具有模拟和数字检测器的射频功率发生器的制作方法

1.本公开总体涉及一种发生器以及一种包括该发生器的等离子体处理系统。还公开了一种用于操作发生器控制器的方法。


背景技术：

2.例如，在半导体等离子体处理应用中使用的高功率rf发生器是已知的。例如，us7,750,645b2涉及一种用于通过监测电弧放电事件来监测等离子体腔室消耗品的下降的方法，并且提出了使用数字控制器来检测等离子体反应腔室的不同部分中的电弧放电事件。
3.us8,264,237b2涉及一种用于在等离子体制造过程期间监测等离子体放电事件的方法。使用阻抗匹配网络和rf传感器将rf发生器与等离子体腔室进行阻抗匹配。来自rf传感器的信号由模数转换器转换，并用作分析模块的输入。诸如使来自rf传感器的数字化信号相关之类的数字信号处理技术能够检测电弧事件。
4.wo2014/036169a1提供了一种电弧管理系统，其具有能量存储装置，该能量存储装置在检测到等离子体负载中的电弧时，向等离子体负载施加与施加到等离子体负载的通常极性相反的极性的电压。
5.然而，前述文献中描述的系统可以进行进一步改进。
6.因此，期望提供一种发生器控制方法，其可以例如更有效地解决等离子负载中的电弧事件或其他能量不连续性。此外，从随后结合附图和本发明的背景进行的本发明和所附权利要求的详细描述，本发明的其他期望的特征和特性将变得显而易见。


技术实现要素：

7.根据第一方面，提供了一种发生器，其包括：输出端，其被配置为输出rf功率信号；信号发生器，其用于生成rf输入信号；rf功率级，其接收rf输入信号并在其输出端处生成放大的rf功率信号；至少一个采样器，其被配置为对rf功率级的输出端处的rf信号进行采样；控制器，其包括数字控制部分和模拟控制部分；在至少一个采样器和控制器之间的模拟反馈路径，该模拟反馈路径使来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示能够被提供给控制器；以及在至少一个采样器和控制器之间的数字反馈路径，该数字反馈路径使来自至少一个采样器的信号的数字信号表示能够被提供给控制器。
8.控制器被配置为基于模拟信号表示和/或数字信号表示将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
9.效果是数字控制部分提供了高精度以及可选的软件的灵活性。模拟控制部分提供了高动态范围和高速响应，这在抑制突然和不可预测的事件(例如，电弧放电事件)时是重要的。两种技术的结合带来了高精度和灵活性，同时能够对意外故障状况进行适当控制。
10.在实施方式中，至少一个采样器包括级联连接至rf功率级的输出端的第一采样器和第二采样器。第一采样器为数字反馈路径提供预数字化信号，而第二采样器将来自至少一个采样器的模拟信号表示提供给模拟反馈路径。
11.效果是提高了精度。分离器的有限隔离降低了最终在高精度数字处理中使用的信号的准确性。因此，当使用不同的采样器进行模拟和数字处理时，观察到精度的提高。
12.在实施方式中，至少一个采样器包括连接至rf功率级的输出端的第一采样器，并且发生器包括连接至第一采样器的输出端的分离器，其中分离器被配置为对来自采样器的信号进行分离，并为数字反馈路径提供预数字化信号，并向模拟反馈路径提供模拟信号表示。可选地，第一分离器根据采样器的类型为模拟和数字路径提供正向rf信号或矢量电压信号。第二分离器为模拟和数字路径提供反射rf信号或矢量电流信号。
13.效果是可以降低成本，因为仅需一个采样器来提供模拟和数字反馈路径。
14.在实施方式中，至少一个采样器被配置为向模拟反馈路径和/或数字反馈路径提供正向rf信号和反射rf信号。在实施方式中，至少一个采样器被配置为向模拟反馈路径和/或数字反馈路径提供电压信号和电流信号。
15.效果是在可获得正向rf信号和反射rf信号或电压和电流信号时，模拟控制部分和数字控制部分可以更准确地监测阻抗匹配。
16.在实施方式中，至少一个采样器是或包括确定正向和反射信号的至少一个定向耦合器或确定电压和电流信号的至少一个vi探针。
17.在实施方式中，数字反馈路径包括被配置为生成来自至少一个采样器的信号的数字信号表示的至少一个模数转换器，优选包括前置模数转换器滤波器。可选地，前置模数转换器滤波器是抗混叠滤波器。
18.效果是可以以高度的准确性将与输出端处的rf信号有关的信息(例如，幅度、相位和频率)提供给数字控制部分。
19.在实施方式中，数字信号表示被提供给控制器的数字控制部分。
20.在实施方式中，控制器的数字控制部分被配置为获取数字信号表示，并基于数字信号表示调整输入到(多个)rf放大器的rf信号的功率和/或电源电压或电流水平。
21.效果是可以使用数字控制部分来准确而灵活地控制发生器的rf输出。例如，可以更改rf输入信号的幅度，或者可以更改rf输入的相位。作为rf输入信号的替代方式或与之组合，可以更改dc电源电压电平以影响功率级的增益，从而也控制rf输出功率。
22.在实施方式中，至少一个模数转换器被配置为以由信号发生器生成的rf输入信号的每个频率周期至少两个样本对来自至少一个采样器的信号进行过采样，以提供过采样信号。
23.效果是可以使用nyquist-shannon采样定理将rf输出的较高分辨率的数字信号表示提供给数字控制部分。
24.可选地，控制器的模拟控制部分被配置为获取模拟信号表示，并检测功率放大器的输出端处的信号表示正常操作状况还是故障状况。
