CN111403255A - 具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器 - Google Patents

具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器 Download PDF

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CN111403255A CN202010161061.1A CN202010161061A CN111403255A CN 111403255 A CN111403255 A CN 111403255A CN 202010161061 A CN202010161061 A CN 202010161061A CN 111403255 A CN111403255 A CN 111403255A
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Abstract

涉及具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器。一种用于处理工件的等离子体反应器具有微波源与用户接口，微波源具有使用直接数字上转换的数字同步的旋转频率，用户接口用于控制该旋转频率。

Description

具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等 离子体反应器
本申请是申请日为“2016年3月3日”、申请号为“201680023217.1”、题为“具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张由Satoru Kobayashi等人在2015年12月18日提出申请的第14/974,376号发明名称为“具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行数字控制的等离子体反应器”的美国专利申请的优先权，其主张由Satoru Kobayashi等人在2015年3月23日提出申请的第62/136,737号发明名称为“具有对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器”的美国专利临时申请；及由Satoru Kobayashi等人在2015年4月28日提出申请的第62/153,688号发明名称为“具有以直接上转换对微波场的旋转频率进行的数字控制的等离子体反应器”的美国专利临时申请的权益。
背景
技术领域
本申请涉及用于使用微波等离子体源处理工件(如半导体晶片)的等离子体反应器。
背景技术
微波等离子体源产生的等离子体的特征在于具有低鞘电压和反应气体的高离解。在微波等离子体处理的许多应用中，圆形径向波导通常用于制造均匀等离子体以处理圆形晶片。然而，由于微波施加器的非均匀(non-uniform)场分布，以及部分由于表面波的激发，所得到的等离子体通常在径向方向与方位角方向的一者或两者中具有不均匀(inhomogeneous)的离子密度分布。
为了改善等离子体均匀性，已经提出了将微波施加器使用于TE111模式的高均匀场在邻近处理区域的圆柱形腔中旋转的地方。这是通过从两个空间正交的方向引入时间相位差90度的微波来完成的。为了激发在圆形腔中的完美圆形(perfectly circular)旋转，在两个正交位置处监控圆柱形腔中的电磁波的相位与振幅。所测得的相位和振幅反馈回双输出数字微波产生器以确保完美圆形旋转。在这个微波应用的系统中，波场在腔内圆形地旋转，使得特别在方位角方向预期有相当均匀的等离子体分布。
这种方法对于在低腔室压力的等离子体是有效的，如小于200mTorr的压力。在高压处(如在1Torr之上的压力，等离子体通常是局部的，取决于第一点燃发生的地方。在这种情况下，即使微波场的旋转可能是完美圆形的，但是因为旋转周期对应于微波频率是极短的，所以局部等离子体不能跟随(follow)旋转场。旋转周期可以是约0.5ns(如1/2.45GHz)的量级，这比全局等离子体响应时间(其可以超过1ms)少得多。提供一种增强等离子体均匀性而不损及等离子体在高压(如1Torr)下跟随2.45GHz下的场旋转的能力的方法是有所需要的。
发明内容
一种等离子体反应器，包括：圆柱形微波腔，该圆柱形微波腔在工件处理腔室之上，及该圆柱形微波腔的侧壁中的第一与第二耦接孔以一角度分隔开；微波源，该微波源具有微波频率且包括一对微波控制器，该对微波控制器具有耦接至该第一与第二耦接孔中的相应耦接孔的微波输出。微波控制器的各者包含(a)第一与第二数字调制信号的源，该第一与第二数字调制信号具有对应于慢速旋转频率的频率；(b)第一数字载波信号的源，该第一数字载波信号具有中频；(c)乘法器级(multiplier stage)，该乘法器级包含一对乘法器，该对乘法器中的各个乘法器具有一对输入，该乘法器级经耦接以分别接收(a)该第一数字调制信号、该第二数字调制信号与该第一数字载波信号，该乘法器级具有相应的输出in1与in2；以及(d)数字转模拟转换器，该数字转模拟转换器经耦接以接收相应的输出in1与in2且具有对应于输出in1与in2的模拟输出；及上转换器，该上转换器具有与所述模拟输出耦接的输入，该上转换器包含所述微波输出。
