射频匹配方法及装置、等离子体设备
阅读：958发布：2023-03-08
专利汇可以提供射频匹配方法及装置、等离子体设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种射频匹配方法及装置、 等离子体 设备，该方法包括： 传感器 模 块 获取射频电源的 电压 幅度检测值、 电流 幅度检测值和 相位 差检测值；根据电压幅度检测值、电流幅度检测值和 相位差 检测值获取传感器第一输出值，并根据电压幅度检测值获取传感器第二输出值，以及根据电流幅度检测值获取传感器第三输出值，并将传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至控 制模 块； 控制模块 根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，获取射频匹配装置的输入阻抗，并根据输入阻抗，通过控制执行模块调整匹配网络的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。本发明简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，提高了传感器的测量 精度 。，下面是射频匹配方法及装置、等离子体设备专利的具体信息内容。
1.一种用于等离子体腔室的射频匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：
传感器模块获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′；根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，并根据所述电压幅度检测值|V|′获取传感器第二输出值，以及根据所述电流幅度检测值|I|′获取传感器第三输出值，并将所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至控制模块；和
所述控制模块根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，获取射频匹配装置的输入阻抗，并根据所述输入阻抗，通过控制执行模块调整匹配网络的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
2.如权利要求1所述的射频匹配方法，其特征在于，所述传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，
其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
3.如权利要求2所述的射频匹配方法，其特征在于，所述第一系数矩阵M3×3为：
其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第一系数矩阵M3×3对应所述传感器模块的内部电路连接。
4.如权利要求1所述的射频匹配方法，其特征在于，所述控制模块根据所述传感器模块输出的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取射频匹配装置的输入阻抗进一步包括：
根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值、传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α；和根据所述电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α获取所述输入阻抗的模值|Z|和相位θ。
5.如权利要求4所述的射频匹配方法，其特征在于，所述相位θ等于所述相位获取值α。
6.如权利要求4所述的射频匹配方法，其特征在于，所述控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3，通过以下公式获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值； 为M3×3的逆矩阵， 为常数矩阵。
7.如权利要求6所述的射频匹配方法，其特征在于，所述第二系数矩阵W3×3为其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第二系数矩阵W3×3由所述控制模块设置。
8.一种用于等离子体腔室的射频匹配装置，其特征在于，包括传感器模块、控制模块、执行模块和匹配模块；所述控制模块与所述传感器模块相连，所述执行模块与所述控制模块相连，所述匹配模块分别与所述传感器模块和所述执行模块相连；
所述传感器模块用于获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′，并根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，根据所述电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′获取传感器第二输出值，以及根据所述电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第三输出值，并将所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至所述控制模块；
所述控制模块用于接收来自所述传感器模块的所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，并根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取所述射频匹配装置的输入阻抗；且所述控制模块根据所述射频匹配装置的输入阻抗，通过控制所述执行模块调整所述匹配模块的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
9.如权利要求8所述的射频匹配装置，其特征在于，所述传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，
其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
10.如权利要求9所述的射频匹配装置，其特征在于，所述第一系数矩阵M3×3为：
其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第一系数矩阵对应所述传感器模块的内部电路连接。
