用于控制射頻功率的方法與系統的制作方法

專利名稱：用于控制射頻功率的方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及等離子體處理設備的控制系統。具體而言，本發明涉及用于控制射頻(RF)功率輸送系統的系統與方法。背景RF功率輸送系統通常以約400kHz至約200MHz之間的頻率向動態負載提供功率。 在科學、工業和醫學應用中使用的頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz。取決于應用，以脈沖和/或連續波模式將RF功率傳輸至負載。由于半導體特征的尺寸持續變小，在半導體制造中控制所傳輸的RF功率變得越發重要。更精確地控制RF功率參數的能力能使半導體制造商獲得更小的半導體特征。然而，當將RF功率傳輸給動態負載時這是非常困難的。存在各種方法用于控制傳輸給動態負載的脈沖RF功率。一個方法是使用已知操作參數的查詢表格來以逐個脈沖為基礎控制所傳輸的RF功率的幅值和形狀。另一個方法是使用在標稱操作點附近的優化的、不變的參數估計。第三個方法是使用高帶寬和/或高速組件(如，電源感測電路、數字信號處理器、和/或前置調節器)來以逐個脈沖為基礎調節所傳輸的RF功率的幅值和形狀。然而，這些已知方法的每一個都存在問題。在第一和第二個方法中，當處理條件隨著查詢表格中的值或標稱操作點而改變和/或漂移時，性能可降低。在第三個方法中，高速組件極大地增加了控制系統的成本。另外，由于與高增益和高帶寬系統相關聯的電噪聲，控制系統易經受性能下降。存在多種方法用于將RF功率傳輸系統從脈沖模式轉換到連續波模式。一個已知方法是使用開環系統，其中固定RF功率放大器的輸入電壓，且通過轉換RF功率放大器開和關來產生脈沖。然而，開環系統欠缺基于負載處操作條件的改變而修改所傳輸的功率的能力。進一步，開環系統不能補償在為等離子處理應用使用低頻脈沖時發生的大量等離子震蕩。在脈沖和連續波功率之間轉換的另一個已知方法是在功率傳輸模式之間暫時地停止處理。然而，暫時地停止處理導致系統啟動之后的不規則處理。另外，暫時停止處理導致不穩定的等離子，因為功率并不是不變的。最后，暫時地停止處理增加了處理和循環時間。概述本發明一般特征在于用于控制提供給動態負載的脈沖RF功率的系統和方法。一個優勢是本發明允許閉環系統更精確地且更準確地控制輸送給動態負載的脈沖RF功率 (如，高頻和/或低頻脈沖功率)。另一個優勢是本發明允許所傳輸的RF功率的逐個脈沖的控制。在低頻系統中，本發明可允許脈沖形狀(如，脈沖的“平坦度”和/或幅值)的逐個脈沖的控制。在一些實施例中，使用相比已知系統和方法中的組件而言更低成本的組件來實現逐個脈沖的控制。例如，可使用低帶寬和/或低速組件。又一個優勢是本發明允許在處理條件相比于查詢表格中的值或標稱操作點變化和/或漂移時，在不降低，例如，功率參數的精確性的情況下，允許傳輸給動態負載的功率的逐個脈沖的控制。另一個優勢是本發明允許可重復的、高精確度的功率控制。在一方面，本發明特征在于用于控制脈沖功率的方法。所述方法包括測量來自功率放大器的功率的第一脈沖來獲得數據。所述方法還包括產生第一信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第一信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。所述方法還包括產生第二信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。在一些實施例中，所述方法包括提供所述第二信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。在一些實施例中，所述方法包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。在一些實施例中，所述方法包括計算所述第一脈沖的峰值和所述第一脈沖的基本穩定的部分之間的形狀差異。在一些實施例中，所述方法還包括將所述第二信號相關聯于所述形狀差異。在一些實施例中，所述方法包括計算功率設定點和第一脈沖的基本穩定部分之間的功率偏移量。所述方法可包括將所述第一信號相關聯于所述功率偏移量。在一些實施例中，所述方法包括提供所述第一信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。所述方法可包括將所述第一信號相關聯于所述電壓源的占空比輸入。在另一方面，本發明特征在于功率傳輸的方法。該方法包括從功率放大器將功率以連續波模式傳輸到負載。該方法還包括在反饋環中產生信號來控制所傳輸的功率，該信號相關聯于功率控制算法。該方法還包括調節所述控制算法中的單個變量來將所傳輸的功率從連續波模式轉換為脈沖模式。在一些實施例中，該方法包括基于對應于所述單個變量的輸入來激活所述反饋環中的開關，所述開關與功率放大器電通信。在一些實施例中，該方法包括過濾所述數據來提供基本穩定的功率測量。在一些實施例中，所述方法包括提供信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。所述方法可包括將所述信號相關聯于所述電壓源的占空比輸入。在一些實施例中，所述方法包括計算功率設定點和所傳輸的功率之間的功率偏移量。在一些實施例中，該方法包括測量所傳輸的功率來獲得數據。在一些實施例中，該方法包括產生第二信號來調節所傳輸的脈沖功率的形狀，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化脈沖峰值與脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。在一些實施例中，所述方法包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。在一些實施例中，所述方法包括將所述信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點與脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。在另一方面，本發明特征在于功率傳輸的方法。本方法包括降功率從功率放大器以連續波模式傳輸到負載。本方法還包括測量傳輸至負載的功率。本方法還包括使用反饋環產生表示所傳輸的功率的信號來控制所傳輸的功率的幅值，該信號對應于功率控制算法。本方法還包括調整算法中的單個變量經由同一個反饋環將脈沖功率傳輸至負載。在一些實施例中，該方法包括基于相關聯于所述單個變量的輸入來激活所述反饋環中的開關，所述開關與功率放大器電通信。在一些實施例中，該方法包括基于對應于所述單個變量的輸入來激活所述反饋環中的開關，所述開關與功率放大器電通信。在一些實施例中，該方法包括過濾所述數據來提供基本穩定的功率測量。在一些實施例中，所述方法包括提供信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。在一些實施例中，所述方法包括將所述信號相關聯于所述電壓源的占空比輸入。在一些實施例中，所述方法包括計算功率設定點和所傳遞的功率之間的功率
