TW202115766A - 極值尋覓控制裝置及用於射頻阻抗匹配之自動頻率調諧之方法 - Google Patents

極值尋覓控制裝置及用於射頻阻抗匹配之自動頻率調諧之方法 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種射頻(RF)產生器，其包含經組態以依一輸出頻率產生一輸出信號之一RF電源。該RF產生器包含一頻率調諧模組。該頻率調諧模組產生控制該RF電源之該輸出頻率之一頻率控制信號。該頻率控制信號包含一頻率調諧信號分量及一擾動信號分量。該擾動信號變動該輸出信號之一電參數。回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。

Description

極值尋覓控制裝置及用於射頻阻抗匹配之自動頻率調諧之方法
本發明係關於RF產生器系統及RF產生器之控制。
本文中所提供之背景描述係為了大體上呈現本發明之背景。當前發明人之工作(即，[先前技術]章節中所描述之工作)及申請時原本不被視為先前技術之描述之態樣不應被明確或隱含承認為本發明之先前技術。
電漿蝕刻常用於半導體製造中。在電漿蝕刻中，離子由一電場加速以蝕刻一基板上之暴露表面。在一基本實施方案中，基於由一功率輸送系統之一各自射頻(RF)或直流(DC)產生器產生之RF或DC功率信號來產生電場。必須精確控制由產生器產生之功率信號以有效執行電漿蝕刻。
一種射頻(RF)產生器包含經組態以依一輸出頻率產生一輸出信號之一RF電源。該RF產生器亦包含經組態以產生一頻率控制信號之一頻率調諧模組，該頻率控制信號變動該RF電源之該輸出頻率。該頻率控制信號包含一頻率調諧信號分量及一擾動信號分量。該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。
一種射頻(RF)產生器包含經組態以依一輸出頻率產生一輸出信號之一RF電源。一頻率控制器經組態以產生一頻率控制信號，其中該頻率控制信號變動該RF電源之該輸出頻率。該頻率控制信號包含一阻抗調諧信號分量及一擾動信號分量。一信號源經組態以產生該擾動信號。一混頻器經組態以混合該擾動信號及一電參數以產生一混合信號。一回饋模組經組態以根據該混合信號判定一更新頻率調諧信號。一信號組合器經組態以組合該擾動信號及該更新頻率調諧信號且產生一更新頻率控制信號。該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且其中回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。該電參數係電壓、電流、正向功率、反射功率或一反射係數之至少一者。
一種用於控制一射頻(RF)產生器之方法包含依一輸出頻率產生一輸出信號。該方法進一步包含產生一頻率控制信號，該頻率控制信號變動該RF電源之該輸出頻率，該頻率控制信號包含一頻率調諧信號分量及一擾動信號分量。該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且其中回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。
將自[實施方式]、申請專利範圍及圖式明白本發明之進一步應用領域。[實施方式]及特定實例僅意欲用於說明且不意欲限制本發明之範疇。
一電源系統可包含一DC或RF功率產生器、一匹配網路及一負載(例如一電漿室)。功率產生器產生由匹配網路或阻抗最佳化控制器或電路接收之一DC或RF功率信號。匹配網路或阻抗最佳化控制器或電路使匹配網路之一輸入阻抗與功率產生器與匹配網路之間的一傳輸線之一特性阻抗匹配。此阻抗匹配有助於最大化轉發至匹配網路之功率量(「正向功率」)及最小化自匹配網路反射回功率產生器之功率量(「反向功率」)。當匹配網路之輸入阻抗匹配傳輸線之特性阻抗時，可最大化正向功率且可最小化反向功率。
在電源或電源供應器領域中，通常存在兩種方法來將一功率信號施加於負載。一第一更傳統方法係將一連續功率信號施加於負載。在一連續模式中，一連續功率信號通常為由電源連續輸出至負載之一恆定DC或RF正弦功率信號。在連續模式方法中，功率信號呈現一恆定DC或正弦輸出，且可變動功率信號之振幅及/或(一RF功率信號之)頻率以變動施加於負載之輸出功率。
將功率信號施加於負載之一第二方法涉及使功率信號脈動，而非將一連續功率信號施加於負載。在一脈衝操作模式中，由一調變信號調變一功率信號以界定經調變功率信號之一包絡。在一習知脈衝調變方案中，功率信號通常保持一恆定振幅，且對RF信號而言，保持一恆定頻率。藉由變動調變信號而非變動功率信號來變動輸送至負載之功率。
在一典型電源供應器組態中，藉由使用感測器來判定施加於負載之輸出功率，感測器量測施加於負載之RF信號之正向及反射功率或電壓及電流。在一控制迴路中分析此等信號之任一組。分析通常判定用於調整電源供應器之輸出之一功率值以變動施加於負載之功率。在其中負載係一電漿室或其他非線性負載之一功率輸送系統中，負載之變化阻抗引起施加於負載之功率之一對應變化，因為所施加之功率部分係負載之阻抗之一函數。
在電漿系統中，通常以兩種組態之一者輸送功率。在一第一組態中，功率電容性耦合至電漿室。此等系統指稱電容耦合電漿(CCP)系統。在一第二組態中，功率感應性耦合至電漿室。此等系統通常指稱感應耦合電漿(ICP)系統。電漿輸送系統可包含施加於一或複數個電極之一偏壓功率及/或一源功率。源功率通常產生電漿且控制電漿密度，且偏壓功率調變鞘配方中之離子。根據各種設計考量，偏壓及源可共用相同電極或可使用單獨電極。
當一功率輸送系統驅動一非線性負載(諸如一電漿室)時，由電漿鞘吸收之功率導致具有一定範圍之離子能量之一離子密度。離子能量之一特性量測係離子能量分佈函數(IEDF)。可使用偏壓功率來控制離子能量分佈函數(IEDF)。藉由變動與頻率及相位相關之多個RF信號來實現控制其中將多個RF功率信號施加於負載之一系統之IEDF之一方式。可鎖定多個RF功率信號之間的頻率，且亦可鎖定多個RF信號之間的相對相位。可參考美國專利第7,602,127號、美國專利第8,110,991號及美國專利第8,395,322號來找到此等系統之實例，所有該等專利讓與本發明之受讓人且以引用的方式併入本申請案中。
電漿處理系統亦可包含用於電漿產生及控制之組件。一此組件係一非線性負載，諸如一電漿室或反應器。用於電漿處理系統中(諸如(舉例而言)用於薄膜製造)之一典型電漿室或反應器可利用一雙頻系統。一功率產生器(源)控制電漿之產生，且功率產生器(偏壓)控制離子能量。雙電源系統之實例包含上文所引用之美國專利第7,602,127號、美國專利第8,110,991號及美國專利第8,395,322號中所描述之系統。上文所引用之專利中所描述之雙電源系統需要一閉環控制系統來調適電源供應器操作以控制離子密度及其對應離子能量分佈函數(IEDF)。
存在多種方法來控制一電漿室產生電漿。例如，在RF功率輸送系統中，驅動RF信號之相位及頻率可用於控制電漿產生。針對RF驅動電漿源，影響電漿鞘動態及對應離子能量之週期性波形已眾所周知且由週期性波形之頻率及相關聯之相位相互作用控制。RF功率輸送系統中之另一方法涉及雙頻控制。即，使用兩個RF頻率源向一電漿室供電以提供離子及電子密度之實質上獨立控制。
另一方法利用寬頻RF電源來驅動一電漿室。一寬頻方法面臨某些挑戰。一挑戰係將功率耦合至電極。一第二挑戰係必須為一寬程序空間制定所產生之波形至一所要IEDF之實際鞘電壓之傳遞函數以支援材料表面相互作用。在一感應耦合電漿系統中之一回應方法中，控制施加於一源電極之功率控制電漿密度，而控制施加於偏壓電極之功率調變離子以控制IEDF提供蝕刻速率控制。藉由使用源電極及偏壓電極控制，經由離子密度及能量控制蝕刻速率。
隨著積體器件製造不斷演進，用於控制器件組構製造之電漿之功率要求亦不斷提高。例如，針對記憶體器件製造，對偏壓功率之要求不斷增加。增加之功率產生更高能量離子用於更快表面相互作用以藉此提高蝕刻速率。在RF系統中，增加之偏壓功率有時伴隨一較低偏壓頻率要求及耦合至電漿室中所產生之電漿鞘之偏壓電源之數目增加。一較低偏壓頻率處之增加功率及偏壓電源之增加數目導致來自一鞘調變之相互調變失真(IMD)發射。IMD發射可顯著減少由其中發生電漿產生之源輸送之功率。2013年3月15日申請且名稱為「Pulse Synchronization by Monitoring Power in Another Frequency Band」之美國專利申請案第13/834,786號(其讓與本申請案之受讓人且以引用的方式併入本文中)描述一種藉由監測另一頻帶中之功率來脈衝同步之方法。在所引用之美國專利申請案中，根據在一第二RF產生器處偵測一第一RF產生器之脈動來控制第二RF產生器之脈動以藉此使兩個RF產生器之間的脈動同步。
