CN113906680A - 利用相位链接的固态发生器模块进行发电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体生成系统和方法包括连接的固态发生器模块。固态发生器可以被连接到共享参考时钟以生成输出，和/或可以使用相位优化技术进行组合。

Description

利用相位链接的固态发生器模块进行发电的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年5月22日提交并且标题为“SYSTEM AND METHOD OF POWERGENERATION WITH PHASE LINKED SOLID-STATE GENERATOR MODULES”的美国非临时申请号16/881,458、2020年5月22日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD OF POWER GENERATIONWITH PHASE LINKED SOLID-STATE GENERATOR MODULES”的美国非临时申请号16/881,390的优先权，并且要求2019年5月31日提交并且标题为“PHASE LINKING OF MULTIPLE SOLID-STATE GENERATOR MODULES AND SMART PALLETS FOR PLASMAGENERATOR”的美国临时专利申请号62/855,136的优先权和权益，其内容通过引用并入本文，如同在本文中完整阐述一样。
技术领域
本主题公开涉及半导体加工，并且更具体地涉及用于生成RF或微波功率的系统和方法。
背景技术
现有的固态微波功率发生器通常组合多个中等功率源来实现所需的总输出功率。由于组合功率是单个源的向量和，通道之间的幅度和相位不平衡会导致功率损耗。虽然幅度差异经常被校正，但是在最先进的固态发生器中，相移没有被校正。更高功率和效率单元(例如CVD合成金刚石生长)的市场需求正在对有效减少相位相关的损耗构成严重威胁。
发电可以被用于广泛的应用，在半导体加工期间从干燥到等离子体生成。在用于半导体晶片加工(诸如剥离、蚀刻、沉积)或高端工业等离子体加工(诸如用于工业工具和硬件的涂层的等离子体辅助物理气相沉积或PAPCVD)的加工室中制造等离子体的传统方法中，使用RF或微波输入的单次进入。这种单次进入导致在强度和密度方面形成不均匀的等离子体。在一些系统中，为了在一定程度上缓解这个缺点，可以使用喷头来分配等离子体。然而，喷头不能在加工室或腔体中提供理想的等离子体形成。在半导体工业内的一些已知系统采用多个不同的RF发生器利用大体积的磁约束来操纵等离子体。这样做的一个缺点是每个RF发生器都有一个振荡器并且被设置为其自己的相位，从而造成效率低下、局部加热和较少的共振振荡。
此外，阻抗调谐通常是通过在给定区域处测量反射功率量并改变信号频率以使吸收的正向功率量最大化来完成。这样做的缺点是寻找信号从最小值扫描到最大值并选择最低的反射功率需要时间。因此，该方法不能在动态条件下有效地实时执行。
此外，加工室等(例如等离子体管或加工腔)的劣化仍然是等离子体生成系统和工艺中的一个问题。由于等离子体管、加工室或加工腔反复和/或连续地暴露于恶劣的等离子体环境，等离子体管、加工室和/或加工腔的表面状况由于表面与等离子体的相互作用而劣化。通常，相互作用或劣化以蚀刻过程的形式发生。当表面材料(例如其可以是金属或电介质(诸如石英、蓝宝石、陶瓷)、其他电介质)被暴露于氟化的等离子体化学物质(诸如NF3或CF4或氯基化学物质)时，该过程发生地最普遍。
发明内容
鉴于上述需要，在至少一个方面，本主题技术涉及一种生成具有提高的吞吐量和更好的产率的均匀等离子体的系统和方法。在某些情况下，主题技术在加工室内组合功率之前将多个RF/微波模块相位链接在一起。在加工室内测量阻抗以获得加工室的性能特征。确定单个RF发生器的阻抗，并通过了解单个发生器的阻抗(以及相位、振幅和频率)，操纵和调谐加工室内的等离子体以最小化反射功率和/或在室内诱导均匀的等离子体用于改进在半导体基板上的工艺性能。还可以依靠测得的阻抗来识别未知的工艺气体并且监视加工室的寿命。所描述的系统和方法还可以确定在组合电源之间的最佳相移以最大化输出功率和效率。
在至少一个方面，本主题技术涉及一种具有参考时钟、多个固态发生器模块和加工室的等离子体生成系统。参考时钟被配置为生成参考信号。每个固态发生器模块被链接到一个电子开关，并且每个电子开关被链接到参考时钟。每个固态发生器模块被配置为基于来自参考时钟的参考信号生成一个输出。加工室被配置为接收固态发生器模块中的至少两个的输出，以在其中组合所述固态发生器模块的输出。
在一些实施例中，等离子体生成系统包括I/Q调制器，其被配置为将加工室输入处的信号解调为I/Q信号。等离子体生成系统然后可以进一步被配置为：确定I/Q信号的电压驻波比(VSWR)和反射系数；基于VSWR和反射系数计算固态发生器模块之一的第一阻抗；并且基于第一阻抗计算在加工室内的固态发生器模块的组合输出功率的第二阻抗。在一些实施例中，等离子体生成系统还被配置为基于第二阻抗来调节固态发生器模块中的至少一个的相位、振幅和频率。
