專利名稱：等離子體生成設(shè)備和方法以及具有可調(diào)工作周期的rf驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及等離子體發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。更具體地，本發(fā)明涉及用于生成等離子體的射頻放大器、天線以及用于連接放大器和天線的有效電路連接。
背景技術(shù)：
一般認(rèn)為等離子體是物質(zhì)四種狀態(tài)中的一種，其它三種為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。在等離子體狀態(tài)中，物質(zhì)的基本組成主要處于離子化形式。由于這種形式提高了反應(yīng)性、能量和適于形成定向束等，因此其用于很多應(yīng)用中。
等離子體發(fā)生器常規(guī)地用于電子元件、集成電路和醫(yī)療設(shè)備的制造和各種物品及機(jī)器的操作中。例如，等離子體被廣泛地用于(i)沉積所需物質(zhì)層，例如在化學(xué)反應(yīng)后或從源頭噴射出的物質(zhì)層；(ii)高精度地對(duì)材料進(jìn)行蝕刻；(iii)通過(guò)等離子體中存在的自由基或由等離子體誘導(dǎo)的自由基對(duì)物體進(jìn)行消毒；以及(iv)改變材料的表面性質(zhì)。
基于射頻(“RF”)電源的等離子體發(fā)生器常用于實(shí)驗(yàn)和工業(yè)裝置中，因?yàn)樗鼈兲峁┈F(xiàn)成的等離子源，且常常是便攜的并易于移動(dòng)。這些等離子體發(fā)生器典型地在降低的壓力(以及密度)下將RF輻射與一種氣體耦合，造成該氣體電離。在任何RF等離子體生成系統(tǒng)中，當(dāng)處理?xiàng)l件變化時(shí)，等離子體表現(xiàn)為天線末端的可變負(fù)載，該天線一般由RF電源驅(qū)動(dòng)。這些可變的處理?xiàng)l件包括工作氣體和壓力的變化，這些變化影響在天線末端觀察到的負(fù)載量。此外，RF驅(qū)動(dòng)波形的振幅本身影響等離子體的溫度和密度，這些也反過(guò)來(lái)影響天線的負(fù)載。因此對(duì)于RF電源，天線/等離子體組合是非恒定的且非線性負(fù)載。
一個(gè)典型的RF源有大約50歐姆的輸出阻抗，因此和表現(xiàn)出匹配的50歐姆阻抗的負(fù)載最有效地連接。因?yàn)榈入x子體自感、有效電阻和與天線的互感經(jīng)常發(fā)生難以預(yù)測(cè)的變化，所以通過(guò)重新調(diào)諧一些電路元件和可能地調(diào)諧等離子體來(lái)獲得動(dòng)態(tài)電阻匹配，從而實(shí)現(xiàn)令人滿意的從RF源向生成的等離子體的能量轉(zhuǎn)移。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，典型地使用可調(diào)節(jié)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、或“匹配盒”補(bǔ)償由于等離子體狀況的變化造成的負(fù)載阻抗上的變化。
典型的動(dòng)態(tài)匹配盒包含兩個(gè)獨(dú)立的可調(diào)諧元件一個(gè)用于調(diào)節(jié)串聯(lián)阻抗，另一個(gè)用于調(diào)節(jié)并聯(lián)阻抗。為了向等離子體實(shí)現(xiàn)最佳的電能轉(zhuǎn)移，這些可調(diào)諧元件必須彼此合作調(diào)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)這些元件的精確調(diào)節(jié)通常是一個(gè)困難的過(guò)程。典型地，重調(diào)諧需要人工/機(jī)械的操作/調(diào)節(jié)器在等離子阻抗變化時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)元件值，并且通常需要精細(xì)的反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可能的非常有限程度的自動(dòng)化。
公知地，將足夠大的電場(chǎng)施加到氣體上可以將氣體原子中的電子與帶正電荷的原子核分離，從而將氣體電離并形成導(dǎo)電的流體樣物質(zhì)，即為等離子體。通過(guò)天線將射頻電磁場(chǎng)與氣體耦合，在離子化的氣體中感應(yīng)產(chǎn)生電流。這反過(guò)來(lái)造成氣體的進(jìn)一步電離，由此增加氣體電導(dǎo)率，于是提高天線場(chǎng)與氣體中的帶電顆粒耦合的效率。這導(dǎo)致感應(yīng)電流的進(jìn)一步增加，造成漸進(jìn)的電擊穿和氣體的充分電離。RF耦合的有效性依賴于使用的具體RF場(chǎng)和/或波。一些適于有效制備大量等離子體的RF場(chǎng)配置和波將在下文描述。
Whistler波是右手旋圓偏振電磁波(有時(shí)被稱作R-波)，該波可以在位于靜磁場(chǎng)B0中的無(wú)限等離子體中傳播。如果這些波在有限等離子體如圓柱體中產(chǎn)生，那么邊界條件的存在——即系統(tǒng)不是無(wú)限的這一事實(shí)——會(huì)造成左旋圓偏振模式(L-波)同時(shí)存在，并同時(shí)對(duì)整個(gè)波場(chǎng)產(chǎn)生靜電貢獻(xiàn)。這些“有界Whistler”被認(rèn)作螺旋波。見(jiàn)Boswell，R.W.，Plasma Phys.26，1147(1981)。它們有益和有用的性質(zhì)包括(1)以比其它RF等離子體制備技術(shù)更高的效率制備和維持相對(duì)高密度的等離子體；(2)在RF輸入電能僅為幾kW的相對(duì)小的設(shè)備中等離子體的密度達(dá)到Np～1014個(gè)顆粒每立方厘米；(3)在大多數(shù)情況下穩(wěn)定且相對(duì)靜止的等離子體；(4)高水平的等離子體均一性；以及(5)在從不足1mTorr至mTorr的數(shù)十倍的大壓力范圍內(nèi)制備等離子體。在用便宜的元件簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)地制備成的相對(duì)低的B0場(chǎng)中觀察到顯著的與螺旋模式激發(fā)相關(guān)的等離子體增強(qiáng)。
通過(guò)在B0＜150G的相對(duì)小的箱體中激發(fā)低場(chǎng)m＝+1螺旋R-波可以使等離子體密度(NP)顯著提高和均一。例如通過(guò)使用天線可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中天線的場(chǎng)模式與一或多個(gè)覆蓋了天線場(chǎng)相同體積的螺旋模式相似并由此和它們發(fā)生耦合。合適的組合條件系列包括施加的磁場(chǎng)B0、RF頻率(FRF)、密度Np本身和物理體積。
美國(guó)專利No.4,792,732、6,264,812和6,304,036中公開(kāi)了一些將RF電能與等離子體耦合的天線設(shè)計(jì)。然而，這些設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，常常需要定制元件，這些元件提高了制造和維護(hù)系統(tǒng)的成本。此外，并不是所有設(shè)計(jì)均適用于在此公開(kāi)的優(yōu)選模式——螺旋的有效生成模式。
典型地，RF電源接收外部的RF輸入信號(hào)或包含一RF信號(hào)生成電路。在很多工藝應(yīng)用中，該RF信號(hào)頻率為大約13.56MHz。RF信號(hào)通過(guò)電能輸出級(jí)放大并隨后通過(guò)天線與等離子體發(fā)生器中的氣體/等離子體耦合以制備等離子體。
放大器，包括適用于RF電源的RF放大器，常規(guī)地根據(jù)其性能特征如效率、線性、放大率、阻抗等以及目的應(yīng)用分為不同類別。在電能放大方面，關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題是作為熱被浪費(fèi)的電能的量，因?yàn)楸仨毺峁┥崞鱽?lái)散發(fā)熱量，因而使用低效的放大器會(huì)增加設(shè)備的體積。有益的特征是放大器的輸出阻抗，因?yàn)槠鋵?duì)放大器浪費(fèi)的電能產(chǎn)生固有的限制。
典型的RF放大器設(shè)計(jì)為50歐姆的標(biāo)準(zhǔn)輸出阻抗。因?yàn)榻?jīng)過(guò)這樣的放大器的輸出端的電壓和流經(jīng)的電流都不為零，它們的乘積得出放大器的耗散電能的估計(jì)值。
類似于開(kāi)關(guān)中耗散的電能，通過(guò)在放大器輸出端的電壓和流經(jīng)的電流之間引入相位差可以降低上述乘積。與傳統(tǒng)放大器相反，開(kāi)關(guān)存在兩種狀態(tài)開(kāi)，對(duì)應(yīng)于短路即低阻抗；或關(guān)，對(duì)應(yīng)于斷路即無(wú)限大(或至少是非常大)的阻抗。在開(kāi)關(guān)模式的放大器中，放大器元件如同受到放大信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)一樣發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行合適的整形，例如通過(guò)一匹配負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，在電流和電壓之間引入相位差使得它們反相從而使開(kāi)關(guān)元件的耗散電能最小化是可能的。換句話說(shuō)，如果電流大，則電壓低或甚至為零，反之亦然。美國(guó)專利No.3,919,656和5,187,580公開(kāi)了降低或甚至最小化開(kāi)關(guān)模式放大器的耗散電能的各種電壓/電流關(guān)系。
