專利名稱：射頻等離子體發(fā)生器的比值自動調(diào)諧算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生裝置和技術(shù)，具體地，針對RF等離子體系統(tǒng)的自動調(diào)諧，使反應(yīng)等離子體腔的阻抗或類似的非線性負載與RF發(fā)生器或類似的RF源的輸出相匹配。本發(fā)明更具體地涉及一種頻率技術(shù)，它自動改變RF發(fā)生器的頻率，直至達到RF等離子體系統(tǒng)匹配的最佳頻率。
在一個典型的RF等離子體發(fā)生器裝置中，一個大功率RF源產(chǎn)生給定頻率(例如13.56MHz)的RF波，它通過一個輸能管道被送到等離子體腔。通常以一個固定的已知阻抗(例如50Ω)提供RF功率。由于在RF功率源和等離子體腔之間常出現(xiàn)很嚴重的阻抗不匹配，必須采取一些措施以使等離子體腔的阻抗與RF源的阻抗匹配。在固定頻率的RF系統(tǒng)中，在這二者之間有一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。一個誤差檢測器測量幅值誤差，即額定輸入阻抗(通常是50Ω)和實際輸入阻抗大小的差值，以及測量相位誤差，即額定輸入阻抗的相位(通常為0°)和實際輸入阻抗的相位之間的偏差。一個或多個用作調(diào)諧元件的可變阻抗裝置的運動受幅值誤差信號和相位誤差信號的控制。該裝置在達到匹配點時可能有一個長時間的滯后或可能有一個“盲區(qū)”，在此處調(diào)諧元件不能找到匹配點或使調(diào)諧元件遠離匹配點。
另一種有吸引力的方法是頻率調(diào)諧技術(shù)，其中改變RF發(fā)生器的頻率直到RF等離子體腔的阻抗盡可能地與其相匹配。頻率調(diào)諧方法的好處是無需運動部件且(理論上)能很快到達最佳匹配點。
頻率調(diào)諧只有一個控制點，即頻率。這意味著，它不像機械調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)有至少兩個并可能有三個或更多可變調(diào)諧元件，而是可能只用一個負載阻抗就可以達到完美的調(diào)諧。因此頻率調(diào)諧更迅速且在機械上更可靠，因為它不需要運動部件。另一方面，頻率調(diào)諧不能達到機械調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)所能達到的接近理想的阻抗匹配。
典型的頻率調(diào)諧方法如下操作打開發(fā)生器，使其頻率為RF范圍內(nèi)的起始點。發(fā)生器向等離子體腔提供入射或外加的功率。外加功率的一部分反射回發(fā)生器。測量反射功率，將其幅值記入存儲器。然后向一個方向改變RF頻率。重復(fù)測量反射功率，并同記錄下來的先前測量的幅值進行比較。根據(jù)反射功率改變的情況，再次改變頻率如果反射功率減少，向相同方向改變頻率，如果反射功率是增加的，則向相反方向改變頻率。如此進行直到反射功率最小。
這種方法有一個問題，因為調(diào)諧的結(jié)果僅僅取決于反射功率的改變。對RF發(fā)生器保護的主要方式是在負載VSWR(電壓駐波比)增加時限制RF發(fā)生器的輸出功率。通過限制RF的輸出功率，外加功率就能足夠低，使反射功率不會超過預(yù)定的閾值。這并不意味著供給(外加)功率也是同一水平。在一種特殊的限制條件下，如VSWR很高，但不是無窮大，且所用的功率使反射功率為最大，則現(xiàn)有的RF調(diào)諧設(shè)計不能探測到反射功率有任何變化，而且當頻率變化時也不會影響發(fā)生器的阻抗與負載的匹配。這樣，反射功率在大部分頻率范圍內(nèi)是平坦的，因此調(diào)諧失效。
另一個問題是在發(fā)生器的任意RF輸出水平上難以連續(xù)、快速和可靠地調(diào)諧。在傳統(tǒng)的頻率調(diào)諧技術(shù)中，存在必須人工改變的返回功率閾值，這取決于要求的發(fā)生器輸出功率范圍和其他影響VSWR的等離子體腔條件。這使得從系統(tǒng)至系統(tǒng)難以保持連貫性和可靠性。
為了避免上述的調(diào)諧失效情況，傳統(tǒng)的方法是等候預(yù)定時間實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)諧，如果沒有達到匹配，則在一些預(yù)定的點上捕獲發(fā)生器頻率。當然只有在該預(yù)定頻率點為能在當前等離子體條件下提供合理的阻抗匹配的點時才能生效，然而有可能不是這種情況。
