TW202107949A - 用於主動調諧電漿功率源的方法及設備 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種RF電漿產生器，其被配置為從一種或多種處理氣體點燃並保持電漿。切換電源被配置為將來自DC電源的DC電壓轉換為RF電壓。諧振電路被配置為從切換電源向被點燃的電漿輸送功率量。電漿控制器被配置為操作電源以透過諧振電路將對應於功率量的RF電壓施加到一種或多種處理氣體。RF電壓振幅增加且頻率減小，直到一種或多種處理氣體被點燃進入電漿。響應於檢測到電漿的點燃，電漿控制器進一步被配置為連續地調節切換電源的頻率，以將功率量輸送給被點燃的電漿。功率量是實質上恆定的功率量。

Description

用於主動調諧電漿功率源的方法及設備

本發明的具體實施例大抵涉及RF電源和半導體處理設備。更特定而言，本揭示內容的態樣涉及用於在電漿處理室中產生RF電漿的RF電源。

射頻（RF）電源（以下簡稱「RF電源」）被廣泛用於半導體和工業電漿處理設備中，以在處理室中產生電漿。電漿處理可用於多種應用，包括從基板上蝕刻材料、在基板上沉積材料、清洗基板表面以及改性基板表面。

採用高度被點燃和控制的電漿的半導體處理室具有幾個明顯的優點。在電漿撞擊的情況下，若在指定的參數範圍內點燃和控制電漿，可以藉由可測量的量來提高切割/蝕刻效率。在半導體領域的處理中，可以藉由在嚴格控制下將電漿中的離子和自由基撞擊待處理基板上來完成蝕刻和沉積。由於電漿可以在半導體處理中有效地去除材料，因此希望電漿的精確控制，因為可以實現效率的大幅提高。對於所需電漿含量的偏差（高或低），可能會導致基板處理不足或處理過度。電漿密度是需要控制的一個參數，會影響蝕刻速率。電漿密度是與形成的電漿耦合的功率的函數，因此較高的電漿密度速率產生較高的去除/蝕刻速率。

用於半導體處理室的電漿源中的現有技術RF電源，通常具有昂貴且複雜的發電和輸送系統。這些電漿源需要一個精密的射頻功率產生器、功率傳輸系統、匹配網路和計量（測量）設備。另外，通常需要精密儀器來控制到達電漿的實際功率。這些現有技術的RF電源的成本，可能在整個系統成本中佔了相當一部分。

在處理期間，電漿可能會隨著處理的進行而冷卻或發生變化，從而實質上改變了處理進行的速度。例如，電漿負載的共振頻率阻抗可能會在處理過程中波動。響應於氣體配方、電漿密度、所輸送的RF功率、壓力和其他參數的變化，阻抗會發生很大變化。射頻電源可以由多種不同的方式向電漿輸送功率。這可以包括經由天線結構的電感耦合、電容耦合、發射波、激勵諧振腔等。射頻電源通常需要與負載阻抗正確匹配。

用於電漿處理設備的大多數現有技術的RF產生器，被設計成具有標準的五十歐姆輸出阻抗。之所以需要匹配網路，是因為處理室和電漿所代表的負載可能會發生廣泛而迅速的變化，從而導致RF產生器的標準50歐姆輸出阻抗與負載輸入之間的阻抗失配。產生器和電漿源的阻抗失配，會給RF產生器和匹配網路中的電子設備造成很大的壓力，並且可能由於電應力或熱應力或二者而引起過早故障。

因此，現有技術的RF產生器和匹配網路的可靠性相對較低，並且被認為低於半導體產業的期望標準。相對較低的可靠性增加了電漿處理工具的總體擁有成本（COO），因為必須花費時間來診斷故障以及修理或更換有缺陷的RF設備。阻抗失配還會導致輸送到電漿的功率發生變化，這可能會導致連續基板的腔室內以及類似腔室內的處理不一致。

因此，需要保持諧振頻率阻抗與處理的預期良率相匹配。若發生阻抗失配，則可能會因為功率從所需的處理區域反射回去而失去完整蝕刻的能力。因此，需要電路系統來補償阻抗失配，使得處理以期望的速率繼續。

在習知應用中，僅試圖點燃電漿，並且所使用的控制處理技術位準較低。通常不能實現功率的有效利用，因此點燃的可靠性和一致性可能成為問題。這樣的點燃問題將電漿的使用限制在不需要高精度的一致和重複點燃的技術領域。

因此，進一步需要提供一致的且能夠針對各種處理重複執行的電漿點燃。還需要提供一種用於控制已產生的電漿的方法，以允許在不斷變化的反應器條件下有效利用電漿。

在一個具體實施例中，揭示了一種RF電漿產生器，其被配置為從一種或多種處理氣體點燃並保持電漿。切換電源被配置為將來自DC電源的DC電壓轉換為RF電壓。諧振電路被配置為從切換電源向被點燃的電漿輸送功率量。電漿控制器被配置為操作電源以透過諧振電路將RF電壓施加到一種或多種處理氣體。RF電壓振幅增加且頻率減小，直到一種或多種處理氣體被點燃進入電漿。響應於檢測到電漿的點燃，電漿控制器進一步被配置為連續地調節切換電源的頻率，以將功率量輸送給被點燃的電漿。功率量是實質上恆定的功率量。