偏移量。在一些實施例中，該方法包括測量所傳遞的功率來獲得數據。該方法可包括產生第二信號來調節所傳遞的脈沖功率的形狀，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化脈沖峰值與脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。所述方法可包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。在一些實施例中， 該方法包括將所述信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點和脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。本發明，在另一方面，特征在于將脈沖或連續波的RF功率傳輸給負載的系統。該系統包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉換器，該電壓功率轉換器適于產生脈沖RF功率或連續波RF功率。該系統還包括耦合至電壓功率轉換器的輸出的RF功率放大器，該RF 功率放大器適于將RF功率傳輸到負載。該系統還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第一輸入的脈沖形狀控制環，所述脈沖形狀控制環適于最小化脈沖功率的峰值和脈沖功率的基本穩定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環適于當脈沖RF功率處于第一模式時來操作。該系統還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第二輸入的功率設定點控制環，所述功率設定點控制環適于最小化RF功率設定點和傳輸至負載的RF功率之間的功率差異。在一些實施例中，功率設定點控制環耦合至電壓源的輸出。在一些實施例中，該功率設定點控制環包括電壓偏移電路，該電壓偏移電路被設置為測量從電壓源輸出的電壓和來自功率設定點控制環的電壓設定點之間的電壓偏移量。在一些實施例中，功率設定點控制環包括與RF功率放大器的輸出電通信的開關。 該開關可具有與脈沖RF功率的脈沖頻率相關聯的開關頻率。在一些實施例中，該系統包括耦合至電壓功率轉換器的輸出以及負載的輸入的匹配網絡。在一些實施例中，功率設定點控制環包括耦合至電壓源的第二輸入和脈沖設定點控制環的輸出調整模塊，所述輸出調整模塊提供占空比輸入到電壓源。電壓源可以是降壓調節器。在一些實施例中，功率設定點控制環包括數字模擬轉換器。本發明，在另一方面，特征在于將脈沖或連續波的RF功率傳輸給負載的系統。該系統包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉換器，該電壓功率轉換器適于產生脈沖RF功率或連續波RF功率。該系統還包括耦合至電壓功率轉換器的輸出的RF功率放大器，該RF 功率放大器適于將RF功率傳輸到負載。該系統還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電流設定點輸出的第一控制電路。該系統還包括耦合至電壓源的輸入和電壓源的輸出的第二控制電路，所述第二控制電路與電流設定點電通信。第一和第二控制電路組合，適于最小化RF 功率設定點和傳輸至負載的RF功率之間的功率差異。在一些實施例中，該系統包括耦合至電壓源的輸出和第二控制電路的電壓設定點輸出的第三控制電路。在一些實施例中，該系統含有與RF功率放大器的輸出電通信的開關的第一控制電路。在一些實施例中，該系統含有與開關和RF功率放大器的輸出電通信的至少一個過濾器。在一些實施例中，該至少一個過濾器適于提供基本穩定的功率測量。在一些實施例中，該系統包括耦合至第二控制電路的至少一個前饋輸入。該至少一個前饋輸入可包括電壓設定點輸入。該至少一個前饋輸入可包括電流設定點輸入。在一些實施例中，該第二電路包括調節模塊，所述調節模塊提供占空比輸入給電壓源。在一些實施例中，該系統包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第二輸入的脈沖形狀控制環， 所述脈沖形狀控制環適于最小化脈沖功率的峰值和脈沖功率的基本穩定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環適于當脈沖RF功率處于第一模式時來操作。在另一方面，本發明特征在于同步功率傳輸系統的方法。該方法包括從主功率傳輸系統產生主脈沖功率。該方法還包括產生同步脈沖信號，該同步脈沖信號具有相關聯于所述主脈沖頻率的脈沖頻率的第一頻率。該方法還包括自從功率傳輸系統產生從脈沖功率。該方法還包括將從脈沖功率與同步脈沖信號進行同步。在一些實施例中，同步步驟包括基于所述同步脈沖信號的第一頻率而計算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實施例中，計算步驟包括測量同步信號的下降沿和上升沿之間的時段。在一些實施例中，該方法包括基于所述同步脈沖信號的下降沿而計算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實施例中，該方法包括基于所述同步脈沖信號的上升沿而計算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實施例中，該方法包括相對于所述主脈沖功率而延遲所述從脈沖功率的相位。在一些實施例中，該方法包括從所述主功率傳輸系統接收同步脈沖信號。在一些實施例中，該方法包括從外部信號發生器接收同步脈沖信號。在另一方面，本發明特征在于用于同步功率傳輸系統的系統。該系統包括適于產生主脈沖功率的主功率傳輸系統。該系統還包括與所述主功率傳輸系統電通信的外部信號發生器。該系統還包括與所述外部信號發生器電通信的從功率傳輸系統，其中所述從功率傳輸系統產生具有與由外部信號發生器所產生的同步信號相關聯的頻率的從脈沖功率。


