CN114008737A - 用于等离子处理装备的消弧装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及等离子体生成系统，特别适用于利用等离子体进行半导体处理的系统。根据本公开的等离子体生成系统包括耦合到RF发生器的消弧装置。电弧装置包括基于触发信号接合的开关。此外，电弧装置包括功率耗散器，该功率耗散器由所述一组开关接合以在所述一组开关接合时耗散存储的和输送的能量。消弧装置还包括耦合到功率耗散器以执行阻抗变换的阻抗变换器，当开关与功率耗散器接合时，该阻抗变换降低了装置的输入端处的反射系数。等离子体生成系统还包括耦合到射频发生器的匹配网络和耦合到匹配网络的等离子体室。

Description

用于等离子处理装备的消弧装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月28日提交的美国非临时专利申请No.16/456,598的优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
在等离子气相沉积工艺期间发生的等离子电弧事件会导致在半导体晶片上制造集成电路时产量降低的缺陷。等离子电弧事件经常导致类似于由电气系统中通过空气到地或其它电压相位的低阻抗连接所导致的放电类型的闪光和热量。此外，由于相导体之间、相导体和中性导体之间或相导体和接地点之间的故障事件，等离子电弧事件还可能导致能量的快速释放。
附图说明
为了更完整地理解本公开，参考以下结合附图进行的详细描述，可以更容易地理解根据本文描述的各种特征的示例，其中相同的附图标记表示相同的结构元件。
图1是根据本公开的系统和方法的包括消弧装置的等离子体生成系统的图示。
图2是根据本公开的系统和方法的消弧装置的图示。在一些示例中，图2的消弧装置可以用于实现图1的等离子体生成系统的消弧装置。
图3是根据本公开的系统和方法的包括消弧装置的匹配网络的图示。
图4是史密斯圆图(Smith Chart)，其显示了所公开的系统在具有低电阻部分和感性电抗部分的阻抗上的变换特性。
图5是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有低电阻部分和容性电抗部分的阻抗上的变换特性。
图6是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗上的变换特性。
图7是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗上的变换特性。
图8是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有高电阻和无电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。
图9是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有低电阻和无电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。
图10是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有低电阻和感性电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。
图11是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有低电阻和容性电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。
图12是根据本公开的系统和方法的抑制电弧事件的方法的流程图。
具体实施方式
不同有利实施方式的描述是为了图示的目的而呈现的，并不旨在穷举或限于所公开形式的实施方式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。此外，与其它实施方式相比，不同的实施方式可以提供不同的优势。所选择的一个或多个实施方式被选择和描述以最好地解释实施方式的原理、实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本公开具有适合于特定预期用途的各种修改的各种实施方式。
在详细描述本公开之前，应该理解的是，除非另有说明，否则本公开不限于具体的过程或物品，无论是否被描述。还应当理解的是，本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并不旨在限制本公开的范围。
