应用于射频驱动等离子体以提高鞘层形成、演化与脉冲间稳定的方法及装置与流程

应用于射频驱动等离子体以提高鞘层形成、演化与脉冲间稳定的方法及装置
1.相关申请案之交互参照
2.本技术案主张于2020年8月6日提交的美国专利申请案第16/986,680号的优先权并且还主张于2019年8月13日提交的美国临时申请案第62/886,279号的效益。上述申请案的全部揭露内容于此并入全文作为参考。
技术领域
3.本揭露系关于射频(radio frequency，rf)产生器系统及射频产生器的控制。


背景技术：

4.提供于此的先前技术描述是为了总体上呈现本案的背景。目前命名为发明人的工作成果，不论其系在此先前技术部分或说明书其他部分中进行叙述，有可能并非本案申请时的习知技术，此等描述既非明示亦非暗示申请人已自承其为构成能据以核驳本案的先前技术。
5.电浆制程(plasma fabrication)常用于半导体制造。在电浆制程的蚀刻中，离子由电场(electric field)加速，以从基板的表面蚀刻材料或将材料沉积至基板的表面上。在一个基本的实施方式中，电场是基于由功率递送系统的相应的射频(radio frequency，rf)或直流(direct current，dc)产生器所产生的射频或直流功率讯号而产生。由产生器所产生的射频功率讯号必须要受到精确控制，以有效地执行电浆蚀刻。
附图说明
6.本发明系提供一种射频产生器，其包含产生输出讯号的射频功率源，输出讯号系包含由脉冲调变的射频讯号，脉冲根据要递送至负载的功率而变化。射频产生器系包含配置以控制脉冲以包含复数个状态的控制器。在第一状态下，控制器系配置以控制射频产生器以第一功率值输出射频讯号，且将射频讯号的频率控制为第一频率，以改变射频产生器与负载之间的阻抗。在第二状态下，控制器系配置以在四种模式中的至少一种下操作：在第一模式下，控制器系控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号且控制射频讯号的频率，而不考虑射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系为突发功率，第二功率值系为工作功率。在第二模式下，控制器系控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号且控制射频讯号的频率，以改变射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系为突发功率，第二功率值系为工作功率。在第三模式下，控制器系控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号且控制射频讯号的频率，而不考虑射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系超过第二功率值。在第四模式下，控制器系控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号且控制射频讯号的频率，以改变射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系超过第二功率值。
7.本发明系提供一种射频产生器系统，其包含产生输出讯号的射频功率源，输出讯
号包含由脉冲调变的射频讯号，射频讯号根据要递送至负载的功率而变化，其中脉冲包含复数个状态。控制器系配置以控制该射频产生器。在包含复数个频格的第一状态下，控制器系配置以(a)控制射频产生器在复数个频格中的每一个内输出复数个频率，且控制器配置以控制射频产生器以至少一第一功率值输出射频讯号。在第二状态下，控制器系进一步配置以在模式(a)中控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号。
8.控制器系配置以控制由射频功率源输出的脉冲。射频功率源系产生输出讯号，输出讯号包含由脉冲调变的射频讯号，脉冲根据要递送至负载的功率而变化。在第一状态下，控制器系配置以控制射频产生器以第一功率值输出射频讯号，且将射频讯号的频率控制为第一频率，以改变射频产生器与负载之间的阻抗。在第二状态下，控制器系在模式(a)中进一步配置以控制射频产生器以第二功率值输出射频讯号，且控制射频讯号的频率，而不考虑射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系为突发功率，第二功率值系为工作功率。
9.本发明系提供一种控制功率递送至负载的方法，其包含控制射频产生器以产生由脉冲调变的射频输出讯号，以改变递送至负载的功率。此方法系包含在第一状态下，控制射频产生器以第一频率的第一功率值输出射频讯号，以改变射频产生器与负载之间的阻抗。此方法系包含在第二状态下，在模式(a)中控制以第二功率值输出射频讯号，且控制射频讯号的频率，而不考虑射频产生器与负载之间的阻抗，其中第一功率值系为突发功率，第二功率值系为工作功率。
10.本揭露之适用性(applicability)的进一步领域将于详细描述、申请专利范围以及所附图式中变得显而易见。详细描述及具体实例仅旨在用于说明之目的，并不旨在限制本发明的范围。
11.附图说明
12.图1系为根据本揭露配置的用于多个电源供应器的功率递送系统的示意性方块图；
13.图2系为射频讯号及调变射频讯号的脉冲的波形；
14.图3系为习知配置的功率递送系统的脉冲、正向电压及反向电压与时间的绘图；
15.图4系为对应于图3的波形的正向功率、反向功率及输出功率对时间的绘图；
16.图5系为在产生器输出处的脉冲期间的阻抗的鞘层形成轨迹的史密斯图；
17.图6系为对应于图5的史密斯图的正向功率、反向功率及输出功率对时间的绘图；
18.图7系为在突发模式(burst mode)下操作的习知配置的功率递送系统的脉冲、正向电压及反向电压与时间的绘图；
19.图8系为对应于图7的波形的正向功率、反向功率及输出功率对时间的绘图；
20.图9系为当在史密斯图的不同相位附近在突发模式下操作时射频产生器输出的正向功率的史密斯图；
21.图10系为根据本揭露的脉冲on时间被划分为数个状态以界定操作模式的脉冲；
22.图11系为根据本揭露原理的电压驻波比与频率的绘图；
23.图12系为根据本揭露原理的阻抗相对于频率的史密斯图；
24.图13系为习知配置的功率递送系统的正向电压、反向电压及射频产生器的输出电压与时间的绘图；
25.图14系为根据本揭露原理操作的功率递送系统的正向电压、反向电压及射频产生器的输出电压对时间的绘图；
26.图15系为根据本揭露原理操作的功率递送系统的稳定性图；
27.图16系为按习知操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
28.图17系为根据本揭露原理在操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的射频功率产生器的绘图；
29.图18系为当根据本揭露原理进行包含施加伽玛遮没(gamma blanking)的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
30.图19系为当根据本揭露原理包含施加pid回复的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
31.图20系为当根据本揭露原理包含施加伽玛遮没及pid回复的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
32.图21系为根据本揭露原理包含将基于频率的阻抗调谐施加至两个不同的、依序的启动频率的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
33.图22系为根据本揭露原理当在第一功率设定点下，包含将基于频率的阻抗调谐施加至两个不同的、依序的启动频率、pid回复、伽玛遮没以及不同频率之间的功率提升的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
34.图23系为根据本揭露原理当在第二功率设定点下，包含将基于频率的阻抗调谐施加至两个不同的、依序的启动频率、pid回复、伽玛遮没以及不同频率之间的功率提升的操作时，由射频产生器输出的正向功率、反向功率及电压的绘图；
35.图24系为根据本揭露原理配置的功率递送系统在从脉冲启动到稳态的负载下测量的阻抗轨迹的史密斯图；
36.图25系为根据本揭露原理配置的功率递送系统在从脉冲启动到稳态的负载下测量的阻抗轨迹的史密斯图；
