一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法和一種阻抗匹配裝置的製作方法

2023-11-07 14:29:37

專利名稱：一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法和一種阻抗匹配裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體刻蝕技術領域，特別是涉及一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的
方法和一種阻抗匹配裝置。
背景技術：
等離子體被廣泛應用於半導體器件的生產過程中。在等離子體刻蝕系統中，射頻 電源向等離子腔體供電以產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原 子、分子和自由基等活性粒子，這些活性粒子和置於腔體中並曝露在等離子體環境下的晶 圓相互作用，使晶圓材料表面發生各種物理和化學反應，從而使材料表面性能發生變化，完 成晶圓的刻蝕或者其他工藝過程。 常用的射頻電源工作頻率為13. 56MHz，輸出阻抗為50 Q ，通過特徵阻抗為50 Q的 同軸電纜與反應腔室相連。隨著刻蝕過程的進行，腔室中的氣體成分以及壓力都在不斷變 化，因此，作為負載的等離子體的阻抗也在不斷的變化。而射頻電源的內阻為固定的50Q， 即功率源與負載之間阻抗是不匹配的，這樣就導致射頻(RF)傳輸線上存在較大的反射功 率，射頻輸出功率無法全部施加到等離子體腔室。而如果獲得的RF能量不足以使等離子體 起輝，刻蝕過程就無法進行。 由此，很有必要在RF功率源與等離子體腔室之間插入一個阻抗匹配器，使得負載 阻抗與電源阻抗能夠達到共軛匹配。進一步，由於隨著刻蝕過程的進行，負載阻抗的值是不 斷變化的，所以現有技術引入了傳感器(Sensor)。通過傳感器得到當前負載阻抗的模值和 相位；進而，自動控制器根據傳感器的輸出，調整匹配網絡中的可變元件，最終使匹配網絡 與等離子體腔室的總阻抗為50Q，實現阻抗匹配。傳感器的工作原理為通過檢測傳輸線 上的電壓V、電流I信號，利用一定的鑑幅和鑑相的方法，可以得到負載阻抗的模值和相位。
現有射頻匹配器中的傳感器，採集到RF傳輸線的電壓和電流信息(包括電壓幅度 V、電流幅度I以及電壓與電流的相位差e)之後，經模擬電路處理，會給出模擬的輸出信號 (或根據模擬信號進行轉化後的數位訊號)。 由於現有射頻匹配器中的傳感器通常採用模擬器件採集RF傳輸線上的電壓和電 流信息並進行處理；並且傳感器電路本身也多採用模擬器件和晶片。而模擬電路的一大缺 點，就是會受到功率、溫度等因素的影響，從而造成器件或晶片相關參數的改變。即利用傳 感器採集的RF傳輸線的電壓和電流信息計算出的負載阻抗會與負載的實際阻抗值存在一 定的偏差，尤其對於某些負載阻抗(如負載阻抗的模值|Z| I較小的負載阻抗，或者阻抗相 位接近+90°或_90°的負載阻抗)，這種偏差更大，影響尤為嚴重。 總之，由於傳感器模擬器件導致的這種偏差特性，輕則造成匹配器中的執行機構 的匹配路徑差，匹配器的匹配時間長、精度差；嚴重的話，會導致匹配器不能正常工作，無法 匹配。 目前迫切需要本領域技術人員解決的一個技術問題就是如何能夠改進，甚至消 除現有的傳感器的偏差特性。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法和一種 阻抗匹配裝置，其能夠對傳感器的偏差進行校正，以降低模擬電路易受溫度、功率等因素的 影響，從而提高傳感器的測量精度，進而保證阻抗匹配的速度和精度。 為了解決上述問題，本發明公開了一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法，包括
校準步驟，根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準，確定優化的矩陣參數；
檢測步驟，針對當前負載，採用傳感器採集電壓和電流信息，依據優化的矩陣參數 計算獲得負載阻抗的模值和相位； 調整步驟，調整匹配網絡中的可變元件，實現阻抗匹配。
優選的，所述校準步驟包括測量負載阻抗的模值和相位；採用傳感器採集電壓
和電流信息，依據預設的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位；將測量獲得的負載阻
抗的模值及相位與計算獲得的負載阻抗的模值及相位進行比較，確定優化的矩陣參數。 優選的，在校準步驟中，針對多個負載阻抗，分別測量和計算獲得負載阻抗的模值
