專利名稱：避免射頻等離子加工中的不穩(wěn)定性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)及方法，更具體地，涉及一種控制提供給等離子體負(fù)載的功率的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
射頻或微波(以下簡(jiǎn)稱“RF”)等離子體生成設(shè)備被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和工業(yè)等離子體加工。等離子體加工支持許多種應(yīng)用，包括從基板上蝕刻材料、將材料淀積到基板上、清洗基板表面、以及基板表面的改性。使用的頻率和功率電平可有很大不同，從約10KHz至10GHz，以及從幾瓦至100千瓦或更大。對(duì)于半導(dǎo)體加工應(yīng)用，目前使用在等離子加工設(shè)備中的頻率和功率的范圍就稍微窄些，分別為從約10KHz至2.45GHz，以及從10W至30kW。
等離子加工設(shè)備通常需要精密的RF信號(hào)發(fā)生器、匹配網(wǎng)絡(luò)、接線、以及測(cè)量設(shè)備。另外，通常需要精密儀器來控制實(shí)際達(dá)到等離子體的功率。與等離子體相關(guān)聯(lián)的負(fù)載的阻抗可響應(yīng)于氣體配方、各種氣體供給參數(shù)、等離子體密度、提供的RF功率、壓力及其它變量的變化而顯著地不同。由變化的等離子體負(fù)載的阻抗及這些其它變量所表示的動(dòng)態(tài)電負(fù)載可產(chǎn)生對(duì)等離子體生成設(shè)備的巨大的穩(wěn)定性控制問題。
在今天的諸如半導(dǎo)體工具之類的等離子體加工設(shè)備中，經(jīng)?？捎^察到加工變得不穩(wěn)定，顯示出等離子體密度中的振蕩和/或等離子體總數(shù)的損耗。因此，存在一種需要，即通過改變調(diào)節(jié)RF電源的方式來避免這些不穩(wěn)定性。
圖1描述了一種對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員很熟悉的、已知的等離子體生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括典型的等離子加工工具和RF電源。RF電源10將RF功率穿過濾波器12，并通過接線13和負(fù)載匹配電路14提供至加工真空腔15。RF功率(不僅包括前向RF功率還包括反射的RF功率)在輸出功率測(cè)量點(diǎn)18處(靠近功率輸入至加工真空腔15的位置)被測(cè)量。來自輸出功率測(cè)量18的反饋被送回到電源10，以完成該控制環(huán)。
功率調(diào)節(jié)控制電路通常被設(shè)計(jì)為盡可能快地運(yùn)行以最大化控制穩(wěn)定性。典型的電源控制環(huán)可以數(shù)百微秒的速度運(yùn)行，并通常被根據(jù)固定負(fù)載(或可能在心中帶有一個(gè)可能的固定負(fù)載的范圍)來設(shè)計(jì)和最優(yōu)化。例如，在等離子體生成系統(tǒng)中的控制環(huán)的速度受到濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)延遲、功率測(cè)量時(shí)間和電源的內(nèi)部反應(yīng)速度的限制。如上所述，等離子體在該控制環(huán)中引入了額外的延遲，可能最終導(dǎo)致不穩(wěn)定的系統(tǒng)表現(xiàn)。這些延遲并不能被容易地預(yù)測(cè)到，它們是與加工有關(guān)的，并且是非恒定的。
然而，許多功率調(diào)節(jié)控制的不穩(wěn)定性可歸結(jié)于將等離子體作為功率調(diào)節(jié)控制環(huán)的一部分，因?yàn)榈入x子體阻抗是不恒定的。更具體地，等離子體阻抗是提供的功率量、等離子體氣壓、以及等離子體氣體混合物的化學(xué)成分的函數(shù)。另外，反應(yīng)化學(xué)和氣壓變量依賴于等離子體密度和溫度，并且還具有它們自己的惰性(潛伏時(shí)間相關(guān)性)。這些惰性時(shí)間可以從微秒級(jí)至毫秒級(jí)，并且可通過諸如擴(kuò)散率、泵速、離子化以及化學(xué)反應(yīng)速度等的各種過程來確定。
另一個(gè)復(fù)雜因數(shù)是由氣體供給系統(tǒng)20引入的，其通常有其自己的控制環(huán)。該氣體供給控制環(huán)22通常根據(jù)腔壓測(cè)量23來控制送入腔15的氣體供給。這個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)22能將功率控制系統(tǒng)的特有的(specific)和系統(tǒng)的惰性(延遲)時(shí)間擴(kuò)展到數(shù)百和數(shù)千毫秒。因此，僅使用帶有較快的或者可與系統(tǒng)或等離子體惰性相比的響應(yīng)時(shí)間間隔(即電負(fù)載(諸如等離子體)的響應(yīng)時(shí)間)的反饋控制環(huán)25的任何電源都會(huì)潛在地傾向于不穩(wěn)定。
圖2示出了可用于諸如圖1中所示的等離子體加工系統(tǒng)的系統(tǒng)中的已知的電源技術(shù)的電源部分。電源30(例如，DC開關(guān)電源)被設(shè)計(jì)為將恒定功率輸出值在電源輸出端提供至負(fù)載40。例如，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的，來自整流總線或DC電源的DC功率32饋至開關(guān)晶體管和諸如電感器和電容器的電抗元件。電源30在比它的控制環(huán)33的響應(yīng)時(shí)間快的時(shí)標(biāo)上(即，在時(shí)間間隔上)通常提供恒定電流或恒定電壓?？刂齐娐?5根據(jù)從反饋控制環(huán)33接收的信息來調(diào)節(jié)電源30的控制信號(hào)。當(dāng)然，當(dāng)控制環(huán)路被凍結(jié)(開環(huán))時(shí)，電源30也可提供恒定的電流和功率。供參考，下面將這種電源稱為“恒定電流”或“恒定電壓”型?？刂齐娐?5使用來自等離子體功率測(cè)量電路18的反饋33來修正電源30的輸出電壓或電流，以維持期望的功率輸出。在一些情況下，這能夠得到負(fù)載40(例如，等離子負(fù)載)的穩(wěn)定控制。
實(shí)際上，一個(gè)已知技術(shù)的例子是用于給電弧型等離子體負(fù)載供電的“恒定電流”DC電源。由于等離子體電阻在較高的溫度下下降(經(jīng)常被稱為“負(fù)阻”)，眾所周知的是為這種系統(tǒng)供應(yīng)恒定的電流可維持穩(wěn)定的等離子體。在這種系統(tǒng)中，電源有時(shí)作為虛擬鎮(zhèn)流電阻。