等离子体处理系统使用例如射频(“RF”)功率来引发和维持等离子体，其中RF能量通过电感和/或电容等离子体耦合元件耦合到气体中。在一些实施方式中，RF电源向等离子体耦合元件(例如，线圈或电极)提供RF功率，该等离子体耦合元件进而将气体激发成处理室的等离子体区域内的等离子体。然后使用生成的等离子体来处理基板(例如，半导体晶片)。
等离子体通常维持在其电流-电压特性的称为异常辉光机制的一部分中。在这种情况下，由于存在高密度的电子和离子，并且还存在显著的电场，因此等离子体容易受到等离子电弧(“电弧放电”)的影响。电弧放电是其中等离子体中的电流流动区域通常扩散到相当大的体积并且塌陷成高度局部化的包含集中的电弧放电电流的区域(称为“电弧放电区域”)的情况。在电弧放电期间，基板或系统组件的表面可能会因离子或电子注入、表面溅射和/或局部加热而改变或损坏，这由于由电弧放电区域中的电子和离子达到的功率耗散和高速度的高度集中而导致剥落。
虽然正常的金属沉积通常小于一微米，但是电弧放电会导致金属在半导体晶片上局部更厚的沉积。当电弧放电发生时，等离子体室内的电磁场能量会集中在目标的比预期更小的区域上，这可能使目标的固体块脱落。目标材料的脱落固体块可能相对于晶片上预期的均匀涂层的厚度较大，并且如果大块落在半导体晶片上，那么它可能导致在那个位置在半导体晶片上形成的集成电路中的缺陷。
在RF系统中，阻抗匹配对于最大化功率传输是重要的。在本文中，阻抗被定义为装置或电路在给定频率下对交流电(“AC”)流动的总阻力(opposition)，并且被表示为可以在向量平面上以图形方式显示的复数。阻抗向量由实部(电阻，R)和虚部(电抗，X)组成，并且可以使用直角坐标形式来表达：Z＝R+Xj。如本领域中已知的，当电阻的影响恒定而与频率无关时，电抗随频率而变化。
在电子学中，阻抗匹配是在相位和振幅上变换电压和电流之间的关系的实践，使得电负载的输入阻抗或其对应信号源的输出阻抗最大化功率传输或最小化来自负载的信号反射。任何阻抗匹配方案的主要作用是强制负载阻抗表现为源阻抗的复共轭，使得最大功率可以被传输到负载。源电阻和负载电阻之间的任何电抗都会降低负载电阻中的电流，从而降低负载电阻中的功耗。为了将耗散恢复到源电阻等于负载电阻时出现的最大值，传输回路的净电抗等于零。当负载阻抗和源阻抗彼此成为另一个的复共轭，以使它们具有相同的实部和相反类型的电抗部分时，会发生这种情况。如果源阻抗为Zs＝R+Xj，那么复共轭将为Zs*＝R-Xj。
本公开提供了一种与一对电阻性终端结合使用以变换由等离子体电弧事件(例如，电弧放电)引起的阻抗的阻抗变换器(例如，90度(即，90°)或四分之一波阻抗变换器)。阻抗变换器可以包括同轴传输线、宽边耦合传输线、嵌入式传输线或波导。但是，这些仅仅是示例并且本公开不限于此。
阻抗变换器可以通过插入具有适当电气长度和特性阻抗的一段传输线来实现。例如，可以使用四分之一波阻抗变换器来匹配实阻抗。但是，复数负载阻抗也可以通过添加串联或分流电抗组件变换成实阻抗。值得注意的是，四分之一波变换器可以在特定操作频率下提供匹配，以及在一个倍频程或更小的带宽上提供可接受的匹配，具体取决于变换的品质因数Q和应用。
本公开提供了一种利用等离子体来处理诸如半导体晶片的基板的等离子体生成系统。值得注意的是，本公开提供了一种新颖的消弧装置，其可以在发生电弧放电时响应电信号并且可以在接收到信号时进一步减少提供给等离子体室的能量。此外，本文公开的消弧装置可以降低功率输送系统中的RF发生器所见的反射系数(例如，伽马)。
图1是根据本公开的系统和方法的包括消弧装置102的等离子体生成系统100的图示。如图所示，除了消弧装置102之外，等离子体生成系统100包括RF发生器101、匹配网络103和等离子体室104，所有这些都通过一系列传输线105a-105c耦合。
RF发生器101提供要经由传输线105a-105c输送到等离子体室104的功率。RF发生器101可以在许多不同的频率下操作。例如，根据本公开的一个或多个示例，RF发生器101可以在低频(例如，30kHz->300kHz)、中频(例如，300kHz->3MHz)、高频(例如，3MHz->30MHz)和甚高频(例如，30MHz->300MHz)下操作。
值得注意的是，即使在可能导致等离子体室104内的阻抗急剧变化的意外事件(例如，等离子电弧放电)期间，本公开也为RF发生器101提供了稳定的负载(例如，大约50欧姆)。在电弧放电期间，等离子体室104内的阻抗快速变化，这可以改变负载线，因此改变RF发生器101的效率和稳定性，从而引起杂散发射等。有利的是，电弧抑制装置102可将RF发生器101提供的能量从馈送等离子体电弧的处理室转移，从而抑制或至少减轻电弧事件。消弧装置102可以配备有(一个或多个)传感器(例如，光学或电学传感器)106，其确定何时发生电弧放电并且在检测到电弧放电时向消弧装置102提供一个或多个触发信号。
