TWM538301U - 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器 - Google Patents
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Description
本創作係關於一種半導體設備用的射頻電漿電源供應置裝置,尤指一種射頻電漿電源供應裝置之匹配器。
隨著半導體設備廠商的技術精進及改良,晶圓代工的半導體廠商已由8吋晶圓廠擴展至12吋晶圓廠,以使用電漿處理的半導體設備來說,12吋晶圓用的電漿處理設備所使用的射頻電漿電源供應系統以與8吋晶圓用的電漿處理設備所使用的射頻電漿電源供應系統已截然不同。
請參閱圖8及圖9所示,以8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備20’為例,其射頻電漿電源供應系統包含有一射頻電源產生器30及一固定式匹配網路50;其中該射頻電源產生器30係透過該固定式匹配網路50耦接至該PECVD電漿處理設備的一電漿反應腔室21’。在8吋晶圓的PECVD製程中,因考慮結構簡單、控制容易與成本較低的前提下,採用固定式匹配網路50(如圖8所示)搭配固定頻率的射頻電源產生器30及一補償式回授輸出功率控制;如此可在早期的雙腔室(Dual Chamber)的結構中達到控制與鍍膜結果的一致性。
然而,隨著日新月異的製程需求在線寬及均勻度有更多的要求,而不同製程配方會使得電漿反應腔室21’的阻抗值會不同,該固定式匹配網路50已經越來越難適應新的製程配方,如圖10所示,該固定式匹配網路50的固定阻抗值與電漿反應腔室21’進行不同製程的阻抗值無法匹配,導致如圖11所示的反
射功率居高不下,又特別是當電漿反應腔室21’阻抗值的電壓駐波比(VSWR)超過3:1後,該射頻電漿電源供應系統的輸出功率越來越不穩定,甚至有時電漿點燃失敗,造成電漿反應腔室21’內晶圓鍍膜均勻度的差異性越來越大,如圖12所示,最小膜厚:236.3Å、最大膜厚:270.3Å、平均膜厚:250.07Å,而膜厚的標準差為10.25,晶圓鍍膜均勻度的差異性相當的高。
由於建置12吋晶圓廠所費不貲,晶圓代工廠仍需要8吋晶圓廠貢獻一定的產能;因此,晶圓代工廠不斷升級8吋晶圓廠的半導體設備,以因應日新月異的製程需求;是以,目前8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備的射頻電漿電源供應系統有急待改善,以確保晶圓鍍膜的膜厚均勻度,延長8吋晶圓廠的使用壽命。
有鑑於採用固定式匹配網路的射頻電漿電源供應系統有上述技術缺陷,本創作主要目的係提供一種可用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器與匹配方法,確保電漿反應腔室的晶圓鍍膜膜厚均勻度的差異性在一可容忍範圍內。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令自動匹配器包含有:一匹配網路,係包含有至少一固定阻抗元件及至少一可變阻抗元件;至少一致動器,各該致動器係分別連接對應的可變阻抗元件;以及一控制器,係電連接至各該致動器,且儲存有一預設阻抗值;其中該預設阻抗值為一阻抗範圍的中心值,該阻抗範圍係由一多變阻抗負載的複數阻抗值構成;又該控制器內建一初始匹配程序及一自動匹配程序;其中:於該初始匹配程序中,由該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值;
於該自動匹配程序中,該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配目前負載的阻抗值。
上述本創作的自動匹配器主要先在初始匹配程序中,將輸出阻抗調整至該預設阻抗值,由於該預設阻抗值為該負載阻抗範圍的中心值,一旦射頻電源輸入至電漿反應腔體而進入自動匹配程序時,該匹配網路自預設阻抗值至目前負載的阻抗值的匹配,阻抗匹配時間能有效被縮減,反射功率降低,相對加快電漿點火時間。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令射頻電漿電源供應系統包含有:一控制電腦,係內建有複數製程配方及各製程配方的負載阻抗值,該控制電腦係擷取來自一製程控制主機傳送至一電漿處理設備的製程配方,並輸出一個包含有該製程配方之負載阻抗值的控制指令;一射頻電源產生器,係用以產生射頻電源;一自動匹配器,係連結至該控制電腦,以接收該控制指令,並耦接至該射頻電源產生器,用以將射頻電源耦接至該電漿反應腔室;其中該自動匹配器係包含有:一匹配網路,係包含至少一固定阻抗元件及至少一可變阻抗元件;至少一致動器,各該致動器係分別連接對應的可變阻抗元件;以及一控制器,係電連接至各該致動器,且儲存有一預設阻抗值;又該控制器內建一初始匹配程序及一自動匹配程序;其中:於該初始匹配程序中,由該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值;
