CN101217104B - 一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，所述的装置包括信号处理采样电路、边沿触发鉴频鉴相器PFD与放大滤波电路。其中，边沿触发鉴频鉴相器PFD对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。虽然系统并不复杂，但是此鉴相方案也能很好的检测负载阻抗的相位。

Description

一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体制造设备的检测与监控技术领域，尤其涉及一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法。

背景技术

等离子体被广泛应用于半导体器件的生产。在等离子体刻蚀系统中，射频电源向等离子腔体供电以产生等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的半导体晶圆相互作用，使半导体晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成半导体晶圆的刻蚀过程。

常用的射频电源工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω，通过特征阻抗为50Ω的同轴电缆与反应腔室相连。随着刻蚀过程的进行，腔室中的气体成分以及压力都在不断变化，因此，作为负载的等离子的阻抗也在不断的变化。而射频电源的内阻为固定的50Ω，即功率源与负载之间阻抗是不匹配的，这样就导致射频RF传输线上存在较大的反射功率，射频输出功率无法全部施加到等离子体腔。如果获得的RF能量不足以使等离子体起辉，刻蚀过程就无法进行，而且，功率会反射回电源，当达到输出功率的20％左右时，就会损坏RF电源。

由此，如图1所示的整个射频传输系统的框图，一般RF功率源与等离子体腔室之间插入一个匹配网络，使得负载阻抗与电源阻抗能够达到共轭匹配。由于随着刻蚀过程的进行，负载阻抗的值是不断变化的，所以需要引入一个阻抗模值、相位检测器，即传感器(Sensor)。通过检测传输线上的电压、电流信号，利用一定的鉴幅和鉴相方法，就可以得到负载阻抗的模值和相位。自动阻抗控制器根据传感器的输出，控制步进电机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子腔室的总阻抗为50Ω，实现匹配。

对于根据传输线上的电压和电流信号计算负载阻抗的相位的方法，常规的一种方法如图2所示，是利用由四个二极管组成的双平衡混频器来鉴相，传输线上的电压信号加于二极管电桥的1、3之间，电流信号加于2、4两端之间。当四个二极管特性相同时，各个二极管上电压和电流信号的幅度完全相同。输出信号从电流信号巴伦的平衡端(变压器次级)的中点引出，经过RC低通滤波器之后，即可得到鉴相后的直流信号。

这种方法存在的缺点是，在利用双平衡混频器实现混频时，输入的两个信号的电平可以不相等，但是用作鉴相器时，却要求两个输入信号的幅度是相等的，而电压、电流信号在负载阻抗不匹配时却是不等的，因此无法得到准确的结果。

常规的另一种鉴相的方法如图3所示，是采用门鉴相器，而其中最常用的是异或门鉴相，它由异或门与低通滤波器组成。异或门的电路符号及真值表如表1所示，输出波形及鉴相特性如图4、图5与图6所示。

表1

 

V1	V2	V3
			0	0	0
0	1	1
			1	0	1
1	1	0

输出电压波形V₃经过低通滤波器后的平均电压为

${\mathrm{\υ}}_d=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V_{\mathrm{dm}}}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ψ}}_e& 0\≤{\mathrm{\ψ}}_e\≤\mathrm{\π}\\ \frac{V_{\mathrm{dm}}}{\mathrm{\π}}(2\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_e)& \mathrm{\π}\≤{\mathrm{\ψ}}_e\≤2\mathrm{\π}\end{array}\right.$         (式1)

其中，相位差

V_dm是输出脉冲幅度。

鉴相器的鉴相范围是0～π，鉴相灵敏度是

$A_d=\frac{V_{\mathrm{dm}}}{\mathrm{\π}}=\frac{V_{\mathrm{DD}}}{\mathrm{\π}}$          (式2)

由于异或门的逻辑电平是0和V_DD，所以V_dm＝V_DD。

这种利用异或门鉴相的方法存在的缺点是要求两个输入必须是完全对称的方波，而对称方波却很难实现。在将正弦波转换为方波时，由于高低电平的阈值并不是零电平，而是大于零的，所以由正弦波转成的方波占空比都小于1。由于输入波形的不对称，导致异或门本身产生额外的相差输出，因此无法得到准确的结果。

发明内容

针对现有技术方案中存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，不要求两个输入信号的幅度相等；不要求输入为对称的方波，即可输出准确的结果，

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种射频匹配器的传感器的鉴相装置，应用于射频匹配器的传感器中，用于检测射频负载阻抗的相位，包括：

