一種射頻阻抗自動匹配裝置及方法
2023-10-20 16:07:02
專利名稱：一種射頻阻抗自動匹配裝置及方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術領域，特別涉及一種基於交替比較方式的射頻阻抗自動匹配裝置及方法。
背景技術：
在半導體製備工藝中，需要對等離子體實現穩定控制以保證製備工藝過程的穩定。現有等離子射頻阻抗匹配網絡主要由兩個真空電容構成，真空電容可以人工手動調整以改變電容值。在等離子體啟輝之前，由於無法預測負載(等離子體)的阻抗，因此會出現負載阻抗與真空電容阻抗不匹配，使等離子體的穩定性難以控制。現有的解決方案是在等離子體啟輝之前，採用人工手動匹配負載的方法，調整真空電容的阻抗與負載阻抗。但是，這種人工手動匹配調整方法實現起來比較困難，真空電容阻抗與負載阻抗匹配的最佳位置很難達到；同時，人工手動匹配還無法滿足工藝過程實時快速變化的要求，且手動匹配負載的速度慢、匹配時間長，易造成等離子體不穩定，進而影響工藝過程。
發明內容
為了解決現有人工手動匹配射頻阻抗精度低、速度慢及匹配時間長等問題，本發明提供了一種射頻阻抗自動匹配裝置，包括第一真空電容檢測機構、第二真空電容檢測機構、第一信號變送器、第二信號變送器、功率計和單片機，所述第一、第二真空電容檢測機構的輸出端分別與第一信號變送器電連接，所述功率計與第二信號變送器電連接，所述單片機的輸入端分別與所述第一信號變送器和第二信號變送器的輸出端電連接，所述單片機的控制輸出端分別與所述第一、第二真空電容檢測機構的輸入端電連接。所述自動匹配裝置還包括顯示控制屏，所述顯示控制屏與單片機的控制端連接。所述第一、第二真空電容檢測機構均包括電位器、通軸連接杆、真空電容、減速機、步進電機和手輪，所述電位器通過所述通軸連接杆與所述真空電容的輸出端連接，所述真空電容的輸入端與所述減速機的輸出軸連接，所述減速機的輸入軸通過所述通軸連接杆與所述步進電機的輸出軸連接，所述步進電機輸出軸的另一端通過所述通軸連接杆連接所述手輪。本發明還提供了一種射頻阻抗自動匹配方法，包括單片機將功率計採集的第一等離子體反射功率與第二等離子體反射功率進行比較運算，根據比較運算結果向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號，改變第一真空電容的位置；所述單片機將所述功率計採集的第三等離子體反射功率與所述第二等離子體反射功率進行比較運算，根據比較運算結果向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號，改變第二真空電容的位置；所述單片機根據所述第三等離子體反射功率小於等於匹配停止門限閾值的比較結果，分別向驅動第一、第二真空電容的步進電機發送停止信號。
所述單片機將功率計採集的第一等離子體反射功率與第二等離子體反射功率進行比較運算的步驟具體包括單片機計算得到第二等離子體反射功率與第一等離子體反射功率的差值，將所述差值求常用對數後的結果作為驅動第一真空電容的步進電機運行的速度調整值；比較第二等離子體反射功率與第一等離子體反射功率的大小。所述根據比較運算結果向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號的步驟具體為如果第二等離子體反射功率大於第一等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送包括電機運動方向改變指令和電機運行速度調整值的控制信號；如果第二等離子體反射功率小於等於第一等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送包括電機運動方向不變指令和電機運行速度調整值的控制信號。所述單片機將所述功率計採集的第三等離子體反射功率與所述第二等離子體反射功率進行比較運算的步驟具體包括所述單片機計算得到第三等離子體反射功率與第二等離子體反射功率的差值，將所述差值求常用對數後的結果作為驅動第二真空電容的步進電機運行的速度調整值；比較第三等離子體反射功率與第二等離子體反射功率的大小。 所述根據比較運算結果向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號的步驟具體包括如果第三等離子體反射功率大於第二等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送包括電機運動方向改變指令和電機運行速度調整值的控制信號；如果第三等離子體反射功率小於等於第二等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送包括電機運動方向不變指令和電機運行速度調整值的控制信號。所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號的步驟還包括所述單片機將第一真空電容的位置值和所述第二等離子體反射功率值輸出到顯示控制屏。所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號的步驟還包括所述單片機將第二真空電容的位置值和所述第三等離子體反射功率值輸出到顯示控制屏。本發明通過實時交替比較第一、第二真空電容調整前和調整後的等離子體反射功率的大小，使用調整真空電容前後兩次的等離子體反射功率大小的變化率作為調整真空電容運動快慢的比率，並以此作為調整真空電容大小的依據，傳送到步進電機以尋找到真空電容的匹配最佳位置，從而實現了等離子體負載的快速匹配。