於該自動匹配程序中,該控制器讀取來自該控制電腦的控制指令,於識別所接收之控制指令的負載阻抗值後,驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配所識別的負載阻抗值。
上述本創作的射頻電漿電源供應系統係進一步在製程控制主機傳送新的製程配方至電漿反應腔室時,由於控制電腦預先儲存有該電漿反應腔室於執行不同製程配合的負載阻抗值,故當控制電腦同時擷取該新製程配方後,會輸出一包含有該製程配方之負載阻抗值的控制指令至該自動匹配器;當該自動匹配器的控制器接收此一控制指令,即可識別電漿反應腔室即將進行之新製程配方的負載阻抗值,提早驅動致動器調整可變阻抗元件,使該匹配網路的輸出阻抗匹配進行新製程的電漿反應腔室的阻抗值。是以,該自動匹配器的阻抗匹配時間能進一步能被縮減,降低反射功率,以加快電漿反應腔室的電漿點火時間。
10、10’‧‧‧自動匹配器
100‧‧‧控制電腦
11‧‧‧匹配網路
111‧‧‧固定阻抗元件
112a、112b‧‧‧可變阻抗元件
12a、12b‧‧‧致動器
20、20’‧‧‧電漿處理設備
21、21’‧‧‧電漿反應腔室
30‧‧‧射頻電源產生器
40‧‧‧史密斯圖
50‧‧‧固定式匹配網路
圖1:本創作自動匹配器第一較佳實施例的連接示意圖。
圖2:圖1的等效電路圖。
圖3A:本創作自動匹配器於初始匹配階段的一預設阻抗值與複數負載阻抗值之分佈關係的史密斯圖。
圖3B:本創作自動匹配器於自動匹配階段的輸出阻抗值與複數負載阻抗值之分佈關係的史密斯圖。
圖4:本創作射頻電漿電源供應系統的系統架構圖。
圖5:圖2的反射功率圖。
圖6:圖2的電漿反應腔室於進行20次不同製程配方所量測而得的鍍膜膜厚曲線圖。
圖7:本創作自動匹配器的匹配流程圖。
圖8:既有一固定式匹配網路的連接示意圖。
圖9:圖8的等效電路圖。
圖10:係固定式匹配網路之固定阻抗值與複數負載阻抗值之分佈關係的史密斯圖。
圖11:圖9的反射功率圖。
圖12:係固定式匹配網路配合電漿反應腔室於進行20次不同製程配方所量測而得的鍍膜膜厚曲線圖。
本創作係針對多變阻抗負載(如8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備進行不同製程的反應腔室)之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器與匹配方法;以下進一步以數個實施例詳述本創作的技術內容。
首先請參閱圖1及圖2所示,係為本創作自動匹配器10的第一較佳實施例,其包含有一匹配網路11、至少一致動器12a、12b及一控制器13。
上述匹配網路11係包含有至少一固定阻抗元件111及至少一可變阻抗元件112a、112b;其中各該固定阻抗元件111及各該可變阻抗元件112a、112b係可構成L形、倒L形、ㄇ形或T形等匹配網路架構;本實施例係為一L形匹配網路11,且包含有一第一可變電容器CL、一電感器L及一第二可變電容器CT;其中該第一可變電容器CL係連接於一射頻輸入端RF_in與接地端GND之間,而該電感器L與該第二可變電容器CT串接,串接的電感器L及第二可變電容器CT係連
接於該射頻輸入端RF_in及一射頻輸出端RF_out之間。較佳地,該第一或第二可變電容器CL、CT較可選用一可變真空電容器。
上述各該致動器12a、12b係連接於對應的可變阻抗元件112a、112b,以調整各該可變阻抗元件112a、112b的阻抗值;在本實施例中,該自動匹配器10係包含有一第一致動器12a及一第二致動器12b,用以分別調整第一及第二可變阻抗元件112a、112b的位置,以改變該第一及第二可變阻抗元件112a、112b的阻抗值。各該致動器12a、12b可選擇伺服馬達或步進馬達等類似功能的致動器;又其中以步進馬達不具備電刷較佳,可長時間使用不易沾染灰塵。
上述控制器13係電連接至各該致動器12a、12b;在本實施例中,該控制器13係電連接至該第一及第二致動器12a、12b,以驅動該第一及第二致動器12a、12b來調整該第一及第二可變電容器CL、CT的位置,以改變該匹配網路11的輸出阻抗值。又該控制器13儲存有一預設阻抗值,該預設阻抗值是依據該自動匹配器10所耦接之負載的複數阻抗值計算而得的;也就是說,以8吋晶圓用之PECVD電漿處理設備20的其中一個電漿反應腔室21為例,進行n種不同製程配方所量測而得的負載阻抗值ZL1~ZLn;較佳地,本實施例係以量測該電漿反應腔室21進行各該製程配方的第一階段的阻抗值,作為負載阻抗值。再如圖3A所示,將該些負載阻抗值ZL1~ZLn標記於一史密斯圖40中,於史密斯圖40上,該些負載阻抗值ZL1~ZLn的位置係構成的一阻抗範圍,於此一阻抗範圍內找出一個距離各該阻抗值ZL1~ZLn最近的位置,約為該阻抗範圍的中心點位置,而該位置所對應史密斯圖40上的阻抗值即為上述預設阻抗值Z0。
