CN111610368A

CN111610368A - 阻抗传感器及半导体设备

Info

Publication number: CN111610368A
Application number: CN202010475324.6A
Authority: CN
Inventors: 韦刚; 卫晶
Original assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-09-01

Abstract

本申请实施例公开了一种阻抗传感器及半导体设备。阻抗传感器包括导体、围绕导体设置的磁环骨架以及环绕磁环骨架设置的导电组件；导电组件包括绕制在磁环骨架外侧的第一导电件，以及，沿磁环骨架的主轴设置且与所述第一导电件连接的第二导电件；第二导电件和第一导电件用于耦合导体内的电流；第一导电件耦合的第一电流在磁环骨架的主轴方向上的电流分量和第二导电件耦合的第二电流的大小相等且方向相反。本申请实施例提供的半导体设备解决了半导体设备中的射频电源与负载阻抗不匹配的问题。

Description

阻抗传感器及半导体设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种阻抗传感器及半导体设备。

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)和超高频(30MHz-300MHz)。

众所周知，采用的射频电源本身有其自身的特性阻抗，通常为50欧姆，而对于等离子体负载，其负载阻抗一般不会是50欧姆，根据传输线理论，当电源的特性阻抗与负载的阻抗不共轭，即阻抗不匹配时，射频电源输出功率无法加载到负载上，导致功率反射，从而造成功率浪费，同时反射回射频电源的功率会对电源本身有损害。因此，如何使射频电源与负载的阻抗匹配成为目前亟需解决的问题之一。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种阻抗传感器及半导体设备，用以解决半导体设备中的射频电源与负载阻抗不匹配的问题。

为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种阻抗传感器，包括导体、围绕所述导体设置的磁环骨架以及环绕所述磁环骨架设置的导电组件；

所述导电组件包括绕制在所述磁环骨架外侧的第一导电件，以及，沿所述磁环骨架的主轴设置且与所述第一导电件连接的第二导电件；

所述第二导电件和所述第一导电件用于耦合所述导体内的电流；所述第一导电件耦合的第一电流在所述磁环骨架的主轴方向上的电流分量和所述第二导电件耦合的第二电流的大小相等且方向相反。

另一方面，本申请实施例提供一种半导体设备，包括依次连接的射频电源、阻抗匹配器及腔室；其中：

所述射频电源，用于为所述腔室供电；

所述阻抗匹配器，包括如上述任一方面所述的阻抗传感器；用于检测所述射频电源的电流信号，根据所述射频电源的电压信号、所述电流信号以及所述腔室的阻抗信息确定阻抗匹配调节参数，以及，根据所述阻抗匹配调节参数调节所述阻抗匹配器的输出阻抗，以使调节后的所述输出阻抗与所述腔室的阻抗信息相匹配。

采用本发明实施例的技术方案，通过在半导体设备的射频电源与腔室之间连接一阻抗匹配器，通过阻抗匹配器中的阻抗传感器的电路结构，使得阻抗传感器能够检测射频电源的电流信号，并根据射频电源的电压信号、检测到的电流信号以及腔室阻抗信息确定阻抗匹配调节参数，以及根据阻抗匹配调节参数调节输出阻抗，以使调节后的输出阻抗与腔室阻抗信息相匹配，避免功率反射情况，实现了射频电源与腔室之间的阻抗匹配。其中，基于阻抗传感器中的导电组件结构，能够抵消掉绕制在磁环骨架外侧的第一导电件因绕制方向偏差所产生的骨架主轴方向上的电流分量，从而确保电流检测的准确性，进一步确保了阻抗匹配调节的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一实施例的一种阻抗传感器的示意性结构图；

图2是根据本发明另一实施例的一种阻抗传感器的示意性结构图；

图3(a)、3(b)是根据本发明一实施例的一种阻抗传感器检测到的矢量电流示意性；

图4是根据本发明一实施例的一种阻抗传感器的俯视图；

图5是根据本发明一实施例的一种阻抗传感器的侧视剖面图；

图6是根据本发明另一实施例的一种阻抗传感器的俯视图；

图7是根据本发明另一实施例的一种阻抗传感器的侧视剖面图；

图8是根据本发明再一实施例的一种阻抗传感器的侧视剖面图

图9是根据本发明一实施例的一种半导体设备的示意性框图；

图10是根据本发明另一实施例的一种半导体设备的示意性框图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种阻抗传感器及半导体设备，用以解决半导体设备中的射频电源与负载阻抗不匹配的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是根据本发明一实施例的一种阻抗传感器的示意性结构图，如图1所示，阻抗传感器应用于半导体设备，包括导体10、围绕导体10设置的磁环骨架31以及环绕磁环骨架31设置的导电组件32；

