專利名稱：一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造設(shè)備的檢測與監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種射頻匹配器的傳感 器的鑒相裝置和方法。
背景技術(shù)：
等離子體被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。在等離子體刻蝕系統(tǒng)中，射頻電源向等離 子腔體供電以產(chǎn)生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和 自由基等活性粒子，這些活性粒子和置于腔體并曝露在等離子體環(huán)境下的半導(dǎo)體晶圓相互 作用，使半導(dǎo)體晶圓材料表面發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)，從而使材料表面性能發(fā)生變化， 完成半導(dǎo)體晶圓的刻蝕過程。常用的射頻電源工作頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50Q，通過特征阻抗為50Q的同軸 電纜與反應(yīng)腔室相連。隨著刻蝕過程的進行，腔室中的氣體成分以及壓力都在不斷變化， 因此，作為負(fù)載的等離子的阻抗也在不斷的變化。而射頻電源的內(nèi)阻為固定的50a即功 率源與負(fù)載之間阻抗是不匹配的，這樣就導(dǎo)致射頻RF傳輸線上存在較大的反射功率，射頻 輸出功率無法全部施加到等離子體腔。如果獲得的RF能量不足以使等離子體起輝，刻蝕過 程就無法進行，而且，功率會反射回電源，當(dāng)達到輸出功率的20%左右時，就會損壞RF電 源。由此，如圖1所示的整個射頻傳輸系統(tǒng)的框圖， 一般RF功率源與等離子體腔室之間插 入一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使得負(fù)載阻抗與電源阻抗能夠達到共軛匹配。由于隨著刻蝕過程的進 行，負(fù)載阻抗的值是不斷變化的，所以需要引入一個阻抗模值、相位檢測器，即傳感器 (Sensor)。通過檢測傳輸線上的電壓、電流信號，利用一定的鑒幅和鑒相方法，就可以 得到負(fù)載阻抗的模值和相位。自動阻抗控制器根據(jù)傳感器的輸出，控制步進電機的轉(zhuǎn)動， 從而調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變元件，最終使匹配網(wǎng)絡(luò)與等離子腔室的總阻抗為50Q,實現(xiàn)匹 配。對于根據(jù)傳輸線上的電壓和電流信號計算負(fù)載阻抗的相位的方法，常規(guī)的一種方法如圖2所示，是利用由四個二極管組成的雙平衡混頻器來鑒相，傳輸線上的電壓信號加于二極 管電橋的1、 3之間，電流信號加于2、 4兩端之間。當(dāng)四個二極管特性相同時，各個二極管 上電壓和電流信號的幅度完全相同。輸出信號從電流信號巴倫的平衡端(變壓器次級)的 中點引出，經(jīng)過RC低通濾波器之后，即可得到鑒相后的直流信號。這種方法存在的缺點是，在利用雙平衡混頻器實現(xiàn)混頻時，輸入的兩個信號的電平可 以不相等，但是用作鑒相器時，卻要求兩個輸入信號的幅度是相等的，而電壓、電流信號 在負(fù)載阻抗不匹配時卻是不等的，因此無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。常規(guī)的另一種鑒相的方法如圖3所示，是采用門鑒相器，而其中最常用的是異或門鑒 相，它由異或門與低通濾波器組成。異或門的電路符號及真值表如表1所示，輸出波形及鑒 相特性如圖4、圖5與圖6所示。表1V1V2V3000011101110輸出電壓波形V3經(jīng)過低通濾波器后的平均電壓為",/ (式1),丌其中，相位差伊，="^, Pl是輸出脈沖幅度。 鑒相器的鑒相范圍是0 ;r，鑒相靈敏度是(式2)由于異或門的邏輯電平是0和^D,所以^^=^"。這種利用異或門鑒相的方法存在的缺點是要求兩個輸入必須是完全對稱的方波，而對 稱方波卻很難實現(xiàn)。在將正弦波轉(zhuǎn)換為方波時，由于高低電平的閾值并不是零電平，而是 大于零的，所以由正弦波轉(zhuǎn)成的方波占空比都小于1。由于輸入波形的不對稱，導(dǎo)致異或門 本身產(chǎn)生額外的相差輸出，因此無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)方案中存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種射頻匹配器的傳感器 的鑒相裝置和方法，不要求兩個輸入信號的幅度相等；不要求輸入為對稱的方波，即可輸 出準(zhǔn)確的結(jié)果，本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的-一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置，應(yīng)用于射頻匹配器的傳感器中，用于檢測射頻 負(fù)載阻抗的相位，包括-信號處理采樣電路，用于獲取射頻傳輸線上的電壓與電流信號，并對所采集的正弦波 的電壓與電流信號進行處理輸出方波信號至邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD;邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD,根據(jù)輸入的方波電壓與電流信號經(jīng)過鑒頻鑒相處理，輸出 脈沖控制信號至放大濾波電路；放大濾波電路，對輸入的脈沖控制信號進行放大運算處理，并通過低通濾波器輸出平 均電壓控制信號。所述的信號處理采樣電路包括異或門，將所采集的正弦波的電壓與電流信號處理為方 波信號。所述的PFD包括兩個具有復(fù)位功能的D觸發(fā)器及一個與門；所述的方波電壓與電流信 號分別作為兩個D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP,兩個D觸發(fā)器的輸出端接與門的輸入端，與門的 輸出端接兩個D觸發(fā)器的復(fù)位端。所述的放大濾波電路包括差分放大電路與低通濾波器。一種射頻匹配器的傳感器的鑒相方法，包括，A、 獲取射頻傳輸線上的電壓與電流信號，并對所采集的正弦波的電壓與電流信號進 行處理輸出方波電壓與電流信號；B、 根據(jù)輸入的方波電壓與電流信號經(jīng)過鑒頻鑒相處理，輸出脈沖控制信號；C、 對輸入的脈沖控制信號進行放大運算處理，輸出平均電壓控制信號。 