等离子体生成系统可以被配置为监视加工室的阻抗随时间的变化。在一些实施例中，等离子体生成系统被配置为基于加工室的阻抗随时间的变化来确定加工室的剩余寿命。等离子体生成系统可以被配置为基于加工室的剩余寿命发出警告。等离子体生成系统可以包括存储多种气体的阻抗值的数据库，并且该系统可以被配置为基于加工室的阻抗随时间的变化使用数据库来识别在加工室内的工艺气体。
在一些实施例中，固态发生器模块被连接在锁相环(PLL)中，使得固态发生器模块的输出具有共享相位。在一些情况下，每个固态发生器模块包括连接到电子开关的PLL参考输入和连接到电子开关和合成器的PLL参考输出，合成器被连接到第二电子开关以对固态发生器模块的输出进行脉冲调制。
在至少一个方面，本主题技术涉及一种利用发电系统进行发电的方法。利用多个固态发生器模块生成多个输出。在组合器中使用相位优化技术组合来自多个通道的固态发生器模块的输出以生成同相组合输出功率。
在一些实施例中，相位优化技术包括确定至少一个通道的相移并相移至少一个通道。在一些情况下，多个通道包括三个通道。相位优化技术然后可以包括打开通道。确定第一通道、第二通道和第三通道。基于第一通道和第三通道的总和相移第二通道以创建优化的第二通道。基于第一通道和优化的第二通道的总和相移第三通道。在一些实施例中，该方法包括至少一个附加通道，并且相位优化技术包括，对于每个附加通道，基于所有其他通道(包括任何优化的通道)的总和相移所述附加通道以创建优化的附加通道。在一些情况下，相移第二通道、相移第三通道和相移附加通道的步骤被重复多次。
在一些实施例中，相位优化技术包括使用算法确定至少一个通道的相移，该算法包括以下中的至少一个：二分法、Goertzel-Reinsch算法或离散傅立叶变换。在一些实施例中，多个通道包括三个通道，并且相位优化技术包括：确定第一通道、第二通道和第三通道；打开第一通道和第二通道；相移第二通道以匹配第一通道的输出；关闭第二通道并且打开第三通道；以及相移第三通道以匹配第一通道的输出。
在一些实施例中，该方法包括至少一个附加通道，并且相位优化技术包括：对于每个附加通道，打开第一通道和所述附加通道，关闭所有其他通道，以及相移所述附加通道以匹配第一通道的输出。
在一些实施例中，该方法包括向波导输出提供同相组合输出功率。在一些实施例中，固态发生器模块被连接在锁相环(PLL)中，使得固态发生器模块的输出具有共享相位。
在至少一个方面，本主题技术涉及一种发电系统，其具有被配置为生成多个输出的多个固态发生器模块和组合器。组合器被配置为使用相位优化技术组合来自多个通道的固态发生器模块的输出以生成同相组合输出功率。
附图说明
为了使本公开系统所属领域的普通技术人员将更容易理解如何制作和使用该系统，可以参考以下附图。
图1是根据本主题技术的等离子体生成系统的示意框图。
图2是根据本主题技术的可以作为等离子体生成系统的一部分被包括的示例性锁相环(PLL)电路的功能框图。
图3A是根据本主题技术的示例性RF发生器的电路配置的框图。
图3B-3C是图3A的电路部分的框图。
图4是根据本主题技术的另一个等离子体生成系统的示意框图。
图5是作为根据本主题技术配置的系统的一部分的I/Q调制器的电路的示意功能框图。
图6示出了I/Q信号的示例性极坐标图。
图7是根据本主题技术的比较发电机的单个功率和组合功率的曲线图。
图8A是示例性史密斯圆图。
图8B示出了根据本主题技术的具有供系统和过程中使用而添加的等值线的示例性史密斯圆图。
图9是根据本主题技术的示例性发电系统的示意框图。
图10A是示出了根据本主题技术的相位优化方法的一部分的图。
图10B是示出了根据本主题技术的相位优化方法的另一部分的图。
具体实施方式
本主题技术克服了许多与发电机系统和方法相关联的现有技术问题。简而言之，本主题技术提供了一种组合来自多个锁相RF或微波功率模块的功率的系统和方法。从结合阐述本发明的代表性实施例的附图的某些优选实施例的以下详细描述中，本文公开的系统和方法的优点和其他特征对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见。本文使用相同的附图标记来表示相同的部件。此外，表示方向的词语(诸如“上部”、“下部”、“远处”和“接近”)仅被用于帮助描述组件相对于彼此的位置。例如，部件的“上”表面仅意图描述与同一部件的“下”表面分开的表面。没有表示方向的词语被用于描述绝对方向(即“上部”部分必须始终在顶部)。
