CN110212762B - 提高脉冲功能的高频功率发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提高脉冲功能的高频功率发生装置，用于向等离子体负载供给高频功率，包括：整流器；直流‑直流变换器；射频功率放大器；射频功率控制器；以及直流‑直流变换器控制器；上述直流‑直流变换器控制器包括：第一减法器；第一比例积分控制器；第二减法器；第二比例积分控制器；比较器，通过比较上述第二比例积分控制器的输出和载波频率，来生成脉冲宽度调制信号，并向构成上述直流‑直流变换器的开关元件提供所生成的脉冲宽度调制信号；以及适应型控制器，从上述射频功率控制器接收与上述射频功率放大器的输出相对应的脉冲信号，来调整上述第一比例积分控制器及上述第二比例积分控制器的增益。

Description

提高脉冲功能的高频功率发生装置
技术领域
本发明涉及向等离子体负载供给高频功率的高频功率发生装置，更详细地涉及提高脉冲功能的高频功率发生装置，对于射频(RF)功率放大器的脉冲输出，调节适应性地对直流-直流(DC-DC)变换器的开关元件施加的脉冲宽度调制(PWM)波形，从而稳定输出，并且在脉冲区间中可防止防止过冲或下冲。
背景技术
通常，等离子放电使用于产生包含离子，自由基，原子及分子的活性气体的气体激发。在多种领域中广泛使用活性气体，典型地，在半导体制造工序，例如在蚀刻、蒸镀、清洗等领域中使用。
等离子处理装置包括：高频功率发生装置，发生高频功率；阻抗匹配箱，用于供给最大功率；以及等离子体负载。高频功率发生装置发生高频率的射频电源，阻抗匹配箱通过使高频功率发生装置的输出端阻抗和等离子体负载的阻抗匹配，来向工艺处理室内施加所需的高频电源。
高频功率发生器具有将商用电源转换为直流电源的整流器，通过切换整流器输出产生电压控制输出的直流-直流转换器，以及射频功率放大器，通过放大直流-直流变换器的输出，来以高频功率输出。
最近，为了半导体的微细工序，需要高频功率发生装置的高速脉冲输出。在韩国授权专利第10-0822390号中提出用于发生高速的脉冲输出的等离子体生成装置用高频电源电源装置。
参照相同的现有文献，通过具有控制回路和脉冲生成部，来发生高速的脉冲输出，上述控制回路用于检测高频输出的峰值，通过与预先设定的峰值设定值进行比较，来控制高频输出的峰值，上述脉冲生成部，用于检测高频输出的平均值，并基于运算单元运算的平均值生成调制基准信号。
但是，现有的高频功率发生装置在输出的连续性和改变为1Hz～50kHz的与多种负载的变动相对应的过程中，存在在脉冲输出中发生过冲(overshoot)或下冲(undershoot)的问题。这种不稳定的脉冲输出还成为在半导体工序中不良率变高的原因。
【现有技术文献】
【专利文献】
韩国授权专利：第10-0822390号
发明内容
(发明所要解决的问题)
本发明的目的在于，提供提高脉冲功能的高频功率发生装置，在生成向直流-直流变换器的开关元件施加的脉冲宽度调制波形中，通过使用被射频功率放大器的脉冲输出适应性地控制的二级比例积分(PI)控制器，来生成脉冲宽度调制波形，从而稳定输出，并且可防止在脉冲区间中的过冲或下冲。
本发明的另一目的在于，提供提高脉冲功能的高频功率发生装置，通过根据控制器调节二级比例积分控制器的增益，来可稳定地控制射频功率放大器的输入电压。
(解决问题所采用的措施)
本发明一实施例的提高脉冲功能的高频功率发生装置，用于向等离子体负载提供高频功率，包括：整流器，用于接收交流电源并进行整流；直流-直流变换器，通过切换上述整流器的输出，来调节输出电压；射频功率放大器，对上述直流-直流变换器的输出进行放大，来向上述等离子体负载传递脉冲波形的高频功率；射频功率控制器，用于控制上述射频功率放大器的输出及脉冲波形；以及直流-直流变换器控制器，用于从上述射频功率控制器接收脉冲信号，来控制构成上述直流-直流变换器的开关元件的占空比；上述直流-直流变换器控制器包括：第一减法器，通过对从上述射频功率控制器接收的电压指令和上述直流-直流变换器的输出电压进行比较来运算差异；第一比例积分控制器，用于对上述第一减法器的输出进行比例积分；第二减法器，通过对在上述第一比例积分控制器的输出和上述直流-直流变换器的电感器中流通的电感器电流进行比较来运算差异；第二比例积分控制器，用于对上述第二减法器的输出进行比例积分；比较器，通过比较上述第二比例积分控制器的输出和载波频率，来生成脉冲宽度调制信号，并向构成上述直流-直流变换器的开关元件提供所生成的脉冲宽度调制信号；以及适应型控制器，从上述射频功率控制器接收与上述射频功率放大器的输出相对应的脉冲信号，来调整上述第一比例积分控制器及上述第二比例积分控制器的增益。
