TWI435662B - 無線電頻率電漿處理中預防不穩定之方法及裝置 - Google Patents

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Description

無線電頻率電漿處理中預防不穩定之方法及裝置
本發明一般係關於控制系統及方法，而更特定言之係關於一種控制向一電漿負載提供的無線電頻率功率之方法及系統。
無線電頻率或微波(下面稱為"RF")電漿產生設備廣泛用於半導體及工業電漿處理。電漿處理支援各種應用，包括從基板蝕刻材料、將材料沉積至基板上、清潔基板表面以及修改基板表面。所採用的頻率及功率位準變化範圍很廣，從約10 kHz至10 GHz，以及從數瓦特至多達100 kW或更大。對於半導體處理應用，當前用於電漿處理設備的頻率及功率範圍稍窄一些，其範圍分別從約10 KHz至2.45 GHz及10 W至30 kW。
電漿處理設備一般需要一精密RF信號產生器、一匹配網路、電纜及度量衡設備。此外，一般需要精密儀器來控制到達該電漿之實際功率。回應於氣體配方、各種氣體供應參數、電漿密度、輸送的RF功率、壓力及其他變量的變化，與一電漿相關的負載阻抗可能有相當大的變化。因一電漿負載之變化阻抗而產生的動態電性負載以及此等其他變量可產生對電漿產生設備而言很重要的穩定性控制問題。
在如今的電漿處理設備(例如半導體工具)中，常常會觀察到該程序變得不穩定，電漿密度及/或電漿損失一起呈現振盪。因此，需要藉由改變對RF電源供應的調節方式來預防此等不穩定性。
圖1描述熟習此項技術者皆熟悉之一習知的電漿產生系統，其包括一典型的電漿處理工具與一RF電源供應。一RF電源供應10輸送RF功率穿過一濾波器12而經由電纜13及一負載匹配電路14到達處理真空室15。在輸出功率測量點18處，靠近前向與反射的RF功率進入該處理真空室15之處，測量前饋與反射的RF功率。將來自該輸出功率測量18的回授傳輸回到該電源供應10，以完成該控制迴路。
功率調節控制電路一般係設計用於盡可能快地操作，以將控制穩定性最大化。一般的電源供應控制迴路可操作快達數百微秒，且一般係鑒於一固定負載或考慮到一可能固定負載範圍而設計並最佳化。該控制迴路之速度(例如在一電漿產生系統中)受濾波器及匹配網路延遲、功率測量時間及電源供應的內部反應速度之限制。如上所述，該電漿在該控制迴路中引入額外的延遲，從而最終可能導致系統性能不穩定。不易預測到此等延遲，其與程序相關且不一致。
然而，許多功率調節控制不穩定性可歸因於將該電漿作為該功率調節控制迴路之一部分，因為電漿阻抗並非恆定。更明確言之，電漿阻抗與所輸送的功率數量、電漿氣體壓力及該電漿氣體混合物之化學成分成函數關係。此外，該反應化學性質及氣體壓力變量取決於電漿密度及溫度，且還具有其自己的慣性(與潛伏時間的相關性)。此等慣性時間可在從微秒至毫秒範圍內，而且係由各種程序(例如，擴散速率、抽氣速度、離子化及化學反應速率等)決定。
氣體供應系統20引入另一複雜化因素，其常常具有一屬於其自己的控制迴路。此氣體供應控制迴路22一般依據一室壓力測量23來控制向該室15之氣體供應。此分離的控制迴路22可將該功率控制系統之特定及系統慣性(延遲)時間延伸至數百及數千毫秒。因此，任何電源供應，只要其使用一回應時間間隔慢於或等於該系統或電漿慣性之切換頻率(即電性負載(例如電漿)之回應時間)之僅一回授控制迴路25，其便可能容易產生不穩定。
圖2解說可用於一系統(例如圖1所示電漿處理系統)之一習知的電源供應技術之功率區段。一電源供應30(例如，一直流電或RF切換電源供應)係設計用於向該電源供應輸出處之一負載40輸送一恆定的功率輸出值。熟習此項技術者習知，直流電功率32(例如來自一整流匯流排或一直流電電源)饋送切換電晶體及反應性元件(例如電感器及電容器)。電源供應30一般在比其控制迴路33的回應時間更快之一時間標度(即，一時間間隔)輸送恆定電流或恆定電壓。該控制電路35依據從該回授控制迴路33接收之資訊來調整針對該電源供應30之一控制信號。當然，當該控制迴路凍結(開放)時電源供應30還可輸送恆定電流或電壓。為作參考，下面將此類電源供應稱為"恆定電流"或"恆定電壓"類型。該控制電路35使用來自該電漿功率測量電路18之回授33來修改該電源供應30之輸出電壓或電流，以保持所需功率輸出。在某些情況下，由此可產生對該負載40(例如，一電漿負載)之穩定控制。
