CN103021774A - 快速精密射频自动匹配装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种快速精密射频自动匹配装置包括复阻抗检测装置、控制模块及包含真空电容器、空气可变电容器、电感的电容电感网络；所述真空电容器与所述空气可变电容器并联；所述控制模块根据所述复阻抗检测装置检测的结果，控制所述电容电感网络中真空电容器、空气可变电容器转动，以实现自动阻抗匹配。该快速精密射频自动匹配装置能够对工作状态变化导致的负载阻抗变化做出快速响应，并且能够精细的寻找最优匹配点的快速精密射频自动匹配装置。
Description
技术领域
本发明涉及射频匹配技术领域，特别涉及一种快速精密射频自动匹配装置。
背景技术
等离子体技术是半导体制造领域必不可少的工艺手段，它渗透了半导体工艺的各个环节，包括沉积、刻蚀和清洗等等。业界最常用的等离子体产生方法是射频放电法，这种方法的实现的电路结构如图1所示。
由射频电源产生一定功率的射频能量，经过射频电缆传输至阻抗匹配器，再传送给等离子体产生装置产生等离子体。其中，射频电缆传输的电功率必须具有与电缆相符的特征阻抗(一般是50欧纯电阻性质)，否则会发生反射，导致功率无法有效传输；等离子体产生装置利用了感性放电或容性放电原理，其结构决定它主要体现电感性质或电容性质。阻抗匹配器的作用在于将等离子体产生装置的阻抗与射频电缆的阻抗互相适配，从而在等离子体产生装置上得到最大功率输出的一种工作状态。
根据负载性质的不同，射频匹配器的结构有很多种。以一种原子层沉积(ALD)设备中的等离子体产生装置为例，射频匹配器电路和等离子体产生装置等效电路如图2所示。该示例的等离子体产生装置可近似等效为电感L和电阻R的并联。电感L主要由等离子体产生装置的结构决定，电阻R主要由等离子体的工作状态(气体类型、压强、温度等)决定。射频匹配器由可变电容C1和C2构成，通过自动控制电路和软件(未画出)调节C1和C2，使得从射频电源端看来，射频匹配器和等离子体产生装置整体的阻抗是一个50欧的纯电阻(达到匹配状态)。
阻抗匹配分两个过程：
1. 首次使用的匹配。射频等离子体产生装置首次使用时，需要调节C1和C2，使得达到匹配状态，这个过程需要在未知等离子体产生装置参数的情况下寻找匹配点，所以耗时较长，约数十秒。
2. 工作中的匹配。在半导体工艺设备工作过程中，等离子体的工作状态会发生变化，例如反应腔室的充气、放气、改变压强和温度、发生反应等等。此时会偏离匹配点，需要调节C1和C2，使装置回到匹配点，这个过程要求较快，现有射频自动匹配器大约需要数秒的时间。
随着半导体工艺水平的提高，工艺所能达到的尺度越来越小，需要等离子体的工艺状态更加稳定来保证工艺的精度。这就要求自动匹配器在上述第2个过程中，对于工艺中充放气、改变温度压强等工作状态的变化能够很快的反应，从而维持加到等离子体产生装置上的射频功率恒定。
通常匹配器中的可变电容由电动机带动。如果电机转速较慢，则无法对等离子体发生装置工作状态的变化做出快速的响应；如果电机转速较快，则难以寻找匹配点，并且自动匹配控制系统很难做到稳定。所以，解决快速响应和精细寻优之间的矛盾，是目前半导体工艺设备中射频自动匹配器研究的难点。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够对工作状态变化导致的负载阻抗变化做出快速响应，并且能够精细的寻找最优匹配点的快速精密射频自动匹配装置。
根据本发明的一个方面，提供一种快速精密射频自动匹配装置包括复阻抗检测装置、控制模块及包含真空电容器、空气可变电容器、电感的电容电感网络；所述控制模块根据所述复阻抗检测装置检测的结果，控制所述电容电感网络中真空电容器、空气可变电容器转动，以实现自动阻抗匹配。
进一步地，所述快速精密射频自动匹配装置还包括位置检测装置，用于检测所述空气可变电容器的实际位置。
