CN1384604A

CN1384604A - 双向谐波耗散***

Info

Publication number: CN1384604A
Application number: CN02105948A
Authority: CN
Inventors: Y·K·乔拉; D·弗雷斯
Original assignee: Eni Technology Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2002-12-11
Also published as: KR20020080260A; US6587019B2; EP1263135A3; US20020149445A1; EP1263135A2; JP2003008384A

Abstract

公开了一种设备,其中双向谐波耗散滤波器包括耦合到在预定频率范围内提供射频信号的RF功率放大器的输入端子,用于在预定频率范围内向负载提供射频信号的输出端子,在输入端子和输出端子之间连接的低通滤波器,和多个耦合到低通滤波器的高通滤波器,其中多个高通滤波器接收并耗散超出预定频率范围的信号,并且其中多个高通滤波器对阻抗的影响在低通滤波器输入和输出被抵消。通过从RF功率放大器提供RF信号、把具有超出预定频率范围来自RF功率放大器的信号转移到第一高通滤波器、耗散超出预定频率范围的信号、以及从等离子体室接收谐波能量给第二高通滤波器并耗散谐波能量来实现RF发生器***的能量耗散。

Description

双向谐波耗散***

发明领域

本发明涉及高功率RF放大器***，诸如用于半导体等离子处理应用中采用的那些***。

发明背景

包括等离子体反应器的等离子体处理装置，在半导体制造业中有着广泛的应用。等离子体反应器用于在类似分立晶体管、中等规模和大规模集成电路、微处理器和随机存取存储器这样的半导体基电元件的制造过程中改变原材料(例如硅)的电特性。利用等离子体反应器进行的典型工作包括溅射、等离子刻蚀、等离子淀积和反应性离子刻蚀。

在工作中，半导体工件放入反应器中。其次，在低压下将气体引入等离子体反应器。然后，将射频功率提供给气体从而将气体转变为等离子体。等离子体包括与半导体工件暴露的区域反应的荷电离子。作为许多这种操作的结果，电路就在半导体工件上产生了。

用于半导体制造业的等离子处理装置通常包括RF发生器、耦合在RF发生器一个末端的RF功率电缆、阻抗匹配网络、和连接到等离子体反应器的电极的一对铜片或RF功率电缆。在工作过程中，等离子体反应器的阻抗受到基本的变化。在点火之前，反应器中的气体没有电离因而不导电。一旦施加RF功率，气体就开始电离并且负载阻抗下降，因为在反应器中产生了电荷载流子。启动阶段之后，最终达到稳态工作条件。

等离子体流量(等离子体的密度与等离子体电荷速率的乘积)的变化即使在稳态工作中还能引起负载阻抗中显著的瞬态现象。此外，在点火过程中及达到稳态之前，所遇到的基本的阻抗变化可能导致显著的功率被反射回RF发生器使其变得不稳定并可能使等离子体处理过程不稳定或损坏RF发生器。这尤其是高“Q”等离子体处理中的情形。如将要进一步说明的那样，对于所遇到的工艺的整个范围的稳定工作，标准无耗散滤波器配置是不够的。

在等离子体淀积或溅射技术中，例如，过程由达到几千瓦水平的、在相对恒定的频率或诸如例如13.56MHz，±5％的频带所提供的射频能量驱动，典型地，有一个耦合到等离子体室的RF发生器，所述等离子体室具有一个插在它们之间以便使等离子体室的阻抗与RF发生器输出源阻抗相匹配的匹配网络，其典型的为50欧姆。

RF能量传送***可以包括RF发生器、匹配网络和负载。频率灵巧(frequency agile)等离子***通常正变得更加理想，因为它们允许更大的自由度以实现最优的等离子体阻抗匹配并因而允许固定的或可变的匹配网络。所述频率灵巧等离子***在预定的频率带宽上而不是恒定的频率上工作，例如代表大约在±5％到±10％之间的波动的带宽。

