CN101754566B

CN101754566B - 一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法和等离子体处理***

Info

Publication number: CN101754566B
Application number: CN2008102391485A
Authority: CN
Inventors: 王一帆; 武晔
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN101754566A

Abstract

本发明公开一种阻抗匹配器，包括检测单元、控制单元和执行机构，该控制单元包括微处理器和执行机构驱动模块，该微处理器根据工艺需要控制执行机构驱动模块进入相应的工作状态，并且根据来自检测单元的检测值执行匹配控制算法，将由此得到的匹配网络中的阻抗调整量输入至执行机构，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态；所述执行机构根据所述调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送至等离子体处理腔室。此外，本发明还公开一种阻抗匹配方法及应用上述阻抗匹配器和/或方法的等离子体处理***。本发明能够提高阻抗匹配的精度，并能够延长阻抗匹配器等部件的使用寿命。

Description

一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法和等离子体处理***

技术领域

本发明涉及等离子技术领域，具体而言，涉及一种阻抗匹配器、阻抗匹配方法。此外，本发明还涉及应用上述阻抗匹配器和/或方法的等离子体处理***。

背景技术

在典型的射频(RF)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，以向等离子体处理腔室提供RF功率，激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般来讲，等离子体处理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发生器和等离子体处理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处理腔室。为解决该问题，须在RF发生器和等离子体处理腔室之间***阻抗匹配器，例如图1所示的自动阻抗匹配器。

图1中，该阻抗匹配器包括传感器、控制器和执行机构，所述执行机构包括匹配网络中的可变阻抗元件和改变其阻抗的驱动装置。其中，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，以提供匹配控制算法所需的输入量；控制器根据这些输入量实现匹配控制算法，并给出对应于执行机构的调整量；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，理想状态下，以使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。处于理想匹配状态时，RF传输线上的反射功率为零，RF发生器产生的功率可全部输送给等离子体处理腔室。

在实际应用中，上述阻抗匹配器的执行机构中包含有诸如可调电阻的可变阻抗元件以及用以调整可变阻抗元件的电机，相应地，在该阻抗匹配器的控制器中包含有电机驱动模块和微处理器，例如图2所示。图2中，该阻抗匹配器的控制器中包含微处理器μP、电机驱动芯片C1和***电路。下面以驱动步进电机为例对图2所示电机驱动芯片C1的工作过程进行详细说明。

通常，电机驱动芯片C1的工作状态可分为：睡眠状态、通电状态和运行状态等。

其中，当电机驱动芯片C1处于睡眠状态时，电机驱动芯片C1没有输出，执行机构中的电机处于自由状态。此时，若电机不使用，则可降低电源消耗，并使很多内部电路失效，包括输出的MOSFET和调整器。若进入其他状态，在等待100μs后内部电路即可恢复正常。对于图2中的电机驱动芯片C1而言，当其参考电压(即，图2所示A点电压V_A)大于2V时，该电机驱动芯片C1即进入睡眠状态。

当电机驱动芯片C1处于运行状态时，其接收来自微处理器μP的信号，例如脉冲信号、正反转信号等，并根据所述信号指示对步进电机进行控制，例如控制电机的转速和方向等。

当电机驱动芯片C1处于通电状态时，控制器不向电机驱动芯片C1输出脉冲信号，此时电机不会转动，但电机上会有电流通过。

在实际应用中，当电机驱动芯片C1工作在睡眠状态时，电机上没有电流通过，如果电机受到振动，将会产生位移，使被电机驱动的物体(例如，匹配网络中可调电阻的调节端)的位置发生变化，从而不利于阻抗匹配器及匹配过程的精确控制。而当电机驱动芯片C1工作在通电状态时，由于电机上有电流通过，电机易发热，如果时间过长会缩短电机的使用寿命，即缩短匹配器的使用寿命。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种阻抗匹配器以及一种阻抗匹配方法，其能够提高阻抗匹配的精度，并能够延长阻抗匹配器等部件的使用寿命。

