TWI442838B - A single matching network, a construction method thereof, and a matching network radio frequency power source system - Google Patents

Description

單一匹配網路、其構建方法以及該匹配網路射頻功率源系統

本發明涉及用於等離子體處理腔的射頻功率源和匹配網路，尤其涉及能夠實現多頻率射頻功率的選擇應用的匹配網路、其構建方法以及使用該匹配網路的射頻功率源系統。

利用兩個或多個射頻頻率的等離子體處理腔已在現有技術中被公知。一般地，具有雙頻輸入的等離子體處理腔接收具有小於大約15MHz頻率的射頻偏置功率(RF bias power)和具有稍高頻率(大約為27-200MHz)的射頻源功率(RF source power)。在本文中，射頻偏置功率通常指用於控制離子能量和離子能量分佈的射頻功率；射頻源功率通常指用於控制等離子體離子解離或等離子體密度的射頻功率。作為一些具體實施例，通常等離子體處理腔工作於例如100MHz,2MHz,2.2MHz或者13.56MHz的射頻偏置頻率，以及工作於13.56MHz,27MHz,60MHz,100MHz或更高的射頻源頻率。

近來，業內提出在一個射頻偏置頻率和兩個射頻源頻率下運行的等離子體處理腔。例如，業內有人提出在2MHz的射頻偏置頻率和分別為27MHz、60MHz的兩個射頻源頻率下運行的等離子體刻蝕機台。以這種方式，不同離子的解離(dissociation of various ion species)可以利用兩個源射頻頻率來控制。不管前述結構安排如何，在現有技術中，每個射頻頻率都由一個單一的射頻功率源提供，並且所述每個單一的功率源與一個單一的匹配網路相連接。

圖1示出了現有技術的具有多頻率輸入的等離子體處理腔的結構圖，其具有一個射頻偏置功率供應(或功率發生器)和兩個射頻源功率供應(或功率發生器)。更具體地，圖1中所述等離子體處理腔100中示意性地示出上電極105、下電極110和產生於上述兩個電極之間的等離子體120。眾所周知，所述電極105通常被植入於所述腔室的頂面，所述下電極110通常被植入於下部陰極中，工藝件(例如，半導體矽片)被放置於所述下部陰極之上。如圖1所示，射頻偏置功率供應125通過匹配網路140為處理腔100提供射頻功率。所述射頻偏置功率的頻率為f1，其通常為2MHz或13MHz(更精確地，應為13.56MHz)，所述頻率為f1的射頻偏置功率被施加至所述下電極110。圖1也示出了兩個射頻源功率供應130和135，分別工作於頻率f2和f3下。例如，f2可以被設定為27MHz，f3可以被設定為60MHz。所述射頻源功率供應130和135分別通過各自的匹配網路145和150將射頻功率提供至所述處理腔110。所述射頻源功率可以被施加至所述下電極110或所述上電極105。應當注意地是，在本專利所有的圖示中，所述匹配網路的輸出被組合地示意為一個指向所述處理腔的單一箭頭。所述箭頭代表一種符號表示法，目的在於涵蓋任何種匹配網路與等離子體之間的連接方式，不管是通過下電極、通過頂面的電極、還是通過一個電感耦合線圈等。例如，所述射頻偏置功率可以通過所述下電極110被耦合至處理腔，而所述射頻源功率則通過在氣體噴淋頭中的電極105或電感線圈被耦合至處理腔。相反地，所述射頻偏置功率和射頻源功率可以通過所述下電極110被耦合至處理腔。

圖2示出了另一種多頻率等離子體處理腔的結構，其具有可切換的兩個射頻偏置功率和一個射頻源功率，並分別連接至各自的射頻匹配網路。在圖2中，兩個射頻偏置功率供應225和255通過開關232為處理腔200提供可切換的射頻偏置功率f1和f2。所述開關232分別連接至匹配網路240和245。所述射頻偏置功率的工作頻率f1通常為2MHz或2.2MHz，所述射頻偏置功率的工作頻率f2通常為13 MHz(更精確地，為13.56MHz)。上述兩個射頻偏置功率通常都被施加至所述下電極210。圖2也示出了一射頻源功率供應235，其運行於頻率f3，例如，27MHz,60MHz,100MHz等。所述射頻源功率供應235的功率通過匹配網路250被傳遞至處理腔220，並被施加至所述下電極210。所述源功率用於控制所述等離子體密度，即，等離子體的離子解離。

圖2所示的結構能夠實現雙重應用，可以將具有頻率為f1/f3或f2/f3的功率施加至處理腔。例如，f1可以為400KHz到5MHz；f2可以為10MHz到20MHz，但通常小於15MHz；f3可以為27MHz到100MHz或更高。在一個具體實施例中，f1為2MHz，f2為13.56MHz，f3為60MHz。這樣的結構安排能夠非常容易地運行那些需要在高、低頻率的偏置功率之間切換的制程配方。

