CN101494946B - 一种阻抗匹配器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阻抗匹配器，其包括：电压电流传感器，用于监测等离子体反应室内的阻抗状态，输出表征等离子体反应室阻抗状态的信号至控制系统；控制系统，用于按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号，驱动执行机构调节射频电源的负载阻抗，实现射频电源的输出阻抗与射频电源的负载阻抗的匹配；采集电压电流传感器的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值；执行机构，用于接收控制系统的控制信号，根据控制信号调节射频电源的负载阻抗。通过采用上述技术方案，本发明实现了对射频电源负载阻抗状态的精确监测。

Description

一种阻抗匹配器

技术领域

本发明涉及微电子技术，特别是涉及一种能够精确监测负载状态的阻抗匹配器。

背景技术

在典型的用于制造半导体器件的射频等离子体发生装置中，恒定输出阻抗(通常为50Ω)的射频电源产生固定频率(通常为13.56MHz)的射频波，向等离子体反应室提供射频功率，以将等离子体反应室内的气体激发为用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般而言，等离子体反应室的非线性负载的阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，因此在射频电源和等离子体反应室之间存在严重的阻抗失配，使得射频传输线上存在较大的反射功率，射频电源产生的功率无法全部输送给等离子体反应室。为解决该问题，如图1所示，需要在射频电源11和等离子体反应室13之间插入阻抗匹配器12，通过阻抗匹配器12按照一定的匹配控制算法，调节其内置的可变电抗元件的阻抗，使射频电源11的负载阻抗与射频电源11的输出阻抗完全匹配。

在半导体器件的制造过程中，当工艺对半导体器件的关键尺寸(CD，Cristal Dimension)的要求大于90纳米时，等离子体反应室内的等离子体阻抗变化对工艺质量的影响很小，当工艺对半导体器件的关键尺寸(CD，CristalDimension)的要求提高至90纳米及小于90纳米时，等离子体反应室内的等离子体阻抗变化对工艺质量影响较大，因此为了监控工艺质量，需要实时监测等离子体阻抗状态，以便对阻抗匹配器进行操控的上位机根据等离子体阻抗的实时状态信息，及时发现异常现象并进行报警处理。而现有的阻抗匹配器，由于没有内置实现对负载状态监测的构件，因此无法对输出端的负载即等离子体阻抗状态进行精确监测。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种阻抗匹配器，能够精确监测射频电源的负载阻抗状态。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种阻抗匹配器，包括：

电压电流传感器，用于监测等离子体反应室内的阻抗状态，输出表征等离子体反应室阻抗状态的信号至控制系统；

控制系统，用于按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号，驱动执行机构调节射频电源的负载阻抗，实现射频电源的输出阻抗与射频电源的负载阻抗的匹配；采集电压电流传感器的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值；

执行机构，用于接收控制系统的控制信号，根据控制信号调节射频电源的负载阻抗。

如上所述的阻抗匹配器中，所述控制系统包括：

负载状态监测模块，用于采集电压电流传感器的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值；

反射功率采集模块，用于采集射频电源的反射功率信号，并输出反射功率至匹配控制模块；

匹配控制模块，用于利用反射功率采集模块采集的反射功率，按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号驱动执行机构。

如上所述的阻抗匹配器中，所述反射功率采集模块直接通过一条与射频电源连接的外接信号传输线采集射频电源的反射功率。

如上所述的阻抗匹配器中，还包括功率传感器，其设于射频输入端，用于从射频输入端采集射频电源的反射功率信号，并输出至反射功率采集模块。

如上所述的阻抗匹配器中，所述执行机构包括第一可变电抗元件和第二可变电抗元件；所述匹配控制模块包括：

第一匹配调节单元，用于根据反射功率采集模块输入的反射功率，持续输出使第一可变电抗元件的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第一匹配判断单元；

第一匹配判断单元，用于根据反射功率采集模块输入的反射功率是否为零判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，触发第二匹配调节单元；

第二匹配调节单元，用于根据反射功率采集模块输入的反射功率，持续输出使第二可变电抗元件的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第二匹配判断单元；

