CN106376168B

CN106376168B - 阻抗匹配器、阻抗匹配方法及半导体加工设备

Info

Publication number: CN106376168B
Application number: CN201510427518.8A
Authority: CN
Inventors: 张超; 陈鹏; 王东
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2035-07-20
Also published as: CN106376168A

Abstract

本发明提供一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法及半导体加工设备，包括控制器、匹配网络和电机，所述电机用于调节所述匹配网络的输入阻抗，其特征在于，还包括记录单元，所述记录单元用于记录所述电机的实时位置或初始预设位置；所述控制器根据所述电机的实时位置或初始预设位置在所述电机完成上次匹配任务后、执行下次匹配任务前复位。该阻抗匹配器的匹配效率和匹配精度高。本发明还提供一种阻抗匹配方法及半导体加工设备。

Description

阻抗匹配器、阻抗匹配方法及半导体加工设备

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法及半导体加工设备。

背景技术

利用射频电源来产生等离子体是目前半导体加工设备中常用的方式。在射频传输过程中，如果输入阻抗和输出阻抗不同，将会产生反射，导致射频功率不能完全传输至负载。为此，通常在射频电源与反应腔室之间设置阻抗匹配器，借助阻抗匹配器使输入阻抗与输出阻抗达到共轭匹配，消除射频传输中的反射。

图1为半导体加工设备中常用的阻抗匹配器的原理示意图。如图1所示，阻抗匹配器包括传感器11、控制器12和匹配网络13，其中，匹配网络13采用“L”型网络，其包括可变电容C1、C2和固定电感L，可变电容C1、C2的电容值分别由步进电机M1、M2调整。传感器11位于阻抗匹配器的前端，用于检测传输线上的电压和电流，并利用鉴幅鉴相方法，得出从阻抗匹配器输入端向输出端看去的阻抗的模值|Z|和相位θ，进而得出控制器12所需的输入量。控制器12依据该输入量并按照一定的匹配控制算法，得出可变电容C1、C2的调整量。步进电机M1、M2依据控制器12的调整量去调整可变电容C1、C2的电容值，使匹配网络13的输入阻抗等于射频电源2的恒定输出阻抗R₀(如50Ω)，二者达到共轭匹配。

然而，目前使用的这种阻抗匹配器只适用于负载的阻抗变化较小的情况。当负载的阻抗变化较大时，需要提高步进电机的转速才能使可变电容C1、C2的电容值的调整速度与负载阻抗的变化相匹配。但是，当步进电机的转速提高时，步进电机容易出现丢步现象，导致下次匹配时间增加，而且，当丢步现象积累到一定程度，会导致阻抗匹配器无法使输入阻抗和输出阻抗匹配。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法及半导体加工设备，其可以降低电机的丢步对匹配的影响。

此外，本发明还提供一种半导体加工设备，其阻抗匹配器的匹配效率高，从而提高了射频电源的效率。

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器包括控制器、匹配网络和电机，所述电机用于调节所述匹配网络的输入阻抗，还包括记录单元，所述记录单元用于记录所述电机的实时位置或初始预设位置；所述控制器根据所述电机的实时位置或初始预设位置在所述电机完成上次匹配任务后、执行下次匹配任务前复位电机。

所述记录单元包括刻度盘、感应模块和计数模块；其中，

所述刻度盘固定于所述电机的转动轴，而且，在所述刻度盘的圆周方向均匀地设有多个触发部；

所述感应模块用于感应所述触发部，并且每感应一个所述触发部发出一个感应信号；

所述计数模块用于计数所述感应信号，并根据计数判断所述电机的实时位置；

所述控制器根据所述计数模块的计数使所述电机复位至起始位置。

其中，所述刻度盘为码盘，所述触发部为通孔，所述感应模块为光电开关，所述感应模块设于所述触发部的移动轨迹。

其中，所述光电开关为槽型光电开关。

其中，所述码盘采用不透光材料制作。

其中，所述计数模块包括计数电路和位置判定电路，所述计数电路用于计数所述感应信号，所述位置判定电路用于依据所述感应信号的计数判定所述电机的实时位置。

其中，所述计数电路包括n个计数器，每个所述计数器用于表示一个计数的位数，其中，n为大于或等于1的整数。

其中，所述位置判定电路包括4n反相器、n个与门以及预设判定与门，其中，每四个所述反相器为一组，每组反相器的输入端与一个所述计数器的数据输出端对应连接，每组反相器的输出端与一个所述与门的输入端对应连接，所述n个与门的输出端与所述预设判定与门连接，其中，n为大于或等于1的整数。