因为等离子体表现不象线性欧姆电阻，通过RF发生器将RF能量施加给等离子体室产生带外的能量，其能够是源频率的倍数(谐波)或是其中的一小部分(次-谐波)。

耗散滤波器通常在通信作业中采用，例如，作为在接收器前端的第一下转换器后的窄带通I.F.滤波器。耗散滤波器被采用来改善性能，其中需要提供适当的受控终结给带外信号。然而，因为没有提供等效的无损耗滤波器的陡峭衰减斜率，耗散滤波器还没有受到偏爱。因此，由于浅衰减斜率和能量耗散问题，电路设计人员不愿意在RF功率可达到几千瓦的RF传送***中放入这种类型的滤波器。

如美国专利5,187,457中所说明的，耗散谐波滤波器可放入发生器和匹配网络之间以处理由等离子体负载的非线性产生的带外的信号的问题。以前这样的尝试通常包括反射型无损耗滤波器，其反射而不是吸收谐波。然而，这没有解决与特定处理条件相关的等离子体室稳定性的问题，尤其是高“Q”方法中，因为具有切比雪夫(Chebyshev)或椭圆结构的标准反射滤波器不提供谐波的耗散终结。在这些结构防止谐波通过负载同时，它们通过另外的途径将谐波接地。在接地途径中的谐波产生谐波接地电流，即通常所说的引起附加栅-源电压差的“热接地”，其潜在的对MOSFET电路片是有害的。谐波接地电流的存在还产生在MOSFET栅极的谐波叠加的(super-imposed)基频波形，因而影响其开关特性。这导致了在给定电源电压下对于同样的输出功率不一致的驱动水平需求。因此在低通滤波器的输入具有终结的高通滤波器的双工器也可以被放入RF发生器内部的驱动器输出和放大器输入之间。

诸如美国专利5,187,457中引用的那些级联滤波器是耗散型的，并且由于在所需带宽上过量的功率损失、耗散的功率的去除以及相关的尺寸，其仅仅适用于固定频率等离子体***。此外，这些滤波器缺乏足够的谐波抑制，并且因此，额外地，需要用于所期望的等离子体***谐波抑制水平的无损耗滤波器。

半导体等离子体处理设备工业要求更低的成本和更小尺寸的等离子体发生器，因为制造空间现在非常珍贵。具有创新的电路拓扑的高压MOSFET，其使用表面安装技术和改善的制冷方法，被认为代表着一个满足这个要求的可能的解决方案。但是，高压MOSFET对由开关模式的驱动器输出和从等离子体室反射的能量引起的谐波接地电流很敏感。接地谐波电流的出现可能使RF功率放大器a)为了相对于功率增益和效率所需的性能而反复无常地开关；b)变得不稳定并且输送相对于设定点的不正确的功率；c)引起等离子体流量漏失；并且，d)增加可引起MOSFET电路片损坏的栅-源差电压。

这些现有技术的缺点通过本发明得以克服。

发明简述

本发明指向用于RF发生器***的双向双工器谐波耗散滤波器，包括输入端子，其耦合到提供预定频率范围的射频信号的电源；输出端子，用于在预定频率范围内将射频信号提供给负载；低通滤波器，具有输入和输出，该低通滤波器连接在所述输入端子和输出端子之间；多个高通滤波器，其耦合到低通滤波器，其中多个高通滤波器耗散超过预定频率范围的信号并且多个高通滤波器具有选自包括电容和电感的组的预定电路效应，并且结果的效应被低通滤波器在输入和输出抵消并吸收。

