CN111433883B - 匹配的源阻抗驱动系统以及对其进行操作的方法 - Google Patents

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Abstract

在参考点处(例如，在发生器输出端处)具有有效源阻抗Zg的射频(RF)发生器包括参考输入端，并在所述参考点处，控制K(v+Zgi)的幅值以及相对于在参考输入端处接收到的信号的相位，其中v和i分别是参考点处的电压和在参考点处从发生器流出的电流，并且K是标量。发生器在传输功率时和在吸收功率时保持对K(v+Zgi)的控制。

Description

匹配的源阻抗驱动系统以及对其进行操作的方法
相关申请的交叉引用
本专利合作条约(PCT)申请与2017年10月11日提交的题为“Matched SourceImpedance Driving System and Method of Operating the Same(匹配的源阻抗驱动系统以及对其进行操作的方法)”的美国专利申请No.15/730,131有关并要求该美国专利申请的优先权，出于所有目的将该美国专利申请的整体内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的各方面涉及改进的用于驱动等离子体处理系统的方法和系统。
背景技术
等离子体处理系统用于使用诸如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)之类的工艺在基板上沉积薄膜，并使用蚀刻工艺从基板上去除膜。通常通过将射频(RF)发生器或直流(DC)发生器耦合到填充有气体的等离子体腔室来创建等离子体，所述气体以低压注入该等离子体腔室。通常，使用耦合到阻抗匹配网络的RF发生器将RF功率施加到等离子体室。匹配网络随后耦合到天线，该天线耦合到等离子体。在此应用中使用的常见天线是电容耦合电极和电感耦合线圈。
在衬底表面上保持均匀的沉积或蚀刻速率是必要的。控制腔室中的电磁场分布是实现均匀的沉积和蚀刻速率的一个因素。通过使用具有多个输入端的天线或多个天线，并用受控的幅值和相对相位来驱动天线输入端，可以改善电磁场分布。将来自单个RF发生器的输出进行拆分以驱动具有所需幅值和相位关系的多个天线输入端是难以实现的。使用耦合到天线输入端的单独的RF发生器需要一种新型的RF发生器，因为除其它挑战之外，输入端之间强耦合的可能性导致发生器之间的不合需的相互作用。尤其是考虑到这些观点，构思了本公开的各方面。
发明内容
根据一个实施例，在参考点处(例如，在发生器输出端处)具有有效源阻抗Zg的射频(RF)发生器包括参考输入端，并控制所述参考点处的K(v+Zgi)的幅值以及相对于在参考输入端处接收到的信号的相位，其中v和i分别是参考点处的电压和在参考点处从发生器流出的电流，并且K是标量。在又另一个实施例中，发生器在输送功率时以及在吸收功率时保持对K(v+Zgi)进行控制。
附图说明
根据以下对如在附图中示出的那些技术的特定实施例的描述，本公开的技术的各种特征和优点将是显而易见的。应当注意，附图不一定按比例绘制；然而，替代地，重点放在说明技术概念的原理上。同样，在附图中，相似的参考字符可贯穿不同的视图指代相同的部分。附图仅描绘了本公开的典型实施例，并且因此，不被视为对范围的限制。
图1示出了根据本公开的一个实施例的可以在等离子体腔室上实现的示例匹配源阻抗驱动系统。
图2示出了连接到负载的RF发生器的戴维南(Thévenin)等效电路。
图3A示出了根据本公开的一个实施例的可以与图1的系统一起使用的示例RF发生器。
图3B示出了根据本公开的一个实施例的可以与图3A的RF发生器一起使用的示例滤波器。
图4示出了根据本公开的一个实施例的可以被执行以准备驱动等离子体系统的示例过程。
图5示出了根据本公开的一个实施例的可以被执行以驱动等离子体系统的示例过程。
图6示出了根据本公开的一个实施例的示例计算机系统。
具体实施方式
本公开的实施例提供了一种用于使用多个锁相源(RF发生器)的多输入端等离子体腔室的匹配源阻抗驱动系统，其中每个源被控制为传输相关于源的源阻抗计算的正向功率，以驱动等离子体腔室的多个输入端。尽管传统技术已被实现为具有用于驱动等离子体腔室的多个天线输入端的单个RF发生器以及固定或可变的分配网络，但是在实践上，很难在这些输入端之间维持适当的幅值和相位关系，同时还向发生器的输出提供良好匹配的阻抗。本公开的各实施例通过提供一种RF发生器来解决该问题以及其它问题，该RF发生器在传输功率时以及在吸收功率时，控制在某个参考点(通常为该发生器的输出端)处的电压和电流的线性组合的幅值以及相对于在参考输入端处提供的输入信号的相位。如果将电压和电流的线性组合选择为标量乘以该电压与该电流乘以发生器的源阻抗的和，则受控量(实际上为标量乘以如散射参数的理论中遇到的正向分量或入射分量)对向发生器呈现的阻抗不敏感。此外，以RF频率利用并联的较小的电流源可以使得这种方法对无限参考阻抗场景具有吸引力。
