用於對稱和/或同心的射頻匹配網絡的方法和設備與流程
2023-10-18 07:11:49
用於對稱和/或同心的射頻匹配網絡的方法和設備本申請是申請人應用材料公司於2006年8月29日提交的、申請號為2006101122586、發明名稱為「用於對稱和/或同心的射頻匹配網絡的方法和設備」的發明專利申請的分案申請。相關申請的交叉參考本申請要求在2005年8月29日提交的、申請號為60/712,190、發明名稱為「用於對稱和/或同心的射頻匹配網絡的方法和設備」的當前未決且共同轉讓的美國臨時專利申請的優先權，在此通過參考的方式援引該申請。技術領域本發明一般地涉及高頻或射頻匹配網絡，特別涉及用於等離子體處理室的大功率匹配網絡。
背景技術：
參照圖1，等離子體處理系統可以包括高頻或射頻(以下稱為「射頻」)匹配網絡100、可變阻抗負載(例如等離子體處理室)102、射頻發生器104以及射頻傳輸系統106。射頻匹配網絡100設置並電連接在射頻傳輸系統106與可變阻抗負載102之間。射頻傳輸系統106與射頻發生器104電連接。射頻匹配網絡100可以包括已知或可變阻抗值的電子元件(例如可變電容器和/或感應器)。射頻傳輸系統106可以包括諸如大功率同軸電纜組裝件和連接器等裝置。射頻發生器104可以通過射頻傳輸系統106和射頻匹配網絡100給可變阻抗負載102提供射頻能量。射頻匹配網絡100的功能可以是使可變阻抗負載102的阻抗與射頻發生器104和射頻傳輸系統106的輸出阻抗匹配。通過使可變阻抗負載102的阻抗與射頻發生器104和射頻傳輸系統106的輸出阻抗匹配，可以減少從可變阻抗負載102反射的射頻能量。減少射頻能量的反射可以有效地增加通過射頻發生器104提供給可變阻抗負載102的射頻能量總量。射頻匹配的第一種技術可以包括改變電容器和/或感應器的電阻抗，直到可變阻抗負載的阻抗與射頻發生器的輸出阻抗匹配。圖2是顯示現有技術的射頻匹配網絡100的更詳細的示意圖。圖中示出射頻匹配網絡100的調整元件108與負載元件110的不對稱排列。此外，射頻匹配網絡100在調整元件108與負載元件110的排列上是典型不對稱的。使可變阻抗負載102的阻抗與射頻發生器104的阻抗匹配的第二種技術可以利用可變頻率匹配。通過射頻匹配網絡100向可變射頻頻率發生器104的輸出所呈現的阻抗可以隨頻率而改變。通過從射頻發生器104輸出一個特殊的頻率，可變阻抗負載102可以匹配射頻發生器104和射頻傳輸系統106的阻抗。這種技術可以稱為可變頻率匹配。可變頻率匹配可以採用包括固定值調整元件108和負載元件110(例如固定值電容器、感應器和/或電阻器)的射頻匹配網絡100。可以選擇調整元件108和負載元件110的值，以助於確保射頻發生器104的阻抗匹配可變阻抗負載102的阻抗。現有技術的射頻匹配網絡可以有助於減少通過可變阻抗負載反射的能量總量。然而，本發明的發明人已經確定在有些情況下現存的射頻匹配網絡不可以充分減少反射能量的總量以避免問題。因此，需要用於射頻匹配的改進方法和設備。
技術實現要素：
在一些方案中，本發明提供一種適於使電力負載的阻抗與電信號發生器的阻抗匹配的設備。該設備包括適於共同使電力負載的阻抗與電信號發生器的阻抗匹配的多個電子元件。所述電子元件相對於一個軸對稱且同心排列。另外，該設備還包括適於使電信號發生器與所述電子元件電連接的第一連接器。該設備還包括適於使該負載與所述電子元件電連接的第二連接器。在另一方案中，本發明提供一種系統，包含射頻功率發生器、電力負載和連接到該電力負載和該功率發生器的射頻匹配網絡，其中該射頻匹配網絡包括相對於軸對稱設置的一個或多個元件。