專(zhuān)利名稱(chēng)：在濺射處理系統(tǒng)中的等離子體轉(zhuǎn)換的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及基于等離子體的材料處理。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在等離子體處理系統(tǒng)中電弧的控制和等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制。
背景技術(shù)：
許多制造工作采用等離子體處理。例如，增強(qiáng)等離子體氣相淀積(PVD)日益被用于薄金屬或非金屬膜的淀積。大多數(shù)PVD系統(tǒng)為陰極電弧型或?yàn)R射型。雖然在陰極電弧PVD系統(tǒng)中采用的電弧放電等離子體的特征為大電流和低電壓時(shí)，在濺射PVD系統(tǒng)中采用的輝光等離子體的特征卻為小電流和較高電壓。濺射PVD系統(tǒng)通常包括提供磁場(chǎng)以支持輝光等離子體的電場(chǎng)電離的特征。
在適當(dāng)?shù)臈l件下，輝光等離子體和電弧放電等離子體能夠顯示出模式轉(zhuǎn)換。例如，輝光等離子體能夠轉(zhuǎn)換成電弧放電等離子體，同時(shí)，盡管可能性不大，電弧放電等離子體能夠轉(zhuǎn)換成輝光等離子體。
不期望的發(fā)弧對(duì)濺射PVD系統(tǒng)的性能而言是重要問(wèn)題。發(fā)弧可以由各種因素產(chǎn)生。例如，發(fā)弧可以由濺射期間靶的剝落、靶的過(guò)熱、等離子體中的氣體擾動(dòng)、或用來(lái)形成等離子體的惰性氣體或靶材料不純而引起。等離子體噪聲固有地會(huì)在淀積腔內(nèi)的輝光等離子體中產(chǎn)生一定數(shù)量的“微發(fā)弧(micro-arcing)”。但是，微發(fā)弧可以在腔內(nèi)發(fā)展成更嚴(yán)重的等離子體發(fā)弧或“強(qiáng)發(fā)弧”。電弧能夠從靶去除毒化，但是它可能產(chǎn)生不期望的粒子。
一些系統(tǒng)在檢測(cè)到電弧時(shí)通過(guò)關(guān)閉電源處理發(fā)弧。例如，檢測(cè)到嚴(yán)重的電弧能夠使電源暫時(shí)地中斷它的輸出，例如，達(dá)100-25msec。但是，發(fā)弧電流波動(dòng)能夠具有1-10MHz(即持續(xù)時(shí)間為0.1-1.0μsec)數(shù)量級(jí)的頻率。
一些電源會(huì)加劇與等離子體發(fā)弧相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。例如，DC電源具有存儲(chǔ)在諸如輸出濾波器的輸出級(jí)中的能量。在出現(xiàn)微發(fā)弧或發(fā)弧條件時(shí)，該存儲(chǔ)的能量會(huì)向?yàn)R射腔中放電。放電能量脈沖具有約為0.2-20μsec的持續(xù)時(shí)間，該脈沖太快而難以被普通的電源檢測(cè)電路所控制或限制。
一些系統(tǒng)周期地中斷或施加陰極電壓的反向電壓力圖避免發(fā)弧。但是，由于陰極電壓沒(méi)有被連續(xù)地施加，淀積速率會(huì)降低。此外，周期抑制電路大大增加了成本。在要求無(wú)缺陷淀積諸如在半導(dǎo)體制造時(shí)通常采用周期抑制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一部分是實(shí)現(xiàn)諧振電路和分路開(kāi)關(guān)的協(xié)作行為而產(chǎn)生的結(jié)果，它能夠?qū)﹄娀?dòng)提供改善的響應(yīng)，提供在不同等離子體狀態(tài)之間的改善的轉(zhuǎn)換以及等離子體的改善的觸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的原理，諧振電路當(dāng)分路時(shí)，能夠驅(qū)動(dòng)等離子體電流到零值并從而在有效地降低例如電弧相關(guān)損壞(damage)的短暫時(shí)間周期內(nèi)使等離子體消失。諧振電路和分路的協(xié)作行為也能夠改善輝光和電弧放電等離子體的觸發(fā)。
在一個(gè)實(shí)施例中，響應(yīng)指示等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)或狀態(tài)轉(zhuǎn)換的信號(hào)，控制器支持等離子體容器中的等離子體狀態(tài)的閉環(huán)控制。例如，該信號(hào)能夠由檢測(cè)諧振電路中的電感器的通量的通量傳感器提供。本發(fā)明的特征部分地是從電弧等離子體到輝光等離子體的轉(zhuǎn)換或從輝光等離子體到電弧等離子體的轉(zhuǎn)換的改善的手段。本發(fā)明的特征是使不期望的等離子體狀態(tài)的去除在所需的等離子體狀態(tài)重新觸發(fā)之前發(fā)生的等離子體轉(zhuǎn)換。
因此，在第一個(gè)方面，本發(fā)明的特征是控制用于材料處理的等離子體的裝置。該裝置包括諧振電路、傳感器和開(kāi)關(guān)單元。諧振電路與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信。傳感器獲取與等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。開(kāi)關(guān)單元具有第一狀態(tài)(例如，打開(kāi))和第二狀態(tài)(例如，閉合)，并能夠響應(yīng)該信號(hào)在狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)單元的第二狀態(tài)分路該諧振電路以允許使容器中的等離子體的狀態(tài)發(fā)生變化的諧振電路的諧振。該諧振電路用來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。
傳感器能夠配置成感測(cè)由諧振電路的電感器感應(yīng)的通量。傳感器可以是鄰近電感器設(shè)置的線圈。這種傳感器能夠提供在輝光等離子體處理期間電弧等離子體開(kāi)始的快速檢測(cè)。開(kāi)關(guān)單元能夠具有足夠大的電阻以有效地充當(dāng)在分路期間諧振電路的阻尼阻抗。
該裝置可包括用于從傳感器接收信號(hào)和用于使開(kāi)關(guān)單元轉(zhuǎn)換為第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)以影響等離子體的狀態(tài)的控制器?？刂破骺梢员慌渲贸墒归_(kāi)關(guān)單元在等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由信號(hào)的變化指示時(shí)轉(zhuǎn)換到第二狀態(tài)。該裝置也可包括與等離子體容器的輸入并聯(lián)的箝壓電路。該箝壓可以是不對(duì)稱(chēng)的箝壓。
該裝置可包括與開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)的零偏壓提供單元。該提供單元能夠?qū)﹂_(kāi)關(guān)單元施加補(bǔ)償電壓。該補(bǔ)償電壓與由開(kāi)關(guān)單元和/或與開(kāi)關(guān)單元相關(guān)聯(lián)的寄生電路元件的電阻引起的電壓降相關(guān)聯(lián)。
該裝置還可包括用于感測(cè)諧振電路、電源以及等離子體容器的輸入中至少一個(gè)的電壓的電壓傳感器。該裝置還可包括用于感測(cè)諧振電路、電源以及等離子體容器的輸入中至少一個(gè)的電流的電流傳感器。附加的傳感器能夠提供等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)換的改善的檢測(cè)。
在第二個(gè)方面，本發(fā)明的特征是控制用于材料處理的等離子體的方法。該方法包括提供與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路，檢測(cè)指示等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的變化，以及在該變化被檢測(cè)到之后分路諧振電路以允許諧振電路的諧振。分路諧振電路能夠使容器中的等離子體在所需的等離子體狀態(tài)重新觸發(fā)之前消失。
響應(yīng)狀態(tài)變化的檢測(cè)，例如，從輝光等離子體模式到電弧等離子體模式的轉(zhuǎn)換，相對(duì)于在初始的半個(gè)周期之前流經(jīng)容器的電流，分路可包括充分地降低在諧振電路的初始半個(gè)周期流經(jīng)等離子體容器的電流。如果電弧放電繼續(xù)，分路能夠在重新分路之前的接下來(lái)的下半個(gè)周期被去除。響應(yīng)來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器的反饋，分路和等待周期能夠被重復(fù)直到原來(lái)的等離子體模式被重新存儲(chǔ)。
該方法可包括重新觸發(fā)等離子體容器中的等離子體。重新觸發(fā)可包括分路諧振電路以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量，并除去分路以將存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)等離子體。
