[發(fā)明專利]基于E類功率放大電路的固態(tài)射頻電源

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110209076.1
• 申請(qǐng)日: 2011-07-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102255606A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李勇滔;趙章琰;秦威;李英杰;夏洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號(hào): H03F3/21
• 分類號(hào): H03F3/21
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所 11302
• 代理人: 王建國(guó)

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明涉及射頻功率輸出裝置，尤其是涉及一種基于E類功率放大電路的固態(tài)射頻電源。

背景技術(shù)

射頻電源是用于產(chǎn)生射頻功率信號(hào)的裝置，屬于半導(dǎo)體工藝設(shè)備的核心部件，所有產(chǎn)生等離子體進(jìn)行材料處理的設(shè)備都需要射頻電源提供能量。在集成電路、太陽(yáng)能電池和LED（Light?Emitting?Diode，發(fā)光二極管）的工藝制造設(shè)備，例如刻蝕機(jī)、PVD（Physical?Vapor?Deposition，物理氣相沉積）、PECVD（Plasma?Enhanced?Chemical?Vapor?Deposition，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）、ALD（Atomic?layer?deposition，原子層沉積）等設(shè)備，均裝備有不同功率規(guī)格的射頻電源。

射頻電源一般由射頻信號(hào)發(fā)生器、射頻功率放大電路、供電線路和射頻功率檢測(cè)器組成。按照放大電路的核心元器件劃分，可分為電子管式射頻電源和固態(tài)射頻電源，其中電子管式射頻電源采用電子管作為功率放大元件，而固態(tài)射頻電源則采用晶體管作為功率放大元件。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)廠商的產(chǎn)品以電子管式射頻電源為主，雖然其具有較大的阻抗失配承受能力，但是因?yàn)榇嬖谥桌匣⑤敵龉β什环€(wěn)定和工作電壓高等缺點(diǎn)，只能作為一般教學(xué)科研設(shè)備中的部件。國(guó)外主流廠商，例如美國(guó)AE公司、Comdel公司和MKS公司，均采用晶體管作為功率放大元件，提供的固態(tài)射頻電源已經(jīng)廣泛使用于主流的半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)線。

然而，這些國(guó)際廠商的固態(tài)射頻電源基本上都利用低電壓大電流的雙極性晶體管作為功率放大元件，構(gòu)建B類或C類的功率放大電路，然后采用功率合成的方式得到大功率的固態(tài)射頻電源。根據(jù)電子線路的基本知識(shí)易知，B類和C類的功率放大電路屬于線性放大，B類的理想效率為78.5%，而C類雖然理想效率可達(dá)100%，但它是通過(guò)減小導(dǎo)通角來(lái)提高效率，然而導(dǎo)通角與基波振幅密切相關(guān)，基波振幅減小直接導(dǎo)致輸出功率變小，因此減小導(dǎo)通角來(lái)提高效率并不適用屬于大信號(hào)功率放大的射頻電源。由此，采用B類和C類功率放大電路的射頻電源存在著效率不高，發(fā)熱量大的問(wèn)題。

當(dāng)前，集成電路制造產(chǎn)業(yè)向著更大尺寸的目標(biāo)發(fā)展，晶圓直徑從4寸、6寸、8寸到12寸，腔室的尺寸也需要同樣增加，這意味著射頻電源系統(tǒng)需要提供更大的功率以保證工藝設(shè)備能夠處理更大面積的晶圓。然而，國(guó)際廠商所提供的固態(tài)射頻電源，實(shí)現(xiàn)大功率需要由多個(gè)射頻功率放大電路進(jìn)行功率合成，單個(gè)C類射頻放大電路的輸出功率最大僅為200W左右。例如，對(duì)于12寸晶圓的刻蝕工藝，一般需要1500W的射頻電源，故需要采用8個(gè)射頻功率放大電路來(lái)進(jìn)行功率合成，但是如此構(gòu)建大功率的射頻電源，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件增多，成本高，相應(yīng)的檢測(cè)電路復(fù)雜的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有射頻電源存在的效率低、發(fā)熱量大以及構(gòu)建大功率固態(tài)射頻電源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于E類功率放大電路的固態(tài)射頻電源，所述固態(tài)射頻電源包括射頻信號(hào)發(fā)生器、射頻功率放大電路、供電線路和射頻功率檢測(cè)器，所述射頻功率放大電路包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管、諧振電容、串聯(lián)電感和并聯(lián)電感；其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與所述射頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端相連接，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接地，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極分別與所述并聯(lián)電感的一端、諧振電容的一端相連接；所述并聯(lián)電感的另一端連接所述供電線路的直流輸出端，所述諧振電容的另一端與所述串聯(lián)電感的一端相連接；所述串聯(lián)電感的另一端與所述射頻功率檢測(cè)器的輸入端相連接；所述串聯(lián)電感的一部分與所述諧振電容構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，所述串聯(lián)電感的另一部分和所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出電容構(gòu)成能夠使得所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作于E類開(kāi)關(guān)模式的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)：所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極耐壓范圍為200V～1000V，導(dǎo)通電流范圍為10A～50A，開(kāi)關(guān)頻率大于2MHz。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)：所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與地之間設(shè)有并聯(lián)電容，所述并聯(lián)電容的容值的取值范圍為10?pF～1?nF；所述串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率與所述射頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)的頻率相同，品質(zhì)因數(shù)大于1。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)：所述并聯(lián)電感為高頻扼流圈，所述高頻扼流圈對(duì)所述射頻信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率具有高電抗。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)：所述串聯(lián)電感與所述射頻功率檢測(cè)器的輸入端之間設(shè)有射頻匹配濾波電路。

進(jìn)一步地，本發(fā)明還具有如下特點(diǎn)：所述射頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極之間設(shè)有串聯(lián)電阻。