CN111801766B - 脉冲式可变频率rf发生器的驱动频率的控制方法 - Google Patents

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Abstract

频率调谐阻抗匹配方法包括分析由用户设置的起始驱动频率和RF输出信号，以改变驱动频率。具体地，可以使用在第n个脉冲中测量的导纳的作为虚部的电纳来预测下一频率。因此，可以高速地完成阻抗匹配，或者可以高速地达到最佳频率。

Description

脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法
技术领域
本公开涉及脉冲式可变频率RF发生器，更具体地涉及用于频率调谐阻抗匹配的脉冲式可变频率RF发生器的频率的控制方法。
背景技术
等离子体用于半导体制造工艺，例如蚀刻工艺和沉积工艺。射频(RF)发生器通过将高功率RF信号施加到腔室的负载来产生等离子体。所产生的等离子体对基板的表面进行处理以使其具有所需的形状，或者在基板上沉积薄膜。
在这种情况下，高功率RF信号被传输到腔室的负载以产生等离子体。为此，RF发生器与腔室负载之间的阻抗应该匹配，以便无反射地传输功率。作为快速阻抗匹配技术，RF发生器调节RF信号的驱动频率以执行阻抗匹配。在频率可变阻抗匹配方法中，阻抗匹配通常以几毫秒(ms)的水平执行。
随着半导体制造工艺的进步，施加到腔室负载的RF信号可以是脉冲式RF信号，该脉冲式RF信号具有以恒定时段调制的强度。传统上，以比几MHz到几十MHz的驱动频率低的几百Hz到几kHz的脉冲频率进行脉冲式RF信号的接通/断开。当脉冲频率增加以减少几毫秒以下的接通时段时，脉冲阻抗匹配需要快速控制RF信号的驱动频率。当脉冲频率增加到几kHz以上时，接通时间减小到1ms以下。因此，由于没有足够的时间来调整RF信号的驱动频率，难以完成阻抗匹配。因此，等离子体不稳定。
发明内容
技术问题
本公开的一方面是为了提供脉冲RF发生器的驱动频率的控制方法和阻抗匹配方法。
技术方案
根据本公开的一方面，根据示例性实施例的脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲向负载提供RF功率，并且包括在接通时段T_ON内改变驱动频率的控制环。脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法包括：改变第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的驱动频率f(n,m)；通过使用第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的驱动频率；并且在第(n+1)个脉冲的接通时间T_ON(n+1)中依照预测驱动频率f(n+1,1)提供脉冲式可变频率RF发生器的RF输出。f(n,m)是第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的第m个处理号中的驱动频率，n表示脉冲序号，m是1至q的正整数，m表示用于指数，该指数指示用于改变接通时段T_ON中的驱动频率的控制环的处理号。
在示例实施例中，改变第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的驱动频率f(n,m)的步骤可以包括：第一步骤，测量第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号I和RF电压信号V；第二步骤，通过使用第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的RF电流信号I和RF电压信号V来计算脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的阻抗Zi和反射系数Γi、反映由传输线引起的相位差的相移反射系数Γ'和相移导纳y'；以及第三步骤，根据第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的相移反射系数的虚部Im(Γ')的符号来选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大方向或减小方向并改变驱动频率。可以重复第一步骤、第二步骤和第三步骤，直至第n个脉冲的接通时段T_ON(n)结束。
在示例实施例中，通过使用第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的驱动频率的步骤可以包括：对第n个接通时段T_ON(n)中的相移导纳y'的虚部关于驱动频率进行线性拟合；并且将与相移导纳y'的虚部为零(0)的点对应的频率设置为第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,1)。
在示例实施例中，第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,m＝1)可以如下给出：
f(n+1,m＝1)＝f(n,m＝q)-b'(n,m＝q)[df/db']
df/db'＝[f(n,m＝q)-f(n,m＝r)]/[b'(n,m＝q)-b'(n,m＝r)],
其中，f(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的预定的第r个处理号中的驱动频率，b'(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的预定的第r个处理号中的相移导纳y'的作为虚部的电纳，f(n,m＝q)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的最后一个处理号中的驱动频率，b'(n,m＝q)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的最后一个处理号q中的导纳y'的作为虚部的电纳。
在示例实施例中，r可以是3至q-1的正整数。
在示例实施例中，控制方法还可以包括：通过使用相移反射系数Γ'来确定阻抗匹配的最佳条件。最佳条件可以由相移反射系数的绝对值|Γ'|或相移反射系数Γ'的虚部Im(Γ')的大小来确定。当所确定的条件是最佳条件时，在增加表示改变驱动频率的处理号的指数m之后，可以执行测量脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号I和RF电压信号V的第一步骤。当所确定的条件不是最佳条件时，可以执行改变驱动频率的第三步骤。
