专利名称：射频等离子体发生器的比值自动调谐算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体发生装置和技术，具体地，针对RF等离子体系统的自动调谐，使反应等离子体腔的阻抗或类似的非线性负载与RF发生器或类似的RF源的输出相匹配。本发明更具体地涉及一种频率技术，它自动改变RF发生器的频率，直至达到RF等离子体系统匹配的最佳频率。
在一个典型的RF等离子体发生器装置中，一个大功率RF源产生给定频率(例如13.56MHz)的RF波，它通过一个输能管道被送到等离子体腔。通常以一个固定的已知阻抗(例如50Ω)提供RF功率。由于在RF功率源和等离子体腔之间常出现很严重的阻抗不匹配，必须采取一些措施以使等离子体腔的阻抗与RF源的阻抗匹配。在固定频率的RF系统中，在这二者之间有一个阻抗匹配网络。一个误差检测器测量幅值误差，即额定输入阻抗(通常是50Ω)和实际输入阻抗大小的差值，以及测量相位误差，即额定输入阻抗的相位(通常为0°)和实际输入阻抗的相位之间的偏差。一个或多个用作调谐元件的可变阻抗装置的运动受幅值误差信号和相位误差信号的控制。该装置在达到匹配点时可能有一个长时间的滞后或可能有一个“盲区”，在此处调谐元件不能找到匹配点或使调谐元件远离匹配点。
另一种有吸引力的方法是频率调谐技术，其中改变RF发生器的频率直到RF等离子体腔的阻抗尽可能地与其相匹配。频率调谐方法的好处是无需运动部件且(理论上)能很快到达最佳匹配点。
频率调谐只有一个控制点，即频率。这意味着，它不像机械调谐匹配网络有至少两个并可能有三个或更多可变调谐元件，而是可能只用一个负载阻抗就可以达到完美的调谐。因此频率调谐更迅速且在机械上更可靠，因为它不需要运动部件。另一方面，频率调谐不能达到机械调谐匹配网络所能达到的接近理想的阻抗匹配。
典型的频率调谐方法如下操作打开发生器，使其频率为RF范围内的起始点。发生器向等离子体腔提供入射或外加的功率。外加功率的一部分反射回发生器。测量反射功率，将其幅值记入存储器。然后向一个方向改变RF频率。重复测量反射功率，并同记录下来的先前测量的幅值进行比较。根据反射功率改变的情况，再次改变频率如果反射功率减少，向相同方向改变频率，如果反射功率是增加的，则向相反方向改变频率。如此进行直到反射功率最小。
这种方法有一个问题，因为调谐的结果仅仅取决于反射功率的改变。对RF发生器保护的主要方式是在负载VSWR(电压驻波比)增加时限制RF发生器的输出功率。通过限制RF的输出功率，外加功率就能足够低，使反射功率不会超过预定的阈值。这并不意味着供给(外加)功率也是同一水平。在一种特殊的限制条件下，如VSWR很高，但不是无穷大，且所用的功率使反射功率为最大，则现有的RF调谐设计不能探测到反射功率有任何变化，而且当频率变化时也不会影响发生器的阻抗与负载的匹配。这样，反射功率在大部分频率范围内是平坦的，因此调谐失效。
另一个问题是在发生器的任意RF输出水平上难以连续、快速和可靠地调谐。在传统的频率调谐技术中，存在必须人工改变的返回功率阈值，这取决于要求的发生器输出功率范围和其他影响VSWR的等离子体腔条件。这使得从系统至系统难以保持连贯性和可靠性。
为了避免上述的调谐失效情况，传统的方法是等候预定时间实现系统调谐，如果没有达到匹配，则在一些预定的点上捕获发生器频率。当然只有在该预定频率点为能在当前等离子体条件下提供合理的阻抗匹配的点时才能生效，然而有可能不是这种情况。
以前的另一种方法是探测高反射功率情况，然后经过预定时间后迅速扫描频段以发现更好的阻抗匹配。然而这种方案可能起相反作用，因为出现这种情况时，算法可能一直在正确的方向上改变着频率。因此，以前提出的这种方案可能导致振荡情况，达不到完全满意的匹配。
对于上述第二个问题，现有的方法是折衷技术。在最好的VSWR相对较高的系统中这种折衷是必须的。在这种情况下要求允许RF发生器以较高的反射功率作为最终调谐点。如果要求的RF功率也很高，可能引起一个很严重的问题，可能导致RF发生器损坏。然而，如果降低所要求的RF功率，则系统达到较差阻抗匹配而非理想阻抗匹配的可能性增加。
以前没有人尝试过根据其他条件，而不是只根据反射功率来控制RF发生器的调谐，以前也没有人意识到对入射功率或外加功率进行研究可以有助于上述问题的解决。
本发明的一个目的是提供一种能避免调谐失效情况并在高VSWR或高外加功率条件下也能达到快速调谐的RF等离子体发生器调谐控制方案，。
