防止射频等离子体处理中的不稳定性的方法和装置制造方法及图纸

一种用于控制电源的方法和装置，用于防止由于在从１ＭＨｚ和１ＭＨｚ以上的频率下工作的ＲＦ等离子体处理系统中的动态负载引起的不稳定性。该装置包括：功率源（３２）；从该源（３２）接收功率的功率变换器（７２），该功率变换器（７２）提供通过改变输入电压或开关频率中的至少一个控制的恒定输出功率；以及从功率变换器接收恒定功率的ＲＦ发生器（７５）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及控制系统和方法，尤其涉及用于控制提供给等离子体负载 的射频功率的方法和系统。
技术介绍
射频或微波(下文中"RF")等离子体生成设备广泛用于半导体和工业 等离子体处理。等离子体处理支持各种应用，包括从衬底蚀刻材料、将材料沉 积到衬底、清洗衬底表面和改变衬底表面。所采用的频率和功率水平分别从约 10kHz至10GHz以及从几瓦至多达lOOkW或更高地广泛变化。对于半导体处 理应用，目前在等离子体处理设备中使用的频率和功率范围有些窄，分别是从 10kHz至2.45GHz的范围以及从10W至30kW的范围。等离子体处理设备一般要求精确RF信号发生器、匹配网络、电缆连接和 测量设备。此外，精确仪器通常需要控制到达等离子体的实际功率。与等离子 体相关联的负载的阻抗可响应于气体配方、各种供气参数、等离子体密度、所 传送的RF功率、压力和其它变量而显著变化。通过等离子体负载的变化阻抗 以及这些其它变量呈现的动态电负载可产生关于等离子体生成设备的重大的 稳定性控制问题。在当今的等离子体处理设备中，诸如半导体工具，通常观察到工艺变得不 稳定，从而完全地表现出等离子体密度的振荡和/或等离子体的损耗。因此，需 要通过改变调节RF电源的方式来防止这种不稳定性。附图说明图1描绘了本领域技术人员熟知的包括典型的等离子体处理工具和RF电 源的已知等离子体发生系统。RF电源10将RF功率穿过滤波器12经由电缆 13和负载匹配电路14传送到处理真空室15。在接近功率进入处理真空室15 的输出功率测量点18处测量正向和反射的RF功率。来自输出功率测量点18 的反馈被发送回电源IO，以完成控制环路。功率调节控制电路一般被设计成尽可能快地工作，以使控制稳定性最大 化。典型的电源控制环路可快至几百微秒地工作，且通常鉴于固定负载或可能 考虑到的固定负载范围进行设计并优化。例如在等离子体发生系统中，控制环 路的速度受到滤波器和匹配网络延迟、功率测量时间和电源的内部反应速度的 限制。如上所述，等离子体将另外的延迟引入控制环路，这可最终导致不稳定 的系统功效。这些延迟不可容易地预测、依赖于工艺且不一致。然而，很多功率调节控制不稳定性可归因于将等离子体作为功率调节控制 环路的一部分，因为等离子体阻抗是不恒定的。更具体地，等离子体阻抗是所 传送的功率量、等离子体气压和等离子体气体混合物的化学成分的函数。此外， 反应化学性质和气压变量依赖于等离子体密度和温度，且还具有其本身的惯性(潜伏时间依赖性)。这些惯性时间可在从若干微秒至若干毫秒的范围中， 且由各种工艺确定，诸如扩散速率、抽运速率、电离和化学反应速率等。另一个复杂因素由供气系统20引入，该供气系统20通常具有其本身的控 制环路。该供气控制环路22通常基于室压测量23来控制对室15的供气。此 单独的控制环路22可将功率控制系统的特定系统惯性(延迟)时间延长到数 百和数千微秒。因此，任何仅使用其响应时间间隔慢于或等于系统的开关频率 或等离子体惯性——即电负载(诸如等离子体)的响应时间一一的反馈控制环 路25的电源潜在地倾向于不稳定。图2示出可用于诸如图1所示的等离子体处理系统之类的系统的已知电源 技术的功率部分。电源30 (例如，DC或RF开关电源)被设计成将恒定功率 输出值传送到电源输出处的负载40。正如本领域的技术人员所知的，来自整流 总线或DC功率源的DC功率32馈送到开关晶体管与诸如电感器和电容器之类 的电抗元件。电源一般在时间尺度(即，时间间隔)上比其控制环路33的响 应时间更快地传送恒定电流或恒定电压。控制电路35基于从反馈控制环路33 接收的信息调节至电源30的控制信号。