和相位；依據多個負載阻抗的模值及相位的比較情況，確定優化的矩陣參數。 優選的，通過以下方式比較確定矩陣參數選擇在矩陣參數理論值上下浮動範圍
內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為優化的矩陣參數；其中，"測量值"為採用
阻抗測量工具測量獲得的負載阻抗的模值、相位，"計算值"為通過傳感器採集信號後，依據
預設的矩陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、相位。 優選的，所述優化的矩陣參數包括模值優化的矩陣參數和相位優化的矩陣參數。
依據本發明的另一實施例，還公開了一種阻抗匹配裝置，包括 傳感器，針對當前負載，採集電壓和電流信息；以及依據優化的矩陣參數計算獲得 負載阻抗的模值和相位；所述優化的矩陣參數是根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準得到 的；所述傳感器通過匹配網絡與負載相連； 控制器，用於依據所計算獲得的負載阻抗的模值和相位，調整匹配網絡中的可變 元件，實現阻抗匹配。 優選的，所述阻抗匹配裝置還包括校準器，用於比較"測量值"和"計算值"，確定 優化的矩陣參數；其中，所述"測量值"為採用阻抗測量工具測量獲得的負載阻抗的模值、相 位，"計算值"為通過傳感器採集信號後，依據預設的矩陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、 相位。 優選的，所述校準器的輸入包括針對多個負載阻抗的"測量值"和"計算值"。
優選的，所述校準器通過以下方式比較確定優化的矩陣參數選擇在矩陣參數理 論值上下浮動範圍內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為優化的矩陣參數。
優選的，所述校準器所確定的優化的矩陣參數包括模值優化的矩陣參數和相位優 化的矩陣參數。 與現有技術相比，本發明具有以下優點 由於本發明能夠通過精確度高的阻抗測量工具對傳感器進行校準，即通過阻抗測 量工具測量的阻抗|Z| Z 9和傳感器的輸出信號AnXl，對鑑幅和鑑相算法中的參數進行 優化，從而可以降低模擬電路易受溫度、功率等因素的影響，即提高了傳感器的測量精度，
5保證了阻抗匹配的速度和精度。


圖1是本發明一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法實施例的步驟流程圖
圖2是本發明一種阻抗匹配裝置的模塊示意圖； 圖3是本發明的阻抗匹配裝置應用在等離子刻蝕系統的示例示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。 首先對利用傳感器計算得到負載阻抗的模值和相位的過程進行介紹。
現有射頻匹配器中的傳感器，採集到RF傳輸線的電壓和電流信息(包括電壓幅度 V、電流幅度I以及電壓與電流的相位差e)之後，經模擬電路處理，會給出模擬的輸出信號 (或根據模擬信號進行轉化後的數位訊號)。設傳感器輸出信號為 ar,
(1.2. 1) A
nxl
根據傳感器模擬電路工作原理有
formula see original document page 6 其中，Mnx3 = formula see original document page 6是常係數矩陣，通常與模擬電路的各項參數有
關 formula see original document page 6是常數矩陣。 當射頻電源沒有功率輸出時，從傳輸線上採集到的電壓電流信號為O，此時，傳感 器的輸出為 (AnX1)。 = NnX1 (1.2.3) 因此，常數矩陣Nn^的物理意義即為零功率時傳感器的靜態信號，即有 formula see original document page 6
由式(1.2. 2)就可以推導出 =E3xn.(Anxl_Nnxl) (1.2. 5)formula see original document page 7-P」|_2 —1 -3如2 _
最後，再根據電壓V、電流I和阻抗的關係，即可計算出傳感器後端的負載阻抗，則
傳感器測量的阻抗模值|z|和阻抗相位e的表達式分別為 IZ —子力(An小Nn小Mnx3) (1.2.8) 9 = f2(AnX1，NnX1，MnX3) (1.2.9) 由於傳感器所採用的模擬器件會受到功率、溫度等因素的影響，即在一些情況下，
利用傳感器採集的RF傳輸線的電壓和電流信息計算出的負載阻抗會與負載的實際阻抗值
