TWI636662B - 阻抗匹配方法與阻抗匹配系統 - Google Patents

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TWI636662B
TWI636662B TW103133068A TW103133068A TWI636662B TW I636662 B TWI636662 B TW I636662B TW 103133068 A TW103133068 A TW 103133068A TW 103133068 A TW103133068 A TW 103133068A TW I636662 B TWI636662 B TW I636662B
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Abstract

本發明提供一種阻抗匹配裝置與阻抗匹配方法。一種可變電抗的阻抗匹配網路被放置於改變驅動頻率(f)的可變頻率射頻電源與負載之間。可變電抗的阻抗匹配網路的阻抗匹配方法包含根據目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值控制阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感的變化量。

Description

阻抗匹配方法與阻抗匹配系統
本發明係關於射頻功率系統(RF power systems)，特別是一種包含可變頻率射頻電源(power source)的射頻功率系統。
在例如製造半導體或平面顯示器的電漿處理領域中，射頻功率產生器供應射頻功率到負載，從而將電容耦合或電感耦合的電漿釋放到電漿腔室內。
負載為包含電漿的時間相依的動態負載。由於動態負載的緣故，所以需要一種方法，透過將射頻功率產生器與動態負載之間的負載所反射的反射波最小化，傳送最大功率到動態負載。
傳統上使用兩種方法以用於射頻功率產生器與負載之間的阻抗匹配。其中一種方法為分離的阻抗匹配網路，包含可變元件的阻抗匹配網路被放置於射頻功率產生器與負載之間。另一種方法為透過改變射頻功率產生器的頻率而完成阻抗匹配。
在包含可變元件的阻抗匹配網路的情況下，阻抗匹配網路使用至少兩個可變無功元件(reactive components)。可變無功元件為可變電容器或可變電感器。傳統上可變無功元件係透過馬達被驅動。傳統上可變無功元件的最大/最小比率為10或更大，足夠大到允許可變元件的阻抗匹 配網路完成寬範圍負載阻抗上的阻抗匹配。因此，甚至當電漿的狀態被極端改變時，可變元件的阻抗匹配網路仍然可完成阻抗匹配。然而，由於馬達的驅動速度的緣故，可變元件的阻抗匹配網路需要幾百毫秒(millisecond)到幾秒的匹配時間。
另一方面，當透過頻率調整或頻率變化完成阻抗匹配時，傳統的頻率可變範圍為大約百分之十。就是說，阻抗匹配可行的負載的阻抗範圍非常窄。因此，當電漿的狀態被極端改變時，無法透過頻率調整完成阻抗匹配。同時，達到阻抗匹配的匹配時間為幾微秒(microsec)到幾毫秒(millisec)，非常短。
作為電漿處理製程之一，原子層沈積(atomic layer deposition；ALD)需要短製程步驟的重複。此外，矽穿孔(through silicon via；TSV)製程需要沈積製程與蝕刻製程的重複。近來的沈積或蝕刻製程採用多步驟訣竅(recipe)，其中製程條件被改變且保持射頻功率。為了滿足這種新的製程條件，射頻功率產生器與阻抗匹配網路必須在完成幾十毫秒或更少的時間內完成阻抗匹配。尤其地，當使用脈衝電漿處理時，應該在幾微秒到幾十微秒或更少的時間內完成阻抗匹配。因此，需要新的阻抗匹配方法，即使電漿負載的範圍較寬，反射的功率在在幾微秒到幾十微秒的預定範圍內降低且驅動頻率固定。
本發明的主旨在於提供一種阻抗匹配系統，完成高速阻抗匹配。
本發明實施例的可變電抗(reactance)的阻抗匹配網路被放 置於改變驅動頻率f的可變頻率射頻電源與負載之間。阻抗匹配方法包含根據目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值控制阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感的變化量。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二電容器，第一電容器的第一電容C1與第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下條件，
其中dω表示目標驅動角頻率(ωt=2πft)與驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二電容器，第一電容器的第一電容C1與第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下條件，
其中K1為常數，K2為常數，以及dω表示目標驅動角頻率(ωt=2πft)與驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路包含L型、反向L型、T型與π型至少其一。
本發明的實施例中，當目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值為正值時，可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為負值。當目 標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值為負值時，可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為正值。
本發明的實施例中，可變無功元件的電容或電感的變化量可額外地取決於用於阻抗匹配的反射係數或者阻抗的函數。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二電容器，以及其中第一電容器的第一電容C1與第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，
其中A與B為取決於反射係數或阻抗的參數，dω表示目標驅動角頻率(ωt=2πft)與驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
本發明的實施例中，第一電容器的第一電容C1與第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，
其中g1表示第一加權函數，g2表示第二加權函數。當反射係數較大時，第一加權函數具有大數值，當反射係數較小時，第一加權函數具有小數值，以及當反射係數較大時，第二加權函數具有小數值，當反射係數較小時，第二加權函數具有大數值。
本發明的實施例中，頻率可變射頻電源可透過改變驅動頻 率完成阻抗匹配。
本發明的實施例中，其中當反射係數的虛部具有正值時，頻率可變射頻電源增加驅動頻率，以及當反射係數的虛部具有負值時，頻率可變射頻電源降低驅動頻率。
本發明的實施例中，頻率可變射頻電源透過掃描驅動頻率完成阻抗匹配。
本發明的實施例中，其中可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用以阻抗匹配的反射係數或者阻抗的函數的步驟包含擷取特徵向量；使用預定的變換矩陣將用於表示可變無功元件的電抗的裝置向量變換為分析向量，以及使用分析向量作為坐標軸在分析坐標系統上表示此特徵向量；分析此分析坐標系統上的特徵向量以擷取位移向量用於阻抗匹配；使用變換矩陣將位移向量變換為降低裝置向量；以及使用降低裝置向量擷取電容或電感的變化量。
本發明實施例的射頻系統的控制方法包含透過測量一個頻率可變射頻電源的輸出處的電特性以及使用測量的電特性改變驅動頻率，完成第一阻抗匹配；以及將包含可變無功元件的阻抗匹配網路放置於頻率可變射頻電源與負載之間，以改變可變無功元件的電容或電感。該可變無功元件的電容或電感的變化量被指定為目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的函數。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路可為L型、反向L型、T型以及π型至少其一。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二 電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，
其中dω表示目標驅動角頻率(ωt=2πft)與驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
本發明的實施例中，此控制方法更包含計算預測驅動頻率fp，以及將計算的預測驅動頻率fp提供到頻率可變射頻電源。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二電容器，以及其中預測驅動角頻率ωp被指定為以下，
其中ωp表示預測驅動角頻率(ωp=2πfp)，ω表示驅動角頻率(ω=2πf)，C1表示第一電容器的第一電容，以及C2表示第二電容器的第二電容。
本發明的實施例中，可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用於阻抗匹配的反射係數或者阻抗的函數。
本發明的實施例中，可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用於阻抗匹配的反射係數或者阻抗的函數的步驟包含擷取特徵向量；使用預定的變換矩陣將用於表示可變無功元件的電抗的裝置向量變換 為分析向量，以及使用分析向量作為坐標軸在分析坐標系統上表示特徵向量；分析此分析坐標系統上的特徵向量以擷取位移向量用於阻抗匹配；使用變換矩陣將位移向量變換為降低裝置向量；以及使用降低裝置向量擷取電容或電感的變化量。
本發明的實施例中，可變無功元件包含第一電容器與第二電容器，以及其中第一電容器的第一電容C1與第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，
其中A與B為取決於反射係數或阻抗的參數，以及dω表示目標驅動角頻率(ωt=2πft)與驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
本發明的實施例中，該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，
其中g1表示一第一加權函數，g2表示一第二加權函數。當反射係數較大時，第一加權函數具有大數值，以及當反射係數較小時，第一加權函數具有小數值。當反射係數較大時，第二加權函數具有小數值，以及當反射係數較小時，第二加權函數具有大數值。
本發明實施例的一種可變電抗的阻抗匹配網路被放置於用以改變驅動頻率的頻率可變射頻電源與負載之間。可變電抗的阻抗匹配網 路的阻抗匹配方法包含改變此阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感，這樣頻率可變射頻電源被感應為作業於目標驅動頻率。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值的函數。
本發明的實施例中，控制方法更包含計算預測驅動頻率fp，以及將計算的預測驅動頻率fp提供到該頻率可變射頻電源。
本發明實施例的射頻功率系統包含頻率可變射頻電源與阻抗匹配網路，阻抗匹配網路將頻率可變射頻電源的輸出傳送到負載。射頻功率系統的阻抗匹配方法包含測量頻率可變射頻電源的輸出終端的第一電特性；藉由頻率可變射頻電源使用第一電特性檢查阻抗匹配狀態；改變頻率可變射頻電源的驅動頻率；測量阻抗匹配網路處的第二電特性；藉由阻抗匹配網路使用第二電特性檢查阻抗匹配狀態，以及檢查驅動頻率是否為目標驅動頻率；當阻抗匹配網路未完成阻抗匹配時，計算用於阻抗匹配的可變無功元件的電感或電容的第一變化量；當驅動頻率未匹配目標驅動頻率時，計算用於改變阻抗匹配網路處的驅動頻率的可變無功元件的電感或電容的第二變化量；以及計算第一變化量與第二變化量所導致的總變化量，以及利用總變化量控制可變無功元件。
本發明的實施例中，第一變化量被指定為驅動頻率與目標驅動頻率之間的差值的函數。
本發明的實施例中，控制可變無功元件的驅動向量或總量包含將第一加權函數乘以第一變化量以及將第二加權函數乘以第二變化量。當反射係數較大時，第一加權函數具有大數值，以及當反射係數較小 時，第一加權函數具有小數值。當反射係數較大時，第二加權函數具有小數值，以及當反射係數較小時，第二加權函數具有大數值。
本發明的實施例中，改變頻率可變射頻電源的驅動頻率的步驟包含使用第一電特性計算第一反射係數；以及當第一反射係數的虛部具有正值時增加頻率，當第一反射係數的虛部具有負值時降低頻率。
本發明的實施例中，計算第一變化量的步驟包含擷取特徵向量；使用預定的變換矩陣將用於表示可變無功元件的電抗的裝置向量變換為分析向量，以及使用分析向量作為坐標軸在分析坐標系統上表示特徵向量；分析分析坐標系統上的特徵向量以擷取位移向量用於阻抗匹配；使用變換矩陣將位移向量變換為降低裝置向量；以及使用降低裝置向量擷取電容或電感的變化量。
本發明實施例的射頻功率系統包含頻率可變射頻電源與阻抗匹配網路，阻抗匹配網路將頻率可變射頻電源的輸出傳送到負載。射頻功率系統的阻抗匹配方法包含：測量頻率可變射頻電源的輸出終端的第一電特性；藉由頻率可變射頻電源使用第一電特性檢查阻抗匹配狀態；改變頻率可變射頻電源的驅動頻率；檢查驅動頻率是否為目標驅動頻率；當未完成阻抗匹配時，計算用於阻抗匹配的可變無功元件的電感或電容的第一變化量；當驅動頻率未匹配目標驅動頻率時，計算用於改變驅動頻率的該可變無功元件的電感或電容的第二變化量；以及計算第一變化量與第二變化量的總變化量，以及利用總變化量控制可變無功元件。
本發明的實施例中，第一變化量被指定為驅動頻率與目標驅動頻率之間差值的函數。
本發明的實施例中，第二變化量為取決於阻抗或反射係數的函數。
本發明的實施例中，控制可變無功元件的驅動向量或總量包含將第一加權函數乘以第一變化量以及將第二加權函數乘以第二變化量。當反射係數較大時，第一加權函數具有大數值，以及當反射係數較小時，第一加權函數具有小數值。當反射係數較大時，第二加權函數具有小數值，以及當反射係數較小時，第二加權函數具有大數值。
本發明的實施例中，改變頻率可變射頻電源的驅動頻率的步驟包含使用第一電特性計算第一反射係數；以及當第一反射係數的虛部具有正值時增加頻率，當第一反射係數的虛部具有負值時降低頻率。
本發明的實施例中，計算第一變化量的步驟包含擷取特徵向量；使用預定的變換矩陣將用於表示可變無功元件的電抗的裝置向量變換為分析向量，以及使用分析向量作為坐標軸在分析坐標系統上表示特徵向量；分析此分析坐標系統上的特徵向量以擷取位移向量用於阻抗匹配；使用變換矩陣將位移向量變換為降低裝置向量；以及擷取降低裝置向量的電容或電感的變化量。
本發明的實施例中，阻抗匹配方法更包含計算預測驅動頻率fp，以及將計算的預測驅動頻率fp提供到頻率可變射頻電源。
本發明實施例的一種阻抗匹配網路被放置於射頻電源與負載之間，射頻電源具有預定的頻率可變範圍且輸出射頻功率。阻抗匹配網路包含至少兩個可變無功元件。可變無功元件的電感或電容的變化量被指定為驅動頻率與目標驅動頻率之間差值的函數。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路更包含匹配感測器單元，被放置於阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源之間，以藉由阻抗匹配網路測量負載的方向的電特性。匹配感測器單元使用電特性計算阻抗或反射係數，以及測量被傳送到負載的驅動頻率。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路更包含功率感測器單元，被放置於阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源之間，以藉由阻抗匹配網路測量負載的方向的電特性。功率感測器單元使用電特性計算阻抗或反射係數以及接收來自頻率可變射頻電源的驅動頻率。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路接收從頻率可變射頻電源查看頻率可變射頻電源的輸出終端處的負載的方向的電特性。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路可提供用於阻抗匹配的預測的驅動頻率到頻率可變射頻電源。
本發明實施例的一種射頻功率系統包含頻率可變射頻電源，具有預定的頻率可變範圍且改變驅動頻率以完成阻抗匹配；以及阻抗匹配網路，接收頻率可變射頻電源的輸出且傳送輸出到負載。阻抗匹配網路可改變阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感，這樣頻率可變射頻電源被感應為作業於目標驅動頻率。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路更包含匹配感測器單元，被放置於阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源之間，以藉由阻抗匹配網路測量負載的方向的電特性。匹配感測器單元使用電特性計算阻抗或反射係數，以及測量被傳送到負載的驅動頻率。
