CN101529551B - 防止射频等离子体处理中的不稳定性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制电源的方法和装置，用于防止由于在从1MHz和1MHz以上的频率下工作的RF等离子体处理系统中的动态负载引起的不稳定性。该装置包括：功率源(32)；从该源(32)接收功率的功率变换器(72)，该功率变换器(72)提供通过改变输入电压或开关频率中的至少一个控制的恒定输出功率；以及从功率变换器接收恒定功率的RF发生器(75)。

Description

防止射频等离子体处理中的不稳定性的方法和装置

发明领域

本发明一般涉及控制系统和方法，尤其涉及用于控制提供给等离子体负载的射频功率的方法和系统。

发明背景

射频或微波(下文中“RF”)等离子体生成设备广泛用于半导体和工业等离子体处理。等离子体处理支持各种应用，包括从衬底蚀刻材料、将材料沉积到衬底、清洗衬底表面和改变衬底表面。所采用的频率和功率水平分别从约10kHz至10GHz以及从几瓦至多达100kW或更高地广泛变化。对于半导体处理应用，目前在等离子体处理设备中使用的频率和功率范围有些窄，分别是从10kHz至2.45GHz的范围以及从10W至30kW的范围。

等离子体处理设备一般要求精确RF信号发生器、匹配网络、电缆连接和测量设备。此外，精确仪器通常需要控制到达等离子体的实际功率。与等离子体相关联的负载的阻抗可响应于气体配方、各种供气参数、等离子体密度、所传送的RF功率、压力和其它变量而显著变化。通过等离子体负载的变化阻抗以及这些其它变量呈现的动态电负载可产生关于等离子体生成设备的重大的稳定性控制问题。

在当今的等离子体处理设备中，诸如半导体工具，通常观察到工艺变得不稳定，从而完全地表现出等离子体密度的振荡和/或等离子体的损耗。因此，需要通过改变调节RF电源的方式来防止这种不稳定性。

图1描绘了本领域技术人员熟知的包括典型的等离子体处理工具和RF电源的已知等离子体发生系统。RF电源10将RF功率穿过滤波器12经由电缆13和负载匹配电路14传送到处理真空室15。在接近功率进入处理真空室15的输出功率测量点18处测量正向和反射的RF功率。来自输出功率测量点18的反馈被发送回电源10，以完成控制环路。

功率调节控制电路一般被设计成尽可能快地工作，以使控制稳定性最大化。典型的电源控制环路可快至几百微秒地工作，且通常鉴于固定负载或可能考虑到的固定负载范围进行设计并优化。例如在等离子体发生系统中，控制环路的速度受到滤波器和匹配网络延迟、功率测量时间和电源的内部反应速度的限制。如上所述，等离子体将另外的延迟引入控制环路，这可最终导致不稳定的系统功效。这些延迟不可容易地预测、依赖于工艺且不一致。

然而，很多功率调节控制不稳定性可归因于将等离子体作为功率调节控制环路的一部分，因为等离子体阻抗是不恒定的。更具体地，等离子体阻抗是所传送的功率量、等离子体气压和等离子体气体混合物的化学成分的函数。此外，反应化学性质和气压变量依赖于等离子体密度和温度，且还具有其本身的惯性(潜伏时间依赖性)。这些惯性时间可在从若干微秒至若干毫秒的范围中，且由各种工艺确定，诸如扩散速率、抽运速率、电离和化学反应速率等。

另一个复杂因素由供气系统20引入，该供气系统20通常具有其本身的控制环路。该供气控制环路22通常基于室压测量23来控制对室15的供气。此单独的控制环路22可将功率控制系统的特定系统惯性(延迟)时间延长到数百和数千微秒。因此，任何仅使用其响应时间间隔慢于或等于系统的开关频率或等离子体惯性——即电负载(诸如等离子体)的响应时间——的反馈控制环路25的电源潜在地倾向于不稳定。