美國(guó)專利No.5,747,935公開(kāi)了開(kāi)關(guān)模式RF放大器和匹配負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，其中考慮到等離子體阻抗的變化，在理想頻率下存在的阻抗高而基波的諧波被短路以更好地穩(wěn)定RF電源。這些匹配網(wǎng)絡(luò)使用開(kāi)關(guān)模式電源，而沒(méi)有去除動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)，增加了操作的復(fù)雜性。這種匹配負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的頻率也不是很靈活，因?yàn)槠湟蕾囉趯?duì)基波的窄波段的嚴(yán)格選擇。
美國(guó)專利No.6,432,260公開(kāi)了在匹配阻抗網(wǎng)絡(luò)中使用開(kāi)關(guān)元件來(lái)確保等離子體的動(dòng)態(tài)復(fù)阻抗作為一鄰近的電阻值，其有效地中和等離子體阻抗的無(wú)功分量。這使得電源只需要對(duì)等離子體的電阻變化作出響應(yīng)，因?yàn)殡娫粗挥^察到該變化。動(dòng)態(tài)等離子體電阻控制傳遞到等離子體上的電能。
當(dāng)?shù)入x子體阻抗是RF電源觀察到的阻抗的一小部分時(shí)，等離子體阻抗的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)更不明顯。因此，如果等離子體阻抗變化的范圍是電源觀察到的總阻抗的一小部分，使用不帶干涉動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)的RF電源驅(qū)動(dòng)等離子體是可能的。用足夠高的電力驅(qū)動(dòng)器抑制等離子體電感一定程度上導(dǎo)致效率降低。因此，當(dāng)動(dòng)態(tài)等離子體阻抗成為RF電源觀察到的總阻抗的顯著部分時(shí)，必需使用匹配網(wǎng)絡(luò)。
美國(guó)專利No.6,150,628、6,388,226、6,486,431和6,552,296公開(kāi)了含有與等離子體負(fù)載串聯(lián)的感應(yīng)元件的恒流開(kāi)關(guān)模式RF電源。等離子體主要作為鐵或鐵氧體磁心變壓器的感應(yīng)線圈被驅(qū)動(dòng)，該變壓器的初級(jí)線圈由RF電源驅(qū)動(dòng)。在這樣的配置中，據(jù)公開(kāi)動(dòng)態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)不是必需的。通過(guò)等離子體的電流大約保持為起始感應(yīng)電流值來(lái)根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)電能。
在這些專利中還公開(kāi)了點(diǎn)燃等離子體的各種方法，這些方法包括高電壓脈沖、紫外線和電容耦合(capacitative coupling)，這些方法同樣通過(guò)避免在等離子體點(diǎn)燃時(shí)產(chǎn)生大的阻抗變化而限制等離子體阻抗的變化。
存在其它已知的將等離子體作為變壓器的感應(yīng)線圈使用的設(shè)計(jì)，如其中感應(yīng)線圈和初級(jí)線圈通過(guò)一共享磁心相對(duì)弱地耦合的設(shè)計(jì)。R.J.Taylor發(fā)明了等離子體制備技術(shù)，用于用得到的等離子體清潔環(huán)形真空室內(nèi)部，并已于1973年制造了這種設(shè)備。作為其變壓器初級(jí)線圈的電路使用了托克馬克(tokamak)的空心歐姆加熱(OH)線圈，且匹配網(wǎng)絡(luò)由固定的C1和C2組成。已知在其它托克馬克上具有相似的設(shè)計(jì)，有些具有鐵磁心變壓器。這些設(shè)計(jì)典型地在頻率范圍1-50kHz之間操作。
在與R.J.Taylor的設(shè)計(jì)相似的設(shè)計(jì)中，等離子體阻抗的變化不會(huì)顯著影響驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載，因?yàn)閰?shù)δ≡M1pL1Lp]]>相當(dāng)小，其中M1p是初級(jí)電感L1和等離子體電感Lp之間的互感。因此，在變壓器初級(jí)線圈端觀察到的電感負(fù)載變化更小。相反，當(dāng)?shù)入x子體基本上直接地例如通過(guò)電流母線(current-straps)驅(qū)動(dòng)時(shí)，此時(shí)δ≡Mant-plsamaLantLplsama]]>不小，其中Mant-plasma是天線電感Lant和等離子體電感Lplasma之間的互感，因此等離子體阻抗的變化在RF源觀察到的負(fù)載阻抗中表現(xiàn)出相對(duì)大的變化。為了傳輸電能，該變化一般要求使用可變匹配網(wǎng)絡(luò)以為RF電源的50歐姆阻抗提供的合理匹配。
當(dāng)?shù)入x子體被直接驅(qū)動(dòng)，即沒(méi)有磁心將等離子體感應(yīng)線圈與和RF源相連的初級(jí)線圈充分耦合時(shí)，在天線引線處或在耦合變壓器的初級(jí)線圈處的等離子體阻抗變化是顯著的。該配置已通過(guò)一動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)與等離子體或等離子體/天線組合耦合以響應(yīng)變化的等離子體阻抗進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。
在有效的等離子體發(fā)生器設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題包括需要一低維護(hù)且易配置的天線，需要去除昂貴的動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)以將RF電源與等離子體存在的非線性動(dòng)態(tài)阻抗直接耦合，以及需要能夠有效調(diào)制且頻率靈活的RF電源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了能有效將一或多個(gè)RF源和等離子體耦合的改進(jìn)設(shè)計(jì)。還公開(kāi)了在RF電源幫助下，在不需要使用動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下生成等離子體以將RF電源與等離子體耦合的方法和系統(tǒng)。在本文中，動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)在響應(yīng)等離子體表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)阻抗時(shí)需要進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)。
電抗網(wǎng)絡(luò)代替動(dòng)態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將RF電源與天線-等離子體組合耦合。選擇電抗網(wǎng)絡(luò)而使至少第一等離子體阻抗值，即基本電抗負(fù)載呈遞到RF電源。進(jìn)一步地優(yōu)選在第二等離子體阻抗值進(jìn)行選擇，使其可以明顯地覆蓋動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍，RF電源觀察到的電抗與RF電源本身的電抗大致相同。因此，在此公開(kāi)了設(shè)計(jì)電抗性電路以消除對(duì)等離子體和RF電源之間的動(dòng)態(tài)匹配電路的需要的方法。還公開(kāi)了適于在大約13.56MHz下操作的等離子體發(fā)生器的電抗性電路。所述方法還可用于設(shè)計(jì)在除13.56MHz以外的很多頻率下使用的電抗電路。
除了等離子體阻抗，在電抗性電路的設(shè)計(jì)中還可以考慮其他事項(xiàng)。例如，可以設(shè)計(jì)電路使其在開(kāi)關(guān)式電源、RF電源處呈現(xiàn)相位差，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)通過(guò)降低開(kāi)關(guān)處的電阻耗散提高了電源的效率。一般來(lái)說(shuō)，要取得理想的效果，這些額外條件可能需要確定3個(gè)或更多電抗元件的值。
