本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体地，涉及一种射频阻抗匹配方法、匹配器和半导体处理装置。
背景技术：
由rf射频电源激发产生等离子体技术被广泛应用于集成电路制作过程中。常用的射频电源输出阻抗为50ω，而等离子体腔室的阻抗是不等于50ω的非纯阻性的阻抗；为了达到射频电源输出端与等离子体腔室间的阻抗匹配，需要在rf功率源与等离子体腔室之间插入一个阻抗匹配器，从而保证等离子体腔室从射频电源获得最大功率。自动匹配的过程就是自动控制器根据阻抗传感器的输出，控制伺服驱动单元，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子体腔室的阻抗为50ω，实现阻抗匹配，如图1所示。
一般自动阻抗匹配器是由两个步进电机带动两个可变电容(两个电容构成倒l形匹配网络)来完成匹配任务的，完成一次匹配约需要1-2秒的时间，如图2所示。图2中的自动阻抗匹配器根据阻抗传感器检测的匹配器输入阻抗，与射频电源输出阻抗相比，得出阻抗幅度误差和相位误差，利用这两种误差信号来控制调谐元件，通过不断地调整调谐元件，使误差信号降为零或很小，系统达到匹配状态。
图2中自动阻抗匹配器进行阻抗匹配的缺点是：由于调谐元件同时影响两种误差信号，即同时影响幅度误差和相位误差；所以匹配器的调谐时间长，匹配过程缓慢。
为了满足某些工艺对匹配速度的要求(小于0.1秒)，在上述基础上产生出快速自动阻抗匹配器；如图3所示。从图3中可以看出，该匹配网络仍为倒l形匹配网络；c1和c2值各自由许多固定电容组合而成，各种组合所构成的c1和c2都具有一个确定的电容值；控制单元根据运算结果，控制相应的开关通断，达到转换电容值的目的，从而实现负载阻抗的匹配。
图3中的自动阻抗匹配器将阻抗传感器检测的匹配器输入阻抗变成输入导纳，与射频电源输出导纳相比较，采用导纳实部和虚部误差来控制调谐元件(如c1，c2)；由于导纳实部仅与c2有关，即调整电容c1不会影响匹配网络输入导纳的实部。因此，首先通过调整电容c2使导纳实部满足要求，然后再调整电容c1使导纳虚部满足要求，当导纳虚部调好后，系统便进入匹配状态。
图3中自动阻抗匹配器进行阻抗匹配的缺点是：由于匹配器输入导纳的实部和虚部都与负载阻抗有关，且负载阻抗的值又不能确定；因而负载阻抗的变化将会产生较大的调整偏差，过大的偏差会导致匹配困难；同时还存在匹配路径需要优化的问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种射频阻抗匹配方法、匹配器和半导体处理装置。该匹配方法通过在匹配过程中用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，从而最终计算出射频电源的输出阻抗与负载阻抗达到匹配时的匹配器中可变电抗元件的位置值，仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配方法的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。
本发明提供一种射频阻抗匹配方法，包括：
检测匹配器的当前输入阻抗；
用所述当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算所述匹配器的当前输出阻抗；与所述当前输出阻抗共轭匹配的阻抗为负载阻抗；
计算当所述负载阻抗与所述射频电源的实际输出阻抗匹配时，所述匹配器中可变电抗元件的新的位置值；
将所述匹配器中所述可变电抗元件的当前值调整为所述新的位置值。
优选地，在所述用所述当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算所述匹配器的当前输出阻抗之前还包括：
根据所述匹配器的所述当前输入阻抗，计算所述匹配器的功率反射系数；
判断所述功率反射系数是否小于设定值；如果是，则不再执行后续步骤；如果否，则执行后续步骤。
优选地，在所述用所述当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算所述匹配器的当前输出阻抗之后，且在所述计算当所述负载阻抗与所述射频电源的实际输出阻抗匹配时，所述匹配器中可变电抗元件的新的位置值之前还包括：
判断与所述当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗是否在预定的负载阻抗调整范围内；如果是，则执行后续步骤；如果否，则不执行后续步骤；
其中，所述预定的负载阻抗调整范围根据所述匹配器中可变电抗元件的取值范围确定。