圖1描繪一RF產生器或電源供應系統10。電源供應系統10包含一對射頻(RF)產生器或電源供應器12a、12b、匹配網路18a、18b及負載32 (諸如一非線性負載或電漿室)。在各種實施例中，RF產生器12a指稱一源RF產生器或電源供應器，且匹配網路18a指稱一源匹配網路。亦在各種實施例中，RF產生器12b指稱一偏壓RF產生器或電源供應器，且匹配網路18b指稱一偏壓匹配網路。
源RF產生器12a自匹配網路18b產生器12b接收一控制信號30或自偏壓RF產生器12b接收一控制信號30'。如將更詳細解釋，控制信號30或30'表示至電源供應器12a之一輸入信號，其指示偏壓RF產生器12b之一或多個操作特性或參數。在各種實施例中，一同步偵測器34感測自匹配網路18b輸出至負載32之RF信號且將一同步或觸發信號30輸出至電源供應器12a。在各種實施例中，一同步或觸發信號30'而非觸發信號30可自電源供應器12b輸出至電源供應器12a。觸發或同步信號30、30'之間的一差異係匹配網路18b之效應，其可改變至匹配網路18b之輸入信號與輸出信號之間的相位。信號30、30'包含關於偏壓RF產生器12b之操作的資訊，其使預測回應性能夠解決由偏壓產生器12b引起之電漿室32之阻抗之週期性波動。當不存在控制信號30或30'時，RF產生器12a、12b自主操作。
RF產生器12a、12b包含各自RF電源或放大器14a、14b、RF感測器16a、16b及處理器、控制器或控制模組20a、20b。RF電源14a、14b產生輸出至各自感測器16a、16b之各自RF功率信號22a、22b。感測器16a、16b接收RF電源14a、14b之輸出且產生各自RF功率信號或RF功率信號f1 及f2 。感測器16a、16b亦輸出根據自負載32感測之各種參數來變動之信號。儘管感測器16a、16b展示為在各自RF產生器12a、12b內，但RF感測器16a、16b可位於RF功率產生器12a、12b外部。此外部感測可發生於RF產生器之輸出處、定位於RF產生器與電漿室之間的一阻抗匹配器件之輸入處或阻抗匹配器件之輸出(包含於阻抗匹配器件內)與電漿室之間。
感測器16a、16b偵測電漿室32之操作參數且輸出信號X及Y。感測器16a、16b可包含電壓、電流及/或定向耦合器感測器。感測器16a、16b可偵測(i)電壓V及電流I及/或(ii)自各自功率放大器14a、14b及/或RF產生器12a、12b輸出之正向功率PFWD 及自連接至各自感測器16a、16b之各自匹配網路18a、18b或負載32接收之反向或反射功率PREV 。電壓V、電流I、正向功率PFWD 及反向功率PREV 可為與各自電源14a、14b相關聯之實際電壓、電流、正向功率及反向功率之成比例及/或過濾變型。感測器16a、16b可為類比及/或數位感測器。在一數位實施方案中，感測器16a、16b可包含具有對應取樣率之類比轉數位(A/D)轉換器及信號取樣組件。信號X及Y可表示電壓V及電流I或正向(或源)功率PFWD 及反向(或反射)功率PREV 之任何者。
感測器16a、16b產生由各自控制器或功率控制模組20a、20b接收之感測器信號X、Y。功率控制模組20a、20b處理各自X、Y信號24a、26a及24b、26b產生至各自電源14a、14b之一或複數個回饋控制信號28a、28b。電源14a、14b基於所接收之回饋控制信號來調整RF功率信號22a、22b。功率控制模組20a、20b可至少包含比例-積分-微分(PID)控制器或其子集及/或(若干)直接數位合成(DDS)組件及/或下文將結合模組描述之各種組件之任何者。在各種實施例中，功率控制模組20a、20b係PID控制器或其子集且可包含功能、程序、處理器或子模組。回饋控制信號28a、28b可為驅動信號且可包含DC偏移或軌電壓、電壓或電流振幅、頻率及相位分量。在各種實施例中，回饋控制信號28a、28b可用作至一或多個控制迴路之輸入。在各種實施例中，多個控制迴路可包含用於RF驅動及用於軌電壓之一比例-積分-微分(PID)控制迴路。在各種實施例中，回饋控制信號28a、28b可用於一多輸入多輸出(MIMO)控制方案中。可參考2018年5月9日申請、名稱為「Pulsed Bidirectional Radio Frequency Source/Load」及讓與本申請案之受讓人且以引用的方式併入本文中之美國申請案第15/974,947號來找到一MIMO控制方案之一實例。
在各種實施例中，電源供應系統10可包含控制器20'。控制器20'可安置於RF產生器12a、12b之任一者或兩者外部且可指稱外部或共同控制器20'。在各種實施例中，控制器20'可實施本文中相對於控制器20a、20b之一或兩者所描述之一或複數個功能、程序或演算法。因此，控制器20'經由一對各自鏈路31、33與各自RF產生器12a、12b通信，其使資料及控制信號能夠適當交換於控制器20'與RF產生器12a、12b之間。針對各種實施例，控制器20a、20b、20'可連同RF產生器12a、12b分工及合作地提供分析及控制。在各種其他實施例中，控制器20'可提供RF產生器12a、12b之控制以無需各自局部控制器20a、20b。
在各種實施例中，RF電源14a、感測器16a、控制器20a及匹配網路18a可指稱源RF電源14a、源感測器16a、源控制器20a及源匹配網路18a。類似地，在各種實施例中，RF電源14b、感測器16b、控制器20b及匹配網路18b可指稱偏壓RF電源14b、偏壓感測器16b、偏壓控制器20b及偏壓匹配網路18b。在各種實施例中且如上文所描述，源術語係指產生電漿之RF產生器，且偏壓術語係指相對於偏壓RF電源供應器來調諧電漿離子能量分佈函數(IEDF)之RF產生器。在各種實施例中，源及偏壓RF電源供應器依不同頻率操作。在各種實施例中，源RF電源供應器依比偏壓RF電源供應器更高之一頻率操作。
在各種實施例中，源控制器20a調整RF信號f1 之頻率以補償阻抗波動，其包含由將RF信號f2 施加於電漿室32所致之阻抗波動。在各種實施例中，RF信號f2 係低於RF信號f1 之頻率之一頻率。較低頻率引起電漿室32中之週期性阻抗波動，其表現為反射相互調變失真(IMD)。在各種實施例中且如本文中將更詳細描述，調整RF信號f1 (源信號)相對於RF信號f2 (偏壓信號)之施加時序能夠在RF信號f2 之預定、所要部分處增大輸送功率。調整RF信號f1 之功率輸出可包含使f1 之功率輸送相對於f2 同步、在RF信號f2 之預定部分處增大功率、在偏壓RF信號f2 之預定部分處減小或切斷源RF信號f1 之功率或其等之一組合。在各種實施例中，使用RF信號f1 及f2 兩者之週期性性質，可將頻率偏移或跳頻添加至RF信號f1 以補償由RF信號f2 引入之預期阻抗波動。功率時序、功率振幅及頻率偏移可被預定且儲存於一或多個查找表中，或可被動態判定。
圖2描繪一RF功率輸送系統40。功率輸送系統40可表示圖1之電源供應器12a、12b之一者或任一者之操作。功率輸送系統40包含一RF產生器12，其進一步包含功率控制器42、功率放大器44及感測器16。RF產生器12亦包含一純量模組46，其自感測器16接收輸出信號X、Y。純量模組46產生表示輸入至求和器48之正向功率
Figure 02_image003
之一回饋信號。求和器48亦接收一功率設定點且判定輸入至功率控制器42之一差或誤差efb 。熟習技術者應瞭解，圖1之RF電源14可包含功率控制器42及功率放大器44之一或兩者。同樣應瞭解，功率控制器42亦可跨RF電源14及控制器20之任一者或兩者分佈。此外，縮放模組46及求和器48之實施方案亦可跨RF電源14及控制器20之一或兩者分佈。RF功率輸送系統40通常藉由量測作為信號X、Y輸出之電壓及電流或正向功率及反向功率來操作，信號X、Y由縮放模組46縮放以產生輸入至求和器48之一經校準回饋功率量測
Figure 02_image003
。比較經校準回饋功率量測與一所要功率設定點，且使用一誤差信號來驅動一或多個控制激勵信號維持所要輸出功率。
在一典型RF功率輸送系統中，經由可調諧機械組件來調整匹配網路18以達成至負載32之最大功率輸送。最大功率輸送指示一最小反射功率。因為匹配網路18中之機電調諧元件之回應時間相對較慢，所以匹配網路18之調整可能要花費一相對較長時間來完成功率調整。為改良阻抗匹配，亦可調整由功率放大器44輸出之RF頻率。基於頻率之調諧提高效能且提供比匹配網路18之機電組件之調整更快幾個數量級之回應性。
當採用基於頻率之阻抗匹配時，期望找到提供最小反射功率之一最佳頻率。最小反射功率可透過所量測之複數反射係數Γ之一最小量值
Figure 02_image006