如圖2所示，開關232具有一個輸入端和兩個可選擇的輸出端。所述輸入端與射頻偏置功率供應225和255相連接。開關232的一個輸出端與匹配網路240相連接，而另一個輸出端與匹配網路245相連接。控制器262用於控制所述開關232，以使得當射頻偏置功率供應225工作並提供其輸出至所述開關232時，所述控制器262指示所述開關232與所述匹配網路240的輸出端連接；當所述射頻偏置功率供應255工作時，所述控制器262指示所述開關與所述匹配網路245的輸出端連接。應當注意的是，在此系統中，一個單一的開關被用來將兩個頻率中的一個連接至兩個匹配網路中的一個。所述開關可以是射頻功率真空繼電器或PIN二極體。

從上述示例中可以理解，每個功率源根據其輸出頻率都需要一個匹配網路來配合工作。那麼整個系統就需要多個匹配網路，這會增加系統的複雜度和成本。如果從成本和系統可靠性考慮，人們更偏愛使用一個單一的匹配網路適合工作於多個射頻頻率，並且這樣的設置又不會降低射頻耦合的效率。

本發明內容提供對本發明的某些方面和特徵的基本理解。此發明內容並不是本發明的寬泛總觀，因此其並不能被特別地被確定為本發明的關鍵/主要因素或者描述本發明的範圍。其唯一的目的是為了以簡單方式呈現本發明的一些概念，以充當下文具體描述的的前續。

本發明提供一種適用於至少兩個頻率輸入的單一匹配網路，用於選擇性地給所述兩個頻率中的任一頻率提供射頻功率匹配給一等離子體負載，所述單一匹配網路包括一連接至所述多頻率輸入的輸入端和一連接至所述等離子體負載的輸出端，在所述輸入端和輸出端之間包括相互串聯的電容以及電感，並且所述電容和電感構成一支路，所述電容的電容值為C₀ ，所述電感的電感值為 L ₀ ，其中，所述電容值C₀ 和電感值 L ₀ 滿足如下關係：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。

所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述單一匹配網路的輸入端與一單一的射頻功率供應裝置相連接，在某一特定的時間段內所述單一的射頻功率供應裝置擇一地輸出其中的一個頻率f1或f2。

所述等離子體負載為一等離子體處理腔。

所述等離子體處理腔包括一上電極和一下電極，所述單一匹配網路的輸出端與所述上電極或所述下電極相連接。

所述匹配網路還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。

所述可變元件為可變電容或可變電感或可變電容和可變電感的組合。

本發明還提供一種射頻功率源系統，用於可切換地將至少兩個頻率f1和f2中的一個耦合連接至一等離子體處理腔的電極，所述射頻源功率系統包括：一個射頻功率源裝置，用以可選地輸出所述頻率f1和f2中的一個；一個匹配網路，其具有連接至所述射頻功率源裝置的輸入端和連接至所述電極的輸出端，所述匹配網路包括一個電容值為C₀ 的電容以及一個電感值為 L ₀ 的電感，所述電容和電感相互串聯並構成一支路；以及，其中，所述電容值C₀ 和電感值 L ₀ 滿足如下關係：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。

所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述電極為所述等離子體處理腔的上電極或下電極。

所述的射頻功率源系統，還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。

進一步地，本發明還提供一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互串聯並構成一支路，所述電容的電容值為 C _0’ 所述電感的電感值為 L ₀ ：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；串聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。

所述匹配網路被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

進一步地，本發明還提供一種適用於至少兩個頻率輸入的單一匹配網路，用於選擇性地給所述兩個頻率中的任一頻率提供射頻功率匹配給一等離子體負載，所述單一匹配網路包括一連接至所述多頻率輸入的輸入端和一連接至所述等離子體負載的輸出端，在所述輸入端和輸出端之間包括相互並聯的電容以及電感，並且所述相互並聯的電容和電感構成一支路，所述電容的電容值為 C ₄ ，所述電感的電感值為 L ₄ ，其中，所述電容值 C ₄ 和電感值 L ₄ 滿足如下關係：

1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1

1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。

所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述單一匹配網路的輸入端與一單一的射頻功率供應裝置相連接，在某一特定的時間段內所述單一的射頻功率供應裝置擇一地輸出其中的一個頻率f1或f2。

所述等離子體負載為一等離子體處理腔。

所述等離子體處理腔包括一上電極和一下電極，所述單一匹配網路的輸出端與所述上電極或所述下電極相連接。

進一步地，本發明還提供一種射頻功率源系統，用於可切換地將至少兩個頻率f1和f2中的一個耦合連接至一等離子體處理腔的電極，所述射頻源功率系統包括：一個射頻功率源裝置，用以可選地輸出所述頻率f1和f2中的一個；一個匹配網路，其具有連接至所述射頻功率源裝置的輸入端和連接至所述電極的輸出端，所述匹配網路包括一個電容值為C ₄ 的電容以及一個電感值為 L ₄ 的電感，所述電容和電感相互並聯，並且所述相互並聯的電容和電感構成一支路；以及，所述電容值C ₄ 和電感值 L ₄ 滿足如下關係：

