CN103636123B - 阻抗匹配装置，线性运动模块以及射频电源装置 - Google Patents

Abstract

一种阻抗匹配装置，其包括：第一可变电容器，其连接至RF电源且包括可线性运动的第一轴；第一线性运动单元，其轴向地耦接至第一可变电容器的第一轴以提供线性运动；第一绝缘接头，其将第一轴连接至第一线性运动单元的第一驱动轴；以及第一位移传感器，其用于测量第一线性运动单元的第一驱动轴的移动距离。

Description

阻抗匹配装置，线性运动模块以及射频电源装置

技术领域

在此所描述的本发明一般地涉及阻抗匹配装置，更具体地涉及包括线性运动单元并直接地驱动可变电容器的阻抗匹配装置。

背景技术

采用了可变电容器的阻抗匹配装置由于使用了旋转运动，所以响应速度慢。

发明内容

本发明的实施例提供了一种具有高速度响应的阻抗匹配装置。

根据本发明的示例性实施例的阻抗匹配装置可包括：第一可变电容器，其连接至RF电源且包括可线性运动的第一轴；第一线性运动单元，其轴向地耦接至第一可变电容器的第一轴以提供线性运动；第一绝缘接头，其用于将所述第一轴连接至所述第一线性运动单元的第一驱动轴；以及第一位移传感器，它用于测量第一线性运动单元的第一驱动轴的移动距离。

在示例性实施例中，阻抗匹配装置还可包括：第二可变电容器，其包括可线性运动的第二轴；第二线性运动单元，其轴向地耦接至第二可变电容器的第二轴以提供线性运动；第二绝缘接头，其将第二轴连接至第二线性运动单元的第二驱动轴；以及第二位移传感器，其用于测量第二线性运动单元的第二驱动轴的移动距离。

在示例性实施例中，第一线性运动单元可包括：绕线管，其耦接至第一驱动轴的另一端；以及第一永磁体单元，其设置为围绕第一驱动轴，并且将线性运动提供给绕线管。

在示例性实施例中，阻抗匹配装置还包括：前端法兰，其耦接至第一可变电容器的第一电极；后端法兰，其耦接至第一线性运动单元；以及绝缘固定部，其设置为围绕第一绝缘接头，且该绝缘固定部的一端与前端法兰耦接而另一端与后端法兰耦接。

在示例性实施例中，阻抗匹配装置还包括：运动控制单元，其用于控制第一线性运动单元；功率检测单元，其用于检测从RF电源的方向所反射的反射波；以及控制单元，它通过接收功率检测单元的输出信号和第一位移传感器的输出信号以控制运动控制单元。

在示例性实施例中，第一位移传感器可包括：位移传感器底座，其从第一线性运动单元的第一驱动轴延伸；编码计数器，其安装在位移传感器底座上；以及编码读出单元，其与编码计数器隔开。

在示例性实施例中，RF电源的频率是可变的。

附图说明

基于附图以及相随的详细描述，本发明将变得更加显而易见。通过举例而非限定的方式而给出在此所描述的实施例，其中类似的附图标记代表相同或相似的元件。附图不必是按比例的，其重点在于图示本发明的各个方面。

图1图示了根据本发明的实施例的阻抗匹配装置。

图2图示了图1中的第一线性运动单元。

图3图示了位移传感器。

图4～图9图示了根据本发明的实施例的线性运动模块。

图10是根据本发明的实施例的射频电源装置的电路图。

具体实施方式

当RF等离子体在半导体处理等中生成时，在早期进行匹配是必要的。因此，在不使用可变无源元件的情况下可通过改变频率来进行阻抗匹配。但是，频率可变的阻抗匹配装置必须连接至RF电源以进行阻抗匹配。频率可变的阻抗匹配装置可具有高响应速度。但是，因为频率可变的阻抗匹配装置将频率作为参数，所以频率可变的阻抗匹配装置难以将需要两个自由度的阻抗匹配装置中的反射波最小化。而且，当负载随着时间显著地变化时，频率可变的阻抗匹配装置难于进行阻抗匹配。

通常地，通过将旋转运动转换为线性运动而使可变电容器的电容移动。在将旋转运动转化为线性运动时所产生的摩擦力的作用下，而不是由于可变电容器自身的结构缺陷，昂贵装置的长期使用会导致磨损问题。因此，当使用润滑剂来消除磨损问题时，会发生诸如润滑剂污染和润滑剂蒸发的其他问题。并且，采用旋转运动的驱动单元需要较高的制造成本和空间以实现高的速度。

