CN109119248A - 可调电容及阻抗匹配装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调电容，包括铁电介质层和位于所述铁电介质层相对两侧的第一电极和第二电极；所述可调电容还包括与第一电极和第二电极绝缘设置的第一控制电极和第二控制电极；所述第一控制电极和所述第二控制电极，用于向所述铁电介质层提供电场，以通过控制所述电场的电场强度来调整所述铁电介质层的介电常数，从而调节所述第一电极和第二电极之间的容值。本发明还提供一种阻抗匹配装置及半导体加工设备。该可调电容、阻抗匹配装置及半导体加工设备，能够实现毫秒级甚至更快调节介质可调电容的容值大小，从而可以加快匹配速度，能够实现毫秒级甚至更快的匹配速度。
Description
技术领域
本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种可调电容、阻抗匹配装置。
背景技术
等离子体技术被广泛地应用于半导体器件的制造技术领域中。在等离子体沉积与刻蚀系统中，采用射频电源向反应腔室加载能量以将腔室内的工艺气体激发形成等离子体；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，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的基片表面发生各种物理和化学反应，使基片表面发生变化，从而完成刻蚀、沉积等工艺。
在应用中，射频电源的输出阻抗一般为50Ω，为了使反应腔室从射频电源处获得最大的功率以及降低反应腔室的反射功率，一般在射频电源与反应腔室之间设置有阻抗匹配装置，用于使射频电源的输出阻抗和负载阻抗相匹配，负载阻抗等于阻抗匹配装置的阻抗与反应腔室的阻抗之和。
图1为应用现有的阻抗匹配装置的半导体加工设备的原理框图。请参阅图1，阻抗匹配装置串接在射频电源10和反应腔室20之间，其包括采集单元1、控制单元2、执行单元3和匹配网络4，其中，采集单元1串接在射频电源10和匹配网络4之间，采集单元1用于采集其所在传输线上的电信号(电压V和电流I)并发送至控制单元2；匹配网络4包括可调电容C1、C2以及固定电感L；执行单元3包括电机M1和M2；控制单元2根据采集单元1发送的电信号进行阻抗匹配算法来获得可调电容C1、C2的变化量，并根据该变化量控制电机M1和M2分别对可调电容C1、C2的电容值进行调节。基于上述可知，阻抗匹配装置通过调节其自身阻抗来对射频电源的输出阻抗和负载阻抗进行阻抗匹配。
然而，采用图1所示的阻抗匹配装置在实际应用中存在以下问题：图1所示的阻抗匹配装置通过电机转动来改变电容的容值大小，而阻抗匹配速度受到电机的转动速度的限制，通常使得匹配速度仅为秒级，难以实现毫秒级的匹配速度。
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，提出了一种可调电容及阻抗匹配装置，可以实现在毫秒级或更短时间内调节可调电容的容值大小。
为解决上述问题之一，本发明提供了一种可调电容，包括铁电介质层和位于所述铁电介质层相对两侧的第一电极和第二电极；
所述可调电容还包括与第一电极和第二电极绝缘设置的第一控制电极和第二控制电极；
所述第一控制电极和所述第二控制电极，用于向所述铁电介质层提供电场，以通过控制所述电场的电场强度来调整所述铁电介质层的介电常数，从而调节所述第一电极和第二电极之间的容值。
优选地，至少部分所述铁电介质层同时位于所述第一控制电极和所述第二控制电极之间的电场和所述第一电极和所述第二电极之间的电场中。
优选地，所述第一电极和所述第一控制电极均设置于所述铁电介质层上侧，且所述第一电极位于左侧，第一控制电极位于右侧；
所述第二电极和所述第二控制电极均设置在所述铁电介质层的下侧且所述第二电极位于右侧，第二控制电极位于左侧；
