CN101626656A - 射频匹配方法及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频匹配方法及等离子体处理设备，通过射频功率对传感器的输出信号进行校准，由公式(Ⅰ)得出校准后的电压和电流信息，式中M_n×2＝f(P_rf)为系数矩阵，随射频功率P_rf的变化而变化。根据校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配，可以减小射频功率对传感器模拟电路的影响，从而使得匹配器可以稳定、精确地工作在更宽的功率范围内。

Description

射频匹配方法及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及一种等离子体产生与控制技术，尤其涉及一种射频匹配方法及等离子体处理设备。

背景技术

在RF(射频)等离子体发生装置中，恒定输出阻抗(通常为50Ω)的射频发生器产生固定频率(通常为13.56MHz)的射频波，向等离子体腔室提供射频功率，以激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般来讲，等离子体腔室的非线性负载的阻抗与射频发生器的恒定输出阻抗并不相等，故在射频发生器和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得射频传输线上存在较大的反射功率，射频发生器产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。

如图1所示，为解决上述问题，在射频发生器和等离子体腔室之间插入阻抗匹配器。该阻抗匹配器由传感器、控制器和执行机构三部分组成，其中执行机构包括匹配网络中的可变阻抗元件和改变其阻抗的驱动装置等。

阻抗匹配器实现阻抗匹配的原理是：由传感器检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，提供匹配控制算法所需的输入量，并将该输入量输入给控制器；控制器根据该输入量，实现设定的匹配控制算法，并给出可变阻抗元件驱动装置的调整量；执行机构根据控制器给出的调整量改变可变阻抗元件的阻抗值，从而使得匹配网络的输入阻抗等于射频发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配。此时，射频传输线上的反射功率为零，射频发生器产生的功率全部输送给了等离子体腔室。

现有技术中，射频匹配器中的传感器采集到射频传输线的电压V和电流I之后，经模拟电路处理，会给出模拟的输出信号(或根据模拟信号进行转化后的数字信号)。

设传感器输出信号为：

$A_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_n\end{array}\right]---\left(1\right)$

根据传感器模拟电路工作原理有：

$A_{n\×1}=M_{n\×2}\·\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]+N_{n\×1}---\left(2\right)$

其中， $M_{n\×2}=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ m_{n1}& m_{n2}\end{array}\right]$ 是系数矩阵，通常与模拟电路的各项参数有关； $N_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{n}_0\\ n_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_n\end{array}\right]$ 是常数矩阵。

由式(2)就可以求出： $\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right].$

例如，某传感器输出信号为 $A_{2\×1}=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right],$ 根据其电压电流采样原理和模拟电路工作原理，有系数矩阵 $M_{2\×2}=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& 1\end{array}\right],$ 常数矩阵 $N_{2\×1}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],$ 根据式(2)得：

$\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 2\\ 2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]---\left(3\right)$

根据式(3)即可得到：

$\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{-1}{3}& \frac{-2}{3}\\ \frac{2}{3}& \frac{-1}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]---\left(4\right)$

最后，再根据电压V、电流I和阻抗的关系，即可计算出与传感器后端负载阻抗相关的信号，如阻抗模值|Z|、阻抗幅角θ等。

上述现有技术至少存在以下缺点：

由于现有技术中的射频匹配器中的传感器通常采用模拟器件采集射频传输线上的电压V和电流I并进行处理，而且传感器电路也多采用模拟器件和芯片。而模拟电路的一大缺点，就是会受到功率、温度等因素的影响，从而造成器件或芯片相关参数的改变。

也就是说，上述的系数矩阵M_n×2中的各个系数实际并不是固定不变的常数，而是与射频功率有一定关系的变量，随射频功率变化而变化，即M_n×2＝f(P_rf)。

而这种改变，将会直接影响到传感器的数据采集、转换和输出过程，进而使匹配器中的执行机构的匹配路径差，匹配器的匹配时间长、精度差。

发明内容

本发明的目的是提供一种射频功率对传感器模拟电路的影响小、匹配器性能稳定、精确、适应功率范围宽的射频匹配方法及等离子体处理设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的射频匹配方法，包括步骤：

