CN1602563A - 等离子体产生装置和方法以及rf驱动器电路 - Google Patents

等离子体产生装置和方法以及rf驱动器电路 Download PDF

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Abstract

公开了用于产生高密度等离子体的方法和系统的部分的一种RF驱动电路和正交的天线组件/布置。该天线组件(105，115，110，120)是正交天线系统，该系统可以由具有适当阻抗匹配的任意RF产生器/电路系统(125，130)驱动来提供低输出阻抗。所公开的RF驱动电路使用开关类型放大器元件并且提供低输出阻抗。所公开的低输出阻抗RF驱动电路省略了对于干扰与等离子体相关的该固有阻抗变化的匹配电路。还公开了选择电容和电感值来提供用于该RF等离子体源的调谐。

Description

等离子体产生装置和方法以及RF驱动器电路
技术领域
本发明一般涉及等离子体产生系统的设计和实施。更具体地说涉及射频放大器、天线和用于干扰该放大器和天线以产生等离子体的有效电路连接。
背景技术
等离子体一般被认为是物质的第四种状态，其他的状态是固态、液态和气态。在等离子体态中，物质的基本构成基本上处于使得它们应用于许多领域的电离的形式，除了其他因素之外，这是因为它们增强的反应性、能量以及用于形成定向光束的适用性。
等离子体产生器通常使用在电子部件、集成电路以及医疗设备的制造中，并且用在各种商品和机器的工作中。例如，广泛地使用等离子体沉积所需物质层，例如在化学反应或从源溅射之后使用高精确度来腐蚀材料，并且通过等离子体中的自由基或者由该等离子体诱发的自由基来冻结(sterilize)目标或者修改材料的表面性质。
基于射频(“RF”)电源的等离子产生器经常被使用在实验用的和工业设备中，这是由于它们提供现成的等离子体源，并且常常是可携带的以及容易重新安置。这种等离子体是通过将RF辐射耦合到气体来产生，典型的是在减压的情况下(以及减少密度)造成气体电离。在任意RF等离子体产生系统中，该等离子体表示当工艺条件改变时在天线端处的可变负载。在其他工艺控制因素中，改变工作气体和压力影响在天线端处所见到的负载量。另外，该RF驱动波形幅度本身影响该等离子体温度和密度，这些又再影响了天线负载。这样天线/等离子体的组合表示由RF电源来驱动的非恒定的和非线性的负载。
典型的RF源具有50欧姆的输出阻抗并且需要具有匹配50欧姆阻抗的负载以便使得RF源更加有效地耦合到该负载。因为常常在等离子体自感、有效电阻以及与天线的互感中有不可预见的变化，所以通过重新调谐一些电路元件并且可能重新调谐该等离子体，来获得满意的从RF源到产生的等离子体的能量传输而提供阻抗匹配。为了实现这些目标，典型地使用可调节的“阻抗匹配网络”或者“匹配盒”来补偿由于改变等离子体条件造成的负载阻抗的变化。该匹配盒典型的包括两个独立的可调谐部件，一个部件是调节串联阻抗，另一个部件是调节并联阻抗。这些部件必须互相串联地进行调节以获得给等离子体的最佳功率传输。并不惊讶的是，精确调谐这些部件常常是很困难的过程。典型地是，重新调谐要求手动/机械操作/调节器来调整一个或者多个部件值并且通常要求精致的电抗电路来用于相当有限的可能的自动化程度。
众所周知的是给气体施加足够大的电场可以在气体原子内部从正电荷的原子核中分离出电子，这样将气体电离，并且形成导电的被称作是等离子体的流体状物质。在这个电离气体内，通过天线产生感应电流将射频电场和磁场耦合，这些将再进一步地造成气体电离并且从而增加了它的导电性，然后增加了天线场耦合到气体内的带电颗粒的效率，导致感应电流增加，造成电击穿和由各种机制引起的气体的基本电离。RF耦合的有效性取决于所使用的特定RF场和/或波。在下面说明适合于有效产生大量等离子体的一些类型的波。
啸声波是右手圆偏振的电磁波(有时候成为R波)，可以在浸没于静磁场B0中的无限等离子体中传播。如果这些波是在有限等离子体中产生的，诸如圆柱形的等离子体，则边界条件的存在-即该系统不是无限的事实-造成左手圆偏振模式(L波)与对于总的波场有贡献的静电一起同时存在。这些“受限制的啸声信号”是已知的螺旋波。参考Boswell，R.W.，等离子体物理，26，1147(1981)。它们感兴趣的和有用的品质包括：(1)产生和支持其效率高于由其他RF等离子体产生技术的效率的相对高密度等离子体，(2)在相对小的装置中每立方厘米有高达Np～1014颗粒的等离子体密度，其RF输入功率仅有几个kW，(3)在大多数情况下稳定和相对静止的等离子体，(4)高的等离子体均匀程度，以及(5)在宽压力范围产生等离子体，从1mTorr的几分之一到数十mTorr。在相对低的B0场，观察到与螺旋模式(heliconmode)激发相关联的重要的等离子体增强，这些可以使用廉价的部件容易和节约地产生。