本發明的上述和其他對象、特征和優點以及本發明本身從與不一定按比例繪制的附圖一起審閱時的以下說明性描述得到更全面的理解。圖1是根據本發明的說明性實施例的RF功率傳輸系統的示意圖。圖2是根據本發明的說明性實施例的RF功率傳輸系統的示意圖。圖3是根據本發明的說明性實施例，RF功率信號隨脈沖而變化的圖形化表示。圖4是根據本發明的說明性實施例的RF功率傳輸系統的示意圖。圖5A是根據本發明的說明性實施例，主-從RF功率傳輸系統的示意圖。圖5B是根據本發明的說明性實施例的將圖5A的從RF功率傳輸系統與圖5A的主 RF功率傳輸系統同步的圖形化表示。圖6A是根據本發明的說明性實施例的帶有外部觸發器的主-從RF功率傳輸系統的示意圖。圖6B是根據本發明的說明性實施例的將圖6A的從RF功率傳輸系統與圖6A的主 RF功率傳輸系統同步的圖形化表示。圖6C是根據本發明的另一個說明性實施例的將圖6A的從RF功率傳輸系統與圖 6A的主RF功率傳輸系統同步的圖形化表示。
圖7是根據本發明的說明性實施例的主-從RF功率傳輸系統中同步脈沖的圖形
化表示。
具體實施例方式圖1是根據本發明的說明性實施例的RF功率傳輸系統100的示意圖。系統100 包括電耦合至電壓功率轉換器108的電壓源104。電壓源104提供DC電壓信號106給電壓功率轉換器108。在一些實施例中，電壓源104是降壓調節器(buck regulator)。降壓調節器接收未經調節的輸入電壓并產生較低的、經調節的輸出電壓。電壓功率轉換器108基于來自電壓源104的DC電壓信號106而創建DC功率信號 110(如，脈沖信號或連續波信號)。電壓功率轉換器108基于提供給電壓功率轉換器108 的同步信號188的性質而輸出脈沖或連續波信號。如果同步信號188是脈沖信號(如圖所示)，由電壓功率轉換器108輸出的DC功率信號110是具有與同步信號188的脈沖一樣的頻率與周期的DC功率的脈沖。如果，然而，同步信號188是連續波信號(未示出)，則由電壓功率轉換器108輸出的DC功率信號110是連續波DC功率信號。電壓功率轉換器108電耦合至功率放大器112 (如，RF功率放大器)。電壓功率轉換器108提供DC功率信號110到功率放大器112。功率放大器112基于從電壓功率轉換器 108接收到的DC功率信號110而輸出RF功率信號114。功率放大器112可輸出具有與DC 功率信號的性質一樣的性質(如，脈沖或連續波)或具有不同性質的RF功率信號。在一些實施例中，功率放大器112輸出對于負載IM而言是理想的RF功率信號，其具有由操作者選擇(或者由過程控制器指定)的性質。功率放大器112的操作射頻可被手動地(開環)或自動地(閉環)調整到特定功率。在上述兩種情況下，操作者提供最小和最大的可容許的頻率極限(如，中心頻率 13. 56MHz的士5% )給控制系統192或功率放大器112。在一些實施例中，最小和最大頻率極限是基于負載的性質，例如，來最大化從功率放大器112轉移到負載124的功率。在另一個實施例中，當以脈沖操作模式來操作該系統時，操作者指定輸入到控制系統192的脈沖頻率和占空比。脈沖頻率和占空比的理想值是基于負載的特性的。在一些實施例中，功率放大器112輸出頻率位于約400kHz到約200MHz之間的RF功率信號114。在科學、工業和醫學應用中使用的典型RF頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz。通過將同步信號188從連續波信號轉換為脈沖信號，由功率放大器112所輸出的 RF功率放大器信號114可被從連續波模式轉換到脈沖模式。通過調節功率控制算法(下述等式幻中的單個變量(即，同步信號188)而例如從連續波信號轉換為脈沖信號，該功率控制算法將所傳輸的功率從連續波模式轉換為脈沖模式。類似地，通過將同步信號188從脈沖模式(圖示)轉換為連續波信號，由功率放大器112所輸出的RF功率放大器信號114可被從脈沖模式轉換到連續波模式。功率放大器112將RF功率信號114輸出至可選的匹配網絡120。在一個實施例中，使用了具有如下標稱操作級的功率放大器300伏特(RMS) ； 12安培(RMS)和3. 5kW。在本發明的一些實施例中使用匹配網絡120以匹配功率放大器112和負載114之間的阻抗。 理想的是匹配功率放大器112和負載114之間的阻抗來最小化RF功率，否則RF功率會被從負載114反射回功率放大器。匹配網絡120響應于從功率放大器112接收到的RF功率信號而輸出經修改的RF功率信號114’。在一些實施例中，使用在匹配網絡120中所耗散的功率的估計(或所測得的值)來校準系統并修改功率放大器112的輸出來確保負載IM接收到理想的功率。經修改的RF功率信號114’被提供給負載124(如，用于處理半導體晶片的等離子處理腔)。在一些實施例中，在過程中負載IM的性質(阻抗)變化。負載IM的性質可基于例如，等離子腔中處理條件(如，氣流速率、氣體成分、以及腔壓)的變化以及與傳輸給負載的RF功率相關聯的性質(如，峰值RF功率、RF脈沖頻率、RF脈沖寬度/占空比)的變化而變化。RF功率傳輸系統100還包括控制系統192。功率放大器112與控制系統192的組件電通信。控制系統192提供用于控制RF功率傳輸系統的各組件(如，電壓源104、電壓功率轉換器108和功率放大器112)的操作的反饋環198。控制系統192包括電耦合至電壓源 104和輸出調節模塊132的模擬補償網絡128。輸出調節模塊132提供控制信號134(如， 脈沖寬度調制的控制信號或占空比輸入)到電壓源104，控制電壓源104的輸出。