CN102484396B - 用于控制射频功率的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制脉冲功率的方法包括测量来自功率放大器的功率的第一脉冲来获得数据。所述方法还包括产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。所述方法还包括产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。

Description

用于控制射频功率的方法与系统
技术领域
本发明大体涉及等离子体处理设备的控制系统。具体而言，本发明涉及用于控制射频(RF)功率输送系统的系统与方法。
背景
RF功率输送系统通常以约400kHz至约200MHz之间的频率向动态负载提供功率。在科学、工业和医学应用中使用的频率约为2MHz、13.56MHz和27MHz。取决于应用，以脉冲和/或连续波模式将RF功率传输至负载。由于半导体特征的尺寸持续变小，在半导体制造中控制所传输的RF功率变得越发重要。更精确地控制RF功率参数的能力能使半导体制造商获得更小的半导体特征。然而，当将RF功率传输给动态负载时这是非常困难的。
存在各种方法用于控制传输给动态负载的脉冲RF功率。一个方法是使用已知操作参数的查询表格来以逐个脉冲为基础控制所传输的RF功率的幅值和形状。另一个方法是使用在标称操作点附近的优化的、不变的参数估计。第三个方法是使用高带宽和/或高速组件(如，电源感测电路、数字信号处理器、和/或前置调节器)来以逐个脉冲为基础调节所传输的RF功率的幅值和形状。
然而，这些已知方法的每一个都存在问题。在第一和第二个方法中，当处理条件随着查询表格中的值或标称操作点而改变和/或漂移时，性能可降低。在第三个方法中，高速组件极大地增加了控制系统的成本。另外，由于与高增益和高带宽系统相关联的电噪声，控制系统易经受性能下降。
存在多种方法用于将RF功率传输系统从脉冲模式转换到连续波模式。一个已知方法是使用开环系统，其中固定RF功率放大器的输入电压，且通过转换RF功率放大器开和关来产生脉冲。然而，开环系统欠缺基于负载处操作条件的改变而修改所传输的功率的能力。进一步，开环系统不能补偿在为等离子处理应用使用低频脉冲时发生的大量等离子震荡。在脉冲和连续波功率之间转换的另一个已知方法是在功率传输模式之间暂时地停止处理。然而，暂时地停止处理导致系统启动之后的不规则处理。另外，暂时停止处理导致不稳定的等离子，因为功率并不是不变的。最后，暂时地停止处理增加了处理和循环时间。
概述
本发明一般特征在于用于控制提供给动态负载的脉冲RF功率的系统和方法。一个优势是本发明允许闭环系统更精确地且更准确地控制输送给动态负载的脉冲RF功率(如，高频和/或低频脉冲功率)。另一个优势是本发明允许所传输的RF功率的逐个脉冲的控制。在低频系统中，本发明可允许脉冲形状(如，脉冲的“平坦度”和/或幅值)的逐个脉冲的控制。在一些实施例中，使用相比已知系统和方法中的组件而言更低成本的组件来实现逐个脉冲的控制。例如，可使用低带宽和/或低速组件。又一个优势是本发明允许在处理条件相比于查询表格中的值或标称操作点变化和/或漂移时，在不降低，例如，功率参数的精确性的情况下，允许传输给动态负载的功率的逐个脉冲的控制。另一个优势是本发明允许可重复的、高精确度的功率控制。
在一方面，本发明特征在于用于控制脉冲功率的方法。所述方法包括测量来自功率放大器的功率的第一脉冲来获得数据。所述方法还包括产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。所述方法还包括产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
在一些实施例中，所述方法包括提供所述第二信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。在一些实施例中，所述方法包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中，所述方法包括计算所述第一脉冲的峰值和所述第一脉冲的基本稳定的部分之间的形状差异。在一些实施例中，所述方法还包括将所述第二信号相关联于所述形状差异。
在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和第一脉冲的基本稳定部分之间的功率偏移量。所述方法可包括将所述第一信号相关联于所述功率偏移量。在一些实施例中，所述方法包括提供所述第一信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。所述方法可包括将所述第一信号相关联于所述电压源的占空比输入。
在另一方面，本发明特征在于功率传输的方法。该方法包括从功率放大器将功率以连续波模式传输到负载。该方法还包括在反馈环中产生信号来控制所传输的功率，该信号相关联于功率控制算法。该方法还包括调节所述控制算法中的单个变量来将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。
在一些实施例中，该方法包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括过滤所述数据来提供基本稳定的功率测量。在一些实施例中，所述方法包括提供信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。所述方法可包括将所述信号相关联于所述电压源的占空比输入。
在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和所传输的功率之间的功率偏移量。在一些实施例中，该方法包括测量所传输的功率来获得数据。在一些实施例中，该方法包括产生第二信号来调节所传输的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。在一些实施例中，所述方法包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中，所述方法包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点与脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。
在另一方面，本发明特征在于功率传输的方法。本方法包括降功率从功率放大器以连续波模式传输到负载。本方法还包括测量传输至负载的功率。本方法还包括使用反馈环产生表示所传输的功率的信号来控制所传输的功率的幅值，该信号对应于功率控制算法。本方法还包括调整算法中的单个变量经由同一个反馈环将脉冲功率传输至负载。
在一些实施例中，该方法包括基于相关联于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括基于对应于所述单个变量的输入来激活所述反馈环中的开关，所述开关与功率放大器电通信。在一些实施例中，该方法包括过滤所述数据来提供基本稳定的功率测量。
在一些实施例中，所述方法包括提供信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。在一些实施例中，所述方法包括将所述信号相关联于所述电压源的占空比输入。在一些实施例中，所述方法包括计算功率设定点和所传递的功率之间的功率偏移量。
在一些实施例中，该方法包括测量所传递的功率来获得数据。该方法可包括产生第二信号来调节所传递的脉冲功率的形状，所述第二信号相关联于所述数据来最小化脉冲峰值与脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。所述方法可包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。在一些实施例中，该方法包括将所述信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和脉冲的基本稳定部分之间的功率差异。
本发明，在另一方面，特征在于将脉冲或连续波的RF功率传输给负载的系统。该系统包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，该电压功率转换器适于产生脉冲RF功率或连续波RF功率。该系统还包括耦合至电压功率转换器的输出的RF功率放大器，该RF功率放大器适于将RF功率传输到负载。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第一输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化脉冲功率的峰值和脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当脉冲RF功率处于第一模式时来操作。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第二输入的功率设定点控制环，所述功率设定点控制环适于最小化RF功率设定点和传输至负载的RF功率之间的功率差异。