一說(shuō)明性的等離子體發(fā)生器系統(tǒng)包括至少一個(gè)帶有天線的等離子體源，該天線包括多個(gè)環(huán)，各環(huán)具有環(huán)軸，該多個(gè)環(huán)環(huán)繞一公共軸排列，從而使各環(huán)的軸與該公共軸基本正交；至少一個(gè)射頻電源，用于基本正交地驅(qū)動(dòng)多個(gè)環(huán)，且該電源通過(guò)天線與以圓極化模式，優(yōu)選地以螺旋模式驅(qū)動(dòng)的等離子體負(fù)載耦合；一基本沿公共軸方向的靜磁場(chǎng)；以及將開(kāi)關(guān)式放大器與天線環(huán)耦合的電抗網(wǎng)絡(luò)。
射頻電源優(yōu)選地包括實(shí)質(zhì)A類放大器、實(shí)質(zhì)AB類放大器、實(shí)質(zhì)B類放大器、實(shí)質(zhì)C類放大器、實(shí)質(zhì)D類放大器、實(shí)質(zhì)E類放大器和實(shí)質(zhì)F類放大器中的至少一個(gè)。在一具體實(shí)施方式
中，這些放大器與變壓器的初級(jí)線圈相連以將驅(qū)動(dòng)阻抗降至低數(shù)值。甚至更優(yōu)選地，射頻電源包括具有相對(duì)低的輸出阻抗的推拉型配置的D類放大器。
射頻電源優(yōu)選地表現(xiàn)出低輸出阻抗。低輸出阻抗通常明顯小于標(biāo)準(zhǔn)阻抗50歐姆。輸出阻抗優(yōu)選地小于大約0.5歐姆、小于大約2歐姆、小于大約3歐姆、小于大約5歐姆、小于大約8歐姆、小于大約10歐姆、和小于大約20歐姆。優(yōu)選地，輸出阻抗小于5歐姆、甚至更優(yōu)選地輸出阻抗在大約0.5至2歐姆之間，且最優(yōu)選地輸出阻抗小于1歐姆。在優(yōu)選具體實(shí)施方式
中，輸出阻抗大約為12歐姆。將該低阻抗驅(qū)動(dòng)器和公開(kāi)的連接驅(qū)動(dòng)器和天線電流母線的電路一起使用消除了對(duì)匹配盒的需要，由此降低了電路的復(fù)雜性并消除了等離子體處理系統(tǒng)中的一個(gè)敗因以及更高的成本。
上述公開(kāi)的系統(tǒng)的進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)在于在等離子體形成前施加到天線的電壓可以相當(dāng)大，由此提高了在各種工作條件下起始等離子體的能力。一旦等離子體形成，電壓降低至低水平來(lái)維持等離子體。
根據(jù)天線元件和B0值之間的相位調(diào)整，系統(tǒng)可以作為螺旋源、或作為磁感應(yīng)耦合等離子體(MICP)源、或作為ICP源在B0＝0時(shí)運(yùn)行。此外，觀察到在使用現(xiàn)有技術(shù)等離子體源很難達(dá)到或很好利用的壓力條件下(例如P0大約為100mTorr)，該系統(tǒng)能夠有效和有力地工作。當(dāng)空擋壓力P0、輸入電能PRF以及外部施加的軸向磁場(chǎng)B0條件正確時(shí)，天線中的電流表現(xiàn)為立刻“鎖定”到正交激發(fā)模式。當(dāng)該情形發(fā)生時(shí)，等離子體表現(xiàn)為有利地幾乎均勻地充填在箱體中，因而提供了形成均一處理?xiàng)l件的能力。
此外，在等離子體參數(shù)在較已報(bào)道的其它等離子源的參數(shù)范圍大得多的范圍內(nèi)變化的情況下(例如空擋壓力P0從100mTorr變化下降至5mTorr并隨后又返回至100+mTorr，一次循環(huán)持續(xù)大約1分鐘)，天線系統(tǒng)加上RF發(fā)生器的組合能夠生成并維持等離子體，而不需要任何動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)元件的調(diào)節(jié)。
上述公開(kāi)的系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于去除動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)使等離子體源可以進(jìn)行“即開(kāi)”型操作。該特征可用于為所使用的處理提供額外的控制。具體地，有可能在兩個(gè)(或多個(gè))水平如30％和100％之間，或以全開(kāi)關(guān)方式(0％或100％)調(diào)節(jié)產(chǎn)生等離子體的RF電能的強(qiáng)度。該調(diào)節(jié)能迅速發(fā)生，例如以數(shù)千赫茲的頻率發(fā)生，且能夠?qū)崿F(xiàn)若干目的。例如，可以降低平均RF電能并隨之降低平均等離子體密度。“即開(kāi)”操作在平均RF輸入電能僅為5W時(shí)能夠在50升的體積內(nèi)產(chǎn)生等離子體。
此外，調(diào)節(jié)可用于控制反應(yīng)箱中的工作氣體的空間分布等離子體改變工作氣體的分布，由此增加了活性化學(xué)物質(zhì)或基團(tuán)流的不均一性。通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體制備的工作周期，在等離子體中斷期間(或電能水平降低的時(shí)間期間)可以調(diào)節(jié)中性氣體的流動(dòng)特征以控制處理的均一性。由于等離子體起始時(shí)間通常在施加RF后的10-20微秒內(nèi)，因此可以將工作周期控制在數(shù)十或數(shù)百kHz的高頻率內(nèi)。
本發(fā)明的所有特征將在以下說(shuō)明性附圖的幫助下進(jìn)行說(shuō)明。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明提供以下說(shuō)明性附圖是為了更好地解釋本發(fā)明的各種具體實(shí)施方式
，而不是意圖限制權(quán)利要求的范圍。


圖1顯示了帶有兩套天線元件的等離子體源的箱體；
圖2顯示了RF電源與天線耦合的可調(diào)諧電路；圖3顯示了RF電源與天線耦合的第二個(gè)可調(diào)諧電路；圖4顯示了RF電源與天線偶聯(lián)的第三個(gè)可調(diào)諧電路；圖5顯示了RF電能放大器與一天線電流母線耦合的電路；圖6顯示了RF電能放大器與一天線電流母線耦合的第二個(gè)電路；圖7顯示了RF電能放大器與一天線電流母線耦合的第三個(gè)電路；圖8顯示了RF電能放大器、天線電流母線和等離子體的簡(jiǎn)化模型；圖9顯示了與圖8中顯示的模型等價(jià)的集總電路；圖10顯示了對(duì)沒(méi)有等離子體的等離子體源的頻率響應(yīng)；圖11顯示了對(duì)存在等離子體的等離子體源的頻率響應(yīng)；圖12顯示了控制等離子體源的反饋配置；圖13顯示了將RF電源與等離子體耦合的電抗網(wǎng)絡(luò)；以及圖14顯示了本發(fā)明的一說(shuō)明性具體實(shí)施方式
，其電抗網(wǎng)絡(luò)中具有選擇的元件以去除對(duì)動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)的需要。
發(fā)明的具體說(shuō)明關(guān)于附圖，圖1顯示了帶有兩套天線元件的等離子體源箱體。天線的設(shè)計(jì)包括兩正交的單圈或多圈的環(huán)元件105、110、115和120，它們圍繞一公共軸排列。各天線元件105、110、115和120由所示的A125或B130的RF電源驅(qū)動(dòng)。各天線環(huán)可以與帶有分相器的同一RF電源耦合，或與不同的RF電源耦合，從而正交驅(qū)動(dòng)天線元件。盡管也可以使用裸銅線或其它導(dǎo)線，但優(yōu)選地使用8號(hào)聚四氟乙烯包線構(gòu)建天線環(huán)。
圖1顯示了兩套正交的雙元件類Helmholtz環(huán)樣環(huán)狀天線，在第一套中有環(huán)元件105和115，第二套中有環(huán)元件110和120。環(huán)元件以一定的方位角包圍在絕緣圓柱體135周圍，從而使電流通過(guò)這些元件時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于圓柱體的軸是幾乎橫向的。各套中相對(duì)的元件以Helmholtz形式串聯(lián)。盡管對(duì)于設(shè)備操作不是必需的，但是優(yōu)選地，排列連接相對(duì)的環(huán)元件的電線使得鄰近部分帶有相反流向的電流從而更好地消除與它們相關(guān)的雜散場(chǎng)。對(duì)天線施加電壓使得在兩正交的分支中的電流幾乎相等且存在90度相差，由此模擬旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)。
在螺旋模式的等離子體實(shí)施例中，產(chǎn)生靜態(tài)的軸向B0磁場(chǎng)140，例如由簡(jiǎn)單的電磁體產(chǎn)生。該磁場(chǎng)沿著圓柱體軸的方向。該靜磁場(chǎng)的方向使得所述旋轉(zhuǎn)橫向場(chǎng)模擬m＝+1的螺旋波的場(chǎng)。在實(shí)踐中，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生外部場(chǎng)的電流強(qiáng)度和方向以調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生器的性能。對(duì)于在此討論的參數(shù)，所需場(chǎng)的總場(chǎng)強(qiáng)典型地在10-100高斯范圍內(nèi)，但對(duì)于不同大小的等離子體源，可以使用其他可選范圍。一旦選定靜態(tài)場(chǎng)的適宜場(chǎng)強(qiáng)和方向，一般不需要對(duì)它們進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。
