CN102057759A - 用于控制匹配网络的装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种能够使等离子体负载的阻抗与功率发生器匹配的装置、系统和方法。在一些实施例中，所述装置包括功率输出端，适于施加用于激励等离子体的功率；传感器，适于对在所述功率输出端处施加的功率进行采样以获得功率样本；以及阻抗控制输出端，被配置成对所述功率样本做出响应而提供阻抗控制信号，所述阻抗控制信号使得连接到所述功率发生器的输出端并且连接到所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络，能够对所述阻抗控制信号做出响应而将所述等离子体的阻抗匹配到所述功率发生器的操作阻抗。

Description

用于控制匹配网络的装置、系统和方法
本申请要求享有2008年5月7日提交并且发明名称为GENERATOR-CONTROLLED MATCHING NETWORK的美国临时专利申请No.61/051,196的优先权，这里以引用的方式并入其全部内容。
技术领域
本发明总体上涉及用于涉及等离子体处理的功率传输系统的装置和方法，并且尤其涉及一种用于匹配负载的可变阻抗的装置和方法。
背景技术
在诸如制造半导体或者平板显示器的等离子体处理应用中，RF功率发生器向等离子体腔室中的负载施加电压并且可以在宽范围的频率上操作。处理等离子体的阻抗能够随着该施加电压的频率、腔室压力、气体组成以及靶材料或者衬底材料而发生变化。结果，反应式阻抗匹配网络通常用于将腔室阻抗转换为用于功率发生器(例如RF功率发生器)的理想负载。
发明内容
下面将在附图中示出的本发明的示例性实施例总结如下。在具体实施方式部分更加充分地描述了这些和其它实施例。然而，应该理解并不试图将本发明局限于在发明内容或者具体实施方式部分中描述的形式。本领域的普通技术人员将意识到，存在落入如权利要求中表达的本发明的精神和范围内的各种变型、等同物和替代构造。
在一个实施例中，本发明可以以用于等离子体处理的功率发生器为特征。该实施例中的功率发生器包括：适于施加用于激励等离子体的功率的功率输出端；适于对所述功率输出端的功率进行采样以获得功率样本的传感器；以及被配置成对所述功率样本做出响应而提供阻抗控制信号的阻抗控制输出端，所述阻抗控制信号使得连接到所述功率发生器的输出端并且连接到所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络，能够对所述阻抗控制信号做出响应而将所述等离子体的阻抗匹配到所述功率发生器的操作阻抗。
在另一实施例中，本发明可以以用于向等离子体负载传输功率的方法为特征。该实施例中的方法包括在功率发生器处生成功率，其中利用所述功率来激励等离子体；将所述功率提供到所述功率发生器的功率输出端，所述功率输出端被配置成将所述功率发生器耦合到阻抗匹配网络；对所述功率进行采样以获得功率样本，以及对所述功率样本做出响应而向阻抗控制输出端提供阻抗控制信号，使得能够由所述信号对耦合到所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络进行控制。
在再一实施例中，本发明可以以用于等离子体处理的RF功率传输系统为特征，该实施例中的系统可以包括RF功率发生器，所述RF功率发生器包括功率输出端，测量由所述功率输出端传输的功率的参数的传感器，以及被配置成对所测量的参数的值做出响应而提供输出的阻抗控制输出端；以及连接到所述RF功率发生器的输出端并且连接到所述RF功率发生器的所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络被配置成对所述阻抗控制输出做出响应而通过将等离子体处理腔室中的等离子体的阻抗匹配到所述RF功率发生器的操作阻抗来将来自所述RF功率发生器的功率的有效传输提供到所述等离子体。
如前所述，上述实施例和实施方式只用于说明目的。本领域的普通技术人员根据下面的说明书和权利要求将容易理解本发明的各种其它实施例、实施方式和细节。
附图说明
通过参考下面结合附图的详细描述以及所附权利要求，本发明的各种目的和优点以及更加透彻的理解将变得显而易见和更加容易体会。
图1是描述了在其中实现本发明的几个实施例的等离子体处理环境的方框图；
图2是描述了参考图1描述的功率发生器的示例性实施例的方框图；
图3是描述了参考图1描述的匹配网络的示例性实施例的方框图；以及