其中，所述计数器为二进制、十进制或十六进制的可逆变计数器。

其中，所述记录单元为存储模块，其用于记录所述电机的初始预设位置。

其中，包括第一电机和第二电机，所述匹配网路包括第一可变电容、第二可变电容和电感；其中，

所述第二可变电容与所述电感串联；所述第一可变电容的一端与所述第二可变电容远离所述电感的一端连接，其另一端接地；

所述第一可变电容和所述第二可变电容的电容值分别由所述第一电机和第二电机调节。

其中，包括传感器和控制器；其中，

所述传感器用于检测传输线上的电压值和电流值，并依据所述电压值和电流值获得当前阻抗的模值和相位；

所述控制器用于根据所述当前阻抗的模值和相位获得所述匹配网络的阻抗调整量。

本发明还提供一种阻抗匹配方法，基于本发明提供所述的阻抗匹配器，所述阻抗匹配器在上次阻抗匹配结束后、下次阻抗匹配开始前，使所述电机复位。

其中，所述控制器使所述电机复位至阻抗匹配前的起始位置或初始预设位置。

本发明还提供一种半导体加工设备，包括射频电源、阻抗匹配器和反应腔室，所述射频电源向所述反应腔室输入射频功率，所述阻抗匹配器设于所述射频电源和所述反应腔室之间，用于使所述阻抗匹配器的输入阻抗与所述射频电源的输出阻抗匹配，所述阻抗匹配器采用本发明提供所述的阻抗匹配器。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的阻抗匹配器，在电机完成上次匹配任务之后、执行下次匹配任务之前，由控制器根据记录单元的记录使其复位，从而消除了上次匹配任务产生的丢步对下次匹配任务的影响，这样既可提高阻抗匹配器的匹配效率，又可避免长期积累导致调节装置偏离初始预设位置，提高阻抗匹配器的匹配精度。

附图说明

图1为半导体加工设备中常用的阻抗匹配器的原理示意图；

图2为本发明实施例记录单元的部分结构的示意图；

图3为本发明实施例刻度盘的俯视图；

图4为本发明实施例计数模块的原理图。

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器、阻抗匹配方法和半导体加工设备进行详细描述。

阻抗匹配器广泛应用于物理气相沉积、等离子体刻蚀等半导体加工设备中，使反应腔室(负载)的阻抗与射频电源的输出阻抗相等。本实施例以物理气相沉积设备为例，详细介绍阻抗匹配器的结构和工作过程。

如图1所示，物理气相沉积设备包括阻抗匹配器1、射频电源2和反应腔室3；其中，阻抗匹配器1设于射频电源2和反应腔室3之间。阻抗匹配器包括传感器11、控制器12、匹配网络13、电机14和记录单元15。

其中，传感器11位于阻抗匹配器的前端，用于检测传输线上的电压和电流，并利用鉴幅鉴相方法，得出从阻抗匹配器输入端向输出端看去的阻抗的模值|Z|和相位θ，进而得出控制器12所需的输入量。

控制器12依据该传感器11获得的输入量并按照一定的匹配控制算法，得出匹配网络13的调整量，使匹配网络13的输入阻抗等于射频电源2的恒定输出阻抗R₀，从而使二者达到共轭匹配。

匹配网络13采用“L”型网络。具体地，匹配网络13包括第一可变电容C1、第二可变电容C2和电感L，第二可变电容C2与电感L串联；第一可变电容C1的一端与第二可变电容C2远离电感L的一端连接，第一可变电容C1的另一端接地。通过调节第一可变电容C1和第二可变电容C2的电容值即可改变匹配网络13的输入阻抗。

在本实施例中，第一可变电容C1和第二可变电容C2是通过电机14来调节。电机14包括第一电机M1和第二电机M2，分别用于调节第一可变电容C1和第二可变电容C2的电容值，以达到调节匹配网络13的输入阻抗，使匹配网络13的输入阻抗与射频电源2的恒定输出阻抗R₀共轭匹配。

如图2所示，记录单元15包括刻度盘31、感应模块32和计数模块(图中未示出)；其中，刻度盘31固定于电机14的转动轴，而且，在刻度盘31的圆周方向均匀地设有多个触发部。感应模块32用于感应触发部，并且每感应一个触发部发出一个感应信号。计数模块用于计数感应信号，并根据计数判断电机14的实时位置。控制器根据计数模块的计数使电机复位至起始位置。