在一些实施例中，功率设定点控制环耦合至电压源的输出。在一些实施例中，该功率设定点控制环包括电压偏移电路，该电压偏移电路被设置为测量从电压源输出的电压和来自功率设定点控制环的电压设定点之间的电压偏移量。
在一些实施例中，功率设定点控制环包括与RF功率放大器的输出电通信的开关。该开关可具有与脉冲RF功率的脉冲频率相关联的开关频率。在一些实施例中，该系统包括耦合至电压功率转换器的输出以及负载的输入的匹配网络。在一些实施例中，功率设定点控制环包括耦合至电压源的第二输入和脉冲设定点控制环的输出调整模块，所述输出调整模块提供占空比输入到电压源。电压源可以是降压调节器。在一些实施例中，功率设定点控制环包括数字模拟转换器。
本发明，在另一方面，特征在于将脉冲或连续波的RF功率传输给负载的系统。该系统包括耦合至电压源的输出的电压功率转换器，该电压功率转换器适于产生脉冲RF功率或连续波RF功率。该系统还包括耦合至电压功率转换器的输出的RF功率放大器，该RF功率放大器适于将RF功率传输到负载。该系统还包括耦合至RF功率放大器的输出和电流设定点输出的第一控制电路。该系统还包括耦合至电压源的输入和电压源的输出的第二控制电路，所述第二控制电路与电流设定点电通信。第一和第二控制电路组合，适于最小化RF功率设定点和传输至负载的RF功率之间的功率差异。
在一些实施例中，该系统包括耦合至电压源的输出和第二控制电路的电压设定点输出的第三控制电路。在一些实施例中，该系统含有与RF功率放大器的输出电通信的开关的第一控制电路。在一些实施例中，该系统含有与开关和RF功率放大器的输出电通信的至少一个过滤器。在一些实施例中，该至少一个过滤器适于提供基本稳定的功率测量。
在一些实施例中，该系统包括耦合至第二控制电路的至少一个前馈输入。该至少一个前馈输入可包括电压设定点输入。该至少一个前馈输入可包括电流设定点输入。在一些实施例中，该第二电路包括调节模块，所述调节模块提供占空比输入给电压源。在一些实施例中，该系统包括耦合至RF功率放大器的输出和电压源的第二输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化脉冲功率的峰值和脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当脉冲RF功率处于第一模式时来操作。
在另一方面，本发明特征在于同步功率传输系统的方法。该方法包括从主功率传输系统产生主脉冲功率。该方法还包括产生同步脉冲信号，该同步脉冲信号具有相关联于所述主脉冲频率的脉冲频率的第一频率。该方法还包括自从功率传输系统产生从脉冲功率。该方法还包括将从脉冲功率与同步脉冲信号进行同步。
在一些实施例中，同步步骤包括基于所述同步脉冲信号的第一频率而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，计算步骤包括测量同步信号的下降沿和上升沿之间的时段。
在一些实施例中，该方法包括基于所述同步脉冲信号的下降沿而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，该方法包括基于所述同步脉冲信号的上升沿而计算所述从脉冲功率的第二频率。在一些实施例中，该方法包括相对于所述主脉冲功率而延迟所述从脉冲功率的相位。
在一些实施例中，该方法包括从所述主功率传输系统接收同步脉冲信号。在一些实施例中，该方法包括从外部信号发生器接收同步脉冲信号。
在另一方面，本发明特征在于用于同步功率传输系统的系统。该系统包括适于产生主脉冲功率的主功率传输系统。该系统还包括与所述主功率传输系统电通信的外部信号发生器。该系统还包括与所述外部信号发生器电通信的从功率传输系统，其中所述从功率传输系统产生具有与由外部信号发生器所产生的同步信号相关联的频率的从脉冲功率。
附图说明
本发明的上述和其他对象、特征和优点以及本发明本身从与不一定按比例绘制的附图一起审阅时的以下说明性描述得到更全面的理解。
图1是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。
图2是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。
图3是根据本发明的说明性实施例，RF功率信号随脉冲而变化的图形化表示。
图4是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统的示意图。
图5A是根据本发明的说明性实施例，主-从RF功率传输系统的示意图。
图5B是根据本发明的说明性实施例的将图5A的从RF功率传输系统与图5A的主RF功率传输系统同步的图形化表示。
图6A是根据本发明的说明性实施例的带有外部触发器的主-从RF功率传输系统的示意图。
图6B是根据本发明的说明性实施例的将图6A的从RF功率传输系统与图6A的主RF功率传输系统同步的图形化表示。
图6C是根据本发明的另一个说明性实施例的将图6A的从RF功率传输系统与图6A的主RF功率传输系统同步的图形化表示。
图7是根据本发明的说明性实施例的主-从RF功率传输系统中同步脉冲的图形化表示。
具体实施方式
图1是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统100的示意图。系统100包括电耦合至电压功率转换器108的电压源104。电压源104提供DC电压信号106给电压功率转换器108。在一些实施例中，电压源104是降压调节器(buck regulator)。降压调节器接收未经调节的输入电压并产生较低的、经调节的输出电压。
电压功率转换器108基于来自电压源104的DC电压信号106而创建DC功率信号110(如，脉冲信号或连续波信号)。电压功率转换器108基于提供给电压功率转换器108的同步信号188的性质而输出脉冲或连续波信号。如果同步信号188是脉冲信号(如图所示)，由电压功率转换器108输出的DC功率信号110是具有与同步信号188的脉冲一样的频率与周期的DC功率的脉冲。如果，然而，同步信号188是连续波信号(未示出)，则由电压功率转换器108输出的DC功率信号110是连续波DC功率信号。
电压功率转换器108电耦合至功率放大器112(如，RF功率放大器)。电压功率转换器108提供DC功率信号110到功率放大器112。功率放大器112基于从电压功率转换器108接收到的DC功率信号110而输出RF功率信号114。功率放大器112可输出具有与DC功率信号的性质一样的性质(如，脉冲或连续波)或具有不同性质的RF功率信号。在一些实施例中，功率放大器112输出对于负载124而言是理想的RF功率信号，其具有由操作者选择(或者由过程控制器指定)的性质。
功率放大器112的操作射频可被手动地(开环)或自动地(闭环)调整到特定功率。在上述两种情况下，操作者提供最小和最大的可容许的频率极限(如，中心频率13.56MHz的±5％)给控制系统192或功率放大器112。在一些实施例中，最小和最大频率极限是基于负载的性质，例如，来最大化从功率放大器112转移到负载124的功率。在另一个实施例中，当以脉冲操作模式来操作该系统时，操作者指定输入到控制系统192的脉冲频率和占空比。脉冲频率和占空比的理想值是基于负载的特性的。在一些实施例中，功率放大器112输出频率位于约400kHz到约200MHz之间的RF功率信号114。在科学、工业和医学应用中使用的典型RF频率约为2MHz、13.56MHz和27MHz。
通过将同步信号188从连续波信号转换为脉冲信号，由功率放大器112所输出的RF功率放大器信号114可被从连续波模式转换到脉冲模式。通过调节功率控制算法(下述等式5)中的单个变量(即，同步信号188)而例如从连续波信号转换为脉冲信号，该功率控制算法将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。类似地，通过将同步信号188从脉冲模式(图示)转换为连续波信号，由功率放大器112所输出的RF功率放大器信号114可被从脉冲模式转换到连续波模式。
