TW200420888A - Method for measuring power in a transformer coupled plasma source - Google Patents

Description

200420888 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於電漿源之領域；本發明特別係關於變壓 器耦合電漿（Transformer Coupled Plasma，TCP)源。 【先前技術】 感應耦合電漿（Inductively Coupled Plasma, ICP) 係例行性地使用於許多不同之應用，包含：材質處理，致 動氣體之生產，污染物減少及許多其他應用。於如此之裝 置中，該激勵變壓器之磁心係置放於接近或者環繞一個真 空室處或者於一個真空室之内。當該變壓器之一次繞組係 以射頻激勵時，該磁心周圍所感應之電磁場係於該真空設 備之内維持氣體電漿放電。該電漿係透過空氣或者透過一 該些源係被稱 個磁心而|馬合至該線圈。於後者之情況下， 為變壓器耗合電衆（Transformer Coupled piasma，κρ) 。使用於激勵該線圈之電源係通常由一個直流部分接著一 個射頻部分而構成。 通常，吾人係期望知道傳送至該電漿放電之射 之量。為了計算所傳送之功率之量，係必須測量電壓 流值以及該電壓及該電流之間之相位放 ^ i 地 ’ 14 4b 測 量係直接於該電漿負載上受到影響。 一

用中，電壓及 。雖然此項方 電力之值係不 300 為傳送至該電鑛> φ + ^4gv 電力之一個準確測量值，此係由於在該 射V員口 Μ刀之開關及在位 於5亥直^部刀及該電漿負載之間之 电路中的具有指4 负？貝失之兀件之損失所致。 可替代的1，某些應用係於該電源之輸出及該變壓器 電水反應器之間之某一點處實施射頻測量。由於該些 :號之時間變[這些測量係大致上不如於該電源之該直 /ο:分之輸出處所實施之測量來得準確。該種形式之測量 之乜點係為·其係排除歸因於該射頻電源產生器中之元件 ^貝失。然而，其他損失係持續存在。因此，傳送至該電 k之功率之準確值係難以藉由測量於該射頻電源之輸出端 處之電流及電壓而獲得。 因此’係期望一種提供傳送至該電漿放電之功率之直 接測量的機構。 【發明内容】 本發明係關於一種用於提供傳送至該變壓器耦合電漿 源中之電漿之功率之直接測量的方法。根據一個實施例， 其係敘述一種設備。該設備係包含一個真空室及一個電變 壓裔’該電變壓器係感應於該真空室内之一個電磁場。該 、交壓器係包含：一個一次繞組；一個二次繞組，其係由電 裝迴路所形成；及一個分離的二次繞組，其係實施成與該 電漿迴路測量電壓。該設備亦包含一個電流轉換器，其係 用於測量通過該電漿迴路之電流。 【實施方式】 200420888 根據一個實施例，其係敘述一種用於測量傳送至一個 變壓器耦合電漿源中之電毁之功率之方法。於下列敘述之 中’其係說明許多細節。然❿’熟習該項技術者應瞭解的 是，本發明係可以在無這些特定細節之下而實施。於复他 範例中，熟知之結構及裝置係以方塊之形式顯示，而非詳 細敘述，以避免模糊本發明。 於說明書中參照-個實施例係意謂與該些實施例之敛 述相關之-個特定之特色結構或者特性係包含於本發明之 至少一個實施例之中。於說明書中許多地方中出現之“一 個實施例中”―詞係不必然皆指相同之實施例。 第1圖係顯示一個透過一伽阳4丄 個阻柷匹配網路1 2 0耦合 至個射頻電源產生器工丄0之遠距變壓器搞合電聚源工 4 0之-個實施例。該射頻電源產生器丄丄〇係為一個包 含一個直流部分1 1 5及-個射頻輸出部分i i 7之電源 阻抗匹配網路i 2 〇係輕合至射頻電源產生器工Η 。該阻抗匹配網路i 2 〇係匹配該變壓器輕合電聚源“ 0之該阻抗範圍及該電源產生器i i ◦之該輪出阻抗。 雖然本發明係顯示成實施一個阻抗匹配網路，但是孰 習該項技術者係將可以瞭解：該阻抗匹配網路係可以被移 除而不影響本發明之範圍。 變壓器♦馬合電幾^1 4 Π A h Tv r* 电水源14 0係耦合至阻抗匹配電路工2 0。於-個實施例中’該變壓器，合電聚源14〇係透過 一個變塵器耗合電㈣而操作，且使用至少—個鐵氧體變 200420888 G σσ (未示出），以感應與電漀源1 4 0周圍的閉路路徑 電子漂移電流。 第2圖係顯示一個示範性變壓器耦合電漿設備之電性 表示。該設備係包含一個電源，一個内部（或者外部）電 感器，一個變壓器及一個連接至該變壓器之二次繞組之電 阻器。該變壓器之該二次繞組及該電阻器係代表該電漿負 載。 7 、 於許多應用中，吾人係可能期望一個電漿源之使用者 實施電流及電壓〜則4，以言十算傳&至該電浆 < 功率的量 於個麦I杰輕合電漿之設備之中，電流及電壓係可以 於該射頻電源之該直流部分的輸出端處被測量出。於該直 流元件之輸出端處之測量值係由於使用於計算之電壓及電 流訊號之直流特性而變成準確的。然而，由於該功率測量 點及該電漿之間之具有損失之電路元件的存在，諸如於該 射頻部分及該變壓器心之中之開關，根據直流測量所計算 出之功率之值係不代表傳送至該電漿之功率。 # 可替代的是，某些應用係於該電源之輸出處實施射頻 測量。於此測量處，因為該阻抗匹配係轉換該電漿負載之 複數值的阻抗成.為與該電源之輸出阻抗匹配之電阻性阻抗 ，所以電壓及電流訊號係為同相。以，功率係能夠由二 電流及電壓之均方根值而計算出。這些測量係由於該些訊 號之時間關係而不如直流測量準確。雖然此種形式之測量 係排除某些損1 ’諸士口歸因於該射頻電源產纟器中之射頻 開關之損失，然而，其他損失係持續存在。因此，傳送至 200420888 該電聚之功率的準麵量係難以#由測量於肖冑源元件之 輸出處之電流及電壓而獲得。 又另一個可能性係為測量於該匹配網路及該電漿反應 窃之間之一個點處之電壓及電流。於此測量點處，電壓及 電流訊號係不同相，且即時的電流、電壓及時間之即時測 量係需要的，以計算功率。這些測量係由於該些訊號之時 間關係而不如直流測量準確。此外，諸如歸因於激勵“

