專利名稱：具有等離子體激勵線圈用的電流傳感器的感應(yīng)等離子體處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及包括RF激勵線圈的感應(yīng)等離子體處理器，尤其涉及包括受屏蔽的電流傳感器的處理器，該傳感器耦合到包括線圈繞組的低壓部分支路。
背景技術(shù)：
用于用在真空腔內(nèi)用RF等離子體處理工件的一種類型的處理器包括響應(yīng)RF源的線圈。該線圈響應(yīng)RF源來產(chǎn)生腔內(nèi)激勵可電離氣體的電磁場從而產(chǎn)生等離子體。通常，線圈在沿通常平行于所處理工件的平面水平延伸表面方向延伸的絕緣窗口上或與窗口相鄰。激勵的等離子體在腔內(nèi)和工件相互作用以蝕刻工件或在工件上沉積材料。該工件通常是具有平面圓形表面的半導體片或固體絕緣板，例如用于平板顯示器內(nèi)的矩形玻璃基片，或金屬板。
Ogle的美國專利4,948,458揭示了用于實現(xiàn)該效果的多圈螺旋平面線圈。該通常是Archimedes類型的螺旋沿徑向和圓周在其內(nèi)部末端和外部末端之間延伸，該內(nèi)部和外部末端通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接到RF源。線圈產(chǎn)生具有穿過絕緣窗口來在靠近窗口的部分等離子體腔內(nèi)加速電子和離子的磁和電場分量的振蕩RF場。靠近窗口的等離子體部分中磁場的螺旋分布是線圈的每個點處的電流產(chǎn)生的各磁場分量之和的函數(shù)。電場的電感分量由時變磁場產(chǎn)生，同時電場的電容分量由線圈中的RF電壓產(chǎn)生。電感電場是方位角的同時電容電場是垂直向下到工件的。由于在RF源的頻率上線圈的傳輸線效應(yīng)，電流和電壓在不同的點處不同。
對于基于Ogle的’458專利所揭示的螺旋設(shè)計，分配螺旋線圈中的RF電流來產(chǎn)生環(huán)形電場以使環(huán)狀等離子體靠近窗口，這是由氣體吸收能量來將氣體激勵成等離子體的位置。在1.0到10毫托范圍內(nèi)的低壓時，來自等離子體密度最大的環(huán)形區(qū)域的等離子體擴散趨向破壞等離子體的非均勻性并增加腔內(nèi)工件中心正上的中心處的等離子體密度。但是擴散本身通常不足以補償?shù)角槐诘牡入x子體損耗且工件周圍的等離子體密度不能被獨立改變。在10到100毫托內(nèi)的中間壓強范圍時，等離子體中的電子、離子和中性粒子的氣相碰撞進一步妨礙了等離子體帶電粒子實質(zhì)擴散到環(huán)形區(qū)域。結(jié)果，在工件的環(huán)狀區(qū)域中存在相對高的等離子體密度而在中心和周圍的工件部分內(nèi)具有較低的等離子體密度。
這些不同的工作條件導致圓環(huán)內(nèi)和圓環(huán)外，以及相對工件支架平面的直角(即，腔軸)的腔中心線的不同方位角時，實質(zhì)上較大的等離子體通量(flux)(即，等離子體密度)變化。這些等離子體通量的變化導致實質(zhì)上入射到工件上的等離子體通量的標準偏差，即超過百分之六。入射到工件上的等離子體通量的實質(zhì)標準偏差趨向引起非均勻的工件處理，即工件的不同部分被蝕刻不同的程度和/或有不同量的材料沉積其上。
我們共同待批的申請，標題為″INDUCTIVE PLASMA PROCESSOR HAVING COIL WITHPLURAL WINDINGS AND METHOD 0F CONTROLLING PLASMA DENSITY，″(Lowe HauptmanGilman and Berner Docket No.2328-050)揭示了用于提供入射到工件上的更好均勻性的等離子體通量的結(jié)構(gòu)。在共同待批申請所揭示的較佳結(jié)構(gòu)中，測量線圈電流振幅來檢驗正確的電流在線圈中流動且如有必要則幫助提供對等離子體密度的控制。
過去，幫助控制RF線圈激勵的等離子體處理器工作的電參數(shù)包含了測量的參數(shù)，諸如線圈電流振幅、電壓振幅和電壓與電流之間的相位角。也監(jiān)控了其它參數(shù)，諸如正向功率和反射功率。在驅(qū)動匹配網(wǎng)絡(luò)或線圈的電路的高電壓部分測量這些參數(shù)。結(jié)果，通常包括圍繞包括線圈繞組的支路中引線的環(huán)狀線圈的電路傳感器通常耦合到噪聲感應(yīng)RF場。結(jié)果，傳感器受周圍的RF場影響并趨向產(chǎn)生不精確的線圈電流感應(yīng)。
用這些現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中的線圈環(huán)形繞組的屏蔽來降低或?qū)嵸|(zhì)上消除耦合到傳感器環(huán)狀線圈的電噪聲通常是不可行的。這是因為，為了有效，屏必須接地且接近于耦合到電路高壓部分的傳感器環(huán)狀線圈。高壓和屏接近的要求可能導致屏和線圈之間或屏和驅(qū)動線圈的電路的其它部分之間放電。此外，接地的屏可以堅固地耦合接近高壓并可以強烈地干擾電場分布。