在又一方案中，發明提供一種方法，包含利用具有第一軸的第一連接器接收射頻能量、使來自第一連接器的射頻能量耦合到具有相對於第二軸對稱設置的一個或多個元件的射頻匹配網絡、使來自射頻匹配網絡的射頻能量耦合到具有第三軸的第二連接器，以及防止從第二連接器反射射頻能量，其中該第一軸、第二軸和第三軸基本共線。一種用於防止電流熱點的形成的設備，包含：第一連接器，具有第一縱軸；第二連接器，具有第二縱軸和第三軸；以及組裝件，包括一個或多個電子元件，所述一個或多個電子元件相對於第二縱軸對稱設置；其中，所述一個或多個電子元件中至少之一與該第一連接器機械連接，並且所述一個或多個電子元件中至少之一與該第二連接器機械連接，其中，所述一個或多個電子元件相對於第三軸對稱和/或同心設置，以使通過該第一連接器提供的電流均勻分布給所述電子元件，從而防止電流熱點的形成，並且其中，通過使用包括盤形嚙合面的第一連接器簡化所述電子元件的對稱結構，其中所述電子元件連接到所述盤形嚙合面。該第三軸與該第一縱軸和第二縱軸共線。所述一個或多個電子元件相對於該第三軸等距設置。所述電子元件是射頻匹配網絡的調整元件和負載元件。所述一個或多個電子元件中的至少之一是電容器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是感應器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是電阻器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是可變阻抗元件。一種用於防止電流熱點的形成的系統，包含：射頻功率發生器；電力負載；以及射頻匹配網絡，與該電力負載和該功率發生器連接，其中，該射頻匹配網絡包括相對於一軸對稱和/或同心設置的一個或多個電子元件，以使提供到該射頻匹配網絡的電流均勻分布給所述電子元件，從而防止電流熱點的形成，並且其中，通過使用包括盤形嚙合面的第一連接器簡化所述電子元件的對稱結構，其中所述電子元件連接到所述盤形嚙合面，以及該射頻匹配網絡中的射頻能量耦合到具有第三軸的第二連接器。所述一個或多個電子元件相對於該軸同心設置。所述一個或多個電子元件相對於該軸等距設置。所述一個或多個電子元件是該射頻匹配網絡的調整元件和負載元件。所述一個或多個電子元件中的至少之一是電容器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是感應器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是電阻器。所述一個或多個電子元件中的至少之一是可變阻抗元件。一種用於防止電流熱點的形成的方法，包含：在具有第一軸的第一連接器處接收射頻能量；將在該第一連接器處接收到的射頻能量耦合到具有相對於第二軸對稱設置的一個或多個電子元件的射頻匹配網絡以使該射頻能量均勻分布給所述電子元件，從而防止電流熱點的形成；將在該射頻匹配網絡中的射頻能量耦合到具有第三軸的第二連接器；以及減少該第二連接器反射該射頻能量。減少該射頻能量的反射包括使該第一軸、第二軸和第三軸共線排列。減少從該第二連接器反射射頻能量包括改變該射頻能量的頻率。減少從該第二連接器反射射頻能量包括改變所述一個或多個電子元件中至少之一的阻抗。將在該射頻匹配網絡中的射頻能量耦合到該第二連接器包括：通過將該射頻能量均勻分布給所述電子元件從而防止形成熱點。從下面的詳細描述、所附的權利要求書和附圖中，本發明的其它特徵和方案將會變得更加充分明顯。