用于受控寬帶微波加熱的方法和裝置的制造方法
【專利說明】用于受控寬帶微波加熱的方法和裝置
[0001]發明背景發明領域
[0002]本發明涉及了使用微波能量處理材料領域。更具體地，本發明涉及了用于在寬頻范圍上生成精確水平的微波功率的裝置和方法。
[0003]相關技術的描述
[0004]已將將微波功率用于大范圍地沿用并實踐于工業工藝(包括加熱)，對于受作用的原料是水的應用(如干燥)而言尤其如此。最近還應用于熱固性聚合物以及粘合劑的固化。眾所周知，在多模空腔中使用單頻微波源會引起與空腔內的駐波建立有關的不均勻性。為了解決這個問題，已開發了變頻微波(VFM)系統，如在例如美國專利號5，521，360、5，721，286 和 5，961，871 中所教示。
[0005]一般來說，VFM系統具有多模施加器空腔以及能夠進行寬帶操作的微波電源；在此，寬帶被限定為在圍繞所選中心頻率的一定有用范圍上掃描所施加的頻率的能力。美國專利號5，961，871中教示的模型計算針對空腔18中的微波能量的總空間均勻性展示出了帶寬、空腔大小以及中心頻率之間關系。圖1的方框圖示出用于包括通常具有微波頻率源的微波電源的控制系統的現有技術，所述控制系統包括電壓可調的YIG振蕩器以及電壓受控的衰減器，由此施加來自控制系統的信號來產生給定頻率、帶寬、波形或其他選定特性的小信號微波輸出。隨后，這個微波信號被傳送至高功率微波放大器(通常為TWT)，以便產生具前述選定特性的高功率信號。控制系統對正向和反向微波輸出功率進行監測。第二控制環路使用溫度(如圖所示)或另一合適工藝參數對工藝進行監測，并且提供閉環反饋以便自動調整微波功率水平。
[0006]如圖1所示:
[0007]小信號部件10包括:YIG振蕩器11，YIG振蕩器是在低功率下生成微波頻率；以及電壓受控的衰減器12，電壓受控的衰減器調整小信號RF功率水平。固定衰減器(未示出)將最大信號強度限制為安全水平，并且RF帶通濾波器13確保RF信號是在高功率放大器帶內。
[0008]高功率部件包括:高功率放大器14，高功率放大器從小信號輸入生成高功率輸出；以及隔離器15，隔離器會防止來自固化空腔中的反射功率到達高功率放大器。
[0009]測量部件包括:定向耦合器16，定向耦合器提供用于RF功率測量的高度衰減RF信號；晶體檢波器19，晶體檢波器將來自定向耦合器的低水平RF信號轉換成有用DC控制電壓 20a、20b。
[0010]另外，現有技術控制系統包含基于軟件的自校準程序，以便考慮到多種系統性非線性，例如，在工作帶寬上的TWT增益的變化(圖2)。利用前述校準例程獲得的微波均勻性結合閉環工藝控制產生已被證明適于如在各種應用中、尤其在電子器件制造中的那些應用中固化粘合劑、固化聚合物、處理陶瓷的應用的微波功率輸出水平。
[0011]然而，在針對高價值產品的工藝(如半導體晶片熱處理(包括在晶片上進行涂布))發展中，已經發現，現有技術的變頻或掃頻控制系統無法產生所需要的精確水平控制，并且此外，校準和設定程序是繁瑣且耗時的。
[0012]目標以及優點
[0013]本發明的目標包括:提供改進寬帶微波源以用于加熱以及其他目的；提供受控微波加熱方法；提供能夠進行開環操作的寬帶微波處理的方法；提供用于處理半導體晶片的改進方法；提供在變化環境條件下更穩健且更穩定的VFM控制系統；以及提供更容易地設定和校準的VFM控制系統。
[0014]結合附圖閱讀以下說明，本發明的這些和其他目標及優點將會從以下說明顯而易見。
【發明內容】
[0015]根據本發明的一個方面，一種寬帶微波加熱裝置包括:
[0016]施加器空腔，所述施加器空腔用于將工件暴露于微波能量；
[0017]微波電源，所述微波電源連接至所述空腔，所述電源包括:
[0018]小信號RF源，所述小信號RF源至少包括電壓受控的微波振蕩器和電壓受控的衰減器，兩者在高于環境的選定溫度下是熱穩定的；
[0019]高功率微波放大器，所述高功率微波放大器將所述小信號放大至有用功率水平以進行加熱；
[0020]正向和反射功率檢波器，所述檢波器熱穩定，并且彼此由微波隔離器分開；以及
[0021]使用功率調節器的控制系統，所述控制系統使用所檢出的正向功率而非所需正向功率來調整輸出功率。
[0022]根據本發明的另一方面，一種寬帶微波電源包括:
[0023]小信號RF源，所述小信號RF源至少包括電壓受控的微波振蕩器和電壓受控的衰減器，兩者在高于環境的選定溫度下是熱穩定的；
[0024]高功率微波放大器，所述高功率微波放大器將所述小信號放大至有用功率水平以進行加熱；
[0025]正向和反射功率檢波器，所述檢波器熱穩定，并且彼此由微波隔離器分開；以及
[0026]包括功率調節器的控制系統，所述控制系統使用所檢出的正向功率而非所需正向功率來調整輸出功率。
[0027]根據本發明的另一方面，一種集成、低功率微波源包括:
[0028]電壓受控的振蕩器(VC0)；
[0029]電壓受控的衰減器(VCA)；
[0030]加熱器和溫度控制電路；以及
[0031]封裝，封裝包含所述VCO、VCA、加熱器、以及溫度控制電路并且具有用于DC功率、DC頻率控制電壓、DC振幅控制電壓以及RF信號輸出的外部連接。
[0032]根據本發明的另一方面，一種用于使用寬帶微波功率來加熱材料的方法包括以下步驟:
[0033]將選定工件置于多模微波施加器空腔中；
[0034]提供與所述空腔連通的微波電源，所述電源包括小信號RF生成電路、高功率微波放大器、以及正向和反射功率檢波器，所述檢波器熱穩定并且彼此由隔離器分開；
[0035]將所述小信號RF電路的部件中的至少一些加熱至高于環境的選定溫度；以及
[0036]提供控制系統，以便執行以下功能:
[0037]運行自動功率校平例程，以便自動生成自動校平表格并且將所述自動校平表格下載至所述控制系統；
[0038]提供自動功率控制系統，以便限制功率調節速率。
【附圖說明】
[0039]包括隨附本說明書并形成為說明書一部分的附圖來描繪本發明的某些方面。參考附圖中示出的示例性且因此非限制性實施方式，將更容易清楚本發明的以及隨本發明提供的系統的部件和操作的更清楚的概念，其中相似標號(如果它們出現在多于一個附圖中)指示相同元件。附圖中的特征不一定按比例繪制。
[0040]圖1示出現有技術微波加熱系統的系統架構。
[0041]圖2示意性地示出基于賣主數據、針對若干高功率放大器的增益與頻率關系。
[0042]圖3示出當器件表面溫度改變時YIG振蕩器隨時間的變化。
[0043]圖4示出針對若干器件的晶體檢波器輸出與溫度的變化關系。
[0044]圖5示出根據本方面的一方面的微波加熱系統的系統架構。
[0045]圖6不出發明系統中的功率輸出的穩定性和再現性。
[0046]圖7示出根據本發明的一方面的熱穩定的小信號RF電路。
[0047]圖8示出根據本發明的