來指示。存在用於調整RF頻率之諸多既有方法。此等方法包含基於搜尋之方法及基於控制之方法。基於控制之方法通常需要比基於搜尋之方法更完全理解程序。即，基於控制之方法可依賴於一模型或一傳遞函數。
在一基於搜尋之方法中，將一低階二次信號疊加於RF信號上以掃描整個頻帶。二次信號之頻率處之量測可用於判定使反射功率最小化之一頻率。基於搜尋之方法可被視為一最佳化挑戰，其中梯度下降或其他基於搜尋之方法在一組最佳化約束或電參數中產生一最大或最小成本。然而，基於搜尋之方法趨向於需要比基於控制之方法更長時間來收斂。此外，基於搜尋之方法需要平衡達成一解所需之一時間與確保收斂至一解。例如，所注入之低階二次信號之較大步長提高搜尋演算法之速度，但代價為可能無法不收斂至一穩定解。一旦量測效能落在某一臨限值內，則可使用一準則來判定何時終止搜尋。此確保收斂且防止穩態解之不穩定性。此外，引導搜尋之參數之選擇可為確保所要效能之一挑戰，尤其因為諸多效能準則需要相反約束，諸如快速找到解，但亦確保始終找到一穩定解。
用於自動頻率調諧之基於控制之方法包含直接頻率調諧或參考向量調整，其中一參考向量將一史密斯圖分成其中需要增大或減小頻率之區域。頻率步長由當前反射係數Γ與一參考向量之間的角度判定。在直接頻率調諧中，最小化兩個經量測程序信號(諸如電壓、電流、正向功率或反向功率)之間的相位差以達成最佳頻率調諧設定點。換言之，直接頻率調諧方法意欲最小化複數反射係數Γ之虛部。一般而言，當無法以足夠準確度模型化程序動態時，基於控制之自動頻率調諧方法經歷降低準確度。諸多基於控制之方法試圖將程序動態簡化為一封閉式模型(諸如一傳遞函數)，其無法充分描述程序行為之主要態樣。接著，使用模型來制定及調諧一控制演算法以計算所需激勵器更新。
基於控制之方法提供程序模型之複雜性與控制器實施方案之一內在權衡。若控制器實施方案之模型過於簡化，則控制設計不會併入足夠程序行為，且調諧器之效能可能缺乏足夠準確性。另一方面，過於複雜之模型可導致無法對相對於模型之實際程序動態作出充分反應之一調諧器。此外，由於阻抗回應與頻率可高度非線性、但密切相關，因此阻抗回應與頻率之間的權衡可證明很有挑戰。在各種基於控制之情境中，可使用線上校準來學習模型之關鍵態樣且隨著程序動態隨時間改變而適當調整。此等校準可能很耗時，需要儲存所量測之參數，且會在無法以足夠規律性重新校準時帶來效能下降。
圖3描繪跨輸入RF頻率操作條件之一範圍之一複數反射係數Γ之一史密斯圖。舉非限制性實例而言，圖3之史密斯圖可使用附接至一匹配網路及一固定負載之一400 kHz產生器制定。產生器之操作頻率在340 kHz至440 kHz之間循環，同時量測RF產生器處之負載阻抗。如熟習技術者所知，指示在RF產生器12與負載32之間的一完全匹配之最期望操作條件發生於史密斯圖54之中心處。眾所周知，史密斯圖之中心對應於反射係數之一零虛部。因此，鑑於頻率範圍導致圖3中點56與58之間所繪製之反射係數之間的阻抗變動，點54處之史密斯圖之中心表示一理想匹配條件。
圖4描繪一反射係數之一史密斯圖，其中虛軸之一交叉未必為一最佳調諧點。在圖4中，反射係數沿一曲線自一第一端位置60移位至一第二端位置62。反射係數在位置64處與虛軸交叉。儘管位置64指示虛軸之一零交叉，但熟習技術者應認識到，位置62更靠近史密斯圖之中心且因此指示小於位置64之反射係數之一量值。因此，位置64提供低於發生於位置64處之零交叉之一反射功率。例如，位置64產生約90%輸送功率，而位置62產生約98%輸送功率，其對應於0.3201及0.1532之反射係數之各自量值。
圖5描繪展示一第一端位置66至一第二端位置68之間的反射係數之一作圖的一史密斯圖。位置68指示虛軸之一第一零交叉，且一第二位置70指示虛軸之一第二零交叉。如圖5中可見，儘管位置70表示與虛軸之零交叉，但零交叉68更靠近史密斯圖之中心。例如，位置70處之輸送功率係約55%，而位置68處之輸送功率係約100%，其等對應於0.6726及0.0058之反射係數之各自量值。因此，取決於頻率如何改變，無論自位置66至68或自位置68至66，旨在最小化反射係數之虛部之一自動頻率調諧實施方案可藉由選擇史密斯圖上虛軸之不理想交叉來選擇一非所要匹配條件。
在各種組態中，一非所要匹配位置(無論圖4之位置64或圖5之位置70)可基於調諧演算法之任意起點來選擇。基於任意起點，自動調諧控制器將接近虛軸之更靠近、非所要零交叉。一些自動頻率調諧演算法藉由實施一校準步驟來解決(諸如)圖4之位置64或圖5之位置70處之非所要頻率之可能選擇。然而，可能需要對一電漿製程之各主要操作條件執行校準步驟。
本發明係針對一種用於執行一RF功率輸送系統之自動頻率調諧之基於極值尋覓控制(ESC)之方法。ESC方法可在無需廣泛瞭解程序之情況下最小化反射功率。本文各種實施例中所描述之ESC方法實施一動態調整機制以沿一成本函數之一梯度之一方向自動調諧頻率，無需系統或程序之一明確模型。如本文中所描述，一成本函數J一般可指稱將一組點映射至一單一純量值之一函數方程。一般期望最小化或最大化一成本函數J。由解算一成本函數J所致之純量值可指稱一成本。
根據本文中所描述之各種實施例，圖6描繪實施為具有一單一最大值86之二次函數之一作圖之一成本函數J 80之一示意圖。如將相對於圖6至圖8描述，成本函數J 80包含一第一位置A 82及一第二位置B 84，其等各位於最大值86之不同側上。因此，最大值86左側之所有點具有一正斜率，而最大值86右側之所有點具有一負斜率。因此，在操作點A 82處，向右(更高)移動激勵器u導致一增大輸出回應值，而向左(更低)移動激勵器u導致一減小輸出回應值。相反地，在操作點B 84處，向右(更高)移動激勵器u導致一減小輸出回應，而向左(更低)移動激勵器u導致一增大輸出回應值。輸入及輸出回應之方向性之間的關係之差異可用於尋覓極值(最大值)。熟習技術者應瞭解，具有一最小值之二次成本函數J存在類似關係，諸如其中使圖6之成本函數J 80旋轉180度。
圖7描繪具有根據一函數sin(ωt)正弦變動之一輸入之一方塊圖90。圖7之方塊圖90包含程序動態92、成本函數模組94、濾波器96 (諸如一高通濾波器)及混頻器98。將輸入sin(ωt)(一激發或擾動信號)輸入至程序動態92。程序動態92表示對sin(ωt)輸入之一系統回應且輸出輸入至成本函數94之一值u。成本函數94產生輸入至濾波器96之一輸出J。濾波器96經實施為一高通濾波器，其產生輸入至混頻器98之一輸出Filterout 。混頻器98亦接收輸入sin(ωt)，混頻器98之輸出導致sin(ωt)及Filterout 之一乘積。
圖8描繪回應於圖7處之輸入信號sin(ωt)之各自點A及B (例如圖6之點82、84)處之回應。關於位置A 82，Filterout 信號與sin(ωt)信號同相，使得乘積sin(ωt)×Filterout 同相以導致始終為正之一乘積。因此，如圖6至圖8處所展示，每當激勵器u在最大值86之左側時，對u之任何調整導致與激勵器之調整同相之一回應。即，激勵器u之一增大導致成本函數J增大，且激勵器u之一減小導致成本函數J減小。
在位置B 84處，Filterout 與輸入sin(ωt)異相以導致一負乘積sin(ωt)×Filterout 。因此，在圖6之最大值86右側之位置B 84處，成本函數J之任何變化與激勵器u異相。換言之，激勵器u之一增大導致成本函數J減小，而激勵器u之一減小導致成本函數J增大。
換言之，由混頻器98輸出之乘積導致一全正或全負信號，其取決於成本函數J回應於輸入擾動信號sin(ωt)之變化而增大或減小。若輸入擾動信號之正半週期引起輸出增大且負半週期引起輸出減小，則將自濾波器96及混合程序98之輸出達成一全正輸出。類似地，若輸入擾動信號sin(ωt)之負半週期引起輸出增大且正半週期引起輸出減小，則將在濾波器96及混頻器98之後達成一全負輸出。
在各種實施例中，藉由透過一積分器發送後混頻器信號，控制系統可達成將在其推動輸出成本函數J朝向最大值之方向上自動移動之一結果。信號之振幅將隨回應曲線之斜率而變動，使得隨著激勵器接近對應於一成本函數曲線之最小值或最大值之最佳值，回應之斜率接近零。此外，若積分信號變成控制程序之輸入激勵值，則控制器可自動轉向成本函數之最大值，無需先知道程序或成本函數。
圖9描繪包含將輸出提供至一匹配網路112之一功率控制系統110之一功率輸送系統100，匹配網路112繼而將輸出提供至一負載114 (諸如非線性負載或電漿室)。功率控制系統110包含一功率控制器116、一功率放大器118及一感測器120。感測器120可實施為一電壓/電流感測器(VI感測器)或一定向耦合器之一者，如上文所描述。功率控制器116輸出輸入至功率放大器118之一激勵信號
Figure 02_image008
。
Figure 02_image008
