用于射频功率转换的可控变换网络

背景技术：

1、许多半导体处理应用(例如，蚀刻)需要将射频(rf)功率输送到等离子体负载中。为了高效地从rf放大器提供必要的功率，需要将等离子体负载的可变阻抗动态地匹配到rf放大器或rf发生器所需的阻抗。此外，为了实现期望的功能，尽管等离子体的负载阻抗快速变化，但是该功率输送应该在宽功率范围内以高带宽精确地可控(例如，使得能够在命令功率中的大的快速步长上进行控制)。最后，由于需要在大的空间区域上提供精确的等离子体控制，因此期望能够独立地控制到多个输出(例如，用于多个空间分布的施加器)的rf功率输送的rf功率输送系统。

技术实现思路

1、可调谐阻抗匹配

2、为了便于有效地使用rf功率放大器/发生器/逆变器，并且便于控制负载的功率，通常需要在rf源与等离子体负载之间提供动态可调的阻抗匹配。在这样的系统中维持良好控制的阻抗匹配对于维持rf功率放大器的高效率、使得能够将期望的功率输送到负载、以及确保对rf功率的控制的准确性可能是重要的。这通常通过使用可调谐匹配网络(tmn)来实现，有时称为“可调谐阻抗匹配网络”、“自动匹配单元”(amu)或“天线调谐单元”(atu)，其可以在指定的操作范围内感测并动态地调整rf源与负载之间的阻抗匹配。

3、图1示出了rf系统100，其具有耦合在具有阻抗zs的源102与具有阻抗zl的负载104之间的tmn 106。耦合可以使用数字和/或模拟电路实现的控制器108以向tmn 106提供用于控制其操作的控制信号。响应于这样的控制信号，tmn 106提供期望的阻抗变换特性。即，可以控制tmn 106以调整、调谐、改变或以其他方式操纵由tmn 106呈现给源102和/或负载104的阻抗。例如，可以控制tmn 106以从源102向tmn 106呈现期望的阻抗zs,in,，并且从负载104向tmn 106呈现期望的阻抗zl,in。

4、源102、tmn 106、控制器108和rf系统100的其他元件可以耦合到电源电压(例如，vdc)和地(未示出)。在一些情况下，控制器108可以至少部分地基于从耦合到源102的可选前馈电路(未示出)和/或耦合到负载104的可选反馈电路(未示出)接收的信息来控制tmn106的操作。前馈信息可以包括关于tmn 106的有效输入阻抗、rf波形的定时、指定的信号电平和/或阻抗电平等的信息。反馈信息可以包括关于有效负载阻抗和/或从负载反射的功率、rf波形的定时等的测量信息。

5、用于实现动态阻抗匹配的一种方法包括具有可以被动态调整的无源部件值的匹配网络(例如，l、t或π-网络)。图1a示出了基于将负载124阻抗匹配到源(输入)122阻抗的升高l匹配拓扑的理想无损集总元件tmn 120的说明性实施方式。tmn 120实施方式包括可以提供“升高”阻抗匹配的可调元件126a、126b。可以与这种技术匹配的阻抗范围在图1b中使用史密斯圆图140示出。可调元件126a、126b可以被提供为各种不同的调整机构，例如机械驱动的可调电容器、开关电容器和/或电感器组、变容二极管(调整其偏置电压以调制电容)以及相位切换阻抗调制或psim，其中以rf频率切换无源能量存储元件以调制有效阻抗。可以基于它们能够匹配的负载阻抗的范围、可以提供匹配的分辨率以及可以实现期望阻抗匹配的速度(例如，如受部件的调整速率限制)来表征这种类型的各种方法。

6、需要改进的阻抗控制技术和结构，用于在宽功率和负载阻抗范围内涉及高响应速度的应用，例如等离子体应用。

7、高速功率控制

8、另一个挑战是在大功率阶跃期间精确地控制rf功率，例如在现代rf等离子体处理中使用的等离子体“脉冲”中可能发生的。在大功率阶跃期间，可能在rf功率中获得显著的短期(例如，10微秒)过冲，这可能在半导体处理应用中引起有害影响。虽然这可以潜在地通过阻抗匹配的足够快的适配来解决，但是在非常快(例如，10μs)的时间尺度上的rf功率输送的短期控制和限制可以被认为是本身值得解决的现象。解决这个问题的一种可能性是开发在面对大命令阶跃和大负载阻抗变化的情况下具有足够的高带宽功率控制能力的rf功率放大器或rf发生器。