37.图26系绘示根据各种实施例配置的实例控制模块的功能方块图；
38.图27系绘示根据本揭露原理配置的控制系统的操作流程图；
39.图28系绘示根据本揭露的脉冲on周期被划分为数个状态以界定操作模式的脉冲的展开图；
40.图29系绘示根据各种实施例的使用频格(bins)的实施方式的频率与时间的波形；
41.图30系绘示在脉冲的突发状态下时间与频率的波形；
42.图31系绘示用于更新脉冲的突发状态的各个频格的频率的波形；
43.图32系绘示根据各种实施例配置的示例性控制模块的功能方块图；以及
44.图33系绘示根据本揭露原理配置的控制系统的操作流程图。
45.在所附图式中，参考符号可重复使用以标识相似及/或相同的组件。
具体实施方式
46.功率系统可包含直流或射频功率产生器、匹配网络及负载(诸如具有固定或可变阻抗的处理容室、电浆容室或反应器)。功率产生器产生直流或射频功率讯号，并由匹配网络或阻抗优化控制器或电路接收。匹配网络或阻抗优化控制器或电路将匹配网络的输入阻
抗(input impedance)匹配于功率产生器与匹配网络之间的传送线路的特性阻抗(characteristic impedance)。此阻抗匹配有助于最大化传递到匹配网络的功率(正向功率(forward power))，且最小化从匹配网络反射回功率产生器的功率(反向功率(reverse power))。当匹配网络的输入阻抗匹配于传送线路及产生器的特性阻抗，正向功率可最大化以及反向功率可最小化。
47.在功率源或功率供应电场(supply field)中，通常有两种方式来施加功率讯号到负载。第一种较为传统的方式是将连续功率讯号(continuous power signal)施加于负载。在连续模式或连续波模式下，连续功率讯号通常系为恒定直流或正弦射频功率讯号，其由功率源连续输出至负载。在连续模式的方法中，功率讯号系采用恒定直流或正弦输出，且可改变功率讯号的振幅及/或(射频功率讯号的)频率，以改变施加至负载的输出功率。
48.第二种方式是将功率讯号施加至负载，此方法涉及使射频讯号产生脉冲，而不是对负载施加连续射频讯号。在操作脉冲模式中，射频讯号由调变讯号(modulation signal)调变，以界定调变之功率讯号的包络(envelope)。射频讯号可为例如正弦射频讯号或其它时变讯号(time varying signal)。递送至负载的功率通常系藉由改变调变讯号来改变。
49.在典型的电源供应器的配置中，使用传感器来决定施加至负载的输出功率，而传感器是测量施加至负载的射频讯号的正向及反射功率或电压及电流。在控制回路(control loop)中分析这些讯号的任一组。此分析可决定用于调整电源供应器输出的功率数值，以便改变施加至负载的功率。在负载为处理容室或其它非线性或时变负载的功率递送系统中，由于施加的功率部分系为负载阻抗的函数，负载的变化阻抗会导致施加至负载的功率发生对应的变化。
50.在各种装置的制造仰赖于引入功率至负载以控制制程的系统中，功率系通常以两种配置之一来输送。在第一种配置中，功率系电容性地耦合至负载中。这样的系统称为电容耦合电浆系统(capacitively coupled plasma(ccp)systems)。在第二配置中，功率系电感性地耦合至负载中。这样的系统通常称为电感耦合电浆系统(inductively coupled plasma(icp)systems)。与电浆耦合的功率还可经由微波频率下的波耦合来实现。这样的方法系通常使用电子回旋共振(electron cyclotron resonance，ecr)或微波源。螺线锥源(helicon sources)系为波耦合源的另一种形式，且通常以相似于习知icp及ccp系统的射频频率工作。功率递送系统可包含施加至负载的一个或复数个电极的至少一个偏置功率及/或源功率。源功率通常会产生电浆并控制电浆密度，且偏置功率会调变鞘层中形成的离子。根据各种设计考虑，偏置(bias)及源(source)可共享相同的电极或可使用不同的电极。
51.当功率递送系统驱动诸如处理容室或电浆容室的时变或非线性负载时，整体电浆及电浆鞘层吸收的功率会导致一定范围的离子能量的离子聚集(density)。离子能量的一个特征测量是离子能量分布函数(ion energy distribution function，iedf)。离子能量分布函数可透过偏置功率进行控制。藉由改变与振幅、频率及相位相关的多个射频讯号，来产生控制将多个射频功率讯号施加至负载上的系统的离子能量分布函数的一种方法。复数个射频功率讯号的相对振幅、频率及相位也可透过傅立叶级数(fourier series)及相关系数进行关联。多个射频功率讯号之间的频率可被锁定，且多个射频讯号之间的相对相位也可被锁定。这样的系统的实例可参照美国专利公告第7,602,127号、美国专利公告第8,110,991号、美国专利公告第8,395,322号，上述之专利申请案皆转让至本案的受让人，并引入作
为本文的参考。
52.时变或非线性负载会存在于各种应用中。在一种应用中，电浆处理系统还可包含用于电浆体产生及控制的部件。这样的部件系为实现为诸如电浆容室或反应器之类的处理容室的非线性负载。在电浆处理系统中使用的典型电浆容室或反应器，诸如用于薄膜制程(thin-film manufacturing)，可使用双功率系统(dual power system)。一个功率产生器(源)控制电浆的产生，且功率产生器(偏置)控制离子能量。双功率系统的实例包含在上面参照之美国专利公告第7,602,127号、美国专利公告第8,110,991号以及美国专利公告第8,395,322号中提及之系统。上述专利中描述的双功率系统需要闭回路控制系统(closed-loop control system)以调整电源供应器操作，来控制离子密度及其对应之离子能量分布函数。
53.存在多种用于控制处理容室的方法，诸如可用于产生电浆的方法。例如，在射频功率递送系统中，以相同或几乎相同的频率操作的多个驱动射频讯号的相位及频率可用于控制电浆的产生。对于射频驱动电浆源(rf driven plasma sources)，影响电浆鞘层动态(plasma sheath dynamics)及对应之离子能量的周期波形一般是已知的，并受周期波形的频率及相关的相位相互作用控制。射频功率递送系统中的另一种方法涉及双频控制。亦即，两个在不同频率工作的射频频率源(rf frequency sources)被用于为电浆容室供电，以提供离子及电子密度实质上的独立控制。
54.另一种方式利用宽带(wideband)射频功率源来驱动电浆容室。宽带方法带来一定的挑战。第一个挑战是将功率耦合到电极。第二个挑战是产生之波形到所期望之离子能量分布函数之实际鞘层电压(actual sheath voltage)的转移函数(transfer function)必须针对宽处理空间(wide-process space)来制定，以支撑材料的表面交互作用。又另一种方式中，在电感耦合电浆系统(inductively coupled plasma system)中，施加在源电极(source electrode)上的控制功率(controlling power)控制电浆密度，同时控制施加至偏置电极的功率调变离子以控制离子能量分布函数，以提供蚀刻速率的控制。藉由使用源电极及偏置电极的控制，蚀刻速率可经由离子密度及能量进行控制。
55.随着集成电路及装置制造的不断发展，对控制制造过程的功率要求也在不断提高。例如，随着储存装置的制造，对偏置功率的要求不断增加。功率增加会产生更高的高能离子，从而加快表面的相互作用，进而提高离子的蚀刻速率及方向性。在射频系统中，偏置功率增加有时伴随着较低的偏置频率要求，同时增加耦合至电浆容室中创建的电浆鞘层的功率源数量。在较低的偏置频率下的功率增加及偏置功率源的数量增加会导致从鞘层调变产生交互调变失真(intermodulation distortion，imd)。交互调变失真的产生可显著降低发生电浆产生的源所传递的功率。美国专利申请第10/821,542号，于2010年11月3日提交，标题为「pulse synchronization by monitoring power in another frequency band」，转让至本案的受让人，并引入作为本文的参考，其描述了一种透过监测另一频段中的功率来实现脉冲同步的方法。在参考的美国专利申请案中，第二射频产生器的脉冲系根据在第二射频产生器处检测到第一射频产生器的脉冲来控制的，从而使两个射频产生器之间的脉冲同步。
