CN117691973B - 一种射频电源信号同步检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种射频电源信号同步检测系统，属于射频电源信号同步检测技术领域，解决了现有射频电源信号同步过程中因线路传递信号延迟导致的相参准确性差的问题。该系统包括分路器、N条传输能力相同且等长的传输线路、N台射频电源从机；其中，所述分路器的输入端用于接收标准本振时钟信号；所述分路器包括N个输出端，每个输出端分别经由一条传输线路对应连接一台射频电源从机的输入端，每台射频电源从机的输出端分别连接相应的真空腔体；所述标准本振时钟信号经过分路器及等长的传输线路得到延迟时间及相位均相同的参考本振时钟信号，使得接入各台所述射频电源从机的输入端的所述参考本振时钟信号相参。
Description
技术领域
本发明涉及射频电源信号同步检测技术领域，尤其涉及一种射频电源信号同步检测系统。
背景技术
射频电源信号同步检测技术实际应用于射频电源领域，在多台射频电源之间达到输出功率相参目的。即，同步多台射频电源之间的频率关系，以达到完全一致相参为目的所设计的系统架构。实际上，半导体生产过程当中最重要的步骤是气相沉积，在大批量气相沉积的时候，往往不是一台电源，而是多台电源利用icp的效应激发出等离子体再沉积。那么，多台电源之间在实际工程设计上不可能严格的完全频率相同，所以，多台机器如果直接接入真空腔体，每个电源输出的频率又非常小，所以实际上因为叠加效应，每个线圈和线圈之间的交变磁场会互相耦合叠加，从而导致功率控制环路失去作用，甚至会自激。这样的等离子体环境是致命的。目前，主要通过将这些电源使用同一个节拍的方式，使它们互相相参。
现在使用的技术，实际上相参的方式是使用各个机器内的本振相参。主要原理为：有一台主机和若干台从机，主机机器自身自带固定时钟源，利用DDS技术将自身的固定时钟源和输出的可变时钟源相互相参。从机的时钟根据主机的输出的时钟相互连接达到相参的目的。然后根据处理器内部的相位校准算法，抵消补偿掉每个从机和主机之间的相位差。
现有的技术缺点是，根据这种AFC电路的控制环路，无论从机还是主机，都是在本振一级小信号级能得到和主机一样的锁相。但实际上，因为线路传递信号的延迟，会造成相参准确性差。因此，如何保证相参的准确性，是目前射频电源信号同步过程中亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种射频电源信号同步检测系统，用以解决现有射频电源信号同步过程中因线路传递信号延迟导致的相参准确性差的问题。
本发明提供了一种射频电源信号同步检测系统，所述系统包括分路器、N条传输能力相同且等长的传输线路、N台射频电源从机；其中，
所述分路器的输入端用于接收标准本振时钟信号；所述分路器包括N个输出端，每个输出端分别经由一条传输线路对应连接一台射频电源从机的输入端，每台射频电源从机的输出端分别连接相应的真空腔体；
所述标准本振时钟信号经过分路器及等长的传输线路得到延迟时间及相位均相同的参考本振时钟信号，使得接入各台所述射频电源从机的输入端的所述参考本振时钟信号相参。
在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，每台所述射频电源从机内均设置装置规格与运作能力两者中的至少一者为相同的相位同步模块和功率输出模块；其中，
所述相位同步模块，用于以所述参考本振时钟信号为参考对射频电源从机的从机本振时钟信号进行相位校准，输出相应的频率驱动控制信号；
所述功率输出模块，用于在所述频率驱动控制信号的驱动下输出相应的射频功率信号，用以实现对真空腔体激励的相位控制。
进一步，所述相位同步模块包括移相单元和DDS单元；其中，
所述移相单元，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字；
所述DDS单元，用于在所述移相频率字的控制下，输出与所述移相频率字对应的频率驱动控制信号。
进一步，所述移相单元采用一个移相器实现。
进一步，所述移相单元通过第一移相器和第二移相器相连实现；其中，
所述第一移相器的第一输入端接入所述参考本振时钟信号，所述第一移相器的第二输入端接入所述从机本振时钟信号，所述第一移相器的输出端连接所述第二移相器的第一输入端；所述第二移相器的第二输入端接入从真空腔体采集到的频率信号，所述第二移相器的输出端连接DDS单元的频率控制字输入端。
进一步，所述第一移相器，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行初次相位校准，将从机时钟频率校准到主机时钟频率进行输出；
所述第二移相器，用于根据从真空腔体采集到的频率信号对第一移相器初次相位校准后的从机时钟频率进行二次相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字。
