專利名稱：匹配方法及應(yīng)用該匹配方法的等離子體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體發(fā)生及控制技術(shù)，尤其涉及一種匹配方法及應(yīng)用該匹配方法 的等離子體裝置。
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RF發(fā)生器產(chǎn)生固定 頻率(通常為13。 56MHz)的RF波，向等離子體反應(yīng)腔室提供RF功率，以激發(fā)用于刻蝕或其 他工藝的等離子體。 一般來(lái)講，等離子體腔室的非線性負(fù)載的阻抗與RF發(fā)生器的恒定輸出 阻抗并不相等，故在RF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RF傳輸線上 存在較大的反射功率，RF發(fā)生器產(chǎn)生的功率無(wú)法全部輸送給反應(yīng)腔室。'
如圖1所示，為解決上述問題，在RF發(fā)生器和反應(yīng)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(dòng)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(cè)RF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(dòng)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RF發(fā)生器的恒定輸出阻抗，二者達(dá)到匹配。此時(shí)，RF傳輸線上的反射功率 為零，RF發(fā)生器產(chǎn)生的功率全部輸送給了等離子體腔室。
現(xiàn)有技術(shù)中，可變阻抗元件一般采用電容，電容從預(yù)設(shè)位置開始匹配過程，根據(jù)傳感 器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，采用某種控制算法，如比例、模糊算法等，計(jì)算電容的調(diào)整量，電容在匹 配過程中不斷改變位置，當(dāng)改變到恰當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)進(jìn)入等離子體起輝的時(shí)刻，即進(jìn)入等離子 體起輝帶，在進(jìn)入等離子體起輝帶后，以同樣的過程進(jìn)行匹配，繼續(xù)進(jìn)行電容調(diào)整，直到 找到匹配點(diǎn)，此時(shí)電容的位置即為匹配位置。
上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
在匹配過程中，由于無(wú)法判斷等離子體何時(shí)起輝，使得電容調(diào)整進(jìn)入起輝帶后可能又 離開起輝帶，造成反復(fù)調(diào)整，從而使匹配時(shí)間較長(zhǎng)，匹配路徑不合理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種匹配時(shí)間短、匹配路徑合理的匹配方法及應(yīng)用該匹配方法的 等離子裝置。
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)明的匹配方法，包括多個(gè)匹配周期，每個(gè)匹配周期中檢測(cè)一次負(fù)載阻抗的值，并 根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行阻抗匹配，其特征在于，在等離子體阻抗匹配的過程中，首先檢測(cè)每 個(gè)匹配周期與前一個(gè)匹配周期中所述阻抗的差值；
然后，對(duì)多個(gè)所述阻抗的差值進(jìn)行比較，當(dāng)所述阻抗的差值出現(xiàn)突變時(shí)，認(rèn)為該差值 所在的匹配周期等離子體開始起輝，即進(jìn)入等離子體的起輝帶；
之后，采用相應(yīng)的控制方法，控制所述阻抗匹配在所述起輝帶內(nèi)進(jìn)行。
本發(fā)明的等離子體裝置，包括能量發(fā)生裝置、匹配器、反應(yīng)腔室，所述匹配器采用上 述的匹配方法進(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)明所述的匹配方法，由于首先檢測(cè)一個(gè) 匹配周期與前一個(gè)匹配周期中阻抗的差值，并通過對(duì)多個(gè)阻抗的差值進(jìn)行比較，當(dāng)阻抗的 差值出現(xiàn)突變時(shí)等離子體進(jìn)入起輝帶。在匹配過程中，當(dāng)匹配周期進(jìn)入等離子體起輝帶 后，可以采用相應(yīng)的控制方法，控制阻抗匹配在起輝帶內(nèi)進(jìn)行，直至達(dá)到匹配，不會(huì)造成 反復(fù)調(diào)整，從而使匹配時(shí)間短、匹配路徑合理。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的匹配方法具體實(shí)施例一的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的匹配方法，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括多個(gè)匹配周期，每個(gè)匹配周期中 檢測(cè)一次負(fù)載阻抗的值，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行阻抗匹配。
