CN102438389A - 单一匹配网络、其构建方法和该匹配网络射频功率源系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于至少两个频率输入的单一匹配网络，用于选择性地给所述两个频率中的任一频率提供射频功率匹配给一等离子体负载，所述单一匹配网络包括一连接至所述多频率输入的输入端和一连接至所述等离子体负载的输出端，在所述输入端和输出端之间包括相互串联的电容以及电感，并且所述电容和电感构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀，其中，所述电容值C₀和电感值L₀满足如下关系：jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

Description

单一匹配网络、其构建方法和该匹配网络射频功率源系统

技术领域

本发明涉及用于等离子体处理腔的射频功率源和匹配网络，尤其涉及能够实现多频率射频功率的选择应用的匹配网络、其构建方法以及使用该匹配网络的射频功率源系统。

背景技术

利用两个或多个射频频率的等离子体处理腔已在现有技术中被公知。一般地，具有双频输入的等离子体处理腔接收具有小于大约15MHz频率的射频偏置功率(RF bias power)和具有稍高频率(大约为27-200MHz)的射频源功率(RF source power)。在本文中，射频偏置功率通常指用于控制离子能量和离子能量分布的射频功率；射频源功率通常指用于控制等离子体离子解离或等离子体密度的射频功率。作为一些具体实施例，通常等离子体处理腔工作于例如100KHz，2MHz，2.2MHz或者13.56MHz的射频偏置频率，以及工作于13.56MHz，27MHz，60MHz，100MHz或更高的射频源频率。

近来，业内提出在一个射频偏置频率和两个射频源频率下运行的等离子体处理腔。例如，业内有人提出在2MHz的射频偏置频率和分别为27MHz、60MHz的两个射频源频率下运行的等离子体刻蚀机台。以这种方式，不同离子的解离(dissociation of various ion species)可以利用两个源射频频率来控制。不管前述结构安排如何，在现有技术中，每个射频频率都由一个单一的射频功率源提供，并且所述每个单一的功率源与一个单一的匹配网络相连接。

图1示出了现有技术的具有多频率输入的等离子体处理腔的结构图，其具有一个射频偏置功率供应(或功率发生器)和两个射频源功率供应(或功率发生器)。更具体地，图1中所述等离子体处理腔100中示意性地示出上电极105、下电极110和产生于上述两个电极之间的等离子体120。众所周知，所述电极105通常被植入于所述腔室的顶面，所述下电极110通常被植入于下部阴极中，工艺件(例如，半导体硅片)被放置于所述下部阴极之上。如图1所示，射频偏置功率供应125通过匹配网络140为处理腔100提供射频功率。所述射频偏置功率的频率为f1，其通常为2MHz或13MHz(更精确地，应为13.56MHz)，所述频率为f1的射频偏置功率被施加至所述下电极110。图1也示出了两个射频源功率供应130和135，分别工作于频率f2和f3下。例如，f2可以被设定为27MHz，f3可以被设定为60MHz。所述射频源功率供应130和135分别通过各自的匹配网络145和150将射频功率提供至所述处理腔110。所述射频源功率可以被施加至所述下电极110或所述上电极105。应当注意地是，在本专利所有的图示中，所述匹配网络的输出被组合地示意为一个指向所述处理腔的单一箭头。所述箭头代表一种符号表示法，目的在于涵盖任何种匹配网络与等离子体之间的连接方式，不管是通过下电极、通过顶面的电极、还是通过一个电感耦合线圈等。例如，所述射频偏置功率可以通过所述下电极110被耦合至处理腔，而所述射频源功率则通过在气体喷淋头中的电极105或电感线圈被耦合至处理腔。相反地，所述射频偏置功率和射频源功率可以通过所述下电极110被耦合至处理腔。

图2示出了另一种多频率等离子体处理腔的结构，其具有可切换的两个射频偏置功率和一个射频源功率，并分别连接至各自的射频匹配网络。在图2中，两个射频偏置功率供应225和255通过开关232为处理腔200提供可切换的射频偏置功率f1和f2。所述开关232分别连接至匹配网络240和245。所述射频偏置功率的工作频率f1通常为2MHz或2.2MHz，所述射频偏置功率的工作频率f2通常为13MHz(更精确地，为13.56MHz)。上述两个射频偏置功率通常都被施加至所述下电极210。图2也示出了一射频源功率供应235，其运行于频率f3，例如，27MHz，60MHz，100MHz等。所述射频源功率供应235的功率通过匹配网络250 被传递至处理腔220，并被施加至所述下电极210。所述源功率用于控制所述等离子体密度，即，等离子体的离子解离。

