脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法和装置与流程

本发明涉及脉冲射频等离子体领域，尤其涉及一种脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法和装置。

背景技术：

脉冲射频等离子体的射频功率存在高、低两种输出功率；与此对应，等离子体的阻抗也存在高、低两种状态的阻抗。在调频匹配等离子体技术中，需要两个不同的匹配射频频率来匹配等离子体的高低两种状态的阻抗。如此就要求自动调频阻抗匹配技术需要在脉冲射频功率的高功率和低功率状态下分别搜寻到相应的匹配频率。

然而，由于调频匹配算法及采样速率的限制，自动调频技术需要在50-100μs左右的时间才能搜寻到匹配频率。针对脉冲射频功率来说，若脉冲频率较低，脉冲周期较长，例如脉冲周期大于50～100μs时，现有的自动调频技术可以在一个脉冲周期内确定出输出功率对应的匹配频率。但是，在高脉冲频率下，脉冲周期较短，例如脉冲周期小于50～100μs，现有的自动调频技术很难在较短脉冲周期内搜寻到匹配频率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法和装置，以搜寻到与脉冲射频功率的阻抗分别匹配的频率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法，提供脉冲式射频功率到等离子反应腔，所述脉冲式射频功率包括多个脉冲周期，每个脉冲周期内包括高射频功率阶段，所述方法包括高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程；

所述高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程包括：

在第i脉冲周期内的高射频功率阶段设定第一射频频率，获取与所述第一射频频率相应的阻抗参数的第一数值；所述阻抗参数为与等离子反应腔负载阻 抗相关的任一参数；所述阻抗参数与射频频率的关系呈非线性函数关系，所述非线性函数为具有极小值的非线性函数；

在第j个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第二射频频率，获取与所述第二射频频率相应的阻抗参数的第二数值；

比较第一射频频率和第二射频频率的大小，得到第一比较结果，比较第一数值和第二数值的大小，得到第二比较结果；

根据第一比较结果和第二比较结果，调整第k个脉冲周期的高射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达到最小值；

确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率；

其中，i＜j＜k，且i、j、k均为正整数。

一种脉冲射频等离子体的阻抗匹配装置，提供脉冲式射频功率到等离子反应腔，所述脉冲式射频功率包括多个脉冲周期，每个脉冲周期内包括高射频功率阶段，所述装置包括高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置；

所述高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置包括：

第一设定单元，用于在第i脉冲周期内的高射频功率阶段设定第一射频频率；所述高射频功率阶段与等离子体阻抗匹配过程的射频功率阶段相同；

第一获取单元，用于获取与所述第一射频频率相应的阻抗参数的第一数值；所述阻抗参数为与等离子反应腔负载阻抗相关的任一参数；所述阻抗参数与射频频率的关系呈非线性函数关系，所述非线性函数为具有极小值的非线性函数；

第二设定单元，用于在第j’个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第二射频频率；

第二获取单元，用于获取与所述第二射频频率相应的阻抗参数的第二数值，

第一比较单元，用于比较第一射频频率和第二射频频率的大小，得到第一比较结果，比较第一数值和第二数值的大小，得到第二比较结果；

第一调整单元，用于根据第一比较结果和第二比较结果，调整第k’个脉冲周期的高射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达 到最小值；

第一确定单元，用于确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率；

其中，i＜j＜k，且i、j、k均为正整数。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

通过以上技术方案可知，本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法中，等离子体阻抗匹配过程不局限于一个脉冲周期内，不论是高射频功率阶段等离子体阻抗匹配过程还是低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程均可以在不同脉冲周期内进行，因此，本发明提供的方法不受脉冲周期的限制，即使针对高脉冲频率的脉冲射频等离子体也可以分别搜寻到分别与高、低射频功率阶段的等离子体相匹配的射频频率。

附图说明

为了清楚地理解本发明的具体实施方式，下面对描述本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域技术人员在未付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它附图。

图1是相关技术中反射功率与RF射频源频率的关系曲线图；

图2是本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法流程示意图；

图3是本发明实施例提供的低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体的阻抗匹配方法的一个具体实施方式的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体的阻抗匹配装置结构示意图；

