CN103454489A - 匹配网络的损耗功率标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种匹配网络的损耗功率标定方法及系统，其中系统包括：射频信号源，用于产生射频信号；第一功率计，用于测量射频信号的功率；匹配网络，匹配网络与第一功率计相连，匹配网络包括电感；示波器，用于测量电流探头的输出电压；模拟负载模块，模拟负载模块与匹配网络相连，用于测量模拟负载模块中50欧姆负载的损耗功率；以及处理器，用于根据第一功率计的测量结果、示波器的测量结果以及50欧姆负载的损耗功率得到匹配网络的比例系数。根据本发明实施例的系统，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

Description

匹配网络的损耗功率标定方法及系统

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别涉及一种匹配网络的损耗功率标定方法及系统。

背景技术

电容耦合等离子体被广泛应用于半导体材料的等离子体处理工艺中，例如反应性离子增强刻蚀和等离子体增强化学气相沉积等方面。为得到满足应用要求的材料特性，需要对等离子体的多项控制参数进行精确的控制。其中，等离子体吸收功率是一项非常重要的电学参数。为缩短材料处理时间、提高处理效率，在给定总功率的前提下要求有尽可能多的功率被等离子体吸收。同时，多次工艺中的等离子体吸收功率必须一致，以保证工艺的重复性。为满足这些要求，需要对等离子体吸收功率进行准确的测量。

对于标准的50欧姆同轴系统而言，电容耦合等离子体是一个不匹配负载。为提高功率耦合效率，需要使用一个阻抗匹配网络将等离子体的容性阻抗变换到纯阻性50欧姆。通常使用电感和电容构成L型或π型的匹配网络。匹配网络在实现阻抗匹配的同时会损耗部分输入功率。通过合理设计可以显著减少匹配网络中电容和各连接件的电阻，以至可以忽略这些电阻上的功率损耗。但是，电感的电阻无法避免，因此电感是导致匹配网络功率损耗的主要器件，如果能够提高对匹配网络功率损耗的准确度，将会直接影响等离子体的吸收功率的运算。

现有的匹配网络的功率损耗的测量方法是，通过测量匹配网络输出端电流与阻性负载电阻值的关系，计算得到匹配网络中电感的等效电阻，再由等效电阻和电流计算匹配网络损耗功率。该方法的缺点是：无法用于π型匹配网络，部分电流通过与负载电阻并联的旁路电容，使得通过电感的电流大于负载电阻的电流，并且差异随频率升高变得更加明显，从而导致测量结果不准确。

对等离子体吸收功率的测量方法主要有以下两种。一种是将经过标定的电压电流探头连接在匹配网络和等离子体腔室之间，直接测量馈入等离子体腔室的射频功率信号的电压V、电流I的幅值和两者之间的相位差θ，则馈入功率通过如下公式表示，P=VIcosθ。对于电容耦合等离子体，θ通常接近于90°，cosθ接近于0。由于θ的测量误差的存在，cosθ会有很大的误差。另一种方法是利用网络分析仪分析匹配网络中各器件的阻抗，推导等离子体等效阻抗，从而计算各阻抗上的损耗功率。该方法需要先产生等离子体进行阻抗匹配以确定匹配网络调节参数，然后再分析匹配网络，因此无法在线实时测量。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种匹配网络的损耗功率标定系统。

本发明的另一目的在于提出一种匹配网络的损耗功率标定方法。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种匹配网络的损耗功率标定系统，包括：射频信号源，用于产生射频信号；第一功率计，所述第一功率计与所述射频信号源相连，用于测量所述射频信号的功率；匹配网络，所述匹配网络与所述第一功率计相连，所述匹配网络包括电感；示波器，所述示波器与所述匹配网络相连，用于测量所述电流探头的输出电压；模拟负载模块，所述模拟负载模块与所述匹配网络相连，用于测量所述模拟负载模块中50欧姆负载的损耗功率；以及处理器，用于根据所述第一功率计的测量结果、所述示波器的测量结果以及所述50欧姆负载的损耗功率得到所述匹配网络的比例系数。

根据本发明实施例的系统，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

在本发明的一个实施例中，所述匹配网络还包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述电感的一端相连另一端接地，用于调整所述模拟负载模块的阻抗；电流探头，用于检测所述电感的电流；以及第二电容，所述第二电容的一端与所述电感的另一端相连，用于调整所述模拟负载模块的阻抗。

在本发明的一个实施例中，所述模拟负载模块具体包括：第三电容，所述第三电容与所述匹配网络相连，用于调整所述50欧姆负载的阻抗；第二功率计，所述第二功率计与所述第三电容相连以测量所述50欧姆负载的功率；以及50欧姆负载，所述50欧姆负载与所述第二功率计相连。

