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    • 专利摘要:
    本發明提供用於控制用於耦合至電漿容器及電源的諧振電路與開關單元之材料處理特徵合作作用之電漿的方法及設備。用於獲取與電漿容器中之電漿之狀態有關的訊號之感應器支援開關單元之閉合迴路控制。可藉由閉合開關單元以分流諧振電路來消除感應器所偵測到的不當的電漿狀態。
    公开号:TW201315294A
    申请号:TW101137036
    申请日:2004-08-11
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Jeff C Sellers
    申请人:Mks Instr Inc；
    IPC主号:H01J37-00
    专利说明:
    濺鍍處理系統中之電漿轉變控制
    本發明大體而言係關於基於電漿之材料處理。更特定而言，本發明係關於電漿處理系統中之電弧的控制及電漿狀態轉變的控制。
    許多製造操作利用電漿處理。電漿增強氣相沈積(PVD)(舉例而言)逐漸地用於薄金屬與非金屬膜之沈積。大多數PVD系統係陰極電弧或濺鍍類型之任一種。在陰極電弧PVD系統中利用的電弧放電電漿的特徵為高電流與低電壓，而在濺鍍PVD系統中利用的輝光(glow)電漿的特徵為較低電流與較高電壓。濺鍍PVD系統通常包含提供磁場以支援輝光電漿之電場離子化的特徵。
    在適當的狀況下，輝光電漿與電弧放電電漿可展示出模式轉移。例如，輝光電漿可轉變為電弧放電電漿，而(儘管不太可能)電弧放電電漿可轉變為輝光電漿。
    對於濺鍍PVD系統之效能而言，不當的發弧(arcing)係一顯著問題。發弧可由多種因素引起。例如，發弧可由濺鍍期間目標之剝落(flaking)、目標之過熱、電漿內之氣體干擾、或者用於形成電漿所利用的惰性氣體中的或目標材料中的雜質而引起。固有地，在沈積腔室內之輝光電漿內，電漿雜訊產生一定量之"微發弧"。然而，在腔室內，微發弧可發展為較嚴重的電漿發弧或"強發弧"。雖然電弧可自目標移除毒化(poisoning)，但是其可亦產生不當粒子。
    某些系統在偵測到電弧時藉由關閉電源來解決發弧問題。例如，嚴重的電弧之偵測可引起電源短暫地中斷其輸出，例如，中斷100-25毫秒。然而，發弧電流波動可具有1-10 MHz左右之頻率(意即，0.1-1.0微秒之持續時間)。
    某些電源可使與電漿發弧有關的問題惡化。舉例而言，DC電源可具有儲存於輸出台中之能量，諸如在輸出過濾器中。微發弧或發弧狀況一出現，儲存的能量即可放電至濺鍍腔室中。放電的能量脈衝可具有大約0.2-20微秒之持續時間，該持續時間太迅速而不能藉由電源之共同偵測電路來控制或限制。
    為試圖避免發弧，某些系統週期性地中斷或施加陰極電壓之電壓反向。然而，因為未連續施加陰極電壓，所以可能降低沈積速度。此外，週期性的抑制電路增加了顯著的成本。當需要無缺陷沈積時，諸如在半導體製造中，通常採用週期性的抑制系統。
    本發明部分地源自實現了諧振電路與分流開關之合作作用可提供對電弧起始之改良的回應、不同電漿狀態之間之改良的轉變及電漿之改良的激發。根據本發明之原則，當被分流時，諧振電路可將電漿電流驅動至零且因而在一段短時間內熄滅電漿，有效地減少(例如)電弧相關的損害。諧振電路與分流之合作作用亦可改良輝光與電弧放電電漿之激發。
    在一實施例中，控制器回應指示在電漿容器中之電漿的狀態或狀態轉變之訊號而支援在電漿容器中之電漿狀態的閉合迴路控制。舉例而言，該訊號可由偵測諧振電路中之電感器之通量的通量感應器來提供。本發明部分地以自電弧電漿轉變為輝光電漿、或自輝光電漿轉變為電弧電漿之改良的方法為特徵。本發明以在再激發所要的電漿狀態之前必然伴有(entail)移除不當的電漿狀態的電漿轉變為特徵。
    因此，在第一態樣中，本發明以用於控制用於材料處理之電漿的設備為特徵。該設備包含一諧振電路、感應器及一開關單元。諧振電路與電源之輸出端及電漿容器之輸入端電氣相通。感應器獲取與電漿容器中的電漿狀態有關之訊號。開關單元具有一第一狀態(例如，打開)及一第二狀態(例如，閉合)，且可回應該訊號而在狀態之間切換。開關單元之第二狀態分流諧振電路以容許引起容器中之電漿狀態之改變的諧振電路之諧振。諧振電路可儲存及釋放能量。
    可將感應器組態以感應藉由諧振電路之電感器所感生的通量。感應器可為置放於鄰近電感器之線圈。在輝光電漿處理期間此感應器可提供對電弧電漿之開始的迅速偵測。在分流期間開關單元可具有足夠大以有效地充當諧振電路之阻尼阻抗的電阻。
    該設備可包含一控制器以用於自感應器接收訊號，且用於使開關單元切換至第一狀態與第二狀態中之至少一個以影響電漿的狀態。當電漿狀態之轉變藉由訊號的改變指示時，可將控制器組態以使開關單元切換至第二狀態。該設備亦可包含一與電漿容器之輸入端並聯之電壓箝位電路。電壓箝位可為不對稱電壓箝位。
    該設備可包含一與開關單元串聯之零偏壓供應單元。該供應單元可施加偏移電壓至開關單元。偏移電壓與由開關單元及/或與開關單元有關之寄生電路元件之電阻引起的電壓降落有關。