图2示出可用于诸如图1所示的等离子体处理系统之类的系统的已知电源技术的功率部分。电源30(例如，DC或RF开关电源)被设计成将恒定功率输出值传送到电源输出处的负载40。正如本领域的技术人员所知的，来自整流总线或DC功率源的DC功率32馈送到开关晶体管与诸如电感器和电容器之类的电抗元件。电源一般在时间尺度(即，时间间隔)上比其控制环路33的响应时间更快地传送恒定电流或恒定电压。控制电路35基于从反馈控制环路33接收的信息调节至电源30的控制信号。当然，电源30还可在控制环路冻结(开路)时传送恒定电流或电压。为了参考，在下文中将这种电源称为“恒定电流”或“恒定电压”类型。控制电路35使用来自等离子体功率测量电路18的反馈33来修改电源30的输出电压和电流以维持所要求的功率输出。在某些情况下，这可得到负载40(例如，等离子体负载)的稳定控制。

实际上，已知技术的一个示例是用于向弧型等离子体负载供电的“恒定电流”DC电源。因为等离子体电阻在较高温度下下降(通常称为“负电阻”)，所以已知对这一系统提供恒定电流维持稳定等离子体。在这种系统中，电源一定程度地起虚拟镇流电阻器的作用。

更常见的，很多DC开关电源使用脉冲宽度调制(“PWM”)控制方法。这些相当于电压源，因此不能在没有反馈控制环路的情况下有效地维持负电阻等离子体。此外，当等离子体系统用RF电源供电时控制问题加剧，因为反射功率的相位被电缆(例如13)和滤波器(例如12)移位至这样的程度：从电源的角度看很难或不可能保证明显的正或负等离子体电阻。对于以高频率工作的系统，例如在RF区中(即在1MHz以上的范围中)，这种问题更加明显。

发明概述

为了克服这些问题，需要的不仅仅是只提供恒定电压或恒定电流的电源，而是能够在开环系统中传送基本恒定的功率，从而不管反射相位和等离子体的阻抗如何都可维持等离子体的稳定操作。

更具体地，需要的是一种尽管由等离子体和/或其它系统组件导致了负载阻抗和电阻的变化，仍可用于控制提供给诸如等离子体负载之类的动态负载的功率量的方法和装置。

本发明利用一种电源克服这些问题，它包括：基本恒定的功率源；以及任选的慢反馈环路，其向诸如等离子体发生器中的等离子体之类的电负载提供恒定电源。

本发明的一个方面表征为用于向诸如等离子体之类的动态负载提供功率的RF电源，包括用于将输入功率变换成输出RF功率的功率电路。该功率电路具有低储能，一般在几微秒的数量级上，使得电路中的储能量不会干扰控制稳定性。控制电路将控制信号提供给功率电路以调节例如供应RF发生器的功率变换器的DC部分的输入功耗。它还包括提供输入功率的测量的第一电路，该第一电路用于以第一速率调节至功率电路的控制信号。因此至RF电源的输入功率维持为恒定或基本恒定的量。

实施例包括用于测量RF电源的输出处的输出功率的第二电路，它用于以第二速率补偿功率控制信号。第一速率大于第二速率。第一速率可对应于将DC电流馈送到RF电源的开关电源的频率。此外，加权因数可用于使第一速率大于第二速率。RF电源的输出可用于向等离子体负载供给能量。

实施例可包括谐振反相器、降压型开关调节器、升压调节器、DC开关电源和反相器或开关电源的门驱动电路中的至少一个。能够以对应于开关电源的每个周期的频率测量输入功率。能够以不同的速率——例如并非针对开关电源的每个周期——测量输出功率信号。在某些实施例中，在开关电源的每个周期都更新控制信号，但在其它实施例中并非如此。

输入功率测量能够通过测量在每个周期中流过开关电源的输入端子的总电荷来确定。第一速率可每周期调节功率控制信号一次，且第二速率比第一速率慢，并且还应比电负载的响应时间慢。第二速率还可比供应电负载的供气系统的响应时间慢。

本发明的另一个方面表征为向可变阻抗负载提供功率的RF电源，其包括向RF电源提供控制信号以调节来自RF电源的功率输出电平的控制电路以及向RF电源提供输入功率的测量的第一电路。第一电路以第一速率调节至RF电源的控制信号以维持基本恒定的输入功率。RF电源可包括用于测量RF电源的输出处的输出功率的第二电路，它用于以第二速率补偿至RF电源的控制信号。第一速率应大于第二速率。在某些实施例中，输入功率是恒定的。

