CN101420815B - 鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法，射频传输系统的射频主传输线上连接有鉴幅传感器，鉴幅传感器的电压信号采集单元和电流信号采集单元分别采集射频主传输线的电压信号和电流信号，然后由模拟乘法器接收电压信号和电流信号，并对接受到的信号进行运算，并将运算后的信号输入给控制器，控制器对接收到信号进行运算得到负载阻抗的幅值，实现射频传输系统的负载阻抗进行鉴幅。性能精度高、可靠性高。

Description

鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体加工技术，尤其涉及一种鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法。

背景技术

等离子体被广泛应用于半导体器件的生产中。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晶圆相互作用，使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RF(射频)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。

如图1所示，现有技术是在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幅值、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幅值和相位。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，实现阻抗匹配。

如图2所示，现有技术中的平衡式鉴幅法：

根据传输线上的电压和电流信号检测负载阻抗幅值，对从RF传输线上取出来的电压和电流信号通过二极管和滤波电路(由电阻电容组成，图2中未画出，用虚线代替)进行整流滤波，得到电压和电流取样信号的直流值，分别为Mag+和Mag-，由图2中二极管的连接可以看出：(Mag+)＞0，(Mag-)＜0。Mag+和Mag-分别加到电位器R的两端，通过测量电位器R中心抽头处的电压值就可以判断负载阻抗幅值的情况，即有：当负载阻抗的幅值|Z|＝50Ω时，则有电位器R中心抽头处的电压值MAGNITUDE＝0；当|Z|＞50Ω时，MAGNITUDE＞0；当|Z|＜50Ω时，MAGNITUDE＜0。

上述现有技术至少存在以下缺点：由于二极管特性曲线的一致性难以保证，所以其性能精度低，并且电路体积大，一致性差，可靠性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能精度高、可靠性高的鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的鉴幅传感器，包括信号采集单元，所述的信号采集单元包括电压信号采集单元和电流信号采集单元，所述电压信号采集单元和电流信号采集单元的输出端分别连接有模拟乘法器，所述的模拟乘法器可以接收交流电压或交流电流信号，所述的模拟乘法器的输出表达式为：

公式1： $\mathrm{Vout}=\frac{(X1-X2)(Y1-Y2)}{10}+Z2$ 式中：X1、X2、Y1、Y2、Z2为输入变量。

本发明的射频传输系统，包括射频主传输线，所述的射频主传输线上连接有权利要求1或2所述的鉴幅传感器，所述鉴幅传感器的电压信号采集单元和电流信号采集单元分别与所述射频主传输线耦合，所述鉴幅传感器的输出端连接有控制器，

所述控制器根据所述鉴幅传感器传来的信号计算所述射频传输系统的负载阻抗的幅值，所述控制器的计算表达式为：

公式2： $\left|Z\right|=k\sqrt{A0/A1}$ 式中：k为常量；A0和A1分别为所述电压信号和电流信号经所述鉴幅传感器处理后的输出信号。

本发明的对上述的射频传输系统的负载阻抗进行鉴幅的方法，包括步骤：

首先，检测射频传输系统的射频主传输线上的交流电压信号和交流电流信号；

然后，将所述交流电压信号代人公式1中的输入变量X1、Y1，并将公式1中的X2、Y2、Z2设为0，进行运算；以同样的方法将所述交流电流信号代人公式1中，进行运算；

之后，将运算的结果代人公式2中计算所述负载阻抗的幅值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的鉴幅传感器及射频传输系统及其对负载阻抗进行鉴幅的方法，由于模拟乘法器可以接收交流信号，鉴幅传感器可以检测射频传输系统的射频主传输线上的交流电压和电流信号；然后，由模拟乘法器通过公式1对所述交流电压和电流信号进行运算，并根据运算的结果通过公式2计算所述射频传输系统的负载阻抗的幅值。性能精度高、可靠性高。

附图说明

图1为现有技术中的射频传输系统框图；

图2为现有技术中平衡式鉴幅的电路原理图；

图3为本发明的鉴幅传感器及射频传输系统的原理框图；

图4为本发明中模拟乘法器的电路原理图。

具体实施方式

本发明的鉴幅传感器及包含该传感器的射频传输系统，其较佳的具体实施方式如图3所示，

射频传输系统的射频主传输线上连接有鉴幅传感器，鉴幅传感器包括信号采集单元、模拟乘法器，信号采集单元采集电信号输入给模拟乘法器进行处理。

如图4所示，模拟乘法器可以接收交流信号，包括交流电压信号、电流信号，模拟乘法器的输出表达式为：

$\mathrm{Vout}=\frac{(X1-X2)(Y1-Y2)}{10}+Z2---\left(1\right)$ 式中：X1、X2、Y1、Y2、Z2为输入变量。

模拟乘法器的输出端还可以连接有低通滤波器。

鉴幅传感器的信号采集单元包括电压信号采集单元和电流信号采集单元，分别采集射频主传输线的电压信号和电流信号。

鉴幅传感器的输出端连接有控制器，控制器根据鉴幅传感器传来的信号计算射频传输系统的负载阻抗的幅值。

控制器的计算表达式为：

$\left|Z\right|=k\sqrt{A0/A1}---\left(2\right)$ 式中：k为常量；A0和A1分别为电压信号和电流电流信号经鉴幅传感器处理后的输出信号。