进一步，N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号均相同，此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也相同。
进一步，在所述功率输出模块中，所述实现对真空腔体激励的相位控制包括动态相位调节、相位固化或相差锁定。
进一步，N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号预设不同的移相，此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也存在与预设移相匹配的相位偏差。
进一步，所述系统包括两台射频电源从机，且两台射频电源从机的输出端分别连接同一真空腔体的上电机、下电机。
进一步，N条传输线路的传输能力相同，包括：传输线路的规格相同，传输线路的信号传输能力相同，传输线路的结构相同。
进一步，所述系统还包括上位机和射频电源主机中的一种，用于输出所述标准本振时钟信号。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
本发明提供的射频电源信号同步检测系统，通过设置分路器、并保证分路器与各射频电源从机之间的传输线路的传输能力相同且等长，使得输入至每一台射频电源从机的延迟时间及相位均相同，即，各射频电源从机B获取相同延迟时间与相位的参考本振时钟信号，从而使得接入各台射频电源从机的输入端的参考本振时钟信号相参，很好地解决了现有射频电源信号同步过程中因线路传递信号延迟导致的相参准确性差的问题。同时，该系统的广泛应用，有效降低了因为叠加效应和开环的功放相位响应漂移造成的功率分布不均匀导致的废片，能够有效增加半导体流片的产率。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明实施例提供的射频电源信号同步检测系统的结构示意图（设置匹配器）；
图2为本发明实施例提供的射频电源信号同步检测系统的另一种结构示意图（不设置匹配器）；
图3为本发明实施例提供的射频电源从机的第一种内部结构；
图4为本发明实施例提供的射频电源从机的第二种内部结构；
图5为本发明实施例提供的射频电源从机的第三种内部结构；
图6为本发明实施例提供的两台射频电源从机连接同一CCP真空腔体时的射频电源信号同步检测系统（设置匹配器）；
图7为本发明实施例提供的两台射频电源从机连接同一CCP真空腔体时的射频电源信号同步检测系统（不设置匹配器）。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种射频电源信号同步检测系统，结构示意图如图1和图2所示，所述系统包括分路器、N条传输能力相同且等长的传输线路、N台射频电源从机；其中，所述分路器的输入端用于接收标准本振时钟信号；所述分路器包括N个输出端，每个输出端分别经由一条传输线路对应连接一台射频电源从机的输入端，每台射频电源从机的输出端分别连接相应的真空腔体；所述标准本振时钟信号经过分路器及等长的传输线路得到延迟时间及相位均相同的参考本振时钟信号，使得接入各台所述射频电源从机的输入端的所述参考本振时钟信号相参。
具体实施过程中，还要根据具体的应用场景确定射频电源从机和真空腔体之前是否增加匹配器。通过射频电源从机和真空腔体之间增加匹配器，实现射频电源从机和真空腔体之间的匹配。在同时，在本实施例中，N条传输线路的传输能力相同（这里的“相同”指完全相同或几近相同），包括：传输线路的规格相同（即完全相同或几近相同），传输线路的信号传输能力相同（即完全相同或几近相同），传输线路的结构相同（即完全相同或几近相同）。更为具体地，传输线路的传输能力相同，指同一信号从不同传输线路的一端至另一端的振幅、相位、频率等的差异性都非常小，可通过射频电源内部算法自行调节，通过最小差异性的信号同步，达到各射频电源的设备同步。
优选地，在本实施例中，系统还包括上位机和射频电源主机中的一种，用于输出标准本振时钟信号，此外，还可以选用其他可以输出标准本振时钟信号的设备代替上位机和射频电源主机。在具体实施过程中，上位机/射频电源主机与分路器之间也存在传输线路CABLE1，因此，上位机/射频电源主机输出的标准本振时钟信号CLKA经过传输线路CABLE1传输到分路器后，分路器获得到经历过第一次延迟的信号CLKA-1。信号CLKA-1再由分路器分发至各个射频电源从机，由于分路器D与各射频电源从机之间的传输线路CABLE2的传输能力相同且等长，使得输入至每一台射频电源从机的延迟时间及相位均相同，即，各射频电源从机B获取相同延迟时间与相位的参考本振时钟信号CLKA-2，从而使得接入各台射频电源从机的输入端的参考本振时钟信号相参，很好地解决了现有射频电源信号同步过程中因线路传递信号延迟导致的相参准确性差的问题，同时，降低了因为叠加效应和开环的功放相位响应漂移造成的功率分布不均匀导致的废片，能够有效增加半导体流片的产率。
