專利名稱：等離子體產(chǎn)生裝置和方法以及rf驅動器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的設計和實施。更具體地說涉及射頻放大器、天線和用于干擾該放大器和天線以產(chǎn)生等離子體的有效電路連接。
背景技術：
等離子體一般被認為是物質的第四種狀態(tài)，其他的狀態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。在等離子體態(tài)中，物質的基本構成基本上處于使得它們應用于許多領域的電離的形式，除了其他因素之外，這是因為它們增強的反應性、能量以及用于形成定向光束的適用性。
等離子體產(chǎn)生器通常使用在電子部件、集成電路以及醫(yī)療設備的制造中，并且用在各種商品和機器的工作中。例如，廣泛地使用等離子體沉積所需物質層，例如在化學反應或從源濺射之后使用高精確度來腐蝕材料，并且通過等離子體中的自由基或者由該等離子體誘發(fā)的自由基來凍結(sterilize)目標或者修改材料的表面性質。
基于射頻(“RF”)電源的等離子產(chǎn)生器經(jīng)常被使用在實驗用的和工業(yè)設備中，這是由于它們提供現(xiàn)成的等離子體源，并且常常是可攜帶的以及容易重新安置。這種等離子體是通過將RF輻射耦合到氣體來產(chǎn)生，典型的是在減壓的情況下(以及減少密度)造成氣體電離。在任意RF等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)中，該等離子體表示當工藝條件改變時在天線端處的可變負載。在其他工藝控制因素中，改變工作氣體和壓力影響在天線端處所見到的負載量。另外，該RF驅動波形幅度本身影響該等離子體溫度和密度，這些又再影響了天線負載。這樣天線/等離子體的組合表示由RF電源來驅動的非恒定的和非線性的負載。
典型的RF源具有50歐姆的輸出阻抗并且需要具有匹配50歐姆阻抗的負載以便使得RF源更加有效地耦合到該負載。因為常常在等離子體自感、有效電阻以及與天線的互感中有不可預見的變化，所以通過重新調諧一些電路元件并且可能重新調諧該等離子體，來獲得滿意的從RF源到產(chǎn)生的等離子體的能量傳輸而提供阻抗匹配。為了實現(xiàn)這些目標，典型地使用可調節(jié)的“阻抗匹配網(wǎng)絡”或者“匹配盒”來補償由于改變等離子體條件造成的負載阻抗的變化。該匹配盒典型的包括兩個獨立的可調諧部件，一個部件是調節(jié)串聯(lián)阻抗，另一個部件是調節(jié)并聯(lián)阻抗。這些部件必須互相串聯(lián)地進行調節(jié)以獲得給等離子體的最佳功率傳輸。并不驚訝的是，精確調諧這些部件常常是很困難的過程。典型地是，重新調諧要求手動/機械操作/調節(jié)器來調整一個或者多個部件值并且通常要求精致的電抗電路來用于相當有限的可能的自動化程度。
眾所周知的是給氣體施加足夠大的電場可以在氣體原子內部從正電荷的原子核中分離出電子，這樣將氣體電離，并且形成導電的被稱作是等離子體的流體狀物質。在這個電離氣體內，通過天線產(chǎn)生感應電流將射頻電場和磁場耦合，這些將再進一步地造成氣體電離并且從而增加了它的導電性，然后增加了天線場耦合到氣體內的帶電顆粒的效率，導致感應電流增加，造成電擊穿和由各種機制引起的氣體的基本電離。RF耦合的有效性取決于所使用的特定RF場和/或波。在下面說明適合于有效產(chǎn)生大量等離子體的一些類型的波。
嘯聲波是右手圓偏振的電磁波(有時候成為R波)，可以在浸沒于靜磁場B0中的無限等離子體中傳播。如果這些波是在有限等離子體中產(chǎn)生的，諸如圓柱形的等離子體，則邊界條件的存在-即該系統(tǒng)不是無限的事實-造成左手圓偏振模式(L波)與對于總的波場有貢獻的靜電一起同時存在。這些“受限制的嘯聲信號”是已知的螺旋波。參考Boswell，R.W.，等離子體物理，26，1147(1981)。它們感興趣的和有用的品質包括(1)產(chǎn)生和支持其效率高于由其他RF等離子體產(chǎn)生技術的效率的相對高密度等離子體，(2)在相對小的裝置中每立方厘米有高達Np～1014顆粒的等離子體密度，其RF輸入功率僅有幾個kW，(3)在大多數(shù)情況下穩(wěn)定和相對靜止的等離子體，(4)高的等離子體均勻程度，以及(5)在寬壓力范圍產(chǎn)生等離子體，從1mTorr的幾分之一到數(shù)十mTorr。在相對低的B0場，觀察到與螺旋模式(heliconmode)激發(fā)相關聯(lián)的重要的等離子體增強，這些可以使用廉價的部件容易和節(jié)約地產(chǎn)生。
在相對緊密的室中，B0＜150G，通過低場m＝+1螺旋R波的激發(fā)可以獲得重要的等離子體密度(Np)增強和均勻性。這個可以通過例如使用其場圖類似的天線來實現(xiàn)，并且因此耦合到與天線場占據(jù)相同體積的一個或者多個螺旋模式。該適當組合條件的集合包括施加的磁場B0、RF頻率(FRF)、密度Np本身以及物理尺寸。