信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边沿触发鉴频鉴相器PFD；

边沿触发鉴频鉴相器PFD，根据输入的方波电压与电流信号经过鉴频鉴相处理，输出脉冲控制信号至放大滤波电路；

放大滤波电路，对输入的脉冲控制信号进行放大运算处理，并通过低通滤波器输出平均电压控制信号。

所述的信号处理采样电路包括异或门，将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。

所述的PFD包括两个具有复位功能的D触发器及一个与门；所述的方波电压与电流信号分别作为两个D触发器的时钟脉冲CP，两个D触发器的输出端接与门的输入端，与门的输出端接两个D触发器的复位端。

所述的放大滤波电路包括差分放大电路与低通滤波器。

一种射频匹配器的传感器的鉴相方法，包括，

A、获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波电压与电流信号；

B、根据输入的方波电压与电流信号经过鉴频鉴相处理，输出脉冲控制信号；

C、对输入的脉冲控制信号进行放大运算处理，输出平均电压控制信号。

所述的步骤A包括，采用异或门将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。

所述的步骤C包括：

对输入的脉冲控制信号通过差分放大器，进行放大运算处理，并通过低通滤波器输出平均电压控制信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，所述的装置包括信号处理采样电路、边沿触发鉴频鉴相器PFD与放大滤波电路。其中，边沿触发鉴频鉴相器PFD对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。虽然系统并不复杂，但是此鉴相方案也能很好的检测负载阻抗的相位。

附图说明

图1为整个射频传输系统的示意框图；

图2为现有技术的双平衡混频器鉴相装置结构示意图；

图3为现有技术的异或门鉴相装置结构示意图；

图4为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图一；

图5为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图二；

图6为现有技术的异或门鉴相装置的特征曲线示意图三；

图7为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置结构示意图一；

图8为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的边沿触发鉴频鉴相器PFD结构示意图一；

图9为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的边沿触发鉴频鉴相器PFD的特征曲线示意图一；

图10为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的边沿触发鉴频鉴相器PFD的特征曲线示意图二；

图11为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的边沿触发鉴频鉴相器PFD结构示意图二；

图11为本发明所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置的放大滤波电路结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置和方法，如图7所示，其应用于射频匹配器的传感器中，用于通过射频主传输线检测射频负载阻抗的相位，其具体实施方式为：

如图7所示，本发明所述的一种射频匹配器的传感器的鉴相装置包括信号处理采样电路、边沿触发鉴频鉴相器PFD与放大滤波电路。其中，

信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边沿触发鉴频鉴相器PFD；其具体包括异或门将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。

边沿触发鉴频鉴相器PFD，如图8所示，用于根据输入的方波电压与电流信号经过鉴频鉴相处理，输出脉冲控制信号至放大滤波电路；边沿触发鉴频鉴相器PFD的鉴相原理如图8、图9与图10所示。PFD的两个输入为从RF传输线上取出来的电压和电流信号，两个信号的频率相等。当电压V的相位超前电流I，则PFD输出ψ_V为正脉冲，且脉冲宽度与两输入信号的相位差有关，而输出ψ_I一直为低电平。相反，如果电压V的相位滞后电流I，则ψ_I为正脉冲，且脉冲宽度与两输入信号的相位差有关，而ψ_V一直为低电平。如果电压V与电流I同相，则电路的输出ψ_V和ψ_I除了有极短暂的同相正脉冲外，两者都保持低电平。

所述的PFD包括两个具有复位功能的D触发器及一个与门；所述的方波电压与电流信号分别作为两个D触发器的时钟脉冲CP，两个D触发器的输出端接与门的输入端，与门的输出端接两个D触发器的复位端。PFD可以采用两个具有复位功能的D触发器和一个与门来实现。为了避免输出对输入工作周期的依赖，电路采用上升沿触发的时序电路。电压信号V和电流信号I分别作为两个D触发器的时钟CP，触发器的数据端D接高电平，输出取自QV和QI。复位后的初始状态QVQI＝00，当CP信号I↑来到时，DFFI置数，则QI＝1，QV保持0。若CP信号I↑不断来，则一直保持QI＝1。当CP信号V↑来到时，DFFV置数，即QV＝1。此时QVQI＝11通过与门，使DFFI和DFFV复位，则QVQI＝00，回到初态。只有一个短暂的时间(与门和触发器的时延)使DFFI和DFFV同时置1，因此电路不可能在QVQI＝11状态停留。

