CN116759285A - 一种射频电源、射频电源的叠层控制环路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射频电源、射频电源的叠层控制环路，属于射频电源控制技术领域，解决了现有射频等离子体电源系统的功率控制具有较长的延滞性的问题。一种射频电源，所述射频电源的功率输出端连接至匹配器的功率输入端；所述射频电源基于射频电源的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，调整射频电源的输出功率；并将调整后的射频电源的输出功率发送至所述匹配器的功率输入端。

Description

一种射频电源、射频电源的叠层控制环路
技术领域
本发明涉及射频电源控制技术领域，尤其涉及一种射频电源、射频电源的叠层控制环路。
背景技术
射频等离子体电源系统被广泛应用于PECVD化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域。整体射频等离子体电源系统的架构包括射频电源、匹配器与腔室负载，射频电源将功率信号输出至匹配器，匹配器进行阻抗匹配后转送功率信号至腔室负载。其中，射频电源的输出端进行V/I量测，反馈至内部主板进行输出功率的调整(如通过PID运算调整功率无限趋近建议参考值PSET)，匹配器亦是依据输入/输出的功率信号进行输入阻抗(匹配器与腔室负载的合并阻抗)的计算与阻抗匹配(匹配器自身调变)的运作，使得功率信号能较高效益的输入至腔室负载。
虽然腔室负载引入的射频功率是依赖于射频电源的功率输出控制，但射频电源仅仅是针对于自身的功率输出调控，两者之间并未有直接性的控制关系，而是通过系统上位机或是外部检测仪器获取此三设备的各项检测数据，借由人为控制，对射频电源信号参考值进行设置，如此，对整体系统的功率控制具有较长的延滞性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种射频电源、射频电源的叠层控制环路，用以解决现有射频等离子体电源系统的功率控制具有较长的延滞性的问题。
一方面，本发明公开了一种射频电源，所述射频电源的功率输出端连接至匹配器的功率输入端；
所述射频电源基于射频电源的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，调整射频电源的输出功率；并将调整后的射频电源的输出功率发送至所述匹配器的功率输入端。
在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，所述射频电源内置第一传感器、功率参考值运算器、PID运算器及功率控制器；其中，
所述第一传感器，设置于所述射频电源的功率输出端，用于实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号；
所述功率参考值运算器，用于基于所述匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载需求的电信号参考值，得到功率参考值；
所述PID运算器，用于基于所述射频电源的功率输出端的第一电信号和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数；
功率控制器，用于基于所述射频电源的输出功率控制参数，调整射频电源的输出功率。
进一步，所述功率参考值运算器为具备偏置电压控制功能、偏置电流控制功能中至少其一的PID运算控制器。
进一步，所述PID运算器将所述射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，将所述功率实际值和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。
进一步，所述射频电源的功率输出端的第一电信号包括电压信号、电流信号中的至少其一。
另一方面，本发明还公开了一种射频电源的叠层控制环路，所述控制环路包括：前述射频电源、匹配器和腔室负载；所述匹配器的功率输出端连接至所述腔室负载的功率输入端；其中，
所述匹配器，基于调整后的射频电源的输出功率进行阻抗匹配，调整匹配器的输出功率；并将调整后的匹配器的输出功率发送至所述腔室负载的功率输入端。
在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，所述匹配器的功率输出端设置有第二传感器，用于实时采集匹配器的功率输出端的第二电信号，并将所述第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号反馈至所述射频电源。
进一步，所述匹配器的功率输出端的第二电信号为常规循环信号或脉冲循环信号。
进一步，当所述匹配器的功率输出端的第二电信号为脉冲循环信号时，所述叠层控制环路还外接脉冲测试仪；
所述脉冲测试仪用于将所述脉冲循环信号的振荡时长反馈至所述功率参考值运算器；所述功率参考值运算器还根据振荡时长，延时获取所述匹配器的功率输出端的第二电信号。
进一步，所述匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载的电信号参考值的信号类型相同。
