CN101437353B

CN101437353B - 一种匹配器及其匹配方法

Info

Publication number: CN101437353B
Application number: CN2007101774334A
Authority: CN
Inventors: 武晔
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: CN101437353A

Abstract

本发明提供了一种射频阻抗匹配器，包括：第一传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗；第二传感器，用于检测匹配网络的负载阻抗；包括当前阻抗计算单元、匹配阻抗计算单元和调整量计算单元的控制器；所述当前阻抗计算单元用于依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到可变阻抗元件的当前阻抗值；所述匹配阻抗计算单元用于当所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗不匹配时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；所述调整量计算单元用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；执行机构，用于依据所述调整量对可变阻抗元件进行调整。本发明可以避免耦合问题，提高匹配效率。

Description

一种匹配器及其匹配方法

技术领域

本发明传输线阻抗匹配技术领域，特别是涉及一种射频匹配器及其进行阻抗匹配的方法。

背景技术

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

例如，在典型的RF(Radio Frequency，射频)等离子体发生装置中，恒定输出阻抗(通常为50Ω)的RF发生器产生固定频率(通常为13.56MHz)的RF波，向等离子体腔室提供RF功率，以激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般来讲，等离子体腔室的非线性负载的阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗并不相等，故在RF发生器和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得RF传输线上存在较大的反射功率，RF发生器产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。

为解决该问题，可以在RF发生器和等离子体腔室之间***阻抗匹配器。该阻抗匹配器由传感器、控制器和执行机构三部分组成，其中执行机构包括匹配网络中的可变阻抗元件(一般采用两个电容C1和C2)和改变其阻抗的驱动装置(如步进电机)。传感器检测RF传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，提供匹配控制算法所需的输入量；控制器根据输入量，实现某种匹配控制算法，并给出可变阻抗元件驱动装置的调整量；执行机构根据控制器给出的调整量改变可变阻抗元件的阻抗值，从而使得匹配网络的输入阻抗等于RF发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配。此时，RF传输线上的发射功率为零，RF发生器产生的功率全部输送给了等离子体腔室。

参照图1，是现有的一种自动阻抗匹配器的示意图。如图1所示，在现有的射频匹配器12前端，有一个传感器121用于检测RF传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，并根据这些参数给出与匹配网络(一般的，将传感器后端的电气网络称之为匹配网络，或者说匹配网络就是传感器所检测的电气网络)输入阻抗相关的误差信号。控制器122根据这些误差信号，通过匹配网络输入阻抗、传感器误差信号以及电容调整量之间的关系，计算得到电容C1、C2的调整量，控制执行机构123的运转，从而改变匹配网络中可变阻抗元件的阻抗值，最终使得匹配网络的输入阻抗等于RF发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配。此时，RF传输线上的发射功率为零，射频发生器11所产生的功率全部输送给了等离子体刻蚀腔室13。

但是上述的现有技术存在以下的缺陷：

由于传统自动阻抗匹配器中一般都采用两个电容C1和C2作为可变阻抗元件，而现有技术中的传感器所获得的检测值既和C1有关，也和C2有关，当控制器依据计算获得的误差信号进行阻抗调整时，无论调整C1和C2中的哪一个，都有可能影响到另一个的调整。即传统自动阻抗匹配算法的控制存在耦合，而这种耦合会导致匹配网络中两个可变阻抗元件的调整相互影响，容易出现误调的情况，且匹配速度慢，匹配时间长。

其次，由于等离子体变化十分复杂，且可变阻抗元件的调整速度远远小于等离子体变化的速度，再加上传感器，执行机构存在一定误差，故虽然理论上经过误差计算调整一次可变阻抗元件就可以实现阻抗匹配，但是实际上不可能做到，一般都需要多次调整，所以导致前述的问题更加突出。

再者，由于传统自动阻抗匹配算法中的控制参数较多，如根据传感器误差信号调整C1、C2的比例系数等，算法复杂，修改困难。

总之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创造性的提出一种新的射频阻抗匹配器以及具体进行阻抗匹配的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种崭新的射频阻抗匹配器以及具体进行阻抗匹配的方法，能够很好的解决调整过程中两个可变阻抗元件相互影响，控制耦合的问题；并且匹配路径好，匹配速度快。

