专利名称：用于控制射频功率的方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及等离子体处理设备的控制系统。具体而言，本发明涉及用于控制射频(RF)功率输送系统的系统与方法。背景RF功率输送系统通常以约400kHz至约200MHz之间的频率向动态负载提供功率。 在科学、工业和医学应用中使用的频率约为2MHz、13. 56MHz和27MHz。取决于应用，以脉冲和/或连续波模式将RF功率传输至负载。由于半导体特征的尺寸持续变小，在半导体制造中控制所传输的RF功率变得越发重要。更精确地控制RF功率参数的能力能使半导体制造商获得更小的半导体特征。然而，当将RF功率传输给动态负载时这是非常困难的。存在各种方法用于控制传输给动态负载的脉冲RF功率。一个方法是使用已知操作参数的查询表格来以逐个脉冲为基础控制所传输的RF功率的幅值和形状。另一个方法是使用在标称操作点附近的优化的、不变的参数估计。第三个方法是使用高带宽和/或高速组件(如，电源感测电路、数字信号处理器、和/或前置调节器)来以逐个脉冲为基础调节所传输的RF功率的幅值和形状。然而，这些已知方法的每一个都存在问题。在第一和第二个方法中，当处理条件随着查询表格中的值或标称操作点而改变和/或漂移时，性能可降低。在第三个方法中，高速组件极大地增加了控制系统的成本。另外，由于与高增益和高带宽系统相关联的电噪声，控制系统易经受性能下降。存在多种方法用于将RF功率传输系统从脉冲模式转换到连续波模式。一个已知方法是使用开环系统，其中固定RF功率放大器的输入电压，且通过转换RF功率放大器开和关来产生脉冲。然而，开环系统欠缺基于负载处操作条件的改变而修改所传输的功率的能力。进一步，开环系统不能补偿在为等离子处理应用使用低频脉冲时发生的大量等离子震荡。在脉冲和连续波功率之间转换的另一个已知方法是在功率传输模式之间暂时地停止处理。然而，暂时地停止处理导致系统启动之后的不规则处理。另外，暂时停止处理导致不稳定的等离子，因为功率并不是不变的。最后，暂时地停止处理增加了处理和循环时间。概述本发明一般特征在于用于控制提供给动态负载的脉冲RF功率的系统和方法。一个优势是本发明允许闭环系统更精确地且更准确地控制输送给动态负载的脉冲RF功率 (如，高频和/或低频脉冲功率)。另一个优势是本发明允许所传输的RF功率的逐个脉冲的控制。在低频系统中，本发明可允许脉冲形状(如，脉冲的“平坦度”和/或幅值)的逐个脉冲的控制。在一些实施例中，使用相比已知系统和方法中的组件而言更低成本的组件来实现逐个脉冲的控制。例如，可使用低带宽和/或低速组件。又一个优势是本发明允许在处理条件相比于查询表格中的值或标称操作点变化和/或漂移时，在不降低，例如，功率参数的精确性的情况下，允许传输给动态负载的功率的逐个脉冲的控制。另一个优势是本发明允许可重复的、高精确度的功率控制。在一方面，本发明特征在于用于控制脉冲功率的方法。所述方法包括测量来自功率放大器的功率的第一脉冲来获得数据。所述方法还包括产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。所述方法还包括产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。在一些实施例中，所述方法包括提供所述第二信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。在一些实施例中，所述方法包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中，所述方法包括计算所述第一脉冲的峰值和所述第一脉冲的基本稳定的部分之间的形状差异。在一些实施例中，所述方法还包括将所述第二信号相关联于所述形状差异。在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和第一脉冲的基本稳定部分之间的功率偏移量。所述方法可包括将所述第一信号相关联于所述功率偏移量。在一些实施例中，所述方法包括提供所述第一信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。所述方法可包括将所述第一信号相关联于所述电压源的占空比输入。在另一方面，本发明特征在于功率传输的方法。该方法包括从功率放大器将功率以连续波模式传输到负载。该方法还包括在反馈环中产生信号来控制所传输的功率，该信号相关联于功率控制算法。该方法还包括调节所述控制算法中的单个变量来将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。在一些实施例中，该方法包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括过滤所述数据来提供基本稳定的功率测量。在一些实施例中，所述方法包括提供信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。所述方法可包括将所述信号相关联于所述电压源的占空比输入。在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和所传输的功率之间的功率偏移量。在一些实施例中，该方法包括测量所传输的功率来获得数据。在一些实施例中，该方法包括产生第二信号来调节所传输的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。在一些实施例中，所述方法包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中，所述方法包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点与脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。在另一方面，本发明特征在于功率传输的方法。本方法包括降功率从功率放大器以连续波模式传输到负载。本方法还包括测量传输至负载的功率。本方法还包括使用反馈环产生表示所传输的功率的信号来控制所传输的功率的幅值，该信号对应于功率控制算法。本方法还包括调整算法中的单个变量经由同一个反馈环将脉冲功率传输至负载。在一些实施例中，该方法包括基于相关联于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括过滤所述数据来提供基本稳定的功率测量。在一些实施例中，所述方法包括提供信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。在一些实施例中，所述方法包括将所述信号相关联于所述电压源的占空比输入。在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和所传递的功率之间的功率
