一种射频电源和半导体工艺设备的制作方法

1.本发明涉及固态射频电源技术领域，特别是涉及一种射频电源和一种半导体工艺设备。


背景技术：

2.随着半导体器件材料的发展，射频电源由电子管射频电源迈入固态射频电源时代。目前，大功率射频电源属于半导体工艺设备的核心部件，主要运用在电感耦合等离子刻蚀(icp，inductively coupled plasma)、电容耦合等离子刻蚀(ccp，capacitively coupled plasma)、物理气相沉积(pvd，physical vapour desposition)、化学气相沉积(cvd，chemical vapor deposition)、原子层沉积(ald，atomic layer deposition)等半导体装备中。
3.其中，在等离子体刻蚀应用过程中，由于受激发等离子体密度逐渐发生改变，导致射频电源负载阻抗也逐渐产生变化，直至最后负载出现大范围阻抗跳变，从而产生阻抗严重失配状况。这种情况不仅对刻蚀设备激发等离子体质量产生不利影响，还会产生很大反射功率，与入射功率叠加后在射频电源内部形成深度调幅调制波，且该调制波处于动态自激状态，会烧毁射频电源内部主要器件，造成经济损失。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种射频电源和一种半导体工艺设备。
5.为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种射频电源，所述射频电源包括：
6.射频信号输入模块，可变功率合成匹配网络，固定阻抗变换模块，双定向耦合器采样模块，闭环控制模块和动态可变负载；
7.所述射频信号输入模块的输出端与所述可变功率合成匹配网络的输入端连接，用于向所述可变功率合成匹配网络提供射频输入信号；
8.所述可变功率合成匹配网络的输出端与所述固定阻抗变换模块的输入端连接，用于放大所述射频输入信号并根据所述放大后的射频输入信号合成输出功率以及调整输出阻抗，并输出所述输出功率和所述输出阻抗；
9.所述固定阻抗变换模块用于对所述输出阻抗进行阻抗固定差值变换，以及滤除第一预设频率的所述射频信号，允许通过第二预设频率的所述射频输入信号；
10.所述双定向耦合器采样模块的输入端与所述固定阻抗变换模块的输出端连接，用于接收从所述固定阻抗变换模块传输的所述输出功率；所述双定向耦合器采样模块的输出端与所述动态可变负载连接，用于向所述动态可变负载传输所述输出功率；
11.所述双定向耦合器采样模块的前向电压采样端和反向电压采样端分别与所述闭环控制模块的输入端连接，用于检测前向采样电压和反向采样电压，以及向所述闭环控制模块输入所述前向采样电压和所述反向采样电压；
12.所述闭环控制模块的输出端与所述可变功率合成匹配网络连接，用于根据所述前向采样电压和反向采样电压，确定所述动态可变负载的实时阻抗值，以及根据所述动态可变负载的实时阻抗值，控制所述可变功率合成匹配网络，调整所述可变功率合成匹配网络的输出端阻抗值，使得所述输出端阻抗值通过所述固定阻抗变换模块的阻抗固定差值变换后，与所述动态可变负载的目标阻抗值成共轭匹配关系。
13.可选地，所述固定阻抗变换模块包括：并联谐振网络，输出匹配网络，串联谐振网络；
14.所述并联谐振网络与所述输出匹配网络并联，所述并联谐振网络与所述输出匹配网络的一端作为所述固定阻抗变换模块的输入端，另一端与所述串联谐振网络的输入端连接，所述并联谐振网络用于抑制所述第一预设频率的射频信号通过，所述输出匹配网络用于将所述可变功率合成匹配网络的输出端阻抗值进行阻抗固定差值变换；
15.所述串联谐振网络的输出端作为所述固定阻抗变换模块的输出端，用于允许所述第二预设频率的射频输入信号通过。
16.可选地，所述射频信号输入模块包括：第一射频信号输入模块和第二射频信号输入模块，所述射频输入信号包括：第一射频输入信号和第二射频输入信号，所述可变功率合成匹配网络包括：第一射频信号放大模块，第二射频信号放大模块，阻抗匹配控制模块和输出模块；
17.所述第一射频信号放大模块用于接收所述第一射频输入信号，将所述第一射频输入信号进行放大并输入至所述阻抗匹配控制模块；
18.所述第二射频信号放大模块用于接收所述第二射频输入信号，将所述第二射频输入信号进行放大并输入至所述阻抗匹配控制模块；
19.所述阻抗匹配控制模块，用于将所述放大后的所述第一射频输入信号和所述第二射频输入信号进行功率合成得到所述输出功率，以及切换所述阻抗匹配控制模块内部的射频功率开关的工作状态，以调整所述输出端阻抗；
20.所述输出模块用于输出所述输出功率和所述输出阻抗。
21.可选地，所述第一射频信号放大模块包括第一射频信号放大级和第一电容，所述第二射频信号放大模块包括第二射频信号放大级和第二电容；
22.所述第一射频信号放大级的栅极与所述第一射频信号输入模块输出端连接，所述第一射频信号放大级的漏极与所述阻抗匹配控制模块的输入端连接，所述第一射频信号放大级的源极接地连接，所述第一射频信号放大级的漏极与源极与所述第一电容两端相连，所述第一射频信号放大级用于放大所述第一射频输入信号；
