高可靠性的射頻發生器結構的製作方法
2023-05-25 05:15:36 1
專利名稱：高可靠性的射頻發生器結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及射頻(RF)功率發生器。
背景技術：
本部分中的陳述僅提供了涉及本發明的背景信息，並不構成現有技術。
RF發生器用在諸如製造集成電路的工業應用中。在這些應用中，RF發生器是製造工藝的關鍵部件。RF發生器還與許多諸如傳感器、匹配網絡、等離子室等的許多其它器件連接。同樣地，移除並替換失效的發生器是昂貴的、耗時的和/或技術上複雜的。
撇開與失效的RF發生器有關的外部風險不說，現在的RF發生器對內部元件的故障或失效的容忍度有限。例如，RF發生器的子模塊中單個元件的失效會引起該RF發生器停工。在RF發生器使用例如至多5千瓦的低功率級應用中，停工還是可以接受的，但是在使用更高功率級以製作更大直徑矽晶片的應用中，停工是無法接受的。在高功率RF發生器中，對故障和/或失效的有限容忍度，還會導致令人反感的低平均故障間隔時間(MTBF)。
常規的RF發生器一般會有限的或非持續性地儲存在硬失效(hardfailure)出現之前發生的高速事件。這會導致用於解決複雜的系統級問題的時間延長。由於晶片加工工具的高度複雜性，有可能會錯誤地確定正常運轉狀態下的部件，從而引起系統的不規則。這可能會導致正常工作的RF發生器在沒有問題時就被送交返修，這會進一步降低MTBF統計值。
發明內容
根據某些實施例，射頻(RF)功率發生器包括產生RF功率的驅動器模塊、放大該RF功率的功率放大器模塊以及數據獲取模塊。該數據獲取模塊包括接收有關該功率放大器模塊的診斷數據的第一通信埠。該數據獲取模塊保存通過該第一通信埠接收故障指示之前預定時段內所接收的數據。
在各個實施例中，RF發生器進一步包括控制模塊，該控制模塊包括第二通信埠並確定該功率放大器的工作參數。電源控制模塊包括第三通信埠並確定向該功率放大器供電的電源的工作參數。該RF功率發生器進一步包括連接該第一通信埠、第二通信埠以及第三通信埠的菊化鏈通信鏈路。
在各個實施例中，RF功率發生器包括產生RF信號的RF功率放大器模塊、向該功率放大器供電的電源，以及包括第一通信埠並且確定該功率放大器的工作參數的控制模塊。電源控制模塊包括第二通信埠並且確定電源的工作參數。菊化鏈通信鏈路連接該第一通信埠和第二通信埠。
根據某些實施例，RF功率發生器包括產生RF功率的驅動器模塊、放大該RF功率的功率放大器模塊，以及向該功率放大器模塊供電的電源模塊。電源控制模塊包括第一通信埠並且基於通過該第一通信埠接收故障指示，限制該電源模塊的輸出參數。
通過此處提供的說明，適用性的更大範圍將會變得清楚。可以理解，說明和具體示例只用於例證的目的，並不用於限制本發明的範圍。
此處描述的附圖僅為了示例性的目的，並不用於以任何方式限制本發明的範圍。
圖1是改進的RF發生器的功能方框圖；圖2是改進的RF發生器的第二實施例的功能方框圖；以及圖3是包括組合器的RF發生器的功能方框圖，該組合器用於組合由至少兩個RF發生器產生的功率。
具體實施例方式
下列說明實際上僅為示例性，並不用於限制本發明、申請或應用。可以理解，在附圖中相應的附圖標記自始至終表示相似或對應的部分和特性。
參照圖1，示出了RF發生器10的幾個實施例中的一個。RF發生器10包括至少兩個功率放大器(PA)模塊或功率放大器12-1、12-2、12-3和12-4，這些功率放大器模塊或功率放大器統稱為功率放大器12。功率放大器12的各個功率放大器包括各自的功率電晶體或驅動器模塊14-1、14-2、14-3和14-4，這些功率電晶體或驅動器模塊統稱為功率電晶體14。功率放大器12的輸出可與各自的感性箝位電路16-1、16-2、16-3和16-4連通，這些感性箝位電路統稱為感性箝位電路16。用於指代相似元件的規定適用於整套申請文件。箝位電路16保護功率電晶體14免受負載瞬變，並且還限制功率電晶體14輸送到非常低的阻抗負載中的功率。在某些實施例中，箝位電路16可以包括在各自的功率放大器12中。
在某些實施例中，各個功率放大器12採用推挽式並聯功率放大器布局。在其它實施例中，功率放大器12採用半橋接放大器布局。本領域的技術人員會意識到，各種功率放大器布局都可以用來實現功率放大器12。例如，功率放大器12還可以採用具有中空(air cavity)封裝的功率電晶體14。中空封裝允許功率電晶體14的一個電晶體短路失效，而功率放大器12的另一放大器繼續工作。在功率電晶體14的一個獨立電晶體在中空封裝中短路失效時，在該封裝內的連線保險線斷開。斷開的連線將功率電晶體14的短路的獨立功率電晶體有效地與功率電晶體14的另一功率電晶體斷開，並且允許它們繼續工作，這樣的操作可能在靜電應力和熱應力增加時發生。
