CN1365534A - 产生感性耦合的等离子的射频电源 - Google Patents

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Abstract

用于将直流电源(22)变换为在处理腔中的RF电磁场的系统,该系统包括:环绕该处理腔构成的一个线圈(16);和包括具有一个直流电源输入以及一个RF功率输出的一个自由振荡的振荡器(26)的一个RF功率发生器(20),连接到负载阻抗的功率输出取决于该负载阻抗,负载阻抗包括用于以一个频率提供RF电流给该线圈的该线圈。

Description

产生感性耦合的等离子的射频电源
本发明的背景：
本发明涉及在执行蚀刻和沉积过程的装置中感性耦合的等离子的产生。
各种的半导体制造工作包括对安装在处理腔内的半导体基片上执行的沉淀和蚀刻过程。这样的过程典型地包括使用低压、高密度放电，其中通过可电离的气体与射频(RF)电磁场的交互作用产生等离子。在半导体处理腔中RF功率耦合到等离子可以分类为优越地电容性的或者优越地电感性的。在现有技术中可以找到许多例子。
在电容耦合的情况下，RF功率耦合到并行板极处理腔的底部板以及/或者顶部板。一般的，顶部板还作为馈送的可电离的气体，底板作为圆片保持夹盘和该腔的剩余部分接地。
电感耦合通常使用平面的几何形状或者圆柱状的几何形状，或者两个几何形状的组合。此外，低的RF功率通常应用到底部电极，或者夹盘以提供一个RF偏压。图1A、1B和1C提出电感性的放电几何形状的一些例子。
图1A说明平面的几何形状的一个例子，其中平面的多圈的线圈位于处理管或者处理腔的顶部。图1B表示圆柱状的几何形状的例子，其中多圈的圆柱形线圈绕着处理管缠绕，而图1C表示圆柱状的几何形状的修改版本，其中该圆柱形线圈由导电的屏蔽环绕。图1C中表示的结构是螺旋状的谐振器的一个例子。在每个表示的安排中，连接该线圈接收RF电流，因此感应平行于圆柱状的几何形状的纵向轴的电磁(EM)场。这个结果RF EM磁场主要地由当由静电屏蔽极化(移动方位角的传播磁场)时接近等离子量的放射状地传播EM波组成，它是该线圈中的RF电流的显示。放射状地传播波与大量等离子的小的薄的表面层交互作用。这个薄的层的厚度常常称为趋肤深度。这个交互作用最后导致加能电子和后来的气体电离，和等离子的形成。一般的，处理管起保护的壁垒的作用和描绘来自外部结构的内等离子量。至少在图1B和1C的结构中，处理管是由电介质材料制造的，对从该线圈发射的电磁能是透明的。应当懂得，这些图是简图。在实践中实际的设备可以采取各种的形式。
RF功率耦合到半导体处理中的等离子常规地是在13.56MHz的驱动频率、使用50ΩRF功率发生器。这个频率便利地位于指定用于工业的使用的RF频带内。但是，本现有技术中该工作频率不限制为这个值，实际上当使用多个耦合电极时典型地使用多个频率。
RF功率典型地通过已经至少一个有源元件的一个振荡器提供给该线圈，该有源元件可以是固体元件或者半导体，部件或者真空管。
正如在本领域已知的，能量可以通过螺旋状的谐振器感性耦合到处理腔，正如在Lieberman & Lichtenberg第12章(等离子放电的原理和材料处理，John Wiley & Sons，Inc.，1994年)中描述。利用螺旋状的谐振器，该线圈(或者螺旋)具有等于RF输入的四分之一波的整数数量的长度。该线圈环绕该等离子腔并且装入接地的圆柱状的容器内。图1C表示包括这样的一个螺旋状的谐振器的基本结构，包括该线圈、由该线圈包围以便最小化RF磁场与该等离子的电容耦合的一个静电屏蔽、由该静电屏蔽包围并且从该等离子分开该螺旋形线圈的一个电介质处理管、环绕该线圈的一个外导体或者屏蔽，和连接到该线圈抽头的的RF输入线。正如图1C表示的，RF输入施加的该线圈抽头是与接地的线圈的一端间隔的。在线圈抽头和接地之间的该线圈部分有效地作为匹配电路的一部分，因此抽头的位置可以选择以便获得匹配调节。在给定的条件下，抽头的点位置的适当的定义可以提供用于该电路的阻抗匹配。
但是，RF功率发生器的负载阻抗是线圈的固有阻抗和等离子呈现的阻抗的函数，后者的阻抗是等离子属性的函数。因此，过程调节的波动可能导致阻抗的波动，正如由RF功率发生器看到的。此外，在其中建立等离子的处理腔的阻抗在等离子点火之前和运行条件之间显著地不同。为了保持有效能量从RF功率发生器传送给等离子，要求电源输出阻抗与负载阻抗适当的匹配。
在现有技术中使用的一个技术是变频电源。该频率是由相位mag检测器确定的，它确定在连接至该线圈抽头的固定的匹配网络的输入的匹配条件。但是，这个类型的系统可能非常昂贵，因此通常固定频率电源结合匹配网络使用。
通过阻抗匹配网络连接到螺旋状的谐振器线圈的固定频率RF振荡器的一个例子表示在图2中。该匹配网络是由串联连接的电感器L和两个并联连接的可变电容器C1以及C2构成的一个□滤波器。匹配网络补偿由该线圈和等离子表示的可变负载阻抗和RF功率发生器的输出阻抗之间的差。例如，正如图2表示的，当电源阻抗Zs等于负载阻抗ZMNi时，这个阻抗包括匹配网络、螺旋形线圈和等离子负载的阻抗，则电源变换可以是最大化的。在这个特别的情况中，到匹配网络负载电路的输入阻抗ZMNi是电源阻抗Zs的复共扼，正如由该负载看到的，匹配网络的输出阻抗Zmno是负载阻抗zl的复共扼。在这个特定的条件下，RF电源和匹配网络与等离子加载的线圈的组合之间的耦合可以表示为等效于纯电阻性的电路。因此，设计该匹配网络以最大化从该RF功率发生器到它的负荷的功率传输。
