專利名稱：等離子體產(chǎn)生設(shè)備和方法以及具有可調(diào)占空因數(shù)的射頻驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及等離子體發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。更具體地說，本發(fā)明涉及射頻放大器、天線和用于連接放大器和天線以生成等離子體的有效電路連接。
背景技術(shù)：
等離子體一般被看作物質(zhì)的第四態(tài)，其它的狀態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。在等離子體態(tài)中，物質(zhì)的基本成分基本上是電離形式，其中，由于這些成分增強(qiáng)的反應(yīng)性、能量以及對定向光束形式的適用性，因此使這些成分可用于許多應(yīng)用。
等離子體發(fā)生器常規(guī)地用在電子構(gòu)件、集成電路、醫(yī)療裝備的制造中，以及多種工具和機(jī)器的工作中。例如，等離子體廣泛用于淀積期望物質(zhì)的層，例如在來自源的化學(xué)反應(yīng)或?yàn)R射之后以高精度蝕刻物質(zhì)，并且通過等離子體中或等離子體感應(yīng)的自由基為對象消毒，或者修改物質(zhì)的表面性質(zhì)。
基于射頻(“RF”)電源的等離子體發(fā)生器常常被用在試驗(yàn)和工業(yè)設(shè)置中，這是由于這些等離子體發(fā)生器提供現(xiàn)成的等離子體源，并且常常是便攜式和易于重新定位的。通過將射頻輻射耦合到氣體(一般是以低壓(和密度)，以使氣體電離)來產(chǎn)生這種等離子體。在任何射頻等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)中，隨著過程條件變化，等離子體是天線端子處的可變負(fù)載。在其它過程控制因素中，工作氣體和壓力的變化影響天線端子處看到的加載量。此外，射頻驅(qū)動(dòng)波形本身的幅度影響等離子體溫度和密度，這反過來影響天線負(fù)載。由此天線/此天線/等離子體的組合是驅(qū)動(dòng)的射頻電源的非恒定和非線性負(fù)載。
典型的射頻源具有50歐姆輸出阻抗，并且需要提供匹配的50歐姆阻抗的負(fù)載，以使射頻源最有效地耦合到該負(fù)載。由于等離子體自感、有效電阻、以及與天線的互感常常不可預(yù)見地變化，因此通過返回一些電路要素(可能是等離子體)、以得到從射頻源到生成的等離子體的令人滿意的能量傳送的方式提供負(fù)載匹配。為了獲得此目的，可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(或“匹配器”)一般用于補(bǔ)償由于等離子體條件的改變引起的負(fù)載阻抗變化。匹配器一般包含兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)構(gòu)件，一個(gè)調(diào)節(jié)串聯(lián)阻抗，另一個(gè)調(diào)節(jié)并聯(lián)阻抗。必須彼此串級(jí)地調(diào)節(jié)這些構(gòu)件，以獲得到等離子體的最佳功率傳送。不足為奇的是這些構(gòu)件的精確調(diào)諧常常是困難的過程。一般地，對于可能相當(dāng)有限的自動(dòng)化程度而言，返回需要手動(dòng)/機(jī)械工作/致動(dòng)器調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件值、以及通常復(fù)雜的反饋電路。
眾所周知，將充分大的電場加到氣體使電子從氣體原子內(nèi)帶正電的核子分離，從而電離了該氣體，并組成稱為等離子體的導(dǎo)電性類似流體物質(zhì)。經(jīng)由天線將射頻電場和磁場耦合到氣體在該電離氣體內(nèi)感應(yīng)了電流。該電流反過來使氣體進(jìn)一步電離，從而增加了其導(dǎo)電性，該導(dǎo)電性然后增加了天線區(qū)耦合到氣體內(nèi)帶電粒子的效率。這導(dǎo)致感應(yīng)電流的增加，并因此導(dǎo)致氣體被各種機(jī)構(gòu)電擊穿和實(shí)質(zhì)電離。射頻耦合的有效性取決于使用的特定射頻場和/或波。接下來描述一些類型的、適用于有效生成大量等離子體的波。
嘯聲波是可在浸入靜磁場B0中的無限等離子體中傳播的右手圓極化電磁波(有時(shí)被稱為R波)。如果在諸如柱面的有限等離子體中生成這些波，則邊界條件的存在-即系統(tǒng)不是無線的這一事實(shí)導(dǎo)致同時(shí)存在左手圓極化模式(L波)以及對整個(gè)波場的靜電作用。這些“邊界嘯聲”被稱為螺旋波。參見Boswell，R.W.，Plasma Phys.26，1147(1981)。邊界嘯聲的有趣和有用的性質(zhì)包括(1)相對高密度的等離子體的產(chǎn)生和維持，該等離子體具有比其它射頻等離子體產(chǎn)生技術(shù)更高的效率，(2)在射頻輸入功率僅為幾千瓦的相對小的設(shè)備中高達(dá)Np～1014個(gè)粒子/立方厘米的等離子體密度，(3)大多數(shù)情況下穩(wěn)定和相對靜態(tài)的等離子體，(4)高等離子體均勻度，以及(5)從幾毫托到數(shù)十毫托的寬壓力范圍上的等離子體產(chǎn)生。在相對低的B0場處觀察到與螺旋模式激勵(lì)相關(guān)聯(lián)的顯著等離子體增強(qiáng)，可使用便宜的構(gòu)件容易和經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生這些B0場。