并且，根据本发明的一实施例，对从射频功率控制器施加的脉冲信号的频率和第一基准频率进行比较，若上述脉冲信号的频率低于第一基准频率，则以上述第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益输出第一组的增益，若脉冲信号的频率高于第一基准频率，则以第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益输出第二组的增益。
并且，根据本发明的一实施例，其特征在于，脉冲信号的频率越高，第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益越小。
(发明的效果)
根据本发明的提高脉冲功能的高频功率发生装置，通过从射频功率控制器接收电压指令和脉冲信号，来针对于射频功率放大器的输出脉冲，适应性地调节比例积分控制器的增益，从而在高速的脉冲动作中以目标值稳定地控制直流-直流变换器的输出，由此具有连续的输出特性，并可对应1Hz～50kHz等多种形态的负载变动，通过在一部分脉冲区间中，防止发生过冲或下冲，从而具有在半导体工序中可大大地抑制产生不良的效果。
附图说明
图1为例示本发明的高频功率发生装置的框图。
图2为例示本发明中的直流-直流控制器的控制系统的框图。
图3为本发明一实施例的适应型控制器的处理流程图。
图4为对现有的无比例积分增益的变动的高频功率发生装置和根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的直流-直流变换器的电感器电流进行对比的波形图。
图5为对现有的无比例积分增益的变动的高频功率发生装置和根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的射频功率放大器的输入电压进行对比的波形图。
图6为相对于现有的无比例积分增益的变动的高频功率发生装置的射频脉冲输出，对直流-直流变换器的电感器电流和射频功率放大器的输入电压进行对比的波形图。
图7为相对于根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的射频脉冲输出，对直流-直流变换器的电感器电流和射频功率放大器的输入电压进行对比的波形图。
(附图标记的说明)
110：整流器；120：直流-直流变换器；130：射频功率放大器；
140：射频功率控制器；150：直流-直流变换器控制器；
210：第一减法器；220：第一比例积分控制器；
230：第二减法器；240：第二比例积分控制器；
250：比较器；260：适应型控制器
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的具体实施例。但是，这是并不是将本发明限定于特定的实施形态，应理解为包含于本发明的思想及技术范围的所有变更，等同技术方案、代替技术方案。
图1为例示本发明的高频功率发生装置的框图。
参照图1，本发明的高频功率发生装置包括整流器110、直流-直流变换器120、射频功率放大器130、射频功率控制器140及直流-直流变换器控制器150。
整流器110用于对从功率供给人员收容的交流电源进行整流。例如，利用桥式二极管将交流电源整流为直流恒压。向构成高频功率发生装置的购成品提供经整流的电源。未图示，但是在交流电源的输入端还可设置用于去除电磁噪声的电磁干扰(EMI)过滤器。
直流-直流变换器120通过切换整流器110的输出，来将规定水平的直流电源转换为直流电压。在本发明的例示中直流-直流变换器120可由级联升降压(Cascade Buck-Boost)变换器构成。
