CN111430211A - 用于等离子体处理设备的射频系统及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于等离子体处理设备的射频系统及其调节方法。该方法首先将匹配器的可变电容器的与等离子处理设备的多个工艺相对应的多个初置电容值存储在数据库中；然后将可变电容器初置成数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值；之后启动射频电源及其自动调频功能以驱使射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行；接着检测射频电源输出端的阻抗，根据所检测到的阻抗驱动调节马达将可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当可变电容器处于最佳电容值时，等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配。本发明能保证匹配器和射频系统总是处于反射最小的最佳工作状态，并能改进射频系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及射频电源领域，特别涉及用于等离子体处理设备的射频系统及其调节方法。
背景技术
现有射频系统包括半固定匹配器及具有调频功能的射频电源。匹配器和射频电源通过通讯接口与控制计算机相连接。控制计算机将可变电容器的多个初置电容值存储到数据库，所述多个初置电容值与所述等离子处理设备的多个工艺相对应。在对射频系统进行调节时，控制计算机首先驱动调节马达将匹配器内的可变电容器置于初置电容值，然后射频电源启动并输出功率，接着射频电源自身的自动调频功能开始工作直至找到反射功率最小的最佳频率工作点而稳定下来。上述对射频系统的调节主要存在以下问题：
第一，若初置电容值不恰当，通过电源射频电源自身的自动调频功能最终无法找到最佳频率工作点；
第二，即使找到最佳频率工作点，随着负载的缓慢变化，反射功率会逐渐升高。
第三，当各射频系统之间存在差异时，很难对每个射频系统各自优化。
因此，如何提供一种用于等离子体处理设备的射频系统及其调节方法以提高调节有效性及其稳定性，已成为业内亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种用于等离子体处理设备的射频系统，包括射频电源以及匹配器，所述匹配器包括电感元件、固定电容器和可变电容器，所述射频系统还包括：数据库，其用于存储可变电容器的多个初置电容值，所述多个初置电容值与所述等离子处理设备的多个工艺相对应；调节马达，其用于在预设区间内调节可变电容器；阻抗检测模块，其用于检测所述射频电源输出端的阻抗；以及控制模块，其用于驱动所述调节马达将所述可变电容器初置成所述数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值，并在将所述可变电容器初置成所述初置电容值之后启动所述射频电源及其自动调频功能，通过所述自动调频功能驱使所述射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行，所述控制模块还根据所述阻抗检测模块检测到的阻抗，驱动所述调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，所述等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配。
在一实施例中，所述可变电容器的两端分别连接地和所述射频电源，所述电感元件和固定电容器串联连接并且一端连接到所述射频电源，另一端连接到等离子处理设备的一个电极。
在一实施例中，所述预设区间为200至2000皮法。
在一实施例中，所述初置电容值为800皮法、850皮法、900皮法或950皮法。
在一实施例中，所述最佳电容值为1000皮法。
在一实施例中，所述射频电源的所述特征阻抗值为50欧姆。
在一实施例中，所述射频电源的频率为13.56MHz，额定功率为1000W。
在一实施例中，所述调节马达为直线电机，所述控制模块根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定所述调节马达调节所述可变电容器的方向和步长。
本发明还公开一种用于上述任一项所述的射频系统的调节方法，所述方法包括以下步骤：(a)、将可变电容器的多个初置电容值存储在数据库中，所述多个初置电容值与所述等离子处理设备的多个工艺相对应；(b)、驱动所述调节马达将所述可变电容器初置成所述数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值；(c)、启动所述射频电源及其自动调频功能，通过所述自动调频功能驱使所述射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行；以及(d)、检测所述射频电源输出端的阻抗，根据所检测到的阻抗驱动所述调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，所述等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配。
在一实施例中，在步骤(c)中，根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定所述调节马达针对所述可变电容器进行调节的方向和步长，所述调节马达为直线电机。