同样公开的是用于激励负载的频率灵巧RF发生器***的双向谐波耗散滤波器，包括RF功率放大器；输出端子，其耦合到在预定的频率范围提供射频信号的RF功率放大器；低通滤波器，具有输入和输出，输入阻抗和输出阻抗，所述低通滤波器耦合到输出端子；高通滤波器，耦合到低通滤波器输出上，其中高通滤波器接收和耗散超出预定频率带的从负载反射的谐波信号并且其中高通滤波器对低通滤波器输出阻抗上的影响被抵消；以及滤波器装置，用于管理RF功率放大器产生的谐波信号，该滤波器装置耦合到低通滤波器输入，其中滤波器装置对低通滤波器的输入阻抗的影响被抵消。

附图简要说明

图1是本发明优选的实施方案的频率灵巧RF等离子体***的***框图。

图2是本发明优选的实施方案的双向双工器的***框图。

图3是本发明优选的实施方案的双向双工器的示意图。

图4是本发明另一个实施方案的双向双工器的示意图。

发明的详细说明

参考附图且开始参考图1，用来使用高功率射频(RF)能量的***的一个实施方案包括具有RF功率放大器10和双向双工器16的RF发生器9。RF功率放大器10在本例中以高达3000瓦的功率、在例如13.56MHz的±5％到±10％的射频带内提供交流电流。RF功率放大器10具有50欧姆的有效输出阻抗。RF能量被供给施加一个RF负载的等离子体室12。负载阻抗在工作中可以变化，并且是非线性的，因而将优选频率带内的输入RF能量的频率转化成处于该输入频率的倍数或分数的频率的能量。根据本发明，为了将等离子体室12的阻抗匹配到RF功率放大器10的50欧姆阻抗，把阻抗匹配网络14放入双向双工器16和等离子体室负载12之间。

为了通过例如以13.56MHz频率为中心±5％的通频带内的能量，而耗散超出通频带的能量，根据本发明的双向双工器16优选地与RF功率放大器10和匹配网络14串联放置。通频带之下的次谐波能量和低频通过RF功率放大器10中没有画出的其它滤波器网络在电阻终结内耗散。这里说明的双向双工器16，是在RF功率放大器10和匹配网络14之间串联的，但是预计它还可以放置在***内其它合适的位置，例如在RF功率发生器9内。所给定的它的相对较小的电路尺寸，对于双向双工器16在***内放置的这个或其它选项是可能的。

图2是框图，其说明了双向双工器16的***元件。双向双工器16包括接收来自RF功率放大器10的输出25的低通滤波器20和至少两个用来接收和耗散谐波能量的高通滤波器27a和27b。本发明的一个实施方案中，为了整个动态范围上保持-50dBc或较低谐波含量和稳定的工作，RF功率放大器10的输出25所通过的双工器16包括5阶0.1dB通频带波纹椭圆响应低通滤波器20和多个5阶0.1dB通频带波纹切比雪夫响应高通滤波器。图2中，高通滤波器27a和27b被示出。视具体应用而定，更高阶的滤波器，例如7或9阶滤波器也可以使用。低通滤波器20具有16.4MHz的截止频率，具有典型的-43dBc的抑制下限。来自这个滤波器的二次谐波抑制典型的是-42dBc。三次谐波抑制典型的是-62dBc。然而，对于等离子体应用中的RF发生器，通过低通滤波器20的对谐波的抑制是不够的，且必须采取步骤以耗散谐波能量。

在本优选的实施方案中，谐波的耗散终结通过至少两个高通滤波器27a和27b得到，一个加在所述输入之前的连接点15上，一个加在低通滤波器20的输出之后的连接点17上。谐波能量可以以两种方式之一进入***。它可以通过RF功率放大器10产生，或者也可以在由等离子体介质的电离产生的瞬态流量过程中从等离子体室12反射回来。来自RF功率放大器10的谐波耗散由在低通滤波器20的输入的高通滤波器27a提供。朝着RF功率放大器10返回，从等离子体室12反射回来的谐波的耗散，由高通滤波器27b接收并耗散。

双工器16，即高通/低通滤波器装置，典型的使谐波畸变最小化，且具有对在高通滤波器27a和27b输入接收的谐波的耗散谐波终结。本实施方案的低通/高通滤波器组合形成双向双工器16，其对起源于RF功率放大器输出和从等离子体室负载反射回的谐波能量二者进行耗散。