本发明的对上述的射频传输系统的负载阻抗进行鉴幅的方法，包括步骤：

首先，检测射频传输系统的射频主传输线上的交流电压信号和交流电流信号；

然后，将所述交流电压信号代人公式1中的输入变量X1、Y1，并将公式1中的X2、Y2、Z2设为0，进行运算；以同样的方法将所述交流电流信号代人公式1中，进行运算；

之后，将运算的结果代人公式2中计算所述负载阻抗的幅值。

在将运算的结果代人公式2之前，可以首先对运算的结果进行滤波，除去倍频信号。

具体实施例：

参见图3，采用两个模拟乘法器来检测负载阻抗的幅值。一个模拟乘法器的输入为从RF(射频)传输线上取出来的电压正弦波信号，另一个模拟乘法器的输入为从RF传输线上取出来的电流正弦波信号。经过模拟乘法器的处理之后，输出的信号经过RC低通滤波器滤波之后输入给控制器进行下一步的处理。

假定以电压采样信号为参考，设鉴幅传感器上从RF传输线上取出来的电压信号为u(t)＝Ucosωt，电流信号为i(t)＝Icos(ωt-θ)，其中U、I分别为电压和电流信号的幅度，θ为电流滞后于电压的相位，ω为角频率，t为时间。

根据模拟乘法器MPY634的输出表达式： $\mathrm{Vout}=\frac{(X1-X2)(Y1-Y2)}{10}+Z2---\left(1\right)$

再结合图4，由此可以得到模拟乘法器U1的传递关系式如下：

$U1\mathrm{out}=\frac{U\cos \mathrm{\ωt}\·U\cos \mathrm{\ωt}}{10}=\frac{1}{20}{U}^2(1+\cos 2\mathrm{\ωt})---\left(3\right)$

U1out信号经过由电阻和电容构成的RC低通滤波网络，除去2倍频信号 $\frac{1}{20}{U}^2\cos 2\mathrm{\ωt},$ 到达DSP控制器的直流信号为

$A0=\frac{1}{20}{U}^2---\left(4\right)$

同样，对于模拟乘法器U2，它的传递关系如下式所示：

$U2\mathrm{out}=\frac{I\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\·I\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})}{10}=\frac{1}{20}{I}^2(1+\cos 2(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ}))---\left(5\right)$

U2out信号经过由电阻和电容构成的RC低通滤波网络，除去2倍频信号 $\frac{1}{20}{I}^2\cos 2(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ}),$ 到达DSP控制器的直流信号为

$A1=\frac{1}{20}{I}^2---\left(6\right)$

控制器对信号A0和A1进行运算，可以得到负载阻抗的幅值|Z|为

$\left|Z\right|=k\frac{U}{I}=k\frac{\sqrt{20\·A0}}{\sqrt{20\·A1}}\text{=k}\sqrt{A0/A1}---\left(2\right)$

上式中，k为比例常数，与电压幅度U和电流幅度I有关。

本发明中涉及的鉴幅方法对输入信号的要求不是很严格，不需要将采样电压和电流正弦波信号转换为直流信号，因此减少了正弦波转直流信号的电路，在性能持平或更优的前提下大大减小了电路复杂度和体积，鉴幅通过集成芯片模拟乘法器来实现，因此提高了电路的精度、一致性和可靠性，系统实现比较容易。能很好的检测负载阻抗的幅度。由公式(2)便可很好的判断负载阻抗的幅度|Z|。

模拟乘法器的输出可以送给控制器处理，也可以送给其它的运算单元来进行运算得到负载阻抗的幅值|Z|。

适用于频率为13.56M的射频传输系统，也适用于0.325-100M频段的射频传输系统。

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。

Claims (3)

1.一种射频传输系统，包括射频主传输线，其特征在于，所述的射频主传输线上连接有鉴幅传感器；

所述鉴幅传感器包括信号采集单元，所述的信号采集单元包括电压信号采集单元和电流信号采集单元，所述电压信号采集单元和电流信号采集单元的输出端分别连接有模拟乘法器，所述的模拟乘法器能接收交流电压信号或交流电流信号，所述的模拟乘法器的输出表达式为：

公式1：

式中：X1、X2、Y1、Y2、Z2为输入变量；

所述的模拟乘法器的输出端连接有低通滤波器；

所述鉴幅传感器的电压信号采集单元和电流信号采集单元分别与所述射频主传输线耦合，所述鉴幅传感器的输出端连接有控制器；

所述控制器根据所述鉴幅传感器传来的信号计算所述射频传输系统的负载阻抗的幅值，所述控制器的计算表达式为：

公式2：式中：k为常量；A0和A1分别为所述交流电压信号和交流电流信号经所述鉴幅传感器处理后的输出信号。

2.一种对权利要求1所述的射频传输系统的负载阻抗进行鉴幅的方法，其特征在于，包括步骤：

首先，检测射频传输系统的射频主传输线上的交流电压信号和交流电流信号；

然后，将所述交流电压信号代人公式1中的输入变量X1、Y1，并将公式1中的X2、Y2、Z2设为0，进行运算；以同样的方法将所述交流电流信号代人公式1中，进行运算；

之后，将运算的结果代人公式2中计算所述负载阻抗的幅值。

3.根据权利要求2所述的对所述射频传输系统的负载阻抗进行鉴幅的方法，其特征在于，在将运算的结果代人公式2之前，首先对所述运算的结果进行滤波，除去倍频信号。

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