[發明專利]射頻電源系統和利用射頻電源系統進行阻抗匹配的方法

在審

• 申請號: 201310322341.6
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN104349567A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發明（設計）人: 張璐
• 申請（專利權）人: 北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司
• 主分類號: H05H1/46
• 分類號: H05H1/46
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 彭瑞欣;張天舒

技術領域

本發明涉及阻抗匹配技術領域，具體地，涉及一種射頻電源系統和一種利用該射頻電源系統進行阻抗匹配的方法。

背景技術

典型的射頻等離子發生裝置中，恒定輸出阻抗的射頻電源10產生固定頻率的射頻波，為等離子體腔室30提供射頻功率，以激發產生用于刻蝕或用于其它工藝的等離子體。其中射頻發生器的恒定輸出阻抗通常為50Ω，產生的固定頻率通常為13.56MHz。通常情況下，等離子體腔室30的非線性負載阻抗與射頻電源10的恒定輸出阻抗并不相等，所以，在射頻電源10與等離子體腔室30之間會存在比較嚴重的阻抗失配，從而使得位于射頻電源10與等離子體腔室30之間的射頻傳輸線上存在較大的反射功率，造成射頻電源10產生的功率無法全部輸送給等離子體腔室30。

為了解決這一問題，現有技術中通常在射頻電源10與等離子腔室之間設置一個自動阻抗匹配器20，如圖1所示。該自動阻抗匹配器20包括阻抗傳感器22、控制器21以及執行機構23，其中執行機構23中進一步包括匹配網絡中的可變阻抗元件以及改變可變阻抗元件值的驅動裝置。這里所提到的匹配網絡是指由可變阻抗元件以及等離子體腔室30的非線性負載阻抗組成的網絡。阻抗傳感器22檢測位于自動阻抗匹配器20與射頻電源10之間的射頻傳輸線上的電壓、電流、前向功率以及反向功率等參數，為控制器21提供匹配控制算法所需要的輸入量。該輸入量通常是根據電壓、電流、前向功率以及反向功率等參數進一步計算出的參數。其中，反向功率即前面所介紹的反射功率，同時阻抗傳感器22還用于檢測匹配網絡的輸入阻抗，輸出給控制器21。控制器21根據阻抗傳感器22提供的輸入量以及匹配網絡的輸入阻抗，通過某種匹配控制算法，及刪除可變阻抗元件的調整量，并輸出給執行機構23中的驅動裝置，驅動裝置根據來自控制器21的調整量改變可變阻抗元件的阻抗，從而使得匹配網絡的輸入阻抗與射頻電源10的恒定輸出阻抗相等，即，達到阻抗匹配。這樣，射頻傳輸線上的反射功率為零，射頻發生器產生的功率全部輸送到了等離子體腔室30。

由于可調元件較少，整個匹配系統的匹配范圍較窄，若選用可變范圍大的元件，響應速度較慢，且成本較高。因此，如何調高阻抗匹配系統的調節范圍以及提高阻抗匹配系統的響應速度成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種射頻電源系統和一種利用該射頻電源系統進行阻抗匹配的方法，所述射頻電源系統可以快速完成阻抗匹配。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供一種射頻電源系統，該射頻電源系統包括射頻電源和電連接在所述射頻電源與等離子體腔室之間的自動阻抗匹配器，其中，所述射頻電源的頻率能夠在最小預定頻率和最大預定頻率之間調節，通過調節所述射頻電源的頻率以及通過所述自動阻抗匹配器調節匹配網絡的輸入阻抗能夠使得匹配網絡的輸入阻抗與所述射頻電源的恒定輸出阻抗相等。

優選地，所述自動阻抗匹配器包括阻抗傳感器、控制器和執行機構，所述阻抗傳感器用于檢測所述執行機構的初始阻抗以及所述射頻電源的初始頻率，并將所述執行機構的初始阻抗以及所述射頻電源的初始頻率發送給所述控制器，所述控制器能夠根據所述執行機構的初始阻抗、所述射頻電源的初始頻率以及所述等離子體腔室的等效阻抗計算所述匹配網絡的初始輸入阻抗，并且根據該初始輸入阻抗調節所述射頻電源的頻率以及控制執行機構的阻抗。

優選地，所述執行機構包括阻抗可調元件和可調匝數比的變壓器，通過調節該變壓器的匝數比能夠調節所述匹配網絡的輸入阻抗的阻抗值的實部，通過調節所述阻抗可調元件的阻抗能夠調節所述匹配網絡的輸入阻抗的阻抗值的虛部。

優選地，所述阻抗可調元件包括第一電容和電感，該第一電容和電感與所述等離子體腔室串聯，所述第一電容為可調電容，和/或所述電感為可調電感。

優選地，所述第一電容和所述電感均串聯在所述變壓器的輸入端。

優選地，所述阻抗可調元件均設置在所述變壓器的輸出端，且所述阻抗可調元件包括第二電容和第三電容，所述第二電容為可調電容，且該第二電容與所述等離子體腔室并聯，所述第三電容與所述等離子體腔室串聯。

作為本發明的另一個方面，提供一種利用射頻電源系統進行阻抗匹配的方法，所述的射頻電源系統射頻電源、電連接在所述射頻電源與等離子體腔室之間的自動阻抗匹配器，其中，所述射頻電源的頻率能夠在最小預定頻率和最大預定頻率之間調節，所述自動阻抗匹配方法包括：

步驟100、利用自動阻抗匹配器檢測獲取預先確定的等離子體腔室的等效阻抗，并計算匹配網絡的初始輸入阻抗；