1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1

1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。

所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述電極為所述等離子體處理腔的上電極或下電極。

更進一步地，本發明還提供一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互並聯並構成一支路，所述電容的電容值為C _4’ 所述電感的電感值為 L ₄ ：

1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1

1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；並聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。

所述匹配網路被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述方法還包括連接一個可變並聯電容或一可變並聯電感至接地端和所述匹配網路之間。

所述頻率f1或f2為選擇於下述頻率中的一種：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120 MHz。。

圖3示出了根據本發明一個具體實施例的等離子體處理腔示意圖，其中，一個單一的匹配網路HF1用於給多個可切換的射頻源功率中的任一個提供射頻匹配。如圖3所示，等離子體處理腔具有可切換的射頻偏置功率(switchable RF bias power)和可切換的射頻源功率(switchable RF source power)。在本實施例中，第一個射頻偏置功率的頻率設置為0.5-10MHz，第二個射頻偏置功率的頻率設置為10-30MHz。同樣，第一個射頻源功率的頻率設置為40-100MHz，如60MHz，而第二射頻源功率的頻率設置為80-200MHz，如120MHz。這樣的等離子體處理腔能夠實現更好地等離子體密度和離子能量控制，從而增強了適應性。圖3的左部分示出了用於提供可切換的多個射頻偏置功率(即，低頻部分)的元件300，圖3的右部分示出了用於提供可切換的多個射頻源功率(即，高頻部分)的元件310。圖示的粗體箭頭示意表示以任何已知常規方式將射頻偏置功率和源功率耦合至所述等離子體處理腔，這些方式包括電容型耦合、電感型耦合、螺旋波型耦合等。

在本實施例中，一個單一的射頻功率供應裝置300和310被用於產生多個可用頻率中的一個，就本實施例來說是兩個可用頻率中的一個。應當理解，儘管多種設計方案可以被用來構建這樣的射頻功率供應裝置，從而產生多個可用的頻率，此處所示出的可切換的射頻偏置功率或低頻功率發生器300包括一個直接式數位頻率合成器(direct digital frequency synthesizer,DDS)302，其提供了具有多個可用頻率中之一的射頻信號。基於設計選擇，所述射頻信號然後被一放大級(amplification stage)304通過一個寬頻放大器(wide band amplifier)或兩個窄帶放大器(narrow band amplifiers)放大。所述放大級304的輸出連接至開關305，其基於直接式數位頻率合成器(DDS)302的頻率輸出，將該信號或連接至低頻濾波器(LF1濾波器)306或連接至低頻濾波器(LF2濾波器)308。所述功率發生器300的輸出被連接至開關311的輸入端，所述開關311可在匹配網路LF1和LF2中的任一個之間切換連接。基於此構造，匹配網路LF1可以被優化從而以兩個可切換頻率中的一個來傳輸功率，而所述匹配網路LF2則被優化從而以所述兩個可切換頻率的另一個頻率傳輸功率。上述匹配網路之一的輸出被施加至所述等離子體處理腔。

在本實施例中，所述射頻源功率或可切換的高頻功率發生器310用於產生多個可用頻率中的一個。作為一種實施方式，其可以是前述發生器300的“鏡像”，包括一個直接式數位頻率合成器(DDS)312，其提供具有自多個可用頻率之一選擇出的頻率的射頻信號。基於設計選擇，通過一個寬頻放大器或兩個窄帶放大器，所述信號被放大級314放大。所述放大級314的輸出端連接至所述開關315，其根據DDS 312的頻率輸出，將所述信號或連接至高頻濾波器(HF1濾波器)316或連接至高頻濾波器(HF2濾波器)318中的任一個。不論功率發生器310的輸出頻率如何，所述功率發生器310的輸出都被連接至一單一匹配網路HF1。所述匹配網路HF1的輸出端連接至所述等離子體處理腔。

應當理解，儘管圖3中所述偏置頻率部分被圖示為具有兩個匹配網路LF1和LF2，而源頻率部分被圖示為僅具有一個匹配網路HF1，這只是為了通過舉例來凸顯本發明的特色。也就是說，上述特定的構造安排有助於凸顯利用兩個匹配網路或一個單一匹配網路的不同之處。然而，在實際應用中，偏置功率部分可以被設置為模仿源功率部分，亦即，根據本發明的精神其也可以被設置成僅具有一個單一匹配網路。同樣，根據本發明的精神，也可以構建單一的匹配網路來為可切換的偏置功率工作，而只利用一個單一的源功率。相反地，也可以構建單一的匹配網路來為可切換的源功率工作，而只利用一個單一的偏置功率。

