CN1430247A - 匹配电路和等离子加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种匹配电路，该匹配电路能够实现很宽的匹配范围并且相对于负荷状态的变化稳定。第一可变电抗元件(32)的一端连接到匹配电路(30)的输入端子(31)上。第一可变电抗元件(32)的另一端连接到串联的第一固定电抗元件(33a)和第二固定电抗元件(33b)之间的点上。第一固定电抗元件(33a)接地，并且第二固定电抗元件(33b)连接到第二可变电抗元件(36)的一端上并且连接到带状线(37)的一端上。第二可变电抗元件(36)的另一端接地，并且带状线(37)的另一端连接到输出端子(38)上。

Description

匹配电路和等离子加工装置

技术领域

本发明涉及一种电路和等离子加工装置，该电路和等离子加工装置用于加工半导体，液晶装置等的电子器件以及微电机的电子器件。

背景技术

在加工半导体，液晶装置等的电子器件以及微电机中，已经利用通过等离子加工的薄膜加工技术。图4示出了典型的等离子加工装置。供气系统2设置在真空容器1的侧壁上。当规定的气体通过供气系统2供给到真空容器的内部时由涡轮分子泵4通过设置在底壁上的排放口3进行空气排放，并且真空容器1内部保持规定的压力。用于控制真空容器1的内部到规定压力的压力调节阀5设置在排放口3之上，以便上下移动。被等离子加工的衬底6放置在衬底电极7上，衬底电极7通过四个支柱8固定在真空容器1的内部。从衬底电极的高频电源9供给衬底电极7频率为500kHz的高频电。内部腔室10特别围绕衬底电极7设置在真空容器1的内部，以便防止真空容器1的内壁表面由于等离子加工被弄脏。

此外，盘状天线11通过绝缘板12与衬底电极7相对地固定在真空容器1上部壁面的内部表面上。天线11的下部表面覆盖有盖子13。围绕天线11，导体环14通过绝缘环15固定在真空容器1上部壁面的内部表面上。采用这种布置，环形等离子体陷阱16设置在导体环14和天线11之间和绝缘环15和绝缘板12之间。天线11设有穿过绝缘板12和真空容器1上壁的供给棒17，并且由同轴管19通过匹配电路20从用于天线的高频电源供给供给棒17频率为f＝100MHz的高频电。

如果在真空容器1内部排放和充满规定压力的规定气体的状态下供给衬底电极7和天线11高频电，那么在真空容器1中产生等离子，使放置在衬底电极7上的衬底6被等离子加工。

匹配电路20通过将天线11的阻抗与用作同轴线的同轴管19的特性阻抗相匹配降低电能损失。匹配电路20由图5所示的电路构成。即，同轴管19连接到输入端子21，用作第一可变电抗元件的第一可变电容22的一端通过用作电感的铜板23连接到输入端子21上。第一可变电容22的另一端经过外壳24接地。用作第二可变电抗元件的第二可变电容25的一端通过用作电感的铜板26连接到输入端子21上。第二可变电容25的另一端连接到匹配电路20的输出端子27上，天线11连接到输出端子27上。

然而，传统的等离子加工装置的匹配电路能够实现匹配的范围较窄。因此，即使当改变气体的类型和流速的排放条件，真空容器的压力，高频电等，匹配电路20仅仅在有限的排放条件能够确保匹配。此外，如果在等离子加工过程中气体类型，气体流速，真空容器中的压力和高频电中的任一项被改变，当在此变化之前和之后天线11的阻抗变化较大达到匹配状态有时要花费五到十秒。如果天线11的阻抗变化太大，匹配状态有时不能得到。再者，如果供给天线11的高频电的频率增加，则过强的电流流过匹配电路20的第一可变电容22和第二可变电容25，并且在其两端产生过压，特别是在第二可变电容25的两端产生过压。由此导致该问题，即温度局部升高并且匹配状态变得不稳定。

发明内容

考虑到上述问题，完成了本发明并且本发明的目的是提供一种匹配电路和一种等离子加工装置，它们能够实现较宽的匹配范围并且其匹配状态相对于负荷状态的变化稳定。

作为解决上述问题的方法，本发明提供一种匹配电路，包括：

输入端子；

输出端子；

第一固定电抗元件；

第二固定电抗元件，第二固定电抗元件串联连接到其另一端接地的第一固定电抗元件上；

第一可变电抗元件，第一可变电抗元件的一端连接到输入端子上并且第一可变电抗元件的另一端连接到第一固定电抗元件和第二固定电抗元件之间的点上；

第二可变电抗元件，第二可变电抗元件的一端连接到第二固定电抗元件上并且第二可变电抗元件的另一端接地；及

带状线，带状线的一端连接到第二可变电抗元件和第二固定电抗元件上并且带状线的另一端连接到输出端子上。

假定施加到输入端子上的高频电的波长是λ(m)，则从输出端子到连接到输出端子上的天线的长度D1(m)和带状线的长度D2(m)的总和D1+D2应当优选满足下面的表达式：