功率放大器112将RF功率信号114输出至可选的匹配网络120。在一个实施例中，使用了具有如下标称操作级的功率放大器：300伏特(RMS)；12安培(RMS)和3.5kW。在本发明的一些实施例中使用匹配网络120以匹配功率放大器112和负载114之间的阻抗。理想的是匹配功率放大器112和负载114之间的阻抗来最小化RF功率，否则RF功率会被从负载114反射回功率放大器。匹配网络120响应于从功率放大器112接收到的RF功率信号而输出经修改的RF功率信号114’。在一些实施例中，使用在匹配网络120中所耗散的功率的估计(或所测得的值)来校准系统并修改功率放大器112的输出来确保负载124接收到理想的功率。
经修改的RF功率信号114’被提供给负载124(如，用于处理半导体晶片的等离子处理腔)。在一些实施例中，在过程中负载124的性质(阻抗)变化。负载124的性质可基于例如，等离子腔中处理条件(如，气流速率、气体成分、以及腔压)的变化以及与传输给负载的RF功率相关联的性质(如，峰值RF功率、RF脉冲频率、RF脉冲宽度/占空比)的变化而变化。
RF功率传输系统100还包括控制系统192。功率放大器112与控制系统192的组件电通信。控制系统192提供用于控制RF功率传输系统的各组件(如，电压源104、电压功率转换器108和功率放大器112)的操作的反馈环198。控制系统192包括电耦合至电压源104和输出调节模块132的模拟补偿网络128。输出调节模块132提供控制信号134(如，脉冲宽度调制的控制信号或占空比输入)到电压源104，控制电压源104的输出。
控制系统192还包括第一模拟数字(A/D)转换器136a。A/D转换器136a电耦合至电压源104的输出。控制系统192还包括第二模拟数字(A/D)转换器136b。A/D转换器136b电耦合至探针116的输出。探针116电耦合至功率放大器112来测量由功率放大器112输出的RF功率信号114的性质(如，RF功率信号的数据)。在这个实施例中，探针116输出电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)，这些是对RF功率信号114的测量。Vrf和Irf具有如下形式：
Vrf＝VR+jVI等式1
Irf＝IR+jII等式2
其中VR是Vrf信号的实部分量，VI是Vrf信号的虚部分量，IR是Irf信号的实部分量，II是Irf信号的虚部分量。
在一个实施例中，当RF功率信号114是正弦信号时，由探针116输出的电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)都是正弦信号。在本发明的不同实施例中所用的示例探针116是型号为VI-Probe-4100和VI-Probe-350(MKS仪器股份有限公司，Andover，MA)。
A/D转换器136b采样两个信号(Vrf和Irf)并输出数字信号[数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)]。
数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)被提供给数字信号处理模块196来产生作为功率放大器112的输出功率的数字信号(Pdel_ON)。处理模块196包括数字混频器152、CIC过滤器模块156、开关160、IIR过滤器模块164以及功率计算模块168。数字混频器152将时变信号转换为在特定频率处的信号的实部和虚部分量。通过将所测得的信号与基频的参考余弦以及参考负正弦波相乘获得的分解产生DC分量和倍频正弦波。通过乘以余弦获得的DC分量代表实部分量，且通过乘以负正弦波获得的DC分量代表虚部分量。通过CIC过滤器将倍频分量过滤。
A/D转换器136b的输出(Vrf-dig和Irf-dig)被提供给混频器152。混频器152用数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)执行数学计算来产生数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)的实部和虚部部分，以如下形式：
Vrf-dig＝(VR-dig+2*ω)+j(VI-dig+2*ω)等式3
Irf-dig＝(IR-dig+2*ω)+j(II-dig+2*ω)等式4
其中VR-dig是Vrf的数字版本的实部分量，VI-dig是Vrf的数字版本的虚部分量，IR-dig是Irf的数字版本的实部分量，且II-dig是Vrf的数字版本的虚部分量，且其中数字信号的每一个分量具有等于2*ω的分量，其中ω是A/D转换器的采样频率。然后将这些信号提供给CIC过滤器模块156来移除信号的该2*ω分量。
在一个实施例中，CIC过滤器模块156是低通滤波器。在一个实施例中，低通滤波器的截止频率约为25kHz。例如，CIC过滤器模块156过滤与系统的处理要求相关联的信号频率(如，在科学、工业和医学应用中使用的典型频率约为2MHz、13.56MHz和27MHz)。
将CIC过滤器模块156的输出提供给开关160。通过同步信号188驱动开关160位于打开和关闭的位置。当脉冲大小为1时，开关160被打开，且当脉冲大小为0时，开关被关闭。将开关160的输出提供给IIR过滤器模块164。
当开关160处于关闭位置时，DC信号的当前值被提供给IIR过滤器模块164。当开关160处于打开位置时，DC信号的之前值被提供给IIR过滤器模块164。IIR过滤器模块一般是用于将提供给功率计算模块168的信号平滑的低通滤波器。IIR滤波器模块164一般平滑那些否则由于开关160在打开和关闭位置之间循环而呈现的噪声/高频分量。CIC过滤器模块156和IIR过滤器模块164过滤反馈环198的数字信号处理模块196中的信号来提供稳定的(这个术语包括基本稳定)功率测量(数字信号178)。将IIR过滤器模块164的输出提供给功率计算模块168。功率计算模块基于下述功率控制算法来计算功率：
Pdel_ON＝VR-digIR-dig+VI-digII-dig等式5
功率计算模块168输出数字信号178(Pdel_ON)。信号178是所传输的功率(传输给负载124的功率)。操作者或处理器(未示出)将功率设定点信号184(Psp)提供给RF功率传输系统100，该设定点信号是理想地提供给负载124的RF功率信号。在一些实施例中，在处理器上实现系统的理想操作的数学模型来产生功率设定点信号184。求和模块180c基于下式计算功率偏移量，即功率设定点信号184和功率计算模块168的输出之间的差异(误差e)：
e＝Psp-Pdel_ON  等式6
如果功率设定点信号184和功率计算模块168的输出之间的差异为零，则功率放大器112正在提供理想的RF功率信号给负载124。如果差异不是零，则该系统工作产生了差异(误差e)。
RF功率传输系统100包括接收求和模块180c的输出(即，功率设定点信号184和功率计算模块168的输出170之间的差异)的第一控制器模块144。控制器模块144企图通过计算并输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(即，功率计算模块168的输出)和理想的设定点(即，功率设定点184)之间的误差。
在一个实施例中，控制器模块144是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器144对于现有误差的反应，积分值确定基于现有误差的总和的控制器144的反应，且微分值确定基于误差改变的速率的控制器144的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理：
V control = k p e + k i ∫ edτ + k d de dt 等式7
其中kp是PID控制算法的比例分量的标量常数，ki是PID控制算法的积分分量的标量常数，kd是PID控制算法的微分分量的标量常数，且e是等式6中所计算的误差。
在本发明的这个实施例中，控制器144输出最终提供给输出调节模块132的信号。输出调节模块132控制电压源104的操作，电压源104接着最终控制由功率放大器112输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如，状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。
使用求和模块180b来将控制器144的输出(Vcontrol)与第一前馈信号172组合(如，求和)来产生电压设定点信号(Vsp)。第一前馈信号172一般使用系统100的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第一前馈信号172作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第一前馈信号172。一般使用前馈信号来确保对于基于系统信息和参数的给定设定点的更快速的收敛。此外，可使用非线性前馈信号结合线性反馈功能(如，PID控制)来获得非线性系统中的快速控制。