在組合中，靜態(tài)場(chǎng)和天線元件中的RF場(chǎng)在絕緣圓柱體內(nèi)的等離子體中產(chǎn)生m＝+1的螺旋模式，該模式維持等離子體放電。應(yīng)當(dāng)注意的是改變并因而使靜磁場(chǎng)失諧，或完全不施加磁場(chǎng)而使螺旋模式不直接激發(fā)也是有可能的。該操作也產(chǎn)生等離子體，但一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有螺旋模式有效。當(dāng)然，可以隨后施加靜磁場(chǎng)以提高等離子體源/發(fā)生器的運(yùn)作。
還應(yīng)當(dāng)注意到使用例如多圈的環(huán)狀天線取代單圈，以及/或使用鐘形石英罩而獲得與圖1中相同的總體狀況也是可能的。盡管不是必需，鐘罩優(yōu)選地適配天線框架，存在不大于1/2″的間隙。
一等離子體源實(shí)施例的配備如下一內(nèi)徑大約為12″的鐘形石英罩(例如標(biāo)準(zhǔn)的K.J.Lesker 12×12)，包含一大約15cm高的直圓柱體部分和半徑為6″的半球頂部。該罩置于一大約12″內(nèi)徑×8″高的真空箱上(非等離子體源的一部分)。天線包含兩套相對(duì)的、密排的、接近矩形的兩圈連續(xù)環(huán)狀天線元件，這些元件圍繞著鐘罩，在任一點(diǎn)，天線和鐘罩之間有大約1/8″至1/2″的間隙。各元件中的圈是串聯(lián)的且各套天線中的兩元件也是串聯(lián)的，因此它們的場(chǎng)是加和性的。在本實(shí)施例中，各套中的自感大約為10微亨利，且兩套之間的互感小于1微亨利。分別為25cm和20cm長(zhǎng)的垂直和水平天線環(huán)部分由8號(hào)聚四氟乙烯包線組成。在可選具體實(shí)施方式
中，可用單圈硬銅導(dǎo)線取代一或兩圈聚四氟乙烯包線。在沒(méi)有明確指出的情況下，在此描述的用于生成橫向旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的特定具體實(shí)施方式
不應(yīng)被解釋為對(duì)本權(quán)利要求的發(fā)明范圍發(fā)生限制。
常規(guī)的RF電源和動(dòng)態(tài)匹配模式，見(jiàn)圖2至4，其可用于激發(fā)上述天線中的天線電流。此外，圖2至4中的電路可與很多公開(kāi)的方法兼容。一些這樣的方法包括步驟諸如為RF電源提供低輸出阻抗；以及調(diào)節(jié)將RF電源與天線耦合的電抗從而使在沒(méi)有等離子體的情況下的共振頻率是理想的RF頻率。參照含有或不含有等離子體的電路的品質(zhì)因子(“Q”)能夠理解低輸出阻抗。沒(méi)有等離子體存在的“Q”應(yīng)當(dāng)是存在等離子體時(shí)的5至10倍高或甚至更高。特別地，不同于已知電路，通過(guò)響應(yīng)等離子體阻抗的變化來(lái)改變電抗，這樣的RF電源和天線的組合在等離子體存在時(shí)將不需要重新調(diào)節(jié)。
在圖2中，RF源200可以是商業(yè)用2MHz，0-1kW發(fā)生器，通過(guò)50歐姆同軸電纜在圖1中所示的端口“A”125處與正交/混和電路相連。正交/混和電路的“+45度”和“-45度”臂與由所示可調(diào)電容器205、210、215和220組成的單個(gè)L型電容匹配網(wǎng)絡(luò)相連。在工作頻率電容器225的電抗分別為大約100歐姆，且變壓器230的任一邊在另一邊斷開(kāi)時(shí)的電抗是大約100歐姆。如圖2中所示，單個(gè)RF源200可以與被動(dòng)電能分配器(正交/混和電路)以及4個(gè)可調(diào)節(jié)調(diào)諧元件205、210、215和220一起使用以匹配分開(kāi)的兩天線電感線圈235和240。
圖3中所示的另一具體實(shí)施方式
使用了2個(gè)獨(dú)立的RF電源305和310，因而將分別通過(guò)可調(diào)電容器315、320、325和330與電感線圈335和340相連的兩個(gè)天線電能電路完全分開(kāi)。這樣的配置是有利的，因?yàn)楦鱎F電源能夠全電能工作，因此和單個(gè)RF電源相比輸入電能量加倍，且可以調(diào)節(jié)天線之間的相位和強(qiáng)度比。盡管為了改變激發(fā)模式的性質(zhì)可以改變強(qiáng)度和/和相位差，但是一般地，電源305和310可以以大約相同的強(qiáng)度和90度相差運(yùn)作。例如，通過(guò)在不同的強(qiáng)度操作電源，可以維持一橢圓極化等離子體螺旋模式，而非嚴(yán)格的圓極化模式。
圖4中所示的第三個(gè)具體實(shí)施方式
配置了一被動(dòng)共振電路，該電路的一條臂上包含感應(yīng)器/天線電感線圈405和可調(diào)節(jié)電容器410，且由帶有動(dòng)態(tài)匹配電路的RF電源400驅(qū)動(dòng)另一條臂，該動(dòng)態(tài)匹配電路具有與天線電感線圈425相連的可調(diào)電容器415和420。該配置旨在激活等離子體中相同類型的橢圓螺旋模式，其中被動(dòng)側(cè)以與驅(qū)動(dòng)側(cè)大約90度的相差工作，因而提供很多優(yōu)點(diǎn)，而只使用單個(gè)RF源和動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)。
在該實(shí)施例裝備中的工作氣體是壓力從10mTorr至超過(guò)100mTorr的氬氣。靜態(tài)軸向場(chǎng)可人工設(shè)定為0-150G且由位于鐘罩/天線組外半徑為大約9″的線圈產(chǎn)生。
在大約75mTorr的壓力下的等離子體操作呈現(xiàn)出至少3種不同的模式。第一，當(dāng)PRF小于或大約為200W時(shí)，在B0＜B臨界時(shí)觀察到等離子體在靠近鐘罩邊緣處聚集的亮模式(bright mode)。在此，B0是軸向磁場(chǎng)而B臨界是使用螺旋模式激發(fā)等離子體的軸向電場(chǎng)的臨界值。類似地，電能水平PRF和P閾表示供應(yīng)至天線的RF電能和下文所述的閾電能。在該模式中，RF天線電流傾向于不是正交的，取而代之的是180度的相差。第二，類暗輝光放電模式(dull-glow-discharge-like mode)，在B0＞B臨界但PRF＜P閾時(shí)觀察到該模式，其在更高電能下有不均一的密度/輝光但在較低電能下沿著鐘罩壁有大約1-2cm厚的暗空間。在這種情況下，RF電流是充分正交的，在等離子體形成后表現(xiàn)為立刻鎖定為大約90度的相位差。第三，在更高的PRF＞P閾值且B0＞B臨時(shí)形成亮等離子體，該等離子體似乎比模式(1)更加均勻地呈放射狀分布，且天線電流再次鎖定在正交相。盡管這些模式在等離子體工藝中可能均有應(yīng)用，但第三種模式代表了操作的有效模式，且能夠在已證明對(duì)已知等離子體源而言非常難以實(shí)現(xiàn)的中性氣體壓力下實(shí)現(xiàn)。
在一方面，為了使電能電路成流線型，可以去除圖2至4中顯示的常規(guī)RF電源和可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)。
在一優(yōu)選具體實(shí)施方式
中，RF電能電路使用諸如圖5中所示的配置直接驅(qū)動(dòng)天線電流母線。圖5中所示的RF放大器優(yōu)選地是本領(lǐng)域已知的具有低輸出阻抗(即推拉式輸出級(jí))的多種類型RF放大器中的一種。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，由適當(dāng)?shù)碾娐?00以推拉式配置驅(qū)動(dòng)晶體管505和510。在該配置中，一般地，在任何時(shí)刻典型地以等于或小于50％的工作周期運(yùn)作一個(gè)晶體管。晶體管的輸出組合起來(lái)產(chǎn)生完整的信號(hào)。
優(yōu)選地，在輸出級(jí)以開(kāi)關(guān)模式操作電能半導(dǎo)體例如晶體管505和510。在圖5-7中，這些半導(dǎo)體描述成FET，當(dāng)然它們也可以是例如二級(jí)晶體管、IGBT、真空管或任何其它的合適的放大設(shè)備。開(kāi)關(guān)模式操作的一個(gè)實(shí)施例使用D類放大器操作。在該模式中，交替的輸出設(shè)備在RF波形相反的半循環(huán)之間迅速地進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。理想地，由于輸出設(shè)備或是帶有零電壓降的完全的開(kāi)狀態(tài)，或是沒(méi)有電流的完全的關(guān)狀態(tài)，因此應(yīng)當(dāng)沒(méi)有電能耗散。所以，D類操作理想地具有100％的效率。然而，該估算是假設(shè)零“開(kāi)”-阻抗轉(zhuǎn)換是在無(wú)限快的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成。實(shí)際的操作一般呈現(xiàn)接近90％的效率。