优选地，每台所述射频电源从机内均设置装置规格与运作能力两者中的至少一者为相同的相位同步模块和功率输出模块，相位同步模块和功率输出模块可设置于射频电源从机内的FPGA内；其中，所述相位同步模块，用于以所述参考本振时钟信号为参考对射频电源从机的从机本振时钟信号（CLKB）进行相位校准，输出相应的频率驱动控制信号；所述功率输出模块，用于在所述频率驱动控制信号的驱动下输出相应的射频功率信号，用以实现对真空腔体激励的相位控制。在功率输出模块中，实现对真空腔体激励的相位控制包括动态相位调节、相位固化或相差锁定。示例性地，功率输出模块内置驱动源和功率放大器，在频率驱动控制信号的驱动下控制驱动源输出指定相位及频率的功率波形，并经过功率放大器放大功率波形后输出射频功率信号。
相位同步模块包括移相单元和DDS单元；其中，所述移相单元，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字；所述DDS单元，用于在所述移相频率字的控制下，输出与所述移相频率字对应的频率驱动控制信号。
优选地，所述移相单元采用一个移相器实现。此时，射频电源从机的内部结构如图3所示。
优选地，所述移相单元通过第一移相器和第二移相器相连实现，此时，射频电源从机的内部结构如图4所示。其中，所述第一移相器的第一输入端接入所述参考本振时钟信号，所述第一移相器的第二输入端接入所述从机本振时钟信号，所述第一移相器的输出端连接所述第二移相器的第一输入端；所述第二移相器的第二输入端接入从真空腔体采集到的频率信号，所述第二移相器的输出端连接DDS单元的频率控制字输入端。此时，所述第一移相器，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行初次相位校准，将从机时钟频率校准到主机时钟频率进行输出；所述第二移相器，用于根据从真空腔体采集到的频率信号对第一移相器初次相位校准后的从机时钟频率进行二次相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字。
此外，在射频电源从机内部还可以设置腔体信号反馈回路，具体可设置于射频电源从机内的FPGA内，用于建立从射频电源从机所供电的真空腔体到第二移相器的反馈通道，并通过反馈通道将从真空腔体采集到的频率信号反馈到第二移相器中。此时，射频电源从机的内部结构如图5所示。优选地，腔体信号反馈回路中，通过感应或耦合真空腔体内部的单一电场信号采集得到的包括真空腔体内部信号频率和相位信息在内的模拟信号。具体的，可通过从真空腔体内部合适的位置设置腔室探头耦合(感应)内部的单一电场的信号传导出来。优选的，在真空腔体内部靠近腔体内激励点电场最强的位置放置腔室探头；通过腔室探头耦合单一电场信号，采集得到包括真空腔体内部信号频率和相位信息的模拟信号。具体地，所述腔体信号反馈回路中还包括衰减器；衰减器用于对采集的模拟信号进行幅度衰减得到衰减后的模拟信号。衰减后的模拟信号通过ADC变换后输入到FPGA（MCU）中，在MCU中计算出真空腔体内部信号的频率信号，将获得的频率信号反馈到第二移相器中。通过增加一个腔体信号反馈回路，构成一个频率控制的闭环，信号链内所有部件都没有开环成分，信号完整性可控，不会因为外源性导致相位波动和涨落。
需要说明的是，从本系统的架构来看，虽然整个环路不是闭环，但就每一个分路器以下的射频电源从机，架构是一致的，结合分路器到射频电源从机的传输路线的长度相同，各射频电源从机的工作节拍易于实现动态相位调节、相位固化或相差锁定，因此能适用于多对一的协作腔室与一对一的独立腔室。因此，本实施例所提供的系统可以应用在以下场景下：
（1）多腔室同工序控制、同相时钟信号控制：
采用相同的控制模式和移相模式，控制N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号均相同，此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也相同。
（2）一对一的独立腔室、不同移相的时钟信号控制：
N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号预设不同的移相，从而实现各射频电源从机的动态相位调节、相位固化或相差锁定，具备更高的技术适用性。此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也存在与预设移相匹配的相位偏差。示例性地，系统包括两台射频电源从机，且两台射频电源从机的输出端分别连接同一真空腔体的上电机、下电机，根据同一真空腔体的上电机、下电机的偏压控制原理分别为两台射频电源从机预设不同移相的从机本振时钟信号，以实现对同一真空腔体的上电机、下电机的偏压控制。两台射频电源从机连接同一CCP真空腔体时的射频电源信号同步检测系统如图6（设置匹配器）和图7（不设置匹配器）所示。在图6和图7中，一台射频电源从机提供RF，另一台射频电源从机提供bias。