有利的是，如下文将更详细地解释的，消弧装置102可以包括可以快速反应，使得消弧装置102可以在微秒或更少的数量级上反应的一组开关元件。该组开关元件可以包括PIN二极管、碳化硅场效应晶体管(“SiCFET”)、金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)、绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)或双极结晶体管(“BJT”)。但是，应该理解的是，本公开不限于上述开关元件的示例。此外，一些实施方式可以将开关元件210、211一起联动(ganged together)或单独操作。
受益于本公开的本领域普通技术人员应该理解，在处理操作期间，等离子体室104内的实际阻抗实际上不是沿着传输线105a-105c准确测量的。无论负载阻抗如何，本公开中描述的系统都可以有效地操作。
匹配网络103可以包括多个电抗元件；以及被配置为向用于多个电抗元件的每个致动装置提供相应的控制信号的控制器。响应于向其提供的相应控制信号，每个电抗元件根据该控制信号被致动。匹配网络103可以采用等离子体室104呈现的阻抗并将其变换成期望的源阻抗(例如，50欧姆)。但是，等离子体处理系统中使用的自动阻抗匹配网络通常使用由马达驱动的可调谐元件。匹配网络103可能需要数百毫秒或更长时间才能对负载阻抗的急剧变化做出反应。在一些情况下，如果事件导致超出匹配网络的范围的负载阻抗，那么匹配网络103可能无法快速调谐。
图2是根据本公开的系统和方法的消弧装置200的图示。在一些示例中，消弧装置200可以沿着传输线202连接到RF功率端口201。消弧装置200包括两个分流网络(例如，元件)213、214和90度π网络阻抗变换器212。在一种实施方式中，每个分流网络213、214包括功率耗散器216(例如，电阻器)、一个或多个电容元件220和开关元件210、211。90度π网络阻抗变换器212可以耦合到功率耗散器216以执行阻抗变换，当该组开关元件与功率耗散器216一起接合时，其降低了装置200的输入端处的反射系数。在一种实施方式中，反射系数降低到0-0.5的范围内(例如，VSWR不大于3:1)
在一种实施方式中，分流网络214采用节点203处存在的阻抗(例如，等离子体室内的阻抗)并将该阻抗与其并联。90度π网络阻抗变换器212然后将所得阻抗变换90度。最后，分流网络213采用由90度π网络阻抗变换器212变换的阻抗并将该阻抗与其并联。
消弧装置200可以将高阻抗变换成低阻抗，反之亦然，以在目标VSWR内(例如，3:1)变换。此外，消弧装置200可以在目标VSWR内将具有负相角的阻抗变换成具有正相角的阻抗，反之亦然。
本领域普通技术人员应该理解，消弧装置200不限于一对分流网络213、214。在一些实施方式中，一对分流网络213、214可以用串联配置代替。
功率耗散器216可以包括非电感的电阻元件。功率耗散器216在被开关元件210、211接合时耗散系统内存储和输送的能量。在所示的实施方式中，功率耗散器216的值为130欧姆，而电容元件的值约为0.01μF。但是，这些值仅是示例性的并且不限制本公开。功率耗散器216的值确定耗散的能量的程度以及RF发生器看到的反射系数被最小化的量。
消弧装置200包括三个主要组件：用于接合(例如，闭合)或脱离(例如，打开)的开关元件(例如，开关元件210、211)、可以反转由等离子体室(例如，图1中的等离子体室104)呈现的阻抗的阻抗变换器(例如，90度π网络阻抗变换器212)，以及用于转移和耗散等离子体室存储的能量的功率耗散器(例如，功率耗散器216)。
在一种实施方式中，开关元件210、211基于一个或多个触发信号而接合。例如，触发信号可以是反射系数变化至少0.5的结果。但是，本公开不限于此。此外，触发信号可以是电流、电压或反射系数在一段时间内超过预定阈值的变化。此外，触发信号可以是分布在整个等离子体生成系统中的多个感测信号的组合。
触发信号可以由RF发生器提供给消弧装置200。此外，射频等离子体室可以包括传感器，该传感器确定电弧事件何时发生并且当电弧事件已被检测到时向消弧装置200提供触发信号。
