CN1122361C - 使可变负载阻抗与rf能量发生器阻抗相匹配的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用来使一负载的可变阻抗与一射频(RF)能量发生器的固定阻抗相匹配以提供最大能量输送的方法和装置。该阻抗匹配网络还使一RF能量发生器能改变施加到一负载如一等离子体腔上的电压频率，该等离子体腔可用于一半导体或平板等离子体显示装置生产过程中。该阻抗匹配网络还利用固定的固态元件来调整所带负载的阻抗，以便在发生器与负载之间提供最大的能量输送。一并联开关电容器受一电气开关装置如PIN二极管的控制，以使固定电容器开通或关断。把一用来改变外加电压的装置用来在几毫秒的时间内使负载的阻抗与RF能量发生器的阻抗相匹配。

Description

使可变负载阻抗与RF能量 发生器阻抗相匹配的方法和装置

本发明涉及阻抗匹配网络领域。具体地说，本发明涉及用来使一负载的阻抗与一射频(RF)能量发生器(RFPG)的内部阻抗相匹配以提供最大能量输送的方法和装置，其中由RF能量发生器所产生的外加电压的频率和负载阻抗可各自独立地变化。

联邦通信委员会(FCC)规定，工业、科技和医学(ISM)频率分别为13.56MHz，27.12MHz和40.68MHz。ISM频率可以由设备发射到大气环境中，而不必担心使射频干扰影响其他设备。等离子体蚀刻和淀积设备生产商通常用13.56MHz频率来使一等离子体腔工作，用以生产集成电路和等离子体显示器。但是，尤其在减小集成电路尺寸的情况下，ISM频率并不总提供可使等离子体腔工作以实现关键的加工步骤的最佳频率。因此，设备生产商已开发出能工作于一定频率波段内的等离子体腔。

但是，一般把以ISM为基础的RF能量发生器设计成确保偏离设定ISM频率如13.56MHz最小。相反，可以将一变频RF能量发生器(“发生器”)耦合到一负载如一等离子体腔上，从而控制施加到负载上电压的频率以使负载可以工作于一电压频率波段内。不过，在一交流(AC)电路中，阻抗受外加电压频率的影响，而该阻抗又影响发生器与负载之间的能量输送。此外，等离子体腔的阻抗可根据象腔压强、气体组分和等离子体点火装置这样的变量变化，而与外加电压频率无关。因此，需要一阻抗匹配网络，它能使外加电压的频率变化，而同时相对于发生器即发生器的输入阻抗保持负载阻抗。

如相关技术领域中那些普通技术人员所公知的那样，给定电路的阻抗可以由一有功元件和一无功元件两部分组成，后者可以是感性的或容性的。当所带负载的电阻等于发生器的内电阻并且该负载与发生器之间的净电抗为零时，在发生器和该负载间实现最大的能量输送。这样，利于均衡发生器与负载间的电抗以实现净电抗为零。当负载的阻抗是发生器内部阻抗的共轭值时，在发生器与负载之间产生的净电抗为零。这样，若发生器有一感性电抗，则有一等幅反相容性电抗的负载会对含发生器和该负载的电路产生为零的净电抗，反之亦然。阻抗匹配网络可用来保持一输入阻抗，在发生器施加到负载上电压的频率变化时，并且/或者在负载阻抗变化时，该输入阻抗是发生器内部阻抗的共轭值，从而在发生器与该负载间实现最大的能量输送。

参见图1，示出已有技术的阻抗匹配网络100。可将RF能量发生器耦合到RF输入装置120上。可将象等离子体腔这样的负载耦合到RF输出装置130上。该阻抗匹配网络100(“网络”)包括相位检测器101，它对在固定阻抗如50欧姆的传输线108采样，产生一信号，经线112送至控制板110。然后例如当在等离子体腔中点燃等离子体条件的情况下时，控制板110根据输入RF电压和负载中的非线性阻抗所产生电流之间相移的极性使伺服电机107将可变电容器106变向。