56.图1系绘示射频产生器或电源供应系统10。电源供应系统10系包含一对射频(rf)产生器或电源供应器12a、12b、匹配网络18a、18b及负载32，诸如非线性负载，可为电浆容
室、处理容室等。在各种实施例中，源射频产生器12a被称为源射频产生器或电源供应器，且匹配网络18a被称为源匹配网络。同样在各种实施例中，射频产生器12b被称为偏置射频产生器或电源供应器，且匹配网络18b被称为偏置匹配网络。将可理解的是，各部件可单独或共同使用参考符号，而不使用字母下标或角分符号(prime symbol)。
57.在各种实施例中，源射频产生器12a从匹配网络18b、产生器12b接收控制讯号30，或从偏置射频产生器12b接收控制讯号30'。如将更详细地解释，控制讯号30或30'代表电源供应器12a的输入讯号，其表示偏置射频产生器12b的一个或多个工作特性或参数。在各种实施例中，同步侦测器34感测从匹配网络18b输出到负载32的射频讯号，并将同步或触发讯号30输出到电源供应器12a。在各种实施例中，可从电源12b向电源供应器12a输出同步或触发讯号30’，而非触发讯号30。触发或同步讯号30、30'之间的差异系来自匹配网络18b的影响，其可改变输入讯号到匹配网络18b与输出讯号之间的相位。讯号30、30'包含关于偏置射频产生器12b的工作讯息，此讯息在各种实施例中能做出预测响应以解决由偏置产生器12b造成的电浆容室32的阻抗的周期性波动。当控制讯号30或30'不存在时，射频产生器12a、12b可自主工作。
58.射频产生器12a、12b包含相应的射频功率源或放大器14a、14b、射频传感器16a、16b及处理器、控制器或控制模块20a、20b。射频功率源14a、14b产生输出到各个传感器16a、16b的相应的射频功率讯号22a、22b。传感器16a、16b接收射频功率源14a、14b的输出，并产生相应的射频功率讯号f_1及f_2。传感器16a、16b还输出根据从负载32感测到的各种参数而变化的讯号。虽然在相应的射频产生器12a、12b中示出了传感器16a、16b，射频产生器16a、16b可位于射频功率产生器12a、12b的外部。这样的外部感测会发生在射频产生器的输出处，或位于射频产生器与负载之间的阻抗匹配装置的输入处，或位于阻抗匹配装置(包含阻抗匹配装置的内部)与负载的输出之间。
59.传感器16a、16b检测负载32的工作参数并输出讯号x及y，传感器16a、16b可包含电压、电流及/或方向耦合传感器。传感器16a、16b可检测(i)电压v及电流i及/或(ii)从相应的功率放大器14a、14b及/或射频产生器12a、12b及12f的正向功率p_fwd输出，以及从相应的匹配网络18a、18b或连接至相应的传感器16a、16b的负载32接收的反向或反射功率p_rev。电压v、电流i、正向功率p_fwd及反向功率p_rev可以是与相应的功率源14a及14b相关的缩放及/或过滤的实际电压、电流、正向功率及反向功率的版本。传感器16a、16b可以是模拟及/或数字传感器。在数字实施方式中，传感器16a、16b可包含具有对应取样率的模拟转数字(a/d)转换器及讯号取样部件。讯号x及y可表示电压v及电流i或正向(或源)功率p_fwd及反向(或反射)功率p_rev的任一个。
60.传感器16a、16b产生由相应的控制器或功率控制模块20a、20b接收的传感器讯号x、y。功率控制模块20a、20b系处理相应的x、y讯号24a、26a及24b、26b，且产生一个或复数个反馈控制讯号28a、28b到相应的功率源14a、14b。功率源14a、14b基于接收到的反馈控制讯号来调整射频功率讯号22a、22b。在各种实施例中，功率控制模块20a、20b可经由相应的控制讯号21a、21b分别控制匹配网络18a、18b。功率控制模块20a、20b可至少包含比例积分微分(proportional integral derivative，pid)控制器或其子集(subsets)及/或直接数字合成(direct digital synthesis，dds)部件及/或如下所述之与模块相关的各种任何的部件。
61.在各种实施例中，功率控制模块20a、20b是比例积分微分(proportional-integral-derivative,pid)控制器或其子集，且可包含功能、处理、处理器或子模块(submodules)。反馈控制讯号28a、28b可为驱动讯号，且可包含直流偏移(dc offset)或导轨电压(rail voltage)、电压或电流振幅(current magnitude)、频率及相位。在各种实施例中，反馈控制讯号28a、28b可用作为一个或多个控制回路的输入。在各种实施例中，多个控制回路可包含用于射频驱动及用于导轨电压的比例积分微分控制回路。在各种实施例中，反馈控制讯号28a、28b可在多输入多输出(multiple input multiple output，mimo)控制方案中使用。多输入多输出控制方案的一个例子可参考2020年1月28日公告的美国专利第10,546,724号，标题为「pulsed bidirectional radio frequency source/load」的专利申请案，上述之专利申请案转让至本发明的受让人，并引入作为本技术的参考。
62.在各种实施例中，电源供应系统10可包含控制器20'。控制器20'可设置于射频产生器12a、12b中的一个或两个的外部，且可被称为外部或共享控制器20'。在各种实施例中，控制器20'可实现关于控制器20a、20b中的一个或两个的本文中描述的一个或复数个功能、过程或算法。因此，控制器20'经由一对相应的链结36、38相应的射频产生器12a、12b通讯，使得能够在控制器20'与射频产生器12a、12b之间适当地进行数据及控制讯号的交换。对于各种实施例，控制器20a、20b、20'可与射频产生器12a、12b一起分布式、协作式地提供分析及控制。在各种其它实施例中，控制器20'可提供对射频产生器12a、12b的控制，省去了相应的局部控制器20a、20b。
63.在各种实施例中，射频功率源14a、传感器16a、控制器20a及匹配网络18a可称为源射频功率源14a、源传感器16a、源控制器20a及源匹配网络18a。同样地，在各种实施例中，射频功率源14b、传感器16b、控制器20b及匹配网络18b可称为偏置射频功率源14b、偏置传感器16b、偏置控制器20b及偏置匹配网络18b。在各种实施例中，如上所述，用语「源」系指产生电浆的射频产生器，以及用语「偏置」系指调谐电浆离子能量分布函数的射频产生器。在各种实施例中，源及偏置射频电源供应器是在不同的频率下操作。在各种实施例中，源射频电源供应器的操作频率高于偏置射频电源供应器。在各种其它实施例中，源及偏置射频电源供应器以相同的频率或实质上相同的频率工作。
64.图2系绘示描述递送至诸如图1的负载32的负载的功率的操作脉冲模式的电压对时间的绘图。在图2中，射频讯号40系由脉冲42调变。如脉冲42的周期或区域44所示，当脉冲42为on时，射频产生器12输出射频讯号40。相反地，在脉冲42的周期或区域46中，脉冲42为off，射频产生器12a不输出射频讯号40。脉冲讯号42可以恒定的工作周期(duty cycle)或可变的工作周期重复。此外，脉冲讯号42不必如图2所示实施为方波。此外，脉冲42可具有振幅及持续时间变化的多个on及off区域。多个区域可在固定或可变周期内重复。
65.图3系绘示脉冲射频讯号施加至图1诸如处理容室或电浆容室的负载32的应用的示例性波形。在图3中，脉冲50系为具有on周期或区域51及off周期或区域53的方波。图3还表示正向(forward)及反射(reflected)电压，其中波形52表示正向电压，且波形54表示反向(reversed)电压。从图3中可看出，在脉冲51的开始处，反射电压54很高，大约等于正向电压52，这表示很少有或没有功率到达负载32。在脉冲波形50的on区域51的后半部分，反向电压54相对于正向电压显著减少。这表示由产生器输出的大部分的功率都传递至负载。从图3中可看出，反向电压54在脉冲波形50的on区域51中占据了相当大的一部分，大约50％，其表
示仅在脉冲波形50的on区域51的后半部分期间将功率递送至负载。
66.图4系绘示反射功率或反向功率60及正向功率58的功率对时间的绘图。图4还绘示输出功率62的波形，其通常被界定为正向功率58与反向功率60之间的差。图4系表示图3的脉冲的大约前50％的时间段。反向功率60在64处随着时间达到峰值并减小至零，大约在位置66处开始减小。当反向功率60减小至零时，正向功率58也随之减小，使得输出功率62实质上等于正向功率58。图4系为具有相当大的延迟的缓慢形成的鞘层的示例性图示。