优选地，所述匹配器包括l型匹配网络、t型匹配网络或π型匹配网络。
优选地，所述射频的频率包括13.56mhz、400khz、2mhz、27mhz、40mhz或60mhz。
本发明还提供一种匹配器，包括：
检测模块，用于检测匹配器的当前输入阻抗；
第一计算模块，用于用所述当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算所述匹配器的当前输出阻抗；与所述当前输出阻抗共轭匹配的阻抗为负载阻抗；
第二计算模块，用于计算当所述负载阻抗与所述射频电源的实际输出阻抗匹配时，所述匹配器中可变电抗元件的新的位置值；
调整模块，用于将所述匹配器中所述可变电抗元件的当前值调整为所述新的位置值。
优选地，还包括第三计算模块，用于根据所述匹配器的所述当前输入阻抗，计算所述匹配器的功率反射系数；
第一判断模块，用于判断所述功率反射系数是否小于设定值；
所述第一计算模块和所述第二计算模块还用于根据所述第一判断模块的判断结果确定是否执行相应计算。
优选地，还包括第二判断模块，用于根据所述第一计算模块的计算结果判断与所述当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗是否在预定的负载阻抗调整范围内；所述预定的负载阻抗调整范围根据所述匹配器中可变电抗元件的取值范围确定；
所述第二计算模块还用于根据所述第二判断模块的判断结果确定是否执行相应计算。
优选地，所述匹配器包括l型匹配网络、t型匹配网络或π型匹配网络。
本发明还提供一种半导体处理装置，包括上述匹配器。
本发明的有益效果：本发明所提供的射频阻抗匹配方法，通过在匹配过程中用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，从而最终计算出射频电源的输出阻抗与负载阻抗达到匹配时所需匹配器中可变电抗元件的位置值，仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配方法的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。另外，该匹配方法通过用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算射频电源的输出阻抗与负载阻抗达到匹配时所需匹配器中可变电抗元件的位置值，使其不受匹配器状态的限制，任何时刻都能够根据匹配器的当前输入阻抗，计算出对应时刻的负载阻抗，为研究等离子体在反应腔室的阻抗变化提供有力帮助。
本发明所提供的匹配器，通过设置检测模块、第一计算模块和第二计算模块，能使其仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配器的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。
本发明所提供的半导体处理装置，通过采用上述匹配器，提高了该半导体处理装置的工艺效率和工艺质量。
附图说明
图1为现有技术中阻抗匹配系统的原理框图；
图2为现有技术中一种自动阻抗匹配器的结构原理框图；
图3为现有技术中一种快速自动阻抗匹配器的结构原理框图；
图4为本发明实施例1中射频阻抗匹配方法的流程图；
图5为本发明实施例1中用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗的阻抗匹配示意图；
图6为本发明实施例1中当匹配器的输入阻抗等于射频电源的实际输出阻抗(如rg为50ω)时的阻抗匹配示意图；
图7为本发明实施例2中射频阻抗匹配方法的流程图；
图8为本发明实施例3中匹配器的原理框图。
其中的附图标记说明：
1.检测模块；2.第一计算模块；3.第二计算模块；4.调整模块；5.第三计算模块；6.第一判断模块；7.第二判断模块。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种射频阻抗匹配方法、匹配器和半导体处理装置作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种射频阻抗匹配方法，如图4所示，包括：
步骤s101：检测匹配器的当前输入阻抗。
步骤s102：用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算匹配器的当前输出阻抗；与当前输出阻抗共轭匹配的阻抗为负载阻抗。
步骤s103：计算当负载阻抗与射频电源的实际输出阻抗匹配时，匹配器中可变电抗元件的新的位置值。