25.可选地，控制器的模拟控制部分被配置为通过将模拟信号表示与定义多个故障状况的阈值进行比较来执行模拟信号表示的模拟比较，并且其中控制器的模拟控制部分被配置为基于模拟比较的结果，将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
26.在实施方式中，数字控制部分被配置为使用过采样信号来获得正向和/或反射功率测量结果或电压和/或电流测量结果，并且优选获得负载阻抗信息。
27.在实施方式中，控制器还包括由控制器的数字控制部分控制的数模转换器，并且
数模转换器被配置为将控制信号提供给信号发生器和/或功率放大器和/或发生器的dc电源。
28.效果是，数字控制部分可以至少基于数字信号表示来灵活而准确地配置rf发生器。
29.在实施方式中，控制器还包括在模拟控制部分和功率放大器之间的直接模拟控制路径。
30.效果是模拟控制部分可以以高动态范围快速地解决在发生器的rf输出端处检测到的故障状况。
31.在实施方式中，控制器的数字控制部分被配置为获取数字信号表示，并检测功率放大器的输出端处的信号是表示正常操作状况还是故障状况。
32.效果是，可以基于特定等离子体处理系统的使用或方法灵活地对数字控制部分进行重新编程，以识别不同的故障状况。
33.在实施方式中，第一状态和/或第二状态定义发生器的预期状况，并且其中故障状况定义与发生器的rf输出端连接的等离子体腔室中的电弧放电状况。
34.在实施方式中，控制器的数字控制部分被配置为通过将数字信号表示与定义多个故障状况的存储的数字信号进行比较来执行数字信号表示的数字比较，并且其中控制器的数字控制部分被配置为基于数字比较的结果将在rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
35.效果是，可以根据故障状况的特征来区分各种故障状况，例如等离子处理系统中的电弧状况、发生器电源电缆中的短路、故障连接器等。
36.在实施方式中，控制器的模拟控制部分被配置为绕过或越过(override)数字控制部分。
37.效果是，可以绕过对采样器的状况变化响应较慢的数字控制部分，从而例如响应于故障状况而实现功率放大器的输出端处的安全关闭或增益降低。
38.在实施方式中，绕过或越过数字控制部分包括：在数字控制部分尚未识别出异常操作状况而模拟控制部分已识别出异常操作状况时，仅基于模拟信号表示使控制器将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
39.在实施方式中，模拟控制部分被配置为当绕过或越过数字控制部分时向数字控制部分提供中断信号。
40.效果是，如果绕过或越过了数字控制部分的控制，则可以快速地通知数字控制部分中的逻辑电路以及可选的计算机实现的控制电路，从而能够更安全地重新进入正常操作状况。
41.在实施方式中，控制器的数字控制部分被配置为，在接收到中断信号时或直到满足发生器中的暂停信号条件，将发生器的数字控制的程度暂停或减少预定的时间。
42.效果是数字控制部分不采取可能与模拟控制部分的动作相冲突的动作。
43.在实施方式中，数字控制部分被配置为，在中断信号停止时或者直到满足发生器中的恢复信号条件，恢复控制器的数字控制。
44.效果是，当模拟控制部分已经安全地解决了不安全的故障状况时，数字控制部分可以灵活地恢复对发生器的控制。
45.在实施方式中，数字控制部分包括被配置为从数字反馈路径接收数字信号表示的微处理器、嵌入式处理器或嵌入式计算机、可编程逻辑和/或数字信号处理器中的一种或多种。
46.效果是可以对数字控制部分进行编程，以提出各种等离子系统和制造方法。
47.在实施方式中，数字控制部分包括第一数字控制元件和第二数字控制元件。至少第二数字控制元件被配置为基于由第一数字控制元件传送到第二数字控制元件的第二数字控制元件的配置设置，比第一数字控制元件更快地接收和处理来自数字反馈路径的数字信号表示，其中第二数字控制元件被配置为在超过配置设置的情况下越过第一数字控制元件，并且其中第二数字控制元件被配置为将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
48.效果是，提供了响应时间比模拟控制部分慢但比第一数字控制元件快的第二数字控制元件。
49.在实施方式中，第一数字控制元件是微控制器、微处理器或嵌入式计算机、并且其中第二数字控制元件是现场可编程门阵列(fpga)、可重构现场可编程门阵列、专用集成电路或硬连线逻辑。
50.在实施方式中，控制器的模拟控制部分还包括：峰值检测器或包络检测器，其被配置为接收模拟信号表示并生成峰值检测信号(或相应地生成包络检测信号)；阈值电压发生器，其优选由控制器的数字控制部分控制并被配置为生成阈值电压；以及第一比较器，其被配置为将峰值检测信号(或相应地将包络检测信号)与阈值电压进行比较，并且在峰值检测信号(或相应地包络检测信号)超过阈值电压时，生成比较器输出信号，反之亦然，其中比较器输出信号用作中断信号。
51.效果是，在数字控制系统能够做出反应之前，专门的模拟反馈路径可以在故障状况下快速地控制rf发生器。
52.在实施方式中，控制器的模拟控制部分还包括：第一模拟输出电路，其被配置为设置发生器的rf输出信号的功率，其中第一模拟输出电路由来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示并参考由数字控制部分提供的功率输出阈值来控制。