67.图5及图6系绘示相应的史密斯图，以及当电浆鞘层从浮动鞘层向稳态射频供电鞘层演变时功率与时间的绘图。匹配网络被调谐至脉冲的稳定部分，且鞘层的演变系透过在脉冲的初始时期移动的轨迹及在50奥姆阻抗处或附近结束来绘示的。图5是基于对在射频产生器的输出处测量的电性参数的检测的史密斯图。在图5中，轨迹最初从史密斯图的外部附近的位置70开始，且阻抗从位置70前进至位置72，其表示从史密斯图的外部附近开始逐渐转换为50奥姆阻抗的过程。因此，图6系绘示从位置70到表示50奥姆的阻抗的位置72的转换过程。
68.如图6所示，在从位置70到72的转换中，正向功率波形74在脉冲启动70之后不久在位置77达到峰值，且反向功率波形76系表示在位置75处的峰值，但功率小于正向功率的峰值77。波形78系表示输出功率迅速增加至实质上恒定的数值的位置80处或附近。图6系为具有最小延迟的快速形成的鞘层的示例性图示。
69.一种改善递送至诸如负载32的负载的功率的方法，涉及在脉冲启动时以突发功率(burst power)处施加功率突发(power burst)。当施加功率突发时，在脉冲启动时，射频产生器12的射频功率源14在相对短的时间内增加了射频功率的振幅，以加速电浆中的鞘层形成。在功率突发之后，射频产生器的振幅返回至工作或操作位准，以平衡脉冲的on区域。成功的突发可从各种态样量测。在一个态样中，在30μs至40μs之内的鞘层形成可被认为是成功的突发。
70.图7系绘示图8中的脉冲、正向电压以及反向电压及功率随时间的波形。在图7中，波形90表示脉冲，波形92表示正向电压，且波形94表示反向电压。从图7可看出，反向电压94在脉冲开始时较高，相似于图3的反向电压54，然而如图8所示，与图4相比，输出功率100在功率突发内开始迅速增加。关于脉冲启动，反向电压94比图3的反向电压54下降得更快，然而如图8所示，与图4相比，输出功率100在功率突发内开始迅速增加。关于脉冲启动，反向电压94比图3的反向电压54减小的更快。因此，图7系表示当施加功率突发时，反向电压94在比图3更短的期间内减小增加，从而允许在较短的时间内的鞘层形成。
71.图8系绘示关于时间的功率。如图8所示，虽然正向功率96及反向功率98在功率突发102之后相对较快达到峰值，但与图4相比，反向功率98相对较快地减小，从而导致输出功率100相对较快地增加。透过图3及图4与图7及图8之间的非限制性比较，藉由在功率突发期间增加功率约25％，输出功率达到的数值可使鞘层形成的速度比不施加功率突发时快约一个数量级(order of magnitude)。
72.虽然施加功率突发可显著减少鞘层形成的时间，但在突发期间的功率增加会对图1的射频产生器12形成考验(prove stressful)。施加功率突发的突发模式的一个好处是，可将诸如匹配网络18的匹配网络配置为在突发后不久提供最佳匹配，从而节省时间以实现匹配网络18的较佳解决方案。然而，每个功率突发都会导致施加额外的功率，且额外的功率
会产生额外的热量，从而对射频产生器12造成潜在的进一步应力(stress)。此外，由于图7及图8绘示的功率突发使用了匹配网络18中通常可用的自动调整匹配功能，因匹配网络18没有被调谐为在脉冲开始的功率突发期间提供50奥姆的匹配，导致产生器的进一步应力。因此，在功率突发期间，由于调谐匹配网络来不及提供最佳的匹配而需产生较高的功率以提供较高的突发功率，射频产生器12将承受额外的应力。然而，有些装置制造商要求射频产生器在史密斯图周围的所有相位或位置中工作，如图5所示，而施加突发可使其在史密斯图的较大部分附近进行操作。
73.图9系绘示相对于施加至负载32的讯号的位置(即，相位)所施加的功率的示例性史密斯图。可看出，在史密斯图110中，史密斯图上的位置对应于阻抗，阻抗部分地决定施加至负载的功率。尽管图9中未示出功率的大小，但史密斯图110上的每个标绘点皆对应于施加至负载的功率。然而，所属技术领域中具有通常知识者将能理解，标绘点的各个区域可表示施加至负载大约的功率。因此，对于各种射频产生器，史密斯图110的区域可表示用于将最大功率传输至负载的最佳操作区域。在各种实施方式中，可选择控制参数，使得射频产生器在最佳区域中操作且避免次最佳区域。
74.图10系绘示相似于图2的脉冲射频系统的脉冲波形120。图2的rf波形40已从图10中省略，然而所属技术领域中具有通常知识者将能理解，图10系表示诸如图1的功率递送系统10的射频产生器系统的脉冲实现方式中的脉冲。脉冲波形120的on周期或区域122、122'系表示为划分为包含功率突发及基于频率的阻抗控制的第一区段或状态124，以及包含匹配网络阻抗控制区段或状态的突发后区段或状态126。脉冲波形120还包含一个off周期或区域123。
75.脉冲波形120的on区域122'系表示两个阻抗控制子区段或子状态124a'、124b'。区段或状态124、126可指在脉冲波形120的on区域上基于时间的射频产生器12及匹配网络18的操作或控制。在每个状态期间，可实现射频产生器12及匹配网络18的各种控制模式。因此，脉冲波形120的on区域122、122'表示至少两个状态，其可对应于功率递送系统10中的功率递送及阻抗匹配的至少两种模式。第一模式系包含在施加功率突发时，在状态124期间发生的基于频率的阻抗控制。第二模式系包含在状态126期间发生的阻抗匹配网络阻抗控制，且藉由功率递送系统10的匹配网络18来实现。匹配网络18的匹配网络阻抗控制调谐组件系被调整以提供阻抗匹配。
76.在各种实施例中，基于频率的阻抗匹配或状态124中的调谐可实现为自动频率调谐(automatic frequency tuning，aft)或动态频率调谐(dynamic frequency tuning，dft)。aft/dft通常可描述为在预定的频率范围内操作以控制阻抗匹配。自动频率调谐及动态频率调谐的实例可参照美国专利公告第8,576,013号、美国专利公告第9,041,471号，上述之专利申请案皆转让至本案的受让人，并引入作为本文的参考。在各种实施例中，aft/dft可提供足够的阻抗控制，从而使递送至负载的功率满足功率要求，且不需要突发功率。
77.在各种实施例中，相较于如在aft或dft中的在预定频率范围内改变频率，可使用选择的操作频率来控制阻抗，以实现基于频率的阻抗匹配或调谐。在各种其它实施例中，基于频率的阻抗匹配或调谐可透过选择频率轨迹来实现，其中从起始频率到结束频率的转换系利用一个或多个预定中介频率(intermediate frequencies)来使转换期间的阻抗匹配优化。在状态124之后，可在状态126中使基于频率的调谐失能，且阻抗匹配系透过使用习知
匹配网络技术的匹配网络18来执行。这样的技术系包含习知的匹配网络技术，其中调整一个或复数个可变电抗组件以改变射频产生器12的输出处的阻抗。
78.在各种实施例中，且仅作为实例，图1的射频产生器12中的一个或两个的射频频率可为13.56mhz或其倍数。在各种其它实施例中，源射频产生器可以13.56mhz或其倍数操作，且偏置射频产生器可以13.56mhz或其倍数的大约2％或在其内操作。
79.在各种实施例中，脉冲120可具有大约100hz的频率。当脉冲120约为100hz时，状态124可约为30μs，然而可有所变化。状态124的持续时间可根据各种设计考虑来调整。在各种其它实施例中，状态124不需要执行aft或dft频率调谐来实现匹配。在各种实施例中，脉冲120的状态124可表示选定的射频频率，其不同于射频产生器12在on区域122的相当的一段期间操作的频率。透过非限制性实例，假设在各种实施例中射频产生器12以13.56mhz操作，在启动期间中，在状态124中由射频产生器12输出的频率可由控制系统自动选择。控制系统可藉由使用频率回复模式来选择频率，其中根据在相似的先前条件下使用的频率来设定频率，或可将频率默认为用户的选定频率。决定最佳启动频率的一种方法系包含以表示脉冲启动条件的低或最低的可能功率进行扫频(frequency sweep)，并记录导致最低反射功率的频率。此外，在各种实施例中，在有或没有功率突发的情况下，可实现在脉冲120的状态124上的基于频率的阻抗调谐。亦即，可在与功率突发一致的状态124中施加频率调谐，其中藉由在诸如30μs的预定时间内增加射频讯号的振幅来增加射频产生器的功率输出。在其它实施例中，基于频率的阻抗调谐可在不施加功率突发的情况下实现。