为了实现等离子体腔室中均匀的等离子体激励，可以利用激励天线的多个输入端，其可以用该多个输入端之间的特定幅值和相位关系来相干地驱动。一旦确定了在等离子体室中创建期望电磁场的激发(理论上或通过实验)，就可以按多种方式来指定该激发。例如，如果记录了所有N个输入端处的电压，则指定N个输入端处的电压是对期望激励的一种指定。或者，可以将所需的电压施加到系统，并测量N个输入电流。指定N个输入电流是对在腔室内产生相同的电磁场(假设系统运行良好且不像某些非线性系统那样允许多种解决方案)的等效指定。通常，在每个输入端处，可以指定与期望激励等效的电压和电流的线性组合。激励(例如，电压、电流或其组合，例如正向分量)如何被指定以驱动多个输入端的选择通常不受用于驱动输入端的源的提供方的控制，因为它通常由等离子体处理设备的用户来确定。对于给定的指定激励，为发电设备正确选择源阻抗通常很重要。例如，如果将幅值和相位关系指定为正向电压(即电压加上电流乘以参考阻抗)，则用具有等于参考阻抗的源阻抗的发生器来驱动输入端显著简化了控制问题，因为在这种情况下，受控变量对等离子体系统向发生器呈现的阻抗不敏感。
重要的控制参数是向等离子体系统传输的总功率。使用单个发生器和分配网络将功率分配到天线输入端，允许简单地控制向等离子体系统传输的总功率。但是，控制电压和电流线性组合并不直接控制传输功率。(所选择的电压和电流线性组合的相同值将导致传输功率的不同值，这取决于向发生器呈现的阻抗。)等离子体负载的非线性特性以及各个发生器之间达到其目标值的延迟和等离子体负载的变化可以导致在各个发生器接近其目标电压和电流线性组合时向等离子体传输过多的功率。可以构想，除了控制电压和电流线性组合之外，每个单独的发生器将对参数(诸如传输功率以及相关于某个参考阻抗计算出的正向功率和反射功率的组合)具有限制。还可以构想，各个发生器将向主控制器报告从电压、电流、阻抗、传输功率、正向功率和反射功率中选择出的测量值或这些测量值的推导结果(例如，负载反射系数、无功功率等)，该主控制器将调节每个发生器的目标电压和电流线性组合，以确保符合总传输功率目标和其它标准，诸如由单个发生器传输的最大功率，一个或多个输入端处的最大电压等。如果执行了这种功率控制，则在某些情况下，可以仅将天线输入端处的电压和电流的线性组合控制为高达比例因子。例如，如果各个发生器的设定值为(s1，s2，…sN)，则可以将设定值调整为k(s1，s2，…sN)，其中k为实数，以便保持输入端高达比例因子，同时满足总传输功率要求。
相比于其它组合，特定电压和电流线性组合可与腔室内的期望电磁场更紧密相关(例如，如果天线磁性耦合到等离子体，则与电压相比，电流可以与电磁场更紧密相关；如果天线电容耦合到等离子体，则与电流相比，电压可以与电磁场更紧密相关)。可能出现这样的情况，其中使发生器对等离子体系统的变化不敏感的电压和电流的线性组合，使电磁场分布对等离子体系统的细微变化敏感。在这种情况下，对电磁场变化的紧密控制可以通过以下方式来获得：调节赋予发生器的设定值，以便维持等离子体室中与电磁场密切相关的那些电压和电流线性组合。所需的调节可以通过以下方式来确定：扰动发生器设定值，以确定系统在操作点附近的线性化响应并且随后计算对发生器设定值的调节。为了实现这些计算，应当从每个发生器获得两个电压和电流线性独立组合。例如电压和电流；或者相关于具有非零电阻部分的阻抗计算出的正向功率和反射功率；或者电压加上电流和电压减去电流等。)
为了说明该过程，令与连接到第k个天线输入端的第k个发生器的发生器源阻抗匹配的电压和电流线性组合为fk，并且令从发生器获得的第二个电压和电流线性独立组合为rk。将Ak定以为将fk和rk与第k个天线输入端处的电压和电流vk和ik分别相关的矩阵：
Figure BDA0002523877610000051
令第k个天线输入端处的使电磁场分布对等离子体系统的细微变化不敏感的电压和电流的线性组合为ck。将Ck定义为将ck与vk和ik相关的矩阵：
Figure BDA0002523877610000052
令系统在操作点附近的线性化响应为H。在Δ表示(通常很小)变化的情况下：
Figure BDA0002523877610000053
Figure BDA0002523877610000054
线性化响应矩阵H可以通过每次扰动一个发生器逐列地确定，如下所示：
Figure BDA0002523877610000055
假定导致期望电磁场分布的ck的值是已知的，并且由于ck的当前值可以根据fk和rk计算，因此用于获得期望值的ck的期望变化Δck是已知的，其中k＝1,2，…N。在Ik为N x N单位矩阵的第k行的情况下：
Figure BDA0002523877610000061
Figure BDA0002523877610000062
Figure BDA0002523877610000063
Figure BDA0002523877610000064
注意到，对于调节fk以实现使期望的ck收敛到期望值的重复过程，不必精确知道H。如果H的良好近似已知、或者不经常计算、或每次视情况而计算，则可以完全省略扰动发生器以确定H的步骤。注意，假设矩阵M是可逆的–情况可能并不总是如此，在某些情况下，M的条件可能如此恶劣，以至于该过程将无法工作，但是可以预期，在许多应用中，该过程可以导致收敛到期望的ck。
等离子体腔室的提供方可以指定限制情况，诸如与指定电压对应的零参考阻抗，以及与用于激励等离子体腔室的指定电流对应的无限参考阻抗。在这些限制情况下，合适的发生器在零参考阻抗情况下为电压源，并且在无穷参考阻抗情况下为电流源。然而，拆分来自单个发生器的输出，并使用可变的阻抗元件来实现期望的相位和幅值关系的常规技术是昂贵的并且实现起来的相对较难。
