射频电源控制系统及其校准方法、装置和半导体设备
技术领域
本发明涉及射频电源
技术领域
，更具体地，涉及一种射频电源控制系统及其校准方法、装置和半导体设备。背景技术
射频电源是半导体、光伏、LED等设备的关键零部件之一，其主要功能为半导体等离子刻蚀、CVD(物理气相沉积)、PVD(化学气相沉积)、溅射镀膜等提供高频等离子体激励。由于半导体设备对射频电源的要求最重要的一点就是功率输出高精度和高一致性，因此射频电源控制系统的控制精度和一致性是决定射频电源性能指标的关键因素之一。
射频电源控制系统需要采集射频输出的前向功率、反射功率等模拟检测信号用于系统功率检测，采集模拟控制信号用于系统控制输入，同时输出模拟的前向功率、反射功率等信号用于系统反馈，输出经过计算的模拟控制信号用于系统控制，这些信号的采集和输出精度及一致性影响着整个射频电源的控制精度。
由于上述检测信号、输入控制信号、输出控制信号皆为模拟量信号，在信号调理、采集和转换过程中不可避免的受到元器件精度、元器件一致性、放大器零点漂移、A/D和D/A的参考电源误差等多方面的影响，导致整个射频电源控制系统的控制精度和控制一致性较差，单纯的依靠提高元器件精度、控制零点漂移等硬件措施，虽然能一定程度上提高控制精度和控制一致性，但还是无法满足半导体设备对射频电源控制系统日益提高的精度要求，且导致硬件成本的不断提高。
现有的一种射频电源输出功率的校准方法，通过拟合射频电源控制输入信号曲线的方式，缓解和弥补射频电源非线性，提高射频电源应用过程中半导体设备的控制精度。
该方法的具体实现方案为：
获取射频电源的多个预设输出校准功率A[i]，i＝1，2，…，n；
获取负载的多个实际功率B[i]，i＝1，2，…，n，负载的多个实际功率B[i]与多个预设输出校准功率A[i]一一对应；
根据多个预设输出校准功率A[i]和多个实际功率B[i]获得负载的实际功率B与射频电源的预设输出校准功率A之间的函数关系B＝F(A)；
将预设输出校准功率A与实际功率B之间的函数关系F作为射频电源的理论输出功率C与所述负载的预期功率P之间的函数关系：C＝F(P)。
依据该方法可提高射频电源输出功率校准的准确度。但该方法属于射频电源整机应用范畴，适用于射频电源在半导体设备中的应用，虽能一定程度上弥补射频电源应用过程中由于精度和非线性对整机影响，但由于射频电源功率输出精度并没有改进，且该方法通过拟合射频电源控制输入信号曲线的方式，依赖于对射频电源输入信号的校准，存在时间差，整个系统的实时性难以保证，不适用于实时性要求较高的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种射频电源控制系统及其校准方法、装置和半导体设备，实现提高射频电源控制系统的控制精度和控制一致性，保证控制实时性。
第一方面，本发明提出了一种射频电源控制系统校准方法，所述射频电源应用于半导体设备中，所述射频电源控制系统校准方法包括：
获取所述射频电源的待校准信号的采集值的第一初值校准值和第一满量程校准值，所述待校准信号包括前向功率信号、反射功率信号和控制信号中的至少其中之一；
获取所述待校准信号的反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值；
根据所述第一初值校准值、所述第一满量程校准值以及所述待校准信号的满量程值对所述待校准信号当前的采集值进行校准，以获取所述待校准信号的实际采集值；
根据所述待校准信号的实际采集值、所述第二初值校准值、所述第二满量程校准值以及所述待校准信号的满量程值对所述待校准信号当前的反馈输出值进行校准，以获取所述待校准信号的实际反馈输出值。
可选地，所述获取所述射频电源的待校准信号的采集值的第一初值校准值和第一满量程校准值包括：
设置所述射频电源的所述待校准信号的输入信号为零；
将所述待校准信号当前的采集值作为所述第一初值校准值；
设置所述待校准信号的输入信号为所述待校准信号的满量程值；
将所述待校准信号当前的采集值作为所述第一满量程校准值。
可选地，所述获取所述待校准信号的反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值包括：
调整所述待校准信号的反馈输出值至反馈输出信号为零；
将所述待校准信号当前的反馈输出值作为所述第二初值校准值；
调整所述待校准信号的反馈输出值至反馈输出信号为满量程值；
将所述待校准信号当前的反馈输出值作为所述第二满量程校准值。
可选地，通过以下公式对所述待校准信号当前的采集值进行校准计算：
其中，PF为所述待校准信号的实际采集值，PFs为所述待校准信号当前的采集值，PFa1为所述第一初值校准值，PFa2为所述第一满量程校准值，PFmax为所述待校准信号的满量程值。