加权因数可用于使第一速率大于第二速率，且RF电源的输出可用于向等离子体负载供给能量。可使用位于RF发生器和负载(例如，等离子体负载)之间的匹配电路。电源可包括谐振反相器、降压型开关调节器、升压调节器、DC开关电源、和反相器或开关电源的门驱动电路。可针对电源的每个周期测量输入功率，且在某些实施例中没有针对电源的每个周期测量输入功率。可针对电源的每个周期更新控制信号，但在某些实施例中并非如此。

RF电源可将功率传送到等离子体负载。此外，控制信号可控制电源的脉冲宽度和/或频率或相位调制，且调制的量以逐个周期为基础确定。在某些实施例中，第一速率可每周期调节控制信号一次，且第二速率比第一速率慢并且还应比电负载的响应时间慢。第二速率还可比供应电负载的供气系统的响应时间慢。

本发明的另一个方面表征为RF等离子体发生器，包括功率源和AC开关电源。开关电源包括向电源提供控制信号以调节来自电源的功率输出电平的控制电路以及向电源提供输入功率的测量的第一电路，该第一电路用于以第一速率调节至电源的控制信号，从而维持基本恒定的输入功率。它还包括用于测量电源的输出处的输出功率的第二电路，该第二电路用于以第二速率补偿至电源的控制信号，使得第一速率大于第二速率。开关电源的输出供应到RF生成部分。第一速率可接近开关电源的速率。

加权因数可用于使第一速率大于第二速率，且RF生成部分的输出可用于向等离子体负载供给能量。可使用位于RF发生部分和负载之间的匹配电路。RF发生器可包括谐振反相器、降压型开关调节器、升压调节器、DC开关电源、和/或反相器或开关电源的门驱动电路。可针对电源的每个周期测量输入功率，且在某些实施例中没有针对电源的每个周期测量输出功率。可针对开关电源的每个周期更新控制信号，但在某些实施例中并非如此。

RF发生器的输入功率可通过测量每个周期中流过开关电源的输入端子的总电荷来确定，且RF发生器可包括等离子体发生系统。控制信号可以是开关电源的脉冲宽度调制，且脉冲宽度调制的量以逐个周期为基础确定。在某些实施例中，第一速率每周期调节控制信号一次，且第二速率比第一速率慢并且还应比电负载的响应时间慢。第二速率还可比供应电负载的供气系统的响应时间慢。

本发明的又一个方面表征为调节至可变阻抗负载的功率的方法，包括提供向开关电源提供控制信号以调节来自RF发生器的功率输出电平的控制电路的步骤。基于在开关电源的输入侧测量的第一功率以第一速率调节至开关电源的控制信号。还可以基于在RF发生器的输出侧测量的第二功率的第二速率补偿。第一速率大于(快于)第二速率。第一速率可对应于开关电源的频率。

加权因数可用于使第一速率大于第二速率，且RF发生器的输出可用于向等离子体负载供给能量。可使用位于RF发生器和负载之间的匹配电路。该方法的电源可包括谐振反相器、降压型开关调节器、升压调节器、DC开关电源、和/或门驱动器。可针对开关电源的每个周期测量输入功率，且在某些实施例中没有针对电源的每个周期测量输出功率。第一功率能够通过测量每个周期中流过开关电源的输入端子的总电荷来确定。此外，可针对开关电源的每个周期更新控制信号，但在某些实施例中并非如此。

该方法可包括具有包括等离子体发生系统的电负载，且控制信号可控制电源的脉冲宽度调制。脉冲宽度调制的量能够以逐个周期为基础确定。在某些实施例中，第一速率每周期调节控制信号一次，且第二速率比第一速率慢并且还应比电负载的响应时间慢。第二速率还可比供应电负载的供气系统的响应时间慢。

该装置包括：功率源；从该源接收功率的功率变换器，该功率变换器提供通过改变输入电压或开关频率中的至少一个控制的恒定输出功率；以及从功率变换器接收恒定功率的RF发生器。

功率变换器可以是部分或完全的谐振反相器。部分谐振反相器可包括用于将来自功率源的电压变换至期望电压的第一电路、以及用于将期望电压维持在恒定功率水平的第二电路。

第一电路可包括用于将来自功率源的电压变换至期望电压的多个开关和多个二极管。第二电路可包括：电阻性负载；耦合到电阻性负载的电感器；以及耦合到电感器的电容器，电容器被周期性地充电至输入电压电平并在电容器电流通过电阻性负载时放电，从而将期望电压维持在恒定的功率水平。电感器确保电容器被完全充电和放电。

