本發(fā)明主要涉及離子注入技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置及方法。

背景技術(shù)：

早在20世紀(jì)60年代，離子注入技術(shù)就應(yīng)用在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)上。離子注入技術(shù)就是將某種元素的原子進(jìn)行電離，并使其離子在電場(chǎng)中加速，獲得較高的速度后植入固體材料的表面，以改變這種材料表面的物理或者化學(xué)性能的一種技術(shù)。

離子注入機(jī)的離子加速方式有靜電場(chǎng)加速和射頻加速方式。靜電場(chǎng)加速方式實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單，但需要足夠的絕緣空間，當(dāng)能量越高，需要的空間越大，設(shè)備的體積也會(huì)越來越大。因此，中低能離子注入機(jī)一般采用靜電場(chǎng)加速方式。當(dāng)要獲得高能離子束，就需要采用射頻加速方法，離子束分時(shí)段在電場(chǎng)中進(jìn)行加速疊加，以時(shí)間換空間，獲得高能量離子束。但是目前所使用的射頻加速調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精準(zhǔn)的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置，并相應(yīng)提供一種操作簡(jiǎn)便、控制精準(zhǔn)的射頻加速調(diào)諧控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置，包括射頻電源、調(diào)諧控制器、調(diào)諧筒和調(diào)諧電機(jī)，所述調(diào)諧控制器包括調(diào)諧控制單元、調(diào)諧電機(jī)控制單元和諧振狀態(tài)檢測(cè)單元，所述調(diào)諧控制單元分別與所述調(diào)諧電機(jī)控制單元和諧振狀態(tài)檢測(cè)單元相連，所述調(diào)諧電機(jī)與所述調(diào)諧電機(jī)控制單元相連；所述諧振狀態(tài)檢測(cè)單元用于檢測(cè)所述射頻電源的輸出信號(hào)并發(fā)送至調(diào)諧控制單元；所述調(diào)諧控制單元用于根據(jù)所述射頻電源的輸出信號(hào)輸出控制信號(hào)至調(diào)諧電機(jī)控制單元，所述調(diào)諧電機(jī)控制單元根據(jù)控制信號(hào)控制調(diào)諧電機(jī)的諧振以使調(diào)諧筒處于諧振狀態(tài)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述調(diào)諧控制器還包括電壓幅值檢測(cè)單元，所述電壓幅值檢測(cè)單元分別與所述調(diào)諧筒和調(diào)諧控制單元相連，所述電壓幅值檢測(cè)單元用于檢測(cè)調(diào)諧筒負(fù)載信號(hào)的電壓幅值并發(fā)送至調(diào)諧控制單元，所述調(diào)諧控制單元用于將電壓幅值與預(yù)設(shè)電壓幅值相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制所述射頻電源的輸出電壓幅值。

所述調(diào)諧控制器還包括頻率相位檢測(cè)單元，所述頻率相位檢測(cè)單元與所述調(diào)諧控制單元相連，所述頻率相位檢測(cè)單元用于檢測(cè)所述調(diào)諧筒負(fù)載信號(hào)的頻率相位并發(fā)送至調(diào)諧控制單元，所述調(diào)諧控制單元用于將頻率相位與預(yù)設(shè)頻率相位相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制所述射頻電源的輸出頻率相位。

還包括數(shù)字移相器，所述數(shù)字移相器與所述調(diào)諧控制單元相連，用于產(chǎn)生預(yù)設(shè)頻率相位信號(hào)并發(fā)送至調(diào)諧控制單元。

所述調(diào)諧控制器還包括壓力檢測(cè)單元，所述壓力檢測(cè)單元分別與所述調(diào)諧筒和調(diào)諧控制單元相連。

本發(fā)明還公開了一種基于如上所述的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置的控制方法，包括諧振狀態(tài)控制方法，具體包括以下步驟：

s01、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，所述諧振狀態(tài)檢測(cè)單元用于檢測(cè)所述射頻電源的輸出信號(hào)并發(fā)送至調(diào)諧控制單元；

s02、所述調(diào)諧控制單元用于根據(jù)所述射頻電源的輸出信號(hào)輸出控制信號(hào)至調(diào)諧電機(jī)控制單元；

s03、所述調(diào)諧電機(jī)控制單元根據(jù)控制信號(hào)控制調(diào)諧電機(jī)的諧振以使調(diào)諧筒處于諧振狀態(tài)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

還包括射頻電源輸出電壓幅值的控制方法，具體包括以下步驟：

s11、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)諧筒負(fù)載信號(hào)的電壓幅值并發(fā)送至調(diào)諧控制單元；

s12、所述調(diào)諧控制單元用于將電壓幅值與預(yù)設(shè)電壓幅值相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制所述射頻電源的輸出電壓幅值。