    該設備可進一步包含一電壓感應器以用於感應諧振電路、電源及電漿容器之輸入端中之至少一個的電壓。該設備可進一步包含一電流感應器以用於感應諧振電路、電源、及電漿容器之輸入端中之至少一個的電流。額外的感應器可提供對電漿狀態轉變之改良的偵測。
    在第二態樣中，本發明以用於控制用於材料處理之電漿的方法為特徵。該方法包含：提供與電源之輸出端及電漿容器之輸入端電氣相通的諧振電路；偵測指示電漿容器中之電漿狀態的轉變之改變；及在偵測到該改變後分流諧振電路以容許諧振電路之諧振。分流諧振電路可在再激發所要的電漿狀態之前熄滅容器中的電漿。
    回應偵測到狀態改變(例如，自輝光電漿模式轉變為電弧電漿模式)，分流可包含相對於在初始半循環之前流經容器之電流大體上減少在諧振電路之初始半循環期間流經電漿容器之電流。若電弧放電電漿持續，則可在再次分流之前在下個半循環內移除分流。回應來自一或多個感應器之反饋，可重複分流及等待循環直至恢復原始電漿模式。
    該方法可包含再激發電漿容器中的電漿。再激發可包含分流諧振電路以增加儲存在諧振電路中的能量，及移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器之輸入端以激發電漿容器中的電漿。
    在第三態樣中，本發明以用於激發用於材料處理之電漿的方法為特徵。該方法包含：提供諧振電路；分流電源之輸出端以增加儲存在諧振電路中的能量；及移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器之輸入端以激發電漿容器中的電漿。
    可分流諧振電路直至諧振電路使得電源電流大於電弧電漿之穩定狀態的電流。隨後可移除分流以將電流交換至電漿容器之輸入端以激發電漿容器中之電弧電漿。可在諧振電路之循環的一有效部分內分流諧振電路以增加儲存在諧振電路中的能量。在循環之有效部分結束之後隨後可移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器以激發電漿容器中的輝光電漿。
    對具有附加申請專利範圍中之特殊性的本發明進行描述。結合附圖參考下列描述可更好理解本發明之上述及另外的優點，其中：
    "電漿系統"係包含電漿產生組件之設備，且可包含材料處理組件。電漿系統可包含一或多個容器、電源組件、測量(metrology)組件、控制組件及其它組件。處理可發生於一或多個容器中及/或與一或多個容器相通之一或多個處理腔室中。電漿系統可為在電漿中產生的反應性氣體物質或電漿之源或可為完全的處理工具。
    "容器"係含有氣體及/或電漿之容器或容器之部分，且在其內部可激發及/或保持電漿。將容器與諸如功率產生及冷卻組件之其它組件組合起來形成電漿處理系統。
    "電漿"係包含可藉由施加電場與磁場之組合以誘導相關氣體之離子化而發展成的高能帶電粒子之集合的物質的狀態。一般意義而言，電漿是帶電離子、電子及中性粒子之集合，該等中性粒子由於帶電粒子之移動所產生之恢復(restorative)場而作為一整體來看時是中性的。由於帶電粒子，電漿係導電的。當容器不可再載運電流時，或當電漿不再產生光時，可認為容器中的電漿是熄滅的。判定電漿熄滅的其它方法包含彼等與電漿之電特徵相關的方法。舉例而言，無電漿，電漿容器陰極可具有具在自100 pf至1 uf範圍內之典型電容值的電容性特徵。
    然而，由於大量離子移動至陰極，電漿具有電感特性(電壓引起電流(voltage leads current))。因此，若感應器量測到電漿容器之電容性特性，則電漿已熄滅。若感應器量測到電感特性，則電漿存在於電漿容器中，且視電壓電流比而定，可判定電漿之運作模式。
    "激發"係用以形成電漿之引起氣體的初始分解的處理。
    本文可互換地使用短語"輝光放電電漿"、"輝光電漿"、及"輝光"以指與電弧放電電漿相比較藉由相對的高電壓與低電流所維持之電漿狀態。如本文所使用且視情形而定，輝光電漿可涵蓋輝光與超級輝光電漿。
    本文可交換地使用短語"電弧放電電漿"、"電弧電漿"、及"電弧"以指藉由相對的低電壓與高電流所維持之電漿狀態。如本文所使用且視情形而定，電弧電漿可涵蓋微電弧與強電弧。
    下列描述將集中在例示性基於陰極的DC之濺鍍系統。然而，對於熟習電漿處理技術之技術者而言顯而易見：可將本發明之原則應用於多種電漿處理系統中，包含必然伴有AC電感電漿之系統，諸如RF電漿系統。
    圖1a係電漿處理系統100中包含用於控制電漿之特徵的本發明之實施例的方塊圖。本發明之設備190包含一諧振電路110、一具有第一與第二狀態之開關單元120。圖1a中所說明之系統100包含一具有一輸出端之電源170、一具有一用於自電源170及/或諧振電路110接收功率之輸入端的電漿容器180、一與開關單元120並聯之電壓箝位單元160、一通量感應器131、一電流感應器132、一電壓感應器133、及一用於自感應器131、132、133接收訊號並控制開關單元120與零偏壓供應單元150之控制器140。當處於第二狀態(例如，閉合狀態)時，開關單元分流諧振電路110。