给定电源变换状态的反馈(使用其输出近似前向的与反射信号之间的相位差的特定的检测器电路的反射/发送功率电平和该反射信号的幅度)，已经开发匹配网络响应该负载阻抗的变化。特别在等离子点火和运行条件期间，调节可变电容器来调谐该负载电路，到固定频率电源的谐振的条件，该负载电路包括阻抗匹配网络、线圈和等离子负载。当电路阻抗匹配时，取决于匹配的准确度，反射到在匹配网络连接点的电源的功率最小化，甚至为零，因此减少了对电源的损害，该电源最后必须吸收这个反射功率。但是已经知道了，使用具有固定频率电源的匹配网络对于半导体设备的厂商提出了许多问题。
具体地说，现有的阻抗匹配网络是固有地不可靠的，部分由于保证工作可靠性要求的维护是相对地复杂的并且常常超出维护人员的能力。
此外，已知的匹配网络具有不适当的响应时间，至少在一些工作情形中。特别地，如果到等离子源的电源是根据脉冲型式变化的，则最快的匹配网络不能适应保持该电源和等离子源之间的最佳的匹配。这是真实的，因为最快的匹配网络的时间标度是几百毫秒，即响应的上升或者下降时间大约是几百毫秒。但是，为了获得百分之一准确度内的RF方波脉冲，这些匹配网络的最小的脉冲时间标度可以是几十秒或者25至50秒。因此，为了精确地实现毫秒脉冲，人们要求具有微秒级的上升与下降时间或者时间标度的匹配网络。因此，需要接收无效率的功率耦合条件，而且甚至逐个脉冲或者不同的运行是可变的。
如果在基片处理期间出现阻抗失配，可能导致基片损害。
可变频率RF功率发生器的使用减轻了采用固定频率RF功率发生器和匹配网络时遇见的许多问题。美国专利No.5,688,357(Hanawa)披露了使用固态振荡器与控制系统结合构成可变频率RF功率发生器的方法，包括检测反射和/或发送功率的方法。该控制系统调节RF功率源的频率，直到反射功率最小以及/或者该发射功率最大化为止。本固态技术的缺点是具有固态元件的RF电源适合于处理5kW数量级的相对地低的功率电平。但是，例如直到15kW能够产生更高的功率电平的电源需要处理具有300毫米直径的圆片。替代使用固态振荡器是使用作为包括加感线圈和等离子负载的振荡器电路内的有源元件的真空管。
真空管振荡器使用了50多年，用于变换直流(DC)电源为交流(AC)电源。在“真空管振荡器”(Chapter XI of Principles of Electrical EngineeringElectrical Engineering Series Apesplied Electronics，A First Course inElectronics，Electron Tubes and Associated Circuits by Members of theStaff of the Department of Electrical Engineering，MIT，John Wiley &Sons，Inc.，New York，1943)中可以查找真空管振荡器设计的完整的讨论。根据该著作，真空管振荡器分类为两个类别，即负电阻振荡器和反馈振荡器。对于在使用低压等离子放电的半导体处理中的特定的使用，反馈振荡器可以包括作为放大器的真空管和耦合电路，其中该耦合电路包括加感线圈，它可以是一个螺旋形线圈或者耦合RF电源与等离子的电气部件。典型的反馈振荡器的例子是哈特利振荡器，考毕兹振荡器，调谐栅极振荡器和调谐栅极调谐板极振荡器。已知的哈特利和考毕兹振荡器的基本的电路分别地表示在图3A和3B，它们在上述的真空电子管振荡器中查找。
反馈振荡器操作的基本的前提是：该设备起放大器的作用，其中输出功率的一部分作为输入反馈给该放大器，使得振荡可以保持。因此，能够周期的输出具有大于驱动该振荡要求的输入功率的任何设备可以称为自激励的。更确切地说，如果例如输出功率的分量以适当的幅度和相位反馈给真空管的阴极，则振荡可以维持。有时，将该反馈连接的真空管振荡器作为一个负电阻元件是有用的。
图4A和4B分别给出相应于在图3A中表示的哈特利振荡器的反馈振荡器的简化示意图和等效电路图。图4A和4B也在上述的真空管振荡器中找到。在图4A中，该电路是由一个电子管放大器和一个耦合网络构成的。正如表示的，真空管放大器具有一个输出电压Ep(板极至阴极)，一个输入电压Eg(栅极至阴极)和一个电压增益K＝Ep/Eg。该耦合网络看到一个输入电压Ep和具有Efb的输出电压，在这里β＝Efb/Ep是耦合网络的电压比。为了产生自激振荡，放大器的电压增益K必须至少等于反馈电压比β的倒数或者K≥l/β。
图4B提供与图4A相同的电路的等效电路图。但是，假定该电路是线性类别A电路。代替图4B电路中的K值，可能表示持续振荡的以下条件，通常称为巴克豪森准则(Barkhausen criterion)， β ( ω ) = [ 1 μ + 1 g m Z ( ω ) ] . . . . . . . ( 1 ) 式中Z是负载电路的阻抗，而μ和gm分别是该真空管的增益和互电导。清楚地，β是一个复合的电压比，因为该阻抗更可能包括电抗部件，其中实部和虚部必须独立地相等以便满足等式(1)。这两个标准对幅度和相位设置了限制，因此定义工作的必要条件。实际上，有时等式(1)的实数部分设置该真空管的互电导gm的条件，而等式(1)的复数部分通常设置工作频率。
