專利名稱：鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)及其對(duì)負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體加工技術(shù)，尤其涉及一種鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)及其對(duì)負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法。

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)中。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)境下的晶圓相互作用，使晶圓材料表面發(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，完成晶圓的刻蝕過(guò)程。
常用的射頻電源工作頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50Ω，通過(guò)特征阻抗為50Ω的同軸電纜與反應(yīng)腔室相連。隨著刻蝕過(guò)程的進(jìn)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50Ω，即功率源與負(fù)載之間阻抗是不匹配的，這樣就導(dǎo)致RF(射頻)傳輸線上存在較大的反射功率，射頻輸出功率無(wú)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(guò)程就無(wú)法進(jìn)行，而且，功率會(huì)反射回電源，當(dāng)達(dá)到輸出功率的20％左右時(shí)，就會(huì)損壞RF電源。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)是在RF功率源與等離子體腔室之間插入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使得負(fù)載阻抗與電源阻抗能夠達(dá)到共軛匹配。由于隨著刻蝕過(guò)程的進(jìn)行，負(fù)載阻抗的值是不斷變化的，所以需要引入一個(gè)阻抗幅值、相位檢測(cè)器，即傳感器(Sensor)。通過(guò)檢測(cè)傳輸線上的電壓、電流信號(hào)，利用一定的鑒幅和鑒相方法，就可以得到負(fù)載阻抗的幅值和相位。自動(dòng)阻抗控制器根據(jù)傳感器的輸出，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變?cè)罱K使匹配網(wǎng)絡(luò)與等離子腔室的總阻抗為50Ω，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
如圖2所示，現(xiàn)有技術(shù)中的平衡式鑒幅法 根據(jù)傳輸線上的電壓和電流信號(hào)檢測(cè)負(fù)載阻抗幅值，對(duì)從RF傳輸線上取出來(lái)的電壓和電流信號(hào)通過(guò)二極管和濾波電路(由電阻電容組成，圖2中未畫(huà)出，用虛線代替)進(jìn)行整流濾波，得到電壓和電流取樣信號(hào)的直流值，分別為Mag+和Mag-，由圖2中二極管的連接可以看出(Mag+)>0，(Mag-)<0。Mag+和Mag-分別加到電位器R的兩端，通過(guò)測(cè)量電位器R中心抽頭處的電壓值就可以判斷負(fù)載阻抗幅值的情況，即有當(dāng)負(fù)載阻抗的幅值|Z|＝50Ω時(shí)，則有電位器R中心抽頭處的電壓值MAGNITUDE＝0；當(dāng)|Z|>50Ω時(shí)，MAGNITUDE>0；當(dāng)|Z|<50Ω時(shí)，MAGNITUDE<0。

上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)由于二極管特性曲線的一致性難以保證，所以其性能精度低，并且電路體積大，一致性差，可靠性低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種性能精度高、可靠性高的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)及其對(duì)負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的鑒幅傳感器，包括信號(hào)采集單元，所述的信號(hào)采集單元包括電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元，所述電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元的輸出端分別連接有模擬乘法器，所述的模擬乘法器可以接收交流電壓或交流電流信號(hào)，所述的模擬乘法器的輸出表達(dá)式為 公式1式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
本發(fā)明的射頻傳輸系統(tǒng)，包括射頻主傳輸線，所述的射頻主傳輸線上連接有權(quán)利要求1或2所述的鑒幅傳感器，所述鑒幅傳感器的電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元分別與所述射頻主傳輸線耦合，所述鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器， 所述控制器根據(jù)所述鑒幅傳感器傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算所述射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗的幅值，所述控制器的計(jì)算表達(dá)式為 公式2式中k為常量；A0和A1分別為所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)所述鑒幅傳感器處理后的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的對(duì)上述的射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，包括步驟 首先，檢測(cè)射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上的交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)； 然后，將所述交流電壓信號(hào)代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設(shè)為0，進(jìn)行運(yùn)算；以同樣的方法將所述交流電流信號(hào)代人公式1中，進(jìn)行運(yùn)算； 之后，將運(yùn)算的結(jié)果代人公式2中計(jì)算所述負(fù)載阻抗的幅值。