专利名称：一种双输出匹配器及一种等离子体发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种双输出匹配器及一种等离子 体发生装置。
背景技术：
在用于半导体制造工艺的等离子体设备的研发中，最重要的因素是在大衬底上工 作的能力，以便提高产率，以及，执行用于制造高度集成器件工艺的能力。随着近年来晶片 尺寸从200mm增大到300mm，对等离子体密度、均勻性、稳定性等也提出了更高的要求。目前常用的电感耦合等离子体发生装置如图1所示，该装置采用并联电感耦合线 圈1和线圈2，该线圈分别与用于提供RF电流的RF发生器11通过双输出匹配器12相连， 在该装置中，双输出匹配器12不仅具有匹配功能，以保证RF传输线上的射频功率为零，将 RF发生器11产生的功率全部输送给等离子体腔室13 ；还具有电流比例调节功能，即其在输 出端使用的是电流传感器。然而，这种双输出匹配器只能检测线圈1、2上的电流信号，无法知道相关的阻抗 信息。只能根据匹配器输入端检测出匹配网络输入端的阻抗，故必须迭代进行网络匹配和 电流调节功能，直至既保证匹配网络的输入阻抗等于RF发生器的恒定输出阻抗，二者达到 匹配，又将并联电感耦合线圈中的电流值调到了用户的设定值。这就导致了匹配器需要在 其内部反复调整，大大延长了系统稳定时间，甚至存在系统最终无法稳定的风险。因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能够创新地 提出一种双输出匹配器，以尽量缩短系统稳定的时间。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种双输出匹配器及一种等离子体发生 装置，用以尽量缩短系统稳定的时间。为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了一种双输出匹配器，包括设置在输入端的检测器件，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别设置在两个输出端的阻抗传感器，用于检测当前匹配网络输出端的阻抗；控制器，用于根据执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗值，以及， 所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗 元件的调整量；执行机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元 件的阻抗值；与各阻抗传感器相连的电流调节机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所 述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值。优选的，所述双输出匹配器的输入端通过一信号传输线与射频发生器相连，所述 检测器件包括
4[0014]功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻 抗。优选的，所述射频发生器具有恒定的输出阻抗，所述控制器包括当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当 前阻抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的 输出阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构 中可变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前 阻抗值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。优选的，所述双输出匹配器的两个输出端分别与并联电感耦合线圈(61)与线圈 (62)相连，所述电流调节机构还包括电流调节单元，用于依据可变阻抗元件的阻抗调整值， 相应调节所述并联电感耦合线圈(61)与线圈(62)中的电流值。优选的，所述射频功率参数包括电压值、电流值、前向功率和反向功率。本实用新型还公开了一种等离子体发生装置，包括依次连接的射频发生器、双输 出匹配器及并联电感耦合线圈，用于将射频发生器产生的射频功率通过并联电感耦合线圈 全部传送给等离子体腔室，其中，所述双输出匹配器包括与射频发生器相连的检测器件，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别与所述并联电感耦合线圈相连的阻抗传感器，用于检测当前匹配网络输出端 的阻抗；控制器，用于根据执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗值，以及， 所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗 元件的调整量；执行机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元 件的阻抗值；与各阻抗传感器相连的电流调节机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所 述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值；以及，电流调节单元，用于依据可变阻抗元件的阻 抗调整值，相应调节所述并联电感耦合线圈中的电流值。优选的，所述双输出匹配器通过一信号传输线与射频发生器相连，所述检测器件 包括功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻 抗。优选的，所述射频发生器具有恒定的输出阻抗，所述控制器包括当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当 前阻抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的 输出阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前 阻抗值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。优选的，所述射频功率参数包括电压值、电流值、前向功率和反向功率。优选的，所述匹配网络输入端的阻抗为射频发生器的负载阻抗，所述射频发生器 的恒定输出阻抗为50 Q。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点本实用新型通过在匹配器的双输出端设置阻抗优传感器，以直接检测当前匹配网 络输出端的阻抗，从而在阻抗失配的情形下只需进行一次调整，即可使得当前阻抗匹配，并 满足电流比例调节的功能，而无需迭代进行网络匹配和电流比例调节的操作，不仅大大缩 短了系统稳定所需的时间，还提高了电流幅度分布的均勻性，使得电磁场和耦合的射频功 率的分布更加均勻，进一步提高等离子体密度分布的均勻性。