更常見地，許多DC開關(guān)電源使用脈寬調(diào)制(“PWM”)控制方法。這種電源用作電壓源，并因此無法在不用反饋控制環(huán)時(shí)有效地維持負(fù)阻等離子體。另外，當(dāng)?shù)入x子體系統(tǒng)由RF電源來供電時(shí)，控制問題被加劇，因?yàn)榉瓷涔β实南辔挥捎诮泳€(例如13)和濾波器(例如12)而被偏移到某一程度，使得難以或者不可能保證正或負(fù)的從電源處看去的等離子體的表觀電阻。這些問題在系統(tǒng)在高頻(即射頻區(qū)，1MHz以上)工作時(shí)格外明顯。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服這些問題，所需要的不只是僅僅提供恒定電壓或恒定電流的電源，而是能夠向開環(huán)系統(tǒng)提供實(shí)質(zhì)上恒定的功率，借此可保持等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行，不管等離子體的反射相位和阻抗。
更具體地，所需要的是盡管等離子體和/或其它系統(tǒng)組件導(dǎo)致的變化的負(fù)載阻抗和電阻，仍可用來精確控制提供給諸如等離子體負(fù)載的動(dòng)態(tài)負(fù)載的功率量的方法和裝置。
本發(fā)明通過使用一種電源來克服這些問題，該電源包含前饋環(huán)，且任選地包含為諸如等離子體生成器中的等離子體之類的電負(fù)載提供恒定電源的慢速反饋環(huán)。
本發(fā)明的一方面以用于為諸如等離子體的動(dòng)態(tài)負(fù)載提供功率的RF電源為特征，該電源包括用于將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出RF功率的功率電路。所述功率電路具有低儲(chǔ)能，基本相當(dāng)于幾微秒，使得在電路中的儲(chǔ)能量不會(huì)影響到控制的穩(wěn)定性。控制電路將控制信號(hào)提供給功率電路，以通過例如為RF生成器供電的功率轉(zhuǎn)換器的DC部分來調(diào)節(jié)輸入功耗。還包括提供輸入功率測(cè)量的第一電路，用于以第一速率來調(diào)整輸入到功率電路的控制信號(hào)。RF電源的輸入功率因此被維持在恒定、或基本恒定的量。
實(shí)施例包括用于在RF電源的輸出端測(cè)量輸出功率的第二電路，其用于以第二速率補(bǔ)償功率控制信號(hào)。第一速率大于第二速率。第一速率可對(duì)應(yīng)于將DC電流饋入RF電源的開關(guān)電源的頻率。另外，可使用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率。RF電源的輸出可被用于激勵(lì)等離子體負(fù)載。
實(shí)施例可包括諧振反相器、補(bǔ)償型(buck-type)開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、以及反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路中的至少一個(gè)。輸入功率可在對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的每個(gè)周期的頻率上被測(cè)量。輸出功率信號(hào)可以不同的速率被測(cè)量，例如，并不對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的每個(gè)周期。在一些實(shí)施例中，控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期上被更新，而在其它實(shí)施例中卻非如此。
輸入功率測(cè)量可通過測(cè)量在各個(gè)周期期間流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定。第一速率可每周期一次調(diào)整功率控制信號(hào)，而第二速率比第一速率慢，并且應(yīng)當(dāng)也比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。第二速率還可比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
本發(fā)明的另一方面以用于為可變阻抗負(fù)載提供功率的RF電源為特征，該電源包括控制電路以及第一電路，該控制電路提供控制信號(hào)給RF電源來調(diào)節(jié)RF電源的功率輸出電平，第一電路提供RF電源的輸入功率的測(cè)量。第一電路以第一速率調(diào)整RF電源的控制信號(hào)來維持基本恒定的輸入功率。RF電源可包括第二電路，用于在RF電源的輸出端測(cè)量輸出功率，這被用來以第二速率補(bǔ)償RF電源的控制信號(hào)。第一速率應(yīng)當(dāng)大于第二速率。在一些實(shí)施例中，輸入功率是恒定的。
可用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率，并且RF電源的輸出可用于激勵(lì)等離子體負(fù)載。可在RF生成器和負(fù)載(例如，等離子體負(fù)載)之間使用匹配網(wǎng)絡(luò)。電源可包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、和/或反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路?？蓪?duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期測(cè)量輸入功率，而在一些實(shí)施例中不對(duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期來測(cè)量輸出功率。控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期上被更新，而在一些實(shí)施例中卻非如此。
RF電源可將功率提供給等離子體負(fù)載。另外，控制信號(hào)可控制電源的脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制的量可按逐周期的方式來確定。在一些實(shí)施例中，第一速率每周期一次調(diào)整控制信號(hào)，而第二速率比第一速率慢，并且應(yīng)當(dāng)也比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。第二速率還可比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