其它双向谐波滤波器装置，包括高通和低通滤波器，是可以预计的并属于本发明的范围内。例如，多于两个的高通滤波器可以在有或没有附加低通滤波器时使用以提高谐波能量的耗散。而且，为耗散从等离子体室反射回的能量，仅一个连接在低通滤波器输出和负载之间的高通滤波器的使用，可以结合其它用于对从RF功率放大器产生的谐波能量进行管理例如耗散、反射和/或接地的装置使用。换句话说，只使用在低通滤波器输出的单个高通滤波器，不使用低通滤波器输入的第二高通滤波器，但是使用反射型滤波器或级联耗散型滤波器的双工器，其位于例如RF发生器电路内的其它地方，诸如合并到RF功率放大器电路中，或作为分离的谐波滤波器电路串联于RF发生器和匹配网络之间以提供在工作过程中通过RF发生器产生的谐波的反射、耗散或接地。

本优选实施方案中，来自RF功率放大器和/或等离子室的谐波在高通滤波器的27a和27b电阻终结被耗散，而对处于例如用于频率灵巧等离子体***的13.56MHz±5％之间带宽内的信号没有可观的影响。高通滤波器27a和27b减少了谐波接地电流并因而保护RF发生器使其不会变得不稳定和/或使其不在比设定点低得多的水平输送RF功率给等离子体室12并因而不会引起等离子体中的断流。谐波接地电流较低的水平还保护电源中的MOSFET管芯不受到过量的典型的不超过±30伏规格界限的栅-源电压差。这样，与低频和次谐波电阻终结结合，本优选的双向双工器16提供RF功率放大器10在整个电压驻波比(VSWR)的范围上和***的全部动态范围内稳定的工作。这对于执行高“Q”处理的等离子体***的稳定性特别重要。

优选实施方案中的高通滤波器27a和27b具有五阶0.1dB通频带波纹、切比雪夫响应和高至大约500瓦的功率的耗散。高通滤波器的截止频率是在20.4MHz具有3dB点的23.2MHz。视具体应用而定，也可以使用更高阶的滤波器，如7阶或9阶滤波器。尽管更高阶的滤波器将对相关的低通滤波器的频率响应和阻抗有更小的影响，但电路尺寸的增加是可观的。本领域的技术人员可想到对于可应用这里所说明的过程的高通滤波器的其它详细说明。

高通滤波器27a和27b以及低通滤波器20更详细的示于图3的示意图中，其中低通滤波器20可以调整到13.56MHz的±5％之间。低通滤波器20可以是椭圆结构，其具有短路带外较高频率的电容器C1、C3和C5，以及并联LC共振路径A和B，所述并联LC共振路径A和B具有电感L1和L2以及电容C2和C4，其阻挡带外较高频率的并使13.56MHz和其上例如±5％带宽的放大的纯净的RF信号通过。尽管图3中所说明的是椭圆结构，低通滤波器还可以采用切比雪夫结构，其具有并联输入-输出电容或输入-输出电感拓扑。

高通滤波器27a和27b各自由一系列分别是C6、C7和C8以及C9、C10和C11的电容器构成，其对较高频率(谐波)短路，且开路，阻挡低频电流到达终结电阻R1和R2。电感L3和L4以及L5和L6表现为对较低频率的短路和对较高频率的开路。在高通滤波器27a和27b中，包括二次、三次、四次、五次等谐波的被旁路的较高频率分量优选地输送给50欧姆耗散电阻R1和R2。低于预定带的频率落在高通滤波器的27a和27b抑制带中。

