CN103687267A - 阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备，阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络，其包括第一电容和第二电容，所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接，另一端接地；所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间；所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接，另一端接地；自动控制单元，在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时，首先调节所述第一电容的阻抗值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，然而调节所述第二电容的阻抗值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度，重复上述调节步骤，射频功率源的输出阻抗与阻抗匹配网络的输入阻抗实现共轭匹配。该阻抗匹配装置成本低，可靠性高，阻抗匹配时间短，生产效率高。

Description

阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备。

背景技术

低频等离子体技术广泛用于双频深硅刻蚀、晶硅太阳能电池、物理气相沉积（PVD）等制作工艺中。由于电感耦合（ICP）放电能够在较低的工作气压下获得高密度的等离子体，而且电感耦合（ICP）放电装置结构简单，造价低，因此，电感耦合放电是比较理想的产生等离子体的方式之一。

在低频电感耦合（ICP）等离子体发生装置中，向反应腔室提供射频功率的射频电源具有恒定输出阻抗的特性，例如，输出阻抗为50Ω，而等离子体负载具有不恒定负载阻抗的特性，即，负载阻抗随着工艺过程而不断变化。根据传输线理论，当射频电源的输出阻抗与负载阻抗不能共轭匹配时，射频电源的输出功率无法全部加载到等离子体负载上，而且会有部分功率反射，造成功率浪费，同时反射回射频电源的功率又会对射频电源造成损害。为此，在实际应用中，在射频电源和等离子体负载之间设置阻抗匹配装置，以使射频电源的输出阻抗和负载阻抗共轭匹配。

常用的阻抗匹配器包括“L”型阻抗匹配器和“倒L”型阻抗匹配器。对于低频电感耦合等离子体发生装置而言，“倒L”型阻抗匹配器可以获得更宽的匹配范围，因此，“倒L”型阻抗匹配器常被称为低频阻抗匹配器。低频阻抗匹配装置包括匹配网络、拨盘以及用于监测电压和电流的探针（以下简称VI Probe）。其中，拨盘用于调节匹配网络的输入阻抗，VI Probe可以监测匹配网络的输入阻抗。操作者根据VI Probe监测到的匹配网络的输入阻抗拨动拨盘，从而使匹配网络的输入阻抗与射频电源的输出阻抗共轭匹配。然而，在实际使用过程中，这种手动调节阻抗方式匹配阻抗的时间较长，降低了阻抗匹配的效率；而且对监测等离子体负载阻抗的VI Probe的精度要求较高，增加了低频阻抗匹配装置的成本。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种阻抗匹配装置及阻抗匹配方法，其阻抗匹配的效率较高，而且成本低。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种基片加工设备，其使用效率高，生产成本低。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种阻抗匹配装置，用于将射频能量从射频功率源耦合至等离子体负载，包括阻抗匹配网络，其包括第一电容和第二电容，所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接，另一端接地；所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间；所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接，另一端接地；

还包括自动控制单元，在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时，首先调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，然后调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度，重复上述调节步骤，使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗实现共轭匹配；

其中，所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的实部与所述射频功率源的输出阻抗的实部之间的偏差，所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的虚部与所述射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。

其中，还包括第一获取单元，其包括：

第一检测模块，用于实时获取所述阻抗匹配网络的输入电压和电流；

第一计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络的输入电压和电流计算所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。

其中，所述自动控制单元包括：

第二计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部；

第三计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述射频功率源输出阻抗的实部获得所述阻抗实部偏差，以及根据所述阻抗匹配网络输入阻抗虚部和所述输出阻抗的虚部获得所述阻抗虚部偏差。

其中，所述自动控制单元还包括：

第一判断模块，用于判断所述阻抗实部偏差是否大于第一预设精度，若所述阻抗实部偏差大于第一预设精度，则根据所述阻抗实部偏差计算第一电容调整量；

第一执行模块，用于根据所述第一电容调整量调整所述第一电容的阻抗值；

第二判断模块，用于判断所述阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度，若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度，则根据所述阻抗虚部偏差获得第二电容调整量；

第二执行模块，用于根据所述第二电容调整量调整所述第二电容的阻抗值。

其中，所述输入阻抗实部为|Z|cosθ，所述输入阻抗虚部为|Z|sinθ，其中，|Z|为输入阻抗的模值，θ为所述输入阻抗的相位。

其中，所述第一执行模块和所述第二执行模块为步进电机。

其中，所述射频功率源的射频频率范围为400～2000kHz。

本发明还提供一种阻抗匹配方法，通过阻抗匹配装置使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配，所述阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元，