    電源170可為(例如)DC或RF電源，且電漿容器180可分別為(例如)在電漿處理技術中已知的電容性耦合的或電感性耦合的電漿容器、以及磁性增強的陰極(如，磁控管)或簡單的二極體型陰極。開關單元120與電源170之輸出端及電漿容器180之輸入端並聯地電連接。諧振電路110與電漿容器180之輸入端及電源170之輸出端並聯地電連接。在電漿處理系統100內不同實施例將包含處於不同位置之開關單元120。圖1a說明了開關單元120之兩個可能的位置。
    可將電漿容器180電連接至系統100之其它組件，但是將其相對於它們遠端定位。舉例而言，系統100之組件可經由長的高電壓電纜連接至電漿容器180。
    開關單元120容許諧振電路110之分流。當回應(例如)偵測到容器180中之不當的電弧電漿而將開關單元閉合時，開關單元120可分流諧振電路110，有效建立為電漿容器180中的電弧之電流而競爭的替代電路徑。當電流流入(ring up)諧振電路110中時，電弧可使得由電漿容器180所提供之負載的阻抗減少。因而，開關單元120可與電漿容器180共用一小部分電流。若電流具有替代路徑，則可有效地減少電弧之峰值電流與總能量且因此減少電弧所引起之損害。分流可減少使電弧至零電流(意即，至無電漿狀態)所需要的時間。在此狀況下可認為電漿係熄滅的。
    電弧電漿阻抗趨於與穿過電弧之總電流相關而減少。此效應源自電弧放電中固有之額外的熱離子化。因此，電弧可用之電流的減少可有效地減少放電之溫度上升。開關單元120提供替代電流路徑。可選擇開關單元120之阻抗以類似於系統100之電弧阻抗。然而，可需要選擇具有不是很低之阻抗的開關單元120，此係因為可有益於開關單元120耗散一些能量。
    電源170與諧振電路110可各自包含其自身之電感器，或可共用一或多個電感器或電感器之一部分。在某些實施例中，諧振電路之電感器的電感比電源170之電感器的電感小。
    可將通量感應器131組態以偵測諧振電路110之電感器所產生之磁通量。通量感應器131可提供相對簡單且有效的方式來監控電漿之狀態。舉例而言，藉由簡單地增加一第二繞組至諧振電路110之電感器，可將第二繞組用作通量感應器131以提供極好的電漿轉變偵測器。在連接至電漿容器180之最後系列組件的位置處，至電漿容器180之電流的瞬態改變產生感應器131繞組之耦合通量之對應的改變。
    因而，通量感應器131可用於偵測電漿電流及/或電壓之迅速改變。當偵測到此改變時，控制器140可起作用以操作開關單元120來使諧振電路110中止電流(ring out)。一旦電流與電壓交越(crossover)(自電壓引起電流變為電流引起電壓)且達到零，則感應器131可用於監控正確電漿模式之再啟動。電漿模式可具有獨特的特徵，此可用於決定是否電漿是以正確的模式再啟動。
    參看圖1b、1c及1d，通量感應器131可偵測與電漿運行之再激發及開始有關之電壓及/或電流上升。通量感應器131亦可辨別不同類型之電漿狀態的激發。圖1b係回應微電弧及強電弧而藉由通量感應器131所偵測的電壓隨時間改變的例示性曲線圖。來自通量感應器131之訊號的"後沿(back porch)"展示了在強電弧之電壓(其傾向於持續)之前降落至零的微電弧的電壓。箭頭A指示微電弧電感的電壓降落至零的時刻，而箭頭B指示強電弧電感的電壓降落至零的時刻。
    或者，除通量感應器131之外，控制器140亦可使用(例如)來自電流感應器132與電壓感應器133之電壓及/或電流量測來界定電漿狀態。視量測點之位置而定，將獲得不同資訊以輔助控制器的決策處理。一實例為量測電壓電流比以界定該電漿運作模式。另一實例為藉由在一個諧振週期後量測電壓且在兩個週期後再次量測電壓而確定再激發之連續性。此外，兩個或兩個以上量測值之組合使用可使控制器的功能性改變以更好地滿足電漿模式及需要的控制策略。
    舉例而言，按控制規則藉由適當地組合來自三個感應器131、132、133之量測值，可能期望在輝光電漿中即將發生電弧轉變。當偵測到此等狀況時，控制器140可設定期望的旗標且使開關單元120循環來停止電漿(例如，將其切斷，及再啟動)。此可允許引起"預期電弧"之狀況在電弧實際發生之前被停止，藉此減少產生粒子之可能性。
    用於期望功能之一或多個訊號之持續時間可僅在轉變之前的短時期內可用，舉例而言，小於3 μs。它們對於少於所有轉變之偵測亦是可用的，例如，20%至60%之轉變。對輝光至電弧之轉變而言，通常有少的線性電壓降落，且僅在其之前無對應的電流改變且引起電弧轉變。此變化是在電壓轉移發生了一短時間後隨後僅在電弧轉變之前(2微秒至10微秒)回復至正常。
    圖1c係在電弧發生之前與之後不久一段時間內所偵測的通量感應器131電壓隨時間改變的、電流感應器132電流隨時間改變的、及電壓感應器133電壓隨時間改變的例示性曲線圖。該等曲線說明了上述之期望行為。圖1d係包含如圖1c之樣本曲線但包含較大時間長度以展示系統100之分流作用後曲線的延伸性狀(behavior)的曲線圖。