在第三個(gè)方面，本發(fā)明的特征是觸發(fā)用于材料處理的等離子體的方法。該方法包括提供諧振電路，分路電源的輸出以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量，并除去分路以將存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器以觸發(fā)等離子體容器中的等離子體。
諧振電路可以被分路直到諧振電路使電源的電流比電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)電流大。然后分路被除去以把電流換向(commute)到等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)電弧等離子體。諧振電路相對(duì)于諧振電路的周期的有效部分被分路以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量。然后分路被去除以使存儲(chǔ)的能量在周期的有效部分之后被送往等離子體容器以觸發(fā)等離子體容器中的輝光等離子體。


本發(fā)明用附屬的權(quán)利要求書(shū)中的特性描述。通過(guò)結(jié)合附圖參照下面的說(shuō)明可以更好地理解本發(fā)明的上面的和進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，其中圖1a是包括用于控制等離子體處理系統(tǒng)中的等離子體的特征的本發(fā)明的圖1b是由通量傳感器響應(yīng)微電弧和強(qiáng)電弧檢測(cè)到的電壓對(duì)時(shí)間的示例性曲線圖。
圖1c是對(duì)于產(chǎn)生電弧由通量傳感器檢測(cè)到的電壓對(duì)時(shí)間、由電流傳感器檢測(cè)到的電流對(duì)時(shí)間、以及由電壓傳感器檢測(cè)到的電壓對(duì)時(shí)間的示例性曲線圖。
圖1d是對(duì)應(yīng)于圖1c的曲線圖的曲線圖，但是示出了對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)度的曲線的形態(tài)。
圖2是等離子體處理系統(tǒng)的實(shí)施例的方框圖。
圖3是控制用于材料處理的等離子體的方法的實(shí)施例的流程圖。
圖4是在從輝光等離子體轉(zhuǎn)換到電弧等離子體期間電壓和電流的變化對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖5是在輝光等離子體中的電壓和電流以及在電弧等離子體中的電壓和電流的曲線圖。
圖6是示出在樣品系統(tǒng)的輝光等離子體狀態(tài)測(cè)量到的電壓對(duì)時(shí)間的變化的曲線圖。
圖7示出了能夠由傳感器采集的電流和電壓曲線。
圖8是通量傳感器電壓對(duì)時(shí)間曲線圖。
圖9是電流傳感器電流對(duì)時(shí)間的曲線圖。
圖10觸發(fā)用于材料處理的等離子體的方法的流程圖。
圖11是等離子體處理系統(tǒng)的電壓和電流對(duì)時(shí)間的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
“等離子體系統(tǒng)”是包括等離子體產(chǎn)生組件的裝置，并能夠包括材料處理組件。等離子體系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)容器、電源組件、計(jì)量組件、控制組件和其它組件。處理能夠在一個(gè)或多個(gè)容器中和/或與一個(gè)或多個(gè)容器通信的一個(gè)或多個(gè)處理腔中發(fā)生。等離子體系統(tǒng)可以是等離子體或在等離子體中產(chǎn)生的反應(yīng)性氣體形式的來(lái)源或可以是一種完整的處理使用設(shè)備。
“容器”是包含氣體和/或等離子體的存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器的一部分，在容器中等離子體能夠被產(chǎn)生和/或保持。容器與諸如功率發(fā)生器或冷卻組件的其它組件結(jié)合以形成等離子體處理系統(tǒng)。
“等離子體”是物質(zhì)的一種狀態(tài)，該狀態(tài)包括通過(guò)結(jié)合電場(chǎng)和磁場(chǎng)以在有關(guān)氣體中引起電離產(chǎn)生的能量帶電粒子的聚集。一般地，等離子體是帶電離子、電子和中性粒子的聚集，由于由帶電粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生恢復(fù)場(chǎng)(restorative fields)，其作為整體視為中性。由于帶電粒子等離子體是導(dǎo)電的。在容器不再通電時(shí)或在等離子體不產(chǎn)生光時(shí)，容器中的等離子體可以被認(rèn)為是消失的。確定等離子體消失的其它方法包括與等離子體的電氣特性有關(guān)的方法。例如，沒(méi)有等離子體，等離子體容器陰極可以具有典型電容值在從100pf到1uf的范圍中的電容性的特性。
然而由于大量的離子向陰極運(yùn)動(dòng)，等離子體具有電感性特性(電壓超前電流)。因此，如果傳感器測(cè)出等離子體容器的電容性特性，那么等離子體己經(jīng)消失。如果傳感器測(cè)出電感性特性，那么等離子體在等離子體容器中存在，并且，依靠電壓-電流，可以確定等離子體工作模式比值。
“觸發(fā)”是在氣體中導(dǎo)致初始擊穿的過(guò)程，以形成等離子體。
習(xí)語(yǔ)“輝光放電等離子體”、“輝光等離子體”和“輝光”在此互換使用以說(shuō)明與電弧放電等離子體相比由比較高的電壓和低電流維持的等離子體狀態(tài)。在此使用并依照上下文，輝光等離子體可包含輝光和強(qiáng)輝光(superglow)等離子體。
習(xí)語(yǔ)“電弧放電等離子體”、“電弧等離子體”和“電弧”在此互換使用以說(shuō)明由比較低的電壓和高電流維持的等離子體狀態(tài)。在此使用并依照上下文，電弧等離子體可包含微電弧和強(qiáng)電弧。
下面的說(shuō)明將集中于示例性的基于DC的陰極的濺射系統(tǒng)。然而，對(duì)于具有等離子體處理領(lǐng)域的普通技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用到各種等離子體處理系統(tǒng)，包括諸如RF等離子體系統(tǒng)的需要AC感應(yīng)的等離子體系統(tǒng)。
圖1a是是包括用于控制等離子體處理系統(tǒng)100中的等離子體的特征的本發(fā)明的實(shí)施例的方框圖。本發(fā)明的裝置190包括諧振電路110、具有第一和第二狀態(tài)的開(kāi)關(guān)單元120。在圖1a中示出的系統(tǒng)100包括具有輸出的電源170、具有用于從電源170和/或諧振電路110接收功率的輸入的等離子體容器180、與開(kāi)關(guān)單元120并聯(lián)的箝壓?jiǎn)卧?60、通量傳感器131、電流傳感器132、電壓傳感器133、和從傳感器131、132、133接收信號(hào)并控制開(kāi)關(guān)單元120的控制器140以及零偏壓提供單元150。開(kāi)關(guān)單元在例如閉合狀態(tài)的第二狀態(tài)時(shí)分流諧振電路110。
電源170可以是例如DC或RF電源，并且等離子體容器170分別可以是例如電容耦合的或電感耦合的等離子體容器，以及磁性增強(qiáng)陰極(例如磁控管)或在等離子體處理技術(shù)中已知的簡(jiǎn)單二極管類(lèi)型陰極。開(kāi)關(guān)單元120與電源170的輸出和等離子體容器180的輸入并聯(lián)地被電氣連接。諧振電路110與等離子體容器180的輸入和電源170的輸出并聯(lián)地被電氣連接。不同的實(shí)施例將包括等離子體處理系統(tǒng)100內(nèi)在不同位置的開(kāi)關(guān)單元120。圖1a示出了開(kāi)關(guān)單元120的兩個(gè)可能位置。
等離子體容器180可以被電氣地連接到系統(tǒng)100的其它組件，但是相對(duì)于它們位于遙遠(yuǎn)的位置。例如，系統(tǒng)100的組件能夠經(jīng)由長(zhǎng)的高壓電纜連接到等離子體容器180。
開(kāi)關(guān)單元120允許分流諧振電路110。例如，當(dāng)響應(yīng)檢測(cè)到容器180中的不期望的電弧等離子時(shí)，開(kāi)關(guān)單元120能夠分流諧振電路110，有效地建立與等離子體容器180中的電弧競(jìng)爭(zhēng)電流的電路。當(dāng)電流在諧振電路中衰減振蕩(ringing up)的同時(shí)，電弧能夠使由等離子體容器180呈現(xiàn)的負(fù)載的阻抗降低。因此，開(kāi)關(guān)單元120能夠與等離子體容器180共同分擔(dān)電流的份額。從而，如果電流具有可供選擇的通道，峰值電流和電弧的總能量以及由電弧引起的損壞能夠被有效地減少。分流能夠減少需要使電弧成為零電流，即不是等離子體狀態(tài)的時(shí)間。在這種條件下可以認(rèn)為等離子體消失。
電弧等離子體阻抗通過(guò)電弧與總電流一起趨向于減小。這種效應(yīng)起因于電弧放電中另外的固有的熱電離。因此，對(duì)電弧的可用的電流的減少能有效地降低放電的溫度上升。開(kāi)關(guān)單元120提供了可供選擇的電流通道。開(kāi)關(guān)單元120的阻抗能夠被選擇成類(lèi)似于系統(tǒng)100的電弧阻抗。然而，由于開(kāi)關(guān)單元120消耗一些能量可能是有益的，故選擇具有不是太小的阻抗的開(kāi)關(guān)單元120是令人所期望的。