正如图3A中表示的，其阻抗为Z的哈特利振荡器的负载电路包括与电容器C并联的两个电感器L1和L2，其中两个电感器之间的共同的节点直接地连接到真空管阴极。
有关于光谱仪中的等离子产生，欧洲的专利EP 568920A1(Gagne)披露了在用于耦合RF电源给大气的等离子的考毕兹振荡器电路内使用一个三极真空管。但是，该振荡电路披露为耦合功率给该等离子的效率差，大约40至60％。另外，当设计为用于耦合RF功率给低压、高密度等离子的一个反馈振荡器时，没有人工电路调谐时考毕兹振荡器不能从等离子点火条件过渡到运行条件。为了克服这些问题和改进振荡器电路的稳定性，使用哈特利振荡器能够在开始和运行条件之间自动的过渡。此外，哈特利振荡器电路更有效：大约78％。
本发明提要：
本发明的一个目的是提供具有RF功率发生器的等离子产生系统，它减轻了在上面指出的缺陷和缺点。
本发明的另一个目的是提供具有RF功率发生器的这样的一个系统，可以在15kW和更高的范围中产生大功率的电平，但是比能够在这样的功率电平工作的现有的电源费用较小。
本发明的另外目的是提供一个RF大功率的发生器，能够将功率转换为等离子源，同时迅速地调节以便改变RF功率电平，例如具有一个或者几个微秒数量级的匹配网络时间标度，并且在等离子电源阻抗变化期间连续地保持匹配阻抗耦合电路。
本发明另外目的是提供一个射频发生器，在开始和运行条件期间稳定地工作并且能够在开始和运行条件之间自动的过渡，无需手动调谐电路。
根据本发明通过在处理腔中变换DC电源为RF电磁场的一个系统实现了上面的和其它目的，该系统包括：
环绕处理腔构成的一个线圈，用于耦合RF功率给等离子；和
一个RF功率发生器，包括具有直流电源和RF功率输出的一个自由振荡的振荡器，该功率输出连接到一个负载阻抗，该负载阻抗包括线圈、工作用于提供RF电流给线圈以便产生RF功率的RF功率发生器，RF功率耦合到等离子，其中：
该自由振荡的振荡器包括：具有一个阴极、一个板极一个栅极的一个真空管；连接到该栅极的一个栅-漏电路；耦合到本真空管的一个反馈电路；和连接用于加热阴极的DC电源电路；和连接该线圈的至少一部分形成该反馈电路的一部分。
根据本发明的优选实施例，RF功率发生器位于邻近该处理腔，而直流电源可以设置在远离该处理腔和RF功率发生器二者的位置。但是，该直流电源可以放置在任何位置，包括相邻该腔。直流电源的尺寸是要求的RF功率电平的函数，因此，当用于圆片处理产生15kWRF功率时它可能变得相当大。
为了实现期望的RF功率输出电平，即RF功率斜坡或者脉冲RF功率，可以利用根据本发明的RF功率发生器作为它的有源元件，具有控制栅极的三极真空管，其中使用波形发生器可以调制栅极偏压。有源元件还可以是具有单个或者多个控制栅极的一个四极管，五极管等，固态晶体管，FET或者类似的增益设备。根据本发明的优选实施例，真空管自由振荡振荡器是一个变形的哈特利振荡器。
已经发现，使用自由振荡的振荡器不需要任何匹配网络并且允许该振荡器输出直接地连接到电感线圈，因此直接地耦合到等离子源。
当处理腔条件变化时，等离子阻抗将有相应的变化，因此振荡器电路的负载阻抗相应的变化。除了是真空管参数的函数外，振荡的频率维持是负载阻抗的函数。因此，在稳定的工作期间，自由振荡的振荡器的RF频率自动地适应这样的变化。
根据本发明的系统提供超过现有技术的许多优点，包括改进的可靠性，不同单元的性能的一致性，对功率电平变化的响应速度和通过测量振荡器输出频率监视等离子条件的能力。
自由振荡的振荡器随负载阻抗的变化迅速地改变它的振荡频率而不依赖机械地可校准的部件的能力导致RF功率发生器输出阻抗与等离子源的阻抗的更可靠的匹配，因此容许传递给等离子的功率的更准确的控制。另外，除去机械地可校准的部件和有关的控制电路显著地改进系统可靠性和降低系统制造费用。
换句话说，RF反馈振荡器的响应仅仅取决于等离子阻抗可以变化的速率和不同的电路元件的时间常数。例如，在运行条件期间与等离子阻抗变化相关的时间标度可以为几十微秒，并且在开始工作期间只要1毫秒。因此，使用自由振荡的振荡器容许有效的传送功率到等离子源，即使当RF功率以脉冲形式提供，该脉冲具有3至5毫秒或者如果不要求1％准确度则更小的持续时间，并且分别具有30和50微秒短的上升和下降时间。RF功率发生器可以满意地响应功率电平变化和具有3至5毫秒的持续时间的脉冲，并且可以满意地工作，即使当RF功率是在具有复杂的、多级的、周期的或者非周期的时间函数的不同的功率电平之间脉动。
此外，由于由RF功率发生器产生的RF频率随等离子源阻抗而变化，可以监视该RF频率以便提供等离子条件变化的指示。这可能对RF频率可以与特定的等离子源参数相关是特别地有益的。
虽然本发明提供很多的优点，为了注意，在本领域的目前的状态中，大功率的真空管RF振荡器要求由受过训练的人员执行定期的维护。另外，在一些工作条件下，该振荡器输出频率可以调制在指定用于工业的RF使用的ISM频带外部的频率。但是，这个问题通过围绕电源和处理腔的适当的RF屏蔽减轻了。RF屏蔽例如可以是密封该等离子腔的铜网丝以及/或者铜版壁的形式。