图6是本发明实施例提供的第一调整单元结构示意图；

图7是本发明实施例提供的低射频功率阶段的等离子体的阻抗匹配装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术手段和技术效果更加清楚完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

射频功率传输系统的负载阻抗由传输线、阻抗匹配网络和等离子体腔体的阻抗确定。经过试验验证，与等离子反应腔负载阻抗相关的任意一个参数与RF射频源的频率的关系为非线性函数关系，并且该非线性函数为具有极值的非线性函数。并且当负载阻抗与RF射频源的阻抗匹配时，与负载阻抗相关的任意一个参数在此时达到极值。

与等离子反应腔负载阻抗相关的阻抗参数很多，例如可以为反射功率、反射系数或阻抗。作为示例，图1示出了反射功率与RF射频源频率的关系示意图。从图1中可以看出，反射功率与RF射频源频率的关系为具有极小值的非线性函数关系，当负载阻抗与RF射频源阻抗相匹配时，反射功率达到最小值。并且可以认为，匹配频率与其对应的反射功率为关系曲线的拐点。

本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法就是基于上述原理实现的。下面结合附图对本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法的具体实施方式进行详细描述。

由于脉冲射频包括高功率射频阶段和低功率射频阶段，当低功率射频阶段的射频功率不为零时，不仅需要对高功率射频阶段的等离子体阻抗进行匹配，还需要对低功率射频阶段的等离子体阻抗进行匹配。

又由于高、低功率射频阶段的等离子体阻抗匹配需要分别对不同的射频频率进行调频。所以，本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法不仅可以包括高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程还可以包括低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程。

首先介绍高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法的具体实施方式。该阻抗匹配过程首先提供脉冲式射频功率到等离子反应腔，所述脉冲式射频功率包括多个脉冲周期。每个脉冲周期内包括高射频功率阶段和低射频功率阶段。

图2是本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配的流程示意图。如图2所示，该方法包括以下步骤S201至S205：

S201、在第i脉冲周期内的高射频功率阶段设定第一射频频率f1，获取与第一射频频率f1相应的阻抗参数的第一数值y1：

需要说明的是，在本发明实施例中，阻抗参数为与等离子反应腔负载阻抗相关的任一参数；所述阻抗参数与射频频率的关系呈非线性函数关系，所述非线性函数为具有极小值的非线性函数。作为示例，阻抗参数可以为反射功率、反射系数或阻抗。

另外，在本发明实施例中，设定的第一射频频率f1可以为任意值。作为可选实施例，第一射频频率f1可以根据经验设定在与等离子阻抗相匹配的频率附近，如此可以缩短调频匹配时间。

在本发明实施例中，i为正整数。

S202、在第j个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第二射频频率f2，获取与所述第二射频频率f2相应的阻抗参数的第二数值y2：

其中，i＜j，且j为正整数。

作为本发明的可选实施例，为了能够快速准确地查找与高射频功率阶段的等离子体阻抗相匹配的射频频率，优选在第一射频频率f1附近设定第二射频频率f2，并且要保证第一射频频率f1对应的阻抗参数的第一数值y1与第二射频频率f2对应的阻抗参数的第二数值y2不同，即y1不等于y2。换句话说，第二射频频率f2尽可能近地接近第一射频频率f1，同时要保证第二射频频率f2对应的阻抗参数的第二数值y2与第一射频频率f1对应的阻抗参数的第一数值y1不相等。

作为示例，当第一射频频率f1小于10MHz时，第二射频频率f2与第一射频频率f1的频率差可以为5～200KHz，当第一射频频率f1大于等于10MHz时，第二射频频率f2与第一射频频率f1的频率差可以为1～50kHz。

S203、比较第一射频频率f1和第二射频频率f2的大小，得到第一比较结果，比较第一数值y1和第二数值y2的大小，得到第二比较结果。

S204、根据第一比较结果和第二比较结果，调整第k个脉冲周期的高射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达到最小值。