本实施例只介绍了用2个D触发器和1个与门来实现PFD电路，但是不仅限于此，也包括用别的逻辑电路来实现。

放大滤波电路，对输入的脉冲控制信号进行放大运算处理，并通过低通滤波器输出平均电压控制信号。如图12所示射频传感器中PFD的功能是取出电压、电流两输入信号的相位差，通过低通滤波器将相位差转变为输入到控制电路中的平均电压，以此来控制匹配网络中可变元件的调节。此处将鉴频鉴相器输出的脉冲ψ_I、ψ_V的宽度转变为平均电压的方法为：先将ψ_I、ψ_V送入差分放大器放大，再通过低通滤波器输出。图12所示的差分放大器是一个比例积分电路。令同相端接脉冲信号ψ_V，反向端接ψ_I，可以得到输出为

${\mathrm{\υ}}_c=\frac{R_2}{R_1}({\mathrm{\ψ}}_V-{\mathrm{\ψ}}_I)+\frac{1}{R_{1}C}\∫({\mathrm{\ψ}}_V-{\mathrm{\ψ}}_I)\mathrm{dt}$       (式3)

若输入为图9所示的波形，即当电压超前电流时，则经过低通滤波后，输出的平均直流电压为：

$V_0=\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}{\mathrm{\υ}}_c\mathrm{dt}=\frac{1}{T_0}{\∫}_0^{T_0}[\frac{R_2}{R_1}({\mathrm{\ψ}}_V-{\mathrm{\ψ}}_I)+\frac{1}{R_{1}C}\∫({\mathrm{\ψ}}_V-{\mathrm{\ψ}}_I)\mathrm{dt}]\mathrm{dt}=V_{\mathrm{DD}}(\frac{R_2}{R_1}\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{T_0}+\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{R_{1}C})$

$=V_{\mathrm{DD}}(\frac{R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{R}_{1}C}){\mathrm{\ψ}}_e$       (式4)

其中，V_DD为异或门的逻辑高电平。

同理可得，当输入为图10所示的波形，即当电流超前电压时，则输出的平均直流电压为：

$V_0=-V_{\mathrm{DD}}(\frac{R_2}{R_1}\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{T_0}+\frac{{\mathrm{\τ}}_e}{R_{1}C})=-V_{\mathrm{DD}}(\frac{R_2}{2\mathrm{\π}{R}_1}+\frac{1}{\mathrm{\ω}{R}_{1}C}){\mathrm{\ψ}}_e$        (式5)

因此，可以根据输出的直流电压判断出电压和电流之间的相位关系，从而确定出负载阻抗的相位。将脉冲信号转换为直流平均电压，可以用差分放大器，但也不仅限于此。

综上所述，本发明中涉及的PFD对输入信号的要求不是很严格，既不要求两个输入信号的幅度相等又不要求输入为对称的方波，因此系统实现比较容易。虽然系统并不复杂，但是此鉴相方案也能很好的检测负载阻抗的相位。由(式4)、(式5)两式便可很好的判断负载阻抗的相位ψε。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种射频匹配器的传感器的鉴相装置，应用于射频匹配器的传感器中，用于检测射频负载阻抗的相位，其特征在于，包括：

信号处理采样电路，用于获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波信号至边沿触发鉴频鉴相器PFD；

边沿触发鉴频鉴相器PFD，根据输入的方波电压与电流信号经过鉴频鉴相处理，输出脉冲控制信号至放大滤波电路；

放大滤波电路，对输入的脉冲控制信号进行放大运算处理，并通过低通滤波器输出平均电压控制信号；

所述的PFD包括两个具有复位功能的D触发器及一个与门；所述的方波电压与电流信号分别作为两个D触发器的时钟脉冲CP，两个D触发器的输出端接与门的输入端，与门的输出端接两个D触发器的复位端。

2.根据权利要求1所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置，其特征在于，所述的信号处理采样电路包括异或门，将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。

3.根据权利要求1所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置，其特征在于，所述的放大滤波电路包括差分放大电路与低通滤波器。

4.一种权利要求1、2或3所述的射频匹配器的传感器的鉴相装置实现射频匹配器的传感器的鉴相方法，其特征在于，包括：

A、获取射频传输线上的电压与电流信号，并对所采集的正弦波的电压与电流信号进行处理输出方波电压与电流信号；

B、根据输入的方波电压与电流信号经过鉴频鉴相处理，输出脉冲控制信号；

C、对输入的脉冲控制信号进行放大运算处理，输出平均电压控制信号。

5.根据权利要求4所述的射频匹配器的传感器的鉴相方法，其特征在于，所述的步骤A包括，采用异或门将所采集的正弦波的电压与电流信号处理为方波信号。

6.根据权利要求4所述的射频匹配器的传感器的鉴相方法，其特征在于，所述的步骤C包括：

对输入的脉冲控制信号通过差分放大器，进行放大运算处理，并通过低通滤波器输出平均电压控制信号。

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