CN105471404A - 阻抗匹配网络及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻抗匹配网络及等离子体处理设备。其中该阻抗匹配网络包括第一连接端、第二连接端和接地端，还包括第一电感、第二电感、第一可变电容和第二可变电容。其中：第一电感一端与第一连接端连接，另一端与第二可变电容连接；第二可变电容一端与第二连接端连接，另一端与第一电感连接；第二电感和第一可变电容并联后，一端与接地端连接，另一端连接在第一电感与第二可变电容之间。其可根据接入的负载调节两个可变电容，达到连接到电源的总负载与电源自身特征阻抗共轭的效果，从而减小由于功率反射造成的功率浪费及对电源的损伤。同时，可变电容的调整可实现连续的阻抗调整，调节精度高。

Description

阻抗匹配网络及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及电阻电路领域，尤其涉及一种阻抗匹配网络及等离子体处理设备。

背景技术

等离子体设备广泛用于半导体、太阳能电池和平板显示等制作工艺中，如各种薄沉积膜，或等离子体刻蚀等。目前的等离子体产生方式很多，对所施加的功率从频段上来分，通常包括直流，射频和微波，而射频又分为：低频(30kHz-300kHz)、中频(300kHz-2MHz)、高频(2MHz-30MHz)、超高频(30MHz-300MHz)。

众所周知，采用的射频电源本身有其自身特征阻抗，而对于等离子体负载的阻抗一般不会恰好与电源本身的特征阻抗相等，根据传输线理论，当电源的特征阻抗与负载的阻抗不共轭，暨阻抗不匹配时，射频电源输出功率无法完全加载到负载上，会有功率反射，这样会造成功率浪费，同时反射回电源的功率会对电源本身有损害。

因此需要添加辅助电阻到负载端，使负载与添加的辅助电阻的总和与电源自身的特征阻抗尽量相等，减小功率的浪费。传统技术中，有采用添加变压器的方式来进行阻抗匹配调节的，其通过改变变压器初级和次级的匝数比，以及调整电容的大小来实现电源输出端的总阻抗。但是此调整方法调整范围有限，且匹配阻抗不连续，匹配精度差。

发明内容

基于此，有必要针对上述的传统技术中阻抗匹配不连续、精度差的问题，提出一种阻抗调整范围大，精度高的阻抗匹配网络及等离子体处理设备。

为实现本发明目的提供的一种阻抗匹配网络，包括第一连接端、第二连接端和接地端，还包括第一电感、第二电感、第一可变电容和第二可变电容，其中：

所述第一电感一端与所述第一连接端连接，另一端与所述第二可变电容连接；

所述第二可变电容一端与所述第二连接端连接，另一端与所述第一电感连接；

所述第二电感和所述第一可变电容并联后，一端与所述接地端连接，另一端连接在所述第一电感与所述第二可变电容之间。

作为一种阻抗匹配网络的可实施方式，所述第一连接端连接电源，所述第二连接端连接负载；或者，

所述第一连接端连接负载，所述第二连接端连接电源。

作为一种阻抗匹配网络的可实施方式，所述电源为中频电源或者低频电源。

作为一种阻抗匹配网络的可实施方式，所述电源频率范围为100KHz～800KHz。

作为一种阻抗匹配网络的可实施方式，所述电源频率范围为400KHz±10％。

作为一种阻抗匹配网络的可实施方式，所述第一电感为300μH，所述第二电感为150μH，所述第一可变电容的范围为500pF～1500pF，所述第二可变电容的范围为300pF～1500pF。

基于同一发明构思的一种等离子体处理设备，包括用于产生等离子体的第一电极和第一功率源，用于放置晶片的第二电极和第二功率源，还包括一个前述的阻抗匹配网络；

所述阻抗匹配网络的所述第一连接端与所述第一电极连接，所述第二连接端与所述第一功率源相连；或者，

所述阻抗匹配网络的所述第二连接端与所述第二电极连接，所述第一连接端与所述第二功率源相连。

基于同一发明构思的另一种等离子体处理设备，包括用于产生等离子体的第一电极和第一功率源，用于放置晶片的第二电极和第二功率源，还包括两个前述的阻抗匹配网络；

其中，一个所述阻抗匹配网络的所述第一连接端与所述第一电极连接，所述第二连接端与所述第一功率源相连；且，另一个所述阻抗匹配网络的所述第二连接端与所述第二电极连接，所述第一连接端与所述第二功率源相连。

作为一种等离子体处理设备的可实施方式，所述等离子体设备为电感耦合等离子体刻蚀设备。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的一种阻抗匹配网络及等离子体处理设备，通过由两个固定的电感和两个可变电容构成电路结构基本对称的T型阻抗匹配网络，使得将匹配网络的输入输出倒置，阻抗匹配范围基本相同，从而，可以同时用于等离子体处理设备的上下电极，增加了阻抗匹配网络的通用性，降低了设备复杂度。并且基本对称的T型匹配网络的匹配范围大于传统匹配网络的匹配范围，充分满足中低频阻抗匹配的应用。同时，可变电容的调整可实现连续的阻抗调整，调节精度高。

