專利名稱：具有負(fù)載失配可靠性和穩(wěn)定性的vhf等離子處理方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高功率等離子處理系統(tǒng)，特別涉及在嚴(yán)重的非線性負(fù)載失配條件下向等離子處理系統(tǒng)提供特高頻高功率射頻能量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
在全世界范圍內(nèi)的半導(dǎo)體行業(yè)中，廣泛地運(yùn)用等離子處理系統(tǒng)來制做薄膜，以在半導(dǎo)體片上制造期望的圖案。
射頻發(fā)生器產(chǎn)生并且精密調(diào)節(jié)射頻(RF)功率。射頻功率用于在等離子室內(nèi)產(chǎn)生高能環(huán)境，該等離子室是充入有低壓惰性氣體的玻璃盒子。在這種環(huán)境下，通過刻蝕能夠消除硅層，通過具有微觀精度的濺射(sputtering)和化學(xué)汽相沉積能夠填加其它的化學(xué)層，直到達(dá)到所期望的組成。
通過在等離子處理當(dāng)中改變諸如硅片等原料的電特性，可以制造像微處理器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等集成電路(ICs)，或者可以制造光盤。
設(shè)計(jì)下一代ICs的芯片制造者(Chipmakers)在等離子處理應(yīng)用中面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括但是不局限于膜厚度的緊密控制和精確測(cè)量、晶片溫度、氣體和流動(dòng)壓力、以及室內(nèi)雜質(zhì)的分布。另一方面，在集成電路的制造環(huán)境中，僅僅是等離子刻蝕處理就能夠占到晶片碎片(waferscrap)總數(shù)的一半。因此，等離子工具的可靠性和穩(wěn)定性是決定刮晶片(scraped wafer)的減少和最終ICs價(jià)格的關(guān)鍵要素。考慮到等離子裝置制造者正在實(shí)現(xiàn)能夠在300mm的晶片上制造0.1um或更低的裝置的系統(tǒng)，這些挑戰(zhàn)變得更為重要。
用于芯片制造的典型等離子處理布置一般包括RF功率發(fā)生器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、以及通過RF功率電纜與系統(tǒng)連接在一起的等離子室。
高度自動(dòng)化的等離子處理裝置由系統(tǒng)控制器控制。許多等離子處理系統(tǒng)使用RF頻譜內(nèi)的低頻(250kHz-400kHz)范圍、中頻(2MHz，4MHz)范圍和高頻(13.56MHz，27.12MHz)范圍的射頻(RF)能量。雖然VHF(這里使用的范圍在40-300MHz)高功率發(fā)生器更為復(fù)雜，但是由于VHF高功率發(fā)生器具有更好的離子均勻性和穿過晶片的輻射通量、晶片之間和每個(gè)晶片里面的刻蝕的比率的變化更低、更高的集成電路生產(chǎn)率和可重復(fù)性，所以可以獲得較高的產(chǎn)量和較低的成本。因此，VHF等離子處理系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和集成電路制造者來說是非常有吸引力的。
等離子刻蝕反應(yīng)器(Plasma etching reactor)一般包括在真空室內(nèi)的兩個(gè)大的平行的電極。該室內(nèi)充有少量在精確的流量和壓力下混合的刻蝕氣體，將要被處理的硅片放置于兩個(gè)電極中的較低電極上。在電極之間施加高功率RF信號(hào)以將氣體轉(zhuǎn)換為等離子，產(chǎn)生的等離子是具有高能量的電離原子和分子的帶電集合。等離子的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠在相對(duì)較低的溫度下產(chǎn)生非?；顫姷牧Ｗ?離子(particles-ions)。在所有的等離子技術(shù)中，電極產(chǎn)生的電子簇射撞擊(strike)電級(jí)之間的低壓氣體。碎片分子的集合變成了離子和原子團(tuán)。在等離子刻蝕中，這些激活原子團(tuán)撞擊晶片并且燒蝕表面。在完成了一系列這樣的預(yù)先確定的操作之后，產(chǎn)生了電成分。
RF發(fā)生器的RF功率顯著地影響等離子系統(tǒng)的刻蝕速度以及最終刻蝕圖案的一致性，RF發(fā)生器的RF功率耦合到等離子室的電極極板。當(dāng)極板陽(yáng)極的負(fù)載阻抗具有等于發(fā)生器輸出特性阻抗的復(fù)共軛的數(shù)值時(shí)，可以產(chǎn)生高效的從發(fā)生器到負(fù)載(極板陽(yáng)極)功率。
通常將高功率RF發(fā)生器設(shè)計(jì)成輸出阻抗是50歐姆的電阻和0歐姆的電抗。反應(yīng)器的輸入阻抗由外部條件決定，也就是，由匹配網(wǎng)絡(luò)從RF發(fā)生器傳送來的功率的大小以及多個(gè)內(nèi)部條件決定。這些條件包括但不僅限于混合氣體的類型、流速和壓強(qiáng)、以及原料氣體的溫度。在預(yù)燃級(jí)(pre-ignitionstage)中，室中氣體的還沒有被離子化也沒有導(dǎo)電。因此，極板陽(yáng)極的負(fù)載阻抗非常高并且極其失配來自于RF發(fā)生器的輸出阻抗。在點(diǎn)燃時(shí)，在來自RF功率源(power supply)的功率作用下，反應(yīng)器中的原料氣體開始電離并且轉(zhuǎn)化為等離子，結(jié)果導(dǎo)致反應(yīng)室的負(fù)載阻抗顯著地下降。在這一瞬變期間，由于等離子負(fù)載阻抗的顯著偏移，發(fā)生器將接收來自反應(yīng)器的反射功率。任何在RF正向功率中的增加，都會(huì)導(dǎo)致低負(fù)載阻抗，可以導(dǎo)致100％的產(chǎn)生功率被反射回發(fā)生器。這就導(dǎo)致RF發(fā)生器的功率放大器(PA)模塊中晶體管的電流和功率的消耗或電壓過載。
甚至在等離子維持期間，等離子密度可以變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致實(shí)質(zhì)的阻抗失配。因此一般共識(shí)為在等離子處理環(huán)境中，等離子是一種極端動(dòng)態(tài)的非線性負(fù)載。此外，還一般共識(shí)到等離子處理的可重復(fù)性和穩(wěn)定性幾乎完全取決于等離子的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。已經(jīng)多次證明了在CVD過程中膜厚度的不佳均勻性和可重復(fù)性、刻蝕過程中的過腐蝕或鉆蝕都是由等離子不佳重現(xiàn)所造成的后果。
等離子處理系統(tǒng)充當(dāng)具有廣泛數(shù)量和相位范圍的動(dòng)態(tài)非線性負(fù)載，并且它取決于室和等離子過程的類型、氣體類型和壓力、溫度以及其他的變量。由于反射功率和失配負(fù)載，提供給等離子處理系統(tǒng)的RF發(fā)生器的功率放大器(PA)中的晶體管的性能會(huì)變化，從而導(dǎo)致某些負(fù)載的RF電流和功率的損耗應(yīng)力，以及另一些負(fù)載的過電壓應(yīng)力。在某些實(shí)例中，取決于RF發(fā)生器的輸出功率和由負(fù)載提供的瞬時(shí)失配的嚴(yán)重性，在PA中穿過晶體管(Vds)的電壓能夠超過工作DC供應(yīng)電壓(operating DC supply voltage)的9倍，并且超過晶體管擊穿電壓Vdss的150％。這種應(yīng)力徹底地降低了整個(gè)等離子處理系統(tǒng)的可靠性。
在過去的幾年里，RF功率放大器設(shè)計(jì)者有使用高電壓開關(guān)方式(highvoltage switch-mode)MOSFET晶體管代替低電壓RF MOSFET或場(chǎng)效應(yīng)晶體管的趨勢(shì)。例如在美國(guó)專利NO.5,726,603中已經(jīng)對(duì)此有描述，可以將其引入以作為參考。