實務上，習知技術之一範例係一"恆定電流"直流電電源供應，其係用於給電弧型電漿負載供電。由於電漿電阻在較高溫度時下降(常稱為"負電阻")，因此吾等習知藉由向此一系統供應一恆定電流會保持一穩定的電漿。在此類系統中，該電源供應稍具一虛擬鎮流電阻器之功能。
更一般的係，許多直流電切換電源供應使用一脈衝寬度調變("PWM")控制方法。此等電源供應具有電壓源之特性，而因此若無一回授控制迴路便不能有效地維持一負電阻電漿。此外，當藉由一RF電源供應控制來給電漿系統供電時，問題會加劇，因為電纜(例如13)及濾波器(例如12)會將反射功率之相位偏移至一程度以至於難以或無法確保從電源供應觀看到正或負的視電漿電阻。對於以高頻率(例如在RF區域中(即，在1 MHz及1 MHz以上之範圍內))操作之系統，此類問題尤為顯著。
為克服此等問題，不僅需要一僅提供恆定電壓或恆定電流之電源供應，而替代的係能夠在一開放迴路系統中輸送本質上恆定的功率，從而可保持該電漿之穩定操作而無關於電漿之反射相位及阻抗。
更明確言之，需要一種可用於控制提供給一動態負載(例如電漿負載)的功率數量而與因該電漿及/或其他系統組件所產生的變化負載阻抗及電阻無關之方法及裝置。
本發明藉由使用一包含一實質上恆定的電源以及視需要使用一向一電性負載(例如一電漿產生器中之一電漿)提供一恆定電源供應之緩慢回授迴路來克服此等問題。
本發明之一方面之特徵在於一種用以向一動態負載(例如一電漿)提供功率之RF電源供應，其包含一用以將一輸入功率轉換為輸出RF功率之功率電路。該功率電路具有較低的儲存能量，一般為數微秒等級，以至於該電路中的儲存能量數量不會干擾控制穩定性。該控制電路藉由向該功率電路提供一控制信號以調節(例如)一供應一RF產生器的功率轉換器之一直流電區段之一輸入功率消耗。其還包括一提供對一輸入功率之一測量之第一電路，其係用於以一第一速率調整對該功率電路之控制信號。因此，將該RF電源供應之輸入功率保持於一常數或一實質上恆定的數量。
具體實施例包括一第二電路，其係用以測量在該RF電源供應之一輸出處的一輸出功率，其係用於以一第二速率補償該功率控制信號。該第一速率大於該第二速率。該第一速率可對應於將直流電電流饋送至該RF電源供應之一切換電源供應之一頻率。此外，可使用一加權因數以使得該第一速率大於該第二速率。該RF電源供應之輸出可用於給一電漿負載加電。
具體實施例可包括以下組件中的至少一組件：一共振反相器、一降壓型切換調節器、一增壓調節器、一直流電切換電源供應以及一反相器或一切換電源供應之一閘極驅動電路。可測量出該輸入功率處於與該切換電源供應的每一循環對應之一頻率上。可以測量該輸出功率信號處於一不同速率(例如，並非針對該切換電源供應之每一循環)。在某些具體實施例中，針對該切換電源供應之每一循環而更新該控制信號，而在其他具體實施例中並非如此。
可藉由測量在每一循環期間流經該切換電源供應之一輸入端子的總電荷來決定該輸入功率測量。該第一速率可針對每一循環調整一次該功率控制信號，而該第二速率比該第一速率更慢且還應比該電性負載之一回應時間更慢。該第二速率還可以比一供應該電性負載之氣體供應系統之一回應時間更慢。
本發明之另一方面之特徵係一種用以向一可變阻抗負載提供功率之RF電源供應，其包括：一控制電路，其向該RF電源供應提供一控制信號來調節來自該RF電源供應之一功率輸出位準；以及一第一電路，其提供對該RF電源供應之一輸入功率之一測量。該第一電路以一第一速率調整對該RF電源供應之控制信號以保持實質上恆定的輸入功率。該RF電源供應可包括一用以測量該RF電源供應之一輸出處之一輸出功率的第二電路，其係用於以一第二速率補償對該RF電源供應之控制信號。該第一速率應大於該第二速率。在某些具體實施例中，該輸入功率係恆定的。
