CN101489345B

CN101489345B - 射频自动阻抗匹配方法及射频自动阻抗匹配器

Info

Publication number: CN101489345B
Application number: CN2008100561570A
Authority: CN
Inventors: 武晔
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2028-01-14
Also published as: CN101489345A

Abstract

本发明实施例公开了一种射频自动阻抗匹配方法，控制器获取匹配网络中当前各可变阻抗元件的阻抗以及匹配网络的输入阻抗；按照预先确定的等离子体腔室的等效阻抗、匹配网络的输入阻抗以及各可变阻抗元件的阻抗之间的建模关系，计算等离子体腔室的等效阻抗；然后，用获取到的射频发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时匹配网络的输入阻抗，按照所述建模关系，计算阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗；根据阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗与当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量，根据各调整量调整当前各可变阻抗元件的阻抗。本发明实施例同时公开了一种射频自动阻抗匹配器。应用本发明实施例所述方法和设备，能够快速完成阻抗匹配。

Description

射频自动阻抗匹配方法及射频自动阻抗匹配器

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术，特别涉及一种射频自动阻抗匹配方法及射频自动阻抗匹配器。

背景技术

在典型的射频(RF，Radio Frequency)等离子体发生装置中，恒定输出阻抗的RF发生器产生固定频率的RF波，为等离子体腔室提供RF功率，以激发产生用于刻蚀或用于其它工艺的等离子体。其中，RF发生器的恒定输出阻抗通常为50Ω，产生的固定频率通常为13.56MHz。通常情况下，等离子体腔室的非线性负载阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗并不相等，所以，在RF发生器与等离子体腔室之间会存在比较严重的阻抗失配，从而使得位于RF发生器与等离子体腔室之间的RF传输线上存在较大的反射功率，造成RF发生器产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。

为解决这一问题，现有技术中在RF发生器与等离子体腔室之间设置一个射频自动阻抗匹配器，如图1所示，图1为现有射频自动阻抗匹配器组成结构示意图。由图1可见，该射频自动阻抗匹配器主要由传感器、控制器以及执行机构三部分组成；其中的执行机构中进一步包括匹配网络中的可变阻抗元件以及改变可变阻抗元件值的驱动装置。这里所提到的匹配网络是指由可变阻抗元件，通常为两个，以及等离子体腔室的非线性负载阻抗组成的网络。传感器检测位于射频自动阻抗匹配器与RF发生器之间的RF传输线上的电压、电流、前向功率以及反向功率等参数，为控制器提供匹配控制算法所需的输入量。该输入量通常是根据电压、电流、前向功率以及反向功率等参数进一步计算出的参数。其中，反向功率即前面所介绍的反射功率。同时，传感器还用于检测匹配网络的输入阻抗，输出给控制器。控制器根据传感器提供的输入量以及匹配网络的输入阻抗，通过某种匹配控制算法，计算出可变阻抗元件的调整量，并输出给执行机构中的驱动装置。驱动装置根据接收自控制器的调整量改变可变阻抗元件的阻抗，从而使得匹配网络的输入阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗相等，即达到阻抗匹配。这样，RF传输线上的反射功率为零，RF发生器产生的功率全部输送到了等离子体腔室。

其中，控制器所采用的匹配控制算法可根据匹配网络的拓扑结构以及可变阻抗元件的电气特性确定。传统的阻抗匹配算法中，控制器根据传感器检测出的RF发生器的恒定输出阻抗与匹配网络的输入阻抗之间的误差信号，按照预定方式计算出匹配网络中的可变阻抗元件的调整量。其中，RF发生器的恒定输出阻抗可由传感器根据检测到的电压、电流等参数计算得出，并作为输入量发送给控制器。上述调整量可以是误差信号与预先设定的系数的乘积，然后由驱动装置根据该调整量调整匹配网络中可变阻抗元件的阻抗。控制器不断重复“检测-计算-调节”的过程，直到传感器检测出的误差信号满足一定要求，比如，小于预先设定的阈值，则认为***达到匹配。

但是，采用传统匹配控制算法得到的调整量只是一个大概的调整趋势，并不是一个准确数值，比如，可能只是前面所提到的误差信号与预先设定的系数的乘积。所以，采用传统的匹配控制算法进行阻抗匹配时，需要耗费的时间较长，匹配速度慢。