電源170和諧振電路110能夠各自包括它們自己的電感器，或能夠共有一個(gè)或多個(gè)電感器或電感器的一部分。在一些實(shí)施例中，諧振電路的電感器具有比電源170的電感器的電感更小的電感。
通量傳感器131可以配置成檢測(cè)由諧振電路的電感器產(chǎn)生的磁通量。該通量傳感器能夠提供較簡(jiǎn)單和有效的方式以監(jiān)控等離子體狀態(tài)。例如，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加諧振電路110的電感器的第二線圈，該第二線圈能夠被用作通量傳感器131以提供優(yōu)良的等離子體轉(zhuǎn)換檢測(cè)器。采用如同與等離子體容器180連接的末尾的位置，到等離子體容器180的電流的瞬態(tài)變化產(chǎn)生傳感器131線圈的耦合磁通量的相應(yīng)的變化。
因此，通量傳感器131能夠被用來(lái)檢測(cè)等離子體電流和/或電壓的快速變化。當(dāng)這樣的變化被檢測(cè)到時(shí)，控制器140可以操作開(kāi)關(guān)單元120以使諧振電路呼出振鈴(ring out)。一旦電流和電壓換向(從電壓超前電流到電流超前電壓)并到達(dá)零，傳感器131能夠被用來(lái)監(jiān)控正確的等離子體模式的重新開(kāi)始。等離子體模式能夠具有獨(dú)特的特性，該特性能夠被用來(lái)判斷等離子體是否以正確的模式重新開(kāi)始。
參照?qǐng)D1b、1c和1d，通量傳感器131能夠檢測(cè)與等離子體工作的重新觸發(fā)和開(kāi)始相關(guān)聯(lián)的電壓和/或電流上升。通量傳感器131也能夠區(qū)分不同類(lèi)型的等離子體狀態(tài)的觸發(fā)。圖1b是由等離子體傳感器131響應(yīng)微電弧和強(qiáng)電弧檢測(cè)到的電壓對(duì)電流的示例性曲線。來(lái)自通量傳感器131的信號(hào)的“后沿”示出了微電弧的電壓在強(qiáng)電弧的電壓之前下降到零值，這種狀況趨向于持續(xù)存在。箭頭A表示微電弧感應(yīng)電壓已下降到零值的時(shí)間，箭頭B顯示強(qiáng)電弧感應(yīng)電壓下降到零值的時(shí)間。
或者，除了通量傳感器131之外，控制器140也可以使用例如來(lái)自電流傳感器132和電壓傳感器133的電壓和/或電流測(cè)量值來(lái)判定等離子體的狀態(tài)。依靠測(cè)量點(diǎn)的位置，將獲得不同的信息以幫助控制器的判斷處理。一個(gè)例子是測(cè)量電壓-電流比以判定當(dāng)前等離子體工作的模式。另一個(gè)例子是通過(guò)測(cè)量一個(gè)諧振周期之后和兩個(gè)諧振周期之后的電壓確認(rèn)逆弧的連續(xù)性。此外，結(jié)合使用兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量值能夠使控制器的功能性變化以更好地滿足等離子體模式和所需的控制策略。
例如，通過(guò)用控制規(guī)則適當(dāng)?shù)亟M合來(lái)自三個(gè)傳感器131、132、133的測(cè)量值，有可能預(yù)測(cè)輝光等離子體中即將發(fā)生的電弧轉(zhuǎn)換。當(dāng)這些情形被檢測(cè)到，控制器140能夠設(shè)置預(yù)測(cè)標(biāo)記并使開(kāi)關(guān)單元120循環(huán)以停止等離子體。(例如，關(guān)掉它，并重新開(kāi)始它。)這可以使得導(dǎo)致“預(yù)期的電弧”的情形在電弧實(shí)際發(fā)生之前被停止，從而降低粒子產(chǎn)生的可能性。
用于預(yù)測(cè)功能的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間僅在短時(shí)期能被使用，例如，在轉(zhuǎn)換之前少于3μs。它們也可在少于全部的轉(zhuǎn)換時(shí)間中被使用，例如，在轉(zhuǎn)換的20％到60％中。對(duì)于輝光到電弧的轉(zhuǎn)換，沒(méi)有恰好在電弧變化之前的和導(dǎo)致電弧變化的對(duì)應(yīng)的電流的變化，通常有小的線性電壓下降。這種情況的一種變更是電壓改變發(fā)生達(dá)短時(shí)間然后恰好在電弧轉(zhuǎn)變之前(2μs到10μs)返回到正常。
圖1c是在電弧發(fā)生之前和之后的很短的時(shí)間周期內(nèi)檢測(cè)到的通量傳感器131的電壓對(duì)時(shí)間、電流傳感器132的電流對(duì)時(shí)間、以及電壓傳感器133的電壓對(duì)時(shí)間的示例性曲線。該曲線示出了上述的預(yù)測(cè)的形態(tài)。圖1d是包括圖1c的樣本曲線的曲線，可是其所包括的更長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度示出在系統(tǒng)100的分流動(dòng)作之后曲線的延伸形態(tài)。
控制器140接收用于監(jiān)控系統(tǒng)100的特性的信號(hào)。例如，傳感器131、132、133能夠提供把一個(gè)或多個(gè)信號(hào)提供給控制器140以允許監(jiān)控在等離子體容器180中的等離子體的狀態(tài)。控制器140可包括，例如諸如微處理器的集成電路?；蛘?，單個(gè)集成電路或微處理器能夠并入控制器140和系統(tǒng)100的其它電子組件。一個(gè)或多個(gè)微處理器可實(shí)施執(zhí)行控制器140的功能的軟件。此外，控制器140可以用軟件、固件或硬件(例如特定應(yīng)用集成電路)來(lái)實(shí)施。該軟件可以被設(shè)計(jì)成在通用設(shè)備或用于在此描述的功能性的專(zhuān)門(mén)的處理器上運(yùn)行。
控制器140能夠響應(yīng)從傳感器131、132、133接收的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)以控制等離子體容器180中的等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)換。例如，控制器140通過(guò)檢測(cè)和終止不期望的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和重新觸發(fā)所需的等離子體狀態(tài)，能夠支持被改善的處理?？刂破?40也能夠支持被改善的觸發(fā)方法。在本發(fā)明的實(shí)施例中，如從傳感器131、132、133中的一個(gè)或多個(gè)接收到信號(hào)顯示的那樣，在所需的狀態(tài)之間的受控轉(zhuǎn)換包括在容器180沒(méi)有等離子體的時(shí)期。
例如，所需的電弧等離子體在利用陰極電弧清潔/加熱周期的工具涂層PVD系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)。該系統(tǒng)要求磁控管在小功率電弧等離子體狀態(tài)下工作。該磁控管在系統(tǒng)正在處理的工具上提供用于離子刻蝕和磁控管靶材料的離子注入的離子源。如果電弧等離子體消失，該等離子體可轉(zhuǎn)換為輝光等離子體狀態(tài)，導(dǎo)致淀積速率的降低和工具毀壞。
為避免工具損壞，根據(jù)圖1a的廣義實(shí)施例，控制器140能夠閉合開(kāi)關(guān)單元120以使輝光等離子體停止，且然后控制進(jìn)一步的步驟以使所需的電弧等離子體重新觸發(fā)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，控制器140打開(kāi)開(kāi)關(guān)單元120以允許存儲(chǔ)在諧振電路的一個(gè)或多個(gè)電感器中的能量促進(jìn)這種觸發(fā)。
例如，在濺射PVD系統(tǒng)中可發(fā)現(xiàn)所需的輝光等離子體，它通常能夠顯示出到電弧狀態(tài)的不期望的轉(zhuǎn)換。對(duì)具有普通技術(shù)知識(shí)的人員來(lái)說(shuō)已知的各種類(lèi)型的輝光到電弧的轉(zhuǎn)換在被控制器140檢測(cè)到的時(shí)候能夠接收特定的響應(yīng)。
響應(yīng)微電弧的檢測(cè)，例如，控制器140在一些實(shí)施例中以近似小于200μsec的方式，或者在一些實(shí)施例中甚至是以近似小于1μsec的方式能夠閉合開(kāi)關(guān)單元120以將等離子體容器180中的電流變?yōu)榱汶娏?。迅速減小電流能夠降低微粒成形和放射的可能性。
通過(guò)由一個(gè)或多個(gè)傳感器131、132、133提供的信號(hào)或多個(gè)信號(hào)，控制器140能夠檢測(cè)到微電弧的形成。在耦合到諧振電路110的電感器的磁通量時(shí)，通量傳感器130在過(guò)多的損壞發(fā)生之前能夠讓控制器140在截?cái)嚯娀‰娏鞯碾娀￠_(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)閉合開(kāi)關(guān)單元120。電弧的形成通常將致使電壓迅速降低及電流增加?？刂破?40能夠閉合開(kāi)關(guān)單元120達(dá)諧振電路的循環(huán)時(shí)間的幾分之一以使微電弧消失。然后該電流能下降直到零值。
