TWI672724B - 用於電漿處理系統的小型可配置式模組化射頻匹配網路組件 - Google Patents

用於電漿處理系統的小型可配置式模組化射頻匹配網路組件 Download PDF

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Abstract

揭露一種用於將自射頻(RF)產生器的RF能量輸出與可變阻抗負載匹配的小型可配置式射頻匹配網路。該匹配網路包括輸入連接器；輸出連接器；以及包含一或多個調諧與負載電子元件的元件組件陣列。電子元件中的至少一個耦接至輸入連接器，電子元件中的至少一個耦接至輸出連接器，元件組件陣列經調整而依選擇的形狀結構(topology)排列，以及選擇的形狀結構經調整而減少自可變阻抗負載反射(reflect)的RF能量。提供諸多其他態樣。

Description

用於電漿處理系統的小型可配置式模組化射頻匹配網路組 件 【相關申請案的交叉引用】
本申請案主張於2014年11月25日提出申請的美國臨時專利申請案第62/084,554號及2014年8月15日提出申請的美國臨時專利申請案第62/037,917號之優先權權益，該美國臨時專利申請案第62/084,554號之發明名稱為「改良的射頻匹配網路」，該美國臨時專利申請案第62/037,917號之發明名稱為「用於改良的射頻匹配網路之系統與方法」，本申請案之參考整體上結合以上兩個美國臨時專利申請案之揭露。
本發明一般係關於射頻匹配網路且特別係關於用於電漿處理系統的高功率匹配網路。
一般來說，匹配網路包括經選擇與配置以將電源供應器或產生器的輸出阻抗匹配至負載的輸入阻抗之電子元件與電路。沒有匹配網路的話，輸出阻抗與輸入阻抗間的任何差異導致來自供應器的電子能量的反射(reflection)或其他中斷，其可能使得功率轉換沒有 效率、負載操作中的干擾，且如果差異夠大的話，可能破壞系統中的元件。因此，為了最大化從電源產生器到負載(如電漿處理腔室)的功率轉換，匹配網路通常用於防止或至少減少因產生器與負載間阻抗不匹配而有的電子電源訊號的反射。
參考第1圖，電漿處理系統可包括高或射頻(之後稱為「RF」)匹配網路100、可變阻抗負載102(如電漿處理腔室)、RF產生器104，以及RF傳送系統106。RF匹配網路100設置於RF傳送系統106與可變電阻負載102之間且電耦接至RF傳送系統106與可變電阻負載102。RF傳送系統106與RF產生器104電耦接。RF匹配網路100可包括通常帶有固定阻抗值的電子元件(如電容器與(或)電感器)。RF傳送系統106可包括如高功率同軸纜線組件與連接器之零件。
RF產生器104可經由RF傳送系統106與RF匹配網路100提供RF能量給可變阻抗負載102。RF匹配網路100的功能可為將可變阻抗負載102的阻抗與RF產生器104及RF傳送系統106的輸出阻抗匹配。藉由將可變阻抗負載102的阻抗與RF產生器104及RF傳送系統106的輸出阻抗匹配，可減少來自可變阻抗負載102的RF能量之反射。減少RF能量的反射可有效地增加由RF產生器104提供至可變阻抗負載102之RF能量的量。
RF匹配的傳統方法包括依據所施頻率及負載阻抗值與(或)範圍產生集總元件或傳輸線路或以上兩者 之組合的匹配網路。為了最小化匹配網路中的損失，具有帶低串聯電阻(即高Q值(high-Q))的反應阻抗之元件(如電容器、電感器與(或)低損耗傳輸線路)通常用於將可變阻抗負載與RF產生器的輸出阻抗匹配。第2A圖至第2D圖係繪示最常見類型的先前技術匹配網路100A至100D的元件之更詳盡概要圖示。此等圖示顯示四種不同類型的RF匹配網路100A至100D的網路形狀結構之一或多個調諧元件108、108-1、108-2及一或多個負載元件110、110-1、110-2的排列。更特定言之，第2A圖繪示L型匹配網路，L型匹配網路包含串聯負載102的調諧元件108與並聯負載102的負載元件110，負載元件110設置於產生器104與調諧元件108之間。第2B圖繪示倒L型網路，倒L型網路包含串聯負載102的調諧元件108與並聯負載102的負載元件110，負載元件110設置於負載102與調諧元件108之間。第2C圖繪示Π網路，Π網路包含串聯負載102的調諧元件108及第一負載元件110-1以及第二負載元件110-2，第一負載元件110-1設置於產生器104與調諧元件108之間，第二負載元件110-2設置於負載102與調諧元件108之間，其中第一與第二負載元件110-1、110-2兩者皆並聯負載102。第2D圖繪示T網路，T網路包含第一與第二調諧元件108-1、108-2以及負載元件110，第一與第二調諧元件108-1、108-2串聯負載102，負載元件110並聯負載102且設置於第一與第二調諧元件108-1、108-2之間。
將可變阻抗負載102的阻抗與RF產生器104的阻抗匹配之第二傳統方法可利用可變頻率匹配。RF匹配網路100至RF頻率產生器104的輸出呈現的阻抗可隨頻率改變。藉由自RF產生器104輸出特定頻率，可變阻抗負載102匹配RF產生器104的阻抗及RF傳送系統106。此技術可稱為可變頻率匹配。可變頻率匹配可施用包含固定值調諧元件108與負載元件110(如固定值電容器、電感與(或)電阻)的RF匹配網路100。調諧元件108與負載元件110的值可經選擇以幫助確保RF產生器104的阻抗會匹配可變阻抗負載102的阻抗。