在等離子體阻抗匹配的過程中，可以首先檢測(cè)一個(gè)匹配周期與前一個(gè)匹配周期中阻抗 的差值；然后對(duì)多個(gè)阻抗的差值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果得到等離子體的起輝帶。在對(duì) 多個(gè)阻抗的差值進(jìn)行比較的過程中，當(dāng)阻抗的差值出現(xiàn)突變時(shí)，認(rèn)為該差值所在的匹配周 期等離子體開始起輝，即進(jìn)入等離子體的起輝帶；之后，采用相應(yīng)的控制方法，控制阻抗 匹配在起輝帶內(nèi)進(jìn)行。
這里所述的突變指阻抗的差值出現(xiàn)突變時(shí)的值顯著大于未突變時(shí)的值，可以設(shè)定一個(gè)閾值，兩個(gè)匹配周期的阻抗的差值大于這個(gè)閾值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生突變。如設(shè)定當(dāng)阻抗的差 值大于其它周期的阻抗的差值的10倍以上時(shí)，即認(rèn)為該差值發(fā)生突變。
以上所述的阻抗的差值可以是阻抗實(shí)部的差值，也可以是阻抗虛部的差值、阻抗模值 的差值或阻抗幅角的差值等，根據(jù)需要可以選用其中的一-項(xiàng)或多項(xiàng)差值進(jìn)行比較。
如通過阻抗實(shí)部的差值判斷等離子體的起輝帶時(shí)，設(shè)定當(dāng)阻抗實(shí)部的差值突變時(shí)的值 與未突變時(shí)的值的比值大于或等于24時(shí)，可以認(rèn)為該差值所在的匹配周期進(jìn)入等離子體的 起輝帶；通過阻抗虛部的差值判斷等離子體的起輝帶時(shí)，設(shè)定當(dāng)阻抗虛部的差值突變時(shí)的 值與未突變時(shí)的值的比值大于或等于16時(shí)，可以認(rèn)為該差值所在的匹配周期進(jìn)入等離子體 的起輝帶。
在等離子體阻抗匹配過程中，可以通過調(diào)整可變阻抗元件實(shí)現(xiàn)，如可變電容，當(dāng)匹配 周期進(jìn)入等離子體的起輝帶之后，可以采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行阻抗匹配，使電容或其它 的可變阻抗元件在起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到匹配。具體可以在得到等離子體開始起輝 的匹配周期之后，記錄該匹配周期中電容的調(diào)整位置，然后自該位置開始，控制電容在起 輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，不會(huì)造成在起輝帶附近反復(fù)調(diào)整。從而使匹配時(shí)間短、匹配路徑合理。
本發(fā)明的等離子體裝置，其較佳的具體實(shí)施方式
是，包括能量發(fā)生裝置、匹配器、反 應(yīng)腔室，匹配器包括傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以采用上述的匹配方法進(jìn)行阻抗匹 配。
具體匹配器在每個(gè)匹配周期中，傳感器采集一次射頻傳輸線的電壓和電流信息并將該 信息輸入給控制器；
控制器根據(jù)接收到的電壓和電流信息計(jì)算每個(gè)匹配周期中的負(fù)載阻抗，并計(jì)算每個(gè)匹 配周期與前一個(gè)匹配周期中負(fù)載阻抗的差值，然后對(duì)多個(gè)阻抗的差值進(jìn)行比較，得到等離 子體的起輝帶；
之后，采用相應(yīng)的控制方法，控制阻抗匹配在起輝帶內(nèi)進(jìn)行。
下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理和流程進(jìn)行詳細(xì)的闡述 具體實(shí)施例一，如圖2所示，選用阻抗的實(shí)部作為參量，具體的匹配過程如下-首先通過傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)匹配周期中的阻抗的實(shí)部。然后通過對(duì)每個(gè)匹 配周期中的阻抗的實(shí)部與前一個(gè)匹配周期中的阻抗的實(shí)部的差值進(jìn)行比較，得到等離子體 的起輝帶，再采用相應(yīng)的控制方法進(jìn)行阻抗匹配，使電容在起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到 匹配。
具體實(shí)現(xiàn)的原理是根據(jù)傳感器測(cè)得的數(shù)字量，計(jì)算出每個(gè)匹配周期中負(fù)載阻抗的實(shí)部R。設(shè)定控制軟件
當(dāng)前的匹配周期為第k周期，設(shè)第k周期計(jì)算出的阻抗實(shí)部為1^。相應(yīng)的，甜一個(gè)匹配周期
為第k-l個(gè)周期，設(shè)第k-l個(gè)周期計(jì)算出的阻抗實(shí)部為1^-'，其它周期阻抗實(shí)部值以此類 推。則第k周期的阻抗實(shí)部與第k-l個(gè)周期的阻抗實(shí)部的差值可定義為
Sk = lRk -Rk—ll (]_)
這樣，隨著控制軟件的運(yùn)行，可以得到一系列的阻抗差值
Sk ， sk+1 ， …，Sk+a ， …，Sk+n 。