所述第一控制电极与所述第二控制电极在所述铁电介质层上的正投影不重叠。
优选地，所述第二控制电极的数量为两个，所述第二电极位于所述两个所述第二控制电极之间；
所述第一电极的数量为两个，所述第一控制电极位于所述两个所述第一电极之间。
优选地，所述第二控制电极与所述第一电极一一对应相对设置；
所述第一控制电极与所述第二电极一一对应相对设置。
优选地，相对设置的所述第二控制电极和所述第一电极在所述铁电介质层上的正投影完全重合；
相对设置的所述第一控制电极和所述第二电极在所述铁电介质层上的正投影完全重合。
优选地，所述第一电极和第二电极分别设置在所述铁电介质层的上侧和下侧；
所述第一控制电极和所述第二控制电极分别设置在铁电介质层的左侧和右侧。
优选地，所述铁电介质层的材料包括：BaTiO3、BaO-TiO2、KNbO3、K2O-Nb2O5、LiNbO3、Li2O-Nb2O5、磷酸二氢钾、三甘氨酸硫酸盐和罗息盐中的至少一种。
相应地，本发明还提供一种阻抗匹配器，包括采集单元、匹配网络和控制单元，所述匹配网络串接在所述射频电源和所述反应腔室之间，所述匹配网络包括本发明提供的上述可调电容，且所述第一电极和第二电极接入所述匹配网络的电路中，所述第一控制电极与所述控制单元电连接，所述第二控制电极接地；
所述采集单元用于采集所述射频电源和所述匹配网络之间所在传输线上的电信号并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据所述采集单元采集到的电信号进行阻抗匹配运算并根据所述运算结果控制加载至所述第一控制电极和第二控制电极之间的电压，以调节所述第一电极和所述第二电极之间的容值。
优选地，还包括低通滤波器，且所述低通滤波器设置在所述控制单元与所述第一控制电极之间。
优选地，所述可调电容的数量为多个，所述低通滤波器与所述可调电容一一对应设置且数量相等。
本发明具有以下有益效果：
本发明中的可调电容，由于可以通过控制第一控制电极和第二控制电极之间的电压来控制铁电介质层所在的电场的电场强度，电场强度的快速变化可以引起铁电介质层的介电常数的快速变化，因此，本发明与现有技术的机械调节方式相比，可以实现在毫秒级或更短时间内调节可调电容的容值大小。
本发明中的阻抗匹配装置，由于采用本发明提供的可调电容，因而阻抗匹配装置能够实现毫秒级的匹配速度。
附图说明
图1为应用现有的阻抗匹配装置的半导体加工设备的原理框图；
图2为铁电介质层的极化强度P与所处电场E之间的关系示意图；
图3为本发明实施例1中的可调电容的一种结构示意图；
图4为本发明实施例1中的可调电容的另一种结构示意图；
图5为本发明实施例1中的可调电容的又一种结构示意图；
图6为本发明实施例2提供的阻抗匹配装置的结构示意图；
图7为本发明实施例3提供的半导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，下面结合附图来对本发明提供的可调电容及阻抗匹配装置进行详细描述。
实施例1
本发明实施例提供一种的可调电容，该可调电容包括铁电介质层1和位于铁电介质层1相对两侧的第一电极21和第二电极22；该可调电容还包括与第一电极21和第二电极22绝缘设置的第一控制电极31和第二控制电极32；第一控制电极31和第二控制电极32用于向铁电介质层1提供电场，以通过控制电场的电场强度来调整铁电介质层1的介电常数，从而调节第一电极21和第二电极22之间的电容的容值大小。
本实施例提供的可调电容，由于可以通过控制第一控制电极31与第二控制电极32之间的电压来控制铁电介质层1所在电场的电场强度，电场强度的快速变化可以引起铁电介质层1的介电常数的快速变化，因此，本发明与现有技术的机械调节方式相比，可以实现在毫秒级或更短时间内调节可调电容的容值大小。
