CN218730791U

CN218730791U - 阻抗匹配器及半导体工艺设备

Info

Publication number: CN218730791U
Application number: CN202222749616.1U
Authority: CN
Inventors: 苏恒毅
Original assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2032-10-18

Abstract

本申请公开了一种阻抗匹配器及半导体工艺设备，用以解决目前在射频电源输出频率较低的情况下，难以实现对变化范围较大的负载阻抗进行阻抗匹配的问题。阻抗匹配器包括包含第一阻抗调节组件、第一可调阻抗元件、第二可调阻抗元件以及电流阻碍组件的匹配网络；其中，第一阻抗调节组件与电流阻碍组件连接；第一可调阻抗元件的一端连接于第一阻抗调节组件和电流阻碍组件之间，第一可调阻抗元件的另一端接地；第二可调阻抗元件的一端与电流阻碍组件连接，第二可调阻抗元件的另一端接地。该技术方案在射频电源输出频率较低的情况下，能够实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配。

Description

阻抗匹配器及半导体工艺设备

技术领域

本申请涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配器及半导体工艺设备。

背景技术

半导体设备中大量应用射频信号作为等离子体激发源，如刻蚀设备、物理气相沉积(PVD)设备、化学气相沉积(CVD)设备等。在这些半导体设备中，一般是由射频电源提供射频能量到工艺腔室中，通过电离高真空状态下的特殊气体(如氩气、氦气等)，产生含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子以及中性粒子的等离子体，这些活性粒子与置于工艺腔室内、且曝露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使晶圆材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀、沉积或者其它工艺过程。

由于等离子体的阻抗随着气压、功率、气体种类等因素的变化而变化，一般情况下，等离子体的阻抗与射频电源的阻抗差别很大，因此如果直接将射频电源接到工艺腔室，必然会产生大量的反射功率。为了使射频电源输出的射频能量能够最大可能的传递给工艺腔室，通常需要在射频电源和工艺腔室之间设置阻抗匹配器，以使射频电源的输出阻抗与负载的阻抗相匹配。

然而，现有的阻抗匹配器中，通常采用的是L型阻抗匹配网络、π型阻抗匹配网络或者T型阻抗匹配网络，从而在进行阻抗匹配时，通过调节单一电容器的电容值来实现阻抗匹配。但是，若射频电源输出频率较低，为确保较大范围的阻抗匹配，则需要电容器的可调范围极大，而为确保电子元件的耐压、耐流性能满足要求，一个pF(皮法)级连续可调的电容器的最大值只能做到2nF(纳法)，因此单个电容器的可调范围无法达到极大，从而导致在射频电源输出频率较低的情况下，难以实现对变化范围较大的负载阻抗进行阻抗匹配。

实用新型内容

本申请实施例的目的是提供一种阻抗匹配器及半导体工艺设备，用以解决目前在射频电源输出频率较低的情况下，难以实现对变化范围较大的负载阻抗进行阻抗匹配的问题。

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匹配器，应用于半导体工艺设备，包括依次连接的传感器、控制器、驱动装置以及匹配网络，所述传感器与所述匹配网络连接；所述匹配网络包括第一阻抗调节组件、第一可调阻抗元件、第二可调阻抗元件以及电流阻碍组件；其中，

所述第一阻抗调节组件与所述电流阻碍组件连接；所述第一可调阻抗元件的一端连接于所述第一阻抗调节组件和所述电流阻碍组件之间，所述第一可调阻抗元件的另一端接地；所述第二可调阻抗元件的一端与所述电流阻碍组件连接，所述第二可调阻抗元件的另一端接地；

所述第一阻抗调节组件与所述传感器连接；所述第一可调阻抗元件、所述电流阻碍组件和所述第二可调阻抗元件分别与所述驱动装置连接；所述第一可调阻抗元件、所述电流阻碍组件和所述第二可调阻抗元件的参数值在所述驱动装置的控制作用下可调。

另一方面，本申请实施例提供一种半导体工艺设备，包括依次连接的射频电源、如上述方面所述的阻抗匹配器和工艺腔室；所述传感器与所述射频电源连接，且通过所述匹配网络与所述工艺腔室连接。

