專利名稱：射頻功率輸送系統(tǒng)的制作方法
射頻功率輸送系統(tǒng)
背景技術(shù)：
存在向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供RF功率的各種方法。RF發(fā)生器通常以約400kHz至約200MHz 之間的頻率向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供功率。在一些科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的頻率約為2MHz、 13. 56MHz 和 27MHz。如圖IA所示，用于向動(dòng)態(tài)負(fù)載(即等離子體負(fù)載140)提供RF功率的一個(gè)系統(tǒng) 100包括由50 Ω?jìng)鬏斁€130連接的固定頻率RF發(fā)生器110和雙軸可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)120?？?調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)120包括串聯(lián)電動(dòng)真空可變電容器122和電感器124以及分路電動(dòng)真空可變電 容器126。用于確定串聯(lián)和分路電容值的算法基于通常利用幅值和相位檢測(cè)器150作出的 阻抗測(cè)量。獨(dú)立的功率控制基于RF發(fā)生器110處的功率測(cè)量。功率控制回路160和阻抗 控制回路162是獨(dú)立的。如圖IB所示，用于向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供RF功率的另一系統(tǒng)100，包括由RF發(fā)生器110 饋送且由50 Ω?jìng)鬏斁€130連接的固定元件匹配網(wǎng)絡(luò)120’。固定元件匹配網(wǎng)絡(luò)120’包括串 聯(lián)電容器122和電感器124以及分路電容器126。RF發(fā)生器110的頻率可被調(diào)諧至特定范 圍(例如，13. 56MHz士5% )。RF發(fā)生器110頻率命令基于電壓駐波比(VSWR)的值。獨(dú)立 的功率回路和VSWR(阻抗)控制回路160’基于RF發(fā)生器110的輸出處的測(cè)量。如圖IC所示，用于向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供RF功率的又一系統(tǒng)100”包括集成的RF發(fā) 生器-阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)120”。RF發(fā)生器-阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)120”包括串聯(lián)電容器122和電 感器124以及多個(gè)分路電容器126a. .. 126η。分路電容器126a. .. 126η耦合到開關(guān)電路 127a. · · 127η，該開關(guān)電路127a. · · 127η將電容器126與接地相耦合或去耦合。系統(tǒng)100” 的功率控制和頻率控制160”不同時(shí)進(jìn)行。如圖ID所示，用于向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供RF功率的再一系統(tǒng)100”’利用單輸入多輸出 功率分配器132。該系統(tǒng)包括RF功率輸送系統(tǒng)130、功率分配器132和多個(gè)動(dòng)態(tài)負(fù)載140a、 140b. . . 140η (統(tǒng)稱為140)。RF功率輸送系統(tǒng)130將功率ρ輸出到功率分配器132。功率 分配器132將具有相同頻率和相位的功率提供給動(dòng)態(tài)負(fù)載140中的一個(gè)或多個(gè)。輸送給每 個(gè)負(fù)載(140a. . . 140η)的功率是總RF發(fā)生器輸出功率ρ的一部分(例如對(duì)負(fù)載#1 140的 功率等于p/h)，從而降低提供給任意單個(gè)負(fù)載的最大可用功率。

發(fā)明內(nèi)容
這些現(xiàn)有技術(shù)和方法具有缺點(diǎn)。較高成本通常與現(xiàn)有技術(shù)和方法相關(guān)聯(lián)，這是因 為需要至少兩個(gè)單獨(dú)模塊1) RF發(fā)生器/放大器，以及2)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，它們經(jīng)由傳輸線 相連接。此外，每個(gè)模塊都需要RF電壓/電流傳感器或幅值/相位檢測(cè)器。亞45nm制造的出現(xiàn)將等離子體處理工具置于滿足迅速增長(zhǎng)的等離子體處理目標(biāo) 的壓力下。第一，原子層沉積(ALD)需要極短的工藝步驟。短工藝步驟需要反應(yīng)物和等離 子體的快速穩(wěn)定。第二，需要快速交替的沉積和蝕刻步驟來(lái)滿足CD目標(biāo)?？焖俳惶娴某?積和蝕刻步驟通常結(jié)合急劇改變等離子體阻抗的極高負(fù)電性氣體。第三，為了優(yōu)化多步制 法鏈中的工藝條件，需要在寬泛范圍的功率設(shè)定值內(nèi)工作。寬泛范圍的功率設(shè)定值可要求單個(gè)發(fā)生器在例如5至2000W的寬功率帶上工作。第四，晶片偏壓的控制——以便控制離 子轟擊能量——需要偏置RF電源的外部反饋和控制。第五，脈沖功率輸出的使用可得到多 個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)，包括改進(jìn)的蝕刻選擇性、改進(jìn)的蝕刻速率和均勻性、改進(jìn)的沉積速率和均勻 性、粒子產(chǎn)生減少以及控制晶片充電以防止產(chǎn)生電弧或減少側(cè)壁損壞。給出上述要求，關(guān)鍵 是下一代RF功率源能夠確保工藝穩(wěn)定性和可重復(fù)性。等離子體阻抗是輸送至等離子體的功率的函數(shù)。此外，由RF發(fā)生器輸送的功率是 由發(fā)生器“看到”的阻抗的函數(shù)。結(jié)果，在輸送功率和負(fù)載阻抗之間存在明顯的循環(huán)相互依 賴，從而得到具有交叉耦合的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，RF發(fā)生器控 制回路和阻抗匹配控制回路是獨(dú)立的，因而不能補(bǔ)償功率控制和阻抗匹配控制回路之間的 交叉耦合。這導(dǎo)致不良的閉環(huán)性能。另外，通常利用純模擬控制系統(tǒng)或純數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)現(xiàn)有技術(shù)RF放大器。純 模擬控制系統(tǒng)在系統(tǒng)中存在非線性和漂移組件的情況下具有相當(dāng)大的性能下降，而純數(shù)字 控制系統(tǒng)通常具有不足的相位裕度。因此，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠的相位裕度、高增益和高帶
覓ο任何受控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)僅能與最慢的功能模塊(傳感器、執(zhí)行器或控制系統(tǒng)參 數(shù))一樣快。在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，最慢的功能模塊通常是DC電源。具體地，提供給RF功率 放大器的輸入的DC功率通常包括用于對(duì)較高頻率進(jìn)行濾波的大電解電容器。使用這一濾 波器網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是不管控制更新率如何動(dòng)態(tài)響應(yīng)(例如，對(duì)功率命令中步驟變化的響應(yīng)) 都慢。因此該系統(tǒng)不能充分補(bǔ)償?shù)入x子體不穩(wěn)定性。在使用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的真空電容器的系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間在幾百毫秒的數(shù)量級(jí)上。由 于感興趣的等離子體瞬變(突然且快速的阻抗變化)在幾百微秒內(nèi)發(fā)生的事實(shí)，真空電容 器不能用于匹配歸因于等離子體瞬變的負(fù)載變化?，F(xiàn)有技術(shù)中使用的用于匹配網(wǎng)絡(luò)的控制算法依賴于所測(cè)量阻抗的實(shí)部和虛部?；?于阻抗測(cè)量的匹配控制遭受固有的缺點(diǎn)。例如，用于校正或修改阻抗實(shí)部的分路電容值的 變化導(dǎo)致阻抗虛部的非期望變化。類似地，用于校正或修改阻抗虛部的串聯(lián)電容值或頻率 的變化導(dǎo)致阻抗實(shí)部的非期望變化。使(由阻抗的實(shí)部和虛部表達(dá)的)受控可變向量和 (由分路和串聯(lián)電容值或分路電容值和頻率表達(dá)的)控制可變向量相關(guān)的矩陣是非對(duì)角 的。因此基于阻抗測(cè)量的控制算法無(wú)效。類似地，基于利用阻抗的幅值和相位測(cè)量表達(dá)的 阻抗的控制算法無(wú)效。用于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)電子匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入處的RF阻抗分析器或VI 探針。