图4是描述了用于将等离子体负载的阻抗匹配到功率发生器的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图，附图中相同或者类似的元件由相同的附图标记指代，并且尤其参考图1，其示出了描述在其中实现本发明的几个实施例的等离子体处理环境100的方框图。如图所示，功率发生器102(例如，中频或者射频(RF)发生器)经由阻抗匹配网络106耦合到等离子体腔室104，并且功率发生器102经由长度为L的电缆108以及阻抗控制信号110耦合到匹配网络106。
功率发生器102通常向等离子体腔室104提供功率(例如，RF功率)以点火和维持腔室104中的等离子体103用于等离子体处理。尽管不需要，在许多实施例中，通过两个或者多个发生器的集合实现功率发生器102，并且每一个功率发生器可以提供不同频率的功率。
通常配置该实施例中的匹配网络106以将腔室阻抗转换为用于功率发生器102的标称负载(例如，50欧姆)，该腔室阻抗能够随着该施加电压的频率、腔室压力、气体组成以及靶材料或者衬底材料而发生变化。本领域的普通技术人员将意识到，各种不同的匹配网络技术(例如，电容性和电感性技术)可以用于该目的。
然而，与典型的等离子体处理系统不同，配置该示例性实施例中的功率发生器102以向匹配网络106提供阻抗控制信号110，并且利用该阻抗控制信号110使腔室104中的等离子体103的阻抗匹配到功率发生器102的操作阻抗，所述匹配网络106被配置成接收该阻抗控制信号110(例如，经由串行通信电缆)。
在例如许多实施例中，功率发生器102包括使功率发生器102计算功率发生器102的输出端(例如，位于电缆108与功率发生器102耦合的位置或者该位置附近)的阻抗并且对所计算的阻抗做出响应而生成阻抗控制信号110的测量系统(例如，这里参考图2进一步讨论的传感器和相关联的采样和处理部件)。
利用其它示例，在一些实施例中，功率发生器获得关于电缆108(例如，长度L)的信息，并且使用关于电缆108的该信息，功率发生器102能够生成阻抗控制信号110以考虑电缆110的阻抗转换。通过这种方式，匹配网络110能够对控制信号110做出响应来调节其阻抗，以使得在发生器102的输出端处的阻抗是用于发生器102的标称阻抗(例如，50欧姆)。
结果，该示例性实施例中的匹配网络106可以在没有在匹配网络中通常使用的测量系统以及相关联的处理的情况下实现；因而消除了在生产匹配网络时通常会招致的大量成本。
接下来参考图2，所示出的是参考图1描述的功率发生器102的示例性实施例的方框图200。如图所示，该实施例中的功率发生器200包括转换部分220，该转换部分220包括本领域公知的将输入功率(例如，480VAC)转换为功率(例如，在从400kHz到60MHz的频率范围内的功率)并且转换为可以耦合(例如，经由电缆108)到匹配网络(例如，匹配网络106)的功率输出222的部件。
还示出了耦合到阻抗控制部分226的传感器224，并且示出了经由通信链路236(例如，以太网)耦合到阻抗控制部分226的用户接口228。此外，阻抗控制部分226包括存储器230、阻抗控制逻辑232以及阻抗控制输出端234。
所说明的这些部件的结构是逻辑的并且并非意味着是实际的硬件图；因而在实际实施方式中可以组合或者进一步分离这些部件。例如，阻抗控制逻辑232的功能可以分布在硬件、软件和固件部件中。并且也可以利用结合阻抗控制逻辑232使用的部件实现一个或者多个传感器224。而且，应该意识到，图2中包括的部件描述了示例性实现，并且在其它实施例中，如这里进一步讨论的，可以省去一些部件和/或增加其它部件。
该实施例中的传感器224通常被配置成对施加到输出端222的功率进行采样以获得表明发生器200的输出端处的阻抗的信息。可以例如通过定向耦合器(例如，提供正向和反向电压)或者电压和电流(VI)传感器实现一个或者多个传感器224。但是期望传感器224可以包括功能上与耦合器类似的任何四端口网络。如所阐述的，设置阻抗控制部分226以接收被采样的信息，并且对该被采样的信息做出响应而使用通信链路(例如，有线或者无线通信链路)向匹配网络(例如，匹配网络106)提供阻抗控制信号234。
在许多实施例中，阻抗控制逻辑232利用来自一个或者多个传感器224的功率样本以确定发生器的输出端222处的负载阻抗，并且使用存储在存储器230中的电缆信息来补偿电缆(例如，电缆108)的阻抗转换，以使得可以计算匹配网络处的阻抗。通过这种方式，可以对功率样本和电缆信息二者做出响应而生成阻抗控制信号234，以使得该阻抗控制信号234可以由匹配网络使用以控制匹配网络处的阻抗。
如这里所讨论的，“对……进行采样”意味着获得关于正在被采样的对象的信息，并且“采样”不需要意味着在时间上提取不同的样本(例如，在数字信号处理中通常执行的)。换句话说，这里讨论的“被采样的”信号或者量在时间和数值上可以是连续的。