当然，电源30还可在控制环路冻结(开 路)时传送恒定电流或电压。为了参考，在下文中将这种电源称为"恒定电流" 或"恒定电压"类型。控制电路35使用来自等离子体功率测量电路18的反馈 33来修改电源30的输出电压和电流以维持所要求的功率输出。在某些情况下， 这可得到负载40 (例如，等离子体负载)的稳定控制。实际上，己知技术的一个示例是用于向弧型等离子体负载供电的"恒定电 流"DC电源。因为等离子体电阻在较高温度下下降(通常称为"负电阻")， 所以已知对这一系统提供恒定电流维持稳定等离子体。在这种系统中，电源一 定程度地起虚拟镇流电阻器的作用。更常见的，很多DC开关电源使用脉冲宽度调制("PWM")控制方法。 这些相当于电压源，因此不能在没有反馈控制环路的情况下有效地维持负电阻 等离子体。此外，当等离子体系统用RF电源供电时控制问题加剧，因为反射 功率的相位被电缆(例如13)和滤波器(例如12)移位至这样的程度从电 源的角度看很难或不可能保证明显的正或负等离子体电阻。对于以高频率工作 的系统，例如在RF区中(即在lMHz以上的范围中)，这种问题更加明显。专利技术概述为了克服这些问题，需要的不仅仅是只提供恒定电压或恒定电流的电源， 而是能够在开环系统中传送基本恒定的功率，从而不管反射相位和等离子体的 阻抗如何都可维持等离子体的稳定操作。更具体地，需要的是一种尽管由等离子体和/或其它系统组件导致了负载 阻抗和电阻的变化，仍可用于控制提供给诸如等离子体负载之类的动态负载的 功率量的方法和装置。本专利技术利用一种电源克服这些问题，它包括基本恒定的功率源；以及任 选的慢反馈环路，其向诸如等离子体发生器中的等离子体之类的电负载提供恒 定电源。本专利技术的一个方面表征为用于向诸如等离子体之类的动态负载提供功率 的RF电源，包括用于将输入功率变换成输出RF功率的功率电路。该功率电 路具有低储能， 一般在几微秒的数量级上，使得电路中的储能量不会干扰控制 稳定性。控制电路将控制信号提供给功率电路以调节例如供应RF发生器的功 率变换器的DC部分的输入功耗。它还包括提供输入功率的测量的第一电路， 该第一电路用于以第一速率调节至功率电路的控制信号。因此至RF电源的输 入功率维持为恒定或基本恒定的量。实施例包括用于测量RF电源的输出处的输出功率的第二电路，它用于以6第二速率补偿功率控制信号。第一速率大于第二速率。第一速率可对应于将DC电流馈送到RF电源的开关电源的频率。此外，加权因数可用于使第一速 率大于第二速率。RF电源的输出可用于向等离子体负载供给能量。实施例可包括谐振反相器、降压型开关调节器、升压调节器、DC开关电 源和反相器或开关电源的门驱动电路中的至少一个。能够以对应于开关电源的 每个周期的频率测量输入功率。能够以不同的速率——例如并非针对开关电源 的每个周期——测量输出功率信号。在某些实施例中，在开关电源的每个周期 都更新控制信号，但在其它实施例中并非如此。输入功率测量能够通过测量在每个周期中流过开关电源的输入端子的总 电荷来确定。第一速率可每周期调节功率控制信号一次，且第二速率比第一速 率慢，并且还应比电负载的响应时间慢。第二速率还可比供应电负载的供气系 统的响应时间慢。本专利技术的另一个方面表征为向可变阻抗负载提供功率的RF电源，其包括 向RF电源提供控制信号以调节来自RF电源的功率输出电平的控制电路以及 向RF电源提供输入功率的测量的第一电路。第一电路以第一速率调节至RF 电源的控制信号以维持基本恒定的输入功率。RF电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＲＦ等离子体发生器，包括：　功率源；　从所述源接收功率的功率变换器，所述功率变换器提供通过改变输入电压或开关频率中的至少一个控制的恒定输出功率；以及　从所述功率变换器接收恒定功率的ＲＦ发生器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：M基西内夫斯基，I贝斯特亚克，AR米尔纳，
申请(专利权)人：MKS仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]