用于对称和/或同心的射频匹配网络的方法和设备与流程

用于对称和/或同心的射频匹配网络的方法和设备本申请是申请人应用材料公司于2006年8月29日提交的、申请号为2006101122586、发明名称为“用于对称和/或同心的射频匹配网络的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。相关申请的交叉参考本申请要求在2005年8月29日提交的、申请号为60/712,190、发明名称为“用于对称和/或同心的射频匹配网络的方法和设备”的当前未决且共同转让的美国临时专利申请的优先权，在此通过参考的方式援引该申请。技术领域本发明一般地涉及高频或射频匹配网络，特别涉及用于等离子体处理室的大功率匹配网络。

背景技术：
参照图1，等离子体处理系统可以包括高频或射频(以下称为“射频”)匹配网络100、可变阻抗负载(例如等离子体处理室)102、射频发生器104以及射频传输系统106。射频匹配网络100设置并电连接在射频传输系统106与可变阻抗负载102之间。射频传输系统106与射频发生器104电连接。射频匹配网络100可以包括已知或可变阻抗值的电子元件(例如可变电容器和/或感应器)。射频传输系统106可以包括诸如大功率同轴电缆组装件和连接器等装置。射频发生器104可以通过射频传输系统106和射频匹配网络100给可变阻抗负载102提供射频能量。射频匹配网络100的功能可以是使可变阻抗负载102的阻抗与射频发生器104和射频传输系统106的输出阻抗匹配。通过使可变阻抗负载102的阻抗与射频发生器104和射频传输系统106的输出阻抗匹配，可以减少从可变阻抗负载102反射的射频能量。减少射频能量的反射可以有效地增加通过射频发生器104提供给可变阻抗负载102的射频能量总量。射频匹配的第一种技术可以包括改变电容器和/或感应器的电阻抗，直到可变阻抗负载的阻抗与射频发生器的输出阻抗匹配。图2是显示现有技术的射频匹配网络100的更详细的示意图。图中示出射频匹配网络100的调整元件108与负载元件110的不对称排列。此外，射频匹配网络100在调整元件108与负载元件110的排列上是典型不对称的。使可变阻抗负载102的阻抗与射频发生器104的阻抗匹配的第二种技术可以利用可变频率匹配。通过射频匹配网络100向可变射频频率发生器104的输出所呈现的阻抗可以随频率而改变。通过从射频发生器104输出一个特殊的频率，可变阻抗负载102可以匹配射频发生器104和射频传输系统106的阻抗。这种技术可以称为可变频率匹配。可变频率匹配可以采用包括固定值调整元件108和负载元件110(例如固定值电容器、感应器和/或电阻器)的射频匹配网络100。可以选择调整元件108和负载元件110的值，以助于确保射频发生器104的阻抗匹配可变阻抗负载102的阻抗。现有技术的射频匹配网络可以有助于减少通过可变阻抗负载反射的能量总量。然而，本发明的发明人已经确定在有些情况下现存的射频匹配网络不可以充分减少反射能量的总量以避免问题。因此，需要用于射频匹配的改进方法和设备。

技术实现要素：
在一些方案中，本发明提供一种适于使电力负载的阻抗与电信号发生器的阻抗匹配的设备。该设备包括适于共同使电力负载的阻抗与电信号发生器的阻抗匹配的多个电子元件。所述电子元件相对于一个轴对称且同心排列。另外，该设备还包括适于使电信号发生器与所述电子元件电连接的第一连接器。该设备还包括适于使该负载与所述电子元件电连接的第二连接器。在另一方案中，本发明提供一种系统，包含射频功率发生器、电力负载和连接到该电力负载和该功率发生器的射频匹配网络，其中该射频匹配网络包括相对于轴对称设置的一个或多个元件。在又一方案中，发明提供一种方法，包含利用具有第一轴的第一连接器接收射频能量、使来自第一连接器的射频能量耦合到具有相对于第二轴对称设置的一个或多个元件的射频匹配网络、使来自射频匹配网络的射频能量耦合到具有第三轴的第二连接器，以及防止从第二连接器反射射频能量，其中该第一轴、第二轴和第三轴基本共线。一种用于防止电流热点的形成的设备，包含：第一连接器，具有第一纵轴；第二连接器，具有第二纵轴和第三轴；以及组装件，包括一个或多个电子元件，所述一个或多个电子元件相对于第二纵轴对称设置；其中，所述一个或多个电子元件中至少之一与该第一连接器机械连接，并且所述一个或多个电子元件中至少之一与该第二连接器机械连接，其中，所述一个或多个电子元件相对于第三轴对称和/或同心设置，以使通过该第一连接器提供的电流均匀分布给所述电子元件，从而防止电流热点的形成，并且其中，通过使用包括盘形啮合面的第一连接器简化所述电子元件的对称结构，其中所述电子元件连接到所述盘形啮合面。