此外，本发明还提供一种应用上述阻抗匹配器和/或阻抗匹配方法的等离子体处理***，其同样具有能够提高阻抗匹配的精度、延长 ***使用寿命等特点。

为此，本发明提供一种阻抗匹配器，包括检测单元、控制单元和执行机构，所述检测单元用于检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率，并将其输出至控制单元；所述控制单元根据来自检测单元的相应检测值执行匹配控制算法，并将由此得到的匹配网络中的阻抗调整量输入至执行机构；所述执行机构根据所述调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送至等离子体处理腔室。其中，所述控制单元包括微处理器和执行机构驱动模块，所述微处理器根据工艺需要控制执行机构驱动模块进入相应的工作状态，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态。

其中，在所述执行机构驱动模块的电源端和参考电压端之间设置第一开关单元，在所述执行机构驱动模块的参考电压端和地之间设置第二开关单元，并且由微处理器控制所述第一开关单元和第二开关单元中的可控开关闭合或者断开。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种阻抗匹配的方法，其包括下述步骤：10)检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率；20)基于步骤10)中得到的相应检测值执行匹配控制算法而获得匹配网络中的阻抗调整量，并根据工艺需要进入相应的工作状态，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态；30)根据当前的工作状态和所述阻抗调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送至等离子体处理腔室。

其中，在所述步骤20)中，微处理器通过控制可控开关的开合状态而使执行机构驱动模块进入相应的工作状态，所述可控开关包括设置在第一开关单元中的第一可控开关和设置在第二开关单元中的第二可控开关，所述第一开关单元设置在执行机构驱动模块的电源端和参考电压端之间，所述第二开关单元设置在执行机构驱动模块的参考电压端和地之间。

此外，本发明还提供一种等离子体处理***，其包括射频发生器和等离子体处理腔室，在射频发生器和等离子体处理腔室二者之间电连接有本发明提供的上述阻抗匹配器，以提高阻抗匹配的精度并延长***的使用寿命。

本发明具有下述有益效果：

由于本发明提供的阻抗匹配器的执行机构驱动模块增设了一种工作状态，即保持状态，当执行机构驱动模块处于该状态时，该模块上有电流通过，并且该电流很小，因此这可以在很大程度上减小执行机构驱动模块在通电状态下的发热现象，从而延长执行机构中诸如电机等部件的使用寿命，进而延长该阻抗匹配器等部件的使用寿命。而且，当该执行机构驱动模块处于保持状态时，其上仍然有电流通过，因而不会像处于通电状态时那样，因执行机构驱动模块没有电流输出而使电机因震动产生位移，并进而不利于阻抗匹配器和阻抗匹配过程的精确控制。因此，本发明中通过增设保持状态可以对阻抗匹配器和阻抗匹配过程进行精确的控制。

类似地，由于本发明提供的等离子体处理***中应用了本发明提供的上述阻抗匹配器和/或阻抗匹配方法，因而其同样能够更为有利地对阻抗匹配器和阻抗匹配过程进行较为精确的控制，并且能够延长阻抗匹配器等部件的使用寿命，进而能够延长该等离子体处理***的使用寿命。

附图说明

图1为一种包含有阻抗匹配器的等离子体处理***的原理示意图；

图2为图1所示阻抗匹配器中部分控制电路的原理示意图；

图3为本发明提供的阻抗匹配器的第一实施例中控制单元的部分电路原理图；以及

图4为本发明提供的阻抗匹配器的第二实施例中控制单元的部分电路原理图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的阻抗匹配器包括检测单元、控制单元和执行机构。其中，检测单元包括用以检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数的相应传感器。检测单元测量得到这些相关参数并将其作为匹配控制算法所需的输入量而提供给控制单元。

控制单元包括微处理器和执行机构驱动模块。其中，微处理器根据工艺需要控制执行机构驱动模块进入相应的工作状态，所述执行机构驱动模块可以包括电机驱动芯片，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态。并且，微处理器还可以根据来自检测单元的相应参数的检测值执行匹配控制算法，并将由此得到的匹配网络中的阻抗调整量输入至执行机构。