該控制器13係內建有一初始匹配程序及一自動匹配程序。於該初始匹配程序中,由該控制器13驅動該第一及第二致動器12a、12b以調整該第一及第二可變阻抗元件112a、112b的阻抗值,使該匹配網路11的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值;再於接下來的自動匹配程序中,由該控制器13驅動該第一及第
二致動器12a、12b以調整該第一及第二可變阻抗元件112a、112b的阻抗值,使該匹配網路11的輸出阻抗值匹配目前負載的阻抗值;也就是說,當自動匹配器10開啟時,會先執行初始匹配程序,使輸出阻抗值為預設阻抗值Z0;當一射頻電源產生器30透過該自動匹配器10輸出射頻電源至該電漿反應腔室21,令該電漿反應腔室21所進行的第n種製程(阻抗值為ZLn),則該自動匹配器10的控制器13會進入該自動匹配程序,令該匹配網路11的輸出阻抗值Zout自該預設阻抗值Z0調整至目前電漿反應腔室的阻抗值ZLn,即如圖3B所示,以完成阻抗匹配。
再如圖5所示,本創作自動匹配器10與進行21種不同製程的電漿反應腔室進行阻抗匹配的結果,每次匹配完成的反射功率的數值接近0,與圖n相較,本創作可自平均反射功率114.25W降低至1.4W;因此,將8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備的固定式匹配網路更換為本創作的自動匹配器10,將可獲得如圖6所示的晶圓鍍膜膜厚數值;其中最小膜厚:246.5Å、最大膜厚:260.1Å、平均膜厚:251.6Å;如此鍍膜的膜厚標準差僅為3.97,相較圖10所量測而得的膜厚標準差10.25更小。
綜上所述,如圖7所示,本創作自動匹配器於進行匹配的流程,係量測該電漿反應腔室進行不同製程配方時的負載阻抗值,以收集一多變阻抗負載(進行不同製程配方的電漿反應腔室)的複數負載阻抗值;其中該複數負載阻抗值係構成一阻抗範圍S10;接著,再計算該阻抗範圍的中心值,並設定該中心值為一預設阻抗值S11;於該初始匹配階段中,調整一自動匹配器的可調阻抗元件,使輸出阻抗值匹配該預設阻抗值S12;以及於該自動匹配階段中,調整該自動匹配器的可調阻抗元件,使該自動匹配器的輸出阻抗值匹配目前負載(電漿反應腔室)的阻抗值S13。如此,當射頻電漿電源透過該自動匹配器輸出至負載,無論目前負載的阻抗為該複數阻抗值中的任一,因該預設阻抗值為阻抗範圍的中
心值,該自動匹配器自該預設阻抗值自動匹配至目前負載的阻抗值的匹配時間能有效被縮減,並降低反射功率,以相對加快電漿點火時間。
請參閱圖4所示,係為本創作的射頻電漿電源供應系統,其包含有一控制電腦100、一射頻電源產生器30、一自動匹配器10’;其中該射頻電源產生器30係透過該自動匹配器10’耦接至一電漿處理設備20的其中一電漿反應腔室21,以提供一固定頻率(如13.56MHz)的射頻電源予該電漿反應腔室21;該控制電腦100係連接至該自動匹配器10’,並與該電漿反應腔室21的一製程控制主機22連線;其中該製程控制主機22係設定有複數製程配方,供使用者選擇其中一項製程配方後,由該製程控制主機22傳送被選擇之製程配方予該電漿處理設備20,該電漿處理設備20再將此一製程配方傳送至對應的電漿反應腔室21,準備進行該製程配方;該射頻電源產生器30係用以產生射頻電源,並透過該自動匹配器10’將射頻電源耦接至該電漿反應腔室21。
上述控制電腦100係連結至該製程控制主機22,故可同時擷取該製程控制主機22傳送至該電漿處理設備20的製程配方。由於該控制電腦100內建有複數製程配方及各製程配方的負載阻抗值,當該控制電腦100自該製程控制主機22擷取到製程配方時,會依據目前所擷取到的製程配方,產生一個包含有該製程配方的負載阻抗值的控制指令,並將該控制指令輸出至該自動匹配器10’;較佳地,該控制電腦100可進一步將複數製程配方及各製程配方的負載阻抗值整理成一比對表,以利比對所擷取製程配方的對應負載阻抗值。
上述自動匹配器10’係連結至該控制電腦100,以接收該控制指令;該自動匹配器10’包含有一匹配網路11、至少一致動器12a、12b及一控制器13;於本實例中的匹配網路11及至少一致動器12a、12b與圖2相同,請參閱前揭圖2的說明,在此不再贅述。本實施例的控制器13亦儲存有一預設阻抗值,且內建有一初始匹配程序及一自動匹配程序。