导电组件32包括绕制在磁环骨架31外侧的第一导电件321，以及，沿磁环骨架31的主轴设置且与第一导电件321连接的第二导电件322。

第二导电件322和第一导电件321用于耦合导体10内的电流；第一导电件321耦合的第一电流在磁环骨架31的主轴方向上的电流分量和第二导电件322耦合的第二电流的大小相等且方向相反。

本实施例中，磁环骨架31可采用不同磁导率的绝缘材料。导体10可采用具有导电作用的金属导体。电流信号通过导体10时，导电组件32上由于电磁耦合会形成感应电流。

采用本发明实施例的阻抗传感器，基于阻抗传感器中的导电组件结构，使得第二导电件耦合的电流能够抵消掉第一导电件因绕制方向偏差所产生的骨架主轴方向上的电流分量，从而确保利用阻抗传感器检测电流的准确性，进一步确保了阻抗匹配调节的准确性。

在一个实施例中，如图2所示，阻抗传感器还包括电压采样环20，该电压采样环20环设于导体10的外侧，电压采样环20与导体10之间采用绝缘材料(图2中未示出)隔离。

需要说明的是，虽然图1中和图2中示出的导体10的粗细、形状略有不同，但图1和图2中所示的导体10的粗细、形状不具有限定作用，导体10的粗细、形状等可根据实际使用场景进行设定。

电压采样环20与导体10之间的绝缘材料具备耐电压、且稳定性高的特性，如采用聚四氟乙烯等材料。电压信号通过电压采样环20与导体10之间形成的电容结构耦合出电压信号。

本实施例对用于隔离电压采样环20与导体10的绝缘材料的形状不做限定，例如，该绝缘材料的形状可以是小于电压采样环20半径且与电压采样环20同轴的绝缘环，即，导体10的外侧先环设一个绝缘环，绝缘环的外侧再环设电压采样环20。并且，本实施例对绝缘环的高度也不作限定，如绝缘环的高度可与电压采样环20的高度相当，也可以高于电压采样环20的高度，等等。

本实施例中，通过在阻抗传感器中设置电压采样环，使得阻抗传感器能够同时具备检测电压信号和电流信号的功能，从而便于检测半导体设备的电压信号和电流信号。

在一个实施例中，第一导电件321为第一电感线圈或第一金属箔，第二导电件322为贯穿磁环骨架31的内芯的第二电感线圈或第二金属箔。如图1和图2所示，第一导电件321为第一电感线圈，第二导电件322为第二电感线圈。

第一电感线圈和第二电感线圈可采用导电的漆包线。电流信号通过导体10时，导电组件32上由于电磁耦合会形成感应电流。

本实施例中，第一导电件321和第二导电件322的材料可选择多种，如电感线圈或金属箔(如铜箔)等，从而使导电组件的可选择范围较大，使用起来也更方便。

在一个实施例中，当第一导电件321为第一电感线圈，第二导电件322为第二电感线圈时，第一电感线圈与第二电感线圈为一条总电感线圈的不同部分，磁环骨架31上设有第一端和第二端。总电感线圈从磁环骨架31上的第一端开始绕制，并在绕制磁环骨架31至少一周后到达第二端，形成第一电感线圈；总电感线圈从磁环骨架31上的第二端回折后穿入磁环骨架31的内芯，并在贯穿内芯后从磁环骨架31上的第一端穿出，形成第二电感线圈。

其中，磁环骨架31上的第一端和第二端之间的距离小于指定值。该指定值可根据实际应用场景设定。优选的，可将该指定值设置为较小值，以使第一端和第二端之间尽可能地接近，从而使第一电感线圈能够绕满(如绕制一整周或多周)磁环骨架31的外侧，基于此，可以减小磁环骨架的大小，从而减小阻抗传感器的大小和生产成本。

磁环骨架31的第一端和第二端仅是为了清楚限定总电感线圈的穿入穿出位置，即，磁环骨架31上的任意位置均可设置为第一端和第二端，总电感线圈的穿入端被认为是第一端，而穿出端则被认为是第二端。以下实施例中所述的磁环骨架31上的第一端和第二端也是相同含义，不再赘述。