信號表示回應於一回饋信號之一功率控制信號，如本文中將描述。功率放大器118產生至感測器120之一輸出RF信號，如由
Figure 02_image008
所命令。感測器120將RF信號輸出至匹配網路112以施加於負載114。感測器120將回饋信號X、Y輸出至區塊122。在各種實施例中，區塊122可為一縮放或校準模組，其縮放X及Y以輸出預定電參數。區塊122將一正向功率值
Figure 02_image011
輸出至求和器124。求和器124亦接收一功率設定點輸入且判定功率設定點輸入與正向功率值
Figure 02_image011
誤差之間的一差。將誤差
Figure 02_image013
輸入至功率控制器116。輸入至功率控制器116之誤差信號
Figure 02_image013
判定至功率放大器118之由功率控制器116所作之
Figure 02_image008
之一所要調整。
區塊122亦輸出反射係數之量值|Γ|。將反射係數之量值|Γ|輸入至區塊126，區塊126實施具有一傳遞函數之一高通濾波器以移除任何DC偏壓Dfilt (z )。將|Γ|之經濾波量值輸入至一混頻器123。混頻器123亦接收一擾動信號
Figure 02_image015
。如圖9處所展示，擾動信號
Figure 02_image015
表示為由信號源129產生之一正弦信號sin(ωpert t)，具有一正弦頻率ωpert ，且類比於上文相對於圖6至圖8所描述之擾動信號。因此，混頻器123混合擾動信號
Figure 02_image015
及複數係數之量測量值|Γ|。混頻器123之輸出類比於相對於圖7及圖8所界定之乘積且表示擾動信號
Figure 02_image015
之一經縮放正或負平方。將來自混頻器123之輸出輸入至一積分器Desc (z ) 125，積分器Desc (z ) 125產生輸入至信號組合器或加法器127之一頻率控制或頻率回饋信號
Figure 02_image019
。因此，回饋信號
Figure 02_image019
與擾動信號
Figure 02_image021
組合以產生一回饋分量或一頻率控制信號
Figure 02_image023
。回饋分量或頻率控制信號
Figure 02_image019
可描述於以下方程式(1)中：
Figure 02_image026
(1) 其中：
Figure 02_image019
係用於調整頻率以達成功率輸送系統之自動頻率調諧之一頻率調諧信號分量，
Figure 02_image021
係一擾動信號分量，其係控制迴路之下一反覆之擾動信號。
Figure 02_image023
信號可為一完全頻率控制信號(中心頻率及AFT偏移)或僅為自中心頻率之一自動頻率調諧(AFT)偏移。在各種非限制性實施例中，若系統之中心頻率係13.56 MHz，則
Figure 02_image023
信號可表示自13.56 MHz之一偏移以實現自動頻率調諧，或可為一所要輸出頻率，例如13.58 MHz。 根據各種實施例，可考量圖9之方塊圖之各個部分合作以界定一頻率控制器，或此等組件可包含元件123、125、127及129之全部或部分。
在各種實施例中，可使用兩個擾動信號(一個輸入至組合器127且一個輸入至混頻器123)而非由信號源129輸出之一個擾動信號。一第二擾動信號
Figure 02_image031
由一第二信號源129'輸出，第二信號源129'輸出一信號sin(ωpert 't)。在各種其他實施例中，組合器127可輸出類似於上述方程式(1)般產生之一匹配控制信號
Figure 02_image033
以控制匹配網路112之操作。在各種其他實施例中，
Figure 02_image033
可控制一阻抗調諧激勵器之一者(諸如體現為一電容器或電感器之一電抗組件)以變動匹配網路112之一電抗。
進一步參考圖9，在各種實施例中，將來自感測器120之所得回饋信號(複數係數Γ之量值|Γ|)施加於一高通濾波器126，高通濾波器126利用一傳遞函數Dfilt (z)來移除任何DC偏壓。在混頻器123處混合結果與擾動信號
Figure 02_image035
。將來自混頻器123之輸出輸入至區塊125，區塊125實施一傳遞函數Desc (z)以產生總頻率激勵器信號之回饋分量
Figure 02_image019
。產生回饋分量
Figure 02_image019
之傳遞函數Desc (z )可特徵化為如下方程式(2)：
Figure 02_image037
(2) 其中：Kint 係一積分常數，且z 指示z變換變數。 由方程式(2)執行之積分產生將向上或向下移位之一激勵器值，其取決於輸出朝向其最大值移動之方向。Desc (z )之其他公式可達成激勵器之額外整形及系統回應。
在各種實施例中，擾動信號可包含可經調諧以達成穩健ESC回應之一可變振幅。為在一控制器較遠離解時最大化回應時間，同時亦最小化注入至程序中之穩態擾動，各種實施例可採用擾動振幅之一自適應調整。擾動振幅之一實例調整將為Γ之量值|Γ|之二階函數，如以下方程式(3)處所描述：
Figure 02_image039
(3) 其中： Γ mag 係反射係數之量值，如上文所描述， ω係頻率，如上文所描述，且 a、b及c係預定係數。 透過適當選擇調諧參數a、b、c，正弦擾動之振幅可由與正確解之距離加權以導致在較遠離解時施加較高擾動信號及在較接近解時施加較小擾動信號。擾動信號之其他自適應選項包含振幅縮放，其包含基於所要|Γ|準則縮放臨限值及擾動振幅。在各種實施例中，若量測效能係在某一可接受位準內，則可使用一減小探測信號。另一方面，將針對較大誤差使用一較大探測信號。
圖10係根據圖9之各種實施例之反射係數之量值|Γ|與頻率之一作圖。在各種實施例中，使用一60 MHz產生器獲得一組掃頻資料。在匹配網路上依不同匹配電容器設定進行掃描以提供各種代表性操作條件。圖10中指示五個匹配電容器掃描之量值|Γ|與頻率。此等資料用於產生表示各種匹配電容器設定之成本函數J之一模擬模型。鑑於來自ESC調諧器之一頻率激勵，模擬模型預測下一|Γ|值。如圖9中可見，各匹配電容器設定導致|Γ|之一略微不同最小量值，其中三個匹配電容器設定在58 MHz處提供最小值且兩個分接在約57.5 MHz處提供一最小值。
圖10之資料用於在一模擬中測試ESC方法。圖11描繪相對於時間之頻率且針對其中匹配電容器位置(|Γ|之量值與頻率資料位置)重複交替於兩個位置之間的一壓力情境。如圖12中可見，基於圖10中之掃頻資料，針對兩個匹配電容器位置所獲得之最佳|Γ|值係0.427及0.290。如圖12中所指示，調諧器能夠成功找到最佳值。在圖11中，波形上之位置130、132指示匹配電容器位置之變化，且圖12指示回應於匹配電容器位置之變化之|Γ|之量值之所得變化。例如，沿圖12之波形之位置134表示發生於圖11之130處之匹配電容器位置之變化，且圖12之位置136表示圖11之132處之匹配電容器位置之變化。因此，圖11及圖12表明ESC調諧器在一給定操作條件(諸如由圖10指示之匹配電容器設定)達成最小可能反射功率。
圖13至圖15表示根據各種實施例之不同操作條件下之ESC調諧器之操作。在由圖13至圖15特徵化之功率輸送系統中，一400 kHz產生器連接至一可調整匹配網路及一靜態負載。可調整匹配網路之參數經調整以產生用於產生器之一不匹配負載以指示一挑戰性失真軌跡，諸如圖13處所指示。如圖13之史密斯圖中所展示，反射係數之量值|Γ|之作圖包含一第一止端140、一零交叉142、最靠近史密斯圖之中心之一位置144及一第二止端146。位置142、144及146之輸送功率計算分別為94.8%、99.5%及96.5%。因此，一最佳解將為最靠近圖13之史密斯圖之中心之位置144。
圖14係一波形150上所繪製之量值|Γ|與頻率之一作圖。根據圖13，導致圖13中之位置144之頻率應為由實施一ESC控制方法之頻率調諧器選擇之頻率，其出現於波形150上之位置152處。因此，頻率係位置152處之約355 kHz。在一模擬中，原型ESC調諧器選擇356 kHz之一頻率處之最佳解，不管圖13中之起始頻率如何，如自圖15之波形156可見，其中展示400 kHz之一起始頻率之頻率激勵器之調諧軌跡以在355 kHz處之區域158中達到穩態。
圖16展示一控制模組170。控制模組170併入圖1、圖7及圖9之各種組件。控制模組170可包含振幅控制模組172、頻率控制模組174及匹配網路控制模組176。控制模組170亦可包含擾動模組178、頻率調諧模組180及成本判定模組182。在各種實施例中，控制模組170包含執行與模組172、174、176、178、180及182相關聯之程式碼之一或複數個處理器。下文將相對於圖17至圖22之方法描述模組172、174、176、178、180及182之操作。
