用于远程等离子体生成的功率输送系统中的阻抗匹配的方法和装置与流程

本发明总体上涉及微波远程等离子体源和微波功率输送系统的领域。更具体地，本发明涉及在功率输送系统中用于提高耦合到等离子体源中的功率并减少来自等离子体源的反射功率的阻抗匹配机构。

背景技术：

1、图1示出被配置用于微波等离子体施加器102中的远程等离子体生成的示例性现有技术微波功率输送系统100。如所示的，系统100包括可变频固态微波功率发生器104，其被连接到等离子体施加器102，用于将微波功率耦合到等离子体施加器102以在施加器102的等离子体管116内生成等离子体。隔离器106可以被耦合到功率发生器104和等离子体施加器102之间的连接，其中隔离器106被配置为防止来自等离子体施加器102的反射功率反馈回到功率发生器104并且潜在地损坏功率发生器104。此外，隔离器106可以包括定向耦合器(未示出)，用于测量从等离子体施加器102处的等离子体负载反射到功率发生器104的功率量。在现有技术系统100中，在波导114上实施的自动阻抗匹配网络108和功率检测器110的组合也被连接在功率发生器104和等离子体施加器102之间，以(i)实现功率发生器104与在等离子体施加器102处生成的等离子体负载之间的自动阻抗调节和匹配，以及(ii)使如由功率检测器110测量的阻抗匹配网络108上游的任何微波反射最小化。负载包括在等离子体施加器102处生成的等离子体，其与功率发生器104的等离子体相比，可以变化若干个数量级。自动阻抗匹配网络108可以是由位于马萨诸塞州安多弗的mks仪器股份有限公司生产的smartmatchtm网络。

2、此外，现有技术系统100可以包括用于互连各种部件的多个传输线元件。通常，对于低功率系统，例如约1千瓦(kw)及以下，使用一个或多个同轴电缆代替波导来互连这些部件，诸如图1中所示的同轴电缆区段112a、112b。具体地，同轴电缆区段112a用作功率发生器104和阻抗匹配网络108之间的上游连接，且同轴电缆区段112b用作阻抗匹配网络108和等离子体施加器102之间的下游连接。通常，每个同轴电缆区段112是7/8同轴电缆，其在约2.45ghz下可以具有约1kw的额定功率。

3、在现有技术系统100中，如果来自功率发生器104的微波功率没有与等离子体施加器102内部生成的等离子体有效地耦合，则该功率的一部分可能被朝向功率发生器104反射回去。图2示出图1的现有技术微波功率输送系统100在约1千瓦的输入功率下耦合到等离子体的微波功率作为频率的函数的一组模拟结果。因为等离子体施加器102中的负载的等离子体阻抗或电导率可以依据工艺气体的类型和工作条件而广泛地变化，所以在图2的模拟中等离子体电导率会变化3个数量级。如所示的，在约2.45ghz的中心频率处，等离子体中吸收的功率依据等离子体电导率从约361w变化到约726w，而由发生器104输送的功率为约1kw。这意味着，对于约1kw的功率输入，反射功率从约274w变化到约639w。

4、因此，在微波能量到等离子体中的耦合不是最佳的情况下，如上文所解释的，一些功率可能会从施加器102朝向发生器104反射回去。自动阻抗匹配网络108被配置为仅使上游(即，在功率发生器104和阻抗匹配网络106之间)的功率反射最小化。因此，自动阻抗匹配网络108将网络108的下游侧上的所有东西都视为负载，包括其中具有等离子体的施加器102、下游同轴电缆112b和波导114至同轴电缆的过渡。因此，由于自动阻抗匹配网络108防止反射功率向上游前进，所以从等离子体施加器102反射的功率的很大一部分被迫向下游耗散，诸如被吸收在阻抗匹配网络108和等离子体施加器102之间的下游同轴电缆112b中。反射的微波功率可以经由传导损耗和电介质损耗被吸收在下游同轴电缆112b中。传导损耗是同轴电缆112b的内部导体和外部导体中的电阻损耗。电介质损耗是用于构造同轴电缆112b以保持内部导体和外部导体之间的适当间隔的电介质材料中的损耗。通常，同轴电缆中(诸如下游同轴电缆112b中)过多的反射功率会导致高电场的形成(buildup)，这接着会导致过多的热耗散和随后的电缆过热。如上文所解释的，在到等离子体中的微波耦合差的情况下，反射功率可以相当高，在几百瓦的数量级上。下游7/8同轴电缆112b通常不被配置为耗散如此高的反射功率，并且会容易过热。

5、现有技术系统100的另一个缺点是，即使固态微波发生器104可以在诸如约2.4ghz至约2.5ghz之间的频带内工作，但由于阻抗匹配网络108的频率限制，对于低功率的远程等离子体发生器系统100(例如1kw系统)的工作频率实际上被固定在例如2.45ghz。

技术实现思路

1、因此，在远程微波功率输送系统中存在对一种能够在可变频固态微波发生器和等离子体施加器之间提高功率耦合并减少反射功率的阻抗匹配机构的需要。具体地，期望设计阻抗匹配机构来防止功率输送系统中的下游同轴电缆(诸如上文参考图1描述的功率输送系统100的同轴电缆112b)的过热。在一些实施例中，在本发明中经由(i)较粗的调谐器(例如，四分之一波长固定短截线调谐器)和(ii)被配置为在频率范围内改变其工作频率的可变频固态微波发生器的组合来实现这样的提高的功率耦合和减少的反射功率。这种组合允许在宽范围的负载阻抗内实现阻抗匹配。

