CN105227154A - 一种阻抗匹配装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻抗匹配装置，其连接于电源和反应腔室之间，且包括匹配网络，匹配网络包括可变电容和第一可变电容单元，第一可变电容单元包括相互并联的多个支路，在每条支路上设置有固定电容和用于接通或断开该支路的通断开关；通过按预设规则选择性地开启所有支路中的至少一个支路上的所述通断开关，来调节第一可变电容单元的总容值。上述阻抗匹配装置可以快速调节第一可变电容单元的总容值，从而可以快速地调节电源的负载导纳的实部或虚部的大小，避免在反应腔室的导纳的实部或虚部变化速度较快，和/或，反应腔室的导纳的实部或虚部变化范围较大时产生失配。

Description

一种阻抗匹配装置

技术领域

本发明涉及半导体设备制造领域，具体地，涉及一种阻抗匹配装置。

背景技术

在半导体加工设备中，匹配器一般连接于射频电源和反应腔室之间，用于调节射频电源的负载导纳，使射频电源的负载导纳与输出导纳相匹配，从而避免产生功率反射。

图1为现有的匹配器的示意框图。如图1所示，匹配器1包括检测单元2、运算和控制单元3、执行单元4和匹配网络5。其中，执行单元4为步进电机；匹配网络5由多个可变电容和电感等阻抗可调元件组成。具体地，在工艺过程中，检测单元2检测射频电源的输出电压和电流等信号，并向运算和控制单元3发送检测信号；运算和控制单元3根据该检测信号通过相应的计算方法计算出匹配网络5中阻抗可调元件所需的调整量，并向执行单元4发送控制信号；执行单元4根据该控制信号，控制步进电机的转动，并调节匹配网络5中阻抗可调元件的阻抗值，以使射频电源的负载导纳与其输出导纳匹配。

由于上述匹配器1是通过控制步进电机的转动来调节匹配网络5的阻抗值，这使得匹配器1的调节速度受限于步进电机的转动速度，从而在反应腔室的导纳变化较大时，匹配器1的调节速度相对较慢，难以适应反应腔室的导纳的变化速度，进而往往造成失配，使工艺无法进行。

现有技术中也有使用扫频电源在预设频率范围内扫描，以使扫频电源的负载导纳的虚部与输出导纳的虚部在一定频率下相匹配，从而最终实现扫频电源的负载导纳与输出导纳的匹配。

但是，由于上述扫频电源的扫频范围一般较小，这使得可以实现匹配的工艺窗口较小，即，其只能在较小的变化范围内，快速地实现扫频电源的负载导纳与输出导纳的匹配，从而无法满足负载变化较大的工艺。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种阻抗匹配装置，其可以在反应腔室的导纳的虚部(和/或实部)变化较快或在较大范围内变化时，快速地实现电源的负载导纳与输出导纳的匹配。

为实现本发明的目的而提供一种阻抗匹配装置，其连接于电源和反应腔室之间，且包括匹配网络，所述匹配网络包括可变电容和第一可变电容单元，所述第一可变电容单元包括相互并联的多个支路，在每条所述支路上设置有固定电容和用于接通或断开该支路的通断开关；通过按预设规则选择性地开启所有支路中的至少一个支路上的所述通断开关，来调节第一可变电容单元的总容值。

其中，所述可变电容用于调节电源负载导纳的实部的大小，其串接于电源与反应腔室之间；所述第一可变电容单元用于调节电源负载导纳的虚部的大小，其每个支路的第一端连接于电源和可变电容之间，第二端接地。

其中，所述第一可变电容单元用于调节电源负载导纳的实部的大小，其多个支路串接于电源和反应腔室之间；所述可变电容用于调节电源负载导纳的虚部的大小，其第一端连接于所述电源和所述第一可变电容单元之间，第二端接地。

其中，在所述第一可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；并且所述预设规则为：按待接通的各个支路上固定电容的容值由小至大的先后顺序，依次开启所述待接通的各个支路上的所述通断开关；以及，按已接通的各个支路上的固定电容的容值由大至小的先后顺序，依次关闭所述已接通的各个支路上的所述通断开关。