優(yōu)選地，RF驅(qū)動(dòng)器與天線電流母線520通過(guò)固定的或可變的電抗515，優(yōu)選一電容器直接耦合。優(yōu)選地，該耦合電抗值使得帶有耦合電抗和天線而沒(méi)有等離子體存在的電路的共振頻率大約等于RF工作頻率。
如圖6(A)所示，該電路輸出級(jí)的可選配置包括變壓器620，其緊隨或整合進(jìn)該推拉式輸出級(jí)；以及驅(qū)動(dòng)器600和晶體管605和610，用以提供電分流。如果推拉級(jí)的輸出阻抗過(guò)高，可以選擇性地配置變壓器620將輸出阻抗轉(zhuǎn)換成低阻抗。配置電容器615使其在由變壓器620和天線電流母線625形成的感應(yīng)電路的理想驅(qū)動(dòng)頻率下共振。圖6(B)中顯示了相似的具體實(shí)施方式
，其中電容器615用于DC消除，且電容器630在由變壓器620的漏電感線圈和電流母線625的電感線圈形成的串連電路中共振。
圖7顯示了RF電能和天線電流母線的另一種配置。整合進(jìn)DC電能供給器中的中心抽頭感應(yīng)器725與具有推拉式驅(qū)動(dòng)器700和晶體管705和710的輸出級(jí)相連。由變壓器720分流。另外，在任何時(shí)刻，只有一個(gè)或另一個(gè)晶體管典型地以小于50％的工作周期運(yùn)作。圖5-7中的電路僅作為說(shuō)明性實(shí)施例提供。任何充分已知的提供低輸出阻抗的推拉級(jí)或其它配置都可用來(lái)替換。
RF電源還可以與任何螺旋天線一同使用，該螺旋天線如對(duì)稱(NagoyaIII型或其變體，例如Boswell型漿狀天線)或不對(duì)稱(例如右手螺旋、螺旋Nagoya-III天線)的天線配置或任何其它非螺旋感應(yīng)耦合配置。
RF電源的強(qiáng)度可以隨著可變工作周期調(diào)整，從而使若干次降低的或零等離子體密度穿插著若干次較高的等離子體密度。對(duì)等離子體密度的這種調(diào)節(jié)可用于影響工作氣體的流體力學(xué)和均一性，并因此影響處理的均一性。因而，通過(guò)選擇合適的調(diào)節(jié)模式，等離子體發(fā)生器系統(tǒng)可以產(chǎn)生包含等離子體的更均一的空間分布。
一般地，等離子體發(fā)生器系統(tǒng)可以使用射頻電源，作為實(shí)質(zhì)A類放大器、實(shí)質(zhì)AB類放大器、實(shí)質(zhì)B類放大器、實(shí)質(zhì)C類放大器、實(shí)質(zhì)D類放大器、實(shí)質(zhì)E類放大器、或?qū)嵸|(zhì)F類放大器或任何它們的組合進(jìn)行操作。這些電源與天線進(jìn)一步組合用于激發(fā)螺旋模式，適合生成高密度等離子體。此外，對(duì)于非開(kāi)關(guān)式放大器，如圖2-4中顯示的放大器，可以使用一中間級(jí)將RF源阻抗轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗以模擬在此所述的具體實(shí)施方式
的開(kāi)關(guān)式放大器的有效操作。
在感應(yīng)耦合等離子體源中，天線的電流母線位于等離子體形成區(qū)域附近，通常在一絕緣容器的外面。從電路的角度看，天線元件形成了非理想變壓器的初級(jí)線圈，而等離子體是其感應(yīng)線圈。圖8顯示了一等價(jià)電路，其中感應(yīng)器810代表了配線中電流母線和任何電感線圈的集總元件，包括在某些具體實(shí)施方式
中存在的通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的輸出變壓器等增加的任何電感線圈。標(biāo)記了P的盒子中的元件代表了等離子體感應(yīng)器820是等離子體自感線圈，阻抗815代表了模擬成一有效電阻的等離子體耗散。M代表天線和等離子體之間的互感。晶體管驅(qū)動(dòng)器800表示成一方波電源。在安裝系統(tǒng)的時(shí)候調(diào)節(jié)電容805使得電路的共振頻率與理想的操作頻率大致匹配。在帶有固定電容器的可選具體實(shí)施方式
中，可以調(diào)節(jié)RF頻率以實(shí)現(xiàn)相同的作用。
為了說(shuō)明系統(tǒng)的運(yùn)作，將整個(gè)系統(tǒng)可以建成圖9所示的模型。在圖9中所有的感應(yīng)器都被集總到電感線圈905中，所有的電容器都被集總到電容910種，且所有的耗散元件都被集總到電阻器915中，且放大器應(yīng)作為RF電源進(jìn)行理想操作(即輸出阻抗為零)。
在沒(méi)有等離子體存在時(shí)，因?yàn)閹缀鯖](méi)有耗散所以R很小，且圖9的電路對(duì)于頻率變化表現(xiàn)出窄的共振應(yīng)答，如圖10所示。這提供了電路操作的一個(gè)優(yōu)勢(shì)有可能用相對(duì)小的電能輸入將天線上的電壓驅(qū)動(dòng)到高數(shù)值，由此促進(jìn)反應(yīng)箱中氣體的初始擊穿。一旦等離子體形成，如圖11所示，系統(tǒng)阻尼相當(dāng)程度上使共振峰變寬，降低了整個(gè)電路的Q。盡管共振的中心頻率可能隨著等離子體狀況發(fā)生遷移，但是當(dāng)?shù)入x子體負(fù)載存在時(shí)，該遷移與共振應(yīng)答的寬度相比是可以忽略的。因此，當(dāng)存在等離子體負(fù)載進(jìn)行操作時(shí)，電路對(duì)操作條件的變化相對(duì)不敏感且不需要重調(diào)諧。圖11中對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明，其中整個(gè)系統(tǒng)其振的頻率有輕微的遷移，雖然Q得到充分降低而使得系統(tǒng)的操作仍然保持有效。伴隨著電路Q的降低，施加到等離子體上的電壓發(fā)生自調(diào)節(jié)，而相對(duì)于無(wú)等離子體的情況發(fā)生相當(dāng)程度的降低。在一些具體實(shí)施方式
中，根據(jù)等離子體形成時(shí)共振頻率的遷移，將RF驅(qū)動(dòng)的操作頻率從精確的無(wú)等離子體共振處實(shí)際地輕微解諧至一側(cè)或另一側(cè)可能是有益的。
可以通過(guò)各種技術(shù)來(lái)控制輸入至等離子體的電能水平，例如通過(guò)調(diào)節(jié)RF輸出級(jí)的DC電源水平。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，電源電壓可以對(duì)感應(yīng)到的等離子體負(fù)載的變化作出響應(yīng)以維持對(duì)等離子體源輸入相對(duì)恒定的電能。如圖12所示，為了用DC電源調(diào)節(jié)器1230進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以對(duì)等離子體負(fù)載進(jìn)行感應(yīng)，例如通過(guò)電壓感受器1200對(duì)DC電源1215的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及通過(guò)電流感受器1205對(duì)RF/等離子體系統(tǒng)中的DC電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及使用它們的乘積和此前測(cè)量的模塊1210中放大器效率的近似值來(lái)對(duì)從RF放大器1220進(jìn)入等離子體1225的凈電能進(jìn)行估算?？梢詼y(cè)出不同輸出水平下增益模塊1235的效率倍增，例如通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同點(diǎn)的熱負(fù)載量，并將其數(shù)字化存儲(chǔ)，從而計(jì)算不同輸出水平的效率變化?？蛇x地，可以測(cè)量RF電壓和電流，且可以評(píng)估它們的同相乘積從而估計(jì)在等離子體中耗散的真實(shí)電能。
等離子體的感應(yīng)還可以延伸到感應(yīng)空間均一性，通過(guò)電壓或電流的變化的方式進(jìn)行直接感應(yīng)或間接感應(yīng)。響應(yīng)這些變化而改變工作周期可以隨后控制等離子體的空間分布。此外，調(diào)節(jié)工作周期能夠進(jìn)一步對(duì)平均輸入電能進(jìn)行控制從而提高等離子體產(chǎn)生的效率。圖12的反饋配置也能如前所述實(shí)現(xiàn)在2個(gè)或多個(gè)電能水平之間的轉(zhuǎn)換。
在此使用的“低”阻抗是指圖9中所示的串聯(lián)共振電路在沒(méi)有等離子體存在時(shí)的“Q”應(yīng)當(dāng)是等離子體存在時(shí)的5至10倍或甚至更高。即，放大器輸出阻抗應(yīng)當(dāng)足夠的小而使得在輸出半循環(huán)中耗散的能量與存儲(chǔ)在電抗分量中的相比少的多。數(shù)學(xué)上將該狀況定義為Zout<<LC,]]>其中L和C是圖9中所示的集總值。當(dāng)該狀況持續(xù)時(shí)，RF放大器將接近電源的操作。
低電阻，例如RF電源輸出阻抗的低電阻，通常是指小于大約10歐姆的電阻，優(yōu)選地小于大約6歐姆、更有選地小于4歐姆和最優(yōu)選地小于大約1歐姆的電阻。
但是，不是本發(fā)明的所有具體實(shí)施方式
都要求根據(jù)沒(méi)有等離子體存在的電路的共振頻率來(lái)選擇電抗電路中的元件而將RF電源與天線/等離子體耦合。事實(shí)上，一些可替換的情況是可能的，在這些情況下對(duì)電抗電路進(jìn)行合適的具體化，從而不需要?jiǎng)討B(tài)匹配電路而在等離子體的動(dòng)態(tài)阻抗下仍然可能進(jìn)行有效的耦合。