在一個具體實施例中，揭示了一種處理室。處理室包含腔室主體，腔室主體具有內部空間。進氣口設置為穿過腔室主體，進氣口用於從與進氣口流體連通的處理氣體源提供一種或多種處理氣體至內部空間。一種RF電漿產生器被配置為從一種或多種處理氣體點燃並保持處理電漿。RF電漿產生器包含切換電源，切換電源被配置為將來自DC電源的DC電壓轉換為RF電壓。諧振電路被配置為從切換電源向被點燃的電漿輸送功率量。RF電漿產生器進一步包含電漿控制器，電漿控制器被配置為操作電源以透過諧振電路將RF電壓施加到一種或多種處理氣體。RF電壓振幅增加且頻率減小，直到一種或多種處理氣體被點燃進入電漿。響應於檢測到電漿的點燃，電漿控制器進一步被配置為連續地調節切換電源的頻率，以將功率量輸送給被點燃的電漿。功率量是實質上恆定的功率量。

在一個具體實施例中，揭示一種用於操作RF電漿產生器的方法，RF電漿產生器被配置為從一種或多種處理氣體中點燃並保持處理電漿。方法包含以下步驟：由切換電源將來自DC電源的DC電壓轉換為RF電壓。方法進一步包含以下步驟：由諧振電路從切換電源向被點燃的電漿輸送功率量。方法進一步包含以下步驟：由電漿控制器操作切換電源，以透過諧振電路將RF電壓施加到一種或多種處理氣體。RF電壓振幅增加且頻率減小，直到一種或多種處理氣體被點燃進入電漿。響應於檢測到電漿的點燃，電漿控制器進一步被配置為連續地調節切換電源的頻率，以將功率量輸送給被點燃的電漿。功率量是實質上恆定的功率量。

現將參照圖式說明一些具體實施例。為了一致性，在各個圖中相似的元件將用相似的元件符號表示。在以下描述中，闡述了許多細節以提供對各種具體實施例和/或特徵的理解。然而，熟習此領域者將理解，可以在沒有許多這些細節的情況下實踐一些具體實施例，並且可以對所描述的具體實施例進行多種變化或修改。如本文所使用的，術語「上方」和「下方」、「上」和「下」、「上部」和「下部」、「向上」和「向下」、以及其他類似的術語指示在給定點或元件上方或下方的相對位置，在本說明書中用於更清楚地描述某些具體實施例。

本揭示內容的具體實施例提供一種RF電漿產生器。RF電漿產生器包括變頻切換電源。RF電漿產生器還包括諧振電路（匹配網路）。RF電漿產生器還包括用於操作RF電漿產生器的電漿控制器。諧振電路包括第二端口和電磁耦合到切換電源的輸出的第一端口。諧振電路的第二端口被配置為耦合至負載，負載電磁耦合至電漿室以點燃和維持電漿。為了在電漿室中點燃電漿，RF產生器在減小RF點燃電壓的頻率的同時增大RF點燃電壓的振幅，直到從一種或多種處理氣體點燃電漿為止。耦合到諧振電路第二端口的感測器電路系統感測合成的RF電流和RF電壓，並將這些信號提供給電漿控制器。電漿控制器接收並數位化這些信號，以數位形式重建RF電流和電壓波形，隨後透過由於被點燃的電漿的阻抗突然下降而使電流突然上升超過閾值，而電壓下降到閾值以下，來檢測電漿的點燃。隨後，RF產生器切換到功率傳送模式，其中電漿控制器連續地調節RF產生器的頻率，以補償施加到負載的實質上恆定的電漿保持功率（設定點）由於電漿阻抗擾動而產生的偏差。在一個具體實施例中，為了補償與電漿維持功率的偏差，RF產生器施加頻率以使諧振電路與被點燃的電漿的阻抗匹配，以將電漿維持為電阻性負載。RF產生器的頻率將電漿中的功率更改為大約等於RF產生器輸出的功率的（最大）恆定功率（設定點）。

RF電漿產生器的負載可能是電抗性（reactive）的。諧振電路可以將電抗性負載的阻抗轉換為實質上為實數的阻抗。負載可以包括電感性負載。負載可以包括電容性負載。調節RF產生器的頻率可以增加/減少輸送到電漿的功率。

可以響應於感測器的測量來調節RF產生器的頻率。可以調節RF產生器的頻率以最小化從電漿反射的功率。可以調節RF產生器的頻率以最大化電漿中的功率。

在具體實施例中，RF產生器可以在加電序列開始時主動地進行高電壓斜坡上升，這可以用於啟動電漿場。可以透過電漿控制器中的相關電路系統將電壓增加的量預先編程為所需的位準，以及在所需的離散時間段內。在其他具體實施例中，在點燃之後，RF產生器可以切換到具有閉迴路和主動負載阻抗調諧的恆定功率輸送模式。

在所提供的具體實施例中，RF產生器提供了優於習知電源的優點。所揭示的具體實施例提供了更可靠和一致的點燃，同時降低了寄生損耗。與習知的RF產生器相比，固態控制提供了精確的功率測量功能。由於功率測量能力優於習知RF產生器，因此可以緩解電漿點燃故障。提供了在切換模式下在RF位準上進行快速準確的功率控制。