這些校準(zhǔn)方法假設(shè)電子匹配網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗對(duì)于電子匹配網(wǎng)絡(luò)的所有狀態(tài)和操作 頻率都是固定的。然而，電子匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗對(duì)總體系統(tǒng)操作有顯著影響。用于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載的方法限制匹配網(wǎng)絡(luò)在較高功率上的熱和電 壓/電流處理能力，因?yàn)檩斔徒o特定負(fù)載的功率受RF發(fā)生器的額定功率和功率分配器比率 的限制。因此，對(duì)輸送給每個(gè)負(fù)載的功率的獨(dú)立控制是不可能的，因?yàn)楣β史峙淦鞅嚷适枪?定的。因此，需要用于控制提供給動(dòng)態(tài)等離子體負(fù)載的功率和與其相關(guān)聯(lián)的損耗的改進(jìn) 的方法和系統(tǒng)。提供一種用于向動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送功率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括提供具有基本恒定的功率開環(huán)響應(yīng)的DC功率的電源；用于將DC功率變換成RF功率的功率放大器；用于測(cè)量與RF 功率相關(guān)聯(lián)的電壓、電流和電壓與電流向量之間的相角的傳感器；用于修改功率放大器的 阻抗以至少基本匹配動(dòng)態(tài)負(fù)載的阻抗的電控阻抗匹配系統(tǒng)；以及用于控制電控阻抗匹配系 統(tǒng)的控制器。該系統(tǒng)還包括用于確定由功率放大器輸送的功率的傳感器校準(zhǔn)測(cè)量模塊； 用于確定輸送給動(dòng)態(tài)負(fù)載的功率的電子匹配系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊；以及用于計(jì)算電控阻抗匹配系 統(tǒng)中消耗的功率的功耗模塊。在一個(gè)實(shí)施例中，電控阻抗匹配系統(tǒng)可包括電感器、與電感器串聯(lián)的電容器以及 與動(dòng)態(tài)負(fù)載并聯(lián)的多個(gè)開關(guān)電容器。電感器可以是多抽頭型電感器或可變型電感器。多個(gè) 開關(guān)電容器中的每一個(gè)可與開關(guān)和附加電容器串聯(lián)。在另一個(gè)實(shí)施例中，電控阻抗匹配系 統(tǒng)可包括電容器、與動(dòng)態(tài)負(fù)載并聯(lián)的多個(gè)開關(guān)電容器，其中多個(gè)電容器中的每一個(gè)與開關(guān) 和附加電容器串聯(lián)。在又一個(gè)實(shí)施例中，電控阻抗匹配系統(tǒng)可控制功率放大器與動(dòng)態(tài)負(fù)載 之間的阻抗匹配的頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器可控制電控阻抗匹配系統(tǒng)，以便同時(shí)控制與功率放大器 和動(dòng)態(tài)負(fù)載之間的阻抗相關(guān)聯(lián)的電導(dǎo)率和電納。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制器可同時(shí)控制RF 功率頻率、RF功率值以及功率放大器和動(dòng)態(tài)負(fù)載之間的阻抗。在又一個(gè)實(shí)施例中，控制器 可控制電控阻抗匹配系統(tǒng)，以便將電導(dǎo)率和電納調(diào)節(jié)至使不穩(wěn)定動(dòng)態(tài)負(fù)載穩(wěn)定的設(shè)定點(diǎn)。電控阻抗匹配系統(tǒng)中消耗的功率是由功率放大器輸送的功率和輸送至動(dòng)態(tài)負(fù)載 的功率之差。輸送至動(dòng)態(tài)負(fù)載的功率是輸送至電阻負(fù)載的功率和負(fù)載模擬器內(nèi)所消耗功率 的和。傳感器校準(zhǔn)測(cè)量模塊關(guān)于電阻性負(fù)載校準(zhǔn)傳感器，其中電阻性負(fù)載是50Ω。電子 匹配模塊關(guān)于負(fù)載模擬器校準(zhǔn)電控阻抗匹配系統(tǒng)的輸出。負(fù)載模擬器可以是逆電控阻抗匹 配系統(tǒng)。電子匹配系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊可包括用于確定輸送至電阻性負(fù)載的功率的功率計(jì)校準(zhǔn) 模塊；以及用于確定負(fù)載模擬器內(nèi)消耗的功率的負(fù)載模擬器校準(zhǔn)模塊。電阻性負(fù)載可以是 50 Ω。射頻功率輸送系統(tǒng)至少提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的以下優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可利用高速(例 如在一個(gè)實(shí)施例中超過(guò)50kHz)數(shù)字多輸入多輸出(MIMO)控制增強(qiáng)功率設(shè)定值調(diào)節(jié)、阻抗 匹配以及緩解負(fù)載擾動(dòng)。該系統(tǒng)可在存在等離子體負(fù)載特性瞬變的情況下并且在快速等離 子體穩(wěn)定化的條件下運(yùn)行。該系統(tǒng)可提供在系統(tǒng)的啟動(dòng)期間對(duì)瞬變穩(wěn)健的RF功率輸送系 統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供高功率逐步增加比，其中高功率逐步增加比是100 (例如，15W至1500W)。 該系統(tǒng)可測(cè)量輸送至與集成發(fā)生器系統(tǒng)的輸出相連接的負(fù)載的功率。該系統(tǒng)可允許與關(guān)聯(lián) 于各受控變量的狀態(tài)/值的功率損耗變化無(wú)關(guān)的功率的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可消除對(duì)等離子體負(fù) 載的基于制法校準(zhǔn)的需要。提供一種用于向負(fù)載輸送功率的混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括功率變換器系統(tǒng)；耦合 到功率變換器系統(tǒng)的外環(huán)，該外環(huán)提供增益帶寬和相位裕度以便基本上維持輸出功率的穩(wěn) 定性；以及耦合到功率變換器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，用于補(bǔ)償功率變換器系統(tǒng)中的非線性。在一個(gè)實(shí)施例中，外環(huán)可以是模擬控制回路。內(nèi)環(huán)可以是數(shù)字控制回路。在另一 個(gè)實(shí)施例中，模擬控制回路包括模擬控制以及用于調(diào)節(jié)輸出功率的輸出調(diào)整塊。在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字控制回路包括模數(shù)變換器，用于將功率變換器處獲取的模 擬測(cè)量值變換成數(shù)字測(cè)量值以供確定數(shù)字電流設(shè)定值；數(shù)字控制，其輸出數(shù)字電流設(shè)定值 以供確定功率寬度調(diào)制信號(hào)；以及數(shù)模變換器，用于將數(shù)字電流設(shè)定值變換成模擬電流設(shè)定值以確定功率寬度調(diào)制信號(hào)，以供調(diào)節(jié)輸出功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，模擬控制回路基于 模擬電流設(shè)定值和在功率變換器系統(tǒng)處獲取的模擬測(cè)量值輸出功率寬度調(diào)制信號(hào)，以供調(diào) 節(jié)輸出功率。在一個(gè)實(shí)施例中，功率變換器系統(tǒng)包括DC源以及RF功率放大器。在RF功率放大 器處獲取的RF功率測(cè)量值可通過(guò)模數(shù)變換器數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字RF功率測(cè)量值，用于確定 脈寬調(diào)制信號(hào)以供調(diào)節(jié)輸出功率。數(shù)字控制輸出數(shù)字電流設(shè)定值，用于確定脈寬調(diào)制信號(hào) 以供調(diào)節(jié)輸出功率?？蓪?shù)字電流設(shè)定值變換成模擬電流設(shè)定值，用于確定脈寬調(diào)制信號(hào) 以供調(diào)節(jié)輸出功率。模擬控制回路基于模擬電流設(shè)定值和在DC源處獲取的模擬電流設(shè)定 值測(cè)量值輸出功率寬度調(diào)制信號(hào)，以供調(diào)節(jié)輸出功率。提供一種用于向負(fù)載輸送功率的數(shù)字模擬混合方法。該方法包括提供增益帶寬 和相位裕度以便基本上維持輸出功率的穩(wěn)定性；以及補(bǔ)償輸出功率中的非線性。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括測(cè)量所輸送的RF功率信號(hào)；將所測(cè)量的輸送RF功 率從模擬信號(hào)變換成數(shù)字輸送RF功率信號(hào)；根據(jù)數(shù)字輸送RF功率信號(hào)和RF功率設(shè)定值確 定數(shù)字電流設(shè)定值。