9、多输出功率分配和控制

10、另一个感兴趣的领域是rf功率输送系统的发展，该系统能够独立地控制多个输出(可能来自单个rf功率源)的rf功率。多个输出可以允许等离子体的空间控制和一致性调整。虽然能够解决相互负载拉动效应的多个“并行”输送系统是一种可能性，但是期望开发可从单个rf发生器/功率放大器和/或从单个rf源和匹配系统扩展到多个输出(例如，两个、三个或甚至更多个输出)的系统。

11、可控变换网络

12、本文描述了用于解决上述挑战的改进的rf功率转换结构和技术。在此介绍的关键方法是使用双端口开关网络，其可以实现从rf输入到rf输出的可控电压变换。开关网络可以与要变换的rf信号同步操作，并且近似地用作可控变压器。即，其可以用作具有动态可调谐的有效匝数比，该有效匝数比取决于相对于rf信号的切换的定时。

13、根据本公开的一方面，一种用于在源与负载之间变换射频(rf)信号的系统可以包括：第一端口和第二端口，所述第一端口和所述第二端口分别连接到源和负载中的一个；第一滤波器，所述第一滤波器连接到第一端口；第二滤波器，第二滤波器连接到第二端口，第一滤波器和第二滤波器中的至少一个能操作以使用动态频率调谐(dft)来提供可变电抗；双端口开关网络，所述双端口开关网络连接在第一滤波器与第二滤波器之间，开关网络包括多个开关；以及控制器，所述控制器耦合到开关网络和源，所述控制器被配置为根据开关模式操作多个开关并且动态地调整rf信号的频率以提供第一端口与第二端口之间的可控阻抗匹配。

14、在一些实施例中，第一滤波器可以被配置为提取rf信号的基波电压。在一些实施例中，第一滤波器可以包括并联连接在第一端口的端子之间的电容器和电感器。在一些实施例中，第二滤波器可以被配置为提取rf信号的基波电流。在一些实施例中，第二滤波器可以包括与第二端口的一个端子串联连接的电容器和电感器。在一些实施例中，控制器可以与rf信号同步地并且以相对于rf信号的可控相移操作多个开关。在一些实施例中，控制器可以根据由相对于rf信号的角度β限定的开关模式来操作两个或更多个开关。在一些实施例中，控制器可以被配置为根据负载电阻rl和电抗xl来计算β。在一些实施例中，控制器可以被配置为根据负载电阻rl和电抗xl来选择开关频率。

15、在一些实施例中，负载可以包括等离子体负载。在一些实施例中，控制器可以被配置为在10μs或更短时间内发生的至少两倍的功率阶跃期间在第一端口与第二端口之间提供可控阻抗匹配。

16、在一些实施例中，多个开关可以包括布置在桥接电路中的四个开关。在一些实施例中，所述四个开关可以包括单向阻断、双向传输开关。

17、在一些实施例中，所述四个开关可以包括：第一开关，所述第一开关具有连接到第一滤波器的第一端子的第一端子并且具有连接到第二滤波器的第一端子的第二端子；第二开关，所述第二开关具有连接到第一滤波器的第二端子的第一端子并且具有连接到第二滤波器的第二端子的第二端子；第三开关，所述第三开关具有连接到第一开关的第二端子和第二滤波器的第一端子的第一端子；以及第四开关，所述第四开关具有连接到第二开关的第二端子和第二滤波器的第二端子的第一端子，并且具有连接到第三开关的第二端子的第二端子。