与现有技术中将可变电容器初置成初置电容值后不再调节相比，本发明先驱动调节马达将匹配器的可变电容器初置成数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值，之动启动所述射频电源及其自动调频功能，通过所述自动调频功能驱使所述射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行，然后检测射频电源的阻抗，并根据阻抗检测模块检测到的阻抗，驱动调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，所述等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配，在射频电源输出端检测到的阻抗值仅具有实部电阻值。本发明能保证匹配器和射频系统总是处于反射最小的最佳工作状态，并能最小化每个射频系统之间的差异，改进射频系统稳定性，保证射频系统在处理工艺的各阶段都处于最佳工作状态。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1为本发明的用于等离子体处理设备的射频系统的组成结构示意图。
图2为用于图1的射频系统的调节方法的示例性流程图。
具体实施方案
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
参见图1，其显示了本发明的用于等离子体处理设备2的射频系统1。射频系统1包括射频电源10、匹配器11、数据库12、调节马达13、控制模块14和阻抗检测模块15。等离子体处理设备2可为等离子体镀膜设备或等离子体刻蚀设备等。
射频电源10的两端分别与匹配器11和地G连接。射频电源10为业界成熟的模块化电源，其具有通过调节内部构件参数，从而实现在其工作频率附近在较小幅度内调整频率的功能。在一实施例中，射频电源10的工作频率为13.56MHz，额定功率为1000W。
在其他实施例中，射频电源10的工作频率可为27.12MHz、40.68MHz或其他业界常用的工作频率，其额定功率可根据等离子体处理设备2对应负载的大小具体确定。
匹配器11包括电感元件L1、可变电容器C1和固定电容器C2。如图1中的示例性匹配器11所示，可变电容器C1的两端分别连接地G和射频电源10，电感元件L1和固定电容器C2串联连接并且一端连接到射频电源10，另一端连接到等离子处理设备2的上电极20。电感元件L1、可变电容器C1和固定电容器C2的值及相互间的连接结构可根据具体的射频电源10和等离子体处理设备2进行确定，并根据具体情况进行适应性调整。
在一实施例中，电感元件L1为1μH、可变电容器C1的电容调节范围为200至2000皮法，固定电容器C2为1000皮法。
数据库12用于存储可变电容器C1的多个初置电容值，多个初置电容值与等离子处理设备2的多个工艺相对应。在一些实施例中，初置电容值可为800皮法(pF)、850皮法、900皮法或950皮法等。
调节马达13用于在预设区间内调节可变电容器C1，预设区间可具体根据匹配器11的参数值进行确定，通常可为可变电容器C1的整个可调节范围。在一实施例中，预设区间为200至2000皮法。
控制模块14用于驱动调节马达13将可变电容器C1初置成数据库12中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值。在一实施例中，控制模块14驱动调节马达13将可变电容器C1初置成900皮法。
射频电源10具有驱使其寻找并运行到与初置电容值相对应的最佳频率工作点的自动调频功能，射频电源10在最佳频率工作点反射功率最小。控制模块14在将可变电容器C1初置成初置电容值之后启动射频电源10及其自动调频功能，自动调频功能驱使射频电源10找到与初置电容值C1相对应的最佳频率工作点并在此运行。
阻抗检测模块15用于检测射频电源10输出端的阻抗。控制模块14还用于根据阻抗检测模块15检测到的阻抗，驱动调节马达13将可变电容器C1从初置电容值调节至最佳电容值，当可变电容器C1处于最佳电容值时，等离子体处理设备2和匹配器11的阻抗与射频电源10的特征阻抗值相匹配，阻抗检测模块15在射频电源10输出端检测到的阻抗值仅具有实部电阻值。在一实施例中，射频电源10的特征阻抗值为50欧姆，阻抗检测模块15在射频电源输出端检测到的阻抗值也为50欧姆，最佳电容值为1000皮法。
在一实施例中，调节马达13为直线电机，控制模块14根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定调节马达13调节可变电容器C1的方向和步长，从而将阻抗检测模块15检测到的阻抗值调节成仅具有实部电阻值，例如射频电源10的示例性特征阻抗值50欧姆。
参见图2，其显示了本发明用于图1的射频系统的调节方法，所述方法S20首先进行步骤S200，将可变电容器C1的多个初置电容值存储在数据库12中，所述多个初置电容值与等离子处理设备2的多个工艺相对应。
所述方法S20继续进行步骤S220，驱动调节马达13将可变电容器C1初置成数据库12中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值。所述多个初置电容值设置的目的是便于直接根据具体工艺直接从数据库12中进行调取，现有技术中将可变电容器C1设定为相应的初置电容值后便不再进行调节。
所述方法S20继续进行步骤S240，启动射频电源10及其自动调频功能，所述自动调频功能驱使射频电源10找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行。射频电源的自动调频功能为业界成熟的射频电源模块自身所带的功能，在此不再对此结构、原理及具体的自动调频过程进行赘述。
