CN1207943C - 射频计量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种射频(RF)探测头装置，用来测量一条采样传输线内的RF信号的电压和电流。这种探测头装置包括：一个导电外壳，一条在导电外壳内的母线，一对安装在导电外壳上的、配置成通过母线将RF信号传入和传出外壳的连接器，一个在外壳内的电压传感器板，以及一个在外壳内的电流传感器板。电压传感器板具有一个响应母线周围的电场、产生一个表示该电场的均方根(RMS)值的第一DC输出的第一模拟处理器。电流传感器板具有一个响应母线周围的磁场、产生一个表示该磁场的RMS值的第二DC输出的第二模拟处理器。
Description
技术领域
本发明与等离子产生设备有关，具体地说，与用于测量提供给RF等离子发生器的射频(RF)功率的装置和方法有关。
背景技术
为了较好控制等离子腔内硅圆片或其他工件的蚀刻或淀积特性，通常是在等离子腔的功率输入端用一个探测器检测射频(RF)波进入等离子腔时的电压和电流。参见US5,770,922A，一种这样的探测器用一个独立的探测电压和电流传感器对加到等离子腔输入端的RF功率的电压和电流进行采样。这种探测传感器具有将传感器电密封起来的屏蔽罩或外壳。屏蔽罩或外壳内有一个电压传感器板通过三芯同轴电缆连接到装在一个独立的底盘内的探测电路上。一个本机振荡器和一对混频器产生独立的基带电压和电流信号，这些信号由一个匹配立体模拟-数字(A/D)变换器数字化后，再用数字信号处理器(DSP)进行数字处理。DSP通过一个接口接到本机振荡器的反馈环路上以形成一个闭环，而且还耦合到一个外部串行接口上。该外部串行接口可以再耦合到一些用于等离子处理设备的控制装置上。
上面所述的这种探测器在许多应用中提供令人满意的性能。然而，由在探测电路内执行的信号处理引起的群时延可能会降低一些控制系统的速度或稳定性。
发明内容
因此，就本发明的一个方面来说，提出了一种用于测量在一条采样传输线内的射频(RF)信号的电压和电流的RF探测头装置。这种探测头装置包括：一个导电外壳，一条在导电外壳内的母线，一对安装在导电外壳上的、配置成通过母线将RF信号传入和传出外壳的连接器，一个在外壳内的电压传感器板，以及一个在外壳内的电流传感器板。电压传感器板具有一个模拟处理器，响应母线周围的电场，产生一个表示该电场的均方根(RMS)值的第一DC输出。电流传感器板具有一个第二模拟处理器，响应母线周围的磁场，产生一个表示该磁场的RMS值的第二DC输出。
另一方面，本发明提出了一种用于测量在一条采样传输线内的RMS电场和磁场的RF探测头。就这方面来说，这种探测头包括：一个导电外壳；一对配置成耦合通过外壳的RF信号的RF端口；在外壳内的、配置成产生一个与导电外壳内由RF信号产生的电场的RMS值成正比的第一DC输出、以及产生一个与导电外壳内由RF信号产生的磁场的RMS值成正比的第二DC输出的电路；以及一对配置成将第一DC输出和第二DC输出耦合到导电外壳外部的端口。
又一方面，本发明提出了一种用一个RF探测头测量RF功率的方法。这种方法包括下列步骤：使RF功率通过一个具有一个导电外壳的RF探测头；检测导电外壳内由RF功率产生的电场和磁场，以产生一个表示外壳内的电场的第一电信号和一个表示外壳内的磁场的第二电信号；以及对第一电信号和第二电信号进行处理，以产生一个表示电场的RMS值的第一DC输出和一个表示磁场的RMS值的第二DC输出。所有处理完全在导电外壳内执行。
本发明的配置提供了高度精确和可重复的RF线电压和电流测量，即使RF功率电平很高。此外，与已知的常规配置相比，在探测头电路配置内执行的信号处理所引起的群时延减小了。