求和模块180d计算电压设定点信号(Vsp)和A/D转换器136a的输出之间的差异。A/D转换器136a采样电压源104的输出并产生电压源104的输出(Vbuck)的数字版本。求和模块180d基于下式计算电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异(误差ev)：
ev＝Vsp-Vbuck等式8
如果电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异为零，功率放大器112正在提供理想的RF功率信号给负载124。如果差异不是零，系统工作以减少差异(误差ev)。
RF功率传输系统100还包括接收求和模块180d的输出(即，电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异)的第二控制器模块148。控制器模块148企图通过计算并且然后输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(即，电压源104的输出)和理想的设定点(即，功率设定点Vsp)之间的误差。
在一个实施例中，控制器模块148是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器148对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器148的反应，且微分值基于误差改变的速率确定控制器148的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理：
I control = k pv e v + k vi ∫ e v dτ + k dv de v dt 等式9
其中kpv是PID控制算法的比例分量的常数值，kiv是PID控制算法的积分分量的常数值，kdv是PID控制算法的微分分量的常数值，且ev是等式8中所计算出的误差。
在本发明的这个实施例中，控制器148输出最终提供给输出调节模块132的信号。输出调节模块132控制电压源104的操作，电压源104接着最终控制由功率放大器112输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如，状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。
使用求和模块180a来将控制器148的输出与第二前馈信号176组合(如，求和)来产生电流设定点信号(Isp)。第二前馈信号176一般使用系统100的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第二前馈信号176作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第二前馈信号176。
将电流设定点信号(Isp)提供给数字模拟转换器140，后者产生电流设定点信号(Isp)的模拟信号版本。将电流设定点信号(Isp)的模拟信号版本提供给模拟电路补偿网络128。模拟电路补偿网络128还接收从电压源104所测得的电流信号(Imeas)。在这个实施例中，模拟电路补偿网络128是超前-滞后补偿网络，其增加了系统中的相位容限并提供信号给输出调节模块132。如上所述，输出调节模块132提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号)到电压源104，控制电压源104的输出。
图2是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统200的示意图。系统200包括电耦合至电压功率转换器208的电压源204。电压源204提供DC电压信号207给电压功率转换器208。在一些实施例中，电压源204是降压调节器。降压调节器接收未经调节的输入电压并产生较低的、经调节的输出电压。电压功率转换器208基于来自电压源204的DC电压信号207而创建DC功率信号211(如，脉冲信号或连续波信号)。电压功率转换器208基于提供给电压功率转换器208的同步信号288的性质而输出脉冲或连续波信号。如果同步信号288是脉冲信号(如图所示)，由电压功率转换器208输出的DC功率信号211是具有与同步信号288的脉冲一样的频率与周期的DC功率的脉冲。如果，然而，同步信号288是连续波信号(未示出)，则由电压功率转换器208输出的DC功率信号211是连续波DC功率信号。
电压功率转换器208电耦合至功率放大器212(如，RF功率放大器)。电压功率转换器208提供DC功率信号211到功率放大器212。功率放大器212基于从电压功率转换器208接收到的DC功率信号211而输出RF功率信号213。功率放大器212可输出具有与DC功率信号的性质一样的性质(如，脉冲或连续波)或具有不同性质的RF功率信号213。在一些实施例中，功率放大器212输出具有对于负载224而言是理想的、且由操作者选择(或者由过程控制器指定)的性质的RF功率信号213。在一些实施例中，功率放大器212输出频率位于约400kHz到约200MHz之间的RF功率信号。在科学、工业和医学应用中使用的典型RF频率约为2MHz、13.56MHz和27MHz。
通过将同步信号288从连续波信号转换为脉冲信号，由功率放大器212所输出的RF功率放大器信号213可被从连续波模式转换到脉冲模式。通过调节功率控制算法(下述等式13)中的单个变量(即，同步信号288)而例如从连续波信号转换为脉冲信号，该功率控制算法将所传输的功率从连续波模式转换为脉冲模式。类似地，通过将同步信号288从脉冲模式(图示)转换为连续波信号，由功率放大器212所输出的RF功率放大器信号213可被从脉冲模式转换到连续波模式。
功率放大器212将RF功率信号213输出至可选的匹配网络220。在本发明的一些实施例中使用匹配网络220以匹配功率放大器212和负载224之间的阻抗。理想的是匹配功率放大器212和负载224之间的阻抗来最小化RF功率，否则RF功率会被从负载224反射回功率放大器。匹配网络220响应于从功率放大器212接收到的RF功率信号213而输出经修改的RF功率信号213’。
经修改的RF功率信号113’被提供给负载224(如，用于处理半导体晶片的处理腔)。在一些实施例中，在过程中负载224的性质(阻抗)变化。负载224的性质可基于例如，等离子腔中处理条件(如，气流速率、气体成分、以及腔压)的变化以及与传输给负载的RF功率相关联的性质(如，峰值RF功率、RF脉冲频率、RF脉冲宽度/占空比)的变化而变化。
RF功率传输系统200还包括控制系统292。功率放大器212与控制系统292电通信。控制系统292提供用于控制RF功率传输系统200的各组件(如，电压源204、电压功率转换器208和功率放大器212)的操作的反馈环298。控制系统292包括电耦合至电压源204和输出调节模块232的模拟补偿网络228。输出调节模块232提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号或占空比输入)到电压源204，控制电压源204的输出。
控制系统292还包括第一模拟数字(A/D)转换器236a。A/D转换器236a电耦合至电压源204的输出。控制系统292还包括第二模拟数字(A/D)转换器236b。A/D转换器236b电耦合至探针216的输出。探针216电耦合至功率放大器212来测量由功率放大器212输出的RF功率信号的性质(如，RF功率信号的数据)。在这个实施例中，探针216输出RF功率信号的电压信号(Vrf)和电流信号(Iff)，它们是RF功率信号213的测量。Vrf和Irf具有如下形式：
Vrf＝VR+jVI等式9
Irf＝IR+jII等式10
其中VR是Vrf信号的实部分量，VI是Vrf信号的虚部分量，IR是Irf信号的实部分量，II是Irf信号的虚部分量。
在一个实施例中，由探针216输出的电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)都是正弦信号。在本发明的不同实施例中所用的示例探针216是型号为VI-Probe-4100和VI-Probe-350(MKS仪器股份有限公司，Andover，MA)。A/D转换器236b采样两个信号(Vrf和Irf)并输出数字信号[数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)]。