所述阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容，所述等离子体负载的一端接地，另一端与所述射频功率源连接；所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间；所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接，另一端接地；

所述自动控制单元用于调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，以及调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度；

所述方法包括：

获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，其中，所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部与所述射频功率源输出阻抗的实部的之间偏差，所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与所述射频功率源输出阻抗的虚部之间的偏差；

若判断出所述阻抗实部偏差大于第一预设精度，根据所述阻抗实部偏差获得所述第一电容调整量，并根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节；

若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度，根据所述阻抗虚部偏差获得所述第二电容调整量，并根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整。

其中，所述获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差的步骤包括：

获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位及射频功率源的输出阻抗；

根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络的输入阻抗；

根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差。

其中，所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤包括：

实时获取所述阻抗匹配网络的电压和电流；

根据所述阻抗匹配网络的电压和电流获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。

其中，所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节步骤之后还包括：

继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

其中，所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整步骤之后还包括：

继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

其中，所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗之后还包括：

判断所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗是否共轭匹配；

若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗未共轭匹配，执行根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗，获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差的步骤；

若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗共轭匹配，继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

其中，所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节的步骤以及所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整的步骤同时进行。

本发明还提供一种基片加工设备，包括射频功率源、反应腔室以及设置在所述射频功率源和所述反应腔室之间的阻抗匹配装置，所述阻抗匹配装置采用本发明提供的任意一项所述的阻抗匹配装置。

其中，所述基片设备为深硅刻蚀设备、太阳能电池片加工设备或者物理气相沉积设备。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的阻抗匹配装置借助自动控制单元，在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时，首先调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度，然后调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度，从而使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配。由于阻抗实部仅受第一电容的影响，第二电容仅影响阻抗的虚部。因此，先调节第一电容使阻抗实部匹配，再调节第二电容使阻抗虚部匹配，可以缩短阻抗匹配的时间，提高生产效率。

作为本发明的一个优选实施例，该阻抗匹配装置是根据阻抗的模值和相位获得阻抗匹配网络的输入阻抗，进而获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，即不需要高精度的探针即可获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，从而降低了阻抗匹配装置的生产成本，而且提高了阻抗匹配的可靠性。

本发明提供的阻抗匹配方法基于阻抗匹配装置，阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元，阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容，第一电容的一端与等离子体负载连接，第一电容的另一端接地，第二电容串联在射频功率源和等离子体负载之间；并根据获取的阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，在判断阻抗实部偏差大于第一预设精度时，调节第一电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的实部与射频功率源输出阻抗的实部匹配；在判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度时，调节第二电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与射频功率源输出阻抗的虚部匹配，即通过调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度，调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度，以使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配，从而缩短了阻抗匹配的时间，提高了生产效率。

本发明提供的基片加工设备采用本发明提供的阻抗匹配装置，可以降低基片加工设备的生产成本，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例阻抗匹配装置的结构框图；

图2为本发明第一实施例获取单元的原理框图；

图3为本发明第一实施例自动控制单元的原理框图；

图4为本发明第二实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图；

图5为本发明第三实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图；

图6为本发明第四实施例提供的一种等离子体加工设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的阻抗匹配装置、阻抗匹配方法及基片加工设备进行详细描述。

本发明提供的阻抗匹配装置主要应用于等离子体加工设备，用于使射频功率源与等离子体负载之间的阻抗匹配，以减少射频功率源的输出功率的反射，从而提高射频功率的利用率，以及降低射频功率源的使用寿命。

图1为射频功率源、阻抗匹配装置以及等离子体负载的原理图。请参阅图1，阻抗匹配装置2设置在射频功率源1与等离子体负载3之间。阻抗匹配装置2用于使射频功率源1与等离子体负载（等离子体反应腔室）3之间的阻抗共轭匹配。

阻抗匹配装置2包括阻抗匹配网络21、获取单元22以及自动控制单元23，其中，

阻抗匹配网络21采用“倒L”型网络，具体地，阻抗匹配网络21包括第一电容C1和第二电容C2，等离子体负载3的一端与射频功率源1连接，另一端接地；第二电容C2串联在射频功率源1与等离子体负载3之间；第一电容C1的一端与等离子体负载3连接，另一端接地。