11.如权利要求9所述的射频匹配装置，其特征在于，所述传感器模块包括第一乘法器，用于根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取所述传感器第一输出值；
第二乘法器，用于根据所述电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′获取所述传感器第二输出值；和
第三乘法器，用于根据所述电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取所述传感器第三输出值。
12.如权利要求8所述的射频匹配装置，其特征在于，所述控制模块根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值、传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α；和
根据所述电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α获取所述输入阻抗的模值|Z|和相位θ。
13.如权利要求12所述的射频匹配装置，其特征在于，所述相位θ等于所述相位获取值α。
14.如权利要求12所述的射频匹配装置，其特征在于，所述控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3，通过以下公式获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值； 为M3×3的逆矩阵， 为常数矩阵。
15.如权利要求14所述的射频匹配装置，其特征在于，所述第二系数矩阵W3×3为其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第二系数矩阵由所述控制模块设置。
16.一种等离子体设备，其特征在于，包括：
反应腔室；
射频电源，所述射频电源用于向所述反应腔室输入射频功率；
如权利要求8-15中任一项所述的射频匹配装置，该射频匹配装置连接所述射频电原，且所述射频匹配装置用于匹配所述射频电源的输出阻抗。
17.如权利要求16所述的等离子体设备，其特征在于，所述等离子体设备为物理气相沉积设备，等离子体刻蚀设备或等离子体增强化学气相沉积设备。
射频匹配方法及装置、等离子体设备
技术领域
背景技术
[0002] 在半导体制备工艺中，等离子体被广泛应用于半导体器件的生产过程中。在等离子体刻蚀系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。在等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶片相互作用从而，使晶片材料表面发生各种物理和化学反应，进而使材料表面性能发生变化，完成晶片的刻蚀或者其他工艺过程。
[0003] 现今常用的射频电源的工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω。射频电源通过特征阻抗为50Ω的同轴电缆与反应腔室相连。随着刻蚀过程的进行，腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，从而作为负载的等离子体的阻抗也在不断的变化。由于射频电源的输出阻抗为固定的50Ω，而输入阻抗是不断变化的，从而射频电源的阻抗与输入阻抗不匹配。上述阻抗的不匹配会导致射频传输线上存在较大的反射功率，使得射频输出功率无法全部施加到等离子体腔室。如果获得的射频能量不足以使等离子体起辉，刻蚀过程就无法进行。
由此，需要在射频电源与等离子体腔室之间设置阻抗匹配器，以使得输入阻抗与射频电源阻抗能够达到共轭匹配。其中，阻抗匹配器包括用于检测输入阻抗的传感器。
由此，需要在射频电源与等离子体腔室之间设置阻抗匹配器，以使得输入阻抗与射频电源阻抗能够达到共轭匹配。其中，阻抗匹配器包括用于检测输入阻抗的传感器。
[0005] 由上式可以看出，传感器第一输出值a0由电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过f函数计算获取，传感器第二输出值a1由电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过g函数计算获取，传感器第三输出值a2由电流幅度检测值|I|′通过h函数计算获取。其中，f、g和h分别为三个不同的函数。
[0007] 即
[0008] 其中， 为常数矩阵，
[0009] 根据上述获取的电压幅度|V|和电流幅度|I|以及相位α，可以得到输入阻抗且θ＝α。
[0010] 如图1所示，现有的传感器采用乘法器获取传感器输出值并将该传感器输出值发送至控制器，控制器根据上述传感器输出值得到对应的M3×3矩阵使得传感器信号A3×1与电压幅度|V|、电流幅度|I|和相位α三个变量存在非线性关系，从而使得求解|V|、|I|、α的过程中不可避免的用到乘法运算等复杂运算，导致获取时间大大增加。并且由于参数变量较多，使得最后获取结果的不确定性增大，从而对精度产生较大影响。对应同一输入阻抗，当某一个变量受到干扰较大时，其所获取出的输入阻抗将受到很大影响，有可能产生很大的误差。上述特性的传感器会造成匹配器中的执行机构的匹配路径差、时间长、精度低，甚至导致匹配器不能正常工作，无法执行阻抗匹配。
发明内容
[0011] 本发明的目的旨在至少解决上述技术问题之一，针对现有的射频匹配方法，需要提出一种改进的用于等离子体腔室的射频匹配方法，通过调整传感器的输入参数的连接关系，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，并且降低了输入量对传感器输出量的误差，提高了传感器的测量精度，进而可以稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0012] 此外，本发明还需要提出一种用于等离子体腔室的射频匹配装置以及具有上述射频匹配装置的等离子体设备。
[0013] 为解决上述技术问题中的至少一个，本发明第一方面的实施例提出了一种用于等离子体腔室的射频方法，包括如下步骤：
[0014] 传感器模块获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′；
[0015] 传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，并根据所述电压幅度检测值|V|′获取传感器第二输出值，以及根据所述电流幅度检测值|I|′获取传感器第三输出值，并将所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至控制模块；