步骤s104：将匹配器中可变电抗元件的当前值调整为新的位置值。
其中，当匹配器的输入阻抗等于射频电源的实际输出阻抗时，射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配，此时，匹配器的输出阻抗与负载阻抗共轭匹配，即匹配器中的匹配网络已经调整到使射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配的状态。计算此时的匹配器输出阻抗就是利用共轭匹配的特点，计算出射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配时，所需匹配器中可变电抗元件的新的位置值，当匹配器中可变电抗元件调整到该新的位置后，则实现了射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配的目的，从而能够通过上述计算将匹配网络的阻抗一步到位地调整到目标值。
该匹配方法通过在匹配过程中用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，从而最终计算出要达到射频电源的输出阻抗与负载阻抗相匹配时，所需匹配器中可变电抗元件的新的位置值；仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配方法的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。另外，该匹配方法通过用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算出负载阻抗的方法，不受匹配器状态的限制，任何时刻都能够根据匹配器的当前输入阻抗，计算出对应时刻的负载阻抗，为研究等离子体在反应腔室的阻抗变化提供有力帮助。
该匹配方法的具体算法为：如图5所示，以匹配器中的匹配网络为l型匹配网络、且负载为感性负载为例对该匹配算法进行具体说明。
检测匹配器的当前输入阻抗，如当前输入阻抗z＝r+jx；则当前输入阻抗的共轭匹配阻抗
令
则
根据共轭匹配法则，与匹配器当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗为：
当前负载阻抗实部为：
当前负载阻抗虚部为：
需要说明的是，上述(3.3)式和(3.4)式中的c1、c2、a、b和ω均为已知参数，其中，a和b由检测获得；c1和c2分别为l型匹配网络中并联支路和串联支路中对应当前输入阻抗的当前电容值(c1和c2分别为并联支路和串联支路中对应当前输入阻抗的当前时刻的等效电容值)；ω为射频周期。
如图6所示，射频电源的实际输出阻抗rg通常为50ω，当匹配器的输入阻抗等于射频电源的实际输出阻抗时(即射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配时)，匹配器的输出阻抗为：
由(2.1)式可知：
匹配器的输出阻抗的实部为：
匹配器的输出阻抗的虚部为：
将射频电源的实际输出阻抗rg＝50ω代入(2.4)式中，得出：当射频实际输出阻抗与负载阻抗相匹配时：
负载阻抗实部为：
负载阻抗虚部为：
(2.5)式和(2.6)式中，ω为射频周期；c1′和c2′分别为l型匹配网络中并联支路和串联支路中电容的目标调整值，为待求参数。
为了使射频电源的实际输出阻抗与当前负载阻抗zl相匹配，匹配器只要计算出c1′和c2′的值(即两个电容的目标调整值)，并将匹配器l型匹配网络中的并联支路和串联支路中电容值分别调整为c1′和c2′的值(即两个电容的目标调整值)，即可实现使射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配，从而完成了该射频阻抗的匹配。
计算c1′和c2′值的具体算法为：将(3.3)式代入(2.5)式，计算出c1′值，即：
其中，
将(3.4)式以及(4.1)式中求出的c1′值代入(2.6)式，计算出c2′值，即：
其中，
下面举例说明该射频阻抗匹配方法的匹配算法，即计算匹配器l型匹配网络中的并联支路和串联支路中电容的目标调整值(即c1′和c2′)的算法：
步骤s101：检测匹配器的当前输入阻抗为：z＝0.344-22.18jω，将该值以及与其对应时刻的l型匹配网络中并联支路和串联支路中的当前电容值c1和c2的值(如c1＝750pf，c2＝250pf)代入(3.2)式求出与匹配器的当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗为：zl＝1.97+100jω。