先前技術的RF匹配電路可助於減少由可變阻抗負載反射的能量之量。然而，本發明發明人已確定在某些情況下，現存RF匹配網路沒有提供容易且成本有效地重新配置以處理在不同功率層級的不同負載之彈性。因此，所需要的是用於RF匹配的改良方法與設備。
在某些實施例中，本發明提供用於將自射頻(RF)產生器的RF能量輸出與帶有可變阻抗負載的電漿腔室匹配之射頻匹配網路組件。RF匹配網路組件包括輸入連接器；輸出連接器；及包含一或多個調諧與負載電子元件的小型可配置式元件組件陣列。電子元件中的至少一個與輸入連接器耦接，電子元件中的至少一個與輸出連接器耦接，元件組件陣列經調整而使用固定數量的匯流排與可配置式連接器依複數個網路形狀結構排列，網路形狀結 構包括選擇的網路形狀結構，且選擇的網路形狀結構經調整以減少自可變阻抗負載反射的RF能量。
在某些其他實施例中，提供一種電漿處理系統。該系統包括RF產生器；與RF產生器耦接的阻抗匹配網路組件；以及與阻抗匹配網路組件耦接的帶有可變阻抗負載之電漿腔室。阻抗匹配網路組件包括輸入連接器、輸出連接器，及包含一或多個調諧與負載電子元件的小型可配置式元件組件陣列。電子元件中的至少一個與輸入連接器耦接，電子元件中的至少一個與輸出連接器耦接，元件組件陣列經調整而使用固定數量的匯流排與可配置式連接器依複數個網路形狀結構排列，網路形狀結構包括選擇的網路形狀結構，且選擇的網路形狀結構經調整以減少自可變阻抗負載反射的RF能量。
在又其他實施例中，提供一種將自RF產生器的RF能量輸出與帶有可變阻抗負載的RF電漿腔室匹配之方法。該方法包括在輸入連接器接收RF電源；將RF電源施於小型可配置式元件組件陣列，小型可配置式元件組件陣列包含一或多個調諧與負載電子元件；經由輸出連接器將RF電源輸出至電漿腔室，輸出連接器帶有匹配電漿腔室的可變阻抗負載之阻抗，其中電子元件中的至少一個與輸入連接器耦接，電子元件中的至少一個與輸出連接器耦接；以及將元件組件陣列依自複數個可能網路形狀結構配置中選擇的經選擇之網路形狀結構配置排列，全部的網路形狀結構配置可以使用元件組件陣列組合。選擇的網路 形狀結構配置經調整以減少自可變阻抗負載反射的RF能量。
本發明的其他特徵與態樣將自以下詳盡的說明書、所附專利申請範圍與附圖而有更完整彰顯。
100‧‧‧RF匹配網路
102‧‧‧可變阻抗負載
104‧‧‧RF產生器
106‧‧‧RF傳送系統
108‧‧‧調諧元件
110‧‧‧負載元件
300‧‧‧殼體
302‧‧‧輸出背板
304‧‧‧RF輸入連接器
306‧‧‧控制器隔室
308‧‧‧風扇
500‧‧‧匹配網路組件
502‧‧‧元件
504‧‧‧元件
506‧‧‧小型元件組件陣列
508‧‧‧匯流排
510‧‧‧匯流排
512‧‧‧連接器
514‧‧‧連接器
516‧‧‧連接器
518‧‧‧連接器
522‧‧‧RF輸出帶
526‧‧‧致動器
528‧‧‧流體通道
700‧‧‧匹配網路組件
900‧‧‧匹配網路組件
902‧‧‧連接器
1000‧‧‧匹配網路組件
1100‧‧‧匹配網路組件
1200‧‧‧匹配網路組件
1300‧‧‧匹配網路組件
1302‧‧‧連接器
1500‧‧‧匹配網路組件
1700‧‧‧匹配網路組件
1902‧‧‧同軸配接器
2702‧‧‧強化桿
第1圖係繪示先前技術的RF電源系統之方塊圖，先前技術的RF電源系統帶有RF產生器、RF匹配網路，及可變阻抗負載。
第2A至2D圖係繪示可用於第1圖的系統中之四個常用類型的先前技術RF匹配網路之細節的概要圖示。
第3圖係根據本發明實施例的示範殼體中的示範小型可配置式阻抗匹配網路組件的輸出側之透視圖。
第4A圖係第3圖的示範殼體中的示範小型可配置式阻抗匹配網路組件的相對側之透視圖，圖示了示範輸入連接器端。
第4B圖係第4A圖的示範小型可配置式阻抗匹配網路組件的相對側之透視圖。
第5A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第一示範配置之透視圖。
第5B圖係第5A圖的第一示範配置之概要配置圖。
第6圖係第5A圖的第一示範配置之立面圖。
第7A圖係根據本發明實施例的第5A圖中所示的第一示範配置的「鏡像」示範配置之透視圖。
第7B圖係第7A圖的鏡像示範配置之概要配置圖。
第8圖係第7A圖的鏡像示範配置之立面圖。
第9A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第二示範配置之透視圖。
第9B圖係第9A圖的第二示範配置之概要配置圖。
第10A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第三示範配置之透視圖。
第10B圖係第10A圖的第三示範配置之概要配置圖。
第11A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第四示範配置之透視圖。
第11B圖係第11A圖的第四示範配置之概要配置圖。