执行机构根据上述阻抗调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送给等离子体处理腔室。理想情况下，使匹配网络的输入阻抗等于射频发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配，即，射频传输线上的反射功率为零，射频发生器产生的功率可全部输送给等离子体处理腔室。通常，执行机构可以包括阻抗匹配网络中的可调电阻以及带动该可调电阻调节端移动的电机。

本发明中的检测单元和执行机构可以采用与图1和图2所示技术相类似的技术，因而在此对其不再赘述。

下面结合附图对本发明提供的阻抗匹配器所采用的控制单元进行详细描述。

请参阅图3，其为本发明第一实施例中的控制单元的部分电路图，在该控制单元中同样包括微处理器μP、电机驱动芯片C1和***电路。其中，电机驱动芯片C1由微处理器μP控制，并根据微处理器μP给出的信号，对电机进行驱动。通常，电机驱动芯片C1的时钟信号、电机同步运行信号、电机正反转信号、电机整步半步运行信号、开关通断信号等可以由微处理器μP给出；而电机驱动芯片C1中的电压信号和参考电压信号可由外部电源给出。当这些信号作用于电机驱动芯片C1时，根据电机驱动芯片C1的原理，可以对电机进行正转、反转、改变转速等控制。

如图所示，本实施例中的电机驱动芯片C1的电源端VDD和参考电压端Ref之间设置第一开关单元，该第一开关单元包括相互并联的第一可控开关k1和电阻R1。本实施例中的电机驱动芯片C1的参考电压端Ref和地Gnd之间设置有第二开关单元，如图中虚线框所示。具体地，该第二开关单元与电阻R2并联地连接在电机驱动芯片C1参考电压端Ref和地Gnd之间，并且包括相互串联的第二可控开关k2和电阻R3，其中，第二可控开关k2的控制端连接至微处理器μP，换言之，微处理器μP控制第二可控开关k2的通/断。

在实际应用中，当微处理器μP控制第一可控开关k1打开、第二可控开关k2闭合时，A点的电压会减小，相应地，电机驱动芯片C1的电流也减小。由于此时电流较小，电机驱动芯片C1即可进入保持状态。

通常，第一可控开关k1和第二可控开关k2可以采用三极管、场效应管、晶闸管等开关器件，例如，采用美国FAIRCHILD公司(飞兆半导体公司)型号为FDV302P的可控开关。电机驱动芯片C1可以采用日本Sanken公司(三肯公司)型号为SLA7052的驱动芯片，或者日本FUJ公司(富士公司)型号为PMM8723的驱动芯片。微处理器μP可采用美国TI公司(德州仪器公司)型号为TMS320F2812的微处理器等。

下面，结合图3以及第一开关单元和第二开关单元的组合情形来详细说明控制单元中的电机驱动芯片C1的工作状态。其中，设电源电压VDD＝5V，可调电阻R2＝2kΩ，电阻R1＝10kΩ、R3＝230Ω、RSA＝RSB＝0.5Ω。

情形1：当微处理器μP控制第一开关单元中的第一可控开关k1闭合时，R1被短路，此时A点的电压V_A1＝VDD＝5V。由于此时V_A1>2V，所以此时电机驱动芯片C1处于睡眠状态。

情形2：当微处理器μP控制第一开关单元中的第一可控开关k1和第二开关单元中的第二可控开关k2均打开时，A点的电压

V_{A 2} = \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}} \cdot VDD = 0.83 V,

电机驱动芯片C1第6管脚SenseA的驱动电流

I_{A 2} = \frac{V_{A 2}}{RSA} = 1.67 A .