根据本发明的实施例的阻抗匹配装置直接将线性运动提供给可变电容器。因为提供线性运动的线性运动单元的摩擦移动距离相对较短，这样可使线性运动单元的寿命延长并且可使线性运动单元的连接结构简化。另外，线性运动单元可进行高速的匹配。

在电子阻抗匹配装置采用了传统电容器切换方案的情况下，匹配网络的尺寸随着容许电流和电压的增加而增大。而且，容许电流和电压的大小是受到限制的。

但是，根据本发明的实施例的阻抗匹配装置使用了可在狭窄空间内进行线性运动的线性运动单元。并且，该阻抗匹配装置使用可变电容器，从而减少了对可变电容器的电流和电压的限制。这样，在无尘室中的空间节省获得了成本方面的收益。

根据本发明的实施例的阻抗匹配装置包括驱动可变电抗无源元件的线性运动驱动单元。该线性运动驱动单元具有较高的响应速度。所以，阻抗匹配装置与宽范围的负载匹配阻抗。

在半导体生产中，已经使用了几秒钟或更短时间的等离子体处理，或者可以使用被视为具有时间依赖参数的处理的等离子体处理。因为这个原因，等离子体处理必须在数百毫秒(msec)或者数十毫秒(msec)内稳定。因此，就需要能够进行高速阻抗匹配的阻抗匹配装置。

下面将参考示出了本发明的示例性实施例的附图更充分地描述本发明的示例性实施例。但是，本发明的示例性实施例可以以多种不同形式实施，并且不应被理解为限定于这里所述的实施例。而是，提供本发明的这些示例性实施例以使得描述全面且完整，并且使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明的示例性实施例的构思。在这些附图中，为了清楚，元件的尺寸和相对尺寸被放大。类似的附图标记指代贯穿全文的类似元件。

图1图示了根据本发明的实施例的阻抗匹配装置。

图2图示了图1中的第一线性运动单元。

图3图示了位移传感器。

参照图1～图3，阻抗匹配装置100包括：第一可变电容器112，其连接至RF电源190且具有可线性运动的第一轴112a；第一线性运动单元，其轴向地耦接至第一可变电容器112的第一轴112a以提供线性运动；第一绝缘接头142，其将第一轴112a连接至第一线性运动单元121的第一驱动轴；以及第一位移传感器124，其用于测量第一线性运动单元121的第一驱动轴121a的移动距离。

阻抗匹配装置100可包括外盖110。分离器102可将外盖110分为射频区110a和系统区110b。该分离器102可由导体板形成。外盖110可由导电材料形成。

在射频区110a中设置有第一可变电容器112和/或第二可变电容器114。第一可变电容器112的第一电极311可连接至RF电源190的输出端和第一电感器119的一端，并且第一可变电容器112的第二电极312可接地。

第二可变电容器114的第一电极可与第一电感器119的另一端相连。第二可变电容器114的第二电极可与负载192连接。

在输入线182的附近可设置有功率检测器132，输入线182用于将RF电源190的输出端连接至第一可变电容器112的第一电极311。在功率检测器132的附近可设置屏蔽层104。该屏蔽层104可以屏蔽外部电磁波。

RF电源190的频率可以在400千赫兹(kHz)至几百兆赫兹(MHz)之间。RF电源190的频率是可变的。

负载192可以是用于生成等离子体的能量供给装置。例如，负载192可包括生成电容性耦合等离子体的电极或包括生成电感性耦合等离子体的天线。负载192的阻抗可随着时间而变化。负载192的阻抗可取决于生成等离子体的处理气体的压力，或取决于在进行处理时所产生的处理副产品。

第一可变电容器112和第二可变电容器114分别是可变的真空电容器。真空可变电容器可以使高电压和更多电流通过。可变电容器包括第一电极和第二电极，并且电容量可随着第一电极和第二电极之间的距离而变化，或随着第一电极和第二电极的交叉耦合或插入程度而变化。

第一线性运动单元121可包括第一驱动轴121a、绕线管217以及永磁体单元216。第一线性运动单元121可以是音圈电机。第一线性运动单元121可具有高速反应的特性。第一线性运动单元121的最大移动距离可以是大约20毫米(mm)。可在0.5秒或更短时间内获得该最大移动距离。