幅值检测器109还对传输线108上例如50欧姆阻抗的偏差进行采样，产生一信号，经线111送至以此为基础的控制板110。然后，控制板110使伺服电机103调节可变电容器102。电容器102所具备的电容值在更小程度上也取决于RF电压与电流之间的相移极性。幅值检测器109检测例如50欧姆特征阻抗的偏差。若线108中的阻抗大于50欧姆，则经线111所传输的信号为正；若线108中的阻抗小于50欧姆，则经线111所传输的信号为负。正如所能了解的那样，为使发生器阻抗与负载阻抗相匹配，由于伺服电机103和107分别用来调节电容器102和106所需时间的缘故，已有技术阻抗匹配网络100较慢。此外，网络100并不能根据负载象所希望的那样使发生器改变外加电压的频率。

今天，半导体和平板等离子体显示设备生产过程时间正在缩短，从而使所需用来在RF能量发生器与等离子体腔(其工作频率和阻抗变化)之间建立匹配阻抗的时间量成为影响生产线上生产量的限制因素。需要一个将一发生器耦合到一负载如一等离子体腔上的阻抗匹配网络，它使发生器能改变施加到负载上的电压频率，并用固定的固态元件迅速而准确地调整所带负载的输入阻抗，以保持供给负载最大的能量输送。

本发明涉及阻抗匹配网络的领域。具体地说，本发明涉及一种用来将一负载的可变阻抗与一射频(RF)能量发生器(“发生器”)的固定内部阻抗相匹配以向负载提供最大能量输送的方法和装置，其中由RF能量发生器所产生的外加电压频率和负载的阻抗可以各自独立地变化。该阻抗匹配网络使一发生器能改变施加到一负载如一等离子体腔上的电压的频率，该等离子体腔可用于半导体或平板等离子体显示装置生产过程中。该阻抗匹配网络还利用固定的固态元件在几毫秒内调整所带负载的输入阻抗以向负载提供最大的能量输送。利用了一种用来改变外加电压频率的装置和一用来极迅速地使负载的输入阻抗与发生器的阻抗相匹配的并联开关电容器网络。

作为可由本发明采用的阻抗匹配网络，其一个目的在于：通过减小阻抗匹配收敛时间、减小阻抗匹配网络大小以更易安装在腔内以及实现阻抗负载的独立性，改善已有技术阻抗匹配网络的性能。

本发明的另一目的在于，通过省去机械活动部件如可变的真空型电容器和利于含固态元件的电控阻抗匹配网络的伺服电机，由此省去与已有技术阻抗匹配网络相关的维护与校准要求，从而提高了阻抗匹配网络的可靠性。

借助以下图中的实例和非限制性描述来说明本发明。类似的参考标记表示类似的部件，其中：

图1表示已有技术阻抗匹配网络的一个实施例，它可由RF能量发生器用来匹配发生器阻抗和一所需的负载；

图2是本发明一实施例的方框图；

图3是一示意图，它提供本发明一实施例的电气表示；

图4表示图3电路的输入阻抗和变化的负载阻抗之间关系的模拟曲线分析；

图5通过曲线说明改变施加到一负载上的电压频率；

图6表示本发明一优选实施例。

图7是图6中PIN二极管驱动电路的电路图。

本文所述的是一种使一负载的可变阻抗与一射频(RF)能量发生器(“发生器”)的固定阻抗相匹配的方法和装置，它能从发生器向负载提供最大的能量输送，其中发生器改变施加到负载上电压的频率。在以下的描述中，列出许多具体的细节与实例，以便为彻底理解本发明提供条件。但是，很显然，对于本领域的普通技术人员来说，无需该具体的信息也可在本领域或相关领域中实施本发明。在其他的例子中，并未示出公知的电路、元件和技术，以便不给本发明设置不必要的障碍。

