TW201233252A - Measuring and controlling parameters of a plasma generator - Google Patents

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201233252 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本描述大體上係關於量測及控制一電毁產生器之表數。 【先前技術】 電漿放電可用以激發氣體產生含有離子、自由基、原子 及分子之活性氣體。活性氣體係大量用在工業及科學應用 (包含處理固體材料（§#如半導體晶圓）、粉末及其他氣體） 中。 可以各種方式（包含DC放電、RF放電及微波放電）產生 電聚。RF放電產生咼能離子且因此常用以產生用於使經處 理材料與電漿接觸之應用之電漿。可藉由將能量自一電源 供應器靜電或感應耦合至一電漿而實現RF放電。感應耗合 電漿產生器通常採用複雜功率輸送系統。另外，通常需要 精密儀器來確認及/或控制到達電漿之功率。 存在用於確認及/或控制到達一感應輕合電漿產生器中 之電聚之功率之各種方法。例如，一些方法使用供應至電 漿之輸入電壓及/或用於產生電漿之變壓器之初級繞組中 之電流來估算電漿功率。用於測定感應耦合電漿產生器中. 所產生之電漿之參數之既有方法通常聚焦於感應元件之初 級側或次級側線圈《既有方法之一問題為無法提供輸送至 電漿之功率之直接或精確量測值，此之部分原因在於量測 設備與感應元件之距離及/或介入元件之存在。另一潛在 問題為既有技術無法準確估算或特徵化電漿電阻，此之部 分原因亦在於量測設備與感應元件之距離。因為電漿功率 159861.doc 201233252 及電漿電阻可用以準確且有效率地控制輸送至電漿之功 率、確保電漿產生程序之可重複性及診斷與程序相關之問 題，所以需要更佳技術用於量測及控制電漿產生器之函數 性。 【發明内容】 因為電漿功率及電漿電阻可用以準確且有效率地控制輸 送至電浆之功率、確保電漿產生程序之可重複性及/或診 斷與程序相關之問題，所以可期望改良技術用於準確且精 確地量測及控制一電漿產生器之參數或函數性。本文中所 述之概念基於所產生電漿之電參數或性質（諸如電漿電阻 及電漿功率）而控制一電漿產生器之參數。有利地，使用 與電漿相關之參數來控制電漿產生器之函數性提高產生電 漿之準確度及/或精確度且促進操作一電漿產生器之程序 之可重複性。 實現之所述實施方案之一優點源於將與感應元件靠近之 量測設備及感測器定位在初級側與次級侧兩者上。此一組 態允許電漿行為或性質之更精確量測及/或更準確特性 化。實現此優點之部分原因在於所包括之技術未使僅基於 感應元件之初級側量測之與感應元件之次級側有關之電漿 或其行為特徵化，或反之亦然（例如使以僅基於次級側量 測之電漿之初級侧行為特徵化）。相反，本技術量測感應 元件之初級側與次級側兩者之電參數以使所產生電漿模型 化及特徵化（例如）以測定電漿電阻及/或電聚功率。 在一態樣中，提供一種方法。該方法包括量測產生一電 159861.doc 201233252 漿之一變壓器或其他感應元件之一初級繞組之一電流及量 測橫跨該變壓器之一次級繞組之一電壓《該方法亦包括基 於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電壓而測定 該電漿之一參數。該參數包含與該電漿相關聯之一電阻 值、與該電漿相關聯之一功率值或兩者》 另一態樣之特徵在於一種用於控制一環形電漿之方法。 該方法包括量測產生該環形電漿之一變壓器之一初級繞組 之一電流及量測橫跨該變壓器之一次級繞組之一電壓。該 方法包括量測供應至該變壓器之一輸入電壓及基於該初級 繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電壓而估算該電襞之 一功率值。該方法包括基於該估算功率值而調節輸送至該 電漿之一功率。 在另一態樣中，提供一種系統。該系統包含一第一模 組，該第一模組經組態以量測產生一環形電漿之一變壓器 之一初級繞組之一電流及橫跨該變壓器之一次級繞組之一 電壓。該系統包含與該第一模組通信之一第二模組，該第 二模組經組態以基於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞 組之該電壓而測定該環形電漿之一參數。該參數包含與該 電漿相關聯之一電阻值、與該電漿相關聯之一功率值或兩 者。 又一態樣係關於一種環形電漿產生器。該環形電漿產生 器包含一電漿腔室及具有一磁芯（包圍該電漿腔室之一部 分）及一初級繞組之一變壓器或其他感應元件。該環形電 漿產生器包含與該初級繞組電通信之一電源供應器。該電 159861.doc * 6 · 201233252 源供應器將一電流供應至該初級繞組，且該供應電流感生 該電漿腔室中之一環形電漿。該環形電漿產生器進一步包 含一模組’其藉由量測該初級繞組之該電流及橫跨該變壓 器之一次級繞組之一電壓而估算該環形電漿之一參數。該 參數包含與該環形電漿相關聯之一電阻值、與該環形電漿 相關聯之一功率值或兩者。 另一態樣包括一種有形地體現在一資訊載體中之電腦程 式產品。該資訊載體係一非暫時性電腦可讀儲存媒體。該 電腦程式產品包含若干指令，其等可操作以導致資料處理 機接收用以產生一電漿腔室中之一電漿之一變壓器之一初 級繞組之一電流之一量測值及橫跨該變壓器之一次級繞組 之一電壓之一量測值。