[發(fā)明專利]用于控制射頻功率的方法與系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080037077.6
• 申請日: 2010-06-16
• 公開（公告）號: CN102484396A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發(fā)明（設計）人: S·納加拉卡迪;田豐;D·蘭姆;A·拉什德;S·本澤洛克;I·貝斯特亞克;D·孟哲;J·J·蘇斯;J·E·安布羅西納
• 申請（專利權）人: MKS儀器股份有限公司
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張欣

技術領域

本發(fā)明大體涉及等離子體處理設備的控制系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及用于控制射頻(RF)功率輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)與方法。

背景

RF功率輸送系統(tǒng)通常以約400kHz至約200MHz之間的頻率向動態(tài)負載提供功率。在科學、工業(yè)和醫(yī)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(xù)波模式將RF功率傳輸至負載。由于半導體特征的尺寸持續(xù)變小，在半導體制造中控制所傳輸?shù)腞F功率變得越發(fā)重要。更精確地控制RF功率參數(shù)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(tài)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(tài)負載的脈沖RF功率。一個方法是使用已知操作參數(shù)的查詢表格來以逐個脈沖為基礎控制所傳輸?shù)腞F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(yōu)化的、不變的參數(shù)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(shù)字信號處理器、和/或前置調(diào)節(jié)器)來以逐個脈沖為基礎調(diào)節(jié)所傳輸?shù)腞F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(tǒng)的成本。另外，由于與高增益和高帶寬系統(tǒng)相關聯(lián)的電噪聲，控制系統(tǒng)易經(jīng)受性能下降。

存在多種方法用于將RF功率傳輸系統(tǒng)從脈沖模式轉換到連續(xù)波模式。一個已知方法是使用開環(huán)系統(tǒng)，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(chǎn)生脈沖。然而，開環(huán)系統(tǒng)欠缺基于負載處操作條件的改變而修改所傳輸?shù)墓β实哪芰Α＿M一步，開環(huán)系統(tǒng)不能補償在為等離子處理應用使用低頻脈沖時發(fā)生的大量等離子震蕩。在脈沖和連續(xù)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(tǒng)啟動之后的不規(guī)則處理。另外，暫時停止處理導致不穩(wěn)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(huán)時間。

概述

本發(fā)明一般特征在于用于控制提供給動態(tài)負載的脈沖RF功率的系統(tǒng)和方法。一個優(yōu)勢是本發(fā)明允許閉環(huán)系統(tǒng)更精確地且更準確地控制輸送給動態(tài)負載的脈沖RF功率(如，高頻和/或低頻脈沖功率)。另一個優(yōu)勢是本發(fā)明允許所傳輸?shù)腞F功率的逐個脈沖的控制。在低頻系統(tǒng)中，本發(fā)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(tǒng)和方法中的組件而言更低成本的組件來實現(xiàn)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(yōu)勢是本發(fā)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(shù)的精確性的情況下，允許傳輸給動態(tài)負載的功率的逐個脈沖的控制。另一個優(yōu)勢是本發(fā)明允許可重復的、高精確度的功率控制。

在一方面，本發(fā)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(shù)據(jù)。所述方法還包括產(chǎn)生第一信號來調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第一信號相關聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來最小化功率設定點和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。所述方法還包括產(chǎn)生第二信號來調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第二信號相關聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩(wěn)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(lián)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(wěn)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(lián)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(wěn)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(lián)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(lián)于所述電壓源的占空比輸入。

在另一方面，本發(fā)明特征在于功率傳輸?shù)姆椒āＴ摲椒ò◤墓β史糯笃鲗⒐β室赃B續(xù)波模式傳輸?shù)截撦d。該方法還包括在反饋環(huán)中產(chǎn)生信號來控制所傳輸?shù)墓β剩撔盘栂嚓P聯(lián)于功率控制算法。該方法還包括調(diào)節(jié)所述控制算法中的單個變量來將所傳輸?shù)墓β蕪倪B續(xù)波模式轉換為脈沖模式。