第12A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第五示範配置之透視圖。
第12B圖係第12A圖的第五示範配置之概要配置圖。
第13A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第六示範配置之透視圖。
第13B圖係第13A圖的第六示範配置之概要配置圖。
第14圖係第13A圖的第六示範配置之立面圖。
第15A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第七示範配置之透視圖。
第15B圖係第15A圖的第七示範配置之概要配置圖。
第16圖係第15A圖的第七示範配置之立面圖。
第17A圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的第八示範配置之透視圖。
第17B圖係第17A圖的第八示範配置之概要配置圖。
第18圖係第17A圖的第八示範配置之立面圖。
第19圖係根據本發明實施例的小型可配置式阻抗匹配網路組件的示範高功率輸入連接器之透視圖。
第20圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範致動器之透視圖。
第21圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範可變阻抗元件之透視圖。
第22圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範絕緣體之透視圖。
第23圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範固定阻抗元件之透視圖。
第24圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範接地屏蔽連接器之透視圖。
第25圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配組件網路的示範第一匯流排之透視圖。
第26圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範第二匯流排之透視圖。
第27圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範加強支架之透視圖。
第28至32圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範第一至第五可配置式連接器之透視圖。
第33圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範輸出背板之透視圖。
第34圖係根據本發明實施例的可配置式阻抗匹配網路組件的示範RF輸出帶之透視圖。
經由阻抗匹配達成源RF能量與負載之間的最大功率傳輸。不匹配的RF電路導致反射的電源。源與負載之間的傳輸線路上的駐波起因於反射的波以及基於正向波與反射波之間的相位(phase)，此等波可以互相加或減。如此一來，在傳輸線路上可以有電壓是雙倍的點以及最後電壓等於零的點(即最大電流)。如果駐波定位於 傳輸線路上，使得最大電壓或電流施於特定電子元件，則此等元件可能遭破壞。
正開發新且更大的電漿處理腔室以容納更大的基板。更大的電漿處理腔室使用更大量的電力以執行必要的處理步驟(如蝕刻、沉積與(或)佈植)。此外，新處理技術的發展已導致處理方法中電力要求與阻抗負載更廣泛的變化。本發明之發明人已確知傳統RF匹配網路以無法適當供應RF電源的增加及阻抗負載的更廣變化。
傳統上，高功率匹配網路提供有限的調諧空間。本發明實施例提供帶有更廣的調諧空間範圍的匹配網路套組以及小型外型的可配置式網路形狀結構。
第3、4A與4B圖繪示適用於本發明實施例的匹配網路組件的各式不同配置之示範殼體300之示意圖。注意在全部示範例中，安裝於輸出背板302(作為匹配網路組件的框架(支持器)以及亦作為散熱/冷卻板)、連接器及RF輸入連接器304(如電子工業聯盟會(Electronic Industries Alliance，EIA)1-5/8”50歐姆(Ohm)的同軸介面)上的零件可以視需要自左側及右側交換或反轉與(或)旋轉以容納(accommodate)諸多不同的電漿腔室(即負載)配置。該小型設計亦支援包括設置於電漿腔室的蓋件上的匹配網路組件以及RF產生器的佈線之配置。
在某些實施例中，殼體300可以包括控制器隔室306，控制器隔室306包含一或多個控制器(如處理器) 及用於操作匹配網路組件內的致動器與其他裝置的相關電路。例如，用於調整匹配網路組件的電子元件(如可變電容器)、其他控制器及相關電子裝置之步進器馬達可以容納於控制器隔室306中。此外，一或多個風扇308可以安裝於殼體300上，該等風扇308由控制器操作。此外，當如需要額外冷卻或其他狀況改變發生時，一或多個感測器(如熱、濕度等)可以包含於殼體300中且可以操作性地耦接於控制器以偵測。