图3的优选实施方案中，高通滤波器的27a和27b各自有电容输出，分别以电容器C6和C9表示。虽然图3中的高通滤波器的27a和27b在结构上是切比雪夫式，还可以预计这些在结构上还可以是椭圆的。低通滤波器20包括电容输入和输出，分别是C1和C5，以补偿抑制带中高通滤波器27a和27b的电容性输入。因此本发明预计通过低通滤波器的20输入和输出电路抵消高通滤波器27a和27b对阻抗的电容性影响以恢复所需基频带内的性能。

例如，所选择的高通滤波器拓扑(利用串联的输入电容器)在抑制带具有电容性输入阻抗，其导致在预定的频率带内如±5％13.56MHz的带宽等效的电容值。高通滤波器27a和27b的这个等效输入电容能通过降低低通滤波器20输入-输出电容而被抵消从而高通滤波器等效输入电容被低通滤波器吸收。在低通滤波器20的两个输入-输出端子这种等效输入电容的适当抵消产生了恢复所需输入-输出电容和频率响应的结果。

图4说明本发明的另一个实施方案。低通滤波器100使用电感输入L1和电感输出L3，连同电感L2、L4和L5以及电容器C1和C2。高通滤波器200和300采用电感输入L6和L9，以及电感L7、L8和L10和L11，与电容器C3和C4以及C5和C6相串联，终结在用于谐波耗散的每个具有50欧姆电阻值的电阻R1和R2处。在预定的频率带(例如，13.56MHz，±5％)，高通滤波器200和300可以在它们的输入端口有等效的电感值。通过调节在低通滤波器20输入和输出的电感值这种电感效应能被输入和输出端口串联低通滤波器20的输入电感抵消和吸收。

这种谐波滤波器的各种变型视所期望的应用是可能的。例如，如果合适的话，电阻器、电感器和电容器能被匹配到不是50欧姆的阻抗。

而且，该双向双工器还能在其它高功率、高频率的应用中使用，其中非线性源利用高VSWR驱动线性或非线性负载。

虽然本发明是就本发明的上述实施方案进行了描述，但是应该明白本发明不限于这些明确的实施方案。许多变型和变化在不脱离附加的权利要求所限定的本发明的范围和精神的情形下将呈现给本领域中具有普通技术人员。

Claims

1.一种用于射频发生器***的双向谐波耗散滤波器，所述***用于在能够在预定频率范围内提供射频信号的功率源和负载之间耦合，所述滤波器包括：

输入端子，耦合在预定频率范围内提供射频信号的功率源上，；

输出端子，耦合所述负载，用于在预定频率范围向所述负载提供射频信号；

具有输入和输出的低通滤波器，低通滤波器连接在输入端子和输出端子之间；并且

多个耦合到低通滤波器的高通滤波器，其中多个高通滤波器耗散超过预定频率范围的信号，并且多个高通滤波器具有预定的选自包含电容和电感的组中的电路效应，所述效应通过低通滤波器在输入和输出被抵消。

2.如权利要求1中的滤波器，其中多个高通滤波器包括第一高通滤波器和第二高通滤波器，第一高通滤波器连接到所述输入端子和低通滤波器输入之间的连接点上，并且第二高通滤波器连接到低通滤波器输出和所述输出端子之间的连接点上。