从以下的详细说明中可以清楚地看到本发明的其他应用领域。可以理解，所作的详细说明和所举的具体例子虽然示出了本发明的优选实施例，但只是例示性的，对本发明的范围并不构成限制。
附图说明
从以下详细说明和附图中可以对本发明有更充分的了解，在这些附图中：
图1为RF探测头的一种配置的方框图；
图2为一个相位比较器印刷电路板的方框图；以及
图3为示出一个RF探测头各部件组装情况的分解透视图。
图4为图3中的导电外壳结构从外壳内看的剖视图。
具体实施方式
以下对优选实施例的说明实质上只是示例性的，并不构成对本发明、本发明的应用或用途的限制。
作为在这里所用的“模拟处理”和“模拟电路”指的是并不将任何具有连续电压(或电流)的信号变换成具有一些表示连续值的范围的离散值的数字化信号的处理和电路，但作为在这里使用的术语“模拟”并不排除产生一个表示信号具有正值还是负值的二元值。模拟电路不必是线性的，因此也包括对信号进行整流或产生信号的绝对值的电路。
虽然作为在这里所用的术语“母线”旨在包括线状导体，但并不是意味着局限于这种具体形式。
在一种配置中，如图1所示，本发明提供了一种在一个采样传输线内测量射频(RF)信号的电压和电流的RF探测头10。这种探测头装置容纳在一个完全封装电压传感器板14和电流传感器板16的小导电外壳12内。导电外壳12还完全封装了与连接器20和22电耦合的母线18。在一种配置中，连接器20和22都是同轴连接器。
连接器20和22分别是将RF信号导入和导出外壳12的RF端口。连接器20和22的外导体与外壳12电连接。连接器20和22的内导体通过绝缘体(图1中未示出)与外导体隔开，而由母线18互相电连接。
电压传感器板14对外壳12内由于RF信号通过连接器20和22而产生的电场作出响应。具体地说，电压传感器板14具有包括响应外壳12内母线18周围的电场的第一模拟处理器24的电路。同样，电流传感器板16具有包括响应外壳12内母线18周围的磁场的第二模拟处理器26的电路。检测RF导体周围的电磁场(从而检测所加RF功率的电压和电流)的一个适当配置的例子可参见1998年6月23日授予Gerrish等人的美国专利5,770,922“基带V-I探测头”(“Baseband V-I probe”)。
包括在第一模拟处理器24内的电路在端口28产生一个表示电场的均方根(RMS)值的第一DC输出。包括在第二模拟处理器26内的电路在端口30产生一个表示外壳12内母线18周围的磁场的RMS值的第二DC输出。在一种配置中，电压传感器板14、电流传感器板16、第一模拟处理器24和第二模拟处理器24全部包含在外壳12内。端口28和30分别将第一和第二DC输出耦合到外壳12外部。
第一模拟处理器24和第二模拟处理器26分别含有模拟RMS变换器32和34。在一种配置中，模拟RMS变换器32和34是Analog Devices的AD8361表面安装RMS变换器。变换器32和34安装在各自的传感器板14和16上。
第一模拟处理器24还包括一个响应表示母线18周围电场的电信号的第一带通滤波器36。第一带通滤波器36有一个输出端，接到第一模拟RMS变换器32的一个输入端上。模拟RMS变换器32的一个输出端接至第一低通滤波器38。类似地，第二模拟处理器26包括一个响应表示母线18周围的磁场的电信号的第二带通滤波器40。第二带通滤波器40有一个输出端，接到第二RMS变换器34的输入端上，而模拟RMS变换器34的一个输出端接至第二低通滤波器42。