自动控制单元23，其在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时，首先调节第一电容C1的阻抗值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，再调节第二电容C2的阻抗值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度从而使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗共轭匹配；在实际使用过程中，由于等离子体负载的阻抗容易受其它因素的影响，需要不断地调节阻抗匹配网络的输入阻抗以使其与射频功率源的输出阻抗匹配，自动控制单元23不断地重复上述调节步骤，使射频功率源的输出阻抗与阻抗匹配网络的输入阻抗实现动态的共轭匹配，其中，阻抗实部偏差为阻抗匹配网络输入阻抗的实部与射频功率源输出阻抗的实部之间的偏差，阻抗虚部偏差为阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。

该自动控制单元23首先自动调节第一电容C1使阻抗匹配网络的阻抗实部与匹配射频功率源的输出阻抗实部匹配，再调节第二电容C2使阻抗匹配网络的阻抗虚部与匹配射频功率源的输出阻抗虚部匹配，缩短了阻抗匹配的时间，从而提高了等离子体加工设备的生产效率。

第一实施例阻抗匹配装置还包括第一获取单元22a，用于获取阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。图2为本发明第一实施例第一获取单元的原理框图。如图2所示，第一获取单元22a包括：

第一检测模块221，用于实时获取阻抗匹配网络的电压和电流；

第一计算模块222，用于根据由第一检测模块221获取的阻抗匹配网络的电压和电流获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值|Z|和相位θ。

其中，第一检测模块221可以为低频传感器或其它传感器。第一计算模块222将由第一检测模块221获取的阻抗匹配网络的电压V和电流I，利用鉴幅和鉴相方法获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值|Z|和相位θ。相对与现有技术中的探针而言，由于用于获得输入阻抗的模值|Z|和相位θ的传感器成本低，因此，可以降低阻抗匹配装置的生产成本。

在介绍自动控制单元结构之前，首先对第一实施例提供的阻抗匹配网络的工作原理进行介绍。

射频功率源的输出阻抗包括输出阻抗实部和输出阻抗虚部；阻抗匹配网络的输入阻抗包括输入阻抗实部和输入阻抗虚部；输出阻抗实部与输入阻抗实部的差值为阻抗实部偏差，输出阻抗虚部与输入阻抗虚部的差值为阻抗虚部偏差。

等离子体负载3的等效阻抗Z_L为式（1），

Z_L=R_L+jX_L    (1)

在式（1）中，R_L表示等离子体负载的等效电阻，X_L表示等离子体反应腔室的等效电抗，j为虚部符号。

阻抗匹配网络的输入阻抗Z为式（2），

$Z=\left|Z\right|\cos \mathrm{\θ}+j\left|Z\right|\sin \mathrm{\θ}$

$=R+\mathrm{jX}$ $\left(2\right)$

$=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}+\frac{1}{\frac{1}{R_L+{\mathrm{jX}}_L}+{\mathrm{j\ωC}}_1}$

$=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}+\frac{R_L+{\mathrm{jX}}_L}{1-{\mathrm{\ωC}}_1{X}_L+{\mathrm{j\ωC}}_1{R}_L}$

$=\frac{(R_L^2+X_L^2)\·R_L}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}+j\{\frac{(R_L^2+X_L^2)\·[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_2]}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_2}\}$

在式（2）中，|Z|表示阻抗匹配网络输入阻抗的模值，θ表示阻抗匹配网络输入阻抗的相位，j为虚部符号，R_L表示等离子体负载的等效电阻，X_L表示等离子体反应腔室的等效电抗，C₁表示第一电容的电容量，C₂表示第二电容的电容量，ω表示角速度（角频率）。

由公式（2）可知，阻抗匹配网络输入阻抗的实部R和阻抗匹配网络输入阻抗的虚部X分别为式（3）和式（4）：

$R=\frac{(R_L^2+X_L^2)\·R_L}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}---\left(3\right)$

$X=\frac{(R_L^2+X_L^2)\·[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_2}---\left(4\right)$

本实施例射频功率源的输出阻抗为恒定值A，如50Ω，即，射频功率源的输出阻抗的实部为50，射频功率源输出阻抗的虚部为0。

因此，阻抗实部偏差ΔR和阻抗虚部偏差ΔX分别为式（5）和式（6），

$\mathrm{\ΔR}=R-A=\frac{(R_L^2+X_L^2)\·R_L}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}-A---\left(5\right)$