进一步，所述信号类型为功率信号、电压信号、电流信号中的任一种，或是电压信号与电流信号的组合。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明提供的射频电源，通过基于射频电源的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，即可实现射频电源的输出功率的实时调节，调节方式简单有效。具体实施过程中，功率参考值运算器基于匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载需求的电信号参考值，得到基准可调的功率参考值，由于功率参考值根据需求自行调配，有效降低了人为性干涉，增加了射频电源的输出功率调节的准确性、灵活性和实时性。同时，PID运算器基于所述射频电源的功率输出端的第一电信号和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。最后，功率控制器基于射频电源的输出功率控制参数，调整射频电源的输出功率，从而有效提升了射频电源输出功率的控制效率和控制效果。
本发明提供的射频电源的叠层控制环路，射频电源的输出反馈、功率PID运算及功率输出控制，形成了射频电源的内部闭环控制。同时，射频电源的内部闭环控制、匹配器输出反馈及内部闭环控制的参考值运算，形成射频电源的外部闭环控制，两环路叠加组合，配合信号正向变化关系，使得射频电源功率输出控制直接影响腔室负载需求的电信号控制，降低整体系统的功率控制的延滞性。同时，由于内环路与外环路皆是闭环性控制，因此，叠层控制环路的控制效果相对稳定。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明实施例提供的射频电源的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的射频电源的叠层控制环路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种射频电源的叠层控制环路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的射频电源的叠层控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种射频电源，结构示意图如图1所示。射频电源的功率输出端连接至匹配器的功率输入端；射频电源基于射频电源的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，调整射频电源的输出功率；并将调整后的射频电源的输出功率发送至所述匹配器的功率输入端。
优选地，在本实施例中，射频电源内置第一传感器、功率参考值运算器、PID运算器及功率控制器；其中，
第一传感器，设置于射频电源的功率输出端，用于实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号。优选地，第一传感器包括电压传感器、电流传感器中的至少其一。相应地，射频电源的功率输出端的第一电信号包括电压信号、电流信号中的至少其一。具体实施过程中，当第一传感器是电压传感器时，实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号仅包括电压信号（V值）；当第一传感器是电流传感器时，实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号仅包括电流信号（I值）；而当第一传感器同时包括电压传感器和电流传感器时，实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号包括电压信号（V值）和电流信号，此时，射频电源的功率输出端的电压信号和电流信号可独立获取或同时获取。
功率参考值运算器，用于基于匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载需求的电信号参考值，得到功率参考值。其中，腔室负载需求的电信号参考值可以根据实际工艺需求具体限定。这里，对功率参考值运算器采用的功率转化算法并不限定，只要能算出功率参考值即可。示例性地，功率参考值运算器为具备偏置电压控制（BIAS VOLTAGE CONTROL，BVC）功能、偏置电流控制（BIAS CURRENT CONTROL，BCC）功能中至少其一的PID运算控制器。
PID运算器，用于基于射频电源的功率输出端的第一电信号和功率参考值（PSET）进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。具体地，PID运算器将射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，将功率实际值和功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。需要说明的是，不同的第一电信号转化为射频电源的功率实际值的方式有所区别，描述如下：（1）当射频电源为恒流控制时，射频电源的功率输出端的第一电信号为电压信号；此时，通过将电压信号与恒流控制时的恒定电流相乘，转化得到射频电源的功率实际值。（2）当射频电源为恒压控制时，射频电源的功率输出端的第一电信号为电流信号；此时，通过将电流信号与恒压控制时的恒定电压相乘，转化得到射频电源的功率实际值。（3）当射频电源为常规控制（电压和电流均可变）时，射频电源的功率输出端的第一电信号包括电流信号和电压信号；此时，将射频电源的功率输出端的电压信号和电流信号相乘，转化得到射频电源的功率实际值。示例性地，功率实际值还可以由其它运算模块转化得到，再提供至PID运算器，与功率参考值一起进行PID运算。
功率控制器，用于基于射频电源的输出功率控制参数，调整射频电源的输出功率。
在本发明的另一个具体实施例，公开了一种射频电源的叠层控制环路，结构示意图如图2和3所示。控制环路包括前述实施例中的射频电源、匹配器和腔室负载；匹配器的功率输出端连接至所述腔室负载的功率输入端；其中，匹配器，基于调整后的射频电源的输出功率进行阻抗匹配，调整匹配器的输出功率；并将调整后的匹配器的输出功率发送至腔室负载的功率输入端。