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括將數(shù)字電流設(shè)定值從數(shù)字信號(hào)變換成 模擬電流設(shè)定值信號(hào)；測(cè)量電源處的DC電流；以及根據(jù)模擬電流設(shè)定值信號(hào)和DC電流確 定占空比命令。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括根據(jù)占空比命令確定脈寬調(diào)制信號(hào)；以及 利用該脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)電源。提供一種用于輸送同步功率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有最大功率的主電源系統(tǒng)， 該主電源系統(tǒng)向第一動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送功率；以及其最大功率與主電源系統(tǒng)的最大功率相等的 從電源系統(tǒng)，該從電源系統(tǒng)向第二動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送其相位與主電源系統(tǒng)提供的相位相等的功率。在一個(gè)實(shí)施例中，主電源系統(tǒng)包括提供功率的DC源；帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放 大器，用于提供具有基本恒定相位的功率；用于監(jiān)測(cè)RF功率放大器輸出的相位的VI探針； 以及用于使RF功率放大器和負(fù)載的相位相匹配的電子匹配系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，主電 源系統(tǒng)輸送至負(fù)載的輸出依賴于VI探針的輸出。在又一個(gè)實(shí)施例中，帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功 率放大器包括用于將相位命令提供給RF功率放大器以補(bǔ)償任意相移的相位補(bǔ)償器電路； 以及用于檢測(cè)輸出功率的相位的相位檢測(cè)器。在一個(gè)實(shí)施例中，從電源系統(tǒng)包括提供功率的DC源；帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放 大器，用于提供具有基本恒定相位的功率；用于監(jiān)測(cè)RF功率放大器輸出的相位的VI探針； 以及用于使RF功率放大器和負(fù)載的相位相匹配的電子匹配系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，帶有 相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放大器包括用于將相位命令提供給RF功率放大器以補(bǔ)償任意相移的 相位補(bǔ)償器電路；以及用于檢測(cè)輸出功率的相位的相位檢測(cè)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，主電 源系統(tǒng)可與從電源系統(tǒng)異相180度。在又一個(gè)實(shí)施例中，主電源系統(tǒng)控制兩個(gè)或更多個(gè)從 電源系統(tǒng)，以向兩個(gè)或更多個(gè)負(fù)載輸送其幅值和相位與主電源系統(tǒng)的幅值和相位相等的功 率。提供一種用于輸送同步功率的方法。該方法包括向第一負(fù)載輸送功率和相位； 以及向第二負(fù)載輸送與向第一負(fù)載輸送的功率和相位基本相等的功率和相位。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括補(bǔ)償對(duì)第一負(fù)載的輸出的相位中的任意相移以及基 本上維持對(duì)第一負(fù)載的輸出的相位。在另一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括補(bǔ)償對(duì)第二負(fù)載的輸出的相位中的任意相移以及基本上維持對(duì)第二負(fù)載的輸出的相位。在另一個(gè)實(shí)施例中，該 方法包括向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載輸送其幅值和相位與第一負(fù)載的幅值和相位基本相等的功率。提供一種用于向負(fù)載輸送功率的數(shù)字模擬混合系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于提供增益帶 寬和相位裕度以便基本上維持輸出功率的穩(wěn)定性的裝置以及用于補(bǔ)償負(fù)載處的非線性的
直ο提供一種用于輸送同步功率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于向第一動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送功率的 裝置以及用于向第二動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送其相位與第一動(dòng)態(tài)負(fù)載的相位相等的功率的裝置。提供一種用于向動(dòng)態(tài)等離子體負(fù)載輸送功率的方法。該方法包括確定產(chǎn)生等離 子體的反應(yīng)氣體的切換；計(jì)算維持具有經(jīng)切換反應(yīng)氣體的等離子體負(fù)載所需的輸出功率的 變化；提供與維持具有經(jīng)切換反應(yīng)氣體的等離子體負(fù)載所需的功率相等的功率；以及比等 離子體中的反應(yīng)氣體變化更快地向等離子體負(fù)載提供功率。附圖簡(jiǎn)述如附圖所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下更具體描述，本發(fā)明的上述以及其 他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。附圖不一定是按比例繪制的，相反重點(diǎn)在于示出本發(fā) 明的原理。圖IA是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有雙軸可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的RF功率輸送系統(tǒng)的示圖；圖IB是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有固定匹配網(wǎng)絡(luò)的RF功率輸送系統(tǒng)的示圖；圖IC是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有集成RF發(fā)生器-阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的RF功率輸送系統(tǒng) 的示圖；圖ID是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有單輸入多輸出分配器的RF功率輸送系統(tǒng)的示圖；圖2是室上(On-Chamber) RF功率輸送系統(tǒng)的基于模塊示圖；圖3是等離子體穩(wěn)定性曲線圖；圖4是圖2的快速DC總線的一個(gè)實(shí)施例；圖5是圖2的RF阻抗分析器或VI探針的一個(gè)實(shí)施例；圖6是圖2的電子匹配網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)施例；圖7是圖2的DSP補(bǔ)償器板的基于模塊示圖的一個(gè)實(shí)施例；圖8是用于校準(zhǔn)室上RF功率輸送系統(tǒng)的框圖；圖9A是用于將功率計(jì)校準(zhǔn)至50 Ω熱量計(jì)功率基準(zhǔn)的一個(gè)實(shí)施例；圖9Β是用于將負(fù)載模擬器校準(zhǔn)至DC功率基準(zhǔn)的一個(gè)實(shí)施例；圖9C是用于將RF阻抗分析器校準(zhǔn)至50 Ω負(fù)載的一個(gè)實(shí)施例；圖9D是用于校準(zhǔn)輸送至負(fù)載模擬器的功率的一個(gè)實(shí)施例；

圖11是主從RF功率輸送系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖12是具有相位補(bǔ)償?shù)闹鲝腞F功率輸送系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖12Α是具有相位補(bǔ)償?shù)闹鲝腞F功率放大器的一個(gè)實(shí)施例；圖13Α是具有同相配置相位補(bǔ)償?shù)闹鲝腞F功率輸送系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖13Β是具有異相配置相位補(bǔ)償?shù)闹鲝腞F功率輸送系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖14是用于功率變換器的模數(shù)混合控制回路的一個(gè)實(shí)施例；圖15是室上RF功率輸送系統(tǒng)模數(shù)混合控制回路的一個(gè)實(shí)施例；以及圖16是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