還包括射頻電源的頻率相位的控制方法，具體包括以下步驟：

s21、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)所述調(diào)諧筒負(fù)載信號(hào)的頻率相位并發(fā)送至調(diào)諧控制單元；

s22、所述調(diào)諧控制單元用于將頻率相位與預(yù)設(shè)頻率相位相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制所述射頻電源的輸出頻率相位。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、能夠有效對(duì)調(diào)諧筒的諧振狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并反饋，從而對(duì)調(diào)諧筒的諧振狀態(tài)進(jìn)行精確控制。本發(fā)明的射頻加速調(diào)諧方法具有操作簡(jiǎn)便、控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的調(diào)諧裝置的方框原理圖。

圖2為本發(fā)明的諧振狀態(tài)檢測(cè)單元的電路原理圖。

圖3為本發(fā)明的頻率相位檢測(cè)單元的電路原理圖。

圖4為本發(fā)明的電壓幅值檢測(cè)單元的電路原理圖。

圖中標(biāo)號(hào)表示：1、射頻電源；2、調(diào)諧控制器；21、調(diào)諧控制單元；22、諧振狀態(tài)檢測(cè)單元；23、電壓幅值檢測(cè)單元；24、頻率相位檢測(cè)單元；25、調(diào)諧電機(jī)控制單元；26、壓力檢測(cè)單元；3、調(diào)諧筒；31、電壓探頭；4、調(diào)諧電機(jī)；5、數(shù)字移相器。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1至圖4所示，本實(shí)施例的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置，包括射頻電源1、調(diào)諧控制器2、調(diào)諧筒3和調(diào)諧電機(jī)4，調(diào)諧控制器2包括調(diào)諧控制單元21、調(diào)諧電機(jī)控制單元25和諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22，調(diào)諧控制單元21分別與調(diào)諧電機(jī)控制單元25和諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22相連，調(diào)諧電機(jī)4與調(diào)諧電機(jī)控制單元25相連；諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22用于檢測(cè)射頻電源1的輸出信號(hào)并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21；調(diào)諧控制單元21用于根據(jù)射頻電源1的輸出信號(hào)輸出控制信號(hào)至調(diào)諧電機(jī)控制單元25，調(diào)諧電機(jī)控制單元25根據(jù)控制信號(hào)控制調(diào)諧電機(jī)4的諧振以使調(diào)諧筒3處于諧振狀態(tài)。具體地，諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22的測(cè)量結(jié)果通過多路開關(guān)選擇，ad轉(zhuǎn)換、送至調(diào)諧控制單元21（cpu，型號(hào)為plcchd64180rz），cpu根據(jù)反饋的系統(tǒng)諧振狀態(tài)，控制調(diào)諧電機(jī)4運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)負(fù)載電容，使系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，即諧振狀態(tài)反饋值為零。本發(fā)明的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、能夠有效對(duì)調(diào)諧筒3的諧振狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并反饋，從而對(duì)調(diào)諧筒3的諧振狀態(tài)進(jìn)行精確控制。

具體地，諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22如圖2所示，射頻電源1輸出信號(hào)通過負(fù)感器t1進(jìn)行電流矢量采樣，通過電容c5進(jìn)行電壓矢量取樣，然后，通過后繼電路對(duì)電流矢量與電壓矢量的方向角進(jìn)行比較，當(dāng)電流矢量方向角與電壓矢量方向角相同時(shí)，諧振狀態(tài)信號(hào)輸出的電平信號(hào)為零，表明系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。當(dāng)電流矢量方向角大于電壓矢量方向角時(shí)，諧振狀態(tài)信號(hào)輸出正電壓，反之亦然，角度相差越大，輸出的電壓值越高，諧振狀態(tài)信號(hào)反饋給調(diào)諧電機(jī)控制單元25，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電容，使系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)。