其中，j＜k，且k为正整数。

步骤S203和步骤S204的具体实现方式将在下述具体实施例中详细描述。

S205、确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与高射频功率阶段的等离子 体的阻抗相匹配的射频频率。

以上为本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法的具体实施方式。

下面介绍低功率阶段的等离子体阻抗方法的具体实施方式。该阻抗匹配过程首先提供脉冲式射频功率到等离子反应腔，所述脉冲式射频功率包括多个脉冲周期。每个脉冲周期内包括高射频功率阶段和低射频功率阶段。

图3是本发明实施例提供的低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法的流程示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤S301至步骤S305：

S301、在第i’脉冲周期内的高射频功率阶段设定第五射频频率f5’，获取与第五射频频率f5’相应的阻抗参数的第五数值y5’。

S302、在第j’个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第六射频频率f6’，获取与所述第六射频频率f6’相应的阻抗参数的第六数值y6’。

S303、比较第五射频频率f5’和第六射频频率f6’的大小，得到第三比较结果，比较第五数值y5’和第六数值y6’的大小，得到第四比较结果。

S304、根据第三比较结果和第四比较结果，调整第k’个脉冲周期的高射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达到最小值。

S305、确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与高射频功率阶段的等离子体的阻抗相匹配的射频频率。

需要说明的是，在低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法中，i'＜j'＜k'，且i’、j’、k’均为正整数。

需要说明的是，在本发明实施例中，高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程与低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程相似，其不同之处仅在于两个阶段设定的初始射频频率不同，其需要对不同的初始射频频率进行调整。另外，i与i’可以相等，也可以不等，同理，j与j’可以相等，也可以不等，k与k’可以相等，也可以不等。

综合本发明提供的高射频功率阶段和低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配方法中，均是在脉冲周期的对应射频功率阶段内设定和调整射频频率。其中，不同脉冲周期内的对应射频功率阶段与等离子体阻抗匹配过程的射频功率阶段相同。当处于高射频功率阶段的等离子体阻抗过程时，不同脉冲周期内的对 应射频功率阶段为高射频功率阶段，当处于低射频功率阶段的等离子体阻抗过程时，不同脉冲周期内的对应射频功率阶段为低射频功率阶段。

另外，在本发明实施例中，高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程与低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程可以同时进行，也可以分时进行。也就是说，在本发明实施例中，可以对高、低射频功率的调频模式分别设定和控制。

由上可知，本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法可以分别设定高、低射频功率阶段等离子体阻抗匹配过程的初始射频频率，然后分别根据不同的初始射频频率进行调整。因此，高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程和低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程可以对两个不同的射频频率独立调频，搜寻到分别与高、低射频功率阶段的等离子体阻抗相匹配的射频频率。

此外，由于高、低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程能够独立进行，因而能够降低射频频率大范围跳跃引起的失配问题。

另外，本发明提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法中，高、低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程不局限于一个脉冲周期内，不论是高射频功率阶段等离子体阻抗匹配过程还是低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程均可以在不同脉冲周期内进行，因此，本发明提供的方法不受脉冲周期的限制，即使针对高脉冲频率的脉冲射频等离子体也可以分别搜寻到分别与高、低射频功率阶段的等离子体相匹配的射频频率。因而，本发明提供的方法能够达到脉冲射频等离子体的稳定阻抗匹配的效果。

下面以上述所述的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程为例说明比较结果为不同结果时等离子体阻抗匹配过程的具体实施方式。

图4是本发明提供的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程的具体实施方式的流程示意图。如图4所示，该方法包括以下步骤：

S401、在第i脉冲周期内的高射频功率阶段设定第一射频频率f1，获取与第一射频频率f1相应的阻抗参数的第一数值y1；

S402、在第j个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第二射频频率f2，获取与所述第二射频频率f2相应的阻抗参数的第二数值y2：