这个屏蔽没有具体地表示在附图中。但是，根据在本领域已经知道的原理，所有的RF部件即线圈、电缆、RF振荡器和振荡器电路单元常规地具有适当的屏蔽，即包围在金属盒、同轴电缆等等内。可能仍然有一些RF泄漏，并且如果它的幅度足够大，则要求另外的屏蔽，可能地以铜版壁以及/或者网丝屏蔽整个腔。对于大多数的处理腔，RF屏蔽是标准的做法。
附图的几个图的简要叙述：
图1A、1B和1C是三个现有技术等离子产生系统配置的简化的视图。
图2是现有技术的固定频率RF功率发生器的电路图。
图3A和3B是两个现有技术真空管振荡器的电路图。
图4A和4B分别是在图3A中表示的振荡器的电路图和等效电路图。
图5是根据本发明耦合到处理腔的系统的方框图。
图6是图4表示的系统的自由振荡的振荡器的优选实施例的电路图。
图7A是连接到图6电路的部件的等离子产生系统的部分图解的、部分电路的示意说明。
图7B是图7A表示的电气部件的电路图。
图8A和8B是说明根据本发明的RF功率发生器操作理论的等效电路图。
图9是图6的振荡器可用的部件的电路图。
图10A和10B分别是在图6的自由振荡的振荡器中可以使用的真空管部件的端视图和侧视图。
图11是说明根据本发明等离子密度控制过程的编程流程图。
本发明的详细的叙述：
图5是根据发明用于产生RF电磁场的一个系统和处理腔2一起的一个方框图，其中等离子是利用电磁场产生的。腔2密封处理区域4，在其中形成等离子。在区域4内提供安装基片8的一个基片支座6。基片8可以是半导体圆片，在圆片上进行等离子辅助处理。区域4由处理管10环绕，处理管10又由静电屏蔽12环绕。在区域4的上面的边界提供具有气体注入部件14的腔2，用于注入可电离的处理气体到区域4中。这个处理气体由在区域4内的RF电磁场电离并且得到的离子在由区域4内的适当的部件(未表示)产生的电场的影响下向基片8推进。这样的部件是本领域已经熟知的。
至今描述的所有的单元和执行等离子辅助蚀刻或者沉积工作需要的而不属于本发明的贡献的所有的其它系统和部件可以由本领域熟知的部件构成。
要求的电磁场通过提供RF电流给绕着区域4缠绕的线圈16和屏蔽12产生，并且根据本发明构成RF电磁场产生系统的一个部件。为了产生RF电磁场，线圈16连接到RF功率发生器20的输出导体并且工作功率从直流电源22传递给发生器20。
在表示的实施例中，线圈16是一个螺旋状的或者螺线管的线圈。但是，应该懂得，线圈16可以具有适合于在处理腔中产生等离子的任何形式。
根据本发明的优选实施例，RF功率发生器20直接地安装得相邻电抗器2，而直流电源22可以设置在远离功率发生器20并且由导体24连接到功率发生器20的一个位置。但是，不需要在这样的远程位置定位直流电源22。实际上它可以相邻电抗器2本地放置。
RF功率发生器20本质上由自由振荡的振荡器构成，它具有作为它的有源元件的一个三极管功率真空管26。在此处描述的本发明的振荡器电路的优选实施例表示在图6中。它具有类似于前面描述的哈特利振荡器的配置；但是，其差别在于包括负载电路的电气部件包括等离子耦合元件，即螺旋形线圈16和等离子。
图6中表示的电路是图3A中表示的哈特利振荡器的一个变形的型式。哈特利振荡器电路是反馈振荡器的较大类别的一个例子。哈特利振荡器的一个特征是该分压电感(图3A中的L1和L2；图6中的17和18)，它是在连接到真空三极管26的阴极的一个节点划分的。在上述“真空管振荡器”XI章中描述了反馈振荡器工作的基本基础。
图6提供的电路包括需要详细的叙述的几个部件。这些部件如下：(i)具有连接在端子28和接地之间的一个输出的直流电源(在图5中的部件22，在图6中未表示)；(ii)并联电容器32和RF扼流圈电感器30构成的一个低通滤波器；(iii)一个真空三极管26；(iv)包括阻隔电容器34、一个电路调谐电容器24、连接到等离子处理电抗器2的螺旋形线圈16和从螺旋形线圈16到真空三极管26的阴极的反馈连接；(v)一个栅极电容器40和一个栅极漏泄电路42，和(vi)一个低直流电阻，高的交流阻抗阴极加热电路36。
在图6中，表示用于5kWRF功率的电路的部件值和输入电压以及电流值的示例的组。
自由振荡的振荡器具有单个有源元件，它是具有一个板极、一个阴极和一个控制栅极的三极管功率真空管26。正如在本领域中熟知的，当在阴极和板极之间存在适当的工作电压时，施加给控制栅极的电位将影响阴极和板极之间电流幅值。典型地，这样的三极管的阴极是敷钍钨制造的。
可以使用作为管26的真空三极管的一个实际的例子是西门子RS3010CRF真空管。
管26的输出或者负载、电路是由电容器34和24和线圈16的部分18构成的。具体地说，电容器24和线圈部分18串联连接在管26的板极和阴极之间，电容器24是串联连接在电容器34与地之间，而线圈部分17和18串联连接在电容器34和地之间。另外，电容器24和线圈部分17二者连接到地，因此实际上形成与首先提到的线圈16的部分平行的一个串联支路。
使用的连接是相应于哈特利振荡器配置的连接。到螺旋形线圈的连接点确定从阻隔电容器34的连接和到阴极的连接之间的有效电感以及从阴极到地的连接的有效电感。这样的分离的电感对哈特利振荡器是固有的，并且它们的值影响振荡器性能。