本发明的一个实施例概述

当代和未来一代等离子体加工要求的不断增长的复杂性极大地冲击了对用于本领域的射频(RF)能量发生器和相关阻抗匹配网络的性能要求。等离子体加工设备生产商不断地缩短加工时间、修正等离子体腔压强与气体组分，并减少等离子体腔清洁周期时间，以便提高产量，提供一致的产品和可靠的性能。为此，已有技术电动机驱动的阻抗匹配网络正由更快的电子控制阻抗匹配网络所替代。如图2中方框图所示，本发明的一个实施例提供一种固态阻抗匹配网络220(“网络220”)，它未采用活动的电气或机械部件以保持例如为50欧姆的输入阻抗，并使RF能量发生器210(“发生器210”)能围绕基频改变外加电压频率，从而达到其中包括在等离子体加工腔230(“等离子体腔”)中的等离子体点燃的效果。

图3是一电气原理图，它表示RF能量发生器210、阻抗匹配网络220、将发生器210接到网络220上的连接装置215、和耦合到网络220上的等离子体加工腔230。发生器210由交流电源301和内部阻抗302组成。发生器210所提供的能量可从0瓦变到5千瓦。发生器基频为任意值。但是，在半导体工业中通常采用13.56MHz的ISM频率。发生器的内部阻抗302通常为50欧姆，但是，只要将能量输送给网络220的电缆303具有同样的特征阻抗，该阻抗也可以为任意值。

在阻抗匹配网络220内部，可使用也可不用RF变压器305。变压器305的目的在于进一步将输入阻抗从50欧姆转换到更低的值如12.5欧姆，以使阻抗匹配网络在变压器305右侧的部分工作于更低的阻抗水平。

电容306包括至少一个固定值电容器312。在一个实施例中，如电容器313所示，可将另外一些电容器并联耦合到电容器312上。可以将足够多的电容器并联耦合到电容器312上，以提供例如8、16或更离散的值。这些电容各自由开关电路304中各个开关进行开关。在一个实施例中，在p和n掺杂半导体区之间有一较大本征区的二极管可用来提供开关功能，下文将这些二极管称作PIN二极管。在第二实施例中，开关电路304包括RF继电器。电感307同样也是一固定值。选择电阻309的值，以保持在无等离子体点燃的条件下放电的电容306。包括电容306、电感307和电容308的网络220的这部分是一典型的L型阻抗匹配网络结构。考虑到等离子体腔230，容性元件310和阻性元件311是表示点燃时等离子体腔的等效电容和电阻。

图4对图3中电路的输入阻抗与变化的负载阻抗之间的关系进行了模拟曲线分析，其中证明：一恒输入阻抗，即，由发生器210从负载端看到的阻抗被网络220保持在1-100欧姆的负载阻抗范围之内(用于一等离子体腔中点燃的等离子体条件的典型有功负载为从1～100欧姆)。纵轴401表示输入阻抗，而横轴表示外加电压的频率。在该模拟曲线中，外加电压的频率和阻性负载元件311都变化。容性负载元件310保持恒定。

不考虑阻性负载值，图4中所有的曲线都经过点403，点403处的输入阻抗为50欧姆，而外加电压的频率为13.56MHz。在负载是一等离子体腔的情况下，利于选择阻抗匹配网络220中电容306、电感307和电容308的值，以使这些阻抗和频率条件得到满足。但是，对相关技术领域中的普通技术人员来说很容易理解的是，根据耦合到阻抗匹配网络220上的负载类型，可以选择其他电感值和电容值。

图5通过图线说明一等离子体腔中等离子体点燃的模拟曲线，该等离子体腔耦合到图3的阻抗匹配网络220上，图5中外加电压的频率增加到比13.56MHz稍大的值，然后在几微秒时间内的加工周期过程中返回到13.56MHz。纵轴501表示施加在图3中容性负载元件和阻性负载元件上的电压，而横轴502表示外加电压的频率。

该分析表明，如所期望的那样，外加电压升高至稍大于13.56MHz的足以激发等离子体的水平处。显然，使外加电压的频率在超过13.56MHz处达电压峰值，在外加电压的频率自动返回13.56MHz之前，等离子体于该峰值点处受到激发。