图1示出了根据本公开的一个实施例的示例匹配源阻抗驱动系统100，其可以用于驱动等离子体腔室102的天线(例如，电极)112。等离子体腔室102包括用于容纳用于处理(例如沉积或蚀刻)的等离子体104和基板106的外壳。根据本公开的实施例，匹配源阻抗驱动系统100包括多个RF发生器108，每个RF发生器被配置为测量参考点122处的电压124和电流126的线性组合以及参考信号110。发生器还在传输功率时以及在吸收功率时，将该电压和该电流的线性组合的幅值以及相对于参考信号的相位调节到从系统控制器116接收到的目标值。
等离子体腔室102可以是能够产生用于处理衬底106的等离子体的任何类型。例如，尽管等离子体腔室102被示出为具有三个天线112，但是应当理解，等离子体腔室102可以具有任何合适数量的天线112、或单个或多个天线的单个或多个输入端。另外，可以想到，等离子体腔室102可以包括在等离子体腔室102内的多个线圈(代替电极112)，这些线圈用作用于将电磁能发射到等离子体腔室102中的天线。参考信号110可以由信号发生器114或发生器108中的一个发生器提供。这些发生器还可以共享公共的DC电源118(在电源轨120上)，向等离子体系统传输功率的发生器108可以从该公共的DC电源118吸收功率，，而从等离子体系统吸收功率的发生器108可以向该公共的DC电源118返回功率。
为了在等离子体室中实现均匀的等离子体激励，可以利用激励天线的多个输入端。这些输入端是利用这些输入端之间的某种指定的幅值和相位关系来相干地驱动的。本领域的当前状态已使用与固定的或可变的分配网络耦合的单个RF发生器来驱动多个天线(例如，电极)输入端。在实践中，难以维持所需的幅值和相位关系并且同时还向单个RF发生器提供匹配良好的阻抗。如果使用多个锁相发生器来驱动各单独的电极输入端，则可以简化该问题。然而，经常出现的复杂情况是一些发生器可能需要吸收功率以便维持所需的幅值和相位关系。然而，传统的发生器并非被设计成以受控方式吸收功率；也就是说，并非被设计成，在吸收功率时，在发生器输出端或某个另外定义的参考点处提供某个电压和电流线性组合的指定的幅值和相对相位。
除了以受控方式吸收功率的能力之外，使发生器的源阻抗与所请求的电压和电流线性组合匹配，使得所请求的组合对等离子体的变化不敏感，也可能是有用的。例如，如果幅值和相位关系被指定为正向(入射)分量(即(v+Zoi)/[2√实部(Zo)]，其中v为电压，i为电流，Zo为参考阻抗)，则用具有等于该参考阻抗的源阻抗的发生器来驱动输入端显著地简化了控制问题，因为在这种情况下，受控变量即正向(入射)分量对等离子体系统向发生器呈现的阻抗不敏感。通常，会指定与指定电压对应的限制情况(诸如零参考阻抗)和与指定电流对应的无限参考阻抗。在限制情况下，合适的发生器分别是电压源和电流源。
图2是示出了与负载206耦合的在某个参考点(通常为发生器的输出端)处有效的RF发生器108的戴维南(Thévenin)等效电路208的示图200。已知这种戴维南等效电路良好地对实际发生器的行为进行了建模(参见美国专利申请20150270104)。如所示地，戴维南等效电路208包括与戴维南等效阻抗(Zo)204耦合的戴维南等效电压源(V)202。另外，戴维南等效电路208具有与负载阻抗(ZL)206耦合的输出端。发生器108的源阻抗是戴维南等效阻抗204。
相关于从发生器的角度来看在到负载206的接口处的发生器源阻抗计算的正向(入射)分量按比例缩放，使得该正向分量的模平方是入射到负载上的正向功率，即：
Figure BDA0002523877610000081
这里，v是发生器的输出电压，并且i是从发生器208输出的电流。由于以下：
V＝v+Z0i，
因此正向分量a与V成比例，并且独立于负载阻抗ZL 206。在发生器的这种模型中，对于发生器功率放大器或转换器的控制输入端固定的情况，V趋于保持固定。因此，对标量乘以电压与电流乘以发生器源阻抗的和进行控制，使得受控量对负载阻抗不敏感。
在特定示例中，两个天线112由两个RF发生器108以单个频率(例如13.56MHz)驱动。该示例不排除存在另外的天线112，可能还具有耦合到相同等离子体腔室102的以相同的频率或另一频率(例如2MHz)驱动的对应输入端。另外，本示例仅涉及在激励频率处的电流、电压和电磁场，而不涉及谐波含量、混合产物和互调产物，尽管这些可能很重要。
对于要在天线112输入端处控制什么的选择在某种程度上是任意的。例如，如果每个输入端处的电压的幅值和相对相位是在场分布为所期望的那样时测量的，则在相同的系统上复制这些电压将导致相同的场分布。或者，可以控制一些输入端处的电流和其它输入端处的电压。通常，控制每个天线112处的电压和电流线性组合将会控制电场分布。在此特定示例中，输入端将限于为可以明确限定电流和电压的那些输入端。
控制每个天线112输入端处的电压和电流线性组合将会控制所有输入电压和所有输入电流。因此，在无论是通过测量还是通过计算(假定网络的属性是已知的)来给定一组输入端条件的情况下，所有输入端处的所有电压和所有电流都是已知的。因此，天线112的输入端处的电压(v)和电流(i)的线性组合的任何一个集合可以被转换成电压和电流线性组合的不同集合。例如，在给定一个输入端处的期望激励为10.0安培(10+j0)，并且第二输入端处的期望激励为(3+j5)安培的情况下，电流可被施加到这些输入端，并在此激励下测量这些输入端处的电压。例如，如果在此激励下，第一和第二输入端处的电压分别被测量为(55-j20)伏特和(-2-j3)伏特，则以下任何系统将导致其中发生器(源)对等离子体负载不敏感的系统：