图2所示的结构能够实现双重应用，可以将具有频率为f1/f3或f2/f3的功率施加至处理腔。例如，f1可以为400KHz到5MHz；f2可以为10MHz到20MHz，但通常小于15MHz；f3可以为27MHz到100MHz或更高。在一个具体实施例中，f1为2MHz，f2为13.56MHz，f3为60MHz。这样的结构安排能够非常容易地运行那些需要在高、低频率的偏置功率之间切换的制程配方。

如图2所示，开关232具有一个输入端和两个可选择的输出端。所述输入端与射频偏置功率供应225和255相连接。开关232的一个输出端与匹配网络240相连接，而另一个输出端与匹配网络245相连接。控制器262用于控制所述开关232，以使得当射频偏置功率供应225工作并提供其输出至所述开关232时，所述控制器262指示所述开关232与所述匹配网络240的输出端连接；当所述射频偏置功率供应255工作时，所述控制器262指示所述开关与所述匹配网络245的输出端连接。应当注意的是，在此系统中，一个单一的开关被用来将两个频率中的一个连接至两个匹配网络中的一个。所述开关可以是射频功率真空继电器或PIN二极管。

从上述示例中可以理解，每个功率源根据其输出频率都需要一个匹配网络来配合工作。那么整个系统就需要多个匹配网络，这会增加系统的复杂度和成本。如果从成本和系统可靠性考虑，人们更偏爱使用一个单一的匹配网络适合工作于多个射频频率，并且这样的设置又不会降低射频耦合的效率。

发明内容

本发明内容提供对本发明的某些方面和特征的基本理解。此发明内容并不是本发明的宽泛总观，因此其并不能被特别地被确定为本发明的关键/主要因素或者描述本发明的范围。其唯一的目的是为了以简单方式呈现本发明的一些概念，以充当下文具体描述的的前续。

本发明提供一种适用于至少两个频率输入的单一匹配网络，用于选择性地给所述两个频率中的任一频率提供射频功率匹配给一等离子体负载，所述单一匹配网络包括一连接至所述多频率输入的输入端和一连接至所述等离子体负载的输出端，在所述输入端和输出端之间包括相互串联的电容以及电感，并且所述电容和电感构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀，其中，所述电容值C₀和电感值L₀满足如下关系：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述单一匹配网络的输入端与一单一的射频功率供应装置相连接，在某一特定的时间段内所述单一的射频功率供应装置择一地输出其中的一个频率f1或f2。

所述等离子体负载为一等离子体处理腔。

所述等离子体处理腔包括一上电极和一下电极，所述单一匹配网络的输出端与所述上电极或所述下电极相连接。

所述匹配网络还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

所述可变元件为可变电容或可变电感或可变电容和可变电感的组合。

本发明还提供一种射频功率源系统，用于可切换地将至少两个频率f1和f2中的一个耦合连接至一等离子体处理腔的电极，所述射频源功率系统包括：

一个射频功率源装置，用以可选地输出所述频率f1和f2中的一个；

一个匹配网络，其具有连接至所述射频功率源装置的输入端和连接至所述电极的输出端，所述匹配网络包括一个电容值为C₀的电容以及一个电感值为L₀的电感，所述电容和电感相互串联并构成一支路；以及，

其中，所述电容值C₀和电感值L₀满足如下关系：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述电极为所述等离子体处理腔的上电极或下电极。

所述的射频功率源系统，还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

进一步地，本发明还提供一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互串联并构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

串联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

所述匹配网络被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

进一步地，本发明还提供一种适用于至少两个频率输入的单一匹配网络，用于选择性地给所述两个频率中的任一频率提供射频功率匹配给一等离子体负载，所述单一匹配网络包括一连接至所述多频率输入的输入端和一连接至所述等离子体负载的输出端，在所述输入端和输出端之间包括相互并联的电容以及电感，并且所述相互并联的电容和电感构成一支路，所述电容的电容值为C₄，所述电感的电感值为L₄，其中，所述电容值C₄和电感值L₄满足如下关系：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述单一匹配网络的输入端与一单一的射频功率供应装置相连接，在某一特定的时间段内所述单一的射频功率供应装置择一地输出其中的一个频率f1或f2。