为了解决上述问题，本发明公开了一种射频阻抗匹配器，具体可以包括：

第一传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗；

第二传感器，用于检测匹配网络中的负载阻抗；

包括当前阻抗计算单元、匹配阻抗计算单元和调整量计算单元的控制器；所述当前阻抗计算单元，用于依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到可变阻抗元件的当前阻抗值；所述匹配阻抗计算单元，用于当所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗不匹配时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；所述调整量计算单元，用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；优选的，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感；

执行机构，用于依据所述控制器计算得到的调整量对可变阻抗元件进行调整。

其中，优选的，所述负载为等离子刻蚀腔体。

依据本发明的另一实施例，还公开了一种射频阻抗匹配器，包括：

输入阻抗传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗；

负载阻抗传感器，用于检测匹配网络中的负载阻抗；

阻抗元件传感器，用于检测可变阻抗元件的当前阻抗值；优选的，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感，每个可变阻抗元件对应一个阻抗元件传感器；

包括匹配阻抗计算单元和调整量计算单元的控制器；所述匹配阻抗计算单元，用于当所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗不匹配时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；所述调整量计算单元，用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；

优选的，所述负载为等离子刻蚀腔体。

依据本发明的另一实施例，还公开了一种阻抗匹配的方法，具体可以包括以下步骤：获得匹配网络的输入阻抗和负载阻抗；获得可变阻抗元件的当前阻抗值；判断所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗是否匹配，如果不匹配，则；依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；依据所述控制器计算得到的调整量对可变阻抗元件进行调整。优选的，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感。

其中，所述获得可变阻抗元件的当前阻抗值的方式可以包括：通过传感器直接检测得到；或者，通过计算过程，依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到可变阻抗元件的当前阻抗值。

优选的，所述负载为等离子刻蚀腔体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明通过引入反应腔室的等效阻抗，可以分别计算得到两个可变阻抗元件C1和C2的阻抗及其相应的调整量，由于本发明可以直接依据计算出的调整量分别对C1和C2进行调整，所以二者不会相互影响，从而避免了耦合问题，提高匹配效率。

其次，本发明涉及的射频匹配器不仅可以用于监测反应腔室状态，同时还大大简化了控制算法的设计。

附图说明

图1是现有的一种自动阻抗匹配器的示意图；

图2是本发明一种射频阻抗匹配器实施例的示意图；

图3是本发明另一种射频阻抗匹配器实施例的示意图；

图4是本发明一种阻抗匹配的方法实施例的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图2，示出了本发明一种射频阻抗匹配器的实施例，具体可以包括：

第一传感器201，用于检测匹配网络的输入阻抗；

第二传感器202，用于检测匹配网络中的负载阻抗；

控制器203；

执行机构204，用于依据所述控制器203计算得到的调整量对可变阻抗元件进行调整。所述执行机构204可以直接接收所述控制器203计算得到的调整量，自动完成对可变阻抗元件的调整；所述执行结构204也可以由人工控制完成，例如，控制器203将调整量显示在屏幕上，技术人员依据相应的调整量完成对可变阻抗元件的调整。

其中，所述控制器203进一步包括当前阻抗计算单元2031、匹配阻抗计算单元2032和调整量计算单元2033。

所述当前阻抗计算单元2031，用于依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到可变阻抗元件的当前阻抗值；

所述匹配阻抗计算单元2032，用于当所述输入阻抗不等于射频发生器的输出阻抗时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；

所述调整量计算单元2033，用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量。

如图2所示，该射频阻抗匹配器200连接在射频电源(射频发生器)100与负载(本发明以刻蚀腔体进行说明)300之间，通过该射频阻抗匹配器200的检测控制，可以保证整个匹配网络的输入阻抗与射频电源100的恒定输出阻抗相等，实现最大功率输出。