示於第3、4A與4B圖中的示範實施例繪示小型可配置式匹配網路組件。例如，匹配網路組件帶有在13.56MHz下用於600A rms與10kVp的RF輸出率以及可以在13.56MHz下處理高達40kW的RF功率之RF輸入，所示實施例可以實施於約21英吋長、約11英吋深，且約14英吋高的殼體300中。其他尺寸是可能的。此外，RF輸出與輸入皆可以依據偏好的介面與(或)功率要求而改變。在某些實施例中，可以在約13.5MHz正負1MHz範圍內使用電感負載。此等負載亦可以在較低或較高頻率使用，例如，從約2MHz至約60MHz。
根據本發明的實施例，第5A、5B與6圖繪示包含複數個固定阻抗元件502及選擇性可變阻抗元件504的發明小型可配置式RF匹配網路組件500之示範例。元件502、504(如電容器)設置於小型元件組件陣列506，小型元件組件陣列506鄰近於複數個傳導匯流排508、510且電耦接至該等傳導匯流排508、510。一組 可配置式連接器512、514、516、518亦與傳導匯流排508、510耦接，該組可配置式連接器512、514、516、518允許匯流排508、510、高功率RE輸入連接器304、RF輸出帶522及輸出背板302輕易地互相耦接/解耦(decouple)。此等模組化元件允許元件502、504及傳導匯流排508、510以不同網路形狀結構(如L、倒L、T、Π等)耦接在一起。例如，第5A圖中所示的特定配置形成如第5B圖中最清晰所示的「Π」網路形狀結構。
在某些實施例中，提供致動器526以控制可變阻抗元件504。致動器526允許處理控制器(未示於第5A圖)以調整可變阻抗元件504的阻抗。可以使用伺服馬達來體現致動器526，但在某些實施例中，可以包括任何可行的致動器，如其他類型的電動馬達、液壓驅動器、氣缸、電子電磁線圈及其類似物或以上之任意組合。在某些實施例中，可以使用包含整合致動器的元件。例如，伺服馬達受控的可變電容器可以用於可變阻抗元件504。
在某些實施例中，元件502、504可以與網路耦接以及藉由將元件502、504自匯流排508、510實體移動或藉由將一個匯流排508自匯流排510實體移動而將元件502、504自網路解耦。例如，元件502可以自匯流排510放開或斷開且以非導電分隔物或絕緣體替代。注意元件502、504可以使用可移除的固定件(如螺栓與螺母)而耦接至匯流排508、510以及連接器508、510、512、514、518。可以使用任何數量的其他可行的固定 件。進一步注意元件502、504(如電容器)設置於小型元件組件陣列506中，小型元件組件陣列506緊鄰傳導匯流排508、510且彼此緊密靠近，從而最小化RF電流路徑的長度以及最小化串聯電阻與串聯電感。
亦如第5A圖的實施例中所示之排列，該等排列可經提供以冷卻RF匹配網路組件500以防止任何可能發生的過熱。可藉由形成RF輸出帶522的主體內之流體儲存槽及通道提供冷卻。注意所示為輸入與輸出冷卻流體通道528。進一步注意到此等流體通道528可以耦接以冷卻殼體300(第3圖)上的流體輸入及輸出連接器。此外，可以使用包含一或多個風扇308之開口或開孔的(ported or vented)殼體(未示於第5A圖但見於第4A圖)及增加厚度的輸出背板302以進一步散熱。在某些實施例中，輸出背板302可以包括冷卻流體通道。
示於第5A圖(且常見於所下所述的全部配置實施例)的匹配網路組件500之顯著特徵係整個匹配網路組件500坐於作為輸出接地(或RF返回)的厚金屬板(即輸出背板302)上，帶有全部重要的匹配網路元件及實體靠近RF輸出的元件。此配置最小化匹配網路組件500的內串連電阻及電感，即，其最小化RF輸出處的損耗及電壓。「大型」金屬輸出背板302亦作為對於元件502、504之冷卻板。如上所述，在某些實施例中，輸出背板302可以選擇性地被流體冷卻。
示於第5A、5B及6圖中的可配置式匹配網路組件500所示於Π網路形狀結構中以用於電感負載。此第一示範配置包括三排固定電容器(CL1、CT，及CL2)，各自包括多達三個電容器及在CL1與CT的電容器組中包括兩個可變電容器。如以下將有更詳盡描述，藉由移動與(或)取代匹配網路組件500內的元件502、504的部分，RF輸入、網路形狀結構與(或)等效電路可以輕易改變。換言之，本發明實施例的匹配網路組件500係可輕易、快速及成本有效地重新配置。
現在轉到第7A、7B與8圖，所示的匹配網路組件700的第二示範配置繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件700包括與第5A、5B及6圖的匹配網路組件500相同的部分(如元件502、504，匯流排508、510及連接器512、514、516、518)，但是RF輸入連接器304已從匹配網路組件的左邊變到右邊。此等兩個匹配網路組件中的網路形狀結構是相同的，但RF輸入側係不同的(如因為便利性或必要性)以更好地支援到產生器104與(或)負載102之連接。本發明實施例的此特徵起因於整體匹配網路組件設計的對稱佈線。