此外，为保证本实施性中系统的实施效果，在具体实施过程中，射频电源从机的输出部分（功放+匹配器）群延迟尽可能的低；同时，真空腔体内部探头的设计需合理，电场和磁场之间串扰要小。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
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 (11)
1.一种射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述系统包括分路器、N条传输能力相同且等长的传输线路、N台射频电源从机；其中，
所述分路器的输入端用于接收标准本振时钟信号；所述分路器包括N个输出端，每个输出端分别经由一条传输线路对应连接一台射频电源从机的输入端，每台射频电源从机的输出端分别连接相应的真空腔体；
所述标准本振时钟信号经过分路器及等长的传输线路得到延迟时间及相位均相同的参考本振时钟信号，使得接入各台所述射频电源从机的输入端的所述参考本振时钟信号相参；
每台所述射频电源从机内均设置装置规格与运作能力两者中的至少一者为相同的相位同步模块和功率输出模块；其中，所述相位同步模块，用于以所述参考本振时钟信号为参考对射频电源从机的从机本振时钟信号进行相位校准，输出相应的频率驱动控制信号；
所述相位同步模块包括移相单元和DDS单元；其中，所述移相单元，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字；
所述移相单元通过第一移相器和第二移相器相连实现；其中，所述第一移相器的第一输入端接入所述参考本振时钟信号，所述第一移相器的第二输入端接入所述从机本振时钟信号，所述第一移相器的输出端连接所述第二移相器的第一输入端；所述第二移相器的第二输入端接入从真空腔体采集到的频率信号，所述第二移相器的输出端连接DDS单元的频率控制字输入端。
2.根据权利要求1所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述功率输出模块，用于在所述频率驱动控制信号的驱动下输出相应的射频功率信号，用以实现对真空腔体激励的相位控制。
3.根据权利要求2所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述DDS单元，用于在所述移相频率字的控制下，输出与所述移相频率字对应的频率驱动控制信号。
4.根据权利要求3所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述移相单元采用一个移相器实现。
5.根据权利要求1所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，
所述第一移相器，用于以所述参考本振时钟信号为参考对所述从机本振时钟信号进行初次相位校准，将从机时钟频率校准到主机时钟频率进行输出；
所述第二移相器，用于根据从真空腔体采集到的频率信号对第一移相器初次相位校准后的从机时钟频率进行二次相位校准，输出相位校准后的时钟频率对应的移相频率字。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号均相同，此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也相同。
7.根据权利要求2-5中任一项所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，在所述功率输出模块中，所述实现对真空腔体激励的相位控制包括动态相位调节、相位固化或相差锁定。
8.根据权利要求7所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，N台所述射频电源从机的从机本振时钟信号预设不同的移相，此时，提供至与各射频电源从机相连的真空腔体的射频功率信号也存在与预设移相匹配的相位偏差。
9.根据权利要求7所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述系统包括两台射频电源从机，且两台射频电源从机的输出端分别连接同一真空腔体的上电机、下电机。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，N条传输线路的传输能力相同，包括：传输线路的规格相同，传输线路的信号传输能力相同，传输线路的结构相同。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的射频电源信号同步检测系统，其特征在于，所述系统还包括上位机和射频电源主机中的一种，用于输出所述标准本振时钟信号。
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