现在参考图1，根据一些示例性实施例的具有锁相固态RF发生器(或微波发生器)的等离子体生成系统的示意框图通常以100示出。系统100包括主功率和控制模块102，其生成用于加工室122的输出120a、120b能量。主功率和控制模块102包括多个固态发生器104a、104b，它们是主功率和控制模块102的子模块。虽然示例性功率和控制模块102包括两个固态发生器104a、104b，应当理解，这只是为了便于解释。在其他情况下，多个附加的固态发生器104c、104d、104e…104n(统称为104)可以被包括在控制模块102中并且可以根据本文的教导起作用。例如，在某些情况下，功率和控制模块102可以包括10个固态发生器104。发生器104是相位链接的并且运行共享时钟信号以引起锁相环(PLL)操作，如本文将更详细地讨论。每个固态发生器104包括RF源模块106a、106b和RF负载模块108a、108b。RF源模块106a、106b控制单独的固态发生器104a、104b的频率、相位和功率。RF负载模块108a、108b测量负载阻抗并且有效地测量每个单独发生器104a、104b的负载阻抗的相位和振幅。
来自每个固态发生器104a、104b的输出120a、120b向相应的输入112a、112b提供发生器功率，输入112a、112b将RF或微波能量128a、128b经由波导114a、114b(或同轴电缆递送组件等)耦合至加工室122。RF或微波能量128a、128b的频率、相位和功率是将输入112a、112b经由波导114a、114b耦合到加工室中的结果。加工室122可以是空腔、等离子体管等，其形成反应室。在反应室122内的加工基板124(或半导体晶片等)在加热卡盘126上被预热到加工温度。气体入口130根据特定等离子体加工配方的需要将加工气体输送到加工室122。
输入112a、112b包含RF或微波能量128a、128b的频率、相位和功率(f1，
Figure BDA0003383105570000061
P1和f2，
Figure BDA0003383105570000062
P2)。因此，RF负载模块108a测量在输出120a和输入112a之间的负载阻抗(并且有效地测量相位和振幅)。同样，RF负载模块108b测量在输出120b和输入112b之间的负载阻抗。基于来自相应RF负载模块108a、108b的测量结果，RF源模块104a、104b然后可以操纵RF或微波能量128a、128b，改变频率、相位和功率以在加工室122内提供空间性能管理。应当理解，系统100还可以包括处理器、数据和其他加工组件，这些是执行本文描述的系统100的功能所必需的。
如上所述，系统100的发生器104被布置在PLL中。现在参考图2，示例性PLL的功能框图通常以200示出。特别地，虽然可以在本主题公开的系统中实施PLL的各种配置，但是PLL 200是这样系统的一个示例。示例性PLL 200采用输入信号Vi 202并且生成具有相关相位的输出信号Vo 210。PLL 200具有生成周期信号的压控振荡器208。相位比较器204将来自振荡器208的周期信号的相位与输入信号Vi 202的相位进行比较，调整振荡器208以保持相位匹配。PLL 200还包括环路滤波器206，其可以是低通滤波器等。环路滤波器206通常用于确定环路动态并且限制施加到振荡器208的输入的参考频率能量。特别地，匹配输入和输出相位还需要保持输入和输出频率相同。因此，PLL 200可以额外地追踪输入频率并且相应地匹配输出频率。
现在参考图3A-3C，示例性RF发生器的电路配置通常以300示出。特别地，图3A描绘了RF发生器的电路300。图3B-3C各自描绘了RF发生器的电路300的一部分。RF发生器可以提供250瓦特的RF源，例如其作为本文所示和描述的微波发电系统的一部分起作用。根据本文教导的被布置在系统中的任何RF发生器(例如RF发生器104a、104b)可以根据示例性电路300起作用。应该理解，示出和描述电路300仅教导在系统内的RF发生器的可能电配置。在其他实施例中可以提供更高或更低功率的RF源。类似地，本文描述的电路300的所有组件被提供作为有效电路的一个示例，应当理解，在其他情况下，可以不同地配置电路，同时仍然有效地作为本文示出和描述的系统的一部分起作用。
如图3B所示，电路300包括PLL参考输入304(“Ref In”)、PLL参考输出302(“Reference Out”)、电子开关306、参考时钟308和合成器310。参考输入302被连接到电子开关306，电子开关306又被连接到参考时钟。参考时钟308省略了周期信号，诸如1MHz时钟信号。参考输出302还被连接到开关306和合成器310，合成器310可以是2.4-2.5GHz合成器。合成器310被连接到另一个电子开关320，该电子开关320被用于脉冲调制信号为了期望的脉冲上升和下降以及宽度时间。
现在参考图4，作为根据本主题技术的等离子体生成系统的一部分的示例性微波发电系统通常以400示出。系统400可以与系统100类似地起作用，并且反之亦然，除非本文另外示出和描述。微波发电系统400包括10个连接的RF发生器402a-j(例如与固态发生器104a、104b类似地配置)，但是应当理解，也可以使用不同数量的发生器402a-j(统称为402)。RF发生器402的功率可以是250瓦特，在某些情况下，也可以使用其他功率水平。系统控制器412包括处理器和存储器，以控制发电机400的操作。系统控制器412可以执行程序指令，诸如算法等，以使系统400根据本文的教导进行操作。此外，系统控制器412可以包括存储器，包括如本文所述的数据库，用于存储测量数据或输入数据。将来自发生器402的组合功率提供给加工室408。