在匹配的過程中，當(dāng)?shù)入x子體開始起輝時(shí)，阻抗實(shí)部的差值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變值，這種
突變值會(huì)比其它差值大幾十倍或者上百倍。設(shè)S^為一個(gè)突變的數(shù)值，則說(shuō)明在第k+a個(gè)周 期等離子體開始起輝，即可調(diào)電容的當(dāng)前位置等離子體開始起輝，已經(jīng)進(jìn)入等離子體的起 輝帶。
由此可知，從第k+a個(gè)周期開始，可調(diào)電容位置進(jìn)入等離子體起輝帶?？梢圆捎孟鄳?yīng) 的控制方法進(jìn)行阻抗匹配，使電容在起輝帶內(nèi)調(diào)整，進(jìn)行阻抗匹配，整個(gè)匹配過程如下
電容從預(yù)設(shè)位置開始匹配過程，根據(jù)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，采用某種控制算法，如比例 算法、模糊算法等，計(jì)算電容的調(diào)整量，電容在匹配過程中不斷改變位置，當(dāng)改變到第k+a 個(gè)周期時(shí)等離子體開始起輝，之后，可以采用相應(yīng)的控制策略，使電容在適合等離子體起 輝后的工藝條件下調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)行電容調(diào)整，直到找到匹配點(diǎn)，此時(shí)電容的位置即為匹配 位置。
在等離子體加工工藝過程中，不同工藝條件下的負(fù)載阻抗是不同的。因此，等離子體 起輝前與起輝后的負(fù)載阻抗及其波動(dòng)范圍會(huì)有一定的差別，但這個(gè)差別有時(shí)候并不明顯， 會(huì)造成電容在起輝點(diǎn)附近反復(fù)進(jìn)、出起輝帶的情況。本發(fā)明通過兩個(gè)匹配周期中的阻抗差 值的突變，找到等離子體起輝的時(shí)刻，此后便進(jìn)入等離子體起輝帶，記錄等離子體起輝的 時(shí)刻的電容調(diào)整的位置，然后控制電容在等離子體起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。
具體實(shí)施例的控制流程為
在匹配過程中，在某種工藝條件下，通過傳感器測(cè)得的數(shù)字量，計(jì)算得到的各個(gè)匹配 周期的阻抗實(shí)部數(shù)值如下
R0 =0.1764 、=0.1370 、R2 =0.1325 、R3 = 0.0824 、R4 =1.2587 、 R5 =12452、 R6=1'2326， 根據(jù)公式(l)，可得到各個(gè)匹配周期與前一個(gè)匹配周期的阻
抗差值如下
S, =R-R0 =0.1370-0.1764 = 0.0394，同理可得S2 = 0.0045 、 S3= 0.0501 、 S4 = 1.1763 、 S5= 0.0135、 S6= 0.0126。
從S!到So中可以看出，、是一個(gè)突變。即S4比其它幾個(gè)值都顯著增大，^與其它幾
個(gè)值的比值都大于24，因此，在第四周期等離子體起輝，即可變電容在第四周期時(shí)的位置 已經(jīng)進(jìn)入了等離子體起輝帶。另外，可以看出，進(jìn)入起輝帶后的S,、 S6略小于進(jìn)入起輝帶
甜的S^ S,，通過突變值S4便可以在等離子體起輝的時(shí)刻做一個(gè)明顯的記號(hào)，記錄等離子
體起輝的時(shí)刻的電容調(diào)整的位置，此后便進(jìn)入等離子體起輝帶，然后可以使電容在等離子 體起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到匹配。
具體實(shí)施例二，選用阻抗的虛部作為參量，具體的匹配過程如下
在匹配過程中，在某種工藝條件下，通過傳感器測(cè)得的數(shù)字量，計(jì)算得到的各個(gè)匹配 周期的阻抗虛部數(shù)值如下
R: =64.6139 、 R;= 64.5091 、=64.5115 、 R; = 64.6267 、=53.6391 、
R) =52.95、 R: =52.372， 根據(jù)公式(l)，可得到阻抗差值如下
S; =|R; —R:| = |64.5091-63.6139| = 0.1048 ，同理可得'，
S*2 = 0.0024、 S*3 =0,1152、 S:= 10.9876、 S*5 = 0.6891 、 S*6 = 0.578 。
從s;到s:中可以看出，s:是一個(gè)突變。即s:比其它幾個(gè)值都大，且與其他幾個(gè)差值
的比值都大于16，符合判斷條件。因此，在第四周期等離子體起輝，即電容在第四周期時(shí) 的位置已經(jīng)進(jìn)入了起輝帶。然后可以采用相應(yīng)的控制方法，使電容在起輝帶內(nèi)調(diào)整，直到 達(dá)到匹配。
本發(fā)明的匹配方法中，通過傳感器得到的數(shù)字量，計(jì)算阻抗的實(shí)部或虛部。然后對(duì)各 個(gè)控制周期計(jì)算出的阻抗實(shí)部或虛部取差值，并對(duì)各個(gè)差值進(jìn)行比較，找到突變的差值。 此時(shí)，突變的差值所在匹配周期進(jìn)入了等離子體起輝帶，進(jìn)入了等離子體起輝帶后，采用 相應(yīng)的控制方式進(jìn)行匹配，通過確定匹配器匹配過程中的等離子體起輝帶，可以使得匹配 器在匹配過程中的調(diào)整更有針對(duì)性。不會(huì)出現(xiàn)在等離子體起輝帶附近反復(fù)調(diào)整的情況，縮 短了匹配時(shí)間，優(yōu)化了匹配路徑。并可以避免電容反復(fù)調(diào)整，也就延長(zhǎng)了匹配器的工作壽 命。
