CN103765772A - 用于阻抗匹配的方法和高频功率供给装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高频（HF）功率供给装置（10，30，50）与负载（14）进行阻抗匹配的方法，所述方法包括以下方法步骤：a.借助调制频率的调制信号（E）对高频功率信号进行频率调制；b.探测与由所述负载反射的功率有关的信号（B）；c.借助解调频率的解调信号解调探测到的信号（B）或由探测到的信号得到的信号（C，D）；d.由经解调的信号（F）产生阻抗匹配信号（G）。

Description

用于阻抗匹配的方法和高频功率供给装置

技术领域

本发明涉及一种用于高频（HF）功率供给装置与负载阻抗匹配的方法。

此外，本发明涉及一种高频（HF）功率供给装置。

背景技术

借助等离子体以及气体激光器对工件的表面处理是以下工业方法：其中，尤其在等离子体腔室中，借助直流电或借助具有在几十kHz至GHz的范围中的工作频率的高频交流信号产生等离子体。

等离子体腔室经由其他的电子部件，如线圈、电容器、导线或变压器连接到高频功率供给装置（HF-Generator：高频发生器）上。所述其他的部件可以是振荡回路、滤波器或阻抗匹配电路。

等离子体过程具有如下问题：在过程期间出现的等离子体腔室的（等离子体的）电负载阻抗取决于等离子体腔室中的状态并且可能剧烈地改变。尤其影响工件、电极和气体比例的性能。

高频功率供给装置具有限定的与所连接的电负载的阻抗有关的工作区域。如果负载阻抗离开允许的区域，则可能发生高频功率供给装置的损坏或甚至毁坏。

出于所述原因，通常需要阻抗匹配电路（Matchbox：匹配箱），所述阻抗匹配电路将负载的阻抗变换到发生器输出端（通常50Ω）的额定阻抗。在错误匹配的情况下，不能提供满功率给负载。换言之，功率的一部分被反射。在额定阻抗的范围内具有以下阻抗范围、即经变换的负载阻抗的范围：在所述阻抗范围内高频功率供给装置稳定地工作并且不受损坏。如果经变换的负载阻抗在所述额定阻抗范围之外，则可能由于反射的功率而发生高频功率供给装置的损坏和不稳定。

已知不同的阻抗匹配电路。或者阻抗匹配电路是固定设定的并具有预给定的变换效果，即由电子构件、尤其是线圈和电容器组成，所述电子构件在运行期间没有被改变。这尤其在始终不变的运行的情况下，例如在气体激光器中是有意义的。

此外，已知以下阻抗匹配电路：其中，阻抗匹配电路的构件中的至少一部分是机械可变的。例如已知电动机驱动的可变电容器，其电容值可以被改变，其方式是，相对彼此改变电容器板的设置。

已知的阻抗匹配网络的问题是，经常相对缓慢地进行阻抗匹配的追踪，例如因为必须先控制电动机，然后电动机才将电容器板重新带到正确的位置上。然而，等离子体的状态、尤其是其阻抗有时改变得非常快。因此，借助传统的阻抗匹配网络经常不能对负载阻抗的改变作出足够快速的反应。另外，通常未知的是，必须如何改变匹配以便使反射的功率最小化并且是否已达到反射功率的局部最小值或全局最小值。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法和一种高频功率供给装置，借助其可以实现高频功率供给装置的输出阻抗与负载的阻抗的快速阻抗匹配。

根据本发明，所述任务通过一种用于高频（HF）功率供给装置与负载阻抗匹配的方法解决，所述方法具有以下方法步骤：

a借助调制频率的调制信号对高频功率信号进行频率调制；

b探测与由负载反射的功率有关的信号；

c借助解调频率的解调信号解调所述探测到的信号或由所述探测到的信号得到的信号；

d由经解调的信号产生阻抗匹配信号。

如果借助优选与高频信号的频率尤其显著偏离的调制频率的调制信号调制高频功率信号，则在等离子体腔室或者等离子体处反射的高频功率信号就显示幅度调制。通过所述幅度调制的信号的解调或与此有关的信号的解调，可以得到阻抗匹配信号、尤其是直流电压，所述直流电压可以直接用于控制阻抗匹配网络或用于影响高频功率信号的频率。尤其通过高频功率信号的频率改变，可以实施非常快速的阻抗匹配。

