频率调谐射频功率源的基于功率失真的伺服控制系统技术方案

本申请公开了频率调谐射频功率源的基于功率失真的伺服控制系统。一种射频系统包括：功率放大器，该功率放大器经由所述功率放大器与匹配网络之间的传输线路将射频信号输出到所述匹配网络。传感器监控所述射频信号并基于所述射频信号生成第一传感器信号。失真模块根据（i）所述第一传感器信号的正弦曲线函数和（ii）所述第一传感器信号的互相关函数中的至少一个确定第一失真值。第一校正电路（i）基于所述第一失真值和第一预定值生成第一阻抗调谐值，以及（ii）提供在所述匹配网络中执行的阻抗匹配的前馈控制，包括将所述第一阻抗调谐值输出到所述功率放大器和所述匹配网络中的一个。

【技术实现步骤摘要】
频率调谐射频功率源的基于功率失真的伺服控制系统
本公开总体涉及射频（RF）发生器，更具体地涉及RF发生器的频率控制。
技术介绍
这里提供
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描述的目的在于总体呈现本公开的背景。当前署名的专利技术人的工作，就本
技术介绍
部分描述的工作而言，以及可能不是申请之时的现有技术的描述的方面，既非明示也非暗示承认为本公开的现有技术。在半导体制造中常常使用等离子体刻蚀。在等离子体刻蚀中，用电场加速离子来刻蚀衬底上的暴露的表面。基于射频（RF）功率系统的RF发生器生成的RF功率信号来生成电场。为有效地执行等离子体刻蚀，必须精确地控制RF发生器生成的RF功率信号。RF功率系统可包括RF发生器、匹配网络和负载（例如等离子体室）。RF发生器生成在匹配网络处接收的RF功率信号。匹配网络将匹配网络的输入阻抗与RF发生器和匹配网络之间的传输线路的特征阻抗相匹配。这种阻抗匹配有助于使前进到匹配网络的功率（前向功率）的量最大化，并使从匹配网络反射回RF发生器的功率（反向功率）的量最小化。当匹配网络的输入阻抗匹配传输线路的特征阻抗时，可使前向功率最大化以及使反向功率最小化。通常使用试探式、反馈或前馈方案来控制RF发生器以使传送到匹配网络的功率最大化。试探式方案包括一组规则，这些规则用于将基于梯度的搜索方法用于提供满足预定规范的感测到的响应。试探式方案可以包括执行搜索以调谐功率放大器电路的频率以最小化反向功率，增大搜索空间的步长，改变搜索的方向以及启动或终止搜索。试探式方案不能由传递函数表示。反馈方案通常包括反馈回路，其用于最小化功率设定点与从RF发生器和匹配网络传递的功率的量之间的误差。反馈回路可以包括传感器和控制模块。控制模块调节输出灵活频率的RF功率源（或功率放大器）的输出功率。传感器可以探测功率放大器外的电压、电流、前向功率和/或反向功率并生成传感器信号。确定传递的功率的量或者前向功率与反向功率之间的差。基于该差生成误差信号。控制模块可以基于误差信号生成功率控制信号。功率放大器基于来自控制模块的功率控制信号生成RF功率信号。尽管这种方案最小化功率中的误差以最大化从RF发生器传递到匹配网络的功率，但这种方案仅限于调节功率而不能最小化非零反射功率。另一种反馈方案包括探测基于功率放大器的电压和电流输出生成的传感器信号之间的相位差。响应于探测到的相位差，通过压控振荡器调节功率放大器的频率，以最小化相位差和/或反向功率。基于相位差的频率调节方案会导致定量误差，其与RF功率系统中的系统变化相关。系统变化可以包括相位差（或相位偏移）、失配负载、RF信号传送中与匹配网络的调谐和负载参数相关的未对准等等。系统变化可防止相位差降至零和/或防止史密斯圆图上的曲线的反射系数到达(0,0)点。系统变化还可防止需要的功率传送到负载。因此，需要校准方案来防止相位偏移和/或需要试探式方案来最小化这些系统变化。而且，当基于相位来调节功率放大器的频率时，需要指向性信号来确定向哪个方向调节频率以最小化相位差。再一种反馈方案探测前向功率和反向功率。基于前向功率和反向功率，通过压控振荡器来调节功率放大器的频率，以最小化反向功率。在该方案中并未利用相位信息来最小化反向功率。在一种前馈方案中，用前馈回路来调节匹配网络中的电容器的电容量。使用传感器来探测前向功率和反向功率。处理器调节发动机的操作以基于传感器的输出改变电容器的电容量。处理器调节电容量直至反向功率处于最小的水平。
技术实现思路