該電腦程式產品包含若干指令，其 等可操作以導致資料處理機根據使該初級繞組之該電流與 該次級繞組中之電流及橫跨該次級繞組之該電壓相關之電 漿之一模型、基於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組 之該電壓而測定該電漿之一參數。該參數包含與該電漿相 關聯之一電阻值、與該電漿相關聯之一功率值或兩者。 在一或多個實施例中，以上態樣之任何者可包含以下特 徵之一或多者。在一些實施例中，基於使初級繞組之電流 與次級繞組中之電流及橫跨次級繞組之電壓相關之電漿之 一模型而測定電漿之參數。在一些實施例中，基於初級繞 組之電流及橫跨次級繞組之電壓之量測值而更新電漿之該 模型。一迭代濾波器可用以估算電漿之參數（基於電漿之 模型）。一迭代濾波器之一實例係一卡爾曼（Kalman)濾波 159861.doc 201233252 器。 一些實施例包括測定初級繞組之電流之一均方根（RMS) 等效值。測定初級繞組之電流之RMS等效值可包括若干步 驟，諸如使用一整流器來使初級繞組中之電流整流、使用 與一濾波器合作之一差動放大器來計算該整流初級電流之 一平均值、使一轉換器來自該平均初級電流取樣及使用一 處理器模組來將該取樣初級電流轉換為初級繞組之RMS等 效電流。 一些實施例包括測定橫跨次級繞組之電壓之一 RMS等效 值。測定橫跨次級繞組之電壓之RMS等效值可包括若干步 驟，諸如使用一整流器來使次級繞組中之電壓整流、使用 與一濾波器合作之一差動放大器來計算該整流次級電壓之 一平均值、使用一轉換器來自該平均次級電壓取樣及使用 一處理器模組來將該取樣次級電壓轉換為次級繞組之RMS 等效電壓。 在一些實施例中，測定電漿之參數包含以下步驟：估算 次級繞組之一 RMS電流及次級繞組之一 RMS電壓；及估算 次級繞組之該估算RMS電流與次級繞組之該RMS電壓之間 之一相位。測定電漿之參數可包括以下步驟：基於次級繞 組之該估算RMS電流、次級繞組之該RMS電壓及該相位而 估算功率值；及基於次級繞組之該RMS電壓及該估算功率 值而估算電阻值。測定電漿之參數可包括重複上述步驟直 至與估算電阻值相關聯之一誤差符合一預定準則，諸如 (例如）當本次迭代之一估算電阻值與前一迭代之一估算電 159861.doc 201233252 阻值之間之一差值低於一臨限值時。 可基於初級繞組之一RMS電流及基於電阻值、一鐵芯電 感值及-角頻率所計算之—校正因數而估算次級繞^之 廳電流。可基於電阻值、一電漿電感值及一頻 相位值》 一些實施例之特徵在於基於一測定功率值而調節輸送至 電漿之功率。調節輸送至電漿之功率可包括（例如）計算一 預定功率設定點與該測定功率值之間之一差值及基於該差 值而測定一新功率值。在一些實施方案中，通過一回饋迴 路而調節該功率。 在一些實施例中，量測供應至電漿之一輸入電壓且將其 用以補償輸入線電壓漣波》補償輸入線電壓漣波可包括調 整一切換頻率以調節供應至電漿之功率。一些實例包括監 測功率值及電阻值之至少一者以偵測與一環形電漿腔室相 關聯之一不安全操作條件。可偵測功率值及電阻值之至少 一者與一預定值之一偏差。 將參考以下描述及未必按比例繪製之說明性圖而更完全 地理解此等及其他特徵。 【實施方式】 圖1係％示一例示性環形電漿產生器ι〇0之一方塊圖。電 槳·產生器1〇〇包含一切換電源供應器1〇4 ^切換電源供應器 104包含與一切換電路n2耦合及/或電通信之一電壓供應 器108 °電漿產生器1〇〇包含用於將電磁能耦合至一電漿 124中之—點火控制電路116及一電力變壓器120»電力變

S 15986l.doc 201233252 愿器120(例如一感應元件）係與用於量測電力變壓器12〇之 電參數之電路128及132電通信。電路128及132可為在硬體 中實施之貫體電路或在軟體中實施之邏輯電路或此等之一 組合。一第三電路136與電路丨28及132通信以計算與電力 變壓器120、電漿124有關之某些參數或計算電漿產生器 1〇〇之某些參數。電漿產生器1〇〇包含一控制電路丨4〇，其 經組態以自電路128、電路132及/或電路136接受電參數（或 其等之值）且基於此等輸入、藉由調整各種操作參數而調 節電漿產生器100之某些操作以實現電漿124或電漿124中 之期望性質。 電力變壓器120包含一初級線圈144、一次級繞組148、 一高磁導率磁芯15〇及一電漿腔室158。電漿腔室158允許 電漿124形成變壓器120之一次級電路（圖中未顯示）。電力 變壓器120可包含另外磁芯（圖中未顯示）及初級線圈（圖中 未顯示）以形成另外次級電路（圖中未顯示）。 電漿腔室158可由一金屬材料（諸如銘或一耐火金屬）形 成或可由一介電材料（諸如石英）形成。電漿腔室158之一或 多側160可暴露於一處理腔室162以允許由電漿124產生之 帶電粒子與一待處理材料（圖中未顯示）接觸。一樣品支架 166可定位在處理腔室162中以支撐該待處理材料。該待處 理材料可相對於電漿124之電位而偏壓。 電壓供應器108可為一線電壓供應器或一匯流排電壓供 應器。切換電路112包含一或多個切換半導體裝置17〇，諸 如（例如）切換電晶體。一或多個切換半導體裝置17〇可為切 159861.doc •10- 201233252 換電晶體。切換電路112可為—m ±ju ^ J ^ 固態切換電路。切換電路 112之一輸出端174可耦合至變壓器12〇之初級繞組144及/ 或與變壓器120之初級繞組144電通作。 電漿產生器100可包含一構件（圖中未顯示），其用於產 生提供一初始電離事件以點燃電漿腔室158中之一電漿之 自由電荷。在-些實施例中’點火控制電路116控制及/或 影響該初始電離事件。該初始電離事件可為施加至電漿腔 室158之一短的高電壓脈衝。