23.所述第二射频信号放大级的栅极与所述第二射频信号输入模块输出端连接，所述第二射频信号放大级的漏极与所述阻抗匹配控制模块的输入端连接，所述第二射频信号放大级的源极接地连接，所述第二射频信号放大级的漏极与源极与所述第二电容两端相连，所述第二射频信号放大级用于放大所述第二射频输入信号；其中，所述第一射频输入信号和所述第二射频输入信号的频率、相位、幅值相同。
24.可选地，所述阻抗匹配控制模块，包括：平衡功率电阻、第一功率电阻、第二功率电阻、第三功率电阻、第四功率电阻、第一电感、第二电感、第一射频功率开关、第二射频功率开关、第三射频功率开关、第四射频功率开关；
25.所述第一射频信号放大模块的输出端与所述第一功率电阻的一端、所述第一射频功率开关的一端、所述平衡功率电阻的一端共同连接；
26.所述第二射频信号放大模块的输出端与所述第二功率电阻的一端、所述第二射频功率开关的一端、所述平衡功率电阻的另一端共同连接；
27.所述第一射频功率开关的另一端与所述第一功率电阻的另一端、所述第三射频功率开关的一端和所述第一电感的一端共同连接；所述第二射频功率开关的另一端与所述第二功率电阻的另一端、所述第四射频功率开关的一端和所述第二电感的一端共同连接；所述第三射频功率开关的另一端通过所述第三功率电阻接地连接，所述第四射频功率开关的另一端通过所述第四功率电阻接地连接；
28.所述第一射频功率开关、所述第二射频功率开关、所述第三射频功率开关和所述第四射频功率开关用于根据所述动态可变负载的实时阻抗值，按照预设开关状态组合进行工作，以调整所述输出端阻抗。
29.可选地，所述预设开关状态组合包括第一预设开关状态组合、第二预设开关状态组合、第三预设开关状态组合；
30.当按照所述第一预设开关状态组合进行工作时，所述第一射频功率开关、所述第二射频功率开关、所述第三射频功率开关和所述第四射频功率开关同时断开，所述第一功率电阻和所述第二功率电阻同时串联接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，所述第三功率电阻和所述第四功率电阻处于断开状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，使得所述输出端阻抗值增大到第一预设范围内；
31.当按照所述第二预设开关状态组合进行工作时，所述第一射频功率开关和所述第二射频功率开关同时闭合，所述第三射频功率开关和所述第四射频功率开关断开，所述第一功率电阻和所述第二功率电阻处于短路状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，所述第三功率电阻和所述第四功率电阻处于断开状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，使得所述输出端阻抗值不产生变化；
32.当按照所述第三预设开关状态组合进行工作时，所述第一射频功率开关、所述第二射频功率开关、所述第三射频功率开关和所述第四射频功率开关同时闭合，所述第一功率电阻和所述第二功率电阻处于短路状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，所述第三功率电阻和所述第四功率电阻同时并联接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，使得所述输出端阻抗值减小到第二预设范围内。
33.可选地，所述输出模块包括第三电容和射频扼流圈；
34.所述射频扼流圈的一端与直流供电电源连接，所述射频扼流圈的另一端与所述第三电容的一端连接，所述射频扼流圈的另一端分别与所述第一电感和第二电感的另一端连接，所述射频扼流圈的另一端作为所述输出模块的输入端；
35.所述第三电容的另一端接地，所述射频扼流圈的另一端与所述第三电容的一端共同作为所述可变功率合成匹配网络的阻抗输出端。
36.可选地，所述闭环控制模块包括：驻波比值处理模块，模数转换adc模块，fpga现场可编程逻辑门阵列数字处理器，dds直接数字式频率合成器信号模块，控制信号放大模块；
37.所述驻波比值处理模块的输出端与所述adc转换模块的输入端连接，用于根据所述前向采样电压和反向采样电压，确定驻波比值和反射系数的相位；
38.所述adc转换模块的输出端与所述fpga数字处理器的输入端连接，用于将所述驻波比值和反射系数的相位转变为数字化的驻波比值和相位；
39.所述fpga数字处理器的输出端与所述dds信号模块的输入端连接，用于根据所述数字化的驻波比值和相位，确定所述动态可变负载的工作状态；以及根据所述动态可变负载的工作状态，生成所述数字化控制信号；
40.所述dds信号模块的输出端依次通过所述控制信号放大模块与所述可变功率合成匹配网络内部的射频功率开关控制端连接，用于将所述数字化控制信号转换为模拟控制信号，并通过所述控制信号放大模块传输到所述射频功率开关控制端。
41.可选地，所述fpga数字处理器具体用于当所述动态可变负载的工作状态为短路时，生成所述第一预设开关状态组合的数字化控制信号；
42.当所述动态可变负载的工作状态为正常工作时，生成所述第二预设开关状态组合的数字化控制信号；
43.当所述动态可变负载的工作状态为开路时，生成所述第三预设开关状态组合的数字化控制信号。
