CN1214523C - 热转换等离子体调谐器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的热转换方法与阻抗匹配电路将匹配电路的调谐范围扩展为包括增加的功率电平。此热转换方法与电路包括将受控阻抗网络耦合在射频(RF)发生器输出端与等离子体腔输入端之间来匹配阻抗。此受控阻抗网络包括用于转换预定阻抗的RF开关。确定此RF开关的器件性能特征。通过受控阻抗网络将RF功率从RF发生器加到此等离子体腔上。测量此阻抗匹配的信号特征。根据测量的信号特征来控制此RF开关，以便朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配。根据此器件性能特征以任何速度转换此RF开关。

Description

热转换等离子体调谐器的方法
技术领域
本发明一般涉及等离子体腔调谐器，并且特别涉及用于将RF发生器的阻抗匹配到等离子体腔或类似的非线性负载上的固态调谐器。
背景技术
等离子体腔是在诸如RF溅射、等离子体沉积和反应离子腐蚀的处理操作中使用的低压充气腔。这些处理操作主要用于集成电路和致密光盘(compactdisc)制造。对于要求射频(RF)功率信号的那些处理操作，等离子体腔利用一般工作在13.56MHz、27.12MHz和40.68MHz的ISM频带中的RF发生器来激励。等离子体腔的输入阻抗是高度非线性的，在此等离子体腔的不同操作模式期间变化。虽然利用等离子体腔处理系统能采用较低与较高频率，但13.56MHz是RF发生器市场中使用的主要频率。
一般情况下，RF发生器以诸如13.56MHz的预定频率产生RF波。此发生器通过功率导管耦合到此等离子体腔。RF发生器的输出一般设计为固定的公知阻抗，诸如50Ω。因为一般在RF发生器与等离子体腔之间存在严重的阻抗失配，所以通常在此发生器与此腔之间耦合自动阻抗匹配调谐器。
阻抗匹配调谐器目前已从机电调谐器演变为固态调谐器，机电调谐器一般是机电驱动设备，控制可变电容器以便将发生器的输出阻抗匹配到等离子体腔上。虽然机电调谐器能将RF发生器匹配到宽范围的等离子体腔输入阻抗上，但机电调谐器具有许多固有的缺陷，包括慢响应、低可靠性、高与不可预知的功率损耗和高成本。
为了解决机电调谐器的上述缺陷，近来研制全部引入在此作为参考的美国专利号5473291中所述的固态调谐器。固态调谐器的出现弥补机电调谐器的许多列出的缺陷，以低功率电平、可预测的功率损耗和较低的成本提供较快速响应和增加的可靠性。然而，常规的固态调谐器在调整阻抗的同时在可以加上的RF功率电平中受到限制。在加上RF功率的同时调整调谐器的阻抗称为热转换。常规的固态调谐器通常在以超过大约300瓦特的RF功率电平试图进行热转换时呈现差的可靠性。
发明内容
本发明的热转换方法与阻抗匹配电路将匹配电路的调谐范围扩展为包括增加的功率电平。此热转换方法与电路包括在RF发生器输出端与等离子体腔输入端之间耦合受控阻抗网络来匹配阻抗。此受控阻抗网络包括用于转换预定阻抗的RF开关。确定此RF开关的器件性能特征。通过此受控阻抗网络将RF功率从RF发生器加到此等离子体腔。测量此阻抗匹配的信号特征，根据测量的信号特征控制此RF开关，以便朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配。根据此器件性能特征以任何速度转换此RF开关。
具体地说，本发明一方面提供一种阻抗匹配方法，用于调谐耦合在发生器输出端与等离子体腔输入之间的受控阻抗网络，以控制阻抗匹配，此受控阻抗网络包括用于转换电抗性调谐元件的PIN二极管，该PIN二极管具有载流子寿命，该方法包括以下步骤：确定PIN二极管载流子寿命；给等离子体腔输入端加上RF功率；测量阻抗匹配的信号特征；和根据测量的信号特征转换此PIN二极管，以便电抗性调谐元件朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配；其中此PIN二极管以基于此载流子寿命的速度进行转换。
根据本发明的上述方法，其中转换此PIN二极管的步骤还包括转换到导通状态。