現在轉到第9A與9B圖，所示的匹配網路組件900的第三示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件900依相似於第5A、5B及6圖所示的配置之Π網路形狀結構配置，但具有不同可變電容器的組合與排列。特定言之，原為固定電容器的CL2(第 9B圖)已被可變電容器取代且原為可變電容器的CT已被固定電容器取代。換言之，負載電容器CL1與CL2現在係可變電容器，而調諧電容器CT已變成固定電容器。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網路，這種改變在本技術領域中可以藉由僅僅將匹配網路組件900的右手邊上的可變元件504上的頂連接器512改成連接至輸出背板302而不是匯流排508，來輕易、快速且具有成本效益地達成。此「電路改變」允許移動(shifting)或拉伸(stretching)匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第10A與10B圖，所示的匹配網路組件1000的第四示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件1000依相似於第9A及9B圖所示的配置之Π網路形狀結構配置，但具有不同可變電容器的組合與排列。特定言之，原為可變電容器的負載元件CL1(第10B圖)已被固定電容器取代且原為可變電容器的CT已被固定電容器取代。換言之，相較於第9A與9B圖所示的配置，可變負載元件的位置已跟固定調諧元件的位置互換。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網路，這種改變在本技術領域中可以藉由僅僅將匹配網路組件1000的左手邊上的可變元件504上的底連接器518改成連接至匯流排510而不是輸出背板302，來輕易、快速且具有成本效益地達成。如前所述， 此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第11A與11B圖，所示的匹配網路組件1100的第五示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件1100依帶有可變負載及調諧電容器之L網路形狀結構而配置。注意到此為不同於如第5A、5B及6圖所示的配置的Π網路之網路形狀結構。特定言之，固定負載元件CL2已從電路中移除。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網路，從Π網路至L網路的這種改變在本技術領域中可以藉由僅僅將附接於匯流排510的固定元件502以絕緣體402取代，來輕易、快速且具有成本效益地達成。然而，注意到此實施例中的絕緣體402之使用係選擇性的且其僅用於維持匹配網路組件的機械強度。如前所述，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第12A與12B圖，所示的匹配網路組件1200的第六示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件1200依帶有可變負載及調諧電容器之倒L網路形狀結構而配置。注意到此為不同於如第5A、5B及6圖所示的配置的Π網路之網路形狀結構。特定言之，可變負載元件CL1已從電路中移除，且固 定負載電容器CL2已變成可變電容器。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網路，從Π網路至倒L網路的這種改變在本技術領域中可以藉由僅僅以下方法來輕易、快速且具有成本效益地達成：(a)將附接於匯流排508的固定元件502以絕緣體402取代；(b)將匹配網路組件1200的左手邊上的可變元件504上的底連接器518改成連接至匯流排510而不是輸出背板302；及(c)將匹配網路組件1200的右手邊上的可變元件504上的頂連接器512改成連接至輸出背板302而不是匯流排508。然而，注意到此實施例中的絕緣體402之使用係選擇性的且其僅用於維持匹配網路組件的機械強度。如前所述，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第13A、13B與14圖，所示的匹配網路組件1300的第七示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件1300依帶有可變調諧電容器及固定負載電容器之T網路形狀結構而配置。注意到此為不同於如第11A及11B圖所示的配置的L網路之網路形狀結構。特定言之，如第13B圖所示(相較於第11B圖)，可變負載電容器CL1已變為固定電容器且可變調諧電容器CT1已加入該電路而與產生器104和負載電容器CL1之間現有的可變調諧電容器CT2串聯。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網 路，從L網路至T網路的這種改變在本技術領域中可以藉由僅僅將匹配網路組件的左手邊上的可變元件504上的底連接器518改成連接至RF輸入連接器304而不是輸出背板302(且這樣作使RF輸入連接器304自連接器512斷開)，來輕易、快速且具有成本效益地達成。如前所述，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