在示例实施例中，在根据第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的相移反射系数的虚部Im(Γ')的符号来选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大方向或减小方向并改变驱动频率的第三步骤中，当相移反射系数的虚部Im(Γ')具有正值时，可以增大驱动频率，并且当相移反射系数的虚部Im(Γ')具有负值时，可以减小驱动频率。
在示例实施例中，第n个接通时段T_ON(n)中的驱动频率的变化量可以取决于相移反射系数的绝对值或相移反射系数的虚部的绝对值。
在示例实施例中，控制方法还可以包括：改变阻抗匹配网络的可变电抗元件的电抗值，以将脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的在负载方向上的阻抗的实部Re(Zi)设置为传输线的特征阻抗，其中，可阻抗匹配网络布置在脉冲式可变频率RF发生器与负载之间并包括至少两个可变电抗元件。
在示例实施例中，控制方法还可以包括在不改变脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的情况下的使等离子体稳定步骤，该步骤包括交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF。
根据本公开的另一个方面，根据示例实施例的脉冲式可变频率RF电源系统包括脉冲式可变频率RF发生器，脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲向负载提供RF功率。脉冲式可变频率RF发生器包括：阻抗感测单元，其设置在脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处，以在第n个接通时段T_ON(n)中感测RF电流信号和RF电压信号；阻抗处理单元，其用于通过使用第n个接通时段T_ON(n)中的RF电流信号和RF电压信号来计算脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的阻抗Zi和反射系数Γi、由负载与脉冲式可变频率RF发生器之间的传输线导致的相移反射系数Γ'以及从第n个接通时段T_ON(n)中的相移反射系数Γ'转换而来的相移导纳y'；驱动频率预测单元，其用于通过使用相移导纳y'来预测下一接通时段T_ON(n+1)的驱动频率；驱动频率控制单元，其用于接收所预测的驱动频率并将所预测的驱动频率设置为下一接通时段T_ON(n+1)的起始驱动频率，并且使用相移反射系数Γ'来控制驱动频率；脉冲发生器，其用于产生脉冲信号并划分接通时段T_ON和断开时段T_OFF，并且将脉冲信号提供给驱动频率预测单元和驱动频率控制单元；以及RF放大器，其用于放大具有驱动频率控制单元的驱动频率的正弦波。
在示例实施例中，驱动频率预测单元可在第n个接通时段T_ON(n)中对相移导纳y'的虚部关于驱动频率进行线性拟合，并将与相移导纳y'的虚部为零的点对应的频率设置为预测驱动频率。
有利效果
如上所述，根据示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法可以以比传统频率控制方法更高的速度完成阻抗匹配，并且即使在未完成阻抗匹配时，也可以在反射波显著减小的最佳频率处操作。
附图说明
图1示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化进行阻抗匹配的示例。
图2示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化进行阻抗匹配的示例。
图3示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化进行阻抗匹配的示例。
图4是根据本公开的示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器和负载的电路图。
图5是示出在图4中的脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处观看负载时的阻抗的史密夫圆图(Smith chart)。
图6是根据本公开的另一个示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器和负载的电路图。
图7是示出图6中的脉冲式可变频率RF发生器的操作的流程图。
图8示出了图6中的脉冲式可变频率RF发生器的脉冲式RF信号、脉冲发生器脉冲状态信号和驱动频率。
图9示出了史密夫圆图上的取决于驱动频率的导纳。
图10是取决于驱动频率的虚部。
图11示出了取决于控制环的操作时间的驱动频率的变化。
图12示出了根据本公开的另一个示例实施例的取决于驱动频率的导纳的虚部。
图13示出了取决于图12中的控制环的操作时间的驱动频率的变化。
图14是示出根据本公开的另一个示例实施例的负载和阻抗匹配网络的阻抗Z'的变化的史密夫圆图。
图15是示出如图14中的史密夫圆图上所示的取决于驱动频率的导纳的图表。
图16示出了根据本公开的另一个示例实施例的脉冲序列。
具体实施方式
图1示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化来执行阻抗匹配的示例。
参照图1，可变频率RF电源通过交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF将RF功率传送到负载。当接通时段T_ON充足并长于数毫秒时，可变频率RF电源的驱动频率在每个接通时段T_ON中以起始驱动频率f_start开始，以便在预定时间内在匹配频率f_match处完成阻抗匹配。频率调谐通常在单个脉冲的接通时段内进行。
图2示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化进行阻抗匹配的示例。
参照图2，可变频率RF电源通过交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF将RF功率传送到负载。当接通时段T_ON不足并短于50μs时，可变频率RF电源的驱动频率在每个接通时段T_ON中以起始驱动频率f_start开始，并且未达到匹配频率f_match，因此，不能完成阻抗匹配。
图3示出了通过传统的频率调谐(frequency tuning)或频率变化进行阻抗匹配的示例。