为了便于理解，下面将对本实施例提供的可调电容的电容值调节原理进行解释说明。图2为铁电材料的极化强度P与所加载的电场E之间的关系示意图。铁电介质层1的铁电材料在电场的作用下，电介质(铁电材料)内部沿电场的方向会出现宏观偶极子，在电介质表面会出现极化电荷，极化电荷的极化强度P(单位体积内电介质的电偶极矩矢量和)与电场的大小和电场的方向均相关。而电介质的电极化率χ＝P/E，从图2可得，电场越大，电介质的电极化率χ越小。对于电介质，电感应强度D、电场强度E和极化强度P之间的关系如下公式：
D＝ε0E+P
D＝(ε0+χ)E＝ε0εrE
εr＝1+χ/ε0
式中：ε0表示真空介电常数，εr表示相对介电常数。
对于介质平行板电容器，其电容值C＝ε0εrS/d，S为平行板电容器电极板的等效正对面积，d为电极板之间的间距。
由上述分析可知，对于铁电材料为介质的电容，当电容所处的电场快速变化时，其相对介电常数εr会随之发生快速变化，从而可以实现可调电容的容值大小的快速调节。
综上，通过在毫秒级或更短时间内调整介质可调电容所在电场的电场强度，可以达到在毫秒级或更短时间内改变可调电容的容值大小的目的。
在本实施例中，至少部分铁电介质层1同时位于第一控制电极31与第二控制电极32之间的电场以及第一电极21与第二电极22之间的电场中，这样，该部分铁电介质层1会受到第一控制电极31与第二控制电极32之间的电场而介电常数发生变化，该介电常数发生变化的部分铁电介质层1作为第一电极21和第二电极22之间的介质层，根据电容公式，可知该第一电极21和第二电极22之间的容值发生相应变化，从而可以确保通过改变提供给第一控制电极31与第二控制电极32之间的电场的电场强度来有效调整该第一电极21与第二电极22之间的电容容值大小，即实现可调电容的容值大小的调节。
在该实施例中，可选地，如图3所示，其为本实施例中的可调电容的一种结构示意图。在该实施例中，第一电极21和第一控制电极31均设置于铁电介质层1上侧，且第一电极21位于左侧，第一控制电极31位于右侧；第二电极22和第二控制电极32均设置在铁电介质层1的下侧且第二电极22位于右侧，第二控制电极32位于左侧；第一控制电极31与第二控制电极32在铁电介质层1上的正投影不重叠。本实施例中，该可调电容在接入阻抗匹配装置时，第一电极21和第二电极22连接至在匹配网络的电路中，第一控制电极31、第二控制电极32受阻抗匹配装置中的控制单元的控制，调节二者之间的电压，请参考图6。
进一步可选地，第二控制电极32与第一电极21一一对应相对设置；第一控制电极31与第二电极22一一对应相对设置，这使得可调电容的体积较小且结构简单。
更进一步优选地，相对设置的第二控制电极32和第一电极21在铁电介质层1上的正投影完全重合；相对设置的第一控制电极31和第二电极22在所述铁电介质层上的正投影完全重合，这可使得可调电容各组成部分更集中，从而使得可调电容的体积更小且结构更为简单。
在实际应用中，可调电容还可以采用如图4所示的结构，其与图3相比，区别在于：第二控制电极32的数量为两个，第二电极22位于两个第二控制电极32之间；第一电极21的数量为两个，第一控制电极31位于两个第一电极21之间。图4所示的可调电容与图3所示相比，使更多部分的铁电介质层1同时处于第一控制电极31与第二控制电极32之间的电场以及第一电极21与第二电极22之间的电场中，因而相对图3而言，能够在相同的电场变化情况下，使得可调电容的容值的变化增大，从而可以进一步提高可调电容的电容值大小的调节速率。
在该实施例中，可选地，如图5所示，该实施例中的可调介质电容的第一电极21和第二电极22分别设置在铁电介质层1的上侧和下侧；第一控制电极31和第二控制电极32分别设置在铁电介质层1的左侧和右侧。当然，可调介质电容的第一电极21和第二电极22也可以分别设置在铁电介质层1的左侧和右侧；第一控制电极31和第二控制电极32分别设置在铁电介质层1的上侧和下侧。图5所示的可调电容，全部的铁电介质层1可同时处于第一控制电极31与第二控制电极32之间的电场以及第一电极21与第二电极22之间的电场中，使得其在相同的电场变化情况下，可调电容的容值的变化更进一步增大，从而更进一步提高可调电容的电容值大小的调节速率。