步骤S401至步骤S402与上述实施例中的步骤S201至步骤S202相同，为了简要起见，在此不再详细描述。

S403、比较第一射频频率f1和第二射频频率f2的大小，比较第一数值y1和第二数值y2的大小：

当第二射频频率f2大于第一射频频率f1且第二数值y2大于第一数值y1时，执行步骤S404；

当第二射频频率f2大于第一射频频率f1且第二数值y2小于等于第一数值y1时，执行步骤S409。

S404、将第一射频频率f1的值赋值给第二射频频率f2，将第一数值y1赋值给第二数值y2：

用公式表示为：f2＝f1，y2＝y1。

S405、减小第二射频频率f2，使第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率达到第三射频频率f3，获取第三射频频率f3对应的阻抗参数的第三数值y3：

设定第二射频频率f2减小的步长为Δf1，则第三射频频率f3与第二射频频率f2的关系为：f3＝f2-Δf1。其中，为了确保准确地查找到匹配频率，可选地，Δf1尽可能地小，同时保证第三射频频率f3对应的阻抗参数的第三数值y3与第二射频频率f2对应的阻抗参数的第二数值y2不相等。

S406、比较第三数值y3与第二数值y2的大小，

当第三数值y3大于第二数值y2时，用公式表示为：y3＞y2，执行步骤S407。

当第三数值y3小于等于第二数值y2时，用公式表示为：y3≤y2，执行步骤S408。

S407、确定第二射频频率f2为与高射频功率阶段的等离子体阻抗相匹配的射频频率：

需要说明的是，本步骤所述的第二射频频率f2为更新后的第二射频频率f2，即为设定的第一射频频率f1。

相较于更新后的第二射频频率f2，增大或减小射频频率，其对应的阻抗参数的数值均大于第二数值y2。所以，第二数值y2为阻抗参数的最小值，所以，第二射频频率f2为与高射频功率阶段的等离子体阻抗相匹配的射频频率。

S408、将第三射频频率f3的值赋值给第二射频频率f2，将第三数值y3赋值给第二数值y2，返回执行步骤S405：

用公式表示为：f2＝f3，y2＝y3。

S409、增大第二射频频率f2，使第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率达到第四射频频率f4，获取第四射频频率f4对应的阻抗参数的第四数值y4；

设定第二射频频率f2增大的步长为Δf2，则第四射频频率4与第二射频频率f2的关系为：f4＝f2+Δf2。其中，为了确保准确地查找到匹配频率，可选地，Δf2尽可能地小，同时保证第四射频频率f4对应的阻抗参数的第四数值y4与第二射频频率f2对应的阻抗参数的第二数值y2不相等。

S410、比较第四数值y4与第二数值y2的大小，

当第四数值y4大于第二数值y2时，执行步骤S407。

当第四数值y4小于等于第二数值y2时，执行步骤S411。

S407、确定第二射频频率为与高射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率。

S411、将第四射频频率f4的值赋值给第二射频频率f2，将第四数值y4赋值给第二数值y2，将第k个脉冲周期更新为第m个脉冲周期，其中，m＞k，且m为正整数，返回执行步骤S409：

用公式表示为：f2＝f4，y2＝y4，k＝m。

以上为本发明实施例提供的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程的具体实施方式。

基于图4所示的高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程的具体实施方式，本领域技术人员同样可以获取到低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配过程的具体实施方式。为了简要起见，在此不再详细描述。

基于上述实施例提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配方法，本发明实施例还提供了一种脉冲射频等离子体的阻抗匹配装置。具体参见以下实施例。

需要说明的是，本发明实施例提供的脉冲射频等离子体的阻抗匹配装置不仅可以包括高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置还可以包括低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置。其中，高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装 置和低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置可以为同一等离子体阻抗匹配装置，也可以为相互独立的等离子体阻抗匹配装置。

在本发明实施例中，所述高射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置的结构如图5所示，其包括以下单元：

第一设定单元51，用于在第i脉冲周期内的对应射频功率阶段设定第一射频频率；所述对应射频功率阶段与等离子体阻抗匹配过程的射频功率阶段相同；

第一获取单元52，用于获取与所述第一射频频率相应的阻抗参数的第一数值；所述阻抗参数为与等离子反应腔负载阻抗相关的任一参数；所述阻抗参数与射频频率的关系呈非线性函数关系，所述非线性函数为具有极小值的非线性函数；