80.图11及12系绘示图11中的电压驻波比(voltage standing wave ratio，vswr)的绘图及图12中的史密斯图。在图11中，vswr系表示为频率函数。波形130在位置132处系以约13.78mhz的频率达到最小值。在图12中，曲线136系绘示相位相对于频率的变化，其从位置138开始到达位置140的原点，并沿着轨迹移动至位置142。因此，在从大约12.8mhz到14.238mhz的扫频中，频率变化会改变阻抗，且频率变化既是vswr的致动器，如图11所示，也是相位的致动器，如图12所示。因此，图11及图12表示在图10的状态124期间进行频率调谐可改善射频产生器12与负载32之间的阻抗匹配。
81.图13及图14系表示当在整个脉冲上利用习知的匹配网络阻抗控制时的实例结果的波形，诸如图10的on区域122，如图13所示。图14系绘示诸如在图10的状态124中，在突发功率及基于频率的阻抗控制模式下的组合功率突发，随后是诸如在图10的状态126中的网络阻抗匹配控制模式。在状态126期间，不考虑阻抗来选择频率，且在各种实施例中，根据与负载相关联的制程要求来选择频率。对于各图式，除了在多个状态下实现阻抗匹配的变化模式之外，各系统实质上是相似的。
82.在图13中，波形150系绘示正向功率，且波形152系绘示反射功率。波形154系绘示电压，且波形156系绘示电流。在各种实施例中，在诸如图1的射频产生器12的射频产生器的输出处测量正向功率波形150及反向功率波形152，且在诸如图1的负载32的负载处测量电压波形154及电流波形156。
83.如图13所示，当仅使用诸如图1的匹配网络18的匹配网络实现阻抗匹配时，反向功率152大约等于正向功率150，直到大约位置160处的反向功率152减小到实质上小于位置162处的正向功率150为止。图13还表示施加至负载32上的电压154及电流156是在位置160处开始衰减反向功率152之前的数值的大约一半。在位置162之后，电压154及电流156增加
至位置162之前的电压及电流的大约两倍。在图14中，在没有功率突发的脉冲161'的开始处，利用阻抗匹配的af/dft阻抗调谐模式。应当注意的是，图13中提及之组件符号在图14中相似地提及，但增加了一个角分指标(prime indicator)。
84.在图14中，在位置161'处的脉冲启动之后，反向功率152'在位置160'处开始减小且在大约位置162'处达到最小值。在位置160'与162'之间，可看出除了反向功率152'减小之外，电压154'及电流156'相似于图13一样增加，其中电压154'及电流156'增加及与至少两倍于位置160'之前的数值。此外，应注意位置161与162之间的时间。在图14中，在位置161'与位置162'之间的脉冲启动之间的时间系表示比在图13的位置161与162之间的时间实质上还短的时间。此外，还可看出反向功率152'不仅更快地衰减，且在更短的时间内衰减，如相对于位置160'与162'之间的较短时间段所见。另一方面，在图13中，位置160与位置162之间存在较大的时间段。
85.进一步关于图13及图14，可实现自动调谐匹配网络的方法，诸如藉由图1的匹配网络18。在自动调谐匹配网络的方法中，匹配网络18在检测到射频讯号时，而非检测到脉冲，启动阻抗匹配控制。射频讯号在脉冲启动时出现。在检测到射频讯号后，匹配网络18系透过调整电抗组件来启动阻抗匹配，诸如电容及电感，在匹配网络8中调整阻抗以改善射频产生器12与匹配网络18的输出处的传送线路之间的匹配。不再检测到脉冲之后，匹配网络18保持在其当前位置，预计下一个脉冲将需要相似的匹配配置。因此，在脉冲的on周期结束后，没有检测到射频讯号，匹配网络18保留在其当前位置，预期下一个检测到的射频讯号将导致调整到大约当前位置，从而默认匹配网络18以用于射频讯号的下一次检测。各种实施例使用相对于检测射频on或脉冲on的数个时间延迟中的一个来界定匹配网络18应当调谐的脉冲区域。在各种实施例中，匹配网络18在突发之后的某个时间，以及射频讯号或脉冲转为off或改变状态之前的某个时间进行调谐。
86.尽管这种方法在没有发生突发的图13中可能有用，当射频产生器12输出诸如在状态124中的功率突发时，其中射频产生器12在脉冲启动时输出更大的功率，匹配网络18的调谐部件不在最佳位置以适应突发中增加的功率。在功率突发期间检测到较高振幅的射频讯号后，匹配网络无法在典型的功率突发间隔内做出响应，且功率突发被屏蔽，因此匹配网络不会检测到功率突发。由于匹配网络18在功率突发期间不做出反应，而是调谐到脉冲on时间的稳态，诸如在状态126，在通电呈on后，产生器会发现明显的阻抗失配。匹配网络18需要时间来调整，且调整时间导致在调整期间小于最佳阻抗匹配。虽然突发确实提供了额外的功率，但也为匹配网络18的操作增加了复杂性。使用基于频率的调谐来进行阻抗匹配，缓解了匹配网络18在功率突发期间必须调整的问题，且有利于功率突发后的阻抗匹配。
87.图15系绘示沿横轴的电缆长度及沿纵轴的功率设定点的稳定性图。图15的稳定性图系绘示两个区域，其为在第一交叉阴影线中表示的稳定区域，以及在第二交叉阴影线中表示的不稳定区域。根据反向功率大于或小于或等于脉冲的预定百分比来决定稳定性。亦即，当反向功率小于或等于脉冲的预定百分比时，鞘层是稳定的。相反地，当反向功率大于脉冲的预定百分比时，鞘层会是不稳定的。也可使用其它诸如反射系数或swr的度量标准来产生相似的稳定性图。
88.在各种配置中，电缆长度可用于表示系统稳定性的量测。例如，方框176系表示跨多个功率设定点的七根电缆长度上的系统稳定性，其中反射功率小于或等于脉冲的预定百
分比。在方框176的外部，对于每种特定的电缆长度，在一种或多种功率设定下，每种电缆长度表现出的反射功率系大于脉冲的预定百分比。此外，在方框176内，不仅在电缆长度上存在稳定性，且在多种功率下在多个电缆长度上也存在稳定性。方框176内的电缆长度可适应多个功率设定点。在方框176内，相应的三个及四个电缆长度可在多种电缆长度下形成鞘层。因此，多态阻抗匹配的其中一个优点是，包含第一状态及第二状态，在第一状态中，射频产生器以允许阻抗匹配的频率输出突发功率，在第二状态中，发生阻抗匹配的匹配网络模式，提供了具有如图15所示的属性的稳定性图。相较于习知的基于匹配网络的阻抗匹配，这样的阻抗匹配是有所改善的。期望有一个广阔稳定的操作窗口，以确保单元与单元之间的微小变化不会将操作转移至一个不稳定的区域。
89.图16至图25系参考射频产生器12中的任一个，描述在图1的功率递送系统10中对多个状态的多模式阻抗控制的操作。图16系绘示诸如图1的射频产生器12的射频产生器的输出波形。图16系绘示两个视图，其包含第一时间标度的上图180a以及表示带括号部分184a的展开图的第二视图182a。下图182a系表示带括号部分184a的20倍展开图。在图16中，波形186a表示正向功率，波形188a表示反向功率，且波形190a表示在图1的匹配网络18a或18b的输出处测得的电压。
90.将能理解，如上所述，递送至负载的输出功率系由诸如正向功率186a及反向功率188a的正向功率之间的差表示的量。尽管在图16中未示出输送功率，但电压190a根据输出功率而变化，输出功率又根据正向电压186a及反向电压188a之间的差而变化。由于被电压190a覆盖，在整个视图182a中未示出正向功率波形186a。然而，正向功率186a系与电压190a成比例地变化，其中电压190a的增加与正向功率186a的增加及/或反向功率188a的减少是一致的。
91.图16系表示藉由脉冲射频讯号来操作射频产生器12的一组基线测量。在图16的控制配置中，经由匹配网络18控制阻抗匹配，从而在图16中不发生基于频率的阻抗匹配。图17系绘示相似于图16但在与图16不同的操作条件下的波形。按照惯例，图16的波形后面是后缀「a」。从图16到图23中，每个图式的相似波形将使用相同的组件符号以及不同的字母后缀。例如，视图180a系指图16的上图，视图180b系指图17的上图；以及例如，波形168a系指图16中的正向功率，波形186b系指图17中的正向功率。
92.图17系绘示系统的操作，其中基于频率的阻抗调谐包含处于诸如状态124的第一状态的第一模式。在诸如状态126的第二状态中，负载处的功率被调整为典型的操作功率，且阻抗的匹配网络控制包含第二模式。在各种实施例中，在状态126期间，在不考虑阻抗的情况下选择频率，且可根据与负载相关联的制程要求来选择频率。从图17可看出，电压190b以与图16大致相同的时间及速率增加。这表示其它控制参数正在限制产生器的输出功率。