53.在实施方式中，控制器的模拟控制部分还包括：第二模拟输出电路，其被配置为设置发生器的rf输出信号的放大器偏压，其中第二模拟输出电路由来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示并参考由数字控制部分提供的放大器偏压阈值来控制。
54.在实施方式中，模拟反馈路径包括比数字反馈路径更具响应性的关键路径，其中来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示使用另外的模数转换器而被数字化，并被数字控制部分用于提供混合信号电弧检测。
55.可选地，提供一种发生器，其中控制器的模拟控制部分还包括：矢量模拟信号处理电路，其提供模拟输出信号；峰值检测器或包络检测器，其被配置为从模拟信号处理电路接收模拟信号；阈值电压发生器，其优选由控制器的数字控制部分控制并被配置为生成阈值电压；以及第一比较器，其被配置为将峰值检测信号(或相应地将包络检测信号)与阈值电压进行比较，并且在峰值检测信号(或相应地包络检测信号)超过阈值时，生成第一比较器输出信号，反之生成第二比较器输出信号，其中第一比较器输出信号用作中断信号。
56.根据第二方面，提供了一种等离子体处理系统，其包括根据第一方面或其实施方
式的发生器以及被配置为从发生器接收rf信号的半导体处理模块。
57.根据第三方面，提供了一种用于操作发生器的方法，其包括：
58.使用rf功率级基于由信号发生器生成的rf输入信号生成rf输出信号；
59.使用至少一个采样器对rf功率级的输出端处或将至少两个rf功率级的功率结合的功率结合电路的输出端处的射频rf功率信号进行采样；
60.生成来自至少一个采样器的信号的数字信号表示，并通过至少一个采样器和控制器之间的数字反馈路径将数字信号表示提供给控制器；
61.生成来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示，并通过至少一个采样器和控制器之间的模拟反馈路径将其提供给控制器，其中数字控制部分和模拟控制部分中的一个或两个被配置为至少控制功率放大器、开关模式的功率rf源、信号发生器和/或dc电源；
62.使用控制器基于模拟信号表示和/或数字信号表示，将rf输出端处的rf功率从第一状态调整为第二状态。
63.在本申请中，术语“rf功率级”是指传统意义上的a、b、ab类的rf功率放大器或增强型f、逆f、j、逆j放大器或非放大功率级，例如开关模式rf电路，例如d、e、s类“放大器”拓扑。功率级生成高功率信号，以被提供给rf功率发生器的输出端。用于等离子体应用(例如用于半导体制造工业的等离子体沉积和等离子体蚀刻)的rf功率发生器通常必须在其输出端处提供大于500w的功率，优选大于1kw的功率，最优选大于2.5kw的功率。通常对rf功率信号进行采样以便检测异常和/或向rf发生器的控制器提供反馈。然后，控制器可以将校正措施发送到rf发生器的功率级或其他子部分，以便调整rf功率信号。发生器的其他子部分可以包括dc电压源(其本身可以包括例如整流器，然后对整流后的信号进行平滑处理，以实现来自交流市电和dc/dc转换器的dc电压)、信号发生器(这是在功率级之前的低功率信号生成)、前置放大级(也在功率级之前)，并且还可以包括各种其他子部分。
64.在本申请中，术语“采样器”是指用于连接至例如发生器的rf功率级的rf输出端的电子组件。采样器能够向模拟或数字控制部分提供表示发生器的rf输出端处的状况的信号。特别地，采样器可以是定向耦合器(不等的定向功率分离器；分离并耦合正向和反射波的已知部分)，该定向耦合器例如可实现为机械部件或在pcb上实现为耦合线耦合器或集总元件耦合器或两者的组合；或者，采样器可以是电压电流探头，即所谓的vi探头。定向耦合器或vi探头通常是以中心频率和操作范围、耦合、隔离/方向性、插入损耗等为特征的互易设备。可以级联连接多个采样器。例如，采样器使控制器能够获得进入所连接的设备(例如，等离子处理系统)中的正向波和来自该所连接的设备的反射波或所连接的设备上的电压或进入所连接的设备的电流的测量值。
65.在本申请中，术语“控制器”限定rf发生器的电子电路，该电子电路能够监测发生器、特别是发生器的rf功率输出，并响应于所监测的rf功率输出对发生器进行控制改变。控制器为混合信号电路或全数字电路，其包括至少一个数字反馈路径和至少一个模拟反馈路径。控制器可以位于相同或不同的电路板上。
66.在本申请中，术语“模拟反馈路径”限定一种模拟电路，其能够将rf功率输出的状态的稳态或时变表示(例如，正向和/或反射电压波或电压和电流)从采样器传输到例如低电平信号发生器、功率放大器增益或电源控制。模拟反馈路径不通过任何数字组件。然而，假设在比较器之后不发生比较器信号的任何数字处理，即使比较器输出两个输出电平，也
可以将其视为模拟反馈路径的一部分。模拟反馈路径的重要特征是响应速度。例如，商用且成本高效的集成比较器的时间响应低至几ns。当然，可以在模拟反馈路径中设计更复杂的模拟处理，例如对数放大、倍增、包络检测和峰值检测。