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)及其對(duì)負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，由于模擬乘法器可以接收交流信號(hào)，鑒幅傳感器可以檢測(cè)射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上的交流電壓和電流信號(hào)；然后，由模擬乘法器通過(guò)公式1對(duì)所述交流電壓和電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)公式2計(jì)算所述射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗的幅值。性能精度高、可靠性高。



圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的射頻傳輸系統(tǒng)框圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中平衡式鑒幅的電路原理圖； 圖3為本發(fā)明的鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)的原理框圖； 圖4為本發(fā)明中模擬乘法器的電路原理圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的鑒幅傳感器及包含該傳感器的射頻傳輸系統(tǒng)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖3所示， 射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上連接有鑒幅傳感器，鑒幅傳感器包括信號(hào)采集單元、模擬乘法器，信號(hào)采集單元采集電信號(hào)輸入給模擬乘法器進(jìn)行處理。
如圖4所示，模擬乘法器可以接收交流信號(hào)，包括交流電壓信號(hào)、電流信號(hào)，模擬乘法器的輸出表達(dá)式為 (1)式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
模擬乘法器的輸出端還可以連接有低通濾波器。
鑒幅傳感器的信號(hào)采集單元包括電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元，分別采集射頻主傳輸線的電壓信號(hào)和電流信號(hào)。
鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器，控制器根據(jù)鑒幅傳感器傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗的幅值。
控制器的計(jì)算表達(dá)式為 (2)式中k為常量；A0和A1分別為電壓信號(hào)和電流電流信號(hào)經(jīng)鑒幅傳感器處理后的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的對(duì)上述的射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，包括步驟 首先，檢測(cè)射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上的交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)； 然后，將所述交流電壓信號(hào)代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設(shè)為0，進(jìn)行運(yùn)算；以同樣的方法將所述交流電流信號(hào)代人公式1中，進(jìn)行運(yùn)算； 之后，將運(yùn)算的結(jié)果代人公式2中計(jì)算所述負(fù)載阻抗的幅值。
在將運(yùn)算的結(jié)果代人公式2之前，可以首先對(duì)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行濾波，除去倍頻信號(hào)。
具體實(shí)施例 參見(jiàn)圖3，采用兩個(gè)模擬乘法器來(lái)檢測(cè)負(fù)載阻抗的幅值。一個(gè)模擬乘法器的輸入為從RF(射頻)傳輸線上取出來(lái)的電壓正弦波信號(hào)，另一個(gè)模擬乘法器的輸入為從RF傳輸線上取出來(lái)的電流正弦波信號(hào)。經(jīng)過(guò)模擬乘法器的處理之后，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)RC低通濾波器濾波之后輸入給控制器進(jìn)行下一步的處理。
假定以電壓采樣信號(hào)為參考，設(shè)鑒幅傳感器上從RF傳輸線上取出來(lái)的電壓信號(hào)為u(t)＝Ucosωt，電流信號(hào)為i(t)＝Icos(ωt-θ)，其中U、I分別為電壓和電流信號(hào)的幅度，θ為電流滯后于電壓的相位，ω為角頻率，t為時(shí)間。
根據(jù)模擬乘法器MPY634的輸出表達(dá)式 再結(jié)合圖4，由此可以得到模擬乘法器U1的傳遞關(guān)系式如下 Ulout信號(hào)經(jīng)過(guò)由電阻和電容構(gòu)成的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，除去2倍頻信號(hào)

