射频阻抗自动匹配装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种射频阻抗自动匹配装置及方法，其中，射频阻抗自动匹配装置包括：第一真空电容器、第二真空电容器、第一真空电容器位置信号变送器、第二真空电容器位置信号变送器、单片机、第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构、功率计和功率信号变送器。本发明能够通过实时比较第一、第二真空电容器的极板位置在调整前和调整后的等离子体负载的反射功率大小，并存储最优即反射功率值最小的值及对应的第一、第二真空电容器的极板位置，使得单片机能即时更新负载数学模型，从而实现等离子体负载的快速匹配，同时能够避免射频电源过载并实现内存的最优化配置。
【专利说明】
射频阻抗自动匹配装置及方法
技术领域
[0001] 本发明设及微电子技术领域，特别设及一种基于历史数据库最优数据并采用坐标 轮换法，同时更新历史数据库最优数据方式的射频阻抗自动匹配装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在半导体制备工艺中，需要对等离子体实现稳定控制W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真空电容构成，真空电容可W人工手动调整 W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 载阻抗与真空电容阻抗不匹配，使等离子体的稳定性难W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，调整真空电容的阻抗与负载阻抗。但是，运 种人工手动匹配调整方法实现起来比较困难，真空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。
【发明内容】
[0003] 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，本发明提供了一种 射频阻抗自动匹配装置一种射频阻抗自动匹配装置，包括:第一真空电容器、第二真空电容 器、第一真空电容器位置信号变送器、第二真空电容器位置信号变送器、单片机、第一真空 电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构、功率计和功率信号变送器，其中，所述第一、第 二真空电容的输出端分别与所述第一、第二真空电容器位置信号变送器的输入端连接，所 述第一、第二真空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、第二真空电容器驱动机构的输入端连接，所述第一、第二真 空电容器驱动机构的输出端分别与所述第一、第二真空电容器的输入端连接，所述功率计 的输入端与第一、第二真空电容器的输出端连接，所述功率计的输出端与所述功率信号变 送器的输入端连接，所述功率信号变送器的输出端与所述单片机的输入端连接。
[0004] 优选地，还包括显示控制屏，与所述单片机的输出端连接。
[0005] 优选地，还包括电感，与所述第一、第二真空电容器串联，并与所述功率计的输入 端相连接。
[0006] 优选地，所述第一、第二真空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、第二真空电容器的输出端连 接。
[0007] 优选地，所述第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构为步进电机。 [000引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 第一真空电容器、第二真空电容器、第一真空电容器位置信号变送器、第二真空电容器位置 信号变送器、单片机、第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构、功率计和功率 信号变送器，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 二真空电容器驱动机构，所述第一、第二真空电容器驱动机构驱动所述第一、第二真空电容 器的极板移动，所述第一、第二真空电容器位置信号变送器将所述第一、第二真空电容器的 极板位置信息发送到所述单片机，同时，所述功率信号变送器将由所述功率计所采集的与 所述第一、第二真空电容器的极板位置对应的等离子体负载的反射功率值发送到所述单片 机，直至完成对第一真空电容电容器的极板位置和第二真空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、第二真空电容器的极板位置W及等离 子体负载的反射功率值进行组合，形成数据库进行存储，并取得等离子体负载的反射功率 值最小的第一、第二真空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W所述历史最优位置作为控制点，向所述第一、第二真空电容器驱动机 构发送运动指令，使所述第一、第二真空电容器的极板移动至所述历史最优位置，实现射频 阻抗匹配；W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 时等离子体负载的反射功率值最小的所述第一、第二真空电容器的极板位置作为实时最优 位置，实现射频阻抗匹配。
[0009] 优选地，还包括:数据库更新步骤，将所述实时最优位置W及等离子体负载的反射 功率更新至所述数据库。
[0010] 优选地，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。
[0011] 优选地，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 向所述第一真空电容器驱动机构发送运动指令，所述第一真空电容器驱动机构驱动所述第 一真空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反射功 率变大，则所述单片机向所述第一真空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真空电容器驱动机构发送运动指令，所述第二真空电容器驱动机构 驱动所述第二真空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 反射功率变大，则所述单片机向所述第二真空电容器驱动机构发送停止并改变运动方向的 指令；W及，所述单片机对等离子体负载的反射功率值是否小于匹配停止口限阔值进行判 断，如果判断为是，则终止，如果判断为否，则重复上述步骤。
[0012] 优选地，所述匹配停止口限阔值设为进行射频阻抗自动匹配前等离子体负载的反 射功率值的5%~10%。
【附图说明】
[0013] 图1是射频阻抗自动匹配装置的功能框图。
[0014] 图2是射频阻抗自动匹配装置的另一功能框图。
[0015] 图3表示第一真空电容器位置信号变送器结构示意图及其与第一真空电容器的连 接关系。
[0016] 图4是射频阻抗自动匹配方法的流程图。
[0017] 图5是采用坐标轮换法取得实时最优位置的流程图。
[0018] 图6是射频阻抗自动匹配方法的另一流程图。
[0019] 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】
[0020] 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W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。