關於圖1、圖7及圖9之控制器20a、20b及20'之進一步界定結構，參閱下文將提供之圖17至圖22之流程圖及下文將提供之術語「模組」之界定。可使用諸多方法、實例來操作本文中所揭示之系統，其各種控制系統方法繪示於圖17至圖22中。儘管主要相對於圖1及圖9之實施方案描述以下操作，但可容易地修改操作以應用於本發明之其他實施方案。可反覆執行操作。儘管以下操作經展示及主要描述為被循序執行，但可在執行一或多個其他操作時執行一或多個以下操作。
圖17係用於執行(例如)圖1及圖9之功率輸送系統之自動頻率調諧(AFT)之一控制系統200之一流程圖。控制開始於區塊202，其中發生初始化。控制進行至區塊204，其中量測一電參數。在各種實施例中，電參數可為根據一電源供應器(諸如圖1之電源供應器12或圖9之電源供應器110)與一負載(諸如圖1之一負載32或圖9之負載114)之間的匹配來變動之參數。例如，電參數可為反射係數之量值|Γ|。在各種實施例中，電參數可為正向功率、反向功率、電壓、電流、頻率或其他電參數之一或多者。控制進行至區塊206，其中組合參數控制信號與擾動信號，如上文所描述。擾動信號擾動由控制信號控制之至少一電參數。
在區塊208中，混合電參數與擾動信號，諸如可發生於圖9之混頻器123處。區塊210、212及214實施圖9之區塊125之功能之至少部分且描繪積分影響由參數控制信號控制之至少一參數之調整的一表示。在各種實施例中，控制信號可為相位、頻率、振幅、匹配網路設定或其他電特性之一者。量測參數可為相對於控制信號來變動之一量之一者，諸如功率、電壓、電流、反射係數或類似參數。在區塊210中，使用一ESC方法判定量測參數與擾動信號同相或異相。若混合信號與擾動信號同相，則控制進行至區塊212。在區塊212中，使至少一參數控制信號朝向一最大值增大(或朝向一最小值減小)。接著，控制進行至區塊216，其回傳成本及參數控制信號之值，諸如頻率。返回至區塊210，使用一ESC方法，若量測參數與擾動信號異相，則控制進行至區塊214。在區塊214中，使至少一參數控制信號朝向一最小值減小(或朝向一最大值增大)。接著，控制進行至區塊216，其回傳成本及參數之值，諸如頻率。實例成本調整方法可見於圖18至圖22中。
圖18描繪用於在一穩態調諧模式(諸如自動頻率調諧)中在成本值超過一預定臨限值時監測及更新成本值之一流程圖230。若成本值超過預定臨限值，則執行一學習週期。若成本值未超過預定臨限值，則根據圖17，ESC演算法繼續(例如)以維持接近最小成本值之一位置。
控制開始於區塊232且進行至區塊234。在區塊234中，更新自動頻率調諧頻率，如上文相對於圖17所描述。接著，控制進行至區塊236，其判定是否已達到一最小成本。可使用各種方法來判定達到一穩定最小成本值。在一實施例中，監測成本值以查看連續樣本是否在一預定差或差量內。若連續樣本在預定差或差量內，則已達到穩態最小成本。在一替代實施例中，監測ESC調諧器之輸出。若連續樣本在某個預定差或差量內，則已達到穩態最小成本。若未達到一最小成本，則控制返回至區塊234。若已達到一最小成本，則控制進行至區塊238。在區塊238中，比較一當前成本值與一預定成本臨限值Ct 。若成本值小於預定成本臨限值Ct ，則控制返回至區塊234。若成本值大於預定成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊240，其啟始一學習週期，如將結合圖19至圖22描述。
圖19描繪用於調整頻率以達成成本函數之一最小值(即使反射係數與頻率曲線中存在一非理想局部最小值下)之一流程圖250。在本說明書之各種流程圖之描述中，應瞭解，可使用一類似方法來調整頻率、參數控制信號、相位、振幅或某些其他電參數以找到量測電參數輸送功率之(例如)一成本函數之一最大值。在流程圖250中，在一預定調諧頻率範圍之頻率最小值fmin 或頻率最大值fmax 處啟始遞增頻率變化以搜尋成本函數之局部最小值。若在一第一反覆結束時認為成本函數之最小值已足夠，則程序完成。若判定成本函數之最小值不夠，則自預定頻率之頻率最小值fmin 或頻率最大值fmax 之另一者開始與第一反覆相反之一方向上之遞增頻率變化之一第二反覆。結果係調整頻率以達成一可接受操作條件(最小成本值)或宣告一故障。
流程圖250開始於區塊240a (諸如來自圖18之區塊240)且進行至區塊254，其中將頻率設定為頻率調諧範圍之一最小值fmin 。控制進行至區塊256，其中更新自動頻率調諧，如上文相對於圖17所描述。區塊258判定是否已達到最小成本值。若未達到最小成本值，則控制返回至區塊256，且再次遞增頻率調諧器之頻率。返回至區塊258，若已達到最小成本值Cmin ，則控制進行至區塊260，其中判定最小成本Cmin 是否小於一預定成本臨限值Ct 。若最小成本Cmin 小於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊262，其中控制系統進入穩態模式。
返回至區塊260，若最小成本Cmin 大於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊266，其中將最小成本Cmin 記錄為C1 且記錄產生C1 之當前自動調諧頻率f1 。控制進行至區塊270，其中將調諧頻率設定為調諧頻率範圍之最大值fmax 。在區塊272中，更新自動頻率調諧，如上文相對於圖17所描述。接著，控制進行至區塊274，其判定是否達到最小成本值。若未達到最小成本值，則控制返回至區塊272，且再次遞增頻率調諧器之頻率。
返回至區塊274，若達到最小成本值，則控制進行至區塊276，其中記錄調諧頻率f2 及與頻率f2 相關聯之成本C2 。在區塊278中，若成本C2 小於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊262，其中控制系統進入穩態模式。若成本C2 大於Ct ，則控制進行至區塊280，宣告一故障，因為沒有成本C1 或C2 小於成本臨限值Ct 。控制自區塊262或280進行至結束區塊268。
圖20描繪用於判定成本函數之一最小值之一流程圖290。在流程圖290中，設定一初始條件f0 且調整頻率以達成成本函數之一最近最小值。若在一第一反覆結束時認為成本函數之最小值已足夠，則程序完成。若判定成本函數之最小值不夠，則啟始開始於頻率調諧範圍中之最遠頻率極值處之一第二反覆以判定一第二最小成本值。
流程圖290開始於區塊240b且進行至區塊294，其中將頻率設定為一起始頻率f0 。控制進行至區塊296，其更新自動頻率調諧器頻率，如上文相對於圖17所描述。區塊298判定是否已達到最小成本值。若未達到最小成本值，則控制返回至區塊296，且再次調整頻率調諧器之頻率，如上文相對於圖17所描述。返回至區塊298，若已達到最小成本值，則控制進行至區塊300，其中判定最小成本Cmin 是否小於成本臨限值Ct 。若最小成本Cmin 小於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊302，其中控制系統進入穩態模式。
返回至區塊300，若最小成本Cmin 大於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊306，其中將最小成本Cmin 記錄為C1 且記錄產生C1 之自動調諧頻率f1 。在區塊308中，若f1 小於頻率調諧器範圍之中間值fmid ，則控制進行至區塊310，其中將調諧頻率設定為調諧頻率範圍之最大值。若f1 大於頻率調諧器範圍之中間值fmid ，則控制進行至區塊312，其中將調諧頻率設定為調諧頻率範圍之最小值。控制自區塊310或312進行至區塊314，其中使自動頻率調諧頻率朝向調諧頻率範圍之中間頻率fmid 更新，如上文相對於圖17所描述。區塊316判定是否已達到最小成本值。若未達到最小成本值，則控制返回至區塊314，且使頻率調諧器之頻率朝向頻率調諧範圍之中間頻率fmid 遞增。返回至區塊316，若達到最小成本值，則控制進行至區塊318，其中將最小成本Cmin 記錄為C1 且記錄產生C2 之當前自動調諧頻率f2 。在區塊320中，若成本C2 小於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊302，其中控制系統使用來自區塊314之更新頻率進入穩態模式。若成本C2 大於Ct ，則控制進行至區塊322且宣告一故障。控制自區塊302或320進行至結束區塊308。