    控制器140接收訊號，其用於監控系統100之特性。感應器131、132、133(例如)可提供一或多個訊號至控制器140，以容許監控電漿容器180中之電漿狀態。控制器140可包含(例如)積體電路，諸如微處理器。或者，單一積體電路或微處理器可併入控制器140及系統100之其它電子組件。一或多個微處理器可建構執行控制器140之功能的軟體。此外，控制器140可以軟體、韌體或硬體進行建構(如作為特定應用積體電路)。可將軟體設計為運行於通用裝備或本文所描述之專用於該功能性的專門的處理器。
    控制器140可回應自感應器131、132、133接收到的一或多個訊號，而打開或閉合開關單元120以控制電漿容器180中之電漿狀態轉變。舉例而言，控制器140可藉由偵測與終止不當的狀態轉變、並再激發所要的電漿狀態而支援改良的處理。控制器140亦可支援改良的激發方法。在本發明之實施例中，所要的狀態之間的受控轉變包含在容器180中之一無電漿時期，正如由自感應器131、132、133之一或多個接收到的訊號所指示。
    舉例而言，所要的電弧電漿發現於利用陰極電弧清潔/加熱循環之工具塗覆PVD系統中。該系統必然伴有在低功率電弧電漿狀態下磁控管的運作。該磁控管提供用於在系統所處理之工具上離子蝕刻及植入磁控管之目標材料的離子源。若電弧電漿熄滅，則該電漿可轉變為輝光電漿狀態，導致沈積速度之損耗並使該工具破壞。
    為避免工具損害，根據圖1a之廣泛實施例，控制器140可閉合開關單元120以使輝光電漿停止工作，且隨後控制另外步驟以再激發所要的電弧電漿。在本發明之一實施例中，控制器140打開開關單元120以容許儲存在諧振電路110之一或多個電感器中之能量來推動激發。
    舉例而言，所要的輝光電漿發現於濺鍍PVD系統中，其可經常顯示出至電弧狀態之不當轉變。當控制器140偵測到時，熟習此項技術者已知之多種類型輝光至電弧轉變可接收到特製的(tailored)回應。
    回應偵測到微電弧，控制器140可閉合開關單元120以(例如)在某些實施例中在小於大約200微秒內，或在某些實施例中甚至小於大約1微秒內使電漿容器180中之電流至零電流。迅速減少電流可減少微粒形成與噴射之可能性。
    藉由控制器140經由一或多個感應器131、132、133所提供之該訊號或該等訊號可偵測到微電弧形成。當將通量感應器131耦合至諧振電路110之電感器之磁通量時，該通量感應器可容許控制器140在電弧開始之一段時間內閉合開關單元120，其在過度損害發生之前剪斷電弧電流。電弧之形成通常將引起電壓之迅速減少與電流之增加。在諧振電路之循環之一小部分內控制器140可閉合開關單元120以熄滅微電弧。電流隨後可下降而經過零。
    開關單元120可在(例如)諧振電路110之高電流半循環內保持閉合。控制器140可隨後打開開關單元120，且諧振電路110可環為正的(ring positive)並支援電壓突增以再激發輝光電漿。
    強或持續電弧可比微電弧更難熄滅且更難確定為熄滅的。控制器140可執行開關單元120之重複的循環直至熄滅強電弧。在強電弧情況下，利用通量感應器131及電壓與電流感應器132、133之一或兩個來確定熄滅可為有利的。因而，可減少電弧形成或熄滅之錯誤指示的可能性。
    為簡化本發明之訊號感應與控制特徵，感應器132、133可提供一組有限離散值至控制器140。控制器140可隨後以閉合迴路方式回應。以下參考圖2與圖3進一步描述可藉由控制器140建構之控制功能。
    在系統100之更詳細的實施例中，控制器140併入系統狀況感應與自適應回應特徵。舉例而言，控制器140可接收指示系統100之額外處理與狀態的額外訊號。回應系統100之狀態及處理狀況，控制器140可調用更好地適合目前狀況之方式(例如，一處理處方)。因而，控制器140可選擇適當的方式或行為。方式改變可與(例如)包含於一處理中之步驟的數目及/或類型之改變有關，而不是與一或多個現存步驟之長度的改變有關。
    電漿容器180可為(例如)基於DC陰極之濺鍍容器。此容器180可包含用於在容器180中集中與濃縮電漿之磁控管裝置。容器180可為習知電漿處理腔室。舉例而言，在容器中之目標與基板之間可引入反應性氣體以支援反應性濺鍍沈積。可藉由DC或RF源使基板偏動以增強沈積處理。基板底板可包含利用後側氣體來加熱基板之加熱機構。底板可旋轉以更均勻濺鍍沈積於基板上。
    圖2係包含圖1a中所展示之設備190之例示性實施例設備190A的電漿處理系統100A之方塊圖。系統100A包含一諧振電路110A、一開關單元120A、一通量感應器131A、一電流感應器132A、一電壓感應器133A、一電壓箝位電路160A及一電源170A。系統100A視需要包含零偏壓供應單元150A。
    電源170A係DC電源，且包含與電源170A之輸出端串聯之過濾電感器Lf、及一與電源170A之輸出端並聯之過濾電容器Cf。開關單元120A包含一開關121及(在某些實施例中)一二極體122。開關121可為(例如)氣體開關、SCR開關、IGBT開關、SiT開關、FET開關、GTO開關、或MCT開關。更一般地，開關單元120A可包含共同或不同類型之兩個或兩個以上開關。二極體122可為(例如)齊納二極體。