在所揭示的具體實施例中，本揭示內容的態樣具有主動控制的電壓源和電漿感測。感測能力還可被配置為也檢測電弧。電漿點燃後，啟動處於諧振頻率位準的閉迴路功率控制系統，並測量電抗性負載的RF功率。習知設備提供開迴路功率控制。在本揭示內容的態樣中，由RF產生器產生的電壓以斜坡上升方法被主動地控制，以接近並達到成功點燃的位準而沒有電壓過衝（overshooting）（超過點燃所需的電壓位準）。

具體實施例還旨在實現對電漿，特別是對於具有低驅動電壓和高電流的電漿的更可靠和一致的點燃、更高的有效功率輸送和更低的寄生損耗以及更精確的功率測量和閉迴路控制。具體實施例進一步解決了電漿點燃故障，以及在切換模式電漿電源中在RF位準上的快速和準確的功率控制。

圖1根據一個具體實施例是處理室100的示意性截面圖，處理室100被配置為藉由使用源組件140在處理室100的處理空間106內執行電漿處理。在此具體實施例中，處理室100是電漿處理室，例如反應離子蝕刻（RIE）電漿室。在一些其他具體實施例中，處理室是電漿增強的沉積室，例如電漿增強的化學氣相沉積（PECVD）室、電漿增強的物理氣相沉積（PEPVD）室或電漿增強的原子層沉積（PEALD）室。在一些其他具體實施例中，處理室是電漿處理室或基於電漿的離子注入室，例如電漿摻雜（PLAD）室。在此，如圖1所示，處理室100包括源組件140，源組件140包括在電漿控制器146的控制下，透過諧振電路144（RF匹配電路144）電耦合到射頻（RF）切換電源142的電感耦合電漿（ICP）源。在其他具體實施例中，源組件140是電容耦合電漿（CCP）源，例如設置在面對基板支座111的處理空間106中的源電極（未示出），其中源電極電耦合至RF功率源（未示出）。

處理室100包括腔室主體102，腔室主體102包括腔室蓋123、一個或多個側壁122和腔室底部124，它們限定了處理空間106。穿過腔室蓋123設置的進氣口116用於從與之流體連通的處理氣體源120向處理空間106提供一種或多種處理氣體148。在此，切換電源142和諧振電路144被配置為在電漿控制器146的控制下將處理氣體148點燃成電漿107。處理室100還包括一個或多個感應線圈104，感應線圈104鄰近腔室蓋123設置在處理空間106的外部。切換電源142和諧振電路144用於使用處理氣體148和由感應線圈104和切換電源142產生的電磁場，來點燃和維持電漿107。切換電源142、諧振電路144和電漿控制器146的配置，在下面更詳細地論述。

處理空間106透過真空出口127流體耦合至一個或多個專用真空泵，真空泵將處理空間106保持在低於大氣壓的條件下，並從中排空處理氣體和/或其他氣體。設置在處理空間106中的基板支撐組件117，被設置在密封地延伸穿過腔室基座124的支撐軸138上。

基板110透過一個或多個側壁122之一中的開口（未示出）被裝載到處理空間106中以及從處理空間106中移除，此開口在基板110的電漿處理期間被門或閥（未示出）密封。在本文中，可以使用升降銷系統（未示出）將基板110轉移到基板支座111的接收表面115（例如基板支撐表面）上，或從基板支座111的接收表面115（例如基板支撐表面）轉移出，基板支座111可包括ESC基板支座111A。

基板支座111包括支撐基座111B和ESC基板支座111A，ESC基板支座111A熱耦合至支撐基座111B並設置在支撐基座111B上。支撐基座111B藉由絕緣板111C和插在絕緣板111C與腔室基座124之間的接地板137與腔室基座124電絕緣。通常，在基板處理期間，支撐基座111B用於調節ESC基板支座111A和設置在ESC基板支座111A上的基板110的溫度。在一些具體實施例中，支撐基座111B包括設置在其中的一個或多個冷卻通道（未示出），冷卻通道流體耦合並流體連通於冷卻源（未示出），例如具有相對高電阻的冷卻劑源或水源。

在本文的一些具體實施例中，ESC基板支座111A還包括嵌入在其介電質材料中的偏壓電極112。在一種配置中，偏壓電極112是用於將基板110固定（吸附）到ESC基板支座111A的接收表面115並且相對於電漿107偏壓基板110的夾持桿。通常，偏壓電極112由一個或多個導電部件形成，例如一個或多個金屬網、箔、板或它們的組合。在此，偏壓電極112使用諸如傳輸線151之類的電導體電耦合至高壓模塊155，高壓模塊155向偏壓電極112提供吸附電壓，諸如介於約-5000 V與約5000 V之間的靜態DC電壓。在此，偏壓電極112使用諸如傳輸線151之類的外部導體電耦合至發電機150。發電機150可以是直流（DC）發電機、低頻RF發電機或整形脈衝DC偏壓發電機。

