本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种阻抗匹配装置及半导体加工设备。
背景技术
等离子体技术被广泛地应用于半导体器件的制造技术领域中。在等离子体沉积与刻蚀系统中，采用射频电源向反应腔室加载能量以将腔室内的工艺气体激发形成等离子体；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腔体并曝露在等离子体环境下的基片表面发生各种物理和化学反应，使基片表面发生变化，从而完成刻蚀、沉积等工艺。
在应用中，射频电源的输出阻抗一般为50ω，为了使反应腔室从射频电源处获得最大的功率以及降低反应腔室的反射功率，一般在射频电源与反应腔室之间设置有阻抗匹配装置，用于使射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配，负载阻抗等于阻抗匹配装置的阻抗与反应腔室的阻抗之和。
图1为应用现有的阻抗匹配装置的原理框图。请参阅图1，阻抗匹配装置包括采集单元1、控制单元2、执行单元3和匹配网络4，其中，匹配网络4串接在射频电源10和反应腔室20之间，采集单元1串接在射频电源10和匹配网络4之间，采集单元1用于采集其所在传输线上的电信号并发送至控制单元2；匹配网络4包括可调电容c1、c2以及固定电感l1；执行单元3包括电机m1和m2；控制单元2根据采集单元1发送的电信号进行阻抗匹配算法来获得可调电容c1、c2的变化量，并根据该变化量控制电机m1和m2分别对可调电容c1、c2的电容值进行调节。基于上述可知，阻抗匹配装置通过调节其自身阻抗来对射频电源的输出阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配。
下面详细描述图1所示的阻抗匹配装置的工作原理。具体地，图2为图1所示的等效电路图，请参阅图2，射频电源10的输出阻抗为50ω，反应腔室20的阻抗zl＝r+jωl，其中，r为等效电阻，ωl为等效电抗，在图1所示的匹配网络4的情况下，射频电源的负载阻抗z按照如下公式进行计算：
所谓阻抗匹配是指射频电源的负载阻抗z无感抗和无容抗，等于50欧姆。也即，负载阻抗z的实部为50ω，如下公式所示：
由该公式可知，可调电容c1和c2的电容值以及固定电感l1的电感值均能够对阻抗匹配产生影响，故，上文中可通过调节可调电容c1和c2的电容值来进行阻抗匹配。
在实际应用中，采用图1所示的阻抗匹配装置会存在以下问题：当射频电源输出的射频功率大小连续变化时(例如，输出功率自0w至300w，每秒加载50w，总共需要6秒)，由于采集单元1的限制，在不同功率范围下的采集电信号的准确度不同，因此，随着射频功率的连续在不同功率范围内变化，最终导致匹配效果差。
技术实现要素：
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种阻抗匹配装置及半导体加工设备，可以在射频电源输出的射频功率大小连续变化时，实现自动匹配并提高匹配效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种阻抗匹配装置，包括：
匹配网络，串接在射频电源和反应腔室之间，包括阻抗可调元件；多个适用不同射频功率检测范围的采集单元，多个所述采集单元并联设置后串接在所述射频电源和匹配网络之间，每个采集单元用于采集所述射频电源和所述匹配网络之间所在传输线上的电信号并发送至控制单元；功率检测单元，用于检测所述射频电源当前输出的功率信号并发送至控制单元；控制单元，用于根据所述功率检测单元检测的功率信号大小选择适应的所述采集单元进行检测，并根据所述采集单元采集到的电信号来调节匹配网络中的阻抗可调元件。
优选地，所述阻抗可调元件包括可调电容和可调电感；所述控制单元，用于根据所述功率检测单元检测的功率信号大小，在检测到的功率信号大于预设阈值时根据所述采集单元采集到的电信号来调节所述可调电容；在检测到的功率信号小于预设阈值时根据所述采集单元采集到的电信号来调节所述可调电感和所述可调电容。
优选地，所述可调电感包括电流控制型的可调电感；所述可调电感与可调直流电源相连；所述控制单元，用于通过调节所述可调直流电源输出的电流大小来调节所述可调电感的电感大小。