偏移量。在一些实施例中，该方法包括测量所传递的功率来获得数据。该方法可包括产生第二信号来调节所传递的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。所述方法可包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中， 该方法包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。本发明，在另一方面，特征在于将脉冲或连续波的RF功率传输给负载的系统。该系统包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，该电压功率转换器适于产生脉冲RF功率或连续波RF功率。该系统还包括耦合至电压功率转换器的输出的RF功率放大器，该RF 功率放大器适于将RF功率传输到负载。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第一输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化脉冲功率的峰值和脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当脉冲RF功率处于第一模式时来操作。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第二输入的功率设定点控制环，所述功率设定点控制环适于最小化RF功率设定点和传输至负载的RF功率之间的功率差异。在一些实施例中，功率设定点控制环耦合至电压源的输出。在一些实施例中，该功率设定点控制环包括电压偏移电路，该电压偏移电路被设置为测量从电压源输出的电压和来自功率设定点控制环的电压设定点之间的电压偏移量。在一些实施例中，功率设定点控制环包括与RF功率放大器的输出电通信的开关。 该开关可具有与脉冲RF功率的脉冲频率相关联的开关频率。在一些实施例中，该系统包括耦合至电压功率转换器的输出以及负载的输入的匹配网络。在一些实施例中，功率设定点控制环包括耦合至电压源的第二输入和脉冲设定点控制环的输出调整模块，所述输出调整模块提供占空比输入到电压源。电压源可以是降压调节器。在一些实施例中，功率设定点控制环包括数字模拟转换器。本发明，在另一方面，特征在于将脉冲或连续波的RF功率传输给负载的系统。该系统包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，该电压功率转换器适于产生脉冲RF功率或连续波RF功率。该系统还包括耦合至电压功率转换器的输出的RF功率放大器，该RF 功率放大器适于将RF功率传输到负载。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电流设定点输出的第一控制电路。该系统还包括耦合至电压源的输入和电压源的输出的第二控制电路，所述第二控制电路与电流设定点电通信。第一和第二控制电路组合，适于最小化RF 功率设定点和传输至负载的RF功率之间的功率差异。在一些实施例中，该系统包括耦合至电压源的输出和第二控制电路的电压设定点输出的第三控制电路。在一些实施例中，该系统含有与RF功率放大器的输出电通信的开关的第一控制电路。在一些实施例中，该系统含有与开关和RF功率放大器的输出电通信的至少一个过滤器。在一些实施例中，该至少一个过滤器适于提供基本稳定的功率测量。在一些实施例中，该系统包括耦合至第二控制电路的至少一个前馈输入。该至少一个前馈输入可包括电压设定点输入。该至少一个前馈输入可包括电流设定点输入。在一些实施例中，该第二电路包括调节模块，所述调节模块提供占空比输入给电压源。在一些实施例中，该系统包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第二输入的脉冲形状控制环， 所述脉冲形状控制环适于最小化脉冲功率的峰值和脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当脉冲RF功率处于第一模式时来操作。在另一方面，本发明特征在于同步功率传输系统的方法。该方法包括从主功率传输系统产生主脉冲功率。该方法还包括产生同步脉冲信号，该同步脉冲信号具有相关联于所述主脉冲频率的脉冲频率的第一频率。该方法还包括自从功率传输系统产生从脉冲功率。该方法还包括将从脉冲功率与同步脉冲信号进行同步。在一些实施例中，同步步骤包括基于所述同步脉冲信号的第一频率而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，计算步骤包括测量同步信号的下降沿和上升沿之间的时段。在一些实施例中，该方法包括基于所述同步脉冲信号的下降沿而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，该方法包括基于所述同步脉冲信号的上升沿而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，该方法包括相对于所述主脉冲功率而延迟所述从脉冲功率的相位。在一些实施例中，该方法包括从所述主功率传输系统接收同步脉冲信号。在一些实施例中，该方法包括从外部信号发生器接收同步脉冲信号。在另一方面，本发明特征在于用于同步功率传输系统的系统。该系统包括适于产生主脉冲功率的主功率传输系统。该系统还包括与所述主功率传输系统电通信的外部信号发生器。该系统还包括与所述外部信号发生器电通信的从功率传输系统，其中所述从功率传输系统产生具有与由外部信号发生器所产生的同步信号相关联的频率的从脉冲功率。