本實(shí)施例中，調(diào)諧控制器2還包括電壓幅值檢測(cè)單元23，電壓幅值檢測(cè)單元23分別與調(diào)諧筒3和調(diào)諧控制單元21相連，電壓幅值檢測(cè)單元23用于檢測(cè)調(diào)諧筒3負(fù)載信號(hào)的電壓幅值并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21，調(diào)諧控制單元21用于將電壓幅值與預(yù)設(shè)電壓幅值相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制射頻電源1的輸出電壓幅值。如圖4所示，具體地，調(diào)諧筒3內(nèi)安裝有電壓探頭31，電壓幅值檢測(cè)單元23通過電壓探頭31得到負(fù)載信號(hào)的電壓幅值，與cpu給定的電壓幅值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果作為射頻電源1的電壓幅值控制信號(hào)，控制實(shí)測(cè)的負(fù)載電壓幅值與cpu設(shè)定電壓幅值一致。由d1、d2對(duì)電壓探頭31采集回的rf信號(hào)進(jìn)行整流并由c17、c29進(jìn)行濾波，同時(shí)由u6、u10對(duì)c17、c29上電壓進(jìn)行差分放大，u10的輸出電壓與電極上rf幅度成正比。同時(shí)，rf電壓幅值設(shè)置經(jīng)d/a轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再經(jīng)過一個(gè)反相器u4將設(shè)定電壓變成負(fù)電壓做為基準(zhǔn)控制電壓，與rf電壓幅值采樣進(jìn)行求和運(yùn)算，由u3對(duì)兩個(gè)信號(hào)的差值進(jìn)行放大，其輸出直接控制rf電源功率輸出，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)，使得電極上rf輸出幅度與設(shè)定值一致。從而達(dá)到電極電壓穩(wěn)定。

本實(shí)施例中，調(diào)諧控制器2還包括頻率相位檢測(cè)單元24，頻率相位檢測(cè)單元24與調(diào)諧控制單元21相連，頻率相位檢測(cè)單元24用于檢測(cè)調(diào)諧筒3負(fù)載信號(hào)的頻率相位并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21，調(diào)諧控制單元21用于將頻率相位與預(yù)設(shè)頻率相位相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制射頻電源1的輸出頻率相位。如圖3所示，具體地，調(diào)諧筒3內(nèi)安裝有電壓探頭31，頻率相位檢測(cè)單元24通過電壓探頭31得到負(fù)載信號(hào)的頻率相位，采集的負(fù)載射頻信號(hào)（負(fù)載信號(hào)的頻率相位）與基準(zhǔn)同步信號(hào)（預(yù)設(shè)頻率相位）同時(shí)輸入a5進(jìn)行相位比較，比較結(jié)果由a5產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)輸出，此電壓信號(hào)通過u8進(jìn)行放大后與cpu控制信號(hào)共同作用作為u19的控制輸入。其中，基準(zhǔn)同步信號(hào)為一個(gè)頻率為13.56mhz的射頻信號(hào)，u19為基頻為27.12mhz射頻信號(hào)發(fā)生器，其輸出的射頻信號(hào)頻率由輸入信號(hào)控制，且輸出的射頻信號(hào)的頻率與控制輸入電壓成線性比例關(guān)系。u19輸出的射頻信號(hào)通過u18進(jìn)行0.5倍降頻后輸出成為射頻電源1頻率相位控制信號(hào)。當(dāng)負(fù)載射頻信號(hào)相位比基準(zhǔn)同步信號(hào)的相位超前，則降低射頻電源1控制信號(hào)的頻率，使反饋信號(hào)與基準(zhǔn)同步信號(hào)達(dá)到同相，反之亦然。其中預(yù)設(shè)頻率相位由數(shù)字移相器5產(chǎn)生。

本實(shí)施例中，調(diào)諧控制器2還包括壓力檢測(cè)單元26，壓力檢測(cè)單元26分別與調(diào)諧筒3和調(diào)諧控制單元21相連。

本發(fā)明還相應(yīng)公開了一種基于如上所述的用于高能離子注入機(jī)的射頻加速調(diào)諧裝置的控制方法，包括諧振狀態(tài)控制方法，具體包括以下步驟：

s01、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，諧振狀態(tài)檢測(cè)單元22用于檢測(cè)射頻電源1的輸出信號(hào)并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21；

s02、調(diào)諧控制單元21用于根據(jù)射頻電源1的輸出信號(hào)輸出控制信號(hào)至調(diào)諧電機(jī)控制單元25；

s03、調(diào)諧電機(jī)控制單元25根據(jù)控制信號(hào)控制調(diào)諧電機(jī)4的諧振以使調(diào)諧筒3處于諧振狀態(tài)。

本實(shí)施例中，還包括射頻電源1輸出電壓幅值的控制方法，具體包括以下步驟：

s11、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)諧筒3負(fù)載信號(hào)的電壓幅值并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21；

s12、調(diào)諧控制單元21用于將電壓幅值與預(yù)設(shè)電壓幅值相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制射頻電源1的輸出電壓幅值。

本實(shí)施例中，還包括射頻電源的頻率相位的控制方法，具體包括以下步驟：

s21、在射頻加速調(diào)諧裝置運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)諧筒3負(fù)載信號(hào)的頻率相位并發(fā)送至調(diào)諧控制單元21；

s22、調(diào)諧控制單元21用于將頻率相位與預(yù)設(shè)頻率相位相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制射頻電源1的輸出頻率相位。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。