可通過相對緊湊的容器(其中B0＜150G)中低場m＝+1螺旋R波的激勵(lì)來獲得顯著的等離子體密度(Np)增強(qiáng)和均勻性?？赏ㄟ^例如使用天線來獲得該目的，該天線的場方向圖類似于、并從而耦合到占據(jù)與天線場相同體積的一個(gè)或多個(gè)螺旋模式。適當(dāng)?shù)慕M合條件集包括施加的磁場B0、射頻頻率(FRF)、密度Np其自身、以及物理尺寸。
美國專利號(hào)4792732、6264812和6304036公開了一些用于將射頻功率耦合到等離子體的天線設(shè)計(jì)。然而，這些設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，常常需要增加系統(tǒng)采集和維護(hù)的成本。然而，不是所有的設(shè)計(jì)都適合有效產(chǎn)生螺旋模式，該模式是本文公開的優(yōu)選模式。
射頻電源一般接收作為輸入的外部射頻信號(hào)，或包括射頻信號(hào)發(fā)生電路。在許多處理應(yīng)用中，該射頻信號(hào)是在13.56MHz的頻率上(雖然本發(fā)明并不局限于該頻率上的工作)。該信號(hào)被功率輸出級(jí)放大，然后經(jīng)由天線耦合到用于產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生器中的氣體/等離子體。按照常規(guī)基于放大器的性能特性(諸如效率、線性度、放大、阻抗等)和計(jì)劃應(yīng)用將這些放大器劃分為各種等級(jí)。在功率放大中，由于必須提供散熱片以耗散熱量，并且散熱片反過來增加了使用低效率放大器的設(shè)備的大小，因此重要的關(guān)注是作為熱量浪費(fèi)的功率。由于放大器提供的輸出阻抗對放大器浪費(fèi)的功率設(shè)置了固有限制，因此感興趣的分類是輸出阻抗。
典型的射頻放大器被設(shè)計(jì)為提供50歐姆的標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗。由于這種放大器輸出端子兩端的電壓和通過該輸出端子的電流都是非零的，因此它們的乘積提供了放大器耗散的功率的估計(jì)。和這種放大器相比，開關(guān)提供了兩種狀態(tài)它是對應(yīng)于短路(即低阻抗)的“開”，或者對應(yīng)于開路(即無限(或者至少非常大的)阻抗)的“關(guān)”。在開關(guān)模式放大器中，在所要放大的信號(hào)的控制之下，放大器元件用作開關(guān)。通過例如使用匹配負(fù)載網(wǎng)絡(luò)來適當(dāng)整形信號(hào)，可以引入電流和電壓之間的相位差，以使電流和電壓不同相，從而最小化開關(guān)元件中的功率耗散。換言之，如果電流高，則電壓低，甚至為0，反之亦然。美國專利號(hào)3919656和5187580公開了用于降低乃至最小化開關(guān)模式放大器中耗散的功率的各種電壓/電流關(guān)系。
美國專利號(hào)5747935公開了開關(guān)模式射頻放大器和匹配負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，其中考慮到等離子體阻抗變化，因此以期望頻率提供的阻抗高，而基波被短路，以更好地穩(wěn)定射頻電源。這些匹配網(wǎng)絡(luò)增加了開關(guān)模式電源的工作復(fù)雜性，而沒有消除動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)。
有效等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)中面臨的問題包括對低維護(hù)和容易配置的天線的需要，消除將射頻電源耦合到等離子體提供的非線性動(dòng)態(tài)阻抗的、昂貴和有限的匹配網(wǎng)絡(luò)，以及對可有效調(diào)制的射頻電源的需要。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于將射頻源有效耦合到等離子體的改進(jìn)天線設(shè)計(jì)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于借助于射頻電源產(chǎn)生等離子體、而不需要使用將射頻電源耦合到等離子體的匹配網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖示等離子體發(fā)生器系統(tǒng)包括至少一個(gè)等離子體源，該至少一個(gè)等離子體源具有包括多個(gè)回路的天線，每個(gè)回路具有回路軸，圍繞公共軸配置這多個(gè)回路，以使每個(gè)回路軸與公共軸充分正交；至少一個(gè)射頻電源，其用于驅(qū)動(dòng)正交并經(jīng)由天線耦合到圓極化模式、最好是螺旋模式中驅(qū)動(dòng)的等離子體負(fù)載的多個(gè)回路；靜磁場，其基本是沿著公共軸；以及電抗，其將開關(guān)放大器耦合到天線回路，以使該電抗和沒有等離子體的天線回路具有大約等于特定頻率、并沒有對匹配網(wǎng)絡(luò)需求的諧振頻率。將開關(guān)放大器耦合到天線回路的電抗最好至少部分是由電容器提供。