所述的歩驟A包括，采用異或門將所采集的正弦波的電壓與電流信號處理為方波信號。所述的步驟C包括-對輸入的脈沖控制信號通過差分放大器，進行放大運算處理，并通過低通濾波器輸出 平均電壓控制信號。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法，應(yīng)用于射頻匹配器的傳感器中，用于通過射頻主傳輸線檢測射頻負(fù)載阻抗的相位，所述的裝置包括信號處理采樣電路、邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD與放大濾波電路。 其中，邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD對輸入信號的要求不是很嚴(yán)格，既不要求兩個輸入信號的 幅度相等又不要求輸入為對稱的方波，因此系統(tǒng)實現(xiàn)比較容易。雖然系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是 此鑒相方案也能很好的檢測負(fù)載阻抗的相位。


圖1為整個射頻傳輸系統(tǒng)的示意框圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的雙平衡混頻器鑒相裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的異或門鑒相裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)的異或門鑒相裝置的特征曲線示意圖一圖5為現(xiàn)有技術(shù)的異或門鑒相裝置的特征曲線示意圖二；圖6為現(xiàn)有技術(shù)的異或門鑒相裝置的特征曲線示意圖三；圖7為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置結(jié)構(gòu)示意圖一；圖8為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置的邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD結(jié)構(gòu)示意圖一；圖9為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置的邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD的特征 曲線示意圖一；圖10為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置的邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD的特 征曲線示意圖二；圖11為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置的邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD結(jié)構(gòu)示意圖二；圖12為本發(fā)明所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置的放大濾波電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明所述的一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法，如圖7所示，其應(yīng)用于射頻 匹配器的傳感器中，用于通過射頻主傳輸線檢測射頻負(fù)載阻抗的相位，其具體實施方式
為如圖7所示，本發(fā)明所述的一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置包括信號處理采樣電路、邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD與放大濾波電路。其中，信號處理采樣電路，用于獲取射頻傳輸線上的電壓與電流信號，并對所采集的正弦波 的電壓與電流信號進行處理輸出方波信號至邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD;其具體包括異或門 將所采集的正弦波的電壓與電流信號處理為方波信號。邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD,如圖8所示，用于根據(jù)輸入的方波電壓與電流信號經(jīng)過鑒頻 鑒相處理，輸出脈沖控制信號至放大濾波電路；邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD的鑒相原理如圖 8、圖9與圖10所示。PFD的兩個輸入為從RF傳輸線上取出來的電壓和電流信號，兩個信號 的頻率相等。當(dāng)電壓V的相位超前電流I,貝ijPFD輸出Vv為正脈沖，且脈沖寬度與兩輸入信 號的相位差有關(guān)，而輸出Vz—直為低電平。相反，如果電壓V的相位滯后電流I，則v工為 正脈沖，且脈沖寬度與兩輸入信號的相位差有關(guān)，而Vv—直為低電平。如果電壓V與電流I 同相，則電路的輸出Vv和Vz除了有極短暫的同相正脈沖外，兩者都保持低電平。所述的PFD包括兩個具有復(fù)位功能的D觸發(fā)器及一個與門；所述的方波電壓與電流信 號分別作為兩個D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP，兩個D觸發(fā)器的輸出端接與門的輸入端，與門的 輸出端接兩個D觸發(fā)器的復(fù)位端。PFD可以采用兩個具有復(fù)位功能的D觸發(fā)器和一個與門來 實現(xiàn)。為了避免輸出對輸入工作周期的依賴，電路采用上升沿觸發(fā)的時序電路。電壓信號 V和電流信號I分別作為兩個D觸發(fā)器的時鐘CP，觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端D接高電平，輸出取自QV 和QI。復(fù)位后的初始狀態(tài)QVQI-OO，當(dāng)CP信號It來到時，DFFI置數(shù)，則QI-1， QV保持 0。若CP信號It不斷來，則一直保持QI-1。當(dāng)CP信號Vt來到時，DFFV置數(shù)，即 QV-1。