使用高電壓開關(guān)方式MOSFET晶體管的RF功率放大器具有工作DC電壓(operating DC voltages)(例如，在100到175V之間的B+漏電壓Vds)，并在標(biāo)準(zhǔn)TO-247包(package)中使用了具有直到1000V的擊穿電壓Vdss的高電壓開關(guān)方式MOSFET。盡管可能需要RF等離子處理負(fù)載的嚴(yán)格要求，大的相關(guān)的RF擊穿電壓裕度(margin)允許在開路負(fù)載附近失配的持續(xù)操作。遺憾的是，由于這些晶體管的內(nèi)部電容CISS，CRSS和COSS都很高，所以影響整個(gè)源極和負(fù)載阻抗以及在高頻下的特性，并不能夠在VHF發(fā)生器中使用這些晶體管。結(jié)果，公知的VHF發(fā)生器仍然利用傳統(tǒng)的RF裝置，該RF裝置帶有接近50V的低工作電壓和小于150V的擊穿電壓。由于相對(duì)低的(3的因數(shù))(factor of three)擊穿電壓的裕度，VHF發(fā)生器對(duì)來自VSWR瞬變現(xiàn)象的過電壓應(yīng)力極其敏感。因此，在等離子處理系統(tǒng)中需要有確保VHF發(fā)生器穩(wěn)定性和可靠性的特殊步驟。
可將負(fù)載失配保護(hù)回路(load mismatch protection loops)結(jié)合入RF發(fā)生器以減少分應(yīng)力。例如，可以使用回路控制最大功率消耗、最大DC和/或AC電流、最大穿越輸出晶體管的電壓、依靠負(fù)載VSWR識(shí)別的最大正向輸出功率，等等。然而，由于多重的保護(hù)回路具有復(fù)雜的需求和/或可能需要的算法，這些回路的速度不足以防止諸如在等離子室中的電弧等由于瞬時(shí)失配造成的故障。此外，對(duì)取決于負(fù)載VSWR的發(fā)生器的輸出功率進(jìn)行限制可以保護(hù)某些帶載相的發(fā)生器，其中該帶載相中元件的應(yīng)力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成完整的威脅。但是這一保護(hù)實(shí)質(zhì)上降低了發(fā)生器在所有其它相位中的輸出功率的性能。從而減少了點(diǎn)燃、維持和整個(gè)系統(tǒng)的等離子處理能力。此外，對(duì)這些保護(hù)回路進(jìn)行結(jié)合非常昂貴，并且由于增加了附加部件和復(fù)雜性，將會(huì)降低可靠性。由于前向功率輸出和效率隨著負(fù)載失配功率反射的增加而降低，晶體管功率消耗和模頭溫度增加。參考表1，在失配的等離子負(fù)載的最差情況相位下，降低RF發(fā)生器的輸出功率已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)步驟。圖1示出了典型的降低曲線。
表1最差的相位正向功率輸出與負(fù)載失配大小對(duì)比

在某些等離子處理系統(tǒng)中，必須使用已預(yù)選的電纜長(zhǎng)度以減少在RF發(fā)生器與非線性等離子室負(fù)載之間的不需要的相互作用，從而會(huì)導(dǎo)致電纜靈敏性的問題。不使用預(yù)選的電纜長(zhǎng)度，對(duì)于某些等離子負(fù)載，等離子處理系統(tǒng)可能達(dá)到最大電流或功率極限，或者對(duì)于另一些負(fù)載，可能并不能產(chǎn)生需要的輸出功率。每種情況下，RF發(fā)生器將受到過應(yīng)力，并且它的可靠性和壽命將受到不利的影響。
由于等離子負(fù)載中的變化，需要對(duì)等離子負(fù)載條件進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)控，并且響應(yīng)它們而進(jìn)行調(diào)整，以通過匹配它們很大不同的阻抗而提供從RF發(fā)生器到等離子室負(fù)載的可靠有效的RF功率傳輸。最佳的功率的傳輸是沒有反射，RF發(fā)生器的輸出阻抗(Zgen)，匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出阻抗(Zmatch in，Zmatch out)和所述室的輸入阻抗(Zcham)應(yīng)當(dāng)滿足下面的條件Zgen＝Zmatch in；Zmatch out＝Zcham?？勺兊钠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)置于在RF發(fā)生器與失配等離子負(fù)載之間串聯(lián)的位置上以滿足上述條件。
已知的匹配網(wǎng)絡(luò)通常包括至少兩個(gè)布置在L，Pi或T網(wǎng)絡(luò)的可變電抗性的元件。在固定頻率和恰當(dāng)調(diào)整值下，匹配網(wǎng)絡(luò)向RF發(fā)生器提供50歐姆負(fù)載，并且向等離子負(fù)載提供共軛匹配的阻抗。同樣地，匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上傳輸了從發(fā)生器到負(fù)載的全部功率。由于匹配網(wǎng)絡(luò)僅僅使用電抗性的元件，很少的功率在匹配網(wǎng)絡(luò)中被消耗。然而，這種方法遇到許多問題，這些問題影響等離子匹配的精確性，敏感度和再現(xiàn)性。這些問題包括但是不限于以下具有諸如電動(dòng)機(jī)和可變電容這樣的移動(dòng)部分的電機(jī)裝置的低可靠性；到達(dá)調(diào)諧點(diǎn)中的延期長(zhǎng)；調(diào)整元件不能搜索調(diào)諧點(diǎn)或從該點(diǎn)趕走的“丟失”狀況(“l(fā)ost”condition)；以及高功率損耗。當(dāng)在高功率下使用“熱開關(guān)”模式時(shí)，近來發(fā)展的固體調(diào)諧器仍然具有低可靠性。
用于防止等離子處理系統(tǒng)級(jí)之間的不期望相互作用的其它技術(shù)可以導(dǎo)致寄生振蕩。這些技術(shù)包括使用匹配的L-C截面，諧波以及分諧波過濾器，雙工器等等。然而，由于負(fù)載的嚴(yán)重的非線性和元件的反應(yīng)的過應(yīng)力，即時(shí)這些技術(shù)也不可以保證成功。
在某些已知的設(shè)計(jì)中，有意增加諸如驅(qū)動(dòng)級(jí)和PA級(jí)之間的級(jí)之間的失配，這就減少了在狹窄頻率范圍內(nèi)的寄生振蕩。通常，這種效率非常低的方法通常作為最后手段而使用。也可以包括在PA級(jí)中增加負(fù)反饋和/或降低它們的功率增益的其它技術(shù)手段。然而，這些其它的技術(shù)會(huì)造成帶寬的減少，在驅(qū)動(dòng)級(jí)增加功率輸出，在反饋網(wǎng)絡(luò)中額外的損耗以及效率的降低和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性的降低。即使所呈現(xiàn)的這些技術(shù)問題非常重要，但是在現(xiàn)有技術(shù)，VHF等離子處理系統(tǒng)中還沒有解決這些問題的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面，因此具有提供一種適合于抵抗非線性負(fù)載失配狀況的等離子處理系統(tǒng)的射頻(RF)發(fā)生器裝置這種裝置包括用于產(chǎn)生RF信號(hào)的RF振蕩器；響應(yīng)RF信號(hào)以產(chǎn)生VHF RF信號(hào)的RF放大器，該VHF RF信號(hào)具有驅(qū)動(dòng)等離子室負(fù)載的足夠功率；和耦合到放大器的VHF帶循環(huán)器，用于將等離子室負(fù)載的非線性特性從RF放大器中隔絕。
在另一方面，提供一等離子處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括等離子室和有效地耦合到等離子室以在VHF頻率下提供RF功率的射頻(RF)發(fā)生器裝置。該RF發(fā)生器裝置包括RF放大器和VHF帶循環(huán)器，該RF放大器用于產(chǎn)生施加到RF發(fā)生器裝置的RF功率，該VHF帶循環(huán)器的輸出用于向等離子室提供RF功率、并將等離子室的非線性特性從RF放大器中隔絕。
在又另一方面，向非線性等離子室負(fù)載提供VHF頻率下的RF功率的方法。該方法包括在RF發(fā)生器輸出級(jí)中產(chǎn)生VHF RF功率；VHF RF功率通過VHF-帶循環(huán)器傳輸；和已通過VHF-帶循環(huán)器的VHF RF功率施加到等離子室負(fù)載。
