[发明专利]双向谐波耗散系统

说明书

                            发明领域

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

                            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能量传送系统可以包括RF发生器、匹配网络和负载。频率灵巧(frequency agile)等离子系统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系统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传送系统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。