根据本发明的上述方法，其中转换此PIN二极管的步骤还包括转换到非导通状态。
根据本发明的上述方法，其中从以下一组信号中选择此阻抗匹配信号特征：电压驻波比(VSWR)；相位误差信号；和振幅误差信号。
根据本发明的上述方法，其中此转换步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间转换PIN二极管。
根据本发明的上述方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括通过加上正向DC偏置转换到导通状态。
根据本发明的上述方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括通过加上反向DC偏置转换到非导通状态。
根据本发明的上述方法，其中加上正向DC偏置的步骤包括具有大致少于PIN二极管载流子寿命的过渡时间。
根据本发明的上述方法，其中加上反向DC偏置的步骤包括具有大致少于PIN二极管载流子寿命的过渡时间。
本发明另一方面提供一种阻抗匹配方法，用于调谐耦合在发生器输出端与等离子体腔输入之间的受控阻抗网络，以控制阻抗匹配，此受控阻抗网络包括用于转换电抗性调谐元件的PIN二极管，该PIN二极管具有载流子寿命，该方法包括以下步骤：确定PIN二极管载流子寿命；给等离子体腔输入端加上RF功率；测量电压驻波比(VSWR)；和根据VSWR转换此PIN二极管，以便电抗性调谐元件朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配；其中此PIN二极管以基于此载流子寿命的速度进行转换。
根据本发明的上述方法，其中此转换步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间转换此PIN二极管。
根据本发明的上述方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括以下步骤：加上正向DC偏置以便将PIN二极管转换到导通状态；加上反向DC偏置以便将PIN二极管转换到非导通状态。
根据本发明的上述方法，其中加上正向DC偏置的步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间从反向DC偏置过渡到正向DC偏置。
根据本发明的上述方法，其中加上反向DC偏置的步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间从正向DC偏置过渡到反向DC偏置。
本发明再一方面提供一种受控阻抗网络，耦合在发生器输出端与等离子体腔之间，用于控制阻抗匹配特征，包括：控制器，根据阻抗匹配特征产生控制信号；耦合变压器，具有初级线圈与次级线圈，此初级线圈具有有效电抗并耦合在此发生器输出端与此等离子体腔之间；RF开关网络，具有RF开关，用于选择地将至少一个电抗元件耦合到此变压器次级线圈，以改变此初级线圈的有效电抗；和耦合到此RF开关网络的驱动器电路，用于根据所述控制信号给此RF开关加上正向偏压和反向偏压，从而在导通状态与非导通状态之间转换此RF开关网络，此驱动器电路包括利用串联栅地—阴地放大器开关控制的反向偏置开关用于加上反向偏压。
根据本发明的上述受控阻抗网络，其中此串联栅地-阴地放大器开关是隔离栅地-阴地放大器开关。
根据本发明的上述受控阻抗网络，其中此驱动器电路还包括正向偏置开关用于加上正向偏压，其中此正向偏置开关利用自举电路来驱动。
根据本发明的上述受控阻抗网络，其中此驱动器电路还包括反馈网络用于减少正向偏置开关的断开时间。
根据本发明的上述受控阻抗网络，还包括耦合到此驱动器电路的控制器用于生成驱动信号来操作此驱动器电路。
为了更加全面理解本发明、其目的与优点，可以参考以下说明和附图。
附图说明
图1表示根据本发明教导的包括受控阻抗网络的RF功率系统；
图2是表示根据本发明教导的受控阻抗网络的当前优选实施例的方框图；
图3表示根据此当前优选实施例的几个RF开关网络；
图4表示根据本发明教导的驱动器电路；
图5A表示根据本发明教导的电流调节器电路