2、在一个方面，提供了一种等离子体生成系统。该系统包括：可变频微波发生器，其被配置为生成微波功率；以及等离子体施加器，其被配置为使用来自所述微波发生器的微波功率来(i)对其中的工艺气体进行点火以在等离子体点火过程中引发等离子体和(ii)将等离子体保持在稳定状态过程中。该系统还包括连接在所述微波发生器和所述等离子体施加器之间的粗调谐器。所述粗调谐器的至少一个物理参数适应于被设置为实现所述微波发生器与在等离子体点火过程和稳定状态过程二者期间生成的等离子体之间的粗阻抗匹配。在等离子体点火过程和稳定状态过程期间生成的等离子体的负载阻抗适应于在阻抗范围内变化。所述微波发生器被配置为在所述粗调谐器的设置的物理参数下调谐工作频率，以实现(i)在等离子体点火过程期间所述工艺气体的点火或(ii)在稳定状态过程中输送到等离子体的微波功率的最大化中的至少一个。

3、在另一个方面，提供了一种用于在包括连接到等离子体施加器的可变频微波发生器的系统中生成等离子体的方法。该方法包括在所述微波发生器和所述等离子体施加器之间布置粗调谐器，使得所述粗调谐器被定位为邻近所述等离子体施加器，并且配置所述粗调谐器的一个或多个物理参数，以在所述微波发生器与在等离子体点火和稳定状态等离子体生成二者期间所述等离子体施加器生成的等离子体之间实现粗阻抗匹配。在等离子体点火和稳定状态等离子体生成期间生成的等离子体的负载阻抗适应于在阻抗范围内变化。该方法还包括使工艺气体流入所述等离子体施加器的等离子体管中，将所述微波发生器的频率设置为初始频率值以引发微波功率，将所述微波功率耦合到所述等离子体施加器以电离其中的工艺气体，以及在不改变所述粗调谐器的一个或多个物理参数的情况下，相对于所述初始频率迭代地精细调谐所述微波发生器的频率。每次迭代包括确定所述等离子管中的工艺气体是否被点火，以便以与调谐的频率相对应的微波功率来引发等离子体，以及如果检测到点火，则中断精细调谐所述微波发生器的频率。

4、上述方面中的任何一个都可以包括以下特征中的一个或多个。在一些实施例中，所述粗调谐器与所述等离子体施加器紧邻，在所述粗调谐器和所述等离子体之间没有同轴电缆连接。在一些实施例中，所述粗调谐器包括用于将微波功率从所述微波发生器耦合到所述等离子体施加器的微波腔的集成耦合元件。

5、在一些实施例中，所述粗调谐器是固定短截线调谐器，其至少包括短截线和耦合天线。所述固定短截线调谐器被布置为靠近电介质等离子体管。所述固定短截线调谐器的至少一个物理参数包括(i)所述短截线和所述电介质等离子体管的纵轴之间的距离和(ii)所述短截线的长度中的一个。在一些实施例中，所述短截线长度为约1.21英寸，且所述距离为约2.96英寸。在一些实施例中，所述短截线长度或所述距离中的至少一个是可调节的，以实现粗阻抗匹配。在一些实施例中，所述固定短截线调谐器是四分之一波长的固定短截线调谐器。在一些实施例中，固定短截线被电短路以防止微波辐射到环境中。

6、在一些实施例中，所述粗阻抗匹配包括在所述阻抗范围内修改所述等离子体的负载阻抗，使得所述等离子体吸收的功率的最大值在所述可变频微波发生器的工作带宽内。在一些实施例中，在所述微波发生器和所述等离子体施加器之间不存在自动阻抗匹配网络。在一些实施例中，隔离器位于所述微波发生器和所述粗调谐器之间，以使从所述等离子体施加器到所述微波发生器的反射功率最小化。

7、在一些实施例中，所述等离子体施加器的工艺压力是在工艺气体流稳定之后设置的。

8、在一些实施例中，所述微波发生器的频率的迭代地精细调谐包括使所述频率从所述初始频率开始以预定步长迭代地增大，直到达到上限为止。在一些实施例中，所述微波发生器的频率的迭代地精细调谐包括使所述频率从所述初始频率开始以预定步长迭代地减小，直到达到下限为止。

9、在一些实施例中，在检测到点火之后，使输送到所述等离子体的微波功率最大化。使所述微波功率最大化包括将所述微波发生器的频率设置为第二初始频率值以生成微波功率，将所述微波功率耦合到所述等离子体施加器以将所述等离子体保持在所述等离子体施加器中，以及在不改变所述粗调谐器的一个或多个物理参数的情况下相对于所述第二初始频率迭代地调谐所述微波发生器的频率，直到达到阈值频率为止。每次迭代包括计算输送到所述等离子体的微波功率的值，并记录计算的微波功率值和对应的调谐的频率。使所述微波功率最大化还包括确定所记录的计算的微波功率值的最大值，以及将所述微波发生器设置为与最大的计算的微波功率值相对应的调谐的频率，以便将所述等离子体施加器中的等离子体保持在稳定状态。在一些实施例中，计算输送到所述等离子体的微波功率的值包括确定正向功率值和反射功率值，以及确定所述正向功率值与所述反射功率值之间的差，以计算输送到所述等离子的微波功率的值。在一些实施例中，所述微波发生器的频率的迭代地精细调谐包括使所述频率从所述第二初始频率以预定步长迭代地增大，直到达到所述阈值频率为止。在一些实施例中，所述微波发生器的频率的迭代地精细调谐包括使所述频率从所述第二初始频率开始以预定步长迭代地减小，直到达到所述阈值频率为止。在一些实施例中，在不调节所述微波发生器和所述等离子体的负载之间的阻抗匹配的情况下，实现在等离子体管中引发等离子体并在点火后使输送到所述等离子体的微波功率最大化。