在美國專利No4792732，6264812和6304036中已經(jīng)公開了用于將RF功率耦合到等離子體的一些天線設計。然而，這些設計相對復雜，常常需要定制部件，這些增加了系統(tǒng)采集和維護的費用。此外，不是所有的設計都適合于有效產(chǎn)生螺旋模式，該模式是在此所公開的優(yōu)選模式。
RF電源典型地接收外部RF信號作為輸入或者包括RF信號產(chǎn)生電路。在許多處理的應用中，該RF信號頻率為13.56MHz，盡管本發(fā)明并不局限于工作在該頻率。這個信號被功率輸出級放大并且然后通過天線耦合到等離子體產(chǎn)生器中的氣體/等離子體來用于產(chǎn)生等離子體?；谒鼈兊男阅芴卣髦T如效率、線性、放大、阻抗等以及所打算的應用范圍，而常規(guī)地將放大器分成各種種類。在功率放大中很關心的是作為熱而所浪費的功率量，因為必須提供散熱器以散發(fā)熱量并且還增加了使用低效放大器的裝置的尺寸。一種感興趣的分類是由放大器提供的輸出阻抗，這是因為該分類設置了由放大器所浪費功率的固有限制。
設計典型的RF放大器來提供50歐姆的標準輸出阻抗。因為這種放大器的輸出端兩端電壓和流過這種放大器的輸出端的電流都是非0的，所以它們的乘積提供了由該放大器所損耗功率的估計。相對于這種放大器，開關提供兩種狀態(tài)處于ON，對應于短路狀態(tài)，即低阻抗狀態(tài)，或者處于OFF，對應于開路即無限大(或者至少非常大)阻抗狀態(tài)。在開關模式放大器中，在將被放大的信號的控制下，該放大器元件起到開關的作用。通過適當整形該信號，例如使用匹配負載網(wǎng)絡，有可能在電流和電壓之間引入相位差以便使它們異相從而最小化在該開關元件中的功率損耗。換句話說，如果電流高則電壓低或者甚至為0，反之亦然。在美國專利No 3919656和5187580中公開了各種電壓/電流的相互關系來用于降低或者甚至最小化在開關模式放大器中的功率損耗。
在美國專利No5747935中公開了開關模式RF放大器和匹配負載網(wǎng)絡，其中在所需要的頻率處提供的阻抗高，而考慮到等離子體阻抗的變化，基頻的諧波是短路的以更好地穩(wěn)定RF電源。這些匹配網(wǎng)絡增加了與開關模式電源一起工作的復雜性而不是省略動態(tài)匹配網(wǎng)絡。
在有效的等離子體產(chǎn)生器設計中所面臨的問題包括需要低的維持費用和容易配置的天線、省略掉將RF電源耦合到由等離子體所提供的非線性動態(tài)阻抗的昂貴的和有限的匹配網(wǎng)絡、以及有效的RF電源。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進的天線設計來將RF源有效地耦合到等離子體。本發(fā)明的另一目的在于在不需要使用匹配網(wǎng)絡來將RF電源耦合到等離子體的情況下，借助于RF電源提供用于產(chǎn)生等離子體的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明一個實施方案，示例性的等離子體產(chǎn)生器系統(tǒng)包括至少一個等離子體源，該至少一個等離子體源具有包含多個環(huán)(loop)的天線，每個環(huán)包括環(huán)軸，圍繞公共軸布置該多個環(huán)以便每個環(huán)軸基本上是與該公共軸垂直的；至少一個射頻電源，用于驅動正交的該多個環(huán)并且通過天線耦合到以圓偏振模式(優(yōu)選為螺旋模式)所驅動的等離子體負載；基本上沿著公共軸的靜磁場；將開關放大器耦合到天線環(huán)(antenna loop)的電抗，以便在沒有等離子體存在的情況下電抗和天線環(huán)具有大約等于指定頻率的諧振頻率，借此省略了對于匹配網(wǎng)絡的需要。將開關放大器耦合到天線環(huán)的電抗至少部分是由電容器優(yōu)選提供的。
該射頻電源優(yōu)選包括至少一種下列組中的部件基本上是A類放大器、基本上是AB類放大器、基本上是B類放大器、基本上是C類放大器、基本上是D類放大器、基本上是E類放大器、基本上是F類放大器。在一種實施方案中，它們是與變壓器的初級線圈相連以將驅動阻抗降低到低值。甚至更優(yōu)選的是該射頻電源包括與相對低輸出阻抗推挽布置的D類放大器。
在優(yōu)選的實施方案中，該射頻電源與天線的輸入阻抗相比呈現(xiàn)出低輸出阻抗。通常該低輸出阻抗大大低于標準阻抗50歐姆。該輸出阻抗優(yōu)選的是位于從下列組中選擇的范圍之內小于約0.5歐姆、小于約2歐姆、小于約3歐姆、小于約5歐姆、小于約8歐姆、小于約10歐姆、小于約20歐姆。優(yōu)選的是該輸出阻抗小于5歐姆，甚至于更優(yōu)選的是輸出阻抗在0.5到2歐姆之間，最優(yōu)選的是輸出阻抗小于1歐姆。使用這種低阻抗驅動器和所公開的電路一起來用于將該驅動器連接到天線的電流耦合環(huán)(current strap)，而省略了對于匹配盒的需要，這樣降低了電路的復雜性并且消除了在等離子體處理系統(tǒng)中的電源失效。
所公開系統(tǒng)的進一步優(yōu)點在于施加給天線的電壓可以在等離子體形成之前使其相當大，這樣提高了在各種工作條件下激發(fā)等離子體的能力。一旦形成等離子體，則電壓降低到較低的電平來保持該等離子體，緩和可能由于高的天線電壓所造成的損害。
