射频阻抗匹配方法及系统、半导体工艺设备与流程

1.本技术涉及半导体加工技术领域，具体而言，本技术涉及一种射频阻抗匹配方法及系统、半导体工艺设备。


背景技术：

2.目前，等离子体被广泛应用于半导体器件的生产过程中。在等离子体刻蚀系统中，射频电源将射频能量通过匹配器传输至工艺腔室，在工艺腔室内射频能量将具有一定气压的气体激发成等离子体，激发的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工艺腔内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。
3.在射频能量传输的过程中，由于射频电源的输出阻抗一般为50欧姆，工艺腔室的输入阻抗一般为一个具有实部阻抗和虚部阻抗的非50欧姆阻抗值，因而直接将能量传输至工艺腔室时，由于传输路径的阻抗不匹配，发生射频能量的反射，导致工艺腔室中无法正常激发等离子体，因而需要在射频电源和工艺腔室间接入一个匹配器，使射频电源后端的输入阻抗为50欧姆，便于能量的正常传输。但是，现有技术中当使用匹配器进行匹配时，由于射频电源始终为固定频率参数为13.56mhz，完全依赖匹配器进行起辉与匹配，使得整个匹配过程需要0.5s及以上，无法实现快速匹配的目的。而使用射频电源扫频方式进行起辉匹配时，匹配器至少在扫频时期内有一段时间完全处于固定模式，此时频率稳定的范围较大，存在差异及不重复性。再者由于等离子体特性，在某些频率点区域内会存在起辉不稳定的区域，当进入这些特定区域时，起辉及匹配时间会相应拉长甚至射频电源无法跳出该区域，从而导致起辉匹配失败的情况。


技术实现要素：

4.本技术针对现有方式的缺点，提出一种射频阻抗匹配方法及系统、半导体工艺设备，用以解决现有技术存在的无法快速起辉及起辉匹配失败的技术问题。
5.第一个方面，本技术实施例提供了一种射频阻抗匹配方法，用于通过射频电源及匹配器实现半导体工艺设备的工艺腔室起辉，包括：获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数，所述初始扫频参数为射频电源开始自动扫频的起始频率；控制匹配器中电容器组件的参数为所述匹配参数；控制射频电源以所述初始扫频参数开始自动扫频，用于使所述射频电源的阻抗与所述匹配器及工艺腔室的阻抗相等，以使所述工艺腔室起辉。
6.于本技术的一实施例中，在所述获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数之前，还包括：在所述工艺配方查询所述匹配参数及所述初始扫频参数；如果在所述工艺配方中查询到所述匹配参数及所述初始扫频参数，获取所述匹配参数及所述初始扫频参数。
7.于本技术的一实施例中，如果在所述工艺配方中未查询到所述匹配参数及所述初始扫频参数，则确定所述匹配参数及所述初始扫频参数。
8.于本技术的一实施例中，所述确定所述匹配参数，包括：控制所述匹配器中电容器组件的参数为预设参数；在所述射频电源为所述固定频率参数的情况下，控制所述匹配器根据匹配算法得到匹配时所述第一电容参数及所述第二电容参数；将所述第一电容参数及所述第二电容参数记录为匹配参数，并且存入所述工艺配方中。
9.于本技术的一实施例中，所述确定所述初始扫频参数，包括：控制所述射频电源为固定频率参数；在所述匹配器为手动模式下，将所述匹配器中电容器组件的参数设置为所述第一电容参数及所述第二电容参数；通过预设比例以步进方式所述第二电容参数使所述工艺腔室起辉，以得到所述第三电容参数；将所述第一电容参数及所述第三电容参数记录为起辉参数，并且存入所述工艺配方中。
10.于本技术的一实施例中，根据所述匹配参数、所述固定频率参数及所述起辉参数确定所述初始扫频参数。
11.于本技术的一实施例中，确定所述初始扫频参数需要满足以下公式：
12.2πf0*c2b＝2πf1*c2a
13.f1＝f0*c2b/c2a
14.其中，f0表征为所述固定频率参数，f1表征为所述初始扫频参数，c2a表征为所述第二电容参数，所述c2b表征为第三电容参数。
15.于本技术的一实施例中，所述固定频率参数为400khz、2mhz、13.56mhz或40mhz。