该图线表示各种等离子体腔阻抗的一系列曲线。图3中的阻性负载元件311是等离子体腔化学过程的特征阻抗。尽管不必为理解本发明而彻底描述各种等离子体腔，不过通常这种改变外加电压频率的方法对所有的等离子体腔来说都是有效的。应指出的是，阻抗匹配网络220在等离子体工艺周期之初产生一高压。如图5中电压幅值所示，该高压需要用来启动电离过程并由此进行等离子体点燃。等离子体工艺周期是点燃等离子体所耗费的时间，一般时间是几秒钟，不过在某些情况下也可更长。如以下将详细描述的那样，图3中网络220的阻抗匹配能力是通过改变外加电压的频率和借助固态元件改变响应于此的阻抗匹配网络220的电容来完成的。

本发明一个实施例详述

作为可由本发明实施的阻抗匹配网络在一RF能量发生器和一负载如一等离子体腔之间提供最大的能量输送。阻抗匹配网络提供与RF能量发生器的内部阻抗相匹配的输入阻抗，它一般为50欧姆，同时为等离子体腔提供一阻抗，它与等离子体腔的变化阻抗相匹配。

等离子体腔的阻抗根据其工作的阶段而变化。例如，在等离子体点燃之前，等离子体腔的阻抗高达10兆欧，而点燃之后的阻抗约为2欧姆。当等离子体仍未点燃时，等离子体腔基本上是一真空腔，需要用高压来使等离子体点燃，由此有一高阻抗。工作期间，阻抗还因许多因素而变化，这些因素包括等离子体腔的大小、气体化学性质和气压。在加工周期中的某个点将化学气体混和物推入等离子体腔。这些气体可以用来在等离子体腔内蚀刻、淀积或清洁目标材料。等离子体腔内部的电离气体对正向等离子体腔输送RF功率的阻抗匹配网络220表现出低阻抗。为使发生器与等离子体腔之间的能量输送最大，阻抗匹配网络需要响应最短合理可能的时间内、例如100毫秒或更短时间内等离子体腔中的阻抗变化。

阻抗匹配网络220的输出是一串联谐振电路，为进行阻抗匹配，它表现为负载的共轭阻抗。本发明采用低通结构的L型阻抗匹配网络。参见图6，该网络包括一并联电容306和一串联电感307。电容306减小了负载230中的任意感性阻抗，而电感307与出现于负载中的任意容性无功元件相谐振，即消除了任意容性无功元件。在一个实施例中，每当输入阻抗的幅值偏离能量发生器210的内部阻抗50欧姆时，电容306(亦称作负载电容)通过PIN二极管受控开关电路304而电控可变。在第二实施例中，开关电路304可由RF继电器(图中未示)控制。

幅值检测器602对如50欧姆的传输线603上的阻抗进行采样，并根据随负载而变化的输入阻抗幅值产生一信号604，该信号604经一排一个或更多并联电容器的各自的PIN二极管开关这排电容器，这排电容器构成电容306。该信号的极性决定并联电容306是增大还是减小。无论在哪种情况下，由串联电感307所提供的电感值保持不变。

尽管图示电容306具有两个固定的并联电容器C1和C2，不过可以采用任意个并联电容器。电容器的数目越多，在使输入阻抗与负载阻抗相匹配方面可能进行的调整越准确。但是，从实际的观点看，没有理由增加电容器的数目超出某一数目如8或16以得到全波段的离散值。每个被开关的电容器如C1和C2都是前一电容器电容值的一半。例如，若C1＝400pF，则C2＝200pF，而电容器C(n)是电容器C(n-1)电容值的一半等。

将相位和幅值检测器耦合到定向耦合器607上。定向耦合器607输出两个信号609和610，它们代表注入功率和反射功率。将这些信号耦合到控制器608。控制器608含公知器件如一乘法器/除法器芯片、一比较器、一模数转换器和一缓冲器。控制器608估算如此输入的信号，将它们与一参考信号作比较，产生控制电压以驱动一PIN二极管驱动电路611。PIN二极管驱动电路611经线612和613启动开关电路304中的开关器件即PIN二极管。根据从PIN二极管启动电路611接收的信号使PIN二极管导通，PIN二极管启动电路611又受到控制器608控制。若PIN二极管未接收到信号，则使他们偏置到截止状态，即不导通状态。为RF发生器210和负载230之间最佳的阻抗匹配而选择开通的电容器组合。