根據(jù)天線振子(antenna element)和B0值之間的相位，它可以作為螺旋源(helicon source)進行工作，或者作為已磁化的感應耦合的等離子體(MICP)或者作為在B0＝0的ICP進行工作。此外應當觀察到為了在壓力范圍中(例如P0大約為100mTorr)進行有效和穩(wěn)定地工作，很難使用或實現(xiàn)使用現(xiàn)有技術的等離子體源的好處。當中性壓力P0、輸入功率PRF以及外部施加的軸磁場B0的條件是適當?shù)臅r候，在天線振子中的電流呈現(xiàn)突然“鎖定”在正交激發(fā)模式中。當這種情況發(fā)生時，該等離子體表現(xiàn)地幾乎均勻填充該室，這相對于其他源來講是有利的，這是由于產(chǎn)生均勻處理條件的能力。
另外，在不需要調節(jié)任意匹配網(wǎng)絡部件的情況下，在等離子體參數(shù)變化遠大于對于其他源已經(jīng)報道的變化范圍(例如在持續(xù)大約1分鐘的周期中，中性壓力P0從100mTorr變化到5mTorr，然后再次返回到100+mTorr)處，天線系統(tǒng)加上RF產(chǎn)生器的組合可以產(chǎn)生和保持等離子體。
在優(yōu)選的實施方案中，使用螺旋模式RF波來用于點火或者產(chǎn)生等離子體。然而，除了可以使用所解釋的螺旋模式之外還可以使用其他的模式。等離子體源例如可以作為一種類型的感應耦合等離子體(ICP)裝置進行工作。另外，變化適合于電容耦合模式(E模式)的工作。


下面示意性的附圖是用來更好解釋本發(fā)明的各種實施方案，而不是使用附圖來限制本發(fā)明的范圍。
圖1說明具有兩組天線振子的等離子體源室；圖2說明具有耦合到天線的RF電源的可調諧電路；圖3說明具有耦合到天線的RF電源的第二可調諧電路；圖4說明具有耦合到天線的RF電源的第三可調諧電路；
圖5說明具有耦合到天線電流耦合環(huán)的RF功率放大器的電路；圖6說明具有耦合到天線電流耦合環(huán)的RF功率放大器的第二電路；圖7說明具有耦合到天線電流耦合環(huán)的RF功率放大器的第三電路；圖8說明RF功率放大器、天線電流耦合環(huán)和等離子體的簡化模型；圖9說明在圖8中描述的等效模型的集總電路；圖10說明在沒有等離子體存在的情況下等離子體源的頻率響應；圖11說明在有等離子體存在的情況下等離子體源的頻率響應；以及圖12說明用于控制等離子體源的反饋布置。
具體實施例方式
首先參考附圖，圖1說明具有根據(jù)本發(fā)明的實施方案配置的兩組天線振子的等離子體源室。天線設計包括兩個正交的單匝或者多匝環(huán)元件105、110、115和120，它們都圍繞公共軸布置。每個天線振子105、110、115和120都由RF功率源驅動，如所示的A 125或者B 130。每個天線環(huán)可以耦合到具有分相器的同一RF電源或者耦合到特殊的RF電源，或者驅動正交的天線振子。優(yōu)選的是天線中的這些環(huán)是由涂覆有導線(盡管還可以使用銅線或者其他的導體)的八(8)規(guī)格聚四氟乙烯來構造。
圖1說明兩組正交的二元件亥姆霍茲(Helmholtz)線圈狀環(huán)天線，環(huán)元件105和115位于一組，環(huán)元件110和120位于第二組。這些環(huán)元件水平地纏繞在絕緣圓柱體135周圍，以便當在它們中通過電流時所產(chǎn)生的磁場基本上是與該圓柱體的軸垂直。在亥姆霍茲配置中每組相對的元件是串聯(lián)連接。這些互連相對環(huán)線圈的導線是優(yōu)選地配置以便鄰近的段攜帶反方向流動的電流，以增強與它們相關的雜散場的抵消，盡管這些抵消對于裝置的操作不是必須的。給天線通電以便在兩個正交分支中的電流幾乎相等并且相差90度的相位，以產(chǎn)生一種近似的旋轉橫向磁場。
在螺旋模式等離子體實例的情況下，例如通過簡單的電磁體可以產(chǎn)生靜軸B0場140。這個場是沿著圓柱體的軸運行的。這個靜場方向是這樣的以便該旋轉橫向場模擬m＝+1的螺旋波的情況。實際上，可以調節(jié)產(chǎn)生外場的電流幅度和方向以調制等離子體產(chǎn)生器的性能。對于在此所討論的參數(shù)，所必須場的全部幅度典型的是位于10-100高斯范圍，但是對于不同大小的源來講可使用可以替換的范圍。一旦選擇了靜場的最佳幅度和方向，則典型情況它們不需要進一步的調節(jié)。
在靜場和天線振子的RF場的結合中，在該絕緣圓柱體內部的等離子體中產(chǎn)生m＝+1螺旋模式，該絕緣圓柱體保持了等離子體的放電。應當注意的是，還可能改變并且因此重新調諧靜磁場或者根本不施加該場，以便沒有直接激發(fā)螺旋模式。該操作還產(chǎn)生等離子體，但典型情況是沒有螺旋模式有效。當然，然后可以施加靜場來提高等離子體源/產(chǎn)生器的工作。
應當注意的是使用例如多匝環(huán)天線來代替單匝環(huán)天線、和/或短而粗的鐘罩有可能獲得在圖1中的相同的全部條件。盡管不是所要求的，但是對于鐘罩來講優(yōu)選的是裝配在具有縫隙不超過1/2”的天線框架內。