本申请实施例提供的阻抗匹配器，包括设置有第一阻抗调节组件、第一可调阻抗元件、第二可调阻抗元件以及电流阻碍组件的匹配网络。其中，第一阻抗调节组件与电流阻碍组件连接，第一可调阻抗元件的一端连接于第一阻抗调节组件和电流阻碍组件之间，第一可调阻抗元件的另一端接地，第二可调阻抗元件的一端与电流阻碍组件连接，第二可调阻抗元件的另一端接地。第一阻抗调节组件与阻抗匹配器中的传感器连接，第一可调阻抗元件、电流阻碍组件和第二可调阻抗元件分别与阻抗匹配器中的驱动装置连接，第一可调阻抗元件、电流阻碍组件和第二可调阻抗元件的参数值在驱动装置的控制作用下可调。可见，该阻抗匹配器通过在传统的π型阻抗匹配网络的基础上，在射频能量输入端串联一个阻抗调节组件，使得输入阻抗能够通过可调阻抗元件与阻抗调节组件的比值进行调节，而不是通过单个可调阻抗元件的参数值进行调节，因此在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可调阻抗元件的参数值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。

进一步地，本申请实施例提供的半导体工艺设备，其采用本申请实施例提供的阻抗匹配器，能够在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可调阻抗元件的参数值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。

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是根据本申请一实施例的一种阻抗匹配器的示意性框图；

图2是根据本申请另一实施例的一种阻抗匹配器的示意性框图；

图3是根据本申请另一实施例的一种阻抗匹配器的示意性框图；

图4是根据本申请一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图；

图5是根据本申请另一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图；

图6是根据本申请另一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图；

图7是根据本申请一实施例的一种半导体工艺设备的等效电路结构示意图；

图8是根据本申请另一实施例的一种半导体工艺设备的等效电路结构示意图；

图9是根据本申请另一实施例的一种半导体工艺设备的等效电路结构示意图；

图10是相关技术中一种半导体工艺设备的示意性框图；

图11是根据本申请一实施例的输入阻抗实部R_in随C₂变化的曲线图；

图12是根据本申请一实施例的输出阻抗实部R_out随C₄变化的曲线图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种阻抗匹配器及半导体工艺设备，用以解决目前在射频电源输出频率较低的情况下，难以实现对变化范围较大的负载阻抗进行阻抗匹配的问题。

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是根据本申请一实施例的一种阻抗匹配器的示意性框图，本申请实施例提供的阻抗匹配器可应用于半导体工艺设备。如图1所示，阻抗匹配器包括依次连接的传感器11、控制器12、驱动装置13以及匹配网络14，传感器11与匹配网络14连接。匹配网络14包括第一阻抗调节组件141、第一可调阻抗元件142、第二可调阻抗元件143以及电流阻碍组件144。

其中，第一阻抗调节组件141与电流阻碍组件144连接。第一可调阻抗元件142的一端连接于第一阻抗调节组件141和电流阻碍组件144之间，第一可调阻抗元件142的另一端接地。第二可调阻抗元件143的一端与电流阻碍组件144连接，第二可调阻抗元件143的另一端接地。

本实施例中，第一阻抗调节组件141与传感器11连接，第一可调阻抗元件142、电流阻碍组件144和第二可调阻抗元件143分别与驱动装置13连接。第一可调阻抗元件142、电流阻碍组件144和第二可调阻抗元件143的参数值在驱动装置13的控制作用下可调。

在一个实施例中，电流阻碍组件144可包括第三可调阻抗元件。

在一个实施例中，第一可调阻抗元件为第一可变电容器，第二可调阻抗元件为第二可变电容器，第三可调阻抗元件为第三可变电容器。其中，第一可变电容器、第二可变电容器和第三可变电容器的电容值在驱动装置的控制作用下可调。

可选地，第一可变电容器、第二可变电容器、第三可变电容器可以为真空可变电容、陶瓷电容组等类型的可变电容器。需要说明的是，第一可变电容器、第二可变电容器和第三可变电容器可以为相同类型或者不同类型的可变电容器，本申请实施例对此不作限定。例如，第一可变电容器可以为真空可变电容，第二可变电容器可以为陶瓷电容组，第三可变电容器可以为真空可变电容；又例如，第一可变电容器可以为陶瓷电容组，第二可变电容器可以为陶瓷电容组，第三可变电容器可以为陶瓷电容组；等等。