根据一种方法变型可以规定，相位正确（phasenrichtig）地解调探测到的信号或由所述探测到的信号得到的信号。由此，得到具有正确符号的阻抗匹配信号。因此，具有符号的阻抗匹配信号直接说明，必须向哪个方向进行或者阻抗匹配网络的阻抗或者高频功率信号的频率的改变。因此，不需要其他的算法或分析处理单元用于阻抗匹配。

与由负载反射的功率相关的信号可以是由定向耦合器生成的信号。也可以是在耦合器、尤其是混合耦合器的端口处测量的信号，所述混合耦合器用于组合多个高频发生器的功率。所述端口尤其可以是3dB混合耦合器的端口，在该端口处连接有平衡电阻。可以在高频发生器的最不同的位置上或在阻抗匹配电路中得到所述信号。例如，由一个或多个高频发生器的直流电流供给得到或由阻抗匹配电路的偏置电压测量得到。尤其当运行具有不同相位的两个高频发生器，并且组合这些功率的耦合器相位相关（phasetreu）地组合功率时，在无定向耦合器的情况下得到简单的电流测量或电压测量的许多可能性以生成与由负载反射的功率有关的信号。

调制频率可以小于、尤其明显小于高频功率信号的频率，例如比高频功率信号的频率小超过10倍或100倍。

当具有与调制信号相同频率的信号用作解调信号时，可以简化本方法。当借助该调制信号实现解调时，可以特别简单地实施本方法。在这种情况下，调制信号的频率改变自动导致解调信号的相位正确的频率改变。

经解调的信号可以被滤波，尤其是被低通滤波。由此，可以产生直流电压作为阻抗匹配信号，所述阻抗匹配信号直接输送给高频源或阻抗匹配网络。

调制信号原则上可以采用任意的信号形式。然而，优选的是正弦形的或矩形的。

可以零差解调或外差解调所述探测到的信号或由所述探测到的信号得到的信号。在外差解调中，优选使用本地振荡器（LO）频率用于解调，所述本地振荡器频率可能与高频功率信号的频率相差数百个kHz。在外差解调中，探测到的幅度调制的信号直接转换到低频范围上。具有本地振荡器频率的信号可以涉及调制信号。借助作为本地振荡器的调制信号对幅度调制的信号的外差解调得到一个信号，该信号的符号和幅度直接是用于频率朝更好的匹配方向的调节量。

反之，在零差解调中，本地振荡器和高频信号具有相同的频率。当不采用零差解调时，重要的是，不仅确定幅值而且至少确定与调制信号的相位关系的符号。

在解调之前可以将探测到的信号混频到中间频率上。由此，使探测到的信号的放大和滤波变得容易。信号滤波可以在较低的中间频率上进行。由此，可以使用定频滤波器并且简化信号处理元件的结构。

此外可以规定，复数解调探测到的信号或由探测到的信号得到的信号。这意味着，借助两个解调信号解调，所述两个解调信号在相位上偏移90°。由此，也可以求得幅度调制的信号与调制信号之间的相位关系。此外，也可以求得其他的细节，如在复电阻平面中轨迹的方向、与等离子体腔室的电距离和作为弯曲的轨迹的符号的高次谐波。

对探测到的信号或对由探测到的信号得到的信号的解调可以多级地实现。例如，可以借助第一解调信号解调探测到的信号或由探测到的信号得到的信号，并且借助第二解调信号解调经解调的信号。例如，可以首先实施零差解调，随后实施复数解调。在此，复数解调还可以是多级的，从而最终得到信息，所述信息说明，必须如何强烈地改变高频功率信号的频率并且必须朝哪个方向改变频率以便改善匹配。

此外可以规定，借助第一解调信号和第二解调信号解调探测到的信号。在此，第一解调信号和第二解调信号可以仅仅在相位方面不同。特别地，第一解调信号和第二解调信号可以具有相同的频率和/或相同的信号形式，然而是彼此相位偏移的。

此外，第一解调信号的频率和第二解调信号的频率可以是不同的。例如，第一解调信号可以具有高频功率信号的频率而第二解调信号可以具有调制信号的频率。

替代地或附加地，可以调整调制信号的频移。通过调制信号的频移可以调节功率信号的基频。例如，可以首先选择相对大的频移，然后在更好的匹配时降低所述频移。特别地，在具有13.56MHz基频的高频功率信号的情况下可以使用10kHz的调制频率和100kHz的频移。通过调制信号的首先较高的越过最小值的频移能够避免锁定到（einrasten）匹配的局部最小值。在匹配变得更好时，可以减小频移。