图6A-6C表示根据本发明教导的驱动器电路的代替实施例；和
图7表示根据本发明教导的用于热转换处理的流程图。
具体实施方式
参见图1，其中示出耦合在RF发生器输出端12和等离子体腔输入端14之间的受控阻抗网络10。该受控阻抗网络10提供可调阻抗来减少发生器输出端12和等离子体腔输入端14的阻抗失配。通常情况下，RF发生器的输出阻抗大约为固定的50Ω。然而，等离子体腔的输入阻抗是一个变化范围较大的复阻抗，一般变化范围在实部1-10Ω和虚部-j5--j20Ω。
参见图2，其中示出根据本发明原理的受控阻抗网络10的当前优选实施例。该受控阻抗网络10包括通过隔直电容20与耦合变压器22耦合到RF输出端18的RF输入端16。偏置检测电路26耦合到RF线路以便监视在等离子体腔上产生的DC偏压。偏置检测电路26的DC偏置输出端27耦合到控制器32。主与次开关单元电路24与34耦合到RF传输线路来分别提供可控容性与感性阻抗。主开关单元电路24连接在隔直电容20和耦合变压器22之间。次开关单元电路34通过耦合变压器22的次级线圈36耦合到RF传输线路。控制器32控制主与次开关单元电路24与34的转换。
主开关单元电路24用于解调等离子体腔负载的实部，电抗元件选择地开关输入与输出此电路以提供负载调节。主开关单元电路24包括多对驱动器电路28和RF开关网络30以便选择地转换电抗元件。在目前优选的实施例中，电抗元件配置在二进制加权装置中。然而，本发明的范围包括其他的装置，诸如相等加权的电抗元件。
次开关单元电路34通过变压器22耦合受控阻抗，以调谐等离子体腔负载的电抗部分。类似于主开关单元电路24，成对的驱动器电路30和RF开关网络28组成次开关单元电路34。次开关单元电路34的操作先前已公开并要求保护在下面全部引入作为参考的美国专利号5473291中。
参见图3，示出RF开关网络30的几个可选择实施例。本发明的当前优选实施例包括RF开关网络30a中所示的阴极接地的PIN二极管36a。连接到PIN二极管36a的阳极的是开关电容器38和RF扼流圈40。开关电容器38连接到相应开关单元电路的其它共同连接的RF开关网络30的开关电容器，以提供可转换阻抗。RF扼流圈40隔离流过开关电容器38的RF信号与耦合到RF开关网络30的相关管脚(pin)驱动器电路28。本发明的范围包括具有阳极防护构造的RF开关网络。
第一可选择的RF开关网络30b使用连接到开关电容器38b与RF扼流圈40b的非隔离PIN二极管36b。RF扼流圈40b又隔离RF信号与相关的管脚驱动器电路28，并且开关电容器38b提供可转换阻抗。利用第一可选择RF开关网络30b包括的是耦合到变压器22的初级线圈的DC电流通路。该DC电流通路包括从变压器22的初级耦合到地的RF扼流圈。另外，隔直电容器20耦合在变压器22和RF输出端18之间，检测电路26与RF输出端18相连。第二可选择RF开关网络30c包括开关电感器42以提供可转换阻抗。与开关电感器42串联的PIN二极管36c控制阻抗的应用。
参见图4，示出驱动器电路28的当前优选实施例。驱动器电路28在驱动器输出端上生成低阻抗信号来驱动相关的RF开关网络30。该驱动器电路包括正向偏置开关50和反向偏置开关52，用于分别转换+5A的正向偏压从而提供0.5A的正向偏流，和-1000V的反向偏压。在此优选实施例中，MOSFET用于正向与反向偏置开关50与52，然而本发明的范围包括使用诸如BJT与IGBT的其它开关。
电流调节器电路54与正向偏置电源55和正向偏置开关50串联，以调节提供给RF开关的正向偏置电流。电流调节器电路54包括与R-C前导网络并联的电阻，用于限制提供给RF开关的正向偏置电流源的振幅。虽然在当前优选的实施例中采用阻容网络，但本发明的原理可以容易地扩展到其它的无源网络，以及有源电流调节器电路，诸如图5所示的调节器电路。
箝位网络56耦合在正向偏置开关50和反向偏置开关52之间，用于缩短正向偏置开关50的转换时间并限制交叉传导电流。耦合在正向偏置开关50和反向偏置开关52之间的电流检测装置60触发箝位开关62，加速正向偏置开关50的断开。在当前优选实施例中，电阻用作电流检测装置60并且开关晶体管用于箝位开关62。