圖21描繪用於判定成本函數之一最小值之一流程圖330，其中阻抗與頻率曲線中存在兩個最小值。控制自一初始條件開始且進行至成本函數之最近最小值。若在朝向最近最小值之一第一反覆結束時認為成本函數之最小值已足夠，則程序完成。若判定成本函數之最小值不夠，則程序進入一最小化模式以判定峰值頻率值。頻率被反覆控制超過峰值頻率達一預定偏移fdelta 且啟始另一最小化程序。若第一峰值位於頻率調諧範圍之止端之一者處，則頻率改變為最小值之相反側以在最小值之相反側之方向上定位一峰值。
程序開始於區塊240c且進行至區塊334，其中將成本記錄為C1 且記錄產生C1 之頻率f1 。在區塊336中，執行一最小頻率判定常式以判定與一最小成本Cmin 相關聯之一頻率fmin 。圖19及圖20係判定fmin 及Cmin 之方法之非限制性實例。在區塊338中，若最小成本Cmin 小於成本臨限值Ct ，則在區塊340中進入一穩態控制模式，且控制結束於342。返回至區塊338，若最小成本Cmin 大於成本臨限值Ct ，則控制進行至區塊344。若fmin 小於f1 ，則選擇一正方向進行遞增。若fmin 大於f1 ，則選擇一負方向進行遞增。
在區塊350中，將起始頻率fstart 設定為以fmin 開始在根據區塊344中fmin 及f1 之判定所判定之方向上預定遞增fdelta 。在區塊352中，將一計數器設定為0，且在區塊354中，實施一最大化程序以判定與一局部最大成本Cmax 相關聯之一頻率fmax 。圖19及圖20係用於判定fmax 及Cmax 但用於判定最大值而非最小值之方法之非限制性實例。在區塊356中，若fmax 達到自動頻率調諧範圍之一限制，則控制進行至區塊358，其中遞增計數器。在區塊360中，若計數器係0或1以指示頻率接近頻率調諧範圍之一端，則控制進行至區塊362，其改變方向變數以改變頻率遞增之方向。控制進行至區塊364，其中將起始頻率fstart 設定為以fmin 開始在根據區塊344中fmin 及f1 之判定所判定之一相反方向上預定遞增fdelta 。控制返回至區塊354且接著至區塊356。
在區塊356中，若fmax 未達到自動頻率調諧範圍之一限制，則區塊370判定fmax 是否大於起始頻率fstart 。若fmax 大於fstart ，則選擇一正方向進行遞增。若fmax 小於fstart ，則選擇一負方向進行遞增。控制進行至區塊376，其中將起始頻率fstart 設定為以fmax 開始在區塊370中所判定之方向上依一預定增量fdelta 偏移。在區塊378中，發生一最小頻率判定以判定與一局部最小成本Cmin 相關聯之一頻率fmin ，如上文所描述。若最小成本Cmin 小於當前成本Ct ，則在區塊382中進入一穩態控制模式，且控制結束於368。返回至區塊380，若最小成本Cmin 大於當前成本Ct ，則控制進行至區塊366，其中宣告一故障。控制自區塊366或區塊382終止於區塊368。
圖22描繪用於藉由首先啟始跨自動頻率調諧範圍之頻率激勵器之一過程掃描來判定成本函數之一最小值之一流程圖390。掃描一直進行至成本值(反射功率或Γ量值)低於一過程調整臨限值Ccoarse 。一旦成本值低於過程調諧臨限值Ccoarse ，則實施一ESC微調模式以找到成本之一最小值。
控制開始於一區塊240d且進行至區塊394，其中將一計數器設定為0。在區塊396中，重設一點火超時計時器。在區塊398中，由當前自動頻率f在一預定方向上遞增一預定fstep 更新自動調諧頻率f。在區塊400中，若更新頻率係一最大值或最小值以指示頻率在自動頻率調諧範圍之端處，則控制進行至區塊402，其中遞增計數器。控制進行至區塊404，其中判定計數是否小於一預定最大允許次數反覆。若計數小於指示可更新頻率之一次數之最大值，則控制進行至區塊408，其中改變方向。控制進行至區塊398，其中更新頻率。返回至區塊404，若已超過可更新頻率之最大允許次數，則控制進行至區塊406，其中指示一故障。接著，控制進行至區塊424，其中終止程序。
返回至區塊400，若更新頻率不是最大或最小頻率，則控制進行至區塊410，其中判定是否已發生區塊394中所重設之一超時。若已發生一超時，則控制進行至區塊406 (其中宣告故障)，且程序終止於區塊424。若未發生一超時，則區塊412判定成本是否小於過程調諧臨限值Ccoarse 。若成本大於過程調諧臨限值Ccoarse ，則控制返回至區塊398。若成本小於過程調諧臨限值Ccoarse ，則控制進行區塊414，其更新自動頻率調諧器頻率，如上文相對於圖17所描述。控制進行至區塊416，其中判定是否已達到最小成本值。若未達到最小成本值，則控制返回至區塊414。若已達到最小成本值，則控制進行至區塊418，其中記錄最小成本相關聯之Cmin 及相關聯最小頻率fmin 。在區塊420中，若Cmin 小於當前成本Ct ，則控制進行至區塊422，其中進入一穩態調諧模式。程序終止於區塊424。返回至區塊420，若Cmin 大於當前成本Ct ，則控制進行至區塊406或宣告一故障。接著，程序終止於區塊424。
本發明之各種實施例解決一基於控制之方法，其可用於直接最小化量測反射功率或複數反射係數之歸一化量值|Γ|且因此直接最小化反射功率。本文中所描述之基於控制之方法可改良利用中間或代理值(諸如各種電參數)之當前方法且可在非最佳條件或代理量測未在不對應於最小有效功率之一操作點處達到一最小值(或最大值)時達成。此外，本發明之各種實施例係針對無需電漿程序之一模型之各種自動頻率調諧方法。確切而言，自動頻率調諧控制器基於系統對一輸入擾動信號之反應來判定所要資訊，輸入擾動信號探測依據輸入激勵信號而變化之輸出回應。因此，本文中所描述之各種實施例對由基於控制之習知方法帶給自動頻率調諧之誤差之模型化不敏感。此外，本文中所提供之各種實施例無需特殊校準，且調諧器無需對史密斯圖上之阻抗值進行任何類型之旋轉或校正以解釋電纜長度或定向阻抗軌跡以幫助適當調諧。因此，與基於搜尋之方法不同，本文中所描述之揭示內容提供回應於且補償程序之一緩慢漂移之一自適應控制。在本文所描述之本發明之各種實施例中，僅需要複數反射係數之量值|Γ|，而非複數反射係數Γ。此簡化執行自動頻率調諧所需之運算。然而，本文中所描述之各種實施例亦可使用來自一定向耦合器及一VI探針之量測來操作。
在各種實施例中，使用多個脈衝狀態(1..n)使RF信號或包絡脈動，可將一極值尋覓頻率控制器應用於各脈衝狀態j以允許自一脈衝狀態非常快速且穩定地轉變至下一脈衝狀態。當一給定脈衝狀態j終止時，相關狀態變數被保存且隨後在狀態j恢復時復原。可相對於讓與本專利申請案之受讓人且其全文以引用的方式併入本文中之美國專利第8,952,765號來找到此一多脈衝狀態系統之一實例。
在各種實施例中，當以一重複模式調變脈衝RF信號或包絡時，RF包絡可分成p個時間段或「槽」。一極值尋覓阻抗控制器可應用於各時間段。可參考美國專利第10,049,357號及第10,217,609號來找到此一系統之一實例，該兩個專利讓與本專利申請案之受讓人且以引用的方式併入本文中。
如上文所描述，在各種實施例中，可使用其他阻抗激勵器代替頻率。舉非限制性實例而言，可將匹配網路電容用作一阻抗調諧激勵器。在一典型L型匹配網路中，串聯電容器對阻抗具有類似於放大器頻率之一效應。可藉由若干方法來變動電容，其包含步進電機驅動之真空可變電容器、類比變容二極體、接通/切斷開關及相移阻抗調變。
以上描述僅具繪示性且絕不意欲限制本發明、其應用或使用。本發明之廣泛教示可以各種形式實施。因此，儘管本發明包含特定實例，但本發明之真實範疇不應受限於此，因為其他修改將在研究圖式、本說明書及以下申請專利範圍之後變得顯而易見。應瞭解，可在不改動本發明之原理之情況下依不同順序(或同時)執行一方法內之一或多個步驟。此外，儘管上文將實施例之各者描述為具有某些特徵，但相對於本發明之任何實施例所描述之該等特徵之任何一或多者可實施於其他實施例之任何者之特徵中及/或與其組合，即使該組合未被明確描述。換言之，所描述之實施例不互斥，且一或多個實施例彼此置換仍在本發明之範疇內。
使用包含「連接」、「接合」、「耦合」、「相鄰」、「緊鄰」、「在...頂部上」、「上方」、「下方」及「安置」之各種術語來描述元件之間(例如模組、電路元件、半導體層等等之間)的空間及功能關係。除非明確描述為「直接」，否則當在上述揭示內容中描述第一元件與第二元件之間的一關係時，關係可為其中第一元件與第二元件之間不存在其他介入元件之一直接關係，但亦可為其中第一元件與第二元件之間存在一或多個介入元件(空間上或功能上)之一間接關係。如本文中所使用，片語「A、B及C之至少一者」應使用一非互斥邏輯「或」來解釋為意謂一邏輯(A「或」B「或」C)，且不應被解釋為意謂「A之至少一者、B之至少一者及C之至少一者」。
在圖中，如由箭頭所指示，一箭頭之方向一般表明說明圖所關注之資訊(諸如資料或指令)之流動。例如，當元件A及元件B交換各種資訊但自元件A傳輸至元件B之資訊與說明圖有關時，箭頭可自元件A指向元件B。此單向箭頭不隱含無其他資訊自元件B傳輸至元件A。此外，針對自元件A發送至元件B之資訊，元件B可將資訊之請求或接收確認發送至元件A。
