一种应用于匹配器的阻抗采样装置及半导体工艺设备的制作方法

本发明涉及半导体，尤其是涉及一种应用于匹配器的阻抗采样装置、自动匹配器及半导体工艺设备。

背景技术：

1、半导体工艺设备通常采用射频信号作为等离子体激发源，诸如刻蚀(etching)设备、物理气相沉积(pvd)设备和等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)设备等工艺设备，这些工艺设备是由射频电源(rf generator)提供射频能量到腔室中电离高真空状态下的特殊气体(诸如氩气、氦气、氮气、氧气、氢气、氯气、溴化氢、三氯化硼、八氟环丁烷、四氟甲烷和六氟化硫等气体)，产生含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子与置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀、沉积或者其它工艺过程。

2、在等离子体设备中，由于等离子体阻抗是非50欧姆，而射频电源是50欧姆，为了实现射频能量最大效率传输，需要在射频系统中接入射频阻抗匹配器(rf impedancematcher)，以调节等离子体阻抗达到50欧姆的匹配状态。匹配器按照控制方式可以分为自动匹配器、手动匹配器和固定匹配器等。自动匹配器依靠其自动化、快速度、高精度现已成为半导体设备的优先选择部件。自动匹配器包括测量单元、控制单元、执行单元和匹配电路。测量单元用于采样主回路的电流信号和电压信号并进行阻抗计算，实现阻抗测量，将测量的阻抗传输至控制单元进行匹配计算输出调节信号至执行单元，进而控制匹配电路调节至要求的阻抗点，以实现阻抗匹配。

3、相关的自动匹配器的测量单元通常具有固定的耦合系数，有特定的电压测量范围和电流测量范围，但是，当电压或电流测量值超出测量范围时，分辨率不足，无法测量；为了满足电流及电压测量范围需求，相关的匹配器通常设置较大的电流测量范围及电压测量范围，然而，当固定分辨率下的电流测量范围和电压测量范围较大时，在测量的电压信号或电流信号较小的情况下，测量信号误差较大，对电压信号和电流信号测量精度影响较大，容易导致后续阻抗计算误差增大，降低了阻抗计算精度，进而导致匹配失调。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于匹配器的阻抗采样装置及半导体工艺设备，能够降低因阻抗采样装置的电流和电压测量范围较大带来的电压及电流的测量误差，提高了电流信号和电压信号的采集精度，减小了阻抗计算误差，缓解了因阻抗误差导致的匹配精度不高或匹配失调问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种应用于匹配器的阻抗采样装置，包括：电流采样电路、电压采样电路和信号处理电路；所述电流采样电路用于采集主回路的电流信号，并将所述电流信号传输至所述信号处理电路；其中，所述主回路为所述匹配器所连接的射频电源的等效电路；所述电压采样电路用于采集所述主回路的电压信号，并将所述电压信号传输至所述信号处理电路；所述信号处理电路用于基于所述电流信号和所述电压信号计算阻抗；所述信号处理电路还用于根据所述电流信号调整所述电流采样电路的电流耦合系数，以控制所述电流采样电路的电流测量范围；其中，所述电流耦合系数与所述电流信号呈正相关，所述电流测量范围与所述电流耦合系数呈正相关；所述信号处理电路还用于根据所述电压信号调整所述电压采样电路的电压耦合系数，以控制所述电压采样电路的电压测量范围；其中，所述电压耦合系数与所述电压信号呈正相关，所述电压测量范围与所述电压耦合系数呈正相关。

4、进一步，所述信号处理电路还用于在所述电流信号大于第一电流阈值时确认射频信号开启，判断所述电流信号是否小于第二电流阈值，若所述电流信号小于所述第二电流阈值，控制所述电流采样电路的电流耦合系数为第一数值，以使所述电流采样电路的电流测量范围为第一电流范围；若所述电流信号大于所述第二电流阈值，控制所述电流采样电路的电流耦合系数为第二数值，以使所述电流采样电路的电流测量范围为第二电流范围；其中，所述第二数值大于所述第一数值，所述第二电流范围中的最大电流值大于所述第一电流范围中的最大电流值。

