射频阻抗自动匹配装置及方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种射频阻抗自动匹配装置及方法。

背景技术：

在半导体制备工艺中，需要对等离子体实现稳定控制以保证制备工艺过程的稳定。现有等离子射频阻抗匹配网络主要由两个可调电容构成，可调电容可以人工手动调整以改变电容值。在等离子体启辉之前，由于无法预测负载(等离子体)的阻抗，因此会出现负载阻抗与可调电容阻抗不匹配，使等离子体的稳定性难以控制。现有的解决方案是在等离子体启辉之后，采用人工手动匹配负载的方法，调整可调电容的阻抗与负载阻抗。但是，这种人工手动匹配调整方法实现起来比较困难，可调电容阻抗与负载阻抗匹配的最佳位置很难达到；同时，人工手动匹配还无法预知负载的阻抗，使得匹配负载的速度慢、匹配时间长，易造成等离子体不稳定，进而影响工艺过程。

技术实现要素：

为了解决现有匹配射频阻抗无法预测最优阻抗点位置等问题，本发明提供一种射频阻抗自动匹配装置，包括：第一可调电容器、第二可调电容器、第一可调电容器位置信号变送器、第二可调电容器位置信号变送器、单片机、第一可调电容器驱动机构、第二可调电容器驱动机构和偏压计，其中，所述第一、第二可调电容器的输出端分别与所述第一、第二可调电容器位置信号变送器的输入端连接，所述第一、第二可调电容位置信号变送器的输出端分别与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端分别与所述第一、第二可调电容器驱动机构的输入端连接，所述第一、第二可调电容器驱动机构的输出端分别与所述第一、第二可调电容器的输入端连接，所述偏压计的输入端与所述第一、第二可调电容器的输出端连接，所述偏压计的输出端与所述单片机的输入端连接。

优选为，还包括显示控制屏，与所述单片机的输出端连接。

优选为，还包括：电感，与所述第一、第二可调电容器串联，并与所述偏压计的输入端相连接。

优选为，所述第一、第二可调电容位置信号变送器均包括绝对位置编码器、通轴连接杆，所述绝对位置编码器通过所述通轴连接杆与所述第一、第二可调电容器的输出端连接。

优选为，所述第一可调电容器驱动机构、第二可调电容器驱动机构为步进电机。

本发明还提供一种射频阻抗自动匹配方法，所使用的射频阻抗自动匹配装置包括第一可调电容器、第二可调电容器、第一可调电容器位置信号变送器、第二可调电容器位置信号变送器、单片机、第一可调电容器驱动机构、第二可调电容器驱动机构和偏压计，包括如下步骤：全局数据扫描步骤，所述单片机发送驱动命令到所述第一、第二可调电容器驱动机构，所述第一、第二可调电容器驱动机构驱动所述第一、第二可调电容器的极板移动，所述第一、第二可调电容器位置信号变送器将所述第一、第二可调电容器的极板位置信息发送到所述单片机，同时，所述偏压计将所采集的与所述第一、第二可调电容器的极板位置对应的等离子体负载的偏压值发送到所述单片机，直至完成对所述第一可调电容器的极板位置和所述第二可调电容器的极板位置的全局扫描；历史最优位置确定步骤，所述单片机对所述第一、第二可调电容器的极板位置以及等离子体负载的偏压值进行组合，形成数据库进行存储，并取得等离子体负载的偏压值最小的第一、第二可调电容器极板位置作为历史最优位置；基于历史数据的射频阻抗匹配步骤，所述单片机以所述历史最优位置作为控制点，向所述第一、第二可调电容器驱动机构发送运动指令，使所述第一、第二可调电容器的极板移动至所述历史最优位置，进行射频阻抗匹配；以及，基于实时数据的射频阻抗匹配步骤，所述单片机采用坐标轮换法，取得实时等离子体负载的偏压值最小的所述第一、第二可调电容器的极板位置作为实时最优位置，实现射频阻抗匹配。

优选为，还包括数据库更新步骤，将所述实时最优位置以及等离子体负载的偏压值更新至所述数据库。

优选为，在所述全局数据扫描步骤前，还包括：开机检测步骤，检测是否存在历史全局数据，若为空，则直接进入所述全局数据扫描步骤，若存在，则提示是否开启全局数据扫描功能，若选择是，则进入所述全局数据扫描步骤，若选择否，则进入所述基于历史数据的射频阻抗匹配步骤。

优选为，所述单片机采用坐标轮换法取得实时最优位置的步骤包括：所述单片机向所述第一可调电容器驱动机构发送运动指令，所述第一可调电容器驱动机构驱动所述第一可调电容器的极板从历史最优位置沿原运动方向移动，如果所述等离子体负载的偏压值变大，则所述单片机向所述第一可调电容器驱动机构发送停止并改变运动方向的指令；所述单片机向所述第二可调电容器驱动机构发送运动指令，所述第二可调电容器驱动机构驱动所述第二可调电容器的极板从历史最优位置沿原运动方向移动，如果等离子体负载的偏压值变大，则所述单片机向所述第二可调电容器驱动机构发送停止并改变运动方向的指令；以及，所述单片机对等离子体负载的偏压值是否小于匹配停止门限阈值进行判断，如果判断为是，则终止，如果判断为否，则重复上述步骤。