射頻電源最好包括由基本A類放大器、基本AB類放大器、基本B類放大器、基本C類放大器、基本D類放大器、基本E類放大器和基本F類放大器組成的群組中的至少一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些放大器連接到變壓器的初級(jí)線圈，以便將驅(qū)動(dòng)阻抗降為低值。更優(yōu)選地，射頻電源包括具有相對低輸出阻抗的推挽式配置中的D類放大器。
在優(yōu)選實(shí)施例中，與天線的輸入阻抗比較，射頻電源顯示出低輸出阻抗。低輸出阻抗常常顯著低于50歐姆的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。輸出阻抗最好處于從由小于約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、以及小于約20歐姆組成的集合中選擇的范圍內(nèi)。優(yōu)選的是輸出阻抗小于5歐姆，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。低阻抗驅(qū)動(dòng)器和公開的、用于將該驅(qū)動(dòng)器連接到天線的電流帶的電路的使用消除了對匹配箱的需要，從而降低了電路復(fù)雜性，并且消除了等離子體處理系統(tǒng)中的故障源。
公開的系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在等離子體形成之前可以使加到天線的電壓非常大，從而增加了在各種工作條件中啟動(dòng)等離子體的能力。一旦形成等離子體，電壓降為更低的電平，以支持等離子體，這減輕了可能的高天線電壓產(chǎn)生的危害。
系統(tǒng)可作為螺旋源、磁化感應(yīng)耦合等離子體(MICP)源、或B0＝0處的ICP源運(yùn)行，這取決于天線元件和B0的值。此外，觀察到系統(tǒng)在難于接近的壓力狀態(tài)(例如P0大約為100毫托)中有效和增強(qiáng)地工作，和/或充分利用現(xiàn)有技術(shù)等離子體源。當(dāng)中性壓力P0、輸入功率PRF和外部施加的軸向磁場B0上的條件正確時(shí)，天線元件中的電流看上去突然“鎖定”在正交激勵(lì)模式中。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，等離子體看上去近似均勻地填充容器，由于產(chǎn)生均勻處理?xiàng)l件的能力，因此這比其它源優(yōu)選。
此外，天線系統(tǒng)和射頻發(fā)生器的組合可在等離子體參數(shù)在比報(bào)告的其它資源大的多的范圍上變化的條件下(例如中性壓力P0在持續(xù)近似1分鐘的周期內(nèi)從100毫托降為5毫托，然后又回到100+毫托，)創(chuàng)建和維護(hù)等離子體，而不需要調(diào)節(jié)任何匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件。
公開的系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是匹配網(wǎng)絡(luò)的消除會(huì)導(dǎo)致等離子體源的“瞬子”工作類型。該特性可用于為使用的過程提供附加控制。具體地說，可以在兩個(gè)(或多個(gè))等級(jí)(諸如30％和100％)之間、或者以完全開關(guān)方式(0％到100％)調(diào)制產(chǎn)生等離子體的射頻功率的幅度。該調(diào)制可迅速發(fā)生(例如以幾千赫的頻率)，并且可實(shí)現(xiàn)若干目的。例如，隨著平均等離子體密度的降低，平均射頻功率會(huì)降低?！八沧印惫ぷ骺僧a(chǎn)生5W平均射頻輸入功率/50公升體積的等離子體。
此外，調(diào)制可用于控制反應(yīng)室內(nèi)工作氣體的空間分布。工作氣體的該分布是由等離子體更改，等離子體常常有助于活性化學(xué)品或根的流動(dòng)的非均勻性。通過調(diào)制等離子體產(chǎn)品的占空因數(shù)，可調(diào)節(jié)等離子體不工作時(shí)間(或降低功率等級(jí)時(shí)間)期間中性氣體的流量特性，以通過占空因數(shù)控制過程的均勻性。由于等離子體啟動(dòng)時(shí)間通常是處于射頻應(yīng)用的10-20微秒內(nèi)，因此可以以高達(dá)數(shù)十或數(shù)百kHz的頻率控制占空因數(shù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，螺旋模式射頻波用于激勵(lì)和生成等離子體。然而，也可使用除了圖示螺旋模式以外的其它模式。例如，等離子體源也可用作一種類型的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)設(shè)備。此外，變化適合電容耦合模式(E模式)工作。
附圖簡要描述提供以下示圖，以更好地解釋本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，而不希望這些附圖限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。