本发明的上述和其他对象、特征和优点以及本发明本身从与不一定按比例绘制的附图一起审阅时的以下说明性描述得到更全面的理解。图1是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。图2是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。图3是根据本发明的说明性实施例，RF功率信号随脉冲而变化的图形化表示。图4是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。图5A是根据本发明的说明性实施例，主-从RF功率传输系统的示意图。图5B是根据本发明的说明性实施例的将图5A的从RF功率传输系统与图5A的主 RF功率传输系统同步的图形化表示。图6A是根据本发明的说明性实施例的带有外部触发器的主-从RF功率传输系统的示意图。图6B是根据本发明的说明性实施例的将图6A的从RF功率传输系统与图6A的主 RF功率传输系统同步的图形化表示。图6C是根据本发明的另一个说明性实施例的将图6A的从RF功率传输系统与图 6A的主RF功率传输系统同步的图形化表示。
图7是根据本发明的说明性实施例的主-从RF功率传输系统中同步脉冲的图形
化表示。
具体实施例方式图1是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统100的示意图。系统100 包括电耦合至电压功率转换器108的电压源104。电压源104提供DC电压信号106给电压功率转换器108。在一些实施例中，电压源104是降压调节器(buck regulator)。降压调节器接收未经调节的输入电压并产生较低的、经调节的输出电压。电压功率转换器108基于来自电压源104的DC电压信号106而创建DC功率信号 110(如，脉冲信号或连续波信号)。电压功率转换器108基于提供给电压功率转换器108 的同步信号188的性质而输出脉冲或连续波信号。如果同步信号188是脉冲信号(如图所示)，由电压功率转换器108输出的DC功率信号110是具有与同步信号188的脉冲一样的频率与周期的DC功率的脉冲。如果，然而，同步信号188是连续波信号(未示出)，则由电压功率转换器108输出的DC功率信号110是连续波DC功率信号。电压功率转换器108电耦合至功率放大器112 (如，RF功率放大器)。电压功率转换器108提供DC功率信号110到功率放大器112。功率放大器112基于从电压功率转换器 108接收到的DC功率信号110而输出RF功率信号114。功率放大器112可输出具有与DC 功率信号的性质一样的性质(如，脉冲或连续波)或具有不同性质的RF功率信号。在一些实施例中，功率放大器112输出对于负载IM而言是理想的RF功率信号，其具有由操作者选择(或者由过程控制器指定)的性质。功率放大器112的操作射频可被手动地(开环)或自动地(闭环)调整到特定功率。在上述两种情况下，操作者提供最小和最大的可容许的频率极限(如，中心频率 13. 56MHz的士5% )给控制系统192或功率放大器112。在一些实施例中，最小和最大频率极限是基于负载的性质，例如，来最大化从功率放大器112转移到负载124的功率。在另一个实施例中，当以脉冲操作模式来操作该系统时，操作者指定输入到控制系统192的脉冲频率和占空比。脉冲频率和占空比的理想值是基于负载的特性的。在一些实施例中，功率放大器112输出频率位于约400kHz到约200MHz之间的RF功率信号114。在科学、工业和医学应用中使用的典型RF频率约为2MHz、13. 56MHz和27MHz。通过将同步信号188从连续波信号转换为脉冲信号，由功率放大器112所输出的 RF功率放大器信号114可被从连续波模式转换到脉冲模式。通过调节功率控制算法(下述等式幻中的单个变量(即，同步信号188)而例如从连续波信号转换为脉冲信号，该功率控制算法将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。类似地，通过将同步信号188从脉冲模式(图示)转换为连续波信号，由功率放大器112所输出的RF功率放大器信号114可被从脉冲模式转换到连续波模式。功率放大器112将RF功率信号114输出至可选的匹配网络120。在一个实施例中，使用了具有如下标称操作级的功率放大器300伏特(RMS) ； 12安培(RMS)和3. 5kW。在本发明的一些实施例中使用匹配网络120以匹配功率放大器112和负载114之间的阻抗。 理想的是匹配功率放大器112和负载114之间的阻抗来最小化RF功率，否则RF功率会被从负载114反射回功率放大器。匹配网络120响应于从功率放大器112接收到的RF功率信号而输出经修改的RF功率信号114’。在一些实施例中，使用在匹配网络120中所耗散的功率的估计(或所测得的值)来校准系统并修改功率放大器112的输出来确保负载IM接收到理想的功率。经修改的RF功率信号114’被提供给负载124(如，用于处理半导体晶片的等离子处理腔)。在一些实施例中，在过程中负载IM的性质(阻抗)变化。负载IM的性质可基于例如，等离子腔中处理条件(如，气流速率、气体成分、以及腔压)的变化以及与传输给负载的RF功率相关联的性质(如，峰值RF功率、RF脉冲频率、RF脉冲宽度/占空比)的变化而变化。RF功率传输系统100还包括控制系统192。功率放大器112与控制系统192的组件电通信。控制系统192提供用于控制RF功率传输系统的各组件(如，电压源104、电压功率转换器108和功率放大器112)的操作的反馈环198。控制系统192包括电耦合至电压源 104和输出调节模块132的模拟补偿网络128。输出调节模块132提供控制信号134(如， 脉冲宽度调制的控制信号或占空比输入)到电压源104，控制电压源104的输出。控制系统192还包括第一模拟数字(A/D)转换器136a。A/D转换器136a电耦合至电压源104的输出。控制系统192还包括第二模拟数字(A/D)转换器136b。A/D转换器 136b电耦合至探针116的输出。探针116电耦合至功率放大器112来测量由功率放大器 112输出的RF功率信号114的性质(如，RF功率信号的数据)。