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、一種匹配方法，包括多個(gè)匹配周期，每個(gè)匹配周期中檢測(cè)一次負(fù)載阻抗的值，并根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行阻抗匹配，其特征在于，在等離子體阻抗匹配的過程中，首先檢測(cè)每個(gè)匹配周期與前一個(gè)匹配周期中所述阻抗的差值；然后，對(duì)多個(gè)所述阻抗的差值進(jìn)行比較，當(dāng)所述阻抗的差值出現(xiàn)突變時(shí)，認(rèn)為該差值所在的匹配周期等離子體開始起輝，即進(jìn)入等離子體的起輝帶；之后，采用相應(yīng)的控制方法，控制所述阻抗匹配在所述起輝帶內(nèi)進(jìn)行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的匹配方法，其特征在于，所述阻抗的差值指以下差值中的一 項(xiàng)或多項(xiàng)所述阻抗的實(shí)部的差值、虛部的差值、模值的差值、幅角的差值；所述突變指所述阻抗的差值出現(xiàn)突變時(shí)的值大于未突變時(shí)的值的10倍或10倍以上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的匹配方法，其特征在于，所述阻抗的實(shí)部的差值突變時(shí)的值 與未突變時(shí)的值的比值大于或等于24。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的匹配方法，其特征在于，所述阻抗的虛部的差值突變時(shí)的值 與未突變時(shí)的值的比值大于或等于16。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的匹配方法，其特征在于，所述阻抗匹配通過調(diào)整可變阻抗元 件實(shí)現(xiàn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的匹配方法，其特征在于，所述可變阻抗元件為電容。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的匹配方法，其特征在于，控制所述阻抗匹配在所述起輝帶內(nèi) 進(jìn)行的方法包括在得到所述等離子體開始起輝的匹配周期之后，記錄該匹配周期中所述電容的調(diào)整位 置，然后自該位置開始，控制所述電容在所述起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。
8、 一種等離子體裝置，包括能量發(fā)生裝置、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7任一項(xiàng)所述的匹配方法進(jìn)行阻抗匹配。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的等離子體裝置，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)，每個(gè)匹配周期中，所述傳感器采集一次射頻傳輸線的電壓和電流信息并將 該信息輸入給所述控制器；所述控制器根據(jù)接收到的所述電壓和電流信息計(jì)算每個(gè)匹配周期中的負(fù)載阻抗，并計(jì) 算每個(gè)匹配周期與前一個(gè)匹配周期中所述負(fù)載阻抗的差值，然后對(duì)多個(gè)所述負(fù)載阻抗的差 值進(jìn)行比較，得到等離子體的起輝帶；之后，采用相應(yīng)的控制方法，控制所述阻抗匹配在所述起輝帶內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種匹配方法及應(yīng)用該匹配方法的等離子體裝置，首先通過傳感器得到的數(shù)字量，計(jì)算阻抗的實(shí)部或虛部，然后對(duì)各個(gè)控制周期計(jì)算出的阻抗實(shí)部或虛部取差值，并對(duì)各個(gè)差值進(jìn)行比較，找到突變的差值，突變的差值所在的控制周期已進(jìn)入等離子體起輝帶。然后再利用相應(yīng)的控制方法控制電容在起輝帶內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到匹配。可以使匹配器在匹配過程中的調(diào)整更有針對(duì)性。匹配器進(jìn)入起輝帶后，采用相應(yīng)的控制方式進(jìn)行匹配，不會(huì)出現(xiàn)在起輝帶附近反復(fù)調(diào)整的情況，縮短了匹配時(shí)間，優(yōu)化了匹配路徑，延長(zhǎng)了匹配器的工作壽命。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101640969SQ20081011734
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者王一帆 申請(qǐng)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