可使用一加權因數以使得該第一速率大於該第二速率，而可使用該RF電源供應之一輸出來給一電漿負載加電。可使用一匹配電路，其位於該RF產生器與該負載(例如，該電漿負載)之間。該電源供應可包括一共振反相器、一降壓型切換調節器、一增壓調節器、一直流電切換電源供應以及一反相器或切換電源供應之一閘極驅動電路。可針對該電源供應之每一循環測量該輸入功率，而在某些具體實施例中並不針對該電源供應之每一循環而測量該輸入功率。可針對該電源供應之每一循環而更新該控制信號，但在某些具體實施例中並非如此。
該RF電源供應可向一電漿負載輸送功率。進一步，該控制信號可控制對該電源供應之一脈衝寬度及/或頻率或相位調變，而且可按逐個循環決定該調變數量。在某些具體實施例中，該第一速率針對每一循環調整一次該控制信號，而該第二速率比該第一速率更慢且還應比該電性負載之一回應時間更慢。該第二速率還可以比一供應該電性負載之氣體供應系統之一回應時間更慢。
本發明之另一方面之特徵係一種包含一電源與一交流電切換電源供應之RF電漿產生器。該切換電源供應包括：一控制電路，其向該電源供應提供一控制信號來調節來自該電源供應之一功率輸出位準；以及一第一電路，其提供對該電源供應之一輸入功率之一測量，以用於以一第一速率調整對該電源供應之控制信號，從而保持實質上恆定的輸入功率。其還包括一用以測量該電源供應之一輸出處一輸出功率的第二電路，以用於以一第二速率補償對該電源供應之控制信號，從而使得該第一速率大於該第二速率。該切換電源供應之一輸出供應一RF產生區段。該第一速率可接近該切換電源供應之一速率。
可使用一加權因數以使得該第一速率大於該第二速率，而該RF產生區段之一輸出可給一電漿負載加電。可使用一匹配電路，其位於該RF產生區段與該負載之間。該RF產生器可包括一共振反相器、一降壓型切換調節器、一增壓調節器、一直流電切換電源供應及/或一反相器或切換電源供應之一閘極驅動電路。可針對該電源供應之每一循環測量該輸入功率，而在某些具體實施例中並不針對該電源供應之每一循環而測量該輸出功率。可針對該切換電源供應之每一循環而更新該控制信號，但在某些具體實施例中並非如此。
可藉由測量在每一循環期間流經該切換電源供應之一輸入端子的總電荷來決定該RF產生器之輸入功率，而該RF產生器可包括一電漿產生系統。該控制信號可控制該切換電源供應之一脈衝寬度調變，而可按逐個循環來決定該脈衝寬度調變數量。在某些具體實施例中，該第一速率針對每一循環調整一次該控制信號，而該第二速率比該第一速率更慢且還應比該電性負載之一回應時間更慢。該第二速率還可以比一供應該電性負載之氣體供應系統之一回應時間更慢。
本發明之另一方面之特徵係一種調節供應給一可變阻抗負載的功率之方法，其包含提供一向一切換電源供應提供一控制信號的控制電路來調節一來自一RF產生器的功率輸出位準之步驟。依據在該切換電源供應之一輸入側測量出之一第一功率，以一第一速率調整對該切換電源供應之控制信號。還以一第二速率補償該控制信號，此係依據在該RF產生器之一輸出側測量出之一第二功率。該第一速率大於(快於)該第二速率。該第一速率可對應於該切換電源供應之一頻率。
可使用一加權因數以使得該第一速率大於該第二速率，而該RF產生器之一輸出可給一電漿負載加電。可使用一匹配電路，其位於該RF產生器與該負載之間。該方法之電源供應可包括一共振反相器、一降壓型切換調節器、一增壓調節器、一直流電切換電源供應及/或一閘極驅動器。可針對該切換電源供應之每一循環測量該輸入功率，而在某些具體實施例中並不針對該電源供應之每一循環而測量該輸出功率。可藉由測量在每一循環期間流經該切換電源供應之一輸入端子的總電荷來決定該第一功率。進一步，可針對該切換電源供應之每一循環而更新該控制信號，但在某些具體實施例中並非如此。