在一些實施例中，該脈衝具 有約500伏特至10,000伏特之一電壓且可持續約〇1微秒至 10微秒。一惰性氣體（諸如氬氣）可注入至電漿腔室158中以 感生點燃電漿124之所需電壓。紫外線輻射亦可用以產生 提供該初始電離事件以點燃電漿腔室158中之電漿124之電 漿腔室158中之自由電荷。 在些實施例中’切換電源供應器104產生短的高電壓 電脈衝且將其施加在變壓器120之整個初級繞組144上。此 激發電壓感生初級繞組144中之一高電壓電流，由此產生 橫跨電漿腔室158中之一氣體路徑之穿過磁芯（圖中未顯示） 之一交變磁場。因此，電漿腔室158之氣體内感生電流以 導致其點燃一電漿124。在一些實施例中，引入呈一繞組 形式之一第二變壓器初級線圈178以有助於點火。第二初 級繞組178纏繞變壓器12〇之磁芯（圖中未顯示）之一部分。 §電源供應器1 〇 4橫跨初級繞組14 4而施加短的高電壓電脈 衝時’根據一匝數比而感生第二初級繞組178内之一電 流°第二初級繞組178之一引線係連接至配置在電襞腔室 159861.doc " 201233252 158周圍或電漿腔室158内之一或多個點火電極（圖中未顯 示）°在電漿點火期間，該引線上之電壓係施加至該等點 火電極以將能量電容耦合至流入電漿腔室158内之氣體以 點燃及維持一電漿。亦存在用於導致點燃一電漿之初始電 離事件之其他技術。例如，在一些實施例中，短的高電壓 電脈衝係施加至藉由一介電材料（圖中未顯示）而電容耦合 至電漿腔室158之一電極182。在一些實施例中，電漿腔室 158係暴露於來自一紫外線光源186(其係光學耦合至電漿 腔室158)之紫外線輻射。紫外線輻射導致點燃電漿之初始 電離事件。在此等實施例之任何者中，點火控制電路116 可控制電脈衝至點火元件（178、1 82、1 86)之施加或電脈衝 之參數。 在一些實施例中，點火控制電路116使變壓器12〇之初級 繞組144之電壓在點火之前及/或在點火期間增至高於其正 常操作電壓且給電極17 8供能以提供有助於點火之初始電 離事件。點火控制電路116亦可控制切換電源供應器1〇4之 電流以保護切換電路112中及/或切換電源供應器1〇4之切 換半導體裝置170中之電路組件，諸如一或多個 MOSFET、MOSFET驅動器、充電電阻器及放電電阻器。 點火控制電路116可包含一諧振電容器19〇及一切換裝置 194 »諧振電容器190係與初級繞組ι44及切換電源供應器 104電通信。切換裝置194使諧振電容器19〇與初級繞組144 及切換電源供應器104接通或斷開。切換裝置194可為一機 械開關或一固態開關。 159861.doc •12· 201233252 電谷器190係與初級繞組丨44及切換電源供應器1 串聯連接。在電漿124之點火之前及在電漿124之點火期 =’控制電路14〇導致切換裝置194接通諧振電容器19〇使 侍一諧振電路係依據切換電源供應器1〇4之切換頻率而形 成°該請振電路使初級繞組上之電壓增大至可比由切換電 源供應器104供應之正常操4乍電壓高以1〇倍之一諸振電 壓。 在操作中，氣體係排入至變壓器120之電漿腔室158中 直至壓力實質上達到丨毫托至1〇〇毫托之間。該氣體可包 括一惰性氣體、一反應性氣體或至少一惰性氣體與至少一 反應性氣體之一混合物切換電路丨12將一電流供應至初 級繞組144以感生電漿腔室158内側之一電位。感生電位之 I值取決於由磁芯150產生之磁場及根據法拉第感應定律 而操作切換半導體裝置170時所依據之頻率。可在腔室158 中使形成電漿之一電離事件初始化。 在氣體被電離之後，形成電漿U4以完成變壓器120之一 次級電路（圖中未顯示）。電漿之電場可實質上介於每厘米i 伏特至每厘米1〇〇伏特之間。若惰性氣體最初存在於電漿 腔室158中，則電漿124中之電場可低至每厘米丨伏特。若 電負性氣體存在於腔室158中，則電漿124中之電場相當 而。 在一些實施例中’電路128量測變壓器120之初級繞組 144之電參數且電路13 2量測次級繞組148之電參數。初級 繞組144之例示性電參數包含驅動初級繞組M4之電流、橫 159861.doc 201233252 跨初級繞組144之電Μ及由電壓供應器1()8產生之匯流排或 線電壓供應。次級繞組148之例示性電參數包含次級繞組 148中之電机及橫跨次級繞組148之電壓。電路ns及132亦 可包含用於將量測電參數處理及轉換為適合於電漿產生器 100之其他組件使用之形式之構件。例如，電路128及丨32 可將原始電壓、電阻或電流值轉換或計算為均方根（rms) 電壓電阻或電流值。計算電路13 6使用自初級繞組144及 -人級繞組148量測之電參數（且分別由電路128及132傳送）來 估算與電漿相關聯之參數及/或性質，諸如電漿電阻及電 漿功率。亦可基於量測值而測定或計算以使電漿特徵化之 其他參數。 電漿產生器100包含用於調節電漿產生器i 〇〇之操作之控 制電路140。控制電路140包含一控制器模組196及一求和 模組198,其等之至少一者實施常式或程序以測定及/或實 現電漿124之期望參數/性質。可在一或多個處理器上實施 控制電路140。 圖2係一方塊圖，其繪示一例示性組態2〇〇以描述一感應 耦合電漿產生器之感應元件之性質之一般計算流程。組態 200可連同與圖1之初級繞組144通信之電路128一起使用。 電路128量測及處理變壓器12〇之初級繞組144之電參數。 組態200可連同用於量測及處理次級繞組148之電參數之電 路132—起使用。在一些實施例中，電路128(圖2所示之組 態200中）量測初級繞組144中之一正弦電流且將該量測電 流轉換為適合於計算電路136使用之一形式。