圖I是本發明實施例提供的射頻阻抗自動匹配裝置的原理結構示意圖；圖2是本發明實施例提供的射頻阻抗自動匹配方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明技術方案作進一步描述。參見圖I，本發明實施例提供了一種射頻阻抗自動匹配裝置，包括第一真空電容檢測機構I、第二真空電容檢測機構2、信號變送器1011、信號變送器1012、功率計106和單片機100。其中,第一、第二真空電容檢測機構的輸出端分別與信號變送器1011電連接,功率計106與信號變送器1012電連接，單片機100的輸入端分別與信號變送器1011和信號變送器1012的輸出端電連接,單片機100的控制輸出端分別與第一、第二真空電容檢測機構的輸入端電連接。本實施例中，第一、第二真空電容檢測機構均包括電位器102、通軸連接杆108、真空電容103、減速機104、步進電機105和手輪109 ;電位器102通過通軸連接杆108與真空電容103的輸出端連接，真空電容103的輸入端與減速機104的輸出軸連接，減速機104的輸入軸通過通軸連接杆108與步進電機105的輸出軸連接，步進電機105輸出軸的另一端通過通軸連接杆108連接手輪109。本實施例中的電位器102可以選用10圈電位器，用於記錄真空電容的位置值，並輸入單片機100存儲。本實施例中的手輪109可以在步進電機105斷電的情況下，手動調節真空電容的位置。本實施例的第一、第二真空電容檢測機構中的兩個真空電容與等離子體負載構成了 「L」型網絡阻抗匹配負載。另外，本實施例的射頻阻抗自動匹配裝置還可以包括顯示控制屏107，顯示控制屏107與單片機100的控制端連接。顯示屏107可以用於實時顯示匹配的真空電容的阻抗值和等離子體負載的反射功率，以及通過顯示控制屏107上的人機互動界面控制驅動真空電容轉動的步進電機的開啟或停止工作狀態。
本發明實施例的射頻阻抗自動匹配裝置的工作原理是電位器102將採集的第一、第二真空電容103的位置值，通過信號變送器102發送給單片機100 ;功率計106將採集的等離子體反射功率通過信號變送器1012發送給單片機100 ;單片機100將調整第一、第二真空電容103前後兩次的等離子體反射功率進行比較運算，並根據比較運算結果向驅動第一、第二真空電容103的步進電機105發送控制信號；驅動第一、第二真空電容103的步進電機105根據控制信號，調整電機的運動方向及轉速。參見圖2，本發明實施例還提供了一種基於上述射頻阻抗自動匹配裝置的射頻阻抗自動匹配方法，包括以下步驟步驟201 :設備上電啟動，進行初始化操作，設定計數器及其計數閾值，設定匹配停止門限閾值；根據第一、第二真空電容103與等離子體反射功率的關係歷史存儲值，轉動第一、第二真空電容103的位置，使等離子體反射功率值最小；下表I為第一、第二真空電容103與等離子體反射功率的關係歷史存儲值，其中記載了不同的等離子體反射功率最小值與第一、第二真空電容103的電容值對應關係；由表I中的等離子反射功率最小值A，可以獲知第一、第二真空電容103的電容值，從而轉動第一、第二真空電容103到相應的位置；等離子體反射功率最小值A的確定，可以根據等離子體的工藝要求來進行選擇；表I
權利要求
1.一種射頻阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，包括第一真空電容檢測機構、第二真空電容檢測機構、第一信號變送器、第二信號變送器、功率計和單片機，所述第一、第二真空電容檢測機構的輸出端分別與第一信號變送器電連接，所述功率計與第二信號變送器電連接，所述單片機的輸入端分別與所述第一信號變送器和第二信號變送器的輸出端電連接，所述單片機的控制輸出端分別與所述第一、第二真空電容檢測機構的輸入端電連接。
2.如權利要求I所述的射頻阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，所述自動匹配裝置還包括顯示控制屏，所述顯示控制屏與單片機的控制端連接。
3.如權利要求I或2所述的射頻阻抗自動匹配裝置，其特徵在於，所述第一、第二真空電容檢測機構均包括電位器、通軸連接杆、真空電容、減速機、步進電機和手輪，所述電位器通過所述通軸連接杆與所述真空電容的輸出端連接，所述真空電容的輸入端與所述減速機的輸出軸連接，所述減速機的輸入軸通過所述通軸連接杆與所述步進電機的輸出軸連接，所述步進電機輸出軸的另一端通過所述通軸連接杆連接所述手輪。