該方法可包括具有一包含一電漿產生系統之電性負載，而該控制信號可控制該電源供應之一脈衝寬度調變。可按逐個循環決定該脈衝寬度調變數量。在某些具體實施例中，該第一速率針對每一循環調整一次該控制信號，而該第二速率比該第一速率更慢且還應比該電性負載之一回應時間更慢。該第二速率還可以比一供應該電性負載之氣體供應系統之一回應時間更慢。
該裝置包括：一電源；一功率轉換器，其從該電源接收功率；該功率轉換器提供一藉由改變輸入電壓或切換頻率之至少一者來控制的恆定輸出功率；以及一RF產生器，其從該功率轉換器接收恆定功率。
該功率轉換器可以係一部分或完全共振反相器。該部分共振反相器可包括：一第一電路，其係用以將來自該電源之電壓轉換為一所需電壓；以及一第二電路，其係用以將所需電壓保持於一恆定功率位準。
該第一電路可包括用以將來自該電源的電壓轉換為一所需電壓之複數個開關與複數個二極體。該第二電路可包括：一電阻負載；一電感器，其係耦合至該電阻負載；以及一電容器，其係耦合至該電感器，該電容器週期性地充電至一輸入電壓位準並在電容器電流穿過該電阻負載時放電，從而將所需電壓保持於一恆定功率位準。該電感器確保該電容器係完全充電與放電。
圖3解說可用於克服前述問題之本發明之一具體實施例。向一電性負載(例如一電漿)提供一恆定數量的功率，可使得該系統穩定操作。遺憾的係，上述僅具回授功能的系統對電漿產生系統之動態操作條件並不作出足夠快的回應。即使回授迴路33之回應時間比一動態電漿負載之阻抗擾動及其他進行中的變化更快，此類系統亦不會補償變化的輸入信號。
圖3之電源供應30藉由控制輸入功率而非輸出功率來克服此等問題，其利用藉由當前可用的電源供應切換技術可獲得的高效率及較低儲存能量之優點。藉使用此技術，基於以儲存能量除以供應功率為等級(其可以係數微秒等級)的時間標度，本發明提供恆定功率而與電漿負載瞬變之變化無關。為實現此點，圖3之電源供應30對饋送該電源供應30之直流電電源32使用一快速輸入測量52。此輸入功率測量52饋送一快速前饋控制迴路53，該迴路53向該控制電路35提供資訊。該控制電路可以係一實際電路(例如，在一電路板上)、一類比控制器、熟習此項技術者習知的各種數位控制系統之任一系統或者此等項目之組合。藉使用此技術，本發明藉由嚴格控制向該電源供應30輸送的功率數量來控制該電源供應與該電漿之間的互動。由此產生對傳送至該負載的功率之嚴格控制，因為就很短時間間隔(例如，數微秒)的平均情況而言，該等動態電漿參數對由該電源供應提供的電流或電壓波形不敏感，正如其對輸送的功率數量不敏感一樣。
因此，本發明包括可在很快的時間標度(例如等級為幾微秒之時間間隔)將幾乎恆定的功率輸送進一電漿負載之電源供應佈局。在某些具體實施例中，此等時間間隔之持續時間可能長得足以接近電漿或氣體供應回應之動態回應時間。但是，在所有具體實施例中，在一藉由儲存能量與功率之比率來設定的時間標度內，該電源供應輸出係保持於一穩定數量，而與電漿阻抗或其他負載動態因素之變化無關。
單獨的回授控制33不能對負載及電源供應輸入變化作出足夠快的回應以實現本發明之精確而一致的功率輸出。一般地，為保持穩定性，該回授控制回應速率必須比所有可能的電漿回應及氣體供應回應快得多或慢得多。為實現本發明之精確功率輸出控制，不僅必須在一快速時間標度提供該系統之穩定，而且可允許該控制電路35之控制信號38與該輸出功率測量僅存在微弱(即，緩慢)的相關性。因此，本發明在補償對該電源供應之控制信號38時僅使用一緩慢回應回授控制迴路。此一電源供應之一額外優點係該電漿容易穩定點燃並累積。
為實現本發明之結果，將一直流電電源32連接至一電源供應30之功率區段。較佳的係，該系統係設計成耗散盡可能少的功率，而因此併入反應性極高的裝置或切換裝置。需要將該系統中的儲存能量最小化，由此減小或幾乎消除該控制系統之任何滯後時間或時間常數。對於可在一切換模式(例如，D類或F類)中操作的併入本發明原理之直流電切換電源供應及較低頻率RF產生器而言，此係較佳設計。在較高頻率時RF電晶體以一幾乎為線性的方法操作，此設計特徵不太重要。然後，一般較佳的係將該電源供應30之功率區段中的能量損失最小化。