图1是现有技术中一种常用的电感耦合等离子体发生装置的结构图；图2是现有技术中一种典型的双输出匹配器的结构图；图3是本实用新型的一种双输出匹配器的结构图；图4是本实用新型的一种一种等离子体发生装置的结构图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图和具 体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。阻抗匹配(Impedance matching)是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到 最大功率输出的一种工作状态。阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来 达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能 源效益。例如，在典型的RF(Radio Frequency，射频)等离子体发生装置中，恒定输出阻抗 (通常为50Q)的RF发生器产生固定频率(通常为13. 56MHz)的RF波，向等离子体腔室提 供RF功率，以激发用于刻蚀或其他工艺的等离子体。一般来讲，等离子体腔室的非线性负 载的阻抗与RF发生器的恒定输出阻抗并不相等，故在RF发生器和等离子体腔室之间具有 严重的阻抗失配，使得RF传输线上存在较大的反射功率，RF发生器产生的功率无法全部输 送给等离子体腔室。为解决该问题，可以在RF发生器和等离子体腔室之间插入阻抗匹配器。随着电 子技术的发展，目前较常使用的阻抗匹配器为双输出匹配器(即带有双输出端的阻抗匹配 器)，现有技术中，这种双输出匹配器的典型结构可以参考图2，具体由传感器21、控制器 22、执行机构23、电流调节机构24和25，以及电流传感器26和27组成。其中，执行机构23 包括匹配网络中的可变阻抗元件(一般采用两个电容C1和C2)和改变其阻抗的驱动装置 (如步进电机，图中未示出)；电流调节机构24和25包括可变阻抗元件和改变其阻抗的驱 动装置(图中未示出)。[0047]匹配方面，传感器21检测RF发生器20传输线上的电压、电流、前向功率、反向功 率等相关参数，提供匹配控制算法所需的输入量；控制器22根据输入量，实现某种匹配控 制算法，并给出执行机构23中可变阻抗元件驱动装置的调整量；执行机构23根据控制器 22给出的调整量，改变可变阻抗元件的阻抗值，从而使得匹配网络的输入阻抗等于RF发生 器20的恒定输出阻抗，二者达到匹配。此时，RF传输线上的射频功率为零，RF发生器产生 的功率全部输送给了等离子体腔室。电流调节方面，该匹配器的两个输出端分别串联电流传感器al、电流传感器a2， 用于检测线圈1、2上的电流值，提供给控制器22，作为电流调节的输入量；控制器22根据 输入量，计算当前电流值和由用户设定的电流值的差值，并根据该差值给出电流调节机构 24和25中可变阻抗元件驱动装置的调整量；电流调节机构24和25根据控制器给出的调 整量改变可变阻抗元件的阻抗值，从而改变并联电感耦合线圈中的电流值，直至满足用户 要求。然而，这种双输出匹配器只能检测线圈1、2上的电流信号，无法知道相关的阻抗 信息。只能根据匹配器输入端检测出匹配网络输入端的阻抗，故必须迭代进行网络匹配和 电流调节功能，例如当电流调节机构中的可变阻抗元件值发生变化时，传感器检测出的 RF传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数必将发生变化，此时控制器根据 新的输入量，给出执行机构中可变阻抗元件驱动装置的调整量；执行机构将根据控制器给 出的调整量再一次改变可变阻抗元件的阻抗值。本实用新型正是针对上述双输出匹配器做出的改进，参考图3所示的一种双输出 匹配器的结构图，具体可以包括如下部件设置在输入端的检测器件31，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别设置在两个输出端的阻抗传感器32和33，用于检测当前匹配网络输出端的 阻抗；控制器34，用于根据执行机构35和电流调节机构36和37中可变阻抗元件的当前 阻抗值，以及，所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构35和电流调 节机构36和37中可变阻抗元件的调整量；执行机构35，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗 元件的阻抗值；与各阻抗传感器32和33相连的电流调节机构36和37，包括可变阻抗元件驱动装 置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值。可以理解，在本实用新型实施例中，所述双输出匹配器包括分别设置在输入端和 输出端的检测器件31和阻抗传感器32和33，以及，控制器34、执行机构35、电流调节机构 36和37，其中，执行机构35中包括可变阻抗元件及可用于改变其阻抗的驱动装置(图中 未示出)。电流调节机构36和37中也包括可变阻抗元件及可用于改变其阻抗的驱动装置 (图中未示出)。在具体实现中，所述双输出匹配器的输入端可以通过一信号传输线与射频发生器 30相连，所述检测器件31可以包括如下子部件功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；如电压值、电流值、前向功 率和反向功率等相关参数。