3.如权利要求1中的滤波器，其中功率源包括RF功率放大器。

4.如权利要求1中的滤波器，其中负载包括等离子体室。

5.如权利要求4中的滤波器，其中输出端子通过阻抗匹配网络被耦合到等离子体室。

6.如权利要求1中的滤波器，其中预定的频率范围是大约13.56MHz的±5％。

7.如权利要求1中的滤波器，其中低通滤波器包括切比雪夫结构。

8.如权利要求1中的滤波器，其中低通滤波器包括椭圆结构。

9.如权利要求1中的滤波器，其中低通滤波器包括并联输入和输出电容值。

10.如权利要求1中的滤波器，其中低通滤波器包括串联输入和输出电感值。

11.如权利要求1中的滤波器，其中高通滤波器包括大约50欧姆的相关电阻值。

12.如权利要求1中的滤波器，其中所述多个高通滤波器包括切比雪夫或椭圆结构中的一个。

13.如权利要求1中的滤波器，其中高通滤波器具有大约500瓦的功率耗散容量。

14.如权利要求1中的滤波器，其中在预定频率范围内所述多个高通滤波器的每个具有预定电容值的电容输入。

15.如权利要求1中的滤波器，其中在预定频率范围内所述多个高通滤波器具有预定电感值的电感输入。

16.如权利要求1中的滤波器，其中高通滤波器包括第五阶0.1dB通频带波纹，-22dBc最低抑制切比雪夫结构。

17.一种双向谐波耗散滤波器，用于频率灵巧RF发生器***，所述***具有用于激励负载的RF功率放大器和RF发生器，所述***包括用于在预定频率范围内提供射频信号的RF功率放大器，所述滤波器包括：

输入端子，耦合到RF功率放大器用于接收在所述预定频率范围内的所述射频信号；

输出端子，用于在预定频率范围内通过阻抗匹配网络向负载提供射频信号；

低通滤波器，具有一个输入和一个输出，一个输入阻抗和一个输出阻抗，该低通滤波器连接在输入端子和输出端子之间；

高通滤波器，耦合到低通滤波器输出，其中高通滤波器接收并耗散超出预定频率的从负载反射的谐波信号，并且其中高通滤波器对在低通滤波器输出的阻抗具有预定的电路效应，该效应选自包括电容和电感的组中，且该效应通过低通滤波器在输出被抵消；

滤波器装置，用于管理由RF功率放大器产生的谐波信号，该滤波器装置耦合到低通滤波器的输入，其中该滤波器装置补偿低通滤波器的输入阻抗。

18.如权利要求17的滤波器，其中高通滤波器连接在所述低通滤波器输出和所述输出端子之间的连接点上。

19.如权利要求17的滤波器，其中高通滤波器包括第一高通滤波器且滤波器装置包括连接在所述输入端子和低通滤波器输入之间的连接点上的第二高通滤波器。

20.如权利要求17的滤波器，其中滤波器装置包括位于RF功率放大器的双工器。

21.如权利要求17的滤波器，其中滤波器装置包括位于RF功率放大器的级联滤波器。

22.如权利要求17的滤波器，其中滤波器装置包括反射滤波器。

23.如权利要求17的滤波器，其中负载包括等离子体室且输出端子通过阻抗匹配网络耦合到等离子体室。

24.如权利要求17的滤波器，其中预定频率带为13.56MHz的大约±10％的范围。

25.如权利要求17的滤波器，其中预定频率范围是13.56MHz的大约±5％。

26.如权利要求17的滤波器，其中低通滤波器包括切比雪夫结构。

27.如权利要求17的滤波器，其中低通滤波器包括椭圆结构。

28.如权利要求17的滤波器，其中低通滤波器包括并联输入和输出电容值。

29.如权利要求17的滤波器，其中低通滤波器包括串联输入和输出电感。

30.如权利要求17的滤波器，其中高通滤波器具有大约50欧姆的电阻值。

31.如权利要求17的滤波器，其中高通滤波器具有大约500瓦的功率耗散容量。

32.如权利要求17的滤波器，其中多个高通滤波器的每个具有在预定频率范围具有预定电容值的电容输入。

33.如权利要求17的滤波器，其中高通滤波器具有在预定频率范围具有预定电感值的电感输入。

34.如权利要求33的滤波器，其中低通滤波器具有在预定频率范围具有预定电感值的电感输出。

35.如权利要求32的滤波器，其中低通滤波器具有一个有着预定电容值的电容输出。

36.如权利要求35的滤波器，其中高通滤波器的电容值对阻抗的影响在低通滤波器输出被抵消。

37.如权利要求34的滤波器，其中高通滤波器的电感值对阻抗的影响在低通滤波器输出被抵消。