JP2023534624A - Ｒｆ電圧及び電流（ｖ－ｉ）センサ並びに測定方法 - Google Patents

Abstract

無線周波数（ＲＦ）システムは、負荷にＲＦ信号で給電するように構成されたＲＦ電源と、ＲＦ電源を負荷に結合する接地に接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の中心軸線に位置合わせされた電流センサとを含む。センサ筐体は、ＲＦ管の周囲に配置され、センサ筐体は、ＲＦ管の外側導体に接続された導電性材料を含む。ギャラリは、センサ筐体内に且つＲＦ管の外側導体の外側に配置され、電流センサは、ギャラリ内に配置される。ＲＦ管の外側導体におけるスリットは、ＲＦ管の内側導体内のＲＦ信号の電流によって電流センサを磁界にさらす。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年６月２６日に出願された同時係属中の米国特許出願第１６／９１３，５４５号明細書（代理人整理番号：２００３９１ＵＳ０１）、及び２０２０年６月２６日に提出された米国特許出願第１６／９１３，５４８号明細書（代理人整理番号：１９０８８３ＵＳ０１）に関連しており、また、２０２０年６月２６日に出願された米国特許出願第１６／９１３，５２６号明細書（代理人整理番号：１９０９０７ＵＳ０１）の優先権を主張するものであって、これらの出願は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概してプラズマ処理システム及び方法に関し、特定の実施形態では、無線周波数（ＲＦ）電圧及び電流センサ並びに測定方法に関する。

概して、半導体集積回路（ＩＣ）の進歩は、低コストで高機能化を求める要求によって推進される。低コストでの高機能化は、主に小型化を通じて構成要素の実装密度を高めることによって実現される。ＩＣは、導電線、接点、及びビアのマルチレベルシステムによって相互接続された電子部品（例えば、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ）のネットワークである。回路網の素子は、化学気相成長（ＣＶＤ）、フォトリソグラフィ、及びエッチングなどの、プロセスステップを含む製造フローを使用して、半導体基板上に誘電体、導電体、及び半導体材料の層を順次堆積させパターニングすることによって共に集積される。回路素子の実装密度は、液浸リソグラフィ及び多重パターニングなどの技術革新により、最小フィーチャサイズを一定期間ごと縮小することによって高められてきた。更なる小型化は、３次元（３Ｄ）デバイス構造（例えば、ＦＩＮＦＥＴ及びスタックトキャパシタメモリセル）を用いてデバイスのフットプリントを低減することによって達成される。

反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、プラズマ励起原子層エッチング及び堆積（ＰＥＡＬＥ及びＰＥＡＬＤ）、並びに周期的プラズマ処理（例えば、堆積とエッチングとを交互に行うサイクル）などのプラズマ処理が、半導体ＩＣの製造に使用される堆積及びパターニングステップで通常使用される。しかしながら、原子スケールの寸法で制御された構造的フィーチャに関する数ナノメートルまで縮小されたフィーチャサイズの出現に伴って、高度なＩＣ設計のための製造に適したプラズマ技術の実現を求める要求が高まっている。製造に適したプラズマ処理は、プラズマエッチング（例えば、側壁角度、異方性、及びエッチング停止層に対する選択性）とプラズマ蒸着（例えば、共形性、アスペクト比の選択性、及びボトムアップパターニングの面積選択性）の両方のための精密に制御されたフィーチャ、及び幅広の（例えば、３００ｍｍの）ウェハ全体にわたる均一性と共に、精密な寸法（例えば、線幅、エッチング深さ、膜厚）を有する構造を提供することが期待される。ＩＣ製造で使用されるプラズマ処理の多くでは、プラズマは、ＲＦ電力によって維持される。プラズマ特性は、処理チャンバに送達されるＲＦ電力によって影響を受けるので、プラズマ処理の精密な制御には、目立たない正確なＲＦ信号の革新的な計測が必要となる場合がある。

本発明の実施形態に従って、無線周波数（ＲＦ）システムは、負荷にＲＦ信号で給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を負荷に結合する接地に接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の中心軸線に位置合わせされた電流センサとを含む。電流センサは、ＲＦ信号の電流を監視するように構成され、ＲＦ管に近接して配置された導電性半ループを含み、導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む。電流センサは、第１の端部と第２の端部との間に出力信号を出力するように構成される。センサ筐体は、ＲＦ管の周囲に配置され、センサ筐体は、ＲＦ管の外側導体に接続された導電性材料を含む。ギャラリは、センサ筐体内に且つＲＦ管の外側導体の外側に配置され、電流センサは、ギャラリ内に配置される。ＲＦ管の外側導体におけるスリットは、ＲＦ管の内側導体内のＲＦ信号の電流によって電流センサを磁界にさらす。

本発明の実施形態に従って、無線周波数（ＲＦ）システムは、負荷にＲＦ信号で給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を負荷に結合する基準電位ノードに接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線を中心として軸対称に配置された第１の電圧センサであって、第１の電圧センサは、ＲＦ信号の電圧を監視するように構成される、第１の電圧センサとを含む。

本発明の実施形態に従って、無線周波数（ＲＦ）信号を測定する方法は、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線に位置合わせされた電流センサを有することであって、電流センサは、センサ筐体内に且つＲＦ管の外側導体の外側に配置されたギャラリ内に配置される、有することを含む。センサ筐体は、ＲＦ管の周囲に配置される。電流センサは、導電性半ループを含み、導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む。本方法は、第１の端部と第２の端部との間の出力信号を測定することに基づいて、ＲＦ信号の電流を特定することを含む。

本発明及びその利点をより完全に理解するために、ここで、添付図面と併せて読まれるべき以下の説明を参照する。

半導体ＩＣ製造用の汎用プラズマ処理システムのブロック図を示す。 実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの断面図を示す。 実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの電流センサの水平断面図を示す。 実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの斜視図を示す。 図２Ａに示すＶ－Ｉセンサの切欠図を示す。 いくつかの実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの切欠図を示す。 いくつかの実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの切欠図を示す。 いくつかの実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの切欠図を示す。 いくつかの実施形態による、ＲＦ管用のＶ－Ｉセンサの斜視図を示す。 図６Ａに示すＶ－Ｉセンサの切欠図を示す。 図６Ａに示すＶ－Ｉセンサの断面図を示す。 一実施形態による、図６Ａに示すＶ－Ｉセンサの電流センサ素子の斜視図を示す。 いくつかの実施形態による、ＲＦ管用の電流センサアセンブリの斜視図を示す。 図７Ａに示す電流センサアセンブリの分解図を示す。 ＲＦ管用のＲＦ導体を伴う、図７Ａの電流センサアセンブリの切欠分解図を示す。 いくつかの実施形態による、図７Ｃに示すＲＦ管用のＲＦ導体を有する電流センサアセンブリの切欠図を示す。 図７Ｃに示す、ＲＦ導体を有する電流センサアセンブリの底部分の平面図を示す。

図１Ａ～図７Ｅにおける全ての３桁の参照番号の最後の２桁は、常に同様の構成要素を表す。

本開示の実施形態の作製及び使用について、以下で詳細に述べる。しかしながら、本明細書に開示する概念は種々の具体的な文脈で具現化することができ、本明細書で述べる具体的な実施形態は例示的なものに過ぎず、特許請求の範囲を限定する役割を果たすものではないことを認識すべきである。

本開示では、電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）、及び無線周波数（ＲＦ）電気信号の電圧と電流の位相角（Φ）を正確に測定するために使用されるセンサ設計及び方法を説明する。本明細書で説明する電圧－電流（Ｖ－Ｉ）センサの実施形態は、ＲＦ管と呼ばれる、同軸伝送線路に沿ったＲＦ電磁波の電界及び磁界のプロービングに適用されている。

半導体製造におけるプラズマ処理（例えば、プラズマエッチング及び堆積プロセスでは、多くの場合、プラズマを維持するためにＲＦ電力が使用される。当業者に知られているように、プラズマチャンバ内でプラズマを維持するＲＦ信号は、プラズマ特性に影響を及ぼす。そして、プラズマ特性（例えば、電子密度、プラズマシースの厚さ、イオンフラックスとラジカルフラックスとの比など）は、プラズマ処理のエッチング及び／又は堆積特性に影響を及ぼす。

様々な実施形態において、本出願は、ＲＦ管を通るＲＦ信号の電流及び電圧を測定するためのＲＦ Ｖ－Ｉセンサについて説明する。ＲＦ管という用語は、ここでは、プラズマ反応器（プラズマ処理システムと呼ばれる）の一部分から別の部分にＲＦ電力を搬送する、同軸伝送線路を指す。ＲＦ管を通して伝送される、波形Ｉ及びＶは、位置（ｘ）及び時間（ｔ）の関数Ｉ（ｘ，ｔ）及びＶ（ｘ，ｔ）である。単一の周波数成分ｆが存在する場合、電流及び電圧は、Ｒｅ（Ｉ（ｘ）ｅ^ｊωｔ）及びＲｅ（Ｖ（ｘ）ｅ^{ｊ（ωｔ＋Φ}））として簡潔に記述された正弦波形によって表され、ここで、ω＝２πｆであり、ｊ^２＝－１であり、Ｒｅは複素関数の実部である。上述したように、Ｉ及びＶは各々大きさを有し、Ｉ及びＶの各々は、位相角Φによって他方から区別される。概して、波形、Ｉ及びＶは、複数の周波数成分を含み得る。電圧Ｖ（ｘ，ｔ）は、接地された外側導体（又はシールド）に対するＲＦ管（又は同軸伝送線路）の内側導体（又はコア）の電位を指し、接地は、ＲＦシステムの基準電位を表す。

様々な実施形態で説明するような、ＲＦ Ｖ－Ｉセンサは、幾何学的対称性と差動測定法とを使用して、センサの位置において高精度でＶ及びＩを提供し得る。いくつかのＶ－Ｉセンサは、ＲＦ管に沿った様々な位置で使用され、そこでＲＦ信号をプローブし得る。Ｖ及びＩは位置ｘの関数であるので、各Ｖ－Ｉセンサは、それぞれの所望の測定位置のできるだけ近傍に位置決めされ得る。例えば、プラズマチャンバに提供されるＲＦ信号の電圧及び電流の正確な測定値を用いてプラズマ処理を監視し制御することが望ましい場合、その目的で使用されるＶ－Ｉセンサは、ＲＦ信号がプラズマチャンバ内に入る場所の近傍に位置決めされ得る。本明細書で説明する様々な実施形態は、コストを増加させずにＶ－Ｉセンサの測定精度及び感度を高め、それにより、同じコストでのより優れた再現性とより厳密なプロセス制御を伴うプラズマ処理を提供する向上した能力をプラズマ処理システムに与える。追加的に、ＲＦプローブは、生産フローにおけるプラズマ処理のための確立されたレシピの時間と費用がかかる再作成なしに、改良されたＶ－Ｉセンサを既存のプラズマ処理装置に容易に後付けできるように、目立たないように設計される。

本開示では、まず、プラズマ処理システムでのＶ－Ｉセンサの使用について、図１Ａに示すブロック図を参照して説明する。次に、プラズマ処理システムにおけるＶ－Ｉセンサの基本構造及び動作原理について、実施形態による図１Ｂに示す概略図を参照して説明する。次いで、Ｖ－Ｉセンサ設計（図１Ｂの概略図における基本構造と同様の設計）の革新的な態様の一部について、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４及び図５に示すＶ－Ｉセンサの例示的な実施形態を参照して説明する。

図１Ｂを参照して以下で詳細に説明するように、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４、及び図５の実施形態における電圧センサは、軸対称性を有し、ＲＦ管の内側に配置された導電性リングであって、電流の流れ方向に平行に延在する長手方向中心軸線の周囲にループを形成する導電性リングとして設計される。軸対称設計によってもたらされる利点については、図２Ｂを参照して後述で説明されている。