在圖3所示具體實施例中，經由輸入測量52來測量該功率模組之輸入功率。該輸入功率測量52可以係位於該電源供應之前面，但應位於任何輸入濾波器電容器(未顯示)之下游。或者，正如熟習此項技術者所習知，該輸入功率測量52可以係位於該電源供應30內部之某一點，只要提供對輸入電流、電壓及/或功率之一測量即可。該輸入功率測量構件52將此資訊傳送至該控制電路35，該控制電路35接著調整功率控制信號38以將該輸入功率測量32保持於一實質上恆定的值。由於該功率模組之效率係設計得較高，因而此調節方法使得向該負載40之功率輸出接近恆定。
該電源供應30可在輸出濾波器及該功率區段的反應性組件中包括少量的儲存能量，其不可瞬間改變。如上所述，該系統之設計使得儲存於此等組件中的能量數量最小化，而因此存在於此等組件中的能量數量足以向該系統供應不超過數微秒的時間當量能量。具有此類較低儲存能量有利於減小該系統之一滯後時間或時間常數且有利於保持穩定的電漿控制。由於所儲存的能量數量與該電漿中儲存的能量數量相比較小，因此其對該系統之控制不會產生明顯的負面影響而且不會導致該電漿損失、變得不穩定或發生明顯改變。因此，該RF功率以很小的滯後時間追蹤該輸入功率。隨著所儲存功率數量增加，電漿穩定性控制問題的出現機率亦增加。
具體實施例還包括一回授控制迴路33。為了保持對該負載40之精確功率輸出控制，應調諧該回授控制迴路33以使其對該控制電路35之控制等式僅產生一緩慢的影響。該回授控制迴路33之緩慢回應確保該負載阻抗變化不會讓該控制迴路失去穩定。
圖4解說表示本發明之一具體實施例之一電源供應之一部分視圖。可使用一降壓型切換調節器72來給一RF產生器75供電。藉使用一輸入測量52、一積分器73以及一向該控制電路35提供一錯誤信號之比較器74來測量該RF產生器之輸入功率。頂部開關76係一主動驅動的電晶體。底部開關77可以係被動的，例如二極體，或者其還可以係一電晶體。若該降壓轉換器72之操作頻率係固定，則該功率輸入與每一循環穿過該頂部開關76的電荷數量成比例。因此，可使用一電流轉換器(例如52)與一積分器73來決定每一循環提供的功(能量)數量。然後，當功數量達到一所需值時，可觸發結束該切換循環。在固定頻率操作期間，此指示每一單位時間提供的功數量，即所提供的功數量。然後，此測量可方便地用作對該電源供應之一快速的輸入功率測量52，該前饋控制迴路53可以此為依據。
進一步，當該直流電區段之切換頻率並非恆定時(此係共振反相器佈局中的情況)，可以一方式根據該輸入電壓及切換頻率來決定每一週期之積體電荷的所需值，從而使其可用來將進入該電源供應30(經由其輸入端子)的輸入功率保持於一恆定值。可按逐個脈衝的方式來執行此類前饋調節，而將該調節器滯後僅一週期(即該電源供應之一循環)。因此，此一測量之時間間隔可短至(例如)一或二微秒。補償頻率變化之一方法係將每一循環之積體電荷資訊傳送至一比較器，其使用一斜坡參考而非一常數。當該積體電荷與自該循環開始所經過的時間成比例時，到達該比較器之跳脫點。此技術可用於按逐個循環保持恆定的功率。
依據以上說明，熟習此項技術者將會明白替代性具體實施例。例如，具體實施例包括增壓調節器，在此情況下，恆定輸入功率需要該電感器電流保持恆定。進一步，可使用其他PWM切換佈局，以及頻率控制佈局，例如共振反相器。此等佈局可包括一以類似方式控制之隔離變壓器，從而按逐個脈衝的方式保持恆定的輸入功率。
圖5解說本發明之一詳細具體實施例，其包括額外細節及可選組件。該直流電電源32向一直流電功率區段30(例如一直流電切換電源供應)提供功率。該輸入電流測量52係解說為位於該電源供應30之輸入側，但其還可位於該輸出側上(例如，介於該功率區段30與該轉換器91之間)。如結合圖4之說明，可透過一積分器73及一設定點比較器74發送來自52的輸入測量信號。