在相对紧密的室中，B0＜150G，通过低场m＝+1螺旋R波的激发可以获得重要的等离子体密度(Np)增强和均匀性。这个可以通过例如使用其场图类似的天线来实现，并且因此耦合到与天线场占据相同体积的一个或者多个螺旋模式。该适当组合条件的集合包括施加的磁场B0、RF频率(FRF)、密度Np本身以及物理尺寸。
在美国专利No4792732，6264812和6304036中已经公开了用于将RF功率耦合到等离子体的一些天线设计。然而，这些设计相对复杂，常常需要定制部件，这些增加了系统采集和维护的费用。此外，不是所有的设计都适合于有效产生螺旋模式，该模式是在此所公开的优选模式。
RF电源典型地接收外部RF信号作为输入或者包括RF信号产生电路。在许多处理的应用中，该RF信号频率为13.56MHz，尽管本发明并不局限于工作在该频率。这个信号被功率输出级放大并且然后通过天线耦合到等离子体产生器中的气体/等离子体来用于产生等离子体。基于它们的性能特征诸如效率、线性、放大、阻抗等以及所打算的应用范围，而常规地将放大器分成各种种类。在功率放大中很关心的是作为热而所浪费的功率量，因为必须提供散热器以散发热量并且还增加了使用低效放大器的装置的尺寸。一种感兴趣的分类是由放大器提供的输出阻抗，这是因为该分类设置了由放大器所浪费功率的固有限制。
设计典型的RF放大器来提供50欧姆的标准输出阻抗。因为这种放大器的输出端两端电压和流过这种放大器的输出端的电流都是非0的，所以它们的乘积提供了由该放大器所损耗功率的估计。相对于这种放大器，开关提供两种状态：处于ON，对应于短路状态，即低阻抗状态，或者处于OFF，对应于开路即无限大(或者至少非常大)阻抗状态。在开关模式放大器中，在将被放大的信号的控制下，该放大器元件起到开关的作用。通过适当整形该信号，例如使用匹配负载网络，有可能在电流和电压之间引入相位差以便使它们异相从而最小化在该开关元件中的功率损耗。换句话说，如果电流高则电压低或者甚至为0，反之亦然。在美国专利No 3919656和5187580中公开了各种电压/电流的相互关系来用于降低或者甚至最小化在开关模式放大器中的功率损耗。
在美国专利No5747935中公开了开关模式RF放大器和匹配负载网络，其中在所需要的频率处提供的阻抗高，而考虑到等离子体阻抗的变化，基频的谐波是短路的以更好地稳定RF电源。这些匹配网络增加了与开关模式电源一起工作的复杂性而不是省略动态匹配网络。
在有效的等离子体产生器设计中所面临的问题包括需要低的维持费用和容易配置的天线、省略掉将RF电源耦合到由等离子体所提供的非线性动态阻抗的昂贵的和有限的匹配网络、以及有效的RF电源。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进的天线设计来将RF源有效地耦合到等离子体。本发明的另一目的在于在不需要使用匹配网络来将RF电源耦合到等离子体的情况下，借助于RF电源提供用于产生等离子体的系统。
根据本发明一个实施方案，示例性的等离子体产生器系统包括至少一个等离子体源，该至少一个等离子体源具有包含多个环(loop)的天线，每个环包括环轴，围绕公共轴布置该多个环以便每个环轴基本上是与该公共轴垂直的；至少一个射频电源，用于驱动正交的该多个环并且通过天线耦合到以圆偏振模式(优选为螺旋模式)所驱动的等离子体负载；基本上沿着公共轴的静磁场；将开关放大器耦合到天线环(antenna loop)的电抗，以便在没有等离子体存在的情况下电抗和天线环具有大约等于指定频率的谐振频率，借此省略了对于匹配网络的需要。将开关放大器耦合到天线环的电抗至少部分是由电容器优选提供的。
该射频电源优选包括至少一种下列组中的部件：基本上是A类放大器、基本上是AB类放大器、基本上是B类放大器、基本上是C类放大器、基本上是D类放大器、基本上是E类放大器、基本上是F类放大器。在一种实施方案中，它们是与变压器的初级线圈相连以将驱动阻抗降低到低值。甚至更优选的是该射频电源包括与相对低输出阻抗推挽布置的D类放大器。
