[发明专利]在可变电抗电路中使用BJT开关的阻抗匹配网络

说明书

技术领域

本发明总体上涉及等离子体处理。具体而言，但并非作为限制，本发明涉及用于从射频发生器向半导体处理室中的等离子体负载传送的阻抗匹配射频功率的系统、方法和设备。

背景技术

在半导体制造界中，制造商会生产等离子体处理室，其利用射频（RF）功率来产生等离子体。为了实现射频发生器（“发生器”）和等离子体负载之间高效率的功率传输，常常使用阻抗匹配网络（“匹配网络”）将负载阻抗匹配到期望的输入阻抗，通常为50欧姆。等离子体负载阻抗可能根据诸如发生器频率、功率、室压力、气体组成和等离子体点火的变量而变化。匹配网络通过改变匹配内部的电气元件，通常为真空可变电容器，来补偿负载阻抗的这些变化，以保持期望的输入阻抗。

图1示出了典型的发生器、匹配网络和等离子体负载系统。发生器102经由传输线108（例如同轴电缆）向匹配网络104发射RF功率，然后经由电连接110向等离子体负载106上发射RF功率。匹配网络104改变其内部电气元件，使得匹配网络104的输入阻抗接近期望的输入阻抗。匹配网络典型地仅包含电抗元件，表示与消耗电功率的电阻元件相反，在电场和磁场中储存能量的元件。最普通的电抗元件是电容器、电感器和耦合电感器，但也使用诸如分布电路的其他元件。匹配网络还可以包括无耗元件，包括传输线和变压器。匹配网络中仅有的电阻元件通常与不参与阻抗变换的非理想电抗和无损部件中的损耗相关联，这样的部件例如是用于感测电压、电流、功率或温度的部件。

匹配网络可以包括若干可变电抗元件。为了将可能在特定阻抗范围上变化的负载阻抗匹配到期望的输入阻抗，现有技术典型地利用至少两个可变电抗元件，或可变发生器频率和单一可变电抗元件的组合。或者，如果可以容忍一定的输入阻抗失配，可以使用单个可变电抗元件与具有固定频率或具有和变频发生器一起使用的固定匹配的发生器的组合。可变电抗元件常常是可变电容器、可变电感器或两者的组合。例如，可以使用开关、电容器和电感器的集合来形成匹配网络。真空可变电容器是可变电抗元件的一个范例。可变电容器可以经由固定电容器的并联连接布置于两个端子之间，固定电容器经由开关有选择地短接到第二端子。这样，通过切换开关中的一个或多个，从而改变两个端子之间的有效电容，改变了电容。

图2示出了包括一个切换的可变电容器电路的匹配网络的一个实施例。经由一组固定电容器形成开关可变电容器200，固定电容器中的第一个由220表示，最后一个由222表示。开关可变电容器200典型地包含一到一百个固定电容器之间，全部固定电容器都连接到第一端子202并有选择地连接到第二端子204。开关有选择地控制哪些固定电容器连接到第二端子204，其中由230表示第一个开关，由232表示最后一个。改变连接到第二端子204的固定电容器数目改变了开关电容器200的净有效电容。为了将等离子体负载106的阻抗匹配到期望的输入阻抗，匹配网络104还包含固定电感器210和第二可变电容器212，第二可变电容器例如可以是真空可变型的。

开关230、232的一个范例是PIN二极管。PIN二极管是p和n掺杂区域之间具有轻掺杂本征半导体区域的PN二极管。PIN二极管已被用作匹配网络可变电容器中的开关，因为它们在导通关断状态中都具有低损耗，能够应对导通状态中的高电流，并能够应对关断状态中的高电压。PIN二极管借助于其在RF频率下的唯一性操作而实现这些特性。在关断状态中，本征区大大缺少载流子，这与其大的宽度一起赋予本征区高电阻。结果，本征区难以通过直流电流（DC），从而具有低的DC泄漏电流。类似地，由掺杂区中的电荷界定的本征区充当着低电容电容器，从而对交变电流（AC）赋予高阻抗。本征区的大宽度还允许PIN二极管能够经得起关断状态中的高电压。

在导通状态中，PIN二极管被正向偏置，来自p区域的空穴和来自n区域的电子被注入到本征区中。由于本征区中的载流子寿命长，这些载流子中的很多即使在施加充分短时间的反向电压时也不会复合，于是它们使得本征区对于频率足够高的AC是高度导电的。因此，PIN二极管在导通状态中，在施加频率足够高的AC时，具有极低损耗。这种导电性随着施加更大的直流偏置而增大，因为更多载流子被注入到本征区中。此外，本征区中的载流子寿命比RF周期长，因此并非被扫出本征区，而是经由RF场在其之内来回摇动载流子。这种性质允许PIN二极管在RF电流在导通状态中通过它时看到微乎其微的损耗。

不过，PIN二极管非常昂贵，仅具有两个端子。于是，RF电流和DC控制电流必须经由同一端子进入，这需要复杂、昂贵而笨重的电路（例如电感器）来隔离DC控制电源与RF源。

发明内容