93.图18系绘示使用图17的第一状态的模式控制并进一步实现伽玛遮没技术的射频产生器12a的操作。伽玛(gamma，γ)系表示功率递送系统10的射频产生器12的反射系数。在伽玛遮没技术中，射频产生器12在预定时间区间(interval)操作，在此时间区间施加增加的功率而不参考产生器的反射系数。在射频产生器12对功率的典型应用中，史密斯图的反射系数系被用来决定相对于相位的阻抗，且被用来限制功率。对于一预定时间区间，一般是整个脉冲宽度的一小部分，功率以功率突发的形式加入，且在控制功率时不考虑反射系数。当伽玛遮没时，射频产生器以拟开环(seudo-open loop)方式工作，以在功率突发期间传递
请求的输出功率，而与阻抗匹配无关。拟开环系指射频产生器仍在死循环中工作的操作，换言之，其仍在使用来自其传感器的数据来实现所需的功率设定点，但任何会限制正向功率的限制都被忽略。这本质上允许射频产生器产生等效的正向功率位准，就如同在真正的开环模式下工作。但是，由于阻抗匹配，射频产生器输出的功率无法到达负载。因此，递送至负载的功率受脉冲的限制，如图2及10所示。然而，在功率突发期间，图2及图10的脉冲可不界定射频产生器的输出的边界，但仍可界定输送至负载的功率的边界。由于阻抗不匹配，射频产生器的输出实质上高于递送至负载的功率。作为非限制性实例，遮没可在1000μs脉冲的大约50μs中发生。由于下述进一步说明的其它因素，图18系产生与图17相似的结果。
94.图19系绘示根据图17操作的射频产生器12的操作的波形，且还包含基于射频产生器12的先前操作的前馈控制。射频产生器12部分地系根据产生器在先前脉冲期间的操作来控制的。在pid回复中，若射频产生器12被设定为使用来自先前状态的参数及设定再次操作，则回复先前状态的参数及设定。这样的方法可被称为比例积分微分(proportional integral derivative，pid)回复。这样的pid回复控制的实例可参照美国专利案号8,952,765、美国专利案号10,049,857、美国专利案号10,217,609，上述之专利申请案转让至本揭露的受让人，并引入作为本技术的参考。
95.从图19中可看出，电压190d在相对于脉冲启动的较短时间内增加，从而减少完全形成电浆鞘层的时间。因此，在诸如状态124的第一状态下，基于频率调谐的阻抗控制及前馈控制的组合，相对于脉冲启动进一步改善了形成鞘层的时间。尽管在本文中，将前馈方法描述为pid回复控制，但各种前馈或反馈控制机制可加速鞘层的形成，且在本文中同样适用。
96.图20系绘示根据图19操作的射频产生器12的操作的波形，且还包含如图18所述的伽玛遮没。因此，突发功率、基于频率的阻抗调谐、pid回复及伽玛遮没的组合进一步提高了相对于脉冲启动的鞘层形成时间。图20系提供改善的鞘层形成时间，但还是导致了鞘层的部分塌陷，诸如电压190e中的下垂(sag)所示。
97.图21系绘示描述射频产生器12的操作的波形，其中在第一状态下，射频产生器12在启动时施加功率突发并在短时间内以第一频率工作，以在第一状态上提供基于频率的阻抗调谐。在跟随第一初始状态的第二状态中，射频产生器12以第二频率操作以在第二状态中提供基于频率的阻抗调谐。图10的子状态124a'及124b'提供了相应的第一状态及第二状态的实例。接着，利用匹配网络18，控制转换到基于匹配网络的阻抗调谐，例如在图10的状态126'。如在图21中所见，在启动期间，在脉冲启动之后不久，电浆鞘层即建立起来。在其它实施例中，可针对状态124a'及124b'启用基于频率的阻抗调谐，诸如dft。这种方法平滑了状态之间的转换，以维持与负载的功率耦合。状态124b’期间的频率可以是固定的。各种其它方法可在状态124b’的频率提升(frequency ramp)上施加可变功率(variable power)。这使得控制系统能够在短时间内将功率设定点及频率从状态124a'值改变到所需的状态124b'值。因此，使用功率突发及基于频率的阻抗调谐来调整状态124a'、124b'，使得如波形190f所示，在较短的时间段中形成鞘层。
98.图22及图23系绘示描述施加功率突发的射频产生器的操作的波形，且在脉冲启动时以射频讯号的第一启动频率操作，在此期间，采用基于频率的阻抗调谐(状态124a')，接着施加功率突发并以第二频率工作，在此期间，采用基于频率的阻抗调谐(状态124b')。pid
回复系与伽玛遮没一起施加。此外，当频率从状态1的第一频率更改为状态2的第二频率时，功率会因此下降。图22及23的区别在于，图22系绘示射频产生器12在较低功率设定点下的操作，且图23系表示射频产生器12在较高功率设定点下的操作，其中较高设定点是较低设定点的大约50倍。因此，在图22及图23中的每一个中，脉冲启动时的功率突发及第一启动频率(状态1)以及功率突发后的第二启动频率(状态2)的组合，在每个状态中利用基于频率的阻抗调谐，结合pid回复控制、伽玛遮没及功率提升提供最小延迟的鞘层形成。在各种其它方法中，相较于从第一频率到第二频率的突然变化，状态1及状态2不需要固定每个状态的频率，而是可使频率从状态1逐渐提升(ramp)为状态2。
99.图24及图25系分别对应于图22及23，且是基于在负载或电浆容室检测到的参数，从脉冲打击或脉冲启动到脉冲稳态的阻抗的各自轨迹的史密斯图。从史密斯图中可看出，轨迹是相似的，并趋向于由史密斯图所示之电浆容室阻抗，其分别由圆圈200g及200h表示。因此，从图24及25可看出，在图23及24中施加的控制系提供相似的轨迹，而不论功率设定点如何。
100.图26系表示控制模块210。控制模块210结合了图1的各种部件。控制模块210可包含功率产生控制模块部分212、阻抗匹配模块部分214以及功率调谐模块部分216。功率产生模块部分212系包含脉冲控制模块218、射频频率控制模块220以及射频振幅模块222。阻抗匹配模块部分214系包含频率调谐模块224及匹配网络模块226。功率调谐模块部分216系包含pid回复模块230、伽玛遮没模块232以及功率提升模块234。在各种实施例中，控制模块170系包含一个或复数个处理器，其执行与模块部分或模块210、212、214、216、218、220、222、224、226、230、232及234相关的程序代码。下述关于图26的方法系描述模块部分或模块210、212、214、216、218、220、222、224、226、230、232及234的操作。
101.关于图1的控制器20a、20b及20'进一步定义的结构，请参阅下述提供的图27的流程图，以及下述提供的用语「模块」的定义。可使用许多方法、实例以及在图26中示出的各种控制系统方法来操作本文揭露的系统。虽然针对图1的实施方式来主要描述以下操作，但可容易地变更此操作以应用于本揭露的其它实施方式。此操作可迭代地执行(iteratively performed)。虽然以下操作被显示并主要描述为依序执行，可执行一个或多个以下操作，同时执行一个或多个其它操作。
102.图27系表示用于执行例如图1的功率功率递送的基于状态/模式的阻抗控制的控制系统240的流程图。控制从方块242开始，此处发生初始化。控制进行到方块244，在此处，诸如13.56mhz的讯号的射频讯号被启动。控制进行到方块246，其中产生脉冲以调变在方块244处启动的射频讯号。如在方块246中可看出，脉冲的产生可包含几个参数，如上述在图1至图25中所述。同样如方块244所示，可将脉冲分为复数个状态，其中可为每个状态设定复数个参数。参数包含但不限于射频频率、射频振幅/功率、阻抗控制的频率调谐参数、匹配网络阻抗控制的阻抗匹配网络参数、pid回复、伽玛遮没及功率提升。接着，控制进行到方块248，在此处决定是否应该启动另一个脉冲。若是，则控制回到方块246。若否，则控制进行到方块250，在此处控制终止。
103.图28系绘示诸如图10的脉冲波形120的122或122
′
的脉冲的on周期或区域的展开图，其被称为脉冲区域128。如以上关于图10所述，波形120系具有on区域122、122'及off区域123。脉冲波形120的on区域122系包含第一区段或状态124及第二区段或状态126。如图10
中所述，脉冲122
′
系具有第一子区段或子状态124a
′
、第二子区段或子状态124b
′
以及第三子区段或子状态126
′
。子状态124a'、124b'系表示状态124的子区段或子状态。子状态124a'、124b'可用于描述不同的操作模式，这些模式可包含射频产生器的各种输出参数，其包含但不限于射频频率、射频振幅、相位及本文所述之其它参数。