开关元件210、211可以通过散热器(未示出)安装到消弧装置200。此外，开关元件210、211可以以微秒或更少的量级对触发信号作出反应。此外，根据一些实施方式，当开关元件210、211接合时，消弧装置200网络将等离子体负载阻抗变换成对RF功率端口201具有低反射系数的某个新阻抗，而不管等离子体负载阻抗如何，并耗散来自等离子体处理模块的存储能量。替代地，当开关元件210、211脱离时，消弧装置200表现为具有50欧姆输入和输出阻抗的滤波器。当开关元件210、211脱离时，开关元件210、211防止电流流入到功率耗散器216和电容元件220，因此分流网络213/214表现为开路。在一种实施方式中，开关元件210、211中的每一个是对称FET开关，其包括具有用于中频(“MF”)RF功率系统的浮动栅极驱动电路系统的碳化硅场效应晶体管(“SiCFET”)。
在其它实施方式中，开关元件210、211包括具有高电压、双极偏置电源的PIN二极管。此外，开关元件210、211可以包括SiCFET、金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)、绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)或双极结晶体管(“BJT”)，只要这样做不脱离本公开的精神和范围即可。如图所示，开关元件210、211可以将终端隔离或连接到地。
开关元件210、211可以经由传输线208、209由开关致动器207接合。开关致动器207还可以耦合到数字隔离器206，其在RF功率发生系统中的高压RF波形和触发信号之间提供电学和/或电流隔离。如图2中进一步所示，数字隔离器206可以耦合到触发器205。
如上所述，消弧装置200可以包括执行四分之一波阻抗变换以利用两个耗散终端的网络。该网络将匹配的输入阻抗(匹配网络变换的等离子体负载阻抗)与第一终端并联组合，并将其旋转四分之一波长，使得RF发生器呈现与这个新阻抗和第二终端的并联组合相等的阻抗。这种机制保证了RF发生器看到的伽玛的最小化，并且是系统的特性阻抗、变换器的特性阻抗(例如，通常相同阻抗)和终端电阻的函数。四分之一波阻抗变换器可以被定义为长度为四分之一波长(λ)的传输线或波导(具有一些已知的特性阻抗)。四分之一波阻抗变换器可以在其输入节点203处呈现其端接的阻抗的两倍。在这种实施方式中，对于一些VHF和更高频率的应用来说是优选的，其中集总元件非常小并且难以构建具有高电流和电压能力。
在一种实施方式中，90度阻抗变换器212包括集总元件π网络(例如，90度π网络变换器)。π网络执行与传输线或波导相同的阻抗变换，但提供的带宽有限得多。在一种实施方式中，集总元件的π网络除了包括串联支路中的电感器之外，还包括分流网络支路中的电容器。对于波长非常长的MF和HF应用，这种实施方式更可取。
在一个示例中，等离子体室(例如，图1中的等离子体室104)呈现的阻抗的幅度可能已经变成低阻抗，并且阻抗ZN可以通过接合开关装置与分流网络的功率耗散元件(例如，功率耗散器216)并联放置。由此，第一功率耗散器不会对产生的阻抗产生很大影响(例如，Z1＝ZL1//ZN)。所得阻抗Z1被90度π网络阻抗变换器变换成具有高阻抗(例如，ZD)。然后将变换后的阻抗ZD与分流网络214并联放置(例如，ZM＝ZL2//ZD)，该分流网络使阻抗与史密斯圆图的中心一致(例如，靠近50欧姆的源阻抗)。在一些实施方式中，开关元件210、211的组合可以法兰安装在用于高功率应用的水冷散热器上。
替代地，如果等离子体室(例如，图1中的等离子体室104)内的等离子体阻抗的幅度变高，那么阻抗ZN与分流网络213、214的功率耗散器216并联放置(例如，Z2＝ZL1//ZN)。因此，当高阻抗与另一个高阻抗并联放置时，所得的阻抗Z2与中心一致。此外，90度π网络阻抗变换器212可以将阻抗变换为相对低的阻抗(例如，ZD)。之后，变换的阻抗ZD然后与分流网络213的功率耗散器216并联放置(例如，ZM＝ZL2//ZD)。分流网络213可以对所得阻抗的影响很小。
图3是根据本公开的系统和方法的包括消弧装置305的匹配网络300的图示。可以使用匹配网络，特别是在射频应用中，以将电源的阻抗或导纳与具有不同阻抗或导纳的负载相匹配，以便向负载提供最大的功率传输并防止因由于不匹配而反射的能量对电源造成损坏。除了意外的等离子电弧事件之外，等离子负载阻抗可能会取决于诸如发生器频率、输送功率、腔室压力、气体成分、等离子点火等变量而不同。匹配通过改变匹配内部的电气元件(通常是真空可变电容器)来解决负载阻抗的这些变化，以维持期望的输入阻抗。
匹配网络300可以包含电抗元件，意指在电场和磁场中存储能量的元件，而不是耗散电功率的电阻元件。最常见的电抗元件是电容器、电感器和耦合电感器，但也可以使用诸如分布式电路之类的其它元件。匹配网络还可以包括含传输线和变换器的元件。在所示的实施方式中，匹配网络300包含单个电容元件301和电感元件302。
