TW202113907A - 射頻產生器、電漿處理系統、用於操作射頻產生控制器的方法、電腦編程元件及電腦可讀取介質 - Google Patents

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尼古拉 史威格
安東 勒伯克
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Abstract

本發明描述了一種射頻產生器，其包括：功率放大器模組，具有至少一功率放大器；至少一拾波(pickup)模組，連接到至少一功率放大器的輸出以產生至少一拾波訊號；以及至少一輸出，連接到至少一放大器的相應輸出，並且輸出至少一射頻輸出訊號。射頻產生器包括：測量模組，接收至少一拾波訊號，並依據至少一拾波訊號產生至少一測量訊號；以及射頻訊號生成模組，產生二或多個不同頻率的載波訊號(carrier signal)，並將至少一驅動訊號作為輸入以提供至功率放大器模組；以及調整模組，接收至少一測量訊號，並依據至少一測量訊號來調節至少一射頻輸出訊號的功率。

Description

射頻產生器
本揭露總體上涉及一種射頻產生器以及具有射頻產生器的電漿(plasma)處理系統。本揭露還公開了一種用於操作產生控制器(generator controller)與相關電腦編程元件的方法以及電腦可讀取介質。
高功率射頻(RF，High-power radio-frequency)產生器是眾所周知的，並且用於像是半導體電漿處理應用(semiconductor plasma processing application)。產生器提供的功率用於像是在真空室(vacuum chamber)中電離(ionize)加工氣體(processing gas)，並可利用產生的電漿執行半導體製造的各種過程步驟。
射頻產生器可用於將功率提供至具有半導體製造工具(例如，利用電漿來沉積(deposition)、蝕刻(etching)與修飾(modification)薄膜(thin film))的各種應用，還可以用於醫療設備(例如，像是磁振造影(MRI，magnetic resonance imaging)儀器的電外科(electrosurgical)設備與醫學成像儀器)、食品包裝、工業表面修飾與塗裝(coating)。產生射頻功率的產生器可用於前述各種應用。在此，術語“射頻”係指範圍在20kHz至300GHz之間的任何頻率。
例如，文章“Power supply and impedance matching to drive technological radio-frequency plasmas with customized voltage waveforms”(Franek et. al, AIP Review of Scientific Instruments 86, 053504 (2015); doi 10.1063/1.4921399)討論了多頻RF電源與三個連續諧波(consecutive harmonic)的阻抗匹配(impedance matching)。這能使用多頻RF訊號來產生電漿。
US 2008/0251207 A1討論了一種用於電漿製造系統的RF產生器，該電漿製造系統具有控制器所控制的多個RF訊號產生器。射頻訊號產生器的輸出被組合。組合的RF訊號在施加至電漿處理室之前要經過過濾。激活(Activating)或反激活(deactivating)每個RF訊號產生器可控制施加至電漿處理室的波形。
US 2013/0214682 A1討論了一種調節多個RF產生系統的方法。特別地，在“學習”階段，低頻與高頻RF產生器在相對較長時間內進行調諧(tune)。在製造階段，於學習階段所學習到的參數可用於精確地設定製造過程中低頻與高頻RF產生器的操作頻率(operating frequency)，其速度比沒有學習階段時要更高。
US 2014/0320013 A1討論了用於電漿蝕刻系統的RF產生器，其中在主/從模式(master / slave mode)下，頻率與相位控制兩個單獨RF電源。
然而，前述文獻所描述的系統可進一步改善。
因此，本發明期望提供一種可更有效控制多個RF頻率的RF產生器控制方法。此外，藉由本發明的後續詳細說明與所附之申請專利範圍以及本發明的所附圖式與背景技術之結合，本發明的其他理想特徵與特性將變得顯而易見。
依據第一方面，本發明提供了一種射頻產生器(radio-frequency generator)，該射頻產生器包括：功率放大器模組，具有至少一功率放大器；至少一拾波(pickup)模組，連接到至少一功率放大器的輸出以產生至少一拾波訊號；至少一輸出，連接到至少一放大器的相應輸出，並且輸出至少一射頻輸出訊號；以及控制器。射頻產生器包括：測量模組，接收至少一拾波訊號，並依據至少一拾波訊號產生至少一測量訊號；以及射頻訊號生成模組(radio-frequency signal generation module)，產生不同頻率的二或多個載波訊號(carrier signal)，並將至少一驅動訊號作為輸入以提供至功率放大器模組；以及調整模組，接收至少一測量訊號，並依據至少一測量訊號來調節至少一射頻輸出訊號的功率。
因此，可利用產生器的單一控制器以提供輸出至最終用途的多頻RF功率，而非利用分佈在單獨(standalone)產生器單元的多個控制器以提供輸出至最終用途的多頻RF功率(“單獨”意指產生器作為獨立(independent)單元以提供於像是具有獨立電源、外部介面與控制安排的獨立機箱(chassis))。由於這樣避免了重複交流(AC)電路(其用於從AC主電源產生直流(DC)電源電壓至放大器模組)、外部通訊介面與外殼(enclosure)，故可減少RF產生器的成本。
