用于高能离子注入机的射频加速调谐装置及控制方法与流程

本发明主要涉及离子注入技术领域，特指一种用于高能离子注入机的射频加速调谐装置及方法。

背景技术：

早在20世纪60年代，离子注入技术就应用在半导体器件的生产上。离子注入技术就是将某种元素的原子进行电离，并使其离子在电场中加速，获得较高的速度后植入固体材料的表面，以改变这种材料表面的物理或者化学性能的一种技术。

离子注入机的离子加速方式有静电场加速和射频加速方式。静电场加速方式实现起来简单，但需要足够的绝缘空间，当能量越高，需要的空间越大，设备的体积也会越来越大。因此，中低能离子注入机一般采用静电场加速方式。当要获得高能离子束，就需要采用射频加速方法，离子束分时段在电场中进行加速叠加，以时间换空间，获得高能量离子束。但是目前所使用的射频加速调谐装置结构复杂，操作不便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、控制精准的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置，并相应提供一种操作简便、控制精准的射频加速调谐控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于高能离子注入机的射频加速调谐装置，包括射频电源、调谐控制器、调谐筒和调谐电机，所述调谐控制器包括调谐控制单元、调谐电机控制单元和谐振状态检测单元，所述调谐控制单元分别与所述调谐电机控制单元和谐振状态检测单元相连，所述调谐电机与所述调谐电机控制单元相连；所述谐振状态检测单元用于检测所述射频电源的输出信号并发送至调谐控制单元；所述调谐控制单元用于根据所述射频电源的输出信号输出控制信号至调谐电机控制单元，所述调谐电机控制单元根据控制信号控制调谐电机的谐振以使调谐筒处于谐振状态。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述调谐控制器还包括电压幅值检测单元，所述电压幅值检测单元分别与所述调谐筒和调谐控制单元相连，所述电压幅值检测单元用于检测调谐筒负载信号的电压幅值并发送至调谐控制单元，所述调谐控制单元用于将电压幅值与预设电压幅值相比较，根据比较结果控制所述射频电源的输出电压幅值。

所述调谐控制器还包括频率相位检测单元，所述频率相位检测单元与所述调谐控制单元相连，所述频率相位检测单元用于检测所述调谐筒负载信号的频率相位并发送至调谐控制单元，所述调谐控制单元用于将频率相位与预设频率相位相比较，根据比较结果控制所述射频电源的输出频率相位。

还包括数字移相器，所述数字移相器与所述调谐控制单元相连，用于产生预设频率相位信号并发送至调谐控制单元。

所述调谐控制器还包括压力检测单元，所述压力检测单元分别与所述调谐筒和调谐控制单元相连。

本发明还公开了一种基于如上所述的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置的控制方法，包括谐振状态控制方法，具体包括以下步骤：

s01、在射频加速调谐装置运行时，所述谐振状态检测单元用于检测所述射频电源的输出信号并发送至调谐控制单元；

s02、所述调谐控制单元用于根据所述射频电源的输出信号输出控制信号至调谐电机控制单元；

s03、所述调谐电机控制单元根据控制信号控制调谐电机的谐振以使调谐筒处于谐振状态。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括射频电源输出电压幅值的控制方法，具体包括以下步骤：

s11、在射频加速调谐装置运行时，实时检测调谐筒负载信号的电压幅值并发送至调谐控制单元；

s12、所述调谐控制单元用于将电压幅值与预设电压幅值相比较，根据比较结果控制所述射频电源的输出电压幅值。

还包括射频电源的频率相位的控制方法，具体包括以下步骤：

s21、在射频加速调谐装置运行时，实时检测所述调谐筒负载信号的频率相位并发送至调谐控制单元；

s22、所述调谐控制单元用于将频率相位与预设频率相位相比较，根据比较结果控制所述射频电源的输出频率相位。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置结构简单、操作简便、能够有效对调谐筒的谐振状态进行监控并反馈，从而对调谐筒的谐振状态进行精确控制。本发明的射频加速调谐方法具有操作简便、控制精准等优点。

附图说明

图1为本发明的调谐装置的方框原理图。

图2为本发明的谐振状态检测单元的电路原理图。

图3为本发明的频率相位检测单元的电路原理图。

图4为本发明的电压幅值检测单元的电路原理图。

图中标号表示：1、射频电源；2、调谐控制器；21、调谐控制单元；22、谐振状态检测单元；23、电压幅值检测单元；24、频率相位检测单元；25、调谐电机控制单元；26、压力检测单元；3、调谐筒；31、电压探头；4、调谐电机；5、数字移相器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图4所示，本实施例的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置，包括射频电源1、调谐控制器2、调谐筒3和调谐电机4，调谐控制器2包括调谐控制单元21、调谐电机控制单元25和谐振状态检测单元22，调谐控制单元21分别与调谐电机控制单元25和谐振状态检测单元22相连，调谐电机4与调谐电机控制单元25相连；谐振状态检测单元22用于检测射频电源1的输出信号并发送至调谐控制单元21；调谐控制单元21用于根据射频电源1的输出信号输出控制信号至调谐电机控制单元25，调谐电机控制单元25根据控制信号控制调谐电机4的谐振以使调谐筒3处于谐振状态。具体地，谐振状态检测单元22的测量结果通过多路开关选择，ad转换、送至调谐控制单元21（cpu，型号为plcchd64180rz），cpu根据反馈的系统谐振状态，控制调谐电机4运动，调节负载电容，使系统达到谐振状态，即谐振状态反馈值为零。本发明的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置结构简单、操作简便、能够有效对调谐筒3的谐振状态进行监控并反馈，从而对调谐筒3的谐振状态进行精确控制。