优选为，所述匹配停止门限阈值设为进行射频阻抗自动匹配前等离子体负载的偏压值的5％～10％。

附图说明

图1是射频阻抗自动匹配装置的功能框图。

图2是射频阻抗自动匹配装置的另一功能框图。

图3表示第一可调电容器位置信号变送器结构示意图及其与第一可调电容器的连接关系。

图4是射频阻抗自动匹配方法的流程图。

图5是采用坐标轮换法取得实时最优位置的流程图。

图6是射频阻抗自动匹配方法的另一流程图。

图7是射频阻抗自动匹配方法中包括开机检测步骤的一个实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。根据本发明的一方面，提供一种射频阻抗自动匹配装置。在图1中示出了射频阻抗自动匹配装置的功能框图，包括：第一可调电容器101、第二可调电容器102、第一可调电容器位置信号变送器103、第二可调电容器位置信号变送器104、单片机105、第一可调电容器驱动机构106、第二可调电容器驱动机构107和偏压计108。

其中，第一可调电容101的输出端与第一可调电容位置信号变送器103的输入端连接，第二可调电容102的输出端与第二可调电容位置信号变送器104的输入端连接。

第一可调电容位置信号变送器103的输出端与单片机105的输入端连接，第二可调电容位置信号104变送器的输出端与单片机105的输入端连接。

单片机105的输出端与第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107的输入端连接。

第一可调电容器驱动机构106的输出端与第一可调电容器101的输入端连接，第二可调电容器驱动机构107的输出端与第二可调电容器102的输入端连接。

偏压计108的输入端与第一可调电容器101和第二可调电容器102的输出端连接，偏压计108的输出端与单片机105的输入端连接。

优选地，射频阻抗自动匹配装置还包括显示控制屏，显示控制屏与单片机105的输出端连接。显示控制屏用于实时显示第一可调电容器101、第二可调电容器102的极板位置和等离子体负载的偏压值，以及通过显示控制屏上的人机交互界面控制第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107的开启或停止。

在本发明的另一实施例中，射频阻抗自动匹配装置还包括电感109，与第一可调电容器101和第二可调电容器102串联，并与偏压计108的输入端相连接，如图2所示，用于等离子体负载在大范围变化时匹配调整。

在上述任一实施例中，优选地，第一可调电容位置信号变送器103包括绝对位置编码器1000、通轴连接杆1001，绝对位置编码器1000通过通轴连接杆1001与第一可调电容器101的输出端连接，在图3中示出了第一可调位置信号变送器结构示意图及其与第一可调电容器的连接关系。同样，第二可调电容位置信号变送器104也包括绝对位置编码器1000、通轴连接杆1001，绝对位置编码器1000通过通轴连接杆1001与第二可调电容器102的输出端连接。其中，绝对位置编码器例如可以选用10圈编码器，用于记录可调电容器的极板位置。

在上述任一实施例中，第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107例如可以选用步进电机。

在上述任一实施例中，第一可调电容器101和第二可调电容器102为真空电容器。

根据本发明的另一方面，提供一种射频阻抗自动匹配方法，具体来说，如图4所示，通过如下步骤实现。

全局数据扫描步骤S1，单片机105发送驱动命令到第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107，第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107分别驱动第一可调电容器101和第二可调电容器102的极板移动，第一可调电容器位置信号变送器103和第二可调电容器位置信号变送器104分别将第一可调电容器101和第二可调电容器102的极板位置信息发送到单片机105，同时，偏压计108将所采集的与第一可调电容器101的极板位置和第二可调电容器102的极板位置对应的等离子体负载的偏压值发送到单片机105。

在本实施例中，例如可以分别将第一可调电容器101、第二可调电容器102的极板间的距离分为11份，分别以C1₀～C1₁₀，C2₀～C2₁₀顺次标记各位置。单片机105发送运动指令到第一可调电容器驱动机构106、第二可调电容器驱动机构107，使第一可调电容器驱动机构106驱动第一可调电容器101的极板，第二可调电容器驱动机构107驱动第二可调电容器102的极板至C1₀，C2₀位置，并记录该位置由偏压计108采集的等离子负载的偏压值。扫描顺序例如先保持第一可调电容器101的极板位置不变，将第二可调电容器102的极板位置由C2₀顺次移动至C2₁₀，分别记录下各位置处的偏压值，之后，将第一可调电容器101的极板位置顺移至位置C1₁，重复上述扫描过程，以此类推，直至第一可调电容器101的极板位置移至C1₁₀，第二可调电容器102的极板位置移至C2₁₀，记录此位置的偏压值，完成全局扫描。扫描完成后我们将获得一个如下所示的数据组：