本發(fā)明的另一方面以包含功率源和AC開關(guān)電源的RF等離子體生成器為特征。開關(guān)電源包括控制電路以及第一電路，控制電路為電源提供控制信號(hào)以調(diào)節(jié)電源的功率輸出電平，第一電路提供對(duì)電源的輸入功率的測(cè)量，用來以第一速率調(diào)整電源的控制信號(hào)，借此維持基本恒定的輸入功率。還包括第二電路，用于在電源的輸出端測(cè)量輸出功率，用來以第二速率補(bǔ)償電源的控制信號(hào)，使得第一速率應(yīng)當(dāng)大于第二速率。開關(guān)電源的輸出供給RF生成部分。第一速率可對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。
可用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率，并且RF生成部分的輸出可激勵(lì)等離子體負(fù)載?？稍赗F生成部分和負(fù)載之間使用匹配網(wǎng)絡(luò)。RF生成器可包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、和/或反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路?？蓪?duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期來測(cè)量輸入功率，而在一些實(shí)施例中，不對(duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期來測(cè)量輸出功率?？刂菩盘?hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期上被更新，而在一些實(shí)施例中并非如此。
RF生成器的輸入功率測(cè)量可通過測(cè)量在每個(gè)周期期間流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定，并且RF生成器可包括等離子體生成系統(tǒng)?？刂菩盘?hào)可以是開關(guān)電源的脈寬調(diào)制，并且脈寬調(diào)制的量可以按照逐周期的方式來確定。在一些實(shí)施例中，第一速率每周期一次調(diào)整控制信號(hào)，而第二速率比第一速率慢，并且應(yīng)當(dāng)也比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。第二速率還可比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
本發(fā)明的又一個(gè)方面以一種調(diào)節(jié)對(duì)可變阻抗負(fù)載的功率的方法，該方法包括以下步驟提供控制電路，該控制電路提供控制信號(hào)給開關(guān)電源，來調(diào)節(jié)RF生成器的功率輸出電平。根據(jù)在開關(guān)電源的輸入側(cè)測(cè)得的第一功率以第一速率調(diào)整開關(guān)電源的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)還以基于RF生成器的輸出側(cè)測(cè)得的第二功率的第二速率被補(bǔ)償。第一速率大于(快于)第二速率。第一速率可對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。
可用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率，并且RF生成器的輸出可激勵(lì)等離子體負(fù)載。可在RF生成器和負(fù)載之間使用匹配網(wǎng)絡(luò)。該方法的電源可包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、和/或門驅(qū)動(dòng)?？蓪?duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期來測(cè)量輸入功率，而在一些實(shí)施例中，不對(duì)于開關(guān)電源的每個(gè)周期來測(cè)量輸出功率。第一功率可通過測(cè)量在各個(gè)周期期間流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定。另外，控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期上被更新，而在一些實(shí)施例中并非如此。
所述方法可包括具有包含等離子體生成系統(tǒng)的電負(fù)載，并且控制信號(hào)可控制電源的脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制的量可以按照逐周期的方式來確定。在一些實(shí)施例中，第一速率每周期一次調(diào)整控制信號(hào)，而第二速率比第一速率慢，并且應(yīng)當(dāng)也比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。第二速率還可比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。


連同附圖一起通過以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，上述的討論將更為容易地被理解，附圖中圖1例示出已知的RF等離子體加工工具的方框圖；圖2例示出已知的電源的方框圖；圖3例示出包含本發(fā)明的控制特征的電源；圖4是本發(fā)明的實(shí)施例，其中包含前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器；以及圖5顯示了例示出本發(fā)明的各項(xiàng)特征的電源系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
圖3例示出顯示了本發(fā)明的實(shí)施例，可用于克服上述問題。為諸如等離子體之類的電負(fù)載提供恒定量的功率可得到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。不幸的是，上述的僅僅反饋的系統(tǒng)對(duì)等離子體生成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況不能足夠快速地響應(yīng)。即使反饋環(huán)33的響應(yīng)時(shí)間比阻抗攝動(dòng)以及動(dòng)態(tài)等離子體負(fù)載其它發(fā)生的變化快，這種系統(tǒng)也不能補(bǔ)償變化的輸入信號(hào)。