具體實施例包括比較器74之不同功能性。例如，可將來自輸入測量信號52之輸入功率與一功率設定點相比較以決定一計算所得前饋錯誤，而該控制電路35可使用此錯誤。此錯誤係用於調整該電源供應之控制信號38。在其他具體實施例中，依據熟習此項技術者所習知的控制原理及技術，可將該輸入信號52(例如)與一演算法或一預定的數值表相比較，從而藉由一預定功能性來決定來自該比較器之輸出結果。此輸入功率調節可很快地操作，包括達到該電源供應之每一循環便操作一次之頻繁程度。
該控制電路35還可從該輸出功率測量18接收一回授功率信號。可將此回授信號與該功率輸出設定點相比較以決定一計算所得回授錯誤，並可藉由該控制電路35來將此回授錯誤與計算所得前饋錯誤相加以決定該控制信號38。用於該回授錯誤計算之功率輸出設定點可與用於該前饋錯誤計算之功率輸出設定點相同，或者其可以不相同。在任一情況下，接著可使用各種技術來執行該前饋及回授信號之加權。
與許多傳統控制系統不同，可將該前饋控制迴路53加權成對該輸出信號(例如，該控制信號38)產生比該回授控制迴路(例如，回授控制迴路33)更大的影響。可藉由測量取樣並接著更頻繁地(以一更快速率，例如該電源供應的每一循環)使用取樣前饋信號而以一更慢的第二速率(例如每隔一循環、每10個或100個循環)使用該回授迴路的結果，從而獲得此結果。藉由使用此技術，因此，與該回授迴路相比，該控制信號更頻繁地反映該前饋迴路所作貢獻，而因此該前饋測量在該控制結果38中占主導。
相對於該回授測量18更偏重於該前饋測量52之另一技術係以相同的頻率對每一迴路取樣，但是併入一加權乘法器來增加該前饋信號或錯誤結果及/或減小該回授信號或錯誤結果。因此，在決定該控制信號38時，即使兩個迴路之取樣頻率相同，亦總可以讓來自該回授迴路之錯誤結果所產生的影響小於來自該前饋迴路之錯誤。以此方式，即使該前饋測量信號52與該回授功率輸出信號之取樣頻率相同，該加權因數亦可使得經調整的前饋迴路之速率大於該補償回授控制迴路之速率。在某些具體實施例中，可將該回授控制迴路18加權至一程度而使得其對該控制信號38之影響為零。熟習此項技術者亦會明白獲得上述不同類型加權結果之其他技術，例如平均、使用計時平均值、各種取樣技術、統計技術及其他技術。此等方法之結果係該控制電路35主要依據該輸入信號但還依據該回授功率信號18，向該電源供應輸出一控制信號38。
該電源供應30對該控制信號38之回應比該等前饋或回授控制迴路更快。該控制信號38可藉由使用脈衝寬度調變技術(針對一恆定頻率電源供應)、使用頻率調變及其組合或使用其他習知的直流電切換電源供應控制技術來調節該電源供應30。
該直流電功率區段30一般饋送一轉換器區段91，例如一降壓轉換器或與一整流器組合之一共振轉換器。當然，亦可使用其他轉換器佈局。本發明之具體實施例包括在不具有一中間RF功率產生器(下面將說明)之條件下饋送一來自該降壓轉換器之電漿負載。再次參考圖5，該轉換器之輸出視需要穿過一輸出濾波器92，而接著可以係饋送至一RF產生器75。該RF產生器75之輸出可穿過該輸出功率測量裝置18，而接著到達一電性負載40(例如一電漿室內之一電漿)。視需要，可將一匹配網路96放置於該RF產生器75與該負載40之間。
儘管該輸入測量52係解說為處於該直流電功率區段30之供應側上，但其還可以係放置於其他位置。例如，可在該電源供應30與該轉換器91之間，甚或沿下線更遠處在該轉換器91與該輸出濾波器92之間(若存在一輸出濾波器)擷取此前饋測量信號。
同樣，該回授功率測量18還可位於其他位置。例如，當該回授功率測量裝置18直接位於該負載上游(即，介於該匹配網路(若存在)與該負載之間)時，獲得最佳功率測量讀數。但是，由於成本，因此其常常位於該RF產生器之輸出處，即介於該RF產生器75與該匹配網路96(若存在)之間。但是，本發明之具體實施例包括將該回授信號測量從功能上定位於該輸出濾波器92(若存在)與該RF產生器75之間，甚或在該轉換器區段91與該輸出濾波器92之間。當然，可使用此等各種輸入及輸出信號測量位置之不同組合。