在一个实施例中，该对乘法器中的第一个乘法器经耦接以接收该第一数字调制信号与该数字载波信号，且具有包含该输出in1的第一乘法器输出，而该对乘法器中的第二个乘法器经耦接以接收该第二数字调制信号与该数字载波信号，且具有包含该乘法器输出in2的第二乘法器输出。
在另一个实施例中，反应器进一步包括中频的第二数字载波信号源，其中：该第一数字载波信号的该源耦接至该输出in1；该对乘法器中的第一个乘法器经耦接以接收该第一数字调制信号与该第一数字载波信号；该对乘法器中的第二个乘法器经耦接以接收该第二数字调制信号与该第二数字载波信号，且具有包含该乘法器输出in2的第二乘法器输出；其中该乘法器级进一步包括加法器，该加法器经耦接以接收该第一与第二乘法器的输出，该加法器具有包含该输出in2的输出。
在一个实施例中，第一与第二振幅调制信号分别包括余弦形式分量I与正弦形式分量Q。
在一个实施例中，第一与第二振幅调制信号的源包括第一RAM(随机存取存储器)、第二RAM与低时钟指针(low clock pointer)，该第一RAM包含该余弦形式分量I的连续取样，该第二RAM包含该正弦形式分量Q的连续取样，该低时钟指针指向与该慢速旋转频率同步的I与Q的连续取样。
在一个实施例中，数字载波信号的源包括第三RAM与低时钟指针，该第三RAM包含该数字载波信号的连续取样，该低时钟指针指向与该中频同步的该数字载波信号的连续取样。
在一个实施例中，上转换器具有等于该微波频率的输出频率。
在一个实施例中，所述乘法器的各者产生其输入处的信号的乘积(product)。
在一个实施例中，等离子体反应器进一步包括用户接口，该用户接口用于允许用户指定该慢速旋转频率。在一个实施例中，该用户接口进一步允许用户指定微波信号输出之间的相位差。
根据一个实施例，提供一种方法以产生旋转微波场于腔中，该腔具有以一角度偏置的一对微波注入口，该旋转微波场具有受控的慢速旋转频率(slow rotationfrequency)。该方法包括以下步骤：产生低于微波场频率的中频的第一与第二数字载波，该第一与第二数字载波是彼此的余函数(co-function)；产生对应于慢速旋转频率的慢频率的第一与第二数字调制信号中的至少一个，该第一与第二数字调制信号对应于余弦形式与正弦形式的分量；产生低于微波场频率的中频的第一与第二数字载波，该第一与第二数字载波是彼此的余函数；至少将第二数字调制信号与该第一和第二数字载波中的至少一个混合以产生一对数字输出in1与in2中的至少一个；及将该数字输出上转换为微波频率以产生一对偏移(offset)的微波信号，并将该对偏移的微波信号施用于该对微波注入口。
在一个实施例中，该方法进一步包括将第一和第二数字调制信号与第一和第二数字载波中相应的数字载波混合，以产生该对数字输出in1和in2中的相应的数字输出。
在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：提供第一数字载波信号作为输出in1；将第一和第二数字载波与第一和第二数字调制信号中的相应的数字调制信号混合，并加入相对应的乘积(products)以产生输出in2。
根据采用直接上转换的另一个方面，等离子体反应器包括圆柱形微波腔，该圆柱形微波腔在工件处理腔室之上，及该圆柱形微波腔的侧壁中的第一与第二耦接孔以一角度分隔开；微波源，该微波源具有微波频率且包括耦接至该第一与第二耦接孔中的相应耦接孔的微波输出。微波源包含数字调制信号的同相(in-phase)分量1-A与正交(quadrature)分量2-A的源，该数字调制信号具有对应于慢速旋转频率的频率；数字转模拟转换器，该数字转模拟转换器经耦接以接收同相与正交分量1-A与1-B，且具有相对应的模拟输出in1与in2；及上转换器，该上转换器包含：(a)第一组合器函数，该第一组合器函数包含该模拟输出in1与该微波频率的同相分量的相应输入、及对应于微波输出中的第一个微波输出的第一乘积输出；及(b)第二组合器函数，该第二组合器函数包含该模拟输出in2与该微波频率的同相分量的相应输入，该第二组合器函数包含第二乘积输出。
在一个实施例中，第二乘积输出耦接至微波输出中的第二个微波输出。
在一不同的实施例中，微波源进一步包括恒定信号A的源，且其中该上转换器进一步包括：第三组合器函数，该第三组合器函数具有经耦接以接收该恒定信号A的一个输入及经耦接以接收该微波频率的该正交分量的另一个输入、及第三乘积输出；及加法器函数，该加法器函数具有分别耦接至该第二与第三乘积输出的输入及耦接至微波输出中的该第二个微波输出的和数输出。
在一个实施例中，该数字调制信号的同相分量的源产生该数字调制信号与该恒定信号A的总和。
在一个实施例中，该同相与正交分量分别包括余弦形式分量I与正弦形式分量Q。在一个实施例中，该数字调制信号的同相分量的源包括第一RAM，该第一RAM包含该余弦形式分量I的连续取样；该数字调制信号的该正交分量的该源包括第二RAM，该第二RAM包含该正弦形式分量Q的连续取样；及低时钟指针，该低时钟指针指向与该慢速旋转频率同步的I与Q的连续取样。
在一个实施例中，上转换器具有等于该微波频率的输出频率。
在一个实施例中，每个组合器函数经调整以产生其输入处的信号的乘积。
在一个实施例中，该角度为90度。
在一个实施例中，等离子体反应器进一步包括用户接口，该用户接口用于允许用户指定慢速旋转频率。在一个实施例中，用户接口进一步允许用户指定相应微波输出之间的相位差。