9
詳細(xì)描述一般而言，集成射頻(RF)功率輸送系統(tǒng)供用于動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用(例如電感和/或電 容等離子體負(fù)載)。圖2是集成射頻(RF)功率輸送系統(tǒng)200的圖示。集成系統(tǒng)200的代表 性功能模塊包括快速DC總線210、RF功率放大器(“PA”) 220、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)補(bǔ)償 器板230、RF阻抗分析器或VI探針240以及電子匹配網(wǎng)絡(luò)250。系統(tǒng)200耦合至等離子體 負(fù)載260。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解集成系統(tǒng)200可實(shí)現(xiàn)用于寬泛范圍的電阻性和電抗 性負(fù)載。一般而言，快速DC總線210向功率放大器220輸送DC功率。功率放大器220將 來(lái)自快速DC總線210的DC功率變換成一頻率下的RF功率。電子匹配系統(tǒng)250切換分路 電容器(未示出)以匹配功率放大器220和等離子體負(fù)載260之間的阻抗，從而便于從功 率放大器220至等離子體負(fù)載260的穩(wěn)定且最大的功率傳送。DSP補(bǔ)償器板230基于從快 速總線控制器212和RF阻抗分析器240接收的測(cè)量值來(lái)控制系統(tǒng)200的運(yùn)行。RF阻抗分 析器240測(cè)量RMS電壓、RMS電流以及RF電壓和電流向量之間的相角。基于這些測(cè)量值， 由DSP補(bǔ)償器板230計(jì)算相關(guān)RF參數(shù)。這些參數(shù)包括但不限于阻抗向量Z、導(dǎo)納向量7、所 輸送功率Pdel以及電壓駐波比(“VSWR”)。DSP補(bǔ)償器板的典型操作包括通過(guò)快速總線控 制器212的功率設(shè)定、通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)器222的RF功率頻率設(shè)定、以及通過(guò)電子匹配 控制器252的切換頻率。在一方面，系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)同步功率和阻抗調(diào)節(jié)。獨(dú)立的電納調(diào)節(jié)允許實(shí)現(xiàn)僅基于 電導(dǎo)率與電導(dǎo)率設(shè)定值的偏差的頻率控制算法。結(jié)果，兩個(gè)控制回路可同時(shí)且高速地運(yùn)行， 從而得到改進(jìn)的穩(wěn)健性。此外，公知的低壓負(fù)電性等離子體(例如，如圖3所示，300W 5mT 的SF6)的不穩(wěn)定性可通過(guò)結(jié)合快速DC總線210的操作設(shè)置任意電導(dǎo)率和電納設(shè)定值來(lái)穩(wěn)定化。另外，等離子體制法的使用可導(dǎo)致變化的等離子體負(fù)載260。等離子體制法要求等 離子體氣體根據(jù)制法步驟轉(zhuǎn)變。在氣體轉(zhuǎn)變期間，產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)物種類的物理變化 在數(shù)十毫秒的時(shí)間尺度上發(fā)生。系統(tǒng)200可至少比等離子體負(fù)載260的變化快5倍地調(diào)節(jié) 輸出到等離子體負(fù)載260的功率。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)200可比等離子體負(fù)載260的變 化快10倍地調(diào)節(jié)輸出到等離子體負(fù)載260的功率。功率輸出調(diào)節(jié)可在一到二毫秒內(nèi)發(fā)生。圖4是部分諧振反相器電源型快速DC總線210的示圖?？焖貲C總線210由于其 相關(guān)聯(lián)的恒定功率開環(huán)響應(yīng)而提供過(guò)程穩(wěn)定性?？焖貲C總線210提高整個(gè)負(fù)載空間上的 FET使用率，這導(dǎo)致更多的功率輸送至具有相同PA 220(圖2)的負(fù)載?？焖貲C總線210具 有快速響應(yīng)率，從而允許其將增加的功率輸送至等離子體以使其不會(huì)熄滅，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)降 低總線電壓以確保PA 220上的FET在安全模式下運(yùn)行的靈活性?？梢允褂每捎糜诳焖貲C 總線210的其它類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，參見2004年9月22日提交的共同待審批的部分 延續(xù)的申請(qǐng)的父申請(qǐng)美國(guó)申請(qǐng)S/N. 10/947，397，每篇申請(qǐng)的整個(gè)教示通過(guò)引用結(jié)合于此。在一個(gè)實(shí)施例中，快速DC總線可以是部分諧振反相器210，其包括一對(duì)開關(guān) (MOSFET) 302a、302b、電感器(L)306、電容器(C) 308 以及四個(gè)二極管 310a、310b、310c 和 310d。在工作時(shí)，部分諧振反相器300將輸入電壓變換成方波或其它已知類型的DC波形。 方波通過(guò)電感器306和電容器308，電感器306和電容器308的組合形成由二極管310c、 310d箝位、由變壓整流器304耦合并整流、且濾波以獲得期望DC電壓(功率設(shè)定值)的LC濾波器。從DSP補(bǔ)償器板230 (圖2)提供DC功率設(shè)定值。期望的阻抗設(shè)定值可按照其逆 向量(稱為導(dǎo)納)來(lái)指定，并且其構(gòu)成同時(shí)將電導(dǎo)率調(diào)節(jié)至任何電導(dǎo)率設(shè)定值和將電納調(diào) 節(jié)至任意電納設(shè)定值的調(diào)節(jié)。部分諧振反相器300 (DC-DC變換器)的輸出與RF功率發(fā)生 器/放大器220的DC輸入相連接。在工作時(shí)，電容器308周期性地充電至輸入干線電壓(+Vin)，并在電容器電流通 過(guò)等離子體負(fù)載260 (圖2)時(shí)放電。在每個(gè)充電或放電周期，存放在電阻性負(fù)載中的能量 等于CU /2，而不依賴于負(fù)載電阻。因此功率等于Χ CVl/2，其中Fsw是開關(guān)頻率且Vin
是輸入電壓。電感器306確保電容器308在有限的時(shí)間中被完全充電和放電。部分諧振反 相器210設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)改變V或/和Fsw控制輸出電壓的能力。圖5是RF阻抗分析器或VI探針240的一個(gè)實(shí)施例的示圖。VI探針240包括DC 電源242、分析板組件244以及探針頭組件246。分析板組件244從探針頭組件246接收低 電平RF信號(hào)。探針頭組件246提供兩個(gè)電壓輸出1)探針頭組件246中存在的時(shí)變電場(chǎng) 的電壓表示(電壓信號(hào))；以及2)探針頭組件246中存在的時(shí)變磁場(chǎng)的電壓表示(電流信 號(hào))。分析板組件244接收并處理探針頭組件246的兩個(gè)電壓輸出，并且向DSP補(bǔ)償器板 230 (圖2)輸出RF參數(shù)。MKS儀器公司的VI探針-4100和VI探針-350是可用于此目的 的示例性分析器。圖6是電子匹配網(wǎng)絡(luò)250的一個(gè)實(shí)施例的示圖。在一個(gè)實(shí)施例中，電子匹配 250包括與負(fù)載260串聯(lián)的電感254(例如具有多個(gè)分接點(diǎn)的緊湊電感器)、固定或可變 串聯(lián)墊整電容器252以及將一個(gè)或多個(gè)上部電容器Ctu(i)258a. . . 258η切換至相應(yīng)的 下部電容器Ctd(i)258a，...258η，的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(“FET”)256a. .. 256η，下部電容器 Ctd (i) 258a，...258η，以接地封端。在一些實(shí)施例中，電子匹配250網(wǎng)絡(luò)不包括與負(fù)載260 串聯(lián)的電感254。可使用其它類型的電子匹配網(wǎng)絡(luò)。例如參見美國(guó)專利No. 6，887，339，其 全部教示通過(guò)引用結(jié)合于此。圖7示出DSP補(bǔ)償器板230的基于模塊示圖。DSP補(bǔ)償器板230包括數(shù)字信號(hào)處 理器(“DSP”)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(“FPGA”)，并且一起控制整個(gè)集成系統(tǒng)200。DSP補(bǔ) 償器板包括導(dǎo)納補(bǔ)償模塊232、頻率控制模塊234、電子匹配控制模塊236、RF功率計(jì)算模塊 237以及RF功率控制模塊238。一般而言，DSP補(bǔ)償器板從VP探針240接收輸出。導(dǎo)納計(jì) 算模塊232使用VI探針輸出來(lái)計(jì)算系統(tǒng)200的導(dǎo)納。頻率控制模塊234使用導(dǎo)納來(lái)改變 功率放大器220的頻率。電子匹配控制模塊236使用導(dǎo)納來(lái)導(dǎo)通或截止電子匹配網(wǎng)絡(luò)250 的FET 256。RF功率計(jì)算模塊237使用VI探針輸出來(lái)計(jì)算系統(tǒng)200的RF功率。RF功率控 制模塊234使用RF功率計(jì)算值來(lái)調(diào)節(jié)從快速總線功率210提供的功率。以下陳述更詳細(xì) 的系統(tǒng)200操作的說(shuō)明。以下陳述功率調(diào)節(jié)目標(biāo)和算法的一個(gè)實(shí)施例目標(biāo)是將所輸送功率Pdel調(diào)節(jié)至用 戶限定的設(shè)定值Psp。為了確保平滑轉(zhuǎn)變，使用軌跡發(fā)生器。在一個(gè)實(shí)施例中，生成一階軌 跡如下 其中τ t是軌跡時(shí)間常數(shù)且Pt是期望的功率軌跡。由以下公式給出按照指令至快 速總線的功率中的變化的輸送功率控制算法