圖3的電源30通過控制輸入功率而不是輸出功率來克服這些問題，這利用了用現(xiàn)有開關(guān)電源的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的高效率和低儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)。使用這一技術(shù)，本發(fā)明能提供恒定的功率，而不受在比除以供給的功率的儲(chǔ)能更慢的時(shí)標(biāo)(相當(dāng)于幾微秒)的基礎(chǔ)上的等離子體負(fù)載的瞬態(tài)變化的影響。為了達(dá)到這一效果，圖3的電源30在為電源30供電的DC電源30上使用快速輸入測(cè)量52。輸入功率測(cè)量52饋送至快速前饋控制環(huán)53，該控制環(huán)為控制電路35提供信息?？刂齐娐房梢允菍?shí)際電路(例如，在電路板上)、模擬控制器、任何一種本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的數(shù)字控制系統(tǒng)、或者這些的組合。使用這一技術(shù)，本發(fā)明通過緊密地控制提供到電源30的功率量來控制電源和等離子體之間的相互作用。這導(dǎo)致對(duì)送到負(fù)載的功率的緊密控制，因?yàn)?，按照非常短的時(shí)間間隔(幾微秒)上的平均來說，動(dòng)態(tài)等離子體參數(shù)對(duì)于電源提供的電流或電壓波形并不像對(duì)于提供的功率量那樣敏感。
因此，本發(fā)明包括能以非?？斓臅r(shí)標(biāo)(相當(dāng)于幾微秒的時(shí)間間隔)向等離子體負(fù)載提供基本恒定的功率的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，這些時(shí)間間隔可以持續(xù)足夠長(zhǎng)來接近等離子體或氣體供給響應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。然而，在所有的實(shí)施例中，電源輸出在由儲(chǔ)能與功率之比設(shè)定的時(shí)標(biāo)上被維持在穩(wěn)定的量，而不受等離子體阻抗或其它負(fù)載動(dòng)態(tài)的變化的影響。
僅反饋控制33是不能對(duì)負(fù)載和功率輸入變化響應(yīng)得足夠快以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的精確和恒定的功率輸出。一般而言，為了保持穩(wěn)定性，反饋控制響應(yīng)速度必需要么遠(yuǎn)快于要么遠(yuǎn)慢于所有可能的等離子體響應(yīng)和氣體供給響應(yīng)。為了得到本發(fā)明的精密的功率輸出控制，不僅必須在快速時(shí)標(biāo)上提供系統(tǒng)的穩(wěn)定，還要允許控制電路35的控制信號(hào)38僅僅弱地(即慢速地)依賴于輸出功率測(cè)量。這樣，當(dāng)為補(bǔ)償電源的控制信號(hào)38時(shí)，本發(fā)明僅使用慢速響應(yīng)反饋控制環(huán)。這種電源的另一好處是等離子體的簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的點(diǎn)燃和積聚。
為了獲得本發(fā)明的結(jié)果，DC功率源32連接到電源30的功率部分。較佳地，系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為消耗盡可能少的功率，因此主要結(jié)合電抗或開關(guān)器件。希望最小化系統(tǒng)中的儲(chǔ)能，從而減少或?qū)嵸|(zhì)上消除控制系統(tǒng)的任何滯后時(shí)間或時(shí)間常數(shù)。這一設(shè)計(jì)原理較佳地用于結(jié)合了本發(fā)明的原理的DC開關(guān)電源和低頻RF生成器，它們可運(yùn)行于開關(guān)模式(例如，Class D(D類)或Class F(F類))。在RF晶體管運(yùn)行在幾乎線性狀態(tài)下的較高頻率下，這種設(shè)計(jì)特征不那么重要。雖然如此，始終較佳的是最小化電源30的功率部分的能量損耗。
在圖3中所示的實(shí)施例中，功率模塊的輸入功率通過輸入測(cè)量52來測(cè)量。輸入功率測(cè)量52可位于電源前，但應(yīng)當(dāng)位于任何輸入濾波電容器(未示出)的下游?；蛘撸绫绢I(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，輸入功率測(cè)量52可位于電源30內(nèi)的某點(diǎn)處，只要能提供對(duì)輸入電路、電壓、和/或功率的測(cè)量就行。輸入功率測(cè)量裝置52發(fā)送該信息給控制電路35，控制電路隨即調(diào)整功率控制信號(hào)38來保持輸入功率測(cè)量32在基本恒定的值。由于功率模塊被設(shè)計(jì)為高效率，這種調(diào)節(jié)的方法導(dǎo)致對(duì)負(fù)載40的接近恒定的功率輸出。
電源30可能在功率部分的輸出濾波器和電抗組件中包括少量的儲(chǔ)能，這些能量不能被瞬時(shí)改變。如上所述，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將儲(chǔ)存在這些組件中的能量的量最小化，從而在這些組件中存在的能量足夠在不大于幾微秒的時(shí)間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量。具有這樣的低儲(chǔ)能有利于降低系統(tǒng)的滯后時(shí)間、或時(shí)間常數(shù)，并且有利于維持穩(wěn)定的等離子體控制。由于儲(chǔ)能量與在等離子體中儲(chǔ)存的能量的量相比較小，因此它不會(huì)在系統(tǒng)控制上有顯著的反作用，并且不會(huì)導(dǎo)致等離子體損耗、變得不穩(wěn)定、或者被顯著地改變。因此RF功率以非常小的滯后時(shí)間追蹤輸入功率。隨著儲(chǔ)存的功率的量增大，等離子體的穩(wěn)定性控制問題的可能性也增加了。
實(shí)施例還包括反饋控制環(huán)33。為了保持對(duì)負(fù)載40精密的功率輸出控制，反饋控制環(huán)33應(yīng)該被調(diào)節(jié)使得它對(duì)于控制電路35的控制因素僅有緩慢的影響。反饋控制環(huán)33的緩慢響應(yīng)確保了負(fù)載阻抗的變化不會(huì)使控制環(huán)不穩(wěn)定。