附图简述

当结合附图阅读以下本发明的详细描述时，以下的讨论将更容易理解，在附图中：

图1示出已知的RF等离子体处理工具的框图；

图2示是已知的电源框图的图示；

图3示出结合本发明的控制部件的电源；

图4是包括前馈降压调节器的本发明的实施例；

图5示出例示本发明各特征的电源系统；以及

图6是部分谐振反相器型电源的实施例。

详细描述

图3示出可用于克服上述问题的本发明的实施例。向诸如等离子体之类的电负载提供恒定的功率量可使系统稳定工作。不幸的是，上述的单反馈系统不能对等离子体发生系统的动态工作状况足够快地响应。即使反馈环路33的响应时间比动态等离子体负载的阻抗扰动和其它正在进行的变化快，这种系统也不补偿变化的输入信号。

图3的电源30通过控制输入功率而不是输出功率克服这些问题，其利用了以当前可用的开关电源技术实现的高效率和低储能。利用该技术，不管等离子体负载瞬态中的变化如何，本发明基于储能除以所提供功率的数量级的时间尺度——其可以是几微秒的数量级——提供恒定功率。为了实现这个目的，图3的电源30对馈送到电源30的DC功率30使用快速输入测量52。这种输入功率测量52馈送到向控制电路35提供信息的快速前馈控制环路53。控制电路可以是实际电路(例如，电路板上的)、模拟控制器、本领域技术人员已知的各种数字控制系统中的任一个、或其组合。利用这种技术，本发明通过严格控制传送到电源30的功率量来控制电源和等离子体之间的交互。这导致对发送到负载的功率的严格控制，因为动态等离子体参数对电源所提供的电流或电压波形不像对非常短的时间间隔(例如几微秒)内平均传送的功率量那样敏感。

因此，本发明包括可在非常快速的时间尺度上——诸如几微秒数量级的时间间隔——将几乎的恒定功率传送到等离子体负载的电源拓扑。在某些实施例中，这些时间间隔的持续时间可足够长，以接近等离子体的动态响应时间或供气响应。然而，在所有实施例中，电源输出在按储能与功率之比设置的时间尺度中被维持为稳定量，不管等离子体阻抗或其它负载动态特性如何变化。

反馈控制33不能独自对负载和功率输入变化足够快速地响应，以实现本发明的精确和一贯的功率输出。通常为了维持稳定性，反馈控制响应速率必需或者比所有可能的等离子体响应和供气响应快很多或者比所有可能的等离子体响应和供气响应慢很多。为了实现本发明的精确电源输出控制，不仅必须在快速时间尺度上提供系统的稳定化，而且使得控制电路35的控制信号38仅弱(即慢)依赖于输出功率测量。因此，当将控制信号38补偿到电源时，本发明仅使用慢响应反馈控制环路。这一电源的附加优点是容易和稳定的等离子点火和建立。

为了实现本发明的结果，将DC功率源32连接到电源30的功率部分。优选地，将系统设计成消耗尽可能少的功率，因此主要结合电抗或开关器件。期望使系统中的储能最小化，由此减小或实际上消除控制系统的任何滞后时间或时间常数。该设计原理对DC开关电源和结合本发明原理的能够以开关模式(例如，D级或F级)工作的低频RF发生器两者都是优选的。在较高频率下，即RF晶体管几乎以线性状态工作时，该设计特征较不重要。然而，使电源30的功率部分中的能量损耗最小化总是优选的。

在图3所示的实施例中，功率模块的输入功率是经由输入测量装置52测量的。输入功率测量装置52可位于电源的前面，但它应位于任何输入滤波电容器(未示出)的下游。或者，输入功率测量装置52可位于电源30内的某点上，只要提供了输入电流、电压和/或功率的测量即可，正如本领域的技术人员所知的。输入功率测量装置52将该信息发送到控制电路35，该控制电路35于是调节功率控制信号38以将输入功率测量32维持在基本恒定的值。因为功率模块的效率被设计为高，所以该调节方法得到对负载40的几乎恒定的功率输出。