进一步地，所述控制模块包括所述控制单元及电动机；所述控制单元，用于在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，控制所述电动机带动空气可变电容器快速转动；在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，控制所述电动机带动真空电容器慢速转动；在所述位置检测装置的检测指示偏离中心位置时，控制所述电动机带动所述真空电动器慢速转动，从而使所述电动机带动空气可变电容器快速转动直至所述位置检测装置的检测指示回到中心位置。
进一步地，所述真空电容器包括真空电容器C1、真空电容器C2；所述电动机包括第一电动机、第二电动机及第三电动机。
进一步地，所述控制单元包括第一控制子单元，在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制所述第一电动机带动空气可变电容器快速转动；第二控制子单元，在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制所述第二电动机带动所述真空电容器C1慢速转动，控制所述第三电动机带动所述真空电容器C2慢速转动；第三控制子单元，在所述位置检测装置的检测指示偏离中心位置时，通过负反馈控制所述第二电动机带动所述真空电动器C1慢速转动，从而使所述第一电动机带动所述空气可变电容器快速转动直至所述位置检测装置的检测指示回到中心位置。
根据本发明提供的一种快速精密射频自动匹配装置将真空电容与空气电容并联并通过三个反馈加以控制，充分结合了二者的优点。使得阻抗匹配器在满足精度和调节范围的要求的基础上，将对工作状态变化的响应速度提高至零点几秒量级。
附图说明
图1是现有采用射频放电法产生等离子体的电路结构示意图；
图2是射频匹配器电路与等离子体产生装置配合使用的等效电路的示意图；
图3是本发明实施例提供的快速精密射频自动匹配装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的原子层沉积设备的结构示意图；
本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
如图3所示，本发明实施例提供的快速精密射频自动匹配装置，其包括复阻抗检测装置、位置检测装置、控制模块及电容电感网络。在射频电缆进入匹配器的位置加装复阻抗检测装置。其中，控制模块包括控制单元和电动机。控制单元包括第一控制子单元、第二控制子单元及第三控制单元。电动机包括第一电动机、第二电动机及第三电动机。电容电感网络包括真空电容器C1、C2、空气可变电容器C3、电感L1。真空电容器C1、C2耐压高、容量较大、定位精准、旋转行程较长。空气可变电容器C3容量较小、旋转行程较短。复阻抗检测装置分别与空气可变电容器C3、真空电容器C1并联。真空电容器C2与空气可变电容器C3、真空电容器C1并联后，再与复阻抗检测装置串联。位置检测装置用于检测空气可变电容器C3的实际位置。
第一控制子单元在复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制第一电动机带动空气可变电容器快速转动。第二控制子单元在复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制第二电动机带动真空电容器C1慢速转动，控制第三电动机带动真空电容器C2慢速转动。第三控制子单元在位置检测装置的检测指示偏离中心位置时，通过负反馈控制第二电动机带动所述真空电动器C1慢速转动，从而使第一电动机带动空气可变电容器快速转动直至位置检测装置的检测指示回到中心位置。
本发明实施例提供的快速精密射频自动匹配装置，之所以将真空电容器C1、C2与空气可变电容器C3并联是基于以下考虑：
1. 高容量真空电容器C1、C2可以具有高耐压；而空气可变电容器C3如果有高耐压，其容量无法做高。将二者并联调节，既可以利用真空电容器C1、C2较大的容量和调节范围，又可以利用空气可变电容器C3的快速响应特点。
2. 真空电容器C1、C2行程长，可精密调节，但其调节速度较慢；空气可变电容器C3行程较短，阻尼小，可快速调节。将二者并联调节，既可以实现真空电容器C1、C2调节的精密度，又可以达到空气可变电容器C3调节的速度。
3. 使用较小容量空气可变电容器C3并联在真空电容器C1、C2上，空气可变电容器C3的调节范围有限，即使电动机的转速设置的很快，也不容易因控制环路失效导致偏离匹配点太远，因而提高控制的稳定性。