盡管存在可變阻抗，但是仍可能如所預(yù)期的那樣描述等離子體阻抗以將其限制在上限和下限之間。因此，可以對(duì)預(yù)期的等離子體高電抗分量和預(yù)期的等離子體低電抗進(jìn)行具體化。例如，這種具體化可以反映偏離預(yù)期平均值一標(biāo)準(zhǔn)偏差(one-σ)的距離。很多其它相似的具體化可能會(huì)顯示等離子體阻抗事實(shí)上落到具體限度以外的可能性。事實(shí)上，可能指定一數(shù)值來(lái)替代預(yù)期等離子體高電抗，該數(shù)值相對(duì)于預(yù)期的等離子體低電抗不對(duì)稱設(shè)置。此外，盡管具體的等離子體阻抗可能不符合正態(tài)分布，但是一些等離子體的集合很可能共同表現(xiàn)出組合阻抗的正態(tài)分布。
相似地，一些連接在一起的RF電源的集合就頻率和時(shí)間而言很可能呈現(xiàn)出正態(tài)分布。于是合適選擇電抗網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將它們?cè)陬A(yù)期等離子電抗的兩個(gè)值處進(jìn)行匹配，可以實(shí)際地確保等離子體電抗的變化與RF電源的變化很好地匹配。
根據(jù)這些對(duì)等離子體電抗的具體化和對(duì)最低或可能低的等離子體電阻(即離子體阻抗變化可能最大時(shí)的電阻值)的認(rèn)識(shí)或估計(jì)，確定電抗電路中分量的方法是可能的。
例如，來(lái)自于2004年6月10日從網(wǎng)址http//www.ixysrf.com/pdf/switch_mode/appnotes/3ap_3_5kw13_56mhz_gen.pdf檢索到的公開(kāi)物“3kW and 5kW Half-bridge Class-D RF Generators at 13.56MHz with 89％Efficiency and Limited Frequency Agility”，Directed Energy公司@2002，文件號(hào)9300-0008 Rev.1，″的圖13所示的說(shuō)明性電路中，根據(jù)說(shuō)明在RF插座處的阻抗是50歐姆，Ca＝C1+C2，且Cb＝C3+C4，串聯(lián)阻抗是Z1=1sCa+sL1=1+s2L1CasCa,]]>且并聯(lián)阻抗是Z2=ZLsCbZL+1sCb=ZL1+sZLCb,]]>該公開(kāi)物在此引用作為參考。在輸入端觀察到的阻抗是Z1+Z2。當(dāng)L1是2.1μH時(shí)，通過(guò)將Ca調(diào)節(jié)至大約81.6pF且將Cb調(diào)節(jié)至大約376pF，可以將該復(fù)數(shù)值調(diào)節(jié)至14+i12.6歐姆的合適分量。
在電容耦合系統(tǒng)中，例如在13.56MHz用于為半導(dǎo)體操作箱中的基板提供RF偏壓的系統(tǒng)中，說(shuō)明性的等離子體天線組合可以例如表現(xiàn)出大約1至4歐姆的電阻Rp和大約-8至-25歐姆的電抗Xp。因此，將圖13中的電路與這樣的天線/等離子體組合連接通常很困難。由于其觀察到的阻抗有大的無(wú)功分量，因此晶體管開(kāi)關(guān)式電路會(huì)在電源電壓下安全地操作，該電源電壓是大約700至800V的理想峰值電源電壓的一部分，例如在大約250V(更可能的是200)。輸出電壓峰值為Vsupply/2×|H|，其中|H|是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的量，且在250V的實(shí)施例中，將根據(jù)不同的等離子體條件在大約28至83V之間變化。
當(dāng)在給定頻率操作時(shí)，通過(guò)加入與阻抗串聯(lián)的感應(yīng)器(具有正電抗)或電容器(具有負(fù)電抗)可以調(diào)節(jié)總阻抗。作為實(shí)施例，如果因?yàn)橐€等存在雜散電感，對(duì)于一給定工作頻率通過(guò)加入一串聯(lián)的電容器且調(diào)節(jié)電容使得Ztot=ZL+ZC=iωL-1iωC≈0,]]>可以將總阻抗調(diào)節(jié)至0或接近0的水平。類似地，在使用帶有顯著輸出電容的輸出設(shè)備例如晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)電路中，通過(guò)提供微弱的電感負(fù)載可以降低由于輸出電容引起的耗散(例如某些說(shuō)明書中的COSS)。這是因?yàn)殡娙葜写鎯?chǔ)的電荷適當(dāng)調(diào)諧的電感負(fù)載在不耗散該電荷的情況下可以使電容放電。
圖14顯示了說(shuō)明性的適于將射頻電源1405和電容驅(qū)動(dòng)等離子體或天線等離子體組合耦合的一般的電抗電路1400。盡管，該電路涉及電容耦合驅(qū)動(dòng)器，如用于半導(dǎo)體處理等離子體中的基板的RF偏壓的驅(qū)動(dòng)器，但是確定分量值的原則也可以使用在電感耦合系統(tǒng)上?？梢允褂秒娙萜骰蚋袘?yīng)器或兩者調(diào)諧該說(shuō)明性的一般電抗電路1400。例如，可以將電容器1415和1425的電抗選擇至大約與最小等離子體電抗分量相同的值，各自為大約500pF。隨后調(diào)諧感應(yīng)器1410和1420以滿足兩個(gè)條件a)在等離子體電抗的最大強(qiáng)度，即預(yù)期的等離子體電抗的上限，晶體管輸出級(jí)觀察到的總負(fù)載的無(wú)功分量很小；以及b)在等離子體電抗的最小強(qiáng)度，即預(yù)期的等離子體電抗的下限，調(diào)節(jié)輸出級(jí)觀察到的負(fù)載的無(wú)功分量以使射頻電源的操作最優(yōu)化，例如在以上Directed Energy參考中描述的電路中的+12歐姆。
晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)觀察到的阻抗為Zload＝Z1410+Z1415+(Z1420+Z1425)||Zp。這里Z1410代表圖14中的感應(yīng)器1410等的阻抗而Zp代表預(yù)期等離子體電抗的一個(gè)值。即驅(qū)動(dòng)器觀察到與感應(yīng)器1415串聯(lián)的電容器1410，且電容器1425+感應(yīng)器1420的串聯(lián)組合與等離子體阻抗1440并聯(lián)，1410與該并聯(lián)組合串連。
對(duì)于射頻電源，當(dāng)其驅(qū)動(dòng)帶有+12歐姆的輸出電抗的負(fù)載時(shí)，運(yùn)作最佳。狀況“a”對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)入x子體電抗Xp為大約-25歐姆時(shí)大約為0歐姆的Im(Zload)。狀況“b”對(duì)應(yīng)于在Xp為-8歐姆時(shí)大約為12歐姆的Im(Zload)。這些情況引出一對(duì)等式，通過(guò)將Rp設(shè)為一低數(shù)值例如大約1歐姆可以解出該等式，因?yàn)樵撍降牡入x子體電阻引起RF驅(qū)動(dòng)器觀察到的負(fù)載發(fā)生大范圍變動(dòng)。這兩個(gè)等式可以解出未知的電感1415和1420的值。在所述條件下，在該示范性具體實(shí)施方式
中，電感1420的值為大約345nH且電感1415為大約185nH，分別導(dǎo)致?tīng)顩r“a”的大約為0歐姆的Im(Zload)和狀況“b”下的大約11.9歐姆的Im(Zload)。更精確的計(jì)算優(yōu)選地考慮雜散電感、線圈電感和其它非理想作用因素。
如果減去兩個(gè)接近的數(shù)值造成的誤差很大，那么對(duì)電容器1410和1425的值可以進(jìn)行替換，例如通過(guò)選擇較小的數(shù)值來(lái)提高容差。此外，不再固定電容器1410和1425的值并調(diào)節(jié)感應(yīng)器1415和1420的值，也可以固定感應(yīng)器1415和1420的值并調(diào)節(jié)電容器1410和1425的值。進(jìn)一步地，對(duì)于電抗元件的任何串聯(lián)或并聯(lián)組合，總阻抗是重要的數(shù)值，且在以上電路中可以使用L和C的特定值或特定幾何構(gòu)型。作為一實(shí)施例，當(dāng)L＝345nH且C＝500pF或當(dāng)L＝620.5nH且C＝250pF時(shí)，感應(yīng)器L和電容器C的串聯(lián)組合可以具有大約5.9歐姆的電抗?？梢哉{(diào)節(jié)這些值以滿足系統(tǒng)的其它限制，例如在二次諧波需要具有高(或低)阻抗。
可替換的輸出晶體管級(jí)可以在包括微弱的電容負(fù)載的電抗負(fù)載中以不同阻抗工作。Im(Zload)大約為0歐姆的狀況可以在某些中點(diǎn)值而非在等離子體電抗的預(yù)期下限或上限處具體化。由此，在等離子體電抗的該具體強(qiáng)度，即具體的等離子體電抗極限處，晶體管輸出級(jí)觀察到的總負(fù)載的無(wú)功分量很小。進(jìn)一步地，具體的等離子體電抗可以是預(yù)期操作范圍以外的值。但是，這樣的具體值可能導(dǎo)致更高的輸出電流。此外，將一電阻通路與電容器1425并聯(lián)提高了電抗電路的性能。因此，電抗電路也可以包括電阻元件。