67.在本申请中，术语“数字反馈路径”定义了一种数字电路，其能够将rf功率输出的状态的数字采样表示(例如，正向和/或反射电压波或电压和电流)从采样器传输到例如低电平信号发生器、功率放大器增益或电源控制。通常，数字反馈路径包括连接至采样器的模数转换器(优选通过混叠滤波器)。因此，可以通过执行适当程序、可重构或不可重构逻辑等的嵌入式处理器、微处理器或数字信号处理器，使用数字信号处理技术来处理rf功率输出的状态。这使得能够基于检测到的rf状态应用复杂的rf发生器控制算法。
68.在本申请中，应用于由控制器对rf功率输出的调整的术语“第一状态”和“第二状态”包括可以由控制器实现的各种各样的潜在变化。考虑到需要保护rf功率级免于损坏并且鉴于需要保护应用的处理基板免遭损坏(例如，等离子体处理室中的半导体晶片)，这种改变可以有利地通过控制器的越过数字控制部分的模拟控制部分专门地进行。从“第一状态”变为“第二状态”的另一个例子是指所施加的rf功率的适度变化，例如，比基于时间的平均电平高或低10％或20％。此外，可以将这种逐渐变化编程为在几秒钟甚至一分钟内发生，作为对等离子制造“方法”的响应的一部分。这样，控制器的数字控制部分可以准确而灵活地执行这种状态改变。可选地，数字控制器被配置为保护发生器免遭热损坏，而模拟控制器被配置为保护发生器和连接设备免遭电弧放电和/或保护应用的处理基板免遭电弧放电。
附图说明
69.在下文中将结合以下附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件。在电气示意图中，采用的惯例是，由“点”连接的信号线是电连接节点，而仅与任何“点”都不交叉的信号线不是电连接节点。作为电气示意图中的另一个惯例，放大器的三角形符号用于表示放大器或放大器的组合，或者实际上是本领域技术人员已知的用于实现rf功率信号的任何“放大”拓扑，以下称为rf功率级。对于“rf功率级”，通常的惯例是在三角形符号的顶点处输出高功率，而连接至三角形符号的各面的其他信号线(例如，ac输入信号、dc电压源和(多个)控制信号)仍然有效。可以理解，在其最简单的变型中，功率级是放大器。
70.图1是示出根据第一方面的发生器的示意性框图。
71.图2的a)、b)和c)是示出可选采样器架构的示意性框图。
72.图3的a)是示出信号转换电路的示意性框图。
73.图3的b)是示出峰值检测器电路的示意性框图。
74.图3的c)是示出包络检测器电路的示意性框图。
75.图3的d)是示出模数信号处理的示意性框图。
76.图4是示出根据本文描述的实施方式的混合信号发生器控制的示意性框图。
77.图5是示出具有第一数字控制部分和第二数字控制部分以及模拟控制部分的控制器的变型的示意性框图。
78.图6示意性示出了根据第二方面的系统。
79.图7示意性示出了根据第三方面的方法。
具体实施方式
80.下面的详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受先前背景或下面的详细描述中提出的任何理论的约束。
81.用于在等离子体处理系统中生成rf等离子体的rf发生器可以可选地配置为对它们的rf输出端处的故障状况做出反应。例如，连接的等离子体反应腔室内的故障状况可能会导致反射回到发生器的功率激增，并可能对其造成损坏。
82.图1示出了根据第一方面的发生器10。该发生器包括功率放大器12、被配置为对功率放大器12的输出端处的射频(rf)信号rf
out
进行采样的至少一个采样器14、被配置为从发生器10输出rf信号的rf输出端、被配置为生成rf输入信号rf
in
并将rf输入信号提供给功率放大器12的信号发生器图16。此外，提供了控制器18，其包括数字控制部分20和模拟控制部分22，其中数字控制部分20和模拟控制部分22中的一个或两个被配置为至少控制功率放大器12和/或信号发生器16。实际上，通过改变功率放大器的电源和/或输入信号电平来实现该控制。尽管在图1中示出了单个功率放大器12，但是可以具有级联的功率放大器(串联布置)。因此，功率放大器12可以是可以是本领域技术人员已知的、为了生成输出信号的高功率特性的任何已知的放大器拓扑的更复杂的结构，即所谓的功率级。
83.将理解的是，发生器可以包括外部或内部电源24，例如ac到dc电源。可选地，接口电路26使发生器10能够经由诸如rs-232、profibus(tm)或canbus(tm)之类的数字控制协议、以太网或本领域已知的其他通信协议连接至发生器系统或控制系统。
84.因此，至少一个采样器14和控制器18之间的包括至少一个模拟信号并优选包括表示正向和反射功率或电压和电流的两个信号的模拟反馈路径f
a
使来自至少一个采样器14的信号的模拟信号表示能够被提供给控制器18。此外，至少一个采样器14和控制器18之间的包括至少一个模拟信号并优选包括表示正向和反射功率或电压和电流的两个信号的数字反馈路径f
d
使来自至少一个采样器14的信号的数字信号表示能够被提供给控制器。
85.控制器18被配置为基于模拟信号表示和/或数字信号表示将rf输出端rf
out
处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
86.控制器的数字控制部分20从采样器14接收例如由模数转换器(未在图1中示出)生成的信号的数字信号表示。在模数转换之前，可选地使用抗混叠滤波器(未被示出)对来自采样器14的信号进行滤波。数字控制部分20可以包括嵌入式计算机或处理器、微处理器、数字信号处理器、可编程或非可编程逻辑等。数字控制部分20被配置为从数字反馈路径的采样器14侧接收数字信号表示f
d