根据进一步的方面，在等离子体反应器中，圆柱形微波腔在工件处理腔室之上，且圆柱形微波腔的壁中的第一与第二耦接孔以一角度分隔开。微波源具有微波频率且包括耦接至该第一与第二耦接孔中的相应耦接孔的相应的微波输出，微波源进一步包含数字调制信号的同相分量2-A与正交分量2-B的源，该数字调制信号具有对应于慢速旋转频率的频率；数字转模拟转换器，该数字转模拟转换器经耦接以接收该同相与正交分量2-A与2-B，且具有相对应的模拟输出2-Iin与2-Qin；及上转换器，该上转换器包含：(a)第一组合器输出，该第一组合器输出对应于恒定信号A与微波频率的同相分量的乘积，及耦接至微波输出中的第一个微波输出；(b)第二组合器输出，该第二组合器输出对应于模拟输出2-Iin与微波频率的同相分量的乘积；(c)第三组合器输出，该第三组合器输出对应于模拟输出2-Qin与微波频率的正交分量的乘积，及加法器，该加法器具有包含第二与第三组合器输出的输入及耦接至微波输出中的第二个微波输出的和数输出。
在一个实施例中，同相与正交分量分别包括余弦形式分量I与正弦形式分量Q。在一个实施例中，该数字调制信号的同相分量的源包括第一RAM，该第一RAM包含该余弦形式分量I的连续取样；该数字调制信号的正交分量的源包括第二RAM，该第二RAM包含该正弦形式分量Q的连续取样；及低时钟指针，该低时钟指针指向与该慢速旋转频率同步的I与Q的连续取样。
一种产生微波频率的旋转微波场于腔中的方法，该腔具有以一角度偏置的一对微波注入口，该方法包括以下步骤：产生对应于慢速旋转频率的频率的调制信号的同相与正交分量中的至少一个；产生该调制信号的同相和正交分量与微波频率的同相分量或正交分量中的至少一个的组合以及自所述组合中产生一对输出信号，并将该对输出信号施用于该对微波注入口。
在一个实施例中，该产生组合的步骤包括产生：调制信号的同相分量与微波频率的同相分量的第一乘积，及调制信号的正交分量与微波频率的正交分量的第二乘积。
在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤之一：(a)将第一与第二乘积相加以产生一对输出信号，或(b)提供第一与第二乘积作为该对输出信号。
在一个实施例中，上述方法是通过经程序化以执行该方法的计算机实施的。
附图说明
因此获得本发明的示例性实施例的方式可被详细了解，可以通过参考所附附图中描绘的本发明实施例而得到简要概述于前的本发明的更为具体的描述。应当理解的是，为了不混淆本发明，某些公知的处理过程未于本说明书作讨论。
图1A是一个实施例中采用的反应器的侧视图。
图1B是对应于图1A的平面图。
图1C描绘包括点火电极(ignition electrode)的对图1B的实施例的修改(modification)。
图2是一个实施例中的系统的框图。
图3是图2系统中的信号处理组件的框图。
图4是图3系统的部分的框图。
图5A至图5H描绘针对在耦接至圆形腔的两个微波信号之间的用户所选的相位角
Figure BDA0002405798870000071
的不同值的微波场行为。
图6是根据第二实施例的图3系统的部分的框图。
图7是根据第三实施例的图3系统的部分的框图。
图8是使用直接数字上转换产生旋转微波场的系统的框图。
图8A是常见于图8系统中采用的DDUP IC的功能的简化框图。
图9是经配置用于振幅调制的图8系统的FPGA的框图。
图10是经配置用于相位调制的图8系统的FPGA的框图。
图11是经配置用于同步(simultaneous)慢速和快速旋转模式的图8系统的FPGA的框图。
为便于理解，在可能的情况下，已使用相同的数字编号代表附图共有的相同要素。可以预期，一个实施例中的要素与特征可有利地并入其他实施例中而无需赘述。然而，值得注意的是，所附附图只描绘了本发明的示例性实施例，而由于本发明可允许其他等效的实施例，因此所附附图并不会视为对本发明范围的限制。
具体实施方式
为了解决高腔室压力下等离子体均匀性的问题(在高腔室压力下等离子体无法跟随(follow)微波场的快速旋转)，下面描述的实施例提供微波腔激发的新模式。第一模式是通过振幅调制激发的慢速旋转模式。第二模式是由相位调制激发的慢速脉动(slowpulsing)模式。在这些模式中，调制频率可以是任意低，通常为0.1-1000Hz，其对应于1ms-10s的旋转周期。在这样低的旋转频率下，在高压腔室压力下的局部等离子体可以跟随旋转，因而能够使等离子体离子密度有均匀分布。
图1A是等离子体反应器100的简化侧视图，等离子体反应器100包括处理腔室110与工件支撑件112，处理腔室110由壁111包围及在真空压力包内含气体，工件支撑件112用于支撑工件114。在处理腔室110上的圆柱形腔120由侧壁121a、顶板121b与底板122包围，底板122具有图1B所示的槽124。壁121a和111可以通过金属结构连接，这取决于应用。介电板130提供底板122下的真空密封件。介电板130优选由对微波辐射透明的材料形成。图1C描绘一个实施例，其中底板122具有开口810且用真空密封件(未示出)将辅助点火电极820设置在开口810中。辅助点火电极820由范围为100Hz-10MHz的RF频率的RF源830驱动。RF源830可包括阻抗匹配(未示出)。底板122和/或处理腔室110的壁111可以用作为与辅助点火电极820有关的接地平面。或者，辅助点火电极可通过提供额外的开口与真空密封件而设置于壁111上。电极820与接地平面仅通过开口810分离。总而言之，辅助点火电极820与接地平面(即底板122和/或腔110的壁111)一起形成电容耦合RF点火电路，以帮助最终由微波功率维持的等离子体的点火。
