[发明专利]基于E类功率放大电路的固态射频电源

说明书

技术领域

 本发明涉及射频功率输出装置，尤其是涉及一种基于E类功率放大电路的固态射频电源。

背景技术

射频电源是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件，所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED（Light Emitting Diode，发光二极管）的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）、ALD（Atomic layer deposition，原子层沉积）等设备，均装备有不同功率规格的射频电源。

射频电源一般由射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器组成。按照放大电路的核心元器件划分，可分为电子管式射频电源和固态射频电源，其中电子管式射频电源采用电子管作为功率放大元件，而固态射频电源则采用晶体管作为功率放大元件。当前，国内厂商的产品以电子管式射频电源为主，虽然其具有较大的阻抗失配承受能力，但是因为存在着易老化、输出功率不稳定和工作电压高等缺点，只能作为一般教学科研设备中的部件。国外主流厂商，例如美国AE公司、Comdel公司和MKS公司，均采用晶体管作为功率放大元件，提供的固态射频电源已经广泛使用于主流的半导体工艺生产线。

然而，这些国际厂商的固态射频电源基本上都利用低电压大电流的双极性晶体管作为功率放大元件，构建B类或C类的功率放大电路，然后采用功率合成的方式得到大功率的固态射频电源。根据电子线路的基本知识易知，B类和C类的功率放大电路属于线性放大，B类的理想效率为78.5%，而C类虽然理想效率可达100%，但它是通过减小导通角来提高效率，然而导通角与基波振幅密切相关，基波振幅减小直接导致输出功率变小，因此减小导通角来提高效率并不适用属于大信号功率放大的射频电源。由此，采用B类和C类功率放大电路的射频电源存在着效率不高，发热量大的问题。

当前，集成电路制造产业向着更大尺寸的目标发展，晶圆直径从4寸、6寸、8寸到12寸，腔室的尺寸也需要同样增加，这意味着射频电源系统需要提供更大的功率以保证工艺设备能够处理更大面积的晶圆。然而，国际厂商所提供的固态射频电源，实现大功率需要由多个射频功率放大电路进行功率合成，单个C类射频放大电路的输出功率最大仅为200W左右。例如，对于12寸晶圆的刻蚀工艺，一般需要1500W的射频电源，故需要采用8个射频功率放大电路来进行功率合成，但是如此构建大功率的射频电源，存在着结构复杂，器件增多，成本高，相应的检测电路复杂的问题。

发明内容

为了解决现有射频电源存在的效率低、发热量大以及构建大功率固态射频电源的结构复杂、成本高等问题，本发明提供了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述场效应晶体管的漏极耐压范围为200V～1000V，导通电流范围为10A～50A，开关频率大于2MHz。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述场效应晶体管的漏极与地之间设有并联电容，所述并联电容的容值的取值范围为10 pF～1 nF；所述串联谐振网络的谐振频率与所述射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述并联电感为高频扼流圈，所述高频扼流圈对所述射频信号发生器的输出信号频率具有高电抗。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述串联电感与所述射频功率检测器的输入端之间设有射频匹配滤波电路。

进一步地，本发明还具有如下特点：所述射频信号发生器的信号输出端与所述场效应晶体管的栅极之间设有串联电阻。