因此，本發(fā)明的目的是提供新穎并改進的具有RF激勵線圈的感應(yīng)等離子體處理器，該RF激勵線圈具有用于線圈內(nèi)電流的改進的傳感器。
本發(fā)明的另一個目的是提供感應(yīng)等離子體處理器，它包括具有改進的高精度電流傳感器的RF等離子體激勵線圈。
本發(fā)明的又一個目的是提供包括RF等離子體激勵線圈的感應(yīng)等離子體處理器，該RF等離子體激勵線圈具有從電磁場屏蔽的電流傳感器，且其結(jié)構(gòu)不會使屏特別誘發(fā)擊穿(breakdown)，盡管該屏接地。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，感應(yīng)處理器包括RF等離子體激勵線圈，該線圈包括具有輸入端和輸出端的繞組。耦合到線圈的RF源向輸入端提供RF激勵電流。繞組有一端與RF源和匹配網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而第二端由引線接地。電流傳感器耦合到引線，并由接地的屏圍繞以防止周圍的RF場耦合到傳感器。
較佳地，線圈包括多個繞組，每一個在單獨的支路內(nèi)且包括輸入端和輸出端。連接每個輸入端以便由RF源和匹配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)驅(qū)動。由單獨的引線將每個輸出端接地。各電流傳感器分別耦合到每個接地引線，而和每個傳感器耦合的屏結(jié)構(gòu)將RF場從傳感器隔絕(decouipling)。
在較佳的結(jié)構(gòu)中，每個支路包括耦合在支路的線圈輸出端和接地引線之間的電容器。電流傳感器較佳地置于電容器和接地引線之間，從而RF電壓以及RF場實質(zhì)上接近于0，使得對電流傳感器電磁干擾(EMI)最小。
通常，傳感器包括環(huán)狀結(jié)構(gòu)，例如環(huán)狀線圈，環(huán)狀磁芯，以及整流和濾波電路，且接地的屏圍繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
附圖概述

圖1是采用本發(fā)明的類型的真空等離子體處理器的示意圖；圖2是包含于圖1的處理器中的線圈結(jié)合RF源、匹配網(wǎng)絡(luò)和電子控制電路的的電路圖，其中電子控制電路用于驅(qū)動線圈并用于控制(1)連接到線圈的可變電容器的電容和(2)提供到線圈的總功率；圖3包括了用于在13.56MHz和4.0MHz激勵時圖2所示的線圈的繞組中駐波電流的所計算的振幅的曲線；圖4是圖2的匹配網(wǎng)絡(luò)的較佳實施例的電路圖，它具有用于驅(qū)動圖2線圈的電流的傳感器；圖5是用于圖4電路中的電流傳感器和其電路的示意圖；圖6是由圖5的電流傳感器驅(qū)動的探測電路的電路圖；以及圖7是電流傳感器的機械裝配結(jié)構(gòu)較佳實施例的示意圖。
附圖的詳細描述附1的真空等離子體工件處理器包括具有接地金屬壁12的圓柱狀真空腔10、金屬下端板14和由具有從其中心到其周邊厚度相同的絕緣窗口結(jié)構(gòu)19組成的圓形上板結(jié)構(gòu)18。由常規(guī)墊圈(未示出)密封真空腔10。圖1的處理器可以用于蝕刻半導體、絕緣或金屬襯底或用于在這些襯底上沉積材料。
從氣體源(未示出)通過側(cè)壁12內(nèi)的端口20將可以被激發(fā)到等離子態(tài)的合適的氣體提供到腔10的內(nèi)部并進一步通過氣體分布裝置(未示出)均勻地分布。通過連接到端板14內(nèi)端口22的真空泵(未示出)，腔的內(nèi)部保持在真空狀態(tài)，處于可以在1-1000毫托范圍內(nèi)變化的壓強。
通過合適的電源將腔10內(nèi)的氣體激發(fā)成具有受控的空間密度的等離子體。電源包括平面或球面或圓蓋狀線圈24，它置于窗口19的正上方并由通常具有13.56MHz固定頻率的可變功率RF發(fā)生器26激勵。
連接在RF發(fā)生器26的輸出端和線圈24的激勵端之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)28將RF功率從發(fā)生器耦合到線圈。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)28包括可變電抗，它由控制器29以已知方式響應(yīng)由探測器43探測的反射到匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端的電壓振幅和相位角的指示而改變。控制器29改變網(wǎng)絡(luò)28中的電抗值以實現(xiàn)源26和包括線圈24和線圈驅(qū)動的等離子體負載的負載之間的阻抗匹配。