第二匹配判断单元，用于根据反射功率采集模块输入的反射功率是否为零，判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，触发第一匹配调节单元。

综上所述，本发明通过在射频输出端设置的电流电压传感器监测等离子体反应室内的阻抗状态，并由其输出表征等离子体反应室阻抗状态的信号至控制系统的负载状态监测模块，由负载状态监测模块根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值，从而实现了对射频电源负载阻抗状态的精确监测。

附图说明

图1为现有的阻抗匹配器的工作原理示意图。

图2为本发明阻抗匹配器的结构示意图。

图3为本发明实施例一的阻抗匹配器结构示意图。

图4为本发明实施例二的阻抗匹配器结构示意图。

图5为本发明实施例一的匹配控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的阻抗匹配器，设于射频电源与等离子体反应室之间，如图2所示，主要包括执行机构23、电压电流传感器24和控制系统25，其中：

射频输入端21通过执行机构23以及电压电流传感器24，与射频输出端22连接；

电压电流传感器24，设于射频输出端22，用于监测所述等离子体反应室内的阻抗状态，输出表征等离子体反应室阻抗状态的信号至控制系统25；

执行机构23，接收控制系统25的控制信号，根据控制信号调节射频电源的负载阻抗，该部件属于现有技术，在此不再赘述；

控制系统25，用于按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号，驱动执行机构23调节射频电源的负载阻抗，实现射频电源的输出阻抗与射频电源的负载阻抗的匹配；采集电压电流传感器24的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值。

为了更好的描述本发明方案，下面用实施例一进行详细描述。

图3为本发明的实施例一的结构示意图，其主要包括执行机构323、电压电流传感器324和控制系统325，其中，

所述执行机构323包括第一电机3231、第二电机3232、第一可变电抗元件3233和第二可变电抗元件3234，其中，每个可变电抗元件的调节轴分别与一个电机的输出轴连接，第一电机3231和第二电机3232接受控制系统325生成的控制信号的驱动，射频输入端31通过第二可变电抗元件3234以及电压电流传感器324与射频输出端322连接，并通过第一可变电抗元件3233接地；

所述控制系统325包括：

负载状态监测模块3251，用于采集电压电流传感器324的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据采样处理后的表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室33的阻抗值，其中，所述表征等离子体反应室阻抗状态的信号携带的是用于计算等离子体反应室33的阻抗值的电压、电流信息；

反射功率采集模块3252，用于采集反射功率信号，对其进行采样处理后，输出反射功率至匹配控制模块3253，由于现有技术中射频电源31能够直接提供反射功率信息，故在本实施例中可以通过一外接信号传输线35直接从射频电源31处采集反射功率信号；

匹配控制模块3253，用于利用反射功率采集模块3252采集的反射功率，根据事先确定的匹配控制方法，生成控制信号，驱动第一电机3231和第二电机3232调节第一可变电抗元件3233和第二可变电抗元件3234的阻抗，使射频电源31的输出阻抗与射频电源31的负载阻抗匹配；

本发明中，匹配控制模块3253可以采用的匹配控制算法有多种，只要是能够生成控制信号驱动执行机构323实现射频电源的输出阻抗与射频电源的负载阻抗的匹配的控制算法均可。从节约成本的角度考虑，本实施例不单独设置一个传感器来配合匹配控制模块3253实现匹配控制，相应地，本实施例中实现匹配控制算法的匹配控制模块3253的内部结构(参见图5)包括：

第一匹配调节单元51，用于根据反射功率采集模块3252输入的反射功率，持续输出使第一可变电抗元件3233的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第一匹配判断单元52；

第一匹配判断单元52，用于根据反射功率采集模块3252输入的反射功率是否为零判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，触发第二匹配调节单元53；

第二匹配调节单元53，用于根据反射功率采集模块3252输入的反射功率，持续输出使第二可变电抗元件3234的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第二匹配判断单元54；

第二匹配判断单元54，用于根据反射功率采集模块3252输入的反射功率是否为零，判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，然后触发第一匹配调节单元51。