所述方法S20继续进行步骤S260，检测射频电源10输出端的阻抗，根据检测到的阻抗，驱动调节马达13将可变电容器C1从初置电容值调节至最佳电容值，当可变电容器C1处于所述最佳电容值时，等离子体处理设备2和匹配器11的阻抗与射频电源10的特征阻抗值相匹配。步骤S260中阻抗的检测是通过图1中所示的阻抗检测模块15进行的，当可变电容器C1处于所述最佳电容值时，在射频电源10输出端检测到的阻抗值仅具有实部电阻值。在步骤S260中，根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定所述调节马达13针对所述可变电容器C1进行调节的方向和步长，所述调节马达13为直线电机。
本发明先驱动调节马达将匹配器的可变电容器初置成数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值，然后检测射频电源的阻抗，并根据检测到的阻抗驱动调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，在射频电源输出端检测到的阻抗值为只有实部欧姆值的预设阻抗值。本发明能保证匹配器和射频系统总是处于反射最小的工作状态，并能最小化每个射频系统之间的差异，保证每个射频系统都工作在最佳状态，改进射频系统稳定性，保证射频系统在处理工艺的各阶段都处于最佳工作状态。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (10)
1.一种用于等离子体处理设备的射频系统，包括射频电源以及匹配器，所述匹配器包括电感元件、固定电容器和可变电容器，所述射频系统还包括：
数据库，其用于存储可变电容器的多个初置电容值，所述多个初置电容值与所述等离子处理设备的多个工艺相对应；
调节马达，其用于在预设区间内调节可变电容器；
阻抗检测模块，其用于检测所述射频电源输出端的阻抗；以及
控制模块，其用于驱动所述调节马达将所述可变电容器初置成所述数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值，并在将所述可变电容器初置成所述初置电容值之后启动所述射频电源及其自动调频功能，通过所述自动调频功能驱使所述射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行，所述控制模块还根据所述阻抗检测模块检测到的阻抗，驱动所述调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，所述等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配。
2.如权利要求1所述的射频系统，其特征在于，所述可变电容器的两端分别连接地和所述射频电源，所述电感元件和固定电容器串联连接并且一端连接到所述射频电源，另一端连接到等离子镀膜设备的一个电极。
3.如权利要求1或2所述的射频系统，其特征在于，所述预设区间为200至2000皮法。
4.如权利要求3所述的射频系统，其特征在于，所述初置电容值为800皮法、850皮法、900皮法或950皮法。
5.如权利要求1所述的射频系统，其特征在于，所述最佳电容值为1000皮法。
6.如权利要求1所述的射频系统，其特征在于，所述射频电源的所述特征阻抗值为50欧姆。
7.如权利要求1所述的射频系统，其特征在于，所述射频电源的工作频率为13.56MHz，额定功率为1000W。
8.如权利要求1所述的射频系统，其特征在于，所述调节马达为直线电机，所述控制模块根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定所述调节马达调节所述可变电容器的方向和步长。
9.一种用于权利要求1至8中任一项所述的射频系统的调节方法，所述方法包括以下步骤：
(a)、将可变电容器的多个初置电容值存储在数据库中，所述多个初置电容值与所述等离子处理设备的多个工艺相对应；
(b)、驱动所述调节马达将所述可变电容器初置成所述数据库中存储的、与用户所选工艺相对应的初置电容值；
(c)、启动所述射频电源及其自动调频功能，通过所述自动调频功能驱使所述射频电源找到与初置电容值相对应的最佳频率工作点并在此运行；以及
(d)、检测所述射频电源输出端的阻抗，根据所检测到的阻抗驱动所述调节马达将所述可变电容器从初置电容值调节至最佳电容值，当所述可变电容器处于所述最佳电容值时，所述等离子体处理设备和匹配器的阻抗与射频电源的特征阻抗值相匹配。
10.如权利要求9所述的调节方法，其特征在于，在步骤(d)中，根据检测到的阻抗的相位和幅度，确定所述调节马达针对所述可变电容器进行调节的方向和步长，所述调节马达为直线电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201306 plant 3, Lane 2699, Jiangshan Road, Lingang xinpian District, China (Shanghai) pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai Applicant after: Ideal Wanlihui Semiconductor Equipment (Shanghai) Co.,Ltd. Address before: 201620, Room 403, room 3255, Si Xian Road, Songjiang District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI LIXIANG WANLIHUI FILM EQUIPMENT Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |