用於控制匹配網絡的裝置、系統和方法
2023-05-28 04:33:41
專利名稱：用於控制匹配網絡的裝置、系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於涉及等離子體處理的功率傳輸系統的裝置和方法，並且尤 其涉及一種用於匹配負載的可變阻抗的裝置和方法。
背景技術：
在諸如製造半導體或者平板顯示器的等離子體處理應用中，RF功率發生器向等離 子體腔室中的負載施加電壓並且可以在寬範圍的頻率上操作。處理等離子體的阻抗能夠隨 著該施加電壓的頻率、腔室壓力、氣體組成以及靶材料或者襯底材料而發生變化。結果，反 應式阻抗匹配網絡通常用於將腔室阻抗轉換為用於功率發生器(例如RF功率發生器)的 理想負載。
發明內容
下面將在附圖中示出的本發明的示例性實施例總結如下。在具體實施方式
部分更 加充分地描述了這些和其它實施例。然而，應該理解並不試圖將本發明局限於在
發明內容
或者具體實施方式
部分中描述的形式。本領域的普通技術人員將意識到，存在落入如權利 要求中表達的本發明的精神和範圍內的各種變型、等同物和替代構造。在一個實施例中，本發明可以以用於等離子體處理的功率發生器為特徵。該實施 例中的功率發生器包括適於施加用於激勵等離子體的功率的功率輸出端；適於對所述功 率輸出端的功率進行採樣以獲得功率樣本的傳感器；以及被配置成對所述功率樣本做出響 應而提供阻抗控制信號的阻抗控制輸出端，所述阻抗控制信號使得連接到所述功率發生器 的輸出端並且連接到所述阻抗控制輸出端的阻抗匹配網絡，能夠對所述阻抗控制信號做出 響應而將所述等離子體的阻抗匹配到所述功率發生器的操作阻抗。在另一實施例中，本發明可以以用於向等離子體負載傳輸功率的方法為特徵。該 實施例中的方法包括在功率發生器處生成功率，其中利用所述功率來激勵等離子體；將所 述功率提供到所述功率發生器的功率輸出端，所述功率輸出端被配置成將所述功率發生器 耦合到阻抗匹配網絡；對所述功率進行採樣以獲得功率樣本，以及對所述功率樣本做出響 應而向阻抗控制輸出端提供阻抗控制信號，使得能夠由所述信號對耦合到所述阻抗控制輸 出端的阻抗匹配網絡進行控制。在再一實施例中，本發明可以以用於等離子體處理的RF功率傳輸系統為特徵，該 實施例中的系統可以包括RF功率發生器，所述RF功率發生器包括功率輸出端，測量由所述 功率輸出端傳輸的功率的參數的傳感器，以及被配置成對所測量的參數的值做出響應而提 供輸出的阻抗控制輸出端；以及連接到所述RF功率發生器的輸出端並且連接到所述RF功4率發生器的所述阻抗控制輸出端的阻抗匹配網絡，所述阻抗匹配網絡被配置成對所述阻抗 控制輸出做出響應而通過將等離子體處理腔室中的等離子體的阻抗匹配到所述RF功率發 生器的操作阻抗來將來自所述RF功率發生器的功率的有效傳輸提供到所述等離子體。如前所述，上述實施例和實施方式只用於說明目的。本領域的普通技術人員根據 下面的說明書和權利要求將容易理解本發明的各種其它實施例、實施方式和細節。
通過參考下面結合附圖的詳細描述以及所附權利要求，本發明的各種目的和優點 以及更加透徹的理解將變得顯而易見和更加容易體會。圖1是描述了在其中實現本發明的幾個實施例的等離子體處理環境的方框圖；圖2是描述了參考圖1描述的功率發生器的示例性實施例的方框圖；圖3是描述了參考圖1描述的匹配網絡的示例性實施例的方框圖；以及圖4是描述了用於將等離子體負載的阻抗匹配到功率發生器的示例性方法的流 程圖。
具體實施例方式現在將參考附圖，附圖中相同或者類似的元件由相同的附圖標記指代，並且尤其 參考圖1，其示出了描述在其中實現本發明的幾個實施例的等離子體處理環境100的方框 圖。如圖所示，功率發生器102(例如，中頻或者射頻(RF)發生器)經由阻抗匹配網絡106 耦合到等離子體腔室104，並且功率發生器102經由長度為L的電纜108以及阻抗控制信號 110耦合到匹配網絡106。功率發生器102通常向等離子體腔室104提供功率(例如，RF功率)以點火和維 持腔室104中的等離子體103用於等離子體處理。儘管不需要，在許多實施例中，通過兩個 或者多個發生器的集合實現功率發生器102，並且每一個功率發生器可以提供不同頻率的 功率。通常配置該實施例中的匹配網絡106以將腔室阻抗轉換為用於功率發生器102的 標稱負載(例如，50歐姆)，該腔室阻抗能夠隨著該施加電壓的頻率、腔室壓力、氣體組成以 及靶材料或者襯底材料而發生變化。本領域的普通技術人員將意識到，各種不同的匹配網 絡技術(例如，電容性和電感性技術)可以用於該目的。然而，與典型的等離子體處理系統不同，配置該示例性實施例中的功率發生器102 以向匹配網絡106提供阻抗控制信號110，並且利用該阻抗控制信號110使腔室104中的等 離子體103的阻抗匹配到功率發生器102的操作阻抗，所述匹配網絡106被配置成接收該 阻抗控制信號110(例如，經由串行通信電纜)。在例如許多實施例中，功率發生器102包括使功率發生器102計算功率發生器102 的輸出端(例如，位於電纜108與功率發生器102耦合的位置或者該位置附近)的阻抗並 且對所計算的阻抗做出響應而生成阻抗控制信號110的測量系統(例如，這裡參考圖2進 一步討論的傳感器和相關聯的採樣和處理部件)。利用其它示例，在一些實施例中，功率發生器獲得關於電纜108(例如，長度L)的 信息，並且使用關於電纜108的該信息，功率發生器102能夠生成阻抗控制信號110以考慮電纜110的阻抗轉換。通過這種方式，匹配網絡110能夠對控制信號110做出響應來調節 其阻抗，以使得在發生器102的輸出端處的阻抗是用於發生器102的標稱阻抗(例如，50歐 姆)。結果，該示例性實施例中的匹配網絡106可以在沒有在匹配網絡中通常使用的測 量系統以及相關聯的處理的情況下實現；因而消除了在生產匹配網絡時通常會招致的大量 成本。接下來參考圖2，所示出的是參考圖1描述的功率發生器102的示例性實施例的方 框圖200。如圖所示，該實施例中的功率發生器200包括轉換部分220，該轉換部分220包 括本領域公知的將輸入功率(例如，480VAC)轉換為功率(例如，在從400kHz到60MHz的頻 率範圍內的功率)並且轉換為可以耦合(例如，經由電纜108)到匹配網絡(例如，匹配網 絡106)的功率輸出222的部件。還示出了耦合到阻抗控制部分226的傳感器224，並且示出了經由通信鏈路 236(例如，乙太網)耦合到阻抗控制部分226的用戶接口 228。此外，阻抗控制部分2 包 括存儲器230、阻抗控制邏輯232以及阻抗控制輸出端234。所說明的這些部件的結構是邏輯的並且並非意味著是實際的硬體圖；因而在實際 實施方式中可以組合或者進一步分離這些部件。例如，阻抗控制邏輯232的功能可以分布 在硬體、軟體和固件部件中。並且也可以利用結合阻抗控制邏輯232使用的部件實現一個 或者多個傳感器224。而且，應該意識到，圖2中包括的部件描述了示例性實現，並且在其它 實施例中，如這裡進一步討論的，可以省去一些部件和/或增加其它部件。該實施例中的傳感器2M通常被配置成對施加到輸出端222的功率進行採樣以獲 得表明發生器200的輸出端處的阻抗的信息。可以例如通過定向耦合器(例如，提供正向 和反向電壓)或者電壓和電流(VI)傳感器實現一個或者多個傳感器224。但是期望傳感 器2M可以包括功能上與耦合器類似的任何四埠網絡。如所闡述的，設置阻抗控制部分 226以接收被採樣的信息，並且對該被採樣的信息做出響應而使用通信鏈路(例如，有線或 者無線通信鏈路)向匹配網絡(例如，匹配網絡106)提供阻抗控制信號234。在許多實施例中，阻抗控制邏輯232利用來自一個或者多個傳感器224的功率樣 本以確定發生器的輸出端222處的負載阻抗，並且使用存儲在存儲器230中的電纜信息來 補償電纜(例如，電纜108)的阻抗轉換，以使得可以計算匹配網絡處的阻抗。通過這種方 式，可以對功率樣本和電纜信息二者做出響應而生成阻抗控制信號234，以使得該阻抗控制 信號234可以由匹配網絡使用以控制匹配網絡處的阻抗。如這裡所討論的，「對……進行採樣」意味著獲得關於正在被採樣的對象的信息， 並且「採樣」不需要意味著在時間上提取不同的樣本(例如，在數位訊號處理中通常執行 的)。換句話說，這裡討論的「被採樣的」信號或者量在時間和數值上可以是連續的。在圖2描述的實施例的一些變型中，用戶可以經由用戶接口 2 輸入電纜信息 (例如，電纜長度L)並且將用戶輸入的電纜信息存儲在存儲器230中。在其它變型中，阻抗 控制邏輯232可以包括邏輯以使用由一個或者多個傳感器2M接收的信息確定電纜信息， 並且存儲器230可以用於存儲所計算的電纜信息(例如，電纜長度L)。除了電纜長度，也可 以存儲電纜損失並且該電纜損失可以用於進行更加精確的計算。在一些實施例中，阻抗控制邏輯232自動確定位於發生器200和匹配網絡之間的電纜長度。作為示例，通常能夠按照這樣的方式設置匹配網絡中的可變元件以使得相對於 在匹配網絡的發生器側處的50歐姆阻抗的反射係數具有接近1的幅值，並且是等離子體阻 抗的非常弱的函數以使得在通過這種方式設置可變元件時在該匹配的發生器側處的阻抗 是已知的。通過施加如此小的功率以使得等離子體保持未點火能夠進一步控制由該等離子 體呈現給阻抗匹配網絡的阻抗。利用位於已知的阻抗匹配網絡的發生器側處的阻抗，根據 該已知阻抗以及在發生器處測量的阻抗，能夠容易地確定電纜的長度。還能夠使用阻抗匹 配網絡中多於一組的可變元件來獲得電纜長度的更好估計。具體而言，如果施加如此小的功率而使得等離子體保持未點火，則可以假設等離 子體阻抗在三組不同的可變元件之間保持相同，並且利用具有恆定等離子體阻抗的三組在 發生器處的測量阻抗允許確定電纜長度。假設位於阻抗匹配網絡的發生器側處的阻抗在頻 率上是已知的或者其能夠與阻抗匹配網絡中多於一組的可變部件組合，則也可以使用可變 頻率估計電纜長度。接下來參考圖3，該圖是描述了參考圖1描述的匹配網絡106的示例性實施例的方 框圖。如圖所示，該實施例中的匹配網絡300包括耦合到電纜308的可調諧元件340和調 諧邏輯342，所述電纜308耦合到功率發生器(例如，發生器102，200)。如所闡述的，調諧 邏輯342還適於接收阻抗控制信號334 (例如，來自發生器102，200)。並且對接收阻抗控制信號334做出響應，該實施例中的調諧邏輯342適於生成調 諧信號344以調節可調諧元件340。在一些實施例中，例如，調諧邏輯342可以包括邏輯以 轉換來自一個通信協議(例如，串行總線協議)的阻抗控制信號334，並且如果需要進一步 轉換該阻抗控制信號334以適應阻抗控制信號334的內容與可調諧元件340所響應的信號 類型之間的任何差異。如本領域普通技術人員將意識到的，所說明的這些部件的結構是邏 輯的並且並非意味著是實際硬體圖；因而，在實際實現中可以組合或者進一步分離所述部 件。例如，調諧邏輯342的功能可以分布在硬體、軟體和固件部件中。如本領域所公知的，該實施例中的調諧元件340包括可調節的電容性和電感性元 件。在該實施例中，對來自調諧邏輯342的調諧信號344做出響應而調節可調諧元件以改 變由發生器觀察的負載阻抗。如圖所示，該實施例中的匹配網絡300不包括測量系統，也不包括該測量系統所 需的任何處理部件，以測量出於調節調諧元件340目的的阻抗。結果，實質上降低了該實施 例中匹配網絡的複雜性和成本。接下來參考圖4，所示出的是描述了用於將等離子體負載的阻抗匹配到功率發生 器的方法的流程圖400。儘管出於示例目的參考圖1、圖2和圖3中說明的實施例，但是應 該意識到，圖4中描述的方法當然並不局限於這些具體實施例。如圖4所示，接收初始特徵化耦合在功率發生器和阻抗匹配網絡之間的電纜的信 息。例如在許多實施例中，該信息包括將發生器(例如，發生器102，200)耦合到匹配網絡 (例如，匹配網絡106，300)的電纜(例如，電纜108，308)的長度。並且在這些實施例的一 些變型中，通過用戶(例如，用戶接口 228)輸入該信息，並且在其它變型中，發生器能夠確 定有用的電纜信息。如圖所示，電纜信息可以用於參考目的存儲在發生器的存儲器(例如， 存儲器230)中以用於進一步參考(方框402，404)。7
如所描述的，對由發生器生成的功率進行採樣(例如，在發生器的輸出端222處) 以獲得功率樣本(方框406，408)，並且對該功率樣本做出響應，生成阻抗控制信號(例如， 阻抗控制信號110，234，334)(方框410)。然後將阻抗控制信號提供到匹配網絡(例如，經 由串聯電纜)以能夠使匹配網絡對阻抗進行調諧(例如，調諧到用於發生器的優選阻抗) (方框 412，414)。綜上所述，本發明提供用於將等離子體負載的可變阻抗匹配到功率發生器的裝 置、系統和方法等等。本發明的技術人員將容易地意識到，可以對本發明中的用途和配置進 行各種修改和替代以實現由這裡描述的實施例實現的相同結果。因此，並不試圖將本發明 局限於所公開的示例形式。許多變型、修改和替代性結構都落入在如權利要求表述的所公 開的發明的範圍和精神內。
權利要求
1.一種用於等離子體處理的功率發生器，包括功率輸出端，適於施加用於激勵等離子體的功率；傳感器，適於對在所述功率輸出端處施加的功率進行採樣以獲得功率樣本；以及阻抗控制輸出端，被配置成對所述功率樣本做出響應而提供阻抗控制信號，所述阻抗 控制信號使得連接到所述功率發生器的輸出端並且連接到所述阻抗控制輸出端的阻抗匹 配網絡，能夠對所述阻抗控制信號做出響應而將所述等離子體的阻抗匹配到所述功率發生 器的操作阻抗。
2.如權利要求1所述的功率發生器，包括存儲器，被配置成存儲特徵化將所述功率發生器耦合到所述阻抗匹配網絡的電纜的信 息，並且其中所述功率發生器被配置成對特徵化所述電纜的所述信息做出響應而提供所述 阻抗控制信號。
3.如權利要求2所述的功率發生器，包括用戶接口，被配置成使得用戶能夠輸入特徵化所述電纜的所述信息的至少一部分。
4.如權利要求2所述的功率發生器，其中，特徵化所述電纜的所述信息包括所述電纜 的長度。
5.如權利要求3所述的功率發生器，包括被配置成計算所述電纜的長度的邏輯。
6.如權利要求3所述的功率發生器，包括被配置成對所述電纜的所述長度以及所述功 率樣本做出響應而生成所述阻抗控制信號的內容的阻抗控制邏輯部分。