电源30可包括在输出滤波器和功率部分的电抗组件中的少量储能，它们不能被瞬时改变。如以上讨论的，系统的设计使存储在这些组件中的能量最小化，因此这些组件中存在的能量只够对系统供电达不多于几微秒的等效时间。具有这种低储能有益于减小系统的滞后时间或时间常数且有益于维持稳定的等离子体控制。因为与等离子体中存储的能量相比储能量小，所以不会对系统的控制产生显著不利的影响，且不会导致等离子体损失、变得不稳定或显著改变。RF功率因此以非常小的滞后时间跟踪输入功率。随着储能量的增加，等离子体稳定性控制问题的可能性也增加。

实施例还包括反馈控制环路33。为了维持对负载40的精确功率输出控制，应调谐反馈控制环路33，使得它仅对控制电路35的控制方程有慢效应。反馈控制环路33的慢响应确保负载阻抗变化不会使控制环路不稳定。

图4示出表示本发明的实施例的电源的部分视图。降压型开关调节器72可用于供应RF发生器75。对RF发生器的输入功率是利用向控制电路35提供误差信号的输入测量装置52、积分器73和比较器74测量的。顶部开关76是有源驱动的晶体管。底部开关77可以是无源的，例如二极管，或者它也可以是晶体管。如果降压变换器72的工作频率是固定的，则功率输入与每个周期穿过顶部开关76的电荷量成比例。因此，换流器(例如，52)和积分器73可用于确定每个周期提供的功量(能量)。当功量达到期望值时，开关周期的结束可被触发。在固定频率工作期间，这表示每单位时间提供的功量，即所提供的功率量。这种测量于是可方便地用作对电源的快速输入功率测量52，前馈控制环路53可基于该测量。

此外，当DC部分的开关频率不恒定时，正如谐振反相器技术的情形，通过以下方式：即其可用于将经由电源30的输入端子进入电源30的输入功率维持为恒定值的方式，每周期积分的电荷的期望值可被确定为输入电压和开关频率的函数。这种前馈调节能够以逐个脉冲为基础执行，且使调节器滞后仅一个周期(即电源的一个周期)。因而这种测量的时间间隔可以很短，例如1或2微秒。一种补偿频率变化的方式是利用缓变基准而不是常数将按周期积分的电荷信息发送到比较器。当积分的电荷与自周期开始后经过的时间成比例时，达到比较器的断路点。这种技术可用于以逐个周期为基础维持恒定功率。

基于以上的描述，替换实施例对于本领域的技术人员将变得显而易见。例如，实施例包括升压调节器，对于该调节器恒定输入功率要求电感器电流维持恒定。此外，可使用其它PWM开关拓扑，以及诸如谐振反相器之类的频率控制拓扑。这些可包括以类似方式控制的隔离变压器，从而以逐个脉冲为基础维持恒定输入功率。

图5示出本发明的详细实施例，其包括附加细节和任选组件。DC功率源32向诸如DC开关电源之类的DC功率部分30提供功率。输入电流测量52被示出位于电源30的输入侧，但它也可位于例如功率部分30和变换器91之间的输出侧。如参照图4描述的，来自52的输入测量信号可通过积分器73和设定值比较器74传送。

实施例包括不同的比较器74功能。例如，来自输入测量信号52的输入功率可与功率设定值相比较，以确定所计算的前馈误差，且该误差可由控制电路35使用。这种误差用于调节至电源的控制信号38。在其它实施例中，输入信号52可例如利用算法或预定的值表进行比较，从而来自比较器的输出结果根据本领域的技术人员已知的控制原理和技术由预定功能确定。这种输入功率调节可非常快速地工作，包括电源的每个周期一次的频率。

控制电路35还可从输出功率测量18接收反馈功率信号。这种反馈信号可与功率输出设定值相比较以确定所计算的反馈误差，且该反馈误差和所计算的前馈误差可由控制电路35相加以确定控制信号38。用于反馈误差计算的功率输出设定值可与用于前馈误差计算的功率输出设定值相同，或者它可以是不同的。在任一种情形中，然后可利用各种技术进行前馈和反馈信号的加权。

