[发明专利]射频功率放大器

说明书

一种射频(RF)功率放大器，其包括至少一个场效应晶体管FET，其中，该至少一个FET的源极端子接地。包括至少一个二极管，其中，所述至少一个二极管的阴极连接到所述至少一个FET的漏极端子，并且所述至少一个二极管的阳极接地。输出网络连接到所述至少一个FET的漏极端子。输入网络连接到所述至少一个FET的栅极端子。

技术领域

本公开总体上涉及射频(RF)功率放大器、包括RF功率放大器的发生器和被配置为与RF功率放大器的输出连接的等离子体系统。

背景技术

RF功率放大器用于在各种应用中提供输出功率，包括等离子体工具、半导体制造(例如薄膜的沉积、蚀刻和改性)、医疗设备(例如电外科设备和医疗成像机器，如磁共振成像、MRI、机器)、食品包装、商业表面改性和涂层。RF功率放大器包括晶体管，作为功率放大模块的一部分，如果没有适当的保护，可能会出现故障。这里，射频能量在300赫兹到300千兆赫的范围内。

晶体管有许多故障机制。由于晶体管故障是不可逆的，并且会对芯片造成附带损坏，因此很难确定晶体管是如何故障的。例如，对于场效应晶体管，如果栅极和源极之间的电压超过临界电平，则栅极的隔离层可能被破坏。这种故障可以非常快地发生，但是可以通过限制所施加的栅极电压来避免。另一故障机制可以是当晶体管打开并且电压和电流同时存在并且其乘积太高或者晶体管闭合时由过度功率耗散引起的晶体管的过热，但是由于过电压，发生击穿或雪崩击穿，并且所施加的电压和雪崩电流的乘积高到足以使晶体管过热。由于该故障是热的并且相对缓慢，所以可以通过快速控制回路监测放大器的负载并且比可能发生过热更快地降低其功率来避免该故障。另一个故障机制是“骤回”，即触发FET结构中的寄生双极结型晶体管。引起骤回的条件是复杂的，包括漏极电压、漏极电压增加率(dV/dt)和/或漏极电流。这种故障机制极快并且不能通过软件控制回路来避免。

甚至负载阻抗的瞬时失配(等离子体中的电弧放电)也引起RF功率的反射，使得晶体管处(例如，包括在放大器中的FET的漏极处)的峰值电压可能达到或超过其击穿电压。电压的增加速率(dV/dt)可以比在匹配负载中操作期间高得多。放大器电路可以包括一个或多个高强度晶体管，其被设置为例如通过将能量转换为热并将其传递到散热器而承受导致击穿的过电压。存在一些情况，特别是在较低频率的放大器中，传统放大器电路中的一个或多个高坚固性晶体管被破坏，尽管晶体管具有这种坚固性特性。详细的实验研究已经表明，例如，在等离子体中的电弧放电导致一个或多个晶体管在几个RF周期内失效期间，晶体管漏极处的电压超过其击穿电压和/或电压增加速率(dV/dt)比进入匹配负载的正常操作期间高几倍。对具有高输出功率的基于FET的放大器的另一详细研究已经表明，即使在漏极电压和dV/dt保持在其临界值以下的情况下，也可能触发骤回机制，并且FET可能在RF周期的一半期间失效。

用于等离子体工业的功率RF发生器必须足够坚固，能够在任何不匹配负载的全输出功率下工作，至少在根据降额曲线降低功率所需的时间内工作，以保护有源和无源元件免受过热。发生器必须承受的附加应力是在突然失配(例如等离子体中的电弧)的情况下回流到发生器的匹配网络中的累积能量，这通常导致在几个RF周期内反射比入射功率更高。

这种发生器中的固态放大器通常填充有场效应晶体管，例如VDMOS(垂直扩散金属氧化物半导体)或LDMOS(侧向扩散金属氧化物半导体)FET(场效应晶体管)。LDMOS-FET具有低寄生电容和热阻，导致高功率密度。功率LDMOS FET可作为XR(额外加固)提供，旨在承受甚至完全不匹配操作引起的过电压和过电流，以降低RF功率和/或调谐匹配网络所需的时间。一些这样的放大器被布置为推挽放大器，其提供了优于单端放大器配置的相当大的优点。为了实现相同的输出功率电平，具有例如两个晶体管的推挽式配置具有有利的阻抗，与其中两个晶体管并联连接的单端放大器配置相比，该阻抗高四倍。这使得能够实现具有较少损耗和增加带宽的输出匹配网络。此外，推挽式布置固有地为偶次谐波频率提供适当的端接，并且不必为偶次谐波端接实施另外的复杂电路。