在图2描述的实施例的一些变型中，用户可以经由用户接口228输入电缆信息(例如，电缆长度L)并且将用户输入的电缆信息存储在存储器230中。在其它变型中，阻抗控制逻辑232可以包括逻辑以使用由一个或者多个传感器224接收的信息确定电缆信息，并且存储器230可以用于存储所计算的电缆信息(例如，电缆长度L)。除了电缆长度，也可以存储电缆损失并且该电缆损失可以用于进行更加精确的计算。
在一些实施例中，阻抗控制逻辑232自动确定位于发生器200和匹配网络之间的电缆长度。作为示例，通常能够按照这样的方式设置匹配网络中的可变元件以使得相对于在匹配网络的发生器侧处的50欧姆阻抗的反射系数具有接近1的幅值，并且是等离子体阻抗的非常弱的函数以使得在通过这种方式设置可变元件时在该匹配的发生器侧处的阻抗是已知的。
通过施加如此小的功率以使得等离子体保持未点火能够进一步控制由该等离子体呈现给阻抗匹配网络的阻抗。利用位于已知的阻抗匹配网络的发生器侧处的阻抗，根据该已知阻抗以及在发生器处测量的阻抗，能够容易地确定电缆的长度。还能够使用阻抗匹配网络中多于一组的可变元件来获得电缆长度的更好估计。
具体而言，如果施加如此小的功率而使得等离子体保持未点火，则可以假设等离子体阻抗在三组不同的可变元件之间保持相同，并且利用具有恒定等离子体阻抗的三组在发生器处的测量阻抗允许确定电缆长度。假设位于阻抗匹配网络的发生器侧处的阻抗在频率上是已知的或者其能够与阻抗匹配网络中多于一组的可变部件组合，则也可以使用可变频率估计电缆长度。
接下来参考图3，该图是描述了参考图1描述的匹配网络106的示例性实施例的方框图。如图所示，该实施例中的匹配网络300包括耦合到电缆308的可调谐元件340和调谐逻辑342，所述电缆308耦合到功率发生器(例如，发生器102，200)。如所阐述的，调谐逻辑342还适于接收阻抗控制信号334(例如，来自发生器102，200)。
并且对接收阻抗控制信号334做出响应，该实施例中的调谐逻辑342适于生成调谐信号344以调节可调谐元件340。在一些实施例中，例如，调谐逻辑342可以包括逻辑以转换来自一个通信协议(例如，串行总线协议)的阻抗控制信号334，并且如果需要进一步转换该阻抗控制信号334以适应阻抗控制信号334的内容与可调谐元件340所响应的信号类型之间的任何差异。如本领域普通技术人员将意识到的，所说明的这些部件的结构是逻辑的并且并非意味着是实际硬件图；因而，在实际实现中可以组合或者进一步分离所述部件。例如，调谐逻辑342的功能可以分布在硬件、软件和固件部件中。
如本领域所公知的，该实施例中的调谐元件340包括可调节的电容性和电感性元件。在该实施例中，对来自调谐逻辑342的调谐信号344做出响应而调节可调谐元件以改变由发生器观察的负载阻抗。
如图所示，该实施例中的匹配网络300不包括测量系统，也不包括该测量系统所需的任何处理部件，以测量出于调节调谐元件340目的的阻抗。结果，实质上降低了该实施例中匹配网络的复杂性和成本。
接下来参考图4，所示出的是描述了用于将等离子体负载的阻抗匹配到功率发生器的方法的流程图400。尽管出于示例目的参考图1、图2和图3中说明的实施例，但是应该意识到，图4中描述的方法当然并不局限于这些具体实施例。
如图4所示，接收初始特征化耦合在功率发生器和阻抗匹配网络之间的电缆的信息。例如在许多实施例中，该信息包括将发生器(例如，发生器102，200)耦合到匹配网络(例如，匹配网络106，300)的电缆(例如，电缆108，308)的长度。并且在这些实施例的一些变型中，通过用户(例如，用户接口228)输入该信息，并且在其它变型中，发生器能够确定有用的电缆信息。如图所示，电缆信息可以用于参考目的存储在发生器的存储器(例如，存储器230)中以用于进一步参考(方框402，404)。
如所描述的，对由发生器生成的功率进行采样(例如，在发生器的输出端222处)以获得功率样本(方框406，408)，并且对该功率样本做出响应，生成阻抗控制信号(例如，阻抗控制信号110，234，334)(方框410)。然后将阻抗控制信号提供到匹配网络(例如，经由串联电缆)以能够使匹配网络对阻抗进行调谐(例如，调谐到用于发生器的优选阻抗)(方框412，414)。
综上所述，本发明提供用于将等离子体负载的可变阻抗匹配到功率发生器的装置、系统和方法等等。本发明的技术人员将容易地意识到，可以对本发明中的用途和配置进行各种修改和替代以实现由这里描述的实施例实现的相同结果。因此，并不试图将本发明局限于所公开的示例形式。许多变型、修改和替代性结构都落入在如权利要求表述的所公开的发明的范围和精神内。

