CN110192264A - 具有双平衡线性混频器的射频检测器及相应的操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供RF检测器，并且其包括LO路径和RF路径、混频器和滤波器。LO路径包括第一缓冲器和正弦波至方波转换器。第一缓冲器接收第一RF信号，该第一RF信号基于由RF检测器接收的RF输入信号。在衬底处理系统内检测RF输入信号。正弦波至方波转换器将第一RF信号的正弦波转换为方波，并输出具有方波的LO信号。RF路径包括接收第二RF信号并输出RF输出信号的第二缓冲器。第二RF信号基于RF输入信号。混频器根据LO和RF输出信号产生IF信号。滤波器对IF信号进行滤波以产生DC信号，该DC信号代表第二RF信号。

Description

具有双平衡线性混频器的射频检测器及相应的操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月13日提交的美国专利申请No.15/405,913的优先权。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及射频检测器。
背景技术
这里提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的上下文的目的。目前所署名的发明人的工作，在该背景技术部分以及本说明书的在申请时不会以其他方式被认为是现有技术的方面中描述的程度上，既不明确地也不隐含地被承认为针对本公开的现有技术。
在半导体器件的处理和制造过程中通常使用电离气体或等离子体。例如，等离子体可用于从诸如半导体晶片之类的衬底蚀刻或去除材料，以及将材料溅射或沉积到衬底上。产生用于制备或制造工艺中的等离子体通常开始于将工艺气体引入处理室。衬底设置在处理室中的衬底支撑件上，例如静电卡盘或基座上。
处理室可包括变压器耦合等离子体(TCP)线圈。由电源提供的射频(RF)信号被提供给TCP线圈。由诸如陶瓷之类的材料构成的电介质窗结合到处理室的上表面中。电介质窗使得来自TCP线圈的RF信号能传输到处理室的内部。RF信号激发处理室内的气体分子以产生等离子体。
偏置RF电源向衬底支撑件提供偏置RF信号。偏置RF信号可用于增加直流(DC)偏置和/或DC鞘电势，以增加带电粒子撞击衬底所使用的能量。偏置RF信号的变化产生衬底上的DC偏压和/或DC鞘电势的相应变化，从而影响工艺特性。
拾取设备可以附接到衬底支撑件上并且用于检测衬底支撑件处的RF输入信号。RF检测器连接到拾取设备并检测RF输入信号。可以基于检测到的RF输入信号来调整偏置RF信号，例如，以最小化衬底处的DC偏置和/或DC鞘电势的变化。
发明内容
一种射频检测器包括本地振荡器路径、射频路径、混频器和滤波器。本地振荡器路径包括第一缓冲器和正弦波至方波转换器。第一缓冲器用于接收第一射频信号，其中所述第一射频信号基于由所述射频检测器接收的射频输入信号，并且其中所述射频输入信号由在衬底处理系统中的所述射频检测器检测。正弦波至方波转换器用于将第一射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号。射频路径包括第二缓冲器，其中所述第二缓冲器用于接收第二射频信号并输出射频输出信号，并且其中所述第二射频信号基于所述射频输入信号。混频器用于基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号产生中间频率信号。滤波器用于对所述中间频率信号进行滤波，以产生第一直流信号，其中第一直流信号代表所述第二射频信号。
在其他特征中，提供了一种操作射频检测器的方法。所述射频检测器包括本地振荡器路径、射频路径、混频器和滤波器，其中所述本地振荡器路径包括第一缓冲器和正弦波至方波转换器，并且其中所述射频路径包括第二缓冲器。该方法包括：检测衬底处理系统内的射频输入信号；在所述第一缓冲器处接收第一射频信号，其中所述第一射频信号基于所述射频输入信号；经由所述正弦波至方波转换器将所述第一射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号。该方法还包括：在所述第二缓冲器处接收第二射频信号并输出射频输出信号，其中所述第二射频信号基于所述射频输入信号；基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号，经由所述混频器产生中间频率信号；并且经由所述滤波器对所述中间频率信号进行滤波以产生直流信号，其中所述直流信号代表所述第二射频信号。
在其他特征中，还提供了一种射频检测器，其包括：缓冲器、第一滤波器、放大器、本地振荡器路径、射频路径、双平衡混频器和第二滤波器。该缓冲器用于接收第一射频信号，其中，所述第一射频信号是基于由所述射频检测器接收的射频输入信号产生的。所述射频输入信号由在衬底处理系统中的所述射频检测器检测。第一滤波器用于对所述缓冲器的输出进行滤波，放大器用于基于所述滤波器的输出产生包括第二射频信号和第三射频信号的差分输出。本地振荡器路径包括正弦波至方波转换器，所述正弦波至方波转换器用于将所述第二射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号。射频路径包括延迟电路，其中所述延迟电路用于接收所述第三射频信号并输出射频输出信号。双平衡混频器或线性混频器用于基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号产生中间频率信号。第二滤波器用于对所述中间频率信号进行滤波，以产生直流信号，其中所述直流信号代表所述第二射频信号。
本公开的其它适用范围将根据详细说明书、权利要求书和附图变得显而易见。详细描述和具体实施方案仅仅是为了说明的目的，并不意图限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图将更全面地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的结合了包括本地振荡器(LO)路径和射频(RF)路径以及双平衡混频器(DBM)的RF均方根(RMS)检测电路的等离子体处理系统的示例的功能框图；
图2是根据本公开的包括电流提升电路的RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图3是根据本公开的包括用于LO路径和RF路径的相应除法器(divider)的另一RFRMS检测电路的示例的功能框图；
图4是根据本公开的在LO路径和RF路径中包括最小数量的电路设备的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图5是根据本公开的包括在LO路径中的具有反馈增益控制的可变增益放大器的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图6是根据本公开的包括在LO路径中的正弦波至方波转换器下游的差分至单端转换设备的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图7是根据本公开的包括LO路径中的正弦波至方波转换器下游的延迟电路的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图8是根据本公开的包括LO路径中的正弦波至方波转换器下游的驱动器的另一RFRMS检测电路的示例的功能框图；
图9是根据本公开的示出了DBM的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图10是根据本公开的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图，其示出了用于基于接收的LO输出信号和RF输出信号提供中间频率(IF)信号的线性乘法器；