如下來設置一個實例的等離子體源具有大約12”內徑的石英鐘罩(諸如標準的K.J.Lesker 12×12)，包括大約15cm高的直圓柱形部分與半徑為6”的球形頂部。該鐘罩依靠在大約12”內徑×8”高(不是部分等離子體源)的真空室頂部。該天線包括兩組相對的、緊密密封的、近似矩形的、被鐘罩包圍的兩匝連續(xù)環(huán)天線振子，在每個點處的天線和鐘罩之間的間距大約1/8”到1/2”。在每個振子內的這些匝是串聯(lián)連接的，并且每組內的兩個振子也是串聯(lián)連接的，以便它們的場是加和的。在該實例中的每組自感大約是10微亨利，并且這兩組之間的互感是小于1微亨利。大約分別是25cm和20cm的垂直和水平的天線環(huán)部分包括涂覆有導線的八(8)規(guī)格聚四氟乙烯。在可替換的實施方案中可以使用單匝剛性銅導體來代替涂覆有導線的一匝或者兩匝聚四氟乙烯。在此所描述的用于產(chǎn)生橫向旋轉場的特定實施方案其目的不在于限制本發(fā)明的范圍。
參考圖2到4，可以使用傳統(tǒng)的RF電源和匹配方案來激發(fā)在上面說明的天線中的天線電流。此外，圖2到4中的電路是與本發(fā)明的方法相兼容。這些方法包括步驟諸如給RF電源提供低輸出阻抗；調節(jié)將RF電源耦合到天線的電抗，以便在沒有等離子體存在情況下的諧振頻率是所需要的RF頻率。在有和沒有等離子體存在的情況下，通過參考電路的品質因子(“Q”)可以理解低輸出阻抗。在沒有等離子體存在情況下該“Q”應當是在有等離子體存在情況下的“Q”的5-10倍或者甚至于更高。值得注意的是，不象已知的電路，在等離子體存在情況下，這種RF電源和天線的組合不需要通過改變電抗來重新調節(jié)以響應等離子體阻抗的改變。
在圖2中RF源200可以是市場上可獲得的2MHz、0-1kW產(chǎn)生器，它通過50歐姆同軸電纜在圖1中所示的端“A”125處連接到90度相移電路/混合電路。該90度相移電路/混合電路的“+45度”和“-45度”的腿連接到由所示的可調電容器205、210、215和220構成的各個L類型電容匹配網(wǎng)絡。在該工作頻率每個電容器225的電抗是大約100歐姆，并且在變壓器230一側上的電抗是大約100歐姆，在另一側上是開路。如在圖2中所示，單個RF源200可以與無源功率分配器(90度相移電路/混合電路)和四個可調的調諧元件205、210、215和220一起使用來與兩個單獨天線電感235和240匹配。
在圖3中所示的另一實施方案中使用兩個單獨的RF電源305和310，這樣分別通過可調諧的電容器315、320、325和330將連接到電感335和340的兩個天線電源線路完全分開。這樣的配置是有利的，原因在于每個RF源可以工作在全功率，這樣相對于單個RF源的輸入功率來講使得輸入功率量加倍，并且可以調節(jié)兩個天線之間的相位和幅度比。典型地是，源305和310工作在大約相同的幅度和相位相差90度的狀態(tài)，盡管可以變化該幅度和/或相位差以便改變該受激模式的本質特征。例如，通過使得它們工作在不同的幅度下，可以保持橢圓偏振等離子體螺旋模式而不是保持嚴格的圓偏振模式。
在圖4所示的第三實施方案中放置無源諧振電路，在一個腿上包括電感器/天線電感405和可調電容器410，并且使用具有匹配電路的RF源400來驅動另一個腿，該匹配電路具有連接到天線電感425的可調諧的電容器415和420。這種布置傾向于在等離子體中激發(fā)相同類型的橢圓螺旋模式，無源側是工作在相對于驅動側相差90度的相位，這樣僅使用單個RF源和匹配網(wǎng)絡就提供了許多本發(fā)明的優(yōu)點。
在該實例中設置的工作氣體是氬氣，壓力范圍是從10mTorr到超過100mTorr。靜軸場是可以手動設置到0-150G并且通過位于鐘罩/天線組件(半徑大約為9”)外部的線圈可以產(chǎn)生這種靜軸場。
工作在壓力大約75mTorr處的等離子體呈現(xiàn)出至少三種不同的模式。首先，是亮模式，在這種模式中當PRF小于或者大約為200W的時候對于B0＜Bcritical所觀察到的是等離子體集中在該鐘罩的邊緣附近。這里，B0是軸磁場，而Bcritical是使用螺旋模式來用于激發(fā)等離子體的該軸場的臨界值。類似地，功率電平PRF和Pthreshold表示提供給天線的RF功率和下面將要描述的閾值功率。在這種模式中，RF天線電流并不傾向于正交，而傾向于相位相差180度。第二，是陰暗-發(fā)光-放電狀模式，對于B0＞Bcritical但PRF＜Pthreshold已經(jīng)觀察到，在較高功率情況下具有均勻的密度/發(fā)光，但是在較低功率情況下沿著該鐘罩的壁具有大約1-2cm厚的黑暗空間。在這種情況下，RF電流是穩(wěn)健正交的，在等離子體形成之后迅速表現(xiàn)出突然鎖定在大約90度相移處。第三，在較高的PRF＞Pthreshold和B0＞Bcritical處形成明亮的等離子體，該等離子體呈現(xiàn)出比在模式(1)中的等離子體具有更加均勻的徑向分布，并且天線電流再次傾向于鎖定在正交的相位。該第三范圍表示一種有效的工作模式，并且可以在中性氣體壓力下獲得，而這些已經(jīng)證明對于已知的等離子體源來講很難實現(xiàn)這一點，盡管這些范圍的每個范圍可以應用在等離子體處理中。