例示的な実施形態におけるそれぞれの電流センサは、ＲＦ管の外側周囲のスリーブ又はギャラリ内に位置する。ギャラリは、センサ筐体内側の空洞である。センサ筐体は、ギャラリを覆う導電性壁を有し、ＲＦ管の外側導体に接続され、それにより、接地に接続され得る。図１Ｂを参照して以下で詳細に説明するように、電流センサは、２つの開放端を有する単一の導電性ループ（半ループと呼ばれる）であり、ループは、例えば、同軸ケーブルによって電流センサに接続された外部Ｖ－Ｉ解析装置の構成要素を使用して完成される。Ｖ－Ｉ解析装置は、電流及び電圧センサから受信した生信号を解析する測定システムである。以下で更に説明するように、電流センサの両端部は、正確な解析のための差動測定を行うために、Ｖ－Ｉ解析装置に接続され得る。しかしながら、精度を犠牲にしてシステムを簡素化するために、電流センサの端部の一方のみがＶ－Ｉ解析装置に接続され、他方の端部は、接地に対する負荷インピーダンスによって（例えば、５０オームの負荷によって）終端される又は接地に短絡される。接地接続は、センサ筐体への直接接続であり得る。この構成では、ギャラリの外側接地カバーは、半ループの２つの端部間の回路内にあり、ループを完成させるのに大きく寄与する。本開示で説明する電流センサの実施形態を使用する別のＲＦシステムでは、閉ループ全体が、適切なインピーダンス整合及び１つ又は複数の外部信号接続を伴ってギャラリ内に収容され得る。

図１Ｂ～図５を参照して説明する例示的な実施形態では、半ループ電流センサの電流ループは、３つの導電素子を含む１つの導電性巻回を有する。電流センサの半ループの３つの導電素子は、ＲＦ管の中心軸線に平行な向きに配置された水平分岐部によって接続された２つの同一の垂直分岐部である。よって、本明細書で述べる電流センサ設計は、ＲＦ管の中心軸線に垂直な鏡面であって、２つの垂直分岐部の中間を通る鏡面に関して鏡面対称性を有する。鏡映対称性を有する利点については、図２Ｂを参照して後述で説明されている。しかしながら、一巻回半ループ電流センサは、ＲＦ管の片側に位置しており、軸対称性に欠けている。軸対称の多巻回半ループ電流センサ設計について、図６Ａ～図７Ｅを参照して説明し、実施形態は、円環状マンドレルを利用して、多巻回電流ピックアップを機械的に支持する。

本開示で説明するＶ－Ｉセンサ設計の革新的な態様は、いくつかの利点をもたらし得る。例えば、電磁波の電界及び磁界の非侵入プロービングが、ＲＦ管内のＲＦ信号の無視できるほど僅かな妨害しか伴わないＶ－Ｉ測定を行うことを可能にするために使用されている。また、幾何学的対称性及び差動測定技術は、有利には、構成要素を形成するために使用されるツールの標準公差に起因する加工公差と、Ｖ－Ｉセンサの組み立て時の位置決め誤差とに対する感度の低い測定であり得る測定を提供するために、センサ設計において利用され得る。加えて、いくつかの構造強化技術が利用されており、例えば、Ｖ－Ｉセンサの素子の二重配置が、幾何学的対称性を高めるために行われ得、追加の機械的支持を与えるように設計された部分が、組み立て時に機械的応力によって生じる重要なセンサ部品の僅かな形状変形でさえも低減／抑制するために配置され得る。したがって、本開示で説明する実施形態を使用することによって、より厳密な加工公差によるコストの増加を招かずに、精度の向上したＲＦ Ｖ－Ｉ測定が実現され得る。

図１Ａは、半導体ＩＣ製造に使用され得る汎用プラズマ処理システムのブロック図である。

ここで図１Ａを参照すると、プラズマ処理システムでは、ＲＦ信号は、高電力ＲＦ電源１０、例えば、ＲＦ電力増幅器に結合されたＲＦ発振器によって生成され得る。ＲＦ信号波形（例えば、周波数、振幅、パルス状／連続など）は、プログラマブルコントローラ２０及び関連する電子回路によって調整され得る。図１Ａにプラズマチャンバ３０として示すブロック内のプラズマに結合された電極にＲＦ電力をもたらすために、ＲＦ信号が、導管、例えば、ＲＦ管１１０を通して伝送され得る。

当業者には知られているように、ＲＦ管１１０内のＲＦ信号は、進行するＲＦ電磁波の組み合わせとして表され得る。ＲＦ電源１０の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとのインピーダンス不整合は、ＲＦ電源１０から負荷に向かって進むＲＦ電力の一部が反射してＲＦ電源１０へ逆戻りする結果をもたらす。このような望ましくない反射を抑制するために、整合ネットワークを含む整合器４０が、図１Ａに示すように、ＲＦ電源１０とプラズマチャンバ３０との間のＲＦ信号経路に挿入され得る。整合ネットワークの入射電力に対する反射電力の比率は、整合器４０によって（例えば、Ｖ－Ｉセンサ及び解析装置を使用して）検知され、プログラマブルコントローラ２０に提供され得る。プログラマブルコントローラ２０は、例えば、フィードバック制御ループ（整合器４０とプログラマブルコントローラ２０との間の２つの矢印によって図１Ａに示す）を使用して整合ネットワークのインピーダンスを調整することによって、反射して整合ネットワークからＲＦ電源１０へ逆戻りするＲＦ電力を低減し得る。

プラズマは、例えば、ＲＦ管１１０によってＲＦ電源１０からプラズマチャンバ３０の電極に送達されるＲＦ電力を使用して、プラズマチャンバ３０内で維持され得る。図１Ａに示すように、Ｖ－Ｉセンサ１００は、電極に提供されるＲＦ信号の電流及び電圧を検知するために使用され得る。様々なプラズマチャンバ設計において、電極は、チャンバ壁の内側に位置し得る、例えば、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）チャンバ内の円盤状電極又はチャンバ壁の外側のアンテナであり得る。例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）チャンバ内において、アンテナは、誘電体窓の上方に配置された導電性平面螺旋状物、又は誘電体円筒の周囲に巻き付けられた導電性螺旋線であり得る。図１Ａにプラズマチャンバ３０として示すブロックは、プラズマに結合された電極及びアンテナを含む。簡略化するために、本開示では、電極という用語は、電極及び／又はアンテナを指す。プラズマチャンバ３０は、少なくとも２つの電極、例えば、それらの間のプラズマに電気的に結合された上部電極及び下部電極を含む。いくつかの設計では、下部電極が基板ホルダでもあることが有利である場合がある。

図１Ａのブロック図は、単一のＲＦ電源１０からプラズマチャンバ３０にＲＦ電力を送達するＲＦ管１１０を示しているが、２つ以上の電極にＲＦ電力を提供する２つ以上のＲＦ電源が存在する場合がある。例えば、それぞれのＲＦ管と、整合器と、下部電極に提供されるＲＦ信号の電圧及び電流を検知するためにプラズマチャンバの近傍に位置決めされたＶ－Ｉセンサとを使用して、ＲＦ電源１０は、プラズマチャンバ３０の電極（例えば、上部電極）にＲＦ電力を提供し得、第２のＲＦバイアス電源は、プラズマチャンバ３０の別の電極（例えば、下部電極）にＲＦバイアス電力を供給し得る。

図１Ａでは、ＲＦ信号を受信する電極の近傍でＲＦ信号の電流及び電圧を検知して測定するために使用されるＶ－Ｉセンサ１００は、Ｖ－Ｉ解析装置６０に接続される。Ｖ－Ｉ解析装置６０は、矢印で示すように、Ｖ（ｔ）及びＩ（ｔ）を反映する、生の出力波形をＶ－Ｉセンサ１００から受信し得る。Ｖ－Ｉ解析装置６０は、生波形から様々なＲＦ信号特性を抽出し得る信号プロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサであり得る。様々なＲＦ信号特性は、大きさ｜Ｖ｜、｜Ｉ｜と、ＶとＩの位相角（Φ）と、ピークＲＦ電力｜Ｖ｜｜Ｉ｜ｃｏｓΦとを含み得る。加えて、複数の周波数成分を抽出するために、高調波解析が行われ得る。測定されたＲＦ信号特性は、自由電子及びイオン密度並びにイオン／ラジカルフラックス及びエネルギーなどのプラズマ特性及びプラズマインピーダンスを反映し得る。Ｖ－Ｉ解析装置６０は、例えば、周波数（例えば、約０．４ＭＨｚ～約１ＧＨｚ）及び電力（例えば、約０．０１５ｋＷ～約３０ｋＷ）の範囲にわたるＲＦ較正信号、標準負荷インピーダンス（例えば、短絡、開回路、５０オームなど）、並びにベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）を使用して再較正され得る。

図１Ａの矢印で示すように、プラズマ特性を反映する様々なＲＦ信号特性が、Ｖ－Ｉセンサ１００及びＶ－Ｉ解析装置６０によってプログラマブルコントローラ２０に提供され、例えば、プロセス監視又は終点検出のために使用され得る。加えて、プログラマブルコントローラ２０は、受信したＲＦ測定値をプロセス制御のために使用し得る。当業者に知られているように、プラズマ特性は、プラズマに結合されたＲＦ信号を変化させることによって変化させることができる。プログラマブルコントローラ２０は、ＲＦ測定からの情報を使用して、例えば、ＲＦ電源１０の設定を調整することによって、又は整合器４０の整合ネットワークのインピーダンスを調整することによって、プラズマ処理を制御し得る。

プラズマのパラメータを推定して制御するためにＶ－Ｉセンサ１００が使用される実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ１００をプラズマチャンバ３０の近傍に設置することが有利であり得る。電極位置におけるＲＦ信号のＶ及びＩは、異なる位置においてそこに位置するＶ－Ｉセンサ１００によって測定されたＶ及びＩから推定され得る。しかしながら、電極におけるＶ及びＩの測定誤差は、電極とＶ－Ｉセンサとの間の距離を増大させるにつれて増加し得る。理論的には、２つの位置間のセンサ信号を変換するために使用される伝達行列は、２つの位置間の距離が増大するにつれて、単位行列から更に逸脱する。よって、電極位置について推定されるＶ及びＩは、それぞれの伝達行列を推定する際の誤差に対してますます敏感になる。

ここで図１Ｂを参照すると、Ｖ－Ｉセンサ１００は、一実施形態に従って、プラズマチャンバ３０に接続するＲＦ管１１０に取り付けられる。ＲＦ管１１０は、共有される長手方向軸線を中心に同心円状に配置された２つの導電管（例えば、アルミニウム又は銅管）を含む同軸構造であり得る。内側導体１２０と呼ばれる、内側導電管は、左向き矢印で示す整合器４０の出力端子に電気的に接続され得る。外側導体１３０と呼ばれる、外側導電管は、一般に接地と呼ばれる、基準電位に接続された接地シースであり得る。ＲＦ管１１０は、整合器４０からプラズマチャンバ３０にＲＦ電力を搬送するので、主同軸線路と呼ばれることがある。本開示における他の同軸線路は、同軸信号線路（例えば、Ｖ－Ｉセンサ１００からＶ－Ｉ解析装置６０に信号を搬送するために使用され得る同軸線路）と呼ばれる。

Ｖ－Ｉセンサ１００は、２つの主要な構成要素、すなわち、電流センサ１４０と電圧センサ１５０とを含む。電流センサ１４０は、導電性壁（例えば、アルミニウム、真鍮、ステンレス鋼、又は銅）を備えたセンサ筐体１６５内側の環状ギャラリ１６０内に配置され得る。図１Ｂに概略的に示す実施形態では、ギャラリ１６０は、外側導体１３０の外側の全周に沿った中空環状領域であって、ＲＦ管１１０の軸線を中心に軸対称である中空環状領域である。ギャラリ１６０の軸対称設計は、ＲＦ管１１０内を伝搬するＲＦ電磁波の更なる反射及び非軸対称波モードを防止する利点をもたらす。ギャラリ１６０及び導電性のセンサ筐体１６５は、ＲＦ管１１０と一体的に形成され得るか、又はＲＦ管１１０を中心として対称に取り付けることができ、ＲＦ管１１０の長手方向軸線と電流センサ１４０との位置合わせ誤差を防ぐのに役立つように組み立て時に位置決めされ得る。いずれの場合にも、導電性のセンサ筐体１６５及び外側導体１３０は、電気的及び物理的に接続される。よって、センサ筐体１６５は、同軸ＲＦ管１１０の外側導体１３０の延長部とみなされ得る。