在这个实施例中，探针116 输出电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)，这些是对RF功率信号114的测量。Vrf和Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 1Irf = IJjI1 等式 2其中Vk是Vrf信号的实部分量，V1是Vrf信号的虚部分量，Ie是Irf信号的实部分量，I1是Irf信号的虚部分量。在一个实施例中，当RF功率信号114是正弦信号时，由探针116输出的电压信号 (Vrf)和电流信号(Irf)都是正弦信号。在本发明的不同实施例中所用的示例探针116是型号为 VI-Probe-4100 和 VI-Probe_350 (MKS 仪器股份有限公司，Andover, MA)。A/D转换器136b采样两个信号(Vrf和Irf)并输出数字信号[数字电压信号(Vrf_dig) 和数字电流信号(Irf-dig)]。数字电压信号(Vrf_dig)和数字电流信号(Irf_dig)被提供给数字信号处理模块196 来产生作为功率放大器112的输出功率的数字信号(Pdel )。处理模块196包括数字混频器152、CIC过滤器模块156、开关160、IIR过滤器模块164以及功率计算模块168。数字混频器152将时变信号转换为在特定频率处的信号的实部和虚部分量。通过将所测得的信号与基频的参考余弦以及参考负正弦波相乘获得的分解产生DC分量和倍频正弦波。通过乘以余弦获得的DC分量代表实部分量，且通过乘以负正弦波获得的DC分量代表虚部分量。 通过CIC过滤器将倍频分量过滤。A/D转换器136b的输出(Vrf_dig和Irf_dig)被提供给混频器152。混频器152用数字电压信号(Vfdig)和数字电流信号(Ifdig)执行数学计算来产生数字电压信号(vrf_dig)和数字电流信号(Ifdig)的实部和虚部部分，以如下形式
_] Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 3
Irf_dig = (IK_dig+2* ω) + j (ΙΜ 8+2* ω)等式 4其中VK_dig是Vrf的数字版本的实部分量，Vpdig是Vrf的数字版本的虚部分量，IK_dig 是Irf的数字版本的实部分量，且Ipdig是Vrf的数字版本的虚部分量，且其中数字信号的每一个分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D转换器的采样频率。然后将这些信号提供给CIC过滤器模块156来移除信号的该2* ω分量。在一个实施例中，CIC过滤器模块156是低通滤波器。在一个实施例中，低通滤波器的截止频率约为25kHz。例如，CIC过滤器模块156过滤与系统的处理要求相关联的信号频率(如，在科学、工业和医学应用中使用的典型频率约为2MHz、13. 56MHz和27MHz)。将CIC过滤器模块156的输出提供给开关160。通过同步信号188驱动开关160 位于打开和关闭的位置。当脉冲大小为1时，开关160被打开，且当脉冲大小为0时，开关被关闭。将开关160的输出提供给IIR过滤器模块164。当开关160处于关闭位置时，DC信号的当前值被提供给IIR过滤器模块164。当开关160处于打开位置时，DC信号的之前值被提供给UR过滤器模块164。UR过滤器模块一般是用于将提供给功率计算模块168的信号平滑的低通滤波器。UR滤波器模块164 — 般平滑那些否则由于开关160在打开和关闭位置之间循环而呈现的噪声/高频分量。CIC 过滤器模块156和UR过滤器模块164过滤反馈环198的数字信号处理模块196中的信号来提供稳定的(这个术语包括基本稳定)功率测量(数字信号178)。将IIR过滤器模块 164的输出提供给功率计算模块168。功率计算模块基于下述功率控制算法来计算功率Pdel_0N = Vr-digl^—dig+Vl—digll—dig 等式 5功率计算模块168输出数字信号178 (Pdel 0N)。信号178是所传输的功率(传输给负载124的功率)。操作者或处理器(未示出)将功率设定点信号184 (Psp)提供给RF功率传输系统100，该设定点信号是理想地提供给负载IM的RF功率信号。在一些实施例中，在处理器上实现系统的理想操作的数学模型来产生功率设定点信号184。求和模块180c基于下式计算功率偏移量，即功率设定点信号184和功率计算模块168的输出之间的差异(误差e)e = Psp-Pdel QN 等式 6如果功率设定点信号184和功率计算模块168的输出之间的差异为零，则功率放大器112正在提供理想的RF功率信号给负载124。如果差异不是零，则该系统工作产生了差异(误差e)。RF功率传输系统100包括接收求和模块180c的输出(即，功率设定点信号184和功率计算模块168的输出170之间的差异)的第一控制器模块144。控制器模块144企图通过计算并输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(S卩，功率计算模块 168的输出)和理想的设定点(即，功率设定点184)之间的误差。在一个实施例中，控制器模块144是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器144对于现有误差的反应，积分值确定基于现有误差的总和的控制器144的反应， 且微分值确定基于误差改变的速率的控制器144的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理
0deVcontrol =kpe + kl\edT + kd ^r 等式 7