104.在各种实施例中，子状态124a'、124b'可表示第一子状态124a'，其中射频产生器以选定频率输出功率突发，以及第二子状态124b'，其中射频产生器以第一子状态124a'与状态126之间的转换模式工作。在各种实施例中，状态126可进一步界定射频产生器的操作模式。在子状态124b’中，射频产生器可输出与状态124a’相同或不同的功率突发及频率。在各种实施例中，状态126可表示由状态124界定的操作突发模式之后的稳定状态。因此，状态126可表示在状态124处发生的操作突发模式之后的操作模式的稳定状态。在各种其它实施例中，状态126可包含各种细分，诸如子状态126a'及子状态126b'。子状态126a'可与在子状态126b'的操作突发模式124与操作稳定或工作模式之间的操作转换模式一致。在各种其它实施例中，子状态126a'及子状态126b'可被组合成由状态126表示的单个状态。同样地，子状态124a'及子状态124b'可被组合以界定单个区段或状态124。
105.子状态124a’及子状态124b’可进一步被细分为多个频格bx，其中x通常表示多个频格中的任何频格。如图28所示，子状态124a’被细分为多个频格，诸如频格ba1、ba2、、、ban。相似地，子状态124b’可被细分为多个频格bb1、bb2、、、bbn。在各种实施例中，频格的宽度及数量皆可有所变化，从而子状态124a’内的每个频格的宽度可为相同的宽度或变化的宽度。同样地，子状态124b’的频格的宽度及数量可为相同的宽度或不同的宽度。此外，包含子状态124a'的频格数量及包含子状态124b'的频格数量可有所变化，且脉冲之间的任何状态或子状态的频格数量可有所变化。此外，子状态126a'及子状态126b'可被细分为如上关于124a'、124b'、124所述的频格。
106.在各种实施例中，频格bx、子状态124a’、124b’或状态124中的任何一个或其中一个可界定各种操作模式，其中可改变各种射频系统控制参数。这样的参数可包含射频产生器输出的射频讯号的频率、振幅及相位，诸如图1的射频产生器12、匹配网络控制参数及其它控制参数。在各种实施例中，可选择频格的宽度，从而频格的最小宽度对应于射频产生器的最大控制环路速率。由于同一脉冲内频格内的更新频率会受到控制环路速率的限制，频格内输出的一个或多个频率可在脉冲之间进行更新。因此，在各种实施例中，频格内的频率控制是前馈控制，且频格内的前馈值系基于对应频格的一个或多个先前脉冲进行的测量而更新的。
107.与每个状态相关联的操作模式可界定例如由射频产生器12输出的射频讯号的频率。因此，每个频格bx可界定由射频产生器12输出的射频讯号的特定频率或多个频率。可选择界定的频率以改变射频产生器12与负载32之间的阻抗匹配，以控制输送至负载的功率。例如，当状态124a界定了射频产生器12输出功率突发的模式时，每个频格ba1、ba2、、、ban皆可分配一个特定的频率，选择以调节射频产生器12与负载32之间的阻抗匹配，以控制输送至负载32的功率。此外，在各种实施例中，状态124或子状态124a'、124b'可界定匹配网络的操作模式，诸如匹配网络18。作为非限制性实例，在状态124期间，如上所述，期望可禁止匹配网络18的操作，同时控制射频产生器，以与每个频格ba1、ba2、、、ban相关联的模式所界定的选定频率输出选定功率。
108.在各种操作模式中，在状态124b’期间，由射频产生器12输出的射频频率可相似地区分为频格bb1、bb2、、、bbn。如关于子状态124a
′
所述，在状态124b
′
期间，特定的操作模式可相似地禁止匹配网络18的操作。此外，如上所述，状态124a'、124b'可被组合以界定一个单一状态124。在单一状态124下，状态124可被细分为频格bx，且可控制上述电性参数，以改变射频产生器12与负载32之间的阻抗匹配，以改善传递至负载32的功率递送。同样如上所述，在状态124期间，可禁止匹配网络18的操作，从而阻抗匹配实质上根据射频产生器12输出的射频讯号的频率而变化。
109.参照下述之表1及表2，表1及表2系表示操作状态与模式之间的关系。表1系列出配置的系统，使得图28的脉冲128包含状态124，在此期间，射频生器以选定频率及工作状态126输出功率突发，其中射频产生器输出工作功率及较大或标称频率(nominal frequency)。表1系进一步列出一个系统，其中状态124、126不会经由子状态124'或126'进一步细分，且因此状态124被区分为频格bb1、bb2、、、bbn。如表1所示，在状态124期间，射频产生器输出功率突发，且在状态124的连续频格上，频率在频率f1、f2、、、fx、、、fn上变化。表1及表2中的频率fx可表示状态或频格内的一个或复数个频率。表1还表示模式的控制致动器可包含频率、功率及匹配网络阻抗控制。在各种实施例中，功率或功率值pb可在状态124上的每个频格之间变化，或可在频格之间保持恒定。表1及表2中的功率值pb可表示状态或频格内的一个或复数个功率值。在状态124中，将匹配网络失能，诸如藉由伽玛遮没，从而透过选择每个相应频格中的频率来进行阻抗匹配。
110.表2系表示射频控制的状态及模式，其中状态124被细分为子状态124a'、124b'，其又进一步被细分为相应的频格，如表2所示。在表2中，射频产生器12输出的频率可根据操作模式而变化。例如，在子状态124a'期间，频率随频格的不同而变化，而功率在pb保持恒定，或突发功率。表2还表示子状态126a被配置为转换状态，其中转换频率ft及转变功率pt由射频产生器12输出。如上所述，突发功率pb可在每个频格之间以及每个状态之间变化。
[0111][0112]
表1
[0113][0114]
表2
[0115]
在各种实施例中，可对应地命名每个状态，且可在特定状态、子状态或频格中改变与每个模式对应的每个参数，从而可在每个状态上施加不同的频率、功率及匹配网络控制模式。在各种实施例中，基于频率的阻抗控制及基于匹配网络的阻抗控制皆可在各种脉冲状态下启动。在这样的实现中，基于频率的阻抗控制系实现以在分配的脉冲状态的短时间内稳定到标称值(nominal value)。然后，将预期的调谐时间，加上一些缓冲时间，用作为匹配网络的off周期。这样的配置使得匹配网络18一旦被启动，就能感测稳定的频率，因此减轻在频率稳定时匹配网络进行搜寻的需求。在各种实施例中，匹配网络18还结合了频率追踪功能。
[0116]
在各种实施例中，可测量负载阻抗的反应以调谐分配给每个频格或状态的频率，从而可调谐给定频格的选定射频频率，以进一步将阻抗变化最小化并将功率递送最大化。可基于功率递送或阻抗匹配条件来针对一个或所有状态、子状态及频格来更新频率或功率值。未来状态系输出调整后的频率及功率值，其为根据先前的频率或功率值的结果决定的。亦即，响应于bx1n、bx2n、、、bxnn值的应用，其中n是时间间隔，频格bx1n+1、bx2n+1、、、bxnn+1的数值可根据电性参数的测量来决定。此外，频格bx1n+1、bx2n+1、、、bxnn+1的更新可基于一个或多个先前的系统对n、n-1、、、n-m间隔的反应。因此，射频产生器的参数的预设系允许自适应的前馈控制，从而减轻对控制环路带宽的问题。
[0117]
图29系为频率与时间的绘图，且包含多个绘示射频产生器操作的波形，其中一个状态或子状态具有四个频格b1、b2、b3、b4，分别也称为频格1、频格2、频格3及频格4。曲线252系表示相应的波形254、256及258。图29的每个频格系包含五个频率设定或数值，其对应于频格内及对应脉冲内的特定时间的频率设定或射频值。
[0118]
波形254表示在频格内，频率系根据方程式f_(〖bin〗_n)＝α_n保持恒定，其中n表示相应的频格。例如，f_(〖bin〗_1)＝α_1表示频格b1的恒定频率α_1。因此，波形254为每个频格bn界定恒定频率，且恒定频率可在频格之间变化。波形256系表示每个频格内的复数个频率，且每个频格内的频率呈线性变化，且与每个频格相关联的各条线段的参数可在频格之间变化。描述频率选择的方程式可理解为〖f(t)〗_(〖bin〗_n)＝α_n+β_n t，其中n表示特定的频格，且t是时间。因此，每个频格系具有分别根据a_n及β_n界定的偏移频率及斜率。波形258系表示具有任何特定频格的频率根据〖f(t)〗_(〖bin〗_n)＝〖f(t)〗_n在脉冲之间变化。因此，波形258的频率设定系取决于特定频格n，且根据为每个相应频格界定的功能而改变。
[0119]