所述等离子体负载为一等离子体处理腔。

所述等离子体处理腔包括一上电极和一下电极，所述单一匹配网络的输出端与所述上电极或所述下电极相连接。

进一步地，本发明还提供一种射频功率源系统，用于可切换地将至少两个频率f1和f2中的一个耦合连接至一等离子体处理腔的电极，所述射频源功率系统包括：

一个射频功率源装置，用以可选地输出所述频率f1和f2中的一个；

一个匹配网络，其具有连接至所述射频功率源装置的输入端和连接至所述电极的输出端，所述匹配网络包括一个电容值为C₄的电容以及一个电感值为L₄的电感，所述电容和电感相互并联，并且所述相互并联的电容和电感构成一支路；以及，

所述电容值C₄和电感值L₄满足如下关系：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述电极为所述等离子体处理腔的上电极或下电极。

更进一步地，本发明还提供一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互并联并构成一支路，所述电容的电容值为C₄，所述电感的电感值为L₄：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

并联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

所述匹配网络被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述方法还包括连接一个可变并联电容或一可变并联电感至接地端和所述匹配网络之间。

所述频率f1或f2为选择于下述频率中的一种：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120MHz。

附图说明

下列附图被结合成为说明书的一部分，其和说明书描述一起用于例证本发明的具体实施例，以解释和图解本发明的原理。所述附图以图示的方式示出了本发明一个具体实施例的主要技术特征。所述附图并不能用以描述真实实施例的每个技术特征或所描述原理的相关尺寸，其并不是按比例制图。

图1是先有技术的多频等离子体处理腔的结构示意图，其中，等离子体处理腔具有一个射频偏置功率发生器和两个射频源功率发生器。

图2是先有技术的多频等离子体处理腔的结构示意图，其中，等离子体处理腔具有一个射频源功率发生器和一个可切换的射频偏置功率发生器。

图3是根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔结构示意图，其中，一个单一的匹配网络HF1用于给可切换的射频源功率中的任一个提供射频匹配。

图4是一个史密斯图(Smith Chart)，示出了怎样在第一频率(60MHz)下形成匹配。

图5是一个史密斯图，其示出了怎样在第二频率(120MHz)下形成匹配。

图6是本发明提供的一种能匹配第一频率(60MHz)和第二频率(120MHz)的单一匹配网络，其为L型匹配网络。

图7示出了本发明的一个具体实施例，其中，一个单一的匹配网络LF1用于匹配可切换的多个偏置频率中的任一个，另外两个匹配网络HF1和HF2用于匹配可切换的多个源频率中的任一个。

图8示出了本发明另外一种能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例，其为T型匹配网络。

图9示出了本发明另外一种能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例，其为π型匹配网络。

图10示出了本发明另外一种能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例，其为L型匹配网络，其中电容和电感并联。

图11示出了本发明另外一种能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例，其为T型匹配网络，其中电容和电感并联。

图12示出了本发明另外一种能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例，其为π型匹配网络，其中电容和电感并联。

具体实施方式

图3示出了根据本发明一个具体实施例的等离子体处理腔示意图，其中，一个单一的匹配网络HF1用于给多个可切换的射频源功率中的任一个提供射频匹配。如图3所示，等离子体处理腔具有可切换的射频偏置功率(switchable RF bias power)和可切换的射频源功率(switchableRF source power)。在本实施例中，第一个射频偏置功率的频率设置为0.5-10MHz，第二个射频偏置功率的频率设置为10-30MHz。同样，第一个射频源功率的频率设置为40-100MHz，如60MHz，而第二射频源功率的频率设置为80-200MHz，如120MHz。这样的等离子体处理腔能够实现更好地等离子体密度和离子能量控制，从而增强了适应性。图3的左部分示出了用于提供可切换的多个射频偏置功率(即，低频部分)的元件300，图3的右部分示出了用于提供可切换的多个射频源功率(即，高频部分)的元件310。图示的粗体箭头示意表示以任何已知常规方式将射频偏置功率和源功率耦合至所述等离子体处理腔，这些方式包括电容型耦合、电感型耦合、螺旋波型耦合等。