Is之損失係持續存在。因此，傳送至該電漿之功率的準確 測量係難以藉由測量於該些電源元件之輸出處之電流及 Φ 壓而獲得。 & 接著，明顯的是’為了獲得傳送至該電漿之功率的準 確測量’電性測量係必須於儘可能接近該電漿負載處實施 根據一個實施例，本發明係提供一種傳送至該電漿之

功率之準確測量。第3圖係顯示一個透 R 丨且抗匹配網 路120耦合至電源產生器11〇之電漿源“〇之 實施例的電性表示。 參照第3圖，射頻產生器丄i 〇係輕合 丨見柷匹配網 路1 2 0，該阻抗匹配網路i 2 〇係耦合至該電漿源工4 〇中之一個變壓器3 1 0的一次繞組3 0 〇。電漿4 〇亦包含-個電漿迴路3 2 〇及一個具有i : “數、比之 電流轉換器3 3 0。電漿迴路3 2 0係由該二次繞組 〇、k壓态3 3 0之一次側及一個電漿電阻器~所矛示 對於許多感興趣之電襞而言，該電阻器Rp係主控該電I迴 10 200420888

一次繞組3 4 Q 路3 2 0之阻抗之值。一次繞組3 〇 〇及 之間之匝數比係為Ν: 1。 0之電纜束線係環

根據另一個實施例，於該電漿源Ί 4 於一個實施例中，電流轉換器3 3 〇 繞該電漿3 2 Γ 者’一個電阻器r係連接至該變壓器3 提供一個正比於電漿電流Ιρ之電壓測量 Ip/M，其中，μ係為該轉換器3 3 Π夕- τ丄斗ϋ内之變壓器3 1 0係包含一個具有匝數比Ν ·· L之額林μ ^ ° 〜頌外的二次繞組3 5 0。二次繞組3 5 0係被實施成測量施加至電漿3 2 〇 閉路電壓。 於一個實施例中，繞組3 5 0係為環繞變壓器3工〇 之電纜束線3 6 0之單匝線，其係設置成使得包圍與該電 漿迴路3 2 0相同之磁通量。於如此之結構中，該閉迴路 電漿電麼Vplasma係與二次繞組3 5 〇處所測量之電壓Vp 相同’亦即，VP= Vplasma。根據另一個實施例，一個電壓 減少元件（未示出）係可以被連接至繞組3 5 〇，以減少 έ亥電Μ —預定ΐ ’以連接該電壓至一個功率測量電路（未 示出）。 第4圖係圖解一個變壓器耦合電漿源1 4 0之一個實 施例，其係顯示環繞該電漿室4 1 0之不同元件之典型設 置。如上文所述’電力係透過一個具有磁心3 6 0及一次 繞組3 0 〇之變壓器而耦合至該電漿3 2 0。二次繞組3 5 0係被使用於測量電漿之電壓。該電流轉換器3 3 〇係 11 測量該電漿電流Ip。 第5圖係顯示一個功率測量 。功率測量電路5"係接收由電=〇之一個實施例 即時電流值及由二次繞組33=轉換器330而來之 測量電路5 0 〇係包含一個乘=時：壓值。功率 5 2 0。乘法器5 i 〇俜接；± 〇及-個平均模組 戽… 接即時電麼及電流值，且將 母一個接收之值相乘，以獲得 且將 ^ ^ 又付& ^時功率。每一個計管屮 之功率值係被傳送至平均模έ 5 ^ ^ M ± b 2 0。平均模組5 2 0係 汁异傳送至該電漿迴路3 2 〇之功t 、 々 〇 z u之功率之一個平均值。 第6圖係顯示-個透過一個阻抗匹配網路 至電源產生器11〇之電漿泝14n+e 一 υ &电水源1 4 〇之另一個實施例的電 性表示。