專利名稱：一種快速rf自動阻抗匹配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及射頻傳輸技術領域，尤其涉及一種快速RF自動阻抗匹配的方法。
背景技術：
在典型的RF等離子體發(fā)生裝置中，恒定輸出阻抗(通常為50Ω)的RF發(fā)生器產生固定頻率(通常為13.56MHz)的RF波，向等離子體腔室提供RF功率，以激發(fā)用于刻蝕或其他工藝的等離子體。一般來講，等離子體腔室的非線性負載的阻抗與RF發(fā)生器的恒定輸出阻抗并不相等，故在RF發(fā)生器和等離子體腔室之間具有嚴重的阻抗失配，使得RF傳輸線上存在較大的反射功率，RF發(fā)生器產生的功率無法全部輸送給等離子體腔室。為解決該問題，須在RF發(fā)生器和等離子體腔室之間插入模值/相角探測器和阻抗匹配網(wǎng)絡。前者用于檢測RF傳輸線上的電壓、電流、前向功率、反向功率等相關參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)計算出與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相關的阻抗模值誤差信號和阻抗相角誤差信號。后者包括用以實現(xiàn)匹配控制方法模擬控制電路或數(shù)字控制器和用以調節(jié)匹配網(wǎng)絡輸入阻抗的執(zhí)行機構。其中，控制器負責根據(jù)阻抗模值誤差信號和阻抗相角誤差信號，通過某種控制方法，給出控制執(zhí)行機構的控制信號。執(zhí)行機構內有兩個可變阻抗元件，根據(jù)控制信號調節(jié)它們的值，從而使得匹配網(wǎng)絡的輸入阻抗等于RF發(fā)生器的恒定輸出阻抗，二者達到匹配。此時，RF傳輸線上的發(fā)射功率為零，RF發(fā)生器產生的功率全部輸送給了等離子體腔室。
以圖1所示L型匹配網(wǎng)絡為例，傳統(tǒng)自動阻抗匹配方法常采用單比例系數(shù)和單死區(qū)設置的比例調節(jié)方法，利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error來調節(jié)并聯(lián)電容C1，比例系數(shù)為k1＞0。利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror來調節(jié)串聯(lián)電容C2，比例系數(shù)為k2＞0。當匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值|Z|＞50Ω且|Z|error＞ΔZ＞0時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k1*|Z|error＞0，C1值增大，反之C1減小。當匹配網(wǎng)絡輸入阻抗的模值得誤差θerror＞0且θerror＞Δθ＞0時，驅動真空電容C2旋轉的步進電機M2的位置變化量為ΔP2＝k2*θerror＞0，C2值增大，反之C2減小。同時調節(jié)C1、C2，直到|Z|error和θerror落入各自的死區(qū)，即-ΔZ＜|Z|error＜ΔZ、-Δθ＜θerror＜Δθ，此時|Z|≈50Ω、θ≈0，網(wǎng)絡達到匹配。
現(xiàn)有自動阻抗匹配方法在調節(jié)過程中，比例系數(shù)k1、k2保持不變。當|Z|error和θerror較大時，阻抗位置距匹配點較遠，較大的k1、k2可使阻抗位置以較快的速度向匹配點靠近，隨著阻抗位置向匹配點靠近，|Z|error和θerror也隨之減小，此時，同樣的k1、k2會導致系統(tǒng)超調，“錯過”死區(qū)，從而導致阻抗點在死區(qū)附近“徘徊”，系統(tǒng)產生震蕩。同理，較小的k1、k2雖然可以在|Z|error和θerror較小時令系統(tǒng)穩(wěn)定，但是當|Z|error和θerror較大時，會導致匹配速度較慢，增加匹配時間。
現(xiàn)有自動阻抗匹配方法在調節(jié)過程中，死區(qū)大小ΔZ、Δθ也保持不變。如果死區(qū)選擇過大，即ΔZ、Δθ過大，系統(tǒng)將無法達到所需要的匹配精度。但如果死區(qū)選擇過小，即ΔZ、Δθ過小，雖然可以保證系統(tǒng)精度，但是會導致電機轉動次數(shù)增加、磨損程度加大，從而導致使用壽命減少。
此外，因為死區(qū)的大小和比例系數(shù)的選擇有一定關系，選擇不好可能會導致系統(tǒng)無法匹配。所以單一的比例系數(shù)和死區(qū)不易同時解決匹配速度、匹配精度、系統(tǒng)超調、震蕩和電機運轉次數(shù)過多等問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種快速的RF自動阻抗匹配方法，采用至少兩個不同的比例系數(shù)和死區(qū)大小來使阻抗位置相匹配點靠近。在阻抗位置距匹配點較遠時，選擇較大的比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證快速進入死區(qū)；當阻抗位置在匹配點附近時，相應減小比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證匹配精度。