1)使用用于驱动两个输入端的两个电流源，其规格为：
(10+j0)A以及(3+j5)A：以及
2)使用两个电压源，其规格为(58.5+j0)V以及(-0.85–j3.5)V；
3)使用两个50欧姆源阻抗发生器，其规格为正向分量角为0°的1542W正向功率，以及正向分量角为61°的415W正向功率。
4)使用电压源和3-j2欧姆源阻抗发生器，其规格为(58.52+j0)V，以及正向分量角为39.4°的相关于3-j2欧姆计算出的27.1W正向功率。
注意到，对于该示例，在所有情况下，第一发生器将550W功率传输到5.5–j2欧姆的负载中，且第二发生器从-0.62+j0.03欧姆的负载吸收21W，并且还有更多这一类型的示例。
图3A示出了示例RF发生器300，该示例RF发生器300可与根据本公开的一个实施例的发生器108一样与图1的系统100一起使用。RF发生器300包括如图所示耦合在一起的DC源302、半桥304、滤波器306、传感器308、测量系统310和控制器312。DC源302、半桥304、传感器308、测量系统310和控制器312形成反馈回路，用于将输出保持在某个幅值和相对于由系统控制器(例如图1的116)通过通信信道316命令的参考信号314的相位。
常规的RF发生器并非被设计为以受控方式吸收有效功率。也就是说，它们通常不被设计为通过控制在某个参考点处(例如，在发生器的输出端连接器处或在沿着电力传输系统的其它某个点处)的电压、电流或者电压和电流的线性组合的相位来吸收受控量的功率。然而，在可能需要以受控方式吸收功率的情况下，所示的RF发生器300的实施例可以适合于驱动等离子体腔室102的各个天线112的输入端。
RF发生器300可以设置有可以吸收功率的引擎(例如，功率放大器、转换器、逆变器等)。另外，RF发生器300可以设置有输入端，从该输入端接收相位参考信号314。RF发生器300还可以设置有测量和控制系统，该测量和控制系统允许发生器以受控的方式传输和吸收功率。此外，RF发生器300可以被调节以实现对功率相对准确的传输和吸收，同时对在某个参考点处的电压和电流的线性组合相对于在相位参考输入端处接收到的输入的相位进行控制。
如所示出的，RF发生器300能够在传输功率或者吸收功率时控制幅值和相对于某个参考点处的电压和电流线性组合的参考的相位。当吸收功率时，功率可以返回给DC源302。该功率然后可以被消散或用于有用的工作，例如，通过经由公共的电源总线120将功率供应给向等离子体腔室102传输功率的其它RF发生器300。
RF发生器300可以以允许开发和维护指定输出的任何适当模式进行操作。在各种实施例中，RF发生器300可以具有有限源阻抗、零源阻抗(即电压源)或无限源阻抗(即电流源)。有限源阻抗可以通过以下方式来实现：以线性操作而非开关模式操作来操作半桥，或者以平衡的放大器配置组合两个半桥，以维持效率，同时提供有限源阻抗。以开关模式操作半桥，并且例如使用连接在半桥和输出端之间的串联谐振LC滤波器或者使用具有180°延迟或更一般地具有等于90°的偶数倍的延迟的滤波器306会创建零源阻抗发生器。以开关模式操作半桥，并且使用具有90°延迟或者更一般地等于90°的奇数倍的延迟的滤波器306会创建无限源阻抗发生器。
90°的偶数倍和奇数倍的延迟通常对于正和负的90°的倍数都成立。具有负延迟的滤波器可能具有正相位超前。90°延迟滤波器的相对简单的实现可以包括电抗为X的串联电感器后接电抗为-X的并联电容器。这种滤波器将幅值为V的电压源转换为幅值为V/Z0的电流源，其中Z0等于L/C的平方根，其中L为电感器的电感，并且C为电容器的电容。该示例大体描述了串联谐振储能电路，该谐振储能电路以其谐振频率与电压源(诸如半桥)一起操作，该电压源驱动该储能电路并且在该电压源连接至电容器的位置与电感器和电容器之间的连接之间获取输出。对应的90°延迟相位超前(或-90°延迟)滤波器具有电抗为–X的串联电容器以及电抗为X的并联电感器。该滤波器也可以将幅值为V的电压源转换为幅值为V/Z0的电流源，其中Z0等于L/C的平方根，其中L是电感器的电感，并且C是电容器的电容。该示例还可以描述串联谐振储能电路，该谐振储能电路以其谐振频率与电压源(诸如半桥)一起工作，该电压源驱动储能电路，但在这种情况下，该电压源在该电压源连接至电感器的位置与电感器和电容器之间的连接之间的获取输出。
在这种环境下，当输出端端接到电阻性负载时，滤波器延迟可以取为电压传递函数的相位延迟。任意延迟(例如30°)的滤波器都对该滤波器所端接到的负载电阻敏感，从而仅在特定的端接负载电阻时才实现30°延迟。延迟等于90°的奇数倍的滤波器对向上到某个高电阻值的宽广范围的端接电阻值()保持该延迟，而延迟等于90°的偶数倍的滤波器则对向下到某个低电阻值的宽广范围的端接电阻值保持此延迟。当考虑滤波器延迟时，该延迟通常在发生器中的某个节点(例如在图3A中的节点a)和该参考点之间，并且可以因此包括诸如传感器308之类的电路对延迟的影响。由于实际限制，真正的电压和电流源很难构建。如果所获得的源阻抗Z0足够低(例如|Z0|＜10)，则RF发生器300可以仅控制其输出电压。如果所获得的源阻抗Z0足够高(例如|Z0|＞250)，则RF发生器300可以仅控制其输出电流。