處理室100還包括系統控制器134。本文中的系統控制器134包括中央處理單元（CPU）、記憶體和支援電路。系統控制器134用於控制用於處理基板110的處理順序，包括本文所述的基板偏壓方法。CPU是被配置用於工業環境以控制處理室的通用電腦處理器以及與其相關的子處理器。本文所述的記憶體可以包括隨機存取記憶體、唯讀記憶體、磁碟機或硬碟機、或其他適合形式的本地或遠端的數位存儲器。支援電路被以習知方式耦合至CPU，並可包含快取記憶體、時脈電路、輸入/輸出子系統、電源供應器等等、以及以上之組合。可以對軟體指令和資料進行編碼並存儲在記憶體中，以指示CPU內的處理器。系統控制器134可讀的程式（或電腦指令）確定哪些任務可由處理室100中的部件執行。較佳地，系統控制器134可讀的程序包括代碼，代碼在由處理器執行時執行與控制處理室100內的各種硬體和電性部件有關的任務，以執行用於實現本文所述的電極偏壓方案的各種處理任務和各種處理序列。

在一個具體實施例中，系統控制器134控制電漿控制器146以指導切換電源142的操作。在另一個具體實施例中，電漿控制器146的功能可以被整合到系統控制器134中。

圖2是RF電漿產生器200的電性框圖，RF電漿產生器200被配置為從處理室100中的一種或多種處理氣體148點燃並保持電漿107。RF電漿產生器200包括切換電源142、諧振電路144、包括電壓和電流感測器的感測器介面204、以及電漿控制器146。切換電源142被配置為將來自DC電源202的DC電壓轉換為RF電壓。在一個具體實施例中，可以使用升壓器（未示出）來施加高於400 VDC的RF電壓。諧振電路144被配置為透過主動頻率調諧（例如與步進過渡和穩態操作有關的算法），從切換電源142向被點燃的電漿107輸送一定量的功率。在將一種或多種處理氣體148點燃成電漿107之前的點燃模式中，電漿控制器146被配置為操作切換電源142以將與功率量相對應的RF電壓，透過諧振電路144施加至負載206的一種或多種處理氣體148。RF電壓的振幅增加與頻率降低由電漿控制器146控制，直到負載206的一種或多種處理氣體148被點燃成負載206的電漿107（使用與開放負載電漿點燃有關的調諧算法）。感測器介面208藉由採用離開諧振電路144的一個或多個電流感測器、一個或多個電壓感測器以及一個或多個相位感測器，來感測輸送到被點燃的電漿107的功率量。感測器介面208將所感測的負載206的電壓、電流和相位提供給電漿控制器146。透過這些感測到的參數，計算出輸送到被點燃的電漿107的RF功率。

電漿控制器146將感測到的RF電壓和電流數位化，並重建電壓和電流波形的數位版本。根據這些重建波形，電漿控制器146透過由於被點燃的電漿107的阻抗突然下降而分別使電流突然上升超過閾值而電壓下降到閾值以下，來檢測電漿107的點燃。隨後，RF電漿產生器200切換到功率傳送模式，其中電漿控制器146切換到閉迴路模式，並連續地調節切換電源142的頻率，以將一定量的功率施加到被點燃的電漿107上。功率量是實質上恆定的功率量。電漿控制器146補償由於電漿阻抗擾動而產生的施加到電漿107的實質上恆定的功率（由用戶定義為設定點）的偏差。指定的校正後精度為1%。

在一個具體實施例中，為了補償與恆定功率的偏差，電漿控制器146調整切換電源142的頻率，以使諧振電路144與被點燃的電漿107的阻抗相匹配，以將電漿107保持電阻性負載。切換電源142的頻率將電漿中的功率更改為大約等於切換電源142輸出的功率的（最大）恆定功率（由用戶定義為功率設定點）。電漿控制器146基於平均輸送功率計算，來補償輸送功率與恆定功率設定點的偏差。在一具體實施例中，切換電源142被配置為向諧振電路144提供足夠高的電流（高達95 A），並且它們一起可以對開放負載產生用於電漿點燃的輸出電壓，輸出電壓高於4 kV的峰對峰值。

圖3A和3B是隨時間變化的電壓和電流曲線，表示RF電漿產生器200向負載206施加的功率。圖3A示出了在濃縮的時間尺度上施加的所施加電壓和電流的曲線圖302，而圖3B示出了在電漿點燃附近的短時間尺度上施加的所施加電流和電壓的曲線304。在電漿點燃模式下，施加的電壓306從較低的值上升到點燃電漿107的值，而很少或沒有電流307在負載206中流動。點燃時，大電流308在負載206中流動，並且電壓310在負載206兩端下降。圖3B的曲線圖的時間尺度並未指示所施加的電壓306、310的頻率隨之降低。在電漿點燃之後，RF電漿產生器200切換到恆定功率輸送模式。在恆定功率輸送模式中，不斷調整施加的電壓310和所得電流308，以保持施加到被點燃的電漿107的恆定功率。

圖4示出了在電漿控制器146的控制下的切換電源142和諧振電路144的電路圖。切換電源142是全橋（H橋）切換電源142，其由DC電源202與其後的整流器和升壓器（未示出）供電。H橋切換電源142包括四個場效電晶體（FET）開關402a-402d的方塊。藉由相應的並聯反向偏壓的二極體404a-404d和電容器406a-406d，保護FET 402a-402d中的每一個的汲極-閘極輸出免受在切換期間產生的高電壓瞬變的影響。FET 402a-402d中的每一個的閘極，都耦合到電漿控制器146中的信號處理電路系統並由其控制（將在下面結合圖8進行論述）。電漿控制器146對FET 402a-402b的閘極產生電壓脈衝串，以使FET 302a-302d以合成可變頻率的RF電壓波形的方式進行切換。RF電壓波形被施加到諧振電路144。