7[0059]阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻 抗。在实际中，本领域技术人员可以依据实际需求，将所述阻抗信息计算单元可以集 成在功率传感器中，或置入控制器34内。在本实用新型的一种优选实施例中，所述控制器34具体可以包括以下单元当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当 前阻抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的 输出阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构 中可变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前 阻抗值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。需要说明的是，本实施例中所述当前阻抗获取单元的阻抗值可以通过硬件直接检 测得到，例如，在电机和电容的连接轴上加装多圈光电码盘来实时检测可变阻抗元件值；当 然也可以通过软件计算得到。在这种情况下，执行机构35的可变阻抗元件驱动装置根据控制器给出的调整量， 即可改变可变阻抗元件的阻抗值，从而使匹配网络的输入阻抗等于RF发生器的恒定输出 阻抗，二者达到匹配。作为一种优选应用，所述双输出匹配器的两个输出端可以分别与并联电感耦合线 圈61与线圈62相连，所述电流调节机构36和37中还可以包括电流调节单元，用于依据可 变阻抗元件的阻抗调整值，相应调节所述并联电感耦合线圈61与线圈62中的电流值，以将 并联电感耦合线圈中的电流值调到用户的设定值。即在本实施例中，控制器34根据执行机构和电流调节机构中的可变阻抗元件的 当前阻抗值，以及，所述匹配网络输入端和输出端的阻抗值，根据匹配网络的电气结构，即 可计算得到执行机构和电流调节机构中的可比阻抗元件的目标阻抗值，该目标阻抗值既能 满足匹配网络输入阻抗等于RF发生器输出阻抗(通常为50 Q)的要求，又能使线圈61、62 的电流比例调节到设定值。可以看出，本实用新型无需经过多次迭代，只需一次调整，即可改变当前阻抗失配 的情形，同时满足电流比例调节的功能，从而提高电流幅度分布的均勻性，使得电磁场和耦 合的射频功率的分布更加均勻，进一步提高等离子体密度分布的均勻性。虽然一般的射频发生器都是用于产生固定频率的射频波，例如13. 56MHZ，以及恒 定的输出阻抗(如50Q)，但是本实用新型并不限于此，上述参数仅仅是工程常用参数而已， 仅仅供本实用新型用以说明。并且，匹配器中的可变阻抗元件，可以是可变电容，也可以是 可变电感。匹配网络的拓扑形式可以是L型、倒L型等由两个可变阻抗元件组成的任意形 式。另外，需要说明的是，本实用新型所要求的所述输入阻抗等于射频发生器的输出 阻抗，并不一定是绝对数值意义上(或者说数学意义)上的绝对相等，实际上，二者在一定 的误差范围内，就可以满足实际的传输需要，则就可以认为二者是相等的。因为绝对意义上 的阻抗匹配是难以达到的，甚至不可能达到，阻抗匹配的解决方案都是使其尽可能的一致，本实用新型也是如此。等离子体发生装置广泛地应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。 适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体发生装置的发展，对于半导体制造工艺和设施的 发展来说至关重要。现今广泛应用于等离子体设备的为电感耦合等离子体发生装置(ICP)， 在ICP中，使气体产生电离形成等离子体所需要的射频(RF)功率来自于电感耦合线圈。这 种方式可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，可以同时对 产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子 能量)独立控制。参考图4，示出了本实用新型的一种等离子体发生装置的结构图，所述等离子体发 生装置包括依次连接的射频发生器11、双输出匹配器200及并联电感耦合线圈61和62，用 于将射频发生器11产生的射频功率通过并联电感耦合线圈61和62全部传送给等离子体 腔室13，其中，所述双输出匹配器包括200 与射频发生器11相连的检测器件211，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别与所述并联电感耦合线圈61和62相连的阻抗传感器212和213，用于检测当 前匹配网络输出端的阻抗；控制器214，用于根据执行机构215和电流调节机构216和217中可变阻抗元件的 当前阻抗值，以及，所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构215和电 流调节机构216和217中可变阻抗元件的调整量；执行机构215，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗 元件的阻抗值；与各阻抗传感器212和213相连的电流调节机构216和217，包括可变阻抗元件驱 动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值；以及，电流调节单元，用于依 据可变阻抗元件的阻抗调整值，相应调节所述并联电感耦合线圈中的电流值。在本实用新型的一种优选实施例中，所述双输出匹配器通过一信号传输线与射频 发生器相连，所述检测器件211可以包括如下子部件功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；如电压值、电流值、前向功 率和反向功率等。阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻 抗。一般而言，所述射频发生器具有恒定的输出阻抗，为实现阻抗匹配，所述控制器 214具体可以包括如下子部件当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当 前阻抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的 输出阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构 中可变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前 阻抗值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。可以理解的是，所述匹配网络输入端的阻抗即为射频发生器的负载阻抗。
9[0087]由于本实施例基本相应于图3所示的实施例，故本实施例的描述中未详尽之处， 可以参见图3所示实施例中的相关说明，在此就不赘述了。以上对本实用新型所提供的一种生产线设备的监控方法及一种生产线设备的监 控系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领 域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。