其中kp是PID控制算法的比例分量的标量常数，Iii是PID控制算法的积分分量的标量常数，kd是PID控制算法的微分分量的标量常数，且e是等式6中所计算的误差。在本发明的这个实施例中，控制器144输出最终提供给输出调节模块132的信号。 输出调节模块132控制电压源104的操作，电压源104接着最终控制由功率放大器112输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如， 状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。使用求和模块180b来将控制器144的输出(Vcontrol)与第一前馈信号172组合 (如，求和)来产生电压设定点信号(Vsp)。第一前馈信号172 —般使用系统100的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第一前馈信号172作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第一前馈信号172。一般使用前馈信号来确保对于基于系统信息和参数的给定设定点的更快速的收敛。此外，可使用非线性前馈信号结合线性反馈功能 (如，PID控制)来获得非线性系统中的快速控制。求和模块180d计算电压设定点信号(Vsp)和A/D转换器136a的输出之间的差异。 A/D转换器136a采样电压源104的输出并产生电压源104的输出(Vbuek)的数字版本。求和模块180d基于下式计算电压设定点信号(Vsp)和Vbuek之间的差异(误差ev)ev = Vsp-Vbuck 等式 8如果电压设定点信号(Vsp)和Vbudt之间的差异为零，功率放大器112正在提供理想的RF功率信号给负载124。如果差异不是零，系统工作以减少差异(误差ev)。RF功率传输系统100还包括接收求和模块180d的输出(S卩，电压设定点信号(Vsp) 和Vbudt之间的差异)的第二控制器模块148。控制器模块148企图通过计算并且然后输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(即，电压源104的输出)和理想的设定点(1Φ，功率设定点Vsp)之间的误差。在一个实施例中，控制器模块148是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器148对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器148的反应，且微分值基于误差改变的速率确定控制器148的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理
γdeIcontrol = kpvev + kvi jev τ + kdv 言等式 9其中kpv是PID控制算法的比例分量的常数值，kiv是PID控制算法的积分分量的常数值，kdv是PID控制算法的微分分量的常数值，且ev是等式8中所计算出的误差。在本发明的这个实施例中，控制器148输出最终提供给输出调节模块132的信号。 输出调节模块132控制电压源104的操作，电压源104接着最终控制由功率放大器112输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如， 状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。使用求和模块180a来将控制器148的输出与第二前馈信号176组合(如，求和)来产生电流设定点信号(Isp)。第二前馈信号176 —般使用系统100的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第二前馈信号176作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第二前馈信号176。将电流设定点信号(Isp)提供给数字模拟转换器140，后者产生电流设定点信号 (Isp)的模拟信号版本。将电流设定点信号(Isp)的模拟信号版本提供给模拟电路补偿网络 128。模拟电路补偿网络1 还接收从电压源104所测得的电流信号(Imeas)。在这个实施例中，模拟电路补偿网络1 是超前-滞后补偿网络，其增加了系统中的相位容限并提供信号给输出调节模块132。如上所述，输出调节模块132提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号)到电压源104，控制电压源104的输出。图2是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统200的示意图。系统200 包括电耦合至电压功率转换器208的电压源204。电压源204提供DC电压信号207给电压功率转换器208。在一些实施例中，电压源204是降压调节器。降压调节器接收未经调节的输入电压并产生较低的、经调节的输出电压。电压功率转换器208基于来自电压源204的 DC电压信号207而创建DC功率信号211(如，脉冲信号或连续波信号)。电压功率转换器 208基于提供给电压功率转换器208的同步信号观8的性质而输出脉冲或连续波信号。如果同步信号288是脉冲信号(如图所示)，由电压功率转换器208输出的DC功率信号211 是具有与同步信号观8的脉冲一样的频率与周期的DC功率的脉冲。如果，然而，同步信号 288是连续波信号(未示出)，则由电压功率转换器208输出的DC功率信号211是连续波 DC功率信号。电压功率转换器208电耦合至功率放大器212 (如，RF功率放大器)。电压功率转换器208提供DC功率信号211到功率放大器212。功率放大器212基于从电压功率转换器 208接收到的DC功率信号211而输出RF功率信号213。功率放大器212可输出具有与DC 功率信号的性质一样的性质(如，脉冲或连续波)或具有不同性质的RF功率信号213。在一些实施例中，功率放大器212输出具有对于负载2M而言是理想的、且由操作者选择(或者由过程控制器指定)的性质的RF功率信号213。在一些实施例中，功率放大器212输出频率位于约400kHz到约200MHz之间的RF功率信号。在科学、工业和医学应用中使用的典型 RF 频率约为 2MHz、13. 56MHz 和 27MHz。通过将同步信号288从连续波信号转换为脉冲信号，由功率放大器212所输出的 RF功率放大器信号213可被从连续波模式转换到脉冲模式。通过调节功率控制算法(下述等式13)中的单个变量(即，同步信号观8)而例如从连续波信号转换为脉冲信号，该功率控制算法将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。