图11是根据本公开的包括另一DBM的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图，该另一DBM中每个分支桥接环具有双二极管；
图12是根据本公开的包括具有场效应晶体管(FET)的另一DBM的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图13是根据本公开的包括具有二极管阵列的另一DBM的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图14是根据本公开的包括在正弦波至方波转换器上游的放大器和钳位二极管的另一RF RMS检测电路的示例的功能框图；
图15是根据本公开的实施方案的电流提升电路的示例的示意图；
图16示出了根据本公开的操作RF RMS检测电路的方法；和
图17是RF RMS检测系统的示例的功能框图，该RF RMS检测系统包括用于幅值检测的多个RF RMS检测电路和用于相位检测的RF RMS检测电路。
在附图中，附图标记可以重复使用以标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
可以在处理室中的各个点处进行高电压和高电流RF测量。举例而言，RF测量可以通过衬底支撑件中的RF电极进行。RF测量可以用于诊断目的和/或用于闭环反馈控制。可用于进行RF测量的RF检测器的示例是电压-电流(VI)探针和电压控制接口(VCI)探针。RF检测器可以用在工具上、在RF匹配电路和RF发生器内并且作为处理系统电路的一部分。
RF检测器用于电信、国防和其他电子工业应用中。RF检测器通常被配置用于某些动态范围、精度水平、瞬态响应等。设计成具有高动态范围的RF检测器通常表现出显著的误差。例如，对数(非线性)RF检测器可以具有10000：1(80dB)的动态范围，这意味着接收的RF电压可以例如在10,000伏特和1伏特之间变化。然而，对数RF检测器在动态范围内可能仅精确到约5-10％。在某些高压和高电流应用中，要求精度优于或等于±1％(或±1％的线性误差)。在保持高动态范围的同时，需要该提高的精度。这些精度和范围要求可适用于等离子体蚀刻环境。
射频检测器的要求可分为主要要求和次要要求。主要要求是由设计和架构决定的主要性能要求，通常是第一(或主要)感兴趣的性能指标。次要要求涉及不太感兴趣的其他相关要求，但可以基于相应的RF检测器的设计来满足。
主要要求的示例包括动态范围、精度和线性度。动态范围是指RF检测器的测量范围(例如1-10V RF检测器、1-10,000V RF检测器等)。动态范围可以基于最大公因子以简化形式表示。例如，10：1(或20db)的动态范围相当于1-10V、2-20V、10-100V等的动态范围。具有简化比率的动态范围通常被称为无杂散射频动态范围(SFDR)。RF检测器的动态范围包括高端和低端。精心设计的RF检测器具有受到电路功能和系统和/或元件噪声限度的限制的低端。RF检测器的高端可能受到线性误差的限制，当线性误差高于预定阈值时，线性误差会引入杂散或非线性。传统的1％高压RF检测器的动态范围为40：1(32dB)。这里公开的至少一些示例提供例如1500：1(63dB)或更好的动态范围，同时保持1％的精度。
“精度”的主要要求涉及RF检测器在RF检测器的动态范围内的误差量。基本上，“精度”类似于线性RF检测器中的“线性度”，因为可以容易地校准和/或调整偏移和增益。示例性精度级别为+/-1％的误差。本文公开的至少一些示例提供+/-1％或更好的精度水平。线性度是实际RF值的变化与检测到的RF值的相应变化之间的差异的度量标准。线性度可以指(i)通过绘制实际RF值与检测到的RF值的关系而提供的曲线和(ii)线性线之间的差异。
次要要求的示例是频率带宽、瞬态响应、温度稳定性、单元内可重复性和单元到单元的可重复性上的信号平坦度。频率带宽上的信号平坦度是指在例如RF发生器的工作频率范围内具有小于预定阈值的输出电压变化。RF发生器可以具有不同的和/或大的调谐范围，并且需要针对这些不同的调谐范围适当地设计制造的RF检测器。这确保了RF检测器的输出电压(或电流)的变化是由RF输入信号中的电压(或电流)变化引起的，而不是由于RF输入信号的频率变化引起的。如果RF检测器的输出由于频率而改变，则有效地引入另一个误差源。瞬态响应是指RF检测器响应于RF输入信号的变化而变化的速度。RF检测器的瞬态响应通常需要足够快以对RF脉冲作出反应。
本文公开的示例包括RF RMS检测器电路，其实现具有低误差的RF幅值测量的高动态范围和高线性度。RF RMS检测器电路通过模拟前端执行RF到DC的转换。然后可以通过后端检测和/或监测所得到的DC信号。得到的DC信号代表RF输入信号的RMS电压。可以假设正弦信号而在数学上执行RMS到峰值的转换。
图1示出了等离子体处理系统10，其包括等离子体处理室12和变压器耦合等离子体(TCP)线圈14。TCP线圈14设置在等离子体处理室12的外部且在上方。第一电源16提供第一RF源信号。第一匹配网络18包括在第一电源16和TCP线圈14之间。等离子体处理室12包括陶瓷窗19，其位于TCP线圈14附近并且允许第一RF源信号有效地传输到等离子体处理室12，以用于产生等离子体。
等离子体处理系统10还包括位于等离子体处理室12的底部的衬底支撑件20，例如静电卡盘、基座或其他合适的衬底支撑件。衬底支撑件20支撑衬底22，在等离子体(或衬底)处理系统10中处理该衬底22。在衬底支撑件20是静电卡盘的情况下，衬底支撑件20包括导电部分24和26，它们彼此电隔离。衬底支撑件20由绝缘体28围绕并且电容性地耦合到衬底22上。通过在导电部分24、26上施加DC电压，在导电部分24、26和衬底22之间产生静电耦合。静电耦合将衬底22吸引在衬底支撑件20上。
等离子体处理系统10还包括偏置RF电源30，其连接到第二匹配网络32。第二匹配网络32连接在偏置RF电源30和衬底支撑件20之间。如第二匹配网络32所示，第二匹配网络32将偏置RF电源30的阻抗(例如，50Ω)与等离子体处理室12中的衬底支撑件20和等离子体34的阻抗相匹配。
提供等离子体处理系统10作为RF检测器的示例实施方案。这里公开的RF检测器可以用于检测不同于图1中所示的位置的其他位置处的电压/电流电平，并且可以在其他处理系统中使用。
等离子体处理系统还包括电压控制接口(VCI)40。VCI 40可包括拾取设备(例如，电极)42、RF检测器44、控制器46和RF检测器44与控制器46之间的任何电路。拾取设备42延伸到衬底支撑件20中。该拾取设备42通过导线48连接到RF检测器44，并用于产生RF输入信号RFIN。RF检测器44被配置为检测RF输入信号RFIN中的电压和/或电流电平。尽管示出了单个拾取设备42、单个导线48和单个RF检测器44，但是可以包括任何数量的拾取设备、导线和RF检测器。其他示例
RF检测器44产生输出信号，其可以被监测和/或用于调整由偏置RF功率源30产生的偏置RF信号(或第二RF源信号)。可以监测、手动控制和/或通过控制器46控制RF检测器44的操作。控制器46可以在显示器50上接收和显示RF检测器44的输出电压/电流电平。尽管与控制器46分开示出，但显示器50可以包括在控制器46中。控制器46可以从输入设备52接收输入信号并基于输入信号控制RF检测器44的操作。输入设备52尽管与控制器46分开示出，但输入设备52可以包括在控制器46中。控制器46可以基于输出信号控制RF检测器44的操作。下面参考图2-16进一步描述RF检测器44的示例和操作。