在本实施例中，一个单一的射频功率供应装置300和310被用于产生多个可用频率中的一个，就本实施例来说是两个可用频率中的一个。应当理解，尽管多种设计方案可以被用来构建这样的射频功率供应装置，从而产生多个可用的频率，此处所示出的可切换的射频偏置功率或低频功率发生器300包括一个直接式数字频率合成器(direct digitalfrequency synthesizer，DDS)302，其提供了具有多个可用频率中之一的射频信号。基于设计选择，所述射频信号然后被一放大级(amplificationstage)304通过一个宽带放大器(wide band amplifier)或两个窄带放大器(narrow band amplifiers)放大。所述放大级304的输出连接至开关305，其基于直接式数字频率合成器(DDS)302的频率输出，将该信号或连接至低频滤波器(LF1滤波器)306或连接至低频滤波器(LF2滤波器)308。所述功率发生器300的输出被连接至开关311的输入端，所述开关311可在匹配网络LF1和LF2中的任一个之间切换连接。基于此构造，匹配网络LF1可以被优化从而以两个可切换频率中的一个来传输功率，而所述匹配网络LF2则被优化从而以所述两个可切换频率的另一个频率传输功率。上述匹配网络之一的输出被施加至所述等离子体处理腔。

在本实施例中，所述射频源功率或可切换的高频功率发生器310用于产生多个可用频率中的一个。作为一种实施方式，其可以是前述发生器300的“镜像”，包括一个直接式数字频率合成器(DDS)312，其提供具有自多个可用频率之一选择出的频率的射频信号。基于设计选择，通过一个宽带放大器或两个窄带放大器，所述信号被放大级314放大。所述放大级314的输出端连接至所述开关315，其根据DDS 312的频率输出，将所述信号或连接至高频滤波器(HF1滤波器)316或连接至高频滤波器(HF2滤波器)318中的任一个。不论功率发生器310的输出频率如何，所述功率发生器310的输出都被连接至一单一匹配网络HF1。所述匹配网络HF1的输出端连接至所述等离子体处理腔。

应当理解，尽管图3中所述偏置频率部分被图示为具有两个匹配网络LF1和LF2，而源频率部分被图示为仅具有一个匹配网络HF1，这只是为了通过举例来凸显本发明的特色。也就是说，上述特定的构造安排有助于凸显利用两个匹配网络或一个单一匹配网络的不同之处。然而，在实际应用中，偏置功率部分可以被设置为模仿源功率部分，亦即，根据本发明的精神其也可以被设置成仅具有一个单一匹配网络。同样，根据本发明的精神，也可以构建单一的匹配网络来为可切换的偏置功率工作，而只利用一个单一的源功率。相反地，也可以构建单一的匹配网络来为可切换的源功率工作，而只利用一个单一的偏置功率。

如图3所示，作为本发明的一个实施例，一个单一的匹配网络HF1被用于为两个高频射频源功率工作。根据本发明的特性，所述单一的匹配网络HF1设置为能够实现对可切换的多个频率中的任何一个频率的有效能量耦合。下面将解释如何设置这样的匹配网络HF1。

假设目标频率为f1(例如，60MHz)和f2(例如，120MHz)，请参阅图4和图5，图4是一个史密斯图(Smith Chart)，示出了怎样在目标频率f1(60MHz)下形成匹配；图5是一个史密斯图，其示出了怎样在目标频率f2(120MHz)下形成匹配。在频率为f1的条件下该单一的匹配网络HF1具有一串联支路S和一并联支路P(如图6所示)，其中串联支路S的目标阻抗为j*y₁，在频率为f2的条件下该单一的匹配网络HF1具有一串联支路S和一并联支路P，其中串联支路S的目标阻抗为j*y₂。作为一种实施方式，该匹配网络HF1的串联支路S上具有相互串联的一个电容元件和一个电感元件用以匹配所述功率，其电容值和电感值分别为C₀和L₀。为了满足频率f1和f2的阻抗匹配需求，C₀和L₀的值应当设置成满足如下公式：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy₁

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy₂

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2。

为了阐明如何设定一个单一匹配网络HF1的参数从而能工作于两个不同频率f1和f2，请再参阅图3所示的具体实施例的高频部分。假设目标频率为f1＝60MHz，f2＝120MHz。在频率f1下单一匹配网络HF1具有一串联支路S和一并联支路P，其中串联支路S的目标阻抗为j*y₁，而在频率f2下单一匹配网络HF1具有一串联支路S和一并联支路P，其中串联支路S的目标阻抗为j*y₂。通过如图3所示的具体实施例可知，C₀和L₀应当满足：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy₁