在一个实施例中，电流阻碍组件144可包括第三可调阻抗元件和电感，电感串联于第一连接点和第二连接点之间。其中，第一连接点为第一阻抗调节组件141和第一可调阻抗元件142的连接点，第二连接点为第三可调阻抗元件和第二可调阻抗元件143的连接点。

需要说明的是，本申请实施例中不对第三可调阻抗元件和电感的先后位置进行限定。在第一连接点和第二连接点之间，可以先设置第三可调阻抗元件，后设置电感，也可以先设置电感，后设置第三可调阻抗元件。

可选地，电感可以是具有固定电感量的固定电感器，或者，电感可以是可变电感器。在电感为可变电感器的情况下，电感可以是空气电感、磁芯电感、绕线电感等类型的电感。

可选地，可根据负载阻抗虚部的类型，确定是否需要在电流阻碍组件中设置电感。负载阻抗虚部的类型可以是感性或者容性，若负载阻抗虚部的类型为感性，则不需要在电流阻碍组件中设置电感；若负载阻抗虚部的类型为容性，则需要在电流阻碍组件中设置电感。

示例性地，若阻抗公式为：

其中，R为电阻，ωL为感抗，/>

为容抗，j为虚数单位。那么，若/>

则负载阻抗虚部的类型为感性，若/>

则负载阻抗虚部的类型为容性。

可选地，可根据负载的类型，确定负载阻抗虚部的类型。由于负载为工艺腔室内部组件，负载的类型可以等价于工艺腔室的类型，因此在一般情况下，若工艺腔室为CCP(Capacitively Coupled Plasma，容性耦合等离子体)腔室，则负载阻抗虚部的类型通常为容性；若工艺腔室为ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)腔室，则负载阻抗虚部的类型通常为感性。

在一个实施例中，第一阻抗调节组件包括至少一个第一电容器。在第一电容器包括多个的情况下，多个第一电容器之间相互串联或者相互并联连接。

可选地，第一电容器可以是具有固定电容量的固定电容器，或者，第一电容器可以是可变电容器。在第一电容器为可变电容器的情况下，第一电容器可以是真空可变电容、陶瓷电容组等类型的可变电容器。

在一个实施例中，在第一电容器为可变电容器的情况下，第一电容器与驱动装置连接。第一电容器的电容值在驱动装置的控制作用下可调。

在一个实施例中，如图2所示，匹配网络14还包括第二阻抗调节组件145，第二阻抗调节组件145与电流阻碍组件144连接。其中，第二可调阻抗元件143的一端连接于电流阻碍组件144和第二阻抗调节组件145之间。需要说明的是，图2是在图1的基础上增加第二阻抗调节组件145后得到的阻抗匹配器的示意性框图，因此，图2中与图1标号相同的各器件之间的连接关系请参考图1，此处不再赘述。

本实施例中，通过在图1所示阻抗匹配器的基础上，在射频能量输出端也串联一个阻抗调节组件，使得输入阻抗和输出阻抗均能够通过可调阻抗元件与阻抗调节组件的比值进行调节，而不是通过单个可调阻抗元件的参数值进行调节，因此在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可调阻抗元件的参数值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。并且，相较于图1所示的阻抗匹配器，图2所示的阻抗匹配器进一步提升了阻抗匹配范围的上限，能够实现对更大负载阻抗的阻抗匹配。

在一个实施例中，第二阻抗调节组件包括至少一个第二电容器。在第二电容器包括多个的情况下，多个第二电容器之间相互串联或者相互并联连接。

可选地，第二电容器可以是具有固定电容量的固定电容器，或者，第二电容器可以是可变电容器。在第二电容器为可变电容器的情况下，第二电容器可以是真空可变电容、陶瓷电容组等类型的可变电容器。

在一个实施例中，在第二电容器为可变电容器的情况下，第二电容器与驱动装置连接。第二电容器的电容值在驱动装置的控制作用下可调。

在一个实施例中，驱动装置可包括多个驱动电机，第一可调阻抗元件、第二可调阻抗元件和第三可调阻抗元件分别连接至不同的驱动电机。

可选地，驱动电机可以是步进电机、伺服电机或其他类型电机。在驱动电机为步进电机的情况下，步进电机的转动角度与可调阻抗元件的参数值之间存在一一对应的关系，因此通过调节步进电机的转动角度，能够调整可调阻抗元件的参数值，从而实现阻抗匹配。