如上所述，可以借助阻抗匹配信号控制高频源或阻抗匹配网络。尤其，经低通滤波的调节信号（阻抗匹配信号）可以直接输送给电压控制的振荡器（Voltage Controlied Oscillator VCO：压控振荡器）或DDS组件（DirectDigital Synthesizer：直接数字合成器）。通过解调，不需要作出更好的/更坏的决策。DDS组件是一种集成的开关电路，所述集成的开关电路根据“直接数字合成”方法实现合成器的完整的硬件。所述方法在数字信号处理中用于产生具有实际上任意精细的频率分辨率的、周期性的、带宽限制的信号。

如果多个激励频率参与（多个高频功率信号），则每个激励频率可以获得其自身的调制频率。于是，可以彼此无关地同时解调这些高频功率信号。同样适用于其他参数的同时调制。由此，等离子体腔室处的多个高频源、高频源的全桥或与过程相关的其他影响彼此独立地被调制并正交地被解调。

另外，以下属于本发明的范畴：具有高频源、与高频源连接的调制信号发生器或调制信号输入端和解调器的高频（HF）功率供给装置，与由负载反射的功率有关的探测信号或由所述探测信号得到的信号和解调信号输送给所述解调器。通过高频源的输出信号的频率调制，产生反射的功率信号，所述反射的功率信号不仅是频率调制的，而且是幅度调制的。可以首先如此解调所述信号或与所述信号有关的信号，使得高频分量被去除。尤其得到幅度调制信号的包络。此外，涉及一种具有调制信号的频率的信号。然后可以进一步解调所述如此得到的信号，以便由所述信号生成阻抗匹配信号，所述阻抗匹配信号可以直接控制高频源。所述阻抗匹配信号尤其可以引起高频源频率被改变。由此，可以在复电阻平面中改变至少一个方向，这也导致（绝对的）匹配的改变。可以很快速地、尤其比阻抗匹配网络的阻抗的改变更快地实施频率改变。

替代直接检测反射的功率的信号，也可能的是，检测另一个与反射的功率有关的参量，例如通过高频源控制的全桥的直流电流接收的和或差。直流电流接收与反射的功率的负载角有关。因此可能的是，在全桥的直流电流接收的和、平方和或差（必要时平方差）方面探测调制频率。这在史密斯图中给出关于频率改变轨迹方向的说明。

通过适合地、尤其通过复数地解调，可以得到尤其用于频率改变的、用于更好的绝对匹配的阻抗匹配信号。

如果设置有置于解调器后面的滤波器，则可以得到具有符号的直流电压作为阻抗匹配信号。

可以设置有第一解调器和置于第一解调器后面的第二解调器。例如，可以通过第一解调器去除探测到的信号的高频分量。在第二解调器中，可以实施如此得到的信号与可以相应于调制信号的解调信号的混频，以便由此得到阻抗匹配信号。

在第一解调器和第二解调器之间可以设置有电容器。由此，可以去除在第一解调器中解调的信号的直流分量，这使进一步的信号分析处理变得容易。

至少一个解调器可以构造为复解调器。

在高频源和解调器之间可以设置有相位改变元件。这当在两个不同的解调器中分别借助高频功率信号的频率解调探测到的信号时尤其有利。然后，高频功率信号可以直接输送给解调器，而高频功率信号在由相位改变元件引起的相位偏移之后输送给另外的解调器。由此，可以求得复数指针的坐标，所述坐标说明，必须如何改变匹配以便使反射的功率最小化。

替代地或附加地，可以设置有微处理器，解调器的输出输送给所述微处理器。微处理器可以算出，为了更好的匹配必须如何强烈地和朝哪个方向改变高频功率信号的频率。

当高频源构造为VCO或DDS时，可以实施特别简单的阻抗匹配和快速的阻抗匹配。

附图说明

本发明的其他特征和优点由下面根据附图对本发明的实施例的描述并由权利要求得出，所述附图示出本发明基本细节。在本发明的一种变型中，各个特征可以单独地或以多个任意组合地实现。

在附图中示意性地示出并且以下参考附图详细阐述本发明的优选实施例。附图示出：

图1：高频功率供给装置的第一实施例的示意图；

图2a：在图1的A位置上出现的高频功率信号；

图2b：与反射的功率有关的幅度调制的高频信号，在图1的B位置上得到所述高频信号；

图2c：图2b的解调信号；

图2d：图2c的去除直流分量后的信号；

图2e：调制信号；

图2f：借助调制信号解调的信号；

图2g：阻抗匹配信号；

图3：高频功率供给装置的第二实施例；

图4：高频功率供给装置的第三实施例。

具体实施方式

图1示出具有高频源11的高频功率供给装置10。通过构造为所谓的压控振荡器（VCO）的高频源11生成高频的功率信号。在本实施例中，所述高频的功率信号输送给放大器12并经由阻抗匹配网络13引导至等离子体腔室14，在所述等离子体腔室处借助高频功率信号生成等离子体。