Claims (20)

1.一种用于等离子体处理的功率发生器，包括：
功率输出端，适于施加用于激励等离子体的功率；
传感器，适于对在所述功率输出端处施加的功率进行采样以获得功率样本；以及
阻抗控制输出端，被配置成对所述功率样本做出响应而提供阻抗控制信号，所述阻抗控制信号使得连接到所述功率发生器的输出端并且连接到所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络，能够对所述阻抗控制信号做出响应而将所述等离子体的阻抗匹配到所述功率发生器的操作阻抗。
2.如权利要求1所述的功率发生器，包括：
存储器，被配置成存储特征化将所述功率发生器耦合到所述阻抗匹配网络的电缆的信息，并且其中所述功率发生器被配置成对特征化所述电缆的所述信息做出响应而提供所述阻抗控制信号。
3.如权利要求2所述的功率发生器，包括：
用户接口，被配置成使得用户能够输入特征化所述电缆的所述信息的至少一部分。
4.如权利要求2所述的功率发生器，其中，特征化所述电缆的所述信息包括所述电缆的长度。
5.如权利要求3所述的功率发生器，包括被配置成计算所述电缆的长度的逻辑。
6.如权利要求3所述的功率发生器，包括被配置成对所述电缆的所述长度以及所述功率样本做出响应而生成所述阻抗控制信号的内容的阻抗控制逻辑部分。
7.如权利要求1所述的功率发生器，其中，所述传感器包括选自由电压电流传感器和定向耦合器构成的组中的传感器。
8.如权利要求1所述的功率发生器，其中，所述功率输出端适于施加RF功率。
9.一种用于将功率传输到等离子体负载的方法，包括：
在功率发生器处生成功率，其中利用所述功率来激励等离子体；
将所述功率提供到所述功率发生器的功率输出端，所述功率输出端被配置成将所述功率发生器耦合到阻抗匹配网络；
对所述功率进行采样以获得功率样本，以及
对所述功率样本做出响应而向阻抗控制输出端提供阻抗控制信号，使得能够由所述信号对耦合到所述阻抗控制输出端的阻抗匹配网络进行控制。
10.如权利要求9所述的方法，包括：
在所述功率发生器的存储器中存储特征化将所述功率发生器耦合到所述阻抗匹配网络的电缆的信息，并且其中所述功率发生器被配置成对特征化所述电缆的所述信息做出响应而提供所述阻抗控制信号。
11.如权利要求9所述的方法，包括：
经由用户接口从用户接收特征化所述电缆的所述信息的至少一部分。
12.如权利要求10所述的方法，其中，特征化所述电缆的所述信息包括所述电缆的长度。
13.如权利要求10所述的方法，包括：
对所述电缆的所述长度以及所述功率样本做出响应而生成所述阻抗控制信号的内容。
14.如权利要求12所述的方法，包括计算所述电缆的所述长度。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述功率样本包括表明正向和反向电压信息的信息。
16.一种用于等离子体处理的功率传输系统，包括：
功率发生器，所述功率发生器包括功率输出端、用于测量由所述功率输出端传输的功率的参数的传感器、以及被配置成对所测量的参数的值做出响应而提供阻抗控制信号的阻抗控制输出端；以及
阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络连接到所述功率发生器的输出端并且连接到所述功率发生器的所述阻抗控制输出端，所述阻抗匹配网络被配置成对所述阻抗控制信号做出响应，通过将等离子体处理腔室中的等离子体的阻抗匹配到所述功率发生器的操作阻抗来提供功率从所述功率发生器到所述等离子体的有效传输。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述功率发生器包括存储器，所述存储器被配置成存储特征化将所述功率发生器耦合到所述阻抗匹配网络的电缆的信息，并且其中，所述功率发生器被配置成对特征化所述电缆的所述信息做出响应而提供所述阻抗控制信号。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述功率发生器包括被配置成使得用户能够输入特征化所述电缆的所述信息的至少一部分的用户接口。
19.如权利要求所述17的系统，其中，特征化所述电缆的所述信息包括所述电缆的长度。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述功率发生器包括被配置成计算所述电缆的长度的逻辑。
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