数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)被提供给数字信号处理模块296来产生作为功率放大器212的输出功率的数字信号(Pdel)。处理模块296包括数字混频器252、CIC过滤器模块256、以及功率计算模块268。A/D转换器236b的输出(Vrf-dig和Irf-dig)被提供给混频器252。混频器252用数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)执行数学计算来产生如下形式的数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)的实部和虚部部分：
Vrf-dig＝(VR-dig+2*ω)+j(VI-dig+2*ω)等式11
Irf-dig＝(IR-dig+2*ω)+j(II-dig+2*ω)等式12
其中VR-dig是Vrf的数字版本的实部分量，VI-dig是Vrf的数字版本的虚部分量，IR-dig是Irf的数字版本的实部分量，且II-dig是Irf的数字版本的虚部分量，且其中数字信号的每一个分量具有等于2*ω的分量，其中ω是A/D转换器的采样频率。然后将这些信号提供给CIC过滤器模块256来移除信号的该2*ω分量。将CIC过滤器模块256输出的DC信号输出提供给功率计算模块268。功率计算模块基于下述功率控制算法来计算功率：
Pdel＝VR-digIR-dig+VI-digII-dig等式13
功率计算模块268输出数字信号278(Pdel)。信号278是所传输的功率(即，传输给负载224的功率)。操作者或处理器(未示出)将功率设定点信号284(Psp)提供给RF功率传输系统200，该设定点信号是理想地提供给负载224的RF功率信号。在一些实施例中，在处理器上实现系统的理想操作的数学模型来产生功率设定点信号284。
图3是数字信号302的图300的图形化表示，数字信号302是图2的数字信号278(Pdel)。参考图3，根据图2中所描述的本发明的说明性实施例，作为应用用于控制功率传输的方法的结果，数字信号278随脉冲而变化。图300的Y轴是由功率放大器212输出的RF功率信号213的数字表示。图的X轴是时间。在这个实施例中，图300示出由功率放大器212输出的功率的三个脉冲[304a、304b以及304c(一般地，304)]。理想的是对于每一个脉冲304而具有不变值Psp(功率设定点)。然而，实践中，脉冲304不是理想脉冲且因此在理想脉冲和由功率放大器212输出的功率的实际脉冲之间存在误差。
系统200修正理想脉冲和由功率放大器212输出的功率的实际脉冲之间的误差。每一个脉冲304的误差用第一误差分量e1和第二误差分量e2来表征。误差分量e1是功率设定点(Psp)和所传输的功率Pdel的基本稳定部分(稳定状态)之间的误差。用于计算误差分量e1的Pdel的值是位于脉冲尾部的功率。误差e1(n)是第n个脉冲的第一误差分量，且优选作为图2中的功率偏移量误差(e1)。误差分量e2是脉冲所传输的峰值功率(Pdel_peak)和所传输的功率Pdel的基本稳定部分(稳定状态)之间的误差。误差e2(n)是第n个脉冲的第二误差分量，且在图2中称为脉冲形状误差(e2)。在操作中，功率传输系统200从第一脉冲(如，脉冲304a)中减少误差e1和e2为接下来的、第二脉冲(如，脉冲304b)。类似地，功率传输系统200减少在每一组相继脉冲(如，第一脉冲304b到后继的第二脉冲304c)之间的误差e1和e2。
同步信号288的第一脉冲提供给电压功率转换器208。电压功率转换器208提供DC功率脉冲(DC功率信号211)到功率放大器212。功率放大器212输出功率的第一脉冲(RF功率信号213)到匹配网络220。探针216测量功率的脉冲(RF功率信号213)并输出该RF功率信号的电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)到A/D转换器236b，如之前所述的。功率计算模块268接收A/D转换器236b的输出并输出该数字信号(Pdel)，如上所述。
将功率偏移量误差(e1)提供给功率偏移量自适应控制环模块214。还将功率设定点Psp提供给模块214。模块214基于以下自适应算法来计算功率偏移量信号(Poffset)：
d ( P offset ) dt = k offset ( P sp - P del _ end ) 等式14
其中koffset是由操作者选择的以获得理想的脉冲功率的标量常数。求和模块280c对Poffset和占空比模块210的输出求和，并从这个和中减去Pdel。基于下式确定求和模块280c的输出(误差e)：
e＝Psp·D-Pdel等式15
其中D是由占空比模块210所设定的占空比。将求和模块280c的输出提供到控制器244。
控制器244企图减少所测得的处理变量(即，功率求和模块268的输出Pdel)与功率设定点(Psp)和功率自适应控制模块214的输出之和之间的误差。
在一个实施例中，控制器模块244是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器244对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器244的反应，且微分值基于误差改变的速率确定控制器244的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理：
V control = k p e + k i ∫ edτ + k d de dt 等式16
其中kp是PID控制算法的比例分量的标量常数，ki是PID控制算法的积分分量的标量常数，kd是PID控制算法的微分分量的标量常数，且e是等式15中所计算出的误差。
在本发明的这个实施例中，控制器244输出最终提供给输出调节模块232的信号。输出调节模块232控制电压源204的操作，电压源104接着最终控制由功率放大器212输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如，状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。
使用求和模块280b来将控制器244的输出(Vcontrol)与第一前馈信号272组合(如，求和)来产生电压设定点信号(Vsp)。第一前馈信号272一般使用系统200的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第一前馈信号272作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第一前馈信号272。
求和模块280d计算电压设定点信号(Vsp)和A/D转换器236a的输出之间的差异。A/D转换器236a采样电压源204的输出并产生电压源204的输出(Vbuck)的数字版本。求和模块280d基于下式而计算电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异：
ev＝Vsp-Vbuck等式17
如果电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异(误差ev)是零，功率放大器212正在提供理想的RF功率信号给负载224。
RF功率传输系统200还包括接收求和模块180d的输出(即，电压设定点信号(Vsp)和Vbuck之间的差异)的第二控制器模块248。控制器模块248企图通过计算并且然后输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(即，电压源204的输出)和理想的设定点(即，功率设定点Vsp)之间的误差。
在一个实施例中，控制器模块248是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器248对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器248的反应，且微分值基于误差改变确定速率的控制器248的反应。使用这三个反应的加权和来基于下式经由控制元件来调节处理：
I control = k pv e v + k vi ∫ e v dτ + k dv de v dt 等式18
其中kpv是PID控制算法的比例分量的常数值，kiv是PID控制算法的积分分量的常数值，kdv是PID控制算法的微分分量的常数值，且ev是用等式17所确定的误差。
在本发明的这个实施例中，控制器248输出最终提供给输出调节模块232的信号。输出调节模块232控制电压源204的操作，电压源204接着最终控制由功率放大器212输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如，状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。