16.第二个方面，本技术实施例提供了一种射频阻抗匹配系统，包括：控制装置、匹配器及射频电源；所述控制装置与所述匹配器及所述射频电源电连接，所述控制装置用于获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数；以及控制所述匹配器中电容器组件的参数为所述匹配参数；以及控制所述射频电源以所述初始扫频参数开始自动扫频，使所述射频电源的阻抗与所述匹配器及工艺腔室的阻抗相等，以使所述工艺腔室起辉。
17.第三个方面，本技术实施例提供了一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室及射频阻抗匹配系统，所述射频阻抗匹配系统用于执行如第一个方面提供的射频阻抗匹配方法。
18.本技术实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：
19.本技术实施例通过在工艺配方中预设有匹配器的匹配参数，以及射频电源的起始扫频参数，使得匹配器无需自动匹配，以及射频电源能从最优初始扫频参数的调用以实现工艺腔室的快速起辉及匹配，从而不仅能大幅提高工艺腔室的起辉效率，而且还能避免起辉匹配失败的情况发生，进而确保起辉及匹配的可重复性和稳定性，以大幅提高工艺结果的一致性。
20.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
21.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1为本技术实施例提供的一种射频阻抗匹配方法中的流程示意图；
23.图2为本技术实施例提供的一种射频阻抗匹配系统的结构示意图；
24.图3为本技术实施例提供的一种匹配器中的电容器组件变化对阻抗的影响示意
图；
25.图4为本技术实施例提供的一种射频阻抗匹配方法实现起辉及匹配过程示意图；
26.图5为现有技术中的射频阻抗方法中的频率变化示意图。
具体实施方式
27.下面详细描述本技术，本技术的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本技术的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。
28.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
29.现有技术的匹配过程中，存在等离子体先起辉后匹配的过程，尤其对于电感耦合等离子体技术(inductively coupled plasma，icp)而言，等离子体起辉过程存在e-h模式跳变，即icp放电过程中往往伴随着容性耦合放电(ccp)，随着输入功率开始馈入到等离子体，等离子体被激励产生并开始工作在e模式状态，此时整个放电主要是由线圈两端的电势差产生的轴向电场来维持。随着输入功率不断增加直至超过一定阈值，等离子体状态会突然跳变进入h模式，这时的放电主要由法拉第效应产生的环向电场来维持，而e-h模式跳变主要原因是由于等离子体吸收功率的非线性导致的。当使用匹配器进行匹配时，由于射频电源始终为固定频率参数为13.56mhz，完全依赖匹配器进行起辉与匹配，使得整个匹配过程需要0.5s及以上，无法实现快速匹配的目的。而使用射频电源扫频方式进行起辉匹配时，匹配器至少在扫频时期内有一段时间完全处于固定模式，此时频率稳定的范围较大，存在差异及不重复性。如图5所示，在某工艺条件下射频电源扫频时会出现不同的起辉及匹配频率点使得反射功率降低，如13.1mhz及13.6mhz频点处，不同的匹配频率点对工艺结果也存在一定影响。再者由于等离子体特性，在某些频率点区域内会存在起辉不稳定的区域，如图5所示的13.4mhz至13.5mhz区间，当进入这些特定区域时，起辉及匹配时间会相应拉长甚至射频电源无法跳出该区域，从而导致起辉匹配失败的情况。
30.下面以具体地实施例对本技术的技术方案以及本技术的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
31.本技术实施例提供了一种射频阻抗匹配方法，用于通过射频电源及匹配器实现半导体工艺设备的工艺腔室起辉，该方法的流程示意图如图1所示，该方法包括：
32.s1：获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数，初始扫频参数为射频电源开始自动扫频的起始频率；