图2示出注入圆柱形腔120的双微波系统。两个相同的微波模块Set-1与Set-2以空间上正交的位置(P和Q)而连接到圆柱形腔120。模块Set-1和Set-2的相对端连接到双数字相位与振幅产生器340。双数字相位与振幅产生器340分别提供微波种子信号(seedsignals)RF1out与RF2out到模块Set 1与Set 2。在每个模块Set-1与Set-2中，放大器350放大种子信号，且种子信号被传送到循环器352和调谐器354(通常为3短线调谐器(3-stubtuner))，以用于阻抗匹配。同轴传输线356将来自放大器350的输出的微波功率传导至调谐器354。在这个示例中，同轴波导(coaxial-to-waveguide)变压器358插在调谐器354与圆柱形腔120的耦接孔360之间。然而，如果采用极点(pole)或环形天线而不采用耦接孔，则不需要变压器358。虚拟负载(dummy load)362连接到循环器352的一个端口，在该端口，反射的功率可被卸除(dumped)以保护放大器350。微波通过各模块Set-1与Set-2的耦接孔360而被引入圆柱形腔120中，并在圆柱形腔120中激发TE111模式。在图2中，θ表示方位坐标，其中在点P处θ＝0，而在Q处θ＝π/2。
Figure BDA0002405798870000094
表示微波种子信号RF2out参照微波种子信号RF1out的时间相位角差。
通过振幅调制的慢速旋转模式：
可以通过对双数字相位与振幅产生器340的给定角频率ω下圆柱形腔120的半径与高度作适当选择而提供TE111模式。当微波在此状态下注入通过P处的耦接孔时，顺时针与逆时针旋转的波以相等的机率被同时发射。可以使用第一类(first kind)的贝索函数(Bessel function)J1将在位置(r、θ、z)处的TE111模式的轴向磁场分量Hz写为
Hz＝A[cos(θ-ωt)+cos(θ+ωt)]J1(κr)cos(βz)，(1)
其中A是振幅，β是由腔高度决定的轴向波数，κ是由
Figure BDA0002405798870000091
定义的径向波数。考虑r与z的固定位置，方程式(1)可以用标准形式重写为
ηP＝a[cos(θ-ωt)+cos( θ+ωt)]＝2a cosθ cosωt。(2)
以相同的方式，自位置Q处的耦接孔发射的波可利用相位延迟
Figure BDA0002405798870000092
写为：
Figure BDA0002405798870000093
在载波频率ω的同相注入
Figure BDA0002405798870000095
的情况下，来自P与Q的同步双注入产生所得的场(resultant field)：
η＝ηP+ηQ＝2(a cosθ+b sinθ)cosωt。(4)
对于慢速旋转，振幅a与b以低角频率Ωa(＜＜ω)调制为
a＝c cosΩat (5)
b＝c cos(Ω2t-γ) (6)
其中γ是该调制中的相位差。
接着方程式(4)简化为：
η＝A cos(Ω2t+ψ)cos ωt (7)
其中振幅A与相位ψ由以下方程式给定
Figure BDA0002405798870000101
Figure BDA0002405798870000102
在
Figure BDA0002405798870000103
(正的正交(positive quadrature))的特殊情况下，一个较简单的关系式适用：
η＝2c cos(θ-Ωat)cos ωt。(10)
在
Figure BDA0002405798870000104
(负的正交(negative quadrature))的情况下，方程式(7)、(8)与(9)简化为类似的关系式：
η＝2c cos(θ+Ωat)cos ωt。(11)
方程式(10)和(11)分别表示在低调制频率Qa下的场的顺时针和逆时针旋转。
前面的描述就轴向磁分量Hz而提供。然而，磁场的所有其他分量以及电场随Hz旋转。
为了激发方程式10(或方程式11)所代表的顺时针旋转的波，自P和Q发射的波应具有分别正比于方程式5与方程式6的形式且具有载波角频率ω及
Figure BDA0002405798870000105
(或
Figure BDA0002405798870000106
)：
ζp＝α cosΩat cosωt (12)
和
ζQ＝±α sinΩat cosωt (13)
圆柱形腔120内的波场以角频率Ωa旋转，方向(顺时针或逆时针)取决于方程式(13)的正负号。针对Ω引入初始相位
Figure BDA0002405798870000107
及针对ω引入初始相位
Figure BDA0002405798870000108
方程式(12)与(13)可以用更一般式表示为
Figure BDA0002405798870000109
和
Figure BDA0002405798870000111
其中
Figure BDA0002405798870000112
与
Figure BDA0002405798870000113
为任意初始相位。在不失一般性的情况下，在本说明书的其余部分中
Figure BDA0002405798870000114
设定为0，提供以下简化：
Figure BDA0002405798870000115
Figure BDA0002405798870000116
