專利名稱：射頻等離子體發(fā)生器的比值自動(dòng)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(duì)RF等離子體系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)諧，使反應(yīng)等離子體腔的阻抗或類似的非線性負(fù)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(dòng)改變RF發(fā)生器的頻率，直至達(dá)到RF等離子體系統(tǒng)匹配的最佳頻率。
在一個(gè)典型的RF等離子體發(fā)生器裝置中，一個(gè)大功率RF源產(chǎn)生給定頻率(例如13.56MHz)的RF波，它通過一個(gè)輸能管道被送到等離子體腔。通常以一個(gè)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(yán)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(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)誤差檢測(cè)器測(cè)量幅值誤差，即額定輸入阻抗(通常是50Ω)和實(shí)際輸入阻抗大小的差值，以及測(cè)量相位誤差，即額定輸入阻抗的相位(通常為0°)和實(shí)際輸入阻抗的相位之間的偏差。一個(gè)或多個(gè)用作調(diào)諧元件的可變阻抗裝置的運(yùn)動(dòng)受幅值誤差信號(hào)和相位誤差信號(hào)的控制。該裝置在達(dá)到匹配點(diǎn)時(shí)可能有一個(gè)長時(shí)間的滯后或可能有一個(gè)“盲區(qū)”，在此處調(diào)諧元件不能找到匹配點(diǎn)或使調(diào)諧元件遠(yuǎn)離匹配點(diǎn)。
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(yùn)動(dòng)部件且(理論上)能很快到達(dá)最佳匹配點(diǎn)。
頻率調(diào)諧只有一個(gè)控制點(diǎn)，即頻率。這意味著，它不像機(jī)械調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)有至少兩個(gè)并可能有三個(gè)或更多可變調(diào)諧元件，而是可能只用一個(gè)負(fù)載阻抗就可以達(dá)到完美的調(diào)諧。因此頻率調(diào)諧更迅速且在機(jī)械上更可靠，因?yàn)樗恍枰\(yùn)動(dòng)部件。另一方面，頻率調(diào)諧不能達(dá)到機(jī)械調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)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(diǎn)。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(cè)量反射功率，將其幅值記入存儲(chǔ)器。然后向一個(gè)方向改變RF頻率。重復(fù)測(cè)量反射功率，并同記錄下來的先前測(cè)量的幅值進(jìn)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(jìn)行直到反射功率最小。
這種方法有一個(gè)問題，因?yàn)檎{(diào)諧的結(jié)果僅僅取決于反射功率的改變。對(duì)RF發(fā)生器保護(hù)的主要方式是在負(fù)載VSWR(電壓駐波比)增加時(shí)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(huì)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(jì)不能探測(cè)到反射功率有任何變化，而且當(dāng)頻率變化時(shí)也不會(huì)影響發(fā)生器的阻抗與負(fù)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(gè)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(shí)間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)諧，如果沒有達(dá)到匹配，則在一些預(yù)定的點(diǎn)上捕獲發(fā)生器頻率。當(dāng)然只有在該預(yù)定頻率點(diǎn)為能在當(dāng)前等離子體條件下提供合理的阻抗匹配的點(diǎn)時(shí)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(cè)高反射功率情況，然后經(jīng)過預(yù)定時(shí)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?yàn)槌霈F(xiàn)這種情況時(shí)，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(dá)不到完全滿意的匹配。
對(duì)于上述第二個(gè)問題，現(xiàn)有的方法是折衷技術(shù)。在最好的VSWR相對(duì)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(diǎn)。如果要求的RF功率也很高，可能引起一個(gè)很嚴(yán)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(dá)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(shí)到對(duì)入射功率或外加功率進(jìn)行研究可以有助于上述問題的解決。
本發(fā)明的一個(gè)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(dá)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(gè)方面，一種自動(dòng)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(duì)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(diǎn)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(cè)從發(fā)生器提供給等離子體腔的外加RF功率；探測(cè)從等離子體腔反射回發(fā)生器的反射RF功率；測(cè)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(dá)到最佳匹配點(diǎn)，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(diǎn)。
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(jì)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(diǎn)上為最小(或最大)值。
本發(fā)明可以容易地?cái)U(kuò)展，應(yīng)用于任何負(fù)載阻抗隨外加功率的頻率而變化，且需調(diào)諧到最佳點(diǎn)的系統(tǒng)。
結(jié)合附圖的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了上述目的和進(jìn)一步的其他目的，以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是帶有根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(gè)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(gè)頻段內(nèi)的入射功率和反射功率的比值特性圖。