圖4例示出代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電源的局部視圖。補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器72可用于供給RF生成器75。RF生成器的輸入功率通過使用輸入測(cè)量52、積分器73、和比較器74來測(cè)量，其中比較器提供誤差信號(hào)給控制電路35。上開關(guān)76是有源驅(qū)動(dòng)晶體管。下開關(guān)77可以是無源的(例如，二極管)，或者它也可以是晶體管。如果補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器(buck converter)72的運(yùn)行頻率被固定，則功率輸入與每個(gè)周期流經(jīng)上開關(guān)76的電荷量成比例。因此，電流傳感器(例如52)和積分器73可用于確定每周期提供的工作(能量)量。當(dāng)工作的量達(dá)到期望值時(shí)可觸發(fā)開關(guān)周期的結(jié)束。在固定頻率運(yùn)行期間，這表現(xiàn)出每單位時(shí)間提供的工作量(即提供的功率量)。這一測(cè)量可隨即方便地被使用為電源的快速輸入功率測(cè)量52，而前饋控制環(huán)53可基于該測(cè)量。
另外，當(dāng)DC部分的開關(guān)頻率不是恒定的，如在諧振反相器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中就是這樣，每周期的積分電荷的期望值可以按照輸入電壓和開關(guān)頻率兩者的函數(shù)來以下述方式確定，即，可用來將通過電源30的輸入端輸入到電源30的輸入功率保持在恒定值。這種前饋調(diào)節(jié)可以逐脈沖(pulse-by-pulse)的方式來進(jìn)行，并且將調(diào)節(jié)器滯后僅僅一個(gè)周期(即電源的一個(gè)周期)。這種測(cè)量的時(shí)間間隔因此可如一微秒或二微秒那么短。一種補(bǔ)償頻率變化的方法是發(fā)送每周期積分的電荷信息給比較器，該比較器使用斜基準(zhǔn)(ramping reference)而不是常數(shù)。當(dāng)積分電荷與從周期開始后經(jīng)過的時(shí)間成比例時(shí)，達(dá)到比較器的斷路點(diǎn)(trip point)。這種技術(shù)可用于以逐周期的方式來保持恒定功率。
根據(jù)上述描述，替代的實(shí)施例將對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員變得顯而易見。例如，實(shí)施例包括升壓調(diào)節(jié)器，對(duì)此，恒定輸入功率需要電感器電流被保持恒定。另外，也可使用其它PWM開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及諸如諧振反相器之類的頻率受控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可包括以類似的形式被控制的隔離變壓器，以逐脈沖的方式保持恒定輸入功率。
圖5例示出本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例，其中包括額外的細(xì)節(jié)和可選的組件。DC功率源32為諸如DC開關(guān)電源之類的DC電源部分30提供功率。輸入電流測(cè)量52被例示于電源30的輸入側(cè)，但它也可以位于輸出側(cè)，例如在功率部分30和轉(zhuǎn)換器91之間。如對(duì)圖4的描述，來自52的輸入測(cè)量信號(hào)可通過積分器73和設(shè)定值比較器74。
實(shí)施例包括不同的比較器74功能。例如，來自輸入測(cè)量信號(hào)52的輸入功率可與功率設(shè)定值作比較來確定計(jì)算的前饋誤差，而這一誤差可為控制電路35所使用。這一誤差被用于調(diào)整電源的控制信號(hào)38。在其它實(shí)施例中，根據(jù)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知的控制原理和技術(shù)，輸入信號(hào)52可與例如算法或值的預(yù)定表作比較，借此比較器的輸出結(jié)果由預(yù)定功能來確定。這種輸入功率調(diào)節(jié)可非?？焖俚剡\(yùn)行，包括如電源的每周期一次這樣快。
控制電路35還可接收來自輸出功率測(cè)量18的反饋功率信號(hào)。該反饋信號(hào)可與功率輸出設(shè)定值作比較來確定計(jì)算的反饋誤差，并且該反饋誤差和計(jì)算的前饋誤差可通過控制電路35進(jìn)行相加來確定控制信號(hào)38。用于反饋誤差計(jì)算的功率輸出設(shè)定值可以與用于前饋誤差計(jì)算的功率輸出點(diǎn)設(shè)定值相同，或可以不同。在任一種情況下，可使用各種技術(shù)來進(jìn)行前饋和反饋信號(hào)的加權(quán)。
與許多傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不同，前饋控制環(huán)53應(yīng)被加權(quán)以使其對(duì)輸出信號(hào)(例如，控制信號(hào)38)的影響比對(duì)反饋控制環(huán)(例如，前饋控制環(huán)33)的影響大。這一結(jié)果可通過測(cè)量采樣，接著使用更頻繁地(以更快速率)(例如電源的每個(gè)周期)采樣的前饋信號(hào)的結(jié)果以及使用以諸如每周期、每第10個(gè)周期或第100個(gè)周期之類的較慢的速率的前饋環(huán)的結(jié)果來獲得。使用這一技術(shù)，該控制信號(hào)就更頻繁地反映前饋環(huán)的作用而不是反饋環(huán)的作用，從而前饋測(cè)量在控制結(jié)果38中占有優(yōu)勢(shì)。
相對(duì)反饋測(cè)量18更偏向于前饋測(cè)量52的另一技術(shù)是以相同頻率在對(duì)每個(gè)環(huán)采樣，但加入加權(quán)乘法器，其增大了前饋信號(hào)或誤差結(jié)果，和/或減小反饋信號(hào)或誤差結(jié)果。因而在確定控制信號(hào)38時(shí)，即使兩個(gè)環(huán)路都以相同頻率采樣，也可使來自反饋環(huán)的誤差結(jié)果總是沒有來自前饋環(huán)路的誤差的影響大。以這種方法，加權(quán)因數(shù)可導(dǎo)致調(diào)整的前饋環(huán)路的速率大于補(bǔ)償反饋控制環(huán)的速率，即使前饋測(cè)量信號(hào)52和反饋功率輸出信號(hào)以相同頻率采樣。在一些實(shí)施例中，反饋控制環(huán)18可被加權(quán)到這樣的程度它在控制信號(hào)38上的作用為零。以上所述的實(shí)現(xiàn)不同類型的加權(quán)結(jié)果的其它技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員也是顯而易見的，如求平均、使用時(shí)間均值、各種采樣技術(shù)、統(tǒng)計(jì)技術(shù)、及其它。這些方法的結(jié)果是控制電路35主要根據(jù)輸入信號(hào)，但也根據(jù)反饋功率信號(hào)18來輸出控制信號(hào)38至電源。