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy₂

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2。

因此，我们需要确定值C₀和L₀，从而使得上述单一匹配网络HF1部分可以满足f1和f2的匹配条件。请再参阅图4，假设频率为60MHz时负载阻抗为Z_L60＝21.9+164.0*i。作为一种实施例，假设该单一匹配网络HF1被设计为L型匹配网络，则其需要串联支路S中电容C_s60＝19pf和并联支路P中电容C_p60＝60pf。则，y₁＝1/ω₁C_s60＝-139.6Ω。再请参阅图5，假设频率为120MHz时负载阻抗Z_L120＝3.3+25.4*i。则L型匹配需要串联支路S中电容C_s120＝102pf和并联支路P中电容C_p120＝100pf，因此y₂＝1/ω₂C_s120＝-13.0Ω。对下列方程组求解：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy₁＝-139.6*jΩ

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy₂＝-13.0*jΩ

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

则得到L₀＝100nH，C₀＝15pf。

因此，利用本发明的方法，可以构建得出如图6所示的单一的匹配网络800，其为L型，其利用一个电感值L₀为100nH的电感和电容值C ₀为15pf的电容串联连接于串联支路S中。一可变电容Cp接于并联支路P中，在60MHz时设定为60pf，在120MHz时被设定为100pf。如此，图6所示的一个单一的匹配网络可以被用于具有两个可切换的频率的系统。

图6中所示的可变电容Cp是一种可变元件或可调元件，它连接于所述串联支路S和接地端之间，其值是可调的，用以满足单一的匹配网络800在不同频率f1或f2下达到匹配的要求。所述可变电容Cp的连接关系可以有多种变形，例如，所述可变电容Cp可以连接至接地端和下列各项其中一项之间：所述匹配网络800的输入端、所述电容和电感之间的中点，或者所述匹配网络800的输出端。进而，由于本发明单一的匹配网络可以是L型、π型或T型，或前述L型、T型、π型中的任何两种的组合或组合的变形(容后详述)，因而，可变电容Cp连接于所述串联支路S的一端也可以有相应的连接方式，此连接应当为业内技术人员所熟知，因而此处不再详述。应当理解，该可变元件可以是一可变电容，也可以是一可变电感，或者是可变电容和可变电感的组合。

如上所述，本发明并不限于如图3所示的具体实施例。本领域技术人员可以根据本发明精神设计出一个单一的匹配网络来给任何可切换的频率提供射频匹配。图7示出了另外一个具体实施例，其中，等离子体处理腔包括可切换的射频偏置功率和可切换的射频源功率。所述射频源功率部分的构造类似于如图3所示的偏置功率部分，也就是，具有两个匹配网络HF1和HF2，每个射频频率对应一个匹配网络而配合工作。然而，图3中的射频偏置功率部分或低频功率部分是按照本发明的方法来设置的。可切换的功率发生器700与一单一的匹配网络LF1相连接。所述功率发生器700包括一个直接式数字频率合成器(DDS)702用于提供射频信号，该射频信号的频率是从可用的多个频率中选择出来的一个频率。然后根据设计选择，放大级704利用一个宽带放大器或两个窄带放大器来放大所述射频信号。所述放大级704的输出端连接至开关705，其基于直接式数字频率合成器(DDS)702的频率输出，将该射频信号或连接至低频滤波器(LF1滤波器)706或连接至低频滤波器(LF2滤波器)708。所述功率发生器700的输出端与一个单一的匹配网络LF1相连接。所述单一的匹配网络LF1的电容元件和电感元件的参数值的选择与前述高频率部分的相应参数值的选择方法相同。所述单一的匹配网络LF1的输出端连接至所述等离子体处理腔。

如前所述，图6所示的本发明单一的匹配网络为L型，其包括相互串联的电容C₀和电感L₀。应当理解，本发明单一的匹配网络也可以是图6所示的匹配网络的各种等效变形，如将图6所示的L型变形为：π型或T型，或前述L型、T型、π型中的任何两种的组合或组合的变形。