RF发生器无法从无源负载吸收功率，但是在多个发生器连接到同一等离子体系统的情况下，一些发生器可以传输功率，并且一些发生器可以吸收功率。从连接到天线112输入端的发生器300的角度来看(发生器300需要从天线112吸收功率)，发生器300连接到电源。调节RF发生器300的戴维南等效电压的幅值和相位允许受控地从与其连接的源吸收功率，只要来自该RF发生器300连接到的源的可用功率大于该RF发生器300需要吸收的功率。实际限制可能更具限制性，并且操纵所选择的电压和电流线性组合的功率和相位的能力也受到RF发生器300的能力(诸如RF发生器300的电压、电流和功率限制)的限制。发生器300的戴维南等效电压源的幅值可以通过调节DC源302来调节，并且相位可以通过调节半桥304切换的定时来调节。
半桥304通常由任何合适类型的两个开关形成，诸如两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT)。
传感器308可以是定向耦合器或电压和电流(VI)传感器或任何其它合适的传感器。测量系统310可以使用模拟电路或模数转换器和数字电路来实现。
控制器312可以包括执行存储在存储器(例如，计算机可读介质)中的指令以控制RF发生器300的操作的处理系统。在其它实现中，可以构想，控制器312可以用其它特定形式来具体化，诸如使用分立和/或集成的模拟电路、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其任意组合。
控制器312可以包括一个或多个处理器或其它处理器件和存储器。该一个或多个处理器可以处理机器/计算机可读的可执行指令和数据，并且存储器可以存储机器/计算机可读的可执行指令。处理器是硬件，并且存储器是硬件。RF发生器300的存储器可以包括随机存取存储器(RAM)和/或其它非暂态存储器，例如，诸如一个或多个闪存盘或硬盘驱动器之类的非暂态计算机可读介质。非暂态存储器可以包括任何有形的计算机可读介质，该计算机可读介质包括例如磁盘和/或光盘、闪存驱动器等。
图3B示出了根据本公开的一个实施例的可以与图3A的RF发生器300一起使用的示例滤波器306。滤波器306可以包括电感性预加载电路330。电感性预加载电路提供用于软(零电压)切换的电感性电流，而不影响发生器的源阻抗。与未被专门设计用于吸收功率的发生器相比，被设计用于吸收功率的发生器可能需要更多的电感性电流来维持在吸收功率时进行软切换。该滤波器可以包括串联谐振电路340。该串联谐振电路用作用于去除通过切换半桥所创建的谐波的滤波器。当以串联谐振电路340的谐振频率操作时，具有该特定滤波器拓扑的放大器300近似于电压源。滤波器306可以包含使负载与发生器匹配的可变元件350。某些可变元件影响发生器源阻抗。发生器300可以存储关于可变元件如何影响发生器源阻抗的信息，并使该信息可用于例如系统控制器116。
图4示出了根据本公开的一个实施例的可以被执行以准备驱动等离子体系统的示例过程400。在具有或不具有其它控制输入端的情况下，该过程可以由系统控制器116或运行等离子体系统的另一控制器或系统控制器116和运行等离子体系统的其它控制器的组合来执行。在步骤402，使等离子体系统为激发做好准备，并且可以包括调节气体混合物和压力，以及设置系统中存在的任何可变调谐元件以增强等离子体激发。在步骤404，通常通过打开发生器中的一些或全部发生器来激发等离子体。在步骤406，将等离子体系统调节为在激发之后运行，并且可以涉及调节气体混合物和压力、系统中存在的可变调谐元件(例如，可变元件350)以及发生器的功率设定值。在步骤408，将设定值赋予发生器，该设定值包括受控量(例如电流)相对于参考信号的相位。在步骤410，评估等离子体的均匀性。这可以通过等离子体腔室中的仪器或通过评估在系统中处理的基板来完成。在步骤412，确定电磁场分布是否可接受。如果电磁场分布不可接受，则在步骤414对发生器设定值进行调节。如果进行该确定涉及停止等离子体系统，则需要重复步骤402至406，否则如步骤416所示，循环可以在步骤408继续进行。循环继续进行，直到在步骤412确定电磁场分布是可接受的。在步骤418，获得发生器源阻抗。如果所有发生器都不具有可变组件且源阻抗固定，则可以省略该步骤。在步骤420，将发生器的设定值转换为期望的正向分量电平和相对于根据发生器源阻抗计算出的参考信号的相位。
图5示出了根据本公开的一个实施例的可以被执行以驱动等离子体系统的示例过程500。由于此过程涉及闭环控制，因此该过程通常不由操作者执行。通常，该过程将由系统控制器116或另一个可用控制器执行。在步骤502，使等离子体系统为激发做好准备，并且可以包括调节气体混合物和压力，以及设置系统中存在的任何可变调谐元件以增强等离子体激发。在步骤504，通常通过打开一些发生器或全部发生器来激发等离子体。在步骤506，将等离子体系统调节为在激发之后运行，并且可以涉及调节气体混合物和压力、系统中存在的可变调谐元件以及发生器的功率设定值。在步骤508，根据期望的正向分量电平以及相对于根据发生器源阻抗计算出的参考信号的相位，将设定值赋予发生器。在步骤510，控制器获得来自每个发生器的电压和电流的两个线性独立组合，包括这些组合相对于参考信号的相位关系。在步骤512，依次扰动每个发生器，并记录所导致的电压和电流的线性组合的测量值方面的变化。如果知道系统在操作点附近的线性化响应具有足够的精度，则可以省略步骤512。