附图说明

图1为本发明一种阻抗匹配网络的一具体实施例的结构示意图；

图2为本发明一种阻抗匹配网络的一具体实施例的阻抗调整范围示意图；

图3为传统技术的阻抗调整范围示意图；

图4为本发明一种阻抗匹配网络的另一具体实施例的结构示意图；

图5为本发明一种阻抗匹配网络的另一具体实施例的阻抗调整范围示意图；

图6为等离子体处理设备的一具体实施例的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的阻抗匹配网络及等离子体处理设备的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明其中一个实施例的阻抗匹配网络，如图1所示，图中虚线框部分为阻抗匹配网络部分，其包括第一连接端、第二连接端和接地端，还包括第一电感L1、第二电感L2、第一可变电容C1和第二可变电容C2。第一电感L1一端与第一连接端，另一端与第二可变电容C2。而第二可变电容C2的一端与第二连接端连接，另一端与第一电感连接。而第二电感L2首先和第一可变电容C1并联后，再将一端与接地端连接，另一端连接在第一电感L1与第二可变电容C2之间，从而，第一电感L1、第二电感L2、第一可变电容C1和第二可变电容C2构成T形的阻抗匹配网络。

此处，第一连接端作为输入端连接电源，第二连接端作为输出端连接负载。等离子体设备中供电的电源一般为中频或者低频电源。电源的自身特征电阻一般为50Ω。因此，进行工艺制作时，在连接负载之后，可根据负载的电阻调节所述的阻抗匹配网络，使由连接电源的输入端看过去，阻抗匹配网络和负载一起共同的电阻大小为50Ω，使电源的自身特征阻抗与负载的阻抗共轭，从而减小功率反射造成的功率浪费及对电源的损害。且通过第一可变电容和第二可变电容调节阻抗匹配网络部分的阻抗，调节灵活，可实现连续调节，调节精度高。

其中，电源可以为中频电源或者低频电源。而本发明实施例的阻抗匹配网络适用的频率范围较宽，在100KHz～800KHz范围内，而典型的应用频率为400KHz±10％。

在其中一个实施例中，选取第一电感L1为300μH，第二电感L2为150μH，第一可变电容C1的范围为500pF～1500pF，第二可变电容C2的范围为300pF～1500pF。且选择第一连接端作为输入端连接电源，其阻抗调节范围如图2(史密夫图表)所示，图中圆周线1和圆周线2之间都为可调节的范围。如图3所示，曲线01、02、03、04之间围成的曲线为传统的使用变压器进行调节的阻抗调节范围。由图2和图3可知，相对于传统的阻抗匹配网络，本发明的阻抗匹配网络完全能够满足要求，且调节的范围更大。且本发明的阻抗匹配网络内部的元器件在中频，通常为300KHz～500KHz，范围内功率损耗低。传统的使用变压器的阻抗匹配网络中，在中频电源时，存在磁芯磁滞损耗及磁芯和线包发热等问题，造成阻抗匹配网络内部的功率损耗。

作为本发明的另一优点，当第二可变电容C2连接到输出端之后再连接负载时，还能够起到隔直流的作用。

在其他阻抗匹配网络的实施例中，也可将如图1所示的阻抗匹配网络的输出端和输入端调换，即将第一连接端作为阻抗匹配网络的输出端连接负载，将第二连接端作为阻抗匹配网络的输入端连接电源，连接完成图如图4所示，各部件之间仍然构成T形结构。各部件的参数可仍采用前述的各参数。选取第一电感L1为300μH，第二电感L2为150μH，第一可变电容C1的范围为500pF～1500pF，第二可变电容C2的范围为300pF～1500pF。此匹配网络的阻抗调节范围为图5中曲线001和曲线002之间的区域，仍完全能够满足需求。由此可看出，本发明的阻抗匹配网络安装设置灵活，网络的输出端和输入端可颠倒使用调节范围相差不大，仍能满足需要。因此，增加了阻抗匹配网络的通用性。

同时，本发明还提供一种等离子体处理设备，如图6所示，包括用于产生等离子体的第一电极300和第一功率源100，以及用于放置晶片的第二电极600(静电卡盘)和第二功率源400。还包括2个前述的阻抗匹配网络，分别为与第一功率源连接的第一阻抗匹配网络200和与第二功率源400连接的第二阻抗匹配网络500。