最值得注意的是，匹配网络300包括消弧装置303。但是，值得注意的是，匹配网络300与图1中所示的匹配网络103的不同之处在于，匹配网络300包含消弧装置303，而等离子体生成系统100(参见图1)包括分开的消弧装置102(参见图1)和匹配网络103(参见图1)组件。因此，在一些实施方式中，本文公开的消弧系统可以在匹配网络内实现。
图4是史密斯圆图400，其显示了所公开的系统在具有低电阻部分和感性电抗部分的阻抗上的变换特性。因此，史密斯圆图400显示具有低电阻部分和感性电抗部分的阻抗区域402，其可以被变换成在目标VSWR 401内的阻抗。当消弧装置被接合时，区域402内的阻抗将被变换成区域403内的阻抗，如图所示，区域403落在VSWR 401内。
本领域普通技术人员应该理解的是，区域402、403是示例性的，因为具有低电阻部分和感性电抗部分的阻抗区域402和变换区域403可以大于或小于图4的示例中所示的区域。在本文中，具有低电阻部分的阻抗可以被定义为具有小于50欧姆的电阻的阻抗，而具有高电阻部分的阻抗可以被定义为具有大于50欧姆的电阻的阻抗。特别地，取决于目标VSWR401，变换区域403在史密斯圆图400上可以具有更大或更小的面积。此外，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，变换区域403内的阻抗是电容性的。
此外，图4示出了分别在目标VSWR 401之内和之外的点404、405。因此，无论初始阻抗是在目标VSWR 401之内还是在目标VSWR 401之外，本文公开的消弧装置都可以将具有低电阻部分和感性电抗部分的任何阻抗变换成目标VSWR 401内的阻抗。
图5是史密斯圆图500，其显示了所公开的系统在具有低电阻部分和容性电抗部分的阻抗上的变换特性。因此，史密斯圆图500显示具有低电阻部分和容性电抗部分的区域502，其可以被变换成在目标VSWR 501内的阻抗。
本文公开的系统和方法可以将具有低电阻部分和容性电抗部分的阻抗变换为可接受的阻抗，如变换区域503所示。区域502、503是示例性的，因为具有低电阻部分和容性电抗部分的阻抗区域502和变换区域503可以大于或小于图5的示例中所示的区域。由此，取决于目标VSWR 501，变换区域503在史密斯圆图500上可以具有更大或更小的面积。此外，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，变换区域503内的阻抗是电感性的。
此外，图5还示出了分别在目标VSWR 501之内和之外的点504、505。因此，无论初始阻抗是在目标VSWR 501之内还是在目标VSWR 501之外，本文公开的消弧装置都可以将具有低电阻部分和容性电抗部分的任何阻抗变换成目标VSWR 501内的阻抗。
图6是史密斯圆图600，其显示了所公开的系统在具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗上的变换特性。因此，史密斯圆图600显示具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗区域602，其可以被变换成在目标VSWR 601内的阻抗。值得注意的是，具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗区域602和如图4中所示纯电感性低阻抗区域402(参见图4)共同构成史密斯圆图600上的整个感应阻抗。本领域普通技术人员可以认识到，标准史密斯圆图的上半部分表示其上阻抗的电感区域。
区域602、603是示例性的，因为具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗区域602和变换区域603可以大于或小于图6的示例中所示的区域。由此，取决于目标VSWR 601，变换区域603在史密斯圆图600上可以具有更大或更小的面积。
如本文所述，本公开的系统和方法可以将具有高电阻部分和感性电抗部分的阻抗变换到在目标VSWR 601内的变换区域603中。值得注意的是，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，变换区域603内的阻抗是电容性的。
此外，图6示出了分别在目标VSWR 601之内和之外的点604、605。因此，无论初始阻抗是在目标VSWR 601之内还是在目标VSWR 601之外，本文公开的消弧装置都可以将具有高电阻部分和感性电抗部分的任何阻抗变换成目标VSWR 601内的阻抗。
