CN214177278U - 阻抗匹配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种阻抗匹配器，所述阻抗匹配器通过传输线连接在射频信号源与等离子腔室之间，该阻抗匹配器包括幅度差和相位差采样单元、数据处理单元、电机驱动及反馈单元以及阻抗匹配执行单元；幅度差和相位差采样单元用于对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样；数据处理单元用于根据采样信号生成驱动控制信号；电机驱动及反馈单元包括电机驱动板，阻抗匹配执行单元包括电机和阻抗匹配网络，电机驱动板与电机连接，电机驱动板用于根据驱动控制信号生成电机驱动信号并发送给电机，电机用于调整阻抗匹配网络，实现等离子腔室与传输线的阻抗匹配。本实用新型降低了采样电路的复杂性，降低了插入损耗，采样速度更快。

Description

阻抗匹配器

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配器。

背景技术

射频阻抗匹配器广泛应用于半导制造技术领域，射频电源（恒定输出阻抗为50Ω，频率通常为13.56MHZ）向等离子腔室内提供射频功率。通常等离子腔室的阻抗与传输线的特性阻抗（半导体设备中通常为50Ω）不相等，因此在射频电源与等离子腔室之间存在着严重的阻抗失配问题，在传输线上存在反射功率，影响等离子腔室正常工作，甚至有时候会产生致命的后果。

现有技术中的解决方案是：在射频电源和等离子腔室之间插入射频阻抗匹配器，通过调节射频阻抗匹配器内的可调元件来实现阻抗匹配。公开号为CN103025041A的专利申请公开了一种射频阻抗匹配器，但是其端口输入处需要采集输入信号的入射功率及反射功率，电路复杂，需要使用专用芯片，引入较高的插入损耗，且定位单元采用的是电位器，电容位置信息需要通过电位器反馈，可靠性及精度较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种阻抗匹配器，旨在用于解决现有的射频阻抗匹配器端口输入处需要采集输入信号的入射功率及反射功率，电路复杂，需要使用专用芯片，引入较高的插入损耗的问题。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种阻抗匹配器，所述阻抗匹配器通过传输线连接在射频信号源与等离子腔室之间，该阻抗匹配器包括幅度差和相位差采样单元、数据处理单元、电机驱动及反馈单元以及阻抗匹配执行单元；

所述幅度差和相位差采样单元与所述数据处理单元连接，用于对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样，并将采样信号传输给所述数据处理单元；

所述数据处理单元与所述电机驱动及反馈单元连接，用于根据所述幅度差和相位差采样单元传输的采样信号生成驱动控制信号，并将驱动控制信号发送给所述电机驱动及反馈单元；

所述电机驱动及反馈单元包括电机驱动板，所述阻抗匹配执行单元包括电机和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络包括至少一个可调电容，所述电机驱动板与所述电机连接，所述电机驱动板用于根据所述数据处理单元发送的驱动控制信号生成电机驱动信号并发送给所述电机，所述电机用于根据所述电机驱动板发送的电机驱动控制信号调整阻抗匹配网络的可调电容的电容值，实现等离子腔室与传输线的阻抗匹配。

进一步地，所述幅度差和相位差采样单元包括幅度差采样电路和相位差采样电路，所述幅度差采样电路包括电流幅度采样电路、电压幅度采样电路以及第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3为可调电阻，所述电流幅度采样电路包括第一电流互感器T1，第一电阻R1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电阻R2，所述第一电流互感器T1设置在传输线一侧，其一端与所述第一电阻R1以及所述第一二极管D1的阴极连接，另一端接地，所述第一电阻R1的另一端接地，所述第一电容C1和所述第二电阻R2的一端与所述第一二极管D1的阳极以及所述第三电阻R3的一固定端连接，另一端接地；所述电压幅度采样电路包括第二电容C2、第五电组R5、第二二极管D2、第四电容C4以及第四电阻R4，所述第二电容C2的一端与输送线连接，另一端与所述第五电组R5的一端以及所述第二二极管D2的阳极连接，所述第四电容C4和所述第四电阻R4的一端与所述第二二极管D2的阴极以及所述第三电阻R3的另一固定端连接，所述第三电容C3的一端与所述第三电阻R3的滑动端连接，另一端接地。