发明内容

本发明实施例提供一种射频自动阻抗匹配器，应用该设备能够快速完成阻抗匹配。

本发明实施例提供一种射频自动阻抗匹配方法，应用该方法能够快速完成阻抗匹配。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种射频自动阻抗匹配器，该射频自动阻抗匹配器包括：第一传感器、控制器以及执行机构；

所述第一传感器，用于检测匹配网络的输入阻抗以及RF发生器的输出阻抗，并发送给所述控制器；

所述控制器，用于获取预先确定的等离子体腔室的等效阻抗、各可变阻抗元件的阻抗以及所述匹配网络的输入阻抗之间的建模关系，并获取所述匹配网络中当前各可变阻抗元件的阻抗，根据所述建模关系、所述当前各可变阻抗元件的阻抗以及所述第一传感器发送来的所述匹配网络的输入阻抗，计算所述等离子体腔室的等效阻抗；并用所述第一传感器发送来的所述RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的所述匹配网络的输入阻抗，根据所述建模关系、所述RF发生器的输出阻抗以及所述等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗；根据所述阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗以及所述当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算各调整量，并将所述各调整量发送给所述执行机构；

所述执行机构，用于根据接收自所述控制器的各调整量，将所述当前各可变阻抗元件的阻抗调整为所述阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗。

一种射频自动阻抗匹配方法，该方法包括：

控制器获取预先确定的等离子体腔室的等效阻抗、各可变阻抗元件的阻抗以及匹配网络的输入阻抗之间的建模关系；并获取所述匹配网络中当前各可变阻抗元件的阻抗以及所述匹配网络的输入阻抗；根据所述建模关系、所述当前各可变阻抗元件的阻抗以及所述匹配网络的输入阻抗，计算所述等离子体腔室的等效阻抗；

用获取到的RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的所述匹配网络的输入阻抗，根据所述建模关系、所述RF发生器的输出阻抗以及所述等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时所述各可变阻抗元件的阻抗；

根据阻抗匹配时所述各可变阻抗元件的阻抗与所述当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算各调整量，根据所述各调整量对所述当前各可变阻抗元件的阻抗进行调整。

可见，采用本发明实施例的技术方案，控制器根据匹配网络当前的输入阻抗以及当前各可变阻抗元件的阻抗计算等离子体腔室的等效阻抗；然后，根据计算出的等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗，进而根据阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗与当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量，根据计算出的调整量调整各可变阻抗元件的阻抗。与现有技术相比，本发明实施例所述方案中的调整量通过计算精确得出，所以能够快速完成阻抗匹配。

附图说明

图1为现有射频自动阻抗匹配器组成结构示意图。

图2为本发明射频自动阻抗匹配方法实施例的流程图。

图3为本发明实施例中匹配网络的拓扑结构以及可变阻抗元件的电气特性示意图。

图4为本发明射频自动阻抗匹配器实施例的组成结构示意图。

图5为本发明射频自动阻抗匹配器实施例中的控制器的组成结构示意图。

具体实施方式

为解决现有技术中存在的问题，本发明实施例中提出一种新的射频自动阻抗匹配方法，即：根据可知的匹配网络当前的输入阻抗以及当前各可变阻抗元件的阻抗计算当前等离子体腔室的等效阻抗；然后，根据计算出的等离子体腔室的等效阻抗，计算当阻抗匹配时的各可变阻抗元件的阻抗，进而根据阻抗匹配时的各可变阻抗元件的阻抗与当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量，根据计算出的调整量调整各可变阻抗元件的阻抗。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步地详细说明。

图2为本发明射频自动阻抗匹配方法实施例的流程图。由于通常情况下，匹配网络中的可变阻抗元件的个数为2个，所以本实施例中以可变阻抗元件个数为2为例进行说明。这两个可变阻抗元件可以是可变电容或可变电感。如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：控制器获取匹配网络中当前可变阻抗元件的阻抗以及匹配网络的当前输入阻抗。