控制系統192還包括第一模擬數字(A/D)轉換器136a。A/D轉換器136a電耦合至電壓源104的輸出。控制系統192還包括第二模擬數字(A/D)轉換器136b。A/D轉換器 136b電耦合至探針116的輸出。探針116電耦合至功率放大器112來測量由功率放大器 112輸出的RF功率信號114的性質(如，RF功率信號的數據)。在這個實施例中，探針116 輸出電壓信號(Vrf)和電流信號(Irf)，這些是對RF功率信號114的測量。Vrf和Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 1Irf = IJjI1 等式 2其中Vk是Vrf信號的實部分量，V1是Vrf信號的虛部分量，Ie是Irf信號的實部分量，I1是Irf信號的虛部分量。在一個實施例中，當RF功率信號114是正弦信號時，由探針116輸出的電壓信號 (Vrf)和電流信號(Irf)都是正弦信號。在本發明的不同實施例中所用的示例探針116是型號為 VI-Probe-4100 和 VI-Probe_350 (MKS 儀器股份有限公司，Andover, MA)。A/D轉換器136b采樣兩個信號(Vrf和Irf)并輸出數字信號[數字電壓信號(Vrf_dig) 和數字電流信號(Irf-dig)]。數字電壓信號(Vrf_dig)和數字電流信號(Irf_dig)被提供給數字信號處理模塊196 來產生作為功率放大器112的輸出功率的數字信號(Pdel )。處理模塊196包括數字混頻器152、CIC過濾器模塊156、開關160、IIR過濾器模塊164以及功率計算模塊168。數字混頻器152將時變信號轉換為在特定頻率處的信號的實部和虛部分量。通過將所測得的信號與基頻的參考余弦以及參考負正弦波相乘獲得的分解產生DC分量和倍頻正弦波。通過乘以余弦獲得的DC分量代表實部分量，且通過乘以負正弦波獲得的DC分量代表虛部分量。 通過CIC過濾器將倍頻分量過濾。A/D轉換器136b的輸出(Vrf_dig和Irf_dig)被提供給混頻器152。混頻器152用數字電壓信號(Vfdig)和數字電流信號(Ifdig)執行數學計算來產生數字電壓信號(vrf_dig)和數字電流信號(Ifdig)的實部和虛部部分，以如下形式
_] Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 3
Irf_dig = (IK_dig+2* ω) + j (ΙΜ 8+2* ω)等式 4其中VK_dig是Vrf的數字版本的實部分量，Vpdig是Vrf的數字版本的虛部分量，IK_dig 是Irf的數字版本的實部分量，且Ipdig是Vrf的數字版本的虛部分量，且其中數字信號的每一個分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D轉換器的采樣頻率。然后將這些信號提供給CIC過濾器模塊156來移除信號的該2* ω分量。在一個實施例中，CIC過濾器模塊156是低通濾波器。在一個實施例中，低通濾波器的截止頻率約為25kHz。例如，CIC過濾器模塊156過濾與系統的處理要求相關聯的信號頻率(如，在科學、工業和醫學應用中使用的典型頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz)。將CIC過濾器模塊156的輸出提供給開關160。通過同步信號188驅動開關160 位于打開和關閉的位置。當脈沖大小為1時，開關160被打開，且當脈沖大小為0時，開關被關閉。將開關160的輸出提供給IIR過濾器模塊164。當開關160處于關閉位置時，DC信號的當前值被提供給IIR過濾器模塊164。當開關160處于打開位置時，DC信號的之前值被提供給UR過濾器模塊164。UR過濾器模塊一般是用于將提供給功率計算模塊168的信號平滑的低通濾波器。UR濾波器模塊164 — 般平滑那些否則由于開關160在打開和關閉位置之間循環而呈現的噪聲/高頻分量。CIC 過濾器模塊156和UR過濾器模塊164過濾反饋環198的數字信號處理模塊196中的信號來提供穩定的(這個術語包括基本穩定)功率測量(數字信號178)。將IIR過濾器模塊 164的輸出提供給功率計算模塊168。功率計算模塊基于下述功率控制算法來計算功率Pdel_0N = Vr-digl^—dig+Vl—digll—dig 等式 5功率計算模塊168輸出數字信號178 (Pdel 0N)。信號178是所傳輸的功率(傳輸給負載124的功率)。操作者或處理器(未示出)將功率設定點信號184 (Psp)提供給RF功率傳輸系統100，該設定點信號是理想地提供給負載IM的RF功率信號。在一些實施例中，在處理器上實現系統的理想操作的數學模型來產生功率設定點信號184。求和模塊180c基于下式計算功率偏移量，即功率設定點信號184和功率計算模塊168的輸出之間的差異(誤差e)e = Psp-Pdel QN 等式 6如果功率設定點信號184和功率計算模塊168的輸出之間的差異為零，則功率放大器112正在提供理想的RF功率信號給負載124。如果差異不是零，則該系統工作產生了差異(誤差e)。RF功率傳輸系統100包括接收求和模塊180c的輸出(即，功率設定點信號184和功率計算模塊168的輸出170之間的差異)的第一控制器模塊144。控制器模塊144企圖通過計算并輸出可相應調節處理的修正動作來減少所測得的處理變量(S卩，功率計算模塊 168的輸出)和理想的設定點(即，功率設定點184)之間的誤差。在一個實施例中，控制器模塊144是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器144對于現有誤差的反應，積分值確定基于現有誤差的總和的控制器144的反應， 且微分值確定基于誤差改變的速率的控制器144的反應。使用這三個反應的加權和來基于下式經由控制元件來調節處理
0deVcontrol =kpe + kl\edT + kd ^r 等式 7