以上仅为示例性说明，但本发明不限定于此，例如根据需要也可以将第一、第二可调电容器极板间的距离分割为几十或上百份，或者也可以是将极板的长度或宽度分割为等比例的多份，或者也可以是不等比例的分割等，总之，只要是能够通过分割实现区分第一、第二可调电容器极板所处的位置即可。另外，也可以先驱动第一可调电容器，保持第二可调电容器的位置不变，在第一可调电容器的极板遍历各分割点后，将第二可调电容器的极板位置移动至下一个分割点，直至完成全局扫描。当然，也可以是其他合适的方式，只要是能够实现对第一可调电容器的极板位置和第二可调电容器的极板位置的全局扫描即可。

历史最优位置确定步骤S2，单片机105对第一可调电容器101和第二可调电容器102的位置以及等离子体负载的偏压值进行组合，形成数据库进行存储，并取得等离子体负载的偏压值最小的第一可调电容器101和第二可调电容器102的极板所处的位置作为历史最优位置。

基于历史数据的射频阻抗匹配步骤S3，单片机105以上述历史最优位置作为控制点，向第一可调电容器驱动机构106和第二可调电容器驱动机构107发送运动指令，使第一可调电容器101的极板和第二可调电容器102的极板移动至上述历史最优位置，从而进行射频阻抗匹配。

基于实时数据的射频阻抗匹配步骤S4，单片机105采用坐标轮换法，取得实时等离子负载的偏压值最小时第一可调电容器101和第二可调电容器102的极板所处的位置作为实时最优位置，实现射频阻抗匹配。

其中，单片机105采用坐标轮换法取得实时最优位置的步骤，如图5所示，具体包括：

步骤S41，单片机105向第一可调电容器驱动机构106发送运动指令；

步骤S42，第一可调电容器驱动机构106驱动第一可调电容器101的极板从历史最优位置沿原运动方向移动；

步骤S43，单片机105对等离子体负载的偏压值是否增大进行判断，如果判断为是，则进入步骤S44，如果判断为否，则返回步骤S41；

步骤S44，单片机105向第一可调电容器驱动机构106发送停止并改变运动方向的指令；

步骤S45，单片机105向第二可调电容器驱动机构107发送运动指令；

步骤S46，第二可调电容器驱动机构107驱动第二可调电容器102的极板从历史最优位置沿原运动方向移动；

步骤S47，单片机105对等离子体负载的偏压值是否增大进行判断，如果判断为是，则进入步骤S48，如果判断为否，则返回步骤S45；

步骤S48，单片机105向第二可调电容器驱动机构107发送停止并改变运动方向的指令；

步骤S49，单片机105对等离子体负载的偏压值是否小于匹配停止门限阈值进行判断，如果判断为是，则终止坐标轮换，如果判断为否，则重复上述步骤。

其中，匹配停止门限阈值例如可以设为进行射频阻抗自动匹配前的等离子体负载的偏压值的5％～10％。当然也可以由用户根据实际需求进行设定。

优选地，在本发明的另一实施例中，如图6所示，还包括数据库更新步骤S5，将实时最优位置以及等离子体负载的偏压更新至数据库。

优选地，在本发明的上述任一实施例中，还包括开机检测步骤S6，启动设备，检测是否存在历史全局数据，若不存在，则直接进入全局数据扫描步骤S1，若存在，则提示是否开启全局数据扫描功能，若选择是，则进入全局数据扫描步骤S1，若选择否，则进入基于历史数据的射频阻抗匹配步骤S3。在图7中示出了其中一个实施例的流程图。

根据本发明，能够通过实时比较第一、第二可调电容器的极板位置在调整前和调整后的等离子体负载的偏压值大小，并存储最优值即最小偏压值及对应的第一、第二可调电容器的极板位置，从而使得单片机能即时更新负载数学模型，并预先找到负载的最优匹配点，以此作为下次启动前调整可调电容大小的依据，从而实现了等离子体负载的快速匹配。

本发明利用等离子体自偏压历史数据的最优值信息来决定可调电容运动方向，不受相位信号，频率信号的干扰，使匹配器能实时自动调整与等离子负载相匹配，控制速度快、精确度高、使负载稳定。另外，由于自偏压更为精准的反应了等离子的启辉状况，反应速度也更快，能够更迅速找到最佳匹配点。

另外，根据本发明可以避免射频电源过载。由于本发明使用等离子体偏压的历史数据最优值直接进行决策，匹配起来不仅速度快，而且可以更迅速的通过不匹配点，能够保护射频电源不过载。

另外，根据本发明可以实现内存的最优化配置。由于在匹配点附近更新历史数据最优值使得匹配点附近的数据更详细，调制更精确，而非匹配点处的历史数据存储量小，使得内存得到最优化的配置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。