该第三轴与该第一纵轴和第二纵轴共线。所述一个或多个电子元件相对于该第三轴等距设置。所述电子元件是射频匹配网络的调整元件和负载元件。所述一个或多个电子元件中的至少之一是电容器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是感应器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是电阻器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是可变阻抗元件。一种用于防止电流热点的形成的系统，包含：射频功率发生器；电力负载；以及射频匹配网络，与该电力负载和该功率发生器连接，其中，该射频匹配网络包括相对于一轴对称和/或同心设置的一个或多个电子元件，以使提供到该射频匹配网络的电流均匀分布给所述电子元件，从而防止电流热点的形成，并且其中，通过使用包括盘形啮合面的第一连接器简化所述电子元件的对称结构，其中所述电子元件连接到所述盘形啮合面，以及该射频匹配网络中的射频能量耦合到具有第三轴的第二连接器。所述一个或多个电子元件相对于该轴同心设置。所述一个或多个电子元件相对于该轴等距设置。所述一个或多个电子元件是该射频匹配网络的调整元件和负载元件。所述一个或多个电子元件中的至少之一是电容器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是感应器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是电阻器。所述一个或多个电子元件中的至少之一是可变阻抗元件。一种用于防止电流热点的形成的方法，包含：在具有第一轴的第一连接器处接收射频能量；将在该第一连接器处接收到的射频能量耦合到具有相对于第二轴对称设置的一个或多个电子元件的射频匹配网络以使该射频能量均匀分布给所述电子元件，从而防止电流热点的形成；将在该射频匹配网络中的射频能量耦合到具有第三轴的第二连接器；以及减少该第二连接器反射该射频能量。减少该射频能量的反射包括使该第一轴、第二轴和第三轴共线排列。减少从该第二连接器反射射频能量包括改变该射频能量的频率。减少从该第二连接器反射射频能量包括改变所述一个或多个电子元件中至少之一的阻抗。将在该射频匹配网络中的射频能量耦合到该第二连接器包括：通过将该射频能量均匀分布给所述电子元件从而防止形成热点。从下面的详细描述、所附的权利要求书和附图中，本发明的其它特征和方案将会变得更加充分明显。附图说明图1是具有射频发生器、射频匹配网络和可变负载的现有技术的射频功率系统的框图；图2是说明图1所示的现有技术的射频匹配网络的细节的示意图；图3是根据本发明的某些实施例的对称和/或同心的射频匹配网络的第一实例的透视图；图4是示出根据本发明某些实施例的图3中的射频匹配网络的示意图；图5是根据本发明某些实施例的对称和/或同心的匹配网络的第二实例的透视图；以及图6是示出根据本发明某些实施例的图5中的射频匹配网络的示意图。具体实施方式在等离子体处理室中处理的基板正变得越来越大。因此，随着技术的每一次更新换代，正在制造更大的等离子体处理室以容纳更大的基板。由于等离子体处理室尺寸的增加，执行必要的处理步骤(例如蚀刻、沉积和/或注入)所需的功率正在增加。本发明的发明人已经确定所需射频功率的增加可以导致现有射频匹配网络设计中的电流密度局部过大，随后现有射频匹配网络设计的元件和/或导体(通常称为“热点”)局部受热。因此，需要一种改进的射频匹配网络以防止形成热点。根据本发明，提供一种包括一个或多个固定值元件的发明的射频匹配网络。以相对于纵轴对称和/或同心的排列方式设置所述固定值元件。该对称和/或同心的排列可以包括以同心方式制造的单个元件。或者，该对称和/或同心的排列可以包括多个以类似方式设置的固定值元件。因为射频电流均匀分布给所述元件，所以所述相对于纵轴对称和/或同心的排列可以提高匹配网络的效率。这样降低了热点出现的可能性，从而允许更少且更便宜的元件。转到图3，所示为发明的射频匹配网络300的透视图。以对称和/或同心的排列设置固定值元件。在此实施例中，固定值负载电容器204设置并连接在输入接地凸缘206与输入中心202之间。输入中心202连接到电容器极板220。