44.可选地，所述dds信号模块具体用于将所述数字化控制信号转换为所述模拟控制信号，并传输到所述射频功率开关控制端，使得所述可变功率合成匹配网络内部的所述射频功率开关按照所述三种预设开关状态组合进行闭合或者断开。
45.可选地，所述闭环控制模块还用于控制所述射频功率开关按照所述预设开关状态组合进行闭合或者断开，调整所述动态可变负载的驻波比值，以及根据所述驻波比值调整所述动态可变负载的反射功率。
46.本发明实施例还公开了一种半导体工艺设备，包括反应腔室和为所述反应腔室提供射频功率的射频电源，所述射频电源为上述发明实施例中的任一射频电源。
47.本发明实施例包括以下优点：
48.本发明实施例中的射频电源包括射频信号输入模块，可变功率合成匹配网络，固定阻抗变换模块，双定向耦合器采样模块，闭环控制模块和动态可变负载；射频信号输入模块的输出端与可变功率合成匹配网络的输入端连接，用于向可变功率合成匹配网络提供射频输入信号；可变功率合成匹配网络的输出端与固定阻抗变换模块的输入端连接，用于放大射频输入信号并根据放大后的射频输入信号合成输出功率以及调整输出阻抗，并输出所述输出功率和所述输出阻抗；固定阻抗变换模块用于对所述输出阻抗进行阻抗固定差值变换，以及滤除第一预设频率的所述射频信号，允许通过第二预设频率的射频输入信号；双定向耦合器采样模块的输入端与固定阻抗变换模块的输出端连接，用于接收从固定阻抗变换模块传输的所述输出功率；双定向耦合器采样模块的输出端与动态可变负载连接，用于向动态可变负载传输所述输出功率；双定向耦合器采样模块的前向电压采样端和反向电压采样端分别与闭环控制模块的输入端连接，用于检测前向采样电压和反向采样电压，以及向闭环控制模块输入所述前向采样电压和反向采样电压；闭环控制模块的输出端与可变功率合成匹配网络连接，用于根据前向采样电压和反向采样电压，确定动态可变负载的实时阻抗值，以及根据动态可变负载的实时阻抗值，控制可变功率合成匹配网络，调整可变功率合成匹配网络的输出端阻抗值，使得所述输出端阻抗值通过固定阻抗变换模块的阻抗差值变换后，与动态可变负载的目标阻抗值成共轭匹配关系。本发明通过一种驻波比值闭环控制
的方法，在动态可变负载出现大范围阻抗变化时，通过闭环控制模块调整输出端阻抗，使得固定阻抗变换模块输出端阻抗与动态可变负载之间的阻抗形成共轭匹配关系，解决了阻抗失配的问题，通过调整输出端阻抗的大小，降低高驻波比值，从而减少反射功率，消除射频电源反射自激，从而防止射频电源输出网络出现器件烧毁等故障。
附图说明
49.图1是本发明实施例提供的一种射频电源的结构框图；
50.图2是本发明实施例提供的一种可变功率合成匹配网络的结构框图；
51.图3是本发明实施例提供的动态可变负载高驻波比变换低驻波比的阻抗位置smith图；
52.图4是本发明实施例提供的fpga数字处理器生成的多种数字化控制信号框图；
53.图5是本发明实施例提供的一种半导体工艺设备的结构框图。
具体实施方式
54.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
55.现有技术的射频电源，在应用过程中，射频源动态负载可能会出现大范围跳变，从而产生严重失配状况，还会产生较大的反射功率，与入射功率叠加形成深度调幅调制波，且该调制波处于动态自激状态，会烧毁射频源输出部分主要器件，造成经济损失。因此在射频电源使用过程中，如何确保射频电源输出网络能够稳定且无自激的进行功率输出，就显得格外重要。
56.本发明实施例的核心构思之一在于，提供了一种包含可变功率合成匹配网络的射频电源，可以根据动态可变负载的实时阻抗值，控制可变功率合成匹配网络调整输出端阻抗，形成一种反馈调节的工作模式，从而使得固定阻抗变换模块的输出端阻抗与动态可变负载的阻抗形成共轭匹配关系，抑制射频电源输出端阻抗出现大范围的跳变，从而避免产生过大的反射功率。
57.参照图1，示出了本发明实施例提供的一种射频电源的结构框图，所述射频电源包括：射频信号输入模块101，可变功率合成匹配网络102，固定阻抗变换模块103，双定向耦合器采样模块104，闭环控制模块105和动态可变负载106；
58.射频信号输入模块101的输出端与可变功率合成匹配网络102的输入端连接，用于向可变功率合成匹配网络102提供射频输入信号；
59.可变功率合成匹配网络102的输出端与固定阻抗变换模块103的输入端连接，用于放大射频输入信号并根据放大后的射频输入信号合成输出功率以及调整输出阻抗，并输出所述输出功率和输出阻抗；
60.如图2，示出了本发明实施例提供的一种可变功率合成匹配网络102的结构框图；所述可变功率合成匹配网络102包括第一射频信号放大模块1021，第二射频信号放大模块1022，阻抗匹配控制模块1023和输出模块1024；
61.在本发明的一种实施例方式中，射频信号输入模块包括：第一射频信号输入模块1011和第二射频信号输入模块1012，所述射频输入信号包括：第一射频输入信号和第二射
频输入信号；
62.第一射频信号放大模块1021用于接收第一射频输入信号，将第一射频输入信号进行放大并输入至阻抗匹配控制模块1023；