在一些實施 159861.doc -14- 201233252 例中，電路m(圖2所示之、组態中）量測次級繞組i48中 之-正弦電壓且將該量測電壓轉換為適合於計算電路136 使用之一形式。組態200包含與一整流器元件2〇8電通作之 一量測裝置200整流器元件谓之—輸出端係與一差動放 大器元件212及一濾波器元件216耦合及/或電通信，差動 放大器元件212及濾、波器元件216接著與―類^轉數位轉換 器元件220通信。 在一些實施例中，量測裝置204係—感測器以量測初級 繞組144中之電流。所得電流量測值係經 元件™為一整流電流，器元件二= 一全波整流器《該整流電流係供應至差動放大器元件212 及濾波器元件216且由差動放大器元件212及濾波器元件 216處理以產生-平均電流β在—些實施例中，遽波器元 件216係一 Sallen-key濾波器。接著，類比轉數位轉換器元 件220自該平均電流取樣以產生初級繞組144之一取樣平均 電流。 在一些實鉍例中，量測裝置204係一歐姆分配器以量測 橫跨次級繞組148之電壓。該量測電壓係經由整流器元件 208而轉換為一整流電壓。在一些實施例中，整流器元件 208係一全波整流器。該整流電壓係供應至差動放大器元 件212及;慮波器元件216且由差動放大器元件212及遽波器 元件216處理以產生一平均電壓。在一些實施例中，濾波 器元件216係一 Sallen-key濾波器。接著，類比轉數位轉換 器元件220自該平均電壓取樣以產生橫跨次級繞組148之—

S 159861.doc •15· 201233252 取樣平均電>1 »可在-或多個處理器上實施組態(或其 元件208、212、216或220)，不管組態2〇〇與電路128、電 路132或兩者如何合作。 圖3係一方塊圖，其繪示一例示性計算電路3〇〇以繪示一 感應輕合電漿產生器中之一電漿之參數之一般測定流程。 計算電路300可（例如）連同用於計算電漿電阻及/或電漿功 率（基於電力變壓器120之初級繞組144及次級繞組148之電 參數或值）之圖】之計算電路136 一起使用。計算電路3〇〇之 一輸入304可為由電路128測定之初級繞組中之取樣平均電 流（例如根據參考圖2之論述而計算）。另一輸入3〇8可為由 電路132敎之橫跨次級繞組之取樣平均㈣（例如根據參 考圖2之論述而計算）。 在一些實施例中，計算電路300實施數學演算法以使電 漿之態樣或特徵模型化。例如，可藉由（例如）使變壓器12〇 之初級繞組144中之電流與變壓器12〇之次級繞組148之電 流及/或電壓相關而使一電漿之電性質模型化。當次級繞 組148之電流及/或電壓與初級繞組丨44中之電流相關時， 可基於次級繞組148之電流及/或電壓而估算一電漿之電參 數，諸如電漿電阻及電漿功率.再者，可使用或併入電漿 之量測參數以基於操作期間所量測之觀測性質或參數而更 新或改進模型。 圖3繪示一例示性技術，其基於—電漿之函數之一模型 而測定一電漿之參數或性質且基於該等測定參數或性質而 更新該模型之特徵。輸入304係提供至模組312。在一些實 159861.doc • 16 - 201233252 施例中’模組3 12基於以下方程式而將由輸入3〇4提供之初 級繞組中之取樣平均電流（Ip avg)轉換為一等效均方根 (RMS)值（IP_RMS):

模組3 12之一輸出係傳送至模組3 1 8。在一些實施例中， 模組318使用以下方程式、基於由模組312提供之初級緩組 之估鼻RMS電流（Ip RMS)而計算次級繞組之一 rms電流 (Is_RMS): T kN τ s_RMS — A + 2 lp_RMS， 其中k係變壓器120之一耦合係數，N表示圍繞變壓器鐵芯 150之初級線圈144之匝數，及ε係一電漿電阻校正因數。 在一些實施例中，Ν等於2。以上方程式使初級繞組144中 之電流與次級繞組148中電流相關。 在一些實施例中，模組322以如下方程式計算電漿電阻 校正因數（ε): 其中L〇係鐵芯150之一電感’ ω係一角頻率，及尺…^係一 電衆電阻。鐵芯電感（L0)可為經事前量測之一系統常數。 鐵芯電感（L〇)亦可在計算程序期間以動態方式測定。以下 更詳細解釋之模組334計算電漿電阻（Rpiasma)。 輸入3 0 8係提供至模組3 14。在一些實施例中，模組3 14 使用以下方程式來將由輸入3〇8提供之橫跨次級繞組之取 樣平均電壓（Vs_avg)轉換為一等效RMS值（Vs_RMS): 159861.doc -17- 201233252

Vs 2V2

V .avg 模組326使用以下方程式來估算橫跨次級繞組丨48之電壓 與次級繞組148中之電流之間之一相位: 其中f係使電路300在其上實施之處理器之一 ’η 干 ^plasma 係一電漿電感’及Rplasma係電毁電阻。在一些實施例中， 頻率（f)及電漿電感（Lplasma)之至少一者係事前已知。在一 些實施例中，頻率⑺及電漿電感（Lpiasma)i至少一者係以 動態方式（或以迭代方式，經由電漿參數之計算）測定。以 下更洋細解釋之模組334可計算電漿電阻（Rphsma)。 來自模組3 14、3 18及326之輸出係提供至模組33〇以使用 以下方程式來計算輸送至電漿之功率之一值（Ppusma):