圖1示出具有兩組天線元件的等離子體源室；圖2示出具有耦合到天線的射頻電源的可調(diào)電路；圖3示出具有耦合到天線的射頻電源的第二可調(diào)電路；圖4示出具有耦合到天線的射頻電源的第三可調(diào)電路；圖5示出具有耦合到天線電流帶的射頻功率放大器的電路；圖6示出具有耦合到天線電流帶的射頻功率放大器的第二電路；圖7示出具有耦合到天線電流帶的射頻功率放大器的第三電路；圖8示出射頻功率放大器、天線電流帶和等離子體的簡化模型；圖9示出與圖8所示模型等效的集中參數(shù)電路；圖10示出沒有等離子體的等離子體源的頻率響應(yīng)；圖11示出具有存在的等離子體的等離子體源的頻率響應(yīng)；并且圖12示出用于控制等離子體源的反饋配置。
發(fā)明詳細(xì)描述首先轉(zhuǎn)到附圖，圖1示出具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例配置的兩組天線元件的等離子體源室。天線設(shè)計(jì)包括配置在公共軸周圍的兩個(gè)正交的單匝或多匝回路元件105、110、115和120。天線元件105、110、115和120中的每一個(gè)都由射頻電源(圖示的A 125或B 130)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)天線回路可耦合到具有分相器的同一射頻電源或不同的射頻電源，以驅(qū)動(dòng)正交的天線元件。雖然也可使用銅線或其它導(dǎo)線，但優(yōu)選的是從8 gauge特氟綸被覆線構(gòu)造天線中的回路。
圖1示出兩個(gè)正交的雙元件的類似亥姆霍茲線圈的回路天線組，其中回路元件105和115在一組中，回路元件110和120在第二組中?；芈吩嚼p繞絕緣柱面135，以使電流通過這些回路元件時(shí)產(chǎn)生的磁場近似橫穿過該柱面的軸。在亥姆霍茲配置中，每一組相對的元件串聯(lián)。最好配置使相對的回路元件互連的導(dǎo)線，以使相鄰的部分承載以相反方向流動(dòng)的電流，用于增強(qiáng)與這些部分相關(guān)聯(lián)的雜散場的消除(雖然這不是設(shè)備工作所必需的)。將天線通電，以使兩個(gè)正交分支中的電流幾乎相等，相位相隔90度，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)橫向磁場的近似。
在螺旋模式等離子體的示例性情況下，靜態(tài)軸向B0-場140是由例如簡單的電磁鐵產(chǎn)生。該場沿柱面的軸延伸。靜態(tài)場的方向是使旋轉(zhuǎn)橫向磁場看上去像m＝+1螺旋波的方向。實(shí)際上，可調(diào)節(jié)產(chǎn)生外場的電流的幅度和方向，以調(diào)制等離子體發(fā)生器的性能。對于這里討論的參數(shù)而言，必要場的總振幅一般是在10-100高斯的范圍內(nèi)，但是對于不同大小的源而言，可使用備選的范圍。一旦選擇了靜態(tài)場最佳幅度和方向，一般需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)它們。
組合起來，天線元件的靜態(tài)場和射頻場在絕緣柱面內(nèi)的等離子體中產(chǎn)生m＝+1螺旋模式，該模式維持等離子體放電。應(yīng)該注意的是也可以改變并從而去調(diào)靜態(tài)磁場，或者根本不施加該場，以便不直接激發(fā)螺旋模式。該操作還產(chǎn)生等離子體，但一般沒有螺旋模式有效。當(dāng)然，然后可施加靜態(tài)場，以改進(jìn)等離子體源/發(fā)生器的操作。
還應(yīng)該注意的是可以使用例如多匝回路天線和/或石英鐘形罩代替單匝來獲得圖1的相同總體條件。雖然不是必要條件，但是鐘形罩最好以不到1/2”的間隙剛好放入天線框中。
一個(gè)示例性等離子體源建立如下石英鐘形罩具有大約12”的內(nèi)徑(諸如標(biāo)準(zhǔn)K.J.Lesker 12×12)，并由高度大約15cm、半球形頂部半徑6”的直圓柱部分組成。該鐘形罩置于大約是12”i.d.×8”高的真空室頂(其不是等離子體源的一部分)上。天線由圍繞鐘形罩的兩組反向的、密封的、近似矩形的、兩匝連續(xù)回路天線元件組成，其中每個(gè)點(diǎn)處天線和鐘之間的間隔大約是1/8”-1/2”。每個(gè)元件內(nèi)的這些匝串聯(lián)，并且每組內(nèi)的兩個(gè)元件也是串聯(lián)，以使它們的場是累加的。在該例子中每組的自感大約是10微亨，并且兩組之間的互感小于1微亨。垂直和水平天線回路部分分別是大約25cm和20cm長，其由8gauge特氟綸被覆線組成。在備選實(shí)施例中，可使用單匝硬銅導(dǎo)體代替一匝或兩匝特氟綸被覆線。這里描述的用于產(chǎn)生橫向旋轉(zhuǎn)場的具體實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
常規(guī)射頻電源和匹配方案(見圖2-4)可用于激勵(lì)上述天線中的天線電流。此外，圖2-4的電路與本發(fā)明的方法一致。這些方法包括步驟如為射頻電源提供低輸出阻抗；以及調(diào)節(jié)將射頻電源耦合到天線的電抗，以使缺少等離子體時(shí)的諧振頻率是期望射頻頻率。可通過參考具有和不具有等離子體的電路的品質(zhì)因數(shù)(“Q”)來理解低輸出阻抗。不存在等離子體的“Q”應(yīng)該是存在等離子體的5-10倍甚至更高。特別地，和已知的電路不同，將不需要在存在等離子體時(shí)通過響應(yīng)于等離子體阻抗的變化改變電抗的方式重新調(diào)節(jié)射頻電源和天線的這種組合。