使用阻隔电容器34从负载电路去耦直流电源。在图6中识别作为具有电容“CX”的可变电容器24用于调节等式(1)描述的阻抗Z。这么做，对于给定集的标称条件(即，RF功率，腔条件等等)可以调节工作振荡频率。加感线圈或者螺旋形线圈16被分成三部分，即开路端部分19、连接到电容器24和34的一个输入抽头的和反馈抽头的连接46之间的该部分18，而部分17从反馈抽头的连接延伸到在外部导电壁或者用于等离子源的屏蔽的地。线圈16是一个螺旋形线圈，缠绕在等离子腔周围。
图7A提供螺旋状的谐振器的示意图，其中螺旋形线圈16缠绕静电屏蔽和处理管，后者是由电介质材料制造的并且由静电屏蔽包围的。线圈16由一个腔壁包围并且连接到输入抽头的位置和自由振荡的振荡器的反馈连接46。该腔具有用导电的材料制造的一个外壁并且线圈16的部分17的末尾连接到该外壁。图7B表示图7A的部件的电路示意图。线圈部分17和18代表哈特利振荡器的共同的分离电感，和部分19只不过是螺旋状的谐振器的开路端。当然，在运行条件期间存在与等离子的互电感。正如前面参见图1C描述的，螺旋状的谐振器是由一个屏蔽或者外导体和一个线圈或者内导体构成的，在这种情况下该屏蔽是导电的腔壁，该线圈是线圈16，由该屏蔽包围。线圈16的一端直接地连接到地或者到该屏蔽。线圈16的相反端是开口的末端，除非使用微调电容器。
总体上该系统类似于四分之一波同轴传输线谐振器(参见ReferenceData for Radio Engineers，Howard W.Sams & Company(1975)Section 24，pages 28-30)。与具有外部导体的螺旋形线圈的电容耦合相关的电容和该线圈的电感合作形成LC电路，其中谐振频率变成ω＝
为了懂得负载电路和它与整个振荡器电路耦合和确定持续振荡是否是可能的以及能得到什么振荡频率，可以画出简化的电路图以包括等离子的效果。例如，在图1C表示的感性耦合的等离子源的情况下，外导体是一个导电的腔壁，在图1C中呈现的物理系统可以由图8A表示的简化的电路图表示(参见Lieberman & Lichtenberg，Principles of plasmadischarges and materials processing，John Wiley & Sons，Inc.，1994，p.393，图12.2)。这通常称为感性放电的变压器耦合电路模型。该电感线圈由电感器Lc表示，其通过等离子电感Lp耦合到该等离子。当然等离子由电路元件Lp和R表示。这个电路在图8B中进一步简化，其中图8A的电路以串联的有效电感器和电阻器代替。使用该等离子的等效的电气电路模型，人们可以估计该负载阻抗，正如由放大器电路看到的，并且随后设计整个振荡器电路在给定频率以一些额定的条件持续振荡。
从常规的高电压直流电源22(图6中未表示)提供工作电源给管26，该电源的输出连接在电源输入端28和地之间。端子28通过RF扼流圈30连接到管26的板极，而滤波电容器32连接在端子28和地之间。线圈30和电容器32作为一个低通滤波器，它由该振荡器的交流部分去耦该直流电源。正如表示的，管26的阴极和地之间的直流路径由线圈16的部分17提供。
真空管功率三极管的适当的操作要求它的阴极被加热，以便起一种有效电子发射器的作用。管26的阴极由从适当的电压源(未表示)通过电流传送电路36提供给阴极的直流电压加热。电路36是由与在电路36的正的和负的输入端之间的阴极一起形成串联电路路径的一组电感器以及一系列并联连接的电容器构成。在实施中，电路36在它的输入端和阴极之间提供非常低的直流电阻，该阴极还具有一个非常低的直流电阻，因此具有高幅度的加热电流可以由相对地低的直流电压产生。电路36本质上用于在该振荡器的高频部分和直流电压源之间提供交流去耦。
图6的振荡器电路还包括连接在管26的栅极和地之间的栅偏压电容器40和也连接在管26的栅极和地之间的栅极-漏泄电路42。
前面提供的简单的分析有关线性的A类放大器。但是，通常栅漏电路42和栅极电容器40用于提供栅偏压。因此，这个非线性电路的引入使得振荡器电路的特性立即违反A类别管的操作。非线性只是由于该电流的整流流入栅漏电路而发生的，正如将在下面更详细地讨论的。非线性特性增加两个希望的效果给振荡器电路的操作。第一，它增加稳定效果；换句话说它限制持续振荡的幅度。例如，如果该电路是线性的，没有因素限制该电路的大多数不稳定频率模式的幅度增加。第二，使用栅极偏压使该管能够以更大效率工作，使得它具有C类性能。效率给改善是由于持续振荡的频率变得更接近该调谐电路的谐振频率。
最后，管26的栅极连接到用于到栅极电压产生电路的连接的输入端44，可以构成给该栅极提供恒定幅度的直流偏置电压或者具有选择波形的电压，诸如脉冲波形，复合的、多电平波形，正弦波形等等，正如将在下面更详细讨论的。
对于给定的板极-阴极工作电压，通过管26的电流的电平将随着三极管栅极上的电位变得更正而增加。当在该栅极的电位相对于阴极电位是正的时，来自三极管阴极的电流将充电电容器40并且流过漏泄电路42。当三极管栅极的电位相对于该阴极电位是负的时候，没有电子流入漏泄电路42。因此，在RF周期期间，当栅偏压相对于该阴极电位是正的时，电容器40将充电到相对于地是负电位并且在RF周期的另一部分期间电流将从电容器40通过漏泄电路42慢慢地漏泄。