本發明的實施例中，頻率可變射頻電源更包含功率感測器 單元，被放置於阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源之間，以藉由阻抗匹配網路測量負載的方向的電特性。功率感測器單元使用電特性計算阻抗或反射係數以及接收來自頻率可變射頻電源的驅動頻率。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路接收從頻率可變射頻電源查看頻率可變射頻電源的輸出終端處的負載的方向的電特性。
本發明的實施例中，阻抗匹配網路可提供用於阻抗匹配的預測驅動頻率到頻率可變射頻電源。
本發明實施例的電子裝置包含至少兩個可變無功元件，傳送頻率可變射頻電源的輸出到負載。可變無功元件的電容或電感的變化量包含頻率可變射頻電源的驅動頻率與目標驅動頻率之間差值的函數。目標驅動頻率係處於頻率可變射頻功率產生器的頻率可變範圍內。
本發明實施例的射頻功率系統包含頻率可變射頻電源與阻抗匹配網路，阻抗匹配網路將頻率可變射頻電源的輸出傳送到負載。射頻功率系統的阻抗匹配方法包含測量頻率可變射頻電源的輸出終端的第一電特性；藉由頻率可變射頻電源使用第一電特性檢查阻抗匹配狀態；改變頻率可變射頻電源的驅動頻率；藉由阻抗匹配網路測量第二電特性；藉由阻抗匹配網路使用第二電特性檢查阻抗匹配狀態；計算用於阻抗匹配的可變無功元件的電感或電容的第一變化量；以及使用第一變化量控制可變無功元件。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
100‧‧‧射頻功率系統
110‧‧‧頻率可變射頻電源
112‧‧‧控制單元
114‧‧‧放大單元
116‧‧‧功率感測器單元
120‧‧‧傳輸線
130‧‧‧阻抗匹配網路
132‧‧‧可變無功元件
132a‧‧‧第一驅動馬達
134‧‧‧可變無功元件
134a‧‧‧第二驅動馬達
137‧‧‧驅動單元
138‧‧‧控制單元
140‧‧‧負載
ZT‧‧‧阻抗
Zin‧‧‧阻抗
ZL‧‧‧阻抗
Z0‧‧‧阻抗
I、V‧‧‧第一電特性
I'、V'‧‧‧第二電特性
f‧‧‧驅動頻率
fp‧‧‧預測驅動頻率
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
dC1、dC2‧‧‧變化量
N1、N2‧‧‧輸出終端
V1、V2‧‧‧驅動向量
N3、N4‧‧‧輸入終端
L1‧‧‧第一固定電感器
L2‧‧‧第二固定電感器
N5、N6‧‧‧輸出終端
第1圖為根據本發明的射頻功率系統的概念示意圖。
第2圖為第1圖中的射頻功率系統的詳細方塊圖。
第3圖為根據本發明實施例的射頻功率系統的控制方法的彙總流程圖。
第4圖為根據本發明實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
第5圖為根據本發明實施例的頻率可變阻抗匹配方法的彙總流程圖。
第6圖為根據本發明實施例的頻率可變阻抗匹配的史密斯圖(Smith chart)。
第7圖為根據本發明另一實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
第8圖為根據本發明另一實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
第9圖與第10圖分別為根據本發明其他實施例的射頻功率系統。
第11圖為標準的L型阻抗匹配網路中阻抗匹配區域的史密斯圖。
第12圖為當僅僅具有頻率可變射頻電源阻抗匹配可能時僅僅使用頻率可變射頻電源的阻抗匹配的條件的圖形。
第13圖至第17圖分別為分別表示本發明實施例的阻抗匹配的軌跡的仿真結果的圖形。
現在將結合圖式部份對本發明的較佳實施方式作詳細說明。本發明以不同形狀被具體化，而並非限制於本說明書所述之這些實施例。提供這些實施例以完整且徹底地實現揭露，並且將本發明的保護範圍傳達至本領域之普通技術人員。說明書中所使用的相同的參考標號代表相 同元件。
本發明實施例的阻抗匹配網路被放置於頻率可變射頻電源與負載之間，以完成目標驅動頻率的阻抗匹配。因此，頻率可變射頻電源可在預定範圍內改變驅動頻率以完成高速阻抗匹配或降低反射頻率。甚至當頻率可變射頻電源完成阻抗匹配時，如果驅動頻率與目標驅動頻率彼此不同，阻抗匹配網路感應此頻率可變射頻功率以完成目標驅動頻率上的阻抗匹配。就是說，當頻率可變射頻電源滿足阻抗匹配的條件且驅動頻率與目標驅動頻率彼此不同時，阻抗匹配網路可連續作業以控制可變無功元件，這樣在目標驅動頻率處完成阻抗匹配。因此，頻率可變射頻電源改變驅動頻率以完成改變條件下的阻抗匹配。結果，當驅動頻率達到目標驅動頻率且完成阻抗匹配時，阻抗匹配網路的可變無功元件的電抗被固定為定值。在負載隨時間變化的狀態下重複這個程序。
當頻率可變射頻電源無法獨立完成阻抗匹配時，阻抗匹配網路可感應頻率可變射頻電源，以完成目標驅動頻率上的阻抗匹配且為其本身完成阻抗匹配。
更特別地，頻率可變射頻電源將反射的功率最小化。當反射係數在從阻抗匹配網路的輸入終端查看負載的方向較大時，阻抗匹配網路驅動可變無功元件以完成阻抗匹配。因此，頻率可變射頻電源改變驅動頻率，以在根據可變無功元件變化的阻抗上完成阻抗匹配。
此外，當反射係數在從阻抗匹配網路的輸入終端查看負載的方向較小時(幾乎達到阻抗匹配)，阻抗匹配網路可控制可變無功元件，主要取決於驅動頻率與目標頻率之間的差值的函數。
第1圖為本發明實施例的射頻功率系統的概念示意圖。
第2圖為第1圖中的射頻功率系統的詳細方塊圖。
第3圖為根據本發明實施例的射頻功率系統的控制方法的彙總流程圖。
第4圖為根據本發明實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
第5圖為根據本發明實施例的頻率可變阻抗匹配方法的彙總流程圖。
請參考第1圖至第5圖，頻率可變射頻電源110透過阻抗匹配網路130傳送射頻功率到負載140。傳統上負載140為動態負載例如電漿負載，連接到阻抗匹配網路130的輸出終端N5與N6。頻率可變射頻電源110透過具有特性阻抗(characteristic impedance)Z0的傳輸線120連接到阻抗匹配網路130，阻抗匹配網路130被放置為鄰近負載140以傳送射頻功率到負載140。
頻率可變射頻電源110包含驅動頻率控制迴路與功率控制迴路。頻率可變射頻電源110可透過功率控制迴路接收設定功率以及將接收的功率傳送到負載140。頻率可變射頻電源110測量輸出終端N1與N2的電特性，以計算阻抗或反射係數。頻率可變射頻電源110可改變驅動頻率f，這樣反射係數對於阻抗匹配變為零。
頻率可變射頻電源110測量高速時輸出終端N1與N2的電特性，以判定阻抗匹配狀態。因此，頻率可變射頻電源110不考慮阻抗匹配網路130改變驅動頻率以完成阻抗匹配。頻率可變射頻電源110計算輸出終端N1與N2的阻抗ZT。頻率可變射頻電源包含功率感測器單元116 以測量輸出終端N1與N2、放大單元114以及控制單元112的電特性。功率感測器單元116的測量訊號或經過處理的訊號被提供到控制單元112。控制單元112執行前向功率控制演算法或頻率可變阻抗匹配演算法。
此外，阻抗匹配網路130可獨立測量阻抗匹配網路130的輸入終端N3與N4的電特性以計算阻抗Zin。阻抗匹配網路130的輸入終端N3與N4的阻抗Zin與頻率可變射頻電源110的輸出終端N1與N2的阻抗ZT之間存在預定的關係。
阻抗匹配網路130包含兩個可變無功元件132與134。可變無功元件132與134的電抗為電感電抗或電容電抗。可變無功元件132與134主要採用可變電容器。圖中所示的阻抗匹配網路可改變為標準的L型阻抗匹配網路或者其他類型的阻抗匹配網路。對於阻抗匹配，阻抗匹配網路更包含固定電感器或固定電容器。可變無功元件132與134的每一個彼此並行連接複數個固定電容器，以透過開關調整電抗。
阻抗匹配網路130包含阻抗匹配控制演算法與頻率恢復演算法。阻抗匹配控制演算法可改變用於阻抗匹配的可變無功元件132與134處的電抗。頻率恢復演算法可改變可變無功元件132與134的電抗，以完成特定目標驅動頻率處的阻抗匹配。阻抗匹配網路獨立測量輸入終端N3與N4的電特性以計算阻抗Zin。
以下，將描述本發明實施例的射頻功率系統100的作業原理。