此时，如果电机驱动芯片C1第7管脚Clock没有脉冲信号，则电机驱动芯片C1处于通电状态。如果有脉冲信号，则电机驱动芯片C1处于运行状态。

情形3：当微处理器μP控制第一开关单元中的第一可控开关k1打开、第二开关单元中的第二可控开关k2闭合时，A点电压

V_{A 3} = \frac{R_{2} / / R_{3}}{R_{1} + R_{2} / / R_{3}} \cdot VDD = 0.1 V,

电机驱动芯片C1的第6管脚SenseA的驱动电流

I_{A 3} = \frac{V_{A 3}}{RSA} = 0.2 A,

通过比较情形2和情形3可以看出I_A3<<I_A2。此时，如果电机驱动芯片C1的第7管脚Clock没有脉冲信号，则电机驱动芯片C1处于保持状态。

通过上面的描述可知，由于电机驱动芯片C1工作在保持状态时的电流很小，因此这可以在很大程度上减小电机驱动芯片C1在通电状态下的发热现象，从而延长电机的使用寿命，也就是延长匹配器的使用寿命；而且，尽管在保持状态下电机驱动芯片C1的电流很小，但是在该电机驱动芯片C1上毕竟仍然会有电流输出，因此，处于保持状态下的电机驱动芯片C1不会像处于通电状态时那样，因电机驱动芯片C1没有电流输出而使电机因震动产生位移，从而带动被其驱动的部件(例如可调电阻的调节端)移动，由此而不利于阻抗匹配器和阻抗匹配过程的精确控制。因此，本发明中可以通过增设保持状态、并根据实际工艺需要控制电机驱动芯片C1进入到保持状态，从而有利于阻抗匹配器和阻抗匹配过程更为精确的控制、以及延长阻抗匹配器等部件的使用寿命。

事实上，第二开关单元的具体形式可以不必局限于图3中所示的情形，而是也可以采用其他适宜的形式，例如图4就示出了这样的一种变型。

如图4所示，本实施例中的第二开关单元包括两组相互并联的支路(如图中虚线框所示)，即，由相互串联的电阻R3和第二可控开关 k2组成的第一支路以及由相互串联的电阻R4和第三可控开关k3组成的第二支路。其中，第二可控开关k2和第三可控开关k3的控制端均连接至微处理器μP，换言之，由微处理器μP对第二可控开关k2和第三可控开关k3进行控制。

本实施例中，当微处理器μP控制第一可控开关k1打开、第二可控开关k2和第三可控开关k3动作时(可能是第二可控开关k2闭合、第三可控开关k3打开；第二可控开关k2打开、第三可控开关k3闭合；第二可控开关k2和第三可控开关k3都闭合)，图4中A点的电压会减小，从而使电机驱动芯片C1的电流减小。由于此时电流较小，芯片进入保持状态。

需要指出的是，图4中A点电压的计算方法与本发明第一实施例中的计算方法类似，在此不再赘述。另外，本实施例中的可控开关、电机驱动芯片以及微处理器均可以采用图3所示第一实施例中的相应器件，在此亦不再赘述。

此外，本发明还提供一种阻抗匹配方法，该匹配方法由阻抗匹配器完成，该阻抗匹配器通常设置在射频发生器和等离子体处理腔室之间，并且包括检测单元、控制单元和执行机构，其中控制单元包括微处理器和执行机构驱动模块，执行机构可以包括诸如可调电阻的阻抗调节元件以及用于带动匹配网络中可调电阻的调节端移动的电机，相应地，执行机构驱动模块包括电机驱动芯片。

在实际应用中，阻抗匹配方法具体包括下述步骤：

10)检测射频发生器和等离子体处理腔室之间射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率。

20)基于步骤10)中得到的电压、电流、前向功率、反向功率等相应检测值执行匹配控制算法而获得匹配网络中的阻抗调整量，并根据工艺需要进入相应的工作状态，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态。事实上，上述工作状态指的是执行机构驱动模块所具有的工作状态。

30)根据当前的工作状态和所述阻抗调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送给等离子体处理腔室。理想状态下，使得匹配网络的输入阻抗等于射频发生器的恒定输出阻抗，二者达到匹配，即，射频传输线上的反射功率为零，射频发生器产生的功率可全部输送给等离子体处理腔室。

其中，在步骤20)中，可以通过控制可控开关的开合状态而进入相应的工作状态。可控开关包括设置在第一开关单元中的第一可控开关和设置在第二开关单元中的可控开关，其中，第一开关单元设置在执行机构驱动模块的电源端和参考电压端之间，第二开关单元设置在执行机构驱动模块的参考电压端和地之间。

在实际应用中，当第一开关单元处于通路状态时，使执行机构驱动模块进入睡眠状态；当第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且微处理器不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入通电状态；当第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且微处理器向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入运行状态；当第一开关单元处于断路状态、第二开关单元处于通路状态，并且微处理器不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入保持状态。