Pcffld = kp (Pt-PdelHki / (Pt-Pdel) dt 等式 2其中kp和Iii分別是比例和積分增益。導(dǎo)納調(diào)節(jié)目標(biāo)將歸一化導(dǎo)納向量定義為如下j = g +并其中g(shù)是歸一化電導(dǎo)率 且b是歸一化電納。阻抗匹配控制目標(biāo)表達(dá)如下g — gsp以及b — bsp，其中g(shù)sp和bsp是選 擇成改進(jìn)等離子體穩(wěn)定性的任意設(shè)定值。根據(jù)以下公式，通過(guò)指出將阻抗定義為導(dǎo)納的倒 數(shù)來(lái)按照阻抗重新解釋以上目標(biāo)
1 . R + jX R + jX …z = - = r + jx= J = ‘ ^ 3
yZ0 R0 + j0其中ζ是歸一化阻抗、r和χ分別是電阻和電抗、Ztl = R0+jO指示標(biāo)稱RF放大器 特征阻抗。它遵循當(dāng)g — 1且b — 0時(shí)，獲得R — Rtl和X — 0。作為PI控制算法的導(dǎo)納調(diào)節(jié)算法例如通過(guò)使用電導(dǎo)率測(cè)量值來(lái)設(shè)計(jì)頻率控制 回路，如下所示fcmd = -kpf(gsp-g)-kif / (gsp-g)dt 等式 4其中kpf和kif是標(biāo)量比例和積分控制增益。作為PI控制算法例如通過(guò)使用電導(dǎo) 率測(cè)量值來(lái)設(shè)計(jì)分路電容控制回路，如下所示Ctcffld = -kpc(bsp-b)-kic / (bsp-b)dt 等式 5其中kp。和kic;是標(biāo)量比例和積分控制增益。在操作中，現(xiàn)在參照?qǐng)D2、3和6，在用戶提供非零設(shè)定值之后，同時(shí)激活并執(zhí)行軌 跡發(fā)生器以及功率和導(dǎo)納控制算法。VI探針240提供與RF電壓和RF電流成比例的模擬信 號(hào)，該RF電壓和RF電流由模數(shù)變換器同時(shí)采樣，被發(fā)送至混頻器和CIC濾波器(未示出)， 最后被發(fā)送通過(guò)校準(zhǔn)矩陣以得到由以下公式給出的RF電壓和RF電流測(cè)量值V =Vr+ )巧和7 = Ir+ 凡等式 6其中F,7分別指示瞬時(shí)RF電壓和電流的向量表示，且下標(biāo)r和i用于指示實(shí)部和 虛部的標(biāo)量值。平均輸送功率計(jì)算如下Pdel =VrIr + F；/,等式 7其中Re{ }指示向量的實(shí)部，而上標(biāo)*用于指示向量的復(fù)共軛。然后計(jì)算導(dǎo)納向量F如下F = U^"+〒)+ / ^σ + 等式 8
V Vr2+V^ J V2r + V12寸、其中電導(dǎo)率G和電納B是導(dǎo)納F的實(shí)部和虛部。計(jì)算歸一化電導(dǎo)率g和歸一化電納b如下g = Z0G = Z0 ^ l^pmb = Z0B = Z0，龍)等式 9其中Ztl指示RF放大器的特征阻抗。將Pdel，g，b的測(cè)量值分別發(fā)送至P。md，fCffld, Ctcffld的控制算法。電子匹配控制器252開關(guān)FET 256 (圖6)，從而開關(guān)分路電容器258以便在功率放 大器220和動(dòng)態(tài)負(fù)載260之間匹配阻抗。不移動(dòng)機(jī)械部件導(dǎo)致較高的可靠性。在一個(gè)實(shí)施
12例中，系統(tǒng)200的步驟響應(yīng)快于1ms，因?yàn)轫憫?yīng)速度由電子設(shè)備控制，而不是由機(jī)械響應(yīng)控 制。頻率的變化導(dǎo)致電導(dǎo)率和電納兩者的變化。然而，對(duì)于不具有傳輸線電纜的集成 系統(tǒng)，分路電容的變化僅導(dǎo)致電納的變化而不影響電導(dǎo)率值。因此，使(由導(dǎo)納的實(shí)部和虛 部表達(dá)的)受控可變向量和(由分路和串聯(lián)電容值或分路頻率表達(dá)的)控制可變向量相關(guān) 的矩陣是三角陣。結(jié)果，通過(guò)改變分路電容值來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電納調(diào)節(jié)。獨(dú)立電納調(diào)節(jié)允許實(shí)現(xiàn)僅基于電導(dǎo)率與電導(dǎo)率設(shè)定值的偏差的頻率控制算法。結(jié) 果，基于電導(dǎo)率的頻率控制回路和基于電納的分路電容控制回路可同時(shí)且高速地運(yùn)行，從 而得到改進(jìn)的穩(wěn)健性。圖8是用于確定電子匹配網(wǎng)絡(luò)250 (圖2)中的功耗以便提高系統(tǒng)200的效率的方 法的框圖300。步驟一(310)，將功率計(jì)314 (圖9A)校準(zhǔn)至50 Ω熱量計(jì)功率基準(zhǔn)以確定輸 送至50 Ω負(fù)載的功率。步驟二(320)，將負(fù)載模擬器熱量計(jì)332 (圖9Β)基準(zhǔn)至DC功率基 準(zhǔn)以確定負(fù)載模擬器342 (圖9D)內(nèi)消耗的功率。步驟三(330)，關(guān)于50Ω負(fù)載校準(zhǔn)VI探 針240 (圖2)，以確定由功率放大器220 (圖2)輸送的功率。步驟四(340)，關(guān)于負(fù)載模擬 器342校準(zhǔn)系統(tǒng)200的輸出以確定輸送至τ、= RL+jXL的功率。步驟五(350)，電子匹配系 統(tǒng)中消耗的功率根據(jù)通過(guò)功率放大器220輸送的功率與輸送至τ、= RL+jXL的功率之差來(lái) 計(jì)算。圖9A是用于校準(zhǔn)功率計(jì)314的步驟310的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)圖。熱量計(jì)322耦合至VI探 針340的輸出，從功率放大器220施加RF功率，以及校準(zhǔn)功率計(jì)314。熱量測(cè)量值是熱損耗 的測(cè)量值。這通過(guò)熱絕緣熱量計(jì)(322)中的50Ω負(fù)載以防止環(huán)境熱損耗并測(cè)量冷卻水的
流率和溫度上升來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)于由0 =計(jì)算的負(fù)載中的功耗校準(zhǔn)功率計(jì)，其中
at
，指示質(zhì)量流率、C指示水的比熱、Tin，Tout分別指示入口和出口的溫度。計(jì)算機(jī)324獲取 at
流率和溫度測(cè)量值以計(jì)算負(fù)載中的功耗以及相對(duì)于功率計(jì)的讀數(shù)的差(誤差)。然后計(jì)算 機(jī)324將該誤差作為校正施加到功率計(jì)以完成校準(zhǔn)。圖9B是用于校準(zhǔn)負(fù)載模擬器熱量計(jì)332的步驟320的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)圖。負(fù)載模擬器 熱量計(jì)332耦合至DC電源334，施加DC功率，并且校準(zhǔn)負(fù)載模擬器熱量計(jì)332。DC電源提 供DC功率測(cè)量值。利用冷卻系統(tǒng)的入口和出口處的流率和溫度測(cè)量值，計(jì)算機(jī)324計(jì)算負(fù) 載模擬器中消耗的功率。計(jì)算機(jī)324然后將DC電源報(bào)告的功率和利用熱量計(jì)計(jì)算的功率 之間的差作為校正施加到負(fù)載模擬器以完成校準(zhǔn)。圖9C是用于校準(zhǔn)RF阻抗分析器或VI探針240的步驟330的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)圖。一般而 言，每個(gè)集成RF發(fā)生器系統(tǒng)200中的VI探針240校準(zhǔn)包括以下步驟，這些步驟得到使DSP 補(bǔ)償器板230測(cè)量的VI探針電壓和電流與實(shí)際RF線電壓和電流相關(guān)的矩陣傳遞函數(shù)。首先，短路連接器312耦合至VI探針240的RF線輸出端子，從功率放大器220施
加RF功率，并且計(jì)算，其中將Zf定義為由DSP補(bǔ)償器板230針對(duì)短路測(cè)量的Vdsp/Idsp 比。第二，開路連接器314耦合至VI探針240的RF線輸出端子，從功率放大器220施加RF 功率，并且計(jì)算At7，其中將Z，定義為由DSP補(bǔ)償器板230針對(duì)開路測(cè)量的Vdsp/Idsp比。第 三，將50 Ω負(fù)載(ZJ 316耦合至VI探針240的輸出，從功率放大器220施加RF功率，記錄Vffl和Im并且計(jì)算RF線電壓\，其中F1 = ^PK。&是在50 Ω負(fù)載316處由功率計(jì)318測(cè)