通过采用上述技术方案，可以实施本发明，其实现阻抗匹配的方法如下：

首先，在控制系统325中预置可变阻抗初始信息，即等离子体起辉时对应的第一可变电抗元件3233和第二可变电抗元件3234的阻抗值，所述阻抗值的获得可以利用对阻抗匹配器进行操控的上位机34采用手动控制的方法得到，该手动控制的方法属于现有技术内容故不再赘述；

然后，进行自动匹配，在本步骤中，匹配控制模块3253首先驱动执行机构323将第一可变电抗元件3233和第二可变电抗元件3234的位置调节至可变阻抗初始信息所对应的位置，并监测电压电流传感器324所采集的等离子体反应室33的阻抗状态信息，确定等离子体反应室33的阻抗实部在增大，以确保等离子体起辉。之后，再由匹配控制模块3253根据反射功率采集模块3252采集的射频电源31的反射功率和事先确定的匹配控制方法，分别调节第一可变电抗元件3233和第二可变电抗元件3234的阻抗，直到射频电源31的反射功率为零。

在上述阻抗匹配过程以及整个工艺流程中，等离子体反应室33的阻抗状态能够一直被电压电流传感器324所监测，该实时的监测信息经控制系统325的负载状态监测模块处理后生成等离子体反应室的阻抗信息，便于阻抗匹配器的上层管理设备即上位机34根据该信息做出报警等相应的处理，以提高所制造的半导体器件的质量。

如果不考虑成本问题，本发明中对射频电源的反射功率的采集还可以通过增加一个简易的功率传感器来实现，具体的实现方法，下面通过实施例二来说明。图4为本发明的实施例二的结构示意图，其内容与实施例一的不同之处在于，所述反射功率采集模块3252对射频电源31的反射功率的采集，是通过在阻抗匹配器32内设置一简易的功率传感器326实现的，所述功率传感器326设于射频输入端321，其从射频输入端321处采集射频电源的反射功率信号，并输出至反射功率采集模块3252。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种阻抗匹配器，其特征在于包括：

电压电流传感器，用于监测等离子体反应室内的阻抗状态，输出表征等离子体反应室阻抗状态的信号至控制系统；

控制系统，用于按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号，驱动执行机构调节射频电源的负载阻抗，实现所述射频电源的输出阻抗与所述射频电源的负载阻抗的匹配；采集所述电压电流传感器的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值；

执行机构，用于接收所述控制系统的控制信号，根据控制信号调节所述射频电源的负载阻抗；

所述控制系统包括：

负载状态监测模块，用于采集所述电压电流传感器的表征等离子体反应室阻抗状态的信号，并根据表征等离子体反应室阻抗状态的信号计算出等离子体反应室的阻抗值；

反射功率采集模块，用于采集所述射频电源的反射功率信号，并输出反射功率至匹配控制模块；

匹配控制模块，用于利用所述反射功率采集模块采集的反射功率，按照事先确定的匹配控制方法生成控制信号驱动所述执行机构；

所述执行机构包括第一可变电抗元件和第二可变电抗元件；

所述匹配控制模块包括：

第一匹配调节单元，用于根据所述反射功率采集模块输入的反射功率，持续输出使所述第一可变电抗元件的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第一匹配判断单元；

第一匹配判断单元，用于根据所述反射功率采集模块输入的反射功率是否为零判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，触发第二匹配调节单元；

第二匹配调节单元，用于根据所述反射功率采集模块输入的反射功率，持续输出使所述第二可变电抗元件的阻抗值单向递增或递减的控制信号，以使反射功率降低，直至反射功率不能再降低，然后触发第二匹配判断单元；

第二匹配判断单元，用于根据所述反射功率采集模块输入的反射功率是否为零，判断阻抗是否匹配，如果反射功率不为零则阻抗不匹配，触发所述第一匹配调节单元。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述反射功率采集模块直接通过一与所述射频电源连接的外接信号传输线，采集所述射频电源的反射功率。

3.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，还包括功率传感器，设于射频输入端，用于从所述射频输入端采集所述射频电源的反射功率信号，并输出至所述反射功率采集模块。