本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種半導(dǎo)體處理裝置。

背景技術(shù)：

等離子體鍍膜和刻蝕技術(shù)廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體、平板顯示、太陽能等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域，如何高效、穩(wěn)定的獲得等離子體成為了等離子體鍍膜和刻蝕的關(guān)鍵。一般的等離子鍍膜系統(tǒng)如圖1所示，射頻電源1將射頻能量通過阻抗匹配器3傳輸至反應(yīng)腔2，在反應(yīng)腔2內(nèi)射頻能量在基座8的晶片9上產(chǎn)生負(fù)偏壓，該負(fù)偏壓吸引靶材正離子到晶片9上來實(shí)現(xiàn)鍍膜。靶材正離子由直流電源10和磁控管11將具有一定氣壓的氣體如氦氣，氬氣等激發(fā)為等離子體轟擊靶材產(chǎn)生。

在工藝過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)等離子體的阻抗發(fā)生變化的現(xiàn)象如圖2a和圖2b所示，圖2a中為高直流電源功率、高離化率磁控管的等離子體阻抗變化情況。圖2b為低直流電源功率、高離化率磁控管的等離子體阻抗變化情況，圖2a中的等離子體阻抗變化情況我們的自動(dòng)阻抗匹配器還能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，保證反射功率小于3％，圖2b中的情況由于等離子體的等離子體阻抗變化非常劇烈，會(huì)超出阻抗匹配器的匹配范圍，導(dǎo)致反射功率過大超過10％，進(jìn)而影響工藝結(jié)果。在pvd鍍膜設(shè)備中，直流電源功率越低、磁控管離化率越高，等離子體阻抗變化越劇烈。

目前，為了提高阻抗匹配器的匹配速度以跟得上等離子體阻抗的變化速度，阻抗匹配器3的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3所示，幅值相位檢測(cè)單元12檢測(cè)整個(gè)射頻系統(tǒng)的阻抗，然后送至控制單元13，控制單元13通過計(jì)算得出電機(jī)14的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步數(shù)，然后給電機(jī)14發(fā)送指令，電機(jī)14帶動(dòng)可變電抗元件15轉(zhuǎn)動(dòng)， 完成整個(gè)系統(tǒng)的阻抗匹配。從圖3中可以看出，要想提高阻抗匹配器的匹配速度，只有提高電機(jī)14的轉(zhuǎn)速和控制單元13中算法的計(jì)算速度，如將電機(jī)14的轉(zhuǎn)速從800轉(zhuǎn)每分鐘提高到1500轉(zhuǎn)每分鐘，或者將電機(jī)14帶動(dòng)的可變電抗元件15換成有電子開關(guān)控制的電子元件。

上述通過提高阻抗匹配器匹配速度來降低等離子體變化的方案存在諸多缺陷：首先，電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，帶來的問題就是電機(jī)丟步，電機(jī)丟步會(huì)導(dǎo)致鍍膜工藝不穩(wěn)定，影響工藝結(jié)果；第二，電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高需要重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，這就增加了匹配器的生產(chǎn)成本；第三，增加匹配器的匹配速度，只是迎合等離子體阻抗的變化，并沒有從根本上解決等離子體阻抗的不穩(wěn)定；第四，在快速匹配下還會(huì)出現(xiàn)偶爾反射功率過大并大于10％的情況，嚴(yán)重影響工藝結(jié)果。

因此，等離子體處理系統(tǒng)(如等離子體鍍膜系統(tǒng)或等離子體刻蝕系統(tǒng))中等離子體阻抗不穩(wěn)定的問題成為亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，提供一種半導(dǎo)體處理裝置。該半導(dǎo)體處理裝置能將整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置中等離子體阻抗的變化調(diào)整為最小，從而使整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置的增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，進(jìn)而確保了半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體處理裝置，包括反應(yīng)腔、下電極、射頻電源和阻抗匹配器，所述射頻電源通過所述阻抗匹配器連接至位于所述反應(yīng)腔內(nèi)的所述下電極，還包括相位調(diào)節(jié)元件，所述相位調(diào)節(jié)元件串聯(lián)于所述射頻電源和所述阻抗匹配器之間，用于調(diào)節(jié)所述阻抗匹配器的輸入阻抗，使其與所述射頻電源的輸出阻抗匹配，且所述相位調(diào)節(jié)元件的特征阻抗等于所述射頻電源的輸出阻抗。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件的特征阻抗為50歐姆，所述相位調(diào)節(jié)元件的相位調(diào)節(jié)范圍為0-360度。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括一個(gè)電感和一個(gè)電容，所述電感和所述電容并聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括相同數(shù)量的多個(gè)電感和多個(gè)電容，其中，一個(gè)所述電感對(duì)應(yīng)與一個(gè)所述電容并聯(lián)連接形成一組電感電容組合，并聯(lián)連接的多組所述電感電容組合相串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括數(shù)量相同的至少一個(gè)電感和至少一個(gè)電容，所述電感和所述電容串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述電感的大小為100nh-5uh，所述電容的大小為40pf-2000pf。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括一個(gè)電阻和一個(gè)電容，所述電阻和所述電容并聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括相同數(shù)量的多個(gè)電阻和多個(gè)電容，其中，一個(gè)所述電阻對(duì)應(yīng)與一個(gè)所述電容并聯(lián)連接形成一組電阻電容組合，并聯(lián)連接的多組所述電阻電容組合相串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件包括數(shù)量相同的至少一個(gè)電阻和至少一個(gè)電容，所述電阻和所述電容串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述相位調(diào)節(jié)元件采用同軸電纜。