在操作中，能够电离的气体通过气体入口56流入等离子体处理室12，并通过气体出口58离开等离子体处理室12。第一RF信号由RF电源16产生，并且被输送到TCP线圈14。第一RF信号从TCP线圈14辐射穿过窗19并进入等离子体处理室12。这使得等离子体处理室12内的气体电离并形成等离子体34。等离子体34沿着等离子体处理室12的壁产生鞘60。等离子体34包括电子和带正电的离子。比带正电的离子轻得多的电子倾向于更容易迁移，从而在等离子体处理室12的内表面产生DC偏压和DC鞘电势。衬底22处的平均DC偏压和DC鞘电势影响带正电的离子撞击衬底22的能量。该能量影响处理特性，例如发生蚀刻或沉积的速率。
控制器46可以调整由RF电源30产生的偏置RF信号，以改变衬底22处的DC偏置和/或DC鞘电势的量。控制器46可以比较RF检测器44的通道的输出和/或基于通道的输出导出的代表值与一个或多个设定点值。可以预先确定设定点值并将其存储在控制器46的存储器62中。可以基于(i)RF检测器44的输出和/或代表值与(ii)一个或多个设定点值之间的差异来调整偏置RF信号。偏置RF信号通过第二匹配网络32。然后，由第二匹配网络32提供的输出(称为匹配信号)被传递到衬底支撑件20。偏置RF信号穿过绝缘体28被传递到衬底22。
图2示出了RF RMS检测电路100，其包括除法器网络102、本地振荡器(LO)路径104、RF路径106、DBM 108和低通滤波器110。LO路径104可包括第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114和电流提升电路116。RF路径106可以包括第二缓冲器118和延迟电路120。
除法器网络102可以包括一个或多个除法器并接收RF输入信号RFIN。每个除法器可以包括两个或更多个电阻器、电容器、线圈和/或其他除法器电路元件。举例而言，成对的电阻器可以串联连接。可以提供跨越电阻器的RF输入信号RFIN，并且可以在电阻器之间的端子处检测较低的RF电压。类似地，成对的电容器可以串联连接并接收RF输入信号RFIN且在电容器之间的端子处提供较低的RF电压。
高压和高电流RF检测器通常包括一个或多个除法器，其接收RF输入信号RFIN并将RF输入信号RFIN从大电压/电流信号分成(divide down)为小电压/电流信号以通过除法器下游的电子电路进行处理。除法器可以是基于电阻器、电容器和/或线圈的。例如，1000：1除法器可以将1000V转换为1V。除法器比例不是指RF传感器的动态范围。除法器设置相应RF检测器的缩放(scaling)。例如，具有1500：1的动态输入范围的RF传感器可以具有1-1500V、2-3000V、10-15000V的电压输入范围，具体取决于所使用的除法器。RF检测器的动态范围和精度通常不与除法器相关联，而是与除法器下游的电子电路相关联。
除法器网络102可以包括一个或多个除法器，以用于获得具有用于LO路径102和RF路径104的不同幅值的RF信号。举例而言，除法器网络102可以将第一RF信号输出到LO路径104，第一RF信号具有比输出到RF路径106的第二RF信号输出的幅值更大的幅值。
缓冲器112、118可以是模拟放大器缓冲器并且包括相应的运算放大器并缓冲除法器网络102的输出。第一缓冲器112可以与第二缓冲器118具有相同的延迟。正弦波至方波转换器114将从第一缓冲器112接收的正弦波转换为方波。正弦波至方波转换器114可以包括或实现为例如限制器或高速比较器。举例而言，高速比较器可以将接收的RF信号与参考阈值进行比较。当RF信号的幅值超过参考阈值时，高速比较器的输出可以转变为高(HIGH)。当RF信号低于参考阈值时，输出可以转变为低(LOW)。
电流提升电路116增加正弦波至方波转换器114的方波信号输出的电流电平。这增加了方波信号的强度。电流提升电路116可以实现为低压差分信号(LVDS)至晶体管到晶体管逻辑(TTL)转换器。电流提升电路116的输出是本地振荡器信号LO，其被提供给DBM 108。电流提升电路116的一个示例示于图15中。
延迟电路120延迟第二缓冲器118的输出。延迟电路的输出是RF输出信号RFOUT。延迟电路120的延迟等于由正弦波至方波转换器114和电流提升电路116引起的延迟之和。这确保了同时在DBM处接收缓冲器112、118的由信号LO、RFOUT表示的输出。换句话说，信号LO、RFOUT彼此同相。在一实施方案中，信号LO与信号RFOUT相位相差是180°。
DBM 108提供宽动态范围和线性度。DBM 108的示例在图9和11-13中示出。作为DBM108的替代，可以使用线性乘法器，如图10所示。DBM 108，如图9和11-13所示的DBM，以饱和模式操作。当以相比于信号RFOUT更强地(更高的电流电平)驱动信号LO时，发生饱和模式。DBM 108不用作相位检测器。DBM 108用于产生直流(DC)输出，其代表信号RFOUT。DBM 108输出中间频率信号IF，其由低通滤波器110进行滤波。信号IF是信号RFOUT的半波整流版本。低通滤波器110对信号IF进行滤波以去除高阶频率分量并提供DC输出信号DCOUT。RF RMS检测器100的输出的RF脉冲性能基于低通滤波器110的操作。RF RMS检测器100的RF脉冲性能相对于包括运算放大器和二极管的基于模拟的RF检测器得到改善，因为不用等待放大器来稳定二极管工作点。在一实施方案中，低通滤波器158、162中的一个或多个被带通滤波器代替，以进行选择性RF频率操作。
RF二极管显示具有小幅值信号的非线性度，其类似于限制传统高压RF VI探头的动态范围的问题。当幅值太小时，RF二极管完全关断。随着幅值的增加，RF二极管开始导通并进入非线性区域，但不能作为理想的开关工作。尽管一些RF检测器利用了这种非线性操作区域，但由于有效地测量功率而不是电压幅值，因此需要进行重要的数学处理，并且可能发生处理非线性到线性转换的二次困难。对于大幅值信号，RF二极管完全接通并作为线性RF检测器工作。
二极管桥接环(例如，由肖特基二极管环提供的二极管桥接环)补偿RF二极管中的非线性度，因为二极管桥接环平衡两个分支之间的非线性度。DBM 108可以包括二极管桥接环，如下面进一步描述的。
这里公开的每个DBM包括3个终端：接收信号LO的第一输入端、接收信号RFOUT的第二输入端以及输出信号IF的输出端。当DBM具有饱和LO路径时(即当VLO>>VRF时)，信号IF可由等式1表示，其中，VLO、ωLO和φLO是信号LO的电压、频率和相位，其中，VRF、ωRF、φRF是信号RF的电压、频率和相位，并且其中VIF是信号IF的电压。
在理论上，可以使用以下规则进行RF幅值的线性测量：1)通过用方波驱动信号LO将VLO固定为固定幅值；2)使VLO成为频率与ωRF的频率相同的方波，使得该(ωLO-ωRF)t项取消；3)保持Δφ＝(φLO-φRF)尽可能小(例如，为0°)，尽可能接近180°，或接近180°的整数倍。应用这些规则，等式1可以简化为等式2
当随后用滤波器，例如低通滤波器或带通滤波器时，等式2可以简化为等式3。
因此，利用固定幅值VLO，实现了VRF幅值的线性测量。高阶项对线性度的影响最小。例如，对于等于或小于1500：1的动态范围，高阶项对线性度的影响可忽略不计。
饱和LO路径使DBM作为相位检测器操作，从而表现出输出电压变化和信号RF和LO之间的相位差的函数关系。这意味着信号RF和LO之间的相位差产生降低了RF检测器的精度的输出电压误差。由于上述等式取决于cos(Δφ)，因此通过使Δφ等于0°、180°或180°的倍数，相位抗扰度得到改善。虽然相移应仅是静态增益误差(因此容易校准)，但二次漂移会导致更多误差。因此，本文描述的RF RMS检测器被配置和操作，使得Δφ等于0°、180°或180°的整数倍或在0°、180°或180°的整数倍的预定范围内。提供延迟电路、放大器、驱动器、正弦波至方波转换器和其他电路元件，使得Δφ等于0°、180°或180°的整数倍。