步骤s102-步骤s104：先求当射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配时的c1′值；将z＝0.344-22.18jω以及与其对应时刻的l型匹配网络中并联支路的当前电容值c1，如c1＝750pf代入(4.1)式求出匹配时的c1′＝1159pf。然后求匹配时的c2′值；将z＝0.344-22.18jω以及与其对应时刻的l型匹配网络中并联支路和串联支路中的当前电容值c1和c2的值，如c1＝750pf，c2＝250pf，c1′＝1159pf代入(4.2)式求出匹配时的c2′＝130pf。最后命令伺服机构将c1从750pf变换成1159pf，c2从250pf变换成130pf。从而完成了该射频阻抗的匹配。
本实施例中，匹配器包括l型匹配网络、t型匹配网络或π型匹配网络。即本实施例中的匹配方法适用于l型匹配网络、t型匹配网络以及π型匹配网络的匹配器。
本实施例中，射频的频率包括13.56mhz、400khz、2mhz、27mhz、40mhz或60mhz。
实施例2：
本实施例提供一种射频阻抗匹配方法，与实施例1中不同的是，如图7所示，在实施例1的基础上，本实施例在步骤s102之前还包括：
步骤s105：根据匹配器的当前输入阻抗，计算匹配器的功率反射系数。
步骤s106：判断功率反射系数是否小于设定值。如果是，则不再执行后续步骤，即不再执行步骤s102和步骤s103。如果否，则执行步骤s102和步骤s103。
步骤s105和步骤s106用于在执行步骤s102和步骤s103中的匹配算法之前，判断射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗是否相匹配，如果已经相匹配，则不再执行步骤s102和步骤s103中的匹配算法；如果不相匹配，则要执行步骤s102和步骤s103中的匹配算法，以使射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗实现相匹配；从而使该匹配器的匹配效率更高，速度更快。
其中，当知道匹配器的当前输入阻抗z＝r+jx时，可计算匹配器的功率反射系数，具体为：
匹配器的功率反射系数为：
其中，(5.2)式中pr为反向功率(即从匹配器输入端向射频电源端的反射功率)，pf为正向功率(即从射频电源端向匹配器输入端的发射功率)。
根据(5.2)式求出的功率反射系数|γ|2与设定的目标功率反射系数相比；若计算值小于目标值，即视为达到了阻抗匹配(即射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗相匹配)。如果已经达到了匹配，就无需再执行步骤s102和步骤s103中的匹配算法。如果没有达到匹配，则执行步骤s102和步骤s103中的匹配算法。
需要说明的是，当执行完步骤s101-步骤s104中的匹配算法并通过伺服机构将匹配网络中的电容值调整为目标调整值(即完成该射频阻抗的匹配)之后，会继续循环执行步骤s101、步骤s105和步骤s106，以便对该射频阻抗是否匹配进行实时监控，从而实现在其不匹配时能够及时通过步骤s102和步骤s103中的匹配算法进行计算和调整。
例如：在上述匹配算法的例子中完成匹配网络中电容值的调整之后(即完成该射频阻抗的匹配之后)，再检测匹配器中匹配网络的当前输入阻抗，如为z＝49.87+0.309jω；将该当前输入阻抗z＝49.87+0.309jω代入(5.2)式求出匹配器的功率反射系数|γ|2＝1.12×10-5，一般设定的目标功率反射系数为0.1％；通过比较后得出结论：匹配器达到匹配要求。
本实施例中，在步骤s102之后，且在步骤s103之前还包括：
步骤s107：判断与当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗是否在预定的负载阻抗调整范围内。如果是，则执行后续步骤，即执行步骤s103和步骤s104。如果否，则不执行后续步骤，即不执行步骤s103和步骤s104。步骤s107的设置提高了该匹配器的匹配效率和匹配准确度。
其中，预定的负载阻抗调整范围根据匹配器中可变电抗元件(即匹配网络)的取值范围确定。预定的负载阻抗调整范围的确定过程如下举例说明：
如：从实施例1中的(2.5)式和(2.6)式可以得出以下结论：
1.负载阻抗实部是由c1确定的；当c1为最小值时，它所确定的负载阻抗实部有最大值；反之，当c1为最大值时，它所确定的负载阻抗实部有最小值。
2.负载阻抗虚部是由c1和c2共同确定的；当c1，c2为最小值时，负载阻抗虚部有最大值；反之，当c1，c2为最大值时，它所确定的负载阻抗虚部有最小值。