$\mathrm{\ΔX}=X-0=\frac{(R_L^2+X_L^2)\·[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}{R_L^2+{[X_L-(R_L^2+X_L^2)\·{\mathrm{\ωC}}_1]}^2}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_2}---\left(6\right)$

由式（5）可知，阻抗匹配网络输入阻抗的实部偏差ΔR只与第一电容C1有关，调节第二电容C2不会影响阻抗匹配网络输入阻抗的实部偏差ΔR。使用时，首先调整第一电容C1使匹配网络输入阻抗的实部偏差ΔR满足要求，然后调整第二电容C2使匹配网络输入阻抗的虚部偏差ΔX满足要求，因为此时调整第一电容C1对匹配网络输入阻抗的实部无影响。

第一电容C1的调整量ΔC₁和第二电容C2的调整量ΔC₂分别为式（7）和式（8），

ΔC₁=-K₁×(R-A)=-K₁×(|Z|cosθ-A)       （7）

ΔC₂=-K₂×(X-0)=-K₂×|Z|sinθ           （8）

其中，K₁和K₂为比例系数，而且为可调的参数。

根据式(7)、(8)不断地调谐，可以使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗的偏差降至预设的精度范围内甚至降为零，从而使射频功率源1和等离子体负载3进入共轭匹配状态。在实际使用过程中，为缩短阻抗匹配的时间，也可以根据阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差同时调整第一电容C1和第二电容C2。

基于上述阻抗匹配网络的工作原理，图3为本发明第一实施例自动控制单元的原理框图。请参阅图3，自动控制单元23包括：

第二计算模块231，用于根据阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得阻抗匹配网络输入阻抗的实部和阻抗匹配网络输入阻抗的虚部。

第三计算模块232，用于根据阻抗匹配网络输入阻抗的实部和射频射频功率源输出阻抗的实部获得阻抗实部偏差，以及根据阻抗匹配网络输入阻抗虚部和射频射频功率源输出阻抗的虚部获得阻抗虚部偏差。

第一判断模块233a，用于判断阻抗实部偏差是否大于第一预设精度，若判断出阻抗实部偏差大于第一预设精度，则根据阻抗实部偏差获得第一电容调整量。第一电容调整量根据公式①获得，

ΔC₁=-K₁×ΔR           ①

其中，ΔC₁表示第一电容调整量，K₁表示比例系数，ΔR表示阻抗实部偏差。

第一执行模块234a，用于根据第一电容调整量调整第一电容的阻抗值。

第二判断模块233b，用于判断阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度，若判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度，则根据阻抗虚部偏差获得第二电容调整量。第二电容调整量根据公式②获得，

ΔC₂=-K₂×ΔX            ②

其中，ΔC₂表示第二电容调整量，K₂表示比例系数，ΔX表示阻抗虚部偏差。

第二执行模块234b，用于根据第二电容调整量调整第二电容的阻抗值。

在第一实施例中，第一电容C1和第二电容C2可以采用真空可变电容或机械可变电容等可变电容，调节第一电容C1和第二电容C2可以改变阻抗匹配网络的输入阻抗。第一执行模块234a和第二执行模块234b均为步进电机。也就是说，通过步进电机来调节可变电容的阻抗，从而使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗共轭匹配。

需要说明的是，本实施例提供的阻抗匹配装置可以用于高频功率源、低频功率源与等离子体负载之间的阻抗共轭匹配，优选用于射频频率范围为400～2000kHz的射频功率源与等离子体负载之间的阻抗共轭匹配。

本实施例提供的阻抗匹配装置通过自动控制单元自动调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度，以及调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度，从而使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配，进而缩短了阻抗匹配的时间，提高了生产效率。另外，该阻抗匹配装置是根据阻抗的模值和相位获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，而不是使用高精度的探针获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，从而降低了阻抗匹配装置的生产成本，而且提高了阻抗匹配的可靠性。

本发明第二实施例提供一种阻抗匹配方法，该阻抗匹配方法基于第一实施例提供的阻抗匹配装置，使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配。阻抗匹配装置如第一实施例的阻抗匹配装置，在此不再详细赘述。图4为本发明第二实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图。如图4所示，该阻抗匹配方法包括：

步骤S11，获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，其中，所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部与所述射频功率源输出阻抗的实部之间的偏差，所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与所述射频功率源输出阻抗的虚部之间的偏差。