此外，高频功率供给装置10具有生成调制信号的调制信号发生器15。所述调制信号发生器15在本实施例中示为高频功率供给装置10的组成部分。然而，也可考虑，设置设有在外部的单独的调制信号发生器15。在这种情况下，高频功率供给装置10具有调制信号输入端。

调制信号经由加法器单元16输送给高频源11。因此，在高频源11的A位置上的输出信号是频率调制的信号。A位置上出现的信号示例性地在图2a中示出。

在错误匹配的情况下，频率调制的高频功率信号根据频率在腔室14上反射并由此获得借助调制信号的频率的幅度调制。所反射的高频功率信号可以通过在实施例中构造为定向耦合器的测量装置17检测。因此，通过测量装置17输出与反射的功率相关的信号B。在图2b中示例性地说明所述信号。

可以从图2b得出，所述信号不仅是频率调制的而且是幅度调制的。所述信号输送给构造为二极管的第一解调器18。因此，通过第一解调器18得到图2b的信号的包络并且去除所述信号B的高频分量。在C位置上得到的信号在图2c中示出。在此可以看出，C位置上的信号涉及具有根据图2a的信号的频率调制的频率的信号。这意味着，信号2c具有调制信号的频率。图2c中所示的信号也理解为与反射的功率有关的信号。

所述信号输送给电容器19，由所述电容器滤除信号C的直流分量。由此得出图2d中所示的信号，所述信号在图1的D位置上得到。

又可以理解为与反射的功率有关的信号的所述信号输送给第二解调器20。另外，调制信号发生器15的调制信号输送给解调器20，这在图1中通过字母E表示。所述调制信号在图2e中示出。

因此，在解调器20中实现信号D和E的混频。在解调器20中实施信号D的相位符合（Phasentreu）的解调。F位置上最终的信号在图2f中示出。所述信号再次输送给低通滤波器21，在其输出端处在G位置上得到图2g的信号。所述信号涉及阻抗匹配信号，所述阻抗匹配信号输送给加法器单元16。信号G是随阻抗匹配缓慢改变的直流电压信号。由此，使调制信号因此偏移，这再次对在A位置上输出的高频功率信号的频率具有影响。

通过在第二解调器20中实施相位符合的解调的方式，在G位置上产生直流电压，所述直流电压是具有符号的。因此，根据符号使调制信号正向或负向偏移，这说明高频功率信号的频率改变（更高的或更低的频率）的方向。直流电压的大小说明，以什么程度、也就是说如何剧烈地改变高频功率信号的频率。通过改变高频功率信号的频率，改善高频功率供给装置10的输出阻抗与等离子体腔室14的阻抗的匹配。在此，目标是，使反射的功率最小化。

替代地或附加地，存在以下可能性：低通滤波器21的输出信号输送给阻抗匹配网络13，并且在所述阻抗匹配网络中根据阻抗匹配信号改变阻抗匹配网络的各个元件的阻抗，以便改善高频功率供给装置10的输出阻抗与等离子体腔室14的阻抗的阻抗匹配。

图3中示出高频功率供给装置的一个替代的实施例。与图1的元件相应的元件用相同的附图标记表示。与先前描述的实施例不同，由测量装置17输出的与反射的功率有关的信号在第一解调器31和第二解调器32中解调。此外，在第一解调器31中实现与由高频源11输出的高频功率信号的混频。在第二解调器32中，实现与由相位改变元件33相位偏移的高频功率信号的混频。在本实施例中规定，相位改变元件33引起90°的相位偏移。涉及复数解调。因此，由测量装置17输出的信号借助具有相同频率的信号解调。因此，通过解调器31、32实施零差解调。

解调器31、32的输出信号输送给第一分析处理单元34，在那由解调器31、32的输出信号求得测量装置17的输出信号的幅值r和相位φ。幅值r经由可选的电容器35输送给第三解调器36和第四解调器37。

此外，调制信号发生器15的调制信号输送给调制器36并且由于相位改变元件38而相位偏移的调制信号输送给解调器37。在此也实现复数解调（90°相位偏移的解调信号）。经解调的信号再次输送给第二分析处理单元39，在那求得分析处理单元34的输出信号的幅值和相位。这些值输送给微处理器40，所述微处理器生成阻抗匹配信号，所述阻抗匹配信号再次输送给加法器16。