进一步地，所述相位差采样电路包括第五电容C5、第二电流互感器T2、第九电阻R9、第七电阻R7、第十电阻R10、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第六电容C6、第十一点电阻R11第八电容C8、第八电阻R8以及第七电容C7，所述第八电阻R8为可调电阻，所述第五电容C5的一端与输送线连接，另一端与所述第九电阻R9的一端连接，所述第九电阻R9的另一端接地，所述第二电流互感器T2设置于输送线的一侧，其一端与所述第七电阻R7的一端以及所述第三二极管D3的阳极连接，另一端与所述第十电阻R10的一端以及所述第四二极管D4的阴极连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第十电阻R10的另一端连接，所述第五电容C5还与所述第七电阻R7和所述第十电阻R10的公共端连接，所述第六电阻R6和所述第六电容C6的一端与所述第三二极管D3的阴极以及所述第八电阻R8的一固定端连接，另一端接地，所述第十一点电阻R11和所述第八电容C8的一端与所述第四二极管D4的阳极以及所述第八电阻R8的另一固定端连接，另一端接地，所述第七电容C7的一端与所述第八电阻R8的滑动端连接，另一端接地。

进一步地，所述阻抗匹配网络包括调谐电容C₁、负载电容C₂以及调谐电感L，所述调谐电容C₁、所述负载电容C₂均为可调电容，所述调谐电感L的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端与所述调谐电容C₁的一端连接，所述调谐电容C₁的另一端与所述负载电容C₂的一端连接，所述负载电容C₂的另一端接地，所述电机包括调谐电容电机和负载电容电机，所述调谐电容电机和所述负载电容电机的输出轴分别通过传动齿轮与所述调谐电容C₁和所述负载电容C₂的调节轴连接。

进一步地，所述阻抗匹配网络还包括辅助电容C₃，所述辅助电容C₃为可调电容，所述辅助电容C₃的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端接地，所述电机还包括辅助电容电机，所述辅助电容电机的输出轴通过传动齿轮与所述辅助电容C₃的调节轴连接。

进一步地，所述电机驱动及反馈单元还包括编码盘以及光电传感器，所述编码盘设置于所述电机的轴承上，所述光电传感器设置于所述电机驱动板上，所述光电传感器用于根据所述编码盘的旋转产生相应的脉冲信号并传递给所述数据处理单元，所述数据处理单元还用于对所述光电传感器传来的脉冲信号进行处理得到电容的位置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的这种阻抗匹配器，通过幅度差和相位差采样单元对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样，利用这些差值表征匹配器的匹配状态，不需要定向耦合器进行正向功率和反向功率的采样，低了匹配器输入端采样电路的复杂性，降低了采样电路引入的插入损耗，采用分离原件搭建的采样及调理电路，在保证精度的同时减少了专用芯片的依赖，采样速度更快；增加了可调电容，相应地增加了调谐范围；电机反馈采用光电传感器，使得电容位置信息能够更准确的反馈，可靠性也能提高。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种阻抗匹配器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的幅度差和相位差采样单元的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种阻抗匹配器，所述阻抗匹配器通过传输线连接在射频信号源与等离子腔室之间，该阻抗匹配器包括幅度差和相位差采样单元、数据处理单元、电机驱动及反馈单元以及阻抗匹配执行单元；所述幅度差和相位差采样单元与所述数据处理单元连接，用于对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样，并将采样信号传输给所述数据处理单元；所述数据处理单元与所述电机驱动及反馈单元连接，用于根据所述幅度差和相位差采样单元传输的采样信号按照预设的阻抗匹配控制算法生成驱动控制信号，并将驱动控制信号发送给所述电机驱动及反馈单元，其中阻抗匹配控制算法可以采用现有的或者由本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得出；所述电机驱动及反馈单元包括电机驱动板，所述阻抗匹配执行单元包括电机和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络包括至少一个可调电容，所述电机驱动板与所述电机连接，所述电机驱动板用于根据所述数据处理单元发送的驱动控制信号生成电机驱动信号并发送给所述电机，一般地，电机驱动板将接收的驱动控制信号通过H桥开关电路生成电机驱动信号，以便控制用于该表可调电容大小的电机的转速和方向。所述电机用于根据所述电机驱动板发送的电机驱动控制信号调整阻抗匹配网络的可调电容的电容值，实现等离子腔室与传输线的阻抗匹配。

如图2所示，细化上述实施例，所述幅度差和相位差采样单元包括幅度差采样电路和相位差采样电路，所述幅度差采样电路包括电流幅度采样电路、电压幅度采样电路以及第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3为可调电阻，所述电流幅度采样电路包括第一电流互感器T1，第一电阻R1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电阻R2，所述第一电流互感器T1设置在传输线一侧，其一端与所述第一电阻R1以及所述第一二极管D1的阴极连接，另一端接地，所述第一电阻R1的另一端接地，所述第一电容C1和所述第二电阻R2的一端与所述第一二极管D1的阳极以及所述第三电阻R3的一固定端连接，另一端接地；所述电压幅度采样电路包括第二电容C2、第五电组R5、第二二极管D2、第四电容C4以及第四电阻R4，所述第二电容C2的一端与输送线连接，另一端与所述第五电组R5的一端以及所述第二二极管D2的阳极连接，所述第四电容C4和所述第四电阻R4的一端与所述第二二极管D2的阴极以及所述第三电阻R3的另一固定端连接，所述第三电容C3的一端与所述第三电阻R3的滑动端连接，另一端接地。其中第三电阻R3作为归零调节电阻，可以在首次调机时将产品幅度差归零。通过该幅度差采样电路可以获取射频信号源输入信号的电压与电流的幅度差。