上述自動匹配器10’中的控制器13於該初始匹配程序中,係驅動該第一及第二致動器12a、12b以調整該第一及第二可變阻抗元件112a、112b的阻抗值,使該匹配網路11的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值;又該自動匹配程序係於該自動匹配器10’接收控制指令後始執行;其中,該控制器13識別所接收來自該控制電腦100之控制指令中的負載阻抗值,並驅動該第一及第二致動器12a、12b以調整該第一及第二可變阻抗元件112a、112b的阻抗值,使該匹配網路11的輸出阻抗值匹配所識別的負載阻抗值。
由於該製程控制主機22傳送新的製程配方至電漿處理設備20後,執行該新的製程配方的電漿反應腔室21會於接收製程配方到開始進行製程前有一準備時間,而本創作的射頻電漿電源供應系統的控制電腦100即可於此一準備時間內,將對應該製程配方的控制指令傳送至該自動匹配器10’,由該自動匹配器10’的控制器13識別電漿反應腔室21即將進行之新製程的負載阻抗值,而提早在該電漿反應腔室21進行該製程前驅動該第一及第二致動器12a、12b,調整該第一及第二可變阻抗元件112a、112b,以將該匹配網路11的輸出阻抗值自該預設阻抗值調整至該製程的負載阻抗值;如此,一旦該電漿反應腔室21開始進行該製程’該自動匹配器10’可立即與該電漿反應腔室21完成阻抗匹配。是以,本實施例的自動匹配器10’又相較圖2的自動匹配器10的阻抗匹配時間更縮短,降低反射功率,使電漿反應腔室快速點火。
綜上所述,本創作的自動匹配器相較固定式匹配網路具有更大的匹配範圍,且有效降低反射功率,並縮短與負載匹配時間,而快電漿反應腔室的電漿點火時間。
以上所述僅是本創作的實施例而已,並非對本創作做任何形式上的限制,雖然本創作已以實施例揭露如上,然而並非用以限定本創作,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本創作技術方案的範圍內,當可利用
上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例,但凡是未脫離本創作技術方案的內容,依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬於本創作技術方案的範圍內。
10‧‧‧自動匹配器
11‧‧‧匹配網路
111‧‧‧固定阻抗元件
112a、112b‧‧‧可變阻抗元件
12a、12b‧‧‧致動器
20‧‧‧電漿處理設備
21‧‧‧電漿反應腔室
30‧‧‧射頻電源產生器
Claims (9)
- 一種用於多變阻抗負載之自動匹配器,包括: 一匹配網路,係包含有至少一固定阻抗元件及至少一可變阻抗元件; 至少一致動器,各該致動器係分別連接對應的可變阻抗元件;以及 一控制器,係電連接至各該致動器,且儲存有一預設阻抗值;其中該預設阻抗值為一阻抗範圍的中心值,該阻抗範圍係由一多變阻抗負載的複數阻抗值所界定之;又該控制器內建一初始匹配程序及一自動匹配程序;其中: 於該初始匹配程序中,由該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值; 於該自動匹配程序中,該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配目前負載的阻抗值。
- 如請求項1所述之自動匹配器,其中: 該匹配網路為一L形匹配網路,其包含有一射頻輸入端、一射頻輸出端及一接地端;該匹配網路的該固定阻抗元件係為一電感器,而該至少一可變阻抗元件係含有一第一可變電容器及一第二可變電容器;其中該第一可變電容器係分別連接於該射頻輸入端及接地端之間,而該電感器與該第二可變電容器串接,且串接的電感器及第二可變電容器係連接於該射頻輸入端及該射頻輸出端之間; 該至少一致動器係包含有一第一致動器及一第二致動器;其中該第一致動器係連接至該第一可變電容器,而該第二致動器係連接至該第二可變電容器;並由該控制器驅動第一及第二致動器,以對應調整該第一及第二可變電容器的位置。
- 如請求項1或2所述之自動匹配器,各該可變阻抗元件係為一可調真空電容器。
- 如請求項3所述之自動匹配器,係應用於一8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備。