附圖說明圖1是具有射頻發生器、射頻匹配網絡和可變負載的現有技術的射頻功率系統的框圖；圖2是說明圖1所示的現有技術的射頻匹配網絡的細節的示意圖；圖3是根據本發明的某些實施例的對稱和/或同心的射頻匹配網絡的第一實例的透視圖；圖4是示出根據本發明某些實施例的圖3中的射頻匹配網絡的示意圖；圖5是根據本發明某些實施例的對稱和/或同心的匹配網絡的第二實例的透視圖；以及圖6是示出根據本發明某些實施例的圖5中的射頻匹配網絡的示意圖。具體實施方式在等離子體處理室中處理的基板正變得越來越大。因此，隨著技術的每一次更新換代，正在製造更大的等離子體處理室以容納更大的基板。由於等離子體處理室尺寸的增加，執行必要的處理步驟(例如蝕刻、沉積和/或注入)所需的功率正在增加。本發明的發明人已經確定所需射頻功率的增加可以導致現有射頻匹配網絡設計中的電流密度局部過大，隨後現有射頻匹配網絡設計的元件和/或導體(通常稱為「熱點」)局部受熱。因此，需要一種改進的射頻匹配網絡以防止形成熱點。根據本發明，提供一種包括一個或多個固定值元件的發明的射頻匹配網絡。以相對於縱軸對稱和/或同心的排列方式設置所述固定值元件。該對稱和/或同心的排列可以包括以同心方式製造的單個元件。或者，該對稱和/或同心的排列可以包括多個以類似方式設置的固定值元件。因為射頻電流均勻分布給所述元件，所以所述相對於縱軸對稱和/或同心的排列可以提高匹配網絡的效率。這樣降低了熱點出現的可能性，從而允許更少且更便宜的元件。轉到圖3，所示為發明的射頻匹配網絡300的透視圖。以對稱和/或同心的排列設置固定值元件。在此實施例中，固定值負載電容器204設置並連接在輸入接地凸緣206與輸入中心202之間。輸入中心202連接到電容器極板220。輸出盤228連接到可變阻抗負載302。另外，調整電容器222設置並連接在輸入中心202與輸出盤228之間。輸入中心202連接到射頻傳輸系統305的電激勵導體(electricallyexcitedconductor)。輸入接地凸緣206連接到射頻傳輸系統的接地部分。又如此圖所示，冷卻液的輸入和輸出連接到外部流道218A-218D(只示出了六個中的四個)。轉到圖4，示意說明圖3中的射頻匹配網絡的細節。輸入中心202通過射頻傳輸系統305的電激勵導體連接到射頻發生器304。輸入中心202連接到射頻匹配網絡300的負載電容器204。負載電容器204利用負載電容器螺釘208A連接到輸入接地凸緣206。設置在輸入接地凸緣206與負載電容器204之間的是環繞負載電容器204的同心彈簧210A。在輸入接地凸緣206與電容器螺釘208A之間的是O形環212A。另外，O形環212B置於負載電容器204與輸入接地凸緣206之間。用於各負載電容器204的O形環212A和212B形成環繞各負載電容器204的儲液器214A。儲液器214A通過流道216(只顯示一個)相互連接。另外，至少兩個儲液器214A(一個輸入和一個輸出)通過外部流道218(只顯示一個)連接到一個流體外源(未顯示)。而且，在此實施例中，電容器極板220和輸出盤228也包括流道216和外部流道218。輸入中心202還連接到電容器極板220。輸入中心202通過擰入負載電容器204和調整電容器222的螺栓224的壓縮力而連接到調整電容器極板220。輸入中心202與電容器極板220的連接藉助於定位銷226。電容器極板220還通過同心彈簧210B連接到調整電容器222。另外，在調整電容器222與電容器極板220之間設置O形環212D。如前所述，設置在調整電容器222與電容器極板220之間的O形環212D和在負載電容器204與輸入中心202之間的O形環212C形成各調整電容器222周圍的儲液器214B。調整電容器222通過螺釘208B與輸出盤228連接。如前所述，設置在調整電容器222與輸出盤228之間的O形環212E和設置在螺釘208與輸出環228之間的O形環212F形成在各調整電容器222的端部周圍的儲液器214C。