参照图3，可变频率RF电源通过交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF将RF功率传送到负载。当接通时段T_ON不足并短于50μs时，可变频率RF电源的驱动频率在第一接通时段T_ON中以起始驱动频率f1_start开始，并且在第一接通时段内未达到匹配频率f_match，因此，不能完成阻抗匹配。然而，在第二接通时段T_ON中，可以将第一接通时段的最终频率设置为第二起始驱动频率，以便在第二接通时段中连续改变驱动频率的同时进行阻抗匹配。结果，频率在第i个接通时段中变化，并达到匹配频率f_match以完成阻抗匹配。
然而，这种阻抗匹配方法需要多个脉冲来完成频率可变阻抗匹配。因此，需要一种脉冲式可变频率RF发生器的高速、有效的阻抗匹配方法。
在根据示例实施例的频率调谐阻抗匹配方法中，对由用户设置的起始驱动频率(Start Driving Frequency)和RF输出信号进行分析以改变驱动频率。具体地，可以使用电纳(在第n个脉冲中测量的导纳的虚部)来预测下一频率，从而快速地完成阻抗匹配，或者快速地达到最佳频率。
现在将参照附图在下文更全面地说明本公开的实施例。然而，本公开可以以不同的形式实施，并且不应该被构造为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开全面和完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
图4是根据本公开的示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器和负载的电路图。
图5是示出在图4中的脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处看向负载时的阻抗的史密夫圆图(Smith chart)。
参照图4和图5，脉冲式可变频率RF发生器110通过阻抗匹配网络130和传输线120将RF功率传送到负载140。在看向阻抗匹配网络130和负载140时的阻抗为Z'。在脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子N1处看向传输线120、阻抗匹配网络130和负载140时的阻抗为Zi。可以将第一阻抗Zi转换为第一导纳(Yi＝1/Zi)，并且可以将第二阻抗Z'转换为第二导纳Y'。第二导纳Y'可以由归一化导纳(y'＝Z0Y'＝g'+ib')表示，其中，Z0表示传输线120的特征阻抗，g'表示电导，并且b'是电纳。
阻抗匹配点是反射系数Γ为0的点，其作为史密夫圆图的原点。当在阻抗匹配网络130的输入端子N2处观看的第二阻抗Z'的实部固定为50ohms时，g'＝1的电导圆(conductance circle)是以原点和Psc作为直径的圆。当脉冲式可变频率RF发生器110的驱动频率增加时，史密夫圆图的点P3沿着g'＝1的电导圆(conductance circle)顺时针旋转。当脉冲式可变频率RF发生器110的驱动频率减小时，史密夫圆图的点P2沿着g＝1的电导圆(conductance circle)逆时针旋转。
第一阻抗Zi还具有由传输线120引起的相对于第二阻抗Z'的相位差φ。对于第二阻抗Z'，g'＝1的电导圆(conductance circle)在史密夫圆图上顺时针旋转。相位差φ与传输线120的驱动角频率ω和长度d成比例，并且与电磁波的速度c成反比。传输线120的特征阻抗为Z0。
当第二反射系数Γ'的虚部具有正值时，驱动频率增加，使得虚部沿最小路径移动到史密夫圆图的原点，以完成阻抗匹配。同时，当第二反射系数Γ'的虚部具有负值时，驱动频率减小，使得虚部沿最小路径移动到史密夫圆图的原点，以完成阻抗匹配。
当驱动频率增加时，对于第一阻抗Zi，位于g＝1的导电圆(conductance circle)上的点P1顺时针旋转，并且当驱动频率减小时，上述点P1逆时针旋转。
因此，为了易于确定驱动频率的增大或减小以进行频率调谐阻抗匹配，反射系数Γi可以旋转相位差φ。具体地，点A可以通过相移转换为点B。因此，可以根据反射系数Γ'的虚部的符号来确定驱动频率的增大或减小。
当驱动频率在对应于第一阻抗Zi的位置P1处增大时，阻抗沿着取决于阻抗特性的经过位置P1的圆顺时针移动。当驱动频率减小时，阻抗逆时针移动。当基于这样的原理调谐驱动频率并且阻抗移动到史密夫圆图上的原点时，完成阻抗匹配。
为了在距位置P1最短的距离处完成阻抗匹配，有利的是，当位置P1位于经过史密夫圆图的原点和位置P1的特征圆的中心的线的上方时减小频率，并且当位置P1位于上述线的下方时增大频率。
为了便于找到最短的轨迹，通过向g＝1的电导圆(conductance circle)设置角度φ，使经过该圆的中心和史密夫圆图的原点的线与X轴(反射系数的实部的轴)匹配。因此，可以根据反射系数Γ'的虚部是正还是负来确定最佳轨迹方向。将位置P1的反射系数乘以相位为φ且幅值为1的复数。因此，在反射系数Γ'的虚部为正的P3位置增大驱动频率是有利的。另外，在反射系数Γ'的虚部为负的位置P2减小驱动频率是有利的。
图6是根据本公开的另一个示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器和负载的电路图。
图7是示出图6中的脉冲式可变频率RF发生器的操作的流程图。
图8示出了图6中的脉冲式可变频率RF发生器的脉冲式RF信号、脉冲发生器脉冲状态信号和驱动频率。
图9示出了史密夫圆图上的取决于驱动频率的导纳。
图10是取决于驱动频率的虚部。
图11示出了取决于控制环的操作时间的驱动频率的变化。
参照图6至图11，脉冲式可变频率RF电源系统100包括脉冲式可变频率RF发生器110和阻抗匹配网络130，阻抗匹配网络130设置在脉冲式可变频率RF发生器110与负载140之间。脉冲式可变频率RF发生器110在交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF中将RF功率提供给负载140。阻抗匹配网络130包括至少两个可变电抗元件C1和C2。改变阻抗匹配网络130的可变电抗元件的电抗值，以调节负载140的方向上的阻抗。
脉冲式可变频率RF发生器110包括阻抗感测单元115、阻抗处理单元111、驱动频率预测单元117、驱动频率控制单元113、脉冲发生器116和RF放大器114。脉冲式可变频率RF发生器110改变驱动频率，以便以阻抗匹配频率或最佳频率高速运行。
阻抗感测单元115设置在脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子N1处，以在第n个接通时段T_ON(n)中感测RF电流信号I和RF电压信号V(n是脉冲的次序)。