需要说明的是，当l型匹配网络中并联支路和串联支路中的电容(即c1和c2)选定之后，由于电容本身的取值范围(即电容值的调整范围)已经确定，所以由其确定的预定的负载阻抗调整范围也随之确定。在采用本实施例中的射频阻抗匹配方法对射频阻抗进行匹配的过程中，通过匹配网络对负载阻抗的调整必须在预定的负载阻抗调整范围内，如果超出了该预定的负载阻抗调整范围，则无法实现对阻抗的匹配，因此，也就无须再采用步骤s103中的匹配方法进行匹配。
如下表2-1为当l型匹配网络中并联支路和串联支路中的电容(即c1和c2)取值范围选定为表中的范围时，预定的负载阻抗的调整范围：
表2-1：l型匹配网络拐点输出阻抗对照表：
从上表中可以看出该l型匹配网络中，当c1＝250-1500pf,c2＝50-500pf时，能够实现匹配的预定的负载阻抗的实部调整范围为1.2-23.43ω，能够实现匹配的预定的负载阻抗的虚部调整范围为j31.11-259.7ω。
实施例1-2的有益效果：实施例1-2中所提供的射频阻抗匹配方法，通过在匹配过程中用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，从而最终计算出射频电源的输出阻抗与负载阻抗达到匹配时，所需匹配器中可变电抗元件的位置值；仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配方法的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。另外，该匹配方法通过用当前检测的匹配器当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算出当前时刻的负载阻抗，使其不受匹配器状态的限制，任何时刻都能够根据匹配器的当前输入阻抗，计算出对应时刻的负载阻抗，为研究等离子体在反应腔室的阻抗变化提供有力帮助。
实施例3：
本实施例提供一种匹配器，如图8所示，包括：检测模块1，用于检测匹配器的当前输入阻抗。第一计算模块2，用于用当前输入阻抗的共轭匹配阻抗代替射频电源的输出阻抗，计算匹配器的当前输出阻抗；与当前输出阻抗共轭匹配的阻抗为负载阻抗。第二计算模块3，用于计算当负载阻抗与射频电源的实际输出阻抗匹配时，匹配器中可变电抗元件的新的位置值。调整模块4，用于将匹配器中可变电抗元件的当前值调整为新的位置值。
检测模块1、第一计算模块2、第二计算模块3和调整模块4的设置，能使该匹配器仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配器的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。
本实施例中，匹配器还包括第三计算模块5，用于根据匹配器的当前输入阻抗，计算匹配器的功率反射系数。第一判断模块6，用于判断功率反射系数是否小于设定值。第一计算模块2和第二计算模块3还用于根据第一判断模块6的判断结果确定是否执行相应计算。
第三计算模块5和第一判断模块6的设置，能使该匹配器在进行阻抗匹配之前，先判断射频电源的实际输出阻抗与负载阻抗是否已经达到匹配，从而使该匹配器的匹配效率更高，速度更快。
本实施例中，匹配器还包括第二判断模块7，用于根据第一计算模块2的计算结果判断与当前输入阻抗相对应的当前负载阻抗是否在预定的负载阻抗调整范围内；预定的负载阻抗调整范围根据匹配器中可变电抗元件的取值范围确定。第二计算模块3还用于根据第二判断模块7的判断结果确定是否执行相应计算。
第二判断模块7的设置，能够在匹配器匹配之前，先判断当前负载阻抗是否在预定的负载阻抗调整范围内，即在能实现匹配的情况下才进行阻抗匹配，从而提高了该匹配器的匹配效率和匹配准确度。
本实施例中，匹配器包括l型匹配网络、t型匹配网络或π型匹配网络。即本实施例中匹配器中的匹配网络可以为l型匹配网络、t型匹配网络或π型匹配网络。
实施例3的有益效果：实施例3中所提供的匹配器，通过设置检测模块、第一计算模块、第二计算模块和调整模块，能使其仅通过一次运算和调整，就能使负载阻抗与射频电源的输出阻抗进入相匹配的状态，该匹配器的匹配路径直接，不存在匹配路径优化的问题；而且匹配速度快，为实现快速自动阻抗匹配提供了有力保障。
实施例4：
本实施例提供一种半导体处理装置，包括实施例3中的匹配器。
通过采用实施例3中的匹配器，提高了该半导体处理装置的工艺效率和工艺质量。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。