專利名稱：射頻匹配方法及等離子體處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體產(chǎn)生與控制技術(shù)，尤其涉及一種射頻匹配方法及等離子體處 理設(shè)備。
背景技術(shù)：
在RF(射頻)等離子體發(fā)生裝置中，恒定輸出阻抗(通常為50Q)的射頻發(fā)生器產(chǎn)生固 定頻率(通常為13.56MHz)的射頻波，向等離子體腔室提供射頻功率，以激發(fā)用于刻蝕或 其他工藝的等離子體。 一般來講，等離子體腔室的非線性負(fù)載的阻抗與射頻發(fā)生器的恒定 輸出阻抗并不相等，故在射頻發(fā)生器和等離子體腔室之間具有嚴(yán)重的阻抗失配，使得射頻 傳輸線上存在較大的反射功率，射頻發(fā)生器產(chǎn)生的功率無法全部輸送給等離子體腔室。如圖1所示，為解決上述問題，在射頻發(fā)生器和等離子體腔室之間插入阻抗匹配器。 該阻抗匹配器由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括匹配網(wǎng)絡(luò)中的 可變阻抗元件和改變其阻抗的驅(qū)動裝置等。阻抗匹配器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的原理是由傳感器檢測射頻傳輸線上的電壓、電流、前向 功率、反向功率等相關(guān)參數(shù)，提供匹配控制算法所需的輸入量，并將該輸入量輸入給控制 器；控制器根據(jù)該輸入量，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的匹配控制算法，并給出可變阻抗元件驅(qū)動裝置的調(diào) 整量；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器給出的調(diào)整量改變可變阻抗元件的阻抗值，從而使得匹配網(wǎng)絡(luò) 的輸入阻抗等于射頻發(fā)生器的恒定輸出阻抗，二者達(dá)到匹配。此時，射頻傳輸線上的反射 功率為零，射頻發(fā)生器產(chǎn)生的功率全部輸送給了等離子體腔室?，F(xiàn)有技術(shù)中，射頻匹配器中的傳感器采集到射頻傳輸線的電壓V和電流I之后，經(jīng)模擬 電路處理，會給出模擬的輸出信號(或根據(jù)模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號)。設(shè)傳感器輸出信號為根據(jù)傳感器模擬電路工作原理有:上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)由于現(xiàn)有技術(shù)中的射頻匹配器中的傳感器通常采用模擬器件采集射頻傳輸線上的電壓 V和電流I并進(jìn)行處理，而且傳感器電路也多采用模擬器件和芯片。而模擬電路的一大缺 點(diǎn)，就是會受到功率、溫度等因素的影響，從而造成器件或芯片相關(guān)參數(shù)的改變。也就是說，上述的系數(shù)矩陣M^中的各個系數(shù)實(shí)際并不是固定不變的常數(shù)，而是與射頻功率有一定關(guān)系的變量，隨射頻功率變化而變化，即Mnx2-f(Prf)。m,' ml2m21 m22mnl mn21 22 1a012Va!21Ia0+ N(2)Mnx2 =其中，是系數(shù)矩陣，通常與模擬電路的各項(xiàng)參數(shù)有關(guān)Nnxl是常數(shù)矩陣'由式(2)就可以求出V 。例如，某傳感器輸出信號為 「1 2_M,。=A 2xl =理，有系數(shù)矩陣，常數(shù)矩陣N2xl =0根據(jù)其電壓電流采樣原理和模擬電路工作原 0_，根據(jù)式(2)得(3)根據(jù)式(3)即可得到:(4)最后，再根據(jù)電壓v、電流I和阻抗的關(guān)系，即可計算出與傳感器后端負(fù)載阻抗相關(guān)的 信號，如阻抗模值lzl、阻抗幅角e等。23 2 3而這種改變，將會直接影響到傳感器的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和輸出過程，進(jìn)而使匹配器中 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的匹配路徑差，匹配器的匹配時間長、精度差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種射頻功率對傳感器模擬電路的影響小、匹配器性能穩(wěn)定、精 確、適應(yīng)功率范圍寬的射頻匹配方法及等離子體處理設(shè)備。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的射頻匹配方法，包括步驟首先，傳感器采集射頻傳輸線的電壓和電流信息，進(jìn)行處理后給出輸出信號；然后，通過射頻功率對所述傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信自.zK、,之后，根據(jù)所述校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹配。本發(fā)明的等離子體處理設(shè)備，包括射頻源、匹配器、反應(yīng)腔室，所述匹配器采用上述 的射頻匹配方法進(jìn)行阻抗匹配。