如圖3所示，作為本發明的一個實施例，一個單一的匹配網路HF1被用於為兩個高頻射頻源功率工作。根據本發明的特性，所述單一的匹配網路HF1設置為能夠實現對可切換的多個頻率中的任何一個頻率的有效能量耦合。下面將解釋如何設置這樣的匹配網路HF1。

假設目標頻率為f1(例如，60MHz)和f2(例如，120MHz)，請參閱圖4和圖5，圖4是一個史密斯圖(Smith Chart)，示出了怎樣在目標頻率f1(60MHz)下形成匹配；圖5是一個史密斯圖，其示出了怎樣在目標頻率f2(120MHz)下形成匹配。在頻率為f1的條件下該單一的匹配網路HF1具有一串聯支路S和一並聯支路P(如圖6所示)，其中串聯支路S的目標阻抗為j*y₁ ，在頻率為f2的條件下該單一的匹配網路HF1具有一串聯支路S和一並聯支路P，其中串聯支路S的目標阻抗為j*y₂ 。作為一種實施方式，該匹配網路HF1的串聯支路S上具有相互串聯的一個電容元件和一個電感元件用以匹配所述功率，其電容值和電感值分別為 C ₀ 和 L ₀ 。為了滿足頻率f1和f2的阻抗匹配需求， C ₀ 和 L ₀ 的值應當設置成滿足如下公式：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy₁

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy₂

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2。

為了闡明如何設定一個單一匹配網路HF1的參數從而能工作於兩個不同頻率f1和f2，請再參閱圖3所示的具體實施例的高頻部分。假設目標頻率為f1=60MHz，f2=120MHz。在頻率f1下單一匹配網路HF1具有一串聯支路S和一並聯支路P，其中串聯支路S的目標阻抗為j*y₁ ，而在頻率f2下單一匹配網路HF1具有一串聯支路S和一並聯支路P，其中串聯支路S的目標阻抗為j*y₂ 。通過如圖3所示的具體實施例可知， C ₀ 和 L ₀ 應當滿足：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy₁

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy₂

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2。

因此，我們需要確定值 C ₀ 和 L ₀ ，從而使得上述單一匹配網路HF1部分可以滿足f1和f2的匹配條件。請再參閱圖4，假設頻率為60MHz時負載阻抗為Z_L60 =21.9+164.0*i。作為一種實施例，假設該單一匹配網路HF1被設計為L型匹配網路，則其需要串聯支路S中電容C_s60 =19pf和並聯支路P中電容C_p60 =60pf。則，y₁ =1/ω₁ C_s60 =-139.6Ω。再請參閱圖5，假設頻率為120MHz時負載阻抗Z_L120 =3.3+25.4*i。則L型匹配需要串聯支路S中電容C_s120 =102pf和並聯支路P中電容C_p120 =100pf，因此y₂ =1/ω₂ C_s120 =-13.0Ω。對下列方程組求解：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy₁ =-139.6*jΩ

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy₂ =-13.0*jΩ

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

則得到L₀ =100nH，C₀ =15pf。

因此，利用本發明的方法，可以構建得出如圖6所示的單一的匹配網路800，其為L型，其利用一個電感值L₀ 為100nH的電感和電容值C₀ 為15pf的電容串聯連接於串聯支路S中。一可變電容Cp接于並聯支路P中，在60MHz時設定為60pf，在120 MHz時被設定為100pf。如此，圖6所示的一個單一的匹配網路可以被用於具有兩個可切換的頻率的系統。

圖6中所示的可變電容Cp是一種可變元件或可調元件，它連接於所述串聯支路S和接地端之間，其值是可調的，用以滿足單一的匹配網路800在不同頻率f1或f2下達到匹配的要求。所述可變電容Cp的連接關係可以有多種變形，例如，所述可變電容Cp可以連接至接地端和下列各項其中一項之間：所述匹配網路800的輸入端、所述電容和電感之間的中點，或者所述匹配網路800的輸出端。進而，由於本發明單一的匹配網路可以是L型、π型或T型，或前述L型、T型、π型中的任何兩種的組合或組合的變形(容後詳述)，因而，可變電容Cp連接於所述串聯支路S的一端也可以有相應的連接方式，此連接應當為業內技術人員所熟知，因而此處不再詳述。應當理解，該可變元件可以是一可變電容，也可以是一可變電感，或者是可變電容和可變電感的組合。