量的輸送功率。最后，通過(guò)以下等式計(jì)算VI探針校準(zhǔn)矩陣傳遞函數(shù) 等式10中的表達(dá)式將VI探針測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)變成VI探針240的輸出處的RF線電壓 和RF線電流。圖9D是用于校準(zhǔn)系統(tǒng)200 (圖2)的步驟340的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)圖。系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)用于針 對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)變量的值的范圍量化電子匹配網(wǎng)絡(luò)250中的功耗。負(fù)載模擬器342耦合至電子 匹配網(wǎng)絡(luò)250的輸出。典型地，負(fù)載模擬器是與電子匹配網(wǎng)絡(luò)250反相的電子匹配網(wǎng)絡(luò)。 50 Ω負(fù)載耦合至負(fù)載模擬器342的輸出。如下執(zhí)行RF發(fā)生器系統(tǒng)200的系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)。首 先，對(duì)于Ls e [Lsmin, LsmaJ，以11步驟調(diào)節(jié)串聯(lián)電感值。第二，Psp e [Pspmin, PspmaJ W,以pp步 驟改變功率設(shè)定值。第三，Ctemd e [Ct。mdfflin，Ctcmdmax],以cc步驟改變分路電容設(shè)定值。最后， f e [fmin，ffflajHz,以ff步驟改變RF頻率值。對(duì)于上述步驟的每種組合，將負(fù)載模擬器342設(shè)定成表示電子匹配網(wǎng)絡(luò)250的輸 出端的阻抗失配，接下來(lái)，從功率放大器220施加RF功率，并且功率計(jì)314測(cè)量終端負(fù)載 312電阻值。端接負(fù)載電阻值由P5tli2指示，且轉(zhuǎn)換成負(fù)載模擬器342的輸入。模擬的負(fù)載 由Psys指示為Psys = f5CI-t。-sim(P_，C1, C2)，其中C1和C2表示負(fù)載模擬器的串聯(lián)和分路電容 值，且f5Q-t。-sim表示表式排列(tabular arrangement)。電子匹配網(wǎng)絡(luò)250中的相關(guān)聯(lián)損耗 根據(jù)&和P5tl ω之差計(jì)算。在一些實(shí)施例中，可將具有11 X PP X CC Xff維度的校準(zhǔn)表存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ) 器(例如，閃存)中作為Psys = fVI-t0 -sim
(Ls，Psp，Ctcmd，f)，其中 f 表示表式排列。高速 實(shí)時(shí)控制回路需要在系統(tǒng)200的操作期間快速搜索校準(zhǔn)表。非易失性存儲(chǔ)器(例如閃存) 往往比易失性存儲(chǔ)器(例如，動(dòng)態(tài)RAM)慢。有效地利用高速易失性存儲(chǔ)器，其中校準(zhǔn)表(維 度llXppXccXff)的排列可基于Ls、Psp、Ct。m(^nf的變化頻率。具體地，將校準(zhǔn)表分成11 個(gè)存儲(chǔ)器塊；每個(gè)塊包括PP個(gè)存儲(chǔ)器頁(yè)；每個(gè)存儲(chǔ)器頁(yè)包括cc X ff維表。當(dāng)Ls改變時(shí)，可 將新的存儲(chǔ)器塊加載到非易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)功率設(shè)定值改變時(shí)可加載新的存儲(chǔ)器頁(yè)，并且 可實(shí)時(shí)執(zhí)行與Ctcmd和f相關(guān)聯(lián)的適當(dāng)存儲(chǔ)器頁(yè)的校準(zhǔn)點(diǎn)。圖11是向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載1140a，1140b. . . 1140η——統(tǒng)稱為1140——提供同步 功率的RF功率輸送系統(tǒng)1105的示圖。RF功率輸送系統(tǒng)1105包括主RF功率輸送系統(tǒng)1110 以及一個(gè)或多個(gè)從RF功率輸送系統(tǒng)1120a，1120b. . . 1120η，統(tǒng)稱為1120。與由RF功率輸送 系統(tǒng)140(圖1D)輸送至每個(gè)單個(gè)負(fù)載的總額定功率的一部分不同，RF功率輸送系統(tǒng)1105 將單個(gè)RF功率輸送系統(tǒng)的總額定功率輸送至每個(gè)單個(gè)負(fù)載1140。RF功率輸送系統(tǒng)1105利 用主RF功率輸送系統(tǒng)1110來(lái)向第一負(fù)載1140a供電并且利用一個(gè)或多個(gè)從功率輸送系統(tǒng) 1120來(lái)向一個(gè)或多個(gè)附加負(fù)載1140供電，從而將總的額定功率輸送至每個(gè)單個(gè)負(fù)載1140。 為此，如下將參考圖12、13A和13B所討論的，主RF功率輸送系統(tǒng)1110將一個(gè)或多個(gè)從RF 功率輸送系統(tǒng)1120設(shè)置成使頻率f和相位P等于其自身的頻率和相位識(shí)。
圖12示出向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載1140提供功率同時(shí)允許相位補(bǔ)償?shù)腞F功率輸送系 統(tǒng)1105的實(shí)施例。RF功率輸送系統(tǒng)1105包括主RF功率輸送系統(tǒng)1110以及一個(gè)或多個(gè) 從RF功率輸送系統(tǒng)1120。主RF功率輸送系統(tǒng)1110和每個(gè)從RF功率輸送系統(tǒng)1120包括 DC源1250、RF功率放大器1210、VI探針1220以及電子匹配系統(tǒng)1240。DC源1250向RF 功率放大器1210提供功率。VI探針1220調(diào)節(jié)DC源1250的設(shè)定值并且調(diào)節(jié)電子匹配系 統(tǒng)1240的分路電容值。電子匹配系統(tǒng)1240切換分路電容器(未示出)以匹配RF功率放 大器1210和負(fù)載1140之間的阻抗，從而便于從功率放大器1210至負(fù)載1140的穩(wěn)定且最 大的功率傳送。RF功率放大器1210將來(lái)自DC源1250的DC功率變換成一頻率下的RF功率。因 為RF功率放大器1210引入任意相移，所以有必要調(diào)節(jié)RF功率放大器1210的相位以確保輸 送至一個(gè)或多個(gè)負(fù)載1140的功率是同步的。為了確保任意相移不會(huì)阻止將RF功率放大器 1210輸出的相位調(diào)節(jié)至命令的相位設(shè)定值，如下參考圖12A所討論的，RF功率放大器1210 具有相位補(bǔ)償。所命令的相位設(shè)定值可由例如直接數(shù)字合成器(DDS) 1230來(lái)驅(qū)動(dòng)。此外， 如果RF放大器由具有頻率f和相位的脈沖列驅(qū)動(dòng)，則RF放大器的輸出將保持頻率f但 可引入相移 ，從而得到總相位 。例如，假設(shè)脈沖列具有相位=0，主RF功率輸送系 統(tǒng)1110和一個(gè)從RF功率輸送系統(tǒng)1120a具有同相配置，但沒(méi)有相位調(diào)節(jié)電路。所輸送的 總功率由以下等式定義p(t) = Pl(t)+P2(t)= P0Cos (2 π ft+ ( Φ + Δ φ^) +P0cos (2 π ft+ ( Φ + Δ φ2)),等式 11其中Pl(t)和巧⑴分別指示由主RF功率輸送系統(tǒng)1110和從功率輸送系統(tǒng)1120a 輸送的功率。Ptl指示恒定峰值輸送功率且f指示頻率。如果主RF功率輸送系統(tǒng)1110引入 任意相移 i = 0且從RF功率輸送系統(tǒng)1120a引入任意相移 2 = =180°，則輸出 功率為0，如以下等式所示p(t) = p^O+p^t)= P0Cos (2 π ft+0) +P0Cos (2 τι ft+π)= P0Cos (2 π ft) -P0Cos (2 π ft) = 0. 等式 12它于是遵循 2的任意非0值成比例地減小輸出功率。圖12A示出包括相位補(bǔ)償?shù)闹鲝腞F功率放大器1210的詳細(xì)實(shí)施例。主從功率放 大器1210包括相位補(bǔ)償器電路1215、RF功率放大器1225和相位檢測(cè)器1235。相位檢測(cè)器 1235檢測(cè)RF功率放大器1225的相位。將所檢測(cè)的相位輸入至相位補(bǔ)償器電路1215。相 位補(bǔ)償器電路1215將相位檢測(cè)器1235檢測(cè)的相位與從DSP板(未示出)輸入的相位設(shè)定 值(sp)進(jìn)行比較。相位補(bǔ)償器電路125調(diào)節(jié)RF功率放大器1225的相位以補(bǔ)償由RF功 率放大器1225引入的任意相移( J。圖13A示出RF功率輸送系統(tǒng)1105的同相配置的一個(gè)實(shí)施例。RF功率輸送系統(tǒng) 1105包括設(shè)置從RF功率輸送系統(tǒng)1120的頻率的主RF功率輸送系統(tǒng)1110，每個(gè)從RF功率 輸送系統(tǒng)1120驅(qū)動(dòng)變壓器1330的初級(jí)側(cè)。