其中，每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，其中，n为容值小于该固定电容的容值的所有固定电容的数量；所述预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为所述最小容值；以及，关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为所述最小容值。

其中，所述匹配网络为L型、T型或π型。

本发明还提供另一种阻抗匹配装置，其连接于电源和反应腔室之间，且包括匹配网络，所述匹配网络包括用于调节所述电源负载导纳的大小的第一、第二可变电容单元，其中，所述第一、第二可变电容单元各自包括相互并联的多条支路，在每条所述支路上设置有固定电容以及用于接通或断开该支路的通断开关；通过按预设规则选择性地开启所有支路中的至少一个支路上的所述通断开关，来分别调节第一、第二可变电容单元的总容值。

其中，在所述第一可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；和/或，在所述第二可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；并且，所述预设规则为：按待接通的各个支路上固定电容的容值由小至大的先后顺序，依次开启所述待接通的各个支路上的所述通断开关；以及，按已接通的各个支路上的固定电容的容值由大至小的先后顺序，依次关闭所述已接通的各个支路上的所述通断开关。

其中，每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，其中，n为容值小于该固定电容的容值的所有固定电容的数量；并且所述预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为所述最小容值；以及，关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为所述最小容值。

其中，所述匹配网络为L型、T型或π型。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种阻抗匹配装置，其通过可选择地将第一可变电容单元中多个支路的至少一个支路上的通断开关接通或断开来调节第一可变电容单元的总容值，可以在较大的范围内快速地调节匹配网络的导纳的虚部(或实部)，从而使本发明提供的阻抗匹配装置可以在反应腔室的导纳的虚部(或实部)变化范围较大，而实部(或虚部)变化范围不大时，实现电源的负载导纳与输出导纳的匹配的速度与反应腔室的导纳变化速度相适应，避免在反应腔室的导纳的虚部(或实部)变化速度较快，和/或，反应腔室的导纳的虚部(或实部)变化范围较大时产生失配。

本发明提供的另一种阻抗匹配装置，其通过可选择地将第一可变电容单元和第二可变电容单元中多个支路的至少一个支路上的通断开关接通或断开来调节第一可变电容单元和第二可变电容单元的总容值，可以在较大的范围内快速地调节匹配网络的导纳的实部和虚部的大小，从而使本发明提供的阻抗匹配装置可以在反应腔室的导纳变化范围较大时，实现电源的负载导纳与输出导纳的匹配的速度与反应腔室的导纳变化速度相适应，避免在反应腔室的导纳变化速度较快，和/或，反应腔室的导纳的实部或虚部变化范围较大时产生失配。

附图说明

图1为现有的匹配器的示意框图；

图2为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的电路示意图；以及

图3为本发明第二实施例提供的阻抗匹配装置的电路示意图。

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，下面结合附图来对本发明提供的阻抗匹配装置进行详细描述。

图2为本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置的电路示意图。请参看图2，阻抗匹配装置20连接于电源21和反应腔室22之间，用于调节电源21的负载导纳，使其与电源21的输出导纳相匹配。具体地，阻抗匹配装置20包括检测单元201、第一控制单元202和匹配网络203。其中，检测单元201用于检测电源21输出线路上的电压、电流等信号，通过相应的计算方法获得电源21的负载导纳的模值和相位等参数，并向第一控制单元202发送检测信号。第一控制单元202根据该检测信号，计算出电源21的负载导纳与输出导纳匹配时匹配网络203所需的导纳值(即匹配网络203所需调节至的目标导纳值)与匹配网络203的当前导纳值之间的差值，并向匹配网络203发送控制信号。