本發(fā)明的構(gòu)造提供增加穩(wěn)定性和可靠性的高功率RF VHF發(fā)生器和等離子處理系統(tǒng)，甚至當(dāng)重大的負(fù)載失配發(fā)生時(shí)也具有該特性。
本發(fā)明的進(jìn)一步的適用范圍將在下文的具體描述中變得明顯。應(yīng)該理解到下列具體的描述和特殊的例子，雖然示出了本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，但是這些具體的描述和特殊的例子只是用于事例性的說明，并不因此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。


通過具體描述和附圖將更為充分地理解本發(fā)明，其中圖1是由于發(fā)生器的功率放大(PA)晶體管的溫度，射頻(RF)發(fā)生器的正向功率輸出的典型的取消定額(deration)曲線圖。
圖2是等離子處理系統(tǒng)的框圖。
圖3是用于抵抗非線性負(fù)載失配狀況的等離子處理系統(tǒng)的射頻(RF)發(fā)生器裝置的一個(gè)實(shí)施例的框圖。
圖4是帶有匹配終端的循環(huán)器的輸入VSWR的曲線圖。
圖5是帶有匹配終端的循環(huán)器的回波損耗的另一曲線圖。
圖6是在不包括循環(huán)器的等離子處理系統(tǒng)中諧波和寄生產(chǎn)物的曲線圖。
圖7是在包括循環(huán)器的等離子處理系統(tǒng)中諧波和寄生產(chǎn)物的曲線圖。
圖8是VHF，AB類，推挽式放大器的示意圖。
圖9是封裝在兩個(gè)連通的框架內(nèi)圖3的實(shí)施例的示范。
圖10是連通功率供給框架和射頻框架的一種結(jié)構(gòu)的前面板的示范。
圖11是連通功率供給框架和射頻框架的一種結(jié)構(gòu)的后面板的示范。
圖12是在不包括90度混合電路的等離子處理系統(tǒng)中帶內(nèi)和帶外亂真產(chǎn)物的曲線圖。
圖13是在包括90度混合電路的等離子處理系統(tǒng)中帶內(nèi)和帶外亂真產(chǎn)物的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
接下來對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是一種示范，并不是用來限制本發(fā)明以及對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
參考圖2，在本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)中，VHF等離子處理系統(tǒng)包括RF發(fā)生器10，用于提供VHF能量以產(chǎn)生和維持等離子；匹配網(wǎng)絡(luò)60，用于從發(fā)生器到等離子反應(yīng)器傳輸RF功率、并且通過匹配它們阻抗使得損耗最?。坏入x子室16(在一種結(jié)構(gòu)中，該室是一個(gè)充有惰性氣體的玻璃盒子，該盒子中有用于芯片制造的高能環(huán)境)；通過分析來自不同傳感器的數(shù)據(jù)和提供對(duì)等離子參數(shù)的精確調(diào)整，系統(tǒng)控制156使得制作過程自動(dòng)化。雖然總線158提供了上面提及元件之間的通訊，RF功率電纜157用于連接上面提及元件之間。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，VHF等離子處理系統(tǒng)還包括輔助設(shè)備，例如與真空泵159聯(lián)系的真空導(dǎo)線管，壓力控制裝置160，主機(jī)161等等。
參考圖3，在一種結(jié)構(gòu)中，射頻(RF)發(fā)生器裝置10在一種結(jié)構(gòu)中包括控制和放大器部分12和隔離部分14。RF發(fā)生器裝置10為等離子負(fù)載16提供RF功率?？刂坪头糯笃鞑糠?2包括控制板18，該板用于產(chǎn)生低級(jí)的RF信號(hào)20。例如，控制板18包括產(chǎn)生大約1mw的低級(jí)VHF信號(hào)20的直接數(shù)字合成電路(未示出)。
在驅(qū)動(dòng)級(jí)(driver stage)22中，通過具有+/-10％帶寬的帶通過濾器(BPF)162，可變的電平輸入RF信號(hào)20從控制板18被反饋。因此BPF 162減少或消除了諧波和分諧波，并且從而將諧波失真降到最低。BPF 162與一連串的固定的和可調(diào)整的衰減器163結(jié)合在一起。衰減器163在線性放大器164的輸入阻抗和BPF 162的輸出阻抗之間提供匹配。衰減器163也通過改變RF信號(hào)的振幅給線性放大器164來調(diào)整驅(qū)動(dòng)器22的增益，由此來調(diào)整放大器164的輸出級(jí)(output level)。
在一種結(jié)構(gòu)中，線性放大器164是帶有35dB增益和1.6W的最大輸出功率的CA2832多頻率的(wideband)、“A”類混合放大器(clas“A”hybrid amplifier)。混合放大器164與配置用于“A”類操作的單端RF放大器電路165連接，后面有“AB”類推挽式(push-pull)的預(yù)放大器(PreAMP)166。PreAMP 166產(chǎn)生大約為125W的VHF驅(qū)動(dòng)信號(hào)24，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)足以驅(qū)動(dòng)功率放大(PA)級(jí)26。通過PA級(jí)26進(jìn)一步放大中間電平信號(hào)24，以產(chǎn)生例如在大約3000瓦特功率的RF功率輸出28。因此，驅(qū)動(dòng)級(jí)22和放大級(jí)26一起形成RF放大器30，該放大器提供RF功率輸出28，RF功率輸出28具有足夠的功率來驅(qū)動(dòng)等離子室負(fù)載16的。
在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，隔離部分14包括與放大器30連接的VHF-帶循環(huán)器32，并且該VHF-帶循環(huán)器32隔離來自于放大器30的等離子室負(fù)載16的非線性。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，循環(huán)器32是被動(dòng)的(passive)，非相互的(單向的)鐵氧體器件，它從一端口34到鄰近端口36提供RF能量的傳輸，而在反方向去耦來自其它部分的能量。循環(huán)器32的第三端口38經(jīng)由終端晶體管40與地連接。
正如上面所討論的，等離子處理系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性幾乎全部取決于等離子的可靠性和穩(wěn)定性。等離子的穩(wěn)定性極大地取決于發(fā)生器的穩(wěn)定性和可靠性，而發(fā)生器極大地取決于等離子負(fù)載VSWR。循環(huán)器32急劇地減少負(fù)載的輸入VSWR。等離子負(fù)載16和循環(huán)器32的有限的輸入VSWR取決于一些因素，這些因素包括負(fù)載16 VSWR，循環(huán)器32的隔離以及循環(huán)器32的VSWR。循環(huán)器32的隔離(或回波損耗)取決于終端端口38的匹配VSWR。由于相對(duì)高的2500W的系統(tǒng)輸出功率，在一種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，使用兩個(gè)RFP-800瓦特法蘭電阻器作為終端電阻40。為了確保等離子處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在一種結(jié)構(gòu)中提供循環(huán)器的良好匹配終端(well-matched termination)。然而，由于VHF的應(yīng)用，在一種結(jié)構(gòu)中，給每一個(gè)電阻器導(dǎo)線加上一連串的電感，以為每個(gè)法蘭電阻器取消相對(duì)高的大約為18pF的寄生分布分流電容(parasitic distributed shunt capacitance)。