優(yōu)選地，所述同軸電纜的長度與所述同軸電纜的調(diào)節(jié)相位之間的關(guān)系為：長度＝2π/調(diào)節(jié)相位。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體處理裝置為物理氣相沉積裝置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體處理裝置，通過設(shè)置相位調(diào)節(jié)元件，能將整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置中等離子體阻抗的變化調(diào)整為最小，從而使整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置的增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，進(jìn)而確保了半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中等離子體鍍膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為圖1中的等離子體鍍膜系統(tǒng)在高直流電源功率、高離化率磁控管作用下的等離子體阻抗變化情況示意圖；

圖2b為圖1中的等離子體鍍膜系統(tǒng)在低直流電源功率、高離化率磁控管作用下的等離子體阻抗變化情況示意圖；

圖3為圖1中阻抗匹配器的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中半導(dǎo)體處理裝置的原理框圖；

圖5為等離子體鍍膜裝置中在未設(shè)置相位調(diào)節(jié)元件時(shí)的原理框圖；

圖6為圖4中相位調(diào)節(jié)元件的電路圖；

圖7為圖4中相位調(diào)節(jié)元件的又一種電路圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中相位調(diào)節(jié)元件的電路圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中相位調(diào)節(jié)元件的又一種電路圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例3中相位調(diào)節(jié)元件的電路圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例3中相位調(diào)節(jié)元件的又一種電路圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例4中相位調(diào)節(jié)元件的電路圖；

圖13為本發(fā)明實(shí)施例4中相位調(diào)節(jié)元件的又一種電路圖；

圖14為本發(fā)明實(shí)施例5中半導(dǎo)體處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中的附圖標(biāo)記說明：

1.射頻電源；2.反應(yīng)腔；3.阻抗匹配器；4.相位調(diào)節(jié)元件；5.下電極；l.電感；c.電容；r.電阻；6.電感電容組合；7.電阻電容組合；8.基座；9.晶片；10.直流電源；11.磁控管；12.幅值相位檢測(cè)單元；13.控制單元；14.電機(jī)；15.可變電抗元件。

具體實(shí)施方式

為使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所提供的一種半導(dǎo)體處理裝置作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體處理裝置，如圖4所示，包括射頻電源1、反應(yīng)腔2、下電極5和阻抗匹配器3，射頻電源1通過阻抗匹配器3連接至位于反應(yīng)腔2內(nèi)的下電極5，還包括相位調(diào)節(jié)元件4，相位調(diào)節(jié)元件4串聯(lián)于射頻電源1和阻抗匹配器3之間，用于調(diào)節(jié)阻抗匹配器3的輸入阻抗，使其與射頻電源1的輸出阻抗匹配，且相位調(diào)節(jié)元件4的特征阻抗等于射頻電源1的輸出阻抗。

相位調(diào)節(jié)元件4的設(shè)置，能將整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置中等離子體阻抗的變化調(diào)整為最小，從而使整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置的增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器3對(duì)反應(yīng)腔2內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源1的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，進(jìn)而確保了半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

需要說明的是，半導(dǎo)體處理包括等離子體鍍膜、等離子體刻蝕、等離子體清洗等任何通過利用對(duì)氣體施加足夠的能量使之離化成為等離子狀態(tài)，利用這些活性組分的性質(zhì)來處理作為下電極5的待處理基片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待處理基片表面鍍膜、刻蝕、清潔等目的處理工藝。其中，反應(yīng)腔2為等離子體產(chǎn)生并對(duì)待處理基片表面進(jìn)行處理所在的腔室，反應(yīng)腔2內(nèi)通常為真空。

本實(shí)施例中，半導(dǎo)體處理裝置為物理氣相沉積裝置，下面以等離子體鍍膜裝置為例對(duì)相位調(diào)節(jié)元件4的調(diào)節(jié)原理進(jìn)行說明。即本實(shí)施例中，待處理基片為待鍍膜基片。