优选地，匹配器的功率输出端设置有第二传感器，用于实时采集匹配器的功率输出端的第二电信号，并将第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号反馈至射频电源。即，匹配器与射频电源之间具备信号反馈连接，从而可将第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号反馈至射频电源。在本实施例中，第二传感器可以为功率传感器、电压传感器、电流传感器中的任一种，或是电压传感器与电流传感器的组合。相应地，第二传感器采集匹配器的功率输出端的第二电信号的信号类型为功率信号、电压信号、电流信号中的任一种，或是电压信号与电流信号的组合。在本实施例中，匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载的电信号参考值的信号类型相同。
优选地，匹配器的功率输出端的第二电信号为常规循环信号或脉冲循环信号。当匹配器的功率输出端的第二电信号为脉冲循环信号时，叠层控制环路还外接脉冲测试仪。此时，脉冲测试仪用于将所述脉冲循环信号的振荡时长反馈至所述功率参考值运算器，功率参考值运算器还根据振荡时长，延时获取所述匹配器的功率输出端的第二电信号，以屏敝该区段振荡。
具体实施过程中，为提升控制精确性，PID运算器或是功率控制器，会将功率控制参数中与匹配器回传的第二电信号性质相同的部分数值，同步传递至功率参考值运算器，功率参考值运算器会将功率控制参数与匹配器反馈的数值化信号进行匹配。由于匹配器的运算默认高速，功率信号/电信号传递为光速传导，信号延滞相当小，虽说信号多少有所变化，但相位/频率几乎不变，因此，能在同一时序周期对照获取的电信号的适格性。另外，匹配器反馈的第二电信号的数值化过程可以在射频电源的功率参考值运算器中实现。即，在具体实施过程中，还可以增加对第一传感器实时回传的射频电源的功率输出端的第一电信号、第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号进行数值化处理的操作。其中，可以通过PID运算器实现对第一传感器实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号进行数值化处理的操作，并完成后续的PID处理过程。匹配器中还可以设置电信号运算器（此时，叠层控制环路的结构示意图如图3所示），实现对第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号进行数值化处理的操作，然后将经过数值化处理后的第二电信号反馈至射频电源。或者，匹配器直接将第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号反馈至射频电源，由功率参考值运算器实现对第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号进行数值化处理的操作，并完成功率参考值的生成过程。
综上所述，由于射频电源的输出功率的升降与腔室负载的电信号的升降形成正向变化关系，仅是两信号升降斜率不同。因此，在本实施例提供的射频电源的叠层控制环路中，射频电源的输出反馈、功率PID运算及功率输出控制，形成了射频电源的内部闭环控制。同时，射频电源的内部闭环控制、匹配器输出反馈及内部闭环控制的参考值运算，形成射频电源的外部闭环控制，两环路叠加组合，配合信号正向变化关系，使得射频电源功率输出能够控制直接影响腔室负载需求的电信号控制。
此外，需要说明的是，在本实施例中，通过内环路现有的安全机制，能在控制临界点进行电源关闭或运作干涉，即使外环路有任何检测器件不正确，造成电信号无法提升或降低至参考点，亦不会使其它设备损坏。
本发明的又一实施例，还公开了一种射频电源的叠层控制方法，流程图如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1：射频电源根据接收到的自身实时回传的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，调整射频电源的输出功率。
在步骤S1中，射频电源通过执行以下操作调整射频电源的输出功率。
步骤S11：利用设置于所述射频电源的功率输出端的第一传感器实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号，并利用设置于所述匹配器的功率输出端的第二传感器实时采集匹配器的功率输出端的第二电信号。
步骤S12：基于所述匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载需求的电信号参考值，得到功率参考值。
具体实施过程中，匹配器的功率输出端的第二电信号为常规循环信号或脉冲循环信号。
当匹配器的功率输出端的第二电信号为脉冲循环信号时，通过以下方式获取所述匹配器的功率输出端的第二电信号：获取脉冲循环信号的振荡时长；并根据振荡时长，延时获取所述匹配器的功率输出端的第二电信号。
优选地，在本实施例中，匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载的电信号参考值的信号类型相同。具体实施过程中，信号类型为功率信号、电压信号、电流信号中的任一种，或是电压信号与电流信号的组合。
步骤S13：基于实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。
具体地，将射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，将功率实际值和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。