在一种配置中，第一带通滤波器36和第二带通滤波器40都是三阶线性相位等波纹滤波器，配置成减小加到并通过探测头10的RF功率的谐波。RMS变换器32和34的DC输出也经过滤波，以除去任何可能破坏测量结果的波纹电压。缓冲放大器44和46分别接在第一带通滤波器36和第二带通滤波器40的输出端上。缓冲放大器44、46分别响应带通滤波器36和40输出的电信号，产生经缓冲的电信号。该探测头传感器的一种配置限于单个RF频率，用滤波器36、38、40和42将3dB点设置在RF频率的±10％，而在RF频率的±50％处衰减大于35dB。
在操作时，RF功率通过外壳12，电压传感器板14检测RF功率在导电外壳12内产生的电场，产生一个表示该电场的第一电信号。类似地，电流传感器板16检测RF电流在导电外壳12内产生的磁场，产生一个表示该磁场的第二电信号。对第一电信号和第二电信号进行处理，产生一个表示电场的RMS值的第一DC输出和一个表示磁场的RMS值的第二DC输出。这种处理全部在导电外壳12内执行，而且全部用模拟电路执行。对第一和第二电信号进行滤波，去除通过探测头10的RF功率的谐波。
在一种配置中，电压传感器板14配置成产生一个与母线18上的RF信号的RMS电压成正比的第一DC输出28，而电流传感器板16配置成产生一个与母线18上的RF信号的RMS电流成正比的第二DC输出30。此外，在一种配置中，电压传感器板14与母线18周围的电场耦合，产生一个第一采样RF信号48，而电流传感器板16与磁场耦合，产生一个第二采样RF信号50。信号48和50输出给外部RF连接器，例如分别为SMB连接器51和53，使得信号48和50可接出外壳12。
在一种配置中，如图1和2所示，配置了一个相位比较器印刷电路板52，直接安装到SMB连接器51和53上，用来得出表示RF信号48与RF信号50之间的相位差的一个相位差信号54。表示RMS信号的DC输出28和30以及相位差信号54，由确定等离子腔负载66(见图1)的阻抗和加到通过母线18与探测头10电耦合的负载66上的RF信号的功率的功率与阻抗电路56的同步的变换器55、57和59，予以数字化。在一种配置中，用一个数字信号处理器(DSP)104确定所述阻抗和功率。在这种配置的一个变形中，将RF信号48和50中至少之一与一个受控频率源58混频。差频60由模拟-数字变换器(ADC)64数字化，所得到的数字信号由DSP 104用来确定差频60的周期和在RF传输线62(见图1)上当前的频率。差频60和/或确定它的周期和/或确定在传输线上当前的频率可用于频率调谐系统，以提供在探测头10的整个带宽上适当的校准因子。在一种配置中，例如，DSP 104配置成测量加到负载66上的RF信号的频率。
在一种配置中，对于一个5KW的腔体，线性变换具有100mV左右的偏压以及5伏DC的满标输出。为了标定到更高的功率电平，可以对表示所检测的电场和磁场的电信号进行衰减。
为了提供设备到设备的可重复性，传输线RMS电流和电压到DC伏的传递函数的斜率在一种配置中小于1％。探测头的信噪比在整个功率范围内超过50dB。为了控制和监视脉动的RF功率系统，RMS探测头的阶跃响应小于10微秒。
在一种配置中，如图3所示，探测头10包括一个导电外壳68，例如是一个铝外壳68。导电外壳68的中心部分是镗通的，由绝缘材料102(例如氮化硼或TEFLON)包围的母线18插入外壳68，配置在贯穿外壳68的镗孔的第一端70和第二端72之间。在一种配置中，母线18是一条镀银铜导线。此外，在一种配置中，绝缘材料102是氮化硼，它在母线18与导电外壳68之间提供了一个传热通路。在用表面安装器件构成传感器板14和16时，导电外壳68的尺寸可以是一侧5至7.5cm(约2至3英寸)左右。第一导电盖板74盖住敞口的第一端70，而第二导电盖板76盖住敞口的第二端72。两个分别包括连接器20和22的RF端口分别安装在导电外壳68的两个相对的表面78和80上。连接器20和22的中心导体82和84由导电外壳12内的母线18电连接在一起。分别配置在母线18与敞口端70和72之间的导电衬垫86和88提供了传感器板14和16的接地面(未示出)与导电外壳68之间的导电连接。在一种配置中，导电衬垫86和88是镀银的铜衬垫。