，并执行数字比较或测量。例如，数字控制部分20被配置为使用数字算法将数字信号表示的大小与值的查找表进行比较。如果数字信号表示的大小与查找表中的参考值相比太大，则数字控制部分20将衰减系数应用于数字前馈(feed-forward)信号以控制发生器的诸如信号发生器16等其他组件和/或功率放大器12的电源电压或rf路径的增益。
87.查找表是执行数字比较的计算简单且因此快速的方式。当然，可以通过数字控制部分20将更先进的数字信号处理或滤波技术应用于数字反馈路径中的信号，以提供高精度和软件可重新编程性。
88.可选地，数字控制部分20被配置为调整功率放大器12的电源并根据用户需求和来自存储在数字控制部分20中的采样器14的数字反馈降低电力供应，以便保护发生器和/或
保护应用的处理基板。
89.可选地，数字控制部分20被配置为识别电弧放电状况或预电弧放电状况。等离子体半导体制造系统中的某些电弧提供了可在发生器的rf输出端处检测的警告性的先进标记，例如，正向和/或反射功率的变化，并且指示它们的示例故障状况信号可以被保存到数字控制部分20中。可选地，数字控制部分被配置为将数字反馈信号的故障状况进行数字相关或识别，并调整发生器的设置，以防止发生故障或通过在故障发展之前将发生器的设置从第一状态改变为第二状态来使故障不那么严重。随后将讨论数字控制部分的另外架构。
90.在实施方式中，模拟控制部分22被配置为从采样器14直接获得稳态或时变信号作为模拟信号表示。可选地，对模拟信号表示进行滤波以去除高次谐波和/或补偿采样器14的频率响应。模拟控制部分22被配置为使用模拟前馈路径f
a
直接控制发生器10的设置。模拟控制部分22被配置为在随后将进行讨论的特定条件下越过数字控制部分20。例如，当检测到采样器14处存在数字控制部分20太慢以至于不能保护所连接的处理模块的破坏性故障状况时，模拟控制部分调整发生器10的设置，例如功率放大器12和/或信号发生器16的增益和/或电源，以保护发生器和/或应用的处理基板(换言之，模拟控制部分还可以与数字控制部分20的状态无关地将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态)。
91.换言之，模拟反馈路径f
a
是与数字反馈路径f
d
并行且独立的通信路径。
92.可选地，数字控制部分20和模拟控制部分22通过通信链路19双向或单向连接。例如，数字控制部分20可以监测由模拟控制部分22通过单向链路19生成的模拟中断标志。替代地，数字控制部分20可以经由单向链路19将多个不同的模拟控制部分22中的一个切换为实现控制器的不同的模拟控制响应的动作。可选地，链路19是双向的，使得能够执行两种功能。
93.信号发生器16被配置为生成例如13mhz或例如在等离子体处理系统中适用的其他频率的rf频率信号。信号发生器16可以在控制器的控制下改变所生成的信号的幅度、相位、频率或谐波含量中的一个或多个。信号发生器16可以被配置为生成诸如正弦波之类的琐碎波形，或者可以被编程为生成谐波复合信号或信号脉冲(signal burst)，以应用于先进的等离子体半导体制造方法。
94.在将数字控制部分20被提供为嵌入式处理器、微处理器、数字信号处理器等的情况下，计算机程序元素包括指令，该指令当由嵌入式处理器、微处理器、数字信号处理器等执行时使数字控制部分20执行数字控制部分20的功能。当然，可以将数字控制部分专门提供为硬连线数字逻辑，在这种情况下，不需要包括指令的计算机程序元素。
95.在操作中，发生器10连接至外部负载，例如等离子体处理系统。发生器连接至可以是dc电源的电源24，并且还连接至通过机载控制接口(未在图1中示出)和/或外部通信接口26提供的初始控制指令。发生器10以第一状态(安全状态)将rf功率施加到外部负载。采样器14将在采样器处测量的信号的数字信号表示提供给控制器18的数字控制部分20。采样器14将在采样器处测量的信号的模拟信号表示提供给控制器18的模拟控制部分22。如果数字控制部分22识别出数字信号表示表明rf输出正在进入或接近故障状况，则它通过数字反馈路径f
d
控制发生器10的组件，以防止发生故障状况，或使其好转。特别地，数字控制部分20基于数字信号表示将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。然而，在操作中，可能会发生数字控制部分20太慢以至于不能识别出采样器14处的故障状况的情况。在这种情
况下，控制器的模拟控制部分22在数字控制部分20之前检测到故障状况，并基于模拟信号表示将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
96.将理解的是，第一方面讨论了rf输出从第一状态到第二状态的切换，并且以其最简单的形式，该术语可以覆盖例如仅关断来自rf放大器的输出。然而，该术语包含各种各样的可能性。例如，引起rf输出电平的更平缓变化的增益或电源电平的平缓变化符合从第一状态到第二状态的变化。此外，信号相位或谐波含量的变化符合从第一状态到第二状态的变化。
97.图2示出了采样器14的三种可选配置。
98.图2的a)示出了功率放大器12a，其输出端连接至包括第一采样器14
a1
和第二采样器14
a2
的采样器14。第一采样器14
a1
将一个或多个输出信号o
a1
、o
a2
提供给模拟反馈路径f
a
。在图2的a)中示出了两个模拟输出信号路径o