输出盘228连接到可变阻抗负载302。另外，调整电容器222设置并连接在输入中心202与输出盘228之间。输入中心202连接到射频传输系统305的电激励导体(electricallyexcitedconductor)。输入接地凸缘206连接到射频传输系统的接地部分。又如此图所示，冷却液的输入和输出连接到外部流道218A-218D(只示出了六个中的四个)。转到图4，示意说明图3中的射频匹配网络的细节。输入中心202通过射频传输系统305的电激励导体连接到射频发生器304。输入中心202连接到射频匹配网络300的负载电容器204。负载电容器204利用负载电容器螺钉208A连接到输入接地凸缘206。设置在输入接地凸缘206与负载电容器204之间的是环绕负载电容器204的同心弹簧210A。在输入接地凸缘206与电容器螺钉208A之间的是O形环212A。另外，O形环212B置于负载电容器204与输入接地凸缘206之间。用于各负载电容器204的O形环212A和212B形成环绕各负载电容器204的储液器214A。储液器214A通过流道216(只显示一个)相互连接。另外，至少两个储液器214A(一个输入和一个输出)通过外部流道218(只显示一个)连接到一个流体外源(未显示)。而且，在此实施例中，电容器极板220和输出盘228也包括流道216和外部流道218。输入中心202还连接到电容器极板220。输入中心202通过拧入负载电容器204和调整电容器222的螺栓224的压缩力而连接到调整电容器极板220。输入中心202与电容器极板220的连接借助于定位销226。电容器极板220还通过同心弹簧210B连接到调整电容器222。另外，在调整电容器222与电容器极板220之间设置O形环212D。如前所述，设置在调整电容器222与电容器极板220之间的O形环212D和在负载电容器204与输入中心202之间的O形环212C形成各调整电容器222周围的储液器214B。调整电容器222通过螺钉208B与输出盘228连接。如前所述，设置在调整电容器222与输出盘228之间的O形环212E和设置在螺钉208与输出环228之间的O形环212F形成在各调整电容器222的端部周围的储液器214C。调整电容器222还通过同心弹簧210C连接到输出盘228。另外，输出盘228连接到可变阻抗负载302(例如处理室)。在本发明的第一个方案中，为可变频率网络提供对称和/或同心结构的新颖的射频匹配电路300。在此实施例中，调整电容器222和负载电容器204以对称和/或同心结构设置。调整电容器222和负载电容器204是设置在组成射频匹配电路300的电路中的固定电容器。调整电容器222与可变阻抗负载串联。负载电容器204与可变阻抗负载并联以匹配射频发生器的阻抗。在此实施例中，通过同轴电缆的中心导体将射频电流提供给新射频匹配网络300的输入中心202。输入中心202可用作射频匹配网络300的第一连接器。输入中心202的纵轴大致与射频匹配电路300的纵轴近似在同一直线上，由此便于射频匹配网络调整电容器222和负载电容器204的对称和/或同心排列。输入中心202包括电连接到多个调整电容器222和负载电容器204的杆和盘。与大地高频连接的负载电容器204以对称和/或同心结构排列以“回折”到输入接地凸缘206，从而形成与地的电连接。输入接地凸缘206通过电连接到射频传输系统保持处于或接近电气接地。该对称和/或同心“回折”结构通过以等距离方式绕射频匹配网络300的轴放置等电容值的负载电容器204而获得。在电气上，负载电容器204并联，这样产生一个可用于近似电路分析的电气等效的集总电容值。集总值电容是一个近似值，并且可以使用在用于完整分析设计的电气特性的电磁频率和时域分析中。或者，在受益于负载或调整元件的不同排列的一些应用中，可以替代地设置与负载电容器204和/或调整电容器222串联或并联的电阻器和/或感应器。不同的物理排列可选择地应用于对称和/或同心排列，例如，感应器与所述电容器交替同心或电阻器的内环被感应器或电容器环绕。在一些实施例中，可以对称和/或同心方式形成或制成单个电容器、感应器或电阻器，以产生无源元件和/或电阻器、电容器和感应器的对称和/同心排列。另外，可以采用固定和可变元件的对称和/或同心结构的各种组合连同或不需可变频率发生器来形成射频匹配网络300的不同应用的最佳解决方案。例如，可受益于结合可变电容器和/或感应器以及可变频率发生器，以允许在不具有相似阻抗特性的多个不同处理或室中使用单个匹配网络。