参见图4，该原子层沉积设备采用电感耦合放电的形式产生等离子体，其负载阻抗等效为电感L与电阻R的并联。其中L≈1.5uH，R≈1.5KΩ。电感L取决于线圈的结构和形状，电阻R取决于反应腔室内部气体和等离子体的工作状态。利用图3所示的快速精密射频自动匹配装置既可以精确匹配电感L与电阻R的网络，又可以快速的响应电阻R随着工作状态改变的变化。
选取真空可变电容器C1、C2，分别是5-500pF和5-250pF，其匹配范围可覆盖等离子体产生装置的负载变化范围。真空可变电容器C1、C2分别由电动机B和C带动，电动机转速为120转/分。因真空可变电容器C1、C2的行程是30圈，故此时真空可变电容器C1、C2全部行程所需时间15秒。
当工作状态导致电阻R变化时，若变化不大，只改变真空可变电容器C1即可重新匹配。所以选取空气可变电容C3，容量范围5-50pF，与真空可变电容器C1并联，作为快速跟踪匹配使用。空气可变电容C3由电动机A带动，电动机转速300转/分。因空气可变电容C3的行程是180°左右，故此时空气可变电容C3一半行程所需时间是0.05秒。空气可变电容C3从中心位置到最大值或最小值只需走一半行程，所以若匹配点在此空气可变电容C3调节范围内，寻找匹配点所需的时间可以在0.05秒以内。位置检测装置采用单圈电位器，将电位器接成分压器，测量电位器上的电压即可得知空气可变电容C3转动的位置。通过反馈控制，将空气可变电容C3调节至中心位置，以便它能够随时快速的响应两个方向的变化。该快速精密射频自动匹配装置可以在等离子体发生装置较宽负载范围内完成精细匹配，并能够对工作状态的较小变化做出100毫秒级的快速响应。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种快速精密射频自动匹配装置，其特征在于，包括：
复阻抗检测装置、控制模块及包含真空电容器、空气可变电容器、电感的电容电感网络；所述真空电容器与所述空气可变电容器并联；
所述控制模块根据所述复阻抗检测装置检测的结果，控制所述电容电感网络中真空电容器、空气可变电容器转动，以实现自动阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的快速精密射频自动匹配装置，其特征在于，还包括：
位置检测装置，用于检测所述空气可变电容器的实际位置。
3.根据权利要求2所述的快速精密射频自动匹配装置，其特征在于，所述控制模块包括：
所述控制单元及电动机；
所述控制单元，用于在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，控制所述电动机带动空气可变电容器快速转动；在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，控制所述电动机带动真空电容器慢速转动；在所述位置检测装置的检测指示偏离中心位置时，控制所述电动机带动所述真空电动器慢速转动，从而使所述电动机带动空气可变电容器快速转动直至所述位置检测装置的检测指示回到中心位置。
4. 根据权利要求3所述的快速精密射频自动匹配装置，其特征在于，
所述真空电容器包括真空电容器C1、真空电容器C2；所述电动机包括第一电动机、第二电动机及第三电动机。
5. 根据权利要求4所述的快速精密射频自动匹配装置，其特征在于，所述控制单元包括：
第一控制子单元，在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制所述第一电动机带动空气可变电容器快速转动；
第二控制子单元，在所述复阻抗检测装置检测的结果指示偏离匹配点时，通过负反馈控制所述第二电动机带动所述真空电容器C1慢速转动，控制所述第三电动机带动所述真空电容器C2慢速转动；
第三控制子单元，在所述位置检测装置的检测指示偏离中心位置时，通过负反馈控制所述第二电动机带动所述真空电动器C1慢速转动，从而使所述第一电动机带动所述空气可变电容器快速转动直至所述位置检测装置的检测指示回到中心位置。
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