此外，同一RF產生器內，RF功率之多個頻率的共同控制意指須同步(synchronized)的多個訊號可快速且有效地進行同步。例如，在需要快速反饋迴路(feedback loop) (例如，用於電弧抑制(arc suppression)或影響輸出功率的其他故障狀況抑制)的這種訊號具有優勢。如之後說明的，與使用單獨產生器相比，優勢主要來自更快的通訊協議(communication protocol)。先前地，提供多個頻率的單獨RF產生器已透過像是“PROFIBUS”(TM)介面來進行控制，但這種協議的通訊延遲(latency)意指無法足以快速抵消在高頻應用中會出現的電弧控制或其他故障。
較佳地，調整模組依據至少一測量訊號調節二或多個載波訊號的至少其中之一的振幅(amplitude)和/或相位(phase)，以調節至少一射頻輸出訊號的功率。
因此，不同頻率的訊號是由同一控制器來產生，故單一控制器可提供更準確的同步訊號控制，並且在需要時進行同步訊號控制。
較佳地，功率放大器模組還包括至少一第二功率放大器。
較佳地，二或多個功率放大器利用公共DC電源電壓進行操作。
因此，與產生多個DC電源電壓時相比，從AC主電源產生必要的DC電源電壓較不複雜。
較佳地，二或多個功率放大器利用單獨DC電源電壓進行操作。
因此，可提供更高或更低DC電源電壓至每個功率放大器。這允許額外控制射頻產生器的每個功率放大器的輸出功率。
較佳地，調整模組利用至少二獨立調整迴路進行操作。
較佳地，控制器依據來自調整模組的至少一測量訊號調節至少一功率放大器的DC電源電壓。
較佳地，至少一功率放大器是寬頻(broadband)功率放大器，並且射頻訊號生成模組還產生二或多個載波訊號以作為多載波驅動訊號(multiple-carrier drive signal)。
較佳地，至少一功率放大器是多頻功率放大器(multiband power amplifier)，並且射頻訊號生成模組還產生二或多個載波訊號以作為多載波驅動訊號。
較佳地，功率放大器模組、至少一拾波模組與控制器實施於公共外殼內。
較佳地，射頻產生器包括：第一外殼，具有至少二功率放大器的第一功率放大器；以及第二外殼，物理分離(physically separate)於第一外殼，該第二外殼具有至少二功率放大器的第二功率放大器。
較佳地，射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至射頻產生器的輸出數量。
較佳地，射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至拾波模組的輸出數量。
較佳地，射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至功率放大器模組的功率放大器數量。
較佳地，射頻生成模組還包括外部介面，該外部介面用於射頻輸出功率與其他產生器的同步，其他產生器可包括一或多個射頻產生器、DC產生器或中頻產生器(medium frequency generator)。
因此，各種訊號可以在相位、頻率或功率上進行同步。
較佳地，射頻產生器還包括公共AC輸入電路。
較佳地，射頻產生器具有至少100W的輸出訊號。
較佳地，射頻產生器具有至少200W的輸出訊號。
較佳地，射頻產生器具有至少250W的輸出訊號。
較佳地，射頻輸出訊號具有範圍在0.1MHz至200 MHz的頻率，較佳地在1MHz至100MHz的範圍內，並且更較佳地在5MHz至85MHz的範圍內。
較佳地，射頻產生器適合輸出功率至電漿處理系統。
較佳地，控制器檢測至少一RF輸出中的故障事件，並且依據故障事件的檢測調整一或多個RF輸出訊號。
較佳地，故障事件是電漿系統的電弧事件。
依據第二方面，本發明提供了一種電漿處理系統，該電漿處理系統具有依據前一方面或其實施例的射頻產生器以及半導體處理工具，該半導體處理工具接收來自產生器的RF訊號。
依據第三方面，本發明提供了一種用於操作射頻產生器和/或RF產生控制器的方法，其包括：使用射頻生成模組產生不同頻率的至少二載波訊號，並提供至少一驅動訊號至功率放大器模組；使用控制器的測量模組測量至少一射頻輸出訊號，並依據至少一拾波訊號產生至少一測量訊號；以及使用調整模組調節至少一射頻輸出訊號的功率，其中測量模組接收來自至少一拾波模組的至少一拾波訊號，調整模組接收來自測量模組的至少一測量訊號。
依據第四方面，本發明提供了一種電腦編程元件，該電腦編程元件包括指令；在處理器執行指令時，該電腦編程元件執行第三方面的方法。
依據第五方面，本發明提供了一種電腦可讀取介質，該電腦可讀取介質包括第四方面的電腦編程元件。
功率放大器通常優化成以目標操作頻率(target operating frequency)或以接近目標操作頻率來進行操作。在目標操作頻率或接近目標操作頻率時，功率放大器的效率將得到優化。依據具有功率放大器之RF產生器的準確應用，這種目標操作頻率可以是如2MHz、6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz或任何其他頻率。由於以遠離目標操作頻率的頻率來進行操作時會降低功率放大器的效率，故功率放大器默認(即未採取適當設計措施，以使功率放大器默認)為“窄頻(narrowband)功率放大器”。然而，在寬頻範圍內，不會使功率放大器的效率有顯著下降的一些應用是有利的。這樣的功率放大器稱為“寬頻功率放大器”。例如，在10.2MHz到16.8MHz的頻率範圍內操作功率放大器會是有利的，而在這整個頻率範圍內的效率沒有明顯下降。對於其他應用，在兩個或多個頻率下具有良好效率操作的功率放大器會是有利的，而這些頻率之間的大多數頻率範圍較不重要。例如，在接近13.56MHz、2MHz以及40.68MHz下具有良好效率操作的功率放大器是可預期的，但像是在10.2MHz或16.8MHz下沒有特別的效率要求。
在以下的本申請中，術語“寬頻功率放大器”應理解為RF功率放大器，其在等於或大於40％的相對帶寬上進行操作，其中，相對頻寬定義為頻率範圍(標準化(normalized)至中心頻率)，其中額定功率(nominal power)下的下降效率小於10％。
在以下的本申請中，術語“多頻功率放大器”應理解為RF功率放大器，其同時在兩個或多個頻率下進行操作，其中至少兩個頻率值之間的比率超過1.2。