其中，利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error來調節(jié)并聯(lián)電容C1，利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror來調節(jié)串聯(lián)電容C2；在阻抗位置距匹配點較遠時，|Z|error和θerror較大，反之，|Z|error和θerror較小。
優(yōu)選的，采用雙比例系數(shù)和雙死區(qū)設置時，與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error的比例系數(shù)為k11、k12且k11＞k12，其死區(qū)大小為ΔZ1、ΔZ2且ΔZ1＞ΔZ2＞0；當|Z|error＞ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＞0，C1值以較快的速度增大；當|Z|error＜-ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＜0，C1值以較快的速度減小；當ΔZ2＜||Z|error|＜ΔZ1時，|Z|error落入死區(qū)1，比例系數(shù)切換為k12；若ΔZ1＞|Z|error＞ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＞0，C1以較慢的速度增大；若-ΔZ1＜|Z|error＜-ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＜0，C1以較慢的速度減少；直到-ΔZ2＜|Z|error＜ΔZ2時，|Z|error落入死區(qū)2，電機停止運轉。
此外，用θerror調節(jié)真空電容C2的方法與調節(jié)C1的|Z|error的方法相同。
優(yōu)選的，至少兩個的比例系數(shù)和死區(qū)設置，在選取時可以相互配合，找到解決各種問題的最佳配置。
本方法適用于L型網(wǎng)絡、T型網(wǎng)絡或π型網(wǎng)絡的兩個可變阻抗元件的匹配網(wǎng)絡。也可用伺服電機和空氣電容替代所述步進電機和真空可變電容作為本方法的執(zhí)行機構。
本發(fā)明的方法解決了固定比例系數(shù)較大時系統(tǒng)容易產生“超調”，導致阻抗點在匹配位置附近震蕩；固定比例系數(shù)較小時系統(tǒng)匹配速度慢，匹配時間長的問題。同時，該方法還解決了固定死區(qū)較大時系統(tǒng)匹配精度差；固定死區(qū)較小時，系統(tǒng)不易匹配，導致震蕩現(xiàn)象的問題，提高了系統(tǒng)匹配的速度、精度和穩(wěn)定性。
圖1為現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)的L型匹配網(wǎng)絡示意圖； 圖2為本發(fā)明采用雙比例系數(shù)和雙死區(qū)設置的方法流程圖。
具體實施例方式 以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明采用多個(兩個或兩個以上)不同的比例系數(shù)和死區(qū)大小，在阻抗位置距匹配點較遠時，即|Z|error和θerror較大時，選擇較大的比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證系統(tǒng)快速進入死區(qū)，并減少電機運轉次數(shù)。當阻抗位置在匹配點附近時，適當減小比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證系統(tǒng)的匹配精度和穩(wěn)定性。
以采用雙比例系數(shù)和雙死區(qū)設置的方法為例，其流程如圖2所示。與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error的比例系數(shù)為k11、k12且k11＞k12，其死區(qū)大小為ΔZ1、ΔZ2且ΔZ1＞ΔZ2＞0。與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror的比例系數(shù)為k21、k22且k21＞k22，其死區(qū)大小為Δθ1、Δθ2且Δθ1＞Δθ2＞0。
以調節(jié)C1的|Z|error為例。當|Z|error＞ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＞0，C1值以較快的速度增大；當|Z|error＜-ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＜0，C1值以較快的速度減小。
當|Z|error落入了死區(qū)1，即ΔZ2＜||Z|error|＜ΔZ1時，比例系數(shù)切換為k12。若ΔZ1＞|Z|error＞ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＞0，C1以較慢的速度增大；若-ΔZ1＜|Z|error＜-ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＜0，C1以較慢的速度減少。
直到|Z|error落入了死區(qū)2，即-ΔZ2＜|Z|error＜ΔZ2時，我們就認為|Z|＝50Ω，令ΔP1＝0，電機停止運轉。
用θerror調節(jié)真空電容C2的道理同上。
