[发明专利]射频电源系统和利用射频电源系统进行阻抗匹配的方法

说明书

技术领域

本发明涉及阻抗匹配技术领域，具体地，涉及一种射频电源系统和一种利用该射频电源系统进行阻抗匹配的方法。

背景技术

典型的射频等离子发生装置中，恒定输出阻抗的射频电源10产生固定频率的射频波，为等离子体腔室30提供射频功率，以激发产生用于刻蚀或用于其它工艺的等离子体。其中射频发生器的恒定输出阻抗通常为50Ω，产生的固定频率通常为13.56MHz。通常情况下，等离子体腔室30的非线性负载阻抗与射频电源10的恒定输出阻抗并不相等，所以，在射频电源10与等离子体腔室30之间会存在比较严重的阻抗失配，从而使得位于射频电源10与等离子体腔室30之间的射频传输线上存在较大的反射功率，造成射频电源10产生的功率无法全部输送给等离子体腔室30。

为了解决这一问题，现有技术中通常在射频电源10与等离子腔室之间设置一个自动阻抗匹配器20，如图1所示。该自动阻抗匹配器20包括阻抗传感器22、控制器21以及执行机构23，其中执行机构23中进一步包括匹配网络中的可变阻抗元件以及改变可变阻抗元件值的驱动装置。这里所提到的匹配网络是指由可变阻抗元件以及等离子体腔室30的非线性负载阻抗组成的网络。阻抗传感器22检测位于自动阻抗匹配器20与射频电源10之间的射频传输线上的电压、电流、前向功率以及反向功率等参数，为控制器21提供匹配控制算法所需要的输入量。该输入量通常是根据电压、电流、前向功率以及反向功率等参数进一步计算出的参数。其中，反向功率即前面所介绍的反射功率，同时阻抗传感器22还用于检测匹配网络的输入阻抗，输出给控制器21。控制器21根据阻抗传感器22提供的输入量以及匹配网络的输入阻抗，通过某种匹配控制算法，及删除可变阻抗元件的调整量，并输出给执行机构23中的驱动装置，驱动装置根据来自控制器21的调整量改变可变阻抗元件的阻抗，从而使得匹配网络的输入阻抗与射频电源10的恒定输出阻抗相等，即，达到阻抗匹配。这样，射频传输线上的反射功率为零，射频发生器产生的功率全部输送到了等离子体腔室30。

由于可调元件较少，整个匹配系统的匹配范围较窄，若选用可变范围大的元件，响应速度较慢，且成本较高。因此，如何调高阻抗匹配系统的调节范围以及提高阻抗匹配系统的响应速度成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种射频电源系统和一种利用该射频电源系统进行阻抗匹配的方法，所述射频电源系统可以快速完成阻抗匹配。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种射频电源系统，该射频电源系统包括射频电源和电连接在所述射频电源与等离子体腔室之间的自动阻抗匹配器，其中，所述射频电源的频率能够在最小预定频率和最大预定频率之间调节，通过调节所述射频电源的频率以及通过所述自动阻抗匹配器调节匹配网络的输入阻抗能够使得匹配网络的输入阻抗与所述射频电源的恒定输出阻抗相等。

优选地，所述自动阻抗匹配器包括阻抗传感器、控制器和执行机构，所述阻抗传感器用于检测所述执行机构的初始阻抗以及所述射频电源的初始频率，并将所述执行机构的初始阻抗以及所述射频电源的初始频率发送给所述控制器，所述控制器能够根据所述执行机构的初始阻抗、所述射频电源的初始频率以及所述等离子体腔室的等效阻抗计算所述匹配网络的初始输入阻抗，并且根据该初始输入阻抗调节所述射频电源的频率以及控制执行机构的阻抗。

优选地，所述执行机构包括阻抗可调元件和可调匝数比的变压器，通过调节该变压器的匝数比能够调节所述匹配网络的输入阻抗的阻抗值的实部，通过调节所述阻抗可调元件的阻抗能够调节所述匹配网络的输入阻抗的阻抗值的虚部。

优选地，所述阻抗可调元件包括第一电容和电感，该第一电容和电感与所述等离子体腔室串联，所述第一电容为可调电容，和/或所述电感为可调电感。

优选地，所述第一电容和所述电感均串联在所述变压器的输入端。

优选地，所述阻抗可调元件均设置在所述变压器的输出端，且所述阻抗可调元件包括第二电容和第三电容，所述第二电容为可调电容，且该第二电容与所述等离子体腔室并联，所述第三电容与所述等离子体腔室串联。

作为本发明的另一个方面，提供一种利用射频电源系统进行阻抗匹配的方法，所述的射频电源系统射频电源、电连接在所述射频电源与等离子体腔室之间的自动阻抗匹配器，其中，所述射频电源的频率能够在最小预定频率和最大预定频率之间调节，所述自动阻抗匹配方法包括：

步骤100、利用自动阻抗匹配器检测获取预先确定的等离子体腔室的等效阻抗，并计算匹配网络的初始输入阻抗；