进一步地，所述相位差采样电路包括第五电容C5、第二电流互感器T2、第九电阻R9、第七电阻R7、第十电阻R10、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第六电容C6、第十一点电阻R11第八电容C8、第八电阻R8以及第七电容C7，所述第八电阻R8为可调电阻，所述第五电容C5的一端与输送线连接，另一端与所述第九电阻R9的一端连接，所述第九电阻R9的另一端接地，所述第二电流互感器T2设置于输送线的一侧，其一端与所述第七电阻R7的一端以及所述第三二极管D3的阳极连接，另一端与所述第十电阻R10的一端以及所述第四二极管D4的阴极连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第十电阻R10的另一端连接，所述第五电容C5还与所述第七电阻R7和所述第十电阻R10的公共端连接，所述第六电阻R6和所述第六电容C6的一端与所述第三二极管D3的阴极以及所述第八电阻R8的一固定端连接，另一端接地，所述第十一点电阻R11和所述第八电容C8的一端与所述第四二极管D4的阳极以及所述第八电阻R8的另一固定端连接，另一端接地，所述第七电容C7的一端与所述第八电阻R8的滑动端连接，另一端接地。通过该相位差采样电路可以获取射频信号源输入信号的电压与电流的相位差。

细化上述实施例，进一步地，所述阻抗匹配网络包括调谐电容C₁、负载电容C₂以及调谐电感L，所述调谐电容C₁、所述负载电容C₂均为可调电容，所述调谐电感L的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端与所述调谐电容C₁的一端连接，所述调谐电容C₁的另一端与所述负载电容C₂的一端连接，所述负载电容C₂的另一端接地，所述电机包括调谐电容电机B1和负载电容电机B2，所述调谐电容电机B1和所述负载电容电机B2的输出轴分别通过传动齿轮与所述调谐电容C₁和所述负载电容C₂的调节轴连接。作为优选地，所述阻抗匹配网络还包括辅助电容C₃，所述辅助电容C₃为可调电容，所述辅助电容C₃的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端接地，所述电机还包括辅助电容电机B3，所述辅助电容电机B3的输出轴通过传动齿轮与所述辅助电容C₃的调节轴连接。本实用新型采用了3个可调电容，可以增加调谐范围，其中辅助电容C₃可以根据产品的匹配范围进行选装。调谐电容电机B1、负载电容电机B2和辅助电容电机B3分别接收来自电机驱动板的电机驱动信号，调节调谐电容C₁、负载电容C₂以及辅助电容C₃的调节轴的转动角度大小，从而实现电容值的改变。

细化上述实施例，所述电机驱动及反馈单元还包括编码盘以及光电传感器，所述编码盘设置于所述电机的轴承上，所述光电传感器设置于所述电机驱动板上，编码盘可随着电机轴承进行旋转，所述光电传感器用于根据所述编码盘的旋转产生相应的脉冲信号并传递给所述数据处理单元，所述数据处理单元还用于对所述光电传感器传来的脉冲信号进行处理得到电容的位置。同时。电机驱动板上的光电传感器根据编码盘的旋转，产生相应的脉冲信号。本实用新型采用光电传感器反馈电容的位置信号，比起传统电位器的反馈方式，这种反馈更加准确，可靠性更高。

综上所述，本实用新型实施例提供的这种阻抗匹配器，通过幅度差和相位差采样单元对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样，利用这些差值表征匹配器的匹配状态，不需要定向耦合器进行正向功率和反向功率的采样，低了匹配器输入端采样电路的复杂性，降低了采样电路引入的插入损耗，采用分离原件搭建的采样及调理电路，在保证精度的同时减少了专用芯片的依赖，采样速度更快；增加了可调电容，相应地增加了调谐范围；电机反馈采用光电传感器，使得电容位置信息能够更准确的反馈，可靠性也能提高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阻抗匹配器，所述阻抗匹配器通过传输线连接在射频信号源与等离子腔室之间，其特征在于：该阻抗匹配器包括幅度差和相位差采样单元、数据处理单元、电机驱动及反馈单元以及阻抗匹配执行单元；