圖4和圖5分別示出了輸入VSWR以及循環(huán)器32的回波損耗(與終端40相匹配)進(jìn)入到開負(fù)載(open load)內(nèi)。這種情況表示了在預(yù)燃級(jí)內(nèi)等離子負(fù)載16的非常高的阻抗。循環(huán)器32在通頻帶中提供低頻1.13VSWR(或要好于24dB的回波損耗)以及更多足夠的寬帶應(yīng)用，以使得本發(fā)明的等離子處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到較大的改進(jìn)。在圖6和7中通過曲線示出了改善的穩(wěn)定性。圖6是諧波和來自于定向耦合器46的正向(Forward)端口的上述等離子處理系統(tǒng)的寄生產(chǎn)物的曲線圖，但是在系統(tǒng)中沒有環(huán)形耦合器32。RF發(fā)生器10經(jīng)由4’RF電纜RG-393直接連接匹配網(wǎng)絡(luò)60，而匹配網(wǎng)絡(luò)60被調(diào)整到2.3-j47歐姆負(fù)載。即使匹配網(wǎng)絡(luò)60向發(fā)生器10提供在150MHZ的基頻下的50歐姆負(fù)載，并由此還執(zhí)行濾掉其他頻率的功能，在發(fā)生器10的輸出中檢測(cè)到寄生信號(hào)。許多次，寄生信號(hào)經(jīng)過低通過濾器52和功率傳感器42，然后到達(dá)驅(qū)動(dòng)器22，PA26或控制板18，引起串?dāng)_和不協(xié)調(diào)調(diào)諧、反常的輸出和/或反射功率以及不良的晶片再現(xiàn)性。倘若其不穩(wěn)定性是實(shí)質(zhì)上的，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的各種級(jí)中晶體管的故障。
圖7是相同系統(tǒng)在同一點(diǎn)的曲線圖，在PA 26和定向耦合器42之間安裝有CX1R3循環(huán)器32的。發(fā)生器10和匹配網(wǎng)絡(luò)60之間的電纜長(zhǎng)度增加了1英寸的增量，在史密斯圖(smith chart)的周圍產(chǎn)生12個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)電纜長(zhǎng)度，都發(fā)現(xiàn)諧波/寄生產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上與圖7相似。在這種配置下，諧波低于-60dBc，而這小于輸出功率的0.0001％。這就證實(shí)了利用了循環(huán)器32的等離子處理系統(tǒng)是穩(wěn)定的，實(shí)質(zhì)上減少或者消除了寄生信號(hào)，并且對(duì)于電纜長(zhǎng)度的改變實(shí)質(zhì)上并不靈敏。
高功率循環(huán)器32的合適型號(hào)是CX1R3，可以從Sonoma科學(xué)有限公司(Sonoma Scientific，Inc)獲得它。CX1R3是Y形接頭循環(huán)器(Y-junctioncirculator)，其利用高功率鐵氧體材料和高于共振帶狀傳輸線匹配網(wǎng)絡(luò)(above-resonance strip-transmission line matching networks)以在小的包(small package)中提供沒有非線性效果的低介入損失。雖然提供22dB的最小隔離，但是這種循環(huán)器能夠在大約145到155MHZ的頻率范圍內(nèi)處理多于3KW的輸出功率。最大的介入損失是0.3dB，并且最大的輸出VSWR是1.18∶1。
當(dāng)循環(huán)器的輸出端口被開路或短路時(shí)，幾乎全部的入射功率將在端接電阻40中被反射和以熱的形式被消耗。因此，除非額定反向功率電平受到發(fā)生器保護(hù)電路的限制，電阻器40的額定功率應(yīng)該至少等于系統(tǒng)的額定正向功率。CX1R3循環(huán)器的額定反向功率極限是1KW CW或1分鐘的3KW CW的總功率。因此，設(shè)置在水冷的散熱器上的兩個(gè)800W電阻器提供了可靠的終端。這些額定值足以保護(hù)發(fā)生器不受在一般等離子處理過程中來自負(fù)載VSWRs的不穩(wěn)定性，而且還在滿2500W的反射功率的意外情況下，給控制保護(hù)提供了足夠的接管時(shí)間。XC1R3循環(huán)器為12.7cm×13.46cm×3.05cm(5in×5.3in×1.2in)，需要XC1R3循環(huán)器足夠小，以將其安裝在小框架內(nèi)。
在一種結(jié)構(gòu)中，將雙定向耦合器42插入到循環(huán)器32與低通過濾器52之間，以允許對(duì)RF能流的精確監(jiān)測(cè)而給主信號(hào)引入最小的失真。耦合器42包括傳感器46，傳感器46分別提供正向和反向功率的樣本(sample)48和150，并且?guī)в懈咧赶蛐院偷屯〒p耗。施加RF信號(hào)36到輸入端口44，然后取決于耦合因數(shù)，在主線輸出端口50和正向端口48之間不均勻地分離RF信號(hào)36。
定向耦合器42處理5KW的VHF功率，具有小于0.03dB介入損耗、43dB正向耦合和高于40dB的方向性(directivity)。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，正向樣本48和反向樣本150樣本耦合(sample couplings)包括帶有+/-10％帶寬的內(nèi)部(build-in)帶通過濾器(BPF)網(wǎng)絡(luò)(圖3中未示)，+/-0.02％dB的波動(dòng)和高于25dB的諧波的排斥。通過阻止來自于達(dá)控制板18、并由等離子負(fù)載非線性所產(chǎn)生的頻帶外的諧波和分諧波，這些BPFs改進(jìn)了總功率的穩(wěn)定性和可靠性。正向樣本48和反向樣本150表示等離子負(fù)載VSRW，并都被反饋給控制板18以調(diào)整RF源極的增益和頻率。照這樣，維持了所要求的輸出功率電平，并且檢測(cè)的負(fù)載VSWR也被降到最小。
因?yàn)榈入x子反應(yīng)器負(fù)擔(dān)了高度的非線性負(fù)載，所以輸入功率的正弦波形變得失真，以諧波和分諧波的形式產(chǎn)生了頻帶外的能量。在一種結(jié)構(gòu)中，諧波網(wǎng)絡(luò)包括低通過濾器(LPF)52和高通過濾器(HPF)58，將它們插入到定向耦合器42與匹配網(wǎng)絡(luò)60之間以處理由非線性的等離子負(fù)載產(chǎn)生的頻帶外信號(hào)。定向耦合器42的輸出50連接到LPF52的輸入54，LPF52的輸出56連接到HPF58的輸入151。
在一種結(jié)構(gòu)中，為了在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)維持低于-50dBc的諧波成分，設(shè)置LPF52以提供第五端口0.01dB通頻帶波動(dòng)Chebychev響應(yīng)(a fifth order0.01db passband ripple Chebychev response)。通過與LPF52的輸出56相連接的HPF 58，提供了諧波的耗能終端。在這種布置中，由等離子負(fù)載16產(chǎn)生的諧波被HPF 58的終端吸收，并對(duì)主VHF信號(hào)沒有明顯的效果。在一種結(jié)構(gòu)中，HPF58具有第五端口0.01dB通頻帶波動(dòng)Chebychev響應(yīng)。
將要意識(shí)到，LPF52與HPF58的結(jié)合形成雙工器，該雙工器可以將諧波的失真最小化并且產(chǎn)生耗能諧波終端。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，雙工器的全部插入損耗小于0.12dB。150MHZ的輸入和輸出阻抗都是有小于1.1∶1VSWR的50歐姆。相應(yīng)地，第二和第三諧波的輸出VSWR小于1.5∶1和3∶1。