例如，開(kāi)關(guān)單元140能夠保持閉合達(dá)諧振電路110的大電流的半周期?？刂破?40然后能夠打開(kāi)開(kāi)關(guān)單元120，且諧振電路110能夠正向振鈴并支持電壓過(guò)調(diào)整以重新觸發(fā)輝光等離子體。
強(qiáng)的或持續(xù)的電弧比微電弧既更難以消失又難于確認(rèn)為消失?？刂破?40能夠執(zhí)行開(kāi)關(guān)單元120的重復(fù)的循環(huán)直到強(qiáng)電弧消失。在強(qiáng)電弧的情況下，既使用通量傳感器131又使用電壓及電流傳感器132、133中的一個(gè)或二者以確認(rèn)消失是有利的。如此，電弧形成或消失的錯(cuò)誤指示的可能性能夠被降低。
為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的信號(hào)感測(cè)和控制特征，傳感器132、133能夠把有限的預(yù)估值組提供給控制器140?？刂破?40以閉環(huán)方式作出響應(yīng)。參照?qǐng)D200和300下面將進(jìn)一步描述控制器140實(shí)施的控制功能。
在系統(tǒng)100更詳細(xì)的實(shí)施例中，控制器140包括系統(tǒng)情形感測(cè)和適合的響應(yīng)特征。例如，控制器140能夠接收表示系統(tǒng)100的另外的處理和狀態(tài)情況的另外的信號(hào)。響應(yīng)系統(tǒng)100狀態(tài)和處理狀況，控制器140能夠調(diào)用更適合本狀況的模式，例如處理技巧。因此，控制器140能選擇合適的模式和動(dòng)作。例如，該模式的變化能夠與處理中包括的步驟的數(shù)量和/或類(lèi)型的變化而不是一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有步驟內(nèi)的簡(jiǎn)單變化相關(guān)聯(lián)。
例如，等離子體容器180可以是DC基于陰極的濺射容器。這種容器可以包括聚焦和聚集容器180中的等離子體的磁控管設(shè)備器件。容器180可以是傳統(tǒng)的等離子體處理腔。例如，在容器中的靶和襯底之間能夠引入反應(yīng)性氣體以支持反應(yīng)性濺射淀積。為了加強(qiáng)淀積處理，襯底能夠用DC或RF源加偏壓(biased)。襯底后平面能夠包括利用背后的氣體加熱襯底的加熱機(jī)構(gòu)。該后平面可以旋轉(zhuǎn)用于襯底上更均勻的濺射淀積。
圖2是包括作為圖1a中示出的裝置190的示例性實(shí)施例的裝置190A的等離子體處理系統(tǒng)100A的方框圖。系統(tǒng)100A包括諧振電路110A、開(kāi)關(guān)單元120A、通量傳感器131A、電流傳感器132A、電壓傳感器133A、箝壓電路160A、電源170A。系統(tǒng)100A可選擇地包括零偏壓提供單元150A。
電源170A是DC電源，并包括與電源170A的輸出串聯(lián)的濾波電感Lf，與電源170A的輸出并聯(lián)的濾波電容Cf。開(kāi)關(guān)單元120A包括開(kāi)關(guān)121，并且在一些實(shí)施例中還包括二極管122。開(kāi)關(guān)121可以是，例如，氣體開(kāi)關(guān)、SCR開(kāi)關(guān)、IGBT開(kāi)關(guān)、SiT開(kāi)關(guān)、FET開(kāi)關(guān)、GTO開(kāi)關(guān)或MCT開(kāi)關(guān)。更一般的，開(kāi)關(guān)單元120A能夠包括相同或不同類(lèi)型的兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)。例如，二極管122可以是齊納二極管。
二極管122使開(kāi)關(guān)單元120A充當(dāng)單向開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)121閉合時(shí)，二極管122允許生成反極性電流流向等離子體容器的陰極。如來(lái)自傳感器131A、132A、133A的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)所示，反向電流能夠加速轉(zhuǎn)換為等離子體容器中的非等離子體狀態(tài)。當(dāng)響應(yīng)形成在容器中的電弧等離子體而閉合的時(shí)候，例如，在一些實(shí)施例中的開(kāi)關(guān)單元120A可以在陰極承受近似20A(相對(duì)于約14A的運(yùn)行電流)的峰值電流的同時(shí)傳送近似85A的峰值電流。
零偏壓提供單元150A包括變壓器151、二極管152和電容器153。變壓器151與控制器進(jìn)行電氣通信，例如，圖1a中示出的控制器140。由提供單元150A提供的電壓改變了由開(kāi)關(guān)單元120A和其它組件(即使有的話，與開(kāi)關(guān)單元120A串聯(lián))電阻產(chǎn)生的電壓降。例如，通過(guò)施加等于在峰值電流處一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)121兩端的電壓降的補(bǔ)償電壓，提供單元150A能夠被用來(lái)減少在開(kāi)關(guān)單元120A中開(kāi)關(guān)121的所需的數(shù)量。
例如，如果開(kāi)關(guān)121被實(shí)施為兩個(gè)FET，每個(gè)代表1Ω，則串聯(lián)的兩個(gè)FET表現(xiàn)出2Ω的電阻。對(duì)于50A的電路，電壓降將是100V。在這種情況下，提供單元150A補(bǔ)償值可被設(shè)為100V。負(fù)載電流，即等離子體容器180電流，對(duì)零偏壓提供單元150補(bǔ)償值的所需水平能夠具有二次效應(yīng)。
競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)必須被平衡以識(shí)別開(kāi)關(guān)單元120A的適當(dāng)?shù)碾娮?。為了建立有效的可供選擇的電路，開(kāi)關(guān)單元120A能夠具有相對(duì)于電弧等離子體相似的或更小的電阻。為了消耗能量以避免電弧等離子體的無(wú)意的重新觸發(fā)，開(kāi)關(guān)單元120應(yīng)具有大電阻。在典型的實(shí)施例中，阻抗的平衡值被設(shè)置成開(kāi)關(guān)單元120A具有近似與典型的電弧等離子體阻抗相等的阻抗。
例如如果電弧等離子體以近似60amps導(dǎo)致40V的電壓降，這對(duì)應(yīng)于0.67ohms的阻抗。用于這些狀況的典型的開(kāi)關(guān)阻抗近似為0.6ohms或更小。在不使用零偏壓提供單元151A時(shí)，開(kāi)關(guān)單元121的阻抗至少在分路周期的開(kāi)始能夠類(lèi)似等離子體的阻抗。
箝壓電路160A包括用于前向和反向箝壓的串聯(lián)及分別以?xún)山M形式定位的二極管161。例如，該二極管可以是單向的齊納二極管。箝壓電路160的工作的一些的可選結(jié)構(gòu)和方法在授予Sellers的第6,524,455號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中描述。
諧振電路110A包括與電源170A的輸出和等離子體容器的輸入串聯(lián)的電感器LR，以及與電源170A的輸出和等離子體容器的輸入并聯(lián)的電容器CR。電容器Cr和電感器Lr能夠被選擇為盡可能的快。高頻限制會(huì)產(chǎn)生在電源170A的輸出和等離子體容器180之間具有支配電感(最大值)的電感器Lr需求。在諧振電路中維持足夠的能量以使電流振蕩直到零值是有利的。這個(gè)能量能夠正比于在等離子體容器180中的DC處理電流。
頻率范圍的低端能夠由電源的靈敏度確定。對(duì)電源170A而言忽略諧振電路110A的工作是所期望的，例如，為了使淀積速率盡可能保持恒定，僅在控制器140給出命令時(shí)關(guān)閉電源。因此，電源170A濾波電感器Lf的值可以選擇為比電感器Lr的值大得多，例如，10x或更大。例如，電感器Lr可以具有10μH的值，而電源170A濾波電感器Lf可以具有2mH的值。
圖2的通量傳感器131A包括毗鄰諧振電路110A的電感器LR設(shè)置的電感器以致當(dāng)變化電流通過(guò)諧振電路110A的電感器LR時(shí)在通量傳感器131A中感應(yīng)出電流。諧振電路110A的電感器LR可以包括，例如，諸如在空心電感器中的線圈；通量傳感器131A可包括被軸向地設(shè)置于諧振電路110A的電感器LR之內(nèi)的線圈。當(dāng)發(fā)生，例如，在等離子體容器內(nèi)的等離子體狀態(tài)的發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)和/或在開(kāi)關(guān)單元160A閉合時(shí)，通量傳感器對(duì)諧振電路131A中電流的變化是敏感的。
基于線圈的通量傳感器可包括由細(xì)的儀器引線制成的線圈以簡(jiǎn)化制造。通量傳感器131A可包括耦合到線圈高速SCR或的閘流管。最好是，通量傳感器131A是在到等離子體容器的電流路徑上的最后組件。例如，與電感器LR共處一處作為通向連接到等離子體容器的連接器的最后組件。