一方面，在支持流線型的電源電路的情況下，本發(fā)明還可以省略如在圖2到4中所描述的傳統(tǒng)RF電源和可調諧的匹配網(wǎng)絡。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，使用如在圖5中所示的布置，RF電源電路直接驅動天線電流耦合環(huán)。在圖5所示的RF放大器優(yōu)選的是在本技術領域公知的具有低輸出阻抗的(即推挽輸出級)多種類型RF放大器中的一種。晶體管505和510是通過合適的電路500以推挽布置來驅動，正如本領域的技術人員所已知的。在這種布置中，在任意時間只有一個或者其他的晶體管導電，典型地是占空比為小于50％。該兩個晶體管的輸出是組合的以產(chǎn)生完整信號。
在優(yōu)選的實施方案中，在輸出級中的功率半導體例如晶體管505和510是工作在開關模式。在圖5-7中它們被描述為FET，但是它們可以是例如雙極晶體管、IGBT、真空管或者任意其他適合的放大裝置。由D類操作提供了一種開關模式的實例。在這個模式中，交變的輸出裝置在RF波形的相對半周期上是迅速地切換到開和關。理想情況是由于輸出裝置要么處于完全的ON態(tài)，具有0電壓降，要么處于完全的OFF態(tài)，沒有電流流過，從而應當沒有功率損耗。隨后，D類操作理想情況是具有100％的效率。然而這種估計是假定具有無限快的切換時間的0動態(tài)阻抗。實際的實施情況典型地呈現(xiàn)出效率接近于90％。
然后RF驅動器通過固定的或者可變電抗515(優(yōu)選的是電容器)直接耦合到天線電流耦合環(huán)520。這個耦合電抗值是優(yōu)選的以便在沒有等離子體存在情況下，具有耦合電抗和天線的電路的諧振頻率大約等于RF工作頻率。
在圖6(A)中示出的該電路輸出級的可替換布置包括在推挽級之后的或者是包含在該推挽級之中的變壓器620，用驅動器600和晶體管605和610來提供電氣隔離。變壓器620可以被任意配置來轉換該推挽級的輸出阻抗，如果太高的話則轉換到較低阻抗。布置電容器615使其與由變壓器620以及天線電流耦合環(huán)625形成的電感電路在所希望的驅動頻率處產(chǎn)生諧振。在圖6(B)中示出類似的實施方案，使用電容器630來隔直流(DC)，并且電容器635是在由變壓器620的漏電感和電流耦合環(huán)625的電感所形成的串聯(lián)電路中諧振。
圖7說明根據(jù)本發(fā)明的另一個RF功率和天線電流耦合環(huán)配置。包含在直流(DC)電源饋電中的中心抽頭電感器725是連接到具有推挽驅動器700和晶體管705和710的輸出級。由變壓器720提供隔離。在任意時間，再次僅僅只有一個或者其他晶體管是導通的，典型地占空比為小于50％。在圖5-7中給出的電路僅僅是解釋性的實例。任意眾所周知的推挽級或者提供低輸出阻抗的其他配置可以被使用在它們的場合。
RF電源還可以與任意螺旋天線使用，諸如對稱的(Nagoya III類或者其中的變型例如Boswell類的槳狀天線)或者非對稱的(例如右手螺旋、扭曲-Nagoya-III天線)天線配置，或者任意非螺旋的感應耦合配置。
通常，根據(jù)本發(fā)明的等離子體產(chǎn)生器系統(tǒng)可以使用基于作為下述情況工作的射頻電源，這些情況是作為基本上A類放大器，基本上是AB類放大器、基本上是B類放大器、基本上是C類放大器、基本上是D類放大器、基本上是E類放大器、基本上是F類放大器或者其中任意的子組合。用于激發(fā)螺旋模式的與天線結合的這種電源適合于產(chǎn)生高密度等離子體。此外，對于非開關放大器，諸如在圖2-4中所示，基于在此所說明的實施方案，可以使用將RF源阻抗轉換為低輸出阻抗的中間級來估計開關放大器的工作效率。
在感應耦合等離子體源中，天線電流耦合環(huán)是位于鄰近等離子體形成的區(qū)域，通常是在絕緣容器的外面。根據(jù)電路的觀點，天線振子形成非理想變壓器的初級線圈，該等離子體是次級的。在圖8中示出等效電路，其中電感器810表示代表電流耦合環(huán)的集總元件和導線中的任意電感，該任意電感包括例如由在有些實施方案中所存在的該驅動器的輸出變壓器所附加的任意電感。在標記為P的盒子里的部件代表等離子體電感器820是該等離子體的自感，并且阻抗815表示該等離子體的損耗，該等離子體的損耗被模擬為有效電阻。M表示天線和等離子體之間的互感。晶體管驅動器800被表示為方波電壓源。調節(jié)電容量805，同時安裝該系統(tǒng)以使得該電路的諧振頻率是與所需要的工作頻率近似匹配。在具有固定電容器的可替換實施方案中，可以調節(jié)RF頻率來獲得相同的效果。
為了解釋該系統(tǒng)的工作，可以將整個系統(tǒng)建立成如在圖9中所示的模型。在圖9中所有的電感器已經(jīng)被集總成電感905，所有的電容器已經(jīng)被集總成電容910，所有的損耗元件都集總成電阻器915，并且放大器應當理想地作為RF電壓源進行工作(即具有0輸出阻抗)。