控制器29還響應(yīng)輸入裝置41來控制耦合到線圈24的可變電抗。輸入裝置41可以是手動裝置，諸如電位計或鍵座的鍵，或響應(yīng)存儲于計算機存儲器中用于工件32的不同處理制法的信號的微處理器。制法的變量包括(1)通過端口20進入腔10的氣體種類，(2)由連接到端口22的真空泵控制的腔10內(nèi)的壓強，(3)RF源26的總輸出功率，它基本等于提供到線圈24的功率，以及(4)連接到線圈24的電容器的值。
工件32被固定地置于腔10內(nèi)的工件支架(即，臺板或夾盤)30；承載工件32的支架30的表面和窗口19的表面平行。工件32通常通過DC電源(未示出)施加到支架的夾盤電極上的DC電位靜電夾持于支架30的表面。RF源45將射頻電磁波提供到包括可變電抗(未示出)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)47。匹配網(wǎng)絡(luò)47將源45的輸出耦合到支架30?？刂破?9響應(yīng)振幅和相位探測器49產(chǎn)生來的信號控制匹配網(wǎng)絡(luò)47的可變電抗從而使源45的阻抗和支架30的電極(未示出)的阻抗匹配。耦合到支架30內(nèi)電極的負載主要是腔10內(nèi)的等離子體。如已知的，RF電壓源45施加到支架30的電極，它和等離子體內(nèi)的電荷粒子相互作用以產(chǎn)生工件32上的DC偏壓。
圍繞線圈24且在上端板18上延伸的是金屬管或罐狀屏蔽體34，其內(nèi)部直徑稍微超過壁12的內(nèi)部直徑。屏蔽體34將在線圈24內(nèi)產(chǎn)生的電磁場和周圍的環(huán)境隔開。圓柱狀腔10的直徑確定由線圈24產(chǎn)生的電磁場的邊界。絕緣窗口結(jié)構(gòu)19的直徑超過腔10的直徑一定程度從而絕緣窗口結(jié)構(gòu)19包含腔10的整個上表面。
選擇工件32的處理表面和絕緣窗口結(jié)構(gòu)19的下表面之間的距離來提供在工件的暴露的、處理的表面上最均勻的等離子體通量。對于本發(fā)明的較佳實施例，工件處理的表面和絕緣窗口下部之間的距離約是腔10直徑的0.2到0.4倍。
線圈24包括多個平行繞組，在源26的13.56MHz時每個繞組有足夠的電長度從而用作具有總電長度約30到45°的傳輸線，從而產(chǎn)生沿繞組的長度產(chǎn)生駐波形。駐波形造成沿繞組長度的駐波RF的電壓和電通量的變化。由繞組產(chǎn)生的磁通量對這些RF電通量的依賴導致在線圈24的不同繞組之下的腔10的不同部分中產(chǎn)生不同的等離子體密度。
在線圈的不同繞組中流動的RF電通量的變化被空間平均以有助于控制等離子體密度的空間分布。空間平均線圈的不同繞組中的這些不同的電通量可以基本防止等離子體密度中的方位角不對稱，特別是在繞組的低RF電流區(qū)?？晒┻x擇地，發(fā)生器26的頻率是4.0MHz，在這種情況中，線圈24的繞組是電縮短約10°到15°，使得繞組內(nèi)的駐波電流和電壓基本恒定。
控制器29包括微處理器33(圖2)，它響應(yīng)(1)輸入裝置41，(2)探測器31產(chǎn)生的電壓振幅和相位角信號，以及(3)存儲用于控制微處理器33及控制連接到線圈24的可變電容器值和RF發(fā)生器26的輸出功率的信號的程序的存儲系統(tǒng)35。在存儲系統(tǒng)35存儲的程序中是用戶匹配網(wǎng)絡(luò)28和47的可變電抗值的控制程序。還可以在制作或安裝處理器時預設(shè)源26的輸出功率和連接到線圈24的電容器的值，特別如果處理器用于單個制法時。
如圖2所示，線圈24包括兩個平行繞組40和42，它們兩者通常是以中心線圈軸44同心的并包括相對軸44沿徑向并圓周地延伸的多個螺旋狀圈。內(nèi)部繞組40整個位于外部繞組42內(nèi)，從而繞組42完全圍繞繞組40。繞組40包括內(nèi)部末端46和外部末端48，而繞組42具有外部末端50和內(nèi)部末端52。
內(nèi)部繞組40包括3個不同半徑的同心圈54、56和58，以及兩個直線段60和62。每個圈54、56和58是繞軸44同心的一部分圓并具有約340°的角度范圍。圈54和56的相鄰端通過直線段60彼此連接，而直線段62將圈56和58的相鄰端彼此連接。直線段60和62沿徑向并圓周地沿平行通路延伸。
外部繞組42包括兩個不同半徑的同心圈64和66，以及直線段68。每個圈64和66是以軸44為中心的一部分圓并具有約340°的角度范圍。直線段68沿徑向并圓周地延伸而將圈64和66的相鄰端彼此連接。
繞組40的圈54、56和58以及部分60和62的長度之和約等于繞組42的圈64和66以及部分68的長度之和。因為繞組40和42的長度基本相等，所以它們沿它們的長度具有基本相等的駐波電壓和電流變化，而不管發(fā)生器26提供給它們什么頻率。