電源30對(duì)于控制信號(hào)38的響應(yīng)不是比前饋控制環(huán)快就是比反饋控制環(huán)快?？刂菩盘?hào)38可使用脈寬調(diào)制技術(shù)(用于恒定頻率電源)、使用頻率調(diào)制、或兩者組合、或者使用其它已知的DC開關(guān)電源控制技術(shù)來調(diào)節(jié)電源30。
DC電源部分30通常饋至轉(zhuǎn)換器部分91，諸如組合整流器的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器或諧振轉(zhuǎn)換器。當(dāng)然，也可使用其它轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實(shí)施例包括從補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器饋至等離子體負(fù)載而不用中間RF功率生成器(下述)。再次參見圖5，轉(zhuǎn)換器的輸出可選地穿過輸出濾波器92，接著可被饋至RF生成器75。RF生成器75的輸出可穿過輸出功率測(cè)量器件18，接著饋至諸如等離子體腔內(nèi)的等離子體之類的電負(fù)載40?？蛇x地，可在RF生成器75和負(fù)載40之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)96。
雖然輸入測(cè)量52被例示于DC電源部分30的供給側(cè)，它也可被放置在其它位置。例如，該前饋測(cè)量信號(hào)可在電源30和轉(zhuǎn)換器91之間，或者更下行地在轉(zhuǎn)換器91和輸出濾波器92之間(如果輸出濾波器存在)。
類似地，前饋功率測(cè)量18也可位于其它位置。例如，最佳功率測(cè)量讀取是在反饋功率測(cè)量器件18直接位于負(fù)載上游，即在匹配網(wǎng)絡(luò)(如果存在)和負(fù)載之間時(shí)獲得的。然而，由于成本的原因，前饋功率測(cè)量18通常位于RF生成器的輸出端，即在RF生成器75和匹配網(wǎng)絡(luò)96(如果存在)之間。然而，本發(fā)明的實(shí)施例包括使前饋信號(hào)測(cè)量功能性地位于輸出濾波器92(如果存在)和RF生成器75之間，甚至在轉(zhuǎn)換器部分91和輸出濾波器92之間。當(dāng)然，可使用這些不同的輸入和輸出信號(hào)測(cè)量位置的不同的組合。
如上面關(guān)于輸入測(cè)量52所述的，合適的功率輸出測(cè)量技術(shù)可包括電壓和/或電流測(cè)量。然而，輸出功率測(cè)量還可使用已知的手段和技術(shù)來測(cè)量前饋和反射的功率來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的技術(shù)具有比圖5所示的實(shí)施例更廣泛的應(yīng)用性。雖然圖5描述了前饋測(cè)量在DC開關(guān)電源30的輸入側(cè)，且功率輸出測(cè)量18在RF生成器的輸出側(cè)，但本發(fā)明可以其它方式來使用。例如，實(shí)施例包括位于DC開關(guān)電源30輸入側(cè)的前饋測(cè)量52和電源30的輸出側(cè)的輸出功率測(cè)量18(例如，在轉(zhuǎn)換器91之后)。在一些應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器的輸出可直接連接至負(fù)載。在其它實(shí)施例中，RF生成器的供給不必由DC開關(guān)電源提供。在這類實(shí)施例中，輸入測(cè)量52可在RF生成器的輸入端進(jìn)行，而功率輸出測(cè)量18可位于RF生成器75的輸出側(cè)。RF生成器的輸出接著可通過匹配網(wǎng)絡(luò)96、也可不通過匹配網(wǎng)絡(luò)96來饋至負(fù)載，例如等離子體腔。
雖然這類實(shí)施例在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但如上所述，本發(fā)明在解決使用高頻電源(尤其是RF電源，即1MHz至10GHz)的系統(tǒng)的等離子體穩(wěn)定性問題時(shí)尤其有效。
雖然本發(fā)明被結(jié)合具體的最佳實(shí)施例進(jìn)行了具體顯示和描述，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可理解的是在其中可實(shí)現(xiàn)各種形式上和細(xì)節(jié)上的變化，而不背離如附加的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于為動(dòng)態(tài)負(fù)載提供功率的RF電源，包括用于將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出RF功率的功率電路，所述電路具有低儲(chǔ)能；用于向所述功率電路提供控制信號(hào)以調(diào)節(jié)RF電源的輸入功耗的控制電路；以及用于提供RF電源的輸入功率的測(cè)量的第一電路，用來以第一速率調(diào)整功率電路的控制信號(hào)，使得輸入功率基本恒定。
2.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，進(jìn)一步包括用于測(cè)量RF電源的輸出端的輸出功率的第二電路，用來以第二速率補(bǔ)償RF電源的功率控制信號(hào)，其中第一速率大于第二速率。
3.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，所述第一速率對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，所述開關(guān)電源將DC電流饋至RF電源。
4.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，使用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率。
5.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，RF電源的輸出激勵(lì)等離子體負(fù)載。
6.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，還包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、以及反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路中的至少一個(gè)。