在沒有等離子體存在的情況下，R是小的，這是由于低的損耗，并且如圖10所示，在圖9中的電路呈現(xiàn)出窄的諧振來響應頻率的變化。這就提供了該電路工作的其中一個優(yōu)點有可能使用相對低的功率輸入來驅動天線上的電壓到高值，這樣有助于反應室中氣體的初始擊穿。一旦形成等離子體，則該系統(tǒng)中的衰減相當大地展寬(broaden)了諧振峰值，如在圖11中所示，降低了整個電路的Q值。盡管該諧振的中心頻率可以隨著等離子體的條件漂移，但是與該等離子體負載存在時諧振響應的寬度相比，該漂移是可以忽略的。因此，當在具有等離子體負載進行工作的時候該電路對于工作條件的變化是相對不敏感的，并且不需要重新調諧。這些在圖11中已經(jīng)說明，盡管該Q已經(jīng)充分降低以至該系統(tǒng)的工作保持有效，但是整個系統(tǒng)的諧振頻率還是有略微漂移。隨著電路的Q降低，施加給等離子體自身調節(jié)的電壓相對于沒有等離子體的情況將被相當大地降低。在有些實施方案中，根據(jù)當?shù)入x子體形成時候該諧振頻率的漂移，實際上從精確的非等離子體諧振中向一側或者另一側來稍微解調諧RF驅動的工作頻率可能具有若干優(yōu)點。
通過多種技術諸如調節(jié)在RF輸出級上的DC電源電平可以控制輸入到等離子體的電源電平。在一個實施方案中，電源電壓可以是響應于在等離子體負載中的所感測的變化來保持輸入到該等離子體源的相對恒定的功率。如在圖12中所示，例如通過使用電壓傳感器1200來監(jiān)視來自DC電源1215的電壓、和通過使用電流傳感器1205來監(jiān)視進入RF/等離子體系統(tǒng)的DC電流，可以實現(xiàn)通過DC電源調節(jié)器1230的用于調節(jié)的等離子體負載的感測，并且使用它們的乘積結合先前所測量的大約為模塊1210中的放大器效率來估計從RF放大器1220輸入到等離子體1225的凈功率。例如通過監(jiān)視該系統(tǒng)各個點處的熱負載對于不同的輸出電平可以測量增益模塊1235的效率系數(shù)，并且以數(shù)字形式存儲以便計算隨輸出電平變化的效率?？商鎿Q的方案是，可以測量RF電壓和電流，并且用來估計有功功率的它們的同相乘積是損耗在等離子體中。
在此所使用的“低”阻抗意味著在圖9中所示的串聯(lián)諧振電路在沒有等離子體存在情況下具有的“Q”應當是在有等離子體存在時的5-10倍或者甚至于更高。這就是說，放大器的輸出阻抗應當充分小以至在輸出的半周期中的能量損耗大大小于存儲在電抗部分中的能量。這些條件在數(shù)學上定義為Z_out＜＜sqrt(L/C)，其中L和C是在圖9中所示的集總值。當這些條件成立時，RF放大器將近似作為電壓源進行工作。
在引發(fā)等離子體之前，該反應室被填充有特別用于給定處理的工作氣體。本發(fā)明所提供的優(yōu)點在于，在沒有等離子體存在情況下電路的高Q可以允許地具有相對于在沒有等離子體存在情況下的較小功率的天線振子上感應高壓，所以可以擊穿該氣體以及引發(fā)等離子體?？梢钥刂圃摏]有等離子體情況下的電壓來使得工作氣體按照編程擊穿；一旦形成等離子體，在該等離子體中的感應電流起到給系統(tǒng)加負載的作用以使得這些高壓衰減并且因此避免給系統(tǒng)施加應力。
根據(jù)本發(fā)明所說明的電路布置不需要可變的調諧元件，諸如機械可調電容器，這是因為僅僅需要固定的電容C。然而，在優(yōu)選的實施方案中，可以使用可調電容器來構建各種電路，該可調電容器是可調節(jié)的例如用于將該系統(tǒng)諧振與所需要的工作頻率進行匹配，并且對于與該等離子體工作點的實時阻抗匹配來講是不需要的。這種匹配對于抵抗機械振動的效應或者可能造成L-C諧振頻率漂移的老化都是有效的。
在一個實施方案中，調節(jié)工作頻率來補償偏離諧振的小的偏差，同時機械地調諧該電容器來補償大的偏差。在一個可替換的實施方案中，通過調諧電容器來進行調節(jié)。在該優(yōu)選(調諧的)實施方案中，這個調諧是自動的并且是在當該源處于脫機期間進行的。在另一方面，由于調諧是作為處理控制的部分，例如給處理條件提供小的改進，所以所公開的布置減少了可調元件數(shù)量，使得在具有多個可調節(jié)的調諧元件的實施方案中少到只具有一個可調節(jié)的調諧元件。
正如本領域技術人員可以理解的，在沒有背離本發(fā)明的教導和精神的情況下容易對所公開的發(fā)明進行多種改變并且可以進行可替換的實施。這些修改都是在下面所附的權利要求書的范圍之內。例如，人們可以使用變壓器與傳統(tǒng)的放大器組合來對于低阻抗提供阻抗匹配。因此該權利要求書必須理解為涵蓋這些變型和變化以及它們的等效表述。然而對于它們的公開和教導，在此所引用的所有參考是整體引入作為參考。
權利要求