提供一种射频系统，其包括：功率放大器，该功率放大器经由所述功率放大器与匹配网络之间的传输线路将射频信号输出到所述匹配网络。传感器监控所述射频信号并基于所述射频信号生成第一传感器信号。失真模块根据（i）所述第一传感器信号的正弦曲线函数和（ii）所述第一传感器信号的互相关函数中的至少一个确定第一失真值。第一校正电路（i）基于所述第一失真值和第一预定值生成第一阻抗调谐值，以及（ii）提供在所述匹配网络中执行的阻抗匹配的前馈控制，包括将所述第一阻抗调谐值输出到所述功率放大器和所述匹配网络中的一个。另一方面，提供一种操作射频系统的方法，其包括：经由功率放大器生成射频信号。所述射频信号经由所述功率放大器与匹配网络之间的传输线路输出到所述匹配网络。所述射频信号被监控并且传感器信号基于所述射频信号生成。第一失真值根据（i）所述传感器信号的正弦曲线函数和（ii）所述传感器信号的互相关函数中的至少一个确定。第一阻抗调谐值基于所述第一失真值和第一预定值生成。在所述匹配网络内执行的阻抗匹配的前馈控制被提供，并且包括将所述第一阻抗调谐值输出到所述功率放大器和所述匹配网络中的一个。本公开的另外的应用领域通过详细描述、权利要求书以及附图将变得更加明显。具体的描述和特定的实施例仅用于例示的目的，而不意在限制本公开的范围。附图说明通过详细说明及所附的附图，将更充分地理解本公开，附图中：图1是根据本公开的合并有前馈控制的RF功率系统的功能框图；图2是根据本公开的合并有前馈控制和功率校正反馈控制的RF功率系统的功能框图；图3示出根据本公开的前馈和反馈控制方法；图4示出根据本公开的具有基于频率的阻抗匹配前向控制的前馈和反馈控制方法；图5A是根据本公开的示出使用电压和电流传感器同时在频率范围的低频率端初始化时反射系数的频率调谐轨迹的史密斯圆图；图5B是示出与图5A所示频率调谐轨迹相关的频率更新的图；图5C是示出与图5B的频率更新相对应的反射系数的幅度的改变的图；图6A是根据本公开的示出使用电压和电流传感器同时在频率范围的高频率端初始化时反射系数的频率调谐轨迹的史密斯圆图；图6B是示出与图6A所示频率调谐轨迹相关的频率更新的图；图6C是示出与图6B的频率更新相对应的反射系数的幅度的改变的图；图7A是根据本公开的示出使用定向耦合传感器同时在频率范围的低频率端初始化时反射系数的频率调谐轨迹的史密斯圆图；图7B是示出与图7A所示频率调谐轨迹相关的频率更新的图；图7C是示出与图7B的频率更新相对应的反射系数的幅度的改变的图；图8A是根据本公开的示出使用定向耦合传感器同时在频率范围的低频率端初始化时匹配网络中的反射系数的频率调谐轨迹的史密斯圆图；图8B是示出与图8A所示频率调谐轨迹相关的频率更新的图；图8C是示出与图8B的频率更新相对应的反射系数的幅度的改变的图；图9A是根据本公开的示出频率更新和重复的图；图9B是示出与图9A所示频率更新相关的失真变化的图；图9C是根据本公开的示出频率更新和重复的另一图；图9D是示出与图9C所示频率更新相关的失真变化的图；图10是根据本公开的示出频率调谐的史密斯圆图；图11是根据本公开的示出失真、相位角和阻抗值的图；图12是根据本公开的示出阻抗轨迹的图；以及图13是示出根据本公开的针对不同阻抗的功率失真对频率轨迹的图。具体实施方式前面的描述本质上仅仅为例示而不意图以任何方式限制本公开、其应用或使用。可以以多种形式实施本公开的广泛教导。因此，虽然本公开包括特定示例，但本公开的真正范围不应受限于此，这是因为在研究附图、说明书和所附权利要求时其它的更改会变得显而易见。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记来标识相似的元件。这里使用的短语“A、B和C中的至少一个”应当理解为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射频系统，包括：功率放大器，经由所述功率放大器与匹配网络之间的传输线路将射频信号输出到所述匹配网络；传感器，监控所述射频信号并基于所述射频信号生成第一传感器信号；失真模块，根据（i）所述第一传感器信号的正弦曲线函数和（ii）所述第一传感器信号的互相关函数中的至少一个确定第一失真值；以及第一校正电路，（i）基于所述第一失真值和第一预定值生成第一阻抗调谐值，以及（ii）提供在所述匹配网络内执行的阻抗匹配的前馈控制，包括将所述第一阻抗调谐值输出到所述功率放大器和所述匹配网络中的一个。

【技术特征摘要】
2011.12.29 US 13/339,4941.一种射频系统，包括：功率放大器，经由所述功率放大器与匹配网络之间的传输线路将射频信号输出到所述匹配网络；传感器，监控所述射频信号并基于所述射频信号生成第一传感器信号；失真模块，根据(i)所述第一传感器信号的正弦曲线函数和(ii)所述第一传感器信号的互相关函数中的至少一个确定第一失真值；以及第一校正电路，(i)基于所述第一失真值和第一预定值生成第一阻抗调谐值，以及(ii)提供在所述匹配网络内执行的阻抗匹配的前馈控制，包括将所述第一阻抗调谐值输出到所述功率放大器和所述匹配网络中的一个。2.根据权利要求1所述的射频系统，其中所述第一校正电路包括：第一输入模块，生成所述第一预定值；第一加法器，将所述第一失真值与所述第一预定值相加以生成第一校正值；以及调谐控制模块，基于所述第一校正值生成所述第一阻抗调谐值。