在圖2中，射頻源200可以是經(jīng)由50歐姆同軸電纜連接到圖1中所示端口“A”125處的正交/混合電路的商用2MHz、0-1kW發(fā)生器。正交/混合電路的“+45度”和“-45度”支路連接到單獨(dú)的L型電容匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是由圖示的可調(diào)電容器205、210、215和220組成。在工作頻率上，每個(gè)電容器225的電抗大約是100歐姆，并且變壓器230的任何一側(cè)的電抗大約是100歐姆(另一側(cè)斷開時(shí))。如圖2所示，可使用單個(gè)射頻源200，以及無源功率分配器(正交/混合電路)和四個(gè)可調(diào)調(diào)諧元件205、210、215以及220，以便與兩個(gè)分離的天線電感235和240匹配。
圖3中所示的另一個(gè)實(shí)施例使用兩個(gè)分離的射頻電源305和310，并從而將分別經(jīng)由可調(diào)電容器315、320、325和330連接到電感335和340的兩個(gè)天線電源電路完全分離。由于每個(gè)射頻源可以以最大功率工作、從而使輸入功率是單個(gè)射頻源的兩倍，并且可在天線之間調(diào)節(jié)相位和幅度比，因此這種配置是優(yōu)選的。一般地，雖然可改變幅度和/或相位差，以改變激勵(lì)模式的特性，但源305和310以大致相同的幅度和90度的相位差工作。例如，通過以不同的幅度操作這些源，可維持橢圓極化等離子體螺旋模式，而非嚴(yán)格的圓形極化模式。
圖4中所示的第三實(shí)施例放置了無源諧振電路(其一個(gè)支路上包括電感器/天線電感405和可調(diào)電容器410)，并且使用匹配電路驅(qū)動(dòng)具有射頻源400的另一個(gè)支路，該匹配電路具有連接到天線電感425的可調(diào)電容器415和420。該配置意在激勵(lì)等離子體中的同種橢圓螺旋模式，其中無源側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)以90度的相位差工作，從而僅使用單個(gè)射頻源和匹配網(wǎng)絡(luò)提供了本發(fā)明的許多優(yōu)點(diǎn)，該示例中的工作氣體是氬，其中壓力范圍是從10毫托到超過100毫托。靜態(tài)軸向場可被手動(dòng)設(shè)置為0-150G，并由位于鐘形罩裝置/天線裝置(其半徑為大約9”)外部的線圈產(chǎn)生。
以大約75毫托的壓力工作的等離子體顯示出至少三種不同的模式。第一，當(dāng)PRF小于或近似等于200W時(shí)，觀察到其中等離子體集中在靠近鐘形罩邊上的明亮模式的B0＜Bcritical。這里，B0是軸向磁場，而Bcritical是用于使用螺旋模式激勵(lì)等離子體的軸向場的臨界值。類似地，功率電平PRF和Pthreshold表示提供給天線的射頻功率和下述閾值功率。在該模式中，射頻天線電流趨向于不正交，而是有高達(dá)180度的相位差。第二，暗光放電模式，觀察到B0＞Bcritical，但是PRF＜Pthreshold，該模式在高功率上具有均勻密度/光，并在低功率上具有沿著鐘形罩壁的大約1-2cm的粗黑間隔，在此情況下，射頻電流處于增強(qiáng)正交，并看上去在形成等離子體之后不久突然鎖定在90度相移。第三，在更高的PRF＞Pthreshold以及B0＞Bcritical處，形成明亮等離子體，該等離子體看上去比模式(1)更加均勻地徑向分布，并且天線電流又趨向于鎖定在正交相位中。雖然上述方式中的每一種都可應(yīng)用在等離子體處理中，但第三種方式是有效的工作模式，并且可以在已經(jīng)被證明為使已知等離子體源非常難以接近的中性氣壓下實(shí)現(xiàn)該方式。
在一個(gè)方面，本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了消除支持流水線功率電路的、圖2-4中描述的常規(guī)射頻電源和可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，射頻功率電路使用諸如圖5中所示的配置來直接驅(qū)動(dòng)天線電流帶。圖5中所示的射頻放大器最好是本領(lǐng)域中已知的、具有低輸出阻抗(即推挽式輸出級(jí))的多種類型射頻放大器中的一種。本領(lǐng)域的一名普通技術(shù)人員知道在推挽式配置中是由適當(dāng)?shù)碾娐?00驅(qū)動(dòng)晶體管505和510。在該配置中，任何時(shí)間僅有一個(gè)或另一個(gè)晶體管操作(一般是以50％或更低的占空因數(shù))。組合這兩個(gè)晶體管的輸出，以產(chǎn)生完整的信號(hào)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，輸出級(jí)中的功率半導(dǎo)體(例如晶體管505和510)工作在開關(guān)模式中。在圖5-7中，這些功率半導(dǎo)體被示為FET，但它們也可以是例如雙極性晶體管IGBT、真空管、或任何其它合適的放大設(shè)備。開關(guān)模式的例子是由D類操作提供。在該模式中，在射頻波形相對的半個(gè)周期上快速接通和切斷備選輸出設(shè)備。理想地，由于輸出設(shè)備是具有零壓降的完全開，或者是沒有電流的完全關(guān)，因此，應(yīng)該不存在功率耗散。因此，D類操作理想地具有100％的效率。然而，該估計(jì)假設(shè)具有無限快速開關(guān)時(shí)間的零開態(tài)阻抗開關(guān)。實(shí)際實(shí)現(xiàn)一般顯示出接近90％的效率。