其中，匹配网络当前的输入阻抗可以由图1所示传感器按照现有技术检测得到，并发送给控制器。可变阻抗元件的阻抗可以通过以下两种方式获取：

由于射频自动阻抗匹配器中使用的控制器通常为数字控制器，如单片机或数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)等，而数字控制器的特点是前一时刻的信息是可知的。具体到本实施例中，也就是说，控制器能够知道前一时刻的可变阻抗元件的阻抗。这样，控制器可以按照现有技术计算得到当前时刻的可变阻抗元件的调整量。即，控制器根据传感器检测出的RF发生器的恒定输出阻抗与匹配网络的输入阻抗之间的误差信号，按照预定方式计算出匹配网络中的可变阻抗元件的调整量。然后，利用计算出的调整量以及已知的前一时刻的可变阻抗元件的阻抗，通过相加计算得到当前可变阻抗元件的阻抗。需要说明的是，当控制器首次启动时，控制器的初始值可设置为0，相应地，将两个可变阻抗元件的初始值也设置为0，以保证控制器中保存的当前可变阻抗元件的阻抗与实际可变阻抗元件的阻抗相符。由于本实施例中假设可变阻抗元件的个数为2，所以可假设本步骤中计算得到的当前可变阻抗元件的阻抗分别为Z₁和Z₂。

或者，也可以不采用上述方式，而是在两个可变阻抗元件上分别加装一个传感器，用于检测当前可变阻抗元件的阻抗，并发送给控制器。这样，控制器不需要根据调整量进行计算，也能得到当前可变阻抗元件的阻抗，即Z₁ 和Z₂。

步骤202：控制器按照预先确定的匹配网络的输入阻抗、可变阻抗元件的阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗之间的建模关系，计算等离子体腔室的等效阻抗。

本实施例中，可根据匹配网络的拓扑结构以及可变阻抗元件的电气特性，建模得到匹配网络的输入阻抗、可变阻抗元件的阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗之间的建模关系，即函数关系表达式。也就是说，根据各可变阻抗元件和等离子体腔室的等效阻抗之间的并串联关系，以及可变阻抗元件是可变电感还是可变电容等信息，可以推导得出一个关于匹配网络的输入阻抗、可变阻抗元件的阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗之间的函数关系表达式。如公式一所示：

Z_in＝f(Z₁，Z₂，Z_chamber) (1)

其中，Z₁和Z₂分别表示当前两个可变阻抗元件的阻抗；Z_chamber表示等离子体腔室的等效阻抗；Z_in表示匹配网络的输入阻抗。

需要说明的是，公式(1)所示仅为一个总体表达式，在实际应用中，该表达式的具体表现方式需要根据匹配网络的拓扑结构以及可变阻抗元件的电气特性确定。

根据步骤201中的介绍可知，Z₁、Z₂以及Z_in都是控制器可以知道的，所以本步骤中，控制器可直接按照公式(2)计算Z_chamber：

Z_chamber＝g(Z_in，Z₁，Z₂) (2)

即，将Z₁、Z₂以及Z_in作为已知数，按公式(2)求未知数Z_chamber。

步骤203：控制器用获取到的RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的匹配网络的输入阻抗，根据RF发生器输出阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时可变阻抗元件的阻抗。

由于阻抗匹配时，匹配网络的输入阻抗Z_in与RF发生器的输出阻抗Z_out相等。所以，本步骤中，可以在步骤202计算得到Z_chamber的基础上，将其带入到公式(3)中，求出阻抗匹配时两个可变阻抗元件的阻抗Z₁′和Z₂′：

f(Z₁′，Z₂′，Z_chamber)＝Z_out (3)

与公式(1)相比，公式(3)中将Z_in的值用Z_out代替，求解这种情况下对应的两个可变阻抗元件的阻抗，得到的结果即为阻抗匹配时两个可变阻抗元件需要设置成的阻抗。

本步骤中，控制器获取到的RF发生器的输出阻抗可以由图1所示传感器检测得到，并发送给控制器的。

步骤204：控制器根据阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗与当前可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量，根据该调整量调整当前可变阻抗元件的阻抗。

本步骤中，控制器计算阻抗匹配时的两个可变阻抗元件的阻抗Z₁′和Z₂′与当前两个可变阻抗元件的阻抗Z₁、Z₂之间的差值，并按照现有技术根据该差值计算调整量。计算得到调整量以后，控制器将其发送给图1所示执行机构中的驱动装置，由驱动装置根据该调整量去调整两个可变阻抗元件的阻抗。具体实现方式与现有技术中相同，不再赘述。

图2所示计算过程可举例如下：

假设匹配网络的拓扑结构以及可变阻抗元件的电气特性如图3所示，两个可变阻抗元件分别为可变电容C1和C2，其中，可变阻抗元件C2与等离子体腔室的等效阻抗串联，可变阻抗元件C2与等离子体腔室的等效阻抗串联后与可变阻抗元件C1并联。那么，本领域技术人员可以很容易地推导得出，匹配网络的输入阻抗Z_in、可变阻抗元件C1和C2的阻抗Z1和Z2，以及等离子体腔室的等效阻抗Z_chamber之间的函数关系表达式为：