或者，如第5A、5B及6圖所示的Π網路形狀結構可以輕易、快速且成本有效地改變至T網路形狀結構的第八示範配置。可以藉由僅改變匹配網路組件的左手邊上的可變元件504上的底連接器518以連接至RF輸入連接器304而不是輸出背板302(且這樣作，將RF輸入連接器304自連接器512斷開)。如前所述，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第15A、15B與16圖，所示的匹配網路組件1500的第九示範配置進一步繪示本發明實施例的彈性與可配置性。匹配網路組件1500依帶有如第15B圖所示的可變調諧電容器CT1、固定調諧電容器CT2及可變負載電容器CL1之T網路形狀結構而配置。注意到此為不同於如第11A及11B圖所示的配置的L網路之網路形狀結構。特定言之，如第15B圖所示(相較於第11B圖)， 可變調諧電容器CT2已變成固定電容器且可變調諧電容器CT1已加入該電路而與產生器104和負載電容器CL1之間現有的調諧電容器CT2串聯。不像會需要昂貴元件及接線改變(如果有可能的話)的傳統匹配網路，從L網路形狀結構到T網路的這種改變在本技術領域中可以藉由以下方法來輕易、快速且具有成本效益地達成：(a)僅僅將匹配網路組件的左手邊上的可變元件504上的底連接器518改成連接至RF輸入連接器304而不是輸出背板302(且這樣作使RF輸入連接器304自連接器512斷開)及(b)僅僅將匹配網路組件的右手邊上的可變元件504上的底連接器514改成連接至輸出背板302而不是匯流排510。如前所述，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
或者，如第13A、13B及14圖所示的T網路形狀結構可以輕易、快速且成本有效地改變至T網路形狀結構的第十示範配置。可以藉由僅改變匹配網路組件的右手邊上的可變元件504上的底連接器514以連接至輸出背板302而不是匯流排510。如同前面，此電路改變有效地允許移動或拉伸匹配網路組件調諧空間以容納特定給定的負載(如針對特定處理方法的負載阻抗之所需範圍或頻譜)。
現在轉到第17A、17B與18圖，所示的匹配網路組件1700的第十一示範配置進一步繪示本發明實施 例的彈性與可配置性。所示為沒有任何可變電容器的Π網路形狀結構中的固定匹配網路組件。在某些實施例中，如果頻率範圍針對給定的阻抗(或阻抗範圍)夠寬的話，此匹配網路組件可能係足夠的，如當使用可變頻率的RF產生器時以及當負載阻抗範圍對於給定頻率或頻率範圍夠窄時(反之亦然)。當然，如上所述的可變/預設RF匹配配置可以與固定或可變頻率產生器一起使用。
若干示範實施例及配置已描述於上且繪示於第5A至18圖中。使用相同連接器512、514、516、518，匯流排508、510及元件502、504，許多不同的配置是可能的，且即便僅明確描述了一組可能的配置，發明所屬領域具有通常知識者會輕易瞭解到可以達成諸多額外的配置。此外，注意到如藉由用絕緣體402取代上述形狀結構的各個中的匯流排508、510上的元件502中的一或兩個，許多額外的替代配置是可能的。
第19至32圖獨立繪示第5A至18圖中所示的元件以清楚說明匹配網路組件的各元件。第19圖繪示高功率RF輸入連接器304的示範實施例。用於將RF輸入連接器304耦接至連接器512的同軸配接器1902可移除地與RF輸入連接器304耦接。第20圖繪示致動器526的示範實施例，第21圖繪示可變阻抗元件504的示範實施例，第22圖繪示絕緣器402的示範實施例，以及第23圖繪示固定阻抗元件502的示範實施例。注意選擇相同高度 的絕緣器402與固定阻抗元件502，使得在匹配網路組件中絕緣器402與固定阻抗元件502可互相交換。
在某些實施例中，例如，固定阻抗元件502可以體現為約20mm長度至約100mm長度之約10pF至約5000pF範圍內的固定真空電容器，如瑞士的COMET AG of Flamatt、日本東京的Meidensha Corporation或加州聖荷西的Jennings Technology Co.製造的固定真空電容器。在某些實施例中，可以使用約52mm長度的固定電容器，其額定為約250pF、約350pF，或約500pF；約3kVp至約30kVp；以及約100A rms。
在某些實施例中，例如，可變阻抗元件504可以體現為約50mm長度至約200mm長度之約100pF至約5000pF範圍內的可變電容器，如瑞士的COMET AG of Flamatt、日本東京的Meidensha Corporation或加州聖荷西的Jennings Technology Co.製造的可變電容器。在某些實施例中，可以使用約100mm長度的可變電容器，其額定為約50pF至約1000pF；約5kVp至約15kVp；以及約100A rms。