在以下應用中，術語“驅動訊號”係指正驅動功率放大器的訊號。因此，驅動訊號是提供至功率放大器的小(低功率)訊號，以放大為具有實質相同頻譜(frequency spectrum)的更高功率訊號。這種驅動訊號可以是單一載波訊號(具有單一頻率分量(frequency component))或多載波訊號(具有不同的多個頻率分量)。因此，驅動訊號可由一個或多個(算術組合)載波訊號所組成。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
以下詳細說明在本質上僅是示例性的，並且不意旨限制本發明或是本發明的應用與使用。此外，無意受到先前背景技術或以下詳細說明所提出之任何理論的束縛。
由於電漿處理室(plasma processing chamber)能精確控制室內中的離子(ion)種類，故現有的電漿處理系統可選擇地施加多個頻率至電漿處理室，從而改善電漿處理(例如，電漿蝕刻(etch)或電漿沉積(deposition))的控制。例如，常規的多頻電漿處理可將2MHz、13.56MHz、27.12Mhz，60MHz的窄頻頻率(narrowband frequencies)或具有客製化頻譜(customized frequency spectrum)的寬頻(broadband)訊號應用於更寬的頻率範圍。應用於電漿處理室的每個頻道通常會提供單獨的(單獨的)射頻(RF，radio-frequency)產生器。
第1圖繪示常規的多頻電源裝置，其包括第一常規射頻(RF)產生器10、第二常規射頻(RF)產生器32與第三常規射頻(RF)產生器34。第一常規RF產生器10包括外部通訊介面(external communication interface)EXT1、交流(AC)電源介面S1與第一射頻 (RF) 輸出介面RFOUT1。
外部通訊介面EXT1可選擇為雙向(bidirectional)或單向(unidirectional)，並且接收如電漿處理的控制系統(未示出)的控制訊號，以調整第一常規RF產生器10的配置，並且外部通訊介面EXT1可選擇地將第一RF產生器的參數回傳至控制系統。AC電源介面S1連接至主電源(例如，230伏特(Volt)的交流電)。這種交流(AC)輸入電路12可包括整流器(rectifier)與其他電路，以將AC主電源轉換成穩定直流(DC)電源電壓。在下文中，術語“AC電路”將描述為本領域技術人員眾所周知的這種AC輸入電路12。然後，RF產生器的各個元件可使用產生的穩定DC電源電壓，特別是由放大器來使用。第一RF輸出介面RFOUT1可透過像是連接至N型連接器的高功率50歐姆傳輸線(high-power 50 Ohm transmission line)將RF功率傳輸至電漿反應室。
特別地，外部通訊介面EXT1使用像是RS232、“PROFIBUS”(TM)、“CANBUS”(TM)或“FIELDBUS”(TM)的工業設備控制標準(industrial equipment control standard)的其中之一，或者可選擇地使用專有數位標準(proprietary digital standard)或類比控制標準(analogue control standard)、乙太網路(Ethernet)等。因此，第一常規RF產生器10包括外部介面24a，該外部介面24a接收外部通訊介面EXT1之訊號，並使用該訊號配置第一常規RF產生器10。
第一常規RF產生器10包括控制器22，該控制器22具有訊號產生器30，該訊號產生器30在用於像是半導體電漿沉積或蝕刻過程的頻率下產生RF訊號(具有低功率的小訊號)。訊號產生器30作為類比或數位振盪器(oscillator)，訊號產生器30可選擇地包含提高穩定性的鎖相迴路(phase-locked loop)和/或寬頻訊號源。訊號產生器的輸出提供至第一功率放大器14，其能夠將小訊號放大至用於電漿處理的高功率位準(level)。第一功率放大器14的輸出連接到第一射頻(RF)輸出介面RFOUT1。第一功率放大器14能夠將小訊號放大為像是50W至1000W的範圍內的RF功率訊號。可選地，第一功率放大器14具有可變增益(variable gain)。
第一功率放大器14的輸出連接至第一拾波模組(pickup module)16，該第一拾波模組16能夠監控(monitor)第一功率放大器14的輸出處的訊號振幅(amplitude)和/或電流。例如，第一拾波模組16是定向耦合器(directional coupler)或電壓電流探針(voltage-current probe)。第一拾波模組16基本上拾取(pick)訊號資訊，以對第一功率放大器14的輸出進行採樣(sample)。第一拾波模組16的輸出20提供至測量單元26，該測量單元26也設置於控制器22。因此，測量單元26能夠監控第一功率放大器14的輸出處的電壓和/或電流位準，並將已監控訊號饋入(feed)至調整模組28。
調整模組28是數位和/或類比電路，其能夠依據已監控訊號計算出是否應對第一常規RF產生器10的控制器22進行改變。例如，調整模組28可調節訊號產生器30的頻率、振幅、相位偏移(phase shift)或可選的濾波器特性(filter characteristics)。此外，調整模組28可調節像是第一功率放大器的增益18。
第1圖另外繪示第二常規RF產生器32與第三常規RF產生器34。這些RF產生器可具有相同設計或模型，或是具有相異設計或模型。然而，在所示的常規情況下，另外的RF產生器作為完全分離的單獨RF產生器。換句話說，第一常規RF產生器10位於第二常規RF產生器32與第三常規RF產生器34的單獨外殼(像是單獨的機架單元(rack-mount unit))。這些產生器連接到電源介面(supply interface)S2與S3。此外，第一常規RF產生器10具有外部介面24a。第二RF產生器具有外部介面24b。第三RF產生器具有外部介面24c。