至少兩個電源模塊界定了將交流(AC)電轉換為直流(DC)電以供應功率放大器12的電源(PS)模塊18。該AC電可以是通過電路斷路器(BrKr)20提供的三相電。該AC電還可以施加到輔助(HK)電源模塊22，該模塊與驅動器電源單元(PSU)協力，以產生供給RF發生器10的各個模塊的功率。線性濾波器模塊24，例如用於過濾電磁幹涉或其它典型的幹涉的線性濾波器模塊24，也可以用於過濾AC電。
電源模塊18向求和(∑)模塊26供給DC電流。求和模塊26累加輸入的DC電流和/或電壓，並且向功率放大器12傳送累加的電流和/或電壓。在某些實施例中，電源模塊18和/或求和模塊26還包括濾波器網絡，該網絡對提供給功率放大器12的累加電流進行濾波。如果電源模塊18的一個電源失效，那麼求和模塊26斷開該失效的電源模塊，從而允許RF發生器10繼續工作。
補償模塊28獲取、緩衝和/或確定數據，這些數據諸如過程變量和/或各自的定點、提供給功率放大器12的電流和/或電壓、由功率放大器12提供的電流和/或電壓，和/或各個元件和/或環境空氣的溫度。所獲取的數據暫時或相當永久地存儲在追蹤緩衝存儲器(trace buffer)中。在各個實施例中，補償模塊28確定複數(complex)阻抗負載以及傳送的負載功率，並且向驅動器模塊14輸出控制信號，以改變功率放大器模塊21的工作，從而調整自組合器/電壓/電流(VI)探測器46的RF輸出功率。在某些實施例中，補償模塊28把數據與相應的預定限制進行比較，並且在違反該限制時指示故障情況。在各個實施例中，補償模塊28存儲獲取的數據用於分析。在某些實施例中，補償模塊28包括通信埠30，用於存儲和/或恢復緩衝的數據。通信埠30可採用諸如乙太網、RS-232、無線或其它類型接口和/或協議之類的通信鏈路32。
在某些實施例中，通信鏈路32提供位於數據獲取模塊26和其它模塊之間的通信路徑，其它模快諸如系統控制模塊34和電源控制模塊36。通信鏈路32可以採用以菊化鏈方式連接的高速、可糾錯數字鏈路。與諸如星形和/或總線形的其它連接拓樸相比，菊化鏈連接減少了電纜數量，並因此可提高RF發生器10的可靠性。
系統控制模塊34包括聯鎖埠40、第二通信埠42以及用戶接口44。聯鎖40是在某些狀況下阻止RF發生器10產生RF功率的輸入端。例如，聯鎖40接收指示停工狀態的信號，並能遵照這些信號行事，禁用RF發生器10中的大功率部件。系統控制模塊34還可包括用戶接口48，該接口能用於控制和/或傳送RF系統10的各種參數。
根據來自系統控制模塊34和/或數據獲取模塊28的命令，電源控制模塊36控制電源模塊18。電源控制模塊36包括與通信鏈路32進行通信的通信埠。如果電源模塊36接收到故障指示，例如通過通信鏈路32接收到故障指示，則在某些實施例中，電源模塊36限制至少一個電源模塊18的輸出功率，以保護功率放大器12免受損害。在故障響應方面，電源控制模塊36可以與箝位電路16合作，以便進一步保護功率放大器12。在某些實施例中，箝位電纜16對於故障狀況的響應時間，快於電源控制模塊36對於故障狀態的響應時間。
箝位電路16輸出RF信號。該RF信號經過組合器/VI探測器46。組合器/VI探測器46組合來自箝位電路16的各個RF輸出，以產生組合的RF輸出。在某些實施例中，組合器/VI探測器46的VI探測器部分用集成寬帶VI探測器實現。VI探測器向數據補償模塊28提供感知的電壓和電流信號。VI探測器可以在相對高速率下使能對功率和負載阻抗的實際瞬時確定，同時抑制令人反感的信號，例如互調失真產生的信號。提高的速度使控制系統能更好地對負載波動作反應，以進一步提供高可靠性。VI探測器的示例，可以參照美國專利No.5,508,446以及No.6,522,121，這兩份專利的全部內容都合併於此。
圖2描述了RF發生器10的不同實施例。圖2的RF發生器10可用於實現比圖1中示出的RF發生器10低的功率配置。RF發生器10包括具有一對功率放大器的功率放大器12，以及相關的驅動器模塊14和箝位電路16。圖1和圖2中示出的RF發生器10的實施例驗證了RF發生器10結構的開放特性(scalable nature)。特別地，虛線所示的電源模塊18-3和18-4，表示在圖1中具有的而在圖2中省略掉的一對電源模塊以及伴隨的功率放大器電路，它們表明了圖1的系統已進行了縮減。同樣地，從補償模塊28輸出的一對控制線路以虛線出現，以便進一步驗證本設計的開放特性。