在优选的实施方案中，该射频电源与天线的输入阻抗相比呈现出低输出阻抗。通常该低输出阻抗大大低于标准阻抗50欧姆。该输出阻抗优选的是位于从下列组中选择的范围之内：小于约0.5欧姆、小于约2欧姆、小于约3欧姆、小于约5欧姆、小于约8欧姆、小于约10欧姆、小于约20欧姆。优选的是该输出阻抗小于5欧姆，甚至于更优选的是输出阻抗在0.5到2欧姆之间，最优选的是输出阻抗小于1欧姆。使用这种低阻抗驱动器和所公开的电路一起来用于将该驱动器连接到天线的电流耦合环(current strap)，而省略了对于匹配盒的需要，这样降低了电路的复杂性并且消除了在等离子体处理系统中的电源失效。
所公开系统的进一步优点在于施加给天线的电压可以在等离子体形成之前使其相当大，这样提高了在各种工作条件下激发等离子体的能力。一旦形成等离子体，则电压降低到较低的电平来保持该等离子体，缓和可能由于高的天线电压所造成的损害。
根据天线振子(antenna element)和B0值之间的相位，它可以作为螺旋源(helicon source)进行工作，或者作为已磁化的感应耦合的等离子体(MICP)或者作为在B0＝0的ICP进行工作。此外应当观察到为了在压力范围中(例如P0大约为100mTorr)进行有效和稳定地工作，很难使用或实现使用现有技术的等离子体源的好处。当中性压力P0、输入功率PRF以及外部施加的轴磁场B0的条件是适当的时候，在天线振子中的电流呈现突然“锁定”在正交激发模式中。当这种情况发生时，该等离子体表现地几乎均匀填充该室，这相对于其他源来讲是有利的，这是由于产生均匀处理条件的能力。
另外，在不需要调节任意匹配网络部件的情况下，在等离子体参数变化远大于对于其他源已经报道的变化范围(例如在持续大约1分钟的周期中，中性压力P0从100mTorr变化到5mTorr，然后再次返回到100+mTorr)处，天线系统加上RF产生器的组合可以产生和保持等离子体。
在优选的实施方案中，使用螺旋模式RF波来用于点火或者产生等离子体。然而，除了可以使用所解释的螺旋模式之外还可以使用其他的模式。等离子体源例如可以作为一种类型的感应耦合等离子体(ICP)装置进行工作。另外，变化适合于电容耦合模式(E模式)的工作。
附图说明
下面示意性的附图是用来更好解释本发明的各种实施方案，而不是使用附图来限制本发明的范围。
图1说明具有两组天线振子的等离子体源室；
图2说明具有耦合到天线的RF电源的可调谐电路；
图3说明具有耦合到天线的RF电源的第二可调谐电路；
图4说明具有耦合到天线的RF电源的第三可调谐电路；
图5说明具有耦合到天线电流耦合环的RF功率放大器的电路；
图6说明具有耦合到天线电流耦合环的RF功率放大器的第二电路；
图7说明具有耦合到天线电流耦合环的RF功率放大器的第三电路；
图8说明RF功率放大器、天线电流耦合环和等离子体的简化模型；
图9说明在图8中描述的等效模型的集总电路；
图10说明在没有等离子体存在的情况下等离子体源的频率响应；
图11说明在有等离子体存在的情况下等离子体源的频率响应；以及
图12说明用于控制等离子体源的反馈布置。
具体实施方式
首先参考附图，图1说明具有根据本发明的实施方案配置的两组天线振子的等离子体源室。天线设计包括两个正交的单匝或者多匝环元件105、110、115和120，它们都围绕公共轴布置。每个天线振子105、110、115和120都由RF功率源驱动，如所示的A 125或者B 130。每个天线环可以耦合到具有分相器的同一RF电源或者耦合到特殊的RF电源，或者驱动正交的天线振子。优选的是天线中的这些环是由涂覆有导线(尽管还可以使用铜线或者其他的导体)的八(8)规格聚四氟乙烯来构造。
图1说明两组正交的二元件亥姆霍兹(Helmholtz)线圈状环天线，环元件105和115位于一组，环元件110和120位于第二组。这些环元件水平地缠绕在绝缘圆柱体135周围，以便当在它们中通过电流时所产生的磁场基本上是与该圆柱体的轴垂直。在亥姆霍兹配置中每组相对的元件是串联连接。这些互连相对环线圈的导线是优选地配置以便邻近的段携带反方向流动的电流，以增强与它们相关的杂散场的抵消，尽管这些抵消对于装置的操作不是必须的。给天线通电以便在两个正交分支中的电流几乎相等并且相差90度的相位，以产生一种近似的旋转横向磁场。