第一常規RF產生器10、第二常規RF產生器32與第三常規RF產生器34可透過其各自的外部介面24a、24b、24c連接至相同的控制系統。然而，技術人員將理解，由於介面系統(例如，“PROFIBUS”(TM))的尋址(addressing)或爭用需求(contention requirement)而導致的內建時序約束(inbuilt timing constraint)，三個RF產生器之間會出現嚴重延遲(significant latency)與時間同步(time synchronization)問題，這會因通訊協議(communication protocol)需要幾毫秒(幾千分之一秒)至大約0.1s的時間而引起電漿處理系統的環境問題。
問題的一個示例是控制與解決使用多個電源激發的電漿中會發生的電弧事件(arc event)。電弧事件通常發生在比毫秒(ms)更短的時間範圍內。如果第一常規RF產生器10的調整模組28檢測到電弧事件且採取補救措施(remedial action)(例如，藉由調節第一功率放大器14的增益或調節來自訊號產生器30的訊號以改變第一RF輸出介面RFOUT1之訊號的振幅)，則將沒有足夠的時間透過外部介面EXT2與EXT3對第二常規RF產生器32與第三常規RF產生器34進行通訊，這導致在處理電弧事件時缺乏協調(coordination)。
此外，多貧RF產生器系統中許多不同的獨立RF產生器的共置(co-location)仍導致AC輸入電路、外部輸入介面電路、外殼與冷卻(cooling)系統的重複。
第2圖繪示依據第一方面的RF產生器。
因此，依據第一方面提出了如第2圖所示的射頻產生器40，其包括功率放大器模組41，該功率放大器模組41包括至少一個功率放大器42。射頻產生器還包括：至少一個拾波模組44，其連接至功率放大器模組41的至少一個功率放大器42的輸出；第一RF輸出介面RFOUT1之至少一個RF輸出連接到至少一個功率放大器42的輸出，用以輸送出至少一個射頻功率訊號；並且控制器46包括射頻生成模組48，該射頻生成模組48產生具有多個頻率的兩個或多個載波訊號(carrier signal)，並將基於這些載波訊號的驅動訊號提供至功率放大器42，以放大至至少一個RF功率訊號。控制器還包括測量模組50，該測量模組50接收來自拾波模組44的至少一個拾波訊號，並依據至少一個拾波訊號產生至少一個第一測量訊號52，而且控制器還包括調整模組54，該調整模組54接收來自測量模組的至少一個測量訊號，並調節射頻輸出訊號的功率。控制器46調節射頻生成模組，使得射頻生成模組產生載波訊號，以驅動功率放大器42。較佳地，至少一個功率放大器42是多頻功率放大器。較佳地，至少一個功率放大器42是寬頻功率放大器。
產生器包括交流(AC)輸入電路60與外部通訊介面電路58。在第2圖的實施例中，功率放大器42是寬頻或多頻功率放大器，並且射頻訊號生成模組48產生n個載波訊號頻率，並且射頻訊號生成模組48算術地組合n個載波訊號，以提供驅動訊號至功率放大器42。換句話說，並非利用n個不同的單獨單元提供n個不同頻率的RF功率，而是利用一個單獨單元提供n個RF頻率。拾波模組44監控具有n個頻率分量(frequency component)的已放大RF(功率)訊號從功率放大器42的輸出處提供至RF產生器之第一RF輸出介面RFOUT1的RF輸出(例如，拾波模組包括足夠數量(直至n個)的採樣元件(sampling element)(像是V/I探針與定向耦合器的元件)，以拾取功率RF訊號的特性，這些拾波訊號被饋送至前述之測量模組50。這個操作方式允許在RF功率產生器的輸出端所提供之RF功率訊號產生的控制迴路(control loop)，而且這些控制迴路用於優化射頻功率訊號的輸出特性。當負載的電性(electrical characteristics)改變時(例如，在電漿處理中很常見) ，則必須即時(或至少以最小延遲)優化射頻產生器的輸出。
有利地，如果測量模組50檢測到故障狀況(例如，電弧狀況)，則調整模組54能調節受影響的頻率分量(例如，使具有相應頻率f1之載波訊號的振幅更小)。由於所有頻率分量由同一控制器46進行監控，故使用同一控制器的載波訊號以抑制故障狀況(像是電弧)的反應時間比透過n個外部介面(例如，Profibus(TM))進行通訊的可能反應時間(reaction time)更短。換句話說，在不透過外部介面進行長時間通訊的情況下，可抑制RF產生器運行中的故障狀況。
較佳地，測量模組50包括電弧檢測器(未示出)。電弧檢測器可監控一或多個拾波訊號，以確定電弧狀況。例如，可藉由將拾波模組44的RF電流和電壓與RF產生器的操作模式的期望條件進行比較來檢測電弧狀況。可選地，可使用拾波模組的一或多個訊號的訊號處理來檢測電弧狀況。可選地，可安裝一或多個拾波模組以監控正向和/或反射功率。
較佳地，這種電弧檢測器能夠以快速定制邏輯(fast custom logic)來實施，像是具有快速中斷(fast interrupt)的現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA，field programmable gate array)或即時處理器。可選地，電弧檢測器為快速類比電路。
因此，一實施例涉及至少一公共控制電路，該公共控制電路產生多個載波訊號，故公共控制電路提供驅動訊號以驅動至少一個功率放大器42。驅動訊號可由至少兩個載波訊號(2個頻率分量)或兩個以上的載波訊號或兩個或多個載波訊號的算術操作所組成。與多拾波(multi-pickup)測量系統一起能夠實施多控制迴路，以優化在RF產生器輸出處所提供的RF功率訊號。
較佳地，一或多個功率放大器可利於實現為多頻功率放大器。
較佳地，一或多個功率放大器可利於實現為寬頻功率放大器。
較佳地，公共DC電壓源可供電至功率放大器。
較佳地，不同的公共DC電壓源可供電至功率放大器，不同的公共直流電壓源係從連接至主電源的公共AC輸入電路60來獲得。