类似地，通过将同步信号288从脉冲模式(图示)转换为连续波信号，由功率放大器212所输出的RF功率放大器信号213 可被从脉冲模式转换到连续波模式。功率放大器212将RF功率信号213输出至可选的匹配网络220。在本发明的一些实施例中使用匹配网络220以匹配功率放大器212和负载2 之间的阻抗。理想的是匹配功率放大器212和负载2M之间的阻抗来最小化RF功率，否则RF功率会被从负载2M反射回功率放大器。匹配网络220响应于从功率放大器212接收到的RF功率信号213而输出经修改的RF功率信号213’。经修改的RF功率信号113’被提供给负载224 (如，用于处理半导体晶片的处理腔)。在一些实施例中，在过程中负载2 的性质(阻抗)变化。负载2M的性质可基于例如，等离子腔中处理条件(如，气流速率、气体成分、以及腔压)的变化以及与传输给负载的 RF功率相关联的性质(如，峰值RF功率、RF脉冲频率、RF脉冲宽度/占空比)的变化而变化。RF功率传输系统200还包括控制系统四2。功率放大器212与控制系统四2电通信。控制系统292提供用于控制RF功率传输系统200的各组件(如，电压源204、电压功率转换器208和功率放大器212)的操作的反馈环四8。控制系统292包括电耦合至电压源 204和输出调节模块232的模拟补偿网络228。输出调节模块232提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号或占空比输入)到电压源204，控制电压源204的输出。控制系统292还包括第一模拟数字(A/D)转换器236a。A/D转换器236a电耦合至电压源204的输出。控制系统292还包括第二模拟数字(A/D)转换器236b。A/D转换器 236b电耦合至探针216的输出。探针216电耦合至功率放大器212来测量由功率放大器 212输出的RF功率信号的性质(如，RF功率信号的数据)。在这个实施例中，探针216输出RF功率信号的电压信号(V,f)和电流信号(Iff)，它们是RF功率信号213的测量。Vrf和 Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 9Irf = IjjI1 等式 10其中Vk是Vrf信号的实部分量，V1是Vrf信号的虚部分量，Ie是Irf信号的实部分量，I1是Irf信号的虚部分量。在一个实施例中，由探针216输出的电压信号(V,f)和电流信号(I,f)都是正弦信号。在本发明的不同实施例中所用的示例探针216是型号为VI-Probe-4100和 VI-Probe-350 (MKS仪器股份有限公司，Andover, MA)。A/D转换器236b采样两个信号(Vrf 和Irf)并输出数字信号[数字电压信号(Vrf_dig)和数字电流信号(Irf-dig)]。数字电压信号(Vrf_dig)和数字电流信号(Irf_dig)被提供给数字信号处理模块四6 来产生作为功率放大器212的输出功率的数字信号(Pdel)。处理模块296包括数字混频器 252、CIC过滤器模块256、以及功率计算模块洸8。A/D转换器236b的输出(Vfdig和Irf-dig) 被提供给混频器252。混频器252用数字电压信号(Vrf_dig)和数字电流信号(I,f_dig)执行数学计算来产生如下形式的数字电压信号(tf_dig)和数字电流信号(Ifdig)的实部和虚部部分Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 11Irf_dig = (IK_dig+2* ω) +j (ΙΜ 8+2* ω)等式 12其中VK_dig是Vrf的数字版本的实部分量，Vpdig是Vrf的数字版本的虚部分量，IK_dig 是Irf的数字版本的实部分量，且Ldig是Irf的数字版本的虚部分量，且其中数字信号的每一个分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D转换器的采样频率。然后将这些信号提供给CIC过滤器模块256来移除信号的该2* ω分量。将CIC过滤器模块256输出的DC信号输出提供给功率计算模块沈8。功率计算模块基于下述功率控制算法来计算功率Pdel = 乂純山-彻+^！-叫等式 13功率计算模块268输出数字信号278 (Pdel)。信号278是所传输的功率(即，传输给负载2M的功率)。操作者或处理器(未示出)将功率设定点信号284 (Psp)提供给RF功
15率传输系统200，该设定点信号是理想地提供给负载2M的RF功率信号。在一些实施例中， 在处理器上实现系统的理想操作的数学模型来产生功率设定点信号观4。图3是数字信号302的图300的图形化表示，数字信号302是图2的数字信号 278 (Pdel)。参考图3，根据图2中所描述的本发明的说明性实施例，作为应用用于控制功率传输的方法的结果，数字信号278随脉冲而变化。图300的Y轴是由功率放大器212输出的RF功率信号213的数字表示。图的X轴是时间。在这个实施例中，图300示出由功率放大器212输出的功率的三个脉冲[304a、304b以及3(Mc (—般地，304)]。理想的是对于每一个脉冲304而具有不变值Psp (功率设定点)。然而，实践中，脉冲304不是理想脉冲且因此在理想脉冲和由功率放大器212输出的功率的实际脉冲之间存在误差。系统200修正理想脉冲和由功率放大器212输出的功率的实际脉冲之间的误差。 每一个脉冲304的误差用第一误差分量ei和第二误差分量％来表征。误差分量ei是功率设定点(Psp)和所传输的功率Pdel的基本稳定部分(稳定状态)之间的误差。用于计算误差分量ei的Pdel的值是位于脉冲尾部的功率。误差ei (η)是第η个脉冲的第一误差分量， 且优选作为图2中的功率偏移量误差(ei)。误差分量％是脉冲所传输的峰值功率(Pdel—peak) 和所传输的功率Pdel的基本稳定部分(稳定状态)之间的误差。误差是第η个脉冲的第二误差分量，且在图2中称为脉冲形状误差(e2)。在操作中，功率传输系统200从第一脉冲(如，脉冲304a)中减少误差&和％为接下来的、第二脉冲(如，脉冲304b)。类似地， 功率传输系统200减少在每一组相继脉冲(如，第一脉冲304b到后继的第二脉冲304c)之间的误差ei和％。同步信号观8的第一脉冲提供给电压功率转换器208。电压功率转换器208提供 DC功率脉冲(DC功率信号211)到功率放大器212。功率放大器212输出功率的第一脉冲 (RF功率信号213)到匹配网络220。探针216测量功率的脉冲(RF功率信号213)并输出该RF功率信号的电压信号(Vrf)和电流信号(I,f)到A/D转换器236b，如之前所述的。功率计算模块268接收A/D转换器236b的输出并输出该数字信号(Pdel)，如上所述。将功率偏移量误差(ei)提供给功率偏移量自适应控制环模块214。还将功率设定点Psp提供给模块214。模块214基于以下自适应算法来计算功率偏移量信号(P。ffsJ