[0016] 所述控制模块根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，获取射频匹配装置的输入阻抗，并根据所述输入阻抗，通过控制执行模块调整匹配网络的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
[0017] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配方法，通过调整传感器内部的连接方式，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，并且降低了输入量对传感器输出量的误差，提高了传感器的测量精度，进而可以稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0018] 在本发明的一个实施例中，所述传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，
[0019]
[0020] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
[0021] 在本发明的一个实施例中，所述第一系数矩阵M3×3为：
[0022]
[0023] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第一系数矩阵M3×3根据所述传感器模块的内部连接设置。
[0024] 在本发明的一个实施例中，所述控制模块根据所述传感器模块输出的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取输入阻抗进一步包括：
[0025] 根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值、传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α；
[0026] 根据所述电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α获取所述输入阻抗的模值|Z|和相位θ。
[0027] 由此，通过传感器信号以及第二系数矩阵W3×3，进而获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。并且，电压幅度获取值|V|和电流幅度获取值|I|的运算方式相同，且相位获取值α的运算为一元函数运算。从而简化了电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算复杂度，节省了运算时间。相应地，简化了输入阻抗的运算复杂度，节省了输入阻抗的运算时间。
[0028] 在本发明的一个实施例中，所述相位θ等于所述相位获取值α。
[0029] 由于射频电源的阻抗可以与输入阻抗相匹配，从而通过获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，可以得到输入阻抗的模值和相位。
[0030] 在本发明的一个实施例中，所述控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3，通过以下公式获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，
[0031]
[0032] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值； 为M3×3的逆矩阵， 为常数矩阵。
[0033] 在本发明的一个实施例中，所述第二系数矩阵W3×3为
[0034]
[0035] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第二系数矩阵W3×3由所述控制模块设置。
[0036] 本发明第二方面的实施例提出了一种用于等离子体腔室的射频匹配装置，包括传感器模块、控制模块、执行模块和匹配模块；所述控制模块与所述传感器模块相连，所述执行模块与所述控制模块相连，所述匹配模块分别与所述传感器模块和所述执行模块相连；
[0037] 所述传感器模块用于获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′，并根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，根据所述电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′获取传感器第二输出值，以及根据所述电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第三输出值，并将所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至所述控制模块；
[0038] 所述控制模块用于接收来自所述传感器模块的所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，并根据所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取所述射频匹配装置的输入阻抗；且所述控制模块根据所述射频匹配装置的输入阻抗，通过控制所述执行模块调整所述匹配模块的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
[0039] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配装置，通过调整传感器模块内部的连接方式，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，并且降低了输入量对传感器模块输出量的误差，提高了传感器模块的测量精度，进而可以使得匹配模块稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0040] 在本发明的一个实施例中，所述传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取所述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，
[0041]
[0042] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
[0043] 在本发明的一个实施例中，所述第一系数矩阵M3×3为：
[0044]
[0045] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第一系数矩阵M3×3根据所述传感器模块的内部连接设置。