如上所述，本發明並不限於如圖3所示的具體實施例。本領域技術人員可以根據本發明精神設計出一個單一的匹配網路來給任何可切換的頻率提供射頻匹配。圖7示出了另外一個具體實施例，其中，等離子體處理腔包括可切換的射頻偏置功率和可切換的射頻源功率。所述射頻源功率部分的構造類似於如圖3所示的偏置功率部分，也就是，具有兩個匹配網路HF1和HF2，每個射頻頻率對應一個匹配網路而配合工作。然而，圖3中的射頻偏置功率部分或低頻功率部分是按照本發明的方法來設置的。可切換的功率發生器700與一單一的匹配網路LF1’ 相連接。所述功率發生器700包括一個直接式數位頻率合成器(DDS)702用於提供射頻信號，該射頻信號的頻率是從可用的多個頻率中選擇出來的一個頻率。然後根據設計選擇，放大級704利用一個寬頻放大器或兩個窄帶放大器來放大所述射頻信號。所述放大級704的輸出端連接至開關705，其基於直接式數位頻率合成器(DDS)702的頻率輸出，將該射頻信號或連接至低頻濾波器(LF1’ 濾波器)706或連接至低頻濾波器(LF2’ 濾波器)708。所述功率發生器700的輸出端與一個單一的匹配網路LF1’ 相連接。所述單一的匹配網路LF1’ 的電容元件和電感元件的參數值的選擇與前述高頻率部分的相應參數值的選擇方法相同。所述單一的匹配網路LF1’ 的輸出端連接至所述等離子體處理腔。

如前所述，圖6所示的本發明單一的匹配網路為L型，其包括相互串聯的電容C₀ 和電感L₀ 。應當理解，本發明單一的匹配網路也可以是圖6所示的匹配網路的各種等效變形，如將圖6所示的L型變形為：π型或T型，或前述L型、T型、π型中的任何兩種的組合或組合的變形。

例如，圖8示出了根據本發明單一的匹配網路的另外一種實施例，該單一的匹配網路820為T型匹配網路，用於為可切換的偏置頻率f1或f2中的任一個提供阻抗匹配。在該匹配網路820中，電感L和電容C的值應當皆滿足在兩個特定頻率f1或f2時的阻抗的匹配需要，也就是，在頻率為f1時串聯支路S1的阻抗y_{f1_1} ，串聯支路S2的阻抗y_{f1_2} 和在頻率f2時串聯支路S1的阻抗y_{f2_1} ,串聯支路S2的阻抗y_{f2_2} 。設置這樣的匹配網路與前述圖6所示的L型網路的設置過程類似。如果頻率為f1時負載阻抗為Z_f1 。T型匹配需要串聯支路S1的電感L_s1f1 ,串聯支路S2的電感L_s2f1 和並聯支路P上的電容C_pf1 。則y_{f1_1} =ω₁ L_s1f1 ,y_{f1_2} =ω₁ L_s2f1 。頻率為f2時負載阻抗為Z_f2 。T型匹配需要串聯支路S1的電感L_s1f2 ,串聯支路S2的電感L_s2f2 和並聯支路P上的電容C_pf2 。則y_{f2_1} =ω₂ L_s1f2 ,y_{f2_2} =ω₂ L_s2f2 。分別對下列兩方程組求解：

jω₁ L ₁ +1/jω₁ C ₁ =jy_{f1_1}

jω₂ L ₁ +1/jω₂ C ₁ =jy_{f2_1}

和

jω₁ L ₂ +1/jω₁ C ₂ =jy_{f1_2}

jω₂ L ₂ +1/jω₂ C ₂ =jy_{f2_2}

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

可得到串聯支路S1上的L₁ ,C₁ 和串聯支路S2上的L₂ ，C₂ 的值。

圖9示出了根據本發明單一的匹配網路的另外一種實施例，該單一的匹配網路830為π型匹配網路，用於為可切換的源頻率f1或f2中的任一個提供阻抗匹配。類似地，如果頻率為f1時負載阻抗為Z_f1 。π型匹配需要串聯支路S上的電感為L_f1 ，並聯支路P1上的電容為C_{p1_f1} 和並聯支路P2上的電容為C_{p2_f1} ，則y_f1 =ω₁ L_f1 。頻率為f2時負載阻抗為Z_f2 。π型匹配需要串聯支路S上的電感為L_f2 ，並聯支路P1上的電容為C_{p1_f2} 和並聯支路P2上的電容為C_{p2_f2} ，則y_f2 =ω₂ L_f2 。對下列方程組求解：

jω₁ L ₃ +1/jω₁ C ₃ =jy_f1

jω₂ L ₃ +1/jω₂ C ₃ =jy_f2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

則可得到L₃ ,C₃ 的值。

圖10、11和12示出了本發明另外的能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例變形。它們與前述圖6、圖8及圖9所示的匹配網路的區別在於：圖6、圖8及圖9所示的匹配網路中電容和電感是串聯的，而圖10、11和12所示的匹配網路中電容和電感是並聯的。