具体地，谐振状态检测单元22如图2所示，射频电源1输出信号通过负感器t1进行电流矢量采样，通过电容c5进行电压矢量取样，然后，通过后继电路对电流矢量与电压矢量的方向角进行比较，当电流矢量方向角与电压矢量方向角相同时，谐振状态信号输出的电平信号为零，表明系统处于谐振状态。当电流矢量方向角大于电压矢量方向角时，谐振状态信号输出正电压，反之亦然，角度相差越大，输出的电压值越高，谐振状态信号反馈给调谐电机控制单元25，调节系统的电容，使系统达到谐振状态。

本实施例中，调谐控制器2还包括电压幅值检测单元23，电压幅值检测单元23分别与调谐筒3和调谐控制单元21相连，电压幅值检测单元23用于检测调谐筒3负载信号的电压幅值并发送至调谐控制单元21，调谐控制单元21用于将电压幅值与预设电压幅值相比较，根据比较结果控制射频电源1的输出电压幅值。如图4所示，具体地，调谐筒3内安装有电压探头31，电压幅值检测单元23通过电压探头31得到负载信号的电压幅值，与cpu给定的电压幅值进行比较，将比较结果作为射频电源1的电压幅值控制信号，控制实测的负载电压幅值与cpu设定电压幅值一致。由d1、d2对电压探头31采集回的rf信号进行整流并由c17、c29进行滤波，同时由u6、u10对c17、c29上电压进行差分放大，u10的输出电压与电极上rf幅度成正比。同时，rf电压幅值设置经d/a转化成模拟信号，再经过一个反相器u4将设定电压变成负电压做为基准控制电压，与rf电压幅值采样进行求和运算，由u3对两个信号的差值进行放大，其输出直接控制rf电源功率输出，最终达到一个稳态，使得电极上rf输出幅度与设定值一致。从而达到电极电压稳定。

本实施例中，调谐控制器2还包括频率相位检测单元24，频率相位检测单元24与调谐控制单元21相连，频率相位检测单元24用于检测调谐筒3负载信号的频率相位并发送至调谐控制单元21，调谐控制单元21用于将频率相位与预设频率相位相比较，根据比较结果控制射频电源1的输出频率相位。如图3所示，具体地，调谐筒3内安装有电压探头31，频率相位检测单元24通过电压探头31得到负载信号的频率相位，采集的负载射频信号（负载信号的频率相位）与基准同步信号（预设频率相位）同时输入a5进行相位比较，比较结果由a5产生一个电压信号输出，此电压信号通过u8进行放大后与cpu控制信号共同作用作为u19的控制输入。其中，基准同步信号为一个频率为13.56mhz的射频信号，u19为基频为27.12mhz射频信号发生器，其输出的射频信号频率由输入信号控制，且输出的射频信号的频率与控制输入电压成线性比例关系。u19输出的射频信号通过u18进行0.5倍降频后输出成为射频电源1频率相位控制信号。当负载射频信号相位比基准同步信号的相位超前，则降低射频电源1控制信号的频率，使反馈信号与基准同步信号达到同相，反之亦然。其中预设频率相位由数字移相器5产生。

本实施例中，调谐控制器2还包括压力检测单元26，压力检测单元26分别与调谐筒3和调谐控制单元21相连。

本发明还相应公开了一种基于如上所述的用于高能离子注入机的射频加速调谐装置的控制方法，包括谐振状态控制方法，具体包括以下步骤：

s01、在射频加速调谐装置运行时，谐振状态检测单元22用于检测射频电源1的输出信号并发送至调谐控制单元21；

s02、调谐控制单元21用于根据射频电源1的输出信号输出控制信号至调谐电机控制单元25；

s03、调谐电机控制单元25根据控制信号控制调谐电机4的谐振以使调谐筒3处于谐振状态。

本实施例中，还包括射频电源1输出电压幅值的控制方法，具体包括以下步骤：

s11、在射频加速调谐装置运行时，实时检测调谐筒3负载信号的电压幅值并发送至调谐控制单元21；

s12、调谐控制单元21用于将电压幅值与预设电压幅值相比较，根据比较结果控制射频电源1的输出电压幅值。

本实施例中，还包括射频电源的频率相位的控制方法，具体包括以下步骤：

s21、在射频加速调谐装置运行时，实时检测调谐筒3负载信号的频率相位并发送至调谐控制单元21；

s22、调谐控制单元21用于将频率相位与预设频率相位相比较，根据比较结果控制射频电源1的输出频率相位。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。