图3是根据本申请另一实施例的一种阻抗匹配器的示意性框图。本实施例中，第一阻抗调节组件包括一个第一电容器C₁，第一可调阻抗元件为第一可变电容器C₂，电流阻碍组件包括第三可变电容器C₃和电感L₁，第二可调阻抗元件为第二可变电容器C₄，第二阻抗调节组件包括一个第二电容器C₅。下面，以在第一连接点d₁和第二连接点d₂之间，先设置电感L₁，后设置第三可变电容器C₃为例，对阻抗匹配器内部各器件之间的连接关系进行说明。

如图3所示，阻抗匹配器包括依次连接的传感器11、控制器12、驱动装置13以及匹配网络14，传感器11与匹配网络14连接。匹配网络14包括第一电容器C₁、第一可变电容器C₂、第三可变电容器C₃、电感L₁、第二可变电容器C₄以及第二电容器C₅。

其中，第一电容器C₁、电感L₁、第三可变电容器C₃和第二电容器C₅依次串联。第一可变电容器C₂的一端连接于第一电容器C₁和电感L₁之间，交点记作d₁，第一可变电容器C₂的另一端接地。第二可变电容器C₄的一端连接于第三可变电容器C₃和第二电容器C₅之间，交点记作d₂，第二可变电容器C₄的另一端接地。

本实施例中，第一电容器C₁与传感器11连接，第一可变电容器C₂、第三可变电容器C₃和第二可变电容器C₄分别与驱动装置13连接。第一可变电容器C₂、第三可变电容器C₃和第二可变电容器C₄的电容值在驱动装置13的控制作用下可调。

可选地，驱动装置可包括多个驱动电机，第一可变电容器C₂、第三可变电容器C₃和第二可变电容器C₄分别连接至不同的驱动电机。

本申请实施例提供的阻抗匹配器，通过在传统的π型阻抗匹配网络的基础上，在射频能量输入端和输出端各串联一个固定电容器，使得输入阻抗和输出阻抗可通过可变电容器与固定电容器的比值进行调节，而不是通过单个可变电容器的电容值进行调节，因此在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可变电容器的电容值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。并且，由于该阻抗匹配器中不需要可变电容器的电容值过大，因此使得匹配网络中所有电容器均可由单一连续可变或者固定电容器构成，降低了匹配网络中元件选型难度，且降低了射频电源输出频率较低时匹配网络的复杂程度，提高了阻抗匹配器的可靠性和易维护性。

图4是根据本申请一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图，如图4所示，半导体工艺设备包括依次连接的射频电源41、阻抗匹配器42和工艺腔室43。

其中，阻抗匹配器42的内部结构如图1所示，此处不再赘述。传感器11与射频电源41连接，且通过匹配网络14与工艺腔室43连接。射频电源41、阻抗匹配器42和工艺腔室43分别接地。

可选地，工艺腔室可包括等离子体负载。

可选地，图4所示的半导体工艺设备实现的工艺包括但不限于刻蚀工艺、物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺等。工艺腔室可以是CCP腔室、ICP腔室等。射频电源输出频率包括但不限于400kHz(千赫兹)、1MHz(兆赫兹)、2MHz、13.56MHz、27.12MHz、60MHz等。

本申请实施例提供的半导体工艺设备，其采用如图1所示的阻抗匹配器，能够在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可调阻抗元件的参数值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。

图5是根据本申请另一实施例的一种半导体工艺设备的示意性框图，如图5所示，半导体工艺设备包括依次连接的射频电源41、阻抗匹配器42和等离子体负载51。

其中，阻抗匹配器42的内部结构可参见图3，此处不再赘述。需要说明的是，该阻抗匹配器42中不包括第二阻抗调节组件，即不包括第二电容器C₅。传感器11与射频电源41连接，且通过匹配网络14与等离子体负载51连接。射频电源41、阻抗匹配器42和等离子体负载51分别接地。

在一个实施例中，如图6所示，半导体工艺设备中阻抗匹配器42的内部结构如图3所示，传感器11与射频电源41连接，且通过匹配网络14与等离子体负载51连接。射频电源41、阻抗匹配器42和等离子体负载51分别接地。其中，匹配网络14通过第二电容器C₅与等离子体负载51连接。