合適的功率輸出測量技術可包括電壓及/或電流測量，如上面結合該輸入測量52所述。但是，該輸出功率測量還可使用習知的技術及技藝來測量前饋及反射功率以實現本發明之目的。
本發明之技術之適用性比圖5所描述的具體實施例更廣泛。儘管圖5描述對該直流電切換電源供應30的輸入側上之前饋測量以及在該RF產生器的輸出處之功率輸出測量18，但可以其他方式使用本發明。例如，一具體實施例包括在一直流電切換電源供應30的入口處之一前饋測量52與在該電源供應30的出口處之一輸出電源供應測量18，例如在一轉換器91之後。在某些應用中，可將該轉換器之輸出直接發送到一負載。在其他具體實施例中，並非必須由一直流切換電源供應來提供向一RF產生器之供電。在此類具體實施例中，可在該RF產生器之輸入處進行該輸入測量52，而可將該功率輸出測量18定位於該RF產生器75之出口。然後，無論是否有一匹配網路96，皆可將該RF產生器之輸出饋送給一負載(例如，一電漿室)。
圖6係一部分共振反相器電源供應之一圖式。亦可使用一直流電至直流電轉換器來供應用於該RF產生器/功率放大器之恆定直流電功率，該轉換器具有一在開放迴路中供應恆定功率而不需要任何電性測量之佈局。一此類佈局係一部分共振反相器100；但是可使用其他類型的習知反相器。
該部分共振反相器100包括：一對開關(MOSFET)102a、102b；一電感器(L)106；一電容器(C)108；以及四個二極體110a、110b、110c及110d。在操作中，該部分共振反相器100將該輸入電壓轉換成一方波或其他習知類型的直流電波形。該方波係穿過該電感器106及電容器108(其組合形成一LC濾波器)，受該等二極體110c、110d之箝位，由一變壓器整流器104來耦合與整流，並經過濾而獲得一所需直流電電壓。該部分共振反相器100(直流電至直流電轉換器)之輸出係連接至該RF功率產生器/放大器75之直流電輸入。如上所述，該RF功率產生器/放大器75係耦合至該電漿負載40。在某些具體實施例中，可將一匹配網路96(圖5)耦合於該RF功率產生器/放大器75與該電漿負載40之間，如上所述。
將該電容器108週期性地充電至一輸入軌電壓(＋Vin)，並在電容器電流經由該電漿負載40而通過時將該電容器108放電。在某些具體實施例中，可將該電漿負載40與一變壓器隔離。每隔一充電或放電循環，沉積於該電阻負載104中的能量便等於CV2 /2，此與負載阻抗無關。因此，該功率等於Fs w *CV2 /2，其中Fs w 係該切換頻率，而V係該輸入電壓。該電感器106確保該電容器108在有限的時間中完全充電與放電。該部分共振反相器100設計之一優點係藉由改變V或/及Fs w 來控制該輸出電壓之能力。
儘管此類具體實施例在本發明之範疇內，但是，如上面所提到，本發明在針對使用高頻率電源供應的系統而解決電漿穩定性問題時尤其有用，而且特定言之係在RF電源供應(即1 MHz至10 GHz)之情況下。
雖然已參考特定的較佳具體實施例來特別顯示且說明本發明，但是熟習此項技術者應瞭解其中可進行各種形式及細節的更改，而不會背離隨附申請專利範圍所定義的本發明的精神及範疇。
10．．．RF電源供應
12．．．濾波器
13．．．電纜
14．．．負載匹配電路
15．．．處理真空室
18．．．輸出功率測量(點)/電漿功率測量電路/回授測量/回授控制迴路/回授控制信號
20．．．氣體供應系統
22．．．氣體供應控制迴路
23．．．室壓力測量
25．．．回授控制迴路
30．．．電源供應/直流電功率區段
32．．．直流電功率/直流電電源/輸入功率測量
33．．．回授控制迴路
35．．．控制電路
38．．．控制信號/控制結果
40．．．負載
52．．．輸入功率測量構件/前饋測量信號
53．．．前饋控制迴路
72．．．降壓型切換調節器
73．．．積分器
74．．．比較器
75．．．RF產生器/放大器
76．．．頂部開關
77．．．底部開關
91．．．轉換器(區段)
92．．．輸出濾波器
96．．．匹配網路
100．．．部分共振反相器