[0046] 在本发明的一个实施例中，所述传感器模块包括：第一乘法器，用于根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取所述传感器第一输出值；第二乘法器，用于根据所述电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′获取所述传感器第二输出值；和第三乘法器，用于根据所述电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取所述传感器第三输出值。
[0047] 在本发明的一个实施例中，所述控制模块根据所述传感器模块输出的传感器第一输出值、传感器第二输出值、传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，并根据所述电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α获取所述输入阻抗的模值|Z|和相位θ。
[0048] 由此，传感器模块通过传感器信号以及第二系数矩阵W3×3，进而由控制模块获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。并且，电压幅度获取值|V|和电流幅度获取值|I|的运算方式相同，且相位获取值α的运算为一元函数运算。从而简化了电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算复杂度，节省了运算时间。相应地，简化了输入阻抗的运算复杂度，节省了输入阻抗的运算时间。
[0049] 在本发明的一个实施例中，所述相位θ等于所述相位获取值α。
[0050] 在本发明的一个实施例中，所述控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值和第二系数矩阵W3×3，通过以下公式获取所述射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，
[0051] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值； 为M3×3的逆矩阵， 为常数矩阵。
[0052] 在本发明的一个实施例中，所述第二系数矩阵W3×3为
[0053]
[0054] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，所述第二系数矩阵W3×3由所述控制模块设置。
[0055] 本发明第三方面的实施例提出了一种等离子体设备，包括：反应腔室；射频电源，所述射频电源用于向所述反应腔室输入射频功率；如本发明第二方面的实施例所述的射频匹配装置，该射频匹配装置连接所述射频电源，且所述射频匹配装置用于匹配所述射频电源的输出阻抗。
[0056] 根据本发明实施例的等离子体设备，通过采用上述的射频匹配装置，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，进而可以稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0059] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0060] 图1为现有的传感器信号生成过程的示意图；
[0061] 图2为根据本发明实施例的射频匹配方法的流程框图；
[0062] 图3为根据本发明实施例的传感器输出值生成过程的示意图；
[0063] 图4为根据本发明实施例的射频匹配装置的示意图；和
[0064] 图5为根据本发明实施例的等离子体设备的示意图。
具体实施方式
[0065] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0066] 如图2所示，本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配方法包括如下步骤：
[0067] S101：传感器模块获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′；这里的相位差检测值α′具体为被检测的电压和被检测的电流的相位差；
[0068] S102：传感器模块根据电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，并根据述电压幅度检测值|V|′获取传感器第二输出值，以及根据电流幅度检测值|I|′获取传感器第三输出值，并将上述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至控制模块；
[0069] S103：控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取射频匹配装置的输入阻抗，并根据输入阻抗，通过控制执行模块调整匹配网络的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
[0070] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配方法，通过调整传感器模块内部的连接方式，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，并且降低了输入量对传感器输出量的误差，提高了传感器的测量精度，进而可以稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0071] 下面参考图2和图3对本发明的用于等离子体腔室的射频匹配方法进行详细说明。
[0072] 具体而言，首先向等离子体腔室中输送工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω的射频电源。传感器模块获取由输送的射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′并获取传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值。其中，相位为电流和电压的相位差。
[0073] 如图3所示，传感器模块接收来自射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′并根据传感器内部的模拟电路的工作原理进行处理。具体而言，传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值。
[0074]
[0075] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