5、进一步，所述信号处理电路还用于在所述电压信号大于第一电压阈值时确认射频信号开启，判断所述电压信号是否小于第二电压阈值，若所述电压信号小于所述第二电压阈值，控制所述电压采样电路的电压耦合系数为第三数值，以使所述电压采样电路的电压测量范围为第一电压范围；若所述电压信号大于所述第二电压阈值，控制所述电压采样电路的电压耦合系数为第四数值，以使所述电压采样电路的电压测量范围为第二电压范围；其中，所述第四数值大于所述第三数值，所述第二电压范围中的最大电压值大于所述第一电压范围中的最大电压值。

6、进一步，所述电流采样电路包括第一感应线圈、第二感应线圈、第一开关和负载电阻；所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述负载电阻依次串联连接形成闭合回路，所述第一开关的一端连接于所述第一感应线圈和所述第二感应线圈之间，所述第一开关的另一端连接于所述第二感应线圈和所述负载电阻之间，且所述第一开关的另一端还与所述信号处理电路连接；所述信号处理电路用于在所述电流信号大于所述第二电流阈值时，控制所述第一开关处于闭合状态；在所述电流信号小于所述第二电流阈值时，控制所述第一开关处于打开状态。

7、进一步，所述第一开关闭合时，所述第一感应线圈与所述主回路中的等效电感耦合，以使所述电流采样电路的电流耦合系数为第一系数；所述第一开关打开时，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈共同与所述主回路中的等效电感耦合，以使所述电流采样电路的电流耦合系数为第二系数；其中，所述第一系数大于所述第二系数。

8、进一步，所述电压采样电路包括第一分压电容、第二分压电容和第二开关；所述第一分压电容和所述第二分压电容均与所述信号处理电路连接，且所述第一分压电容与所述第二分压电容并联连接，所述第二开关与所述第二分压电容串联连接；所述信号处理电路用于在所述电压信号小于所述第二电压信号时，控制所述第二开关处于打开状态，在所述电压信号大于所述第二电压信号时，控制所述第二开关处于闭合状态。

9、进一步，所述第一分压电容还与所述主回路中的耦合电容连接，所述第二开关闭合时，所述第一分压电容和所述第二分压电容与所述耦合电容分压，以使所述电压采样电路的电压耦合系数为第三系数；所述第二开关打开时，所述第一分压电容与所述耦合电容分压，以使所述电压采样电路的电压耦合系数为第四系数；其中，所述第三系数大于所述第四系数。

10、进一步，所述信号处理电路包括ad转换器和控制器；所述ad转换器的输入端分别与所述电流采样电路的输出端和所述电压采样电路的输出端连接，所述ad转换器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述控制器的第一控制端与所述第一开关电连接，所述控制器的第二控制端与所述第二开关电连接；所述ad转换器用于将所述电流信号和所述电压信号由模拟信号转换为数字信号并传输至所述控制器中。

11、第二方面，本发明实施例还提供了一种自动匹配器，包括：第一方面任一项所述的阻抗采样装置、控制单元、执行单元和匹配电路；所述阻抗采样装置用于根据采集的射频电源的电压值和电流值计算所述射频电源的阻抗，并将所述阻抗传输至所述控制单元；所述控制单元用于根据所述阻抗进行匹配计算并输出调节信号至所述执行单元；所述执行单元用于根据所述调节信号控制所述匹配电路的电容值，以使所述射频电源的阻抗与所述自动匹配器所连接的负载的阻抗相匹配。

12、第三方面，本发明实施例还提供了一种半导体工艺设备，包括：上射频电源及上匹配器，和/或，下射频电源及下匹配器；所述上匹配器和/或所述下匹配器为第二方面所述的自动匹配器。

13、本发明实施例提供了一种应用于匹配器的阻抗采样装置、自动匹配器及半导体工艺设备，通过根据所测量的电流信号和电压信号自适应调整电流采样电路的电流测量范围和电压采样电路的电压测量范围，可以使采样的电流信号和电压信号与采样电路的测量范围相匹配，降低了因阻抗采样装置的电流和电压测量范围较大带来的电压及电流的测量误差，提高了电流信号和电压信号的采集精度，减小了阻抗计算误差，缓解了因阻抗误差导致的匹配精度不高或匹配失调问题。

14、本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。

15、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。