电容器40的电容应该足够大，以便与栅漏电阻比较在该工作频率具有可忽略的电抗。这等效于表明栅极偏置电路的时间常数必须比RF振荡周期充分地大。在这些条件下，在电容器40形成一些充电；即，在RF周期的一小部分期间在对栅漏电路充电损失的速率小于从该栅极接收的充电。因此，随着在电容器40充电增加，负栅偏压增加，因此减少了栅极电流脉冲。最后，达到稳定状态条件，其中在RF周期期间对栅漏电路充电损失平衡接收的充电。此时，电流的稳定的分量通过栅漏电路起作用以及交变分量通过栅极电容器40起作用。典型地，电流表48可以用于测量和监视通过栅漏电路的电流的稳定的分量。该直流是在该电路中该振荡的相对幅度的度量并且可用于检测振荡的存在。
为了准备图6中表示的、在等离子处理系统中使用的振荡器，仅仅需要调谐电容器24到一个选择的标称振荡频率，例如可以是13.56Mhz。当这个初始的电路调谐完成时，在等离子处理操作期间不要求另外的调谐。正如由上面的等式(1)表示的，负载阻抗的变化直接地影响反馈电压比β。为了持续振荡，振荡的频率必须更改为补偿阻抗Z中的这些变化。当然，随着频率变化，该阻抗也变化。
在操作开始，在该电路中的电子噪声产生初始的干扰并且放大首选的波长。得到的振荡保留时间取决于反馈电压的增益是否大于一。随着等离子条件变化，由于反馈该电子管两端的电位也变化，随后这电子管自调节振荡频率。
因此，由自由振荡的振荡器产生的频率自动地适应等离子源的特性阻抗变化，使得在振荡器和在区域4内的等离子之间保持最佳的或者接近最佳的能量耦合。
根据本发明由RF功率发生器提供的一个优点是自由振荡的振荡器可以适应直流激励功率幅度的变化比利用机械地工作阻抗匹配网络的振荡器快的多。特别地，根据本发明的自由振荡的振荡器可以适应在3至5毫秒期间1％准确度的给定波形定义。这意味着调节将经过100个步骤的过程，每个步骤具有大约30至50微秒的上升时间。
当调谐电容器在开始时适当地调节时，根据本发明的自由振荡的振荡器可以响应等离子阻抗变化，由于在等离子区域的氩大气中气体压力在0.1mTorr至50mTorr之间变化。图6所示的具体电路中画出了电容和电阻值，其可以响应1和17mTorr之间的压力变化范围。仅仅需要进行小的调节该电路向上或者向下偏移这个范围，以便获得在最初规定的压力范围的至少一部分内的工作特性。
正如本领域已知的，等离子的密度取决于几个工作参数，包括耦合到等离子的RF功率的电平、在处理腔内的气体压力等等。特别地，等离子密度直接地受吸收的功率数量Pabs影响。因此，如果人们考虑热力学第一定律，由振荡器部分20产生的RF功率Pin和由等离子吸收的RF功率之间的能量平衡Pin-Pabs，因此，监视一些部件的温度可以提供关于加热功率损失数量或者转换成热的损失功率的至少小部分的一些信息。但是，使用等离子处理系统要求冷却该系统的一些区域的方法以便保持温度稳定性。例如，RF振荡器部分20可以经受显著的温升，其中通过在真空三极管和栅极电阻内耗散的功率发生实质上的加热。在等离子系统工作期间，耗散功率足够产生RF振荡器部分20内的部件的可感知的温升。RF振荡器部分20本质上由图6表示的所有的电路部件组成，除了直流电源、螺旋形线圈和该等离子外。此外，螺旋形线圈和处理腔典型地要求冷却。一般的，螺旋形线圈是浸在冷冻剂液体(例如FluorinertTM)的再循环槽内。冷冻剂液体的温度是与耗散的功率数量有关的。
理想地，希望直接地测量等离子密度。但是，这要求在处理腔上或者内安装附加的传感装置，例如Langmuir探针，它安装使伸入等离子空间并且要求电气馈送贯穿该腔壁，或者较小插入的微波系统。但是，任何等离子密度测量设备增加得到的系统的复杂性和费用。
在根据本发明的系统中，自由振荡的振荡器电路的振荡频率是几个参数的函数，包括真空三极管的增益和互电导以及该电路的负载阻抗。电路的负载阻抗取决于不同的电路元件，即阻隔电容器、可变电容器、螺旋形线圈以及等离子。当然，等离子变化，例如等离子密度变化影响等离子阻抗，因此影响负载阻抗。因此，可能检测振荡频率的变化以及以等离子密度的变化与之相关。但是，正如前面描述的，输入功率最后以热的形式耗散，即功率的小部分在外电路中耗散，而剩余功率加热等离子。没有充分的冷却该真空管、栅极电阻和螺旋形线圈，该结构的温度可能变化。通常，处理腔工作在远离热平衡的条件下。温度的变化当然影响真空管的工作参数并且影响系统的元件，包括该电路的负载阻抗。反过来，这些变化影响从发生器输出的RF的振荡频率和幅度。因此，重要的是保持这些部件在恒定的温度，或者至少在具有小的变化的预先选择的温度，小的变化对振荡频率具有可忽略的影响。
如果等离子密度可以精确地控制，就可能调制该等离子密度或者稳定等离子密度在一个选择的值。在前一种情况下，可能期望通过从直流电源传送电压脉冲、斜坡、或者更复杂的波形的形式的信号同时保持所有的其它参数不变来调节RF功率。因此，变化提供给等离子的功率改变等离子密度并且这改变了振荡器频率。根据另一个可能性，可以期望设置输入参数之一，诸如腔压力或者提供给RF功率发生器的直流功率电平，以便简单地稳定等离子密度在选择的恒定值。