射频功率放大器130通过对从直流-直流变换器120输出的规定水平的直流电压进行放大，来生成脉冲波形的高频功率。向半导体工序等的等离子体负载传递所生成的高频功率。为了生成基于多种负载条件的电压及频率，射频功率放大器130可并联运转两个以上的功率放大器。
射频功率控制器140控制射频功率放大器130的输出及脉冲波形，例如，射频功率控制器140可同时控制。未图示，但是可控制相位和/或频率，从而检测从等离子体负载反射的反射波功率，并且防止由检测到的反射波功率射频功率放大器130的输出被干扰，与等离子体负载保持阻抗整合状态。
直流-直流变换器控制器150控制构成直流-直流变换器120的开关元件的占空比。其中，本发明的高频功率发生装置的直流-直流变换器控制器150从射频功率控制器140接收指令值电压V*和脉冲信号(pulse signal)，并利用由射频功率控制器140输出的脉冲信号调节比例积分控制器的增益，从而可稳定地控制具有广范围的频率和占空比的射频脉冲输出。
图2为本发明一实施例的直流-直流控制器的控制系统框图。
参照图2，直流-直流变换器120包括：输入电容器C1，与输入端并联；第一开关元件Q1及第二开关元件Q2，与输出端串联；第三开关元件Q3及第四开关元件Q4，与输出端串联；电感器L1，一端与第一开关元件Q1与第二开关元件Q2之间的第一节点N1相连接，另一端与第三开关元件Q3与第四开关元件Q4之间的第二节点N2连接点相连接；以及输出电容器C2，与输出端并联。
直流-直流变换器控制器150由二级比例积分控制器构成，并向第一开关元件Q1至第四开关元件Q4的各个栅极端子提供脉冲宽度调制信号。
参照图2，直流-直流变换器控制器150包括第一减法器210、第一比例积分控制器220、第二减法器230、第二比例积分控制器240、比较器250及适应型控制器260。
第一减法器210对从射频功率控制器140接收的指令值电压V*和直流-直流变换器120的反馈电压Vfb进行减算来输出偏差电压Vdev。以向输出电容器C2施加的电压向第一减法器210提供直流-直流变换器120的反馈电压Vfb。
第一比例积分控制器220通过对第一减法器210的偏差电压Vdev进行比例积分，来生成与目标的指令值电压V*和当前输出电压Vfb的差异成比且累积偏差的指令值电流I*。
第二减法器230通过接收从第一比例积分控制器220输出的指令值电流I*和在直流-直流变换器120的电感器L1中流通的电感器电流Ifb，来进行减算而输出偏差电流Idev。如图2所示，通过检测在电感器L1中流通的电流，来向第二减法器230提供。
第二比例积分控制器240对从第二减法器230输出的偏差电流Idev进行比例积分，来生成比例积分控制信号。
比较器250通过对从第二比例积分控制器240向非反相端子输入的比例积分控制信号和向反相端子输入的载波频率进行比较，来生成脉冲宽度调制信号，并向直流-直流变换器120内的开关元件Q1～Q4提供所生成的脉冲宽度调制信号。
其中，本发明的高频功率发生装置在直流-直流变换器控制器150设置适应型控制器260，适应型控制器260从射频功率控制器140接收脉冲信号Spulse，来调整第一比例积分控制器220及第二比例积分控制器240的增益。向适应型控制器260输入的脉冲信号Spulse为与射频功率放大器130的输出相对应而发生的信号，与脉冲信号Spulse相对应调整第一比例积分控制器220及第二比例积分控制器240的增益。其中，脉冲信号Spulse为具有1至98％范围的占空比的1至50kHz范围的频率。
图3为本发明一实施例的适应型控制器的处理流程图。
本发明一实施例的适应型控制器260对从射频功率控制器140施加的脉冲信号Spulse的频率fpulse和第一基准频率f1进行比较(步骤S320)，若低于脉冲信号Spulse的频率fpulse和第一基准频率f1，则以第一比例积分控制器220及第二比例积分控制器240的增益输出规定的第一组的增益Gset1(步骤S330)。其中，第一基准频率f1可以为低频率频带，例如可以为1.5至3kHz中的一种频率。
接着，若脉冲信号Spulse的频率fpulse高于第一基准频率f1，则对脉冲信号Spulse的频率fpulse和第二基准频率f2进行比较(步骤S340)，若低于脉冲信号Spulse的频率fpulse和第二基准频率f2，则以第一比例积分控制器220及第二比例积分控制器240的增益输出规定的第二组的增益Gset2(步骤S350)。其中，第二基准频率f2为相对略低的频率频带，例如可以为3kHz至8kHz中的一种频率。