第24圖繪示用於將高功率RF輸入連接器304的接地屏蔽耦接至輸出背板302之連接器516的示範實施例。第25圖繪示匯流排508的示範實施例以及第26圖繪示匯流排510的示範實施例。注意匯流排508、510及其他連接器可以由彈性導體(如金屬片)構成以容 納當元件與其附接時因製造誤差產生的元件長度之變化。第27圖繪示選擇性強化桿2702的示範實施例，強化桿2702經調整而與匯流排510耦接以為匯流排510的部分提供剛性及保證匯流排510與輸出背板302的緊密耦接。在某些實施例中，強化桿2702可以整合匯流排510而形成。
第28至32圖分別繪示連接器512、1302、518、902及514的示範實施例。注意匯流排508、510及連接器512、1302、518、902、514各包括孔圖案，孔圖案經調整而允許耦接至(a)元件502、504，(b)絕緣器402，(c)同軸配接器1902，(d)輸出背板302及(e)RF輸出帶522中的至少兩個。亦注意在某些實施例中，連接器518、902及514可以由單一連接器取代，該單一連接器包含孔圖案以作為連接器518、902及514之任一者的功能。此取代會減少用於製造上述多種不同配置的獨特連接器512、1302、518、902及514的數量，從五種連接減少至只有三種(如連接器512、1302及新連接器)。同樣地，在某些連接器中，匯流排508、510可以由單一匯流排部件取代，該單一匯流排部件包括允許單一匯流排部件作為兩個匯流排508與510的孔圖案，從而進一步減少獨特的部件數。
雖然上述示範實施例使用電容器作為元件502、504，但是在替代實施例中，該等元件可以包括電感以及(或)電容器、電感與(或)電阻之組合。例如， 在某些實施例中，固定阻抗元件502的一或多個可以由模組化電路取代，該模組化電路包含於符合匹配網路組件中的固定阻抗元件502而到位的尺寸。
如上所指示，包含各式阻抗元件504允許調諧空間(即匹配網路組件可以經調整而匹配源及負載阻抗的域(domain)及範圍)的顯著膨脹。化學氣相沉積(CVD)處理與清洗之步驟和方法以及處理腔室硬體中的持續發展已經使得更大範圍的負載阻抗需要被匹配以將RF電源耦接至負載，同時維持RF產生器的穩定度以及避免負載電源警示狀況。
藉由提供快速、輕易、成本有效且有效率地改變阻抗與匹配形狀結構配置的能力以及因此調諧空間，本發明實施例避免纜線長度問題以及減少使用的固定電容器之數量。此外，需要較少類型的電容器減少了作業必須維護的電容器之清單，從而減少生產成本。例如，根據本發明實施例使用Π網路形狀結構，因為到負載的RF電流流過兩個分支，每個電容器組的額定電流可以更小，其表示比起傳統的排列需要更少的電容器以及需要較少的總電容。
另外，本發明實施例的小型元件陣列最小化RF電流路徑，其表示較低的串連電感以及因而較低的RF驅動電壓、較低的電弧風險，以及也可能較低的RF電源損失。此外，本發明實施例的小型元件陣列使得比起先前係數的匹配電路有較小的整體佔地面積，其允許匹配網路 組件與RF產生器安裝於電漿腔室的蓋件上，進一步縮短RF電流路徑。在某些實施例中，匹配網路組件夠小型使得該組件可以於約20”寬乘以約11”深乘以約14”高的殼體內施行。其他更小的尺寸是可能的。
第33圖繪示輸出背板302的示範實施例及第34圖繪示RF輸出帶522的示範實施例。輸出背板302包括孔圖案，孔圖案用於支援匹配網路組件的各式元件，用於耦接至殼體，以及用於耦接至電漿處理腔室。輸出背板302亦包括窗，窗提供出入口給RF輸出帶522以及開口以用於排出元件502、504吹出的空氣。在某些實施例中，輸出背板302由熱傳導材料製成且經調整尺寸以作為散熱器之功能。例如，在某些實施例中，輸出背板302由約20”寬乘以約12”高乘以約0.8”厚的鋁(Al)板製成，其帶有開口以用於約9”寬乘以約5”高的RF輸出帶522。在某些實施例中，RF輸出帶522由以銀(Ag)電鍍塗層的0.8”厚的銅(Cu)製成。在其他實施例中，RF輸出帶522與背板302由鋁(Al)或任何可行的金屬或導體製成。此外，可以使用用於RF輸出帶522與背板302的其他厚度及尺寸。在某些實施例中，輸出背板302可以包括冷卻流體通道。
因此，雖然本發明已經連同其示範實施例揭露，但是應該瞭解其他實施例可落於以下申請專利範圍所界定的本發明之精神與範圍內。

Claims (20)

  1. 一種射頻(RF)匹配網路組件，該RF匹配網路組件用於將來自一RF產生器的RF能量輸出與帶有一可變阻抗負載的一電漿腔室匹配，該RF匹配網路組件包括：一殼體，該殼體具有一輸出背板，該輸出背板形成該殼體的一壁；一輸入連接器；一輸出連接器；及一小型可配置式元件組件陣列，該小型可配置式元件組件陣列被包圍在該殼體中並被裝設在該輸出背板上，該小型可配置式元件組件陣列包含一或多個調諧與負載電子元件，其中該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸入連接器耦接，該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸出連接器耦接，該元件組件陣列經調整而使用一固定數量的匯流排與可配置式連接器依複數個網路形狀結構排列，該等網路形狀結構包含一所選擇的網路形狀結構，該所選擇的網路形狀結構經調整而減少自該可變阻抗負載反射的RF能量；以及其中該複數個網路形狀結構包含L、倒L、T、與Π網路形狀結構。