[0076] 在本发明的一个实施例中，第一系数矩阵M3×3为 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数。其中，第一系数矩阵M3×3根据传感器模块的内部模拟电路的连接关系而设置。具体而言，第一系数矩阵M3×3对应于传感器模块的内部的相关乘法器电路的连接关系。
[0077] 在本发明的一个实施例中，传感器模块根据公式(1)对输入的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′进行乘法运算处理。
[0078] 具体而言，传感器模块根据电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过第一函数f获取传感器第一输出值a0。
[0079] 传感器模块可以根据电压幅度检测值|V|′通过第二函数h获取传感器第二输出值a1。
[0080] 传感器模块可以根据电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过第二函数h获取传感器第三输出值a2。
[0081] 传感器模块运算处理后得到的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值为：
[0082]
[0083] 由公式(2)可以看出，传感器第二输出值a1和传感器第三输出值a2的求解均为一元函数运算，并且两者采用相同的求解函数h。由此，通过调整传感器模块内部的连接方式，从而使得传感器第二输出值和传感器第三输出值只与一个输入变量有关，并且使得传感器第二输出值和传感器第三输出值的运算函数相同，进而简化了运算过程。
[0084] 传感器模块的乘法运算的原理如下式所述：
[0085] z＝k·(x×y) (3)
[0086] 其中，x、y分别为输入量，即本发明实施例中的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′；z为输出量，即本发明实施例中的传感器第一输出值a0、传感器第二输出值a1、传感器第三输出值a2；k为常系数。
[0087] 当然本领域技术人员可以理解的是，传感器模块对输入量也可采用除了乘法运算以外的其他运算方式进行运算处理。
[0088] 控制模块根据传感器模块得到的传感器第一输出值a0、传感器第二输出值a1和传感器第三输出值a2获取射频匹配装置的输入阻抗。由于射频电源的输出阻抗可与输入阻抗相匹配，从而通过获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，可得到输入阻抗的模值和相位。
[0089] 首先，控制模块接收来自传感器模块的传感器第一输出值a0、传感器第二输出值a1、传感器第三输出值a2以及预设的第二系数矩阵W3×3获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。
[0090] 第二系数矩阵W3×3应用于控制模块的解析算法中，用于获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，该第二系数矩阵W3×3与传感器模块的内部连接方式相关。第二系数矩阵W3×3为第一系数矩阵M3×3的逆矩阵，即
[0091]
[0092] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，
[0093] 控制模块根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，即和第二系数矩阵W3×3，获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。具体而言，控制模块通过下述公式(4)获取电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。
[0094]
[0095] 其中， 为M3×3的逆矩阵，为常数矩阵。
[0096] 由公式(4)可获取得到：
[0097]-1 -1
[0098] 在公式(5)中，f 和h 分别为f和h的反函数。
[0099] 然后，控制模块根据得到的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，获取输入阻抗的模值|Z|和相位θ。在本发明的一个实施例中，输入阻抗的模值为相位为θ，其中，θ＝α。
[0100] 由式(5)可看出计算电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算函数均简化为一元运算，并且计算电压幅度获取值|V|和求解电流幅度获取值|I|的运算方式相同，大大降低了运算的复杂度。
[0101] 控制模块根据计算得到的输入阻抗通过控制执行模块调整匹配网络的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。其中，输入阻抗为匹配网络的阻抗和等离子体腔室的阻抗之和。例如：射频电源的阻抗可为50Ω，因此需要调整匹配网络的阻抗满足其与等离子体腔室的阻抗之和为50Ω。
[0102] 传感器模块根据内部的连接方式设置第一系数矩阵M3×3，并利用该矩阵与采集的射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′以获取传感器模块的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值。控制模块利用上述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值以及由控制模块内部的控制算法设置的第二系数矩阵W3×3获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，并由此进一步获得射频匹配装置的输入阻抗的模值|Z|和相位θ。控制模块根据该输入阻抗控制执行模块调整匹配网络的阻抗，使匹配网络的阻抗与射频电源的输出阻抗相匹配。
[0103] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配方法，通过调整传感器模块内部的连接方式，对第一系数矩阵M3×3进行了修正，从而使得控制模块求解电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算函数均简化为一元运算，并且求解电压幅度获取值|V|和求解电流幅度获取值|I|的运算方式相同，大大降低了运算的复杂度，减少了运算时间。并且由于电压幅度获取值|V||得求解改为一元函数运算，减小了其它信号给|V|参数带来的误差，提高了传感器模块的测量精度，进而可以稳定精确地对输入阻抗进行匹配。