然后通過固定或可變電抗515(最好是電容器)將射頻驅(qū)動(dòng)器直接耦合到天線電流帶520。該耦合電抗值最好是使具有耦合電抗和天線、但不存在等離子體的電路的諧振頻率是射頻工作頻率的大約一半。
圖6(A)所示電路輸出級(jí)的備選配置包括推挽級(jí)之后或結(jié)合在該推挽級(jí)中的變壓器620、以及提供電絕緣的驅(qū)動(dòng)器600和晶體管605、610。變壓器620可被選擇配置為在推挽級(jí)的輸出阻抗過高時(shí)將該阻抗變?yōu)榈妥杩?。使用變壓?20和天線電流帶625形成的電感電路將電容器615配置為以期望驅(qū)動(dòng)頻率諧振。圖6(B)中示出了類似實(shí)施例，其中電容器630用于DC消除，并且電容器635在變壓器620的漏電感和電流帶625的電感形成的串聯(lián)電路中諧振。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)射頻功率和天線電流帶配置。結(jié)合在DC供電中的中心抽頭電感器725連接到具有推挽式驅(qū)動(dòng)器700和晶體管705、710的輸出級(jí)。絕緣由變壓器720提供。此外，任何時(shí)間僅有一個(gè)或另一個(gè)晶體管工作(一般是以50％或更低的占空因數(shù))。圖5-7的電路僅僅是作為示例提供?？墒褂萌魏伪娝苤耐仆旒?jí)或提供低輸出阻抗的其它配置來代替上述電路。
射頻電源還可以和諸如對稱(名古屋III型或其變體，例如博斯韋爾型漿形天線)或非對稱(例如右手螺旋狀、雙絞名古屋III型天線)天線配置、或任何其它非螺旋感應(yīng)耦合配置的任何螺旋天線一起使用。
可使用可變占空因數(shù)來幅度調(diào)制射頻電源，以提供用高等離子體密度次點(diǎn)綴的低或零等離子體密度次。等離子體密度的調(diào)制可用于影響工作氣體的流量動(dòng)態(tài)和均勻性，以及過程的均勻性。因此，可由根據(jù)本發(fā)明的等離子體發(fā)生器系統(tǒng)通過適當(dāng)選擇調(diào)制方案來產(chǎn)生包括等離子體的、空間上更均勻的分布。
一般而言，根據(jù)本發(fā)明的等離子體發(fā)生器系統(tǒng)可基于作為基本A類放大器、基本AB類放大器、基本B類放大器、基本C類放大器、基本D類放大器、基本E類放大器、基本F類放大器或上述任意子組合的操作來使用射頻電源。與用于激勵(lì)螺旋模式的天線結(jié)合的這些電源適合產(chǎn)生高密度等離子體。此外，對于非開關(guān)放大器(諸如圖2-4中所示的)而言，可使用將射頻源阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩沟闹虚g級(jí)，以接近基于本文所述實(shí)施例的開關(guān)放大器的有效操作。
在感應(yīng)耦合的等離子體源中，天線電流帶位于靠近形成等離子體的區(qū)域，通常是在絕緣容器的外部。從電路的角度來看，天線元件組成非理想變壓器的初級(jí)線圈，其中等離子體是次級(jí)線圈。在圖8中示出了等效電路，其中電感器810表示配線中的電流帶和任何電感(包括例如由存在于一些實(shí)施例中的、驅(qū)動(dòng)器的輸出變壓器添加的任何電感)的集中元件表示。標(biāo)記為P的盒子中的構(gòu)件表示等離子體電感器820是等離子體自感，并且阻抗815表示設(shè)計(jì)為有效阻抗的等離子體耗散。M表示天線和等離子體之間的互感。晶體管驅(qū)動(dòng)器800被表示為方波電壓源。在安裝系統(tǒng)時(shí)調(diào)節(jié)電容805，以使電路的諧振頻率近似匹配期望工作頻率。在具有固定電容器的備選實(shí)施例中，可調(diào)節(jié)射頻頻率，以獲得相同的效果。
為了示出系統(tǒng)的操作，可如圖9中所示設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。在圖9中所有的電感器已經(jīng)被集中在電感905中，所有的電容器被集中在電容910中，并且所有的耗散元件被集中在電阻器915中，并且放大器應(yīng)該作為理想射頻電壓源(即具有零輸出阻抗)工作。
當(dāng)不存在等離子體時(shí)，由于存在很少的耗散，因此R小，并且圖9的電路響應(yīng)于頻率的變化而顯示出窄的諧振響應(yīng)(如圖10所示)。這提供了電路操作的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以用相對小的功率輸入將電線上的電壓驅(qū)動(dòng)為高值，從而實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)室中氣體的初次擊穿。一旦形成等離子體，系統(tǒng)中的阻尼大大加寬了諧振峰值(如圖11所示)，從而降低了整個(gè)電路的Q。雖然諧振的中心頻率可隨著等離子體條件而漂移，但與存在等離子體負(fù)載時(shí)諧振響應(yīng)的寬度相比，該漂移是可忽略的。因此，當(dāng)電路使用等離子體負(fù)載工作時(shí)，該電路對工作條件的變化相對不敏感，并且不需要返回。這在圖11中示出，其中雖然Q充分降低，以使系統(tǒng)的工作保持高效，但整個(gè)系統(tǒng)諧振已經(jīng)略微漂移了其頻率。使用電路的降低的Q，加到等離子體自調(diào)節(jié)的電壓比無等離子體的情況大大降低。在一些實(shí)施例中，有些優(yōu)選的是實(shí)際地將射頻驅(qū)動(dòng)的工作頻率從實(shí)際無等離子體諧振略微解諧為一側(cè)或另一側(cè)，這取決于等離子體形成時(shí)諧振頻率的漂移。