如图2所示，总电感线圈(以下简称电感线圈)的两端(包括第一端42和第二端41)分别为两个电流采样端口。电感线圈从电流采样端口42(假设该端口处为磁环骨架31的第一端)开始绕制在磁环骨架31的外侧，绕制到最后一匝时从磁环骨架31的第二端回折后穿入磁环骨架31的内芯，并在磁环骨架31的环中心位置环绕一圈后穿出至电流采样端口41，穿出的位置恰为磁环骨架31的第一端。图4为图2所示的阻抗传感器的俯视图。图5为图2所示的阻抗传感器的侧视剖面图。

本实施例中，形成感应电流Is的大小与总电感线圈的线圈匝数N、磁环骨架31的磁导率和横截面积等参数有关，计算公式如下公式(1)：

其中，ki为电流系数，一般取常数；μ为磁环骨架31的磁导率；ΔA为磁环骨架31的横截面积；N为线圈匝数；r为磁环骨架31的半径。

上述实施例中，第一电感线圈321耦合产生的矢量电流包括两个方向上的电流分量：沿纵向(Z方向)存在的主分量Is₁以及沿水平方向(即磁环骨架主轴线所在方向)上的分量Is₂，如图3(a)所示。第二电感线圈(即回折线圈322)耦合产生的矢量电流为沿水平方向、且方向与Is₂相反的Is_R，如图3(b)所示。并且，Is_R和Is₂的电流大小在理论上是相等的。这样，最终检测到的电流实际为纵向(Z方向)存在的主分量Is₁。由于磁环骨架31环设于导体10的外侧，因此需要检测纵向(即平行于导体10的主轴的方向)上的电流信号，即主分量Is₁，从而避免检测到第一电感线圈321因绕制方向偏差所产生的骨架主轴方向上的电流分量，确保电流检测的准确性。

需要说明的是，图3(a)和图3(b)仅是为了示意性地示出耦合电流的方向，但未示出环设在导体10外侧的电压采样环20。实际应用中，可根据实际使用场景选择是否在导体10外侧环设电压采样环20。当然，在导体10外侧环设电压采样环20时，电压采样环20和导体10之间需用绝缘材料隔离。

本实施例中，采用线圈电感耦合方式采集电流信号的结构比较简单、造价低廉，且能够实现一定的精度要求，因此安全可靠，应用广泛。

在一个实施例中，第二电感线圈在磁环骨架31的内芯的回折总次数为奇数。

图6示出了回折总次数为3时的阻抗传感器的示意性俯视图。如图6所示，电感线圈从磁环骨架31的第二端回折后穿入磁环骨架31的内芯，并在磁环骨架31的环中心位置环绕一圈后至磁环骨架31的第一端，形成电感线圈3221。然后在磁环骨架31的第一端回折再次穿入磁环骨架31的内芯，并在磁环骨架31的环中心位置环绕一圈后至磁环骨架31的第二端，形成电感线圈3223。然后在磁环骨架31的第二端回折再次穿入磁环骨架31的内芯，并在磁环骨架31的环中心位置环绕一圈后至磁环骨架31的第一端，形成电感线圈3222。

图7为图6所示的阻抗传感器的侧视剖面图。

在一个实施例中，第二导电件322所在平面与磁环骨架31的主轴所在平面之间的夹角小于45度。

如图8所示，在第二导电件322为贯穿磁环骨架31的内芯的电感线圈81时，该电感线圈81所在平面与磁环骨架31的主轴所在平面之间形成角度θ，θ小于45°。

本实施例中，通过将第二导电件所在平面与磁环骨架的主轴所在平面之间的夹角设置为小于45度，使得第二导电件耦合的电流与第一导电件因绕制方向偏差所产生的骨架主轴方向上的电流分量在大小上更为接近，从而避免角度设置过大时导致的电流检测不准确的情况。

图9是根据本发明一实施例的一种半导体设备的示意性框图，如图3所示，半导体设备包括依次连接的射频电源910、阻抗匹配器920及腔室930；其中：

射频电源910，用于为腔室930供电。

阻抗匹配器920，包括阻抗传感器921，用于检测射频电源910的电流信号，根据射频电源910的电压信号、电流信号以及腔室930的阻抗信息确定阻抗匹配调节参数，以及，根据阻抗匹配调节参数调节阻抗匹配器921的输出阻抗，以使调节后的输出阻抗与腔室930的阻抗信息相匹配。

如图9所示，通过阻抗匹配器920将射频电源910的输出功率加载至腔室930，使得从阻抗匹配器920的输入端向后看去的阻抗与射频电源910的阻抗相同，即实现腔室930和射频电源910的阻抗共轭，达到阻抗匹配，射频电源910的输出功率可被完全加载至腔室930，避免了功率反射及浪费。