第二设定单元53，用于在第j个脉冲周期内的对应射频功率阶段设定第二射频频率；

第二获取单元54，用于获取与所述第二射频频率相应的阻抗参数的第二数值，

第一比较单元55，用于比较第一射频频率和第二射频频率的大小，得到第一比较结果，比较第一数值和第二数值的大小，得到第二比较结果；

调整单元56，用于根据第一比较结果和第二比较结果，调整第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达到最小值；

第一确定单元57，用于确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率；

其中，i≤j≤k，且i、j、k均为正整数。

作为本发明的一个具体实施例，如图6所示，所述第一调整单元56具体包括：

第一赋值子单元5601，用于当第一比较结果为第二射频频率大于第一射频频率，第二比较结果为第二数值大于第一数值时；将第一射频频率的值赋值给第二射频频率，将第一数值赋值给第二数值；

第一频率调整子单元5602，用于减小第二射频频率，使第k个脉冲周期 的对应射频功率阶段的射频频率达到第三射频频率，

第一获取子单元5603，用于获取第三射频频率对应的阻抗参数的第三数值；

第一比较子单元5604，用于比较第三数值与第二数值的大小；

第一确定子单元5605，用于当第三数值大于第二数值时，确定第二射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率。

可选地，所述第一调整单元56还可以包括：

第二赋值子单元5606，用于当第三数值小于等于第二数值时，将第三射频频率的值赋值给第二射频频率，将第三数值赋值给第二数值；并处罚所述第一频率调整子单元5602执行所述减小第二射频频率，使第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率达到第三射频频率。

可选地，所述第一调整单元56还可以包括：

第二频率调整子单元5607，用于当第一比较结果为第二射频频率大于第一射频频率且第二比较结果为第二数值小于等于第一数值时，增大第二射频频率，使第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的第二射频频率达到第四射频频率；

第二获取子单元5608，用于获取第四射频频率对应的阻抗参数的第四数值；

第二比较子单元5609，用于比较第四数值与第二数值的大小；

第二确定子单元5610，用于当第四数值大于第二数值时，确定第二射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率。

可选地，所述第一调整单元56还可以包括：

第三赋值子单元5611，用于当第四数值小于等于第二数值时，将第四射频频率的值赋值给第二射频频率，将第四数值的值赋值给第二数值，将第k个脉冲周期更新为第m个脉冲周期，其中，m≥k，且m为正整数；并触发所述第二频率调整子单元5607执行所述增大第二射频频率，使第k个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率达到第四射频频率，获取第四射频频率对应的阻抗参数的第四数值。

在本发明实施例中，所述低射频功率阶段的等离子体阻抗匹配装置的结构如图7所示，其包括以下单元：

第三设定单元71，用于在第i’脉冲周期内的高射频功率阶段设定第五射频频率；

第三获取单元72，获取与所述第五射频频率相应的阻抗参数的第五数值；所述阻抗参数为与等离子反应腔负载阻抗相关的任一参数；所述阻抗参数与射频频率的关系呈非线性函数关系，所述非线性函数为具有极小值的非线性函数；

第四设定单元73，用于在第j’个脉冲周期内的高射频功率阶段设定第六射频频率；

第四获取单元74，用于获取与所述第六射频频率相应的阻抗参数的第六数值；

第二比较单元75，用于比较第五射频频率和第六射频频率的大小，得到第三比较结果，比较第五数值和第六数值的大小，得到第四比较结果；

第二调整单元76，用于根据第三比较结果和第四比较结果，调整第k’个脉冲周期的对应射频功率阶段的射频频率，直到调整后的射频频率对应的阻抗参数达到最小值；

第二确定单元77，用于确定阻抗参数最小值对应的射频频率为与射频功率等离子体的阻抗相匹配的射频频率；

其中，i'＜j'＜k'，且i’、j’、k’均为正整数。

以上所述仅是本发明具体实施方式的示例，应当指出，本领域技术人员在不脱离本发明的发明构思的前提下，对本发明的具体实施方式做出的若干改进和润饰均在本发明的保护范围之列。