下面對(duì)等離子體鍍膜裝置中反應(yīng)腔2內(nèi)等離子體阻抗不穩(wěn)定的原因進(jìn)行分析：等離子體鍍膜裝置中在未設(shè)置相位調(diào)節(jié)元件4時(shí)的交互示意圖如圖5所示，射頻電源1將射頻功率輸出至阻抗匹配器3，經(jīng)過阻抗匹配器3傳輸至反應(yīng)腔2內(nèi)的下電極5上，從而使射頻功率進(jìn)入反應(yīng)腔2內(nèi)的等離子體，經(jīng)過等離子體后又將反應(yīng)腔2內(nèi)的阻抗信息經(jīng)阻抗匹配器3反饋至射頻電源1。假設(shè)射頻電源1的增益為：

因?yàn)檎麄€(gè)等離子體鍍膜裝置中各個(gè)單元均為復(fù)系統(tǒng)，所以等離子體鍍膜裝置中射頻電源1的增益用復(fù)數(shù)表示為上述公式(1)，公式(1)中，用|ggen|表示射頻電源1的增益幅值，表示射頻電源1的增益相位。射頻電源1在其生產(chǎn)出后其增益的幅值和相位就已確定，一般為定值。

阻抗匹配器3為無耗系統(tǒng)，阻抗匹配器3的增益幅值為1，增益相位隨等離子體阻抗的變化而變化，如公式(2)所示。

射頻電源1的功率經(jīng)過反應(yīng)腔2內(nèi)的等離子體之后的增益如公式(3)，其與反應(yīng)腔2內(nèi)等離子體的阻抗有關(guān)，等離子體的阻抗變化越劇烈，其增益變化也越劇烈，

因?yàn)檎麄€(gè)等離子體鍍膜裝置為復(fù)系統(tǒng)，所以整個(gè)裝置的閉環(huán)增益為：

gsys＝|ggen|*gimp|*gplasma|*cos(θ)……(4)

公式(4)中，

在射頻電源1給定后，整個(gè)等離子體鍍膜裝置的增益都在隨著反應(yīng)腔2內(nèi)等離子體阻抗的變化而變化。θ角越大，整個(gè)裝置增益變化越大。

根據(jù)上述等離子體阻抗不穩(wěn)定的原因，通過設(shè)置相位調(diào)節(jié)元件4來降低等離子體阻抗不穩(wěn)定性的原理為：加入相位調(diào)節(jié)元件4后整個(gè)裝置的增益為：

gsys＝|ggen|*gimp|*gplasma|*cos(θ1)……(6)

公式(6)中，

為相位調(diào)節(jié)元件4的相位，由于固定，和均隨等離子體阻抗的變化而變化，所以只要我們?cè)谏漕l電源1和阻抗匹配器3之間引入一個(gè)相位調(diào)節(jié)元件4(如圖4所示)，該相位 調(diào)節(jié)元件4的增益幅值為1，其增益的相位可調(diào)，且不隨反應(yīng)腔2內(nèi)等離子體阻抗的變化而變化，我們就可以通過調(diào)整該相位調(diào)節(jié)元件4來使θ最小，從而使反應(yīng)腔2內(nèi)等離子體阻抗的變化被調(diào)整為最小，進(jìn)而使整個(gè)裝置增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器3對(duì)反應(yīng)腔2內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源1的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，最終確保了半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

本實(shí)施例中，相位調(diào)節(jié)元件4的特征阻抗為50歐姆，相位調(diào)節(jié)元件4的相位調(diào)節(jié)范圍為0-360度。具有該性能參數(shù)的相位調(diào)節(jié)元件4能夠?qū)⒎磻?yīng)腔2內(nèi)等離子體阻抗的變化調(diào)整為最小，從而使整個(gè)裝置增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器3對(duì)等離子體阻抗和射頻電源1的阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，最終確保半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

本實(shí)施例中，如圖6所示，相位調(diào)節(jié)元件4包括一個(gè)電感l(wèi)和一個(gè)電容c，電感l(wèi)和電容c并聯(lián)連接。如：對(duì)于13.56m的裝置，在電容c為40-2000pf，電感l(wèi)為100nh-5μh時(shí)，其相位可調(diào)范圍為0-360度。

為了保證整個(gè)裝置的阻抗不變要求，該相位調(diào)節(jié)元件4在整個(gè)調(diào)節(jié)的過程中必須保持特征阻抗歐姆,其可調(diào)節(jié)的相位為針對(duì)不同的等離子體鍍膜裝置可以通過調(diào)節(jié)不同的電感l(wèi)和電容c值來使整個(gè)裝置穩(wěn)定。