在本申請案(包含以下界定)中，術語「模組」或術語「控制器」可用術語「電路」替換。術語「模組」可係指以下各者、為以下各者之部分或包含以下各者：一專用積體電路(ASIC)、一數位、類比或混合類比/數位離散電路、一數位、類比或混合類比/數位積體電路、一組合邏輯電路、一場可程式化閘陣列(FPGA)、執行程式碼之一處理器電路(共用、專用或群組)、儲存由處理器電路執行之程式碼之一記憶體電路(共用、專用或群組)、提供所描述之功能之其他適合硬體組件或上述之部分或全部之一組合，諸如在一單晶片系統中。
模組可包含一或多個介面電路。在一些實例中，介面電路可包含連接至一區域網路(LAN)、網際網路、一廣域網路(WAN)或其等之組合之有線或無線介面。本發明之任何給定模組之功能可分佈於經由介面電路連接之多個模組中。例如，多個模組可允許負載平衡。在另一實例中，一伺服器(亦稱為遠端或雲端)模組可代表一客戶端模組完成一些功能。
如上文所使用，術語「程式碼」可包含軟體、韌體及/或微程式碼，且可係指程式、常式、功能、類別、資料結構及/或物件。術語「共用處理器電路」涵蓋執行來自多個模組之一些或全部程式碼之一單一處理器電路。術語「群組處理器電路」涵蓋結合額外處理器電路執行來自一或多個模組之一些或全部程式碼之一處理器電路。參考多個處理器電路涵蓋離散晶粒上之多個處理器電路、一單一晶粒上之多個處理器電路、一單一處理器電路之多個核心、一單一處理器電路之多個執行緒或上述之一組合。術語「共用記憶體電路」涵蓋儲存來自多個模組之一些或全部程式碼之一單一記憶體電路。術語「群組記憶體電路」涵蓋結合額外記憶體儲存來自一或多個模組之一些或全部程式碼之一記憶體電路。
術語「記憶體電路」係術語「電腦可讀媒體」之一子集。如本文中所使用，術語「電腦可讀媒體」不涵蓋傳播通過一媒體(諸如在一載波上)之暫時電或電磁信號；因此，術語「電腦可讀媒體」可被視為有形及非暫時性的。一非暫時性有形電腦可讀媒體之非限制性實例係非揮發性記憶體電路(諸如一快閃記憶體電路、一可擦除可程式化唯讀記憶體電路或一遮罩唯讀記憶體電路)、揮發性記憶體電路(諸如一靜態隨機存取記憶體電路或一動態隨機存取記憶體電路)、磁性儲存媒體(諸如一類比或數位磁帶或一硬碟機)及光學儲存媒體(諸如一CD、一DVD或一藍光光碟)。
在本申請案中，描述為具有特定屬性或執行特定操作之裝置元件經特別組態以具有該等特定屬性且執行該等特定操作。具體而言，一元件執行一動作之一描述意謂元件經組態以執行動作。一元件之組態可包含程式化元件，諸如藉由在與元件相關聯之一非暫時性有形電腦可讀媒體上編碼指令。
本申請中所描述之裝置及方法可由藉由組態一通用電腦執行以電腦程式體現之一或多個特定功能所產生之一專用電腦部分或完全實施。上文所描述之功能區塊、流程圖組件及其他元件用作軟體規範，其可藉由一技術人員或程式設計員之常式工作來轉化為電腦程式。
電腦程式包含儲存於至少一非暫時性有形電腦可讀媒體上之處理器可執行指令。電腦程式亦可包含或依賴於所儲存之資料。電腦程式可涵蓋與專用電腦之硬體互動之一基本輸入/輸出系統(BIOS)、與專用電腦之特定器件互動之器件驅動器、一或多個作業系統、使用者應用程式、後台服務、後台應用程式等等。
電腦程式可包含：(i)待剖析之描述性文字，諸如HTML (超文字標記語言)、XML (可擴展標記語言)或JSON (JavaScript物件表示法)；(ii)組合碼；(iii)由一編譯器自源碼產生之目標碼；(iv)由一解譯器執行之源碼；(v)由一及時編譯器編譯及執行之源碼等等。僅作為實例，可使用來自包含以下各者之語言之語法來編寫源碼：C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java®、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript®、HTML5 (超文字標記語言第5修訂版)、Ada、ASP (主動伺服器網頁)、PHP (PHP：超文字預處理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash®、VisualBasic®、Lua、MATLAB、SIMULINK及Python®。
10:射頻(RF)產生器/電源供應系統 12:RF產生器 12a:RF產生器/電源供應器 12b:RF產生器/電源供應器 14:RF電源 14a:RF電源/放大器 14b:RF電源/放大器 16:感測器 16a:RF感測器 16b:RF感測器 18:匹配網路 18a:匹配網路 18b:匹配網路 20:控制器 20':控制器 20a:控制器/控制模組 20b:控制器/控制模組 22a:RF功率信號 22b:RF功率信號 24a:X信號 24b:X信號 26a:Y信號 26b:Y信號 28a:回饋控制信號 28b:回饋控制信號 30:觸發或同步信號/控制信號 30':觸發或同步信號/控制信號 31:鏈路 32:負載/電漿室 33:鏈路 34:同步偵測器 40:RF功率輸送系統 42:功率控制器 44:功率放大器 46:縮放模組/純量模組 48:求和器 54:史密斯圖之中心/點 56:點 58:點 60:第一端位置 62:第二端位置 64:位置 66:第一端位置 68:第二端位置/零交叉 70:位置 80:成本函數J 82:第一位置A/操作點A 84:第二位置B/操作點B 86:最大值 90:方塊圖 92:程序動態 94:成本函數模組 96:濾波器 98:混頻器/混合程序 100:功率輸送系統 110:功率控制系統/電源供應器 112:匹配網路 114:負載 116:功率控制器 118:功率放大器 120:感測器 122:區塊 123:混頻器 124:求和器 125:積分器Desc (z)/區塊 126:區塊/高通濾波器 127:信號組合器或加法器 129:信號源 129':第二信號源 130:位置 132:位置 134:位置 136:位置 140:第一止端 142:零交叉點/位置 144:位置 146:第二止端/位置 150:波形 152:位置 156:波形 158:區域 170:控制模組 172:振幅控制模組 174:頻率控制模組 176:匹配網路控制模組 178:擾動模組 180:頻率調諧模組 182:成本判定模組 200:控制系統 202:區塊 204:區塊 206:區塊 208:區塊 210:區塊 212:區塊 214:區塊 216:區塊 230:流程圖 232:區塊 234:區塊 236:區塊 238:區塊 240:區塊 240a:區塊 240b:區塊 240c:區塊 240d:區塊 250:流程圖 254:區塊 256:區塊 258:區塊 260:區塊 262:區塊 266:區塊 268:區塊 270:區塊 272:區塊 274:區塊 276:區塊 278:區塊 280:區塊 290:流程圖 294:區塊 296:區塊 298:區塊 300:區塊 302:區塊 306:區塊 308:區塊 310:區塊 312:區塊 314:區塊 316:區塊 318:區塊 320:區塊 322:區塊 330:流程圖 334:區塊 336:區塊 338:區塊 340:區塊 342:區塊 344:區塊 346:區塊 348:區塊 350:區塊 352:區塊 354:區塊 356:區塊 358:區塊 360:區塊 362:區塊 364:區塊 366:區塊 368:區塊 370:區塊 372:區塊 374:區塊 376:區塊 378:區塊 380:區塊 382:區塊 390:流程圖 394:區塊 396:區塊 398:區塊 400:區塊 402:區塊 404:區塊 406:區塊 408:區塊 410:區塊 412:區塊 414:區塊 416:區塊 418:區塊 420:區塊 422:區塊 424:區塊 f1 :自動調諧頻率 f2 :自動調諧頻率
圖1描繪根據本發明所配置之用於多個電源供應器之一功率輸送系統之一示意性方塊圖；
圖2描繪實施一電源供應器之一習知基於回饋之控制之一控制系統之一示意性方塊圖；
圖3描繪一史密斯圖(Smith Chart)，其上繪製轉化成史密斯圖之中心處之一所要操作條件之一反射係數；
圖4描繪一史密斯圖，其上繪製展示虛軸之零交叉及偏離虛軸之一最佳調諧位置之一反射係數；
圖5描繪一史密斯圖，其上繪製展示虛軸之多個零交叉之一反射係數；
圖6描繪回應於正弦輸入擾動而判定一成本函數之一最大值之成本函數之一作圖；
圖7描繪具有一正弦擾動信號及一回應之一控制系統之一示意性方塊圖；
圖8描繪描述圖7之方塊圖之操作的波形；
圖9描繪根據本發明之原理所配置之一RF控制系統之一方塊圖；