例如，步骤512可以在等离子体处理步骤开始时被执行若干次，直到知道该线性化响应具有足够的精度为止，并且如果调节发生器设定值的过程未能将使得电磁场分布对等离子体系统的变化不敏感的电压和电流的线性组合朝向其期望值移动，则可以再次执行步骤512。在步骤514中，计算将令使得电磁场分布对等离子体系统中的变化不敏感的那些电压和电流的线性组合朝向其期望值改变所需的发生器设定值的变化。在步骤516，控制器获得从所有发生器传输的功率的测量值，并计算传输到等离子体系统的总功率。在步骤520，调节所有发生器的设定值，以维持传输到等离子体的总功率。这种调节可以例如通过用标量乘法器调节所有设定值来完成。该循环继续进行，直到如在步骤518所确定的完成该过程为止。该过程在步骤522处停止。该过程仅示出了该过程与调节发生器设定值以维持等离子体腔室中的期望电磁场分布有关的部分。同时发生的其它过程可以包括调节可变调谐元件、气体混合物和气体压力。
尽管图4和图5描述了根据本公开的实施例的可以被执行以驱动等离子体系统的过程的示例，但是在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以以其它特定形式来具体化所公开的过程的特征。例如，控制器(例如116)可以执行与本示例中所描述的那些操作相比更多的、更少的或不同的操作。作为另一示例，本文描述的过程的步骤可以由图1中未示出的计算系统执行，该计算系统可以是例如控制所有RF发生器300对等离子体腔室102实现的操作的单个计算系统。
以上的描述包括具体化本公开的技术的示例系统、方法、技术、指令序列和/或计算机程序产品。然而，应当理解，可以在没有这些特定细节的情况下实践所描述的公开。
在本公开中，所公开的方法可以被实现为设备可读的指令集或软件。此外，应当理解，所公开的方法中步骤的特定顺序或层次是示例方法的实例。基于设计偏好，应当理解的是，可以重新排列该方法中步骤的特定顺序或层次，同时保持在所公开的主题之内。随附的方法权利要求以示例顺序呈现了各个步骤的要素，并不一定意味着限于所呈现的特定顺序或层次。
所描述的公开可以被提供为计算机程序产品或软件，其可以包括其上存储有指令的机器可读介质，该指令可以用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以执行根据本公开的过程。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件、处理应用)存储信息的任何机制。机器可读介质可以包括但不限于磁存储介质(例如，硬盘驱动器)、光存储介质(例如，CD-ROM)；磁光存储介质、只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除的可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)；闪存；或适合存储电子指令的其他类型的介质。
例如，图6是示出在实现本公开的实施例时可使用的主机或计算机系统600的示例的框图，主机或计算机系统600为诸如图3A中所示的控制器312或图1中所示的系统控制器116。计算机系统(系统)包括一个或多个处理器602-606。处理器602-606可以包括一个或多个内部层次的高速缓存(未示出)以及用于指导与处理器总线612的交互的总线控制器或总线接口单元。处理器总线612也被称为主机总线或前端总线，其可以用于将处理器602-606与系统接口614耦合。系统接口614可以连接至处理器总线612，以将系统600的其它组件与处理器总线612接合。例如，系统接口614可以包括用于将主存储器616与处理器总线612接合的存储器控制器613。主存储器616通常包括一个或多个存储卡和控制电路(未示出)。系统接口614还可以包括用于将一个或多个I/O桥或I/O设备与处理器总线612接合的输入/输出(I/O)接口620。如图所示，一个或多个I/O控制器和/或I/O设备可以与I/O总线626连接，诸如I/O控制器628和I/O设备630。
I/O设备630还可以包括输入设备(未示出)，诸如字母数字输入设备，其包括字母数字和用于将信息和/或命令选择传递给处理器602-606的其它键。另一种类型的用户输入设备包括光标控件，诸如鼠标、轨迹球或光标方向键，用于将方向信息和命令选择传递给处理器602-606并用于控制光标在显示设备上的移动。
系统600可以包括被称为主存储器616的动态存储设备、或耦合到处理器总线612的用于存储将由处理器602-606执行的信息和指令的随机存取存储器(RAM)或其它计算机可读设备。主存储器616还可以用于在处理器602-606执行指令的期间存储临时变量或其它中间信息。系统600可以包括耦合到处理器总线612的用于存储用于处理器602-606的静态信息和指令的只读存储器(ROM)和/或其它静态存储设备。图6中提出的系统仅仅是可以具体化本公开的各方面或根据本公开的各方面来进行配置的计算机系统的一个可能示例。
根据一个实施例，以上技术可以由计算机系统600响应于处理器604执行在主存储器616中包含的一个或多个指令的一个或多个序列来执行。这些指令可以从另一机器可读介质(诸如存储设备)读入主存储器616中。执行在主存储器616中包含的指令序列可以使处理器602-606执行本文所述的处理步骤。在替代实施例中，可以代替或结合软件指令来使用电路。因此，本公开的实施例可以包括硬件和软件组件。