較佳地，測量模組、射頻生成模組48與調整模組54可經由單一控制器46共享(share)像是斷路器(circuit breaker)、連接器和/或外部通訊介面電路58的輔助電路部件(auxiliary circuit component)。
較佳地，調整模組54包括多個控制元件54a、54b、...、54n。控制元件54a經由拾波模組44從RF輸出接收具有頻率為f1的訊號分量的第一測量訊號52。第一控制元件比較頻率為f1的訊號分量與期望值或數值範圍。如果可預期第一測量訊號52的狀態(強度(magnitude)、相位偏移、頻率偏差(frequency offset)、總諧波失真(harmonic content)、變化率)，則第一控制元件不調節(不修改)射頻生成模組48所提供的相應載波訊號(corresponding carrier signal)(其具有頻率為f1)。如果無法預期第一測量訊號52的狀態，則第一控制元件藉由變更具有頻率為f1的相應載波訊號以調節射頻生成模組48。例如，該變更可以是強度、相位或頻率偏差的變化。
換句話說，從拾波模組44經由測量模組50、調整模組54、射頻訊號生成模組48與第一功率放大器42的迴路形成射頻功率產生器的第一頻率之控制迴路。控制器46的控制迴路可實現為數位處理元件(像是微控制器(microcontroller)、數位訊號處理器和/或FPGA或其他可編程邏輯等，或是類比控制電路)。
較佳地，例如，調整模組功能的控制迴路以第一頻率f1識別(identify)拾波模組44所拾取的暫時故障(transient fault)狀態(像是半導體處理室中的電弧狀態)，並調節前述之具有相應頻率f1的載波訊號，以助於第一功率放大器42的驅動訊號。這反饋迴路允許採取措施，以抵消(counteract)暫時故障狀況(例如，降低輸出功率)。
較佳地，控制器46包括控制元件54b，用以識別與校正(correct)第二頻率f2下的第二暫時故障狀況。對可識別的故障狀況數量沒有限制。第2圖繪示一些離散(discrete)的控制元件54a、54b、...、54n，用以檢測與解決不同頻率下的故障狀況。在第2圖中，功率放大器模組41僅包括一個功率放大器42。並且在此示例中，射頻訊號生成模組僅產生2個載波訊號。此實施例特別有利於提供一種利用一個控制器與一個功率放大器(可以是多頻)的廉價雙頻(inexpensive dual frequency)射頻功率產生器。基本上射頻產生器位於輸出處之第一RF輸出介面RFOUT1的功率RF訊號係由兩個不同頻率的兩個分量所組成。
較佳地，控制器46依據來自測量模組50的測量訊號調節載波訊號，以調節第一功率放大器42的射頻輸出的輸出功率。替代地或組合地，控制器46依據來自測量模組的測量訊號調節第一功率放大器的直流(DC)電壓源55。例如，在測量模組檢測到災難性故障狀況(catastrophic fault condition)的情形下(例如，這可以是電漿處理室的電源連接電纜(cable)的絕緣(insulation)故障，第2圖未示出)，調整模組54將藉由關閉功率放大器42的DC電壓源55，以迅速調降功率至零。
因此，依據第2圖所繪示的射頻產生器可產生多個載波訊號(第2圖示出為兩個載波訊號fa、fb)，並且射頻產生器可提供驅動訊號至第一功率放大器42，而且射頻產生器可調節第一功率放大器42的功率。相較於單頻(single frequency)射頻功率產生器，雙頻功率產生器將增加電漿處理應用的第二個控制鈕(knob)，並且雙頻功率產生器比使用兩個單獨射頻產生器更簡單、更便宜且體積更小(less bulky)。此外，由於控制器46可更快回應電漿不穩定性(plasma instabilities)或是電負載(electric load)的任何故障狀況，故控制器46為電漿處理帶來了額外控制特性。
第3圖為射頻產生器40的實施例的方塊圖，射頻產生器40具有兩個功率放大器42a與42b的功率放大器模組41、射頻生成模組48產生的三個載波訊號fa、fb以及驅動兩個功率放大器的兩個驅動訊號(功率放大器42a與42b的輸入處的每個箭頭(arrow)所示)。應注意，在所示範例中，驅動功率放大器42a的訊號係基於一個載波訊號fa，而驅動功率放大器42b的訊號係基於兩個載波訊號fb與fc。還應注意，在第3圖中，與第2圖共同說明的特性具有相同的元件符號(reference numeral)。
第一功率放大器與第二功率放大器可以是窄頻功率放大器，或者可以是窄頻功率放大器(第3圖的功率放大器42a)與多帶功率放大器(第3圖的功率放大器42b)的組合。拾波模組44a獲取在第一RF輸出介面RFOUT1的訊號之代表(representation)，並且拾波模組44a將該代表提交至測量模組50的第一通道C1。拾波模組44b獲取在第二射頻(RF)輸出介面RFOUT2處的訊號之代表。並將該代表提交至測量模組50的第二通道C2。
控制器46的調整模組54接收來自測量模組50的第一測量訊號52，測量模組50包括拾波模組44a與拾波模組44b的代表。
控制器還包括測量模組50，該測量模組50接收來自拾波模組44a的至少一個拾波訊號，並依據至少一個拾波訊號產生至少一個第一測量訊號52，並且控制器還包括調整模組54，該調整模組54接收來自測量模組的至少一個測量訊號，並調節射頻輸出訊號的功率。控制器46透過訊號56調節射頻生成模組，使得射頻生成模組產生載波訊號fa、fb、fc，以提供驅動訊號至功率放大器42a和42b。較佳地，至少一個功率放大器(例如，功率放大器42b)是多頻帶功率放大器。較佳地，至少一個功率放大器(例如，功率放大器42a)是寬頻功率放大器。
較佳地，調整模組54包括多個控制元件54a、54b、...、54n。控制元件54a依據第一拾波模組44a所產生的拾波訊號來接收第一測量訊號52。第一控制元件將拾波訊號與期望值或數值範圍進行比較。如果可預期第一測量訊號52的狀況(強度(magnitude)、相位偏移、頻率偏差(frequency offset)、總諧波失真(harmonic content)、變化率)，則控制元件54a不調節(不修改)相應載波訊號。