第一驱动轴121a的一端轴向地耦接至第一绝缘接头142。驱动轴121a的另一端耦接至绕线管217。

绕线管217的一端可具有开放的柱状。绕线可包括感应线圈。绕线管217可包括圆形板以及与该圆形板耦接的柱状筒。感应线圈217a缠绕在绕线管217的外侧表面上。感应线圈217a可与运动控制单元123连接。

永磁体单元216围绕着第一驱动轴121a并将线性运动提供给绕线管217。永磁体单元216可具有圆形槽216a，该圆形槽216a形成于永磁体单元216的附近，从而使得绕线管217插入圆形槽216a中。圆形槽216a可起到引导绕线管217的作用。圆形槽216a的深度要大于可变电容器的第一轴112a的最大移动距离。

永磁体单元216包括永磁体216b和围绕永磁体216b的磁感应壳216c。圆形槽可以是在永磁体216b和磁感应壳216c之间的空间。

绕线管217的圆形板的一个面的中心可与第一驱动轴121a相连，并且圆形板的另一面的中心可与位移传感器底座218相连。

第一绝缘接头142可以是塑料、树脂或特氟龙(Teflon)材料。第一绝缘接头142可由绝缘材料形成。第一绝缘接头142可以是圆柱状。第一绝缘接头142的一端可轴向地耦接至第一轴112a，第一绝缘接头142的另一端可轴向地耦接至第一驱动轴121a。第一绝缘接头142可在其表面形成有多个环形槽142，这使得电流传输距离增加，从而增强了绝缘效果。

如果第一可变电容器是真空电容器，那么第一轴可被真空压强与大气压强之差拉入第一可变电容器中。特别地，当电源没有被提供至线性运动单元时，可在第一绝缘接头142的附近设置线性运动停止单元(未示出)，以防止第一绝缘接头142被真空释放。线性运动停止单元可防止当第一绝缘接头142被真空释放时所产生的冲击力而引起的部件的损坏。线性运动停止单元可以是弹簧、阻尼器或中断器。

前端法兰213可与第一可变电容器112的第一电极311耦接。前端法兰213可与第一电极311紧密地耦接，并且可由导电材料形成。前端法兰213可与RF电源190电连接。前端法兰213可通过螺栓与第一电极213耦接。

后端法兰215可与第一线性运动驱动单元121耦接。后端法兰215可与永磁体单元216耦接。后端法兰215可被固定在分离器102上。

绝缘固定部214可围绕第一绝缘接头142，并且绝缘固定部214的一端与前端法兰213耦接，而另一端与后端法兰215耦接。绝缘固定部214可由绝缘材料形成。绝缘固定部214可以是圆柱形的。在绝缘固定部214表面上具有多个环形槽214a以使其具有柔性。

当绕线管217沿其中心轴的方向或沿z轴的方向移动时，第一轴112沿z轴的方向移动。这样，第一可变电容器112的电容量变化。绕线管217可在0.5秒或更短时间内移动经过最大的移动距离。

可安装位移传感器以检测绕线管217的移动距离。第一位移传感器124可包括从第一线性运动单元121的第一驱动轴121a延伸的位移传感器底座218、安装在位移传感器底座218上的编码计数器(encoder scaler)270以及与编码计数器270隔开的编码读出单元272。针对最大移动距离，位移传感器可具有1000个计数以上的分辨率。

位移传感器底座218可螺栓耦接至绕线管217。位移传感器底座218可具有方柱形。可在位移传感器底座218的一个面上设置编码计数器270。

编码读出单元272可设置为面向编码计数器270，且与编码计数器270隔开。编码读出单元272可测量当其沿着编码计数器270移动时与编码计数器270的相对距离。将编码读出单元272的输出信号提供至控制单元126。

运动控制单元123驱动第一线性运动单元121和/或第二线性运动单元122。

功率检测单元132可检测在阻抗匹配装置的输入端从RF电源190所反射的功率。功率检测单元132可以是定向耦合器或电流/电压传感器。功率检测单元132可检测与反射波相关联的信号。

功率检测单元132可设置在阻抗匹配装置的输出端或者也可设置在阻抗匹配装置内。

通过检测功率检测单元132的输出信号，控制单元126可控制第一可变电容器112和第二可变电容器114的电容量，这样阻抗匹配装置将最大功率传输至负载192。第一可变电容器112的电容量可被第一线性运动单元121控制，第二可变电容器114的电容量可被第二线性运动单元122控制。控制单元126可与外部设备进行通信。例如，控制单元126可与RF电源190和/或计算机进行通信。