使用包含LPF52和HPF58的雙工器顯著地減少了來自等離子負(fù)載16、并通過匹配網(wǎng)絡(luò)60到達(dá)RF發(fā)生器10后再回來的反向信號(hào)的振幅。此外，由等離子負(fù)載16產(chǎn)生的諧波移動(dòng)回到發(fā)生器10，在HPF58的終端電阻152中吸收該諧波，并且該諧波不會(huì)反射回匹配網(wǎng)絡(luò)60，也不會(huì)干擾等離子負(fù)載16。因此，實(shí)質(zhì)上等離子系統(tǒng)的性能與在RF發(fā)生器10和匹配網(wǎng)絡(luò)60之間的電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。這種與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的特性改善了整個(gè)系統(tǒng)在失配負(fù)載VSWR的寬范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，將上面所描述的雙工器(LPF52和HPF58)放置在功率傳感器42之后的RF信號(hào)路徑中，該上面所描述的雙工器(LPF52和HPF58)的布置抑制了諧波到達(dá)功率傳感器42，從而確保反射功率測(cè)量的準(zhǔn)確性。
在一種結(jié)構(gòu)中，LPF52的輸出56與匹配網(wǎng)絡(luò)60的輸入62相連接。匹配網(wǎng)絡(luò)60的輸出64與等離子負(fù)載16相連接。通過改變負(fù)載16的阻抗以使其匹配50歐姆的發(fā)生器10的阻抗，匹配網(wǎng)絡(luò)60允許在VHF下從RF發(fā)生器10到等離子負(fù)載16的最大功率轉(zhuǎn)移。在該等離子處理系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)中，由于自動(dòng)頻率調(diào)諧(AFT)可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，使用固定匹配網(wǎng)絡(luò)60拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來完成改變?cè)撟杩埂＿@一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上是“L”結(jié)構(gòu)，其帶有旁路電容153、一串結(jié)合的電感154和電容155。AFT改變發(fā)生器的頻率直到到達(dá)最佳頻率，在該最佳頻率下等離子負(fù)載被調(diào)諧到最小的反射功率。在這種布置中沒有可移動(dòng)的機(jī)械部分，因此調(diào)諧是可靠和快速的。
旁路電容153作為“負(fù)載”部分，減少在等離子負(fù)載16中的電感成分。同時(shí)，作為“調(diào)諧”部分的電感154使負(fù)載16的電容成分共振。在AFT與固定匹配網(wǎng)絡(luò)布置下，發(fā)生器10的頻率自動(dòng)地調(diào)諧，直到其達(dá)到等離子系統(tǒng)被調(diào)諧的頻率，也就是說，匹配網(wǎng)絡(luò)60的輸入阻抗62與發(fā)生器10的輸出阻抗相匹配；典型地是50歐姆。同時(shí)，根據(jù)選擇的調(diào)諧算法，匹配網(wǎng)絡(luò)60的輸出阻抗64與等離子負(fù)載16的阻抗盡可能地相匹配。正如在美國(guó)專利NO6020794中所描述的，決定何時(shí)可達(dá)到最佳調(diào)諧點(diǎn)因素例如可為反射和正向功率的比率、反射系數(shù)(反射和施加功率的比率的平方根)、VSWR、或其他合適的測(cè)量，在此將該美國(guó)專利引入作為參考。
在一種結(jié)構(gòu)中，考慮到在循環(huán)器32、定向耦合器42、低通過濾器52和匹配網(wǎng)絡(luò)60中的損耗，在150MHZ的標(biāo)稱功率(nominal frequency)下至少向負(fù)載16提供2.5千瓦的RF功率。更特別的是，在一種結(jié)構(gòu)中，取決于由定向耦合器42表示的瞬時(shí)VSWR，在142到158MHZ之間的最佳頻率下提供至少2.5千瓦的輸出功率。為了產(chǎn)生這么大的功率，功率放大級(jí)26包括八個(gè)推挽和AB類放大器66，68，70，72，74，76，78和80，這些放大器利用300瓦特雙擴(kuò)散MOSFET晶體管。適合這種應(yīng)用的晶體管包括SD2933 N-溝道(N-channel)MOS場(chǎng)效應(yīng)RF功率晶體管，其可從ST微電子(STMicroelectronics)、N.V.Carrollton和Texas獲得。SD2933晶體管具有125V的最大的柵極和漏極的額定值、40A的最大漏極電流、和648W的最大功率消耗。
圖8所示為適合用于每個(gè)推挽式放大器66、68、70、72、74、76、78和80的推挽式放大器的結(jié)構(gòu)。該放大器使用一對(duì)連接于推挽式結(jié)構(gòu)(例如，180°異相)中、在AB類運(yùn)行模式(Class AB mode of operation)時(shí)有偏壓的MOSFET Q1，Q2。每個(gè)推挽式(PP)晶體管Q1和Q2在135到165MHz頻率范圍上的大約50V的漏極到源的電壓下運(yùn)行，具有9dB功率增益和小于1dB的壓縮(compression)。拓?fù)涞兀瑘D8中表示的放大器結(jié)構(gòu)利用變壓器向晶體管Q1和Q2饋送輸入信號(hào)，并且組合所得到的輸出信號(hào)。“RF In”輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到不平衡變壓器(balun transformer)T1的50歐姆的輸入端口。不平衡變壓器T1有50歐姆的特性阻抗，并且將輸入激勵(lì)信號(hào)等分成正向相(forward phase)和反向相(reverse phase)。T1的不平衡變壓器線圈相互耦合，每個(gè)都有25歐姆的對(duì)地輸出阻抗。不平衡變壓器T1的輸出以9∶1逐漸減緩地饋送平衡(balanced)給平衡變壓器(balanced transformer)T2，具有較低為5.5歐姆阻抗的該平衡變壓器T2連接到晶體管Q1、Q2的柵極。
在圖8的PP放大器的輸出側(cè)，通過輸出1∶9逐漸增加平衡，正向波和反向波組合到平衡變壓器T3。變壓器T3有兩個(gè)2.78歐姆的平衡低對(duì)地阻抗輸入，一個(gè)連接到Q1的漏極，另一個(gè)連接到Q2的漏極，兩者180°分開。變壓器T3的輸出端耦合到不平衡變壓器T4的平衡輸入，該不平衡變壓器T4有50歐姆的特性阻抗，并為進(jìn)一步輸出功率的組合提供了一個(gè)不平衡的50歐姆輸出端。
在一種結(jié)構(gòu)中，變壓器T1、T2、T3和T4是沒有鐵氧體磁芯、使用印刷在平的電介質(zhì)襯底(planar dielectric substrate)上的電短導(dǎo)體(electricallyshort conductor)的傳輸類型。Q1和Q2晶體管在柵極和源之間都有單獨(dú)的輸入RF終端(分別為R3、C5和R4、C6)。每個(gè)終端由一串電阻器-電容器組成，其中電容器起DC阻塞作用。在一種結(jié)構(gòu)中，電阻器R3和R4都為50歐姆，用于在不損害功率補(bǔ)償?shù)那闆r下向高VSWR(high VSMR)提供穩(wěn)定的RF運(yùn)行。電容器C5、C6是0.01μF的直流阻塞電容器。選擇這個(gè)數(shù)值是為了使柵極上升和下降的次數(shù)不受影響。
每個(gè)MOSFET Q1和Q2也有自身的直流終端電阻器R1、R2，分別在柵極和源之間連接。在一種結(jié)構(gòu)中，電阻器R1和R2各為大約1kΩ，以確保在柵極的輸入是左邊未連接或未結(jié)束的情況下直流的穩(wěn)定性。高輸出VSWR負(fù)載獲得寬帶RF的穩(wěn)定性，還使用漏極對(duì)柵極(drain-to-gate)的RF反饋網(wǎng)絡(luò)得到輸入/輸出匹配，該反饋網(wǎng)絡(luò)由和用于阻塞直流的電容器組合的一系列電阻器-電容器(R5、C7和R6、C8)組成。在一種結(jié)構(gòu)中，電阻器R5和R6各為50歐姆50W法蘭架(flange mount)電阻器，用來向包括開路和短路的所有的相位狀態(tài)提供輸出的穩(wěn)定性，不顯著影響功率增益和輸出功率能力。