其中kp是PID控制算法的比例分量的標量常數，Iii是PID控制算法的積分分量的標量常數，kd是PID控制算法的微分分量的標量常數，且e是等式6中所計算的誤差。在本發明的這個實施例中，控制器144輸出最終提供給輸出調節模塊132的信號。 輸出調節模塊132控制電壓源104的操作，電壓源104接著最終控制由功率放大器112輸出的功率。通過調節PID控制器算法中的三個常數，控制器可提供為特定處理要求而設計的控制動作。可以以控制器對于誤差的響應度、控制器過沖設定點的程度、以及系統震蕩的程度的形式來描述控制器的響應。可在本發明的可選實施例中使用可選的控制器類型(如， 狀態空間控制器、自適應控制器、模糊邏輯控制器)。使用求和模塊180b來將控制器144的輸出(Vcontrol)與第一前饋信號172組合 (如，求和)來產生電壓設定點信號(Vsp)。第一前饋信號172 —般使用系統100的理想操作的數學模型而產生。在一些實施例中，第一前饋信號172作為時間(t)的函數而變化。在一些實施例中，由操作者產生第一前饋信號172。一般使用前饋信號來確保對于基于系統信息和參數的給定設定點的更快速的收斂。此外，可使用非線性前饋信號結合線性反饋功能 (如，PID控制)來獲得非線性系統中的快速控制。求和模塊180d計算電壓設定點信號(Vsp)和A/D轉換器136a的輸出之間的差異。 A/D轉換器136a采樣電壓源104的輸出并產生電壓源104的輸出(Vbuek)的數字版本。求和模塊180d基于下式計算電壓設定點信號(Vsp)和Vbuek之間的差異(誤差ev)ev = Vsp-Vbuck 等式 8如果電壓設定點信號(Vsp)和Vbudt之間的差異為零，功率放大器112正在提供理想的RF功率信號給負載124。如果差異不是零，系統工作以減少差異(誤差ev)。RF功率傳輸系統100還包括接收求和模塊180d的輸出(S卩，電壓設定點信號(Vsp) 和Vbudt之間的差異)的第二控制器模塊148。控制器模塊148企圖通過計算并且然后輸出可相應調節處理的修正動作來減少所測得的處理變量(即，電壓源104的輸出)和理想的設定點(1Φ，功率設定點Vsp)之間的誤差。在一個實施例中，控制器模塊148是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器148對于現有誤差的反應，積分值基于現有誤差的總和確定控制器148的反應，且微分值基于誤差改變的速率確定控制器148的反應。使用這三個反應的加權和來基于下式經由控制元件來調節處理
γdeIcontrol = kpvev + kvi jev τ + kdv 言等式 9其中kpv是PID控制算法的比例分量的常數值，kiv是PID控制算法的積分分量的常數值，kdv是PID控制算法的微分分量的常數值，且ev是等式8中所計算出的誤差。在本發明的這個實施例中，控制器148輸出最終提供給輸出調節模塊132的信號。 輸出調節模塊132控制電壓源104的操作，電壓源104接著最終控制由功率放大器112輸出的功率。通過調節PID控制器算法中的三個常數，控制器可提供為特定處理要求而設計的控制動作。可以以控制器對于誤差的響應度、控制器過沖設定點的程度、以及系統震蕩的程度的形式來描述控制器的響應。可在本發明的可選實施例中使用可選的控制器類型(如， 狀態空間控制器、自適應控制器、模糊邏輯控制器)。使用求和模塊180a來將控制器148的輸出與第二前饋信號176組合(如，求和)來產生電流設定點信號(Isp)。第二前饋信號176 —般使用系統100的理想操作的數學模型而產生。在一些實施例中，第二前饋信號176作為時間(t)的函數而變化。在一些實施例中，由操作者產生第二前饋信號176。將電流設定點信號(Isp)提供給數字模擬轉換器140，后者產生電流設定點信號 (Isp)的模擬信號版本。將電流設定點信號(Isp)的模擬信號版本提供給模擬電路補償網絡 128。模擬電路補償網絡1 還接收從電壓源104所測得的電流信號(Imeas)。在這個實施例中，模擬電路補償網絡1 是超前-滯后補償網絡，其增加了系統中的相位容限并提供信號給輸出調節模塊132。如上所述，輸出調節模塊132提供控制信號(如，脈沖寬度調制的控制信號)到電壓源104，控制電壓源104的輸出。圖2是根據本發明的說明性實施例的RF功率傳輸系統200的示意圖。系統200 包括電耦合至電壓功率轉換器208的電壓源204。電壓源204提供DC電壓信號207給電壓功率轉換器208。在一些實施例中，電壓源204是降壓調節器。降壓調節器接收未經調節的輸入電壓并產生較低的、經調節的輸出電壓。電壓功率轉換器208基于來自電壓源204的 DC電壓信號207而創建DC功率信號211(如，脈沖信號或連續波信號)。電壓功率轉換器 208基于提供給電壓功率轉換器208的同步信號觀8的性質而輸出脈沖或連續波信號。如果同步信號288是脈沖信號(如圖所示)，由電壓功率轉換器208輸出的DC功率信號211 是具有與同步信號觀8的脈沖一樣的頻率與周期的DC功率的脈沖。如果，然而，同步信號 288是連續波信號(未示出)，則由電壓功率轉換器208輸出的DC功率信號211是連續波 DC功率信號。電壓功率轉換器208電耦合至功率放大器212 (如，RF功率放大器)。電壓功率轉換器208提供DC功率信號211到功率放大器212。功率放大器212基于從電壓功率轉換器 208接收到的DC功率信號211而輸出RF功率信號213。功率放大器212可輸出具有與DC 功率信號的性質一樣的性質(如，脈沖或連續波)或具有不同性質的RF功率信號213。在一些實施例中，功率放大器212輸出具有對于負載2M而言是理想的、且由操作者選擇(或者由過程控制器指定)的性質的RF功率信號213。在一些實施例中，功率放大器212輸出頻率位于約400kHz到約200MHz之間的RF功率信號。在科學、工業和醫學應用中使用的典型 RF 頻率約為 2MHz、13. 56MHz 和 27MHz。通過將同步信號288從連續波信號轉換為脈沖信號，由功率放大器212所輸出的 RF功率放大器信號213可被從連續波模式轉換到脈沖模式。通過調節功率控制算法(下述等式13)中的單個變量(即，同步信號觀8)而例如從連續波信號轉換為脈沖信號，該功率控制算法將所傳輸的功率從連續波模式轉換為脈沖模式。類似地，通過將同步信號288從脈沖模式(圖示)轉換為連續波信號，由功率放大器212所輸出的RF功率放大器信號213 可被從脈沖模式轉換到連續波模式。功率放大器212將RF功率信號213輸出至可選的匹配網絡220。