本实施例中，射频电源用于通过阻抗匹配器为工艺腔室供电。传感器用于采集半导体工艺设备中的电流和电压，通过计算得到输入阻抗和输出阻抗，并将输入阻抗和输出阻抗发送至控制器。控制器用于根据输入阻抗与输出阻抗之间的差异，确定各可变电容器的目标电容值，从而根据预设的电容值与驱动信号之间的对应关系，将各目标电容值分别对应的驱动信号，发送至驱动装置。目标电容值至少包括第一可变电容器的第一目标电容值、第二可变电容器的第二目标电容值，以及第三可变电容器的第三目标电容值。驱动装置用于在各驱动信号的控制下，将第一可变电容器的电容值调整为第一目标电容值，将第二可变电容器的电容值调整为第二目标电容值，以及将第三可变电容器的电容值调整为第三目标电容值，实现阻抗匹配。

本申请实施例提供的半导体工艺设备，其采用如图3所示的阻抗匹配器，能够在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可变电容器的电容值，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。

以下详细说明图5所示的半导体工艺设备的阻抗匹配原理：

首先，图5所示的半导体工艺设备可以简化为如图7所示的等效电路结构，其中，射频电源内阻R_s、第一电容器C₁和第一可变电容器C₂组成了输入阻抗Z_in，等离子体负载阻抗实部R_P和虚部C_P，以及第二可变电容器C₄组成了输出阻抗Z_out。第三可变电容器C₃和电感L₁组成了串联电抗。

其次，图7所示的等效电路结构可以进一步简化为如图8所示的等效电路结构，其中，输入阻抗实部R_in和输入阻抗虚部C_in组成了输入阻抗Z_in，输出阻抗实部R_out和输出阻抗虚部C_out组成了输出阻抗Z_out。基于图8所示的等效电路结构，可确定出，阻抗匹配的条件为：

实部匹配，即R_in＝R_out；且虚部匹配，即

其中，ω＝2πf，f为射频电源输出频率。

其中，可根据负载阻抗虚部的变化范围，选取电感L₁合适的电感值，使得0≤C₃≤2nF(即C₃在0至2nF连续可变)时，实现阻抗匹配。

再次，基于图7和图8所示的等效电路结构，可确定出，输入阻抗Z_in可通过如下公式(1)计算得到。

通过化简公式(1)可得到输入阻抗实部R_in的公式(2)和输入阻抗虚部C_in的公式(3)。

基于图7和图8所示的等效电路结构，可确定出，输出阻抗Z_out可通过如下公式(4)计算得到。

通过化简公式(4)可得到输出阻抗实部R_out的公式(5)和输出阻抗虚部C_out的公式(6)。

综上，通过调节各可变电容器的电容值，以满足上述阻抗匹配条件，即可实现阻抗匹配。

以下详细说明图6所示的半导体工艺设备的阻抗匹配原理：

首先，图6所示的半导体工艺设备可以简化为如图9所示的等效电路结构，其中，射频电源内阻R_s、第一电容器C₁和第一可变电容器C₂组成了输入阻抗Z_in，等离子体负载阻抗实部R_P和虚部C_P，以及第二可变电容器C₄和第二电容器C₅组成了输出阻抗Z_out。第三可变电容器C₃和电感L₁组成了串联电抗。

其次，图9所示的等效电路结构也可以进一步简化为如图8所示的等效电路结构，与图5所示的半导体工艺设备的阻抗匹配原理类似，图6所示的半导体工艺设备中，输入阻抗实部R_in和输入阻抗虚部C_in组成了输入阻抗Z_in，输出阻抗实部R_out和输出阻抗虚部C_out组成了输出阻抗Z_out，其阻抗匹配的条件与图5所示的半导体工艺设备的阻抗匹配原理中的一致，此处不再赘述。

再次，图6所示的半导体工艺设备中，输入阻抗Z_in可通过上述公式(1)计算得到。通过化简公式(1)可得到上述公式(2)和上述公式(3)，其中，公式(2)为输入阻抗实部R_in的公式，公式(3)为输入阻抗虚部C_in的公式。