使用求和模块280a来将控制器248的输出与第二前馈信号276组合(如，求和)来产生电流设定点信号(Isp)。第二前馈信号276一般使用系统200的理想操作的数学模型而产生。在一些实施例中，第二前馈信号276作为时间(t)的函数而变化。在一些实施例中，由操作者产生第二前馈信号276。
将电流设定点信号(Isp)提供给数字模拟转换器240，后者产生电流设定点信号(Isp)的模拟信号版本。将电流设定点信号(Isp)的模拟信号版本提供给模拟线路补偿网络228。模拟电路补偿网络228还接收从电压源204所测得的电流信号(Imeas)。在这个实施例中，模拟电路补偿网络228是超前-滞后补偿网络，其增加了系统中的相位容限并提供信号给输出调节模块232。如上所述，输出调节模块232提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号)到电压源204，控制电压源204的输出。
然而，下降延迟自适应控制环模块218也影响由电压源204输出的DC电压信号207。下降延迟自适应控制环模块218补偿通过使用求和模块280e基于下式而确定的误差e2(参考图2和3)：
e2＝Pdel_end-Pdel_peak  等式19
将误差信号(脉冲形状误差e2)提供给下降延迟自适应控制环模块218。也将同步信号288提供给下降延迟自适应控制环模块218。控制环模块218应用下式来补偿时间延迟(τbuck_dlye)：
d ( τ buck _ dlye ) dt = - k dly ( P del _ end - P del _ peak ) 等式20
其中τbuck_dlye是DC功率到电压源204的应用和由功率放大器输出的RF功率的理想大小的传输之间的时间，且kdly是由操作者选择来实现理想功率的标量常数。
图4是根据本发明的说明性实施例的RF功率传输系统400的示意图。系统400包括电耦合至电压功率转换器408的电压源404。电压源404提供电压(如，DC电压)给电压功率转换器408。在一些实施例中，电压源404是降压调节器。电压功率转换器408基于来自电压源404的电压而创建DC功率信号(如，脉冲信号或连续波信号)。
电压功率转换器408电耦合至功率放大器412(如，RF功率放大器)。电压功率转换器408提供DC功率信号到功率放大器412。功率放大器412基于从电压功率转换器408接收到的DC功率信号而输出RF功率信号414。功率放大器412可输出具有与DC功率信号的性质一样的性质(如，脉冲或连续波)或具有不同性质的RF功率信号414。在一些实施例中，功率放大器412输出具有对于负载424而言是理想的、且由操作者选择(或者由过程控制器指定)的性质的RF功率信号414。在一些实施例中，功率放大器412输出频率位于约400kHz到约200MHz之间的RF功率信号。在科学、工业和医学应用中使用的典型RF频率约为2MHz、13.56MHz和27MHz。
功率放大器412将RF功率信号输出至可选的匹配网络420。在本发明的一些实施例中使用匹配网络420来匹配功率放大器412和负载424之间的阻抗。理想的是匹配功率放大器412和负载424之间的阻抗来最小化RF功率，否则RF功率会被从负载424反射回功率放大器。匹配网络420响应于从功率放大器412接收到的RF功率信号而输出经修改的RF功率信号。
经修改的RF功率信号被提供给负载424(如，用于处理半导体片的处理腔)。在一些实施例中，在过程中负载424的性质(阻抗)变化。负载424的性质可基于例如，等离子腔中处理条件(如，气流速率、气体成分、以及腔压)的变化以及与传输给负载的RF功率相关联的性质(如，峰值RF功率、RF脉冲频率、RF脉冲宽度/占空比)的变化而变化。
RF功率传输系统400还包括控制系统492。控制系统492包括电耦合至电压源404和输出调节模块432的模拟补偿网络428。输出调节模块432提供控制信号(如，脉冲宽度调制的控制信号)到电压源404，控制电压源404的输出。
控制系统492还包括模拟数字(A/D)转换器436。A/D转换器436电耦合至探针416的输出。探针416电耦合至功率放大器412来测量由功率放大器输出的RF功率信号的性质(如，RF功率信号的数据)。在这个实施例中，探针416输出电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)，它们是RF功率信号414的测量。
Vrf和Irf具有如下形式：
Vrf＝VR+jVI等式21
Irf＝IR+jII等式22
其中VR是Vrf信号的实部分量，VI是Vrf信号的虚部分量，IR是Irf信号的实部分量，II是Irf信号的虚部分量。
在一个实施例中，由探针416输出的电压信号(Vrf)和电流信号(Irf)都是正弦信号。在本发明的不同实施例中所用的示例探针416是型号为VI-Probe-4100和VI-Probe-350(MKS仪器股份有限公司，Andover，MA)。A/D转换器436采样两个信号(Vrf和Irf)并输出数字信号[数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)]。数字电压信号(Vrf-dig)和数字电流信号(Irf-dig)被提供给数字信号处理模块496来产生式功率放大器412的输出功率的数字信号(Pdel)。
操作者或处理器(未示出)将功率设定点信号484(Psp)提供给RF功率传输系统400，该设定点信号是理想地提供给负载424的RF功率信号。在一些实施例中，在处理器上实现系统的理想操作的数学模型来产生功率设定点信号484。
RF功率传输系统400还包括接收Pdel信号(来自处理模块496)和Psp信号(484)的第一控制器模块450。控制器模块450企图通过计算并且然后输出可相应调节处理的修正动作来减少所测得的处理变量(即，处理模块496的输出)和理想的设定点(P_sp 484)之间的误差。控制模块450输出DC电流参考信号到D/A转换器440。D/A转换器输出模拟DC电流参考信号(Iref)到模拟补偿网络428。电压源404提供信号(其时电压源404中的DC电流(Ioc))给模拟补偿网络428。模拟补偿网络428基于DC电流(Ioc)和DC电流参考信号(Iref)而输出占空比信号Vduty到输出调节模块432。输出调节模块432输出PMW信号给电压源404。
在一个实施例中，类似地如参考例如图1和2而在上文描述的那样，控制器450是比例积分微分(PID)控制器模块。比例值确定控制器450对于现有误差的反应，积分值基于现有误差的总和确定控制器450的反应，且微分值基于误差改变的速率确定控制器450的反应。使用这三个反应的加权和来经由控制元件来调节处理。输出调节模块432控制电压源404的操作，电压源404接着最终控制由功率放大器412输出的功率。通过调节PID控制器算法中的三个常数，控制器可提供为特定处理要求而设计的控制动作。可以以控制器对于误差的响应度、控制器过冲设定点的程度、以及系统震荡的程度的形式来描述控制器的响应。可在本发明的可选实施例中使用可选的控制器类型(如，状态空间控制器、自适应控制器、模糊逻辑控制器)。
图5A是根据本发明的说明性实施例，主-从RF功率传输系统500的示意图。系统500包括产生提供给负载508的RF功率的主功率传输系统504(如，图1和图2中各自的RF功率传输系统100或200)。系统500还包括多个(m)从功率传输系统(如，图1和图2中各自的多个RF传输系统100或200)，每一个耦合至主功率传输系统504。
图5A示出产生提供给负载516的RF功率信号的第一从功率供应512。图5A还示出提供RF功率给负载524的功率传输系统#m(520)。图5B是功率传输系统#m(520)与主功率传输系统504的同步的图形化表示。主功率传输系统504产生提供给(m)功率传输系统中的每一个的同步脉冲信号528(参看图5A)。同步脉冲信号528(如，图1的同步信号188和图2的同步信号288)相关联于由主功率传输系统504输出到负载508脉冲功率的频率(fpulse)。系统500将时间延迟φsp(m)施加到同步脉冲信号528并触发从功率传输系统520来产生由从功率传输系统520所产生的从脉冲功率532，藉此用同步脉冲信号528来同步从脉冲功率532。由操作和独立地设定/编程每一个从功率传输系统的相位变化。在一些实施例中，对于每一个从功率传输系统而言相位变化都是一样的。指数m表示此数量的RF发生器从功率传输系统连接至主RF发生器504。脉冲占空比(dc(m))由操作者设定且一般基于负载和系统的理想操作条件而确定。
图6A是根据本发明的说明性实施例，主-从RF功率传输系统600的示意图。系统600包括产生提供给负载604的RF功率的主功率传输系统608(如，图1和图2中各自的RF功率传输系统100或200)。系统600还包括多个(m)个从功率传输系统(如，图1和图2中各自的多个RF传输系统100或200)，每一个耦合至主功率传输系统604。