    二極體122使得開關單元120A充當單路開關。當閉合開關121時，二極體122允許至電漿容器之陰極的反極性電流之發展。反向電流可加速電漿容器中至無電漿狀態的轉變，如由來自感應器131A、132A、133A之一或多個訊號所指示。當閉合開關單元以回應形成於容器中之電弧電漿時，在某些實施例中，開關單元120A可載運(例如)大約85 A之峰值電流，而陰極經歷大約20 A之峰值電流(相對於大約14 A之運行電流)。
    零偏壓供應單元150A包含一變壓器151、一二極體152及一電容器153。變壓器151與控制器(例如，圖1a中所說明的控制器140)電氣相通。供應單元150A所提供的電壓修改由開關單元120A與其它組件的電阻所引起之電壓降落，其它組件若存在則與開關單元120A串聯。例如，藉由施加等於電壓降落之偏移電壓於處於峰值電流之一或多個開關121而使供應單元150A可用於減少開關單元120A中之開關121的所需數目。
    舉例而言，若將開關121建構為兩個FET，每一FET代表1 Ω的電阻，則兩個FET串聯將提供2 Ω的電阻。對於50 A電流，電壓降落將為100 V。在此情況下，可將供應單元150偏移設定為100 V。負載電流(意即，電漿容器180電流)可在零偏壓供應單元150偏移之所要的位凖上具有二次效應。
    必須平衡競爭目的以識別開關單元120A之適當的電阻。為建立有效的替代電路徑，開關單元120A可具有相對於電弧電漿之類似的或較低的電阻。為耗散能量以避免電弧電漿之無意的再激發，開關單元120A應具有很大電阻。在一典型實施例中，設定其餘阻抗使開關單元120A阻抗大約等於典型電弧電漿阻抗。
    舉例而言，若電弧電漿以大約60安培發展40 V之電壓降落，則此對應0.67歐姆的阻抗。用於此等狀況之典型開關阻抗將為大約0.6歐姆或更少。當未使用零偏壓供應單元150A時，開關單元120A之阻抗可類似於電漿之阻抗，至少在分流週期之初期。
    電壓箝位電路160A包含串聯的且在分別定向為前向與反向電壓箝位之兩組中的二極體161。該二極體可為(例如)單向齊納二極體。頒予Sellers之美國專利第6,524,455號中描述了電壓箝位電路160之運作的某些可選擇的結構及方法。
    諧振電路110A包含一與電源170A之輸出端及電漿容器之輸入端串聯之電感器LR，及一與電源170A之輸出端及電漿容器之輸入端並聯之電容器CR。可選擇盡可能牢固(fast)之電容器CR與電感器LR。高頻限制可源自使電感器LR成為電源170A之輸出端與電漿容器180之輸入端之間的主要電容(最大值)之需要。此可亦有益於保持諧振電路110A中之足夠能量以使電流經過零。此能量可與電漿容器180中之DC處理電流成比例。
    藉由電源的敏感性可判定頻率範圍之低端。可需要電源170A忽略諧振電路110A之運作，且僅當控制器140發出指令時才關閉以(例如)保持沈積速度，意即盡可能恒定。因而，可將電源170A過濾電感器Lf的值選擇為遠大於電感器LR的值，舉例而言，10倍或更大。例如，電感器LR可具有10 μH之值而電源170A過濾電感器Lf可具有2 mH的值。
    圖2之通量感應器131A包含安置於鄰近諧振電路110A之電感器LR的電感器，使得當改變的電流穿過諧振電路110A的電感器LR時在通量感應器131A中感應到電流。諧振電路110A之電感器LR可包含(例如)線圈，諸如一空中(in an air)線圈電感器；通量感應器131A可包含在諧振電路110A之電感器LR內同軸安置之線圈。當轉變發生於電漿容器內之電漿狀態中時及/或當閉合開關單元120A時，通量感應器對諧振電路110A中之電流改變敏感，例如電流上升。
    基於線圈之通量感應器131A可包含由細隔距線製成之線圈以簡化製造。通量感應器131A可包含耦合至線圈之高速SCR或閘流管。較佳地，通量感應器131A為至電漿容器之電流路徑中的最後組件，例如，與電感器LR共同定位作為通向連接至電漿容器之連接器的最終組件。
    電流感應器132A、電壓感應器133A可分別感應諧振電路、電源、及電漿容器之輸入端中之至少一個的電流與電壓。可利用感應器131A、132A、133A中之一個或其組合來支援控制器之功能。在某些實施例中，以諧振電路110之諧振頻率之分數或整數倍作為感應器讀數的樣本。
    圖3係用於控制用於材料處理之電漿的方法300之實施例的流程圖。例如，可藉由圖1a與圖2中所說明之設備190、190A建構方法300。該方法包含提供與電源之輸出端及電漿容器之輸入端電氣相通的諧振電路(步驟310)。該諧振電路可儲存及釋放能量。該方法亦包含偵測(例如)指示電漿容器中電漿狀態的轉變之訊號的改變(步驟320)，且在偵測到改變後分流諧振電路以容許諧振電路之諧振(步驟330)。
    在某些實施例中，繼續分流等於諧振電路之半循環的時期。在某些此等實施例中，方法300包含若電弧放電電漿持續，則在再次分流之前等待半循環(步驟340)。在某些實施例中重複分流及等待處理直至不再偵測到改變(步驟350)。當偵測到指示電漿狀態之轉變或電漿之熄滅的改變時，可終止分流及等待處理(步驟360)。該方法亦可包含在熄滅不當的電漿狀態後再激發電漿(步驟370)。