此时，若脉冲信号Spulse的频率fpulse高于第二基准频率f2，则以第一比例积分控制器220及第二比例积分控制器240的增益输出规定的第三组的增益Gset3(步骤S360)。
之后，适应型控制器260判断从射频功率控制器140是否施加脉冲信号Spulse(步骤S370)，在仍然从射频功率控制器140施加脉冲信号Spulse的状态下，若达到规定的设定时间Tset(步骤S380)，则向步骤S320反馈。若从射频功率控制器140未施加脉冲信号Spulse，则结束。
其中，根据本发明的一实施例，优选地，与第二组的增益Gset2不同地输出第一组的增益Gset1或者与第三组的增益Gset3不同地设定第二组的增益Gset2。并且，根据本发明的再一实施例，优选地，与第二组的增益Gset2不同地设定第一组的增益Gset1，与第三组的增益Gset3不同地设定第二组的增益Gset2。
并且，根据本发明的另一实施例，优选地，将第一组的增益Gset1设定为大于第二组的增益Gset2，并且将第二组的增益Gset2设定为大于第三组的增益Gset3。即，优选地，适应型控制器260设定为脉冲信号的频率越高，第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益越小，从而减少第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的影响。例如，此时的第一组的增益至第三组的增益如表1。并且，根据本发明的另一实施例，在步骤S350或者在步骤S360中，以固定第二比例积分控制器的增益的状态变更第一比例积分控制器的增益或以固定第一比例积分控制器的增益的状态变更第二比例积分控制器的增益，从而还可稳定地控制射频脉冲输出。
表1
Gset1 Gset2 Gset3
Gp1 2.5 1.3 0.7
Gi1 300 150 75
Gp2 1.3 0.8 0.4
Gi2 100 50 25
并且，根据本发明的另一实施例，适应型控制器260仅存储第一组的增益Gset1、及第二组的增益Gset2，可省略步骤S340和步骤S350。例如，此时，第一组的增益及第二组的增益如表2。
表2
Gset1 Gset2
Gp1 2.5 1.3
Gi1 300 150
Gp2 1.3 0.8
Gi2 100 50
图4至图7为现有的无比例积分增益的变动的，即，对不包括适应型控制器260的高频功率发生装置和根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的直流-直流变换器的电感器电流、射频功率放大器的输入电压进行对比而检测的波形图。参照图4至图7，说明本发明的作用效果如下。
在图4中，常规(conventional)波形表示现有的无比例积分增益的变动的高频功率发生装置的直流-直流变换器的电感器电流IL，图6表示与高频功率发生装置的射频脉冲输出对比的现有的电感器电流IL。如图6所示，可观察到在射频脉冲输出的接通(On)区间中，电感器电流IL缓慢地增加，在关闭(Off)区间中缓慢地下降。
在图4中提议(proposed)的波形表示根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的直流-直流变换器的电感器电流IL，图7表示与高频功率发生装置的射频脉冲输出对比的本发明的电感器电流IL。如图7所示，可确认与射频脉冲波形类似地，在脉冲输出的接通区间中，上升沿电感器电流急剧上升，在下降沿中电感器电流急剧下降。
即，对现有的直流-直流变换器的电感器电流IL和本发明的直流-直流变换器的电感器电流IL进行对比，可知本发明的电感器电流IL与射频脉冲输出类似地表示接近于球形波的波形。
在图5中常规(conventional)波形表示现有的无比例积分增益的变动的高频功率发生装置的射频功率放大器的输入电压。与图6的波形图进行对比，可确认在射频脉冲输出的上升沿与下降沿之间输入电压呈现大的差异，除了适应型控制器260之外，在相同的实验条件下呈现约5.4V的输入电压变动。