以前的另一種方法是探測高反射功率情況，然后經(jīng)過預(yù)定時間后迅速掃描頻段以發(fā)現(xiàn)更好的阻抗匹配。然而這種方案可能起相反作用，因為出現(xiàn)這種情況時，算法可能一直在正確的方向上改變著頻率。因此，以前提出的這種方案可能導(dǎo)致振蕩情況，達不到完全滿意的匹配。
對于上述第二個問題，現(xiàn)有的方法是折衷技術(shù)。在最好的VSWR相對較高的系統(tǒng)中這種折衷是必須的。在這種情況下要求允許RF發(fā)生器以較高的反射功率作為最終調(diào)諧點。如果要求的RF功率也很高，可能引起一個很嚴重的問題，可能導(dǎo)致RF發(fā)生器損壞。然而，如果降低所要求的RF功率，則系統(tǒng)達到較差阻抗匹配而非理想阻抗匹配的可能性增加。
以前沒有人嘗試過根據(jù)其他條件，而不是只根據(jù)反射功率來控制RF發(fā)生器的調(diào)諧，以前也沒有人意識到對入射功率或外加功率進行研究可以有助于上述問題的解決。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能避免調(diào)諧失效情況并在高VSWR或高外加功率條件下也能達到快速調(diào)諧的RF等離子體發(fā)生器調(diào)諧控制方案，。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種自動頻率調(diào)諧方法能最佳地調(diào)諧RF發(fā)生器同等離子體阻抗相匹配。該RF發(fā)生器以RF范圍內(nèi)的某一頻率對等離子體腔施加RF功率，等離子體腔反射外加RF功率的一部分(反射功率)。在理想的匹配點上，被反射回來的入射功率為最小。該方法包括下列步驟探測從發(fā)生器提供給等離子體腔的外加RF功率；探測從等離子體腔反射回發(fā)生器的反射RF功率；測量在該頻率的外加功率和反射功率幅值之比；和向使外加功率與反射功率之比最大化的方向調(diào)節(jié)發(fā)生器頻率。重復(fù)這些步驟直至達到最佳匹配點，即作為RF頻率函數(shù)的反射功率和入射功率之比為最小的點。
調(diào)諧判斷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計算的反射系數(shù)。另外，調(diào)諧判斷還可以基于電壓駐波比或VSWR，它等于(VSWR)=(RC-1)/(RC+1)，其中RC為反射系數(shù)。通常說來，調(diào)諧判斷可能基于外加功率的預(yù)定電參數(shù)和反射功率的預(yù)定電參數(shù)之間的任何關(guān)系，只要所述關(guān)系作為頻率的函數(shù)變化并在RF范圍內(nèi)在最佳匹配點上為最小(或最大)值。
本發(fā)明可以容易地擴展，應(yīng)用于任何負載阻抗隨外加功率的頻率而變化，且需調(diào)諧到最佳點的系統(tǒng)。
結(jié)合附圖的一個優(yōu)選實施例描述了上述目的和進一步的其他目的，以及本發(fā)明的優(yōu)點。


圖1是帶有根據(jù)本發(fā)明一個實施例的頻率控制的RF等離子體處理系統(tǒng)的方框圖。
圖2是表示在圖1系統(tǒng)的頻率范圍內(nèi)在給定條件下入射和反射功率特性的曲線圖。
圖3和4是表示其它條件下在頻率范圍內(nèi)入射和反射功率特性的曲線圖。
圖5是另一個表示入射和反射功率特性的曲線圖。
圖6是用來解釋本發(fā)明的頻率調(diào)諧算法的表示入射和反射功率特性的曲線圖。
圖7是整個頻段內(nèi)的入射功率和反射功率的比值特性圖。
首先參照圖1，用一個RF等離子體處理系統(tǒng)10來舉例說明。等離子體發(fā)生器12產(chǎn)生在頻率范圍內(nèi)(例如1.8～2.2MHz)的RF電能。發(fā)生器12由可控RF驅(qū)動器13及其后的RF功率放大器14組成。放大器通過雙向探測器系統(tǒng)16(例如，雙向耦合器)向等離子體腔18的輸入端提供入射RF功率。探測器16提供入射或外加功率的讀數(shù)和發(fā)射功率的讀數(shù)，即等離子體腔未接收而返回發(fā)生器12的功率。
一個數(shù)字信號處理器或DSP 20有接收入射功率電平和返回或反射功率電平的輸入端，并有存儲單元21,22以分別存儲與入射功率和反射功率對應(yīng)的數(shù)字化值。一個已存儲的自動調(diào)諧算法24根據(jù)存儲在存儲單元中的數(shù)值計算函數(shù)值，如反射功率和入射功率的比值，然后指示DSP 20給RF驅(qū)動器13發(fā)信號，以一定的步長改變其頻率。調(diào)諧算法24可以以存儲在DSP中的微碼或硬件形式實現(xiàn)。算法24重復(fù)上述存儲入射和反射功率值、計算和評估功率比(或其它參數(shù))和調(diào)整驅(qū)動器13的步驟直至得到最小的功率比值。
