CN101040360B - 采用动态阻抗实时估计的dc电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设备和方法，用于控制DC电磁管等离子体处理系统，所述系统根据负载的动态阻抗而自动调节对电源的控制信号，以控制到等离子体的输出功率。采用比开关频率至少高4到5倍的采样频率，对提供功率给等离子体的电源的输出电压和输出电流进行采样，并根据算法基于所采样的电压和电流计算等离子体的动态阻抗，其中ΔV_n和ΔI_n是在一个开关周期内样本之间的最大差值。如果动态阻抗实际上为负，则因此对控制信号进行补偿。

Description

采用动态阻抗实时估计的DC电源

技术领域

本发明通常涉及用于使用补偿器来形成控制回路对外部干扰的响应的电源的任何控制器，更具体而言，涉及用于计算基于DC电磁管的工艺的动态阻抗的控制装置。

背景技术

在用于集成电路、平面显示器、玻璃涂层等等的薄膜制造的等离子体工艺中，需要快速控制器来有效地控制为各种等离子体工艺所传递的功率。控制器设计为控制电源的输出传递函数。电源的传递函数取决于负载的动态阻抗。电源的控制器的主要功能是实现并保持任何命令控制信号。控制器设计为控制输出，进而控制电源的输出传递函数。控制器对阻抗的依赖性可以是DC增益形式的，或者是电源输出传递函数中极点位置或者零点位置形式的。在输出阻抗中的任何变化都能对控制回路造成明显影响，有时甚至由于使得原来稳定的系统变得不稳定而造成灾难性影响。如图1所示，曲线A和B的动态阻抗是正的，曲线C的动态阻抗是负的。电压和电阻是工作点的函数并且能够随时间改变。图2示出了如何根据工艺和等离子体特征而将等离子体负载模拟为与电阻串联的电压源。在由动态阻抗中的变化所造成的传递函数中的变化可能受限于DC增益并且其能够容易地用模拟电路或者数字增益模块进行补偿的情况下，这是通过对传递函数的先验分析和对于不同负载情况的实施查询表来执行的。

一些控制器使用DC电流和DC电压来计算等离子体的DC阻抗。然而，该方法是有缺点的，因为该方法假设等离子体表示的负载实际上仅仅为阻抗。则在图2所示的等离子体模型中，一种方法使用等离子体电压的经验值，用DC电压减去该值，并使用相减结果来计算等离子体的实际动态阻抗。该方法是有缺点的，因为即使是同一等离子体也能够呈现出大范围的各种内部电压。

例如，授权给Ryusuke Ohta等人的美国专利No.5,543,689公开了一种高频电源，其中，控制器具有用于存储初始等离子体特征数据和等离子体增益的存储器，用于根据初始等离子体特征数据和所检测的功率数据计算控制目标数据并根据控制目标数据与功率控制信号数据之间的差异计算控制增益数据的可比较运算部件。所述控制目标数据是通过用所检测的等离子体数据减去初始等离子体数据而得到的。然而，所述工艺依赖于对于控制信号人工调节的报警。这种系统的响应时间低，并且可能导致工艺在能够进行纠正之前就结束。

这些类型的控制方案不是理想的，因为：1)等离子体电阻的估计非常困难；2)补偿的实现受限于DC增益；3)它们不持续并且依赖性可能并不关于负载增益单调；以及4)负载阻抗造成的传递函数中极点和零点变化可能仍然会降低系统性能，并且在一些实例中，可能还会使系统变得不稳定。此外，较快的回路速度需要能够补偿负载并创建传递函数，以创建适当宽带的系统。

希望能够提供一种用于使用快速控制回路的DC电源的控制器，其能够用于大范围的等离子体工艺中。还希望能够提供一种控制方法，其通过估计负载的动态阻抗而实现自适应且非线性的控制。

发明内容

本发明提供了一种电源控制器，其中，电源例如为DC电磁管工艺系统的电源，该系统采用模拟到数字转换器(ADC)结合数字微处理器来估计等离子体的动态阻抗。自动控制回路通过对电源的输出电压和输出电流进行采样来保持电源的控制信号，以纠正在输出与预定控制信号之间的差异。