每个RF发生器402包括各自的参考输入404和参考输出406，其可以与参考输入302和参考输出304类似地配置。特别地，参考输入404和输出406被连接在RF发生器402之间用于PLL操作。参考输入404和输出406将每个RF发生器402连接到相同的电子开关306(参见图3A-3C的电路300)，同时将每个RF发生器402连接到相同的参考时钟308，使得它们以相同的周期信号操作。如上所述，共享同一时钟308引起在RF发生器402之间的锁相环(PLL)操作。这允许所有RF发生器402的相位链接，导致组合RF发生器402的总功率最有效并且没有功率损失。
例如，现在参考图7，示出了组合发生器功率的示例性图。来自每个单独发生器402的功率输出在上图702中示出。所有发生器402的组合功率在下图704中示出。相位链接允许发生器402的输出叠加在彼此之上而没有重叠。同样地，每个发生器402单独地输出具有幅度P1的功率。假设有“n”个发生器402，发生器是相位链接的并且因此它们的组合功率是“n”乘以P1的倍数。这创造了所有单独发生器的最大总和(幅度“nxP1”)，如图704所示。这与图1的发生器104的功率组合的情况类似，它们也在PLL布置中。相比之下，当相加单独的RF发生器功率时，缺少相位链接会导致效率低下。
再次参考图3A-3C，以及如图3C所示，电路300包括正向功率检测器312、正向/反射功率检测器314，其可以被用于通过监视多个信号并且通过IQ调制器316分析数据来实时测量阻抗。RF信号被施加到RF跨导放大器318的输入，并且然后由IQ调制器316使用正交LO信号解调成I/Q基带信号(“I”是指信号的“同相”分量，而“Q”代表正交分量)。正交LO信号通过90°移相器从LO源(例如合成器310)内部生成。
现在参考图5，示出了I/Q调制器500的电路的示例性示意功能框图。本文描述的其他I/Q调制器，诸如I/Q调制器316，可以根据I/Q调制器500进行配置。在一些特定的示例性实施例中，该设计结合了德州仪器TRF372017集成IQ调制器PLL/VCO，或类似的电路。TRF372017是一种高性能、高线性度、低噪声IQ调制器并且是一种整数-分数的PLL/VCO。“LO”可用作具有单独分频器的输出，但可以接受来自外部LO或VCO的输入，其在示例性实施例中是来自合成器310的参考信号。
BBi 502是与同相分量的正和负方面相关的一组差分信号。BBq 504是与正交分量的正和负方面相关的一组差分信号。这是指一对相位相差90°的周期信号。同相和正交分量是指两个具有相同频率并且相位相差90°的正弦曲线。按照惯例，“I”信号是余弦波形，和“Q”信号是正弦波形。由于正弦波相对于余弦波偏移90°，另一种表达方式是正弦波和余弦波“正交”。
现在参考图6，I/Q信号(例如，作为电路300的一部分)的示例性极坐标图通常以600示出。当用稍微改变载波频率的波形调制载波时，调制信号可以被视为相量。作为相量，它具有实部和虚部。实部与同相或“I”(水平轴602)相关，而虚部是正交或“Q”(垂直轴604)。利用调制信号的“I”和“Q”分量以及已经锁定到载波信号的接收机，可以在极坐标图600上示出信息。一旦绘制出RF信号，其就可以在极坐标中通过振幅和相位、或在x-y坐标中用x和y向量的振幅表示。正交信号由90度混合生成。I/Q信号的振幅和极性确定I/Q向量(调制RF载波)的平移振幅和相位。知道振幅和相位，可以计算电压驻波比(VSWR)和复反射系数。
再次参考图4，通过将多个相链接的发生器402运行到单个腔体或等离子体源中，诸如加工室408，可以在输入(例如天线)进入加工室408的入口处执行实时阻抗测量，并且因此可以确定VSWR。知道VSWR和复反射系数，可以计算在加工室408中的微波或RF能量的相位和振幅。以下是用于这样做的示例性而非唯一的公式：
ρ＝Vmax/Vmin 等式1
Γ＝(1-ρ)/(1+ρ) 等式2
Γ∠°＝Vref/Vfwd 等式3
Γ＝(ZL–Z0)/(ZL+Z0) 等式4
在上述等式中，ZL和Z0分别是负载和特征负载阻抗。变量ρ是电压驻波比(VSWR)。Vmax是VSWR最大电压中定义的电压最大值，以及Vmin是对于典型辐射源的VSWR最小电压中定义的电压最小值。Γ是反射系数的绝对值，其通常被定义为Γ∠°，其中∠°是定义的与复反射系数相关联的相位。Vref是反射电压并且Vfwd是正向或入射电压。