优选地，所述可调电容为真空可调电容；所述阻抗匹配装置还包括：执行单元；所述控制单元，用于控制所述执行单元调节所述真空可调电容的容值大小。
优选地，所述可调电容为可调介质电容；在所述可调介质电容的极板的两端设置有两个相对设置且与可调电压源相连的电极板；所述控制单元，用于通过调节所述可调电压源输出的电压来调节所述可调介质电容的容值大小。
优选地，所述控制单元，还用于在工艺结束时调节所述可调电容和所述可调电感位于预设初始值。
优选地，所述执行单元包括驱动电机。
优选地，所述驱动电机包括步进电机。
优选地，所述匹配网络的类型为l型、t型或者π型。
本发明还提供一种半导体加工设备，包括射频电源、反应腔室和阻抗匹配装置，所述射频电源用于激发反应腔室内的气体形成等离子体，所述阻抗匹配装置连接在所述射频电源和所述反应腔室之间，用以实现射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配，所述阻抗匹配装置采用上述阻抗匹配装置。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的阻抗匹配装置，由于控制单元可以根据功率检测单元检测的射频电源当前输出的功率信号，选择相应的采集单元进行采集，因此，能够实现在射频电源当前输出的功率信号较小时选择采集电压和电流较小但灵敏度、响应速度快的采集单元进行检测，在射频电源当前输出的功率信号较大时选择采集电压和电流较大但灵敏度、响应速度较慢的采集单元进行检测。也就是说，控制单元能够实时根据射频电源当前输出的功率信号的情况选择适应的采集单元，这样，能够提高采集单元的准确度，从而可以在射频电源输出的射频功率信号连续变化时提高匹配效果。
本发明提供的半导体加工设备，其采用本发明提供的阻抗匹配装置，可以在射频电源输出的射频功率信号连续变化时，实现自动匹配并提高匹配效果，从而可以提高工艺质量。
附图说明
图1为应用现有的阻抗匹配装置的原理框图；
图2为图1所示的等效电路图；
图3为本发明提供的阻抗匹配装置的应用环境示意图；
图4为本发明实施例1提供的阻抗匹配装置的原理框图；
图5为本发明实施例1中控制单元的工作流程图；
图6为本发明实施例2提供的阻抗匹配装置的原理框图；
图7为本发明实施例3提供的阻抗匹配装置的原理框图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的阻抗匹配装置及半导体加工设备进行详细描述。
图3为本发明提供的阻抗匹配装置的应用环境示意图。请参阅图3，本发明提供的阻抗匹配装置21连接于射频电源10和反应腔室20之间，用于实现射频电源10的输出阻抗(一般为50ω)和负载阻抗相匹配，以使射频电源10输出的射频功率完全输送至反应腔室20内。下面将结合各个实施例对本发明提供的阻抗匹配装置进行详细说明。
实施例1
如图4所示，本实施例中的阻抗匹配装置21包括：
匹配网络41，串接在射频电源10和反应腔室20之间，包括阻抗可调元件42。
多个适用不同射频功率检测范围的采集单元43，多个采集单元43并联后串接在射频电源10和匹配网络41之间，每个采集单元43用于采集射频电源10和匹配网络41之间所在传输线上的电信号并发送至控制单元44。
功率检测单元45，用于检测射频电源10当前输出的功率信号并发送至控制单元44。
控制单元44，用于根据功率检测单元45检测的功率信号大小选择适应的采集单元43进行检测，并根据采集单元43采集到的电信号来调节匹配网络41中的阻抗可调元件42。
关于阻抗匹配装置21包括的采集单元43的数量，本实施例不作限定，具体可根据需要而设置。例如，阻抗匹配装置21包括两个采集单元43。其中，采集单元43包括但不限于为传感器。为便于说明，后续各图以阻抗匹配装置21包括两个采集单元43为例进行说明。
本实施例提供的阻抗匹配装置21，由于控制单元44可以根据功率检测单元45检测的射频电源10当前输出的功率信号，选择相应的采集单元43进行采集，因此，能够实现在射频电源10当前输出的功率信号较小时选择采集电压和电流较小但灵敏度、响应速度快的采集单元43进行采集，在射频电源10当前输出的功率信号较大时选择采集电压和电流较大但灵敏度、响应速度较慢的采集单元43进行采集。也就是说，控制单元44能够实时根据射频电源10当前输出的功率信号的情况选择适应的采集单元43，这样，能够提高采集单元43的准确度，从而可以在射频电源10输出的射频功率信号连续变化时提高匹配效果。