a1
、o
a2
，并且它们可以提供例如表示正向功率或反射功率的单个差分模拟信号或者两个模拟信号(例如，正向功率和反射功率)的双单端信号线。因此，采样器14
a1
提供了模拟信号表示。
99.第二采样器14
a2
提供数字路径信号o
dl
和o
d2
。最初，来自第二采样器14
a2
的数字路径信号o
d1
和o
d2
是模拟信号，并且使用模数转换器(未被示出)被数字化。数字路径信号o
d1
和o
d2
可以表示正向或反射功率的单个差分信号，或者替代地表示rf输出端rf
out1
处的正向和反射功率的单端信号。在未被示出的实施方式中，数字路径信号o
d1
和o
d2
可以是表示正向和反射功率的双差分信号。可以提供大量另外的信号线，并且所示出的那些信号线仅出于示例性目的。例如，提供对来自采样器14的正向功率和/或反射功率的测量的双差分信号线。因此，采样器14
a2
提供了前置数字信号表示。使用模数转换器(未被示出)将前置数字信号表示转换为数字信号表示。
100.第一采样器14
a1
和第二采样器14
a2
被设计为具有跨发生器的相关工作频率范围的耦合，该耦合足够小以使由第一采样器在功率放大器12a的输出端处所测得的信号和在rf输出端rf
out1
处所测得的信号的大小相差的量可忽略不计。随后，由用于实现相应路径的模拟或数字电子设备限定模拟和数字反馈路径的动态范围、响应速度、线性、相移和其他因素。
101.图2的b)示出了功率放大器12b，其输出端连接至包括第一采样器14
b1
和第二采样器14
b2
的采样器14。第一采样器14
b1
将一个或多个输出信号o
d1
、o
d2
提供给数字反馈路径f
d
。第二采样器14
b2
将一个或多个模拟输出信号o
a1
、o
a2
提供给模拟反馈路径f
a
。可以提供大量另外的信号线，并且所示出的那些信号线仅出于示例性目的。例如，提供双差分信号线，其提供对来自采样器14的正向功率和/或反射功率的测量。因此，采样器以特定顺序在rf输出端rf
out
处的顺序布置不是必需的。当然，可以为图2的a)和b)的布置提供任何数量的附加采样器以提供附加反馈信号。
102.图2的c)示出了一种替代的采样器架构，其使用连接至功率放大器12
c
的输出端的一个采样器14
c1
。第一rf分离器14
c2
对采样的rf信号进行分离，并将其提供为模拟输出信号o
a1
，并且还(通过模数转换器adc)提供为数字输出信号o
d1
。第二rf分离器14
c3
对采样的rf信号进行分离，并将其提供为模拟信号o
a2
，并且还(通过另一个adc)提供为数字输出信号o
d2
。尽管使用分离器可能会降低由第一rf分离器和第二rf分离器输出的通道之间的隔离度，但该架构仍然可以降低成本。
103.图3的a)示出了用于从采样器14获得数字信号表示的数字信号处理链。数字信号处理链的功能是将来自采样器14的连续变化的模拟信号转换为不断变化的模拟信号的离散的数字表示。来自采样器14的输入信号29可选地通过抗混叠滤波器30进行滤波。可选地经滤波的信号31被输入到模数转换器32(adc)。根据rf发生器的性能限制和指定的数字控制部分的要求，可以使用多种类型的adc。例如，诸如直接转换adc、delta编码adc、sigma-delta adc以及技术人员已知的其他拓扑。adc将从采样器输出的信号的数字化表示提供为数字33，以沿着数字反馈路径f
d
传输(可选地以串行或并行方式传输)。数字控制部分34a接收数字化表示。数字控制部分34a被配置为提供一系列处理以输出控制信号35a，例如放大器偏压控制、放大器电源控制、信号发生器输出电平控制等中的一种或多种。此外，数字控制单元34a可以将发生器的操作参数传送到外部接口电路26。
104.如前所述，根据由数字控制部分34a执行的计算或信号处理的性质，控制器18的数字控制部分34a被实现为嵌入式计算机、嵌入式微处理器、固定或可编程逻辑(例如fpga)、数字信号处理器或此类装置的组合。如果仅需要数字控制部分34a使用粗略响应(例如，在检测到故障状况时突然降低rf放大器功率)将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态，则可以使用相对原始的逻辑。替代地，如果仅需要数字控制部分34a基于复杂的数字信号处理将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态，则需要数字信号处理器或嵌入式微处理器。
105.图3的b)-d)示出了可以用在模拟控制部分中或用作模拟控制部分的可选电路。
106.图3的b)示出了峰值检测器36作为模拟控制电路35b的输入。峰值检测器36的功能是从采样器14获得连续变化的模拟信号，并保持该信号的最大值(可选地在指定的时间窗口内)。因此，峰值检测器36可以被实现为具有合适的时间常数的二极管/rc网络。峰值检测器36的输出被提供为比较器40的第一输入。固定阈值38被提供为比较器40的第二输入。例如，当检测到低于固定阈值38的峰值时，比较器的输出为“低”或“负”，表示不满足条件。当检测到等于或高于固定阈值38的峰值时，比较器的输出为“高”或“正”，表示满足条件。该准模拟信号作为直接输出信号35b被提供给例如低电平信号发生器16控制、放大器偏压控制或放大器电源控制。可选地，可以将直接输出信号提供为数字控制部分20的输入(例如，作为中断标志)。这使数字控制部分能够基于峰值检测器的输出来调整其处理。