λ/32+λ/2×(n-1)≤D1+D2≤-λ/32+λ/2×n(n＝1，2，3，...)。

更优选的方式是，长度D1+D2满足下面的表达式：

λ/16≤D1+D2≤4λ/16。

第一可变电抗元件和第二可变电抗元件可以每一个是可变电容。优选方式是，第一固定电抗元件和第二固定电抗元件中的每一个是线圈，并且所述元件串联连接构成一个固定线圈。第一固定电抗元件和第二固定电抗元件可以每一个都由可变电抗元件代替。

作为解决上述问题的方法，本发明提供一种等离子加工装置，包括真空容器；用于供给气体到真空容器中的供气系统；用于将真空容器内部抽真空的排气系统；衬底电极，所述衬底电极设置在真空容器的内部并且将被加工的衬底放置在衬底电极上；供给衬底电极高频电的衬底电极高频电源；与衬底电极相对地布置的天线；用于供给天线高频电的天线高频电源；及布置在天线和天线高频电源之间的匹配电路，所述匹配电路包括：

输入端子；

输出端子；

第一固定电抗元件；

第二固定电抗元件，第二固定电抗元件串联连接到其另一端接地的第一固定电抗元件上；

第一可变电抗元件，第一可变电抗元件的一端连接到输入端子上并且第一可变电抗元件的另一端连接到第一固定电抗元件和第二固定电抗元件之间的点上；

第二可变电抗元件，第二可变电抗元件的一端连接到第二固定电抗元件上并且第二可变电抗元件的另一端接地；及

带状线，带状线的一端连接到第二可变电抗元件和第二固定电抗元件上并且带状线的另一端连接到输出端子上。

附图说明

从下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的其他目的和优点更加显而易见，其中：

图1是本发明的匹配电路的电路图；

图2是图1所示匹配电路的元件布置的立体平画的分解图；

图3是施加在负荷上的驻波的状态图；

图4是等离子加工电路的示意图；及

图5是传统的匹配电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的实施例。

图1示出了本发明的匹配电路30。采用匹配电路30的等离子加工装置与图4所示的典型的等离子加工装置相同，因此，既不提供其说明也不提供其图示。

匹配电路30匹配具有同轴管19的特性阻抗的等离子加工装置的天线11和天线的高频电源18的阻抗。从天线高频电源18来的同轴管19连接到输入端子31，用作第一可变电抗元件的第一可变电容32的一端连接到输入端子31上。第一可变电容32的另一端连接到固定线圈33的抽头34上。固定线圈33由第一固定电抗元件33a和由抽头34形成边界的第二固定电抗元件33b构成。固定线圈33的抽头34在适当的位置调整，以便从匹配电路30的输入端子31观测的输入阻抗成为50欧。位于第一固定电抗元件33a侧的固定线圈33的一端连接到外壳35上以便接地。位于第二固定电抗元件33b侧的另一端连接到第二可变电容36的一端，第二可变电容36用作第二可变电抗元件并且连接到带状线37的一端上。第二可变电容36的另一端连接到外壳35上以便接地。带状线37的另一端连接到匹配电路30的输出端子38上以便连接到天线11上。带状线37沿外壳35布置并且形成与外壳35平行的板。图2以立体平画的方式示出了该匹配电路30。

用于探测从天线高频电源18来的高频行波和反射波的探测器39设置在输入端子31和第一可变电容32之间。由探测器39探测到的高频行波和反射波输入到控制器40。控制器40控制第一可变电容32和第二可变电容36，以便由探测器39探测到的高频反射波变为零。

在本实施例中，第一可变电容32的电容C1是10到60pF，第二可变电容36的电容C2是10到609pF，固定线圈33的电感L是1.3μH，带状线37的长度D2是320mm，从匹配电路30的输出端子38到天线11的长度D1是118mm，并且从匹配电路30的输出端子38到天线11的长度D1和带状线37的长度D2的总和D＝D1+D2是438mm。

从匹配电路观测的等离子的阻抗不大于约5欧，并且在本实施例中它是1欧，在负载端提供一种几乎短路的状态。当高频电通过特征阻抗Z0的带状线37施加在短路端上时，在短路点产生具有节点的驻波，如图3所示。此时，从位于距负载端λ/4的点观测负载侧的阻抗Zin变为无穷大。因此，当高频电从距负载端λ/4的点供给时，电流在负载端最大，并且在供电端电流最小。

然而，如果阻抗Zin为无穷大，则不能实现与高频电源18的阻抗匹配。因此，除了带状线37之外匹配电路30的元件距离负载端由下面表达式表示的长度布置。即，从匹配电路30的输出端子38到天线11的长度D1和带状线37的长度D2的总和D＝D1+D2设定在下面的表达式的范围内：

λ/32+λ/2×(n-1)≤D1+D2≤-λ/32+λ/2×n(n＝1，2，3，...)