在螺旋模式等离子体实例的情况下，例如通过简单的电磁体可以产生静轴B0场140。这个场是沿着圆柱体的轴运行的。这个静场方向是这样的以便该旋转横向场模拟m＝+1的螺旋波的情况。实际上，可以调节产生外场的电流幅度和方向以调制等离子体产生器的性能。对于在此所讨论的参数，所必须场的全部幅度典型的是位于10-100高斯范围，但是对于不同大小的源来讲可使用可以替换的范围。一旦选择了静场的最佳幅度和方向，则典型情况它们不需要进一步的调节。
在静场和天线振子的RF场的结合中，在该绝缘圆柱体内部的等离子体中产生m＝+1螺旋模式，该绝缘圆柱体保持了等离子体的放电。应当注意的是，还可能改变并且因此重新调谐静磁场或者根本不施加该场，以便没有直接激发螺旋模式。该操作还产生等离子体，但典型情况是没有螺旋模式有效。当然，然后可以施加静场来提高等离子体源/产生器的工作。
应当注意的是使用例如多匝环天线来代替单匝环天线、和/或短而粗的钟罩有可能获得在图1中的相同的全部条件。尽管不是所要求的，但是对于钟罩来讲优选的是装配在具有缝隙不超过1/2”的天线框架内。
如下来设置一个实例的等离子体源：具有大约12”内径的石英钟罩(诸如标准的K.J.Lesker 12×12)，包括大约15cm高的直圆柱形部分与半径为6”的球形顶部。该钟罩依靠在大约12”内径×8”高(不是部分等离子体源)的真空室顶部。该天线包括两组相对的、紧密密封的、近似矩形的、被钟罩包围的两匝连续环天线振子，在每个点处的天线和钟罩之间的间距大约1/8”到1/2”。在每个振子内的这些匝是串联连接的，并且每组内的两个振子也是串联连接的，以便它们的场是加和的。在该实例中的每组自感大约是10微亨利，并且这两组之间的互感是小于1微亨利。大约分别是25cm和20cm的垂直和水平的天线环部分包括涂覆有导线的八(8)规格聚四氟乙烯。在可替换的实施方案中可以使用单匝刚性铜导体来代替涂覆有导线的一匝或者两匝聚四氟乙烯。在此所描述的用于产生横向旋转场的特定实施方案其目的不在于限制本发明的范围。
参考图2到4，可以使用传统的RF电源和匹配方案来激发在上面说明的天线中的天线电流。此外，图2到4中的电路是与本发明的方法相兼容。这些方法包括步骤诸如：给RF电源提供低输出阻抗；调节将RF电源耦合到天线的电抗，以便在没有等离子体存在情况下的谐振频率是所需要的RF频率。在有和没有等离子体存在的情况下，通过参考电路的品质因子(“Q”)可以理解低输出阻抗。在没有等离子体存在情况下该“Q”应当是在有等离子体存在情况下的“Q”的5-10倍或者甚至于更高。值得注意的是，不象已知的电路，在等离子体存在情况下，这种RF电源和天线的组合不需要通过改变电抗来重新调节以响应等离子体阻抗的改变。
在图2中RF源200可以是市场上可获得的2MHz、0-1kW产生器，它通过50欧姆同轴电缆在图1中所示的端“A”125处连接到90度相移电路/混合电路。该90度相移电路/混合电路的“+45度”和“-45度”的腿连接到由所示的可调电容器205、210、215和220构成的各个L类型电容匹配网络。在该工作频率每个电容器225的电抗是大约100欧姆，并且在变压器230一侧上的电抗是大约100欧姆，在另一侧上是开路。如在图2中所示，单个RF源200可以与无源功率分配器(90度相移电路/混合电路)和四个可调的调谐元件205、210、215和220一起使用来与两个单独天线电感235和240匹配。
在图3中所示的另一实施方案中使用两个单独的RF电源305和310，这样分别通过可调谐的电容器315、320、325和330将连接到电感335和340的两个天线电源线路完全分开。这样的配置是有利的，原因在于每个RF源可以工作在全功率，这样相对于单个RF源的输入功率来讲使得输入功率量加倍，并且可以调节两个天线之间的相位和幅度比。典型地是，源305和310工作在大约相同的幅度和相位相差90度的状态，尽管可以变化该幅度和/或相位差以便改变该受激模式的本质特征。例如，通过使得它们工作在不同的幅度下，可以保持椭圆偏振等离子体螺旋模式而不是保持严格的圆偏振模式。
在图4所示的第三实施方案中放置无源谐振电路，在一个腿上包括电感器/天线电感405和可调电容器410，并且使用具有匹配电路的RF源400来驱动另一个腿，该匹配电路具有连接到天线电感425的可调谐的电容器415和420。这种布置倾向于在等离子体中激发相同类型的椭圆螺旋模式，无源侧是工作在相对于驱动侧相差90度的相位，这样仅使用单个RF源和匹配网络就提供了许多本发明的优点。