附图说明

图1示出了不同等离子体负载的V-I曲线；

图2示意性示出了等离子体负载的模型；

图3示出了结合了本发明的原理的控制器和电路的方框图；

图4示出了用于根据瞬时电压和电流波形进行动态阻抗的实时估计的波形；

图5示出了用于动态阻抗估计的算法流程图；

图6示出了用于根据开关脉动进行动态阻抗估计的波形；以及

图7示出了用于根据开关脉动进行动态阻抗估计的算法流程图。

具体实施方式

参考图3，示出了结合了本发明的原理的等离子体处理系统10，例如DC电磁管处理系统。等离子体室12具有容纳在其中的电极14和16。电源18为电极14和16提供电压，以便在反应气体(未示出)中点燃等离子体20。来自等离子体的粒子被布置为在室中的衬底(未示出)上沉积薄膜。为了补偿电源18的输出中的变化，控制器22根据等离子体20的动态阻抗的变化，自动调节对电源的控制信号24。控制器通常包含模拟到数字转换器26和微处理器28。A/D转换器对电源的输出电压和输出电流进行采样，并将采样值输入到微处理器中，微处理器对等离子的动态阻抗进行实时估计，并发送控制信号24到电源，以在必要时对输出进行调节。

图4示出了根据以下算法，在等离子点燃之后的控制信号的典型瞬变现象：

$R_{\mathrm{plasma}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{n-1}}{\mathrm{\Δ}{I}_{n-1}}$

在此，ΔV_n-1表示在基于采样频率的固定数量的样本中，等离子体电压的逐渐累加。ΔI_n-1表示对于等离子电流的相同情况的值。这是在电压和电流中的累加的绝对值低于阈值时发生的。选择预定阈值来估计等离子体何时到达稳定状态。该阈值的选择考虑了采样频率和功率系统的动态变化。这使得在等离子体恰好将要达到该设定点时计算动态阻抗。应该注意的是，该算法使得控制器能够估计电源所观测到的动态阻抗实际上是否是负，并且能够对负阻抗进行适当补偿。

图5示出了用于估计等离子体的动态阻抗的流程图。在第一个步骤中，A/D转换器根据采样频率对电源的输出电压和输出电流进行采样。该方法在等离子体到达设定点之前而不是在等离子体处于设定点时计算动态阻抗。为了测量在设定点处的阻抗，另一数字测量系统使用的A/D转换器采用比在等离子体电流和电压上所观测到的电源开关频率脉动更高的频率进行采样，该频率通常是开关频率或者其倍数。该数据能够用于估计等离子体的动态阻抗。尤其可以采用该算法来确定动态阻抗是正还是负。

图6示出了根据开关脉动的动态阻抗估计。为了完成该任务，采样频率通常在电压和电流上脉动的4倍或者5倍的量级上。然后，估计在整数个开关周期内电压/电流的最大值和最小值，最大值和最小值之间的差值为ΔV_n和ΔI_n。然后，可以寻找电压或者电流中的最大变化，然后在同一时间间隔期间使用另一个参数中(分别为电流或者电压)的变化，来计算等离子的动态阻抗。

$R_{\mathrm{plasma}}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_n}{\mathrm{\Δ}{I}_n}$

图7示出了根据开关脉动计算动态阻抗的流程图。A/D转换器获得电压和电流的新的一组n个样本。微处理器计算给定样本的最大值和最小值，以及最大值与最小值之间的差值，并将其指定为delta V和delta I。然后从这些值中计算动态阻抗。该算法明确地确定动态阻抗是正还是负。

必须要注意的是，采用这两种方法计算的阻抗是在两种不同频率上的。采用瞬间设置所测量的阻抗是在非常接近于控制回路带宽的频率上的。使用开关频率脉动计算的阻抗是在比控制回路带宽大很多的频率上的。然而，使用开关脉动所估计的阻抗提供对于等离子体的高频性能的了解，对于确定等离子体的快速动态特性是有用的。

尽管图示并说明的特定结构和操作细节，应该明确理解的是，所述结果和操作细节仅仅用于描述，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在此能够容易地做出改变和修改。

Claims (4)