Pplasma— Vs RMSIs RMs c〇s((|))， 其中Vs_rms為自模組314獲得之橫跨次級繞組148之111^3電 壓’ IS_RMS為自模組3 1 8獲得之次級繞組i 48中之RMS電 流，及φ為自模組326獲得之RMS電壓與RMS電流之間之角 度0 模組314及330之輸出係提供至模組334以使用以下差動 方程式來估算電漿電阻（Rplasma): ffp,asma = I [Vs2_rms _ R 1 dt τ 1飞二7 一 — j 其中VS_RMS為自模組314獲得之橫跨次級繞組148之RMS電 壓’ Pplasma為自模組330獲得之電漿功率，及τ為與用以估 鼻電漿電阻（Rplasma)之值（藉由解答差動方程式）之一迭代滤 159861.doc •18· 201233252 波器相關聯之一時間常數。用於解答差動方程式之濾波器 可為一卡爾曼濾波器。濾波器（或一操作者）可選擇電漿電 阻（RPusma)之一初始估算值以影響或最佳化迭代程序之收 斂性。例如電漿電阻之初始值（Rp丨asma)可為^^。在一肽

Is_RMS 實施例中，以迭代方式重複模組3 18至334中之計算，直至 程序收斂於使與估算電阻值相關聯之一誤差符合一預定準 則之點。一預定準則之一實例發生在本次迭代中之一估算 電阻值與前一迭代中之一估算電阻值之間之差值低於一臨 限值時。 計算電路300之模組304至334之至少一部分實施數學演 算法以估算與電漿相關之性質，諸如（例如）電漿功率及/或 電漿電阻。可在一或多個處理器上實施計算電路3〇〇。在 一些實施例中，於一數位信號處理器上實施計算電路 300 ° 參考圖1，控制電路140可基於自計算電路136、電路 128(用於量測及處理初級繞組144之電參數）及電路132(用 於量測及處理次級繞組148之電參數）之至少一者獲得之計 鼻結果及/或量測值而調節電聚產生器1 00之操作。在一此 實施例中’控制電路140基於由電路132量測之橫跨次級繞 組148之電壓而在電漿點火之前及/或在電漿點火期間調節 點火電壓。在一些實施例中’控制電路140基於由電路136 計算之電漿功率而在電漿點火之後調節供應至電聚負載 124之功率》在一些實施例中，控制電路14〇基於由電路 136計算之次級繞組148中之電流而在電漿點火之後調節驅

S 159861.doc -19- 201233252 動電襞負載124之電流。 在一些實施例中，在電漿124之點火之後，使用包括計 算電路130、控制電路14〇及切換電源供應器1〇4之一回饋 迴路來調節輸送至電漿124之功率。更具體言之，控制電 路140使用由計算電路n6估算之電漿功率來調整切換電源 供應器104之操作，由此控制輸送至電漿負載124之功率。 在一些實施例中’在電漿124之點火之後，使用包括電壓 供應器108、控制電路140及切換電路112之一前饋迴路來 調節輸送至電漿124之功率。控制電路140可使用由電壓供 應器108產生之電壓來調整切換電路112之操作參數（諸如） 以補償輸入線電壓漣波，輸入線電壓漣波接著控制輸送至 電漿負載124之功率。 在一些實施例中，在電漿124之點火之後，使用包含計 算電路136、控制電路140及切換電源供應器1〇4之一回饋 迴路來調節驅動電裝負載124之電流。例如，控制電路14〇 使用由計算電路136估算之次級繞組中之電流來調整切換 電源供應器1 04之操作，由此控制驅動電漿負載〗24之電 流。 在電漿124之點火之前或在電漿124之點火期間，可使用 包含電路132(用於量測次級繞組之電參數）、控制電路14〇 及切換電源供應器104之一回饋迴路來調節點火電壓。例 如，控制電路140使用由電路132量測之橫跨次級繞組之電 壓以在電漿負載124之點火之前及/或在電漿負載124之點 火期間調整切換電源供應器104之操作以控制點火電壓。 】5986】.doc -20- 201233252 在電漿點火之後，為促進利用控制電路14〇 至電浆以之功率，求和模組⑽受由計算電路 之輸送至電漿負載之功率之一估算值(Ppia_)作為一輸 入。一操作者或控制器模組196將一功率設定點信號（Ip) 提供至求和模組198以界定電漿負載124處之一期望功率: 接著，求和模組198基於以下方程式而將一功率偏移量⑷ 計算為功率設定點信號(Psp)與估算電漿功率(?一。之間 之差值： e = P — p 〇 sp plasma 若功率偏移量為零，則電漿產生器被認為是在可接受 (或最佳）條件下操作且無需調整以實現電漿負載處之期望 功率。若功率偏移量不為零，則控制器模組196操作以使 偏移量最小化。 控制器模組丨96自求和模組198接收功率偏移值作為一輸 出且藉由计算一值且接著指導一校正動作以調整切換電源 供應器104之操作而試圖使偏移量最小化。控制器模組196 可為-狀態空間控制器、一適應控制器或一模糊邏輯控制 器。在一些實施例中，控制器模組196為使用一比例積分 微分（PID)演算法來計算所需校正動作之一 pm控制器。 PID凟算法之「比例」值預測、測定或相關聯於控制器模 組196對當前偏移量之反應。pm演算法之「積分」值預 測、測定或相關聯於控制器模組196基於新近偏移量總和 之反應。PID演算法之「微分」值預測、測定或相關聯於 控制器模組196基於偏移量變化速率之反應。pm演算法可 159861.doc •21- 201233252 視it況包含一另外項，其預測、測定或相關聯於以輸入電 壓為函數之控制器模組196之反應以補償輸入線電壓漣 波。控制器模組196基於以下方程式、使用此等四個動作 之一加權和來調整電漿產生程序： control =kpe + k( Je . dt + kd ^ + ί(γώ), 其中kp為PID控制演算法之「比例」分量之標量常數之 值kl為PID控制演舁法之「積分」分量之標量常數之 值，匕為卩山控制演算法之「微分」分量之標量常數之 值，及e為自求和模組198之輸出獲得之功率偏移量。另 外Vln為由電壓供應器108產生之輸入電壓。