其中，铁电介质层1的铁电材料包括但不限于为BaTiO3、BaO-TiO2、KNbO3、K2O-Nb2O5、LiNbO3、Li2O-Nb2O5、磷酸二氢钾、三甘氨酸硫酸盐和罗息盐中的至少一种。
实施例2
本实施例提供一种阻抗匹配装置，如图6所示，该阻抗匹配装置包括匹配网络50、采集单元51和控制单元52，匹配网络50中包括上述实施例1提供的可调电容，且第一电极21和第二电极22接入匹配网络50的电路中，第一控制电极31与控制单元52电连接，第二控制电极32接地；其中：
匹配网络50串接在射频电源10和反应腔室20之间；采集单元51用于采集射频电源10和匹配网络50之间所在传输线上的电信号并发送至控制单元52；控制单元52用于根据采集单元51采集到的电信号进行阻抗匹配运算并根据运算结果控制加载至第一控制电极31与第二控制电极32之间的电压，以调节第一电极21和第二电极22之间的容值。
其中，采集单元包括但不限于为传感器。匹配网络50的类型包括但不限于为L型。本实施例中阻抗匹配装置中各单元的形式不唯一，如控制单元52可以为DSP，还可以为单片机等。关于控制单元52进行阻抗匹配运算时的具体算法，本实施例不作具体限定，保证按照计算结果调整电压后，能够使射频电源10的输出阻抗与负载阻抗相等即可。
本实施例中的阻抗匹配装置，由于调整匹配网络中的电容的容值大小不需要通过执行单元控制，而是采用实施例1中的可调电容，因而只需要控制控制单元52输出的控制电压V1和V2的大小，即可实现可调电容的容值大小的快速变化，能实现快速匹配，实现毫秒或更快的匹配速度。
为了便于理解，下面结合图6对本实施例中的阻抗匹配装置进行详细的解释说明。
如图6所示，本实施例中，阻抗匹配装置中的采集单元51位于匹配网络50前端，用于检测射频电源10传输线上的电压V、电流I等电信号，控制单元52利用一定的鉴幅鉴相算法，得到从匹配网络50的输入端向输出端看去的负载阻抗的模值|Z|和相位θ，并提供匹配控制算法计算所需的控制量。匹配网络50采用的元器件由可调电容C1、C2和电感L组成，其中电容C1、C2为实施例1所述的可调电容；可调电容C1、C2各自处于其控制电极提供的电场E1和E2环境下，其中E1和E2的电场强度可由控制单元52控制加载在控制电极上的控制电压V1和V2来实现；控制单元52根据采集单元51提供的电信号，通过匹配控制算法，调整加载在控制电压V1和V2，从而实现对可调电容C1和C2的容值大小的快速调整，进而使得匹配网络50的负载阻抗等于射频电源10的输出阻抗(通常为50Ω)，使二者达到快速共轭匹配。此时，射频电源10传输线上的反射功率为零或很小，射频电源10产生的功率全部输送给了反应腔室20。
可选地，如图6所示，阻抗匹配装置还包括低通滤波器53；低通滤波器53设置在控制单元52与第一控制电极31之间之间。关于低通滤波器的具体组成结构，本实施例不作具体限制。例如，低通滤波器53包括电感和电容。其中，电感的一端接控制单元52的输出端，另一端接电容的一端，电容的另一端接地和控制电极。控制单元52调整两个控制电极的电压V1和V2后，分别通过低通滤波器F1和F2控制E1和E2的大小，借助低通滤波器可以滤除掉一些信号干扰。
可选地，可调电容的数量为多个，低通滤波器与可调电容一一对应设置且数量相等。例如，如图6所示，可调电容包括两个，分别为C1和C2，低通滤波器也包括两个，分别为F1和F2，可调电容C1通过低通滤波器F1与控制单元52连接，可调电容C2通过低通滤波器F2与控制单元52连接。
需要说明的是，本实施例中的阻抗匹配装置不限于应用于等离子体系统，还可以应用于其它如通信、核磁、输电线等系统。
实施例3