鉴于上述，系统400计算与每个发生器402相关联的空间阻抗。通过知道每个发生器402的空间阻抗，系统400可以计算针对所有发生器402的空间阻抗，从而给出加工室408中的所有相关联输入的阻抗。系统控制器412然后可以调节到加工室408的输入以操纵和调整输入，如在本文更详细讨论的。通过使用室408的多个入口，并通过调节每个单独的发生器402的相位、振幅和频率，系统400可以以空间配置和方式在不同的位置操纵等离子体，以在振幅和密度方面生成理想的均匀等离子体，缓解本文讨论的传统方法的缺点。
类似地，以及通过另一个示例，再次参考图1，其中基板124(或半导体晶片)位于加工室122内，系统100能够计算每个RF发生器输出120a、120b或加工室输入112a、112b的阻抗。系统100然后可以使用计算机和基于算法的软件来操纵和调整所有输入112a、112b的相位、振幅和频率，并绘制结果输出。此外，可以改变相位、振幅和频率以调整均匀的等离子体性能，从而获得更好的工艺性能、更快的吞吐量、以及更好和改进的产量以及基板或晶片运行之间的更少变化。以这种方式，通过使用多个条目并通过调整每个单独的RF或微波输入能量的相位、振幅和频率，可以以空间配置和方式操纵在不同位置的等离子体，以在振幅和密度方面生成理想的均匀等离子体和密度，并且还减轻了本文描述的传统方法的缺点。
通过诱导均匀等离子体，可以有效地提高半导体加工基板的性能。均匀等离子体可以提供更快的性能，因为在非均匀等离子体的存在下，经历半导体加工的基板(例如基板124)将被暴露于过度加工，诸如过度蚀刻、过度灰化或过度沉积，以覆盖暴露于较低等离子体振幅或强度的晶片区域。通过消除本文讨论的这种过度加工，提高了半导体加工的吞吐量。此外，根据示例性实施例生成的均匀等离子体可以提供更好的产量，因为通常如上所述的过度加工(过度蚀刻、过度灰化和过度沉积)将导致不太理想的产量，这是因为过度加工可能损坏由先前加工步骤生成的垫层。此外，还可以通过使用均匀等离子体来减轻运行之间的变化。在完成成品基板124所需的多个步骤期间采取的每一个所需步骤上，均匀等离子体将在整个基板124上提供相同的半导体性能。
此外，加工室等(例如等离子体管或加工腔体)的劣化仍然是等离子体生成系统和工艺中的一个问题。在一些情况下，系统100可以连续地或以特定时间间隔测量阻抗，并将阻抗随时间的变化存储在数据库等中。当在加工室内的表面被侵蚀时，可以将被侵蚀表面的阻抗与存储在系统数据库内的阻抗数据进行比较，以确定表面已经被侵蚀。这样就可以准确地监视加工腔体的寿命，并采取适当的行动。
现在参考图8A、8B，本文描述的系统可以被配置为采用上述技术通过知道等离子体的阻抗是电容性还是电感性来确定正在加工什么工艺气体。图8A示出史密斯圆图800，其是圆形微波或RF阻抗图，被用于确定输送系统中的微波或RF功率的特性。图8B示出了示例性史密斯圆图802，其已经被标记以示出如何在本文所述的系统内利用史密斯圆图。史密斯圆图802包括能量的VSWR(ρ)、反射系数(Γ)和相位
Figure BDA0003383105570000111
的等值线，因为一半可以被指定为电容性并且另一半被指定为电感性。然后系统可以通过将结果与查找表进行比较来确定工艺气体的性质。在一些示例性实施例中，该查找表可以包括在半导体基板的加工中使用的所有典型气体的特性阻抗。
例如，系统(例如系统100、400)可以包括所有半导体加工气体的综合数据库。特别地，数据库可以包括在等离子体生成过程中最常用的气体，诸如O2、N2、H2、Ar、氟基气体、氯基气体及其组合。对这些气体的参考可以连同根据本公开测量的它们相关联的阻抗一起存储在数据库中。然后，可以将未知气体的测得阻抗与数据库进行比较，以确定未知气体的身份。这种识别加工气体的过程可以是有利的。例如，如果记录运行的等离子气体的阻抗并将其报告回工厂，然后可以确定终端用户在其半导体加工配方中运行的是什么气体。
这种监视加工室(例如，加工室122、408)阻抗的技术还可以被用于通过监视加工室122、408的阻抗变化来确定加工室122、408的寿命或更换时间。在一些情况下，系统100、400可以测量阻抗并且将阻抗随时间的变化连续地或以特定时间间隔存储在处理器、数据库等中。加工室122、408的正常蚀刻和退化将导致室阻抗的变化，并且因此指示加工室122、408的蚀刻。可以将侵蚀表面的阻抗与存储在系统数据库中的阻抗数据进行比较，以确定表面已经被侵蚀。以此方式，加工室122、408的寿命可以被准确地监视并且可以采取适当的行动。这是有利的，因为可以通过系统100、400向半导体制造厂用户警告加工室122、408的终止寿命。当等离子体加工室122、408的阻抗由于等离子体与暴露表面的相互作用而造成侵蚀的等离子体管表面的劣化而改变时，系统100、400可以生成一个或多个系列的消息并将它们显示给用户，以告知他们当前状况。示例性消息可以包括“管腐蚀接近维修时间”、“警告：管损坏需要更换”和/或其他警告或更换消息等以告知用户系统100、400的状态和/或可能建议或要求的维修行动。这在半导体加工中尤其有益，因为半导体加工中的“正常运行时间”至关重要。因此，从预测和规划可能的停机时间的角度来看，让终端用户提前知道潜在的维修行动是非常有帮助的。