電流傳感器132A電壓傳感器133A能夠分別感測(cè)諧振電路、電源、和等離子體的輸入中的至少一個(gè)的電流和電壓。傳感器131A、132A、133A中的一個(gè)或其組合能夠被用來(lái)支持控制器的功能性。在一些實(shí)施例中傳感器讀數(shù)以諧振電路110的諧振頻率小數(shù)或整數(shù)倍被采樣。
圖3是控制用于材料處理的等離子體方法300的實(shí)施例的流程圖。方法300能夠用例如圖1a和2中示出的裝置190、190A來(lái)實(shí)施。該方法包括提供與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路(步驟310)。諧振電路能夠存儲(chǔ)和釋放能量。該方法也包括檢測(cè)例如信號(hào)中的變化，該信號(hào)變化指示等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(步驟320)，以及包括在變化被檢測(cè)到之后分路諧振電路以允許諧振電路的共振(步驟330)。
在一些實(shí)施例中，分路持續(xù)等于諧振電路的半周期的一段時(shí)期。如果電弧放電等離子體持續(xù)，在一些這樣的實(shí)施例中方法300包括在再次分路之前等待半個(gè)周期(步驟340)。在一些實(shí)施例中分路和等待的處理被重復(fù)直到變化不再被檢測(cè)到(步驟350)。在指示等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換或等離子體的消失的變化被檢測(cè)到時(shí)，分路和等待的處理停止(步驟360)。該方法也包括在使不期望的等離子體狀態(tài)消失之后重新觸發(fā)等離子體(步驟370)。
在等離子體容器中的等離子體的可能的狀態(tài)例如包括例如被圖1a中示出的傳感器131、132、133獲取的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)指示的各種輝光等離子體狀態(tài)、各種電弧放電狀態(tài)和無(wú)等離子體狀態(tài)。在信號(hào)中的任何多種變化能夠被用來(lái)檢測(cè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的開(kāi)始。通量傳感器131在檢測(cè)等離子體狀態(tài)開(kāi)始變化方面或許是最有效的。參照?qǐng)D8下面將描述通量傳感器131的特征。
參照?qǐng)D4和5，例如，通過(guò)檢查與等離子體相關(guān)聯(lián)的電流和/或電壓，可以確定在容器中的等離子體的狀態(tài)。圖4是定性地示出在從輝光等離子體轉(zhuǎn)換到電弧等離子體期間電壓和電流如何對(duì)時(shí)間變化的曲線圖。圖5是定性地示出在輝光等離子體和電弧等離子體中的電壓和電流之間的關(guān)系的曲線圖。通過(guò)它們的特性值可以識(shí)別輝光和電弧等離子體。例如在圖4中，輝光等離子體其特征為電壓近似為500V且電流近似為10A，而電弧等離子體其特征為電流近似為100A且電壓近似為20V。因此，感測(cè)電壓和/或電流水平以及它們的轉(zhuǎn)換是獲取等離子體狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的指示的一種手段。
當(dāng)電流和電壓水平正在變化時(shí)，電流和電壓信號(hào)之間的相位關(guān)系能夠被用來(lái)指示容器中的等離子體狀態(tài)。例如，分路(330)可使等離子體容器中的等離子體的消失發(fā)生，而信號(hào)能夠被用來(lái)確認(rèn)等離子體已經(jīng)消失。例如，在關(guān)閉狀態(tài)，等離子體容器表現(xiàn)為電容阻抗，而在輝光或電弧放電等離子體狀態(tài)，該容器表現(xiàn)出電感阻抗。電壓和電流波形的關(guān)系的檢查，當(dāng)由一個(gè)或多個(gè)傳感器提供時(shí)，允許確定容器的當(dāng)前阻抗。例如，輝光等離子體和電弧放電等離子體二者都表現(xiàn)出電壓超前電流的特性。例如，這種特性能夠在輝光或電弧等離子體以新方式形成且仍必須穩(wěn)定的時(shí)候被觀察到。
參照?qǐng)D6，例如，電壓水平能夠單獨(dú)被用來(lái)推斷等離子體己經(jīng)消失。例如，對(duì)在特定的處理情形(例如，氣體類(lèi)型和壓力條件)下正在被操作的系統(tǒng)100的一個(gè)特定實(shí)施例而言，維持輝光等離子體的最小電壓能夠用實(shí)驗(yàn)方法予以確定。圖6是示出在樣品系統(tǒng)的輝光等離子體狀態(tài)測(cè)量到的電壓(例如，由電壓傳感器感測(cè)到的)對(duì)時(shí)間的變化的曲線圖。通過(guò)減少施加給包含輝光等離子體的等離子體容器的功率并感測(cè)等離子體容器兩端之間的電壓可以獲得該曲線的數(shù)據(jù)。
例如，在9瓦特傳送功率，電壓為233V。在8瓦特傳送功率，在總電壓減小的同時(shí)電壓波動(dòng)增加。當(dāng)傳送功率減小到約6瓦特時(shí)，等離子體瓦解，即消失，在等離子體瓦解的功率水平對(duì)應(yīng)于如曲線圖上所指示的電壓水平Vmin。因此，用實(shí)驗(yàn)方法確定的電壓水平Vmin則能夠被用作在感測(cè)等離子體容器電壓以確認(rèn)輝光等離子體已經(jīng)消失的時(shí)候的閾值電壓。
在諧振電路被分路的時(shí)候(步驟330)，流經(jīng)等離子體容器的電流在諧振電路的初始半周期期間相對(duì)于在初始半周期之前流經(jīng)該容器的電流會(huì)有相當(dāng)大的減小。例如，閉合開(kāi)關(guān)單元120能夠在諧振電路110的第一個(gè)半周期期間以快速的速率減小等離子體容器180中的電流。諧振電路的半周期可以具有近似1到50μsec的范圍。在分路半周期之后，可以取消分路。短暫的分路能足夠使容器中的等離子體消失。
圖7示出了電流和電壓曲線，其能夠由傳感器132、133收集的。該曲線示出了輝光等離子體到消失狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在諧振電路被分路時(shí)，電流和電壓迅速地降低。然而，電流和電壓可以不必下降到零。例如，電流可以近似為0.5A，且電壓近似為10V。
此外，可以采用單極性開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)能夠讓諧振電路110在第二個(gè)半周期期間在零值以下衰減振蕩。單極性開(kāi)關(guān)也能夠使開(kāi)關(guān)的關(guān)閉轉(zhuǎn)換的定時(shí)的重要性降低。容器180中的等離子體在電流轉(zhuǎn)換其流動(dòng)方向時(shí)可以被認(rèn)為是消失的。
本發(fā)明的方法300可包括，例如，如果放電等離子體持續(xù)，在再次分路之前等待半周期或其它間隔(步驟340)。此外，分路(步驟330)和等待(步驟340)能夠被重復(fù)直到該變化(步驟320)不再被檢測(cè)到(步驟350)。在預(yù)先選擇數(shù)量的重復(fù)周期之后或在預(yù)先選擇的時(shí)間周期過(guò)去之后，不能熄滅電弧將導(dǎo)致電源的關(guān)閉。在這種情況下，分路能夠被允許繼續(xù)直到使得電源關(guān)閉，例如，達(dá)大于半個(gè)周期。
感測(cè)第二個(gè)信號(hào)中的變化能夠支持識(shí)別等離子體狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及確認(rèn)等離子體的重新觸發(fā)(步驟360)。在使不期望的等離子體狀態(tài)消失之后重新觸發(fā)等離子體(步驟360)使例如重新觸發(fā)輝光或電弧等離子體發(fā)生。為了獲得電弧等離子體，能夠分路諧振電路以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量，然后去除分路以使存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器的輸入以觸發(fā)等離子體容器中的等離子體。該存儲(chǔ)的能量能夠用來(lái)使電源電流增加到比電弧放電等離子體的穩(wěn)態(tài)電流更大的水平。該分路然后被去除以使電流送往等離子體容器的輸入。從而電弧放電等離子體可在等離子體容器中被觸發(fā)，對(duì)比普通的現(xiàn)有做法，不用接觸容器的陰極。
為了獲得輝光等離子體，可以分路諧振電路以在諧振電路的周期的有效部分以增加在諧振電路中存儲(chǔ)的能量。然后可去除分路以使存儲(chǔ)的能量被送往等離子體容器的輸入從而在等離子體容器中觸發(fā)輝光放電等離子體。周期的有效部分可以是1/2周期。
參照?qǐng)D8和9，描述了輝光等離子體到電弧等離子體的不期望的轉(zhuǎn)換，通過(guò)分路使電弧等離子體消失以及輝光等離子體的重新觸發(fā)。圖8是通量傳感器131電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖；圖9是電流傳感器132電流對(duì)時(shí)間的曲線圖。通量傳感器131信號(hào)是電弧等離子體開(kāi)始的敏感的和迅速的指示物。當(dāng)電弧被檢測(cè)到時(shí)，諧振電路分路半個(gè)周期，使電流傳感器中的電路迅速下降至零(無(wú)等離子體)，由于電路振蕩，具有對(duì)負(fù)電流的小的擺動(dòng)。通量傳感器131的電壓水平的上升能夠被用作已經(jīng)發(fā)生例如轉(zhuǎn)換成弧等離子體的指示物。