射頻功率系統100包含頻率可變射頻電源110與阻抗匹配網路130，阻抗匹配網路130用於將頻率可變射頻電源110處的輸出傳送到 負載140。射頻功率系統100的阻抗匹配方法包含測量頻率可變射頻電源110的輸出終端N1與N2的第一電特性I與V(S112)，使用第一電特性I與V檢查頻率可變射頻電源110處的阻抗匹配(S116)，改變頻率可變射頻電源110的驅動頻率(S118)，測量阻抗匹配網路130處的第二電特性I'與V'(S222)，使用第二電特性I'與V'檢查阻抗匹配網路130處的阻抗匹配狀態以及檢查驅動頻率是否為目標驅動頻率(S226與S228)，當阻抗匹配網路處未完成阻抗匹配時，計算用於阻抗匹配的可變無功元件132與134的電感或電容的第一變化量dC'1與dC'2(S232)，當驅動頻率未匹配目標驅動頻率時，計算用於改變阻抗匹配網路130處的驅動頻率的可變無功元件132與134的電感或電容的第二變化量dC"1與dC"2(S234)，以及藉由第一變化量與第二變化量計算總變化量dC1與dC2，並且使用總變化量dC1與dC2控制可變無功元件132與134(S236與S238)。
阻抗匹配網路130為標準的L型阻抗匹配網路，以及包含第一可變無功元件(可變電容器)132與第二可變無功元件(可變電容器)134。第一可變無功元件(可變電容器)132與負載串聯，第二可變無功元件(可變電容器)134與負載並聯。第一可變無功元件(可變電容器)132與第二可變無功元件(可變電容器)134的每一個為真空可變電容器。第一可變無功元件(可變電容器)132包含第一驅動馬達132a，第二可變無功元件(可變電容器)134包含第二驅動馬達134a。第一驅動馬達132a與第二驅動馬達134a連接馬達驅動單元137。阻抗控制單元138透過驅動向量V1與V2控制馬達驅動單元137。此外，阻抗控制單元138可直接接收第二電特性I與V，或者可接收經過計算的電特性S11與Z。匹配感測器 單元136可測量驅動頻率，並且提供測量的驅動頻率到阻抗控制單元138。阻抗控制單元138可執行阻抗匹配控制演算法與驅動頻率恢復演算法至少其一。
阻抗匹配網路130處，阻抗匹配控制演算法可透過以下的阻抗分析獲得第一可變無功元件(可變電容器)132與第二可變無功元件(可變電容器)134的可變電容C1與C2的變化量(variation amount)dC1與dC2。
方程(1)中，dC1表示第一可變無功元件(可變電容器)132的電容C1的變化量，dC2表示第二可變無功元件(可變電容器)134的電容C2的變化量，以及A與B表示預定的驅動頻率f處用於阻抗匹配所決定的參數。參數A與B被指定為阻抗的函數或者反射係數的函數。可透過傳統方法獲得參數A與B。
阻抗匹配網路130透過改變可變無功元件132與134的電容完成阻抗匹配。當阻抗匹配網路130完成阻抗匹配或者假設頻率可變射頻電源透過改變驅動頻率完成阻抗匹配時，dC1與dC2的變化量變為零。然而，阻抗匹配網路130接收來自頻率可變射頻電源110的功率。因此，當完成阻抗匹配或者反射係數為零時，頻率可變射頻電源的驅動頻率f取決於負載的阻抗ZL以及阻抗匹配網路的電容C1與C2。
可變無功元件132與134的電抗元件可藉由頻率與電感的 乘法或者頻率與電容的乘法被表示。因此，假設完成匹配阻抗且負載阻抗ZL固定。這種情況下，如果驅動頻率被期望改變為目標驅動頻率且保持相同的電抗，驅動角頻率的變化量dω與電容的變化量dC或者驅動角頻率的變化量dω與電感的變化量dL滿足以下條件。
就是說，如果驅動角頻率ω或者驅動頻率f增加，則電容或電感下降。當目標驅動頻率ft被設定且驅動頻率f不同於目標驅動頻率ft時，驅動角頻率的變化量dω取決於電容的變化量dC。
如果目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值為正值，則可變無功元件132與134的電容或電感的變化量被控制為負值。如果目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間的差值為負值，則可變無功元件132與134的電容或電感的變化量被控制為正值。
因此，當滿足阻抗匹配條件時，可變無功元件132與134的可變電容的變化量dC1與dC2被指定為以下方程，以匹配驅動頻率f與目標驅動頻率ft。
方程(3)中，C1表示第一電容器的電容，C2表示第二電容 器的電容，dω表示角頻率的變化量。當dω的數值較大時，第一電容的變化量dC1與第二電容的變化量dC2也顯著被改變。此外，第一電容的變化量dC1與第二電容的變化量dC2的比率，即dC1/dC2具有恆定取向(constant orientation)C1/C2。第一電容的變化量dC1相對第二電容的變化量dC2被改變為保持比率dC1/dC2。
特別地，dω的數值被指定為dω=ωt-ω(t=0)，第一電容的變化量dC1被指定為dC1=C1(t=0+)-C1(t=0)，(ωt為目標驅動角頻率，ω(t=0)為當前驅動角頻率，C1(t=0)為當前電容，以及C1(t=0+)為未來電容)。
當使用方程(3)改變第一電容C1與第二電容C2時，阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源可能不滿足阻抗匹配條件。因此，頻率可變射頻電源可改變驅動頻率以滿足阻抗匹配條件。
當改變的驅動頻率不同於目標驅動頻率時，第一電容的變化量dC1與第二電容的變化量dC2再次被改變。結果，阻抗匹配網路的第一電容與第二電容連續被改變，直到驅動頻率達到目標驅動頻率為止。
因此，不考慮頻率可變射頻電源110的驅動頻率變化演算法，阻抗匹配網路130可感應頻率可變射頻電源的驅動頻率，以達到目標驅動頻率。當頻率可變射頻電源110改變驅動頻率以完成阻抗匹配時，阻抗匹配網路130可能未運行阻抗匹配演算法或者僅僅運行頻率恢復演算法。
另一方面，假設目前實現了阻抗匹配，頻率可變射頻電源110可滿足預測驅動角頻率ωp處的阻抗匹配條件。預測驅動頻率被指定為以下。
頻率可變射頻電源110可接收此預測驅動角頻率以改變驅動頻率，以高速被改變為預測驅動角頻率。然而，阻抗匹配網路中，由於馬達的驅動速度的緣故，第一可變電容器的第一電容的變化量與第二可變電容器的第二電容的變化量可具有時間延遲。這種情況下，馬達的驅動速度被轉換為最大速度較佳。然而，為了匹配速度，預測驅動角頻率被設定為不同於目標驅動頻率。
依照本發明的修正實施例，因為dC1與dC2具有相同的符號，預測驅動角頻率可僅僅取決於dC1或dC2的符號。
在實現阻抗匹配的條件下，以上計算的預測驅動頻率fp被提供給頻率可變射頻電源110。因此，頻率可變射頻電源110無須分離的阻抗匹配演算法可達到目標驅動頻率。因此，驅動頻率可容易且快速地達到目標驅動頻率，且滿足阻抗匹配條件。結果，目標驅動頻率的射頻功率被傳送到負載，且滿足阻抗匹配條件。
依照本發明的修正實施例，甚至在未實現阻抗匹配的條件下，計算的預測驅動頻率被提供給頻率可變射頻電源110。
當改變驅動頻率時，能夠實現阻抗匹配的負載的阻抗面積(impedance area)被限制。因此，如果甚至透過改變驅動頻率未實現阻抗 匹配時，阻抗匹配網路130包含一種演算法，改變可變無功元件132與134以搜索阻抗匹配條件。特別地，電漿負載的條件依照時間明顯變化。例如，第一時間間隔需要低功率，而第二時間間隔需要高功率。這種情況下，可透過改變第一時間間隔的驅動頻率完成阻抗匹配，而透過改變第二時間間隔的驅動頻率無法實現阻抗匹配。因此，需要一種可變無功元件，能夠在寬範圍的負載條件下完成阻抗匹配。
阻抗匹配網路可具有搜索阻抗匹配條件的阻抗匹配控制演算法與感應驅動頻率以達到目標驅動頻率的頻率恢復演算法。搜索阻抗匹配條件的演算法以及感應驅動頻率以達到目標驅動頻率的演算法係由第一可變電容的變化量dC1與第二電容的變化量dC2表示。
方程(5)中，A與B為任意數值。當數值A與B不滿足阻抗匹配條件時，第一與第二電容的變化量dC1與dC2中，方程(5)中右手側的第一與第二項可彼此競爭。第一項為設定為用於阻抗匹配的項，第二項為用於感應驅動頻率為目標驅動頻率的項。如果第一與第二項均運算，可出現一個令人不安的問題。
因此，為了有效運算，方程(5)可被修正為以下。
方程(6)中，g1表示第一加權函數，g2表示第二加權函數。當反射係數較大時第一加權函數g1具有大數值，當反射係數較小時第一加權函數g1具有小數值。當反射係數較大時第二加權函數g2具有小數值，當反射係數較小時第二加權函數g2具有大數值。
請參考方程(6)，當反射係數大到遠離阻抗匹配條件時，則主要運算右手側的第一項完成阻抗匹配。第一可變電容的變化量dC1與第二可變電容的變化量dC1被改變且保持取向(A/B)。更特別地，第一可變電容與第二可變電容被改變，且A對B的比率(A/B)保持恆定。
另一方面，請參考方程(6)，當反射係數小到幾乎達到阻抗匹配條件時，阻抗匹配網路透過主要運算右手側的第二項感應頻率可變射頻電源110的驅動頻率，以會合到目標驅動頻率上。第一可變電容的變化量dC1與第二可變電容的變化量dC2被改變且保持取向(C1/C2)。