如果無法預期第一測量訊號52的狀況，則第一控制元件藉由變更相應載波訊號fa或載波訊號fb和fc，以調節訊號產生器48。例如，該變更可以是強度變化、相位或頻率偏差。隨著載波訊號的改變，驅動第一功率放大器42a和/或第二功率放大器42b的驅動訊號將改變，並且第一RF輸出介面RFOUT1或第二RF輸出介面RFOUT2的RF功率之輸出會改變。因為第一RF輸出介面RFOUT1與第二RF輸出介面RFOUT2對應至不同頻率的功率訊號，故RF功率產生器可以在選定頻率(selected frequencies)或超出延伸頻率範圍(extended frequency range)內進行調節。例如，結合多頻的功率放大器42b與窄頻的功率放大器42a，可利於調節射頻產生器的頻譜與功率位準。
在第3圖的實施例中，一個驅動訊號包括兩個或多個窄頻的載波訊號fb和fc。
類似於第2圖所述的方式，可利用第3圖的射頻產生器來實施控制迴路。控制器46的控制迴路可實現為數位處理元件(像是微控制器、數位訊號處理器和/或現場可程式化邏輯閘陣列或其他可編程邏輯等，或類比控制電路)。
由於更多數量的功率放大器將在射頻產生器的輸出頻譜中提供更多選擇，故該方式不限於繪示的兩個功率放大器。因此，更多數量的功率放大器將允許對電漿處理室或任何其他高頻應用的輸出功率進行更好控制(在功率與頻率上)。
第4圖繪示多放大器的RF產生器40的另一實施例。在第4圖中，與第2圖或第3圖共同說明的特性具有相同的元件符號。
第4圖繪示多放大器RF產生器40的實施例，多放大器RF產生器40包括功率放大器模組41，該功率放大器模組41還包括第一功率放大器42a、第二功率放大器42b至第m個功率放大器42m。可選地，一或多個功率放大器是驅動訊號所驅動的多頻功率放大器，驅動訊號包括射頻生成模組48所產生的兩個或多個載波訊號。
替代地，每個功率放大器為窄頻的。例如，第一功率放大器42a針對13.56MHz中心頻率(centre frequency)進行優化，第二功率放大器42b針對27.12MHz中心頻率進行優化，第三功率放大器針對60 MHz中心頻率進行優化。這樣的頻率值是指示性的(indicative)，並且技術人員將能夠針對不同的RF產生器應用來使用不同的頻率值。
在第4圖的實施例中，各個直流(DC)電壓源55a，55b，…，55m可分別供電至每個功率放大器。替代地，一或多個功率放大器由共享的DC電源進行供電。
在以上討論的實施例中，其中控制器46實現為數位處理元件(像是微控制器或數位訊號處理器，和/或現場可程式化邏輯閘陣列或其他可編程邏輯等)，電腦代碼(computer code)或現場可程式化邏輯閘陣列邏輯定義(logic definition)可用於定義控制單元的執行過程。在激活(activation)RF產生器時，電腦代碼加載(load)至相應數位處理元件，使得控制器執行上述的控制功能。
以上實施例所述之控制器46的訊號產生器48可自動產生訊號。替代地，訊號產生器48可連接至一或多個類比訊號產生電路(未示出)，使得訊號產生器48控制類比訊號產生器。
因此，依據第四方面，提供了一種管制控制器46的電腦編程元件。
依據第五方面，提供了一種電腦可讀取介質(computer readable medium)，其包括第四方面的電腦編程元件。
一般來說，上述實施例涉及一種RF產生器，該RF產生器具有一個控制器46，該控制器46具有射頻訊號生成模組48，該射頻訊號生成模組48產生兩個或多個(直到n個)載波訊號，這些載波訊號分佈在一個放大器與m個放大器之間(m等於或小於n)。每個放大訊號提供至射頻產生器的輸出處，並且每個放大訊號連接至對應的拾波模組44(像是定向耦合器、V/I探針)。控制器46包括多通道(multi-channel)的測量模組50、射頻生成模組48與調整模組54，該調整模組54產生載波訊號來調節多功率放大器的功率，以驅動各個功率放大器。實施控制迴路，以提供最佳功率與頻譜至射頻產生器的輸出端。
以頻率、振幅與相位來定義每個訊號。功率放大器可為窄頻、多頻或寬頻放大器。
各個DC電壓源55a, 55b,..., 55m可供電至每個功率放大器42a, 42b,..., 42m，或者各個DC電壓源55a, 55b,..., 55m可與功率放大器的子集共享DC電壓源，從而可節省所需的DC電壓源數量以及所需的AC電路數量，以從AC主電源獲得DC電壓源。
較佳地，透過(i):對每個功率放大器進行供電的DC電壓控制，(ii):用於驅動在頻率、相位和/或振幅中的每個功率放大器的載波訊號控制，或是(iii):(i)與(ii)的兩者結合，以達到功率放大器的輸出功率控制。
總而言之，實施例的組合至少包括以下可選情況，其僅供示範目的。
一種射頻產生器，其中至少第一驅動訊號與第二驅動訊號為窄頻訊號，故可使用各個載波訊號來產生第一驅動訊號與第二驅動訊號，射頻產生器的控制器的射頻生成模組產生各個載波訊號。
一種射頻產生器，其中一個驅動訊號提供至一個功率放大器，其具有驅動訊號，該驅動訊號為兩個載波訊號的算術組合，射頻產生器的控制器的射頻生成模組產生兩個載波訊號。
一種射頻產生器，其中驅動訊號提供寬頻訊號，以透過功率放大器模組的寬頻功率放大器進行放大，該寬頻訊號係由寬頻範圍內的各種載波訊號所構成。
一種射頻產生器，其中第一窄頻功率放大器對第一窄頻驅動訊號進行放大，並且第二多頻功率放大器對第二多頻驅動訊號進行放大。
一種射頻產生器，其中在第一窄頻功率放大器通道中對第一窄頻驅動訊號進行放大，並且第二寬頻放大器對第二寬頻驅動訊號進行放大。
一種射頻產生器，其中第一多頻放大器對第一多頻驅動訊號進行放大，寬頻放大器對第二寬頻驅動訊號進行放大，在第三窄頻放大器中對第三窄頻驅動訊號進行放大，以對第一多頻驅動訊號、第二寬頻驅動訊號與第三窄頻驅動訊號進行放大。
產生器可以許多不同方式來組合輸出。例如，產生器可同時施加兩個窄頻RF功率訊號至組合輸出。替代地，產生器可交替施加窄頻功率訊號。