  2. 如請求項1所述之RF匹配網路組件，其中該元件組件陣列包括兩個匯流排與一固定組的可配置式連接器。
  3. 如請求項2所述之RF匹配網路組件，其中該兩個匯流排各自經調整而耦接至一排固定的阻抗元件，且該等固定組的可配置式連接器經調整而啟用包含該所選擇的網路形狀結構的該複數個網路形狀結構中的該元件組件陣列之配置。
  4. 如請求項2所述之RF匹配網路組件，其中該兩個匯流排係彈性的，且該兩個匯流排各自經調整而耦接至一排固定的阻抗元件，以及該等固定組的可配置式連接器經調整而啟用包含該選擇的網路形狀結構的該複數個網路形狀結構中的該元件組件陣列之配置。
  5. 如請求項1所述之RF匹配網路組件，其中該輸出連接器包括一RF輸出帶，及該輸出背板包括用於進出該RF輸出帶的一開口。
  6. 如請求項5所述之RF匹配網路組件，其中該RF輸出帶包括用於流體冷卻的通道。
  7. 如請求項6所述之RF匹配網路組件，其中該元件組件陣列的該等調諧與負載電子元件互相緊鄰以最小化RF電流的一長度。
  8. 一種電漿處理系統，包括：一RF產生器；一阻抗匹配網路組件，該阻抗匹配網路組件耦接至該RF產生器；及一電漿腔室，該電漿腔室具有與該阻抗匹配網路組件耦接的一可變阻抗負載，其中該阻抗匹配網路組件包括一殼體、一輸入連接器、一輸出連接器，及一小型可配置式元件組件陣列，該小型可配置式元件組件陣列被包圍在該殼體中並被裝設在一輸出背板上，該輸出背板形成該殼體的一壁，該元件組件陣列包含一或多個調諧與負載電子元件，其中該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸入連接器耦接，該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸出連接器耦接，該元件組件陣列經調整而使用一固定數量的匯流排與可配置式連接器依複數個網路形狀結構排列，該等網路形狀結構包含一所選擇的網路形狀結構，該所選擇的網路形狀結構經調整而減少自該可變阻抗負載反射的RF能量；以及其中該複數個網路形狀結構包含L、倒L、T、與Π網路形狀結構。
  9. 如請求項8所述之電漿處理系統，其中該元 件組件陣列包括兩個匯流排與一固定組的可配置式連接器。
  10. 如請求項9所述之電漿處理系統，其中該兩個匯流排各自經調整而耦接至一排固定的阻抗元件，且該等固定組的可配置式連接器經調整而啟用包含該選擇的網路形狀結構的複數個不同網路形狀結構中的該元件組件陣列之配置。
  11. 如請求項10所述之電漿處理系統，其中該輸出連接器包括一RF輸出帶。
  12. 如請求項11所述之電漿處理系統，其中該輸出背板包括用於進出該RF輸出帶的一開口。
  13. 如請求項12所述之電漿處理系統，其中該RF輸出帶包括用於流體冷卻的通道。
  14. 如請求項13所述之電漿處理系統，其中該元件組件陣列的該等調諧與負載電子元件互相緊鄰以最小化RF電流的一長度。
  15. 一種將來自一RF產生器的RF能量輸出與帶有一可變阻抗負載的一電漿腔室匹配的方法，該方法包括以下步驟：在一輸入連接器處接收RF電源；將該RF電源施於一小型可配置式元件組件陣列，該小型可配置式元件組件陣列被包圍在一殼體中並被 裝設在一輸出背板上，該輸出背板形成該殼體的一壁，該元件組件陣列包含一或多個調諧與負載電子元件；經由一輸出連接器將該RF電源輸出至該電漿腔室，該輸出連接器具有與該電漿腔室的該可變阻抗負載匹配的一阻抗，其中該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸入連接器耦接，該等調諧與負載電子元件中的至少一個與該輸出連接器耦接；及依一所選擇的網路形狀結構排列該元件組件陣列，該所選擇的網路形狀結構排列係從複數個可能的網路形狀結構中選擇，該複數個可能的網路形狀結構之全部可以使用該元件組件陣列組合，其中該所選擇的網路形狀結構經調整而減少自該可變阻抗負載反射的RF能量；其中該複數個網路形狀結構包含L、倒L、T、與Π網路形狀結構。
  16. 如請求項15所述之方法，其中排列該元件組件陣列的步驟包括以下步驟：排列一固定組的可配置式連接器以將兩個彈性匯流排耦接至該輸入與輸出連接器。
  17. 如請求項16所述之方法，進一步包括以下 步驟：將該等匯流排的各個耦接至一排固定的阻抗元件，及將該等固定組可配置式連接器耦接至該兩個彈性匯流排以將該元件組件陣列配置成來自該複數個可能網路形狀結構配置中的該所選擇網路形狀結構。
  18. 如請求項17所述之方法，其中將該RF電源輸出至該電漿腔室的步驟包括以下步驟：將該輸出背板與一RF輸出帶耦接至該電漿腔室。
  19. 如請求項18所述之方法，其中將RF輸出帶耦接至該電漿腔室的步驟包括以下步驟：經由該輸出背板中的一開口進出該RF輸出帶。
  20. 如請求項19所述之方法，其中依該所選擇的網路形狀結構配置排列該元件組件陣列的步驟包括以下步驟：排列該元件組件陣列的該等調諧與負載電子元件以互相緊鄰，以最小化RF電流的一長度。
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