在本發明的一些實施例中使用匹配網絡220以匹配功率放大器212和負載2 之間的阻抗。理想的是匹配功率放大器212和負載2M之間的阻抗來最小化RF功率，否則RF功率會被從負載2M反射回功率放大器。匹配網絡220響應于從功率放大器212接收到的RF功率信號213而輸出經修改的RF功率信號213’。經修改的RF功率信號113’被提供給負載224 (如，用于處理半導體晶片的處理腔)。在一些實施例中，在過程中負載2 的性質(阻抗)變化。負載2M的性質可基于例如，等離子腔中處理條件(如，氣流速率、氣體成分、以及腔壓)的變化以及與傳輸給負載的 RF功率相關聯的性質(如，峰值RF功率、RF脈沖頻率、RF脈沖寬度/占空比)的變化而變化。RF功率傳輸系統200還包括控制系統四2。功率放大器212與控制系統四2電通信。控制系統292提供用于控制RF功率傳輸系統200的各組件(如，電壓源204、電壓功率轉換器208和功率放大器212)的操作的反饋環四8。控制系統292包括電耦合至電壓源 204和輸出調節模塊232的模擬補償網絡228。輸出調節模塊232提供控制信號(如，脈沖寬度調制的控制信號或占空比輸入)到電壓源204，控制電壓源204的輸出。控制系統292還包括第一模擬數字(A/D)轉換器236a。A/D轉換器236a電耦合至電壓源204的輸出。控制系統292還包括第二模擬數字(A/D)轉換器236b。A/D轉換器 236b電耦合至探針216的輸出。探針216電耦合至功率放大器212來測量由功率放大器 212輸出的RF功率信號的性質(如，RF功率信號的數據)。在這個實施例中，探針216輸出RF功率信號的電壓信號(V,f)和電流信號(Iff)，它們是RF功率信號213的測量。Vrf和 Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 9Irf = IjjI1 等式 10其中Vk是Vrf信號的實部分量，V1是Vrf信號的虛部分量，Ie是Irf信號的實部分量，I1是Irf信號的虛部分量。在一個實施例中，由探針216輸出的電壓信號(V,f)和電流信號(I,f)都是正弦信號。在本發明的不同實施例中所用的示例探針216是型號為VI-Probe-4100和 VI-Probe-350 (MKS儀器股份有限公司，Andover, MA)。A/D轉換器236b采樣兩個信號(Vrf 和Irf)并輸出數字信號[數字電壓信號(Vrf_dig)和數字電流信號(Irf-dig)]。數字電壓信號(Vrf_dig)和數字電流信號(Irf_dig)被提供給數字信號處理模塊四6 來產生作為功率放大器212的輸出功率的數字信號(Pdel)。處理模塊296包括數字混頻器 252、CIC過濾器模塊256、以及功率計算模塊洸8。A/D轉換器236b的輸出(Vfdig和Irf-dig) 被提供給混頻器252。混頻器252用數字電壓信號(Vrf_dig)和數字電流信號(I,f_dig)執行數學計算來產生如下形式的數字電壓信號(tf_dig)和數字電流信號(Ifdig)的實部和虛部部分Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 11Irf_dig = (IK_dig+2* ω) +j (ΙΜ 8+2* ω)等式 12其中VK_dig是Vrf的數字版本的實部分量，Vpdig是Vrf的數字版本的虛部分量，IK_dig 是Irf的數字版本的實部分量，且Ldig是Irf的數字版本的虛部分量，且其中數字信號的每一個分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D轉換器的采樣頻率。然后將這些信號提供給CIC過濾器模塊256來移除信號的該2* ω分量。將CIC過濾器模塊256輸出的DC信號輸出提供給功率計算模塊沈8。功率計算模塊基于下述功率控制算法來計算功率Pdel = 乂純山-徹+^！-叫等式 13功率計算模塊268輸出數字信號278 (Pdel)。信號278是所傳輸的功率(即，傳輸給負載2M的功率)。操作者或處理器(未示出)將功率設定點信號284 (Psp)提供給RF功
15率傳輸系統200，該設定點信號是理想地提供給負載2M的RF功率信號。在一些實施例中， 在處理器上實現系統的理想操作的數學模型來產生功率設定點信號觀4。圖3是數字信號302的圖300的圖形化表示，數字信號302是圖2的數字信號 278 (Pdel)。參考圖3，根據圖2中所描述的本發明的說明性實施例，作為應用用于控制功率傳輸的方法的結果，數字信號278隨脈沖而變化。圖300的Y軸是由功率放大器212輸出的RF功率信號213的數字表示。圖的X軸是時間。在這個實施例中，圖300示出由功率放大器212輸出的功率的三個脈沖[304a、304b以及3(Mc (—般地，304)]。理想的是對于每一個脈沖304而具有不變值Psp (功率設定點)。然而，實踐中，脈沖304不是理想脈沖且因此在理想脈沖和由功率放大器212輸出的功率的實際脈沖之間存在誤差。系統200修正理想脈沖和由功率放大器212輸出的功率的實際脈沖之間的誤差。 每一個脈沖304的誤差用第一誤差分量ei和第二誤差分量％來表征。誤差分量ei是功率設定點(Psp)和所傳輸的功率Pdel的基本穩定部分(穩定狀態)之間的誤差。用于計算誤差分量ei的Pdel的值是位于脈沖尾部的功率。誤差ei (η)是第η個脈沖的第一誤差分量， 且優選作為圖2中的功率偏移量誤差(ei)。誤差分量％是脈沖所傳輸的峰值功率(Pdel—peak) 和所傳輸的功率Pdel的基本穩定部分(穩定狀態)之間的誤差。誤差是第η個脈沖的第二誤差分量，且在圖2中稱為脈沖形狀誤差(e2)。在操作中，功率傳輸系統200從第一脈沖(如，脈沖304a)中減少誤差&和％為接下來的、第二脈沖(如，脈沖304b)。類似地， 功率傳輸系統200減少在每一組相繼脈沖(如，第一脈沖304b到后繼的第二脈沖304c)之間的誤差ei和％。同步信號觀8的第一脈沖提供給電壓功率轉換器208。電壓功率轉換器208提供 DC功率脈沖(DC功率信號211)到功率放大器212。功率放大器212輸出功率的第一脈沖 (RF功率信號213)到匹配網絡220。探針216測量功率的脈沖(RF功率信號213)并輸出該RF功率信號的電壓信號(Vrf)和電流信號(I,f)到A/D轉換器236b，如之前所述的。功率計算模塊268接收A/D轉換器236b的輸出并輸出該數字信號(Pdel)，如上所述。將功率偏移量誤差(ei)提供給功率偏移量自適應控制環模塊214。還將功率設定點Psp提供給模塊214。模塊214基于以下自適應算法來計算功率偏移量信號(P。ffsJ