可选地，通过以下公式对所述待校准信号当前的反馈输出值进行校准计算：
其中，PFb为所述待校准信号的实际反馈输出值，PF为所述待校准信号的实际采集值，PFba1为所述第二初值校准值，PFba2为所述第二满量程校准值，PFmax为所述待校准信号的满量程值。
第二方面，本发明提出一种射频电源控制系统校准装置，包括：
采集值校准模块，用于：
获取所述射频电源的待校准信号的采集值的第一初值校准值和第二满量程校准值，所述待校准信号包括前向功率信号、反射功率信号和控制信号中的至少其中之一；
以及，根据所述第一初值校准值、所述第一满量程校准值以及所述待校准信号的满量程值对所述待校准信号当前的采集值进行校准，以获取所述待校准信号的实际采集值；
反馈输出值校准模块，用于：
获取所述待校准信号的反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值；
以及，根据所述待校准信号的实际采集值、所述第二初值校准值、所述第二满量程校准值以及所述待校准信号的满量程值对所述待校准信号当前的反馈输出值进行校准，以获取所述待校准信号的实际反馈输出值。
可选地，所述采集值校准模块和所述反馈输出值校准模块基于FPGA程序实现。
第三方面，本发明提出一种射频电源控制系统，包括第二方面所述的射频电源控制系统校准装置。
可选地，还包括：
前向功率采集模块，用于采集射频电源输出的前向功率信号；
反射功率采集模块，用于采集射频电源输出的反射功率信号；
控制信号采集模块，用于采集射频电源的输入控制信号；
前向功率反馈输出模块，用于输出射频电源的前向功率反馈信号；
反射功率反馈输出模块，用于输出射频电源的反射功率反馈信号；
控制信号输出模块，用于输出控制信号，以控制射频电源产生射频功率。
第四方面，本发明还提出一种半导体设备，包括射频电源以及对所述射频电源的信号进行校准及控制的第三方面所述的射频电源控制系统。
本发明的有益效果在于：
本发明的射频电源控制系统校准方法，通过获取射频电源的待校准信号采集值的第一初值校准值、第一满量程校准值、待校准信号反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值，并根据第一初值校准值、第一满量程校准值、待校准信号的满量程值对待校准信号的采集值进行校准，以获取待校准信号的实际采集值，同时，根据待校准信号的实际采集值、第二初值校准值、第二满量程校准值以及待校准信号的满量程值对待校准信号的反馈输出值进行校准，以获取待校准信号的实际反馈输出值，以此能够对射频电源控制系统采集的前向功率、反射功率和控制信号、前向功率反馈信号、反射功率反馈信号和输出控制信号进行实时校准，获取多个待校准信号的实际值，射频电源控制系统能够基于各个信号的实际值进行射频电源功率控制，因此能够在不依靠提高电子元器件精度和硬件性能的情况下，有效提高射频电源功率输出精度，且不增加硬件成本，同时，由于射频电源控制系统采用各个信号的实际值进行射频电源功率控制，因此能够有效消除控制系统在信号调理、采集和转换过程中元器件精度、元器件一致性、放大器零点漂移、A/D和D/A的参考电源误差等原因造成的信号采集值和反馈输出值与信号的实际值不准确，进而导致的信号采集和控制精度低、一致性差的问题，有效提高射频电源控制系统的控制精度和控制一致性。
进一步地，本发明射频电源控制方法能够通过软件实现，可以在每台射频电源设备出厂时进行单独校准和调校，能有效避免元器件的累计误差导致的射频电源输出功率控制一致性差的问题，有效提高射频电源输出功率控制的一致性。
进一步地，本发明的射频电源控制系统校准装置中的采集值校准模块和反馈输出值校准模块基于FPGA程序实现，采用FPGA作为控制系统的控制核心，在获取校准值后，控制系统根据校准值和采集的功率值，计算有效的功率值，可以利用FPGA程序并行执行的特点，多个待校准信号自动独立计算，并行处理，有效保证了系统的实时性。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的
具体实施方式
中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明实施例1的一种射频电源控制系统校准方法的步骤图。
图2示出了根据本发明实施例1的一种射频电源控制系统校准方法中前向功率采集值校准的步骤图。
图3示出了根据本发明实施例1的一种射频电源控制系统校准方法中前向功率反馈值校准的步骤图。