所述幅度差和相位差采样单元与所述数据处理单元连接，用于对射频信号源输入信号的电压与电流的相位差及幅度差进行采样，并将采样信号传输给所述数据处理单元；

所述数据处理单元与所述电机驱动及反馈单元连接，用于根据所述幅度差和相位差采样单元传输的采样信号生成驱动控制信号，并将驱动控制信号发送给所述电机驱动及反馈单元；

所述电机驱动及反馈单元包括电机驱动板，所述阻抗匹配执行单元包括电机和阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络包括至少一个可调电容，所述电机驱动板与所述电机连接，所述电机驱动板用于根据所述数据处理单元发送的驱动控制信号生成电机驱动信号并发送给所述电机，所述电机用于根据所述电机驱动板发送的电机驱动控制信号调整阻抗匹配网络的可调电容的电容值，实现等离子腔室与传输线的阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于：所述幅度差和相位差采样单元包括幅度差采样电路和相位差采样电路，所述幅度差采样电路包括电流幅度采样电路、电压幅度采样电路以及第三电阻R3和第三电容C3，所述第三电阻R3为可调电阻，所述电流幅度采样电路包括第一电流互感器T1，第一电阻R1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电阻R2，所述第一电流互感器T1设置在传输线一侧，其一端与所述第一电阻R1以及所述第一二极管D1的阴极连接，另一端接地，所述第一电阻R1的另一端接地，所述第一电容C1和所述第二电阻R2的一端与所述第一二极管D1的阳极以及所述第三电阻R3的一固定端连接，另一端接地；所述电压幅度采样电路包括第二电容C2、第五电组R5、第二二极管D2、第四电容C4以及第四电阻R4，所述第二电容C2的一端与输送线连接，另一端与所述第五电组R5的一端以及所述第二二极管D2的阳极连接，所述第四电容C4和所述第四电阻R4的一端与所述第二二极管D2的阴极以及所述第三电阻R3的另一固定端连接，所述第三电容C3的一端与所述第三电阻R3的滑动端连接，另一端接地。

3.如权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于：所述相位差采样电路包括第五电容C5、第二电流互感器T2、第九电阻R9、第七电阻R7、第十电阻R10、第三二极管D3、第四二极管D4、第六电阻R6、第六电容C6、第十一点电阻R11第八电容C8、第八电阻R8以及第七电容C7，所述第八电阻R8为可调电阻，所述第五电容C5的一端与输送线连接，另一端与所述第九电阻R9的一端连接，所述第九电阻R9的另一端接地，所述第二电流互感器T2设置于输送线的一侧，其一端与所述第七电阻R7的一端以及所述第三二极管D3的阳极连接，另一端与所述第十电阻R10的一端以及所述第四二极管D4的阴极连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第十电阻R10的另一端连接，所述第五电容C5还与所述第七电阻R7和所述第十电阻R10的公共端连接，所述第六电阻R6和所述第六电容C6的一端与所述第三二极管D3的阴极以及所述第八电阻R8的一固定端连接，另一端接地，所述第十一点电阻R11和所述第八电容C8的一端与所述第四二极管D4的阳极以及所述第八电阻R8的另一固定端连接，另一端接地，所述第七电容C7的一端与所述第八电阻R8的滑动端连接，另一端接地。

4.如权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于：所述阻抗匹配网络包括调谐电容C₁、负载电容C₂以及调谐电感L，所述调谐电容C₁、所述负载电容C₂均为可调电容，所述调谐电感L的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端与所述调谐电容C₁的一端连接，所述调谐电容C₁的另一端与所述负载电容C₂的一端连接，所述负载电容C₂的另一端接地，所述电机包括调谐电容电机和负载电容电机，所述调谐电容电机和所述负载电容电机的输出轴分别通过传动齿轮与所述调谐电容C₁和所述负载电容C₂的调节轴连接。

5.如权利要求4所述的阻抗匹配器，其特征在于：所述阻抗匹配网络还包括辅助电容C₃，所述辅助电容C₃为可调电容，所述辅助电容C₃的一端与所述射频信号源的输入信号端连接，另一端接地，所述电机还包括辅助电容电机，所述辅助电容电机的输出轴通过传动齿轮与所述辅助电容C₃的调节轴连接。

6.如权利要求4所述的阻抗匹配器，其特征在于：所述电机驱动及反馈单元还包括编码盘以及光电传感器，所述编码盘设置于所述电机的轴承上，所述光电传感器设置于所述电机驱动板上，所述光电传感器用于根据所述编码盘的旋转产生相应的脉冲信号并传递给所述数据处理单元，所述数据处理单元还用于对所述光电传感器传来的脉冲信号进行处理得到电容的位置。

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