通常，可变频率匹配网络与近似稳定的负载一起使用。可以在具有较宽阻抗范围的应用中采用可变元件。注意，该元件的对称和/或同心排列不限制在匹配网络中，还可应用在受益于元件的对称和/或同心结构的任何电路中。在一些实施例中，诸如二极管或晶体管的有源元件的应用可使用于大功率放大网络中。返回图4的实施例，通过使用包括输入中心202和输入接地凸缘206的盘形啮合面简化调整电容器222和负载电容器204的对称和/或同心结构。如下所述，这些盘形啮合面可足够平且厚以利于散热和容纳用于进一步进行冷却的盘。然而，另外的实施例可以包括诸如毂和轮辐形式(spokeform)的其它支撑结构设置，便于例如流体在调整电容器222和负载电容器204的周围循环。此外，对于受益于较薄和/或较长结构的应用，可以采用设置具有对称和/或同心结构但沿射频匹配网络300的轴不对称的元件的支撑结构。此外，在图4的实施例中，负载电容器204在一端(例如，射频或高电位端)与输入中心202和输入接地凸缘206机械连接。通过放置外径略小于输入中心202的孔的内径的螺钉224实现机械连接或紧固(例如，从而螺钉224与输入中心202或电容器极板220之间没有接触)，借此将螺钉放入在负载电容器204和调整电容器222的螺纹孔中。或者，可以采用诸如焊接、铆接和/或类似的其它连接或紧固方法。此外，在图4的实施例中，负载电容器204和调整电容器222与输入接地凸缘206和电容器极板220的电连接可以通过在输出中心202、输出盘228和/或电容器极板220中的挖空的盘230A-C中放置倾斜螺旋弹簧210A-C来实现。盘230A-C提供用于放置环绕倾斜的螺旋弹簧210A-C和电容器204、222的机械稳定平台，由此确保电容器204、222的中心结构。此外，盘230A-C使得负载电容器204、调整电容器222、电容器极板220和输入中心202同心且可靠地电连接，因此形成一个电节点。此外，盘230A-C可以提供挖空特征以允许在其中放置用于限定形成储液器214A-C的体积的O形环212A-F，由此冷却负载电容器204和调整电容器222，如下面所述。盘230A-C的排列和尺寸取决于负载电容器204和调整电容器222以及发生电气和机械连接的其它元件的排列和尺寸。如上面所述，在图4的实施例中，可以提供冷却射频匹配电路300以防止可能发生的任何过热的排列。通过利用螺钉208A的螺杆、负载电容器204、盘230A和O形环212A和212B形成的储液器214A可以进行冷却。O形环212A和212B绕螺钉和电容器的轴同心排列。通过拧紧螺钉208A，由此挤压O形环212A和212B以形成液封。因为螺钉208A的外径尺寸比输入接地凸缘206或输入中心202的通孔略小，所以形成储液器214A。另外，通过在电容器的各端上提供盘，调整电容器222和负载电容器204的端部可以为流体循环提供额外的体积。或者，在拧紧螺钉的同时，可将O形环212A-F放置在用于使O形环保持在适当位置的凹槽中。可以采用诸如平chemrezO形环、镍-黄铜单个压缩盘或其它这种实施例的其它密封形式来形成密封。各负载电容器204周围的储液器214A通过流道216相互间通过流体，该流道216可以机械或其它方式形成于输入接地凸缘中。设置流道216以使各储液器214A、214B或214C之间相通以确保应用冷却液，同样地，确保防止所有电容器形成热点。此实施例中的设置是一个连接所有储液器214A或214B或214C的流道216的同心环。可以实现可供选择的排列，例如流道的轮辐和轮排列，或输入中心或输入接地凸缘外部的其它连通通道，例如连接各储液器或储液器组的铜管。或者，储液器可以由以同心和/或对称方式排列的冷却环代替，该冷却环可以连接在输入中心202和输入接地凸缘206上。这样的实施例可以通过利用例如焊接、胶合或其它这样的连接和/或粘着方法的技术来减少匹配组装的成本。或者，可以采用输入中心202和输入接地凸缘206的毂和轮辐结构的结合并利用强迫通风或其它不包含流体的浸没法来冷却射频匹配电路300，由此减少成本。可以采用包含和不包含流体的各种组合来优化折中成本与设计目标。将去离子水用作冷却液。然而，可以采用其它流体。可以选择去离子水是因为它对地的高阻抗，由此确保电路的带电部分通过流体流通与例如输入接地凸缘206的地(ground)保持电分离。仍然参照图4的实施例，负载电容器204和调整电容器222用螺栓224相互连接。