图7是史密斯圆图700，其显示了所公开的系统在具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗上的变换特性。因此，史密斯圆图700显示具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗区域702，其可以被变换成在目标VSWR内的阻抗。值得注意的是，具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗区域702和如图5中所示具有低电阻部分和容性电抗部分的阻抗区域502(参见图5)共同构成史密斯圆图700上的所有容性阻抗。本领域普通技术人员可以认识到，标准史密斯圆图的下半部分表示其上阻抗的电容区域。区域702、703是示例性的，因为具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗区域702和变换区域703可以大于或小于图7的示例中所示的区域。由此，取决于目标VSWR 701，变换区域703在史密斯圆图700上可以具有更大或更小的面积。
有利的是，本公开的系统和方法可以将具有高电阻部分和容性电抗部分的阻抗变换到在目标VSWR 701内的变换区域703中。值得注意的是，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，变换区域703内的阻抗是电感性的。
最后，图7示出了分别在目标VSWR 701之内和之外的点704、705。因此，无论初始阻抗是在目标VSWR 701之内还是在目标VSWR 701之外，本文公开的消弧装置都可以将具有高电阻部分和容性电抗部分的任何阻抗变换成目标VSWR 701内的阻抗。
图8是史密斯圆图800，其显示了所公开的系统在具有高电阻和无电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。因此，史密斯圆图800显示示例高电阻和低电抗复阻抗的阻抗变换。在图8中所示的示例中，点801表示2,500+0j欧姆的复阻抗值，其被如先前公开的消弧装置变换成大约17.7+0.1j欧姆的阻抗值，如点805所示。如图所示，曲线802、803和804各自示出了第一和第二分流网络中的终端对阻抗变换的贡献(例如，曲线802、804)和90度π网络阻抗变换器对阻抗变换的贡献(曲线803)。
在所示的实施方式中，第一终端中的负载阻抗(对应于曲线802)大约为130-1j欧姆，并且第二终端中的负载阻抗(对应于曲线803)也大约为130-1j欧姆。此外，在所示的实施方式中，在第一分流网络处看到的阻抗大约为123.6-0.9j欧姆，在90度π网络阻抗变换器处看到的阻抗大约为20.3+0.2j欧姆，并且在第二分流网络处看到的阻抗大约为17.7+0.1j欧姆。
值得注意的是，变换阻抗的所得VSWR(2.849)和反射系数(0.480<180°)在VSWR和反射系数目标范围内(例如，分别为3:1和0.5)。此外，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，由点801表示的阻抗被点805变换90度。
图9是史密斯圆图900，其显示了所公开的系统在具有低电阻和无电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。因此，史密斯圆图900显示根据本公开的系统和方法的示例低电阻和低电抗复阻抗的阻抗变换。在图9中所示的示例中，点901表示1+0j的复阻抗值，其被如先前公开的消弧装置变换为大约123.4-1.1j欧姆的阻抗值，如点904所示。如图所示，曲线902、903各自示出了第一分流网络中的终端对阻抗变换的贡献(例如，曲线903)和90度π网络阻抗变换器对阻抗变换的贡献(曲线902)。值得注意的是，在所示的示例中，与图8中所示的阻抗示例(参见曲线802)相比，变换并未显著归因于第二分流网络。
在所示的实施方式中，第一终端中的负载阻抗(对应于曲线902)大约为130-1j欧姆，并且第二终端中的负载阻抗(对应于曲线903)大约为130-1j欧姆。此外，在所示的实施方式中，第一分流网络处呈现的阻抗大约为1+0j欧姆，在90度π网络阻抗变换器处呈现的阻抗大约为2,420-97.2j欧姆，并且在第二分流网络处呈现的阻抗大约为123.4-1.2j欧姆。
值得注意的是，变换阻抗的所得VSWR(2.468)和反射系数(0.425<-0.52°)在VSWR和反射系数目标范围内(例如，分别为3:1和0.5)。