    電漿容器中電漿之可能的狀態包含(例如)多種輝光電漿狀態、多種電弧放電狀態、及無電漿狀態，該等狀態藉由可由圖1a所說明的感應器131、132、133獲取的一或多個訊號指示。可利用訊號之任何各種改變來偵測狀態轉變之開始。對於偵測電漿狀態之改變的開始，通量感應器131可為最有效的。下文將參考圖8描述通量感應器131之特徵。
    參看圖4與圖5，例如，經由檢查與電漿相關之電流及/或電壓位凖可判定容器中之電漿狀態。圖4係定性的說明在自輝光電漿轉變至電弧電漿期間電壓與電流如何隨時間改變之曲線圖。圖5係定性的說明輝光電漿與電弧電漿的電壓與電流之間關係的曲線圖。輝光與電弧電漿可藉由其特徵值進行識別。例如在圖4中，輝光電漿以大約500 V之電壓及大約10 A之電流為特徵，然而電弧電漿以大約100 A之電流及大約20 V之電壓為特徵。因而，感應電壓及/或電流位凖及其轉變是獲得電漿狀態與狀態轉變之指示的一種方法。
    當電流與電壓位凖改變時，電流與電壓訊號之間的相位關係可用於指示容器中之電漿狀態。舉例而言，分流(步驟330)可必然伴有在電漿容器中熄滅電漿，且該訊號可用於確定電漿已熄滅。例如，在斷開狀態，電漿容器展示出電容性阻抗，而在輝光或電弧放電電漿狀態，該容器展示出感應性阻抗。檢查如藉由一或多個感應器提供之電壓與電流波形的關係容許判定容器之當前阻抗。例如，輝光電漿與電弧放電電漿皆展示出電壓引起電流特徵。例如，當輝光或電弧電漿為新近形成的且仍必須穩定時，可觀察到此特徵。
    參看圖6，例如可單獨使用電壓位凖來推斷電漿已熄滅。例如，對於在特定處理狀況(如，氣體類型與壓力狀況)下運作的系統100之特定實施例，可實驗上判定可維持輝光電漿的最小電壓。圖6係說明了在樣本系統中輝光電漿狀態之電壓(例如，藉由電壓感應器所感應)隨時間之量測的改變之曲線圖。藉由減少施加至含有輝光電漿之電漿容器的功率、且感應穿過電漿容器之電壓來獲得用於曲線圖之資料。
    例如，在9瓦特傳送功率處，電壓係233 V。在8瓦特傳送功率處，電壓波紋(voltage ripple)增加而總電壓下降。當傳送功率減少至大約6瓦特時，電漿崩潰，意即熄滅。電漿崩潰處之功率位凖對應於如曲線圖上所指示的電壓位凖Vmin。因而，當感應電漿容器電壓來確定輝光電漿已熄滅時，實驗上判定的電壓位凖Vmin可隨後用作臨限電壓。
    當分流諧振電路時(步驟330)，可相對於在初始半循環之前流經容器之電流大體上減少在諧振電路之初始半循環期間流經電漿容器之電流。例如，在諧振電路110之第一半循環期間，開關單元120之閉合可以很快的速度減少電漿容器180中之電流。諧振電路之半循環可具有大約1至50微秒的範圍。當分流進行半循環後，可移除分流。短時分流可足以熄滅該容器中之電漿。
    圖7說明了如可藉由感應器132、133收集的電流與電壓曲線。該等曲線說明了轉變至熄滅狀態之輝光電漿。當分流諧振電路110時，電流與電壓迅速下降。然而，電壓與電流可不固定為零。舉例而言，電流可為大約0.5 A且電壓為大約10 V。
    另外，可採用單極開關，其在循環之第二半循環期間可允許諧振電路110之電流低於零。單極開關亦可使開關之斷開轉變的定時(timing)小於臨界值。當電流切換其流動方向時，可認為容器180中之電漿係熄滅的。
    本發明之方法300可包含若(例如)電弧放電電漿持續則在再次分流之前等待半循環或其它間隔(步驟340)。另外，可重複分流(步驟330)與等待(步驟340)步驟直至不再偵測到改變(步驟320)(步驟350)。在預選擇數目的重複循環之後，或在一段預選擇時間逝去之後，未能熄滅電弧可導致電源之關閉。在此情況下，可允許分流繼續直至使得關閉電源，例如進行多於半循環的時間。
    感應第二訊號之改變可支援識別電漿狀態之轉變，及確定電漿之再激發(步驟360)。在熄滅不當的電漿狀態後再激發電漿(步驟360)可必然伴有(例如)再激發輝光或電弧電漿。為獲得電弧電漿，可分流諧振電路以增加儲存在諧振電路中之能量，且隨後移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器之輸入端以激發電漿容器中的電漿。可允許儲存的能量使電源電流增加至大於電弧放電電漿之穩定狀態電流的位凖。隨後可移除分流以將電流引導至電漿容器的輸入端。可藉此在電漿容器中激發電弧放電電漿，與通用先前實踐相比，無需接觸容器之陰極。
    為獲得輝光電漿，可在諧振電路之一循環的一有效部分內分流諧振電路以增加諧振電路中儲存的能量。隨後可移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器之輸入端，藉此激發電漿容器中之輝光放電電漿。一循環之一有效部分可為循環的二分之一。
    參看圖8與9，描述了輝光電漿至電弧電漿之不當的轉變、藉由分流之電弧電漿的熄滅及輝光電漿之再激發的實例。圖8係通量感應器131電壓隨時間改變之曲線圖；圖9係電流感應器132電流隨時間改變之曲線圖。通量感應器131訊號係電弧電漿開始之敏感且迅速的指示符。當偵測電弧時，諧振電路分流進行半循環，使得電流感應器中之電流迅速下降至零(無電漿)，同時在電路振盪時有至負電流之小擺動。通量感應器131之電壓位凖的上升可用作(例如)已發生了至電弧電漿之轉變的指示符。