与很多常规的控制系统不同，前馈控制环路53应被加权成与反馈控制环路(例如，反馈控制环路33)相比对输出信号(例如控制信号38)有更多影响。该结果可通过测量采样然后更频繁地(以更快的速率)——例如电源的每个周期——使用采样的前馈信号结果并以诸如每周期或10周期或100周期的第二较慢速率使用反馈环路的结果来实现。利用该技术，控制信号因此反映前馈环路的贡献比反馈环路更频繁，因此前馈测量在控制结果38中占优势。

用于使前馈测量52优于反馈测量18的另一种技术是以相同频率采样每个环路，但结合加权乘法器，该乘法器增大前馈信号或误差结果和/或减小反馈信号或误差结果。当确定控制信号38时，即使以相同频率采样两个环路，来自反馈环路的误差结果与来自前馈环路的误差相比也因此总是具有较小的影响。以此方式，加权因数可导致所调节前馈环路的速率大于补偿反馈控制环路的速率，即使前馈测量信号52和反馈功率输出信号以相同频率采样。在某些实施例中，反馈控制环路18可被加权至对控制信号38没有影响的程度。用于实现上述不同类型的加权结果的其它技术对技术人员将是显然易见的，诸如平均、利用定时平均值、各种采样技术、统计技术等。这些方法的结果是控制电路35主要基于输入信号但也基于反馈功率信号18将控制信号38输出到电源。

电源30对控制信号38的响应比前馈或反馈控制环路都快。控制信号38可利用脉宽调制技术(对于恒定频率电源)、利用频率调制或其组合、或利用其它已知的DC开关电源控制技术调节电源30。

DC功率部分30通常馈送到变换器部分91，诸如与整流器结合的降压变换器或谐振变换器。当然，还可使用其它变换器拓扑。本发明的实施例包括在没有中间RF功率发生器(如下所述)的情况下从降压变换器馈送等离子体负载。再次参照图5，变换器的输出任选地穿过输出滤波器92，然后可馈送到RF发生器75。RF发生器75的输出可穿过输出功率测量设备18然后到达诸如等离子体室中的等离子体的电负载40。任选地，匹配网络96可置于RF发生器75和负载40之间。

尽管输入测量52被示为在DC功率部分30的供应侧，但它也可置于其它位置。例如，这种前馈测量信号可在电源30和变换器91之间获得，或者进一步沿下行线在变换器91和输出滤波器92(如果输出滤波器存在的话)之间获得。

类似地，反馈功率测量18还可位于其它位置。例如，当反馈功率测量设备18直接位于负载的上游时，即在匹配网络(如果存在的话)和负载之间，获得最好的功率测量读数。然而，由于成本，它通常位于RF发生器的输出处，即RF发生器75和匹配网络96(如果存在的话)之间。然而，本发明的实施例包括具有功能上置于输出滤波器92(如果存在的话)和RF发生器75之间的反馈信号测量，或者甚至在变换器部分91和输出滤波器92之间的反馈信号测量。当然，可使用这些各种输入和输出信号测量位置的不同组合。

适当的功率输出测量技术可包括电压和/或电流测量，正如以上参照输入测量52讨论的。然而，输出功率测量还可使用已知的工艺和技术来测量正向和反射的功率，从而实现本发明的目的。

本发明的技术具有比图5所描述的实施例更广泛的应用。尽管图5描述了对DC开关电源30的输入侧的前馈测量和RF发生器的输出处的功率输出测量18，但本发明能够以其它方式使用。例如，实施例包括在DC开关电源30的入口处的前馈测量52和在电源30的出口处——例如在变换器91之后——的输出功率测量18。在某些应用中，变换器的输出然后可直接传送到负载。在其它实施例中，对RF发生器的供电不必由DC开关电源提供。在这些实施例中，输入测量52可在RF发生器的输入处进行，且功率输出测量18可位于RF发生器75的出口。RF发生器的输出于是可在存在或不存在匹配网络96的情况下馈送到负载，例如等离子体室。

图6是部分谐振反相器电源的图示。用于RF发生器/功率放大器的恒定DC功率也可利用具有在开关中供应恒定功率且不需要任何电测量的拓扑的DC-DC变换器来供应。一种这样的拓扑是部分谐振反相器100；然而可使用其它类型的已知反相器。