_4] ^Lkoffse人Psp-Pdel J等式認其中k。ffset是由操作者選擇的以獲得理想的脈沖功率的標量常數。求和模塊^Oc 對P。ffsrt和占空比模塊210的輸出求和，并從這個和中減去Pdel。基于下式確定求和模塊 280c的輸出(誤差e):e = Psp · D-Pdel 等式 15其中D是由占空比模塊210所設定的占空比。將求和模塊^Oc的輸出提供到控制器對4。控制器244企圖減少所測得的處理變量(即，功率求和模塊沈8的輸出Pdel)與功率設定點(Psp)和功率自適應控制模塊214的輸出之和之間的誤差。在一個實施例中，控制器模塊244是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器244對于現有誤差的反應，積分值基于現有誤差的總和確定控制器244的反應，且微分值基于誤差改變的速率確定控制器244的反應。使用這三個反應的加權和來基于下式經由控制元件來調節處理
權利要求
1.一種用于控制脈沖功率的方法，包括測量來自功率放大器的所傳輸的功率的第一脈沖來獲得數據； 產生第一信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第一信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的功率差異；以及產生第二信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供所述第二信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括計算所述第一脈沖的峰值和所述第一脈沖的基本穩定部分之間的脈沖形狀誤差。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號相關聯于所述脈沖形狀誤差。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括計算所述功率設定點和所述第一脈沖的所述基本穩定部分之間的功率偏移量。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一信號相關聯于所述功率偏移量。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供所述第一信號作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一信號相關聯于所述電壓源的占空比輸入。
10.一種功率傳輸的方法，包括從功率傳輸系統以連續波模式將功率傳輸至負載；在反饋環中產生信號來控制所傳輸的功率，所述信號相關聯于功率控制算法；以及調節所述功率控制算法中的單個變量來將所傳輸的功率從連續波模式轉換為脈沖模式。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括基于對應于所述單個變量的輸入來激活所述反饋環中的開關，所述開關與功率放大器電通信。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括過濾所述反饋環中的信號來提供基本穩定的功率測量。
13.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括提供所述信號作為電壓源的輸入， 所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述信號是所述電壓源的占空比輸入。
15.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括計算功率設定點和所傳輸的功率之間的功率偏移量。
16.如權利要求10所述的方法，其特征在于，還包括測量所傳輸的功率來獲得數據。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括產生第二信號來調節所傳輸的脈沖功率的形狀，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化脈沖峰值與所述脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點和脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。
20.一種功率傳輸的方法，包括從功率傳輸系統以連續波模式將功率傳輸至負載；測量傳輸給所述負載的功率；使用反饋環產生表示所傳輸的功率的信號來控制所傳輸的功率的幅值，所述信號對應于功率控制算法；調節所述功率控制算法中的單個變量以經由所述同一個反饋環將脈沖功率傳輸至所述負載。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括基于對應于所述單個變量的輸入來激活所述反饋環中的開關，所述開關與功率放大器電通信。
22.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括過濾所述反饋環中的信號來提供基本穩定的功率測量。
23.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括提供所述信號作為電壓源的輸入， 所述電壓源提供電壓給電壓功率轉換器。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號相關聯于所述電壓源的占空比輸入。
25.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括計算功率設定點和所傳輸的功率之間的功率偏移量。
26.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括測量所傳輸的功率來獲得數據。