此处需要说明的是，所述的第一功率源100及第二功率源400即为前述的中频电源或者低频电源。所述等离子体设备为电感耦合等离子体刻蚀设备。

通常，第一电极为电感耦合线圈的形式，当其与第一阻抗匹配网络200的第一连接端连接的第一电感L1相连时，可以获得更好的匹配效果，有利于等离子体激发。第二电极600一般会存在由等离子体产生的直流自偏压，而第二阻抗匹配网络500的第二连接端的第二可变电容C2在连接到负载时，能够起到隔直流的作用。所以，优选的，将第一阻抗匹配网络200的第一连接端与第一电极300连接，第二连接端与第一功率源100相连。第二阻抗匹配网络500的第二连接端与第二电极600连接，第一连接端与第二功率源400相连。从而，本发明的阻抗匹配网络可以同时用于等离子体处理设备的上下电极，增加了阻抗匹配网络的通用性，降低了设备复杂度。

当然，因为将由两个固定的电感和两个可变电容构成电路结构基本对称的T型阻抗匹配网络的输入输出倒置，阻抗匹配范围基本相同，所以阻抗匹配网络的连接方式并不限于此，例如，当等离子体设备采用电容耦合方式时，也可以将第一阻抗匹配网络的第一连接端与第一功率源连接，第二连接端与第一电极相连。当等离子体在第二电极上产生的直流自偏压信号较小，可以忽略时，也可以将第二阻抗匹配网络的第二连接端与第二功率源连接，第一连接端与第二电极相连。其他等离子体处理设备也可以根据自身的需求，选择不同的连接方式。

本发明实施例在等离子体处理设备的上下功率源都连接有阻抗匹配网络，可通过调节阻抗匹配网络使负载电阻与电源的特性阻抗共轭，从而使电源输出的功率完全加载到负载上，使效益最大化，同时也减少因为反射功率对电源造成的损害。且使用前述的阻抗匹配网络进行阻抗的调节，调节精度高，范围广。

在其他等离子体处理设备的实施例中，可以只设置一个与第一功率源100连接的阻抗匹配网络或者只设置一个与第二功率源400连接的阻抗匹配网络。

需要说明的是，利用前述的阻抗匹配网络结合连入网络的负载调节连接到电源输出端的阻抗的大小具体包括以下步骤：

S100，根据连入阻抗匹配网络的负载调节所述阻抗匹配网络中的第一可变电容和第二可变电容。其中，中频阻抗网络中的两个电感都是固定的，因此要调节阻抗时，对两个可变的电容进行调节。同样可选取第一电感L1为300μH，第二电感L2为150μH，第一可变电容C1的范围为500pF～1500pF，第二可变电容C2的范围为300pF～1500pF。

S200，判断所述阻抗匹配网络与所述负载的总电阻是否为50Ω。

S300，若是，则完成射频电源的阻抗调节。

S400，若否，则继续调节所述第一可变电容和/或所述第二可变电容。

阻抗匹配网络以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种阻抗匹配网络，包括第一连接端、第二连接端和接地端，其特征在于，还包括第一电感、第二电感、第一可变电容和第二可变电容，其中：

所述第一电感一端与所述第一连接端连接，另一端与所述第二可变电容连接；

所述第二可变电容一端与所述第二连接端连接，另一端与所述第一电感连接；

所述第二电感和所述第一可变电容并联后，一端与所述接地端连接，另一端连接在所述第一电感与所述第二可变电容之间。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配网络，其特征在于，所述第一连接端连接电源，所述第二连接端连接负载；或者，

所述第一连接端连接负载，所述第二连接端连接电源。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配网络，其特征在于，所述电源为中频电源或者低频电源。

4.根据权利要求3所述的阻抗匹配网络，其特征在于，所述电源频率范围为100KHz～800KHz。

5.根据权利要求4所述的阻抗匹配网络，其特征在于，所述电源频率范围为400KHz±10％。

6.根据权利要求1-5任一项所述的阻抗匹配网络，其特征在于，所述第一电感为300μH，所述第二电感为150μH，所述第一可变电容的范围为500pF～1500pF，所述第二可变电容的范围为300pF～1500pF。

7.一种等离子体处理设备，包括用于产生等离子体的第一电极和第一功率源，用于放置晶片的第二电极和第二功率源，其特征在于，还包括一个权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配网络；

所述阻抗匹配网络的所述第一连接端与所述第一电极连接，所述第二连接端与所述第一功率源相连；或者，

所述阻抗匹配网络的所述第二连接端与所述第二电极连接，所述第一连接端与所述第二功率源相连。

8.一种等离子体处理设备，包括用于产生等离子体的第一电极和第一功率源，用于放置晶片的第二电极和第二功率源，其特征在于，还包括两个权利要求1-6任一项所述的阻抗匹配网络；

其中，一个所述阻抗匹配网络的所述第一连接端与所述第一电极连接，所述第二连接端与所述第一功率源相连；且，另一个所述阻抗匹配网络的所述第二连接端与所述第二电极连接，所述第一连接端与所述第二功率源相连。

9.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体设备为电感耦合等离子体刻蚀设备。

10.根据权利要求8所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体设备为电感耦合等离子体刻蚀设备。