圖3描述了RF系統100的各種實施例。RF系統100包括至少兩個RF發生器10-1，10-2，…，10-n，這些RF發生器統稱為RF發生器10。RF系統100組合來自至少兩個RF發生器10的能量，以產生RF信號。在某些實施例中，各個RF發生器10產生大約13千瓦的RF功率。隨後，RF發生器10的輸出被組合，以便在RF系統100的輸出端產生介於20～40千瓦之間的功率。作為示例，圖3可以用集成機架(integrated rack)系統來實現。
圖3進一步驗證了此處描述的系統的開放特性。在圖3中，在組合兩個或更多RF發生器10的輸出以產生提高的輸出功率的系統中，圖1或圖2的RF發生器單元10作為基本元件來實現。在圖3中，RF發生器模塊10基本上相同。圖1和圖2中的單個系統控制模塊34控制圖1的RF發生器10。
在某些實施例中，各個RF發生器10包括各自的電源模塊18、驅動器模塊14、功率放大器12以及相關的配套電路。圖1或圖2中的補償器28作為從補償模塊28-1和28-2，在各自的RF發生器10-1和10-2中出現。圖3的從補償模塊28以類似於對圖1和圖2的描述那樣工作。各個從補償模塊28監控各自的組合器/VI探測器46(未在圖3示出)的輸出，並產生調整信號給驅動器模塊14，以控制各自的PA模塊12(未在圖3示出)。從補償模塊28還從主補償模塊128接收輸入。正如這裡進一步描述的，主補償模塊128接收輸入並且產生輸出信號給從補償模塊28-1和28-2。系統控制模塊34以類似於對圖1和圖2的描述那樣工作。
各個RF發生器10輸出RF信號到組合器模塊102，該組合器模塊102按上文所述工作，以組合這些RF輸出並產生單個RF輸出。該單個RF輸出被傳送到VI探測器106。VI探測器106產生輸出信號108-1和108-2，這些信號對應於RF輸出信號104中的電壓和電流。主補償模塊128接收該電壓和電流信號，並產生輸出信號112給各個從補償模塊128-1和128-2。
電源聯鎖模塊114通過聯鎖線路40與各個RF發生器10通信。電源聯鎖模塊114監控那些需要禁止RF發生器10的狀況。作為無限制的示例，如果檢測到無掩蔽(exposed)的RF連接，則聯鎖信號輸入到電源聯鎖模塊114。在這種情況下，電源聯鎖模塊114產生信號以禁止RF發生器10。電源聯鎖模塊114還接收經過通過系統控制模塊34傳遞的外部聯鎖信號。電源聯鎖模塊114通過線路150與系統控制模塊34通信，以便還從電源聯鎖模塊114使用的系統控制模塊34接收信號，以控制水螺線管(watersolenoids)。作為無限制的示例，如果系統控制模塊34檢測到冷凝(condensation)狀況，則系統控制模塊產生信號給電源聯鎖模塊114，以禁止水螺線管，從而限制RF發生器10的殼體內可能的冷凝。在某些實施例中，系統控制模塊34和電源聯鎖模塊114還與面板116通信，以提供信息給系統的操作者。
權利要求
1.一種射頻RF功率發生器，包括產生RF功率的驅動器模塊；放大所述RF功率的功率放大器模塊；以及包括第一通信埠的數據獲取模塊，其接收與所述功率放大器模塊相關的診斷數據，其中，所述數據獲取模塊保存通過所述第一通信埠接收故障指示之前預定時段內所接收的數據。
2.如權利要求1所述的RF功率發生器，其中所述診斷數據包括電壓、電流、相角、溫度以及過程變量中的至少一個。
3.如權利要求1所述的RF功率發生器，進一步包括與所述功率放大器模塊的輸出端通信的感性箝位電路。
4.如權利要求3所述的RF功率發生器，進一步包括向所述功率放大器供電的電源，以及與所述數據獲取模塊通信並控制所述電源的電源控制模塊。
5.如權利要求4所述的RF功率發生器，其中所述電源控制模塊基於所述故障指示限制由所述電源輸送的功率。
6.如權利要求5所述的RF功率發生器，其中在所述電源控制限制由所述電源輸送的功率之前，所述感性箝位電路限制施加到所述功率放大器模塊上的負載。
7.如權利要求1所述的RF功率發生器，其中所述功率放大器模塊包括中空電晶體封裝。
8.如權利要求1所述的RF功率發生器，進一步包括求和模塊和至少兩個電源模塊，所述求和模塊基於來自所述電源模塊的電流產生第一電流，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器。
9.如權利要求1所述的RF功率發生器，進一步包括控制模塊，其包括第二通信埠並確定所述功率放大器的工作參數；電源控制模塊，其包括第三通信埠並確定向所述功率放大器供電的電源的工作參數；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信埠、第二通信埠和第三通信埠。