因?yàn)橥總鞲衅?31提供等離子體轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確的指示物，小的電壓水平能夠被選為等離子體開(kāi)始的閾值指示物。例如，1.0V的電壓能夠被選作閾值水平。諧振電路的分路能夠響應(yīng)檢測(cè)通量傳感器電壓上升到閾值水平之上。
例如，對(duì)具有12μh值的電感器和0.1μf的電容器的諧振電路而言，諧振頻率將為145khz。這些實(shí)例值能夠覆蓋，例如，從幾個(gè)瓦特到高達(dá)60kw的大范圍的濺射狀況。
這些實(shí)例值對(duì)大范圍的氣體類(lèi)型、氣體流動(dòng)速率和靶材料也是有效的。然而，由于電弧放電的電壓和電路范圍可以與一些濺射處理的一樣高，一些更稀有的靶材料中需要在控制器中作一些小的調(diào)節(jié)以成為最為有效。
這種效應(yīng)的一個(gè)實(shí)例見(jiàn)諸TiB2(二硼化鈦)的濺射淀積。在一種TiB2具有385V DC的濺射電壓的處理中，發(fā)弧時(shí)該電壓降到310V DC。但是，該放電是完全可見(jiàn)的電弧，因此，傳感器，例如傳感器131、132、133應(yīng)將這種小的變化識(shí)別為轉(zhuǎn)換。因此，需要一個(gè)以上的傳感器來(lái)充分地定義等離子體模式，且控制器能更為有效，其具有足夠能量定義小的狀態(tài)變化。
分路可在近似等離子體消失的時(shí)間或該時(shí)間之后被除去。除去分路也能夠啟動(dòng)重新觸發(fā)輝光等離子體的處理。通量傳感器131展示電容性的充電相，如同電流傳感器132做的一樣。在觸發(fā)和下降到穩(wěn)定的狀況之后，通量傳感器131在電流傳感器132顯示表示輝光等離子體的穩(wěn)定的電流的同時(shí)顯示出沒(méi)有信號(hào)。
用兩個(gè)傳感器能夠更可靠地檢測(cè)重新觸發(fā)。例如，任何下列傳感器的組合可用來(lái)檢測(cè)觸發(fā)通量傳感器131、電壓傳感器133、電流傳感器132以及設(shè)置成檢測(cè)由容器中的等離子體發(fā)射的光的光傳感器(未示出)。來(lái)自第二個(gè)傳感器的信號(hào)能夠被用來(lái)驗(yàn)證由來(lái)自第一個(gè)傳感器的信號(hào)提供的等離子體重新觸發(fā)的指示。傳感器信號(hào)也可被用來(lái)指示容器中的等離子體的類(lèi)型。例如，由等離子體發(fā)射的光的特征指示容器中等離子體的類(lèi)型。電弧等離子體的光強(qiáng)度比輝光等離子體的光強(qiáng)度近似大10倍。
為了觀察由等離子體發(fā)射的光，光傳感器可以是寬帶傳感器，例如，硅檢測(cè)器。例如，控制器140用門(mén)控制從光傳感器到電弧消失周期的信號(hào)。即，在等離子體的電流被驅(qū)動(dòng)到零的同時(shí)能夠收集光學(xué)信號(hào)以在所有的光發(fā)射充分消失的時(shí)候獲得缺乏等離子體的指示。當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到充分的光的時(shí)候容器中的等離子體可以被認(rèn)為是消失的。
參照?qǐng)D10，本發(fā)明的一些特征提供了改進(jìn)的觸發(fā)方法。圖10是觸發(fā)用于材料處理的等離子體的方法1000的流程圖。方法1000能夠用圖1a和2中示出的系統(tǒng)100、100A來(lái)實(shí)施，并且能夠與方法300組合來(lái)利用。方法1000包括提供與電源的輸出和等離子體的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路，該諧振電路用于存儲(chǔ)和釋放能量(步驟1010)，分路諧振電路以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量(步驟1020)，并除去該分路以使存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器的輸入以觸發(fā)等離子體容器中的等離子體(步驟1030)。對(duì)等離子體處理領(lǐng)域具有普通技術(shù)知識(shí)的人而言是清楚的，適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)條件應(yīng)當(dāng)被提供以觸發(fā)等離子體，例如，氣體類(lèi)型、壓力和流動(dòng)速率狀況。
方法1000可選地包括感測(cè)與等離子體容器中的等離子體狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)(步驟1040)，例如，以確認(rèn)等離子體的觸發(fā)。例如，觸發(fā)可以被確認(rèn)，如同上面對(duì)應(yīng)于方法300所描述的那樣。同樣，如同上面對(duì)應(yīng)于方法300所描述的那樣，如果信號(hào)指示等離子體容器中的等離子體的不期望的等離子體狀態(tài)，可應(yīng)用分路以使等離子體消失(步驟1050)。
為了觸發(fā)電弧等離子體，能分路諧振電路直到諧振電路使電源的電流比電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)電流要大。然后分路被除去以使電流被送往等離子體容器的輸入以觸發(fā)等離子體容器中的電弧等離子體。通常，系統(tǒng)必須傳送比獲得輝光放電狀況所需的更多的能量給氣體以迫使氣體成電弧放電的狀況。
控制器140能夠閉合開(kāi)關(guān)單元120以創(chuàng)建等離子體容器180和電源170之間的短路。短路允許電源170使電流直線上升至稍高于電弧等離子體的期望的穩(wěn)定工作電流的適當(dāng)?shù)乃?。?dāng)控制器140檢測(cè)到DC電流已經(jīng)達(dá)到該升高的水平時(shí)，控制器140打開(kāi)開(kāi)關(guān)單元120。然后電流從開(kāi)關(guān)單元120轉(zhuǎn)移到等離子體容器的陰極，導(dǎo)致產(chǎn)生迫使電弧等離子體的形成以支持電流的高電壓和高電流二者。不用使用物理接觸步驟以將觸發(fā)能量傳送給陰極，如此可觸發(fā)電弧放電。
為了觸發(fā)輝光等離子體，諧振電路在諧振電路的周期的有效部分被分路以增加存儲(chǔ)在諧振電路中的能量。然后分路被除去以在該周期的有效部分之后使存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器以觸發(fā)等離子體容器中的輝光等離子體。該周期的有效部分可以是半個(gè)周期。
例如，控制器140能夠等待直到電源170的DC輸出電壓穩(wěn)定在其峰值。然后控制器140能夠閉合開(kāi)關(guān)單元120半個(gè)周期以當(dāng)電路衰減振蕩并變?yōu)檎臅r(shí)增加存儲(chǔ)在諧振電路110的電感器中的能量。電壓水平能夠增加到受箝壓電路限制為止或直到輝光等離子體觸發(fā)為止。
參照?qǐng)D11，例如，輝光等離子體的觸發(fā)能夠通過(guò)觀察由電壓或電流傳感器提供的電壓或電流的水平來(lái)確定。圖11是電壓和電流曲線對(duì)時(shí)間的曲線圖。當(dāng)標(biāo)志觸發(fā)開(kāi)始的電容性放電發(fā)生時(shí)，增加的電壓在達(dá)到觸發(fā)電壓水平之后逐漸下降。短暫的高電壓和低電流工作情況對(duì)應(yīng)于湯森放電觸發(fā)階段。然后電壓下降，并逐漸穩(wěn)定在工作的水平。在曲線圖中指示的正常工作區(qū)域中，電壓的增加提供在輝光等離子體的電流的近似線性的增加。
在等離子體形成之前的電壓的逐步增加對(duì)應(yīng)于與等離子體容器相關(guān)聯(lián)的電容器的充電。因?yàn)闆](méi)有等離子體存在于容器中以提供通過(guò)容器的導(dǎo)電，在擊穿之前電流不隨電壓增加。電流的迅速增加表示等離子體的發(fā)生，然后電流穩(wěn)定在工作水平。
要求觸發(fā)所需的觀察到的過(guò)電壓能夠支持等離子體已經(jīng)被觸發(fā)的確認(rèn)，并因而也能確認(rèn)等離子體首先已經(jīng)消失。觸發(fā)等離子體所需的過(guò)電壓的水平能夠受到等離子體容器的狀況的影響。例如，已經(jīng)持有等離子體的容器在先前的小時(shí)內(nèi)在重新觸發(fā)時(shí)能夠比完全“冷卻”的容器展現(xiàn)出更小的過(guò)沖。對(duì)一個(gè)示例性的容器而言，當(dāng)冷觸發(fā)電壓可以是近似1250V的同時(shí)，對(duì)同一容器熱觸發(fā)的電壓可以是近似750V，其穩(wěn)定的工作穩(wěn)定在大約500V。采用重新觸發(fā)之間更短的關(guān)閉時(shí)期，過(guò)沖水平將趨向于降低直到達(dá)幾乎恒定的用于某特定條件組的過(guò)沖電壓。例如，等離子體可以在先前的1μsec到10秒之內(nèi)消失。雖然本發(fā)明已經(jīng)被具體地示出和參考特定的較佳實(shí)施例被描述，本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離如附屬的權(quán)利要求書(shū)所定義的精神和范圍的情況下，可以在那里做出形式上和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求為
權(quán)利要求