7.如權利要求1所述的功率發生器，其中，所述傳感器包括選自由電壓電流傳感器和 定向耦合器構成的組中的傳感器。
8.如權利要求1所述的功率發生器，其中，所述功率輸出端適於施加RF功率。
9.一種用於將功率傳輸到等離子體負載的方法，包括在功率發生器處生成功率，其中利用所述功率來激勵等離子體；將所述功率提供到所述功率發生器的功率輸出端，所述功率輸出端被配置成將所述功 率發生器耦合到阻抗匹配網絡；對所述功率進行採樣以獲得功率樣本，以及對所述功率樣本做出響應而向阻抗控制輸出端提供阻抗控制信號，使得能夠由所述信 號對耦合到所述阻抗控制輸出端的阻抗匹配網絡進行控制。
10.如權利要求9所述的方法，包括在所述功率發生器的存儲器中存儲特徵化將所述功率發生器耦合到所述阻抗匹配網 絡的電纜的信息，並且其中所述功率發生器被配置成對特徵化所述電纜的所述信息做出響 應而提供所述阻抗控制信號。
11.如權利要求9所述的方法，包括經由用戶接口從用戶接收特徵化所述電纜的所述信息的至少一部分。
12.如權利要求10所述的方法，其中，特徵化所述電纜的所述信息包括所述電纜的長度。
13.如權利要求10所述的方法，包括對所述電纜的所述長度以及所述功率樣本做出響應而生成所述阻抗控制信號的內容。
14.如權利要求12所述的方法，包括計算所述電纜的所述長度。
15.如權利要求9所述的方法，其中，所述功率樣本包括表明正向和反向電壓信息的信息。
16.一種用於等離子體處理的功率傳輸系統，包括功率發生器，所述功率發生器包括功率輸出端、用於測量由所述功率輸出端傳輸的功 率的參數的傳感器、以及被配置成對所測量的參數的值做出響應而提供阻抗控制信號的阻 抗控制輸出端；以及阻抗匹配網絡，所述阻抗匹配網絡連接到所述功率發生器的輸出端並且連接到所述功 率發生器的所述阻抗控制輸出端，所述阻抗匹配網絡被配置成對所述阻抗控制信號做出響 應，通過將等離子體處理腔室中的等離子體的阻抗匹配到所述功率發生器的操作阻抗來提 供功率從所述功率發生器到所述等離子體的有效傳輸。
17.如權利要求16所述的系統，其中，所述功率發生器包括存儲器，所述存儲器被配置 成存儲特徵化將所述功率發生器耦合到所述阻抗匹配網絡的電纜的信息，並且其中，所述 功率發生器被配置成對特徵化所述電纜的所述信息做出響應而提供所述阻抗控制信號。
18.如權利要求17所述的系統，其中，所述功率發生器包括被配置成使得用戶能夠輸 入特徵化所述電纜的所述信息的至少一部分的用戶接口。
19.如權利要求所述17的系統，其中，特徵化所述電纜的所述信息包括所述電纜的長度。
20.如權利要求17所述的系統，其中，所述功率發生器包括被配置成計算所述電纜的 長度的邏輯。
全文摘要
本發明描述一種能夠使等離子體負載的阻抗與功率發生器匹配的裝置、系統和方法。在一些實施例中，所述裝置包括功率輸出端，適於施加用於激勵等離子體的功率；傳感器，適於對在所述功率輸出端處施加的功率進行採樣以獲得功率樣本；以及阻抗控制輸出端，被配置成對所述功率樣本做出響應而提供阻抗控制信號，所述阻抗控制信號使得連接到所述功率發生器的輸出端並且連接到所述阻抗控制輸出端的阻抗匹配網絡，能夠對所述阻抗控制信號做出響應而將所述等離子體的阻抗匹配到所述功率發生器的操作阻抗。
文檔編號H05H1/24GK102057759SQ200980120990
公開日2011年5月11日 申請日期2009年5月7日 優先權日2008年5月7日
發明者G·J·范齊爾, L·桑福德, T·卡爾利切克 申請人:先進能源工業公司