依照本發明的實施例，當頻率可變射頻電源110改變驅動頻率以完成阻抗匹配時，阻抗匹配網路130主要運行驅動頻率恢復演算法。因此，頻率可變射頻電源110完成高速阻抗匹配，阻抗匹配網路130感應頻率可變射頻電源110以改變驅動頻率為目標驅動頻率且保持阻抗匹配。因此，當負載為電漿負載時，高速阻抗匹配可確保硬體的穩定性。此外，驅動頻率可會合到目標驅動頻率上以實現製程再現性。
本發明實施例的阻抗匹配方法可被應用到連續波(continuous wave；CW)電漿或脈衝電漿。
依照本發明的實施例，當僅僅透過頻率可變射頻電源110無法實現阻抗匹配時，阻抗匹配網路130主要運行阻抗匹配控制演算法。 阻抗匹配網路130透過改變可變無功元件的電抗完成阻抗匹配。因此，當完成阻抗匹配時，阻抗匹配網路130主要運行驅動頻率恢復演算法。因此，阻抗匹配網路130感應頻率可變射頻電源110的驅動頻率以改變為目標驅動頻率且保持阻抗匹配條件。
依照本發明的修正實施例，頻率可變射頻電源110提供驅動頻率到阻抗匹配網路。此外，頻率可變射頻電源110可傳送測量的電特性到阻抗匹配網路。結果，阻抗匹配網路允許省略測量驅動頻率的分離步驟與測量電特性的分離步驟。
[頻率可變阻抗匹配]
以下，將描述本發明實施例的頻率可變阻抗匹配方法。
頻率可變射頻電源110可測量輸出終端N1與N2的電特性以計算輸出阻抗ZT、反射係數S11或反射波功率。頻率可變射頻電源110可在最小頻率與最大頻率的範圍內改變驅動頻率。傳統上可變範圍為參考頻率或者平均頻率的5%。可依照規律間隔完成粗頻率掃描，以在最小頻率與最大頻率的範圍內找到具有最小反射係數的驅動頻率。因此，可找到具有最小反射係數的週期。可在找到的頻率區域中完成細頻率掃描。因此，可選擇最小反射係數的驅動頻率。
第6圖為根據本發明實施例的頻率可變阻抗匹配的史密斯圖。
請參考第5圖與第6圖，如果當負載固定時驅動頻率被改變，則反射係數遵循史密斯圖上恆定的電導圓環。因此，當反射係數的虛部(imaginary part)為正值時，驅動頻率增加。當反射係數的虛部為負值時， 驅動頻率降低。因此，驅動頻率可停止於反射係數最小的點或者停止於反射係數為零的點。頻率可變射頻電源可完成頻率可變阻抗匹配。
透過測量可變射頻電源的輸出處的電特性以及使用測量的電特性改變驅動頻率，頻率可變射頻電源可完成阻抗匹配(S118)。頻率可變射頻電源可測量輸出終端的電特性(S112)。可使用驅動頻率與測量的電特性計算反射係數S11與阻抗ZT(S114)。使用反射係數S11或電壓標準波比率(voltage standing wave ratio；VSWR)測試匹配狀態(S118a)。當反射係數S11等於或大於容限(tolerance)時，驅動頻率被改變以用於阻抗匹配(S118c)。當驅動頻率達到最大值或最小值時，驅動頻率被保持在最大值或最小值(S118b)。隨著驅動頻率被改變，查看負載的方向的阻抗ZT也被改變。
以下，將描述本發明實施例的可變電抗的阻抗匹配方法。
依照本發明，可變無功元件為提供可變電容的可變電容器與提供可變電感的可變電感器其中之一。
[各種類型的匹配系統]
依照可變無功元件(reactive component)或被動部件(passive component)到傳輸線的方式，阻抗匹配網路可為分類為各種類型的阻抗匹配網路。如果阻抗匹配網路各自包含第一與第二電容器，則依照第一與第二電容器到傳輸線120的連接方式，它們被分類為L型、反向L型、T型以及π型阻抗匹配網路。
阻抗匹配網路的阻抗匹配包含擷取特徵向量(S232a)，使用預定的變換矩陣將表示可變無功元件的電抗的裝置向量轉換為分析向量， 以及使用分析向量作為坐標軸在分析坐標系統上表示特徵向量(S232b)，分析此分析坐標系統上的特徵向量以擷取用於阻抗匹配的位移向量(S232c)，使用變換矩陣將位移向量轉換為一降低裝置向量(reduced device vector)(S232d)，以及使用此降低裝置向量擷取電容或電感的變化量(S232e)。
[特徵向量的選擇]
依照本發明的實施例，根據阻抗匹配網路的輸入終端處或者頻率可變射頻電源的輸出終端處測量的電特性，可定義特徵向量，特徵向量可為具有標準化大小的物理量(physical quantity)。
依照本發明的實施例，可由傳輸線的反射係數S11定義特徵向量。藉由傳輸線的的特徵阻抗Z0或者查看負載的方向的阻抗Z定義傳輸線的係數S11(=Γ)。
反射係數S11的大小(即，S=|S11|)可為0與1之間的任意數值。傳輸線的阻抗Z表示包含阻抗匹配網路與負載的系統的阻抗。反射係數S11的相位根據傳輸線的位置變化。因此，反射係數S11可根據傳輸線的位置互相轉換。
阻抗匹配網路包含至少兩個可變無功元件。這種情況下，特徵向量為包含至少兩個分量的物理量，以明確地決定每一無功元件的電抗。例如，特徵向量Q被定義為二維向量，具有反射係數的實部Re{S11}與虛部Im{S11}作為分量。
[分析坐標系統的選擇]
分析坐標系統被選擇為表示預定的相位空間，在數量上將阻抗匹配網路的電特性C1和C2與傳輸線的電特性Z或S11關聯。為此，從阻抗匹配網路的電特性相關的物理量中選擇分析坐標系統的坐標，傳輸線的電特性被表示為選擇的分析坐標系統上的單個點。
依照本發明的實施例，分析坐標系統的坐標(以下稱為「分析坐標」)可被表示為組成阻抗匹配網路的可變無功元件的電特性(例如，電抗)的函數，用於表示被測量的傳輸線的電特性的特徵向量(characteristic vector)被表示為分析坐標上的一個點。
較佳地，分析坐標選擇匹配系統的電特性與傳輸線的電特性之間的關係以被單射對映。術語「單射對映(injective mapping)」意味著單個匹配點對應單個坐標的關係。
分析坐標G可使用預定的變換矩陣T透過轉換阻抗匹配網路的可測量的電特性(例如，電抗)而獲得。例如，透過預定的變換矩陣T與預定的裝置向量X的內積(inner product)可獲得分析坐標G，表示如下。
方程(9) G=TX
裝置向量X可具有與組成阻抗匹配網路的各個可變無功元件的電特性相關的物理量作為分量，以及可依照阻抗匹配網路的類型與裝 置向量X的物理量選擇裝置向量X。因此，也可依照匹配系統的類型選擇分析坐標G。
更特別地，阻抗匹配網路可包含兩個可變無功元件。這種情況下，透過各自坐標無功分量的電特性相關的物理量X1與X2以及預定的二級方陣(square matrix)的內積，可獲得分析坐標G1與G2。依照本發明，變換矩陣T的元素(即，a11、a12、a21與a22)係選自-1與1之間的數值。
可透過多種方法準備變換矩陣T。例如，依照匹配程序上的可變無功元件數值與經驗數據(empirical data)，透過理論途徑、使用電腦的仿真分析以及阻抗匹配網路的阻抗測量值的分析至少其一，可獲得變換矩陣T。這種分析係基於匹配系統的類型與裝置向量X的物理量而被完成。此外，透過組成匹配系統的可變無功元件的個數決定變換矩陣T的型(form)與秩(rank)。就是說，如果匹配系統包含多個個數的可變無功分量，變換矩陣T的型與秩則增加。
如上所述，阻抗匹配網路包含兩個可變電容器。這種情況下，變換矩陣T與裝置向量X可被表示為可變電容器的電容的函數。
當阻抗匹配網路為L型或π型時，裝置向量X被指定為以下。
方程(10)中，ω表示角頻率，Ci表示各個可變電容器的 電容。
當阻抗匹配網路為反向L型或T型時，裝置向量X被指定為以下。
方程(11) X i =ωC i
[位移向量的判定]
位移向量分析此分析坐標系統上傳輸線的測量狀態所對應的特徵向量(以下稱為「測量的特徵向量」)的大小或位置，以表示移動到阻抗匹配線所需要的坐標運動的大小。
當阻抗匹配網路為L型或π型時，位移向量dG1與dG2可被表示為以下。
當阻抗匹配網路為反向L型或T型時，位移向量dG1與dG2可被表示為以下。
依照本發明的實施例，位移向量dG為將反射係數或阻抗變換後獲得的物理量，以分析此分析坐標系統上的阻抗匹配。因此，需要一個步驟，將位移向量變換為組成阻抗匹配網路的元件的電特性的大小或 者與此大小相關的物理量以控制此阻抗匹配網路。
為此，需要一個步驟，將位移向量dG反向轉換為降低裝置向量dX'，具有可變無功元件的可變物理量的大小。此外，需要一個步驟，將降低裝置向量dX'轉換為用於控制可變無功元件的驅動向量V。
考慮到透過變換矩陣T獲得分析坐標系統G1與G2的事實，當阻抗匹配網路為L型或π型(可變電容器)時，降低裝置向量dX'可透過變換矩陣T的反矩陣T-1與位移向量dG的內積(inner product)而獲得。
當阻抗匹配網路為反向L型或T型(可變電容器)時，降低裝置向量dX'可透過變換矩陣T的反矩陣T-1與位移向量dG的內積(inner product)而獲得。