权利要求一种双输出匹配器，其特征在于，包括设置在输入端的检测器件，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别设置在两个输出端的阻抗传感器，用于检测当前匹配网络输出端的阻抗；控制器，用于根据执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗值，以及，所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量；执行机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值；与各阻抗传感器相连的电流调节机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值。
2.如权利要求1所述的双输出匹配器，其特征在于，所述双输出匹配器的输入端通过 一信号传输线与射频发生器相连，所述检测器件包括功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻抗。
3.如权利要求2所述的双输出匹配器，其特征在于，所述射频发生器具有恒定的输出 阻抗，所述控制器包括当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻 抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的输出 阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构中可 变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗 值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。
4.如权利要求3所述的双输出匹配器，其特征在于，所述双输出匹配器的两个输出端 分别与并联电感耦合线圈(61)与线圈(62)相连，所述电流调节机构还包括电流调节单元， 用于依据可变阻抗元件的阻抗调整值，相应调节所述并联电感耦合线圈(61)与线圈(62) 中的电流值。
5.如权利要求2所述的双输出匹配器，其特征在于，所述射频功率参数包括电压值、电 流值、前向功率和反向功率。
6.一种等离子体发生装置，其特征在于，包括依次连接的射频发生器、双输出匹配器及 并联电感耦合线圈，用于将射频发生器产生的射频功率通过并联电感耦合线圈全部传送给 等离子体腔室，其中，所述双输出匹配器包括与射频发生器相连的检测器件，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别与所述并联电感耦合线圈相连的阻抗传感器，用于检测当前匹配网络输出端的阻抗；控制器，用于根据执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗值，以及，所述 匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件 的调整量；执行机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值； 与各阻抗传感器相连的电流调节机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调 整量调整其可变阻抗元件的阻抗值；以及，电流调节单元，用于依据可变阻抗元件的阻抗调 整值，相应调节所述并联电感耦合线圈中的电流值。
7.如权利要求6所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述双输出匹配器通过一信 号传输线与射频发生器相连，所述检测器件包括功率传感器，用于检测射频传输线上的射频功率参数；阻抗信息计算单元，用于依据所述射频功率参数计算当前匹配网络输入端的阻抗。
8.如权利要求6或7所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述射频发生器具有恒定 的输出阻抗，所述控制器包括当前阻抗获取单元，用于获取所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻 抗值；目标阻抗计算单元，用于在所述匹配网络输入端的阻抗不等于射频发生器恒定的输出 阻抗时，依据所述匹配网络输入端和输出端的阻抗计算所述执行机构和电流调节机构中可 变阻抗元件的目标阻抗值；调整量计算单元，用于依据所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗 值和目标阻抗值，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量。
9.如权利要求7所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述射频功率参数包括电压 值、电流值、前向功率和反向功率。
10.如权利要求8所述的等离子体发生装置，其特征在于，所述匹配网络输入端的阻抗 为射频发生器的负载阻抗，所述射频发生器的恒定输出阻抗为50 Ω。
专利摘要本实用新型公开了一种双输出匹配器，包括设置在输入端的检测器件，用于检测当前匹配网络输入端的阻抗；分别设置在两个输出端的阻抗传感器，用于检测当前匹配网络输出端的阻抗；控制器，用于根据执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的当前阻抗值，以及，所述匹配网络输入端和输出端的阻抗，分别计算所述执行机构和电流调节机构中可变阻抗元件的调整量；执行机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值；与各阻抗传感器相连的电流调节机构，包括可变阻抗元件驱动装置，用于按照所述调整量调整其可变阻抗元件的阻抗值。本实用新型可以缩短系统稳定的时间。
文档编号H05H1/46GK201601886SQ20092027835
公开日2010年10月6日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者武晔 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司