_4] ^Lkoffse人Psp-Pdel J等式认其中k。ffset是由操作者选择的以获得理想的脉冲功率的标量常数。求和模块^Oc 对P。ffsrt和占空比模块210的输出求和，并从这个和中减去Pdel。基于下式确定求和模块 280c的输出(误差e):e = Psp · D-Pdel 等式 15其中D是由占空比模块210所设定的占空比。将求和模块^Oc的输出提供到控制器对4。控制器244企图减少所测得的处理变量(即，功率求和模块沈8的输出Pdel)与功率设定点(Psp)和功率自适应控制模块214的输出之和之间的误差。在一个实施例中，控制器模块244是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器244对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器244的反应，且微分值基于误差改变的速率确定控制器244的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理
权利要求
1.一种用于控制脉冲功率的方法，包括测量来自功率放大器的所传输的功率的第一脉冲来获得数据； 产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异；以及产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供所述第二信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算所述第一脉冲的峰值和所述第一脉冲的基本稳定部分之间的脉冲形状误差。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于所述脉冲形状误差。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算所述功率设定点和所述第一脉冲的所述基本稳定部分之间的功率偏移量。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一信号相关联于所述功率偏移量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供所述第一信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一信号相关联于所述电压源的占空比输入。
10.一种功率传输的方法，包括从功率传输系统以连续波模式将功率传输至负载；在反馈环中产生信号来控制所传输的功率，所述信号相关联于功率控制算法；以及调节所述功率控制算法中的单个变量来将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括过滤所述反馈环中的信号来提供基本稳定的功率测量。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括提供所述信号作为电压源的输入， 所述电压源提供电压给电压功率转换器。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述信号是所述电压源的占空比输入。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括计算功率设定点和所传输的功率之间的功率偏移量。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括测量所传输的功率来获得数据。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括产生第二信号来调节所传输的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与所述脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。
20.一种功率传输的方法，包括从功率传输系统以连续波模式将功率传输至负载；测量传输给所述负载的功率；使用反馈环产生表示所传输的功率的信号来控制所传输的功率的幅值，所述信号对应于功率控制算法；调节所述功率控制算法中的单个变量以经由所述同一个反馈环将脉冲功率传输至所述负载。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括过滤所述反馈环中的信号来提供基本稳定的功率测量。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括提供所述信号作为电压源的输入， 所述电压源提供电压给电压功率转换器。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括将所述信号相关联于所述电压源的占空比输入。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括计算功率设定点和所传输的功率之间的功率偏移量。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括测量所传输的功率来获得数据。