電漿控制器146執行三個單獨的功能。首先，電漿控制器146控制H橋切換電源142的頻率，使其與電漿負載206的功率要求兼容。其次，電漿控制器146控制施加到H橋FET 402a-402d的閘極的信號的相對時序（信號相位），使得在期望的時間發生切換。第三，電漿控制器146控制施加在FET 402a-402d的閘極上的信號的工作週期，以將會損害裝置的功率耗散和瞬變最小化。

諧振電路144是LCC諧振迴路。諧振電路144具有連接至切換電源142的輸入端口414，和配置為透過感測器介面204連接至負載206的輸出端口416。輸入端口414和輸出端口416中的每個具有第一端子418a、420a和第二端子418b、420b。諧振電路144具有連接到輸入端口414的第一端子418a的第一電容器Cs（408）和電感器Ls（410），電感器Ls（410）與第一電容器Cs（408）串聯連接到輸出端口416的第一端子420a。諧振電路144還包括連接在輸出端口416的第一端子420a和輸出端口416的第二端子420b之間的第二電容器Cp（412）。

在第二電容器Cp之前，電流變換器（未示出）也被放置在輸出端口416的第一端子418a和第一端子420a之間。退出諧振電路144之後，將電流轉換器（未示出）放置在輸出端口416的第一端子420a與負載406之間，作為感測器介面208中諧振電路144的輸出。電壓感測器（未示出）也放置在感測器介面208內的輸出端口420的第一端子420a和第二端子420b之間。與感測器電壓Vo和感測器電流Io成比例的類比信號，由感測器介面208提供給電漿控制器146。感測器介面208耦合到負載206（一種或多種處理氣體148或被點燃的電漿107）。

圖5是圖2的RF電漿產生器200施加到負載206的功率與阻抗的關係圖。示出了由電漿負載範圍所指定的用於4至40歐姆之間的負載206的功率。操作包絡線圖顯示，以千瓦為單位的功率從最小功率限制512到最大功率限制506。另外，分別提供了最小和最大頻率限制504、508作為圖形的結束值。

在電漿點燃操作期間，本揭示內容的態樣使得能夠在施加的電流307與施加的電壓306之間具有大相位角的情況下來輸送功率502的部分功率。在此階段，電漿控制器146不檢查或調節輸出功率。相反的，電漿控制器146在增加輸出電壓的同時降低頻率。電漿控制器146可以以相同的點燃頻率維持電漿場。這是有用的功能，可將電漿場更平穩、更迅速地從起始加速到穩態。諧振電路144輸出高電壓作為電路的頻率和Q值。電漿控制器146可以主動地控制切換電源142，以便將施加的電壓306升高到期望的位準。

在諧振電路144中，結合預期的電漿負載阻抗來選擇電容器Cs（406）、電容器Cp（412）和電感器Ls（410），以使得能夠在專用的負載阻抗範圍內進行全功率輸送。在一個具體實施例中，對於4至40歐姆的負載範圍，對於電阻性負載206，可以在300 kHz（504）至500 kHz（508）之間輸送全恆定功率506。若施加的功率低於頻率範圍（502）或超過頻率範圍（510），則功率將部分輸送到負載206。

圖6是點燃的電漿負載206的電壓和電流對阻抗（以歐姆為單位）的關係圖。在曲線圖的頂部，對於4歐姆至40歐姆之間的電漿負載阻抗，提供了從200 V的最小值到632 V的最大值的直線關係。在相同的阻抗範圍內，電流值從51.2安培減小到43.5安培。圖6的直線表示點燃的電漿負載206的行為具有電阻性。

圖7是藉由圖2的切換電源142在點燃階段期間施加到負載206的電壓的頻率對電壓的曲線圖。如圖所示，除了非常低的頻率位準之外，切換電源142在點燃低頻ff和初始高頻fi之間操作。諧振電路144能夠點燃電漿107，並且RF電漿產生器200在諧振電路144中提供足夠的輸出和Q值，以及適當的電壓和電流額定值。這種能力有利於感應耦合電漿放電中的電漿點燃。然而，當在ICP天線系統中並聯電流路徑的數量增加時，或者當感應耦合電漿放電的並聯磁通鏈路數量增加時，本揭示內容的態樣能夠使用獨立的點燃電路以協助執行這些功能。對於同步或分相操作，輔助電壓可以直接從功率輸出波形中獲取，也可以通過輔助電源。

圖8示出了電漿控制器146的電路框圖。電漿控制器146包括感測器電路處理模塊802、類比數位轉換器804、取樣和波形計算模塊806、平均功率計算模塊808、電壓和電流波形螢幕模塊810、功率控制模塊812、補償器模塊814和脈衝頻率調變模塊（PFM）816，它們如圖示般相互連接。感測器處理模塊802被配置為取樣由感測器介面204的感測器（未示出）輸出的類比電壓和電流。所得的類比電壓和電流由類比數位轉換器804數位化。取樣和波形計算模塊806從A/D轉換器接收數位化的電壓相加電流信號，並以超過奈奎斯特速率的方式對這些信號進行數位取樣，以允許對電壓（V）和電流（I）波形進行全數位重建。平均功率計算模塊808計算一個週期內多個取樣點的重建電壓和電流波形的實際功率之和，亦即用近似值（