在图5中提议(proposed)的波形表示根据本发明脉冲适应性地调节比例积分增益的高频功率发生装置的射频功率放大器的输入电压，与图6的波形图进行对比，可确认在射频脉冲输出的上升沿与下降沿之间输入电压的差异不大，并且在本波形的检测中呈现了约1.2V的输入电压变动。即，可确认输入电压变动率大大地减少。
如观察，本发明的提高脉冲功能的高频功率发生装置从射频功率控制器除了电压指令之外，接收与脉冲输出相对应的脉冲信号，以调节二级比例积分控制器的增益。
在直流-直流变换器的电感器中流通的电流对脉冲波形适应性地得到调整，从而具有明确地上升及下降区间，可大大地减少直流-直流变换器的输出电压，即，射频功率放大器的输入电压变动率。由此，在高速的脉冲动作中稳定地控制直流-直流变换器的输出，来具有连续的输出特性，在多种形态的负载的变动下，还防止从脉冲输出中发生过冲或下冲，从而可提供适合于半导体微细工序的高频功率发生装置。
在不毁损基本思想的范围内，上述公开的发明可进行多种变形例。即，上述实施例应均被解释为例示性的而非限制性的。因此，本发明的保护范围不应根据上述的实施例，而是应根据所附的发明要求保护范围而确定，在利用等同技术方案取代所附的发明要求保护范围中限定的结构要素的情况下，这是应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高脉冲功能的高频功率发生装置，用于向等离子体负载提供高频功率，
包括：
整流器，用于接收交流电源并进行整流；
直流-直流变换器，通过切换上述整流器的输出，来调节输出电压；
射频功率放大器，对上述直流-直流变换器的输出进行放大，来向上述等离子体负载传递脉冲波形的高频功率；
射频功率控制器，用于控制上述射频功率放大器的输出及脉冲波形；以及
直流-直流变换器控制器，用于从上述射频功率控制器接收脉冲信号，来控制构成上述直流-直流变换器的开关元件的占空比；
上述直流-直流变换器控制器包括：
第一减法器，通过对从上述射频功率控制器接收的电压指令和上述直流-直流变换器的输出电压进行比较来运算差异；
第一比例积分控制器，用于对上述第一减法器的输出进行比例积分；
第二减法器，通过对在上述第一比例积分控制器的输出和上述直流-直流变换器的电感器中流通的电感器电流进行比较来运算差异；
第二比例积分控制器，用于对上述第二减法器的输出进行比例积分；
比较器，通过比较上述第二比例积分控制器的输出和载波频率，来生成脉冲宽度调制信号，并向构成上述直流-直流变换器的开关元件提供所生成的脉冲宽度调制信号；以及
适应型控制器，从上述射频功率控制器接收与上述射频功率放大器的输出相对应的脉冲信号，来调整上述第一比例积分控制器及上述第二比例积分控制器的增益，
其中，上述直流-直流变换器为级联升降压变换器，
其中，上述适应型控制器用于对从上述射频功率控制器施加的脉冲信号的频率和第一基准频率进行比较，若上述脉冲信号的频率低于第一基准频率，则以上述第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益输出第一组的增益，若上述脉冲信号的频率大于上述第一基准频率，则以第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益输出第二组的增益。
2.根据权利要求1所述的提高脉冲功能的高频功率发生装置，其中，上述直流-直流变换器包括：
输入电容器(C1)，与输入端并联；
第一开关元件(Q1)及第二开关元件(Q2)，与输入端串联；
第三开关元件(Q3)及第四开关元件(Q4)，与输出端串联；
电感器(L1)，一端与上述第一开关元件(Q1)及上述第二开关元件(Q2)的连接点相连接，另一端与上述第三开关元件(Q3)及上述第四开关元件(Q4)的连接点相连接；以及
输出电容器(C2)，与输出端并联。
3.根据权利要求1所述的提高脉冲功能的高频功率发生装置，其中，上述第一组的增益(Gset1)大于上述第二组的增益(Gset2)。
4.根据权利要求1所述的提高脉冲功能的高频功率发生装置，其中，上述脉冲信号的频率越高，第一比例积分控制器和/或第二比例积分控制器的增益越小。
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