虽然一般的射频发生器都是用于产生固定频率的射频波，例如13.56MHZ，以及恒定的输出阻抗(如50Ω)，但是本发明并不限于此，上述参数仅仅是工程常用参数而已，仅仅供本发明用以说明。并且，匹配器中的可变阻抗元件，可以是可变电容，也可以是可变电感。匹配网络的拓扑形式可以是L型、倒L型等由两个可变阻抗元件组成的任意形式。

另外，需要说明的是，本发明所要求的：所述输入阻抗等于射频发生器的输出阻抗，并不一定是绝对数值意义上(或者说数学意义)上的绝对相等，实际上，二者在一定的误差范围内，就可以满足实际的传输需要，则就可以认为二者是相等的。因为绝对意义上的阻抗匹配是难以达到的，甚至不可能达到，阻抗匹配的解决方案都是使其尽可能的一致，本发明也是如此。

对于图2中用来代替负载进行说明的刻蚀腔体也仅仅是本发明的一个具体例子而已，本发明的负载可以为其他各种需要阻抗匹配的设备，如太阳能电池、CVD、PVD设备等等。

详细描述如下：

如图2所示，本发明在射频阻抗匹配器的前端和后端各有一个传感器201和202。传感器201负责检测匹配网络的输入阻抗Z_in；传感器202负责检测反应腔室的等效阻抗Z_chamber，即匹配网络的负载阻抗Z_load。

如图2所示的射频匹配器，其匹配网络的输入阻抗为：

Z_in＝f(Z₁，Z₂，Z_chamber) (1)

其中函数的具体表达式，可根据匹配网络的拓扑结构和可变阻抗元件的电气特性建模得到。

因为Z_in和Z_chamber均为已知量，故可根据式(1)计算出可变阻抗元件当前的阻抗值Z₁，Z₂。

当传输线的阻抗匹配时，匹配网络输入阻抗应满足如下关系：

f(Z₁′，Z₂′，Z_chamber)＝Z_out (2)

其中，Z_chamber为已知量。根据上式，即可求出匹配时对应的可变阻抗元件的阻抗值Z₁′，Z₂′。同理，其中函数的具体表达式，可根据匹配网络的拓扑结构和可变阻抗元件的电气特性建模得到。置于公式(1)和公式(2)的具体解析过程，则属于本领域技术人员所应掌握并熟知的数学技能，所以在此不再赘述。

当传感器201检测出的Z_in≠Z_out时(所述Z_out就是射频发生器的输出阻抗)，控制器将传感器202检测出的Z_chamber代入到式(2)，匹配时对应的可变阻抗元件的阻抗值Z₁′，Z₂′。再根据由式(1)计算出的可变阻抗元件当前的阻抗值Z₁，Z₂，即可求出相应的调整量。然后，控制器控制执行机构运转，将可变阻抗元件目标位置调整。调整完毕后，进入下一控制周期，重复上述操作，直至传感器201检测出的Z_in＝Z_out或者落在某个规定的范围内，即二者匹配，则控制终止。

参照图3，示出了本发明的另一种射频阻抗匹配器的实施例400，具体可以包括以下部件：

输入阻抗传感器401，用于检测匹配网络的输入阻抗；

负载阻抗传感器402，用于检测匹配网络中的负载阻抗；

阻抗元件传感器403，用于检测可变阻抗元件的当前阻抗值；

包括匹配阻抗计算单元4041和调整量计算单元4042的控制器404；所述匹配阻抗计算单元4041，用于当所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗不匹配时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；所述调整量计算单元4042，用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；

执行机构405，用于依据所述控制器计算得到的调整量对可变阻抗元件进行调整。

优选的，当所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感，每个可变阻抗元件对应一个阻抗元件传感器，即可以拥有两个相应的阻抗元件传感器。

本实施例和图2所示实施例的主要区别在于：本实施例中的当前可变阻抗元件的阻抗值是通过硬件直接检测得到的，例如在电机和电容的连接轴上加装多圈光电码盘，来实时检测可变阻抗元件值；而图2所示实施例则是主要通过软件计算得到的。