到達(dá)DSP控制器的直流信號(hào)為 同樣，對(duì)于模擬乘法器U2，它的傳遞關(guān)系如下式所示 U2out信號(hào)經(jīng)過(guò)由電阻和電容構(gòu)成的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，除去2倍頻信號(hào)到達(dá)DSP控制器的直流信號(hào)為 控制器對(duì)信號(hào)A0和A1進(jìn)行運(yùn)算，可以得到負(fù)載阻抗的幅值|Z|為 上式中，k為比例常數(shù)，與電壓幅度U和電流幅度I有關(guān)。
本發(fā)明中涉及的鑒幅方法對(duì)輸入信號(hào)的要求不是很?chē)?yán)格，不需要將采樣電壓和電流正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，因此減少了正弦波轉(zhuǎn)直流信號(hào)的電路，在性能持平或更優(yōu)的前提下大大減小了電路復(fù)雜度和體積，鑒幅通過(guò)集成芯片模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此提高了電路的精度、一致性和可靠性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較容易。能很好的檢測(cè)負(fù)載阻抗的幅度。由公式(2)便可很好的判斷負(fù)載阻抗的幅度|Z|。
模擬乘法器的輸出可以送給控制器處理，也可以送給其它的運(yùn)算單元來(lái)進(jìn)行運(yùn)算得到負(fù)載阻抗的幅值|Z|。
適用于頻率為13.56M的射頻傳輸系統(tǒng)，也適用于0.325-100M頻段的射頻傳輸系統(tǒng)。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種鑒幅傳感器，包括信號(hào)采集單元，其特征在于，所述的信號(hào)采集單元包括電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元，所述電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元的輸出端分別連接有模擬乘法器，所述的模擬乘法器可以接收交流電壓或交流電流信號(hào)，所述的模擬乘法器的輸出表達(dá)式為
公式1式中X1、X2、Y1、Y2、Z2為輸入變量。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑒幅傳感器，其特征在于，所述的模擬乘法器的輸出端連接有低通濾波器。
3、一種射頻傳輸系統(tǒng)，包括射頻主傳輸線，其特征在于，所述的射頻主傳輸線上連接有權(quán)利要求1或2所述的鑒幅傳感器，所述鑒幅傳感器的電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元分別與所述射頻主傳輸線耦合，所述鑒幅傳感器的輸出端連接有控制器，
所述控制器根據(jù)所述鑒幅傳感器傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算所述射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗的幅值，所述控制器的計(jì)算表達(dá)式為
公式2式中k為常量；A0和A1分別為所述電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)所述鑒幅傳感器處理后的輸出信號(hào)。
4、一種對(duì)權(quán)利要求3所述的射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，其特征在于，包括步驟
首先，檢測(cè)射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上的交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)；
然后，將所述交流電壓信號(hào)代人公式1中的輸入變量X1、Y1，并將公式1中的X2、Y2、Z2設(shè)為0，進(jìn)行運(yùn)算；以同樣的方法將所述交流電流信號(hào)代人公式1中，進(jìn)行運(yùn)算；
之后，將運(yùn)算的結(jié)果代人公式2中計(jì)算所述負(fù)載阻抗的幅值。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的對(duì)所述射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，其特征在于，所述將運(yùn)算的結(jié)果代人公式2之前，首先對(duì)所述運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行濾波，除去倍頻信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鑒幅傳感器及射頻傳輸系統(tǒng)及其對(duì)負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅的方法，射頻傳輸系統(tǒng)的射頻主傳輸線上連接有鑒幅傳感器，鑒幅傳感器的電壓信號(hào)采集單元和電流信號(hào)采集單元分別采集射頻主傳輸線的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，然后由模擬乘法器接收電壓信號(hào)和電流信號(hào)，并對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算后的信號(hào)輸入給控制器，控制器對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算得到負(fù)載阻抗的幅值，實(shí)現(xiàn)射頻傳輸系統(tǒng)的負(fù)載阻抗進(jìn)行鑒幅。性能精度高、可靠性高。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101420815SQ20071017623
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者張文雯, 東 王, 申浩南 申請(qǐng)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