在一種結(jié)構(gòu)中，通過直流饋送線路將35-50V的漏極電源連接到每個(gè)晶體管的漏極，以阻止RF能量從PP進(jìn)入電源，也為了阻止開關(guān)式噪音從電源到達(dá)PP，該直流饋送線路包括感應(yīng)器L3和電容器C13和C14。這是通過大的系列感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)的，也就是，扼流圈L3和平行對(duì)電容器C13和C14。電容器C13是RF支路電容器，電解電容器C14是低頻支路電容器。饋送線路還包括監(jiān)控晶體管Q1和Q2電流的傳感電阻器R7和R8，反向變壓器T5和支路電容器C9，C10。電容器C11，C12作為直流阻塞電容。晶體管Q1和Q2的每個(gè)柵極各自通過感應(yīng)器L1，L2耦合到柵極偏壓源(未示出)。電容器C1，C2作為RF支路電容器。選取它們的數(shù)值以避免影響柵極上升和下降次數(shù)。
圖8所示的PP線路結(jié)構(gòu)已經(jīng)被最優(yōu)化以用于輸出功率、漏極效率、壓縮、在預(yù)期的VHF頻率范圍之上的功率增益，并不需要任何調(diào)整。圖8中表示的PP線路給在135-165MHz的500W RF功率提供了大約55％漏極效率。每個(gè)晶體管的功率損耗大約205W，導(dǎo)致散熱器上的模頭溫度升高大約85℃。
所有的推挽式晶體管Q1和Q2安裝在水冷式散熱器上，通常指冷卻臺(tái)，該冷卻臺(tái)是數(shù)控的，使得溫度不會(huì)超過55℃。為了保證相對(duì)高的功率損耗，使用了SD2933晶體管。該晶體管最大運(yùn)行結(jié)溫(maxium operating junctiontemperature)為200℃，并具有0.27°C/W熱電阻的熱增強(qiáng)無(wú)底座組件。在一種結(jié)構(gòu)中，取決于輸出功率和負(fù)載VWSR，儀器板18使用靈活的軌算法來最優(yōu)化35-50V的漏極電壓，使得設(shè)備的結(jié)溫從不超過140℃。這為等離子系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供了多于40％的裕度。
再參考圖3，功率放大器級(jí)26利用第一90度混合電路82，該混合電路82配置成2-路分流器，以將驅(qū)動(dòng)級(jí)22從功率放大器26的中間放大器(IMA)84中隔離開來。
來自驅(qū)動(dòng)器22的125W輸出信號(hào)24被90都混合電路82分成兩個(gè)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)IMA84的級(jí)96、98。IMA級(jí)96和98和圖8中所表示的、在PA26中使用的上述的PP66、68、70、72、74、76、78和80相同。因此，對(duì)于不同的應(yīng)用采用相同的線路設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和對(duì)等離子系統(tǒng)的測(cè)試，并改進(jìn)了系統(tǒng)的可靠性。IMA84能給驅(qū)動(dòng)PA26提供3dB的足夠功率裕度。
90度混合電路82是四端口的50歐姆的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)把輸入信號(hào)分流成兩個(gè)同樣的以25dB隔離的輸出信號(hào)，并給一個(gè)輸出相對(duì)于另一個(gè)輸出增加90度的相位變換。每個(gè)輸出端的絕對(duì)相位值隨頻率變化；然而，在經(jīng)過特定的頻率范圍時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在輸出之間保持恒定的90度相位差。
IMA級(jí)96、98的正交位移輸出信號(hào)耦合到各自的同相4路分流器86和88。在一種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)分流器86和88提供四個(gè)同相的50歐姆輸出，其中這些輸出用大于23dB隔離，并饋送以驅(qū)動(dòng)兩套四個(gè)推挽式，第一套由推挽式66、68、70和72組成，第二套由推挽式74、76、78和80組成。
PPs的輸出66、68、70、72、74、76、78和80施加到兩個(gè)4路同相組合器90和92的各自的50歐姆的輸入。在一種結(jié)構(gòu)中，組合器90和92提供了超過23 dB的輸入端口對(duì)端口的隔離。當(dāng)在輸出矢量之間維持90度相位變換時(shí)，組合器90和92的每個(gè)輸出端口產(chǎn)生四個(gè)輸入信號(hào)的矢量總和。組合器90和92的正交位移輸出信號(hào)，每個(gè)大約1600W，通過第二90度混合電路94重新結(jié)合輸出，該輸出在50歐姆阻抗端28提供了大約3kW的VHF能量。
同相分流器86、88和同相組合器90、92都利用傳輸型變壓器，與上述PP66、68、70、72、74、76、78和80中的變壓器相似，該傳輸型變壓器使用印刷在平的電介質(zhì)襯底上的電短導(dǎo)體。第二混合電路94是高功率VHF寬頻帶90度混合電路，該混合電路配置成2路組合器，該組合器用來組合來自功率放大器級(jí)26的兩個(gè)4路組合器90、92的輸出。一種可用于混合電路82和混合電路94的混合電路型號(hào)為441 8型，它可以在商業(yè)上從AnarenMicrowave，Inc.得到。這種混合電路估計(jì)頻率在130和170MHz之間時(shí)輸出功率為3kW CW。最大介入損失0.2dB時(shí)最小隔離度是25dB?；旌想娐返淖畲骎SWR是1.15∶1。也提供了±0.2dB的振幅平衡和±1.5度相位平衡。
在一種結(jié)構(gòu)中，為了調(diào)整發(fā)生器裝置10的RF輸出頻率，在儀器板18上用高頻相鎖環(huán)(phase locked loop)(PLL)合成器代替定向數(shù)字合成器，該高頻相鎖環(huán)合成器利用電壓控制的振蕩器。頻率合成器是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能使自由運(yùn)行的振蕩器的頻率固定在鄰近穩(wěn)定值，典型是晶體振蕩器，并利用這個(gè)結(jié)果來控制調(diào)諧。
參考圖9，在一種結(jié)構(gòu)中，RF發(fā)生器裝置裝在兩個(gè)獨(dú)立的底盤102、104中。底盤102包括10kW開關(guān)式電源106，該電源向RF激勵(lì)級(jí)22和功率放大器級(jí)26提供所有的直流電壓。儀器板18和面板200也裝在底座102中。底座104裝載整個(gè)RF部分，特別是驅(qū)動(dòng)級(jí)22和功率放大器級(jí)26，包括它的八個(gè)推挽式功率放大器66、68、70、72、74、76、78和80，混合電路耦合器82和94以及其他未在圖9中單獨(dú)顯示的輔助構(gòu)件。這些推挽式功率放大器安裝在水冷式散熱器(未示出)的一側(cè)。散熱器的其它側(cè)用于驅(qū)動(dòng)器22，分流器86和88，組合器90和92，90度混合電路耦合器82和94，循環(huán)器32，定向耦合器42和過濾器52和58。
圖10和11分別是上述組合的兩個(gè)底座結(jié)構(gòu)的面板和后面板組合圖。電源底座102的面板包括下列控制器(圖10)具有兩行20個(gè)字符的顯示器180；ON/OFF和菜單按鈕181；用來在菜單選項(xiàng)中選擇某些值的數(shù)字轉(zhuǎn)換器旋鈕182；和斷路器183。
RF底座104的前部面板包含(圖10)AC和RF ON/OFF和故障狀態(tài)指示器。
用帶把手179的托架178連接底座102和104，以把發(fā)生器安裝到標(biāo)準(zhǔn)的19″支架中。
電源底座102的后面板包括下列構(gòu)件(圖11)AC輸入連接器185；用來控制和監(jiān)視發(fā)生器狀態(tài)的數(shù)字和模擬界面連接器186；冷卻風(fēng)扇187；和從電源底座102到RF底座104的DC和RF行連接器188。
RF底座104的后面板包括下列構(gòu)件(圖11)
從RF底座104到電源底座102的DC和RF行連接器188；水冷式散熱器連接器190；RF輸出連接器191；冷卻風(fēng)扇192；和電磁閥193。