於此實施例中，該電壓~係於該變壓器6丄◦之 該輸入端被測量出。一個具有隨比L: M之電流轉換器 6 2 0係測量流經變壓器6工〇之該—次繞組之電流 使用此結構，該電漿之電壓係被測量為h/N，且該電 漿之電流係被測量為Ip=ViT㈣謂/ (r*l)。 電流轉換器6 2 0係以與上文參照第3圖所敘述之電 流轉換器3 3 0相同之方式操作。然而，於此實施例中， 定位轉換器6 2 0以測量電流係較不複雜，因為其係不需 要定位該轉換器相鄰於該室。再者，於此實施例中，電壓 係於變壓器6 1 0之輸入端被測量。因此，係不需要額外 的二次繞組（例如，於第3圖中之繞組3 5 0 )。 熟習該項技術者將可以瞭解，於第3圖及第6圖所顯 示之實施例係可以被混合及匹配。舉例而言，該電壓測量 12 ^yj\j-rjL\j〇〇〇 係可以於變壓器6 1 〇之輸入 Μ^ 〇 〇 鵠只^，而電流測量係使用 轉換為3 3 0而實施。類似地，雷 哭0 Α _ 電測量係可以使用轉換 口口 6 2 〇貫施，而使用二次繞組 、、 〇 〇 Q測置電壓。 上述之機構係使真實的電漿 電机及電壓之準確測量能 夠被獲侍。因此，傳送至該電漿 被計算出。 ι之功率的準確測量係可以 雖然於閱讀上文之後，本發 钟羽^ 月之許多改變及修改對於 元、> 该項技術者而言無疑係變成 成·、、、員明的，應瞭解的是，於 此用於例示之任何顯示及敘述 .i κ特疋貫施例係不意欲被認 為限制之意圖。因此，參照許多 ^ ^ 夕耳知例之細節係不意欲限 制申請專利範圍之範疇，該此實 丄 > 一耳知例本身係僅敘述被認為 本發明之本質之特色。 因此，上文係已經敘述一個用 用於測1在一個變壓器耦 合電漿設備中之功率之機構。 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 由本發明之實施方式之詳細說明及由本發明之許多實 施例之後附圖<，將可更加瞭解本發明。然而，該些實施 例係不被認為用於限制本發明於該些特定實施例，而是僅 用於解釋及瞭解之用。 第1圖係顯示一個透過一個阻抗匹配網路耦合至一個 射頻電源產生器之電漿源之一個實施例； 第2圖係顯示耦合至一個射頻產生器之一個示範性電 13 200420888 漿源之電性表示； 第3圖係顯示一個透過一個阻抗匹配網路耦合至一個 射頻電源產生器之電漿源之一個實施例的電性表示； 第4圖係顯示一個電漿源室之一個實施例； 第5圖係顯示一個功率測量電路之一個實施例；及 第6圖係顯示一個透過一個阻抗匹配網路耦合至一個 射頻電源產生器之電漿源之另一個實施例的電性表示。 (二）元件代表符號 1 1 0 射頻電源產 生 器 1 1 5 直流部分 1 1 7 射頻輸出部 分 1 2 0 阻抗匹配網 路 1 4 0 變壓器耦合 電 漿源 3 0 0 一次繞組 3 1 0 變壓器 3 2 0 電漿迴路 3 3 0 電流轉換器 3 4 0 二次繞組 3 5 0 二次繞組 3 6 0 電纜束線 4 1 0 電漿室 5 0 0 功率測量電 路 5 1 0 乘法器 14 200420888 5 2 0 平均 模組 6 1 0 變壓 器 6 2 0 電流轉換器 RP 電漿 電阻器 Ip 電漿 電流

