时间差异，并且，调节过程仅涉及单一电容的电容值变化，其余电容的电容值固定在稳定电容值，从而能够保证腔室阻抗变化较小且为单调变化，降低了等离子体灭辉的概率，能够实现快速稳定起辉，显著降低了匹配时间，提升工艺结果的一致性。

本发明实施例对如何得到该电容的起辉电容值不做具体限定，例如，为提高起辉电容值的精确性，提高启辉成功率，优选地，该电容的起辉电容值可通过如下方式得到：

将多个电容的电容值调节为对应的稳定电容值，并启动电源；

若工艺腔室中未发生起辉，则控制一个电容的电容值减小；

当工艺腔室中发生起辉时，将该电容(减小后的)的电容值记为该电容对应的起辉电容值。

需要说明的是，该确定启辉电容值的步骤仅进行一次即可，在本发明实施例中，以多个电容的电容值均为稳定电容值为起始状态，将其中一个电容的电容值调低，直至工艺腔室中发生起辉，从而得到距离启辉最近的起辉电容值，进而提高了起辉电容值的精确性。

为提高确定启辉电容值的效率，优选地，该启辉电容值也可以直接由电容的稳定电容值确定，例如，为保证工艺腔室正常启辉，该电容的起辉电容值可以小于等于稳定电容值的80％，在此情况下，等离子体达到稳定所需时间可以缩短至0.504s～0.741s。

为进一步缩短等离子体达到稳定所需的时间，提高工艺腔室的启动效率，优选地，电容的起辉电容值可设为小于等于稳定电容值的90％，在此情况下，等离子体达到稳定所需时间可以缩短至0.438s～0.500s。

为进一步提高工艺腔室中进行的半导体工艺的一致性，优选地，该阻抗匹配方法还可以包括：

在将该一个电容(如，第一电容C1)的电容值由起辉电容值调节至电容的稳定电容值后(即，在经过匹配阶段后)，控制匹配器进入自动匹配(Auto preset)模式，使匹配器进行自动调节，从而在工艺腔室中的等离子体稳定后，进行进一步的微调，进一步保证工艺腔室中各项参数的精确性。

本发明实施例对匹配器中涉及电容值调节的电容数量不做具体限定，例如，可选地，涉及电容值调节的电容数量可以为3个。具体地，如图2所示，匹配器可以包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，该阻抗匹配方法可包括：

电容值确定阶段，检测工艺腔室中发生起辉且匹配器完成自动匹配后第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的稳定电容值；

匹配阶段，将第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3中一个电容(如，第一电容C1)的电容值调节为对应的起辉电容值，并将其余两个电容的电容值调节为对应的稳定电容值；

启动电源，并将该一个电容(如，第一电容C1)的电容值由起辉电容值调节至该电容的稳定电容值。

本发明实施例对匹配器的电路结构不做具体限定，例如，可选地，如图2所示，第一电容C1的第一极与电源的输出端RF input电连接，第一电容C1的第二极接地，第二电容C2的第一极与电源的输出端RF input电连接，第二电容C2的第二极与第三电容C3的第一极电连接，第三电容C3的第二极用于输出匹配后的电源信号。

本发明实施例对该匹配器如何向工艺腔室输出匹配后的电源信号不做具体限定，例如，可选地，如图2所示，该匹配器可以为双输出匹配器，具体地，该匹配器还包括第四电容C4，上电极包括第一线圈和第二线圈，第四电容C4的第一极与第二电容C2的第二极和第三电容C3的第一极电连接，第三电容C3的第二极与第一线圈的第一端out1电连接，第四电容C4的第二极与第二线圈的第一端out2电连接，第一线圈的第二端return1接地，第二线圈的第二端return2接地。

本发明实施例对该第一线圈和第二线圈的第二端如何接地并构成回路不做具体限定，例如，可选地，如图2所示，该匹配器还包括第五电容C5，第一线圈的第二端return1直接接地，第二线圈的第二端return2与第五电容C5的第一极电连接，第五电容C5的第二极接地。

为进一步提高匹配器的阻抗匹配能力，该匹配器还可以包括调节电感L2，调节电感L2的第一端与第二电容C2的第二极电连接，调节电感L2的第二端与第三电容C3的第一极和第四电容C4的第一极电连接。

在该双输出匹配器中，第一电容C1、第二电容C2用于阻抗匹配，第三电容C3、第四电容C4用于分配两个输出端的电流比，第五电容C5用于调节线圈的电感量。在实际匹配过程中，C4、C5固定不变，仅改变C1、C2、C3电容值，从而达到电流比例调节及阻抗匹配的目的。电源功率由out端(out1、out2)输入线圈，再通过return端(return1、return2)接地输出，构成回路。线圈通过电磁感应将能量耦合入腔室。这种匹配器有两条输入线圈的支路(out1、out2)，然后接地构成回路(return1、return2)，即有两条与腔室进行能量耦合的支路，因此称为双输出匹配器。

需要说明的是，本发明实施例中将一个电容的电容值由起辉电容值调节至该电容的稳定电容值的目的在于，通过初始的起辉电容值调节匹配器在电源启动时的初始阻抗，以提高电源启动时向工艺腔室输出的功率，保证启辉效果。即，一个电容的电容值为起辉电容值时，工艺腔室更容易启辉，在工艺腔室启辉后，再将该电容的电容值调节至稳定电容值。

为便于本领域技术人员理解，本发明提供一种在匹配器包括上述第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，且将第一电容C1由起辉电容值调节至稳定电容值的情况下的具体实施例：

在电容值确定阶段(第一次起辉)时，匹配器的控制模式设置为Auto preset模式，使匹配器处于自动匹配状态。将第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的电容值调整至任意匹配器可以正常匹配的预设位置。射频电源加载功率，匹配器自动匹配。将匹配器完全匹配后C1、C2、C3的电容值a1、a2、a3分别记录保存为C1、C2、C3对应的稳定电容值。

第二次起辉时，使匹配器处于非自动匹配状态，设置C1、C2、C3的电容值分别为b1，a2，a3，其中b1为第一电容C1的启辉电容值。射频电源加载功率，反应腔中载入功率后，将C1电容值由b1调整至a1，在此过程中，C1的电容值经过了从起辉点到匹配点的过程，工艺腔室中也经历了从起辉到稳定的过程。将匹配器控制模式设置为Auto preset模式，使匹配器自动进行微调。

作为本发明的第二个方面，提供一种半导体工艺设备，包括电源、匹配器和设置在工艺腔室中的上电极，电源通过匹配器与上电极连接，匹配器能够进行自动匹配，使得匹配器的输入阻抗与电源的输出阻抗一致，且该半导体工艺设备采用本发明实施例提供的阻抗匹配方法进行阻抗匹配。

在本发明提供的半导体工艺设备中，匹配器中的多个电容由启动电源前的确定态变化至启动电源后的另一确定态，消除了以未知初始电容值状态为起点自动调整匹配器阻抗的时间差异，并且，调节过程仅涉及单一电容的电容值变化，其余电容的电容值固定在稳定电容值，从而能够保证腔室阻抗变化较小且为单调变化，降低了等离子体灭辉的概率，能够实现快速稳定起辉，显著降低了匹配时间，提升工艺结果的一致性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。