[0021] 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W明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0022] 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：第一真空电容器101、第二真空电容器102、第一真空电容器位置信号变送器 103、第二真空电容器位置信号变送器104、单片机105、第一真空电容器驱动机构106、第二 真空电容器驱动机构107、功率计108和功率信号变送器109。
[0023] 其中，第一真空电容101的输出端与第一真空电容位置信号变送器103的输入端连 接，第二真空电容102的输出端与第二真空电容位置信号变送器104的输入端连接。
[0024] 第一真空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，第二真空 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。
[0025] 单片机105的输出端与第一真空电容器驱动机构106和第二真空电容器驱动机构 107的输入端连接。
[0026] 第一真空电容器驱动机构106的输出端与第一真空电容器101的输入端连接，第二 真空电容器驱动机构107的输出端与第二真空电容器102的输入端连接。
[0027] 功率计108的输入端与第一真空电容器101和第二真空电容器102的输出端连接， 功率计108的输出端与功率信号变送器109的输入端连接，功率信号变送器109的输出端与 单片机105的输入端连接。
[00%]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真空电容器101、第二真空电容器102的极板位置 和等离子体负载的反射功率值，W及通过显示控制屏上的人机交互界面控制第一真空电容 器驱动机构106和第二真空电容器驱动机构107的开启或停止。
[0029] 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110,与第一真空电 容器101和第二真空电容器102串联，并与功率计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。
[0030] 在上述任一实施例中，优选地，第一真空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与第一真空电容器 101的输出端连接，在图3中示出了第一真空位置信号变送器结构示意图及其与第一真空电 容器的连接关系。同样，第二真空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与第二真空电容器102的输出端 连接。其中，绝对位置编码器例如可W选用10圈编码器，用于记录真空电容器的极板位置。
[0031] 在上述任一实施例中，第一真空电容器驱动机构106和第二真空电容器驱动机构 107例如可W选用步进电机。
[0032] 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。
[0033] 全局数据扫描步骤SI,单片机105发送驱动命令到第一真空电容器驱动机构106和 第二真空电容器驱动机构107,第一真空电容器驱动机构106和第二真空电容器驱动机构 107分别驱动第一真空电容器101和第二真空电容器102的极板移动，第一真空电容器位置 信号变送器103和第二真空电容器位置信号变送器104分别将第一真空电容器101和第二真 空电容器102的极板位置信息发送到单片机105,同时，功率信号变送器10則尋由功率计108 采集的与第一真空电容器101的极板位置和第二真空电容器102的极板位置对应的等离子 体负载的反射功率值发送到单片机105。
[0034] 在本实施例中，例如可W分别将第一真空电容器101、第二真空电容器102的极板 间的距离分为11份，分别WClo~Cho, C2o~C2io顺次标记各位置。单片机105发送运动指令 到第一真空电容器驱动机构106、第二真空电容器驱动机构107,使第一真空电容器驱动机 构106驱动第一真空电容器101的极板，第二真空电容器驱动机构107驱动第二真空电容器 102的极板至Clo, C2〇位置，并记录该位置由功率计108采集的等离子负载的反射功率值。扫 描顺序例如先保持第一真空电容器101的极板位置不变，将第二真空电容器102的极板位置 由C2o顺次移动至C2io,分别记录下各位置处的反射功率值，之后，将第一真空电容器101的 极板位置顺移至位置Ch,重复上述扫描过程，W此类推，直至第一真空电容器101的极板位 置移至Cho,第二真空电容器102的极板位置移至C210,记录此位置的反射功率值，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：
[0035] 数据 第一真空电容器极板位置 第二真空电容器极板位置 反射功率
[0036] W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W将第一、第二真 空电容器极板间的距离分割为几十或上百份，或者也可W是将极板的长度或宽度分割为等 比例的多份，或者也可W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、 第二真空电容器极板所处的位置即可。另外，也可W先驱动第一真空电容器，保持第二真空 电容器的位置不变，在第一真空电容器的极板遍历各分割点后，将第二真空电容器的极板 位置移动至下一个分割点，直至完成全局扫描。当然，也可W是其他合适的方式，只要是能 够实现对第一真空电容器的极板位置和第二真空电容器的极板位置的全局扫描即可。
[0037] 历史最优位置确定步骤S2,单片机105对第一真空电容器101和第二真空电容器 102的位置W及等离子体负载的反射功率值进行组合，形成数据库进行存储，并取得等离子 体负载的反射功率值最小的第一真空电容器101和第二真空电容器102的极板所处的位置 作为历史最优位置。
[0038] 基于历史数据的射频阻抗匹配步骤S3,单片机105W上述历史最优位置作为控制 点，向第一真空电容器驱动机构106和第二真空电容器驱动机构107发送运动指令，使第一 真空电容器101的极板和第二真空电容器102的极板移动至上述历史最优位置，从而实现射 频阻抗匹配。
[0039] 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 子负载的反射功率值最小时第一真空电容器101和第二真空电容器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。
[0040] 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向第一真空电容器驱动机构106发送运动指令;步骤S42,第一真空 电容器驱动机构106驱动第一真空电容器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对等离子体负载的反射功率是否增大进行判断，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向第一真空电容器驱动机构106 发送停止并改变运动方向的指令;步骤S45,单片机105向第二真空电容器驱动机构107发送 运动指令;步骤S46,第二真空电容器驱动机构107驱动第二真空电容器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对等离子体负载的反射功率是否增大进行 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 向第二真空电容器驱动机构107发送停止并改变运动方向的指令;W及步骤S49,单片机105 对等离子体负载的反射功率值是否小于匹配停止口限阔值进行判断，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，匹配停止口限阔值例如可W设为进行 射频阻抗自动匹配前的等离子体负载的反射功率值的5%~10%。当然也可W由用户根据 实际需求进行设定。