等離子體功率輸入的等級(jí)可由多種技術(shù)控制，諸如調(diào)節(jié)射頻輸出級(jí)上的DC電源電平。在一個(gè)實(shí)施例中，電源電壓可響應(yīng)于等離子體負(fù)載中檢測的變化而維持進(jìn)入等離子體源中相對恒定的功率。如圖12所示，可通過例如由電壓傳感器1200監(jiān)視來自DC電源1215的電壓、并由電流傳感器1205監(jiān)視進(jìn)入射頻/等離子體系統(tǒng)的DC電流、以及使用電壓和電流的乘積和模塊1210中放大器效率的先前測量近似來估計(jì)從射頻放大器1220進(jìn)入等離子體1225的凈功率的方式獲得用于由DC電源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的等離子體負(fù)載的檢測?？赏ㄟ^例如監(jiān)視系統(tǒng)各個(gè)點(diǎn)處的熱負(fù)荷來為不同輸出電平測量增益模塊1235的效率乘法器，并且可數(shù)字存儲(chǔ)這些效率乘法器，以便解釋輸出電平效率的變化。備選地，可測量射頻電壓和電流，并且可估算它們的同相乘積，以估計(jì)等離子體中耗散的有功功率。
等離子體中的檢測還可擴(kuò)展為通過電壓或電流的變化直接檢測或間接檢測的方式檢測空間非均勻性。然后響應(yīng)于這種變化而改變占空因數(shù)可控制等離子體的空間分布。此外，調(diào)制占空因數(shù)還可提供對平均輸入功率的控制，以改進(jìn)等離子體發(fā)生效率。圖12的反饋配置還可提供上述兩個(gè)或多個(gè)功率等級(jí)之間的切換。
本文使用的“低”阻抗意味著圖9的串聯(lián)諧振電路應(yīng)該在不存在等離子體時(shí)具有比存在等離子體時(shí)高5-10倍或更高的“Q”。也就是說，放大器輸出阻抗應(yīng)該足夠小，以使輸出的半個(gè)周期中耗散的能量比電抗構(gòu)件中存儲(chǔ)的小的多。該條件被數(shù)學(xué)定義為Z_out＜＜sqrt(L/C)，其中L和C是圖9中所示的集中值。當(dāng)保持該條件時(shí)，射頻放大器將類似作為電壓源工作。
在等離子體初始化以前，用給定過程所特有的工作氣體填充反應(yīng)室。由于在不存在等離子體的情況下，不具有等離子體的電路的高Q值使得可以在具有相對小功率的天線元件上感應(yīng)高電壓，因此本發(fā)明提供了能夠擊穿該氣體和啟動(dòng)等離子體的優(yōu)點(diǎn)。該非等離子體電壓可被控制為提供工作氣體的程序控制的擊穿；一旦形成等離子體，該等離子體中的感應(yīng)電流用于加載系統(tǒng)，以使這些高電壓衰減，從而避免了給系統(tǒng)施加壓力。
由于僅需要固定電容C，因此根據(jù)本發(fā)明描述的電路配置不需要諸如機(jī)械可調(diào)電容器的可變調(diào)諧元件。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，也可使用例如調(diào)節(jié)用于系統(tǒng)諧振與期望工作頻率匹配、并且與等離子體工作點(diǎn)的實(shí)時(shí)阻抗匹配不需要的可變電容器來構(gòu)造各種電路。這種匹配可用于反抗可能導(dǎo)致LC諧振頻率漂移的機(jī)械振動(dòng)或老化的影響。
在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)節(jié)工作頻率，以補(bǔ)償與諧振的小的偏差，而機(jī)械調(diào)諧電容器補(bǔ)償大的偏差。在備選實(shí)施例中，可通過調(diào)諧電容器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。在優(yōu)選(調(diào)諧)實(shí)施例中，在源離線的期間自動(dòng)操作和發(fā)生該調(diào)諧。在另一個(gè)方面，使用作為過程控制(例如為過程條件提供小修改)一部分的調(diào)諧，在具有可調(diào)調(diào)諧元件的實(shí)施例中，公開的配置將可調(diào)元件的數(shù)量降低為1。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的教導(dǎo)和精神的條件下，公開的發(fā)明容易受到許多變化和備選實(shí)現(xiàn)的影響。希望這些修改處于以下所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。例如，可為低阻抗的阻抗匹配提供結(jié)合常規(guī)放大器的變壓器。因此，必須閱讀權(quán)利要求，以覆蓋這些修改和變化及其等價(jià)物。此外，為了這里引用的所有參考的公開和教導(dǎo)而將這些參考完整地結(jié)合在本文中。
權(quán)利要求