长度D1+D2的优选范围由下面的表达式表示：

λ/16≤D1+D2≤4λ/16

如上文所述，通过提供带状线37和设定长度D1+D2在上述的范围内，流过第二可变电容36的电流减小。从匹配电路30观测的负载阻抗由带状线37的长度支配并且当气体类型，气体流速的排放条件，压力，高频电灯改变时不被天线11的阻抗变化影响。因此，能够实现的匹配范围变宽，并且匹配状态稳定。

在上述的实施例中的真空容器1的形状和天线11的形状每一个都仅仅作为例子示出，并且不必说，本发明的这些形状能够以各种方式改变和修改。

在上述的实施例中，施加在电线11上的高频电的频率设为100MHz。然而，匹配电路30中的带状线37有效运行的频率不低于约50MHz。因此，施加在电线11上的高频电的频率需要不低于约50MHz。

尽管在前面的实施例中可变电容32和36用作第一可变电抗元件和第二可变电抗元件，但采用其它可变元件，例如可变电感也是可接受的。尽管第一固定电抗元件和第二固定电抗元件由一个固定线圈33提供，但它们可以由单独的元件提供。再者，第一固定电抗元件和第二固定电抗元件可以由可变电感或可变电容提供，而不是固定元件。

需要注意，在用于电感耦合等离子源的线圈和用于表面波等离子源的电磁辐射天线的情形中本发明仍然有效。

从上述内容可以看出，根据本发明，通过设定从匹配电路的输出端子到天线的长度D1和带状线的长度D2的总和D1+D2在上述的范围内，流过第二可变电抗的电流减小，并且能够抑制局部温度升高。从匹配电路观测的负载阻抗由带状线的长度支配并且当气体类型，气体流速的排放条件，压力，高频电灯改变时不被天线的阻抗变化影响。因此，能够实现的匹配范围变宽，并且匹配状态稳定。

尽管参照附图，结合优选实施例，充分描述了本发明，但应当注意，多种改变和修改对本领域的普通技术人员而言是非常明显的。因此除非这种变化和修改偏离本发明的精神和范围，否则，这种变化和修改被理解为在本发明权力要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种匹配电路，包括：

输入端子；

输出端子；

第一固定电抗元件；

第二固定电抗元件，第二固定电抗元件串联连接到其另一端接地的第一固定电抗元件上；

第一可变电抗元件，第一可变电抗元件的一端连接到输入端子上并且第一可变电抗元件的另一端连接到第一固定电抗元件和第二固定电抗元件之间的点上；

第二可变电抗元件，第二可变电抗元件的一端连接到第二固定电抗元件上并且第二可变电抗元件的另一端接地；及

带状线，带状线的一端连接到第二可变电抗元件和第二固定电抗元件上并且带状线的另一端连接到输出端子上。

2.根据权利要求1所述的匹配电路，其中，假定施加到输入端子上的高频电的波长是λ(m)，则从输出端子到连接到输出端子上的天线的长度D1(m)和带状线的长度D2(m)的总和D1+D2满足下面的表达式：

λ/32+λ/2×(n-1)≤D1+D2≤-λ/32+λ/2×n(n＝1，2，3，...)。

3.根据权利要求2所述的匹配电路，其中，长度D1+D2满足下面的表达式：

λ/16≤D1+D2≤4λ/16。

4.根据权利要求1所述的匹配电路，其中第一可变电抗元件是可变电容。

5.根据权利要求1所述的匹配电路，其中第二可变电抗元件是可变电容。

6.根据权利要求1所述的匹配电路，其中第一固定电抗元件和第二固定电抗元件中的每一个都是线圈，并且所述元件串联连接构成一个固定线圈。

7.根据权利要求1所述的匹配电路，其中第一固定电抗元件由可变电抗元件代替。

8.根据权利要求1所述的匹配电路，其中第二固定电抗元件由可变电抗元件代替。

9.一种等离子加工装置，包括真空容器；用于供给气体到真空容器中的供气系统；用于将真空容器内部抽真空的排气系统；衬底电极，所述衬底电极设置在真空容器的内部并且将被加工的衬底放置在衬底电极上；供给衬底电极高频电的衬底电极高频电源；与衬底电极相对地布置的天线；用于供给天线高频电的天线高频电源；及布置在天线和天线高频电源之间的匹配电路，所述匹配电路包括：

输入端子；

输出端子；

第一固定电抗元件；

第二固定电抗元件，第二固定电抗元件串联连接到其另一端接地的第一固定电抗元件上；

第一可变电抗元件，第一可变电抗元件的一端连接到输入端子上并且第一可变电抗元件的另一端连接到第一固定电抗元件和第二固定电抗元件之间的点上；

第二可变电抗元件，第二可变电抗元件的一端连接到第二固定电抗元件上并且第二可变电抗元件的另一端接地；及

带状线，带状线的一端连接到第二可变电抗元件和第二固定电抗元件上并且带状线的另一端连接到输出端子上。

10.根据权利要求9所述的匹配电路，其中，假定施加到输入端子上的高频电的波长是λ(m)，则从输出端子到连接到输出端子上的天线的长度D1(m)和带状线的长度D2(m)的总和D1+D2满足下面的表达式：

λ/32+λ/2×(n-1)≤D1+D2≤-λ/32+λ/2×n(n＝1，2，3，...)。

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