匹配网络203包括第一可变电容单元203a、可变电容203b和第二控制单元203c。其中，第一可变电容单元203a和可变电容203b分别用于调节电源21负载导纳的虚部和实部大小；具体地，如图2所示，可变电容203b串接于电源21和反应腔室22之间；第一可变电容单元203a包括相互并联的多条支路，在每条支路上设置有固定电容以及用于接通或断开该支路的通断开关；并且，第一可变电容单元203a中每个支路的第一端连接于电源21和可变电容203b之间，第二端接地。从而第一可变电容单元203a和可变电容203b形成“L型”的匹配网络，即匹配网络203。第二控制单元203c用于在工艺过程中接收第一控制单元202发出的控制信号，按预设规则选择性地开启或关闭第一可变电容单元203a的所有支路中的至少一个支路上的通断开关，来调节第一可变电容单元203a的总容值，从而调节匹配网络203的导纳的虚部的大小，以及调节可变电容203b的容值，从而调节匹配网络203的导纳的实部的大小，使匹配网络203的导纳与目标导纳值之间的差值在预设的允许误差范围之内，进而使电源21的负载导纳与输出导纳相匹配。

具体地，在第一可变电容单元203a中，设置每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，其中，n为容值小于该固定电容的容值的所有固定电容的数量。并且，在工艺过程中，设置接通第一可变电容单元203a中每个支路上的通断开关的预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为最小容值；以及，关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为最小容值。

具体而言，上述预设规则可用多位二进制参数P表述，该参数P的位数与第一可变电容单元203a中多个支路的数量相等，且参数P的每一位与第一可变电容单元203a中的一个支路上的通断开关对应，其二者之间的具体对应关系为：若参数P的某一位的值为0，则与该位对应的通断开关关闭，若参数P的某一位的值为1，则与该位对应的通断开关开启。在此情况下，上述预设规则表现为下述形式：若要增加第一可变电容单元203a的总容值，则执行P++，直至电源21的负载导纳的虚部与输出导纳的虚部之间的差值处于预设的允许误差范围之内；反之，若要减小第一可变电容单元203a的总容值，则执行P――，直至电源21的负载导纳的虚部与输出导纳的虚部之间的差值处于预设的允许的误差范围之内。

具体地，以P为四位二进制数为例，其具有第一位、第二位、第三位和第四位，其对应的支路上的固定电容的容值分别为a、2a、4a、8a。假设在初始状态下，第一位、第二位、第三位和第四位对应的支路均处于断开状态，其总容值为0；在此情况下，第二控制单元203c调节第一可变电容单元203a的容值时，若要增大第一可变电容单元203a的容值，则通过控制第一可变电容单元203a的多个支路上的通断开关，使参数P依次等于0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111……，即，使第一可变电容单元203a的容值依次为a、2a、3a、4a、5a、6a、7a……，直至第一可变电容单元203a的导纳的虚部与目标导纳值的虚部之间的差值在预设的允许误差范围之内。容易理解，在上述过程中，第一可变电容单元203a的容值每增大a时，均判断第一可变电容单元203a的导纳的虚部与目标导纳值的虚部之间的差值在预设的允许误差范围之内；若是，则实现了电源21的负载导纳的虚部和输出导纳的虚部的匹配；若否，则需继续调节第一可变电容单元203a的容值，在此情况下，还需要确定在下一步调节过程中增大其容值或减小其容值。第二控制单元203c调节第一可变电容单元203a的容值减小时，其原理和过程与上述类似，在此不再赘述。

容易理解，根据上述规则，在进行工艺过程之前，需要按照下述要求：在工艺过程中，调节第一可变电容单元203a的总容值后，匹配网络203的导纳的虚部与目标导纳值的虚部之间的差值在预设的允许误差范围之内；进行工艺试验，确定出多个固定电容中最小容值a，从而获得满足上述要求的多个固定电容的容值。

下面结合附图对本实施例提供的阻抗匹配装置实现电源21的负载导纳与输出导纳的匹配的原理和过程进行详细描述。

如图2所示，在工艺过程中，反应腔室22的导纳不断变化，在此情况下，检测单元201检测电源21输出线路上的电压、电流等信号，通过相应的计算方法获得电源21的负载导纳的模值和相位等参数，并向第一控制单元202发送检测信号；第一控制单元202根据该检测信号，计算出匹配网络203的目标导纳值与匹配网络203的当前导纳值之间的差值，并向匹配网络203发送控制信号；第二控制单元203c根据该控制信号，依据预设规则调节第一可变电容单元203a的总容值，使电源21的负载导纳的虚部与目标导纳值的虚部之间的差值在预设的允许误差范围之内，在此情况下，电源21的负载导纳的虚部与输出导纳的虚部相匹配；并且，调节可变电容203b的容值，使电源21的负载导纳的实部和其输出导纳的实部匹配；从而使电源21的负载导纳与输出导纳匹配。