圖2的曲線圖示出了頻率可調(diào)RF等離子體系統(tǒng)的入射和反射功率特性的一個例子。它舉例說明了只根據(jù)反射頻率進行調(diào)諧判斷時產(chǎn)生的問題。在這個例子中，發(fā)生器12的頻段為1.8MHz～2.2MHz，其最大允許反射功率為500W。這樣就限制了放大器14在該頻率范圍內(nèi)的輸出功率，使反射功率保持或低于這一功率電平。代表典型的等離子體阻抗的R-L-C網(wǎng)絡(luò)復(fù)阻抗在2.0MHz時的VSWR為4∶1,2.1MHz時VSWR為3∶1。使設(shè)定的放大器14的發(fā)生器功率點為2500W。
在這個例子中，在大部分范圍內(nèi)反射功率都限制在某一界限內(nèi)，而且不會低于該界限，除非發(fā)生器頻率處于匹配點的鄰近區(qū)域。即使改變頻率，反射功率的大小也不會降到500W以下。這樣發(fā)生器頻率調(diào)諧算法失效，它在匹配點附近振蕩，不能離開反射功率曲線的平坦部分。
圖3是在1.8MHz～2.2MHz的相同范圍內(nèi)反射和入射功率特性曲線圖的一個例子，其中根據(jù)要求的發(fā)生器輸出功率人工改變地RF反射功率臨界值。其中要求的入射功率設(shè)定為2000W，人工設(shè)置的閾值(用虛線表示)設(shè)定為50W。在理想情況下，匹配點的反射功率明顯低于該閾值。在這個例子中，系統(tǒng)在2.0MHz有一個匹配點，VSWR為1.3∶1，此時入射功率PF接近2000W，反射功率PR約為34W。然而，在圖4所示的類似情況下，如果功率設(shè)定點為5000W，當入射功率PF約為5000W時反射功率PR約為85W。在這種情況下，返回功率在整個范圍內(nèi)永遠不能降到50W的閾值以下，基于反射功率的算法無法判斷發(fā)生器何時到達匹配點。
可以參照圖5的入射功率/反射功率曲線圖來說明上面提到的頻率掃描的設(shè)想。這里，假設(shè)發(fā)生器最初在接近頻段的低端提供功率，即在略大于1.8MHz的A點，基于反射功率的算法將RF頻率從A點移動到頻率較高的B點。因為B點的反射功率仍然很高，與A點沒有變化，所以現(xiàn)有的調(diào)諧算法不允許系統(tǒng)停止調(diào)諧。然而，由于雜波很小，或反射功率的變化很小，例如接近1W或更低，算法很容易進行錯誤的調(diào)諧以至失效。于是，現(xiàn)有的算法會繼續(xù)在A點和B點之間搜尋，永遠不能到達處于反射特性傾斜部分的C點。如前所述，采取了一種解決方法，使頻率跳越到預(yù)定的點，使調(diào)諧過程可以(有希望)成功地繼續(xù)下去。在頻率跳越到類似C點的位置期間，調(diào)諧算法可以對頻率調(diào)諧進行智能判定，因為C點處于引向最小值或最佳匹配點(此處為2.0MHz)的傾斜部分。然而，由于無法預(yù)知最佳匹配點，而且有可能跳越到不在反射功率特性傾斜部分的D點。此時算法仍然會失效，而且很可能使發(fā)生器遠離最佳匹配點。
參照圖6和7說明本發(fā)明的調(diào)諧算法的一個例子。如圖6所示，只要頻率距匹配點有一定距離，無論外加或入射功率增加(或減小)，反射功率通常都是平坦的。在最佳匹配點附近有一個小帶寬BW，這里僅基于反射功率的算法能夠?qū)︻l率調(diào)諧進行智能判定。另一方面，可以很容易觀察到，入射和反射功率的相對大小在整個范圍內(nèi)非常明顯地變化。事實上，這里同時考慮了入射功率PF和反射功率PR，在1.8MHz～2.2MHz(在該例子中)的整個頻段內(nèi)，二者的比值PR/PF有一個有用的斜坡，該比值增加了所示的有用調(diào)諧帶寬BW。這里采用了比值PR/PF，算法24能夠?qū)φ{(diào)諧進行智能判定，因為在幾乎整個范圍內(nèi)都有明顯的傾斜。
或者，不用上述比值PR/PF，算法還可以根據(jù)其它可能的反射或返回功率與入射或外加功率的關(guān)系進行其頻率判定。算法可寫成使某種形式的反射功率和入射功率之比最小化，或等價地描述為使入射功率和反射功率的某種比值最大化。例如，如參考圖2、3和4討論的那樣，自動調(diào)節(jié)發(fā)生器入射功率，使反射的功率處于或低于給定的安全功率等級，如500W。如這些圖所示，入射功率隨著頻率向匹配點接近而增加。這樣，至少在反射功率曲線平坦時的頻率處，外加功率或入射功率可以作為自動調(diào)諧的判據(jù)。自動調(diào)諧算法可以完全或部分地由硬件實現(xiàn)，這樣可以省去DSP或微處理器。還可以由硬件來計算比值PR/PF，而變更頻率的判斷在DSP或微處理器內(nèi)作出。此外，本發(fā)明還適用于在調(diào)諧過程中連續(xù)地調(diào)諧頻率，而不是逐級改變頻率。