步骤S12，若判断出阻抗实部偏差大于第一预设精度，根据阻抗实部偏差获得第一电容调整量，并根据第一电容调整量对第一电容进行调节；

步骤S13，若判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度，根据阻抗虚部偏差获得第二电容调整量，并根据第二电容调整量对第二电容进行调整。

本实施例通过自动控制单元分别根据阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差先后自动调节第一电容和第二电容，从而使所述射频功率源和所述等离子体负载之间的阻抗实现共轭匹配，从而缩短了阻抗匹配的时间，提高了生产效率。

本发明第三实施例提供的阻抗匹配方法，该阻抗匹配方法基于阻抗匹配装置，使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配。阻抗匹配装置如第一实施例的阻抗匹配装置，在此不再赘述。图5为本发明第三实施例提供的一种阻抗匹配方法的流程图。如图5所示，该阻抗匹配方法包括：

步骤S201，获取阻抗匹配网络的电压和电流及射频功率源的输出阻抗。

步骤S202，根据阻抗匹配网络的电压和电流获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。

在步骤S202中，根据步骤S201获取的阻抗匹配网络的电压V和电流I并通过鉴幅和鉴相方法获得阻抗匹配网络输入阻抗的模值|Z|和相位θ。

步骤S203，根据阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得匹配网络的输入阻抗。

步骤S204，判断阻抗匹配网络的输入阻抗和射频电源的输出阻抗是否共轭匹配，若判断出阻抗匹配网络的输入阻抗和射频电源的输出阻抗未共轭匹配，执行步骤205；若判断出阻抗匹配网络的输入阻抗和射频电源的输出阻抗共轭匹配，则执行步骤201。

本实施例中，阻抗匹配网络2的输入阻抗为Z，射频功率源的输出阻抗为A，则步骤203具体可以为：判断射频功率源的输出阻抗A和阻抗匹配网络的输入阻抗Z之差是否为0，若判断出射频功率源的输出阻抗A和阻抗匹配网络的输入阻抗Z之差不为0，则表明阻抗匹配网络的输入阻抗和射频功率源的输出阻抗未共轭匹配；若判断出射频功率源的输出阻抗A和阻抗匹配网络的输入阻抗Z之差为0，则表明阻抗匹配网络的输入阻抗和射频功率源的输出阻抗共轭匹配。

步骤S205，根据阻抗匹配网络的输入阻抗和射频功率源的输出阻抗，获得阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差。

射频功率源的输出阻抗仅包括输出阻抗实部A，其输出阻抗虚部为0；而阻抗匹配网络的输入阻抗Z包括输入阻抗实部|Z|cosθ和输入阻抗虚部|Z|sinθ。则本步骤具体包括：将输入阻抗实部|Z|cosθ减去输出阻抗实部A，得出阻抗实部偏差ΔR，即：ΔR=|Z|cosθ-A；以及将输入阻抗虚部|Z|sinθ减去0，得出阻抗虚部偏差ΔX，即：ΔX=|Z|sinθ。例如：输出阻抗实部A=50W。

步骤S206，判断阻抗实部偏差是否大于第一预设精度，若判断出阻抗实部偏差大于第一预设精度，执行步骤S207；若判断出阻抗实部偏差小于或者等于第一预设精度，执行步骤S209。

本实施例中，第一预设精度可根据需要预先设定。本步骤中，若判断出阻抗实部偏差大于第一预设精度，表明输入阻抗实部需要进行调整，则执行步骤S207；若判断出阻抗实部偏差小于或者等于第一预设精度，表明输入阻抗实部无需进行调整，则执行步骤S209。

步骤S207，根据阻抗实部偏差获得第一电容调整量。

在步骤S207中，第一电容调整量是将阻抗实部偏差ΔR与第一比例系数相乘，即根据公式①获得，

ΔC₁=-K₁×ΔR    ①

其中，ΔC₁表示第一电容调整量，K₁表示第一比例系数，ΔR表示阻抗实部偏差。ΔR由上述公式（5）获得。

步骤S208，根据第一电容调整量调节第一电容，并执行步骤S201。

本实施例中，根据第一电容调整量ΔC₁对第一电容C1进行调整，从而实现对输入阻抗实部的调整。

步骤S209，判断阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度，若判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度，执行步骤S210；若判断出阻抗虚部偏差小于或者等于第二预设精度，执行步骤S201。