首先，传感器采集射频传输线的电压和电流信息，进行处理后给出输出信号；

然后，通过射频功率对所述传感器的输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息；

之后，根据所述校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。

本发明的等离子体处理设备，包括射频源、匹配器、反应腔室，所述匹配器采用上述的射频匹配方法进行阻抗匹配。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的射频匹配方法及等离子体处理设备，由于通过射频功率对传感器的输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息，并根据校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。可以减小射频功率对传感器模拟电路的影响，使匹配器能稳定、精确地工作在更宽的功率范围内。

附图说明

图1为现有技术中匹配网络的结构示意图。

具体实施方式

本发明的射频匹配方法，其较佳的具体实施是，包括步骤：

首先，传感器采集射频传输线的电压和电流信息，进行处理后给出输出信号；然后，通过射频功率对传感器的输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息；之后，根据校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。

具体校准后的电压和电流信息通过以下公式求出：

$A_{n\×1}=M_{n\×2}\·\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]+N_{n\×1}---\left(5\right)$

式(5)中，N_n×1是常数矩阵；A_n×1为所述传感器的输出信号； $\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]$ 为校准后的电压和电流信息；M_n×2＝f(P_rf)为系数矩阵，随所述射频功率P_rf的变化而变化。

式(5)与式(2)是相同的，但式(5)中的系数矩阵M_n×2不再是固定不变的常数而是随所述射频功率P_rf的变化而变化，可以对式(5)中的各参量可以做以下假设：

$N_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{n}_0\\ n_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_n\end{array}\right];$ $A_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ a_n\end{array}\right];$ $M_{n\×2}=f\left(P_{\mathrm{rf}}\right)=\left[\begin{array}{cc}{f}_{11}& f_{12}\\ f_{21}& f_{22}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ f_{n1}& f_{n2}\end{array}\right],$

式中，f₁₁、f₁₂、f₂₁、f₂₂、…、f_n1、f_n2分别是以射频功率P_rf为自变量的函数关系式。

进行阻抗匹配时，首先根据校准后的电压和电流信息求得负载阻抗的阻抗实部、阻抗虚部、阻抗模值、阻抗幅角等一项或多项信号；然后根据所求的阻抗信号，并通过比例算法或模糊算法等控制算法计算出执行机构所需的调整量，控制执行机构运转，实现阻抗匹配。射频功率可以从射频电源处或上位机处获得。

本发明的等离子体处理设备，其较佳的具体实施方式是，包括射频源、匹配器、反应腔室，匹配器采用上述的射频匹配方法进行阻抗匹配。

具体匹配器包括传感器、控制器、执行机构等，传感器采集射频传输线的电压和电流信息，进行处理后给出输出信号；控制器接收到输出信号后，通过射频功率对输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息；之后，控制器根据校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。

本发明通过引入射频功率这一参数，对传感器的输出信号进行校准，以减小射频功率对传感器模拟电路的影响。

引入射频功率参数后，系数矩阵M_n×2不再是常系数矩阵，而是变为与功率有关的变系数矩阵：

$M_{n\×2}=f\left(P_{\mathrm{rf}}\right)=\left[\begin{array}{cc}{f}_{11}& f_{12}\\ f_{21}& f_{22}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ f_{n1}& f_{n2}\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中，f₁₁，f₁₂，f₂₁，f₂₂，…，f_n1，f_n2是以射频功率P_rf为自变量的函数关系式。

射频匹配器可以从射频电源处，或者是上位机处通过软件通信，获得射频功率P_rf。然后，代入式(6)，即可求出对应当前射频功率的系数矩阵M_n×2，将M_n×2代入式(5)，就可以求出： $\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right].$

例如，某传感器输出信号为 $A_{2\×1}=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right],$ 根据其电压电流采样原理和模拟电路工作原理，其系数矩阵 $M_{2\×2}=\left[\begin{array}{cc}{P_{\mathrm{rf}}}^2& {2P}_{\mathrm{rf}}\\ {2P}_{\mathrm{rf}}& {P_{\mathrm{rf}}}^2\end{array}\right],$ 常数矩阵 $N_{2\×1}=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right],$ 即：

$\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{P_{\mathrm{rf}}}^2& {2P}_{\mathrm{rf}}\\ {2P}_{\mathrm{rf}}& {P_{\mathrm{rf}}}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]---\left(7\right)$