高端动态范围可以基于DBM 108的输入，包括DBM 108的LO和RF端口之间的分量最大值、非线性杂散、串扰和驱动强度。如果信号RFOUT太大，则LO方波不会强到足以使DBM 108进入饱和模式。另外，随着正弦波至方波转换器的驱动电流增加，正弦波至方波转换器(例如，限制器)的性能会降低。通过提供额外的LO驱动强度，在LO路径中提供电流增益对于高端范围是有益的。LO路径中的电流增益还可以最小化低端限制器噪声，并可能增大低端范围。为了提高LO方波的强度，包括电流提升电路116。电流提升电路116可以实现为LVDS至TTL驱动器、高速模拟比较器、数字驱动器和/或电流升压逻辑芯片。高端动态范围可以通过具有桥接环的附加二极管支路的双平衡混频器提供，如图11所示。这可能需要更高的LO驱动强度，但在更高的输入信号范围内工作。
DBM 108可以如图9和11-13所示实现，或者可以用图10所示的线性混频器和/或其他LO/RF到IF转换电路代替。LO/RF到IF转换电路可以包括各种功率电平的双平衡混频器、具有附加二极管的混频器(其中所述二极管在混频器的支路中)、二极管阵列、线性乘法器、FET混频器、晶体管阵列和模拟/FET开关。
图3示出了RF RMS检测电路150，其包括LO路径152、RF路径154、DBM 108和低通滤波器110，其包括用于LO路径和RF路径的相应除法器。LO路径152可以包括第一除法器156、第一缓冲器112、第一滤波器158、正弦波至方波转换器114和电流提升电路116。RF路径154可以包括第二除法器160、第二缓冲器118、第二滤波器162和延迟电路120。除法器156、160可以是基于电阻器、电容器和/或线圈的。
除法器156、160具有分别为路径152、154设置的除法器比例。举例而言，第一除法器156可以是除以2的除法器，第二除法器160可以是除以4的除法器。这最大化了包括正弦波至方波转换器114的LO路径152的动态范围，并最小化了在正弦波至方波转换器114下游添加的放大量。第二除法器160具有与第一除法器156相同的延迟。
滤波器158、162可以是频率滤波器并用于选择要跟踪的频率。滤波器158、160可以衰减未被监测的其他谐波含量以最小化噪声/误差源。举例而言，滤波器158、162可以是带通滤波器并用于选择要监测的窄频带。尽管未在图3中示出，但是滤波器158、162的输出可以被缓冲以最小化滤波器158、162上的电路负载。例如，缓冲器可以连接在第一滤波器158和正弦波至方波转换器114之间。另一个缓冲器可以连接在第二滤波器162和延迟电路120之间。第二滤波器162具有与第一滤波器158相同的延迟。选择滤波器158、162以提供LO路径和RF路径之间的平衡和对称，以最小化相位误差。
RF RMS检测器电路150的输出一旦由低通滤波器110滤波就是RF RMS电压的DC表示。可以添加模数转换器(ADC)，并且可以执行平均和/或数字信号处理以提高分辨率。举例而言，示出了ADC 164。
图4示出了RF RMS检测电路200，其包括除法器202、缓冲器204、滤波器206、具有单端输入和差分输出的放大器208。差分输出被提供给LO路径210和RF路径212。LO路径210包括正弦波至方波转换器114。RF路径212包括延迟电路120。除法器202可以被配置为类似于图2的除法器156、160中的一个。缓冲器204可以被配置为类似于图2的缓冲器112、118中的一个。滤波器206可以被配置为类似于图2的滤波器158、160中的一个。延迟电路120具有与正弦波至方波转换器114相同的延迟。RF RMS检测电路200的配置使LO路径210和RF路径212中的电路器件的数量最小化。这使LO路径210和RF路径212之间的延迟的差异的可能量最小化。
放大器208是单端到差分放大器，其驱动经由LO路径和RF路径210、212提供的不同负载。代替使用除法器或单端到差分放大器来将信号路径分离成LO路径和RF路径，可以使用变压器。举例而言，变压器的初级绕组可以接收经缓冲的、经滤波的和/或经放大的RF信号。变压器的一个或多个次级绕组可以输出LO信号和RF信号。
低端动态范围可以基于信号保真度、电路噪声或外部系统噪声。通过适当的滤波可以减少外部系统噪声。可以在RF/LO分离之前提供该滤波，例如由滤波器206提供该滤波。低噪声分量通过扩展低端导致更高的动态范围，直到达到DBM线性度的限度。
图5示出了RF RMS检测电路250，其包括LO路径252、RF路径254、DBM 108和低通滤波器110。LO路径252包括第一除法器156、第一缓冲器112、可变增益放大器256、正弦波至方波转换器258、反馈放大器260和驱动器262。RF路径254包括第二除法器160、第二缓冲器118和延迟电路264。
正弦波至方波转换器258可以与图1-4的正弦波至方波转换器114类似地操作。正弦波至方波转换器258包括接收信号强度指示器(RSSI)输出，其指示在正弦波至方波转换器258处从可变增益放大器256接收的信号的信号强度。RSSI信号被馈送回到反馈放大器260。反馈放大器260将RSSI信号与参考电压Vref进行比较，并产生反馈增益信号。基于反馈增益信号调整可变增益放大器256的增益。可变增益放大器256放大或衰减第一缓冲器112的输出。这在LO路径252中提供反馈增益控制。驱动器262是图2的电流提升电路116的示例。驱动器262可以用电流提升电路116代替。驱动器262可以是电流和/或电压放大器，并且被提供用于增强正弦波至方波转换器258的方波输出。驱动器262有助于驱动DBM。通过使正弦波至方波转换器258的输出具有低电平电流并且利用驱动器262提高电流电平，可以改善正弦波至方波转换器258的性能以显示更少的噪声耦合。
延迟电路264具有可以等于可变增益放大器256、正弦波至方波转换器258和驱动器262的延迟之和的延迟。这确保了缓冲器112、118的由信号LO、RFOUT表示的输出同时在DBM108处被接收。
如果RF RMS检测器的正弦波至方波转换器的输入动态范围是动态范围性能的主要是在低端的限制因素，则可以在LO路径中引入增益以增加动态范围性能。例如，如图5所示，在LO路径中可以包括可变增益放大器，以扩展正弦波至方波转换器的动态跟踪范围。经由正弦波至方波转换器(例如，限幅器)的RF RSSI输出，通过闭环控制来提供增益控制。可变增益放大器中的非线性度由相应的DBM补偿。由可变增益放大器引入的附加相移由LO路径和/或RF路径中的一个或多个延迟电路来解决。
增加动态范围性能的另一种方法是包括用于具有不同增益的LO路径和RF路径的单独除法器。可以在LO路径中比在RF路径中提供更高的增益。这可以用于提供高端动态范围。可以在LO路径中提供高增益，该LO路径包括二极管以钳位相应的电压，从而进行最大的正弦波至方波跟踪，如图14所示。钳位二极管表现出快速恢复。LO路径中的线性度并不非常重要，因为它在应用于DBM之前是方形的。RF路径线性度比LO路径中的线性度重要。除法器可以是基于多级电阻器和/或电容器的除法器。放大器可以包括在LO路径和RF路径中以提供不同的增益。
因为正弦波至方波转换器可以与高增益开环放大器类似地操作，所以可以补偿稳定性并且可以通过使用RSSI传感器来最小化噪声。RSSI传感器可以包含在正弦波至方波转换器中。举例而言，RSSI传感器266被示出了并用于生成RSSI信号。当处于、接近或低于RFRMS检测器的动态范围的低端时，RF输入信号可能太小而不能提供一致的0V输出。这可以通过选择RF RMS检测器的最小工作范围来校正，并且当处于、接近或低于动态范围的低端时：关断正弦波至方波转换器；用控制回路降低正弦波至方波转换器的驱动电流；或者让RFRMS检测器以数字方式报告0V。