根據(jù)模值/相角探測器給出|Z|error和θerror，同時調整C1和C2。模值/相角探測器每給出一組|Z|error和θerror的值，C1和C2就隨之變化一次。直到|Z|error和θerror均落入各自的死區(qū)2，我們就認為|Z|＝50Ω且θ＝0，系統(tǒng)達到匹配，電機M1和M2均停止運轉。此時，模值/相角探測器仍不斷檢測RF傳輸線上的相關參數(shù)，一旦誤差信號|Z|error和θerror超出死區(qū)2的范圍，則按照上述方法對C1和C2進行重新調整，直到系統(tǒng)達到重新匹配。
因為阻抗位置距離匹配點的遠近，意味著誤差信號|Z|error和θerror絕對值的大小。所以，當誤差較大時，選取較大的比例系數(shù)和死區(qū)設置?？梢员ＷC阻抗位置以較快的速度向匹配點靠近，進入死區(qū)1，既減少了匹配時間，又減少了電機運轉的次數(shù)，延長了其壽命。當誤差較小，匹配點在死區(qū)1內，卻還沒有進入死區(qū)2時，選取較小的比例系數(shù)和死區(qū)設置。適當放慢匹配速度，既可以減少系統(tǒng)超調，又可以保證匹配精度。而當阻抗位置落入死區(qū)2后，如果外界擾動不大，系統(tǒng)一旦脫離匹配狀態(tài)，較小的比例系數(shù)和死區(qū)設置也可以保證系統(tǒng)再次快速匹配。
此外，兩個(或兩個以上)的比例系數(shù)和死區(qū)設置，在選取時可以相互配合，找到解決各種問題的最佳配置。
發(fā)明以采用模值/相角探測器測量|Z|error和θerror、驅動步進電機旋轉，帶動真空可變電容值變化的L型匹配網(wǎng)絡為例。但是，本方法并不限于此。匹配網(wǎng)絡中的傳感器，可以是任意形式，只要能給出與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|和與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror，且|Z|error和θerror的意義和發(fā)明所闡述的相同即可。執(zhí)行機構也如此，并不限于步進電機加真空可變電容的形式，伺服電機加空氣電容形式的執(zhí)行機構也同樣適用。甚至于可變元件可以使用電感形式。同樣，本方法對于T型網(wǎng)絡、π型網(wǎng)絡等兩個可變阻抗元件的匹配網(wǎng)絡也同樣適用。
同時，發(fā)明只介紹了雙比例系數(shù)和雙死區(qū)設置的比例調節(jié)方法。但是方法并不限于此，兩個以上的比例系數(shù)和多死區(qū)設置也可以用本方法實現(xiàn)。當然，隨著比例系數(shù)和死區(qū)設置數(shù)量的增加，方法的復雜度也隨之增加。
以采用三個比例系數(shù)和三個死區(qū)設置的方法為例。與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error的比例系數(shù)為k11、k12、k13且k11＞k12＞k13，其死區(qū)大小為ΔZ1、ΔZ2、ΔZ3且ΔZ1＞ΔZ2＞ΔZ3＞0。與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror的比例系數(shù)為k21、k22、k23且k21＞k22＞k23，其死區(qū)大小為Δθ1、Δθ2、Δθ3且Δθ1＞Δθ2＞Δθ3＞0。
以調節(jié)C1的|Z|error為例。當|Z|error＞ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＞0，C1值以較快的速度增大；當|Z|error＜-ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＜0，C1值以較快的速度減小。
當|Z|error落入了死區(qū)1，即ΔZ2＜||Z|error|＜ΔZ1時，比例系數(shù)切換為k12。若ΔZ1＞|Z|error＞ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＞0，C1以較慢的速度增大；若-ΔZ1＜|Z|error＜-ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＜0，C1以較慢的速度減少。
當|Z|error落入了死區(qū)2，即ΔZ3＜||Z|error|＜ΔZ2時，比例系數(shù)切換為k13。若ΔZ2＞|Z|error＞ΔZ3，則ΔP1＝k13*|Z|error＞0，C1以極慢的速度增大；若-ΔZ2＜|Z|error＜-ΔZ3，則ΔP1＝k13*|Z|error＜0，C1以極慢的速度減少 直到|Z|error落入了死區(qū)3，即一ΔZ3＜|Z|error＜ΔZ3時，我們就認為|Z|＝50Ω，令ΔP1＝0，電機停止運轉。
用θerror調節(jié)真空電容C2的道理同上。
根據(jù)模值/相角探測器給出|Z|error和θerror，同時調整C1和C2。模值/相角探測器每給出一組|Z|error和θerror的值，C1和C2就隨之變化一次。直到|Z|error和θerror均落入各自的死區(qū)3，我們就認為|Z|＝50Ω且θ＝0，系統(tǒng)達到匹配，電機M1和M2均停止運轉。此時，模值/相角探測器仍不斷檢測RF傳輸線上的相關參數(shù)，一旦誤差信號|Z|error和θerror超出死區(qū)3的范圍，則按照上述方法對C1和C2進行重新調整，直到系統(tǒng)達到重新匹配。