變壓器1330配置成用于主RF功率輸送系統(tǒng) 1110和從功率輸送系統(tǒng)1120的同相配置。對(duì)于同相配置，如果主RF功率輸送系統(tǒng)1110的 任意相移是 工=0，則從RF功率輸送系統(tǒng)1120的期望的任意相移是 2 = 0，以獲得由以下等式示出的總功率p(t) = Pl(t)+P2(t)= P0Cos (2 π ft+0) +P0cos (2 π ft+0)= 2 ‘ P0Cos (2 π ft).等式 13圖13B示出RF功率輸送系統(tǒng)1105的異相配置的一個(gè)實(shí)施例。RF功率輸送系統(tǒng) 1105包括設(shè)置從RF功率輸送系統(tǒng)1120的頻率的主RF功率輸送系統(tǒng)1110，每個(gè)從RF功率 輸送系統(tǒng)1120驅(qū)動(dòng)變壓器1330的初級(jí)側(cè)。變壓器1330配置成用于主RF功率輸送系統(tǒng) 1110和從功率輸送系統(tǒng)1120的異相配置。對(duì)于異相配置，如果主RF功率輸送系統(tǒng)1110的 任意相移是=()，則從RF功率輸送系統(tǒng)1120的期望的任意相移是 2= =180°， 以獲得總功率p(t) = Pl(t)-P2(t)= P0Cos (2 π ft+0) _P0cos (2 π ft+π)= P0Cos (2 π ft) +P0Cos (2 π ft)= 2 · P0Cos (2 π ft).等式 14圖14是用于功率變換器系統(tǒng)1400的模數(shù)混合控制回路的一個(gè)實(shí)施例。功率變換 器系統(tǒng)1400包括功率變換器1405、模擬控制回路1415和數(shù)字控制回路1430。功率變換器 1405包括快速DC總線210 (圖2)、快速總線控制器121 (圖2)、PA門驅(qū)動(dòng)(圖2)和RF功 率放大器220 (圖2)。數(shù)字控制回路1430包括模數(shù)變換器1410、數(shù)字控制1430以及數(shù)模 變換器1425。模數(shù)變換器1410將功率變換器1405處測(cè)量的模擬測(cè)量值數(shù)字化。將數(shù)字 化的測(cè)量值和數(shù)字設(shè)定值輸入至數(shù)字控制1430，該數(shù)字控制1430輸出數(shù)字功率變換器設(shè) 定值。數(shù)字功率變換器設(shè)定值由數(shù)模變換器1425變換成模擬功率變換器設(shè)定值。將模擬 功率變換器設(shè)定值輸入到模擬控制回路。模擬控制回路包括模擬控制1415和輸出調(diào)整塊 1420。模擬控制1415使用來(lái)自功率變換器1405的模擬測(cè)量值和來(lái)自數(shù)字控制回路的模擬 設(shè)定值來(lái)生成模擬輸出，以便輸入至輸出調(diào)整塊1420。輸出調(diào)整塊生成輸出以便調(diào)節(jié)功率 變換器1405。圖15是包括如上參考圖14所述的模數(shù)混合控制回路的室上RF功率輸送系統(tǒng) 1500的一個(gè)實(shí)施例。室上RF功率輸送系統(tǒng)1500包括RF放大器1505、快速總線1510、模 數(shù)變換器1515、控制器1520、數(shù)模變換器1525、模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1530以及輸出調(diào)整1540。RF 放大器1505將RF功率輸送至RF負(fù)載1545 (例如，在由線圈驅(qū)動(dòng)的室中的感應(yīng)耦合等離子 體)。RF放大器1505的輸入是快速總線1510所提供的DC功率?？焖倏偩€1510的輸入是 由模數(shù)混合控制回路生成的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。模數(shù)混合控制回路包括兩個(gè)控制回路， 即數(shù)字控制回路1430和模擬控制回路1415。數(shù)字控制回路通過(guò)利用模數(shù)變換器1515將RF放大器1510輸送的功率測(cè)量值變 換成數(shù)字輸送功率值(PdJ來(lái)操作。將數(shù)字輸送功率值(PdJ輸入到控制器1540，該控制 器1540還具有由用戶向控制器1520提供的輸入RF功率設(shè)定值(Psp)。如以下進(jìn)一步討論 的，控制器1520生成施加到模擬控制回路的電流設(shè)定值(I,ef)。電流設(shè)定值(I,ef)是數(shù)字輸 送功率值(Pdel)和RF功率設(shè)定值(Psp)的函數(shù)，Iref = f(Psp, Pdel)，其中f是已知函數(shù)。在 其最簡(jiǎn)單的形式中，f是由以下等式示出的比例-積分(PI)控制的形式

,等式 15 其中、和1^分別是比例和積分部分的正標(biāo)量增益。在一些實(shí)施例中，可基于模型 或經(jīng)驗(yàn)地確定f。模擬控制回路1415具有將DC電流測(cè)量值(Ide)和電流設(shè)定值(I,ef)作為輸入的 模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1530。模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1530使用Ide來(lái)生成占空比命令Vduty。占空比命令Vduty 被用作輸出調(diào)整塊1540的輸入。輸出調(diào)整塊1535生成當(dāng)向快速總線1510輸入時(shí)調(diào)節(jié)RF 放大器1505的輸入的PWM信號(hào)。在一些實(shí)施例中，控制器1545可以是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 和/或微控制器。圖16是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1550的電路圖。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1550基于平均電流控制技術(shù)，該 技術(shù)例如在 Lloyd Dixon 的"Average Current Mode Control of Switching Power Supplies (開關(guān)電源的平均電流模式控制)” U-140，Unitrode應(yīng)用筆記，德州儀器，其全部 內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于此。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1550電阻器Rf 1630和Ri 1620以及電容器Cp 1605和 Cz 1615被選擇成具有滿足期望極點(diǎn)和0的值。期望極點(diǎn)和0被選擇成實(shí)現(xiàn)最大相位裕度 和增益帶寬乘積。0位于RfCz,而極點(diǎn)位于0和RfCpCz/(Cp+Cz)，如以下的傳遞函數(shù)所示
等式 16其中s指示拉普拉斯變換。另外，由輸出調(diào)整塊1540生成的脈寬調(diào)制信號(hào)在由比 RfZRi確定的切換頻率處具有增益。盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的較佳實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人 員將理解可在其中進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)上的改變，而不會(huì)脫離由所附權(quán)利要求書涵蓋的本 發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種用于向負(fù)載輸送功率的混合系統(tǒng)，包括功率變換器系統(tǒng)；耦合到所述功率變換器系統(tǒng)的外環(huán)，所述外環(huán)提供增益帶寬和相位裕度以便基本上維持輸出功率的穩(wěn)定性；以及耦合到所述功率變換器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，用于補(bǔ)償所述功率變換器系統(tǒng)中的非線性。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外環(huán)是模擬控制回路。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)是數(shù)字控制回路。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬控制回路包括模擬控制以及用于 調(diào)節(jié)輸出功率的輸出調(diào)整塊。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字控制回路包括模數(shù)變換器，用于將所述功率變換器處獲取的模擬測(cè)量值變換成數(shù)字測(cè)量值以供確定 數(shù)字電流設(shè)定值；數(shù)字控制，其輸出數(shù)字電流設(shè)定值以供確定功率寬度調(diào)制信號(hào)；以及 數(shù)模變換器，用于將所述數(shù)字電流設(shè)定值變換成模擬電流設(shè)定值以確定功率寬度調(diào)制 信號(hào)，以供調(diào)節(jié)輸出功率。