阻抗处理单元111通过使用第n个接通时段T_ON(n)中的RF电流信号I和RF电压信号V来计算脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子N1处的阻抗Zi和反射系数Γi、由负载140与脉冲式可变频率RF发生器110之间的传输线120引起的相移反射系数Γ'以及从相移反射系数Γ'转换而来的相移导纳y'。
根据在第n个接通时段T_ON(n)中测量的驱动频率，驱动频率预测单元117使用相移导纳y'来预测下一接通时段T_ON(n+1)的驱动频率。
驱动频率控制单元113将预测的驱动频率设置为下一接通时段T_ON(n+1)的起始驱动频率，并使用相移反射系数Γ'控制驱动频率。
脉冲发生器116产生脉冲信号以划分接通时段T_ON和断开时段T_OFF，并将脉冲信号提供给驱动频率预测单元117和驱动频率控制单元113。
RF放大器114放大驱动频率控制单元的驱动频率下的正弦波，并输出RF信号。
负载140可以是产生电容耦合等离子体的电极，或可以是产生电感耦合等离子体的天线。负载140可以安装在进行半导体工艺的腔室的内部或外部。负载140可以与脉冲信号同步地产生脉冲等离子体。驱动频率可以是几MHz至几十MHz。脉冲频率的范围可以从几kHz至几十kHz。RF脉冲的占空比(On Duty Ratio)可以在百分之几到百分之几十的范围内。接通时段T_ON可以小于50μs。详细地，接通时段T_ON可以是100μs以下。
取决于可变电抗元件的连接方法，阻抗匹配网络130可以分类为各种类型。作为示例，阻抗匹配网络130包括：第一可变电容器C1，其与负载140串联连接；和第二可变电容器C2，其与串联连接的第一可变电容器C1和负载140并联连接。阻抗匹配网络130可以是L型、倒L型(inverted L-type)、T型或Π型阻抗匹配网络。当通过调谐脉冲式可变频率RF发生器110的驱动频率执行的阻抗匹配失败时，可以操作阻抗匹配网络130进行阻抗匹配。
阻抗感测单元115在负载140的方向上测量脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子N1处的RF电流信号I和RF电压信号V。RF电流信号I和RF电压信号V可以以高于驱动频率的采样率(sampling rate)在长于驱动频率的时段的采样时间内进行采样，并被转换为数字信号以提供给阻抗处理单元111。
阻抗处理单元111可以使用RF电流信号I和RF电压信号V来计算脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子N1处的阻抗Zi和/或反射系数Γi。另外，阻抗处理单元111可以补偿由传输线120的长度d引起的相位差φ。具体地，反射系数Γi可以被转换为当在阻抗匹配网络130的输入端子N2处看向负载140时的相移反射系数Γ'，并进行如下转换：
等式1
Γ'＝Γi ejφ
φ＝ωd/c
其中，φ表示相位差，d表示传输线的长度，ω表示驱动角频率，并且c表示电磁波在传输线上的速度。传输线120可以是同轴电缆。相移反射系数Γ'是在阻抗匹配网络130的输入端子N2处看向负载140时的反射系数。
阻抗处理单元111可以将相移反射系数Γ'转换为相移导纳y'。相移导纳y'可以如下给出：
等式2
y'＝g'+jb'
其中，g'表示电导，b'表示电纳。
驱动频率控制单元113可以接收相移反射系数Γ'。驱动频率控制单元113可以将接通时段T_ON划分为多个单位时间Δt，从而每单位时间Δt改变驱动频率。单位时间Δt可以约是1μs，其作为控制环的操作时间。因此，控制环的总数(q)是T_ON/Δt(q是大于或等于3的正整数)。
驱动频率控制单元113可以根据相移反射系数的虚部Im(Γ')的符号来选择驱动频率的增大方向和减小方向。具体地，当反射系数的虚部Im(Γ')具有正值时，可以使驱动频率增加频率变化量df。同时，当反射系数的虚部Im(Γ')具有负值时，可以使驱动频率减少频率变化量df。频率变化量df可以取决于反射系数的绝对值|Γ'|的大小或反射系数的虚部Im(Γ')的大小。例如，频率变化量df可以与反射系数的绝对值|Γ'|的大小或反射系数的虚部Im(Γ')的大小成比例。例如，当在反射系数的绝对值|Γ'|小于或等于阈值的情况下进行阻抗匹配时，驱动频率控制单元113可不改变驱动频率。驱动频率控制单元113可以根据阻抗匹配程度来调整频率变化量df。
驱动频率控制单元113可以使用比例-积分-微分控制方案。驱动频率控制单元113可以在接通时段T_ON中输出驱动频率，并在断开时段T_OFF中不输出驱动频率。
RF放大器114可以以驱动频率提供RF输出。RF放大器114可以是RF功率放大器。RF放大器114的输出可以是几百瓦到几十千瓦。
脉冲发生器116可以向驱动频率控制单元113和驱动频率预测单元117提供用于识别接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲信号。脉冲发生器116的频率可以在几kHz至几十kHz的范围内。当驱动频率在13.56MHz的范围内时，接通时段T_ON和断开时段T_OFF可以分别为约50μs。控制环的操作时间或单位时间Δt可以约是1μs。
驱动频率预测单元117可以接收第一个脉冲的起始频率f_start。另外，驱动频率预测单元117还可以接收用于确定最佳条件的阈值。另外，驱动频率预测单元117还可以接收特定(m＝r)的控制环以执行频率预测或接收断开保持时间(hold-off time)。驱动频率预测单元117可以接收相移导纳y'或电纳b'以及驱动频率f。驱动频率预测单元117可以接收要与阈值进行比较的相移反射系数Γ'，并且可以仅在不满足阻抗匹配条件时计算预测驱动频率。
驱动频率预测单元117可以在第n个接通时段T_ON(n)中对相移导纳y'的虚部b'关于驱动频率进行线性拟合，从而将与相移导纳y'的虚部b'为零(0)的点对应的频率设置为预测驱动频率。
下一接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,1)可以如下给出：
等式3
f(n+1,m＝1)＝f(n,m＝q)-b'(n,m＝q)[df/db']
df/db'＝[f(n,m＝q)-f(n,m＝r)]/[b'(n,m＝q)-b'(n,m＝r)]