與一個(gè)底座的結(jié)構(gòu)相比，兩個(gè)底座的結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)。取決于系統(tǒng)對(duì)輸出功率、效率、頻率范圍等的要求，當(dāng)所有必需的改變主要是在RF底座中完成時(shí)，可以很容易地引入單獨(dú)底座中的電源到任一特別的系統(tǒng)中。對(duì)于生產(chǎn)來說，有普通電源底座是很方便的，這很容易單獨(dú)裝配和測(cè)試，并且能用于多種RF系統(tǒng)。
通過結(jié)合功率放大器26和等離子負(fù)載16的輸出級(jí)之間的循環(huán)器32，可以通過高功率RF發(fā)生器裝置驅(qū)動(dòng)如高功率VHF等離子系統(tǒng)等應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)中系統(tǒng)。循環(huán)器32提供隔離和反射功率的抑制，否則會(huì)降低整個(gè)發(fā)生器/等離子負(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，反射功率由交互式的等離子阻抗引起。另外，循環(huán)器32允許RF發(fā)生器裝置10標(biāo)稱運(yùn)行，而性能參數(shù)與等離子負(fù)載狀況、RF發(fā)生器裝置10和負(fù)載16之間的電纜的長(zhǎng)度、或任何負(fù)載的失配都無(wú)關(guān)，性能參數(shù)并沒有任何變化。因此RF發(fā)生器裝置在相當(dāng)大的負(fù)載失配、包括開路和短路負(fù)載時(shí)能運(yùn)行。結(jié)果，穩(wěn)定性和可靠性得到顯著地改進(jìn)。
通過將如上所述的低損耗變壓器結(jié)合到所有的IMA84和PA26推挽式級(jí)，同相分流器86、88和同相組合器90、92中，可靠性得到了改進(jìn)。在其它的優(yōu)點(diǎn)中，由于這些導(dǎo)體實(shí)際上相似，相互之間不環(huán)繞、并且不經(jīng)歷差溫加熱，這些沒有鐵氧體的變壓器提供了為0.1-0.15dB的很低介入損失。同時(shí)，由于不象同軸電纜導(dǎo)體，它們有差不多相同的尺寸，因此它們也確保RF變壓器在導(dǎo)體之間沒有不符合要求的相位滯后。
所有的變壓器設(shè)計(jì)成使用印刷在平的電介質(zhì)襯底上的電短導(dǎo)體的傳輸型。由于它們很容易復(fù)制成印刷電路，所以每種變壓器結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和再現(xiàn)性都獲得了簡(jiǎn)化。該印刷電路垂直裝配到另一個(gè)平的RF電路板的表面，該電路板有許多電觸點(diǎn)，這在2002年2月.21日提出的copending appl.Ser.No.10/080,252中有更詳細(xì)的討論，此處引用其作為參考。
在功率放大器級(jí)26中，低損耗變壓器和熱增強(qiáng)高功率晶體管的應(yīng)用使每個(gè)推挽式放大器66、68、70、72、74、76、78和80在VHF頻率下能產(chǎn)生500W功率。低的熱阻增加了晶體管的安全運(yùn)行范圍。因而，八個(gè)功率放大器推挽式放大器足夠產(chǎn)生需要的RF功率輸出量，而以前設(shè)計(jì)中卻需要十六個(gè)。組件數(shù)量的減少也歸功于可靠性和穩(wěn)定性的改善。
即使相位分流器/組合器更低廉、更容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為改進(jìn)等離子運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，利用同相分流器/組合器和90°混合電路組合有許多優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是輸出90度混合電路94，不象同相2路組合器，在相同相位和等分振幅下，不會(huì)將輸出總端28的負(fù)載失配轉(zhuǎn)換回到所有的輸入端。因?yàn)?，反射?fù)載失配將出現(xiàn)上面的PA26部分(PP66、68、70和72)和下面的PA26部分(PP74、76、78和80)經(jīng)過90度變換的負(fù)載。結(jié)果，每部分會(huì)看到不同的失配，因而系統(tǒng)振蕩的可能性急劇增加。另一方面，由回流到輸出90度混合電路94的輸出端28的失配負(fù)載VSWR所引起的反射功率，將在輸入時(shí)分流，然后部分反射回來，從而在輸出端28消除，并穿過終端電阻器110增加。結(jié)果是組合的PA輸出28好像有匹配的電源阻抗一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，顯著地提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
而且，輸入90度分流器82，不象同相2路分流器，IMA級(jí)96、98的失配不反射回激勵(lì)22。當(dāng)混合電路82耦合到級(jí)96、98的相似失配時(shí)，它給遠(yuǎn)離激勵(lì)22的反射功率定路線，引導(dǎo)反射功率進(jìn)入終端100，因而使激勵(lì)22從VSWR脈動(dòng)和不穩(wěn)定性中隔離開來。這使得驅(qū)動(dòng)器22不管在IMA級(jí)96、98的失配而具有50歐姆阻抗，增加了總穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性。
因而，包括上述同相和90度分流器和組合器的組合的結(jié)構(gòu)提高了穩(wěn)定性，顯著改進(jìn)了等離子處理系統(tǒng)的可靠性。通過使用90度混合電路得到的改進(jìn)的穩(wěn)定性在圖12和13中圖示出。圖12是系統(tǒng)的頻帶內(nèi)和頻帶外的亂真(spurious)的產(chǎn)物的曲線，該曲線是當(dāng)只包括同相分流器和組合器的RF發(fā)生器10結(jié)構(gòu)通過電纜6′連接到匹配網(wǎng)絡(luò)60時(shí)，從定向耦合器46的正向端得到的，而該網(wǎng)絡(luò)被調(diào)諧到1.8-j63歐姆負(fù)載。在系統(tǒng)頻率帶寬的低端有工頻下只有44dB的亂真產(chǎn)物的峰值，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和潛在的構(gòu)件損壞。用90°分流器82和90°組合器94代替相似的同相網(wǎng)絡(luò)的另一種結(jié)構(gòu)中，輸出信號(hào)基本上是相當(dāng)純的，如圖13所示，在主頻下有多于70dB的亂真產(chǎn)物。
對(duì)本發(fā)明的描述實(shí)質(zhì)上僅僅是示范性的，因此，不偏離本發(fā)明要點(diǎn)的改變認(rèn)為仍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變化不應(yīng)認(rèn)為偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種射頻(RF)發(fā)生器裝置，適合于抵抗非線性負(fù)載失配狀況的等離子處理系統(tǒng)，所述裝置包括用于產(chǎn)生RF信號(hào)的RF振蕩器；響應(yīng)所述RF信號(hào)以產(chǎn)生VHF RF信號(hào)的RF放大器，該VHF