根据本发明的一个方面，一种自动频率调谐方法能最佳地调谐RF发生器同等离子体阻抗相匹配。该RF发生器以RF范围内的某一频率对等离子体腔施加RF功率，等离子体腔反射外加RF功率的一部分(反射功率)。在理想的匹配点上，被反射回来的入射功率为最小。该方法包括下列步骤探测从发生器提供给等离子体腔的外加RF功率；探测从等离子体腔反射回发生器的反射RF功率；测量在该频率的外加功率和反射功率幅值之比；和向使外加功率与反射功率之比最大化的方向调节发生器频率。重复这些步骤直至达到最佳匹配点，即作为RF频率函数的反射功率和入射功率之比为最小的点。
调谐判断可以基于反射功率和入射功率之比，或按反射功率和外加功率之比的平方根计算的反射系数。另外，调谐判断还可以基于电压驻波比或VSWR，它等于(VSWR)=(RC-1)/(RC+1)，其中RC为反射系数。通常说来，调谐判断可能基于外加功率的预定电参数和反射功率的预定电参数之间的任何关系，只要所述关系作为频率的函数变化并在RF范围内在最佳匹配点上为最小(或最大)值。
本发明可以容易地扩展，应用于任何负载阻抗随外加功率的频率而变化，且需调谐到最佳点的系统。
结合附图的一个优选实施例描述了上述目的和进一步的其他目的，以及本发明的优点。
图1是带有根据本发明一个实施例的频率控制的RF等离子体处理系统的方框图。
图2是表示在图1系统的频率范围内在给定条件下入射和反射功率特性的曲线图。
图3和4是表示其它条件下在频率范围内入射和反射功率特性的曲线图。
图5是另一个表示入射和反射功率特性的曲线图。
图6是用来解释本发明的频率调谐算法的表示入射和反射功率特性的曲线图。
图7是整个频段内的入射功率和反射功率的比值特性图。
首先参照图1，用一个RF等离子体处理系统10来举例说明。等离子体发生器12产生在频率范围内(例如1.8～2.2MHz)的RF电能。发生器12由可控RF驱动器13及其后的RF功率放大器14组成。放大器通过双向探测器系统16(例如，双向耦合器)向等离子体腔18的输入端提供入射RF功率。探测器16提供入射或外加功率的读数和发射功率的读数，即等离子体腔未接收而返回发生器12的功率。
一个数字信号处理器或DSP 20有接收入射功率电平和返回或反射功率电平的输入端，并有存储单元21,22以分别存储与入射功率和反射功率对应的数字化值。一个已存储的自动调谐算法24根据存储在存储单元中的数值计算函数值，如反射功率和入射功率的比值，然后指示DSP 20给RF驱动器13发信号，以一定的步长改变其频率。调谐算法24可以以存储在DSP中的微码或硬件形式实现。算法24重复上述存储入射和反射功率值、计算和评估功率比(或其它参数)和调整驱动器13的步骤直至得到最小的功率比值。
图2的曲线图示出了频率可调RF等离子体系统的入射和反射功率特性的一个例子。它举例说明了只根据反射频率进行调谐判断时产生的问题。在这个例子中，发生器12的频段为1.8MHz～2.2MHz，其最大允许反射功率为500W。这样就限制了放大器14在该频率范围内的输出功率，使反射功率保持或低于这一功率电平。代表典型的等离子体阻抗的R-L-C网络复阻抗在2.0MHz时的VSWR为4∶1,2.1MHz时VSWR为3∶1。使设定的放大器14的发生器功率点为2500W。
在这个例子中，在大部分范围内反射功率都限制在某一界限内，而且不会低于该界限，除非发生器频率处于匹配点的邻近区域。即使改变频率，反射功率的大小也不会降到500W以下。这样发生器频率调谐算法失效，它在匹配点附近振荡，不能离开反射功率曲线的平坦部分。
图3是在1.8MHz～2.2MHz的相同范围内反射和入射功率特性曲线图的一个例子，其中根据要求的发生器输出功率人工改变地RF反射功率临界值。其中要求的入射功率设定为2000W，人工设置的阈值(用虚线表示)设定为50W。在理想情况下，匹配点的反射功率明显低于该阈值。在这个例子中，系统在2.0MHz有一个匹配点，VSWR为1.3∶1，此时入射功率PF接近2000W，反射功率PR约为34W。然而，在图4所示的类似情况下，如果功率设定点为5000W，当入射功率PF约为5000W时反射功率PR约为85W。在这种情况下，返回功率在整个范围内永远不能降到50W的阈值以下，基于反射功率的算法无法判断发生器何时到达匹配点。
可以参照图5的入射功率/反射功率曲线图来说明上面提到的频率扫描的设想。这里，假设发生器最初在接近频段的低端提供功率，即在略大于1.8MHz的A点，基于反射功率的算法将RF频率从A点移动到频率较高的B点。因为B点的反射功率仍然很高，与A点没有变化，所以现有的调谐算法不允许系统停止调谐。然而，由于杂波很小，或反射功率的变化很小，例如接近1W或更低，算法很容易进行错误的调谐以至失效。于是，现有的算法会继续在A点和B点之间搜寻，永远不能到达处于反射特性倾斜部分的C点。如前所述，采取了一种解决方法，使频率跳越到预定的点，使调谐过程可以(有希望)成功地继续下去。在频率跳越到类似C点的位置期间，调谐算法可以对频率调谐进行智能判定，因为C点处于引向最小值或最佳匹配点(此处为2.0MHz)的倾斜部分。然而，由于无法预知最佳匹配点，而且有可能跳越到不在反射功率特性倾斜部分的D点。此时算法仍然会失效，而且很可能使发生器远离最佳匹配点。