1.一種等離子體產(chǎn)生器系統(tǒng)，包括至少一個等離子體源，包括等離子體源室，以及具有多個天線振子的天線，每個天線振子包括至少一個環(huán)，該環(huán)具有環(huán)軸，繞公共軸布置所述多個天線振子以便每個環(huán)軸基本上與所述公共軸正交，其中定位所述天線以便它可以在所述室內部形成電磁場，以及至少一個耦合到所述多個天線振子的射頻電源。
2.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述至少一個電源是可以給所述天線振子中的所述環(huán)供電，以在所述室內部形成旋轉場。
3.根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，其中所述旋轉場是圓偏振場。
4.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個天線振子包括單匝環(huán)。
5.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個天線振子包括多匝環(huán)。
6.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中存在四個天線振子并且其中所述電源是可以給正交的所述天線振子供電。
7.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，進一步包括一種靜磁場產(chǎn)生器，所述靜磁場產(chǎn)生器可以產(chǎn)生基本上沿著所述公共軸的靜磁場。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，其中所述旋轉場是螺旋模式場。
9.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少兩個天線振子是耦合到截然不同的射頻電源。
10.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述天線中的至少一個環(huán)是由涂覆有導線和銅線的八(8)規(guī)格聚四氟乙烯中的一種來構造。
11.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中在所述天線和所述等離子體源室之間存在大約1/8英寸的間隙。
12.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少兩個天線振子是能夠產(chǎn)生可以相加的場。
13.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少兩個天線振子是串聯(lián)連接。
14.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中所述兩個天線振子的自感大約為10微亨利。
15.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中所述兩個天線振子之間的互感少于大約1微亨利。
16.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中至少一個天線振子包括長度大約25cm的垂直環(huán)部分以及長度大約20cm的水平環(huán)部分。
17.根據(jù)權利要求1的系統(tǒng)，其中多個等離子體源被布置成一種陣列以產(chǎn)生空間大范圍的等離子體。
18.一種等離子體產(chǎn)生器系統(tǒng)，包括至少一個等離子體源，包括等離子體源室，以及定位一種天線以便它可以在所述室內部形成電磁場，以及至少一個射頻電源；至少一個電抗電路(reactive circuit)；其中當?shù)入x子體存在于所述室中時，所述電抗電路、天線和等離子體組合的所述諧振頻率中的漂移小于所述組合的所述諧振頻率峰值的展寬；以及其中從所述電源傳送的功率基本上對于所述諧振頻率響應中的所述漂移不敏感。
19.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述電抗電路包括電容器。
20.根據(jù)權利要求19的系統(tǒng)，其中所述電抗電路進一步包括變壓器，所述變壓器提供所述電源和所述天線之間的DC隔離。
21.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源包括基本上是A類放大器、基本上是AB類放大器、基本上是B類放大器、基本上是C類放大器、基本上是D類放大器、基本上是E類放大器、基本上是F類放大器的至少一個。
22.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源包括至少一個RF信號產(chǎn)生器。
23.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源包括至少推挽電路。
24.根據(jù)權利要求23的系統(tǒng)，其中所述推挽電路包括至少兩個具有低輸出阻抗的晶體管。
25.根據(jù)權利要求24的系統(tǒng)，進一步包括第一電路，用于驅動第一組天線振子；以及第二電路，用于驅動與所述第一組天線振子正交的第二組天線振子。