其中，f(n,m＝r)表示在第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的预定的第r个处理号的驱动频率，b'(n,m＝r)表示在第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的预定的第r个处理号的相移导纳y'的作为虚部的电纳，f(n,m＝q)表示在第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的最后一个处理的驱动频率，并且b'(n,m＝q)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的最后一个处理号q的导纳y'的作为虚部的电纳。在等式3中，r可以是从3至q-1的正整数，控制环的总数q是T_ON/Δt，并且q是大于或等于3的正整数。
可选择地，下一接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,1)可以如下给出：
等式4
f(n+1,m＝1)＝f(n,m＝r)-b'(n,m＝r)[df/db']
df/db'＝[f(n,m＝q)-f(n,m＝r)]/[b'(n,m＝q)-b'(n,m＝r)]
驱动频率预测单元117可以将预测驱动频率f(n+1,m＝1)提供给驱动频率控制单元113，以在第(n+1)个接通时段T_ON(n+1)的起始驱动频率下操作。因此，可以完成高速频率调谐阻抗匹配。
在下文中，将说明脉冲式可变频率RF发生器的阻抗匹配方法。
回到图7，根据示例实施例的脉冲式可变频率RF发生器110可以利用具有交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲向负载140提供RF功率，并且脉冲式可变频率RF发生器110包括用于在接通时段T_ON中改变驱动频率的控制环。
脉冲式可变频率RF发生器110的阻抗匹配方法包括：改变第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的驱动频率f(n,m)(S101)；通过使用第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的驱动频率(S131)；且在第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)中依照预测的驱动频率f(n+1,1)提供脉冲式可变频率RF发生器110的RF输出(S141)。在这种情况下，f(n,m)是第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的第m个处理号(或控制环)的驱动频率。n表示脉冲的序号，m是1至q之间的正整数。控制环的总数q是T_ON/Δt。q大于或等于3。m表示如下指数，该指数指示用于在接通时段T_ON中改变驱动频率的控制环的处理号。
首先，设置第一个脉冲的起始驱动频率f_start、脉冲的占空比、脉冲的周期、一个脉冲中的控制环的总数q、控制环的操作时间Δt以及指示控制环的处理号的指数m的初始值(S110)。
改变第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的驱动频率f(n,m)的步骤S101包括第一步骤S121、第二步骤S122和S123以及第三步骤S126。
在步骤S121中，在第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中，测量脉冲式可变频率RF发生器110的输出端子处的RF电流信号I和RF电压信号V。RF电流信号I和RF电压信号V可以由阻抗感测单元115感测。
在步骤S122和S123中，使用接通时段T_ON(n)中的RF电流信号I和RF电压信号V来计算脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的阻抗Zi和反射系数Γi、相移反射系数Γ'以及相移导纳y'。相移反射系数Γ'反映了由传输线引起的相位差。相移反射系数Γ'可以通过等式1计算。阻抗处理单元111可以计算阻抗Zi、反射系数Γi、反映由传输线引起的相位差的相移反射系数Γ'以及相移导纳y'。
在步骤S124中，可以使用相移反射系数Γ'确定阻抗匹配的最佳条件。驱动频率控制单元113可以使用相移反射系数Γ'确定阻抗匹配的最佳条件。最佳条件可以由相移反射系数的绝对值|Γ'|的大小或相移反射系数Γ'的虚部Im(Γ')的大小来确定。当确定的条件是最佳条件时，可以执行第一步骤S121，从而在增大表示用于调整驱动频率的处理号的指数m之后，测量脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号I和RF电压信号V。当确定的条件不是最佳条件时，可以执行第三步骤S126，以改变驱动频率。
具体地，当相移反射系数的虚部Im(Γ')在阈值内(或者完成阻抗匹配)时，可以执行第一步骤S121，从而在增大表示用于调整驱动频率的处理号的指数m(S124a)之后，测量脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号I和RF电压信号V。当相移反射系数的虚部Im(Γ')超出阈值时，可以执行第三步骤S126以改变驱动频率。
在第三步骤S126中，根据第n个接通时段T_ON(n)的相移反射系数的虚部Im(Γ')的符号来选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大或减小方向，并然后改变频率。具体地，当相移反射系数的虚部Im(Γ')具有正值时，增大驱动频率。同时，当相移反射系数的虚部Im(Γ')具有负值时，减小驱动频率。驱动频率的变化量df可以取决于反射系数的绝对值|Γ'|的大小或反射系数的虚部Im(Γ')的大小。
在步骤S125中，可以确定第n个脉冲的接通时段T_ON(n)是否结束。也就是说，当m>q时，接通时段T_ON(n)结束。在步骤S126中，当接通时段T_ON(n)未结束时，根据第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的相移反射系数的虚部Im(Γ')的符号，可以选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大或减小方向，并可以改变驱动频率。
可以重复第一步骤S121、第二步骤S122和S123以及第三步骤S126，直至第n个脉冲的接通时段T_ON(n)结束。
当接通时段T_ON(n)结束(m>q)时，在步骤S131中，可以使用第n个脉冲的接通时段T_ON(n)的导纳y'来预测第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的驱动频率。步骤S131可以包括：对第n个接通时段T_ON(n)中的相移导纳y'的虚部关于驱动频率进行线性拟合；并且将与相移导纳y'的虚部为零(0)的点对应的频率设置为第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,1)。仅当阻抗匹配未完成时，才可以选择性地执行步骤S131。