）對整個週期內的V*I進行積分。電壓和電流波形螢幕模塊810監視重建電壓（V）和電流（I）波形，並檢測與電弧事件有關的任何快速或突發變化，例如峰值電壓的突然下降。功率控制模塊812將計算出的平均功率進行比較，或者將808的輸出與功率設定點（恆定功率）進行比較。補償器模塊814將由功率控制模塊812計算出的實數功率（V*I）或由808計算出的平均功率，與從功率控制模塊812接收到的功率設定點進行比較，隨後補償功率差。

此功率差由脈衝頻率調變模塊（PFM）816轉換，以控制具有工作週期的脈衝序列，繼而控制RF電源142的RF輸出。PFM 816使用具有特定頻率的脈衝，脈衝僅用於確定允許多少功率去往後面的RF電源142（切換電源142）。PFM 816用作調節功率的旋鈕，從而實現功率閉迴路控制。通常，PFM 816中的脈衝頻率遠低於切換電源142輸出的實際輸出RF頻率。實際輸出RF頻率在切換電源142的稱為「全橋RF切換模塊」的後續部分中生成。PFM 816中的脈衝頻率可以在數kHz左右，但是切換電源142的輸出RF頻率在幾百kHz左右。

PFM 816執行三個單獨的功能。首先，PFM 816控制切換電源142中的H橋的頻率，以使其與電漿負載的頻率兼容。其次，電漿控制器816控制施加到H橋MOSFET的閘極的信號的相對時序（信號相位），使得在期望的時間發生切換。第三，PFM 816控制施加在MOSFET的閘極上的信號的工作週期，以將會損害裝置的功率耗散和瞬變最小化。

PFM 816用於控制電源。當P＝V*I*工作週期時，可以分段和控制在切換電源142中設置的DC功率。若工作週期=100%，則表示最大功率。若工作週期=50%，則輸出變為一半。因此，藉由控制工作週期，可以控制切換電源142的功率輸出。

在開迴路操作中，功率控制模塊812根據預設的命令序列來控制施加的頻率，並且透過PFM 816和切換電源142將施加的頻率從初始高值（例如580 KHz）向下調節到較低的值（例如530 kHz），此調節是使用定義時間長度（例如約10-50毫秒）和頻率階躍的演算法來實現的，並且使輸出電壓斜坡上升（例如使其等於或大於2千瓦峰值），直到電漿107被點燃。

為了檢測電漿的點燃，感測器介面204監視負載電壓和電流。感測到的負載電壓和電流進行數位處理，並藉由802、804和806重建它們各自的波形。在電漿點燃時，電壓將從其點燃點下降至例如200 Vpeak，電流增加至例如＞30 A RMS，並且負載阻抗下降至例如幾歐姆（量值由超過/低於設置在功率控制模塊812中的閾值來確定）。功率控制模塊812隨後切換到閉迴路恆定功率模式，並且運行預設演算法以將功率調諧到其設定點（預定的恆定功率輸出）。

在另一個具體實施例中，可以以其他方式檢測電漿點燃。當重建的電壓和電流分別顯示出明顯的下降和上升，並且在V和I之間的相位角從90度下降到例如40度（如由功率控制模塊812確定）時，這可以藉由功率控制模塊812解釋其表示實數功率正在輸送到負載中。因此，功率控制模塊812隨後結束點燃感測步驟並且進入閉迴路操作模式，其中切換電源142的頻率被改變以將RF電漿產生器200調諧到最佳操作恆定功率點。在另一具體實施例中，可以僅藉由電壓、僅藉由電流、僅藉由相位角、藉由電流+電壓、藉由電流+相位、和藉由電壓+相位、或藉由電流、電壓和相位一起來檢測點燃。組合的因素越多，檢測越可靠。

在閉迴路操作中，感測器處理模塊802取樣感測器介面204的感測器（未顯示）輸出的類比電壓和電流。類比電壓和電流由類比數位（A/D）轉換器804數位化。類比濾波器（未示出）被應用到A/D轉換器804的輸入上，以排除切換電源142的切換雜訊。取樣和波形計算模塊806從A/D轉換器804接收數位化的電壓與電流信號，並以超過奈奎斯特速率的方式對這些信號進行數位取樣，以允許對電壓（V）和電流（I）波形進行全數位重建。平均功率計算電路808從取樣和波形計算模塊806計算重建的波形V和I的平均功率。V和I的數位信號借助校準查找表進行重建。隨後，將數位濾波器（未示出）應用於校正由於切換電源142的切換而導致的雜訊所引起的失真。

將808的計算出的平均功率與存儲在功率控制模塊812中的功率設定點進行比較。補償器模塊814確定輸出功率是否需要補償以及在哪個方向上進行補償。補償器模塊814將補償功率饋送到PFM 816，PFM 816調整對切換電源142的輸出工作週期，以調整對諧振電路144的輸出頻率，從而在恰於電漿107之前饋入感測器介面204，從而完成即時RF功率閉迴路控制。

