CN103025041A - 一种射频阻抗匹配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频阻抗匹配器，属于半导体制造技术领域。所述射频阻抗匹配器通过传输线连接在射频电源与等离子体腔室之间，射频阻抗匹配器包括：信号检测模块，用于检测射频电源的入射功率和传输线的反射功率，并输出检测结果；控制模块，用于接收信号检测模块输出的检测结果，并按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成控制信号，发送控制信号；阻抗匹配执行模块，用于接收控制模块发送的控制信号，并根据控制信号调整阻抗匹配网络，实现等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。本发明提供的射频阻抗匹配器可以实时跟踪等离子体腔室阻抗变化，并自动调节阻抗匹配网络实现快速、准确地自动阻抗匹配。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种射频阻抗匹配器。
背景技术
射频阻抗匹配器广泛应用于半导制造技术领域，射频电源（恒定输出阻抗为50Ω，频率通常为13.56MHZ）向等离子体腔室内提供射频功率。通常等离子体腔室的阻抗与传输线的特性阻抗（半导体设备中通常为50Ω）不相等，因此在射频电源与等离子体腔室之间存在着严重的阻抗失配问题，在传输线上存在反射功率，影响等离子体腔室正常工作，甚至有时候会产生致命的后果。
现有技术中的解决方案是：在射频电源和等离子体腔室之间插入射频阻抗匹配器，通过调节射频阻抗匹配器内的可调元件来实现阻抗匹配，如图1所示。但是，这种射频阻抗匹配器多为手动射频阻抗匹配器，通常需要使用者完全依靠现场经验和现场观测进行匹配网络的调节，匹配时间长，并且不能及时跟踪负载阻抗的变化，进行实时调节。
发明内容
为了解决现有手动射频阻抗匹配器的匹配时间长，不能及时跟踪负载阻抗变化的问题，本发明提供了一种射频阻抗匹配器，所述射频阻抗匹配器通过传输线连接在射频电源与等离子体腔室之间，所述射频阻抗匹配器包括：
信号检测模块，用于检测所述射频电源的入射功率和所述传输线的反射功率，并输出检测结果；
控制模块，用于接收所述信号检测模块输出的检测结果，并按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成控制信号，发送所述控制信号；
阻抗匹配执行模块，用于接收所述控制模块发送的控制信号，并根据所述控制信号调整阻抗匹配网络，实现所述等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。
所述信号检测模块包括入射功率检测单元和反射功率检测单元；所述入射功率检测单元用于检测所述射频电源的入射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出；所述反射功率检测单元用于检测所述传输线的反射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出。
所述控制模块包括控制单元、驱动单元和定位单元；所述控制单元用于接收所述入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，并根据所述入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成驱动控制信号，发送所述驱动控制信号；所述驱动单元用于接收所述控制单元发送的驱动控制信号，并根据所述驱动控制信号生成电机驱动信号，发送所述电机驱动信号；所述定位单元用于获取所述阻抗匹配网络的电容值。
所述阻抗匹配执行模块包括传动单元和阻抗匹配网络；所述传动单元用于接收所述驱动单元发送的电机驱动信号，并根据所述电机驱动信号调整所述阻抗匹配网络，实现所述等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。
所述传动单元包括第一直流电机和第二直流电机；所述阻抗匹配网络包括第一可调电容、第二可调电容和可调电感；所述第一直流电机的输出轴通过传动齿轮与所述第一可调电容的调节轴连接；所述第二直流电机的输出轴通过传动齿轮与所述第二可调电容的调节轴连接；所述第二可调电容与可调电感串联之后，再与所述第一可调电容并联。
所述定位单元包括第一可调电位器和第二可调电位器，所述第一可调电位器和第二可调电位器的调节轴通过传动齿轮分别与所述第一可调电容和第二可调电容的调节轴连接。
所述第一可调电容和第二可调电容分别为可变真空电容。
所述第一可调电容的容值范围为0～1000 pF，所述第二可调电容的容值范围为0～500 pF。
本发明提供的射频阻抗匹配器可以实时跟踪等离子体腔室阻抗变化，并自动调节阻抗匹配网络实现快速、准确地自动阻抗匹配。
附图说明
图1是现有技术使用手动阻抗匹配器实现射频电源和等离子体腔室间阻抗匹配的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的射频阻抗匹配器的工作原理示意图；
图3是本发明实施例提供的射频阻抗匹配器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。
本发明实施例中，射频阻抗匹配器通过传输线连接在射频电源与等离子体腔室之间。如图2所示，射频阻抗匹配器包括信号检测模块、控制模块和阻抗匹配执行模块。其中：
信号检测模块，用于检测射频电源的入射功率和传输线的反射功率，并输出检测结果。进一步地，信号检测模块包括入射功率检测单元和反射功率检测单元；入射功率检测单元用于检测射频电源的入射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出；反射功率检测单元用于检测传输线的反射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出。
控制模块，用于接收信号检测模块输出的检测结果，并按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成控制信号，发送控制信号。进一步地，控制模块包括控制单元、驱动单元和定位单元；控制单元用于接收入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，并根据入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成驱动控制信号，并发送驱动控制信号；驱动单元用于接收控制单元发送的驱动控制信号，并根据驱动控制信号生成电机驱动信号，发送电机驱动信号；定位单元用于获取阻抗匹配网络的电容值。在实际应用中，驱动单元将接收的驱动控制信号，通过H桥开关电路生成电机驱动信号，以便控制用于改变可调电容大小的电机的转速及方向。