第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的预测驱动频率f(n+1,m＝1)可以由等式3或等式4给出。当m＝1时，作为负载的离子体的稳定性在脉冲开始时可能降低，且可能测量到不稳定的阻抗。因此，通过对在预定的第r个处理号中测量的数据和在最后第q个处理号中测量的数据进行处理，可以使用待在第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)中使用的预测驱动频率。也就是说，r可以是3至q-1的正整数。
在预测第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)的驱动频率之后，可以执行断开时段T_OFF的时间延迟(S132)。
然后，对于下一脉冲，设置n＝n+1，并且控制环的处理号的指数设置为m＝1(S133)。
然后，在第(n+1)个脉冲的接通时段T_ON(n+1)中以预测驱动频率f(n+1,1)输出RF功率(S141)。
然后，控制环在第(n+1)个脉冲中重复q次，直至第(n+2)个脉冲开始。
参照图8，脉冲式可变频率RF发生器110利用具有交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲向负载140提供RF功率。脉冲发生器116产生包括交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF的脉冲信号。脉冲信号可以具有约100μs的周期。
脉冲式可变频率RF发生器110的驱动频率以第一脉冲的起始驱动频率f_start开始，并在第n个脉冲的m＝1的控制环中具有驱动频率f(n,m＝1)。当相移反射系数的虚部Im(Γ')具有负值时，驱动频率随时间而减小。通过使用m＝r的控制环和m＝q的控制环中的驱动频率和电纳b'来预测要在第(n+1)个脉冲的m＝1的控制环中使用的驱动频率f(n+1,m＝1)。也就是说，使用前一脉冲的驱动频率和电纳b'来预测下一脉冲的起始驱动频率。因此，可以完成高速频率调谐阻抗匹配或最佳频率设置。根据本公开，阻抗匹配在1至3个脉冲内完成。
参照图9，脉冲式可变频率RF发生器110的驱动频率的可变范围可以是12.88MHz～14.24MHz。匹配频率为13.56MHz，并且阻抗Z'(包括阻抗匹配网络130和负载140)的实部设定为50ohms。在史密夫圆图上示出了相移反射系数Γ'或相移导纳y'。最佳阻抗匹配位置是反射系数Γ'的虚部为"0"的频率。在史密夫圆图上，当驱动频率从12.88MHz开始增加时，电纳b'从负值增加到零。同时，当驱动频率从14.24MHz开始减小时，电纳b'从正值减小到零。
在g'＝1的电导圆中，随着驱动频率增加，电纳b'沿圆周顺时针旋转，并且电纳b'的绝对值逐渐接近零。当电纳b'的绝对值达到零时，实现阻抗匹配。
参照图10和11，实线表示当阻抗匹配网络130和负载140的阻抗Z'的实部为50ohm时取决于驱动频率的电纳b'。随着驱动频率从12.88MHz开始增加，电纳b'从负值增加到零。f(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的第m个控制环的驱动频率。f_match表示阻抗匹配的驱动频率。虚线是连接f(n,m＝r)处的电纳和f(n,m＝q)处的电纳的直线。直线中为零的位置的频率是预期的第(n+1)个脉冲的接通时段中的预测匹配频率。连接r和q的直线的电纳为零"0"的频率f(n+1,m＝1)是预测匹配频率，并且成为下一脉冲的起始驱动频率。
当将过使用第n个脉冲的接通时段中的数据(或电纳)获得的预测驱动频率用作第(n+1)个脉冲的接通时段的起始驱动频率时，高速地完成频率调谐阻抗匹配。
图12示出了根据本公开的另一个示例实施例的取决于驱动频率的导纳的虚部。
图13示出了取决于图12中的控制环的操作时间的驱动频率的变化。
参照图12和图13，实线表示当阻抗匹配网络和负载的阻抗Z'的实部为50ohm时取决于驱动频率的电纳b'。随着驱动频率从12.88MHz开始增加，电纳b'从负值增加到零。f(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段T_ON(n)中的第m个控制环的驱动频率。f_match表示阻抗匹配的驱动频率。虚线是连接f(n,m＝r)处的电纳和f(n,m＝q)处的电纳的直线。连接r和q的直线中的为零的点的驱动频率是预期的第(n+1)个脉冲的接通时段中的预测驱动频率。连接r和q的直线的电纳b'为"0"的驱动频率为f(n+1,1)。驱动频率f(n+1,1)大于f_match(13.56MHz)。
第(n+1)个脉冲的接通时段的预测驱动频率处的反射系数的虚部Im(Γ')具有正值。因此，在第(n+1)个脉冲的接通时段中，当控制环运行时，驱动频率减小。
当将通过使用第n个脉冲的接通时段的数据(或电纳)获得的预测驱动频率用作第(n+1)个脉冲的接通时段的起始驱动频率时，高速地完成频率调谐阻抗匹配。
图14是示出根据本公开的另一个示例实施例的负载和阻抗匹配网络的阻抗Z'的变化的史密夫圆图。
图15是示出取决于驱动频率的在图14中的史密夫圆图上示出的电纳的图表。
参照图14和图15，g'＝1的电导圆是阻抗Z'的实部Re(Z')为50ohms的情况。g'＝0.5的圆是阻抗实部Re(Z')为100ohms的情况。g'＝2的圆是阻抗实部Re(Z')为25ohms的情况。
即使阻抗实部Re(Z')不是50ohms，脉冲式可变频率RF发生器也可以运行。也就是说，虽然没有完成阻抗匹配，但是存在反射系数的绝对值|Γ'|显着减小的驱动频率。在g'＝0.5的圆中，位置K是反射系数的虚部Im(Γ')为零的点，并且位置K可以用作最佳频率位置，而不是阻抗匹配条件。在g'＝2的圆中，位置L是反射系数的虚部Im(Γ')变成零的点，并且位置L可以用作最佳频率位置，而不是阻抗匹配条件。
回到图7，在步骤S124中，可以使用相移反射系数Γ'确定阻抗匹配的最佳条件。最佳条件由相移反射系数的绝对值|Γ'|或相移反射系数的虚部Im(Γ')的大小来确定。例如，当相移反射系数Γ'的虚部Im(Γ')的绝对值小于或等于阈值时，确定最佳条件。当阻抗匹配未完成时，根据反射系数的虚部Im(Γ')是否为零(或者是否小于或等于阈值)来确定最佳条件。
因此，当反射系数的虚部Im(Γ')为0时，它就是目前情况下的最佳驱动频率。因此，驱动频率可以保持在最佳驱动频率。