調整電容器222還通過同心彈簧210C連接到輸出盤228。另外，輸出盤228連接到可變阻抗負載302(例如處理室)。在本發明的第一個方案中，為可變頻率網絡提供對稱和/或同心結構的新穎的射頻匹配電路300。在此實施例中，調整電容器222和負載電容器204以對稱和/或同心結構設置。調整電容器222和負載電容器204是設置在組成射頻匹配電路300的電路中的固定電容器。調整電容器222與可變阻抗負載串聯。負載電容器204與可變阻抗負載並聯以匹配射頻發生器的阻抗。在此實施例中，通過同軸電纜的中心導體將射頻電流提供給新射頻匹配網絡300的輸入中心202。輸入中心202可用作射頻匹配網絡300的第一連接器。輸入中心202的縱軸大致與射頻匹配電路300的縱軸近似在同一直線上，由此便於射頻匹配網絡調整電容器222和負載電容器204的對稱和/或同心排列。輸入中心202包括電連接到多個調整電容器222和負載電容器204的杆和盤。與大地高頻連接的負載電容器204以對稱和/或同心結構排列以「回折」到輸入接地凸緣206，從而形成與地的電連接。輸入接地凸緣206通過電連接到射頻傳輸系統保持處於或接近電氣接地。該對稱和/或同心「回折」結構通過以等距離方式繞射頻匹配網絡300的軸放置等電容值的負載電容器204而獲得。在電氣上，負載電容器204並聯，這樣產生一個可用於近似電路分析的電氣等效的集總電容值。集總值電容是一個近似值，並且可以使用在用於完整分析設計的電氣特性的電磁頻率和時域分析中。或者，在受益於負載或調整元件的不同排列的一些應用中，可以替代地設置與負載電容器204和/或調整電容器222串聯或並聯的電阻器和/或感應器。不同的物理排列可選擇地應用於對稱和/或同心排列，例如，感應器與所述電容器交替同心或電阻器的內環被感應器或電容器環繞。在一些實施例中，可以對稱和/或同心方式形成或製成單個電容器、感應器或電阻器，以產生無源元件和/或電阻器、電容器和感應器的對稱和/同心排列。另外，可以採用固定和可變元件的對稱和/或同心結構的各種組合連同或不需可變頻率發生器來形成射頻匹配網絡300的不同應用的最佳解決方案。例如，可受益於結合可變電容器和/或感應器以及可變頻率發生器，以允許在不具有相似阻抗特性的多個不同處理或室中使用單個匹配網絡。通常，可變頻率匹配網絡與近似穩定的負載一起使用。可以在具有較寬阻抗範圍的應用中採用可變元件。注意，該元件的對稱和/或同心排列不限制在匹配網絡中，還可應用在受益於元件的對稱和/或同心結構的任何電路中。在一些實施例中，諸如二極體或電晶體的有源元件的應用可使用於大功率放大網絡中。返回圖4的實施例，通過使用包括輸入中心202和輸入接地凸緣206的盤形嚙合面簡化調整電容器222和負載電容器204的對稱和/或同心結構。如下所述，這些盤形嚙合面可足夠平且厚以利於散熱和容納用於進一步進行冷卻的盤。然而，另外的實施例可以包括諸如轂和輪輻形式(spokeform)的其它支撐結構設置，便於例如流體在調整電容器222和負載電容器204的周圍循環。此外，對於受益於較薄和/或較長結構的應用，可以採用設置具有對稱和/或同心結構但沿射頻匹配網絡300的軸不對稱的元件的支撐結構。此外，在圖4的實施例中，負載電容器204在一端(例如，射頻或高電位端)與輸入中心202和輸入接地凸緣206機械連接。通過放置外徑略小於輸入中心202的孔的內徑的螺釘224實現機械連接或緊固(例如，從而螺釘224與輸入中心202或電容器極板220之間沒有接觸)，藉此將螺釘放入在負載電容器204和調整電容器222的螺紋孔中。或者，可以採用諸如焊接、鉚接和/或類似的其它連接或緊固方法。