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Claims (1)

1. 200420888 拾、申請專利範圍： 1 · 一種設備，其係包含·· 一個真空室； J個電變壓器，該電變壓器係耦合至該真空室，以感 應於β亥真二至内之一個電磁場，該變壓器係包含： 一個一次繞組； 一個電漿迴路，苴係於兮貪处〜 /、你於4真空至之内，其係實施 作為一個連接至該真空室之二次繞組丨及 個一人、、Α組，其係貫施成與該電漿迴路測量該_ 電壓；及 一個電流轉換器，其係用於測量通過該電漿迴路 之電流。 __ 2 .如申請專利範圍第1項之設備，其係進-步包含 個功率測置電路，其係用於接收由該電流轉換器而來之 時間決定的電流測量值及由該二次繞組而來之時間決定的 電壓測量值。 f ·如申請專利範圍第2項之設備，其中，該電衆迴· 及Λ人、兀組係具有相對於該一次繞組相同之匝數比。 4 ·如巾請專利範圍第3項之設備，其係進一步包含 一個電壓減少模组，1 、 /、係連接至該功率測量電路，以在該 電壓於該功率測吾齋 '電路處被接收之前減少於該二次繞組處 所測量之電壓一預定量。 5 ·如申請專利範圍第2項之設備，其中，該功率測 量電路係包含： 16 200420888 一個乘法器，其係用於將每一個時間決定的電流測量 值乘上每一個時間決定的電壓測量值，以獲得時間決定 的功率測量，·及 一個平均模組，其係用於平均該時間決定的功率測量 0 6 ·如申請專利範圍第1項之設備，其係進一步包含 一個電源，其係連接至該變壓器之一次繞組，以提供電力 給該電漿迴路。 7 ·如申請專利範圍第1項之設備，其係進一步包含 一個阻抗匹配電路，其係連接於該電源及該變壓器之該一 次繞組之間’以匹配該變壓器之阻抗範圍及交流電源之輸 出阻抗範圍。 8 ·如申請專利範圍第1項之設備，其中，該二次繞 組係藉由將一個單匝線捲繞於該電漿迴路之上而實施。 9 · 一種設備，其係包含： 一個電源； 一個阻抗匹配電路，其係連接至該電源； 一個電變壓器，該電變壓器係耦合至真空室，以感應 於5亥真空至内之一個電磁場，該變壓器係包含： 一個一次繞組，其係連接至該阻抗匹配電路； 一個電漿迴路，其係於該真空室之内，其係實施 作為一個連接至該真空室之二次繞組；及 一個二次繞組，其係實施成與該電漿迴路測量該 電壓；及 17 200420888 一個電流轉換器，其係連接於該阻抗匹配電路及 泫一次繞組之間，以測量通過該真空室電漿迴路之時 間決定的電流。 1 0 ·如申請專利範圍第9項之設備，其中，時間決 定的電壓值係於該阻抗匹配電路之輸出端被測量。 、 1 1 ·如申請專利範圍第i 0項之設備，其係進一步 包含一個功率測量電路，其❹於接收由該電流轉換器而 來之時間決定的電流測量值及由該阻抗匹配電路而來之時