总的来说，本发明由射频匹配器后端的负载阻抗传感器实时检测反应腔室的等效阻抗，通过理论计算，得出匹配时可变阻抗元件的理想阻抗值，进行调整。电容调整的方向明确，电容调整量精确计算得出，并分别针对单个元件，从而很好的解决了调整过程中可变阻抗元件相互影响，控制耦合的问题。本发明通过射频匹配器后端的负载阻抗传感器，实时监测反应腔室的等效阻抗，不仅可以用于监测反应腔室状态，同时也大大简化了控制算法的设计。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。例如，图3的实施例由于和图2非常相似，所以就没有示出与该射频阻抗匹配器相连的射频发生器及负载(反应腔室)。

参照图4，示出了一种阻抗匹配的方法实施例，具体可以包括以下步骤：

步骤501、获得匹配网络的输入阻抗和负载阻抗；例如，所述负载为等离子刻蚀腔体；

步骤502、获得可变阻抗元件的当前阻抗值；一般的，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感；

步骤503、判断所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗是否匹配，如果不匹配，则；一般的，如果匹配，则不需要调整，则可以直接结束；

步骤504、依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；

步骤505、依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；

步骤506、依据所述控制器计算得到的调整量对可变阻抗元件进行调整。

步骤506完成之后，即完成了一次调整过程，当然，实际当中，可能还需要更多次的调整，重复上述相关步骤即可。

对于步骤501的所需的输入阻抗和负载阻抗，可以通过传感器检测得到，也可以通过其他方式得到；对于步骤502所需的当前阻抗值，可以通过预置算法，依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到，也可以通过传感器直接检测得到。实际上，本发明并不需要对上述参数的获取方式加以限定。

本发明的阻抗匹配方法可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本发明的阻抗匹配方法可以众多通用或专用的计算***环境或配置中实现。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器***、基于微处理器的***、包括以上任何***或设备的分布式计算环境等等。

对于方法实施例而言，由于其与装置实施例的核心构思相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。另外，前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。例如，步骤501和步骤502之间并不存在必然先后顺序。

以上对本发明所提供的一种射频阻抗匹配器及一种阻抗匹配的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种射频阻抗匹配器，其特征在于，包括：

第一传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗；

第二传感器，用于检测匹配网络的负载阻抗；

包括当前阻抗计算单元、匹配阻抗计算单元和调整量计算单元的控制器；所述当前阻抗计算单元，用于依据所述输入阻抗和负载阻抗计算得到可变阻抗元件的当前阻抗值；所述匹配阻抗计算单元，用于当所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗不匹配时，依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；所述调整量计算单元，用于依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；

2.根据权利要求1所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述负载为等离子刻蚀腔体。

3.根据权利要求1所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感。

4.一种射频阻抗匹配器，其特征在于，包括：

输入阻抗传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗；

负载阻抗传感器，用于检测匹配网络的负载阻抗；

阻抗元件传感器，用于检测可变阻抗元件的当前阻抗值；

5.根据权利要求4所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述负载为等离子刻蚀腔体。

6.根据权利要求4所述的射频阻抗匹配器，其特征在于，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感，每个可变阻抗元件对应一个阻抗元件传感器。

7.一种阻抗匹配的方法，其特征在于，包括：

通过传感器获得匹配网络的输入阻抗和负载阻抗；

通过传感器，或，依据所述输入阻抗和负载阻抗计算获得可变阻抗元件的当前阻抗值；

判断所述输入阻抗与射频发生器的输出阻抗是否匹配，如果不匹配，则；

依据所述负载阻抗和输出阻抗计算得到可变阻抗元件的匹配阻抗值；

依据所述可变阻抗元件的当前阻抗值和匹配阻抗值，计算得到所需的针对可变阻抗元件的调整量；

依据所述调整量对可变阻抗元件进行调整。

8.根据权利要求7所述的阻抗匹配的方法，其特征在于，所述负载为等离子刻蚀腔体。

9.根据权利要求7所述的阻抗匹配的方法，其特征在于，所述可变阻抗元件为两个可变电容或者两个可变电感。