CN105634433A

CN105634433A - 阻抗匹配系统

Info

Publication number: CN105634433A
Application number: CN201410613908.XA
Authority: CN
Inventors: 师帅涛
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing NMC Co Ltd; Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明提供了一种阻抗匹配系统，阻抗匹配系统设置在射频电源和反应腔室之间，用以实现射频电源的输出阻抗和其负载阻抗匹配，其检测装置包括阻抗检测芯片、电压采集模块和电流采集模块，电压采集模块和电流采集模块分别采集射频电源和反应腔室之间的传输线上的电压信号和电流信号，并将该电压信号和电流信号对应发送至阻抗检测芯片的电压输入端和电流输入端；阻抗检测芯片用于根据电压输入端和电流输入端输入的电压信号和电流信号，在其幅值输出端输出表示射频电源的当前负载阻抗的幅值的信号，以及在其相角输出端输出表示射频电源的当前负载阻抗的相角的信号。该系统，可以降低成本和匹配时间，还可提高匹配的可靠性和检测装置的通用性。

Description

阻抗匹配系统

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种阻抗匹配系统。

背景技术

在半导体器件的制备工艺中，通常采用射频电源激发反应腔室内的工艺气体形成等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，其与位于该等离子体环境中晶片发生物理和/或化学反应，以实现对晶片的表面完成沉积、刻蚀等的工艺。在实际应用中，为保证反应腔室可以从射频电源获得最大功率，则应该使得射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配，而由于工艺的过程中作为负载的等离子体的阻抗随时发生变化，因此，需要借助阻抗匹配系统在工艺过程中实时对射频电源的输出阻抗和负载阻抗进行匹配。

图1为现有的阻抗匹配系统的原理框图。请参阅图1，其采用下述原理进行工作：具体地，阻抗匹配装置包括射频传感器10、控制器11、执行机构12和匹配网络13。其中，射频传感器10用于检测射频电源的传输线上的电压信号和电流信号，并采用一定的鉴幅鉴相的方法获得射频电源的负载阻抗的幅值和相角，并将该幅值和相角输送至控制器11，控制器11根据该幅值和相角采用匹配控制算法计算获得执行机构12调整量，并根据该调整量控制执行机构12(例如，步进电机)对匹配网络13中的可变元件(例如，可变电容)进行调整，以改变射频电源的负载阻抗的大小，从而最终使得射频电源的特征阻抗与其负载阻抗达到共轭匹配。

图2为图1中射频传感器的电路框图。请参阅图2，该射频传感器10包括鉴幅电路101、鉴相电路102和处理单元103组成，采集到的传输线上的电压信号和电流信号输送至鉴幅电路101、鉴相电路102，再将该鉴幅电路101和鉴相电路102输出的信号输送至处理单元103，处理单元103进行计算以获得负载阻抗的幅值和相角。

采用上述阻抗匹配系统在实际应用中不可避免的存在下述问题：

其一，由于射频传感器的鉴幅电路101和鉴相电路102复杂，需要两个以上模拟乘法器和转换电路，转换电路包括90度移向网络、模数转换以及滤波电路等等，而且还需要设置处理单元103，因而不仅造成射频传感器的成本高，而且造成匹配时间长；

其二，由于鉴幅、鉴相电路对射频电源输出频率有一定的要求，例如，由于移相网络是分立元件，且其与板子的布局，造成频率较大(如大于60MHz)会表现出分布参数的特征，从而造成移相不准确，进而造成射频传感器的可靠性；另外，模拟乘法器也对频率有一定的要求，而较大频率的模拟乘法器的售价较高，且很难找到，从而造成射频传感器的通用性差。

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系统，其不仅可以降低成本，而且还可以降低匹配时间，从而提高匹配效率；另外，还可以提高匹配的可靠性和检测装置的通用性。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种阻抗匹配系统，所述阻抗匹配系统设置在射频电源和反应腔室之间，用以实现所述射频电源的输出阻抗和其负载阻抗匹配，所述阻抗匹配系统包括检测装置，所述检测装置包括阻抗检测芯片、电压采集模块和电流采集模块，其中所述电压采集模块和所述电流采集模块用于分别采集所述射频电源和所述反应腔室之间的传输线上的电压信号和电流信号，并将该电压信号和电流信号对应发送至所述阻抗检测芯片的电压输入端和电流输入端；所述阻抗检测芯片用于根据电压输入端和电流输入端输入的电压信号和电流信号，在其幅值输出端输出表示所述射频电源的当前负载阻抗的幅值的信号，以及在其相角输出端输出表示所述射频电源的当前负载阻抗的相角的信号。