图6A示出产生提供给负载616的RF功率信号的第一从功率供应612。图6A还示出提供RF功率给负载624的功率传输系统#m(620)。图6B是功率传输系统#m(620)与主功率传输系统604的同步的图形化表示。通过，例如，与主功率传输系统电通信的外部信号发生器，外部同步触发器(如，脉冲串)信号628被提供给主功率传输系统604。外部同步触发器信号628被提供给(m)个功率传输系统的每一个。主功率传输系统604产生RF功率信号且将该RF功率信号基于外部同步触发器信号628传输给负载608。(m)个从功率传输系统的每一个产生RF功率信号并将该RF功率信号基于外部同步触发器信号628传输给相应负载。系统600将时间延迟φsp(m)施加到同步脉冲信号628并触发从功率传输系统620来产生由从功率传输系统620所产生的从脉冲功率632，藉此用同步脉冲信号628来同步从脉冲功率632。指数m表示此数量的RF发生器从功率传输系统连接至主RF发生器604。脉冲占空比(dc(m))由操作者设定且一般基于负载和系统的理想操作条件而确定。
图6C是主功率传输系统604与功率传输系统#m(620)的同步的可选方法图形化表示。该可选方法涉及被用于触发功率传输系统来将RF功率输出到相应负载的单个触发器信号。例如，通过外部触发器源，将外部同步触发器信号628提供至主功率传输系统604。外部同步触发器信号628被提供给(m)个功率传输系统的每一个。主功率传输系统604产生RF功率信号且将该RF功率信号基于外部同步触发器信号628传输给负载608。(m)个从功率传输系统的每一个产生RF功率信号并将该RF功率信号基于外部同步触发器信号628传输给相应负载。系统600将时间延迟φsp(m)施加到同步脉冲信号628并触发从功率传输系统620来产生由从功率传输系统620所产生的从脉冲功率632，藉此用同步脉冲信号628来同步从脉冲功率632。
图7是根据本发明的说明性实施例的主-从RF功率传输系统中同步脉冲的图形化表示。在这个实施例中，信号704是由主功率传输系统(如，图5A的RF功率传输系统)产生的RF功率信号。RF功率系统基于RF功率信号704而产生同步信号708。在这个实施例中，同步信号708是RF功率传输信号704的反相。将同步信号708传输给第一和第二从功率传输系统。第一从功率传输系统产生具有对于第一从功率传输系统专用的时间延迟(slave_dly)和占空比的RF功率信号712。第二从功率传输系统产生具有对于第二从功率传输系统专用的时间延迟(slave_dly)和占空比的RF功率信号716。对于一个从功率传输系统的时间延迟和占空比可以是，但并不必须是，与任何其他从功率传输系统一样的时间延迟和占空比。
在一些实施例中，将从功率传输系统与同步信号同步包括基于同步信号的频率而计算从功率传输系统的第二频率。在一些实施例中，计算该第二频率包括测量同步信号的下降沿和上升沿之间的时段。
此处描述的本发明的实施例在为具有可变负载阻抗的等离子体负载提供功率是有用的。本发明的实施例能在广泛的等离子体条件下稳定等离子体，所述条件包括，例如，等离子体气体种类的快速变化、等离子体气压和/或流速的快速变化、以及在等离子处理过程中所传输的功率电平的快速变化，不会有等离子体不稳定或等离子体漏失(即，等离子体激发的损失)的发生。
使用本发明的各实施例而获得的等离子体处理能力在商用等离子体处理应用中非常有价值，因为它们能允许更快速的等离子体处理转换。更快速的处理转换导致处理吞吐量的上升(以及藉此获得的更低的成本)。通过改进等离子体处理控制(如，在特定工件中或在工件之间随时间的处理性质的可重复性)，等离子体处理能力还提供了制造产量的优势以及等离子体应用中的处理能力的优势。
此处描述的技术和如上所述提供的等离子体处理能力，在包括下述的各种工业和商业应用提供了增加的处理吞吐量(如，每一工件的更低的成本)和改进的处理控制(如，更高的产量)：在半导体制造、太阳能电池制造中对膜或衬底的等离子体蚀刻或活性离子蚀刻(RIE)，或者其他等离子体蚀刻工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的等离子体增强汽相沉积(PECVD)，或者其他PECVD工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的离子化物理汽相沉积(iPVD)，或者其他iPVD工业应用；以及在半导体制造、太阳能电池制造中膜的原子层沉积(ALD)，或者其他ALD工业应用。
在一些实施例中，此处描述的技术提供给用户在高频为RF功率施加脉冲的能力，且提供将源和偏置RF功率脉冲的灵活同步(如，相关脉冲时序和占空比的灵活设定)。此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力能使，例如，数个重要的等离子体参数(包括电子密度和温度、离子密度和温度、正和负离子块，等)的连续、独立变化，这可允许相比用纯CW RF功率所获得的等离子体处理更灵活的优化，且没有对等离子体处理腔内部做物理变化。
此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力还实现扩展的压力/功率操作方法(使用纯CW RF操作无法获得)、具有较低的平均RF功率的更高的蚀刻和沉积速率、减少的热流和工件充电(charging)、以及重要等离子体化学组件的独立调节。
此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力提供具有基本不变的平均等离子体密度的较低的电子温度，其允许减少电子轰击、充电(charging)和对衬底(工件)上的设备的损伤(诸如“槽口”、“微槽”或“蚀刻坑”)，而不减少等离子体处理的吞吐量。
此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力还通过在脉冲关闭(off-pulse)阶段改进成块聚合物与结构的垂直侧壁和底部之间的粘合性并在脉冲打开(on-pulse)阶段能使对离子轰击衬底的能量和数量进行独立控制，提供了改进的蚀刻选择性(靶膜和蚀刻掩模之间、靶膜下的子层之间、或暴露给处理的其他材料之间时刻速率的差异)和各向异性(高纵横比结构中垂直侧壁角度的控制)。这减少了脉冲打开阶段中离子的侧向时刻速率，且改进了工件上不同材料之间的蚀刻选择性，提供了在各应用(诸如栅极蚀刻、槽蚀刻、以及金属蚀刻等离子体处理)中的改进的蚀刻控制。
此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力还通过对衬底的电子能量&温度、平均离子能量、离子能量分布(IED)、总离子流、以及减少的热流的独立控制，提供更高的薄膜沉积速率和PECVD和离子化PVD(iPVD)处理中改进的膜材料性质。
随着工件尺寸(如，半导体制造中晶片直径、太阳能电池制造中面板面积)的增加，在等离子体处理中跨工件的蚀刻速率和沉积速率要获得或维持理想的均一性变得越来越具有挑战性。进一步，对衬底的蚀刻速率、蚀刻选择性、各向异性、伴随的电子充电/损伤(诸如“槽口”和“微槽”)、以及热流变得越来越难以同时优化。具体地，跨工件、特别地具有高纵横比的结构的工件，充足的纵横比变得越来越难以实现。RF脉冲化，特别是RF源和RF偏压发生器的灵活的同步的脉冲化，已知能实现这些冲突的等离子体处理要求独立、同时的优化。例如，同步的源-偏压脉冲被认为是消除了蚀刻处理中两个重要的难题，槽口/微槽损伤和ARDE(依赖纵横比的蚀刻)。进一步，已经报道了，随着高频脉冲，在将衬底处理温度减少到小于1200C时，具有较大面积的衬底(玻璃面板)的蚀刻速率相对于连续RF处理，可增加大于一倍以上。
相应地，因此理想的是提供给用户在高频下对RF功率施加脉冲的能力，还可提供源和偏压RF功率脉冲之间的灵活同步。此处描述的技术提供这样改进的等离子体处理控制并且在包括例如如下的各种工业和商业应用中都是有用的：在半导体制造、太阳能电池制造中对膜或衬底的等离子体蚀刻或活性离子蚀刻(RIE)，或者其他等离子体蚀刻工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的等离子体增强汽相沉积(PECVD)，或者其他PECVD工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的离子化物理汽相沉积(iPVD)，或者其他iPVD工业应用；以及在半导体制造、太阳能电池制造中膜的原子层沉积(ALD)，或者其他ALD工业应用。
