用于受控宽带微波加热的方法和装置的制造方法
【专利说明】用于受控宽带微波加热的方法和装置
[0001]发明背景发明领域
[0002]本发明涉及了使用微波能量处理材料领域。更具体地，本发明涉及了用于在宽频范围上生成精确水平的微波功率的装置和方法。
[0003]相关技术的描述
[0004]已将将微波功率用于大范围地沿用并实践于工业工艺(包括加热)，对于受作用的原料是水的应用(如干燥)而言尤其如此。最近还应用于热固性聚合物以及粘合剂的固化。众所周知，在多模空腔中使用单频微波源会引起与空腔内的驻波建立有关的不均匀性。为了解决这个问题，已开发了变频微波(VFM)系统，如在例如美国专利号5，521，360、5，721，286 和 5，961，871 中所教示。
[0005]一般来说，VFM系统具有多模施加器空腔以及能够进行宽带操作的微波电源；在此，宽带被限定为在围绕所选中心频率的一定有用范围上扫描所施加的频率的能力。美国专利号5，961，871中教示的模型计算针对空腔18中的微波能量的总空间均匀性展示出了带宽、空腔大小以及中心频率之间关系。图1的方框图示出用于包括通常具有微波频率源的微波电源的控制系统的现有技术，所述控制系统包括电压可调的YIG振荡器以及电压受控的衰减器，由此施加来自控制系统的信号来产生给定频率、带宽、波形或其他选定特性的小信号微波输出。随后，这个微波信号被传送至高功率微波放大器(通常为TWT)，以便产生具前述选定特性的高功率信号。控制系统对正向和反向微波输出功率进行监测。第二控制环路使用温度(如图所示)或另一合适工艺参数对工艺进行监测，并且提供闭环反馈以便自动调整微波功率水平。
[0006]如图1所示:
[0007]小信号部件10包括:YIG振荡器11，YIG振荡器是在低功率下生成微波频率；以及电压受控的衰减器12，电压受控的衰减器调整小信号RF功率水平。固定衰减器(未示出)将最大信号强度限制为安全水平，并且RF带通滤波器13确保RF信号是在高功率放大器带内。
[0008]高功率部件包括:高功率放大器14，高功率放大器从小信号输入生成高功率输出；以及隔离器15，隔离器会防止来自固化空腔中的反射功率到达高功率放大器。
[0009]测量部件包括:定向耦合器16，定向耦合器提供用于RF功率测量的高度衰减RF信号；晶体检波器19，晶体检波器将来自定向耦合器的低水平RF信号转换成有用DC控制电压 20a、20b。
[0010]另外，现有技术控制系统包含基于软件的自校准程序，以便考虑到多种系统性非线性，例如，在工作带宽上的TWT增益的变化(图2)。利用前述校准例程获得的微波均匀性结合闭环工艺控制产生已被证明适于如在各种应用中、尤其在电子器件制造中的那些应用中固化粘合剂、固化聚合物、处理陶瓷的应用的微波功率输出水平。
[0011]然而，在针对高价值产品的工艺(如半导体晶片热处理(包括在晶片上进行涂布))发展中，已经发现，现有技术的变频或扫频控制系统无法产生所需要的精确水平控制，并且此外，校准和设定程序是繁琐且耗时的。
[0012]目标以及优点
[0013]本发明的目标包括:提供改进宽带微波源以用于加热以及其他目的；提供受控微波加热方法；提供能够进行开环操作的宽带微波处理的方法；提供用于处理半导体晶片的改进方法；提供在变化环境条件下更稳健且更稳定的VFM控制系统；以及提供更容易地设定和校准的VFM控制系统。
[0014]结合附图阅读以下说明，本发明的这些和其他目标及优点将会从以下说明显而易见。
【发明内容】
[0015]根据本发明的一个方面，一种宽带微波加热装置包括:
[0016]施加器空腔，所述施加器空腔用于将工件暴露于微波能量；
[0017]微波电源，所述微波电源连接至所述空腔，所述电源包括:
[0018]小信号RF源，所述小信号RF源至少包括电压受控的微波振荡器和电压受控的衰减器，两者在高于环境的选定温度下是热稳定的；
[0019]高功率微波放大器，所述高功率微波放大器将所述小信号放大至有用功率水平以进行加热；
[0020]正向和反射功率检波器，所述检波器热稳定，并且彼此由微波隔离器分开；以及
[0021]使用功率调节器的控制系统，所述控制系统使用所检出的正向功率而非所需正向功率来调整输出功率。
[0022]根据本发明的另一方面，一种宽带微波电源包括:
[0023]小信号RF源，所述小信号RF源至少包括电压受控的微波振荡器和电压受控的衰减器，两者在高于环境的选定温度下是热稳定的；
[0024]高功率微波放大器，所述高功率微波放大器将所述小信号放大至有用功率水平以进行加热；
[0025]正向和反射功率检波器，所述检波器热稳定，并且彼此由微波隔离器分开；以及
[0026]包括功率调节器的控制系统，所述控制系统使用所检出的正向功率而非所需正向功率来调整输出功率。
[0027]根据本发明的另一方面，一种集成、低功率微波源包括:
[0028]电压受控的振荡器(VC0)；
[0029]电压受控的衰减器(VCA)；
[0030]加热器和温度控制电路；以及
[0031]封装，封装包含所述VCO、VCA、加热器、以及温度控制电路并且具有用于DC功率、DC频率控制电压、DC振幅控制电压以及RF信号输出的外部连接。
[0032]根据本发明的另一方面，一种用于使用宽带微波功率来加热材料的方法包括以下步骤:
[0033]将选定工件置于多模微波施加器空腔中；
[0034]提供与所述空腔连通的微波电源，所述电源包括小信号RF生成电路、高功率微波放大器、以及正向和反射功率检波器，所述检波器热稳定并且彼此由隔离器分开；
[0035]将所述小信号RF电路的部件中的至少一些加热至高于环境的选定温度；以及
[0036]提供控制系统，以便执行以下功能:
[0037]运行自动功率校平例程，以便自动生成自动校平表格并且将所述自动校平表格下载至所述控制系统；
[0038]提供自动功率控制系统，以便限制功率调节速率。
【附图说明】
[0039]包括随附本说明书并形成为说明书一部分的附图来描绘本发明的某些方面。参考附图中示出的示例性且因此非限制性实施方式，将更容易清楚本发明的以及随本发明提供的系统的部件和操作的更清楚的概念，其中相似标号(如果它们出现在多于一个附图中)指示相同元件。附图中的特征不一定按比例绘制。
[0040]图1示出现有技术微波加热系统的系统架构。
[0041]图2示意性地示出基于卖主数据、针对若干高功率放大器的增益与频率关系。
[0042]图3示出当器件表面温度改变时YIG振荡器随时间的变化。
[0043]图4示出针对若干器件的晶体检波器输出与温度的变化关系。
[0044]图5示出根据本方面的一方面的微波加热系统的系统架构。
[0045]图6不出发明系统中的功率输出的稳定性和再现性。
[0046]图7示出根据本发明的一方面的热稳定的小信号RF电路。
[0047]图8示出根据本发明的