在该实例中设置的工作气体是氩气，压力范围是从10mTorr到超过100mTorr。静轴场是可以手动设置到0-150G并且通过位于钟罩/天线组件(半径大约为9”)外部的线圈可以产生这种静轴场。
工作在压力大约75mTorr处的等离子体呈现出至少三种不同的模式。首先，是亮模式，在这种模式中当PRF小于或者大约为200W的时候对于B0＜Bcritical所观察到的是等离子体集中在该钟罩的边缘附近。这里，B0是轴磁场，而Bcritical是使用螺旋模式来用于激发等离子体的该轴场的临界值。类似地，功率电平PRF和Pthreshold表示提供给天线的RF功率和下面将要描述的阈值功率。在这种模式中，RF天线电流并不倾向于正交，而倾向于相位相差180度。第二，是阴暗-发光-放电状模式，对于B0＞Bcritical但PRF＜Pthreshold已经观察到，在较高功率情况下具有均匀的密度/发光，但是在较低功率情况下沿着该钟罩的壁具有大约1-2cm厚的黑暗空间。在这种情况下，RF电流是稳健正交的，在等离子体形成之后迅速表现出突然锁定在大约90度相移处。第三，在较高的PRF＞Pthreshold和B0＞Bcritical处形成明亮的等离子体，该等离子体呈现出比在模式(1)中的等离子体具有更加均匀的径向分布，并且天线电流再次倾向于锁定在正交的相位。该第三范围表示一种有效的工作模式，并且可以在中性气体压力下获得，而这些已经证明对于已知的等离子体源来讲很难实现这一点，尽管这些范围的每个范围可以应用在等离子体处理中。
一方面，在支持流线型的电源电路的情况下，本发明还可以省略如在图2到4中所描述的传统RF电源和可调谐的匹配网络。
在本发明的优选实施方案中，使用如在图5中所示的布置，RF电源电路直接驱动天线电流耦合环。在图5所示的RF放大器优选的是在本技术领域公知的具有低输出阻抗的(即推挽输出级)多种类型RF放大器中的一种。晶体管505和510是通过合适的电路500以推挽布置来驱动，正如本领域的技术人员所已知的。在这种布置中，在任意时间只有一个或者其他的晶体管导电，典型地是占空比为小于50％。该两个晶体管的输出是组合的以产生完整信号。
在优选的实施方案中，在输出级中的功率半导体例如晶体管505和510是工作在开关模式。在图5-7中它们被描述为FET，但是它们可以是例如双极晶体管、IGBT、真空管或者任意其他适合的放大装置。由D类操作提供了一种开关模式的实例。在这个模式中，交变的输出装置在RF波形的相对半周期上是迅速地切换到开和关。理想情况是由于输出装置要么处于完全的ON态，具有0电压降，要么处于完全的OFF态，没有电流流过，从而应当没有功率损耗。随后，D类操作理想情况是具有100％的效率。然而这种估计是假定具有无限快的切换时间的0动态阻抗。实际的实施情况典型地呈现出效率接近于90％。
然后RF驱动器通过固定的或者可变电抗515(优选的是电容器)直接耦合到天线电流耦合环520。这个耦合电抗值是优选的以便在没有等离子体存在情况下，具有耦合电抗和天线的电路的谐振频率大约等于RF工作频率。
在图6(A)中示出的该电路输出级的可替换布置包括在推挽级之后的或者是包含在该推挽级之中的变压器620，用驱动器600和晶体管605和610来提供电气隔离。变压器620可以被任意配置来转换该推挽级的输出阻抗，如果太高的话则转换到较低阻抗。布置电容器615使其与由变压器620以及天线电流耦合环625形成的电感电路在所希望的驱动频率处产生谐振。在图6(B)中示出类似的实施方案，使用电容器630来隔直流(DC)，并且电容器635是在由变压器620的漏电感和电流耦合环625的电感所形成的串联电路中谐振。
图7说明根据本发明的另一个RF功率和天线电流耦合环配置。包含在直流(DC)电源馈电中的中心抽头电感器725是连接到具有推挽驱动器700和晶体管705和710的输出级。由变压器720提供隔离。在任意时间，再次仅仅只有一个或者其他晶体管是导通的，典型地占空比为小于50％。在图5-7中给出的电路仅仅是解释性的实例。任意众所周知的推挽级或者提供低输出阻抗的其他配置可以被使用在它们的场合。
RF电源还可以与任意螺旋天线使用，诸如对称的(Nagoya III类或者其中的变型例如Boswell类的桨状天线)或者非对称的(例如右手螺旋、扭曲-Nagoya-III天线)天线配置，或者任意非螺旋的感应耦合配置。