在一些实施例中，此处描述的技术提供了对等离子体处理中的工件施加倍频(dual frequency)RF偏压功率(即，来自具有不同频率的两个不同RF发生器的任一个的功率的可调节量)的能力。此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力实现了等离子体中离子能量分布(IED)的平均能量(通过控制两个偏压频率的总体组合的功率)以及IED的宽度(通过调节从两个频率的每一个所施加的功率的比例)的独立调节。这个技术实现两个重要参数的正交控制，独立于等离子体密度，其通过源RF功率&频率、以及处理气压&流动设定而控制。此处描述的技术和所提供的等离子体处理能力还提供对聚合物沉积、蚀刻速率&选择性、蚀刻配置的改进的控制、以及对平均离子能量和离子能量分布宽度的灵活调节的蚀刻CD控制。
独立地控制平均离子能量和IED宽度的能力可提供在，例如，接下来的工业和商业应用中的改进的等离子体密度控制：在半导体制造、太阳能电池制造中对膜或衬底的等离子体蚀刻或活性离子蚀刻(RIE)，或者其他等离子体蚀刻工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的等离子体增强汽相沉积(PECVD)，或者其他PECVD工业应用；在半导体制造、太阳能电池制造中膜的离子化物理汽相沉积(iPVD)，或者其他iPVD工业应用；以及在半导体制造、太阳能电池制造中膜的原子层沉积(ALD)，或者其他ALD工业应用。
对本领域的技术人员而言可进行对本文中所描述内容的变化、修改和其他实现，而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明不是由先前的说明性描述定义，而是相反由所附权利要求书的精神和范围定义。

Claims (27)

1.一种用于控制脉冲功率的方法，包括：
测量来自功率放大器的所传输的功率的第一脉冲来获得数据；
产生第一信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第一信号相关联于所述数据来最小化功率设定点和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的功率差异；以及
产生第二信号来调节所传输的功率的第二脉冲，所述第二信号相关联于所述数据来最小化所述第二脉冲的峰值和所述第二脉冲的基本稳定部分之间的幅值差异。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供所述第二信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于在接收设定点的电压源与电压功率转换器输出功率之间测得的时间延迟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算第一脉冲的峰值和第一脉冲的基本稳定部分之间的脉冲形状误差。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括将所述第二信号相关联于所述脉冲形状误差。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括计算所述功率设定点和所述第一脉冲的所述基本稳定部分之间的功率偏移量。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一信号相关联于所述功率偏移量。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供所述第一信号作为电压源的输入，所述电压源提供电压给电压功率转换器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一信号相关联于所述电压源的占空比输入。
10.用于传输脉冲或连续波RF功率至负载的系统，包括：
耦合至电压源的输出的电压功率转换器，所述电压功率转换器适于产生所述脉冲RF功率或所述连续波RF功率；
耦合至所述电压功率转换器的输出的RF功率放大器，所述RF功率放大器适于将RF功率传输至所述负载；
耦合至所述RF功率放大器的输出和所述电压源的第一输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化所述脉冲功率的峰值和所述脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当所述RF功率处于脉冲模式时来操作；以及
耦合至所述RF功率放大器的所述输出和所述电压源的第二输入的功率设定点控制环，所述功率设定点控制环适于最小化RF功率设定点和传输至负载的所述RF功率之间的功率差异。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环耦合至所述电压源的输出。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括电压偏移电路，所述电压偏移电路被设置为测量从所述电压源输出的电压和来自所述功率设定点控制环的电压设定点之间的电压偏移量。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括与所述RF功率放大器的所述输出电通信的开关。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述开关具有与所述脉冲RF功率的脉冲频率相关联的开关频率。
15.在如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述电压功率转换器的输出以及所述负载的输入的匹配网络。
16.在如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括耦合至所述电压源的所述第二输入和所述脉冲设定点控制环的输出调节模块，所述输出调节模块提供占空比输入给所述电压源。
17.在如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电压源是降压调节器。
18.在如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述功率设定点控制环包括数字模拟转换器。
19.用于传输脉冲或连续波RF功率至负载的系统，包括：
耦合至电压源的输出的电压功率转换器，所述电压功率转换器适于产生所述脉冲RF功率或所述连续波RF功率；
耦合至所述电压功率转换器的输出的RF功率放大器，所述RF功率放大器适于将RF功率传输至所述负载；
耦合至所述RF功率放大器的输出和电流设定点输出的第一控制电路；以及
耦合至所述电压源的输入和所述电压源的输出的第二控制电路，所述第二控制电路与电流设定点电通信，
其中所述第一和第二控制电路组合，适于最小化RF功率设定点和传输至负载的所述RF功率之间的功率差异；且
还包括耦合至所述RF功率放大器的输出和所述电压源的第二输入的脉冲形状控制环，所述脉冲形状控制环适于最小化所述脉冲功率的峰值和所述脉冲功率的基本稳定部分之间的幅值差异，所述脉冲形状控制环适于当所述RF功率处于脉冲模式时来操作。
20.在如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述电压源的所述输出和所述第二控制电路的电压设定点输出的第三控制电路。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第一控制电路还包括与所述RF功率放大器的所述输出电通信的开关。
22.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括与开关和所述RF功率放大器的所述输出电通信的至少一个过滤器。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述至少一个过滤器适于提供基本稳定的功率测量。
24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括耦合至所述第二控制电路的至少一个前馈输入。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述至少一个前馈输入包括电压设定点输入。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述至少一个前馈输入包括电流设定点输入。
27.在如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第二控制电路包括调节模块，所述调节模块提供占空比输入给所述电压源。
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