另一方面，当阻抗的实部具有大于50ohms的值时，预测的驱动频率的误差可能增大。然而，单个脉冲中的控制环也会达到这种误差。当即使在第(n+1)个脉冲中也未达到f_match时，针对每个脉冲执行用于预测驱动频率的算法，以在第(n+2)个脉冲中达到最佳驱动频率。
脉冲式可变频率RF发生器可以通过改变驱动频率在最佳驱动频率下运行。阻抗匹配网络130设置在脉冲式可变频率RF发生器110与负载140之间，并且阻抗匹配网络130包括至少两个可变电抗元件。阻抗匹配网络130改变可变电抗元件的电抗值以完成阻抗匹配。因此，可以将负载方向上的阻抗的实部Re(Z')改变为阻抗匹配网络130的输入端子N2处的传输线的特征阻抗Z0。因此，阻抗Z'存在于g'＝1的电导圆上，并且脉冲式可变频率RF发生器110可以完成阻抗匹配。
图16示出了根据本公开的另一个示例实施例的脉冲序列。
参照图16，在执行用于预测本公开的驱动频率的算法之前，可以将至少一个脉冲(在该脉冲中没有执行用于预测驱动频率的算法)发送到负载。这种脉冲可以通过初始放电来使等离子体稳定。在等离子体稳定时段期间，驱动频率可以以预定的起始驱动频率f_start运行。可以包括在不改变脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的情况下使等离子体稳定的步骤，所述步骤包括交替的接通时段T_ON和断开时段T_OFF。
尽管已经详细说明了本公开及其优点，但是应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，能够在本文中进行各种改变、替换和更改。

Claims (10)

1.用于频率调谐阻抗匹配的脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法，脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)的脉冲向负载提供RF功率，并且包括在接通时段(T_ON)中改变驱动频率的控制环，控制方法包括：
改变第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的被标记为f(n,m)的驱动频率；
通过使用第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的驱动频率；并且
在第n+1个脉冲的接通时间(T_ON(n+1))中依照所预测的驱动频率(f(n+1,1))提供脉冲式可变频率RF发生器的RF输出，
其中，f(n,m)是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的第m个处理号中的驱动频率，
n表示脉冲序号，
m是1至q的正整数，
q是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的最后一个处理号，并且
m表示如下指数，该指数指示用于改变接通时段(T_ON)中的驱动频率的控制环的处理号，
其中，改变第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的被标记为f(n,m)的驱动频率的步骤包括：
第一步骤，测量第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号(I)和RF电压信号(V)；
第二步骤，通过使用第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的RF电流信号(I)和RF电压信号(V)来计算脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的阻抗(Zi)和反射系数(Γi)、反映由所述负载与所述脉冲式可变频率RF发生器之间的传输线引起的相位差的相移反射系数(Γ')和相移导纳(y')；以及
第三步骤，根据第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的相移反射系数的虚部(Im(Γ'))的符号来选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大方向或减小方向并改变驱动频率，并且
重复第一步骤、第二步骤和第三步骤，直至第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))结束。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中，通过使用第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的导纳来预测第n+1个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的驱动频率的步骤包括：
对第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的相移导纳(y')的虚部关于驱动频率进行线性拟合；并且
将与相移导纳(y')的虚部为零的点对应的频率设置为第n+1个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的被标记为f(n+1,1)的预测驱动频率。
3.如权利要求2所述的控制方法，其中，第n+1个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的被标记为f(n+1,1)的预测驱动频率如下给出：
f(n+1,m＝1)＝f(n,m＝q)-b'(n,m＝q)[df/db']
df/db'＝[f(n,m＝q)-f(n,m＝r)]/[b'(n,m＝q)-b'(n,m＝r)],
其中，f(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的预定的第r个处理号中的驱动频率，
b'(n,m＝r)表示第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的预定的第r个处理号中的相移导纳(y')的作为虚部的电纳，
f(n,m＝q)表示第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的最后一个处理号中的驱动频率，并且
b'(n,m＝q)表示第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的最后一个处理号q中的导纳(y')的作为虚部的电纳。
4.如权利要求3所述的控制方法，其中，r是3至q-1的正整数。