在本发明的一个实施例中，所述第二电容与所述电感串联或并联。

在本发明的一个实施例中，所述电流探头与所述示波器相连，且所述电流探头安装在所述电感的上端。

在本发明的一个实施例中，所述处理器通过如下公式获得所述匹配网络的比例系数，所述公式为，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

为达到上述目的，本发明的实施例另一方面提出一种匹配网络的损耗功率标定方法，包括以下步骤：接收所述射频信号源产生的射频信号，并测量所述射频信号的功率；通过多个电容调整模拟负载的阻抗，当调整到预定阻抗值时，检测所述模拟负载的损耗功率和电流探头的输出电压；根据所述射频信号的功率和所述模拟负载的损耗功率得到匹配网络的损耗功率；以及根据所述电流探头的输出电压和所述匹配网络的损耗功率获得所述匹配网络的比例系数。

根据本发明实施例的方法，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

在本发明的一个实施例中，所述预定阻抗值为50欧姆。

在本发明的一个实施例中，所述匹配网络的比例系数通过如下公式表示，所述公式为，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的匹配网络的损耗功率标定系统的结构框图；

图2为根据本发明一个实施例的对L型匹配网络的损耗功率标定的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的对π型匹配网络的损耗功率标定的示意图；

图4为根据本发明一个实施例的电容耦合等离子体吸收功率的测量系统的结构图；以及

图5为根据本发明一个实施例的匹配网络的损耗功率标定方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个实施例的匹配网络的损耗功率标定系统的结构框图。如图1所示，根据本发明实施例的匹配网络的损耗功率标定系统包括射频信号源100、第一功率计200、匹配网络300、示波器400、模拟负载模块500和处理器600。

其中，射频信号源100用于产生射频信号。

第一功率计200与射频信号源相连，用于测量射频信号的功率。

匹配网络300与第一功率计相连，匹配网络包括电感310。

在本发明的一个实施例中，匹配网络300还包括第一电容320、电流探头330和第二电容340。

其中，第一电容320第一电容的一端与电感的一端相连另一端接地，用于调整模拟负载模块的阻抗。

电流探头330用于检测电感的电流。

在本发明的一个实施例中，电流探头330与示波器400相连，且电流探头330安装在电感310的上端。

第二电容340的一端与电感的另一端相连，用于调整模拟负载模块的阻抗。第二电容340与电感310串联或并联。

示波器400与匹配网络300相连，用于测量电流探头的输出电压。

模拟负载模块500与匹配网络300相连，用于测量模拟负载模块中50欧姆负载530的损耗功率。

在本发明的一个实施例中，模拟负载模块500具体包括第三电容510、第二功率计520和50欧姆负载530。

其中，第三电容510与匹配网络300相连，用于调整50欧姆负载530的阻抗。

第二功率计520与第三电容相连以测量50欧姆负载的功率。

50欧姆负载530与第二功率计相连。

处理器600用于根据第一功率计的测量结果、示波器的测量结果以及50欧姆负载的损耗功率得到匹配网络的比例系数。

在本发明的一个实施例中，处理器600通过如下公式获得匹配网络300的比例系数，公式为，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

在本发明的一个实施例中，匹配网络中只有电感损耗功率，由欧姆定律可知，P_match=I²R_L，其中，I为通过电感的电流，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻。在给定射频频率下，R_L为固定值。电流探头输出电压与通过电感的电流成正比，V_probe=kI，其中，k为电流探头的固有比例系数。因此电感损耗功率与电流探头输出电压的平方成正比，即 $P_{\mathrm{match}}=k^2{R}_L{V}_{\mathrm{probe}}^2={\mathrm{AV}}_{\mathrm{probe}}^2.$

图2为根据本发明一个实施例的对L型匹配网络的损耗功率标定的示意图。图3为根据本发明一个实施例的对π型匹配网络的损耗功率标定的示意图。如图2和图3所示，射频信号源100产生射频信号，并通过第一功率计200测量射频信号的总功率。模拟负载模块500由50欧姆负载530、第三电容510和第二功率计520构成。第一电容320、第二电容340和第三电容510调整模拟负载模块500的阻抗，当调整到50欧姆时，通过第二功率计520测量模拟负载模块500的损耗功率，并由处理器600根据第一功率计200和第二功率计520的测量结果得到匹配网络300的损耗功率。电流探头330在模拟负载模块500的调整阻抗为50欧姆时，检测电感310的电流，并通过示波器400进行输出。处理器600根据电感的电压和匹配网络的损耗功率得到匹配网络的比例系数，通过如下公式表示，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

图4为根据本发明一个实施例的电容耦合等离子体吸收功率的测量系统的结构图。如图4所示，通过第一功率计200测量射频信号的功率，并通过电流探头330检测电感310的电流，以将该检测电压通过示波器400输出。处理器600根据上述所获得的匹配网络300的比例系数、电流探头的输出电压以及第一功率计200的测量结果得到电容耦合等离子体700的吸收功率。即总功率减去匹配网络300的损耗功率为电容耦合等离子体700的吸收功率。