如图3所示，在本实施例中，刻度盘31选用码盘，用不透光材料制作。在码盘的圆周方向均匀地设有100个通孔311作为触发部。感应模块32为光电开关，如选用EE-SX3081型槽型光电开关。感应模块32设于触发部的移动轨迹位置，当码盘转动至通孔311与光电开关相对时，光电开关被触发而发出感应信号。不难理解，当码盘转动一圈，光电开关将发出100个感应信号。当然，使用者可以根据实际情况在码盘上设置不同数量的通孔311，如设置80个、50个、16个或更少数量的通孔；或设置196个、200个或更多数量的通孔。另外，通孔311的形状可以但不限于长条形。

由于相邻两个触发部之间的距离恒定，当感应信号的次数确定时，即可清楚电机转动了多少距离，从而能够了解电机14的实时位置。本实施例利用计数模块来计数光电开关的感应信号，同时根据计数来判断电机14的实时位置。

需说明的是，本实施例提及的触发部和感应模块32还可以分别采用磁触发部和磁读卡器等代替，同样能够达到记录电机实时位置的目的。

如图4所示，计数模块包括计数电路41和位置判定电路42，计数电路41用于计数感应信号，位置判定电路42用于依据感应信号的计数判定电机的实时位置。

计数电路41包括三个计数器U1、U2、U3，其中，计数器的输入端P0、P1、P2、P3接地；加计数端CPU接第一与非门Z1的输出端，减计数端CPD接第二与非门Z2的输出端；置数端PL接Vcc。第一与非门Z1的两输入端分别接控制器12和感应模块32的输出端，控制器12发出正/反转控制信号。第二与非门Z2的两输入端分别接感应模块32的输出端和控制器12，并在第二与非门Z2与控制器12之间设置非门Z3。控制器12发出的正/反转控制信号经非门Z3反相后被输入第二与非门Z2。

计数器U1的数据输出端Q0、Q1、Q2、Q3用于表示个位位置信号，计数器U2的数据输出端Q0、Q1、Q2、Q3用于表示十位位置信号，计数器U3的数据输出端Q0、Q1、Q2、Q3用于表示百位位置信号。异步置零端MR接控制器12，当控制器12发出异步置零脉冲时，计数电路41的位置被强迫置零，计数器的信号为000。

位置判定电路42包括三个与门U4、十二个反相器和预设判定与门U5；其中，每四个反相器为一组，每组反相器的输入端分别与一个计数器的数据输出端Q0、Q1、Q2、Q3对应连接，每组反相器的输出端与三个与门中的一个与门U4连接。与门U4的输出端与预设判定与门U5连接，预设判定与门U5的输出端(C端)与控制器12连接。控制器12依据预设判定与门U5的输出端的电位的高低来判断电机14的位置。当预设判定与门U5的输出端为高电平时，表明电机14处于初始位置，即，位置信号为000时，预设判定与门U5的输出端才为高电平，此时，控制器12命令电机14停止运行。

需要说明的是，计数器U1、U2、U3可以采用二进制、十进制或十六进制的可逆变计数器，如采用型号为74HC192的可逆变计数器。另外，虽然本实施例的计数电路41设置了三个计数器，然而本发明并不局限于此。计数器的数量取决于计数模块4的量程，如果量程较大，则计数器的数量较多；如果量程较小，则计数器的数量较少。实际上，计数电路41可以设置n个计数器，每个计数器用于表示一个计数的位数。对应地，位置判定电路42包括4n个反相器、n个与门以及一个预设判定与门，其中，每四个反相器为一组，每组反相器的输入端与一个计数器的数据输出端对应连接，每组反相器的输出端与一个与门U4的输入端对应连接，这n个反相器的输出端与预设判定与门U5连接。其中，n为大于或等于1的整数。

在另一实施例中，记录单元15为存储模块，用于记录电机14的初始预设位置。当完成上次匹配任务后、下次匹配任务开始前，控制器12发出复位命令，电机14开始复位。当预设判定与门U5的输出端为高电平时，控制器12即认为电机14已回到初始位置，命令电机14停止运行。