[0104] 下面参考图4描述根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配装置100。
[0105] 如图4所示，本发明实施例的射频匹配装置100包括传感器模块110、与传感器模块110相连的控制模块120、与控制模块120相连的执行模块130和匹配模块140，其中匹配模块140分别与传感器模块110和执行模块130相连。传感器模块110可获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′，并根据电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第一输出值，根据电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′获取传感器第二输出值，和根据电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′获取传感器第三输出值，并将传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值传送至控制模块120。控制模块120接收来自传感器模块110的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，并根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值获取射频匹配装置的输入阻抗。匹配模块140可在执行模块130的驱动下调整匹配模块140的阻抗以匹配射频电源的输出阻抗。
[0106] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配装置，通过调整传感器模块内部的连接方式，从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，并且降低了输入量对传感器模块输出量的误差，提高了传感器模块的测量精度，进而可以使得匹配模块稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
[0107] 如图4所示，传感器模块110与射频电源200相连，可接收来自射频电源200输送的射频电源信号。在本发明的一个实施例中，射频电源信号的工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω。传感器模块110可根据接收到的射频电源信号，获取射频电源的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′。其中，相位为电流和电压的相位差。
[0108] 传感器模块110接收来自射频电源200的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′并根据传感器内部的模拟电路的工作原理进行处理。具体而言，传感器模块根据所述电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过以下公式获取传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值。
[0109]
[0110] 其中， a0为传感器第一输出值、a1为传感器第二输出值、a2为传感器第三输出值；M3×3为预设的第一系数矩阵， 为常数矩阵。
[0111] 在本发明的一个实施例中，传感器模块110设置第一系数矩阵M3×3为其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数。其中，第一系数矩阵M3×3是根据传感器模块的内部模拟电路的连接关系而设置。
[0112] 在本发明的一个实施例中，传感器模块根据公式(1)对输入的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′进行乘法运算处理。
[0113] 传感器模块110包括第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器。如图3所示，电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′作为输入量进入第一乘法器进行乘法运算处理，即传感器模块110根据电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过第一函数f获取传感器第一输出值a0。同理，电压幅度检测值|V|′和相位差检测值α′作为输入量进入第二乘法器进行乘法运算处理，即传感器模块110可以根据电压幅度检测值|V|′通过第二函数h获取传感器第二输出值a1。电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′作为输入量进入第三乘法器进行乘法运算处理，即传感器模块110可以根据电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′通过第二函数h获取传感器第三输出值a2。
[0114] 传感器模块110运算处理后得到的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值为：
[0115]
[0116] 由公式(2)可以看出，传感器第二输出值a1和传感器第三输出值a2的求解均为一元函数运算，并且两者采用相同的求解函数h。由此，通过调整传感器模块110内部的连接方式，从而使得传感器第二输出值和传感器第三输出值只与一个输入变量有关，并且使得传感器第二输出值和传感器第三输出值的运算函数相同，进而简化了运算过程。
[0117] 上述第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器可采用公式(3)中乘法运算的原理。
[0118] z＝k·(x×y) (3)
[0119] 其中，x、y分别为输入量，即本发明实施例中的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′；z为输出量，即本发明实施例中的传感器第一输出值a0、传感器第二输出值a1、传感器第三输出值a2；k为常系数。
[0120] 当然本领域技术人员可以理解的是，传感器模块110也可采用其他运算方式对输入量进行运算处理以得到传感器信号。
[0121] 控制模块120与传感器模块110相连，可接收来自上述传感器模块110输出的传感器输出值以获取射频匹配装置的输入阻抗。由于射频电源的输出阻抗可与输入阻抗相匹配，从而通过获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，可得到输入阻抗的模值和相位。