10.如權利要求1所述的RF功率發生器，進一步包括電壓和電流V/I探測器，其根據在所述功率放大器的輸出端的經放大的RF功率的電壓和電流產生信號。
11.一種RF功率發生器，包括產生RF信號的RF功率放大器模塊；向所述功率放大器供電的電源；包括第一通信埠的控制模塊，其確定所述功率放大器的工作參數；包括第二通信埠的電源控制模塊，其確定所述電源的工作參數；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信埠和第二通信埠。
12.如權利要求11所述的RF功率發生器，進一步包括與所述功率放大器的輸出端通信的感性箝位電路。
13.如權利要求12所述的RF功率發生器，其中在所述電源控制限制由所述電源輸送的功率之前，所述感性箝位電路限制施加到所述功率放大器模塊上的負載。
14.如權利要求11所述的RF功率發生器，其中所述電源控制模塊基於通過所述通信鏈路接收故障指示，限制由所述電源輸送的功率。
15.如權利要求11所述的RF功率發生器，其中所述功率放大器模塊包括中空電晶體封裝。
16.如權利要求11所述的RF功率發生器，其中所述電源包括求和模塊和至少兩個電源模塊，所述求和模塊基於來自所述電源模塊的電流產生第一電流，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器。
17.如權利要求11所述的RF功率發生器，進一步包括數據獲取模塊，其包括連接到所述通信鏈路的第三通信埠，並且接收與所述功率放大器模塊相關的診斷數據，其中，所述數據獲取模塊保存通過所述第一通信埠接收故障指示之前預定時段內所接收的數據。
18.如權利要求17所述的RF功率發生器，其中所述診斷數據包括電壓、電流、相角、溫度以及過程變量中的至少一個。
19.如權利要求11所述的RF功率發生器，進一步包括基於所述RF信號的電壓和電流產生信號的V/I探測器。
20.一種射頻RF功率發生器，包括產生RF功率的功率發生器模塊；放大所述RF功率的功率放大器模塊；向所述功率放大器模塊供電的電源模塊；以及包括第一通信埠的電源控制模塊，其基於通過所述第一通信埠接收故障指示，限制所述電源模塊的輸出參數。
21.如權利要求20所述的RF功率發生器，進一步包括感性箝位電流，其與所述功率放大器模塊的輸出端通信，並在所述電源控制模塊限制所述電源輸送的功率之前，限制施加到所述功率放大器模塊的負載。
22.如權利要求20所述的RF功率發生器，其中所述功率放大器模塊包括中空電晶體封裝。
23.如權利要求20所述的RF功率發生器，其中所述電源模塊包括求和模塊和至少兩個電源模塊，該求和模塊基於來自所述電源模塊的電流產生第一電流的，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器模塊。
24.如權利要求20所述的RF功率發生器，其中所述診斷數據包括電壓、電流、相角、溫度以及與所述功率放大器模塊相關的過程變量中的至少一個。
25.如權利要求24所述的RF功率發生器，進一步包括包含第二通信埠的數據獲取模塊，其接收和保存通過所述第二通信埠接收所述故障指示之前預定時段內所接收的診斷數據。
26.如權利要求20所述的RF功率發生器，進一步包括控制模塊，其包括第三通信埠並確定所述功率放大器的工作參數；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信埠、第二通信埠和第三通信埠。
27.如權利要求20所述的RF功率發生器，進一步包括與所述功率放大器模塊的輸出端通信的V/I探測器。
全文摘要
開放的射頻RF發生器系統，包括至少一個電源、至少一個從所述電源接收輸入的功率放大器，和電源控制模塊以及系統控制器。來自至少一個電源的輸出可以被組合併施加到各個功率放大器。來自至少一個功率放大器中的各個功率放大器的輸出可以組合，以產生一個單個RF信號。補償模塊控制所述至少一個電源的工作。所述補償模塊、系統控制模塊以及電源控制器按照菊化鏈結構通信。
文檔編號H04B1/04GK1905375SQ20061010904
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月31日 優先權日2005年7月29日
發明者亞倫·T·瑞多姆斯基, 喬恩·士麥卡, 丹尼爾·J·林肯, 約根德拉·查拉, 大衛·J·庫姆, 威帝姆·盧波莫斯基 申請人:Mks儀器有限公司