図１Ｂの実施形態は環状ギャラリ１６０を有するが、いくつかの他の実施形態では、ギャラリは環状でない場合もある。いくつかの他の実施形態では、ＲＦ管１１０の軸対称性は、例えば、ＲＦ管１１０の曲がり、及びＶ－Ｉセンサ設計における非対称性に起因する軸対称性の更なる低下などによって、不可避的に損なわれている可能性があり、重要ではない場合がある。その時には、Ｖ－Ｉセンサ設計における軸対称性を緩和することが合理的であり得る。例えば、ギャラリは、外側導体１３０の円周に部分的に従い、ＲＦ管１１０の完全な回路を形成しない場合がある。

図１Ｂ及び図１Ｃを参照すると、ギャラリ１６０は、ギャラリ１６０の中空領域とＲＦ管１１０とを接続するスリット１３２を除いてセンサ筐体１６５の導電性表面と外側導体１３０とで完全に囲まれた状態で示されている。電流センサ１４０の電流ピックアップ１４１は、スリット１３２の真上のギャラリ１６０内に位置する状態で示されている。図１Ｂに示す実施形態では、電流ピックアップ１４１は、矩形の３辺（半ループと呼ばれる）、すなわち、２つの垂直分岐部１４２及び水平分岐部１４３として配設された３つの導電性分岐部を含む。一実施形態では、２つの垂直分岐部１４２は各々、水平分岐部１４３の開口にねじ込まれる。

図１Ｂの実施形態では、電流ピックアップ１４１の垂直分岐部及び水平分岐部は、３つの別個の部分を使用して形成される。いくつかの他の実施形態では、異なる数の部分（より少ない／多い）が使用され得る。

スリット１３２は、磁束がギャラリ１６０に侵入することを許容するように設計される。内側導体１２０を流れる電流は、内側導体１２０と外側導体１３０との間の領域において、長手方向軸線ＬＡ１を中心に内側導体１２０の周囲を周回する磁束をもたらす。スリット１３２がなければ、外側導体１３０の内面を流れる等しいが逆向きのリターン電流が、アンペールの法則に従って、内側導体１２０内の電流による周回磁束を打ち消すため、外側導体１３０の外側の磁束はほぼゼロになる。スリット１３２は、円筒状の外側導体１３０の連続性を遮断することによって、センサ筐体１６５の外側導電体の内面に沿って流れるようにリターン電流を迂回させる。それにより、半ループ電流ピックアップ１４１を収容するギャラリ１６０の中空領域は、内側導体１２０を流れる電流とそれぞれのリターン電流との間の領域内に収まる。アンペールの法則によって、電流ピックアップ１４１の矩形の半ループを通り抜ける磁界がギャラリ１６０内に生じる。一例では、スリット１３２は、電流ピックアップ１４１の半ループを通る抜ける磁束を最大化するのに役立つように、円筒状の外側導体１３０の全周にわたって延び得る。

磁束に加えて、接地された外側導体１３０と内側導体１２０との電圧差に起因して内側導体１２０から電束が生じる。望ましくない電束は、外側導体１３０に作られたスリット１３２によって設けられた、接地シースにおける間隙を通ってギャラリ１６０内に漏出し得る。電流ピックアップ１４１の半ループを通り抜ける変化する磁束によって、その位置におけるＩ（ｔ）の尺度である電気信号が誘導される。しかしながら、ギャラリ１６０内に入る電束は、電流ピックアップ１４１と結合し、磁束によって生じる信号に悪影響を及ぼし得る。よって、図１Ｃに示すように、スリット１３２は、約１ｍｍ～約５ｍｍの幅（ＬＡ１に平行な寸法）を有するように設計される。スリット１３２の幅は、ＲＦ管１１０の内側からギャラリ１６０内に入る電束を減少させるのに役立つように狭く保たれ得る。

図１Ｂ～図５を参照して説明するＶ－Ｉセンサの実施形態に使用されるスリット設計は、外側導体の周囲に沿ったリングのような形状とされるが、様々な他の設計も可能であることが理解される。例えば、図７Ａ～図７Ｅを参照して説明する電流センサアセンブリでは、ジグザグ状スリット設計が使用されている。

電流センサ１４０の導電部は、空隙（又は他の絶縁体）によって、また、図１ｂの絶縁部１６２（及び図２Ａ～図５に示す同様の他の部分）などの、機械的支持に使用される絶縁部品によって、外側導体１３０及びセンサ筐体１６５の導電性表面から絶縁され得る。

電流ピックアップ１４１は、形態的に、２つの垂直分岐部１４２と水平分岐部１４３とを備えた矩形断面を有する領域の周囲を一周する半ループ（２つの開放端を有するループ）である。一巻回半ループ電流ピックアップ１４１は、ＲＦ管１１０に沿って進行するＲＦ電磁波から発生する時間的に変化する磁界の存在下で位置決めされ得る。ファラデーの法則によって、時間的に変化する電圧差は、電流ピックアップ１４１の２つの端部間に誘導され、時間的に変化する磁束に比例し得る。電流ピックアップ１４１の２つの端部は、図１Ｂにおいてセンサ筐体１６５の上に示す左右対称な１対の端子１４４に取り付けられ得る。一実施形態では、端子１４４は、同軸信号線路を接続するために使用される同軸ケーブルコネクタであり得る。

以下で更に詳細に説明するように、電流ピックアップ１４１に対称設計を使用することが有利である。この対称性は、例えば、電流センサの２つの端子１４４間の差動電圧を測定することによって２つの垂直分岐部１４２における寄生信号を打ち消すために、測定システム（例えば、図１Ａ及び図１ＢのＶ－Ｉ解析装置６０）によって利用される。この測定方法では、電流センサ１４０からの差動信号は、電流センサ１４０の出力信号であり、例えば差動増幅器を使用して検出され得る。

電流ピックアップ１４１の半ループは、終端インピーダンスと初期検出システムの入力インピーダンスとケーブルのインピーダンス（電流センサ１４０の出力信号を測定システムの初期検出システムに伝送するためにケーブルが使用される場合）との組み合わせによって、Ｖ－Ｉセンサの外部で完成される。初期検出システムが電流センサ１４０自体に配置される場合、検出器のインピーダンスをケーブルのインピーダンスに整合させる必要性が取り除かれ得る。測定システムが電流センサ１４０から離れている場合、端子１４４は、例えば同軸ケーブルを含む同軸信号線路を使用して、測定システムの初期検出システムに接続され得る。同軸ケーブルは、典型的には約２０オーム～約３００オームの範囲のインピーダンスを有する。インピーダンス不一致に起因する測定システムからの反射を防ぐために、同軸信号線路を整合インピーダンスで終端させることが有利である。また、電流センサ１４０の２つの端部端子１４４を、対称的に終端された対称同軸信号線路に接続し、それにより、電流センサ１４０の出力信号の対称性を維持することも有利である。例えば、一実施形態では、５０オームの終端を有する１対の同一の５０オーム同軸ケーブルが使用され得る。

上述したように、電流センサの出力信号として差動信号を使用することによって、Ｉを測定する際のより高い精度がもたらされる。差動信号を検出するために、例えば１対の同軸ケーブルを使用して、１対の端子１４４からの１対の信号を初期検出システムに提供しなければならない。しかしながら、精度のある程度低下を伴って、電流センサは、１対の端子１４４のうちの１つの端子において信号を検出する測定システムと併せて使用されることもある。（差動信号を検出するのではなく）１対の端子１４４の第１の端子において信号を検出するシステムでは、１対の端子１４４の第２の端子は、第１の端子におけるインピーダンスをできるだけ厳密に反映するインピーダンスに接続され得る。例えば、第１の端子は、初期検出システムの５０オームの入力ポートに信号を伝送するために、第１の５０オーム同軸ケーブルに接続され得、第２の端子は、検出器の代わりにケーブルの端部に５０オームの終端を有する第２の同一の５０オーム同軸ケーブルに接続され得る。何か他の適切なインピーダンスが使用され得る、すなわちインピーダンスが５０オームである必要はないことに留意すべきである。更に、第２の同軸ケーブルは省略されてもよく、適切なインピーダンス終端が、１対の端子１４４の第２の端子に直接取り付けられ得る。

電流センサ１４０を接続するために使用される素子を含む、測定システムの設計は、電子部品の寄生容量による接地に対するインピーダンスも考慮に入れる。寄生容量インピーダンスの周波数依存性のため、ＲＦ周波数での構成要素のインピーダンスは、低周波数又は直流（ゼロ周波数）での構成要素のインピーダンスと大きく異なる場合がある。例えば、抵抗構造に関連する接地に対する寄生容量のため、電気信号の周波数がＲＦ範囲まで増加すると、直流での抵抗部品のインピーダンスが低減され得る。より高い抵抗値を有する抵抗器のインピーダンスは、ＲＦ信号の周波数に対する感度がより高い。接地に対する寄生容量は、幾何学的形状と、抵抗器が配置される幾何学的環境とによって決まるので、抵抗器が高い抵抗値を有する場合、インピーダンスの変動をユニットごとに制御することは困難である。したがって、測定精度を維持するために、初期検出システムがセンサ位置に配置される場合でも、抵抗値がその寄生ＲＦリアクタンスの０．１未満である抵抗器を使用することに初期検出システムの設計を制限することが有利である。

電圧センサ１５０の電圧ピックアップ１５１は、外側導体１３０の内面に沿って配置され得る導電性リングを含む。外側導体１３０及び導電性の電圧ピックアップ１５１は、図１Ｂに示すように、絶縁リング１５２によって互いに絶縁され得る。絶縁リング１５２は、テフロン（登録商標）、又はその他のプラスチック材料、又はその他の好適な誘電体を含み得る。一実施形態では、導電リングなどの、電圧ピックアップ１５１は、内側導体１２０と外側導体１３０との間の空気（又は他の絶縁体）にさらされ得る。別の実施形態では、電圧ピックアップ１５１は、絶縁ハウジングに埋設され得る。全ての実施形態において、電圧ピックアップ１５１（例えば、導電リング）は、外側導体１３０から電気的に絶縁され、絶縁構造によって機械的に支持され得る。

一実施形態では、電圧ピックアップ１５１（例えば、導電リング）の内径は、外側導体１３０の内径と同じであり得る。いくつかの他の実施形態では、電圧ピックアップ１５１（例えば、導電リング）の内径は異なり得る（外側導体１３０の内径よりも小さい又は大きい）。電圧ピックアップ１５１を挿入することによって生じるＲＦ管１１０内の電界及び磁界の摂動は、電圧ピックアップ１５１（例えば、導電リング）の内径及び外側導体１３０の内径が等しい場合、相対的に最も小さくなる。電圧ピックアップ１５１からの出力信号は、以下で更に詳細に説明するように、電圧ピックアップ１５１（例えば、導電リング）の内径が減少するにつれて増加する。電圧ピックアップ１５１への接点は、外側導体１３０の外側に延び、センサ筐体１６５の上方に取り付けられた第３の端子１５３（例えば、第３の同軸ケーブルコネクタ）で終端する。電流ピックアップ１４１、電圧ピックアップ１５１、並びにそれぞれの端子１４４及び１５３への接点は、高導電性を有する金属（例えば、銅）を含み得、これらは全て、外側導体１３０及び導電性のセンサ筐体１６５などの他の導電素子から絶縁され得る。