其中，在所述电压采集模块和所述电压输入端之间，和/或，在所述电流采集模块和所述电流输入端之间沿信号流的方向依次串接有变压器、衰减器和滤波器，其中，所述变压器用于调节电压信号或电流信号的幅值以及滤除部分干扰；所述衰减器用于衰减电压信号或电流信号的大小，以满足所述阻抗检测芯片的要求；所述滤波器用于滤除电压信号或电流信号中的干扰信号。

其中，所述衰减器为纯电阻组成的电路，或者，所述衰减器为电阻和电容组成的电路；或者，所述衰减器为衰减器集成芯片。

其中，所述衰减器的衰减的范围大于10dB。

其中，所述滤波器为电容和电感组成的2阶或多阶电路，或者，所述滤波器为滤波器集成芯片。

其中，所述阻抗检测芯片为AD8302芯片。

其中，所述电压采集模块采用电容分压取电压方式采集电压信号，或者，采用电容电阻分压取电压方式采集电压。

其中，所述电流采集模块采用线圈感应取电流的方式采集电流信号。

其中，所述线圈为带有磁芯的线圈或者为空心线圈。

其中，还包括控制装置、执行机构和匹配网络，其中所述阻抗检测芯片将其幅值输出端和相角输出端对应输出的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号发送至控制装置；所述控制装置用于根据来自阻抗检测芯片的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号，采用匹配控制算法计算所述执行机构调整量，并根据该调整量控制所述执行机构对所述匹配网络中的可变阻抗元件进行调整，以调整所述射频电源的负载阻抗，来实现所述射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的阻抗匹配系统，其借助阻抗检测芯片根据电压采集模块和电流采集模块分别采集的射频电源和反应腔室之间的传输线上的电压信号和电流信号，在其幅值输出端和相角输出端分别直接输出表示射频电源的当前负载阻抗的幅值和相角的信号，这与现有技术相比，不仅使得电路简单，从而可以降低成本，而且还可以降低匹配时间，从而提高匹配效率；另外，阻抗匹配检测芯片的使用频率较宽(例如，可以自低频到2.7GHz范围内)，从而可以提高匹配的可靠性和检测装置的通用性。

附图说明

图1为现有的阻抗匹配系统的原理框图；

图2为图1中射频传感器的电路框图；

图3为本发明实施例提供的阻抗匹配系统的检测装置的电路框图；

图4为图3中衰减器的电路图；

图5为图3中滤波器的电路图；

图6为图3中相角输出端输出的电压与检测到的阻抗相角的对应关系曲线图；

图7为图3中辅助输出端输出的电压与检测到的阻抗幅值的对应关系曲线图；

图8为应用图3所示的检测装置检测到的阻抗幅值和实际阻抗幅值的关系示意图；以及

图9为应用图3所示的检测装置检测到的阻抗相角和实际阻抗相角的关系示意图。

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系统进行详细描述。

图3为本发明实施例提供的阻抗匹配系统的检测装置的电路框图。请参阅图3，本实施例提供的阻抗匹配系统设置在射频电源RF和反应腔室20之间，用以实现射频电源RF的输出阻抗和其负载阻抗匹配，射频电源RF的输出阻抗一般为50Ω，阻抗匹配系统包括检测装置，检测装置包括阻抗检测芯片、电压采集模块21和电流采集模块22。其中，在本实施例中，阻抗检测芯片具体为AD8302芯片，其频率范围在400k～2.7GHz。电压采集模块21和电流采集模块22用于分别采集射频电源RF和反应腔室20之间的传输线上的电压信号和电流信号，并将该电压信号和电流信号对应发送至阻抗检测芯片的电压输入端(对应AD8302芯片的管脚2和3)和电流输入端(对应AD8302芯片的管脚5和6)；阻抗检测芯片用于根据电压输入端和电流输入端输入的电压信号和电流信号，在其幅值输出端(对应AD8302芯片的管脚13)输出表示射频电源RF的当前负载阻抗的幅值Z的信号，以及在其相角输出端(对应AD8302芯片的管脚9)输出表示射频电源RF的当前负载阻抗的相角θ的信号。

在本实施例中，电压采集模块21采用电容电阻分压取电压的方式采集电压，如图3所示，电压采集模块包括串接的电容C1和电阻R1。在实际应用中，电压采集模块21还可以采用其他方式采集电压，例如，采用电容分压取电压方式采集电压信号，即，将图3中的电压采集模块中的电阻R1替换为电容；再如，还可以将图3中的电压采集模块中的电容C1替换为感应电压环。