计算机可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式(例如，软件，处理应用)存储或传输信息的任何机制。这种介质可以采取但不限于非易失性介质和易失性介质的形式。非易失性介质包括光盘或磁盘。易失性介质包括动态存储器，诸如主存储器616。机器可读介质的常见形式可以包括但不限于磁存储介质(例如硬盘驱动器)、光存储介质(例如CD-ROM)；磁光存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)；闪存；或适合存储电子指令的其他类型的介质。
本公开的实施例包括在本说明书中描述的各种操作或步骤。这些步骤可以由硬件组件执行，或者可以被具体化在机器可执行指令中，该指令可以用于使得编程有指令的通用处理器或专用处理器执行这些步骤。可替代地，这些步骤可以通过硬件、软件和/或固件的组合来执行。
相信通过前面的描述，将理解本公开及其许多附带的优点，显然在不脱离所公开的主题或不牺牲其所有实质优势的情况下，可以对组件的形式、构造和布置进行各种改变。所描述的形式仅是说明性的，并且所附的权利要求旨在涵盖和包括这种改变。
尽管已经参考各种实施例来描述本公开，但是应当理解，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于此。许多变化、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已在特定实现方式的上下文中描述了根据本公开的实施例。在本公开的各种实施例中，功能可以是分开的或者以不同的方式组合在块中，或者用不同的术语来描述。这些和其他变化、修改、添加和改进可以落入如所附的权利要求限定的本公开的范围内。

Claims (25)

1.一种在参考点处具有源阻抗Zg的射频发生器，包括：
参考输入端；以及
控制器，所述控制器用于控制根据K(v+Zgi)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的参考信号的相位的相位，其中v是所述参考点处的电压，i是在所述参考点处从所述发生器流出的电流，并且K是标量。
2.根据权利要求1所述的射频发生器，其中，|Zg|＜10，并且所述控制器还用于控制所述输出信号的电压。
3.根据权利要求1所述的射频发生器，其中，|Zg|>250，并且所述控制器还用于控制所述输出信号的电流。
4.根据权利要求1所述的射频发生器，进一步包括：耦合到在等离子体腔室中配置的对应的多个天线输入端的多个射频发生器中的一个射频发生器。
5.根据权利要求1所述的射频发生器，进一步包括半桥电路，所述半桥电路包括：第一开关，所述第一开关选择性地将直流源的第一节点耦合到所述射频发生器的节点n1；以及第二开关，所述第二开关选择性地将所述射频发生器的所述节点n1耦合到所述直流源的第二节点。
6.根据权利要求5所述的射频发生器，进一步包括耦合到所述射频发生器的所述节点n1的电感性预加载电路，当所述半桥使用零电压切换时，所述电感性预加载电路提供电感性电流。
7.根据权利要求6所述的射频发生器，进一步包括：串联谐振电路，所述串联谐振电路连接到所述射频发生器的所述节点n1，所述串联谐振电路用于对通过切换所述半桥电路产生的谐波进行滤波，所述串联谐振电路的谐振频率与切换所述半桥电路的频率相同。
8.根据权利要求6所述的射频发生器，进一步包括：具有等于正或负的90度的偶数倍的延迟的滤波器，所述滤波器耦合在所述射频发生器的所述节点n1与所述参考点之间，其中，所述控制器用于控制所述输出信号的电压。
9.根据权利要求6所述的射频发生器，进一步包含：具有等于正或负的90度的奇数倍的延迟的滤波器，所述滤波器耦合在所述射频发生器的所述节点n1与所述参考点之间，其中，所述控制器用于控制所述输出信号的电流。
10.根据权利要求1所述的射频发生器，其中，所述控制器还用于在向等离子体腔室传输功率时以及在从所述等离子体腔室吸收功率时，控制根据K(v+Zgi)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的参考信号的相位的相位。
11.一种用于射频发生器的方法，包括：
由至少一个处理器接收所述射频发生器的根据K(v+Zgi)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在参考输入端处接收到的参考信号的相位的相位的目标值，所述至少一个处理器执行存储在至少一个存储器中并且由至少一个处理器执行的指令，所述射频发生器在参考点处具有源阻抗Zg，其中v为所述参考点处的电压，i为在所述参考点处从所述射频发生器流出的电流，并且K是标量；
使用由所述至少一个处理器执行的所述指令，接收根据K(v+Zgi)计算出的所述输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的所述参考信号的相位的相位的测量值；以及