现在参考图9，示出了示例性发电系统900的框图。系统900可以被配置为生成类似于先前描述的系统100、400的电力，除非本文另有显示和描述。
系统900包括由电源910供电并连接在PLL中的多个单独的发电机模块902a-d(统称为902)。系统900采用高频菊花链以允许多个RF放大器链和例如具有1.4度步长的360度移相器的相干激励。应当理解，虽然以示例的方式示出了4个单独的1kw发电机模块，但是在其他实施例中可以使用不同数量的发电机模块902，不同功率的发电机模块也可以。与本文描述的其他系统100、400不同，发生器模块902不需要被连接到共享参考时钟，正在采取其他步骤来实现相位优化。在功率组合器904中组合来自发生器模块902的功率并且针对多个通道进行优化。然后可以经由波导输出906将功率提供给源(本文未示出)。如上所述，源可以是用于加工半导体基板或者用于干燥食物或其他应用的加工室。
系统900还包括处理模块908，其可以执行诸如算法等的程序指令，以使系统900根据本文的教导进行操作。处理模块908还可以包括用于存储测量数据或输入数据的存储器，包括数据库等。处理器908被连接到输入/输出(I/O)设备912。I/O设备912可以包括输入设备，诸如已知的按钮、键盘、鼠标或其他输入设备，其允许用户输入数据、控制、设置或对系统900进行其他改变。I/O设备912还包括输出部分，其可以为用户显示关于系统900的信息。例如，I/O设备912可以包括输出能力，诸如警示灯或显示图形、警告的屏或其他视觉指示器。
在传统系统中，来自器件非均匀性或制造公差的幅度和相位变化可以导致不同功率模块之间的功率总和不完美，从而造成组合效率的降低。相比之下，系统900能够在组合器904内组合功率以平衡各种通道的相位和幅度。特别地，系统900采用一种优化系统900的通道之间的相位的方法。系统900对每个发生器模块902的幅度和相位进行编程并测量组合器904的输出功率，确定每个发电机模块902的最佳相位以最大化输出功率同时最小化损失。
系统900可以执行采用各种优化技术的算法以最大化输出功率。一种这样的优化技术包括执行二分法来相位对齐两个通道。通过绘制系统900的输出功率，可以看出，根据相位角的系统900的组合输出功率P(θ)是单峰的(即它只有一个最小值/一个最大值)。因此，在某些情况下，可以应用二分法来找到最佳值。例如，符号f(x)在这里用于P(θ)。给定f(x)的区间，当存在点a<b<c的三元组时，最小值被括号括起来，使得f(b)小于f(a)和f(c)。在这种情况下，函数(非奇异函数)在区间[a，c]中具有最小值。然后，二分算法在a和b之间或b和c之间选择一个新点x。对于本示例，假设在b和c之间选择了一个点x。然后评估函数f(x)。
如果f(b)<f(x)，则点的新括弧三元组是(a；b；x)，如图10A的1000a所示。如果f(b)>f(x)，则点的新括弧三元组是(b；x；c)，如图10B的1000b所示。在任何一种情况下，新的三元组是横坐标，其纵坐标是迄今为止达到的最佳最小值。重复这个过程直到间隔足够小，这可以基于系统900的芯片分辨率的限制。因此，可以执行多次重复，直到间隔与系统900的芯片分辨率匹配。
最佳括号间隔(a；b；c)的中间点b与a的分数距离为0.38197，与b的分数距离为0.61803，如下式所示：
Figure BDA0003383105570000131
Figure BDA0003383105570000132
等式5和6的分数是“黄金分割”或“黄金部分”。因此，下一个要使用的点是分数0.38197，其被放入两个间隔中较大的一个(从三元组的中心点测量)。注意，此方法可以被用于寻找最小或最大输出功率。在某些情况下，寻找最小值可能是一种更稳健和更快的方法，因为在最小值附近的梯度要高得多。此外，使用最小值允许随后执行幅度优化。不利之处在于，在使用最小值时，系统900被迫进入最差配置的区域。
根据相位角的系统900的组合输出功率的幅度P(θ)也是周期函数。因此可以使用三角插值，也就是说，可以根据以下任一等式使用三角函数的有限和对周期函数进行插值：
Figure BDA0003383105570000141
Figure BDA0003383105570000142
为了评估ak和bk，可以使用Goertzel-Reinsch算法或直接离散傅立叶变换算法。在本示例中，只有第一系数a1和b1是有意义的，因此更完整的傅立叶级数分析只会增加复杂性，而不会产生额外的优势。在某些情况下，这种方法可以比前面讨论的二分法更稳健、更快。但是，该方法需要在所有相位范围内的值，包括在最坏情况配置区域中的相位值。