部分谐振反相器100包括一对开关(MOSFET)102a、102b、电感器(L)106、电容器(C)108和四个二极管110a、110b、110c和110d。在工作时，部分谐振反相器100将输入电压变换成方波或其它已知类型的DC波形。方波穿过电感器106和电容器108，由二极管110c、110d夹紧，由变压整流器104耦合并整流，并滤波以获得期望的DC电压，电感器106和电容器108的组合形成LC滤波器。部分谐振反相器100(DC-DC变换器)的输出与RF功率发生器/放大器75的DC输入相连接。RF功率发生器/放大器75如上所述地耦合到等离子体负载40。在某些实施例中，匹配网络96(图5)可如上所述地耦合在RF功率发生器/放大器75和等离子体负载40之间。

电容器108周期性地充电至输入干线电压(+Vin)并在电容器电流通过等离子体负载40时放电。在某些实施例中，等离子体负载40可与变压器隔离。每个充电或放电周期，存放在电阻性负载104中的能量等于CV²/2，而不依赖于负载电阻。因此功率等于F_sw*CV²/2，其中F_sw是开关频率且V是输入电压。电感器106确保电容器108在有限的时间中被完全充电和放电。部分谐振反相器100设计的一个优点是通过改变V或/和F_sw控制输出电压的能力。

尽管这些实施例在本发明的范围内，但如上所述，本发明尤其适用于解决针对利用高频电源的系统的等离子体稳定的问题，且尤其适用于RF电源(即，1MHz至10GHz)。

虽然已参考特定优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员将理解其中可在形式和细节上作各种改变而不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种RF等离子体发生器，包括：

电源；

从所述电源接收功率的部分谐振反相器，所述部分谐振反相器提供通过改变输入电压或开关频率中的至少一个控制的恒定输出功率，其中所述部分谐振反相器包括：

第一电路，用于将来自所述电源的电压变换至期望电压；以及

第二电路，用于将所述期望电压维持在恒定功率水平；以及

从所述部分谐振反相器接收恒定功率的RF发生器。

2.如权利要求1所述的RF等离子体发生器，其特征在于，所述第一电路包括用于将来自所述电源的电压变换至期望电压的多个开关和多个二极管。

3.如权利要求1所述的RF等离子体发生器，其特征在于，所述第二电路包括：

电阻性负载；

耦合到所述电阻性负载的电感器；以及

耦合到所述电感器的电容器，所述电容器被周期性地充电至输入电压电平并在电容器电流通过所述电阻性负载时放电，从而将所述期望电压维持在恒定的功率水平。

4.如权利要求3所述的RF等离子体发生器，其特征在于，所述电感器确保所述电容器被完全充电和放电。

5.如权利要求1所述的RF等离子体发生器，其特征在于，所述RF发生器向等离子体负载供给能量。

6.如权利要求1所述的RF等离子体发生器，其特征在于，还包括在RF发生器和等离子体负载之间耦合的匹配电路。

7.一种用于向等离子体负载传送恒定功率的方法，包括：

从电源接收功率；

通过部分谐振反相器将从所述电源接收的功率变换至通过改变输入电压或开关频率中的至少一个来控制的期望的功率水平，其中所述变换包括通过第一电路将来自所述电源的电压变换至期望电压以及通过第二电路将所述期望电压维持在恒定功率水平；以及

传送所述功率以向所述等离子体负载供给能量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一电路包括用于将来自所述电源的电压变换至期望电压的多个开关和多个二极管。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二电路包括：

电阻性负载；

耦合到所述电阻性负载的电感器；以及

耦合到所述电感器的电容器，所述电容器被周期性地充电至输入电压电平并在电容器电流通过所述电阻性负载时放电，从而将所述期望电压维持在恒定的功率水平。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电感器确保所述电容器被完全充电和放电。

11.一种用于向等离子体负载传送恒定功率的系统，包括：

从电源接收功率的装置；

将从所述电源接收的功率变换至通过改变输入电压或开关频率中的至少一个来控制的期望的功率水平的装置，其中用于变换功率的装置包括用于将来自所述电源的电压变换至期望电压的第一电路，以及用于将所述期望电压维持在恒定功率水平的第二电路；以及

从所述用于变换功率的装置接收功率以及传送所述功率以向所述等离子体负载供给能量的RF发生器。

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