63.第二射频信号放大模块1022用于接收第二射频输入信号，将第二射频输入信号进行放大并输入至阻抗匹配控制模块1023；
64.本领域人员应当理解，射频输入信号的功率很小，为了获取足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大级对输入信号进行放大，本发明实施例中的第一射频信号放大模块1021和第二射频信号放大模块1022可以分别包含有第一射频信号放大级和第二射频信号放大级，如果只采用一个射频信号放大级，可能输出的功率不一定够用，因此为了使得输出功率的冗余足够大，采用第一射频信号放大级和第二射频信号放大级分别对射频信号进行放大。需要说明的是，本发明实施例中的第一射频输入信号和第二射频输入信号的频率、幅值和相位均相同。
65.在本发明的一种实施例方式中，第一射频信号放大模块1021包括第一射频信号放大级m1和第一电容c1，第二射频信号放大模块1022包括第二射频信号放大级m2和第二电容c2；
66.第一射频信号放大级m1的栅极与第一射频信号输入模块1011输出端连接，第一射频信号放大级m1的漏极与阻抗匹配控制模块1023的输入端连接，第一射频信号放大级m1的源极接地连接，第一射频信号放大级m1的漏极与源极与第一电容c1两端相连，第一射频信号放大级m1用于放大所述第一射频输入信号；
67.第二射频信号放大级m2的栅极与第二射频信号输入模块1012输出端连接，第二射频信号放大级m2的漏极与阻抗匹配控制模块1023的输入端连接，第二射频信号放大级m2的源极接地连接，第二射频信号放大级m2的漏极与源极与第二电容c2两端相连，所述第二射频信号放大级m2用于放大所述第二射频输入信号；
68.需要说明的是，m1、m2均为功率放大晶体管，且均为一种耐高压n沟增强型mos晶体管，所述mos晶体管工作在e类开关状态；第一电容c1和第二电容c2均为耐高压电容，c1和c2包含功率放大晶体管m1和m2的寄生电容c
ds
，该寄生电容c
ds
可以通过调试电感l1和l2数值加以吸收，从而整体提升功率传输网络带宽，增强功率放大级m1和m2的耦合隔离度，以抑制反射功率反向干扰射频输入信号。
69.需要说明的是，电感l1、l2均为空心励磁线绕电感，电感l1和l2所承受的传输功率为输出功率的一半，可以解决使用大功率磁耦合式变压器所引起的磁饱和发热问题。
70.阻抗匹配控制模块1023，用于将放大后的第一射频输入信号和第二射频输入信号进行功率合成得到输出功率，以及切换阻抗匹配控制模块1023内部的射频功率开关的工作状态，以调整输出端阻抗；
71.本发明实施例中，阻抗匹配控制模块1023可以将放大后的第一射频输入信号和第二射频输入信号进行功率合成得到输出功率，然后调整输出端阻抗，使得输出端阻抗经过固定阻抗变换模块的阻抗固定差值变换后，与外部的动态可变负载阻抗相适配。
72.在本发明的一种实施例方式中，阻抗匹配控制模块1023，包括：平衡功率电阻rb、第一功率电阻r1、第二功率电阻r2、第三功率电阻r3、第四功率电阻r4、第一电感l1、第二电感l2、第一射频功率开关sw1、第二射频功率开关sw2、第三射频功率开关sw3、第四射频功率开
关sw4；
73.本发明实施例中，平衡功率电阻rb、第一功率电阻r1、第二功率电阻r2、第三功率电阻r3、第四功率电阻r4均为功率型平面电阻，第一射频功率开关sw1、第二射频功率开关sw2、第三射频功率开关sw3、第四射频功率开关sw4均为耐高压、大功率容量pin开关，且均为单刀单掷受控开关；
74.第一射频信号放大模块1021的输出端与第一功率电阻r1的一端、第一射频功率开关sw1的一端、平衡功率电阻rb的一端共同连接；第二射频信号放大模块1022的输出端与第二功率电阻r2的一端、第二射频功率开关sw2的一端、平衡功率电阻rb的另一端共同连接；
75.第一射频功率开关sw1的另一端与第一功率电阻r1的另一端、第三射频功率开关sw3的一端和第一电感l1的一端共同连接；第二射频功率开关sw2的另一端与第二功率电阻r2的另一端、第四射频功率开关sw4的一端和第二电感l2的一端共同连接；第三射频功率开关sw3的另一端通过第三功率电阻r3接地连接，第四射频功率开关sw4的另一端通过第四功率电阻r4接地连接；
76.第一射频功率开关sw1、第二射频功率开关sw2、第三射频功率开关sw3和第四射频功率开关sw4用于根据动态可变负载的实时阻抗值，按照预设开关状态组合进行工作，以调整输出端阻抗。
77.本领域人员应当理解，阻抗匹配控制模块1023中的射频功率开关可以按照不同的开关或者开关状态得到不同大小的输出端阻抗，可以根据本领域人员的不同需求设定不同的预设开关组合状态，以得到不同的输出端阻抗。
78.在本发明的一种实施例方式中，预设开关状态组合包括第一预设开关状态组合，第二预设开关状态组合，第三预设开关状态组合；
79.当按照第一预设开关状态组合进行工作时，第一射频功率开关sw1、第二射频功率开关sw2、第三功率开关sw3和第四功率开关sw4同时断开，第一功率电阻r1和第二功率电阻r2处于串联接入可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，第三功率电阻r3和第四功率电阻r4电阻处于断开状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，使得输出端阻抗值增大到第一预设范围内；