以上示例性方法被用于描述当两个放大器(例如两个发生器模块902)驱动组合器904时的优化。当两个发生器模块902驱动组合器904并且在组合器904输出中组合四个通道时，可以通过首先打开通道1和2来执行优化。根据上述算法对通道2执行优化以与通道1相匹配。然后关闭通道2并且打开通道3。根据上述算法对通道3执行优化以与通道1相匹配。然后关闭通道3并且打开通道4。根据上述算法对通道4执行优化以与通道1相匹配。然后所有通道都已经被优化以与通道1相匹配，并且因此已经实现了全部相位匹配。
当使用额外的发生器模块902时，可以一次一个通道进行通道优化，并且然后根据需要进行重复。假设有4个通道，通道1可以保持不变(周期为0)。然后通道2可以以通道1的周期旋转。然后通道3可以以通道2的周期旋转。然后通道4可以以通道3的周期旋转。这允许同时输出组合器904的不同频率。
例如，当四个发电机模块902驱动组合器904时，四个通道的优化可以如下进行。首先，打开所有的通道。然后，对通道2执行优化以将其他通道的总和与上述算法之一相匹配。这将通道2匹配到通道1、3和4的原始总和。然后可以执行通道3的优化以将其他通道的总和与上述算法之一相匹配，将通道3匹配到通道1和4加上通道2的改进的总和。然后，可以执行通道4的优化以将其他通道的总和与上述算法之一相匹配，包括通道2和3的改进。优化通道2-4的这些步骤然后可以重复，直到该匹配对于整个系统900的期望精度是令人满意的为止。
本文示出的部件的所有定向和布置仅作为示例使用。此外，相关领域的普通技术人员将理解，在可替代实施例中，多个元件的功能可以由更少的元件或单个元件来执行。类似地，在一些实施例中，任何功能元件可以执行比关于所示实施例所描述的操作更少或不同的操作。此外，在特定实施方式中，为了说明的目的而被示为不同的功能元件可以并入其他功能元件中。
虽然已经关于优选实施例描述了主题技术，但是本领域技术人员将容易理解，在不脱离主题技术的精神或范围的情况下，可以对主题技术进行各种改变和/或修改。例如，每项权利要求可以以多种从属方式从属于任何或所有权利要求，即使最初并未要求保护这种。

Claims (29)

1.一种等离子体生成系统，包括：
参考时钟，所述参考时钟被配置为生成参考信号；
多个固态发生器模块，每个固态发生器模块被链接到电子开关并且每个电子开关被链接到所述参考时钟，所述固态发生器模块各自被配置为基于来自所述参考时钟的参考信号生成输出；以及
加工室，所述加工室被配置为接收所述固态发生器模块中的至少两个的输出，以在其中组合所述固态发生器模块的输出。
2.根据权利要求1所述的等离子体生成系统，还包括I/Q调制器，其被配置为将在所述加工室的输入处的信号解调为I/Q信号，其中，所述等离子体生成系统还被配置为：
确定所述I/Q信号的电压驻波比(VSWR)和反射系数；
基于VSWR和所述反射系数来计算所述固态发生器模块之一的第一阻抗；并且
基于所述第一阻抗来计算所述加工室内的所述固态发生器模块的组合输出功率的第二阻抗。
3.根据权利要求2所述的等离子体生成系统，其中，所述系统还被配置为基于所述第二阻抗来调节所述固态发生器模块中的至少一个的相位、振幅和频率。
4.根据权利要求2所述的等离子体生成系统，其中，所述系统还被配置为监视所述加工室的阻抗随时间的变化。
5.根据权利要求4所述的等离子体生成系统，其中，所述系统还被配置为基于所述加工室的阻抗随时间的变化来确定所述加工室的剩余寿命。
6.根据权利要求5所述的等离子体生成系统，其中，所述等离子体生成系统被配置为基于所述加工室的剩余寿命发出警告。
7.根据权利要求4所述的等离子体生成系统，还包括存储多种气体的阻抗值的数据库，其中，所述系统还被配置为基于所述加工室的阻抗随时间的变化，使用所述数据库来识别所述加工室内的加工气体。
8.根据权利要求1所述的等离子体生成系统，其中，所述固态发生器模块被连接在锁相环(PLL)中，使得所述固态发生器模块的输出具有共享相位。
9.根据权利要求8所述的等离子体生成系统，其中，每个固态发生器模块包括：
被连接到所述电子开关的PLL参考输入；和
被连接到所述电子开关和合成器的PLL参考输出，所述合成器被连接到第二电子开关以对所述固态发生器模块的输出进行脉冲调制。
10.一种利用发电系统进行发电的方法，包括：
利用多个固态发生器模块生成多个输出；和
在组合器中使用相位优化技术组合来自多个通道的所述固态发生器模块的输出，以生成同相组合输出功率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述相位优化技术包括：
确定至少一个通道的相移；和
使所述至少一个通道相移。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个通道包括三个通道并且所述相位优化技术包括：
打开所述通道；
确定第一通道、第二通道和第三通道；
基于所述第一通道和所述第三通道的总和使所述第二通道相移，以产生优化的第二通道；以及