做为选择，这样的信号可以由栅极电压控制电路施加给管26的栅极，图9表示一个非限定的例子。这个电路包括通过一个变压器62、一个并联连接的电阻器64和串联连接的电容器66耦合到图6的端子44的一个脉冲波形发生器60。电阻器64和电容器66本质上构成一个简单的高通滤波器。可以实现发生器60传递一个可变电压给管26的栅极，可变电压根据任何型式包括方波型式、各段具有任何期望的持续时间的复合的多电平波形或者正弦的型式周期地变化。这样的发生器是本领域已经熟知的。
当振荡器和等离子产生系统的温度保持恒定时，输入参数诸如腔压力或者RF功率可以更精确地控制。在图6表示的电路中，超过压力范围1至17mTorr时，振荡器频率变化超过200kHz的范围。如果振荡器频率可能控制在2kHz的容差内，则通过适当地变化腔压力控制振荡器频率在1％准确度内变得可能。在根据本发明的系统的实际的实施例工作期间，观察图6表示的振荡器的维持的频率在冷冻剂液体从5至30℃的温度范围随冷冻剂温度以每度6.66kHz的速率变化。当出现偏压屏蔽时，测量这个温度范围。这个屏蔽通常是类似于静电屏蔽的开槽屏蔽，但是，不象静电屏蔽，它不接地而是通过阻隔电容器和匹配网络连接到射频发生器。此外，偏压屏蔽的开槽切口比静电屏蔽的切口更宽并且与静电屏蔽的切口对准以便允许该线圈产生的EM能量通过。偏压屏蔽可能是偏置的、不偏置的(浮动的)或者接地的。一般的，利用它偏置该壁以便为了清除目的吸引离子轰击，它的存在简单地变化该结构的电气属性。
因此，如果期望控制振荡器频率到在1％内，同时保持等离子密度(或者压力、功率等)在一致的限制内，需要保持冷却系统的温度恒定到0.3℃内，这是难于满足的要求。但是，使用用于螺旋状的谐振器的冷却技术可以获得这样的控制，诸如在1998年8月3日由Johnson申请的、未审查的美国暂时的申请No.60/095,036，名称为“ESRF腔冷却系统”中披露。这样的控制允许振荡器频率是等离子变化的指示，即与压力、功率变化等等相关的变化的指示。如果温度保持稳定在某些限制内，将没有任何温度相关的频率变化。
此外，必须对于RF振荡器部分20提供冷却，以便保持振荡器电路的其余部分稳定的温度。保持恒定的管温度的一个方法是在真空三极管周围缠绕铜管并且通过该铜管以高的流率提供冷冻剂液体的流动。一种液体可以是例如保持在25℃温度的冷却水。相同的铜管或者冷冻剂管路可以继续经过铜块，正如图6中表示的，栅极电阻41和43安装在它上面。这将对于该真空管和栅极电阻提供充分的冷却。二者部件可以耗散输入直流功率的重要部分。例如，在该管内耗散的功率可以是1kW大，而由栅极电阻耗散的功率可以是300W大。图10A是一个端视图，而图10B是一个侧视图，表示真空三极管26和冷冻剂管90的适当的配置。管26由支持板支持在振荡器外壳中，而管90回绕管26。管90的自由端由一个板94支持。表示的安排可以由西门子公司销售的以模型标志RS-3010-CJ的单元构成。
假定满足冷冻剂温度和对RF振荡器20的温度的这个限制，可以使用振荡器频率作为控制等离子密度的控制功能，而振荡器频率可以通过适当地调节腔压力以及/或者RF输入功率控制。在操作根据本发明的系统前，对于给定的装置开发一个数据库，该数据库提供等离子密度和振荡频率的不同的组合、腔压力和RF输入功率之间的相关性。假定通过执行两个值之间的100个步骤故意变化初始的等离子密度值到末端等离子密度值，这是为了获得1％准确度，定义每个等离子密度级和与频率以及压力步位相关。使用压力步位的值，预定的阀门特征可用于控制与等离子腔内部相通的高真空阀门的打开和闭合。然后，可以操作高真空阀门来调节在每个步骤细调谐的步位之间的压力。如果期望控制等离子密度为RF功率变化的函数，可以使用类似的方法。实际上，使用RF功率调节等离子密度是最好的工作方式，因为控制系统具有最好地响应时间。FRO的响应时间可以是大约几十微秒。
这样的过程的一个特定的例子表示在图11中。根据表示的过程，在步骤70设置期望的等离子密度，在此之后在步骤72设置每个步位和相关的压力变化之间的相关性。然后，在步骤74打开和关闭节流阀或者阀门，在步骤76，接着监视等离子区域中的压力和振荡器输出频率。然后，可以执行粗调谐，接着在步骤78细调谐压力和频率。控制电路的粗调谐可以基于振荡频率、等离子密度和RF输入功率之间预定的相关性。细调谐简单地包括一个迭代过程，其中获得预先设置的等离子密度在作为振荡频率函数的某个预先选择的容差内。该迭代过程可以是任何适当的已知的控制过程，即预测器-校正器等等。在步骤80再一次监视压力和频率，并且做出确定在判定方框82中是否已经完成等离子密度级变化。如果没有，操作返回至步骤78。如果等离子密度级变化已经完成，操作前进至方框84，确定是否执行下一步骤。如果执行下一步骤，操作返回到步骤74，否则在步骤86结束该过程，或者可以以RF功率替换的压力重复。
已经发现图6表示的振荡器能够以10-30W低的直流输入功率电平工作。而且，甚至功率电平和压力迅速的变化时该振荡器的工作也是稳定的。在起动条件下，主要地由于气体分离和气体从包围该区域的壁泄出，在区域4内的气体密度可以出现显著的变化。由于等离子进展至准稳态或者接通(运行)条件，该振荡器典型地可以在1ms(或者1原子过渡时间)的期间内稳定。