初期検出システムを電圧センサ１５０の端子１５３に接続する終端インピーダンス及び同軸信号線路の設計に関する考慮事項は、上述したように、初期検出システムを電流センサ１４０の端子１４４に接続する終端インピーダンス及び同軸信号線路の設計に関するものと同様であり得る。電流センサ１４０に関する、上述の内容には、差動出力信号の対称性の維持に関する考慮事項が含まれる。しかしながら、上述の内容のその部分は、Ｖ－Ｉセンサ１００の実施形態では、電圧センサ１５０が、１つのリング状の電圧ピックアップ１５１及び１つの端子１５３のみを有し、その一方で、電流センサ１４０が１対の端子１４４を有するため、電圧センサに適用できない。対称性の考慮事項は、２つの電圧ピックアップリングが対称に配置され、２つの信号の算術平均が、例えば、図３を参照して説明する、Ｖ－Ｉセンサ３００で使用され得る、別の実施形態に適用可能であり得る。

図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、ＲＦ管１１０の長手方向軸線ＬＡ１は、電流ピックアップ１４１の平面Ｐ１内にある。長手方向軸線ＬＡ１はまた、ＲＦ管１１０内の電流の方向に平行である。加えて、図１Ｃでより容易に分かるように、ＲＦ管１１０の長手方向軸線ＬＡ１に直交する方向に沿って、電流ピックアップ１４１は、ＲＦ管１１０の長手方向軸線ＬＡ１を含む第１の鏡面対称面Ｍ１と、第１の鏡面対称面Ｍ１に直交する第２の鏡面対称面Ｍ２とを含む。電流ピックアップ１４１の第１の鏡面対称面Ｍ１とＲＦ管１１０の長手方向軸線ＬＡ１とは、１つ又は複数の実施形態では、同一平面上にある。

磁力線は、長手方向軸線ＬＡ１を中心としたほぼ同心円状であり、半ループの平面Ｐ１を垂直に通過する。この構成では、磁界は、（要求通りに）電流ピックアップ１４１に誘導結合される。電流ピックアップ１４１を外側導体１３０の外側に設置することによって、電界に対する望ましくない結合が著しく弱められる。誘導結合された振動磁界によって、電流ピックアップ１４１（３辺の半ループ）に起電力（ｅｍｆ）が誘導される。誘導起電力は、ファラデーの法則に従って、磁束の変化に関連している。通電導体の周囲の磁界強度はそれぞれの電流を反映するので、電流センサ１４０は、それぞれの位置においてＲＦ管１１０内のＲＦ電流を反映する時間的に変化する電気信号を生成し得る。電流センサ１４０の態様は、両方の端子１４４における電気信号が検出システムによって受信され得、２つの端子１４４間の差動電圧が電流センサ１４０の出力信号として使用され得ることである。差動出力技術によってもたらされる利点について、図２Ｂを参照して以下で更に詳細に説明する。

電位及び電界の大きさの輪郭は、ＲＦ管１１０の長手方向軸線ＬＡ１上に中心を有するほぼ円形である。円形輪郭は、長手方向軸線ＬＡ１に垂直な平面群に含まれる。したがって、電界線は、長手方向軸線ＬＡ１に垂直に、内側導体１２０から径方向に導かれる。リング状の電圧ピックアップ１５１は、ほぼ円形輪郭の１つに位置する。この構成では、内側導体１２０の外側の空間内の振動電界は、電圧ピックアップ１５１に容量結合され、導電性リングは、電磁気学の物理法則に従って、それぞれの位置における内側導体の電位にほぼ比例する振動電位を得る。この振動電位は、電圧センサ１５０の出力信号として使用され得る。内側導体１２０と外側導体１３０との間の径方向電界の大きさは、ガウスの法則に従って、長手方向軸線ＬＡ１からの径方向距離が増大するにつれて減少する。よって、電圧センサ１５０の電圧ピックアップ１５１を内側導体１２０のより近傍に位置決めすることによって、例えば、電圧ピックアップリングの内径を小さくすることによって、電圧センサ１５０の出力信号を増加させ得る。

電圧ピックアップ１５１は電界に容量結合されるが、リング状の電圧ピックアップ１５１の平面に垂直な磁束は、この幾何学形状に対しては無視できるほど少ないので、磁界との結合はほとんど生じない。導電管（この例では内側導体１２０）の周囲の電界強度は、導体の電位を反映しているので、電圧センサ１５０は、それぞれの位置においてＲＦ管１１０上のＲＦ電圧を反映する時間的に変化する電気信号を生成し得る。

生の出力信号（例えば、電流センサ１４０からの１対及び電圧センサ１５０からの別の対）は、矢印で示すように、Ｖ－Ｉ解析装置６０に伝送され得る（図１Ａも参照）。

図２Ａは、Ｖ－Ｉセンサ２００及びＲＦ管の外側導体２３０（外管）の斜視図を示している。図２Ｂは、軸線２Ｂ－２Ｂ’に沿った同じＶ－Ｉセンサ２００の切欠図を示している。図２Ａ及び図２ＢのＶ－Ｉセンサ２００は、図１ＢのＶ－Ｉセンサ１００と同様である。電流センサ２４０及び電圧センサ２５０は、Ｖ－Ｉセンサ２００の環状ギャラリ２６０内に配置される。図２Ａ及び図２Ｂでは、外側導体２３０内側の電圧センサ２５０の電圧ピックアップリング２５１をより良く示すために、ＲＦ管の内側導体が取り除かれている。斜視図（図２Ａ）は、Ｖ－Ｉセンサ２００の３つの端子（この例では同軸ケーブルコネクタ）を示している。ギャラリ２６０の上部の上方に延びる１対の端子２４４は、図２Ｂに見られるように、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１に接続する。第３の端子２５３は、電圧センサ２５０の電圧ピックアップ２５１に接続する。

図２Ｂを参照すると、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１は、３つの導体を含む半ループである。電流ピックアップ２４１の２つの導電性の垂直分岐部２４２は、プラスチック（又は他の絶縁材料）によって金属製センサ筐体２６５から絶縁される。垂直分岐部２４２は、外側導体２３０の上のギャラリ２６０の内側に水平に配置された第３の導体である、水平分岐部２４３の２つの端部に接続する。外側導体２３０の周囲に沿ったスリット２３２は、磁界が半ループの平面を通り抜けて電流ピックアップ２４１の導電性分岐部に起電力を誘導することを可能にする。電流ピックアップ２４１の水平分岐部２４３は、導体の側面に沿った水平な非導電（例えば、プラスチック）部２６２に取り付けられ得る。図２Ａ及び図２Ｂに示すＶ－Ｉセンサ２００の例示的な実施形態では、水平分岐部２４３は、両側のプラスチック部２６２によって、及び水平分岐部２４３の底部と外側導体２３０の上部との間の隙間内の空気によって、接地された金属製センサ筐体２６５及び外側導体２３０から絶縁される。以下で更に詳細に説明する、別の実施形態では、水平分岐部２４３に対する機械的支持は、水平導体の下方の空隙内に配置された追加のプラスチック部によって補強され得る。

電流ピックアップ（例えば、図２Ｂの電流ピックアップ２４０）は、ＲＦ電磁界との相互作用を通じて電気信号を提供する。上で説明したように、ＲＦ電流を反映するのは磁界（電界ではない）である。スリット２３２は、ＲＦ管から、電流ピックアップ２４１が位置するギャラリ２６０内への磁界の侵入を可能にする。電界への電流ピックアップ２４１の結合によって、磁界の測定精度が低下する。電流センサ２４０は、本明細書で説明するように、電界との望ましくない相互作用から生じ得る測定誤差を抑制し得る。まず、Ｖ－Ｉセンサ２００における電流センサ２４０は、接地された外側導体２３０の外側に配置され、それにより、外側導体２３０を用いて電界を遮蔽する。図１Ｂ及び図１Ｃを参照して上述したように、ＲＦ電界は、（ＲＦ管の同軸線ＬＡ１に垂直な径方向にあり、したがって、ギャラリ内に漏出する電束は、ＬＡ１に平行な寸法として上で定義した、スリット幅にほぼ正比例する。スリット２３２の幅は、外側導体２３０におけるスリット２３２によって間隙が生じるためギャラリ２６０内に入る電束の量を低減するために、比較的小さなものとなるように選択され得る。第２に、外側導体２３０があるにもかかわらず空洞に侵入する可能性のある電界の一部の影響を更に低減するために、差動信号が出力信号として使用され得る。理想的には、電流センサの２つの端子２４４間の差動電圧は、電磁気学の理論に従って、振動磁界にほぼ比例する。但し、スリット２３２が存在するため、ギャラリ２６０内の弱い電界が電流ピックアップ２４１に容量結合され得る。しかしながら、電流ピックアップ２４１、スリット２３２、及びギャラリ２６０は、スリット２３２の中心を通る平面に関して鏡面対称となるように構築され得、ＲＦ管の長手方向軸線に垂直な向きに配置される。上述した半ループ電流ピックアップ２４１のこの幾何学的鏡面対称性のため、垂直分岐部２４２に沿った摂動及び２つの端子２４４に現れる電位の摂動は、大きさ及び位相がほぼ等しい。この対称性は、有利には、ギャラリ２６０内の侵入電界との相互作用に起因して、差動信号が電流ピックアップ２４１内の寄生信号の影響を受けないことを意味するため、使用され得る。換言すれば、端子対２４４の第１の端子と第２の端子との電位差は、摂動されず、一次的に正しいままである。電流センサ２４０設計のこれらの態様は、有利には、電流の高精度での測定を達成するために、特に、プラズマチャンバ内の静電基板ホルダにＲＦバイアス信号を提供するなどの用途において使用され得、負荷インピーダンスは、ＲＦ信号がプラズマチャンバ内に入る箇所の近傍で、電界の振幅が相対的に高く、磁界の振幅が相対的に低くなるようなものであり得る。

引き続き図２Ｂを参照すると、外側導体２３０の内面の近傍の外側導体２３０の内側に配置されたリング状の導体は、電圧センサ２５０の電圧ピックアップ２５１である。電圧ピックアップ２５１によって生成される信号の強度は、電圧ピックアップ２５１の寸法によって決まり得る。その直径は外側導体２３０の直径によってほぼ決定され得るが、幅及び厚さは、調整可能な設計パラメータである。この実施形態における導電性の電圧ピックアップ２５１は、Ｖ－Ｉセンサ２００の第３の端子２５３（例えば、同軸ケーブルコネクタ）に１箇所で電気的に接続されたリングである。導電性の電圧ピックアップ２５１は、電圧ピックアップ２５１に取り付けられたリング状の誘電体部品２５２によって導電性の外側導体２３０から絶縁される。

上で説明したように、電圧ピックアップ２５１は、ＲＦ電磁界によって誘導される電荷分極から生じる電気信号をＶ－Ｉセンサ２００の第３の端子２５３に提供する。第３の端子２５３における電位は、内側導体（明確にするために図２Ｂには図示しない）の振動電圧を反映している。ＲＦ電界は、電圧ピックアップ２５１に容量結合される。しかしながら、図１Ｂを参照して上で説明したように、長手方向軸線はリングの平面に垂直であるため、磁界との相互作用は無視できる。