80.本发明实施例中，可变功率合成匹配网络102的射频开关按照第一预设开关状态组合进行闭合或断开时，说明射频开关进行闭合或断开之前，动态可变负载出现短路，即射频电源输出端阻抗值接近于0，当sw1、sw2、sw3、sw4同时断开时，功率电阻r1和r2串联接入到可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路中，使得射频电源输出端的阻抗从0欧姆增加到几十欧姆，射频电源输出端的驻波比值可以根据动态可变负载阻抗来计算，具体公式如(1)所示：
[0081][0082]
公式(1)中，vswr表示驻波比值，zout表示射频电源的负载阻抗，z0表示射频电源内部的特征阻抗；
[0083]
根据公式(1)可知，驻波比值由按照第一预设开关状态组合进行闭合或断开之前
的无穷大，变换到按照第一预设开关状态组合进行闭合或断开之后的正常驻波比值，这一阻抗的变换避免了输出端的高驻波比值；
[0084]
需要说明的是，第一预设范围的阻抗值指的是当动态可变负载出现短路时，使得动态可变负载的工作状态由短路转变为正常工作时的射频电源负载阻抗值，该阻抗值与r1和r2的阻抗值大小有关，本领域人员可以按照需求来设定r1和r2的阻抗值大小；
[0085]
当按照第二预设开关状态组合进行工作时，第一射频功率开关sw1和第二射频功率开关sw2同时闭合，第三射频功率开关sw3和第四射频功率开关sw4同时断开，第一功率电阻r1和第二功率电阻r2处于短路状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路，第三射频功率电阻r3和第四射频功率电阻r4处于断开状态，均未接入所述可变功率合成匹配网络的两个支臂电路，使得输出端阻抗值不产生变化；
[0086]
本发明实施例中，可变功率合成匹配网络102内部的射频功率开关按照第二预设开关状态组合进行闭合或断开时，说明射频开关进行闭合或断开之前，动态可变负载接近于预定阻抗值，该预定阻抗值指的是射频电源正常工作时的阻抗值，为几欧姆至几十欧姆之间；此时，射频功率开关sw1和sw2同时闭合，sw3和sw4同时断开，使得功率电阻r1、r2、r3、r4均未接入可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路，该状态组合视为可变功率合成匹配网络的正常工作状态，射频电源的输出端阻抗与动态可变负载的阻抗呈现共轭匹配关系，该匹配关系实现了最大输出功率传输和较小的驻波比值，同时也避免了射频电源接收到较大的反射功率；
[0087]
当按照第三预设开关状态组合进行工作时，第一射频功率开关sw1、第二射频功率开关sw2、第三射频功率开关sw3和第四射频功率开关sw4同时闭合，第一功率电阻r1和第二功率电阻r2处于短路状态，均未接入可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路，第三功率电阻r3和第四功率电阻r4并联接入可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路，使得输出端阻抗值减小到第二预设范围内；
[0088]
本发明实施例中，可变功率合成匹配网络102的射频开关按照第三预设开关状态组合进行闭合或断开时，说明射频开关进行闭合或断开之前，动态可变负载出现开路，即射频电源输出端阻抗值为无穷大，此时，按照sw1、sw2、sw3、sw4同时闭合，功率电阻r3和r4并联接入到可变功率合成匹配网络102的两个支臂电路中，使得射频电源的负载端阻抗由动态可变负载开路时的无穷大减小到百欧姆以内，根据公式(1)可知，驻波比值由按照第三预设开关状态组合进行闭合或断开之前的无穷大，变换到按照第三预设开关状态组合进行闭合或断开之后的正常驻波比值，这一阻抗的变换避免了输出端的高驻波比值；
[0089]
需要说明的是，第二预设范围的阻抗值指的是当动态可变负载出现开路时，使得动态可变负载的工作状态由开路转变为正常工作时的射频电源输出端阻抗值，第二预设范围的阻抗值与r3和r4的阻抗值大小有关，本领域人员可以按照需求来设定r3和r4的阻抗值大小。
[0090]
本领域人员应当理解，当功率电阻被断开，该电阻不参与输出阻抗值调控，当功率电阻被短路时，该功率电阻同样不参与输出阻抗值调控，功率电阻串联接入时，输出阻抗值增大，当功率电阻并联接入时，输出阻抗值减小。
[0091]
输出模块1024用于输出所述输出功率和所述输出阻抗。
[0092]
在本发明的一种实施例方式中，输出模块1024包括第三电容c3和射频扼流圈rfc；
[0093]
射频扼流圈rfc的一端与直流供电电源连接，射频扼流圈的另一端与第三电容c3的一端连接，射频扼流圈的另一端分别与第一电感l1和第二电感l2的另一端连接；射频扼流圈的另一端作为输出模块1024的输入端；
[0094]