一般而言， 藉由調諧PID演算法之三個標量常數及可選輸入電壓函 數，控制器模組196可提供經設計以滿足使用者期望處理 要求之控制動作。 在電漿點火之後，為促進利用控制電路14〇來控制輸送 至電漿124之電流，求和模組198接受由計算電路136計算 之次級繞組中之電流之一估算值（Is)作為一輸入。一操作 者或控制器模組196將一電流設定點信號（Isp)提供至求和 模組198以界定電漿負載124之一期望電流。接著，求和模 組198基於以下方程式而將一電流偏移量（ei)計算為電流設 定點信號（isp)與次級繞組中之估算電流（Is)之間之差值： A = k - L ° 若電流偏移量為零，則電漿產生器1〇〇被認為是在可接受 (或最佳）條件下操作且無需調整以實現電漿負載124之期望 電流。若電流偏移量不為零，則控制器模組196操作以使 159861.doc -22· 201233252 偏移量最小化。 控，器模組196自求和模組198接收電流偏移值作為一輸 出且藉由。十汁一值且接著指導一校正動作以調整切換電源 供應器104之操作而試圖使偏移量最小化。控制器模組196 可為-狀態空間控制器、—適應控制器或__模糊邏輯控制 器。在一些實施例中’控制器模組196係一pm控制器，立 使用HD演算法之「比例」值、「積分」值及「微分」值^ 一加權和來控制驅動電漿負載124之電流。 在電漿點火之前及/或在電漿點火期間，為促進利用控 =電路14()來控制點火電壓，求和模組198接受由電路13工2 1測之橫跨次級繞組148之一電壓（Vs)作為一輸入。一操作 者或控制器模組196將一電壓設定點信號(Vsp)提供至求和 模組198以在點火之前及/或在點火_界定待實現之一期 望點火電壓。接著’求和模組198基於以下方程式而將一 電麗偏移量⑹計算為電壓設定點信號（Vsp)與橫跨次級繞 組148之量測電壓（Vs)之間之差值： ev = VSP - Vs。 若電壓偏移量為零，則電漿產生器1〇〇被認為是在可接受 (或最佳）條件下操作且無需調整以實現期望點火電壓。若 電堡偏移量不為零，則控制器模組i96操作以使偏移量最 小化。 控制器模組196自求和模組198接收電壓偏移值作為一輸 出且藉由計算一值且接著指導一校正動作以調整切換電源 供應器1〇4之操作而試圖使偏移量最小化。控制器模組196 159861.doc •23- 201233252 γ為-狀態空間控制器、一適應控制器或一模糊邏輯控制 器在些實施例中，控制器模組196係一 PID控制器，其 使用PID演算法之「比例」值、「積分」值及「微分」值之 一加權和來控制點火電壓。 控制态模組196輸出一或多個信號以調整切換電源供應 器04之操作，切換電源供應器1〇4接著控制輸送至電聚負 載124之功率、電壓及/或電流。在一些實施例中，控制器 模組196藉由調整切換電源供應器1〇4之工作週期同時使切 換頻率保持固定或相對但定而促進控制。在一些實施例 中，控制器模組196藉由調整切換電源供應器⑽之切換頻 率同時使工作週期保持gj定而促進控制。在—些實施例 中控制器模組196藉由貫質上同時調整切換電源供應器 104之切換頻率及工作週期而促進控制。在一些實施例 中，切換頻率係在27〇kHz至480 kHz之範圍内調整。 在-例示性實施方案中，與初級繞組144、次級繞組148 及電漿124相關聯之電參數係用以監測圖所示之電聚產 生器100之操作。例如’電參數可用以使程序性能特徵 化。因此，此等參數可經監測以破保電衆產生器ι〇〇在指 定或期望操作範圍及條件内操作。另外，電參數可用於診 斷用途。例如，可儲存及/或追蹤某些程序參數，諸如橫 跨初級繞組！44及次級繞組148之電壓、初級繞組144及次 級繞組丨48中之電流、電漿124之功率、電漿124之電阻及 頻率。在一些實施例中，藉由偵測對應於各自參數之當前 操作參數與歷史趨勢之間之偏差而將此等歷史資料之分析 159861.doc •24- 201233252 用以監測電漿產生器100之健康狀況或性能。另外，歷史 資訊可用以偵測操作程序之故障位置及時間且用以測定此 等故障之原因。此外，電參數可用以確保電漿產生程序之 可重複性使得一致操作標準被維持。 可在數位電子電路中或在電腦硬體、韌體、軟體中或在 其等之組合中實施上述技術^實施方案可作為一電腦程式 產品（諸如有形地體現在一資訊載體中（例如一機器可讀儲 存裝置中或一傳播信號中）之一電腦程式）以由資料處理機 (例如一可程式化處理器、一電腦或多個電腦)執行或控制 資料處理機(例如一可程式化處理器、一電腦或多個電腦) 2操作。可以任何形<之程式化語言（包含編譯或解譯語 言）寫入-電腦程式，且可部署呈任何形式（包含作為一獨 立程式或作為適合於用在—計算環境中之__模組組件、 子常式或其他單元）之電腦程式。一電腦程式可經部署以 在一個電腦上或在某—位置或分佈在多個位置且由一通信 網路互連之多個電腦上被執行。 適合於執行一電腦程式之處理器包含（舉例而言）一般用 途微處理器與特殊用途微處理器兩者及任何種類之數位電 腦之任一或多個處理器。一般而言，一處理器自一唯讀記 憶體或-隨機存取記憶體或兩者接收指令及資料。一電腦 之必要元件為用於執行指令之一處理器及用於儲存指令及 資料之一或多個記憶體裝置。一般而言，一電腦將亦包含 ==資料之一或多個大容量儲存裝置(例如磁碟、磁 或先碟）或經可操作輕合以自用於儲存資料之一或多 £ 159861.doc •25- 201233252 個大容量儲存裝置（例如磁碟、磁光碟或光碟）接收資料或 將資料轉移至用於儲存資料之—或多個大容量儲存裝置 (例如磁碟、磁光碟或光碟）或兩者。