电流采集模块22采用线圈感应取电流的方式采集电流信号，如图3所示，电流采集模块22包括串接的线圈T1和电阻R2，线圈T1用于感应射频电源RF和反应腔室20之间的传输线上的电流信号，由于其感应的电流信号为传输线上传输的信号的微分信号，因此，电阻R2的取值应满足线圈T1的自积分条件，以完全反应传输线上的电流信号。其中，线圈T1可以为带磁芯的线圈也可以为空心线圈。

在本实施例中，在电压采集模块21和电压输入端之间，和/或，在电流采集模块22和电流输入端之间沿信号流的方向依次串接有变压器、衰减器和滤波器，其中，变压器用于调节电压信号或电流信号的幅值以及滤除部分干扰；衰减器用于衰减电压信号或电流信号的大小，以满足阻抗检测芯片的要求，例如，满足阻抗检测芯片的对应管脚允许输入的电压值，在本实施例中，AD8302芯片的2、3、5和6中每个管脚允许输入的电压范围在-73dBv～-13dBv；滤波器用于滤除电压信号或电流信号中的干扰信号。如图3所示，在电压采集模块21和电压输入端之间沿信号流的方向依次串接有变压器T2、衰减器23和滤波器24，以及，在电流采集模块22和电流输入端之间沿信号流的方向依次串接有变压器T3、衰减器25和滤波器26。

具体地，衰减器23或25可以为纯电阻组成的电路，如图4所示，衰减器23和25均由电阻R3～R7串并联组成的电路。但是，在实际应用中，衰减器23或25还可以为电阻和电容组成的电路；或者，衰减器23或25为衰减器集成芯片。

优选地，衰减器23或25的衰减的范围大于10dB。

具体地，滤波器24或26为低通滤波器或者带通滤波器。该滤波器24或26为电容和电感组成的2阶或多阶电路，如图5所示，滤波器24和26均为由三个电容C2～C4和两个电感L1和L2组成的电路。或者，在实际应用中，滤波器24或26还可以为滤波器集成芯片，例如，RLP-70等。

图6为图3中相角输出端输出的电压与检测到的阻抗相角的对应关系曲线图。图7为图3中辅助输出端输出的电压与检测到的阻抗幅值的对应关系曲线图。请一并参阅图6和图7，图6中横坐标表示检测到的阻抗相角值；左侧纵坐标表示AD8302芯片的相角输出端输出的电压值；右侧纵坐标表示AD8302芯片的相角输出端输出的相角误差值。图7中横坐标表示检测到的阻抗幅值；左侧纵坐标表示AD8302芯片的幅值输出端输出的电压值；右侧纵坐标表示AD8302芯片的幅值输出端输出的幅值误差值，并且，图7中还给出了AD8302芯片在工作环境为-40℃、+25℃和+85℃的情况下，阻抗幅值和幅值误差值的曲线图。由图6和图7可知，AD8302芯片的幅值输出端和相角输出端输出的电压值表示检测到的负载阻抗的幅值和相角。

下面通过实验证明本实施例提供的阻抗匹配系统的检测装置能够准确检测射频电源RF的负载阻抗的幅值和相角。具体地，射频电源RF的输出频率为13.56MHz，图3中的电流采集模块22的线圈T1采用空心线圈，其内径为19mm，外径为26mm，高度为3mm，线圈T1的匝数为80匝，电阻R2为50Ω。电压采集模块21中电容C1的电容值为20pF，电阻R1为50Ω。变压器T2和T3采用磁芯变压器，且磁芯的外径为29mm，内径为19mm，高度为7.5mm，变压器T2和T3匝数比为4:1，初级线圈匝数为60匝，次级线圈匝数为15匝。图4中的电阻R3～R7均为18Ω。图5中的电容C2～C4均为220pF，电感L1～L2均为680nH。图3中的电容C5～C11均为0.01μF，电阻R8～R11均为51Ω。

在上述情况下，请参阅图8和图9，图8为应用图3所示的检测装置检测到的阻抗幅值与实际阻抗幅值的关系示意图，图9为应用图3所示的检测装置检测到的阻抗相角与实际阻抗相角的关系示意图，图8中横坐标表示应用本实施例提供的检测装置检测的阻抗幅值，纵坐标表示实际阻抗幅值，从图8中可以看出，检测的阻抗幅值和实际阻抗幅值相差不大，多次测试形成的端点(如图8中所示的黑点)连线形成接近倾角为45度的直线(如图8中所示的直线)，并且通过计算二者的偏差小于5％。图9中横坐标表示应用本实施例提供的检测装置检测的阻抗相角，纵坐标表示实际阻抗相角，从图9中可以看出，检测出的阻抗相角和实际阻抗相角相差不大，且多次测试形成的端点(如图9中所示的黑点)连线形成接近倾角为45度的直线(如图9中所示的直线)，并且通过计算二者的偏差小于5％。