电压传感器板14安装在衬垫86与敞口端70之间，而电流传感器板16安装在衬垫88与敞口端72之间。端口28和30分别给出表示由模拟处理器24和26(图3中未示出)得到的RMS测量结果的DC信号。SMB连接器51和53给出采样的RF信号。另外两个连接器90和92分别用来将5伏的DC电源提供给板14和16。可以配置辅助连接器94和96用于测试，也可以完全省去连接器94和96以及它们在壳体68上的相应的孔98和100。
图4示出了导电外壳68的一种配置的剖视图。图4是从导电外壳68内朝表面80看的视图(朝表面78看的视图基本上是相同的)。衬垫86(见图3)安装在表面106和112上，而衬垫88安装在表面114和116上。表面106、112、114和116从表面78一直延伸到表面80。包围母线18的绝缘材料102的外表面紧套在表面108与110之间。
在各种配置中，本发明通过用户可以将其用于半导体腔以监控RF电压和/或电流的一种低成本、紧凑型探测头传感器，提供了与采样传输线上的电场和磁场成正比的DC信号。由于产生与探测头10内的RF信号的真实RMS值成正比的DC信号既不需要被编程的处理器又不需要模拟-数字变换，而是用模拟电路来实现RMS变换，因此明显地减小了群时延。带通滤波器和衰减器减小了来自各种谐波源的信号污染。因此，与一些需要外部电路或外部数字电路来确定RMS的电路相比，采用探测头10的配置的等离子监控系统在响应时间上得到了改善。很容易通过例如为所检测的RF信号提供适当的带通滤波器和衰减器组合来适应更高的RF功率和其他的探测头频率响应。此外，探测头10的配置可以方便地安装在等离子腔上。
以上对本发明的说明只是例示性的，因此，各种不脱离本发明的实质的变形都应列为本发明的范围内。这样的变形不应认为是在本发明的实质和范围之外。
Claims (20)
1.一种用于测量一条采样传输线内射频信号的电压和电流的射频探测头装置，所述探测头装置包括：
一个导电的外壳；
一条在导电外壳内的母线；
一对安装在所述导电外壳上、配置成通过所述母线将射频信号传入和传出所述外壳的连接器；
一个配置在所述外壳内的电压传感器板，具有一个响应所述母线周围的电场、产生一个表示所述电场的均方根值的第一直流输出的第一模拟处理器；以及
一个配置在所述外壳内的电流传感器板，具有一个响应所述母线周围的磁场、产生一个表示所述磁场的均方根值的第二直流输出的第二模拟处理器。
2.一种按照权利要求1所述的装置，其中所述第二模拟处理器包括一个模拟均方根变换器。
3.一种按照权利要求1所述的装置，其中所述第一模拟处理器包括一个模拟均方根变换器。
4.一种按照权利要求3所述的装置，其中所述第二模拟处理器包括一个模拟均方根变换器。
5.一种按照权利要求4所述的装置，其中，所述第一模拟处理器还包括一个响应表示所述电场的电信号、具有接到所述第一模拟均方根变换器的一个输入端的一个输出端的第一带通滤波器，以及一个响应所述第一均方根变换器的输出、产生一个表示所述电场的第一电信号的第一低通滤波器；以及
所述第二模拟处理器还包括一个响应表示所述磁场的电信号、具有接到所述第二模拟均方根变换器的一个输入端上的一个输出端的第二带通滤波器，以及一个响应所述第二均方根变换器的输出、产生一个表示所述磁场的第二电信号的第二低通滤波器。