图10是史密斯圆图1000，其显示了所公开的系统在具有低电阻和感性电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。因此，史密斯圆图1000显示示例低电阻和高正电抗复阻抗的阻抗变换。在图10中所示的示例中，点1001表示1+50j欧姆的复阻抗值，其被如先前公开的消弧装置变换成大约28.5-33.6j欧姆的阻抗值，如点1005所示。如图所示，曲线1002、1003和1004各自示出了第一和第二分流网络中的终端对阻抗变换的贡献(例如，曲线1002、1004)和90度π网络阻抗变换器对阻抗变换的贡献(曲线1003)。
在所示的实施方式中，第一终端中的负载阻抗(对应于曲线1002)大约为130-1j欧姆，并且第二终端中的负载阻抗(对应于曲线1004)大约为130-1j欧姆。此外，在所示的实施方式中，在第一分流网络处呈现的阻抗大约为17.5+43.1j欧姆，在90度π网络阻抗变换器处呈现的阻抗大约为20.2-49.8j欧姆，并且在第二分流网络处呈现的阻抗大约为28.5-33.6j欧姆。
值得注意的是，变换阻抗的所得VSWR(2.749)和反射系数(0.487<-99°)在VSWR和反射系数目标范围内(例如，分别为3:1和0.5)。此外，根据采用具有90度π网络变换器的消弧装置的实施方式，由点1001表示的阻抗被变换为由点1005表示的阻抗九十度。
图11是史密斯圆图，其显示了所公开的系统在具有低电阻和容性电抗的示例阻抗上的阻抗变换路径。因此，史密斯圆图1100显示了低电阻和高负电抗复阻抗的阻抗变换。在图11中所示的示例中，点1101表示1-50j欧姆的复阻抗值，其被如先前公开的消弧装置变换为大约29.0+33.8j欧姆的阻抗值，如点1105所示。如图所示，曲线1102、1103和1104各自示出了第一和第二分流网络中的终端对阻抗变换的贡献(例如，曲线1102、1104)和90度π网络变换器对阻抗变换的贡献(曲线1103)。
在所示的实施方式中，第一终端中的负载阻抗(对应于曲线1102)大约为130-1j，并且第二终端中的负载阻抗(对应于曲线1103)大约为130-1j。此外，在所示的实施方式中，在第一分流网络处看到的阻抗大约为17.3-42.9j欧姆，在90度π网络阻抗变换器处看到的阻抗大约为20.4+50.2j欧姆，并且在第二分流网络处看到的阻抗大约为29.0-33.8j欧姆。
变换阻抗的所得VSWR(2.722)和反射系数(0.469<99°)在VSWR和反射系数目标范围内(例如，分别为3:1和0.5)。此外，根据采用具有90度π网络阻抗变换器的消弧装置的实施方式，由点1101表示的阻抗被变换为由点1105表示的阻抗九十度。值得注意的是，表示与消弧装置内的元件相关联的阻抗变换的曲线1102、1103和1104，虽然准对称，但它是与图11中所示示例相关联的阻抗振幅和相角的转置。
图12是根据本公开的系统和方法的抑制电弧事件的方法的流程图1200。流程图1200开始于方框1201，其包括采用消弧装置来确定装置呈现的反射系数是否已增加0.5或更多。如前所述，这可以通过如图2中所绘出的消弧装置来实现。接下来，方框1202包括采用如在所提供的示例中的消弧装置，使得呈现给RF发生器的阻抗产生小于或等于0.5的反射系数，而不管等离子体处理模块的状态如何。
此外，在所提供的示例中，根据方框1203，响应于超过预定程度的伽马变化(例如，在短时间段内大于0.5伽马偏移)，输送到等离子体室的功率降低至少3dB。如本领域普通技术人员将理解的，至少3dB的功率降低大约是功率降低的50％。因此，在许多情况下，50％功率降低足以熄灭等离子电弧事件。可以存在通过调整终端电阻器的值，导致不同功率降低量的设计变体。接合/脱离开关元件的触发信号根据操作参数(诸如，电流、电压、相角、频谱内容或这些因素的某种组合)的某种变化的结果进行制定，而不是仅由伽马的急剧变化触发也是可能的。
虽然已经详细描述了本公开，但是应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变、替换和变更。就本公开的特征而言，词语“或”和“和”的任何使用指示，视上下文适当地给出，示例可以包含所列特征的任何组合。
虽然本文已经详细描述了本申请的说明性实施方式，但是应该理解的是，本发明构思可以以其它方式不同地实施和采用，并且所附权利要求旨在被解释为包括这样的变型，除非受现有技术的限制。
在整个说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在一些实施方式中”不一定都指代相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。