在本实施例中，优选地，阻抗可调元件42可以包括可调电容和可调电感；控制单元44，用于根据功率检测单元45检测的功率信号大小，在检测到的功率信号大于预设阈值时根据采集单元43采集到的电信号来调节可调电容；在检测到的功率信号小于预设阈值时根据采集单元43采集到的电信号来调节可调电感和可调电容。其中，预设阈值的数值大小可根据自动匹配系统的参数等情况确定。本实施例借助功率信号在不同范围下调节不同的可调元件进行调整，能够进一步保证精确地动态匹配。
在此说明的是，具体地，在检测到的功率信号小于预设阈值时，控制单元44可调节可调电感在预设初始值的左右调整，波动范围有限，一般在±15nh左右；控制单元44基于现有的算法来调整可调电容；在检测到的功率信号大于预设阈值时，控制单元44仅基于现有的算法来调整可调电容。
在本实施例中，优选地，控制单元44，还用于在工艺结束时调节可调电容和可调电感位于预设初始值，以确保下次工艺流程能够再次从预设初始值开始进行调整，从而便于下次工艺能够快速匹配。其中，在确定可调电容和可调电感的预设初始值时，要根据自动匹配系统的实际情况而定，通常是先根据匹配位置确定自动匹配系统的负载阻抗(在功率连续变化时阻抗匹配装置可能会不匹配，可选择接近匹配时的情况)，再根据输出阻抗，再次设置可调电容和可调电感的预设初始值，以射频电源输出的射频功率大小连续变化中的匹配顺利。因此，可通过上述选择合适的可调电容和可调电感的预设初始值，可以避免通过改变对同轴电缆的长度来改善匹配状态，有利于工艺开发及成本节约。
为了便于理解本实施例提供的阻抗匹配装置21，下面以阻抗匹配装置21包括两个采集单元43，且每个采集单元43均为传感器，阻抗可调元件42包括两个可调电容c1和c2和一个可调电感l1为例，对本实施例提供的阻抗匹配装置21的工作流程进行举例说明。
具体地，当射频电源10当前输出的功率信号较低时，传输线上的电流与电压也较低，此时需要灵敏度高、响应速度快的传感器；随着射频电源10输出的功率信号的变化但未达到预设阈值时，也需要灵敏度高、响应速度快的传感器，为此，本实施例中使用低功率传感器，以实现精细匹配过程，确保射频电源输出的射频功率大小连续变化(ramp过程)中工艺顺利开发；但针对射频电源10输出的功率信号较高(达到预设阈值)时，传输线上的电流、电压也变大，对传感器的灵敏度、响应速度要求较低，同时阻抗匹配装置匹配后，即反应腔室20的工艺稳定，对阻抗可调元件不需要太大的调整，只需要略微地调整，此刻要求传感器的灵敏度略低，为此本实施例使用高功率传感器，以更利于整个工艺过程的稳定性。
基于此，如图5所示，其为本发明中控制单元44的流程图。当控制单元45检测到射频电源10未上电时，控制可调电容c1和c2和可调电感l1的值返回它们各自的预设初始值；当控制单元44检测到射频电源10上电时，控制单元44获取标志位power_flag，即预设阈值p(如100w)，此时：当控制单元44确定射频电源10当前输出的功率信号小于p时，控制单元44控制两个传感器中的低功率传感器采集电压、电流数据，并通过相应的低功率自动匹配算法，改变可调电容c1、c2的容值大小和可调电感l1的电感大小，而相对现有技术中匹配过程中固定电感不调整的考虑，本实施例中对可调电感l1的调整量会围绕其对应的预设初始值进行左右调整，而可调电感c1、c2按照现有技术方案中的自动匹配算法进行相应调整，实现阻抗匹配装置21随着射频电源10输出的功率信号变化时，整个自动匹配系统依然能够保证精细地动态匹配；当控制单元44确定射频电源10当前输出的功率信号大于p时，控制单元45控制两个传感器中的高功率传感器采集电压、电流数据，并执行相应的高功率自动匹配算法，以改变阻抗可调元件的大小，具体地，此时可调电感l1不进行相应地调整，而可调电容c1、c2按照现有技术方案中的匹配算法进行相应调整，实现阻抗匹配装置21的自动匹配。