控制单元126控制第一可变电容器112和第二可变电容器114的电容量的算法可采用传统方法。例如，在韩国专利公开号10-2008-0094155中披露了该算法。另外，阻抗匹配装置的阻抗匹配方案可以是L型、倒L型、T型和π型中的一个。

第二线性运动单元122可具有与第一线性运动单元相同的结构。

第二绝缘接头144可具有与第一绝缘接头142相同的结构。

第二位移传感器125可具有与第一位移传感器124相同的结构。第一位移传感器124可采用电位计方法、光学方法、磁学方法、电子感应方法，线性编码方法、涡流方法、超声法等等。

根据本发明的变型例，阻抗匹配装置可被用于具有多个频率的双频率匹配。

根据本发明的变型例，使用具有可变频率和单独可变电容器的RF电源，阻抗匹配装置可被用于混合阻抗匹配。

图4～图9图示了根据本发明的实施例的线性运动模块。

为了避免重复说明，以下的说明只涉及与图1～图3不同的方面。

参照图4～图7，线性运动模块10包括：第一线性运动单元121，其轴向地耦接至第一可变电容器112的第一轴，第一可变电容器112连接至RF电源并且包括线性运动的第一轴；第一绝缘接头142，其将第一轴连接至第一线性运动单元121的第一驱动轴以提供线性运动；以及第一位移传感器124，其用于测量第一线性运动单元121的第一驱动轴的移动距离。在第一绝缘接头142的附近设置有线性运动停止单元340，以防止第一轴被真空压强与大气压强之差拉动。电容器或电感器可与第一可变电容器112串联或并联。

参照附图8，线性运动停止单元340可以是弹簧。第一线性运动停止单元340可以是设置为围绕第一绝缘接头142的弹簧。第一绝缘接头142的与线性运动驱动单元相连的一端具有突起。绝缘接头142的突起可用作中断器以防止绝缘接头142被真空力拉动。

在突起和前端法兰213之间设置有弹簧。该弹簧可利用排斥力抵消施加在第一可变电容器112的轴向上的真空力，并提供线性运动单元121所需的力。

参照图9，线性运动停止单元340包括：突起物341，其插入到形成在第一绝缘接头142的外圆周表面上的沟槽142a中；驱动器342，其与突起物341耦接以用来移动突起物341。突起物341可以为锯齿状。第一绝缘接头142的与线性驱动单元相连的一端可具有突起。

图10是根据本发明的实施例的射频电源装置的电路图。

为避免重复说明，以下的说明仅涉及不同于图1～图9的方面。

参照图10，射频(RF)电源装置包括单个RF电源490以及设置在RF电源490与至少一个负载492之间的阻抗匹配单元410。

阻抗匹配单元410包括：第一可变电容器412，其具有可线性运动的第一轴；第一线性运动单元(未示出)，其轴向地耦接至第一可变电容器412的第一轴以提供线性运动；第一绝缘接头(未示出)，其将第一轴连接至第一线性运动单元的第一驱动轴；以及第一位移传感器(未示出)，其用于测量第一线性运动单元的第一驱动轴的移动距离。

在第一负载492和RF电源490之间设置有阻抗匹配单元410。阻抗匹配单元410可包括第一可变电容器412、第二可变电容器414和电感器419。第一可变电容器412的一端可与RF电源490的输出端相连，而第一可变电容器412的另一端接地。电感器419的一端与RF电源490的输出端相连，而电感器419的另一端可与第二可变电容器414的一端相连。第二可变电容器414的一端与电感器419的另一端相连，且第二可变电容器414的另一端与第一负载492a相连。

负载490包括第一负载492a以及第二负载492b。在第一负载492a和第二负载492b之间设置有功率分配单元420a。第一负载492a可以是用于生成电感性耦合等离子体的外部天线，而第二负载492b可以是设置于外部天线之内的内部天线。或者，负载492可以是用于生成电容性耦合等离子体的电极。

功率分配单元420a可包括电容器427、电感器428和可变电容器429，其中，电容器427和电感器428串联在第一负载492a和第二负载492b之间，可变电容器429的一端耦接在电容器427与电感器428之间而另一端接地。功率分配单元420a以恒定的比率在第一负载492a和第二负载492b之间分配功率。可与阻抗匹配单元410的第一可变电容器412和第二可变电容器414相同的方式通过线性运动单元以来驱动可变电容器429。