線圈24的繞組40和42由單個固定頻率RF發(fā)生器26產(chǎn)生的RF電流并聯(lián)驅(qū)動，該發(fā)生器具有受控的可變輸出功率。如以下描述的，在發(fā)生器26的低(例如，4.0MHz)或高(例如，13.56MHz)頻率時，在每個線圈40和42中具有單個電流最大值。在高頻率時，電流最大值在約每個繞組的末端之間的一半處。電流最大值產(chǎn)生于相對軸44的繞組40和42的徑向相對點從而通過發(fā)生器26向繞組40和42的RF激勵造成的環(huán)形電場提供近似的方位角對稱。
繞組40和42分別在分開的并聯(lián)電路支路81和83中。支路81包括串聯(lián)繞組40和可變電容器80和84，而支路83包括串聯(lián)繞組42和可變電容器82和86。安排線圈24的繞組40和42的圈以使由來自匹配網(wǎng)絡(luò)28的輸出端的功率并聯(lián)驅(qū)動的輸入末端46和50，位于線圈軸44的相對側(cè)，從而電流沿相同的方向從末端46和50流入繞組40和42的其余部分。末端46在線圈24的最小半徑的圈54上而末端58在最大半徑的圈66上。末端46和50分別由串聯(lián)可變電容器80和82連接到匹配網(wǎng)絡(luò)28的輸出端。
相對軸44彼此在直徑方向上相對的線圈24的輸出端48和52通過串聯(lián)可變電容器84和86連接到共地端。
對于源26的高頻輸出，設(shè)定電容器84和86的值從而繞組40和42中的駐波電流在繞組40的輸入和輸出端46和48以及在繞組42的末端50和52處具有最小振幅，在那里駐波電壓最大。繞組40和42中的駐波電流在繞組40和42的徑向相對點處具有最大值，那里駐波電壓最大，這是調(diào)整電容器84和86的值的結(jié)果。駐波電流最大可以通過監(jiān)控駐波電壓定位。電流最大值在電壓最小(接近于0伏)處產(chǎn)生。將繞組40和42中的駐波電流最大定位于彼此徑向相對有助于提供方位角對稱的等離子體密度。
電容器80和82的值幫助保持為匹配網(wǎng)絡(luò)28調(diào)整的每個繞組40和42的阻抗。繞組40和42中駐波電流的最大振幅分別由電容器80和82的值控制。繞組40和42的物理結(jié)構(gòu)和末端46、48、50和52的末端位置影響繞組40和42內(nèi)的最大駐波電流的位置。
適當控制電容器80、82、84和86的值以及發(fā)生器26的總輸出功率，即發(fā)生器26并聯(lián)施加到繞組40和42的功率，使得在繞組40或42中的電流保持基本恒定，同時改變另一個繞組中的電流。在保持繞組40或42中的電流基本恒定的同時改變總功率的能力提供了對繞組賦能(energization)所產(chǎn)生的電磁場分布的實質(zhì)控制。通過將繞組40或42其中一個的電流保持基本恒定，由該繞組產(chǎn)生且提供給腔10內(nèi)等離子體的電磁場保持相對恒定。改變另一個繞組40或42中的電流使得該繞組提供給腔10內(nèi)的等離子體的電磁場變化。如前所述，不同工件處理制法需要繞組40產(chǎn)生(deposite)的電磁功率保持基本恒定且由繞組42耦合到等離子體的功率變化。對于其它制法，需要繞組42提供到腔10中等離子體的功率分布保持恒定和支路40提供給腔10內(nèi)的等離子體的功率變化。
對于不同制法，通過手動調(diào)整這些部分或通過響應(yīng)存儲于存儲系統(tǒng)25且由微處理器33響應(yīng)來自輸入控制器41的制法信號而讀取的信號自動調(diào)整來控制電容器80、82、84和86的值以及發(fā)生器26的輸出功率?？晒┻x擇地，如果特定的線圈總是連同具有相同制法的處理器工作，則電容器80、82、84和86的值以及發(fā)生器26的輸出功率可以在工廠中在制造處理器時或在安裝處理器期間設(shè)定。
假定每個繞組40和42通常都具有6歐姆的電阻，這使得繞組42中的RMS(均方根值)電流保持基本恒定而通過根據(jù)表I調(diào)整發(fā)生器26的輸出功率改變繞組40內(nèi)的RMS電流和支路81和83的總電阻(X1)和(X2)表I(R1＝R2＝6Ω)

同樣地，如果需要保持內(nèi)部繞組40內(nèi)的電流基本恒定而外部繞組42內(nèi)的電流可變，則支路81(X1)和支路82(X2)的電抗和發(fā)生器26的輸出功率根據(jù)表II調(diào)整。
表II(R1＝R2＝6Ω)

通過改變電容器80、82、84和86的值以及源26的功率，可以實現(xiàn)沿方位角和徑向方向入射到工件上的等離子體密度的控制。