图30系绘示时间与频率的多个绘图的曲线图270。沿横轴的时间系与状态、子状态或频格的位置有关。纵轴系表示频率，从而时间与频率的绘图表示为改善阻抗匹配而选择的频率设定点。在各种实施例中，每个频格的频率设定点可根据经验单独决定，也可结合迭代过程决定。波形272系表示配置以输出50w的射频产生器的一组频率。波形274系为配置以输出100w的射频产生器的时间与频率的绘图。波形276系为配置以输出300w的射频产生器的时间与频率的绘图。波形278系为配置以输出600w的射频产生器的时间与频率的绘图。相似地，波形280系为配以输出1,200w的射频产生器的频率与时间的绘图。在各种实施例中，纵轴可表示操作中心频率的大约10+/-5％。
[0120]
图31系绘示时间样本索引与反射系数平方也称为反射率的绘图，且表示调谐频率以获得最佳阻抗匹配的轨迹。在图31的迭代学习方法中，将诸如状态124a的突发状态划分为四个(n＝4)个子区段或频格，且为每个频格获取预定数量的时间样本。在每个频格内，频率系呈线性变化。在一种方法中，迭代学习模型系调整每个频格中的线段的斜率及偏移量，以使反射系数最小化，从而使输出功率最大化。图31的曲线292、294、296、298及300的每一个系表示相应的脉冲数。亦即，在各种实施例中，波形292、294、296、298、300系表示相应的1、10、20、25及30个脉冲。
[0121]
图32系根据各个实施例配置的实例控制模块的功能方块图。在图32中，图26的相似组件符号将在图32中使用。因此，图32的控制模块210’与图26相似地配置，且上述同样适用于此。图32还包含频格更新模块228，其配置以针对上述每个状态、子状态或频格bx更新频率值或其它电性参数。
[0122]
图33系表示对图1的功率递送系统执行阻抗控制的控制系统240的流程图。图32的配置类似于图27，且相似的组件符号将用于表示相似的功能。在图33的描述中将不再重复此类似的功能。流量控制系统240'的配置系与图27类似，且包含频格更新部分260。频格更新部分260系包含决定频格bx的阻抗匹配的方块262。一旦决定了与频格bx对应的阻抗匹配，则方块264决定对于特定的频格bx的阻抗匹配是否有所改善。若阻抗匹配获得改善，则方块260更新频格bx的频率，使得控制系统240的未来迭代可使用更新的频率。返回至方块264，若匹配没有获得改善，则更新不会发生，如方块268所示。
[0123]
以上描述仅是说明性的，并非意指限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛教示可以各种形式来实施。因此，尽管本发明包含特定实例，但是本发明的真实范围应不如此限制，因为关于研究所附图式、说明书及所附申请专利范围的其它修改将变得显而易见。应理解方法内的一个或多个步骤能以不同的顺序(或同时)执行，而不改变本发明的原理。进一
步，尽管以上将每一个实施例描述为具有某些特征，但是关于本发明的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施例的特征中实现及/或与其组合，即使没有明确描述该组合。换言之，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例彼此的配置仍然在本发明的范围内。
[0124]
组件之间的空间及功能关系(例如在模块、电路组件、半导体层等之间)使用各种的用语来描述，包含「连接」、「接合」、「耦合」、「相邻」、「旁边」、「在...之上」、「上方「、「下方」以及「设置」。除非明确描述为「直接」，当在以上揭露中描述在第一组件及第二组件之间的关系时，该关系可以是直接关系，其中第一组件及第二组件之间不存在其它中间组件，但也可以是间接关系，其中在第一组件及第二组件之间存在(任一的空间或功能上)一个或多个中间组件。如本文中所使用，词组「a、b及c中的至少一个」应被解释为表示「a or b or c」逻辑，其使用非排他性逻辑「or」，并且不应被解释为表示「a中的至少一个、b中的至少一个、以及c中的至少一个」。
[0125]
在图中，如箭头所示，箭头的方向通常说明对图式感兴趣的讯息的连贯性(诸如数据或指令)。例如，当组件a及组件b交换各种讯息时，但是从组件a传送到组件b的讯息与图式相关，箭头能从组件a指向组件b。该单向箭头并不意味着没有其它讯息从组件b传送到组件a。进一步地，对于从组件a发送到组件b的讯息，组件b能向组件a发送对讯息的请求或接收确认。
[0126]
在本案中，包含以下定义，用语「模块」或用语「控制器」能用用语「电路」来替换。用语「模块」能指一部分的或包含：特殊应用集成电路(asic)；数字的、模拟的或混合数字/模拟的离散电路；数字的、模拟的或混合数字/模拟的集成电路；结合的逻辑电路；现场可程序化逻辑门阵列(fpga)；执行编码的处理器电路(共享、专用或群组)；内存电路(共享、专用或群组)，其储存由处理器电路执行的编码；提供所述功能的其它适合的硬件部件；或以上部分或全部的组合，诸如在系统单芯片中。
[0127]
本案的模块能包含一个或多个接口电路。在一些实例中，接口电路能包含有线或无线的接口，其连接到局域网络(lan)、网络、广域网(wan)或其组合。本发明之任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块之间。例如，多个模块能允许负载平衡。在进一步的实例中，服务器(也称为远程或云端)模块能代表客户模块完成一些功能。
[0128]
如上述所使用的，用语程序代码能包含软件、韧体及/或微程序代码，并且涉及程序、程序、函数、类别、数据结构及/或对象。共享处理器电路包含单个处理器电路，其执行来自多个模块的一些或所有程序代码。组合处理器电路包含处理器电路，该处理器电路与附加的处理器电路组合，执行来自一个或多个模块的一些或所有的程序代码。对多个处理器电路的引用包含分立芯片上的多个处理器电路、单个芯片上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核心、单个处理器电路的多个线或以上的组合。共享内存电路包含单个内存电路，其储存来自多个模块的一些或所有的程序代码。用语组合内存电路包含内存电路，该内存电路与附加的内存组合以存储来自一个或多个模块的一些或所有的程序代码。
[0129]
用语内存电路是计算机可读取媒体的子集。如本文中所使用，计算机可读取媒体不包含透过媒体(诸如在载波上)传播的过渡电气或电磁讯号；计算机可读取媒体因此能被视为有形性及非瞬时性的。非瞬时性、有形性之计算机可读取媒体的非限制性的实例是非挥发性内存电路(诸如闪存电路、可擦除可规划式只读存储器电路或屏蔽只读存储器电
路)、挥发性内存电路(诸如静态随机存取内存电路或动态随机存取内存电路)、磁储存媒体(诸如模拟或数字的磁带或硬式磁盘驱动器)以及光储存媒体(诸如光盘片、激光视盘或蓝光光盘)。
[0130]
在本技术案中，描述为具有特定属性或执行特定操作的设备单元系具体配置为具有那些特定属性并执行那些特定操作。特别是，执行动作的组件的描述系指该组件配置以执行该动作。组件的配置可包含对该组件的程序编制，诸如藉由在与该组件相关的非瞬时性有形计算机可读媒体上撰写指令。
[0131]
本案中描述的装置及方法能部分地或全部地藉由专用的计算机来实现，该计算机藉由配置一般用途的计算机来创建，以执行计算机程序中包含一个或多个特定功能。以上描述作为软件规格的功能方块、流程图方块及其它组件，其可以藉由熟练的技术人员或程序设计师的日常工作将该软件规格转译成计算机程序。
[0132]
计算机程序包含处理器可执行指令，其存储在至少一个非瞬时性、有形性的计算机可读取媒体上。计算机程序还能包含或依赖储存的数据。计算机程序能包含与专用计算机的硬件交互作用的基本输入/输出系统(bios)、与专用计算机的特定设备交互作用的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用、背景服务、背景应用等。
[0133]
计算机程序能包含：(i)说明文字的分析，诸如html(超文件标示语言)、xml(可延伸标示语言)或json(javascript对象表示法)、(ii)组合码、(iii)藉由编译程序从源编码产生的目标码、(iv)藉由译码器执行的原始码、(v)藉由实时编译程序编译及执行的原始码等。仅作为实例，能使用来自包含c、c++、c#、objective c、swift、haskell、go、sql、r、lisp、fortran、perl、pascal、curl、ocaml、html5(超文件标记语言第五修正本)、ada、asp(主动服务器页)、php(php:超文本前处理器)、scala、eiffel、smalltalk、erlang、ruby、visuallua、matlab、simulink以及之语言的语法(syntax)来撰写。