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬控制回路基于模擬電流設(shè)定值和 功率變換器系統(tǒng)處獲取的模擬測(cè)量值輸出功率寬度調(diào)制信號(hào)，以供調(diào)節(jié)輸出功率。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率變換器系統(tǒng)包括DC源以及RF功率 放大器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述RF功率放大器處獲取的RF功率測(cè)量 值通過(guò)所述模數(shù)變換器數(shù)字化以產(chǎn)生數(shù)字RF功率測(cè)量值，用于確定脈寬調(diào)制信號(hào)以供調(diào) 節(jié)輸出功率。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字控制輸出數(shù)字電流設(shè)定值，用于確 定脈寬調(diào)制信號(hào)以供調(diào)節(jié)輸出功率。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字電流設(shè)定值被變換成模擬電流設(shè) 定值，用于確定脈寬調(diào)制信號(hào)以供調(diào)節(jié)輸出功率。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬控制回路基于模擬電流設(shè)定值 和在DC源處獲取的模擬電流設(shè)定值測(cè)量值輸出功率寬度調(diào)制信號(hào)，以供調(diào)節(jié)輸出功率。
12.一種用于向負(fù)載輸送功率的數(shù)字模擬混合方法，包括提供增益帶寬和相位裕度用于基本上維持輸出功率的穩(wěn)定性；以及 補(bǔ)償輸出功率中的非線性。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括 測(cè)量所輸送的RF功率信號(hào)；將所測(cè)量的輸送RF功率從模擬信號(hào)變換成數(shù)字輸送RF功率信號(hào)；以及 根據(jù)所述數(shù)字輸送RF功率信號(hào)和RF功率設(shè)定值確定數(shù)字電流設(shè)定值。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括將所述數(shù)字電流設(shè)定值從數(shù)字信號(hào)變換成模擬電流設(shè)定值信號(hào)； 測(cè)量電源處的DC電流；以及根據(jù)所述模擬電流設(shè)定值信號(hào)和所述DC電流確定占空比命令。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括 根據(jù)所述占空比命令確定脈寬調(diào)制信號(hào)；以及 利用所述脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)電源。
16.一種用于輸送同步功率的系統(tǒng)，包括具有最大功率的主電源系統(tǒng)，所述主電源系統(tǒng)向第一動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送功率；以及 具有與所述主電源系統(tǒng)的最大功率相等的最大功率的從電源系統(tǒng)，所述從電源系統(tǒng)向 第二動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送其相位與所述主電源系統(tǒng)提供的相位相等的功率。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主電源系統(tǒng)包括 用于提供功率的DC源；帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放大器，用于提供具有基本恒定相位的功率；用于監(jiān)測(cè)RF功率放大器輸出的相位的VI探針；以及用于使所述RF功率放大器和所述負(fù)載的相位相匹配的電子匹配系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主電源系統(tǒng)輸送至所述負(fù)載的輸出 依賴于所述VI探針的輸出。
19.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放大器包括 用于將相位命令提供給RF功率放大器以補(bǔ)償任意相移的相位補(bǔ)償器電路；以及 用于檢測(cè)輸出功率的相位的相位檢測(cè)器。
20.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述從電源系統(tǒng)包括 用于提供功率的DC源；帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放大器，用于提供具有基本恒定相位的功率；用于監(jiān)測(cè)RF功率放大器輸出的相位的VI探針；以及用于使所述RF功率放大器和所述負(fù)載的相位相匹配的電子匹配系統(tǒng)。
21.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，帶有相位補(bǔ)償?shù)腞F功率放大器包括 用于將相位命令提供給RF功率放大器以補(bǔ)償任意相移的相位補(bǔ)償器電路；以及 用于檢測(cè)輸出功率的相位的相位檢測(cè)器。
22.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主電源系統(tǒng)與所述從電源系統(tǒng)異相 180 度。
23.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主電源系統(tǒng)控制兩個(gè)或更多個(gè)從電 源系統(tǒng)，以向兩個(gè)或更多個(gè)負(fù)載輸送其幅值和相位與所述主電源系統(tǒng)的幅值和相位相等的功率。
24.一種用于輸送同步功率的方法，包括 向第一負(fù)載輸送功率和相位；以及向第二負(fù)載輸送與向所述第一負(fù)載輸送的功率和相位基本相等的功率和相位。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，還包括 補(bǔ)償對(duì)所述第一負(fù)載的輸出的相位中的任意相移；以及 基本上維持對(duì)所述第一負(fù)載的輸出的相位。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，還包括 補(bǔ)償對(duì)所述第二負(fù)載的輸出的相位中的任意相移；以及 基本上維持對(duì)所述第二負(fù)載的輸出的相位。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，還包括向一個(gè)或多個(gè)負(fù)載輸送其幅值和 相位與所述第一負(fù)載的幅值和相位相等的功率。
28.一種用于向負(fù)載輸送功率的數(shù)字模擬混合系統(tǒng)，包括用于提供增益帶寬和相位裕度以便基本上維持輸出功率的穩(wěn)定性的裝置；以及 用于補(bǔ)償所述負(fù)載處的非線性的裝置。
29.一種用于輸送同步功率的系統(tǒng)，包括 用于向所述第一動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送功率的裝置；以及用于向第二動(dòng)態(tài)負(fù)載輸送其相位與所述第一動(dòng)態(tài)負(fù)載的相位相等的功率的裝置。
30.一種用于向動(dòng)態(tài)等離子體負(fù)載輸送功率的方法，包括 確定產(chǎn)生等離子體的反應(yīng)氣體的切換；計(jì)算維持具有經(jīng)切換反應(yīng)氣體的等離子體負(fù)載所需的輸出功率的變化； 提供與維持具有經(jīng)切換反應(yīng)氣體的等離子體負(fù)載所需的功率相等的功率；以及 比等離子體中的反應(yīng)氣體變化更快地向等離子體負(fù)載提供功率。
全文摘要
提供一種向動(dòng)態(tài)負(fù)載(260)輸送功率的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括提供具有基本恒定的功率開環(huán)響應(yīng)的DC功率的電源(210)；用于將DC功率變換成RF功率的功率放大器(220)；用于測(cè)量與RF功率相關(guān)聯(lián)的電壓、電流和電壓與電流向量之間的相角的傳感器(240)；用于將功率放大器(220)的阻抗修改為至少基本匹配的動(dòng)態(tài)負(fù)載(260)阻抗的電控阻抗匹配系統(tǒng)(250)；以及用于控制電控阻抗匹配系統(tǒng)的控制器(252)。該系統(tǒng)還包括用于確定由功率放大器輸送的功率的傳感器校準(zhǔn)測(cè)量模塊；用于確定輸送給動(dòng)態(tài)負(fù)載的功率的電子匹配系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊；以及用于計(jì)算電控阻抗匹配系統(tǒng)中消耗的功率的功耗模塊。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101933225SQ200880126068
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者I·貝斯特亞克, S·P·納加拉卡迪, Y·巴思凱, 田豐 申請(qǐng)人:Mks儀器股份有限公司