在另一方面，為了降低RF電源觀察的阻抗變化，可以使用非線性電阻或電抗元件。在另一方面，可以配置感應(yīng)器1415和1420使其具有低的互感，該互感可以是正值或負(fù)值。例如可以使用例如范圍M1415,1420L1415L1420<0.02]]>內(nèi)的正互感M1415，1420來(lái)降低響應(yīng)傳遞函數(shù)H對(duì)等離子體電抗變化的敏感度，而負(fù)互感可以提高該敏感性。
除了消除了對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)諧匹配電路的需要，調(diào)諧或建立電抗網(wǎng)絡(luò)的這些方法還提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，由于在等離子體預(yù)期的電抗值范圍內(nèi)對(duì)一等離子體電抗進(jìn)行調(diào)諧使放大器的操作電抗匹配，因此該調(diào)諧為晶體管提供了在高電壓下有效工作所需要的電抗性阻抗。此外，盡管在等離子體范圍的另一端，輸出級(jí)觀察到的電抗很小，但是總負(fù)載也很小，能夠在高電流和低電源電壓下工作，從而使晶體管表現(xiàn)出的電抗變得更不重要。此外，這種性能確保了在等離子體電抗的廣泛范圍之內(nèi)，合理量的電能可以從RF電源傳遞到等離子體。在另一方面，該設(shè)計(jì)允許使用大量輸出級(jí)，它們可以例如通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行組合。
通常地，RF電源的具體值是施加到天線接頭的輸出電壓，根據(jù)改變等離子體工作條件所必需的電壓，調(diào)節(jié)RF輸入電壓水平以產(chǎn)生需要的輸出電壓。對(duì)傳遞函數(shù)H＝Vplasma/Vin的研究揭示了系統(tǒng)“電壓傳遞函數(shù)”，或輸出電壓與輸入電壓的比率，H＝Vplasma/Vin＝[(Z1410+Z1415)||Zp]/Zload。
對(duì)于所述調(diào)諧，該傳遞函數(shù)具有一共振特征，在該方面，H的強(qiáng)度在操作的大部分范圍(如果不是全部的話)內(nèi)大于1。|H|從Xp為大約-25歐姆時(shí)的大約75(上述的狀況“a”，Rp為大約1歐姆)變化降低至Xp＝-8歐姆時(shí)的大約1.5(上述的狀況“b”，Rp仍然為大約1歐姆)。對(duì)于更高的等離子體電阻，例如大約4歐姆的Rp，|H|從大約21變化至1.6。因此，選擇充分適合在預(yù)期的最低等離子體電阻下操作的電抗網(wǎng)絡(luò)高度地確保了在更高的等離子體電阻值下，等離子體阻抗的變化將更小。
應(yīng)當(dāng)注意到盡管一些討論是就電抗網(wǎng)絡(luò)的共振頻率而言的，但是由于存在等離子體，因此在頻率傳遞的方向使用與等離子體不存在時(shí)的共振頻率有微弱偏差的頻率驅(qū)動(dòng)射頻電源常常是理想的。這保證了對(duì)有益頻率的穩(wěn)定和有效操作。
因?yàn)闆](méi)有等離子體的電路的高Q使高電壓在相對(duì)低的電能要求下能夠在天線元件上被感應(yīng)，因此上述公開(kāi)的系統(tǒng)和方法在擊穿氣體和起始等離子體上提供了優(yōu)勢(shì)。可以控制該無(wú)等離子體電壓以對(duì)工作氣體進(jìn)行程序化擊穿；一旦等離子體形成，等離子體中的感應(yīng)電流對(duì)系統(tǒng)提供負(fù)載并使誘導(dǎo)擊穿的高電壓降低，并因此避免了壓迫系統(tǒng)。
所述的電路配置不一定需要可變調(diào)諧元件，例如機(jī)械可調(diào)節(jié)電容器，因?yàn)橹挥泄潭娙軨是必需的。然而，也可以使用可變電容器構(gòu)建各種電路，例如在優(yōu)選具體實(shí)施方式
中，可以調(diào)節(jié)電容器使系統(tǒng)共振與理想操作頻率匹配，且在與等離子體操作點(diǎn)的實(shí)時(shí)阻抗匹配中不需要該電容器。這種匹配在抵消可能造成L-C共振頻率漂移的機(jī)械振動(dòng)或老化作用上有用。
在一個(gè)
具體實(shí)施例方式
中，調(diào)節(jié)操作頻率來(lái)補(bǔ)償小的共振偏差，而機(jī)械調(diào)諧電容器來(lái)補(bǔ)償大的偏差。在可選的具體實(shí)施方式
中，通過(guò)調(diào)諧電容器來(lái)完成調(diào)節(jié)。在優(yōu)選的(調(diào)諧的)具體實(shí)施方式
中，該調(diào)諧是自動(dòng)化的且在電源掉線期間發(fā)生。另一方面，將調(diào)諧作為處理控制的一部分，例如為了對(duì)處理?xiàng)l件進(jìn)行小的調(diào)整，在具有可調(diào)調(diào)諧元件的具體實(shí)施方式
中，上述公開(kāi)的配置將可調(diào)節(jié)元件的數(shù)目減少至只有1個(gè)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解在不背離其教導(dǎo)或精神的情況下，對(duì)上述公開(kāi)的發(fā)明可以進(jìn)行很多變化和可選擇地實(shí)施。這些改變被認(rèn)為在以下所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如，人們可以用一變壓器和傳統(tǒng)放大器的組合為一低阻抗提供阻抗匹配。同樣的，盡管本發(fā)明排除了對(duì)動(dòng)態(tài)匹配電路的需要，但是將一些動(dòng)態(tài)匹配電路與在此公開(kāi)的電抗電路組合使用以降低對(duì)動(dòng)態(tài)匹配電路的嚴(yán)格要求，這也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，權(quán)利要求必須解讀為覆蓋了這些修改和變化以及它們的等價(jià)物。此外，在此引用的所有參考文獻(xiàn)以其公開(kāi)和教導(dǎo)的內(nèi)容完整地在此參考引用。
權(quán)利要求
1.一種降低對(duì)動(dòng)態(tài)匹配電路的需要來(lái)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)等離子體阻抗的方法，所述方法包括以下步驟提供具有低輸出阻抗的射頻電源；在射頻電源和等離子體之間提供包含第一和第二電抗的電抗網(wǎng)絡(luò)，其中選擇第一電抗和第二電抗使得在第一等離子體電抗處，電抗負(fù)載基本上被傳遞到RF射頻電源，且在第二等離子體電抗處，一具體的電抗被RF電源觀察到；以及控制平均輸入電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗和第二等離子體電抗的值覆蓋了動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍的主要部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一和第二等離子體電抗值分別對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗上限和預(yù)期的等離子體電抗下限。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的電抗網(wǎng)絡(luò)在等離子體電阻低時(shí)是有效的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的等離子體電阻大約為1至5歐姆、小于1歐姆或小于10歐姆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括估測(cè)所述預(yù)期的等離子體電抗下限和所述預(yù)期的等離子體電抗上限；以及估測(cè)一低等離子體電阻，在該電阻下，電抗網(wǎng)絡(luò)必須是有效的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述被RF電源觀察到的具體電抗大約為12歐姆。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)制射頻電源工作周期的步驟還提供了中性氣流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括感應(yīng)等離子體空間分布，并對(duì)其響應(yīng)而調(diào)制工作周期的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法還包括步驟感應(yīng)等離子體空間分布，并對(duì)其響應(yīng)而調(diào)制工作周期以提供數(shù)次中性氣流，從而調(diào)節(jié)包含等離子體或中性氣體的電抗元件的空間分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的平均輸入電能以大于大約1瓦特每10升體積的平均密度施加。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中改變所述的平均輸入電能而可以在數(shù)個(gè)輸出電能水平之間進(jìn)行選擇。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中至少一個(gè)輸出電能水平選自大約5瓦特、大約10瓦特、大約5至10瓦特、大約10至50瓦特和大約5瓦特至大約25瓦特。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中等離子體電能在兩個(gè)或多個(gè)水平之間快速轉(zhuǎn)換。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中等離子體電能在從全電能的大約30％轉(zhuǎn)換至大約100％。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)制工作周期的至少一個(gè)頻率選自至少大約1Hz、至少大約10Hz、至少大約100Hz、至少大約500Hz、至少大約1000Hz、至少大約5000Hz、至少大約10,000Hz和至少大約100,000Hz。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的平均輸入電能通過(guò)一個(gè)或多個(gè)脈沖寬度調(diào)節(jié)來(lái)控制，或通過(guò)改變RF電源內(nèi)的DC電源來(lái)控制。