在一個具體實施例中，功率控制模塊812利用具有1%精度的校準表來計算所輸送的功率。可以獲得相位資訊以及負載阻抗。從重建的波形中，功率控制模塊812確定波形特徵以及電漿107的估計負載阻抗。在一個具體實施例中，不是重新計算波形特性，而是使用平均功率計算模塊808根據公式（

）來計算實際平均功率，並且此量由功率控制模塊812使用以與設定點進行比較。在另一個具體實施例中，功率控制模塊812基於諧振電路Q值重新計算波形特性，以獲得電源波形的新的振幅和相位，以最大化對電漿107的功率傳輸。使資訊被饋送到補償器模塊814和PFM 816，以調整切換電源142的頻率，以獲得輸出到電漿107的恆定功率。

數位波形重建和取樣還可以監視V和I從一個週期到另一個週期的突然變化，並且為變化容差設置了閾值。超過容許閾值指示了發生電弧事件。當檢測到電弧事件時，將警告發送到功率控制模塊812以停止功率輸送處理。為了檢測電漿電弧，功率控制模塊812即時檢測過電流事件或電壓不足事件。當點燃的電漿電流超過電弧閾值電流，或者輸出電壓降降至電弧閾值位準以下時，就會發生過電流事件或電壓不足事件。數位資料處理和波形重建可實現最快的電弧檢測。可以在RF週期內感測到電弧事件，並且功率控制模塊812可以在相同的時間尺度內停止功率輸送。

儘管這裡已經描述了具體實施例，但是受益於本揭示內容的熟習此領域者將理解，設想了不背離本申請的發明範圍的其他具體實施例。因此，申請專利範圍或任何隨後的相關申請專利範圍的範圍不應不當地受到本文所述具體實施例的描述的限制。

100:處理室 102:腔室主體 104:感應線圈 106:處理空間 107:電漿 110:基板 111:基板支座 111A:ESC基板支座 111B:支撐基座 111C:絕緣板 112:電極 115:接收表面 116:進氣口 117:基板支撐組件 120:處理氣體源 122:側壁 123:腔室蓋 124:腔室基座 127:真空出口 134:系統控制器 137:接地板 138:支撐軸 140:源組件 142:射頻（RF）切換電源/全橋（H橋）切換電源 144:諧振電路 146:電漿控制器 148:處理氣體 150:發電機 151:傳輸線 155:高壓模塊 200:RF電漿產生器 202:DC電源 204:感測器介面 206:負載 208:感測器介面 302:曲線圖 302a-302d:FET 304:曲線 306:電壓 307:電流 308:電流 310:電壓 402a-402d:場效電晶體（FET）開關 404a-404d:二極體 406a-406d:電容器 408:第一電容器 410:電感器 412:第二電容器 414:輸入端口 416:輸出端口 418a:第一端子 418b:第一端子 420a:第二端子 420b:第二端子 502:功率 504:300 kHz 506:全恆定功率 508:500 kHz 512:最小功率限制 802:感測器電路處理模塊 804:類比數位轉換器 806:取樣和波形計算模塊 808:平均功率計算模塊 810:電壓和電流波形螢幕模塊 812:功率控制模塊 814:補償器模塊 816:脈衝頻率調變模塊（PFM）

可參考多個具體實施例以更特定地說明以上簡要總結的本揭示內容，以更詳細瞭解本揭示內容的上述特徵，附加圖式圖示說明了其中一些具體實施例。然而應注意到，附加圖式僅說明示例性具體實施例，且因此不應被視為限制具體實施例的範圍，並可承認其他等效的具體實施例。

圖1根據一個具體實施例是處理室的示意性截面圖，處理室被配置為藉由使用源組件在處理室的處理空間內執行電漿處理。

圖2是RF電漿產生器的電性框圖，RF電漿產生器被配置為從處理室中的一種或多種處理氣體點燃並保持電漿。

圖3A和3B是隨時間變化的電壓和電流曲線，表示RF電漿產生器向負載施加的功率。

圖4示出了在電漿控制器的控制下的切換電源和諧振電路的電路圖。

圖5是圖2的RF電漿產生器施加到負載的功率與阻抗的關係圖。

圖6是點燃的電漿負載的電壓（上圖）和電流（下圖）對阻抗（以歐姆為單位）的關係圖。

圖7是藉由圖2的切換電源在點燃階段期間施加到負載的電壓的頻率對電壓的曲線圖。

圖8示出了電漿控制器的電路框圖。

為了協助瞭解，已盡可能使用相同的元件符號標定圖式中共有的相同元件。已思及到，一個具體實施例的元件與特徵，可無需進一步的敘述即可被有益地併入其他具體實施例中。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

142:射頻(RF)切換電源/全橋(H橋)切換電源

144:諧振電路

146:電漿控制器

200:RF電漿產生器

202:DC電源

204:感測器介面

206:負載

Claims (20)