在上述说明书中，已经参考具体示例性实施方式给出了详细描述。但是，很明显，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性意义上的而不是限制性意义上的。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
基于触发信号而接合的一组开关元件；
由所述一组开关元件接合的功率耗散器，用于在所述一组开关元件接合时耗散存储的能量和输送的能量；以及
阻抗变换器，耦合到功率耗散器以执行阻抗变换，当所述一组开关元件与功率耗散器接合时，所述阻抗变换降低了装置的输入端处的反射系数。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述一组开关元件包括PIN二极管、碳化硅场效应晶体管(“SiCFET”)、金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)、绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)或双极结型晶体管(“BJT”)中的至少一个。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述一组开关元件中的每个开关以微秒的数量级对触发信号作出反应。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述阻抗变换器是采用集总元件π网络的90度阻抗变换器。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述阻抗变换器是同轴传输线、宽边耦合传输线、嵌入式传输线或波导中的至少一个。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述功率耗散器包括非电感性的电阻元件。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述反射系数被减小到0-0.5的范围。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述开关元件可以联动地接合或单独地致动。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述触发信号是反射系数变化至少0.5的结果。
10.一种匹配网络系统，包括：
匹配网络装置，其包括：
多个电抗元件；和
控制器，被配置为向用于所述多个电抗元件的致动装置中的每个致动装置提供相应的控制信号，使得响应于向其提供的所述相应的控制信号，每个电抗元件根据该控制信号而被致动；以及消弧装置，其包括：
基于触发信号而接合的一组开关元件；
由所述一组开关元件接合的功率耗散器，用于在所述一组开关元件接合时耗散存储的能量和输送的能量；和
阻抗变换器，耦合到功率耗散器以执行阻抗变换，当所述一组开关元件与功率耗散器接合时，所述阻抗变换降低了装置的输入端处的反射系数。
11.如权利要求10所述的匹配网络系统，其中所述触发信号为电流、电压或反射系数在一段时间内超过预定阈值的变化。
12.如权利要求10所述的匹配网络系统，其中所述一组开关元件可以将功率耗散器接地。
13.如权利要求10所述的匹配网络系统，其中所述消弧装置的接合将输送到等离子体室的功率降低至少3dB。
14.一种等离子体生成系统，包括：
射频发生器；
与射频发生器耦合的消弧装置，所述消弧装置包括：
基于触发信号而接合的一组开关元件；
由所述一组开关元件接合的功率耗散器，用于在所述一组开关元件接合时耗散存储的和输送的能量；以及
阻抗变换器，耦合到功率耗散器以执行阻抗变换，当所述一组开关元件与功率耗散器接合时，所述阻抗变换降低了装置的输入端处的反射系数；
耦合到射频发生器的匹配网络；以及
耦合到匹配网络的等离子体室。
15.如权利要求14所述的等离子体生成系统，其中所述触发信号是由RF发生器提供给消弧装置的。
16.如权利要求14所述的等离子体生成系统，其中射频等离子体室包括传感器，所述传感器确定电弧事件何时发生并且当已经检测到电弧事件时向消弧装置提供触发信号。
17.如权利要求16所述的等离子体生成系统，其中所述传感器是光学传感器或电学传感器中的至少一种。
18.如权利要求14所述的等离子体生成系统，其中所述触发信号是分布于整个等离子体生成系统中的多个感测信号的组合。
19.如权利要求14所述的等离子体生成系统，其中所述阻抗变换器还结合所述一组功率耗散器执行阻抗变换以将所述系统的输入端处的反射系数降低到小于0.5。
20.如权利要求14所述的等离子体生成系统，还包括耦合到所述消弧装置的数字隔离器。
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