4.一種射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，包括 單片機將功率計採集的第一等離子體反射功率與第二等離子體反射功率進行比較運算，根據比較運算結果向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號，改變第一真空電容的位置； 所述單片機將所述功率計採集的第三等離子體反射功率與所述第二等離子體反射功率進行比較運算，根據比較運算結果向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號，改變第二真空電容的位置； 所述單片機根據所述第三等離子體反射功率小於等於匹配停止門限閾值的比較結果，分別向驅動第一、第二真空電容的步進電機發送停止信號。
5.如權利要求4所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述單片機將功率計採集的第一等離子體反射功率與第二等離子體反射功率進行比較運算的步驟具體包括單片機計算得到第二等離子體反射功率與第一等離子體反射功率的差值，將所述差值求常用對數後的結果作為驅動第一真空電容的步進電機運行的速度調整值；比較第二等離子體反射功率與第一等離子體反射功率的大小。
6.如權利要求5所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述根據比較運算結果向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號的步驟具體為如果第二等離子體反射功率大於第一等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送包括電機運動方向改變指令和電機運行速度調整值的控制信號；如果第二等離子體反射功率小於等於第一等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送包括電機運動方向不變指令和電機運行速度調整值的控制信號。
7.如權利要求4所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述單片機將所述功率計採集的第三等離子體反射功率與所述第二等離子體反射功率進行比較運算的步驟具體包括所述單片機計算得到第三等離子體反射功率與第二等離子體反射功率的差值，將所述差值求常用對數後的結果作為驅動第二真空電容的步進電機運行的速度調整值；比較第三等離子體反射功率與第二等離子體反射功率的大小。
8.如權利要求7所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述根據比較運算結果向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號的步驟具體包括如果第三等離子體反射功率大於第二等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送包括電機運動方向改變指令和電機運行速度調整值的控制信號；如果第三等離子體反射功率小於等於第二等離子體反射功率，則所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送包括電機運動方向不變指令和電機運行速度調整值的控制信號。
9.如權利要求4所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述單片機向驅動第一真空電容的步進電機發送控制信號的步驟還包括所述單片機將第一真空電容的位置值和所述第二等離子體反射功率值輸出到顯示控制屏。
10.如權利要求4所述的射頻阻抗自動匹配方法，其特徵在於，所述單片機向驅動第二真空電容的步進電機發送控制信號的步驟還包括所述單片機將第二真空電容的位置值和所述第三等離子體反射功率值輸出到顯示控制屏。
全文摘要
本發明公開了一種射頻阻抗自動匹配裝置及方法，屬於微電子技術領域。所述裝置包括第一及第二真空電容檢測機構、第一及第二信號變送器、功率計和單片機。第一、第二真空電容檢測機構的輸出端分別與第一信號變送器電連接，功率計與第二信號變送器電連接，單片機的輸入端分別與第一信號變送器和第二信號變送器的輸出端電連接，單片機的控制輸出端分別與第一、第二真空電容檢測機構的輸入端電連接。本發明還提供了一種射頻阻抗自動匹配方法。本發明可以使匹配過程自動、迅速，同時兼容人工手動操作，可以實現自動和人工手動操作達到匹配負載的目的。
文檔編號H03H7/38GK102891661SQ201210392259
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者王佳, 劉訓春 申請人:中國科學院微電子研究所, 北京泰龍電子技術有限公司