27.如权利要求沈所述的方法，其特征在于，还包括产生第二信号来调节所传输的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与所述脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。
29.如权利要求沈所述的方法，其特征在于，还包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。
30.用于传输脉冲或连续波RF功率至负载的系统，包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，所述电压功率转换器适于产生所述脉冲RF 功率或所述连续波RF功率；耦合至所述电压功率转换器的输出的RF功率放大器，所述RF功率放大器适于将RF功率传输至所述负载；耦合至所述RF功率放大器的输出和所述电压源的第一输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化所述脉冲功率的峰值和所述脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当所述脉冲RF功率处于第一模式时来操作；以及耦合至所述RF功率放大器的所述输出和所述电压源的第二输入的功率设定点控制环，所述功率设定点控制环适于最小化RF功率设定点和传输至负载的所述RF功率之间的功率差异。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环耦合至所述电压源的输出。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括电压偏移电路，所述电压偏移电路被设置为测量从所述电压源输出的电压和来自所述功率设定点控制环的电压设定点之间的电压偏移量。
33.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括与所述RF功率放大器的所述输出电通信的开关。
34.如权利要求33所述的系统，其特征在于，所述开关可具有与所述脉冲RF功率的脉冲频率相关联的开关频率。
35.在如权利要求30所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述电压功率转换器的输出以及所述负载的输入的匹配网络。
36.在如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括耦合至所述电压源的所述第二输入和所述脉冲设定点控制环的输出调节模块，所述输出调节模块提供占空比输入给所述电压源。
37.在如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述电压源是降压调节器。
38.在如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括数字模拟转换器。
39.用于传输脉冲或连续波RF功率至负载的系统，包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，所述电压功率转换器适于产生所述脉冲RF 功率或所述连续波RF功率；耦合至所述电压功率转换器的输出的RF功率放大器，所述RF功率放大器适于将RF功率传输至所述负载；耦合至所述RF功率放大器的输出和电流设定点输出的第一控制电路；以及耦合至所述电压源的输入和所述电压源的输出的第二控制电路，所述第二控制电路与电流设定点电通信，其中所述第一和第二控制电路组合，适于最小化RF功率设定点和传输至负载的所述 RF功率之间的功率差异。
40.在如权利要求39所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述电压源的所述输出和所述第二控制电路的电压设定点输出的第三控制电路。
41.如权利要求39所述的系统，其特征在于，所述第一控制电路还包括与所述RF功率放大器的所述输出电通信的开关。
42.如权利要求39所述的系统，其特征在于，还包括与所述开关和所述RF功率放大器的所述输出电通信的至少一个过滤器。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于，所述至少一个过滤器适于提供基本稳定的功率测量。
44.如权利要求39所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述第二控制电路的至少一个前馈输入。
45.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述至少一个前馈输入包括电压设定点输入。
46.如权利要求44所述的系统，其特征在于，所述至少一个前馈输入包括电流设定点输入。
47.在如权利要求39所述的系统，其特征在于，所述第二电路包括调节模块，所述调节模块提供占空比输入给所述电压源。
48.在如权利要求39所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述RF功率放大器的输出和所述电压源的第二输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化所述脉冲功率的峰值和所述脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当所述脉冲RF功率处于第一模式时来操作。
全文摘要
用于控制脉冲功率的方法包括测量来自功率放大器的功率的第一脉冲来获得数据。所述方法还包括产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。所述方法还包括产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
文档编号H02J17/00GK102484396SQ201080037077
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月16日 优先权日2009年6月25日
发明者A·拉什德, D·兰姆, D·孟哲, I·贝斯特亚克, J·E·安布罗西纳, J·J·苏斯, S·本泽洛克, S·纳加拉卡迪, 田丰 申请人:Mks仪器股份有限公司