    因為通量感應器131提供電漿轉變之精確的指示符，所以可選擇小電壓位凖作為電漿開始之臨限指示符。例如，可選擇1.0 V的電壓作為臨限值位凖。諧振電路之分流可回應上升至高於臨限位凖的通量感應器電壓之偵測。
    例如，對於具有12 μh值之電感器及0.1 μf值之電容器，諧振頻率可為145 khz。此等實例值可涵蓋(舉例而言)自幾瓦特至高達60 kw的大範圍濺鍍狀況。
    此等實例值在大範圍氣體類型、氣體流動速度及目標材料上亦是有效的。然而，對某些更奇異(exotic)的目標材料而言可需要在控制器中進行一些小調整以使其最佳有效，此係因為用於電弧放電之電壓與電流範圍可與某些濺鍍處理一樣高。
    在TiB2(二硼化鈦)之濺鍍沈積中發現了此效應之實例。在一處理中TiB2之濺鍍電壓為385 V DC，且一經發弧，電壓就降落至310 V DC。然而，該放電係完全可見電弧，因而，感應器(例如，感應器131、132、133)應識別此小改變為轉變。因而，可需要一個以上感應器來適當地界定電漿模式，及具有足夠容量之控制器可更有效地界定小的狀態改變。
    可大約在電漿熄滅時或之後移除分流。移除分流亦可使再激發輝光電漿之處理起始。通量感應器131展現了如電流感應器132所展現之電容性充電相位。在激發且固定至穩定狀況後，通量感應器131展示無訊號，而電流感應器132展示了表現出輝光電漿之穩定電流。
    藉由兩個感應器可更可靠地偵測再激發。舉例而言，可使用任何下列感應器之組合來偵測激發：通量感應器131、電壓感應器133、電流感應器132、及安置以偵測容器中之電漿所發射之光的光感應器(未圖示)。來自第二感應器之訊號可用於確認由來自第一感應器之訊號提供的電漿再激發之指示。感應器訊號亦可用於指示容器中電漿的類型。例如，電漿發射的光之特徵指示容器中電漿的類型。電弧電漿之光強度可比輝光電漿之光強度大約10倍。
    為觀察電漿所發射的光，光感應器可為寬帶感應器，例如，矽偵測器。控制器140(例如)選通(gate)來自光感應器至電弧熄滅循環之訊號。意即，在將電漿中之電流驅動至零時可收集光訊號以在大體上所有光發射消失時獲得不存在電漿之指示。當大體上偵測不到光發射時，可認為容器中的電漿係熄滅的。
    參看圖10，本發明之某些特徵提供了改良的電漿激發方法。圖10係用於激發用於材料處理之電漿之方法1000的流程圖。該方法1000可藉由圖1a與圖2中所說明的系統100、100A進行建構，且可與方法300組合起來利用。該方法1000包含提供與電源之輸出端及電漿容器之輸入端電氣相通的諧振電路，該諧振電路用於儲存與釋放能量(步驟1010)，分流該諧振電路以增加儲存在諧振電路中之能量(步驟1020)，及移除該分流以將儲存的能量引導至電漿容器之輸入端以激發電漿容器中的電漿(步驟1030)。對熟習電漿處理技術者而言，顯而易見：應提供適當的相關條件以激發電漿，該等條件如氣體類型、壓力及流動速度條件。
    方法1000視情況可包含感應與電漿容器中之電漿的狀態有關的訊號(步驟1040)(例如)以確定電漿之激發。例如，如上述相對於方法300可確定激發。又，如上述相對於方法300，若訊號指示電漿容器中之電漿之不當的電漿狀態，則可應用分流以熄滅該電漿(步驟1050)。
    為激發電弧電漿，可分流諧振電路直至諧振電路使得電源電流大於電弧電漿之穩定狀態的電流。隨後可移除該分流以將電流引導至電漿容器之輸入端，以激發電漿容器中之電弧電漿。通常，系統必須傳送比獲得輝光放電狀態所需更多的能量至氣體，以強制該氣體達到電弧放電狀態。
    控制器140可閉合開關單元120以產生穿過電漿容器180與電源170之短路。此短路容許電源170使輸出電流上升至稍微高於電弧電漿之所要的穩定運作電流位凖的適當位凖。當控制器140偵測到DC電流已達到提高的位凖之徵兆時，控制器140打開開關單元120。隨後電流自開關單元120轉移至電漿容器180之陰極，引起強制電弧電漿形成以支撐該電流之高電壓與高電流。可因此激發電弧放電電漿而無需使用實體接觸步驟來傳送激發能量至陰極。
    為激發輝光電漿，可在諧振電路之一循環的一有效部分內分流諧振電路以增加儲存在諧振電路中的能量。在循環之該有效部分後，可隨後移除分流以將儲存的能量引導至電漿容器以激發電漿容器中之輝光電漿。該循環之有效部分可為半循環。
    舉例而言，控制器140可等待直至電源170之DC輸出電壓固定在其峰值。控制器140可隨後閉合開關單元120半循環以在電路中止電流且轉向正極時，增加儲存在諧振電路110之電感器中的能量。電壓位凖可增加直至一預定量值受到箝位電路160之限制或直至輝光電漿激發。