26.根據(jù)權利要求23的系統(tǒng)，其中所述兩個晶體管中至少一個是根據(jù)基本上是D類、E類、F類模式之一來工作的。
27.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源包括處于推挽布置的開關模式D類放大器。
28.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個等離子體源產(chǎn)生感應耦合的等離子體。
29.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個等離子體源產(chǎn)生電容耦合模式(“E模式”)的等離子體。
30.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源具有小于約0.5歐姆的輸出阻抗。
31.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源具有大約0.5歐姆和大約2歐姆之間的輸出阻抗。
32.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源具有大約2歐姆和大約5歐姆之間的輸出阻抗。
33.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源具有大約5歐姆和大約10歐姆之間的輸出阻抗。
34.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述至少一個射頻電源具有大約10歐姆和大約20歐姆之間的輸出阻抗。
35.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，其中所述天線包括臨近于所述等離子體源室放置的至少一個電流耦合環(huán)的環(huán)。
36.一種用于產(chǎn)生等離子體的方法，所述方法包括下列步驟由射頻電源產(chǎn)生射頻功率；通過至少一個電抗電路將所述射頻功率耦合到至少一個天線；其中定位所述天線以便它能夠在等離子體源室內部形成電磁場；以及其中當?shù)入x子體存在于所述室中時候，所述電抗電路、天線和等離子體的所述組合的所述諧振頻率中的所述漂移小于所述組合的諧振頻率峰值的展寬；以及其中由所述電源傳送的功率對于所述諧振頻率響應中的所述漂移基本上不敏感。
37.一種設計等離子體源以省略需要的匹配電路的方法，所述方法包括下列步驟給射頻電源提供低輸出阻抗；選擇將所述射頻電源耦合到至少一組天線環(huán)的電容，以便在沒有等離子體存在情況下所述電容和所述天線環(huán)具有的諧振頻率大約等于用于所述等離子體的指定頻率。
38.根據(jù)權利要求24的方法，進一步包括任選地提供可變電容器來實施所述選擇的電容的步驟。
39.根據(jù)權利要求24的方法，進一步包括步驟使得組合的耦合電容、天線和等離子體阻抗與所述射頻電源的所述低輸出阻抗失配，以便在等離子體存在情況下所估計的Q至少低于在沒有等離子體阻抗存在情況下的5倍。
40.根據(jù)權利要求26的方法，其中所述估計的Q至少低于在沒有等離子體阻抗存在情況下的10倍。
41.根據(jù)權利要求24的方法，進一步包括步驟使得所述射頻電源和所述耦合電容器以及所述至少一組天線環(huán)失配，以便所述耦合電容器和所述至少一組天線環(huán)的輸入阻抗大于所述射頻電源的所述低輸出阻抗的倍數(shù)選自下列倍數(shù)組成的組大約至少5倍、大約至少10倍、大約至少20倍、大約至少50倍、大約至少100倍、大約至少1000倍。
42.根據(jù)權利要求24的方法，進一步包括步驟通過反饋來調節(jié)耦合到所述等離子體的功率；確定從DC電源到所述射頻電源的輸出電壓和電流；計算所述射頻電源的所測量的效率；并且響應所述DC電源的所述輸出電壓和所述輸出電流的乘積，改變所述DC電源的所述輸出。
全文摘要
公開了用于產(chǎn)生高密度等離子體的方法和系統(tǒng)的部分的一種RF驅動電路和正交的天線組件/布置。該天線組件(105，115，110，120)是正交天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以由具有適當阻抗匹配的任意RF產(chǎn)生器/電路系統(tǒng)(125，130)驅動來提供低輸出阻抗。所公開的RF驅動電路使用開關類型放大器元件并且提供低輸出阻抗。所公開的低輸出阻抗RF驅動電路省略了對于干擾與等離子體相關的該固有阻抗變化的匹配電路。還公開了選擇電容和電感值來提供用于該RF等離子體源的調諧。
文檔編號H01L21/205GK1602563SQ02824545
公開日2005年3月30日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權日2001年10月9日
發(fā)明者J·D·埃文斯, P·A·普日比爾 申請人:等離子控制系統(tǒng)有限責任公司