電圧ピックアップ２５１のリング状設計は、本明細書で説明するように、軸対称性を使用して、配置及び寸法決めの誤差の一部に対する電圧センサ２５０の出力の感度を低下させる。第１に、リングの導電性表面における電位が、一次的に、中心軸線（図２Ａの軸線２Ｂ－２Ｂ’及び図１Ｂの軸線ＬＡ１）からのリングの中心位置のずれと無関係であるため、円対称性は、電圧ピックアップ２５１の精密な配置を不要にし得る。むしろ、電圧ピックアップ２５１の電位は、主にリングの寸法（例えば、内径、外径、及び厚さ）によって決まる。対照的に、非対称電圧ピックアップ設計では、電圧ピックアップ導体は、非対称電圧ピックアップの大きさ及び配置に一次的に依存する電位を得る。例えば、マッシュルーム状の電圧ピックアップは、マッシュルームヘッドの導電性表面の寸法だけでなく、内側導体に対するマッシュルームヘッドの位置にも敏感であり得る。このような設計では、電圧ピックアップとＲＦ管の長手方向軸線との間の距離を、場合によりマイクロメータねじゲージを使用して手動で、組み立て時に精密に調整しなければならない。第２に、電圧ピックアップ２５１の設計は、電圧センサ２５０をＶ－Ｉセンサ２００に組み付ける際の中心合わせ誤差をほぼ打ち消し得る。電圧ピックアップ２５１の軸対称性は、電圧ピックアップ２５１の円中心が内側導体の長手方向軸線から僅かにずれていても、一次的に、全電束が変わらないことを確実にする。内側導体のより近傍に配置され得るリングの一方の半部の電束の増加は、ここで、リングの円形状のため、長手方向軸線から離れている導電性リングの他方の半部の電束の付随的な減少によってバランスが保たれる。

図３は、センサ筐体３６５内側のギャラリ３６０内に位置する電流センサ３４０を有するＶ－Ｉセンサ３００の別の実施形態の切欠図を示している。水平分岐部３４３は、絶縁部３６２によって支持され、電流センサ３４０の２つの垂直分岐部３４２に接続された状態で示されている。鏡面対称面Ｍ２内を一周するスリット３３２が、水平分岐部３４３の上に見られる。

第１の電圧センサ３５０は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したＶ－Ｉセンサ２００と同様に、外側導体３３０の内側に示されている。加えて、Ｖ－Ｉセンサ３００は、電流センサ３４０の反対側に対称に位置する第２の電圧センサ３５５を有する。この実施形態では、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５の電圧ピックアップ及びハウジングは、外側導体３３０の内側面をできるだけ滑らかに保つために、外側導体３３０の本体に埋め込まれている。外側導体３３０の滑らかな内面は、電圧センサ３５０及び３５５を挿入することによって生じる電磁界の摂動を低減する利点をもたらす。この実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ３００は、ＲＦ管内の電磁界に無視できるほど小さな摂動を生じさせる。

第１の電圧センサ３５０及び電流センサ３４０からの測定値は、第１の電圧センサ３５０と電流センサ３４０との測定位置の違いのため、相対位相誤差を有する。この実施形態では、反対側に配置された第２の電圧センサ３５５は、電流センサ３４０に対するこの対称位置のため、正反対の位相誤差を有する（すなわち、電流センサ３４０の鏡面対称面Ｍ２は、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５から等距離にある）。対称性から、第１の電圧センサ３５０によって検知されたＲＦ信号波形の電圧と電流の相対位相における誤差、及び第２の電圧センサ３５５によって検知されたＲＦ信号波形におけるそれぞれの誤差は、検知された２つの電圧信号の和で少なくとも一次的に打ち消される。よって、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５からの信号を合成することによって、より正確な電圧測定値が提供され得る。例えば、第１の電圧センサ３５０及び第２の電圧センサ３５５からの測定値の算術平均を使用することによって、鏡面対称面における電圧を反映する電圧測定値を得るために、位相誤差が低減又は更には排除され得る。

加えて、第２の電圧センサ３５５の存在は、電流ピックアップ３４１の水平分岐部３４３の左半部及び右半部だけでなく、２つの垂直分岐部３４２も同じ電界及び磁界を受けることを確実にするのに役立つ。上で説明したように、寄生電気信号は、ギャラリ３６０内の空洞に侵入する電界に対する電流ピックアップの望ましくない結合によって生成され得る。幾何学的対称性を改善することによって、第２の電圧センサ３５１は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上で説明したように、電流センサ３４０の第１の端子及び第２の端子３４４において見られる電位の摂動が、差動電流測定を使用することによってより正確に打ち消されることを確実にするのに役立つ。いくつかの実施形態では、第２の電圧センサ３５５の出力を使用することは任意選択であり得る。

図４は、内側導体４２０と外側導体４３０とを含むＲＦ管４１０に取り付けられたＶ－Ｉセンサ４００の更に別の実施形態を示している。

Ｖ－Ｉセンサ４００は、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したＶ－Ｉセンサ２００と同様に、ギャラリ４６０内に配置された電流センサ４４０及び電圧センサ４５０を含む。Ｖ－Ｉセンサ４００の設計は、電流センサ４４０の電流ピックアップ４４１の水平導体４４３に追加の機械的支持を与えることによって、Ｖ－Ｉセンサ２００（図２Ａ及び図２Ｂを参照）の設計に比べて改善されている。

図４に示すＶ－Ｉセンサ４００の設計では、支持部品（例えば、プラスチック部４６２及び４７０）は、図２Ｂに示す、Ｖ－Ｉセンサ２００内のそれぞれの部分（例えば、プラスチック部２６２）よりも堅牢に水平分岐部４４３を固定し得る。例えば、一実施形態では、Ｖ－Ｉセンサ２００内の水平分岐部２４３の２つの端部におけるプラスチック部２６２は、水平分岐部２４３が配置され得る１組の孔を備えたリングであり、その一方で、Ｖ－Ｉセンサ４００の設計では、部分４６２及び４７０などの、プラスチック部は、水平分岐部４４３のより多くを包囲し、金属製センサ筐体４６５及び外側導体４３０の金属製外面における対応する空洞に密着嵌合するボスを有し得る。

図４に示すように、絶縁支持体４６２に加えて配置された支持構造４７０（例えば、プラスチック又は他の非導電性材料で作られた）は、電流ピックアップ４４１の導電性の水平分岐部４４３をあらゆる側面から保持する。支持構造４７０は、水平分岐部の第１の部分を支持するための第１の部分と、水平分岐部の第２の部分を支持するための第２の部分とを含み、間隙によって離隔される。対照的に、図２Ｂに示すように、プラスチック部２６２（支持体４６２と同様）は、水平分岐部を下から支持しない。図２Ｂでは、電流センサ２４０の電流ピックアップ２４１の水平分岐部２４３と外側導体２３０との間に空き空間がある。追加の支持体は、電流ピックアップ４４１の垂直分岐部４４２が水平分岐部４４３と接触して配置されたときに、水平導体４４３が曲がることを防止する。加えて、支持構造４７０は、水平分岐部４４３に対する垂直分岐部４４２の過度の締め付けを防止し得る。電流ピックアップ４４１に結合された磁束の変動は、電流ピックアップ４４１の半ループ幾何学形状の形状及び面積の変動による影響を受ける。したがって、電流ピックアップ４４１の形状を一定に保つことによって、電流センサ４４０の電気出力の変動が低減され、電流の測定精度が向上する。

図５は、内側導体５２０と外側導体５３０とを含むＲＦ管５１０に取り付けられたＶ－Ｉセンサ５００を示している。電流センサ５４０は、センサ筐体５６５の上に配置された１対の端子５４４と、ギャラリ５６０内に配置された一巻回半ループ電流ピックアップ５４１とを有する状態で示されている。電流ピックアップ５４１は、水平分岐部５４３に取り付けられた２つの垂直分岐部５４２を含む。図４のＶ－Ｉセンサ４００と同様に、プラスチック部５７０は、電流センサ５４０の組み立て時に、垂直分岐部５４２の過度の締め付けと、電流ピックアップ５４１の水平分岐部５４３の曲がりとを防止するために使用されている。

Ｖ－Ｉセンサ５００は、加工の複雑さを低減する改良を含み、それにより、Ｖ－Ｉセンサ４００（図４に示す）に比べて製造コストを低減する。Ｖ－Ｉセンサ５００の設計は、ＲＦ管５１０の内側導体５２０の中心合わせをする絶縁体片５５５が、図５に示すように、電圧センサ５５０の導電性の電圧ピックアップリングを支持するためにも使用される、電圧センサ５５０を使用することによって、Ｖ－Ｉセンサ４００の設計よりも改善されている。複数の目的で同じプラスチック部５５５を使用することによって、例えばＶ－Ｉセンサ４００で使用されるプラスチック部の一部を排除することが可能になる。これにより、Ｖ－Ｉセンサ５００の加工の複雑さ及び製造コストが低減される。

図５の電圧センサ５５０の導電性の電圧ピックアップリングは、外側導体５３０の直径よりも小さくなるように電圧ピックアップリングの直径を設計することによって、内側導体５２０のより近傍に位置決めされている。電圧ピックアップリングのより小さな直径は、図１Ｂ及び図１Ｃを参照して上で説明したように、電圧センサ５５０の出力信号強度を増加させる。

図１～図５を参照して上で説明したＶ－Ｉセンサでは一巻回半ループ電流ピックアップが使用されているが、電流センサの電流ピックアップの設計では多数の巻回も利用され得ることが理解される。例えば、図１～図５に示すＶ－Ｉセンサ内の電流ピックアップは、電流センサの２つの端子に接続された電流ピックアップの２つの端部の間に複数の矩形巻回を含み得る。上述したように、多巻回電流ピックアップは、マンドレル、例えば、円環状マンドレルに導線を巻き付けることによって構築され得る。導線は、環状体の中心孔を垂直に通過するＲＦ管の内側導体を中心として対称な円をなすドーナツ状の絶縁材料の円形軸線を中心にコイル状に巻き付けられ得る。円環状マンドレルを使用する多巻回電流ピックアップについて、図６Ａ～図７Ｅを参照して以下で説明する。

マンドレルは、環状体の数学的定義に正確に適合しない場合があるが、概して、コイルを取り付けるため、端子に接続するためなどの構造を備えた環状体のような形状とされることが理解される。

図６Ａは、Ｖ－Ｉセンサ６００の斜視図を示しており、図６Ｂは切欠図を示しており、図６Ｃは、Ｖ－Ｉセンサ６００の軸線Ａ－Ａ’に沿った断面図を示している。

図６Ａは、Ｖ－Ｉセンサ６００の導電性のセンサ筐体６６５を示している。図６Ａでは視認できない、電流及び電圧ピックアップは、導電性のセンサ筐体６６５で囲まれた空間内に収納される。図６Ａ～図６Ｃでは、内側導体は、中心孔６２１を貫通する。内側導体自体は、明確にするために、図６Ａ～図６ＣのＶ－Ｉセンサ６００の様々な図から省略されている。ＲＦ管の外側導体は、導電性のセンサ筐体６６５の上部及び下部におけるフランジに接続する。２つのネック領域６３１は、図６Ａのセンサ筐体６６５の上部分及び下部分におけるフランジに隣接して示されている。ネック領域６３１の形状及び寸法は、ＲＦ管の外側導体の形状及び寸法と同様となるように設計され得る。したがって、センサ筐体６６５は、ネック領域６３１から、より大径の導電性壁を有する上部カバー６６３及び下部カバー６６６を含むより幅広の中央部分に延びる、外側導体の延長部とみなされ得る。センサ筐体６６５及び外側導体は、同軸構造の外側シールドを形成し、接地に接続され得る。図６Ｂ及び図６Ｃを参照して以下で説明するように、センサ筐体６６５のより幅広の中央部分は、中心孔６２１を貫通する内側導体の周囲に環状誘電体空洞６６１を収容する。

図６Ａの斜視図は、センサ筐体６６５の外側に組み付けられた３つの同軸ケーブルコネクタも示している。３つの同軸ケーブルコネクタは、Ｖ－Ｉセンサ６００の３つの端子である。外側の１対の同軸コネクタ６４５は、電流ピックアップに接続された、電流センサ６４１の端子に接続し、中央の同軸コネクタは、電圧センサの電圧ピックアップ６５１に接続された、中央端子６５４に接続する。電流及び電圧ピックアップは、上部カバー６６３と下部カバー６６６との間に位置する。