负载490可变化为包括两个以上负载490a、490b、和490n。因此，在负载490a、490b和490n之间额外地设置功率分配单元420a和420b。

如上所述，根据本发明的实施例的阻抗匹配装置能够提供高速的匹配。

虽然通过结合附图中所示的本发明的实施例来描述本发明，但是本发明不仅限于这些。对于本领域的技术人员，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，各种替代、变型和变化是显而易见的。

Claims (14)

1.一种阻抗匹配装置，其包括：

第一可变电容器，其连接至RF电源并包括可线性移动的第一轴；

第一线性运动单元，其轴向地耦接至所述第一可变电容器的所述第一轴，以提供线性运动；

第一绝缘接头，其用于将所述第一轴连接至所述第一线性运动单元的第一驱动轴；以及

第一位移传感器，其用于测量所述第一线性运动单元的所述第一驱动轴的移动距离。

2.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其还包括：

第二可变电容器，其包括可线性运动的第二轴；

第二线性运动单元，其轴向地耦接至所述第二可变电容器的所述第二轴，以提供线性运动；

第二绝缘接头，其用于将所述第二轴连接至所述第二线性运动单元的第二驱动轴；以及

第二位移传感器，其用于测量所述第二线性运动单元的所述第二驱动轴的移动距离。

3.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中所述第一线性运动单元包括：

绕线管，其耦接至所述第一驱动轴的另一端；以及

第一永磁体单元，其设置为围绕所述第一驱动轴并将线性运动提供给所述绕线管。

4.如权利要求3所述的阻抗匹配装置，其还包括：

前端法兰，其耦接至所述第一可变电容器的第一电极；

后端法兰，其耦接至所述第一线性运动单元；以及

绝缘固定部，其设置为围绕所述第一绝缘接头，并且所述绝缘固定部的一端耦接至所述前端法兰而另一端耦接至所述后端法兰。

5.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其还包括：

运动控制单元，其用于控制所述第一线性运动单元；

功率检测单元，其用于检测在所述RF电源的方向上反射的反射波；以及

控制单元，其通过接收所述功率检测单元的输出信号和所述第一位移传感器的输出信号以控制所述运动控制单元。

6.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，所述第一位移传感器包括：

位移传感器底座，其从所述第一线性运动单元的所述第一驱动轴延伸；

编码计数器，其安装在所述位移传感器底座上；以及

编码读出单元，其与所述编码计数器隔开。

7.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其中，所述RF电源的频率是可变的。

8.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其还包括：

固定电抗元件，其与所述第一可变电容器串联或并联。

9.如权利要求1所述的阻抗匹配装置，其还包括：

线性运动停止单元，其安装在所述第一绝缘接头的附近，以防止所述第一轴被真空压强与大气压强之差拉动。

10.一种线性运动模块，其包括：

第一线性运动单元，其轴向地耦接至第一可变电容器的第一轴，所述第一可变电容器连接至RF电源并且包括可线性移动的所述第一轴；

第一绝缘接头，其用于将所述第一轴连接至所述第一线性运动单元的第一驱动轴，从而提供线性运动；以及

第一位移传感器，其用于测量所述第一线性运动单元的所述第一驱动轴的移动距离。

11.如权利要求10所述的线性运动模块，其还包括：

线性运动停止单元，其设置在所述第一绝缘接头的附近，以防止所述第一轴被真空压强与大气压强之差拉动。

12.如权利要求11所述的线性运动模块，其中，所述线性运动停止单元是弹簧。

13.如权利要求11所述的线性运动模块，其中，所述线性运动停止单元包括：

突起物，其插入在所述第一绝缘接头的外圆周表面上形成的沟槽中；以及

驱动器，其与所述突起物轴向地耦接以移动所述突起物。

14.一种射频(RF)电源装置，其包括：

单个RF电源；以及

阻抗匹配单元，其设置在所述RF电源与至少一个负载之间，

其中，所述阻抗匹配单元包括：

第一可变电容器，其包括可线性运动的第一轴；

第一线性运动单元，其轴向地耦接至所述第一可变电容器的所述第一轴以提供线性运动；

第一绝缘接头，其将所述第一轴连接至所述第一线性运动单元的第一驱动轴；以及

第一位移传感器，其用于测量所述第一线性运动单元的所述第一驱动轴的移动距离。