此外，本方法可以采用數(shù)字控制器，如單片機、DSP等實現(xiàn)，也可以用模擬的控制電路實現(xiàn)。當采用數(shù)字控制器時，可以將模值/相角探測器給出的|Z|error和θerror轉化成數(shù)字量，然后比較其和同為數(shù)字量的死區(qū)的大小。如果采用模擬控制電路實現(xiàn)，可以采用比較器IC，比較模擬量|Z|error、θerror和ΔZ、Δθ的大小。
雖然本發(fā)明是具體結合一個優(yōu)選實施例示出和說明的，但熟悉該技術領域的人員可以理解，其中無論在形式上還是在細節(jié)上都可以作出各種改變，這并不背離本發(fā)明的精神實質和專利保護范圍。
權利要求
1.一種快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于
采用至少兩個不同的比例系數(shù)和死區(qū)大小來使阻抗位置向匹配點靠近。
2.如權利要求1所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于在阻抗位置距匹配點較遠時，選擇較大的比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證快速進入死區(qū)；當阻抗位置在匹配點附近時，相應減小比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證匹配精度。
3.如權利要求2述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error來調節(jié)并聯(lián)電容C1，利用與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗相角相關的誤差信號θerror來調節(jié)串聯(lián)電容C2；在阻抗位置距匹配點較遠時，|Z|error和θerror較大，反之，|Z|error和θerror較小。
4.如權利要求3所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于
采用雙比例系數(shù)和雙死區(qū)設置時，與匹配網(wǎng)絡輸入阻抗模值相關的誤差信號|Z|error的比例系數(shù)為k11、k12且k11＞k12，其死區(qū)大小為ΔZ1、ΔZ2且ΔZ1＞ΔZ2＞0；
當|Z|error＞ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＞0，C1值以較快的速度增大；當|Z|error＜-ΔZ1時，驅動真空電容C1旋轉的步進電機M1的位置變化量為ΔP1＝k11*|Z|error＜0，C1值以較快的速度減?。?br>
當ΔZ2＜||Z|error|＜ΔZ1時，|Z|error落入死區(qū)1，比例系數(shù)切換為k12；若ΔZ1＞|Z|error＞ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＞0，C1以較慢的速度增大；若-ΔZ1＜|Z|error＜-ΔZ2，則ΔP1＝k12*|Z|error＜0，C1以較慢的速度減少。
直到-ΔZ2＜|Z|error＜ΔZ2時，|Z|error落入死區(qū)2，電機停止運轉。
5.如權利要求4所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于用θerror調節(jié)真空電容C2的方法與調節(jié)C1的|Z|error的方法相同。
6.如權利要求4或5所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于也可用伺服電機和空氣電容替代所述步進電機和真空可變電容作為本方法的執(zhí)行機構。
7.如權利要求1所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于至少兩個的比例系數(shù)和死區(qū)設置，在選取時可以相互配合，找到解決各種問題的最佳配置。
8.如權利要求1所述的快速RF自動阻抗匹配方法，其特征在于本方法適用于L型網(wǎng)絡、T型網(wǎng)絡或π型網(wǎng)絡的兩個可變阻抗元件的匹配網(wǎng)絡。
全文摘要
本發(fā)明涉及射頻傳輸技術領域，尤其涉及一種快速RF自動阻抗匹配的方法。本發(fā)明提供的快速RF自動阻抗匹配方法采用至少兩個不同的比例系數(shù)和死區(qū)大小來使阻抗位置向匹配點靠近。在阻抗位置距匹配點較遠時，選擇較大的比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證快速進入死區(qū)；當阻抗位置在匹配點附近時，相應減小比例系數(shù)k1、k2和死區(qū)ΔZ、Δθ，以保證匹配精度。本發(fā)明解決了固定比例系數(shù)較大時系統(tǒng)容易產生“超調”，導致阻抗點在匹配位置附近震蕩；固定比例系數(shù)較小時系統(tǒng)匹配速度慢，匹配時間長的問題。同時，該方法還解決了固定死區(qū)較大時系統(tǒng)匹配精度差；固定死區(qū)較小時，系統(tǒng)不易匹配，導致震蕩現(xiàn)象的問題，提高了系統(tǒng)匹配的精度和穩(wěn)定性。
文檔編號H01J37/00GK101217096SQ20071006322
公開日2008年7月9日 申請日期2007年1月4日 優(yōu)先權日2007年1月4日
發(fā)明者曄 武 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司