1. 一種RF電漿產生器，被配置為從一種或多種處理氣體點燃並保持一電漿，該RF電漿產生器包含： 一切換電源，被配置為將來自一DC電源的一DC電壓轉換為一RF電壓； 一諧振電路，被配置為從該切換電源向一被點燃的電漿輸送一功率量；以及 一電漿控制器，經配置以操作該電源以透過該諧振電路將一RF電壓施加到該一種或多種處理氣體，其中該RF電壓振幅增加且頻率減小，直到該一種或多種處理氣體被點燃進入該電漿。
2. 如請求項1所述之RF電漿產生器，進一步包含複數個感測器，該些感測器耦合到該諧振電路，以用於感測輸送到該被點燃的電漿的該功率量。
3. 如請求項2所述之RF電漿產生器，其中該電漿控制器被配置為響應於該些感測器感測到離開該諧振電路的施加電壓的一減小和施加電流的一增大，來檢測該電漿的點燃。
4. 如請求項1所述之RF電漿產生器，其中響應於檢測到該電漿的點燃，該電漿控制器進一步被配置為連續地調節該切換電源的該頻率，以將該功率量輸送給該被點燃的電漿，其中該功率量是一實質上恆定的功率量。
5. 如請求項4所述之RF電漿產生器，其中該諧振電路被配置為在大約4歐姆至大約40歐姆之間的一電漿阻抗範圍內，輸送該實質上恆定的功率量至該被點燃的電漿以進行全功率輸送，並對小於4歐姆或大於40歐姆的電漿阻抗輸送部分功率。
6. 如請求項4所述之RF電漿產生器，其中可輸送給該被點燃的電漿的該實質上恆定的功率量，等於該切換電源可輸送的該功率。
7. 如請求項4所述之RF電漿產生器，其中該電漿控制器基於一平均輸送功率計算來補償所輸送功率與該實質上恆定的功率量之間的一偏差。
8. 如請求項4所述之RF電漿產生器，其中該諧振電路被配置為在300 kHz與500 kHz之間的施加至該被點燃的電漿的一電壓頻率範圍內，對該被點燃的電漿輸送該實質上恆定的功率量高達10 kW的一全額定功率。
9. 如請求項4所述之RF電漿產生器，其中該電漿控制器連續地調節該切換電源的該頻率，以補償由於被點燃的電漿的阻抗擾動而導致的與輸送到該被點燃的電漿的該恆定的功率值的偏差。
10. 如請求項9所述之RF電漿產生器，其中調節該切換電源的該頻率使該諧振電路與該被點燃的電漿的該阻抗匹配。
11. 如請求項1所述之RF電漿產生器，其中該切換電源是一全（H）橋切換電源。
12. 如請求項1所述之RF電漿產生器，其中該諧振電路是一LCC諧振迴路。
13. 如請求項1所述之RF電漿產生器，其中該諧振電路具有一輸入端口與一輸出端口，該輸入端口連接至該切換電源，該輸出端口經配置以連接至該被點燃的電漿，該輸入端口與該輸出端口中的每一個具有第一與第二端子，其中該諧振電路具有一第一電容器與一電感器，該第一電容器連接至該輸入端口的該第一端子，該電感器與該第一電容器串聯連接至該輸出端口的該第一端子，且其中該諧振電路進一步包含一第二電容器，該第二電容器連接在該輸出端口的該第一端子與該輸出端口的該第二端子之間。
14. 一種處理室，包含： 一腔室主體，具有一內部空間； 一進氣口，設置為穿過該腔室主體，該進氣口用於從與該進氣口流體連通的一處理氣體源提供一種或多種處理氣體至該內部空間；以及 一RF電漿產生器，被配置為從該一種或多種處理氣體點燃並保持一處理電漿，該RF電漿產生器包含： 一切換電源，被配置為將來自一DC電源的一DC電壓轉換為一RF電壓； 一諧振電路，被配置為從該切換電源向一被點燃的電漿輸送一功率量；以及 一電漿控制器，經配置以操作該切換電源以透過該諧振電路將一RF電壓施加到該一種或多種處理氣體，其中該RF電壓振幅增加且頻率減小，直到該一種或多種處理氣體被點燃進入該電漿。
15. 如請求項14所述之處理室，進一步包含複數個感測器，該些感測器耦合到該諧振電路，以用於感測輸送到該被點燃的電漿的該功率量。
16. 一種用於操作一RF電漿產生器的方法，該RF電漿產生器被配置為從一種或多種處理氣體中點燃並保持一處理電漿，該方法包含以下步驟： 由一切換電源將來自一DC電源的一DC電壓轉換為一RF電壓； 由一諧振電路從該切換電源向一被點燃的電漿輸送一功率量；以及 由一電漿控制器操作該切換電源以透過該諧振電路將一RF電壓施加到該一種或多種處理氣體，其中該RF電壓振幅增加且頻率減小，直到該一種或多種處理氣體被點燃進入該電漿。
17. 如請求項16所述之方法，進一步包含以下步驟：由該電漿控制器響應於感測到離開該諧振電路的施加電壓的一減小和施加電流的一增大，來檢測該電漿的點燃。
18. 如請求項16所述之方法，其中響應於檢測到該電漿的點燃，該電漿控制器進一步被配置為連續地調節該切換電源的該頻率，以將該功率量輸送給該被點燃的電漿，其中該功率量是一實質上恆定的功率量。
19. 如請求項16所述之方法，進一步包含以下步驟：即時檢測一過電流事件以監視電漿電弧。
20. 如請求項19所述之方法，其中當該被點燃的電漿的電流超過一電弧閾值電流時，發生該過電流事件。

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