5.如权利要求1所述的控制方法，还包括：
通过使用相移反射系数(Γ')来确定阻抗匹配的最佳条件，
其中，最佳条件由相移反射系数的绝对值(|Γ'|)或相移反射系数(Γ')的虚部(Im(Γ'))的大小来确定，
当所确定的条件是最佳条件时，在增加表示改变驱动频率的处理号的指数m之后，执行测量脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的RF电流信号(I)和RF电压信号(V)的第一步骤，并且
当所确定的条件不是最佳条件时，执行改变驱动频率的第三步骤。
6.如权利要求1所述的控制方法，其中，根据第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的相移反射系数的虚部(Im(Γ'))的符号来选择脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的增大方向或减小方向并改变驱动频率的第三步骤包括：
当相移反射系数的虚部(Im(Γ'))具有正值时，增大驱动频率，并且
当相移反射系数的虚部(Im(Γ'))具有负值时，减小驱动频率。
7.如权利要求6所述的控制方法，其中，第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的驱动频率的变化量取决于相移反射系数的绝对值或相移反射系数的虚部的绝对值。
8.用于频率调谐阻抗匹配的脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法，脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)的脉冲向负载提供RF功率，并且包括在接通时段(T_ON)中改变驱动频率的控制环，控制方法包括：
改变第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的被标记为f(n,m)的驱动频率；
通过使用第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的驱动频率；并且
在第n+1个脉冲的接通时间(T_ON(n+1))中依照所预测的驱动频率(f(n+1,1))提供脉冲式可变频率RF发生器的RF输出，
其中，f(n,m)是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的第m个处理号中的驱动频率，
n表示脉冲序号，
m是1至q的正整数，
q是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的最后一个处理号，并且
m表示如下指数，该指数指示用于改变接通时段(T_ON)中的驱动频率的控制环的处理号，
所述控制方法还包括：
改变阻抗匹配网络的可变电抗元件的电抗值，以将脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的在负载方向上的阻抗的实部(Re(Zi))设置为所述阻抗匹配网络的输入端子处的传输线的特征阻抗，其中，阻抗匹配网络布置在脉冲式可变频率RF发生器与负载之间并包括至少两个可变电抗元件。
9.用于频率调谐阻抗匹配的脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率的控制方法，脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)的脉冲向负载提供RF功率，并且包括在接通时段(T_ON)中改变驱动频率的控制环，控制方法包括：
改变第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的被标记为f(n,m)的驱动频率；
通过使用第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))的导纳来预测第(n+1)个脉冲的接通时段(T_ON(n+1))的驱动频率；并且
在第n+1个脉冲的接通时间(T_ON(n+1))中依照所预测的驱动频率(f(n+1,1))提供脉冲式可变频率RF发生器的RF输出，
其中，f(n,m)是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的第m个处理号中的驱动频率，
n表示脉冲序号，
m是1至q的正整数，
q是第n个脉冲的接通时段(T_ON(n))中的最后一个处理号，并且
m表示如下指数，该指数指示用于改变接通时段(T_ON)中的驱动频率的控制环的处理号，
所述控制方法还包括：
在不改变脉冲式可变频率RF发生器的驱动频率情况下使等离子体稳定的步骤，该步骤包括交替的接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)。
10.一种包括脉冲式可变频率RF发生器的脉冲式可变频率RF电源系统，脉冲式可变频率RF发生器利用具有交替的接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)的脉冲向负载提供RF功率，
其中，脉冲式可变频率RF发生器包括：
阻抗感测单元，其设置在脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处，以在第n个接通时段(T_ON(n))中感测RF电流信号和RF电压信号；
阻抗处理单元，其用于通过使用第n个接通时段(T_ON(n))中的RF电流信号和RF电压信号来计算脉冲式可变频率RF发生器的输出端子处的阻抗(Zi)和反射系数(Γi)、由负载与脉冲式可变频率RF发生器之间的传输线引起的相移反射系数(Γ')以及从相移反射系数(Γ')转换而来的相移导纳(y')；
驱动频率预测单元，其用于通过使用相移导纳(y')来预测下一接通时段(T_ON(n+1))的驱动频率；
驱动频率控制单元，其用于接收所预测的驱动频率并将所预测的驱动频率设置为下一接通时段(T_ON(n+1))的起始驱动频率，并且使用相移反射系数(Γ')来控制驱动频率；
脉冲发生器，其用于产生脉冲信号并划分接通时段(T_ON)和断开时段(T_OFF)，并且将脉冲信号提供给驱动频率预测单元和驱动频率控制单元；以及
RF放大器，其用于放大具有驱动频率控制单元的驱动频率的正弦波，
其中，驱动频率预测单元在第n个接通时段(T_ON(n))中对相移导纳(y')的虚部关于驱动频率进行线性拟合，并将与相移导纳(y')的虚部为零的点对应的频率设置为预测驱动频率。
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