第三电容c3的另一端接地，射频扼流圈的另一端与第三电容c3的一端共同作为可变功率合成匹配网络102的阻抗输出端。
[0095]
需要说明的是，第三电容c3为耐高压电容，射频扼流圈rfc为漆包线和磁芯绕制而成，具有一定的抑制纹波功能。
[0096]
固定阻抗变换模块103用于对可变功率合成匹配网络的输出阻抗进行阻抗固定差值变换，以及滤除第一预设频率的所述射频信号，允许通过第二预设频率的射频输入信号；
[0097]
在本发明的一种实施例方式中，固定阻抗变换模块103包括：并联谐振网络1031，输出匹配网络1032，串联谐振网络1033；
[0098]
并联谐振网络1031与输出匹配网络1032并联，并联谐振网络1031与输出匹配网络1032的一端作为固定阻抗变换模块103的输入端，另一端与串联谐振网络1033的输入端连接，并联谐振网络1031用于抑制第一预设频率的射频信号通过，输出匹配网络1032用于将可变功率合成匹配网络102的输出端阻抗值进行阻抗固定差值变换；串联谐振网络1033的输出端作为固定阻抗变换模块103的输出端，用于允许第二预设频率的射频输入信号通过；
[0099]
本发明实施例中，第一预设频率指的是射频电源抑制来自外部某一工作频率的大功率射频信号串入干扰，第二预设频率指的是射频电源允许通过的射频输入信号的中心频率；
[0100]
在一种示例中，并联谐振网络1031可以用来抑制13.56mhz的外部射频信号串扰进入射频电源内部，造成射频电源正常工作频率为2mhz的大功率信号输出波形失真，谐波增大，线性度恶化等问题，而本发明实施例不限于此，本发明实施例中第一预设频率可以按需求来设定。串联谐振网络1033可以用来执行选频功能，允许射频电源通过一个2mhz中心频率的窄带高功率信号，使得本发明实施例中的射频电源工作在2mhz中心频率，而本发明实施例不限于此，本发明实施例中允许通过的高功率信号的第二预设频率可以按需求设定。
[0101]
另外，需要说明的是，射频信号输入模块101向可变功率合成匹配网络102提供的射频输入信号也为第二预设频率。
[0102]
双定向耦合器采样模块104的输入端与固定阻抗变换模块103的输出端连接，用于接收从固定阻抗变换模块传输的所述输出功率；双定向耦合器采样模块104的输出端与动态可变负载106连接，用于向动态可变负载106传输所述输出功率；
[0103]
双定向耦合器采样模块104的前向电压采样端和反向电压采样端分别与闭环控制模块105的输入端连接，用于检测前向采样电压和反向采样电压，以及向闭环控制模块105输入所述前向采样电压和反向采样电压；
[0104]
闭环控制模块105的输出端与可变功率合成匹配网络102连接，用于根据前向采样电压和反向采样电压，确定动态可变负载的实时阻抗值，以及根据动态可变负载的实时阻抗值，控制可变功率合成匹配网络102，调整可变功率合成匹配网络102的输出端阻抗值，使得该输出端阻抗值通过固定阻抗变换模块103的阻抗固定差值变换后，与动态可变负载106的目标阻抗值形成共轭匹配关系。
[0105]
在本发明实施例中，目标阻抗值指的是使得动态可变负载正常工作时的阻抗值，
闭环控制模块105可以对前向采样电压和反向采样电压进行处理，确定动态可变负载的实时阻抗值是否在目标阻抗值附近，当动态可变负载的实时阻抗值在目标阻抗值之外时，可以控制可变功率合成匹配网络102的射频功率开关的闭合或者断开状态，从而调整射频电源输出端阻抗值，使得动态可变负载的实时阻抗值回归到目标阻抗值，与射频电源输出端阻抗形成共轭匹配关系，根据公式(1)可知，本发明实施方式实现了减小介于射频电源的输出端和动态可变负载之间的高驻波比值的目的。
[0106]
在本发明的一种实施例方式中，如图1所示，闭环控制模块105可以包括：驻波比值处理模块1051，模数转换adc模块1052，fpga现场可编程逻辑门阵列数字处理器1053，dds直接数字式频率合成器信号模块1054，控制信号放大模块1055；
[0107]
驻波比值处理模块1051的输出端与adc转换模块1052的输入端连接，用于根据前向采样电压和反向采样电压，确定驻波比值和反射系数的相位；
[0108]
在一种示例中，驻波比值处理模块1051可以根据公式(2)-(4)对双定向耦合器104提供的前向采样电压信号和反向采样电压信号进行数据处理，并计算出射频电源输出端的驻波比值vswr和反射系数гr的相位θr：
[0109][0110]
公式(2)中v
rev
为双定向耦合器采样的反向电压值，v
fwd
为双定向耦合器采样的前向电压值，гr为反射系数，θr为反射系数的相位，j表示复数坐标轴的虚部。
[0111][0112]
公式(3)中p
rev
为射频电源负载端产生的反射功率，p
fwd
为射频电源提供的前向功率，|гr|为反射系数的绝对值。
[0113][0114]
公式(4)中vswr表示驻波比值，гr为反射系数。
[0115]
adc转换模块1052的输出端与fpga数字处理器1053的输入端连接，用于将驻波比值和反射系数的相位转变为数字化的驻波比值和相位；
[0116]
本发明实施例中，由于驻波比值处理模块1051计算得到的驻波比值和反射系数的相位均为模拟量，因此需要用adc转换模块1052将该模拟信号转换为数字信号。