本实施例中，射频电源910的电压信号可由阻抗传感器中的电压采样环检测得到。也可由其他设备(如特设的与阻抗传感器连接的电压检测设备)检测得到，并传输给阻抗传感器。

在一个实施例中，电压信号通过阻抗传感器中的电压采样环检测得到。

如图10所示，阻抗匹配器920还包括运算控制模块922、执行模块923及匹配网络924；其中：

运算控制模块922，用于根据阻抗传感器921检测到的电压信号和电流信号确定阻抗匹配调节参数。

执行模块923，用于根据阻抗匹配调节参数，调节匹配网络924中的可调节元件，以使匹配网络924的输出阻抗与腔室930的阻抗信息相匹配。

其中，匹配网络924中的可调节元件如可变电容等。

采用本发明实施例的技术方案，通过在半导体设备的射频电源与腔室之间连接一阻抗匹配器，通过阻抗匹配器中的阻抗传感器的电路结构，使得阻抗传感器能够检测射频电源的电流信号，并根据射频电源的电压信号、检测到的电流信号以及腔室的阻抗信息确定阻抗匹配调节参数，以及根据阻抗匹配调节参数调节阻抗匹配器的输出阻抗，以使调节后的输出阻抗与腔室阻抗信息相匹配，避免功率反射情况，实现了射频电源与腔室之间的阻抗匹配。其中，基于阻抗传感器中的导电组件结构，能够抵消掉绕制在磁环骨架外侧的第一导电件因绕制方向偏差所产生的骨架主轴方向上的电流分量，从而确保电流检测的准确性，进一步确保了阻抗匹配调节的准确性。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种阻抗传感器，其特征在于，包括导体、围绕所述导体设置的磁环骨架以及环绕所述磁环骨架设置的导电组件；

2.根据权利要求1所述的阻抗传感器，其特征在于，所述第一导电件为第一电感线圈或第一金属箔，所述第二导电件为贯穿所述磁环骨架的内芯的第二电感线圈或第二金属箔。

3.根据权利要求2所述的阻抗传感器，其特征在于，当所述第一导电件为所述第一电感线圈，所述第二导电件为所述第二电感线圈时，所述第一电感线圈与所述第二电感线圈为一条总电感线圈的不同部分；所述磁环骨架上设有第一端和第二端；

所述总电感线圈从所述第一端开始绕制，并在绕制所述磁环骨架至少一周后到达所述第二端，形成所述第一电感线圈；所述总电感线圈从所述第二端回折后穿入所述磁环骨架的所述内芯，并在贯穿所述内芯后从所述第一端穿出，形成所述第二电感线圈。

4.根据权利要求3所述的阻抗传感器，其特征在于，所述第一端和所述第二端之间的距离小于指定值。

5.根据权利要求3所述的阻抗传感器，其特征在于，所述第二电感线圈在所述内芯的回折总次数为奇数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的阻抗传感器，其特征在于，所述第二导电件所在平面与所述磁环骨架的主轴所在平面之间的夹角小于45度。

7.根据权利要求2所述的阻抗传感器，其特征在于，所述第一电感线圈和所述第二电感线圈为导电的漆包线。

8.根据权利要求1所述的阻抗传感器，其特征在于，还包括电压采样环；

所述电压采样环环设于所述导体的外侧，所述电压采样环与所述导体之间采用绝缘材料隔离。

9.一种半导体设备，其特征在于，包括依次连接的射频电源、阻抗匹配器及腔室；其中：

所述射频电源，用于为所述腔室供电；

所述阻抗匹配器，包括如权利要求1至8中任一项所述的阻抗传感器；用于检测所述射频电源的电流信号，根据所述射频电源的电压信号、所述电流信号以及所述腔室的阻抗信息确定阻抗匹配调节参数，以及，根据所述阻抗匹配调节参数调节所述阻抗匹配器的输出阻抗，以使调节后的所述输出阻抗与所述腔室的阻抗信息相匹配。

10.根据权利要求9所述的半导体设备，其特征在于，所述电压信号通过所述阻抗传感器中的电压采样环检测得到；所述阻抗匹配器还包括运算控制模块、执行模块及匹配网络；

所述运算控制模块，用于根据所述阻抗传感器检测到的所述电压信号和所述电流信号，确定所述阻抗匹配调节参数；

所述执行模块，用于根据所述阻抗匹配调节参数，调节所述匹配网络中的可调节元件，以使所述匹配网络的输出阻抗与所述腔室的阻抗信息相匹配。