[0041] 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W及等离子体负载的反射功率更新至数据库。
[0042] 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，设备上电启动， 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Sl，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Sl，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。
[0043] 根据本发明，能够通过实时比较第一、第二真空电容器的极板位置在调整前和调 整后的等离子体负载的反射功率大小，并存储最优即反射功率值最小的值及对应的第一、 第二真空电容器的极板位置，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，W此作为下次启动前调整真空电容大小的依据，从而实现了等离子体负载 的快速匹配。
[0044] 本发明利用等离子体反射功率历史数据的最优值信息来决定真空电容运动方向， 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。
[0045] 另外，根据本发明可W避免射频电源过载。由于本发明使用等离子体反射功率的 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W更迅速的通过不匹配点，能 够保护射频电源不过载。
[0046] 另外，根据本发明可W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:需要存储信息的地方数据量大，不需要存储信息的地方数据量 小。
[0047] W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掲露的技术范围内，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。
【主权项】
1. 一种射频阻抗自动匹配装置，其特征在于， 包括： 第一真空电容器、第二真空电容器、第一真空电容器位置信号变送器、第二真空电容器 位置信号变送器、单片机、第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构、功率计和 功率信号变送器， 其中，所述第一、第二真空电容的输出端分别与所述第一、第二真空电容器位置信号变 送器的输入端连接，所述第一、第二真空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、第二真空电容器驱动机构的输入端 连接，所述第一、第二真空电容器驱动机构的输出端分别与所述第一、第二真空电容器的输 入端连接，所述功率计的输入端与第一、第二真空电容器的输出端连接，所述功率计的输出 端与所述功率信号变送器的输入端连接，所述功率信号变送器的输出端与所述单片机的输 入端连接。2. 根据权利要求1所述的射频阻抗自动匹配装置，其特征在于， 还包括显示控制屏，与所述单片机的输出端连接。3. 根据权利要求1所述的射频阻抗自动匹配装置，其特征在于， 还包括： 电感，与所述第一、第二真空电容器串联，并与所述功率计的输入端相连接。4. 根据权利要求1~3中任一项所述的射频阻抗自动匹配装置，其特征在于， 所述第一、第二真空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、第二真空电容器的输出端连接。5. 根据权利要求4中所述的射频阻抗自动匹配装置，其特征在于， 所述第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构为步进电机。6. -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真空电容 器、第二真空电容器、第一真空电容器位置信号变送器、第二真空电容器位置信号变送器、 单片机、第一真空电容器驱动机构、第二真空电容器驱动机构、功率计和功率信号变送器， 其特征在于， 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、第二真空电容器驱动机构， 所述第一、第二真空电容器驱动机构驱动所述第一、第二真空电容器的极板移动，所述第 一、第二真空电容器位置信号变送器将所述第一、第二真空电容器的极板位置信息发送到 所述单片机，同时，所述功率信号变送器将由所述功率计所采集的与所述第一、第二真空电 容器的极板位置对应的等离子体负载的反射功率值发送到所述单片机，直至完成对第一真 空电容电容器的极板位置和第二真空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、第二真空电容器的极板位置以及等 离子体负载的反射功率值进行组合，形成数据库进行存储，并取得等离子体负载的反射功 率值最小的第一、第二真空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、第二真空电容器驱动机构发送运动指令，使所述第一、第二真空电容器的极板移 动至所述历史最优位置，实现射频阻抗匹配；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 负载的反射功率值最小的所述第一、第二真空电容器的极板位置作为实时最优位置，实现 射频阻抗匹配。7. 根据权利要求6所述的射频阻抗自动匹配方法，其特征在于， 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反射功率更新至所 述数据库。8. 根据权利要求6或7所述的射频阻抗自动匹配方法，其特征在于，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。9. 根据权利要求6或7所述的射频阻抗自动匹配方法，其特征在于， 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真空电容器驱动机构发送运动指令，所述第一真空电容器驱动 机构驱动所述第一真空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 体负载的反射功率变大，则所述单片机向所述第一真空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真空电容器驱动机构发送运动指令，所述第二真空电容器驱动 机构驱动所述第二真空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 载的反射功率变大，则所述单片机向所述第二真空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反射功率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。10. 根据权利要求9所述的射频阻抗自动匹配方法，其特征在于， 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反射功率值的 5% ~10%〇
【文档编号】H03H11/30GK105827216SQ201610151688
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】王佳
【申请人】江苏鲁汶仪器有限公司