存在一定的偏差。傳感器的這種特性，輕則造成匹配器中的執行機構的匹配路徑差，匹配器
的匹配時間長、精度差；嚴重的話，會導致匹配器不能正常工作，無法匹配。 對上述的偏差進行修正是保證匹配精度的方式之一，而對偏差進行修正的方案可
以包括對所採集的RF傳輸線的電壓和電流信息進行修正；或者對常係數矩陣Mn^和常數
矩陣Nn^進行修正。本專利的發明人經過仔細研究和計算，採用了對常係數矩陣Mn^和常
數矩陣Nn^進行修正的方案。 即本發明確定常係數矩陣MnX3和常數矩陣NnX1中的各個參數與根據電路結構得
出的參數的理論值存在一定的偏差，然後本發明採取措施對該偏差進行修正。 在傳感器正式使用前，先利用如下方案對傳感器進行校準。針對多個負載阻抗，
分別使用高精度的阻抗測量工具和傳感器同時進行阻抗測量，阻抗測量工具輸出負載阻抗
ZttZ %k(k= 1，2，.…，p)，傳感器輸出信號Anw。利用(1.2.8)禾P (1.2.9)式，以及傳感
器的輸出信號An^可計算出傳感器測量的負載阻抗ZskZ esk。通過將阻抗測量工具測量
的負載阻抗ZskZ ^k與根據傳感器輸出信號計算的負載阻抗ZMkZ 0Mk同時或分別進行
比較，確定優化的目標函數，以對常係數矩陣MnX3和常數矩陣NnX1中的參數進行優化。
在利用傳感器進行正式測量時，即可運用經過優化後的參數進行阻抗的計算，而
7不是直接採用根據電路結構得出的各個參數的理論值。 由於傳感器的模擬器件主要和功率、溫度相關，如果某個負載阻抗的測量中功率 和溫度變化不大，則可以運用經過優化後的參數進行阻抗的計算；當對負載阻抗的測量中， 功率、溫度與之前校準時的功率、溫度變化較大，則需要重新進行校準，以適應當前工況。
參照圖l，示出了本發明一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法實施例，具體可以包 括 校準步驟101，根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準，確定優化的矩陣參數；
檢測步驟102，針對當前負載，採用傳感器採集電壓和電流信息，依據優化的矩陣 參數計算獲得負載阻抗的模值和相位； 調整步驟103，調整匹配網絡中的可變元件，實現阻抗匹配。 具體的，所述校準步驟可以包括採用阻抗測量工具測量獲得負載阻抗的模值和 相位；採用傳感器採集電壓和電流信息，依據預設的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和 相位；比較測量獲得的負載阻抗的模值、相位和計算獲得的負載阻抗的模值、相位，確定優 化的矩陣參數。為了提高優化的精度，在本發明的優選實施例中，針對多個負載阻抗，分別 測量和計算獲得負載阻抗的模值、相位。 在本發明中，可以通過以下方式比較確定優化的矩陣參數選擇在矩陣參數理論 值上下浮動範圍內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為優化的矩陣參數；其中， "測量值"為採用阻抗測量工具測量獲得的負載阻抗的模值、相位，"計算值"為通過傳感器 採集信號後，依據預設的矩陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、相位。計算"測量值"和"計 算值"距離的函數和類型有很多，例如絕對距離、方差距離等等；在此，本發明並不需要加以 限定，本領域技術人員依據需要選擇使用即可。 下面給出兩個實例對具體如何獲得所需的優化的矩陣參數進行說明。
實例1 將阻抗測量工具測量的負載阻抗Zsk z e sk與通過傳感器輸出信號計算的負載阻
抗zMk z e Mk同時進行比較，確定優化的目標函數如下式所示
p argmin S[Lx(|Z|sk -1 Z|Mk)2+(1-L)x(《k -PMk)2〗(2. 2. D
(M x3,Nnxl)k=l 其中，k二 1，2，... ，p，表示P個負載阻抗； L為模值|Z|和相位9之間的權重，在
之間取值，當L = 1時，目標函數中 只包含模值，而當L = 0時，則目標函數中只包括相位，不考慮模值。 權重L具體的數值，可以由本領域技術人員用戶實際情況靈活選取。例如，若模值 的計算精度較差，則將L的值設置的大一些，重點對模值進行優化；相反地，若相位的計算 精度較差，則可將L的值設置的小一些，重點對相位進行優化。 (2. 2. 1)式所優化的參數為常係數矩陣MnX3和常數矩陣Nn^，給定各參數優化的