[0122] 控制模块120接收来自传感器模块110的传感器第一输出值a0、传感器第二输出值a1、传感器第三输出值a2以及预设的第二系数矩阵W3×3获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。
[0123] 第二系数矩阵W3×3由控制模块120内部的控制算法预先设置，其与传感器模块110的内部连接方式相关。第二系数矩阵W3×3为第一系数矩阵M3×3的逆矩阵，即[0124]
[0125] 其中，m11、m12、m13、m21和m32分别为不为0的常数，
[0126] 控制模块120根据传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值，即 和第二系数矩阵W3×3，获取射频电源的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。具体而言，控制模块110通过下述公式(4)获取电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α。
[0127]
[0128] 其中， 为M3×3的逆矩阵，为常数矩阵。
[0129] 由公式(4)可获取得到：
[0130]
[0131] 在公式(5)中，f-1和h-1分别为f和h的反函数。
[0132] 然后，控制模块120根据得到的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，获取输入阻抗的模值|Z|和相位θ。在本发明的一个实施例中，输入阻抗的模值为 相位为θ，其中，θ＝α。
[0133] 由公式(5)可看出控制模块120计算电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算函数均简化为一元运算，并且计算电压幅度获取值|V|和求解电流幅度获取值|I|的运算方式相同，从而大大降低了控制模块120运算的复杂度。
[0134] 执行模块130与控制模块120相连，可以控制匹配模块140调整自身阻抗。在本发明的一个实施例中，执行模块130可为步进电机。控制模块120可根据获取得到的输入阻抗控制步进电机的转动。
[0135] 控制模块120可根据获取得到的输入阻抗控制执行模块130以驱动匹配模块140调整阻抗以匹配射频电源200的输出阻抗。其中，执行模块130与控制模块120和匹配模块140相连。匹配模块140在执行模块130的驱动下调整可变阻抗元件，进而可调整匹配模块140的阻抗以匹配射频电源200的输出阻抗。其中，输入阻抗为匹配模块140的阻抗和等离子体腔室300的阻抗之和。例如：射频电源200的阻抗可为50Ω，因此需要调整匹配模块140的阻抗满足其与等离子体腔室的阻抗之和为50Ω。控制模块120控制执行模块130驱动匹配模块140调整可变阻抗元件的以满足匹配模块140与等离子体腔室300的阻抗之和为50Ω，从而实现阻抗匹配。
[0136] 传感器模块110根据内部的连接方式设置第一系数矩阵M3×3，并利用该矩阵与采集的射频电源200的电压幅度检测值|V|′、电流幅度检测值|I|′和相位差检测值α′以获取传感器模块110的传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值。控制模块120利用上述传感器第一输出值、传感器第二输出值和传感器第三输出值以及由控制模块120内部的控制算法设置的第二系数矩阵W3×3获取射频电源200的电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α，并由此进一步获得输入阻抗的模值|Z|和相位θ。控制模块120根据该输入阻抗控制执行模块调整匹配模块140的阻抗，使匹配模块140的阻抗与射频电源200的输出阻抗相匹配。
[0137] 根据本发明实施例的用于等离子体腔室的射频匹配装置，通过调整传感器模块内部的连接方式，对系数矩阵M3×3进行了修正，从而使得控制模块求解电压幅度获取值|V|、电流幅度获取值|I|和相位获取值α的运算函数均简化为一元运算，并且求解电压幅度获取值|V|和求解电流幅度获取值|I|的运算方式相同，大大降低了运算的复杂度，减少了运算时间。并且由于电压幅度获取值|V||得求解改为一元函数运算，减小了其它信号给|V|参数带来的误差，提高了传感器模块的测量精度，进而可以稳定精确地对输入阻抗进行匹配。
[0138] 下面参考图5描述本发明实施例等离子体设备1000。
[0139] 如图5所示，本发明实施例的等离子体设备1000包括反应腔室300、射频电源200，其中，射频电源200可以向反应腔室300输入射频功率；根据本发明上述实施例所述的射频匹配装置100，其中射频匹配装置100与射频电源200相连接，并且射频匹配装置100可以匹配射频电源200的输出阻抗。
[0140] 在本发明的一个实施例中，等离子体设备1000还包括与射频电源200连接的靶材1；与靶材1连接的电源2，其中电源2可以向靶材1施加负压；磁控管3，磁控管3与靶材1相邻设置并可以提供磁场；以及静电卡盘4，其中静电卡盘4与靶材1相邻设置，可以放置待处理的晶片。
[0141] 通过电源2向靶材1施加负压，从而使得靶材1可发生溅射以产生金属离子。在反应腔室300内，磁控管3可向反应腔室300提供磁场，从而控制金属离子的运动轨迹。静电卡盘4设置在在与靶材1相对的位置，在静电卡盘4的上表面放置有待处理的晶片5。静电卡盘4可支撑并固定待处理的晶片5。
[0142] 射频匹配装置100通过检测射频电源200的电压、电流和相位，从而可得到射频电源200的阻抗。由于射频电源200的阻抗需要与输入阻抗相匹配，射频匹配装置200进一步可得到输入阻抗。其中，输入阻抗为射频匹配装置200的阻抗与反应腔室300的阻抗之和。根据已得到的输入阻抗，通过调整其内部的可变阻抗元件，从而可调整射频匹配装置100的阻抗，直至输入阻抗与射频电源200的阻抗相匹配。例如：射频电源200的阻抗可为
50Ω，因此需要调整射频匹配装置100的阻抗满足其与反应腔室300的阻抗之和为50Ω，从而实现输入阻抗与射频电源200的阻抗匹配。
50Ω，因此需要调整射频匹配装置100的阻抗满足其与反应腔室300的阻抗之和为50Ω，从而实现输入阻抗与射频电源200的阻抗匹配。
[0144] 根据本发明实施例的等离子体设备，通过采用上述的射频匹配装置从而简化了输入阻抗的运算类型和运算时间，进而可以稳定精确地对输入阻抗和射频电源的阻抗进行匹配。
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