18.一種等離子體發(fā)生器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括射頻電能設(shè)備，用于提供射頻電能；以及至少一個(gè)電抗電路，用于將射頻電能設(shè)備和等離子體連接，該等離子體表現(xiàn)出不斷變化的阻抗；其中在預(yù)期的等離子體電阻下限時(shí)，所述的至少一個(gè)電抗電路表現(xiàn)出小的總電抗，且當(dāng)?shù)入x子體電抗在預(yù)期的等離子體電抗上限時(shí)表現(xiàn)出不超過(guò)具體電抗的電抗。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中具體的限值與射頻電能設(shè)備的電抗相似。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中具體的限值選自小于大約0.5歐姆、小于大約2歐姆、小于大約3歐姆、小于大約5歐姆、小于大約8歐姆、小于大約10歐姆、小于大約20歐姆、以及大約12歐姆。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述的電抗電路還包括變壓器，因而在電源和天線之間提供了DC分流。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述的射頻電能設(shè)備包括實(shí)質(zhì)A類放大器、實(shí)質(zhì)AB類放大器、實(shí)質(zhì)B類放大器、實(shí)質(zhì)C類放大器、實(shí)質(zhì)D類放大器、實(shí)質(zhì)E類放大器以及實(shí)質(zhì)F類放大器中的至少一種。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述的射頻電能設(shè)備包含推拉式電路。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述的推拉式電路包括至少一個(gè)晶體管，該晶體管按照實(shí)質(zhì)D類、E類和F類模式中的一種操作。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生電容耦合模式(“E模式”)的等離子體。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括一個(gè)連接電抗電路和等離子體的天線，該天線帶有臨近等離子體源箱體的至少一環(huán)的電流母線。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述的電流母線是電能進(jìn)入等離子體的主要耦合器。
28.一種由射頻電源為等離子體提供電能的方法，所述等離子體表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的等離子體阻抗，該方法包括步驟通過(guò)至少一個(gè)電抗電路將射頻電源與至少一個(gè)天線耦合；其中所述至少一個(gè)電抗電路在等離子電抗為第一等離子體電抗時(shí)表現(xiàn)出小的總電抗，且在第二等離子體電抗時(shí)表現(xiàn)出不超過(guò)具體限值的電抗。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗和第二等離子體電抗的值覆蓋了動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍的主要部分。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗和第二等離子體電抗值分別對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗上限和預(yù)期的等離子體電抗下限。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗的平均值。
32.一種設(shè)計(jì)電抗電路以消除在等離子體和RF電源之間需要?jiǎng)討B(tài)匹配電路的方法，該方法包括以下步驟為射頻電源提供低的輸出阻抗，其中當(dāng)?shù)入x子體電抗為第一等離子體電抗時(shí)電抗電路表現(xiàn)出小的總電抗，且在為第二等離子體電抗時(shí)，該電路表現(xiàn)出不超過(guò)具體限值的電抗。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗和第二等離子體電抗的值覆蓋了動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍的主要部分。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述的第一和第二等離子體電抗值分別對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗上限和預(yù)期的等離子體電抗下限。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗的平均值。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，該方法還包括步驟通過(guò)反饋調(diào)節(jié)與等離子體耦合的電能；確定自DC電源向射頻電源的輸出電壓和電流；計(jì)算測(cè)量的射頻電源的效率；并對(duì)DC電源的輸出電壓和輸出電流的乘積進(jìn)行響應(yīng)而改變DC電源的輸出。
37.一電抗電路，其中為了將具有低輸出阻抗的射頻電能設(shè)備與具有動(dòng)態(tài)阻抗的等離子體連接，該電抗電路在等離子體電抗為第一等離子體電抗時(shí)表現(xiàn)出小的總電抗，且在為第二等離子體電抗時(shí)表現(xiàn)出不超過(guò)具體限值的電抗。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的電抗電路，其中所述的第一等離子體電抗和第二等離子體電抗的值覆蓋了動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍的主要部分。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中第一和第二等離子體電抗值分別對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗上限和預(yù)期的等離子體電抗下限。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述的第一等離子體電抗對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗的平均值。
全文摘要
公開(kāi)了一電抗電路，該電路作為產(chǎn)生高密度等離子體的方法和系統(tǒng)的一部分，該方法和系統(tǒng)不需要使用動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)而直接驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)阻抗的等離子體。經(jīng)設(shè)計(jì)，電抗網(wǎng)絡(luò)在等離子體電抗是第一等離子體電抗時(shí)提供小的總電抗，且在為第二等離子體電抗時(shí)表現(xiàn)出不超過(guò)具體限值的電抗。第一和第二等離子體電抗覆蓋了動(dòng)態(tài)等離子體電抗的預(yù)期范圍的主要部分。第一和第二等離子體電抗值可以，例如，分別對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗上限和預(yù)期的等離子體電抗下限，或第一等離子體電抗可以對(duì)應(yīng)于預(yù)期的等離子體電抗的平均值。
文檔編號(hào)C23F1/02GK1871373SQ200480023258
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者帕特里克·普萊拜爾 申請(qǐng)人:等離子控制系統(tǒng)有限公司