根据本发明实施例的系统，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

图5为根据本发明一个实施例的匹配网络的损耗功率标定方法的流程图。如图5所示，根据本发明实施例的匹配网络的损耗功率标定方法包括以下步骤：

步骤101，接收射频信号源产生的射频信号，并测量射频信号的功率。

步骤102，通过多个电容调整模拟负载的阻抗，当调整到预定阻抗值时，检测模拟负载的损耗功率和电感电压。预定阻抗值为50欧姆

步骤103，根据射频信号的功率和模拟负载的损耗功率得到匹配网络的损耗功率。

步骤104，根据电感电压和匹配网络的损耗功率获得匹配网络的比例系数。

在本发明的一个实施例中，匹配网络的比例系数通过如下公式表示，公式为，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

在本发明的一个实施例中，接收射频信号源产生的射频信号，并通过功率计测量射频信号的总功率。模拟负载由50欧姆负载和一个可调真空电容构成，且通过多个电容调整模拟负载的阻抗。当将模拟负载的阻抗调整到50欧姆时，通过另一个功率计测量模拟负载的损耗功率。根据射频信号的总功率和另一个功率计的测量结果得到匹配网络的损耗功率。模拟负载的调整阻抗为50欧姆时，检测电感的电流。根据电感的电流和匹配网络的损耗功率得到匹配网络的比例系数，通过如下公式表示，

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

根据本发明实施例的方法，通过总功率减去匹配网络的损耗功率，避免了直接测量电压、电流和相位差带来的误差以及复杂的标定程序，并且不需要使用网络分析仪等复杂设备降低了成本、易于实现。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，包括：

射频信号源，用于产生射频信号；

第一功率计，所述第一功率计与所述射频信号源相连，用于测量所述射频信号的功率；

匹配网络，所述匹配网络与所述第一功率计相连，所述匹配网络包括电感；

示波器，所述示波器与所述匹配网络相连，用于测量所述电流探头的输出电压；

模拟负载模块，所述模拟负载模块与所述匹配网络相连，用于测量所述模拟负载模块中50欧姆负载的损耗功率；以及

处理器，用于根据所述第一功率计的测量结果、所述示波器的测量结果以及所述50欧姆负载的损耗功率得到所述匹配网络的比例系数。

2.如权利要求1所述的匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，所述匹配网络还包括：

第一电容，所述第一电容的一端与所述电感的一端相连另一端接地，用于调整所述模拟负载模块的阻抗；

电流探头，用于检测所述电感的电流；以及

第二电容，所述第二电容的一端与所述电感的另一端相连，用于调整所述模拟负载模块的阻抗。

3.如权利要求1所述的匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，所述模拟负载模块具体包括：

第三电容，所述第三电容与所述匹配网络相连，用于调整所述50欧姆负载的阻抗；

第二功率计，所述第二功率计与所述第三电容相连以测量所述50欧姆负载的功率；以及

50欧姆负载，所述50欧姆负载与所述第二功率计相连。

4.如权利要求1所述的匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，所述第二电容与所述电感串联或并联。

5.如权利要求1所述的匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，所述电流探头与所述示波器相连，且所述电流探头安装在所述电感的上端。

6.如权利要求1所述的匹配网络的损耗功率标定系统，其特征在于，所述处理器通过如下公式获得所述匹配网络的比例系数，所述公式为，

$P_{\mathrm{match}}=k^2{R}_L{V}_{\mathrm{probe}}^2={\mathrm{AV}}_{\mathrm{probe}}^2,$

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

7.一种匹配网络的损耗功率标定方法，其中，所述匹配网络为如权利要求1-6任一项所述的匹配网络的损耗功率标定系统的匹配网络，所述方法包括以下步骤：

接收所述射频信号源产生的射频信号，并测量所述射频信号的功率；

通过多个电容调整模拟负载的阻抗，当调整到预定阻抗值时，检测所述模拟负载的损耗功率和电流探头的输出电压；

根据所述射频信号的功率和所述模拟负载的损耗功率得到匹配网络的损耗功率；以及

根据所述电流探头的输出电压和所述匹配网络的损耗功率获得所述匹配网络的比例系数。

8.如权利要求7所述的匹配网络的损耗功率标定方法，其特征在于，所述预定阻抗值为50欧姆。

9.如权利要求7所述的匹配网络的损耗功率标定方法，其特征在于，所述匹配网络的比例系数通过如下公式表示，所述公式为，

$P_{\mathrm{match}}=k^2{R}_L{V}_{\mathrm{probe}}^2={\mathrm{AV}}_{\mathrm{probe}}^2,$

其中，P_match为匹配网络的损耗功率，k为电流探头的比例系数，R_L为电感在射频频率下的表面趋肤电阻，V_probe为电流探头的检测电压，A为匹配网络的比例系数。

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