第5圖繪示電漿處理系統68，該電漿處理系統68包括上述實施例的產生器70以及半導體處理模組72，該半導體處理模組72接收來自產生器的兩個或多個RF訊號。
半導體處理模組包括電漿室72，該電漿室72用於像是矽晶片(silicon wafer)的電漿處理(電漿蝕刻或電漿沉積)。因此，電漿室為氣密模組(gas-tight module)，該氣密模組能夠在矽晶片附近容納處理氣體。電漿室通常設有密封孔(sealable aperture)，該密封孔能夠與晶片傳輸系統進行搭配。第一電極(electrode)與第二電極設置在適當位置。第一電極與第二電極連接至產生器70。例如，產生器透過高功率同軸連接器(high-power coaxial connector)來連接至RF產生器。在第一電極與第二電極之間，高功率RF訊號感應出快速變化電場(rapidly varying electric field)，存在適當加工氣體(appropriate process gas)的高功率RF訊號可形成加工電漿。
第6圖繪示依據第三方面之操作產生控制器的方法。 該方法包括：
使用射頻生成模組來產生至少兩個不同頻率的載波訊號，並且提供至少一個驅動訊號至功率放大器模組(步驟80)。
使用控制器的測量模組來測量至少一個射頻輸出訊號，並依據至少一個拾波訊號來產生至少一個測量訊號(步驟82)，該控制器的測量模組接收來自至少一個拾波模組的至少一個拾波訊號。
使用調整模組來調節至少一個射頻輸出訊號的功率(步驟84)，該調整模組接收來自測量模組的至少一個測量訊號。
較佳地，控制器的調整模組接收來自控制器的測量模組的至少一個測量訊號，並且控制器的調整模組依據至少一個測量訊號來調節射頻訊號生成模組，以改變至少兩個或多個載波訊號的振幅、相位和/或頻率。
較佳地，控制器接收來自測量模組的至少一個測量訊號，並且控制器依據至少一個測量訊號來調節至少一個功率放大器的增益。
較佳地，控制器接收來自測量模組的至少一個測量訊號，並調節至少一個功率放大器的DC電源電壓。
較佳地，射頻訊號生成模組還產生兩個或多個載波訊號，並且提供多載波驅動訊號(multi-carrier drive signal)到至少一個功率放大器，該功率放大器為多頻功率放大器或寬頻功率放大器。
較佳地，功率放大器模組還包括功率放大器的總數，其對應於產生器的RF輸出的總數。
較佳地，至少一個功率放大器為寬頻功率放大器，第二功率放大器為窄頻功率放大器，並且射頻訊號生成模組產生多個載波訊號以及這些載波訊號的多個驅動訊號，其中至少一個驅動訊號為多載波，並且至少一個驅動訊號是單載波(single carrier)。
較佳地，至少一個功率放大器與第二功率放大器共享公共電源電壓。
較佳地，第一電源電壓與第二電源電壓分別對至少一個功率放大器與第二功率放大器進行供電。
較佳地，產生器的外部介面輸出具有數值的資料，該數值透過至少一個拾波模組來獲得。
較佳地，控制器控制至少兩個載波訊號之間的時間同步(time synchronization)。
特別地，提供到至少兩個RF輸出處之兩個RF功率訊號的兩個相位可鎖相。
較佳地，控制器控制至少兩個載波訊號之間的頻率同步(frequency synchronization)。
較佳地，控制器利用第一拾波模組來檢測故障事件，並且控制器依據故障事件的檢測來調節第一RF輸出訊號的功率。
較佳地，故障事件是電漿系統的電弧事件。
儘管本發明的前述說明書已經呈現了至少一個示例性方面，但應當理解，存在大量的變異。特別地，可認為功率放大器包括單一放大器級(stage)、串聯的多個放大器和/或並聯的多個放大器。還應當理解，一個示例性方面或多個示例性方面僅為範例，並不旨在以任何方式來限制本發明的範圍、適用性或配置。相反地，前述說明書將為本領域技術人員提供便利路線圖，其用於實施本發明的示例性方面。應當理解，在不脫離所附申請專利範圍闡述的本發明範圍內，可以對示例性方面所述的元件功能與配置進行各種變更。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:第一常規射頻產生器 12:交流輸入電路 14:第一功率放大器 16:第一拾波模組 18:增益 20:輸出 22,46:控制器 24a,58:外部介面 24b,24c,EXT2,EXT3:外部介面 26,50:測量單元 28,54:調整模組 30:訊號產生器 32:第二常規射頻產生器 34:第三常規射頻產生器 40:射頻產生器 41:功率放大器模組 42,42a,42b,42m:功率放大器 44,44a,44b:拾波模組 48:射頻生成模組 52:第一測量訊號 54a,54b,54n:控制元件 55,55a,55b,55m:直流電壓源 55a:直流電源 56:訊號 60:交流輸入電路 68:電漿處理系統 70:產生器 72:半導體處理模組 80,82,84:步驟 EXT1:外部通訊介面 S1:交流電源介面 S2,S3:電源介面 AC:交流 C1:第一通道 C2:第一通道 fa,fb,fc:載波訊號 RFOUT1:第一射頻輸出介面
在下文中將結合以下附圖來描述本發明，其中相同標號表示相同元件。 第1圖是包括多個單獨產生器的常規產生系統的方塊圖。 第2圖是依據各種實施例之具有功率放大器的產生器的方塊圖。 第3圖是依據各個實施例之具有多個功率放大器的產生器的方塊圖。 第4圖是依據進一步的各個實施例之具有多個功率放大器的產生器的方塊圖。 第5圖是依據第二方面之電漿處理系統的方塊圖。 第6圖是依據第三方面之方法的方塊圖。
40:射頻產生器
41:功率放大器模組
42:功率放大器
44:拾波模組
46:控制器
48:射頻生成模組
50:測量單元
52:第一測量訊號
54:調整模組
54a,54b,54n:控制元件
55:直流電壓源
56:訊號
58:外部通訊介面電路
60:交流輸入電路
AC:交流
C1:第一通道
C2:第一通道
fa,fb:頻率
RFOUT1:第一射頻輸出介面

Claims (26)