6.一种按照权利要求5所述的装置，所述装置还包括一个响应所述第一电信号、产生第一缓冲电信号的第一缓冲器，以及一个响应所述第二电信号、产生第二缓冲电信号的第二缓冲器。
7.一种按照权利要求1所述的装置，其中，所述电压传感器板配置成产生与所述母线上的射频信号的均方根电压成正比的所述第一直流输出，所述电流传感器板配置成产生与所述母线上的射频信号的均方根电流成正比的所述第二直流输出。
8.一种按照权利要求1所述的装置，其中，所述电压传感器板与所述电场耦合以产生第一采样射频信号，而所述电流传感器板与所述磁场耦合以产生第二采样射频信号；而且，所述装置还包括一个响应所述第一采样射频信号和所述第二采样射频信号、产生一个表示所述第一采样射频信号与所述第二采样射频信号之间的相位差的信号的相位比较器。
9.一种按照权利要求8所述的装置，其中，所述第一采样射频信号和所述第二采样射频信号提供给所述外壳上的外部射频连接器，以及所述相位比较器在所述外壳外安装在所述外部射频连接器上。
10.一种按照权利要求8所述的装置，所述装置还包括一个功率与阻抗电路，该电路响应表示所述相位差的所述信号、所述第一直流输出和所述第二直流输出，以产生表示其上加有射频信号的负载的阻抗和加到该负载上的射频信号的功率量的信号。
11.一种按照权利要求8所述的装置，所述装置还包括一个配置成测量射频信号的频率的数字信号处理器。
12.一种按照权利要求1所述的装置，所述装置电耦合到一个等离子腔。
13.一种按照权利要求12所述的装置，所述装置安装在一个等离子腔上。
14.一种用于检测一条采样传输线内的均方根电场和均方根磁场的射频探测头，所述探测头包括：
一个导电外壳，一对配置成通过所述外壳耦合射频信号的射频端口；
在所述外壳内的模拟电路，配置成产生一个与所述导电外壳内由所述射频信号产生的电场的均方根值成正比的第一直流输出、以及产生一个与所述导电外壳内由所述射频信号产生的磁场的均方根值成正比的第二直流输出；以及
一对配置成将所述第一直流输出和所述第二直流输出耦合到所述导电外壳外部的端口。
15.一种按照权利要求14所述的探测头，其中所述电路包括多个配置成减少加到所述探测头上的射频信号的谐波的滤波器。
16.一种按照权利要求14所述的探测头，其中，所述导电外壳包括一个具有第一敞口端和一个相对的第二敞口端的空心壳体、一个覆盖所述第一敞口端的第一盖板和一个覆盖所述第二敞口端的第二盖板；所述射频端口对包括一对配置在所述空心壳体相对表面上的、具有通过所述外壳内的一条母线电连接的中心导体的连接器；以及，所述电路包括一个安装在所述导电外壳内位于所述母线与所述第一盖板之间的电压传感器板，和一个安装在所述导电外壳内位于所述母线与所述第二盖板之间的电流传感器板。
17.一种用一个射频探测头测量射频电压和电流的方法，所述方法包括下列步骤：
使射频功率通过具有一个导电外壳的射频探测头；
检测导电外壳内由射频功率产生的电场和磁场，以产生一个表示该外壳内的电场的第一电信号和一个表示该外壳内的磁场的第二电信号；以及
对第一电信号和第二电信号进行模拟处理，以产生表示所述电场的均方根值的第一直流输出和表示所述磁场的均方根值的第二直流输出；
其中，所述处理完全在导电外壳内执行。
18.一种按照权利要求17所述的方法，其中所述处理完全用模拟电路执行。
19.一种按照权利要求17所述的方法，其中，所述处理包括对第一电信号和第二电信号进行滤波，以除去通过射频探测头的射频功率的谐波。
20.一种按照权利要求19所述的方法，其中所述处理完全用模拟电路执行。
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