Z_in＝Z1*(Z2+Z_chamber)/(Z1+Z2+Z_chamber) (4)

由于Z1、Z2和Z_in都是可以获取到的，所以后续过程中，可以按照公式(5)所示方式计算出Z_chamber：

Z_chamber＝Z_in*Z1/(Z1-Z_in)-Z2 (5)

之后，用获取到的RF发生器的输出阻抗Z_out作为阻抗匹配时匹配网络的输入阻抗，计算阻抗匹配时可变阻抗元件的阻抗Z₁′和Z₂′，如公式(6)所示：

Z₁′*(Z₂′+Z_in)/(Z₁′+Z₂′+Z_in)＝Z_out (6)

由于Z₁′和Z₂′均为虚数，所以，可根据公式(6)计算出两个未知数Z₁′和Z₂′。

后续过程中，计算Z₁′、Z₂′与Z₁、Z₂之间的差值，并根据该差值计算调整量，不再赘述。

完成图2所示流程后，控制器等待进入下一控制周期，并在下一控制周期中重复图2所示各步骤，直到匹配网络的输入阻抗满足预先设定的要求为止。比如，匹配网络的输入阻抗与RF发生器的输出阻抗之间的误差小于某一阈值，则终止控制。通常情况下，采用本发明实施例的技术方案，经过一个控制周期，即图2所示流程后即能使匹配网络的输入阻抗满足预先设定的要求。其中，控制器何时进入下一控制周期可以预先设置，比如，可以预先规定在控制器每计算完一次调整量并发送给驱动装置之后，即进入下一控制周期；或者，也可以规定为每经过一段固定的时长后，则进入下一控制周期。总之，具体实现方式不限。

基于上述方法，本发明实施例中同时提供一种射频自动阻抗匹配器。图4为本发明射频自动阻抗匹配器实施例的组成结构示意图。如图4所示，该自动阻抗匹配器包括：第一传感器401、控制器402以及执行机构403；其中：

第一传感器401，用于检测匹配网络的输入阻抗以及RF发生器的输出阻抗，并发送给控制器402；

控制器402，用于获取匹配网络中当前可变阻抗元件的阻抗，并接收第一传感器401发送的匹配网络的输入阻抗，按照预先确定的可变阻抗元件的阻抗、匹配网络的输入阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗之间的建模关系，计算等离子体腔室的等效阻抗；并用接收自第一传感器401的RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的匹配网络的输入阻抗，根据获取到的RF发生器输出阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗，计算得到阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗；根据阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗以及当前可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量，并将调整量发送给执行机构403。

执行机构403，用于根据接收自控制器402的调整量，将当前可变阻抗元件的阻抗调整为阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗。

其中，控制器402中可进一步包括：获取单元4021、第一计算单元4022、第二计算单元4023以及发送单元4024。如图5所示，图5为本发明射频自动阻抗匹配器实施例中的控制器402组成结构示意图。其中：

获取单元4021，用于获取匹配网络中当前可变阻抗元件的阻抗，并接收来自第一传感器401的匹配网络的输入阻抗以及RF发生器的输出阻抗；

第一计算单元4022，用于按照预先确定的等离子体腔室的等效阻抗与可变阻抗元件的阻抗以及匹配网络的输入阻抗之间的建模关系，计算等离子体腔室的等效阻抗；并用RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的匹配网络的输入阻抗，根据RF发生器输出阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗；

第二计算单元4023，用于根据阻抗匹配时的可变阻抗元件的阻抗以及当前可变阻抗元件的阻抗的差值计算调整量；

发送单元4024，用于将所述调整量发送给执行机构403。

图4所示第一传感器401可进一步用于，检测RF传输线上的传输参数，为控制器402提供阻抗匹配控制所需的输入量。相应地，图5所示控制器中进一步包括：第三计算单元4025，用于根据接收自第一传感器401的输入量，计算得到可变阻抗元件的调整量，并利用预先保存的前一时刻的可变阻抗元件的阻抗以及所述调整量，计算得到当前可变阻抗元件的阻抗，发送给获取单元4021。这里所提到的第一传感器401即为图1中所示的传感器。本实施例中之所以将其称为第一传感器，是为了和后续可能存在的第二传感器404进行区别。