本实施例提供一种半导体加工设备，如图7所示，该半导体加工设备包括射频电源10、阻抗匹配装置60和反应腔室20，阻抗匹配装置60串接在射频电源10和反应腔室20之间，用于对射频电源10的输出阻抗和负载阻抗实现匹配，其中，阻抗匹配装置60采用上述实施例2提供的阻抗匹配装置。
本实施例中的半导体加工设备，采用实施例2提供的阻抗匹配装置，可以提高工艺效果。
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 (11)
1.一种可调电容，其特征在于，包括铁电介质层和位于所述铁电介质层相对两侧的第一电极和第二电极；
所述可调电容还包括与第一电极和第二电极绝缘设置的第一控制电极和第二控制电极；
所述第一控制电极和所述第二控制电极，用于向所述铁电介质层提供电场，以通过控制所述电场的电场强度来调整所述铁电介质层的介电常数，从而调节所述第一电极和第二电极之间的容值。
2.根据权利要求1所述的可调电容，其特征在于，至少部分所述铁电介质层同时位于所述第一控制电极和所述第二控制电极之间的电场以及所述第一电极和所述第二电极之间的电场中。
3.根据权利要求2所述的可调电容，其特征在于，所述第一电极和所述第一控制电极均设置于所述铁电介质层上侧，且所述第一电极位于左侧，第一控制电极位于右侧；
所述第二电极和所述第二控制电极均设置在所述铁电介质层的下侧且所述第二电极位于右侧，第二控制电极位于左侧；
所述第一控制电极与所述第二控制电极在所述铁电介质层上的正投影不重叠。
4.根据权利要求3所述的可调电容，其特征在于，所述第二控制电极的数量为两个，所述第二电极位于所述两个所述第二控制电极之间；
所述第一电极的数量为两个，所述第一控制电极位于所述两个所述第一电极之间。
5.根据权利要求3或4所述的可调电容，其特征在于，所述第二控制电极与所述第一电极一一对应相对设置；
所述第一控制电极与所述第二电极一一对应相对设置。
6.根据权利要求5所述的可调电容，其特征在于，相对设置的所述第二控制电极和所述第一电极在所述铁电介质层上的正投影完全重合；
相对设置的所述第一控制电极和所述第二电极在所述铁电介质层上的正投影完全重合。
7.根据权利要求1所述的可调电容，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别设置在所述铁电介质层的上侧和下侧；
所述第一控制电极和所述第二控制电极分别设置在铁电介质层的左侧和右侧。
8.根据权利要求1所述的可调电容，其特征在于，所述铁电介质层的材料包括：BaTiO3、BaO-TiO2、KNbO3、K2O-Nb2O5、LiNbO3、Li2O-Nb2O5、磷酸二氢钾、三甘氨酸硫酸盐和罗息盐中的至少一种。
9.一种阻抗匹配器，包括采集单元、匹配网络和控制单元，其特征在于，所述匹配网络串接在所述射频电源和所述反应腔室之间，所述匹配网络包括权利要求1-8任意一项所述的可调电容，且所述第一电极和第二电极接入所述匹配网络的电路中，所述第一控制电极与所述控制单元电连接，所述第二控制电极接地；
所述采集单元用于采集所述射频电源和所述匹配网络之间所在传输线上的电信号并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据所述采集单元采集到的电信号进行阻抗匹配运算并根据所述运算结果控制加载至所述第一控制电极和第二控制电极之间的电压，以调节所述第一电极和所述第二电极之间的容值。
10.根据权利要求9所述的阻抗匹配装置，其特征在于，还包括低通滤波器，且所述低通滤波器设置在所述控制单元与所述第一控制电极之间。
11.根据权利要求10所述的阻抗匹配装置，其特征在于，所述可调电容的数量为多个，所述低通滤波器与所述可调电容一一对应设置且数量相等。
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