27.如權利要求沈所述的方法，其特征在于，還包括產生第二信號來調節所傳輸的脈沖功率的形狀，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化脈沖峰值與所述脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。
28.如權利要求27所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號相關聯于在接收設定點的電壓源與電壓功率轉換器輸出功率之間測得的時間延遲。
29.如權利要求沈所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號相關聯于所述數據來最小化功率設定點和脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。
30.用于傳輸脈沖或連續波RF功率至負載的系統，包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉換器，所述電壓功率轉換器適于產生所述脈沖RF 功率或所述連續波RF功率；耦合至所述電壓功率轉換器的輸出的RF功率放大器，所述RF功率放大器適于將RF功率傳輸至所述負載；耦合至所述RF功率放大器的輸出和所述電壓源的第一輸入的脈沖形狀控制環，所述脈沖形狀控制環適于最小化所述脈沖功率的峰值和所述脈沖功率的基本穩定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環適于當所述脈沖RF功率處于第一模式時來操作；以及耦合至所述RF功率放大器的所述輸出和所述電壓源的第二輸入的功率設定點控制環，所述功率設定點控制環適于最小化RF功率設定點和傳輸至負載的所述RF功率之間的功率差異。
31.如權利要求30所述的系統，其特征在于，所述功率設定點控制環耦合至所述電壓源的輸出。
32.如權利要求31所述的系統，其特征在于，所述功率設定點控制環包括電壓偏移電路，所述電壓偏移電路被設置為測量從所述電壓源輸出的電壓和來自所述功率設定點控制環的電壓設定點之間的電壓偏移量。
33.如權利要求30所述的系統，其特征在于，所述功率設定點控制環包括與所述RF功率放大器的所述輸出電通信的開關。
34.如權利要求33所述的系統，其特征在于，所述開關可具有與所述脈沖RF功率的脈沖頻率相關聯的開關頻率。
35.在如權利要求30所述的系統，其特征在于，還包括耦合至所述電壓功率轉換器的輸出以及所述負載的輸入的匹配網絡。
36.在如權利要求30所述的系統，其特征在于，所述功率設定點控制環包括耦合至所述電壓源的所述第二輸入和所述脈沖設定點控制環的輸出調節模塊，所述輸出調節模塊提供占空比輸入給所述電壓源。
37.在如權利要求30所述的系統，其特征在于，所述電壓源是降壓調節器。
38.在如權利要求30所述的系統，其特征在于，所述功率設定點控制環包括數字模擬轉換器。
39.用于傳輸脈沖或連續波RF功率至負載的系統，包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉換器，所述電壓功率轉換器適于產生所述脈沖RF 功率或所述連續波RF功率；耦合至所述電壓功率轉換器的輸出的RF功率放大器，所述RF功率放大器適于將RF功率傳輸至所述負載；耦合至所述RF功率放大器的輸出和電流設定點輸出的第一控制電路；以及耦合至所述電壓源的輸入和所述電壓源的輸出的第二控制電路，所述第二控制電路與電流設定點電通信，其中所述第一和第二控制電路組合，適于最小化RF功率設定點和傳輸至負載的所述 RF功率之間的功率差異。
40.在如權利要求39所述的系統，其特征在于，還包括耦合至所述電壓源的所述輸出和所述第二控制電路的電壓設定點輸出的第三控制電路。
41.如權利要求39所述的系統，其特征在于，所述第一控制電路還包括與所述RF功率放大器的所述輸出電通信的開關。
42.如權利要求39所述的系統，其特征在于，還包括與所述開關和所述RF功率放大器的所述輸出電通信的至少一個過濾器。
43.如權利要求42所述的系統，其特征在于，所述至少一個過濾器適于提供基本穩定的功率測量。
44.如權利要求39所述的系統，其特征在于，還包括耦合至所述第二控制電路的至少一個前饋輸入。
45.如權利要求44所述的系統，其特征在于，所述至少一個前饋輸入包括電壓設定點輸入。
46.如權利要求44所述的系統，其特征在于，所述至少一個前饋輸入包括電流設定點輸入。
47.在如權利要求39所述的系統，其特征在于，所述第二電路包括調節模塊，所述調節模塊提供占空比輸入給所述電壓源。
48.在如權利要求39所述的系統，其特征在于，還包括耦合至所述RF功率放大器的輸出和所述電壓源的第二輸入的脈沖形狀控制環，所述脈沖形狀控制環適于最小化所述脈沖功率的峰值和所述脈沖功率的基本穩定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環適于當所述脈沖RF功率處于第一模式時來操作。
全文摘要
用于控制脈沖功率的方法包括測量來自功率放大器的功率的第一脈沖來獲得數據。所述方法還包括產生第一信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第一信號相關聯于所述數據來最小化功率設定值和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的功率差異。所述方法還包括產生第二信號來調節所傳輸的功率的第二脈沖，所述第二信號相關聯于所述數據來最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩定部分之間的幅值差異。
文檔編號H02J17/00GK102484396SQ201080037077
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月16日 優先權日2009年6月25日
發明者A·拉什德, D·蘭姆, D·孟哲, I·貝斯特亞克, J·E·安布羅西納, J·J·蘇斯, S·本澤洛克, S·納加拉卡迪, 田豐 申請人:Mks儀器股份有限公司