通常，根据本发明的等离子体产生器系统可以使用基于作为下述情况工作的射频电源，这些情况是作为基本上A类放大器，基本上是AB类放大器、基本上是B类放大器、基本上是C类放大器、基本上是D类放大器、基本上是E类放大器、基本上是F类放大器或者其中任意的子组合。用于激发螺旋模式的与天线结合的这种电源适合于产生高密度等离子体。此外，对于非开关放大器，诸如在图2-4中所示，基于在此所说明的实施方案，可以使用将RF源阻抗转换为低输出阻抗的中间级来估计开关放大器的工作效率。
在感应耦合等离子体源中，天线电流耦合环是位于邻近等离子体形成的区域，通常是在绝缘容器的外面。根据电路的观点，天线振子形成非理想变压器的初级线圈，该等离子体是次级的。在图8中示出等效电路，其中电感器810表示代表电流耦合环的集总元件和导线中的任意电感，该任意电感包括例如由在有些实施方案中所存在的该驱动器的输出变压器所附加的任意电感。在标记为P的盒子里的部件代表等离子体：电感器820是该等离子体的自感，并且阻抗815表示该等离子体的损耗，该等离子体的损耗被模拟为有效电阻。M表示天线和等离子体之间的互感。晶体管驱动器800被表示为方波电压源。调节电容量805，同时安装该系统以使得该电路的谐振频率是与所需要的工作频率近似匹配。在具有固定电容器的可替换实施方案中，可以调节RF频率来获得相同的效果。
为了解释该系统的工作，可以将整个系统建立成如在图9中所示的模型。在图9中所有的电感器已经被集总成电感905，所有的电容器已经被集总成电容910，所有的损耗元件都集总成电阻器915，并且放大器应当理想地作为RF电压源进行工作(即具有0输出阻抗)。
在没有等离子体存在的情况下，R是小的，这是由于低的损耗，并且如图10所示，在图9中的电路呈现出窄的谐振来响应频率的变化。这就提供了该电路工作的其中一个优点：有可能使用相对低的功率输入来驱动天线上的电压到高值，这样有助于反应室中气体的初始击穿。一旦形成等离子体，则该系统中的衰减相当大地展宽(broaden)了谐振峰值，如在图11中所示，降低了整个电路的Q值。尽管该谐振的中心频率可以随着等离子体的条件漂移，但是与该等离子体负载存在时谐振响应的宽度相比，该漂移是可以忽略的。因此，当在具有等离子体负载进行工作的时候该电路对于工作条件的变化是相对不敏感的，并且不需要重新调谐。这些在图11中已经说明，尽管该Q已经充分降低以至该系统的工作保持有效，但是整个系统的谐振频率还是有略微漂移。随着电路的Q降低，施加给等离子体自身调节的电压相对于没有等离子体的情况将被相当大地降低。在有些实施方案中，根据当等离子体形成时候该谐振频率的漂移，实际上从精确的非等离子体谐振中向一侧或者另一侧来稍微解调谐RF驱动的工作频率可能具有若干优点。
通过多种技术诸如调节在RF输出级上的DC电源电平可以控制输入到等离子体的电源电平。在一个实施方案中，电源电压可以是响应于在等离子体负载中的所感测的变化来保持输入到该等离子体源的相对恒定的功率。如在图12中所示，例如通过使用电压传感器1200来监视来自DC电源1215的电压、和通过使用电流传感器1205来监视进入RF/等离子体系统的DC电流，可以实现通过DC电源调节器1230的用于调节的等离子体负载的感测，并且使用它们的乘积结合先前所测量的大约为模块1210中的放大器效率来估计从RF放大器1220输入到等离子体1225的净功率。例如通过监视该系统各个点处的热负载对于不同的输出电平可以测量增益模块1235的效率系数，并且以数字形式存储以便计算随输出电平变化的效率。可替换的方案是，可以测量RF电压和电流，并且用来估计有功功率的它们的同相乘积是损耗在等离子体中。
在此所使用的“低”阻抗意味着在图9中所示的串联谐振电路在没有等离子体存在情况下具有的“Q”应当是在有等离子体存在时的5-10倍或者甚至于更高。这就是说，放大器的输出阻抗应当充分小以至在输出的半周期中的能量损耗大大小于存储在电抗部分中的能量。这些条件在数学上定义为Z_out＜＜sqrt(L/C)，其中L和C是在图9中所示的集总值。当这些条件成立时，RF放大器将近似作为电压源进行工作。
在引发等离子体之前，该反应室被填充有特别用于给定处理的工作气体。本发明所提供的优点在于，在没有等离子体存在情况下电路的高Q可以允许地具有相对于在没有等离子体存在情况下的较小功率的天线振子上感应高压，所以可以击穿该气体以及引发等离子体。可以控制该没有等离子体情况下的电压来使得工作气体按照编程击穿；一旦形成等离子体，在该等离子体中的感应电流起到给系统加负载的作用以使得这些高压衰减并且因此避免给系统施加应力。