假定對于支路81電流和阻抗分別是I1和z1而對于支路83電流和阻抗分別是I2和z2。由于每個支路由輸入電容器、繞組和輸出電容器的串聯(lián)組合組成，因此阻抗z1或z2是來自輸入(C1或C2)和輸出(C3或C4)電容器以及支路81或支路83的繞組(L1或L2)的所有阻抗的總和。因此，z1＝R1+j[ωL1-1/(ωC1)-1/(ωC3)]＝R1+jX1，其中R1和X1＝ωL1-1/(ωC1)-1/(ωC3)分別表示阻抗z1的實數(shù)(電阻)部分和虛數(shù)(電抗)部分。同樣地，z2＝R2+jX2，其中R2和X2＝ωL2-1/(ωC2)-1/(ωC4)分別表示阻抗z2的電阻部分和電抗部分。對表I和II所示的結(jié)果的定量分析在標題為“INDUCTIVE PLASMA PROCESSOR HAVING COIL WITH PLURALWINDINGS AND METHOD OF CONTROLLING PLASMA DENSITY″(Lowe Hauptman Gilman和Berner Docket No.2328-050)的共同申請中給出。
為了方便，假定RF源26的頻率是13.56MHz而在13.56MHz時每個支路40和42的電長度是77°且電容器80、82、84和86的值被適當調(diào)整因而在繞組40和42中具有相等的電流。對于這種情況，沿每個繞組40和42長度的駐波電流振幅由圖3的曲線90表示。在每個繞組40和42的輸入和輸出端之間曲線90具有正弦狀的變化。曲線90在曲線的中點處，即38°處具有約14.5安培RMS的峰值，而在繞組40和42的輸入和輸出端處具有約10.7安培RMS的最小相等值。因此，每個繞組40和42中的最大駐波電流超過最小駐波電流約3.8安培RMS，即約21％。
在13.56MHz頻率時圖2結(jié)構(gòu)的工作的可能問題在于，電容器80、82、84和86必須被同步或以迭代的方法調(diào)整以便保持對繞組40和42產(chǎn)生的電磁場分布的所需關(guān)系。例如，為了保持工件上的方位角對稱密度，需要每個線圈中的最大電流位于相對軸44徑向相對處。這通過調(diào)整連接在繞組40和42的輸出端和地之間的電容器84和86的值實現(xiàn)。調(diào)整電容器84和86的值會需要調(diào)整電容器80和82從而提供所需的駐波電流值來實現(xiàn)表I和II中表示的值。但是，調(diào)整電容器80和82的值會引起繞組40和42中的電流駐波形進一步地移動(shift)，由此電流駐波形的最大值不再在直徑上相對于線圈軸44相對。如果電流駐波最大值以這種方式移動，則進一步地調(diào)整電容器84和86的值是必要的。
為了克服以上問題，我們已經(jīng)實現(xiàn)，如果沿繞組40和42的電流變化可以被充分降低，從而繞組40和42中的駐波電流最大值的位置不關(guān)鍵，即最大值不必位于線圈軸44的直徑相對側(cè)，則只需單個可變電容器連接到每個繞組40和42。換句話說，消除了同步地或迭代地調(diào)整所有4個電容器80、82、84和86的必要。
為此，降低RF源26的頻率從而繞組40和42的傳輸線效應(yīng)基本降低。如果每個繞組40和42的電長度基本小于約45°，則駐波電流的最大值和最小值之間的百分比變化將足夠降低，以便使只有單個可變電容器84和86分別和繞組40和42串聯(lián)，而消除了對連接在每個繞組輸入端和匹配網(wǎng)絡(luò)28的功率輸出端之間的任何電容的需要。
如前所述，RF源26的頻率從13.56MHz降低到4.0MHz，導致繞組40和42的電長度減少3.4倍(factor)。圖3的曲線92表示調(diào)整電容器84和86，以使相等的駐波電流在繞組40和42中的情況。在13.56MHz時分析(曲線90所示的)的同一物理繞組在4.0MHz時再分析(曲線92所示的)。每個支路40和42的電長度變成22.6°(即，77°除以3.4)。曲線92在繞組40和42的輸入和輸出端具有約25.7安培RMS的駐波電流最小值而在繞組的中間處具有約26安培RMS的最大駐波電流。盡管事實是對于曲線92的短傳輸線，繞組40和42中流動的電流大于曲線90的長傳輸線的情況，但對于這兩種情況源24的輸出功率是一樣的，2400瓦。對于圖3的示例性相等的電流曲線90和92，電容器84和86的電容彼此相等且對于源26的13.56MHz的頻率具有137皮法(pF)，同時對于源26的4.0MHz的激勵，電容器84和86的值是1808pF。
曲線92的最大值和最大駐波電流之間的百分比變化約2％，相比于曲線90的21％的變化。因為激勵源26的相對低頻導致繞組40和42的最小和最大駐波電流之間相對小的變化，所以存在由每個繞組40和42產(chǎn)生并提供到腔10內(nèi)的等離子體的相對均勻的方位角電磁場。因此，不存在包含電容器80和82來調(diào)整繞組40和42內(nèi)最大駐波電流位置的需要。表I和II提供低頻激勵的必要信息來調(diào)整電容器84和86的電容和RF源26的輸出功率以便分別實現(xiàn)線圈40和42中的恒定電流.