- 一種用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統,包括: 一控制電腦,係內建有複數製程配方及各製程配方的負載阻抗值,該控制電腦擷取來自一製程控制主機傳送至一電漿反應腔室的製程配方,並輸出一個包含有該製程配方之負載阻抗值的控制指令; 一射頻電源產生器,係用以產生射頻電源; 一自動匹配器,係連結至該控制電腦,以接收該控制指令,並耦接至該射頻電源產生器,用以將射頻電源耦接至該電漿反應腔室;其中該自動匹配器係包含有: 一匹配網路,係包含至少一固定阻抗元件及至少一可變阻抗元件; 至少一致動器,各該致動器係分別連接對應的可變阻抗元件;以及 一控制器,係電連接至各該致動器,且儲存有一預設阻抗值;又該控制器內建一初始匹配程序及一自動匹配程序;其中: 於該初始匹配程序中,由該控制器驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配該預設阻抗值; 於該自動匹配程序中,該控制器讀取來自該控制電腦的控制指令,於識別所接收之控制指令的負載阻抗值後,驅動該致動器以調整該可變阻抗元件的阻抗值,使該匹配網路的輸出阻抗值匹配所識別的負載阻抗值。
- 如請求項5所述之射頻電漿電源供應系統,其中: 該匹配網路為一L形匹配網路,其包含有一射頻輸入端、一射頻輸出端及一接地端;該匹配網路的該固定阻抗元件係為一電感器,而該至少一可變阻抗元件係含有一第一可變電容器及一第二可變電容器;其中該第一可變電容器係分別連接於該射頻輸入端及接地端之間,而該電感器與該第二可變電容器串接,且串接的電感器及第二可變電容器係連接於該射頻輸入端及該射頻輸出端之間; 該至少一致動器係包含有一第一致動器及一第二致動器;其中該第一致動器係連接至該第一可變電容器,而該第二致動器係連接至該第二可變電容器;並由該控制器驅動第一及第二致動器,以對應調整該第一及第二可變電容器的位置。
- 如請求項5或6所述之射頻電漿電源供應系統,各該可變阻抗元件係為一可調真空電容器。
- 如請求項7所述之射頻電漿電源供應系統,該射頻電源產生器係產生一固定頻率的射頻電源。
- 如請求項7所述之射頻電漿電源供應系統,係應用於一8吋晶圓用的PECVD電漿處理設備。
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---|---|---|---|
TW105216804U TWM538301U (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器 |
Applications Claiming Priority (1)
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TW105216804U TWM538301U (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器 |
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TWM538301U true TWM538301U (zh) | 2017-03-11 |
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TW105216804U TWM538301U (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器 |
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TW (1) | TWM538301U (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TWI641293B (zh) * | 2016-11-03 | 2018-11-11 | 呈睿國際股份有限公司 | 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器與匹配方法 |
TWI697261B (zh) * | 2018-05-22 | 2020-06-21 | 呈睿國際股份有限公司 | 感應耦合電漿蝕刻系統及其切換式匹配裝置 |
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2016
- 2016-11-03 TW TW105216804U patent/TWM538301U/zh not_active IP Right Cessation
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TWI641293B (zh) * | 2016-11-03 | 2018-11-11 | 呈睿國際股份有限公司 | 用於多變阻抗負載之射頻電漿電源供應系統及其自動匹配器與匹配方法 |
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