使用由所述至少一个处理器执行的所述指令，控制所述射频发生器，使得所测量的K(v+Zgi)接近K(v+Zgi)的所述目标值。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：当|Zg|＜10时，控制所述输出信号的输出电压。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：当|Zg|>250时，控制输出电流。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述射频发生器包括耦合到在等离子体腔室中配置的对应的多个天线输入端的多个射频发生器中的一个射频发生器。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：当所述射频发生器使用零电压切换时，使用电感性预加载电路提供电感性电流。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：使用串联谐振电路对通过切换所述射频发生器产生的谐波进行滤波，所述串联谐振电路的谐振频率与切换所述射频发生器的频率相同。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在向等离子体腔室传输功率时以及在从所述等离子体腔室吸收功率时，控制根据K(v+Zgi)计算出的所述输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的所述参考信号的相位的相位。
18.一种等离子体处理系统，包括：
外壳，所述外壳配置有多个天线；
多个射频发生器，所述射频发生器耦合到所述天线，第k个射频发生器在所述第k个射频发生器的参考点处具有源阻抗Zgk，包括：
参考输入端；以及
控制器，用于控制根据Kk(vk+Zgkik)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的参考信号的相位的相位，其中vk是在所述第k个射频发生器的所述参考点处的电压，ik是在所述第k个射频发生器的所述参考点处从所述第k个射频发生器流出的电流，并且Kk是标量。
19.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中，当|Zgk|＜10时，所述控制器还用于控制所述第k个射频发生器的输出电压。
20.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中，当|Zgk|>250时，所述控制器还用于控制所述第k个射频发生器的输出电流。
21.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中，所述控制器还用于在向等离子体腔室传输功率时以及在从所述等离子体腔室吸收功率时，控制所述第k个射频发生器的根据Kk(vk+Zgkik)计算出的所述输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的所述参考信号的相位的相位。
22.一种用于操作等离子体处理系统的系统，包括：
外壳，所述外壳配置有多个即N个天线输入端；
多个即N个射频发生器，所述射频发生器耦合到所述天线输入端，第k个射频发生器在所述第k个射频发生器的参考点处具有源阻抗Zgk，包括：
参考输入端；以及
控制器，所述控制器用于：
控制根据fk＝Kk(vk+Zgkik)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的参考信号的相位的相位，其中vk是在所述第k个射频发生器的所述参考点处的电压，ik是在所述第k个射频发生器的所述参考点处从所述第k个射频发生器流出的电流，并且Kk是标量；
通过调节每个发生器的输出信号的幅值以及相对于所述参考信号的相位，确定集合(c1,c2,…,cN)，其中ck为vk和ik的线性组合，vk和ik具有导致所述等离子体腔室中的指定电磁场分布的幅值以及相对于所述参考信号的相位；
在应用(c1,c2,…,cN)时，为所述射频发生器获得来自每个射频发生器的输出电压和输出电流的两个线性独立组合，并将输出电压和输出电流的线性组合的所述集合(c1,c2,…,cN)转换为对应的设定值(f1,f2,…,fN)的集合；以及
将所述设定值(f1,f2,…,fN)赋予所述射频发生器，其中所述第k个射频发生器将Kk(vk+Zgkik)的测量值调节为设定值fk，k＝1,2,…，N。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器还用于：
依次扰动射频发生器设定值；
获得来自每个射频发生器的输出电压和输出电流的两个线性独立组合的测量值，并确定所述系统在所述射频发生器的工作点附近的线性化响应；以及
使用所述测量值和所确定的线性化响应来调节所述设定值(f1,f2,…,fN)，使得输出电压和输出电流的线性组合的所述集合(c1,c2,…,cN)朝向导致所述等离子体腔室中的所述指定电磁场分布的输出电压和输出电流值的线性组合的集合演变。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器还用于在向等离子体腔室传输功率时以及在从所述等离子体腔室吸收功率时，控制所述第k个射频发生器的根据fk＝Kk(vk+Zgkik)计算出的输出信号的幅值以及所述输出信号的相对于在所述参考输入端处接收到的所述参考信号的相位的相位。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器还用于获得从每个发生器传输的功率，并且将发生器设定值调节标量值，以维持指定的总功率被传输到所述等离子体腔室。
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