對于源26的4.0MHz激勵功率，通過調(diào)整電容器84的值而保持電容器86的值恒定且隨后通過調(diào)整電容器86的值而保持電容器84的值恒定，繞組40和42中的最大駐波電流之比(I1/I2)可以從20∶1到1∶1，隨后從1∶1到1∶10連續(xù)變化，其中I1是繞組40中的最大駐波電流而I2是繞組42中的最大駐波電流。當電容器84和86的值改變時，改變源26的輸出功率來提供表I和II表示的相同效果。為了響應(yīng)微處理器33的輸出信號控制電容器80、82、84和86的值，每個電容器由不同的一個DC馬達87驅(qū)動。每個馬達87響應(yīng)不同的微處理器33的輸出信號。信號微處理器33提供到馬達87的信號具有和馬達的輸出軸將旋轉(zhuǎn)的量相當?shù)闹狄员銓崿F(xiàn)電容器80、82、84和86的所需電容值。匹配網(wǎng)絡(luò)28包括由馬達88驅(qū)動的可變電抗(圖4中較佳地，電容器)。馬達88響應(yīng)微處理器33響應(yīng)由存儲系統(tǒng)35存儲的程序和探測器產(chǎn)生的信號而產(chǎn)生的不同信號。探測器43產(chǎn)生表示(1)由匹配網(wǎng)絡(luò)28向發(fā)生器26反射的電壓振幅和(2)在反射的電壓和電流之間的相位差的信號。微處理器33將適當?shù)腄C信號提供到發(fā)生器26來控制發(fā)生器的輸出功率。微處理器33響應(yīng)表示由RF源26和匹配網(wǎng)絡(luò)28并聯(lián)施加到支路81和83的信號，以及表示支路81和83的輸出端48和52處的駐波電流的信號，如由結(jié)合圖4描述的電路所產(chǎn)生的。
現(xiàn)在參考附圖4，和線圈24的4.0MHz驅(qū)動相關(guān)的較佳實施例的電路圖。RF源26通過相位和量探測器43和較佳地具有2000pF電容的固定的串聯(lián)電容器100來驅(qū)動匹配電路28。匹配網(wǎng)絡(luò)28包括可變并聯(lián)電容102和可變串聯(lián)電容104，它們具有由馬達88改變的電容值。
匹配電路28的輸出功率通過串聯(lián)電感器106、RF電壓探測器108和相位探測器109被并聯(lián)耦合到支路81和83。RF電壓探測器108產(chǎn)生表示在支路81和83的連接輸入端處的RF電壓峰值振幅的DC電壓，而相位探測器109產(chǎn)生表示支路81和83的連接輸入端處的RF電壓和電流之間相位差的DC電壓。探測器108和109的輸出被反饋到微處理器33，它依次控制馬達87和發(fā)生器26的輸出功率來實現(xiàn)前述的結(jié)果。流過支路81和83的電流分別通過可變電容器84和86耦合到地。
支路81和83的輸出端處的駐波電通量分別由電流振幅探測器110和112探測，分別電感耦合到連接在電容器84和86的低電壓端和地之間的引線111和113。如圖5所示，每個電流傳感器110和112包括由纏繞環(huán)狀核芯216的環(huán)狀繞組214制成的變流器。在核芯216內(nèi)，流過引線111或113的RF電流I(t)產(chǎn)生時變磁場B(t)(由環(huán)126表示)。在環(huán)狀繞組214的每個圈124中磁場B(t)感應(yīng)時變電場或等價的感應(yīng)電流i(t)。圖5所示的感應(yīng)電流i(t)的方向假定流過引線111或113的驅(qū)動電流(driving current)I(t)的量隨時間增加，即dI(t)/dt＞0，由于i(t)和 成比例，它還與 成比例。核芯216可以由鐵淦氧磁材料制成(已知為鐵氧體)或鐵磁性材料(例如，鐵)以便進一步增強流過引線111或113的驅(qū)動電流和流過繞組214的感應(yīng)電流之間的互感耦合。
感應(yīng)電流i(t)流過電路130的兩個輸入端221和222之間的電阻器220并產(chǎn)生通過電阻器220的正弦波形。該正弦波形由二極管224整流從而只有大于二極管閾值電壓(通常0.6-0.7v)的正電壓可以通過二極管。電容器226、電感線圈228和電容器230形成低通濾波器，它產(chǎn)生電路輸出端233和234的DC電壓V。電壓V可以被提供到微處理器33以表示分別流過末端48和52的電流。