107.图3的c)示出了包络检测器42。可选地，包络检测器42是对数检测器。包络检测器的功能是跟随较高频率的信号(例如，rf输出信号)并在较短的时间间隔内跟踪其幅度。包络检测器可以例如通过rc网络来实现。包络检测器42的输出被输入到模拟处理电路34c，并且可以作为直接输出信号35c被提供给例如低电平信号发生器16控制、放大器偏压控制或放大器电源控制。
108.图3的d)示出了混合信号处理的例子。包络检测器46连接至采样器14，并提供采样信号的包络信号47。adc 48将表示包络的模拟值的数字信号49提供给数字控制部分34d。可以将输出信号35d提供给例如低电平信号发生器16控制、放大器偏压控制或放大器电源控制。
109.本领域技术人员将理解，许多模拟接口电路可用于提供模拟反馈路径。在根据第一方面的发生器中，模拟反馈路径的至少一部分直接连接至rf放大器和/或信号发生器，或者可选地连接至断路器(rf开关)，并且被配置为基于模拟信号表示将rf输出端处的rf信号
从第一状态调整为第二状态。换言之，模拟反馈路径绕过数字控制部分。
110.图4提供了根据第一方面的实施方式的发生器的具体例子。
111.如图4所示，提供了包括作为功率级12的输入的信号发生器16的发生器信号链。电源24为发生器(和功率放大器)供电。功率放大器12的输出通过采样器14(由第一采样器14a和第二采样器14b组成)。
112.第一采样器14a是模拟反馈路径f
a
的第一节点。可选地，第一采样器14a提供混合信号反馈路径f
m
，该混合信号反馈路径包括例如滤波器50a、对数包络检测器52、adc 58，从而提供向数字控制部分20的输入。换言之，对数包络检测器52在由adc 58进行数字化之前，执行模拟信号处理，例如信号动态范围压缩。
113.第二采样器14b是数字反馈路径f
d
、f
d1
、f
d2
的第一节点。在此例子中，数字反馈路径包括限定正向功率的数字反馈路径f
d1
和限定rf
out
处的反射功率的f
d2
。adc 54和56通过抗混叠滤波器50
c
和50
d
将来自第二采样器14b的正向功率和反射功率信号数字化，并将它们作为第一数字信号表示和第二数字信号表示提供给数字控制部分20。
114.分离器60从模拟反馈路径f
a
接收模拟信号表示。在该例子中，模拟反馈路径的第一分支将模拟信号提供给另外的对数包络检测器62、adc 64，并提供给数字控制部分20。模拟反馈路径f
a
的第二分支被输入到峰值检测器66。峰值检测器66向第一比较器68和第二比较器72提供第一输入。第一阈值单元70和第二阈值单元74将第一阈值电平和第二阈值电平作为预设值从数字控制部分20提供给第一比较器68和第二比较器72的相应的输入端。
115.第一快速模拟控制电路76经由数模转换器(dac)80从第一比较器68以及可选地从数字控制部分20获取其输入。第一快速模拟控制电路76的功能是控制功率放大器12的rf输出电平。
116.第二快速模拟控制电路78从第二比较器72获取其输入。第二快速模拟控制电路76的功能例如是控制功率放大器12的偏压电平。
117.因此，可以看出在第一采样器14a和功率放大器12控制之间存在直接的模拟反馈路径。该路径包括滤波器50b、分离器60、峰值检测器66、第一比较器68和模拟控制电路76。经由分离器60、对数包络检测器62和adc 64提供的路径基于模拟信号表示例如用作数字控制电路中断标志。
118.图4的电路非常灵活，包括作为数字信号路径的定向耦合器的单独的定向耦合器、作为模拟信号路径的拾取器的单独的定向耦合器。模拟信号路径f
a
上的rf分离器60能够可选地并行提供多种模拟处理技术。高精度数字信号处理可选地至少控制输入到功率放大器12中的低电平rf信号的生成和放大器电压。可选的高动态范围混合信号处理控制输入到功率放大器12的低电平rf信号。可选地，提供了两个比较器68、72，一个用于快速电弧管理，一个用于快速放大器保护和/或应用的处理基板的快速保护。
119.可选地，可以使用电路保护或隔离来保护模拟和数字反馈路径免受高功率rf输出的影响。例如，可以使用光隔离器(未被示出)来提供电流隔离。
120.图5示出了作为第一方面的实施方式的改进的发生器控制拓扑。控制器18包括模拟控制部分22、第一数字控制部分20a和第二数字控制部分20b。模拟控制部分从采样器14e接收其输入。第一数字控制部分和第二数字控制部分从采样器14d接收其数字输入。有效地，第一数字反馈路径f
d1
和第二数字反馈路径f
d2
分别向第一数字控制部分20a和第二数字
控制部分20b提供数字信号表示的副本。然而，使用例如嵌入式计算机、微处理器或数字信号处理器来实现第一数字控制部分20a。使用例如硬连线逻辑、现场可编程门阵列或eeprom或具有可重构部分的现场可编程门阵列来实现第二数字控制部分。这样的效果是，第二数字部分的响应时间比在第一数字控制部分20a中的嵌入式处理器上执行的程序要低得多(数量级为微秒或毫秒)。第一数字控制部分20a用于使用配置接口21来配置第二数字控制部分。
121.第二数字控制部分20b可以被配置为基于数字信号表示fd2将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。可选地，第二数字控制部分20b被配置为经由接口23监测模拟控制部分22。
