CN103107793A - 一种传输线自动阻抗匹配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传输线自动阻抗匹配系统，属于半导体制造技术领域。所述系统包括：功率相位检测模块，用于检测出射频信号的幅值与相位信息；位置监测模块，用于监测阻抗匹配网络的电容值信息；控制模块，用于根据幅值与相位信息和电容值信息，生成控制信号；直流电机驱动模块，用于根据控制信号生成不同的电压信号；阻抗匹配执行模块，用于根据电压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。本发明提供的传输线自动阻抗匹配系统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，特别涉及一种传输线自动阻抗匹配系统。
背景技术
阻抗匹配是指激励源内部阻抗、传输线的特性阻抗、负载阻抗互相匹配，得到最大功率输出的一种工作状态，具体来说就是将负载阻抗转换成一个合适的阻抗或阻抗范围，此阻抗或阻抗范围能够使射频电源处于正常的运行状态，从负载方面看是能够使负载尽可能获得大功率的同时又保证负载能正常工作。
在半导体设备中，RF(射频)发生装置(恒定输出阻抗等于传输线的特性阻抗50Ω，)向等离子体腔室提供固定频率(通常为13.56MHz)的RF波，用于激发用于半导体工艺的等离子体。通常情况下，等离子体腔室的阻抗与传输线的特性阻抗(半导体设备中一般为50Ω)不一致，其原因是在传输线上除了入射波外，还会出现反射波，反射波的存在意味着RF发生器产生的功率不能全部输送给等离子体腔室，传输效率降低，造成匹配失配。
为了使等离子体腔室的阻抗与传输线的特性阻抗一致，需在射频传输线与等离子体腔室之间插入射频阻抗匹配器，射频阻抗匹配器的用途就是实现阻抗变换，即将给定的负载阻抗值变换成传输线的特性阻抗值，实现无反射传输。
现有技术中的射频阻抗匹配器多为手动阻抗匹配器，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，本发明提供了一种传输线自动阻抗匹配系统，位于射频电源与等离子体腔室之间，所述系统包括：
功率相位检测模块，用于检测出射频信号的幅值与相位信息，并通过A/D转换输出所述幅值与相位信息；
位置监测模块，用于实时监测阻抗匹配网络的电容值信息，并通过A/D转换器发送所述电容值信息；
控制模块，用于接收所述功率相位检测模块输出的幅值与相位信息，以及所述位置监测模块发送的电容值信息，并根据所述幅值与相位信息和电容值信息，生成控制信号，发送所述控制信号；
直流电机驱动模块，用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号生成不同的电压信号，发送所述电压信号；
阻抗匹配执行模块，用于接收所述电压信号，并根据所述电压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。
所述功率相位检测模块包括互感器、幅值相位检测器和A/D转换器；所述互感器用于检测出射频信号的电压值和电流值，所述幅值相位检测器用于检测电流信号和电压信号的相位差，通过A/D转换器输出至所述控制模块。
所述位置监测模块包括两个电位器和A/D转换器。
所述阻抗匹配执行模块包括第一直流电机、第二直流电机、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。
所述第一可调电容和第二可调电容分别为可变真空电容。
本发明提供的传输线自动阻抗匹配系统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传输线自动阻抗匹配系统的工作原理示意图；
图3是本发明实施例提供的传输线自动阻抗匹配系统的结构示意图。
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，传输线自动阻抗匹配系统位于射频电源与等离子体腔室之间。如图2所示，本实施例提供的传输线自动阻抗匹配系统包括：
功率相位检测模块，用于检测出射频信号的幅值与相位信息，并通过A/D转换输出幅值与相位信息；
位置监测模块，用于实时监测阻抗匹配网络的电容值信息，并通过A/D转换器发送电容值信息；
控制模块，用于接收功率相位检测模块输出的幅值与相位信息，以及位置监测模块发送的电容值信息，并根据幅值与相位信息和电容值信息，生成控制信号，发送控制信号；实际应用中，控制模块根据功率相位检测模块输出的电压及电流的信号，计算得到等离子体腔室负载阻抗的状态和性质，通过预先设置的控制策略以及位置监测模块发送的当前可变真空电容的电容值，产生脉冲宽度调制(PWM)控制信号，输出到直流电机驱动模块；
直流电机驱动模块，用于接收控制信号，并根据控制信号生成不同的电压信号，发送电压信号；实际应用中，直流电机驱动模块接收控制模块产生的PWM控制信号，根据PWM信号的占空比产生不同的电压信号，控制直流电机的转速，通过电压的正反调节直流电机的转向；
阻抗匹配执行模块，用于接收电压信号，并根据电压信号调整阻抗匹配网络，达到预定的阻抗值，从而实现等离子体腔室与传输线的阻抗匹配。
其中，功率相位检测模块包括互感器、幅值相位检测器和A/D转换器；互感器用于检测出射频信号的电压值和电流值，幅值相位检测器用于检测电流信号和电压信号的相位差，通过A/D转换器输出至控制模块，实时监控等离子体腔室的状态变化。
其中，阻抗匹配执行模块包括第一直流电机M1、第二直流电机M2、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分别接收来自直流电机驱动模块的电压信号，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。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。
其中，位置监测模块包括两个电位器及A/D转换器，实时监测可变真空电容的位置，通过A/D转换器输出至控制模块。电位器与可变真空电容之间通过传动齿轮连接。
采用本实施例提供的传输线自动阻抗匹配系统实现自动阻抗匹配的过程如下：射频电源的信号通过功率相位检测模块，利用互感器提取出射频信号的电压电流值，幅值相位检测器检测出其幅值与相位，并经幅值相位信息送至控制模块；控制模块根据幅值相位信息分析计算出等离子体腔室的负载阻抗值，根据等离子体腔室的阻抗值及相位信息，通过预先设置的控制策略产生PWM控制信号，直流电机驱动模块读取PWM信号，产生不同的电压信号控制直流电机转动，位置监测模块实时监测可变真空电容的位置，并将位置信息送至控制模块，直至等离子体腔室的阻抗为50Ω，相位为零。
本发明实施例提供的传输线自动阻抗匹配系统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 (5)
1.一种传输线自动阻抗匹配系统，位于射频电源与等离子体腔室之间，其特征在于，所述系统包括：
功率相位检测模块，用于检测出射频信号的幅值与相位信息，并通过A/D转换输出所述幅值与相位信息；
位置监测模块，用于实时监测阻抗匹配网络的电容值信息，并通过A/D转换器发送所述电容值信息；
控制模块，用于接收所述功率相位检测模块输出的幅值与相位信息，以及所述位置监测模块发送的电容值信息，并根据所述幅值与相位信息和电容值信息，生成控制信号，发送所述控制信号；
直流电机驱动模块，用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号生成不同的电压信号，发送所述电压信号；
阻抗匹配执行模块，用于接收所述电压信号，并根据所述电压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。
2.如权利要求1所述的传输线自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述功率相位检测模块包括互感器、幅值相位检测器和A/D转换器；所述互感器用于检测出射频信号的电压值和电流值，所述幅值相位检测器用于检测电流信号和电压信号的相位差，通过A/D转换器输出至所述控制模块。
3.如权利要求2所述的传输线自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述位置监测模块包括两个电位器和A/D转换器。
4.如权利要求3所述的传输线自动阻抗匹配系统，其特征在于，所述阻抗匹配执行模块包括第一直流电机、第二直流电机、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。
5.根据权利要求4所述的传输线自动阻抗匹配系统，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。
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