参照图6和7说明本发明的调谐算法的一个例子。如图6所示，只要频率距匹配点有一定距离，无论外加或入射功率增加(或减小)，反射功率通常都是平坦的。在最佳匹配点附近有一个小带宽BW，这里仅基于反射功率的算法能够对频率调谐进行智能判定。另一方面，可以很容易观察到，入射和反射功率的相对大小在整个范围内非常明显地变化。事实上，这里同时考虑了入射功率PF和反射功率PR，在1.8MHz～2.2MHz(在该例子中)的整个频段内，二者的比值PR/PF有一个有用的斜坡，该比值增加了所示的有用调谐带宽BW。这里采用了比值PR/PF，算法24能够对调谐进行智能判定，因为在几乎整个范围内都有明显的倾斜。
或者，不用上述比值PR/PF，算法还可以根据其它可能的反射或返回功率与入射或外加功率的关系进行其频率判定。算法可写成使某种形式的反射功率和入射功率之比最小化，或等价地描述为使入射功率和反射功率的某种比值最大化。例如，如参考图2、3和4讨论的那样，自动调节发生器入射功率，使反射的功率处于或低于给定的安全功率等级，如500W。如这些图所示，入射功率随着频率向匹配点接近而增加。这样，至少在反射功率曲线平坦时的频率处，外加功率或入射功率可以作为自动调谐的判据。自动调谐算法可以完全或部分地由硬件实现，这样可以省去DSP或微处理器。还可以由硬件来计算比值PR/PF，而变更频率的判断在DSP或微处理器内作出。此外，本发明还适用于在调谐过程中连续地调谐频率，而不是逐级改变频率。
权利要求
1．优化调谐RF发生器以产生等离子体的方法，其中RF发生器在一个RF范围内向等离子体腔加RF功率，等离子体腔将所述的外加RF功率的一部分反射回来，该方法包括探测由所述发生器外加给等离子体腔的RF功率；探测由所述等离子体腔反射回所述发生器的反射RF功率；其特征在于，该方法然后通过测量在所述频率处所述外加功率和反射功率之比来调谐RF发生器；然后通过向使外加功率和反射功率之比最大化的方向调整发生器的频率。
2．根据权利要求1的方法，其特征进一步在于，发生器频率的调节包括计算该频率处作为反射功率和外加功率幅值的函数的反射系数；然后向使反射系数最小化的方向校正发生器频率。
3．根据权利要求2的优化调谐RF发生器方法，所述反射系数按反射功率与外加功率之比的平方根的函数计算。
4．根据权利要求1的方法，其特征进一步在于，发生器频率的调节是通过计算作为外加功率和反射功率幅值的函数的电压驻波比来实现的；然后向使电压驻波比最小化的方向调整发生器频率。
5．根据权利要求1的方法，其特征进一步在于，发生器频率的调节是根据所述反射功率和所述外加功率之比通过计算该频率处的RC反射系数来实现的；计算等于(VSWR)=(RC-1)/(RC+1)的VSMR；然后向使所述VSWR最小化的方向校正发生器的频率。
6．优化调谐产生等离子体的RF发生器的方法，其中RF发生器在一个RF范围内向等离子体腔外加RF功率，其中等离子体腔将所述的外加RF功率的一部分反射回来，作为反射功率，而且其中在所述外加功率的预定电参数和反射功率的预定电参数之间存在一种关系，所述关系是频率的函数并在所述RF范围内的最佳匹配点具有最小值或最大值，其中该方法包括探测由所述发生器提供给等离子体腔的RF功率的预定参数；探测由所述等离子体腔反射回所述发生器的反射RF功率的预定参数；其特征在于，优化调谐是通过计算所述频率处的所述关系的数值来获得的；然后在向所述最佳匹配点的方向调整发生器的频率。
7．根据权利要求6的优化调谐RF发生器方法，其中所述预定关系在所述范围的一端和所述最佳匹配点之间单调增长，在最佳匹配点和所述范围的另一端之间单调减少。
全文摘要
一种RF等离子体系统采用频率调谐,在一个频率范围内改变RF发生器(14)的频率,以便与等离子体腔(18)的阻抗相匹配。从双向探测器(16)获得入射和反射功率的幅值。获得一个频率下入射功率和反射功率的比值,然后改变频率。调谐算法将新频率处的反射和入射功率之比同先前获得的比值进行比较。如果新比值更小,就在相同方向上继续改变频率,但是如果比值变大了,则在另一个方向上改变频率。重复这一步骤直至反射和入射功率之比达到最小。调谐算法可用硬件或软件实现。
文档编号H05H1/46GK1233147SQ99102108
公开日1999年10月27日 申请日期1999年2月8日 优先权日1998年2月9日
发明者J·维尔布尔 申请人:恩尼技术公司