本发明第一实施例提供的阻抗匹配装置，其通过可选择地将第一可变电容单元203a中多个支路的至少一个支路上的通断开关接通或断开来调节第一可变电容单元203a的总容值，可以在较大的范围内快速地调节电源21的负载导纳的虚部的大小，从而使本实施例提供的阻抗匹配装置可以在反应腔室22的导纳的虚部变化范围较大时，实现电源21的负载导纳与输出导纳的匹配的速度与反应腔室22的导纳变化速度相适应，避免在电源21的负载导纳的虚部变化速度较快，和/或，电源21的负载导纳的虚部变化范围较大时产生失配。

在本实施例中，第一可变电容单元203a的每个支路上的通断开关为射频继电器或PIN二极管。

在本实施例中，优选地，第一可变电容单元203a还包括一个与多个支路并联的固定电容，且该固定电容所在支路上不设有通断开关。

需要说明的是，在本实施例中，每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，相应的预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为最小容值；以及，关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为最小容值；但本发明并不限于此，在实际应用中，还可以设置第一可变电容单元203a中，不同支路上的固定电容的容值不同，并设置预设规则为：按待接通的各个支路上固定电容的容值由小至大的先后顺序，依次开启待接通的各个支路上的通断开关；以及，按已接通的各个支路上固定电容的容值由大至小的先后顺序，依次关闭已接通的各个支路上的通断开关。

还需要说明的是，在本实施例中，可变电容203b串接于电源21与反应腔室22之间，第一可变电容单元203a中每个支路的第一端连接于电源21和可变电容203b之间，第二端接地；但本发明并不限于此，在实际应用中，还可以将可变电容203b和第一可变电容单元203a的位置调换，即第一可变电容单元203a的多个支路串接于电源21和反应腔室22之间，可变电容203b的第一端连接于电源21和第一可变电容单元203a之间，第二端接地；在此情况下，第一可变电容单元203a用于调节电源21负载导纳的实部的大小，可变电容203b调节电源21负载导纳的虚部的大小；并且在反应腔室22的导纳的实部变化范围较大时，可以实现电源21的负载导纳与输出导纳的匹配的速度与反应腔室22的导纳变化速度相适应，避免在电源21的负载导纳的实部变化速度较快，和/或，电源21的负载导纳的实部变化范围较大时产生失配。

此外，在本实施例中，匹配网络为L型，但本发明并不限于此，在实际应用中，匹配网络还可以为T型或π型。

图3为本发明第二实施例提供的阻抗匹配装置的电路示意图。如图3所示，本实施例提供的阻抗匹配装置与上述第一实施例提供的阻抗匹配装置相比，同样包括检测单元201、第一控制单元202和匹配网络203，由于上述检测单元201、第一控制单元202和匹配网络203的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

下面仅就本实施例提供的阻抗匹配装置与上述第一实施例的不同之处进行详细描述。请参看图3，在本实施例提供的阻抗匹配装置中，匹配网络203包括第一可变电容单元203a＇、第二可变电容单元203b＇和第二控制单元203c＇；其中，第一可变电容单元203a＇用于调节电源21的负载导纳的实部的大小，其包括相互并联的多个支路，在每条支路上设置有固定电容和用于接通或断开该支路的通断开关；并且，第一可变电容单元203a＇中的多个支路串接于电源21和反应腔室22之间；第二可变电容单元203b＇用于调节电源21的负载导纳的虚部的大小，其包括相互并联的多个支路，在每条支路上设置有固定电容和用于接通或断开该支路的通断开关；并且，第二可变电容单元203b＇中每个支路的第一端连接于电源21和第一可变电容单元203a＇之间，第二端接地。在工艺过程中，通过按预设规则选择性地开启第一可变电容单元203a＇和第二可变电容单元203b＇的所有支路中的至少一个支路上的通断开关，来调节第一可变电容单元203a＇和第二可变电容203b＇的总容值，进而调节电源21负载导纳的大小。具体地，该预设规则和上述第一实施例中调节第一可变电容单元203a的预设规则相同，在此不再赘述。