1.用于控制DC电磁管等离子体处理系统的设备，包括：

a)用于等离子体处理的室，用于在衬底上沉积薄膜，所述室中包含有至少两个电极；

b)电源，用于向所述电极提供电压，来点燃等离子体并传递功率；以及

c)连接到所述电源的控制器，其根据所述等离子体的动态阻抗的变化，自动调节对所述电源的控制信号。

其中，所述控制器包括模拟到数字转换器，用于对所述电源的输出电压和输出电流进行采样；

并且其中，所述控制器还包括微处理器，所述微处理器接收来自所述模拟到数字转换器的输入，对所述等离子体的动态阻抗进行实时估计，并发送控制信号到所述电源来调节到所述等离子体的输出功率，

并且其中：

所述模拟到数字转换器按照采样频率，以多个样本对向所述等离子体供电的电源的输出电压和输出电流进行采样；

所述微处理器根据算法 $R_{\mathrm{plasma}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{n-1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{n-1}},$ 基于所采样的电压和电流来计算所述等离子体的动态阻抗，其中ΔV_n-1和ΔI_n-1是恰好在等离子体到达稳定状态条件之前从样本中计算出来的，并且其中，ΔV_n-1表示在基于所述采样频率的固定数量的样本中，所述等离子体的电压的逐渐累加，ΔI_n-1表示在基于所述采样频率的固定数量的样本中，所述等离子体的电流的逐渐累加；估计所观测到的动态阻抗实际上是否为负，并由此进行补偿；以及发送控制信号，以根据所述等离子体的动态阻抗来调节所述电源的控制信号。

2.用于控制DC电磁管等离子体处理系统的设备，包括：

a)用于等离子体处理的室，用于在衬底上沉积薄膜，所述室中包含有至少两个电极；

b)电源，用于向所述电极提供电压，来点燃等离子体并传递功率；以及

c)连接到所述电源的控制器，其根据所述等离子体的动态阻抗的变化，自动调节对所述电源的控制信号。

其中，所述控制器包括模拟到数字转换器，用于对所述电源的输出电压和输出电流进行采样；

并且其中，所述控制器还包括微处理器，所述微处理器接收来自所述模拟到数字转换器的输入，对所述等离子体的动态阻抗进行实时估计，并发送控制信号到所述电源来调节到所述等离子体的输出功率，

并且其中：

所述模拟到数字转换器按照比开关频率至少高4到5倍的采样频率，对向所述等离子体供电的电源的输出电压和输出电流进行采样；所述微处理器根据算法 $R_{\mathrm{plasma}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_n}{{\mathrm{\ΔI}}_n},$ 基于所采样的电压和电流来计算所述等离子体的动态阻抗，其中ΔV_n和ΔI_n是在一个开关周期内样本之间的最大差值；根据该方法估计所述动态阻抗实际上是否为负，然后由此进行补偿；以及发送控制信号，以根据所述等离子体的动态阻抗调节所述电源的控制信号。

3.一种用于控制DC电磁管等离子体处理系统的方法，包括以下步骤：

a)按照采样频率，以多个样本对向所述等离子体供电的电源的输出电压和输出电流进行采样；

b)根据算法 $R_{\mathrm{plasma}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{n-1}}{{\mathrm{\ΔI}}_{n-1}},$ 基于所采样的电压和电流来计算所述等离子体的动态阻抗，其中ΔV_n-1和ΔI_n-1是恰好在等离子体到达稳定状态条件之前从样本中计算出来的，并且其中，ΔV_n-1表示在基于所述采样频率的固定数量的样本中，所述等离子体的电压的逐渐累加，ΔI_n-1表示在基于所述采样频率的固定数量的样本中，所述等离子体的电流的逐渐累加；

c)估计所观测到的动态阻抗实际上是否为负，并由此进行补偿；以及

d)发送控制信号，以根据所述等离子体的动态阻抗调节所述电源的控制信号。

4.一种用于控制DC电磁管等离子体处理系统的方法，包括以下步骤：

a)按照比开关频率至少高4到5倍的采样频率，对向所述等离子体供电的电源的输出电压和输出电流进行采样；

b)根据算法 $R_{\mathrm{plasma}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_n}{{\mathrm{\ΔI}}_n},$ 基于所采样的电压和电流来计算所述等离子体的动态阻抗，其中ΔV_n和ΔI_n是在一个开关周期内样本之间的最大差值；

c)根据该方法估计所述动态阻抗实际上是否为负，然后由此进行补偿；以及

d)发送控制信号，以根据所述等离子体的动态阻抗调节所述电源的控制信号。

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