此時QVQI-11通過與門，使DFFI和DFFV復(fù)位，則QVQI-OO，回到初態(tài)。只有一 個短暫的時剛與門和觸發(fā)器的時延)使DFFI和DFFV同時置1，因此電路不可能在QVQI-11 狀態(tài)停留。本實施例只介紹了用2個D觸發(fā)器和1個與門來實現(xiàn)PFD電路，但是不僅限于此，也包 括用別的邏輯電路來實現(xiàn)。放大濾波電路，對輸入的脈沖控制信號進行放大運算處理，并通過低通濾波器輸出平 均電壓控制信號。如圖12所示射頻傳感器中PFD的功能是取出電壓、電流兩輸入信號的相 位差，通過低通濾波器將相位差轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎氲娇刂齐娐分械钠骄妷?，以此來控制匹配網(wǎng) 絡(luò)中可變元件的調(diào)節(jié)。此處將鑒頻鑒相器輸出的脈沖Vp Vv的寬度轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄妷旱姆?法為先將V" Vv送入差分放大器放大，再通過低通濾波器輸出。圖12所示的差分放大 器是一個比例積分電路。令同相端接脈沖信號Vv，反向端接Vp可以得到輸出為<formula>formula see original document page 7</formula>(式3)若輸入為圖9所示的波形，即當(dāng)電壓超前電流時，則經(jīng)過低通濾波后，輸出的平均直流電壓為<formula>formula see original document page 8</formula>(式4)其中，「"D為異或門的邏輯高電平。同理可得，當(dāng)輸入為圖10所示的波形，即當(dāng)電流超前電壓時，則輸出的平均直流電壓為:<formula>formula see original document page 8</formula> (式5)因此，可以根據(jù)輸出的直流電壓判斷出電壓和電流之間的相位關(guān)系，從而確定出負(fù)載 阻抗的相位。將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直流平均電壓，可以用差分放大器，但也不僅限于此。綜上所述，本發(fā)明中涉及的PFD對輸入信號的要求不是很嚴(yán)格，既不要求兩個輸入信 號的幅度相等又不要求輸入為對稱的方波，因此系統(tǒng)實現(xiàn)比較容易。雖然系統(tǒng)并不復(fù)雜， 但是此鑒相方案也能很好的檢測負(fù)載阻抗的相位。由(式4)、(式5)兩式便可很好的判斷負(fù)載 阻抗的相位ve。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置，應(yīng)用于射頻匹配器的傳感器中，用于檢測射頻負(fù)載阻抗的相位，其特征在于，包括信號處理采樣電路，用于獲取射頻傳輸線上的電壓與電流信號，并對所采集的正弦波的電壓與電流信號進行處理輸出方波信號至邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD；邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD，根據(jù)輸入的方波電壓與電流信號經(jīng)過鑒頻鑒相處理，輸出脈沖控制信號至放大濾波電路；放大濾波電路，對輸入的脈沖控制信號進行放大運算處理，并通過低通濾波器輸出平均電壓控制信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置，其特征在于，所述的信號 處理采樣電路包括異或門，將所采集的正弦波的電壓與電流信號處理為方波信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置，其特征在于，所述的PFD包括兩個具有復(fù)位功能的D觸發(fā)器及一個與門；所述的方波電壓與電流信號分別作為兩個D觸發(fā)器的時鐘脈沖CP,兩個D觸發(fā)器的輸出端接與門的輸入端，與門的輸出端接兩個D觸 發(fā)器的復(fù)位端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置，其特征在于，所述的放大 濾波電路包括差分放大電路與低通濾波器。
5、 一種射頻匹配器的傳感器的鑒相方法，其特征在于，包括，A、 獲取射頻傳輸線上的電壓與電流信號，并對所采集的正弦波的電壓與電流信號進 行處理輸出方波電壓與電流信號；B、 根據(jù)輸入的方波電壓與電流信號經(jīng)過鑒頻鑒相處理，輸出脈沖控制信號C、 對輸入的脈沖控制信號進行放大運算處理，輸出平均電壓控制信號。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相方法，其特征在于，所述的步驟 A包括，采用異或門將所采集的正弦波的電壓與電流信號處理為方波信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的射頻匹配器的傳感器的鑒相方法，其特征在于，所述的步驟 C包括對輸入的脈沖控制信號通過差分放大器，進行放大運算處理，并通過低通濾波器輸出 平均電壓控制信號。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種射頻匹配器的傳感器的鑒相裝置和方法，應(yīng)用于射頻匹配器的傳感器中，用于通過射頻主傳輸線檢測射頻負(fù)載阻抗的相位，所述的裝置包括信號處理采樣電路、邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD與放大濾波電路。其中，邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相器PFD對輸入信號的要求不是很嚴(yán)格，既不要求兩個輸入信號的幅度相等又不要求輸入為對稱的方波，因此系統(tǒng)實現(xiàn)比較容易。雖然系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是此鑒相方案也能很好的檢測負(fù)載阻抗的相位。
文檔編號H01L21/00GK101217104SQ20071006328
公開日2008年7月9日 申請日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月5日
發(fā)明者張文雯 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司