传统的模拟振幅调制器可以产生由方程式(14)和(15)表示的输入信号。然而，在这样的模拟调制器中，改变旋转频率
Figure BDA0002405798870000117
是很难的。为了解决此问题，本说明书的实施例使用数字控制器(如使用不同随机存取存储器(RAM)的现场可编程门阵列(FPGA))，以产生所需的波形。然而，为了在数字控制器中实现方程式(14)和(15)，sinΩat与
Figure BDA00024057988700001113
之间的时间尺度差应被慎重考虑。否则，可能需要不希望的大量RAM来实现cosΩat与sinΩat项。
双数字相位与振幅产生器340产生提供给模块Set1与Set2的微波信号RF1out与RF2out。根据一个实施例，振幅产生器340的内部结构由图3的框图所表示。图3的以下说明参照方程式(14)与(15)，但为了简化起见，只考虑对应正号的方程式(15)的版本。系统控制时钟fsys与上转换频率fmixRef产生于PLL(相位锁定回路)模块600中。经由用户接口输入用户所选的与方程式(14)和(15)相关的
Figure BDA0002405798870000118
B、fΩ值，用户接口可实施为计算机或PC 602，其中B正比于α。这些数据被传输到由fsys驱动的FPGA(现场可编程门阵列)604。FPGA 604以下述的方式产生两个数字信号，中频的in1与in2。数字信号in1与in2分别被传输到DAC(数字转模拟转换器)608。DAC608分别将数字信号in1与in2转换为由
Figure BDA0002405798870000119
与
Figure BDA00024057988700001110
定义的模拟IF(中频)信号。中间角频率是ωif＝2π fif。上转换器612使用上转换频率fmixRef将两个模拟IF信号
Figure BDA00024057988700001111
与
Figure BDA00024057988700001112
上转换为微波角频率ω＝2πf，以产生方程式(14)与(15)的输出信号。这些输出信号在图3中被标记为RFout1和RFout2，且通过相应的模块Set-1和Set-2耦接到图2中圆柱形腔120的位置P与Q处的相应的耦接孔360。
图4是FPGA 604的一个实施例的框图。RAM 610使用系统控制时钟fsys产生第一数字IF载波
Figure BDA0002405798870000121
其中Nsys＝2n是载波模数(modulus)而nsys是载波的计数(count of the carrier wave)。n的值由用户选择，且n一般可在5至7的范围内。
由RAM 620与622使用与所需的低频旋转对应的频率flclk(＝Nlclk fΩ)的低时钟来产生微波场的慢速旋转所需要的振幅调制波。在一个实施例中，flclk＝Nlclk fΩ。一般来说，Nlclk＝2m。整数m是任意数。一个典型的选择是Nsys＝2n＝Nlclk。
RAM 620利用慢速波计数nlclk及慢速波模数Nlclk产生余弦形式(同相)分量I为
Figure BDA0002405798870000122
低时钟计数nlclk为指向存储I的连续取样的RAM 620中的连续位置的地址指针的函数。
RAM 622根据低时钟计数nlclk与低时钟模数Nlclk产生正弦形式(正交)分量Q为
Figure BDA0002405798870000123
低时钟计数nlclk为指向存储Q的连续取样的RAM 622中的连续位置的地址指针的函数。
数字乘法器630组合余弦形式分量I与来自RAM 610的数字IF载波，以产生数字信号in1。数字乘法器640组合正弦形式分量Q与来自RAM 610的数字IF载波，以产生数字信号in2。
如以上参照图3所述，在DAC 608分别将数字信号in1和in2转换为由
Figure BDA0002405798870000124
与
Figure BDA0002405798870000125
定义的模拟IF(中频)信号。如以上参照图3所述，上转换器606将模拟IF信号上转换为相对应的微波信号RF1out和RF2out。微波信号RF1out和RF2out耦接至图2的圆柱形腔120。
通过相位调制的慢速旋转和振荡模式：
考虑方程式(2)与(3)中的恒定振幅a＝b的情况，所得的场变成：
Figure BDA0002405798870000131
在
Figure BDA0002405798870000132
特殊的情况下，方程式(16)简化为
Figure BDA00024057988700001313
方程式(17)表示微波频率ω下的圆形顺时针/逆时针旋转。在此情况下，经由考虑耦合效应，在P和Q处注入的微波在方程式(12)和(13)中分别表示为
Figure BDA0002405798870000133
和
Figure BDA0002405798870000134
在任意相位
Figure BDA0002405798870000135
的情况中，方程式(16)可以简化为
η＝C cos(ωt+ψ) (18)
其中
Figure BDA0002405798870000136
和
Figure BDA0002405798870000137
可通过引入以下方程式将线性相位调制引入方程式(18)-(20)：
Figure BDA0002405798870000138
在此情况下，