  1. 一種射頻產生器，該射頻產生器包括： 一功率放大器模組，該功率放大器模組包括至少一功率放大器； 至少一拾波模組，連接到該至少一功率放大器的一輸出，用於產生至少一拾波訊號； 至少一輸出，連接到至少一放大器的相應輸出，並輸出至少一射頻輸出訊號；以及 一控制器，該控制器包括： 一測量模組，接收該至少一拾波訊號，並依據該至少一拾波訊號產生至少一測量訊號； 一射頻訊號生成模組，產生不同頻率的二或多個載波訊號，並且將至少一驅動訊號作為輸入以提供至該功率放大器模組；及 一調整模組，接收該至少一測量訊號，並依據該至少一測量訊號來調節該至少一射頻輸出訊號的一功率。
  2. 如請求項1所述之射頻產生器，其中該控制器依據該測量訊號來調節該二或多個載波訊號的至少其中之一的振幅和/或相位，以調節該至少一射頻輸出訊號的該功率。
  3. 如請求項1所述之射頻產生器，其中，該調整模組調節該射頻訊號生成模組所產生的該二或多個載波訊號的振幅/或相位，以調節該至少一射頻輸出訊號的該功率。
  4. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該功率放大器模組還包括至少一第二功率放大器。
  5. 如請求項4所述之射頻產生器，其中該調整模組利用至少二獨立調整迴路進行操作。
  6. 如請求項4所述之射頻產生器，其中該功率放大器模組的至少二功率放大器利用一公共直流(DC)電源電壓進行操作。
  7. 如請求項4所述之射頻產生器，其中該功率放大器模組的至少二功率放大器利用單獨DC電源電壓進行操作。
  8. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該功率放大器模組、該至少一拾波模組與該控制器實施於一公共外殼內。
  9. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，還包括一第一外殼與一第二外殼，該第二外殼物理分離(physically separate)於該第一外殼，其中該第一外殼具有該至少二功率放大器的一第一功率放大器，並且該第二外殼具有該至少二功率放大器中的一第二功率放大器。
  10. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該控制器還調節該功率放大器模組的該至少一功率放大器的直流(DC)電源電壓。
  11. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至該射頻產生器的輸出數量。
  12. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至該拾波模組的數量。
  13. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該射頻訊號生成模組所產生的載波訊號數量對應至該功率放大器模組的功率放大器數量。
  14. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該功率放大器模組的該至少一功率放大器為一寬頻功率放大器或一多頻功率放大器，該多頻功率放大器利用一多載波驅動訊號(multi-carrier drive signal)來進行驅動，該多載波驅動訊號係由該射頻訊號生成模組所產生的至少二載波所組成。
  15. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該控制器還包括用於該二或多個載波訊號的相位同步的手段(mean)。
  16. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，還包括一外部介面，該外部介面用於該射頻產生器的該至少一輸出處的該射頻輸出功率與其他直流(DC)和/或其他中頻和/或其他射頻產生器的同步。
  17. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，還包括一公共交流(AC)輸入電路。
  18. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該至少一射頻輸出訊號具有至少100W、至少200W或是至少250W的該功率。
  19. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該至少一射頻輸出訊號具有範圍在0.1MHz至200MHz的頻率。
  20. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該射頻產生器的該至少一輸出連接至一電漿處理系統。
  21. 如上述請求項的其中一項所述之射頻產生器，其中該控制器檢測至少一RF輸出中的一故障事件，並且該控制器依據該拾波模組的該故障事件的檢測來調節一或多個輸出訊號。
  22. 如請求項21所述之射頻產生器，其中該故障事件為一電弧事件(arcing event)。
  23. 一種電漿處理系統，該電漿處理系統包括： 一射頻產生器，該射頻產生器係基於上述請求項的其中一項；以及 一半導體處理工具，接收來自該射頻產生器的一RF輸出訊號。
  24. 一種用於操作一射頻產生控制器的方法，該方法包括： 使用一射頻生成模組產生不同頻率的至少二載波訊號，並且提供至少一驅動訊號至一功率放大器模組； 使用控制器的一測量模組測量至少一射頻輸出訊號，並依據至少一拾波訊號產生至少一測量訊號，其中該測量模組接收來自至少一拾波模組的該至少一拾波訊號； 使用一調整模組調節該至少一射頻輸出訊號的功率，該調整模組接收來自該測量模組的該至少一測量訊號。
  25. 一種電腦編程元件，該電腦編程元件包括一指令；在一處理器執行該指令時，該電腦編程元件執行請求項24的方法。
  26. 一種電腦可讀取介質，該電腦可讀取介質包括請求項25所述之電腦編程元件。
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