此外，当整个工艺过程结束后，控制单元44控制可调电容c1、c2和可调电感l1各自返回它们相应的预设初始值，以保证下次工艺过程能够顺利进行。
需要说明的是，本实施例中的阻抗匹配装置不限于应用于等离子体系统，还可以应用于其它如通信、核磁、输电线等系统。本实施例中阻抗匹配装置中各单元的形式并不唯一，如控制单元44可以为dsp，还可以为单片机等；执行单元46可以为驱动电机，还可以为电子开关等。
实施例2
如图6所示，本实施例提供的一种阻抗匹配装置与实施例1的区别在于：
在本实施例中，可调电感l包括但不限于为电流控制型的可调电感；可调电感与可调直流电源i相连；控制单元44，用于通过调节可调直流电源i输出的电流大小来调节可调电感的电感大小。例如，当需要增大可调电感的电感大小时，控制单元44可以控制增大可调直流电源i输出的电流大小来实现。具体地，控制单元44可以通过改变可调直流电源i的直流电流大小达到可调电感中的铁氧体组件的变化，从而实现改变电流控制型的可调电感的大小。
本实施例中的阻抗匹配装置21中的可调电容具体为真空可调电容。在此基础上，阻抗匹配装置21还包括执行单元46；控制单元44，用于控制执行单元46调节真空可调电容的容值大小。
在该实施例中，优选地，执行单元46包括但不限于为驱动电机。驱动电机包括但不限于为步进电机。也就是说，控制单元44可以通过控制步进电机来实现调节真空可调电容的容值大小，如图6所示，步进电机m1和m2分别调节真空可调电容c1和c2的容值大小。
进一步地，匹配网络41的类型可以为l型、t型或者π型。关于l型、t型或者π型匹配网络41的组成结构，可以参见现有的匹配网络的组成结构，此处对此不作详细阐述。
需要说明的是，在本实施例中，主要通过控制可调电感内铁心的直流电流来控制铁心的饱和程度，从而改变可调电感的电感大小。除此以外，本实施例中的可调电感还可以为可以以正交铁心控制法、或收音机内采用的铁心位置控制法等来控制电感变化的电感。
本实施例提供的阻抗匹配装置，由于控制单元能够实时根据射频电源当前输出的功率信号的情况选择适应的采集单元，这样，能够提高采集单元的准确度，从而可以在射频电源输出的射频功率信号连续变化时提高匹配效果。
实施例3
如图7所示，本实施例提供的一种阻抗匹配装置与实施例2的区别在于：
本实施例中的阻抗匹配装置21中的可调电容具体为可调介质电容；在可调介质电容的极板的两端设置有两个相对设置且与可调电压源相连的电极板；控制单元44，用于通过调节可调电压源输出的电压来调节可调介质电容的容值大小。
具体地，其中可调介质电容c1、c2为介质填充的电容，介质材料可以为铁电材料。具体地，可调介质电容c1、c2各自处于对应的两个电极板产生的电场e1和e2环境下，其中e1和e2的强度可由控制单元44控制；控制单元44根据匹配控制算法，通过调整可调电压源v1和v2的强度，来实现对可调介质电容c1、c2容值大小的快速调节，从而使得自动匹配网络的负载阻抗等于射频电源10的输出阻抗50ω，二者达到快速共轭匹配。
本实施例提供的阻抗匹配装置，由于控制单元能够实时根据射频电源当前输出的功率信号的情况选择适应的采集单元，这样，能够提高采集单元的准确度，从而可以在射频电源输出的射频功率信号连续变化时，实现自动匹配并可提高匹配效果。
实施例4
本发明还提供一种半导体加工设备，包括射频电源、反应腔室和阻抗匹配装置，射频电源用于激发反应腔室内的气体形成等离子体，阻抗匹配装置连接在射频电源和反应腔室之间，用以实现射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配，其中，阻抗匹配装置采用本发明实施例1至实施例3中任一实施例提供的阻抗匹配装置。
本实施例提供的半导体加工设备，其采用上述实施例1至实施例3任一实施例提供的阻抗匹配装置，可以提高匹配效率和阻抗匹配装置的使用寿命，从而可以提高工艺效率和工艺质量。
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，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，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。