Figure BDA0002405798870000139
随时间斜线上升(ramped)，及表示于方程式(19)中的振幅C显示微波场针对图5A至5H所示的连续
Figure BDA00024057988700001310
值在极坐标中的分布。从图5A至5H中，可以看出，当
Figure BDA00024057988700001311
随着时间斜线上升时，所得到的微波场分布在转动和振荡之间依次交替。
通过由以下信号驱动图2的位置P与Q处的微波输入来获得旋转频率Ωp下的振荡与慢速旋转：
Figure BDA00024057988700001312
和
Figure BDA0002405798870000141
在这种情况下，腔中的波以频率Ωp交替振荡和旋转，而产生脉动模式。
传统的模拟相位调制实现方程式(22)。然而，Ωp的选择是有限的。在方程式(22)和(23)的数字实现中，ω与Ωp之间的时间尺度差应予以考虑。为了产生方程式(22)和(23)的信号，图3的FPGA 604具有图6所示的内部结构，其为图4结构的修改。在图6中，RAM 610、620和622以上面参考图4所述的方式运作。图6的RAM 623提供常数a。图6实施例中额外的RAM 612使用系统控制时钟fsys来产生第二数字IF载波：
Figure BDA0002405798870000142
其中Nsys＝2n是载波模数而nsys是载波的计数。
RAM 620与622存储产生由cosΩpt与sinΩpt的方程式23所代表的线性调制的信号，其中Ωp是所需的慢速旋转/振荡频率。因为相应的调制信号包含相对应的正弦与余弦项，所以所述相应的调制信号是互为彼此的余函数。
RAM 610的输出作为数字信号in1使用。数字乘法器660将RAM 610和620的输出相乘。数字乘法器662将RAM 612和622的输出相乘。加法器664将数字乘法器660、662和663的乘积加在一起，并提供所得到的总和作为数字信号in2。数字转模拟转换器608将因此所产生的数字信号in1与in2转换为相对应的模拟信号，所述相对应的模拟信号依以上参照图4所述的方式处理而产生微波信号RFout1与RFout2。
三个模式的迭加(superposition)：
在上述中，已经描述三个模式：(a)具有角频率ω作为载波频率的快速旋转模式(方程式(17-2)和(17-3))；(b)具有角频率Ω(Ω＜＜ω)的慢速旋转模式((方程式(14)和(15))；及(c)具有角频率Ωp其中Ωp＜＜ω的慢速脉动模式(方程式(22)和(23))。在方程式(14)与(15)的振幅调制中，例如，可针对常数u修改振幅为(1+μ sinΩal)，并加上相位调制项-Ωpt，而产生下列一组方程式：
Figure BDA0002405798870000151
Figure BDA0002405798870000152
此双注入的类型包括上面提到的三个旋转模式。当结合模式(a)和(b)时，图6的FPGA被修改为图7中所示的结构。
直接数字上转换：
图8至图11描绘采用直接数字上转换(DDUP)的实施例，其代替来自中频的上转换。在图8至11的实施例中，不需要到中频的任何转换。现在所描述的是如何使用直接数字上转换产生微波信号RFout1和RFout2，RFout1和RFout2被馈送至图2的圆柱形腔120。图8的FPGA604经调整而合成较低频率的数字信号，微波场信号RFout1和RFout2由所述较低频率的数字信号所产生。在图8的实施例中，FPGA 604可以产生各较低频率的振幅调制信号的同相数字分量与正交数字分量。各振幅调制信号是微波场信号RFout1和RFout2中相对应的一个之前驱物(precursor)。
在图8中，数字转模拟转换器(DAC)608将低频数字信号转换为模拟信号。DAC 608分别具有数字输入1-A、1-B、2-A和2-B以及模拟输出1-Iin、1-Qin、2-Iin和2-Qin。在数字输入1-A、1-B、2-A和2-B处的数字信号分别被转换为在模拟输出1-Iin、1-Qin、2-Iin和2-Qin处的相对应的模拟信号。
对应于RFout1的数字同相分量对应到数字输入1-A，而对应于RFout1数字正交分量对应到数字输入1-B。类似地，对应于RFout2的数字同相分量对应到数字输入2-A，而相应于RFout2的数字正交分量对应到数字输入2-B。
两个DDUP集成电路(DDUP IC)被用来将低频振幅调制信号直接上转换为微波载波频率ω。DDUP IC 607-1结合模拟输出1-Iin与微波频率ω的同相分量，以产生第一乘积。DDUP IC 607-1进一步结合模拟输出1-Qin与微波频率ω的正交分量，以产生第二乘积。DDUP IC 607-1将第一和第二乘积相加，以产生微波信号RF1out。
DDUP IC 607-2结合模拟输出2-Iin与微波频率ω的同相分量，以产生第三乘积。DDUP IC 607-2结合模拟输出2-Qin与微波频率ω的正交分量，以产生第四乘积。DDUP IC607-2将第三和第四乘积相加，以产生微波信号RF2out。每个DDUP IC的功能示于图8A中，将典型的DDUP IC(如DDUPIC 607-1)描绘为具有组合(混合器)函数802、另一个组合函数804与加法器806，组合函数802用于混合同相模拟信号与微波频率的同相分量，组合函数804用于混合正交模拟信号与微波频率的正交分量，加法器806用于将来自混合器函数802和804的两个乘积相加。