    參看圖11，例如，可藉由觀察由電壓或電流感應器所提供的電壓或電流位凖來判定輝光電漿之激發。圖11係電壓與電流曲線隨時間改變的曲線圖。當標記激發開始之電容性放電發生時，增加的電壓在達到激發電壓位凖後最終降落。短時的高電壓與低電流性能對應於Townsend放電激發相位。電壓隨後降落，且最終固定在運作位凖。在曲線圖中所指示的正常運作區域中，電壓之增加提供輝光電漿之電流的大致線性增加。
    在電漿形成之前電壓的逐漸上升對應於與電漿容器有關之電容充電。因為容器中不存在電漿，所以在分解之前電流不隨電壓上升以提供穿過容器之導電。電流之迅速增加指示電漿之起始，且電流隨後固定至運作位凖。
    觀察到之激發所需的過電壓可支援電漿已被激發之確定，且因此亦可確定電漿已被首先熄滅。激發電漿所需的過電壓位凖可受到電漿容器之狀況的影響。例如，在先前時間內已保持有電漿之容器一再激發即可展示出比完全"冷的"容器小的突增。就例示性容器而言，冷激發電壓可為大約1250 V，而對相同容器熱激發電壓可為大約750 V，穩定運作固定在大約500 V。在再激發之間，突增位凖將隨較短的斷開時期而趨於減少直至達到對於一特定狀態集合之幾乎恒定的突增電壓。電漿可在(例如)先前的1微秒至10秒內熄滅。儘管已參考特定較佳實施例特別展示且描述了本發明，但熟習此項技術者應瞭解可於其中作出形式及細節的各種改變，而不脫離由所附的申請專利範圍所界定之本發明的精神及範疇。
    100‧‧‧電漿處理系統/系統
    100A‧‧‧電漿處理系統/系統
    110‧‧‧諧振電路
    110A‧‧‧諧振電路
    120‧‧‧開關單元
    120A‧‧‧開關單元
    121‧‧‧開關
    122‧‧‧二極體
    131‧‧‧通量感應器
    131A‧‧‧感應器/通量感應器
    132‧‧‧電流感應器
    132A‧‧‧電流感應器
    133‧‧‧電壓感應器
    133A‧‧‧感應器/電壓感應器
    140‧‧‧控制器
    150‧‧‧零偏壓供應單元
    150A‧‧‧零偏壓供應單元/供應單元
    151‧‧‧變壓器
    152‧‧‧二極體
    153‧‧‧電容器
    160‧‧‧電壓箝位單元/箝位電路
    160A‧‧‧電壓箝位電路
    161‧‧‧二極體
    170‧‧‧電源
    170A‧‧‧電源
    180‧‧‧電漿容器
    190‧‧‧設備
    190A‧‧‧設備
    300‧‧‧方法
    圖1a係電漿處理系統中包含用於控制電漿之特徵的本發明之實施例的方塊圖。
    圖1b係回應微電弧及強電弧而藉由通量感應器所偵測的電壓隨時間改變的例示性曲線圖。
    圖1c係用於電弧之發生而藉由通量感應器所偵測的電壓隨時間改變的、藉由電流感應器所偵測的電流隨時間改變的、及藉由電壓感應器所偵測的電壓隨時間改變的例示性曲線圖。
    圖1d係對應於圖1c之曲線圖的曲線圖，但說明了在較大時間長度上曲線之性狀。
    圖2係電漿處理系統之一實施例之方塊圖。
    圖3係用於控制用於材料處理之電漿的方法之實施例的流程圖。
    圖4係在自輝光電漿轉變為電弧電漿期間電壓與電流隨時間改變的曲線圖。
    圖5係輝光電漿中電壓與電流、及電弧電漿中電壓與電流之曲線圖。
    圖6係說明了在樣本系統中輝光電漿狀態之電壓隨時間之量測的改變之曲線圖。
    圖7說明了可藉由感應器收集的電流與電壓曲線。
    圖8係通量感應器電壓隨時間改變之曲線圖。
    圖9係電流感應器電流隨時間改變之曲線圖。
    圖10係用於激發用於材料處理之電漿之方法的流程圖。
    圖11係電漿處理系統之電壓與電流曲線隨時間改變的曲線圖。
    100‧‧‧電漿處理系統/系統
    110‧‧‧諧振電路
    120‧‧‧開關單元
    131‧‧‧通量感應器
    132‧‧‧電流感應器
    133‧‧‧電壓感應器
    140‧‧‧控制器
    150‧‧‧零偏壓供應單元
    160‧‧‧電壓箝位單元/電壓箝位電路/箝位電路
    170‧‧‧電源
    180‧‧‧電漿容器
    190‧‧‧設備
    权利要求:
    Claims (1)
    [1] 一種用於控制材料處理之電漿的設備，該設備包括：一包括一電感器之諧振電路，該諧振電路與一電源之一輸出端及一電漿容器之一輸入端電氣相通，該諧振電路用於儲存及釋放能量；一用於獲取一與該電漿容器中之一電漿之一狀態相關的訊號之感應器，該感應器經組態以感應由該電感器所感生之一通量；及一回應該訊號而可在一第一狀態與一第二狀態之間切換的開關單元，該開關單元之該第二狀態用於分流該諧振電路以容許引起該電漿之該狀態之一改變的該諧振電路之一諧振。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US10/642,509|US6967305B2|2003-08-18|2003-08-18|Control of plasma transitions in sputter processing systems|
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