首先參照?qǐng)D1，用一個(gè)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(dòng)器13及其后的RF功率放大器14組成。放大器通過雙向探測(cè)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(cè)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(gè)數(shù)字信號(hào)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(chǔ)單元21,22以分別存儲(chǔ)與入射功率和反射功率對(duì)應(yīng)的數(shù)字化值。一個(gè)已存儲(chǔ)的自動(dòng)調(diào)諧算法24根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的數(shù)值計(jì)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(dòng)器13發(fā)信號(hào)，以一定的步長改變其頻率。調(diào)諧算法24可以以存儲(chǔ)在DSP中的微碼或硬件形式實(shí)現(xiàn)。算法24重復(fù)上述存儲(chǔ)入射和反射功率值、計(jì)算和評(píng)估功率比(或其它參數(shù))和調(diào)整驅(qū)動(dòng)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(gè)例子。它舉例說明了只根據(jù)反射頻率進(jìn)行調(diào)諧判斷時(shí)產(chǎn)生的問題。在這個(gè)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(shí)的VSWR為4∶1,2.1MHz時(shí)VSWR為3∶1。使設(shè)定的放大器14的發(fā)生器功率點(diǎn)為2500W。
在這個(gè)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(huì)低于該界限，除非發(fā)生器頻率處于匹配點(diǎn)的鄰近區(qū)域。即使改變頻率，反射功率的大小也不會(huì)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)的反射功率明顯低于該閾值。在這個(gè)例子中，系統(tǒng)在2.0MHz有一個(gè)匹配點(diǎn)，VSWR為1.3∶1，此時(shí)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(diǎn)為5000W，當(dāng)入射功率PF約為5000W時(shí)反射功率PR約為85W。在這種情況下，返回功率在整個(gè)范圍內(nèi)永遠(yuǎn)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(shí)到達(dá)匹配點(diǎn)。
可以參照?qǐng)D5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(diǎn)，基于反射功率的算法將RF頻率從A點(diǎn)移動(dòng)到頻率較高的B點(diǎn)。因?yàn)锽點(diǎn)的反射功率仍然很高，與A點(diǎn)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(jìn)行錯(cuò)誤的調(diào)諧以至失效。于是，現(xiàn)有的算法會(huì)繼續(xù)在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間搜尋，永遠(yuǎn)不能到達(dá)處于反射特性傾斜部分的C點(diǎn)。如前所述，采取了一種解決方法，使頻率跳越到預(yù)定的點(diǎn)，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(diǎn)的位置期間，調(diào)諧算法可以對(duì)頻率調(diào)諧進(jìn)行智能判定，因?yàn)镃點(diǎn)處于引向最小值或最佳匹配點(diǎn)(此處為2.0MHz)的傾斜部分。然而，由于無法預(yù)知最佳匹配點(diǎn)，而且有可能跳越到不在反射功率特性傾斜部分的D點(diǎn)。此時(shí)算法仍然會(huì)失效，而且很可能使發(fā)生器遠(yuǎn)離最佳匹配點(diǎn)。
參照?qǐng)D6和7說明本發(fā)明的調(diào)諧算法的一個(gè)例子。如圖6所示，只要頻率距匹配點(diǎn)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(diǎn)附近有一個(gè)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(jìn)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(duì)大小在整個(gè)范圍內(nèi)非常明顯地變化。事實(shí)上，這里同時(shí)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(gè)頻段內(nèi)，二者的比值PR/PF有一個(gè)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(jìn)行智能判定，因?yàn)樵趲缀跽麄€(gè)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(jìn)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(jià)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(dòng)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(jí)，如500W。如這些圖所示，入射功率隨著頻率向匹配點(diǎn)接近而增加。這樣，至少在反射功率曲線平坦時(shí)的頻率處，外加功率或入射功率可以作為自動(dòng)調(diào)諧的判據(jù)。自動(dòng)調(diào)諧算法可以完全或部分地由硬件實(shí)現(xiàn)，這樣可以省去DSP或微處理器。還可以由硬件來計(jì)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(jí)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(gè)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(cè)由所述發(fā)生器外加給等離子體腔的RF功率；探測(cè)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(cè)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(jìn)一步在于，發(fā)生器頻率的調(diào)節(jié)包括計(jì)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(jì)算。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征進(jìn)一步在于，發(fā)生器頻率的調(diào)節(jié)是通過計(jì)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(shí)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(jìn)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(jì)算該頻率處的RC反射系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的；計(jì)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(gè)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(diǎn)具有最小值或最大值，其中該方法包括探測(cè)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(cè)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)之間單調(diào)增長，在最佳匹配點(diǎn)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(gè)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(cè)器(16)獲得入射和反射功率的幅值。獲得一個(gè)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(jìn)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(gè)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(dá)到最小。調(diào)諧算法可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H05H1/46GK1233147SQ99102108
公開日1999年10月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:恩尼技術(shù)公司