33.s2：控制匹配器中电容器组件的参数为匹配参数；
34.s3：控制射频电源以初始扫频参数开始自动扫频，用于使射频电源的阻抗与匹配器及工艺腔室的阻抗相等，以使工艺腔室起辉。
35.结合如图2至图3所示，本技术实施例主要应用于半导体工艺设备的工艺腔室100，
用于实现对工艺腔室100的快速起辉及匹配，以使得工艺腔室100内的等离子体快速起辉，避免进入等离子体不稳定区域，从而实现工艺匹配过程中的稳定可重复性。具体来说，在开始执行工艺之前，控制装置(图中未示出)可以由工艺配方中获取匹配参数及初始扫频参数，该控制装置例如可以是半导体工艺设备的下位机、单片机或者下位机，其可以用于存储当前工艺的工艺配方，但是本技术实施例并不以此为限。控制装置可以将匹配器2中的电容器组件21的参数设置为匹配参数，或者可以采用手动方式将匹配器2中的电容器组件21的参数设置为匹配参数，因此本技术实施例并不以此为限。控制装置可以控制射频电源1以初始扫频参数开始执行自动扫频，即初始扫频参数为射频电源1开始自动扫频的起始频率，当射频电源1开始加载射频功率之后，由于此时匹配器2已经设置为匹配参数，因此能实现快速起辉，并且射频电源1在快速起辉后还能迅速调整至固定频率参数，从而实现对工艺腔室100的快速起辉及匹配。
36.本技术实施例通过在工艺配方中预设有匹配器的匹配参数，以及射频电源的起始扫频参数，使得匹配器无需自动匹配，以及射频电源能从最优初始扫频参数的调用以实现工艺腔室的快速起辉及匹配，从而不仅能大幅提高工艺腔室的起辉效率，而且还能避免起辉匹配失败的情况发生，进而确保起辉及匹配的可重复性和稳定性，以大幅提高工艺结果的一致性。
37.于本技术的一实施例中，如图1所示，在获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数之前，还包括：在工艺配方查询匹配参数及初始扫频参数；如果在工艺配方中查询到匹配参数及初始扫频参数，获取匹配参数及初始扫频参数。具体来说，在执行当前工艺前，查询工艺配方中是否存在有匹配参数及初始扫频参数，即判断当前工艺是否在之前执行过，如果在工艺配方中查询到匹配参数及初始扫频参数，则说明该当前工艺之前执行过，因此直接获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数，并且根据上述匹配参数及初始扫频参数执行上述步骤s1及步骤s2即可。采用上述设计，使得本技术实施例能够直接调用最优初始扫频参数，从而使得工艺腔室100快速起辉匹配。
38.于本技术的一实施例中，如图1至图3所示，如果在工艺配方中未查询到匹配参数及初始扫频参数，则确定匹配参数及初始扫频参数。
39.可选地，确定匹配参数，包括：控制匹配器2中电容器组件21的参数为预设参数；在射频电源1为固定频率参数的情况下，控制匹配器2根据匹配算法得到匹配时第一电容参数c1a及第二电容参数c2a；将第一电容参数c1a及第二电容参数c2a记录为匹配参数，并且存入工艺配方中。
40.可选地，确定初始扫频参数，包括：控制射频电源1为固定频率参数；在匹配器2为手动模式下，将匹配器2中电容器组件21的参数设置为第一电容参数c1a及第二电容参数c2a；通过预设比例以步进方式调整第二电容参数c2a使工艺腔室100起辉，以得到第三电容参数c2b；将第一电容参数c1a及第三电容参数c2b记录为起辉参数，并且存入工艺配方中。
41.如图1至图3所示，在执行当前工艺前，查询工艺配方中是否存在有匹配参数及初始扫频参数，即判断当前工艺是否在之前执行过，如果在工艺配方中未查询到匹配参数及初始扫频参数，则说明该当前工艺未执行过，因此需重新确定第一电容参数c1a、第二电容参数c2a及第三电容参数c2b，并且根据上述实施例中的方法计算确定初始扫频参数。具体来说，当未查询到当前工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数时，首先控制装置能控制匹
配器2中的电容器组件21为预设参数，将第一电容器c1和第二电容器c2调整至任意常用预设参数，例如两者的预设参数均为50％，此时射频电源1为固定频率参数且不执行扫频，并且为了获取初始扫频参数，因此可不关注匹配时间。然后再控制匹配器2采用自动匹配功能寻找匹配位置，例如在加载射频功率后利用现有的匹配算法进行自动匹配，当匹配完成后控制器能自动记录此时第一电容器c1和第二电容器c2的第一电容参数c1a和第二电容参数c2a，即控制匹配器2根据匹配算法得到第一电容参数c1a及第二电容参数c2a；将第一电容参数c1a及第二电容参数c2a记录为匹配参数，并且存入工艺配方中。