圖10描繪根據本發明之原理之一RF控制系統之反射係數之量值與頻率之一作圖；
圖11描繪根據本發明之原理之一RF控制系統之頻率與時間之一作圖；
圖12描繪根據本發明之原理之一RF控制系統之反射係數與頻率之一作圖；
圖13描繪根據各種實施例之一RF控制系統之一反射係數之一史密斯圖；
圖14描繪根據本發明之原理之一RF控制系統之一反射係數之量值與頻率之一作圖；
圖15描繪根據本發明之原理之一RF控制系統之輸出頻率與時間之一作圖；
圖16描繪根據各種實施例所配置之一實例控制模組之一功能方塊圖；
圖17描繪根據本發明之原理所配置之一控制系統之操作之一流程圖；
圖18描繪根據本發明之原理之用於更新頻率調諧器之一流程圖；
圖19描繪根據本發明之原理之用於更新一成本臨限值之一流程圖；
圖20描繪根據本發明之原理之用於更新一成本臨限值之一流程圖；
圖21描繪根據本發明之原理之用於更新一成本臨限值之一流程圖；及
圖22描繪根據本發明之原理之用於更新一成本臨限值之一流程圖。
在圖式中，元件符號可重複用於識別類似及/或相同元件。
10:射頻(RF)產生器/電源供應系統
12a:RF產生器/電源供應器
12b:RF產生器/電源供應器
14a:RF電源/放大器
14b:RF電源/放大器
16a:RF感測器
16b:RF感測器
18a:匹配網路
18b:匹配網路
20':控制器
20a:控制器/控制模組
20b:控制器/控制模組
22a:RF功率信號
22b:RF功率信號
24a:X信號
24b:X信號
26a:Y信號
26b:Y信號
28a:回饋控制信號
28b:回饋控制信號
30:觸發或同步信號/控制信號
30':觸發或同步信號/控制信號
31:鏈路
32:負載/電漿室
33:鏈路
34:同步偵測器
f1 :自動調諧頻率
f2 :自動調諧頻率

Claims (26)

  1. 一種射頻(RF)產生器，其包括： 一RF電源，其經組態以依一輸出頻率產生一輸出信號；及 一頻率調諧模組，其經組態以產生一頻率控制信號，該頻率控制信號變動該RF電源之該輸出頻率，該頻率控制信號由一頻率調諧信號及一擾動信號形成， 其中該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且其中回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。
  2. 如請求項1之RF產生器，其中該電參數係電壓、電流、正向功率、反射功率或一反射係數之至少一者。
  3. 如請求項1之RF產生器，其中該頻率調諧信號變動該RF產生器與一負載之間的一阻抗。
  4. 如請求項1之RF產生器，其包括： 一信號源，該信號源經組態以產生該擾動信號； 一混頻器，其經組態以混合該擾動信號及該電參數以產生一混合信號； 一回饋模組，該回饋模組經組態以根據該混合信號判定一更新頻率調諧信號；及 一信號組合器，其經組態以組合該擾動信號及該更新頻率調諧信號以產生一更新頻率控制信號。
  5. 如請求項4之RF產生器，其中， 若該混合信號與該擾動信號同相，則該電參數在一正方向上朝向一最大值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相或為負的，則該電參數在一負方向上朝向一最大值調整；或 若該混合信號與該擾動信號同相，則該電參數在一負方向上朝向一最小值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相，則該電參數在一正方向上朝向一最小值調整。
  6. 如請求項5之RF產生器，其中該回饋模組包含一積分器，其中該積分器經組態以接收及積分該混合信號且產生該頻率調諧信號。
  7. 如請求項6之RF產生器，其中該頻率調諧信號根據該擾動信號及該混合信號係同相或異相來增大或減小。
  8. 如請求項4之RF產生器，其進一步包括： 一感測器，該感測器經組態以量測該電參數且產生一感測器信號；及 一縮放模組，其經組態以接收該感測器信號且將縮放項應用於該感測器信號以產生一經縮放感測器信號，其中將該經縮放感測器信號之一變型輸入至該混頻器。
  9. 如請求項8之RF產生器，其進一步包括經組態以接收該經縮放感測器信號且產生該感測信號之一經濾波變型至該混頻器之一濾波器。
  10. 一種射頻(RF)產生器，其包括： 一RF電源，其經組態以依一輸出頻率產生一輸出信號； 一頻率控制器，其經組態以產生一頻率控制信號，該頻率控制信號變動該RF電源之該輸出頻率，該頻率控制信號由一阻抗調諧信號及一擾動信號形成； 一信號源，其經組態以產生該擾動信號； 一混頻器，其經組態以混合該擾動信號及一電參數以產生一混合信號； 一回饋模組，該回饋模組經組態以根據該混合信號判定一更新頻率調諧信號；及 一信號組合器，其經組態以組合該擾動信號及該更新頻率調諧信號且產生一更新頻率控制信號， 其中該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且其中回應於該擾動信號，根據輸出信號之一變化來調整該頻率控制信號， 其中該電參數係電壓、電流、正向功率、反射功率或一反射係數之至少一者。
  11. 如請求項10之RF產生器，其中該頻率控制信號變動該RF產生器與一負載之間的一阻抗。
  12. 如請求項10之RF產生器，其中， 若該混合信號與該擾動信號同相，則該電參數在一正方向上朝向一最大值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相或為負的，則該電參數在一負方向上朝向一最大值調整；或 若該混合信號與該擾動信號同相，則該電參數在一負方向上朝向一最小值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相，則該電參數在一正方向上朝向一最小值調整。
  13. 如請求項12之RF產生器，其中該回饋模組包含一積分器，其中該積分器經組態以接收及積分該混合信號且產生該頻率控制信號。
  14. 如請求項13之RF產生器，其中該頻率調諧信號根據該擾動信號及該混合信號係同相或異相來增大或減小。
  15. 如請求項12之RF產生器，其進一步包括一成本判定模組，該成本判定模組經組態以根據根據頻率之一變動所判定之一成本函數來判定該最小值或該最大值之一者。
  16. 如請求項15之RF產生器，其中該成本判定模組經組態以判定該頻率及與該頻率相關聯之一最小成本。
  17. 如請求項12之RF產生器，其中該擾動信號具有一量值，且該擾動信號之該量值根據該電參數之一量值來變動。
  18. 如請求項10之RF產生器，其進一步包括： 一感測器，該感測器經組態以量測該電參數且產生一感測器信號；及 一縮放模組，其經組態以接收該感測器信號且將縮放項應用於該感測器信號以產生一經縮放感測器信號，其中將該經縮放感測器信號之一變型輸入至該混頻器。
  19. 一種用於控制一射頻(RF)產生器之方法，其包括： 依一輸出頻率產生一輸出信號；及 產生一頻率控制信號，該頻率控制信號變動一RF電源之該輸出頻率，該頻率控制信號包含一頻率調諧信號及一擾動信號， 其中該擾動信號變動該輸出信號之一電參數，且其中回應於該擾動信號，根據該輸出信號之一變化來調整該頻率調諧信號。
  20. 如請求項19之方法，其中該電參數係電壓、電流、正向功率、反射功率或一反射係數之至少一者。
  21. 如請求項19之方法，其進一步包括藉由變動該頻率控制信號之該頻率來變動該RF產生器與一負載之間的一阻抗。
  22. 如請求項19之方法，其包括： 產生該擾動信號； 混合該擾動信號及該電參數以產生一混合信號； 根據該混合信號判定一更新頻率調諧信號；及 組合該擾動信號及該更新頻率調諧信號以產生一更新頻率控制信號。
  23. 如請求項22之方法，其中， 若該混合信號與該擾動信號同相，則使該電參數在一正方向上朝向一最大值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相或為負的，則使該電參數在一負方向上朝向一最大值調整；或 若該混合信號與該擾動信號同相，則使該電參數在一負方向上朝向一最小值調整，及若該混合信號與該擾動信號異相，則使該電參數在一正方向上朝向一最小值調整。
  24. 如請求項23之方法，其進一步包括積分該混合信號以產生該頻率調諧信號。
  25. 如請求項24之方法，其進一步包括根據該擾動信號及該混合信號係同相或異相來增大或減小該頻率調諧信號。
  26. 如請求項22之方法，其進一步包括： 量測該電參數且產生一感測器信號；及 將縮放項應用於該感測器信號以產生一經縮放感測器信號，其中混合該經縮放感測器信號之一變型與該擾動信號。
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