基于图8和图9所示的等效电路结构，可确定出，输出阻抗Z_out可通过如下公式(7)计算得到。

通过化简公式(7)可得到输出阻抗实部R_out的公式(8)和输出阻抗虚部C_out的公式(9)。

其中，C_l为C_P和C₅的串联电容，C_P为等离子体的电容。

化简可得

为便于说明本申请实施例提供的阻抗匹配器的有益效果，下面以图10所示的半导体工艺设备及其阻抗匹配方式为参照，进行比较及说明。

图10是相关技术中一种半导体工艺设备的示意性框图，如图10所示，半导体工艺设备包括依次连接的射频电源101、阻抗匹配器102和等离子体负载103。

其中，阻抗匹配器102包括依次连接的传感器11、控制器12、驱动装置13以及匹配网络14，传感器11与匹配网络14连接。匹配网络14包括第一可变电容器C₁、第二可变电容器C₂和第三可变电容器C₃。

其中，传感器11通过第二可变电容器C₂与等离子体负载103连接。第一可变电容器C₁的一端连接于传感器11和第二可变电容器C₂之间，第一可变电容器C₁的另一端接地。第三可变电容器C₃的一端连接于第二可变电容器C₂和等离子体负载103之间，第三可变电容器C₃的另一端接地。第一可变电容器C₁、第二可变电容器C₂和第三可变电容器C₃分别与驱动装置13连接。

其中，传感器11与射频电源101连接，射频电源101、阻抗匹配器102和等离子体负载103分别接地。

基于图10所示的半导体工艺设备，可确定出，输入阻抗实部R_in可通过如下公式(10)计算得到，输出阻抗实部R_out可通过如下公式(11)计算得到。

由公式(11)可以看出，无论等离子体负载阻抗实部R_P有多大，都可以通过调节C₃使得R_out小于射频电源内阻50Ω(欧姆)，因此，这个匹配网络可匹配R_P>50Ω的情况，即可以匹配阻抗实部大于电源内阻的等离子体负载，使得阻抗匹配范围的上限得到拓展。

但是，由公式(10)可以看出，当射频电源输出频率较低时，如f＝400kHz，为确保较大的阻抗匹配范围，则需要C₁的可调范围极大。假设，等离子体负载阻抗实部R_P＝6Ω，那么，包含射频电源内阻R_s＝50Ω和C₁的并联输入阻抗实部R_in小于6Ω，通过公式(10)计算得出，C₁大于29nF。然而，一个pF级连续可调的电容器的最大值只能做到2nF，因此，如此大的电容值无法通过仅使用一个连续可调的电容器达到。因此，基于图10所示的匹配网络，在射频电源输出频率较低的情况下，可实现的阻抗匹配范围有限，即难以实现对变化范围较大的负载阻抗进行阻抗匹配。

此外，本实施例中，射频电源输出频率的上限依赖于负载阻抗的下限，由公式(10)进行计算，假设C₁＝2nF(连续可调的容值上限)，R_in＝2Ω(负载阻抗下限为2Ω)，那么，上限频率f＝7.8MHz。

而采用本申请实施例提供的阻抗匹配器，对比公式(2)和(10)，可以看出，在射频能量输入端串联一个固定电容器C₁后，输入阻抗实部R_in由C₂及C₁的值共同决定。特别地，对于400kHz低频射频电源，射频电源内阻R_s＝50Ω，C₂＝2nF时，(ωC₂R_s)²＝0.063<<1。此时，R_in的值可近似看作仅由C₂和C₁的比值决定，与具体值的大小无关，C₂/C₁的值越大，则R_in越小，可匹配的等离子体负载阻抗实部R_P就越小。

示例性地，取C₂＝2nF，C₁＝1nF，R_s＝50Ω，f＝400kHz，通过公式(2)计算可得到R_in＝5.5Ω，即该匹配网络在C₂取值不大(如2nF)的情况下，即可匹配实部低至5.5Ω左右的输出阻抗。相对地，如使用如图10所示的匹配网络，要得到R_in≤6Ω，则需要C₁≥29nF>>2nF，显然，这种情况下，仅使用一个连续可调的电容器C₁无法实现阻抗匹配。