在本实施例中，射频电源的功率输出端的第一电信号包括电压信号、电流信号中的至少其一。
当射频电源为恒流控制时，射频电源的功率输出端的第一电信号为电压信号；此时，将射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，执行：将射频电源的功率输出端的电压信号与恒流控制时的恒定电流相乘，转化得到射频电源的功率实际值。
当射频电源为恒压控制时，射频电源的功率输出端的第一电信号为电流信号；此时，将射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，执行：将射频电源的功率输出端的电流信号与恒压控制时的恒定电压相乘，转化得到射频电源的功率实际值。
当射频电源为常规控制（电压和电流均可变）时，射频电源的功率输出端的第一电信号为电流信号和电流信号；此时，将射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，执行：将射频电源的功率输出端的电流信号和电流信号相乘，转化得到射频电源的功率实际值。
步骤S14：基于所述射频电源的输出功率控制参数，调整射频电源的输出功率。
步骤S2：射频电源将调整后的射频电源的输出功率发送至所述匹配器的功率输入端。
步骤S3：匹配器接收到所述调整后的射频电源后，基于所述调整后的射频电源的输出功率进行阻抗匹配，调整匹配器的输出功率；并将调整后的匹配器的输出功率发送至腔室负载的功率输入端。
本发明提供的射频电源的叠层控制方法，射频电源的功率输出端的第一电信号反馈、PID运算及功率输出控制，形成了射频电源的内部闭环控制过程。同时，同时，射频电源的内部闭环控制、匹配器输出反馈及内部闭环控制的参考值运算，形成射频电源的外部闭环控制。将射频电源的内部闭环控制和外部闭环控制叠加结合，配合信号正向变化关系，使得射频电源功率输出控制直接影响腔室负载需求的电信号控制，降低了射频电源、匹配器和腔室负载所形成的系统中功率控制的延滞性。同时，由于内环路与外环路皆是闭环性控制，因此，该叠层控制方法的控制效果相对稳定。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方案的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种射频电源，其特征在于，所述射频电源的功率输出端连接至匹配器的功率输入端；
所述射频电源基于射频电源的功率输出端的第一电信号、匹配器的功率输出端的第二电信号以及腔室负载的电信号参考值，调整射频电源的输出功率；并将调整后的射频电源的输出功率发送至所述匹配器的功率输入端。
2.根据权利要求1所述的射频电源，其特征在于，所述射频电源内置第一传感器、功率参考值运算器、PID运算器及功率控制器；其中，
所述第一传感器，设置于所述射频电源的功率输出端，用于实时回传射频电源的功率输出端的第一电信号；
所述功率参考值运算器，用于基于所述匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载需求的电信号参考值，得到功率参考值；
所述PID运算器，用于基于所述射频电源的功率输出端的第一电信号和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数；
功率控制器，用于基于所述射频电源的输出功率控制参数，调整射频电源的输出功率。
3.根据权利要求2所述的射频电源，其特征在于，所述功率参考值运算器为具备偏置电压控制功能、偏置电流控制功能中至少其一的PID运算控制器。
4.根据权利要求2所述的射频电源，其特征在于，所述PID运算器将所述射频电源的功率输出端的第一电信号转化为射频电源的功率实际值，将所述功率实际值和所述功率参考值进行PID运算，得到射频电源的输出功率控制参数。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的射频电源，其特征在于，所述射频电源的功率输出端的第一电信号包括电压信号、电流信号中的至少其一。
6.一种射频电源的叠层控制环路，其特征在于，所述控制环路包括：权利要求1-5中任一项所述的射频电源、匹配器和腔室负载；所述匹配器的功率输出端连接至所述腔室负载的功率输入端；其中，
所述匹配器，基于调整后的射频电源的输出功率进行阻抗匹配，调整匹配器的输出功率；并将调整后的匹配器的输出功率发送至所述腔室负载的功率输入端。
7.根据权利要求6所述的射频电源的叠层控制环路，其特征在于，所述匹配器的功率输出端设置有第二传感器，用于实时采集匹配器的功率输出端的第二电信号，并将所述第二传感器实时采集的匹配器的功率输出端的第二电信号反馈至所述射频电源。
8.根据权利要求6所述的射频电源的叠层控制环路，其特征在于，所述匹配器的功率输出端的第二电信号为常规循环信号或脉冲循环信号。
9.根据权利要求8所述的射频电源的叠层控制环路，其特征在于，
当所述匹配器的功率输出端的第二电信号为脉冲循环信号时，所述叠层控制环路还外接脉冲测试仪；
所述脉冲测试仪用于将所述脉冲循环信号的振荡时长反馈至所述功率参考值运算器；所述功率参考值运算器还根据振荡时长，延时获取所述匹配器的功率输出端的第二电信号。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的射频电源的叠层控制环路，其特征在于，所述匹配器的功率输出端的第二电信号和腔室负载的电信号参考值的信号类型相同。
11.根据权利要求10所述的射频电源的叠层控制环路，其特征在于，
所述信号类型为功率信号、电压信号、电流信号中的任一种，或是电压信号与电流信号的组合。
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