[0117]
fpga数字处理器1053的输出端与dds信号模块1054的输入端连接，用于根据数字化的驻波比值和相位，确定动态可变负载的工作状态；以及根据动态可变负载的工作状态，生成数字化控制信号；
[0118]
本发明实施例中，fpga数字处理器1053可以根据不同的数字化vswr值、数字化反射系数гr的相位θr构造出一套算法，该算法用于判断动态可变负载在smith图的所处阻抗位置；
[0119]
具体地，如图3示出了本发明实施例提供的动态可变负载高驻波比变换低驻波比的阻抗位置smith图，该算法具体指的是fpga数字处理器1053可以根据不同的数字化vswr值、数字化反射系数гr的相位θr判断出动态可变负载在smith图所处阻抗位置，并根据动态可变负载在smith图所处阻抗位置确定动态可变负载的工作状态，以及根据不同的动态
可变负载的工作状态，可以生成不同的数字化控制信号，如图4示出了本发明实施例提供的fpga数字处理器1053生成的多种数字化控制信号框图；
[0120]
在本发明的一种实施例方式中，fpga处理器1053具体用于当动态可变负载的工作状态为短路时，生成第一预设开关状态组合的数字化控制信号；当动态可变负载的工作状态为正常时，生成第二预设开关状态组合的数字化控制信号；当动态可变负载的工作状态为开路时，生成第三预设开关状态组合的数字化控制信号；
[0121]
具体地，图4中0000表示的第一种预设开关状态组合，此时四个射频功率开关都处于断开状态；1100表示的是第二种预设开关状态组合，sw1、sw2闭合，sw3、sw4断开；1111表示的是第三种预设开关状态组合，此时四个射频功率开关都为闭合状态。
[0122]
dds信号模块1054的输出端依次通过所述控制信号放大模块1055与可变功率合成匹配网络102内部的射频功率开关控制端连接，用于将数字化控制信号转换为模拟控制信号，并通过控制信号放大模块1055传输到射频功率开关控制端。
[0123]
在本发明的一种实施例方式中，dds信号模块1054具体用于将数字化控制信号转换为模拟控制信号，并传输到射频功率开关控制端，使得可变功率合成匹配网络内部的射频功率开关按照上文提供的三种预设开关状态组合进行闭合或者断开。
[0124]
具体地，dds信号模块1054可以将fpga数字处理器1053发送的数字化控制信号转换为一个几伏量级的模拟方波控制信号，模拟方波控制信号经过控制信号放大模块1055放大后可以连接到可变功率合成匹配网络102的四个开关控制端，从而在动态可变负载出现大范围阻抗变化时，即时变换射频功率开关的3种组合状态，实现对射频电源的保护；例如，当fpga数字处理器发送的数字控制信号为0000，dds信号模块1054可以生成一种负几伏量级的模拟方波控制信号，可以使得四个射频功率开关都断开；当fpga数字处理器发送的数字控制信号为1111，dds信号模块1054可以生成一种正几伏量级的模拟方波控制信号，可以使得四个射频功率开关都闭合；当fpga数字处理器发送的数字控制信号为1100，dds信号模块1054可以生成一种正几伏量级和一种负几伏量级的模拟方波控制信号，可以使得sw1、sw2闭合，sw3、sw4断开。
[0125]
在本发明的一种实施例方式中，闭环控制模块105还用于控制射频功率开关按照预设开关状态组合进行闭合或者断开，调整所述射频电源负载端的驻波比值，以及根据所述驻波比值调整所述动态可变负载的反射功率。
[0126]
本发明实施例中，在动态可变负载出现大范围阻抗变化时，如动态可变负载变化为开路状态，该动态可变负载的阻抗达到无穷大，通过图3可以看出该负载所处阻抗位置在smith图的最右侧，此时，反向电压采样值与前向电压采样值数值相同，根据公式(2)的计算，反射系数гr的相位θr改变为0度，гr的幅值|гr|增大到1.0；根据公式(3)可以得到，此时如果射频电源的前向功率保持不变，图1中双定向耦合器采样模块的前向功率采样信号也同样保持不变，但反射功率采样信号在动态可变负载开路时达到最大值；具体地，此时反射功率采样信号的最大值与前向功率采样信号数值相等，且该反射功率信号沿射频电源的固定阻抗变换模块103全部返回，反射功率与射频电源传输的前向功率波形相互叠加，从而形成驻波，该驻波波形的最大值增加为原来前向功率波形幅值的两倍，由驻波引起的高电压经过射频电源内部的主要功率器件很容易导致这些器件快速升温，进而烧毁这些器件；此时公式(4)中的驻波比(vswr)值达到了无穷大；
[0127]
驻波比值处理模块将计算后的vswr值和反射系数гr的相位θr输出到adc转换模块，在adc转换模块进行数字化转化；
[0128]
进一步地，数字化形式的vswr值和数字化形式的反射系数гr的相位θr通过fpga数字处理器输出一个新的数字控制信号，该数字控制信号为一组并行的1、1、1、1构成的高电平数字信号，该组并行的数字信号等同于图4中的开关状态组合03；
[0129]
数字控制信号通过dds信号模块转化为模拟控制信号，该模拟控制信号依次通过控制信号放大级连接到可变功率合成匹配网络内射频功率开关的控制端；模拟控制信号将可变功率合成匹配网络中的电路结构改变为射频功率开关sw1～sw4均闭合的结构，从而并联引入功率电阻r3和r4到可变功率合成匹配网络的两个支臂电路；