螺栓224的外径略小于在电容器极板220和输入中心202中的孔的内径，通过所述孔放置螺栓。通过把螺栓224穿过输入中心202和电容器极板220中的孔拧进负载电容器204的一端，随后，把调整电容器222拧进螺栓224的另一端上，电容器极板220和输入中心202与调整电容器222和负载电容器204机械连接。调整电容器222、负载电容器204、电容器极板220和输入中心202之间的电连接可看作利用射频能量而“发热”或“通电”的单个电节点。仍然参照图4的实施例，输出盘228与调整电容器222连接。如本文中提到的机械连接，输出盘228通过螺栓208B与调整电容器222机械连接，所述螺栓208B以与上述关于电容器极板220与输入中心202类似的设置方式设置。输出盘228可以用作射频匹配网络300的第二连接器。输出盘228的纵轴可以与射频匹配网络300的纵轴近似在同一条直线上。另外，以与输入中心202和电容器极板220相似的方式，将输出盘228形成为产生储液器214C、与通道216相似的通道和/或与通道218相似的源通道。如上述用于电容器极板220和输入中心202的用于冷却和电连接的可选方案也可以应用于输出盘228。与处理室的电连接可以通过延伸连接至可变阻抗负载302(例如室的内部)的汇流条229(图5)实现。可以采用其它连接方法，例如与同轴电缆或栓接在输出盘228上的简单铜质电缆的同轴连接。因为输出盘228与可变阻抗负载302连接，所以可不需要保持对称形状来提供如在射频匹配网络300的射频发生器侧有用的电气对称。然而，由于限制到处理室的电流通路要通过该连接器，所以到输出盘228的连接方法可以是牢固的，例如提供大接触表面并加紧紧固。另外，可以提供冷却这种连接的方法。转到图5和图6，描述射频匹配网络500的第二实施例。射频传输系统305的内导体与输入中心202′连接。输入中心202′利用螺栓224与负载电容器204连接(图6)。输入中心202′通过螺栓224还与调整电容器222连接(图6)。输入中心202′包括提供冷却输入中心202′的铜线圈330B。负载电容器204通过螺钉208A与输入接地凸缘206′连接(图6)。输入接地凸缘206′可以通过直接与地连接或通过该射频传输系统的接地连接器处于或接近电气接地。调整电容器222通过螺钉208B连接到输出盘228′。输出盘228′可带电，并且通过汇流条229将射频电流从射频匹配网络500传导到可变阻抗负载。特别参照图6，描述图5的第二实施例的示意性表示。输入中心202′显示为连接到射频传输系统305的带电导体。输入中心202′通过螺栓224连接到负载电容器204。负载电容器204通过螺钉208B连接到输入接地凸缘206′。输入中心202通过螺栓224连接到调整电容器222。调整电容器222通过螺钉208B连接到输出盘228′。输出盘228通过汇流条连接229连接到可变阻抗负载(例如，处理室)(图5)。在图5和6的实施例中，输入接地凸缘冷却环330A可以通过例如将输入接地凸缘冷却环330A焊接到输入接地凸缘206′上而与输入接地凸缘206′连接。同样地，输入中心冷却环330B可以通过使用焊料与输入中心202′连接。另外，输出冷却环330C可以通过使用焊料与输出盘228′连接。输入接地凸缘冷却环330A、输入中心冷却环330B和输出盘冷却环330C可以连接到冷却液(例如去离子水)的外源。每个冷却环可以通过用于每个冷却环的两个连接器独立地连接到冷却液(例如去离子水)的源头和排出口。输入接地凸缘冷却环330A可以与连接器320A和320E连接。输入中心冷却环330B可以与连接器320F和320D连接，并且输出盘冷却环330C可以与连接器320B和320C连接。在连接器对中的两个连接器中的一个用于提供冷却液。第二个连接用于冷却液的返回。因此，流体可以经过每个输入接地凸缘冷却环330A、输入中心冷却环330B和输出盘冷却环330C循环。在此实例中，用于输入接地凸缘冷却环330A、输入中心冷却环330B和输出盘冷却环330C的材料可以是铜。然而，任何可适用的材料可以用来提供内部路径，冷却液可以通过该内部路径循环。这样的材料可以包括例如不锈钢或铝。另外，冷却环可以采用不同的材料和几何形状，例如在加工面中的管阵列或孔的多层栅格(sandwichgrid)。因此，虽然结合本发明的示例性实施例公开本发明，但应理解为其它实施例可以落在如权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。