1.一種控制用于材料處理的等離子體的裝置，該裝置包括與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路，所述諧振電路用于存儲(chǔ)和釋放能量；用于獲取與等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)的傳感器；以及響應(yīng)信號(hào)在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間可以轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)單元，所述開(kāi)關(guān)單元的第二狀態(tài)用于分路所述諧振電路以允許使等離子體的狀態(tài)發(fā)生改變的所述諧振電路的諧振。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述諧振電路包括電感器，以及所述傳感器配置成感測(cè)由電感器感應(yīng)的通量。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述傳感器可以鄰近所述諧振電路的所述電感器同軸地設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元具有足夠大的電阻以有效地充當(dāng)在分路期間所述諧振電路的阻尼阻抗。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元具有小于等離子體容器中的電弧放電等離子體的電阻的電阻。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元具有大于等離子體容器中的電弧放電等離子體的阻抗的阻抗。
7.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元的電阻值在近似0.001Ω到近似100.0Ω范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于從傳感器接收信號(hào)和用于使開(kāi)關(guān)單元轉(zhuǎn)換為第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的至少一個(gè)狀態(tài)以影響等離子體的狀態(tài)的控制器。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述控制器被配置成使開(kāi)關(guān)單元在等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由信號(hào)的變化指示時(shí)轉(zhuǎn)換到第二狀態(tài)。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括與等離子體容器的輸入并聯(lián)的箝壓電路。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述箝壓可以是不對(duì)稱(chēng)的箝壓。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括與開(kāi)關(guān)單元串聯(lián)的用于對(duì)所述開(kāi)關(guān)單元施加補(bǔ)償電壓的零偏壓提供單元，所述補(bǔ)償電壓與由開(kāi)關(guān)單元和與開(kāi)關(guān)單元相關(guān)聯(lián)的寄生電路元件中的至少一個(gè)的電阻引起的電壓降相關(guān)聯(lián)。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于感測(cè)諧振電路、電源以及等離子體容器的輸入中至少一個(gè)的電壓的電壓傳感器。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于感測(cè)諧振電路、電源以及等離子體容器的輸入中至少一個(gè)的電流的電流傳感器。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述諧振電路包括電感，以及所述開(kāi)關(guān)單元具有在所述電感器和所述等離子體容器的輸入之間電氣連接的一個(gè)接線端。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元包括雙極性器件和單極性器件中的至少一個(gè)。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)單元包括氣體開(kāi)關(guān)、SCR開(kāi)關(guān)、IGBT開(kāi)關(guān)、SiT開(kāi)關(guān)、FET開(kāi)關(guān)、GTO開(kāi)關(guān)和MCT開(kāi)關(guān)中的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述諧振電路包括與所述開(kāi)關(guān)單元并聯(lián)的電容器。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電源包括與所述電源的輸出并聯(lián)且與所述諧振電路的電容器并聯(lián)的電容器。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述諧振電路還包括與所述電源的輸出串聯(lián)的電感器。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述等離子體容器包括與所述電源的輸出進(jìn)行電氣通信的陰極，且所述電源包括DC電源。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電源包括與等離子體容器進(jìn)行電氣通信的AC電源。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述諧振電路和電源共用組件。
25.一種控制用于材料處理的等離子體的方法，該方法包括提供與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路，所述諧振電路用于存儲(chǔ)和釋放能量；檢測(cè)指示等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的變化，以及在所述變化被檢測(cè)到之后分路所述諧振電路以允許所述諧振電路的諧振。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述分路包括使等離子體在等離子體容器中消失。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述分路包括使等離子體在少于10μsec消失。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括獲取與等離子體的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)，以及所述檢測(cè)包括檢測(cè)所述信號(hào)的變化。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述等離子體至少是輝光等離子體和電弧放電等離子體中的一個(gè)。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，相對(duì)于在初始的半個(gè)周期之前流經(jīng)容器的電流，所述分路包括充分地降低在所述諧振電路的初始半個(gè)周期流經(jīng)等離子體容器的電流。
31.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換包括在等離子體容器中從輝光等離子體開(kāi)始電弧放電等離子體，以及所述分路包括相對(duì)于所述諧振電路的半個(gè)周期的分路。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括提供用于分路所述諧振電路的開(kāi)關(guān)單元，以及所述分路包括閉合所述開(kāi)關(guān)達(dá)所述諧振電路的所述半個(gè)周期。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括如果電弧放電等離子體持續(xù)，在再次分路之前等待半個(gè)周期。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，還包括重復(fù)分路并等待直到所述變化不再被檢測(cè)到。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括至少獲取包括諧振電路、電源和等離子體容器中的至少一個(gè)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)中的至少一個(gè)的第二信號(hào)，所述重復(fù)包括如果所述至少第二信號(hào)指示持續(xù)的電弧放電等離子體則重復(fù)。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述分路包括在所述重復(fù)出現(xiàn)多于預(yù)定數(shù)量的次數(shù)時(shí)使電源關(guān)閉。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述分路包括當(dāng)在預(yù)定的時(shí)期內(nèi)所述重復(fù)出現(xiàn)多于預(yù)定數(shù)量的次數(shù)時(shí)使電源關(guān)閉。