權(quán)利要求
1．優(yōu)化調(diào)諧RF發(fā)生器以產(chǎn)生等離子體的方法，其中RF發(fā)生器在一個RF范圍內(nèi)向等離子體腔加RF功率，等離子體腔將所述的外加RF功率的一部分反射回來，該方法包括探測由所述發(fā)生器外加給等離子體腔的RF功率；探測由所述等離子體腔反射回所述發(fā)生器的反射RF功率；其特征在于，該方法然后通過測量在所述頻率處所述外加功率和反射功率之比來調(diào)諧RF發(fā)生器；然后通過向使外加功率和反射功率之比最大化的方向調(diào)整發(fā)生器的頻率。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征進一步在于，發(fā)生器頻率的調(diào)節(jié)包括計算該頻率處作為反射功率和外加功率幅值的函數(shù)的反射系數(shù)；然后向使反射系數(shù)最小化的方向校正發(fā)生器頻率。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的優(yōu)化調(diào)諧RF發(fā)生器方法，所述反射系數(shù)按反射功率與外加功率之比的平方根的函數(shù)計算。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征進一步在于，發(fā)生器頻率的調(diào)節(jié)是通過計算作為外加功率和反射功率幅值的函數(shù)的電壓駐波比來實現(xiàn)的；然后向使電壓駐波比最小化的方向調(diào)整發(fā)生器頻率。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征進一步在于，發(fā)生器頻率的調(diào)節(jié)是根據(jù)所述反射功率和所述外加功率之比通過計算該頻率處的RC反射系數(shù)來實現(xiàn)的；計算等于(VSWR)=(RC-1)/(RC+1)的VSMR；然后向使所述VSWR最小化的方向校正發(fā)生器的頻率。
6．優(yōu)化調(diào)諧產(chǎn)生等離子體的RF發(fā)生器的方法，其中RF發(fā)生器在一個RF范圍內(nèi)向等離子體腔外加RF功率，其中等離子體腔將所述的外加RF功率的一部分反射回來，作為反射功率，而且其中在所述外加功率的預(yù)定電參數(shù)和反射功率的預(yù)定電參數(shù)之間存在一種關(guān)系，所述關(guān)系是頻率的函數(shù)并在所述RF范圍內(nèi)的最佳匹配點具有最小值或最大值，其中該方法包括探測由所述發(fā)生器提供給等離子體腔的RF功率的預(yù)定參數(shù)；探測由所述等離子體腔反射回所述發(fā)生器的反射RF功率的預(yù)定參數(shù)；其特征在于，優(yōu)化調(diào)諧是通過計算所述頻率處的所述關(guān)系的數(shù)值來獲得的；然后在向所述最佳匹配點的方向調(diào)整發(fā)生器的頻率。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的優(yōu)化調(diào)諧RF發(fā)生器方法，其中所述預(yù)定關(guān)系在所述范圍的一端和所述最佳匹配點之間單調(diào)增長，在最佳匹配點和所述范圍的另一端之間單調(diào)減少。
全文摘要
一種RF等離子體系統(tǒng)采用頻率調(diào)諧,在一個頻率范圍內(nèi)改變RF發(fā)生器(14)的頻率,以便與等離子體腔(18)的阻抗相匹配。從雙向探測器(16)獲得入射和反射功率的幅值。獲得一個頻率下入射功率和反射功率的比值,然后改變頻率。調(diào)諧算法將新頻率處的反射和入射功率之比同先前獲得的比值進行比較。如果新比值更小,就在相同方向上繼續(xù)改變頻率,但是如果比值變大了,則在另一個方向上改變頻率。重復(fù)這一步驟直至反射和入射功率之比達到最小。調(diào)諧算法可用硬件或軟件實現(xiàn)。
文檔編號H05H1/46GK1233147SQ99102108
公開日1999年10月27日 申請日期1999年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月9日
發(fā)明者J·維爾布爾 申請人:恩尼技術(shù)公司