本实施例提供的阻抗匹配装置，其通过可选择地将第一可变电容单元203a＇和第二可变电容单元203b＇中多个支路的至少一个支路上的通断开关接通或断开来调节第一可变电容单元203a＇和第二可变电容单元203b＇的总容值，可以在较大的范围内快速地调节电源21的负载导纳的实部和虚部，从而使本实施例提供的阻抗匹配装置可以在电源21的负载导纳变化范围较大时，实现电源21的负载导纳与输出导纳的匹配的速度与反应腔室22的导纳变化速度相适应，避免在电源21的负载导纳的实部或虚部变化速度较快，和/或，电源21的负载导纳的实部或虚部变化范围较大时产生失配。

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 (10)

1.一种阻抗匹配装置，其连接于电源和反应腔室之间，且包括匹配网络，其特征在于，所述匹配网络包括可变电容和第一可变电容单元，

所述第一可变电容单元包括相互并联的多个支路，在每条所述支路上设置有固定电容和用于接通或断开该支路的通断开关；

通过按预设规则选择性地开启所有支路中的至少一个支路上的所述通断开关，来调节第一可变电容单元的总容值。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述可变电容用于调节电源负载导纳的实部的大小，其串接于电源与反应腔室之间；所述第一可变电容单元用于调节电源负载导纳的虚部的大小，其每个支路的第一端连接于电源和可变电容之间，第二端接地。

3.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一可变电容单元用于调节电源负载导纳的实部的大小，其多个支路串接于电源和反应腔室之间；所述可变电容用于调节电源负载导纳的虚部的大小，其第一端连接于所述电源和所述第一可变电容单元之间，第二端接地。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，在所述第一可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；并且

所述预设规则为：按待接通的各个支路上固定电容的容值由小至大的先后顺序，依次开启所述待接通的各个支路上的所述通断开关；以及，按已接通的各个支路上的固定电容的容值由大至小的先后顺序，依次关闭所述已接通的各个支路上的所述通断开关。

5.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，其中，n为容值小于该固定电容的容值的所有固定电容的数量；

所述预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为所述最小容值；以及，

关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为所述最小容值。

6.根据权利要求1所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述匹配网络为L型、T型或π型。

7.一种阻抗匹配装置，其连接于电源和反应腔室之间，且包括匹配网络，其特征在于，所述匹配网络包括用于调节所述电源负载导纳的大小的第一、第二可变电容单元，其中，所述第一、第二可变电容单元各自包括相互并联的多条支路，在每条所述支路上设置有固定电容以及用于接通或断开该支路的通断开关；

通过按预设规则选择性地开启所有支路中的至少一个支路上的所述通断开关，来分别调节第一、第二可变电容单元的总容值。

8.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，在所述第一可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；和/或，在所述第二可变电容单元中，不同支路上的固定电容的容值不同；并且，

所述预设规则为：按待接通的各个支路上固定电容的容值由小至大的先后顺序，依次开启所述待接通的各个支路上的所述通断开关；以及，按已接通的各个支路上的固定电容的容值由大至小的先后顺序，依次关闭所述已接通的各个支路上的所述通断开关。

9.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，每个固定电容的容值是所有固定电容的容值中的最小容值的2ⁿ倍，其中，n为容值小于该固定电容的容值的所有固定电容的数量；并且

所述预设规则为：开启容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，开启某一支路上的通断开关，同时关闭多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递增，且每次递增的容值为所述最小容值；以及，

关闭容值最小的固定电容所在支路上的通断开关，或者，关闭某一支路上的通断开关，同时开启多个固定电容中容值小于该支路上的固定电容的固定电容所在支路上的通断开关，使多个支路的总容值逐步递减，且每次递减的容值为所述最小容值。

10.根据权利要求7所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述匹配网络为L型、T型或π型。