例如，图8示出了根据本发明单一的匹配网络的另外一种实施例，该单一的匹配网络820为T型匹配网络，用于为可切换的偏置频率f1或f2中的任一个提供阻抗匹配。在该匹配网络820中，电感L和电容C的值应当皆满足在两个特定频率f1或f2时的阻抗的匹配需要，也就是，在频率为f1时串联支路S1的阻抗y_{f1_1}，串联支路S2的阻抗y_{f1_2}和在频率f2时串联支路S1的阻抗y_{f2_1}，串联支路S2的阻抗y_{f2_2}。设置这样的匹配网络与前述图6所示的L型网络的设置过程类似。如果频率为f1时负载阻抗为Z_f1。T型匹配需要串联支路S1的电感L_s1f1，串联支路S2的电感L_s2f1和并联支路P上的电容C_pf1。则y_{f1_1}＝ω₁L_s1f1，y_{f1_2}＝ω₁L_s2f1。频率为f2时负载阻抗为Z_f2。T型匹配需要串联支路S1的电感L_s1f2，串联支路S2的电感L_s2f2和并联支路P上的电容C_pf2。则y_{f2_1}＝ω₂L_s1f2，y_{f2_2}＝ω₂L_s2f2。分别对下列两方程组求解：

jω₁L₁+1/jω₁C₁＝jy_{f1_1}

jω₂L₁+1/jω₂C₁＝j_{yf2_1}

和

jω₁L₂+1/jω₁C₂＝jy_{f1_2}

jω₂L₂+1/jω₂C₂＝jy_{f2_2}

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

可得到串联支路S1上的L₁，C₁和串联支路S2上的L₂，C₂的值。

图9示出了根据本发明单一的匹配网络的另外一种实施例，该单一的匹配网络830为π型匹配网络，用于为可切换的源频率f1或f2中的任一个提供阻抗匹配。类似地，如果频率为f1时负载阻抗为Z_f1。π型匹配需要串联支路S上的电感为L_f1，并联支路P1上的电容为C_{p1_f1}和并联支路P2上的电容为C_{p2_f1}，则y_f1＝ω₁L_f1。频率为f2时负载阻抗为Z_f2。π型匹配需要串联支路S上的电感为L_f2，并联支路P1上的电容为C_{p1_f2}和并联支路P2上的电容为C_{p2_f2}，则y_f2＝ω₂L_f2。对下列方程组求解：

jω₁L₃+1/jω₁C₃＝jy_f1

jω₂L₃+1/jω₂C₃＝jy_f2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

则可得到L₃，C₃的值。

图10、11和12示出了本发明另外的能匹配频率f1或f2的单一匹配网络的实施例变形。它们与前述图6、图8及图9所示的匹配网络的区别在于：图6、图8及图9所示的匹配网络中电容和电感是串联的，而图10、11和12所示的匹配网络中电容和电感是并联的。

如图10所示，图中的电感L₄和电容C₄并联，并且匹配网络呈L型。如果频率为f1时负载阻抗为Z_f1。L型匹配需要串联支路S上电感L_f1和并联支路P上电容C_f1，则y_f1＝ω₁L_f1。频率为f2时负载阻抗为Z_f2。L型匹配需要串联支路S上电感L_f2，并联支路P上电容C_f2，则y_f2＝ω₂L_f2。电容C4值和电感L4值应当设置成满足如下公式：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy_f1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy_f2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

则可得到L₄，C₄的值。

如图11所示，图中的电感L₅和电容C₅并联，L₆和C₆并联，并且匹配网络呈T型。如果频率为f1时负载阻抗为Z_f1。T型匹配需要串联支路S1上电感为L_s1f1，串联支路S2上电感为L_s2f1和并联支路P上电容为C_pf1。则y_{f1_1}＝ω₁L_s1f1，y_{f1_2}＝ω₁L_s2f1。当频率为f2时负载阻抗为Z_f2。T型匹配需要串联支路S1上电感为L_s1f2，串联支路S2上电感为L_s2f2和并联支路P上电容为C_pf2。则y_{f2_1}＝ω₂L_s1f2，y_{f2_2}＝ω₂L_s2f2。电容C₅值和电感L₅值应当设置成满足如下公式：