本实施例中，第二预设精度可根据需要预先设定。本步骤中，若判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度，表明输入阻抗虚部需要进行调整，则执行步骤S210；若判断出阻抗虚部偏差小于或者等于第二预设精度，表明输入阻抗虚部无需进行调整，则执行步骤S201。

步骤S210，根据阻抗虚部偏差获得第二电容调整量。

在步骤S210中，第二电容调整量是将阻抗虚部偏差ΔX与第二比例系数K₂相乘，即根据公式②获得，

ΔC₂=-K₂×ΔX    ②

其中，ΔC₂表示第二电容调整量，K₂表示第二比例系数，ΔX表示阻抗实部偏差。ΔX由上述公式（6）获得。

步骤S211，根据第二电容调整量调节第二电容，并执行步骤S201。

本实施例中，根据第二电容调整量ΔC₂对第二电容C2进行调整，从而实现对输入阻抗实部的调整。

需要说明的是，第三实施例是先对第一电容C1进行调整，以调节阻抗匹配网络输入阻抗的实部，然后对第二电容C2进行调整，以调节阻抗匹配网络输入阻抗的虚部。但本发明并不局限于此。为了加快阻抗匹配的效率，可以同时对第一电容C1和第二电容C2进行调整，以缩短阻抗匹配的时间。

本实施例提供的阻抗匹配方法可通过上述第一实施例提供的阻抗匹配装置实现。其中，步骤S201和步骤S202可由获取单元22执行，而步骤S203至步骤S211可由自动控制单元23中的第二计算模块231、第三计算模块232、第一判断模块233a、第一执行模块234a、第二判断模块233b以及第二执行模块234b执行。

进一步地，本实施例中，步骤S201之前还可以包括：步骤S200、判断是否退出阻抗匹配方法的流程，若否，则执行步骤S201；若是，则流程结束。则本实施例中，步骤S203、步骤S208、步骤S209和步骤S211之后可先执行步骤S200。

本实施例提供的阻抗匹配方法基于阻抗匹配装置，其包括阻抗匹配网络和自动自动控制单元，阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容，第一电容的一端与等离子体负载连接，第一电容的另一端接地，等离子体负载接地，第二电容串联在射频功率源和等离子体负载之间；获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，并在判断阻抗实部偏差大于第一预设精度时，调节第一电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的实部与射频功率源输出阻抗的实部匹配；在判断出阻抗虚部偏差大于第二预设精度时，调节第二电容以使阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与射频功率源输出阻抗的虚部匹配，即通过调节第一电容使阻抗实部偏差达到第一预设精度，调节第二电容使阻抗虚部偏差达到第二预设精度，以使阻抗匹配网络输入阻抗与射频功率源输出阻抗自动匹配，从而可以降低阻抗匹配装置的生产成本，提高阻抗匹配的可靠性，而且可以缩短阻抗匹配的时间，提高生产效率。

还需说明的是，第一实施例提供的阻抗匹配装置以及第二实施例、第三实施例提供的阻抗匹配方法不仅适用于低频功率源与等离子体负载之间的阻抗共轭匹配，而且适用于高频功率源与等离子体负载之间的阻抗共轭匹配。

本发明第四实施例提供一种基片加工设备，图6为本发明第四实施例提供的一种基片加工设备的结构示意图。如图6所示，基片加工设备包括射频功率源61、反应腔室63以及阻抗匹配装置62，阻抗匹配系统62设置在射频功率源61和反应腔室63之间，以使射频功率源61和反应腔室63之间的阻抗共轭匹配，其中，反应腔室63作为上述第一实施例中的等离子体负载，阻抗匹配装置采用第一实施例中阻抗匹配系统。

本实施例提供的基片加工设备采用第一实施例提供的阻抗匹配装置，可以降低等离子体加工设备的生产成本，提高生产效率。

本实施例提供的基片加工设备可以为深硅刻蚀设备、太阳能电池片加工设备或者物理气相沉积设备。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种阻抗匹配装置，用于将射频能量从射频功率源耦合至等离子体负载，包括阻抗匹配网络，其包括第一电容和第二电容，所述等离子体负载的一端与所述射频功率源连接，另一端接地；所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间；所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接，另一端接地；

其特征在于，还包括自动控制单元，在调节阻抗匹配网络的输入阻抗时，首先调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，然后调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度，重复上述调节步骤，使阻抗匹配网络的输入阻抗与射频功率源的输出阻抗实现共轭匹配；