此外，本发明还提供一种等离子体处理***，其包括射频发生器和等离子体处理腔室，并且在射频发生器和等离子体处理腔室二者之间电连接有本发明提供的上述阻抗匹配器，以提高阻抗匹配的精度并延长***的使用寿命。

本发明还提供一种等离子体处理***，其包括射频发生器和等离子体处理腔室，该等离子体处理***采用了本发明提供的上述阻抗匹配方法，以提高阻抗匹配的精度并延长***的使用寿命。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种阻抗匹配器，包括检测单元、控制单元和执行机构，

所述检测单元用于检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率，并将其输出至控制单元；

所述控制单元根据来自检测单元的相应检测值执行匹配控制算法，并将由此得到的匹配网络中的阻抗调整量输入至执行机构；

所述执行机构根据所述调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送至等离子体处理腔室，

其特征在于，所述控制单元包括微处理器和执行机构驱动模块，所述微处理器根据工艺需要控制执行机构驱动模块进入相应的工作状态，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态。

2.根据权利要求1所述的阻抗匹配器，其特征在于，在所述执行机构驱动模块的电源端和参考电压端之间设置第一开关单元，在所述执行机构驱动模块的参考电压端和地之间设置第二开关单元，并且由微处理器控制所述第一开关单元和第二开关单元中的可控开关闭合或者断开。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述微处理器控制所述第一开关单元处于通路状态，使执行机构驱动模块进入睡眠状态；或者，微处理器控制所述第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，使执行机构驱动模块进入通电状态；或者，微处理器控制所述第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且向执行机构驱动模块发送脉冲信号，使执行机构驱动模块进入运行状态；或者，微处理器控制所述第一开关单元处于断路状态、第二开关单元处于通路状态，并且不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，使执行机构驱动模块进入保持状态。

4.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第一开关单元包括相互并联的第一可控开关和电阻。

5.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第二开关单元包括相互串联的第二可控开关和电阻。

6.根据权利要求2所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述第二开关单元包括相互并联的两个分支，其中每一个分支均包括彼此串联的可控开关和电阻。

7.根据权利要求4至6中任意一项所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述可控开关包括三极管、场效应管、晶闸管。

8.一种阻抗匹配的方法，其特征在于，包括下述步骤：

10)检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率；

20)基于步骤10)中得到的相应检测值执行匹配控制算法而获得匹配网络中的阻抗调整量，并根据工艺需要进入相应的工作状态，所述工作状态包括睡眠状态、通电状态、运行状态和保持状态；

30)根据当前的工作状态和所述阻抗调整量对匹配网络中的阻抗进行调整，以减小射频传输线上的反射功率，使射频发生器产生的功率输送至等离子体处理腔室。

9.根据权利要求8所述的阻抗匹配方法，其特征在于，在所述步骤20)中，微处理器通过控制可控开关的开合状态而使执行机构驱动模块进入相应的工作状态，所述可控开关包括设置在第一开关单元中的第一可控开关和设置在第二开关单元中的第二可控开关，所述第一开关单元设置在执行机构驱动模块的电源端和参考电压端之间，所述第二开关单元设置在执行机构驱动模块的参考电压端和地之间。

10. 根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，当所述第一开关单元处于通路状态，则使执行机构驱动模块进入睡眠状态；当所述第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且微处理器不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入通电状态；当所述第一开关单元和第二开关单元均处于断路状态，并且微处理器向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入运行状态；当所述第一开关单元处于断路状态、第二开关单元处于通路状态，并且微处理器不向执行机构驱动模块发送脉冲信号，则使执行机构驱动模块进入保持状态。

11.根据权利要求9所述的阻抗匹配方法，其特征在于，所述可控开关包括三极管、场效应管、晶闸管。

12.一种等离子体处理***，包括射频发生器和等离子体处理腔室，其特征在于，在射频发生器和等离子体处理腔室二者之间电连接有如权利要求1-7中任意一项所述的阻抗匹配器，以提高阻抗匹配的精度并延长***的使用寿命。