1/jω₁L₅+jω₁C₅＝1/jy_{f1_1}

1/jω₂L₅+jω₂C₅＝1/jy_{f2_1}

电容C₆值和电感L₆值应当设置成满足如下公式：

1/jω₁L₆+jω₁C₆＝1/jy_{f1_2}

1/jω₂L₆+jω₂C₆＝1/jy_{f2_2}

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

则可得到L₅，C₅和L₆，C₆的值。

如图12所示，图中的电感L₇和电容C₇并联，并且匹配网络呈π型。如果频率为f1时负载阻抗为Z_f1。π型匹配需要串联支路S上电感L_f1，并联支路P1上电容C_{p1_f1}和并联支路P2上电容C_{p2_f1}。则y_f1＝ω₁L_f1。频率为f2时负载阻抗为Z_f2。π型匹配需要串联支路S上电感为L_f2，并联支路P1上电容为C_{p1_f2}和并联支路P2上电容为C_{p2_f2}。则y_f2＝ω₂L_f2。电容C₇值和电感L₇值应当设置成满足如下公式：

1/jω₁L₇+jω₁C₇＝1/jy_f1

1/jω₂L₇+jω₂C₇＝1/jy_f2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2

则可得到L₇，C₇的值。

此外，根据本发明的发明精神和实质，本发明还提供一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互串联并构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

串联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

所述匹配网络可以被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

本发明中，包括本专利所描述的所有实施例中，所述频率f1或f2可以是任何一种频率，优选地，可以为选择于下述频率中的一种：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120MHz。

进一步地，前述方法还可以包括连接一可变元件于所述支路和接地端之间，用以满足该匹配网络在不同频率f1或f2下达到匹配的要求。该可变元件可以是一可变电容，也可以是一可变电感，或者是可变电容和可变电感的组合。

进一步地，根据本发明的发明精神和实质，本发明还提供一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互并联并构成一支路，所述电容的电容值为C₄，所述电感的电感值为L₄：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

并联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

所述匹配网络可以被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

所述频率f1或f2可以是任何一种频率，优选地，可以为选择于下述频率中的一种：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120MHz。

进一步地，前述方法还可以包括连接一可变元件于所述支路和接地端之间，用以满足该匹配网络在不同频率f1或f2下达到匹配的要求。该可变元件可以是一可变电容，也可以是一可变电感，或者是可变电容和可变电感的组合。

最后，应当理解，此处所述的工艺和技术并不与任何特定的装置直接相关，它可以用任何合适的元件组合来实现。此外，可以根据本发明所教示的内容，各种类型的通用器件均可以被应用。也可以制造专门的器材来实现本专利所述的方法步骤，并且具有一定的优势。本发明是参照具体的实施方式来描述的，其所有方面都应为示意性的解释而非限定性的。本领域的技术人员会意识到，不同的硬件、软件和固件的组合都可适用于实施本发明。

本发明是参照具体实施方式描述的，但其所有方面都应为示意性而非限定性的。本领域技术人员可以理解许多不同硬件、软件、固件的组合都适合用于实现本发明。并且，通过本发明在此所揭露的说明书和实施，本发明的其他实施方式对本领域技术人员来说是显而易见的。本文描述不同方面和/或元件可以在等离子体处理腔的相关现有技术中单一或者以任何结合的方式使用。说明书和附图中的说明的特征和实施方式应仅理解为示例性质，而本发明的真正范围和精神则是由下列权利要求书中所定义的。

Claims (28)

1.一种适用于至少两个频率输入的单一匹配网络，用于选择性地给所述两个频率中的任一频率提供射频功率匹配给一等离子体负载，所述单一匹配网络包括一连接至所述多频率输入的输入端和一连接至所述等离子体负载的输出端，在所述输入端和输出端之间包括相互串联的电容以及电感，并且所述电容和电感构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀，其中，所述电容值C₀和电感值L₀满足如下关系：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

2.根据权利要求1所述的单一匹配网络，其特征在于，所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

3.根据权利要求1所述的单一匹配网络，其特征在于，所述单一匹配网络的输入端与一单一的射频功率供应装置相连接，在某一特定的时间段内所述单一的射频功率供应装置择一地输出其中的一个频率f1或f2。

4.根据权利要求1所述的单一匹配网络，其特征在于，所述等离子体负载为一等离子体处理腔。

5.根据权利要求4所述的单一匹配网络，其特征在于，所述等离子体处理腔包括一上电极和一下电极，所述单一匹配网络的输出端与所述上电极或所述下电极相连接。

6.根据权利要求1所述的单一匹配网络，其特征在于，还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

7.根据权利要求6所述的单一匹配网络，其特征在于，所述可变元件为可变电容或可变电感或可变电容和可变电感的组合。

8.一种射频功率源系统，用于可切换地将至少两个频率f1和f2中的一个耦合连接至一等离子体处理腔的电极，所述射频源功率系统包括：

一个射频功率源装置，用以可选地输出所述频率f1和f2中的一个；

一个匹配网络，其具有连接至所述射频功率源装置的输入端和连接至所述电极的输出端，所述匹配网络包括一个电容值为C₀的电容以及一个电感值为L₀的电感，所述电容和电感相互串联并构成一支路；以及，