図６Ｂの切欠図及び切断面Ａ－Ａ’（図６Ａに示す）に沿った図６Ｃの断面図は、Ｖ－Ｉセンサ６００の内部構造を示している。ＲＦ管の内側導体は、明確にするために省略されている。中心孔６２１の内面６３８は、図６Ｂ及び図６Ｃにおいてネック領域６３１の内側に示すように、ＲＦ管とみなされ得る主同軸構造の内側に側壁を形成する。ネック領域６３１は、Ｖ－Ｉセンサアセンブリ６００の中心孔６２１の周囲のセクションにおいて、誘電体空洞６６１を囲むセンサ筐体６６５のより大径の上部カバー６６３及び下部カバー６６６内に延びる。内壁６３８は、スリット６７１によって中断されるまで、上部カバー６６３及び下部カバー６６６の表面６２７として連続している。図６Ｃに示すように、誘電体空洞６６１は、中心孔６２１の中心から径方向に沿って第１の主外面６２７と第２の主外面６２８との間にある。第１の主外面６２７は、中心孔６２１と物理的に接触する連続円形リング状の領域を含む。リング状の第１の主外面６２７は、スリット領域６７１によって垂直方向に２つの部分に分けられる。第２の主外面６２８は、第１の主外面６２７の半径よりも大きな径方向距離に位置する。

空洞６６１は、スリット領域６７１を含む。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、スリット領域６７１は、センサ筐体６６５の上部カバー６６３と下部カバー６６６との接合部に間隙を形成する中心孔６２１の円筒壁の内面６２７における物理的な途切れを含む。表面６２７は、中心孔６２１の円筒壁の表面６３８の延長部である。中心孔６２１の中心から径方向に見たときに、スリット領域６７１は、中心孔６２１と物理的に接触する絶縁リングの外観を有する。更に径方向外方では、スリット領域６７１は、図６Ｂ及び図６Ｃにジグザグ状の破線で示すように、リング状の導電性電圧ピックアップ６５１を迂回するジグザグ形状をとる。中心孔６２１との物理的接点と円環状電流センサ６４１の内径との間に径方向に配置された空洞６６１の連続した絶縁環状領域は、Ｖ－Ｉセンサ６００のスリット領域６７１と呼ばれる。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、スリット領域６７１は、導電性の電圧ピックアップ６５１及び電流センサ６４１とセンサ筐体６６５との間に介在する誘電体バリアを形成する。第１の主外面６２７と第２の主外面６２８との間の径方向領域では、空洞６６１（絶縁スリット領域６７１を含む）は、上部カバー６６３と下部カバー６６６とを電気的に絶縁する。第１の主外面６２７よりも小さな径方向距離について、上部カバー６６３は、中心孔６２１によって下部カバー６６６から電気的に絶縁される。上部カバー６６３は、誘電体空洞６６１の第２の主外面６２８を径方向に越えた所にある結合領域６２９を介して下部カバー６６６に電気的に結合される。

この設計に関して、接地されたセンサ筐体６６５内を流れるＲＦ電流は、円環状電流センサ６４１に取り囲まれた領域にはほとんど流れない可能性がある。電流は、内壁６３８に沿ってネック領域６３１内を垂直方向に流れ、次いで、誘電体スリット６７１によって生じた、内面６３８における物理的な途切れのため、電流センサ６４１の周囲に送られる。スリット６７１のため、電流は、円環状電流センサ６４１の周囲に径方向外方にそらされ、環状誘電体空洞６６１の導電性壁に沿って横方向に流れ、径方向に戻り、次いで、ネック領域６３１の内壁６３８に沿って引き続き垂直方向に流れる。

図６Ｂ及び図６Ｃを参照すると、電流センサ６４１は、空洞の外側部分、すなわち、中心孔６２１から離れた領域における、環状誘電体空洞６６１内の円環状構造である。電流センサ６４１は、導電性コイル６４７と、円環状マンドレル６４２とを含む。コイル６４７は、円環状マンドレル６４２の中心円形軸線の周囲に巻き付けられた連続した導線の複数の巻回を含む。コイル６４７の対向する２つの端部は、図６Ｂに示すように、同軸コネクタ６４５に取り付けられ得る。コイル６４７の導線は、裸導体、エナメル導体、又は絶縁体で被覆された導体であり得る。円環状マンドレル６４２について、図６Ｄを参照して以下で更に詳細に説明する。電流センサ６４１は、導電性のセンサ筐体６６５から電気的に絶縁される。

図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、電圧センサの導電性の電圧ピックアップ６５１は、導電リングのような形状とされる。電圧ピックアップ６５１は、円環状電流センサ６４１と中心孔６２１との間の環状誘電体空洞６６１の領域内に配置された状態で示されている。固体誘電体材料（例えば、プラスチック）が、電圧ピックアップ６５１を機械的に支持するために使用される部分に使用され得る。空洞６６１のスリット領域６７１及び誘電体支持部は、導電性の電圧ピックアップ６５１を導電性のセンサ筐体６６５から電気的に絶縁する。電圧ピックアップ６５１と中央端子６５４との接続が図６Ｂに示されている（同軸コネクタ６４５及び中央端子６５４は、切断面Ａ－Ａ’には含まれず、したがって、図６Ｃに示す断面図では視認できない）。

電圧ピックアップ６５１の機能は、ＲＦ管の内側導体と外側導体との間の径方向電界を検知することによって、中心孔の中心において内側導体のＲＦ電圧を検知することである。概して、ＲＦ管の外側導体及び導電性のセンサ筐体６６５は接地される。したがって、例えば、内側導体と電圧ピックアップ６５１との間の環状誘電体領域内に配置された、接地された金属リングによって、電圧ピックアップ６５１の導電性リングがＲＦ管の内側導体から遮蔽される場合、電圧ピックアップ６５１は、適切に機能できない場合がある。過度の遮蔽では、電圧センサの出力が、あまりにも弱くなり使用できなくなる。図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、電圧ピックアップ６５１は、空洞６６１のスリット領域６７１の上方及び下方の環状誘電体空洞６６１内に部分的に垂直方向に延びる。空洞は、上方の金属製上部カバー６６３の溝と下方の金属製下部カバー６６６のそれぞれの溝とによって形成される。これらの溝の接地された導電性内壁が、電圧ピックアップ６５１の導電性リングと内側導体用の中心孔６２１の中心軸線との間に介在する場合、接地金属は、電圧ピックアップ６５１を完全には遮蔽しない。図６Ｂ及び図６Ｃに示す、上部カバー６６３を下部カバー６６６から離隔する誘電体スリット６７１が存在する。スリット６７１は、中心孔６２１内に内側導体がないため、鏡面Ｍ（図６Ｃに破線で示す）内の円筒状円盤のような形状とされた誘電体領域とみなされる。内側導体が定位置にあるときに、誘電体スリット６７１は、内側導体の周囲の環状円盤のような形状とされる。誘電体スリット６７１内の遮蔽されない径方向電界は、内側導体とリング状の電圧ピックアップ６５１の中心部分との容量結合によって検知される。ここで、電圧ピックアップ６５１は、その位置において内側導体のＲＦ電圧に比例する使用可能な電気信号を提供し得る。

電流ピックアップコイル６４７の機能は、円環状マンドレル６４２の円形中心軸線に平行な方向にコイルを通る周回磁界を検知することによって、中心孔の中心において内側導体内のＲＦ電流を検知することである。ファラデーの法則によって、コイル６４７の導線の巻回で囲まれた円環状マンドレル６４２内の振動磁束に比例して、振動電気信号がコイル内に誘導される。アンペールの法則によれば、電流センサ６４１を通り抜ける磁界の強度は、円環状電流センサの中心孔における中心孔（ドーナツのドーナツ孔に類似する）に囲まれた平面の領域を横断する総電流に比例する。いかなる同軸構造にも当てはまるように、ＲＦ管の任意の位置において内側導体を流れる電流は、外側導体内の逆向きの電流と全く等しい。Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサ筐体６６５をＲＦ管の同等の外側導体とみなしてもよく、内側導体は、中心孔６２１を貫通している。よって、電流センサ６４１は、センサ筐体６６５内のＲＦ電流が、円環状マンドレル６４２の外周で囲まれた円盤状領域の外側に流れるように制限されない限り、適切に機能しない場合がある。例えば、上部カバー６６３と下部カバー６６６とが、円環状マンドレル６４２の内側半径よりも短い、中心軸線からの径方向距離において電気的に接触する場合、導電性筐体内の電流の一部が、その接点を通って流れ得る。内側導体内の電流とは逆向きである、この電流は、電流センサ６４１で囲まれた総電流の大きさを減少させ、したがって、コイル６４７を通り抜ける磁束を減少させる。円環状電流センサ６４１で囲まれた領域内の接点を通る総電流が少なすぎる場合、使用可能な電気信号を電流ピックアップコイル６４７に誘導するには磁界が不十分であることがある。ここでもまた、誘電体スリット領域６７１は、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、円環状電流センサ６４１の内側半径よりも小さな径方向距離での上部カバー６６３と下部カバー６６６との電気的接触を防止する。

上部カバー６６３と下部カバー６６６とを円環状電流センサ６４１の外円までずっと離隔する途切れのない連続した誘電体領域は、電圧ピックアップ６５１を空洞６６１の垂直高さよりも小さく設計することによって得られる。電圧ピックアップ６５１の導電性リングは、絶縁材料を含む支持部によって、上部カバー６６３と下部カバー６６６との間にほぼ対称に位置決めされ得る。よって、全ての方向において、導電性の電圧ピックアップ６５１のすぐ近傍には、絶縁材料がある。上で説明したように、この絶縁材料は、空洞６６１のスリット領域６７１内にある。電圧ピックアップ６５１の導電性リングの上方の誘電体の形状は、図６Ｂにジグザグ状の破線で描かれている。図６Ｃに破線で示すように、電圧ピックアップ６５１の導電性リングを、接地されたセンサ筐体６６５から電気的に絶縁しなければならないため、ジグザグ状の誘電体スリット領域６７１が電圧ピックアップ６５１の上方と下方の両方向に存在することが留意され得る。

電流センサの電流ピックアップは、概して、接地された導電部によってＲＦ電界から遮蔽される。電流ピックアップの遮蔽は、高インピーダンス負荷の近傍などの、電界が強く且つ磁界が弱い場所での用途において有利である。Ｖ－Ｉセンサ６００では、電流ピックアップコイル６４７は、センサ筐体６６５内側の誘電体空洞６６１内に位置する。円環状電流センサ６４１から内側導体に径方向内方に移動する間に遭遇する導電部は、図６Ｂ及び図６Ｃに見られるように、また、上で説明したように、第１の導電性の電圧ピックアップ６５１と、第２の導電性のセンサ筐体６６５の内壁の一部分とを含む。これらの介在する導電部は、電流センサ６４１を径方向電界から遮蔽するのに役立ち得る。内側導体から生じる電界線の一部は、導電性のセンサ筐体６６５の接地された内壁で終端し得る。加えて、導電性の電圧ピックアップ６５１は、コイル６４７をＲＦ電界から部分的に遮蔽することによって２つの目的を果たす。電圧ピックアップ６５１は接地に短絡されていないので、導電性リングによって提供される電界の減少は、中央端子６５４における接地に対するインピーダンスの大きさによって決まる。

Ｖ－Ｉセンサ６００の電流センサ６４１と電圧ピックアップ６５１の両方の構造は、中心を通る共有軸線であって、中心孔６２１の平面に垂直な方向における共有軸線に対して軸対称である。更に、電流センサ６４１と電圧ピックアップ６５１の両方は、長手方向軸線に垂直な同じ鏡面（図６Ｃに破線Ｍで示す）を共有する。Ｖ－Ｉセンサ６００の構造の対称性は、電圧と電流の位相角（Φ）の測定における何らかの矛盾を低減／排除するのに役立つ。更に、軸対称性に起因する一次打ち消し効果によって、Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサ出力信号は、加工公差と組み立て時の位置決め誤差とに対して敏感でなくなる。