根据本发明的振荡器可以通过施加直流电压工作，直流电压在不同的功率电平之间是脉动的。根据一个可能性，三极管26的栅极可以从产生三极管的强的关闭条件的电压电平脉动到产生强的接通条件的电压电平。这允许该三极管在导电的状态和非导电的状态之间交替。它的一个优点是脉冲电路的操作可以在低功率电平完成。已经发现这个方法能够以具有上升时间30微秒短和下降时间50微秒短的0.001Hz和500Hz之间的重复率产生脉冲。作为选择，这样的脉冲可以由直流电源提供。这些脉冲具有更高的功率容量，允许用于短脉冲上升和下降时间，因此用于高的脉冲重复频率。
偏压屏蔽和夹盘引入与等离子的不同的电气耦合，因此要求修改等效的电气电路。当然，正如图6表示的负载电路将修改并且几个部件即阻隔电容器、可变电容器等等的值将变化。
虽然上面的叙述参考本发明的具体实施例，应当懂得，在不偏离它的精神的情况下可以进行许多修改。所附的权利要求书用以覆盖落入本发明的真实的范围和精神内的这样的修改。
因此目前披露的实施例在各方面考虑是说明的而不是限定的，本发明的范围由权利要求书表示，而不是由前面的叙述表示，并且因此在该权利要求书的含意和等效范围内得到的所有的变化都包含在其中。

Claims (23)

1.用于将直流电源变换为在处理腔中保持等离子的RF电磁场的系统，该系统包括：
环绕处理腔构成的一个线圈，用于耦合RF功率给等离子，所述线圈具有两个端；和
一个RF功率发生器，包括具有直流电源和RF功率输出的一个自由振荡的振荡器，所述功率输出连接到一个负载阻抗，所述负载阻抗包括所述线圈、所述RF功率发生器，该功率发生器工作用于提供RF电流给所述线圈以便产生该RF功率，该RF功率耦合入该等离子，其中：
所述自由振荡的振荡器包括：具有一个阴极、一个板极一个栅极的一个真空管；连接到所述栅极的一个栅-漏电路；耦合到所述真空管的一个反馈电路；和连接用于加热所述阴极的直流电源电路；和
连接所述线圈的至少一部分以形成所述反馈电路的一部分。
2.根据权利要求1的系统，其中形成所述反馈电路的一部分的所述线圈的所述部分至少与所述线圈的一个所述端间隔开。
3.根据权利要求2的系统，其中所述线圈的一端接地，所述线圈的另一端是开路的。
4.根据权利要求2的系统，其中所述真空管是一个三极管。
5.根据权利要求2的系统，其中所述RF功率发生器还包括控制装置，耦合到所述真空管，用于改变耦合到该等离子的RF功率。
6.根据权利要求5的系统，其中所述控制装置包括连接用于施加控制信号到所述真空管栅极的一个控制信号源。
7.根据权利要求6的系统，其中该控制信号是具有重复率比RF功率的频率低的时变信号。
8.根据权利要求7的系统，其中该控制信号具有脉冲串形式或者正弦曲线的形式。
9.根据权利要求7的系统，其中该控制信号是脉冲串的形式，每个脉冲具有多电平的波形。
10.根据权利要求2的系统，其中所述直流电源产生随时间变化的直流电压，它改变耦合入该等离子的RF功率。
11.根据权利要求10的系统，其中该直流电压是具有重复率比RF功率的频率低的时变电压。
12.根据权利要求10的系统，其中该直流电压具有脉冲串形式或者正弦曲线的形式。
13.根据权利要求10的系统，其中该直流电压是脉冲串的形式，每个脉冲具有多电平的波形。
14.根据权利要求1的系统还包括温度控制装置，与所述线圈和所述真空管相关工作，用于将所述线圈和所述真空管保持在选择的温度。
15.用于将直流电源变换为在处理腔中保持等离子的RF电磁场的方法，该方法包括步骤：
环绕处理腔放置一个线圈，用于耦合RF功率给等离子；和
提供包括具有一个真空管的一个自由振荡的振荡器的RF功率发生器，真空管构成RF功率发生器的有源元件，连接到所述真空管的一个反馈电路，一个直流电源输入和一个RF功率输出；
连接该RF功率输出到包括该线圈的一个负载阻抗，用于提供RF电流到该线圈，并连接该线圈的至少一部分以便形成该反馈电路的一部分；和
将可电离的气体引入该腔并且传送直流功率给该直流功率输入，以便激活该振荡器产生耦合入该等离子的RF功率。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括在该腔中变化等离子密度的步骤。
17.根据权利要求16的方法，其中通过变化耦合入该等离子的RF功率的幅度执行变化该腔中的等离子的密度的所述步骤。
18.根据权利要求17的方法，其中变化耦合入该等离子的RF功率的幅度的所述步骤是通过变化给该直流功率输入的直流功率的幅度执行的。
19.根据权利要求16的方法，其中通过变化腔中的气体压力执行变化该腔中等离子密度的所述步骤。
20.根据权利要求16的方法，其中该真空管具有一个控制栅极，和通过施加变化的振幅控制信号给该栅极执行改变该腔中的等离子密度的所述步骤，其中所述RF功率发生器还包括耦合到所述真空管的控制装置，用于变化耦合入该等离子的的RF功率。
21.根据权利要求20的方法，其中该控制信号是具有重复率比RF功率的频率低的时变信号。
22.根据权利要求21的方法，其中该控制信号具有脉冲串形式或者正弦曲线的形式。
23.根据权利要求21的方法，其中该控制信号是脉冲串的形式，每个脉冲具有多电平的波形。
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