1.一種使等離子體源消除對于匹配電路的需要的方法，所述方法包括步驟為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回路的電容，以使沒有等離子體情況下的所述電容和所述天線回路具有大約等于所述等離子體的特定頻率的諧振頻率；以及通過調(diào)制占空因數(shù)來控制平均輸入功率，以操作所述射頻電源。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括調(diào)制所述占空因數(shù)、以提供中性氣流的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟檢測所述等離子體的空間分布，以及響應(yīng)于所述空間分布而調(diào)制所述占空因數(shù)，以提供多次中性氣流，從而調(diào)制所述等離子體的所述空間分布。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在兩個(gè)或多個(gè)等級(jí)之間切換等離子體功率。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中將等離子體功率從最大功率的大約30％切換到100％。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟檢測所述等離子體的空間分布，以及響應(yīng)于所述空間分布而調(diào)制所述占空因數(shù)，以提供多次中性氣流，從而調(diào)制工作氣體的所述空間分布。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從大約5瓦、大約10瓦、大約5-10瓦、以及大約10-50瓦中選擇所述平均輸入功率。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中以大約1瓦/10公升體積的平均密度施加所述平均輸入功率。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中以從至少大約1Hz、至少大約10Hz、至少大約100Hz、至少大約500Hz、至少大約1000Hz、至少大約5000Hz、至少大約10000Hz和至少大約100000Hz中選擇的頻率調(diào)制所述占空因數(shù)。
10.一種操作等離子體源、以消除對于匹配電路的需要的方法，所述方法包括步驟為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回路的電容，以使沒有等離子體情況下的所述電容和所述天線回路具有大約等于所述等離子體的特定頻率的諧振頻率；以及通過改變用于操作所述射頻電源的占空因數(shù)來調(diào)制所述等離子體的空間分布。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過調(diào)制所述占空因數(shù)控制所述平均輸入功率的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中從大約5瓦、大約10瓦、大約5-10瓦、以及大約10-50瓦中選擇所述平均輸入功率。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中在相對短的時(shí)間內(nèi)在兩個(gè)或多個(gè)等級(jí)之間切換等離子體功率。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中等離子體功率從最大功率的大約30％切換到100％。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中以從至少大約500Hz、至少大約1000Hz、至少大約5000Hz、和至少大約10000Hz中選擇的頻率調(diào)制所述占空因數(shù)。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括步驟檢測所述等離子體的空間分布，以及響應(yīng)于所述空間分布而調(diào)制所述占空因數(shù)。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述占空因數(shù)被選擇為處于大約10％、大約30％、大約50％、大約80％、大約90％和大約100％中的兩個(gè)所定義的范圍內(nèi)。
全文摘要
公開了作為用于產(chǎn)生高密度等離子體的方法和系統(tǒng)的一部分的射頻驅(qū)動(dòng)電路和正交天線裝置/配置。該天線裝置是可由具有適當(dāng)阻抗匹配、以提供低阻抗的射頻發(fā)生器/電路驅(qū)動(dòng)的正交天線系統(tǒng)，公開的射頻驅(qū)動(dòng)電路使用開關(guān)型放大器元件，并提供低輸出阻抗。公開的低輸出阻抗射頻驅(qū)動(dòng)電路消除了對用于和與等離子體相關(guān)聯(lián)的固有阻抗變化連接的匹配電路的需要。還公開了為射頻等離子體源提供調(diào)諧的電容或電感值的選擇。還提供了用于以大約數(shù)十Hz到高達(dá)數(shù)百KHz的頻率在兩個(gè)或多個(gè)功率電平之間快速切換等離子體的方法。
文檔編號(hào)H01Q21/20GK1852764SQ200480016492
公開日2006年10月25日 申請日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月17日
發(fā)明者P·A·普日比爾 申請人:等離子控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司