在分析处理单元39中求得的幅值r说明阻抗匹配信号是多大，而相位

说明，必须在哪个方向上进行阻抗匹配，即调制信号必须朝哪个方向偏移。因此，微处理器40再次输出具有符号的直流信号作为阻抗匹配信号。替代地或附加地，阻抗匹配信号可以输送给阻抗匹配网络13。

图4示出高频功率供给装置50的另一种实施方式。与图1和3的部件相应的部件用相同的参考数字表示。高频源11的输出信号输送给放大器51，所述放大器具有尤其构造为全桥的第一功率单元52和同样优选构造为全桥的第二功率单元53。两个功率单元52、53连接到直流供给装置54上。此外，高频功率信号输送给两个功率单元52、53，其中，在所述高频功率信号输送给功率单元52之前，相位改变元件55改变高频功率信号的相位。功率单元52、53的输出信号输送给功率耦合器56，所述功率耦合器根据功率单元52、53输出信号的相位耦合功率，然后经由阻抗匹配网络13输送给等离子体腔室14。

当由于错误匹配在等离子体腔室14上发生功率的反射时，所述功率的反射影响功率单元52、53的电流接收，这可以通过测量装置57、58探测。因此，功率单元52、53直流电流接收的和和/或差与反射的功率相关联。与反射的功率有关的信号输送给分析处理单元59，在那求得直流电流接收的和、平方和、差或平方差。

在所示的实施例中，直流电流接收的和输送给第一解调器60并且该电流接收的差输送给第二解调器61。此外，作为解调信号或者本地振荡器，调制信号发生器15的调制信号输送给这两个解调器60、61。经解调的信号再次输送给微处理器62，所述微处理器从经解调的信号生成阻抗匹配信号，所述阻抗匹配信号输送给加法器16和/或阻抗匹配网络13。

Claims (20)

1.一种用于高频（HF）功率供给装置（10，30，50）与负载（14）阻抗匹配的方法，所述方法具有以下方法步骤：

a.借助调制频率的调制信号（E）对高频功率信号进行频率调制；

b.探测与由所述负载反射的功率有关的信号（B）；

c.借助解调频率的解调信号解调探测到的信号（B）或由所述探测到的信号得到的信号（C，D）；

d.由经解调的信号（F）产生阻抗匹配信号（G）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助所述调制信号（E）实现所述解调。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述调制信号（E）是正弦形或矩形的。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，零差解调所述探测到的信号（B）或由所述探测到的信号（C、D）得到的信号。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述解调之前实现将所述探测到的信号（B）混频到中间频率上。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，复数解调所述探测到的信号（B）或由所述探测到的信号得到的信号。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助第一解调信号解调所述探测到的信号（B）或由所述探测到的信号得到的信号，并且借助第二解调信号解调经解调的信号。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助第一解调信号和第二解调信号解调所述探测到的信号（B）。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一解调信号的频率和所述第二解调信号的频率不同。

10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一解调信号的频率和所述第二解调信号的频率相同，而这些信号是相位偏移的。

11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述调制信号（F）的频移。

12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助阻抗匹配信号（G）控制高频源（11）或阻抗匹配网络（13）。

13.一种高频（HF）功率供给装置（10，30，50），其具有高频源（11）、与所述高频源（11）连接的调制信号发生器（15）或调制信号输入端、解调器（18，20，31，32，36，37，60，61），与由负载反射的功率有关的探测信号或由所述探测信号得到的信号和解调信号输送给所述解调器。

14.根据权利要求13所述的高频功率供给装置，其特征在于，设置有置于所述解调器（20）后面的滤波器（21）。

15.根据权利要求13或14所述的高频功率供给装置，其特征在于，设置有第一解调器和置于所述第一解调器（18，31，32）后面的第二解调器（20，36，37）。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的高频功率供给装置，其特征在于，在所述第一解调器和所述第二解调器（18，20）之间设置有电容器（19）。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的高频功率供给装置，其特征在于，至少一个解调器构造为复解调器。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的高频功率供给装置，其特征在于，在所述高频源（11）和解调器之间设置有相位改变元件（33）。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的高频功率供给装置，其特征在于，设置有微处理器（40，62），解调器（61，62）的输出输送给所述微处理器。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的高频功率供给装置，其特征在于，所述高频源（11）构造为VCO或DDS。

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