图4示出了根据本发明实施例2的一种射频电源控制系统校准装置的FPGA程序设计原理图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的一种射频电源控制系统的功能模块示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图1示出了根据本发明的一种射频电源控制系统校准方法的步骤图。
如图1所示，一种射频电源控制系统校准方法，射频电源应用于半导体设备中，该方法包括：
步骤S101：获取射频电源的待校准信号的采集值的第一初值校准值和第一满量程校准值，待校准信号包括前向功率信号、反射功率信号和控制信号中的至少其中之一；
该步骤具体包括：
设置射频电源的待校准信号的输入信号为零；
将待校准信号当前的采集值作为第一初值校准值；
设置待校准信号的输入信号为待校准信号的满量程值；
将待校准信号当前的采集值作为第一满量程校准值。
步骤S102：获取待校准信号的反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值；
该步骤具体包括：
调整待校准信号的反馈输出值至反馈输出信号为零；
将待校准信号当前的反馈输出值作为第二初值校准值；
调整待校准信号的反馈输出值至反馈输出信号为满量程值；
将待校准信号当前的反馈输出值作为第二满量程校准值。
步骤S103：根据第一初值校准值、第一满量程校准值以及待校准信号的满量程值对待校准信号当前的采集值进行校准，以获取待校准信号的实际采集值；
具体地，通过以下公式对待校准信号当前的采集值进行校准计算：
其中，PF为待校准信号的实际采集值，PFs为待校准信号当前的采集值，PFa1为第一初值校准值，PFa2为第一满量程校准值，PFmax为待校准信号的满量程值。
步骤S104：根据待校准信号的实际采集值、第二初值校准值、第二满量程校准值以及待校准信号的满量程值对待校准信号当前的反馈输出值进行校准，以获取待校准信号的实际反馈输出值。
具体地，通过以下公式对待校准信号当前的反馈输出值进行校准计算：
其中，PFb为待校准信号的实际反馈输出值，PF为待校准信号的实际采集值，PFba1为第二初值校准值，PFba2为第二满量程校准值，PFmax为待校准信号的满量程值。
以下以前向功率的采集值校准和前向功率反馈值的校准为例，对本发明的射频电源控制系统校准方法进一步的说明。
如图2所示，前向功率采集值校准方法包括：
步骤S201：设置射频电源的前向功率输入信号为零；
步骤S202：控制系统记录采集的前向功率值作为前向功率初值校准值；
步骤S203：设置射频电源的前向功率输入信号为电源满量程值；
步骤S204：控制系统记录采集的前向功率值作为前向功率满量程校准值；
步骤S205：系统运行时，根据前向功率初值校准值、满量程校准值和前向功率采集值计算出前向功率实际采集值。
其中，前向功率实际值的计算方法如公式(1)所示：
其中，PF为前向功率实际值，PFs为前向功率采集值，PFa1为前向功率初值校准值，PFa2为前向功率满量程校准值，PFmax为前向功率满量程值。
反射功率、输入控制信号的校准方式与前向功率的校准方式相同，此处不再赘述。
如图3所示，前向功率反馈值校准方法包括：
步骤S301：控制系统改变前向功率反馈值至反馈输出信号为零；
步骤S302：记录当前前向功率反馈值作为前向功率反馈初值校准值；
步骤S303：控制系统改变前向功率反馈值至反馈输出信号为满量程值；
步骤S304：记录当前前向功率反馈值作为前向功率反馈满量程校准值；
步骤S305：系统运行时，根据前向功率初值校准值、满量程校准值、前向功率反馈初值校准值、前向功率反馈满量程校准值、前向功率实际采集值计算出前向功率实际反馈值。
其中，前向功率反馈值的计算方法如公式(2)所示：
其中，PF为前向功率实际采集值，PFb为前向功率实际反馈值，PFba1为前向功率反馈初值校准值，PFba2为前向功率反馈满量程校准值，PFmax为前向功率满量程值。
代入公式(1)中前向功率实际采集值PF，得到前向功率实际反馈值的计算方法如公式(3)所示：
反射功率反馈值、输出控制信号的校准方式与前向功率反馈值的校准方式相同，此处不再赘述。
实施例2
本发明实施例还提出一种射频电源控制系统校准装置，包括：
采集值校准模块，用于：
获取射频电源的待校准信号的采集值的第一初值校准值和第二满量程校准值，待校准信号包括前向功率信号、反射功率信号和控制信号中的至少其中之一；
以及根据第一初值校准值、第一满量程校准值以及待校准信号的满量程值对待校准信号当前的采集值进行校准，以获取待校准信号的实际采集值；
反馈输出值校准模块，用于：
获取待校准信号的反馈输出值的第二初值校准值和第二满量程校准值；