此外，在圖4的實施例中，負載電容器204和調整電容器222與輸入接地凸緣206和電容器極板220的電連接可以通過在輸出中心202、輸出盤228和/或電容器極板220中的挖空的盤230A-C中放置傾斜螺旋彈簧210A-C來實現。盤230A-C提供用於放置環繞傾斜的螺旋彈簧210A-C和電容器204、222的機械穩定平臺，由此確保電容器204、222的中心結構。此外，盤230A-C使得負載電容器204、調整電容器222、電容器極板220和輸入中心202同心且可靠地電連接，因此形成一個電節點。此外，盤230A-C可以提供挖空特徵以允許在其中放置用於限定形成儲液器214A-C的體積的O形環212A-F，由此冷卻負載電容器204和調整電容器222，如下面所述。盤230A-C的排列和尺寸取決於負載電容器204和調整電容器222以及發生電氣和機械連接的其它元件的排列和尺寸。如上面所述，在圖4的實施例中，可以提供冷卻射頻匹配電路300以防止可能發生的任何過熱的排列。通過利用螺釘208A的螺杆、負載電容器204、盤230A和O形環212A和212B形成的儲液器214A可以進行冷卻。O形環212A和212B繞螺釘和電容器的軸同心排列。通過擰緊螺釘208A，由此擠壓O形環212A和212B以形成液封。因為螺釘208A的外徑尺寸比輸入接地凸緣206或輸入中心202的通孔略小，所以形成儲液器214A。另外，通過在電容器的各端上提供盤，調整電容器222和負載電容器204的端部可以為流體循環提供額外的體積。或者，在擰緊螺釘的同時，可將O形環212A-F放置在用於使O形環保持在適當位置的凹槽中。可以採用諸如平chemrezO形環、鎳-黃銅單個壓縮盤或其它這種實施例的其它密封形式來形成密封。各負載電容器204周圍的儲液器214A通過流道216相互間通過流體，該流道216可以機械或其它方式形成於輸入接地凸緣中。設置流道216以使各儲液器214A、214B或214C之間相通以確保應用冷卻液，同樣地，確保防止所有電容器形成熱點。此實施例中的設置是一個連接所有儲液器214A或214B或214C的流道216的同心環。可以實現可供選擇的排列，例如流道的輪輻和輪排列，或輸入中心或輸入接地凸緣外部的其它連通通道，例如連接各儲液器或儲液器組的銅管。或者，儲液器可以由以同心和/或對稱方式排列的冷卻環代替，該冷卻環可以連接在輸入中心202和輸入接地凸緣206上。這樣的實施例可以通過利用例如焊接、膠合或其它這樣的連接和/或粘著方法的技術來減少匹配組裝的成本。或者，可以採用輸入中心202和輸入接地凸緣206的轂和輪輻結構的結合併利用強迫通風或其它不包含流體的浸沒法來冷卻射頻匹配電路300，由此減少成本。可以採用包含和不包含流體的各種組合來優化折中成本與設計目標。將去離子水用作冷卻液。然而，可以採用其它流體。可以選擇去離子水是因為它對地的高阻抗，由此確保電路的帶電部分通過流體流通與例如輸入接地凸緣206的地(ground)保持電分離。仍然參照圖4的實施例，負載電容器204和調整電容器222用螺栓224相互連接。螺栓224的外徑略小於在電容器極板220和輸入中心202中的孔的內徑，通過所述孔放置螺栓。通過把螺栓224穿過輸入中心202和電容器極板220中的孔擰進負載電容器204的一端，隨後，把調整電容器222擰進螺栓224的另一端上，電容器極板220和輸入中心202與調整電容器222和負載電容器204機械連接。調整電容器222、負載電容器204、電容器極板220和輸入中心202之間的電連接可看作利用射頻能量而「發熱」或「通電」的單個電節點。仍然參照圖4的實施例，輸出盤228與調整電容器222連接。如本文中提到的機械連接，輸出盤228通過螺栓208B與調整電容器222機械連接，所述螺栓208B以與上述關於電容器極板220與輸入中心202類似的設置方式設置。