依照本發明的實施例，透過控制預定驅動馬達的旋轉、直線運動設備的直線運動或者用於開關並聯的固定電容器的開關元件，可改變可變無功元件的電抗。
例如，當可變無功元件為可變電容器時，L型或π型的阻抗匹配網路的電容的變化量dC1與dC2可表示如下。
例如，當可變無功元件為可變電容器時，L型或π型的阻抗匹配網路的電容的變化量dC1與dC2可表示如下。
[頻率恢復演算法與可變電抗阻抗匹配演算法的組合]
考慮到頻率恢復阻抗匹配，當可變無功元件為可變電容器時，L型或π型的阻抗匹配網路的電容的變化量dC1與dC2可表示如下。
方程(18)中，右手側的第一項為用於電抗阻抗匹配的電 容的變化量，右手側的第二項為用於感應驅動頻率為目標驅動頻率的電容的變化量。方程(18)中，g1表示第一加權函數，以及g2表示第二加權函數。當反射係數較大時，第一加權函數g1具有大數值，以及當反射係數較小時，第一加權函數g1具有小數值。另一方面，當反射係數較大時，第二加權函數g2具有小數值，以及當反射係數較小時，第二加權函數g2具有大數值。
當反射係數較大時，右手側的第一項主要運算以完成低速的阻抗匹配。另一方面，當反射係數較小時，右手側的第二項主要運算以在相對高速時感應驅動頻率為目標驅動頻率。
依照本發明的修正實施例，右手側的第一項中，驅動角頻率、C1以及C2可被處理為常數以提高計算速度。右手側的第二項中，驅動角頻率、C1以及C2可被處理為常數以提高計算速度。
考慮到頻率恢復阻抗匹配，當可變無功元件為可變電容器時，反向L型或T型的阻抗匹配網路的電容的變化量dC1與dC2可表示如下。
方程(19)中，右手側的第一項為用於電抗阻抗匹配的電容的變化量，右手側的第二項為用於感應驅動頻率為目標驅動頻率的電容的變化量。方程(19)中，g1表示第一加權函數，以及g2表示第二加權函 數。當反射係數較大時，第一加權函數g1具有大數值，以及當反射係數較小時，第一加權函數g1具有小數值。另一方面，當反射係數較大時，第二加權函數g2具有小數值，以及當反射係數較小時，第二加權函數g2具有大數值。
當反射係數較大時，右手側的第一項主要運算以完成低速的阻抗匹配。另一方面，當反射係數較小時，右手側的第二項主要運算以在相對高速時感應驅動頻率為目標驅動頻率。
依照本發明的修正實施例，右手側的第一項中，驅動角頻率、C1與C2可被處理為常數以提高計算速度。右手側的第二項中，驅動角頻率、C1與C2可被處理為常數以提高計算速度。
[驅動向量]
驅動向量V可包含用作分量的數值，用於驅動馬達的數值控制(numerical control)，其幅度(magnitude)與物理量綱(physical dimension)可依照數值控制的方法與驅動馬達的種類而變化。例如，驅動向量V可被指定為電容的變化量dC1和dC2與預定的數值控制因數M的純量積(scalar product)。
方程(20)中，V1與V2分別表示控制參數，被輸入以驅動連接第一與第二可變電容器的驅動馬達。此外，數值控制因數M可為數值控制的標準幅度(例如，驅動馬達的標準速度)，電容的變化量dC1與dC2 被選擇具有與驅動向量V相同的維度(dimension)。
依照本發明的修正實施例，V1與V2為用於直線運動設備的直線運動的控制參數或者用於開關並聯的固定電容器的開關元件的控制參數。
第7圖為根據本發明另一實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
請參考第7圖，可變電抗的阻抗匹配網路被放置於用於改變驅動頻率f的頻率可變射頻電源與負載之間。可變電抗的阻抗匹配網路的阻抗匹配方法中，透過改變阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感，頻率可變射頻電源被感應以作業於目標驅動頻率(S200)。阻抗匹配網路的可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間差值的函數。
阻抗匹配方法包含透過測量頻率可變射頻電源的輸出處的電特性以及使用測量的電特性改變驅動頻率(S110)而完成第一阻抗匹配，以及將包含可變無功元件的阻抗匹配網路放置於頻率可變射頻電源與負載之間，以改變可變無功元件的電容或電感(S200)。可變無功元件的電容或電感的變化量被指定為目標驅動頻率ft與驅動頻率f之間差值的函數。
第一阻抗匹配的完成步驟(S110)包含測量頻率可變射頻電源的輸出處的第一電特性(S112)，使用頻率可變射頻電源處的第一電特性檢查阻抗匹配狀態(S114與S116)，以及改變頻率可變射頻電源的驅動頻率(S118)。
可變無功元件的電容或電感的改變步驟(S200)包含測量 阻抗匹配網路的電特性(S222)，檢查驅動頻率是否為目標驅動頻率(S228)，當驅動頻率與目標驅動頻率不匹配時，計算用於改變驅動頻率的可變無功元件的電感或電容的變化量(S234)，以及使用變化量控制可變無功元件(S236與S238)。
第8圖為根據本發明另一實施例的阻抗匹配方法的彙總流程圖。
請參考第8圖，阻抗匹配網路與頻率可變射頻電源作業為一體以作為一個射頻功率系統。因此，僅僅測量頻率可變射頻電源的輸出終端處的電特性(S322)。因此，透過計算以計算可變無功元件處查看負載方向的阻抗Zin或反射係數S11(S324)。當滿足阻抗匹配條件時，射頻功率系統檢查驅動頻率是否為目標驅動頻率(S326與S328)。當未滿足阻抗匹配條件時，改變驅動頻率(S329與S330)。此外，當未滿足阻抗匹配條件時，擷取用於阻抗匹配的無功元件的可變電感或可變電容的第一變化量(S332)。此外，當驅動頻率不同於目標驅動頻率時，擷取用於改變驅動頻率的無功元件的可變電感或可變電容的第二變化量(S334)。其後，透過將第一加權函數乘以第一變化量以及將第二加權函數乘以第二變化量計算驅動向量(S336)。驅動向量用於驅動可變電感或可變電容(S338)。
第9圖為根據本發明另一實施例的射頻功率系統。
請參考第9圖，可變無功元件包含並聯的固定電容器。固定電容器包含開關以改變電容。因此，因為可變電容未使用馬達，故可提高阻抗匹配速度與目標驅動頻率恢復速度。
第10圖為根據本發明另一實施例的射頻功率系統。
請參考第10圖，可變無功元件包含並聯的固定電容器與可變電容器。固定電容器包含開關以改變電容。因此，可變電容可快速地接近一近似目標值，使用驅動馬達的可變電容器可完成微小的阻抗匹配或者頻率恢復。
第11圖為標準的L型阻抗匹配網路中阻抗匹配區域的史密斯圖。
請參考第1圖與第11圖，第一固定電感器L1為100毫微亨利(nH)，第二固定電感器L2為500 nH，第一可變無功元件(可變電容器)132的可變範圍為150微微法拉(pF)與1000 pF之間，第二可變無功元件(可變電容器)134的可變範圍為85 pF與500 pF之間。阻抗可匹配區可透過第一可變電容器與第二可變電容器表示，如第11中的陰影區域所示。
第12圖為當阻抗匹配可能僅僅具有頻率可變射頻電源時僅僅使用頻率可變射頻電源的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第1圖與第12圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，第二可變電容器的可變範圍為85 pF與500 pF之間。對於可變頻率阻抗匹配來說，第一可變電容器用於固定為724.5 pF，第二可變電容器用於固定為150 pF。可變頻率射頻電源的控制迴路的時間間隔為100微秒(μsec)。當反射係數的虛部具有正值時，頻率變化演算法增加驅動頻率，以及當反射係數的虛部具有負值時，頻率變化演算法降低驅動頻率。
依照仿真結果，大約2毫秒(msec)完成頻率阻抗匹配。 這種情況下，驅動頻率的y軸被指定為50+(f-fo)/(2△f)。因此2△f為頻率可變區，fo為中央驅動頻率。
驅動頻率在大約2毫秒後從初始數值(50%)增加到70%。改變驅動頻率的演算法可完成大約2毫秒的高速阻抗匹配。然而，驅動頻率從50%增加到70%。在電漿負載的阻抗依照時間改變的情形下，驅動頻率f無法維持恆定。因此，電漿製程的穩定性與再現性則被劣化。
另一方面，當控制迴路的時間間隔低於100微秒時，改變驅動頻率的演算法可完成2毫秒或更短時間的阻抗匹配。
第13圖為當阻抗匹配可能僅僅具有頻率可變射頻電源時僅僅使用固定驅動頻率的可變無功元件的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第13圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，第二可變電容器134的可變範圍為85 pF與500 pF之間。第一可變電容器的初始條件為724.5 pF，第二可變電容器的初始條件為150 pF。方程(16)用於阻抗匹配。