基于所述第一通道和所述优化的第二通道的总和，使所述第三通道相移。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括至少一个附加通道，其中，所述相位优化技术包括：对于每个附加通道，基于包括任何优化的通道的所有其他通道的总和，使所述附加通道相移以产生优化的附加通道。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述第二通道相移、使所述第三通道相移以及使附加通道相移的步骤被重复多次。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述相位优化技术包括使用算法确定所述至少一个通道的相移，所述算法包括以下至少一个：二分法、Goertzel-Reinsch算法或离散傅立叶变换。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个通道包括三个通道并且所述相位优化技术包括：
确定第一通道、第二通道和第三通道；
打开所述第一通道和所述第二通道；
使所述第二通道相移，以匹配所述第一通道的输出；
关闭所述第二通道并且打开所述第三通道；以及
使所述第三通道相移，以匹配所述第一通道的输出。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括至少一个附加通道，其中，所述相位优化技术包括：
对于每个附加通道，打开所述第一通道和所述附加通道，关闭所有其他通道，并且使所述附加通道相移以匹配第一通道的输出。
18.根据权利要求10所述的方法，还包括向波导输出提供所述同相组合输出功率。
19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固态发生器模块被连接在锁相环(PLL)中，使得所述固态发生器模块的输出具有共享相位。
20.一种发电系统，包括：
多个固态发生器模块，所述多个固态发生器模块被配置为生成多个输出；和
组合器，所述组合器被配置为使用相位优化技术组合来自多个通道的所述固态发生器模块的输出，以生成同相组合输出功率。
21.根据权利要求20所述的发电系统，其中，所述相位优化技术包括：
确定至少一个通道的相移；和
使所述至少一个通道相移。
22.根据权利要求20所述的发电系统，其中：
所述多个通道包括三个通道；和
所述相位优化技术包括：
打开所述通道；
确定第一通道、第二通道和第三通道；
基于所述第一通道和所述第三通道的总和使所述第二通道相移，以产生优化的第二通道；以及
基于所述第一通道和所述优化的第二通道的总和，使所述第三通道相移。
23.根据权利要求22所述的发电系统，还包括至少一个附加通道，其中，所述相位优化技术包括：对于每个附加通道，基于包括任何优化的通道的所有其他通道的总和，使所述附加通道相移以产生优化的附加通道。
24.根据权利要求22所述的发电系统，其中，所述系统被配置为使所述第二通道相移、使所述第三通道相移以及使附加通道相移的步骤重复多次。
25.根据权利要求20所述的发电系统，其中，所述相位优化技术包括使用算法确定所述至少一个通道的相移，所述算法包括以下至少一个：二分法、Goertzel-Reinsch算法或离散傅立叶变换。
26.根据权利要求25所述的发电系统，其中，所述多个通道包括三个通道并且所述相位优化技术包括：
确定第一通道、第二通道和第三通道；
打开所述第一通道和所述第二通道；
使所述第二通道相移，以匹配所述第一通道的输出；
关闭所述第二通道并且打开所述第三通道；以及
使所述第三通道相移，以匹配所述第一通道的输出。
27.根据权利要求26所述的发电系统，还包括至少一个附加通道，其中，所述相位优化技术包括：
对于每个附加通道，打开所述第一通道和所述附加通道，关闭所有其他通道，并且使所述附加通道相移以匹配第一通道的输出。
28.根据权利要求20所述的发电系统，还包括波导输出，其中，所述系统被配置为向所述波导输出提供所述同相组合输出功率。
29.根据权利要求20所述的发电系统，其中，所述固态发生器模块被连接在锁相环(PLL)中，使得所述固态发生器模块的输出具有共享相位。
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PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Kenneth Trenholm

Inventor after: Mohammed Kamareshi

Inventor after: Mohamed Shaheen

Inventor after: Brian Galivin

Inventor after: Francisco Brajiloli

Inventor before: Mohammed Kamareshi

Inventor before: Mohamed Shaheen

Inventor before: Kenneth Trenholm

Inventor before: Brian Galivin

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