图7中，示出PIN二极管驱动电路，在该电路中，例如使PIN二极管623导通，这样经一低电阻PIN二极管将电容器624接地。为使PIN二极管623导通，由控制器608驱动的控制线620传输零电压或一逻辑零。因此，用电流(在该优选实施例中为0.5安培直流)使晶体管621导通，正向偏置PIN二极管623。电阻622控制DC偏置电流。在正向方向上如此高的DC电流的情况下，PIN二极管623表现出极低的动态电阻(在优选实施例中约为0.1欧姆)，由此使电容624短接至地。当用控制器608驱动控制线620高达如5伏时，晶体管621处于截止状态-无DC电流沿正向流动。同时，负电压(在优选实施例中为-500伏)出现于PIN二极管623的p侧，使PIN二极管处于截止状态。LC网络625和626作为在RF频率如13.56MHz时谐振的滤波器工作，使RF信号无法到达电源614。

图6还表示出相位检测器601。尽管在图1所示的已有技术中，相位检测器用来控制电容，可是本发明的优选实施例只用相位检测器来控制外加电压的频率。相位检测器601对50欧姆的传输线603上的阻抗采样并产生控制一频率合成电路606的信号605。为匹配负载的阻抗，频率合成电路606根据相位检测信号605调整RF发生器210所提供外加电压的频率。正常等离子体腔工作期间外加电压中频率的变化通常小于1MHz。这样，可以将RF能量发生器的频率变化限定到一同等上下限。最好是如此限定频率，因为为了该特定的频率范围而使阻抗匹配网络中的滤波器和其他电路最佳。此外，可以保持在1MHz限度内，并具有全量程的合理阻抗负载变化。

当然，在相关技术领域普通技术人员可理解范围内的所述实施例是可变换的。本发明仅由以下所列的权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种将一射频能量发生器(RFPG)耦合到一负载上的阻抗匹配网络，包括：

一相位检测器，耦合到所述RFPG上，所述相位检测器检测所述RFPG所供电压和电流中的位移；

一频率合成电路，耦合到所述相位检测器上，所述频率合成电路根据所述相位检测器检测到的所述传输线上所述电压与所述电流中的相移，改变所述电压的频率；

一幅值检测器，耦合到所述RFPG上，所述幅值检测器检测所述负载阻抗的幅值；

第一电容，并联耦合到所述负载上；

一电感，与所述负载串联耦合；

第二电容，与所述负载串联耦合；

一开关电路，耦合到所述幅值检测器上，用来根据所述幅值检测器所检测到的所述负载的所述阻抗的所述幅值，将所述第一电容与地耦合或解耦；

一控制器，耦合到所述幅值检测器和所述开关电路上，用以根据所述传输线上所述阻抗的所述幅值控制所述开关电路。

2.根据权利要求1的阻抗匹配网络，其中所述第一电容还包括并联耦合到所述负载上的多个电容器。

3.根据权利要求2的阻抗匹配网络，其中所述多个电容器等于至少8个电容器。

4.根据权利要求2的阻抗匹配网络，其中所述多个电容器等于至少16个电容器。

5.根据权利要求2的阻抗匹配网络，其中所述多个电容器中的每个都有一个固定电容值。

6.根据权利要求5的阻抗匹配网络，其中所述多个电容器中的每个都有通常为所述多个电容器中前一电容器电容值一半的电容值。

7.根据权利要求2的阻抗匹配网络，其中所述开关电路包括多个二极管，所述多个二极管中的每一个都耦合到所述多个电容器的一个上，用以将所述多个电容器的所述一个耦合到地或与地解耦。

8.根据权利要求7的阻抗匹配网络，其中所述多个二极管中的每一个都有在一p掺杂半导体区和一n掺杂半导体区之间的一个大的本征区。

9.根据权利要求2的阻抗匹配网络，其中所述开关电路包括多个射频继电器，每个继电器耦合到所述多个电容器的一个上，用以将所述多个电容器的所述一个耦合到地和与地解耦。

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