對於可變無功元件的匹配，驅動頻率用於被固定為50%(fo)。控制迴路的時間間隔為100μsec。
由於驅動可變電容器的馬達需要時間的緣故，可變無功元件的電抗變化演算法需要大約200毫秒(msec)用於阻抗匹配。因此，將反射功率降低到50%所需要的時間為大約40毫秒。
電漿負載的阻抗依照時間變化的情形下，將反射功率降低到50%所需要的時間為大約40毫秒。因此，電漿製程的穩定性與再現性則 被劣化。
第14圖為當阻抗匹配僅僅具有頻率可變射頻電源時，透過同時使用頻率可變射頻電源與可變無功元件仿真以採用恢復驅動頻率為目標驅動頻率的演算法的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第14圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，以及第二可變電容器的可變範圍為85 pF與500 pF之間。第一可變電容器的初始條件為724.5 pF，第二可變電容器的初始條件為150 pF。驅動頻率的初始條件為50%。控制迴路的時間間隔為100μsec。當反射係數的虛部具有正值時，頻率可變射頻電源的頻率變化演算法增加驅動頻率，當反射係數的虛部具有負值時則降低驅動頻率。方程(18)用於可變電抗的阻抗匹配網路的阻抗匹配與頻率恢復。
透過驅動頻率的變化，在大約2毫秒處實現阻抗匹配。在大約10毫秒處驅動頻率會合到目標驅動頻率(50%)且滿足阻抗匹配條件。因此，阻抗匹配時間非常快(大約2毫秒)，驅動頻率達到目標驅動頻率所花費的時間為大約100毫秒，比第13圖中使用可變無功元件的阻抗匹配時間短。
當反射的功率下降到50%以下的時間為大約0.6毫秒。因此，提高了反射功率所導致的製程穩定性。就是說，在2毫秒處完成高速阻抗匹配，在100毫秒處恢復驅動頻率。
具有多步驟訣竅的電漿製程的情況下，每一步驟傳統上具有等於或少於幾秒的電漿狀態。因此，如果在2毫秒內完成阻抗匹配，且 在100毫秒內恢復頻率，則顯著地提高了製程穩定性。
使用脈衝電漿的電漿製程的情況下，傳統上脈衝寬度少於幾微秒(microseconds)。因此，依照本發明的實施例，在脈衝寬度內完成阻抗匹配。在經過複數個脈衝序列後恢復驅動頻率。因此，提高了製程穩定性與製程再現性。
第15圖為當阻抗匹配可能僅僅具有頻率可變射頻電源時僅僅使用頻率可變射頻電源的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第15圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，以及第二可變電容器134的可變範圍為85 pF與500 pF之間。對於頻率可變阻抗匹配，第一可變電容器用以固定為500 pF，第二可變電容器用以固定為150 pF。控制迴路的時間間隔為100微秒。當反射係數的虛部具有正值時，頻率變化演算法增加驅動頻率，當反射係數的虛部具有負值時則降低驅動頻率。
依照仿真的結果，無法在頻率可變範圍內完成阻抗匹配。因此，當電漿負載的範圍較寬時無法使用頻率可變射頻電源。
第16圖為當阻抗匹配不可能僅僅具有頻率可變射頻電源時僅僅使用固定驅動頻率的可變無功元件的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第16圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，以及第二可變電容器的可變範圍為85 pF與500 pF之間。第一可變電容器的初始條件為500 pF，第二可變電容器的初始條件為150 pF。方程(16)用於阻抗匹配。
反射功率降低到50%以下所花費的時間為大約100msec。此外，阻抗匹配需要大約400msec。因此，具有多步驟的電漿製程的情況下，每一步驟傳統上具有等於或少於幾秒的電漿狀態。結果，難以確保製程穩定性與製程再現性。
第17圖為當阻抗匹配不可能僅僅具有頻率可變射頻電源時，同時使用頻率可變射頻電源與可變無功元件採用恢復驅動頻率為目標驅動頻率的演算法的阻抗匹配的條件的圖形。
請參考第17圖，仿真中使用的條件如下。第一固定電感器為100 nH，第二固定電感器為500nH，第一可變電容器的可變範圍為150 pF與1000 pF之間，以及第二可變電容器的可變範圍為85 pF與500 pF之間。第一可變電容器的初始條件為500 pF，第二可變電容器的初始條件為150 pF。驅動頻率的初始條件為50%。控制迴路的時間間隔為100μsec。當反射係數的虛部具有正值時，頻率變化演算法增加驅動頻率，當反射係數的虛部具有負值時則降低驅動頻率。方程(18)用於阻抗匹配與頻率恢復。
阻抗匹配需要大約300msec。然而，反射功率透過頻率變化演算法下降到低於50%所花費的時間為大約3msec。因此，使用可變元件完成阻抗匹配，且使用頻率變化演算法最小化反射功率。同時，驅動頻率會合到目標驅動頻率。
因此，甚至當電漿負載的範圍非常寬時，完成阻抗匹配與驅動頻率恢復，且保持反射功率處於預定範圍內。因此，比僅僅具有可變元件完成阻抗匹配的時候更高速地完成阻抗匹配。另外，完成50%或更少 的反射功率所需要的時間顯著降低。
如上所述，本發明實施例的阻抗匹配系統可提供高速的阻抗匹配，並且可會合驅動頻率到恆定數值(目標驅動頻率)以提高電漿製程的穩定性與電漿製程的再現性。
雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (27)

  1. 一種阻抗匹配方法，其中可變電抗的一阻抗匹配網路被放置於用以改變一驅動頻率f的一頻率可變射頻電源與一負載之間，該阻抗匹配方法包含：控制該阻抗匹配網路的一可變無功元件的電容或電感的變化量為一目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的差值的函數，以及其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
  2. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中dω表示一目標驅動角頻率(ωt=2πft)與一驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
  3. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中，K1為常數，K2為常數，以及dω表示一目標驅動角頻率(ωt=2πft)與一驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
  4. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中當一目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的差值具有正值時，該可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為具有負值，以及其中一目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的差值具有負值時，該可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為具有正值。
  5. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量額外取決於用以阻抗匹配的一反射係數或者阻抗的函數。
  6. 如請求項5所述之阻抗匹配方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中A與B為取決於一反射係數或阻抗的參數，dω表示一目標驅動角頻率(ωt=2πft)與一驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
  7. 如請求項6所述之阻抗匹配方法，其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中g1表示一第一加權函數，g2表示一第二加權函數，其中當一反射係數較大時，該第一加權函數具有大數值，當該反射係數較小時，該第一加權函數具有小數值，以及其中當該反射係數較大時，該第二加權函數具有小數值，當該反射係數較小時，該第二加權函數具有大數值。
  8. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該頻率可變射頻電源透過改變該驅動頻率完成阻抗匹配，以及其中當一反射係數的一虛部具有正值時，該頻率可變射頻電源增加該驅動頻率，以及當該反射係數的該虛部具有負值時，該頻率可變射頻電源降低該驅動頻率。
