[发明专利]步进电机的控制方法和装置、匹配器及等离子体加工设备

说明书

技术领域

本发明属于等离子体加工设备领域，涉及用于将等离子体腔室的非线性负载阻抗与射频电源的输出阻抗相互匹配的匹配器，具体涉及一种步进电机的控制方法及装置、匹配器以及包含该匹配器的等离子体加工设备。

背景技术

等离子体是由物质原子电离成离子和自由电子而形成的，呈现出高度激发的不稳定态，并且具有很好的导电性，可以利用磁场捕捉、移动或者加速。因此，等离子体被广泛应用于蚀刻、沉积、焊接以及喷涂等加工工艺。

RF(射频)等离子体发生装置是一种通过射频电源向等离子体腔室提供RF功率从而使腔室内的气体发生电离并产生等离子体的装置。在利用RF等离子体发生装置进行蚀刻等加工处理的过程中，由于RF等离子体发生装置的恒定输出阻抗与等离子体处理腔室的非线性负载阻抗不相等，故在RF等离子体发生装置和等离子体处理腔室之间具有严重的阻抗失配，使得RF传输线上存在较大的反射功率，从而导致RF等离子体发生装置产生的功率无法全部输送给等离子体处理腔室。为解决该问题，须在RF等离子体发生装置和等离子体腔室之间插入阻抗匹配器。

图1为阻抗匹配器的原理图。请参阅图1，阻抗匹配器包括传感器、控制器和执行机构，所述执行机构包括匹配网络中的可变阻抗元件和改变其阻抗的驱动装置。其中，传感器检测RF传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，以提供匹配控制算法所需的输入量；控制器根据这些输入量实现匹配控制算法，并给出对应于执行机构的调整量；驱动装置根据控制器给出的调整量改变可变阻抗元件的阻抗值，以减小射频传输线上的反射功率，从而使匹配网络的输入阻抗等于RF等离子体发生装置的恒定输出阻抗，即二者达到匹配。处于理想匹配状态时，RF传输线上的反射功率为零，RF等离子体发生装置产生的功率可全部输送给等离子体处理腔室。

在实际应用中，执行机构中的驱动装置常采用步进电机，控制器对应地给出正转信号(CW)或反转信号(CCW)(以下简称方向信号)作为调整量，步进电机依据该方向信号及其内设定的时钟信号来调整可变阻抗元件的阻抗值。步进电机的具体工作方式见表1，其中，控制周期m表示第m个控制周期。控制系统信号一栏中，“+”表示步进电机时钟信号(CLK)有脉冲且脉冲上升沿对应的方向信号(CW/CCW)是高电平，“-”表示步进电机时钟信号(CLK)有脉冲且脉冲上升沿对应的方向信号(CW/CCW)是低电平，“0”表示步进电机时钟信号(CLK)没有脉冲。电机动作一栏中，“+1”表示步进电机正转1步，“-1”表示步进电机反转1步，“0”表示步进电机不动作。

表1为步进电机的工作方式

  控制系统信号(控制周期m)  电机动作  +  +1  -  -1  0  0

图2为步进电机的时序关系图，其中，时钟信号(CLK)为设定的固定频率，方向信号(CW/CCW)来自控制器。请参阅图2，步进电机在时钟信号(CLK)的上升沿根据方向信号(CW/CCW)发生动作，当时钟信号(CLK)为上升沿且方向信号(CW/CCW)为高电平时，当前时钟周期步进电机正转一步，如：t1，t3，t5时刻；当时钟信号(CLK)为上升沿且方向信号(CW/CCW)为低电平时，当前时钟周期步进电机反转一步，如t2，t4，t6时刻；当无时钟信号(CLK)时，无论方向信号(CW/CCW)是高电平还是低电平，步进电机都不动作，如t7、t8时刻。