同理，由公式(8)可以看出，在射频能量输出端串联一个固定电容器C₅后，C₅可调节C_l的大小，即可调节C₄和C_l的比值，使得等离子体负载阻抗实部R_P较大时，输出阻抗实部R_out可降至50Ω以下，从而达到阻抗匹配。例如，当R_P＝800Ω时，调整C₅的值，使得C_l＝1nF，则C₄≥1.54nF时，输出阻抗实部R_out可降至50Ω以下。

以上的实例可推广至更普遍的情况，输入阻抗实部R_in随C₂的大小变化趋势如图11所示，输出阻抗实部R_out随C₄的大小变化趋势如图12所示。其中，C₁取值越小，为匹配小阻抗(R_Put＝R_in＝6Ω)所需的C₂越小。C_l越小，为匹配大阻抗(R_P＝800Ω)所需的C₄越小。由此可以看出，当选取了合适的C₁和C₅时，为匹配大范围变化的阻抗，如R_P的范围为6Ω至800Ω，C₂和C₄的最大值均小于2nF，均可通过一个pF级连续可变的电容器达到阻抗匹配。

综上，采用本申请实施例提供的阻抗匹配器，通过在射频能量输入端和输出端各串联一个固定电容器(即C₁和C₅)，使得输入阻抗和输出阻抗可通过可变电容器与固定电容器的比值进行调节，而不是通过单个可变电容器的电容值进行调节，因此在射频电源输出频率较低的情况下，无需大范围调整单个可变电容器的电容值(即避免了匹配负载阻抗上下限时，需要的C₂和C₄值大于2nF的情况)，即可实现对变化范围较大的负载阻抗的阻抗匹配，使得阻抗匹配范围的连续性得到保持。并且，由于该阻抗匹配器中不需要可变电容器的电容值过大，因此使得匹配网络中所有电容器均可由单一连续可变或者固定电容器构成，降低了匹配网络中元件选型难度，且降低了射频电源输出频率较低时匹配网络的复杂程度，提高了阻抗匹配器的可靠性和易维护性。

综上，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

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。

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

1.一种阻抗匹配器，应用于半导体工艺设备，其特征在于，包括依次连接的传感器、控制器、驱动装置以及匹配网络，所述传感器与所述匹配网络连接；所述匹配网络包括第一阻抗调节组件、第一可调阻抗元件、第二可调阻抗元件以及电流阻碍组件；其中，

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述电流阻碍组件包括第三可调阻抗元件。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述电流阻碍组件还包括电感，所述电感串联于第一连接点和第二连接点之间；其中，所述第一连接点为所述第一阻抗调节组件和所述第一可调阻抗元件的连接点，所述第二连接点为所述第三可调阻抗元件和所述第二可调阻抗元件的连接点。

4.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第一阻抗调节组件包括至少一个第一电容器；在所述第一电容器包括多个的情况下，多个所述第一电容器之间相互串联或者相互并联连接。

5.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述匹配网络还包括第二阻抗调节组件，所述第二阻抗调节组件与所述电流阻碍组件连接；其中，所述第二可调阻抗元件的一端连接于所述电流阻碍组件和所述第二阻抗调节组件之间；

所述第二阻抗调节组件包括至少一个第二电容器；在所述第二电容器包括多个的情况下，多个所述第二电容器之间相互串联或者相互并联连接。

6.根据权利要求4所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第一电容器为固定电容器或者可变电容器；

在所述第一电容器为可变电容器的情况下，所述第一电容器与所述驱动装置连接；所述第一电容器的电容值在所述驱动装置的控制作用下可调。

7.根据权利要求5所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第二电容器为固定电容器或者可变电容器；

在所述第二电容器为可变电容器的情况下，所述第二电容器与所述驱动装置连接；所述第二电容器的电容值在所述驱动装置的控制作用下可调。

8.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第一可调阻抗元件为第一可变电容器；所述第二可调阻抗元件为第二可变电容器；所述第三可调阻抗元件为第三可变电容器；所述第一可变电容器、所述第二可变电容器和所述第三可变电容器的电容值在所述驱动装置的控制作用下可调。

9.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述驱动装置包括多个驱动电机，所述第一可调阻抗元件、所述第二可调阻抗元件和所述第三可调阻抗元件分别连接至不同的驱动电机。

10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括依次连接的射频电源、如权利要求1至9中任一项所述的阻抗匹配器和工艺腔室；所述传感器与所述射频电源连接，且通过所述匹配网络与所述工艺腔室连接。