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的射頻匹配方法及等離子體處理 設(shè)備，由于通過射頻功率對傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信息， 并根據(jù)校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹配?？梢詼p小射頻功率對傳感器模擬電路的影 響，使匹配器能穩(wěn)定、精確地工作在更寬的功率范圍內(nèi)。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的射頻匹配方法，其較佳的具體實(shí)施是，包括步驟首先，傳感器釆集射頻傳輸線的電壓和電流信息，進(jìn)行處理后給出輸出信號；然后， 通過射頻功率對傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信息；之后，根據(jù) 校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹配。具體校準(zhǔn)后的電壓和電流信息通過以下公式求出為校準(zhǔn)后的電壓和式(5)中，N,^是常數(shù)矩陣；A^為所述傳感器的輸出信號；電流信息；Mnx2 = f(Prf)為系數(shù)矩陣，隨所述射頻功率Prf的變化而變化。式(5)與式(2)是相同的，但式(5)中的系數(shù)矩陣M^不再是固定不變的常數(shù)而 是隨所述射頻功率P^的變化而變化，可以對式(5)中的各參量可以做以下假設(shè)<formula>formula see original document page 7</formula>式中，f 、f12、f2p fnp f^分別是以射頻功率Prf為自變量的函數(shù)關(guān)系式。進(jìn)行阻抗匹配時，首先根據(jù)校準(zhǔn)后的電壓和電流信息求得負(fù)載阻抗的阻抗實(shí)部、阻抗虛部、阻抗模值、阻抗幅角等一項(xiàng)或多項(xiàng)信號；然后根據(jù)所求的阻抗信號，并通過比例算 法或模糊算法等控制算法計算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的調(diào)整量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹 配。射頻功率可以從射頻電源處或上位機(jī)處獲得。本發(fā)明的等離子體處理設(shè)備，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括射頻源、匹配器、反應(yīng) 腔室，匹配器采用上述的射頻匹配方法進(jìn)行阻抗匹配。具體匹配器包括傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，傳感器采集射頻傳輸線的電壓和電流 信息，進(jìn)行處理后給出輸出信號；控制器接收到輸出信號后，通過射頻功率對輸出信號進(jìn) 行校準(zhǔn)，得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信息；之后，控制器根據(jù)校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行 阻抗匹配。本發(fā)明通過引入射頻功率這一參數(shù)，對傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，以減小射頻功率 對傳感器模擬電路的影響。引入射頻功率參數(shù)后，系數(shù)矩陣M^不再是常系數(shù)矩陣，而是變?yōu)榕c功率有關(guān)的變系 數(shù)矩陣<formula>formula see original document page 7</formula>式中，fll，fl2，f2"f22，…，^，fn2是以射頻功率Prf為自變量的函數(shù)關(guān)系式。射頻匹配器可以從射頻電源處，或者是上位機(jī)處通過軟件通信，獲得射頻功率Prf。然后，代入式(6)，即可求出對應(yīng)當(dāng)前射頻功率的系數(shù)矩陣M'"2，將Mt'可以求出代入式(5)，就<formula>formula see original document page 8</formula>2xl例如，某傳感器輸出信號為，根據(jù)其電壓電流采樣原理和模擬電路工作原M，理，其系數(shù)矩陣2P,rfN，,.，=2P/—ai ——2Prfprf2_I常數(shù)矩陣(7)即:根據(jù)式(7)即可得到V IPrf +4Prf-4Prf2(Prf2-4) -2a _2P"Prf (Prf -4)Prf(Prf2-4) Prf(Prf2-4)(8)由式(8)可以求得與傳感器后端負(fù)載阻抗相關(guān)的信號。如阻抗實(shí)部、阻抗虛部、阻抗模值lzl、阻抗幅角e等。然后匹配器再結(jié)合匹配時的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值，計算出與之相對應(yīng)的誤差信號。根據(jù)這些誤 差信號，匹配器就可以通過某種控制算法計算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的調(diào)整量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn) 轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過程，直至系統(tǒng)匹配。