需要說明的是，電感l(wèi)和電容c也可以串聯(lián)連接，如圖7所示。

另外需要說明的是，本實(shí)施例中的半導(dǎo)體處理裝置也可以是等離子體刻蝕裝置，在等離子體刻蝕裝置中，待處理基片為待刻蝕基片。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體處理裝置，與實(shí)施例1不同的是，如圖8所示，相位調(diào)節(jié)元件包括相同數(shù)量的多個(gè)電感l(wèi)和多個(gè)電 容c，其中，一個(gè)電感l(wèi)對(duì)應(yīng)與一個(gè)電容c并聯(lián)連接形成一組電感電容組合6，并聯(lián)連接的多組電感電容組合6相串聯(lián)連接。

需要說明的是，如圖9所示，相位調(diào)節(jié)元件中的電感l(wèi)和電容c也可以如此連接：一個(gè)電感l(wèi)對(duì)應(yīng)與一個(gè)電容c串聯(lián)連接形成一組電感電容組合6，串聯(lián)連接的多組電感電容組合6相串聯(lián)連接。

本實(shí)施例中，只要確保多個(gè)電感l(wèi)和多個(gè)電容c在串并連接之后使相位調(diào)節(jié)元件的特征阻抗為50歐姆，相位調(diào)節(jié)元件的相位可在0-360度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使反應(yīng)腔內(nèi)等離子體阻抗的變化最小即可。

本實(shí)施例中半導(dǎo)體處理裝置的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中相同，此處不再贅述。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體處理裝置，與實(shí)施例1-2不同的是，如圖10所示，相位調(diào)節(jié)元件包括一個(gè)電阻r和一個(gè)電容c，電阻r和電容c并聯(lián)連接。

當(dāng)然，電阻r和電容c也可以串聯(lián)連接，如圖11所示。

本實(shí)施例中，只要確電阻r和電容c在串聯(lián)連接或并聯(lián)連接之后使相位調(diào)節(jié)元件的特征阻抗為50歐姆，相位調(diào)節(jié)元件的相位可在0-360度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使反應(yīng)腔內(nèi)等離子體阻抗的變化最小即可。

本實(shí)施例中半導(dǎo)體處理裝置的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中相同，此處不再贅述。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體處理裝置，與實(shí)施例1-3不同的是，如圖12所示，相位調(diào)節(jié)元件包括相同數(shù)量的多個(gè)電阻r和多個(gè)電容c，其中，一個(gè)電阻r對(duì)應(yīng)與一個(gè)電容c并聯(lián)連接形成一組電阻電容組合7，并聯(lián)連接的多組電阻電容組合7相串聯(lián)連 接。

需要說明的是，如圖13所示，相位調(diào)節(jié)元件中的電阻r和電容c也可以如此連接：一個(gè)電阻r對(duì)應(yīng)與一個(gè)電容c串聯(lián)連接形成一組電阻電容組合7，串聯(lián)連接的多組電阻電容組合7相串聯(lián)連接。

本實(shí)施例中，只要確保多個(gè)電阻r和多個(gè)電容c在串并連接之后使相位調(diào)節(jié)元件的特征阻抗為50歐姆，相位調(diào)節(jié)元件的相位可在0-360度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使反應(yīng)腔內(nèi)等離子體阻抗的變化最小即可。

本實(shí)施例中半導(dǎo)體處理裝置的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中相同，此處不再贅述。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體處理裝置，與實(shí)施例1-4不同的是，如圖14所示，相位調(diào)節(jié)元件4采用同軸電纜。同軸電纜的長度與同軸電纜的調(diào)節(jié)相位之間的關(guān)系為：長度＝2π/調(diào)節(jié)相位。

同軸電纜的等效電路為電感和電容的并聯(lián)電路，在選定特征阻抗為50歐姆的同軸電纜之后，只要選擇不同長度的同軸電纜，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)同軸電纜調(diào)節(jié)相位的調(diào)節(jié)，使其調(diào)節(jié)相位在0-360度范圍內(nèi)調(diào)整，從而使反應(yīng)腔內(nèi)等離子體阻抗的變化最小，進(jìn)而使整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置的增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器3對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源1的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，進(jìn)而確保了半導(dǎo)體處理裝置良好的工藝處理結(jié)果。

本實(shí)施例中半導(dǎo)體處理裝置的其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中相同，此處不再贅述。

實(shí)施例1-5的有益效果：實(shí)施例1-5中所提供的半導(dǎo)體處理裝置，通過設(shè)置相位調(diào)節(jié)元件，能將整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置中等離子體阻抗的變化調(diào)整為最小，從而使整個(gè)半導(dǎo)體處理裝置的增益更加穩(wěn)定，阻抗匹配器對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體阻抗和射頻電源的輸出阻抗的匹配更加快速準(zhǔn)確，進(jìn)而確保了半導(dǎo)體處理裝置良好 的工藝處理結(jié)果。

可以理解的是，以上實(shí)施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實(shí)施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進(jìn)，這些變型和改進(jìn)也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。