其中，所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的实部与所述射频功率源的输出阻抗的实部之间的偏差，所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配装置的输入阻抗的虚部与所述射频功率源的输出阻抗的虚部之间的偏差。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，还包括第一获取单元，其包括：

第一检测模块，用于实时获取所述阻抗匹配网络的输入电压和电流；

第一计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络的输入电压和电流计算所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述自动控制单元包括：

第二计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部；

第三计算模块，用于根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部和所述射频功率源输出阻抗的实部获得所述阻抗实部偏差，以及根据所述阻抗匹配网络输入阻抗虚部和所述输出阻抗的虚部获得所述阻抗虚部偏差。

4.根据权利要求3所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述自动控制单元还包括：

第一判断模块，用于判断所述阻抗实部偏差是否大于第一预设精度，若所述阻抗实部偏差大于第一预设精度，则根据所述阻抗实部偏差计算第一电容调整量；

第一执行模块，用于根据所述第一电容调整量调整所述第一电容的阻抗值；

第二判断模块，用于判断所述阻抗虚部偏差是否大于第二预设精度，若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度，则根据所述阻抗虚部偏差获得第二电容调整量；

第二执行模块，用于根据所述第二电容调整量调整所述第二电容的阻抗值。

5.根据权利要求4所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述输入阻抗实部为|Z|cosθ，所述输入阻抗虚部为|Z|sinθ，其中，|Z|为输入阻抗的模值，θ为所述输入阻抗的相位。

6.根据权利要求4所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一执行模块和所述第二执行模块为步进电机。

7.根据权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述射频功率源的射频频率范围为400～2000kHz。

8.一种阻抗匹配方法，通过阻抗匹配装置使射频功率源和等离子体负载之间的阻抗共轭匹配，所述阻抗匹配装置包括阻抗匹配网络和自动控制单元，

所述阻抗匹配网络包括第一电容和第二电容，所述等离子体负载的一端接地，另一端与所述射频功率源连接；所述第二电容串联在所述射频功率源与所述等离子体负载之间；所述第一电容的一端与所述等离子体负载连接，另一端接地；

所述自动控制单元用于调节所述第一电容的电容值使阻抗实部偏差小于或等于第一预设精度，以及调节所述第二电容的电容值使阻抗虚部偏差小于或等于第二预设精度；

其特征在于，所述方法包括：

获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差，其中，所述阻抗实部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的实部与所述射频功率源输出阻抗的实部的之间偏差，所述阻抗虚部偏差为所述阻抗匹配网络输入阻抗的虚部与所述射频功率源输出阻抗的虚部之间的偏差；

若判断出所述阻抗实部偏差大于第一预设精度，根据所述阻抗实部偏差获得所述第一电容调整量，并根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节；

若判断出所述阻抗虚部偏差大于第二预设精度，根据所述阻抗虚部偏差获得所述第二电容调整量，并根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整。

9.根据权利要求8所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述获取阻抗实部偏差和阻抗虚部偏差的步骤包括：

获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位及射频功率源的输出阻抗；

根据所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位获得所述阻抗匹配网络的输入阻抗；

根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差。

10.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤包括：

实时获取所述阻抗匹配网络的电压和电流；

根据所述阻抗匹配网络的电压和电流获得所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位。

11.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节步骤之后还包括：

继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

12.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整步骤之后还包括：

继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

13.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗之后还包括：

判断所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗是否共轭匹配；

若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗未共轭匹配，执行根据所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗，获得所述阻抗实部偏差和所述阻抗虚部偏差的步骤；

若判断出所述阻抗匹配网络的输入阻抗和所述射频功率源的输出阻抗共轭匹配，继续执行所述获取所述阻抗匹配网络输入阻抗的模值和相位的步骤。

14.根据权利要求8所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据所述第一电容调整量对所述第一电容进行调节的步骤以及所述根据所述第二电容调整量对所述第二电容进行调整的步骤同时进行。

15.一种基片加工设备，包括射频功率源、反应腔室以及设置在所述射频功率源和所述反应腔室之间的阻抗匹配装置，其特征在于，所述阻抗匹配装置采用权利要求1-7任意一项所述的阻抗匹配装置。

16.根据权利要求15所述的基片加工设备，其特征在于，所述基片设备为深硅刻蚀设备、太阳能电池片加工设备或者物理气相沉积设备。

Images