图8的FPGA 604包括4个随机存取存储器(RAM)620、720、622和722，其具有连接至DAC 608的四个数字输入1-A、1-B、2-A和2-B中相应的数字输入的输出，如图9所示。图9描绘用于实施通过振幅调制产生慢速旋转微波场的模式的FPGA 604的一个配置。
在图9的模式中，RAM 720具有零内容(zero content)，使得没有信号被施加于DAC608的数字输入1B，同时RAM 722具有零内容，使得没有信号被施加于DAC 608的数字输入2B。在图9的模式中，RAM 620依以上参照图4所述的方式操作以产生振幅调制信号的数字同相分量
Figure BDA0002405798870000161
其施加于DAC 608的数字输入1A。该DAC将此信号转换为模拟输出1-Iin处的模拟振幅调制信号B cosΩat。DDUP IC 607-1混合模拟调制信号B cosΩat与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000162
以产生微波信号RF1out为：
Figure BDA0002405798870000163
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
在图9的模式中，RAM 622依以上参照图4所述的方式操作以产生振幅调制信号的数字正交分量
Figure BDA0002405798870000164
其施加于DAC 608的数字输入2A。该DAC 608将此信号转换为模拟输出2-Qin处的模拟振幅调制信号B sinΩat。DDUP IC 607-2混合模拟调制信号B sinΩat与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000165
以产生微波信号RF2out为：
Figure BDA0002405798870000166
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
图10描绘用于实施通过线性相位调制产生慢速旋转微波场的模式的FPGA 604的配置。在图10的模式中，RAM 620提供常数a至DAC 608的数字输入1A，其被传送到模拟输出1-Iin。RAM 720具有零内容，使得没有信号被施加于DAC 608的数字输入1B，且没有信号存在于相对应的DAC 608的模拟输出1-Qin处。在图10的模式中，RAM 622依以上参照图4所述的方式操作以产生振幅调制信号的数字同相分量
Figure BDA0002405798870000171
其施加于DAC 608的数字输入2A。该DAC 608将此信号转换为模拟输出2-Iin处的模拟振幅调制信号a cosΩat。
RAM 722产生振幅调制信号的数字正交分量
Figure BDA0002405798870000172
其施加于DAC 608的数字输入2B。该DAC 608将此信号转换为模拟输出2-Qin处的模拟振幅调制信号a sinΩat。
DDUP IC 607-1混合从输出1-Iin接收的常数a与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000173
以产生微波信号RF1out为：
Figure BDA0002405798870000174
其中α是混合增益，ω是微波频率。
DDUP IC 607-2混合模拟调制信号a·cosΩat与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000175
以产生第一乘积信号
Figure BDA0002405798870000176
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
DDUP IC 607-2混合模拟调制信号a·sinΩat(存在于模拟输出2-Qin处)与微波频率正交分量
Figure BDA0002405798870000177
以产生第二乘积信号
Figure BDA0002405798870000178
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
DDUP IC 607-2将第一和第二乘积信号相加，以产生微波输出信号RFout2为
Figure BDA0002405798870000181
图11描绘用于实施分别产生频率ω与频率Ωa的微波场的快速与慢速旋转的模式的FPGA 604的配置。在图11的模式中，RAM 620提供常数A与振幅调制信号的数字同相分量之和，为
Figure BDA0002405798870000182
其施加于DAC 608的数字输入1A。该DAC 608将此信号转换为模拟输出1-Iin处的模拟振幅调制信号A+B cosΩat。RAM 720具有零内容，使得没有信号被施加于DAC 608的数字输入1B，而且没有信号存在于相对应的DAC 608的模拟输出1-Qin处。
在图11的模式中，RAM 622产生振幅调制信号的数字正交分量
Figure BDA0002405798870000183
其施加于DAC 608的数字输入2A。该DAC 608将此信号转换为模拟输出2-Iin处的模拟振幅调制信号B sinΩat。RAM 722输出常数A，其被施加于DAC 608的数字输入2B并被传送通过以到模拟输出2-Qin。