如圖10所示，圖中的電感L₄ 和電容C₄ 並聯，並且匹配網路呈L型。如果頻率為f1時負載阻抗為Z_f1 。L型匹配需要串聯支路S上電感L_f1 和並聯支路P上電容C_f1 ,則y_f1 =ω₁ L_f1 。頻率為f2時負載阻抗為Z_f2 。L型匹配需要串聯支路S上電感L_f2 ，並聯支路P上電容C_f2 ,則y_f2 =ω₂ L_f2 。電容C4值和電感L4值應當設置成滿足如下公式：

1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy_f1

1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy_f2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

則可得到L₄ ,C₄ 的值。

如圖11所示，圖中的電感L₅ 和電容C₅ 並聯，L₆ 和C₆ 並聯，並且匹配網路呈T型。如果頻率為f1時負載阻抗為Z_f1 。T型匹配需要串聯支路S1上電感為L_s1f1 ,串聯支路S2上電感為L_s2f1 和並聯支路P上電容為C_pf1 。則y_{f1_1} =ω₁ L_s1f1 ,y_{f1_2} =ω₁ L_s2f1 。當頻率為f2時負載阻抗為Z_f2 。T型匹配需要串聯支路S1上電感為L_s1f2 ,串聯支路S2上電感為L_s2f2 和並聯支路P上電容為C_pf2 。則y_{f2_1} =ω₂ L_s1f2 ,y_{f2_2} =ω₂ L_s2f2 。電容C₅ 值和電感L₅ 值應當設置成滿足如下公式：

1/jω₁ L ₅ +jω₁ C ₅ =1/jy_{f1_1}

1/jω₂ L ₅ +jω₂ C ₅ =1/jy_{f2_1}

電容C₆ 值和電感L₆ 值應當設置成滿足如下公式：

1/jω₁ L ₆ +jω₁ C ₆ =1/jy_{f1_2}

1/jω₂ L ₆ +jω₂ C ₆ =1/jy_{f2_2}

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

則可得到L₅ ,C₅ 和L₆ ,C₆ 的值。

如圖12所示，圖中的電感L₇ 和電容C₇ 並聯，並且匹配網路呈π型。如果頻率為f1時負載阻抗為Z_f1 。π型匹配需要串聯支路S上電感L_f1 ，並聯支路P1上電容C_{p1_f1} 和並聯支路P2上電容C_{p2_f1} 。則y_f1 =ω₁ L_f1 。頻率為f2時負載阻抗為Z_f2 。π型匹配需要串聯支路S上電感為L_f2 ，並聯支路P1上電容為C_{p1_f2} 和並聯支路P2上電容為C_{p2_f2} 。則y_f2 =ω₂ L_f2 。電容C ₇ 值和電感L₇ 值應當設置成滿足如下公式：

1/jω₁ L ₇ +jω₁ C ₇ =1/jy_f1

1/jω₂ L ₇ +jω₂ C ₇ =1/jy_f2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2

則可得到L₇ ,C₇ 的值。

此外，根據本發明的發明精神和實質，本發明還提供一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互串聯並構成一支路，所述電容的電容值為 C _0’ 所述電感的電感值為 L ₀ ：

jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1

jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；串聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。

所述匹配網路可以被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

本發明中，包括本專利所描述的所有實施例中，所述頻率f1或f2可以是任何一種頻率，優選地，可以為選擇於下述頻率中的一種：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120 MHz。

進一步地，前述方法還可以包括連接一可變元件於所述支路和接地端之間，用以滿足該匹配網路在不同頻率f1或f2下達到匹配的要求。該可變元件可以是一可變電容，也可以是一可變電感，或者是可變電容和可變電感的組合。

進一步地，根據本發明的發明精神和實質，本發明還提供一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互並聯並構成一支路，所述電容的電容值為 C _4’ 所述電感的電感值為 L ₄ ：

1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1

1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2

其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；並聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。

所述匹配網路可以被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。

所述頻率f1或f2可以是任何一種頻率，優選地，可以為選擇於下述頻率中的一種：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120 MHz。

進一步地，前述方法還可以包括連接一可變元件於所述支路和接地端之間，用以滿足該匹配網路在不同頻率f1或f2下達到匹配的要求。該可變元件可以是一可變電容，也可以是一可變電感，或者是可變電容和可變電感的組合。

最後，應當理解，此處所述的工藝和技術並不與任何特定的裝置直接相關，它可以用任何合適的元件組合來實現。此外，可以根據本發明所教示的內容，各種類型的通用器件均可以被應用。也可以製造專門的器材來實現本專利所述的方法步驟，並且具有一定的優勢。本發明是參照具體的實施方式來描述的，其所有方面都應為示意性的解釋而非限定性的。本領域的技術人員會意識到，不同的硬體、軟體和固件的組合都可適用于實施本發明。