圖7中示意性地示出較佳實施例中電流傳感器110或112的機械裝配。電容器84或86有連接到末端48或52的一端面板140和連接到屏119的第二端面板142。引線111或113由導電金屬制成，較佳地是鍍銀的銅并機械加工成具有有螺紋中心孔的圓柱。引線111或113被插入電流傳感器110或112的中心開口，它還由絕緣盤148支持并安裝于其上。通過將金屬螺釘144和145固定入引線111或113的螺紋孔形成電連接從而相同的電流從末端48或52流過電容器84或86、屏119、引線111或113并最終到達外殼117中的接地板115。如前所述，流過引線111或113的電流產(chǎn)生時變磁場，它依次產(chǎn)生環(huán)狀繞組214中的感應(yīng)電流。傳感器110或112的引線連接到電連接器(未示出)，它置于由圓柱形屏121圍繞的區(qū)域中接地板115上。
接地的電磁屏114和116分別置于電流傳感器110和112以及電容器84和86之間，以便使來自其余裝置，特別是繞組40和42的RF場電磁干擾最小。屏114或116由環(huán)形金屬板119和屏121組成。屏119具有使引線111或113通過的開口。屏121是金屬圓柱體，它水平地圍繞傳感器110或112和引線111或113。和垂直夾住傳感器的屏119及板115一起，傳感器110和112以及引線111或113完全和周圍的RF場屏蔽，由此大大改善了電流傳感器的精確度。屏119和121較佳地由鍍銀的銅制成。屏121僅僅機械和電連接到板115。繞組40和42輸出端處所有的電壓跨過電容器84和86從而連接到引線111和113的電容器端面板142實際上接地。屏114和116以及電流探測器110和112被安排和探測器43、電容器100、102及104、線圈106以及探測器108和109一起在金屬外殼117內(nèi)。
在參考圖4的附圖，每個電容器84、86、100、102和104是能控制從RF源26流到繞組40和42的相對高電流的真空電容器。因為4MHz時每個繞組40和42的電長度相對短，所以電容器84和86需要相對大電容值，它們通常具有2500pF電容器最大值。并聯(lián)負載電容器102具有相對較大的1400pF的最大值以和并聯(lián)支路40和42的低阻抗匹配。串聯(lián)電容器104是相對較大的電容器，它具有1500pF的最大值以調(diào)諧并聯(lián)支路81和83的較低的電感電抗。
較佳地具有200pF的值的，固定輸入串聯(lián)連接的電容器100提供源26和線圈24的并聯(lián)繞組40和42之間的部分阻抗變換。包括電容器100來使并聯(lián)、負載電容器102具有更合理的值；否則，電容器102將具有比具有最高1400pF最大值的電容器的相關(guān)值更大的電容值。固定電容器100還提供更好的調(diào)諧分辨率，以便用線圈24的并聯(lián)繞組40和42獲得更好的匹配電路28的共振調(diào)諧。
較佳地具有3.5微亨的相對大值的固定電感器106擴展了匹配網(wǎng)絡(luò)28的調(diào)諧范圍。外殼117外部且選擇性地連接到內(nèi)部繞組40的電感器110可以用來提供基本相等阻抗的與繞組40和42相關(guān)的并聯(lián)支路81和83。如果繞組42具有基本大于繞組40電感的電感，則使用電感器110。
電壓探測器108及電流傳感器110和112將信號提供到微處理器33。微處理器33響應(yīng)來自電壓探測器108、電流傳感器110和112以及相位指示探測器109的信號并產(chǎn)生總輸出功率RF源26的指示?？偣β实闹甘究刂芌F發(fā)生器26的輸出功率來實現(xiàn)由表I和II表示的功率。電流傳感器110和112所產(chǎn)生的信號由微處理器33用來控制改變電容器84和86的電容的馬達從而確保正確的電流在繞組40和42中流動以實現(xiàn)表I和II中指示的電流。
在制造處理器時，相對外部繞組42轉(zhuǎn)動內(nèi)部繞組40來幫助控制方位角電場分布和方位角等離子體密度分布。繞組40繞軸44調(diào)整使得末端46和48可以處于和圖2所示不同的位置。如果同一類型的處理器具有從一個處理器到另一個處理器一致的方位角電場和等離子體密度分布，則繞組40可以被轉(zhuǎn)到預定的位置。但是，如果同一類型的不同處理器具有從一個處理器到另一個處理器不同的方位角電場和等離子體密度分布，則相對繞組42轉(zhuǎn)動繞組44直到測試表明在每個特定處理器中實現(xiàn)了最佳一致的等離子體分布。