根据本发明所说明的电路布置不需要可变的调谐元件，诸如机械可调电容器，这是因为仅仅需要固定的电容C。然而，在优选的实施方案中，可以使用可调电容器来构建各种电路，该可调电容器是可调节的例如用于将该系统谐振与所需要的工作频率进行匹配，并且对于与该等离子体工作点的实时阻抗匹配来讲是不需要的。这种匹配对于抵抗机械振动的效应或者可能造成L-C谐振频率漂移的老化都是有效的。
在一个实施方案中，调节工作频率来补偿偏离谐振的小的偏差，同时机械地调谐该电容器来补偿大的偏差。在一个可替换的实施方案中，通过调谐电容器来进行调节。在该优选(调谐的)实施方案中，这个调谐是自动的并且是在当该源处于脱机期间进行的。在另一方面，由于调谐是作为处理控制的部分，例如给处理条件提供小的改进，所以所公开的布置减少了可调元件数量，使得在具有多个可调节的调谐元件的实施方案中少到只具有一个可调节的调谐元件。
正如本领域技术人员可以理解的，在没有背离本发明的教导和精神的情况下容易对所公开的发明进行多种改变并且可以进行可替换的实施。这些修改都是在下面所附的权利要求书的范围之内。例如，人们可以使用变压器与传统的放大器组合来对于低阻抗提供阻抗匹配。因此该权利要求书必须理解为涵盖这些变型和变化以及它们的等效表述。然而对于它们的公开和教导，在此所引用的所有参考是整体引入作为参考。

Claims (42)

1.一种等离子体产生器系统，包括：
至少一个等离子体源，包括
等离子体源室，以及
具有多个天线振子的天线，每个天线振子包括至少一个环，该环具有环轴，绕公共轴布置所述多个天线振子以便每个环轴基本上与所述公共轴正交，
其中定位所述天线以便它可以在所述室内部形成电磁场，以及
至少一个耦合到所述多个天线振子的射频电源。
2.根据权利要求1的系统，其中所述至少一个电源是可以给所述天线振子中的所述环供电，以在所述室内部形成旋转场。
3.根据权利要求2的系统，其中所述旋转场是圆偏振场。
4.根据权利要求1的系统，其中至少一个天线振子包括单匝环。
5.根据权利要求1的系统，其中至少一个天线振子包括多匝环。
6.根据权利要求1的系统，其中存在四个天线振子并且其中所述电源是可以给正交的所述天线振子供电。
7.根据权利要求1的系统，进一步包括一种静磁场产生器，所述静磁场产生器可以产生基本上沿着所述公共轴的静磁场。
8.根据权利要求7的系统，其中所述旋转场是螺旋模式场。
9.根据权利要求1的系统，其中至少两个天线振子是耦合到截然不同的射频电源。
10.根据权利要求1的系统，其中所述天线中的至少一个环是由涂覆有导线和铜线的八(8)规格聚四氟乙烯中的一种来构造。
11.根据权利要求1的系统，其中在所述天线和所述等离子体源室之间存在大约1/8英寸的间隙。
12.根据权利要求1的系统，其中至少两个天线振子是能够产生可以相加的场。
13.根据权利要求1的系统，其中至少两个天线振子是串联连接。
14.根据权利要求12的系统，其中所述两个天线振子的自感大约为10微亨利。
15.根据权利要求1的系统，其中所述两个天线振子之间的互感少于大约1微亨利。
16.根据权利要求1的系统，其中至少一个天线振子包括长度大约25cm的垂直环部分以及长度大约20cm的水平环部分。
17.根据权利要求1的系统，其中多个等离子体源被布置成一种阵列以产生空间大范围的等离子体。
18.一种等离子体产生器系统，包括：
至少一个等离子体源，包括
等离子体源室，以及
定位一种天线以便它可以在所述室内部形成电磁场，以及
至少一个射频电源；
至少一个电抗电路(reactive circuit)；
其中当等离子体存在于所述室中时，所述电抗电路、天线和等离子体组合的所述谐振频率中的漂移小于所述组合的所述谐振频率峰值的展宽；以及
其中从所述电源传送的功率基本上对于所述谐振频率响应中的所述漂移不敏感。
19.根据权利要求18的系统，其中所述电抗电路包括电容器。
20.根据权利要求19的系统，其中所述电抗电路进一步包括变压器，所述变压器提供所述电源和所述天线之间的DC隔离。
21.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源包括基本上是A类放大器、基本上是AB类放大器、基本上是B类放大器、基本上是C类放大器、基本上是D类放大器、基本上是E类放大器、基本上是F类放大器的至少一个。