本發明是參照具體實施方式描述的，但其所有方面都應為示意性而非限定性的。本領域技術人員可以理解許多不同硬體、軟體、固件的組合都適合用於實現本發明。並且，通過本發明在此所揭露的說明書和實施，本發明的其他實施方式對本領域技術人員來說是顯而易見的。本文描述不同方面和/或元件可以在等離子體處理腔的相關現有技術中單一或者以任何結合的方式使用。說明書和附圖中的說明的特徵和實施方式應僅理解為示例性質，而本發明的真正範圍和精神則是由下列權利要求書中所定義的。

300、310．．．射頻功率供應裝置

302、312、702．．．直接式數位頻率合成器

304、314、704．．．放大級

305、315、311、705．．．開關

306、308、706、708．．．低頻濾波器

310．．．射頻源功率

LF1、LF2、HF1、800、820、830．．．匹配網路

316、318．．．高頻濾波器

f1、f2．．．頻率

S、S1、S2．．．串聯支路

P、P1、P2．．．並聯支路

Cp．．．可變電容

700．．．功率發生器

L、L₄ 、L_f1 、L_f2 、L₅ 、L_s1f1 、L_s1f2 、L₇ ．．．電感

C、C₄ 、C_f1 、C_f2 、C₅ 、C_pf1 、C_pf2 、C₇ 、C_{p1_f1} 、C_{p2_f2} 、C ₇ ．．．電容

圖1是先有技術的多頻等離子體處理腔的結構示意圖，其中，等離子體處理腔具有一個射頻偏置功率發生器和兩個射頻源功率發生器。

圖2是先有技術的多頻等離子體處理腔的結構示意圖，其中，等離子體處理腔具有一個射頻源功率發生器和一個可切換的射頻偏置功率發生器。

圖3是根據本發明一個具體實施例的等離子體處理腔結構示意圖，其中，一個單一的匹配網路HF1用於給可切換的射頻源功率中的任一個提供射頻匹配。

圖4是一個史密斯圖(Smith Chart)，示出了怎樣在第一頻率(60MHz)下形成匹配。

圖5是一個史密斯圖，其示出了怎樣在第二頻率(120MHz)下形成匹配。

圖6是本發明提供的一種能匹配第一頻率(60MHz)和第二頻率(120MHz)的單一匹配網路，其為L型匹配網路。

圖7示出了本發明的一個具體實施例，其中，一個單一的匹配網路LF1’ 用於匹配可切換的多個偏置頻率中的任一個，另外兩個匹配網路HF1’ 和HF2’ 用於匹配可切換的多個源頻率中的任一個。

圖8示出了本發明另外一種能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例，其為T型匹配網路。

圖9示出了本發明另外一種能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例，其為π型匹配網路。

圖10示出了本發明另外一種能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例，其為L型匹配網路，其中電容和電感並聯。

圖11示出了本發明另外一種能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例，其為T型匹配網路，其中電容和電感並聯。

圖12示出了本發明另外一種能匹配頻率f1或f2的單一匹配網路的實施例，其為π型匹配網路，其中電容和電感並聯。

300、310．．．射頻功率供應裝置

302、312．．．直接式數位頻率合成器

304、314．．．放大級

305、315、311．．．開關

306、308．．．低頻濾波器

310．．．射頻源功率

LF1、LF2、HF1．．．匹配網路

316、318．．．高頻濾波器

f1、f2．．．頻率

Claims (28)