図６Ｄは、図６Ｂに示す円環状電流センサ６４１のマンドレル６４２として使用され得る例示的な円環状構造を示している。円環状マンドレル６４２は、コイル６４７（図６Ｂに示す）を形成するために導線が配置され得る連続溝を円環状マンドレル６４２の外面に有する。コイル６４７の対向する２つの端部は、図６Ｄに示す、２つの開口６４３に通され、続いて１対の同軸コネクタ６４５に取り付けられ得る（図６Ｂを参照）。電圧ピックアップ６５１（図６Ｂを参照）は、中央端子６５４に取り付けられるように、円環状マンドレル６４２における孔と開口６５３とに通された導電素子によって接続され得る。

円環状マンドレル６４２は、プラスチック及び他の絶縁材料を含み、例えば、３Ｄ印刷技術を使用して製造され得る。コイル６４７が溝付き円環状マンドレル６４２に取り付けられた後に、構造は、任意選択的に、例えば包埋樹脂技術を使用して樹脂のコーティングで封止され得る。樹脂封止によって、コイル状の多巻回電流ピックアップ６４７が強固に固定される。

電流センサ６４１と、組み合わせた電界シールド及び電圧ピックアップ６５１とを含む、上で説明した、Ｖ－Ｉセンサ６００の一体型アセンブリは、コンパクトなＶ－Ｉセンサ設計という利点をもたらす。

図７Ａ～図７Ｅは、Ｖ－Ｉセンサ６００のものと設計が同様の、電流センサアセンブリ７０１を示している。Ｖ－Ｉセンサ６００と異なり、電流センサアセンブリ７０１は、電圧を検知しない。また、電流センサアセンブリ７０１に使用される円環状マンドレル７４２の設計は、以下で更に説明するように、溝付き円環状マンドレル６４２と異なる。

図７Ａは、センサ筐体７６５の上部カバー７８２と下部カバー７８４との間の誘電体空洞内に配置された円環状電流センサ７４１を用いる電流センサアセンブリ７０１の斜視図を示している。電流センサ７４１について、図７Ｃ～図７Ｅを参照して以下で更に説明する。上部カバー７８２及び下部カバー７８４は、金属（例えば、銅又はアルミニウム）を含み得る。電流センサアセンブリ７０１は、中心孔７１０を有する。電流センサアセンブリ７０１が使用され得る同軸伝送線路（例えば、ＲＦ管）の内側導体は、中心孔７１０を貫通している。それにより、電流センサアセンブリ７０１は、同軸伝送線路の長手方向軸線を中心に対称に位置決めされる。

図７Ｂは、電流センサアセンブリ７０１の分解図を示している。図７Ｂでは、電流センサ７４１は、誘電体空洞７２０の下半部及び下部カバー７８４の構造を示すために、センサ筐体７６５から取り除かれている（構造の上半部について、図７Ｃを参照して以下で更に説明する）。誘電体空洞７２０は、外側誘電体領域７２３と、ジグザグ状の誘電体スリット７２５と呼ばれる、内側誘電体領域とに分けられ得る。外側誘電体領域は、下部カバー７８４の床面における最も外側の溝の上方の領域である。この最も外側の溝の外円の外側では、金属製上部カバー７８２と金属製下部カバー７８４とが、互いに物理的及び電気的に接続され得るが、上部カバー７８２と下部カバー７８４との電気的接触は、最も外側の溝の外円の内側では行われない。

ジグザグ状の誘電体スリット７２５は、下部カバー７８４の床面から突出するリングのような形状とされた導電性突条７５０の両側にある２つの溝の上に誘電体領域を含む。導電性突条７５０を含む、誘電体空洞７２０の導電性床面は、途切れない連続した誘電体領域によって誘電体空洞７２０のそれぞれの導電性天井から電気的及び物理的に離隔される。よって、導電性突条７５０の上部は、金属製上部カバー７８２のそれぞれの溝内に突出し得るが、天井とは接触しない。したがって、ジグザグ状の誘電体スリット７２５の組み合わせた上部及び下部は、図７Ｂにジグザグ状の破線で示すように、導電性突条７５０を覆うように一周するジグザグ形状の誘電体領域となる。

図７Ｃは、内側導体７１１を中心として対称に位置決めされた電流センサアセンブリ７０１の中心孔７１０を貫通するＲＦ管の内側導体７１１を含むＲＦシステム７００の一部分を示している。接地された外側導体は、上から上部カバー７８２に且つ下から下部カバー７８４に物理的及び電気的に取り付けられ、それにより、センサ筐体７６５を接地する。センサ筐体は、Ｖ－Ｉセンサ６００のセンサ筐体６６５と同様に、中心孔７１０を貫通する内側導体７１１の部分のための接地された外側導体としての役割を果たす。

図７Ｃでは、電流センサアセンブリ７０１は、電流センサ７４１を含む切欠分解図によって示されている。電流センサ７４１は、円環状マンドレル７４２と、導電性の電流ピックアップコイル７４７とを含む。円環状マンドレル７４２は、巻き経路を有する固体誘電体材料を含む。巻き経路は、円環状マンドレル７４２の表面上の様々な位置におけるアクセス孔７４９を通してアクセスされ得る。２つの孔を有する取付具７４３は、アクセス孔７４９のうちの１つを覆って配置されている。コイル７４７の導線の対向する２つの端部は、取付具７４３の孔を貫通して上向きに突出した状態で示されている。円環状マンドレル７４２の一部分は、円環状マンドレル７４２の固体誘電体材料中の巻き経路を通るコイル７４７の導線を示すために切り取られている。コイル７４７は、マンドレル７４２の内側に嵌め込まれている。マンドレル７４２の設計によって、マンドレル６４２の溝付き設計に比べてより大きな機械的支持が与えられ、それにより、図６Ｄを参照して先に説明した樹脂封止ステップが排除される。

図７Ｃでは、円環状マンドレル７４２は、外側誘電体領域７２３内に且つ下部カバー７８４の床面におけるそれぞれの溝内に配置されている（図７Ｂを参照）。電流センサアセンブリ７０１の分解図は、円環状マンドレル７４２の上半部が、誘電体空洞７２０の外側誘電体領域７２３における上部カバー７８２の溝に嵌合し得ることを示している。同様に、導電性突条７５０は、誘電体空洞７２０のジグザグ状の誘電体スリット７２５内の上部カバー７８２における隣接する溝内に延び得る。円環状電流センサ７４１と内側導体７１１との間に介在する連続リングである導電性突条７５０は、電流センサ７４１をＲＦ電界から効果的に遮蔽し得る。

上で説明したように、円環状電流センサ７４１で囲まれた領域内での接地された上部カバー７８２と接地された下部カバー７８４との電気的接触によって、電流ピックアップコイル７４７を通る磁界の強度が低下し、電流信号の出力信号が過度に弱められ得る。そのため、導電性突条７５０の上部は、ジグザグ状の誘電体スリット７２５によって上部カバー７８２から電気的に絶縁される。誘電体領域のジグザグ形状は、図７Ｃにジグザグ状の破線で示されている。

図７Ｄに示す、ＲＦシステム７００の一部分の切欠図は、上部カバー７８２が下部カバー７８４の上に取り付けられた状態の電流センサアセンブリ７０１を示している。誘電体スリット７２５のジグザグ形状は、図７Ｄにジグザグ状の破線で示されている。

図７Ｅは、電流センサアセンブリ７０１の底部分と、電流センサアセンブリの中心孔７１０を貫通するＲＦ管の内側導体７１１との平面図を示す。円環状マンドレル７４２と電流ピックアップコイル７４７とを含む電流センサ７４１は、下部カバー７８４の上に示されている。コイル７４７の対向する２つの端部は、取付具７４３における孔を貫通している。取付具７４３は、アクセス孔７４９と同様の開口を覆って配置され得る。リング状の導電性突条７５０は、内側導体７１１と電流センサ７４１との間に介在した状態で見られる。誘電体スリット７２５は、導電性突条７５０の両側に見られる。

マンドレル６４２及び７４２などの、マンドレルの使用によって、電流センサ設計において、多くの巻回を有するコイルを電流ピックアップとして使用することが可能になる。巻数が多いほど、それぞれの電流センサの感度が高まる。感度の向上によって、各巻回がより小さな断面を有することが可能となり、したがって、電流センサ全体が小型化され、他の方法ではアクセスできない領域に電流センサを配置することが可能となり得る。

本開示で説明するマンドレルは円環状の形状とされるが、他の形状、例えば、正方形又は任意の数の辺を有する正多角形が使用され得ることが理解される。更に、マンドレルを使用せずに、様々な形状のピックアップを実装することができる。

本開示で説明する実施形態の様々な態様は、様々な他の製造技術を使用してＶ－Ｉセンサを製造するために適用され得る。例えば、電流ピックアップは、プリント基板（ＰＣＢ）技術でなど、ビアを介して連結された誘電体及び導電性材料の層で製造することができる。

上で説明した円環状電流センサの実施形態は、円環体の軸対称性、多巻回電流ピックアップのノイズに対するより高い耐性、及びコンパクトな構造で得られる利便性という利点をもたらす。

本開示で説明する、Ｖ－Ｉセンサ及び測定方法は、低い製造コストで極めて高精度の測定を可能にし得る実施形態を提供する。加工誤差及び組み立て誤差に対するＶ－Ｉ測定の感度を下げるように意図された設計特徴を含めることによって、低い製造コストでの高い精度が達成され得る。電流センサの精度は、電流ピックアップの幾何学形状を決定する寸法（例えば、矩形の半ループで囲まれた領域）にばらつきを生じさせる加工公差によって決まる。電流の測定精度もまた、組立公差、例えば、長手方向軸線からの径方向距離と、半ループの平面と長手方向軸線との間の角度とを含む、電流ピックアップが配置され得る精度によって制限され得る。同様に、電圧の測定精度は、加工公差（例えば、電圧ピックアップリングの直径及び円周の正確さ）と、組立公差（例えば、リングの平面と長手方向軸線との間の角度）によって決まる。発明者らは、電流及び電圧ピックアップの寸法及び配置の変動に対するＶ－Ｉセンサ信号の感度の詳細なコンピュータシミュレーションを実行し、１％の高精度が標準的な機械及び０．００５インチの配置公差値に対して達成され得ることを見出した。コンピュータシミュレーションは、プラズマ処理で使用されるＲＦ電力、ＲＦ周波数、及び負荷インピーダンスの広い範囲にわたってマックスウェル方程式の較正された３Ｄ有限要素ソルバーを使用して行われる。

この用途の例示的な実施形態をここでまとめる。他の実施形態も、本明細書の全体及び本明細書で出願される特許請求の範囲から理解することができる。

例１．無線周波数（ＲＦ）システムは、負荷にＲＦ信号で給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を負荷に結合する接地に接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の中心軸線に位置合わせされた電流センサとを含む。電流センサは、ＲＦ信号の電流を監視するように構成され、ＲＦ管に近接して配置された導電性半ループを含み、導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む。電流センサは、第１の端部と第２の端部との間に出力信号を出力するように構成される。センサ筐体は、ＲＦ管の周囲に配置され、センサ筐体は、ＲＦ管の外側導体に接続された導電性材料を含む。ギャラリは、センサ筐体内に且つＲＦ管の外側導体の外側に配置され、電流センサは、ギャラリ内に配置される。ＲＦ管の外側導体におけるスリットは、ＲＦ管の内側導体内のＲＦ信号の電流によって電流センサを磁界にさらす。

例２．スリットは、外側導体の内周に沿った長さと、ＲＦ管の中心軸線に平行な幅とを有し、幅は、０．５ｍｍ～５ｍｍである、例１に記載のシステム。

例３．ＲＦ管の中心軸線に直交する方向に沿って、導電性半ループは、ＲＦ管の中心軸線を含む第１の鏡面対称面と、第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面とを含み、導電性半ループの第１の鏡面対称面とＲＦ管の中心軸線とは、同一平面上にある、例１又は２に記載のシステム。