18、在一些实施例中，所述四个开关可以包括：第一开关，所述第一开关具有连接到第一滤波器的第一端子的第一端子并且具有连接到第二滤波器的第一端子的第二端子；第二开关，所述第二开关具有连接到第二滤波器的第一端子和第一开关的第二端子的第一端子，并且具有连接到第一滤波器的第二端子的第二端子；第三开关，所述第三开关具有连接到第一滤波器的第二端子和第二开关的第二端子的第一端子，并且具有连接到第二滤波器的第二端子的第二端子；以及第四开关，所述第四开关具有连接到第二滤波器的第二端子和第三开关的第二端子的第一端子，并且具有连接到第一滤波器的第三端子的第二端子。

19、根据本公开的另一方面，一种用于在源与负载之间变换射频(rf)信号的可控变换网络可以包括：第一端口和第二端口，所述第一端口和所述第二端口分别连接到源和负载中的一个；第一滤波器，所述第一滤波器连接到第一端口并且被配置为提取rf信号的基波电压；第二滤波器，所述第二滤波器连接到第二端口并且被配置为提取rf信号的基波电流，第一滤波器和第二滤波器中的至少一个能操作以使用动态频率调谐(dft)来提供可变电抗；以及开关网络，所述开关网络连接在第一滤波器与第二滤波器之间，开关网络包括具有四个开关的桥接电路。

20、在一些实施例中，其中第一滤波器可以包括并联连接在第一端口的端子之间的电容器和电感器。在一些实施例中，第二滤波器可以包括与所述第二端口的一个端子串联连接的电容器和电感器。在一些实施例中，所述四个开关可以以上述方式连接。

21、应当理解，本文描述的不同实施例的各个元件可以组合以形成上文没有具体阐述的其他实施例。在单个实施例的上下文中描述的各种元件也可以单独地或以任何适当的子组合提供。还应当理解，本文未具体描述的其他实施例也在所附权利要求的范围内。

技术特征：

1.一种用于在源与负载之间变换射频(rf)信号的系统，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一滤波器被配置为提取所述rf信号的基波电压。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一滤波器包括并联连接在所述第一端口的端子之间的电容器和电感器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二滤波器被配置为提取所述rf信号的基波电流。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二滤波器包括与所述第二端口的一个端子串联连接的电容器和电感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器与所述rf信号同步地并且以相对于所述rf信号的可控相移操作所述多个开关。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器根据由相对于所述rf信号的角度β限定的开关模式来操作两个或更多个开关。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制器被配置为根据负载电阻rl和电抗xl来计算β。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制器被配置为根据负载电阻rl和电抗xl来选择开关频率。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述负载包括等离子体负载。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为在10μs或更短时间内发生的至少两倍的功率阶跃期间在所述第一端口与所述第二端口之间提供可控阻抗匹配。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关网络的所述多个开关包括布置在桥中的四个开关。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述四个开关包括：

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述四个开关包括：

15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述四个开关包括单向阻断、双向传输开关。

16.一种用于在源与负载之间变换射频(rf)信号的可控变换网络，所述可控变换网络包括：

17.根据权利要求16所述的可控变换网络，其中，所述第一滤波器包括并联连接在所述第一端口的端子之间的电容器和电感器。

18.根据权利要求16所述的可控变换网络，其中，所述第二滤波器包括与所述第二端口的一个端子串联连接的电容器和电感器。

19.根据权利要求16所述的可控变换网络，其中，所述四个开关包括：

20.根据权利要求16所述的可控变换网络，其中，所述四个开关包括：

技术总结
在一方面，一种用于在源与负载之间变换射频(RF)信号的系统可以包括：第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口分别连接到源和负载中的一个；第一滤波器，所述第一滤波器连接到第一端口；第二滤波器，所述第二滤波器连接到第二端口，第一滤波器和第二滤波器中的至少一个能操作以使用动态频率调谐(DFT)来提供可变电抗；双端口开关网络，所述双端口开关网络连接在第一滤波器与第二滤波器之间，所述开关网络包括多个开关；以及控制器，所述控制器耦合到所述开关网络和源，所述控制器被配置为根据开关模式操作多个开关并且动态地调整RF信号的频率以提供第一端口与第二端口之间的可控阻抗匹配。

技术研发人员：D·J·佩罗,K·N·拉法伊斯兰
受保护的技术使用者：麻省理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5