初值為它們各自的理論值，在初值上下進行一定的浮動給出各參數優化的範圍。 將浮動範圍內的各個常係數矩陣MnX3和常數矩陣Nn^代入(2. 2. 1)式，argmin用
於求解其結果值最小的情況，此時的常係數矩陣Mn^和常數矩陣Nn^就是優化後的結果。 在利用傳感器進行正式測量時，根據經過優化後的常係數矩陣Mn^和常數矩陣
NnX1中的各個參數，結合傳感器的輸出An^，利用(1.2.8)和(1.2.9)式，計算出經過校準
8後的傳感器測量的負載阻抗模值|z|和相位e 。 由於本發明通過精確度高的阻抗測量工具對傳感器進行了校準，能夠消除傳感器 的模擬器件所受到的功率、溫度的影響，因此，依據優化的參數計算得到的負載阻抗模值
z|和相位e更加精準。 實例2 採用模值和相位分別校準的方案，即將阻抗測量工具測量的負載阻抗模值Zsk和
相位^k分別與通過傳感器輸出信號計算的負載阻抗模值ZMk和相位e皿進行比較，確定各
自優化的目標函數如下 argmin 2JZ|Sk -|Z|Mk) (2.2.2)
P argmin Z(&k -^c)2 (2. 2. 3)
(Mnx3,Nnl<l)k=l (2. 2. 2)和(2. 2. 3)式分別對常係數矩陣MnX3和常數矩陣NnX1中的參數進行優 化。具體過程和實施例1相似，給定各優化參數的初值為它們各自的理論值，在初值上下進 行一定的浮動給出各參數優化的範圍。 在利用傳感器進行正式測量時，根據經過模值優化後的常係數矩陣Mn^和常數矩 陣N^中的各個參數，結合傳感器的輸出A^，利用(1.2.8)式，計算出經過校準後的傳感 器測量的負載阻抗模值|Z|。 在利用傳感器進行正式測量時，根據經過相位優化後的常係數矩陣MnX3和常數矩 陣N^中的各個參數，結合傳感器的輸出A^，利用(1.2.9)式，計算出經過校準後的傳感 器測量的負載阻抗相位e 。 實例2和實例1的區別在於，前者包括經過模值優化後的參數和經過相位優化後 的參數；而後者並不對此加以區分。 參照圖2，示出了本發明一種阻抗匹配裝置，其特徵在於，包括
傳感器201，針對當前負載(例如等離子刻蝕系統中的反應腔體等)，採集電壓和 電流信息；以及依據優化的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位；所述優化的矩陣參 數是通過阻抗測量結果對傳感器201進行校準得到的；所述傳感器201與通過匹配網絡 203與負載相連； 控制器202，用於依據所計算獲得的負載阻抗的模值和相位，調整匹配網絡中203 的可變元件，實現阻抗匹配。 當然，其中依據優化的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位的過程可以在傳 感器201中實現，也可以在控制器202中實現。 在本發明的另一優選實施例中，上述的阻抗匹配裝置還可以包括校準器204 ;用 於比較"測量值"和"計算值"，確定優化的矩陣參數；其中，所述"測量值"為採用阻抗測量 工具測量獲得的負載阻抗的模值、相位，"計算值"為通過傳感器採集信號後，依據預設的矩 陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、相位。優選的是，所述校準器的輸入包括針對多個負載 阻抗的"測量值"和"計算值"。 如前面方法所描述的，所述校準器通過以下方式比較確定優化的矩陣參數選擇 在矩陣參數理論值上下浮動範圍內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為優化的矩陣參數。 參照圖3，示出了本發明的一個阻抗匹配裝置應用在等離子刻蝕系統中的示例。其中，傳感器301與射頻電源300相連，並通過匹配網絡302與負載——反應腔體303相連；傳感器301通過採集的電壓和電流信息，計算得到負載阻抗的模值和相位後，傳送給控制器304 ;控制器304控制步進電機305的轉動，從而調整匹配網絡302中的可變元件，最終使匹配網絡302與等離子體腔室303的總阻抗為50 Q ，實現阻抗匹配。