其中，所述电容值C₀和电感值L₀满足如下关系：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

9.根据权利要求8所述的射频功率源系统，其特征在于，所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

10.根据权利要求8所述的射频功率源系统，其特征在于，所述电极为所述等离子体处理腔的上电极或下电极。

11.根据权利要求8所述的射频功率源系统，其特征在于，还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

12.一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互串联并构成一支路，所述电容的电容值为C₀，所述电感的电感值为L₀：

jω₁L₀+1/jω₁C₀＝jy1

jω₂L₀+1/jω₂C₀＝jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

串联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述匹配网络被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括连接一可变元件于所述支路和接地端之间。

15.一种适用于至少两个频率输入的单一匹配网络，用于选择性地给所述两个频率中的任一频率提供射频功率匹配给一等离子体负载，所述单一匹配网络包括一连接至所述多频率输入的输入端和一连接至所述等离子体负载的输出端，在所述输入端和输出端之间包括相互并联的电容以及电感，并且所述相互并联的电容和电感构成一支路，所述电容的电容值为C₄，所述电感的电感值为L₄，其中，所述电容值C₄和电感值L₄满足如下关系：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

16.根据权利要求15所述的单一匹配网络，其特征在于，所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

17.根据权利要求15所述的单一匹配网络，其特征在于，所述单一匹配网络的输入端与一单一的射频功率供应装置相连接，在某一特定的时间段内所述单一的射频功率供应装置择一地输出其中的一个频率f1或f2。

18.根据权利要求15所述的单一匹配网络，其特征在于，所述等离子体负载为一等离子体处理腔。

19.根据权利要求18所述的单一匹配网络，其特征在于，所述等离子体处理腔包括一上电极和一下电极，所述单一匹配网络的输出端与所述上电极或所述下电极相连接。

20.根据权利要求15所述的单一匹配网络，其特征在于，还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

21.一种射频功率源系统，用于可切换地将至少两个频率f1和f2中的一个耦合连接至一等离子体处理腔的电极，所述射频源功率系统包括：

一个射频功率源装置，用以可选地输出所述频率f1和f2中的一个；

一个匹配网络，其具有连接至所述射频功率源装置的输入端和连接至所述电极的输出端，所述匹配网络包括一个电容值为C₄的电容以及一个电感值为L₄的电感，所述电容和电感相互并联，并且所述相互并联的电容和电感构成一支路；以及，

所述电容值C₄和电感值L₄满足如下关系：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗。

22.根据权利要求21所述的射频功率源系统，其特征在于，所述匹配网络为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

23.根据权利要求21所述的射频功率源系统，其特征在于，所述电极为所述等离子体处理腔的上电极或下电极。

24.根据权利要求21所述的单一匹配网络，其特征在于，还包括一可变元件连接于所述支路和接地端之间。

25.一种匹配网络的构建方法，所述匹配网络用于将射频能量从一个射频功率源装置耦合至一等离子体负载，所述射频功率源装置可选择地提供工作于频率f1或频率f2下的功率输出，所述方法包括如下步骤：

根据下列公式选择所述匹配网络中的电容和电感，所述电容和电感相互并联并构成一支路，所述电容的电容值为C₄，所述电感的电感值为L₄：

1/jω₁L₄+jω₁C₄＝1/jy1

1/jω₂L₄+jω₂C₄＝1/jy2

其中，ω₁＝2πf1，ω₂＝2πf2，所述f1和f2分别为所述两个频率的频率大小，y1为在频率f1下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗，y2为在频率f2下达到匹配状态所述支路所需要的阻抗；

并联所述电容和所述电感以得到所述匹配网络，并且将所述匹配网络串联连接于所述射频功率源装置和所述等离子体负载之间。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述匹配网络被构建为L型或T型或π型网络，或者上述各项的任意一种组合及变形。

27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法还包括连接一个可变并联电容或一可变并联电感至接地端和所述匹配网络之间。

28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述频率f1或f2为选择于下述频率中的一种：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120MHz。

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