1. 一種適用於至少兩個頻率輸入的單一匹配網路，用於選擇性地給所述兩個頻率中的任一頻率提供射頻功率匹配給一等離子體負載，所述單一匹配網路包括一連接至所述多頻率輸入的輸入端和一連接至所述等離子體負載的輸出端，在所述輸入端和輸出端之間包括相互串聯的電容以及電感，並且所述電容和電感構成一支路，所述電容的電容值為C₀ ，所述電感的電感值為 L ₀ ，其中，所述電容值C₀ 和電感值 L ₀ 滿足如下關係：jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。
2. 如申請專利範圍第1項所述的單一匹配網路，其中，所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
3. 如申請專利範圍第1項所述的單一匹配網路，其中，所述單一匹配網路的輸入端與一單一的射頻功率供應裝置相連接，在某一特定的時間段內所述單一的射頻功率供應裝置擇一地輸出其中的一個頻率f1或f2。
4. 如申請專利範圍第1項所述的單一匹配網路，其中，所述等離子體負載為一等離子體處理腔。
5. 如申請專利範圍第4項所述的單一匹配網路，其中，所述等離子體處理腔包括一上電極和一下電極，所述單一匹配網路的輸出端與所述上電極或所述下電極相連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述的單一匹配網路，其中，還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述的單一匹配網路，其中，所述可變元件為可變電容或可變電感或可變電容和可變電感的組合。
8. 一種射頻功率源系統，用於可切換地將至少兩個頻率f1和f2中的一個耦合連接至一等離子體處理腔的電極，所述射頻源功率系統包括：一個射頻功率源裝置，用以可選地輸出所述頻率f1和f2中的一個；一個匹配網路，其具有連接至所述射頻功率源裝置的輸入端和連接至所述電極的輸出端，所述匹配網路包括一個電容值為C₀ 的電容以及一個電感值為 L ₀ 的電感，所述電容和電感相互串聯並構成一支路；以及，其中，所述電容值C₀ 和電感值 L ₀ 滿足如下關係：jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。
9. 如申請專利範圍第8項所述的射頻功率源系統，其中，所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
10. 如申請專利範圍第8項所述的射頻功率源系統，其中，所述電極為所述等離子體處理腔的上電極或下電極。
11. 如申請專利範圍第8項所述的射頻功率源系統，其中，還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。
12. 一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互串聯並構成一支路，所述電容的電容值為 C _0’ 所述電感的電感值為 L ₀ ：jω₁ L ₀ +1/jω₁ C ₀ =jy1jω₂ L ₀ +1/jω₂ C ₀ =jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；串聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，所述匹配網路被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
14. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，還包括連接一可變元件於所述支路和接地端之間。
15. 一種適用於至少兩個頻率輸入的單一匹配網路，用於選擇性地給所述兩個頻率中的任一頻率提供射頻功率匹配給一等離子體負載，所述單一匹配網路包括一連接至所述多頻率輸入的輸入端和一連接至所述等離子體負載的輸出端，在所述輸入端和輸出端之間包括相互並聯的電容以及電感，並且所述相互並聯的電容和電感構成一支路，所述電容的電容值為C ₄ ，所述電感的電感值為 L ₄ ，其中，所述電容值C ₄ 和電感值 L ₄ 滿足如下關係：1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy11/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。
16. 如申請專利範圍第15項所述的單一匹配網路，其中，所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
17. 如申請專利範圍第15項所述的單一匹配網路，其中，所述單一匹配網路的輸入端與一單一的射頻功率供應裝置相連接，在某一特定的時間段內所述單一的射頻功率供應裝置擇一地輸出其中的一個頻率f1或f2。
18. 如申請專利範圍第15項所述的單一匹配網路，其中，所述等離子體負載為一等離子體處理腔。
19. 如申請專利範圍第18項所述的單一匹配網路，其中，所述等離子體處理腔包括一上電極和一下電極，所述單一匹配網路的輸出端與所述上電極或所述下電極相連接。
20. 如申請專利範圍第15項所述的單一匹配網路，其中，還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。
21. 一種射頻功率源系統，用於可切換地將至少兩個頻率f1和f2中的一個耦合連接至一等離子體處理腔的電極，所述射頻源功率系統包括：一個射頻功率源裝置，用以可選地輸出所述頻率f1和f2中的一個；一個匹配網路，其具有連接至所述射頻功率源裝置的輸入端和連接至所述電極的輸出端，所述匹配網路包括一個電容值為C ₄ 的電容以及一個電感值為 L ₄ 的電感，所述電容和電感相互並聯，並且所述相互並聯的電容和電感構成一支路；以及，所述電容值C ₄ 和電感值 L ₄ 滿足如下關係：1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1 1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗。
22. 如申請專利範圍第21項所述的射頻功率源系統，其中，所述匹配網路為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
23. 如申請專利範圍第21項所述的射頻功率源系統，其中，所述電極為所述等離子體處理腔的上電極或下電極。
24. 如申請專利範圍第21項所述的射頻功率源系統，其中，還包括一可變元件連接於所述支路和接地端之間。
25. 一種匹配網路的構建方法，所述匹配網路用於將射頻能量從一個射頻功率源裝置耦合至一等離子體負載，所述射頻功率源裝置可選擇地提供工作於頻率f1或頻率f2下的功率輸出，所述方法包括如下步驟：根據下列公式選擇所述匹配網路中的電容和電感，所述電容和電感相互並聯並構成一支路，所述電容的電容值為C ₄ ，所述電感的電感值為 L ₄ ：1/jω₁ L ₄ +jω₁ C ₄ =1/jy1 1/jω₂ L ₄ +jω₂ C ₄ =1/jy2其中，ω₁ =2πf1，ω₂ =2πf2，所述f1和f2分別為所述兩個頻率的頻率大小，y1為在頻率f1下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗，y2為在頻率f2下達到匹配狀態所述支路所需要的阻抗；並聯所述電容和所述電感以得到所述匹配網路，並且將所述匹配網路串聯連接於所述射頻功率源裝置和所述等離子體負載之間。
26. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，所述匹配網路被構建為L型或T型或π型網路，或者上述各項的任意一種組合及變形。
27. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，所述方法還包括連接一個可變並聯電容或一可變並聯電感至接地端和所述匹配網路之間。
28. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，所述頻率f1或f2為選擇於下述頻率中的一種：2MHZ，13.56MHZ，27MHz，60MHz，100MHz和120 MHz。