阻抗匹配执行模块，用于接收控制模块发送的控制信号，并根据控制信号调整阻抗匹配网络，实现等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。进一步地，阻抗匹配执行模块包括传动单元和阻抗匹配网络；传动单元用于接收驱动单元发送的电机驱动信号，并根据电机驱动信号调整阻抗匹配网络，实现等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。在具体生产实践中，传动单元包括第一直流电机M1和第二直流电机M2，阻抗匹配网络包括第一可调电容C1、第二可调电容C2和可调电感L，如图3所示；第一直流电机M1的输出轴通过传动齿轮与第一可调电容C1的调节轴连接，第二直流电机M2的输出轴通过传动齿轮与第二可调电容C2的调节轴连接，第一直流电机M1和第二直流电机M2分别接收来自驱动单元的电机驱动信号，调节第一可调电容C1和第二可调电容C2的调节轴的转动角度大小，从而实现电容值的改变；第二可调电容C2与可调电感L串联之后，再与第一可调电容C1并联，第一可调电容C1接地；优选地，第一可调电容C1和第二可调电容C2分别为可变真空电容，第一可调电容C1的容值范围为0～1000 pF，第二可调电容C2的容值范围为0～500 pF。射频电源的输出端分别与第一可调电容C1和可调电感L的输入端连接。
进一步地，定位单元包括第一可调电位器和第二可调电位器，第一可调电位器和第二可调电位器的调节轴通过传动齿轮分别与第一可调电容和第二可调电容的调节轴连接。在实际应用中，第一可调电位器和第二可调电位器将分别来自第一直流电机M1和第二直流电机M2的电压信号反馈给控制单元，控制单元根据电压值按照预先制定的可变真空电容容值变化表，获取当前阻抗匹配网络的电容值，根据已知的阻抗公式（感抗公式、容抗公式）计算出当前阻抗匹配网络的可变真空电容的阻抗值。
采用本实施例提供的射频阻抗匹配器实现自动阻抗匹配的过程如下：射频电源开始向等离子体腔室提供射频功率，信号检测模块的入射功率检测单元和反射功率检测单元获取当前的入射功率和反射功率的幅值与相位信息，并把这些信息发送至控制模块的控制单元，与此同时定位单元的两个可调电位器将反馈电压信号发送给控制单元，控制单元根据电压值按照预先制定的可变真空电容容值变化表获取当前阻抗匹配网络的电容容值，根据已知的公式计算出当前阻抗匹配网络的可变真空电容的阻抗值；控制单元根据当前的入射功率和反射功率的幅值与相位信息以及当前的可变真空电容的阻抗值，按照预先制定的阻抗匹配算法，生成驱动控制信号给驱动单元，驱动单元根据控制单元发送的驱动控制信号，生成直流电机的电机驱动信号控制直流电机的转速及方向，直流电机根据电机驱动信号带动可变真空电容转动，调节可变真空电容的容值，直至反射功率降至零为止。本发明实施例提供的射频阻抗匹配器可以实时跟踪等离子体腔室阻抗变化，并自动调节阻抗匹配网络实现快速、准确地自动阻抗匹配。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种射频阻抗匹配器，所述射频阻抗匹配器通过传输线连接在射频电源与等离子体腔室之间，其特征在于，所述射频阻抗匹配器包括：
信号检测模块，用于检测所述射频电源的入射功率和所述传输线的反射功率，并输出检测结果；
控制模块，用于接收所述信号检测模块输出的检测结果，并按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成控制信号，发送所述控制信号；
阻抗匹配执行模块，用于接收所述控制模块发送的控制信号，并根据所述控制信号调整阻抗匹配网络，实现所述等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述信号检测模块包括入射功率检测单元和反射功率检测单元；所述入射功率检测单元用于检测所述射频电源的入射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出；所述反射功率检测单元用于检测所述传输线的反射功率的幅值与相位信息，并将检测到的幅值与相位信息作为检测结果输出。
3.根据权利要求2所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述控制模块包括控制单元、驱动单元和定位单元；所述控制单元用于接收所述入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，并根据所述入射功率检测单元和反射功率检测单元输出的幅值与相位信息，按照预设的阻抗匹配控制算法进行计算，生成驱动控制信号，发送所述驱动控制信号；所述驱动单元用于接收所述控制单元发送的驱动控制信号，并根据所述驱动控制信号生成电机驱动信号，发送所述电机驱动信号；所述定位单元用于获取所述阻抗匹配网络的电容值。
4.根据权利要求3所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述阻抗匹配执行模块包括传动单元和阻抗匹配网络；所述传动单元用于接收所述驱动单元发送的电机驱动信号，并根据所述电机驱动信号调整所述阻抗匹配网络，实现所述等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。
5.根据权利要求4所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述传动单元包括第一直流电机和第二直流电机；所述阻抗匹配网络包括第一可调电容、第二可调电容和可调电感；所述第一直流电机的输出轴通过传动齿轮与所述第一可调电容的调节轴连接；所述第二直流电机的输出轴通过传动齿轮与所述第二可调电容的调节轴连接；所述第二可调电容与可调电感串联之后，再与所述第一可调电容并联。
6.根据权利要求5所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述定位单元包括第一可调电位器和第二可调电位器，所述第一可调电位器和第二可调电位器的调节轴通过传动齿轮分别与所述第一可调电容和第二可调电容的调节轴连接。
7.根据权利要求6所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述第一可调电容和第二可调电容分别为可变真空电容。
8.根据权利要求7所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述第一可调电容的容值范围为0～1000 pF，所述第二可调电容的容值范围为0～500 pF。
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