图6示出了RF RMS检测电路300，其包括除法器网络102、LO路径302、RF路径304、DBM 108和低通滤波器110。LO路径302包括第一缓冲器112、正弦波至方波转换器306和差分到单端转换设备308。RF路径304包括第二缓冲器118和延迟电路310。差分到单端转换设备308位于正弦波至方波转换器306的下游。正弦波至方波转换器306具有单端输入和差分输出。差分输出通过差分到单端转换设备308转换为单端输出。延迟电路310与正弦波至方波转换器306和差分到单端转换设备308的组合具有相同的延迟量。DBM 108从差分到单端转换设备308和延迟电路310接收信号LO和RFOUT。
正弦波至方波转换器306在第一输出端口上输出方波，在第二输出端口上输出方波的倒数。两个方波提供在差分到单端转换设备308处接收的差分输出。差分到单端转换设备308输出单个方波，其可具有比正弦波至方波转换器306输出的方波的峰值幅度大的峰值幅度。差分到单端转换设备308具有低输出阻抗并增加差分输出信号的电流电平以提供信号LO。差分到单端转换设备308可以包括LVDS至TTL转换器、模拟放大器、数字逻辑设备和/或变压器。举例而言，变压器可以包括初级绕组和次级绕组。初级绕组可以接收差分信号。次级绕组的第一端可以输出信号LO，而次级绕组的第二端可以连接到接地参考端子。举例而言，数字逻辑设备可以包括缓冲器、反相器、AND门和/或OR门。
图7示出了RF RMS检测电路350，其包括除法器网络102、LO路径352、RF路径354、DBM 108和低通滤波器110。LO路径352包括第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114和延迟电路356。RF路径354包括第二缓冲器118。延迟电路356可以是模拟或数字延迟电路并且延迟正弦波至方波转换器114的输出，使得延迟电路356的输出相对于第二缓冲器118的输出是180°。在其他示例中，延迟电路356可以将正弦波至方波转换器114的输出延迟至与第二缓冲器118的输出相位相差180°的整数倍。在这些示例中，在LO路径中提供延迟电路，而不在RF路径中提供延迟电路。在其他示例中，在LO路径和RF路径中都提供延迟电路，使得信号LO与信号RFOUT同相，与信号RFOUT相位相差180°，或者与信号RFOUT的相位相差180°的整数倍。
图7示出了LO路径中而不是RF路径中的延迟电路。延迟电路可以在LO路径和RF路径中提供，并且每个可以实现为传输线或者实现为一个或多个离散延迟元件。延迟电路导致Δφ＝0或Δφ＝180°(或其任何整数倍)。由于信号LO基本上是方波，因此可以在LO路径中引入数字延迟。这允许相移是可调的和/或可校准的，以重新对准RF路径和LO路径之间的相位差。
图8示出了RF RMS检测电路400，其包括网络除法器102、LO路径402、RF路径404、DBM 108和低通滤波器110。LO路径402可以包括第一缓冲器112，正弦波至方波转换器114包括驱动器406。驱动器406可以增加来自正弦波至方波转换器114的LO信号的电流电平。RF路径404可以包括第二缓冲器118。正弦波至方波转换器114可以包括高速逻辑设备和/或模拟比较器。在一实施方案中，正弦波至方波转换器是快速的、基于桥接开关同步整流器的AC-DC转换器，例如Jim Williams的“Bridge Circuits”Linear Technology AN-43第32-34页的图50中所示的转换器，其全部内容通过引用并入本文。
以下图9-13示出了不同DBM和混频器的使用，其可用于替换图2-8的DBM。图9示出了RF RMS检测电路450的一部分，其包括除法器网络、LO路径452、RF路径454和DBM 456。LO路径452包括第一缓冲器112和正弦波至方波转换器114。RF路径454包括第二缓冲器118并且可以包括延迟电路120。延迟电路120可以与正弦波至方波转换器114具有相同的延迟。DBM 456包括第一变压器458、桥接环460和第二变压器462。尽管DBM 456被配置为相位检测器，但DBM不作为相位检测器操作，而是以饱和模式操作并且用于监测信号RFOUT。
第一变压器458连接在正弦波至方波转换器114的输出和桥接环460(例如，肖特基二极管环)之间。第一变压器458包括初级绕组464，其连接在正弦波至方波转换器114的输出和接地参考466之间。第一变压器458还包括次级绕组468。次级绕组468之间的中心抽头连接接地参考466。次级绕组468串联连接在桥接环460的第一对端子之间。第一变压器将第一电压信号转换为第二电压信号。
第二变压器462包括初级绕组470和次级绕组472。初级绕组470连接在延迟电路120的输出和接地参考466之间。次级绕组472串联连接在桥接环460的第二对端子之间。第二变压器将第三电压信号转换为第四电压信号(或信号IF)。
图10示出了RF RMS检测电路500，其包括除法器网络102、第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114、第二缓冲器118和线性乘法器502。线性乘法器502接收信号LO和RFOUT并输出信号IF。RF RMS电路500可以包括延迟电路120。
图11示出了RF RMS检测电路550，其包括除法器网络102、第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114、第二缓冲器118和DBM 552。DBM 552类似于图9的DBM 456，不同的是，桥接环554的每个支路包括两个二极管556而不是一个二极管。DBM 552包括第一变压器558和第二变压器560，它们与图9的变压器458和462类似地配置。
图12示出了RF RMS检测电路600，其包括除法器网络102、第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114、第二缓冲器118和DBM 602。DBM 602包括第一变压器604、FET 606、FET608、FET 610、FET 612和第二变压器614。FET 606和FET 608串联连接，其中第一变压器604的次级绕组连接FET 606和FET 608的两端。FET 610和FET612串联连接，其中第二变压器614的次级绕组连接FET 610和FET612的两端。FET的控制端子可以由图1的控制器46控制。
图13示出了RF RMS检测电路650，其包括除法器网络102、第一缓冲器112、正弦波至方波转换器114、第二缓冲器118和DBM 652。DBM 652包括第一变压器654、二极管阵列656和第二变压器658。第一变压器654包括初级绕组660和次级绕组662、663。次级绕组662、663串联连接。中心端子665连接到绕组662、663的第一端并且连接到接地参考667。二极管阵列656包括串联连接的二极管664、二极管666、二极管668、二极管670，使得二极管664、二极管666、二极管668、二极管670中的每一个的阴极串联连接到二极管664、二极管666、二极管668、二极管670中的连续的下一个的阳极。次级绕组662的第二端连接到二极管666的阳极。次级绕组663的第二端连接到二极管664的阴极并连接到二极管670的阳极。
第二变压器658包括初级绕组672和次级绕组674、676。二极管664的阳极连接到次级绕组674的第一端。二极管670的阳极连接到次级绕组674的第一端。次级绕组674、676的第二端连接到输出端子678，输出端子678输出信号IF。
图14示出了RF RMS检测电路700，其包括除法器网络102、LO路径702、RF路径704、DBM 108和低通滤波器110。LO路径702包括第一缓冲器112、第一放大器705、第一对钳位二极管706、708、第二放大器710、第二对钳位二极管711、712和正弦波至方波转换器114。虽然示出了两个放大器/钳位二极管组，但是可以包括任意数量的放大器/钳位二极管组。
第一对二极管706,708串联连接在处于参考电压的电压供应端子722和接地参考726之间。第一放大器705的输出和第二放大器710的输入连接到二极管706的阳极和二极管708的阴极。第二对二极管711、712串联连接在电压供应端子722和接地参考726之间。第一放大器705可以放大第一缓冲器112的输出。第二放大器710放大第一放大器705的输出。第二放大器710的输出被提供作为正弦波至方波转换器114的输入。
RF路径704包括第二缓冲器118和延迟电路720。延迟电路720可以具有与放大器705、710和正弦波至方波转换器114的延迟之和相同的延迟。
图15示出了电流提升电路750，其接收正弦波至方波转换器114的输出作为差分输入。电流提升电路750包括差分输入752、754，电容器756、758、759，放大器760、762、764、766，以及电阻器768、770、772、774、776、778、780。差分输入端子752、754连接到电容器756、758的相应输入。电容器756的输出连接到放大器760、762、764、766的反相输入。电容器758的输出连接到放大器760、762、764、766的非反相输入。电容器759的输入连接到放大器760、762、764、766的输出。电容器759的输出输出具有提升的电流电平的信号LO。电阻器776连接在电压供应端子782和端子752之间。电阻器778连接在电压供应端子782和端子754之间。电阻器780连接在电容器756、758的输出之间。
图16示出了操作RF RMS检测电路(例如，本文公开的RF RMS检测电路中的任何一个)的方法。可以迭代地执行以下操作。该方法可以在800处开始。尽管以下操作802、804、806、808、812、814、816、818被描述为单独的操作，但是操作802、804、806、808可以分别与操作812、814、816、818组合，以提供操作A、B、C、D。接收的RF输入信号可以在执行操作A之前被分到LO路径和RF路径。接收的RF输入信号在执行操作A之前被分到LO路径和RF路径的示例如图3和5所示。基于接收的RF输入信号产生的其他RF信号可以在执行操作A、B、C、D中的任何一个之前或之后被分到LO路径和RF路径。在操作A之后并且在操作B之前分离RF信号的示例示于图2、6-14中。在操作D之后将RF信号分到LO路径和RF路径的示例在图4中示出。
LO路径产生具有固定幅值的方波，该固定幅值与RF输入信号的幅值无关。方波可以具有大的幅值。从LO路径输出的信号LO可以与从相应的RF路径输出的信号RF同相。方波(或具有方波的LO信号)驱动相应DBM或线性混频器的LO输入端口。如上所述，限制器或其他转换器可用于执行正弦波至方波转换。限制器类似于非线性高增益放大器。由于使用DBM或线性混频器，因此幅值非线性度无关紧要。限制器提供宽动态范围和低相移。
提供给DBM或线性混频器的RF输入端口的信号RFOUT代表感兴趣的RF输入信号。因此，信号RFOUT随幅值与RF输入信号而变化。由于在LO路径中使用正弦波至方波转换器和/或其他组件，因此LO路径可以是相位延迟的。信号RFOUT也被延迟以标称地匹配相应LO路径的延迟。举例而言，延迟电路或传输线可以包括在RF路径中，以将信号RFOUT延迟以标称地匹配相应LO路径的延迟。
在802处，在第一除法器处接收RF输入信号。该RF输入信号是在第一除法器处接收的高压信号，第一除法器将例如1000V信号变换为1V信号。可以使用单个除法器或多级除法器。
在804，通过第一缓冲器缓冲第一除法器的输出。第一缓冲器有助于设置RF RMS检测器电路的输入阻抗，使得RF RMS检测器电路的在第一除法器和/或第二除法器下游的部分(这里称为传感器电路)的阻抗不对第一除法器和/或第二除法器产生负面影响。第一除法器和/或第二除法器可以被称为传感器电路和例如RF源之间的传感器接口。第一缓冲器还有助于使传感器电路与其他类型的传感器接口无关。
在806处，可以经由第一滤波器对第一缓冲器的输出进行滤波。可以引入频率滤波器以选择传感器要跟踪的频率，以及衰减可能导致噪声/误差的其他谐波含量。例如，带通滤波器可用于选择窄带操作频率。可以缓冲该滤波器的输出以最小化第一滤波器上的电路负载。
在808处，可以经由第一放大器放大第一滤波器的输出。在810处，可以通过正弦波至方波转换器将来自第一放大器的正弦波转换为方波。在811处，可以经由电流提升电路增大方波信号(或本地振荡器信号)的电流电平以提供信号LO。
在812处，在第二除法器处接收RF输入信号。可以使用单个除法器或多级除法器。在814处，经由第一缓冲器缓冲第二除法器的输出。第二缓冲器有助于设置RF RMS检测器电路的输入阻抗，使得RF RMS检测器电路的在第一和第二除法器下游的部分的阻抗不会对第二除法器产生负面影响。第二缓冲器还有助于使传感器电路与其他类型的传感器接口无关。
在816处，可以经由第二滤波器对第二缓冲器的输出进行滤波。可以引入频率滤波器以选择传感器要跟踪的频率，以及衰减可能导致噪声/误差的其他谐波含量。例如，带通滤波器可用于选择窄带操作频率。可以缓冲该滤波器的输出以最小化第二滤波器上的电路负载。
在818处，可以经由第二放大器放大第二滤波器的输出以提供信号RFOUT。在820处，可以经由延迟电路延迟第二放大器的输出(或信号RFOUT)。在822处，DBM或线性混频器基于信号LO和RF生成信号IF，如上所述。
在824处，可以经由第三滤波器(例如，低通滤波器)对信号IF进行滤波。这减少了高阶频率分量。所使用的第三滤波器的输出可以由例如控制器46检测。控制器46可以基于第三滤波器的输出来操作处理系统10和电压源16、30。该方法可以在826结束。
上述操作意在作为说明性示例；可以根据应用顺序地、同步地、同时地、连续地、在重叠时间段期间或以不同顺序执行操作。而且，取决于事件的实现和/或顺序，可以不执行或跳过所述操作中的任何操作。
现在参考图3和图17，其示出了RF RMS检测系统900，其包括用于幅值检测的两个RF RMS检测电路(或RF检测器)902、904和用于相位检测的RF RMS检测电路(或RF检测器)906。RF RMS检测电路902、904中的每一个可以实现为图2-14的RF RMS检测电路中的任何一个。RF RMS检测电路902、904可以输出相应的信号DCOUT1、DCOUT2，其表示RF源RF1、RF2的电压幅值和/或提供给RF RMS检测电路902、904的DBM的RF信号的电压幅值。RF源RF1、RF2表示由例如图1的衬底支撑件20中的RF拾取器(或电极)检测的RF信号。任何数量的RF拾取器(或电极)可以包括在衬底支撑件20中，并且每个RF拾取器可以具有相应的RF RMS检测电路。如上所述，RF RMS检测电路902、904以饱和模式操作。
RF RMS检测电路906可用于检测RF源RF1、RF2的RF信号之间的相位差。尽管示出了单个RF RMS检测电路906，但是可以为RF源的每个配对提供RF RMS检测电路。RF RMS检测电路906的输出DCOUT3表示cosΔφ，其中，Δφ＝(φRF2-φRF1)，并且φRF1是RF源RF1的第一RF信号的相位，并且φRF2是RF源RF2的第二RF信号的相位。RF RMS检测电路906不在饱和模式下操作。
RF RMS检测电路906包括RF路径908、LO路径910、以及图3的DBM 108和低通滤波器110，图3包括用于LO路径和RF路径的相应除法器。RF路径908可以包括第一除法器911，其接收来自第一RF源RF1的第一RF信号。第一除法器911的输出被提供给第一正弦波至方波转换器912。LO路径910可以包括第二除法器914，其接收来自第二RF源RF2的第二RF信号。第二除法器914的输出被提供给第二正弦波至方波转换器916。除法器911、914可以类似于图3的除法器156、160。正弦波至方波转换器912、916可以类似于图3的正弦波至方波转换器114，并且可以实现为限制器。
在图17的示例中，路径908、910都被有效地处理为LO路径。路径908、910的方形信号输出被提供给DBM 108。DBM 108不在饱和模式下操作，因此用作相位检测器。这产生了基于cosΔφ的来自路径908、910的信号RF、LO之间的相位差的测量。
RF RMS检测系统900使得能精确测量RF源RF1、RF2的RF信号的幅值以及在RF源RF1、RF2的RF信号之间相位差。输出DCOUT1、DCOUT2、DCOUT3可以被提供给例如图1的控制器46。控制器46可以基于DCOUT1、DCOUT2、DCOUT3执行功率计算，并基于所计算的功率值调整源16、30的输出。举例而言，功率P可以由等式4表示，其中可以分别基于输出DCOUT1、DCOUT2确定电流I和电压V，并且可以基于输出DCOUT3确定cosΔφ。
P＝IVcosΔφ (4)
这里公开的RF RMS检测器的DC输出与接收的RF输入信号和/或由RF RMS检测器的传感器电路接收的信号具有线性关系。这使得RF RMS检测器能通过例如图1的控制器46容易地校准。举例而言，可以向RF RMS检测器提供两个或更多个RF输入电压，并且可以检测RFRMS检测器的相应DC输出。基于该信息，可以调整线性关系的斜率m和偏移b(例如，y＝mx+b，其中x是RF输入电压，y是DC输出电压)。可以在模拟域中调整斜率和偏移，或者通过例如控制器46在RF RMS检测器的输出处数字地调整斜率和偏移。
RF RMS检测器电路的校准可以包括：选择两个间隔较远的校准点，例如动态范围限制(高和低)边缘处的点，以在线性度和精度的折衷下最大化动态范围；在动态范围的折衷下，在小窗口中选择两个附近的校准点，以获得良好的线性度和精度；通过选择各种增益和偏移校准值来执行分段线性校准，以在动态范围和精度之间提供平衡的折衷；和/或执行其他更复杂的基于软件的校准方法以提高精度。根据所使用的电路元件的性能，可能需要最小的校准和/或不需要校准。
本文公开的DBM提供关于温度和频率的线性DC输出性能。所公开的缓冲器可以包括例如用于高速交流电(AC)性能和低噪声的400MHz放大器。由于放大器是AC耦合的，因此DC偏移漂移不是问题。包括RSSI反馈控制的正弦波至方波转换器可以具有表现出低相移和高上升/下降时间的输出。这里公开的电流提升电路/驱动器可以表现出高驱动强度和低输入摆幅。所公开的RF RMS检测器表现出高动态范围(例如1500：1)、具有低误差的高线性度、以及高重复性。
前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特定示例，但本公开的真实范围不应当如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方式在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方式描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其它实施方式中实现和/或与任何其它实施方式的特征组合，即使该组合没有明确描述也如此。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的交换保持在本公开的范围内。
元件之间(例如，模块，电路元件，半导体层等之间)的空间和功能关系使用包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“邻近”、“在...上”、“上方”、“下方”和“设置”之类的各种术语进行描述。当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，除非明确地描述为“直接”，否则这种关系可以是其中没有其他中间元件存在于所述第一和第二元件之间的直接的关系，但也可以是其中一个或多个中间元件(或者在空间上或功能上)存在于所述第一和第二元件之间的间接的关系。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为指使用非排他性的逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，且不应该被解释为指“A中的至少一个，B中的至少一个，和C中的至少一个”。
在一些实施方案中，控制器是系统的一部分，该系统的一部分可以是上述实施方式的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个加工工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定的处理部件(晶片基座、气体流动系统等)。这些系统可与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之前、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程，以控制本发明所公开的工艺中的任何一些，包括控制工艺气体的输送、温度的设置(例如，加热和/或冷却)、压力的设置、真空的设置、功率的设置、射频(RF)产生器的设置、RF匹配电路的设置、频率的设置，流率的设置、流体输送的设置、位置和操作的设置、晶片的进出工具和其他输送工具和/或连接到特定系统的或与特定系统接口的装载锁的传送。
从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。这些集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是以各种单个的设置(或程序文件)形式传输到控制器或系统的指令，所述设置(或程序文件)定义在半导体晶片上或针对半导体晶片进行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。
在一些实施方案中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前处理，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些输入或编程的参数和/或设置然后从远程计算机传送到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，这些指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，这些参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本发明所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内工艺。
示例的系统可以包括但不限于，等离子体蚀刻室或模块(使用感应或电容耦合等离子体)、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。

Claims (29)

1.一种射频检测器，其包括：
本地振荡器路径，其包括
第一缓冲器，其用于接收第一射频信号，其中所述第一射频信号基于由所述射频检测器接收的射频输入信号，并且其中所述射频输入信号由在衬底处理系统中的所述射频检测器检测，和
正弦波至方波转换器，其用于将第一射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号；
包括第二缓冲器的射频路径，其中所述第二缓冲器用于接收第二射频信号并输出射频输出信号，并且其中所述第二射频信号基于所述射频输入信号；
混频器，其用于基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号产生中间频率信号；和
滤波器，其用于对所述中间频率信号进行滤波，以产生第一直流信号，其中所述第一直流信号代表所述第二射频信号。
2.根据权利要求1所述的射频检测器，其还包括除法器网络，所述除法器网络用于基于所述射频输入信号输出所述第一射频信号和所述第二射频信号。
3.根据权利要求2所述的射频检测器，其中，所述除法器网络包括：
第一除法器，其用于基于所述射频输入信号输出所述第一射频信号；和
第二除法器，其用于基于所述射频输入信号输出所述第二射频信号。
4.根据权利要求2所述的射频检测器，其中，所述除法器网络产生具有与所述第二射频信号的幅值不同的幅值的所述第一射频信号。
5.根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述射频输入信号、所述第一射频信号和第二射频信号具有变化的幅值。
6.根据权利要求1所述的射频检测器，其中所述混频器是双平衡混频器。
7.根据权利要求6所述的射频检测器，其中：
所述双平衡混频器被配置为以饱和模式工作的相位检测器；并且
当处于所述饱和模式时，所述本地振荡器信号通过本地振荡器路径驱动，其电流电平高于所述射频输出信号的电流电平。
8.根据权利要求6所述的射频检测器，其中所述双平衡混频器包括二极管桥接环。
9.根据权利要求8所述的射频检测器，其中：
所述二极管桥接环包括多个支路；并且
所述多个支路中的每个支路包括两个二极管。
10.根据权利要求6所述的射频检测器，其中所述双平衡混频器包括二极管阵列。
11.根据权利要求6所述的射频检测器，其中所述双平衡混频器包括晶体管环。
12.根据权利要求1所述的射频检测器，其中：
所述正弦波至方波转换器将具有变化的幅值的所述第一射频信号转换成所述本地振荡器信号；并且
所述本地振荡器信号具有固定的幅值。
13.根据权利要求1所述的射频检测器，其还包括：
用于放大或衰减所述第一射频信号的放大器；和
比较器，其用于比较接收的信号强度信号和参考电压，其中：
所述正弦波至方波转换器实现为限制器，
所述限制器包括接收信号强度传感器和输出端口，
所述接收信号强度传感器检测所述放大器的输出的信号强度，
所述输出端口根据所述接收的信号强度传感器的输出来输出所述接收的信号强度信号，并且
将所述比较器的输出反馈到所述放大器。
14.根据权利要求1所述的射频检测器，其中：
所述本地振荡器路径还包括电流提升电路；并且
所述电流提升电路用于增大所述本地振荡器信号的电流电平。
15.根据权利要求14所述的射频检测器，其中，所述电流提升电路包括驱动器或多个放大器。
16.根据权利要求14所述的射频检测器，其中，所述电流提升电路包括低压差分信号至晶体管到晶体管逻辑转换器。
17.根据权利要求14所述的射频检测器，其中，所述电流提升电路包括变压器。
18.根据权利要求1所述的射频检测器，其中所述滤波器是低通滤波器或带通滤波器。
19.根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述射频路径还包括延迟电路，以延迟所述射频输出信号。
20.根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述本地振荡器路径包括延迟电路，以延迟所述本地振荡器信号。
21.根据权利要求1所述的射频检测器，其中：
所述本地振荡器路径包括第二滤波器；
所述第二滤波器用于对所述第一射频信号进行滤波，并将经滤波的所述第一射频信号提供给所述正弦波至方波转换器；
所述射频路径包括第三滤波器；并且
所述第三滤波器用于对所述第二射频信号进行滤波并将经滤波的所述第二射频信号提供给所述混频器。
22.根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述射频输出信号与所述本地振荡器信号同相，或者与所述本地振荡器信号相位相差180°的整数倍。
23.根据权利要求1所述的射频检测器，其还包括差分至单端转换设备，其中：
所述本地振荡器信号是差分信号；
所述差分至单端转换设备将所述差分信号转换为第二本地振荡器信号；并且
所述混频器基于所述第二本地振荡器信号产生所述中间频率信号。
24.根据权利要求1所述的射频检测器，其中：
所述本地振荡器路径还包括一个或多个放大器/钳位二极管组；并且
所述一个或多个放大器/钳位二极管组包括
放大器，其被配置成放大所述第一射频信号，
第一二极管，其连接到所述放大器的输出，和
第二二极管，其连接到所述放大器的输出并与所述第一二极管串联，其中所述第一二极管和所述第二二极管连接在参考电压端子和接地参考端子之间。
25.一种射频检测系统，其包括：
根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述第一直流信号表示所述第二射频信号的电压幅值；
第二射频检测器，其包括第二混频器，其中所述第二混频器用于接收第三射频信号并产生第二中间频率信号，并且其中所述第二射频检测器用于基于所述第二中间频率信号产生表示所述第三射频信号的电压幅值的第二直流信号；和
第三射频检测器，其包括第三混频器，其中所述第三混频器用于产生第三中间频率信号，并且其中所述第三射频检测器用于产生第三直流信号，该第三直流信号表示所述第二射频信号与所述第三射频信号之间的相位。
26.一种衬底处理系统，其包括：
衬底支撑件；
射频发生器；
电极，其设置在所述衬底支撑件或所述射频发生器中；和
根据权利要求1所述的射频检测器，其中，所述射频检测器用于通过所述电极检测所述射频输入信号。
27.一种操作射频检测器的方法，其中所述射频检测器包括本地振荡器路径、射频路径、混频器和滤波器，其中所述本地振荡器路径包括第一缓冲器和正弦波至方波转换器，并且其中所述射频路径包括第二缓冲器，该方法包括：
检测衬底处理系统内的射频输入信号；
在所述第一缓冲器处接收第一射频信号，其中所述第一射频信号基于所述射频输入信号；
经由所述正弦波至方波转换器将所述第一射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号；
在所述第二缓冲器处接收第二射频信号并输出射频输出信号，其中所述第二射频信号基于所述射频输入信号；
基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号，经由所述混频器产生中间频率信号；并且
经由所述滤波器对所述中间频率信号进行滤波以产生直流信号，其中所述直流信号代表所述第二射频信号。
28.一种射频检测器，其包括：
缓冲器，其用于接收第一射频信号，其中，所述第一射频信号是基于由所述射频检测器接收的射频输入信号产生的，并且其中所述射频输入信号由在衬底处理系统中的所述射频检测器检测；
第一滤波器，其用于对所述缓冲器的输出进行滤波；
放大器，其用于基于所述滤波器的输出产生包括第二射频信号和第三射频信号的差分输出；
包括正弦波至方波转换器的本地振荡器路径，所述正弦波至方波转换器用于将所述第二射频信号的正弦波转换为方波，并输出具有所述方波的本地振荡器信号；
包括延迟电路的射频路径，其中所述延迟电路用于接收所述第三射频信号并输出射频输出信号；
双平衡混频器或线性混频器，其用于基于所述本地振荡器信号和所述射频输出信号产生中间频率信号；和
第二滤波器，其用于对所述中间频率信号进行滤波，以产生直流信号，其中所述直流信号代表所述第二射频信号。
29.根据权利要求28所述的射频检测器，其还包括用于接收所述射频输入信号的除法器，
其中所述缓冲器用于接收所述除法器的输出。
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