即射頻電源的輸出阻抗等于匹配器的輸入阻抗。本發(fā)明把影響模擬電路繼而影響傳感器精度的主要因素一"射頻功率"引入到了匹 配器的控制過程中，根據(jù)傳感器中模擬電路的特性，在不同功率下，設(shè)定不同的參數(shù)，用 于校準(zhǔn)傳感器誤差，消除功率對其的影響。通過引入射頻功率這一參數(shù)對傳感器的輸出信 號進(jìn)行校準(zhǔn)，可以減小射頻功率對傳感器模擬電路的影響，從而使得匹配器可以穩(wěn)定、精 確地工作在更寬的功率范圍內(nèi)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種射頻匹配方法，其特征在于，包括步驟首先，傳感器采集射頻傳輸線的電壓和電流信息，進(jìn)行處理后給出輸出信號；然后，通過射頻功率對所述傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信息；之后，根據(jù)所述校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹配。
2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的射頻匹配方法，其特征在于，所述校準(zhǔn)后的電壓和電流信息 通過以下公式求出<formula>formula see original document page 2</formula>，式中N^是常數(shù)矩陣；A^,為所述傳感器的輸出信號; 變化c為校準(zhǔn)后的電壓和電流信息；M^二f(Prf)為系數(shù)矩陣，隨所述射頻功率Prf的變化而
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的射頻匹配方法，其特征在于，所述公式中，<formula>formula see original document page 2</formula> f^分別是以射頻功率Prf為自變量的函數(shù)關(guān)系式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的射頻匹配方法，其特征在于，所述進(jìn)行阻抗匹配包括首先，根據(jù)所述校準(zhǔn)后的電壓和電流信息求得負(fù)載阻抗的以下至少兩項(xiàng)信號阻抗實(shí) 部、阻抗虛部、阻抗模值、阻抗幅角；然后，根據(jù)所述阻抗信號，并通過控制算法計算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的調(diào)整量，控制執(zhí)行 機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)所述阻抗匹配。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的射頻匹配方法，其特征在于，所述控制算法為比例算法或模 糊算法。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的射頻匹配方法，其特征在于，所述射頻功率從射頻電源處或上位機(jī)處獲得。
7、 一種等離子體處理設(shè)備，包括射頻源、匹配器、反應(yīng)腔室，其特征在于，所述匹 配器采用權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的射頻匹配方法進(jìn)行阻抗匹配。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子體處理設(shè)備，其特征在于，所述匹配器包括傳感器、 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述傳感器采集射頻傳輸線的電壓和電流信息，進(jìn)行處理后給出輸出 信號；所述控制器接收所述輸出信號，并通過射頻功率對所述輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得出校 準(zhǔn)后的電壓和電流信息；之后，所述控制器根據(jù)所述校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹 配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種射頻匹配方法及等離子體處理設(shè)備，通過射頻功率對傳感器的輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)，由公式(Ⅰ)得出校準(zhǔn)后的電壓和電流信息，式中M_n×2＝f(P_rf)為系數(shù)矩陣，隨射頻功率P_rf的變化而變化。根據(jù)校準(zhǔn)后的電壓和電流信息進(jìn)行阻抗匹配，可以減小射頻功率對傳感器模擬電路的影響，從而使得匹配器可以穩(wěn)定、精確地工作在更寬的功率范圍內(nèi)。
文檔編號H05H1/46GK101626656SQ20081011657
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者曄 武 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司