[0130]
与可变功率合成匹配网络处于正常工作状态相比，即图4中的组合状态02相比较，组合状态03引入了一个更小的实部阻抗到可变功率合成匹配网络的输出端，该输出端阻抗经过图1中的固定阻抗变换模块103变换为一个百欧姆以内量级的射频电源负载阻抗(zout)，进而使动态可变负载的阻抗从无穷大减少到百欧姆以内，根据公式(1)可知，这一阻抗变换减小了射频电源输出端的高驻波比值，根据公式(3)和(4)可知反射系数的减小避免了固态射频电源出现过大的反射功率，防止反射功率与入射功率叠加形成深度调幅调制波，进而产生动态自激波形烧毁射频电源主要器件。
[0131]
当动态可变负载处于短路状态时，动态可变负载端的阻抗值接近于0欧姆，通过图3可以看出该负载所处阻抗位置在smith图的最左侧，闭环控制系统开始工作，将可变功率合成匹配网络的工作状态变换到图4中的组合状态01，即图2中的射频功率开关sw1～sw4均断开，串联引入功率电阻r1和r2到可变功率合成匹配网络的两个支臂电路中，进而提升可变功率合成匹配网络的输出端阻抗值，使该输出阻抗通过图1中的固定阻抗变换模块连接到射频电源的输出端，将射频电源负载端的阻抗(zout)从零欧姆提升到几十欧姆量级，根据公式(1)，射频电源负载端阻抗(zout)的增大可进一步减小射频电源输出端的高驻波比值，根据公式(3)和公式(4)可以得到，高驻波比值的减小更进一步抑制了射频电源出现过大的反射功率。
[0132]
当动态可变负载为正常工作状态时，可根据图3确定出动态可变负载所处阻抗位置在smith图的中间区域，此时动态可变负载的阻抗值接近于预定目标阻抗值，该阻抗值为smith图中的任一阻抗，该任一阻抗为几欧姆到几十欧姆量级之间，此时，开关切换到组合状态02，射频功率开关sw1、sw2闭合，sw3、sw4断开，射频电源输出端的阻抗与动态可变负载的阻抗将呈现共轭匹配关系，该匹配关系保证了射频电源实现最大输出功率传输；同时也确保了射频电源不出现过大的反射功率，根据公式(3)和(4)可知，反射功率变小使得驻波比值同样变小，此时射频电源主要功率器件均处于正常工作状态。
[0133]
本发明实施例中的射频电源包括射频信号输入模块，可变功率合成匹配网络，固定阻抗变换模块，双定向耦合器采样模块，闭环控制模块和动态可变负载；射频信号输入模块的输出端与可变功率合成匹配网络的输入端连接，用于向可变功率合成匹配网络提供射频输入信号；可变功率合成匹配网络的输出端与固定阻抗变换模块的输入端连接，用于放大射频输入信号并根据放大后的射频输入信号合成输出功率以及调整输出阻抗，并输出所述输出功率和所述输出阻抗；固定阻抗变换模块用于对输出阻抗进行阻抗固定差值变换，以及滤除第一预设频率的所述射频信号，允许通过第二预设频率的射频输入信号；双定向
耦合器采样模块的输入端与固定阻抗变换模块的输出端连接，用于接收从固定阻抗变换模块传输的所述输出功率；双定向耦合器采样模块的输出端与动态可变负载连接，用于向动态可变负载传输所述输出功率；双定向耦合器采样模块的前向电压采样端和反向电压采样端分别与闭环控制模块的输入端连接，用于检测前向采样电压和反向采样电压，以及向闭环控制模块输入前向采样电压和反向采样电压；闭环控制模块的输出端与可变功率合成匹配网络连接，用于根据前向采样电压和反向采样电压，确定动态可变负载的实时阻抗值，以及根据动态可变负载的实时阻抗值，控制可变功率合成匹配网络，调整可变功率合成匹配网络的输出端阻抗值，使得输出端阻抗值通过固定阻抗变换模块的阻抗差值变换后，与动态可变负载的目标阻抗值形成共轭匹配关系。本发明通过一种驻波比值闭环控制的方法，在动态可变负载出现大范围阻抗变化时，通过闭环控制模块调整输出端阻抗，使得射频电源输出端阻抗与动态可变负载之间的阻抗形成共轭匹配关系，解决了射频电源与负载之间阻抗严重失配的问题，通过调整输出端阻抗的大小，降低高驻波比值，从而减少反射功率，消除射频电源因反射自激而导致的主要器件烧毁等故障。
[0134]
如图5，示出了本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构框图，该半导体工艺设备包括反应腔室和为所述反应腔室提供能量的射频电源，射频电源为上述发明实施例中所述的任一射频电源。
[0135]
需要说明的是，对于电路实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
[0136]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0137]
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
[0138]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0139]
以上对本发明所提供的一种射频电源和一种半导体工艺设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。