DDUP IC 607-1混合在模拟输出1-Iin处的模拟振幅调制信号A+B cosΩat与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000184
以产生微波信号RF1out为：
Figure BDA0002405798870000185
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
DDUP IC 607-2混合在模拟输出2-Iin处的模拟振幅调制信号B sinΩat与微波频率同相分量
Figure BDA0002405798870000186
以产生第一乘积信号
Figure BDA0002405798870000187
且其中α是混合增益。
DDUP IC 607-2混合在模拟输出2-Qin处的常数A与微波频率正交分量
Figure BDA0002405798870000188
以产生第二乘积信号
Figure BDA0002405798870000189
其中α是混合增益。
DDUP IC 607-2将第一和第二乘积信号相加在一起，以产生微波输出信号RFout2为：
Figure BDA00024057988700001810
其中α是混合增益，Ωa是用户选择的慢速旋转频率而ω是微波频率。
前述实施例可通过计算机(如计算机602)存储或存取可执行指令以用于执行上述实施例的功能来实施。所述指令可自网络或因特网连接、自磁盘或自其他合适的介质存取。通过提供经由计算机对用于执行该功能或方法的可执行指令的存取，计算机可以说是经编程以执行该功能或方法。
优点：
本发明的实施例通过旋转等离子体源的微波场来提供跨大腔室压力范围的均匀处理结果。数字合成微波旋转使得可以将旋转频率设置得低至所希望的，而使等离子体即使在高腔室压力下也能够跟随转动。
虽然前面所述是针对本发明的实施例的，但在不背离本发明基本范围下，可设计本发明的其他与进一步的实施例，且本发明的范围由随后的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种等离子体反应器，包括：
圆柱形微波腔，所述圆柱形微波腔在工件处理腔室之上，并且所述圆柱形微波腔的侧壁中的第一与第二耦接孔以一角度分隔开；
相位锁定回路模块，所述相位锁定回路模块用于产生系统控制时钟信号和上转换频率信号；
微波源，所述微波源具有微波频率且包括微波控制器，所述微波控制器具有耦接至所述第一与第二耦接孔中的相应耦接孔的相应的微波输出，所述微波控制器包含：
(a)数字调制信号的源，所述数字调制信号具有对应于慢速旋转频率的第一频率；
(b)数字载波信号的源，所述数字载波信号具有对应于中频的第二频率；
(c)现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列由所述系统控制时钟信号驱动并产生两个中频的数字输出in1与in2，所述两个数字输出中的至少一个为所述数字载波信号和所述数字调制信号的组合，所述数字载波信号具有低于所述微波频率的所述第二频率，所述数字调制信号具有低于所述第二频率的所述第一频率；
(d)数字转模拟转换器，所述数字转模拟转换器经耦接以接收所述相应的输出in1与in2且具有对应于所述输出in1与in2的模拟输出；及
上转换器，所述上转换器具有与所述模拟输出耦接的输入，所述上转换器包含所述微波输出。
2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述现场可编程门阵列包括一对乘法器。
3.如权利要求2所述的等离子体反应器，进一步包括：
第二数字调制信号的源，所述第二数字调制信号具有对应于所述慢速旋转频率的所述第一频率。
4.如权利要求3所述的等离子体反应器，其特征在于：
所述一对乘法器中的第一个乘法器经耦接以接收所述数字调制信号与所述数字载波信号，且具有包含所述输出in1的第一乘法器输出；及
所述一对乘法器中的第二个乘法器经耦接以接收所述第二数字调制信号与所述数字载波信号，且具有包含所述输出in2的第二乘法器输出。
5.如权利要求3所述的等离子体反应器，进一步包括所述第二频率的第二数字载波信号的源。
6.如权利要求5所述的等离子体反应器，其特征在于：
所述数字载波信号的所述源耦接至所述输出in1；
所述一对乘法器中的第一个乘法器经耦接以接收所述数字调制信号与所述数字载波信号；
所述一对乘法器中的第二个乘法器经耦接以接收所述第二数字调制信号与所述第二数字载波信号，且具有包含所述乘法器输出in2的第二乘法器输出；及
其中所述乘法器级进一步包括加法器，所述加法器经耦接以接收所述一对乘法器的输出，所述加法器具有包含所述输出in2的输出。
7.如权利要求3所述的等离子体反应器，其特征在于，所述数字调制信号和所述第二数字调制信号分别包括余弦形式分量I与正弦形式分量Q。
8.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述上转换器具有等于所述微波频率的输出频率。
9.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述角度是90度。
10.如权利要求1所述的等离子体反应器，进一步包括用户接口，所述用户接口用于允许用户指定所述慢速旋转频率。
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