122.这样的效果是，诸如现场可编程门阵列之类的可部分重新编程或配置的快速逻辑电路可用于在故障状态期间控制受益于慢速数字处理器和相对较不灵活的模拟电路之间的权衡的发生器。
123.图6示出了根据第二方面的等离子体处理系统82，其包括根据上述第一方面或其实施方式的发生器84以及被配置为接收来自该发生器的rf信号的半导体处理模块86。
124.半导体处理模块包括用于例如对硅晶片进行等离子体处理(等离子体蚀刻或等离子体沉积)的等离子体腔室88。因此，等离子体腔室是能够在硅晶片附近容纳处理气体的气密模块。等离子体腔室通常设置有能够与基板/晶片传输系统(未被示出)配合的可密封孔。在腔室中的适当位置设置有第一电极和第二电极。第一电极和第二电极可选地通过中间阻抗匹配网络(未被示出)连接至发生器84。该连接例如包括高功率同轴连接器和/或母线。当rf发生器生成rf功率信号并将其提供给半导体处理模块的电极时，高功率rf信号在第一电极和第二电极之间引起快速变化的电场，在适当处理气体存在的情况下，该电场能够形成处理等离子体。
125.图7示出了根据第三方面的用于操作根据第三方面的发生器控制器的方法。该方法包括：
126.使用rf功率级基于由信号发生器生成的rf输入信号生成90rf输出信号；
127.使用至少一个采样器对射频(rf)功率级的输出端处的rf信号进行采样92；
128.生成94来自至少一个采样器的信号的数字信号表示，并且通过至少一个采样器和控制器之间的数字反馈路径将数字信号表示提供给控制器；
129.生成96来自至少一个采样器的信号的模拟信号表示，并将其通过至少一个采样器和控制器之间的模拟反馈路径提供给控制器，其中数字控制部分和模拟控制部分中的一个或两个被配置为至少控制rf功率级和/或信号发生器；以及
130.使用控制器基于模拟信号表示和/或数字信号表示，将rf输出端处的rf信号从第一状态调整98为第二状态。
131.在该方法的实施方式中，至少一个采样器包括级联(串联)连接至rf功率级的输出端的第一采样器和第二采样器。第一采样器为数字反馈路径提供预数字化信号，而第二采样器将来自至少一个采样器的模拟信号表示提供给模拟反馈路径。
132.在该方法的实施方式中，至少一个采样器包括连接至rf功率级的输出端的第一采样器，并且发生器包括连接至第一采样器的输出端的第一分离器和第二分离器。第一分离器为数字反馈路径提供预数字化的信号，而第二分离器将来自至少一个采样器的模拟信号
表示提供给模拟反馈路径。
133.在该方法的实施方式中，至少一个采样器向模拟反馈路径和/或数字反馈路径提供正向rf信号和反射rf信号。
134.在该方法的实施方式中，至少一个采样器是或包括至少一个定向耦合器。
135.在该方法的实施方式中，数字反馈路径包括被配置为生成来自至少一个采样器的信号的数字信号表示的至少一个模数转换器，优选包括前置模数转换器滤波器。
136.在该方法的实施方式中，将数字信号表示提供给控制器的数字控制部分。
137.在该方法的实施方式中，控制器的数字控制部分获取数字信号表示，并基于数字信号表示调整功率放大器的增益和/或电源电平和/或rf输入信号。
138.在该方法的实施方式中，至少一个模数转换器以由信号发生器生成的rf输入信号的每个频率周期至少两个样本对来自至少一个采样器的信号进行过采样，以提供过采样信号。
139.在该方法的实施方式中，数字控制部分使用过采样信号获得正向和/或反射功率测量值，并且优选获得负载阻抗。
140.在该方法的实施方式中，控制器还包括由控制器的数字控制部分控制的数模转换器，并且数模转换器向发生器的rf功率级和/或电源和/或rf输入信号电平提供控制信号。
141.在该方法的实施方式中，控制器还包括在模拟控制部分和rf功率级之间的直接模拟控制路径。
142.在该方法的实施方式中，其中控制器的数字控制部分获取数字信号表示，检测在rf功率级的输出端处的信号表示正常操作状况还是故障状况。
143.在该方法的实施方式中，第一状态和/或第二状态定义发生器的期望状况，并且其中故障状况定义在与发生器的rf输出端连接的等离子体腔室中的电弧放电状况。
144.在该方法的实施方式中，控制器的数字控制部分通过将数字信号表示与定义多个故障状况的存储的数字信号进行比较来执行数字信号表示的数字比较，并且控制器的数字控制部分基于数字比较的结果将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
145.在该方法的实施方式中，控制器的模拟控制部分被配置为绕过或越过数字控制部分。
146.在该方法的实施方式中，绕过或越过数字控制部分包括：在数字控制部分尚未识别出异常操作状况而模拟控制部分已识别出异常操作状况时，仅基于模拟信号表示使控制器将rf输出端处的rf信号从第一状态调整为第二状态。
147.在该方法的实施方式中，模拟控制部分当绕过或越过数字控制部分时向数字控制部分提供中断信号。
148.尽管在本发明的前述详细描述中已经给出了至少一个示例性方面，但是应理解，存在大量的变化。还应理解，一个或多个示例性方面仅是例子，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性方面的便利路线指南。应理解，可以在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下对示例性方面中描述的元件的功能和布置进行各种改变。