例４．導電性半ループは、ＲＦ管の軸線に平行に位置合わせされた分岐部と、第１の分岐部の第１の端部に結合された第２の分岐部であって、第２の分岐部は、第１の分岐部に直交する、第２の分岐部と、第１の分岐部の第２の端部に結合された第３の分岐部であって、第３の分岐部は、第１の分岐部に直交し、第２の分岐部に平行である、第３の分岐部と
を含む、例１～３のいずれか１つに記載のシステム。

例５．導電性半ループの様々な分岐部を支持するための支持構造を絶縁することを更に含む、例１～４のいずれか１つに記載のシステム。

例６．ＲＦ管は、ＲＦ電源と負荷とに電気的に結合された内側導体と、基準電位ノードに電気的に結合された外側導体とを含む、例１～５のいずれか１つに記載のシステム。

例７．ＲＦ信号の電圧を監視するための第１の電圧センサであって、電圧センサは、ＲＦ管を中心として軸対称に配置される、第１の電圧センサを更に含む、例１～６のいずれか１つに記載のシステム。

例８．第１の電圧センサは、ＲＦ管の外側導体の内面に沿って配置された導電性リングと、導電性リングとＲＦ管の外側導体との間に配置された絶縁リングであって、絶縁リングは、導電性リングをＲＦ管から電気的に絶縁する、絶縁リングとを含む、例１～７のいずれか１つに記載のシステム。

例９．ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサであって、第１の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第１の位置に位置し、第２の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第２の位置に位置し、第１の位置と電流センサの鏡面対称面との間の第１の距離は、第２の位置と鏡面対称面との間の第２の距離とほぼ同じである、第２の電圧センサを更に含む、例１～８のいずれか１つに記載のシステム。

例１０．無線周波数（ＲＦ）システムであって、負荷にＲＦ信号で給電するように構成された無線周波数（ＲＦ）電源と、ＲＦ電源を負荷に結合する基準電位ノードに接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線を中心として軸対称に配置された第１の電圧センサであって、第１の電圧センサは、ＲＦ信号の電圧を監視するように構成される、第１の電圧センサと
を含む、無線周波数（ＲＦ）システム。

例１１．ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサであって、第１の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第１の位置に位置し、第２の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第２の位置に位置する、第２の電圧センサを更に含む、例１０に記載のシステム。

例１２．第３の位置においてＲＦ管の周囲に配置された電流センサであって、電流センサは、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線に位置合わせされ、電流センサは、ＲＦ信号の電流を監視するように構成される、電流センサを更に含む、例１０又は１１に記載のシステム。

例１３．第３の位置は、第１の位置と第２の位置との間に配置される、例１０～１２のいずれか１つに記載のシステム。

例１４．電流センサは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む導電性半ループを含み、ＲＦ管の軸線に直交する方向に沿って、導電性半ループは、ＲＦ管の軸線を含む第１の鏡面対称面と、第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面とを含み、導電性半ループの第１の鏡面対称面とＲＦ管の軸線とは、同一平面上にある、例１０～１３のいずれか１つに記載のシステム。

例１５．第１の位置と鏡面対称面との間の第１の距離は、第２の位置と鏡面対称面との間の第２の距離とほぼ同じである、例１０～１４のいずれか１つに記載のシステム。

例１６．無線周波数（ＲＦ）信号を測定する方法であって、ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線に位置合わせされた電流センサを有することであって、電流センサは、センサ筐体内に且つＲＦ管の外側導体の外側に配置されたギャラリ内に配置され、センサ筐体は、ＲＦ管の周囲に配置され、電流センサは、導電性半ループを含み、導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む、有することと、
第１の端部と第２の端部との間の出力信号を測定することに基づいて、ＲＦ信号の電流を特定することと
を含む、方法。

例１７．ＲＦ管は、ＲＦ電源と負荷とに電気的に結合された内側導体と、外側導体とを含み、方法は、外側導体を接地することを更に含む、例１６に記載の方法。

例１８．ＲＦ管を中心として軸対称に配置された第１の電圧センサを有することと、第１の電圧センサの端子において電気信号を測定することに基づいて、ＲＦ信号の電圧を特定することとを更に含む、例１６又は１７に記載の方法。

例１９．ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサを有することであって、第１の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第１の位置に位置し、第２の電圧センサは、ＲＦ管の軸線上の第２の位置に位置する、有することと、第２の電圧センサの端子において別の電気信号を測定することであって、ＲＦ信号の電圧は、電気信号と別の電気信号とに基づいて特定される、測定することとを更に含む、例１６～１８のいずれか１つに記載の方法。

例２０．導電性半ループは、ＲＦ管の軸線を含む第１の鏡面対称面と、第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面とを含み、導電性半ループの第１の鏡面対称面とＲＦ管の軸線とは、同一平面上にある、例１６～１９のいずれか１つに記載の方法。

本発明は、例示的な実施形態を参照して説明されているが、本明細書は、限定的な意味で解釈されることを意図するものではない。例示的な実施形態の様々な修正形態及び組み合わせ、並びに本発明の他の実施形態は、本明細書を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなあらゆる修正形態又は実施形態を包含することが意図される。

Claims (20)

1. 無線周波数（ＲＦ）システムであって、
   負荷にＲＦ信号で給電するように構成されたＲＦ電源と、
   前記ＲＦ電源を前記負荷に結合する接地に接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、
   前記ＲＦ信号を搬送する前記ＲＦ管の中心軸線に位置合わせされた電流センサであって、前記電流センサは、前記ＲＦ信号の電流を監視するように構成され、前記電流センサは、前記ＲＦ管に近接して配置された導電性半ループを含み、前記導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含み、前記電流センサは、前記第１の端部と前記第２の端部との間に出力信号を出力するように構成される、電流センサと、
   前記ＲＦ管の周囲に配置されたセンサ筐体であって、前記センサ筐体は、前記ＲＦ管の前記外側導体に接続された導電性材料を含む、センサ筐体と、
   前記センサ筐体内に且つ前記ＲＦ管の前記外側導体の外側に配置されたギャラリであって、前記電流センサは、前記ギャラリ内に配置される、ギャラリと、
   前記ＲＦ管の前記内側導体内の前記ＲＦ信号の前記電流によって前記電流センサを磁界にさらすための、前記ＲＦ管の前記外側導体におけるスリットと、
   を含む、システム。
2. 前記スリットは、前記外側導体の内周に沿った長さと、前記ＲＦ管の前記中心軸線に平行な幅とを有し、前記幅は、０．５ｍｍ～５ｍｍである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＲＦ管の前記中心軸線に直交する方向に沿って、前記導電性半ループは、前記ＲＦ管の前記中心軸線を含む第１の鏡面対称面と、前記第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面と、を含み、前記導電性半ループの前記第１の鏡面対称面と前記ＲＦ管の前記中心軸線とは、同一平面上にある、請求項１に記載のシステム。
4. 前記導電性半ループは、
   前記ＲＦ管の前記軸線に平行に位置合わせされた第１の分岐部と、
   前記第１の分岐部の第１の端部に結合された第２の分岐部であって、前記第２の分岐部は、前記第１の分岐部に直交する、第２の分岐部と、
   前記第１の分岐部の第２の端部に結合された第３の分岐部であって、前記第３の分岐部は、前記第１の分岐部に直交し、前記第２の分岐部に平行である、第３の分岐部と、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記導電性半ループの前記様々な分岐部を支持するための支持構造を絶縁することを更に含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ＲＦ管は、
   前記ＲＦ電源と前記負荷とに電気的に結合された内側導体と、
   基準電位ノードに電気的に結合された外側導体と、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ＲＦ信号の電圧を監視するための第１の電圧センサであって、前記電圧センサは、前記ＲＦ管を中心として軸対称に配置される、第１の電圧センサを更に含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１の電圧センサは、
   前記ＲＦ管の前記外側導体の内面に沿って配置された導電性リングと、
   前記導電性リングと前記ＲＦ管の前記外側導体との間に配置された絶縁リングであって、前記絶縁リングは、前記導電性リングを前記ＲＦ管から電気的に絶縁する、絶縁リングと、
   を含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサであって、前記第１の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第１の位置に位置し、前記第２の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第２の位置に位置し、前記第１の位置と前記電流センサの鏡面対称面との間の第１の距離は、前記第２の位置と前記鏡面対称面との間の第２の距離とほぼ同じである、第２の電圧センサを更に含む、請求項８に記載のシステム。
10. 無線周波数（ＲＦ）システムであって、
    負荷にＲＦ信号で給電するように構成されたＲＦ電源と、
    前記ＲＦ電源を前記負荷に結合する基準電位ノードに接続された外側導体と内側導体とを含むＲＦ管と、
    前記ＲＦ信号を搬送する前記ＲＦ管の軸線を中心として軸対称に配置された第１の電圧センサであって、前記第１の電圧センサは、前記ＲＦ信号の電圧を監視するように構成される、第１の電圧センサと、
    を含む、システム。
11. 前記ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサであって、前記第１の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第１の位置に位置し、前記第２の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第２の位置に位置する、第２の電圧センサを更に含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 第３の位置において前記ＲＦ管の周囲に配置された電流センサであって、前記電流センサは、前記ＲＦ信号を搬送する前記ＲＦ管の前記軸線に位置合わせされ、前記電流センサは、前記ＲＦ信号の電流を監視するように構成された、電流センサを更に含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第３の位置は、前記第１の位置と前記第２の位置との間に配置される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記電流センサは、第１の端部及び反対側の第２の端部を含む導電性半ループを含み、前記ＲＦ管の前記軸線に直交する方向に沿って、前記導電性半ループは、前記ＲＦ管の前記軸線を含む第１の鏡面対称面と、前記第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面とを含み、前記導電性半ループの前記第１の鏡面対称面と前記ＲＦ管の前記軸線とは、同一平面上にある、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記第１の位置と前記鏡面対称面との間の第１の距離は、前記第２の位置と前記鏡面対称面との間の第２の距離とほぼ同じである、請求項１４に記載のシステム。
16. 無線周波数（ＲＦ）信号を測定する方法であって、
    ＲＦ信号を搬送するＲＦ管の軸線に位置合わせされた電流センサを有することであって、前記電流センサは、センサ筐体内に且つ前記ＲＦ管の外側導体の外側に配置されたギャラリ内に配置され、前記センサ筐体は、前記ＲＦ管の周囲に配置され、前記電流センサは、導電性半ループを含み、前記導電性半ループは、第１の端部と反対側の第２の端部とを含む、有することと、
    前記第１の端部と前記第２の端部との間の出力信号を測定することに基づいて、前記ＲＦ信号の電流を特定することと、
    を含む、方法。
17. 前記ＲＦ管は、ＲＦ電源と負荷とに電気的に結合された内側導体と、外側導体と、を含み、
    前記方法は、前記外側導体を接地することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＲＦ管を中心として軸対称に配置された第１の電圧センサを有することと、
    前記第１の電圧センサの端子において電気信号を測定することに基づいて、前記ＲＦ信号の電圧を特定することと、
    を更に含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ＲＦ管を中心として対称に配置された第２の電圧センサを有することであって、前記第１の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第１の位置に位置し、前記第２の電圧センサは、前記ＲＦ管の前記軸線上の第２の位置に位置する、有することと、
    前記第２の電圧センサの端子において別の電気信号を測定することであって、前記ＲＦ信号の前記電圧は、前記電気信号と前記別の電気信号とに基づいて特定される、測定することと、
    を更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記導電性半ループは、前記ＲＦ管の前記軸線を含む第１の鏡面対称面と、前記第１の鏡面対称面に直交する第２の鏡面対称面と、を含み、
    前記導電性半ループの前記第１の鏡面対称面と、前記ＲＦ管の前記軸線と、は、同一平面上にある、請求項１９に記載の方法。
    

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