7.如權(quán)利要求3所述的RF電源，其特征在于，對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期測(cè)量輸入功率。
8.如權(quán)利要求7所述的RF電源，其特征在于，并不對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期都測(cè)量輸出功率信號(hào)。
9.如權(quán)利要求6所述的RF電源，其特征在于，所述控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
10.如權(quán)利要求6所述的RF電源，其特征在于，所述控制信號(hào)并不在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
11.如權(quán)利要求3所述的RF電源，其特征在于，輸入功率測(cè)量通過測(cè)量在各個(gè)周期流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定。
12.如權(quán)利要求1所述的RF電源，其特征在于，所述第一速率每周期一次調(diào)整功率控制信號(hào)，并且第二速率比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。
13.如權(quán)利要求12所述的RF電源，其特征在于，所述第二速率比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
14.一種用于為可變阻抗負(fù)載提供功率的電源，包括用于向RF電源提供控制信號(hào)以調(diào)節(jié)RF電源的輸出功率電平的控制電路；以及用于提供RF電源的輸入功率的測(cè)量的第一電路，用來以第一速率調(diào)整控制信號(hào)來保持基本恒定的輸入功率。
15.如權(quán)利要求14所述的RF電源，進(jìn)一步包括用于測(cè)量RF電源的輸出端的輸出功率的第二電路，用來以第二速率補(bǔ)償RF電源的控制信號(hào)，其中第一速率大于第二速率。
16.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，輸入功率是恒定的。
17.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，使用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率。
18.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，RF電源的輸出激勵(lì)等離子體負(fù)載。
19.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，進(jìn)一步包括在RF生成器和負(fù)載之間的匹配網(wǎng)絡(luò)。
20.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，還包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、以及反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路中的至少一個(gè)。
21.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期測(cè)量輸入功率。
22.如權(quán)利要求21所述的RF電源，其特征在于，并不對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期都測(cè)量輸出功率。
23.如權(quán)利要求20所述的RF電源，其特征在于，所述控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
24.如權(quán)利要求20所述的RF電源，其特征在于，所述控制信號(hào)并不在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
25.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，所述電負(fù)載包括等離子體生成系統(tǒng)。
26.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，所述控制信號(hào)控制電源的脈寬調(diào)制。
27.如權(quán)利要求26所述的RF電源，其特征在于，以逐周期的方式確定脈寬調(diào)制的量。
28.如權(quán)利要求14所述的RF電源，其特征在于，所述第一速率每個(gè)周期一次調(diào)整控制信號(hào)，并且第二速率比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。
29.如權(quán)利要求28所述的RF電源，其特征在于，所述第二速率比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
30.一種RF等離子體生成器，包括功率源；接收來自所述功率源的功率的AC開關(guān)電源，其包括用于向電源提供控制信號(hào)以調(diào)節(jié)電源的輸出功率電平的控制電路；用于提供電源的輸入功率的測(cè)量的第一電路，用來以第一速率調(diào)整電源的控制信號(hào)來保持基本恒定的輸入功率；以及用于測(cè)量電源的輸出端的輸出功率的第二電路，用來以第二速率補(bǔ)償電源的控制信號(hào)，其中第一速率大于第二速率，其中開關(guān)電源的輸出為RF生成部分提供功率。
31.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，所述第一速率對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。
32.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，使用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率。
33.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，RF生成部分的輸出激勵(lì)等離子體負(fù)載。
34.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，進(jìn)一步包括在RF生成部分和負(fù)載之間的匹配電路。