以及
根据待校准信号的实际采集值、第二初值校准值、第二满量程校准值以及待校准信号的满量程值对待校准信号当前的反馈输出值进行校准，以获取待校准信号的实际反馈输出值。
优选地，采集值校准模块和反馈输出值校准模块基于FPGA程序实现。
具体地，由于射频电源控制系统对处理信号的实时性和快速性有较高的要求，本发明采用FPGA作为控制系统的核心，利用FPGA程序并行执行的特点，通过硬件描述语言实现前述实施例的校正方法和校正流程，提高运算的速度，保证射频电源控制系统的实时性和快速性。
在系统运行时，前向功率校准和前向功率反馈值校准的FPGA程序实现方式如图4所示。
图4中，ForwardPower模块为前向功率校准模块，根据公式1的计算方法实现前向功率的校准运算；ForwardPowerFeedBack模块为前向功率反馈值校准模块，根据公式(3)的计算方法实现前向功率反馈值的校准运算。Clock为系统时钟，Pfs为前向功率采集值，Pfa1为前向功率初值校准值，Pfa2为前向功率满量程校准值，Pfba1为前向功率反馈初值校准值，Pfba2为前向功率反馈满量程校准值，Pfmax为前向功率满量程值。Pf为前向功率实际采集值，Pfb为前向功率实际反馈输出值。
射频电源控制系统同时有多路待校准的信号，除了前向功率信号和前向功率反馈信号外，还包括反射功率信号、输入控制信号、前向功率反馈信号、反射功率反馈信号、控制输出信号等，校准方法同前向功率信号和前向功率反馈信号。
本实施例使用了FPGA作为控制系统核心实现校准的实时自动计算，保证系统的实时性和快速性。在其他实施例中，也可采用其它可满足系统实时性和快速性的方法，如采用CPLD或高速处理器等，也能代替FPGA来完成校准运算。
实施例3
如图5所示，一种射频电源控制系统，包括上述实施例2的射频电源控制系统校准装置。
还包括：
前向功率采集模块，用于采集射频电源输出的前向功率信号；
反射功率采集模块，用于采集射频电源输出的反射功率信号；
控制信号采集模块，用于采集射频电源的输入控制信号；
前向功率反馈输出模块，用于输出射频电源的前向功率反馈信号；
反射功率反馈输出模块，用于输出射频电源的反射功率反馈信号；
控制信号输出模块，用于输出控制信号，以控制射频电源驱动电路产生射频功率。
具体地，射频电源控制系统采集前向功率信号、反射功率信号、输入控制信号，经过运算后输出前向功率反馈信号，反射功率反馈信号给半导体设备，通过控制输出信号控制射频驱动电路产生射频功率。其中前向功率采集模块、反射功率采集模块、控制信号采集模块、前向功率反馈输出模块、前向功率反馈输出模块、控制信号输出模块均为电路。
实施例4
本发明实施例还提出一种半导体设备，包括射频电源以及对所述射频电源的信号进行校准的实施例3的射频电源控制系统。
综上，本发明具有以下优点：
1)输出功率控制精度高，提高功率输出精度的成本低，由于半导体设备对射频电源的输出功率控制精度要求非常高，而射频电源控制系统的控制精度是影响射频电源输出功率精度的关键因素之一。随着半导体设备技术的发展，对射频电源控制精度要求不断提高，传统的单纯依靠提高硬件器件精度的方式已经不能满足设备的需求，本发明针对这个问题，研究了一种软件校准方法，通过该方法，可以弥补元器件精度、元器件一致性、放大器零点漂移、A/D和D/A的参考电源误差等因素导致的控制系统精度差的问题，且不再依靠于电子元器件精度和硬件性能的提高，能有效提高射频电源功率输出精度，且不增加硬件成本。
2)射频电源输出功率控制一致性高，射频电源应用于高精密的半导体设备，对不同射频电源输出功率的控制要求具有很高的一致性。传统的射频电源控制系统虽然采用高精度的电子元器件，但是由于信号处理电路比较复杂，采用较多的元器件，多个元器件组成的电路具有累计精度误差，导致射频电源控制系统的一致性难以达到高一致性的要求。本发明采用软件校准方法，在每台电源出厂时单独校准和调校，能有效避免元器件的累计误差导致的一致性不高的问题，有效提高射频电源的一致性。
3)实时性好，本发明采用FPGA作为控制系统的控制核心，在获取校准值后，控制系统根据校准值和采集的功率值，计算有效的功率值。利用FPGA程序并行执行的特点，多个待校准信号自动独立计算，并行处理，有效保证了系统的实时性。
4)射频电源控制自动计算，应用简单。本发明的射频电源控制系统校准方法，采用自动计算方式，不需要设备整机调试人工采集校正数据，应用简单。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
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