亦可通過一通信網路 而發生資料及指令傳輸。適合於體現電腦程式指令及資料 之資訊載體包含全部形式之非揮發性記憶體，其等包含 (舉例而έ)半導體記憶體裝置（例如EpR〇M、eepr〇m及快 閃圯憶體裝置）、磁碟（例如内部硬碟或可移磁碟卜磁光碟 及CD-ROM與DVD-ROM磁碟。處理器及記憶體可由特殊 用途邏輯電路補充或可併入特殊用途邏輯電路中。 如本文中所使用，術語「模組」及「函數」意指（但不 限於）執行某些任務之一軟體或硬體組件。有利地，一模 組可經組態以駐留在可定址儲存媒體上且經組態以在一或 多個處理器上執行》可利用一般用途積體電路（IC)、一場 可程式化閘陣列（FPGA)或一特殊應用積體電路（ASIC)來完 全或部分實施一模組。因此，一模組可包含（舉例而言）組 件（諸如軟體組件、物件導向式軟體組件、分級組件及任 務組件）、程序、函數、屬性、步驟、子常式、程式碼之 片段、驅動器、韌體、微代碼、電路、資料、資料庫、資 料結構、表格、陣列及變數。組件及模組中所提供之函數 性可組合至更少組件及模組中或進一步分至另外組件及模 組中。 為提供與一使用者之互動’可在具有一顯示裝置（例如 一CRT(陰極射線管）或LCD(液晶顯示）監視器或觸屏顯示器 以對使用者顯示資訊）及一鍵盤與一指向裝置（例如一滑鼠 159861.doc -26- 201233252 或軌跡球，使用者可藉由滑鼠或軌跡球而將輸入提供至 電腦（例如與-使用者介面元件互動）)之—電腦上實施上述 技術。其他種類之裝置亦可用以提供與一使用者之互動，· 例如，提供至使用者之回饋可為任何形式之感覺回饋，例 如視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋；及可接收呈任何形式 之來自使用者之輸入，其包含聲音、語音或觸覺輸入。 可在包含一後端組件（例如一資料伺服器）及/或一中間軟 體組件（例如一應用伺服器）及/或一前端組件（例如具有一 圖形使用者介面及/或一網頁瀏覽器之一用戶端電腦，一 使用者可通過該用戶端電腦而與一例示性實施方案互動） 或此等後端、中間軟體或前端組件之任何組合之一分散式 計算系統中實施上述技術。 亦參考特定實施例而描述技術。本文中所述之替代例為 僅用於說明且絕非限制替代例之實例。技術之步驟可以一 不同次序執行且仍實現期望結果。其他實施例係在以下申 請專利範圍之範_内。 【圖式簡單說明】 圖1係繪示一例示性環形電漿產生器之一方塊圖。 圖2係繪示用於量測及計算一變壓器之初級或次級繞組 之電參數之一例示性電路之一方塊圖。 圖3係繪示用於計算與一電漿相關之電參數之一例示性 電路之一方塊圖。 【主要元件符號說明】 100 電漿產生器

S 159861.doc -27· 201233252 104 切換電源供應器 * 108 電壓供應器 112 切換電路 116 點火控制電路 120 變壓器 124 電漿/電漿負載 128 電路 132 電路 136 第三電路/計算電路 140 控制電路 144 初級繞組 148 次級繞組 150 鐵芯 158 電漿腔室 162 處理腔室 166 樣品支架 170 切換半導體裝置 174 輸出端 178 第二初級繞組/點火元件/電極 182 電極/點火元件 186 紫外線光源/點火元件 190 諧振電容器 194 切換裝置 196 控制器模組 159861.doc -28- 201233252 198 求和模組 200 組態 204 量測裝置 208 整流器元件 212 差動放大器元件 216 濾波器元件 220 類比轉數（A/D)轉換器元件 300 計算電路 304 輸入/模組 308 輸入/模組 312 模組 314 模組 318 模組 322 模組 326 模組 330 模組 334 模組 159861.doc -29-

Claims (1)

1. 201233252 七、申請專利範圍： 1. 一種方法，其包括： 量測產生一電漿之一變壓器之一初級繞組之一電流； 量測橫跨該變壓器之一次級繞組之一電壓；及 基於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電壓 而測定該電漿之一參數，該參數包括與該電漿相關聯之 一電阻值、與該電漿相關聯之一功率值或兩者。 2. 如請求項1之方法，其中基於使該初級繞組之該電流與 該次級繞組中之電流及橫跨該次級繞組之該電壓相關之 該電漿之一模型而測定該電漿之該參數。 3. 如請求項2之方法，其進一步包括基於該初級繞組之該 電流及橫跨該次級繞組之該電壓之量測值而更新該電漿 之該模型。 4. 如請求項1之方法，其進一步包括測定該初級繞組之該 電流之一均方根（RMS)等效值及測定橫跨該次級繞組之 該電壓之一 RMS等效值。 5. 如請求項4之方法，其中測定該初級繞組之該電流之該 RMS等效值包括： 使該初級繞組中之該電流整流； 計算該整流初級電流之一平均值； 自該平均初級電流取樣；及 將該取樣初級電流轉換為該初級繞組之該RMS等效電 流。 6. 如請求項4之方法，其中測定橫跨該次級繞組之該電壓 159861.doc 201233252 之該RMS等效值包括： 使該次級繞組中之該電壓整流； 計算該整流次級電壓之一平均值； 自該平均次級電壓取樣；及 將該取樣次級電壓轉換為該次級繞組之該RMS等效電 壓。 7. 如請求項1之方法，其中測定該電漿之該參數包括以下 步驟： (.a)估算該次級繞組之一 RMS電流及該次級繞組之一 RMS電壓； (b) 估算該次級繞組之該估算RMS電流與該次級繞組之 該RMS電壓之間之一相位； (c) 基於該次級繞組之該估算RMS電流、該次級繞組之 該RMS電壓及該相位而估算該功率值； (d) 基於該次級繞組之該RMS電壓及該估算功率值而估 算該電阻值；及 (e) 重複步驟（a)至步驟（d)直至與估算該電阻值相關聯 之一誤差符合一預定準則。 