42.进一步的，在停止加载射频功率后，控制装置可以将匹配器2设置为手动模式，并且将第一电容器c1及第二电容器c2分别设置为第一电容参数c1a和第二电容参数c2a，再次加载射频功率后，对第二电容参数c2a以0.1％为步长逐步微调第二电容器c2参数，直至起辉时记录第二电容器c2的第三电容参数c2b，即通过预设比例以步进方式调整第二电容参数c2a使工艺腔室100起辉，以得到第三电容参数c2b，将第一电容参数c1a及第三电容参数c2b记录为起辉参数，并存入工艺配方中。通过第二电容参数c2a及第三电容能数c2b进行相应的计算，最终得到初始扫频频率值f1，完成以上述步骤后即可在执行该工艺时，直接由工艺配方中调用匹配参数及初始扫频参数。
43.如图1至图3所示，匹配参数可以包括第一电容器c1的第一电容参数，以及第二电容器c2的第二电容参数，上述两者电容参数的获得均是在射频电源1为固定频率参数的情况下，匹配器2通过自动匹配后使工艺腔室100达到匹配时获得。在相同的情况下可以通过手动模式对第二电容器c2的进行手动调节，直到工艺腔室100起辉后，此时第二电容器c2处于第三电容参数，即将第二电容参数进行调整使工艺腔室100起辉以得到第三电容参数，实现将第一电容参数及第三电容参数作为起辉参数，从而进一步提高射频电源1的扫频效率，进而提高工艺腔室100的起辉及匹配效率。
44.进一步的，当射频电源1开始以初始扫频参数开时扫频时，匹配器2中的电容器组件21设置为匹配参数，即第一电容器c1为第一电容参数，而第二电容器c2为第二电容参数，以便于射频电源1扫频结束时能够回到固定频率参数，例如固定频率参数取值13.56mhz。对于常用的l型匹配器2结构来说，射频电源1扫频时频率的变化基本可等效覆盖电容器组件21在一定范围内的位置变化，例如图2中示出的第二电容器c2的对应的阻抗，射频电源1后端可匹配的阻抗z
l
采用以下公式进行计算确定：
[0045][0046]
结合参照图3可知，当ωc1和ωc2变化时，阻抗虚部对ωc2的变化更敏感，当ωc2变化量很小时，阻抗虚部变化很剧烈，而ωc1相对变化量与ωc2相当时，对阻抗虚部的影响相对很小，因此当c1和c2值不变，而仅通过射频电源1通过扫频实现起辉匹配，即改变ω＝2πf时相当于能等效覆盖第二电容器c2的变化来实现阻抗虚部的匹配，而阻抗的实部由ωc1决定，一般后端阻抗的实部均在很小范围内变化，主要变化来源于阻抗虚部的变化。因此采用上述设计，仅通过对第二电容器c2的第二电容参数进行调整，以得到第三电容参数来使工艺腔室100起辉，并且采用射频电源1自动扫频的方式等效替代第二电容器c2的参数变化，
从而使得本技术实施例的逻辑更加简单，以进一步提高工艺腔室100起辉效率，并且还能避免射频要电源进入起辉不稳定区域，从而大幅提高工艺腔室100起辉的成功率。需要说明的是，本技术实施例并不限定匹配器2的具体结构，例如匹配器2还可以采用π型或t型结构。因此本技术实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
[0047]
于本技术的一实施例中，如图1至图3所示，根据匹配参数、固定频率参数及起辉参数确定初始扫频参数。具体来说，匹配参数具体为匹配器2采用自动匹配的方式获得的第一电容参数及第二电容参数，即为匹配器2中第一电容器c1及第二电容器c2在工艺腔室100匹配时的参数。工艺配方中还存储有起辉参数，该起辉参数同样是由匹配器2采用自动匹配的方式获得，即为匹配器2中第一电容器c1及第二电容器c2在工艺腔室100起辉时的参数。初始扫频参数根据匹配参数、固定频率参数及起辉参数进行确定，即初始扫频参数是根据电容器组件21的起辉及匹配路径中计算得来，以实现工艺腔室100的快速起辉及匹配。但是本技术实施例并不限定起辉参数的具体获得方式，例如起辉参数可以采用手动方式获得。因此本技术实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
[0048]
于本技术的一实施例中，如图1至图3所示，初始扫频参数需要满足以下公式：