本实施例提供的阻抗匹配器，在电机完成上次匹配任务之后、执行下次匹配任务之前，由控制器根据记录单元的记录使其复位，从而消除了上次匹配任务产生的丢步对下次匹配任务的影响，这样既可提高阻抗匹配器的匹配效率，又可避免长期积累导致调节装置偏离初始预设位置，提高阻抗匹配器的匹配精度。

本发明还提供一种阻抗匹配方法，该阻抗匹配方法是基于上述实施例介绍的阻抗匹配器，在上次阻抗匹配结束后、下次阻抗匹配开始前，使电机复位，即，控制器依据记录单元记录的实时位置或初始预设位置将电机复位至初始位置。该阻抗匹配方法消除了上次匹配任务产生的丢步对下次匹配任务的影响，既可提高阻抗匹配器的匹配效率，又可避免长期积累导致调节装置偏离初始预设位置，提高阻抗匹配器的匹配精度。

另外，本发明提供的半导体加工设备，在射频电源和反应腔室之间设置阻抗匹配器，用于使所述阻抗匹配器的输入阻抗与所述射频电源的输出阻抗匹配，该阻抗匹配器采用上述实施例提供的阻抗匹配器，该阻抗匹配器在电机完成上次匹配任务之后、执行下次匹配任务之前，由控制器根据记录单元的记录使其复位，从而消除了上次匹配任务产生的丢步对下次匹配任务的影响，这既可提高阻抗匹配器的匹配效率，又可避免长期积累导致调节装置偏离初始预设位置，提高阻抗匹配器的匹配精度，从而减少了射频电源的能量损失，进而提高半导体加工设备的加工效率。

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

1.一种阻抗匹配器，包括控制器、匹配网络和电机，所述电机用于调节所述匹配网络的输入阻抗，其特征在于，还包括记录单元，所述记录单元用于记录所述电机的实时位置或初始预设位置；所述控制器根据所述电机的实时位置或初始预设位置在所述电机完成上次匹配任务后、执行下次匹配任务前复位电机；

当所述记录单元用于记录所述电机的实时位置时，所述记录单元包括刻度盘、感应模块和计数模块；所述控制器根据所述电机的实时位置在所述电机完成上次匹配任务后、执行下次匹配任务前复位电机；其中，

所述控制器根据所述计数模块的计数使所述电机复位至起始位置；

或者，

当所述记录单元用于记录所述电机的初始预设位置时，所述记录单元为存储模块，其用于记录所述电机的初始预设位置；所述控制器根据所述电机的初始预设位置在所述电机完成上次匹配任务后、执行下次匹配任务前复位电机。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述刻度盘为码盘，所述触发部为通孔，所述感应模块为光电开关，所述感应模块设于所述触发部的移动轨迹。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述光电开关为槽型光电开关。

4.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述码盘采用不透光材料制作。

5.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述计数模块包括计数电路和位置判定电路，所述计数电路用于计数所述感应信号，所述位置判定电路用于依据所述感应信号的计数判定所述电机的实时位置。

6.根据权利要求5所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述计数电路包括n个计数器，每个所述计数器用于表示一个计数的位数，其中，n为大于或等于1的整数。

7.根据权利要求6所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述位置判定电路包括4n反相器、n个与门以及预设判定与门，其中，每四个所述反相器为一组，每组反相器的输入端与一个所述计数器的数据输出端对应连接，每组反相器的输出端与一个所述与门的输入端对应连接，所述n个与门的输出端与所述预设判定与门连接，其中，n为大于或等于1的整数。

8.根据权利要求6所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述计数器为二进制、十进制或十六进制的可逆变计数器。

9.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，包括第一电机和第二电机，所述匹配网路包括第一可变电容、第二可变电容和电感；其中，

10.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，包括传感器和控制器；其中，

11.一种阻抗匹配方法，其特征在于，基于权利要求1-10任意一项所述的阻抗匹配器，所述阻抗匹配器在上次阻抗匹配结束后、下次阻抗匹配开始前，使所述电机复位。

12.根据权利要求11所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述控制器使所述电机复位至阻抗匹配前的起始位置或初始预设位置。

13.一种半导体加工设备，包括射频电源、阻抗匹配器和反应腔室，所述射频电源向所述反应腔室输入射频功率，所述阻抗匹配器设于所述射频电源和所述反应腔室之间，用于使所述阻抗匹配器的输入阻抗与所述射频电源的输出阻抗匹配，其特征在于，所述阻抗匹配器采用权利要求1-10任意一项所述的阻抗匹配器。