輸出盤228可以用作射頻匹配網絡300的第二連接器。輸出盤228的縱軸可以與射頻匹配網絡300的縱軸近似在同一條直線上。另外，以與輸入中心202和電容器極板220相似的方式，將輸出盤228形成為產生儲液器214C、與通道216相似的通道和/或與通道218相似的源通道。如上述用於電容器極板220和輸入中心202的用於冷卻和電連接的可選方案也可以應用於輸出盤228。與處理室的電連接可以通過延伸連接至可變阻抗負載302(例如室的內部)的匯流條229(圖5)實現。可以採用其它連接方法，例如與同軸電纜或栓接在輸出盤228上的簡單銅質電纜的同軸連接。因為輸出盤228與可變阻抗負載302連接，所以可不需要保持對稱形狀來提供如在射頻匹配網絡300的射頻發生器側有用的電氣對稱。然而，由於限制到處理室的電流通路要通過該連接器，所以到輸出盤228的連接方法可以是牢固的，例如提供大接觸表面並加緊緊固。另外，可以提供冷卻這種連接的方法。轉到圖5和圖6，描述射頻匹配網絡500的第二實施例。射頻傳輸系統305的內導體與輸入中心202′連接。輸入中心202′利用螺栓224與負載電容器204連接(圖6)。輸入中心202′通過螺栓224還與調整電容器222連接(圖6)。輸入中心202′包括提供冷卻輸入中心202′的銅線圈330B。負載電容器204通過螺釘208A與輸入接地凸緣206′連接(圖6)。輸入接地凸緣206′可以通過直接與地連接或通過該射頻傳輸系統的接地連接器處於或接近電氣接地。調整電容器222通過螺釘208B連接到輸出盤228′。輸出盤228′可帶電，並且通過匯流條229將射頻電流從射頻匹配網絡500傳導到可變阻抗負載。特別參照圖6，描述圖5的第二實施例的示意性表示。輸入中心202′顯示為連接到射頻傳輸系統305的帶電導體。輸入中心202′通過螺栓224連接到負載電容器204。負載電容器204通過螺釘208B連接到輸入接地凸緣206′。輸入中心202通過螺栓224連接到調整電容器222。調整電容器222通過螺釘208B連接到輸出盤228′。輸出盤228通過匯流條連接229連接到可變阻抗負載(例如，處理室)(圖5)。在圖5和6的實施例中，輸入接地凸緣冷卻環330A可以通過例如將輸入接地凸緣冷卻環330A焊接到輸入接地凸緣206′上而與輸入接地凸緣206′連接。同樣地，輸入中心冷卻環330B可以通過使用焊料與輸入中心202′連接。另外，輸出冷卻環330C可以通過使用焊料與輸出盤228′連接。輸入接地凸緣冷卻環330A、輸入中心冷卻環330B和輸出盤冷卻環330C可以連接到冷卻液(例如去離子水)的外源。每個冷卻環可以通過用於每個冷卻環的兩個連接器獨立地連接到冷卻液(例如去離子水)的源頭和排出口。輸入接地凸緣冷卻環330A可以與連接器320A和320E連接。輸入中心冷卻環330B可以與連接器320F和320D連接，並且輸出盤冷卻環330C可以與連接器320B和320C連接。在連接器對中的兩個連接器中的一個用於提供冷卻液。第二個連接用於冷卻液的返回。因此，流體可以經過每個輸入接地凸緣冷卻環330A、輸入中心冷卻環330B和輸出盤冷卻環330C循環。在此實例中，用於輸入接地凸緣冷卻環330A、輸入中心冷卻環330B和輸出盤冷卻環330C的材料可以是銅。然而，任何可適用的材料可以用來提供內部路徑，冷卻液可以通過該內部路徑循環。這樣的材料可以包括例如不鏽鋼或鋁。另外，冷卻環可以採用不同的材料和幾何形狀，例如在加工面中的管陣列或孔的多層柵格(sandwichgrid)。因此，雖然結合本發明的示例性實施例公開本發明，但應理解為其它實施例可以落在如權利要求書所限定的本發明的精神和範圍內。