102a．．．開關(MOSFET)
102b．．．開關(MOSFET)
104．．．變壓器整流器/電阻負載
106．．．電感器(L)
108．．．電容器(C)
110a．．．二極體
110b．．．二極體
110c．．．二極體
110d．．．二極體
結合附圖，從上面關於本發明之詳細說明，將更輕易地瞭解前面的發明內容，其中：圖1解說一習知的RF電漿處理工具方塊圖；圖2係對一習知電源供應方塊圖之解說；圖3解說併入本發明之控制特徵之一電源供應；圖4係包括一前饋降壓調節器之本發明之一具體實施例；圖5顯示解說本發明之各種特徵之一電源供應系統；以及圖6係一部分共振反相器型電源供應之一具體實施例。
18．．．輸出功率測量(點)/電漿功率測量電路/回授功率測量/回授控制迴路/回授控制信號
30．．．電源供應/直流電功率區段
32．．．直流電功率/直流電電源/輸入功率測量
33．．．回授控制迴路
35．．．控制電路
38．．．控制信號/控制結果
40．．．負載
52．．．輸入功率測量構件/前饋測量信號
53．．．前饋控制迴路

Claims (11)

  1. 一種無線電頻率電漿產生器，其包含：一電源；一部分共振反相器(partial resonant inverter)，其從該電源接收功率，該部分共振反相器提供一藉由改變輸入電壓或切換頻率之至少一者來控制的恆定輸出功率，其中該部分共振反相器包括用以將來自該電源的電壓轉換為一所需電壓之一第一電路及用以將該所需電壓保持於一恆定功率位準之一第二電路；以及一無線電頻率產生器，其從該功率轉換器接收恆定功率。
  2. 如請求項1之無線電頻率電漿產生器，其中該第一電路包括用以將來自該電源的該電壓轉換為一所需電壓之複數個開關與複數個二極體。
  3. 如請求項1之無線電頻率電漿產生器，其中該第二電路包括：一電阻負載；一電感器，其係耦合至該電阻負載；以及一電容器，其係耦合至該電感器，該電容器係週期性充電至一輸入電壓位準並在電容器電流通過該電阻負載時放電，從而將所需電壓保持於一恆定功率位準。
  4. 如請求項3之無線電頻率電漿產生器，其中該電感器確保該電容器係完全充電與放電。
  5. 如請求項1之無線電頻率電漿產生器，其中該無線電頻 率產生器激勵一電漿負載。
  6. 如請求項1之無線電頻率電漿產生器，其進一步包含一耦合於該無線電頻率產生器與該電漿負載之間的一匹配電路。
  7. 一種用以向一電漿負載輸送恆定功率之方法，其包含：從一電源供應接收功率；利用一部分共振反相器將從該電源供應接收的該功率轉換為一所需功率位準，該所需功率位準係藉由改變輸入電壓或切換頻率之至少一者來控制，其中該轉換包含經由一第一電路將來自該電源的該電壓轉換為一所需電壓及經由一第二電路將該所需電壓保持於一恆定功率位準；以及輸送該功率至一無線電頻率產生器以激勵該電漿負載。
  8. 如請求項7之方法，其中該第一電路包括用以將來自該電源的該電壓轉換為一所需電壓之複數個開關與複數個二極體。
  9. 如請求項7之方法，其中該第二電路包括：一電阻負載；一電感器，其係耦合至該電阻負載；以及一電容器，其係耦合至該電感器，該電容器係週期性充電至一輸入電壓位準並在電容器電流通過該電阻負載時放電，從而將所需電壓保持於一恆定功率位準。
  10. 如請求項9之方法，該電感器確保該電容器係完全充電 與放電。
  11. 一種用以向一電漿負載輸送恆定功率之系統，其包含：接收構件，其接收來自一電源供應之功率；功率轉換構件，其係用以將從該電源供應接收的該功率轉換為一所需功率位準，該所需功率位準係藉由改變輸入電壓或切換頻率之至少一者來控制，其中該功率轉換構件包含用以將來自該電源的電壓轉換為一所需電壓之一第一電路及用以將該所需電壓保持於一恆定功率位準之一第二電路；以及一無線電頻率產生器，其用於自該功率轉換構件接收功率且用以輸送該功率以激勵該電漿負載。
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