  9. 如請求項1所述之阻抗匹配方法，其中該頻率可變射頻電源透過改變該驅動頻率完成阻抗匹配，以及其中該頻率可變射頻電源透過掃描該驅動頻率完成阻抗匹配。
  10. 如請求項5所述之阻抗匹配方法，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用以阻抗匹配的反射係數或者阻抗的函數的步驟包含：擷取一特徵向量；使用預定的一變換矩陣將用於表示一可變無功元件的電抗的一裝置向量變換為一分析向量，以及使用該分析向量作為一坐標軸在一分析坐標系統上表示該特徵向量；分析該分析坐標系統上的該特徵向量以擷取一位移向量用於阻抗匹配；使用該變換矩陣將該位移向量變換為一降低裝置向量；以及使用該降低裝置向量擷取電容或電感的變化量。
  11. 一種射頻系統的控制方法，包含：透過測量一頻率可變射頻電源的一輸出處的電特性以及使用測量的該電特性改變一驅動頻率，完成一第一阻抗匹配；以及將包含一可變無功元件的一阻抗匹配網路放置於該頻率可變射頻電源與一負載之間，以改變該可變無功元件的電容或電感，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量被指定為一目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的函數，以及其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
  12. 如請求項11所述之射頻系統的控制方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中dω表示一目標驅動角頻率(ωt=2πft)與一驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
  13. 如請求項11所述之射頻系統的控制方法，更包含：計算一預測驅動頻率fp，以及將計算的該預測驅動頻率fp提供到該頻率可變射頻電源。
  14. 如請求項13所述之射頻系統的控制方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中一預測驅動角頻率ωp被指定為以下，其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中ωp表示該預測驅動角頻率(ωp=2πfp)，ω表示一驅動角頻率(ω=2πf)，C1表示該第一電容器的第一電容，以及C2表示該第二電容器的第二電容。
  15. 如請求項11所述之射頻系統的控制方法，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用於阻抗匹配的一反射係數或者阻抗的函數。
  16. 如請求項15所述之射頻系統的控制方法，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量取決於用於阻抗匹配的一反射係數或者阻抗的函數的步驟包含：擷取一特徵向量；使用預定的一變換矩陣將用於表示一可變無功元件的電抗的一裝置向量變換為一分析向量，以及使用該分析向量作為一坐標軸在一分析坐標系統上表示該特徵向量；分析該分析坐標系統上的該特徵向量以擷取一位移向量用於阻抗匹配；使用該變換矩陣將該位移向量變換為一降低裝置向量；以及使用該降低裝置向量擷取電容或電感的變化量。
  17. 如請求項11所述之射頻系統的控制方法，其中該可變無功元件包含一第一電容器與一第二電容器，以及其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中A與B為取決於一反射係數或阻抗的參數，以及dω表示一目標驅動角頻率(ωt=2πft)與一驅動角頻率(ω=2πf)之間的差值。
  18. 如請求項17所述之射頻系統的控制方法，其中該第一電容器的第一電容C1與該第二電容器的第二電容C2的變化量dC1與dC2滿足以下的條件，其中g1表示一第一加權函數，g2表示一第二加權函數，其中當一反射係數較大時，該第一加權函數具有大數值，以及當該反射係數較小時，該第一加權函數具有小數值，以及其中當該反射係數較大時，該第二加權函數具有小數值，以及當該反射係數較小時，該第二加權函數具有大數值。
  19. 一種阻抗匹配方法，其中可變電抗的一阻抗匹配網路被放置於用以改變一驅動頻率的一頻率可變射頻電源與一負載之間，該阻抗匹配方法包含：改變該阻抗匹配網路的一可變無功元件的電容或電感，這樣該頻率可變射頻電源被感應為作業於一目標驅動頻率，以及其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
  20. 如請求項19所述之阻抗匹配方法，其中該阻抗匹配網路的該可變無功元件的電容或電感的變化量被控制為該目標驅動頻率ft與該驅動頻率f之間的差值的函數。
  21. 如請求項19所述之阻抗匹配方法，更包含：計算一預測驅動頻率fp，以及將計算的該預測驅動頻率fp提供到該頻率可變射頻電源。
  22. 一種射頻功率系統的阻抗匹配方法，該射頻功率系統包含一頻率可變射頻電源與一阻抗匹配網路，該阻抗匹配網路將該頻率可變射頻電源的一輸出傳送到一負載，該阻抗匹配方法包含：測量該頻率可變射頻電源的一輸出終端的一第一電特性；藉由該頻率可變射頻電源使用該第一電特性檢查一阻抗匹配狀態；改變該頻率可變射頻電源的一驅動頻率；測量該阻抗匹配網路處的一第二電特性；使用該阻抗匹配網路處的該第二電特性檢查一阻抗匹配狀態，以及檢查該驅動頻率是否為一目標驅動頻率；當該阻抗匹配網路未完成阻抗匹配時，計算用於阻抗匹配的可變無功元件的電感或電容的第一變化量；當該驅動頻率與該目標驅動頻率未匹配時，計算用於改變該阻抗匹配網路處的該驅動頻率的該可變無功元件的電感或電容的第二變化量；以及計算該第一變化量與該第二變化量所導致的總變化量，以及利用該總變化量控制該可變無功元件。
  23. 一種射頻功率系統的阻抗匹配方法，該射頻功率系統包含一頻率可變射頻電源與一阻抗匹配網路，該阻抗匹配網路將該頻率可變射頻電源的一輸出傳送到一負載，該阻抗匹配方法包含：測量該頻率可變射頻電源的一輸出終端的一第一電特性；藉由該頻率可變射頻電源使用該第一電特性檢查一阻抗匹配狀態；改變該頻率可變射頻電源的一驅動頻率；檢查該驅動頻率是否為一目標驅動頻率；當未完成阻抗匹配時，計算用於阻抗匹配的一可變無功元件的電感或電容的第一變化量；當該驅動頻率與該目標驅動頻率未匹配時，計算用於改變該驅動頻率的該可變無功元件的電感或電容的第二變化量；以及計算該第一變化量與該第二變化量的總變化量，以及利用該總變化量控制該可變無功元件。
  24. 一種阻抗匹配網路，被放置於一射頻電源與一負載之間，該射頻電源具有預定的頻率可變範圍且輸出一射頻功率，該阻抗匹配網路包含：至少兩個可變無功元件，其中該可變無功元件的電感或電容的變化量被指定為一驅動頻率與一目標驅動頻率之間的差值的函數。
  25. 一種射頻功率系統，包含：一頻率可變射頻電源，具有一預定的頻率可變範圍且改變一驅動頻率以完成阻抗匹配；以及一阻抗匹配網路，接收該頻率可變射頻電源的一輸出且傳送該輸出到一負載，其中該阻抗匹配網路改變該阻抗匹配網路的一可變無功元件的電容或電感，這樣該頻率可變射頻電源被感應為作業於一目標驅動頻率，其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
  26. 一種電子裝置，包含至少兩個可變無功元件，傳送一頻率可變射頻電源的一輸出到一負載，其中該可變無功元件的電容或電感的變化量包含該頻率可變射頻電源的一驅動頻率與一目標驅動頻率之間的差值的函數，以及其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
  27. 一種射頻功率系統的阻抗匹配方法，該射頻功率系統包含一頻率可變射頻電源與一阻抗匹配網路，該阻抗匹配網路將該頻率可變射頻電源的一輸出傳送到一負載，該阻抗匹配方法包含：測量該頻率可變射頻電源的一輸出終端的第一電特性；藉由該頻率可變射頻電源使用該等第一電特性檢查一阻抗匹配狀態；改變該頻率可變射頻電源的一驅動頻率；藉由該阻抗匹配網路測量一第二電特性；藉由該阻抗匹配網路使用該第二電特性檢查一阻抗匹配狀態；計算用於阻抗匹配的一可變無功元件的電感或電容的第一變化量；以及使用該第一變化量控制該可變無功元件，其中該目標驅動頻率係處於該頻率可變射頻電源的一頻率可變範圍內。
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