因此，本实施例提供的检测装置可以实现准确地检测射频电源的负载阻抗的幅值和相角。

在本实施例中，阻抗匹配系统还包括控制装置、执行机构和匹配网络，其中，阻抗检测芯片将其幅值输出端和相角输出端对应输出的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号发送至控制装置；控制装置用于根据来自阻抗检测芯片的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号，采用匹配控制算法计算执行机构调整量，并根据该调整量控制执行机构对匹配网络中的可变阻抗元件进行调整，以调整射频电源的负载阻抗，来实现射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配。

其中，控制装置为DSP控制器。

由上可知，本实施例提供的阻抗匹配系统，其借助阻抗检测芯片根据电压采集模块21和电流采集模块22分别采集的射频电源RF和反应腔室20之间的传输线上的电压信号和电流信号，在其幅值输出端和相角输出端分别直接输出表示射频电源RF的当前负载阻抗的幅值和相角的信号，这与现有技术相比，不仅使得电路简单，从而可以降低成本，而且还可以降低匹配时间，从而提高匹配效率；另外，阻抗匹配检测芯片的使用频率较宽(例如，可以自低频到2.7GHz范围内)，从而可以提高匹配的可靠性和检测装置的通用性。

需要说明的是，在本实施例中，阻抗检测芯片为AD8302芯片。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，还可以采用其他通过采集到的电压信号和电流信号直接获得射频电源负载阻抗的幅值和相角的芯片，在此不一一列举。

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

1.一种阻抗匹配系统，所述阻抗匹配系统设置在射频电源和反应腔室之间，用以实现所述射频电源的输出阻抗和其负载阻抗匹配，所述阻抗匹配系统包括检测装置，其特征在于，所述检测装置包括阻抗检测芯片、电压采集模块和电流采集模块，其中

所述电压采集模块和所述电流采集模块用于分别采集所述射频电源和所述反应腔室之间的传输线上的电压信号和电流信号，并将该电压信号和电流信号对应发送至所述阻抗检测芯片的电压输入端和电流输入端；

所述阻抗检测芯片用于根据电压输入端和电流输入端输入的电压信号和电流信号，在其幅值输出端输出表示所述射频电源的当前负载阻抗的幅值的信号，以及在其相角输出端输出表示所述射频电源的当前负载阻抗的相角的信号。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配系统，其特征在于，在所述电压采集模块和所述电压输入端之间，和/或，在所述电流采集模块和所述电流输入端之间沿信号流的方向依次串接有变压器、衰减器和滤波器，其中，

所述变压器用于调节电压信号或电流信号的幅值以及滤除部分干扰；所述衰减器用于衰减电压信号或电流信号的大小，以满足所述阻抗检测芯片的要求；所述滤波器用于滤除电压信号或电流信号中的干扰信号。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述衰减器为纯电阻组成的电路，或者

所述衰减器为电阻和电容组成的电路；或者

所述衰减器为衰减器集成芯片。

4.根据权利要求3所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述衰减器的衰减的范围大于10dB。

5.根据权利要求2所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述滤波器为电容和电感组成的2阶或多阶电路，或者

所述滤波器为滤波器集成芯片。

6.根据权利要求1所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述阻抗检测芯片为AD8302芯片。

7.根据权利要求1所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述电压采集模块采用电容分压取电压方式采集电压信号，或者，采用电容电阻分压取电压方式采集电压。

8.根据权利要求1所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述电流采集模块采用线圈感应取电流的方式采集电流信号。

9.根据权利要求8所述的阻抗匹配系统，其特征在于，所述线圈为带有磁芯的线圈或者为空心线圈。

10.根据权利要求1所述的阻抗匹配系统，其特征在于，还包括控制装置、执行机构和匹配网络，其中

所述阻抗检测芯片将其幅值输出端和相角输出端对应输出的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号发送至控制装置；

所述控制装置用于根据来自阻抗检测芯片的表示当前负载阻抗的幅值和相角的信号，采用匹配控制算法计算所述执行机构调整量，并根据该调整量控制所述执行机构对所述匹配网络中的可变阻抗元件进行调整，以调整所述射频电源的负载阻抗，来实现所述射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配。