自举电路64提供低阻抗电源来接通正向偏置开关50。该自举电路64包括串联的电阻和并联的电容器66与齐纳二极管。在正向偏置开关50断开的同时存储在电容器66中的能量提供给接通的正向偏置开关50以增加正向偏置开关50的转换速度。
隔离的栅地-阴地放大器开关58从反向偏置开关52连接到反向偏置电源51。此栅地-阴地放大器开关58除了在驱动器输入端与反向偏置电源之间提供电压隔离之外还控制反向偏置开关52的操作。优选地，光耦合器用作此隔离栅地-阴地放大器开关58。在此优选实施例中，使用HP 4N37光耦合器。将隔离栅地-阴地放大器开关与反向偏置开关52一起使用扩展栅地-阴地放大器开关58的耐压能力，并且提供驱动器输入端的电压电平转换，以转换相对高的反向偏压。
隔离电路68提供从驱动器输入端至连接到正向偏置开关50的电路的电压电平转换。在此当前优选实施例中，一对光耦合器用作隔离电路68。
在图6A中示出驱动器电路28的一个可选实施例。在此实施例中，正向偏置开关50利用具有滞后输入端的CMOS驱动器70来驱动。另外，隔离电路68由单个光耦合器组成，此光耦合器与隔离的栅地-阴地放大器开关58串联驱动。
参见图6B，表示出驱动器电路28的第三实施例。第三实施例和前述驱动器电路实施例的不同在于：驱动器电路28用于驱动阳级接地的RF开关。因此，正向偏置开关50和反向偏置开关52的构造是相反的。-5V的正向偏压给利用用作电流调节器54的电阻的值限制的RF开关提供一介偏置电流。栅地-阴地放大器开关58又用于控制反向偏置开关52，转换+500V电压来反向偏置RF开关。驱动输入端通过光耦合器耦合到偏置开关50与52，这些光耦合器用于栅地-阴地放大器开关58和隔离电路68。
参见图6C，表示出驱动器电路28的第四实施例。第四实施例包括正向偏置开关50和调节器电路54，用于给隔离的RF开关提供大约-5V的正向偏置电压。大约+500V的反向偏置电压通过限制电阻72加到RF开关。驱动器输入端通过用作隔离电路68的光耦合器进行耦合。NPN晶体管缓冲隔离电路68的输出并驱动正向偏置开关50。
本发明认识到，通过保证加到PIN二极管上的正向偏置电压具有少于二极管载流子寿命的过渡时间来实施受控阻抗网络的热转换。本发明还认识到，通过保证加到PIN二极管上的反向偏置电压具有少于PIN二极管载流子寿命的过渡时间来改善热转换。
参见图1和图7，表示出热转换系统的当前优选实施例的操作。在步骤80，PIN二极管的开关特征被确定。在此当前优选实施例中，载流子寿命代表开关特征。在步骤82，RF发生器12通过受控阻抗网络10耦合到等离子体腔14。然后，在步骤84，产生RF功率。在步骤86，RF发生器12和等离子体腔14之间交互作用的匹配特征被测量。在此目前优选实施例中，测量的匹配特征是电压驻波比(VSWR)。在步骤88，控制器32根据所测的匹配特征确定PIN二极管的控制信号。在步骤90，控制器32产生驱动器输入信号来控制与此PIN二极管相关的驱动器电路28。在步骤92，此驱动器输入信号从地电平而浮置(floated)以允许驱动高位开关。在步骤94，偏置开关利用驱动器输入信号来驱动，以使偏置开关的输出端上的偏置电压的过渡时间小于PIN二极管载流子寿命。在步骤96，调节流过偏置开关的偏置电流以保证PIN二极管的可预测RF操作。
本发明的热转换方法扩展了受控阻抗网络的操作范围。该方法允许利用高电平的RF功率转换受控阻抗网络。
因而，从上面所述的本发明的结果中将认识到：提供用于特别而且全部满足主要目标的一种热转换方法和驱动器电路。同样明显和预期的是，在不脱离本发明的情况下，可以对所示出的实施例进行任何修改和/或改变。因此，前面的描述和附图特别仅用于说明优选实施例而不是限制，并且本发明的真实精神与范畴利用附后的权利要求书及其法律等效物来确定。

Claims (19)

1.一种阻抗匹配方法，用于调谐耦合在在发生器输出端与等离于体腔输入之间的受控阻抗网络，以控制阻抗匹配，此受控阻抗网络包括用于转换电抗性调谐元件的PIN二极管，该PIN二极管具有载流子寿命，该方法包括以下步骤：
确定PIN二极管载流子寿命；