38.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括至少獲取包括諧振電路、電源和等離子體容器中的至少一個(gè)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)中的至少一個(gè)的第二信號(hào)，以及檢測(cè)指示等離子體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的所述第二信號(hào)的變化。
39.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括檢測(cè)獲取的信號(hào)的第二變化，所述第二變化指示等離子體的消失。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，還包括在等離子體容器中重新觸發(fā)等離子體。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述重新觸發(fā)包括分路所述諧振電路以增加存儲(chǔ)在所述諧振電路中的能量，以及除去所述分路以將存儲(chǔ)的能量送往等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)等離子體。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述增加存儲(chǔ)的能量的分路包括分路所述諧振電路直到所述諧振電路使電源的電流比電弧放電等離子體的穩(wěn)態(tài)電流大，以及所述的除去所述分路包括把電流換向到等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)電弧等離子體。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述增加存儲(chǔ)能量的分路包括相對(duì)于所述諧振電路的周期的有效部分分路諧振電路以增加存儲(chǔ)在所述諧振電路中的能量，以及所述的除去所述分路包括將存儲(chǔ)的能量在所述的周期的有效部分之后送往等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)輝光放電等離子體。
44.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述諧振電路包括與電源的輸出和等離子體容器的輸入串聯(lián)的電感器，以及感測(cè)信號(hào)包括感測(cè)由所述電感器感應(yīng)的通量。
45.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，等離子體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是輝光等離子體狀態(tài)到電弧放電等離子體狀態(tài)、電弧等離子體狀態(tài)到輝光等離子體狀態(tài)、電弧放電等離子體狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)、輝光等離子體狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)到電弧放電等離子體狀態(tài)、以及關(guān)閉狀態(tài)到電弧放電等離子體狀態(tài)中的一種。
46.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述諧振電路包括電容器和電感器，以及所述分路包括使電流在所述諧振電路中諧振以使施加到等離子體容器的輸入的電流反向。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，還包括箝位(clamp)反向的電流以將反向的電壓量值限制為小于預(yù)定的量值。
48.一種觸發(fā)用于材料處理的等離子體的方法，該方法包括提供與電源的輸出和等離子體容器的輸入進(jìn)行電氣通信的諧振電路，所述諧振電路用于存儲(chǔ)和釋放能量；分路所述諧振電路以增加存儲(chǔ)在所述諧振電路中的能量；以及除去所述分路以將存儲(chǔ)的能量送往所述等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)等離子體。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，所述分路包括分路所述諧振電路直到所述諧振電路使電源的電流比電弧等離子體的穩(wěn)態(tài)電流大，以及所述的除去所述分路包括把電流換向到等離子體容器的輸入以在等離子體容器中觸發(fā)電弧等離子體。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，所述分路包括相對(duì)于所述諧振電路的周期的有效部分分路所述諧振電路以增加存儲(chǔ)在所述諧振電路中的能量，以及所述的除去所述分路包括將存儲(chǔ)的能量在所述的周期的有效部分之后送往等離子體容器以在等離子體容器中觸發(fā)輝光等離子體。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于，所述周期的有效部分是半個(gè)周期。
52.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，還包括感測(cè)與等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，還包括如果信號(hào)指示沒(méi)有觸發(fā)所需的等離子體狀態(tài)，重復(fù)所述分路和所述除去分路。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述重復(fù)包括重復(fù)直到輝光等離子體被觸發(fā)、出現(xiàn)預(yù)定次數(shù)的沒(méi)有觸發(fā)輝光等離子體以及失敗的預(yù)定時(shí)期已過(guò)中的一種。
55.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述重復(fù)包括重復(fù)直到電弧放電等離子體被觸發(fā)、出現(xiàn)預(yù)定次數(shù)的沒(méi)有觸發(fā)電弧放電等離子體以及失敗的預(yù)定時(shí)期已過(guò)中的一種。
56.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，還包括如果信號(hào)指示等離子體容器中的等離子體的不期望的等離子體狀態(tài)，分路以使等離子體容器中的等離子體消失。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，還包括如果信號(hào)指示等離子體容器中的等離子體的不期望的等離子體狀態(tài)，分路以使等離子體容器中的等離子體消失。
58.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，大多數(shù)的所述存儲(chǔ)的能量由所述諧振電路的電感器存儲(chǔ)。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，電源的電感器或電源的電感器的部分由所述諧振電路共用。
60.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于，大多數(shù)的所述存儲(chǔ)的能量由所述電源的電感器存儲(chǔ)。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于，所述電源的電感器比所述諧振電路的電感器具有更大的電感量。
62.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述檢測(cè)指示等離子體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的變化包括檢測(cè)預(yù)測(cè)等離子體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的變化。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于，所述的在所述變化被檢測(cè)到之后分路所述諧振電路包括在轉(zhuǎn)換發(fā)生之前的分路。
全文摘要
控制用于材料處理的等離子體的方法和裝置，其特征是耦合到等離子體容器和電源的諧振電路和開(kāi)關(guān)單元的協(xié)作行動(dòng)。用于獲取與等離子體容器中的等離子體的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)的傳感器支持開(kāi)關(guān)單元的閉環(huán)控制。由該傳感器檢測(cè)到的不期望的等離子體狀態(tài)能夠通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)單元以分路諧振電路來(lái)消除。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1839459SQ200480023784
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
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