根据式(7)即可得到

$\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{{P_{\mathrm{rf}}}^2+{4P}_{\mathrm{rf}}-4}{{P_{\mathrm{rf}}}^2({P_{\mathrm{rf}}}^2-4)}& \frac{{-2P}_{\mathrm{rf}}}{{P_{\mathrm{rf}}}^2({P_{\mathrm{rf}}}^2-4)}\\ \frac{{-2a}_0}{P_{\mathrm{rf}}({P_{\mathrm{rf}}}^2-4)}& \frac{P_{\mathrm{rf}}}{P_{\mathrm{rf}}({P_{\mathrm{rf}}}^2-4)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]---\left(8\right)$

由式(8)可以求得与传感器后端负载阻抗相关的信号。如阻抗实部、阻抗虚部、阻抗模值|Z|、阻抗幅角θ等。

然后匹配器再结合匹配时的标准阻抗值，计算出与之相对应的误差信号。根据这些误差信号，匹配器就可以通过某种控制算法计算出执行机构所需的调整量，控制执行机构运转。重复上述过程，直至系统匹配。即射频电源的输出阻抗等于匹配器的输入阻抗。

本发明把影响模拟电路继而影响传感器精度的主要因素——“射频功率”引入到了匹配器的控制过程中，根据传感器中模拟电路的特性，在不同功率下，设定不同的参数，用于校准传感器误差，消除功率对其的影响。通过引入射频功率这一参数对传感器的输出信号进行校准，可以减小射频功率对传感器模拟电路的影响，从而使得匹配器可以稳定、精确地工作在更宽的功率范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种射频匹配方法，其特征在于，包括步骤：

首先，传感器采集射频传输线的电压和电流信息，进行处理后给出输出信号；

然后，通过射频功率对所述传感器的输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息；

之后，根据所述校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。

2、根据权利要求1所述的射频匹配方法，其特征在于，所述校准后的电压和电流信息通过以下公式求出：

$A_{n\×1}=M_{n\×2}\·\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]+N_{n\×1},$ 式中：N_n×1是常数矩阵；A_n×1为所述传感器的输出信号； $\left[\begin{array}{c}V\\ I\end{array}\right]$ 为校准后的电压和电流信息；M_n×2＝f(P_rf)为系数矩阵，随所述射频功率P_rf的变化而变化。

3、根据权利要求2所述的射频匹配方法，其特征在于，所述公式中，

$N_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{n}_0\\ n_1\\ .\\ .\\ .\\ n_n\end{array}\right];$ $A_{n\×1}=\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right];$

$M_{n\×2}=f\left(P_{\mathrm{rf}}\right)=\left[\begin{array}{cc}{f}_{11}& f_{12}\\ f_{21}& f_{22}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ f_{n1}& f_{n2}\end{array}\right];$ 式中，f₁₁、f₁₂、f₂₁、f₂₂、…、f_n1、f_n2分别是以射频功率P_rf为自变量的函数关系式。

4、根据权利要求1、2或3所述的射频匹配方法，其特征在于，所述进行阻抗匹配包括：

首先，根据所述校准后的电压和电流信息求得负载阻抗的以下至少两项信号：阻抗实部、阻抗虚部、阻抗模值、阻抗幅角；

然后，根据所述阻抗信号，并通过控制算法计算出执行机构所需的调整量，控制执行机构运转，实现所述阻抗匹配。

5、根据权利要求4所述的射频匹配方法，其特征在于，所述控制算法为比例算法或模糊算法。

6、根据权利要求1、2或3所述的射频匹配方法，其特征在于，所述射频功率从射频电源处或上位机处获得。

7、一种等离子体处理设备，包括射频源、匹配器、反应腔室，其特征在于，所述匹配器采用权利要求1至6任一项所述的射频匹配方法进行阻抗匹配。

8、根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述匹配器包括传感器、控制器、执行机构，所述传感器采集射频传输线的电压和电流信息，进行处理后给出输出信号；所述控制器接收所述输出信号，并通过射频功率对所述输出信号进行校准，得出校准后的电压和电流信息；之后，所述控制器根据所述校准后的电压和电流信息进行阻抗匹配。

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