在已經(jīng)描述和說明了本發(fā)明的特殊實施例的同時，清楚的是，可以進行所特別說明和描述實施例的細節(jié)的變化而不背離由所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。例如，本發(fā)明的許多原理不限于具有兩個同心繞組的線圈而是可以應(yīng)用具有一個或多個繞組的線圈。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)等離子體處理器，其特征在于，包括具有繞組的RF等離子體激勵線圈，該繞組有輸入端和輸出端，其一端連接在與匹配網(wǎng)絡(luò)及RF源串聯(lián)的支路上，而其第二端具有接地的引線使得與流過繞組輸出端的同一電流流過所述引線；耦合到所述引線的電流傳感器；以及與所述電流傳感器耦合的接地屏，它用于屏蔽周圍RF環(huán)境的電磁干擾。
2.如權(quán)利要求1所述的處理器，其特征在于，還包括串聯(lián)在線圈輸出端和引線之間的電容器，它用于將來自繞組的電流通過引線耦合接地。
3.如權(quán)利要求2所述的處理器，其特征在于，所述傳感器具有環(huán)形結(jié)構(gòu)并位于電容器和接地之間，所述傳感器具有基本處于0的RF電壓和RF場。
4.如權(quán)利要求2所述的處理器，其特征在于，所述傳感器包括環(huán)繞引線的環(huán)形結(jié)構(gòu)，接地的屏蔽基本環(huán)繞所述環(huán)形結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求3所述的處理器，其特征在于，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)具有環(huán)形核芯。
6.如權(quán)利要求1所述的處理器，其特征在于，所述傳感器包括環(huán)繞引線的環(huán)形結(jié)構(gòu)，且接地的屏基本環(huán)繞所述環(huán)形結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的處理器，其特征在于，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)具有環(huán)形核芯。
8.如權(quán)利要求1所述的處理器，其特征在于，所述線圈具有多個繞組，所述多個繞組各在一個支路中并具有輸入端和輸出端，每個輸入端被連接由RF源并聯(lián)驅(qū)動，每個輸出端由單獨的引線連接到地；它耦合到每個單獨引線的單獨的電流傳感器；以及接地的屏蔽結(jié)構(gòu)，為了將RF場從電流傳感器隔絕而與各電流傳感器耦合。
9.如權(quán)利要求8所述的處理器，其特征在于，每個支路包括連接在各支路的繞組輸出端和各支路的引線之間的電容器，用于將來自各支路的繞組的電流耦合到各支路的引線。
10.如權(quán)利要求9所述的處理器，其特征在于，所述傳感器包括環(huán)形結(jié)構(gòu)并位于電容器和引線之間，所述傳感器具有基本處于0的RF電壓和RF場。
11.如權(quán)利要求9所述的處理器，其特征在于，每個所述傳感器包括圍繞引線的環(huán)形結(jié)構(gòu)，且每個接地的屏基本圍繞其相關(guān)的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求10所述的處理器，其特征在于，每個所述環(huán)形結(jié)構(gòu)包括環(huán)形線圈。
13.如權(quán)利要求8所述的處理器，其特征在于，每個所述傳感器包括圍繞引線的環(huán)形結(jié)構(gòu)，且每個接地的屏基本圍繞其相關(guān)的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求13所述的處理器，其特征在于，每個環(huán)形結(jié)構(gòu)包括環(huán)形線圈。
全文摘要
感應(yīng)等離子體處理器包括具有多個繞組的RF等離子體激勵線圈，每個繞組包括并聯(lián)連接由單個RF源通過單個匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的第一端。繞組的第二端由終端電容器接地，該電容器依次由影響接地。包括繞環(huán)形核的繞組的電流傳感器耦合到每個終端電容器和地之間的引線。電流傳感器由接地的屏環(huán)繞。從周圍的RF環(huán)境到電流傳感器具有最小的電磁干擾以便提供精確的電流傳感器。
文檔編號H01J37/32GK1511335SQ02810531
公開日2004年7月7日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者R·G·弗爾特洛普, J·J·陳, T·E·威克, R G 弗爾特洛普, 威克, 陳 申請人:拉姆研究有限公司