除上述各组成部分以外，本发明实施例的射频自动阻抗匹配器中还可以进一步包括：第二传感器404，用于测量当前可变阻抗元件的阻抗，并发送给控制器402中的获取单元4021。也就是说，控制器402可以不用通过调整量计算得到当前可变阻抗元件的阻抗，而是直接接收来自第二传感器404 的当前可变阻抗元件的阻抗。

上述可变阻抗元件为可变电容或可变电感；通常情况下，可变阻抗元件的个数为2。当可变阻抗元件的个数为2时，可以为每一个可变阻抗元件均设置一个用于检测其当前阻抗的传感器。也就是说，本发明实施例中所提到的第二传感器404可以为多个。

需要说明的是，以上实施例仅用于举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。比如，本发明实施例中的RF发生器的固定频率和输出阻抗并不仅限于13.56MHz和50Ω；匹配网络的拓扑结构可以是L型或倒L型等任意形式。

总之，采用本发明实施例的技术方案，由于调整量可通过匹配网络的输入阻抗、可变阻抗元件的阻抗以及等离子体腔室的等效阻抗之间的建模关系，以及阻抗匹配时RF发生器的输出阻抗与匹配网络的输入阻抗之间的关系计算得出，而不是像现有技术中一样，仅给出一个调整趋势，所以本发明实施例所述方案能够以较快的速度实现匹配；而且，本发明实施例所述方案实现简单，算法复杂度完全取决于匹配网络的拓扑结构和可变阻抗元件的电气特性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频自动阻抗匹配器，其特征在于，该射频自动阻抗匹配器包括：第一传感器、控制器以及执行机构；

2.根据权利要求1所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述控制器中进一步包括：获取单元、第一计算单元、第二计算单元以及发送单元；

所述获取单元，用于获取所述匹配网络中所述当前各可变阻抗元件的阻抗，并接收所述第一传感器发送来的所述匹配网络的输入阻抗以及所述RF发生器的输出阻抗；

所述第一计算单元，用于获取预先确定的所述等离子体腔室的等效阻抗、所述各可变阻抗元件的阻抗以及所述匹配网络的输入阻抗之间的建模关系，根据所述建模关系、所述当前各可变阻抗元件的阻抗以及所述匹配网络的输入阻抗，计算所述等离子体腔室的等效阻抗；并用所述RF发生器的输出阻抗作为阻抗匹配时所述建模关系中的所述匹配网络的输入阻抗，根据所述建模关系、所述RF发生器的输出阻抗以及所述等离子体腔室的等效阻抗，计算阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗；

所述第二计算单元，用于根据所述阻抗匹配时各可变阻抗元件的阻抗以及所述当前各可变阻抗元件的阻抗的差值计算各调整量；

所述发送单元，用于将所述各调整量发送给所述执行机构。

3.根据权利要求2所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，所述第一传感器进一步用于，检测RF传输线上的传输参数，为所述控制器提供阻抗匹配控制所需的输入量；

所述控制器中进一步包括：第三计算单元；所述获取单元获取所述匹配网络中所述当前各可变阻抗元件的阻抗是：所述第三计算单元根据接收自所述第一传感器的输入量，计算得到所述各可变阻抗元件的调整量，并利用预先保存的前一时刻的各可变阻抗元件的阻抗以及所述调整量，计算得到所述当前各可变阻抗元件的阻抗，并将所述当前各可变阻抗元件的阻抗发送给所述获取单元。

4.根据权利要求2所述的射频自动阻抗匹配器，其特征在于，该射频自动阻抗匹配器中进一步包括：第二传感器；

所述获取单元获取所述匹配网络中所述当前各可变阻抗元件的阻抗是：所述第二传感器检测所述当前各可变阻抗元件的阻抗，并发送给所述获取单元。

5.一种射频自动阻抗匹配方法，其特征在于，该方法包括：

6.根据权利要求5所述的射频自动阻抗匹配方法，其特征在于，所述获取所述匹配网络中当前各可变阻抗元件的阻抗包括：

所述控制器计算所述各可变阻抗元件的调整量，并利用预先保存的前一时刻的所述各可变阻抗元件的阻抗以及所述调整量，计算所述当前各可变阻抗元件的阻抗。

7.根据权利要求5所述的射频自动阻抗匹配方法，其特征在于，所述获取所述匹配网络中当前各可变阻抗元件的阻抗包括：

由加装在所述各可变阻抗元件上的传感器检测得到当前各可变阻抗元件的阻抗，并发送给所述控制器。