本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。另外，由於裝置實施例可以對應適用於前述的方法實施例中，所以描述較為簡略，未詳盡之處可以參見本說明書前面相應部分的描述。 以上對本發明所提供的一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法以及一種阻抗匹配裝置，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法，其特徵在於，包括校準步驟，根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準，確定優化的矩陣參數；檢測步驟，針對當前負載，採用傳感器採集電壓和電流信息，依據優化的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位；調整步驟，調整匹配網絡中的可變元件，實現阻抗匹配。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述校準步驟包括 測量負載阻抗的模值和相位；採用傳感器採集電壓和電流信息，依據預設的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位；將測量獲得的負載阻抗的模值及相位與計算獲得的負載阻抗的模值及相位進行比較， 確定優化的矩陣參數。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，在校準步驟中， 針對多個負載阻抗，分別測量和計算獲得負載阻抗的模值和相位； 依據多個負載阻抗的模值及相位的比較情況，確定優化的矩陣參數。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過以下方式比較確定矩陣參數 選擇在矩陣參數理論值上下浮動範圍內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為優化的矩陣參數；其中，"測量值"為採用阻抗測量工具測量獲得的負載阻抗的模值、相位，"計算值"為通 過傳感器採集信號後，依據預設的矩陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、相位。
5. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述優化的矩陣參數包括模值優化的矩陣參數和相位優化的矩陣參數。
6. —種阻抗匹配裝置，其特徵在於，包括傳感器，針對當前負載，採集電壓和電流信息；以及依據優化的矩陣參數計算獲得負載 阻抗的模值和相位；所述優化的矩陣參數是根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準得到的； 所述傳感器通過匹配網絡與負載相連；控制器，用於依據所計算獲得的負載阻抗的模值和相位，調整匹配網絡中的可變元件， 實現阻抗匹配。
7. 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，還包括校準器，用於比較"測量值"和"計算值"，確定優化的矩陣參數；其中，所述"測量值"為 採用阻抗測量工具測量獲得的負載阻抗的模值、相位，"計算值"為通過傳感器採集信號後， 依據預設的矩陣參數計算獲得的負載阻抗的模值、相位。
8. 如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述校準器的輸入包括針對多個負載阻抗的"測量值"和"計算值"。
9. 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述校準器通過以下方式比較確定優化的 矩陣參數選擇在矩陣參數理論值上下浮動範圍內，"測量值"和"計算值"距離最近的矩陣參數為 優化的矩陣參數。
10. 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述校準器所確定的優化的矩陣參數包括模值優化的矩陣參數和相位優化的矩陣參。
全文摘要
本發明提供了一種射頻傳輸中實現阻抗匹配的方法，包括校準步驟，根據阻抗檢測結果對傳感器進行校準，確定優化的矩陣參數；檢測步驟，針對當前負載，採用傳感器採集電壓和電流信息，依據優化的矩陣參數計算獲得負載阻抗的模值和相位；調整步驟，調整匹配網絡中的可變元件，實現阻抗匹配。由於本發明能夠通過精確度高的阻抗測量工具對傳感器進行校準，即通過阻抗測量工具測量的阻抗|Z|∠θ和傳感器的輸出信號An×1，對鑑幅和鑑相算法中的參數進行優化，從而可以降低模擬電路易受溫度、功率等因素的影響，即提高了傳感器的測量精度，保證了阻抗匹配的速度和精度。
文檔編號H05H1/46GK101754570SQ20091024387
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者張文雯 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司