3.根据权利要求1所述的射频系统，其中：所述第一校正电路将所述第一阻抗调谐值向前馈送到所述匹配网络的调谐输入端；并且所述射频系统进一步包括：第二失真模块，基于所述第一传感器信号确定第二失真值，和第二校正电路，(i)基于所述第二失真值和负载设定点值生成第二阻抗调谐值，以及(ii)将所述第二阻抗调谐值向前馈送到所述匹配网络的负载输入端。4.根据权利要求3所述的射频系统，其中：所述第一失真值基于所述传感器信号的点积和所述传感器信号的幅度生成；并且所述第二失真值基于所述传感器信号的幅度的比生成。5.根据权利要求3所述的射频系统，其中：所述第一校正电路包括：第一输入模块，生成所述第一预定值，第一加法器，将所述第一失真值与所述第一预定值相加，以生成第一校正值，和调谐控制模块，基于所述第一校正值生成所述第一阻抗调谐值；并且所述第二校正电路包括：负载设定点模块，生成所述负载设定点值，第二加法器，将所述第二失真值与所述负载设定点值相加以生成第二校正值，和负载控制模块，基于所述第二校正值生成所述第二阻抗调谐值。6.根据权利要求3所述的射频系统，进一步包括第三校正电路，该第三校正电路基于所述第一失真值和第三预定值确定第三阻抗调谐值，其中所述第三校正电路将所述第三阻抗调谐值输出到所述功率放大器。7.根据权利要求6所述的射频系统，其中：所述第一校正电路包括：第一输入模块，生成所述第一预定值，第一加法器，将所述第一失真值与所述第一预定值相加，以生成第一校正值，和调谐控制模块，基于所述第一校正值生成所述第一阻抗调谐值；所述第二校正电路包括：负载设定点模块，生成所述负载设定点值，第二加法器，将所述第二失真值与所述负载设定点值相加，以生成第二校正值，和负载控制模块，基于所述第二校正值生成所述第二阻抗调谐值；并且所述第三校正电路包括：第二输入模块，生成第二预定值，第三加法器，将所述第一失真值与所述第二预定值相加，以生成第三校正值，和频率控制模块，基于所述第三校正值生成所述第三阻抗调谐值。8.根据权利要求1所述的射频系统，其中：所述第一校正电路将所述第一阻抗调谐值输出到所述匹配网络；所述射频系统进一步包括第二校正电路，该第二校正电路基于所述第一失真值和第二预定值确定第二阻抗调谐值；并且所述第二校正电路将所述第二阻抗调谐值输出到所述功率放大器。9.根据权利要求1所述的射频系统，进一步包括：第三校正电路，生成输出到所述功率放大器的第三阻抗调谐值；并且所述功率放大器根据所述第三阻抗调谐值生成所述射频信号。10.根据权利要求9所述的射频系统，其中所述功率放大器基于所述第三阻抗调谐值调节所述射频信号的频率。11.根据权利要求10所述的射频系统，进一步包括功率控制模块，该功率控制模块调整所述功率放大器的功率，其中所述功率放大器在所述功率放大器的功率被所述功率控制模块调整时调节所述频率，以联合功率调整和频率调谐。12.根据权利要求11所述的射频系统，其中所述功率放大器的功率在所述射频系统的第一时间间隙期间被调整，并且所述频率在所述射频系统的第二时间间隙期间被调节。13.根据权利要求11所述的射频系统，其中所述第一校正电路包括：频率控制模块，在更新所述频率时，加速通过所述射频系统的操作带宽以将所述频率会聚到与所述射频系统和负载之间的最大功率传递相关的频率设定点。14.根据权利要求1所述的射频系统，进一步包括频率控制模块，该频率控制模块：在所述第一失真值大于最大值时提供第一控制模块响应；并且在所述第一失真值小于或等于所述最大值时提供第二控制模块响应。15.根据权利要求14所述的射频系统，其中：所述第一控制模块响应提供第一频率会聚速率；所述第二控制模块响应提供第二频率会聚速率；并且所述第二频率会聚速率快于所述第一频率会聚速率。16.根据权利要求1所述的射频系统，其中所述匹配网络将所述功率放大器上的负载的阻抗与所述传输线路的阻抗相匹配。17.根据权利要求16所述的射频系统，其中所述匹配网络包括：第二传感器，监控所述射频信号并生成第二传感器信号；和阻抗匹配电路，基于所述第二传感器信号将所述功率放大器上的所述负载的匹配阻抗与所述传输线路的所述阻抗相匹配。18.根据权利要求17所述的射频系统，其中所述第二传感器与所述第一传感器分离。19.根据权利要求1所述的射频系统，其中：所述第一传感器信号包括电压信号和电流信号；所述电压信号指示所述射频信号的电压；并且所述电流信号指示所述射频信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维·J·库莫，
申请(专利权)人：MKS仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：