给等离子体腔输入端加上RF功率；
测量阻抗匹配的信号特征；和
根据测量的信号特征转换此PIN二极管，以便电抗性调谐元件朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配；
其中此PIN二极管以基于此载流子寿命的速度进行转换。
2.根据权利要求1的方法，其中转换此PIN二极管的步骤还包括转换到导通状态。
3.根据权利要求1的方法，其中转换此PIN二极管的步骤还包括转换到非导通状态。
4.根据权利要求1的方法，其中从以下一组信号中选择此阻抗匹配信号特征：电压驻波比；相位误差信号；和振幅误差信号。
5.根据权利要求1的方法，其中此转换步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间转换PIN二极管。
6.根据权利要求5的方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括通过加上正向DC偏置转换到导通状态。
7.根据权利要求5的方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括通过加上反向DC偏置转换到非导通状态。
8.根据权利要求6的方法，其中加上正向DC偏置的步骤包括具有大致少于PIN二极管载流子寿命的过渡时间。
9.根据权利要求5的方法，其中加上反向DC偏置的步骤包括具有大致少于PIN二极管载流子寿命的过渡时间。
10.一种阻抗匹配方法，用于调谐耦合在发生器输出端与等离子体腔输入之间的受控阻抗网络，以控制阻抗匹配，此受控阻抗网络包括用于转换电抗性调谐元件的PIN二极管，该PIN二极管具有载流子寿命，该方法包括以下步骤：
确定PIN二极管载流子寿命；
给等离子体腔输入端加上RF功率；
测量电压驻波比；和
根据电压驻波比转换此PIN二极管，以便电抗性调谐元件朝向预定的匹配范围驱动此阻抗匹配；
其中此PIN二极管以基于此载流子寿命的速度进行转换。
11.根据权利要求10的方法，其中此转换步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间转换此PIN二极管。
12.根据权利要求11的方法，其中转换PIN二极管的步骤还包括以下步骤：
加上正向DC偏置以便将PIN二极管转换到导通状态；
加上反向DC偏置以便将PIN二极管转换到非导通状态。
13.根据权利要求12的方法，其中加上正向DC偏置的步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间从反向DC偏置过渡到正向DC偏置。
14.根据权利要求13的方法，其中加上反向DC偏置的步骤包括以大致少于PIN二极管载流子寿命的时间从正向DC偏置过渡到反向DC偏置。
15.一种受控阻抗网络，耦合在发生器输出端与等离子体腔之间，用于控制阻抗匹配特征，包括：
控制器，根据阻抗匹配特征产生控制信号；
耦合变压器，具有初级线圈与次级线圈，此初级线圈具有有效电抗并耦合在此发生器输出端与此等离子体腔之间；
RF开关网络，具有RF开关，用于选择地将至少一个电抗元件耦合到此变压器次级线圈，以改变此初级线圈的有效电抗；和
耦合到此RF开关网络的驱动器电路，用于根据所述控制信号给此RF开关加上正向偏压和反向偏压，从而在导通状态与非导通状态之间转换此RF开关网络，此驱动器电路包括利用串联栅地-阴地放大器开关控制的反向偏置开关用于加上反向偏压。
16.根据权利要求15的受控阻抗网络，其中此串联栅地-阴地放大器开关是隔离栅地-阴地放大器开关。
17.根据权利要求16的受控阻抗网络，其中此驱动器电路还包括正向偏置开关用于加上正向偏压，其中此正向偏置开关利用自举电路来驱动。
18.根据权利要求15的受控阻抗网络，其中此驱动器电路还包括反馈网络用于减少正向偏置开关的断开时间。
19.根据权利要求17的受控阻抗网络，还包括耦合到此驱动器电路的控制器用于生成驱动信号来操作此驱动器电路。
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