8. 如請求項7之方法，其中基於該初級繞組之一 RMS電流 及基於該電阻值、一鐵芯電感值及一角頻率而計算之一 校正因數而估算該次級繞組之該RMS電流。 9. 如請求項7之方法，其中基於該電阻值、一電漿電感值 及一頻率而估算該相位。 10. 如請求項1之方法，其進一步包括基於該測定功率值而 159861.doc 201233252 調節輸送至該電裝之功率。 11. 該電漿之該功率包 如請求項10之Μ，其巾㈣輸送至 括以下步驟： 值；及 基於該差值而測定一新功率值。 其中通過一回饋迴路而調節該功 12.如请求項1〇之方法， 率〇 如。月求項1之方法，其進一步包括量測供應至該電漿之 -輸入電壓及基於該輸入電壓而補償輸入線電壓漣波。 14.如晴求項13之方法’其中補償輸人線電壓漣波包括：調 整切換頻率以調節供應至該電漿之該功率。 15·如請求们之方法’其進一步包括監測該功率值及該電 阻值之至少一者以偵測與一環形電漿腔室相關聯之一不 安全操作條件。 16. 如請求項丨之方法，其進一步包括偵測該功率值及該電 阻值之至少一者與一預定值之一偏差。 17. —種用於控制一環形電漿之方法，該方法包括： 量測產生該環形電漿之一變壓器之一初級繞組之一電 流； 里測橫跨該變麗器之一次級繞組之一電壓； 量測供應至該變壓器之一輸入電壓； 基於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電壓 而估算該電漿之一功率值：及 159861.doc 201233252 18. 19. 20. 21. 22. 23. 基於該估算功率值而調節輸送至該電漿之一功率。 如凊求項17之方法，其中基於使該初級繞組之該電流與 橫跨該次級繞組之該電壓相關之該電漿之一模型而估算 該電聚之該功率。 如吻求項17之方法，其中調節輸送至該電漿之該功率包 括以下步驟： 什算一預定功率設定點與該估算功率值之間之一差 值；及 基於該差值而測定一新功率值。 如明求項19之方法，其中通過一回饋迴路而調節該功 率。 如請求項17之方法，其進一步包括基於該量測輸入電壓 而補償輸入線電壓漣波。 如請求項21之方法，其中補償輸入線電壓漣波包括基於 該量測輸入電壓而調整一切換頻率。 一種環形電漿產生器，其包括： 一電漿腔室； 一變壓器’其具有包圍該電漿腔室之一部分之—磁芯 及一初級繞組； 一電源供應器’其與該初級繞組電通信，該電源供應 器將一電流供應至該初級繞組，且該供應電流感生該電 漿·胜室中之一環形電漿；及 一模組’其用於藉由量測該初級繞組之該電流及橫跨 該變壓器之一次級繞組之一電壓而估算該環形電漿之一 159861.doc -4- 201233252 參數’該參數包括與該環形電漿相關聯之一電阻值、與 該％·形電裝相關聯之一功率值或兩者。 24. 如請求項23之環形電漿產生器，其中基於使該初級繞組 之該電流與橫跨該次級繞組之該電壓相關之該電毁之一 模型而估算該電漿之該參數。 25. —種系統，其包括： 一第一模組’其經組態以量測產生一環形電漿之一變 壓器之一初級繞組之一電流及橫跨該變壓器之一次級繞 組之一電壓；及 一第二模組’其與該第一模組通信，該第二模組經組 態以基於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電 壓而測定該環形電漿之一參數’該參數包括與該電漿相 關聯之一電阻值、與該電漿相關聯之一功率值或兩者。 2 6.如請求項2 5之系統’其中基於使該初級繞組之該電流與 橫跨該次級繞組之該電壓相關之該電漿之一模型而測定 該電漿之該參數。 27·如請求項25之系統，其進一步包括經組態以測定該初級 繞組之該電流之一 RMS等效值及橫跨該次級繞組之該電 壓之一 RMS等效值之一第三模組。 28.如請求項27之系統，其中該第三模組包括： 一整流器’其經組態以使該初級繞組中之該電流整 流， 與一濾波器合作之一差動放大器，其經組態以計算該 整流初級電流之一平均值； 159861.doc 201233252 一轉換器，其經組態以自該平均初級電流取樣；及 一處理器模組，其經組態以將該取樣初級電流轉換為 該初級繞組之該RMS等效電流。 29_如請求項27之系統，其中該第三模組包括： 一整流器，其經組態以使橫跨該次級繞組之該電壓整 流； 與一濾波器合作之一差動放大器，其經組態以計算該 整流次級電壓之一平均值； 一轉換器，其經組態以自該平均次級電壓取樣；及 一處理器模組，其經組態以將該取樣次級電壓轉換為 該次級繞組之該RMS等效電壓。 3 0.如請求項25之系統，其中該第二模組包含一迭代濾波 器，該迭代遽波器經組態以基於使該初級繞組之該電流 與橫跨該次級繞組之該電壓相關之該電漿之一模塑而估 算該電漿之該參數。 31· —種有形地體現在一資訊載體中之電腦程式產品，該電 腦程式產品包含可操作以導致資料處理機之以下操作之 指令： 接收用以產生一電漿腔室中之一電漿之一變壓器之一 初級繞組之一電流之一量測值； 接收橫跨該變壓器之一次級繞組之一電壓之一量測 值；及 根據使該初級繞組之該電流與該次級繞組中之該電流 及橫跨該次級繞組之該電壓相關之該電漿之一模型、基 139861.doc • 6 - 201233252 於該初級繞組之該電流及橫跨該次級繞組之該電壓而測 定該電漿之一參數，該參數包括與該電漿相關聯之一電 阻值、與該電聚相關聯之一功率值或兩者。 159861.doc