[0049]
2πf0*c2b＝2πf1*c2a
[0050]
f1＝f0*c2b/c2a
[0051]
其中，f0表征为固定频率参数，f1表征为初始扫频参数，c2a表征为第二电容参数，c2b表征为第三电容参数。
[0052]
可选地，固定频率参数为400khz、2mhz、13.56mhz或40mhz。具体来说，当射频电源1采用固定频率参数为f0时，匹配器2通过自动匹配得到匹配参数，即第二电容器c2为第二电容参数c2a；以及得到起辉参数，即第二电容器c2为第三匹配参数，并且初始扫频参数需要满足上述公式。当射频电源1开始自动扫频时，可以将射频电源1设置为初始扫频参数，而匹配器2则设置为匹配参数。采用上述设计，使得本技术实施例能够适用于不同的工艺，从而大幅提高适用性及适用范围，并且还能确定工艺的重复性及稳定性。
[0053]
在一具体实施方式中，当射频电源1的固定频率参数为f0为13.56mhz时，匹配参数中的第二电容参数c2a为250pf，起辉参数中的第三电容参数c2b为240pf时，根据上述公式计算可得所对应的初始扫频参数f1应为13.02mhz。但是本技术实施例并不限定固定频率参数f0的具体数值，例如该数值还可以设置为400khz、2mhz或40mhz等数值，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。通过将上述初始扫频参数f1存储于工艺配方中，当每次该工艺开始时，射频电源1能预先运行至初始扫频参数f1(起辉点)处，射频电源1向匹配器2及工艺腔室100加载功率后，射频电源1会以初始扫频参数f1为起点自动扫频匹配，由于此时初始扫频参数f1已满足起辉条件，因此射频电源1会迅速调整至匹配状态，即固定频率参数为f0，实现了工艺腔室100的快速起辉及匹配，具体工艺过程中的匹配流程图可以参照如图4所示。由此可见，通过对最优初始扫频参数的调用可实现快速起辉，并且能保证匹配的重复性及稳定性，从而大幅提高了工艺结果的一致。
[0054]
基于同一发明构思，本技术实施例提供了一种射频阻抗匹配系统，包括：控制装置、匹配器及射频电源；控制装置与匹配器及射频电源电连接，控制装置用于获取工艺配方中的匹配参数及初始扫频参数；以及控制匹配器中电容器组件的参数为匹配参数；以及控制射频电源以初始扫频参数开始自动扫频，使射频电源的阻抗与匹配器及工艺腔室的阻抗
相等，以使工艺腔室起辉。
[0055]
基于同一发明构思，本技术实施例提供了一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室及射频阻抗匹配系统，射频阻抗匹配系统用于执行如上述各实施例提供的射频阻抗匹配方法。
[0056]
应用本技术实施例，至少能够实现如下有益效果：
[0057]
本技术实施例通过在工艺配方中预设有匹配器的匹配参数，以及射频电源的起始扫频参数，使得匹配器无需自动匹配，以及射频电源能从最优初始扫频参数的调用以实现工艺腔室的快速起辉及匹配，从而不仅能大幅提高工艺腔室的起辉效率，而且还能避免起辉匹配失败的情况发生，进而确保起辉及匹配的可重复性和稳定性，以大幅提高工艺结果的一致性。
[0058]
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。
[0059]
本技术领域技术人员可以理解，本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本技术中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
[0060]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0061]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0062]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0063]
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0065]
以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。