   間決定的電壓測量值。 2如申睛專利範圍第工工項之設備，#中，該功 測量電路係包含 個點對點的電流測量值 ’以獲得點對點的功率 一個乘法器，其係用於將每一 乘上每一個時間決定的電壓測量值 測量；及 共係用於平均該點對點的 d •一種設備，其係包含： 一個真空室； 個電變壓器，該電變壓器係 應於該真空室内 主β真工至，以感 個電磁場，該變壓器係包含： 一個一次繞組； 作為：水^路’其係於該真空室之内，其係實施 為：個連，至該真空室之二次繞組；及 電壓；及人繞組’其係實施成與該電漿迴路測量該 18 200420888 一個電流轉換器，其係連接至該電變壓器之輸入 端，以測量至該電變壓器之電流。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之設備，其係進一步 包含一個功率測量電路，其係用於接收由該電流轉換器而 來之時間決定的電流測量值及由該二次繞組而來之時間決 定的電壓測量值。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之設備，其係進一步 包含一個電壓減少模組，其係連接至該功率測量電路，以 在該電壓於該功率測量電路處被接收之前減少於該二次繞 組處所測量之電壓一預定量。 1 6 ·如申請專利範圍第1 3項之設備，其係進一步 包含一個電源，其係連接至該電流轉換器及該變壓器之一 次繞組，以提供電力給該電漿迴路。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項之設備，其係進一步 包含一個阻抗匹配電路，其係連接於該電源、該電流轉換 器及該變壓器之該一次繞組之間，以匹配該變壓器之阻抗 範圍及交流電源之輸出阻抗範圍。 1 8 · —種設備，其係包含： 一個真空室； 一個電變壓器，該電變壓器係耦合至該真空室，以感 應於該真空室内之一個電磁場，該變壓器係包含： 一個一次繞組； 一個電漿迴路，其係於該真空室之内，其係實施 作為一個連接至該真空室之二次繞組；及 19 200420888 一個電流轉換器，其係連接至該電漿迴路，以測 量經過該電漿迴路之電流； 其中’電壓係於該電變壓器之輸入端測量出。 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項之設備，其係進一步 包含〜個功率測量電路，其係用於接收由該電流轉換器而 來之時間決定的電流測量值及於該電變壓器之輸入端所測 量之時間決定的電壓測量值。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項之設備，其係進一步 包含〜個電壓減少模組，其係連接至該功率測量電路，以 在该電壓於該功率測量電路處被接收之前減少於該電變壓 裔之輪入端所測量之電壓一預定量。 2 1 ·如申請專利範圍第1 8項之設備，其係進一步 包合一個電源，其係連接至該變壓器之一次繞組，以提供 電力給該電漿迴路。 2 2 ·如申請專利範圍第2丄項之設備，其係進一步 包含一個阻抗匹配電路，其係連接於該電源及該變壓器之 。亥_人、、組之間，以匹配該變壓器之阻抗範圍及交流電源 之輸出阻抗範圍。 拾壹、圖式： 如次頁 20