22.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源包括至少一个RF信号产生器。
23.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源包括至少推挽电路。
24.根据权利要求23的系统，其中所述推挽电路包括至少两个具有低输出阻抗的晶体管。
25.根据权利要求24的系统，进一步包括
第一电路，用于驱动第一组天线振子；以及
第二电路，用于驱动与所述第一组天线振子正交的第二组天线振子。
26.根据权利要求23的系统，其中所述两个晶体管中至少一个是根据基本上是D类、E类、F类模式之一来工作的。
27.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源包括处于推挽布置的开关模式D类放大器。
28.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个等离子体源产生感应耦合的等离子体。
29.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个等离子体源产生电容耦合模式(“E模式”)的等离子体。
30.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源具有小于约0.5欧姆的输出阻抗。
31.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源具有大约0.5欧姆和大约2欧姆之间的输出阻抗。
32.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源具有大约2欧姆和大约5欧姆之间的输出阻抗。
33.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源具有大约5欧姆和大约10欧姆之间的输出阻抗。
34.根据权利要求18的系统，其中所述至少一个射频电源具有大约10欧姆和大约20欧姆之间的输出阻抗。
35.根据权利要求18的系统，其中所述天线包括临近于所述等离子体源室放置的至少一个电流耦合环的环。
36.一种用于产生等离子体的方法，所述方法包括下列步骤：由射频电源产生射频功率；
通过至少一个电抗电路将所述射频功率耦合到至少一个天线；
其中定位所述天线以便它能够在等离子体源室内部形成电磁场；以及
其中当等离子体存在于所述室中时候，所述电抗电路、天线和等离子体的所述组合的所述谐振频率中的所述漂移小于所述组合的谐振频率峰值的展宽；以及
其中由所述电源传送的功率对于所述谐振频率响应中的所述漂移基本上不敏感。
37.一种设计等离子体源以省略需要的匹配电路的方法，所述方法包括下列步骤：
给射频电源提供低输出阻抗；
选择将所述射频电源耦合到至少一组天线环的电容，以便在没有等离子体存在情况下所述电容和所述天线环具有的谐振频率大约等于用于所述等离子体的指定频率。
38.根据权利要求24的方法，进一步包括任选地提供可变电容器来实施所述选择的电容的步骤。
39.根据权利要求24的方法，进一步包括步骤：使得组合的耦合电容、天线和等离子体阻抗与所述射频电源的所述低输出阻抗失配，以便在等离子体存在情况下所估计的Q至少低于在没有等离子体阻抗存在情况下的5倍。
40.根据权利要求26的方法，其中所述估计的Q至少低于在没有等离子体阻抗存在情况下的10倍。
41.根据权利要求24的方法，进一步包括步骤：使得所述射频电源和所述耦合电容器以及所述至少一组天线环失配，以便所述耦合电容器和所述至少一组天线环的输入阻抗大于所述射频电源的所述低输出阻抗的倍数选自下列倍数组成的组：大约至少5倍、大约至少10倍、大约至少20倍、大约至少50倍、大约至少100倍、大约至少1000倍。
42.根据权利要求24的方法，进一步包括步骤：通过反馈来调节耦合到所述等离子体的功率；确定从DC电源到所述射频电源的输出电压和电流；计算所述射频电源的所测量的效率；并且响应所述DC电源的所述输出电压和所述输出电流的乘积，改变所述DC电源的所述输出。
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