RF信號(hào)具有驅(qū)動(dòng)等離子室負(fù)載的足夠功率；和耦合到所述放大器的VHF帶循環(huán)器，用于將等離子室負(fù)載的非線性特性從所述RF放大器中隔絕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的VHF帶循環(huán)器包括Y接點(diǎn)循環(huán)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的RF放大器包括驅(qū)動(dòng)器、功率放大器、第一90度混合電路耦合器和第二90度混合電路耦合器，其中所述的第一90度混合電路耦合器配置為二路分流器，該分流器將所述驅(qū)動(dòng)器從所述功率放大器中隔離出來，所述功率放大器包括兩個(gè)半部分，并且所述的第二90度混合電路耦合器配置為2路組合器，以組合所述功率放大器的兩個(gè)所述的半部分的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括儀器板、定向耦合器和感應(yīng)器，儀器板用于調(diào)整所述RF信號(hào)的頻率；定向耦合器的輸入耦合到所述循環(huán)器的輸出，以從中接受RF功率；感應(yīng)器用于向所述儀器板提供表示在所述循環(huán)器的所述輸出的許多RF功率的信號(hào)，其中所述儀器板響應(yīng)所述表示許多RF功率的信號(hào)，以調(diào)整所述的RF信號(hào)的所述頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，進(jìn)一步包括低通過濾器，該過濾器的輸入耦合到所述定向耦合器的輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，進(jìn)一步包括高通過濾器，該高通過濾器的輸入耦合到所述低通過濾器的輸出，并且該高通過濾器以耦合到等離子室負(fù)載的信號(hào)來分流到地RF的諧波。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，進(jìn)一步包括負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)，該負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入耦合到所述低通過濾器的輸出，該負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出用于向等離子室負(fù)載提供功率，所述負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)用于在一套運(yùn)行條件下，使所述裝置的輸出阻抗和等離子室負(fù)載近似匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，該裝置在VHF頻率下產(chǎn)生至少2.5千瓦的RF功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述的放大器包括在推挽式結(jié)構(gòu)中不多于16個(gè)的輸出晶體管。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，包括第一底座、裝在所述第一底座中的電源和用于控制所述RF振蕩器的儀器板、所述的放大器、與第一底座隔開的第二底座、裝在所述第二底座中的散熱器，其中所述的第二底座也放置所述的放大器和所述的VHF帶循環(huán)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的VHF帶循環(huán)器包括集總電路元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的VHF帶循環(huán)器包括被動(dòng)的、單向的鐵氧體裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的RF振蕩器包括直接數(shù)字合成器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述的RF振蕩器包括在相鎖環(huán)中運(yùn)行的由電壓控制的振蕩器。
15.一種等離子運(yùn)行系統(tǒng)包括等離子室；和有效地耦合到所述等離子室以在VHF頻率下提供RF功率的射頻(RF)發(fā)生器裝置，所述的RF發(fā)生器裝置包括RF放大器和VHF帶循環(huán)器，該RF放大器用于產(chǎn)生施加到所述RF發(fā)生器裝置的所述RF功率，該VHF帶循環(huán)器的輸出用于向所述等離子室提供RF功率、并將所述等離子室的非線性特性從所述RF放大器中隔絕。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的等離子運(yùn)行系統(tǒng)，其中所述的VHF帶循環(huán)器包括Y接點(diǎn)循環(huán)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的等離子運(yùn)行系統(tǒng)，其中所述的VHF放大器包括驅(qū)動(dòng)器、功率放大器、第一90度混合電路耦合器和第二90度混合電路耦合器，其中所述的第一90度混合電路耦合器配置為兩路分流器，該分流器將所述驅(qū)動(dòng)器從所述功率放大器中隔離出來，所述功率放大器包括兩個(gè)半部分，并且所述第二90度混合電路耦合器配置為2路組合器，以組合所述所述功率放大器的兩個(gè)所述的半部分的輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的等離子運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)一步包括儀器板、定向耦合器和感應(yīng)器，儀器板用于調(diào)整施加給等離子室的所述RF功率的頻率；定向耦合器的輸入耦合到所述循環(huán)器的輸出，以從中接收RF功率；感應(yīng)器用于向所述儀器板提供表示在所述循環(huán)器的所述輸出的許多RF功率的信號(hào)，其中所述儀器板響應(yīng)所述表示許多RF功率的信號(hào)，以調(diào)整所述的RF功率的所述頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的等離子運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述定向耦合器和所述等離子室之間有效地耦合的低通過濾器，以減少穿過所述定向耦合器的RF功率中的諧波。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的等離子運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來將所述的諧波分流到地的高通過濾器。
21.一種向非線性等離子室負(fù)載提供VHF頻率下的RF功率的方法，包括在RF發(fā)生器輸出級(jí)中產(chǎn)生VHF RF功率；將所述的VHF RF功率通過VHF帶循環(huán)器傳輸；和將已通過VHF帶循環(huán)器的VHF RF功率施加到等離子室負(fù)載。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，進(jìn)一步包括利用定向耦合器檢測(cè)來自RF發(fā)生器輸出級(jí)的許多RF功率輸出；根據(jù)檢測(cè)到的RF功率的數(shù)量來調(diào)整RF功率的頻率；和利用在等離子室負(fù)載和VHF帶循環(huán)器/隔離器之間有效地耦合的低通過濾器將RF功率的諧波從所述的定向耦合器中隔離開來。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，進(jìn)一步包括分流在等離子室負(fù)載和定向耦合器之間的所述RF功率對(duì)地的諧波。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)檢測(cè)到RF功率的數(shù)量調(diào)整RF功率的頻率。
全文摘要
提供了一種適合于抵抗非線性負(fù)載失配狀況的等離子處理系統(tǒng)用的射頻(RF)發(fā)生器裝置。該裝置包括用來產(chǎn)生RF信號(hào)的RF振蕩器，響應(yīng)RF信號(hào)以產(chǎn)生VHF RF信號(hào)的RF放大器，和耦合到放大器并且用來將等離子室負(fù)載的非線性特性從放大器中隔離出來的VHF帶循環(huán)器，該VHF RF信號(hào)有足夠的功率來激勵(lì)等離子室負(fù)載。
文檔編號(hào)H01J37/32GK1656593SQ03811540
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月20日
發(fā)明者利奧尼德·E·雷塞爾曼, 約翰·E·索特 申請(qǐng)人:Eni技術(shù)公司