35.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，還包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、以及反相器或開關(guān)電源的門驅(qū)動(dòng)電路中的至少一個(gè)。
36.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，所述控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
37.如權(quán)利要求36所述的RF等離子體生成器，其特征在于，所述控制信號(hào)并不在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
38.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，輸入功率通過測(cè)量在各個(gè)周期流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定。
39.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，所述電負(fù)載包括等離子體生成系統(tǒng)。
40.如權(quán)利要求30所述的RF等離子體生成器，其特征在于，所述控制信號(hào)控制開關(guān)電源的脈寬調(diào)制。
41.如權(quán)利要求40所述的RF等離子體生成器，其特征在于，以逐周期的方式確定脈寬調(diào)制的量。
42.如權(quán)利要求30所述的RF電源，其特征在于，所述第一速率每周期一次調(diào)整控制信號(hào)，并且第二速率比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。
43.如權(quán)利要求42所述的RF電源，其特征在于，所述第二速率比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
44.一種調(diào)節(jié)可變阻抗負(fù)載的功率的方法，包括步驟提供控制電路，其為開關(guān)電源提供控制信號(hào)，來調(diào)節(jié)RF生成器的功率輸出電平；根據(jù)在開關(guān)電源的輸入側(cè)測(cè)得的第一功率以第一速率來調(diào)整開關(guān)電源的控制信號(hào)；根據(jù)RF生成器的輸出側(cè)測(cè)得的第二功率以第二速率來補(bǔ)償開關(guān)電源的控制信號(hào)，其中第一速率大于第二速率。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述第一速率對(duì)應(yīng)于開關(guān)電源的開關(guān)頻率。
46.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，使用加權(quán)因數(shù)來使第一速率大于第二速率。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，RF生成器的輸出激勵(lì)等離子體負(fù)載。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，在RF生成器和負(fù)載之間包含匹配電路。
49.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，電源包括諧振反相器、補(bǔ)償型開關(guān)調(diào)節(jié)器、升壓調(diào)節(jié)器、DC開關(guān)電源、以及門驅(qū)動(dòng)電路中的至少一個(gè)。
50.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期測(cè)量輸入功率。
51.如權(quán)利要求50所述的非，其特征在于，并不對(duì)開關(guān)電源的每個(gè)周期都測(cè)量輸出功率。
52.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，第一功率是通過測(cè)量在各個(gè)周期流經(jīng)開關(guān)電源的輸入端的總電荷來確定的。
53.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)并不在開關(guān)電源的每個(gè)周期都被更新。
55.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述電負(fù)載包括等離子體生成系統(tǒng)。
56.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述控制信號(hào)控制電源的脈寬調(diào)制。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其特征在于，以逐周期的方式確定脈寬調(diào)制的量。
58.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述第一速率每周期一次調(diào)整控制信號(hào)，并且第二速率比電負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間慢。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于，所述第二速率比供給電負(fù)載的氣體供給系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間慢。
全文摘要
用于控制電源(30)的方法和裝置，以避免運(yùn)行在頻率為1MHz及以上的RF等離子體加工系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)負(fù)載導(dǎo)致的不穩(wěn)定，該方法和裝置使用前饋型控制環(huán)(53)來緊密地調(diào)節(jié)供給到諸如由可變且不定的等離子體阻抗導(dǎo)致的負(fù)載之類的動(dòng)態(tài)電負(fù)載(40)上的功率。也可將反饋環(huán)(33)結(jié)合前饋環(huán)(53)，但處于較低速率，來幫助調(diào)節(jié)提供到負(fù)載(40)上的功率的量。
文檔編號(hào)H05H1/46GK1856859SQ200480027331
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月22日
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